一种大功率电推进器用电极的冷却装置及冷却方法

摘要

一种大功率电推进器用电极的冷却装置及冷却方法，所述装置包括制冷部，介质循环部和控制部；所述控制部根据感知的温度与设定温度的差值对制冷部进行调节和控制，所述介质循环部对电极进行冷却。现如今大功率电推进器工作过程中缺乏对电极的主动冷却保护措施，本发明的电极冷却装置改变空间惯性冷却模式，与大功率电推进器结合安装，利用低温冷却剂循环主动冷却方式，解决了原有电极因工作温度过高导致的熔断问题，有效降低大功率电推进器电极工作时的温度，有效提高了电极的使用寿命，间接延长了电推进器的工作寿命，降低其使用成本。

权利要求

1.一种大功率电推进器用电极的冷却方法，其特征在于，该冷却方法应用于深空探测飞行器推进系统的磁等离子体大功率电推进器中，用两组冷却装置分别对阴极和阳极进行单独冷却；冷却过程中，将所述冷却装置中冷却剂温度和预先设定温度的差值与预设温差进行比较判断，根据判断结果控制调节所述冷却装置的转速，保持电极温度的动态平衡，所述阳极为下窄上宽的扩张型环状结构，张角为30°；所述阳极为中空结构，内置与阳极形状贴合的冷却剂流通通道，所述冷却剂流通通道为下窄上宽的环状结构；所述阴极包括具有中空结构的阴极冷却导热块，所述阴极冷却导热块的外壁与阴极紧密接触；所述阴极冷却块材质选用紫铜，设计为双环形通道结构，中心通道用于推进剂流入阴极，外环通道用于冷却剂的流通和循环；

在制冷剂循环回路中：低温低压的制冷剂在压缩机的作用下变成高温高压的制冷剂，风机和冷凝器对高温高压的制冷剂进行冷却，冷却后的制冷剂进入钛管式换热器对冷却剂进行冷却；

在冷却剂循环回路中：冷却剂储存箱内的冷却剂通过钛管式换热介质泵进入钛管式换热器内，通过与制冷剂的热交换进行冷却，冷却后的制冷剂回流至冷却剂储存箱内；

所述冷却方法采用控制柜实现温度控制，所述控制柜分别与冷却剂储存箱内的温度传感器，压缩机，风机和冷凝器连接；所述控制柜通过冷却剂储存箱里的温度传感器感知电极冷却回路中回流冷却剂的温度，控制柜对所述温度与预先设定温度的差值进行判断；当所述差值大于预设温差时，所述控制柜控制压缩机、风机和冷凝器提高转速，加快热交换速；

当所述差值小于预设温差时，所述控制柜控制压缩机、风机和冷凝器降低转速，减缓热交换速度，保持电极温度的动态平衡；

当冷却剂为冷却油时，冷却剂储存箱内的冷却剂通过冷却泵进入阳极的冷却剂流通通道或阴极冷却导热快，通过与电极热交换对电极进行冷却，完成冷却的冷却剂回流至冷却剂储存箱内，再一次在冷却剂循环回路中与制冷剂进行热交换；

当冷却剂为冷却水时，所述装置还包括水处理设备和离子交换树脂供水泵，所述冷却剂储存箱、离子交换树脂供水泵、水处理设备、冷却泵和电极顺序连接形成电极冷却回路；

冷却剂储存箱内的冷却剂通过所述离子交换树脂供水泵进入水处理设备进行去离子处理成为去离子水，所述去离子水通过冷却泵进入阳极的冷却剂流通通道或阴极冷却导热快，通过与电极热交换对电极进行冷却，完成冷却的冷却剂回流至冷却剂储存箱内，再一次在冷却剂循环回路中与制冷剂进行热交换；

所述大功率电推进器用电极的冷却方法的冷却装置，包括：压缩机，风机和冷凝器，钛管式换热器，冷却泵，钛管式换热介质泵和冷却剂储存箱，其中：所述压缩机，风机，冷凝器和钛管式换热器形成制冷剂循环回路；所述钛管式换热介质泵、冷却剂储存箱和钛管式换热器形成冷却剂循环回路；所述冷却剂储存箱、冷却泵和电极形成电极冷却回路；

所述冷却装置为两组分开设置，一组对阳极进行单独冷却，另一组对阴极进行单独冷却，所述阳极设置推进器靠近外部的位置，所述阴极设置推进器靠近内部的位置；

所述阳极为中空结构，内置与阳极形状贴合的冷却剂流通通道；

所述阴极包括具有中空结构的阴极冷却导热块，所述阴极冷却导热块的外壁与阴极紧密接触，所述阴极冷却导热块材质为紫铜；

所述冷凝器为紫铜管套铝翅片形式的冷凝器。

说明书

一种大功率电推进器用电极的冷却装置及冷却方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电极冷却方法，尤其是一种用于电推进器的电极冷却方法。

背景技术

[0002] 磁等离子体是中性气体分子在外部放电条件下形成等离子体状态，并在附加电磁场作用下形成的一种物理状态。目前用于空间大型飞行器平台的推进器均为小功率类型，而空间大型飞行器平台(如空间站)的姿态机动和变轨，这是小功率电推进器很难实现的，因此以磁等离子体电推进器为代表的大功率电推进器将是未来深空探测飞行器推进系统的首选，在满足外部大功率供电条件的基础上，较容易实现大推力、高比冲的推进性能。大功率电推进器在工作过程中会通过电极间的大电流放电电离推进剂，从而产生所需要的离子，离子在附加电磁场的作用下喷出，产生所需的推力。由于大功率电推进器多数是通过电极放电实现推进剂电离的，电推进器的工作寿命主要取决于电极的寿命，在大功率条件下，影响电极寿命的主要因素是放电产生的高温和离子运动对电极的烧蚀作用。在放电过程中将会产生很大的热量，这些热量主要集中在放电电极的位置，会严重影响电极的工作寿命。

[0003] 目前空间已应用的电推进器均为小功率类型，其产生的热量仅通过传统辐射散热即可满足要求，但当电推进器功率增大后，传统的风冷、空冷和辐射散热无法满足大功率电推进器电极处产生的高温冷却需求，同时如果缺乏有效的电极冷却装置，将导致电极在高温下熔断和烧蚀，在空间环境中对电极进行更换几乎是不可能的，因此必须采用新的有效的冷却装置来解决这一问题。

[0004] 现有技术方案主要是针对离子运动对电极的烧蚀作用设计的，通过对离子运动状态的测试和计算，得出离子的运动特性，以此为基础开展对电极结构、电磁场位形和磁场强度的研究，而针对高温对电极寿命的影响问题，现阶段主要采用的是惯性辐射散热形式，此种被动散热方式在真空环境中效果并不显著，严重制约了大功率电推进器电极的使用寿命，除此之外暂未提出专门针对电极的冷却装置。

发明内容

[0005] 鉴于以上分析，针对大功率电推进器电极寿命受工作温度影响的问题，本发明提出了一种大功率电推进器电极冷却方法及实现所述方法的冷却装置，所述冷却装置与大功率电推进器结合安装，利用低温冷却剂循环主动冷却方式，解决原有电极因工作温度过高导致的熔断问题，有效降低电极工作时的温度，延长电极的寿命。

[0006] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

[0007] 一种大功率电推进器用电极的冷却方法，该冷却方法应用于深空探测飞行器推进系统的磁等离子体大功率电推进器中，用两组冷却装置分别对阴极和阳极进行单独冷却；冷却过程中，将所述冷却装置中冷却剂温度和预先设定温度的差值与预设温差进行比较判断，根据判断结果控制调节所述冷却装置的转速，保持电极温度的动态平衡，所述阳极为中空结构，内置与阳极形状贴合的冷却剂流通通道，所述阴极包括具有中空结构的阴极冷却导热块，所述阴极冷却导热块的外壁与阴极紧密接触。

[0008] 阳极设计成中空结构，内置与阳极结构一致的且尽可能与阳极结构贴合的冷却剂流通通道，便于冷却剂从阳极内部流通，增加冷却剂流通通道与阳极贴合的面积，使冷却效果达到最大，实现了与阳极结构体直接进行热交换的目的，达到对阳极的冷却效果。

[0009] 进一步地，在制冷剂循环回路中：低温低压的制冷剂在所述压缩机的作用下变成高温高压的制冷剂，风机和冷凝器对高温高压的制冷剂进行冷却，冷却后的制冷剂进入钛管式换热器对冷却剂进行冷却；

[0010] 在冷却剂循环回路中：冷却剂储存箱内的冷却剂通过钛管式换热介质泵进入钛管式换热器内，通过与制冷剂的热交换进行冷却，冷却后的制冷剂回流至冷却剂储存箱内。

[0011] 进一步地，当冷却剂为冷却油时，冷却剂储存箱内的冷却剂通过冷却泵进入阳极的冷却剂流通通道或阴极冷却导热快，通过与电极热交换对电极进行冷却，完成冷却的冷却剂回流至冷却剂储存箱内，再一次在冷却剂循环回路中与制冷剂进行热交换。

[0012] 进一步地，当冷却剂为冷却水时，所述装置还包括水处理设备和离子交换树脂供水泵，所述冷却剂储存箱、离子交换树脂供水泵、水处理设备、冷却泵和电极顺序连接形成电极冷却回路；

[0013] 冷却剂储存箱内的冷却剂通过所述离子交换树脂供水泵进入水处理设备进行去离子处理成为去离子水，所述去离子水通过冷却泵进入阳极的冷却剂流通通道或阴极冷却导热快，通过与电极热交换对电极进行冷却，完成冷却的冷却剂回流至冷却剂储存箱内，再一次在冷却剂循环回路中与制冷剂进行热交换。

[0014] 冷却剂采用液态水，离子交换树脂供水泵将冷却剂储存箱里的冷却水输送到水处理设备里，水处理设备对冷却水进行去离子处理，从而达到绝缘的目的。

[0015] 进一步地，所述装置还包括控制柜，所述控制柜分别与冷却剂储存箱内的温度传感器，压缩机，风机和冷凝器连接；所述控制部通过冷却剂储存箱里的温度传感器感知电极冷却回路中回流冷却剂的温度，控制柜对所述温度与预先设定温度的差值进行判断；当所述差值大于预设温差时，所述控制部控制压缩机、风机和冷凝器提高转速，加快热交换速；当所述差值小于预设温差时，所述控制部控制压缩机、风机和冷凝器降低转速，减缓热交换速度，保持电极温度的动态平衡。

[0016] 通过冷却剂储存箱里的温度传感器感知回流冷却剂温度，控制柜可根据此感知温度与设定温度的差值来对冷却装置的各组件的运动状态进行调节和控制，达到对电极冷却的目的。

[0017] 本发明还提供一种所述大功率电推进器用电极的冷却方法的冷却装置，包括：压缩机，风机和冷凝器，钛管式换热器，冷却泵，钛管式换热介质泵和冷却剂储存箱，其中：所述压缩机，风机，冷凝器和钛管式换热器形成制冷剂循环回路；所述钛管式换热介质泵、冷却剂储存箱和钛管式换热器形成冷却剂循环回路；所述冷却剂储存箱、冷却泵和电极形成电极冷却回路。

[0018] 进一步地，所述冷却装置为两组分开设置，一组对阳极进行单独冷却，另一组对阴极进行单独冷却，所述阳极设置推进器靠近外部的位置，所述阴极设置推进器靠近内部的位置。

[0019] 进一步地，所述阳极为中空结构，内置与阳极形状贴合的冷却剂流通通道。

[0020] 进一步地，所述阴极包括具有中空结构的阴极冷却导热块，所述阴极冷却导热块的外壁与阴极紧密接触，所述阴极冷却导热块材质为紫铜。

[0021] 阴极冷却导热块采用紫铜制作，具有较好的导热性，与阴极紧密接触且阴极冷却导热块为内部中空结构，便于冷却剂流通，从而最大程度的增加热交换面积，达到对阴极的冷却效果。

[0022] 进一步地，所述冷凝器为紫铜管套铝翅片形式的冷凝器。

[0023] 冷凝器为高效紫铜管套铝翅片散热形式，为高温高压制冷剂气体的冷却提供安全可靠的冷却保障。紫铜管搭配铝翅，表面使用钢板。热的制冷剂流经铜管，致使铝翅片发热散热，达到大面积散热的目的。

[0024] 进一步地，所述控制部为控制柜，所述控制柜分别与冷却剂储存箱内的温度传感器，压缩机，风机和冷凝器连接，控制所述压缩机、风机和冷凝器的工作状态。所述控制部通过冷却剂储存箱里的温度传感器感知电极冷却回路中回流冷却剂的温度，控制柜对所述温度与预先设定温度的差值进行判断；当所述差值大于预设温差时，所述控制部控制压缩机、风机和冷凝器提高转速，加快热交换速；当所述差值小于预设温差时，所述控制部控制压缩机、风机和冷凝器降低转速，减缓热交换速度，使电极温度保持动态平衡。

[0025] 本发明有益效果如下：

[0026] 本发明主要应用于大功率电推进器上，适用于空间大型飞行器平台的姿态机动和变轨，这是小功率电推进器很难实现的。对于大功率电推进器而言，由于环境的限制，传统的风冷无法应用，而空冷、辐射散热又无法满足电极处产生的高温冷却需求，另外在空间环境中对电极进行更换几乎是不可能的，现如今大功率电推进器工作过程中缺乏对电极的主动冷却保护措施，因此本发明提供了一种大功率电推进器用电极冷却装置及冷却方法。本发明通过加入电极冷却装置可改变空间惯性冷却模式，采用主动冷却形式替代传统被动散热形式，通过将所发明的冷却装置与大功率电推进器的电极结合安装，利用低温冷却剂循环主动冷却方式，解决了原有电极因工作温度过高导致的熔断问题，有效降低大功率电推进器电极工作时的温度。

[0027] 由于在大功率电推进器中，阴极和阳极结构及安装方式均不相同，本发明采用两套冷却装置分别为阴极和阳极进行冷却，提高冷却效果，同时本发明分别为阴极和阳极设置不同的冷却方式。阳极设计为具有中空结构的阳极，内置与阳极结构一致的且尽可能与阳极结构贴合的冷却剂流通通道，增加冷却剂流通通道与阳极贴合的面积，使冷却效果达到最大。在阴极设置了阴极冷却导热块为阴极冷却，增加冷却速率，使冷却效果最佳。

[0028] 采用本发明的主动冷却方式后，在达到相同冷却效果的条件下可将冷却所需时间缩短50％，电极的使用寿命可以延长为传统被动冷却方式的三倍以上，有效提高了电极的使用寿命，间接延长了电推进器的工作寿命，降低其使用成本。

[0029] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0030] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0031] 图1是实施例1中的阳极冷却装置组成原理图。

[0032] 图2是实施例1中的阴极冷却装置组成原理图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明作进一步说明，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

[0034] 本发明主要应用于大功率电推进器上，适用于空间大型飞行器平台的姿态机动和变轨，这是小功率电推进器很难实现的。采用水冷或者油冷等适用于真空环境的主动冷却方式可以有效地降低电极温度，延长其使用寿命。

[0035] 实施例1

[0036] 本实施例中的冷却剂为液态水。

[0037] 一种大功率电推进器用电极冷却装置，包括：压缩机、风机、冷凝器、钛管式换热器、冷却泵、钛管式换热介质泵、离子交换树脂供水泵、水处理设备、冷却剂储存箱、控制柜、阴极冷却导热块、阴极和阳极。

[0038] 压缩机的出口与风机的进口相连接，风机的出口与冷凝器的进口相连接，冷凝器的出口与钛管式换热器内通道一的进口相连，钛管式换热器内通道一的出口与压缩机进口相连，如此形成制冷剂的循环回路。钛管式换热介质泵一端与冷却剂储存箱相连接，另一端连接钛管式换热器内通道二的进口，钛管式换热器内通道二的出口通过输送管道与冷却剂储存箱连接，如此形成冷却剂循环回路。离子交换树脂供水泵进口端与冷却剂储存箱相连接，出口端连接水处理设备进口端，冷却泵进口端与水处理设备出口端相连接，冷却泵出口端连接需要冷却的电极，电极冷却剂出口与冷却剂储存箱连接形成电极冷却回路。在阴极冷却回路中，冷却泵出口端连接阴极冷却导热块的进口端，阴极冷却导热块的出口端通过输送管道与冷却剂储存箱相连；在阳极冷却回路中，阳极设计成中空结构，内置与阳极结构一致的冷却剂流通通道，所述冷却剂流通通道尽可能的与阳极结构贴合，这样可以使冷却剂流通通道与阳极贴合的面积最大，冷却效果达到最大，在本实施例中的阳极为下窄上宽的扩张型环状结构，其张角为30°，阳极的材料为金属钼，这样设计的阳极既能使推进剂喷射效率最高也具有耐高温的特性，因此在本实施例中，阳极内的冷却剂流通通道形状也为下窄上宽的环状结构，环阳极结构，且尽量贴合阳极形状，使阳极的冷却效果达到最佳。将冷却泵出口端连接阳极冷却剂进口端，阳极冷却剂出口端通过输送管道与冷却剂储存箱相连。阴极和阳极结构设置不同原因在于，阳极在推进器靠近外部的位置，把阳极设为中空结构，一方面能够减小阳极的体积，节省空间，另一方面是为了方便推进器的组装；阴极在推进器靠近里面的位置，阴极本身的体积较大，而推进器内部又有空间的限制，因此将阴极设置成中空结构的话，阴极的体积会很大，不方便加工也不方便推进器的组装，因此在为阴极冷却的时候，设置具有中空结构的阴极冷却导热块为阴极冷却，阴极冷却块材质选用紫铜，设计为双环形通道结构，中心通道用于推进剂流入阴极，外环通道用于冷却剂的流通和循环。控制柜通过信号线分别与冷却剂储存箱传感器、压缩机、风机和冷凝器相连接。

[0039] 装置的工作过程如下：

[0040] 低温低压的制冷剂在压缩机的作用下变成高温高压的制冷剂，并通过风机和冷凝器实现对高温高压的制冷剂的冷却；冷却剂储存箱内的冷却剂通过钛管式换热介质泵完成在冷却剂循环回路中的循环；制冷剂与冷却剂在钛管式换热器内完成热交换。同时，离子交换树脂供水泵将冷却水输送到水处理设备(本实施例中为去离子水处理设备)中，使其成为去离子水，去离子水经过冷却泵输送到与电极相应的冷却通道里进行热交换处理，完成热交换后回流到冷却剂储存箱中进行再一轮与制冷剂的热交换。

[0041] 压缩机用于将低温低压的制冷剂气体进行压缩，形成高温高压的制冷剂气体，制冷剂选用氟利昂。风机用于加速高温高压制冷剂气体，可以提高压缩机的工作效率，风机选用大功率轴流风机。冷凝器为高效紫铜管套铝翅片散热形式，为高温高压制冷剂气体的冷却提供安全可靠的冷却保障。钛管式换热器是制冷剂与冷却剂进行热交换的场所，内置两路管道，之间采用导热板连接，一路管道供制冷剂流通，另一路管道供冷却剂流通。钛管式换热介质泵用于将冷却剂储存箱里的冷却剂输送到钛管式换热器内，在钛管式换热器内冷却剂与氟利昂制冷剂进行热交换，冷却后的冷却剂通过管道回流到冷却剂储存箱储存，钛管式换热介质泵同时可以对冷却剂储存箱里的冷却剂进行搅拌，使其温度比较均匀。冷却剂采用液态水，离子交换树脂供水泵将冷却剂储存箱里的冷却水输送到水处理设备里，水处理设备对冷却水进行去离子处理，从而达到绝缘的目的。冷却泵可将经过处理的去离子冷却水输送到电极，使冷却水与电极进行热交换后通过管道回流到冷却剂储存箱，如此循环运动。阴极冷却导热块采用紫铜制作，具有较好的导热性，与阴极紧密接触且导热块为内部中空结构，便于冷却剂流通，从而最大程度的增加热交换面积，达到对阴极的冷却效果；阳极设计成中空结构，便于冷却剂从阳极内部流通，实现了与阳极结构体直接进行热交换的目的，达到对阳极的冷却效果。冷却剂储存箱内置温度传感器，通过冷却剂储存箱里的温度传感器感知回流冷却剂温度，控制柜可根据此感知温度与设定温度的差值来对冷却装置的各组件的运动状态进行调节和控制，当所述差值大于预设温差时，所述控制部控制压缩机、风机和冷凝器提高转速，加快热交换速度保持高效冷却；当所述差值小于预设温差时，所述控制部控制压缩机、风机和冷凝器降低转速，减缓热交换速度，维持电极工作所需合适的温度，使电极温度能够保持一种动态平衡，达到对电极冷却的目的，本实施例中的预设温差为300℃。

[0042] 实施例2

[0043] 本发明中的冷却水也可以用冷却油替代，如果采用冷却油，其装置中可不采用水处理设备和离子交换树脂供水泵，其他装置相同。

[0044] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。