特開 2023-124004 ヒートシールド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023124004

(43)【公開日】2023-09-06

(54)【発明の名称】ヒートシールド

(51)【国際特許分類】

   H01J 1/26 20060101AFI20230830BHJP

   F03H 1/00 20060101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

H01J1/26

F03H1/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022027529

(22)【出願日】2022-02-25

(71)【出願人】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(71)【出願人】

【識別番号】500302552

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩエアロスペース

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】川▲崎▼ 朋晃

(72)【発明者】

【氏名】袖子田 竜也

(72)【発明者】

【氏名】橋場 道太郎

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 彦

(57)【要約】

【課題】加熱時のカソードの温度分布を評価するための温度計測が可能なヒートシールドを提供する。
【解決手段】ヒートシールド１０は、軸方向に延伸するカソード２０の外周を囲むと共に軸方向に延伸し、断熱性を有する円筒部１１を備え、円筒部１１の周面のうち、軸方向においてカソードと重なる領域Ｒにスリット１３Ａが形成され、スリット１３Ａは、カソード２０に向けて円筒部１１を貫通すると共に所定の方向に延伸している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向に延伸するカソードの外周を囲むと共に前記軸方向に延伸し、断熱性を有する円筒部を備え、
前記円筒部の周面のうち、前記軸方向において前記カソードと重なる領域にスリットが形成され、
前記スリットは、前記カソードに向けて前記円筒部を貫通すると共に所定の方向に延伸している、
ヒートシールド。

【請求項2】

前記円筒部は、
前記円筒部の径方向に積層され、前記カソードの前記外周の囲む複数の金属板
を含む
請求項１に記載のヒートシールド。

【請求項3】

各前記金属板はその厚さ方向に突出する複数の突部を有する
請求項２に記載のヒートシールド。

【請求項4】

前記円筒部は、
前記径方向に間隔を置いて設けられると共にその間に前記複数の金属板を収容する一対の収容板と、
前記一対の収容板の縁部に沿って間隔を置いて設けられ、前記一対の収容板を連結する複数の連結片と
を含む
請求項３に記載のヒートシールド。

【請求項5】

前記スリットは前記円筒部の前記軸方向に延伸している
請求項１～４のうちの何れか一項に記載のヒートシールド。

【請求項6】

前記スリットは前記円筒部の周方向に延伸している
請求項１～４のうちの何れか一項に記載のヒートシールド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、カソードの温度分布を評価するために使用されるヒートシールドに関する。

【背景技術】

【0002】

宇宙機に搭載される静電加速型推進器は電気推進器の一種であり、プラズマ中のイオンを電気的に排出することで推力を得ている。静電加速型推進器は、電子衝突によって供給ガスの高温プラズマを発生すると共に、当該プラズマ中のイオンを電界によって加速させることによって推力を得ている。また、静電加速型推進器の帯電を抑制するため、放出されたイオンビームは電子ビームによって中和される。電子源には一般的に大電流が得られるホローカソードが使用されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－０１６７９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述のホローカソードには、高密度且つ大電流の電子放出が求められる。また、動作中の安定性も求められる。このため、カソードの材料として仕事関数が低く、構造的に安定な六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）等の化合物が使用されることが多い。しかしながら、一般的に電子放出率は温度に敏感であるため、所望の電流量及び電流密度を得るためには、加熱時のカソードの温度分布を計測し、その結果からカソード及びヒータの各性能を評価する必要がある。

【0005】

本開示は上述の事情を鑑みて成されたものであり、加熱時のカソードの温度分布を評価するための温度計測が可能なヒートシールドの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係るヒートシールドは、軸方向に延伸するカソードの外周を囲むと共に前記軸方向に延伸し、断熱性を有する円筒部を備え、前記円筒部の周面のうち、前記軸方向において前記カソードと重なる領域にスリットが形成され、前記スリットは、前記カソードに向けて前記円筒部を貫通すると共に所定の方向に延伸している。

【0007】

前記円筒部は、前記円筒部の前記径方向に積層され、前記カソードの前記外周の囲む複数の金属板を含んでもよい。各前記金属板はその厚さ方向に突出する複数の突部を有してもよい。前記円筒部は、前記径方向に間隔を置いて設けられると共にその間に前記複数の金属板を収容する一対の収容板と、前記一対の収容板の縁部に沿って間隔を置いて設けられ、前記一対の収容板を連結する複数の連結片とを含んでもよい。前記スリットは、前記円筒部の前記軸方向に延伸してもよい。前記スリットは、前記円筒部の周方向に延伸してもよい。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、加熱時のカソードの温度分布を評価するための温度計測が可能なヒートシールドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の実施形態に係るヒートシールドの斜視図である。

【図2】計測対象であるカソードの一例の断面図である。

【図3】ヒータの一例を示す図であり、（ａ）はヒータの正面図、（ｂ）は（ａ）においてＡ方向から見たヒータの側面図、（ｃ）は（ａ）においてＢ方向から見たヒータの側面図である。

【図4】ヒートシールドの構成図であり、（ａ）はヒートシールドの側面図、（ｂ）はヒートシールドの正面図、（ｃ）は（ｂ）中のＣ－Ｃ断面図である。

【図5】金属板の積層状態を示す断面図である。

【図6】ヒートシールドを使用して温度計測を行っている状態を示す図である。

【図7】本開示の実施形態に係るスリットの変形例を示す図であり、（ａ）は変形例に係るスリットを有するヒートシールドの側面図、（ｂ）は（ａ）中のＤ－Ｄ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の幾つかの実施形態に係るヒートシールド１０について説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。以下、説明の便宜上、ヒートシールド１０全体の基準軸としてＺ軸を定義し、その延伸方向を軸方向ＡＤと称する。軸方向ＡＤは後述するヒートシールド１０の円筒部１１及びカソード２０の延伸方向（軸方向）でもある。更に、Ｚ軸を基準として周方向ＣＤと径方向ＲＤを定義する。

【0011】

図１は、本実施形態に係るヒートシールド１０の斜視図である。説明の便宜上、図１において左斜め前側を「前」、右斜め奥側を「後」と定義する。図１に示すように、カソード２０のインサート（エミッタ）２１は、支持体２２に装着された状態でＺ軸上に位置している。ヒータ３０は、このカソード２０の外周を囲むように設置され、カソード２０を加熱する。ヒートシールド１０は、これらカソード２０とヒータ３０の各外周を囲むように、カソード２０とヒータ３０を覆う。カソード２０、ヒータ３０、及びヒートシールド１０は、例えば、基板（図示せず）又は当該基板上の電流導入端子（図示せず）に支持されている。

【0012】

本実施形態に係るヒートシールド１０は、静電加速型推進器及び電磁加速器等のイオンエンジンの電子源に取り付けられるヒートシールドの模擬体である。ヒートシールド１０は、当該ヒートシールド１０内で発生した輻射熱を遮蔽する。輻射熱の発生源は、カソード２０を加熱するヒータ３０（図１及び図３参照）、及びヒータ３０によって加熱されたカソード２０である。ただし、ヒータ３０が設けられない場合もある。この場合、カソード２０は、その前方に設けられたキーパ電極（図示せず）との間の放電に起因して持続的に発生する高温プラズマによって加熱される。従って、輻射熱の発生源はカソード２０及び高温プラズマとなる。

【0013】

本実施形態に係るヒートシールド１０は、カソード２０の温度分布を評価するための温度計測に使用される。温度計測は、少なくともインサート２１が位置するカソード２０の部分に対するサーモグラフィ、放射温度計、パイロメータ等の非接触の温度計測器４０（図６参照）によって遂行され、その一次元の温度分布を得る。なお、カソード２０がヒータ３０（図１及び図３参照）によって加熱される場合、取得された温度分布からヒータ３０の性能評価を行うことも可能である。

【0014】

まず、評価対象であるカソード２０及びヒータ３０について説明する。
図２は、カソード２０の一例を示す断面図である。図３はヒータ３０の一例を示す図であり、（ａ）はヒータ３０の正面図、（ｂ）は（ａ）においてＡ方向から見たヒータ３０の側面図、（ｃ）は（ａ）においてＢ方向から見たヒータ３０の側面図である。

【0015】

カソード２０は、少なくとも、熱陰極であるインサート（エミッタ）２１と、インサート２１を支持する支持体２２（以下インサート支持体と称する）とを備える。インサート２１はＺ軸を中心として軸方向ＡＤに延伸する円筒形状を有し、その内部にＺ軸を中心軸とする穴が貫通している。即ち、このインサート２１は所謂ホローカソードである。インサート２１は、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）又は酸化バリウム（ＢａＯ）等の電子放出材料によって形成されている。

【0016】

インサート２１はインサート支持体２２の前端２２ａに装着される。インサート支持体２２は、モリブデン等の耐熱性金属（高融点金属）によって形成され、軸方向ＡＤに延伸する管状部材である。インサート支持体２２には、軸方向ＡＤに延伸する装着穴２３が形成されている。インサート２１はこの装着穴２３に挿入され、インサート支持体２２の前端２２ａ側に位置する。また、インサート支持体２２の前端２２ａには、電子の放出口２４を構成するオリフィス２５等の部材が取り付けられている。

【0017】

なお、インサート２１はスリーブ２６が取り付けられた状態で、装着穴２３に挿入される。スリーブ２６はカーボンによって形成され、インサート２１とインサート支持体２２の間に径方向の間隙を形成するように、例えば、カソード２０の前端と後端のそれぞれに取り付けられる。これにより、インサート２１とインサート支持体２２の間の化学反応からインサート２１を保護する。

【0018】

ヒータ３０は通電によって発熱する発熱体であり、カソード２０の外周からカソード２０を加熱する。ヒータ３０はＺ軸を中心とする概ね円筒状に外形を有し、その内径はインサート支持体２２の外径よりも大きい。ヒータ３０はカーボン等を含有する発熱部材によって構成される。また、インサート２１全体を加熱することが可能なように、発熱部材は少なくともインサート２１の外周を囲む領域に設けられる。

【0019】

例えば図３に示すように、ヒータ３０の発熱部材は、Ｚ軸を中心とする仮想的な円筒面上で軸方向ＡＤに蛇行しつつ（軸方向ＡＤを往復しつつ）、周方向ＣＤに延伸する。また、ヒータ３０は、Ｚ軸を中心としてカソード２０（インサート２１）と同心状に配置される。但し、ヒータ３０は、径方向ＲＤから見てヒートシールド１０のスリット１３Ａ（図１参照）と重なる位置に形成されない。即ち、ヒータ３０は、スリット１３Ａを介したインサート２１又はインサート支持体２２の光学的温度計測を妨げないように形成されている。

【0020】

なお、インサート２１及びインサート支持体２２の各形状は図２に示す形状に限られず、例えば他の周知の形状を有してもよい。これは材質についても同様である。例えば、インサート２１は上述のホローカソードに限られず、インサートの仕様によっては当該インサートがそのカソード支持体等から露出している場合もある。同様に、図３に示すヒータ３０の形状も図３に示す形状に限られず、その材質も上述したタンタル以外の材質であってもよい。例えば、タングステン等の高融点金属（合金）を用いた金属ヒータ、或いはグラファイトを発熱材料として用いたセラミックヒータでもよい。

【0021】

次に本実施形態に係るヒートシールド１０について説明する。
図４はヒートシールド１０の構成図であり、（ａ）はヒートシールド１０の側面図、（ｂ）はヒートシールド１０の正面図、（ｃ）は（ｂ）中のＣ－Ｃ断面図である。図１及び図４に示すように、ヒートシールド１０は、円筒部１１と、円筒部１１を支持する支持部１２とを備えている。

【0022】

円筒部１１は、少なくともカソード２０の外周を囲む中空の円筒部材である。円筒部１１は、上述の輻射熱に対する断熱性を有し、これを遮蔽する。図４（ａ）に示すように、軸方向ＡＤに沿った円筒部１１の長さは、インサート２１よりも十分に長い。図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、円筒部１１は略環状の断面を有し、軸方向ＡＤに延伸している。この略環状の断面はＺ軸上の点を中心として形成され、径方向ＲＤに所定の長さ（厚さ）を有すると共に周方向ＣＤに延伸している。従って、軸方向ＡＤから見て、カソード２０、ヒータ３０、及び円筒部１１は略同心状に配置される。

【0023】

図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、円筒部１１は、複数の金属板１４と、一対の収容板１５、１６と、複数の連結片１７とを含む。金属板１４は径方向ＲＤに積層され、カソード２０の外周を囲んでいる。金属板１４はタンタル又はモリブデン等の高融点金属によって形成されてもよく、円筒部１１内のヒータ３０等の熱源からの輻射熱を反射する。 各金属板１４はその厚さ方向に突出する複数の突部１４ａを有してもよい（図５参照）。この場合、互いに隣接する２枚の金属板１４は、それぞれに形成された突部１４ａの位置が相対的にずれるように積層される。これにより、金属板１４の間隔が適切に維持され、互いの点接触より円筒部１１の断熱性を高めることができる。複数の突部１４ａは金属板１４に対するエンボス加工などのプレス加工によって形成できる。

【0024】

一対の収容板１５、１６は、Ｚ軸を中心とする同心円上に位置すると共に円筒状に形成される。従って、一対の収容板１５、１６は円筒部１１の外形を規定している。一対の収容板１５、１６は、径方向ＲＤに間隔を置いて設けられ、その間に複数の金属板１４を収容する。即ち、収容板１５は最も径方向内方に位置し、収容板１６は上述の間隔を置いて最も径方向外方に位置する。金属板１４と同じく、各収容板１５、１６もタンタル又はモリブデン等の高融点金属によって形成され、ヒータ３０等の熱源からの輻射熱を反射する。円筒部１１としての外形を維持するため、収容板１５、１６の厚さは金属板１４よりも厚い値を有してもよい。

【0025】

収容板１５が形成する円筒の直径は、少なくともインサート支持体２２の外径よりも大きい値に設定される。更にヒータ３０が設けられる場合、この直径はヒータ３０の外径よりも大きい値に設定される。収容板１６が形成する円筒の直径は、積層された複数の金属板１４が、収容板１５と収容板１６の間に収容可能な値に設定される。

【0026】

連結片１７は、一対の収容板１５、１６の縁部に沿って間隔を置いて設けられ、一対の収容板１５、１６を連結する。連結片１７は、収容板１５、１６の相対的な位置を維持すると共に、収容板１５、１６の間から金属板１４が脱落することを防止する。連結片１７は、例えば、収容板１５、１６のそれぞれとスポット溶接によって接合している。

【0027】

ヒートシールド１０は支持部１２を備えている。支持部１２は円筒部１１の後部に設けられ、円筒部１１を支持している。支持部１２は、例えばＺ軸に直交する円形のフランジである。支持部１２には、周方向ＣＤに間隔を置いて形成された複数の穴（図示せず）が形成される。これらの穴にビス等の締結部品が挿通され、ヒートシールド１０は基板（図示せず）に固定される。

【0028】

図４（ａ）に示すように、円筒部１１には少なくとも１つのスリット１３Ａが設けられている。スリット１３Ａは、円筒部１１の周面のうち、軸方向ＡＤにおいてカソード２０と重なる領域Ｒに形成される。また、スリット１３Ａは、カソード２０に向けて円筒部１１を貫通し、軸方向ＡＤに延伸している。周方向ＣＤにおけるスリット１３Ａの長さ（即ち幅）は、スリット１３Ａを介した上述の温度計測器４０による温度計測が可能で、スリット１３Ａからの輻射熱が過剰に漏れない値に設定される。スリット１３Ａは、領域Ｒから支持部１２まで延伸していてもよい。スリット１３Ａの数は、熱の漏洩が支障をきたさない範囲で任意である。但し、スリット１３Ａが複数設けられる場合、熱膨張による円筒部１１の過剰な変形を抑制するため、Ｚ軸に対して対称な位置に設けることが望ましい。

【0029】

なお、熱の漏洩が支障をきたさない限り、円筒部１１はセラミックによって形成されてもよい。この場合、収容板１５、１６、複数の金属板１４及び連結片１７は不要となる。

【0030】

図６は、ヒートシールド１０を使用して温度計測を行っている状態を示す図である。カソード２０、ヒータ３０、及びヒートシールド１０は予め真空槽（図示せず）内に配置されている。また、ヒートシールド１０は、スリット１３Ａが観測窓４１に面するように、配置される。温度計測器４０は大気中に配置され、計測点はスリット１３Ａに合わせている。真空槽内の圧力が十分に低下した状態で、ヒータ３０に電力を投入し、カソード２０を加熱する。温度計測器４０はスリット１３Ａ及び観測窓４１を通過する赤外線又は可視光を測定し、温度を算出する。

【0031】

本実施形態では、スリット１３Ａ越しにインサート支持体２２が見えている。従って、算出した温度はインサート支持体２２の表面温度を示す。温度計測器４０がサーモグラフィカメラであれば、スリット１３Ａ全体を観察することで、スリット１３Ａから見えるインサート支持体２２の一次元の温度分布が一括に取得できる。温度計測器４０がスポット放射温度計であれば、その焦点をスリット１３Ａの一端付近から他端付近まで、所定の移動距離で段階的に移動させつつ、温度計測を行う。これにより、インサート支持体２２の一次元の温度分布、換言すればカソード２０の一次元の温度分布が取得できる。

【0032】

インサート支持体２２の一次元の温度分布とインサート２１の温度分布の差は殆どないと推測できるので、取得した温度分布のうち、インサート２１が位置する部分の分布はインサート２１の温度分布と見なすことができる。従って、この温度計測から加熱時のインサート２１の温度分布を評価することができる。また、インサート２１とインサート支持体２２を変えずにヒータ３０のみを交換した場合、ヒータ３０の交換前後の温度分布を比較することによって、ヒータ３０の性能を評価することも可能である。また、本実施形態に係るヒートシールド１０を用いた温度計測は非接触で行われる。即ち、熱電対を用いた温度計測と異なり、温度センサの接触によって熱が奪われることがない。つまり、熱の流出による測定誤差を抑制できる。

【0033】

図７は、スリット１３Ａの変形例を示す図であり、（ａ）は変形例に係るスリット１３Ｂを有するヒートシールドの側面図、（ｂ）は（ａ）中のＤ－Ｄ断面図である。変形例に係るヒートシールド１０では、スリット１３Ｂがカソード２０の周方向ＣＤに延伸している。この場合も、ヒータ３０はスリット１３Ｂと干渉しない形状を有する。即ち、径方向から見て、ヒータ３０はスリット１３Ｂと重ならない。この変形例では、インサート２１が位置するカソード２０の部分の周方向の温度分布を評価することができる。同様に、ヒータ３０の性能も評価できる。

【0034】

なお、円筒部１１にスリット１３Ａとスリット１３Ｂが設けられてもよい。例えば、スリット１３ＡがＺ軸を挟んだ両側のうちの一方側に設けられ、スリット１３Ｂはその他方側に設けられる。この場合、一回の加熱で、軸方向と周方向の温度分布を計測することができる。

【0035】

なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

【符号の説明】

【0036】

１０…ヒートシールド、１１…円筒部、１２…支持部、１３Ａ、１３Ｂ…スリット、１４…金属板、１４ａ…突部、１５…収容板、１６…収容板、１７…連結片、２０…カソード、２１…インサート（エミッタ）、２２…支持体（インサート支持体）、２３…装着穴、２４…放出口、２５…オリフィス、２６…スリーブ、３０…ヒータ、４０…温度計測器、４１…観測窓、ＡＤ…軸方向、ＣＤ…周方向、ＲＤ…径方向、Ｒ…領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】