(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-08-09
(54)【発明の名称】複数の開口を備えた伝導加熱器
(51)【国際特許分類】
H01J 19/16 20060101AFI20220802BHJP
H01J 1/22 20060101ALI20220802BHJP
【ＦＩ】
H01J19/16
H01J1/22
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022506607
(86)(22)【出願日】2020-07-09
(85)【翻訳文提出日】2022-03-30
(86)【国際出願番号】 US2020041336
(87)【国際公開番号】W WO2021021410
(87)【国際公開日】2021-02-04
(31)【優先権主張番号】16/529,454
(32)【優先日】2019-08-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】504019881
【氏名又は名称】ロッキード マーティン コーポレイション
【氏名又は名称原語表記】ＬＯＣＫＨＥＥＤ ＭＡＲＴＩＮ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【住所又は居所原語表記】６８０１ Ｒｏｃｋｌｅｄｇｅ Ｄｒｉｖｅ， Ｂｅｔｈｅｓｄａ， ＭＤ ２０８１７， Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100144451
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 博子
(74)【代理人】
【識別番号】100168871
【弁理士】
【氏名又は名称】岩上 健
(72)【発明者】
【氏名】エバーソン フランス ヘンドリック
(72)【発明者】
【氏名】ソヴリン ランダル ジェームス
(72)【発明者】
【氏名】サリヴァン レジーナ マリコ
(57)【要約】
一実施形態では、システムは、熱電子エミッタと、熱電子エミッタを少なくとも部分的に取り囲む加熱器とを含む。加熱器は、熱電子エミッタを加熱するように構成される。加熱器は、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、各々が第１の端部から第２の端部まで延びる複数の中空絶縁チューブとを含む。また、加熱器は、中空絶縁チューブの各々を通過するヒーターワイヤを含む。ヒーターワイヤは、ヒーターワイヤに流れる電流によって抵抗加熱されるように構成される。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
カソードチューブを備えるカソードと、前記カソードチューブ内に少なくとも部分的に設置された熱電子エミッタと、
前記カソードチューブを取り囲み、前記熱電子エミッタを加熱するように構成され、中空円筒形状であるグラファイト加熱器と、
を備えるシステムであって、
前記グラファイト加熱器は、
第１の端部と、
前記第１の端部の反対側の第２の端部と、
各々が前記第１の端部から前記第２の端部まで延びる複数の中空セラミック絶縁チューブと、
前記中空セラミック絶縁チューブの各々を通過するヒーターワイヤと、
を備え、前記ヒーターワイヤは、前記ヒーターワイヤに流れる電流によって抵抗加熱されるように構成される、
システム。
【請求項2】
前記複数の中空セラミック絶縁チューブのセラミックは、アルミナ、シェイパル、酸化ハフニウム、窒化ホウ素、及び酸化マグネシウムからなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記ヒーターワイヤは、高融点金属から形成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記高融点金属は、タンタル、レニウム、タングステン、及びモリブデンからなる群から選択される、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記グラファイト加熱器は、少なくとも部分的に反射性金属箔によって取り囲まれている、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
カソードチューブを備えるカソードと、前記カソードチューブ内に少なくとも部分的に設置された熱電子エミッタと、
前記カソードチューブを取り囲み、前記熱電子エミッタを加熱するように構成された加熱器と、
を備えるシステムであって、
前記加熱器は、
第１の端部と、
前記第１の端部の反対側の第２の端部と、
各々が前記第１の端部から前記第２の端部まで延びる複数の中空絶縁チューブと、
前記中空絶縁チューブの各々を通過するヒーターワイヤと、
を備え、前記ヒーターワイヤは、前記ヒーターワイヤに流れる電流によって抵抗加熱されるように構成される、
システム。
【請求項7】
前記加熱器は、中空円筒形状である、請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
前記加熱器は、グラファイト、タングステン、レニウム、又はモリブデンからなる群から選択される、請求項６に記載のシステム。
【請求項9】
前記複数の中空絶縁チューブの各々は、セラミックから形成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項10】
前記セラミックは、アルミナ、シェイパル、酸化ハフニウム、窒化ホウ素、及び酸化マグネシウムからなる群から選択される、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
前記ヒーターワイヤは、高融点金属から形成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項12】
前記高融点金属は、タンタル、レニウム、タングステン、及びモリブデンからなる群から選択される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
前記加熱器は、少なくとも部分的に反射性金属箔によって取り囲まれる、請求項６に記載のシステム。
【請求項14】
熱電子エミッタと、前記熱電子エミッタを少なくとも部分的に取り囲み、前記熱電子エミッタを加熱するように構成された加熱器と、
を備えるシステムであって、
前記加熱器は、
第１の端部と、
前記第１の端部の反対側の第２の端部と、
各々が前記第１の端部から前記第２の端部まで延びる複数の中空絶縁チューブと、
前記中空絶縁チューブの各々を通過するヒーターワイヤと、
を備え、前記ヒーターワイヤは、前記ヒーターワイヤに流れる電流によって抵抗加熱されるように構成される、
システム。
【請求項15】
前記加熱器は、中空円筒形状である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記加熱器は、グラファイト、タングステン、モリブデン、又はレニウムからなる群から選択される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項17】
前記複数の中空絶縁チューブの各々は、セラミックから形成される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項18】
前記セラミックは、アルミナ、シェイパル、酸化ハフニウム、窒化ホウ素、及び酸化マグネシウムからなる群から選択される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項19】
前記ヒーターワイヤは、高融点金属から形成され、前記高融点金属は、タンタル、レニウム、タングステン、及びモリブデンからなる群から選択される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項20】
前記加熱器は、少なくとも部分的に反射性金属箔によって取り囲まれる、請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般的には加熱器に関し、より具体的には、複数の開口を備えた伝導加熱器に関する。
【背景技術】
【0002】
特定の装置は、適切な動作のために非常に高い温度に加熱する必要がある。例えば、熱電子エミッタは、プラズマ装置用に十分な電子流を放出するために、１６００℃以上に加熱する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、このような装置のための現在の加熱器は、故障しやすく、その加熱能力には限界があり、修理が困難か又は不可能である。
【課題を解決するための手段】
【0004】
一実施形態では、システムは、カソードチューブを含むカソードと、カソードチューブ内に少なくとも部分的に設置された熱電子エミッタと、カソードチューブを取り囲み、熱電子エミッタを加熱するように構成されたグラファイト加熱器とを含む。グラファイト加熱器は、中空円筒形状である。グラファイト加熱器は、第１の端部と、第１の端部とは反対側の第２の端部と、各々が第１の端部から第２の端部まで延びる複数の中空セラミック絶縁チューブと、中空セラミック絶縁チューブの各々を通過するヒーターワイヤとを含む。ヒーターワイヤは、ヒーターワイヤに流れる電流によって抵抗加熱されるように構成される。
【0005】
別の実施形態では、システムは、カソードチューブを含むカソードと、カソードチューブ内に少なくとも部分的に設置された熱電子エミッタと、カソードチューブを取り囲み、熱電子エミッタを加熱するように構成された加熱器とを含む。加熱器は、第１の端部と、第１の端部とは反対側の第２の端部と、各々が第１の端部から第２の端部まで延びる複数の中空絶縁チューブと、中空絶縁チューブの各々を通過するヒーターワイヤとを含む。ヒーターワイヤは、ヒーターワイヤに流れる電流によって抵抗加熱されるように構成される。
【0006】
別の実施形態では、システムは、熱電子エミッタと、熱電子エミッタを少なくとも部分的に取り囲む加熱器とを含む。加熱器は、熱電子エミッタを加熱するように構成される。加熱器は、第１の端部と、第１の端部の反対側の第２の端部と、各々が第１の端部から第２の端部まで延びる複数の中空の絶縁チューブとを含む。また、加熱器は、中空絶縁チューブの各々を通過するヒーターワイヤを含む。ヒーターワイヤは、ヒーターワイヤに流れる電流によって抵抗加熱されるように構成される。
【0007】
本開示は、一般的なシステムに比べて多数の技術的利点を提供する。一例として、開示された加熱器は、汎用性があり、修理が容易である。別の例として、開示された加熱器は、熱電子エミッタに改善された加熱を提供することができ、性能能力を向上させることができる。さらに、開示された加熱器の修理可能性は、コスト及び停止時間を削減することができる。いくつかの実施形態では、加熱器はカソードチューブに直接統合することができ、これにより、性能の向上、部品数の減少、及びコストの削減がもたらされる。
【0008】
他の技術的利点は、以下の図面、説明、及び特許請求の範囲の記載から当業者には容易に明らかになるであろう。さらに、本明細書では特定の利点が列挙されているが、様々な実施形態は、列挙された利点の全て、一部、又はいずれも含まない場合もある。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】特定の実施形態による例示的なカソードを示す。
【発明を実施するための形態】
【0010】
熱電子エミッタは、多くの異なるプラズマ装置にとって重要な電子流を放出するために使用される。例えば、熱電子エミッタは、電子源、プラズマ源、及び宇宙船の電気推進装置（例えば、イオンスラスタ）で使用されるカソードの重要な構成要素である。熱電子エミッタは、十分な電子流を放出するために、非常に高い温度（例えば１６００℃）に加熱する必要がある。高い温度は、より多くの電子放出、達成可能な大きな電流、及び良好なプラズマ装置の性能につながる。高い放出電流は、必要な絶縁破壊電圧を下げ、プラズマの高速ターンオンにも重要である。
【0011】
熱電子エミッタを利用する装置は、一般的に、熱電子エミッタを放出温度まで加熱する加熱器を含む。しかしながら、一般的な加熱器（例えば、コイル加熱器）は故障しやすく、一般的にその温度加熱能力が制限される（例えば、一般的には約１７００℃に制限される）。さらに、多くの加熱器の設計は、修理が非常に困難であるか又は完全に修復不可能である。
【0012】
熱電子エミッタ用の一般的な加熱器の上記及び他の課題に対処するために、開示された実施形態は、単純な設計及び材料の適切な選択によって、修理が容易であると同時に、より高い温度で動作することができる加熱器を提供する。いくつかの実施形態では、熱電子エミッタ用の加熱器は、高温セラミック絶縁体を保持するために使用される複数の開口を備えたグラファイトチューブである。いくつかの実施形態では、グラファイトチューブには複数の穴／開口が穿設され、セラミック絶縁体チューブのホルダとして機能する。いくつかの実施形態では、これらのセラミック絶縁体は、高融点金属のヒーターワイヤを収容する。ヒーターワイヤは、このヒーターワイヤを流れる電流によって抵抗加熱され、結果的に、電気絶縁体、グラファイトチューブ、及び最終的には熱電子エミッタを加熱することができる。ヒーターワイヤは、場合によっては、ヒーターワイヤの所望の抵抗値を得るために、セラミックチューブの各々を出たり入ったりして蛇行する。場合によっては、加熱器の周りは、加熱器の効率を上げるために反射箔で取り囲まれる。
【0013】
本開示の理解を深めるために、特定の実施形態の例を以下に示す。以下の例は、決して本開示の範囲を制限するか又は定義するように解釈されるべきではない。本開示の実施形態及びその利点は、同様の番号が同様の要素及び対応する要素を示すために使用される添付図面を参照することによって最もよく理解されるであろう。
【0014】
図１は、本開示の実施形態による例示的なカソード１００を示す。いくつかの実施形態では、カソード１００は、加熱器１１０、カソードチューブ１２０、及びカソードチューブ１２０内に部分的に又は完全に設置される熱電子エミッタ１３０を含む。いくつかの実施形態では、加熱器１１０は、カソードチューブ１２０を部分的に又は完全に取り囲む。他の実施形態では、加熱器１１０はカソードチューブ１２０内に統合される。
【0015】
一般に、カソード１００は、電子源、プラズマ源、又は宇宙船の電気推進装置（例えば、イオンスラスタ）などの装置で使用することができる。加熱器１１０は、イオンスラスタなどのプラズマ装置で使用される電子流を熱電子エミッタ１３０から生成するために、熱電子エミッタ１３０を加熱する。以下でより詳細に説明するように、ヒーターワイヤ１１４は、熱電子エミッタ１３０を加熱して熱電子エミッタ１３０から所望の電子流を生成するために、加熱器１１０の絶縁チューブ１１２を通る。しかしながら、他の一般的な加熱器とは異なり、加熱器１１０は、単純な設計と適切な材料の選択により、より大きな加熱容量を可能する構成を提供しかつ非常に容易に修理することができる。その結果、加熱器１１０は、カソード１００のような装置の性能を向上させ、コスト及び運転停止時間を削減するのに役立つ。
【0016】
図２は、特定の実施形態による、図１のカソード１００と共に使用することができる例示的な加熱器１１０を示す。加えて、図３は、特定の実施形態による、加熱器１１０の端面図を示し、図４は、加熱器１１０の断面図を示し、図５は、加熱器１１０に設置されたヒーターワイヤ１１４を示す。図２－３に示されるように、加熱器１１０のいくつかの実施形態は、中空円筒形状である。他の実施形態では、加熱器１１０は、何らかの他の適切な形状とすることができる。いくつかの実施形態では、加熱器１１０は、カソード１００（例えば、カソードチューブ１２０）を部分的に又は完全に取り囲む。加熱器１１０の表面１１８が加熱され、それによって熱電子エミッタ１３０が適切に動作するように加熱される。
【0017】
加熱器１１０は、ヒーターワイヤ１１４を保持する複数の絶縁チューブ１１２を含む。例えば、加熱器１１０の図示の実施形態は、８つの絶縁チューブ１１２（１１２Ａ－１１２Ｈ）を含む。しかしながら、他の実施形態では、加熱器１１０は、特定の設計及び加熱要件によって必要とされる何らかの他の適切な数の絶縁チューブ１１２を有することができる。加えて、絶縁チューブ１１２の特定の配置が図示されているが、他の何らかの適切な配置を使用することができる。加熱器１１０は、グラファイト、タングステン、レニウムなどから部分的に又は全体的に形成することができる。
【0018】
一般に、絶縁チューブ１１２は、加熱器１１０の第１の端部２１０から加熱器１１０の第２の端部２２０まで延在する。第２の端部２２０は、第１の端部２１０とは反対側にある。各絶縁チューブ１１２は、セラミックなどの絶縁材料から形成され、ヒーターワイヤ１１４のための空間１１６を含む。いくつかの実施形態では、絶縁チューブ１１２は中空円筒形状であり、空間１１６は円柱形状である。しかしながら、絶縁チューブ１１２及び空間１１６のための何らかの他の適切な形状を使用することができる。一般的に、加熱器設計における動作不良は、主にセラミック絶縁体の破壊によって引き起こされる。しかしながら、加熱器１１０は、故障時に絶縁チューブ１１２及びヒーターワイヤ１１４を取り外して新しいものを挿入するだけで、簡単に修理することができる。
【0019】
いくつかの実施形態では、絶縁チューブ１１２は、部分的に又は全体的にセラミックから形成される。いくつかの実施形態では、セラミックは、アルミナ、シェイパル（Ｓｈａｐａｌ）、酸化ハフニウム、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、又は他の適切な絶縁材料とすることができる。いくつかの実施形態では、使用されるセラミックは、特定の温度範囲に合わせて選択される。例えば、アルミナは１６５０℃未満の温度に使用すること、シェイパルは１９００℃までの温度に使用すること、酸化ハフニウムは２７００℃までの温度に使用することができる。
【0020】
ヒーターワイヤ１１４は、一般に、ヒーターワイヤ１１４を通過する電流によって抵抗加熱される何らかの適切な金属である。いくつかの実施形態では、ヒーターワイヤ１１４は、タンタル、レニウム、タングステンなどの何らかの適切な高融点金属である。例えば、絶縁チューブ１１２がアルミナ絶縁である場合には、ヒーターワイヤ１１４にタンタルを使用することができるが、絶縁チューブ１１２がシェイパル、酸化ハフニウム、又は窒化ホウ素である場合には、レニウムワイヤを使用することができる。別の例として、ホウ素の拡散による脆化を防ぐために、絶縁チューブ１１２がシェイパル及び窒化ホウ素である場合には、ヒーターワイヤ１１４にレニウムを使用することができる。
【0021】
いくつかの実施形態では、ヒーターワイヤ１１４は、図５に最もよく示されているように、加熱器１１０の各絶縁チューブ１１２を通って前後に蛇行する。この例では、ヒーターワイヤ１１４は、絶縁チューブ１１２Ａを通って加熱器１１０の第２の端部２２０に入り、第１の端部２１０で絶縁チューブ１１２Ａを出るところまで絶縁チューブ１１２Ａを通って移動する。次に、ヒーターワイヤ１１４は、第１の端部２１０で絶縁チューブ１１２Ｂに入り、第２の端部２２０で絶縁チューブ１１２Ｂから出るところまで絶縁チューブ１１２Ｂを通って移動する。次に、ヒーターワイヤ１１４は、第２の端部２２０で絶縁チューブ１１２Ｃに入り、第１の端部２１０で絶縁チューブ１１２Ｃから出るところまで絶縁チューブ１１２Ｃを通って移動する。次に、ヒーターワイヤ１１４は、第１の端部２１０で絶縁チューブ１１２Ｄに入り、第２の端部２２０で絶縁チューブ１１２Ｄから出るところまで絶縁チューブ１１２Ｄを通って移動する。次に、ヒーターワイヤ１１４は、第２の端部２２０で絶縁チューブ１１２Ｅに入り、第１の端部２１０で絶縁チューブ１１２Ｅから出るところまで絶縁チューブ１１２Ｅを通って移動する。次に、ヒーターワイヤ１１４は、第１の端部２１０で絶縁チューブ１１２Ｆに入り、第２の端部２２０で絶縁チューブ１１２Ｆから出るところまで絶縁チューブ１１２Ｆを通って移動する。次に、ヒーターワイヤ１１４は、第２の端部２２０で絶縁チューブ１１２Ｇに入り、第１の端部２１０で絶縁チューブ１１２Ｇから出るところまで絶縁チューブ１１２Ｇを通って移動する。次に、ヒーターワイヤ１１４は、第１の端部２１０で絶縁チューブ１１２Ｈに入り、第２の端部２２０で絶縁チューブ１１２Ｈから出るところまで絶縁チューブ１１２Ｈを通って移動する。
【0022】
いくつかの実施形態では、図１に示されるように、１又は２以上のセラミックビーズ１４０は、ヒーターワイヤ１１４の露出部分を保護するために使用することができる。特に、図示のように、１又は２以上のセラミックビーズ１４０は、加熱器１１０の両端（例えば、第１の端部２１０及び第２の端部２２０）でヒーターワイヤ１１４の露出部分を部分的に又は完全に覆うために使用することができる。セラミックビーズ１４０には、何らかの適切な絶縁材料を使用することができる。加えて、何らかの適切な形状及び数のセラミックビーズ１４０を使用することができる。
【0023】
いくつかの実施形態では、図３－４に示されるような金属箔３１０は、加熱器１１０の効率を高めるために使用することができる。いくつかの実施形態では、金属箔３１０は、タンタル、タングステン、又は他の高融点金属などの何らかの適切な反射性金属材料である。いくつかの実施形態では、加熱器１１０は、カソードチューブ１２０に設置される別個の構成要素である。他の実施形態では、加熱器１１０は、カソードチューブ１２０に直接形成することができる。加熱器１１０がカソードチューブ１２０に直接形成される実施形態では、絶縁チューブ１１２のための穴は、カソードチューブ１２０に直接穿設することができる。その後、絶縁チューブ１１２は、穿設された穴に挿入することができる。このことは、部品点数の削減、熱的接触の向上、及びカソード１００の設計の簡素化という追加の利点をもたらす。
【0024】
本明細書では、「又は」は、明示的にそのように定められない限り又は文脈によってそのように定められない限り、包括的であり、排他的ではない。従って、本明細書では、「Ａ又はＢ」は、明示的にそのように定められない限り又は文脈によってそのように定められない限り、「Ａ、Ｂ、又は両方」を意味する。さらに、「及び」は、明示的にそのように定められない限り又は文脈によってそのように定められない限り、結合及び各自（ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｓｅｖｅｒａｌ）の両方を意味する。従って、本明細書では、「Ａ及びＢ」は、明示的にそのように定められない限り又は文脈によってそのように定められない限り、「Ａ及びＢを合わせて又はそれぞれ独自に」を意味する。
【0025】
本開示の範囲は、本明細書に記載又は図示された当業者が理解する例示的な実施形態の全ての変更例、置換例、変形例、代替例、及び修正例を含む。本開示の範囲は、本明細書で説明又は図示された例示的な実施形態に限定されない。さらに、本開示では、特定の構成要素、特徴、機能、作用、又はステップを含むものとして本明細書でそれぞれの実施形態を説明及び図示するが、これらの実施形態のいずれも、本明細書の何らかの場所で説明又は図示されて当業者が理解する構成要素、特徴、機能、作用、又はステップの何らかの組み合わせ又は順列を含むことができる。さらに、特許請求の範囲において、特定の機能を実行するように適合され、配置され、特定の機能を実行することができ、そのように構成され、そのように実施可能であり、そのように動作可能であり、又はそのようの動作する装置もしくはシステム、又は装置もしくはシステムの構成要素の参照は、装置、システム、又は構成要素がそのように適合され、配置され、特定の機能を実行することができ、そのように構成され、そのように実施可能であり、そのように動作可能であり、又はそのようの動作する限り、特定の機能を起動させ、作動させ、又はロック解除するか否かに関わらず、その装置、システム、構成要素を含む。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【国際調査報告】