(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電容器と、前記放電容器に取り付けられ、陽極としての前記放電容器に対して主陰極となるホローカソードと、前記放電容器の内部へ作動ガスを導入するガス導入系と、前記ホローカソードと前記放電容器との間に電圧を印加し、前記ガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて前記ホローカソード内及び前記放電容器内にプラズマを生成させる手段と、前記放電容器に取り付けられて前記放電容器内のプラズマを磁場の作用で前記放電容器の壁から離れた領域に保持する複数の磁石と、前記放電容器内のプラズマからイオンを取り出し、加速して前記放電容器の外部へ送り出す複数のグリッド板からなる加速電極とを備えたイオンエンジンにおいて、前記ホローカソードと前記放電容器との間に設けられ、前記ホローカソードで発生した熱の一部を前記放電容器の方向以外の方向に輻射して前記ホローカソードから前記放電容器に向けて移動する熱量を抑制する熱移動抑制手段を具備してなることを特徴とするイオンエンジン。
【請求項２】
前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部又はほぼ全部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に形成された高熱輻射率面部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン。
【請求項３】
前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に形成された高熱輻射率面部と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の内部に位置している部分に形成された低熱輻射率面部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン。
【請求項４】
前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に設けられた高熱輻射率面部と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の内部に位置している部分に形成された低熱輻射率面部と、前記放電容器の内面側で少なくとも前記熱遮蔽筒体に近接している前記磁石の外面を覆うように設けられた熱遮蔽層とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン。
【請求項５】
前記熱移動抑制手段は、前記放電容器と前記熱遮蔽筒体との間に介挿された複数枚の網状体からなる熱絶縁材を含んでいることを特徴とする請求項２，３，４の何れか１項に記載のイオンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星等に搭載されるイオンエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンエンジンは、人工衛星等の軌道制御、南北位置保持、主推進等に用いられている。このようなイオンエンジンのうち電子衝撃型イオンエンジンの主要部は、通常、図６に示すように構成されている。
【０００３】
すなわち、図中、１は円筒状に形成された金属材製のシールドケースを示している。このシールドケース１の周壁には小孔２が複数形成されている。
【０００４】
シールドケース１内には磁性材で形成された放電容器３が同心的に配置されている。この放電容器３の開口部は加速電極４によって蓋されている。加速電極４は、スクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂとで構成されている。これらスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂには、イオンビーム通過孔５が同軸的に複数形成されている。
【０００５】
放電容器３の底壁中央部には小径の開口部６が形成されており、この開口部６は筒体７を介してガス導入系８に通じている。そして、筒体７内に主陰極となるホローカソード９が配置されている。また、放電容器３の内壁面にはＮ極とＳ極とを交互に内側に位置させるように環状の磁石１０が複数固定されている。
【０００６】
加速電極４を構成しているスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂとは、それぞれ径方向の熱膨張を吸収するための電極支持機構１２（スクリーングリッド４ａの電極支持機構は図示せず）で支持されている。スクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂとには、定格動作時に０．７ｍｍ程度のグリッド間隔を保つための曲率がつけられている。電位的にはスクリーングリッド４ａが１ｋＶ程度で、加速グリッド４ｂが−３００Ｖ程度に保持されている。
【０００７】
ホローカソード９は、通常、図７に示すように構成されている。
【０００８】
すなわち、電子源となるのは中心部に円柱状の空洞を持つカソードインサート１３である。このカソードインサート１３は、フランジ１４に同軸的に突設された円筒状のカソードチューブ１５に挿入されている。カソードチューブ１５の先端部にはオリフィス板１６が設けてあり、このオリフィス板１６に対してカソードインサート１３が支持筒１７によって押し付けられている。なお、オリフィス板１６の中心には０．５〜ｌｍｍ程度のオリフィス１８が設けられている。また、オリフィス板１６の前面には、中心部に孔を有した円盤状のキーパ電極１９が絶縁筒２０に支持されて配置されている。カソードチューブ１５の先端部外周にはヒータ２１が装着してあり、その外側には熱シールド２２が装着されている。なお、図７において、２３，２４はヒータ２１に給電するための端子を示し、２５はキーパ電極１９を所定の電位に保つための端子を示している。
【０００９】
このように構成されたホローカソード９は、フランジ１４の周縁部が絶縁リング２６を介して筒体７に固定され、またカソードインサート１３がフランジ１４を介してガス導入系８に通じている。
【００１０】
このイオンエンジンでは、ホローカソード９のカソードインサート１３に対して放電容器３が図示しない電圧印加系統によって陽極電位に保たれる。この状態で推進剤、例えばＸｅ（キセノン）ガスがガス導入系８からホローカソード９内を通って放電容器３内に導入されると、カソードインサート１３と放電容器３との間に放電が生起され、カソードインサート１３から放出された１次電子が加速される。この１次電子がホローカソード９内のＸｅガスに衝突して電離プラズマが生成される。この電離プラズマから新たに２次電子が引き出され、１次電子と共に放電容器３内のＸｅガスに衝突し、別の電離プラズマが生成される。放電容器３内の電離プラズマは、磁石１０の作るカスプ磁場によって放電容器３の内壁面から離れた領域に閉じ込められる。
【００１１】
加速電極４は放電容器３内の電離プラズマからＸｅ+ イオンを引き出し、１ｋｅＶ程度の運動エネルギを与えてイオンビーム通過孔５から宇宙空間に放出する。この放出に伴う反力が推力となる。なお、放出されたＸｅ+ イオンビームと同じ量の電子ｅを中和器２７が宇宙空間に放出して電気的に中和し、人工衛星等が帯電するのを防止する。ホローカソード９のヒータ２１とキーパ電極１９は、点火時にカソードインサート１３から１次電子を放出させるのに用いられる。
【００１２】
ところで、このようにして運転されるイオンエンジンにおいて、磁石１０としては、通常、Ｓｍ−Ｃｏ磁石が使用されている。この磁石は約２５０℃以上になると急激な経年変化（減磁）を示す。したがって、放電容器３内の電離プラズマを良好に閉じこめるには、磁石１０を冷却して約２５０℃以下に保つ必要がある。
【００１３】
このようなことから、従来のイオンエンジンでは、放電容器３の外表面に熱輻射率の高いアルミナ溶射層等の高熱輻射率層２８を設け、この高熱輻射率層２８からシールドケース１の小孔２を通して放射状に輻射熱を放射させて放電容器３を冷却し、これによって各磁石１０の温度上昇を防止している。
【００１４】
しかしながら、前記のように構成された従来のイオンエンジンにあっては、大型化するに当たって次のような問題があった。
【００１５】
すなわち、放電容器３は通常、厚さｌｍｍ程度の鉄材で構成される。大型化する場合でも放電容器３の重量増加を抑えるために、やはり放電容器３の壁厚を１ｍｍ程度に抑える必要がある。一方、大型化すると、放電容器３内及びホローカソード９内で発生する熱量が増加する。この結果、放電容器３の内面に取りつけられている各磁石１０に侵入する熱量も増加する。このように多量の熱が各磁石１０に侵入したとき、この侵入熱を放電容器３の薄い壁内を通して熱伝導で一様に拡散させることは困難となる。このため、各磁石１０の温度が場所によって大きく異なったものとなる。
【００１６】
各磁石１０に侵入する熱の主な熱源は、放電容器３内に生成されている電離プラズマとホローカソード９内に生成されている電離プラズマとである。このうち、放電容器３内に生成されている電離プラズマから各磁石１０に流れ込む熱量はほぼ均等である。しかし、ホローカソード９内の電離プラズマから流れ込んでくる熱量は、ホローカソード９に近い磁石ほど大きくなる。特に、ホローカソード９の周囲に配置されている磁石１０ａの温度が残りの磁石１０に較べて極めて高くなり、約２５０℃以下にするのが極めて困難であった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来のイオンエンジンにあっては、大型化を図ろうとすると、特にホローカソードの近くに配置されている磁石への熱侵入が大きくなり、これら磁石が許容温度を超えてしまい、大型化するのが困難であった。
【００１８】
そこで本発明は、特にホローカソード内の電離プラズマから放電容器内の磁石へ侵入する熱量を効果的に抑制でき、もって大型化の実現に寄与できるイオンエンジンを提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、放電容器と、この放電容器に取り付けられ、陽極としての前記放電容器に対して主陰極となるホローカソードと、前記放電容器の内部へ作動ガスを導入するガス導入系と、前記ホローカソードと前記放電容器との間に電圧を印加し、前記ガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて前記ホローカソード内及び前記放電容器内にプラズマを生成させる手段と、前記放電容器に取り付けられて前記放電容器内のプラズマを磁場の作用で前記放電容器の壁から離れた領域に保持する複数の磁石と、前記放電容器内のプラズマからイオンを取り出し、加速して前記放電容器の外部へ送り出す複数のグリッド板からなる加速電極とを備えたイオンエンジンにおいて、前記ホローカソードと前記放電容器との間に設けられ、前記ホローカソードで発生した熱の一部を前記放電容器の方向以外の方向に輻射して前記ホローカソードから前記放電容器へ移動する熱量を抑制する熱移動抑制手段を備えていることを特徴としている。  なお、前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部又はほぼ全部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、この熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に形成された高熱輻射率面部とを備えていてもよい。
【００２０】
また、前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、この熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に形成された高熱輻射率面部と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の内部に位置している部分に形成された低熱輻射率面部とを備えていてもよい。
【００２１】
また、前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、この熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に設けられた高熱輻射率面部と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の内部に位置している部分に形成された低熱輻射率面部と、前記放電容器の内面側で少なくとも前記熱遮蔽筒体に近接している前記磁石の外面を覆うように設けられた熱遮蔽層とを備えていてもよい。
【００２２】
さらに、各熱移動抑制手段は、前記放電容器と前記熱遮蔽筒体との間に介挿された複数枚の網状体等からなる熱絶縁材を含んでいてもよい。
【００２３】
前記ホローカソード内の電離プラズマから流出してくる熱量は、熱遮蔽筒体に伝わり、この熱遮蔽筒体の外表面で、放電容器の外部に位置している部分に設けられた高熱輻射率面部を介して輻射でシールドケースに伝えられる。そして、シールドケースに伝えられた熱量は、輻射で宇宙空間へ放射される。このとき、シールドケースの表面にも高熱輻射率層を設けていれば一層効果的である。
【００２４】
このように、ホローカソード内の電離プラズマから流出してくる熱が、放電容器側に伝わるのを抑制できるので、放電容器内に設けられている磁石、特にホローカソードの近くに配設されている磁石が許容値以上に温度上昇するのを防止でき、結局、大型のイオンエンジンの設計が可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら発明の実施形態を説明する。
【００２６】
図１には本発明の第１の実施形態に係るイオンエンジンを一部切欠した斜視図が示されている。なお、この図では図６と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００２７】
この例に係るイオンエンジンが従来のものと異なる点は、ホローカソード９と放電容器３との間に、ホローカソード９で発生した熱の一部を放電容器３の方向以外の方向に輻射してホローカソード９から放電容器３へ移動する熱量を抑制する熱移動抑制手段３１を設けたことにある。
【００２８】
熱移動抑制手段３１は、図２に示すように、一端側にホローカソード９のフランジ１４ａが位置するように、内部にホローカソード９を同心的に収容固定した例えば金属製の熱遮蔽筒体３２と、この熱遮蔽筒体３２の外周面で、例えば軸方向の中間位置に設けられて筒体７の開口端部への接続に供されるフランジ３３と、熱遮蔽筒体３２の外周面で、フランジ３３より図中下側、つまり放電容器３より外に位置する部分に形成された高熱輻射率面部３４とで構成されている。
【００２９】
高熱輻射率面部３４は、熱遮蔽筒体３２の外周面への高熱輻射率材のコーテイング（アルミナ溶射等）あるいは外周面への高熱輻射率処理によって形成されている。
【００３０】
このような構成であると、次のようにしてホローカソード９から放電容器３へ移動する熱量が抑制される。
【００３１】
すなわち、主陰極であるホローカソード９の熱源である電離プラズマは、カソードインサート１３内の先端数ｍｍの範囲で形成される。この電離プラズマから発生した熱の大部分は、カソードインサート１３から支持筒１７及びカソードチューブ１５を介してフランジ１４ａに伝わり、このフランジ１４ａから熱遮蔽筒体３２の図２中下端部に伝わる。
【００３２】
熱遮蔽筒体３２の外周面で、図２中下端部からフランジ３３までの部分、つまり放電容器３の外に位置している部分には高熱輻射率面部３４が形成されている。このため、熱遮蔽筒体３２に伝わった熱の大部分は、高熱輻射率面部３４から放電容器３の方向以外の方向、この例ではシールドケース１に向けて輻射され、このシールドケース１から宇宙空間に放射される。
【００３３】
したがって、ホローカソード９から放電容器３へ移動する熱量を抑えることができ、この結果、磁石１０の温度、特にホローカソード９に近い部分に設けられている磁石１０ａの温度を許容値以下に抑えることができる。
【００３４】
なお、シールドケース１の表面にも高熱輻射率層を設けておけば一層効果的である。
【００３５】
図３には本発明の第２の実施形態に係るイオンエンジンの要部だけが示されている。この図では図２と同一機能部分が同一符号で示されている。したがつて、重複する部分の説明は省略する。
【００３６】
この例に係るイオンエンジンでは、熱遮蔽筒体３２の外周面で放電容器３の外部に位置する部分に前記例と同様の高熱輻射率面部３４を設け、外周面で放電容器３の内部に位置する部分に鏡面仕上げ等によって形成された低熱輻射率面部３５を設けてなる熱移動抑制手段３１ａを用いている。
【００３７】
このような構成であると、先の例と同様の効果が得られることは勿論のこと、低熱輻射率面部３５の存在が有効に作用し、熱遮蔽筒体３２の外周面で放電容器３の内部に位置する部分から輻射で放電容器３に伝わる熱量も十分に小さい値に抑えることが可能となる。
【００３８】
図４には本発明の第３の実施形態に係るイオンエンジンの要部だけが示されている。この図では図３と同一機能部分が同一符号で示されている。したがつて、重複する部分の説明は省略する。
【００３９】
この例に係るイオンエンジンでは、熱遮蔽筒体３２の外周面で放電容器３の外部に位置する部分に前記各例と同様の高熱輻射率面部３４を設け、外周面で放電容器３の内部に位置する部分に図３に示す例と同様に鏡面仕上げ等によって形成された低熱輻射率面部３５を設け、さらに放電容器３の内面側で少なくとも熱遮蔽筒体３２に近接している磁石１０ａの外面を覆うように熱遮蔽層３６を設けてなる熱移動抑制手段３１ｂを用いている。
【００４０】
このような構成であると、図３に示す例と同様の効果が得られることは勿論のこと、少なくとも熱遮蔽筒体３２に近接している磁石１０ａへ輻射で侵入する熱量を大幅に少なくすることができる。
【００４１】
なお、本発明は上述した例に限定されるものではなく、例えば上述した熱移動抑制手段に加えて、図５に示すように、筒体７とフランジ３３との間に、複数の金網等からなる熱絶縁材３７を介在させて、フランジ３３側から筒体７側へ熱伝導で伝わる熱量を抑えるようにしてもよい。また、上述した各例では熱遮蔽筒体３２の外周面で軸方向の中間位置に取り付け用のフランジ３３を設けているが、熱遮蔽筒体３２の外周面でフランジ１４ａから最も離れた位置、すなわち図２中上端部にフランジ３３を設けることによって、熱遮蔽筒体３２の外周面のほぼ全域に高熱輻射率面部３４を設けるようにしてもよい。
【００４２】
また、上述した各例では推進剤としてＸｅガスを使用しているが、Ｘｅガスに限定されるものではない。また、ガス導入系は主陰極と中和器を経由する２系統を採用しているが、この系統数に限定さるものではない。また、加速電極も２枚のグリッド板を軸方向バネで支持する方式を採用しているが、この枚数及び支持方式に限定されるものではない。また、上述した各例は本発明をリングカスプ磁場型のイオンエンジンに適用したものであるが、リングカスプ磁場型以外のイオンエンジンにも同様に適用できる。さらに、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、特にホローカソード側から放電容器内に侵入する熱量を効果的に抑制でき、大型化の実現に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るイオンエンジンを一部切欠して示す斜視図
【図２】同イオンエンジンに組み込まれたホローカソード及びその傍を取り出して示す断面図
【図３】本発明の第２の実施形態に係るイオンエンジンに組み込まれたホローカソード及びその近傍を取り出して示す断面図
【図４】本発明の第３の実施形態に係るイオンエンジンに組み込まれたホローカソード及びその近傍を取り出して示す断面図
【図５】放電容器と熱遮蔽筒体との結合部分に介挿される断熱構造を説明するための図
【図６】従来のイオンエンジンを一部切欠して示す斜視図
【図７】同イオンエンジンに組み込まれたホローカソード及びその近傍を取り出して示す断面図
【符号の説明】
１…シールドケース
２…小孔
３…放電容器
４…加速電極
５…イオンビーム通過孔
７…筒体
８…ガス導入系
９…ホローカソード
１０…磁石
１３…カソードインサート
１４…フランジ
１５…カソードチューブ
１６…オリフィス板
１９…キーパ電極
２３，２４，２５…端子
３１，３１ａ，３１ｂ…熱移動抑制手段
３２…熱遮蔽筒体
３３…フランジ
３４…高熱輻射率面部
３５…低熱輻射率面部
３６…熱遮蔽層
３７…熱絶縁材
【図１】
0003976425.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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