CN105083591B - 基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置 - Google Patents

基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置，包括多块基于纳米气凝胶的机热集成隔热板；其中，所述基于纳米气凝胶的机热集成隔热板包括隔热板上蒙皮、隔热板下蒙皮、结构支撑件和纳米气凝胶隔热板；所述隔热板上蒙皮与所述纳米气凝胶隔热板以及所述隔热板下蒙皮与所述纳米气凝胶隔热板之间设置所述纳米气凝胶隔热板。本发明设置有纳米气凝胶隔热板，通过蒙皮和结构支撑杆件等结构承力，使仪器安装板和隔热层一体化集成，具有优良的隔热性能，并具备显著的减重效果；本发明结构简单，布局合理，适用范围较广。

Description

基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置
技术领域
本发明涉及隔热装置，具体地，涉及一种用于临近空间探测器热控制的基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置。
背景技术
火星表面存在CO2大气、2～20m/s的风速，温度变化范围-130℃～+30℃；临近空间为距离海平面20～100km高空，由于临近空间独特的气温、气压等环境因素(以距地面20km处为例，气压约为5.5kPa，温度约为-57℃)，与大气层外的航天器相比，火星着陆探测器和临近空间探测器与外部环境存在多种换热方式，为满足仪器设备的温度要求，考虑探测器有限的重量和能源，其轻质高效的隔热装置十分重要。而在有气体对流的热环境下，传统航天器多层隔热组件的隔热效果明显下降，多层已不能满足于这两类探测器。
纳米气凝胶是一种以纳米量级胶体粒子相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的高分散固态材料。SiO2气凝胶密度低(0.003～0.5g/cm3)，孔隙率高(80％～99.8％)，常温常压下的热导率低于0.02W/m·K，甚至低达0.012W/m·K，并能适应-200～800℃的高低温真空环境，是固体材料中热导率最低的一种材料。但气凝胶强度低、脆性大的特点，在工程上难以作为块体隔热材料单独使用。而在气凝胶制备过程中引入增强体进行增强、增韧，可在一定程度上提高气凝胶的力学性能，但如果要保证足够的力学性能，就需引入较多增强体，增强体本身较高的热导率增加了材料的固相热传导，导致隔热效果降低。
本发明所述的隔热装置以纳米气凝胶隔热材料与结构支撑材料机热一体化集成，满足在火星表面和临近空间环境下的隔热要求，同时减少对重量和能源等资源的占用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置。
根据本发明提供的基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置，包括多块基于纳米气凝胶的机热集成隔热板；
其中，所述基于纳米气凝胶的机热集成隔热板包括隔热板上蒙皮、隔热板下蒙皮、结构支撑件和纳米气凝胶隔热板；
所述隔热板上蒙皮与所述纳米气凝胶隔热板以及所述隔热板下蒙皮与所述纳米气凝胶隔热板之间设置所述纳米气凝胶隔热板。
优选地，所述结构支撑件包括第一结构支撑杆件、第二结构支撑杆件、第三结构支撑杆件和第四结构支撑杆件；
其中，多个所述第三结构支撑杆件和多个所述第四结构支撑杆件依次首尾相连构成结构支撑框；
所述第一结构支撑杆件和所述第二结构支撑杆件交叉连接构成结构支撑面；
所述支撑面设置在所述支撑框且连接所述结构支撑框的内侧端。
优选地，所述第一结构支撑杆件的两端和中间段设有下凹槽；
所述第二结构支撑杆件的两端设置有下凹槽；所述第二结构支撑杆件的中间段设置有上凹槽；
所述第三结构支撑杆件的两端设置有下凹槽；所述第三结构支撑杆件的中间段设置有上凹槽；
所述第四结构支撑杆件的两端设置有上凹槽；所述第四结构支撑杆件的中间段设置有上凹槽；
所述第一结构支撑杆件中间段的下凹槽连接所述第二结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第一结构支撑杆件两端的下凹槽连接所述第四结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第二结构支撑杆件两端的下凹槽连接所述第三结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第四结构支撑杆件两端的上凹槽连接所述第三结构支撑杆件两端的下凹槽。
优选地，所述第三结构支撑杆件和所述第四结构支撑杆件设置有安装孔和螺钉；
所述螺钉用于连接待隔热设备；所述安装孔用于连接纳米气凝胶隔热板。
优选地，所述纳米气凝胶隔热板采用纤维和具有纳米多孔结构的SiO2气凝胶复合材料制成；
所述隔热板上蒙皮、所述隔热板下蒙皮和所述结构支撑件采用碳纤维材料制成。
优选地，所述纳米气凝胶隔热板包括多块纳米气凝胶块；所述纳米气凝胶块采用纤维和具有纳米多孔结构的SiO2气凝胶复合材料制成；所述纳米气凝胶块上设置有放气孔。
优选地，所述放气孔的直径为0.5mm；所述蒙皮的厚度为0.3mm。
优选地，所述螺钉采用钛合金制成。
优选地，所述第一结构支撑杆件中间段的下凹槽通过粘接剂连接所述第二结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第一结构支撑杆件两端的下凹槽通过粘接剂连接所述第四结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第二结构支撑杆件两端的下凹槽通过粘接剂连接所述第三结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第四结构支撑杆件两端的上凹槽通过粘接剂连接所述第三结构支撑杆件两端的下凹槽。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明设置有纳米气凝胶隔热板，通过蒙皮和结构支撑杆件等结构承力，使仪器安装板和隔热层一体化集成，具有优良的隔热性能，并具备显著的减重效果；
2、本发明结构简单，布局合理，适用范围较广。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置的结构示意图；
图2为图1中所示的纳米气凝胶隔热顶板结构示意图；
图3为图2的A-A线剖视图；
图4为图2的B-B线剖视图；
图5为本发明中第一结构支撑杆件的结构示意图；
图6为本发明中第二结构支撑杆件的结构示意图；
图7为本发明中第三结构支撑杆件的结构示意图；
图8为本发明中第四结构支撑杆件的结构示意图。
图中：
1为蒙皮；
2为第一结构支撑杆件；
3为第二结构支撑杆件；
4为第三结构支撑杆件；
5为第四结构支撑杆件；
6为纳米气凝胶隔热板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，本发明提供的基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置，包括多块基于纳米气凝胶的机热集成隔热板；
其中，所述基于纳米气凝胶的机热集成隔热板包括隔热板上蒙皮、隔热板下蒙皮、结构支撑件和纳米气凝胶隔热板；所述隔热板上蒙皮与所述纳米气凝胶隔热板以及所述隔热板下蒙皮与所述纳米气凝胶隔热板之间设置所述纳米气凝胶隔热板。所述纳米气凝胶隔热板6与蒙皮1、结构支撑杆件通过耐高温粘接剂粘接。蒙皮1包括隔热板上蒙皮和隔热板下蒙皮。
所述结构支撑件包括第一结构支撑杆件、第二结构支撑杆件、第三结构支撑杆件和第四结构支撑杆件；其中，多个所述第三结构支撑杆件和多个所述第四结构支撑杆件依次首尾相连构成结构支撑框；所述第一结构支撑杆件和所述第二结构支撑杆件交叉连接构成结构支撑面；所述支撑面设置在所述支撑框且连接所述结构支撑框的内侧端。
所述第一结构支撑杆件的两端和中间段设有下凹槽；所述第二结构支撑杆件的两端设置有下凹槽；所述第二结构支撑杆件的中间段设置有上凹槽；所述第三结构支撑杆件的两端设置有下凹槽；所述第三结构支撑杆件的中间段设置有上凹槽；所述第四结构支撑杆件的两端设置有上凹槽；所述第四结构支撑杆件的中间段设置有上凹槽；所述第一结构支撑杆件中间段的下凹槽连接所述第二结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第一结构支撑杆件中间段的下凹槽通过粘接剂连接所述第二结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第一结构支撑杆件两端的下凹槽通过粘接剂连接所述第四结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第二结构支撑杆件两端的下凹槽通过粘接剂连接所述第三结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第四结构支撑杆件两端的上凹槽通过粘接剂连接所述第三结构支撑杆件两端的下凹槽。所述粘接剂采用耐高温粘接剂。所述第三结构支撑杆件和所述第四结构支撑杆件设置有安装孔和螺钉；所述螺钉用于连接待隔热设备；所述安装孔用于连接纳米气凝胶隔热板。具体为，待隔热设备通过垫圈和安装脚上的安装孔拧入结构支撑杆件内埋件的螺钉连接安装；纳米气凝胶隔热板之间通过穿过垫圈和一块结构支撑杆件上的安装孔并拧入另一块结构支撑杆件上安装孔的螺钉相互连接，形成封闭的机热集成隔热装置，如图1所示。本发明提供的基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置还设有电缆孔。
所述纳米气凝胶隔热板采用纤维和具有纳米多孔结构的SiO2气凝胶复合材料制成；SiO2气凝胶复合材料密度为0.05至0.1g/cm3，导热系数低于0.02W/m·K。隔热板上蒙皮、所述隔热板下蒙皮和所述结构支撑件采用低热导率的碳纤维材料制成。所述纳米气凝胶隔热板包括多块纳米气凝胶块；所述纳米气凝胶块采用纤维和具有纳米多孔结构的SiO2气凝胶复合材料制成；所述纳米气凝胶块上设置有放气孔。所述放气孔的直径为0.5mm；所述蒙皮的厚度为0.3mm。所述螺钉采用低热导率的钛合金制成。所述垫圈为低热导率不锈钢材质。
本发明提供的基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置，采用纳米气凝胶作为隔热材料，由于SiO2气凝胶复合材料突出的隔热性能，蒙皮和结构支撑杆件为低热导率碳纤维材质，显著减小了隔热板两侧的换热。通过蒙皮、结构支撑杆件、埋件及螺钉等安装固定并承力，可使仪器设备直接安装于基于纳米气凝胶的机热集成隔热板上，基于纳米气凝胶的机热集成隔热板之间通过螺钉相互连接形成封闭的机热集成隔热装置，使仪器安装板和隔热层一体化集成，满足火星着陆探测器和临近空间飞行器仪器设备的安装和热控要求。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置，其特征在于，包括多块基于纳米气凝胶的机热集成隔热板；
其中，所述基于纳米气凝胶的机热集成隔热板包括隔热板上蒙皮、隔热板下蒙皮、结构支撑件和纳米气凝胶隔热板；
所述结构支撑件设置在所述隔热板上蒙皮和隔热板下蒙皮之间；
所述结构支撑件设置有多个纳米气凝胶填充网格；所述纳米气凝胶隔热板设置在所述纳米气凝胶填充网格中；
所述纳米气凝胶隔热板包括多块纳米气凝胶块；所述纳米气凝胶块采用纤维和具有纳米多孔结构的SiO2气凝胶复合材料制成；所述纳米气凝胶块上设置有放气孔；
所述结构支撑件包括第一结构支撑杆件、第二结构支撑杆件、第三结构支撑杆件和第四结构支撑杆件；
其中，多个所述第三结构支撑杆件和多个所述第四结构支撑杆件依次首尾相连构成结构支撑框；
所述第一结构支撑杆件和所述第二结构支撑杆件交叉连接构成结构支撑面并形成多个纳米气凝胶填充网格；
所述支撑面设置在所述支撑框内且连接所述结构支撑框的内侧端；
所述放气孔的直径为0.5mm；所述蒙皮的厚度为0.3mm。
2.根据权利要求1所述的基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置，其特征在于，所述第一结构支撑杆件的两端和中间段设有下凹槽；
所述第二结构支撑杆件的两端设置有下凹槽；所述第二结构支撑杆件的中间段设置有上凹槽；
所述第三结构支撑杆件的两端设置有下凹槽；所述第三结构支撑杆件的中间段设置有上凹槽；
所述第四结构支撑杆件的两端设置有上凹槽；所述第四结构支撑杆件的中间段设置有上凹槽；
所述第一结构支撑杆件中间段的下凹槽的槽底连接所述第二结构支撑杆件中间段的上凹槽的槽底；所述第一结构支撑杆件两端的下凹的槽底槽连接所述第四结构支撑杆件中间段的上凹槽的槽底；所述第二结构支撑杆件两端的下凹槽的槽底连接所述第三结构支撑杆件中间段的上凹槽的槽底；所述第四结构支撑杆件两端的上凹槽的槽底连接所述第三结构支撑杆件两端的下凹槽的槽底。
3.根据权利要求2所述的基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置，其特征在于，所述第三结构支撑杆件和所述第四结构支撑杆件设置有安装孔和螺钉；
所述螺钉用于连接待隔热设备；所述安装孔用于连接纳米气凝胶隔热板。
4.根据权利要求3所述的基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置，其特征在于，所述螺钉采用钛合金制成。
5.根据权利要求1所述的基于纳米气凝胶的机热集成隔热装置，其特征在于，
所述第一结构支撑杆件中间段的下凹槽的槽底通过粘接剂连接所述第二结构支撑杆件中间段的上凹槽的槽底；所述第一结构支撑杆件两端的下凹槽的槽底通过粘接剂连接所述第四结构支撑杆件中间段的上凹槽的槽底；所述第二结构支撑杆件两端的下凹槽的槽底通过粘接剂连接所述第三结构支撑杆件中间段的上凹槽；所述第四结构支撑杆件两端的上凹槽通过粘接剂连接所述第三结构支撑杆件两端的下凹槽的槽底。
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