CN110307335B

CN110307335B - 一种腔体孔的密封结构

Info

Publication number: CN110307335B
Application number: CN201910297471.6A
Authority: CN
Inventors: 文玉华; 范新虎; 彭华备
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: CN110307335A

Abstract

一种用于腔体孔密封的结构，包括腔体（1）上加工的环槽（101）、形状记忆合金环（3）、密封帽（4）。所述密封帽（4）有壁厚为0.1~0.3mm的下沿（401），可与腔体环槽（101）形成配合；形状记忆合金环（3）套在密封帽下沿（401）外。加热后，形状记忆合金环（3）内径收缩并对密封帽下沿（401）产生挤压，使其内壁与腔体环槽（101）的内壁形成密封面，从而完成腔体孔的密封。针对不同截面孔的密封，可根据环槽的形状选择对应的形状记忆合金环与密封帽。采用本发明密封腔体孔：结构简单；加热温度低，对腔体内零件的性能与寿命影响小；环境温度发生变化时密封依旧可靠；可防止密封孔被外界环境污染。

Description

一种腔体孔的密封结构

技术领域

本发明涉及密封技术，具体涉及一种腔体孔的密封结构。该密封结构操作简单，加热温度低，对腔体内零件性能与寿命影响小，当环境温度发生变化时密封依旧可靠。

背景技术

在工程应用中，很多场合对装配腔体的气密性往往有很高的要求。比如电子元器件的封装，良好的气密性对提高其寿命与抗环境干扰性等有着非常重要的作用。目前在此类需要封装的场合中，螺钉与销钉孔的局部气密封装主要采用橡胶密封圈或者胶密封的方式来实现。这种密封方式不仅气密封性能低，而且橡胶密封圈与密封胶还存在老化及其密封性能不能适应环境温度变化的问题。此外也可以采用封焊的方式，但是焊接会产生热力输入，影响电子元器件寿命，而且焊接封装为破坏性封装，不利于拆卸与返修。而在其他应用领域，对于孔型特征的密封还可以采用密封帽密封，但是密封帽需要通过螺纹连接或者焊接、胶接等方式与基体进行连接，然后通过连接面形成密封。因此当传统密封帽用于电子封装腔体孔的密封时仍存在与直接密封相同的弊端。

发明专利CN106695044A中提出采用形状记忆合金环的密封方法。该方法直接在带密封腔体上的螺钉或者销孔外加工一个环形槽，将扩径后的形状记忆合金环与螺钉或者销钉完成装配后进行加热；加热时由于形状记忆合金环收缩产生的回复应力使环槽收缩变形，并与螺钉或者销钉帽的外壁接触产生弹性变形，进而实现气密封装。但是此方法仅适用于腔体材料与螺钉或销钉材料热膨胀系数相近的情况。当螺钉或销钉材料热膨胀系数显著大于腔体材料的热膨胀系数时，形状记忆合金环收缩实现密封后，当环境温度降低时，由于螺钉或销钉材的收缩显著大于腔体的密封槽，密封性能会下降甚至完全失效，如图6放大示意图所示。此外，此种密封方法和结构对螺钉或销钉的尺寸和表面质量以及孔的尺寸和表面质量要求高。

总之，现有腔体孔密封技术存在以下问题：1）橡胶圈密封与胶接密封高低温密封可靠性差；2）焊接密封会引入额外热量影响密封件寿命，而且焊接密封为破坏性密封，不易返修；3）直接使用形状记忆合金环密封腔体与配合件容易受到两者热膨胀系数不同带来的影响。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种腔体孔的密封结构。该密封结构在密封操作时对密封腔体内零件影响小，还可避免因腔体孔与孔内配合零件热膨胀系数不同带来的密封失效，同时操作方便，密封可靠。

本发明所述的一种腔体孔的密封结构，包括密封帽（4）、形状记忆合金环（3）、腔体孔（102）外加工的环槽（101）。密封帽（4）盖在待密封的腔体孔（102）上，帽体下沿（401）嵌入环槽（101）中，形状记忆合金环（3）套在帽体下沿（401）外。在形状记忆合金环（3）与腔体（1）之间加入密封帽（4），使密封帽（4）与腔体（1）形成密封面，这样就可以不用考虑腔体孔（102）内配合零件的材料选择与配合精度。而且密封帽（4）还可以将腔体孔（102）与外界环境进行隔离，避免了环境中污染物与腔体孔（102）的接触。

本发明所采用的密封帽（4）的下沿（401）壁厚为0.1~0.3mm。在形状记忆合金环（3）加热收缩产生的挤压力下会发生变形，内径减小，与腔体（1）上环槽（101）的内壁形成密封面。

本发明所采用的密封帽（4）的材料与腔体（1）相同，密封帽下沿（401）内径的公称尺寸与腔体环槽（101）内壁公称尺寸相等，采用间隙配合。相同材料代表着密封帽（4）与腔体（1）的热膨胀系数相同，在加热及降温的过程中能够同胀同缩，从而避免密封面因热胀冷缩出现失效。采用间隙配合可以保证装配方便，同时可以控制形成密封面之前需要消除的间隙量较小。以上两个考虑均可以提高密封的可靠性。

本发明所采用的密封帽下沿（401）的截面形状与腔体环槽（101）形状相同。很多密封场合中，腔体孔（102）不只是圆形，还有矩形、多边形等，因此所对应的腔体环槽（101）可能为多种形状。为对以上所有类型的孔进行密封，密封帽（4）的下沿（401）与腔体环槽（101）采用相同的形状。

本发明所采用的形状记忆合金环（3）的截面形状与密封帽下沿（401）相同，扩径前其内径小于密封帽下沿（401）外径，扩径后大于密封帽下沿（401）外径，加热回复后又小于密封帽下沿（401）外径。只有满足以上尺寸之间的关系，形状记忆合金环（3）才能在变形后完成装配，在加热后产生对密封帽下沿（401）产生足够的挤压力，最终完成密封。

本发明用于电子封装腔体孔的密封时，形状记忆合金环（3）采用热轧态的Ni₄₇Ti₄₄Nb₉（原子百分比）合金制备，经过-50℃预扩径11%~15%后，加热回复温度为80℃~120℃。因为电子封装所耐受的最高温度为150℃，所以要求合金的加热回复温度小于该安全温度，同时考虑到降低操作难度与低温性能，最终选择宽滞后NiTiNb形状记忆合金，其中性能最为优异的为Ni₄₇Ti₄₄Nb₉（原子百分比）合金制备。另外，选择热轧态是因为其回复应力大，能够产生较大的挤压力，有利于提高密封性。

有益效果：1）本发明的结构简单，通用性较强；2）本发明加热温度低，对腔体内零件性能与寿命影响小；3）本发明受热胀冷缩影响小，当环境温度发生变化时密封依旧可靠；4）本发明将密封孔完全隔离，防止密封孔被外界环境污染。

附图说明

图1为腔体孔密封三维示意图。

图2为密封操作示意图。

图3为腔体孔外环槽示意图。

图4为圆形密封帽三维结构图。

图5为不同类型孔对应的密封帽与形状记忆合金紧固环示意图。

图6为无密封帽的形状记忆合金紧固环密封失效示意图

附图标记说明：1、腔体；101、腔体环槽；102、腔体孔；2、螺钉；3、形状记忆合金环；4、密封帽；401、密封帽下沿。

具体实施方式

以下将结合附图，以螺钉孔气密封装实施例为操作案例对本发明作详细说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明的内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。

如图1所示，沉头螺钉（3将腔体（1）与其他部件连接，由于腔体（1）由气密性要求，需对沉头螺钉孔（102）进行密封。

首先在腔体（1）的沉头螺钉孔（102）外加工环槽（101），如图3所示。环槽（101）的深度大于形状记忆合金环（3）的高度，环槽（101）与沉头孔（102）之间的面进行一定下沉，保证密封帽（4）安装后顶部与腔体（1）在同一高度。

然后加工密封帽（4），如图4所示。密封帽（4）采用与腔体（1）相同的材料制备而成，帽体下沿（401）内径的公称尺寸与腔体环槽（101）内壁公称尺寸相等，采用间隙配合。

密封装配过程见图2，密封之前沉头螺钉（2）已经完成螺纹连接。第一步，将已经经过低温变形的形状记忆合金环（3）套在密封帽（4）的下沿（401）外，第二步，密封帽（4）与环槽（101）通过配合盖在沉头孔上。完成装配后如图1，然后将整体进行加热，形状记忆合金环（3在形状记忆效应的作用下收缩，对密封帽（4）的下沿（401）产生环抱力使其变形，下沿401变形后内径减小，从而与腔体（1）上环槽（101）的内壁产生接触力，形成密封面，最终完成腔体（1）上沉头螺钉孔（102）的密封。

当面对不同类型的腔体孔（102）需要密封时，环槽（101）的形状也不同。此时，只需根据环槽的形状与尺寸加工对应的密封帽（4）与形状记忆合金环（3）即可。如图5所示，（a）（b）（c）所示为不同类型的形状记忆合金环（3），（A）（B）（C）分别为所对应的密封帽（4），对应关系为：（a）对应（A）；（b）对应（B）；（c）对应（C）。

通过本发明提出的结构对电子封装腔体上圆形螺钉孔进行了模拟密封。密封结果显示，同时对四个螺钉孔进行密封时，腔体真空度可以达到8.9×10^-8Pa。

Claims

1.一种腔体孔的密封结构，包括密封帽（4）、形状记忆合金环（3）、腔体孔（102）外加工的环槽（101），其特征在于，密封帽（4）盖在待密封的腔体孔（102）上，帽体下沿（401）嵌入环槽（101）中，形状记忆合金环（3）套在帽体下沿（401）外；密封帽（4）的材料与腔体（1）相同，密封帽下沿（401）内径的公称尺寸与腔体环槽（101）内壁公称尺寸相等，采用间隙配合。

2.根据权利要求1所述的一种腔体孔的密封结构，其特征在于，密封帽（4）的下沿（401）壁厚为0.1~0.3mm。

3.根据权利要求1所述的一种腔体孔的密封结构，其特征在于，密封帽下沿（401）的截面形状与腔体环槽（101）形状相同。

4.根据权利要求1所述的一种腔体孔的密封结构，其特征在于，形状记忆合金环（3）的截面形状与密封帽下沿（401）相同，扩径前其内径小于密封帽下沿（401）外径，扩径后大于密封帽下沿（401）外径，加热回复后又小于密封帽下沿（401）外径。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种腔体孔的密封结构，其特征在于，当用于电子封装腔体孔的密封时，形状记忆合金环（3）采用热轧态的Ni₄₇Ti₄₄Nb₉（原子百分比）合金制备，经过-50℃预扩径11%~15%后，加热回复温度为80℃~120℃。