CN110454478A - 一种耐高温热应力自适应隔热螺钉及热源固定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温热应力自适应隔热螺钉及热源固定方法，耐高温度陶瓷件在1100℃～1200℃温度下具备良好的力学性能来实现同位素电源热源三个方向的固定；采用球头与球窝设计显著减小了热传导面积提高热阻，降低对外部的热传导和热耗散；设计了螺旋状耐高温弹性热阻件，高弹性释放了不同结构之间的热应力；同时该结构增加了热传导路径长度，降低Z向系统漏热，减低热传导面积；设计金属连接套筒，解决了陶瓷螺钉连接脆性问题，避免了国内暂无陶瓷螺钉与金属结构之间拧紧力矩规范和标准的问题；通过调节螺母来控制耐高温弹性热阻件的长度，适应不同载荷和温度载荷范围；本发明可以应用于深空探测同位素电源，也用可以应用于其他高温部件连接。
Description
技术领域
本发明属于螺钉设计技术领域，具体涉及一种耐高温热应力自适应隔热螺钉及热源固定方法，可以适用于耐超高温航天器结构热应力自适应隔热连接。
背景技术
同位素电源是一种将核能转换成电能的能量转换装置，得益于同位素材料衰变过程的稳定性，核能的输出基本不受空间环境变化的影响，因此高效、稳定的同位素电源发电技术是深空探测发展的核心技术之一。
热光电发电技术通过将同位素热源产生的红外热辐射经过光伏电池直接转化为电能，从而实现热电的静态转化。为了提高热电转换效率，使同位素热源发射出与电池晶元相匹配的光波，需要长时间保持其在1000℃～1200℃温度范围内。热源表面一般为钽合金或钨合金。需要连接结构能长时间耐受1000℃～1200℃的高温。目前能够长时间耐受1200℃，大多为陶瓷材料，但陶瓷材料为脆性材料。在连接结构传热路径上，热阻大，减小系统漏热，保持热源温度。
同位素电源外表面温度只有10℃，甚至更低。在不到100mm的空间内温度由1200℃降至10℃，温度梯度超大，必然会引起大的热应力和热变形。连接结构需要具有应对热变形的自适应能力，释放热应力，避免由大温度梯度引起的热变形和热应力导致的热源结构和连接结构发生破坏。
现有的高温合金螺钉，在1200℃下力学性能会下降，并且导热系数大，会造成系统漏热多，导致同位素电源热电转化效率地；同时在大温度梯度情况下，刚性结构对抗，会造型结构破坏。
现有的陶瓷螺钉，在大温度梯度情况下，刚性结构对抗，会造型结构破坏；并且我国暂无陶瓷螺钉与金属结构之间拧紧力矩规范和标准。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种耐高温热应力自适应隔热螺钉及热源固定方法，解决了超高温度同位素电源热源固定问题，而且可以释放热应力，降低热传导和热耗散。
一种隔热螺钉，其特征在于，包括陶瓷件(1)、连接套筒(2)、弹性热阻件(3)以及调节螺母(4)；连接套筒(2)为空心圆柱状结构，下端有开口，上端的内、外表面分别加工有内、外螺纹；陶瓷件(1)呈阶梯圆柱状，置于连接套筒(2)中，前端从连接套筒(2)的下端开口中伸出，台阶处卡在连接套筒(2)的下端开口；弹性热阻件(3)呈螺旋结构，置于连接套筒(2)中；调节螺母(4)通过连接套筒(2)上端的内螺纹安装在连接套筒(2)内，并对弹性热阻件(3)施加载荷；连接套筒(2)上端外螺纹用于与热源(A2)上的上盖板(A4)连接。
较佳的，所述陶瓷件(1)的前端为球头，与热源(A2)接触面处设置的球窝配合。
较佳的，所述陶瓷件(1)采用氧化锆陶瓷或莫来石。
较佳的，所述陶瓷件(1)的后段圆柱的上下端面均有倒角处理；且后段圆柱直径φN1与该段圆柱长度L2满足：(L2/φN1)>8/3。
较佳的，所述连接套筒(2)的筒内腔加工粗糙度优于0.8，内腔内表面做MoS2润滑涂层处理。
较佳的，陶瓷件(1)与连接套筒(2)之间的间隙L1满足：L1>△L1且L1>△L2，其中：△L1为热源(A2)相对于螺钉(A1)、上盖板(A4)、隔热多层组件(A5)、平垫圈A6和螺母A7组合体的位置热变形量；△L2为陶瓷件(1)相对于连接套筒(2)内腔直径面内热变形量。
较佳的，调节螺母(4)对弹性热阻件(3)施加压力载荷F满足：0.5[σ1,σ2]min<F应<0.8[σ1,σ2]min，其中，F应＝(F·ΔL3)/λ；λ表示弹性热阻件(3)的压缩变形量△L3为热源(A2)在螺钉(A1)轴向热变形量；σ1为陶瓷件(1)的破坏强度，σ2为热源(A2)的破坏强度。
一种上述隔热螺钉对热源的固定方法，采用两个螺钉(A1)，分别从两端穿过隔热多层组件(A5)设置的孔隙，连接套筒(2)上端外螺纹旋进上盖板(A4)的螺纹孔，不断旋进螺钉(A1)后，露出陶瓷件(1)的前端，并抵到热源(A2)端面上，由此对热源(A2)进行固定。
进一步的，在连接套筒(2)上端套入平垫圈(A6)，再在连接套筒(2)的外螺纹上安装螺母(A7)。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种耐高温热应力自适应隔热螺钉及热源固定方法，耐高温度陶瓷件在1100℃～1200℃温度下具备良好的力学性能来实现同位素电源热源三个方向的固定；采用球头与球窝设计显著减小了热传导面积提高热阻，降低对外部的热传导和热耗散；设计了螺旋状耐高温弹性热阻件，高弹性释放了不同结构之间的热应力；同时该结构增加了热传导路径长度，降低Z向系统漏热，减低热传导面积；设计金属连接套筒，解决了陶瓷螺钉连接脆性问题，避免了国内暂无陶瓷螺钉与金属结构之间拧紧力矩规范和标准的问题；通过调节螺母来控制耐高温弹性热阻件的长度，适应不同载荷和温度载荷范围；本发明可以应用于深空探测同位素电源，也用可以应用于其他高温部件连接。
附图说明
图1为本发明的螺钉的结构示意图；
图2为本发明螺钉中的陶瓷件结构示意图；
图3为本发明的螺钉与电源系统中上盖板、隔热多层组件以及热源的连接状态示意图；
其中，A1-螺钉，A2-热源，A3-筒壳与电池晶元组合体，A4-上盖板，A5-隔热多层组件，A6-平垫圈，A7-螺母，1-陶瓷件，2-连接套筒，3-弹性热阻件，4-调节螺母。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的一种耐高温热应力自适应隔热螺钉，包括耐高温的陶瓷件1、连接套筒2、耐高温的弹性热阻件3以及调节螺母4；连接套筒2为空心圆柱状，下端有开口，上端的内外表面分别加工有内外螺纹；陶瓷件1呈阶梯圆柱状，置于连接套筒2中，前端从连接套筒2的下端开口中伸出，后端卡在连接套筒2的开口后端；弹性热阻件3呈螺旋结构，置于连接套筒2中；调节螺母4通过连接套筒2上端的内螺纹安装在连接套筒2内，并对弹性热阻件3施加载荷。
如图3所示，同位素电源中，热源A2置于中央位置，周围采用隔热多层组件A5进行隔热，隔热多层组件A5外围为筒壳与电池晶元组合体A3，两端采用上盖板A4封装；采用两个本发明的螺钉A1，分别从两端穿过隔热多层组件A5设置的孔隙后，对中央的热源A2进行固定。
安装时，首先组装螺钉A1：将陶瓷件1装入连接套筒2，再放入弹性热阻件3，最后安装并调整调节螺母4，对弹性热阻件3施加设定的压力载荷。
然后，将螺钉A1放入隔热多层组件A5设置的孔隙，上端外螺纹旋进上盖板A4的螺纹孔，不断旋进螺钉A1后，露出陶瓷件1的前端，露出设定长度满足可以抵到热源A2端面上；在连接套筒2上端套入平垫圈A6，再在连接套筒2的外螺纹上安装螺母A7。
其中，本发明将陶瓷件1的前端设计为球头，热源A2对应位置设置球窝，球头与球窝的配合，可以实现对热源A2的面内X方向(如图3所示，直角坐标系XYZ中，热源A2所在的平面为X-Z平面，其中Z沿螺钉A1的轴向，Y轴垂直X-Z平面)和Y方向的固定。球头与球窝为点接触或小面积接触，可以显著减小热传导面积提高热阻，降低对外部的热传导和热耗散。
耐高温度陶瓷件1是接触并固定热源A2的零件，采用氧化锆陶瓷或莫来石等，该类陶瓷材料在1100℃～1200℃温度下具备良好的力学性能，并且导热系数小。为避免陶瓷件1在连接套筒2内偏轴而导致在其内卡死，陶瓷件1的后段圆柱的上下端面均有倒角处理，且该段圆柱直径φN1与该段圆柱长度L2满足：(L2/φN1)>8/3；陶瓷件1加工表面粗糙度优于0.8。
耐高温的弹性热阻件3采用高温合金，如镍基合金或者铁基合金，设计为螺旋结构形式，该设计在有限的Z向空间内有效地增加了热传导路径长度，减低热传导面积，增加了热阻，降低电源系统的Z向漏热，根据试验结果发现，热量从螺钉A1的陶瓷件1前端传导到弹性热阻件3后端，其温度由1200℃可降至10℃，其温度梯度大，热应力大，弹性热阻件3可以释放Z向热应力，避免结构破坏。弹性热阻件3力学性能呈线性，可以通过调整调节螺母4的位置，来控制弹性热阻件3的长度和弹簧的力学性能，以适应不同力学载荷和温度载荷。
连接套筒2采用高温合金，如镍基合金或者铁基合金，表面抛光提高对热光波的反射率，筒内腔加工粗糙度优于0.8，内腔内表面做MoS2润滑涂层处理。连接套筒内、外螺纹均设计为标准螺纹，与上盖板A4的螺纹孔之间为金属与金属之间连接，可以直接采用国家标准拧紧力矩进行连接，避免了我国暂无陶瓷螺钉与金属结构之间拧紧力矩规范和标准，操作无依据的问题。
通过同位素电源温度场及热变形分析，得出热源A2相对于螺钉A1、上盖板A4、隔热多层组件A5、平垫圈A6和螺母A7组合体的位置热变形量△L1，计算陶瓷件1相对于连接套筒2内腔直径面内热变形△L2；设计陶瓷件1与连接套筒2之间的间隙L1，使L1>△L1以适应XY面内热变形，释放热应力；使L1>△L2避免二者Z向运动时卡死。
测量弹性热阻件3的特性曲线，即被施加的压力载荷F与压缩变形量λ之间关系曲线。热源A2在Z向热变形量为△L3，此时弹性热阻件3的热应力F应＝(F·ΔL3)/λ，保证F应<0.8[σ1,σ2]min，其中σ1为陶瓷件1的破坏强度，σ2为热源A2的破坏强度。为了保证发射状态结构有效连接，还应保证0.5[σ1,σ2]min<F应；则F应最终需满足：0.5[σ1,σ2]min<F应<0.8[σ1,σ2]min；根据F应与压力载荷F的关系，最终确定弹性热阻件3的压力载荷F的范围，由此可确定调节螺母4的调整范围。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种隔热螺钉，其特征在于，包括陶瓷件(1)、连接套筒(2)、弹性热阻件(3)以及调节螺母(4)；连接套筒(2)为空心圆柱状结构，下端有开口，上端的内、外表面分别加工有内、外螺纹；陶瓷件(1)呈阶梯圆柱状，置于连接套筒(2)中，前端从连接套筒(2)的下端开口中伸出，台阶处卡在连接套筒(2)的下端开口；弹性热阻件(3)呈螺旋结构，置于连接套筒(2)中；调节螺母(4)通过连接套筒(2)上端的内螺纹安装在连接套筒(2)内，并对弹性热阻件(3)施加载荷；连接套筒(2)上端外螺纹用于与热源(A2)上的上盖板(A4)连接。
2.如权利要求1所述的一种隔热螺钉，其特征在于，所述陶瓷件(1)的前端为球头，与热源(A2)接触面处设置的球窝配合。
3.如权利要求1所述的一种隔热螺钉，其特征在于，所述陶瓷件(1)采用氧化锆陶瓷或莫来石。
4.如权利要求1所述的一种隔热螺钉，其特征在于，所述陶瓷件(1)的后段圆柱的上下端面均有倒角处理；且后段圆柱直径φN1与该段圆柱长度L2满足：(L2/φN1)>8/3。
5.如权利要求1所述的一种隔热螺钉，其特征在于，所述连接套筒(2)的筒内腔加工粗糙度优于0.8，内腔内表面做MoS2润滑涂层处理。
6.如权利要求1所述的一种隔热螺钉，其特征在于，陶瓷件(1)与连接套筒(2)之间的间隙L1满足：L1>△L1且L1>△L2，其中：△L1为热源(A2)相对于螺钉(A1)、上盖板(A4)、隔热多层组件(A5)、平垫圈A6和螺母A7组合体的位置热变形量；△L2为陶瓷件(1)相对于连接套筒(2)内腔直径面内热变形量。
7.如权利要求1所述的一种隔热螺钉，其特征在于，调节螺母(4)对弹性热阻件(3)施加压力载荷F满足：0.5[σ1,σ2]min<F应<0.8[σ1,σ2]min，其中，F应＝(F·ΔL3)/λ；λ表示弹性热阻件(3)的压缩变形量△L3为热源(A2)在螺钉(A1)轴向热变形量；σ1为陶瓷件(1)的破坏强度，σ2为热源(A2)的破坏强度。
8.一种基于权利要求1至7任意一项所述的隔热螺钉对热源的固定方法，其特征在于，采用两个螺钉(A1)，分别从两端穿过隔热多层组件(A5)设置的孔隙，连接套筒(2)上端外螺纹旋进上盖板(A4)的螺纹孔，不断旋进螺钉(A1)后，露出陶瓷件(1)的前端，并抵到热源(A2)端面上，由此对热源(A2)进行固定。
9.如权利要求8所述的隔热螺钉对热源固定方法，其特征在于，在连接套筒(2)上端套入平垫圈(A6)，再在连接套筒(2)的外螺纹上安装螺母(A7)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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