一种耐高温热应力自适应隔热螺钉及热源固定方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

A self-adaptive heat insulated screw with high temperature resistance and heat source fixing method

The invention discloses a high temperature resistant heat stress adaptive heat insulation screw and a heat source fixing method. The high temperature resistant ceramic parts have good mechanical properties at the temperature of 1100 \u2103 ~ 1200 \u2103 to realize the fixation of the three directions of the heat source of the isotope power supply; the ball head and ball socket design significantly reduces the heat conduction area, improves the heat resistance, and reduces the heat conduction and heat dissipation to the outside; the screw is designed The structure increases the length of the heat conduction path, reduces the heat leakage of the z-direction system, and reduces the heat conduction area. The metal connecting sleeve is designed to solve the brittle problem of the ceramic screw connection, avoiding the problem that there is no specification and standard of the tightening torque between the ceramic screw and the metal structure in China. Through the adjustment of the The invention can be applied to the isotope power supply of deep space exploration, and can also be used to connect other high temperature components.

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温热应力自适应隔热螺钉及热源固定方法
本专利技术属于螺钉设计
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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)。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术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；本专利技术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为本专利技术的螺钉的结构示意图；图2为本专利技术螺钉中的陶瓷件结构示意图；图3为本专利技术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，对本专利技术进行详细描述。如图1所示，本专利技术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；采用两个本专利技术的螺钉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，本专利技术将陶瓷件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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马彬，邱家稳，朱安文，田岱，苏生，张文佳，王颖，刘飞标，周志勇，李伟杰，高峰，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京;11