CN102735891B - 一种应用于超导电气设备测量的温差微电源 - Google Patents

Abstract

一种应用于超导电气设备测量的温差微电源，采用温差发电模块将超导电气设备低温容器或低温电流引线的漏热转化为电能，经电能变换和存储电路对电能进行变换和存储，为超导电气设备参数测量应用的传感器和电路供电。应用所述温差微电源由P型半导体器件（1）、N型半导体器件（2）、片状电极（3、4、5）、电源线接线柱（6）、信号线接线柱（7）、绝缘绝热密封件（8、9）、绝缘导热件（10、11）、电能变换和电能存储模块（12）组成。本发明温差微电源，工作在稳定的温差区间，输出功率稳定，且不需要与高电压隔离，从而有效地为超导电气设备高压侧测量采用的传感器电路供电。

Description

一种应用于超导电气设备测量的温差微电源

技术领域

本发明涉及一种为超导电气设备测量用传感器供电的电源。

背景技术

为了提高超导电气设备的使用寿命和运行的可靠性，需要对其在运行过程中的参数进行实时的状态监测。超导电气设备状态监测中使用很多与高压导体直接接触的传感器或处于高压浮电位的传感器，例如温度传感器、压力传感器、液位传感器等，传感器的供电问题是整个测量系统的难点之一。对于超导电气设备高压侧测量用的传感器，采用高压隔离变压器供电需要非常庞大的空间和非常高的成本，因而很难实施；由于电流波动以及过电流或过电压等问题的存在，采用从母线中取能的方式也难以推广，对于直流超导设备更是无法实施；采用激光供能或无线供能等方式，也存在很多技术和成本上的问题。采用电池可以实现高压侧传感器的供电，但是电池容量有限，对于需要实时监测的场合，需要经常更换电池。中国专利200910092869.2提出一种电气设备杂散能供电电源。杂散能供电电源利用电气设备在运行过程中自身产生的机械振动能或热能或漏磁能转变为电能，经电能变换和存储后为无线传感器节点供电。杂散能供电电源尽管也具有和高电压隔离的特点，但是功率级别和稳定性比较差，比较适合于耗能小、不需要连续供电的场合。

采用热电模块制成的温差发电机已应用于航天和废热利用等领域。美国目前已将放射性同位素温差发电系统用在深海中或航天器上。美国和日本等国家采用热电材料将汽车尾气产生的余热收集起来加以利用，节省了整个汽车的燃油消耗。上述基于热电模块的温差发电机和供电电源都没有用于高电压电气设备和超导电气设备领域；并且上述温差发电机都致力于大功率电源，并没有涉及为传感器供电的微型电源；另外，上述发明都是应用设备发热与环境温度之间的温差，温差不固定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术供电方式的不足，以及超导电气设备测试系统高压侧供电技术的缺点，提出一种利用热电模块为超导电气设备高压侧供电的电源。本发明利用超导电气设备低温容器盖板或低温电流引线的漏热进行供电，热电模块两侧的温差可达200K以上，且非常稳定，因此可以输出较大的发电功率，适应不同的传感器需求。

本发明提出的高压侧供电电源，灵活、易实施，能提供稳定的电能输出，可应用于各种不同超导电气设备状态监测领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明温差微电源由P型半导体器件、N型半导体器件、片状电极、电源线接线柱、信号线接线柱、绝缘绝热密封件、绝缘导热件、电能变换和电能存储电路组成。单个P型半导体器件和单个N型半导体器件由片状电极相连接，构成一个PN结。多个PN结由片状电极串联和并联连接组成一个温差发电模块，以获得所需的电压和电流。P型半导体器件和N型半导体器件采用BiSb、Bi2Te3等可应用于较低温区的热电材料制成。为了降低低温容器或低温电流引线的漏热，P型半导体器件和N型半导体器件附近的空间采用绝缘绝热密封件进行密封。电源线接线柱和信号线接线柱可与温差发电模块制作成一体，通过嵌入绝缘绝热密封件中的引线与温差发电模块的片状电极相连接；电源线接线柱和信号线接线柱或制作成独立插头安装在低温容器盖板上。电源线接线柱和信号线接线柱附近的空间采用绝缘绝热密封件进行密封，电源线接线柱和信号线接线柱均采用较细导线以降低漏热。绝缘绝热密封件采用耐低温的低热导率和绝缘的环氧树脂或发泡材料。第一绝缘导热件位于P型半导体器件和N型半导体器件的下面、低温容器盖板下部，低温容器盖板的下方为低温环境，此绝缘导热件或直接贴在低温电流引线表面。第二绝缘导热件位于P型半导体器件和N型半导体器件的上面、低温容器盖板上部，低温容器盖板的上方为常温环境。P型半导体器件和N型半导体器件通过片状电极与绝缘导热件紧密接触，以增加温差发电模块两端的温差，绝缘导热件采用耐低温的高热导率和绝缘的氮化铝、氧化铝等材料。电能变换和电能存储模块位于低温容器盖板上方的常温环境中，温差发电模块所产生的电能由电源线接线柱输出后由导线连接到电能变换模块，经变换和调整后可以直接通过导线接入信号线接线柱给传感器电路供电。为了防止突然断电以及电源器件的故障，温差发电模块输出的电能还可采用电能存储模块进行存储后为传感器电路供电。

本发明应用超导电气设备低温容器内部低温介质与环境之间的温差发电，与现有技术相比，具有如下优点：

1）本发明提出的基于热电模块的温差微电源，可以有效解决超导电气设备高压侧传感器的长期供电问题；

2）本发明提出的温差微电源的使用环境常温端和低温端的温差很大且比较稳定，因此电源的输出功率大且稳定；

3）本系统应用广泛，可用于多种不同的超导电气设备和不同的传感器。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

图1是应用于低温容器盖板漏热发电的温差微电源截面结构图；

图2是P型半导体器件和N型半导体器件连接示意图；

图3是温差电源能量传递框图；

图4是本发明实施例1应用于低温容器盖板漏热发电的圆形结构温差微电源结构图；

图5是本发明实施例2应用于低温容器盖板漏热发电的方形结构温差微电源结构图；

图6是本发明实施例3应用于低温容器盖板漏热发电的另一种圆形结构温差微电源结构图；

图7是本发明实施例4应用于低温电流引线漏热发电的表面贴片结构温差微电源结构图；

图8是本发明实施例5应用于低温电流引线漏热发电的圆环结构温差微电源结构图。

具体实施方式

本发明提出的应用于超导电气设备测量的温差微电源，能将超导电气设备低温容器盖板或低温电流引线的漏热转换为电能，为超导电气设备高压侧测量采用的传感器和相关电路供电。

应用本发明用于低温容器盖板的温差微电源的截面结构如图1所示。该电源由P型半导体器件1、N型半导体器件2、片状电极3、4、5、电源线接线柱6、信号线接线柱7、绝缘绝热密封件8、9、绝缘导热件10、11、电源外壳12、电能变换模块和电能存储电路组成。本发明采用温差发电模块将低温容器盖板13的漏热转换为电能，为超导电气设备高压侧测量应用的传感器和相关电路供电。多个P型半导体器件1和N型半导体器件2由片状电极3、4、5进行串并联连接，构成一个温差发电模块，以获得所需的电压和电流。P型半导体器件1和N型半导体器件2采用BiSb、Bi2Te3等可应用于较低温区的热电材料制成。为了降低低温容器或低温电流引线的漏热，P型半导体器件和N型半导体器件附近的空间采用绝缘绝热密封件8进行密封。电源线接线柱6和信号线接线柱7通过嵌入绝缘绝热密封件8和9中的引线与温差发电模块制作成一体，电源线接线柱6和信号线接线柱7位于温差发电模块内部，接线柱附近的空间采用绝缘绝热密封件9进行密封。电源线接线柱6和信号线接线柱7均采用较细导线以降低漏热。绝缘绝热密封件8和9采用耐低温的低热导率和绝缘的环氧树脂或发泡材料。两绝缘导热件10和11分别位于P型半导体器件1和N型半导体器件2的下面和上面；第一绝缘导热件10位于P型半导体器件和N型半导体器件的下面、低温容器盖板下部，低温容器盖板下方为低温环境；第二绝缘导热件11位于P型半导体器件和N型半导体器件的上面、低温容器盖板上部，低温容器盖板上方为常温环境。P型半导体器件10和N型半导体器件11通过片状电极3、4、5与绝缘导热件10和11紧密接触，以增加热电模块两端的温差，绝缘导热件10和11采用耐低温的高热导率和绝缘的氮化铝、氧化铝等材料。温差发电模块所产生的电能由电源线接线柱6输出，经电能变换模块变换和调整后的电能通过信号线接线柱7给传感器和相关电路供电。为了防止突然断电以及电源器件的故障，温差发电模块输出的电能采用电能存储模块进行存储后为传感器电路供电。

目前温差发电模块大都是由多组N型和P型半导体串联和并联组成。图2所示为4组PN结串联工作的情况。本发明温差微电源采用温差发电模块将低温漏热转变为传感器供电所需的电能，整个能量传递框图如图3所示。温差发电模块的输出为直流电，根据输出电压的不同，采用升压或降压电路将电压转换为一定的电压水平。为了保证传感器供电的连续性，采用电池或电容器对电能进行存储稳压后为传感器电路供电。

如图4所示，本发明实施例1为应用于低温容器盖板漏热发电的圆形阵列结构温差微电源。圆形阵列结构的温差电源中，由P型半导体器件1和N型半导体器件2组成的多组PN结排列在圆形电源模块外侧，多组PN结串联和并联以输出所需的电压和电流。P型半导体器件和N型半导体器件附近的空间以绝缘绝热密封件8填充，以提高温差电源常温侧和低温侧的温差并降低超导电气设备的热损耗。电源线接线柱6和信号线接线柱7安装在圆形电源模块的内部，电源线接线柱6和信号线接线柱7附近的空间以绝缘绝热密封件9填充，以防止接线柱之间短路并降低超导电气设备的损耗。热电模块产生的电能由电源线接线柱6输出，经电能变换和存储后输出到信号线接线柱7为传感器电路供电。

如图5所示，本发明装置的实施例2为应用于低温容器盖板漏热发电的方形阵列结构温差微电源。相对圆形阵列结构，方形阵列结构温差电源制作更为简便。由P型半导体器件1和N型半导体器件2组成的多组PN结排列在方形电源模块外侧，多组PN结串并联以输出合适的电压和电流。P型半导体器件和N型半导体器件附近的空间以绝缘绝热密封件8填充，以提高温差电源常温侧和低温侧的温差并降低超导电气设备的损耗。电源线接线柱6和信号线接线柱7在方形电源模块的内部，电源线接线柱6和信号线接线柱7附近的空间以绝缘绝热密封材料件9填充，以防止接线柱之间短路并降低超导电气设备的损耗。热电器件产生的电能由电源线接线柱6输出，经电能变换和存储后输出到信号线接线柱7为传感器电路供电。

如图6所示，本发明实施例3为另一种应用于低温容器盖板漏热发电的圆形阵列结构温差微电源。与实施例1不同的是，在实施例3中，由P型半导体器件1和N型半导体器件2组成的多组PN结排列在圆形电源模块内侧，而电源线接线柱6和信号线接线柱7在圆形电源模块的外侧，P型半导体器件1和N型半导体器件2附近的空间以绝缘绝热密封件8填充，电源线接线柱6和信号线接线柱7附近的空间以绝缘绝热密封件9填充。热电模块产生的电能由电源线接线柱6输出，经电能变换和存储后输出到信号线接线柱7为传感器电路供电。

虽然本发明所述实施例1-3中给出了应用于低温容器盖板漏热发电的圆形阵列和方形阵列排列的温差微电源，但应理解，本发明提出的温差微电源不限于实施例中所述情形，因而在不背离本发明的技术原理的原则下，可做出各种改变和变形。如以上实施例中提及的热电发电单元的形状、数量和排列方式，都可以有所变化。基于低温漏热发电机理的温差微电源除了安装在低温容器盖板上之外，还可安装在超导电气设备的电流引线上。超导电气设备电流引线的温度通常低于环境温度，将温差发电模块应用于电流引线，也可输出足够的电能供测量传感器应用。

如图7所示，本发明装置的实施例4为应用于低温电流引线漏热发电的贴片式温差微电源。贴片式稳压微电源制作简便，与实施例2类似，由P型半导体器件1和N型半导体器件2组成的多组PN结排列成方形阵列，多组PN结由片状电极3、4、5串联和并联连接以输出合适的电压和电流。P型半导体器件和N型半导体器件附近的空间以绝缘绝热密封件8填充，以提高温差电源常温侧和低温侧的温差并降低超导电气设备的损耗。P型和N型半导体器件、电极、绝缘绝热密封件和绝缘导热件组成方形电源模块，方形电源模块固定于低温电流引线14上。电源线接线柱和信号线接线柱制作成独立插头，安装在低温容器盖板上。温差发电模块产生的电能经电能变换和存储后输出给传感器电路供电。

如图8所示，本发明装置的实施例5为应用于低温电流引线漏热发电的圆环结构温差微电源。圆环结构的温差电源由环形排列的P型半导体器件1和N型半导体器件2制成。多组PN结串并联以输出合适的电压和电流。P型半导体器件和N型半导体器件附近的空间以绝缘绝热密封件8填充，以提高温差电源常温侧和低温侧的温差并降低超导电气设备的损耗。P型和N型半导体器件、电极、绝缘绝热密封件和绝缘导热件组成圆环形电源模块，圆环形电源模块套在圆柱形低温电流引线14上。电源线接线柱和信号线接线柱制作成独立插头，安装在低温容器盖板上。温差发电模块产生的电能经电能变换和存储后输出给传感器电路供电。

Claims (5)

1.一种应用于超导电气设备测量的温差微电源，其特征在于：所述的温差微电源利用超导电气设备低温容器盖板或低温电流引线的漏热进行供电；所述的温差微电源由P型半导体器件(1)、N型半导体器件(2)、片状电极(3、4、5)、电源线接线柱(6)、信号线接线柱(7)、绝缘绝热密封件(8、9)、第一绝缘导热件和第二绝缘导热件(10、11)、电能变换和电能存储模块(12)组成；单个P型半导体器件(1)和单个N型半导体器件(2)由片状电极相连接，构成一个PN结，多个PN结由片状电极串联和并联连接组成一个温差发电模块；温差发电模块应用于超导设备低温区，模块两侧温差200K以上；温差发电模块采用圆形阵列或方形阵列或环形排列结构，安装在低温容器盖板上或贴在低温电流引线上；第一绝缘导热件(10)位于P型半导体器件(1)和N型半导体器件(2)的下面、在低温容器盖板的下部，低温容器盖板下方为低温环境；此绝缘导热件或直接贴在低温电流引线表面；第二绝缘导热件(11)位于P型半导体器件(1)和N型半导体器件(2)的上面、在低温容器盖板的上部，低温容器盖板上方为常温环境；P型半导体器件(1)和N型半导体器件(2)通过片状电极与绝缘导热件紧密接触；P型半导体器件(1)和N型半导体器件(2)附近的空间采用绝缘绝热密封件(8)进行密封；电源线接线柱(6)和信号线接线柱(7)与温差发电模块制作成一体或制作成独立插头安装在低温容器盖板上，电源线接线柱(6)和信号线接线柱(7)附近的空间采用绝缘绝热密封件(9)进行密封；P型半导体器件(1)和N型半导体器件(2)所产生的电能由电源线接线柱(6)输出，经电能变换和电能存储模块(12)调整后通过信号线接线柱(7)给超导电气设备高压侧测量用的传感器电路供电。

2.根据权利要求1所述的温差微电源，其特征在于，所述的P型半导体器件(1)和N型半导体器件(2)采用耐超导设备低温的BiSb或Bi2Te3材料制成。

3.根据权利要求1所述的温差微电源，其特征在于，所述的绝缘绝热密封件(8、9)采用耐超导设备低温的环氧树脂或发泡材料制成。

4.根据权利要求1所述的温差微电源，其特征在于，所述的绝缘导热件(10、11)采用耐超导设备低温的氮化铝或氧化铝陶瓷片。

5.根据权利要求1所述的温差微电源，其特征在于，所述的电能变换和电能存储模块(12)包括电能变换模块和电能存储模块，电能变换模块用于对温差发电装置产生的电能进行调整和变换；电能存储模块为充电电池或电容器，用于存储电能。