CN103269185A - 一种基于双层结构的温差核电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双层结构的温差核电池，其包括放射源、放射性源盒、外壳、温差材料、凹槽、密封盖及散热装置，凹槽设置于放射性源盒的外部与外壳的外部，凹槽中均放置温差材料，放射源装填入放射性源盒内部，放射性源盒套入外壳内，在电池顶部加设密封盖，外部放置散热装置使其成为一个密闭整体，放射源、放射性源盒、温差材料、凹槽组成内部结构，外壳、温差材料、凹槽、密封盖、散热装置组成外部结构，通过放射性源盒与外壳之间的、外壳与散热装置制造的外界低温环境或自然低温环境的梯度温差进行充分的热源利用，本发明具有寿命长，热源利用率高，使用安全等特点，而且放射源衰变粒子利用率高，可用于将放射性直接转换为电能。

Description

一种基于双层结构的温差核电池

技术领域

本发明涉及一种基于双层结构的温差核电池，可用于将放射性同位素的衰变能转换为电能，属于核能应用与热电转换领域。

背景技术

1954年，美国芒德实验室研制出第一个以放射性同位素为热源的温差发电器SNAP-3。1956年，美国提出核辅助能源系统计划，开展温差核电池的各项研制。由于目前各类温差发电器发电效率均偏低，并且发电功率极低，因此，开发出一种较高效率的温差发电器将具有深刻意义，同时，基于放射性同位素温差发电器各方面的优越性，提高该类温差发电器的效率及功率对社会各方面都具有重要影响。

现有的温差核电池大多数采用单层的结构，即：在放射源盒表面直接进行传热，源盒热面接触温差材料热端，温差材料的冷端直接接触外界环境。这种结构不利于对于热源的充分利用，放射性热源的能量转换效率差强人意。

随着温差核电池在航天探测器、深海探测、极地探测等领域的大量应用，提高热源利用率对探测器用电设备的长期工作具有重要意义。而现有的核电池对于热源的利用率较低，难以投入实际应用。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容

本发明提供一种基于双层结构的温差核电池，其为了解决温差核电池温差材料铺设困难，热源利用率低的问题，采用双层结构，并设计了一种温差材料的铺设方法，能够全面提升电池的热源利用率、输出性能以及利用价值。

本发明采用如下技术方案：一种基于双层结构的温差核电池，所述基于双层结构的温差核电池包括有放射源、放射性源盒、外壳、温差材料、凹槽、密封盖及散热装置，所述凹槽设置于所述放射性源盒的外部与所述外壳的外部，所述凹槽中均放置温差材料，所述放射源装填入放射性源盒内部，所述放射性源盒套入外壳内，在所述电池顶部加设密封盖，外部放置散热装置使其成为一个密闭整体，所述放射源、放射性源盒、温差材料、凹槽组成内部结构，所述外壳、温差材料、凹槽、密封盖、散热装置组成外部结构。

所述凹槽开凿在放射性源盒外表面及外壳外表面上。

所述放射源为具有衰变热效应的放射源。

所述放射源为α放射源或者β放射源。

所述双层结构为放射性源盒外层为一层，所述外壳与散热装置为一层所组成的双层结构。

所述放射性源盒由导热系数大于200W/m·K的金属材料制成，所述放射性源盒的高度小于外壳，所述放射性源盒的形状为六面体、圆柱体、六棱柱或者多棱柱形状。

所述外壳由导热系数小于1W/m·K的无机或有机材料制成，所述外壳的高度高于放射性源盒，所述外壳的形状为空心的六面体、圆柱体、六棱柱或者多棱柱形状，所述外壳的内表面与所述放射性源盒的外表面之间具有充分的传热空间。

所述密封盖与外壳的材料相同。

所述温差材料的形状为矩形片状、圆柱片状或者多边形片状，所述温差材料的连接方式为串联，并联或串并联结合。

所述散热装置为散热肋片、水冷装置或者风冷装置。

本发明具有如下有益效果：

（1）.本发明中的双层结构能对热源进行充分多次利用，以此能有效提升热源的利用率，同时增大了电池的输出性能，相比于传统结构的温差核电池，热源利用率可提升60%-80%；

（2）.本发明中的双层结构能通过放射性源盒以及外壳对放射性元素进行二次保护，减少了放射性同位素的泄露风险；

（3）.本发明的基于双层结构的温差核电池，其使用了长寿命的放射性同位素源，保证了电池能够长时间工作；

（4）.本发明的基于双层结构的温差核电池具有寿命长，热源利用率高，使用安全等特点，可用于将衰变能直接转换为电能，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于双层结构的温差核电池的主视图。

图2为本发明基于双层结构的温差核电池的横剖面图。

图3为本发明基于双层结构的温差核电池的纵剖面图。

其中：

1-放射源；2-放射性源盒；3-外壳；4-温差材料；5-凹槽；6-密封盖；7-散热装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参照图1至图3所示，本发明基于双层结构的温差核电池，包括：放射源1、放射性源盒2、外壳3、温差材料4、凹槽5、密封盖6，散热装置7。其中放射源1、放射性源盒2、温差材料4、凹槽5组成内部结构，外壳3、温差材料4、凹槽5、密封盖6、散热装置7组成外部结构。其中放射性源盒2放置在外壳3之内，温差材料4放置在每一个凹槽5内，通过放射性源盒2与外壳3之间的、外壳3与散热装置7制造的外界低温环境或自然低温环境的梯度温差进行充分的热源利用。

放射源1装填入放射性源盒2内部，将放射性源盒2套入外壳3内，放射性源盒2体积小于外壳3，在放射性源盒2外部与外壳3外部凿出凹槽5以放置温差材料4，所述凹槽5开凿在放射性源盒2外表面及外壳3外表面，电池顶部加设密封盖6，外部放置散热装置7使其成为一个密闭整体，密封盖6加装于外壳3之上，其横截面大小与外壳横截面大小一致。

其中放射源1可以为α放射源、β放射源等具有衰变热效应的放射源。放射性源盒2以导热性较好的金属材料制成，通常由导热系数大于200W/m·K的金属材料制成。放射性源盒2的高度小于外壳3，其形状可为六面体、圆柱体、六棱柱及多棱柱形状，放射性元素以事先装填的方式密封入放射性源盒2内，与放射性源盒2整体组成一个热源。外壳3以绝热性能较好的无机或有机材料制成，通常由导热系数小于1W/m·K的无机或有机材料制成，外壳3的高度高于放射性源盒2，其形状可为空心的六面体、圆柱体、六棱柱及多棱柱形状，外壳3的内表面与放射性源盒2的外表面之间有充分的传热空间。

凹槽5为在放射性源盒2外部与外壳3外部都凿出一定数量的凹槽5，在凹槽5中均放置温差材料4。密封盖6与外壳3的材料相同，以绝热性能较好的无机或有机材料制成，可将电池封装为一个密闭整体。

温差材料4为基于塞贝克效应、汤姆逊效应、傅里叶效应及帕尔贴效应的热电优值较好的半导体热电材料，其形状可为矩形片状，圆柱片状，多边形片状。同时温差材料4的连接方式可为串联，并联或串并联结合。

所述散热装置7可为散热肋片，水冷装置，风冷装置等能够降低外壳3温度的设备，其散热方法可为自然冷却及强制冷却。

本发明基于双层结构的温差核电池的双层结构为放射性源盒2外层为一层，外壳3与散热装置7为一层所组成的双层结构。

请参照图1至图3所示，本发明基于双层结构的温差核电池，其工作原理为：放射源发生衰变放出衰变热，加热放射性源盒2，由源盒表面的温差材料4，将放射性源盒2的外表面作为热面，放射性源盒2与外壳3间的空隙作为冷面，进行第一次热电转换，并加热外壳3与放射性源盒2之间的空隙；而后将外壳3的内侧作为热面，外壳3的外侧面作为冷面，进行第二次热电转换，将所有温差材料4正负极连接后接入负载形成电流，即实现衰变能到电能的转换。

 实施例1

（1） 将放射性同位素238Pu直接密封入放射性源盒中，放射性源盒使用铝制材料，制成六面体状，高100mm，底面为边长为60mm的正方形；

（2） 在铝制材料的放射性源盒的四个环侧面每个面开凿两个大小为边长30mm，形状为正方形，深度4mm的凹槽，沿高方向垂直平行居中排列，共计8个凹槽；

（3） 在开凿的凹槽内放入制作成型的正方形片状温差材料,其底面为边长30mm的正方形，厚4mm，将每一片温差材料以串联方式连接；

（4） 将放射性源盒放入外壳中，外壳为木质材料，六面体状，高200mm，底面为边长100mm的正方形，内部为空心，同样为六面体形状，其深度为150mm，底面为边长85mm的正方形；

（5） 在外壳的四个环侧面每个面开凿两个大小为边长40mm，形状为正方形的凹槽，其深度为木质外壳厚度，即将木质外壳开凿出边长40mm的正方形孔洞，沿高方向垂直平行居中排列，共计8个孔洞；

（6） 在开凿的凹槽与孔洞内放入制作成型的的正方形片状温差材料其底面为边长40mm的正方形，厚4mm，,将每一片温差材料以串联方式连接，并将内部8片温差材料与外部8片温差材料相连接；

（7） 在外壳上方加盖木质密封盖，密封盖厚20mm，底面同为边长100mm的正方形，将整个电池组成一个整体；

（8）在外壳外侧面加装散热肋片，其大小正对外侧凹槽内的温差材料，肋片的基板尺寸为40mm×40mm，肋片高度为20mm，肋片厚度为4mm，肋片间距为3mm。至此，完成对整个基于双层结构的温差核电池的组装。

实施例2

本实施例与实施例1除以下几个地方不同之外，其他均一致。

（1） 将放射性同位素238Pu直接密封入放射性源盒中，放射性源盒使用铜制材料，制成六棱柱，高100mm，底面为边长为46mm的正六边形；

（2） 在铝制材料的放射性源盒的六个环侧面每个面开凿两个大小为边长30mm，形状为正方形，深度4mm的凹槽，沿高方向垂直平行居中排列，共计12个凹槽；

（4） 将放射性源盒放入外壳中，外壳为陶瓷材料，六棱柱状，高200mm，底面为边长54mm的正六边形，内部为空心，为圆柱状，深度为160mm，直径为96mm；

（5） 在外壳的六个环侧面每个面开凿两个大小为边长40mm，形状为正方形的凹槽，其深度为木质外壳厚度，即将木质外壳开凿出边长40mm的正方形孔洞，沿高方向垂直平行居中排列，共计12个孔洞；

（6）在开凿的凹槽与孔洞内放入制作成型的的正方形片状温差材料,其规格为边长40mm的正方形，厚4mm的温差材料，,将每一片温差材料以串联方式连接，并将内部12片温差材料与外部12片温差材料相连接；

（7） 在外壳上方加盖木质密封盖，密封盖厚20mm，底面同为边长54mm的正六边形，将整个电池组成一个整体；

（8）在外壳外侧面加装散热肋片，其大小正对外侧凹槽内的温差材料，肋片的基板尺寸为40mm×40mm，肋片高度为20mm，肋片厚度为4mm，肋片间距为3mm，在肋片外侧使用风冷装置进行强制对流降温。至此，完成对整个基于双层结构的温差核电池的组装。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双层结构的温差核电池，所述基于双层结构的温差核电池包括有放射源、放射性源盒、外壳、温差材料、凹槽、密封盖及散热装置，其特征在于：所述凹槽设置于所述放射性源盒的外部与所述外壳的外部，所述凹槽中均放置温差材料，所述放射源装填入放射性源盒内部，所述放射性源盒套入外壳内，在所述电池顶部加设密封盖，外部放置散热装置使其成为一个密闭整体，所述放射源、放射性源盒、温差材料、凹槽组成内部结构，所述外壳、温差材料、凹槽、密封盖、散热装置组成外部结构。

2.如权利要求1所述的一种基于双层结构的温差核电池，其特征在于：所述凹槽开凿在放射性源盒外表面及外壳外表面上。

3.如权利要求1所述的一种基于双层结构的温差核电池，其特征在于：所述放射源为具有衰变热效应的放射源。

4.如权利要求3所述的一种基于双层结构的温差核电池，其特征在于：所述放射源为α放射源或者β放射源。

5.如权利要求1所述的一种基于双层结构的温差核电池，其特征在于：所述双层结构为放射性源盒外层为一层，所述外壳与散热装置为一层所组成的双层结构。

6.如权利要求1所述的一种基于双层结构的温差核电池，其特征在于：所述放射性源盒由导热系数大于200W/m·K的金属材料制成，所述放射性源盒的高度小于外壳，所述放射性源盒的形状为六面体、圆柱体、六棱柱或者多棱柱形状。

7.如权利要求6所述的一种基于双层结构的温差核电池，其特征在于：所述外壳由导热系数小于1W/m·K的无机或有机材料制成，所述外壳的高度高于放射性源盒，所述外壳的形状为空心的六面体、圆柱体、六棱柱或者多棱柱形状，所述外壳的内表面与所述放射性源盒的外表面之间具有充分的传热空间。

8.如权利要求7所述的一种基于双层结构的温差核电池，其特征在于：所述密封盖与外壳的材料相同。

9.如权利要求1所述的一种基于双层结构的温差核电池，其特征在于：所述温差材料的形状为矩形片状、圆柱片状或者多边形片状，所述温差材料的连接方式为串联，并联或串并联结合。

10.如权利要求1所述的一种基于双层结构的温差核电池，其特征在于：所述散热装置为散热肋片、水冷装置或者风冷装置。

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