CN109887635B - 一种基于风铃式pzt换能组件的同位素电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，包括热源结构、换能结构、压缩机、散热器与三段工作气体管道；热源结构出口端通过第一段工作气体管道与换能结构连接，热源结构入口端通过第二段工作气体管道与压缩机连接，换能结构与压缩机通过第三段工作气体管道相连接，第三段工作气体管道的外表面安装散热器；热源结构充有工作气体。工作气体在热源腔体吸热升温，在压强和气动单向阀作用下形成单向高速气流，冲击风铃式PZT换能组件，使各PZT换能元件产生碰撞，传递至压电层将振动能转换为电能。气流经散热器在压缩机作用下回流到热源腔形成闭式循环。它工作稳定，提高了压电换能机制同位素电池的能量转换效率和服役寿命，拓宽了其应用环境。

Description

一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池及其制备方法

技术领域

本发明属于同位素电池领域，具体涉及一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池；本发明还涉及一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池的制备方法。

背景技术

原子核成分（或能态）自发地发生变化，同时放射出射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素衰变时放出的能量称为衰变能。放射性同位素电池，简称同位素电池，是指能够直接收集放射性同位素衰变过程中所产生带电粒子的电荷产生电能或是利用换能器件将衰变能转换成电能，将电能输出用于供电的装置。同位素电池因具有服役寿命长、工作稳定性高、环境适应性强、可小型化等优点而被广泛应用于国防军事、航天航海、极地探测、生物医疗、电子工业等重要领域。

1913年英国物理学家Henry Mosley首次提出同位素电池，此后一百多年里人们对同位素电池进行了大量研究工作。目前同位素电池按工作机制大致可分为四类：(1)静态辐射热转换方式同位素电池；(2)动态热电转换机制（动态型）同位素电池；(3)辐射伏特效应同位素电池；(4)其他辐射效应转换机制同位素电池。其中，静态辐射热转换方式同位素电池被广泛应用于航天领域。但目前静态辐射热转换方式同位素电池的能量转换效率仅为4%～8%，其能量转换效率较低；辐射伏特效应同位素电池利用半导体材料作为换能单元实现了电池小型化，其能量转换效率也因材料科学的发展获得提升，却因长期辐照下半导体材料性能退化问题降低了辐射伏特效应同位素电池的电池寿命；其他辐射效应转换机制同位素电池仍处于换能机理实验室研究阶段，距离实际应用仍需较长时间，且普遍能量转换效率较低；动态热电转换机制（动态型）同位素电池，理论上能量转换效率最高（达30%），成为目前同位素电池研究的重要方向。然而，传统动态型同位素电池的换能部件却存在高速运转部件润滑困难、高速转动带来的惯性矢量等因素影响电池工作稳定性的技术瓶颈。

发明内容

本发明目的在于提供一种电池工作稳定性好、服役寿命长且能量转换效率高的基于风铃式PZT换能组件动态型同位素电池，并提供一种基于风铃式PZT换能组件同位素电池的制备方法。

实现本发明目的所提出的一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，包括热源结构、换能结构、压缩机、散热器与三段工作气体管道；热源结构出口端通过第一段工作气体管道与换能结构连接，热源结构入口端通过第二段工作气体管道与压缩机连接，换能结构与压缩机通过第三段工作气体管道相连接，第三段工作气体管道的外表面安装散热器；热源结构充有工作气体，工作气体在热源结构、换能结构、压缩机、工作气体管道内形成气流循环。

热源结构包括同位素热源腔体和同位素热源装置，同位素热源装置设在同位素热源腔体内；同位素热源腔体包括同位素热源腔体外壳，同位素热源腔体外壳内表面设有热反射层，同位素热源腔体外壳两端渐变收缩并装配气动单向阀；同位素热源装置包括设有夹层的导热筒；导热筒夹层内装有同位素源，导热筒内、外壁均设有防辐射层；同位素热源装置被封装于外壳内；外壳外表面均匀设有三个固定支架；同位素热源装置通过固定支架固定于同位素热源腔体外壳上，同位素热源装置中间设有通孔。

换能结构包括圆柱状耐高温筒体和风铃式PZT换能组件，风铃式PZT换能组件设在圆柱状耐高温筒体内；圆柱状耐高温筒体顶部的气流入口端装配活动式尖端喷嘴，圆柱状耐高温筒体底部设有电池正极与电池负极。

风铃式PZT换能组件包括固定装置和PZT换能装置；PZT换能装置固定安装于固定装置，固定装置贴合安装在圆柱状耐高温筒体内壁。

固定装置包括至少两个圆圈形连接片与数片焊接板，至少两个圆圈形连接片上、下布设，数片焊接板均匀固定在圆圈形连接片上，构成框架式圆筒，每片焊接板上设有多层固定卡槽，固定卡槽的长度自上而下依次递增；每个固定卡槽上都设有一个PZT换能装置；PZT换能装置包括弹性材料悬臂梁和固定于弹性材料悬臂梁内端上的PZT换能元件，弹性材料悬臂梁的长度相同， PZT换能元件自上而下对齐排布，PZT换能元件通过导线相联后与电池正极、电池负极连接。弹性材料悬臂梁的内端（指近于圆柱状耐高温筒体中心的一端，下同）设有楔形尖端，利用中心高速气流，增大弹性材料悬臂梁的气流冲击形变量，提高能量转换效率。

PZT换能元件自上而下依次设有碰撞层和压电层，压电层自上而下依次设有金属层、第一绝缘衬底、陶瓷层和第二绝缘衬底，金属层的外端（指远离圆柱状耐高温筒体中心的一端，下同）和陶瓷层的外端分别设有电学输出电极；弹性材料悬臂梁左右两侧刻蚀有刻痕，刻痕用于固定导线，导线一端与电学输出电极相连，导线另一端从固定卡槽引出，形成导线引出端；将导线引出端依次连接，形成风铃式PZT换能组件的导线引出端；风铃式PZT换能组件的导线引出端通过导线与电池正极、电池负极连接，导线布置除PZT换能装置部分外，皆按照紧贴圆柱状耐高温筒体内壁布置，避免导线受气流冲击受损。

根据实际工作环境的要求，可调整风铃式PZT换能装置的数量，可调整固定卡槽和弹性材料悬臂梁的长度；根据气流闭式循环需要，可选择压缩机的型号，可调整压缩机的工作功率；根据实际应用时输出电压电流的需求，可调整同位素源的剂量大小，可选择串联、并联或串并联结合的方式将PZT换能元件用导线连接以满足具体参数要求。

实现本发明另一目的所提出的一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池的制备方法，包括制备同位素热源结构、制备换能结构和组装电池，包括下述步骤：

（1）、制备同位素热源结构

a、利用耐高温高热导率材质制作设有夹层的导热筒；

b、在导热筒中装入同位素源；

c、对导热筒进行焊接封装；

d、利用耐高温防辐射材质制作防辐射层，将导热筒装入防辐射层；

e、对防辐射层进行焊接封装；

f、加热淬火耐高温不锈钢制作成外壳，将防辐射层装入外壳；

g、对外壳进行焊接封装；

h、用耐高温不锈钢锻造固定支架，将固定支架焊接于外壳外表面；

i、加热淬火耐高温不锈钢制作成同位素热源腔体外壳；

j、在同位素热源腔体外壳内表面涂刷热反射层材料制备热反射层；或者在同位素热源腔体外壳内表面采用溅射方法制备热反射层；

k、用固定螺丝通过固定支架将同位素热源装置固定于同位素热源腔体外壳上；

l、在同位素热源腔体外壳两端装配气动单向阀。

（2）、制备换能结构

a、制作第一绝缘衬底，在第一绝缘衬底上表面采用溅射方法、蒸发方法或电镀方法制备金属薄膜作为金属层；

b、制作第二绝缘衬底，在第二绝缘衬底上表面采用溶胶凝胶法合成陶瓷层；

c、用粘结剂将陶瓷层上表面与第一绝缘衬底下表面粘结，并分别在金属层的外端及陶瓷层的外端采用溅射、蒸发或电镀方法制备电学输出电极，通过光刻定义电极图形，采用腐蚀或剥离方法实现金属图形化；

d、制作碰撞层，以硅胶或环氧树脂材质制作碰撞层，用粘结剂将金属层上表面与碰撞层下表面粘结，制成PZT换能元件；

e、采用2030P石墨复合聚酯制作弹性材料悬臂梁，其上设置两个螺丝通孔，并在悬臂梁左右两侧刻蚀出用于置放并固定导线的刻痕；

f、用粘结剂将PZT换能元件粘结固定于弹性材料悬臂梁内端，用导线将PZT换能元件以串联方式连接，用粘结剂将导线固定于弹性材料悬臂梁左、右两侧刻痕中，制成PZT换能装置；

g、用耐高温不锈钢制作固定卡槽，在其内、外两端设置螺丝孔，在其外端侧壁设置导线引出孔；

h、在固定卡槽背面螺丝孔处焊接固定螺帽，并给固定螺帽对应配置螺丝；

i、用耐高温不锈钢制作长度、高度、宽度及曲率相同的数片焊接板，以耐高温不锈钢材料制作至少两片连接片，将连接片与焊接板连接 、焊接制成框架式圆筒；

j、在每片焊接板的内表面焊接多层固定卡槽，制成固定装置；

k、将弹性材料悬臂梁外端与固定卡槽紧密结合，利用螺丝固定，即将每个固定卡槽上都安装了一个PZT换能装置；制成具有多层、每层具有与焊接板片数相同的PZT换能装置的风铃式PZT换能组件；

l、将导线穿过固定卡槽设置的导线引出孔，形成导线引出端；将导线引出端通过导线依次连接，形成风铃式PZT换能组件的导线引出端；

m、加热淬火耐高温不锈钢制作设有筒底板的圆柱状耐高温筒体，筒底板设置了电池正极、电池负极，筒底板中心设有气流通孔；筒体的高度与固定装置的高度相同，筒体的内径等于固定装置的外径；

n、将风铃式PZT换能组件装入圆柱状耐高温筒体，并将风铃式PZT换能组件的导线引出端通过导线与电池正极、电池负极连接；

o、将圆柱状耐高温筒体封装筒顶板，筒顶板中心设有气流通孔；在气流通孔处装配活动式尖端喷嘴，组装成换能结构。

（3）、组装电池

a、将同位素热源腔体的气流出口端与圆柱状耐高温筒体的气流入口端用第一段工作气体管道连接，接口处安装橡胶垫圈作为垫片；

b、在第一段工作气体管道的外表面包裹绝热材料形成绝热层；

c、将同位素热源腔体的气流入口端与第二段工作气体管道连接，在第二段工作气体管道的另一端安装压缩机，将圆柱状耐高温筒体的气流出口端用第三段工作气体管道连接至压缩机，接口处安装橡胶垫圈作为垫片并充入惰性气体作为工作气体；

d、在第三段工作气体管道外表面固定安装散热器。

本发明所提供的基于风铃式PZT换能组件的同位素电池实现电学输出的过程大致为：放射性同位素衰变时释放出的射线与导热筒和防辐射层作用产生热能，惰性气体流经同位素热源腔体时吸收热量温度升高，在压强和气动单向阀作用下形成单向高速气流，高速气流冲击风铃式PZT换能组件，使风铃式PZT换能组件的各PZT换能元件间产生不同摆动幅度，各PZT换能元件之间碰撞，碰撞传递至压电层从而将振动能转变为电能。气流流经散热器后，在压缩机作用下回流同位素热源腔形成闭式循环体系。

本发明从传统动态型同位素电池存在的高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量等因素影响电池工作稳定性的技术瓶颈出发，提出了以压电换能机制来克服上述技术瓶颈，大幅提升了动态型同位素电池的工作稳定性。

本发明受压电材料强度和刚度的材料属性启发，提出一种具有风铃式PZT换能组件的换能结构，使压电换能过程以风铃式碰撞的形式实现，解决了PZT压电材料的脆性问题，增长了压电换能机制同位素电池的服役寿命，并有效提高了压电换能机制同位素电池的能量转换效率。

本发明为确保电池工作气流的闭式循环流动，在工作气体管道上加装压缩机，工作气体在单向气动阀、压缩机作用下形成单向闭式循环流动气流。

本发明提供的同位素电池通过采用风铃式PZT换能组件作为换能元件，突破了传统动态型同位素电池产品化的技术瓶颈，是基于风铃式PZT换能组件的新型换能结构。创新型的风铃式设计，有效提高了能量的转换效率，压缩机的引入确保了电池中气流的闭式循环流动，大幅提升了动态型同位素电池的工作稳定性，增长了其服役寿命，从而拓宽了其应用环境。与现有技术相比，本发明主要有益效果如下：

1、本发明采用压电效应为发电机理，突破了传统动态型同位素电池局限于热机或涡轮机发电模式下所产出的高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性的技术瓶颈。

2、本发明在考虑压电材料的强度、刚度材料属性后，创新采用风铃式PZT换能组件，在PZT换能元件上方设有碰撞层，使压电换能过程以风铃式碰撞的形式实现，解决了PZT压电材料脆性问题，增长了压电换能机制同位素电池的服役寿命，并有效提高了压电换能机制同位素电池的能量转换效率。

3、本发明引入压缩机作为系统气流循环的保障，大幅提升了动态型同位素电池的工作稳定性，增长了其服役寿命，拓宽了其应用环境。

附图说明

图1为本发明基于风铃式PZT换能组件的同位素电池的结构示意图；

图2为热源结构的径向截面图；

图3为换能结构的俯视图；

图4为换能结构的断面图；

图5至图35为基于风铃式PZT换能组件的同位素电池的制作方法流程图。

图中：1—气动单向阀，2—同位素热源腔体，3—同位素热源腔体外壳，4—热反射层，5—外壳，6—防辐射层，7—导热筒，8—同位素源，9—固定支架，10—固定螺丝，11—通孔， 12—绝热层，13—第一段工作气体管道，14—圆柱状耐高温筒体，15—活动式尖端喷嘴，16—焊接板，17—固定卡槽，18—弹性材料悬臂梁， 19—PZT换能元件，20—导线，21—电池正极，22—电池负极，23—第三段工作气体管道，24—工作气体，25—散热器，26—第二段工作气体管道，27—压缩机，28—碰撞层，29—金属层，30—电学输出电极，31—第一绝缘衬底，32—陶瓷层，33—第二绝缘衬底，34—螺丝通孔，35—螺丝孔，36—螺丝，37—固定螺帽，38—导线引出孔，39—圆圈形连接片，40—楔形尖端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。同位素电池实施例；

如图1所示：一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，包括热源结构、换能结构、压缩机27、散热器25与三段工作气体管道；热源结构出口端通过第一段工作气体管道13与换能结构连接，热源结构入口端通过第二段工作气体管道26与压缩机27连接，换能结构与压缩机27通过第三段工作气体管道23相连接，第三段工作气体管道23的外表面安装散热器25；热源结构充有工作气体24，工作气体24在热源结构、换能结构、压缩机27、工作气体管道内形成闭式气流循环。第一段工作气体管道13外表面设有绝热层12，绝热层12用于减少工作气体24降温引起的气流流速下降。

参见图2：热源结构包括同位素热源腔体2和同位素热源装置，同位素热源装置设在同位素热源腔体2内；同位素热源腔体2包括同位素热源腔体外壳3，同位素热源腔体外壳3内表面设有热反射层4，同位素热源腔体外壳3两端渐变收缩并装配气动单向阀1；同位素热源装置包括设有夹层的导热筒7；导热筒7的夹层内装有同位素源8，导热筒7内、外壁均设有防辐射层6；同位素热源装置被封装于外壳5内；外壳5外表面均匀设有三个固定支架9；同位素热源装置利用固定螺丝10通过固定支架9固定于同位素热源腔体外壳3上，同位素热源装置中间设有通孔11。

参见图3与图4：换能结构包括圆柱状耐高温筒体14和风铃式PZT换能组件，风铃式PZT换能组件设在圆柱状耐高温筒体14内；圆柱状耐高温筒体14顶部的气流入口端装配活动式尖端喷嘴15，圆柱状耐高温筒体14底部设有电池正极21与电池负极22。同位素热源腔体2的气流出口端与圆柱状耐高温筒体14的气流入口端通过第一段工作气体管道13封接。

风铃式PZT换能组件包括固定装置和PZT换能装置；PZT换能装置固定安装于固定装置，固定装置贴合安装在圆柱状耐高温筒体14内壁。

参见图25：固定装置包括两个圆圈形连接片39与八片焊接板16，两个圆圈形连接片39上、下布设，八片焊接板16均匀固定在圆圈形连接片39上，构成框架式圆筒，框架式圆筒贴合安装在圆柱状耐高温筒体14内壁；参见图26：每片焊接板16上焊接有六层固定卡槽17，每层固定卡槽17在相同的水平位置，各层固定卡槽17的长度自上而下依次递增；每个固定卡槽17上设有一个PZT换能装置。参见图4与图23；固定卡槽17的侧壁外端设有导线引出孔38，固定卡槽17的底部内、外端设有螺丝孔35。参见图24，在固定卡槽17背面的螺丝孔35处焊接有固定螺帽37。本领域的技术人员能够理解，圆圈形连接片与焊接板的数量不受实施例的限制，焊接板上焊接的固定卡槽的层数也不受实施例的限制。

参见图3与图4：PZT换能装置包括弹性材料悬臂梁18和固定于弹性材料悬臂梁18内端上的PZT换能元件19，弹性材料悬臂梁18的长度相同， PZT换能元件19自上而下对齐排布，PZT换能元件19通过导线20相联后与电池正极21、电池负极22连接。

弹性材料悬臂梁18的内端设有楔形尖端40；当工作气体24从活动式尖端喷嘴15喷出后，冲击楔形尖端，利用中心高速气流，增大弹性材料悬臂梁的气流冲击形变量，提高能量转换效率。

参见图21与图22；弹性材料悬臂梁18设有螺丝通孔34，螺丝36穿过螺丝通孔34、螺丝孔35再与固定螺帽37螺纹连接，将弹性材料悬臂梁18外端固定安装于固定卡槽17。

参见图4与图20 ：PZT换能元件19自上而下依次设有碰撞层28和压电层，碰撞层28防止压电层在碰撞过程中受损；压电层自上而下依次设有金属层29、第一绝缘衬底31、陶瓷层32和第二绝缘衬底33，金属层29的外端和陶瓷层32的外端分别设有电学输出电极30；参见图21与图22；弹性材料悬臂梁18左、右两侧刻蚀有用于固定导线20的刻痕，导线20一端与电学输出电极30相连，导线20另一端从导线引出孔38引出，形成导线引出端；将导线引出端依次连接，形成风铃式PZT换能组件的导线引出端；风铃式PZT换能组件的导线引出端通过导线20与电池正极21、电池负极22连接。

同位素热源腔体外壳3、外壳5、固定支架9、固定螺丝10、圆柱状耐高温筒体14、焊接板16、圆圈型连接片39、固定卡槽17、螺丝36、固定螺帽37和工作气体管道壁26的材质相同，可以是316不锈钢、304不锈钢或310不锈钢；热反射层4的材质可以是Al₂O₃；防辐射层6的材质可以是钽合金、铅薄膜、有机玻璃和铁复合材料、树脂和纳米铅复合材料或树脂和纳米硫酸铅复合材料；导热筒7的材质可以是BN；同位素源8可以是α放射源：Po-210、U-235、Pu-238、Am-241、Cm-242或Cm-244；同位素源8也可以是β放射源：C-14、S-35、Sc-46、Ni-63、Sr-90、Ru-106、Cs-137、Ce-144、Pm-147或Sm-151；气动单向阀1可采用JKT-420Mpa气动单向阀；活动式尖端喷嘴15可采用槽缝式吹风喷嘴或CC/C扇形喷嘴；弹性材料悬臂梁18的材质可以是2030P石墨复合聚酯；导线20可采用GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线；电池正极21、电池负极22和电学输出电极30材质相同，可以是金属Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti；工作气体24可以是惰性气体Ar或惰性气体Ne；散热器25可以是石墨散热器或超导热管；绝热层12可以是无尘石棉布或硅酸铝制品；压缩机27可采用ASPEN微型压缩机POE RL 68H；碰撞层28的材质可以是硅胶或环氧树脂；第一绝缘衬底31和第二绝缘衬底33的材质相同，可以是SiO₂、硅胶或环氧树脂；金属层29可以是Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti薄膜；陶瓷层32的材质可以是PbZrTiO₃。

方法实施例；一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池的制备方法，按下述步骤：

1、制备同位素热源结构

a、 参见图5；利用BN材质制作设有夹层的导热筒7；

b、 参见图6；在设有夹层的导热筒7中装入同位素源8；

c、 参见图7；对导热筒7进行焊接封装；

d、 参见图8；利用钽合金材质制作防辐射层6，将导热筒7装入防辐射层6；

e、 参见图9；对防辐射层6进行焊接封装；

f、 参见图10；加热淬火316不锈钢制作外壳5，将防辐射层6装入外壳5；

g、 参见图11；对外壳5进行焊接封装；

h、 参见图12；用316不锈钢锻造固定支架9，将固定支架9焊接于外壳5外表面；

i、 参见图13；加热淬火316不锈钢制作成同位素热源腔体外壳3；

j、 参见图14；在同位素热源腔体外壳3内表面涂刷热Al₂O₃制备热反射层4；

k、 参见图15；用固定螺丝10通过固定支架9将同位素热源装置固定于同位素热源腔体外壳3上；

l、 参见图16；在同位素热源腔体外壳3两端装配JKT-420MPa气动单向阀1。

2、制备换能结构

a、 参见图17；用SiO₂基片制作第一绝缘衬底31，在第一绝缘衬底31上表面采用溅射方法制备金属Pt薄膜制成金属层29；

b、 参见图18；用SiO₂基片制作第二绝缘衬底33，在第二绝缘衬底上表面采用溶胶凝胶法合成PbZrTiO₃制作陶瓷层32；

c、 参见图19；用环氧树脂粘结剂将陶瓷层32上表面与第一绝缘衬底31下表面粘结，并分别在金属层29的外端及陶瓷层32的外端采用光刻溅射金属Pt制备电学输出电极30，通过光刻定义电极图形，采用腐蚀或剥离方法实现金属图形化；

d、 参见图20；以硅胶材质制作碰撞层28；用环氧树脂粘结剂将金属层29上表面与碰撞层28下表面粘结，制成PZT换能元件19；

e、参见图21；采用2030P石墨复合聚酯制作悬臂梁18，弹性材料悬臂梁设置两个螺丝通孔34，并在悬臂梁18左、右两侧进行刻蚀，形成用于置放并固定导线的刻痕；

f、参见图22；用环氧树脂粘结剂将PZT换能元件19粘结固定于弹性材料悬臂梁18内端，用GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线20将PZT换能元件19以串联方式连接，用环氧树脂粘结剂将GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线20固定于弹性悬臂梁两侧刻痕中，制成PZT换能装置；

g、参见图23；用316不锈钢制作固定卡槽17，在固定卡槽17内、外两端设置螺丝孔35，在固定卡槽17外端的侧壁上设置导线引出孔38；

h、参见图24；在固定卡槽17背面螺丝孔35处焊接固定螺帽37，并给固定螺帽37对应配置螺丝36；

i、 参见图25；用316不锈钢锻造八根长度、高度、宽度及曲率相同的耐高温不锈钢钢条制成焊接板16，将八根焊接板均匀分布，以316不锈钢材料制成两片圆圈型连接片39，将圆圈型连接片39与焊接板16连接、焊接制成框架式圆筒；

j、 参见图26；在每片焊接板16的内表面焊接六层固定卡槽17，每层固定卡槽17在相同的水平位置，六层固定卡槽17的长度从上至下依次递增，制成固定装置；

k、将弹性材料悬臂梁18外端与固定卡槽17紧密结合，利用螺丝36固定，即将每个固定卡槽上都安装上一个PZT换能装置；制成共计有六层、每层有八个与焊接板片数相同PZT换能装置的风铃式PZT换能组件；

l、 参见图28；将GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线20穿过固定卡槽17设置的导线引出孔38，形成导线引出端；将导线引出端通过GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线20依次连接，形成风铃式PZT换能组件的导线引出端；

m、 参见图29；用加热淬火316不锈钢制作设有筒底板的圆柱状耐高温筒体14，在筒底板设有电池正极21、电池负极22，筒底板中心设有气流通孔；筒体的高度与固定装置的高度相同，筒体的内径等于固定装置的外径；

n、参见图30；将风铃式PZT换能组件装入圆柱状耐高温筒体14，并将风铃式PZT换能组件的导线引出端通过导线20与电池正极21、电池负极22连接；

o、 参见图31；将圆柱状耐高温筒体14顶部封装筒顶板，筒顶板中心设有气流通孔；在气流通孔处装配活动式尖端喷嘴15，组装成换能结构。

3、组装电池

a、参见图32；将同位素热源腔体2的气流出口端与圆柱状耐高温筒体14的气流入口端用第一段工作气体管道13连接，接口处安装橡胶垫圈作为垫片；

b、参见图33；在第一段工作气体管道13的外表面包裹无尘石棉布形成绝热层12；

c、参见图34；将同位素热源腔体的气流入口端与第二段工作气体管道26连接，在第二段工作气体管道26的另一端安装压缩机27，将圆柱状耐高温筒体14的气流出口端用第三段工作气体管道23连接至压缩机27，接口处安装橡胶垫圈作为垫片并充入惰性气体作为工作气体24；压缩机为ASPEN微型压缩机POE RL 68H。

d、参见图35；在第三段工作气体管道23外表面固定安装石墨散热器25。

Claims (8)

1.一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，其特征在于：包括热源结构、换能结构、压缩机、散热器与三段工作气体管道；热源结构出口端通过第一段工作气体管道（13）与换能结构连接，热源结构入口端通过第二段工作气体管道（26）与压缩机（27）连接，换能结构与压缩机(27)通过第三段工作气体管道(23)相连接，第三段工作气体管道(23)的外表面安装散热器(25)；热源结构充有工作气体(24)，工作气体(24)在热源结构、换能结构、压缩机(27)、工作气体管道内形成闭式气流循环；

热源结构包括同位素热源腔体（2）和同位素热源装置，同位素热源装置设在同位素热源腔体（2）内；同位素热源腔体（2）包括同位素热源腔体外壳（3），同位素热源腔体外壳（3）内表面设有热反射层（4），同位素热源腔体外壳（3）两端渐变收缩并装配气动单向阀（1）；同位素热源装置包括设有夹层的导热筒（7），导热筒（7）的夹层内装有同位素源（8），导热筒（7）内、外壁均设有防辐射层（6）；同位素热源装置被封装于外壳（5）内；外壳（5）外表面均匀设有三个固定支架（9）；同位素热源装置利用固定螺丝（10）通过固定支架（9）固定于同位素热源腔体外壳（3）上，同位素热源装置中间设有通孔（11）；

换能结构包括圆柱状耐高温筒体（14）和风铃式PZT换能组件，风铃式PZT换能组件设在圆柱状耐高温筒体（14）内；圆柱状耐高温筒体（14）顶部的气流入口端装配活动式尖端喷嘴（15），圆柱状耐高温筒体（14）底部设有电池正极（21）与电池负极（22）；

风铃式PZT换能组件包括固定装置和PZT换能装置；PZT换能装置固定安装于固定装置，固定装置贴合安装在圆柱状耐高温筒体（14）内壁。

2.如权利要求1所述的一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，其特征在于：固定装置包括至少两个圆圈形连接片（39）与数片焊接板（16），圆圈形连接片（39）上、下布设，数片焊接板（16）均匀固定在圆圈形连接片（39）上，构成框架式圆筒，框架式圆筒贴合安装在圆柱状耐高温筒体（14）内壁。

3.如权利要求2所述的一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，其特征在于：每片焊接板（16）上焊接有多层固定卡槽（17），每层固定卡槽（17）在相同的水平位置，各层固定卡槽（17）的长度自上而下依次递增；每个固定卡槽（17）上设有一个PZT换能装置。

4.如权利要求3所述的一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，其特征在于：PZT换能装置包括弹性材料悬臂梁（18）和固定于弹性材料悬臂梁（18）内端上的PZT换能元件（19），弹性材料悬臂梁（18）的长度相同， PZT换能元件（19）自上而下对齐排布，PZT换能元件（19）通过导线（20）相联后与电池正极（21）、电池负极（22）连接。

5.如权利要求4所述的一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，其特征在于：PZT换能元件（19）自上而下依次设有碰撞层（28）和压电层；压电层自上而下依次设有金属层（29）、第一绝缘衬底（31）、陶瓷层（32）和第二绝缘衬底（33），金属层（29）的外端和陶瓷层（32）的外端分别设有电学输出电极（30）。

6.如权利要求5所述的一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，其特征在于：弹性材料悬臂梁（18）的内端设有楔形尖端（40），弹性材料悬臂梁（18）设有螺丝通孔（34）；固定卡槽（17）的侧壁外端设有导线引出孔（38），固定卡槽（17）的底部内、外端设有螺丝孔（35）；在固定卡槽（17）背面的螺丝孔（35）处焊接有固定螺帽（37）；螺丝（36）穿过螺丝通孔（34）、螺丝孔（35）再与固定螺帽（37）螺纹连接，将弹性材料悬臂梁（18）外端固定安装于固定卡槽（17）。

7.如权利要求6所述的一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池，其特征在于：弹性材料悬臂梁（18）左、右两侧刻蚀有用于固定导线（20）的刻痕，导线（20）一端与电学输出电极（30）相连，导线（20）另一端从导线引出孔（38）引出，形成导线引出端；导线引出端依次连接，形成风铃式PZT换能组件的导线引出端；风铃式PZT换能组件的导线引出端通过导线（20）与电池正极（21）、电池负极（22）连接。

8.一种基于风铃式PZT换能组件的同位素电池的制备方法，包括制备同位素热源结构、制备换能结构和组装电池，具体包括下述步骤：

（1）、制备同位素热源结构

a、利用耐高温高热导率材质制作设有夹层的导热筒；

b、在导热筒中装入同位素源；

c、对导热筒进行焊接封装；

d、利用耐高温防辐射材质制作防辐射层，将导热筒装入防辐射层；

e、对防辐射层进行焊接封装；

f、加热淬火耐高温不锈钢制作成外壳，将防辐射层装入外壳；

g、对外壳进行焊接封装；

h、用耐高温不锈钢锻造固定支架，将固定支架焊接于外壳外表面；

i、加热淬火耐高温不锈钢制作成同位素热源腔体外壳；

j、在同位素热源腔体外壳内表面涂刷热反射层材料制备热反射层；或者在同位素热源腔体外壳内表面采用溅射方法制备热反射层；

k、用固定螺丝通过固定支架将同位素热源装置固定于同位素热源腔体外壳上；

l、在同位素热源腔体外壳两端装配气动单向阀；

（2）、制备换能结构

a、制作第一绝缘衬底，在第一绝缘衬底上表面采用溅射方法、蒸发方法或电镀方法制备金属薄膜作为金属层；

b、制作第二绝缘衬底，在第二绝缘衬底上表面采用溶胶凝胶法合成陶瓷层；

c、用粘结剂将陶瓷层上表面与第一绝缘衬底下表面粘结，并分别在金属层的外端及陶瓷层的外端采用溅射、蒸发或电镀方法制备电学输出电极，通过光刻定义电极图形，采用腐蚀或剥离方法实现金属图形化；

d、制作碰撞层，以硅胶或环氧树脂材质制作碰撞层，用粘结剂将金属层上表面与碰撞层下表面粘结，制成PZT换能元件；

e、采用2030P石墨复合聚酯制作弹性材料悬臂梁，其上设置两个螺丝通孔，并在悬臂梁左右两侧刻蚀出用于置放并固定导线的刻痕；

f、用粘结剂将PZT换能元件粘结固定于弹性材料悬臂梁内端，用导线将PZT换能元件以串联方式连接，用粘结剂将导线固定于弹性材料悬臂梁左、右两侧刻痕中，制成PZT换能装置；

g、用耐高温不锈钢制作固定卡槽，在其内、外两端设置螺丝孔，在其外端侧壁设置导线引出孔；

h、在固定卡槽背面螺丝孔处焊接固定螺帽，并给固定螺帽对应配置螺丝；

i、用耐高温不锈钢制作长度、高度、宽度及曲率相同的数片焊接板，以耐高温不锈钢材料制作至少两片圆圈型连接片，将圆圈型连接片与焊接板连接 、焊接制成框架式圆筒；

j、在每片焊接板的内表面焊接多层固定卡槽，制成固定装置；

k、将弹性材料悬臂梁外端与固定卡槽紧密结合，利用螺丝固定，即将每个固定卡槽上都安装了一个PZT换能装置；制成具有多层、每层具有与焊接板片数相同的PZT换能装置的风铃式PZT换能组件；

l、将导线穿过固定卡槽设置的导线引出孔，形成导线引出端；将导线引出端通过导线依次连接，形成风铃式PZT换能组件的导线引出端；

m、加热淬火耐高温不锈钢制作设有筒底板的圆柱状耐高温筒体，筒底板设置了电池正极、电池负极，筒底板中心设有气流通孔；筒体的高度与固定装置的高度相同，筒体的内径等于固定装置的外径；

n、将风铃式PZT换能组件装入圆柱状耐高温筒体，并将风铃式PZT换能组件的导线引出端通过导线与电池正极、电池负极连接；

o、将圆柱状耐高温筒体封装筒顶板，筒顶板中心设有气流通孔；在气流通孔处装配活动式尖端喷嘴，组装成换能结构；

（3）、组装电池

a、将同位素热源腔体的气流出口端与圆柱状耐高温筒体的气流入口端用第一段工作气体管道连接，接口处安装橡胶垫圈作为垫片；

b、在第一段工作气体管道的外表面包裹绝热材料形成绝热层；

c、将同位素热源腔体的气流入口端与第二段工作气体管道连接，在第二段工作气体管道的另一端安装压缩机，将圆柱状耐高温筒体的气流出口端用第三段工作气体管道连接至压缩机，接口处安装橡胶垫圈作为垫片并充入惰性气体作为工作气体；

d、在第三段工作气体管道外表面固定安装散热器。

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