CN110596745A - 一种通用型同位素热源的电加热模拟热源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通用型同位素热源的电加热模拟热源，包括发热体、电绝缘层、密封层、冲击缓冲层、隔热保温层、大气烧蚀层、装载通道、供电引线通道、集线端、补强板、补强板螺钉、测温热电偶、测温热电偶引线通道；本发明的电加热模拟热源根据美国通用型热源（GPHS）的性能参数进行研制，可用于同位素电源系统非核单元试验测试，同时保证了核安全性和测试结果有效性；本发明克服了现有的电加热模拟热源与真实同位素热源在内部结构、热分布和温度分布等方面与真实同位素热源的等效性较差的问题，填补了国内空白，为我国大功率同位素电源研制奠定了技术基础。

Description

一种通用型同位素热源的电加热模拟热源
技术领域
本发明涉及工程热物理领域，具体涉及一种通用型同位素热源的电加热模拟热源。
背景技术
放射性同位素电源系统（Radioisotope Power System, RPS）是一种把同位素衰变热能转换为电能的系统。当前，所有基于静态热电转换原理（温差发电）的系统统称为放射性同位素热电发生器（Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG）。在学术交流和项目实施中，我国通常统一把这类装置简称为同位素电源，又称核电源。同位素电源（热源）具有体积小、比功率高、使用寿命长、环境适用性强、可靠性高等特点，适用于深空、深海、偏远陆地等特殊应用场景，具有不可替代的作用。
同位素电源不依赖太阳光，抗辐射能力强，是深空探测任务的理想电源（文献1[叶培建，彭兢. 深空探测与我国深空探测展望. 中国工程科学，2006，8(10): 13-18]和文献2[康海波. 同位素电源系统研究进展. 电源技术，2011，35(8): 1031-1033]）。美国宇航局（NASA）自20世纪60年代至今，已经开展了多次深空探测任务，主要配备了三种型号的同位素电源，分别为MWH-RTG、GPHS-RTG和MMRTG，供电功率均大于百瓦，使用寿命大于15年（文献3[王廷兰. 深空探测用同位素电源的研究进展. 电源技术，2015，39(7): 1576-1579]）。
通用型热源（General Purpose Heat Source, GPHS）是一种采用“模块化”设计的标准同位素热源。一方面，GPHS具有极高的核安全性，发射事故条件下可实现同位素燃料完整回收；另一方面，GPHS具有良好的通用性、多功能性和堆叠性，可与现有多种热电转换系统适配。基于GPHS的同位素电源（GPHS-RTG）已经服役于伽利略号（Galileo[1989]）、尤利西斯号（Ulysses[1990]）、卡西尼号（Cassini[1997]）和新地平线号（NewHorizons[2006]），为任务的顺利完成发挥了至关重要作用（文献4[Space and defense power systems ten-year strategic plan, INL/MIS-13-29522, SDPS-001-0, 2013, prepared by INLRadioisotope Power Systems Technical Integration Office for DOE Office ofNuclear Energy NE-75]）。GPHS已成功服役空间任务近三十年，证明其具有极高的可靠性和安全性。
在同位素电源研发过程中，采用电加热模拟热源替代同位素热源开展非核试验测试系统性能，可同时保障测试数据有效性和核安全性。美国在GPHS电加热模拟热源研发方面开展了大量工作，主要包括单个GPHS模拟热源和GPHS阵列模拟热源。
综合而言，现有的电加热模拟热源与真实同位素热源在内部结构、热分布和温度分布等方面与真实同位素热源的等效性较差。针对上述问题，为满足我国深空探测任务在同位素电源研制、测试过程中对电加热模拟热源的等效性需求，尽可能保持与真实同位素热源各项特性一致，满足同位素电源系统非核单元等效性测试与验证的需求，研发一种具有高等效性的电加热模拟热源势在必行，以解决现有技术中存在的电加热模拟热源与真实同位素热源的等效性较差的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种与真实同位素热源内部结构、热分布和温度分布均高度等效的通用型同位素热源的电加热模拟热源，后简称“模拟热源”。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：包括发热体、电绝缘层、密封层、冲击缓冲层、隔热保温层、大气烧蚀层、装载通道、集线端、测温热电偶；所述发热体紧密装配于电绝缘层内，所述电绝缘层紧密装配于密封层内，所述密封层紧密装配于冲击缓冲层内，所述冲击缓冲层紧密装配于隔热保温层内，所述隔热保温层紧密装配于大气烧蚀层内，所述的测温热电偶设置于大气烧蚀层的装载通道的侧面中心；所述发热体、电绝缘层、密封层、冲击缓冲层、隔热保温层组成一个整体套件，各组件装配采用同轴圆柱嵌套方式；所述整体套件共两套，通过装载通道嵌入大气烧蚀层；所述大气烧蚀层作为模拟热源外壳；所述集线端位于大气烧蚀层顶面，用于汇集发热体供电引线和测温热电偶信号引线；所述引线均封装于模拟热源内，仅通过集线端向外引出。
优选地，所述发热体采用等静压石墨材料制成；所述电绝缘层采用氧化铝陶瓷材料制成；所述密封层采用高温难熔钼合金材料制成；所述冲击缓冲层采用高强度碳碳复合材料，所述隔热保温层采用碳纤维气凝胶材料制成；所述大气烧蚀层采用耐烧蚀碳碳复合材料制成。
优选地，所述发热体呈“鼠笼”结构。
优选地，所述电绝缘层、密封层、冲击缓冲层、隔热保温层、大气烧蚀层均预留有供电引线通道。
优选地，所述电加热模拟热源还包括补强板，补强板通过补强板螺钉紧固装配于隔热保温层。
优选地，所述补强板采用耐烧蚀碳碳复合材料制成。
优选地，所述大气烧蚀层预留有测温热电偶引线通道。
优选地，所述测温热电偶引线通道采用氧化铝陶瓷材料制成。
优选地，所述电加热模拟热源的输出热功率为0-500W，所述电加热模拟热源表面温度为不高于1300oC。
优选地，所述的电加热模拟热源表面最大温差小于或等于10oC。
本发明的有益效果是：本发明的电加热模拟热源根据美国通用型热源（GPHS）的性能参数进行研制，可用于同位素电源系统非核单元试验测试，其与真实同位素热源的内部结构、热分布和温度分布均具有高度等效性，同时保证了核安全性和测试结果有效性；本发明克服了现有的电加热模拟热源与真实同位素热源在内部结构、热分布和温度分布等方面与真实同位素热源的等效性较差的问题，填补了国内空白，为我国大功率同位素电源研制奠定了技术基础。
附图说明
图1a为本发明的XY顶面结构示意图；
图1b为本发明的XZ侧面结构示意图；
图1c为本发明的YZ侧面结构示意图；
图2为本发明的A-A剖面结构示意图；
图3a为本发明的B-B剖面结构示意图；
图3b为本发明的C-C剖面结构示意图；
图4为本发明为基础的工作原理示意图；
图中，1.发热体 2.电绝缘层 3.密封层 4冲击缓冲层 5.隔热保温层 6.大气烧蚀层 7.装载通道 8.供电引线通道 9.集线端 10.补强板 11.补强板螺钉 12.测温热电偶 13.测温热电偶引线通道 14.模拟热源 15.热电转换系统 16.热源腔室 17.系统引线通道 18.系统接地引线 19.系统供电负极 20.系统供电正极 21.模拟热源供电电源 22.供电引线 23.测温仪表 24.测温仪表引线 25.负载 26.负载引线。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
下面参照图1a至图3b说明本发明的电加热模拟热源的实施例。
一种通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：包括发热体1、电绝缘层2、密封层3、冲击缓冲层4、隔热保温层5、大气烧蚀层6、装载通道7、集线端9、测温热电偶12；
所述发热体1紧密装配于电绝缘层2内，所述电绝缘层2紧密装配于密封层3内，所述密封层3紧密装配于冲击缓冲层4内，所述冲击缓冲层4紧密装配于隔热保温层5内，所述隔热保温层5紧密装配于大气烧蚀层6内，所述的测温热电偶12设置于大气烧蚀层6的装载通道7的侧面中心，通过测温热电偶实时监测模拟热源表面温度，为同位素电源系统非核单位测试提供反馈，从而实现定量分析电源性能；
所述发热体1、电绝缘层2、密封层3、冲击缓冲层4、隔热保温层5组成一个整体套件，各组件装配采用同轴圆柱嵌套方式；所述整体套件共两套，通过装载通道7嵌入大气烧蚀层6；所述大气烧蚀层6作为模拟热源外壳；所述集线端9位于大气烧蚀层6顶面，用于汇集发热体1供电引线和测温热电偶12信号引线；所述引线均封装于模拟热源内，仅通过集线端9向外引出。本发明集线端将供电引线和测温热电偶引线汇集，一并引出至模拟热源外部，实现了在同位素电源系统非核子单元测试过程中安装布线，减少了由引线接口引入的等效性差异。
本发明的电加热模拟热源严格按照真实同位素热源结构设计，除发热体与真实同位素热源燃料芯块不一致以外，其余组件均保持一致，克服了现有的电加热模拟热源与真实同位素热源在内部结构、热分布和温度分布等方面与真实同位素热源的等效性较差的问题。
在一个优选实施例中，为进一步确保了电加热模拟热源与真实同位素热源的等效性，所述发热体1采用等静压石墨材料制成，其电阻大、体功率密度大，可等效同位素燃料芯块发热特性，同时降低引线功率损失；所述电绝缘层2采用氧化铝陶瓷材料制成，电绝缘性良好，使得发热体自身各部分电绝缘，使得发热体与其他组件电绝缘；所述密封层3采用高温难熔钼合金材料制成；所述冲击缓冲层4采用高强度碳碳复合材料制成，抗冲击性良好；所述隔热保温层5采用碳纤维气凝胶材料制成，隔热性良好；所述大气烧蚀层6采用耐烧蚀碳碳复合材料制成，抗烧蚀性和导热性良好，使模拟热源表面温差小于10oC。
进一步优选地，为确保电绝缘层与发热体“鼠笼”结构完好装配，设置所述发热体1呈“鼠笼”结构。
进一步优选地，为方便排布发热体1供电引线和测温热电偶12信号引线，所述电绝缘层2、密封层3、冲击缓冲层4、隔热保温层5、大气烧蚀层6均预留有供电引线通道；该供电引线通道结构有利于供电引线和测温热电偶信号引线在电加热模拟热源内的布置且引线长度较短，同时便于安装调试。
进一步优选地，所述电加热模拟热源还包括补强板10，补强板10通过补强板螺钉11紧固装配于隔热保温层5，所述补强板10采用耐烧蚀碳碳复合材料制成。本发明通过补强板使得电加热模拟热源具有相对平整的表面，有利于提升电加热模拟热源与真实同位素热源的等效性。
进一步优选地，所述大气烧蚀层6预留有测温热电偶引线通道13。
进一步优选地，所述测温热电偶引线通道13采用氧化铝陶瓷材料制成。由于氧化铝陶瓷具有较好的耐高温性和电绝缘性，高温下不与碳碳复合材料、测温引线反应，有利于准确测量电加热模拟热源表面温度。
进一步优选地，有利于电加热模拟热源研制方和用户方约定测试接口条件，同时有利于检验电加热模拟热源产品是否满足要求，设定本发明电加热模拟电源关键参数为：输出热功率0-500W，可在1300oC以下的表面温度条件下稳定工作，例如，输出热功率为250W，表面热功率面密度约0.65W/cm2，表面最大温差小于或等于10oC。
结合附图4，以本发明为基础的工作原理示意图，包括模拟热源14、热电转换系统15、热源腔室16、系统引线通道17、系统接地引线18、系统供电负极19、系统供电正极20、供电电源21、供电引线22、测温仪表23、测温仪表引线24、负载25、负载引线26。
使用前，须通过标准电学测试，测定模拟热源发热体冷态电阻，总冷态电阻约44Ω；测定发热体与大气烧蚀层之间的绝缘电阻，该电阻须大于2MΩ。
模拟热源使用过程：准备一个热电转换系统，其热源腔室与模拟热源外形匹配，且预留有供电引线通道；将模拟热源放入热电转换系统热源腔室，完成热电转换系统封装和模拟热源引线排布；将模拟热源发热体与供电电源连接，将模拟热源测温热电偶与测温仪表连接；热电转换系统正极和负极通过引线分别连接至负载（例如电阻等）两端；开启供电电源，缓慢升高供电电压，待模拟热源表面温度（测量温度值）稳定后继续升高电压至预定热功率，热功率加载速率不大于25W/hr；当模拟热源输出热功率达到预定值且表面温度稳定，可观察到热电转换系统输出电能，负载进入稳定工作状态（例如电阻发热、灯泡发光、芯片运算等）；后续使用过程须对模拟热源输出热功率和表面温度实时监控，以判断模拟热源是否处于正常工作状态，直至停止使用。
模拟热源拆卸过程：缓慢降低电压至零功率，热功率降低速率不大于45W/hr；使用绝缘夹具直接将热电器件取出，放置在绝缘托盘中；待冷却后，拆卸热电器件正负极与负载之间的引线连接。
模拟热源性能：本发明的模拟热源外形呈长方体，包络尺寸97.0mm×93.0mm×53.0mm；输出热功率范围0-500W；可在表面温度范围1300oC以下条件下工作，具体值取决于测试系统（如热电转换系统）隔热能力；为保证模拟热源表面温度均匀性，热源表面最大温差小于或等于10oC；当模拟热源表面温度小于350oC时，可在大气中直接使用；当模拟热源表面温度大于350oC时，必须在高真空（≤1×10-3Pa）环境下使用；当输出热功率为250W时，表面热功率面密度约为0.65W/cm2；模拟热源在结构尺寸、功能组件、热学特性等方面均与美国GPHS具有较高的一致性和等效性。

Claims (10)

1.一种通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：包括发热体（1）、电绝缘层（2）、密封层（3）、冲击缓冲层（4）、隔热保温层（5）、大气烧蚀层（6）、装载通道（7）、集线端（9）、测温热电偶（12）；
所述发热体（1）紧密装配于电绝缘层（2）内，所述电绝缘层（2）紧密装配于密封层（3）内，所述密封层（3）紧密装配于冲击缓冲层（4）内，所述冲击缓冲层（4）紧密装配于隔热保温层（5）内，所述隔热保温层（5）紧密装配于大气烧蚀层（6）内，所述的测温热电偶（12）设置于大气烧蚀层（6）的装载通道（7）的侧面中心；
所述发热体（1）、电绝缘层（2）、密封层（3）、冲击缓冲层（4）、隔热保温层（5）组成一个整体套件，各组件装配采用同轴圆柱嵌套方式；所述整体套件共两套，通过装载通道（7）嵌入大气烧蚀层（6）；所述大气烧蚀层（6）作为模拟热源外壳；所述集线端（9）位于大气烧蚀层（6）顶面，用于汇集发热体（1）供电引线和测温热电偶（12）信号引线；所述引线均封装于模拟热源内，仅通过集线端（9）向外引出。
2.根据权利要求1所述的通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：所述发热体（1）采用等静压石墨材料制成；所述电绝缘层（2）采用氧化铝陶瓷材料制成；所述密封层（3）采用高温难熔钼合金材料制成；所述冲击缓冲层（4）采用高强度碳碳复合材料，所述隔热保温层（5）采用碳纤维气凝胶材料制成；所述大气烧蚀层（6）采用耐烧蚀碳碳复合材料制成。
3.根据权利要求1所述的通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：所述发热体（1）呈“鼠笼”结构。
4.根据权利要求1所述的通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：所述电绝缘层（2）、密封层（3）、冲击缓冲层（4）、隔热保温层（5）、大气烧蚀层（6）均预留有供电引线通道（8）。
5.根据权利要求1所述的通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：所述电加热模拟热源还包括补强板（10），补强板（10）通过补强板螺钉（11）紧固装配于隔热保温层（5）。
6.根据权利要求5所述的通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：所述补强板（10）采用耐烧蚀碳碳复合材料制成。
7.根据权利要求1所述的通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：所述大气烧蚀层（6）预留有测温热电偶引线通道（13）。
8.根据权利要求1所述的通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：所述测温热电偶引线通道（13）采用氧化铝陶瓷材料制成。
9.根据权利要求1-8任一项所述的通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：所述电加热模拟热源的输出热功率为0-500W，所述电加热模拟热源表面温度为不高于1300oC。
10.根据权利要求9所述的通用型同位素热源的电加热模拟热源，其特征在于：所述的电加热模拟热源表面最大温差小于或等于10oC。
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