CN110829896B - 基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器 - Google Patents

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    • H02N3/00—Generators in which thermal or kinetic energy is converted into electrical energy by ionisation of a fluid and removal of the charge therefrom

Abstract

本发明提供了一种基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，包括由冷端、热端和柱状外壳围成的封闭腔体、设置在封闭腔体内的毛细泵、电磁泵和BASE管，冷端和热端分别设置在柱状外壳顶部和底部，冷端包括固定连接的冷端外壳和冷端底座，冷端外壳内部设有穹顶，在穹顶表面均匀设有若干毛细泵引流槽，冷端外壳的外部的周侧及顶部都均匀设有若干散热翅片，冷端底座的中部设有电磁泵集水槽，热端包括中空腔体和热端上封盖。本发明联合机械泵和毛细泵，并且采用NaK合金作为循环工质，给碱金属热电转换器的循环工质提供足够的循环动力，两者配合使用能够有效避免断流、烧干等传热失效的发生，提高了热电转换效率以及运行的可靠性。

Description

基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器
技术领域
本发明创造属于能量转换装置技术领域，尤其是涉及基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器。
背景技术
常规碱金属热电转换器(AMTEC)是一个充有少量碱金属的密闭容器，由厚度约1毫米的β”-Al2O3固体电解质(BASE)和电磁泵将其分隔成压力不同的两部分。在高压侧，工质被热源加热，由压力差决定的化学势梯度驱使碱金属离子透过β”-Al2O3向低压侧的电解质-多孔电极界面迁移，负载接通时，电子从高压侧经外电路到达多孔电极处，与离子复合成原子。类似热管换热器，有人提出可以用毛细泵取代电磁泵。但是毛细泵的性能主要受到多孔介质几何参数、固体骨架材料、热端和冷端温度等的影响。一旦毛细泵失效，就不能给AMTEC工质钠提供足够的循环动力，以致于AMTEC不能稳定地工作。AMTEC装置的整体效率直接受到毛细泵性能好坏的影响，在运行状况发生变化的情况下，毛细泵有可能发生断流、烧干等而失效，另外，由于工质钠在常温下为固态，温度达到97.81℃时才会由固态变为液态，这就对碱金属换热器的冷端环境提出一定的要求，工作环境要求较高。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，联合机械泵和毛细泵，并且采用NaK合金作为循环工质，给AMTEC的循环工质提供足够的循环动力，两者配合使用能够有效避免断流、烧干等传热失效的发生，提高了热电转换效率以及运行的可靠性。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，包括由冷端、热端和柱状外壳围成的封闭腔体、设置在封闭腔体内的毛细泵、电磁泵和BASE管，所述的冷端设置在柱状外壳顶部，所述的热端设置在柱状外壳的底部，所述的冷端包括固定连接的冷端外壳和冷端底座，所述的冷端外壳内部设有穹顶，在穹顶表面均匀设有若干毛细泵引流槽，所述的冷端外壳的外部的周侧及顶部都均匀设有若干散热翅片，所述的冷端底座的中部设有电磁泵集水槽，所述的穹顶扣在所述电磁泵集水槽的上端，且从若干毛细泵引流槽的槽末端流出的液体均流向电磁泵集水槽外表面与冷端底座内表面围合的区域，所述的热端包括中空腔体和热端上封盖，所述的中空腔体内设有循环工质钠钾合金和蒸发器，所述的电磁泵设置在封闭腔体的中心处，所述的电磁泵的上端穿过冷端底座与电磁泵集水槽连通，所述的电磁泵的下端穿过热端上封盖与中空腔体连通，所述的毛细泵包括多根毛细芯，多根所述的毛细芯沿柱状外壳的内壁圆周排列，且两端分别穿过冷端底座和热端上封盖，所述的BASE管设置在电磁泵和毛细泵之间，所述的BASE管的上下两端分别穿过冷端底座和热端上封盖，所述的BASE管和热端上封盖将封闭腔体分隔成压力和温度不同的两部分，所述的BASE管的内外侧表面均涂覆有一多孔金属膜电极，且内侧为阳极，外侧附有阴极，所述的阴极和阳极之间设有外部负载。
进一步的，所述热端表面贴有一监测热端温度变化的温度传感器，所述的温度传感器与控制器电连接，所述的控制器控制电磁泵的开启。
进一步的，所述毛细芯为圆管状，采用粉末冶金烧制或金属丝或金属网压制。
进一步的，所述BASE管设置三根，且按照圆周分布。
进一步的，所述电磁泵集水槽呈碗状。
进一步的，所述蒸发器外部设有导热柱，所述导热柱的材料为高导热金属或金属合金。
进一步的，所述蒸发器为多孔介质。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器具有以下优势：
本发明所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，
1、毛细泵与电磁泵配合使用，节省机械泵运行所需的电力并且解决毛细泵单独作用时驱动力不足，相比传统的AMTEC，提高了热电转换效率以及运行的可靠性；
2、工质采用钠钾合金代替纯Na或者纯K，钠钾合金在常温下是液态，对冷端要求降低，改善了工作环境，从而增加功率；
3、在毛细泵的毛细力作用下，穹顶处的若干毛细泵引流槽内的工作液被引流到毛细芯中，工作液不在穹顶处凝结，毛细泵失效后，穹顶处的若干毛细泵引流槽内的工作液会凝结，凝结后均匀滴落到电磁泵集水槽中，为电磁泵工作提供先决条件，冷端特殊结构的设置，保证了毛细泵和机械泵的互补工作，另外穹顶处设置的若干个毛细泵引流槽，使工作液流量分配更均匀，系统循环的更通畅。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器的结构示意图；
图2为本发明创造实施例所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器去掉柱状外壳的结构示意图；
图3为本发明创造实施例所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器去掉柱状外壳和毛细泵的结构示意图；
图4为冷端外壳结构示意图；
图5为冷端底座结构示意图；
图6为冷端底座背面结构示意图；
图7为热端结构示意图。
附图标记说明：
1-冷端，101-冷端外壳，102-冷端底座，2-热端，201-中空腔体，202-热端上封盖，3-柱状外壳，4-毛细泵，5-电磁泵，6-BASE管，7-穹顶，8-毛细泵引流槽，9-散热翅片，10-电磁泵集水槽，11-外部负载。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
如图1-图7所示，基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，包括由冷端1、热端2和柱状外壳3围成的封闭腔体、设置在封闭腔体内的毛细泵4、电磁泵5和BASE管6，所述的冷端1设置在柱状外壳3顶部，所述的热端2设置在柱状外壳3的底部，所述的冷端1包括固定连接的冷端外壳101和冷端底座102，所述的冷端外壳101内部设有穹顶7，在穹顶7表面均匀设有若干毛细泵引流槽8，所述的冷端外壳101的外部的周侧及顶部都均匀设有若干散热翅片9，所述的冷端底座102的中部设有电磁泵集水槽10，所述的穹顶7扣在所述电磁泵集水槽10的上端，且从若干毛细泵引流槽8的槽末端流出的液体均流向电磁泵集水槽10外表面与冷端底座102内表面围合的区域，所述的热端2包括中空腔体201和热端上封盖202，所述的中空腔体201内设有循环工质钠钾合金和蒸发器，所述的电磁泵5设置在封闭腔体的中心处，所述的电磁泵5的上端穿过冷端底座102与电磁泵集水槽10连通，所述的电磁泵5的下端穿过热端上封盖202与中空腔体201连通，所述的毛细泵4包括多根毛细芯，多根所述的毛细芯沿柱状外壳3的内壁圆周排列，且两端分别穿过冷端底座102和热端上封盖202，所述的BASE管6设置在电磁泵4和毛细泵5之间，所述的BASE管6的上下两端分别穿过冷端底座102和热端上封盖202，所述的BASE管6和热端上封盖202将封闭腔体分隔成压力和温度不同的两部分，所述的BASE管6的内外侧表面均涂覆有一多孔金属膜电极，且内侧为阳极，外侧附有阴极，所述的阴极和阳极之间设有外部负载11。
所述热端表面贴有一监测热端温度变化的温度传感器(未示出)，所述的温度传感器(未示出)与控制器(未示出)电连接，所述的控制器(未示出)控制电磁泵5的开启。
毛细芯为圆管状，采用粉末冶金烧制或金属丝或金属网压制。
BASE管6设置三根，且按照圆周分布。
电磁泵集水槽10呈碗状。
蒸发器(未示出)外部设有导热柱(未示出)，导热柱的材料为高导热金属或金属合金。
蒸发器(未示出)为多孔介质。
机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器装置(AMTEC)是一种直接实现热电转换的发电装置，AMTEC采用钠钾合金作为工质，液态钠钾合金在蒸发器表面被加热蒸发成蒸气，工质蒸气这时通过热端2的高压腔流到BASE管6内，由于BASE管6具有非常高的离子传导性，但电子传导性却很差，这样钠离子和钾离子可以穿过BASE管通过BASE管扩散但电子不能，这个过程几乎是绝热扩散，由于BASE管的低压(外)侧和高压(内)侧均覆盖有多孔电极，电子通过连接BASE管内外表面的外部负载11从BASE管内表面迁移到外表面与钠离子和钾离子重新中和成钠原子和钾原子，电子通过外部负载11的流动就形成电流。中和的钠原子和钾原子在BASE管6外侧吸热脱离，并流动到冷端1处，当这些钠蒸气流动到冷端1的冷端外壳101处的穹顶7处时，表面时就冷凝成液态钠和液态钾，并且释放冷凝潜热，冷凝潜热排放到大气或太空中，在毛细泵4正常工作时，凝结的液态钠和液态钾沿着穹顶7处若干毛细泵引流槽8流入到电磁泵集水槽10外表面与冷端底座102内表面围合的区域，在毛细芯的毛细力作用下，液体从冷端流动到热端，这就完成一个热力学循环过程。
在毛细泵4失效，不能使用时，热端2温度会发生变化，温度传感器检测到信号后将信号传递至控制器，控制器控制电磁泵5准备工作，此时凝结的液态钠和液态钾在没有毛细吸力的作用下就会在毛细泵引流槽8内聚集，当聚集到一定程度时，由于自身重力作用，液态钠和液态钾滴落至电磁泵集水槽10中，此时电磁泵5开始运作，液态工质在电磁泵5的作用下，液体工质从冷端流动到热端，这也完成一个热力学循环过程。
本碱金属热电转换器将毛细芯与电磁泵联合的方式，最大程度的弱化双方的缺陷，在保证使用寿命的基础上达到节能减排的目的。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，其特征在于：包括由冷端(1)、热端(2)和柱状外壳(3)围成的封闭腔体、设置在封闭腔体内的毛细泵(4)、电磁泵(5)和BASE管(6)，所述的冷端(1)设置在柱状外壳(3)顶部，所述的热端(2)设置在柱状外壳(3)的底部，所述的冷端(1)包括固定连接的冷端外壳(101)和冷端底座(102)，所述的冷端外壳(101)内部设有穹顶(7)，在穹顶(7)表面均匀设有若干毛细泵引流槽(8)，所述的冷端外壳(101)的外部的周侧及顶部都均匀设有若干散热翅片(9)，所述的冷端底座(102)的中部设有电磁泵集水槽(10)，所述的穹顶(7)扣在所述电磁泵集水槽(10)的上端，且从若干毛细泵引流槽(8)的槽末端流出的液体均流向电磁泵集水槽(10)外表面与冷端底座(102)内表面围合的区域，所述的热端(2)包括中空腔体(201)和热端上封盖(202)，所述的中空腔体(201)内设有循环工质钠钾合金和蒸发器，所述的电磁泵(5)设置在封闭腔体的中心处，所述的电磁泵(5)的上端穿过冷端底座(102)与电磁泵集水槽(10)连通，所述的电磁泵(5)的下端穿过热端上封盖(202)与中空腔体(201)连通，所述的毛细泵(4)包括多根毛细芯，多根所述的毛细芯沿柱状外壳(3)的内壁圆周排列，且两端分别穿过冷端底座(102)和热端上封盖(202)，所述的BASE管(6)设置在电磁泵(5 )和毛细泵(4 )之间，所述的BASE管(6)的上下两端分别穿过冷端底座(102)和热端上封盖(202)，所述的BASE管(6)和热端上封盖(202)将封闭腔体分隔成压力和温度不同的两部分，所述的BASE管(6)的内外侧表面均涂覆有一多孔金属膜电极，且内侧为阳极，外侧附有阴极，所述的阴极和阳极之间设有外部负载(11)。
2.根据权利要求1所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，其特征在于：所述热端表面贴有一监测热端温度变化的温度传感器，所述的温度传感器与控制器电连接，所述的控制器控制电磁泵(5)的开启。
3.根据权利要求2所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，其特征在于：所述毛细芯为圆管状，采用粉末冶金烧制或金属丝或金属网压制。
4.根据权利要求3所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，其特征在于：所述BASE管(6)设置三根，且按照圆周分布。
5.根据权利要求4所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，其特征在于：所述电磁泵集水槽(10)呈碗状。
6.根据权利要求5所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，其特征在于：所述蒸发器外部设有导热柱，所述导热柱的材料为高导热金属或金属合金。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于机械泵和毛细泵互补作用的碱金属热电转换器，其特征在于：所述蒸发器为多孔介质。
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