CN113677046B - 一种电加热模拟热源模块及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及工程热物理技术领域，具体而言，涉及一种电加热模拟热源模块及系统。电加热模拟热源模块包括加热组件以及导电组件；加热组件包括传热外壳以及至少两个加热单元，两个加热单元均为螺旋状碳化硅棒，两个加热单元并排且间隔地设置于传热外壳内；导电组件包括供电引线及多个导电螺钉；每个加热单元的两端均连接有导电螺钉，供电引线与每个加热单元两端的导电螺钉电连接，且供电引线用于与外部电源电连接。该电加热模拟热源模块作为同位素热光伏电池研发过程中的模拟热源，用于代替放射源，从而能够在同位素热光伏电池研发过程中，保证和放射性热源的等效性的同时，降低研发成本，提高研发的安全性和便捷性。
Description
技术领域
本申请涉及工程热物理技术领域，具体而言，涉及一种电加热模拟热源模块及系统。
背景技术
根据我国深空探测的发展规划，行星际穿越器将抵达天王星或以远，届时太阳能发电无法满足功率需求，因此发展放射性同位素发电技术将成为深空探测发展的必然趋势。此外，由于我国钚238原料当前获取受限，现有的同位素电源设计、热电转换技术和安全防护技术必然无法满足行星穿越任务的需求，因此，突破高效、长寿命和安全可靠的同位素发电技术成为深空探测发展的迫切需要。
行星际穿越器为解决距离远太阳能电源不能满足应用需求的问题，必须使用空间同位素电源。而任务要求空间同位素电源实现20年工作寿命以及末期数百瓦的功率输出，同时为了降低钚238核源的用量需要尽可能的提高热电转换效率。
热光伏发电技术利用材料性能，将核源热能转化为红外光能，通过光电转换实现发电，系统没有运动部件，可以实现超过20％的能量转换，该转换效率可以与斯特林发电的效率相媲美，同时避免了斯特林发电热机带来的扰振以及机构寿命问题；同时静态转换具有温差发电的长寿命工作特点，可以实现数十年的工作寿命，又将系统效率由温差的3～8％提高到15～20％以上，是我国深空探测用同位素电源技术的有效选择及核心发展方向，具有重要的战略价值、研究意义以及广阔的应用前景。
由于钚238价格十分昂贵，在同位素热光伏电池研发前期没有也不可能有足够数量的放钚238为其服务，同时放射性热源物理上处于高温，二氧化钚化学上为剧毒，不便于进行实验研究。
发明内容
本申请提供一种电加热模拟热源模块及系统，该电加热模拟热源模块作为同位素热光伏电池研发过程中的模拟热源，用于代替放射源，从而能够在同位素热光伏电池研发过程中，保证和放射性热源的等效性的同时，降低研发成本，提高研发的安全性和便捷性。
本发明具体是这样的：
第一方面，本发明提供一种电加热模拟热源模块，其包括加热组件以及导电组件；
加热组件包括传热外壳以及至少两个加热单元，两个加热单元均为螺旋状碳化硅棒，两个加热单元并排且间隔地设置于传热外壳内；
导电组件包括供电引线及多个导电螺钉；每个加热单元的两端均连接有导电螺钉，供电引线与每个加热单元两端的导电螺钉电连接，且供电引线用于与外部电源电连接。
在本发明的一种实施例中，导电组件还包括三个导电连接片；
三个导电连接片均容置于传热外壳内，其中一个导电连接片位于加热单元的一端，且与加热单元端部的导电螺钉连接；另外两个导电连接片位于加热单元另一端，且与加热单元端部的导电螺钉连接；
供电引线与导电连接片电连接。
在本发明的一种实施例中，导电连接片由耐高温且非脆性的导电材料制成；导电连接片由金属铂制成。
在本发明的一种实施例中，传热外壳开设有安装孔；导电组件还包括绝缘螺柱，绝缘螺柱由氧化铝陶瓷制成；
绝缘螺柱与安装孔配合并套设于供电引线外，且绝缘螺柱的部分位于传热外壳内，其余部分位于传热外壳外。
在本发明的一种实施例中，绝缘螺柱与安装孔间隙配合。
在本发明的一种实施例中，电加热模拟热源模块还包括测温热电偶，测温热电偶与绝缘螺柱位于传热外壳内的部分连接，测温热电偶与供电引线绝缘，且测温热电偶的引线通过绝缘螺柱引出至传热外壳外。
在本发明的一种实施例中，传热外壳由高导热率且绝缘性能良好的材料制成；供电引线由耐高温的材料制成；导电螺钉由导电材料制成；
传热外壳由氧化铝或氮化硼陶瓷制成；供电引线由金属钽制成；导电螺钉由石墨制成。
在本发明的一种实施例中，加热单元为中空螺旋结构；或，加热单元为双螺旋结构的碳棒或实心碳棒。
在本发明的一种实施例中，传热外壳至少包括第一子体及第二子体；
第一子体及第二子体上分别设置有第一连接部及第二连接部，第一连接部用于与第二连接部可拆卸地连接。
第二方面，本发明还提供一种电加热模拟热源模块系统，电加热模拟热源模块系统包括多个上述的电加热模拟热源模块；
传热外壳至少包括第一子体及第二子体，第一子体与第二子体可拆卸地连接，且第一子体或第二子体设置有对接部，对接部用于与相邻的传热外壳的对接部连接。
本发明的有益效果包括：
该电加热模拟热源模块包括加热组件以及导电组件；其中，加热组件包括传热外壳以及至少两个加热单元，两个加热单元均为螺旋状碳化硅棒，两个加热单元并排且间隔地设置于传热外壳内；导电组件包括供电引线及多个导电螺钉；每个加热单元的两端均连接有导电螺钉，供电引线与每个加热单元两端的导电螺钉电连接，且供电引线用于与外部电源电连接。
由此，该电加热模拟热源模块通过采用加热单元模拟放射源进行发热，并且由于加热单元为螺旋状碳化硅棒，故在加热单元能够模拟放射源进行发热，从而使得加热单元的热流路径与放射源燃料芯块单体热流路径基本相同，表面温度分布基本一致，整体温度分布也基本一致，进而能够代替放射源来测试验证发电器性能；进而使得该电加热模拟热源模块可以作为同位素热光伏电池研发过程中的模拟热源，代替放射源，从而能够在同位素热光伏电池研发过程中，保证和放射性热源的等效性的同时，降低研发成本，提高研发的安全性和便捷性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请提供的电加热模拟热源模块第一视角的剖视图；
图2为本申请提供的电加热模拟热源模块第二视角的剖视图；
图3为本申请提供的电加热模拟热源模块第二视角的结构示意图；
图4为本申请提供的电加热模拟热源系统的结构示意图。
图标：100-电加热模拟热源模块；110-加热组件；111-传热外壳；112-加热单元；120-导电组件；121-供电引线；122-导电螺钉；123-导电连接片；124-绝缘螺柱；130-测温热电偶；113-第一子体；114-第二子体；200-电加热模拟热源系统。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参照图1-图3，本实施例提供一种电加热模拟热源模块100，包括：
加热组件110，加热组件110包括传热外壳111以及至少两个加热单元112，两个加热单元112均为螺旋状碳化硅棒，两个加热单元112并排且间隔地设置于传热外壳111内；以及
导电组件120，导电组件120包括供电引线121及多个导电螺钉122；每个加热单元112的两端均连接有导电螺钉122，供电引线121与每个加热单元112两端的导电螺钉122电连接，且供电引线121用于与外部电源电连接。
需要说明的是，由于加热单元112材质为碳化硅的耐高温热阻材料制成，而且在设置加热单元112时，加热单元112可以为中空螺旋结构；或，加热单元112为双螺旋结构的碳棒或实心碳棒；以最大化增加其电阻值，减少输入线路中的漏热；并且其可承受的表面负荷大，高温寿命长，保证了该电加热模拟热源模块100的寿命和功率范围，而且电加热模拟热源模块100能够在真空度低于1.0×10-3Pa，温度1100℃下稳定工作超过40小时；
在设置两个加热单元112时，采用的是并排且间隔地设置于传热外壳111内的方式，从而能够在两个加热单元112之间留出变形空间，以保证两个加热单元112在受热膨胀后的受力环境正常；其次，通过导电螺钉122电与加热单元112两端的连接，从而能够便于供电引线121的安装以及供电引线121与加热单元112的电连接；并且在设置导电螺钉122时，可以根据使用的需求调整每个加热单元112的端部安装的导电螺钉122的数量，即，每个加热单元112端部的导电螺钉122的数量既可以是单个，也可以是多个。
该电加热模拟热源模块100的工作原理是：
请参照图1-图3，该电加热模拟热源模块100包括加热组件110以及导电组件120；其中，加热组件110包括传热外壳111以及至少两个加热单元112，两个加热单元112均为螺旋状碳化硅棒，两个加热单元112并排且间隔地设置于传热外壳111内；导电组件120包括供电引线121及多个导电螺钉122；每个加热单元112的两端均连接有导电螺钉122，供电引线121与每个加热单元112两端的导电螺钉122电连接，且供电引线121用于与外部电源电连接。
由此，该电加热模拟热源模块100通过采用加热单元112模拟放射源进行发热，并且由于加热单元112为螺旋状碳化硅棒，故在加热单元112能够模拟放射源进行发热，从而使得加热单元112的热流路径与放射源燃料芯块单体热流路径基本相同，表面温度分布基本一致，整体温度分布也基本一致，进而能够代替放射源来测试验证发电器性能；进而使得该电加热模拟热源模块100可以作为同位素热光伏电池研发过程中的模拟热源，代替放射源，从而能够在同位素热光伏电池研发过程中，保证和放射性热源的等效性的同时，降低研发成本，提高研发的安全性和便捷性。
进一步地，请参照图1-图3，在本实施例中，传热外壳111由高导热率且绝缘性能良好的材料制成；供电引线121由耐高温的材料制成；导电螺钉122由导电材料制成；具体的，传热外壳111可以由氧化铝或氮化硼陶瓷制成，其强度可靠，导热系数优异，保证了该电加热模拟热源模块100的寿命和可调节最大功率范围；供电引线121可以由金属钽制成；导电螺钉122可以由石墨制成。
进一步地，请参照图1-图3，在本实施例中，导电组件120还可以包括三个导电连接片123；三个导电连接片123均容置于传热外壳111内，其中一个导电连接片123位于加热单元112的一端，且与加热单元112端部的导电螺钉122连接；另外两个导电连接片123位于加热单元112另一端，且与加热单元端部的导电螺钉122连接；供电引线121与导电连接片123电连接。由于三个导电连接片123均与导电螺钉122连接，故，导电连接片123在与供电导线连接实现供电导线与加热单元112电连接的同时，能够简化供电导线与加热单元112的安装步骤及安装难度，并在对导电连接片123起到与加热单元112接触固定的作用的同时，避免了供电导线在连接时出现点接触熔断的可能，从而提高供电导线的连接稳定性。
并且在设置导电连接片123时，导电连接片123由耐高温且非脆性的导电材料制成；具体的，导电连接片123可以由金属铂制成。
请参照图1-图4，在本实施例中，传热外壳111开设有安装孔；导电组件120还包括绝缘螺柱124，绝缘螺柱124由氧化铝陶瓷制成；绝缘螺柱124与安装孔配合并套设于供电引线121外，且绝缘螺柱124的部分位于传热外壳111内，其余部分位于传热外壳111外。而且绝缘螺柱124与安装孔间隙配合，这样的设置方式，能够简化绝缘螺柱124的安装步骤以及安装难度，并能够通过绝缘螺柱124与安装孔之间的间隙形成出气功能。
进一步地，请参照图1-图3，在本实施例中，电加热模拟热源模块100还包括测温热电偶130，测温热电偶130测温量程可以为0-1800℃；测温热电偶130与绝缘螺柱124位于传热外壳111内的部分连接，测温热电偶130与供电引线121绝缘，且测温热电偶130的引线通过绝缘螺柱124引出至传热外壳111外。需要说明的是，由于绝缘螺柱124的部分位于传热外壳111内，其余部分位于传热外壳111外，从而确测温热电偶130和供电引线121的绝缘结构完整有效。
综上，由于加热单元112的材质为碳化硅，从而使得加热单元112在满足高温稳定性的前提下，有足够大的电阻，避免过多的热分布在导电螺钉122和供电引线121上；传热外壳111材质为氧化铝陶瓷，保证了传热外壳111能够满足高温稳定性的要求，同时热导率高，最终热分布能够满足与真实核热源一致性要求；导电螺钉122的材质为石墨，与加热单元112的热涨系数差距小，保证了高温下的稳定性，同时电阻小，保证了自身发热小，满足最终热分布能够满足与真实核热源一致性要求；导电连接片123材质为金属铂，满足了高温下的稳定性，能有效了传导电流；绝缘螺柱124材质为氧化铝陶瓷，绝缘性好，与传热外壳111为同种材料，高温下热配合好；供电引线121材质为金属钽，钽丝耐受温度高，真空环境中可多次使用，且强度很好价格相对便宜。
进一步地，请参照图1-图3，在本实施例中，在设置传热外壳111时，传热外壳111至少包括第一子体113及第二子体114；第一子体113及第二子体114上分别设置有第一连接部及第二连接部，第一连接部用于与第二连接部可拆卸地连接。即，在设置传热外壳111时，可以使得传热外壳111由多个结构组装而成的方式，以通过这样的方式，简化加热单元112以及导电组件120的安装。而且这样的方式，通过在第一子体113及第二子体114上设置相应的结构，便于实现多个电加热模拟热源模块100相互连接。具体的，第一连接部与第二连接部可以采用卡接或嵌合的方式进行连接，而且第一连接部与第二连接部之间的连接处还可以通过耐高温绝缘胶材料进行粘接封装，避免了核心热流从第一连接部与第二连接部之间的连接处漏走。
请参照图1-图4，基于上述的电加热模拟热源模块100，本发明还提供一种电加热模拟热源系统200，电加热模拟热源系统200包括多个上述的电加热模拟热源模块100；需要说明的是，该电加热模拟热源系统200可以根据模拟功率的要求不同，调整电加热模拟热源系统200中电加热模拟热源模块100的数量；
传热外壳111至少包括第一子体113及第二子体114，第一子体113与第二子体114可拆卸地连接，且第一子体113或第二子体114设置有对接部，对接部用于与相邻的传热外壳111的对接部连接。这样的设置方式，通过第一子体113与第二子体114可拆卸地连接，能够简化加热单元112以及导电组件120的安装，而通过在第一子体113及第二子体114上设置对接部，便于实现多个电加热模拟热源模块100相互连接，从而能够提高电加热模拟热源系统200的组装效率。
综上，该电加热模拟热源系统200可采用多模块组合工作的方式，通过采用电加热的方式模拟真实同位素核热源发热及温度分布，从而满足热光伏同位素发电系统千瓦级的拓展研发需求；这样的模拟方式，在同位素热光伏发电系统的研发中，既能够保证其结果和使用真实同位素核热源的一致性，同时可有效降低研发成本，提高研发安全性，缩短研发流程和研发周期，在同位素热光伏发电系统的研制中起到关键性作用。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电加热模拟热源模块，其特征在于，包括：
加热组件，所述加热组件包括传热外壳以及至少两个加热单元，两个所述加热单元均为螺旋状碳化硅棒，两个所述加热单元并排且间隔地设置于所述传热外壳内；所述加热单元为中空螺旋结构；或，所述加热单元为双螺旋结构的碳棒或实心碳棒；以及
导电组件，所述导电组件包括供电引线及多个导电螺钉；每个所述加热单元的两端均连接有所述导电螺钉，所述供电引线与每个所述加热单元两端的所述导电螺钉电连接，且所述供电引线用于与外部电源电连接；
所述导电组件还包括三个导电连接片；
三个所述导电连接片均容置于所述传热外壳内，其中一个所述导电连接片位于所述加热单元的一端，且与所述加热单元端部的所述导电螺钉连接；另外两个所述导电连接片位于所述加热单元另一端，且与所述加热单元端部的所述导电螺钉连接；
所述供电引线与所述导电连接片电连接；
所述传热外壳开设有安装孔；所述导电组件还包括绝缘螺柱，所述绝缘螺柱由氧化铝陶瓷制成；
所述绝缘螺柱与所述安装孔配合并套设于所述供电引线外，且所述绝缘螺柱的部分位于所述传热外壳内，其余部分位于所述传热外壳外；
所述绝缘螺柱与所述安装孔间隙配合；
所述电加热模拟热源模块还包括测温热电偶，所述测温热电偶与所述绝缘螺柱位于所述传热外壳内的部分连接，所述测温热电偶与所述供电引线绝缘，且所述测温热电偶的引线通过所述绝缘螺柱引出至所述传热外壳外。
2.根据权利要求1所述的电加热模拟热源模块，其特征在于：
所述导电连接片由耐高温且非脆性的导电材料制成；所述导电连接片由金属铂制成。
3.根据权利要求1或2所述的电加热模拟热源模块，其特征在于：
所述传热外壳由高导热率且绝缘性能良好的材料制成；所述供电引线由耐高温的材料制成；所述导电螺钉由导电材料制成；
所述传热外壳由氧化铝或氮化硼陶瓷制成；所述供电引线由金属钽制成；所述导电螺钉由石墨制成。
4.根据权利要求1或2所述的电加热模拟热源模块，其特征在于：
所述传热外壳至少包括第一子体及第二子体；
所述第一子体及所述第二子体上分别设置有第一连接部及第二连接部，所述第一连接部用于与所述第二连接部可拆卸地连接。
5.一种电加热模拟热源系统，其特征在于：
所述电加热模拟热源模块系统包括多个如权利要求1-4中任意一项所述的电加热模拟热源模块；
所述传热外壳至少包括第一子体及第二子体，所述第一子体与所述第二子体可拆卸地连接，且所述第一子体或所述第二子体设置有对接部，所述对接部用于与相邻的所述传热外壳的所述对接部连接。
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