CN113950171A - 一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，包括支撑框、陶瓷结构体、加热丝、加热丝引线、热电偶、热电偶引线、热源外包层、外部引线陶瓷管、内部引线陶瓷管和安装固定法兰，安装固定法兰用于固定加热丝引线、热电偶引线，实现引线引出实验环境的固定；热源外包层包裹在陶瓷结构体外部，支撑框装配在热源外包层上下端，形成一套结构装配体；加热丝引线由加热丝引出，连接在外部的供电电源端；热电偶引线由热电偶一端引出，连接在外界的仪表上。本发明有效解决空间同位素电源技术开发过程中缺少长寿命、高可靠、易于维护且成本低廉的模拟热源需求问题。

Description

一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源

技术领域

本发明涉及一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，属于航天核能开发技术领域。

背景技术

随着我国空间探测技术的发展，未来探测任务受到能源制约的严重影响，面临深远空探测太阳光照急剧下降以及地外星体背光面等极端恶劣环境下无法利用太阳能的问题。针对此截止2020年底，美国在30多次空间飞行任务中使用了50多台空间同位素电源。其中2020年发射的“毅力号”火星探测器，所使用的同位素电源采用技术十分成熟的标准通用热源模块(General Purpose Heat Source modules，简称GPHS)作为能源供应核心。同位素核源GPHS具有超长的使用寿命和十分成熟的标准模块化设计，因此基于GPHS的空间同位素核能是空间科学探测能源问题的主要解决方案。

我国在空间同位素核能开发尚处于初级阶段，在同位素核电技术开发初期，直接使用同位素源成本高、安全风险大，因此采用电加热驱动模拟真实GPHS热源是实现安全、快速开发同位素核能发电技术的重要途径。

目前，国内现有的电驱动标准热源存在使用温度区间有限，使用成本高、研制周期长、使用寿命短、可靠性低、可维护性差等系列问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，实现舰载导弹的快速实战化发射，有效提高舰载武器的实战能力和作战效能。

本发明解决技术的方案是：

一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，包括支撑框、陶瓷结构体、加热丝、加热丝引线、热电偶、热电偶引线、热源外包层、外部引线陶瓷管、内部引线陶瓷管和安装固定法兰，

安装固定法兰用于固定加热丝引线、热电偶引线，实现引线引出实验环境的固定；

热源外包层包裹在陶瓷结构体外部，支撑框装配在热源外包层上下端，形成一套结构装配体；

加热丝引线由加热丝引出，连接在外部的供电电源端；热电偶引线由热电偶一端引出，连接在外界的仪表上；所述加热丝及热电偶装配在外部引线陶瓷管及内部引线陶瓷管的穿孔中；并且加热丝装配在陶瓷结构体纵向蜂窝孔内，热电偶装配在陶瓷结构体横向穿孔内到达热源外包层内表面；加热丝及热电偶的装配方式将上述结构装配体与引线陶瓷管紧密联合在一起，形成完整的电驱动标准模拟热源。

进一步的，陶瓷结构体具有纵向蜂窝加热丝穿孔和横向热电偶穿孔，陶瓷结构体与内部引线陶瓷管串孔耦合。

进一步的，内部引线陶瓷管半截断结构匹配横向热电偶，内部引线陶瓷管贯穿孔匹配纵向加热丝，实现加热丝及热电偶的隔离和绝缘。

进一步的，所述陶瓷结构体纵向加热丝穿孔相邻连接处采用下沉式长圆孔，内部倒角与加热丝转弯半径一致，确保加热丝相互隔离和固定，避免加热丝直角转弯。

进一步的，所述支撑框四角具有钉状结构，与四周凸起框状构型耦合，降低陶瓷结构体对支撑框的热传导。

进一步的，所述外部引线陶瓷管、内部引线陶瓷管为四孔穿透结构的耐高温绝缘体，其中两个孔引导加热丝，另外两个孔引导热电偶。

进一步的，所述内部引线陶瓷管引导热电偶的孔从陶瓷柱中间打开，具有半截断结构，实现热电偶横向穿出瓷结构体至测温表面，同时实现加热丝与热电偶的隔离。

进一步的，陶瓷结构体及热源外包层组合结构外包络尺寸与标准通用同位素热源GPHS外部结构尺寸一致。

进一步的，电驱动加热功率为0～600W，热源外表面模拟300～1350℃的温度。

进一步的，支撑框由表面抛光陶瓷或者表面抛光的金属材料钨钽制成，支撑框内部四角为钉状结构固定上下热源外包层，周围凸起形成框状固定四周热源外包层。

进一步的，加热丝引线直径为加热丝的两倍以上，以降低外电路的功率损耗。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，具有结构简单，性能稳定，工作寿命长的特性，能够承受0～600W电驱动加热功率，实现表面300～1350℃的温度模拟能力，同时表面温度差小于10℃，高温(1200℃)条件下工作寿命不小于3年；

(2)本发明有效解决空间同位素电源技术开发过程中缺少长寿命、高可靠、易于维护且成本低廉的模拟热源需求问题。

附图说明

图1是本发明用于同位素电源系统开发的等效温均电驱动标准模拟热源三维外观结构示意图；

图2是本发明的陶瓷结构体开孔结构示意图；

图3是本发明具体实施方式所涉及的具有典型加工尺寸的热源结构示意图；

图4是本发明电驱动标准模拟热源温度场分布特征模拟图；

图中，1为支撑框、2为陶瓷结构体、3为加热丝、4为加热丝引线、5为热电偶、6为热电偶引线、7为热源外包层、8为外部引线陶瓷管、9为内部引线陶瓷管、10为安装固定法兰、11为纵向加热丝穿孔、12为横向高温热电偶穿孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，见图1，具体包括支撑框1、陶瓷结构体2、加热丝3、加热丝引线4、高温热电偶5、热电偶引线6、热源外包层7、外部引线陶瓷管8、内部引线陶瓷管9、安装固定法兰10。

所述热源外包层7包裹在陶瓷结构体2外部，所述支撑框1装配在热源外包层7上下端，上述结构形成一套紧密的结构装配体。所述加热丝3高温热电偶5装配在外部引线陶瓷管8及内部引线陶瓷管9的穿孔中；并且所述加热丝3装配在陶瓷结构体2纵向蜂窝孔内，所述高温热电偶5装配在陶瓷结构体2横向穿孔内到达热源外包层7内表面。加热丝及热电偶的装配方式将上述结构装配体与引线陶瓷管紧密联合在一起，形成完整的电驱动标准模拟热源。

陶瓷结构体2具有纵向蜂窝加热丝穿孔11结构和横向热电偶穿孔12结构，该结构与内部引线陶瓷管9串孔耦合，内部引线陶瓷管半截断结构匹配横向热电偶装配，内部引线陶瓷管贯穿孔匹配纵向加热丝的装配，该结构有效实现加热丝及热电偶的隔离和绝缘，见图1及图2。

所述陶瓷结构体2纵向加热丝穿孔相邻连接处采用下沉式长圆孔，内部倒角与加热丝转弯半径一致，确保加热丝相互隔离和固定，同时避免加热丝直角转弯。

优选的，所述两加热丝穿孔的孔间距7.25mm，孔径2mm，下沉长圆孔为7.25×2mm深度3mm，外部引线陶瓷管8及内部引线陶瓷管9直径8mm，加热丝直径0.6mm，热电偶装配位置为5.0×6.0mm长圆孔，下沉深度0.5mm。以此实现加热丝安装的可靠性和独立性，同时实现热电偶与测量点的紧密接触，见图3。

所述支撑框1优选表面抛光钽金属制成，并包裹石英棉降低对外热辐射，支撑框的四角具有钉状结构与四周凸起框状构型耦合有效降低热源陶瓷结构体2对支撑框的热传导。所述陶瓷结构体2优选氧化铝刚玉制成，以实现良好的耐高温特性和良好的高温绝缘特性。所述加热丝3优选镍铬合金丝制成，具有高温下低电子发射特性，以及较好的延展性，耐受较大加热功率及较高工作温度。

所述加热丝引线4优选镍铬合金丝制成，直径为1.2mm，能够有效降低外电路的功率损耗。所述6高温热电偶优选为B型热电偶。所述热源外包层优选外表面抛光的金属钽，具有良好的导热性能和耐高温性能，实现较高的面温度均匀性，高温下表面温度差小于10℃。

所述外部引线陶瓷管8及内部引线陶瓷管9由氧化铝陶瓷材料制成，具有良好的耐高温性与绝缘性，是四孔穿透结构，其中两个孔引导加热丝，另外两个孔引导热电偶。所述内部引线陶瓷管9引导热电偶的孔从陶瓷柱中间打开，具有半截断结构，实现热电偶横向穿出瓷结构体至测温表面，同时实现加热丝与热电偶的隔离。

陶瓷结构体2及热源外包层7组合结构外包络尺寸为97.0mm×93.0mm×53.0mm，陶瓷结构体外包络尺寸为95.0mm×91.0mm×51.0mm，热源外包层厚度为1.0mm。实现与标准通用同位素热源GPHS外部结构尺寸的一致。

电驱动加热功率为0～600W，热源外表面模拟300～1350℃的温度。根据仿真模拟计算结果显示，在到达高温工况下，热源外表面面温度均匀性较好，温度差小于10℃，与标准空间同位素热源相似，内部核心最高温度与外表面最低温度差异约100℃，见图4。具有与标准通用同位素热源GPHS外表面温度分布特征的较高一致性，所述电驱动标准模拟热源在高温(1200℃)工况条件下工作寿命不小于3年，其工作环境为真空度优于10^-2Pa的真空环境。能够有效解决空间同位素电源技术开发过程中缺少长寿命、高可靠、易于维护且成本低廉的模拟热源需求问题。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，包括支撑框(1)、陶瓷结构体(2)、加热丝(3)、加热丝引线(4)、热电偶(5)、热电偶引线(6)、热源外包层(7)、外部引线陶瓷管(8)、内部引线陶瓷管(9)和安装固定法兰(10)，

安装固定法兰(10)用于固定加热丝引线(4)、热电偶引线(6)，实现引线引出实验环境的固定；

热源外包层(7)包裹在陶瓷结构体(2)外部，支撑框(1)装配在热源外包层(7)上下端，形成一套结构装配体；

加热丝引线(4)由加热丝(3)引出，连接在外部的供电电源端；热电偶引线(6)由热电偶(5)一端引出，连接在外界的仪表上；所述加热丝(3)及热电偶(5)装配在外部引线陶瓷管(8)及内部引线陶瓷管(9)的穿孔中；并且加热丝(3)装配在陶瓷结构体(2)纵向蜂窝孔内，热电偶(5)装配在陶瓷结构体(2)横向穿孔内到达热源外包层(7)内表面；加热丝及热电偶的装配方式将上述结构装配体与引线陶瓷管紧密联合在一起，形成完整的电驱动标准模拟热源。

2.根据权利要求1所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，陶瓷结构体(2)具有纵向蜂窝加热丝穿孔(11)和横向热电偶穿孔(12)，陶瓷结构体(2)与内部引线陶瓷管(9)串孔耦合。

3.根据权利要求2所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，内部引线陶瓷管半截断结构匹配横向热电偶，内部引线陶瓷管贯穿孔匹配纵向加热丝，实现加热丝及热电偶的隔离和绝缘。

4.根据权利要求2所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，所述陶瓷结构体(2)纵向加热丝穿孔相邻连接处采用下沉式长圆孔，内部倒角与加热丝转弯半径一致，确保加热丝相互隔离和固定，避免加热丝直角转弯。

5.根据权利要求1所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，所述支撑框(1)四角具有钉状结构，与四周凸起框状构型耦合，降低陶瓷结构体(2)对支撑框的热传导。

6.根据权利要求1所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，所述外部引线陶瓷管(8)、内部引线陶瓷管(9)为四孔穿透结构的耐高温绝缘体，其中两个孔引导加热丝，另外两个孔引导热电偶。

7.根据权利要求1所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，所述内部引线陶瓷管(9)引导热电偶的孔从陶瓷柱中间打开，具有半截断结构，实现热电偶横向穿出瓷结构体至测温表面，同时实现加热丝与热电偶的隔离。

8.根据权利要求1所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，陶瓷结构体(2)及热源外包层(7)组合结构外包络尺寸与标准通用同位素热源GPHS外部结构尺寸一致。

9.根据权利要求1所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，电驱动加热功率为0～600W，热源外表面模拟300～1350℃的温度。

10.根据权利要求1所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，支撑框由表面抛光陶瓷或者表面抛光的金属材料钨钽制成，支撑框内部四角为钉状结构固定上下热源外包层，周围凸起形成框状固定四周热源外包层。

11.根据权利要求1所述的一种用于同位素电源系统开发的模拟均温电驱动标准热源，其特征在于，加热丝引线直径为加热丝的两倍以上，以降低外电路的功率损耗。

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