CN116013757A - 适用于热离子能量转换器的换向连接件及电极组装方法 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例提供一种适用于热离子能量转换器的换向连接件及热离子能量转换器的电极组装方法，换向连接件包括管状本体，第一端的外侧面适用于与热离子能量转换器的接收极连接，管状本体上与第一端相对的第二端的内侧面适用于与热离子能量转换器的发射极连接，以将两组电极串联；以及至少两组开槽，沿管状本体的周向方向间隔地开设在管状本体的外侧面上，每组开槽包括至少两个弧形通孔，至少两个弧形通孔等间距的开设在管状本体的外侧面上，开槽被构造成连通相邻两组电极之间的间隙空间以便于铯蒸汽的流通。

Description

适用于热离子能量转换器的换向连接件及电极组装方法

技术领域

本申请涉及静态热电转换技术领域，尤其是涉及一种适用于热离子能量转换器的换向连接件及电极组装方法。

背景技术

热离子能量转换是静态热电转换中的一种重要方式，热离子能量转换器是实现热能直接转换成电能的器件。热离子能量转换器具有结构紧凑、无运动部件工作可靠、免维护等优点。热离子能量转换器的电极一般工作在高温状态下，此时电极的电阻较大，而热离子能量转化器其大电流、低电压的工作模式导致了产生出的电能有相当一部分在转换器内部转换成电极的热能，热离子能量转换器的对外输出效率偏低。因此，在转换器内部将多个热离子能量转换单元串联，可提高转换器的输出电压，有效减少电极的欧姆热损失，提高热离子能量转换器的热电转换效率。

管状单通道多节型热离子能量转换器，需要在发射极和接收极之间的狭窄的电极间隙(0.5mm)内利用换向连接件将一个发电单元的发射极和另一个发电单元的接收极连接起来；电极间隙之间应为一连续的铯蒸汽通道，各发电单元之间具有几乎一致的铯蒸汽压力；发射极和接收极的最大工作温差超过900℃，因此，换向连接件应能够同时满足热膨胀的需求以及高温下强度的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的实施例提出了一种适用于热离子能量转换器的换向连接件及电极组装方法，能够增强换向连接件轴向方向的变形能力，满足热膨胀的需求，能够在一根管上集成多个电子发射单元，在一根热离子能量转换器上实现多个发电单元的串联，可将热离子能量转换器的输出电压由常规的1v左右，最高提高到5V以上，最终实现热离子能量转换器的热电转换效率提高20％以上。

根据本申请一个方面的实施例，提供了一种适用于热离子能量转换器的换向连接件，包括：管状本体，第一端的外侧面适用于与热离子能量转换器的接收极连接，所述管状本体上与所述第一端相对的第二端的内侧面适用于与所述热离子能量转换器的发射极连接，以将两组电极串联；以及至少两组开槽，沿所述管状本体的周向方向间隔地开设在所述管状本体的外侧面上，每组所述开槽包括至少两个弧形通孔，至少两个所述弧形通孔等间距的开设在所述管状本体的外侧面上，所述开槽被构造成连通相邻两个电极间隙空间以便于铯蒸汽的流通。

根据本申请另一个方面的实施例，提供了一种热离子能量转换器的电极组装方法，使用上述的换向连接件进行组装，包括步骤：

沿发射极多层管轴向方向将位于表层的第一金属层等间距的环切至暴露出位于所述第一金属层下方的第一绝缘层，以形成多个环状的热电子发射单元；将接收极多层管底层的第二金属层的第四端环形切除预设长度以暴露出位于所述第二金属层上方的第二绝缘层，将换向连接件第一端的外侧面与所述第二金属层的第四端的内侧面焊接以形成接收极组件；将第一个接收极组件中换向连接件的第二端的内侧面与第二个热电子发射单元的第五端焊接，其中，第一个接收极组件和第二个热电子发射单元分别位于该换向连接件的两侧；以及将第二个接收极组件中换向连接件的第二端的内侧面与第三个热电子发射单元的第五端焊接，将第二个接收极组件中接收极多层管的表层金属层与所述第一个接收极组件中接收极多层管的表层金属层焊接，重复执行上述步骤直至最后一个接收极多层管与上一个接收极多层管完成表层金属层的焊接。

根据本申请实施例的换向连接件及电极组装方法，通过在换向连接件的周向上设置弧形的开槽，在实现铯蒸汽流通时增加了换向连接件轴线方向的变形能力，满足热膨胀的需求，能够在一根管上集成多个电子发射单元，在一根热离子能量转换器上实现多个发电单元的串联，可将热离子能量转换器的输出电压由常规的1v左右，最高提高到5V以上，最终实现热离子能量转换器的热电转换效率提高20％以上。

附图说明

图1是根据本申请的示例性实施例的适用于热离子能量转换器的换向连接件的立体图；

图2是图1所示的换向连接件与接收极多层管的连接示意图；

图3是根据本申请的示例性实施例的发射极多层管的剖视图；

图4是根据本申请的示例性实施例的发射极多层管与接收极多层管的连接示意图；

图5示意性示出了本申请实施例的电极组装完成后的结构示意图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-换向连接件；

101-管状本体；

102-开槽；

2-发射极多层管；

201-热电子发射单元；

202-第一绝缘层；

203-底层金属层；

3-接收极多层管；

301-第二金属层；

302-第二绝缘层；

303-表层金属层；

4-定位槽；

5-定位件；

6-端塞；

7-焊缝；

8-负载。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本申请实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本申请。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

图1是根据本申请的示例性实施例的适用于热离子能量转换器的换向连接件的立体图，图2是图1所示的换向连接件与接收极多层管的连接示意图。

为了解决上述技术问题，根据本申请一个方面的实施例，提供了一种适用于热离子能量转换器的换向连接件，如图1和图2所示，换向连接件1包括管状本体101和开槽102。管状本体101的第一端的外侧面适用于与热离子能量转换器的接收极多层管3连接，管状本体101上与第一端相对的第二端的内侧面适用于与热离子能量转换器的发射极连接，以将两组电极串联。至少两组开槽102沿管状本体101的周向方向间隔地开设在管状本体101的外侧面上，每组开槽包括至少两个弧形通孔，至少两个弧形通孔等间距的开设在管状本体101的外侧面上，开槽102被构造成连通相邻两组电极之间的间隙空间以便于铯蒸汽的流通。

在本实施例中，通过在换向连接件1的周向上设置弧形的开槽，在实现铯蒸汽流通时增加了换向连接件1轴线方向的变形能力，满足热膨胀的需求，补偿热离子能量转换器受温度影响发生的轴向位移，换向连接件1为一种开槽的管状结构，其一端和接收极多层管3连接，另一端和发射极多层管2连接，以实现电路的串联。开槽102的位置垂直于换向连接器1的轴线，这样使得换向连接件1的轴向变形更加容易，同时不产生扭矩。

根据本申请的一些实施例，换向连接件1的材质为具有一定高温强度且塑性好的难熔金属，例如，铌及铌合金。

根据本申请的一些实施例，相邻的两组开槽102的弧形通孔错位设置，以保证在提高换向连接件1在在轴向上的变形能力的同时，保持足够高的结构强度。每组开槽102包括四个弧形通孔，其中，相邻的两组开槽102中相对设置的两个弧形通孔的第三端在管状本体101周向所在平面的投影与圆心连线的夹角为45°，也即，两个第三端的投影间的弧线对应的弧心角为45°，以减少在发生形变时产生的扭矩。

根据本申请的一些实施例，单道槽的长度同样决定了换向连接件的变形能力和电阻，可选的，每个弧形通孔所对的圆心角范围包括65～75°，效果较佳。

根据本申请的一些实施例，弧形通孔的宽度占管状本体101长度的2％～20％。

根据本申请的一些实施例，轴向位置槽的数量越多换向连接件1补偿变形的能力越强，但其电阻也越大，可选的，开槽102的数量为两组，弧形通孔的宽度占管状本体101长度的4％～8％，效果较佳。

根据本申请另一个方面的实施例，提供了一种热离子能量转换器的电极组装方法，使用前述的换向连接件1进行组装，包括步骤一、步骤二、步骤三和步骤四，其中，步骤一和步骤二之间不存在前后顺序。

图3是根据本申请的示例性实施例的发射极多层管的剖视图。

步骤一：沿发射极多层管2轴向方向将位于表层的第一金属层等间距的环切至暴露出位于第一金属层下方的第一绝缘层202，以形成如图3所示的多个环状的热电子发射单元201。

步骤二：将接收极多层管3底层的第二金属层301的第四端环形切除预设长度以暴露出位于第二金属层上方的第二绝缘层302，将换向连接件1第一端的外侧面与第二金属层的第四端的内侧面焊接以形成如图2所示的接收极组件。

图4是根据本申请的示例性实施例的发射极多层管与接收极多层管的连接示意图。

步骤三：如图4所示，将第一个接收极组件中换向连接件1的第二端的内侧面与第二个热电子发射单元201的第五端焊接，其中，第一个接收极组件和第二个热电子发射单元201分别位于该换向连接件1的两侧。

图5示意性示出了本申请实施例的电极组装完成后的结构示意图。

步骤四：如图4及图5所示，将第二个接收极组件中换向连接件1的第二端的内侧面与第三个热电子发射单元201的第五端焊接，将第二个接收极组件中接收极多层管3的表层金属层303与第一个接收极组件中接收极多层管3的表层金属层303焊接(焊缝7)，重复执行上述步骤直至最后一个接收极多层管3与上一个接收极多层管3完成表层金属层303的焊接，得到如图5所示的热离子能量转换器。

根据本申请的一些实施例，发射极多层管2沿径向从内向外依次包括底层金属层203、第一绝缘层202和第一金属层，接收极多层管3沿径向从内向外依次包括第二金属层301、第二绝缘层302和表层金属层303。可选的，发射极多层管2中间部分采用难熔金属陶瓷复合多层管加工而成，多个热电子发射单元201通过多层管之间的中间陶瓷层绝缘，两端采用难熔金属进行延长。发射极多层管2的长度取决于单个热电子发射单元201的长度和需要串联发电单元的节数。发射极多层管2最上端内侧金属管和外侧金属管不绝缘，作为热离子能量转换器的一个电输出端。

根据本申请的一些实施例，按照热电子发射单元201的尺寸和数量加工相应的接收极多层管3，其中1个接收极多层管内金属管和外金属管不绝缘，作为热离子能量转换器的另一个电输出端；其余的接收极多层管3的一端将于换向连接件1焊接，与换向连接件1对应位置加工去除内层金属部分，暴露出陶瓷层，实现相邻接收极之间的绝缘。

根据本申请的一些实施例，第一个热电子发射单元201的底层金属层203与第一金属层电连接，以便于后续引线连接负载8。

根据本申请的一些实施例，最后一个接收极多层管3的第二金属层301与表层金属层303电连接，以便于后续引线连接负载8。

根据本申请的一些实施例，电极组装方法还包括：在第一金属层和第二金属301层上分别开设匹配的定位槽4；以及通过定位件5配合定位槽4对热电子发射单元201和接收极组件进行轴向定位。

根据本申请的一些实施例，定位件5包括陶瓷定位件，陶瓷定位件的两端分别卡设在第一金属层和第二金属层301的定位槽4内，以保证电极之间的间隙稳定。可选的，陶瓷定位件的材质为氧化铝、氧化钪、氧化铍、单晶氧化铝等，优选的为氧化钪。

根据本申请的一些实施例，接收极多层管3与换向连接件1的焊接包括在真空炉内进行钎焊，其中，钎料的熔点大于或等于1200℃。

根据本申请的一些实施例，换向连接件1与热电子发射单元201的焊接包括真空电子束焊接，换向连接件1与热电子发射单元201的焊缝深度占第一金属层厚度的60～90％。相邻的两个接收极组件的表层金属层303的焊接包括真空电子束焊接，表层金属层303的焊缝深度占表层金属层303厚度的60～90％。

根据本申请的一些实施例，换向连接件1与热电子发射单元201的焊缝深度占第一金属层厚度的80％，表层金属层303的焊缝深度占表层金属层303厚度的80％。

根据本申请的一些实施例，完成多个环状的热电子发射单元后还包括步骤：在最后一个热电子发射单元201的最外端处焊接端塞6，其中，端塞6的材质与第一金属层的材质一致。

根据本申请的一些实施例，完成所有的接收极多层管的焊接后还包括步骤：在第一个热电子发射单元201与第一个接收极组件之间焊接用于绝缘和密封的金属陶瓷封接件组件，以及在最后一个热电子发射单元201与最后一个接收极组件之间焊接用于绝缘和密封的金属陶瓷封接件组件，以实现发射极与地的绝缘，以及实现接收极与地的绝缘。

至此，已经结合附图对本申请实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

本领域技术人员可以理解，本申请的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本申请中。特别地，在不脱离本申请精神和教导的情况下，本申请的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本申请的范围。

以上的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种适用于热离子能量转换器的换向连接件，其特征在于，包括：

管状本体，第一端的外侧面适用于与热离子能量转换器的接收极连接，所述管状本体上与所述第一端相对的第二端的内侧面适用于与所述热离子能量转换器的发射极连接，以将两组电极串联；以及

至少两组开槽，沿所述管状本体的周向方向间隔地开设在所述管状本体的外侧面上，每组所述开槽包括至少两个弧形通孔，至少两个所述弧形通孔等间距的开设在所述管状本体的外侧面上，所述开槽被构造成连通相邻两组电极之间的间隙空间以便于铯蒸汽的流通。

2.根据权利要求1所述的换向连接件，其特征在于，相邻的两组所述开槽的弧形通孔错位设置，每组所述开槽包括四个所述弧形通孔，其中，相邻的两组所述开槽中相对设置的两个弧形通孔的第三端在所述管状本体周向所在平面的投影与圆心连线的夹角为45°。

3.根据权利要求2所述的换向连接件，其特征在于，每个所述弧形通孔所对的圆心角范围包括65～75°。

4.根据权利要求1所述的换向连接件，其特征在于，所述弧形通孔的宽度占所述管状本体长度的2％～20％。

5.根据权利要求4所述的换向连接件，其特征在于，所述开槽的数量为两组，所述弧形通孔的宽度占所述管状本体长度的4％～8％。

6.一种热离子能量转换器的电极组装方法，其特征在于，使用如权利要求1至5任一项所述的换向连接件进行组装，包括步骤：

沿发射极多层管轴向方向将位于表层的第一金属层等间距的环切至暴露出位于所述第一金属层下方的第一绝缘层，以形成多个环状的热电子发射单元；

将接收极多层管底层的第二金属层的第四端环形切除预设长度以暴露出位于所述第二金属层上方的第二绝缘层，将换向连接件第一端的外侧面与所述第二金属层的第四端的内侧面焊接以形成接收极组件；

将第一个接收极组件中换向连接件的第二端的内侧面与第二个热电子发射单元的第五端焊接，其中，第一个接收极组件和第二个热电子发射单元分别位于该换向连接件的两侧；以及

将第二个接收极组件中换向连接件的第二端的内侧面与第三个热电子发射单元的第五端焊接，将第二个接收极组件中接收极多层管的表层金属层与所述第一个接收极组件中接收极多层管的表层金属层焊接，重复执行上述步骤直至最后一个接收极多层管与上一个接收极多层管完成表层金属层的焊接。

7.根据权利要求6所述的电极组装方法，其特征在于，所述发射极多层管沿径向从内向外依次包括底层金属层、所述第一绝缘层和所述第一金属层，所述接收极多层管沿径向从内向外依次包括所述第二金属层、所述第二绝缘层和所述表层金属层。

8.根据权利要求7所述的电极组装方法，其特征在于，第一个热电子发射单元对应的底层金属层与第一金属层电连接。

9.根据权利要求8所述的电极组装方法，其特征在于，最后一个接收极多层管的第二金属层与表层金属层电连接。

10.根据权利要求6所述的电极组装方法，其特征在于，还包括：

在第一金属层和第二金属层上分别开设匹配的定位槽；以及

通过定位件配合所述定位槽对所述热电子发射单元和所述接收极组件进行轴向定位。

11.根据权利要求10所述的电极组装方法，其特征在于，所述定位件包括陶瓷定位件，所述陶瓷定位件的两端分别卡设在所述第一金属层和所述第二金属层的定位槽内。

12.根据权利要求6所述的电极组装方法，其特征在于，所述接收极多层管与所述换向连接件的焊接包括在真空炉内进行钎焊，其中，钎料的熔点大于或等于1200℃。

13.根据权利要求6所述的电极组装方法，其特征在于，

所述换向连接件与所述热电子发射单元的焊接包括真空电子束焊接，所述换向连接件与所述热电子发射单元的焊缝深度占所述第一金属层厚度的60～90％；以及

相邻的两个接收极组件的表层金属层的焊接包括真空电子束焊接，所述表层金属层的焊缝深度占所述表层金属层厚度的60～90％。

14.根据权利要求13所述的电极组装方法，其特征在于，所述换向连接件与所述热电子发射单元的焊缝深度占所述第一金属层厚度的80％，所述表层金属层的焊缝深度占所述表层金属层厚度的80％。

15.根据权利要求6所述的电极组装方法，其特征在于，完成多个环状的热电子发射单元后还包括：

在最后一个热电子发射单元的最外端处焊接端塞，其中，所述端塞的材质与所述第一金属层的材质一致。

16.根据权利要求6所述的电极组装方法，其特征在于，完成所有的接收极多层管的焊接后还包括：

在第一个热电子发射单元与第一个接收极组件之间焊接用于绝缘和密封的金属陶瓷封接件组件，以及在最后一个热电子发射单元与最后一个接收极组件之间焊接用于绝缘和密封的金属陶瓷封接件组件。

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