CN205302969U - 一种基于pzt下动态热电转换机制的放射性同位素电池 - Google Patents

Abstract

一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，包括热源结构、换能结构、散热器和惰性气体管道；热源结构包括热源腔体和设于热源腔体内的热源装置，热源腔体包括热源腔体外壳和气动单向阀，热源装置包括放射源、导热壁和防辐射层；换能结构包括圆柱腔体、设于圆柱腔体内的PZT元件和活动式尖端喷嘴，PZT元件通过导线与电池正极、电池负极连接；热源腔体和圆柱状腔体通过惰性气体管道首尾相连，并充入惰性气体；散热器安装于惰性气体管道壁外表面。该电池解决了现有动态热电转换机制放射性同位素电池存在的高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性的问题，具有清洁环保、寿命长、适用性强等优点。

Description

一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池

技术领域

本实用新型涉及一种放射性同位素电池，具体涉及一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池。

背景技术

原子核成分（或能态）自发地发生变化，同时释放出射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素电池正是直接利用放射性同位素衰变释放出射线所具有的电能或是利用换能器件将放射性同位素衰变释放出射线的能量转换成电能，并将电能输出，从而达到供电目的。由于放射性同位素电池具有服役寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、无需维护、小型化等优点，目前已在军事国防、航天航海、极地探测、生物医疗、电子工业等重要领域被广泛应用。

放射性同位素电池首先由英国物理学家HenryMosley于1913年提出，而有关放射性同位素电池的研究主要集中在过去的50年里，其大致可分为四类：①静态辐射热转换方式放射性同位素电池的研究；②动态热电转换机制放射性同位素电池的研究；③辐射伏特效应放射性同位素电池的研究；④其他辐射效应转换机制放射性同位素电池的研究。上述四类放射性同位素电池的研究结果表明，能量转换效率低仍是目前放射性同位素电池的共性所在。静态辐射热转换方式放射性同位素电池的发展主要得益于国家层面的研究开发，特别是温差式热电转换机制放射性同位素电池的设计与制造目前在美国已日趋完善，但静态辐射热转换方式放射性同位素电池的热电转换效率仍较低，仅为4%～8%，导致其使用区域大幅减小、民用化过程较为困难。辐射伏特效应放射性同位素电池以半导体材料为换能单元，可实现同位素电池器件小型化，扩大了同位素电池的应用范围，且随着材料科学的飞速发展取得了一定的研究成效，但辐射伏特效应放射性同位素电池存在长期辐照下半导体材料性能退化的问题，降低了其使用寿命。与静态辐射热转换方式放射性同位素电池和辐射伏特效应放射性同位素电池相比，动态热电转换机制放射性同位素电池具有较高的能量转换效率，使其成为目前放射性同位素电池的重要研究方向，但传统动态热电转换机制放射性同位素电池存在高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性的技术瓶颈，并始终未能实现研究模型的实质性突破。本实用新型提出的一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池可突破传统动态热电转换机制放射性同位素电池存在的上述技术瓶颈。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，已解决传统动态热电转换机制放射性同位素电池存在的高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性问题。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，其特征在于：包括热源结构、换能结构、散热器和惰性气体管道；热源结构包括热源腔体和热源装置，热源腔体包括热源腔体外壳，热源腔体外壳两端渐变收缩并装配气动单向阀，热源腔体外壳内通过热源装置支架固定设有热源装置，热源装置包括放射源，放射源外围依次设有导热壁与防辐射层；换能结构包括圆柱腔体和PZT元件，圆柱腔体包括圆柱腔体外壳，圆柱腔体外壳底部通过PZT元件支架固定设有PZT元件，圆柱腔体外壳顶部向下延伸出一气流管，气流管出口位于PZT元件正上方，气流管出口处装有活动式尖端喷嘴，PZT元件通过导线与电池正极、电池负极连接；热源腔体和圆柱状腔体通过惰性气体管道首尾相连，并充入惰性气体，惰性气体在热源腔体、圆柱状腔体和惰性气体管道内形成气流循环；散热器固定安装于圆柱状腔体气流出口端和热源腔体气流入口端之间的惰性气体管道壁外表面。

热源腔体外壳、热源装置支架、圆柱腔体外壳、气流管、PZT元件支架和惰性气体管道壁均由耐高温高压的材料制作，可以是316不锈钢、304不锈钢或310不锈钢。

防辐射层的材质可以是钽合金，钽合金具有结构强度大、感生放射性、毒性低、经济的优点；防辐射层也可采用铅薄膜来制作。

导热壁的材质可以是BN，BN具有热传递效率高、耐辐射、不反应、经济的优点；导热壁也可采用镍基抗氧化合金来制作。

放射源可以为²³⁸PuO₂-Mo陶瓷或²³⁸PuO₂微球，²³⁸PuO₂-Mo陶瓷或²³⁸PuO₂微球具有半衰期长、功率密度高、易于屏蔽、毒性小、有害杂质少、防护简单的优点。

气动单向阀可采用JKT-420Mpa气动单向阀；活动式尖端喷嘴可采用槽缝式吹风喷嘴或CC/C扇形喷嘴；PZT元件的材质可以是PbZrTiO₃；导线可采用GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线；电池正极和电池负极材料相同，可以是金属Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti。

散热器可以是石墨散热器或超导热管，石墨散热器或超导热管具有导热系数高、易组配、耐高温、低热阻的优点；惰性气体可以为Ar或Ne。

相较于现有技术，本实用新型通过采用PZT为换能元件，有效突破了传统型动态热电转换机制放射性同位素电池局限于气流驱动热机或涡轮机转动而产生的高速部件运转润滑困难、高速转动的惯性矢量影响系统稳定性等关键技术瓶颈，有较大的社会效益与显在的经济价值，具有清洁环保、寿命长、适用性强等优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中：1-热源腔体，2-热源腔体外壳，3-热源装置支架，4-防辐射层，5-导热壁，6-放射源，7-气动单向阀，8-圆柱腔体，9-圆柱腔体外壳，10-气流管，11-活动式尖端喷嘴，12-PZT元件，13-导线，14-电池正极，15-电池负极，16-PZT元件支架，17-散热器，18-惰性气体管道，19-惰性气体管道壁，20-惰性气体。

具体实施例；

以下结合附图，对本实用新型做进一步说明。参见图1，本实用新型提供的一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池：包括热源结构、换能结构、散热器17和惰性气体管道18；热源结构包括热源腔体1和热源装置，热源腔体1包括热源腔体外壳2，热源腔体外壳2两端渐变收缩并装配气动单向阀7，热源腔体外壳2内通过热源装置支架3固定设有热源装置，热源装置包括放射源6，放射源6外围依次设有的导热壁5与防辐射层4；换能结构包括圆柱腔体8和PZT元件12，圆柱腔体8包括圆柱腔体外壳9，圆柱腔体外壳9底部通过PZT元件支架16固定设有PZT元件12，圆柱腔体外壳9顶部向下延伸出一气流管10，气流管10出口位于PZT元件12正上方，气流管10出口处装有活动式尖端喷嘴11，PZT元件12通过导线13与电池正极14、电池负极15连接；热源腔体1和圆柱状腔体8通过惰性气体管道18首尾相连，并充入惰性气体20，惰性气体20在热源腔体1、圆柱状腔体8和惰性气体管道18内形成气流循环，图中箭头方向为惰性气体20流动方向；散热器17固定安装于圆柱状腔体8气流出口端和热源腔体1气流入口端之间的惰性气体管道壁19外表面。

热源腔体外壳2、热源装置支架3、圆柱腔体外壳9、气流管10、PZT元件支架16和惰性气体管道壁19的材质相同，均为316不锈钢；防辐射层4的材质是钽合金；导热壁5的材质是BN；放射源6为²³⁸PuO₂-Mo陶瓷；气动单向阀7采用JKT-420Mpa气动单向阀；活动式尖端喷嘴11采用槽缝式吹风喷嘴；PZT元件12的材质为PbZrTiO₃；导线13采用GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线；电池正极14和电池负极15材料相同，均为金属Pt；散热器17为石墨散热器；惰性气体20为Ar。本实用新型的工作过程大致如下：热源装置加热惰性气体20在热源腔体1内膨胀并进入惰性气体管道18，惰性气体管道18中的惰性气体20穿过活动式尖端喷嘴11形成高速气流，高速气流作用于PZT元件12将其机械能转化为电能，并将电能输出，从而达到供电的目的。

Claims (7)

1.一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，其特征在于：包括热源结构、换能结构、散热器（17）和惰性气体管道（18）；热源结构包括热源腔体（1）和热源装置，热源腔体（1）包括热源腔体外壳（2），热源腔体外壳（2）两端渐变收缩并装配气动单向阀（7），热源腔体外壳（2）内通过热源装置支架（3）固定设有热源装置，热源装置包括放射源（6），放射源（6）外围依次设有导热壁（5）与防辐射层（4）；换能结构包括圆柱腔体（8）和PZT元件（12），圆柱腔体（8）包括圆柱腔体外壳（9），圆柱腔体外壳（9）底部通过PZT元件支架（16）固定设有PZT元件（12），圆柱腔体外壳（9）顶部向下延伸出一气流管（10），气流管（10）出口位于PZT元件（12）的正上方，气流管（10）出口处装有活动式尖端喷嘴（11），PZT元件（12）通过导线（13）与电池正极（14）、电池负极（15）连接；热源腔体（1）和圆柱状腔体（8）通过惰性气体管道（18）首尾相连，并充入惰性气体（20），惰性气体（20）在热源腔体（1）、圆柱状腔体（8）和惰性气体管道（18）内形成气流循环；散热器（17）固定安装于圆柱状腔体（8）气流出口端和热源腔体（1）气流入口端之间的惰性气体管道壁（19）外表面。

2.如权利要求1所述的一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，其特征在于：热源腔体外壳（2）、热源装置支架（3）、圆柱腔体外壳（9）、气流管（10）、PZT元件支架（16）和惰性气体管道壁（19）材质相同，是316不锈钢、304不锈钢或310不锈钢。

3.如权利要求1所述的一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，其特征在于：防辐射层（4）的材质是钽合金或铅薄膜；导热壁（5）的材质是BN或镍基抗氧化合金；放射源（6）是²³⁸PuO₂-Mo陶瓷或²³⁸PuO₂微球。

4.如权利要求1所述的一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，其特征在于：气动单向阀（7）是JKT-420Mpa气动单向阀；单向导通活动式尖端喷嘴（11）是槽缝式吹风喷嘴或CC/C扇形喷嘴。

5.如权利要求1至4所述的一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，其特征在于：PZT元件（12）的材质是PbZrTiO₃。

6.如权利要求5所述的一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，其特征在于：导线（13）是GN500镀镍铜芯高耐火绝缘导线；电池正极（14）和电池负极（15）材料相同，是金属Au、Pd、Pt、Al、Cu、Ni或Ti。

7.如权利要求6所述的一种基于PZT下动态热电转换机制的放射性同位素电池，其特征在于：散热器（17）是石墨散热器或超导热管；惰性气体（20）是Ar或Ne。