CN220272167U - 基于形状记忆合金的同位素电池和用电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及同位素电池技术领域并公开一种基于形状记忆合金的同位素电池和用电设备，同位素电池包括外壳、放射源、压电换能组件、隔热部件和形状记忆部件，外壳具有容纳换热介质的封闭腔体；放射源设在封闭腔体内；压电换能组件设在封闭腔体内；隔热部件设在封闭腔体内，以限定出在远离放射源的方向上依次间隔布置的第一腔室和第二腔室；形状记忆部件设在第一腔室和/或第二腔室内，形状记忆部件具有在远离放射源方向上可伸缩的自由端，自由端与隔热部件连接。本实用新型的同位素电池在实现有效散热的同时，实现了同位素电池的换能；与此同时，由于形状记忆部件需要达到一定温度才会伸展，有效实现了自动调节功能，即，自动调节温度。

Description

基于形状记忆合金的同位素电池和用电设备

技术领域

本实用新型涉及同位素电池技术领域，具体地，涉及一种基于形状记忆合金的同位素电池和用电设备。

背景技术

同位素电池又称核电池，它是将放射性同位素释放出的辐射能量通过精准构筑的半导体换能器转化成电能的长时供能器件。它是利用放射性元素超长的半衰期(几十年到数千年)，无需充电即可高效持续提供能量的一种前沿技术，是继承和引领先进核能、宽禁带半导体、智能制造等领域变革性的技术方向。同位素电池基本结构包含放射源、换能器件、电极等几个部分，放射源是装置能量的来源，换能器件将衰变能转换为电能，电极进行电流电压的输出。

同位素电池首先由英国物理学家Henry Moseley于1913年提出，而有关同位素电池的研究主要集中在过去的100年。根据同位素电池换能效率高低与输出功率大小将同位素电池的换能方式分成了四类：①静态型热电式(温差热电、热离子发射、接触电势差、热光伏、碱金属热电转换)同位素电池；②辐射伏特效应(肖特基、PN/PIN结)同位素电池；③动态型热电式(布雷顿循环、斯特林循环、朗肯循环、磁流体发电、射流驱动压电式)同位素电池；④特殊换能机理(直接收集、辐射发光、外中子源驱动式、衰变LC电路耦合谐振、宇宙射线/电磁波收集、压电悬臂梁、磁约束下β粒子电磁辐射、磁分离式、辐射电离)同位素电池。

在相关技术中，如何核辐射的能量产生电能是亟待解决的技术问题之一。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的实施例提出一种基于形状记忆合金的同位素电池和用电设备，所述同位素电池在实现有效散热的同时，实现了同位素电池的换能；与此同时，由于形状记忆部件需要达到一定温度才会伸展，有效实现了自动调节功能，即，自动调节温度。

本实用新型的基于形状记忆合金的同位素电池包括：

外壳，所述外壳具有容纳换热介质的封闭腔体；

放射源，所述放射源设在所述封闭腔体内；

压电换能组件，所述压电换能组件设在所述封闭腔体内；

隔热部件，所述隔热部件设在所述封闭腔体内，以限定出在远离所述放射源的方向上依次间隔布置的第一腔室和第二腔室；

形状记忆部件，所述形状记忆部件设在所述第一腔室和/或所述第二腔室内，所述形状记忆部件具有在远离所述放射源方向上可伸缩的自由端，所述自由端与所述隔热部件连接，所述形状记忆部件与所述换热介质换热，以驱动所述自由端带动所述隔热部件移动而挤压所述压电换能组件，且所述隔热部件移动，使得所述第二腔室中的所述换热介质与所述第一腔室中的所述换热介质相互流动。

根据本实用新型的同位素电池，通过在同位素电池的封闭腔体内装入换热介质，有效实现了对放射源进行及时的散热，提高了同位素电池的散热性能，从而保证了同位素电池的稳定性、使用寿命和安全性能。与此同时，封闭腔体内的形状记忆部件可以与换热介质进行换热，以驱动自由端带动隔热部件移动而挤压压电换能组件，即，通过改变形状记忆部件的温度，实现自由端的伸缩，从而实现压电换能组件的发电。也就是说，在实现同位素电池有效散热的同时，实现了同位素电池的换能；与此同时，由于形状记忆部件需要达到一定温度才会伸展，有效实现了自动调节功能，即，自动调节温度。

可选的，所述形状记忆部件在第一温度状态下，所述自由端可伸展而带动所述隔热部件移动以挤压所述压电换能组件，且随所述隔热部件移动，使得所述第二腔室中的所述换热介质与所述第一腔室中的所述换热介质相互流动；

所述形状记忆部件在第二温度状态下，所述自由端可收缩而带动所述隔热部件移动以远离所述压电换能组件。

可选的，所述压电换能组件位于所述外壳上，所述自由端在远离所述放射源方向上伸展或收缩，以带动所述隔热部件挤压或远离所述压电换能组件。

可选的，同位素电池还包括：

隔离件，所述隔离件设在所述封闭腔体内，所述隔离件沿远离所述放射源的方向上延伸，其两端分别抵接在所述放射源和所述外壳的内壁上。

可选的，所述隔离件设有多个，多个所述隔离件沿所述放射源的周向间隔布置，以将所述外壳和所述放射源之间的空间分隔成沿所述放射源的周向布置的多个腔室，每个所述腔室被所述隔热部件分隔成所述第一腔室和所述第二腔室；

其中，每个所述腔室中设有所述压电换能组件、所述隔热部件和所述形状记忆部件。

可选的，所述形状记忆部件的材料选自形状记忆合金；和/或

所述同位素电池的内径为R，所述放射源的外径为r，所述形状记忆部件受热伸展后的长度为a，所述隔热部件的厚度为b，所述压电换能组件的厚度为c，则有a+b＝(m+n·ν)×(R-r-c)，其中，1.5≥m≥1，2≥n≥0，ν表示形状记忆合金的泊松比。

可选的，所述形状记忆部件的材料选自Ni-Ti合金、铜合金或铁基合金；和/或

所述隔热部件由吸热多孔材料层和包覆在所述吸热多孔材料层表面的热反射材料层组成。

可选的，所述吸热多孔材料层的材料选自岩棉板、珍珠岩、轻质刚玉莫来石砖、轻质粘土砖和纳米微孔二氧化硅中的至少一种；和/或

所述热反射材料层的材料选自金、银、铝、镍、金合金、银合金、铝合金和镍合金中的至少一种。

可选的，所述放射源选自α放射源和/或β放射源；

所述α放射源选自²¹⁰Po、²²⁸Th、²²⁸ThO₂、²³⁵U、²³⁸Pu、²⁴¹Am、²⁴²Cm、含²¹⁰Po的化合物、含²²⁸Th的化合物、含²²⁸ThO₂的化合物、含²³⁵U的化合物、含²³⁸Pu的化合物、含²⁴¹Am的化合物和含²⁴²Cm的化合物中的至少一种；和/或

所述β放射源选自³H、¹⁴C、³⁵S、⁶³Ni、⁹⁰Sr、⁹⁰Sr/⁹⁰Y、¹⁰⁶Ru、¹³⁷Cs、¹⁴⁷Pm、¹⁵¹Sm、含³H的化合物、含¹⁴C的化合物、含³⁵S的化合物、含⁶³Ni的化合物、含⁹⁰Sr的化合物、含⁹⁰Sr/⁹⁰Y的化合物、含¹⁰⁶Ru的化合物、含¹³⁷Cs的化合物、含¹⁴⁷Pm的化合物和含¹⁵¹Sm的化合物中的至少一种；和/或

所述压电换能组件的材料选自压电单晶体、多晶体压电陶瓷或高分子压电材料；和/或

所述换热介质选自液态金属或压力为0.1～10MPa的水。

本实用新型的用电设备包括上述的基于形状记忆合金的同位素电池。

附图说明

图1是本实用新型实施例的同位素电池的结构示意图。

图2是本实用新型实施例的同位素电池的另一结构示意图。

图3是本实用新型实施例的隔热部件和隔离件之间的配合示意图。

附图标记：100-同位素电池、110-外壳、111-封闭腔体、1111-第一腔室、1112-第二腔室、120-放射源、130-压电换能组件、140-隔热部件、150-形状记忆部件、151-自由端、160-隔离件、170-连接件、180-散热部件。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图描述本实用新型实施例的基于形状记忆合金的同位素电池100。如图1至图3所示，同位素电池100包括外壳110、放射源120、压电换能组件130、隔热部件140和形状记忆部件150。

外壳110具有容纳换热介质的封闭腔体111，放射源120设在封闭腔体111内，压电换能组件130设在封闭腔体111内，隔热部件140设在封闭腔体111内，以限定出在远离放射源120的方向上依次间隔布置的第一腔室1111和第二腔室1112，形状记忆部件150设在第一腔室1111和/或第二腔室1112内，形状记忆部件150具有在远离放射源120方向上可伸缩的自由端151，自由端151与隔热部件140连接，形状记忆部件150与换热介质换热，以驱动自由端151带动隔热部件140移动而挤压压电换能组件130，且隔热部件140移动，使得第二腔室1112中的换热介质与第一腔室1111中的换热介质相互流动。

根据本实用新型的同位素电池100，通过在同位素电池100的封闭腔体111内装入换热介质，有效实现了对放射源120进行及时的散热，提高了同位素电池100的散热性能，从而保证了同位素电池100的稳定性、使用寿命和安全性能。与此同时，封闭腔体111内的形状记忆部件150可以与换热介质进行换热，以驱动自由端151带动隔热部件140移动而挤压压电换能组件130，即，通过改变形状记忆部件150的温度，实现自由端151的伸缩，从而实现压电换能组件130的发电。也就是说，在实现同位素电池100有效散热的同时，实现了同位素电池100的换能；与此同时，由于形状记忆部件150需要达到一定温度才会伸展，有效实现了自动调节功能，即，自动调节温度。

下面描述本实用新型的一些具体实施例。

在一些具体实施例中，如图1和图2所示，同位素电池100的内径为R，放射源的外径为r，形状记忆部件150受热伸展后的长度为a，隔热部件140的厚度为b，压电换能组件130的厚度为c，则有a+b＝(m+n·ν)×(R-r-c)，其中，1.5≥m≥1，2≥n≥0，ν表示形状记忆合金的泊松比。

在一些具体实施例中，为了保证形状记忆部件150受热伸缩后对压电换能组件130作用产生的电荷最多，同时保证形状记忆部件150不会因为压电换能组件130的反作用力导致变形失效。则控制同位素电池100的内径R为500±50mm，放射源120的外径r为100±10mm，形状记忆部件150受热伸展后的长度a为380±5mm，隔热部件140的厚度b为30±3mm，压电换能组件130的厚度c为50±5mm。

在一些具体实施例中，放射源120选自α放射源和/或β放射源。

在一些具体实施例中，α放射源选自²¹⁰Po、²²⁸Th、²²⁸ThO₂、²³⁵U、²³⁸Pu、²⁴¹Am、²⁴²Cm、含²¹⁰Po的化合物、含²²⁸Th的化合物、含²²⁸ThO₂的化合物、含²³⁵U的化合物、含²³⁸Pu的化合物、含²⁴¹Am的化合物和含²⁴²Cm的化合物中的至少一种。

在一些具体实施例中，β放射源选自³H、¹⁴C、³⁵S、⁶³Ni、⁹⁰Sr、⁹⁰Sr/⁹⁰Y、¹⁰⁶Ru、¹³⁷Cs、¹⁴⁷Pm、¹⁵¹Sm、含³H的化合物、含¹⁴C的化合物、含³⁵S的化合物、含⁶³Ni的化合物、含⁹⁰Sr的化合物、含⁹⁰Sr/⁹⁰Y的化合物、含¹⁰⁶Ru的化合物、含¹³⁷Cs的化合物、含¹⁴⁷Pm的化合物和含¹⁵¹Sm的化合物中的至少一种。

在一些具体实施例中，如图1和图2所示，放射源120呈柱状布置在封闭腔体111内。

在一些具体实施例中，如图1和图2所示，压电换能组件130主要用于发电。其中，当压电换能组件130被挤压时，可以将机械能转化为电能，从而实现发电。

在一些具体实施例中，如图1和图2所示，压电换能组件130固定在外壳110的内腔壁上。其中，自由端151在远离放射源120方向上伸展或收缩，以带动隔热部件140挤压或远离压电换能组件130。

在一些具体实施例中，压电换能组件130的材料选自压电单晶体、多晶体压电陶瓷或高分子压电材料。

在一些具体实施例中，压电换能组件130上设有第一压电输出电极和第二压电输出电极，第一压电输出电极和第二压电输出电极的材料分别选自Au(金)、Pd(钯)、Pt(铂)、Al(铝)、Cu(铜)、Ni(镍)和Ti(钛)中的至少一种。

在一些具体实施例中，第一压电输出电极和第二压电输出电极的材料选自Cu(铜)。

在一些具体实施例中，为了提高隔热部件140的隔热性能，以增加形状记忆部件150的伸缩频率，从而提高压电换能组件130的换能效率，隔热部件140由吸热多孔材料层和包覆在吸热多孔材料层表面的热反射材料层组成。

在一些具体实施例中，吸热多孔材料层的材料选自岩棉板、珍珠岩、轻质刚玉莫来石砖、轻质粘土砖和纳米微孔二氧化硅中的至少一种。

在一些具体实施例中，热反射材料层的材料选自金、银、铝、镍、金合金、银合金、铝合金和镍合金中的至少一种。

在一些具体实施例中，形状记忆部件150材料选自形状记忆合金。

具体地，形状记忆部件的材料选自Ni-Ti合金、铜合金或铁基合金。

在一些具体实施例中，如图1和图2所示，形状记忆部件150在第一温度状态下，自由端151可伸展而带动隔热部件140移动以挤压压电换能组件130，且随隔热部件140移动，使得第二腔室1112中的换热介质与第一腔室1111中的换热介质相互流动。也就是说，当换热介质与形状记忆部件150换热后，当形状记忆部件150在第一温度状态下，自由端151伸展，从而带动隔热部件140移动以挤压压电换能组件130，实现压电换能组件130的发电。

另外，形状记忆部件150在第二温度状态下，自由端151可收缩而带动隔热部件140移动以远离压电换能组件130。

具体地，放射源120可以提高周围换热介质的温度，在第一腔室1111中，当换热介质与形状记忆部件150换热后，形状记忆部件150的温度为第一温度时，形状记忆部件150的自由端151伸展，带动隔热部件140移动以挤压压电换能组件130。与此同时，第二腔室1112中的换热介质与第一腔室1111中的换热介质相互流动，第二腔室1112和第一腔室1111中的换热介质混合后，第一腔室1111中的换热介质的温度降至第二温度时，形状记忆部件150的自由端151收缩，带动隔热部件140移动以远离压电换能组件130。随后，放射源120再次对第一腔室1111中换热介质加热，从而可以使得自由端151可以往复伸缩，同时在第二腔室1112和第一腔室1111中的换热介质相互流动的作用下，实现压电换能组件130的可持续发电。

在一些具体实施例中，如图1至图3所示，同位素电池100还包括隔离件160，隔离件160设在封闭腔体111内，隔离件160沿远离放射源120的方向上延伸，放射源120的两端分别抵接在放射源120和外壳110的内壁上。

在一些具体实施例中，如图1至图3所示，隔离件160设有多个，多个隔离件160沿放射源120的周向间隔布置，以将外壳110和放射源120之间的空间分隔成沿放射源120的周向布置的多个腔室111a，每个腔室111a被隔热部件140分隔成第一腔室1111和第二腔室1112。具体地，隔离件160将外壳110和放射源120之间的空间(封闭腔体111)分隔成多个腔室111a，每个腔室111a中的压电换能组件130、隔热部件160和形状记忆部件150可以单独实现发电，多个腔室111a同时实现发电，可以提高同位素电池100的发电效率。

在一些具体实施例中，如图1至图3所示，为了保证隔离件160的稳固性，采用连接件170将隔离件160固定在外壳110的内腔壁上。

在一些具体实施例中，如图1和图2所示，为了提高同位素电池100的散热效率，在外壳110的外周壁上还间隔布置有散热部件180。其中，散热部件180优选为散热翅片。

在一些具体实施例中，换热介质选自液态金属或高压水。

其中，液态金属选自铅、锂、铅合金或锂合金。高压水的压力优选为0.1～10MPa。

本实施例中的同位素电池100的工作原理：放射源120向外发出热量被第一腔室中的换热介质吸收，从而可以改变换热介质的温度，换热介质的温度升到500～600℃之间时，基于形状记忆合金的形状记忆效应(形状记忆合金与换热介质进行换热)，形状记忆部件150逐渐伸展，即如弹簧形状伸展开来，形状记忆部件150推动隔热部件140移动，从而使得隔热部件140挤压压电换能组件130，产生电能；且随着形状记忆部件150推动隔热部件140移动的过程中，外壳110与隔热部件140之间的处于低温的换热介质(第二腔室1112中的换热介质)会流入隔热部件140和放射源120之间(第一腔室1111)，使得低温换热介质和高温换热介质混合，达到降低隔热部件140和放射源120之间的换热介质温度和放射源2的温度的目的。随着隔热部件140和放射源120之间的换热介质的温度降低，形状记忆部件150逐渐收缩至初始状态，即如弹簧形状收缩起来，随着形状记忆部件150收缩会带动隔热部件140向靠近放射源120的方向移动，位于隔热部件140和放射源120之间的换热介质被挤出至外壳110与隔热部件140之间。挤压出的换热介质携带的热量通过外壳110外端的散热部件180进行散热，如此形成一个循环。由于形状记忆部件150需要达到一定温度才伸展变形，因此，只要隔热部件140和放射源120之间的换热介质的热量累积未达到一定程度，形状记忆部件140的伸展变形便不会发生，真正实现了自动调节。

本实用新型中的用电设备包括上述的同位素电池100。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于形状记忆合金的同位素电池，其特征在于，包括：

外壳，所述外壳具有容纳换热介质的封闭腔体；

放射源，所述放射源设在所述封闭腔体内；

压电换能组件，所述压电换能组件设在所述封闭腔体内；

隔热部件，所述隔热部件设在所述封闭腔体内，以限定出在远离所述放射源的方向上依次间隔布置的第一腔室和第二腔室；

形状记忆部件，所述形状记忆部件设在所述第一腔室和/或所述第二腔室内，所述形状记忆部件具有在远离所述放射源方向上可伸缩的自由端，所述自由端与所述隔热部件连接，所述形状记忆部件与所述换热介质换热，以驱动所述自由端带动所述隔热部件移动而挤压所述压电换能组件，且所述隔热部件移动，使得所述第二腔室中的所述换热介质与所述第一腔室中的所述换热介质相互流动。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的同位素电池，其特征在于，

所述形状记忆部件在第一温度状态下，所述自由端可伸展而带动所述隔热部件移动以挤压所述压电换能组件，且随所述隔热部件移动，使得所述第二腔室中的所述换热介质与所述第一腔室中的所述换热介质相互流动；

所述形状记忆部件在第二温度状态下，所述自由端可收缩而带动所述隔热部件移动以远离所述压电换能组件。

3.根据权利要求2所述的基于形状记忆合金的同位素电池，其特征在于，所述压电换能组件位于所述外壳上，所述自由端在远离所述放射源方向上伸展或收缩，以带动所述隔热部件挤压或远离所述压电换能组件。

4.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的同位素电池，其特征在于，还包括：

隔离件，所述隔离件设在所述封闭腔体内，所述隔离件沿远离所述放射源的方向上延伸，其两端分别抵接在所述放射源和所述外壳的内壁上。

5.根据权利要求4所述的基于形状记忆合金的同位素电池，其特征在于，所述隔离件设有多个，多个所述隔离件沿所述放射源的周向间隔布置，以将所述外壳和所述放射源之间的空间分隔成沿所述放射源的周向布置的多个腔室，每个所述腔室被所述隔热部件分隔成所述第一腔室和所述第二腔室；

其中，每个所述腔室中设有所述压电换能组件、所述隔热部件和所述形状记忆部件。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于形状记忆合金的同位素电池，其特征在于，

所述形状记忆部件的材料选自形状记忆合金；和/或

所述同位素电池的内径为R，所述放射源的外径为r，所述形状记忆部件受热伸展后的长度为a，所述隔热部件的厚度为b，所述压电换能组件的厚度为c，则有a+b＝(m+n·ν)×(R-r-c)，其中，1.5≥m≥1，2≥n≥0，ν表示形状记忆合金的泊松比。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的基于形状记忆合金的同位素电池，其特征在于，

所述形状记忆部件的材料选自Ni-Ti合金、铜合金或铁基合金；和/或

所述隔热部件由吸热多孔材料层和包覆在所述吸热多孔材料层表面的热反射材料层组成。

8.一种用电设备，其特征在于，包括根据权利要求1-7任一项所述的基于形状记忆合金的同位素电池。