发电模块和发电装置

技术领域

本申请涉及同位素电池技术领域，具体涉及一种发电模块和发电装置。

背景技术

同位素电池被广泛应用于深空探测领域，相关技术中所提供的同位素电池通常包括热电转换器、热端集热筒体、冷端集热筒体和密封壳体，密封壳体用于进行密封，以构建真空氛围或者惰性氛围，这样的电池中热电转换器冷端的温度较高，导致热电转换效率较低。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或至少部分解决上述问题的一种发电模块和发电装置。

根据本申请实施例的第一个方面，提供一种发电模块，包括：集热筒体，用于容纳同位素热源；密封壳体，设置在集热筒体外侧，密封壳体与集热筒体之间形成密封间隙；多个散热片，设置在密封壳体外侧，以对密封壳体进行散热；多个热电转换器，设置在密封间隙中，热电转换器的一个端面朝向集热筒体，另一个端面朝向密封壳体，以借助集热筒体和密封壳体之间的温差生成电能。

根据本申请实施例的第二个方面，提供一种发电装置，其包括多个如本申请实施例的第一个方面所描述的发电模块，多个发电模块串联。

本申请实施例提供的发电模块和发电装置具有较高的热电转换效率。

附图说明

图1为根据本申请实施例的发电模块的示意图；

图2为图1中示出的发电模块的局部放大示意图；

图3为根据本申请实施例的热电转换器的示意图；

图4为根据本申请实施例的发电装置的示意图。

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，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请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的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

本申请的实施例首先提供一种发电模块1，参照图1和图2，其包括集热筒体10、密封壳体20和多个热电转换器30以及多个散热片40。

集热筒体10用于容纳同位素热源，放射性同位素在衰变的过程中会释放出热能，本实施例提供的发电模块1就是利用该热能来进行发电。该同位素热源可以是任何合适的放射性同位素，例如锶90、钚238等，集热筒体10的具体尺寸可以根据具体所选用的同位素热源以及所需要达到的发电功率等来确定，对此不作限制。

密封壳体20设置在集热筒体10的外侧，集热筒体10与密封壳体20之间形成密封间隙，可以理解地，根据本领域的相关要求，同位素热源需要处于真空环境中或者惰性气体氛围中，因此，集热筒体10与密封壳体20之间需要形成密封间隙，该间隙的密封可以是由密封壳体20独立完成的，也可以是由密封壳体20与其他的部件相配合来完成的，例如，密封壳体20可以是一个筒体，其端面可以与一个盖体密封连接，从而，使得密封壳体20与集热筒体10之间形成密封间隙。又例如，密封壳体20可以是一个密封的壳体结构，集热筒体10设置在其内部。本领域技术人员可以根据实际需求来设置，对此不作限制。

热电转换器30设置在集热筒体10和密封壳体20之间，散热片40设置在密封壳体20的外侧。由于同位素热源的存在，集热筒体10将会具有较高的温度，而由于散热片40的存在，密封壳体20将会具有较低的温度，二者之间将会存在温差，热电转换器30就是利用该温差来进行发电。

热电转换器30可以是本领域中常用的温差电转换器件，其通常包括一个热端绝缘板和一个冷端绝缘板，以及设置在二者中间的单偶，热端绝缘板和冷端绝缘板之间的温差将会使得单偶中产生热电势，且温差越大热电势越大。作为示例地，该热端绝缘板和冷端绝缘板可以采用氮化铝陶瓷板。在实际使用过程中，热电转换器30的热端可以贴合在集热筒体10上，冷端可以贴合在密封壳体20上，从而借助二者之间的温差来完成发电。

由于同位素热源的热量需要通过集热筒体10来传递到热电转换器30的热端，因此，集热筒体10需要具有较好的传热性能，优选地，其可以采用高轻度和高导热率的碳材料制成。

在一些实施例中，参见图1，集热筒体10内侧可以设置有用于定位同位素热源的定位槽11，该定位槽11的具体结构和设置的位置可以根据所选用的同位素热源的具体结构来设置，作为示例地，可以沿集热筒体10的周向设置四个定位槽11。除了凹槽外，还可以选用其他合适的定位结构来实现同位素热源的定位，在此不再赘述。

为了获得更好的热电转换率，需要密封壳体20的温度尽可能低，以使得热电转换器30的两端温差足够大，因此密封壳体20和散热片40也需要具有较好的导热性能，优选地，密封壳体20和散热片40可以采用航天铝合金材料制成，并且，散热片40的表面可以涂覆有高热导聚酰亚胺石墨涂层，该涂层能提高散热片40的温度均匀性，从而增加其散热效率。

散热片40可以通过合适的方式固定在密封壳体20的外壁上，优选地，散热片40可以焊接在密封壳体20的外壁上，焊接的方式能够大幅度的降低接触热导，从而大幅提高散热片40的散热效率。

在一些实施例中，多个散热片40可以沿密封壳体20的周向等间隔设置，这样的设置方式一方面能够提高散热效率，另一方面也能够保证密封壳体20温度的均匀性，进而使得每个热电转换器30均能够具有较好的热电转换效率。

本领域相关技术中所提供的采用同位素热源进行发电的发电模块中，通常会设置一个冷端框架，并将该冷端框架设置在一个密封的密封壳体中，然而，该冷端框架与密封壳体之间不可避免的存在间隙，该间隙中又是真空环境或者惰性气体氛围，存在较大的热阻，而减小该间隙又会导致冷端框架和密封壳体的加工精度要求较高，且安装困难。以上问题的存在使冷端框架的热量无法很好地辐射到密封壳体上，导致热电转换器冷端的温度较高，进而导致热电转换效率降低。

而在本实施例中，直接采用密封壳体20来作为热电转换器30的冷端，从而，消除了本领域相关技术中所使用的冷端框架和密封壳体之间的热阻，提高了热电转换的效率，同时，也不存在加工、装配困难的问题。

热电转换器30的两端需要连接引线，引线的头端设置引线接头31，以将其产生的热电势引出，该引线可以由本领域技术人员根据实际需求进行选择，由于发电模块工作时具有较高的温度，因此，优选地，该引线选用耐高温材料，例如，选用耐高温多股硅胶线作为引线，引线可以通过超声波焊接的方式连接在热电换热器30两端的电极上。

在一些实施例中，参照图2，热电转换器30的引线接头31可以分别延伸至密封壳体20轴向上的两个端面，密封壳体20轴向上的至少一个端面设置有连接件21，使多个发电模块1能够串联。需要说明的是，此处的延伸至密封壳体20的两个端面，是指延伸到密封壳体20的两个端面所在平面上的任意一个位置，并且，引线接头31延伸至此后还可以继续延伸，本领域技术人员可以根据实际连接需求来进行设置，对此不作限制。

本实施例中，将热电转换器30的引线接头31设置在了密封壳体20轴向上的两个端面上，并且，在端面上设置了连接件21，从而，在实际使用过程中，可以将多个发电模块1组装成大功率的发电装置，解决了本领域中大功率发电装置装配困难的问题，同时，这样组装而成的发电装置中，如果某一发电模块1出现故障，可以将发电装置分解开来进行故障识别，效率大幅度提高，并且也方便对损坏的发电模块1进行更换。

在这样的实施例中，串联后的密封壳体20可以共同组成一个密封的壳体结构，或者与其他结构，例如与上文中所描述的盖体共同组成一个密封的壳体结构，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。

连接件21可以是例如法兰等连接结构，密封壳体20的两个端面可以均设置连接件21，也可以仅有一个端面设置连接件21，本领域技术人员可以根据实际需求来确定连接件21的结构以及具体的设置方式，只需能够实现发电模块1彼此之间的连接即可，在此不再赘述。

在一些实施例中，连接件21内设置有密封件22。该密封件22可以是例如密封垫圈等结构，这能够进一步的增加多个发电模块1串联后密封壳体20之间连接的密封性，进而保证密封壳体20与集热筒体10之间的间隙的密封性。

在一些实施例中，参照图3，集热筒体10的外侧可以设置有多个第一凸台12，热电转换器30可以与第一凸台12贴合设置。可以理解地，集热筒体10的壁面为曲面结构，而热电转换器30的热端通常为平面结构，这就导致热电转换器30的热端无法完全与集热筒体10贴合，换热面积降低。为此，本实施例中，在集热筒体10的外侧设置了第一凸台12，将热电转换器30与第一凸台12贴合设置，从而，保证了热电转换器30的换热面积，提高了换热效率。第一凸台12的面积可以与热电转换器30相适应，以使得热电转换器30的热端能够完全贴合在第一凸台12上。第一凸台12可以与热电转换器30一一对应，或者，一个第一凸台12也可以对应多个热电转换器30，对此不作限制。

在一些实施例中，第一凸台12上可以设置有定位件13，热电转换器30可以与定位件13连接。通过设置定位件13可以避免使用过程中热电转换器30与第一凸台12发生位置上的偏移而导致换热效率的降低，同时也方便热电转换器30在装配过程中的定位。定位件13可以是凹槽结构，热电转换器30的边缘可以与定位件13贴合，以起到定位的作用，定位件13还可以是其他合适的定位结构，对此不作限制。

在上文中所描述的一些实施例中，多个发电模块1可以串联，而在这些实施例中，集热筒体10轴向上的一个端面可以设置有第一配合件14，另一个端面可以设置有第二配合件15，第一配合件14与第二配合件15能够配合连接，并且，第一配合件14和第二配合件15在集热筒体10轴向上的位置一一对应。

可以理解地，在上述实施例中，在多个发电模块1串联时，如果集热筒体10彼此之间发生扭转，这可能使得热电转换器30与第一凸台12之间的位置发生偏移，或者，使得热电转换器30与定位件13之间的作用力增加，导致热电转换器30的受损，为此，本实施例中借助第一配合件14和第二配合件15来降低集热筒体10彼此连接时发生扭转的可能性。第一配合件14和第二配合件15可以是凸起、凹槽结构，或者其他合适的结构，对此不作限制。第一配合件14和第二配合件15可以沿着集热筒体10的周向等间隔设置，使得整体结构更加稳定。

在一些实施例中，密封壳体20的两端也可以设置有配合件，该配合件可以设置在连接件21上，也可以直接设置在密封壳体20上，设置方式可以参照第一配合件14和第二配合件15，以进一步的增加整体结构的稳定性。在一些其他的实施例中，可以不在密封壳体20上设置配合件，而是通过连接件21之间的对接来实现防扭转。

在一些实施例中，参照图1，发电模块1还可以包括多个传热轴50，传热轴50的一端与热电转换器30连接，另一端延伸至密封壳体20。本实施例中，通过传热轴50来进一步的增加热电转换器30冷端的传热效率，降低冷端的温度，进而提高发电模块1的热电转换效率。与密封壳体20类似地，传热轴50可以采用航天铝合金材料，其表面可以进行阳极氧化发黑处理或者喷涂高红外发射率涂层，优选地，涂层的发射率应当高于0.9，以进一步提高传热效率。

在一些实施例中，参照图2和图3，密封壳体20的内侧设置有多个第二凸台23，该第二凸台23与第一凸台12的对迎面平行设置，热电转换器30与第二凸台23贴合设置，并且，传热轴50设置在该第二凸台23内。

可以理解地，上述实施例中通过设置传热轴50来增加传热效率，然而，如果传热轴50直接抵持在密封壳体20的内表面，则其与密封壳体20的换热面积就仅有与密封壳体20接触的端面，这限制了传热效率，为此，本实施例中，在密封壳体20的内侧设置了第二凸台23，第二凸台23内可以设置有与传热轴50相匹配的孔道，从而，传热轴50可以设置在该第二凸台23的该孔道内。在这样的方案中，传热轴50的侧表面也可以与第二凸台23进行换热，进而与密封壳体20进行换热，同时，第二凸台23与热电转换器30相贴合的表面之间也可以换热，使得换热面积得到了极大的提升。

在一些实施例中，上述孔道的内表面也可以进行阳极氧化发黑处理和/或喷涂高红外发射率涂层，从而进一步的提高换热效率。

在一些实施例中，可以密封壳体20外侧壁上与每个第二凸台23的侧缘对应的位置均设置散热片40，这能够进一步的增加对第二凸台23所在位置处的密封壳体20进行散热的效果。

在一些实施例中，参照图1和图2，第二凸台23轴向上的两个端面上可以和密封壳体20轴向上的两个端面平齐，并且，第二凸台23轴向上的两个端面设置有接线槽24，引线接头31可以固定在接线槽24中。在这样的方案中，引线接头31得到了较好的保护，避免了串联时引线接头31受到来自密封壳体20端面的压力。

在一些实施例中，第二凸台23一端的接线槽24内可以设置有插座，另一端的接线槽24内可以设置有插头，引线接头31可以与该插头或者插座连接，从而提高多个发电模块1彼此连接时的安全性和稳定性。

优选地，插座由插孔座和绝缘基座构成，插孔座为铜制备，插孔内壁分布数个圆槽，槽内安装螺旋型触指弹簧。触指弹簧由高弹性铍青铜制备，从而能够长时间保持良好的接触力，避免长时间接触后触指出现永久变形而导致接触电阻增加。插孔座和触指弹簧表面镀银。绝缘基座为聚醚醚酮塑料制备。插头由插针和绝缘基座构成。插针为铜制备，表面镀银，绝缘基座由聚醚醚酮塑料制备。

在一些实施例中，参照图2，发电模块1还包括弹性件60，其设置在传热轴50与密封壳体20之间，并且，弹性件60处于压缩状态。

本实施例中在密封壳体20与传热轴50的接触面上设置了弹性件60，该弹性件60一方面能够提供预紧作用力，使得传热轴50的位置更加稳定，另一方面增加了传热轴50与密封壳体20之间连接的柔性，进而提高了发电模块1的使用寿命。弹性件60可以是例如弹簧、弹性垫片等，优选地，该弹性件60采用耐高温且传热效率较高的材料制作，例如镍基高温合金，其能够提供30-100N的压力。

在一些实施例中，参照图2和图4，每个热电转换器30包括多个单偶32，传热轴50与单偶32同轴且一一对应设置，从而，单偶32的热流会直接传递到对应的传热轴50上，减少了热流的路径，进而提高了换热的效率。

在一些实施例中，热电转换器30的单偶32之间可以填充有二氧化硅复合气凝胶，该气凝胶一方面可以降低热电转换器30的漏热，进而提高热电转换效率，另一方面可以防止所使用的热电材料在高温下的挥发，提高热电转换器30的使用寿命。

在一些实施例中，热电转换器30朝向传热轴50的一面设置有石墨膜33。设置石墨膜33的一个好处在于，其能够使得传热轴50的端面与热电转换器30之间的接触更为紧密，从而能够进一步的提高热电转换器30冷端与传热轴50之间的传热效率，另一个好处在于，其能够补偿热电转换器30温度升高后的热膨胀，降低热电转换器30的热应力，从而提高热电转换器30的力学可靠性。优选地，石墨膜33的厚度为0.2～0.8mm。

可以理解地，上文中所描述的实施例中采用了多种方式来增加热电转换器30的冷端向外传递热流的效率，这是为了增加热电转换器30两端的温差，进而提高热电转换效率。然而，除了热电转换器30的冷端外，同位素热源的热量还会从其他位置流失，例如从集热筒体10和密封壳体20之间的间隙中未设置热电转换器30的位置流失，这样的热量流失变相地降低了热电转换率。

为此，在一些实施例中，参照图1，发电模块1还可以包括保温件70，其设置在集热筒体10和密封壳体20之间，该保温件70可以防止同位素热源的热流从热电转换器30的冷端以外的其他路径流出，进而提高热电转换效率，优选地，保温件70可以采用轻质且高效的保温材料制成，本领域技术人员可以根据实际情况来进行选择，对此不作限制。在一些实施例中，密封壳体20与保温件70接触的表面可以进行抛光处理，从而，其能够将保温件70流出的热量反射回去，进一步的防止热量的流失。

本申请实施例还提供一种发电装置，其由多个如上文中任一实施例所描述的发电模块1串联组成，有关发电装置的具体技术细节可以参照上文中相关部分处的描述，在此不再赘述。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。