一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池及其制备方法

技术领域

本发明属于同位素电池领域，具体涉及一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池及其制备方法。

背景技术

原子核成分（或能态）自发地发生变化，同时放射出射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素电池简称同位素电池，因静态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。自英国物理学家Henry Mosley于1913年提出同位素电池以来，在静态换能机制同位素电池方面开展了大量的研究工作，目前已有直接收集、温差电/热电、热离子发射、热光伏、碱金属热电转换、磁流体发电等多种静态换能机制同位素电池。其中同位素温差电池是一种利用换能器件热电效应将同位素的热能转换为电能的装置，也是目前工程应用最广泛的一种静态型同位素电池。

Sr-90同位素拥有很高的功率密度，可以拥有较高的热源表面温度，而且可以从反应堆高放废液中大量提取，拥有很好的经济潜力。但由于传统热源结构设计，使Sr-90同位素热源在海水这种热交换良好环境下电池的漏热损失变大，系统效率降低。同时，深海环境最大的特点在于深海中的水压极大，电池需要耐压舱的保护。上述特点导致现有的同位素电池的设计思路不完全适用于深海环境下同位素电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池，以解决现有的同位素电池不能适用于深海环境的问题。

本发明的另一目的使提供一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池的制备方法。

本发明的技术方案是：一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池，包括相互连接的耐压舱和耐压舱盖，耐压舱内设有舱体绝热层，舱体绝热层内设有同位素热源组件和热电转换组件，耐压舱盖内设有绝热层盖，绝热层盖扣合于舱体绝热层上，耐压舱盖上设有电源接口。

作为本发明的进一步改进，同位素热源组件包括放射源、光子屏蔽层和吸收层，吸收层为中空结构，吸收层内部包裹放射源，光子屏蔽层连接于吸收层顶部；热电转换组件位于光子屏蔽层顶部。

作为本发明的进一步改进，还包括散热组件，散热组件包括导热壁和导热块，导热壁贴合耐压舱盖内壁设置，导热块上端与导热壁相连，导热块下端与热电转换组件相连；绝热层盖上开设有安装槽，导热块位于安装槽内；导热壁上开设有导线孔。

作为本发明的进一步改进，导热块上设有导线槽。

作为本发明的进一步改进，耐压舱和耐压舱盖通过螺栓连接。

作为本发明的进一步改进，耐压舱和耐压舱盖的连接处设有密封圈。

作为本发明的进一步改进，耐压舱底部设有锚索固定端。

一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池的制备方法，包括以下步骤：

A、散热组件的制备与安装：将铜板压制成贴合耐压舱盖内壁的圆弧状导热壁，在导热壁上开设导线孔，在导热壁焊接导热块，在导热块侧面预留导线槽，完成散热组件的制备，然后将散热组件安装在耐压舱盖内部；

B、耐压舱组件的制作：耐压舱与耐压舱盖铸造成型，在耐压舱盖上钻孔并安装电源接口；

C、绝热层组件的制备与安装：将绝热材料切割成型，构成舱体绝热层和绝热层盖，绝热层盖内开设用于容纳导热块的安装槽，舱体绝热层内为同位素热源组件预留空间，将舱体绝热层安装在耐压舱内；

D、同位素热源组件的制备与安装：将放射源装入吸收层并封口，将光子屏蔽层安装于吸收层上，完成同位素热源组件的制备；将同位素热源组件安装入舱体绝热层的预留空间；在舱体绝热层上方扣合安装绝热层盖；

E、耐压舱的封装：将热电转换组件的冷端安置在导热块下端，导线沿导线槽引出后穿过导线孔与电源接口的内侧相连；将耐压舱盖安装在耐压舱上，使热电转换组件的热端与光子屏蔽层顶部相接触，然后通过螺栓将耐压舱盖和耐压舱紧密连接。

本发明的有益效果是：本发明针对深海环境做出特别设计，使电池具有在深海环境工作的能力。耐压舱结构，可适用于深海的高压环境。采用特殊热源结构设计，减少绝热层面积，绝热层的漏热面积更小，降低电池热耗散损失，起到更好的绝热效果并达到更高的热源温度，提升热源热利用率，从而提升海洋环境下热电转换组件的能量转换效率。

相比传统β衰变同位素温差电池在热源的吸收层和绝热层之间设计有较厚的屏蔽层，本发明同位素电池仅仅在放射源顶部设置光子屏蔽层，在放射源的侧面和底面不再设置光子屏蔽层，而由耐压舱起到辐射防护的作用。这样的设计在具有同样的辐射防护效果的同时，可以减少绝热层的面积，提高热源的温度，拥有更大的热电转换效率。

附图说明

图1是本发明一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池的外观图；

图2是本发明一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池的剖视结构示意图；

图3是本发明中散热组件的结构示意图；

图4是本发明中耐压舱盖的结构示意图；

图5是本发明中热电转换组件的结构示意图。

图中：1-耐压舱盖；2-耐压舱；3-电源接口；4-舱体绝热层；5-放射源；6-吸收层；7-光子屏蔽层；8-热电转换组件；9-绝热层盖；10-导热块；11-导热壁；12-导线槽；13-导线孔；14-螺栓；15-锚索固定端；16-密封圈；18-热端；19-冷端；20-螺丝；21-安装槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1、

如图1-5所示，一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池，包括相互连接的耐压舱2和耐压舱盖1，耐压舱2内设有舱体绝热层4，舱体绝热层4内设有同位素热源组件和热电转换组件8，耐压舱盖1内设有绝热层盖9，绝热层盖9扣合于舱体绝热层4上，耐压舱盖1上设有水密穿舱电源接口3。

同位素热源组件包括放射源5、光子屏蔽层7和吸收层6，吸收层6为中空结构，吸收层6内部包裹放射源5，光子屏蔽层7连接于吸收层6顶部；热电转换组件8位于光子屏蔽层7顶部。

还包括散热组件，散热组件包括导热壁11和导热块10，导热壁11贴合耐压舱盖1内壁设置，导热壁11与耐压舱盖1内壁的间隙中涂布有导热介质，导热块10上端与导热壁11相连，导热块10下端与热电转换组件8相连；绝热层盖9上开设有安装槽21，导热块10位于安装槽21内；导热壁11上开设有导线孔13。

导热块10上设有导线槽12。热电转换组件8的导线布置于导线槽12内，并穿过导线孔13与电源接口3连接。

耐压舱2和耐压舱盖1通过螺栓14连接。

耐压舱2和耐压舱盖1的连接处设有密封圈16。

耐压舱2底部设有锚索固定端15。

本发明一种深海环境下高性能Sr-90同位素温差电池的外观为胶囊形设计，抗水压能力更强。

吸收层6是β射线吸收层，为圆柱状。

光子屏蔽层7也为圆柱状，半径大于吸收层6半径。光子屏蔽层7的顶面设有适合于热电转换组件8尺寸的凹槽，光子屏蔽层7的底面设有适合于吸收层6尺寸的凹槽。

热电转换组件8的热电半导体、电极夹在冷端19、热端18之间。热端18设置在光子屏蔽层7的凹槽内，并由导热介质填充间隙。热电转换组件8的尺寸、热电半导体P-N腿数、腿长根据实际热源温度设计。冷端19与导热块10相贴，连接面上涂有导热介质。

放射源5是β放射源：

光子屏蔽层7的材质可以是贫铀、铅、钨、不锈钢、纳米铅复合材料等。

舱体绝热层4和绝热层盖9可以是珍珠岩、玻璃棉、气相二氧化硅、硬质绝热材料或真空绝热板等。

吸收层6可以是铝、石墨等。

热电转换组件8的材料可以是Bi

耐压舱2和耐压舱盖1可以是TC

散热组件可以是紫铜、导热管等。

制备方法如下：

A、散热组件的制备与安装：将铜板压制成贴合耐压舱盖1内壁的圆弧状导热壁11，在导热壁11上开设导线孔13，在导热壁11弧顶处焊接导热块10，在导热块10侧面预留导线槽12，完成散热组件的制备，然后将散热组件安装在耐压舱盖1内部；

B、耐压舱组件的制作：耐压舱2与耐压舱盖1使用熔铸法一次铸造成型，主体承压结构上没有焊缝连接；在耐压舱2底部焊接锚索固定端15；在耐压舱盖1上钻孔并安装电源接口3；在耐压舱盖1开口端切割出圆环凹槽并安装密封圈16；

电源接口3由机床加工成空心柱状，空心柱内有轴向凹槽增加耐压强度，连接细铜棒后再在空心腔内灌入环氧树脂填充。电源接口3与耐压舱盖1的连接处设置密封圈做水密，电源接口3通过螺丝20固定在耐压舱盖1上；

C、绝热层组件的制备与安装：将绝热材料切割成型，构成舱体绝热层4和绝热层盖9，舱体绝热层4和绝热层盖9的连接缝隙处为齿状错层连接；绝热层盖9内开设用于容纳导热块10的安装槽21；舱体绝热层4内为同位素热源组件预留空间，将舱体绝热层4安装在耐压舱2内；

D、同位素热源组件的制备与安装：将保存Sr-90同位素的SrCO

E、热电转换组件的制备与安装：在陶瓷基板上镀铜片，在铜片上间隔地焊上p、n型热电半导体材料，用铜片相连并在铜片上安装另一层陶瓷基板，从铜片上引出电极，上方的陶瓷基板对应热电转换组件8的冷端19，下方的陶瓷基板对应热电转换组件8的热端18，得到热电转换组件8；

F、耐压舱的封装：将热电转换组件8的冷端19安置在导热块10下端，导线沿导线槽12引出后穿过导线孔13与电源接口3的内侧相连；将耐压舱盖1安装在耐压舱2上，使热电转换组件8的热端18嵌入光子屏蔽层7顶部的预留凹槽中，然后通过螺栓14将耐压舱盖1和耐压舱2紧密连接。

该同位素温差电池可以适用于深海环境中，并有效提升电池的能量转换效率。

同位素的β衰变能以热能的形式沉积在同位素热源组件中，热电转换组件8在热端18、冷端19之间存在温度差的情况下将同位素热源组件的热能转换为电能输出。温度差越大，热电转换组件8的效率越高。舱体绝热层4和绝热层盖9与内侧热源高温面接触的面积越小，因漏热损失的热量越少，同位素热源的温度越高，可以得到更高的热电转换效率。

Sr-90同位素发生衰变时所释放出的β射线能量主要以热能的形式沉积在同位素热源组件中。舱体绝热层4和绝热层盖9减少了热量向其它方向的传导，使热量聚集在热电转换组件8的热端18。热电转换组件8根据热电效应，在热端18和冷端19存在温差的情况下将热能转换为电能。热电转换组件8冷端19的余热由散热组件带走并通过耐压舱盖1传递到外界海水环境中。耐压舱2和耐压舱盖1起到承受深海水压、屏蔽内部辐射和散热的作用。