发电模块和发电装置的制作方法

1.本技术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：

2.同位素电池被广泛应用于深空探测领域，探测器对同位素电池的质量和体积有着严格的限制，因此同位素电池通常具有较为紧凑的结构，这导致同位素电池各部件的装配异常困难。


技术实现要素：

3.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。
4.根据本技术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，散热筒体，设置在集热筒体外侧并与集热筒体同轴；多个热电转换器，设置在集热筒体和散热筒体之间，热电转换器的一个端面朝向集热筒体，另一个端面朝向散热筒体，以借助集热筒体和散热筒体之间的温差生成电能；热电转换器的两个引线接头分别延伸至散热筒体轴向上的两个端面，散热筒体轴向上的一个端面设置有多个第一配合件，另一个端面设置有多个第二配合件，第一配合件与第二配合件能够配合连接，并且，第一配合件和第二配合件在散热筒体轴向上的位置一一对应，使多个发电模块能够串联。
5.根据本技术实施例的第二个方面，提供一种发电装置，包括：密封壳体；多个如本技术实施例的第一个方面所描述的发电模块，设置在密封壳体内，多个发电模块串联；以及散热件，设置在密封壳体外侧。
6.本技术实施例提供的发电模块能够通过串联组成发电装置，从而简化了大功率发电装置的装配操作，同时，第一配合件和第二配合件的设置使得发电模块之间不会发生扭转，避免了使用过程中热电转换器的引线被扯断。
附图说明
7.图1为根据本技术实施例的发电模块的示意图；
8.图2为根据本技术实施例的集热筒体的示意图；
9.图3为根据本技术实施例的散热筒体的示意图；
10.图4为根据本技术实施例的热电转换器的示意图；
11.图5为根据本技术实施例的发电装置的示意图。
具体实施方式
12.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例的附图，对本技术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技术的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本技术的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
13.本技术的实施例首先提供一种发电模块，参照图1，其包括集热筒体10、散热筒体20和多个热电转换器30。
14.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。
15.散热筒体20设置在集热筒体10的外侧并与集热筒体同轴，热电转换器30设置在集热筒体10和散热筒体20之间。由于同位素热源的存在，集热筒体10将会具有较高的温度，相比之下，散热筒体20的温度较低，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。
16.热电转换器30可以是本领域中常用的温差电转换器件，其通常包括两个端面，以及设置在二者中间的单偶，两个端面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，热电转换器30的两个端面可以为氮化铝陶瓷板。在实际使用过程中，热电转换器30的一个端面可以朝向集热筒体10，另一个端面可以朝向散热筒体20，从而将集热筒体10和散热筒体20之间的温差转换成电能。
17.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。
18.在一些实施例中，参见图1和图2，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。
19.为了获得更好的热电转换率，需要散热筒体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，因此散热筒体20也需要具有较好的导热性能，优选地，散热筒体20可以采用航天铝合金材料制成。
20.在实际使用过程中，散热筒体20通常会被设置在一个密封壳体内，用于降温的部件设置在密封壳体外，散热筒体20的热量需要通过该密封壳体向外散发。该密封壳体内部通常为真空或者惰性气体氛围，这就需要散热筒体20具有足够的红外发射效率以克服真空或者惰性气体氛围带来的热阻，因此在一些实施例中，散热筒体20的内外表面可以经过阳极氧化发黑处理，和/或散热筒体20的内外表面可以喷涂高红外发射率涂层，以保证散热筒体20具有足够低的温度。本领域技术人员还可以采用其他合适的方法来提高散热筒体20的红外发射效率，对此不作限制。
21.如上文中所描述地，集热筒体10和散热筒体20同轴，因此，集热筒体10和散热筒体20之间会形成环形的间隙，多个热电转换器30可以设置在该环形间隙中，优选地，多个热电转换器30可以均匀排布在该环形间隙中，例如，沿着集热筒体10的周向排布。
22.热电转换器30的两端需要连接引线，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。
23.上述引线的两端设置引线接头31，该引线接头31允许该引线与其他的引线进行连接，本实施例中，热电转换器30的两个引线接头31分别延伸至散热筒体20的两个端面，从而，多个发电模块1之间彼此可以串联，具体地，可以将多个发电模块的散热筒体20对接，并将热电转换器30的引线接头31彼此连接来实现多个发电模块1之间的串联。
24.需要说明的是，此处的延伸至散热筒体20的两个端面，是指延伸到散热筒体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。
25.集热筒体10轴向上的两个端面和散热筒体20轴向上的两个端面可以齐平，从而，在多个发电模块1串联后，集热筒体10之间也可以彼此贴合，避免了同位素热源的暴露。
26.如上文中所描述地，深空探测领域存在大功率发电装置的需求，并且对发电装置的结构和体积具有严格的限制，这就导致大功率发电装置的结构极为紧凑，安装较为困难。而本实施例所提供的发电模块1可以彼此串联成大功率的发电装置，从而，每个发电模块1可以具有较小的体积，方便完成其内部部件的装配，进而简化了大功率发电装置的装配。
27.进一步地，本实施例中，散热筒体20轴向上的一个端面上可以设置有多个第一配合件21，另一个端面上可以设置有多个第二配合件22，第一配合件21和第二配合件22彼此之间能够配合连接，并且，第一配合件21和第二配合件22在散热筒体轴向上的位置一一对应。
28.从而，在多个发电模块1串联后，相邻两个发电模块1的散热筒体20可以通过第一配合件21和第二配合件22完成连接，由于第一配合件21和第二配合件22的位置相对应，使得装配较为方便，并且，在装配完成后，两个散热筒体20之间不会发生径向的扭转，避免了将延伸至此的热电转换器30的引线接头31扯断的风险，保证了使用的安全性。
29.在一些实施例中，第一配合件21和第二配合件22中的一个可以是凸起，另一个可以是凹槽，这样的凸起凹槽配合结构使得散热筒体20之间的结合更加紧密，稳定性更高，同时装配也更加方便。
30.在一些实施例中，第一配合件21和第二配合件22可以沿着散热筒体20的周向等间隔设置，这进一步的使得散热筒体20的连接处受力更加均匀，降低了连接意外断开的风险。
31.在一些实施例中，凸起的高度和凹槽的深度可以相同，使得相邻的两个散热筒体20在连接后不会产生缝隙。在一些其他的实施例中，第一配合件21和第二配合件22也可以是螺母、螺钉等，或者法兰等，对此不作限制。
32.在一些实施例中，参照图2，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。
33.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。
34.在上述实施例中，集热筒体10轴向上的一个端面可以设置有第三配合件14，另一个端面可以设置有第四配合件15，第三配合件14与第四配合件15能够配合连接，并且，第三配合件14和第四配合件15在集热筒体10轴向上的位置一一对应。
35.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，本实施例中借助第三配合件14和第四配合件15来降低集热筒体10彼此连接时发生扭转的可能性。第三配合件14和第四配合件15的具体设置方式可以参照第一配合件21和第二配合件22，例如，其也可以是凸起、凹槽结构，并且，也可以沿着集热筒体10的周向等间隔设置，在此不再赘述。
36.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40，传热轴40的一端与热电转换器30连接，另一端延伸至散热筒体20。本实施例中，通过传热轴40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。与散热筒体20类似地，传热轴40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，以进一步提高传热效率。
37.在一些实施例中，参照图1和图3，散热筒体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40设置在该第二凸台23内。
38.可以理解地，上述实施例中通过设置传热轴40来增加传热效率，然而，如果传热轴40直接抵持在散热筒体20的内表面，则其与散热筒体20的换热面积就仅有与散热筒体20接触的端面，这限制了传热效率，为此，本实施例中，在散热筒体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40相匹配的孔道，从而，传热轴40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40的侧表面也可以与第二凸台23进行换热，进而与散热筒体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。
39.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。
40.在一些实施例中，参照图1和图3，第二凸台23轴向上的两个端面上可以和散热筒体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受到来自散热筒体20端面的压力。引线接头31可以通过合适的固定装置固定在该接线槽24中，例如通过压线板来进行固定，对此不作限制。
41.在一些实施例中，散热筒体20上可以设置有与该接线槽24对应的开口，从而，在进行发电模块1的串联时，可以从该开口处完成引线接头31的连接，简化了装配操作。
42.在一些实施例中，参照图1和图4，每个热电转换器30包括多个单偶32，传热轴40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40上，减少了热流的路径，进而提高了换热的效率。
43.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。
44.在一些实施例中，热电转换器30朝向传热轴40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40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40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，石墨膜的厚度为0.3～0.5mm。
45.在一些实施例中，参照图1和图3，散热筒体20上可以设置有与传热轴40对应的通孔25，发电模块1还包括多个第一固定件50，第一固定件50设置在通孔25中，以固定传热轴40。在散热筒体20上设置通孔的好处在于能够方便传热轴40的安装，在实际安装过程中，可以先将热电转换器30安装，而后通过该通孔25完成传热轴40的安装。第一固定件50可以是任何合适的固定装置，对此不作限制。
46.在一些实施例中，参照图1，第一固定件50可以包括固定部51和弹性部52，固定部51与通孔25连接，弹性部52设置在传热轴40和固定部51之间，并被配置成在固定部51连接到通孔时处于压缩状态。
47.本实施例中在第一固定件50与传热轴40的接触面上设置了弹性部52，该弹性部52一方面能够提供预紧作用力，使得传热轴40的位置更加稳定，另一方面增加了传热轴40与散热筒体20之间连接的柔性，进而提高了发电模块1的使用寿命。弹性部52可以是例如弹簧、弹性垫片等，优选地，该弹性部52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。
48.在一些实施例中，弹性部52可以是弹簧，而固定部51可以为卡簧结构，具体包括一个卡簧和一个卡簧定位销，该卡簧结构能够保证各个第一固定件50中的弹性部52的压缩量相等，从而，使得散热筒体20的受力更加均匀，避免了散热筒体20由于受力不均匀而发生变形。
49.在一些实施例中，参照图2，发电模块1还包括多个第二固定件60，多个第二固定件60可以穿过散热筒体20和第二凸台23并与热电转换器30连接，以固定热电转换器30。本实施例中，进一步的设置了第二固定件60来对热电转换器30进行固定，并且，该第二固定件60同时穿过散热筒体20和第二凸台23，从而更好的保证热电转换器30位置的稳定性。
50.在一些实施例中，参照图4，热电转换器30的朝向散热筒体20的端面可以设置有连接孔34，该连接孔34可以具有螺纹，而第二固定件60可以是弹性固定螺丝，从而实现与热电转换器30的连接。
51.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和散热筒体20之间的环形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和散热筒体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。本领域技术人员可以根据实
际情况来合理的设置保温件70的形状和尺寸，来使其均匀地填满集热筒体10和散热筒体20之间的间隙，例如，保温件70可以包括环状的保温块以及多个扇形的保温块。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。
52.本技术的实施例还提供一种发电装置，参照图5，发电装置包括多个如上文中任一实施例所描述的发电模块1，这些发电模块1可以串联，发电模块1的具体数量可以根据实际使用过程中的功率需求来确定，对此不作限制。
53.此外，发电装置还包括密封壳体2和散热件3，发电模块1设置在密封壳体2中，密封壳体2内部可以为真空环境或者惰性气体环境，本领域技术人员可以根据实际需求来进行设置，对此不作限制。
54.散热件3设置在密封壳体2的外侧，其用于对密封壳体2进行散热，进而使得设置在密封壳体2内部的发电模块1的散热筒体20的热量降低。散热件3可以是例如散热片等结构，或者，可以是其他具有散热功能的结构，例如水冷结构、气冷结构等，本领域技术人员可以根据具体使用环境来确定，对此不作限制。
55.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技术的几种实施方式，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，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种发电模块，包括：集热筒体，用于容纳同位素热源，散热筒体，设置在所述集热筒体外侧并与所述集热筒体同轴；多个热电转换器，设置在所述集热筒体和所述散热筒体之间，所述热电转换器的一个端面朝向所述集热筒体，另一个端面朝向所述散热筒体，以借助所述集热筒体和所述散热筒体之间的温差生成电能；所述热电转换器的两个引线接头分别延伸至所述散热筒体轴向上的两个端面，所述散热筒体轴向上的一个端面设置有多个第一配合件，另一个端面设置有多个第二配合件，所述第一配合件与所述第二配合件能够配合连接，并且，所述第一配合件和所述第二配合件在所述散热筒体轴向上的位置一一对应，使多个所述发电模块能够串联。2.根据权利要求1所述的发电模块，其中，所述第一配合件和所述第二配合件中的一个为凸起，另一个为凹槽。3.根据权利要求1或2所述的发电模块，其中，所述第一配合件与所述第二配合件沿所述散热筒体的周向等间隔设置。4.根据权利要求1所述的发电模块，其中，所述集热筒体的外侧设置有多个第一凸台，所述热电转换器与所述第一凸台贴合设置。5.根据权利要求4所述的发电模块，其中，所述第一凸台上设置有定位件，所述热电转换器与所述定位件连接。6.根据权利要求4或5所述的发电模块，其中，所述集热筒体轴向上的一个端面设置有第三配合件，另一个端面设置有第四配合件，所述第三配合件与所述第四配合件能够配合连接，并且，所述第三配合件和所述第四配合件在所述集热筒体轴向上的位置一一对应。7.根据权利要求1或4所述的发电模块，还包括：多个传热轴，所述传热轴的一端与所述热电转换器连接，另一端延伸至所述散热筒体。8.根据权利要求7所述的发电模块，其中，所述散热筒体的内侧设置有多个第二凸台，所述第二凸台和所述第一凸台的对迎面平行设置，所述传热轴设置在所述第二凸台内。9.根据权利要求7所述的发电模块，其中，每个所述热电转换器包括多个单偶，所述传热轴与所述单偶同轴且一一对应设置。10.根据权利要求7所述的发电模块，其中，所述热电转换器朝向所述传热轴的一面设置有石墨膜。11.根据权利要求8所述的发电模块，其中，所述散热筒体上设置有与所述传热轴对应的通孔，所述发电模块还包括多个第一固定件，所述第一固定件设置在所述通孔中，以固定所述传热轴。12.根据权利要求11所述的发电模块，其中，所述第一固定件包括固定部和弹性部，所述固定部与所述通孔连接，所述弹性部设置在所述传热轴和所述固定部之间，并被配置成在所述固定部连接到所述通孔时处于压缩状态。13.根据权利要求8所述的发电模块，还包括多个第二固定件，多个第二固定件穿过所述散热筒体和所述第二凸台并与所述热电转换器连接，以固定所述热电转换器。14.根据权利要求7所述的发电模块，还包括：保温件，设置在所述集热筒体和所述散热筒体之间。
15.一种发电装置，包括：密封壳体；多个如权利要求1-14中任一项所述的发电模块，设置在所述密封壳体内，多个所述发电模块串联；以及散热件，设置在所述密封壳体外侧。

技术总结
本申请的实施例提供一种发电模块，包括：集热筒体，用于容纳同位素热源，散热筒体，设置在集热筒体外侧并与集热筒体同轴；多个热电转换器，设置在集热筒体和散热筒体之间，热电转换器的一个端面朝向集热筒体，另一个端面朝向散热筒体，以借助集热筒体和散热筒体之间的温差生成电能；热电转换器的两个引线接头分别延伸至散热筒体轴向上的两个端面，散热筒体轴向上的一个端面设置有多个第一配合件，另一个端面设置有多个第二配合件，第一配合件与第二配合件能够配合连接，并且，第一配合件和第二配合件在散热筒体轴向上的位置一一对应，使多个发电模块能够串联。本申请的实施例还提供一种发电装置。发电装置。发电装置。


技术研发人员：何虎 李鑫 唐显
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/24