CN108932987A - 一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，包括压力容器，压力容器内设有用于核反应的燃料，还包括热声、热电装置和热量输出装置，热声、热电装置，包括由下至上依次设置的谐振空腔、多孔电极板、多孔介质和导热电极板，多孔介质穿设在压力容器上，谐振空腔和多孔电极板置于压力容器内，热量输出装置设置在导热电极板上，热量输出装置上设有辐射散热器。本发明，根据热声效应，先将堆芯热量转化成高频率脉冲热振荡波，热振荡波以极快的频率作用于热电材料的热侧，实现更高效率的瞬态热电转换过程，是一种动静态相结合的空间核电技术，热电转换效率高于现有静态热电转化技术。

Description

一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置

技术领域

本发明涉及核动力装置，具体涉及一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置。

背景技术

在发电设备领域内，将热能转换为电能有两种方式，一种是通过热-机-电方式，采取发动机发电，由于其具有机械转动部件，称为动态转换；另一种是将热能直接转换成电能，不需要发电机，也没有任何机械转动部件，称为静态转换。目前，陆上核电站普遍采用动态转换方式，其最终热阱是湖泊、河或大海，具有较高的核能利用效率，现有的大型核电设施中热效率约为35％。然而，太空中受限其特殊的应用环境，无法像陆上核电站一样采取复杂附属结构的机械做功系统，致使迄今为止成功发射和应用的空间核反应堆都采取静态转换技术实现热能向电能的转换。其中，利用热电效应实现热能向电能静态转换的空间核电源技术尤为常见。

20世纪60年代美国发射的世界上第一个空间核反应堆SNAP-10A采用的就是热电偶式的热电转换，其热电转换效率仅1.2％。20年代70年代开发的BUK反应堆电源的热电转换效率为3％。21世纪，美国针对太空探索提出的HP-STMC空间反应堆电源，热电转换效率达到6.7％。静态热电技术的推进为空间核动力电源的发展提供了较好的技术条件。然而，采取热电技术会导致大量的热能以辐射形式直接流入外太空中，静态转换热效率很低，难以满足空间核动力装置对大功率电力的需求，且效率低下，影响核动力装置的运行寿命。可见，低能量转化效率严重制约了静态热电转化技术在空间核动力领域的应用。进一步提高静态转换中热电效率，寻求热电效率更高材料已成为静态转换技术发展的瓶颈。

如果在现有热电材料上，通过某种技术手段提升热能向电能的转换效率，有望避开单一寻求高性能热电材料的技术瓶颈。一种较好的方案是，在已有静态转换技术基础上，通过开发新的工艺手段，引入新的热传输机理，提升装置的热效率。值得注意的是，现有与空间核动力热电技术相关的研究都集中在其稳态导热及热电特性上，而近些年的热电材料研究表明，热电材料的能量转化率已接近转化极值，很难进一步取得较大突破。

有鉴于此，急需对现有的空间核电源静态转换装置进行改进，增加其热电转化效率，提高能源的利用率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有空间核电源静态转换装置所存在的热电转化效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，包括压力容器，所述压力容器内设有用于核反应的核燃料，还包括：

热声、热电装置，包括由下至上依次设置的谐振空腔、多孔电极板、多孔介质和导热电极板，所述多孔介质穿设在所述压力容器上，所述谐振空腔和所述多孔电极板置于所述压力容器内；

热量输出装置，设置在所述压力容器外，包括设置在所述导热电极板上的吸液芯，所述热量输出装置上设置有辐射散热器。

在上述方案中，所述多孔电极板上的通孔的直径大于0.5mm。

在上述方案中，所述热量输出装置为热管，所述热管的热端连接导热电极板，所述热管的冷端连接所述辐射散热器。

在上述方案中，还包括封闭腔室，所述谐振空腔连通所述多孔电极板、多孔介质和导热电极板，所述谐振空腔、多孔电极板、多孔介质和导热电极板位于所述封闭腔室内，所述封闭腔室内填充有气体工质。

在上述方案中，所述封闭腔室的长度为所述封闭腔室内声波1/4波长的整数倍。

在上述方案中，所述多孔介质采用热电材料制成。

在上述方案中，所述多孔介质包括多个堆叠设置的多孔介质单体，所述多孔介质单体呈板状或管状。

在上述方案中，所述多孔介质与所述多孔电极板和所述导热电极板一体设置。

与现有技术相比，本发明，根据热声效应，先将反应堆堆芯热量转化成热声、热电装置内封装气体的高频率脉冲热振荡波，热振荡波以高频率作用于热电材料的热侧，实现瞬态热电效应，由此实现更高效率的热电转换，是一种动静态相结合的空间核电技术，具有较高的热电转换效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，本发明的目的在于提供一种提高空间核动力装置热电转化效率的装置。

本发明的技术特点是：利用热声效应将核燃料热量转化成高温振荡流，高频率作用于热电装置，实现瞬态热电转化。本发明，区别于传统空间核电源中通过稳态导热作用于热电材料实现热电转换的技术路径，而是让热量先通过热声效应转化成高频率脉冲热振荡波，并以高频作用于多孔电极板，由于多孔介质存在迟豫时间，热电转换效率会明显增强。实验室测试结果表明在温差约200℃时瞬态热电较稳态热电输出电功可提高约2个数量级。本发明打破了传统空间热电源静态转换思路，通过引入热声技术，将热量转变成高频热振荡作用于热电装置，实现了更高效率的热电转换，是一种动静态相结合的空间核电技术。具有较高的热电转换效率，下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，包括压力容器5，压力容器5内设有用于核反应的核燃料4，还包括热声、热电装置和热量输出装置。热声、热电装置，包括由下至上依次设置的谐振空腔7、多孔电极板8、多孔介质6和导热电极板9，多孔介质6穿设在压力容器5上，谐振空腔7和多孔电极板8置于压力容器5内；热量输出装置设置在压力容器5外部，热量输出装置包括设置在导热电极板9、吸液芯10、辐射散热器11，热量输出设备内封装有液体工质。优选的，多孔电极板8上的通孔的直径大于0.5mm。本发明，热量输出设备是热管散热装置。本发明，热声、热电装置内设有封闭腔室，谐振空腔7连通多孔电极板8、多孔介质6和导热电极板9，谐振空腔7、多孔电极板8、多孔介质6和导热电极板9位于该封闭腔室内，该密封腔室的长度为声波在其内1/4波长的整数倍，且该封闭腔室内填充有用于传输热量的气体工质。优选的，多孔介质6由导电性能强且导热系数低的电热材料制成，多孔介质6呈堆叠的板状或堆叠的管状，可减少振荡气体的流动阻力。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过热声、热电一体化设置的方式，提供了一种利用热声、热电效应提高空间核电源热电转化效率的热电转换装置，有效解决了现有空间核电源静态转化装置存在的转换效率低的问题；

(2)巧妙地将燃料的热量转换成脉冲的热振荡，高频脉冲作用于热电材料，利用瞬态热电的原理，是一种“动态”的空间核动力静态转换技术，热振荡的引入大大改善了现有空间核动力装置的电源续航能力；

(3)整套装置没有任何运动部件，是集热声效应、热电技术和热管散热三大非能动技术的综合应用，并从根本上解决了常规机械设备普遍存在的磨损和振动问题，符合空间核动力对设备可靠性的要求，且不存在对空间环境有害的工作流体，具有较好的应用前景。

本发明，按照对核燃料4产生的热量的输送可视为一回路1、二回路2及热电装置3。本发明的热声、热电装置包括热声装置和热电装置3。一回路1包括导热电极板9、多孔介质6、多孔电极板8和谐振空腔7，以及由导热电极板9、多孔介质6和谐振空腔7组成的封闭腔室，即热声装置，二回路2包括热量输出装置和复用于热电装置3的导热电极板9。导热电极板9即为一回路1和二回路2的分界界面。

核燃料4位于压力容器5内，一回路1中谐振空腔7的底部与核燃料4直接贴合，核燃料4用于对一回路1空腔中靠近核燃料4的气体工质进行热量输入，一回路1的顶部为导热电极板9，导热电极板9作为一回路1的冷端，用于对一回路内部气体工质进行热量输出。二回路2内部封装有液体工质，导热电极9是二回路2的热量输入口，辐射散热器11是二回路2热量输出口，外太空为二回路2的最终冷源。

热电装置3为本发明中的发电装置，热电装置3包括导热电极板9、多孔电极板8和复用于一回路1的多孔介质6。导热电极板9和多孔电极板8是热电装置3的两个输出电极，可用于为外部负载供电，多孔介质6分别与多孔电极板8和导热电极板9紧密结合。优选的，多孔介质6与多孔电极板8和导热电极板9一体设置，由此可有效减少热电装置3的内部电阻，提高输出功率，优选的，可以通过烧结的方法将多孔介质6、多孔电极板8和导热电极板9制作为一个整体。

为进一步提升空间核电源热电转化效率，核燃料4可以直接与一回路1封装为一个整体，以提升热电装置3中热侧的温度，提高转化效率。优选的，多孔电极板8应该尽量薄，多孔电极板上的通孔直径尺寸应在毫米量级，以减少振荡气体流动阻力。优选的，多孔介质6呈堆叠的板状或堆叠的管状，由此减少振荡气体的流动阻力。为了增大多孔介质6的迟豫时间，提高瞬态热电效率，应适当减小多孔介质6的热电材料厚度。

本发明的工作原理为：

热声过程：压力容器5内的核燃料4将热量传输给一回路1中靠近核燃料4的气体工质，一回路1的腔室中的气体工质局部受热后膨胀，向外激发出微扰波动，这一波动以当地的声速向外传播，直到被腔壁反射回来。另一方面，膨胀的气团在进入多孔介质6中，并与多孔介质6的较冷的壁面换热而收缩，形成方向相反的另一扰动，表现为多个温度波动的叠加、增强。燃料持续加热，实现对热波的不断压缩，经若干个周期的重复加强后，达到饱和而形成持续的谐振波动。这一过程实现将燃料的热量转变成一回路1的工质的高强度脉冲波。在波峰时工质温度最高，波谷时温度最低，宏观上实现了热量从核燃料4向复用于二回路2的导热电极板9的传递。

热电过程：多孔介质6由于受到一回路1内部高频振荡气体，多孔介质6的内部传热表现出明显的波动特性，会在多孔介质6的竖直方向形成较大的温度梯度，热电效应能将温差可以直接转化成电信号，通过分别位于多孔介质6上、下侧的导热电极板9和多孔电极板8实现对外输出。前期实验结果表面脉冲性热电效率发电性能明显高于稳态热电的发电性能，也就是说，将核燃料4的热量通过声波振荡方式作用在热电装置3与传统空间核动力稳态热电相比，在发电效率方面具有较大的优势。

热管运行：本发明中，二回路2的热量输出装置为热管，热管的热端连接导热电极板9，冷端连接辐射散热器11，热管的内部封装有液体工质，二回路2与热电装置3中的多孔介质6通过导热电极板9隔开，一回路1中接收的热量通过多孔介质6将热量传输到二回路2中，热管内部封装的液体工质快速蒸发将热量通过辐射散热器11以辐射散热器传递到太空中，冷却后的液体工质在吸液芯10作用下回到蒸发侧。

与现有技术相比，本发明，根据热声效应，先将热量转化成高频率脉冲热振荡波，并高频率作用于热电材料的热侧，由此实现更高效率的热电转换，是一种动静态相结合的空间核电技术，具有较高的热电转换效率。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，包括压力容器，所述压力容器内设有用于核反应的核燃料，其特征在于，还包括：

热声、热电装置，包括由下至上依次设置的谐振空腔、多孔电极板、多孔介质和导热电极板，所述多孔介质穿设在所述压力容器上，所述谐振空腔和所述多孔电极板置于所述压力容器内；

热量输出装置，设置在所述压力容器外，包括设置在所述导热电极板上的吸液芯，所述热量输出装置上设置有辐射散热器。

2.根据权利要求1所述的一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，其特征在于，所述多孔电极板上的通孔的直径大于0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，其特征在于，所述热量输出装置为热管，所述热管的热端连接导热电极板，所述热管的冷端连接所述辐射散热器。

4.根据权利要求1所述的一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，其特征在于，还包括封闭腔室，所述谐振空腔连通所述多孔电极板、多孔介质和导热电极板，所述谐振空腔、多孔电极板、多孔介质和导热电极板位于所述封闭腔室内，所述封闭腔室内填充有气体工质。

5.根据权利要求4所述的一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，其特征在于，所述封闭腔室的长度为所述封闭腔室内声波1/4波长的整数倍。

6.根据权利要求1所述的一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，其特征在于，所述多孔介质采用热电材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，其特征在于，所述多孔介质包括多个堆叠设置的多孔介质单体，所述多孔介质单体呈板状或管状。

8.根据权利要求1所述的一种基于热声、热电效应的空间核动力电源装置，其特征在于，所述多孔介质与所述多孔电极板和所述导热电极板一体设置。