專利名稱：一種蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種熱量的存儲、釋放以及直接把熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝 置，更具體地說涉及一種蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置。(二) 背景技術(shù)在許多能量的使用領(lǐng)域，對電能的提供已不滿足于普通的供電方式。在外 太空，比如衛(wèi)星、空間站、空間探測器等，目前它們供電的方式普遍采用的是光 電直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這種方式提供的功率不是很高，而且壽命不長，如果航天器要 求較大的使用壽命，太陽能電池板和化學(xué)蓄電池需要多次更換，大大增加了維護 費用。但是隨著人類對太空探索的加速，必然提出對更高功率和更長壽命的空間 電源系統(tǒng)的需求，而且要求在壽命期內(nèi)維護費用低。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種便攜式、大功率、不依賴外界、能夠長時間提供 電量的一種蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的.-它包括電池殼體，設(shè)置于電池殼體的鋰和六氟化硫反應(yīng)器、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換 器、毛細蒸發(fā)器，鋰和六氟化硫反應(yīng)器與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的熱端之間保持良好 的導(dǎo)熱鏈接，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器外設(shè)置有水箱，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器與水箱之間有 絕熱材料，水箱內(nèi)設(shè)置有循環(huán)水泵，鋰和六氟化硫反應(yīng)器與水箱之間有隔熱層， 毛細蒸發(fā)器是一環(huán)形空腔，毛細蒸發(fā)器套在堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的冷端，毛細蒸發(fā) 器頂部開有一與水箱相通的小孔作為冷卻水進水口、內(nèi)表面上包覆一層高吸水材 料、側(cè)面開有蒸汽輸出孔并連接有輸出管道進入回流管，水蒸氣在回流管中冷凝 成水經(jīng)水箱進水口流回水箱內(nèi)，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的電極伸出電池殼體。本發(fā)明還可以包括1、 在鋰和六氟化硫反應(yīng)器與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的熱端之間設(shè)置有相變蓄熱 器，相變蓄熱器與水箱之間設(shè)置有隔熱層。2、 相變蓄熱器為兩端分別有柱形凹陷的筒體， 一端的凹陷處通過沉頭螺釘與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器相連，另一端的凹陷處與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器通過法蘭固定并 且二者之間灌注填充劑，蓄熱器充滿相變材料，外圍置有隔熱材料。
3、 在鋰和六氟化硫反應(yīng)器為底端帶有柱形凹陷的筒體，鋰和六氟化硫反應(yīng) 器的凹陷處與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器通過法蘭固定并且二者之間灌注填充劑。
4、 鋰和六氟化硫反應(yīng)器與水箱之間或者是相變蓄熱器與水箱之間的隔熱層 包括隔板和隔板上的隔熱墊圈。
鋰和六氟化硫反應(yīng)器(Li/SFe反應(yīng)器)作為蓄熱電池的熱源，其工作過程 簡述如下引燃點火裝置II，融化反應(yīng)器中的鋰，六氟化硫氣體經(jīng)噴嘴I噴入反 應(yīng)器，分別于反應(yīng)器內(nèi)的液態(tài)金屬鋰、鋰蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下
8Li+SF6=6LiF+Li2S
其中Q=-13KWh/KgLi，由于反應(yīng)產(chǎn)物硫化鋰和氟化鋰的密度較鋰大，反應(yīng)產(chǎn)物會 沉積在反應(yīng)器4的底部使反應(yīng)得以持續(xù)下去。反應(yīng)熱以熱輻射和熱傳導(dǎo)的方式經(jīng) 反應(yīng)器壁面?zhèn)鹘o蓄熱器再由蓄熱器傳給堿金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置，或直接傳給堿金屬 熱電轉(zhuǎn)換裝置。
堿金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置(the Alkali Metal Thermal to Electric converter) 簡寫為AMTEC，是一種新型能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，它以液態(tài)堿金屬或氣態(tài)堿金屬(鋰、
鉀、堿單種金屬或者合金)為工質(zhì)，/^1201固體電解質(zhì)(BASE)為離子選擇性
滲透膜，這種陶瓷材料對離子是良導(dǎo)體，對電子幾乎是絕緣體，這是堿金屬熱電 轉(zhuǎn)換器工作的基礎(chǔ)。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器適用熱源溫度范圍為900K-1300K。理論 上，熱電轉(zhuǎn)換效率可達30%—40%。 AMTEC適用于核能、化石能、太陽能等多種形 式的熱源，是一種結(jié)構(gòu)簡單、高功率密度、高效、無污染、無噪音、工作可靠的 能量轉(zhuǎn)換裝置。AMTEC具有很高的效率和很高的能量密度，單個電池的開路電壓 可達到1.6V ，電流密度可達到2. 0A/cm2。作為一個能量系統(tǒng)，AMTEC的比功率 可達到20-25W/kg。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理緊湊，能夠方便地更換拆卸內(nèi)部的零件，蓄熱密度大， 放熱穩(wěn)定，功率大，不依賴外界能長時間供電。

圖1為本發(fā)明的一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1的A部放大圖。圖3為本發(fā)明的第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3中的B部放大圖。圖5為本發(fā)明的工作流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結(jié)合圖1-圖2。本發(fā)明的第一種實施方式的組成包括1電池殼體；2絕熱 材料；3隔熱蓋；4鋰和六氟化硫反應(yīng)器；5相變蓄熱器；6堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器； 7水箱；8循環(huán)水泵；9毛細蒸發(fā)器；10毛細吸濕材料；ll絕熱材料；12法蘭； 13轉(zhuǎn)換器電極；14隔板；15隔熱墊圈；16填充材料；17隔熱墊圈；18水箱進 水口； 19水箱出水口； 20蒸汽輸出口； 21循環(huán)泵進水口； 22水箱內(nèi)壁上的固定柱；23循環(huán)泵出水口噴嘴I 、點火器II ?？紤]到結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理緊湊，能夠方便地更換拆卸電池內(nèi)部的零件，蓄熱器5設(shè)計成兩端分別有柱形凹陷①、②的筒體。①處通過沉頭螺釘與反應(yīng)器4相連， ②處堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器6通過法蘭12固定在蓄熱器外壁上。在熱量傳遞過程中 由于材料之間導(dǎo)熱性能不佳而導(dǎo)致的熱疲勞以及熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生熱應(yīng) 力，為了保護熱電直接轉(zhuǎn)換器6和輔助導(dǎo)熱，在②中灌注填充劑16并通過法蘭 12密封，要求填充材料16有低的熱膨脹系數(shù)，最好能與熱電直接轉(zhuǎn)換器殼體材 料相匹配，高導(dǎo)熱性能及時將蓄熱器所產(chǎn)生的大量熱散發(fā)出去，氣密性好、耐高 溫高濕腐蝕、質(zhì)輕、低廉、有較好的成型工藝。蓄熱器充滿相變材料(80.5%的 LiF-19.5%CaF2)，由于相變材料在相變過程中有明顯的體積變化，故蓄熱器內(nèi) 壁加波紋板緩減對容器的壓力沖擊。蓄熱器外圍置有絕熱材料2。本設(shè)計需要對蓄熱電池的運行工況進行調(diào)節(jié)，使其滿足不同的工作要求， 由于通過改變反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率或熱電轉(zhuǎn)換器效率來調(diào)節(jié)工況，難度較大不 易實現(xiàn)。出于簡便目的，可以通過改變轉(zhuǎn)換器冷源端冷卻量從而中止或減小轉(zhuǎn)換 量來實現(xiàn)對電池工況的控制。冷卻器包括水箱7、循環(huán)泵8、毛細蒸發(fā)器9 (內(nèi)有毛細吸濕材料IO)、軟 管、調(diào)節(jié)閥門、蒸汽輸出管道、回流管等。蓄熱器5和水箱7之間置有絕熱墊圈15和隔板14, 一循環(huán)水泵8設(shè)于水 箱內(nèi)部，水泵設(shè)有進水口 21與出水口 23，水泵與水箱間設(shè)有固定柱22，使水泵固定于水箱內(nèi)部，軟管設(shè)在水泵的出水口 23與水箱出水口 19之間。毛細蒸發(fā)器9是一環(huán)形空腔，頂部開有一小孔作為冷卻水進水口，內(nèi)表面 x上包覆一層高吸水材料10，普遍采用的包覆方式為現(xiàn)將吸水性材料制成套，再 用納米親水性分散液進行處理，最后將其套在表面x上。毛細吸濕層要求很薄， 吸濕能力強，要有很大的比表面積且要耐腐蝕腐爛，要與包覆表面有很好的接觸， 吸濕后不會膨脹以致與表面脫離形成空氣層，從而增大導(dǎo)熱熱阻。毛細層外圍設(shè) 有由多層金屬絲構(gòu)成的二次網(wǎng)格層(圖l中未標明)，由水箱出水口 19噴淋下來的冷卻水經(jīng)二次網(wǎng)格的疏導(dǎo)，使布水均勻，提高換熱效率。毛細蒸發(fā)器側(cè)面開有蒸汽輸出孔20，并連接有輸出管道進入回流管。水蒸氣在回流管中冷凝成水 經(jīng)水箱進水口 18流回水箱內(nèi)開始下一循環(huán)。蒸汽輸出管道上設(shè)有調(diào)節(jié)閥門，用 來調(diào)節(jié)蒸汽流量，從而輔助水泵控制電池工況。圖5給出了蓄熱電池的工作流程。其中46為高壓堿金屬蒸汽;47毛細 蒸發(fā)器；48base管；49液堿金屬回流管；50低壓堿金屬蒸汽；51冷卻器；52 負載。蓄熱電池的工作原理簡述如下反應(yīng)器中Li/SF6反應(yīng)放出大量熱，熱量以熱 輻射和熱傳導(dǎo)的方式通過壁面?zhèn)鹘o蓄熱器。蓄熱介質(zhì)吸熱后達到一定溫度發(fā)生相 變，不斷將能量儲存起來作為熱電直接轉(zhuǎn)換器的供熱源。在轉(zhuǎn)換器中，堿金屬工 質(zhì)在高壓側(cè)被熱源加熱成為高壓堿金屬蒸汽46，在堿金屬/Base界面，在壓力差 的驅(qū)使下，使堿金屬離子透過Base管48向低壓側(cè)遷移，電子則從高壓側(cè)經(jīng)外電 路在低壓側(cè)與堿金屬離子復(fù)合成低壓堿金屬蒸汽50，在冷卻器51的作用下凝結(jié)， 經(jīng)由液態(tài)堿金屬回流管49回到高壓側(cè)，液態(tài)堿金屬在毛細蒸發(fā)器47中受熱變?yōu)?高壓堿金屬蒸汽46開始下一循環(huán)。結(jié)合附圖3和圖4。本發(fā)明的第二種實施方式的組成包括24電池外殼；25 絕熱材料；26隔熱蓋；27鋰和六氟化硫反應(yīng)器；28堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器； 29水箱；30毛細蒸發(fā)器；31循環(huán)水泵；32毛細吸濕材料；33隔熱墊圈；34 隔熱墊圈；35法蘭；36填充材料；37隔板；38絕熱材料；39轉(zhuǎn)換器電極； 40水箱進水口 ； 41蒸汽出口 ； 42水箱出水口 ； 43水泵進口 ； 44水泵出口 ； 45 水箱內(nèi)壁固定柱。與第一種實施方式相比，第二種實施方式中少了相變蓄熱器，第二種實施方式中由于鋰和六氟化硫的反應(yīng)產(chǎn)物為氟化鋰和硫化鋰，氟化鋰本身是很好的高 溫相變蓄熱材料(溫度800K以上)，反應(yīng)器27中Li/SFe反應(yīng)放出大量熱，產(chǎn)物 LiF作為蓄熱介質(zhì)吸熱后達到一定溫度發(fā)生相變，不斷地貯存能量作為熱電直接 轉(zhuǎn)換器28的供熱源。
權(quán)利要求
1、一種蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置，它包括電池殼體，設(shè)置于電池殼體的鋰和六氟化硫反應(yīng)器、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器、毛細蒸發(fā)器，其特征是鋰和六氟化硫反應(yīng)器與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的熱端之間保持良好的導(dǎo)熱鏈接，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器外設(shè)置有水箱，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器與水箱之間有絕熱材料，水箱內(nèi)設(shè)置有循環(huán)水泵，鋰和六氟化硫反應(yīng)器與水箱之間有隔熱層，毛細蒸發(fā)器是一環(huán)形空腔，毛細蒸發(fā)器套在堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的冷端，毛細蒸發(fā)器頂部開有一與水箱相通的小孔作為冷卻水進水口、內(nèi)表面上包覆一層高吸水材料、側(cè)面開有蒸汽輸出孔并連接有輸出管道進入回流管，水蒸氣在回流管中冷凝成水經(jīng)水箱進水口流回水箱內(nèi)，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的電極伸出電池殼體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置，其特征是在鋰 和六氟化硫反應(yīng)器與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的熱端之間設(shè)置有相變蓄熱器，相變蓄 熱器與水箱之間設(shè)置有隔熱層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置，其特征是相變 蓄熱器為兩端分別有柱形凹陷的筒體， 一端的凹陷處通過沉頭螺釘與堿金屬熱 電轉(zhuǎn)換器相連，另一端的凹陷處與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器通過法蘭固定并且二者之 間灌注填充劑，蓄熱器充滿相變材料，外圍置有隔熱材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置，其特征是在鋰 和六氟化硫反應(yīng)器為底端帶有柱形凹陷的筒體，鋰和六氟化硫反應(yīng)器的凹陷處 與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器通過法蘭固定并且二者之間灌注填充劑。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4任何一項所述的一種蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置，其特 征是鋰和六氟化硫反應(yīng)器與水箱之間或者是相變蓄熱器與水箱之間的隔熱層 包括隔板和隔板上的隔熱墊圈。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置。鋰和六氟化硫反應(yīng)器與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的熱端之間保持良好的導(dǎo)熱鏈接，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器外設(shè)置有水箱，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器與水箱之間有絕熱材料，水箱內(nèi)設(shè)置有循環(huán)水泵，鋰和六氟化硫反應(yīng)器與水箱之間有隔熱層，毛細蒸發(fā)器是一環(huán)形空腔，毛細蒸發(fā)器套在堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的冷端，毛細蒸發(fā)器頂部開有一與水箱相通的小孔作為冷卻水進水口、內(nèi)表面上包覆一層高吸水材料、側(cè)面開有蒸汽輸出孔并連接有輸出管道進入回流管，水蒸氣在回流管中冷凝成水經(jīng)水箱進水口流回水箱內(nèi)，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的電極伸出電池殼體。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理緊湊，蓄熱密度大，放熱穩(wěn)定，功率大，不依賴外界能長時間供電。
文檔編號C01B17/22GK101604932SQ20091007252
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者周春良, 張寶嶺, 鄭洪濤 申請人:哈爾濱工程大學(xué)