Преобразователь энергии

Изобретение относится термоэлектрическим преобразователям энергии. Сущность: преобразователь энергии содержит теплособирающую поверхность, n- и р-выводы, сформированные из термоэлектрических материалов n- и р-типа соответственно, каждый из которых расположен в тепловой связи с указанной теплособирающей поверхностью, параллельные электрические шины, электрически соединенные с n- и р-выводами, и корпус. Корпус электрически разъединен с указанными шинами и удерживает теплособирающую поверхность на заданном расстоянии от тепловой трубы. Технический результат - возможность выдерживания стартовых нагрузок и приспосабливание к температурному расширению во время запуска реактора с тепловыми трубами. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Аспекты изобретения относятся к опорной конструкции термоэлектрического преобразователя энергии для охлаждаемого реактора с тепловыми трубами.

[0002] Охлаждаемый реактор с тепловыми трубами (HPCR) - это источник теплоты ядерного деления для космической энергетической системы, мощностью до 30 кВт. Для оптимизации размера и массы охлаждаемого реактора с тепловыми трубами диаметр калиевой или натриевой (К или Na) тепловой трубы должен быть спроектирован таким образом, чтобы труба была относительно длинной и относительно узкой с содержащимися в ней парами К или Na. Например, охлаждаемый реактор с тепловыми трубами с мощностью 20 кВт может содержать 18 тепловых труб, каждая из которых имеет длину несколько метров и внешний диаметр 1-1,5 см. Для каждой тепловой трубы могут быть выполнены термоэлектрические преобразователи энергии, соединенные в рабочем состоянии с поверхностью тепловой трубы для выработки энергии вдоль ее конденсационной секции. В каждом случае горячая сторона термопар преобразователя энергии получает теплоту от конденсационной поверхности тепловой трубы посредством различных теплопроводящих механизмов, и преобразователь энергии вырабатывает электричество в соответствии с известными термоэлектрическими принципами.

[0003] С учетом такой длины и маленького диаметра тепловой трубы должны быть рассмотрены выдерживание стартовых нагрузок и приспосабливание к температурному расширению во время запуска охлаждаемого реактора с тепловыми трубами.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Предложен преобразователь энергии, содержащий теплособирающую поверхность, n- и p-выводы, сформированные из термоэлектрических материалов n- и p-типа соответственно, каждый из которых расположен в тепловой связи с теплособирающей поверхностью, параллельные электрические шины, электрически соединенные с n- и p-выводами, и корпус, который электрически разъединен с указанными шинами и выполнен с возможностью поддержки теплособирающей поверхности на заданном расстоянии от тепловой трубы.

[0005] Предложен преобразователь энергии, содержащий теплособирающие поверхности, термопары, каждая из которых содержит n- и p-выводы, сформированные из термоэлектрических материалов n-и p-типа соответственно, и расположена в тепловой связи с соответствующей теплособирающей поверхностью из указанных теплособирающих поверхностей, две параллельные электрические шины, электрически соединенные с n- и p-выводами пар термопар, и корпус, который электрически разъединен с указанными шинами и выполнен с возможностью поддержки теплособирающих поверхностей возле тепловой трубы и на заданном расстоянии от нее.

[0006] Предложен преобразователь энергии, содержащий четыре теплособирающие поверхности, четыре термопары, каждая из которых содержит n- и p-выводы, сформированные из термоэлектрических материалов n- и p-типа соответственно, и расположена в тепловой связи с соответствующей теплособирающей поверхностью из указанных теплособирающих поверхностей, две параллельные электрические шины, электрически соединенные с n- и p-выводами пар термопар, и корпус, который электрически разъединен с указанными шинами и выполнен с возможностью поддержки теплособирающих поверхностей возле тепловой трубы и на заданном расстоянии от нее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Рассматриваемый объект изобретения заявлен в формуле изобретения в заключительной части данного описания. Вышеупомянутые и другие признаки и преимущества настоящего изобретения понятны из нижеследующего подробного описания, рассматриваемого совместно с сопутствующими чертежами, на которых представлены:

[0008] фиг.1 - боковая проекция опорной конструкции термоэлектрического преобразователя энергии;

[0009] фиг.2 - увеличенная боковая проекция активной зоны реактора и защитной конструкции для опорной конструкции термоэлектрического преобразователя энергии, показанного на фиг.1;

[0010] фиг.3 - осевая проекция опорной конструкции термоэлектрического преобразователя энергии, показанного на фиг.1;

[0011] фиг.4 - боковая проекция преобразователя энергии;

[0012] фиг.5 - осевая проекция преобразователя энергии, показанного на фиг.4;

[0013] фиг.6 - увеличенная осевая проекция преобразователя энергии, показанного на фиг.4.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] Эффективность охлаждаемого реактора с тепловыми трубами для выработки энергии зависит от эффективного переноса тепловой энергии по длинным и тонким тепловым трубам. При этом энергопреобразовательная секция, содержащая тепловые трубы, должна выдерживать старт и работать в космическом пространстве. В настоящем изобретении предложено исполнение опорной конструкции и стыковочных частей тепловых труб, которое позволяет тепловым трубам выдерживать стартовые нагрузки и тепловое расширение во время старта на орбите.

[0015] Со ссылкой на фиг.1-3 представлено устройство 10. Устройство 10 содержит активную зону 20 реактора, выступающую конструкцию 30 и защитный блок 40. Выступающая конструкция 30 имеет удлиненную форму и содержит последовательность решетчатых элементов 31. Защитный блок 40 содержит радиационный экран 41 и расположен с обеспечением поддержки между активной зоной 20 реактора и выступающей конструкцией 30. Как показано на фиг.2, активная зона 20 реактора может содержать ядерный реактор деления или другое устройство подобного типа для выработки теплоты, при помощи которого теплота, образованная посредством ядерных реакций делящегося материала 21, производится в значительном количестве во внутренней части 22. Эта теплота передается среде 23. Среда 23 может содержать, например, натрий (Na) и/или калий (К).

[0016] Устройство 10 дополнительно содержит по меньшей мере одну тепловую трубу 50, которая расположена в тепловой связи с активной зоной 20 реактора и сформирована для содержания в ней среды 23. Каждая тепловая труба 50 содержит первую секцию 51, вторую секцию 52 и третью секцию 53. Первая секция 51 представляет собой испарительную секцию, которая расположена в активной зоне 20 реактора и в которой нагревается среда 23. Вторая секция 52 представляет собой адиабатическую секцию, расположенную преимущественно внутри защитного блока 40. Третья секция 53 представляет собой конденсационную секцию и проходит в осевом направлении от защитного блока 40. В примере реализации изобретения восемнадцать тепловых труб 50 снабжены конденсационными секциями каждая, по существу равномерно распределенными по окружности нижней части радиационного экрана 41 защитного блока 40. Это формирует форму источника излучения в виде усеченного конуса, размещенного на основании радиационного экрана 41, имеющего полуугол теневого конуса приблизительно 11,1 градуса. Очевидно, что большее или меньшее количество тепловых труб 50 может иметь подобные или различные конфигурации в соответствии с защитным блоком 40.

[0017] Устройство 10 еще содержит по меньшей мере два термоэлектрических преобразователя 60 энергии, каждый из которых в рабочем состоянии соединен с соответствующей одной из тепловых труб 50, по меньшей мере три стойки 70, каждая из которых с обеспечением опоры соединена с тепловой трубой 50 на противоположных концах каждого из преобразователей 60 энергии, и шарнирные петлевые соединения 80. Шарнирные петлевые соединения 80 соединяют с возможностью поворота стойки 70 с выступающей конструкцией. По меньшей мере одно из шарнирных петлевых соединений 80 также подпружинено для обеспечения поджатия стоек 70 для противодействия повороту вследствие осевого теплового расширения тепловой трубы 50. Когда тепловых труб 50 несколько, устройство 10 может дополнительно содержать боковые опорные конструкции 90, которые с обеспечением опоры соединены со смежными стойками 70 смежных тепловых труб 50.

[0018] В соответствии с вариантом реализации изобретения, четыре термоэлектрических преобразователя 60 энергии в рабочем состоянии последовательно соединены с тепловой трубой 50, как показано на фиг.1, так что они последовательно проходят от защитного блока 40 в линию из первого, второго, третьего и четвертого преобразователей 61, 62, 63, 64 энергии. В этом случае, пять стоек 70 с обеспечением опоры соединены с тепловой трубой 50, причем первая стойка 71 расположена на выводном конце первого (выводного или верхнего) преобразователя 61 энергии, вторая стойка 72 расположена между первым и вторым преобразователями 61 и 62 энергии, третья стойка 73 расположена между вторым и третьим преобразователями 62 и 63 энергии, четвертая стойка 74 расположена между третьим и четвертым преобразователями 63 и 64 энергии и пятая стойка 75 расположена на заднем конце четвертого (или заднего, или нижнего) преобразователя 64 энергии. Каждый преобразователь 60 энергии преобразует теплоту, переносимую по тепловой трубе 50 в электричество в соответствии с известными устройствами и способами.

[0019] В варианте реализации изобретения с четырьмя преобразователями 60 энергии и пятью стойками 70 для каждой тепловой трубы 50, шарнирное петлевое соединение 80 для пятой стойки 75 может быть подпружинено. Подпружинивание поджимает стойку 70 в направлении, в котором она препятствует осевому тепловому расширению тепловой трубы 50 и таким образом создает осевую нагрузку на тепловой трубе 50 и стойках 70 во время, например, пусковых операций. На первой стойке 71 расположен концевой упор 85 для ограничения поворота стойки 70 вследствие подпружинивания. Поэтому концевой упор 85 может быть сформирован из эластичного элемента и/или упругих материалов.

[0020] Как показано на фиг.3, каждая стойка 70 содержит удлиненную часть 701 и фланцевую стыковочную часть 702. Удлиненная часть 701 изготовлена из различных материалов, таких как титан и/или титановые сплавы, и имеет компоновку, которая может быть подобна компоновке решетчатых элементов 31 выступающей конструкции 30. Фланцевая стыковочная часть 702 выполнена с возможностью размещения сквозь нее соответствующей тепловой трубы 50 и расположена на дальнем конце удлиненной части 701. В соответствии с вариантом реализации изобретения, показанным на фиг.3, удлиненная часть 701 может иметь А-образный каркас с широким основанием, прикрепленным посредством шарнирного петлевого соединения 80 к выступающей конструкции 30, и узким дальним концом.

[0021] Фланцевая стыковочная часть 702 сформирована для образования отверстия 703, через которое проходит тепловая труба 50. Размер и форма отверстия 703 по существу подобны или незначительно больше, чем тепловая труба 50 для обеспечения возможности плотного прилегания фланцевой стыковочной части вокруг тепловой трубы и при этом возможности незначительного радиального теплового расширения. Как показано на фиг.3, фланцевая стыковочная часть может содержать разъемную болтовую конструкцию и может содержать шаровое шарнирное соединение 704, которое допускает тепловое расширение тепловой трубы 50 без приложения по существу конструкционной нагрузки к тепловой трубе 50. Шаровое шарнирное соединение 704 может содержать вставку 705, такую как циркониевую вставку или вставку, сформированную из другого подобного материала, для обеспечения тепловой изоляции стойки 70 от тепловой трубы 50.

[0022] На фиг.4-6 показана конструкция одного из преобразователей 60 энергии для работы в вакууме космического пространства. Как показано на фиг.4, преобразователь 60 энергии содержит корпус 61 с двумя параллельными электрическими шинами 62, 63, которые могут быть изготовлены из меди или другого подобного материала. Корпус 61 электрически разъединен с этими двумя параллельными электрическими шинами 62, 63. Каждая из двух параллельных электрических шин 62, 63 содержит тридцать две пары, соединенных последовательно, что с избытком обеспечивает выход энергии, высвобождаемой в случае отказа открытых электрических цепей преобразователя 60 энергии. Преобразователь 60 энергии дополнительно содержит торцевые пластины 65, которые могут быть изготовлены из алюминия и/или алюминиевого сплава и которые могут содержать отбортовку для крепления к смежной стойке 70, так что преобразователь 60 энергии не нуждается в поддержке тепловой трубой 50.

[0023] На фиг.5 и 6 показана стыковочная часть между внешним диаметром тепловой трубы 50 в третьей (т.е. конденсационной) секции 53 и теплособирающей поверхностью 601 преобразователя 60 энергии. В одном варианте реализации изобретения по окружности вокруг тепловой трубы 50 установлены четыре термопары 602 для формирования приемной полости 603 для приема излучаемой теплоты и для электрического соединения с двумя параллельными электрическими шинами 62, 63. Тепловая энергия излучается от внешней поверхности тепловой трубы 50 к теплособирающим поверхностям 601 на четырех термопарах 602. Покрытия с высокой излучательной способностью могут быть расположены на внешнем диаметре тепловой трубы 50 и теплособирающих поверхностях 601 для минимизации спада температуры по приемной полости 603 и для максимизации температуры горячего спая термопар 602.

[0024] Как показано на фиг.6, термопара 602 может содержать сегментированный n-вывод 610, сформированный из термоэлектрического материала n-типа, и сегментированный p-вывод 611, сформированный из термоэлектрического материала p-типа, каждый из которых соответственно расположен в тепловой связи с теплособирающей поверхностью 601 или иным образом присоединен к ней, причем теплособирающая поверхность 601 может быть выполнена из никеля и выполняет функцию высокотемпературного электрода. N-вывод 610 и p-вывод 611 электрически соединены с двумя параллельными электрическими шинами 62, 63 посредством электродных выводов 620, 621 соответственно. На одной из сторон двух параллельных электрических шин 62, 63 расположен компенсатор 630 теплового расширения в соответствии с известными устройствами и способами.

[0025] Лицевая сторона теплособирающей поверхности 601 может быть обработана для формирования черной лицевой стороны, выполненной из оксида хрома, что соответствует значению теплоизлучательного коэффициента приблизительно 0,9. Оксидноалюминиевый разделитель или изолятор 612 расположен на обратной стороне теплособирающей поверхности 601 для электрической изоляции теплоприемников n-вывода 610 и p-вывода 611 друг от друга и от их соответствующих поддерживающих конструкций. Термопара 602 поддерживается на своем холодном конце 604 крепежным элементом 613, таким как титановый винт и титановая шайба, прикрепляющая титановый винт к корпусу 61. Оксидноалюминиевый изолятор 614 обеспечивает электрическую изоляцию корпуса 61 от напряжения термоэлектрической цепи. Многофольговая тепловая изоляция 615 расположена вблизи теплособирающей поверхности 601 и существенно уменьшает тепловые потери от теплособирающей поверхности 601 к холодной стороне компонентов и улучшает полную эффективность системы.

[0026] Для сегментированной пары преобразователя 60 энергии, показанной на фиг.5 и фиг.6, необходимость включения двух параллельных электрических шин 62, 63 может зависеть от угла открытости корпуса 61 к космическому пространству для обеспечения теплоотвода, если смотреть с внешних поверхностей корпуса 61. Это значит, что окружное распределение температуры на внешней стенке корпуса может быть ассиметричным вследствие того, что поверхности двух из четырех термопар 602 ограниченно открыты к космическому пространству и поэтому имеют более высокую фоновую температуру в отношении теплоотвода. Такая геометрия в результате даст более высокие температуры холодного спая термопар 602, расположенных на той стороне корпуса 61, которая ограниченно видна из космического пространства, в сравнении с внешними поверхностями корпуса 61, которые полностью открыты к космическому пространству в отношении теплоотвода и вследствие этого имеют меньшие температуры холодного спая. Путем электрического соединения двух параллельных электрических шин 62, 63 последовательно на смежных тепловых трубах 50 может быть достигнуто усредненное выходное напряжение термопар.

[0027] В соответствии еще с одними вариантами реализации изобретения тепловая труба 50 может иметь рабочую температуру приблизительно 1100 К, и преобразователь 60 энергии выполнен для работы при указанных температурах, причем корпус 61 выполнен с возможностью создания опоры термопарам и их расположения на надлежащем расстоянии от тепловой трубы 50. В целом, корпус 61 может содержать 64 термопары 602, механически к нему прикрепленные. Геометрия корпуса 61 может быть восьмисторонней, как показано на фиг.5, или корпус 61 может иметь другие подходящие формы.

[0028] В корпусе 61 может быть всего 16 рядов по четыре термопары 602 на 3,81 см осевого шага. Эти четырехтермопарные блоки формируют приемную полость 603 для излучаемой теплоты, которая имеет по существу квадратную форму, образованную четырьмя теплособирающими поверхностями 601, окружающими тепловую трубу 50. В данном варианте изобретения, две из четырех теплособирающих поверхностей 601 соединены с одной из двух параллельных электрических шин 62, 63, другие две поверхности соединены с другой из двух параллельных электрических шин 62, 63, причем две параллельные электрические шины 62, 63 расположены около тепловой трубы 50 по диагонали относительно квадратных теплособирающих поверхностей 601 для учета ассиметрии окружного температурного распределения. Корпус 61 также содержит внутреннюю опорную раму 616 для термопар, многофольговую тепловую изоляцию 615 (из 53 или 60 слоев) и внешнюю опорную раму для указанной изоляции, а также две параллельные электрические шины 62, 63. Многофольговая тепловая изоляция 615 защищает торцевые пластины 65 от высоких температур в приемной полости 603 для излучаемой теплоты.

[0029] В соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения, каждая из двух параллельных электрических шин 62, 63 может иметь форму в виде 5-стороннего держателя с соответствующими вогнутыми сторонами, обращенными радиально внутрь к тепловой трубе 50 и соответствующими выпуклыми сторонами, обращенными радиально наружу от тепловой трубы 50.

[0030] Внешняя стенка корпуса 61 прикреплена к каждой торцевой пластине 65 без обязательной герметизации. Торцевые пластины 65 могут содержать центральную полость для циркониевой вставки, которая имеет центральное отверстие для размещения тепловой трубы 50 наподобие фланцевой стыковочной части 702 каждой стойки 70. Эта циркониевая вставка может содержать стабилизированный диоксид циркония и обеспечивает тепловую защиту алюминиевых конструктивных элементов в торцевых пластинах 65. Крепящий держатель, расположенный на внешней поверхности каждой торцевой пластины 65 соединяет корпус 61 со смежной стойкой 70.

[0031] Хотя изобретение было подробно описано только в отношении ограниченного количества вариантов реализации, следует понимать, что изобретение не ограничено указанными изложенными вариантами реализации. Очевидно, изобретение может быть изменено путем объединения любого числа вариантов, поправок, замен или эквивалентных расположений, не описанных в представленном описании, но которые соответствуют объему и сущности настоящего изобретения. Дополнительно, хотя были изложены различные варианты реализации настоящего изобретения, следует понимать, что аспекты настоящего изобретения могут включать только некоторые из изложенных вариантов реализации. Соответственно, изобретение не должно рассматриваться, как ограниченное вышеприведенным описанием, поскольку изобретение ограничено только объемом прилагаемой формулы.

1. Преобразователь энергии, содержащий:
теплособирающую поверхность;
n- и р-выводы, сформированные из термоэлектрических материалов n- и р-типа соответственно, каждый из которых расположен в тепловой связи с теплособирающей поверхностью;
параллельные электрические шины, электрически соединенные с n- и р-выводами; и
корпус, который электрически разъединен с указанными шинами и выполнен с возможностью поддержки теплособирающей поверхности на заданном расстоянии от тепловой трубы.

2. Преобразователь энергии по п.1, в котором теплособирающая поверхность содержит черную лицевую сторону, содержащую оксид хрома, имеющую теплоизлучательный коэффициент приблизительно 0,9.

3. Преобразователь энергии по п.1, в котором теплособирающая поверхность содержит никель.

4. Преобразователь энергии по п.1, дополнительно содержащий изолятор, выполненный на теплособирающей поверхности для обеспечения электрической изоляции n- и р-выводов друг от друга.

5. Преобразователь энергии по п.1, дополнительно содержащий многофольговую тепловую изоляцию, расположенную вблизи теплособирающей поверхности.

6. Преобразователь энергии по п.1, в котором параллельные электрические шины содержат две параллельные электрические шины.

7. Преобразователь энергии по п.1, в котором каждая из параллельных электрических шин имеет форму 5-стороннего держателя с вогнутой стороной, обращенной к тепловой трубе.

8. Преобразователь энергии по п.1, дополнительно содержащий электродные выводы, посредством которых параллельные электрические шины электрически соединены с n- и р-выводами.

9. Преобразователь энергии по п.1, дополнительно содержащий компенсатор теплового расширения, расположенный в рабочем состоянии возле параллельных электрических шин.

10. Преобразователь энергии по п.1, дополнительно содержащий:
изолятор для обеспечения электрического разъединения корпуса и указанных шин и
крепежный элемент, соединенный с корпусом и расположенный в контакте с изолятором.

11. Преобразователь энергии по п.10, в котором изолятор содержит оксид алюминия, а крепежный элемент содержит комбинацию из болта и шайбы, выполненных из титана.

12. Преобразователь энергии по п.1, в котором корпус является восьмисторонним и каждая его сторона расположена возле тепловой трубы.

13. Преобразователь энергии по п.12, в котором теплособирающая поверхность содержит четыре теплособирающие поверхности, расположенные возле тепловой трубы с формированием приемной полости для приема излучаемой теплоты.

14. Преобразователь энергии по п.13, в котором две из четырех теплособирающих поверхностей соединены с одной из параллельных электрических шин, а другие две поверхности соединены с другой из параллельных электрических шин.

15. Преобразователь энергии по п.1, в котором параллельные электрические шины расположены по диагонали возле тепловой трубы.

16. Преобразователь энергии, содержащий:
теплособирающие поверхности;
термопары, каждая из которых содержит n- и р-выводы, сформированные из термоэлектрических материалов n- и р-типа соответственно, и расположена в тепловой связи с соответствующей теплособирающей поверхностью из указанных теплособирающих поверхностей;
две параллельные электрические шины, электрически соединенные с n- и р-выводами пар термопар; и
корпус, который электрически разъединен с указанными шинами и выполнен с возможностью поддержки теплособирающих поверхностей возле тепловой трубы и на заданном расстоянии от нее.

17. Преобразователь энергии по п.16, в котором корпус является восьмисторонним, а теплособирающие поверхности формируют, по существу, квадратную форму возле тепловой трубы.

18. Преобразователь энергии по п.16, в котором каждая электрическая шина имеет форму 5-стороннего держателя с вогнутой стороной, обращенной к тепловой трубе.

19. Преобразователь энергии, содержащий:
четыре теплособирающие поверхности;
четыре термопары, каждая из которых содержит n- и р-выводы, сформированные из термоэлектрических материалов n- и р-типа соответственно, и расположена в тепловой связи с соответствующей теплособирающей поверхностью из указанных теплособирающих поверхностей;
две параллельные электрические шины, электрически соединенные с n- и р-выводами пар термопар; и
корпус, который электрически разъединен с указанными шинами и выполнен с возможностью поддержки теплособирающих поверхностей возле тепловой трубы и на заданном расстоянии от нее.

20. Преобразователь энергии по п.19, в котором корпус проходит в осевом направлении вдоль тепловой трубы и поддерживает теплособирающие поверхности, термопары и соединения с двумя параллельными электрическими шинами в нескольких рядах.