鹼金屬熱電直接轉換器的製作方法
2024-02-03 22:02:15 1
專利名稱：鹼金屬熱電直接轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及能量轉換裝置，具體地說是一種動力能源轉換和可再生能源利用 領域的能量轉換設備。
(二)
背景技術：
能量是宇宙中的基本物理量，能量通常以潛在的形式存在。任何形式能量的
有用性都在於它可轉換為別的形式的能量。現代社會，電能已經成為人類社會一
種至關重要的能量形式。從電磁感應現象被發現及與其相關的理論被確定以來，
電能的產生就依賴於熱能或者機械能轉換為電能。然而人們也考慮了一些替代的
方法，比如靜態發電。
從工業革命以來世界範圍內對能源的需求正在逐年增高，這種趨勢在過去的
幾十年裡表現的尤為突出。這些年來不僅是對能源的需求增加了，對能量轉換形 式的需求也改變了， 一個很明顯的例子就是電能。這種改變是有很多種原因的 1、傳統能源(如化石能源)並不是無窮無盡的，總有用完的一天；2、現有的能 量轉換條件很苛刻。人們秉承提高能量轉換效率的宗旨，開始發展新的能量轉換 技術並改進現有的技術。
鹼金屬熱電轉換裝置(the Alkali Metal Thermal to Electric converter)
簡寫為AMTEC，是一種新型能量轉換技術，它以液態鹼金屬或氣態鹼金屬(鋰、 鉀、鹼單種金屬或者合金)為工質，/^1203固體電解質(BASE)為離子選擇性 滲透膜，這種陶瓷材料對離子是良導體，對電子幾乎是絕緣體，這是鹼金屬熱電 轉換器工作的基礎。鹼金屬熱電轉換器適用熱源溫度範圍為900K-1300K。理論 上，熱電轉換效率可達30%—40%。 AMTEC適用於核能、化石能、太陽能等多種形 式的熱源，是一種結構簡單、高功率密度、高效、無汙染、無噪音、工作可靠的 能量轉換裝置。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，AMTEC的比功率 可達到20-25W/kg。
(三) 發明內容本發明的目的在於提供一種將熱能高效地直接轉換為電能的鹼金屬熱電直 接轉換器。
本發明的目的是這樣實現的
其組成包括抽氣管l、支撐座2、上蓋3、冷凝器4、冷凝器封蓋5、上腔
體16、毛細芯7、上腔體I18、底座9、毛細芯螺母IO、下腔體Ill、下腔體II
12、抽氣管螺母13、毛細芯底座14、下蓋15、陶瓷底座I16;陶瓷底座Iin、
固體電解質18、彈簧19、支撐座I120、陶瓷管21、金屬罩22、金屬管23、蒸
發器25;抽氣管1連接於支撐座2上，支承座2位於上蓋3外部，冷凝器4位
於上蓋3背面；冷凝器封蓋5封蓋於冷凝器4上，毛細芯7穿過上腔體I6和上
腔體118及下腔體I 11和下腔體II 12連接毛細芯底座14和冷凝器4，毛細芯螺
母10將毛細芯4固定於底座9上，底座9將整個熱電直接轉換器分為上腔體和
下腔體，抽氣管螺母13將抽氣管1固定在底座9上，下蓋15將高壓空間封蓋，
固體電解質18位於陶瓷底座I 16和陶瓷底座II 17上，陶瓷底座I 16和陶瓷底
座IU7固定於底座9上，彈簧19套在固體電解質18上用來使其穩定，支撐座
1120位亍上蓋3外部用來固定金屬罩22,陶瓷管21套在金屬罩22上，金屬管
23穿過金屬罩22連接於彈簧19，蒸發器25位於毛細芯底部；所述固體電解質
18的內外附有電極，其中內為陽極、外為陰極。
蒸發器25外部有導熱柱26。 固體電解質的形狀為管狀或者片狀。
電極材料為鎳或者鉬，電極顯微特徵為多孔狀。
冷凝器的形狀為圓孔狀，材料為鎳或者鉬。
毛細芯為圓管狀，採用粉末冶金燒制或者金屬絲或金屬網壓制，整體毛細芯 分為多級。
蒸發器的材料為鎳或者鉬，採用粉末冶金燒制或者金屬絲或金屬網壓制，形 狀為圓錐狀。
本發明是一種動力能源轉換和可再生能源利用領域的能量轉換設備，利用 BASE (/ "-爿/2(93固體電解質)選擇滲透性膜，即-"-爿/203是離子的良好導體，
是電子和原子的不良導體的特性，將鹼金屬蒸汽吸收的熱能轉換成電能供用戶使 用。
本發明工作過程簡述如下鹼金屬熱電轉換器內的固態鹼金屬被加熱，在轉換器的高溫端轉變為鹼金屬蒸汽，BASE兩側存在很大的壓力差和溫度差，鹼金 屬原子在陽極處(高溫高壓側)發生電離，產生鹼金屬離子和自由電子，BASE是 鹼金屬離子的導體，對於電子來說是絕緣體，因此鹼金屬離子可通過BASE電解 質到達陰極，電子則留在陽極一側，當接通外部負載時，電子通過外部負載到達 陰極和到達陰極的鹼金屬離子重新結合生成鹼金屬原子，鹼金屬原子在BASE/陰 極表面吸熱脫離到低壓間鹼金屬蒸汽空間，然後經過冷凝器冷凝為液態鹼金屬， 再在毛細芯毛細力的作用下回流到蒸發器重新進行循環使用。其中電子從外部負 載經過的時候產生了電能，使吸收的熱能轉換成了可供使用的電能。
本發明對鹼金屬熱電直接轉換器的若干部件進行了重點設計，主要包括1、 BASE的材料及結構形式；2、 BASE與支撐結構間的連接方式；3、電極的成形方 法及特點；4、冷凝器的成形方法及特點；5毛細芯的成形方法及特點；6、蒸發 器的成形方法及特點；7、導線；8、導線的引出方式；9、轉換器殼體結構特點；
10、轉換器內部抽真空方法。
(四)
圖l為本發明的結構示意圖2為圓錐狀蒸發器示意圖3為固體電解質示意圖4為焊接方式示意圖5為毛細芯示意圖6為殼體結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述
結合圖1-圖6,圖中符號"II"表示焊接。鹼金屬熱電直接轉換器的組成包
括抽氣管1、支撐座2、上蓋3、冷凝器4、冷凝器封蓋5、上腔體I 6、毛細 芯7、上腔體I18、底座9、毛細芯螺母10、下腔體I 11、下腔體I112、抽氣管 螺母13、毛細芯底座14、下蓋15、陶瓷底座I16、；陶瓷底座I117、內外附有 電極的固體電解質18、彈簧19、支撐座20、陶瓷管21、金屬罩22、金屬管23、 蒸發器25，抽氣管1連接於支撐座2上，支承座2位於上蓋3外部，冷凝器4 位於上蓋3背面；冷凝器封蓋5封蓋於冷凝器4上，毛細芯7穿過上腔體I6和上腔體I18及下腔體I 11和下腔體II 12連接毛細芯底座14和冷凝器4，毛細芯 螺母10將毛細芯4固定於底座9上，底座9將整個熱電直接轉換器分為上腔體 和下腔體，抽氣管螺母13將抽氣管1固定在底座9上，下蓋15將高壓空間封蓋， 固體電解質18位於陶瓷底座I 16和陶瓷底座IU7上，陶瓷底座I 16和陶瓷底 座II17固定於底座9上，彈簧19套在固體電解質18上用來使其穩定，支撐座 1120位於上蓋3外部用來金屬罩22，陶瓷管21套在金屬罩22上，金屬管23穿 過金屬罩22連接於彈簧19，蒸發器25位於毛細芯24底部，導熱柱26位於蒸 發器25外部。
BASE形狀為管狀或者片狀；BASE與支撐轉換器支撐結構之間的連接方式採
用過渡金屬焊接的方式，焊接方式包括真空釺焊、電子束焊接、雷射焊接，過渡
金屬為特製鋁合金；電極材料為鎳或者鉬，成形方式為磁控濺射鍍膜、真空蒸鍍，
電極顯微特徵為多孔狀；冷凝器的形狀為圓孔狀，材料為鎳或者鉬，成形方式採
用粉末冶金或者金屬絲(絲網)壓制；毛細芯為圓管狀，採用粉末冶金燒制或者
金屬絲(絲網)壓制，整體毛細芯分為多級；蒸發器的材料選擇為鎳或者鉬，成
形方法為粉末冶金燒制或者金屬絲(絲網)壓制，形狀為圓錐狀；導線材料為銅；
導線引出方式為彈簧狀導線與輸出導線相連接，然後輸出導線從絕緣陶瓷內部穿
出；轉換器殼體材料為不鏽鋼，結構採用整體或者分體焊接形式；轉換器內部抽
真空方式為分開方式，分別採用預留的兩個銅製管路進行抽真空，同時銅製管路
也作為外部導線的接線柱。
圖1為AMTEC結構示意圖，如圖所示圓筒狀鹼金屬熱電直接轉換器被BASE
管及其底座分隔為高壓和低壓兩部分，高壓側溫度在900 K -1300K,壓力大於 20kPa，低壓側溫度400 K -800K，壓力小於100Pa。鹼金屬在高壓空間經加熱蒸 發為高壓鹼金屬蒸汽。在高溫高壓的作用下鹼金屬蒸汽試圖擴散，但是/^120:, 電解質(BASE)只能讓鹼金屬離子通過，不能讓鹼金屬原子和電子通過，所以釋 放壓力能的唯一的途徑就是鹼金屬原子進行電離，電離成為鹼金屬離子和自由電 子，這樣鹼金屬離子在BASE管內外側鹼金屬離子濃度差和壓力差的作用下從 BASE管中通過到達陰極一側(BASE管外側)，而自由電子則留在了陽極側(BASE 管內側)，隨著鹼金屬離子和電子分別在陰極和陽極的積聚，產生了一個由陰極 指向陽極的電場，這個電場將平衡BASE管兩側的壓力差並且阻止鹼金屬離子的 進一歩流動，使AMTEC達到平衡狀態。當接通陰極和陽極時，陽極側的自由電子將在電極和集流器的作用下通過外部負載到達陰極側，與之前到達陰極側的鹼金 屬離子進行重新結合生成鹼金屬原子，鹼金屬原子吸熱後從陰極表面脫附到低壓 鹼金屬蒸汽空間，然後到達冷凝器進行冷凝，成為液態鹼金屬，再經由毛細芯在 毛細力的作用下回到蒸發器繼續蒸發循環。這就是AMTEC的一個循環過程。
上面介紹的過程是AMTEC的基本工作過程。AMTEC的工作可以被描述為兩個 不同的轉換過程(a)熱量通過鹼金屬熱機轉換成機械能的過程；(b)利用BASE 材料的特殊性能將機械能(這裡表現為壓力差)轉換為電能的過程。上述過程中 的自由電子經由外部負載到達陰極的過程是電流產生的過程，即電能被應用的過 程。
權利要求
1、一種鹼金屬熱電直接轉換器，其組成包括抽氣管(1)、支撐座(2)、上蓋(3)、冷凝器(4)、冷凝器封蓋(5)、上腔體I(6)、毛細芯(7)、上腔體II(8)、底座(9)、毛細芯螺母(10)、下腔體I(11)、下腔體II(12)、抽氣管螺母(13)、毛細芯底座(14)、下蓋(15)、陶瓷底座I(16)；其特徵是陶瓷底座II(17)、固體電解質(18)、彈簧(19)、支撐座II(20)、陶瓷管(21)、金屬罩(22)、金屬管(23)、蒸發器(25)；抽氣管(1)連接於支撐座(2)上，支承座(2)位於上蓋(3)外部，冷凝器(4)位於上蓋(3)背面；冷凝器封蓋(5)封蓋於冷凝器(4)上，毛細芯(7)穿過上腔體I(6)和上腔體II(8)及下腔體I(11)和下腔體II(12)連接毛細芯底座(14)和冷凝器(4)，毛細芯螺母(10)將毛細芯(4)固定於底座(9)上，底座(9)將整個熱電直接轉換器分為上腔體和下腔體，抽氣管螺母(13)將抽氣管(1)固定在底座(9)上，下蓋(15)將高壓空間封蓋，固體電解質(18)位於陶瓷底座I(16)和陶瓷底座II(17)上，陶瓷底座I(16)和陶瓷底座II(17)固定於底座(9)上，彈簧(19)套在固體電解質(18)上用來使其穩定，支撐座II(20)位於上蓋(3)外部用來固定金屬罩(22)，陶瓷管(21)套在金屬罩(22)上，金屬管(23)穿過金屬罩(22)連接於彈簧(19)，蒸發器(25)位於毛細芯底部；所述固體電解質(18)的內外附有電極，其中內為陽極、外為陰極。
2、 根據權利要求l所述的鹼金屬熱電直接轉換器，其特徵是蒸發器(25)外部有導熱柱(26)。
3、 根據權利要求2所述的鹼金屬熱電直接轉換器，其特徵是固體電解質的形狀為管狀或者片狀。
4、 根據權利要求3所述的鹼金屬熱電直接轉換器，其特徵是電極材料為 鎳或者鉬，電極顯微特徵為多孔狀。
5、 根據權利要求4所述的鹼金屬熱電直接轉換器，其特徵是冷凝器的形 狀為圓孔狀，材料為鎳或者鉬。
6、 根據權利要求5所述的鹼金屬熱電直接轉換器，其特徵是毛細芯為圓管狀，採用粉末冶金燒制或者金屬絲或金屬網壓制，整體毛細芯分為多級。
7、 根據權利要求6所述的鹼金屬熱電直接轉換器，其特徵是蒸發器的材料為鎳或者鉬，採用粉末冶金燒制或者金屬絲或金屬網壓制，形狀為圓錐狀。
全文摘要
本發明提供的是一種鹼金屬熱電直接轉換器。其組成包括抽氣管(1)、支撐座(2)、上蓋(3)、冷凝器(4)、冷凝器封蓋(5)、上腔體I(6)、毛細芯(7)、上腔體II(8)、底座(9)、毛細芯螺母(10)、下腔體I(11)、下腔體II(12)、抽氣管螺母(13)、毛細芯底座(14)、下蓋(15)、陶瓷底座I(16)。本發明是一種動力能源轉換和可再生能源利用領域的能量轉換設備，利用BASE(β″-Al2O3固體電解質)選擇滲透性膜，即β″-Al2O3是離子的良好導體，是電子和原子的不良導體的特性，將鹼金屬蒸汽吸收的熱能轉換成電能供用戶使用。
文檔編號H02N3/00GK101604931SQ200910072469
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月7日 優先權日2009年7月7日
發明者周春良, 潘賢德, 鄭洪濤 申請人:哈爾濱工程大學