Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ)

Полезная модель относится к радиоизотопным термоэлектрическим генераторам, применяемым, в частности, для электропитания и обогрева бортовых систем космических летательных аппаратов, а также для энергоснабжения наземных и морских устройств, требующих длительной (до 50 лет) эксплуатации без технического обслуживания.
К радиоизотопным термоэлектрическим генераторам предъявляется ряд требований по стойкости конструкции к воздействию как эксплуатационных, так и аварийных нагрузок. Под эксплуатационными нагрузками понимается комплекс тепловых, механических, акустических и барометрических воздействий, которые возникают при хранении, транспортировании и штатной эксплуатации радиоизотопных термоэлектрических генераторов.
В качестве аналога выбран радионуклидный термоэлектрический генератор (п. РФ №1814426, G21H 1/10, H01L 35/02), содержащий герметичный корпус, в котором расположена комбинированная тепловая изоляция, состоящая из жесткой тепловой теплоизоляции и газоэкранной тепловой теплоизоляции. Термоэлектрическая батарея соединена с корпусом и радио-нуклидным источником тепла с помощью упругого теплопроводящего компаунда. Для подсоединения потребителей электроэнергии в РИТЭГ применены электровыводы. Вакуумирование и заполнение внутренней полости корпуса инертным газом проводят через штенгель.
Недостатком данной модели является нерациональное использование теплопринимающей и теплоотводящей поверхностей РИТЭГ, что снижает его КПД. Отсутствует узел прижима, обеспечивающий необходимое поджатие радионуклидного источника тепла к полупроводниковой термоэлектрической батарее.
В качестве прототипа выбран радиоизотопный термоэлектрический генератор (п. РФ №29399, G21H 1/10, опубл. 10.05.2003), содержащий герметичный корпус, состоящий из обечайки, крышки и основания с электровыводами, в нем установлены радиоизотопный источник тепла, полупроводниковая термоэлектрическая батарея, расположенная между радиоизотопным источником тепла и основанием корпуса, с которым она соединена через теплопроводные гибкие контактные переходы. Радиоизотопный источник тепла установлен в стакан, тепловая изоляция состоит из двух частей, одна из которых жестко крепится к основанию корпуса, а вторая установлена на уровне торца стакана, между ней и радиоизотопным источником тепла установлено поджимное устройство и прокладки. Внутренняя полость радиоизотопного термоэлектрического генератора через технологическое отверстие в крышке корпуса заполнена инертным газом, обладающим низкой теплопроводностью. Технологическое отверстие после заполнения газом заваривается. На основании корпуса радиоизотопного термоэлектрического генератора и на дне стакана в области установки термоэлектрической батареи нанесено электроизолирующее покрытие.
Недостатком данной конструкции радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ) является возможность образования тепловых зазоров во время его изготовления и при действии эксплуатационных нагрузок Стык деталей теплоизоляции относительно друг друга плоский, пружинный блок находится вблизи источника тепла, теплоотводящая поверхность малоэффективна, что приводит к нерациональному использованию теплоотводящей поверхности.
Задачей полезной модели радиоизотопного термоэлектрического генератора является достижение высокого коэффициента полезного действия, увеличение срока его службы и обеспечение требований по стойкости конструкции к воздействию как эксплуатационных, так и аварийных нагрузок позволяющих использование его в бортовых системах космических летательных аппаратов.
Поставленная задача решается тем, что РИТЭГ содержит герметичный корпус, состоящий из обечайки, крышки и основания, тепловой блок, в составе которого имеется радиоизотопный источник тепла, поджимное устройство, полупроводниковую термоэлектрическую батарею, расположенную между тепловым блоком и основанием корпуса, снабженную контактным переходом. Тепловой блок и термоэлектрическая батарея окружены тепловой изоляцией, а свободное пространство в корпусе заполнено инертным газом, обладающим низкой теплопроводностью. Тепловой блок помещен в тепло-сборник. Крышка выполнена в виде стакана с фланцами, внутри которого установлено поджимное устройство, контактный переход соединен с герметичным электрическим разъемом, установленным на фланце крышки с внешней стороны.
Тепловая изоляция выполнена составной и поверхности сопрягаемых частей выполнены ступенчатыми, что обеспечивает надежное перекрытие стыков. Тепловая изоляция выполнена из прессованного материала - АТМ-17. Помимо теплоизолирующей функции она является силовым элементом конструкции РИТЭГ. Теплосборник выполнен из меди в виде стакана с утолщенным дном. В основании корпуса имеется посадочное место под термоэлектрическую батарею. Контактный переход представляет собой три пары электровыводов. Каждая пара электровыводов окружена электроизолятором. В качестве электрического разъема использован герметичный разъем-соединитель типа 2РМГ. Электрический разъем снабжен заглушкой с электрозакороткой.
Технологические зазоры в теплоизоляции забиваются теплоизоляционной базальтовой ватой. Пружинный блок находится в верхней части радиоизотопного термоэлектрического генератора. Такое размещение пружинного блока обеспечивает необходимый поджим через теплоизоляцию, которая экранирует его от потока тепла, идущего от теплового блока. Днище имеет площадку под установку полупроводниковой термоэлектрической батареи. Такая конструкция обеспечивает меньшую массу РИТЭГа и равномерное распределение тепла на его теплоотводящей поверхности. Теплоотводящая поверхность имеет ровную, гладкую поверхность для увеличения теплового контакта, что улучшает отвод тепла. Для повышения надежности у полупроводниковой термоэлектрической батареи продублированы электровыводы (по 3 провода на каждый контакт), которые соединены с герметичным электроразъемом типа 2РМГ.
На фигуре изображена конструкция радиоизотопного термоэлектрического генератора.
Радиоизотопный термоэлектрический генератор имеет герметично сваренный корпус, состоящий из обечайки 1, крышки 2 и днища 3. В качестве источника тепла в конструкции используется радионуклидный тепловой блок 4, который устанавливается в теплосборник 5, выполненный из хорошо теплопроводящего материала. Для обеспечения нужного потока тепла, который необходим для получения рабочего перепада температур на спаях полупроводниковой термоэлектрической батареи 7, радионуклидный тепловой блок 4 закрыт теплоизоляцией 6, 11, 12, 13. Электроизоляцией спаев полупроводниковой термоэлектрической батареи служат тонкие пластины слюды 9, установленные между ней, теплосборником 5 и днищем 3. Радиоизотопный термоэлектрический генератор имеет герметичный электроразъем 10, соединенный с полупроводниковой термоэлектрической батареей шестью проводами (по три провода на «+» и «-»). Необходимое поджатие осуществляется пружинным блоком, состоящим из крышки 8, пружин 14 и сепаратора 15. Полость радиоизотопного термоэлектрического генератора заполняется инертным газом с низкой теплопроводностью, для этого в пружинном блоке имеется штуцер 16, при помощи которого конструкция проверяется на герметичность, вакуумируется и после заполнения инертным газом заваривается.
Устройство работает следующим образом.
Верхний торец полупроводниковой термоэлектрической батареи 7 разогревается от радионуклидного теплового блока 4 до проектной температуры. Нижний торец полупроводниковой термоэлектрической батареи 7 имеет существенно более низкую температуру. Таким образом, на торцах (спаях) термоэлектрической батареи 7 возникает перепад температур. Разница температур на спаях батареи преобразуется в электрическую энергию. При подключении РИТЭГ к цепи внешней нагрузки возникает электрический ток.
Теплоизоляция 6, 11, 12, 13 необходима для уменьшения неэффективных потерь тепла через ту часть внешней поверхности корпуса, которая не примыкает к термоэлектрической батарее 7 (увеличивает долю энергии, проходящей через батарею).