Термоакустический электрогенератор для космических аппаратов

Изобретение относится к системам электроснабжения (СЭП) космических аппаратов с помощью изотопных электрогенераторов. Недостатком известных СЭП является малая единичная мощность и недостаточная эффективность использования изотопного источника тепла. Полезная модель направлена на повышение характеристик изотопных электрогенераторов космического базирования. Указанный технический результат достигается тем, что используется термоакустический привод электрогенераторов, создающий колебательное движение рабочего газа (гелия), которое приводит в движение поршни линейных электрогенераторов. Отличительными особенностями изобретения является использование общей акустической полости, выполненной в виде кольцевой трубы, на наружной поверхности которой равномерно расположены N линейных электрогенераторов (альтернаторов), а также повышение эффективности теплоотдачи изотопного источника за счет покрытия его цилиндрической поверхности N горячими теплообменниками.

В последнее десятилетие достаточно активно развиваются исследовательские работы по использованию термоакустических двигателей для создания принципиально новых систем СЭП для КА на основе термоакустического эффекта. Сущность термоакустического эффекта состоит в возбуждении колебаний газа в резонаторе под действием разности температур от контактирующих с газом теплообменников. На космических аппаратах горячий теплообменник нагревается бортовым источником тепла, а холодный теплообменник излучает отработанное тепло в космическое пространство.

Термоакустический двигатель создает колебания газа. Преобразование этих колебаний в электричество осуществляется линейными генераторами (альтернаторами), в которых колебания давления газа посредством поршней вызывают быстрое возвратно-поступательное движение магнитов относительно катушек, в которых возбуждается ЭДС индукции. КПД термоакустических электрогенераторов гораздо выше, чем у существующих термоэлектрических преобразователей.

Термоакустический двигатель на бегущих волнах состоит из базовой термоакустической сборки в виде: холодный теплообменник-регенератор-горячий теплообменник, выход которой через термический буфер и второй холодный теплообменник соединен с волноводом к нагрузке. На вход сборки подается сдвинутая по фазе волна обратной связи.

В известных патентах на термоакустические двигатели на бегущих волнах [1-12] использована описанная выше конструкция термоакустических двигателей в виде базовой термоакустической сборки.

Фирмой Northrop Grumman Space and Technology, Space & Electronics Group (One Space Park, Redondo Beach, CA 90278) при поддержке Los Alamos National Laboratory, Condensed Matter and Thermal Physics (MST-10, MS-K764, Los Alamos, NM 87545) в рамках контракта NAS3-01103 CDRL 3f c NASA опытного образца термоакустического генератора космического назначения (см. список литературы 1) [13].

Термоакустический электрогенератор для космических аппаратов фирмы Northrop Grumman имеет изотопный источник тепла, горячий и холодный теплообменники, регенератор, термический буфер (пульсационную трубу), акустическую емкость, инерционную трубу и линейные электрогенераторы (альтернаторы), поршни которых приводятся в движение колебаниями газа в рабочей акустической полости.

Недостатком термоакустического электрогенератора для космических аппаратов фирмы Northrop Grumman является малая единичная мощность и недостаточная эффективность использования изотопного источника тепла, обусловленная тем, что тепло от прямоугольного изотопного источника тепла отбирается только с одной стороны.

Изобретение относится к системам электроснабжения (СЭП) космических аппаратов с помощью изотопных электрогенераторов. Полезная модель направлена на повышение единичной мощности и эффективности использования изотопного источника тепла. Указанный технический результат достигается тем, что используется термоакустический привод электрогенераторов, создающий колебательное движение рабочего газа (гелия), которое приводит в движение поршни линейных электрогенераторов.

Термоакустический электрогенератор для космических аппаратов согласно данному изобретению имеет изотопный источник тепла, горячий и холодный теплообменники, регенератор, термический буфер (пульсационную трубу), акустическую емкость, инерционную трубу и линейные электрогенераторы (альтернаторы), поршни которых приводятся в движение колебаниями газа в рабочей акустической полости.

Отличительными особенностями изобретения является использование общей акустической полости, выполненной в виде кольцевой трубы, на наружной поверхности которой равномерно расположены N линейных электрогенераторов (альтернаторов), а также повышение эффективности теплоотдачи изотопного источника за счет покрытия его цилиндрической поверхности N горячими теплообменниками.

Прототипом изобретения является патент на полезную модель 81594 [14]. В конструкции горячего теплообменника использовано техническое решение из патента на полезную модель 82918 [15].

Схема термоакустического электрогенератора для космических аппаратов представлена на Фиг.1. Термоакустический электрогенератор состоит из следующих основных узлов:

1. Линейный электрогенератор

2. Ребра радиатора

3. Корпус изделия

4. Акустическая емкость (кольцевая труба)

5. Регенератор

6. Изотопный источник тепла

7. Горячий теплообменник

8. Теплоизоляция

9. Холодный теплообменник

10. Рабочая акустическая полость (кольцевая труба)

11. Термический буфер (пульсационная труба)

12. Инерционная труба

13. Поверхность корпуса космического аппарата

Нагреваемый изотопным источником тепла горячий теплообменник 7 и холодный теплообменник 9 создают градиент температур в регенераторе 5. Градиент температур в регенераторе на основе прямого термоакустического эффекта создает колебания рабочего газа в рабочей акустической полости 10, которые приводят в движение поршни линейных электрогенераторов 1.

Термоакустический двигатель на бегущих волнах состоит из базовой термоакустической сборки в виде: холодный теплообменник 9-регенератор 5-горячий теплообменник 7, выход которой через термический буфер 11 соединен с рабочей акустической полостью 10.

Список литературы

1. Патент US 4114380. Traveling wave heat engine - 1978

2. Патент US 4355517. Resonant travelling wave heat engine - 1982

3. Патент US 4398398. Acoustical heat pumping engine - 1983

4. Патент US 4489553. Intrinsically irreversible heat engine - 1984

5. Патент US 4686407. Split mode traveling wave ring-resonator - 1987

6. Патент US 6032464. Traveling-wave device with mass flux suppression - 2000

7. Патент US 6314740. Thermo-acoustic system - 2001

8. Патент US 6560970. Oscillating side-branch enhancements ofthermoacoustic heat exchangers - 2003

9. Патент US 6725670. Thermoacoustic device - 2004

10. Патент US 6711905. Acoustically isolated heat exchanger for thermoacoustic engine - 2004

11. Патент US 6732515. Traveling-wave thermoacoustic engines with internal combustion - 2004

12. Патент US 6868673. Traveling-wave thermoacoustic engines with internal combustion and associated methods - 2005

13. M. Petach, E. Tward, and S. Backhaus. Design of a high efficiency power source (HEPS) based on thermoacoustic technology. National aeronautics and space administration contract NAS3-01103. Final Report. NASA Center for AeroSpace Information, 7121 Standard Drive/ Hanover, MD 21076-1320

14. A.H.Кириллин, В.А.Телегин, О.Б.Федосеев. Изотопный термоакустический электрогенератор. Патент на полезную модель 81594. Приоритет от 21.04.2008.

15. A.H.Кириллин, В.А.Телегин, О.Б.Федосеев. Теплообменник изотопного нагревателя. Патент на полезную модель 82918. Приоритет от 02.10.2008.

Обозначения:

1. Линейный электрогенератор

2. Ребра радиатора

3. Корпус изделия

4. Акустическая емкость (кольцевая труба)

5. Регенератор

6. Изотопный источник тепла

7. Горячий теплообменник

8. Теплоизоляция

9. Холодный теплообменник

10. Рабочая акустическая полость (кольцевая труба)

11. Термический буфер (пульсационная труба)

12. Инерционная труба

13. Поверхность корпуса космического аппарата

Термоакустический электрогенератор для космических аппаратов, имеющий изотопный источник тепла, горячий и холодный теплообменники, регенератор, термический буфер (пульсационную трубу), акустическую емкость, инерционную трубу и линейные электрогенераторы (альтернаторы), поршни которых приводятся в движение колебаниями газа в рабочей акустической полости, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности теплоотдачи изотопного источника и повышения единичной мощности изделия, используют общую рабочую акустическую полость, выполненную в виде кольцевой трубы, на наружной поверхности которой равномерно расположены N линейных электрогенераторов (альтернаторов), а внутренняя поверхность которой соединена с инерционными трубами и термическими буферами (пульсационными трубами); изотопный источник тепла выполняют в виде удлиненного цилиндра, цилиндрическая поверхность которого окружена N горячими теплообменниками, верхние концы которых соединены с регенераторами, а нижние - с термическими буферами (пульсационными трубами), которые выходят в общую рабочую акустическую полость; регенераторы соединены с верхними концами холодных теплообменников, которые находятся в термическом контакте с выполненной в виде усеченного конуса оребренной верхней поверхностью изделия; нижние концы холодных теплообменников посредством инерционных труб соединены с кольцевой акустической емкостью.