阅读说明：本技术 双层绝缘套管、其制造方法及热离子能量转换器 (Double-layer insulating sleeve, manufacturing method thereof and thermionic energy converter ) 是由 姜玮 郑剑平 王振东 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种双层绝缘套管,该双层绝缘套管包括：内管；以及外管,其与内管同轴地设置在内管的外部,其中,在内管的外壁与外管的内壁之间设置有嵌置组件,嵌置组件使得内管与外管同轴地设置在一起并且保持两者之间的绝缘关系。根据本发明制造的双层绝缘套管通过外管与内管之间的嵌置组件实现了内管与外管的牢固间隔定位,即使在长时间的高温状态下,也不会因为内管的变形而使内管与外管发生接触,由此保证了两者之间的绝缘性,相应地,大大延长了采用该双层绝缘套管的热离子能量转换器的使用寿命。还提供了一种包括该双层绝缘套管的热离子能量转换器以及双层绝缘套管的制造方法。(The invention provides a double-layer insulating sleeve, which comprises: an inner tube; and an outer tube disposed coaxially with the inner tube outside the inner tube, wherein an embedding assembly is disposed between an outer wall of the inner tube and an inner wall of the outer tube, the embedding assembly coaxially disposing the inner tube and the outer tube together and maintaining an insulating relationship therebetween. The double-layer insulating sleeve manufactured according to the invention realizes the firm interval positioning of the inner pipe and the outer pipe through the embedded assembly between the outer pipe and the inner pipe, and the inner pipe and the outer pipe are not contacted due to the deformation of the inner pipe even under a long-time high-temperature state, so that the insulativity between the inner pipe and the outer pipe is ensured, and the service life of a thermionic energy converter adopting the double-layer insulating sleeve is correspondingly greatly prolonged. A thermionic energy converter including the double-layer bushing and a method of manufacturing the double-layer bushing are also provided.)

双层绝缘套管、其制造方法及热离子能量转换器

技术领域

本发明涉及高温绝缘领域，更具体地，涉及一种能够在高温状态下保持绝缘的双层套管，还涉及这种套管的制造方法以及包含这种套管的热离子能量转换器。

背景技术

现有核电站一般通过燃料堆的堆芯反应产生热量，通过多级换热系统将堆芯的热量传递至蒸汽发生器，用于在蒸汽发生器中产生蒸汽，通过蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，从而进行发电。因此，现有核电站从热能到电能的转化过程中存在较长的能量转化链，而这种能量转化的过程越长则会带来越大的能量损失，相应地，降低了能量转化率。

热离子能量转换器是一种将热能直接转化为电能的器件，其无需进行上述过程中的各种能量的传递和转化，因此具有较高的能量转化率。热离子能量转换器通常为双层套管结构，其中，内层套管作为热离子能量转换器的发射极，外层套管作为其接收极，通常情况下，内层套管的长度大于外层套管的长度。作为发射极的内层套管和作为接收极的外层套管均由高温合金材料加工而成，两个套管之间的间隙约为0.5mm，通过内层套管和外层套管以及两者的端部的其他零部件在两者之间形成真空环境的电极间隙空间。热离子能量转换器利用核燃料的核裂变产生的热能加热作为发射极的内层套管，使内层套管产生热电子发射出去，热电子通过电极间隙发射至作为接收极的外层套管，并最终被外层套管接收，内衬套管和外层套管与外部电路负载形成闭合回路，以便为外部电路负载供给电能。内层套管在长期工作过程中受到核燃料的燃料芯块的膨胀压力和高温蠕变的作用，容易发生变形，导致内层套管与外层套管发生接触，由此引起能量转换器的短路，导致其失效。因此需要提供一种能够保证内层套管和外层套管在高温工作过程中始终保持分离状态，以避免发生短路的双层套管结构，以便提高采用这种双层套管的能量转换器的使用寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种双层绝缘套管，该双层绝缘套管包括：内管；以及外管，所述外管与所述内管同轴地设置在所述内管的外部，其中，在所述内管的外壁与所述外管的内壁之间设置有嵌置组件，所述嵌置组件使得所述内管与所述外管同轴地设置在一起并且保持两者之间的绝缘关系。

根据本发明的双层绝缘套管的一个优选的实施例，所述嵌置组件包括相对固定地设置在所述外管的内壁中的定位环和设置在所述定位环上的绝缘间隔件。

在根据本发明的双层绝缘套管的另一个优选的实施例中，在所述外管的内壁中均匀间隔地设置有多个定位槽，所述定位环固定地设置在所述定位槽中。

根据本发明的双层绝缘套管的再一个优选的实施例，在所述定位环中设置有多个定位孔，所述绝缘间隔件设置在所述定位孔中。

在根据本发明的双层绝缘套管的又一个优选的实施例中，所述定位环在圆周上包括开口，以使所述定位环具有弹性。

根据本发明的双层绝缘套管的还一个优选的实施例，所述定位环由铌材料制成。

在根据本发明的双层绝缘套管的另一个优选的实施例中，所述绝缘间隔件由陶瓷材料制成。

根据本发明的双层绝缘套管的再一个优选的实施例，所述陶瓷材料包括氧化钪。

本发明还提供了一种热离子能量转换器，该热离子能量转换器包括：燃料组件和如上所述的任一种双层绝缘套管，其中，所述燃料组件设置在所述双层绝缘套管的内管内。

本发明的实施例还提供了一种双层绝缘套管的制造方法，该方法包括以下步骤：提供内管；提供外管，所述外管能够套置在所述内管的外部；提供嵌置组件，将所述嵌置组件设置在所述外管的内壁上；以及将所述内管***所述嵌置组件内，以使所述内管与所述外管同轴地设置在一起并且保持两者之间的绝缘关系。

根据本发明的双层绝缘套管的制造方法的一个优选的实施例，所述嵌置组件包括定位环和绝缘间隔件，将所述嵌置组件设置在所述外管的内壁上的步骤包括：将所述定位环固定地设置在所述外管的内壁上，并且将所述绝缘间隔件设置在所述定位环上。

在根据本发明的双层绝缘套管的制造方法的另一个优选的实施例中，将所述定位环固定地设置在所述外管的内壁上的步骤包括：在所述外管的内壁中均匀间隔地设置多个定位槽，将所述定位环同定地设置在所述定位槽中。

根据本发明的双层绝缘套管的制造方法的再一个优选的实施例，将所述绝缘间隔件设置在所述定位环上的步骤包括：在所述定位环中设置多个定位孔，并将所述绝缘间隔件设置在所述定位孔中。

在根据本发明的双层绝缘套管的制造方法的还一个优选的实施例中，所述定位环在圆周上包括开口，以使所述定位环具有弹性。

根据本发明的双层绝缘套管的制造方法的又一个优选的实施例，利用铌材料制造所述定位环。

在根据本发明的双层绝缘套管的制造方法的另一个优选的实施例中，利用陶瓷材料制造所述绝缘间隔件。

根据本发明的双层绝缘套管的制造方法的还一个优选的实施例，所述陶瓷材料包括氧化钪。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果中的至少一个：

(1)根据本发明制造的双层绝缘套管通过外管与内管之间的嵌置组件实现了内管与外管的牢固间隔定位，即使在长时间的高温状态下，也不会因为内管的变形而使内管与外管发生接触，由此保证了两者之间的绝缘性，相应地，大大延长了采用这种双层绝缘套管的热离子能量转换器的使用寿命。

(2)通过沿外管的内壁均匀间隔地布置的定位槽和相应的定位环，能够使外管和内管沿着轴向方向均匀地间隔开，同时通过沿着定位环均匀间隔地设置定位孔和相应的绝缘间隔件使内管和外管在圆周方向上均匀地间隔开，由此确保了内管的整个外壁表面和外管的整个内壁表面之间的间隔关系，从而保证了内管和外管在高温状态下的绝缘关系，也使得采用这种双层绝缘套管的热离子能量转换器的发射极与接收极在高温状态下具有优良的绝缘关系。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1A为根据本发明的双层绝缘套管的轴向局部剖视图；

图1B为沿图1A中的线A-A剖切的剖视图；

图2A为根据本发明的双层绝缘套管的外管的轴向局部剖视图；

图2B为沿图2A中的线B-B剖切的剖视图；

图3为根据本发明的双层绝缘套管的嵌置组件的立体分解图；以及

图4为根据本发明的双层绝缘套管的设置有嵌置组件的外管的剖视图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

根据本发明的双层绝缘套管主要包括内管12和外管14，如图1A和图1B所示，其中，图1A示出双层绝缘套管的轴向局部剖视图，图1B为沿图1A中的线A-A剖切的剖视图。本文以应用于热离子能量转换器的情况为例对根据本发明的双层绝缘套管进行说明，应该理解的是，该双层绝缘套管可以应用于其他需要采用双层套管结构并且需要确保内管和外管之间绝缘的任何装置或设备。外管14与内管12同轴地设置在内管12的外部。在采用该双层绝缘套管的热离子能量转换器中，可以在内管12的内部设置有燃料组件。在此，内管12可以作为热离子能量转换器的发射极，外管14可以作为热离子能量转换器的接收极，通过设置在内管12内的燃料组件的裂变能加热内管12，以使内管12产生热电子，从而构成发射极，并将热电子发射至作为接收极的外管14，通过设置在内管12与外管14之间的电路形成回路，以便为设置在电路中的电器供电。作为发射极的内管12和作为接收极的外管14之间仅具有0.5mm左右的间隙，因此两者之间必须保持良好的同轴度，以确保两者之间具有稳定的间隙，从而确保两者之间的绝缘性。为此，在内管12的外壁与外管14的内壁之间设置有嵌置组件20，该嵌置组件20能够使得内管12与外管14同轴地设置在一起并且保持两者之间的绝缘关系。在此，该嵌置组件20还能够确保内管12的外壁与外管14的内壁之间具有稳定的间隙，以防止内管12由于受热变形而与外管14的内壁发生接触的情况的发生。

以下对根据本发明的双层绝缘套管的嵌置组件20的结构进行具体说明。嵌置组件20包括相对固定地设置在外管14的内壁中的定位环202和通过定位环202固定地设置的绝缘间隔件204。定位环202固定在外管14的内壁中，绝缘间隔件204则可以固定地设置在定位环202中，绝缘间隔件204分别与内管12的外壁和外管14的内壁接触，以便将内管12和外管14间隔开，同时使两者之间形成绝缘关系。

如图2A和图2B所示，示出根据本发明的双层绝缘套管的外管14的纵向剖视图(其中仅示出一个定位槽)以及沿线B-B剖切的剖视图。可以在外管14的内壁中均匀间隔地设置多个定位槽142，在每个定位槽142中固定地设置一个定位环202，比如在长度为630mm的外管14中，间隔均匀地设置6个定位槽142，如图4所示，每个定位槽142的宽度可以设定为8mm，相邻的两个定位槽142之间的距离设定为60mm，相应地，定位环202共6个，每个定位环202的宽度设定为8mm，在此，只需在加工过程中确保定位槽142和定位环202具有合适的公差，即能够满足定位槽142与定位环202之间的装配关系。在此需要说明的是，定位槽142和定位环202的上述尺寸和数量仅为示例，可以根据外管14的具体情况来确定其他合适尺寸和数量的定位槽142和定位环202。

为了使绝缘间隔件204固定地设置在定位环202中，可以在定位环202中设置多个定位孔2022，如图3所示，示出了嵌置组件20的立体分解图，其中设置了九个定位孔2022，每一个定位孔2022中均设置一个绝缘间隔件204。由此，能够沿着定位环202的圆周方向设置多个绝缘间隔件204，从而沿着内管12和外管14的圆周方向在多个位置处间隔开内管12与外管14，以便使得内管12和外管14在圆周方向上的位置关系更加稳固，防止两者在圆周方向上的任何位置处接触。在此需要说明的是，多个定位孔2022优选均匀间隔地设置在定位环202中，当然，其也可以非均匀间隔地设置，比如可以成组地设置，或者以其他间隔形式设置，可以设置更多的定位孔2022或更少的定位孔2022，只需确保定位孔2022中的绝缘间隔件204能够维持内管12与外管14之间的稳定间距即可。

此外，为了便于将定位环202安装在外管14的定位槽142中，可以将定位环202设置成具有开口的形式，即定位环202设置成在其圆周上包括开口2024，以使定位环202具有弹性。也就是说，当将定位环202安装到外管14的定位槽142内时，可以利用夹具夹持定位环202，以使定位环202发生缩小变形，以便顺利进入外管14内，在将定位环202放置到定位槽142内时，放松夹具，以使定位环202卡接在定位槽142内。

进一步地，定位环202可以由铌材料制成，铌具有较高的熔点，并且对于热中子的捕获截面较低，能够适应热离子能量转换器内部的工作环境。当然，在其他应用领域也可以利用其他材料制造定位环202，比如在仅需要耐高温的情况下，可以采用不锈钢制造定位环202。在此，可以利用长条形的铌材料带制造定位环202，首先在铌材料带上加工定位孔2022，比如可以在制造单个定位环202所需长度的铌材料带上均匀间隔地加工九个定位孔2022，定位孔2022可以设置成比如矩形，再利用专用工具将具有定位孔2022的铌材料带加工成具有缺口2024的圆形形状。绝缘间隔件204可以由陶瓷材料制成，以确保其耐高温性和绝缘性。在此，可以采用氧化钪来制造绝缘间隔件204，当然也可以采用工业上常用的陶瓷材料。绝缘间隔件204可以设置成具有圆柱形状，其直径设置成等于外管14与内管12之间的距离。当然，绝缘间隔件204也可以采用其他形状，比如为长方体形状、正方体形状等等，只需确保绝缘间隔件204能够固定地设置在定位环202的定位孔2022内并且能够确保内管12与外管14之间的绝缘性即可。

以下对根据本发明的双层绝缘套管的制造方法进行说明。根据本发明的双层绝缘套管的制造方法包括以下步骤，提供内管12，该内管12可以作为热离子能量转换器的发射极；提供外管14，该外管14能够套置在内管12的外部，外管14可以作为热离子能量转换器的接收极，另外，为了在内管12与外管14之间形成热离子能量转换器的回路，可以分别在内管12和外管14上设置引线接口，用于连接外部电路；提供嵌置组件20，将嵌置组件20设置在外管14的内壁上；将内管12***嵌置组件20内，以使内管12与外管14同轴地设置在一起并且保持两者之间的绝缘关系。在制造热离子能量转换器的情况下，还需要提供燃料组件，并将燃料组件设置在内管12内。通过嵌置组件20实现了内管12与外管14之间的固定连接，并且使得在内管12的外壁与外管14的内壁之间保持适当的距离，由此保持两者之间的绝缘性。

根据本发明的双层绝缘套管的制造方法，其中，嵌置组件20可以包括定位环202和绝缘间隔件204，上述将嵌置组件20设置在外管14的内壁上的步骤包括：将定位环202固定地设置在外管14的内壁上，并且将绝缘间隔件204设置在定位环202上。绝缘间隔件204起到保持外管12与内管14之间的间隙以及绝缘关系的作用，定位环202则起到对绝缘间隔件204进行固定的作用。

进一步地，将定位环202固定地设置在外管14的内壁上的步骤包括：在外管14的内壁中均匀间隔地设置多个定位槽142，将定位环202固定地设置在定位槽142中。在此，多个定位槽142以均匀间隔的方式设置仅作为示例，其也可以以非均匀间隔的方式设置。定位槽142能够对定位环202进行固定，以使定位环202不会在外管14的内壁上发生移位。

将绝缘间隔件204设置在定位环202上的步骤包括：在定位环202中设置多个定位孔2022，并将绝缘间隔件204设置在定位孔2022中。多个定位孔2022可以以均匀间隔的方式排列，也可以以非均匀间隔的方式排列。有利地，可以沿着定位环202设置至少两个定位孔2022，在此，沿着定位环202设置了九个定位孔2022，从而在每个定位孔2022内均设置一个绝缘间隔件204。为了便于定位环202的安装，可以将定位环202设置成在其圆周上包括开口2024，以使定位环202具有弹性，从而在将定位环202安装到外管14内时便于使定位环202缩小变形，由此便于安装。

进一步地，可以利用铌材料制造定位环202，以便满足定位环202在高温环境下工作的需求。可以利用利用陶瓷材料制造绝缘间隔件204，优选地，陶瓷材料包括氧化钪。氧化钪材料具有高的熔点，并且具有良好的高温绝缘性，完全能够满足高温作业环境下的绝缘性能要求。

根据本发明制造的双层绝缘套管通过外管与内管之间的嵌置组件实现了内管与外管的牢固间隔定位，即使在长时间的高温状态下，也不会因为内管的变形而使内管与外管发生接触，由此保证了两者之间的绝缘性，相应地，大大延长了采用这种双层绝缘套管的热离子能量转换器的使用寿命。通过沿外管的内壁均匀间隔地布置的定位槽和相应的定位环，能够使外管和内管沿着轴向方向均匀地间隔开，同时通过沿着定位环均匀间隔地设置定位孔和相应的绝缘间隔件使内管和外管在圆周方向上均匀地间隔开，由此确保了内管的整个外壁表面和外管的整个内壁表面之间的间隔关系，保证了内管与外管之间在高温状态下的绝缘关系，进一步保证了采用这种双层绝缘套管的热离子能量转换器的发射极与接收极在高温状态下的绝缘关系。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。