[發明專利]一種應用于高速飛行器半導體熱電轉換裝置的多功能防護結構

在審

• 申請號: 202010611035.4
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111800034A
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發明（設計）人: 秦江;王毅琳;程昆林;黨朝磊
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H02N11/00
• 分類號: H02N11/00;H02K5/24;H02K9/00;H02K11/25
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 韓麗娜

本發明提出一種應用于高速飛行器半導體熱電轉換裝置的多功能防護結構，該防護結構的兩個蜂窩支撐減震結構設置在溫差發電器件兩端，將溫差發電器與冷熱源隔離開，蜂窩支撐減震結構內填充有相變儲熱材料，形成支撐?儲熱結構，隔熱結構設置在溫差發電器件四周，減少水平方向熱量散失，位于熱源處的蜂窩支撐減震結構分為上下兩片，其四角安裝有過熱保護結構。本發明通過蜂窩狀承力結構填充相變材料的方式，在減振同時能夠使溫差發電片兩端保持穩定溫度，解決結構強度問題并利用儲熱解決熱能波動問題；在熱端部分加裝過熱保護裝置，利用金屬的熱膨脹性在發生超溫時將發電片與熱源斷開，利用過熱保護裝置防止熱沖擊下半導體溫差發電器結構失效問題。

技術領域

本發明涉及一種應用于高速飛行器半導體熱電轉換裝置的多功能防護結構，屬于溫差熱電轉換技術領域，具體為一種具有減震、穩定功率、防過熱的多功能溫差發電防護結構。高超聲速飛行器是本發明的主要應用對象之一。

背景技術

高超聲速飛行器指的是飛行高度大于20km，工作馬赫數大于Ma5的飛行器，可用于軍事、民航、天地往返等多個領域，被認為是下一代世界航空航天發展的重要方向。

以超燃沖壓發動機為推進系統的吸氣式高超聲速飛行器的關鍵技術之一是機載能量的有效管理和利用：對于超燃沖壓發動機來說，燃燒室內的超聲速燃燒加劇了燃燒室壁面的熱載荷，使發動機面臨嚴峻的熱防護問題；此外，由于超燃沖壓發動機移除了渦輪基發動機的旋轉部件，無法通過傳統方式獲取電能。如果能夠通過某種熱電轉換技術將有害的熱載荷轉變為可利用的電能，將大大有利于高超聲速飛行器的發展。

此外，隨著能源危機的日益凸顯，提高對能源的利用效率成為了目前的重要研究方向之一，在目前的內燃機、鍋爐的工作過程中，有大量的熱量通過冷卻系統、排氣系統散失到空氣中，如果能夠將這部分熱量進行有效的重新利用，能夠大大的提升這些設備的能量利用率，具有很大的節能潛力。

半導體熱電直接轉換是一種基于塞貝克效應，利用半導體熱電材料冷熱端溫差將熱能直接轉換為電能的技術。由于半導體熱電直接轉換技術具有結構簡單、可靠性高、布置方便以及對熱源要求低等優點，目前已經在航天探測、余熱利用、軍用發電以及飛行器發電領域得到廣泛研究與初步應用。相變儲能材料能夠利用物質相變過程中的相變潛熱儲存能量，在相變過程中物質的溫度基本保持不變，具有儲熱能力強，溫度變化穩定等特點。

目前制約半導體溫差器件應用的一個方面是結構強度問題，由于半導體器件本身較脆，高超聲速飛行器產生的振動可能會對器件造成破壞；另一方面發動機在不同工況下的發熱量會有一定程度的波動，導致發電裝置的輸出功率產生波動而使降低對能量的利用效率，并且過大的熱沖擊容易導致半導體溫差發電器結構失效問題。這一問題限制了半導體溫差發電器的廣泛應用，尤其是在高超聲速飛行器、大功率內燃機等存在強振動、大溫度波動的極端環境。

發明內容

本發明針對上述背景技術提到的半導體溫差發電裝置應用于高超聲速飛行器中面臨的問題，提出了一種應用于高速飛行器半導體熱電轉換裝置的多功能防護結構，通過蜂窩狀承力結構填充相變材料的方式，在減振的同時能夠使溫差發電片兩端保持比較穩定的溫度，解決結構強度問題并利用儲熱解決熱能波動問題；在熱端部分加裝了過熱保護裝置，利用金屬的熱膨脹性在發生超溫時將發電片與熱源斷開，利用過熱保護裝置防止飛行器熱沖擊下半導體溫差發電器結構失效問題(包括熱電材料燒毀)。

本發明提出一種應用于高速飛行器半導體熱電轉換裝置的多功能防護結構，包括溫差發電器件、兩個蜂窩支撐減震結構、隔熱結構、相變儲熱材料和過熱保護結構；兩個蜂窩支撐減震結構設置在溫差發電器件兩端，將溫差發電器與冷熱源隔離開，所述蜂窩支撐減震結構內填充有相變儲熱材料，形成支撐-儲熱結構，所述隔熱材料設置在溫差發電器件的四周，減少水平方向的熱量散失，位于熱源處的蜂窩支撐減震結構分為上下兩片，其四角安裝有過熱保護結構。