[发明专利]一种应用于高速飞行器半导体热电转换装置的多功能防护结构

说明书

本发明提出一种应用于高速飞行器半导体热电转换装置的多功能防护结构，该防护结构的两个蜂窝支撑减震结构设置在温差发电器件两端，将温差发电器与冷热源隔离开，蜂窝支撑减震结构内填充有相变储热材料，形成支撑‑储热结构，隔热结构设置在温差发电器件四周，减少水平方向热量散失，位于热源处的蜂窝支撑减震结构分为上下两片，其四角安装有过热保护结构。本发明通过蜂窝状承力结构填充相变材料的方式，在减振同时能够使温差发电片两端保持稳定温度，解决结构强度问题并利用储热解决热能波动问题；在热端部分加装过热保护装置，利用金属的热膨胀性在发生超温时将发电片与热源断开，利用过热保护装置防止热冲击下半导体温差发电器结构失效问题。

技术领域

本发明涉及一种应用于高速飞行器半导体热电转换装置的多功能防护结构，属于温差热电转换技术领域，具体为一种具有减震、稳定功率、防过热的多功能温差发电防护结构。高超声速飞行器是本发明的主要应用对象之一。

背景技术

高超声速飞行器指的是飞行高度大于20km，工作马赫数大于Ma5的飞行器，可用于军事、民航、天地往返等多个领域，被认为是下一代世界航空航天发展的重要方向。

以超燃冲压发动机为推进系统的吸气式高超声速飞行器的关键技术之一是机载能量的有效管理和利用：对于超燃冲压发动机来说，燃烧室内的超声速燃烧加剧了燃烧室壁面的热载荷，使发动机面临严峻的热防护问题；此外，由于超燃冲压发动机移除了涡轮基发动机的旋转部件，无法通过传统方式获取电能。如果能够通过某种热电转换技术将有害的热载荷转变为可利用的电能，将大大有利于高超声速飞行器的发展。

此外，随着能源危机的日益凸显，提高对能源的利用效率成为了目前的重要研究方向之一，在目前的内燃机、锅炉的工作过程中，有大量的热量通过冷却系统、排气系统散失到空气中，如果能够将这部分热量进行有效的重新利用，能够大大的提升这些设备的能量利用率，具有很大的节能潜力。

半导体热电直接转换是一种基于塞贝克效应，利用半导体热电材料冷热端温差将热能直接转换为电能的技术。由于半导体热电直接转换技术具有结构简单、可靠性高、布置方便以及对热源要求低等优点，目前已经在航天探测、余热利用、军用发电以及飞行器发电领域得到广泛研究与初步应用。相变储能材料能够利用物质相变过程中的相变潜热储存能量，在相变过程中物质的温度基本保持不变，具有储热能力强，温度变化稳定等特点。

目前制约半导体温差器件应用的一个方面是结构强度问题，由于半导体器件本身较脆，高超声速飞行器产生的振动可能会对器件造成破坏；另一方面发动机在不同工况下的发热量会有一定程度的波动，导致发电装置的输出功率产生波动而使降低对能量的利用效率，并且过大的热冲击容易导致半导体温差发电器结构失效问题。这一问题限制了半导体温差发电器的广泛应用，尤其是在高超声速飞行器、大功率内燃机等存在强振动、大温度波动的极端环境。

发明内容

本发明针对上述背景技术提到的半导体温差发电装置应用于高超声速飞行器中面临的问题，提出了一种应用于高速飞行器半导体热电转换装置的多功能防护结构，通过蜂窝状承力结构填充相变材料的方式，在减振的同时能够使温差发电片两端保持比较稳定的温度，解决结构强度问题并利用储热解决热能波动问题；在热端部分加装了过热保护装置，利用金属的热膨胀性在发生超温时将发电片与热源断开，利用过热保护装置防止飞行器热冲击下半导体温差发电器结构失效问题(包括热电材料烧毁)。

本发明提出一种应用于高速飞行器半导体热电转换装置的多功能防护结构，包括温差发电器件、两个蜂窝支撑减震结构、隔热结构、相变储热材料和过热保护结构；两个蜂窝支撑减震结构设置在温差发电器件两端，将温差发电器与冷热源隔离开，所述蜂窝支撑减震结构内填充有相变储热材料，形成支撑-储热结构，所述隔热材料设置在温差发电器件的四周，减少水平方向的热量散失，位于热源处的蜂窝支撑减震结构分为上下两片，其四角安装有过热保护结构。