CN106533264A - 高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统 - Google Patents

Abstract

高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统，涉及高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化技术。目的是为了满足长航时高超声速飞行的热防护与供电的需求。本发明的N型半导体热电材料(2)和P型半导体热电材料(3)间隔排布，并且通过导流片(5)依次串联构成半导体温差发电装置；半导体温差发电装置两侧均设置有与导流片(5)紧密贴合的导热绝缘层(4)；两个导热绝缘层(4)的外侧分别为低温通道(1)和高温通道(6)，且低温通道(1)和高温通道(6)相连通。本发明将冷却系统和发电系统合二为一，降低了结构质量，减小了质量惩罚，适用于高超声速飞行器。

Description

高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化技术。

背景技术

高超声速飞行器在高飞行马赫数下长时间飞行会大大增加机体前缘与燃烧室内热流密度，使得热防护问题成为高超声速飞行的关键技术之一。同时，对于长航时的高超声速飞行器，单一的电池已经无法满足供电需求，必须引入一种能够持续发电的供电系统。

极高的来流总温和可能的超声速燃烧导致高超声速飞行器前缘和发动机燃烧室承受非常高的热载荷。对于长航时所必需的主动冷却热防护方案，有限的金属壁面材料许用温度导致需要冷却剂带走的热流水平很高。研究表明，当前的碳氢燃料难以满足马赫数6以上的热沉需求，这就使得高超声速飞行器需要携带额外的燃料用于冷却，产生严重的质量惩罚。同时，以碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却方案受到热流分布不均匀影响，高温下易发生结焦积碳导致冷却系统失效，还会造成燃料部分热沉的浪费。因此，燃料的热沉不足和结焦积碳限制了再生冷却在高超声速飞行器上的应用。

对于长航时的高超声速飞行器，功率密度较低的化学电池难以满足供电需求，而采用常规的利用热机带动发电机的供电方式同样存在较多的问题。一方面，对于吸气式高超声速飞行不可或缺的超燃冲压发动机不具备轴功的输出条件，需要额外的旋转式热机，这必然导致较大的质量惩罚；另一方面，包括发电机在内的高速旋转部件需要独立的支撑结构和滑油系统，进而造成系统复杂性的提高和可靠性的下降。

因此，为了解决长航时高超声速飞行的热防护与供电问题，研制一种能够以较小的质量惩罚实现发电功能，同时有效降低燃料的热沉需求的供电系统具有很高的研究价值与广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了满足长航时高超声速飞行的热防护与供电的需求，提供一种高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统，利用半导体温差热电直接转换技术的优点，解决当前高超声速飞行燃料热沉不足的问题，同时满足飞行器的供电需求。

本发明所述的高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统包括低温通道1、半导体温差发电装置、多个导热绝缘层4、和高温通道6；

所述半导体温差发电装置块包括多个N型半导体热电材料2、多个P型半导体热电材料3和多个导流片5，N型半导体热电材料2和P型半导体热电材料3间隔排布，并且通过导流片5依次串联；

半导体温差发电装置两侧均设置有与导流片5紧密贴合的导热绝缘层4；

两个导热绝缘层4的外侧分别为低温通道1和高温通道6，且低温通道1和高温通道6相连通。

本发明中，再生冷却系统的冷却通道被半导体温差发电装置间隔为高温通道和低温通道两部分。N型半导体热电材料2与所述P型半导体热电材料由导流片5依次串联构成半导体温差发电装置。所述导热绝缘层4用于绝缘，同时允许尽可能多的热量导入温差发电装置。发动机的冷却通道(即高温通道6)的外壁面用于加热作为半导体温差发电装置中间热源的燃料，进而产生温度差。

工作原理：

燃料(冷源，飞行器所携带的燃料)由燃料箱经油泵增压后通过低温通道1流入高温通道6，在高温通道6中吸收因气动加热或燃烧散热而导入飞行器机体或发动机壁面的热量后温度提高成为高温燃料，防止壁面材料发生高温烧蚀，并且与低温通道中的燃料形成温度差。利用温度差，由N型半导体热电材料2、P型半导体热电材料3和导流片5组成的半导体温差发电装置将一部分由高温燃料导入的热能转换为电能经由导线7供给负载使用。导热绝缘层4布置于燃料通道与导流片5之间，防止漏电的同时允许尽可能多的热量流入温差发电装置。

本发明的优点包括：

1.将冷却系统和发电系统合二为一，降低了结构质量，减小了质量惩罚；

2.系统结构简单，无旋转部件，振动小、可靠性高；

3.高温燃料充当半导体温差发电装置与热源的中间介质，降低了半导体材料热端温度；

4.燃料吸收的热量中的一部分以电能的形式导出，减少了对燃料热沉的需求，降低了燃料需用量和最高温度，从而减轻燃料重量并降低碳氢燃料发生结焦积碳的可能性；

5.获得的电能为直流电，便于雷达、导航等电子设备的利用。

本发明主要用于满足高超声速飞行器高电能需求，同时解决当前冷源不足的问题。

附图说明

图1为实施方式一所述系统的结构示意图；

图2为实施方式二所述系统的结构示意图。

具体实施方式

实施方式一：下面结合图1对本实施方式进行详细的描述。本实施方式所述的高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统包括低温通道1、半导体温差发电装置、多个导热绝缘层4和高温通道6；

所述半导体温差发电装置块包括多个N型半导体热电材料2、多个P型半导体热电材料3和多个导流片5，N型半导体热电材料2和P型半导体热电材料3间隔排布，并且通过导流片5依次串联；

半导体温差发电装置两侧均设置有与导流片5紧密贴合的导热绝缘层4；

两个导热绝缘层4的外侧分别为低温通道1和高温通道6，且低温通道1和高温通道6相连通。

所述N型半导体热电材料2和P型半导体热电材料3均采用硅锗合金。高温通道6外壁面的材料为高温合金。

实施方式二：下面结合图2对本实施方式进行详细的描述。本实施方式是对实施方式一所述的高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统的进一步限定，本实施方式中，所述低温通道1的入口与高温通道6的入口位于半导体温差发电装置的同一侧。

燃料在低温通道1与高温通道6中相反的流向造成温差不均匀，不利于提高热电转换效率，因此进一步改进系统结构，如图2所示。所述低温通道1的入口与高温通道6的入口均位于半导体温差发电装置的左侧，

将燃料在低温通道1和高温通道6中的流动调整为相同方向，从而尽可能地降低温差的不均匀度，提高了热电转换效率。

Claims (4)

1.高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统，其特征在于，包括低温通道(1)、半导体温差发电装置、多个导热绝缘层(4)和高温通道(6)；

所述半导体温差发电装置包括多个N型半导体热电材料(2)、多个P型半导体热电材料(3)和多个导流片(5)，N型半导体热电材料(2)和P型半导体热电材料(3)间隔排布，并且通过导流片(5)依次串联；

半导体温差发电装置两侧均设置有与导流片(5)紧密贴合的导热绝缘层(4)；

两个导热绝缘层(4)的外侧分别为低温通道(1)和高温通道(6)，且低温通道(1)和高温通道(6)相连通。

2.根据权利要求1所述的高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统，其特征在于，所述的N型半导体热电材料(2)采用硅锗合金。

3.根据权利要求1或2所述的高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统，其特征在于，所述的P型半导体热电材料(3)采用硅锗合金。

4.根据权利要求1所述的高超声速飞行器冷却与半导体温差发电一体化系统，其特征在于，所述低温通道(1)的入口与高温通道(6)的入口位于半导体温差发电装置的同一侧。