CN217935480U - 一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置，包括温差发电器、泡沫金属翅片和固定件，所述温差发电器通过所述固定件固定在发动机排气通道的发动机壁面外表面，所述温差发电器的热端与所述发动机壁面紧密接触并在其间涂有高温导热硅脂，所述温差发电器的冷端安装有所述泡沫金属翅片，所述温差发电器连接无人机用电系统及蓄电池。本实用新型通过在温差发电器冷端安装泡沫金属翅片的方式对其进行冷却。泡沫金属翅片大量且无序的孔隙对流经的气体进行了充分的扰流，增强了其对温差发电器冷端的冷却效果，提高了发电效率，提高了发动机燃料的利用效率和无人机的续航能力。

Description

一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置

技术领域

本实用新型涉及可再生能源技术领域，特别涉及一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置。

背景技术

随着科技的发展和时代的进步，小型飞行器和无人机被广泛应用于各个领域，由于其具有成本较低、经济性高、使用寿命长、机动性好等优势，因此在军用和民用领域有着更广阔的前景，是提高人类生活品质的理想选择。现阶段的无人飞机的发动机大多使用以下几种：往复活塞式发动机、旋转活塞式发动机、涡轴式发动机、涡桨式发动机、涡喷式发动机、涡扇式发动机。然而,以现有的发动机运行指标评估,其输出效率很低，有很大一部分燃料燃烧所释放的能量没有得到有效利用,绝大部分以余热废热的形式排放到环境中,造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。若能将这部分余热废热进行回收与再利用将会是一种很好的节能减排途径。

20世纪中期,国际上一些工业较发达国家的学者们提出了一种采用温差发电器(thermoelectric generator,TEG)的方式，将发动机燃烧所释放的高温排气废热进行回收利用将其转化成电能对发动机载具上的电子设备进行供电。因此若能将温差发电技术用于无人机上，将无人机发动机的排气废热进行回收利用，将其转化成电能提供给无人机的电子电路等用电系统，由于现代无人机的用电系统的能耗较低，温差发电器的输出电量完全可以支撑其用电所需，这样可以有效减小无人机的供电模块体积和重量，大大提高无人机的续航能力，有助于无人机的小型化及整体性，提高了其工作能力，带来了巨大的经济和社会效益，减小了环境污染，提高了能源利用效率，造福了人类。

半导体温差发电技术是一种新型的发电方式，利用该技术对汽车尾气废热进行回收利用可以有效的提高一次能源利用效率。半导体温差发电的工作原理主要基于三种基本效应：塞贝克效应(Seebeck effect)、珀尔帖效应(Peltier effect)和汤姆逊效应(Thomson effect)。半导体温差发电与其它发电方式相比，发电过程中无噪音、无磨损、无介质泄漏，并且发电模块体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长。因此,非常适用于余热废热的回收和利用，尤其在低品位能量利用方面，可将低品位热能直接转化为高品位的电能，这种技术对于发动机排气余热废热的回收与利用具有相当大的潜力。通常评价温差发电器性能高低的指标是其热电转换效率。而热电转换效率主要是由热电模块的组成材料和其高冷端的温度差所决定。若要使温差发电器能够达到其最佳的工作状况,所用的材料必须具有相对较高的优值系数(ZT值),而在实际情况中，开发优值系数更高的新型热电材料难度是很大的。因此从提高温差发电器冷热端温差方面入手，是一种更加便捷的提高温差发电器热电转换效率的途径。由于温差发电器的热端温度取决于无人机发动机排气通道上的温度，若要提高热端温度会涉及到在不影响发动机性能的同时改变发动机结构的问题，此方法较为困难。

实用新型内容

由于温差发电器冷端与发动机并不连接，对这部分进行改造相对比较容易，为解决公知技术中存在的技术问题，本实用新型从温差发电器的冷端入手，设计了使用多孔泡沫金属翅片的一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置，通过温差发电器回收和利用无人机发动机排气废热中的热量并将其转换为电能加以利用。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置，包括温差发电器、泡沫金属翅片和固定件，所述温差发电器通过所述固定件固定在发动机排气通道的发动机壁面外表面，所述温差发电器的热端与所述发动机壁面紧密接触并在其间涂有高温导热硅脂，以降低接触热阻，所述温差发电器的冷端安装有所述泡沫金属翅片，以提高所述温差发电器的冷热端温差，并通过发动机的风扇进行风冷散热，所述温差发电器再接触所述发动机壁面的一面为热端，接触所述泡沫金属翅片的一面为冷端，在温度差的作用下，所述温差发电器中的PN节产生电动势，从而输出电能，所述温差发电器连接无人机用电系统及蓄电池。

进一步的，所述温差发电器的冷端由所述泡沫金属翅片进行散热降温，其冷却方式为风冷方式，风冷气流来源于无人机飞行时发动机进气道风扇高速旋转产生的气流，经外涵道将冷空气气流吹入所述泡沫金属翅片进行散热降温，所述泡沫金属翅片为片状结构，各个翅片上有大量的无规则的孔隙，不但可以增大散热面积，还可以对流经的气流起到一个很好的扰流作用，实现了更好的散热效果，并且由于其重量比实心翅片更轻，对发动机的影响更小。

进一步的，所述温差发电器为由热电模块构成的双层复合结构，每层由多个热电模块串联组成。由于无人机在起飞降落和飞行过程中，不同的飞行情况下其发动机输出功率不同，因此发动机表面温度跨度较大。而使用双层热电模块的所述温差发电器可以更充分的把排气废热的热能转化为电能。此结构还适用于当无人机在高空飞行过程中由于环境的中低温所导致的发动机表面温差发电器冷热端高温差的情况。通过双层热电模块串联，可以提高温差发电器的输出功率和效率。温差发电器所输出的电能不但可以对无人机的用电系统进行供电，还可以对无人机上的蓄电池进行充电，保证无人机在特殊的飞行情况下工作更加稳定。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型结构简单，方便布置与维护，在不影响发动机性能的同时，仅对发动机进行微小的改造就可以获得较高的余热回收利用效率。

本实用新型通过温差发电器回收和利用无人机发动机排气废热中的热量并将其转换为电能加以利用，通过使用双层热电模块结构，提高了温差发电器在无人机不同的飞行工况下的适用范围，可以更有效地对废热进行回收与利用。

本实用新型通过在温差发电器冷端安装泡沫金属翅片的方式对其进行冷却。泡沫金属翅片大量且无序的孔隙对流经的气体进行了充分的扰流，增强了其对温差发电器冷端的冷却效果，而且多孔泡沫金属具有较高的比表面积和导热性，可以进一步提高泡沫金属翅片的散热效果，进而提高了温差发电器的冷热端温度差，提高了发电效率。并且由于采用的泡沫金属翅片具有较高的孔隙率，因此其在重量上也远低于其它相同尺寸的实心翅片，可以有效降低无人机负载的增加幅度，从而在不影响无人机性能的前提下提高了温差发电器的余热回收利用效率，提高了发动机燃料的利用效率和无人机的续航能力。

附图说明

图1为一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置示意图；

图2为一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置局部主视图；

图3为一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置局部侧视图；

图4为一种无人机发动机机载小型温差发电器示意图；

图5为一种无人机发动机机载小型温差发电器局部主视图；

图6为一种无人机发动机机载小型温差发电器局部侧视图；

图7为一种无人机发动机机载小型带常规金属翅片温差发电器示意图；

图8为一种无人机发动机机载小型带常规金属翅片温差发电器局部主视图；

图9为一种无人机发动机机载小型带常规金属翅片温差发电器局部侧视图；

图10为三种温差发电器冷热端温度差对比曲线图。

附图标记：1、进气道；2、压气室；3、燃烧室；4、涡轮机；5、喷口；6、风扇；7、外涵道；8、内涵道；9、温差发电器；10、常规金属翅片；11、泡沫金属翅片；12、发动机壁面；13、固定件；14、无人机用电系统及蓄电池。

具体实施方式

为了进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，兹列举以下实施方案，并配合附图详细说明：

实施例

图1、2、3所示为本实用新型所使用的一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置，包括温差发电器9、泡沫金属翅片11和固定件13，所述温差发电器9通过所述固定件13固定在发动机排气通道的发动机壁面12外表面，所述温差发电器9的热端与所述发动机壁面12紧密接触并在其间涂有高温导热硅脂，所述温差发电器9的冷端安装有所述泡沫金属翅片11，所述温差发电器9连接无人机用电系统及蓄电池14。

发动机的结构如图1所示，发动机内部从左至右依次为进气道1、压气室2、燃烧室3、涡轮机4和喷口5，在所述进气道1处设有风扇6，所述风扇6后的进气道1外圈连接外涵道7，内圈连接内涵道8，进入所述内涵道8的空气参与燃烧，进入所述外涵道7的空气用于冷却所述发动机壁面12。

进一步的，不同于传统的翅片型温差发电器，本实用新型中的温差发电器9冷端所使用的为多孔的泡沫金属翅片11进行散热冷却。利用多孔泡沫金属大量及无序的孔隙对流经翅片的流体进行了更加强烈的扰动，并且由于多孔泡沫金属内部有大量的金属骨架，其比表面积更大，与流体的接触面积增加，可以更好地进行对流换热及散热，使得温差发电器9冷端冷却效果更强，冷热端温度差更大，温差发电器9首末端的温度差更加接近，温差发电效果更佳。同时由于泡沫金属存在大量的孔隙，所以与相同尺寸的实心翅片相比，泡沫金属翅片11更加的轻便，可以有效地降低由于安装了温差发电器9而对发动机的负载的增加幅度，可以使热电转换的能量可以更有效地用于无人机的用电系统当中。

本实用新型中的冷端泡沫金属翅片11还可以根据不同的无人机发动机型号及结构进行多种变化，可以对泡沫金属翅片11的孔隙率、孔密度、材质、体积、数量进行不同方式的优化组合，使其可以最大程度地适用于不同工作条件，达到与不同形式的无人机都可以进行优化和匹配。

进一步的，所述温差发电器9为由热电模块构成的双层复合结构，每层由多个热电模块串联组成。此种结构的温差发电器9可以在大跨度温度范围条件下应用，可以更加充分有效的将温差发电器9的冷热端温差转化为电能输出，提高了温差发电器9的输出功率及效率。同时，热电转换所输出的电能在供给无人机的用电系统外，还可以对蓄电池进行充电，这样就可以保障了无人机在极端特殊的环境条件下可以更为有效稳定的进行飞行作业。

对比例1

如图4、5、6所示，一种无人机发动机机载小型温差发电器，温差发电器9通过耐高温导热硅胶固定安装于发动机燃烧室的发动机壁面12，并且通过固定件13与发动机壁面12进行二次固定，进一步加强温差发电器9在发动机上的稳定性。温差发电器9热端与发动机壁面12之间涂有导热硅脂以降低接触热阻使温差发电器9可以可有效地吸收来自发动机壁面12的热量。燃烧室的高温流体通过对流换热将热量传递到发动机内壁面，发动机内壁面通过导热将热量传递到外壁面，附着于外壁面的温差发电器9热端吸收了这部分热量，温差发电器9冷端直接与空气接触，与发动机进气道1及风扇6通过外涵道7所输送的冷空气进行对流换热降温，这样温差发电器9冷热端就产生了温度差，温差发电器9就可以进行热电转换对无人机的用电系统进行供电。

对比例2

但温差发电器9在此种方式下的冷热端温度差不大，无法使温差发电器9达到最佳的工作性能。因此要对温差发电器9进行一步改进。由于温差发电器9热端连接着发动机壁面12，若对热端进行改造会涉及到改变发动机的构造，此举容易影响到发动机的性能。因此要从温差发电器9的冷端进行改进，最常见的改进方式是在温差发电器9冷端安装金属翅片，此种方式可以在不影响发动机内部结构的前提下，有效地提高温差发电器9的冷端的冷却效果，进而提高其冷热端温差，提高热电转换效率。

如图7、8、9所示，一种无人机发动机机载小型带常规金属翅片温差发电器，温差发电器9冷端安装了常规金属翅片10，由外涵道7输送的冷空气经过常规金属翅片10后产生了扰流，强化了翅片的换热，可以有效的将热量带走。并且由于安装了翅片增加了换热面积，可以使温差发电器9的冷端可以得到更好的散热。相比未安装翅片的温差发电器9，其冷端温度更低，在热端结构不变的情况下，冷热端温差更大，末端靠近喷口的温差发电器9的冷热端温差比前端下降的要小，因此可以更好地进行热电转换，温差发电器9整体的热电转换效率更好，废热利用率更高。

如图10所示，从以上三种温差发电器在相同工况下温差发电器冷热端温差对比中可以看出：本实用新型提供的安装泡沫金属翅片11的温差发电器冷热端温差最大，冷却效果最佳。

以上通过实施例对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的示例性实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。本实用新型的保护范围由权利要求书限定。凡利用本实用新型所述的技术方案，或本领域的技术人员在本实用新型技术方案的启发下，在本实用新型的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖保护范围之内。

Claims (3)

1.一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置，其特征在于：包括温差发电器(9)、泡沫金属翅片(11)和固定件(13)，所述温差发电器(9)通过所述固定件(13)固定在发动机排气通道的发动机壁面(12)外表面，所述温差发电器(9)的热端与所述发动机壁面(12)紧密接触并在其间涂有高温导热硅脂，所述温差发电器(9)的冷端安装有所述泡沫金属翅片(11)，所述温差发电器(9)连接无人机用电系统及蓄电池(14)。

2.根据权利要求1所述一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置，其特征在于：所述泡沫金属翅片(11)为片状结构，各个翅片上有大量的无规则的孔隙。

3.根据权利要求1所述一种冷端冷却方式的无人机发动机机载小型温差发电装置，其特征在于：所述温差发电器(9)为由热电模块构成的双层复合结构，每层由多个热电模块串联组成。

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