專利名稱：一種多孔介質(zhì)回?zé)嵝臀⒊叨热紵鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型動力機電系統(tǒng)(Power MEMS,簡稱微動力系統(tǒng))領(lǐng)域,屬一種新型回?zé)崛紵夹g(shù)，特指一種填充多孔介質(zhì)的微尺度平板式回?zé)嵝腿紵鳌?br> 背景技術(shù)：
近年來，隨著微機電系統(tǒng)(MicroElectro-Mechanical System,簡稱 MEMS)研究的不斷深入，微型電源的問題也逐漸被引起廣泛重視。當(dāng)機電系統(tǒng)微型化后，其電源或動力裝置的大小將決定整個系統(tǒng)的尺寸，沒有微型化或者小型化的動力裝置為其提供能源和動力，MEMS系統(tǒng)將很難發(fā)揮其微型化的優(yōu)勢，甚至有可能失去其微型化的本身意義。在這樣的一個背景下，基于碳氫燃料燃燒的微型動力系統(tǒng)(Power MEMS)便應(yīng)運而生了，其能量密度有望突破100kW/kg，因此也被譽為動力機械發(fā)展的第四個里程碑。微型動力系統(tǒng)具有能量密度高、來源豐富、補給迅速、便攜、壽命長以及對環(huán)境傷害小等一系列的優(yōu)點，因而潛在的應(yīng)用場合非常多，除了可以充當(dāng)微型泵、微型推進器、微型機器人等MEMS的電源外，還可以為便攜式電子器件、無線通訊設(shè)備、航天器、汽車、士兵作戰(zhàn)等提供必須的電能或動力，因此該裝置的進一步發(fā)展完善也必將對微電子、信息、生物等各行各業(yè)產(chǎn)生巨大的積極影響。目前，針對該類裝置的研究已取得了一些進展，也已有多種形式的微型動力系統(tǒng)被成功開發(fā)，如娃基微型燃氣輪機、微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機、微型熱電發(fā)電器、微型熱光電系統(tǒng)、微型自由活塞/汽缸電力發(fā)生器、微型共振往復(fù)式內(nèi)燃機等。在上述幾種微型動力裝置中，微型熱光電系統(tǒng)(Micro-thermophotovoltaicSystem，簡稱MTPV System)的工作原理較為獨特，它利用碳氫燃料在微燃燒器內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱能對燃燒器外壁面進行加熱，高溫壁面輻射出的能量足夠高的光子撞擊低頻帶隙光電池產(chǎn)生電能。跟其它裝置相比，它結(jié)構(gòu)簡單，優(yōu)勢也非常明顯，主要體現(xiàn)在:首先，預(yù)混合燃燒方式的采用將在同樣的駐留時間下大大提高燃燒完全程度；其次，由于該系統(tǒng)是利用高溫壁面的輻射能量進行光電轉(zhuǎn)化，微尺度下燃燒器面容比大的特點就能顯著增加系統(tǒng)的整體效率；最后，由于沒有運動部件，加工和裝配非常容易，也不存在由摩擦導(dǎo)致的泄露和零部件失效等問題。然而，微型熱光電系統(tǒng)的效率和功率密度都還盡如人意，離裝置的實際應(yīng)用尚有不小距離，其原因也是多方面的，其中較為突出的一點便是系統(tǒng)中最為重要的部件——微尺度燃燒器，其內(nèi)部燃燒組織的效果尚未達到最好狀態(tài)，從而致使輻射表面的整體溫度還不夠理想。跟常規(guī)尺度下的燃燒相比，微系統(tǒng)中穩(wěn)定燃燒過程的實現(xiàn)難度較大，問題主要集中在燃料駐留時間短、大面容比造成熱損失過大以及燃料選擇面窄等一些獨特的燃燒特性上，這也是其它基于微尺度燃燒的微型動力裝置面臨的共性問題。而微型熱光電系統(tǒng)所采用的微燃燒器跟其他幾類微型動力系統(tǒng)中的燃燒器又有一定的區(qū)別，這是因為燃燒器的外壁面還充當(dāng)了后續(xù)光電轉(zhuǎn)換過程的輻射器。所以，我們在追求燃料充分燃燒的同時，也希望燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能盡可能多地被燃燒器外壁面吸收，以維持壁面的高溫狀態(tài)。因此，對于微型熱光電系統(tǒng)，我們?nèi)绾斡行У剡M行燃燒器的合理設(shè)計，如何實現(xiàn)穩(wěn)定的微尺度燃燒過程，又如何獲得較高的外壁面溫度分布，就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)微尺度燃燒的特點以及微型熱光電系統(tǒng)的工作要求，設(shè)計出一種新型的填充多孔介質(zhì)的微尺度平板式回?zé)嵝腿紵鳌１景l(fā)明的基本結(jié)構(gòu)和工作原理如附圖1所示:所設(shè)計的燃燒器主要由三部分組成，右端封閉的燃燒器外壁、左端插入的“T”型隔板以及隔板上下的多孔介質(zhì)。燃燒器外部呈長方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部也為矩形通道，在該燃燒器的中心截面靠近左端處設(shè)置了一塊水平放置的導(dǎo)熱隔板，隔板的上下對應(yīng)區(qū)域分別用多孔材料進行填充，從而形成各自的多孔介質(zhì)區(qū)，隔板右側(cè)其余部分則設(shè)計成燃燒區(qū)。這樣，燃料和氧化劑經(jīng)充分預(yù)混后，將首先通過下部多孔介質(zhì)區(qū)，進入到燃燒區(qū)中進行燃燒，生成的燃燒產(chǎn)物再從上部的多孔介質(zhì)區(qū)通過后，最后經(jīng)排氣口排至裝置外，燃燒器的外壁(即輻射壁面)則在對燃燒過程中產(chǎn)生的熱量進行吸收后，繼而完成后續(xù)的光電轉(zhuǎn)換任務(wù)。本發(fā)明所述的一種多孔介質(zhì)回?zé)嵝臀⒊叨热紵鳎ㄟM氣口、出氣口和燃燒器外壁構(gòu)成的通道，通道的一端封閉、另一端設(shè)有T型隔板；τ型隔板由橫隔板和縱端板構(gòu)成，橫隔板延伸至通道內(nèi)，橫隔板長度小于通道長度；橫隔板上、下區(qū)域均設(shè)置多孔介質(zhì)；縱端板位于通道另一端的端口處，進氣口、出氣口均設(shè)置在縱端板上，且對稱分布在橫隔板位置的兩側(cè)。燃燒器外壁采用SiC陶瓷材料制成，T型隔板材料為銅鎢合金，多孔介質(zhì)采用Al2O3泡沫微孔陶瓷或耐高溫多層金屬網(wǎng)加工形成，并采用耐高溫膠粘結(jié)在橫隔板的上下兩側(cè)。本發(fā)明的優(yōu)點在于以下兩個方面:首先，導(dǎo)熱隔板的設(shè)置可以方便地實現(xiàn)回?zé)崛紵慈紵a(chǎn)生的尾氣可通過中間隔板對另一側(cè)的進氣進行預(yù)熱，進氣的熱焓因此得到大幅增加，進而可以提高微尺度燃燒器內(nèi)的反應(yīng)速度、降低燃料的熄火極限；其次，隔板上下多孔介質(zhì)區(qū)的設(shè)置，不僅可以在均勻布氣的同時，延長氣流在燃燒器內(nèi)部的駐留時間，從而提高燃燒過程的完全程度，而且多孔介質(zhì)的蓄熱本領(lǐng)還可以起到強化隔板兩側(cè)氣流間熱量傳遞的作用，使得回?zé)岬男Ч玫竭M一步的增強，相同運行工況下進氣焓值可以提升到更高的數(shù)值。因此，在多孔介質(zhì)和導(dǎo)熱隔板這兩個部件的綜合作用下，微燃燒器內(nèi)的高溫反應(yīng)區(qū)域?qū)⒌玫礁玫臄U展，最高反應(yīng)溫度也必將得到提高，這將帶來輻射壁面處更高、更均勻的溫度分布，從而對提高微型熱光電系統(tǒng)的輸出性能產(chǎn)生積極的作用，為該系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域盡早得到廣泛應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。


圖1為多孔介質(zhì)回?zé)嵝推桨迨轿⒊叨热紵鞯慕Y(jié)構(gòu)示意圖；其中1.進氣口，2.排氣口，3.“Τ”型隔板，4.下多孔介質(zhì)區(qū)，5.上多孔介質(zhì)區(qū)，
6.燃燒區(qū)，7.燃燒器外壁(輻射壁面)；圖2為“Τ”型隔板結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1所示的多孔介質(zhì)回?zé)嵝推桨迨轿⒊叨热紵?，包括了進氣口 1、排氣口 2、“T”型隔板3、下多孔介質(zhì)區(qū)4、上多孔介質(zhì)區(qū)5、燃燒區(qū)6以及燃燒器外壁(輻射壁面)7。在本發(fā)明中，微尺度燃燒器外部呈長方體結(jié)構(gòu)，上下兩個外壁面的長度和寬度方向上的尺寸均為IOmmX IOmm,其外部整體高度為2.4mm,考慮到光電轉(zhuǎn)換的實際效果，燃燒器采用了發(fā)射率為0.9、并具有較強耐高溫性能的SiC陶瓷材料進行加工；在制作時，首先可用專用鏜刀將一個符合上述外觀尺寸的SiC塊加工成左側(cè)開口、右側(cè)封閉的內(nèi)部矩形通道結(jié)構(gòu)，通道高度為2mm，即燃燒器壁面7厚度為0.2mm ;隨后，為形成回?zé)嵬ǖ?，可采用耐高溫、?dǎo)熱性能較好的銅鎢合金(如CuW55)加工出一個如圖2所示的“T”型隔板結(jié)構(gòu)3，其中橫向(水平放置)部分即作為導(dǎo)熱隔板，厚度為0.2_、長度和寬度方向的尺寸為5mmX IOmm ;左側(cè)縱向隔板厚度也為0.2mm、高度和寬度尺寸與燃燒器外觀尺寸保持一致，即為2.4mmX 10mm,其上下中心位置則各加工出有一個直徑為0.8mm的孔，以作為燃燒器的進氣口 I和排氣口 2 ;接著，將兩塊厚度為0.9mm、長度寬度尺寸與導(dǎo)熱隔板保持一致的Al2O3泡沫微孔陶瓷或耐高溫多層金屬網(wǎng)，采用耐高溫膠粘結(jié)在導(dǎo)熱隔板的上下兩側(cè)，以形成燃燒器中的多孔介質(zhì)區(qū)4和5 ;最后，將帶有多孔介質(zhì)的“T”型隔板塞入先前的矩形燃燒通道中，并利用耐高溫膠將縱向隔板和燃燒通道最左側(cè)的壁面部分進行粘結(jié)密封，最終形成一個多孔介質(zhì)回?zé)嵝推桨迨轿⒊叨热紵?。工作時，高壓氣瓶出來的氫氣(或甲烷)和氧氣(或空氣)經(jīng)減壓閥減壓后，先由氣體質(zhì)量流量控制器限定流量，后進入混合器中充分混合，混合后的氣體由銅制導(dǎo)管經(jīng)噴嘴導(dǎo)入微燃燒器中。通過對流量控制器的設(shè)定，可實現(xiàn)對燃料、氧化劑流量及當(dāng)量比的精確控制。
權(quán)利要求
1.一種多孔介質(zhì)回?zé)嵝臀⒊叨热紵?，包括進氣口、出氣口和燃燒器外壁構(gòu)成的通道，其特征在于:通道的一端封閉、另一端設(shè)有T型隔板；τ型隔板由橫隔板和縱端板構(gòu)成，橫隔板延伸至通道內(nèi)，橫隔板長度小于通道長度；橫隔板上、下區(qū)域均設(shè)置多孔介質(zhì)；縱端板位于通道另一端的端口處，進氣口、出氣口均設(shè)置在縱端板上，且對稱分布在橫隔板位置的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔介質(zhì)回?zé)嵝臀⒊叨热紵鳎涮卣髟谟?燃燒器外壁采用SiC陶瓷材料制成，T型隔板材料為銅鎢合金，多孔介質(zhì)采用Al2O3泡沫微孔陶瓷或耐高溫多層金屬網(wǎng)加工形成，并采用耐高溫膠粘結(jié)在橫隔板的上下兩側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種填充多孔介質(zhì)的微尺度平板式回?zé)嵝腿紵?。該燃燒器包括進氣口、出氣口和燃燒器外壁構(gòu)成的通道，通道的一端封閉、另一端設(shè)有T型隔板；T型隔板由橫隔板和縱端板構(gòu)成，橫隔板延伸至通道內(nèi)，橫隔板長度小于通道長度；橫隔板上、下區(qū)域均設(shè)置多孔介質(zhì)；縱端板位于通道另一端的端口處，進氣口、出氣口均設(shè)置在縱端板上，且對稱分布在橫隔板位置的兩側(cè)。本發(fā)明采用的中間導(dǎo)熱隔板，將燃燒器內(nèi)部矩形通道分成兩個區(qū)域，實現(xiàn)了回?zé)崛紵?；這種多孔介質(zhì)和回?zé)崛紵嘟Y(jié)合的設(shè)計方式，將使得通道內(nèi)的微尺度燃燒過程更加的充分和穩(wěn)定，也必將帶來更高、更均勻的輻射壁面溫度分布，從而對提高微型熱光電系統(tǒng)的輸出性能產(chǎn)生積極的作用。
文檔編號F23D14/66GK103090384SQ20131001479
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者唐愛坤, 潘劍鋒, 邵霞, 劉楊先, 盧青波 申請人:江蘇大學(xué)