專利名稱：微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率需求在幾瓦量級(jí)的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
電池可謂是現(xiàn)代軍隊(duì)不可或缺的裝備，從通信儀器到偵查設(shè)備，從熱像儀到單兵 夜視鏡，大到軍艦戰(zhàn)機(jī)，小到GPS接收機(jī)都離不開電池。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美軍一個(gè)戰(zhàn)斗營投入的戰(zhàn) 斗時(shí)必須攜行的電池?cái)?shù)以萬計(jì)。對(duì)一名作戰(zhàn)時(shí)需要負(fù)重100磅的徒步士兵來說，電池是個(gè) 沉重的負(fù)擔(dān)。除去重量，電池性能也是個(gè)問題，傳統(tǒng)型電池工作時(shí)間有限是個(gè)通病。單兵便攜式電源的發(fā)展是電力能源領(lǐng)域的重點(diǎn)之一。這一計(jì)劃的目的在于減輕士 兵的負(fù)擔(dān)，提供關(guān)鍵的脈沖功率組建，并減少用于開發(fā)一流的燃料電池以及電容后勤和處 理費(fèi)用。致力于便攜式電源的零部件開發(fā)可以說是混合動(dòng)力源的基石，在電力系統(tǒng)中能夠 滿足陸軍應(yīng)用的脈沖操作模式將獲得優(yōu)先權(quán)?，F(xiàn)代軍事設(shè)備趨向于向電子化，小型化，隱形 化發(fā)展，特別對(duì)小型發(fā)電機(jī)的需求越來越多。目前常見的軍用發(fā)電設(shè)備主要由柴油發(fā)電機(jī)、 汽油發(fā)電機(jī)、燃料電池、蓄電池等組成。近來由于半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料的發(fā)展，以及溫差發(fā) 電裝置的優(yōu)越性，采用半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)的軍用發(fā)電機(jī)越來越受到重視。國外對(duì)微型熱電發(fā)電器研究較深入的有Princeton大學(xué)，南加州大學(xué)和Michigan 大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)。美國use空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室于2000年推出微型熱電發(fā)電器(Micro Fire)，德國Dresden科技大學(xué)利用銅箔作為介質(zhì)研發(fā)了一種微型熱電發(fā)電器，其面積為 16\30讓2，輸出電壓達(dá)到25011^。普林斯頓大學(xué)發(fā)明了尺寸只有硬幣大小的Swiss-Roll熱 電轉(zhuǎn)換器，并研究了包括氫、甲烷等燃料持續(xù)燃燒要求，研究表明，在300°C以上時(shí)，氫氣和 空氣的混合器可以在較大范圍的比例下反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量從2W到12W，經(jīng)過熱電轉(zhuǎn)換， 能點(diǎn)燃100mW的燈泡。國內(nèi)方面臺(tái)灣國立成功大學(xué)研究了鉬的微管道燃燒現(xiàn)象。以氫氣和空氣的預(yù)混 燃?xì)膺M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，燃?xì)饨?jīng)預(yù)熱進(jìn)入鉬管產(chǎn)生反應(yīng)，鉬管表面以熱傳導(dǎo)性差的陶瓷棉覆蓋。實(shí)驗(yàn) 結(jié)果顯示，混合燃?xì)庠趌mm、0. 5mm和0. 2mm的管徑中具有良好的反應(yīng)，當(dāng)溫度大于550攝氏 度時(shí)，鉬管因劇烈反應(yīng)而變紅，故不能長時(shí)間工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示以鉬為催化劑進(jìn)行微管燃 燒是可行的，其發(fā)展有良好的空間。清華大學(xué)鐘北京等人對(duì)對(duì)二維Swiss-Roll燃燒器進(jìn)行 了數(shù)值仿真，得到了燃燒器的可燃極限和不同雷諾數(shù)下燃燒室中心的溫度分布情況，另外 進(jìn)行了一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。國內(nèi)外對(duì)于微尺度燃燒以及微小型熱電轉(zhuǎn)換器所做的工作主要集中于器件加工 和一些相關(guān)的微燃燒實(shí)驗(yàn)方面，幾乎沒有開展如何保持熱電發(fā)電器冷熱段的溫差以及燃燒 器的溫度場(chǎng)的均勻分布等內(nèi)容的研究工作?，F(xiàn)有專利發(fā)明當(dāng)中如重慶大學(xué)專利號(hào)為ZL 200920126143. 1《一種便攜式微型溫 差發(fā)電器》，采用催化燃燒方式，其催化反應(yīng)整體溫度要維持在500-600°C，仍然遠(yuǎn)高于熱電 模塊能夠承受的高溫限制；另外催化燃燒反應(yīng)速度低于氣相反應(yīng)，因此微尺度下催化燃燒 器的有效熱負(fù)荷和能量密度會(huì)降低，而微燃燒器內(nèi)的催化劑不能長期穩(wěn)定、有效工作。
也有采用燃燒尾氣加熱半導(dǎo)體溫差發(fā)電片熱端的設(shè)計(jì)方式，如中科院廣州能源研 究所申請(qǐng)?zhí)枮?00910042333. X的《一種微型熱電發(fā)電裝置》燃燒器通過燃料的燃燒，利用 其高溫尾氣加熱熱電模塊的熱端，以水冷方式使熱電模塊的熱端與熱電模塊的冷端之間產(chǎn) 生溫度差，從而將溫度差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?。這種方式雖然降低了最高溫度，但是燃燒室與溫 差發(fā)電片獨(dú)立分布，燃燒所產(chǎn)生的熱量大部分以輻射形式傳遞至爐膛壁面，經(jīng)導(dǎo)熱對(duì)流散 失到環(huán)境中，這樣得到了溫度較低的尾氣，該設(shè)計(jì)存在幾個(gè)問題一是熱量的損失嚴(yán)重，二 是沒有充分發(fā)揮燃燒室的作用。當(dāng)采用火焰燃燒方式時(shí)，對(duì)于處于熄火直徑范圍內(nèi)的相同管徑，燃?xì)獠粫?huì)在其中 燃燒，這樣會(huì)導(dǎo)致熱量過于集中在燃燒室內(nèi)部，從而使溫度場(chǎng)的分布不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生新的 問題首先，半導(dǎo)體材料的發(fā)電功率不穩(wěn)定；其次，半導(dǎo)體材料內(nèi)部溫度梯度過大，則相應(yīng) 的熱應(yīng)力必然很大，壽命降低；再者，由于存在溫度極值點(diǎn)，會(huì)直接燒毀半導(dǎo)體材料，而若為 了避免燒毀材料，則只能減少燃料，致使發(fā)電效率以及功率都下降，燃燒也失去穩(wěn)定性。本發(fā)明主要是研制一種微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，而燃燒器可以說是半導(dǎo) 體溫差發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件。性能優(yōu)越的燃燒器不僅是微小型溫差發(fā)電器長時(shí)間工作的需 要，也為半導(dǎo)體溫差發(fā)電片提供了良好的工作環(huán)境。根據(jù)國內(nèi)外的研究進(jìn)展，如果使用處于 熄火直徑范圍內(nèi)的相同管徑的燃燒器，則不管采用火焰燃燒還是催化燃燒方式均不能解決 目前所產(chǎn)生的問題。為此，在滿足系統(tǒng)整體性和功能完善性的前提下，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種燃 燒器采用的是漸變式的管道結(jié)構(gòu)以及多燃燒室的對(duì)稱排布形式，充分利用了燃燒所產(chǎn)生 的熱量，并且出氣通道能夠預(yù)熱進(jìn)氣，提高進(jìn)氣焓值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，同時(shí)也解決了火焰回 火等問題，燃燒方式安全有效，經(jīng)過前期的數(shù)值模擬得到的溫度場(chǎng)分布較為均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其燃燒器燃燒穩(wěn)定 性、溫度分布均勻性均優(yōu)于現(xiàn)有的微小型熱電發(fā)電裝置。一種微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其特征在于自上而下依次包括上溫差發(fā) 電片、上隔熱片、燃燒器、下膈熱片、下溫差發(fā)電片；其中燃燒器包括基板，基板上依次帶有 進(jìn)氣通道、燃燒室和出氣通道，其中進(jìn)氣通道與出氣通道為并行式結(jié)構(gòu)；上述進(jìn)氣通道沿進(jìn) 氣路線分成三段，第一段直徑小于最大熄火直徑，第二段直徑大于最大熄火直徑，第三段直 徑小于最大熄火直徑；上述其出氣通道沿出氣路線分成三段，第一段直徑小于最大熄火直 徑，第二段直徑大于最大熄火直徑，第三段直徑小于最大熄火直徑；上述燃燒室內(nèi)設(shè)有電子 點(diǎn)火裝置。采用變管徑的目的一方面在于控制火焰燃燒的安全性，另一方面實(shí)現(xiàn)了熱量的均 勻分布，具體來說燃?xì)庠诠軓叫∮谙ɑ鹬睆椒秶牟糠植荒苋紵?，而通過大管徑時(shí)，由于 質(zhì)量流量守恒，速度會(huì)減小，高溫燃?xì)庠谌紵鲀?nèi)部停留時(shí)間增長，同時(shí)換熱面積增大也加 速了熱量的均勻擴(kuò)散。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)如果在燃燒室的進(jìn)出口附近采用大于最大熄火直徑的 管徑，則在燃燒室內(nèi)部將形成兩個(gè)火焰面，分別向燃燒室的進(jìn)氣管道與出氣管道延伸，熱量 會(huì)迅速導(dǎo)出，并加熱周圍壁面，高溫的壁面也會(huì)不斷加熱進(jìn)氣管道與出氣管道中的氣體，使 得微尺度下的熄火距離沒有意義，也就是即使管徑小于了熄火直徑，但由于高溫壁面的加 熱作用，使得燃燒仍然能夠發(fā)生，這樣產(chǎn)生的直接后果是燃燒回火至進(jìn)口，安全失去保障。故本專利設(shè)計(jì)這樣一種管道結(jié)構(gòu)。上述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，可以采用單燃燒室結(jié)構(gòu)，具體為燃燒室 位于基板的中心位置，上述進(jìn)氣通道和出氣通道呈雙螺旋形圍繞該燃燒室。進(jìn)氣通道與出 氣通道的并行螺旋排布，一方面減小了流阻，另一方面提高了進(jìn)氣焓值，使微尺度下燃燒更 加穩(wěn)定。上述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，可以采用多燃燒室結(jié)構(gòu)，具體為上述燃 燒器的基板均勻分成3-4個(gè)子燃燒區(qū)，其中每個(gè)燃燒區(qū)分別設(shè)由上述進(jìn)氣通道及燃燒室和 出氣通道組成。多燃燒室結(jié)構(gòu)可以將與單燃燒室相同進(jìn)氣流量經(jīng)燃燒所產(chǎn)生的熱量更均勻 地分布到每個(gè)燃燒區(qū)域，同時(shí)更多的氣流槽道增加了對(duì)流換熱面積，減緩了燃燒器的灼傷 程度，從而也優(yōu)化了熱量的均勻分布。上述多燃燒室結(jié)構(gòu)中，所有子燃燒區(qū)的進(jìn)氣通道的進(jìn)口可以均位于基板中心并相 通，這樣便可采用同一進(jìn)氣管道對(duì)燃燒器提供燃?xì)馀c空氣的混合氣體，方便實(shí)用。上述多燃燒室結(jié)構(gòu)中，所有子燃燒區(qū)可以沿基板中心對(duì)稱分布，根據(jù)所分區(qū)域面 積的大小，設(shè)置進(jìn)氣管道與出氣管道的繞數(shù)，子燃燒區(qū)數(shù)目越多，幾何圖形越復(fù)雜，加工也 越困難，本專利對(duì)多燃燒室燃燒器采用3-4個(gè)燃燒室，如有數(shù)目更多但結(jié)構(gòu)相同的燃燒器， 均在本專利權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。上述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其基板可以包括上基板和下基板，上基 板和下基板具有凹槽，對(duì)接后形成上述進(jìn)氣通道、燃燒室和出氣通道；且在并行式進(jìn)氣通道 和出氣通道之間形成與基板相連的隔板。此加工方法需對(duì)上下基板都做蝕刻，加工較為復(fù) 雜，但密閉性較好。上述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其基板可以刻有通槽，且該基板與上隔 熱片、下隔熱片貼合形成上述進(jìn)氣通道、燃燒室和出氣通道。加工簡單，但密閉性較差。燃料通過進(jìn)氣管道不斷進(jìn)入燃燒室并持續(xù)燃燒，隨著熱量的輻射與導(dǎo)熱，熱沉被 加熱到一定溫度，熱量從上下兩個(gè)方向加熱溫差發(fā)電片的熱端，并通過某種冷卻方式使溫 差發(fā)電片兩端形成溫差，在電源輸出端持續(xù)輸出電能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是燃燒器工作安全穩(wěn)定、溫度場(chǎng)分布更均勻，其外形為薄片型，體 積小，能有效地將燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)換為電能輸出，特別適用于無普通電源的野外以及為 軍事、航空方面高、精、尖技術(shù)領(lǐng)域中的微型裝置提供電源。


圖1是微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)的截面圖。圖2是微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)雙面供熱式燃燒器單燃燒室結(jié)構(gòu)圖。圖3是微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)雙面供熱式燃燒器三燃燒室結(jié)構(gòu)圖。圖4是微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)雙面供熱式燃燒器四燃燒室結(jié)構(gòu)圖。摘要附圖以及上述各圖中標(biāo)號(hào)名稱，1.燃燒器，2.上隔熱片，3.下隔熱片，4.上溫 差發(fā)電片，5.下溫差發(fā)電片，6.出氣通道，7.進(jìn)氣通道，8.隔板，9.基板，10.燃燒室
具體實(shí)施例方式參照附圖，本發(fā)明包括電源輸出端上溫差發(fā)電片4和下溫差發(fā)電片5，具有不同管道結(jié)構(gòu)的燃燒器1，通常由耐高溫且不導(dǎo)電的硅片或二氧化硅刻蝕而成，其螺旋槽道在同一 平面以圓形或方形或任意適合形狀盤旋。圖示實(shí)例中螺旋型槽為方形盤旋，其高度和寬度 在500um 1mm之間。對(duì)于單燃燒室燃燒器(圖2)，在上溫差發(fā)電片4和下溫差發(fā)電片5， 以及和上隔熱片2和下隔熱片3的中心位置設(shè)有通孔，連接電子點(diǎn)火裝置，通常使溫差發(fā)電 片中心通孔的直徑和管道的高度、寬度相同，燃?xì)鈴倪M(jìn)氣通道7進(jìn)入中心燃燒室燃燒后經(jīng) 出氣通道排出至大氣環(huán)境。燃燒所釋放的熱量通過上隔熱片2和下隔熱片3導(dǎo)熱給上溫差 發(fā)電片4和下溫差發(fā)電片5，通過某種冷卻方式使溫差發(fā)電片的上下面形成一定溫差然后 輸出電能。從圖2中可以看到，在進(jìn)入螺旋槽道前，管徑處于熄火直徑之內(nèi)，而在整個(gè)螺旋 槽道內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)局部的火焰?zhèn)鞑ィ艽_保燃?xì)鉄粫?huì)回火至進(jìn)氣口，穩(wěn)定安全可操控。燃?xì)?在管徑小于熄火直徑范圍的部分不能燃燒，而通過大管徑時(shí)，由于質(zhì)量流量守恒，速度會(huì)減 小，高溫燃?xì)庠谌紵鲀?nèi)部停留時(shí)間增長，同時(shí)換熱面積增大也加速了熱量的均勻擴(kuò)散。
對(duì)于多燃燒室燃燒器，有多個(gè)燃燒室，燃?xì)馀c空氣混合氣體從處于同一通孔處矩 形或正三角排布的進(jìn)氣口進(jìn)入，在燃燒室中心處有點(diǎn)火裝置，引燃?xì)怏w，進(jìn)氣道直徑處于熄 火直徑范圍，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定安全燃燒，出氣管道部分區(qū)域直徑約為進(jìn)氣管道直徑2倍，該空間 范圍也能實(shí)現(xiàn)甲烷或氫氣燃燒，使熱量分布更均勻?？紤]到熄火直徑范圍，可燃?xì)怏w采用甲 烷或氫氣等壓縮氣體和壓縮空氣相混合而成。三種燃燒器的燃燒室進(jìn)出口位置均采用了漸 變管徑，使火焰穩(wěn)定在燃燒室內(nèi)部，進(jìn)而得到均勻的溫度場(chǎng)，給半導(dǎo)體溫差發(fā)電片提供良好 的工作環(huán)境。
權(quán)利要求
一種微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其特征在于自上而下依次包括上溫差發(fā)電片(4)、上隔熱片(2)、燃燒器(1)、下膈熱片(3)、下溫差發(fā)電片(5)；其中燃燒器(1)包括基板(9)，基板(9)上依次帶有進(jìn)氣通道(7)、燃燒室(10)和出氣通道(6)，其中進(jìn)氣通道(7)與出氣通道(6)為并行式結(jié)構(gòu)；上述進(jìn)氣通道(7)沿進(jìn)氣路線分成三段，第一段直徑小于最大熄火直徑，第二段直徑大于最大熄火直徑，第三段直徑小于最大熄火直徑；上述其出氣通道(6)沿出氣路線分成三段，第一段直徑小于最大熄火直徑，第二段直徑大于最大熄火直徑，第三段直徑小于最大熄火直徑；上述燃燒室(10)內(nèi)設(shè)有電子點(diǎn)火裝置(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其特征在于上述燃燒器 (1)的燃燒室(10)位于基板(9)的中心位置，上述進(jìn)氣通道(7)和出氣通道(6)呈雙螺旋 形圍繞該燃燒室(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其特征在于上述燃燒器 (1)的基板(9)均勻分成3-4個(gè)子燃燒區(qū)，其中每個(gè)燃燒區(qū)分別設(shè)由上述進(jìn)氣通道(7)及燃 燒室(10)和出氣通道(6)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其特征在于上述所有子 燃燒區(qū)的進(jìn)氣通道(7)的進(jìn)口均位于基板(9)中心并相通。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其特征在于上述所有子 燃燒區(qū)沿基板(9)中心對(duì)稱分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其特征在于上述基板(9) 包括上基板和下基板，上基板和下基板具有凹槽，對(duì)接后形成上述進(jìn)氣通道(7)、燃燒室 (10)和出氣通道(6)；且在并行式進(jìn)氣通道(7)和出氣通道(6)之間形成了與基板相連的 隔板(8)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，其特征在于上述基板(9) 刻有通槽，且該基板(9)與上隔熱片(2)、下隔熱片(3)貼合形成上述進(jìn)氣通道(7)、燃燒室 (10)和出氣通道(6)。
全文摘要
一種微小型燃燒式半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)，屬電子設(shè)備領(lǐng)域。自上而下依次包括上溫差發(fā)電片(4)、上隔熱片(2)、燃燒器(1)、下隔熱片(3)、下溫差發(fā)電片(5)；其中燃燒器(1)包括基板(9)，基板(9)上依次帶有進(jìn)氣通道(7)、燃燒室(10)和出氣通道(6)，其中進(jìn)氣通道(7)與出氣通道(6)為并行式結(jié)構(gòu)；上述進(jìn)氣通道(7)和出氣通道(6)為變直徑方式。本發(fā)明針對(duì)單兵作戰(zhàn)電池領(lǐng)域，體積小、重量輕，連續(xù)工作性能強(qiáng)，特別適用于無普通電源的野外以及軍事、航空方面高、精、尖技術(shù)領(lǐng)域中的微型裝置提供電源。
文檔編號(hào)H02N11/00GK101860280SQ20101015848
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者單華偉, 葉莉, 周文生, 姚君磊, 梁林, 毛靖, 白忠愷, 韓東, 顧昂 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)