CN101483401B - 微型预混燃烧器热电电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型预混燃烧器热电电源，包括壳体(1)、设于壳体(1)外表面的电源输出接点(2)，设于壳体(1)内的热源腔(3)、微小型热发电器(4)、冷源腔(5)、燃料腔(6)、设在壳体(1)上的点火装置(7)、排气口(8)、燃料输送口(10)；壳体(1)壁与冷源腔(5)壁贴合，冷源腔(5)壁与微小型热发电器(4)壁贴合，微小型热发电器(4)壁与热源腔(3)壁贴合；点火电极(11)设于热源腔(3)腔体内；燃料腔(6)分别与热源腔(3)、燃料输送口(10)间设有通道，热源腔(3)与排气口(8)间设有通道。本发明作为微机电系统电源，解决了微机电系统使用不方便的问题，并解决学电池带来的环境污染问题。

Description

微型预混燃烧器热电电源
技术领域
本发明涉及一种利用微型的预混燃烧器燃烧为温差发电器提供能源并持续发电的装置，具体讲是一种微型预混燃烧器热电电源。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)技术的迅猛发展，如微型传感器、超微电动机、微型飞行器、各种柔性管道机器人等得到逐步的推广应用。尽管MEMS器件的许多功能部件，如微传感器、微执行器、微泵、微阀等，都已经可以做得很小，但是为MEMS器件提供能量的动力源则是采用以下两种供电方式：
1、采用外接电缆供电，这种供电方式需要微机电系统的各个器件通过电缆连接，对于微机电系统来讲，这种电缆的连接则增加了微机电系统的接线的复杂性，同时造成了微机电系统尤其是柔性管道机器人在使用过程中的诸多不便。
2、采用化学电池，但是化学电池不能够反复使用，并且其废弃后容易对环境造成污染。
因此，亟待需要一种在微机电系统中使用方便且能够反复使用的微型电源。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种在微机电系统中使用方便且能够反复使用的微型预混燃烧器热电电源。
本发明的技术方案是，提供一种微型预混燃烧器热电电源，包括壳体、设于壳体外表面上的电源输出接点，它还包括设于壳体内的热源腔、微小型热发电器、腔体内装有低温材料的冷源腔、燃料腔、设在壳体外表面上的点火装置、排气口、燃料输送口；所述的壳体内壁与所述的冷源腔外壁贴合，所述的冷源腔内壁与所述的微小型热发电器外壁贴合，所述的微小型热发电器内壁与所述的热源腔外壁贴合；所述的点火装置的点火电极设于热源腔的腔体内；所述的热源腔与燃料输送口之间设有燃料输送通道，所述的热源腔与壳体外的排气口之间设有排气通道；所述的微小型热发电器的发电引出导线与所述的壳体上的电源输出接点连接。
采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明微型预混燃烧器热电电源，主要结构包括热源腔、冷源腔、微小型热发电器，通过热源腔和冷源腔之间的温差将热能转换为电能，可直接将本发明微型预混燃烧器热电电源嵌入在微机电系统中，为微机电系统提供电源，解决了微机电系统以往由电缆供电时使用不方便的问题。并且本发明微型预混燃烧器热电电源与化学电池相比，解决了化学电池在使用后对环境产生污染的问题，可在热源腔内的燃料使用完之后通过在壳体的燃料输送口继续添加燃料来重复使用。
作为改进，本发明的热源腔内设有多层隔板、形成多个腔体，所述的腔体之间设有首尾相接的通道，这增长了燃烧气体入口与排气口之间的路径，使燃烧比较充分，并且气体在排出的过程中，气体与热源腔体间的热交换更加充分。
作为进一步改进，本发明的冷源腔的内壁上设有多个凸起，增加了冷源腔的内壁的面积，可使冷源腔与微小型热发电器之间的热交换更加充分。并且本发明的冷源腔还设有冷源入口和冷源出口，可在低温材料相变发生完全后，可添加新的冷源以维持低温端的温度恒定。
作为更进一步改进，本发明热源腔的外壁上或微小型发电器的内壁上设有一层导热材料，该导热材料可以使热源腔的与微小型热发电器之间的热交换更加充分。
附图说明
图1是本发明微型预混燃烧器热电电源的结构示意图。
图2是本发明微型预混燃烧器热电电源的俯视结构示意图。
图3是本发明微型预混燃烧器热电电源的热源腔的俯视结构示意图。
图4是本发明微型预混燃烧器热电电源的微小型热发电器的结构示意图。
图中所示1、壳体，2、电源输出接点，3、热源腔，4、微小型热发电器，5、冷源腔，6、燃料腔，7、点火装置，8、排气口，9、气体控制阀门，10、燃料输送口，11、点火电极，12、隔板，13、隔热层，14、微小型热发电器的电能输出端，15、气体控制阀门，16、壳体的冷源输入口，17、壳体的冷源输出口，18、热源腔的燃料输入口，19、热源腔的排气口，20、内覆盖基板，21、外覆盖基板，22、电偶臂。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明的发电的基本原理是：利用热源腔3和冷源腔5在微型热电发电器的两端产生温差，该微小型热发电器4通过塞贝克效应直接将温差转换为电能。
如图1、图2所示，在本实施例中，本发明微型预混燃烧器热电电源，包括壳体1、设于壳体1外表面上的电源输出接点2；它还包括设于壳体1内的热源腔3、微小型热发电器4、装有低温材料的冷源腔5、两个燃料腔6(第一燃料腔用于充填高压的液态燃料如氢气、甲烷、丁烷等碳氢燃料；第二燃料腔用于充填氧气或空气)、设在壳体1外表面上的点火装置7、排气口8、两个装有气体控制阀门15的燃料输送口10(第一输送口用于燃烧气体输送；第二输送口用于氧气或空气的输送)、壳体的冷源输送口16、壳体的冷源输出口17。气体控制阀门15为单向阀，热源腔3和燃料腔6的通道上还安装了一个气体流量控制阀，调节燃料充入时的流量。
如图3所示，本实施例采用的热源腔3为金属外壳，其最大外形尺寸为2-9mm或更小，包括上盖和下盖，上盖与下盖通过胶合或粘接的方式连接。热源腔3的腔体内设有多层隔板12，相邻的隔板12之间的最大距离为1-3mm，隔板12的材料为绝热材料，如石棉、石英或单晶硅等材料。多层隔板12形成多个腔室，即预混室、燃烧室、热交换室等，各个腔室之间设有首尾相通的气体通道。本实施例的热源腔3的底部设有两个热源腔的燃料输送口(分别第一燃料输送口和第二燃料输送口)，热源腔3的腔体顶部设有热源腔的排气口19。上述的热源腔3可通过微加工实现，也可以通过普通的精细加工实现。
如图4所示，本实施例采用的微小型热发电器4为微小型热电堆式发电器，其外形尺寸在2-10mm或以下，包括内覆盖基板20、外覆盖基板21和电偶臂22，覆盖基板的材料为高导热绝缘材料，如95％的氧化铝陶瓷或75％的氧化铝陶瓷，也可采用金属材料外镀绝缘层制成，如铜或铝或其他高导热系数的金属材料。所述的微小型热发电器4的内壁和外壁分别为内覆盖基板20和外覆盖基板21，所述的内覆盖基板20与外覆盖基板21之间设有半导体电偶臂22阵列，所述的微小型热发电器的电能输出接点14与壳体1上的电源输出接点2连接。
如图2所示，本实施例采用的冷源腔5的尺寸为2-9mm或以下，其腔体内壁上设有多个凸起，凸起即是金属肋片，所述的冷源腔5内置有低温相变蓄冷材料，高贮能低温固-液相变材料作为冷源，适于作低温相变材料贮冷共晶混和物主要有KF·H2O、NH4SCN·H2O、NaF·H2O、NHHCO3·H2O等无机水合盐，以及冷冻的冰水混合物或者低温的冰水混合物。根据发电器不同的工作环境，可选择合适的低温相变贮能材料。通过低温相变贮能材料，可使热电电源低温端的温度维持在较低的温度范围。冷源腔5也可以加金属肋板或金属网格以增强冷源的导热性能。该冷源腔还设有冷源入口，冷源出口，与壳体的冷源输送口16、壳体的冷源输出口17相通，在使用中若发现冷源相变发生完全，可添加新的低温相变贮能材料以维持温度恒定。
本实施例的燃料腔6为两个，设于两个相邻的冷源腔5之间，燃料腔设有一燃料腔的燃料输入口和一燃料腔的燃料输出口。
热源腔3的内壁上设由两个点火电极11，这两个点火电极11与点火装置7通过导线连接。点火装置7为压电陶瓷元件，点火电极11的材料是铂或铑或铂-铑合金，对腔体内的反应起催化的作用。该点火装置7可提供1500V以上的高电压，使腔体内的点火电极16产生火花，并加上点火电极16上的金属催化物，促使混合气体升温并点燃。
热源腔3的外壁、微小型热发电器4的内壁和外壁、冷源腔5的内壁均为光滑表面。壳体1内壁与冷源腔5外壁贴合，冷源腔5内壁与微小型热发电器4外壁贴合，微小型热发电器4内壁与热源腔3外壁贴合。在本实施例中，热源腔3的四个面与微小型热发电器4的内覆盖基板20贴合，微小型热发电器4的外覆盖基板21与冷源腔5的内壁贴合，冷源腔5的外壁与壳体1内壁贴合，所述的微小型热发电器4的上下表面和壳体1之间设有一层隔热层13。
两个燃料腔的燃料输出口与两个热源腔的燃料输送口18通过管道连接，两个燃料腔的燃料输入口与燃料输送口10之间通过管道连接，所述的热源腔的排气口19与壳体1外的排气口8之间设有排气通道。
热源腔3外壁或微小型热发电器4的内壁上涂有导热硅脂灯高导热材料，用于热源腔3和微小型发电器4之间的热交换更加充分。
本发明中所讲的热源腔3、微小型热发电器4、冷源腔5的最大外形尺寸是指：该热源腔3、微小型热发电器4、冷源腔5的长、宽、高均不超过该范围。
本发明的动态过程为：气体燃料在高压时呈液态，主要存放在燃料腔6中，燃料通过气体控制阀门9进入燃料腔6，单向阀15控制气体回流。通过气体控制阀门9还可控制燃料和氧气进入燃烧器预混室的流速。通过点火装置7产生高压，在两电极之间产生高压，点火，混合气在热源腔3的底部腔体内点燃，通过热源腔3的多个腔体内，与热腔体壁进行热交换，最后通过热源腔3的排气口出热源腔3。热源腔3通过腔体壁将热量传输至微小型热发电器4。冷源分布于微型电热堆式发电器周围，通过低温相变贮能材料，可使本发明微型预混燃烧器热电电源的低温端的温度维持在较低的温度范围，微小型热发电器4则根据热源和冷源之间的温差通过以获得电能。
另外，本发明并不限于以上所述的结构，如多层隔板12形成的腔体的各个腔室之间设有燃气通道，该燃气通道并不一定要首尾相连，只要是能延长燃烧气体入口与排气口之间的路径的结构都可以；燃烧腔可为3个、4个、5个等。

Claims (6)

1.一种微型预混燃烧器热电电源，包括壳体(1)、设于壳体(1)外表面上的电源输出接点(2)，其特征在于：它还包括设于壳体(1)内的热源腔(3)、微小型热发电器(4)、装有低温材料的冷源腔(5)、燃料腔(6)、设在壳体(1)外表面上的点火装置(7)、排气口(8)、装有气体控制阀门(15)的燃料输送口(10)；所述的壳体(1)内壁与所述的冷源腔(5)外壁贴合，所述的冷源腔(5)内壁与所述的微小型热发电器(4)外壁贴合，所述的微小型热发电器(4)内壁与所述的热源腔(3)外壁贴合；所述的点火装置(7)的点火电极(11)设于热源腔(3)的腔体内；所述的燃料腔(6)分别与热源腔(3)、燃料输送口(10)之间设有燃料输送通道，所述的热源腔(3)与壳体(1)外的排气口(8)之间设有排气通道；所述的微小型热发电器(4)的电能输出接点与所述的壳体(1)上的电源输出接点(2)连接。
2.根据权利要求1所述的微型预混燃烧器热电电源，其特征在于：所述的热源腔(3)的最大外形尺寸为2-9mm，所述的热源腔(3)的腔体内设有多层隔板(12)，相邻的所述隔板(12)之间的距离为1-2mm，所述的多层隔板(12)形成多个腔体，所述的多个腔体之间设有首尾相接的燃气通道。
3.根据权利要求1所述的微型预混燃烧器热电电源，其特征在于：所述的冷源腔(5)的最大外形尺寸1-9mm，其内壁上设有多个凸起，所述的冷源腔(5)上设有冷源入口和冷源出口。
4.根据权利要求1所述的微型预混燃烧器热电电源，其特征在于：所述的热源腔(3)的外壁上或微小型发电器(4)的内壁上设有一层导热材料。
5.根据权利要求1所述的微型预混燃烧器热电电源，其特征在于：所述的燃料腔(6)为两个，所述的燃料腔(6)设于两个相邻的冷源腔(5)之间。
6.根据权利要求1所述的微型预混燃烧器热电电源，其特征在于：所述的低温材料为低温贮能相变材料。
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