CN101666497B - 一种利用离子风组织气流的微燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用离子风组织气流的微燃烧器。包括燃料入孔(1)，排气孔(2)，空气进气孔(7)，外套壁(3)，内套壁(4)，电极阳极(8)，电极阴极(9)和电子打火装置(16)。其中电极阴极为针形高温耐火良导体，内套壁侧面为多孔烧结材料。内套壁与外套壁形成夹层空间(6)，外套壁与排气孔形成空气进气孔(7)，内套壁内为燃烧室(5)，电极阳极内嵌或电镀于外套壁内侧，电极阴极由阴极固定板(10)固定于排气孔中轴线。本发明通过外加强电场产生的离子风，使空气做强制流动，与燃烧室内燃料充分接触，保证燃烧的充分性；同时，本结构能有效减少热量损失，促进燃烧稳定性，提高燃烧效率。

Description

一种利用离子风组织气流的微燃烧器

技术领域

本发明涉及一种微燃烧器，具体涉及通过外加强电场产生离子风，并利用离子风组织气流，促进扩散火焰燃烧的微燃烧器。

背景技术

随着微电子机械系统(MEMS)技术的迅速发展，微型化已成为科技潮流的新趋势，如各种微型飞行器和电子设备、以及高技术现代化战争中微小武器的研制成功为人们开创了一个新的领域，同时也使人们认识到了微能源系统的重要性。微动力装置采用锂电池供能的明显缺点是其能量密度小，供能系统所占体积、重量较大。因此，研制体积小、重量轻、能量密度高并且能够持续供能的微能源系统具有重要的作用。而作为微能源系统的核心，对微型燃烧器的研究引起了国内外极大的关注。

目前对微燃烧器的研究方向主要集中在如何减少热量损失以提高效率保证火焰稳定性，如采用多孔材料抑制热传递，采用回热通道来预热未燃混合气体，以及多圈缠绕，逆流换热结构等。但现有的微燃烧器所采用的燃料形式均为预混气体，如中国专利ZL200610036628.2公开的一种低热损失的微尺度燃烧器，其利用多孔烧结材料(陶瓷、铜、不锈刚及镍金属烧结而成)，采用壁面多孔进气的方式，合理组织可燃预混气体在燃烧室内有效燃烧，但是需要燃料与空气事先混合。预混气体体积大，能量密度低，储存和运输不便，且有爆炸危险，所以不具实用性。相对而言，液态燃料或高压气态燃料则是微燃烧器未来发展的必然选择。但是纯净燃料的燃烧形式为扩散火焰，与预混火焰不同，扩散火焰燃烧时需要以较好的气流组织方式以促使燃料与空气充分混合。但微燃烧器内气流组织存在的问题是：与传统燃烧器相比，微燃烧器的体积小，在一般几立方毫米至一立方厘米之间，且产生的能量少，这使传统上用于大型燃烧器的以风机等为基础的气流组织结构因其体积大，结构复杂，能耗高且能源利用率低等因素，难以在微燃烧器上实现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种利用离子风组织气流的微燃烧器，本发明利用外加强电场形成的离子风解决微燃烧器扩散火焰气流组织的问题，具有体积小，重量轻，自身能耗率低，散热量少，燃烧效率高等优势。

本发明是基于这样一种物理原理，在高压电极两端所形成的开放区域内，空气由于强电场而发生电离，其中自由电子向阳极移动，被吸收，带正电的气体分子向阴极移动，从而在阳极附近形成负压区域。带正电分子与负极撞击后带负电荷，由于同性相斥作用而逆向移动，与迎面带正电的分子撞击而发生中和，从而在阴极附近形成正压区域。由于压力差，电极处空气与周围气体形成强制循环流动，从而形成离子风。离子风横向通过由多孔材料形成的燃烧室内壁，与纵向从轴线端进入的气态或由于高温汽化的液体燃料充分混合，从而促进燃烧反应进一步完全。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种利用离子风组织气流的微燃烧器，包括外套壁3、内套壁4、燃料入孔1、排气孔2、空气进气孔7和电子打火装置16，内套壁4的侧面为多孔烧结材料，外套壁3与内套壁4形成夹层空间6，所述的空气进气孔7为外套壁3与排气孔2之间形成的环形间隙，所述的内套壁4、外套壁3的截面均为圆形。

微燃烧器设有电极装置，其电极装置由电极阳极8和电极阴极9构成，电极阳极8内嵌或电镀于外套壁3的内壁，电极阴极9为针形，其末端由阴极固定板10固定到排气孔2的内壁，阴极固定板10分上下两层，每层由四块板组成，四块板呈十字形分布，板两端分别与阴极末端加固层14、排气孔2的内壁可以通过耐高温粘合剂连接，只要将电极阴极9固定，保证针形的电极阴极9位于燃烧室5轴线即可。

所述的电极阴极9的材料为耐高温抗氧化金属，包括银、金、铂。

所述的阴极固定板10为耐高温硬质材料，厚度为0.1mm～0.5mm，材料包括陶瓷、碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅等。

所述的电极阴极9通过导线接地；所述的电极阳极8通过导线与高压直流电源正极相连。

所述的电极阴极9的尖端距燃料入孔有0～1mm的距离。

所述的外套壁3为耐高温绝缘体，包括陶瓷、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅等。

内套壁4的侧面为多孔烧结材料，多孔烧结材料为陶瓷、铜、不锈刚及镍金属烧结而成，透气率20％～50％，多孔烧结壁面厚0.1～3mm，烧结材料粒径分布均匀，压力损失小。

所述外套壁3与内套壁4之间间隙为0.5mm～2mm。

所述内套壁内径为3mm～10mm。

所述的电极装置形成的电场强度范围为250～2000kV/m。

燃料入孔1、排气孔2分别位于内套壁4轴向的两端，电极阴极9的末端包覆有阴极末端加固层14，使阴极易于固定且绝缘，内套壁4的内腔为燃烧室5，外套壁3与内套壁4形成夹层空间6。夹层空间6通过空气进气孔7与外界环境连通。

所述的阴极末端加固层14为耐高温硬质绝缘材料，包括陶瓷、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅等。

外套壁3穿孔，使电极阳极8通过导线与高压直流电源正极连接。排气孔2壁上穿孔，使电极阴极9通过导线接地。

工作时，电子打火装置16点火，接通直流高压电源，离子风从空气进气孔7进入夹层空间6，透过陶瓷粉末烧结而成的多孔材料横向进入燃烧室5，与从燃料入孔1纵向进入的气态燃料或由于燃烧而高温汽化的液态燃料发生强烈混合作用，使燃料与空气充分接触。同时，透过的空气会沿多孔材料内壁形成一层气膜，有效的阻止壁面导热，且空气的流动方向与热量沿壁面传播方向相逆，空气进入夹层空间6时与内套壁上端板13发生的强烈对流换热，也会带回一部分热量，从而很大程度上减少壁面热损失，使燃烧室5内保持高温。燃料与空气的充分接触，加上较少的壁面热损失与较高的燃烧反应温度，可以使燃烧反应高效，稳定的进行。

本发明相对于现有技术的优点及有益效果：

(1)与使用小型风机组织气流相比，利用高压电极产生离子风这一技术方案，具有体积小，重量轻，自身能耗率低等优势，特别适用于微动力装置领域。

(2)本发明中燃烧方式为扩散火焰，无需燃料与空气事先混合，与以往的预混火焰微燃烧器相比更具实用性。

(3)本发明中，离子风从空气进气孔进入夹层空间，透过多孔材料横向进入燃烧室，与从燃料入孔纵向进入的气态燃料或由于燃烧而高温汽化的液态燃料发生强烈混合作用，这种气流组织形式能够很好的保证燃料与空气充分接触，完全燃烧。

(4)本发明中透过多孔材料的空气沿多孔材料内壁形成一层气膜，有效的阻止壁面导热，且空气的流动方向与热量沿壁面传播方向逆向，空气与内套壁上端板发生的强烈对流换热，也会带回一部分热量，从而很大程度上减少壁面热损失，使燃烧室保持高温，具备散热量少，燃烧稳定性好特点。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为外套壁与阳极结构图；

图3为内套壁与阴极结构图；

图4为排气孔与电极阴极之间的连接图；

图5为图4中A-A剖视图。

其中，1、燃料入孔，2、排气孔，3、外套壁，4、内套壁，5、燃烧室，6、夹层空间，7、空气进气孔，8、电极阳极，9、电极阴极，10、阴极固定板，11、外套壁上端板，12、外套壁下端板，13、内套壁上端板，14、阴极末端加固层，15、阴极金属材料，16、电子打火装置。

具体实施方式

如图1所示，本发明的微燃烧器，包括外套壁3、内套壁4、燃料入孔1、排气孔2、空气进气孔7和电子打火装置16；燃料入孔1与排气孔2分别位于内套壁4轴向的两端，内套壁4的侧面为陶瓷粉末烧结而成的多孔材料，厚度1mm，透气率为30％，外套壁3为陶瓷材料，外套壁3与内套壁4形成夹层空间6，燃料入孔1、排气孔2、内套壁4与外套壁3的截面均为圆形，空气进气孔7为外套壁3与排气孔2之间形成的环形间隙，微燃烧器设有电极装置。

电极装置由电极阳极8和电极阴极9构成，如图2所示，电极阳极8电镀于外套壁3的内壁，如图3所示，电极阴极9为针形，位于内套壁4轴线上，其末端由上下两层阴极固定板10固定到排气孔2的内壁，阴极固定板10由四块陶瓷薄板组成，四块薄板呈十字形分布，薄板两端分别与阴极末端加固层14、排气孔2的内壁通过耐高温粘合剂连接。薄板的厚度为0.1mm。

如图4和5所示，电极阴极9末端包覆有阴极末端加固层14，使电极阴极9易于固定且绝缘，阴极末端加固层14材料为陶瓷。电极阳极8材料为铜，电极阴极9为铂。夹层空间6通过空气进气孔7与外界环境连通，通过多孔材料与燃烧室5连通。

外套壁穿孔，使电极阳极8通过导线与高压直流电源正极相连。排气孔穿孔，使电极阴极9通过导线接地，电极极距4mm，直流高压电源电压3kV。外套壁内径8mm，内套壁内径4mm，燃烧室高度5mm，电极阴极9的尖端距燃料入孔有0.5mm的距离，外套壁3与内套壁4之间间隙为1mm。电极装置形成的电场强度为750kV/m。

工作时，电子打火装置16点火，接通直流高压电源，离子风从空气进气孔7进入夹层空间6，透过陶瓷粉末烧结而成的多孔材料横向进入燃烧室5，与从燃料入孔1纵向进入的气态燃料或由于燃烧而高温汽化的液态燃料发生强烈混合作用，使燃料与空气充分接触燃烧。同时，透过的空气沿多孔材料内壁形成一层气膜，有效的阻止壁面导热，且空气的流动方向与热量沿壁面传播方向相逆，空气进入夹层空间6时与内套壁4上端板发生的强烈对流换热，也会带回一部分热量，从而很大程度上减少壁面热损失，使燃烧室5内保持高温。燃料与空气的充分接触，加上较少的壁面热损失与较高的燃烧反应温度，使燃烧反应高效，稳定的进行。

Claims (10)

1.一种利用离子风组织气流的微燃烧器，包括外套壁(3)、内套壁(4)、燃料入孔(1)、排气孔(2)、空气进气孔(7)和电子打火装置(16)，内套壁(4)的侧面为多孔材料，外套壁(3)与内套壁(4)形成夹层空间(6)，其特征在于，微燃烧器设有电极装置。

2.根据权利要求1所述的利用离子风组织气流的微燃烧器，其特征在于，所述的电极装置由电极阳极(8)和电极阴极(9)构成，电极阳极(8)内嵌或电镀于外套壁(3)的内壁，电极阴极(9)为针形，电极阴极(9)位于内套壁(4)的轴线上。

3.根据权利要求2所述的利用离子风组织气流的微燃烧器，其特征在于，所述的电极阴极(9)由阴极固定板(10)固定，阴极固定板(10)由耐高温硬质材料制成，分上下两层组成，每层四块板，四块板呈十字形分布，每块板两端分别与阴极末端加固层(14)和排气孔(2)的内壁连接，板厚度0.1～0.5mm。

4.根据权利要求3所述的利用离子风组织气流的微燃烧器，其特征在于，所述的电极阴极(9)通过导线接地；所述的电极阳极(8)通过导线与高压直流电源正极相连。

5.根据权利要求4所述的利用离子风组织气流的微燃烧器，其特征在于，所述的电极阴极(9)的材料为耐高温抗氧化金属。

6.根据权利要求5所述的利用离子风组织气流的微燃烧器，其特征在于，所述的电极阴极(9)的尖端距燃料入孔有0～1mm的距离。

7.根据权利要求6所述的利用离子风组织气流的微燃烧器，其特征在于，所述的阴极末端加固层(14)为耐高温硬质绝缘材料。

8.根据权利要求7所述的利用离子风组织气流的微燃烧器，其特征在于，所述的电极装置形成的电场强度为250～2000kV/m。

9.根据权利要求8所述的利用离子风组织气流的微燃烧器，其特征在于，所述的空气进气孔(7)为外套壁(3)与排气孔(2)之间形成的环形间隙，与排气孔(2)同侧，所述的排气孔(2)、内套壁(4)和外套壁(3)的截面均为圆形。

10.根据权利要求9所述的利用离子风组织气流的微燃烧器，其特征在于，所述的外套壁(3)为耐高温绝缘体。

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