CN106471314B - 利用热电发电的便携式燃烧设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种便携式燃烧设备，所述便携式燃烧设备提供更清洁的燃烧、通过风扇的使用提供更有效的整体燃烧并提供作为烤架顶的烹饪表面，所述风扇将气流的预定体积引导在可燃典型燃料木材或相似的纤维素基生物固体上方。所述燃烧设备具有燃烧室，燃料源放置在所述燃烧室内燃烧。将封闭TEG的外壳安装到所述燃烧室的侧面，所述TEG基于相反两侧的温差产生电气输出。将导热探头和导热探头底座单元安装在所述TEG外壳上并经过小通道往所述燃烧室内突出。
Description
技术领域
本发明通常涉及燃烧设备，例如固定和便携的烹饪炉子，尤其涉及提供对可燃物料和所生成能量的更有效使用的燃烧装置。
背景技术
存在各种便携式燃烧设备，在其他用途之中，可以用作例如烹饪或加热的炉子。在过去，便携式燃烧设备需要各种燃料，例如用于液体燃料炉子、便携和固定木材炉以及压缩气体燃料炉子的那些设备。这些炉子在各种不同情况下使用，例如露营、紧急情况或救援情况、在断电或传统更大规模烹饪源(例如气体/电气烹饪器具和烧烤炉格栅)不能应用的相似场景期间。
虽然以前的设备确实提供燃烧设备，但是它们都具有相似缺点，即它们都需要特定的燃料源。无论燃料是煤油、汽油、丙烷或相似燃料源，它们都需要购买几罐燃料并将几罐燃料与燃烧设备一起携带。这些罐子可以是单一用途的罐子或多用途的罐子。然而，一旦用光燃料，就必须提供另外的燃料罐以保持燃烧。尤其是用于远足或紧急情况，燃料的可用性造成严重的缺点，可能罐子会被用光。可能出现的是，在外出露营或紧急情况下获得新的气体或液体燃料罐子是不可能的，即使这是可能的，也不能保证个人能发现他们的燃料类型和罐子的替代品。因此，需要操作人员带上额外的燃料罐，这增加更多重量，并且罐子反而变成除了设备以外必须携带的另一附属品。此外，个人应该需要在长期的持续时间里使用他们的便携式燃烧设备，携带多个燃料罐子变得不切实际。
另外，燃料罐子在使用后必须正确处理。因为罐子经常受压并且大多数燃料是有害的或有毒的，所以罐子不能留在露营地或在紧急情况下不能被遗留。在某些情况下，罐子可能不像其他类型的垃圾一样被丢掉，而是需要以特定方式处理。伴随着所有由不同公司制造的各种燃料、罐子类型和便携式燃烧设备，个人将限制他们的选择并被迫持续使用单一燃料源。
除了传统的营火，已经有几种尝试来克服与燃料燃烧烹饪/加热器具相关的缺点，一个这样的尝试为生物质燃烧设备或生物质炉子。生物质炉子能够燃烧各种生物质燃料，从而个人不需要给他们的便携式燃烧设备提供压缩液体燃料源。用户能使用任何一种可用于实现与之前设备的燃烧效果相同的燃料。另外，用户不需要处理可能有毒的罐子，并且他或她不需要将器具燃料源和他或她一起携带。并且，无论什么未使用的燃料都能够简单地被留下。
事实上，在许多发展中国家，燃烧木屑、树枝、叶子、泥炭等等(或某些情况下为低级煤)的一些生物质燃烧或生物质炉子的形式经常用作全家餐的主要烹饪设备。一般来说，生物质燃烧在一些单一火力驱动炉子的形式下进行，既用于加热也用于烹饪。然而，生物质设备典型地具有使它们在许多情况下不受欢迎的缺点。例如，生物质炉子不是“清洁”燃烧，也就是他们在燃烧过程中产生烟灰和烟尘，这些烟灰和烟尘在燃烧期间能够覆盖壶子、锅子甚至食物。并且，燃烧过程中产生的烟尘能够使得生物质炉子在户内使用下可能有危险-因为烟尘包括大量烟灰和其他有毒燃烧产物，包括一氧化碳。尽管如此，在发展中国家，这些炉子经常用在通气不足的小户内空间。另外，许多生物质炉子是沉重的，使得他们不适合野外使用，因为它们不易携带。
增加燃烧效率的一种技术是使用动力风扇提供经过生物质的驱动气流，所述动力风扇使用各种动力源，包括但不限于弹簧发条机构、压缩空气/气体和电。在本领域，风扇典型地由电池或其他电源驱动。然而，电池使用时可能具有短寿命和/或被放电(失效)或在需要时需要再充电。另外，电池昂贵并且对发展中国家的人来说经常难以获得。另外，电池不利于环境并且经常被不适当处理。
因此，需要提供能够用作烹饪和/或加热炉子的便携式燃烧设备，其燃烧普通可用的木材或其他生物质并提供与其他液体或气体燃料相似的热输出，而不需要电池或一次性的/可再装的燃料罐。所述炉子能够按期待的那样易于携带、低维护并在不排出大量烟灰、烟尘和有毒燃烧副产物下燃烧燃料。所述炉子在其制造中能够按期待的那样使用便宜的市场上可买到的组成部分和传统构造技术。
Jonathan M.Cedar和Alexander H.Drummond的2012年10月31号公开的名称为“使用热电发电的便携式燃烧设备”的美国专利Reg.No.8,297,271描述了一种便携式燃烧炉子，其教义在此通过引用方式并入。
发明内容
本发明通过提供一种便携式燃烧设备克服现有技术的缺点，所述设备提供更清洁的燃烧并通过使用风扇提供更有效的整体燃烧，所述风扇将气流的预定体积引导在可燃燃料上方-典型木材或相似的基于纤维素的生物固体。气流的引导无需罐子燃料或外部动力源实现，其使用炉子自身产生的热量在热电发生器(TEG)和新的散热器配置的帮助下产生给风扇动力和驱动气流的电力。
在示例性实施例中，所述燃烧设备具有燃烧室，燃料源放置在所述燃烧室内燃烧。将封闭所述TEG的外壳安装到所述燃烧室的壁上(例如沿着一侧)，所述TEG基于相反两端(“热端”和“冷端”)的温差产生电气输出，其中差异越大，电气输出越大。将导热探头和导热探头底座单元安装在所述TEG外壳上并经过小通道往所述燃烧室内突出。导热探头由能够有效地将所述燃烧室中产生的热量传输到导热探头底座的材料构造而成，所述导热探头底座与TEG设备的热端接触。在另一冷端，所述TEG也与具有多个从所述底座延伸的独立翼的散热器接触，所述翼设计为通过与周围空气的相互作用将热量从所述TEG设备移除，所述周围空气从一端口经过所述翼上方，位于沿着所述TEG外壳的侧面。另外，所述TEG外壳具有电动机和以风扇形式的气流驱动器(例如应用移动的叶片、翼等等来驱动空气的轴向离心风扇)，所述气流驱动器接近所述散热器以进一步将空气拉离所述散热器和/或吹动周围空气经过所述散热器进入所述燃烧室(部分地依赖于气流驱动器关于所述散热器的位置)并帮助所述散热器的冷却，以及迫使空气经过与位于所述燃烧室内壁和外壁之间的空气空间连接的多个外设端口到达所述燃烧燃料上。因此该配置给风扇驱动气流提供冷却所述TEG冷端以产生其和所述探头的热端之间的更高热差以及氧化燃烧燃料的双重目的，同时也将所述TEG外壳与所述燃烧室的内部火焰接触部分的热内壁隔离。
随着燃料在燃烧室内燃烧产生热量。所述热在所述TEG的侧面之间产生温差，因此产生电流输出。随着温度上升，所述散热器在所述TEG的另一侧冷却所述设备，产生甚至更大的温差，并依次产生更大电输出。该电输出传输到驱动风扇的电动机，其依次拉动或驱动更冷的周围空气经过所述散热器，因此促进燃料更有效的、富氧的燃烧。基本上该循环产生反馈回路，一旦其开始就快速增加燃烧的效率。
此外，气流驱动器拉动或吹动外侧空气进入所述TEG外壳，以通过拉动更冷的外侧空气经过所述散热器以及拉动接近所述散热器的空气远离所述散热器，来进一步冷却所述散热器。这将冷却所述TEG设备的一侧，产生更大的温差，将增加驱动电动机和风扇结构的电输出，将持续拉动更多空气进入所述TEG外壳。另外，来自所述TEG的任何剩余电力能够用作部分热电联合系统以给相对可用热能具有适当的功率消耗水平的各种电力或电子设备的充电系统动力。该设备可包括，例如无线电广播、灯或手机充电器。另外，所述气流驱动器从所述散热器中拉动或吹动周围空气并迫使空气进入所述燃烧室，在所述室内产生更多的乱流，保障更有效的燃烧。所有这些组成部分提供促进便携式或固定燃烧设备的系统，所述便携式或固定燃烧设备能够使用不需要罐子或外部动力供给的生物质燃料。因此本发明提供生物质燃料的更清洁燃烧，在该配置中所述TEG设备的使用确保更快的点燃周期以及更有效的燃烧。更特别地，所述TEG和其导热探头的放置，从而从火焰得到最佳化的热传输，并因此快速加热所述TEG，确保风扇/气流驱动器的更快操作以及排除启动电池的需求。另外，所述导热探头限定从远程火焰或热源引导热量的管道。该离散的热管道能够实现多个灵活设计的各种配置，在该配置中所述TEG和气流驱动器能够放置在外侧表面或远离(以及典型地接近)任何燃烧设备和任何明火和/或热对流的源头(例如加热气流)放置，所述燃烧设备例如生物质炉子、烧烤炉、烤架、营火、丁烷、酒精和丙烷燃烧器。
在示例性实施例中，所述燃烧设备包括燃烧室，所述燃烧室包括限定燃烧空间的内壁，所述燃烧空间容纳生物质燃料源并与生物质燃料源连通。TEG位于外壁外侧并包括其延伸进入所述燃烧空间的热端上的热连接导热探头。所述TEG进一步包括热连接到其冷端的散热器。装有发动机的气流驱动器电气连接到所述TEG，并配置为从周围来源拉动空气、越过散热器上方并进入所述接口端口，从而在空气间层中产生正压力以及将气流引导经过多个端口并进入所述燃烧空间中。示例性内壁包括一组下部和上部外围端口，所述外围端口允许被驱动进入所述室壁之间的空间的气流被注入所述室的内部以与其内的燃烧燃料混合。在外壁的端口前面放置导流板以将空气流动引导进入环形模式，因此产生改良的空气混合和燃烧气体以及生成空间内的更分散的流动。一种燃烧设备，所述燃烧设备包括燃烧室，所述燃烧室包括限定燃烧空间的内壁和具有侧面安装接口端口的外壁，所述燃烧空间容纳生物质燃料源并与生物质燃料源连通，所述侧面安装接口端口允许进入封闭在所述外壁内的所述燃烧空间的气流入口；热电发生器(TEG)外壳，所述热电发生器(TEG)外壳位于所述外壁外侧并包括其热端上延伸进入所述燃烧空间的至少一个热连接导热探头，所述TEG进一步包括热连接到其冷端的散热器；烹饪表面，所述烹饪表面包括可以在打开状态和闭合状态之间移动的挡板；以及装有发动机的气流驱动器，所述气流驱动器电气连接到所述TEG并构造和配置为从周围来源驱动空气、越过散热器上方并进入所述接口端口，从而在所述燃烧空间中产生正压力。当所述挡板在闭合挡板状态下，其使燃烧散开经过所述烹饪表面。当所述挡板在打开挡板状态下，其允许燃烧气体竖直上升到所述烹饪表面的中心。所述烹饪表面包括烤架顶。将所述TEG连接到可充电电池。用户界面包括配置为连接到电气设备的端口，从而所述电池给所述电气设备充电。一种给电气设备充电的方法，所述方法包括：在便携式燃烧设备内点燃燃料以在所述便携式燃烧设备内产生热量；部分地基于燃料的热量使用所述便携式燃烧设备产生电流；用所述电流给电池充电；用所述电池给所述电气设备提供动力；给所述电气设备提供动力的同时感应所述电池的输出电压；以及部分地基于所述电池的输出电压控制所述便携式燃烧设备产生的电流。
附图说明
下面参考附图对本发明进行描述，其中：
图1为根据示例性实施例的一种便携式燃烧设备的立体图，示出了组装完整的燃烧室和TEG外壳；
图2为根据示例性实施例的所述便携式燃烧设备的爆炸视图；
图3为根据示例性实施例的图1的所述便携式燃烧设备的俯视图；
图4为根据示例性实施例的沿着图1的线4-4的剖视图；
图5为根据示例性实施例的使用中的所述便携式燃烧设备的立体图；
图6为根据示例性实施例的具有闭合挡板的烤架顶的顶部立体图；
图7为根据示例性实施例的具有打开挡板的所述烤架顶的顶部立体图；
图8为根据示例性实施例的所述便携式燃烧设备的立体剖视图，示出了所述TEG外壳的细节；
图8A为根据示例性实施例的所述TEG外壳的示意图；
图9为根据示例性实施例的沿着图1的线4-4的剖视图，示出了所述便携式燃烧设备内的气流运动；
图10为根据示例性实施例的所述便携式燃烧设备的用户界面的主视图；以及
图11为根据包括联合发电电路和电力储存性能的实施例的TEG单元功率电路的概括性示意图。
具体实施方式
I.总体
根据本发明，提供通过燃烧生物质燃料产生动力和热的一种便携式燃烧设备。应该清楚的是，能够将术语“生物质”推广为包括通过在燃烧期间注入空气而更加清洁有效地燃烧的任何燃料、煤炭、石油、废品等等。同样地，在燃料燃烧中增加效率的进一步优势为对给定热输出来说消耗更少的燃料。
图1-4示出了根据本发明的示例性实施例的便携式燃烧设备100的各种视图。对于图1，典型的便携式燃烧设备100形状相当于圆柱形并由内部燃烧室102和TEG(热电发生器)外壳110组成，如图1所示，TEG外壳110由耐用聚合物或轻金属构造而成，例如铝铸件。烤架顶120位于所述便携式燃烧设备的顶部，在燃烧室102上方。便携式燃烧设备100配置有用于搬运和清理的手柄130并由多个可折叠底脚132支撑。所述便携式燃烧设备的总高度OH为大约24英寸(大约61cm)。总重量大约20磅(大约9kg)。手柄130和底脚132由钢丝形成。在其他实施例中，它们能够由合适的聚合物形成。烤架顶120是圆形的并由烤架格栅122、多孔加热板124和杆操作挡板126组成。挡板杆128在狭缝129内移动，狭缝129在外部燃烧室壁104内形成，外部燃烧室壁104在烤架顶上向外张开从而形成宽的烹饪表面。优选地，燃烧室102由轻的耐用金属制成，能够承受明火燃烧的高温。所述便携式燃烧设备100由钢(例如各种具有1/32-1/16英寸厚度的不锈钢板)和铝板构造而成，适当的地方具有聚合物组成部分。其可由能够承受燃烧高温、支撑加重的烹饪器并形成所需正确形状的任何材料构造而成。该温度能够在1200-1600华氏温度的范围内。在其他实施例中，其他材料能够用于构造所述燃烧室，例如铝、钛、陶瓷、砖或耐用并能够承受高温的任何其他材料(或材料组合)。同样地，所述燃烧室的形状是可变的，并可以为任何边界和三维形状，只要其为燃料燃烧提供足够的室。在示例性实施例中，所述燃烧室是圆柱体，其具有内墙结构和成形的外墙结构，所述内墙结构和成形的外墙结构之间提供空气间层。在交替实施例中，根据本发明，所述燃烧室能够为更基础的外壳，在该外壳中装入燃料以产生火焰并允许空气注入(以下参考“通用”TEG设备描述)。
TEG外壳110配置有既是进气口又是用户界面的正面111。将TEG外壳110连接到具有片状金属支架的便携式燃烧设备100。多孔盖板覆盖进气口112，空气过滤器面板和进气风扇在所述多孔盖板后面。用户界面114能够包括例如通用串行总线(“USB”)的端口115、低温状态按钮116以及指示TEG温度和电池电量的状态的一连串发光两极管(“LED”)117、118。在其他示例中，端口115能够为任何其他类型的端口，例如微型USB、迷你USB、两/三管脚插座等等。
便携式燃烧设备100构造并配置有开口140，开口140提供通往燃烧室102内部的入口。灰盘142位于开口140的底部并接收来自所述燃烧室的燃烧残渣。燃料进给支架144位于灰盘142上方。燃料进给支架144供给燃料(例如木条)进入燃烧室的控制性插入。
燃烧室102为一封闭空间，其具有下前方开口140和用于延伸到烤架顶120的燃烧气体的垂直排气装置。所述燃烧室配置有中心燃烧室150、外部燃烧室壁152和其间的空气间层154。外部燃烧室壁152提供防止中心燃烧室150内的高温的屏障。空气间层154为第二热屏障，并在一实施例中半径处于大约1/2英寸和大约2英寸之间。
示例性外部燃烧室壁152也由相当薄规格的不锈钢构造而成。然而，在交替实施例中，能够应用其他耐用材料，例如铝或复合材料。仍然在进一步的实施例中，外部燃烧室壁152能够为模块化设计从而其能够可拆卸地固定到便携式燃烧设备100。
图2为图1的典型便携式燃烧设备100的爆炸视图。烤架顶120为包括烤架格栅122、多孔加热板124和杆操作挡板126的组件。多孔加热板124构造有中心孔202。所述烤架顶的内部底部203构造有布置在边界周围的多个棘爪，多个棘爪为烧烤格栅122的支架204。中心孔208为从下方中心燃烧室150直接上升的燃烧气体提供排气口。该孔依次与加热板中心孔202对准。挡板手柄300贯穿狭缝129。灰盘142配置有两线钩212以将灰盘固定在开口140内。
图3为挡板126闭合并覆盖中心孔202的便携式燃烧设备100的俯视图。挡板手柄300为一端302通过L形弯曲端与多孔加热板124中的孔的啮合从而连接到多孔加热板124的杆。挡板手柄300另一端304通过点焊接合或另一连接方式连接到挡板126。拉长穿孔306以三排310、320、330径向围绕中心孔202布置。在一实施例中，排310配置有16个穿孔306。排320配置有32个穿孔。排330配置有64个穿孔。穿孔306为当挡板126覆盖中心孔202时允许燃烧气体通过的开口。所述穿孔的径向布置提供为燃烧气体的热量随着其从所述挡板朝着烤架边缘向外流动而均匀散开。所述穿孔排列均匀加热所述烤架。在其他实施例中，能够使用多个孔。随着热量从中心向外流动，一连串增加的孔保持和维持一些热量，从而最外边的边缘与烤架的中心部分一样迅速加热。在其他实施例中，在每一排中布置的穿孔数量、穿孔的形状和排的数量能够改变。所述烤架顶的最大直径TD为大约14英寸(大约35cm)。在其他实施例中，该直径能够更大。
图4为更详细地示出了燃烧室102的内部的剖视图。中心燃烧室150由三个区域402、404、406组成。第一区域402为接收燃料的侧面室，一些燃烧可以在该区域发生。第二区域404为一侧和上方打开的燃烧室，在该侧其紧挨区域402，在上方将燃烧传递竖直携带进入区域406。后内壁408形成区域404的后部。倾斜底板410从后内壁408延伸到开口140。底板410与后内壁408的接合点412高于与开口140的接合点414。该坡度使用重力携带灰烬和其他燃烧残渣远离燃烧室区域404、402到灰盘142。燃烧气体从第二区域404上升进入具有烟囱功能的第三区域406。加热气体上升到顶部开口416并通过烤架顶120。放置在烤架顶120内并在燃烧气体的更剧烈的热和外部燃烧室壁104之间提供屏障的圆锥格栅底部418围绕顶部开口416。通过两线钩212的啮合在前开口140的侧面狭缝420处将灰盘142连接到便携式燃烧设备100。底脚132将便携式燃烧设备100抬高，从而将底部422提升到地平面上方大约8英寸(20cm)的高度BH。应该清楚的是，此处提供的尺寸为给定设备规格的设备的典型尺寸，并且，在需要更大或更小燃烧设备的地方能够改变组成部分的相对尺寸。在示例性实施例中，后内壁408、460、462、464和底部470由不锈钢的集中冲压或组合/焊合构造构成，外部燃烧室壁152和底部470由形成为所述“壶”状的铝片构造而成。
注意，此处使用的术语上、下、竖直、水平、径向、轴向等等意思指的是关于常规水平支撑表面在竖直/垂直导向的引力场作用下的描述便携式燃烧设备100的视图的相对方向。更一般地，此处使用的定向术语，例如但不限于，“上”和“下”、“向上”和“向下”、“向后”和“向前”、“顶部”和“底部”、“内侧”和“外部”、“前”和“后”、“内部”和“外部”、“向下”和“向上”、“水平”和“竖直”应该认为与惯例相关，而不是关于重力方向的定位或方向的绝对指定。这些术语只意味着惯例，而不是绝对的方向。
II.机械
便携式燃烧设备100能够用于各种目的，包括但不限于产生电力、热、烧烤和煮沸几壶液体和食物。燃烧源也能够为人们户外享受的社交聚会中心点。图5示出了作为燃烧源使用的便携式燃烧设备100。将燃料500放置在给料盘、点燃燃料500并将燃料500经过开口140推进所述内部燃烧室。残渣502从开口140出现并沉积在灰盘142中。该灰盘142为可移动的并能够将该灰盘142移除以按所需在燃烧前、燃烧期间和燃烧后进行清除和清理。定位挡板手柄300从而所述挡板闭合中心孔202并且燃烧气体穿过多孔加热板124均匀散开、通过其中多个穿孔并广泛散开热量。在该模式下，烤架顶120能够处理示例性烤架顶食物的多个部分504。当在狭缝129中移动挡板手柄300到所述狭缝的另一端并且将挡板126从中心孔202移开时，燃烧气体的直接流动能够加热单一示例性容器506。尤其在图6-7中示出了该挡板移动。
图6描述了与位于狭缝129一端的挡板手柄300一起的烤架顶120，挡板126闭合中心孔202，使得燃烧气体在“闭合挡板”状态下横向移动穿过多孔加热板124的底部。气体通过各种穿孔306的排310、320、330。挡板126配置有多个小穿孔600以加热烤架格栅122的中心部分。在关闭挡板状态下，燃烧气体602从小穿孔600、306的阵列上升以加热放置在烤架格栅122上的食物。
图7示出了“打开挡板”状态下的烤架顶120。挡板手柄300到所述狭缝另一端的移动产生该状态，使得挡板126远离所述中心孔移动并暴露中心孔202。如上所指出，中心孔202为从下方的所述内部燃烧室的笔直竖直出口。笔直燃烧气体700柱上升到烤架顶的中心。该挡板状态为烹饪单一容器或壶提供燃烧气体的集中流。
Ⅲ.电气
图8为典型便携式燃烧设备100的顶部剖视图，更为详细地示出了TEG外壳110。将所述TEG外壳构造和配置为位于沿着燃烧室102的外表面。TEG外壳110的前方具有用户界面和多孔进气口112。位于进气口112后方的风扇800通过控制器操作，例如微处理器(未示出)，将空气拖进TEG外壳并将其推到TEG外壳通道804下。所述空气通过位于进气口112和风扇800之间的可移动过滤器元件812。所述空气的一部分穿入入口806、经过通道808并在经过所述燃烧室的壁中的多个入口810时进入中心燃烧室150以给所述室加压。所述空气的另一部分继续通过TEG外壳通道804。其通过散热器819并在散热器819之后。散热器紧密靠近TEG818的冷端。布置散热器819从而“vee”形通道821使得空气通过并从所述散热器带走一些辐射热能。通过散热器819后，已加热的空气流进出口842并通过排气口844。导热探头820通过高温垫圈850进入所述中心燃烧室150。蓄电池(未示出)位于所述入口806附近并沿着外部TEG外壳壁816。所述电池与所述控制器电气连接。电池储存具有3瓦特小时的容量。所述电池为二次锂电池并能够为锂铁二硫化物(Li-FeS2)型电池。在其他实施例中，能够使用不同类型的另一容量的电池并且电池容量能够相应地变化。
将TEG818沿着TEG外壳内壁安装在底座848上。将导热探头820在与TEG设备818的“热端”间接热传递连接的热传导导热探头底座848处固定到TEG外壳110。导热探头820能够由任何可接受的导热材料构造而成，例如钢、铜、石墨或铝。所述热流量探头为整体铸件并具有一对肋片852。热流量探头肋片852位于燃烧上方的室406并获得转移到TEG818的热能。所述热流量探头考虑到随着其拦截燃烧产生的火焰的从燃烧区域到所述TEG的更大热传递。导热探头底座848能够为铸造或铣削材料，铸造或铣削材料也是任何可接受的材料，例如钢、铝、石墨或铜。应该清楚的是，实施例中使用的特定TEG或多个TEG(此处使用一排的两个或更多TEG)的型号、样式和性能规格除了别的因素以外能够根据能量需求、大小和成本大幅度变化。
在交替实施例中，TEG单元能够为所述燃烧室的组成部分，并能够与其自身所述室的那部分一起被移除。能够通过将TEG外壳与相关燃烧设备整体或单一形成或将其用于使用紧固件(例如铆钉或螺丝钉)的设备的壁获得该永久或半永久固定，所述紧固件不适用于仅仅通过一些移动和/或无需工具的迅速移除。
示例性TEG外壳110为模块化设计和单一集成设备。用夹子、紧固件或本领域已知的用于将物体固定到一起的其他设备(例如金属支架)将TEG外壳110固定到燃烧室102。同样地，TEG单元(或多个单元)能够位于远离所述燃烧室和设备壁的位置、主要通过与气流驱动器连通的大小合适的导热探头和风道被连接从而从远程位置传递一股气流。
当TEG外壳110牢固地锁合在挨着墙壁的位置时，位于沿着墙壁的所述TEG外壳后面的通道808与所述燃烧室中形成的入口810接合。在示例性实施例中，入口810可以包括耐热性垫子(例如由硅酮构造而成)以在入口810区域中形成TEG外壳110和中心燃烧室150之间的密封。在其他实施例中，TEG外壳110和中心燃烧室150之间的密封能够由能够承受高温并提供两组成部分之间的足够密封的耐用材料构造而成。
一般来说，由于所述TEG暴露到所述燃烧室的火焰，针对高温端温度应用选择所述TEG。然而，在通过隔热材料等等或通过改变热流量探头热导率的大小减少受热的地方，能够使用低温TEG。典型地使用高温焊料和/或相似的连接机制组装高温TEG。相反的是，TEG设备818的“冷端”为散热器819。在风扇800和TEG818之间具有电气连接，从而所述风扇电压不必直接匹配TEG电压。在交替实施例中，能够应用任何可接受的风扇配置，包括连接到公用插孔的径向螺旋桨式叶片组。一般来说，术语“气流驱动器”和“风扇”应该被推广为包括任何可接受的被驱动、空气推动/驱动结构或设备。显然，电动机的大小和功率容量以及风扇的大小和风量是高度可变的。风扇800生成的空气流动部分给所述燃烧室加压，部分冷却所述散热器。在交替实施例中，能够改变所述风扇和电动机以适合不同的TEG输出和/或使用多个TEG/气流驱动器组件的地方。在示例性实施例中，叶轮由耐久塑料制成。在交替实施例中，风扇800能够由其他材料制成，例如钢、铝或用于制造可靠、有效、轻便扇形结构的本领域已知的任何材料。
清楚预见的是，关于TEG和其散热器的所述风扇或其他气流驱动机构的位置是高度可变的。另外，一个或多个电动机或其他驱动设备能够配置为关于所述散热器既拉动(如图所示)气流也吹动气流。因此，术语“拉动”应该推广为包括任何这些气流驱动配置。
为了清晰可见，已经省略了用于连接所述TEG和电动机的线路和电路。根据众所周知的电子原理能够执行电气连接和相关控制电路。所述TEG一开始发电，所述电路就突然发动，所述风扇就开始将空气移过所述TEG。当点火时，这发生在燃烧过程开始期间。更一般地，通过确保电力输出总是足以支持所连接设备或多个设备的需求，电力储存在支撑以下进一步描述的各种热电联产是有用的。每当TEG输出达到超过设备和/或风扇电动机驱动的预定的输出水平，系统的控制回路结合代替电池或电容所消耗能量的常规设计充电电路。
随着空气注入中心燃烧室150的内部，更有效的燃烧将产生，由此需要更少的燃料将热量传递到TEG设备818。结果为反馈系统，在该反馈系统中，燃烧产生的热量和散热器的冷却给风扇800动力，进一步地，促进提高的燃烧效率，减少燃料并提高燃烧效率。示例性实施例提供具有更短、更有效点燃周期的设备，以及基本上更有效的整体燃烧。传统生物质类型燃料的使用消除对购买、携带和处理可能有毒的燃料来源的需求。另外，TEG设备818消除对驱动或开启所述气流驱动器的电池或其他外部电源的需求，所述气流驱动器用于促进更有效的燃烧过程。气流生成和传送结构的新位置和配置也增加了所述设备的效率。上述发明通常提供能够用于广泛的各种各样的情况的装置和方法，从露营、紧急情况、或在发展中国家用作主要加热和/或烹饪来源。
图8A为以俯视图示出的空气流动的示意图。所述空气流动进入进气口112并被可移动过滤器元件812过滤。空气通过风扇800并进入TEG外壳通道804。一部分穿入入口806并如上所述，最终进入室406。另一部分通过散热器819上方并穿过散热器819，经过排气口844排出。
图9为描述所述空气流动的图4的剖视图。当点燃燃烧来源并开始燃烧900时，开始将空气拉入开口140，并且拉入的气流901开始从所述开口进入燃烧室区域404。这使得空气流动开始。第一空气流动为初始向上燃烧气体流动902。当所述TEG开始产生电流并且风扇800开始将空气拉入TEG外壳110并推动空气通过所述TEG外壳并在出口810处进入所述燃烧室时，所述TEG发起第二空气流动。该空气流动与流动902组合以产生将所述气体向上驱动到烤架顶120的流动906。
图10示出了位于TEG外壳110面上的便携式燃烧设备100的用户界面114。用户界面114位于进气口112上方。所述界面配置有两排117、118的LED1002、开/关按钮119和LED指示器1004上的电源。所述控制器基于内部探头和获得的预设参数的观察确定LED的显示。这能够通过控制器中的单一“查找”表实现。排117、118排列在一序列中，一个挨着另一个。每一个都包括4个LED1002。在其他实施例中，LED的布置能够改变，每一排中的LED数量能够不管其他排多于或少于每排4个。控制器(未示出)的指令能够驱动LED显示。在示例性实施例中，第一排117的LED1002显示配置为所述TEG的“热”端的温度状态的升序。第二排118的LED1002显示配置为所述电池电量状态的升序。在其他实施例中，能够颠倒所述排。发动状态灯并且状态灯将基于温度和电池电量的预设设置改变显示。关于TEG温度排117，第一位置LED1010代表最低温度。加热/发生阶段的自动开始打开微控制器并打开LED显示。所述TEG的“热”端仍然相当冷；所述TEG各侧之间的温差较小。
增加的热量使得温度沿着所述燃烧室上升并达到下一预设温度。所述控制器接通第二LED1012。各个TEG侧之间的温差上升，依次增加所述TEG的电力输出。达到下一预设温度设定时，控制器打开LED1014。随着温度上升更高，达到最终预设温度设定并且所述控制器打开LED1016。
电池电量排118通过从最低到最高变化的一连串LED336示出了可用电量。所述控制器根据预置电平检查电荷状态。当电量在最低水平时控制器打开第一LED1020。在下一预设水平时控制器打开第二LED1022。在下一预设水平时控制器打开第三LED1024。在下一最高预设水平时控制器打开第四LED1026。当所述便携式燃烧设备是冷的并且没有燃烧代替时，能够通过开/关转换119存取电池电量水平。当所述TEG产生电力时照亮指示灯1004。在一实施例中，LED1002被照明时颜色全部均匀。在其他实施例中，所述LED能够为颜色编码(例如红色最低、黄色下一最高并且绿色为最高两个)。
图11描述了根据本发明的一个或多个方面的便携式燃烧设备100的典型控制系统1100的方框图。如图所示，系统1100能够包括控制器1110。控制器1110能够为任何类型的处理器，例如模拟微处理器或数字微处理器，并能够包括一个或多个处理器。控制器1110也能够包括临时或永久的存储器以存储控制器1110能够调用、检索或执行的数据或指令。
系统1100能够包括TEG1120，例如上述图8示出的TEG818。如上所述，TEG1120能够基于“热”和“冷”端之间的温差产生电压。所述电压的值能够与TEG1120两侧之间的温差成比例。
能够将TEG1120直接或间接连接到电池1130。电池1130能够为任何类型的电池，例如可充电电池。在一示例中，电池1130能够为锂离子电池，例如锂铁二硫化物电池。在其他示例中，能够基于任何数量的因素选择任何类型的电池1130，例如实际尺度、充电/放电效率、放电速率、循环耐久性或电池电压。
如上所讨论，TEG1120能够给电池1130提供电流。TEG1120提供的电流能够依次给电池1130充电。电池1130能够存储电荷并因此给直接或间接连接到端口1150的设备充电。所述设备能够为，例如计算设备，例如个人电脑、笔记本电脑、平板电脑、移动电话、智能手机或可穿戴计算系统。所述设备可以是能够被充电和/或放电的任何其他类型的设备。
控制器1110能够监控或测量TEG1120和/或电池1130的参数并部分地基于所监控或测量的参数控制TEG1120和/或电池1130中之一或两者。例如，控制器1110能够监控TEG1120的电流输出。如果电流输出过高，例如大于电流阈值，那么这能够指示具有TEG1120故障。如上所述，这通常能够对TEG1120或便携式燃烧设备100造成机械损伤。在这方面，控制器1110能够将电流输出与第一电流阈值比较，从而当电流大于第一电流阈值时，用户界面1160上显示警告或报警或另外地或者关闭便携式燃烧设备100。在另一示例中，控制器1110能够监控TEG1120冷端的温度。在这方面，如果冷端的温度大于预设温度阈值，那么用户界面1160上可以显示报警或警告状态或另外地或者关闭便携式燃烧设备100。第一电流阈值能够为任何阈值并能够在查找表中预定、存储或能够由算法确定。
另外，如果TEG1120的电流输出太低，例如低于第二阈值电流，这能够指示TEG1120不再暴露于产生电流所需的温差。在这方面，在该状态下控制器1110能够停用任何电池1130、升压电路1140、端口1150或用户界面1160以防止设备进一步的放电。
控制器1110也能够监控电池1130的温度或电压输出。在一些示例中，过高的电池温度能够指示过度充电的状态并会导致电池故障。在这方面，控制器1110能够将传感电池温度与阈值电池温度比较。如果传感温度大于阈值温度，那么控制器1110能够触发至少暂时地引导电流离开所述电池以允许温度返回较低水平的短路1125。所述阈值能够为基于选定电池1130的预定阈值、或能够预设、存储在查找表中或能够由算法确定。
控制器1110也能够监控电池1130的电压输出。如果电池1130的电压输出超过第一阈值电压，那么控制器1110能够触发连接到TEG1120的短路1125以防止所述电池的任何进一步充电。如果电池1130的电压输出降到能够低于第一阈值的第二阈值以下，那么TEG1120可以停用短路1125，因此允许电流再一次给电池1130充电。第一或第二阈值的选定可以预定或可以根据控制器1110的存储器上存储的查找表或算法进行。
电池1130能够直接或间接连接到升压电路1140，例如升压变换器或递升电路。升压电路1140能够输出大于电池1130输出电压的电压。在这方面，能够根据任何数目的因素选定升压电路1140的输出电压，例如所连接设备的电压需求。基于TEG1120、电池1130和升压电路1140的选定，升压电路1140的电力输出能够具有12瓦特的最大输出，并能够提供大约8瓦特的持续电力输出。
升压电路1140能够直接或间接连接到端口1150。端口1150能够为任何类型的端口，例如USB端口、微型USB端口、迷你USB端口或能够连接到电气设备的任何其他类型的端口。在其他示例中，端口1150能够将数据从控制器1110或控制器1110的存储器传送到连接到其上的电气设备。仍然在另一示例中，端口1150能够为传统的两或三管脚插座。
控制器1110也能够连接到用户界面1160。用户界面能够为任何类型的用户界面，例如一个或多个状态指示器、一个或多个音频警报、显示设备、触摸屏或能够接收用户输入或指示状态的任何其他类型的界面。
应该清楚的是，上述实施例提供针对既便携又固定的基础应用的燃烧增强和/或能量生成的高度通用设备。该设计适用于烹饪和加热配置的许多类型中的集成，使用各种燃料和用于放出空气和排出气体的技术。各种实施例为生产相对廉价、低或免维修并易于使用。因此，该设计很适合露营和灌木环境，以及用于发展中国家。
前文已详细描述了本发明的示例性实施例。在不脱离本发明的思想和范围情况下可进行各种修改和增加。以上描述的各种实施例可与其他描述的实施例组合以提供多种特征。此外，虽然前文描述了本发明的设备和方法的一些单独的实施例，但本文的描述仅仅是对本发明原理的应用的说明。例如，此处用于描述所述便携式燃烧设备的术语“无烟”或“无废料”旨在表达所述设备操作时通过燃烧燃料同时随着其燃烧燃料产生非常少到没有烟尘。此处使用的术语“TEG”根据本发明应该推广为指的是能够根据所描述和考虑的组成部分的总体布置使用的方式的能够将热量形式来源转换为电能的各种等效设备。所述TEG设备能够包括一排设备，每一个在合适的地方都与部分热源/火焰连通。同样地，虽然提供典型的尺寸范围，但是这仅仅为示例并且本发明在合适的地方考虑更大或更小规模的设备。此处描述的燃烧设备形状在很大程度上为圆柱，伴随着大体圆形边界，尤其是所述燃烧室和隔热板。然而，其边界可以限定任何剖面形状，包括正方形、长方形、三角形等等。火炉或其他燃烧配置能够构造和配置为从任何位置接收初始和/或替代燃料，包括但不限于底部进料、顶部进料和侧面进料。并且，虽然所述探头的剖面形状通常为圆形(圆柱形)，所述剖面能够改变。例如，所述剖面形状能够为矩形、多边形、长圆或不规则形。同样地，所述烤架顶能够构造并配置在其他多边形中，例如正方形或长方形。另外，虽然所述实施例针对便携式燃烧设备100提供单一的燃烧室102，但是清楚预见的是，所述设备能够包括与容纳单独的烹饪工具的各自支架一起的多个单独的燃烧室，等等。在该多燃烧器实施方式中，每个燃烧器能够由提供一直遍及燃烧器组的增压空气的互连TEG系统或者由基于出现在特定燃烧器的热量独立操作的单独TEG单元服务。同样地，每个燃烧器(或者单一的或者多燃烧器设备)能够具有多不止一个TEG单元。这能够部分地依赖于特定燃烧器的外形尺寸和容量。例如，例如燃烧室102的更小规模的燃烧器可以需要单一TEG单元，同时更大直径/体积燃烧器可以需要位于设备上的预设位置的多个TEG单元(外壳110)。以这种方式，单一尺寸和形状外壳能够通过改变安装在其上的单元的数量用于各种设备尺寸和规模。
另外，虽然所述实施例的气流驱动器通常为风扇，例如叶轮，但是能量能够用于储存空气压力(使用压缩器和贮藏柜)，以在合适时间(和在合适体积)通过阀或管道释放。或者，所述气流驱动器能够包括以所需速率拉动空气的压缩器或真空泵。产生所需气流的设备能够认为是针对本发明目的的气流驱动器。此外，虽然将示例性燃烧设备的燃烧室描述为包括焊接在一起以形成容纳物品的表面的多个金属部分，所述物品例如煎锅或者加热食物或任何其他需要加热的物质的其他设备，但是任何合适的支撑结构可以用于将物品放置在所述燃烧室顶上，从而其可以被加热，例如用于烹饪食物的煎锅。因此，该描述仅仅起示例性的作用，而并不旨在限制本发明的范围。
Claims (14)
1.一种便携式燃烧设备，包括：
燃烧室，所述燃烧室包括限定燃烧空间的内壁和具有侧面安装接口端口的外壁，所述燃烧空间容纳生物质燃料源并与生物质燃料源连通，所述侧面安装接口端口允许气流进入封闭在所述外壁内的所述燃烧空间；
热电发生器(TEG)外壳，所述热电发生器(TEG)外壳位于所述外壁外侧并包括其热端上延伸进入燃烧空间的至少一个热连接导热探头，所述热电发生器(TEG)进一步包括热连接到其冷端的散热器；
烹饪表面，所述烹饪表面包括可以在打开状态和闭合状态之间移动的穿孔的挡板；以及
装有发动机的气流驱动器，所述气流驱动器电气连接到所述热电发生器(TEG)并构造和配置为驱动从周围来源的空气、越过散热器上方并进入所述接口端口，从而在所述燃烧空间中产生正压力。
2.根据权利要求1所述的便携式燃烧设备，其中，在闭合挡板状态下的所述挡板使燃烧散开经过所述烹饪表面。
3.根据权利要求1所述的便携式燃烧设备，其中，在打开挡板状态下的所述挡板允许燃烧气体竖直上升到所述烹饪表面的中心。
4.根据权利要求1所述的便携式燃烧设备，其中，所述烹饪表面包括烤架顶。
5.根据权利要求1所述的便携式燃烧设备，所述设备进一步包括连接到所述热电发生器(TEG)的可充电电池。
6.根据权利要求5所述的便携式燃烧设备，所述设备进一步包括配置为连接到电气设备的端口，从而所述电池给所述电气设备充电。
7.一种给电气设备充电的方法，所述方法包括：
在便携式燃烧设备内点燃燃料以在所述便携式燃烧设备内产生热量；
部分地基于燃料的热量使用所述便携式燃烧设备产生电流；
用所述电流给电池充电；
用所述电池给所述电气设备动力；
给所述电气设备动力的同时感应所述电池的输出电压；以及
部分地基于所述电池的输出电压控制所述便携式燃烧设备产生的电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述产生电流的步骤包括向热电发生器(TEG)施加热量。
9.一种便携式燃烧设备，包括：
燃烧室，所述燃烧室包括限定燃烧空间的内壁和具有侧面安装接口端口的外壁，所述燃烧空间容纳生物质燃料源并与生物质燃料源连通，所述侧面安装接口端口允许气流进入封闭在所述外壁内的所述燃烧空间；
热电发生器(TEG)外壳，所述热电发生器(TEG)外壳位于所述外壁外侧并包括其热端上延伸进入燃烧空间的至少一个热连接导热探头，所述热电发生器(TEG)进一步包括热连接到其冷端的散热器；
限定所述燃烧室上方的开口的烹饪表面，所述烹饪表面包括可以在打开状态和闭合状态之间移动的穿孔的挡板，其中在闭合状态下所述挡板覆盖燃烧室上方的开口；以及
装有发动机的气流驱动器，所述气流驱动器电气连接到所述热电发生器(TEG)并构造和配置为驱动从周围来源的空气、越过散热器上方并进入所述接口端口，从而在所述燃烧空间中产生正压力。
10.根据权利要求9所述的便携式燃烧设备，其中，在闭合挡板状态下的所述挡板使燃烧散开经过所述烹饪表面。
11.根据权利要求9所述的便携式燃烧设备，其中，在打开挡板状态下的所述挡板允许燃烧气体竖直上升到所述烹饪表面的中心。
12.根据权利要求9所述的便携式燃烧设备，其中，所述烹饪表面包括烤架顶。
13.根据权利要求9所述的便携式燃烧设备，所述设备进一步包括连接到所述热电发生器(TEG)的可充电电池。
14.根据权利要求13所述的便携式燃烧设备，所述设备进一步包括配置为连接到电气设备的端口，从而所述电池给所述电气设备充电。
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