CN203068515U - 一种多孔介质回热型微尺度燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种填充多孔介质的微尺度平板式回热型燃烧器。该多孔介质回热型微尺度燃烧器包括进气口、出气口和燃烧器外壁构成的通道，通道的一端封闭、另一端设有T型隔板；T型隔板由横隔板和纵端板构成，横隔板延伸至通道内，横隔板长度小于通道长度；横隔板上、下区域均设置多孔介质；纵端板位于通道另一端的端口处，进气口、出气口均设置在纵端板上，且对称分布在横隔板位置的两侧。本实用新型采用的中间导热隔板，将燃烧器内部矩形通道分成两个区域，实现了回热燃烧；这种多孔介质和回热燃烧相结合的设计方式，将使得通道内的微尺度燃烧过程更加的充分和稳定，也必将带来更高、更均匀的辐射壁面温度分布，从而对提高微型热光电系统的输出性能产生积极的作用。

Description

一种多孔介质回热型微尺度燃烧器

技术领域

本实用新型属于微型动力机电系统（Power MEMS，简称微动力系统）领域，属一种新型回热燃烧技术，特指一种填充多孔介质的微尺度平板式回热型燃烧器。 

背景技术

近年来，随着微机电系统（Micro Electro-Mechanical System，简称MEMS）研究的不断深入，微型电源的问题也逐渐被引起广泛重视。当机电系统微型化后，其电源或动力装置的大小将决定整个系统的尺寸，没有微型化或者小型化的动力装置为其提供能源和动力，MEMS系统将很难发挥其微型化的优势，甚至有可能失去其微型化的本身意义。在这样的一个背景下，基于碳氢燃料燃烧的微型动力系统（Power MEMS）便应运而生了，其能量密度有望突破100kW/kg，因此也被誉为动力机械发展的第四个里程碑。 

微型动力系统具有能量密度高、来源丰富、补给迅速、便携、寿命长以及对环境伤害小等一系列的优点，因而潜在的应用场合非常多，除了可以充当微型泵、微型推进器、微型机器人等MEMS的电源外，还可以为便携式电子器件、无线通讯设备、航天器、汽车、士兵作战等提供必须的电能或动力，因此该装置的进一步发展完善也必将对微电子、信息、生物等各行各业产生巨大的积极影响。目前，针对该类装置的研究已取得了一些进展，也已有多种形式的微型动力系统被成功开发，如硅基微型燃气轮机、微型三角转子发动机、微型热电发电器、微型热光电系统、微型自由活塞/汽缸电力发生器、微型共振往复式内燃机等。 

在上述几种微型动力装置中，微型热光电系统（Micro-thermophotovoltaic System，简称MTPV System）的工作原理较为独特，它利用碳氢燃料在微燃烧器内燃烧产生的热能对燃烧器外壁面进行加热，高温壁面辐射出的能量足够高的光子撞击低频带隙光电池产生电能。跟其它装置相比，它结构简单，优势也非常明显，主要体现在：首先，预混合燃烧方式的采用将在同样的驻留时间下大大提高燃烧完全程度；其次，由于该系统是利用高温壁面的辐射能量进行光电转化，微尺度下燃烧器面容比大的特点就能显著增加系统的整体效率；最后，由于没有运动部件，加工和装配非常容易，也不存在由摩擦导致的泄露和零部件失效等问题。 

然而，微型热光电系统的效率和功率密度都还尽如人意，离装置的实际应用尚有不小距离，其原因也是多方面的，其中较为突出的一点便是系统中最为重要的部件——微尺度燃烧器，其内部燃烧组织的效果尚未达到最好状态，从而致使辐射表面的整体温度还不够理想。跟常规尺度下的燃烧相比，微系统中稳定燃烧过程的实现难度较大，问题主要集中在燃料驻留时间短、大面容比造成热损失过大以及燃料选择面窄等一些独特的燃烧特性上，这也是其它基于微尺度燃烧的微型动力装置面临的共性问题。而微型热光电系 统所采用的微燃烧器跟其他几类微型动力系统中的燃烧器又有一定的区别，这是因为燃烧器的外壁面还充当了后续光电转换过程的辐射器。所以，我们在追求燃料充分燃烧的同时，也希望燃烧产生的化学能尽可能多地被燃烧器外壁面吸收，以维持壁面的高温状态。 

因此，对于微型热光电系统，我们如何有效地进行燃烧器的合理设计，如何实现稳定的微尺度燃烧过程，又如何获得较高的外壁面温度分布，就显得尤为重要。 

实用新型内容

本实用新型根据微尺度燃烧的特点以及微型热光电系统的工作要求，设计出一种新型的填充多孔介质的微尺度平板式回热型燃烧器。 

本实用新型的基本结构和工作原理如附图1所示：所设计的燃烧器主要由三部分组成，右端封闭的燃烧器外壁、左端插入的“T”型隔板以及隔板上下的多孔介质。燃烧器外部呈长方体结构，其内部也为矩形通道，在该燃烧器的中心截面靠近左端处设置了一块水平放置的导热隔板，隔板的上下对应区域分别用多孔材料进行填充，从而形成各自的多孔介质区，隔板右侧其余部分则设计成燃烧区。这样，燃料和氧化剂经充分预混后，将首先通过下部多孔介质区，进入到燃烧区中进行燃烧，生成的燃烧产物再从上部的多孔介质区通过后，最后经排气口排至装置外，燃烧器的外壁（即辐射壁面）则在对燃烧过程中产生的热量进行吸收后，继而完成后续的光电转换任务。 

本实用新型所述的一种多孔介质回热型微尺度燃烧器，包括进气口、出气口和燃烧器外壁构成的通道，通道的一端封闭、另一端设有T型隔板；T型隔板由横隔板和纵端板构成，横隔板延伸至通道内，横隔板长度小于通道长度；横隔板上、下区域均设置多孔介质；纵端板位于通道另一端的端口处，进气口、出气口均设置在纵端板上，且对称分布在横隔板位置的两侧。 

燃烧器外壁采用SiC陶瓷材料制成，T型隔板材料为铜钨合金，多孔介质采用Al₂O₃泡沫微孔陶瓷或耐高温多层金属网加工形成，并采用耐高温胶粘结在横隔板的上下两侧。 

本实用新型的优点在于以下两个方面：首先，导热隔板的设置可以方便地实现回热燃烧，即燃烧产生的尾气可通过中间隔板对另一侧的进气进行预热，进气的热焓因此得到大幅增加，进而可以提高微尺度燃烧器内的反应速度、降低燃料的熄火极限；其次，隔板上下多孔介质区的设置，不仅可以在均匀布气的同时，延长气流在燃烧器内部的驻留时间，从而提高燃烧过程的完全程度，而且多孔介质的蓄热本领还可以起到强化隔板两侧气流间热量传递的作用，使得回热的效果得到进一步的增强，相同运行工况下进气焓值可以提升到更高的数值。因此，在多孔介质和导热隔板这两个部件的综合作用下，微燃烧器内的高温反应区域将得到更好的扩展，最高反应温度也必将得到提高，这将带来辐射壁面处更高、更均匀的温度分布，从而对提高微型热光电系统的输出性能产生积极的作用，为该系统在相关领域尽早得到广泛应用打下坚实的基础。 

附图说明

图1为多孔介质回热型平板式微尺度燃烧器的结构示意图； 

其中1.进气口，2.排气口，3.“T”型隔板，4.下多孔介质区，5.上多孔介质区，6.燃烧区，7.燃烧器外壁（辐射壁面）； 

图2为“T”型隔板结构示意图。 

具体实施方式

如图1所示的多孔介质回热型平板式微尺度燃烧器，包括了进气口1、排气口2、“T”型隔板3、下多孔介质区4、上多孔介质区5、燃烧区6以及燃烧器外壁（辐射壁面）7。 

在本实用新型中，微尺度燃烧器外部呈长方体结构，上下两个外壁面的长度和宽度方向上的尺寸均为10mm×10mm，其外部整体高度为2.4mm，考虑到光电转换的实际效果，燃烧器采用了发射率为0.9、并具有较强耐高温性能的SiC陶瓷材料进行加工；在制作时，首先可用专用镗刀将一个符合上述外观尺寸的SiC块加工成左侧开口、右侧封闭的内部矩形通道结构，通道高度为2mm，即燃烧器外壁7厚度为0.2mm；随后，为形成回热通道，可采用耐高温、导热性能较好的铜钨合金（如CuW55）加工出一个如图2所示的“T”型隔板3，其中横向（水平放置）部分即作为导热隔板，厚度为0.2mm、长度和宽度方向的尺寸为5mm×10mm；左侧纵向隔板厚度也为0.2mm、高度和宽度尺寸与燃烧器外观尺寸保持一致，即为2.4mm×10mm，其上下中心位置则各加工出有一个直径为0.8mm的孔，以作为燃烧器的进气口1和排气口2；接着，将两块厚度为0.9mm、长度宽度尺寸与导热隔板保持一致的Al₂O₃泡沫微孔陶瓷或耐高温多层金属网，采用耐高温胶粘结在导热隔板的上下两侧，以形成燃烧器中的上下多孔介质区4和5；最后，将带有多孔介质的“T”型隔板塞入先前的矩形燃烧通道中，并利用耐高温胶将纵向隔板和燃烧通道最左侧的壁面部分进行粘结密封，最终形成一个多孔介质回热型平板式微尺度燃烧器。 

工作时，高压气瓶出来的氢气（或甲烷）和氧气（或空气）经减压阀减压后，先由气体质量流量控制器限定流量，后进入混合器中充分混合，混合后的气体由铜制导管经喷嘴导入微燃烧器中。通过对流量控制器的设定，可实现对燃料、氧化剂流量及当量比的精确控制。 

Claims (2)

1. 一种多孔介质回热型微尺度燃烧器，包括进气口、出气口和燃烧器外壁构成的通道，其特征在于：通道的一端封闭、另一端设有T型隔板；T型隔板由横隔板和纵端板构成，横隔板延伸至通道内，横隔板长度小于通道长度；横隔板上、下区域均设置多孔介质；纵端板位于通道另一端的端口处，进气口、出气口均设置在纵端板上，且对称分布在横隔板位置的两侧。

2. 根据权利要求1所述的一种多孔介质回热型微尺度燃烧器，其特征在于：燃烧器外壁采用SiC陶瓷材料制成，T型隔板材料为铜钨合金，多孔介质采用Al₂O₃泡沫微孔陶瓷或耐高温多层金属网加工形成，并采用耐高温胶粘结在横隔板的上下两侧。

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