專(zhuān)利名稱(chēng)：一種帶有預(yù)熱通道的微平行板燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)(PowerMEMS，簡(jiǎn)稱(chēng)微動(dòng)力系統(tǒng))領(lǐng)域，屬一種新型預(yù)熱 混合燃燒技術(shù)，特指一種帶有預(yù)熱通道的微平行板燃燒器。
背景技術(shù)：
信息技術(shù)、生物技術(shù)的發(fā)展促使機(jī)電系統(tǒng)向微型化方向發(fā)展，同時(shí)微制造技術(shù)的進(jìn)步也 不斷加速著這一過(guò)程。微型機(jī)電系統(tǒng)對(duì)其動(dòng)力供給部分提出了重量輕、使用時(shí)間長(zhǎng)的要求， 然而現(xiàn)有的電池由于能量密度不高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足這些要求。微動(dòng)力系統(tǒng)能為微型機(jī)械提 供長(zhǎng)壽命、高能量密度的能源和動(dòng)力，是動(dòng)力裝置發(fā)展的第四個(gè)里程碑，因而也成為了各個(gè) 國(guó)家科研競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。
碳?xì)淙剂系哪芰棵芏?120MJ/Kg)大約是鋰電池(1.2MJ/Kg)的100倍，由此人們提出了 以燃燒為基礎(chǔ)的微動(dòng)力系統(tǒng)，即直接在微系統(tǒng)中通過(guò)燃燒將氫氣或碳?xì)淙剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)換為 熱能，然后依靠各種能量轉(zhuǎn)換方式提供動(dòng)力或產(chǎn)生電能。這樣，即使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效 率只有10%，其能量密度也高達(dá)鋰電池的10倍，而且微動(dòng)力系統(tǒng)還具有成本低廉、電壓穩(wěn)定 等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用碳?xì)淙剂习l(fā)電的微動(dòng)力裝置將有很大的發(fā)展?jié)摿Αｈb于此，美國(guó)、日本以 及歐洲的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了這方面的研究，并開(kāi)發(fā)出不同形式的樣機(jī)，如微燃?xì)?輪機(jī)、微型往復(fù)式電力發(fā)生器和微型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)等。這些非直接能量轉(zhuǎn)換的微型動(dòng)力裝置基 本上都是將常規(guī)動(dòng)力機(jī)械按比例縮小所得到的版本，由于高速運(yùn)動(dòng)部件的存在，在微觀(guān)領(lǐng)域， 這些裝置在熱損失、摩擦、密封、加工以及裝配等方面遇到比常規(guī)裝置要大得多的困難。相 對(duì)而言，微熱光電系統(tǒng)、微熱電系統(tǒng)等無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、易操作的微動(dòng)力系統(tǒng)將會(huì)有更好的發(fā)展 前景。
在國(guó)內(nèi)，本課題組率先進(jìn)行微熱光電系統(tǒng)的研究，并開(kāi)發(fā)出了微熱光電系統(tǒng)原理性的樣 機(jī)。它的基本原理是燃料和氧化劑經(jīng)微型混合器混合后,進(jìn)入微燃燒室中燃燒。當(dāng)壁面被加 熱到一定高溫時(shí),就會(huì)放出光子。當(dāng)它們撞擊光電池時(shí)，會(huì)激發(fā)出自由電子，從而產(chǎn)生電能。
微燃燒器是微熱光電系統(tǒng)中最為重要的組成部分之一，其設(shè)計(jì)決定了內(nèi)部燃燒的穩(wěn)定性 和外壁面溫度的分布情況。目前，常見(jiàn)的微熱光電系統(tǒng)的燃燒器為圓柱形，混合氣在微火焰 管內(nèi)的駐留時(shí)間較短，燃燒不夠充分，輻射器表面溫度較低，而且輻射器跟光電池的配套工 作不好，因此系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)化效率不高。為此，課題組在08年申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利"平行板模塊 式微熱光電系統(tǒng)"，并已展開(kāi)了相關(guān)研究工作。平行板微燃燒室的加工裝配更加容易，而且方便實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)之間的模塊化組合，從而有利于單位體積能量輸出密度的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為微熱光電系統(tǒng)提供一種高燃燒效率的微燃燒器，以進(jìn)一步提高微熱光 電系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)化效率和工作性能。
本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)如附圖l所示氫氣和氧氣分別從進(jìn)氣入口7、 9經(jīng)各自的預(yù)熱通道3進(jìn) 入平行板燃燒室4，平行板燃燒室4上段的窄流通截面區(qū)域?yàn)闅溲躅A(yù)混合區(qū)2，主要為了氫氣和 氧氣的預(yù)混合，氫氣和氧氣在平行板燃燒室4這里完成燃燒過(guò)程，使得輻射表面ll達(dá)到所需的 輻射溫度；它們生成的產(chǎn)物最后由尾氣出口8排至裝置外，構(gòu)成燃燒室的材料使用SiC材料。 混合區(qū)的上部裝置了 一個(gè)石英玻璃遮罩1,另外跟輻射表面平行的左右兩邊各設(shè)計(jì)了 一塊石英 玻璃的平行板6、 10，這兩塊石英玻璃平行板跟燃燒室的兩塊SiC板形成了氫氣、氧氣的預(yù)熱 通道，石英玻璃遮罩l的下部設(shè)計(jì)成凸臺(tái)結(jié)構(gòu),燃燒室入口處也有一個(gè)截面漏斗狀的坡度結(jié)構(gòu)， 這些都是為實(shí)現(xiàn)較好的氫氧預(yù)混合。另外，出于降低光電池表面溫度的考慮，圖中的石英玻 璃遮罩和左右石英玻璃平行板都設(shè)計(jì)成真空結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于兩個(gè)進(jìn)氣通道緊挨著平行板燃燒室，進(jìn)氣在進(jìn)入燃燒室之前將被燃燒 室的外壁面(即輻射表面)預(yù)熱，這可以提高混合氣的焓值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，同時(shí)降低了壁 面的對(duì)流換熱損失和出口的排氣熱損失，從而使輻射表面的整體溫度分布得到提高，進(jìn)而可 以提高系統(tǒng)整體的能量轉(zhuǎn)化效率。另外，石英玻璃罩左右兩側(cè)都抽成真空，輻射表面和光電 池之間的熱量交換被有效的減少，故能起到了很好的隔熱效果，考慮到石英玻璃的透射性能， 燃燒室的外壁面輻射出的光子是也是可以打到光電池片上的，而光電池表面的溫度卻會(huì)有很 大降低，因此可以大幅提高光電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖1為微平行板燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖，
其中l(wèi).石英玻璃遮罩，2.氫氧預(yù)混合區(qū)，3.預(yù)熱通道，4.平行板燃燒室，5.真空區(qū)， 6.左平行板，7.氫氣入口， 8.尾氣出口， 9.氧氣入口， 10.右平行板，11.輻射表面。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明中石英玻璃遮罩為三部分的一個(gè)整合，最上部分的凸臺(tái)遮罩以及左右兩側(cè)的玻璃 都為雙層中間抽真空的結(jié)構(gòu)，燃燒器整體高度為10.8mm，寬度為3.8mm，長(zhǎng)度為8mm,單層 玻璃厚度為0.2111111,真空寬度也為0.2111111;燃燒室材料為具有較強(qiáng)耐高溫性能的SiC陶瓷，所 采用的SiC物性參數(shù)如下表所示。燃燒室外側(cè)輻射表面高度為10mm,長(zhǎng)度為8mm，燃燒區(qū)域
4高度為8mm，寬度為lmm，壁厚為0.2mm;混合區(qū)的高度為2mm，寬度為0.2mm，相應(yīng)的壁 厚為0.6mm;預(yù)熱區(qū)通道的寬度為0.6mm，兩端進(jìn)氣口直徑為0.4mm。在常溫和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣 壓下，氫氣和氧氣經(jīng)各自減壓閥減壓后，經(jīng)流量控制器精確控制，以一定的比例進(jìn)入各自的 進(jìn)氣通道，經(jīng)預(yù)熱后，在燃燒室的混合區(qū)充分混合，最后進(jìn)入微燃燒室內(nèi)主燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒。 針對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)建模工作進(jìn)行了一定的數(shù)值模擬工作，研究表明在氫氣進(jìn)口流 速為40m/s,氫氧混合比為8: 5時(shí)，混合氣在燃燒器內(nèi)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，輻射壁面溫度較高且 分希均勻，這對(duì)于MTPV系統(tǒng)穩(wěn)定高效的工作是非常有幫助的。
燃燒器材料的主要參數(shù)
材料名稱(chēng)碳化硅石英玻璃
組成SiC 97%碳化硼Si02
導(dǎo)熱系數(shù)92 W/(m.k)2.8 W/(m'k)
密度3.10 g/cm32.2 g/W
紅外輻射率0.77 (法線(xiàn)方向)0.97 (法線(xiàn)方向)
權(quán)利要求
1、一種帶有預(yù)熱通道的微平行板燃燒器，其特征在于由三部分組成，由內(nèi)到外分別為平行板燃燒室4，預(yù)熱通道3以及石英遮罩1，其中平行板燃燒室4的上半段為氫氧預(yù)混合區(qū)2；其中石英遮罩具有雙層中間抽真空的結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有預(yù)熱通道的微平行板燃燒器，其特征在于平行板燃燒室4采用SiC陶瓷制備。
全文摘要
本發(fā)明屬于微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，特指一種帶有預(yù)熱通道的微平行板燃燒器。其由三個(gè)主要部分組成平行板燃燒室，預(yù)熱通道以及石英遮罩，由內(nèi)到外分別為平行板燃燒室，預(yù)熱通道以及石英遮罩，其中平行板燃燒室的上半段為氫氧預(yù)混合區(qū)；其中石英遮罩具有雙層中間抽真空的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用預(yù)熱通道預(yù)熱，使燃料和氧化劑在混合之前得到預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的燃燒；真空的雙層石英玻璃外罩，不僅能讓燃燒器輻射表面產(chǎn)生的絕大部分光子通過(guò)，而且還能起到隔熱的作用，這些措施都能在很大程度上提高微熱光電系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)化效率和工作性能。
文檔編號(hào)F23D14/02GK101539293SQ20091003128
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者唐愛(ài)坤, 李曉春, 楊文明, 潘劍鋒 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)