專利名稱：一種微小型燃燒器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于氣體燃燒的技術領域，特指為微小型動力裝置提供熱源或高溫氣源的燃燒器。
背景技術：
隨著微加工技術的快速發展，各種微電子機械系統和設備不斷涌現，如微型衛星、 微型推進系統、微型機器人以及手機等便攜式電子設備。目前這些設備大都由化學電池驅動，然而化學電池存在能量密度小、體積和重量大、充電時間長等缺點，而氫氣和碳氫化合物燃料相對于化學電池來說有著高幾十倍的能量密度。如典型液體碳氫化合物燃料的能量密度約為45MJ/kg，而最好的鋰電池的能量密度約為1. 2MJ/kg。因此，基于燃燒的微小型動力系統具有與鋰電池競爭的巨大潛力。目前研究者們已經制造出了微燃氣透平、微轉子發動機、微推進系統、微熱光伏發電系統(μ -TPV)和微熱電系統(μ -TE)，等等。其中，微燃燒器是微小型動力系統的關鍵部件。從20世紀90年代開始，關于微燃燒的研究得到了世界各國的高度重視。在微小型燃燒器中，由于燃燒室表面積與體積的比值相對于常規尺度來說要大兩至三個數量級，使得通過壁面的散熱損失大大增加，同時壁面對化學反應自由基的捕獲幾率也大大增加，因此，火焰穩定性變差，容易發生熄火。此外，由于燃燒室幾何尺寸太小，氣體在其中的停留時間太短，燃料和空氣往往來不及完全反應就被吹出燃燒室，不僅導致燃燒效率降低，而且燃料的吹熄極限和穩燃范圍也大大縮小。為了提高微小型燃燒器中火焰的穩定性，研究者們主要采用熱循環以及催化反應的辦法。如美國南加州大學、日本東北大學和清華大學的研究小組采用所謂的“瑞士卷 (Swiss-Roll)”結構。但是這種燃燒器復雜的三維結構使得其加工非常困難。此外，鐘北京等提出了微小型催化燃燒器，然而，催化劑的催化效果也不持久。新加坡的研究小組則開發了帶臺階的突擴型微小型燃燒器來穩定火焰，取得了一定的效果，但是增加了系統加工的復雜性，同時臺階的存在降低了燃燒器的緊湊性。
發明內容本實用新型的目的是為了提供一種微小型燃燒器，該燃燒器具有結構緊湊、穩燃范圍寬和燃燒效率高的特點。本實用新型提供的一種微小型燃燒器，其特征在于，該燃燒器包括鈍體、第一、第二預熱通道以及燃燒室；第一、第二預熱通道以及燃燒室均為平板型；第一、第二預熱通道分別設有氣體入口，燃燒室設有尾氣出口 ；鈍體安裝在燃燒室的入口處，鈍體的寬度Wb與燃燒室的寬度W。之比為0. 3至0. 6 之間；第一、第二預熱通道均為L型，并分別布置在燃燒室的上、下兩側，且均與燃燒室的入 □連通。本實用新型的優點在于在燃燒室上下兩側設置了預熱通道，這樣避免了高溫的燃燒室壁面與外界的直接換熱，從而大大減少了燃燒室的散熱損失。此外，燃料和空氣(采用非預混燃燒方式時)、或者它們的預混合物(采用預混燃燒方式時)在進入燃燒室之前， 通過這兩個流道與燃燒室壁面進行對流和輻射換熱，達到預熱的目的，這樣可以降低點火所需的能量，縮短著火延長時間。再則，鈍體的存在不僅可以起到加強燃料和空氣的混合作用(采用非預混燃燒方式時)，而且能夠利用其后部形成的低速高溫的回流區來很好地穩定火焰。由于鈍體能使火焰在燃燒室內保持對稱分布，可以避免因為不均勻的熱應力導致燃燒器的損壞。鈍體表面也可以噴涂催化劑，從而能進一步降低著火所需的活化能，使得著火提前，燃料和空氣有足夠的時間來進行化學反應，保證在較高的進氣速度時也有高的燃燒效率。本實用新型產生的高溫煙氣可以用來為微型熱電裝置或者微型熱光伏系統提供熱源，也可作為微型推進系統的高溫燃氣，通過后續的噴管來產生推力。本實用新型的優點還在于它既適用于非預混燃燒，也適用于預混燃燒，具體采用何種燃燒方式可以根據實際情況進行合理地選擇。

圖1是本實用新型結構的二維示意圖其中1，2.入口，3.尾氣出口，4.鈍體，5，6.預熱通道，7.燃燒室圖2是圖1的三維效果圖。圖3是本實用新型實施例與單層平板型微燃燒器的吹熄極限比較曲線；圖4是本實用新型實施例與單層平板型微燃燒器的燃燒效率比較曲線。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例更加詳細地說明本實用新型，但以下實施例僅是說明性的，本實用新型的保護范圍并不受這些實施例的限制。如圖1所示，本實用新型提供的微小型燃燒器包括氣體入口 1和2、尾氣出口 3、鈍體4、預熱通道5和6、以及燃燒室7。預熱通道5和6以及燃燒室7均為平板型。鈍體4安裝在燃燒室的入口處，鈍體截面為三角形或圓柱形，其表面可噴涂鉬 (Pt)等常見的催化劑。鈍體4的寬度Wb與燃燒室7的寬度W。之比為0. 3至0. 6之間，預熱通道5和6均為L型，并分別布置在燃燒室7的上、下兩側，預熱通道5和6的出口均與燃燒室7的入口連通。燃料和空氣(采用非預混燃燒方式時)、或者它們的預混合物(采用預混燃燒方式時)分別從入口 1和2經預熱通道5和6進入平板型微燃燒室7的入口，二者在入口處進行初步混合，然后在鈍體4后方進一步進行充分混合(采用非預混燃燒方式時)，隨即點火燃燒，高溫尾氣由燃燒室的尾氣出口 3排出，可以用來為微型熱電裝置或者微型熱光伏系統提供熱源，也可作為微型推進系統的高溫燃氣，通過后續的噴管來產生推力。下面列舉一個實施例采用氫氣和空氣的預混燃燒方式，兩個預熱通道的寬度為 0.5mm，燃燒室寬度為1.0mm，長度為10mm，鈍體截面形狀為邊長0. 5mm的等邊三角形。固體材料采用耐高溫的石英玻璃，熱物性如下密度、熱容、導熱系數和法向發射率分別為 2650kg/m3、750J/(kgK)、1. 05W/ (m2K)和 0. 92。應用通用的 CFD 計算軟件 Fluent，并采用氫氣與氧氣反應的詳細化學反應機理(包括19個可逆反應和13種組元)，對預混氣當量比在0. 4-1. 0范圍內進行了數值模擬，結果表明本實用新型的吹熄極限是單層平板燃燒器的 2-4倍，如圖3所示。同時，燃燒效率也比單層平板燃燒器的要高，如圖4所示(當量比為 0. 5)。這些證明了本實用新型的燃燒器具有高效穩燃的優點。 以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，但本實用新型不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本實用新型保護的范圍。
權利要求1. 一種微小型燃燒器，其特征在于，該燃燒器包括鈍體(4)、第一、第二預熱通道(5、6) 以及燃燒室(7);第一、第二預熱通道(5、6)以及燃燒室(7)均為平板型；第一、第二預熱通道(5、6)分別設有氣體入口(1、2)，燃燒室(7)設有尾氣出口(3)；鈍體(4)安裝在燃燒室(7)的入口處，鈍體(4)的寬度Wb與燃燒室(7)的寬度W。之比為0. 3至0. 6之間；第一、第二預熱通道(5、6)均為L型，并分別布置在燃燒室(7)的上、下兩側，且均與燃燒室(7)的入口連通。
2.根據權利要求1所述的微小型燃燒器，其特征在于，鈍體(4)的截面為三角形或圓柱形。
3.根據權利要求1或2所述的微小型燃燒器，其特征在于，鈍體(4)的表面噴涂有催化劑。
專利摘要本實用新型公開了一種微小型燃燒器，包括鈍體、預熱通道和燃燒室；預熱通道和燃燒室均為平板型；鈍體截面為三角形或圓形，安裝在燃燒室的入口處，鈍體寬度與燃燒室寬度之比為0.3～0.6；兩個預熱通道均為L型，分別布置在燃燒室的上、下兩側，預熱通道的出口均與燃燒室的入口連通。本實用新型克服了現有技術的不足，既利用了對燃料和空氣(采用非預混燃燒方式時)、或者它們的預混合物(采用預混燃燒方式時)的預熱、催化，來降低點火所需能量、縮短著火延遲時間、減少排氣熱損失，也利用鈍體后形成的低速高溫的回流區來充分混合燃料和空氣、延長燃氣停留時間、穩定火焰。因此，該發明能夠有效擴大穩燃極限，提高燃燒效率，廣泛適用于各種微小型動力系統。
文檔編號F23D14/26GK202056882SQ20112006129
公開日2011年11月30日 申請日期2011年3月9日 優先權日2011年3月9日
發明者劉偉, 劉思遠, 張若昀, 楊金國, 范愛武 申請人:華中科技大學