基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器。該設備呈片層狀結構，自上而下依次為：燃料儲存層、上溫差發電片、上隔熱層、燃燒模塊、下隔熱層、下溫差發電片、助燃劑儲存層，即燃燒室位于溫差發電片的熱端，氣體預熱層位于溫差發電片的冷端；所述燃燒模塊包括進氣通道、出氣通道和燃燒室，其中進出氣通道為方形雙螺旋并行結構，中心燃燒室內由多孔介質填充；所述上、下隔熱層內由導熱油和微量惰性氣體混合填充。該設備具比能量高、體積小、重量輕、無噪音、持續穩定、低排放的優點，主要針對微型電子設備領域，適用于野外，以及軍事、航空航天領域的微型精密輕便設備的供電。
【專利說明】
基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器
技術領域
[0001]本發明涉及一種功率需求較低的微小型發電裝置，并采用多孔介質燃燒室和半導體溫差發電的微燃燒發電系統。
【背景技術】
[0002]目前在電池已經滲透到軍備以及民用的各個領域中，從通訊儀器到偵察設備，從夜相儀到單兵夜視鏡，大到軍艦戰機，小到GPS都離不開電池。而現在人們主要應用的鋰離子電池存在著諸多問題:(1)鋰原電池存在安全性差，有發生爆炸的危險；(2)鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，安全性差；(3)鋰離子電池均需保護線路，防止電池被過充放電；(4)生產要求條件高，成本高；(5)鋰金屬的化學特性非常活潑，其加工，保存，實用對環境的要求非常高；(6)循環使用時，鋰電池的充電時間較長，而待機時間較短。
[0003]隨著基于微電機械系統(Micro Electro Mechanical Systems , MEMS)的微能源動力系統技術的發展，微尺度燃燒研究隨之產生，目前研究的微尺度燃燒一般發生在很小的尺度范圍(低于Icm3的容積)內。與傳統化學電源相比，由微尺度燃燒器組成的微燃燒能源系統具有價格低廉、保存期限長、能提供穩定電壓、可重復使用和低排放等優點，其旨在解決為便攜電子設備提供長時間供應穩定電力的電源問題。而除了在民用領域的應用外，微燃燒能源系統更可應用于國防領域，如為微型飛行器、微型衛星、現代單兵作戰系統等提供高性能的動力、電力支持。基于微尺度燃燒的微動力能源系統具有很高的能量密度，被認為是一種替代傳統化學電源的十分有前景的方法。
[0004]微燃燒系統盡管能量密度大，但是體積微小，微燃燒產生的熱量很難像普通燃燒那樣用傳統的方式將其合理有效地利用起來。分析現有的多種能量導出方式可知，熱電發電技術有體積小、重量輕、無污染、性能穩定等特點，可通過發電材料與熱源接觸直接轉化的方式導出電能，省去中間機械動力部分能量的損耗，符合微燃燒系統對體積小，結構簡單的要求，是最適合微燃燒系統的能量導出方式之一。熱電發電原理是基于熱電效應中的塞貝克效應，通過材料兩端產生溫差而將熱源有效轉化為電能，是一種綠色環保能源技術。
[0005]微尺度燃燒和大尺度的燃燒有很大區別，由于設備體積微小，火焰非常容易熄滅，因此保證燃燒持續穩定進行，成為微燃燒研究中一個重要研究方向。只有保證持續穩定燃燒，才能保證持續供熱，從而產生持續穩定的電流。
[0006]同時微小尺度的燃燒點火方式也對燃燒有重要影響，現有點火方式中，明火點燃更適用于大尺度，激光點燃對燃燒室的材質要求為透明，可允許激光穿過燃燒室到達燃料，同時激光機器消耗高體積大。可見上述兩種點火方式均不適用于微型裝置。
[0007]國內外對于微尺度燃燒以及微小型熱電轉換器所做的工作主要集中于器件加工和一些相關的微燃燒實驗方面，幾乎沒有開展如何保持熱電發電器冷熱段的溫差以及燃燒器的溫度場的均勻分布等內容的研究工作。
[0008]現有專利發明當中如重慶大學專利號為ZL200920126143.1《一種便攜式微型溫差發電器》，采用催化燃燒方式，其催化反應整體溫度要維持在500-600°C ;對于南京航空航天大學申請號為201010158485.9《微小型燃燒式半導體溫差發電機》，所述燃燒模塊表面溫度仍然遠高于熱電模塊能夠承受的高溫限制，因此熱電模塊會遭到損壞，不能持續穩定供電。

【發明內容】

[0009]針對存在的上述技術問題，本發明的目的是提供一種比能量高、體積小、重量輕、無噪音、持續穩定、低排放的，可代替鋰電池等傳統電池應用在便攜式電子設備及單兵作戰和航空航天等領域的新型發電裝置。
[0010]—種基于微燃燒的小型溫差發電器，屬于電子設備領域。設備成片層狀結構，自上而下依次為:燃料儲存層、上溫差發電片、上隔熱層、燃燒模塊、下隔熱層、下溫差發電片、助燃劑儲存層，即燃燒室位于溫差發電片的熱端，氣體預熱層位于溫差發電片的冷端;所述燃燒模塊包括進氣通道、出氣通道和燃燒室，其中進出氣通道為方形雙螺旋并行結構，中心燃燒室內填充有多孔介質;所述上下隔熱層內填充有導熱油;所述燃料儲存層和助燃劑儲存層通過外接管道進行氣體預混后接入進氣通道。
[0011]相比現有技術，本發明專利具有如下有益效果:
上述進氣與出氣通道為方形雙螺旋并行式結構，進氣和出氣通道間的距離很小，一般為通道直徑的0.5-2倍，這使得進氣通道中的預混氣體受到出氣通道中高溫廢氣的加熱，使氣體再次預熱(第一次預熱在下述燃料儲存層進行)增大焓值的同時，也使廢氣中的余熱得以回收利用，減少熱量損失;采用方形螺旋型結構可使通道占整個發電模塊的面積比例較圓形通道增大，使得由于熱量傳導在板內部造成的損失減少；同時通道采用變徑設計，從進氣口到中心燃燒室依次為小于、大于、小于最大媳火直徑，一方面控制火焰燃燒的安全性，另一方面實現了熱量的均勻分布，具體來說:燃氣在管徑小于熄火直徑范圍的部分不能燃燒，且流速較快，可保證氣體流暢通過整個燃燒管道，而通過大管徑時，由于質量流量守恒，速度會減小，高溫燃氣在燃燒器內部停留時間增長，同時換熱面積增大也加速了熱量的均勻擴散解決回火問題。
[0012]上述燃燒室內部電子打火裝置可以有效解決微小型燃燒的點火問題，其特點在于:在氣體通過小口徑通道進入燃燒室后進入多孔助燃介質之后由兩根間距為0.3mm直徑為0.2?0.5_的金屬絲通過高壓電產生的電火花點燃，采用這種點火方式一方面在于可有效解決點火困難的問題，并且保障點火的及時性，也可以有效減小點火裝置體積;并且更容易加工制造，可操作行強，并且沒有加熱過程，更加便捷迅速。
[0013]上述位于微燃燒模塊中心的燃燒室采用多孔介質填充，其中多孔介質位于電子點火裝置周圍，分布于中心燃燒室大部分區域中；與自由空間或者普通燃燒室燃燒相比，預混氣體在多孔介質中的燃燒具有功率密度大，燃料利用率高的優點，預混氣體充分混合后在過剩空氣很少的情況下也可以達到完全燃燒；由于輻射作用，多孔介質的高溫后部，會對低溫的前部進行加熱，從而達到對未反應的燃氣混合物的預熱作用，加快點燃速度，也保證燃燒可以持續不斷穩步進行。
[0014]上述燃燒模塊的上、下外表面各加一層隔熱層，溫差發電片的加熱面則貼附在隔熱層的另一面。此處使用導熱油與微量惰性氣體填充在封閉式隔熱層內部，其作用為將溫差發電片熱面的接觸溫度控制在均勻可行的范圍內，具體為:由于沸點限制，導熱油的溫度在上升到某一臨界點后則不會隨著熱源溫度的增加而繼續增加，且熱量可充分儲存在導熱油內，因此可以在燃燒模塊和溫差發電模塊之間形成合適的溫度梯度，一方面保證與溫差發電片接觸的溫度在導熱油沸點之下且接近其沸點，并在發電片可承受范圍內，另一方面經過液體導熱油的導熱緩沖，使發電片受熱更均勻，從而提高發電效率，貯存在導熱油中的熱量也不容易散失。導熱油受熱后體積膨脹顯著，固在傳熱介質層中留有一定的惰性氣體，為傳熱油的體積變化留足空間，防止隔熱層變形。
[0015]上述上、下溫差發電片的冷卻面上分別裝有燃料儲存層和助燃劑儲存層；采用這種設計的目的在于冷卻溫差發電片冷面，同時預熱即將進入預混管道的氣體和助燃劑。具體為:首先儲存在燃料儲存層和助燃劑儲存層中的氣體呈高壓狀態，當開啟放氣閥門后，氣體流入預混管道且壓力下降，這一過程會帶走溫差發電片冷面的部分熱量，從而保證發電模塊的溫差，提高發電效率；同時溫差發電片的冷面溫度將對即將進入預混室的氣體進行初步預熱，使其不僅可以在預混通道混合更為充分，也降低了氣體的點燃難度和熄火概率，增大了可持續燃燒的可能。這一設計使熱量得以循環利用，減少能量損失。
【附圖說明】
[0016]圖1是基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器結構示意圖；
圖2是基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器的燃燒模塊雙通道結構圖；
圖3是基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器右視的氣體預混管路示意圖。
[0017]上述各圖中標號名稱:1、進氣通道，2、出氣通道，3、燃燒室，4、燃料儲存層，5、助燃劑儲存層，6、上溫差發電片，7、下溫差發電片，8、上隔熱層，9、下隔熱層，10、燃燒模塊，11、氣體預混管道，12、燃料儲存層充氣口，13、助燃劑儲存層充氣口，14、燃料儲存層出氣口，15、助燃劑儲存層出氣口，16、燃料儲存層出氣口單向閥，17、助燃劑儲存層出氣口單向閥，18、燃燒室進氣通道單向閥，19、電子點火裝置電路，20、電子點火裝置導線，21、點火開關。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖對本發明作進一步說明。
[0019]微小體積下的燃燒進行有一定的難度，因此要從多個方面保證燃燒的穩定持續進行。如圖1所示，本裝置采用多孔介質填充燃燒室，利用片層狀結構及特殊設計的導熱油隔熱層形成溫度梯度，以及應用各層之間的熱量交換來保證燃燒的進行，減少熱量的損耗，自上而下依次為:燃料儲存層4、上溫差發電片6、上隔熱層8、燃燒模塊10、下隔熱層9、下溫差發電片7、助燃劑儲存層5，即燃燒室位于溫差發電片的熱端，燃料和助燃劑儲存層位于溫差發電片的冷端。所述燃燒模塊包括進氣通道1、出氣通道2和燃燒室3，其中進出氣通道為方形雙螺旋并行結構，中心燃燒室內填充有多孔介質;所述上下隔熱層內填充有導熱油;所述燃料儲存層和助燃劑儲存層的氣體在氣體預混管道11預混后通過燃燒室進氣通道單向閥與進氣通道相連。
[0020]本發明的整體結構為片層狀結構，以燃燒模塊為軸成對稱分布，每一層可為獨立個體，層間均可用粘性導熱硅脂粘合，保證熱量順利在各層之間傳導，且容易拆卸，方便加工維修。
[0021]所述的微燃燒模塊一般使用硅或二氧化硅等耐高溫不導電的材料加工而成，可使用切割、刻蝕等方式制作兩塊對稱的帶有螺旋狀凹槽的平板，再將兩板貼合，形成封閉通道。通道寬度在0.5-1.0mm之間，高度一般也在這一范圍內，該層的總厚度一般設計在1_4_之間；并行通道之間的距離要盡可能小，以保證之間的熱量順利傳導；從圖2中可以看到，在進入螺旋槽道前，管徑處于熄火直徑之內，而在整個螺旋槽道內可以實現局部的火焰傳播，能確保燃氣不會回火至進氣口，穩定安全可操控;燃氣在管徑小于熄火直徑范圍的部分不能燃燒，而通過大管徑時，由于質量流量守恒，速度會減小，高溫燃氣在燃燒器內部停留時間增長，同時換熱面積增大也加速了熱量的均勻擴散。
[0022]在燃燒室的中心位置設有通孔，連接電子點火裝置。氣體通過小口徑通道進入燃燒室的多孔介質之后，由兩根間距為0.3mm直徑為0.2?0.5mm的金屬絲20通過高壓電產生的電火花點燃，其中高壓電可由直流電源(內置電池)和電源逆變電路產生。兩根平行金屬絲在進入燃燒室外壁前先穿過一個用于密封的墊片以保證燃燒室的密封性能，墊片及粘貼墊片所用的導熱硅脂均為可以使燃燒室嚴密且耐高溫的材料，金屬絲采用較硬質的導電耐熱性材料以保證金屬絲進入燃燒室后不易受損，保證電火花穩定產生。整個電路開關可接在一個外置點火開關21上，作為整個發電器的發電開關，電子點火裝置電路19排布在整個裝置的側面。
[0023]上述燃燒室中有多孔介質填充作為燃燒室助燃結構。多孔介質是由固體物質組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構成的物質，其內的流體以滲流方式運動。多孔介質內部的空隙極其微小，大多在不足I微米到500微米之間；單位體積或單位質量的多孔介質內所有微小空隙的表面積的總和稱為比表面積，多孔介質的比表面積數值越大，更有利于燃燒的進行，使流入其中的氣體更容易點燃，燃燒更充分。填充時可使多孔介質分布于電子點火裝置周圍，分布于中心燃燒室大部分區域中，介質本身為耐高溫，如SiC材質泡沫陶瓷等材料。
[0024]上述燃燒模塊上、下外表面的隔熱層，實則為一片完全密閉的長方體薄片容器，內部填充有導熱油，厚度一般為lmm-5mm。導熱油具有抗熱裂化和化學氧化的性能，傳熱效率好，散熱快，熱穩定性很好。這一措施實際上是保證溫差發電片的熱面溫度保持在其工作范圍之內，一般溫差發電片長期工作在300°C時則會損壞，而導熱油的溫度上升到其沸點(200°C-400°C之間)則不再上升。水也常被用為隔熱介質，但其的沸點較低，熱量不能得到充分利用。液態的導熱油可以比水充分吸收來自燃燒室表面的溫度，使發電片充分受熱，減少能量損失。但是導熱油受熱后體積膨脹顯著，溫升100°C，體積膨脹率可達8%?10%，體積不變的情況下隔熱層內壓強會升高，因此隔熱層要使用足夠承受此壓強的材質。同時在隔熱層中沖入微量的惰性氣體，一方面可以緩解由于壓強升高而導致隔熱層變形，另一方面可防止導熱油的氧化。此處隔熱層擬使用一次性制作并密封好的部件，即一次性填充好導熱油和微量惰性氣體，二次充油或充氣容易破壞其密封性。
[0025]上述上溫差發電片的冷卻面上裝有燃料儲存層，在下溫差發電片的冷卻面上裝有助燃劑儲存層，其位置可以按需求調換。助燃劑的選用與燃料的成分緊密相關，一般為氧氣或者空氣。此兩個儲存層外設充氣接口，分別為燃料儲存層充氣口 12和助燃劑儲存層充氣口 13，且氣體可壓縮存儲在該層內，以保證一次性發電時間；充氣口的另一端為放氣口，此兩個出口當裝有燃料儲存層出氣口單向閥16和助燃劑儲存層出氣口單向閥17 (對應于燃料儲存層出氣口 14和助燃劑儲存層出氣口 15)。燃料氣體和助燃劑由各自儲存室流出后在預混管道預混，后再經過一個微型單向進氣閥18，才可經過變徑管道與進氣口相連接，單向閥可防止回火，見圖3。
【主權項】
1.基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器，其特征在于:呈片層狀結構，自上而下依次為:燃料儲存層(4)、上溫差發電片(6)、上隔熱層(8)、燃燒模塊(10)、下隔熱層(9)、下溫差發電片(7)、助燃劑儲存層(5)，即燃燒室位于溫差發電片的熱端，燃料和助燃劑儲存層位于溫差發電片的冷端； 上述燃燒模塊(10)包括進氣通道(1)、出氣通道(2)和燃燒室(3)，其中進出氣通道均為方形雙螺旋并行結構，并通過燃燒室(3)相連通，且燃燒室(3)內由多孔介質填充； 上述燃燒室(3)內部中心裝有電子點火裝置； 上述上隔熱層(8)和下隔熱層(9)內均由導熱油和微量惰性氣體混合填充，且內部完全不含空氣； 上述燃料儲存層(4)和助燃劑儲存層(5)通過外接氣體預混管道(11)進行氣體預混后接入進氣通道(1)，燃燒后廢氣從出氣通道(2)排出。2.根據權利要求1所述的基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器，其特征在于:上述燃燒模塊(10)的燃燒室(3)位于模塊中心位置，上述進氣通道(I)和出氣通道(2)呈方形雙螺旋形圍繞該燃燒室(3 );除了進氣口和出氣口外整個燃燒模塊完全密封。3.根據權利要求1所述的基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器，其特征在于:上述電子點火裝置由電子點火導線延伸入燃燒室(3)的中心部位。4.根據權利要求3所述的基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器，其特征在于:上述中心燃燒室(3)中，圍繞正中心的電子點火導線的四周填充有多孔介質。5.根據權利要求1所述的基于多孔介質穩燃的微燃燒溫差發電器，其特征在于:上述燃料儲存層(4)和助燃劑儲存層(5)分別位于裝置的最頂端和最底端，與溫差發電片(6)和(7)的冷面相貼合，且分別有充氣口(12)、(13)，和出氣口(14)、( 15)，氣體在氣體預混管道(11)預混后通過燃燒室進氣通道單向閥(18)與進氣通道(I)相連。
【文檔編號】F23D14/02GK105827152SQ201610313905
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】黃雪峰, 馬皎嬌, 陸雨杰, 汲小川, 吳啟帆
【申請人】杭州電子科技大學