專利名稱：熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種熱電轉(zhuǎn)換裝置，尤其是指能將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室。
能源是文明之源。熱能是有史以來(lái)，人類能最廣泛使用的大規(guī)模的能源形式之一。當(dāng)前，人們使用各種燃料包括核燃料，都是為了取得熱能加以不同的應(yīng)用目的。熱能的利用方式有很多。熱功轉(zhuǎn)換主要是通過(guò)依據(jù)各種熱力循環(huán)原理制造的熱機(jī)，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；熱電轉(zhuǎn)換的方式主要有熱能-機(jī)械能-電能、熱能-電能直接轉(zhuǎn)換兩種，前者仍需要利用熱機(jī)作為中間環(huán)節(jié)，后者使用熱電轉(zhuǎn)換元件直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能。
熱電效應(yīng)是一種物理現(xiàn)象在兩種導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)端點(diǎn)處于不同的溫度狀態(tài)時(shí)，回路中將會(huì)產(chǎn)生熱電流，其熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶是一種良好的熱電轉(zhuǎn)換元件，它的基本結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，是由兩種不同材料的熱電極焊接而成。不同的材料組合的熱電偶具有不同的熱電勢(shì)特性，適用于不同的溫度環(huán)境?，F(xiàn)代工業(yè)熱電偶主要用于溫度測(cè)量，使用范圍覆蓋了-273℃-2500℃的溫度域，已經(jīng)研究和使用過(guò)的熱電偶有300多種，其中有鉑、銥、銠等貴金屬組合的高溫?zé)犭娕?，也有銅、鐵、鋁類的廉金屬組合的中、低溫?zé)犭娕?。熱電偶?shí)際上是一個(gè)微型的物理電源，熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，也有過(guò)許多將熱電偶作為電源使用的例子，現(xiàn)今也有一些熱電轉(zhuǎn)換電池和小型電器采用這種原理。但由于熱電偶的熱電勢(shì)只有毫伏級(jí)，并存在氧化腐蝕等問(wèn)題，尚無(wú)大規(guī)模高強(qiáng)度地作為電源使用，尤其作為車載動(dòng)態(tài)電源使用。
根據(jù)傳熱學(xué)理論，熱能的傳導(dǎo)有導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、輻射換熱三種形式。一般的小型熱電轉(zhuǎn)換裝置，熱源與熱電轉(zhuǎn)換元件是各自分離的，工作溫度比較低，主要利用導(dǎo)熱的形式，將熱源的溫度轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)。這種熱電轉(zhuǎn)換的強(qiáng)度小、效率低，輸出功率也低。根據(jù)熱力學(xué)的理論，可逆熱機(jī)的效率取決于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g溫度的差值。對(duì)于熱電轉(zhuǎn)換裝置來(lái)說(shuō)，提高高溫?zé)嵩吹臏囟然蚪档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟?、高效地利用熱傳?dǎo)的各種形式并減少熱損耗，都是提高熱電轉(zhuǎn)換效率的有效方法。
為此，本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，可用做高強(qiáng)度、大功率熱電轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)高溫裝置。
本實(shí)用新型的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室主要由絕熱外殼、內(nèi)部的隔板、入口處的燃料噴嘴和高壓電極、以及設(shè)置在隔板上熱電偶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。它的功能是將燃料輸入絕熱燃燒室并在內(nèi)部燃燒，形成高溫?zé)嵩?，直接由熱電轉(zhuǎn)換元件將熱能轉(zhuǎn)換為電能。
所述絕熱外殼用耐熱的多層復(fù)合材料制成，具有良好的絕熱性能，可以有效地減少熱能的損耗。
所述隔板可以是一塊或多塊，將絕熱燃燒室內(nèi)腔分隔成若干個(gè)區(qū)域，靠近燃燒噴嘴的區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)，另一端是低溫區(qū)。在隔板上設(shè)有通道，使熱氣流通過(guò)，由絕熱燃燒室的上一級(jí)區(qū)域進(jìn)入下一級(jí)區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的溫度逐步降低。各區(qū)域中的熱電偶網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在隔板上。
所述燃料噴嘴由耐高溫的金屬或非金屬材料制成，功能是將可燃混合氣體引入絕熱燃燒室內(nèi)。熱電極類似汽油機(jī)的火花塞，用于絕熱燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火。
所述熱電偶網(wǎng)絡(luò)是將大量的熱電偶以三維空間串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合的方式連接成一個(gè)整體，網(wǎng)絡(luò)中的孔隙是高溫氣流的通道。為了在高溫下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，熱電偶的選用應(yīng)根據(jù)該熱電偶所處絕熱燃燒室內(nèi)區(qū)域的溫度，選擇適合的配對(duì)電極材料，首先選擇價(jià)格低熱電勢(shì)高的材料。為了防止高溫下的氧化腐蝕，網(wǎng)絡(luò)及其引出線必須嚴(yán)密地封裝在耐高溫的防腐蝕涂層中。
對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是絕熱燃燒室可以是外置式或內(nèi)置式，即熱電轉(zhuǎn)換元件可以設(shè)置在絕熱燃燒室以外，或設(shè)置在絕熱燃燒室以內(nèi)。
對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是絕熱燃燒室可以分隔為一級(jí)或二級(jí)或多級(jí)內(nèi)腔，其結(jié)構(gòu)基本相同，充分利用熱流的溫度變化。
對(duì)上述方案進(jìn)一步改進(jìn)絕熱燃燒室內(nèi)可以設(shè)置一個(gè)或二個(gè)或多個(gè)熱源。
對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是使用的熱電偶可以是金屬熱電偶或非金屬熱電偶，熱電偶網(wǎng)絡(luò)可以是多層、多級(jí)大規(guī)模點(diǎn)陣連接的網(wǎng)絡(luò)群結(jié)構(gòu)。
對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是燃料可以是液態(tài)燃料或氣態(tài)燃料。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)提出了一種新型熱電轉(zhuǎn)換的絕熱燃燒室結(jié)構(gòu)，其熱源溫度高，結(jié)構(gòu)緊湊，能充分利用高溫?zé)嵩吹臏囟群透咝醾鲗?dǎo)的形式，減少熱損耗，提高了熱電轉(zhuǎn)換的效率。
(2)采用絕熱燃燒室和多層、多級(jí)大規(guī)模熱電偶網(wǎng)絡(luò)群的結(jié)構(gòu)，充分利用了高溫?zé)崃髡麄€(gè)工作過(guò)程中的各級(jí)溫差，最大限度地將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，提高了熱能的利用率。
(3)熱電轉(zhuǎn)換的強(qiáng)度高、功率大，具有良好的比功率指標(biāo)，且比能量指標(biāo)僅取決于所配備的燃料的數(shù)量。
(4)可以使用液態(tài)或氣態(tài)的多種燃料，使用氫氣或低熱值燃料時(shí)，排氣將為零污染或低污染。
本實(shí)用新型的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室可以廣泛地應(yīng)用在需要移動(dòng)式(或固定式)高強(qiáng)度、低污染電源的領(lǐng)域，包括民用或軍用。如交通、工農(nóng)業(yè)、建筑、醫(yī)療等部門(mén)。


圖1是本實(shí)用新型熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是
圖1中熱電偶網(wǎng)絡(luò)I-I剖面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是圖2中的熱電偶接線原理圖；圖4是本實(shí)用新型熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室應(yīng)用于車用熱電機(jī)的方框圖。
下面結(jié)合實(shí)施例說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，但不僅限于此例。
如
圖1所示，本實(shí)用新型的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室包括燃料噴嘴1-1、底座1-2、隔板1-3、絕熱外殼1-10、高壓電極1-11，各溫度級(jí)的熱電偶網(wǎng)絡(luò)1-8設(shè)置在底座1-2與隔板1-3上，熱電偶為1-9，1-12為網(wǎng)絡(luò)的軸向金屬支架。本例中有兩塊隔板，將絕熱燃燒室內(nèi)部隔成高溫區(qū)1-4、中溫區(qū)1-5、低溫區(qū)1-6。在隔板上沿圓周均勻開(kāi)有若干條通道1-7，使熱氣流通過(guò)，由絕熱燃燒室內(nèi)的上一級(jí)區(qū)域進(jìn)入下一級(jí)區(qū)域。
工作時(shí)，具有一定流量的可燃混合氣由噴嘴進(jìn)入絕熱燃燒室，經(jīng)高壓電極1-11點(diǎn)火后燃燒，燃燒火焰是高溫?zé)嵩?。熱流穿過(guò)每一層熱電偶網(wǎng)絡(luò)，與每一個(gè)熱電偶進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，溫度逐漸降低。各區(qū)域的熱電偶采用適合該區(qū)工作溫度的配對(duì)電極材料，連接成熱電偶網(wǎng)絡(luò)組，使燃燒氣流的熱能在高溫、中溫、低溫狀態(tài)時(shí)，都能通過(guò)該區(qū)的熱電偶網(wǎng)絡(luò)最大限度地轉(zhuǎn)換為電流。當(dāng)氣流最終從排氣管排出時(shí)，它的溫度已經(jīng)接近環(huán)境大氣的溫度。
根據(jù)熱電效應(yīng)原理，熱電偶的熱電勢(shì)僅與其配對(duì)材料和溫差有關(guān)，與熱電偶節(jié)點(diǎn)表面積的大小無(wú)關(guān)，因而熱電偶的節(jié)點(diǎn)盡可能的小，導(dǎo)線直徑由電路設(shè)計(jì)決定，網(wǎng)絡(luò)可以連接成緊湊的大規(guī)模點(diǎn)陣形式。上述的熱電偶網(wǎng)絡(luò)是用相當(dāng)數(shù)量的熱電偶連接而成的，由相同材料制成的熱電偶網(wǎng)絡(luò)連接成為多層的熱電偶網(wǎng)絡(luò)組；由若干熱電偶網(wǎng)絡(luò)組連接成多級(jí)的熱電偶網(wǎng)絡(luò)群。網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)可以使大量的熱電偶互相連接成一個(gè)整體，電極導(dǎo)線比較短且能起支撐作用，導(dǎo)線間的孔隙是熱流的通道，使熱流能夠與熱電偶充分接觸。
圖2表示
圖1中熱電偶網(wǎng)絡(luò)組的I-I剖面結(jié)構(gòu)示意圖，它是一個(gè)圓形蛛網(wǎng)狀的熱電偶網(wǎng)絡(luò)，其中1-8(1)至(7)為網(wǎng)絡(luò)的徑向金屬導(dǎo)線，1-12為軸向金屬支架，他們沿圓周均勻分布，起連接固定熱電偶及其網(wǎng)絡(luò)的作用，并作為電路的中間導(dǎo)線；內(nèi)絕緣環(huán)2-1起固定每層網(wǎng)絡(luò)的作用，采用耐高溫絕緣材料制成；1-8、1-12、2-1形成了熱電偶網(wǎng)絡(luò)的空間支架。熱電偶1-9的熱電極用不同的符號(hào)表示，標(biāo)注了符號(hào)A的是鎢材料熱電極、標(biāo)注了符號(hào)B的是用錸制成的熱電極，鎢錸系列熱電偶是一種高溫?zé)犭娕?。同理，?xì)實(shí)線表示A類材料的導(dǎo)線，粗實(shí)線表示B類材料的導(dǎo)線。
作為一個(gè)實(shí)例，圖2中還標(biāo)示了熱電偶并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的接法每二條徑向金屬導(dǎo)線之間，圓周向固定的熱電偶是并聯(lián)連接的，如1-8(1)與1-8(2)之間的熱電偶是并聯(lián)連接，1-8(2)與1-8(3)之間的熱電偶也是并聯(lián)連接。但圓周相臨熱電偶的電極是反向連接的，即1-8(2)、1-8(4)、1-8(6)相連并與A連接；1-8(1)、1-8(3)、1-8(5)、1-8(7)相連并與B連接。采用同樣方法可以將圓形蛛網(wǎng)狀的熱電偶網(wǎng)絡(luò)全部并聯(lián)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，其中少量熱電偶的失效不會(huì)影響該層網(wǎng)絡(luò)以平均電壓值輸出電流。另外需要指出，網(wǎng)絡(luò)組中軸向各層熱電偶網(wǎng)絡(luò)是串聯(lián)連接的，串聯(lián)電路是由軸向金屬支架1-12連接的。
圖3為熱電偶接線原理圖。單一熱電偶的熱電勢(shì)是毫伏級(jí)的，不能作為電源使用，熱電偶網(wǎng)絡(luò)將大量的熱電偶經(jīng)過(guò)并聯(lián)與串聯(lián)的連接，形成一個(gè)整體電路。熱電偶的并聯(lián)可以增強(qiáng)輸出的電流，串聯(lián)可以提高輸出的電壓。通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的大規(guī)模熱電偶網(wǎng)絡(luò)群，可以獲得所需要的輸出電流。
圖3中，標(biāo)志了T的虛線區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)域，標(biāo)志了T0的虛線區(qū)域是低溫區(qū)域；A、B為上述組成熱電偶的二種不同材料的金屬電極，s為熱電偶的節(jié)點(diǎn)。圖4(a)是熱電偶的串聯(lián)電路，它的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是由若干熱電偶并聯(lián)而成的單元，這些并聯(lián)的單元如圖4(b)所示，其中如果有個(gè)別的熱電偶出現(xiàn)故障，并不影響整條電路的通暢。每一個(gè)熱電偶并聯(lián)單元類似一節(jié)電池，而不同單元的串聯(lián)類似電池的串聯(lián)。
由圖3可以看出，熱電偶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)按圖4(b)并聯(lián)連接，熱電偶網(wǎng)絡(luò)組應(yīng)按圖4(a)串聯(lián)連接，它的兩條引出線和若干中間串聯(lián)接點(diǎn)需要引出絕熱燃燒室，并通過(guò)冷源。為了盡量減少接點(diǎn)的數(shù)量，減少中間導(dǎo)線的長(zhǎng)度，而又不影響整個(gè)電路的輸出功率，合理設(shè)計(jì)熱電偶的并聯(lián)/串聯(lián)回路是非常重要的。
圖4所示，車用熱電機(jī)由絕熱燃燒室1、冷源裝置2、電流調(diào)節(jié)器3、電子控制器4、高壓點(diǎn)火器5、駕駛踏板6、起動(dòng)開(kāi)關(guān)7、電磁開(kāi)關(guān)閥8、蓄電池9、燃料箱10、空氣濾清器11和交流電動(dòng)機(jī)M構(gòu)成；絕熱燃燒室1內(nèi)的熱電偶的引出線經(jīng)過(guò)冷源裝置2后與電流調(diào)節(jié)器3電連接，電子控制器4分別與電流調(diào)節(jié)器3、駕駛踏板6信號(hào)連接、與高壓點(diǎn)火器5電連接，高壓點(diǎn)火器5與絕熱燃燒室1電連接，電流調(diào)節(jié)器3輸出的三相交流電供交流電動(dòng)機(jī)M驅(qū)動(dòng)車輛。
車用熱電機(jī)工作過(guò)程如下啟動(dòng)車輛時(shí)，起動(dòng)開(kāi)關(guān)7接通，電子控制器4向高壓點(diǎn)火器5輸出電流，點(diǎn)燃絕熱燃燒室內(nèi)的氣體燃料，絕熱燃燒室1內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱能，通過(guò)熱電偶進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，熱電偶網(wǎng)絡(luò)的引出線經(jīng)過(guò)冷源裝置2冷卻后，由電流調(diào)節(jié)器3將直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸出供電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，車輛行駛速度變化時(shí)，駕駛員通過(guò)駕駛踏板6將指令傳給電子控制器4，電子控制器4傳遞信號(hào)控制絕熱燃燒室1的燃料供給量或參加工作的熱電偶數(shù)量。
權(quán)利要求1.一種熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于主要由絕熱外殼、內(nèi)部的隔板、入口處的燃料噴嘴和高壓電極、以及設(shè)置在隔板上熱電偶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于所述絕熱外殼用耐熱的多層復(fù)合材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于所述隔板可以是一塊或多塊，將絕熱燃燒室內(nèi)腔分隔成若干個(gè)區(qū)域，靠近燃燒噴嘴的區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)，另一端是低溫區(qū)。在隔板上設(shè)有通道，使熱氣流通過(guò)，由絕熱燃燒室的上一級(jí)區(qū)域進(jìn)入下一級(jí)區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的溫度逐步降低。各區(qū)域中的熱電偶網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在隔板上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于所述燃料噴嘴由耐高溫的金屬或非金屬材料制成
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于所述熱電偶網(wǎng)絡(luò)是將大量的熱電偶以三維空間串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合的方式連接成一個(gè)整體，網(wǎng)絡(luò)及其引出線必須嚴(yán)密地封裝在耐高溫的防腐蝕涂層中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于絕熱燃燒室可以是外置式或內(nèi)置式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于絕熱燃燒室可以分隔為一級(jí)或二級(jí)或多級(jí)內(nèi)腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于絕熱燃燒室內(nèi)可以設(shè)置一個(gè)或二個(gè)或多個(gè)熱源。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于使用的熱電偶可以是金屬熱電偶或非金屬熱電偶，熱電偶網(wǎng)絡(luò)可以是多層、多級(jí)大規(guī)模點(diǎn)陣連接的網(wǎng)絡(luò)群結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室，其特征在于使用的燃料可以是液態(tài)燃料或氣態(tài)燃料。
專利摘要一種熱電轉(zhuǎn)換絕熱燃燒室主要由絕熱外殼、內(nèi)部的隔板、入口處的燃料噴嘴和高壓電極、以及設(shè)置在隔板上熱電偶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。它的功能是將燃料輸入絕熱燃燒室并在內(nèi)部燃燒，形成高溫?zé)嵩?，直接由熱電轉(zhuǎn)換元件將熱能轉(zhuǎn)換為電能；本實(shí)用新型可用做高強(qiáng)度、大功率熱電轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)高溫裝置。
文檔編號(hào)F23R3/00GK2522757SQ0124305
公開(kāi)日2002年11月27日 申請(qǐng)日期2001年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月9日
發(fā)明者張征 申請(qǐng)人:張征