專利名稱：一種多孔介質(zhì)回?zé)嵝臀⒊叨热紵鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)(Power MEMS,簡(jiǎn)稱微動(dòng)力系統(tǒng))領(lǐng)域,屬一種新型回?zé)崛紵夹g(shù)，特指一種填充多孔介質(zhì)的微尺度平板式回?zé)嵝腿紵鳌?br> 背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectro-Mechanical System,簡(jiǎn)稱 MEMS)研究的不斷深入，微型電源的問(wèn)題也逐漸被引起廣泛重視。當(dāng)機(jī)電系統(tǒng)微型化后，其電源或動(dòng)力裝置的大小將決定整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，沒(méi)有微型化或者小型化的動(dòng)力裝置為其提供能源和動(dòng)力，MEMS系統(tǒng)將很難發(fā)揮其微型化的優(yōu)勢(shì)，甚至有可能失去其微型化的本身意義。在這樣的一個(gè)背景下，基于碳?xì)淙剂先紵奈⑿蛣?dòng)力系統(tǒng)(Power MEMS)便應(yīng)運(yùn)而生了，其能量密度有望突破100kW/kg，因此也被譽(yù)為動(dòng)力機(jī)械發(fā)展的第四個(gè)里程碑。微型動(dòng)力系統(tǒng)具有能量密度高、來(lái)源豐富、補(bǔ)給迅速、便攜、壽命長(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境傷害小等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而潛在的應(yīng)用場(chǎng)合非常多，除了可以充當(dāng)微型泵、微型推進(jìn)器、微型機(jī)器人等MEMS的電源外，還可以為便攜式電子器件、無(wú)線通訊設(shè)備、航天器、汽車、士兵作戰(zhàn)等提供必須的電能或動(dòng)力，因此該裝置的進(jìn)一步發(fā)展完善也必將對(duì)微電子、信息、生物等各行各業(yè)產(chǎn)生巨大的積極影響。目前，針對(duì)該類裝置的研究已取得了一些進(jìn)展，也已有多種形式的微型動(dòng)力系統(tǒng)被成功開(kāi)發(fā)，如娃基微型燃?xì)廨啓C(jī)、微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、微型熱電發(fā)電器、微型熱光電系統(tǒng)、微型自由活塞/汽缸電力發(fā)生器、微型共振往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)等。在上述幾種微型動(dòng)力裝置中，微型熱光電系統(tǒng)(Micro-thermophotovoltaicSystem，簡(jiǎn)稱MTPV System)的工作原理較為獨(dú)特，它利用碳?xì)淙剂显谖⑷紵鲀?nèi)燃燒產(chǎn)生的熱能對(duì)燃燒器外壁面進(jìn)行加熱，高溫壁面輻射出的能量足夠高的光子撞擊低頻帶隙光電池產(chǎn)生電能。跟其它裝置相比，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)也非常明顯，主要體現(xiàn)在:首先，預(yù)混合燃燒方式的采用將在同樣的駐留時(shí)間下大大提高燃燒完全程度；其次，由于該系統(tǒng)是利用高溫壁面的輻射能量進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，微尺度下燃燒器面容比大的特點(diǎn)就能顯著增加系統(tǒng)的整體效率；最后，由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，加工和裝配非常容易，也不存在由摩擦導(dǎo)致的泄露和零部件失效等問(wèn)題。然而，微型熱光電系統(tǒng)的效率和功率密度都還盡如人意，離裝置的實(shí)際應(yīng)用尚有不小距離，其原因也是多方面的，其中較為突出的一點(diǎn)便是系統(tǒng)中最為重要的部件——微尺度燃燒器，其內(nèi)部燃燒組織的效果尚未達(dá)到最好狀態(tài)，從而致使輻射表面的整體溫度還不夠理想。跟常規(guī)尺度下的燃燒相比，微系統(tǒng)中穩(wěn)定燃燒過(guò)程的實(shí)現(xiàn)難度較大，問(wèn)題主要集中在燃料駐留時(shí)間短、大面容比造成熱損失過(guò)大以及燃料選擇面窄等一些獨(dú)特的燃燒特性上，這也是其它基于微尺度燃燒的微型動(dòng)力裝置面臨的共性問(wèn)題。而微型熱光電系統(tǒng)所采用的微燃燒器跟其他幾類微型動(dòng)力系統(tǒng)中的燃燒器又有一定的區(qū)別，這是因?yàn)槿紵鞯耐獗诿孢€充當(dāng)了后續(xù)光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的輻射器。所以，我們?cè)谧非笕剂铣浞秩紵耐瑫r(shí)，也希望燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能盡可能多地被燃燒器外壁面吸收，以維持壁面的高溫狀態(tài)。因此，對(duì)于微型熱光電系統(tǒng)，我們?nèi)绾斡行У剡M(jìn)行燃燒器的合理設(shè)計(jì)，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的微尺度燃燒過(guò)程，又如何獲得較高的外壁面溫度分布，就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)微尺度燃燒的特點(diǎn)以及微型熱光電系統(tǒng)的工作要求，設(shè)計(jì)出一種新型的填充多孔介質(zhì)的微尺度平板式回?zé)嵝腿紵?。本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)和工作原理如附圖1所示:所設(shè)計(jì)的燃燒器主要由三部分組成，右端封閉的燃燒器外壁、左端插入的“T”型隔板以及隔板上下的多孔介質(zhì)。燃燒器外部呈長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部也為矩形通道，在該燃燒器的中心截面靠近左端處設(shè)置了一塊水平放置的導(dǎo)熱隔板，隔板的上下對(duì)應(yīng)區(qū)域分別用多孔材料進(jìn)行填充，從而形成各自的多孔介質(zhì)區(qū)，隔板右側(cè)其余部分則設(shè)計(jì)成燃燒區(qū)。這樣，燃料和氧化劑經(jīng)充分預(yù)混后，將首先通過(guò)下部多孔介質(zhì)區(qū)，進(jìn)入到燃燒區(qū)中進(jìn)行燃燒，生成的燃燒產(chǎn)物再?gòu)纳喜康亩嗫捉橘|(zhì)區(qū)通過(guò)后，最后經(jīng)排氣口排至裝置外，燃燒器的外壁(即輻射壁面)則在對(duì)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行吸收后，繼而完成后續(xù)的光電轉(zhuǎn)換任務(wù)。本發(fā)明所述的一種多孔介質(zhì)回?zé)嵝臀⒊叨热紵?，包括進(jìn)氣口、出氣口和燃燒器外壁構(gòu)成的通道，通道的一端封閉、另一端設(shè)有T型隔板；τ型隔板由橫隔板和縱端板構(gòu)成，橫隔板延伸至通道內(nèi)，橫隔板長(zhǎng)度小于通道長(zhǎng)度；橫隔板上、下區(qū)域均設(shè)置多孔介質(zhì)；縱端板位于通道另一端的端口處，進(jìn)氣口、出氣口均設(shè)置在縱端板上，且對(duì)稱分布在橫隔板位置的兩側(cè)。燃燒器外壁采用SiC陶瓷材料制成，T型隔板材料為銅鎢合金，多孔介質(zhì)采用Al2O3泡沫微孔陶瓷或耐高溫多層金屬網(wǎng)加工形成，并采用耐高溫膠粘結(jié)在橫隔板的上下兩側(cè)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于以下兩個(gè)方面:首先，導(dǎo)熱隔板的設(shè)置可以方便地實(shí)現(xiàn)回?zé)崛紵慈紵a(chǎn)生的尾氣可通過(guò)中間隔板對(duì)另一側(cè)的進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)氣的熱焓因此得到大幅增加，進(jìn)而可以提高微尺度燃燒器內(nèi)的反應(yīng)速度、降低燃料的熄火極限；其次，隔板上下多孔介質(zhì)區(qū)的設(shè)置，不僅可以在均勻布?xì)獾耐瑫r(shí)，延長(zhǎng)氣流在燃燒器內(nèi)部的駐留時(shí)間，從而提高燃燒過(guò)程的完全程度，而且多孔介質(zhì)的蓄熱本領(lǐng)還可以起到強(qiáng)化隔板兩側(cè)氣流間熱量傳遞的作用，使得回?zé)岬男Ч玫竭M(jìn)一步的增強(qiáng)，相同運(yùn)行工況下進(jìn)氣焓值可以提升到更高的數(shù)值。因此，在多孔介質(zhì)和導(dǎo)熱隔板這兩個(gè)部件的綜合作用下，微燃燒器內(nèi)的高溫反應(yīng)區(qū)域?qū)⒌玫礁玫臄U(kuò)展，最高反應(yīng)溫度也必將得到提高，這將帶來(lái)輻射壁面處更高、更均勻的溫度分布，從而對(duì)提高微型熱光電系統(tǒng)的輸出性能產(chǎn)生積極的作用，為該系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域盡早得到廣泛應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。


圖1為多孔介質(zhì)回?zé)嵝推桨迨轿⒊叨热紵鞯慕Y(jié)構(gòu)示意圖；其中1.進(jìn)氣口，2.排氣口，3.“Τ”型隔板，4.下多孔介質(zhì)區(qū)，5.上多孔介質(zhì)區(qū)，
6.燃燒區(qū)，7.燃燒器外壁(輻射壁面)；圖2為“Τ”型隔板結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示的多孔介質(zhì)回?zé)嵝推桨迨轿⒊叨热紵?，包括了進(jìn)氣口 1、排氣口 2、“T”型隔板3、下多孔介質(zhì)區(qū)4、上多孔介質(zhì)區(qū)5、燃燒區(qū)6以及燃燒器外壁(輻射壁面)7。在本發(fā)明中，微尺度燃燒器外部呈長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，上下兩個(gè)外壁面的長(zhǎng)度和寬度方向上的尺寸均為IOmmX IOmm,其外部整體高度為2.4mm,考慮到光電轉(zhuǎn)換的實(shí)際效果，燃燒器采用了發(fā)射率為0.9、并具有較強(qiáng)耐高溫性能的SiC陶瓷材料進(jìn)行加工；在制作時(shí)，首先可用專用鏜刀將一個(gè)符合上述外觀尺寸的SiC塊加工成左側(cè)開(kāi)口、右側(cè)封閉的內(nèi)部矩形通道結(jié)構(gòu)，通道高度為2mm，即燃燒器壁面7厚度為0.2mm ;隨后，為形成回?zé)嵬ǖ?，可采用耐高溫、?dǎo)熱性能較好的銅鎢合金(如CuW55)加工出一個(gè)如圖2所示的“T”型隔板結(jié)構(gòu)3，其中橫向(水平放置)部分即作為導(dǎo)熱隔板，厚度為0.2_、長(zhǎng)度和寬度方向的尺寸為5mmX IOmm ;左側(cè)縱向隔板厚度也為0.2mm、高度和寬度尺寸與燃燒器外觀尺寸保持一致，即為2.4mmX 10mm,其上下中心位置則各加工出有一個(gè)直徑為0.8mm的孔，以作為燃燒器的進(jìn)氣口 I和排氣口 2 ;接著，將兩塊厚度為0.9mm、長(zhǎng)度寬度尺寸與導(dǎo)熱隔板保持一致的Al2O3泡沫微孔陶瓷或耐高溫多層金屬網(wǎng)，采用耐高溫膠粘結(jié)在導(dǎo)熱隔板的上下兩側(cè)，以形成燃燒器中的多孔介質(zhì)區(qū)4和5 ;最后，將帶有多孔介質(zhì)的“T”型隔板塞入先前的矩形燃燒通道中，并利用耐高溫膠將縱向隔板和燃燒通道最左側(cè)的壁面部分進(jìn)行粘結(jié)密封，最終形成一個(gè)多孔介質(zhì)回?zé)嵝推桨迨轿⒊叨热紵?。工作時(shí)，高壓氣瓶出來(lái)的氫氣(或甲烷)和氧氣(或空氣)經(jīng)減壓閥減壓后，先由氣體質(zhì)量流量控制器限定流量，后進(jìn)入混合器中充分混合，混合后的氣體由銅制導(dǎo)管經(jīng)噴嘴導(dǎo)入微燃燒器中。通過(guò)對(duì)流量控制器的設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料、氧化劑流量及當(dāng)量比的精確控制。
權(quán)利要求
1.一種多孔介質(zhì)回?zé)嵝臀⒊叨热紵?，包括進(jìn)氣口、出氣口和燃燒器外壁構(gòu)成的通道，其特征在于:通道的一端封閉、另一端設(shè)有T型隔板；τ型隔板由橫隔板和縱端板構(gòu)成，橫隔板延伸至通道內(nèi)，橫隔板長(zhǎng)度小于通道長(zhǎng)度；橫隔板上、下區(qū)域均設(shè)置多孔介質(zhì)；縱端板位于通道另一端的端口處，進(jìn)氣口、出氣口均設(shè)置在縱端板上，且對(duì)稱分布在橫隔板位置的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔介質(zhì)回?zé)嵝臀⒊叨热紵?，其特征在?燃燒器外壁采用SiC陶瓷材料制成，T型隔板材料為銅鎢合金，多孔介質(zhì)采用Al2O3泡沫微孔陶瓷或耐高溫多層金屬網(wǎng)加工形成，并采用耐高溫膠粘結(jié)在橫隔板的上下兩側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種填充多孔介質(zhì)的微尺度平板式回?zé)嵝腿紵鳌Ｔ撊紵靼ㄟM(jìn)氣口、出氣口和燃燒器外壁構(gòu)成的通道，通道的一端封閉、另一端設(shè)有T型隔板；T型隔板由橫隔板和縱端板構(gòu)成，橫隔板延伸至通道內(nèi)，橫隔板長(zhǎng)度小于通道長(zhǎng)度；橫隔板上、下區(qū)域均設(shè)置多孔介質(zhì)；縱端板位于通道另一端的端口處，進(jìn)氣口、出氣口均設(shè)置在縱端板上，且對(duì)稱分布在橫隔板位置的兩側(cè)。本發(fā)明采用的中間導(dǎo)熱隔板，將燃燒器內(nèi)部矩形通道分成兩個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了回?zé)崛紵贿@種多孔介質(zhì)和回?zé)崛紵嘟Y(jié)合的設(shè)計(jì)方式，將使得通道內(nèi)的微尺度燃燒過(guò)程更加的充分和穩(wěn)定，也必將帶來(lái)更高、更均勻的輻射壁面溫度分布，從而對(duì)提高微型熱光電系統(tǒng)的輸出性能產(chǎn)生積極的作用。
文檔編號(hào)F23D14/66GK103090384SQ20131001479
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者唐愛(ài)坤, 潘劍鋒, 邵霞, 劉楊先, 盧青波 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)