專利名稱：一種用于產(chǎn)生電能的微燃燒器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生電能的微燃燒器系統(tǒng)。
本發(fā)明是基于這樣一種物理原理，將由燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成電磁能，進而，例如使用由半導體材料構(gòu)成的光生伏打電池，又將電磁能轉(zhuǎn)換成電能。
本發(fā)明的目的是提供一種用于產(chǎn)生電能的微燃燒器系統(tǒng)，其可高效率地將熱能轉(zhuǎn)變成電能。
根據(jù)本發(fā)明，通過一個具有在主權(quán)利要求中描述的特征的系統(tǒng)可實現(xiàn)這個目的。
現(xiàn)在參考隨附的附圖詳細描述本發(fā)明，但是附圖僅僅作為非限制性的實例提供，其中

圖1根據(jù)本發(fā)明的微燃燒器系統(tǒng)的示意性透視圖，以及圖2是在圖1中以箭頭II表示的轉(zhuǎn)換裝置的透視截面圖。
參考圖1，數(shù)字10示意性地表示用于產(chǎn)生電能的微燃燒器系統(tǒng)。該系統(tǒng)10包括多個彼此串聯(lián)或并聯(lián)電連接的轉(zhuǎn)換裝置11，每一轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)造成如下文所描述的。系統(tǒng)10包括提供燃料和燃燒載體給單個轉(zhuǎn)換裝置11的管道12的管線，用于從轉(zhuǎn)換裝置11排出氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的排氣管道的管線13；和電連接網(wǎng)絡(luò)，用于調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電能、電點燃燃燒器并將電流從燃燒器傳輸?shù)截撦d電阻。
參考圖2，每個轉(zhuǎn)換裝置11包括一個由能夠承受高溫的材料構(gòu)成的燃燒室14。優(yōu)選地，燃燒室為球形，并由能夠承受數(shù)量級為1500-2000K溫度的材料構(gòu)成。
優(yōu)選地，燃燒室具有用于選擇地發(fā)射電磁輻射的裝置，優(yōu)選地以施加在燃燒室14的外表面上的襯套26的形狀制造。優(yōu)選地，燃燒室由具有高導熱性(例如鎢或鉬)的材料形成，以便允許由燃燒室產(chǎn)生的熱傳到外表面26。優(yōu)選地，燃燒室14的至少一部分內(nèi)表面涂覆了具有由催化劑涂覆的孔的中等孔或納米級微孔類型的低導熱性材料，從而具有降低燃燒激活溫度和減少污染反應產(chǎn)物(例如氮氧化物)的功能。具有低導熱性的材料可以以復合物的形式與具有高導熱性的材料相交錯。
優(yōu)選地襯套26在幾百毫微米的波長頻帶中具有選擇的發(fā)射能力。例如襯套26可以由直接在燃燒室的外表面上獲得的微結(jié)構(gòu)或者具有高選擇的輻射光譜(釔、釷、鈰、銪、鉺、鋱、鐿或其它稀土元素的氧化物)的氧化物薄層構(gòu)成。
燃燒室14與燃料噴射管道15連通，還與用于提供燃燒支持物的管道17和用于排出氣態(tài)反應產(chǎn)物的管道18連通。優(yōu)選地，管道15是在微噴射系統(tǒng)16附近具有圓錐形末端部分的圓柱形形狀，一部分向外增大；該圓錐形末端部分的作用是確保利用文丘里效應吸出燃燒支持物質(zhì)。優(yōu)選地，管道15、18由陶瓷材料或其它具有低導熱性的材料構(gòu)成，從而防止燃燒室的熱量通過熱傳導傳播到外部。排氣管道18的最外面的部分優(yōu)選地是金屬的，以便允許廢氣在離開轉(zhuǎn)換室之前釋放出其余熱。管道15可以具有回轉(zhuǎn)的形狀，例如螺旋或螺管，以便防止燃燒產(chǎn)物返回到微噴射器。類似地，排氣管道18也具有回轉(zhuǎn)形狀，以便促進燃燒產(chǎn)物的冷卻。優(yōu)選地供給管道17與噴射管道15連接；或者，它可以直接與燃燒室連接。如果將和液態(tài)或氣態(tài)的燃燒支持物質(zhì)預混合的燃料混合物噴射到噴射管道15中，可以省去用于提供燃燒支持物質(zhì)的管道17。
燃燒室14被封閉，使得其不會與外部交換氣態(tài)產(chǎn)物，除了通過管道15、17和18。
每一轉(zhuǎn)換裝置11具有一個優(yōu)選地由噴墨式噴射器構(gòu)成的微噴射裝置16，微噴射裝置可以是“氣泡”型或壓電型，且該轉(zhuǎn)換裝置能夠噴射燃料液滴或幾微微升的燃燒支持物質(zhì)混合物，并具有能夠使用控制器(30)進行控制的從幾千赫茲到幾十萬赫茲的頻率。或者，如果使用了氣態(tài)燃料，噴射系統(tǒng)可以由微型本生燈構(gòu)成。由噴射系統(tǒng)16噴射的燃料可通過噴射管道15進入到燃燒室14內(nèi)部。優(yōu)選地，由噴射系統(tǒng)16噴射的氣態(tài)燃料可在包括以下各項的組中選擇甲烷、丙烷、丁烷、氫、天然氣或其它包括能夠?qū)⒔饘傥⒘Ｌ砑佑谄渲械娜剂稀?br> 每一轉(zhuǎn)換裝置11包括一個形成密封的轉(zhuǎn)換室20的中空結(jié)構(gòu)19，在該中空結(jié)構(gòu)中可實現(xiàn)真空或包含處于低壓的惰性氣體。燃燒室14設(shè)置在轉(zhuǎn)換室20內(nèi)部，管道15、18延伸穿過中空結(jié)構(gòu)19的壁。如果在中空結(jié)構(gòu)19中獲得真空，限定了轉(zhuǎn)換室20的中空結(jié)構(gòu)19的壁可以由金屬構(gòu)成，或者在所有其它情況中該壁可由涂覆有高反期層的陶瓷材料構(gòu)成。
該中空結(jié)構(gòu)19包括一個橢圓形壁21和一個平面壁22，所以轉(zhuǎn)換室20具有包括半軸A和B的旋轉(zhuǎn)半橢圓體的形狀。轉(zhuǎn)換室20的軸的尺寸可以從燃燒室14直徑的最小3倍變化到50倍。優(yōu)選地燃燒室14定位在橢圓形表面的第一焦點。優(yōu)選地橢圓形壁21的內(nèi)表面提供有在整個輻射源的發(fā)射光譜上具有高反射能力的襯套23。
中空結(jié)構(gòu)19的平面壁22支承用于將電磁能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，示意性地用參考數(shù)字24表示。所述轉(zhuǎn)換裝置優(yōu)選地使用由半導體材料形成的光生伏打電池構(gòu)成，優(yōu)選地為了利用具有1500-2000K色溫的普朗克輻射使轉(zhuǎn)換效率最大，其具有數(shù)量級為0.5-0.8eV的能帶隙。在一個優(yōu)選的實施例中，光生伏打電池是肖特基類型的，且有源結(jié)由二氧化硅和鋁構(gòu)成。在選擇的電磁能的情況下，構(gòu)成轉(zhuǎn)換裝置的電池24的材料按照這樣一種方式選擇使得能帶隙的能量比對應于最大發(fā)射波長的光子的能量略大，從而使在該波長的轉(zhuǎn)換效率最大。
優(yōu)選地用反射性金屬層涂覆轉(zhuǎn)換裝置24的外表面。該轉(zhuǎn)換裝置24的內(nèi)壁可以用對于電磁輻射作為通帶濾波器工作的層涂覆。所述層可以是多層介電涂層、處于滲透狀態(tài)的金屬涂層、抗反射的微結(jié)構(gòu)(例如具有次波長周期的柵格)或光子晶體。
轉(zhuǎn)換裝置24被定位在垂至于橢圓的長軸并通過橢圓的中心的平面內(nèi)，從而由燃燒室14發(fā)出的輻射可均勻地到達光生伏打裝置。此外，也是利用選擇的幾何形狀，沒有被轉(zhuǎn)換裝置24吸收的輻射被光生伏打電池24的反射后表面或前表面反射，并回射到它在燃燒室14上并被吸收。
轉(zhuǎn)換裝置24的特定幾何形狀可使由燃燒室發(fā)出并由光生伏打電池24反射的輻射和由燃燒室14發(fā)出并由半橢圓體的內(nèi)壁反射的輻射都集中在燃燒室14上。這確保了電磁能在轉(zhuǎn)換室中最大的再循環(huán)，并因此使燃料消耗最小化和使整個轉(zhuǎn)換效率最大化。由半橢圓體的內(nèi)壁或由光生伏打電池24反射的輻射被襯套26以一定的效率再吸收，該效率與其被發(fā)射的效率相同。
由燃燒支持物質(zhì)反應產(chǎn)生的熱量會使燃燒室的表面變熱，并全部轉(zhuǎn)換成電磁輻射。在轉(zhuǎn)換室20中延伸的管道15、18的尺寸形成為使得利用燃燒室14和中空結(jié)構(gòu)19之間的傳導使熱傳遞最小化。在轉(zhuǎn)換室20內(nèi)部發(fā)出的輻射入射到將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換裝置24上，由每一書換裝置11產(chǎn)生的電功率可以從幾瓦變化到幾十瓦。每一裝置11都具有電觸點(在此未示出)，該電觸點可收集由半導體電池24產(chǎn)生的電能。
保持燃燒室20內(nèi)部為真空或低于大氣壓力的條件能夠減小由于對流而消散的熱能的量。因此，幾乎所有由燃燒反應產(chǎn)生的熱量被轉(zhuǎn)換成電磁輻射，進而，該電磁輻射被轉(zhuǎn)換裝置24轉(zhuǎn)換成電能。為了在轉(zhuǎn)換室20中獲得真空或低的壓力條件，可以使用各種已知的在真空中裝配裝置的技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生電能的便攜式裝置，包括一個或多個串聯(lián)或并聯(lián)工作的轉(zhuǎn)換模塊(11)的矩陣，每一轉(zhuǎn)換模塊包括由能夠承受高溫的材料構(gòu)成的燃燒室(14)，通過噴射管道(15)與所述燃燒室(14)連接的噴射裝置(16)，噴射頻率和所產(chǎn)生的功率的控制器(30)，用于將燃燒支持物質(zhì)提供到燃燒室(14)中的裝置(17)，用于排出燃燒產(chǎn)物的裝置(18)，用于選擇地發(fā)射輻射到燃燒室(14)的外表面上的裝置(26)，用于將輻射能轉(zhuǎn)換成電能的裝置(24)，用于點燃燃燒反應的裝置，其特征在于燃燒室(14)被封閉在轉(zhuǎn)換室(20)中，該轉(zhuǎn)換室中保持低于大氣壓力的狀態(tài)，使得由燃燒反應產(chǎn)生的大部分熱量被轉(zhuǎn)換成電磁輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于燃燒室(14)基本上為球形，轉(zhuǎn)換室(20)為半橢圓形狀，并對應于橢圓的第一焦點定位燃燒室(14)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述轉(zhuǎn)換裝置(24)被定位成在垂直于橢圓的長軸并通過橢圓中心的平面上。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于用于將輻射能轉(zhuǎn)換成電能的所述裝置(24)包括多個光生伏打電池。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于用于選擇地發(fā)射輻射的所述裝置具有窄的發(fā)射頻帶，峰值與一波長一致，在該波長轉(zhuǎn)換裝置(24)具有最大轉(zhuǎn)換效率。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于用于選擇地發(fā)射輻射的所述裝置包括施加在燃燒室(14)的外表面上的襯套(26)，所述襯套由包括以下各項的組中選擇的材料構(gòu)成微結(jié)構(gòu)金屬、金屬性或介電光子晶體、氧化物或稀土的氧化物的混合物。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于燃燒室(14)的外表面具有這樣一種總面積，使得由發(fā)射裝置(26)發(fā)出的輻射等于由燃燒室在恒穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的總熱能與部分輻射能之和，該輻射能由轉(zhuǎn)換室的內(nèi)壁或轉(zhuǎn)換裝置(24)反射的和由燃燒室(14)吸收的。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述轉(zhuǎn)換室(20)具有尺寸在燃燒室直徑的3至50倍之間的軸。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述噴射裝置(16)是噴墨型的頭部。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述噴射頭是“氣泡”噴墨型。
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述噴射頭是壓電的。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于燃燒室(14)由具有高導熱性的材料構(gòu)成，并能夠承受高溫。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于燃燒室(14)的部分內(nèi)表面涂覆有多孔的具有低導熱性并能夠承受高溫的材料層。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于所述多孔層的孔隙用催化材料進行涂覆，該催化材料用于降低燃燒反應的激活溫度和限制有害的燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)生。
15.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于燃燒室(14)由金屬性材料構(gòu)成。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于所述金屬性材料由鎢或鉬構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述噴射管道(15)和用于提供燃燒支持物質(zhì)的所述裝置(17)以及用于排出燃燒氣體的所述裝置(18)由具有低導熱性的材料構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于排氣管道(18)的最外段由具有高導熱性的材料構(gòu)成，以便允許燃燒產(chǎn)物在排出轉(zhuǎn)換室之前產(chǎn)生余熱。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于噴射管道(15)和用于噴射燃燒支持物質(zhì)的裝置(17)獨立地終止在燃燒室(14)中。
20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于用于噴射燃燒支持物質(zhì)的裝置(17)在進入燃燒室(14)之前終止在噴射管道(15)。
21.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)換室(20)形成在由光學拋光的金屬材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)(19)中。
22.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)換室(20)限定在由塑料或陶瓷材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)(19)中，并涂覆有高反射性的材料層(23)。
23.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于面對所述轉(zhuǎn)換室(20)的內(nèi)部的所述光生伏打電池的表面涂覆有光學襯套，該襯套在作為具有透射率峰值的通頻帶濾波器在對應于一定波長的長波長電磁輻射工作，在該波長處光生伏打電池具有最大的轉(zhuǎn)換效率。
24.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光生伏打電池基于肖特基結(jié)。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于所述肖特基結(jié)由二氧化硅和鋁構(gòu)成。
26.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光學襯套由選自包括以下各項的組中的材料構(gòu)成多層介電襯套、處于滲透狀態(tài)的金屬性襯套、金屬性光子晶體、抗反射微結(jié)構(gòu)。
27.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于噴射裝置(16)由小型的本生燈構(gòu)成。
28.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于由所述噴射裝置(16)噴出的氣態(tài)燃料屬于包括以下各項的組甲烷、丙烷、丁烷、天然氣。
29.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于排氣管道(18)內(nèi)部涂覆有能夠使燃燒反應的有害產(chǎn)物中和的催化材料。
30.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于為了促進廢氣的冷卻，排氣管道(18)具有回轉(zhuǎn)的路徑。
31.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于為了防止燃燒產(chǎn)物返回到噴射裝置中，噴射管道(15)具有回轉(zhuǎn)的路徑。
32.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述點燃裝置是電氣的，通過放電、火花或白熾燈絲啟動燃燒。
33.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于在轉(zhuǎn)換室(20)的內(nèi)部獲得真空。
34.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于在轉(zhuǎn)換室(20)的內(nèi)部包含處于低于大氣壓力的惰性氣體。
35.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)換室由光學拋光的金屬性材料構(gòu)成。
36.如權(quán)利要求33或34所述的系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)換室由光學拋光的陶瓷材料構(gòu)成。
37.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于使用在發(fā)射裝置(26)發(fā)出的整個輻射光譜上具有高反射性的層涂覆轉(zhuǎn)換室的內(nèi)壁。
全文摘要
一種用于產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，包括一個由能夠承受高溫的材料構(gòu)成的燃燒室(14)，一個利用噴射管道(15)與所述燃燒室(14)連接的噴射裝置(16)，用于提供燃燒支持物質(zhì)到燃燒室(14)中的裝置(17)和用于排出氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的裝置(18)，用于選擇地發(fā)射輻射到燃燒室(14)的外表面上的裝置(26)。該燃燒室(14)被封閉在一個轉(zhuǎn)換室(20)中，在該轉(zhuǎn)換室(20)中保持低于大氣壓力的狀態(tài)，使得由燃燒反應產(chǎn)生的大部分熱量可轉(zhuǎn)換成電磁輻射。
文檔編號H02N6/00GK1726599SQ200380105845
公開日2006年1月25日 申請日期2003年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月13日
發(fā)明者P·雷皮托, P·皮爾洛, C·卡維尼塞, B·帕雷蒂, E·巴洛科, M·皮茲, G·布魯斯科, D·卡皮洛, D·伯勒阿, R·蒙法里諾 申請人:C.R.F.阿西安尼顧問公司