[发明专利]一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器

说明书

技术领域

本发明属于微型动力机电系统（Power MEMS，简称微动力系统）领域，涉及一种新型的微尺度燃烧强化技术，特指一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器。

背景技术

近年来，对微型动力系统的开发已成为世界范围内的一个研究热点。该类装置通过燃烧的方式将碳氢燃料的化学能转换为热能，然后依靠各种能量转换方式为微型机电系统提供动力或电能，具有能量密度高、工作寿命长、易维护以及污染小等一系列的优点。微型热光电系统（Micro-thermophotovoltaic System，简称MTPV System）是一种典型的微型动力装置，它利用碳氢燃料在微型燃烧器内燃烧产生的热能对燃烧器外壁面进行加热，高温壁面辐射出能量足够高的光子撞击低频带隙光电池从而产生电能。跟其他的微型动力装置相比，它结构更加简单、没有运动部件，而且制造装配容易，因此优势也较为明显。

作为微型热光电系统的核心部件，微型燃烧器结构的设计不仅决定了内部气流的流动方式以及装置其它部件的布局，而且也会因燃烧效果的好坏显著影响单位体积的能量输出。尽管碳氢燃料乃至纯氢燃料的燃烧都具有很高的能量密度，但是在微尺度燃烧下，仍存在着一些问题：一方面预混合气在燃烧室内部的驻留时间较短，完全反应的难度较大；另一方面，由于表面积的增加使散热损失增加，预混合气在燃烧室内更容易熄火，燃烧不稳定性增加。

目前，传统的微型热光电系统燃烧器通常采用圆柱型和平板型两种结构，即将燃烧器内部设计成圆管通道或者矩形通道的型式，并采用一侧进气，一侧排气的方式。尽管这种燃烧器的设计简单，加工方便，但是也存在着一些缺陷，即燃料氧化剂混合气的气流不能进行良好的组织，加之驻留时间短，从而造成燃烧的稳定性差，燃烧效率受到限制。

对于微型热光电系统，辐射面温度高且均匀是良好系统输出性能的保证。因此，如何更加合理的设计燃烧器、如何实现高效稳定的燃烧过程就显得尤为重要。例如专利申请号为201310014796.1，名称为”一种多孔介质回热型微尺度燃烧器” ，公开了一种通过在燃烧器内设置T形隔板和多孔介质的设计方式，基本上实现了微尺度回热燃烧，达到了均匀布气、延长气流在燃烧器内驻留时间的作用。虽然该专利申请中公开的技术方案能够一定程度的提高气体在微型燃烧器中的燃烧完全程度，但是回热型微尺度燃烧器的布气方式、回热效果以及燃烧性能的优化还有待进一步的提高。

发明内容

本发明旨在根据微尺度燃烧的特点以及微型热光电系统的工作要求，提出一种结构相对较简单、可实现高效稳定燃烧的填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器。

本发明的技术方案如下：所述燃烧器由左右开口的直通道燃烧器外壁、导热隔板、左端板、右端板组成，左右端板分别位于燃烧器外壁的左右两侧，与燃烧器外壁组成了一个密闭的燃烧腔，整个燃烧器外观呈长方体结构。导热隔板将燃烧器内部隔开上下两个密闭的区域，形成了上下两个燃烧通道；导热隔板与左端板和右端板相接触的两端侧上下各布置一定长度的多孔介质层，多孔介质层占燃烧腔长度的1/5~1/4。

所述燃烧器在导热隔板的两侧，形成了上、下两个燃烧通道，所述上燃烧通道与下燃烧通道的气体流动方向相反。

所述左右端板在导热隔板的上下两侧均分别设有两个通气孔，其中一个为进气孔，另一个则为出气孔。

所述燃烧器外壁、导热隔板、左端板和右端板均采用铜钨合金（CuW80），多孔介质的材质采用Al₂O₃泡沫微孔陶瓷。

所述多孔介质采用耐高温胶粘结在导热隔板的上下两侧，多孔介质区共设有4个，且沿导热隔板上下左右对称分布，上下燃烧通道内靠近进气孔的多孔介质区称为第一层多孔介质区，靠近排气孔的多孔介质区则称为第二层多孔介质区。

    本发明的工作原理为：工作时，燃料和氧化剂经充分预混后，将首先通过两端板上的入口实现逆向进气，分别经各自的第一层多孔介质区，进入到燃烧腔中进行燃烧，生成的燃烧产物再从各自出口端的第二层多孔介质区通过端板上的排气孔排至装置外。

本发明的技术方案带来的技术效果有：（1）隔板和双向进气的方式，实现了燃烧产物和进气之间的热量交换，达到了基本的回热效果；（2）多孔介质层的设置，不仅可使得预混气在燃烧器内的布气更加均匀，而且还延缓了进排气的速度，增加了混合气在燃烧器内的滞留时间；（3）此外，多孔介质的蓄热作用以及驻留时间的延长，都会对回热效果起到更好的促进作用。（4）采用双向进气方式，两个燃烧通道，也提高了燃烧器的工作效率。