一种微小型燃烧器的制作方法

本实用新型属于气体燃烧设备相关领域，更具体地，涉及一种微小型燃烧器，其适于以气体燃烧的形式为各类微小型动力装置提供热源或高温气源，同时具备结构紧凑、稳燃范围宽和燃烧效率高等特点。

背景技术：

随着微加工技术的快速发展，各种便携式微机电系统(如微型机器人以及手机等)和微型飞行器(如微型卫星、微型无人机)不断涌现。传统的电化学电池存在体积和重量大、能量密度小、充电时间长等缺点，越来越不能胜任在这些领域的使用。与此相比较，氢气和碳氢化合物燃料的能量密度(每千克能源所蕴含的能量)相对于化学电池来说高几十到上百倍。例如，液体辛烷的能量密度约为45MJ/kg，而最先进的锂电池能量密度约为1.2MJ/kg，前者是后者的37.5倍。因此，基于燃烧的微型动力系统受到了广泛关注。

目前，研究者们已经制造出了微热光伏发电系统、微热电系统、微燃气透平、微转子发动机、微推进系统，等等。在所有这些系统中，微燃烧器均是其核心部件。然而，一方面，随着燃烧器尺寸的缩小，其表面积与体积的比值急剧增大(相对于常规尺度来说约大两至三个数量级)，使得燃烧过程释放的热量中有很大一部分通过外壁面而散失掉；另一方面，由于气体混合物在微燃烧器中的停留时间极短，燃料和氧化剂往往没有足够的时间进行充分反应，热量来不及完全释放。以上因素导致微燃烧器面临火焰稳定性变差和燃烧效率降低等巨大挑战。

针对上述挑战，现有技术中已经提出了一些解决方案。例如，Sitzki L等提出了一种“瑞士卷(Swiss-Roll)”结构的燃烧器(Combustion in microscale heat-recirculating burners.Proceedings of the Third Asia-Pacific Conference on Combustion.Seoul,Korea,June 24-27,2001)，其中采用了热循环原理来稳定火焰；CN200910241592.5提出了一种无点火装置的逆流换热催化燃烧器，其中披露可采用回旋结构的燃气通道来增大催化剂的比表面积。又如，本申请的实用新型人早期在CN201110057146.6提出了一种微小型燃烧器，其中披露了采用增设多个预热通道和钝体等形式，使得燃烧效率和稳燃范围得以提升。此外，CN200810123660.3公开了一种用于微型热光电系统的高效多孔介质燃烧器，并指出通过多孔介质固体骨架的热循环来稳定火焰和提高燃烧效率。

然而，进一步的研究表明，上述现有方案仍存在以下的缺陷或不足：首先，这类燃烧器的结构仍相对复杂，相应导致加工或装配困难、制造成本高和操作不便等问题；其次，这类设备在实际测试中，往往会发生催化剂在高温下易融化、结块，或者由于烟气中的CO而失去活性等现象；最后，这类设备在实际运用中未能充分考虑热循环与散热损失之间的协调问题，并导致燃烧效率和稳燃范围提升受到一定限制。相应地，本领域亟需对此作出进一步的研究和改进，以便更好地满足现代化生产中的更高要求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上不足之处和改进需求，本实用新型提供了一种微小型燃烧器，其中通过结合微小型动力装置自身的应用特点，并充分考虑到热循环与散热损失之间的协调问题，针对性将该微小型气体燃烧器的壁面构造设计为具备不同导热系数的多层异质结构，同时对其多个关键结构参数以及配套稳燃元件的结构及设置方式进行改进，相应与现有设备相比能够进一步提高燃烧效率和稳燃范围，同时具备结构紧凑、便于制造和使用、适用面广等优势，因而尤其适用于诸如微机电系统或微型飞行器之类的燃烧供能场合。

为实现上述目的，按照本实用新型，提供了一种微小型燃烧器，该微小型燃烧器包括彼此连通的气体入口和尾气出口，以及位于这两者之间的燃烧室，其特征在于：

该燃烧器用于包围形成所述气体入口、尾气出口和燃烧室的整个壁面从内到外由双层结构共同组成，其中处于内侧的第一壁面的导热系数被设计为高于处于外侧的第二壁面的导热系数，并且该第一壁面的厚度被设计为大于该第二壁面的厚度；

此外，该燃烧室在邻近所述气体入口的位置还加工有多个凹腔，所述凹腔设置在所述第一壁面上。

通过以上构思，由于整个燃烧器的壁面被划分为双层结构并且对其关键结构参数做出了具体限定，相应在整个气体燃烧过程中，采用了更高导热系数材料的内层壁面可显著提高从燃烧高温气体向上游壁面的热循环量，充分强化对未燃混合气的预热效果；与此同时采用了更低导热系数材料的外层壁面则进一步减少了燃烧器向外界环境的散热损失量，实际测试表明能进一步提高火焰稳定性，即便在很大的进气速度下也能获得很高的燃烧效率；另一方面，通过增设分布在内层壁面上的多个凹腔，还能够提供燃气停留区域来使其火焰更为稳定，延长气体混合物在燃烧器内的停留时间，相应以便于操控和利于加工维护的方式来使得燃烧效率和稳燃范围获得进一步的提升。

作为进一步优选地，所述第一壁面的导热系数优选被设计为≥10W/(mK)；所述第二壁面的导热系数优选被设计为≤1.0W/(mK)。

作为进一步优选地，所述第一壁面优选由耐热不锈钢、碳化硅、氮化硅等制成；所述第二壁面优选由石英或其他低导热系数的隔热材料制成。

作为进一步优选地，所述第一壁面的厚度优选设计为所述第二壁面厚度的2倍以上，进一步优选为2.5倍～3.0倍。

作为进一步优选地，所述凹腔的数量优选设计为2个，并且这些凹腔保持对称地设置在所述第一壁面上。

作为进一步优选地，所述凹腔距离所述气体入口的距离优选设计为整个燃烧器总长的1/4～1/2。

作为进一步优选地，对于各个所述凹腔而言，其优选被设计具备直角梯形的剖面构造，并且其中相对较短的腰部位于邻近所述气体入口的一侧，而相对较长的腰部远离所述气体入口的另一侧。

作为进一步优选地，上述微小型燃烧器的应用对象优选为便携式微机电系统或者微型飞行器。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过结合微小型动力装置自身的应用特点，本实用新型的关键改进首先在于将整体燃烧器的壁面设计为双层结构，这样一方面可充分利用内侧壁面来提高从燃烧后的高温气体向上游壁面的热循环量，强化对未燃混合气的预热效果，另一方面同步利用了外侧壁面来减少燃烧器向外界环境的散热损失量，并有利于提高火焰稳定性，因此本实用新型能够更好地解决微小型燃烧器在热循环与散热损失之间的协调问题；

2、本实用新型还针对性地在上述内侧壁面上对称设置有凹腔，同时对其具体结构和关键参数等方面给出了进一步的研究，实际测试表明相应不仅可在多个特定位置的凹腔内产生回流区和低速区，较好地起到稳定火焰根部的效果，而且还能够有效延长混合气体在整个燃烧器内的停留时间，由此进一步提高燃烧效率；

3、按照本实用新型的微小型燃烧器整体结构紧凑、便于制造和使用、适用面广，成本低，而且它既适用于氢气，也适用于甲烷等其他所有气体碳氢化合物，因而尤其适用于诸如微机电系统或微型飞行器之类的燃烧供能场合。

附图说明

图1是按照本实用新型优选实施例所构建的微小型燃烧器的整体构造示意图；

图2是按照本实用新型的实施例与多个单层壁面燃烧器进行燃烧效率比较的曲线示意图；

图3是按照本实用新型的实施例与多个单层壁面燃烧器进行散热损失量比较的曲线示意图；

图4是按照本实用新型的实施例与多个单层壁面燃烧器进行热循环量比较的曲线示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-气体入口2-尾气出口3-凹腔4-第一壁面5-第二壁面

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本实用新型优选实施例所构建的微小型燃烧器的整体构造示意图。如图1所示，该微小型燃烧器例如为平板型或圆柱形构造，主要包括彼此连通的气体入口1和尾气出口2，以及位于这两者之间的燃烧室等基本组件。下面将对其改进之处给出具体解释说明。

参看图1，该燃烧器用于包围形成所述气体入口、尾气出口和燃烧室的整个壁面从内到外由双层结构共同组成，其中处于内侧的第一壁面4的导热系数被设计为高于处于外侧的第二壁面5的导热系数，并且该第一壁面4的厚度被设计为大于该第二壁面5的厚度；

此外，该燃烧室在邻近所述气体入口1的位置还加工有多个凹腔3，所述凹腔3保持对称地设置在所述第一壁面4上。

更具体而言，下面是按照本实用新型的一个具体实施例。

该燃烧器例如为平板型，氢气/空气混和气体的当量比为φ＝0.4。燃烧器上下壁面间距为W₁＝1mm，燃烧器总长为L₀＝10mm。凹腔深度为W₂＝1mm，凹腔长度为L₂＝3mm，凹腔后壁倾角为θ＝45°，凹腔离燃烧器入口的距离为L₁＝3mm。此外，燃烧器内层壁面采用碳化硅材料、外层壁面采用石英材料，二者均能承受1700K以上的高温。其中碳化硅的导热系数为32.8W/(mK)、石英导热系数为1.05W/(mK)。

通过利用通用的CFD计算软件Fluent，并采用氢气与氧气反应的详细化学反应机理(包括19个可逆反应和13种组元)对本实用新型内的燃烧过程进行了数值模拟，并与分别采用单层碳化硅和单层石英壁面的燃烧器进行比较。

首先，三个燃烧器的燃烧效率随进气速度的变化规律如图2所示。从图2可以看出，随着进气速度的增大，本实用新型的燃烧效率比其他两个单层平板燃烧器都要高。例如，进气速度为28m/s时，其他两个单层壁面燃烧器的效率均在90％以下，而本实用新型的燃烧效应仍能维持在92％以上。这主要是因为双层壁面的设计，一方面适当地减小了散热损失量(参看图3)，同时一定程度上增加了热循环量(参看图4)。计算还表明，本实用新型的吹熄极限可以达到40m/s以上。这些证明了本实用新型的燃烧器具有高效、稳燃的优点。

综上，按照本实用新型燃烧器的壁面由于被划分为双层结构并且对其关键结构参数做出了具体限定，相应在整个气体燃烧过程中，采用了更高导热系数材料的内层壁面可显著提高从燃烧高温气体向上游壁面的热循环量，充分强化对未燃混合气的预热效果；与此同时采用了更低导热系数材料的外层壁面则进一步减少了燃烧器向外界环境的散热损失量，实际测试表明能进一步提高火焰稳定性，即便在很大的进气速度下也能获得很高的燃烧效率；另一方面，通过增设保持对称分布在内层壁面上的多个凹腔，还能够提供燃气停留区域来使其火焰更为稳定，同时能延长气体混合物在燃烧器内的停留时间，相应以便于操控和利于加工维护的方式来使得燃烧效率和稳燃范围获得进一步的提升。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。