一种多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置

1.本发明涉及微型动力机电系统和工程热物理技术领域，具体涉及一种多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置。


背景技术：

2.随着机械设备的小型化和对机电工程装备的迫切需求，微机电系统(mems)的研究成为一个热点。人们迫切需要找到一种合适的、能源密度更高、持续时间更长、供应稳定的微能源装置。碳氢燃料比目前最高水平的锂离子电池高出两个数量级的能量密度，因此，开发基于碳氢燃料燃烧的具有高能量密度的微型动力装置尤为重要，如微型燃气轮机、微型三角转子发动机、微型热光电系统等。其中，基于微尺度燃烧的热光电系统不包括任何运动结构，此外还具有结构简单、重量轻、体积小等优点，因此被认为是最有前途的微能源器件之一。
3.基于微尺度燃烧的热光电系统的基本原理是预混燃料在微燃烧室内燃烧并释放出热量，使化学能转换为热能，然后通过光感材料吸收壁面辐射能的方式产生电能。该系统的特点是能够在1cm3的体积内输出1～20w的功率。相对于化学电池，单位质量存储的能量和单位体积发出的功率具有巨大优势，同时使用碳氢燃料还具有费用低、工作持续时间长、没有记忆效应等优点。
4.基于微尺度燃烧的热光电系统的燃烧器通常采用圆柱型和平板型两种结构。圆柱型内部结构简单，但内部很难设计钝体、凹腔等结构来提高燃料的停留时间，因此平板型燃烧器更受开发者青睐。例如公开号为cn111623349a、专利名称为一种基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，公开号为cn108278600a、专利名称为一种组合式微尺度回热型燃烧器，以及公开号为cn104296139a、专利名称为一种内置平行隔板的多通道微型燃烧器的专利申请都是属于平板结构。而本技术的发明人经过研究发现，虽然这些专利技术方案能够提高燃料的驻留时间及提高燃烧效率，但是微型热光电装置的根本目的是提高能量转换的效率，通过燃烧的热能保证辐射壁面释放足够的光子，而现有燃烧器在热能利用上还不够充分，较难保证系统电能的稳定输出；此外，由于现有的微燃烧器往往只考虑了单一燃烧空腔部分的结构设计，没有实现多个子装置的重叠布置，导致总的输出功率较低；同时，由于该部件在开发过程中不仅要考虑到如何使燃料的化学能被辐射壁面吸收，而且对于整体部件的散热，也应当纳入微型机电动力装置的设计考虑之中。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提供一种多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置，该装置通过催化燃烧技术提高微尺度下火焰燃烧的稳定性和效率；采用出口台阶设计提高微燃烧室表面辐射温度的均匀性；多燃烧室同时工作，降低单一燃烧器热损失以及提高整体输出功率，拓宽了现阶段微尺度燃烧发电装置的应用场景。
6.为了实现上述技术目的，本发明采用了如下的技术方案：
7.一种多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置，包括预混稳压底座、微燃烧器、散热结构和ingaassb光电池模块，所述预混稳压底座包括稳压空腔，所述稳压空腔的底部连接有多个预混气体燃料入口，所述稳压空腔的表面贯通连接有燃烧室连接底座；所述微燃烧器包括相互贯通的连接底座和微尺度燃烧室，所述连接底座与燃烧室连接底座插接连通，所述微尺度燃烧室由多个燃烧室正交布置构成，每个燃烧室上靠近入口一侧嵌入有多个交错排列的催化钝体，所述催化钝体的表面负载有铂催化剂，每个燃烧室出口一侧的室内壁上设有出口台阶；所述散热结构包括均设有散热翅片的圆状整体散热结构和多个散热支撑结构，所述多个散热支撑结构固定连接于圆状整体散热结构的内部，相对的两个散热支撑结构内表面与一个燃烧室的两个辐射面正对，所述两个散热支撑结构之间的圆状整体散热结构内壁上设置有连接耳座，所述连接耳座与连接底座和燃烧室连接底座固定连接；所述ingaassb光电池模块贴附于散热支撑结构的内表面上。
8.与现有技术相比，本发明提供的多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置具有以下优点：1)、在每个燃烧室上靠近入口一侧嵌入设置多个交错排列的催化钝体，催化钝体的表面负载有铂催化剂，由此通过该催化钝体能够提高微尺度下火焰燃烧的稳定性和效率，使燃烧室壁面辐射温度更高；2)、在每个燃烧室出口一侧的室内壁上设有出口台阶，由此通过该出口台阶能够提高燃烧室表面辐射温度的均匀性；3)、微燃烧器的微尺度燃烧室由多个燃烧室正交布置构成，而多燃烧室耦合的燃烧器能够最大限度的利用空间，增加辐射表面，是常规微燃烧器电能输出的多倍，极大的扩宽了其应用范围；4)、相比于常规设计，本装置还包括由均设有散热翅片的圆状整体散热结构和多个散热支撑结构组成的散热结构，因而有利于装置整体散热，大大提升了实用价值；5)、采用多个预混气体燃料入口的预混稳压底座，在通入气态碳氢燃烧时，通过稳压空腔内压力稳定后，能够将燃料压力均匀的分配到各个燃烧室，多燃烧室稳定燃烧的情况下，使得微燃烧器整体的工作效率和整体输出功率大大提高，且由于输出电能的增加，使得其应用场景也更宽泛。
9.进一步，所述稳压空腔的底部连接有四个预混气体燃料入口，对应所述微尺度燃烧室由四个燃烧室正交布置构成。
10.进一步，所述预混气体燃料入口的外径为3.5mm，内径为2.5mm，所述预混气体燃料入口的中心轴线与燃烧室入口所呈平面夹角为45
°
。
11.进一步，所述每个燃烧室入口一侧的室内壁上设有入口台阶，所述入口台阶与预混稳压底座之间固定有金属网。
12.进一步，所述入口台阶和出口台阶的阶高均为0.5mm，所述入口台阶的轴向长度为1mm，所述出口台阶的轴向长度为20mm。
13.进一步，所述入口台阶的下端面距离燃烧室入口1mm，所述出口台阶的上端面与燃烧室出口平齐。
14.进一步，所述每个燃烧室上靠近入口一侧嵌入有五个直径为1.5mm交错排列的圆柱形催化钝体。
15.进一步，所述圆柱形催化钝体通过浸渍法制成，具体包括以下步骤：
①
取1g氯铂酸晶状颗粒溶于100ml去离子水中，搅拌至完全溶解，形成黄褐色溶液；
②
将直径1.5mm高2.5mm材料为具有耐高温性能的碳化硅陶瓷的圆柱型钝体，洗净晾干，在600℃的马弗炉中煅烧1小时后放置冷却；
③
将圆柱形钝体完全浸没于氯铂酸溶液中12小时，然后在120℃干
燥箱内干燥3小时，最后在600℃的马弗炉中煅烧6小时形成圆柱形催化钝体。
16.进一步，所述圆状整体散热结构的散热翅片长度为8mm，散热翅片厚度为1mm，相邻散热翅片的角度间距为5
°
；所述散热支撑结构的散热翅片长度为2.5mm，散热翅片厚度为0.5mm，相邻散热翅片的间距为2.5mm。
17.进一步，所述ingaassb光电池模块包括过滤层、p型半导体、n型半导体和内层支撑片，所述p型半导体和n型半导体设于过滤层和内层支撑片之间，所述p型半导体和n型半导体通过导电片串联连接，所述过滤层与燃烧室的辐射面正对，所述内层支撑片贴附于散热支撑结构的内表面上。
附图说明
18.图1是本发明提供的多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置第一侧视结构示意图。
19.图2是本发明提供的多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置第二侧视结构示意图。
20.图3是本发明提供的多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置省略散热结构后的结构示意图。
21.图4是本发明提供的预混稳压底座第一侧视结构示意图。
22.图5是本发明提供的预混稳压底座第二侧视结构示意图。
23.图6是本发明提供的微燃烧器立体结构示意图。
24.图7是本发明提供的微燃烧器底部结构示意图。
25.图8是图7中沿a
‑
a方向的剖视结构示意图。
26.图9是本发明提供的散热结构侧视结构示意图。
27.图10是本发明提供的ingaassb光电池模块结构示意图。
28.图11是本发明提供的各种燃烧室结构组成的微燃烧器表面辐射温度作用效果示意图。
29.图中，1、预混稳压底座；11、稳压空腔；12、预混气体燃料入口；13、燃烧室连接底座；2、微燃烧器；21、连接底座；22、微尺度燃烧室；221、燃烧室；23、催化钝体；24、出口台阶；25、入口台阶；26、金属网；3、散热结构；30、散热翅片；31、圆状整体散热结构；32、散热支撑结构；33、连接耳座；4、ingaassb光电池模块；41、过滤层；42、p型半导体；43、n型半导体；44、内层支撑片。
具体实施方式
30.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
32.请参考图1至图10所示，本发明提供一种多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置，包
括预混稳压底座1、微燃烧器2、散热结构3和ingaassb光电池模块4，所述预混稳压底座1包括稳压空腔11，所述稳压空腔11的底部连接有多个预混气体燃料入口12，所述预混气体燃料入口12用于通入氢气
‑
空气、甲烷
‑
空气、丙烷
‑
空气等混合的气体燃料，所述稳压空腔12的表面贯通连接有燃烧室连接底座13，由此构成的预混稳压底座1的中间部分为空腔，混合气体燃料从入口进入中部空腔，在空腔内部压力稳定后，从燃烧室连接底座13进入微燃烧器2；所述微燃烧器2包括相互贯通的连接底座21和微尺度燃烧室22，所述连接底座21与燃烧室连接底座13插接连通，所述微尺度燃烧室22由多个燃烧室221正交布置构成，每个燃烧室221上靠近入口一侧嵌入有多个交错排列的催化钝体23，所述催化钝体23的表面负载有铂催化剂，负载有铂催化剂的催化钝体23的作用是提高燃料的驻留时间，提高反应速率和强度，加强燃烧器内部的热传导，使燃烧室壁面获得更高的辐射温度从而激发更多的光子，每个燃烧室出口一侧的室内壁上设有出口台阶24，其作用是由于燃烧室后半部分反应强度减弱，导致辐射温度较低，通过设置出口台阶24加强燃烧室下游热传导，使燃烧室表面的辐射温度更加均匀；所述散热结构3包括均设有散热翅片30的圆状整体散热结构31和多个散热支撑结构32，所述多个散热支撑结构32固定连接如焊接于圆状整体散热结构31的内部，相对的两个散热支撑结构32内表面与一个燃烧室221的两个辐射面正对，所述两个散热支撑结构32之间的圆状整体散热结构31内壁上设置有连接耳座33，所述连接耳座33与连接底座21和燃烧室连接底座13固定连接，具体可在连接耳座33、连接底座21和燃烧室连接底座13上预设通孔，通过在该通孔内穿设螺钉并在螺钉上套接螺母来实现，由此实现预混稳压底座1、微燃烧器2和散热结构3三部分的固定连接；所述ingaassb光电池模块4贴附于散热支撑结构32的内表面上，所述ingaassb光电池模块4用于将燃烧室221外壁上激发出的大量光子吸收转换为电能。
33.与现有技术相比，本发明提供的多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置具有以下优点：1)、在每个燃烧室上靠近入口一侧嵌入设置多个交错排列的催化钝体，催化钝体的表面负载有铂催化剂，由此通过该催化钝体能够提高微尺度下火焰燃烧的稳定性和效率，使燃烧室壁面辐射温度更高；2)、在每个燃烧室出口一侧的室内壁上设有出口台阶，由此通过该出口台阶能够提高燃烧室表面辐射温度的均匀性；3)、微燃烧器的微尺度燃烧室由多个燃烧室正交布置构成，而多燃烧室耦合的燃烧器能够最大限度的利用空间，增加辐射表面，是常规微燃烧器电能输出的多倍，极大的扩宽了其应用范围；4)、相比于常规设计，本装置还包括由均设有散热翅片的圆状整体散热结构和多个散热支撑结构组成的散热结构，因而有利于装置整体散热，大大提升了实用价值；5)、采用多个预混气体燃料入口的预混稳压底座，在通入气态碳氢燃烧时，通过稳压空腔内压力稳定后，能够将燃料压力均匀的分配到各个燃烧室，多燃烧室稳定燃烧的情况下，使得微燃烧器整体的工作效率和整体输出功率大大提高，且由于输出电能的增加，使得其应用场景也更宽泛。
34.作为具体实施例，请参考图1至图5所示，所述稳压空腔11的底部连接有四个预混气体燃料入口12，对应所述微尺度燃烧室22由四个燃烧室221正交布置构成，由此四个燃烧室221共有八个辐射面。当然，本领域技术人员还可以根据需要设为其他数量的预混气体燃料入口12和燃烧室221。
35.作为具体实施例，请参考图2所示，所述预混气体燃料入口12的外径为3.5mm，内径为2.5mm，所述预混气体燃料入口12的中心轴线与燃烧室221入口所呈平面夹角为45
°
，由此
可以保证预混空腔内流场的均匀分布，以及进入微燃烧室入口的质量流量速度高与火焰回燃的速度，火焰无法扩散到预混空腔内部。
36.作为具体实施例，请参考图8所示，所述每个燃烧室221入口一侧的室内壁上设有入口台阶25，所述入口台阶25与预混稳压底座1之间固定有金属网26，通过设置该金属网26可以防止火焰燃烧回火到预混稳压底座空腔内部，同时有助于进入燃烧室221的混合气体燃料分流，所述金属网26具体可以采用不锈钢网。
37.作为具体实施例，请参考图8所示，所述入口台阶25和出口台阶24的阶高均为0.5mm，所述入口台阶25的轴向长度为1mm，所述出口台阶24的轴向长度为20mm，由此可以加强微燃烧室中后段热气体与壁面的热传递，从而提高壁面温度，使壁面辐射温度获得更好的均匀性。
38.作为具体实施例，请参考图8所示，所述入口台阶25的下端面距离燃烧室入口1mm，即入口台阶25的下端面距离连接底座21底面的距离为1mm，所述出口台阶24的上端面与燃烧室221出口平齐，由此可以固定连接底座21与入口台阶25之间的金属网，防止火焰燃烧回火到预混稳压底座空腔内部，同时有助于进入燃烧室221的混合气体燃料分流。
39.作为具体实施例，请参考图6所示，所述每个燃烧室221上靠近入口一侧嵌入有五个直径为1.5mm交错排列的圆柱形催化钝体23，由此可以保证催化燃烧反应发生在微燃烧室的燃烧主反应区域，同时直径1.5mm的催化钝体不会大幅度提高燃烧室的面
‑
体积比，能够获得足够的燃料驻留时间，而圆柱形催化钝体有利于内部流场的均匀性。需要特别说明的是，本技术由于在每个燃烧室上靠近入口一侧嵌入设置多个交错排列且表面负载有铂催化剂的催化钝体23，同时在每个燃烧室出口一侧的室内壁上设有出口台阶24，由此使得在微燃烧器2表面具有很好的辐射温度，具体请参考图11所示，该图中示出了通过fluent仿真软件，在单个预混气体燃料入口12通入质量流量为4.2196
×
10
‑5kg/s的气体燃料，当量比φ＝1.0时，各种结构燃烧室构成的燃烧器表面辐射温度的作用效果，由图11可以看出，催化钝体与出口台阶的组合燃烧室设计结构在燃烧器表面辐射温度的作用效果是最好的。
40.作为具体实施例，所述圆柱形催化钝体通过浸渍法制成，具体包括以下步骤：
①
取1g氯铂酸晶状颗粒溶于100ml去离子水中，搅拌至完全溶解，形成黄褐色溶液；
②
将直径1.5mm高2.5mm材料为具有耐高温性能的碳化硅陶瓷的圆柱型钝体，洗净晾干，在600℃的马弗炉中煅烧1小时后放置冷却；
③
将圆柱形钝体完全浸没于氯铂酸溶液中12小时，然后在120℃干燥箱内干燥3小时，最后在600℃的马弗炉中煅烧6小时形成圆柱形催化钝体。之后每个燃烧室通过线切割加工出1.55mm的通孔，将前述制作好的圆柱形催化钝体嵌入燃烧室，最后用打磨机磨去燃烧室壁面两侧的催化层即可。
41.作为具体实施例，请参考图9所示，所述圆状整体散热结构31的散热翅片长度为8mm，散热翅片厚度为1mm，相邻散热翅片的角度间距为5
°
；所述散热支撑结构32的散热翅片长度为2.5mm，散热翅片厚度为0.5mm，相邻散热翅片的间距为2.5mm，由此可以使得光电池模块和燃烧器始终工作在理想的温度范围内，不会因为持续的高温导致光电池模块效率下降而降低功率输出，同时也能够在不过分增加整体体积的前提下满足微型热光电装置的散热需求。
42.作为具体实施例，请参考图10所示，所述ingaassb光电池模块4包括过滤层41、p型半导体42、n型半导体43和内层支撑片44，所述p型半导体42和n型半导体43设于过滤层41和
内层支撑片44之间，所述p型半导体42和n型半导体43通过导电片串联连接，所述过滤层41与燃烧室221的辐射面正对，所述内层支撑片44贴附于散热支撑结构32的内表面上；其中，所述p型半导体42的材料为si
0.8
ge
0.2
热电材料，所述n型半导体43的材料为pbte热电材料。当然，本领域技术人员在前述光电池模块的基础上，还可以采用其他结构来实现。
43.为了更好地理解本技术提供的多燃烧室耦合的微尺度燃烧发电装置，以下将结合最佳实施例对该装置的工作原理进行简要说明：
44.工作时，气体燃料和氧化剂经过充分预混后，由预混稳压底座1的四个预混气体燃料入口12进入稳压空腔11内部，此时不点火，待气体燃料通入30秒后稳压空腔11内压力稳定后再从微燃烧器2出口点火，火焰回流进入微尺度燃烧室22进行燃烧反应，不锈钢网使得进入燃烧室221的气体燃料被均匀分流，同时防止反应过于剧烈时火焰向预混稳压底座空腔扩散，化学燃烧反应主要发生在燃烧室中部偏入口位置，稳定燃烧后热能传递到燃烧室外壁面，高温后的燃烧室外壁面激发出大量光子，被ingaassb光电池模块4吸收后转换为电能，多余的热量通过散热结构3与外界温度进行换热，使得燃烧稳定后微型机电动力装置的温度不会持续升高。燃烧后的燃料废气通过燃烧室出口排出，通过仿真软件fluent，测量出口的化学组分计算燃烧效率可以达到96.8％。当气体燃料为氢气
‑
空气时，在单个预混气体燃料入口12通入质量流量为1.054
×
10
‑4kg/s，当量比φ＝1.0时，单个微尺度燃烧室两个辐射表面通过ingaassb光电池模块产生的电能约为3.4w，因此整个微型机电动力装置在稳定工作时可以输出电能约12～14w。
45.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。