一种基于多孔介质稳燃的微燃烧温差发电器的制作方法

本实用新型涉及一种功率需求较低的微小型发电装置，并采用多孔介质燃烧室和半导体温差发电的微燃烧发电系统。

背景技术：

目前在电池已经渗透到军备以及民用的各个领域中，从通讯仪器到侦察设备，从夜相仪到单兵夜视镜，大到军舰战机，小到GPS都离不开电池。而现在人们主要应用的锂离子电池存在着诸多问题：（1）锂原电池存在安全性差，有发生爆炸的危险；（2）钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性差；（3）锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充放电；（4）生产要求条件高，成本高；（5）锂金属的化学特性非常活泼，其加工，保存，实用对环境的要求非常高；（6）循环使用时，锂电池的充电时间较长，而待机时间较短。

随着基于微电机械系统（Micro Electro Mechanical Systems, MEMS）的微能源动力系统技术的发展，微尺度燃烧研究随之产生，目前研究的微尺度燃烧一般发生在很小的尺度范围（低于 1cm³的容积）内。与传统化学电源相比，由微尺度燃烧器组成的微燃烧能源系统具有价格低廉、保存期限长、能提供稳定电压、可重复使用和低排放等优点，其旨在解决为便携电子设备提供长时间供应稳定电力的电源问题。而除了在民用领域的应用外，微燃烧能源系统更可应用于国防领域，如为微型飞行器、微型卫星、现代单兵作战系统等提供高性能的动力、电力支持。基于微尺度燃烧的微动力能源系统具有很高的能量密度，被认为是一种替代传统化学电源的十分有前景的方法。

微燃烧系统尽管能量密度大，但是体积微小，微燃烧产生的热量很难像普通燃烧那样用传统的方式将其合理有效地利用起来。分析现有的多种能量导出方式可知，热电发电技术有体积小、重量轻、无污染、性能稳定等特点，可通过发电材料与热源接触直接转化的方式导出电能，省去中间机械动力部分能量的损耗，符合微燃烧系统对体积小，结构简单的要求，是最适合微燃烧系统的能量导出方式之一。热电发电原理是基于热电效应中的塞贝克效应，通过材料两端产生温差而将热源有效转化为电能，是一种绿色环保能源技术。

微尺度燃烧和大尺度的燃烧有很大区别，由于设备体积微小，火焰非常容易熄灭，因此保证燃烧持续稳定进行，成为微燃烧研究中一个重要研究方向。只有保证持续稳定燃烧，才能保证持续供热，从而产生持续稳定的电流。

同时微小尺度的燃烧点火方式也对燃烧有重要影响，现有点火方式中，明火点燃更适用于大尺度，激光点燃对燃烧室的材质要求为透明，可允许激光穿过燃烧室到达燃料，同时激光机器消耗高体积大。可见上述两种点火方式均不适用于微型装置。

国内外对于微尺度燃烧以及微小型热电转换器所做的工作主要集中于器件加工和一些相关的微燃烧实验方面，几乎没有开展如何保持热电发电器冷热段的温差以及燃烧器的温度场的均匀分布等内容的研究工作。

现有专利当中如重庆大学专利号为ZL 200920126143.1《一种便携式微型温差发电器》，采用催化燃烧方式，其催化反应整体温度要维持在500-600℃；对于南京航空航天大学申请号为201010158485.9《微小型燃烧式半导体温差发电机》，所述燃烧模块表面温度仍然远高于热电模块能够承受的高温限制，因此热电模块会遭到损坏，不能持续稳定供电。

技术实现要素：

针对存在的上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种比能量高、体积小、重量轻、无噪音、持续稳定、低排放的，可代替锂电池等传统电池应用在便携式电子设备及单兵作战和航空航天等领域的新型发电装置。

本实用新型呈片层状结构，自上而下依次为：燃料储存层、上温差发电片、上隔热层、燃烧模块、下隔热层、下温差发电片、助燃剂储存层，即燃烧室位于温差发电片的热端，燃料和助燃剂储存层位于温差发电片的冷端。

上述燃烧模块包括进气通道、出气通道和燃烧室，其中进出气通道均为方形双螺旋并行结构，并通过燃烧室相连通，且燃烧室内由多孔介质填充；

上述燃烧室内部中心装有电子点火装置。

上述上隔热层和下隔热层内均由导热油和微量惰性气体混合填充，且内部完全不含空气；

上述燃料储存层和助燃剂储存层通过外接气体预混管道进行气体预混后接入进气通道，燃烧后废气从出气通道排出。

相比现有技术，本实用新型专利具有如下有益效果：

上述进气与出气通道为方形双螺旋并行式结构，进气和出气通道间的距离很小，一般为通道直径的0.5-2倍，这使得进气通道中的预混气体受到出气通道中高温废气的加热，使气体再次预热（第一次预热在下述燃料储存层进行）增大焓值的同时，也使废气中的余热得以回收利用，减少热量损失；采用方形螺旋型结构可使通道占整个发电模块的面积比例较圆形通道增大，使得由于热量传导在板内部造成的损失减少；同时通道采用变径设计，从进气口到中心燃烧室依次为小于、大于、小于最大熄火直径，一方面控制火焰燃烧的安全性，另一方面实现了热量的均匀分布，具体来说：燃气在管径小于熄火直径范围的部分不能燃烧，且流速较快，可保证气体流畅通过整个燃烧管道，而通过大管径时，由于质量流量守恒，速度会减小，高温燃气在燃烧器内部停留时间增长，同时换热面积增大也加速了热量的均匀扩散解决回火问题。

上述燃烧室内部电子打火装置可以有效解决微小型燃烧的点火问题，其特点在于：在气体通过小口径通道进入燃烧室后进入多孔助燃介质之后由两根间距为0.3mm直径为0.2~0.5mm的金属丝通过高压电产生的电火花点燃，采用这种点火方式一方面在于可有效解决点火困难的问题，并且保障点火的及时性，也可以有效减小点火装置体积；并且更容易加工制造，可操作行强，并且没有加热过程，更加便捷迅速。

上述位于微燃烧模块中心的燃烧室采用多孔介质填充，其中多孔介质位于电子点火装置周围，分布于中心燃烧室大部分区域中；与自由空间或者普通燃烧室燃烧相比，预混气体在多孔介质中的燃烧具有功率密度大，燃料利用率高的优点，预混气体充分混合后在过剩空气很少的情况下也可以达到完全燃烧；由于辐射作用，多孔介质的高温后部，会对低温的前部进行加热，从而达到对未反应的燃气混合物的预热作用，加快点燃速度，也保证燃烧可以持续不断稳步进行。

上述燃烧模块的上、下外表面各加一层隔热层，温差发电片的加热面则贴附在隔热层的另一面。此处使用导热油与微量惰性气体填充在封闭式隔热层内部，其作用为将温差发电片热面的接触温度控制在均匀可行的范围内，具体为：由于沸点限制，导热油的温度在上升到某一临界点后则不会随着热源温度的增加而继续增加，且热量可充分储存在导热油内，因此可以在燃烧模块和温差发电模块之间形成合适的温度梯度，一方面保证与温差发电片接触的温度在导热油沸点之下且接近其沸点，并在发电片可承受范围内，另一方面经过液体导热油的导热缓冲，使发电片受热更均匀，从而提高发电效率，贮存在导热油中的热量也不容易散失。导热油受热后体积膨胀显著，固在传热介质层中留有一定的惰性气体，为传热油的体积变化留足空间，防止隔热层变形。

上述上、下温差发电片的冷却面上分别装有燃料储存层和助燃剂储存层；采用这种设计的目的在于冷却温差发电片冷面，同时预热即将进入预混管道的气体和助燃剂。具体为：首先储存在燃料储存层和助燃剂储存层中的气体呈高压状态，当开启放气阀门后，气体流入预混管道且压力下降，这一过程会带走温差发电片冷面的部分热量，从而保证发电模块的温差，提高发电效率；同时温差发电片的冷面温度将对即将进入预混室的气体进行初步预热，使其不仅可以在预混通道混合更为充分，也降低了气体的点燃难度和熄火概率，增大了可持续燃烧的可能。这一设计使热量得以循环利用，减少能量损失。

附图说明

图1是基于多孔介质稳燃的微燃烧温差发电器结构示意图；

图2是基于多孔介质稳燃的微燃烧温差发电器的燃烧模块双通道结构图；

图3是基于多孔介质稳燃的微燃烧温差发电器右视的气体预混管路示意图。

上述各图中标号名称：1、进气通道，2、出气通道，3、燃烧室，4、燃料储存层，5、助燃剂储存层，6、上温差发电片，7、下温差发电片，8、上隔热层，9、下隔热层，10、燃烧模块，11、气体预混管道，12、燃料储存层充气口，13、助燃剂储存层充气口，14、燃料储存层出气口，15、助燃剂储存层出气口，16、燃料储存层出气口单向阀，17、助燃剂储存层出气口单向阀，18、燃烧室进气通道单向阀，19、电子点火装置电路，20、电子点火装置导线，21、点火开关。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

微小体积下的燃烧进行有一定的难度，因此要从多个方面保证燃烧的稳定持续进行。如图1所示，本装置采用多孔介质填充燃烧室，利用片层状结构及特殊设计的导热油隔热层形成温度梯度，以及应用各层之间的热量交换来保证燃烧的进行，减少热量的损耗，自上而下依次为：燃料储存层4、上温差发电片6、上隔热层8、燃烧模块10、下隔热层9、下温差发电片7、助燃剂储存层5，即燃烧室位于温差发电片的热端，燃料和助燃剂储存层位于温差发电片的冷端。所述燃烧模块包括进气通道1、出气通道2和燃烧室3，其中进出气通道为方形双螺旋并行结构，中心燃烧室内填充有多孔介质；所述上下隔热层内填充有导热油；所述燃料储存层和助燃剂储存层的气体在气体预混管道11预混后通过燃烧室进气通道单向阀与进气通道相连。

本实用新型的整体结构为片层状结构，以燃烧模块为轴成对称分布，每一层可为独立个体，层间均可用粘性导热硅脂粘合，保证热量顺利在各层之间传导，且容易拆卸，方便加工维修。

所述的微燃烧模块一般使用硅或二氧化硅等耐高温不导电的材料加工而成，可使用切割、刻蚀等方式制作两块对称的带有螺旋状凹槽的平板，再将两板贴合，形成封闭通道。通道宽度在0.5-1.0mm之间，高度一般也在这一范围内，该层的总厚度一般设计在1-4mm之间；并行通道之间的距离要尽可能小，以保证之间的热量顺利传导；从图2 中可以看到，在进入螺旋槽道前，管径处于熄火直径之内，而在整个螺旋槽道内可以实现局部的火焰传播，能确保燃气不会回火至进气口，稳定安全可操控；燃气在管径小于熄火直径范围的部分不能燃烧，而通过大管径时，由于质量流量守恒，速度会减小，高温燃气在燃烧器内部停留时间增长，同时换热面积增大也加速了热量的均匀扩散。

在燃烧室的中心位置设有通孔，连接电子点火装置。气体通过小口径通道进入燃烧室的多孔介质之后，由两根间距为0.3mm直径为0.2~0.5mm的金属丝，即电子点火装置导线20通过高压电产生的电火花点燃，其中高压电可由直流电源（内置电池）和电源逆变电路产生。两根平行金属丝在进入燃烧室外壁前先穿过一个用于密封的垫片以保证燃烧室的密封性能，垫片及粘贴垫片所用的导热硅脂均为可以使燃烧室严密且耐高温的材料，金属丝采用较硬质的导电耐热性材料以保证金属丝进入燃烧室后不易受损，保证电火花稳定产生。整个电路开关可接在一个外置点火开关21上，作为整个发电器的发电开关，电子点火装置电路19排布在整个装置的侧面。

上述燃烧室中有多孔介质填充作为燃烧室助燃结构。多孔介质是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质，其内的流体以渗流方式运动。多孔介质内部的空隙极其微小，大多在不足1微米到500微米之间；单位体积或单位质量的多孔介质内所有微小空隙的表面积的总和称为比表面积，多孔介质的比表面积数值越大，更有利于燃烧的进行，使流入其中的气体更容易点燃，燃烧更充分。填充时可使多孔介质分布于电子点火装置周围，分布于中心燃烧室大部分区域中，介质本身为耐高温，如SiC材质泡沫陶瓷等材料。

上述燃烧模块上、下外表面的隔热层，实则为一片完全密闭的长方体薄片容器，内部填充有导热油，厚度一般为1mm-5mm。导热油具有抗热裂化和化学氧化的性能，传热效率好，散热快，热稳定性很好。这一措施实际上是保证温差发电片的热面温度保持在其工作范围之内，一般温差发电片长期工作在300℃时则会损坏，而导热油的温度上升到其沸点（200℃-400℃之间）则不再上升。水也常被用为隔热介质，但其的沸点较低，热量不能得到充分利用。液态的导热油可以比水充分吸收来自燃烧室表面的温度，使发电片充分受热，减少能量损失。但是导热油受热后体积膨胀显著，温升100℃，体积膨胀率可达8%～10%，体积不变的情况下隔热层内压强会升高，因此隔热层要使用足够承受此压强的材质。同时在隔热层中冲入微量的惰性气体，一方面可以缓解由于压强升高而导致隔热层变形，另一方面可防止导热油的氧化。此处隔热层拟使用一次性制作并密封好的部件，即一次性填充好导热油和微量惰性气体，二次充油或充气容易破坏其密封性。

上述上温差发电片的冷却面上装有燃料储存层，在下温差发电片的冷却面上装有助燃剂储存层，其位置可以按需求调换。助燃剂的选用与燃料的成分紧密相关，一般为氧气或者空气。此两个储存层外设充气接口，分别为燃料储存层充气口12和助燃剂储存层充气口13，且气体可压缩存储在该层内，以保证一次性发电时间；充气口的另一端为放气口，此两个出口当装有燃料储存层出气口单向阀16和助燃剂储存层出气口单向阀17（对应于燃料储存层出气口14和助燃剂储存层出气口15）。燃料气体和助燃剂由各自储存室流出后在预混管道预混，后再经过一个微型单向进气阀18，才可经过变径管道与进气口相连接，单向阀可防止回火，见图3。