專利名稱：一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)，屬于熱力學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
液體碳?xì)淙剂夏芰棵芏雀?，運(yùn)輸/儲(chǔ)存性能好，將液體碳?xì)淙剂现糜谖⑿∪萜髦羞M(jìn)行微尺度級(jí)別的燃燒以獲得長(zhǎng)效高密度的電能的概念在上世紀(jì)末就已經(jīng)被提出，但是由于燃燒的基本原理以及微尺度燃燒本身特性的限制，液體燃料很難在微小容器內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定燃燒，進(jìn)而釋放熱量并輸出電能。造成這種現(xiàn)象的主要原因如下:1.在微尺度燃燒中，裝置的面積/體積比非常大，造成單位體積上的熱損失嚴(yán)重，化學(xué)反應(yīng)所釋放的熱量不足以維持自身的繼續(xù)進(jìn)行。2.微尺度燃燒中通道狹小，其通道直徑常常小于燃料的最小熄火距離，在燃燒化學(xué)反應(yīng)中所產(chǎn)生的自由基在觸及固體壁面后被快速消耗，因此無(wú)法持續(xù)保持化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致火焰的熄滅。3.液體碳?xì)淙剂戏肿虞^大，在反應(yīng)的過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，化學(xué)反應(yīng)速率較慢，且在反應(yīng)的過(guò)程中存在復(fù)雜的相變，因此更加不易維持燃燒。研究人員在提高微尺度燃燒裝置燃燒穩(wěn)定性、降低熱量散失方面進(jìn)行了許多工作，如采用回?zé)嵫b置，利用完成燃燒后的高溫燃?xì)鈱?duì)未燃?xì)怏w進(jìn)行加熱，以減小淬熄距離；選用導(dǎo)熱性能合適的壁面材料，使燃燒器在熱量散失不很多的同時(shí)又能夠?qū)ι嫌螝怏w進(jìn)行加熱等等。在對(duì)燃燒所產(chǎn)生的 能量進(jìn)行利用方面，研究人員提出并嘗試了多種方式，其中以采用運(yùn)動(dòng)部件作為能量轉(zhuǎn)化部件較為多見(jiàn)，包括斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪、脈沖燃燒器、活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)等，這些燃燒裝置能量轉(zhuǎn)化效率高，但質(zhì)量較大，噪音較高。此外還有瑞士卷型燃燒器、平板燃燒器等不含有運(yùn)動(dòng)部件的燃燒裝置，此類裝置多通過(guò)熱-電轉(zhuǎn)化材料或熱-光-電轉(zhuǎn)化材料輸出電能，具有質(zhì)量輕，無(wú)噪音等特點(diǎn)，但能量轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低。目前相關(guān)的研究工作主要集中在氣體燃料的微尺度燃燒方面，且多數(shù)僅為原理性樣機(jī),此類樣機(jī)的主要特點(diǎn)為:1.此類樣機(jī)采用氣體燃料作為燃燒器的燃料，氣體燃料體積密度很低，對(duì)儲(chǔ)存的要求很高，且存在較為嚴(yán)重的安全隱患，一旦泄露容易造成人員及財(cái)產(chǎn)損失。2.此類樣機(jī)目前均需要外界能量對(duì)燃料以及空氣進(jìn)行加壓，從而維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此不具備持續(xù)工作能力。3.此類樣機(jī)結(jié)構(gòu)并不完善，系統(tǒng)較為龐大且復(fù)雜，不夠緊湊。4.采用運(yùn)動(dòng)部件的樣機(jī)的某些部件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的噪音，對(duì)使用者的健康造成不利影響。隨著化石能源的快速消耗，環(huán)境問(wèn)題的持續(xù)威脅，以及小型個(gè)人計(jì)算/通訊設(shè)備的快速發(fā)展都需要更為高效、清潔、緊湊的小型供電設(shè)備；同時(shí)特殊行業(yè)也對(duì)供電設(shè)備的長(zhǎng)效性提出了更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決由于現(xiàn)有技術(shù)緊湊度不夠、噪音較大、能量供應(yīng)不足等原因，導(dǎo)致現(xiàn)有微尺度熱能動(dòng)力裝置無(wú)法完全滿足社會(huì)需求的問(wèn)題，從而提供一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，包括燃燒器，多孔介質(zhì)，渦輪，風(fēng)扇，排氣管，進(jìn)氣管，燃料箱，燃料輸送管，膨脹袋，熱管，熱光電材料，啟動(dòng)電機(jī)，加熱片，燃料調(diào)節(jié)單向閥；連接關(guān)系:燃燒器由內(nèi)通道與外通道組成，多孔介質(zhì)布置在燃燒器的內(nèi)通道中。風(fēng)扇與燃燒器的內(nèi)通道通過(guò)進(jìn)氣管相連接；排氣管的一端連接燃燒器的外通道，另一端則與渦輪相連接；風(fēng)扇與渦輪通過(guò)一根傳動(dòng)軸相連接；空氣在風(fēng)扇的作用下通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入燃燒器的內(nèi)管中與燃料氣體相混合，混合氣體在燃燒器內(nèi)完成燃燒。完成燃燒后的高溫氣體通過(guò)排氣管驅(qū)動(dòng)渦輪，渦輪則通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。燃料箱的一端通過(guò)燃燒輸送管與多孔介質(zhì)聯(lián)接，另一端則與熱量相聯(lián)接，燃料調(diào)節(jié)單向閥位于燃料輸送管上，起到調(diào)節(jié)燃料流量的作用，在緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)工作的過(guò)程中，系統(tǒng)輸出功率的大小通過(guò)調(diào)節(jié)燃料流量的多少來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。燃燒器通過(guò)熱管聯(lián)接到燃料箱的內(nèi)部。熱管位于燃料箱內(nèi)部的一端套有膨脹袋，加熱片則位于膨脹袋內(nèi)部，與熱管固連。膨脹袋內(nèi)置有低沸點(diǎn)液體。燃燒器外部未與熱管相連接的部分包覆有熱光電材料，熱光電材料將電能傳輸至負(fù)載設(shè)備。 啟動(dòng)電機(jī)與風(fēng)扇相連接。所述低沸點(diǎn)液體為沸點(diǎn)低于0°C的液體，包括氟利昂、丁烷。所述多孔介質(zhì)為溫度高于1500K時(shí)，不與空氣以及燃料液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的多孔介質(zhì)，包括石棉、聚丙烯腈。工作過(guò)程在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，外部電源同時(shí)帶動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)與加熱片，并對(duì)多孔介質(zhì)表面的電火花充電；啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)；加熱片升溫促使低沸點(diǎn)液體揮發(fā)，膨脹袋膨脹擠壓燃料，通過(guò)燃料輸送管進(jìn)入多孔介質(zhì)中；并通過(guò)電火花引燃空氣與燃料的混合氣體；空氣在風(fēng)扇的作用下通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入燃燒器的內(nèi)管中與燃料氣體進(jìn)一步混合并完成燃燒；完成燃燒后的氣體通過(guò)排氣管驅(qū)動(dòng)渦輪，渦輪通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)；燃燒產(chǎn)生的高溫氣體加熱了燃燒器的表面，熱光電材料將熱能與光能轉(zhuǎn)化為電能輸出，提供給負(fù)載設(shè)備使用。熱管將少量熱量傳遞至加熱片，加熱片將低沸點(diǎn)液體加熱至氣態(tài)，促使膨脹袋膨脹，擠壓燃料箱中的燃料，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒器的燃料供應(yīng)；待系統(tǒng)正常工作后外部電源斷開(kāi)，系統(tǒng)依靠自身所攜帶的燃料釋放出的能量，以及被能量驅(qū)動(dòng)的各個(gè)部件維持正常工作。有益效果1、本發(fā)明的一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，整套裝置尺寸僅為69.25X41.75X19.6mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，滿足設(shè)計(jì)要求。
2、本發(fā)明的一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，由于渦輪-風(fēng)扇的合理應(yīng)用、使用熱光電裝置進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)化，因此噪音極低。3、本發(fā)明的一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，用液體燃料作為能量來(lái)源，相對(duì)于氣體燃料，具有能量密度高，運(yùn)輸/儲(chǔ)存性能好，安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作的需要。4、本發(fā)明的一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，具有完善的燃料/空氣供給系統(tǒng)，能夠在啟動(dòng)后即依靠自身的設(shè)計(jì)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，并能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得不同的電能輸出。5、本發(fā)明的一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，是基于微尺度燃燒原理，將液體碳?xì)淙剂现兴N(yùn)藏的化學(xué)能高效安靜地轉(zhuǎn)化為電能，非常適合作為目前以及未來(lái)一段時(shí)間的個(gè)人計(jì)算與通訊設(shè)備、軍隊(duì)及快速反應(yīng)部門(mén)的單人式供電設(shè)備以及特殊行業(yè)在惡劣條件下的供電保障設(shè)備使用。


圖1為緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)沿軸線方向上的剖視圖；圖2為緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)左視圖；圖3為緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)正視圖。圖中，1.燃燒器,2.多孔介質(zhì),3.潤(rùn)輪,4.風(fēng)扇，5.排氣管,6.進(jìn)氣管,7.燃料箱，
8.燃料輸送管，9.膨脹袋，10.熱管，11.熱光電材料，12.啟動(dòng)電機(jī)，13.加熱片，14.燃料調(diào)
節(jié)單向閥。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，包括1.燃燒器，2.多孔介質(zhì)，3.渦輪，4.風(fēng)扇，
5.排氣管，6.進(jìn)氣管，7.燃料箱，8.燃料輸送管，9.膨脹袋，10.熱管，11.熱光電材料，
12.啟動(dòng)電機(jī)，13.加熱片，14.燃料調(diào)節(jié)單向閥；連接關(guān)系:燃燒器I由內(nèi)通道與外通道組成，多孔介質(zhì)2布置在燃燒器I的內(nèi)通道中。風(fēng)扇4與燃燒器I的內(nèi)通道通過(guò)進(jìn)氣管6相連接；排氣管5的一端連接燃燒器I的外通道，另一端則與渦輪3相連接；風(fēng)扇4與渦輪3通過(guò)一根傳動(dòng)軸相連接；空氣在風(fēng)扇4的作用下通過(guò)進(jìn)氣管(組件)6進(jìn)入燃燒器I的內(nèi)管中與燃料氣體相混合，混合氣體在燃燒器I內(nèi)完成燃燒。完成燃燒后的高溫氣體通過(guò)排氣管(組件)5驅(qū)動(dòng)渦輪3，渦輪3通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)風(fēng)扇4運(yùn)轉(zhuǎn)。燃料箱7的一端通過(guò)燃燒輸送管8與多孔介質(zhì)2聯(lián)接在一起，另一端則與熱量10相聯(lián)接，燃料調(diào)節(jié)單向閥14位于燃料輸送管8上，起到調(diào)節(jié)燃料流量的作用，在緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)工作的過(guò)程中，系統(tǒng)輸出功率的大小通過(guò)調(diào)節(jié)燃料流量的多少來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，O燃燒器I通過(guò)熱管10聯(lián)接到燃料箱7的內(nèi)部。熱管8位于燃料箱7內(nèi)部的一端套有膨脹袋9，加熱片13則位于膨脹袋9內(nèi)部，與熱管8固連。膨脹袋9內(nèi)置有低沸點(diǎn)液體。
燃燒器I外部未與熱管8相連接的部分包覆有熱光電材料11，熱光電材料11將電能傳輸至負(fù)載設(shè)備。啟動(dòng)電機(jī)12與風(fēng)扇4相連接。在實(shí)施例中所述低沸點(diǎn)液體為氟利昂。在實(shí)施例中所述多孔介質(zhì)為聚丙烯腈。工作過(guò)程在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，外部電源同時(shí)帶動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)12與加熱片13 ;啟動(dòng)電機(jī)12驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇4轉(zhuǎn)動(dòng)；加熱片13升溫促使氟利昂揮發(fā)，膨脹袋9膨脹擠壓燃料，通過(guò)燃料輸送管8進(jìn)入多孔介質(zhì)2中；并通過(guò)多孔介質(zhì)2表面的電火花引燃空氣與燃料的混合氣體；空氣在風(fēng)扇4的作用下通過(guò)進(jìn)氣管6進(jìn)入燃燒器I的內(nèi)管中與燃料氣體進(jìn)一步混合并完成燃燒；完成燃燒后的氣體通過(guò)排氣管5驅(qū)動(dòng)渦輪3，渦輪3通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)風(fēng)扇4運(yùn)轉(zhuǎn)；燃燒產(chǎn)生的高溫氣體加熱了燃燒器I的表面，熱光電材料11將熱能與光能轉(zhuǎn)化為電能輸出，提供給負(fù)載設(shè)備使用。熱管10將少量熱量傳遞至加熱 片13，加熱片13將低沸點(diǎn)液體加熱至氣態(tài)，促使膨脹袋9膨脹，擠壓燃料箱7中的燃料，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒器的燃料供應(yīng)；待系統(tǒng)正常工作后外部電源斷開(kāi)，系統(tǒng)依靠自身的所產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)各個(gè)部件維持工作。整套裝置尺寸僅為 69.25 X 41.75 X 19.6mm,
權(quán)利要求
1.一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，其特征在于:包括燃燒器(1)，多孔介質(zhì)(2)，渦輪(3),風(fēng)扇(4),排氣管(5),進(jìn)氣管(6),燃料箱(7),燃料輸送管(8),膨脹袋(9),熱管(10),熱光電材料(11 )，啟動(dòng)電機(jī)(12 )，加熱片(13)，燃料調(diào)節(jié)單向閥(14);燃燒器(I由內(nèi)通道與外通道組成，多孔介質(zhì)(2)布置在燃燒器(I)的內(nèi)通道中；風(fēng)扇(4)與燃燒器(I)的內(nèi)通道通過(guò)進(jìn)氣管(6)相連接；排氣管(5)的一端連接燃燒器(I)的外通道，另一端則與渦輪(3)相連接；風(fēng)扇(4)與渦輪(3)通過(guò)一根傳動(dòng)軸相連接；空氣在風(fēng)扇(4)的作用下通過(guò)進(jìn)氣管(6)進(jìn)入燃燒器(I)的內(nèi)管中與燃料氣體相混合，混合氣體在燃燒器(I)內(nèi)完成燃燒；完成燃燒后的高溫氣體通過(guò)排氣管(5)驅(qū)動(dòng)渦輪(3)，渦輪(3)則通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)風(fēng)扇(4)運(yùn)轉(zhuǎn)；燃料箱(7)的一端通過(guò)燃燒輸送管(8)與多孔介質(zhì)(2)聯(lián)接，另一端則與熱量(10)相聯(lián)接，燃料調(diào)節(jié)單向閥(14)位于燃料輸送管(8)上，起到調(diào)節(jié)燃料流量的作用，在緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)工作的過(guò)程中，系統(tǒng)輸出功率的大小通過(guò)調(diào)節(jié)燃料流量的多少來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；燃燒器(I)通過(guò)熱管(10)聯(lián)接到燃料箱(7)的內(nèi)部；熱管(8)位于燃料箱(7)內(nèi)部的一端套有膨脹袋(9)，加熱片(13)則位于膨脹袋(9)內(nèi)部，與熱管(8)固連；膨脹袋(9)內(nèi)置有低沸點(diǎn)液體；燃燒器(I)外部未與熱管(8)相連接的部分包覆有熱光電材料(11 )，熱光電材料(11)將電能傳輸至負(fù)載設(shè)備；啟動(dòng)電機(jī)(12)與風(fēng)扇(4)相連接。
2.如權(quán)利要I所述的一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，其特征在于:所述低沸點(diǎn)液體為沸點(diǎn)低于0°C的液體，包括氟利昂、丁烷。
3.如權(quán)利要I所述的一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，其特征在于:所述多孔介質(zhì)為溫度高于1500K時(shí)，不與空氣以及燃料液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的多孔介質(zhì)，包括石棉、聚丙烯月青。
4.如權(quán)利要I所述的一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力裝置，其特征在于:裝置工作過(guò)程為:在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，外部電源同時(shí)帶動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)(12)與加熱片(13)，并對(duì)多孔介質(zhì)(2)表面的電火花充電；啟動(dòng)電機(jī)(12)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇(4)轉(zhuǎn)動(dòng)；加熱片(13)升溫促使低沸點(diǎn)液體揮發(fā)，膨脹袋(9)膨脹擠壓燃料，通過(guò)燃料輸送管(8)進(jìn)入多孔介質(zhì)(2)中；并通過(guò)電火花引燃空氣與燃料的混合氣體；空氣在風(fēng)扇(4)的作用下通過(guò)進(jìn)氣管(6 )進(jìn)入燃燒器(I)的內(nèi)管中與燃料氣體進(jìn)一步混合并完成燃燒；完成燃燒后的氣體通過(guò)排氣管(5)驅(qū)動(dòng)渦輪(3)，渦輪(3)通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)風(fēng)扇(4)運(yùn)轉(zhuǎn)；燃燒產(chǎn)生的高溫氣體加熱了燃燒器(I)的表面，熱光電材料(11)將熱能與光能轉(zhuǎn)化為電能輸出，提供給負(fù)載設(shè)備使用；熱管(10)將少量熱量傳遞至加熱片(13)，加熱片(13)將低沸點(diǎn)液體加熱至氣態(tài)，促使膨脹袋(9)膨脹，擠壓燃料箱(7)中的燃料，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒器的燃料供應(yīng)；待系統(tǒng)正常工作后外部電源斷開(kāi)，系統(tǒng)依靠自身所攜帶的燃料釋放出的能量，以及被能量驅(qū)動(dòng)的各個(gè)部件維持正常工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種緊湊型微尺度熱能動(dòng)力系統(tǒng)，屬于熱力學(xué)領(lǐng)域。包括燃燒器，多孔介質(zhì)，渦輪，風(fēng)扇，排氣管，進(jìn)氣管，燃料箱，燃料輸送管，膨脹袋，熱管，熱光電材料，啟動(dòng)電機(jī)，加熱片，燃料調(diào)節(jié)單向閥；該裝置，能夠?qū)⒁后w碳?xì)淙剂现袃?chǔ)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)能夠依靠其自身的化學(xué)反應(yīng)與內(nèi)部的能量與物質(zhì)的傳輸實(shí)現(xiàn)裝置的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不需要依賴外界能源。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、概念新穎，是一種非常具有優(yōu)勢(shì)的新型產(chǎn)品。該系統(tǒng)基于微尺度燃燒原理，將液體碳?xì)淙剂现兴N(yùn)藏的化學(xué)能高效安靜地轉(zhuǎn)化為電能，非常適合作為目前以及未來(lái)個(gè)人計(jì)算與通訊設(shè)備、軍隊(duì)及快速反應(yīng)部門(mén)的單人式供電設(shè)備以及特殊行業(yè)在惡劣條件下的供電保障設(shè)備使用。
文檔編號(hào)H02N11/00GK103244271SQ20131017804
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者黃景懷, 李軍偉, 魏志軍, 顏密, 王寧飛 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)