專利名稱：一種基于微燃燒產(chǎn)生電能和推力的新型動力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微動力機(jī)電系統(tǒng)(PowerMEMS，簡稱微動力系統(tǒng))領(lǐng)域，是基于微尺 度預(yù)混合燃燒的微熱光電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和噴氣推力轉(zhuǎn)化技術(shù)的聯(lián)合，能利用燃料燃燒產(chǎn) 生的化學(xué)能同時產(chǎn)生動能與電能的動力裝置。
背景技術(shù)：
從動力機(jī)械發(fā)展的歷史進(jìn)程看，每當(dāng)能源裝置的能量密度產(chǎn)生一個飛躍，都會 給社會和經(jīng)濟(jì)帶來深遠(yuǎn)的影響。18世紀(jì)的蒸汽發(fā)動機(jī)，以0.005W/g的能量密度為標(biāo)志， 引發(fā)了當(dāng)時的工業(yè)革命。從19世紀(jì)到現(xiàn)在，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展使能量密度達(dá)到了0.05-1.0W/ g，從而使整個交通運輸發(fā)生了巨變。20世紀(jì)研發(fā)的航空航天發(fā)動機(jī)使能量密度進(jìn)一步 上升到10W/g。噴氣式飛機(jī)大大縮短了整個世界的距離。微動力裝置的能量密度將沖破 100W/g的大關(guān)。可以說，它是動力機(jī)械發(fā)展的第四個里程碑，它給現(xiàn)代社會帶來的影響 將是重大而深遠(yuǎn)的。 近年來，在國外，尤其是美國，相繼開展了微動力機(jī)電系統(tǒng)(Power MEMS)和微 發(fā)動機(jī)(micro-engine)的研究工作。碳?xì)淙剂系哪芰棵芏?120MJ/Kg)大約是鋰電池(1.2MJ/ Kg)的100倍，由此人們提出了以燃燒為基礎(chǔ)的微動力系統(tǒng)，即直接在微系統(tǒng)中通過燃燒 將氫氣或碳?xì)淙剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，然后依靠各種能量轉(zhuǎn)換方式提供動力或產(chǎn)生電 能。此外，這種微動力系統(tǒng)還具有成本低廉，產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定等優(yōu)點。美國、日本以及 歐洲的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)相繼開展了這方面的研究，并開發(fā)出不同形式的樣機(jī)，如微燃 氣輪機(jī)、微型往復(fù)式電力發(fā)生器和微型轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)等。這些非直接能量轉(zhuǎn)換的微型動力 裝置基本上都是將常規(guī)動力機(jī)械按比例縮小所得到的版本，由于高速運動部件的存在及 機(jī)械傳動的原因，在微觀領(lǐng)域，這些裝置在熱損失、摩擦、密封、加工以及裝配等方面 遇到比常規(guī)裝置要大得多的困難。 在國內(nèi)，本課題組研究出一種基于微熱光電技術(shù)的微燃燒動力系統(tǒng)——微熱光 電系統(tǒng)，它的基本原理是燃料和氧化劑經(jīng)微型混合器混合后，進(jìn)入微燃燒室中燃燒。 當(dāng)壁面被加熱到一定高溫時，就會放出光子。當(dāng)它們撞擊光電池時，會激發(fā)出自由電 子，從而產(chǎn)生電能。相對于前面幾種微動力機(jī)，其具有無運動部件，易操作的優(yōu)點。
微燃燒器是微熱光電系統(tǒng)中最為重要的組成部分之一，其設(shè)計決定了內(nèi)部燃燒 的穩(wěn)定性和外壁面溫度的分布情況。目前，常見的微熱光電系統(tǒng)的燃燒器為圓柱形，混 合氣在微火焰管內(nèi)的駐留時間較短，燃燒不夠充分，系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)化效率不高。為此， 課題組研發(fā)出了 "平行板模塊式微熱光電系統(tǒng)"，并已展開了相關(guān)研究工作。平行板微 型燃燒室的加工裝配更加容易，而且方便實現(xiàn)多個系統(tǒng)之間的模塊化組合，從而有利于 單位體積能量輸出密度的進(jìn)一步提高。 微燃燒除了通過光電轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)化為電能外，產(chǎn)生的高溫高壓氣體還有巨 大的利用空間。如果在微燃燒室出口處接一個噴管，則高溫高壓氣體降壓增速，產(chǎn)生推 力，氣體熱能將轉(zhuǎn)化動能輸出。這樣燃料微燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和動能輸出，
3能量得到充分利用。 鑒于以上優(yōu)點，如果將此基于微熱光電技術(shù)的微燃燒動力系統(tǒng)加以改進(jìn)，應(yīng)用 于動力機(jī)械，作為動力驅(qū)動裝置，必將大大提高能源利用率，產(chǎn)生巨大功率輸出，同時 簡化動力機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少排放污染物的產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為機(jī)械設(shè)備設(shè)計一種新型的驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置基于微燃燒動 力技術(shù)設(shè)計，可以大大提高能源利用率，減少環(huán)境污染。同時，成本相對較低，結(jié)構(gòu)十 分簡單，大大簡化動力機(jī)械設(shè)計。 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖如說明書附圖2所示，它由圖2中的氣體混合器3、微平行板燃 燒器(包括微平行板燃燒室(1)、電子點火電極(2)、真空透光隔熱層(4)、光電池(5)與噴 管(6)兩部分構(gòu)成。微平行板燃燒室1使用有較強(qiáng)耐高溫性能的SiC陶瓷燒結(jié)而成，平板 長寬為10mmX6mm，兩板之間間隙厚度為lmm。 SiC是一種耐高溫性能良好而且廉價 的寬帶寬黑體輻射材料，其主要參數(shù)見下表
材料名稱碳化硅
導(dǎo)熱系數(shù)92W/m . k
密度3.10g/cm3
吸收比(紅外輻射率)0.77(法線方向) 微燃燒室1再與氣體混合器3通過銅制導(dǎo)管連接，導(dǎo)管與微平行板燃燒室(1)及 氣體混合器(3)的連接均用耐高溫膠粘接，電子點火電極(2)置于微平行板燃燒室(1)燃料 進(jìn)口處用于點火，用耐高溫膠密封插口。微燃燒室下部做成內(nèi)嵌的噴管(6)，燃燒產(chǎn)生的 高溫高壓氣體在此處降壓增速，產(chǎn)生推力，用于驅(qū)動動力機(jī)械。微燃燒室(l)兩側(cè)為間 距l(xiāng)mm真空透光隔熱層(4)，材料采用石英玻璃，四周用隔熱膠的粘合，然后抽掉空氣形 成真空制成。這一方面防止熱量通過熱傳導(dǎo)損失，另一方面讓燃燒輻射出的大量光子透 過。隔熱層外側(cè)為光電池(5)，通過簡單的固定卡具與空透光隔熱層并排放置在一起。光 伏電池板(4)吸收燃燒輻射出的光子，轉(zhuǎn)化為電能，用于動力機(jī)械的供電系統(tǒng)。氣體混合 器(3)通過一個質(zhì)量流量控制器來調(diào)節(jié)進(jìn)入微型燃燒室(1)的氣流流速。
本發(fā)明的特點在于在以往的微熱光電動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將微燃燒產(chǎn)生的高溫 高壓氣體的熱能加以利用，通過噴管轉(zhuǎn)化為氣體動能，產(chǎn)生推力做功。另外，采用石英 真空透光隔熱層，輻射表面和光電池之間的熱量交換被有效的減少，故能起到了很好的 隔熱效果。 由以上可看出，此微型動力驅(qū)動系統(tǒng)通過兩平行平板間的微燃燒，燃燒釋放出 來的熱量會使平板的溫度升高，從而輻射出大量光子，當(dāng)這些光子碰到光電池時，就激 發(fā)出自由電 子而輸出電能。另一方面產(chǎn)生高溫高壓的氣體，經(jīng)噴管降壓增速，產(chǎn)生推 力，驅(qū)動動力裝置。可見，能源得到了充分利用。


圖1為能量轉(zhuǎn)換原理圖； 圖2為新型動力驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖，1-微平行板燃燒室，2-電子點火電極， 3-氣體混合器，4-真空透光隔熱層，5-光電池，6-噴管；
圖3為微平行板燃燒器主視中心平面剖視圖； 圖4為微平行板燃燒器左視中心平面剖視圖，1-微平行板燃燒室，4-真空透光隔 熱層，5-光電池，6-噴管。
具體實施例方式
如說明書附圖1所示，氫-氧燃料經(jīng)氣體混合器3按一定比例混合，進(jìn)入微平行 板燃燒室l，經(jīng)過電子點火電極2點燃后燃燒，高溫釋放出光子經(jīng)真空石英隔熱層4打到 外部的光伏電池上，轉(zhuǎn)化成電能輸出。另外高溫高壓尾氣經(jīng)尾噴管6降壓增速，由內(nèi)能 轉(zhuǎn)化為動能產(chǎn)生推力。對應(yīng)于不同電壓/電流、推力要求，可以通過調(diào)節(jié)燃燒流量、串 聯(lián)多個微燃燒器來實現(xiàn)。所用燃料應(yīng)該優(yōu)先選擇氫氣，生成的尾氣為無污染的高溫水蒸 氣。人畜肥堆漚、材料加工工廠廢料等產(chǎn)生的生物質(zhì)沼氣經(jīng)過簡單脫硫裝置過濾后也可 作為裝置的燃料，燃燒產(chǎn)物為水蒸氣和二氧化碳混合氣，與直接排放沼氣或燃燒傳統(tǒng)化 石燃料相比，很大程度地預(yù)防或減小了環(huán)境污染。
權(quán)利要求
一種基于微燃燒產(chǎn)生電能和推力的新型動力裝置，其特征在于由微平行板燃燒室(1)，電子點火電極(2)，氣體混合器(3)，真空透光隔熱層(4)，光電池(5)，噴管(6)組成，其中所述微平行板燃燒室(1)與氣體混合器(3)通過導(dǎo)管連接，電子點火電極(2)置于微平行板燃燒室(1)平行板上燃料進(jìn)口處用于點火；微平行板燃燒室(1)下部做成內(nèi)嵌的噴管(6)；微平行板燃燒室(1)兩側(cè)為真空透光隔熱層(4)，隔熱層外側(cè)為光電池(5)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微燃燒產(chǎn)生電能和推力的新型動力裝置，其特征在 于微平行板燃燒室(1)由耐高溫性能的SiC陶瓷材料制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微燃燒產(chǎn)生電能和推力的新型動力裝置，其特征在 于真空透光隔熱層(4)由石英玻璃制成。
全文摘要
一種基于微燃燒產(chǎn)生電能和推力的新型動力裝置，屬于微動力機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域.其由微平行板燃燒室(1)，電子點火電極(2)，氣體混合器(3)，真空透光隔熱層(4)，光伏電池板(5)，噴管(6)組成，其中所述微平行板燃燒室(1)與氣體混合器(3)通過導(dǎo)管連接，電子點火電極(2)置于微平行板燃燒室(1)平行板上燃料進(jìn)口處用于點火；微平行板燃燒室(1)下部做成內(nèi)嵌的噴管(6)；微平行板燃燒室(1)兩側(cè)為真空透光隔熱層(4)，隔熱層外側(cè)為光電池(5)。該裝置能高效的利用能源，產(chǎn)生巨大功率輸出，同時簡化動力機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少排放污染物的產(chǎn)生。
文檔編號H02N6/00GK101691201SQ200910184209
公開日2010年4月7日 申請日期2009年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者吳慶瑞, 楊文明, 潘劍鋒, 薛宏, 陳俊杰 申請人:江蘇大學(xué)