[發明專利]一種緊湊型微尺度熱能動力系統

有效

• 申請號: 201310178046.8
• 申請日: 2013-05-14
• 公開（公告）號: CN103244271A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 黃景懷;李軍偉;魏志軍;顏密;王寧飛
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F02C6/18
• 分類號: F02C6/18;F02C3/04;F02C7/266;F02C7/268;F02C7/22;H02N11/00
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技術領域

本發明涉及一種緊湊型微尺度熱能動力系統，屬于熱力學領域。

背景技術

液體碳氫燃料能量密度高，運輸/儲存性能好，將液體碳氫燃料置于微小容器中進行微尺度級別的燃燒以獲得長效高密度的電能的概念在上世紀末就已經被提出，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持續穩定燃燒，進而釋放熱量并輸出電能。造成這種現象的主要原因如下：

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重，化學反應所釋放的熱量不足以維持自身的繼續進行。

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，在燃燒化學反應中所產生的自由基在觸及固體壁面后被快速消耗，因此無法持續保持化學反應，從而導致火焰的熄滅。

3.液體碳氫燃料分子較大，在反應的過程中化學反應復雜，化學反應速率較慢，且在反應的過程中存在復雜的相變，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定性、降低熱量散失方面進行了許多工作，如采用回熱裝置，利用完成燃燒后的高溫燃氣對未燃氣體進行加熱，以減小淬熄距離；選用導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又能夠對上游氣體進行加熱等等。

在對燃燒所產生的能量進行利用方面，研究人員提出并嘗試了多種方式，其中以采用運動部件作為能量轉化部件較為多見，包括斯特林發動機、轉子發動機、渦輪、脈沖燃燒器、活塞式發動機等，這些燃燒裝置能量轉化效率高，但質量較大，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動部件的燃燒裝置，此類裝置多通過熱-電轉化材料或熱-光-電轉化材料輸出電能，具有質量輕，無噪音等特點，但能量轉化效率相對較低。

目前相關的研究工作主要集中在氣體燃料的微尺度燃燒方面，且多數僅為原理性樣機，此類樣機的主要特點為：

1.此類樣機采用氣體燃料作為燃燒器的燃料，氣體燃料體積密度很低，對儲存的要求很高，且存在較為嚴重的安全隱患，一旦泄露容易造成人員及財產損失。

2.此類樣機目前均需要外界能量對燃料以及空氣進行加壓，從而維持系統的正常運行，因此不具備持續工作能力。

3.此類樣機結構并不完善，系統較為龐大且復雜，不夠緊湊。

4.采用運動部件的樣機的某些部件的往復運動會產生大量的噪音，對使用者的健康造成不利影響。

隨著化石能源的快速消耗，環境問題的持續威脅，以及小型個人計算/通訊設備的快速發展都需要更為高效、清潔、緊湊的小型供電設備；同時特殊行業也對供電設備的長效性提出了更高的要求。

發明內容

本發明的目的是為了解決由于現有技術緊湊度不夠、噪音較大、能量供應不足等原因，導致現有微尺度熱能動力裝置無法完全滿足社會需求的問題，從而提供一種緊湊型微尺度熱能動力系統。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明的一種緊湊型微尺度熱能動力裝置，包括燃燒器，多孔介質，渦輪，風扇，排氣管，進氣管，燃料箱，燃料輸送管，膨脹袋，熱管，熱光電材料，啟動電機，加熱片，燃料調節單向閥；

連接關系：

燃燒器由內通道與外通道組成，多孔介質布置在燃燒器的內通道中。

風扇與燃燒器的內通道通過進氣管相連接；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；風扇與渦輪通過一根傳動軸相連接；空氣在風扇的作用下通過進氣管進入燃燒器的內管中與燃料氣體相混合，混合氣體在燃燒器內完成燃燒。完成燃燒后的高溫氣體通過排氣管驅動渦輪，渦輪則通過傳動軸帶動風扇運轉。

燃料箱的一端通過燃燒輸送管與多孔介質聯接，另一端則與熱量相聯接，燃料調節單向閥位于燃料輸送管上，起到調節燃料流量的作用，在緊湊型微尺度熱能動力系統工作的過程中，系統輸出功率的大小通過調節燃料流量的多少來進行調節。

燃燒器通過熱管聯接到燃料箱的內部。熱管位于燃料箱內部的一端套有膨脹袋，加熱片則位于膨脹袋內部，與熱管固連。膨脹袋內置有低沸點液體。

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載設備。

啟動電機與風扇相連接。

所述低沸點液體為沸點低于0℃的液體，包括氟利昂、丁烷。

所述多孔介質為溫度高于1500K時，不與空氣以及燃料液體發生化學反應的多孔介質，包括石棉、聚丙烯腈。

工作過程