專利名稱：微型內(nèi)混式催化燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒裝置，具體涉及一種在燃燒器內(nèi)部混合燃料氣和氧化劑的微型內(nèi)混式催化燃燒器。
背景技術(shù)：
微燃燒是相對(duì)于傳統(tǒng)燃燒發(fā)生在較大的尺度范圍而言的，目前研究的微燃燒一般發(fā)生在很小的尺度范圍內(nèi)，它們通常在低于1cm3的容積內(nèi)發(fā)生。通過(guò)微燃燒產(chǎn)生的能量在微機(jī)電系統(tǒng)、微型航空航天設(shè)備、個(gè)人移動(dòng)電子設(shè)備等設(shè)備上作為能量的提供者有很廣闊的應(yīng)用前景。微燃燒與電池相比，有比電池高幾十倍的能量密度、價(jià)格低、輸出電壓穩(wěn)定、環(huán)境污染小和添加燃料方便等特點(diǎn)。
目前研究的微燃燒器可以直接輸出熱能或者通過(guò)采用微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生動(dòng)力和熱電轉(zhuǎn)化、熱離子轉(zhuǎn)化、熱光伏電池等直接轉(zhuǎn)化為電力的形式輸出能量。由于微燃燒室尺度的微小，對(duì)燃料在其中的燃燒帶來(lái)了一系列的問(wèn)題。在微尺度下表面積/體積比比宏觀尺度下的表面積/體積比大很多，表面散熱造成的熱損失很大，這樣導(dǎo)致了燃燒室內(nèi)溫度低，難以維持燃燒穩(wěn)定；同時(shí)尺度的減小使得燃料燃燒所需的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間和燃料在燃燒室中的停留時(shí)間接近，不易保證燃料的充分燃燒。目前研究的微尺度燃燒器大多數(shù)是燃燒預(yù)混氣體，而且這些預(yù)混氣體大都是在燃燒室外部預(yù)混以后才通入到燃燒器中。這樣加上燃燒器外部的氣體預(yù)混部分，整個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)就相對(duì)較大，使得微燃燒器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)不突出；而且在燃燒器外部預(yù)混燃料和氧化劑在使用的過(guò)程中是不安全的，如果外部有高溫的話有可能在燃燒器的外部就發(fā)生燃燒反應(yīng)；微型燃燒室結(jié)構(gòu)很小，氣體流動(dòng)速度較低，流體的雷諾數(shù)較小，處于層流流動(dòng)，燃料氣和氧化劑在管道內(nèi)的混合會(huì)比較困難不利于燃燒。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的微燃燒器結(jié)構(gòu)相對(duì)較大，在燃燒室外部預(yù)混燃燒氣體不安全等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)加工的，在燃燒室內(nèi)部混合燃料氣和氧化劑的微型內(nèi)混式催化燃燒器。
本發(fā)明提供了一種微型內(nèi)混式催化燃燒器，包括單晶硅材料的燃燒室，其特征在于，還分別有單晶硅材料的上預(yù)熱室和下預(yù)熱室與燃燒室上下表面鍵合形成三層結(jié)構(gòu)；所述上預(yù)熱室和下預(yù)熱室內(nèi)部各有一條蝕刻的預(yù)熱通道，預(yù)熱通道的入口分別在上預(yù)熱室和下預(yù)熱室外表面，兩個(gè)預(yù)熱通道的出口在上預(yù)熱室和下預(yù)熱室內(nèi)表面，并穿透燃燒室相互連通；所述燃燒室內(nèi)部有依次相互連通的蝕刻的預(yù)混通道、燃燒區(qū)空腔和排氣通道，預(yù)混通道入口與兩個(gè)預(yù)熱通道的出口相互連通，排氣通道的末端穿過(guò)上預(yù)熱室或下預(yù)熱室其中任意一層并在其外表面形成出口。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述上預(yù)熱室或下預(yù)熱室中的預(yù)熱通道呈“之”字往復(fù)形狀布置，其轉(zhuǎn)折處拐角呈直角形狀。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述燃燒區(qū)空腔位于燃燒室的中央，預(yù)混通道和排氣通道預(yù)熱通道圍繞燃燒區(qū)空腔呈“回”字形交錯(cuò)盤(pán)繞布置，其轉(zhuǎn)折處拐角呈直角形狀。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述燃燒室的燃燒區(qū)空腔呈長(zhǎng)方形，燃燒區(qū)長(zhǎng)度為混合通道寬度的3～4倍，寬度為混合通道寬度的2～3倍。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述燃燒室的燃燒區(qū)空腔容積小于5立方厘米。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述燃燒室的燃燒區(qū)空腔表面還有一層濺射的金屬鉑構(gòu)成催化層。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明通過(guò)上下兩個(gè)預(yù)熱室流出的氧化劑和燃料氣在燃燒室的混合提高了整個(gè)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和安全性；采用在燃燒室內(nèi)混合氧化劑和燃料氣可以減小燃燒器的外部結(jié)構(gòu)，使燃燒器體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊。
2、由于燃燒室結(jié)構(gòu)很小，氣體流動(dòng)速度較低，流體的雷諾數(shù)較小，處于層流流動(dòng)，因此如果采取中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?3130799.X中的弧形燃燒室，則燃料氣和氧化劑在管道內(nèi)的混合會(huì)比較困難不利于燃燒。而由直邊構(gòu)成的環(huán)形燃燒室由于在每個(gè)拐角的地方流體內(nèi)外的壓力分布不均導(dǎo)致流場(chǎng)分布不均，促進(jìn)了燃料氣和氧化劑的混合，有利于燃燒的著火和穩(wěn)定。
3、燃燒室中燃燒區(qū)相對(duì)混合區(qū)較寬，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了使燃料有較為充分的燃燒空間，同時(shí)降低流體的流動(dòng)速度提高燃燒的效率。燃燒后的煙氣從煙氣通道流出。煙氣通道也設(shè)計(jì)成環(huán)形一來(lái)是用來(lái)延長(zhǎng)通道，降低由于燃燒結(jié)構(gòu)較小燃燒來(lái)不及完全反應(yīng)而使得燃燒效率減小的影響，二來(lái)是為了使得燃燒器內(nèi)溫度分布比較均勻，有利于預(yù)熱和設(shè)備的安全。
4、本發(fā)明燃燒室內(nèi)表面布置有催化表面，采用金屬鉑作為催化劑，提高了碳?xì)淙剂系娜紵?，擴(kuò)大了燃料的著火極限，允許通過(guò)調(diào)節(jié)燃料配比來(lái)調(diào)節(jié)溫度。


圖1具體實(shí)施例1中上預(yù)熱室橫向剖面示意2具體實(shí)施例1中燃燒室橫向剖面示意3具體實(shí)施例1中下預(yù)熱室橫向剖面示意4圖2中A-A處剖面5圖2中B-B處剖面6圖2中C-C處剖面7管壁溫度對(duì)比曲線圖附圖標(biāo)記上預(yù)熱室1，燃燒室2，下預(yù)熱室3，上預(yù)熱室預(yù)熱通道4，上預(yù)熱室預(yù)熱通道入口5，上預(yù)熱室預(yù)熱通道出口6，下預(yù)熱室預(yù)熱通道7，下預(yù)熱室預(yù)熱通道入口8，下預(yù)熱室預(yù)熱通道出口9，燃燒室預(yù)混通道10、燃燒室預(yù)混通道入口11，燃燒區(qū)空腔12，排氣通道13，排氣通道出口14，具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。
具體實(shí)施例1中微型內(nèi)混式催化燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖1至圖6所示。
微型內(nèi)混式催化燃燒器采用單晶硅材料加工而成，包括上預(yù)熱室1、燃燒室2和下預(yù)熱室3，上預(yù)熱室1和下預(yù)熱室3與燃燒室2上下表面鍵合形成三層結(jié)構(gòu)。
上預(yù)熱室1和下預(yù)熱室3內(nèi)部分別通過(guò)MEMS加工蝕刻出上預(yù)熱室預(yù)熱通道4和下預(yù)熱室預(yù)熱通道7，并通過(guò)蝕刻分別在上預(yù)熱室和下預(yù)熱室外表面形成上預(yù)熱室預(yù)熱通道入口5和下預(yù)熱室預(yù)熱通道入口8。上預(yù)熱室1和下預(yù)熱室3中的預(yù)熱通道呈“之”字往復(fù)形狀布置，其轉(zhuǎn)折處拐角呈直角形狀。
燃燒室2是將兩層單晶硅分別進(jìn)行蝕刻后，通過(guò)鍵合技術(shù)將兩層單晶硅結(jié)合成一個(gè)整體，從而形成依次相互連通的燃燒室預(yù)混通道10、燃燒區(qū)空腔12及排氣通道13。燃燒區(qū)空腔12位于燃燒室2的中央，預(yù)混通道10和排氣通道13、預(yù)混通道10圍繞燃燒區(qū)空腔12呈“回”字形交錯(cuò)盤(pán)繞布置，其轉(zhuǎn)折處拐角呈直角形狀增強(qiáng)混和效果。
燃燒區(qū)空腔12呈長(zhǎng)方形，燃燒室2的燃燒區(qū)空間比混合區(qū)域大，燃燒區(qū)空腔12長(zhǎng)度為預(yù)混通道10寬度的3～4倍，寬度為預(yù)混通道10寬度的2～3倍，有利于維持燃燒的穩(wěn)定和完全。燃燒區(qū)空腔12容積小于5立方厘米，其表面還有一層濺射的金屬鉑構(gòu)成催化層。燃燒室的燃燒區(qū)空腔12高度為1mm，包括預(yù)熱室的整個(gè)燃燒器結(jié)構(gòu)高度為3mm；結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)和寬根據(jù)需要可在20～40mm之間調(diào)整。
上預(yù)熱室1和下預(yù)熱室3兩個(gè)預(yù)熱通道出口6、9在上預(yù)熱室1和下預(yù)熱室3內(nèi)表面，并穿透燃燒室2相互連通。預(yù)混通道入口11與兩個(gè)預(yù)熱通道出口6、9相互連通，排氣通道13的末端與上預(yù)熱室1蝕刻的一個(gè)穿孔對(duì)應(yīng)形成排氣通道出口14。
本發(fā)明燃燒器的工作過(guò)程如下氧化劑先通過(guò)上預(yù)熱室預(yù)熱通道入口5進(jìn)入上預(yù)熱室1進(jìn)行預(yù)熱；燃料氣通過(guò)下預(yù)熱室預(yù)熱通道入口8進(jìn)入下預(yù)熱室3進(jìn)行預(yù)熱；從上預(yù)熱室預(yù)熱通道出口6出來(lái)的氧化劑與從下預(yù)熱室預(yù)熱通道出口9出來(lái)的燃料氣在燃燒室預(yù)混通道入口11處混合，流經(jīng)預(yù)混通道10到達(dá)燃燒區(qū)空腔12，在燃燒區(qū)空腔12通過(guò)另外配置在燃燒區(qū)空腔的電子打火電極打火點(diǎn)燃，產(chǎn)生高溫氣體，加熱整個(gè)燃燒室，形成可以利用的能量，最后通過(guò)排氣通道13從排氣通道出口14排出煙氣。
圖7是在甲烷中添加氫氣為燃料在有金屬鉑催化層催化和無(wú)催化一定工況條件下管壁溫度對(duì)比曲線，可見(jiàn)有催化大大提高了燃燒室的溫度。
本發(fā)明可用在微型設(shè)備上作為熱源的提供者，通過(guò)熱點(diǎn)轉(zhuǎn)化或利用高溫?zé)煔庖部勺鳛殡娫吹奶峁┱摺?br> 最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。
本發(fā)明可用其他的不違背本發(fā)明的精神和主要特征的具體形式來(lái)概述。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，本發(fā)明的上述實(shí)施方案都只能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明而不能限制本發(fā)明，權(quán)利要求書(shū)指出了本發(fā)明的范圍，而上述的說(shuō)明并未指出本發(fā)明的范圍，因此，在與本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)相當(dāng)?shù)暮x和范圍內(nèi)的任何改變，都應(yīng)認(rèn)為是包括在權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種微型內(nèi)混式催化燃燒器，包括單晶硅材料的燃燒室，其特征在于，還分別有單晶硅材料的上預(yù)熱室和下預(yù)熱室與燃燒室上下表面鍵合形成三層結(jié)構(gòu)；所述上預(yù)熱室和下預(yù)熱室內(nèi)部各有一條蝕刻的預(yù)熱通道，預(yù)熱通道的入口分別在上預(yù)熱室和下預(yù)熱室外表面，兩個(gè)預(yù)熱通道的出口在上預(yù)熱室和下預(yù)熱室內(nèi)表面，并穿透燃燒室相互連通；所述燃燒室內(nèi)部有依次相互連通的蝕刻的預(yù)混通道、燃燒區(qū)空腔和排氣通道，預(yù)混通道入口與兩個(gè)預(yù)熱通道的出口相互連通，排氣通道的末端穿過(guò)上預(yù)熱室或下預(yù)熱室其中任意一層并在其外表面形成出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型內(nèi)混式催化燃燒器，其特征在于，所述上預(yù)熱室或下預(yù)熱室中的預(yù)熱通道呈“之”字往復(fù)形狀布置，其轉(zhuǎn)折處拐角呈直角形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型內(nèi)混式催化燃燒器，其特征在于，所述燃燒區(qū)空腔位于燃燒室的中央，預(yù)混通道和排氣通道預(yù)熱通道圍繞燃燒區(qū)空腔呈“回”字形交錯(cuò)盤(pán)繞布置，其轉(zhuǎn)折處拐角呈直角形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型內(nèi)混式催化燃燒器，其特征在于，所述燃燒室的燃燒區(qū)空腔呈長(zhǎng)方形，燃燒區(qū)長(zhǎng)度為混合通道寬度的3～4倍，寬度為混合通道寬度的2～3倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型內(nèi)混式催化燃燒器，其特征在于，所述燃燒室的燃燒區(qū)空腔容積小于5立方厘米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型內(nèi)混式催化燃燒器，其特征在于，所述燃燒室的燃燒區(qū)空腔表面還有一層濺射的金屬鉑構(gòu)成催化層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃燒裝置，旨在提供一種在燃燒器內(nèi)部混合燃料氣和氧化劑的微型內(nèi)混式催化燃燒器。包括單晶硅材料的燃燒室、上預(yù)熱室和下預(yù)熱室，其上下表面鍵合形成三層結(jié)構(gòu)；上、下預(yù)熱室內(nèi)部各有一條蝕刻的預(yù)熱通道，燃燒室內(nèi)部有依次相互連通的蝕刻的預(yù)混通道、燃燒區(qū)空腔和排氣通道。本發(fā)明采用在燃燒室內(nèi)混合氧化劑和燃料氣可以減小燃燒器的外部結(jié)構(gòu)，使燃燒器體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊。燃料氣和氧化劑的混合充分有利于燃燒的著火和穩(wěn)定。燃料有較為充分的燃燒空間，同時(shí)降低流體的流動(dòng)速度提高燃燒的效率，有利于預(yù)熱和設(shè)備的安全。
文檔編號(hào)F23D14/46GK1752518SQ20051006144
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者周俊虎, 岑可法, 楊衛(wèi)娟, 劉建忠, 程軍, 周志軍, 黃鎮(zhèn)宇 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)