微小型燃烧式半导体温差发电机制造技术

一种微小型燃烧式半导体温差发电机，属电子设备领域。自上而下依次包括上温差发电片（４）、上隔热片（２）、燃烧器（１）、下膈热片（３）、下温差发电片（５）；其中燃烧器（１）包括基板（９），基板（９）上依次带有进气通道（７）、燃烧室（１０）和出气通道（６），其中进气通道（７）与出气通道（６）为并行式结构；上述进气通道（７）和出气通道（６）为变直径方式。本实用新型专利技术针对单兵作战电池领域，体积小、重量轻，连续工作性能强，特别适用于无普通电源的野外以及军事、航空方面高、精、尖技术领域中的微型装置提供电源。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种功率需求在几瓦量级的微小型燃烧式半导体温差发电机。
技术介绍
电池可谓是现代军队不可或缺的装备，从通信仪器到侦查设备，从热像仪到单兵 夜视镜，大到军舰战机，小到GPS接收机都离不开电池。据统计，美军一个战斗营投入的战 斗时必须携行的电池数以万计。对一名作战时需要负重100磅的徒步士兵来说，电池是个 沉重的负担。除去重量，电池性能也是个问题，传统型电池工作时间有限是个通病。单兵便携式电源的发展是电力能源领域的重点之一。这一计划的目的在于减轻士 兵的负担，提供关键的脉冲功率组建，并减少用于开发一流的燃料电池以及电容后勤和处 理费用。致力于便携式电源的零部件开发可以说是混合动力源的基石，在电力系统中能够 满足陆军应用的脉冲操作模式将获得优先权。现代军事设备趋向于向电子化，小型化，隐形 化发展，特别对小型发电机的需求越来越多。目前常见的军用发电设备主要由柴油发电机、 汽油发电机、燃料电池、蓄电池等组成。近来由于半导体温差发电材料的发展，以及温差发 电装置的优越性，采用半导体温差发电系统的军用发电机越来越受到重视。国外对微型热电发电器研究较深入的有Princeton大学，南加州大学和Michigan 大学等科研机构。美国USC空气动力实验室于2000年推出微型热电发电器(Micro Fire)，德国Dresden科技大学利用铜箔作为介质研发了一种微型热电发电器，其面积为 16\30讓2，输出电压达到25011^。普林斯顿大学专利技术了尺寸只有硬币大小的Swiss-Roll热 电转换器，并研究了包括氢、甲烷等燃料持续燃烧要求，研究表明，在300°C以上时，氢气和 空气的混合器可以在较大范围的比例下反应，反应产生的热量从2W到12W，经过热电转换， 能点燃IOOmW的灯泡。国内方面台湾国立成功大学研究了钼的微管道燃烧现象。以氢气和空气的预混 燃气进行实验，燃气经预热进入钼管产生反应，钼管表面以热传导性差的陶瓷棉覆盖。实验 结果显示，混合燃气在lmm、0. 5mm和0. 2mm的管径中具有良好的反应，当温度大于550摄氏 度时，钼管因剧烈反应而变红，故不能长时间工作。实验结果显示以钼为催化剂进行微管燃 烧是可行的，其发展有良好的空间。清华大学钟北京等人对对二维Swiss-Roll燃烧器进行 了数值仿真，得到了燃烧器的可燃极限和不同雷诺数下燃烧室中心的温度分布情况，另外 进行了一些相关的实验研究。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 器的温度场的均勻分布等内容的研究工作。现有专利专利技术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°C，仍然远高于热电 模块能够承受的高温限制；另外催化燃烧反应速度低于气相反应，因此微尺度下催化燃烧 器的有效热负荷和能量密度会降低，而微燃烧器内的催化剂不能长期稳定、有效工作。也有采用燃烧尾气加热半导体温差发电片热端的设计方式，如中科院广州能源研 究所申请号为200910042333. X的《一种微型热电发电装置》燃烧器通过燃料的燃烧，利用 其高温尾气加热热电模块的热端，以水冷方式使热电模块的热端与热电模块的冷端之间产 生温度差，从而将温度差转变为电能输出。这种方式虽然降低了最高温度，但是燃烧室与温 差发电片独立分布，燃烧所产生的热量大部分以辐射形式传递至炉膛壁面，经导热对流散 失到环境中，这样得到了温度较低的尾气，该设计存在几个问题一是热量的损失严重，二 是没有充分发挥燃烧室的作用。当采用火焰燃烧方式时，对于处于熄火直径范围内的相同管径，燃气不会在其中 燃烧，这样会导致热量过于集中在燃烧室内部，从而使温度场的分布不均勻，进而产生新的 问题首先，半导体材料的发电功率不稳定；其次，半导体材料内部温度梯度过大，则相应 的热应力必然很大，寿命降低；再者，由于存在温度极值点，会直接烧毁半导体材料，而若为 了避免烧毁材料，则只能减少燃料，致使发电效率以及功率都下降，燃烧也失去稳定性。本专利技术主要是研制一种微小型燃烧式半导体温差发电机，而燃烧器可以说是半导 体温差发电机的关键部件。性能优越的燃烧器不仅是微小型温差发电器长时间工作的需 要，也为半导体温差发电片提供了良好的工作环境。根据国内外的研究进展，如果使用处于 熄火直径范围内的相同管径的燃烧器，则不管采用火焰燃烧还是催化燃烧方式均不能解决 目前所产生的问题。为此，在满足系统整体性和功能完善性的前提下，本团队设计了一种燃 烧器采用的是渐变式的管道结构以及多燃烧室的对称排布形式，充分利用了燃烧所产生 的热量，并且出气通道能够预热进气，提高进气焓值，实现稳定燃烧，同时也解决了火焰回 火等问题，燃烧方式安全有效，经过前期的数值模拟得到的温度场分布较为均勻。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种微小型燃烧式半导体温差发电机，其燃烧器燃烧 稳定性、温度分布均勻性均优于现有的微小型热电发电装置。一种微小型燃烧式半导体温差发电机，其特征在于自上而下依次包括上温差发 电片、上隔热片、燃烧器、下膈热片、下温差发电片；其中燃烧器包括基板，基板上依次带有 进气通道、燃烧室和出气通道，其中进气通道与出气通道为并行式结构；上述进气通道沿进 气路线分成三段，第一段直径小于最大熄火直径，第二段直径大于最大熄火直径，第三段直 径小于最大熄火直径；上述其出气通道沿出气路线分成三段，第一段直径小于最大熄火直 径，第二段直径大于最大熄火直径，第三段直径小于最大熄火直径；上述燃烧室内设有电子 点火装置。采用变管径的目的一方面在于控制火焰燃烧的安全性，另一方面实现了热量的均 勻分布，具体来说燃气在管径小于熄火直径范围的部分不能燃烧，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 速了热量的均勻扩散。经研究发现如果在燃烧室的进出口附近采用大于最大熄火直径的 管径，则在燃烧室内部将形成两个火焰面，分别向燃烧室的进气管道与出气管道延伸，热量 会迅速导出，并加热周围壁面，高温的壁面也会不断加热进气管道与出气管道中的气体，使 得微尺度下的熄火距离没有意义，也就是即使管径小于了熄火直径，但由于高温壁面的加 热作用，使得燃烧仍然能够发生，这样产生的直接后果是燃烧回火至进口，安全失去保障。故本专利设计这样一种管道结构。上述的微小型燃烧式半导体温差发电机，可以采用单燃烧室结构，具体为燃烧室 位于基板的中心位置，上述进气通道和出气通道呈双螺旋形围绕该燃烧室。进气通道与出 气通道的并行螺旋排布，一方面减小了流阻，另一方面提高了进气焓值，使微尺度下燃烧更 加稳定。上述的微小型燃烧式半导体温差发电机，可以采用多燃烧室结构，具体为上述燃 烧器的基板均勻分成3-4个子燃烧区，其中每个燃烧区分别设由上述进气通道及燃烧室和 出气通道组成。多燃烧室结构可以将与单燃烧室相同进气流量经燃烧所产生的热量更均勻 地分布到每个燃烧区域，同时更多的气流槽道增加了对流换热面积，减缓了燃烧器的灼伤 程度，从而也优化了热量的均勻分布。上述多燃烧室结构中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微小型燃烧式半导体温差发电机，其特征在于：自上而下依次包括上温差发电片（４）、上隔热片（２）、燃烧器（１）、下膈热片（３）、下温差发电片（５）；　　其中燃烧器（１）包括基板（９），基板（９）上依次带有进气通道（７）、燃烧室（１０）和出气通道（６），其中进气通道（７）与出气通道（６）为并行式结构；　　上述进气通道（７）沿进气路线分成三段，第一段直径小于最大熄火直径，第二段直径大于最大熄火直径，第三段直径小于最大熄火直径；　　上述其出气通道（６）沿出气路线分成三段，第一段直径小于最大熄火直径，第二段直径大于最大熄火直径，第三段直径小于最大熄火直径；　　上述燃烧室（１０）内设有电子点火装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：毛靖，韩东，单华伟，周文生，梁林，白忠恺，叶莉，姚君磊，顾昂，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：实用新型
国别省市：84[]