一種採用外加電場的微型燃燒器的製作方法

2023-09-10 22:35:35

專利名稱：一種採用外加電場的微型燃燒器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微型燃燒器，具體涉及一種採用外加電場的微型燃燒器，通過外加強電場產生離子風，並利用離子風組織切圓燃燒的微型燃燒器。
背景技術：
隨著微電子機械系統(MEMS)技術的迅速發展，微型化已成為科技潮流的新趨勢， 如各種微型飛行器和電子設備、以及高技術現代化戰爭中微小武器的研製成功為人們開創 了一個新的領域，同時也使人們認識到了微能源系統的重要性。微動力裝置採用鋰電池供 能的明顯缺點是其能量密度小，供能系統所佔體積、重量較大。因此，研製體積小、重量輕、 能量密度高並且能夠持續供能的微能源系統具有重要的作用。而作為微能源系統的核心， 對微型燃燒器的研究引起了國內外極大的關注。目前對微燃燒器的研究方向主要集中在如何減少熱量損失以提高效率保證火焰 穩定性，如採用多孔材料抑制熱傳遞，採用回熱通道來預熱未燃混合氣體，以及多圈纏繞， 逆流換熱結構等。但現有的微燃燒器所採用的燃料形式均為預混氣體，需要燃料與空氣事 先混合。預混氣體體積大，能量密度低，儲存和運輸不便，且有爆炸危險，所以不具實用性。 相對而言，液態燃料或高壓氣態燃料則是微燃燒器未來發展的必然選擇。但是純淨燃料的 燃燒形式為擴散火焰，與預混火焰不同，擴散火焰燃燒時需要以較好的氣流組織方式以促 使燃料與空氣充分混合。但微型燃燒器內氣流組織存在的問題是與傳統燃燒器相比，微燃 燒器的體積小，在一般幾立方毫米至一立方釐米之間，且產生的能量少，這使傳統上用於大 型燃燒器的以風機等為基礎的氣流組織結構因其體積大，結構複雜，能耗高且能源利用率 低等因素，難以在微型燃燒器上實現。
發明內容本實用新型的目的在於克服現有技術的缺點，提供一種採用外加電場的微型燃燒 器，本實用新型利用外加強電場形成的離子風，形成切圓燃燒，以解決微燃燒器擴散火焰氣 流組織的問題。本實用新型是基於這樣一種物理原理，在高壓電極兩端所形成的開放區域內，空 氣由於強電場而發生電離，其中自由電子向陽極移動，被吸收，帶正電的氣體分子向陰極移 動，從而在陽極附近形成負壓區域。帶正電分子與負極撞擊後帶負電荷，由於同性相斥作用 而逆向移動，與迎面帶正電的分子撞擊而發生中和，從而在陰極附近形成正壓區域。由於壓 力差，電極處空氣與周圍氣體形成強制循環流動，從而形成離子風。空氣通過空氣導流柵 欄，形成的離子風在燃燒室內形成周向旋風，並與通過內套壁上燃料導流孔橫向進入燃燒 室的氣態或由於高溫汽化的液體燃料充分混合，形成切圓燃燒，從而使燃燒反應能夠充分 進行。本實用新型是通過以下技術方案來實現的—種採用外加電場的微型燃燒器，包括外套壁3、內套壁4、燃料入孔1、排氣孔2和電子打火裝置10，外套壁3與內套壁4形成夾層空間11，內套壁4內側為燃燒室12，微燃燒 器設有電極裝置和空氣導流柵欄8。所述的電極裝置由電極陽極6和電極陰極7構成，電極陽極6內嵌或電鍍於基座 5頂端，電極陰極7內嵌或電鍍於內套壁端板14。所述的電極陰極7通過導線接地；所述的電極陽極6通過導線與高壓直流電源正 極相連。所述的內套壁4開有燃料導流孔9。所述的空氣導流柵欄8形成的氣流流線與基座5表面平行，且與燃燒室12橫截面 圓相切。所述的基座5為圓錐，基座5的底角為圓錐的母線與底面的夾角。所述的外套壁4、內套壁3、排氣孔2與基座5在同一軸線上，橫截面均為圓形。所述的基座5位於外套壁3的底端。所述的電子打火裝置10位於基座5頂端中心位置。所述的電極裝置形成的電場強度為250_2000kV/m。一種採用外加電場的微型燃燒器，其中內套壁4與外套壁3均為圓柱體，燃料導流 孔9在內套壁4上均勻分布。外套壁3底端設有呈圓錐體的空氣導流柵欄8。排氣孔2與 內套壁4相連，垂直穿過外套壁3頂端面。排氣孔2與內套壁4、外套壁3均為密閉連接。 燃料入孔1位於與排氣孔2同側的外套壁3端面，且接近排氣孔2處，其軸線與排氣孔2軸 線平行。基座5位於外套壁3底端，其形狀為圓錐體，與外套壁3緊密連接，基座5圓錐形 頂端設有電子打火裝置10。所述外套壁3與內套壁4之間間隙為0. 5mm至2mm。所述內套壁4與外套壁3橫截面均為圓形，內套壁4內徑3mm至10mm，厚度0. 1 3mm ο燃燒器設有電極裝置，其電極裝置由電極陽極6、電極陰極7構成。電極陽極6位 於基座5頂端，呈圓錐形，電極陰極7內嵌於內套壁4頂端，呈環形，陰陽兩極均為耐高溫抗 氧化金屬。內套壁4，基座5均為耐高溫絕緣體。所述的電極陰極9的材料為耐高溫抗氧化金屬，包括銀、金、鉬。所述的內套壁4、基座5為耐高溫絕緣材料，包括陶瓷、碳化硼、碳化矽、氮化硼、氮 化矽、磷化硼、磷化矽等。其中內套壁4上燃料導流孔9環形分布於內套壁4底端到中部的區域。內套壁4 底端的燃料導流孔9為半圓形，其餘均為圓形。外套壁3上設有空氣導流柵欄8，進氣方向 與水平呈10 20°夾角。電極陽極6在水平面投影所形成的圓的直徑應大於等於內套壁 4內徑。所述的燃料導流孔9孔直徑為0. 1 1mm。基座5底部、內套壁4頂部、外套壁3頂部穿孔，使電極陽極6通過導線連接直流 高壓電源正極，電極陰極7通過導線接地。工作時，接通直流高壓電源，使空氣通過空氣導流柵欄8進入燃燒室，形成離子 風，因導流通道與內套壁4內壁圓柱面相切且與水平有一定夾角，所以離子風在燃燒室12 內形成上升旋風。同時，燃料通過燃料入孔1進入夾層空間11，通過壓力作用，均勻的透過內套壁4上燃料導流孔9進入燃燒室12，並與周向旋轉的離子風進行充分的混合，電子打火 裝置10點火，燃料開始燃燒。燃燒室12內的火焰在離子風帶動下，形成切圓燃燒，使燃燒 能夠高效、穩定的進行。另外，燃料在夾層空間11處形成的液膜或氣膜，能夠形成一層絕熱 層；燃料流動在內套壁4外側產生的對流換熱，空氣通過空氣導流柵欄8時的對流換熱及帶 回的熱量，也能有效阻止散熱，從而進一步的減少熱損失。通過以上兩點的綜合作用，使燃 料在微燃燒器內的燃燒能夠穩定、充分、高效的進行。本實用新型相對於現有技術的優點及有益效果(1)與使用小型風機組織氣流相比，利用高壓電極產生離子風這一技術方案，具有 體積小，重量輕，自身能耗率低等優勢，特別適用於微動力裝置領域；(2)本實用新型中燃燒方式為擴散火焰，無需燃料與空氣事先混合，與以往的預混 火焰微燃燒器相比更具實用性；(3)本實用新型中，燃燒室內的火焰在離子風帶動下形成切圓 燃燒，這種燃燒方式 具有火焰穩定性好，燃燒溫度高等優點，能保證微燃燒在穩定，高效下進行；(4)本實用新型中燃料在夾層空間處形成的液膜或氣膜，能夠形成一層絕熱層； 燃料流動在內套壁外側產生的對流換熱，空氣通過空氣導流柵欄時的對流換熱及帶回的熱 量，也能有效阻止散熱，從而很大程度上減少壁面熱損失，使燃燒室保持高溫，具備散熱量 少，燃燒穩定性好特點。

圖1為本實用新型結構圖；圖2為外套壁結構圖；圖3為外套壁A-A剖視圖；圖4為內套壁與電極陰極結構圖；圖5為基座與電極陽極結構圖。附圖標記說明1、燃料入孔2、排氣孔3、外套壁4、內套壁5、基座6、電極陽極7、電極陰極8、空氣 導流柵欄9、燃料導流孔10、電子打火裝置11、夾層空間12、燃燒室13、外套壁端板14、內套
壁端板。
具體實施方式
如圖1所示，採用外加電場的微型燃燒器，其具體結構包括外套壁3、內套壁4、基 座5，燃料入孔1、空氣導流柵欄8、排氣孔2、電子打火裝置10。其中內套壁4與外套壁3均 為圓柱體，同軸，外套壁3內徑9mm，壁厚0.5mm;內套壁4內徑6. 5mm，壁厚0. 5mm。外套壁 與內套壁端板厚均為0.5mm。內套壁4與外套壁3之間空隙形成夾層空間11，夾層空間11 間距0.75mm。內套壁4內側為燃燒室12空間，燃燒室12高度6. 8mm。排氣孔2與內套壁 4，垂直穿過外套壁3頂端面。排氣孔2與內套壁4、外套壁3同軸，且均為密閉連接。燃料 入孔1位於與排氣孔2同側的外套壁3端面，距排氣孔軸線距離3mm處，其軸線與排氣孔2 軸線平行。燃料入孔1內徑1mm，排氣孔內徑1. 5mm，管壁厚度均為0. 5mm。圖5所示，基座 5位於外套壁3底端，為圓錐體，與外套壁3底端緊密連接，其基圓直徑10mm，高1. 4mm。基座底面距外套壁端板13的上表面9. 6mm。基座5頂端設有電子打火裝置10。燃燒器設有電極裝置，其電極裝置由電極陽極6、電極陰極7構成。基座5上端截 面直徑小於等於6. 5mm範圍內鍍鉬，為電極陽極，呈圓錐。內套壁端板14內側鍍鉬，為電極 陰極7，呈環形。外套壁3，內套壁4，基座5均為陶瓷材料。基座5底部、內套壁端板14、夕卜 套壁端板13穿孔，使電極陽極6通過導線連接IOkv直流高壓電源正極，電極陰極7通過導 線接地，電極裝置形成的電場強度為350kV/m圖4，內套壁4上共設8個燃料導流孔9，分2層，每層4個均勻分布在內套壁4的 橫截面圓上，第1層在位於內套壁底端，第2層位於距內套壁底端2. 6mm處。內套壁3底端 的燃料導流孔9為半圓形，其餘均為圓形，直徑0. 5mm。外套壁3上空氣導流柵欄8進氣方 向與水平面呈夾角。如圖3所示，空氣導流柵欄8有均勻分布的8個導流通道，每個導流通 道的左右端面均與內套壁圓柱面相切，以保證氣流流線與燃燒室12的橫截面圓相切，導流 通道的上表面平行於基座5表面，以保證氣流流線與基座5表面平行。導流通道在豎直平 面的投影高度均為0. 5mm。工作時，接通直流高壓電源，使空氣通過空氣導流柵欄8進入燃燒室12，形成離子 風，因導流通道與內套壁4內壁相切且與水平有一定夾角，所以離子風在燃燒室12內形成 上升旋風。同時，燃料通過燃料入孔1進入夾層空間11，通過壓力作用，均勻的透過內套壁 4上燃料導流孔9進入燃燒室12，並與周向旋轉的離子風進行充分的混合，電子打火裝置10 點火，燃料開始燃燒。燃燒室12內的火焰在離子風帶動下，形成切圓燃燒，使燃燒能夠高 效、穩定的進行。另外，燃料在夾層空間11處形成的液膜或氣膜，能夠形成一層絕熱層；燃 料流動在內套壁4外側產生的對流換熱，空氣通過空氣導流柵欄8時的對流換熱及帶回的 熱量，也能有效阻止散熱，從而進一步的減少熱損失。燃料與空氣的充分接觸，加上較少的 壁面熱損失，兩者共同作用，可使燃燒反應高效，穩定的進行。
權利要求一種採用外加電場的微型燃燒器，包括外套壁(3)、內套壁(4)、燃料入孔(1)、排氣孔(2)和電子打火裝置(10)，外套壁(3)與內套壁(4)形成夾層空間(11)，內套壁(4)內側為燃燒室(12)，其特徵在於，微燃燒器設有電極裝置和空氣導流柵欄(8)。
2.根據權利要求1所述的微型燃燒器，其特徵在於，所述的電極裝置由電極陽極(6)和 電極陰極⑵構成，電極陽極(6)內嵌或電鍍於基座(5)頂端，電極陰極(7)內嵌或電鍍於 內套壁端板(14)。
3.根據權利要求2所述的微型燃燒器，其特徵在於，所述的電極陰極(7)通過導線接 地；所述的電極陽極(6)通過導線與高壓直流電源正極相連。
4.根據權利要求2或3所述的微型燃燒器，其特徵在於，所述的內套壁(4)開有燃料導 流孔(9)。
5.根據權利要求4所述的微型燃燒器，其特徵在於，所述的空氣導流柵欄(8)形成的氣 流流線與基座(5)表面平行，且與燃燒室(12)橫截面圓相切。
6.根據權利要求5所述的微型燃燒器，其特徵在於，所述的基座(5)為圓錐。
7.根據權利要求6所述的微型燃燒器，其特徵在於，所述的外套壁(4)、內套壁(3)、排 氣孔(2)與基座(5)在同一軸線上，橫截面均為圓形。
8.根據權利要求7所述的微型燃燒器，其特徵在於，所述的基座(5)位於外套壁(3)的 底端。
9.根據權利要求8所述的微型燃燒器，其特徵在於，所述的電子打火裝置(10)位於基 座(5)頂端中心位置。
10.根據權利要求9所述的微型燃燒器，其特徵在於，所述的電極裝置形成的電場強度 為 250-2000kV/m。
專利摘要本實用新型公開了一種採用外加電場的微型燃燒器。包括燃料入孔(1)，排氣孔(2)，空氣導流柵欄(7)，外套壁(3)，內套壁(4)，基座(5)，電極陽極(6)，電極陰極(7)，電子打火裝置(10)。內套壁與外套壁形成夾層空間(6)，內套壁分布燃料導流孔(9)。基座為圓錐，空氣導流柵欄(8)形成的氣流流線與基座(5)表面平行，且與燃燒室(12)橫截面圓相切，本實用新型通過外加強電場產生的離子風，使空氣做強制流動，通過空氣導流柵欄形成旋風，在燃燒室內形成切圓燃燒，從而促使空氣與燃料充分接觸，提高燃燒效率。本結構兼具低散熱損失，燃燒穩定的優點。
文檔編號F23D11/00GK201568964SQ20092023818
公開日2010年9月1日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者楊澤亮, 甘雲華, 矯明倫 申請人:華南理工大學