CN102549789A - 基于热电的发电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一些实施例提供一种废热回收装置，其包括：排出管，其具有被配置为容纳排出流体流的柱形外壳；第一热交换器，其延伸穿过排出管的第一区域，该第一热交换器与柱形外壳热连通；排出管的第二区域，其延伸穿过排出管，该第二区域具有低排出流体压降；排出阀，其可操作地设置在第二区域内并且被配置为仅当排出流体的流速变得足够大而导致背压超过容许限度时允许排出流体流过第二区域；以及多个热电元件，其与外壳的外表面热连通。

Description

基于热电的发电系统和方法
相关申请
本申请按照U.S.C.§119(e)要求2009年7月24日提交的标题为“WASTEHEAT RECOVERY SYSTEM”的美国临时专利申请US61/228,528和2010年4月28日提交的标题为“THERMOELECTRIC SYSTEMS INTEGRATED WITH HEATEXCHANGER STRUCTURES”的美国临时专利申请US61/328,958的权益。上述每个申请的全部内容合并于此以供参考并且作为本说明书的组成部分。
技术领域
本申请涉及发电技术，并且特别涉及使用热电装置发电。
背景技术
电力设备通常在期望输出之外产生废热。例如，车辆动力设备通常将燃料能量转换为机械能和废热。通常通过排气系统从动力设备除去至少一部分废热。在从动力设备除去排气之后对排气的附加处理包括化学反应和减排技术，其可以进一步加热排气并且增加废热的量。对于具有内燃机的车辆，排气系统通常包括携带排出气体离开发动机内部的受控燃烧的管道系统。排出气体和废热可以沿着排出管线运载并且排放到环境中。
高温热电(TE)发电已经被视为将成品热电模块附着到提供热源的结构的侧面的效果。这种热电发电器(TEG)在商业上还没有成功，是因为这些装置在其运行中不是非常有效或者灵活的。
发明内容
一些实施例提供一种废热回收装置，其包括：排出管，其具有被配置为容纳排出流体流的柱形外壳；第一热交换器，其延伸穿过排出管的第一区域，该第一热交换器与柱形外壳热连通；排出管的第二区域，其延伸穿过排出管，该第二区域具有低排出流体压降；排出阀，其可操作地设置在第二区域内并且被配置为仅当排出流体的流速变得足够大而导致背压超过容许限度时允许排出流体流过第二区域；以及多个热电元件，其与外壳的外表面热连通，该热电元件被配置为在废热回收系统运行期间适应排出管的热膨胀。
在一些实施例中，该装置可以包括与多个热电元件热连通的冷却剂导管，该冷却剂导管包含彼此热连通的内管和外管。外管可以具有比内管更大的直径并且包括伸缩接头，该伸缩接头被配置为适应由柱形外壳和冷却剂导管之间的热膨胀导致的尺寸变化。排出管可以不包括用于适应由热膨胀导致的尺寸变化的伸缩接头。
额外的实施例提供一种废热回收装置，其包括：被配置为容纳排出流体流的排出管，在废热回收装置运行期间，排出管具有高温端、与高温端相反的低温端以及在高温端和低温端之间的中间部分；连接到高温端的多个第一热电元件；连接到中间部分的多个第二热电元件；以及连接到低温端的多个第三热电元件。多个第二热电元件可以比多个第三热电元件更长，并且多个第一热电元件可以比多个第二热电元件更长。
进一步的实施例提供一种废热回收装置，其包括：被配置为容纳排出流体流的柱形排出管；延伸穿过排出管的旁路区域，该旁路区域具有低排出流体压降；被配置为在第一管内容纳冷却剂流的冷却剂导管，该冷却剂导管包含封闭至少一部分第一管的第二管和设置在第一管和第二管之间的传导材料；从排出管延伸出的第一分路；从冷却剂导管延伸出并且与第二管热连通的第二分路；以及热连接在第一分路和第二分路之间的热电元件。第一分路可以紧靠排出管由围绕排出管周围延伸的拉紧箍支撑。
在某些实施例中，提供一种热电系统。该热电系统可以包括多个热电元件以及与多个热电元件中的至少一个热连通的至少一个较冷侧分路和至少一个较热侧分路。该热电系统可以进一步包括至少一个热交换器，其与至少一个较热侧分路热连通并且与至少一个较热侧分路实际整合，并且至少一个热交换器可以与至少一个热电元件基本上电隔离。在一些实施例中，至少一个较热侧分路与至少一个热交换器实际耦合。在某些实施例中，至少一个热交换器实际上非常靠近多个热电元件，以便减少从管道或其他缓慢升温或起燃的组件损失的冷却功率、加热功率或热电元件的发电。在进一步的实施例中，至少一个热交换器具有蜂窝结构。在某些实施例中，热电系统也可以包括至少一个替换流动路径，其被配置为减少至少一种工作介质与至少一个热交换器之间的热传递。
在某些实施例中，提供一种催化转换器。该催化转换器可以包括多个热电系统。该催化转换器也可以包括至少一个控制器和至少一个传感器，该控制器被配置为单独控制多个热电系统中的每一个，该传感器与至少一个控制器通信并且被配置为测量催化转换器的至少一个运行参数。至少一个控制器可以响应于至少一个运行参数调节发送到多个热电系统的电力。
在某些实施例中，提供一种热电发电器。该热电发电器可以包括至少一个热交换器和实际整合到至少一个热交换器中的至少一个燃烧室。该热电发电器也可以包括至少一个较热侧分路和至少一个较冷侧分路，该至少一个较热侧分路与至少一个热交换器实际整合并与该热交换器热连通。至少一个热电元件可以被夹在至少一个较热侧分路和至少一个较冷侧分路之间，并且该至少一个热交换器可以与至少一个热电元件基本上电隔离。
附图说明
为了说明性的目的，在附图中示出了各种实施例，并且各种实施例不应该被解释为限制本发明的范围。此外，所公开的不同实施例的各种器件可以组合以形成额外的实施例，这也是本公开的一部分。可以去除或者省略任何器件或者结构。贯穿附图，参考数字可以重复使用以指示参考元件之间的对应关系。
图1示出发电系统的实施例。
图2示出发电系统的另一个实施例。
图3A是废热回收系统的剖视图。
图3B是热电元件组件的横截面视图。
图3C是热交换组件的横截面视图。
图4A是冷侧热交换器的横截面侧视图。
图4B是冷侧热交换器的横截面端视图。
图5是排出管内的热传递增强系统的横截面端视图。
图6是热电元件附着其上的热电元件联结分路的示意图。
图7示出平坦热电发电器的实施例。
图8A是在废热回收系统的高温端的热电元件的示意图。
图8B是在废热回收系统的中间部分的热电元件的示意图。
图8C是在废热回收系统的低温端的热电元件的示意图。
图9是层叠构造的热电元件的示意图。
图10是示出热电元件的热侧的温度与时间之间的关系的图表。
图11A是热电元件联结环的透视图。
图11B是热电元件联结环的透视图。
图12是连接到排出管壳体上的热电元件联结分路的示意图。
图13A-B是定位结构设置其上的热电元件联结分路的示意图。
图14是热电元件的冷侧上的分路电接头的示意图。
图15A是示例性催化转换器的端视图，其根据本文描述的某些实施例示出热交换器的一部分和TEG结构。
图15B是图17A的催化转换器的侧视图。
图16是示例性热交换器和TEG结构的部分端视图，其根据本文描述的某些实施例示出各种分路构造；
图17是示例性热交换器和TEG结构的部分端视图，其根据本文描述的某些实施例示出冷侧组件和热侧组件的各种构造；
图18是根据本文描述的某些实施例具有四个TEG区段的示例性催化转换器的侧视图；
图19是TEG部分的热侧所吸收的热能和TEG部分两端的电压随电流变化的曲线图；以及
图20根据本文描述的某些实施例示意地示出示例性控制器，其与TEG区段和传感器通信以优化TEG区段的运行。
图21是图3A所示的废热回收系统的透视图。
图22是图4A和4B所示的冷侧热交换器的透视图。
具体实施方式
尽管本文公开了某些优选实施例和示例，但是本发明的主题延伸超过具体公开的实施例中的示例到其他替换的实施例和/或用途，并且延伸至其修改和等价物。因此，权利要求的范围并不由如下所述的任何特殊实施例所限制。例如，在本文公开的任何方法或过程中，方法或者过程的行为或操作可以以任何适合的顺序实行，而不需要局限于任何特殊的所公开的顺序。各种操作可以被进而以有助于理解某些实施例的方式描述为多个离散操作；然而，描述顺序不应该被解读为暗示这些操作是依赖于顺序的。另外，本文描述的结构、系统和装置可以具体化为集成组件或分散组件。为了比较各种实施例，描述了这些实施例的某些方面和优点。所有这些方面或优点不需要由任何特殊的实施例获得。因此，例如，可以实行各种实施例以获得或优化如本文所教导的一个优点或一组优点，而不需要获得如本文也可能教导或建议的其他方面或优点。
基于热电的发电机可以以各种方式用于工业应用、商业应用、住宅应用、汽车应用、海运应用、航空应用及其他应用。例如，发电热电材料的性能优势和针对减少CO2排放的政府指令已经引起对废热回收系统越来越多的兴趣。特别地，满足客车、货车和卡车市场的需要的废热回收系统是合乎期望的。优选的设计是坚固耐用的、可靠的、可以提供至少15年的稳定运行并且是成本有效的。在一些实施例中，废热回收系统在温度高达700℃在排出流中运行以适应大范围的质量流，并且具有足够高的效率以对减少CO2排放做出重要的贡献。
本文描述了解决一个或更多个以下问题的热电发电实施例：TE装置的热侧和冷侧之间的热膨胀差异、热界面处理、电隔离和冗余、变化的温度和质量流量、TE部件、环境保护和/或针对可制造性的设计。实验室测试结果显示所公开的系统设计是出乎意料地有效的。位于排气系统中的废热回收系统可以满足汽车的要求，并且可以在普通驱动条件下提供有用的电力量。
许多政府要求运输行业积极地应对矿物燃料消耗并减少包括CO2及其他温室气体的排放。例如在欧洲共同体、中国、日本和美国的大多数CO2主动权需要在目标日期前减少排放和燃料消耗的容许水平。一些实施例通过提高效率和控制温室气体排放来应对这些指令。通过引入单个子系统，已经发现本文所公开的实施例有效地作为高效增益源。这些系统具有较大性能影响的能力和系统整合的复杂性及成本已经成为至少一些先前废热回收技术需要克服的障碍。例如，这些障碍存在于基于两相流体(例如兰金循环(Rankine cycle))或固态废热回收技术的系统中。
若干因素的组合使得固态热电系统引人注意。首先，作为汽车公司的策略的一部分，车辆变得更加电气化，从而通过使用更智能的子系统例如在减速和静止期间关闭发动机操作以及采用包括制动(还原和致动)、转向系统、燃料泵、热管理子系统(例如PTC加热器)及其他装置的电气化子系统来减少排放。这些变化减少了CO2排放，但是平均起来整个驱动循环期间消耗更多的电力。此外，在城市驱动循环期间电力负载显著变化，因此电力存储能力更加重要，并且必须管理增加的电力流动。一些实施例通过将废热直接转换为电力而非机械动力输出来应对这些因素。
一些实施例包括显示出改进性能的热电(TE)材料。改进的TE材料性能可以归因于包括增加功率因素和减少中间温度(300℃到600℃)材料的热导率的进步。一些实施例包括采用在低温(0℃到300℃)材料中热导率减少的技术的TE材料。改进的TE材料可以增加由废热产生的电力量，以便对效率增益具有更大的贡献，并且在这种情况下不增加系统的复杂性或尺寸。因此，可以减少每瓦电力输出的成本。进一步的成本减少已经通过包括使用更少TE材料的系统设计技术表现出来。
一些实施例实现下列一个或更多个功能：
1.在宽范围的驱动条件下从排气系统有效地获得废热(与发动机冷却剂相反)。
2.在正常驱动循环情况下或者在装置故障情况下都不降低当前发动机性能。
3.获得显著的直接操作性能增益并且利用与其他车辆系统的相互作用来进一步提高性能(例如，更快的发动机升温，这增加了效率并且加速乘坐者舒适的加热时间，同时使用发动机冷却剂系统作为冷的散热侧)。
4.替代现有部件例如催化转换器、消声器和/或排气再循环(EGR)系统或者与现有部件集成，从而提高效率并减少重量、体积和成本。
5.显示出TE材料及其他主要部件的批量生产和寿命结束再循环的路径。
图1示出包括多个热电(TE)元件130的发电系统100的实施例。发电系统100可以是更大系统的部件，并且可以被配置为提供电力以帮助该更大系统的运行，或者提高性能，或者控制该更大系统的运行。发电系统100可以辅助、影响或控制与其功能通信的一个或更多个系统。在某些实施例中，发电系统100与共享内部部件的另一个结构组合，由此使得零件数量减少。
系统100包括与壁体120热连通的热源和/或高温区域110。区域110的温度可以取决于热源的类型、传热介质和其他因素，并且可以在系统100的运行期间变化或者基本上稳定。在某些实施例中，发电系统100被配置为在出现高达700℃或者更高的温度时运行。热源可以是例如滞流的或者流动的加热流体。来自加热流体的热能可以经由与壁体120的直接物理接触、与壁体120的间接接触、传导、对流等传送到壁体120。到壁体120的热能传送也可以通过辐射或其他过程发生。
在一些实施例中，流体热源靠近壁体120流动，以便通过对流帮助热能传送。热能的来源可以是例如来自电力设备的废热。作为另一个示例，热源可以是在反应室发生的一个或更多个化学反应等等。热源可以被容纳在密封体或者限制或者引导来自热源的热能耗散的一些结构中。例如，热源可以被容纳在管道、腔室、导管或者其他密封体内。壁体120可以形成热源的密封体的至少一部分。有利的是，热能被从热源引导到壁体120，以便热能可以用于发电。例如，热源可以使得在TE发电机的一个或更多个TE元件两端存在热梯度。TE发电机可以以任何适当的方式热耦合到热源，从而在热源和TE元件130的热侧之间提供高热导率。
壁体120可以是任何类型的壁体，例如导管、管道、反应室、热交换器或壳体的壁体。壁体120可以连接到热交换器散热片、经配置以增加壁体的表面积的结构、另一个热交换器结构或者这些结构的组合。在一些实施例中，壁体120可以包括一个或更多个整合的热交换结构。壁体120可以以任何适合的方式配置以方便热能在高温区域110和将热能引导到TE元件130的热交换器结构之间的传送。壁体120可以是平坦的，或者如图1所示可以是弯曲的、凹形的、不规则的或者具有其他形状。
在某些实施例中，系统100使用大功率密度TE元件设计、层叠TE元件设计或者任何其他适合的TE元件设计。某些实施例包含电隔离的TE元件组130。图1的实施例示出在层叠设计中与TE元件130热连接的冷侧分路132和热侧分路134。采用层叠设计的至少一些TE模块构造可以提供各种益处，包括例如改善热界面和电界面的综合负载以及改造n型和p性元件几何形状以提高效率。
多组分路132、134可以以串联/并联方式电连接，从而获得可靠性和工作电压的适当平衡。分路可以使供给(provisions)成群地附加到多个TE元件130，从而获得TE元件的稳定性、长久性和可靠性。在一些实施例中，热侧热交换器的热功率密度和冷侧热交换器的热功率密度之间的差异被减少或最小化。例如，分路132、134可以被配置以匹配热侧和冷侧热交换器的热功率密度。来自壁体120的热能可以经由热侧分路134传送到热电元件130。冷侧分路132的热能可以使用任何适合的技术耗散或者减少，包括暴露于外界空气的热交换器散热片、循环冷却系统、其他冷却结构或者这些技术的组合。
可以采用各种技术将分路132、134热连接和机械连接到壁体120、连接到TE元件130或者连接到系统100的其他结构。例如，可以使用高温玻璃、陶瓷粘合剂、机械锁闭(使用狭槽、插针等)、蒸制、焊接、紧固(螺丝、螺栓等)、夹片、支架、其他连接技术或者这些技术的组合。分路也可以由围绕壁体120圆周延伸的带材或其他结构固定。在某些实施例中，热侧分路与壁体120电隔离。在其他实施例中，分路不与壁体120电隔离，并且分路可以包括整合的电隔离。
TE元件130可以彼此非常靠近地设置，由此便于在TE元件130之间的界面处实现电连接并且创建电力网络。在一些情况下，热膨胀可能损害接头安全性和TE元件130之间的界面处的传导性。在一些实施例中，邻近的TE元件之间的连接接头或者TE元件与分路之间的连接接头可以被配置为减少或最小化非理想的热膨胀效应。例如，可以选择TE元件的长度、成分、形状、数目和尺寸以响应于不同的运行环境调整输出、运行温度、工作流体和其他属性。在某些实施例中，多组TE元件130以允许个体TE元件或者TE元件组被替代或拆卸而没有脱焊或者去蒸制(de-braising)的方式进行连接。在一些实施例中，至少某些类型的密封件不与高温区域110热接近。相反，在高温情况下可能熔化的密封材料可以与高温区域110及系统100的其他高温部件分开、绝缘和/或热隔离。
TE元件130可以包括任何适合的TE材料，并且可以被配置为响应于在材料两端施加的温度梯度而发电。一些实施例包括显示出改进性能的TE材料。改进的TE材料性能可以归因于包括增加功率因素和减少中间温度(300℃到600℃)材料的热导率的进步。一些实施例包括采用在低温(0℃到300℃)材料中热导率减少的技术的TE材料。改进的TE材料可以增加由废热产生的电力量，以便对效率增益具有更大的贡献，并且在这种情况下不增加系统的复杂性或尺寸。因此，可以减少每瓦电力输出的成本。进一步的成本减少已经通过包括使用更少TE材料的系统设计技术表现出来。
在热侧表面和冷侧表面处的TE元件界面可以包括柔顺(compliant)构件，例如丝网、烧结金属结构、金属箔、压纹箔、高温导电油脂或其他合适的构件，从而减少在界面处经受的拉伸应力和剪切应力。柔顺构件可以是通过配合表面中的锁定细节来键合或附连的压配件。此外，界面可以通过施加外力例如通过使用以低界面损失发送电流的柔顺弯曲部分来保持压缩。
TE模块的冷侧可以与冷却流体热连接，该冷却流体通常比高温区域110更冷，由此创建TE元件130的热侧和冷侧之间的温度梯度。冷却流体可以是外界空气、液体冷却剂、其他流动或滞留流体或者这些流体的组合。冷却流体可以被容纳在导管或者通道内，并且流体可以被引导穿过这种导管或通道以建立与TE元件130的实质热接触，便于热能在TE元件130的冷侧和冷却流体之间传递。热能可以经由一个或更多个冷侧分路132传送。与TE元件130热接触的流体的流速或压力可能受流量调节器例如叶片、泵、阀门、流体旁通器或其他装置或者这些装置的组合的影响。流体的运动可以增加热能从TE元件130到流体的传送率，由此增加TE元件的热侧和冷侧之间的温差。热交换器同样可以增加TE元件的冷侧和流体之间的热能传送。例如，散热片可以增加表面积，热能由此可以释放到周围流体中。
当系统100的部件由于例如暴露于热源和冷却流体而随时间经受温度波动时，这些部件可能经历变化的热膨胀量。系统100的部件所经受的热膨胀量可能取决于系统的热构造和构建部件的材料。这些部件可以由任何合适的材料或者材料的组合构成，包括具有相对高的热膨胀系数的材料，例如某些金属。系统100的热侧和冷侧可以经受显著不同程度的热膨胀，并且系统100可以被配置为在广泛变化的热构造中基本上维持高水平的性能。
在一些实施例中，分路132、134被配置为引导热能流过系统100，从而在远离正常的方向上建立横跨TE元件130的热梯度。例如，分路可以使用如图1所示的“T”型构造，以便热梯度大体或者更接近平行于壁体120。以这种构造，可能发生由于温度变化而导致的部件尺寸的变化，同时减少或消除TE元件130及其他系统部件之间的间隙变化。进一步地，热电发电机的外表面可以用高热导率电绝缘涂层处理，该涂层在整个加工和运行温度范围内是稳定的。
图2图示说明发电系统150的另一个实施例。图2所示的实施例包括大致柱形的壁体154，其至少部分围绕高温区域152。该高温区域可以连接到热源或者可以包括热源。例如，流体可以在由柱形壁体154形成的封闭导管内流动。一个或更多个TE元件156可以沿着壁体154的圆周纵向设置。在图2所示的实施例中，TE元件156的阵列围绕一部分柱形壁体154，尽管应当理解的是TE元件156可以完全围绕壁体154延伸，并且可以被配置为基本覆盖壁体154的外表面。
在一些实施例中，热交换器(未示出)可以至少部分设置在高温区域152内，以便于从高温区域152向TE元件156传送热能。热交换器可以通过提供良好热传递的任何技术附着到壁体154或TE元件156上。在某些实施例中，热交换器被整合到壁体154中。
大致柱形壁体154内部的空间可以被划分为一个或更多个流体导管，这些流体导管可以被配置为调整穿过高温区域152或壁体154内部的其他区域的流体流动。在一些实施例中，发电系统150可以使用多个汽缸来定标容量、满足形状因子要求、降低成本或用于任何其他原因。在某些实施例中，系统150包括不是柱形的壁体；相反，高温区域可以至少部分由具有卵形、椭圆形、星形、圆锥形、螺旋形、多角形、其他形状或者这些形状的组合的壁体围绕。
参考一个或更多个特殊应用例如排气系统热回收描述了本文公开的热电发电器(TEG)的实施例。至少一些所公开的实施例或者所公开的实施例的方面可以用于热能可以有利地转换为电能的其他应用或者环境中。
图3A示出采用TEG的废热回收系统200的实施例。系统200包括可以是大致柱形的壳体210，其中热排气被引导通过内部腔室202，并且TE元件206的阵列204a-c围绕一部分壳体210。图21是示出TEG系统200的大致柱形构造的透视图。虽然排出管212的壳体210被显示为柱形，但应当理解可以使用其他合适的管体几何形状。图4A和4B所示的冷侧热交换器208在热侧壳体210以外并且提供冷却和废热去除。如图5所示，排出管212具有内热交换器214，从而增强来自排出流的热传递。汽缸内部的周围地区(或者第一区域216)可以容纳热交换器214的相对密集的热传递面积。排出管212的中心部分可以具有第二区域218，该第二区域具有低排出流体压降。如果排出流体流速变得足够大以至于背压超过容许限度，则第二区域218可以作为旁路。
在一些实施例中，如图5所示，中心部分218在允许的压降范围内具有热传递增强结构220。第二区域218内的热传递结构220可以大体上比热交换器214的热传递面积密度低。套管222可以分离排出管212内的两个流动路径，从而更好地引导和控制来自排出流体的热传递。所示的实施例可以通过调节壳体210和排出管212的内套管222的直径和/或相对尺寸来改变和定标。同时，可以选择管体212外部的TE元件206的长度、成分、形状、数目和尺寸以定标输出及其他属性例如工作温度和各种工作流体，并且响应不同的运行环境。进一步地，多个管体(未示出)可以用于定标容量、满足形状因子要求、降低成本或者用于其他原因。一些实施例包括卵形、椭圆形、星形、圆锥形、螺旋形或者任何其他大致柱形的柱体。
在以下描述中，讨论了一些实施例的特征，并且公开了针对意外设计挑战的解决方法。使得该设计成功的一些特征适用于平面热电发电器(TEG)构造，例如图7中所示的构造。一些实施例包括使用本文所述的改进之处的平面TEG700。平面TEG 700可以包括热工作流体导管网络702和冷工作流体导管网络704。一个或更多个TE元件706可以被设置在工作流体导管网络702、704之间。TE元件706可以被布置在一个或更多个基本平面水平上。
TEG 200可以具有多种控制特征。一些控制特征可能影响TEG200本身的操作。例如，控制器可以被配置为致动设置在排出管212的第二区域218内的一个或更多个阀门224。如图3A所示，一个或更多个阀门224可以被配置为在管体212内分配排出流体流。作为另一个示例，如图8A、8B和8C所示，TE元件206的区段204a、204b、204c可以具有独立的电力输出。随着流体穿过至少一部分TEG200，TE元件206可以从流体流中汲取或多或少的热能，并且改变至少部分流体中的温度下降。TEG可能影响、改变和/或控制其他系统的运行。例如，TEG可以帮助减少噪音以代替或补充消声器、增加乘坐者和/或发动机的升温速度、执行催化转换器升温和温度控制、执行到发动机冷却剂系统的热传递、执行电能功能性(例如输出功率、电压、用途和控制)、控制EGR气体温度以及帮助可以整合和/或被置于与TEG功能性连通的任何其他控制或者相互作用。
一些实施例包括一个或更多个成本降低和简化特征。按照用于适应、修改和使用所公开的TEG系统中的特征的改进方式描述了一些特征的整合，例如大功率密度TE设计、如图9中所示的层叠设计、TEG架构以及TEG整合到车辆中。简化特征包括如图11A和11B所示将TE元件放置在圆环构造1100a、1100b中，而不是单独地和/或在单独模块中。圆环1100可以由整体构件1108构造成，或者可以由被一个或更多个间隙1106分开的多个圆环构件1102、1104构造成。间隙1106可以被配置为使圆环构件1102、1104彼此电隔离或热隔离。额外的简化特征可以包括一个或更多个流量控制阀的整合以及合并TEG与其他系统(例如消声器或其他排气系统部件)。
举例来说，一些常规TEG设计要求施加高外力以保持TEG系统的部件之间(例如TE元件和分路之间)的接触。在某些实施例中，图4A中所示来自柔顺弯曲部分228的作用力可以替代外部负载。作为另一个示例，大致柱形的TE模块230可以减少或者消除除了在两末端232、234以外在系统200的边缘上使用高温密封件。用于图3A所示的实施例的密封件236通过在高温下使用焊接或蒸制密封件并结合密封件几何形状的热管理来简化密封，从而允许在低温下的弹性密封件。进一步地，TEG系统200的柱形和TE附连特征可以通过减少或消除在大面积上使用平面热传递表面来简化热侧到冷侧的热传递。
本文所描述的至少一些特征可以提高TEG系统200的效率。例如，如图6所示，在TE元件206的末端处，镀覆的热交换器表面、电分离的TE组、沿着流体热能汲取方向的热隔离以及柔顺电界面240可以被用于代替分离的TE模块衬底。柔顺构件240可以减少在TE元件206和分路238之间的界面处的拉伸应力和剪切应力。柔顺构件240可以由任何合适的材料制成，包括例如丝网、烧结金属结构、金属箔、压纹箔、高温导电油脂、其他材料或者这些材料的组合。柔顺构件240可以是通过配合表面中的锁定细节来键合或附连的压配件。柔顺构件240可以包括帮助定位TE元件206的一个或更多个突出物242。在一些实施例中，分路238和TE元件206之间的界面通过施加外力例如通过使用如图4A所示的柔顺弯曲部分228来保持压缩。
在一些实施例中，TEG系统200包括一个或更多个可制造性和再循环性特征。例如，TE元件组204a-c可以机械地附连，因此允许其被替代或拆卸而没有脱焊接(de-soldering)或去蒸制(de-braising)。进一步地，TEG系统200可以是大致柱形的，由此减少或消除使用大平坦表面和使用热接近冷侧的复杂密封件。在一些实施例中，传统密封材料可以被用于TEG系统200。
在一些实施例中，图3A所示的TEG系统以能够很好地整合到在高达700℃的排气温度下运行的车辆排气系统中的形状因子满足上述目标。柱形可以允许获得有效的热侧热传递的低成本解决方法，解决热侧和冷侧之间的大热膨胀失配，以及降低密封复杂性。根据满足耐久性和稳定性标准的需求来建立内部架构。该设计表示一类架构，其中TEG可以是排出输送管内的单独部分或者与其他部件整合以实现优点，例如尺寸减小、重量减轻、成本降低、输出增加和/或效率提高。
在一些实施例中，TEG是排气系统的一部分，并且可以被定位和设计成替代至少一个消声器。由于TEG从排出流中汲取热能并且降低排出流温度，因此可以降低流速和背压。例如，如果除了气体温度降低之外排出管的几何形状没有变化，则显示出这些特性。同时，由于消声器本身引起背压，那么通过消除或减少其功能性，TEG可以具有较高的抗流动性，在适当的设计下其允许较高的热传递系数。因此，增加了从排气中汲取热能。
在一些实施例中，TEG与催化转换器结合，这可以导致一个或更多益处。例如，催化转换器的一些部分可以用于代替前面所述的至少一些TEG系统200部件，这使得零件数目减少。作为另一个实例，可以减少转换器和TEG之间的热损失，导致TEG中更高的气体温度。较高的排出流温度可以潜在地提升TEG系统的效率和/或功率输出。进一步地，转换器的内部部件可以被用于消除零件重复。例如，至少部分外壳和密封件可以共享转换器的催化剂保持器结构的一部分。TEG系统也可以通过提供热反馈和/或电力以更快地加热转换器来提供整合的功能性，从而加速转换器的升温。通过将TEG系统添加到催化转换器，可以减少内部和外部支架及其他附连特征。同时，与转换器的整合允许一部分TEG被定位在发动机和转换器之间。这种位置可以升高一部分TEG的工作温度、减少TEG到达工作温度所花费的时间和/或准许催化转换器的温度由至少一部分TEG控制。
排气回收系统(EGR)也可以与TEG整合，以便类似地节省个体零件的复杂性。由于EGR使用发动机冷却剂来冷却一部分排气，因此可以采用相同的冷却系统来从TE元件的冷侧去除废热。通过使用EGR，排气阀也可以接近TEG阀门结合，从而简化系统设计。EGR将背压增加到排气系统，所以该组合可以减少一定程度的重复并由此减少背压损失和/或增加热传递。
在一些实施例中，TEG系统使用已经证明在最近的排气系统产品中成功的现有车辆材料和设计原则。
图3A示出TEG200的截面视图。最内部腔室218是排气旁路，其适应最高工作排气质量流量，同时将背压维持在附连发动机(未示出)的设计限度内。图3A所示的蝶形阀224或其他有利的排气流导向器被定位在TEG 200的冷端234，从而调节旁路218和热侧热交换器核216之间的排气流。内套管222可以沿着热交换器214的内表面以分离热交换器214和最内部腔室218之间的气流。阀门224分配气流以便将背压保持在设计限度内，同时在排气温度和质量流量的工作范围下优化来自排出流的热量汲取。
在图5所示的实施例中，热交换结构220例如散热片被置于旁通区域内，并且与套管222、热侧热交换器核216和热侧壳体210良好地热接触。当旁通阀224部分地或者完全地位于允许排气流入内核218的位置时，这些特征可以提高在低背压下的热能提取。热交换结构220可以由两个面上镀覆AISI316不锈钢(DIN1.4401)的铜芯线构成。也可以使用任何其他材料或者材料组合，例如镀镍或碳的不锈钢、满足TEG设计规范的陶瓷复合材料。有利地，热交换结构220被蒸制到热侧TEG壳体210的内表面，但是可以以提供良好热传递的任何方法附着。壳体210可以由316号不锈钢、其他合适的材料或材料组合构成。
在某些实施例中，TEG200的材料系统被配置为提供在不锈钢的化学防护和强度(为了耐久性和寿命)与铜的高热导率(为了有效的热传导和热传递)之间的良好兼顾。可替换地，热交换器和/或壳体和/或内套管可以由其他材料构成，例如高热导率陶瓷、氮化硅、碳化硅、氧化铝、其他有效的热交换材料或者这些材料的组合。热交换器214、220也可以与壳体210整合。例如，在一些实施例中，热交换器214、220由陶瓷或金属铸造成或挤压成。实现相同热传递目标的其他方法也是可能的，例如使得热侧壳体210卷绕或者有纹理以增加其表面积和热传递系数、合并多个(一束)管体以形成外壳或者采用增强从排气通过壳体热传递的任何其他方法。
下面将描述制造TEG200的示例方法。壳体210的外表面可以用高热导率的电绝缘涂层进行处理，该涂层在整个加工和工作温度范围内稳定。例如，壳体可以用K-Tech 28专有涂层、等离子喷射氧化铝、氮化铝或者满足设计意图的任何其他耐用涂层来涂覆。作为涂层的替换选项，例如如下所述(参看图12)，如果在电极结构中获得电绝缘，则壳体210可以不涂覆。如图11A和11B所示，热传导分路1100a、1100b可以附着于壳体。分路1100a、1100b形成到TE元件206的热侧热连接和电连接。热侧壳体210表面可以用金属材料系统进行涂覆，其将壳体键合/粘结到分路以获得机械稳定性和高热导率。例如，壳体210(具有K-Tech涂层)可以用大约0.3微米厚度的钛进行金属化，用大约2微米厚度的低磷无电解镍和15微米厚度的锡进行镀覆。同样，可以使用任何其他合适的粘结材料和材料厚度或其组合。因此铜合金分路244可以通过在500℃下将锡反应性键合到铜而与壳体处于良好的热接触。分路244可以形成为围绕壳体的圆环。这些圆环被加热到大约250℃而膨胀，并且当其为热的时，在冷壳体上滑动并定位在设计位置。圆环冷却并收缩以形成压配件。随后在500℃下的热浸泡(heat soak)将圆环键合到适当位置。
可以采用其他技术来将分路244热附连且机械附连到壳体结构210。例如，可以使用高温玻璃、陶瓷粘合剂、机械锁闭(使用狭槽、插针等)、蒸制、焊接或任何其他方法。如果分路244没有与壳体电隔离，则如图12所示，分路244可以在其结构内部合并电隔离结构。例如，分路可以用可从阿肯色州温泉城的Bodycote K-Tech公司获得的K-Tech 28涂层来涂覆。进一步地，分路可以是分层的或者具有为TE元件提供电绝缘和良好导热性的任何其他材料系统。如图12和图13A-13B所示，分路244可以用由不锈钢或其他材料构成的一个或更多个带材248保持在适当位置，并且带材248可以通过高温电绝缘体246如玻璃纤维织物、云母或者任何其他合适的绝缘体与分路244电隔离。
如图11A所示，形成为圆环1100a的分路244可以具有许多并联的TE元件206。可替换地，分路可以是圆形的区段(圆弧)1102、1104，以便一个或更多个TE元件206是并联的，并且如图11B所示，几个圆弧可以处于分开的电学路径中。例如，几个弧形1102、1104可以电串联以增加装置的输出电压。多组分路244可以以串联/并联的排列方式连接，从而获得可靠性和工作电压的适当平衡。分路可以使供给(provisions)成群地附加到多个TE元件206，从而获得TE元件的稳定性、长久性和可靠性并且匹配热侧和冷侧热交换器的热功率密度。
计算机模型可以被用于优化针对工作条件的预定范围的设计。该模型可以同时最大化转换效率并且最小化重量。在有利的设计中，元件206被集中为围绕每个圆环1100的圆周的四个元件的16个组。在高温端204a处，TE元件被分段并且大约5mm长。在相反的末端204c处，TE元件大约2mm长(例如小于或等于高温端204a处TE元件的长度的大约一半)。TE元件206可以被分段并且可以构造成针对在大约250℃和600℃之间运行的部分适当掺杂碲化铅并且针对在高达大约250℃运行的部分适当掺杂碲化铋。
TE元件206的长度226a-c可以被选择以最大化从每个元件206产生的电力，同时维持应力低于限度。如图8A、8B和8C所示，TEG 200被配置为在热端和冷端两边提供低的界面电阻和热阻，同时贯穿TE元件维持可接受的低剪切应力和正应力。热循环研究旨在证实原型系统的目标循环寿命的稳定运行。热循环测试的结果指示两段式TE元件(p：2.4mm×3.75mm×4.4mm，n：2.4mm×3.75mm×4.8mm)在至少大约300次热循环期间提供一致的发电。图10中示出研究期间采用的三个示例性热循环的分布图。TE元件的重量和相应的功率密度与电流方向上的元件长度的平方近似成反比。成本通常与TE材料重量成比例。在一些实施例中，与平衡来自排出流的热量和从冷侧的散热相结合，沿着TEG长度为每个最大温差建立TE元件的最小长度。
在某些实施例中，冷侧分路256和热交换器208被设计为通常在轴向上有效地输送电力并且在圆周方向上从TE元件206的冷侧去除热能到冷侧散热器250。两种传输机制都可以适应热侧和冷侧之间的热膨胀失配，并且增加设计可靠性并降低设计复杂性。如图14所示，在整个工作温度范围内，冷侧分路256的电接头可以包括用于传送电力的可弯曲铜叶片252以及用于将均匀加压负载施加至TE元件206的碟形垫圈(Belleville washer)254。可以使用任何其他弯曲接连系统。例如，高传导性导电油脂可以用于电连接，并且线圈弹簧或弹性体可以用于维持对TE元件206的压缩力。可替换地，压缩构件254可以是高导电性的并且提供电连接和压缩力，例如波纹管、波浪垫圈或者薄片弹簧。
在某些实施例中，可弯曲接头热交换器将热能从冷侧分路256传送到散热流体258。例如，管体250可以被用于与冷侧分路256热连接并传送热能。图4B所示的管套管(tube-in-tube)构造具有这样的性质，即不需要施加外力来获得良好的热传递，因为外管的内径和内管的外径控制两部分之间的间隙。可以以低成本紧密地保持这些管的尺寸。冷侧管250可以具有伸缩接头以适应由热壳体和冷侧散热器之间的热膨胀导致的尺寸变化。在一些实施例中，管体250与冷侧分路256电隔离但是具有非常良好的热接触。例如，热油脂可以用于允许分路256和冷却剂管250之间的相对运动和良好的导热性。铝线或热传递增强的任何其他合适形式可以用于增加从冷侧分路256到冷侧流体258的热输运。歧管260或任何其他合适的流体分配系统可以将冷却剂分配和/或收集到冷侧管。冷侧工作流体可以是水、类似于散热器流体的乙二醇/水的混合物或者任何其他合适的流体。图22是图4A和图4B所示的冷侧热交换器的透视图。
组装件可以被容纳在外壳262内，其保护并密封活动部件不受环境影响。壳体262通过暴露于外部的周围条件和接近内部的冷却剂258来维持接近于冷却剂流体温度。热侧管210和壳体262之间的热膨胀失配可以被两个末端232、234处的过渡构件264吸收。末端构件264由低热导率不锈钢构成，从而减少热管和外壳之间的热传递。柔软密封剂可以吸收任何剩余的热膨胀失配。
热电子组装件已经被测试以确定与模型相比的耐久性和性能。测试结果与一个模型相比较，该模型使用本征材料性质作为输入量，除了一个参数即TE元件206界面阻力外，其与实验数据匹配。在大范围的电流和温度中，该匹配意味着该单一参数是大部分观察到的性能变化的原因。该模型通常适用于描述装置的性能。
TE元件206可以用作可变热固态阻力部件，其与排出流202和冷却剂流体258相互作用。通过调节流过TE元件206的电流，TE组装件的热阻抗发生变化。例如，如果没有电流流过，则阻抗相对高，从而较少的热能可以从排出流体流202中汲取并且进入冷却剂258。如果TE元件206被缩短以使得电流由TE元件206的内电阻而不是可估计的外电阻限制，则如果TE材料具有大约为1的ZT，TE元件206的热导率可以增加大约70％。热阻的受控变化可以被用于改变热能的汲取，以便在一定程度上冷却排出流202。这种对排气温度的控制可以与EGR系统的功能结合以调整再循环排出从而改善EGR的总体系统性能。排气温度控制也可用于改进柴油机微粒过滤器或废热回收装置的运行以便于发动机预热或车辆乘坐者舒适度(例如将排气系统连接到动力系流体的热交换器)。热导率变化的范围可以通过施加正极性和负极性的外部电压来增加。通过这样，有可能获得至少2.5到1的电导率比。
尽管在从车辆排气流中回收能量的背景下以示例的方式展示了以上描述，但本文所述的实施例可以用于其他类型的热能回收系统。例如，这些实施例可以结合工业辅助发电机或工业流程使用，例如可以与水泥处理、铝提取、生铁熔炼或存在材料自身及其热含量可能浪费的任何情形相关联。在这些情况下，这些实施例也可以用于在某些应用中产生主要电力，例如用于远程发电以发送信号、充电电池组和提高热电效率。它有可能被用于飞机、车辆的辅助动力装置，从而当其主发动机关闭时为电力装置供电，或者在车辆中为HVAC供电。通过足够高效的热电转换，废热回收发电机可以在至少一些情况下替代车辆的主发动机。
为了有效地用TE装置从热源发电，必须从热源汲取尽可能多的热量，同时TE元件两端的温度下降应该被最大化，并且发电机内部的电路中的电阻应该被最小化。进一步地，在整个运行温度范围内，最终的系统应该被配置或控制以优化电力输出。通过以下方式实现这些目标：用(多种)TE材料和(多种)构造来匹配热源和散热器的温度梯度和热阻抗；管理所有界面；有效地使得热量和电力进入TE材料和从TE材料中出来；在电绝缘和热隔绝有利和/或重要的情况下提供电绝缘和热隔绝以及处理与高温工作条件关联的材料相关问题，例如热膨胀失配、高温下的稳定性以及在工作温度下存在腐蚀性流体而导致的老化，例如被氧化、被CO、CO2、N2毒化等。
本发明公开的设计用于(1)从高温热源有效地汲取热能，该热源具有足够的热导率和优良的热传递表面积，(2)处理高温(＞1000℃)并处理与这些高温应用关联的热震，(3)解决在高温下(＞400℃)提供电隔离且维持高热导率的基本问题，(4)防止任何老化或与具有金属表面的高温涂层的热膨胀失配关联的其他问题，(5)将热电发电机(TEG)整合到催化转换器或者催化剂燃烧室外壳中，(6)通过使用TE装置的可变热输运性质来控制系统的一些部分的温度，(7)提供附加功能如排气回收(EGR)以及(8)提供合适的设计和性能特征以便与其他动力转换系统(例如，协同发电机、加热系统、温度控制系统、燃烧系统等等)良好地匹配。本文描述的各种实施例提供一个或更多个此类优点。
在某些实施例中，(多种)TE材料与热交换器结构例如金属或陶瓷蜂窝、汽缸、催化表面、平板、条材、管体等进行整合。热交换材料与金属环、陶瓷型材或任何其他高电导率结构处于良好热连通或热接触，该高电导率结构将TE装置、TE元件或其他TE部件热连接到热源并且使这些TE部件与热源和热交换器表面实际隔离。如果到热交换器的连接表面是导电的(例如含杂质的SiC、金属、导电液体等)，则可以采用一个或更多个涂层，该涂层在工作条件的范围内提供良好的热连接和良好的电隔离。在某些实施例中，TEG被整合到系统内以实现多个功能，例如与催化转换器、燃烧室、协同发电机热源等的整合，而且TEG的存在提供增效的益处。也就是说，某些实施例的组合提供了下列一个或更多个优点：重量减轻、成本降低、体积减小、效率增加、附加功能(例如控制温度、将EGR功能增加到催化转换器)等。
一个有利的实施例将TEG直接整合到主发电器中，而不是设计有单独的燃烧室和TEG子组装件。在该实施例中，燃烧室插入到陶瓷蜂窝内，并且燃烧室被整合到热交换器中，以便燃烧室和TEG两者都与热交换器密切连接。在这种情况下，来自燃烧室的一部分热量损耗(例如辐射、传导和对流)被引导到热交换器，并且因此没有完全损耗到系统。进一步地，将燃烧室整合到热交换器中可以使得重量、复杂性、尺寸和成本最小化。同时，TEG和/或燃烧室的整合减少投产期，因为与非整合的TEG和/或燃烧室相比，管道及其他部件被最小化或去除。管道及其他组件可能延缓升温或者点火(例如，热交换器的温度增加到工作温度的时间，该工作温度例如为催化转换器减少排放的温度)。最终，催化燃烧器可以被直接整合到设计中，以便(多个)燃烧表面通过热传导且电绝缘的界面将热量传递到TE元件，并且减少或消除导管、单独的热交换器、TE模块等。
在另一个实施例中，TEG与车辆排气系统的排气系部件(一个或更多个催化转换器、颗粒收集器、消声器等)结合在一起提供。尽管其他专利之前已经讨论了使用TE装置从催化转换器回收废热，但是其教导了将TE模块附着到催化转换器壳体外侧，而不是将TE材料更加密切地整合到催化剂载体(例如陶瓷蜂窝)，以便节省额外重量、尺寸、成本或提高效率等。如下面更充分描述的，在一些实施例中，更密切的整合包括提供额外的功能性和伴随的益处。一个有利的实施例包括TEG与陶瓷蜂窝的整合，陶瓷蜂窝被用作许多汽车催化转换器内的催化剂的衬底。如图15A和15B所示，有利地，可以改变陶瓷蜂窝以将热量聚集并输送到指定位置，其中TE元件和连接电路附着于该指定位置。陶瓷蜂窝用作热交换器、催化剂保持器、电绝缘体和用于TEG的框架(结构元件)。通过分路构件的整合(参看图15A和15B)，TEG的基本热线路和电路被制造成为陶瓷部件。
图15A根据本文描述的某些实施例示出示例性催化转换器500的一部分的局部示意图。在有利的实施例中，该转换器包含在一部分陶瓷上具有催化剂的陶瓷蜂窝结构502。蜂窝502的设计已经有利地改变以合并与陶瓷蜂窝502良好热接触的一个或更多个热侧分路504。进一步地，蜂窝型材已经改变以增加从排气到一个或更多个热侧分路504的热能汲取。导热性的增加可能使得必须通过改变陶瓷材料性质(例如通过改变材料、使其加厚、增加其密度、添加高热导率成分、设计形状以优化到分路504的导热性、改变分路504的形状以提供更好的传导、改变蜂窝502自身的形状或者/以及改进到TE元件506的热输运的任何其他方法)来增加陶瓷的热导率。如果由于任何原因蜂窝502过于导电而不能用作TEG系统500的电绝缘体，则一个或更多个分路504可以形成为其中至少一部分提供电绝缘的两个或更多个区段，一个或更多个分路可以在其与陶瓷附连之处涂覆有电绝缘材料，陶瓷可以具有至少一个其他材料的插入物来隔离分路，或者可以采用任何其他方法将一个或更多个分路504与陶瓷蜂窝502隔离开。
可能有利的是使至少一个替换流动路径(例如旁路510)穿过蜂窝502，以便一些或全部流动经过旁路而不是蜂窝502的蜂窝结构。例如，该旁路510可以用于执行下列一项或更多项：在高排气流量下减少压降、调整系统中的温度、在启动条件、非常冷的条件或一些其他有利条件下运行。替换流动路径(例如旁路510)可以如图15A所示是敞开的，或者它可以容纳在特定条件下提高性能的不同性质的陶瓷材料和催化剂。参考本文明公开的其他TEG系统实施例来讨论替换流动路径和旁路构造的进一步实例。
有利的是，分路504可以是简单形状并且易于由高热导率和电导率的材料(例如金属)制造，例如镀不锈钢的铜、镀钼的铜、包含热解石墨的铜或者任何其他合适的材料系统。在装置的整个工作寿命期间材料(例如分路504)和蜂窝502之间的良好热接触是重要的，所以有利的是使分路(例如金属)的热膨胀系数(CTE)与蜂窝(例如陶瓷)的CTE匹配。分路504可以更复杂，如图16所示。例如，分路504可以是热管道、复合材料、涂覆的热解石墨、氮化硼或任何其他有用的材料系统和形状。可替换地，分路504可以由CTE与蜂窝的材料相适配的陶瓷制成。例如，分路可以由陶瓷例如AlN制成。进一步地，分路504可以是金属、陶瓷金属(由陶瓷和金属材料组成的复合材料)或其他高热导率材料。分路504可以被配置为例如图16中的A型、B型或C型的一个或更多个，并且可以包括插入件或者其他特征(例如铆钉、孔眼、夹片等)。如图16所示，分路504可以在TE元件506之间提供电连接。
图16所示的TE元件是多个元件串并联电连接的层叠构造。可替换地，如图17所示，TE元件可以以常规设计配置，同样可以具有串联或串并联布置。例如，图16所示的冷侧分路508和热侧分路504与TE元件506处于电连通且热连通，并且图17所示的冷侧组件558和热侧组件554处于热连通但不处于电连通。此外，图17未示出，热侧分路554和冷侧分路558可以处于电连通。在美国专利US6,959,555中讨论了可以使用的在TE元件之间的电连接构造的示例，该专利的全部内容通过引用合并于此并且组成本说明书的一部分。热侧组件554可以包括热输送材料，例如参考图15A-B和图16描述为热侧分路材料的材料。
如图17所示，在某些实施例中，电绝缘体560被添加到分路554、558和热侧组件和/或冷侧组件之间。有利的是，电绝缘体560具有高热导率和高电阻率。分路与热侧组件处于良好的热接触，并且具有在排气流动的通常方向上连接在标准构造中的TE元件。热侧组件可以与其他热侧组件电隔离。类似地，冷侧组件可以与其他冷侧组件电隔离，并且与冷却流体562和冷侧分路558处于良好的热接触。在某些实施例中，电绝缘体在电学上隔离冷侧组件和/或热侧组件，但是冷侧和热侧上的分路554、558处于电连通。
图18根据本文描述的某些实施例示出使用在同一封装体内的多个蜂窝结构的示例性催化转换器的有利布置。在图18中，C1是常规结构，其被修改以包括TEG部件。C1的主要功能是用作催化转换器。这可以改变或减少在某些工作条件下可以由TEG汲取的热能量。第二TEG区段C2被合并以汲取额外的热能，由此增加电力输出并进一步冷却排气。如果排气由通过C2的路径有效调节，则其可以被调节到合适的条件(例如温度)以穿过第二催化剂C3从而进一步处理。C3被示出包括TEG部件，但是取决于系统的工作条件，C3可以包括或不包括TEG部件。C4被显示为TEG的最终级以进一步从排出流汲取热能。C4可以包含或者不包含催化剂。图18根据本文所述的某些实施例示出TEG区段的示例性构造，但是在某些实施例中可以包括更多或更少的TEG区段。此外，如上所述的TEG区段可以处于各种构造。例如，包括在该结构中的TEG区段的顺序和类型可以根据应用进行选择。如果排气足够冷却，则一部分排气可以被用于执行排气回收(EGR)功能，这是许多车辆排放控制系统的一部分。
图19示出包括在一些实施例中的进一步特征。图19中所示的参数之间的关系可以通过使用合适的控制算法(例如计算机系统的硬件和软件)和硬件控制被用于TEG或者整合到TEG中，从而改进性能。如下所述，横轴是流过要被控制的一部分TEG的电流。左侧的纵轴是TEG部分的热侧所吸收的热能。右侧的纵轴是该部分TEG两端的电压。点A是穿过该部分TEG的开路热通量，而点A′是相应的开路电压。点B′是当电压为零时的情况，并且点B是在零电压下的相应热通量。在这两种情况下，TEG的电力输出是零，因为电流或电压是零。点C示出在中间电流下的热侧热通量，例如最大化电力输出的热侧热通量。C′是相应的电压。图19显示出热通量以及因此由TEG从排出流汲取热能所产生的冷却量是电流的函数。因此，排出流在TEG系统出口处的温度可以通过控制经过TEG的电流在限值内调节。如果控制系统有能力反转电流或者提供负电压，则热通量可以有更大程度的变化。TEG可以提供改变排气性质的附加功能并因此改进总体系统性能。例如，图18中的C2级的出口温度可以被调节以改进排放控制或其他功能。在图19未示出的某些温度和流动条件下，点D可以稍微低于零，这意味着热通量被反转并且TEG加热。因此，蜂窝或者附着到TEG的其他催化转换器将被加热。因此，可以通过将电力施加到热连接的TEG来减少点火的时间或者工作温度。再生循环也可以运行。再生循环可能是有用的，尤其是如果TEG被整合到柴油机微粒过滤器中。TE元件可以被用于将热量抽入过滤器中以帮助去除烟尘并清理过滤器。
TEG与至少一个控制器和至少一个功率转换器连通。有利的是，当以上面结合图19所述的模式运行时，功率控制器可以将来自TEG的功率调节到期望的电压电流组合并且将功率提供到TEG。这些控制器和功率转换器改变冷却/加热特性、改变用于控制目的的电力输出以及与所述功能关联的任何其他用法的操作可以被应用于本文所述的某些实施例。图20根据本文所述的某些实施例示出示例性控制器布局图，并且示出可以用于提供功能的一些传感功能输入量。这些输入量包括但不局限于质量流量、压力、电压、电流、温度、发动机RPM、车辆的依赖时间的电力使用、发动机温度、工作条件。因此，信号可以来自催化转换器和/或可能有利于整个系统如车辆的运行的外部来源。类似地，如果这样做是有利的，则输出信号以及功率可以用外部控制装置或者其他系统互换。如图20所示，信号处理器可以被用于在将信息传送到控制器和/或功率转换器之前部分地处理信号信息。可替换地，信息可以未经处理而被发送到一个或更多个功率转换器和/或控制器。
本文描述的实施例具有若干益处和优点。下面描述某些实施例的若干优点。然而，并不是如下所述的全部优点都可能适用于本文描述的全部实施例。
在某些实施例中，催化转换器和单独的TEG之间的热损耗可以被大部分消除。这些损耗可能比较大并且可能高达TEG输出的40％(参见例如Liebl，J.，Neugebauer，S.，Eder，A.，Linde，M.，Mazar，B.，Stutz，W.，“The ThermoelectricGenerator from BMW is Making Use of Waste Heat”，MTZ，Volume 70，04/2009，pg 4-11)。
某些实施例的TEG的响应时间可以更短，其可以进一步增加在瞬时条件下的输出，例如在发动机升温时的输出。在欧洲和美国标准政府起动循环中，这些增益可能对性能是至关重要的，其中当前TEG的输出被延迟并且仅在接近循环结束时提供有限的益处(参见例如“BSST LLC Project Phase 1Report：HighEfficiency Thermoelectric Waste Energy Recovery System for Passenger VehicleApplications”，6/1/2005，US DOE Freedom Car Program，其全部内容通过引用合并于此并复制在附录中)。
某些实施例的TEG从排出流吸收热能并且冷却排出流。如果冷却量由适当的控制器管理，则在较低温度下运行的第二催化转换器可以被整合到催化转换器封装体中。例如，NOx排放控制器可以被添加到主碳氢化合物转换器中。
在某些实施例中可以实现温度管理以满足动力系系统中的各种重要目标。如上所述，温度控制可以被用于通过改变(例如控制)TEG系统的响应来调节排气温度。图19示出通过TEG的热输运随输出电流的变化。通过使用图19所示的关系控制电流，在某些实施例中可以以可控的方式改变从排出流中去除的热量。因此，排气的温度可以被控制在限值内，其可以调节下游部件如NOx转换器的温度。有利的是，如果电流被反转，则热传递速率可以进一步变化甚至反向，以便温度可以被显著地调节，从而加速升温、加速并控制催化剂点火以及提供整体温度控制机制。
如图18所示，上述排气温度的降低可以被用于某些实施例以冷却全部排气或为转移而受控的部分排气，从而替代柴油和汽油动力发动机中EGR系统中的热交换器。这种功能通过将EGR系统的全部或部分合并到增强的催化转换器组件中来提供废热回收电力以及减少排放。
温度控制功能也可以使得包括TEG和第二废热回收系统如兰金循环转换器等的协同发电系统更加实际。TEG可以产生电力并且控制排气温度，从而在与车辆驱动关联的变化负载下更好地优化相关协同发电机的性能。
如本文所述的某些实施例中所使用的陶瓷(碳化硅(SiC)、堇青石、氧化铝、氮化铝(AlN)、氮化硅等)可以具有经受高温(＞500℃)而不熔化并分解的能力。这些材料，尤其是商用陶瓷蜂窝中所用的材料，也被设计为经得起与许多高温应用相关的热震。此外，这些陶瓷中的多种具有显著的热导率以提供有效的热传递。使用蜂窝作为热交换器的另一个显著益处是其热传递表面积非常高(高达900个单元(cell)每平方英寸(cpsi))，这使得其成为有效的高温热交换器。
与内部具有铜焊散热片的金属热交换器相比，使用压制陶瓷蜂窝的某些实施例提供了若干益处。管体或箱体内的铜焊散热片可能是昂贵的，并且散热片、壳体和铜焊材料的热膨胀系数可能难以适当匹配。也存在铜焊选择的潜在温度限制和散热片和外壳壁之间的相关接触电阻。压制陶瓷蜂窝不具有任何此类约束。其被压制成一片，所以在其单元和单元壁之间不具有任何接触电阻问题。由于其全部由一种材料制成，所以没有热膨胀问题。其具有较少的温度限制，因为陶瓷可以经受高达通常远大于1000℃的温度。其也可以比铜焊热交换器便宜得多，因为一旦建立，挤压过程是相当便宜的，并且已经存在许多使用包括催化转换器和柴油机微粒过滤器的陶瓷蜂窝的商业应用。
由使用陶瓷蜂窝作为热电装置中的热交换器构件的某些实施例所提供的另一个显著益处是提供热交换器和TE材料之间的电隔离以避免电短路，防止电流流过TE材料。在标准热电装置中，额外陶瓷衬底被用于提供这种电隔离，由此对该装置增加了重量、成本和热阻。如果热交换器是金属的，则可以添加电隔离涂层以尽量减少衬底的重量、成本和热阻，但是在高温(例如大于或等于大约500℃)下可能难以找到这样的电隔离涂层，即其可以有效地应用到适合的热传递金属表面而不会由于粘附性差或热膨胀失配而裂开或剥落。此外，这些涂层通常是热隔离以及电隔离的，导致TE材料和热交换器之间的热接触较差。添加涂层也增加了不可避免的接触电阻。许多陶瓷蜂窝将不需要任何进一步的电隔离，因为陶瓷已经是电隔离的。这减少了热交换器的重量、成本和热阻并且简化了设计。即使陶瓷不像SiC一样是完全电隔离的，也可以应用额外的电隔离陶瓷涂层，其会更加持久，因为这是陶瓷到陶瓷的接触，并且可以使得热膨胀系数类似。因此，热电元件可以更直接地连接到热源。
本文公开的各种实施例的讨论通常遵循附图中所示的实施例。然而，预期本文所讨论的任何实施例的特殊特征、结构或性质可以在未清楚地示出或描述的一个或更多个独立实施例中以任何合适的方式组合。例如，应该理解TEG可以连接到任何动力设备的排出流或除了排出流以外的热源。含有TEG的系统可以包括一个或更多个控制系统、一个或更多个其他发电机以及除了本文公开的特征以外的其他特征。在很多情况下，作为整体或连续体描述或示出的结构可以被分开，而仍旧执行整体结构的(多个)功能。在很多情况下，单独描述或示出的结构可以被连结或组合，而仍旧执行单独结构的(多个)功能。
应该理解，在上述描述的实施例中，为了使本公开连成一体并且帮助理解一个或多个各种发明方面，有时候各种特征集中在单个实施例、附图或者其描述中。然而，本公开的方法不应解释为反映出任何权利要求需要比该权利要求中清楚叙述的特征更多的特征的意图。此外，文中特殊实施例中所示和/或所述的任何部件、特征或步骤可以被用于任何其他(多个)实施例或者与任何其他(多个)实施例一起使用。因此，期望的是，这里所公开的本发明的范围不应该由如上所述的特殊实施例限制，而是应该只由随附的权利要求的合理解读确定。

Claims (17)

1.一种发电装置，其包含：
至少一个排出管，其具有被配置为容纳排出流体流的弯曲外壳；
至少一个第一热交换器，其延伸穿过所述至少一个排出管的第一区域，所述第一热交换器与所述弯曲外壳热连通；
所述至少一个排出管的第二区域，其延伸穿过所述至少一个排出管，所述第二区域具有低排出流体压降；
至少一个排出阀，其可操作地设置在所述第二区域内并且被配置为仅当排出流体的流速变得足够大而导致背压超过容许限度时允许所述排出流体流过所述第二区域；以及
至少一个热电元件，其与所述弯曲外壳的外表面热连通，所述至少一个热电元件被配置为在所述废热回收系统的运行期间适应所述至少一个排出管的热膨胀。
2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含与所述至少一个热电元件热连通的至少一个冷却剂导管，所述至少一个冷却剂导管包含彼此热连通的内管和外管，其中所述外管的直径大于所述内管的直径并且包含伸缩接头，所述伸缩接头被配置为适应由所述弯曲外壳和所述冷却剂导管之间的热膨胀导致的尺寸变化。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个排出管在没有伸缩接头的情况下适应由热膨胀导致的尺寸变化。
4.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含与所述弯曲外壳和所述至少一个热电元件实质上热接触的至少一个热侧分路，所述至少一个热侧分路包含至少一部分，该至少一部分在不平行于所述弯曲外壳的表面处连接所述至少一个热电元件。
5.一种发电装置，其包含：
至少一个排出管，其被配置为容纳排出流体流，在所述废热回收装置运行期间，所述排出管具有高温端、与所述高温端相反的低温端以及在所述高温端和所述低温端之间的中间部分；
多个第一热电元件，其连接到所述高温端；
多个第二热电元件，其连接到所述中间部分；以及
多个第三热电元件，其连接到所述低温端；
其中所述多个第二热电元件比所述多个第三热电元件更长；以及
其中所述多个第一热电元件比所述多个第二热电元件更长。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述多个第一热电元件的长度大于或等于所述多个第三热电元件的长度的大约两倍。
7.一种发电装置，包含：
至少一个弯曲排出管，其被配置为容纳排出流体流；
至少一个旁路区域，其延伸穿过所述至少一个排出管，所述至少一个旁路区域具有低排出流体压降；
至少一个冷却剂导管，其被配置为在第一管内容纳冷却剂流，所述至少一个冷却剂导管包含封闭至少一部分所述第一管的第二管和设置在所述第一管和所述第二管之间的传导材料系统；
至少一个第一分路，其从所述至少一个排出管延伸出；
至少一个第二分路，其从所述至少一个冷却剂导管延伸出并且与所述第二管热连通；以及
至少一个热电元件，其被热连接在所述第一分路和所述第二分路之间。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一分路紧靠着所述至少一个排出管由围绕所述至少一个排出管周围圆周延伸的至少一个带材支持。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述排出管的壳体包含传导材料，并且其中电绝缘体被设置在所述至少一个带材和所述排出管的所述壳体之间。
10.一种热电系统，其包含：
多个热电元件；
至少一个较冷侧分路和至少一个较热侧分路，其与所述多个热电元件中的至少一个热连通；
至少一个热交换器，其与所述至少一个较热侧分路热连通并且与所述至少一个较热侧分路实际整合；以及
其中所述至少一个热交换器与所述至少一个热电元件基本上电隔离。
11.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述至少一个较热侧分路与所述至少一个热交换器实际耦合。
12.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述至少一个热交换器实际上非常靠近所述多个热电元件，以便减少从管道或其他缓慢升温或起燃的组件损失的冷却功率、加热功率或所述热电元件的发电。
13.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述至少一个较热侧分路延伸进入所述热交换器。
14.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述至少一个热交换器具有蜂窝结构。
15.根据权利要求1所述的热电系统，其进一步包含至少一个替换流动路径，所述替换流动路径被配置为减少至少一种工作介质和所述至少一个热交换器之间的热传递。
16.一种催化转换器，包含：
多个如权利要求1所述的热电系统；
至少一个控制器，其被配置为单独控制所述多个热电系统中的每一个；
至少一个传感器，其与所述至少一个控制器通信并且被配置为测量所述催化转换器的至少一个运行参数；以及
其中所述至少一个控制器响应于所述至少一个运行参数调节发送到所述多个热电系统的电力。
17.一种热电发电器，其包含：
至少一个热交换器；
至少一个燃烧室，其实际整合到所述至少一个热交换器中；
至少一个较热侧分路，其与所述至少一个热交换器实际整合并热连通；
至少一个较冷侧分路；
至少一个热电元件，其被夹在所述至少一个较热侧分路和所述至少一个较冷侧分路之间；以及
其中所述至少一个热交换器与所述至少一个热电元件基本上电隔离。
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