CN103166528B - 车辆热电发电器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆热电发电器。热电发电器装置可以包括：高温构件，所述高温构件具有排气管，围绕排气管的环形第一传热板和多个第一热交换片，所述多个第一热交换片从第一传热板以预定角度径向向外延伸；低温构件，所述低温构件具有环绕排气管的内套管，以预定间隙环绕内套管的外套管，与内套管的内壁接触的环形第二传热板，和多个第二热交换片，所述多个第二热交换片从第二传热板以预定角度径向向内延伸；以及多个热电模块，所述多个热电模块与第一热交换片和第二热交换片接触以利用由第一热交换片和第二热交换片之间的温差引起的热电现象发电。

Description

车辆热电发电器

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年12月15日提交的韩国专利申请第10-20110135137号的优先权，该申请的全部内容结合于此用于通过该引用的所有目的。

技术领域

本发明涉及一种车辆热电发电器，更具体而言，涉及一种使用汽车的废气的热量来发电的车辆热电发电器。

背景技术

热电元件是这样的一种元件，其应用热电现象，其中通过把元件两端之间的温差转化为电流而将热能转化为电能；或者其中通过使电流通过元件并在两端产生温差而将电能转化为热能。这种热电元件用于小规模的冷却、加热或发电设备中。

当热电元件用于小规模发电设备中时，其被称为热电发电装置或热电发电器。该装置主要用于无线通信设备的电源单元、宇宙飞船和核动力潜艇中，以及安装在车辆排气系统的热电发电器中。

图1是示出车辆热电发电器的横截面图。

如图所示，安装在车辆排气系统中的热电发电器10包括：六角形的废热回收设备40，高温废气在其中经过；冷却设备30，所述冷却设备30安装在废热回收设备40的外部且冷却剂在其内部经过，；以及多个热电模块20，所述多个热电模块20与废热回收设备40的外部和冷却设备30的内部接触，以利用两端之间的温差发电。

在废热回收设备40内部，高温废气流过，其将热能传送到热电模块20。在冷却设备30的内部形成冷却管道，这增大了与废热回收设备40接触的热电模块20的内部和与冷却设备30接触的热电模块20的外部之间的温差。当热电模块20的内部与外部之间的温差增大时，安装在车辆排气系统中的热电发电器效率也提高。

为了在热电发电器中产生大量的电能，即提高热电发生效率，废气的热能必须有效地传送给热电模块。然而，在车辆的传统热电发电器中，废气的热能没有充分传送给高温构件，由此废气的热能回收率下降，因而热电发电器的热电效率下降。

此外，在车辆的传统热电发电器中，尽管冷却设备30占了大的面积，但热交换面积小，因此，传热效率相比于尺寸而言是低的，且热电发电效率低。

公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的各个方面致力于提供具有提高的热电发电效率的小型车辆热电发电器。

本发明着手解决的技术问题不限于上面所提及的内容，本领域技术人员通过查看本发明的说明书应该能清楚地理解那些没有提及的内容。

在本发明的一个方面，车辆的热电发电器装置可以包括高温构件，所述高温构件具有：排气管，其中高温废气从排气管中经过；围绕所述排气管的环形第一传热板，其中所述排气管与所述第一传热板交换热量；和多个第一热交换片，所述多个第一热交换片从所述第一传热板以预定角度径向向外延伸；低温构件，所述低温构件具有：环绕所述排气管的内套管；外套管，所述外套管以预定间隙环绕内套管以在其间形成冷却剂流动路径；环形第二传热板，所述第二传热板与所述内套管的内壁接触；和多个第二热交换片，所述多个第二热交换片从所述第二传热板以预定角度径向向内延伸；以及多个热电模块，所述多个热电模块由P型半导体和N型半导体连接形成，所述多个热电模块的每一个的一侧与所述第一热交换片接触，所述多个热电模块的每一个的另一侧与所述第二热交换片接触，从而利用由所述第一热交换片和所述第二热交换片之间的温差引起的热电现象发电。

高温构件可以进一步包括旁通管，所述旁通管以预定间隙安装在所述排气管内部，且废气通过所述旁通管分流；旁通阀，其安装在所述旁通管的远端，控制通过所述旁通管加以分流的废气的量；弹性构件，其弹性支承旁通管远端处的旁通阀；以及热交换网，所述热交换网安装在所述排气管和所述旁通管之间以通过与废气的热交换来加热排气管。

低温构件可以进一步包括冷却剂入口，所述冷却剂入口布置在低温构件的一侧上，冷却剂从其中流入；以及冷却剂出口，所述冷却剂出口布置在低温构件的另一侧上，冷却剂从其中流出；以及多个冷却剂隔板，所述多个冷却剂隔板安装在所述内套管与所述外套管之间，所述多个冷却剂隔板的每一个在一侧开口并使得开口侧形成固定的角度，其中所述冷却剂入口形成在废气下部流动路径上，所述冷却剂出口形成在废气上部流动路径上。

在内套管、外套管和多个隔板中的冷却剂所沿流动路径流动的方向与沿着相邻流动路径流动的冷却剂的方向相反。

冷却剂流动的方向与废气流动的方向是相反的。

旁通管可以包括排气孔，所述排气孔流体连接旁通管的内部空间与在旁通管和排气管之间形成的空间。

根据本发明的车辆热电发电器，产生了整个热电发电器尺寸小而废气和热电模块之间的接触面积大的效果。

而且，将本发明安装在车辆发动机中并发电可产生燃油效率提高的效果，且本发明可以帮助已经安装的发电器为电池充电。

通过将热交换网安装在高温构件和热电模块之间，热交换网可以增加废气和热电模块之间的接触面积，因此，废气的热能更有效地传送给热电模块，废气经过热电模块的噪音也得以减小。

本发明的方法和装置具有其他的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

图1是车辆的传统热电发电器的横截面图。

图2是根据本发明的示例性实施方案的车辆热电发电器的立体图。

图3是说明根据本发明的示例性实施方案的车辆热电发电器的第一传热板、第二传热板和热电模块的分解立体图。

图4是示出了安装在排气管上的的第一传热板、第二传热板和热电模块的根据本发明的示例性实施方案的车辆热电发电器的立体图。

图5是解释用于根据本发明的示例性实施方案的热电发电器的低温构件中的隔板的安装的概念图。

图6是沿着图2中的线A-A'所截取的横截面图。

图7是图6中‘C’部分放大的横截面图。

图8是沿着图2中的线B-B'所截取的横截面图。

应当了解，附图并不必须是按比例绘制的，其示出了某种程度上经过简化了的本发明的基本原理的各个特征。在此所公开的本发明的特定的设计特征，包括例如特定的尺寸、定向、位置和形状，将部分地由特定目的的应用和使用环境所确定。

在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记指代本发明的同样的或等同的部件。

具体实施方式

现在将详细地提及本发明的不同实施方案，实施方案的实例被显示在附图中并描述如下。虽然本发明与示例性的实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书不旨在将本发明限制为那些示例性的实施方案。相反，本发明旨在不仅覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等同和其它实施方案。

下面将参考所附附图对本发明的优选实施方案进行详细描述。在继续之前，应该指出的是，本说明书和权利要求书中所使用的术语和用语不能仅仅解释为一般或字典的含义，它们应该被解释为，基于为了以可能最好的方式解释自己的发明，发明者可以适当地定义术语的概念的原则，符合本发明的技术思想的含义和概念。因此，在该说明书的实施方案和附图中描述的构成，仅仅是最优选类型的实施方案，它们不代表本发明的全部技术思想，所以，应该理解，在提交本申请的时候，可以有能取代这些实施方案的各种等同方案和变更。

图2是根据本发明的示例性实施方案的车辆热电发电器的立体图。图3是说明根据本发明的示例性实施方案的车辆热电发电器的第一传热板、第二传热板和热电模块的分解立体图。图4是示出了安装在排气管上的第一传热板、第二传热板和热电模块的根据本发明的示例性实施方案的车辆热电发电器的立体图。图5是解释用于根据本发明的示例性实施方案的热电发电器的低温构件中的隔板安装的概念图。图6是沿着图2中的线A-A'所截取的横截面图。图7是图6中‘C’部分放大的横截面图。图8是沿着图2中的线B-B'所截取的横截面图。

如图所示，根据本发明的示例性实施方案的车辆热电发电器100包括高温构件110，所述高温构件110在与发动机排放的高温废气热交换过程中被加热；低温构件120，所述低温构件120安装在高温构件110外部，且由发动机冷却系统循环的冷却剂从中经过；以及热电模块130，所述热电模块130位于高温构件110和低温构件120之间并利用高温构件110和低温构件120之间的温差发电。

高温构件110包括排气管112，所述排气管112在高温废气通过时被加热；第一传热板119，所述第一传热板119安装在排气管外壁上；以及多个第一热交换片117，所述多个第一热交换片117与第一传热板119形成一体且以固定角度径向布置。

排气管112的形状为空心圆柱体，其被经过其中的高温废气加热。经加热的排气管112，加热安装在其外壁上的第一传热板119；与传热板119形成一体的多个第一热交换片117经由传热板119加热。

在排气管112内部安装了旁通管114，废气通过其分流。在旁通管114末端安装有旁通阀116，其打开和关闭旁通管114末端，使得废气可以绕过它，这取决于发动机负荷。旁通阀116由旁通管114上的弹簧118弹性支承。旁通管114的上部流动路径形成多个排气孔113，当旁通阀116关闭时废气流经其中。

热交换网111位于旁通管114外壁和排气管112内壁之间。热交换网111与高温废气交换热量，从废气中吸收热能并将其传送到排气管112。换言之，废气的热能由热交换网111有效地传送给排气管112。

当车辆高速移动时，即当发动机负荷增加时，排气管可能破裂。为了防止这种情况发生，当发动机负荷高时旁通阀116打开，大部分的高温废气通过旁通管114排放，经过旁通管114和排气管112之间的大量废气得以控制。

高温构件110外部，即排气管112外部安装了低温构件120。低温构件120由内套管122、外套管124、环形第二传热板129以及多个第二热交换片127一体地形成，所述内套管122安装在排气管112外部，外套管124与内套管122一起形成冷却剂流动路径，环形第二传热板129以与内套管122内壁接触的方式安装，多个第二热交换片127在第二传热板129内壁上与第二传热板129形成一体且以固定的角度布置。

内套管122和外套管124与排气管112形成同心圆。外套管124包括冷却剂入口121和冷却剂出口123，所述冷却剂入口121布置在其一侧上且冷却剂从中流入，冷却剂出口123布置在其另一侧上且冷却剂从中流出。

具有内套管122和外套管124的低温构件120还包括多个冷却剂隔板126，其在一侧开口，这些开口侧以固定的角度布置。

多个冷却剂隔板126中的每一个具有环形形状，每个冷却剂隔板具有开口部分。冷却剂隔板126的开口部分和相邻的冷却剂隔板的开口部分设置成形成固定的角度，优选90度角度。多个冷却剂隔板126以这样的方式安装后，冷却剂可以沿着由相邻的隔板126形成的冷却剂流动路径的相反方向流动，如图2所示。冷却剂的方向设置成彼此反方向的原因是保持低温构件120的温度不变。同样，冷却剂入口121形成在排气管112的下部流动路径上，冷却剂出口123形成在排气管112的上部流动路径上。换言之，冷却剂流动的方向与废气流动的方向相反，因此，可以使高温构件110的温度和低温构件120的温度保持不变，这使得可以在热电模块130中连贯地发电。

热电模块130由P型半导体和N型半导体连接形成，其径向放置于高温构件110的多个第一热交换片117和低温构件120的多个第二热交换片127之间。如上所述，第一热交换片117由第一传热板119加热以达到高温，第二热交换片127通过第二传热板129实现低温，因此，温差出现在位于第一热交换片117和第二热交换片127之间的热电模块130的两侧。因此，如果温差出现在热电模块130的两侧，则在多个热电模块130内部发电。

多个热电模块130中的每一个都配备有一对电气接点，且彼此电气连接。而且，电气互连的多个热电模块130电气连接到车辆电池(未电气示出)，并使用由热电现象产生的电流给电池充电。

根据本发明的示例性实施方案的热电发电器的应用如下所述。

当发动机运行时，废气排出发动机，流进排气管112，这时旁通阀116关闭旁通管114。此外，由发动机的冷却系统(未示出)循环的冷却剂流入冷却剂入口121。

废气在排气管112中流动，与排气管112交换热量，排气管112在该过程中被加热。安装在排气管112外壁上的第一传热板119受到已加热的排气管112加热，废气的热能通过被加热的第一传热板119传送给多个第一换热片117，使得多个热电模块130的一侧被加热。

与此同时，流入冷却剂入口121的冷却剂流经由邻近内套管122和外套管124内部的隔板126形成的冷却剂流动路径，当冷却剂流经冷却剂流动路径时，其以沿其流动方向交替变换的方式流动。第二传热板129由流动的冷却剂冷却下来，因此，与第二传热板129一体形成的第二热交换片127被冷却下来。与冷却下来的多个第二热交换片127接触的多个热电模块130的另一侧也被冷却下来。

因此，径向布置的多个热电模块130的两侧之间出现了温差。由于温差，在多个热电模块130内部发电。由多个热电模块130所产生的电流为电气连接到多个热电模块130的电池充电。

如果车辆速度增加，即如果车辆发动机的负荷增加，则旁通阀116克服弹簧118的弹性，打开旁通管114。当旁通管114打开时，大部分的废气通过旁通管114排放，其余的废气在旁通管114和排气管112之间流动。位于旁通管114和排气管112之间的热交换网111与废气交换热量并加热排气管112，之后剩下的过程与旁通阀116关闭时的过程相同，所以将略去进一步的说明。

因此，由于可以使用多个热电模块，因而可以生成大量的电流，利用该电流，可为车辆电池充电，车辆的燃料效率将得以提高。

此外，根据本发明的实施方案的车辆的热电发电器，当废气与热交换网交换热量时，废气的噪音减小，且热电效率得以提高，这是因为高温和热电模块之间接触面积大，多个热电模块的另一侧通过低温构件快速冷却下来。因此，可以实现车辆的热电发电器比现有技术的热电发电器更小。

为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”和“外”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。它们并不旨在为毫无遗漏的或将本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等同方案加以限定。

Claims (6)

1.一种车辆热电发电器装置，其包括；

高温构件，所述高温构件具有：

排气管，其中高温废气从排气管中经过；

围绕所述排气管的环形第一传热板，其中所述排气管与所述第一传热板交换热量；和

多个第一热交换片，所述多个第一热交换片从所述第一传热板以预定角度径向向外延伸；

低温构件，所述低温构件具有：

环绕所述排气管的内套管；

外套管，所述外套管以预定间隙环绕内套管以在其间形成冷却剂流动路径；

环形第二传热板，所述第二传热板与所述内套管的内壁接触；和

多个第二热交换片，所述多个第二热交换片从所述第二传热板以预定角度径向向内延伸；以及

多个热电模块，所述多个热电模块由P型半导体和N型半导体连接形成，所述多个热电模块的每一个的一侧与所述第一热交换片接触，所述多个热电模块的每一个的另一侧与所述第二热交换片接触，从而利用由所述第一热交换片和所述第二热交换片之间的温差引起的热电现象发电。

2.根据权利要求1所述的车辆热电发电器装置，其中

所述高温构件进一步包括旁通管，所述旁通管以预定间隙安装在所述排气管内部，且废气通过所述旁通管分流；

旁通阀，其安装在所述旁通管的远端，控制通过所述旁通管加以分流的废气的量；

弹性构件，其弹性支承旁通管远端处的旁通阀；以及

热交换网，其安装在所述排气管和所述旁通管之间以通过与废气的热交换来加热排气管。

3.根据权利要求1所述的车辆热电发电器装置，其中

所述的低温构件进一步包括冷却剂入口，所述冷却剂入口布置在低温构件的一侧上，冷却剂从其中流入；以及冷却剂出口，所述冷却剂出口布置在低温构件的另一侧上，冷却剂从其中流出；以及

多个冷却剂隔板，所述多个冷却剂隔板安装在所述内套管与所述外套管之间，所述多个冷却剂隔板的每一个在一侧开口并使得开口侧形成固定的角度，其中所述冷却剂入口形成在废气下部流动路径上，所述冷却剂出口形成在废气上部流动路径上。

4.根据权利要求3所述的车辆热电发电器装置，其中在内套管、外套管和多个隔板中的冷却剂所沿流动路径流动的方向与沿着相邻流动路径流动的冷却剂的方向相反。

5.根据权利要求3所述的车辆热电发电器装置，其中冷却剂流动的方向与废气流动的方向相反。

6.根据权利要求2所述的车辆热电发电器装置，其中所述旁通管包括排气孔，所述排气孔流体连接旁通管的内部空间与在旁通管和排气管之间形成的空间。