CN103758617B - 一种车用热电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种车用热电发电装置，包括：设置于车辆的排气管道上的箱体，所述箱体具备使来自发动机的尾气流入的进气口和使该尾气排出的出气口；设置于所述箱体内的多根相互平行的空心的管体，所述管体的排列方向与所述箱体中的气流方向垂直；以及套设于各所述管体上的具有环形构造的热电器件。该装置结构简单，体积紧凑，尽可能多的保留了原车底部的结构，并且热利用率高，可以更有效地将汽车尾气废热转化为电能。

Description

一种车用热电发电装置

技术领域

本发明属于汽车制造技术领域，具体地，涉及一种车用热电发电装置，特别是一种利用汽车发动机尾气废热进行发电的热电发电装置。

背景技术

热电转换技术作为一种新型的新能源和再生清洁能源技术近几年在国际上收到了广泛的瞩目。它利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换，具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、能够有效地利用低密度能量等特点。

而在众多热电材料之中，方钴矿基化合物作为一种典型的中高温区热电材料，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用等高新技术领域具有非常巨大的应用前景。

目前主要的热电器件构造为如图1（a）中所示的π型构造，如图1（a）所示，n型和p型热电元件以电串联和热并联的形式集成于两个电绝缘而热传导良好的陶瓷平板之中。由于该结构中需要热流沿垂直于陶瓷平板的方向传输，所以π形构造适合于平板状热源的工作环境。

现有的车用热电发电装置（如专利文献CN103166527，US6759586等），基本上都是基于这种传统的π形构造的热电器件进行设计与制造而成的。为了满足π形构造对平板状热源的要求，往往在发动机的排气道中增设一高温气箱，然后将热电器件平铺于高温气箱的侧壁之上，使该热电器件的一侧接触汽车尾气，形成高温端；而另一侧接触冷却装置，形成低温端，进而热电元件即可利用高温端与低温端之间的温差将汽车废气中的热能转变为电能。

然而，由于该设计需要在高温气箱的外部安装额外的冷却装置，因此将占用较多原本就非常有限的汽车底部空间。并且，使用该设计，热电元件仅能安放于高温气箱的侧壁之上，而箱体内部广大的空间无法充分利用，故其热量利用效率比较低。

针对这一问题，在专利文献CN103104325中进行了相应改进，其将发动机的前排气管在到达热电发电装置的进气口之前，均匀分成多个较细的气管，分别与热电发电装置的多个进气口相连，然后在到达发动机的后排气管部分之前，该多个较细的高温气管重新合并成一个较粗的气管。这种设计可以增加热交换的面积，进而提供了安放更多热电器件的可能性，提高了热利用率。

但是，该设计也增加了热电发电装置的总体积。并且，由于需要根据多个高温气管的位置来安装相应的冷却装置，使得总体结构过于复杂。总之，现有的车用热电发电装置由于热电器件本身和结构设计等多方面原因，其实际应用和推广还比较困难。

近年来，除了传统的π形构造的热电器件，Weinberg等人还提出了可以将热电器件设计成环形构造的设想（参见F.J.Weinberg,D.M.Rowe,andG.Min,“Novelhighperformancesmall-scalethermoelectricpowergenerationemployingregenerativecombustionsystems”,J.Phys.D:Appl.Phys.35(2002)L61-L63；以及G.MinandD.M.Rowe,“Ring-structuredthermoelectricmodule”,Semicond.Sci.Technol.22(2007)880-883）。

如图1（b）所示的环形构造热电器件中，n型和p型环形中空热电元件交替沿柱状热源同轴排列。这种环形构造适用于非平板状热源的环境，特别是热流方向沿柱状热源的径向传输的环境。这一设想克服了传统π形构造的热电器件只能应用于平板状热源的环境的限制，大幅度拓宽了热电器件的应用范围。但是，目前为止，还没有专门针对具有该种环形构造的热电器件而设计的热电发电装置。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种车用热电发电装置，该装置结构简单，体积紧凑，尽可能多的保留了原车底部的结构，并且热利用率高，可以更有效地将汽车尾气废热转化为电能。

为了解决上述技术问题，本发明的一种车用热电发电装置，包括：设置于车辆的排气管道上的箱体，所述箱体具备使来自发动机的尾气流入的进气口和使该尾气排出的出气口；设置于所述箱体内的多根相互平行的空心的管体，所述管体的排列方向与所述箱体中的气流方向垂直；以及套设于各所述管体上的具有环形构造的热电器件。

根据本发明，在车辆运行过程中，来自发动机的尾气通过进气口流入箱体后从出气口流出，由于多根相互平行的空心的管体的排列方向与箱体中的气流方向垂直，因而流入箱体的尾气与套设于各管体上的具有环形构造的热电器件的外圈接触，形成高温端；而此时冷却剂流经箱体内的空心的管体，通过与该具有环形构造的热电器件的内圈接触换热而在该热电器件的内圈形成低温端。该热电器件在存在温差的环境下，基于塞贝克效应即可将尾气中的废热转变为电能。

且由于该具有环形构造的热电器件的外表面整体暴露于高温的尾气环境之下，所以其热利用效率很高。且本发明结构简单紧凑，克服了传统的车用热电发电装置体积过大，结构过于复杂的特点，并提高了热量利用效率。有助于促进热电发电装置在汽车上的真正应用。

又，在本发明中，也可以是，所述箱体设置于所述发动机及消声器之间的排气管道上。

根据本发明，尾气从位于发动机下游的排气管道排出，从箱体的进气口流入该箱体后从出气口流出，然后进入下游的排气管道和消声器，排放到大气中。

又，在本发明中，也可以是，还包括用于将所述热电器件固定于所述管体的紧固组件。

根据本发明，通过紧固组件将热电器件牢固地固定于管体，从而避免在车辆行驶过程中的振动对热电器件的破坏。

又，在本发明中，也可以是，在所述箱体的与气流方向平行的侧壁上设有用于容纳所述管体的多个孔。

根据本发明，通过该设置于侧壁上的多个孔，可以有利于将管体固定于箱体上。

又，在本发明中，也可以是，多根所述管体之间串联连通后与车辆的冷却系统相连。

根据本发明，多根相互平行的空心的管体以串联的方式连接形成一个整体冷却装置后与车辆的冷却系统相连，有利于使来自冷却系统的冷却剂流经箱体内的各个管体。且由该多根管体构成的车用热电发电装置的冷却装置基本上均安置在箱体内部，从而有利于减小车用热电发电装置的体积，节约车辆底部空间。

又，在本发明中，也可以是，所述管体在所述箱体内交错排列。

根据本发明，通过使管体在箱体内交错排列，可以避免高温气流从进气口直接流向出气口，进而可以显著增加气流在箱体中的扰动，提高热电器件的热利用率。

又，在本发明中，也可以是，各所述管体的外壁上设有电绝缘层。

根据本发明，通过在各管体的外壁上设置电绝缘层，可以实现管体与固定于其上的热电器件之间的电绝缘。

又，在本发明中，也可以是，各所述热电器件的外壁上设有保护层。

根据本发明，通过在各热电器件的外壁上设置保护层，可以阻止车辆尾气中的有害杂质（如NO₂或SO₂）与热电材料或者电极在高温下发生反应而对热电器件产生恶化作用。

又，在本发明中，也可以是，所述热电器件包括：沿所述管体的轴向依次交替排列的多个环形的P型热电元件和N型热电元件；设置于每个所述P型热电元件与N型热电元件之间的环形的隔离层；连接于每对所述P型热电元件和N型热电元件的外侧壁上的高温端电极；连接于相邻对的所述P型热电元件和N型热电元件的内侧壁上的低温端电极；以及分别连接于所述热电器件的两端的电极上的导线。

根据本发明，可使该具有环形构造的热电器件以导热并联和导电串联的结构形成，有利于热电转换效率的提高。

又，在本发明中，也可以是，所述热电器件由方钴矿基材料制成。

根据本发明，以作为一种中高温区热电材料且具有优良的热电性能的方钴矿基材料制成热电器件，可大幅度提升热电器件的热电转换效率。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点。

附图说明

图1示出了现有技术中的两种不同构造的热电器件的结构示意图，其中图1（a）π形构造的热电器件，而图1（b）为环形构造的热电器件；

图2示出了根据本发明的一实施形态的车用热电发电装置的外部结构示意图；

图3示出了图2所示的车用热电发电装置的俯视图；

图4示出了图2所示的车用热电发电装置的沿水平方向的剖视图；

图5示出了图4中的A区域的放大示意图；

图6示出了图4中的B区域的放大示意图；

图7示出了图2所示的车用热电发电装置的沿垂直方向的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图及优选实施形态详细说明本发明的车用热电发电装置。图2示出了根据本发明的一实施形态的车用热电发电装置的外部结构示意图；图3示出了图2所示的车用热电发电装置的俯视图；图4示出了图2所示的车用热电发电装置的沿水平方向的剖视图；图5和图6示出了图4的局部放大示意图；且图7示出了图2所示的车用热电发电装置的沿垂直方向的剖视图。

如图2至图4所示，本发明的车用热电发电装置，包括：设置于车辆的排气管道4上的箱体2，该箱体2具备使来自发动机1的尾气流入的进气口21和使该尾气排出的出气口22；设置于该箱体2内的多根相互平行的空心的管体5，该管体5的排列方向与箱体2中的气流方向垂直；以及套设于各管体5上的具有环形构造的热电器件7。

根据本发明，在车辆运行过程中，来自发动机1的尾气通过进气口21流入箱体2后从出气口22流出，由于多根相互平行的空心的管体5的排列方向与箱体2中的气流方向垂直，因而流入箱体2的尾气与套设于各管体5上的具有环形构造的热电器件7的外圈接触，形成高温端；而此时冷却剂流经箱体2内的空心的管体5，通过与该具有环形构造的热电器件7的内圈接触换热而在该热电器件7的内圈形成低温端。该热电器件7在存在温差的环境下，基于塞贝克效应即可将尾气中的废热转变为电能。且由于该具有环形构造的热电器件7的外表面整体暴露于高温的尾气环境之下，所以其热利用效率很高。

具体地，上述箱体2为高温气箱，该高温气箱2可使用不锈钢材料制成，具有优良的机械性能和抗震动性。在图2所示的实施形态中，该箱体2例如可以为长方体的形状，其可以设置于发动机1及消声器3之间的排气管道4上。由此，尾气从位于发动机1下游的排气管道4排出，从箱体2的进气口21流入该箱体2后从出气口22流出，然后进入排气管道4和消声器3，排放到大气中。

在本发明的一实施形态中，选取不锈钢制作空心的管体5，这是因为不锈钢具有良好的导热性，从而可以较快的将由热电器件7的高温端传输至低温端的热量带走，有效地保持高温端与低温端之间的温差。同时，不锈钢材料的良好可焊性也可以使得此处的空心管体5很容易地被焊接于箱体2的侧壁之上。

此外，在该箱体2的与气流方向平行的侧壁23上设有用于容纳管体5的多个孔24。例如，参见图3与图4，在该实施形态中，上述箱体2的与气流方向平行的两个侧壁23上分别设有多个孔24，用以固定多根空心的管体5，该孔24的内径需要与管体5的外径一致。两个侧壁23上的孔24的位置完全对称。通过该设置于侧壁上的多个孔，可以有利于将管体5固定于箱体2上。

具体地，将上述套设有热电器件7的管体5，安放于箱体2的两个侧壁23上的互相对称的孔24内，其排列方式与箱体2中的气流方向垂直。每根管体5均贯穿箱体2的两个侧壁23，即每根管体5的两端均位于箱体2的外部。然后，通过电弧焊接或氩弧焊接的方式将管体5牢固地焊接于箱体2之上，并且保证管体5四周的空隙被完全密封，以使得汽车尾气只在箱体2的进气口21与出气口22之间流动，而不会从侧壁泄露出箱体2。

另外，参见图7所示，多根管体5可在箱体2内交错排列。由此，可以避免高温气流从进气口21直接流向出气口22，进而可以显著增加气流在箱体2中的扰动，提高热电器件的热利用率。在此情况下，上述侧壁上的孔24的分布可设计为使得固定于该孔24上的管体5实现交错排列。

又，在本发明中，多根管体5之间可串联连通后与车辆的冷却系统相连。具体地，如图3所示，多根相互平行的空心的管体5的位于箱体2外部的部分通过U形管51连接，从而多根管体5以串联的方式连接形成一个整体冷却装置，整体冷却装置可具有出水口与进水口，以与车辆的冷却系统相连。从而，有利于使来自冷却系统的冷却剂流经箱体2内的各个管体5。且由该多根管体5构成的车用热电发电装置的冷却装置基本上均安置在箱体2的内部，从而有利于减小车用热电发电装置的体积，节约车辆底部空间。

又，在本发明中，各管体5的外壁上可设有电绝缘层，通过在各管体5的外壁上设置电绝缘层，可以实现管体5与固定于其上的热电器件7之间的电绝缘。该电绝缘层可以是使用反应溅射、等离子喷涂、微弧氧化等方法，预先在管体5的外表面上沉积的一层导热性良好、电绝缘的、致密的Al₂O₃层，其厚度可为10～500μm。且，该包裹有诸如Al₂O₃层那样的电绝缘层的管体5的外径可以比热电器件7的内径小0.05～0.5mm，从而使得该热电器件7可以套在管体5之上。

又，参见图4和图6，在将该热电器件7套设于管体5之上后，可通过紧固组件8将热电器件7牢固地固定于管体5，从而避免在车辆行驶过程中的振动对热电器件7的破坏。例如，在各热电器件7的两端采用紧固组件8将该热电器件7夹紧并牢固地固定于管体5之上。

更具体地，如图6所示，每个紧固组件8均可包括两个对称的Ω形部件13，该Ω形部件13例如可由不锈钢制成。在每个Ω形部件13的两端均各有一个孔13a，将紧固螺栓14穿过该孔13a并通过紧固螺母15将两个Ω形部件13锁紧于管体5之上，即可以将两个Ω形部件13之间的热电器件7夹紧并牢固地固定于管体5之上。且该Ω形部件13的圆弧处的内径与包裹有Al₂O₃层的管体5的外径相同。但本发明不限于此，也可以形成为其他任意结构的紧固组件，只要能将热电器件7牢固地固定于管体5即可。

又，在本发明中，在每根管体5上的每个环形构造的热电器件7，其内径可为5～20mm，外径可为10～50mm，且每个热电器件7的长度可为100～500mm。

且在各热电器件7的外壁上可设有保护层9。该保护层9均匀致密，可以选用Mo/Si/SiO _x ，总厚度约为0.5～50μm，制备方法可以选用磁控溅射等，其中Mo与热电材料直接接触，Si位于中间，SiO _x 位于最外层。通过设置该保护层9，可以阻止车辆尾气中的有害杂质（如NO₂或SO₂）与热电材料或者电极在高温下发生反应而对热电器件产生恶化作用。

在图4和图5所示的实施形态中，上述热电器件7包括：沿管体5的轴向依次交替排列的多个环形的P型热电元件10a和N型热电元件10b；设置于每个P型热电元件10a与N型热电元件之间10b的环形的隔离层12；连接于每对P型热电元件10a和N型热电元件10b的外侧壁上的高温端电极11a；连接于相邻对的P型热电元件10a和N型热电元件10b的内侧壁上的低温端电极11b；以及分别连接于该热电器件7的两端的电极上的导线6。由此以每对热电元件之间形成导热并联和导电串联的结构构成具有环形构造的热电器件7，有利于热电转换效率的提高。

在本发明中，热电器件7可由方钴矿基材料制成，具体地，上述P型热电元件10a为p型方钴矿基环形热电元件，且上述N型热电元件10b为n型方钴矿基环形热电元件。以作为一种中高温区热电材料且具有优良的热电性能的方钴矿基材料制成热电器件7，可大幅度提升热电器件的热电转换效率。优选地，所使用的热电材料可以为填充方钴矿，掺杂方钴矿，或填充的掺杂方钴矿等。

根据本发明的一个方面，在制备一实施形态的车用热电发电装置时，可以先于空心不锈钢管体5的外表面通过反应溅射、等离子喷涂、微弧氧化法等沉积一层电绝缘的致密Al₂O₃层，其厚度为10～500μm。

然后将该表面已包裹了电绝缘层的空心不锈钢管体5穿进方钴矿基环形热电器件7的中心孔之中，该环形热电器件7的表面已经预先溅射一层Mo/Si/SiO _x 保护层。在该环形热电器件7的两端，使用紧固组件8将热电器件7夹紧并牢固地固定在空心不锈钢管体5之上。然后将固定有环形热电器件7的空心不锈钢管体5焊接在箱体2的两个侧壁23上预先设计的孔24之中。

焊接完成后，使用U形管51将多根空心不锈钢管体5以串接的方式连接成为一个整体的冷却装置，与汽车的冷却系统相连接。另外，在每个环形热电器件7之间，可以使用导线6以串联或并联的形式，与汽车的外电路连接。

以下详细地说明本发明的车用热电发电装置的一具体实施例及其制备过程。该车用热电发电装置主要位于长方体形的高温气箱2内部。该高温气箱2具有进气口21和出气口22，分别与汽车的发动机1下游的排气管道4和消声器3上游的排气管道4连接。高温尾气从发动机1排出，流经高温气箱2后进入后排气管道4和消声器3，然后排放到大气中。

该高温气箱2的内部的每根空心不锈钢管体5的两端均延伸出高温气箱2外壁，彼此间以U形管51串联连接构成一个整体连通的冷却装置，并与车用冷却系统相连接。

且在该实施例中，该管体5的外径为9.8^+0.1mm，内径为7mm。管体5的表面已通过等离子喷涂预先沉积一层厚度为20μm的Al₂O₃层。

在每根管体5之上，均固定有一组表面已通过磁控溅射制备了一层均匀致密的Mo/Si/SiO _x 层作为保护层9的方钴矿基环形热电器件7。该环形热电器件7套设在管体5之上，两端使用紧固组件8将其夹紧并牢固地固定于管体5之上，以避免车辆在行驶过程中的振动对热电发电装置造成破坏。其中，该Mo/Si/SiO _x 保护层9用以隔绝汽车尾气与热电器件7的直接接触，进而避免汽车尾气中具有腐蚀性的杂质（如NO₂或SO₂）在高温下对热电器件7中的热电元件10以及电极材料11的损害。

通过氩弧焊的方式，将管体5牢固地焊接于高温气箱2的侧壁23之上，并保证焊接处完全密封，即汽车尾气只在高温气箱2的进气口21与出气口22之间流动，而不会从侧壁泄露出高温气箱2。

在本具体实施例中，沿水平方向，每个环形热电器件7之间的最短距离为20mm。且本实施例选用方钴矿基环形热电器件7。该环形热电器件7的内径为10mm，外径为20mm。

在每个环形热电器件7中，p型方钴矿热电元件10a和n型方钴矿热电元件10b沿管体5轴向依次交替排列，具有极低热导率的白云母片作为隔离层材料12位于p型方钴矿热电元件10a和n型方钴矿热电元件10b之间，起到将p型热电元件10a和n型热电元件10b之间实现热绝缘的目的。此处p型热方钴矿电元件10a和n型方钴矿热电元件10b的厚度均为3mm。

在每个环形热电器件7的内部，p型方钴矿热电元件10a和n型方钴矿热电元件10b之间以Mo₅₀Cu₅₀合金作为电极11进行连接形成导电串联的结构，其中位于环形热电元件外圈侧壁的电极11a为高温端电极，位于环形热电元件内圈侧壁的电极11b为低温端电极，高温端电极11a与低温端电极11b沿轴向依次交替排列。且在每个环形热电器件7的两端，均有Cu导线6引出，并与汽车的电路进行连接。

又，在本发明的又一具体实施例中，如图7所示，在高温气箱2中，沿与气流垂直的方向依次有B根和（B-1）根互相平行的管体5，其中根数较少的每列中的管体5与根数较多的每列中的管体5交错排列，即沿气流方向排列的第偶数行中的每根管体5和前一奇数行中的与该一根管体5相邻的两根管体5呈“品”字形排列。以避免高温气流从进气口21直接流向出气口22，进而可以显著增加气流在高温气箱2中的扰动，提高热电发电器件的热利用率。

在本具体实施例中，沿与气流垂直的方向，每个环形热电器件7之间的最短距离为2mm。且每个环形热电器件7以串联的形式，连接成为一个整体电路，与汽车的电路连接。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种车用热电发电装置，其特征在于，包括：

设置于车辆的排气管道上的箱体，所述箱体具备使来自发动机的尾气流入的进气口和使该尾气排出的出气口；

设置于所述箱体内的多根相互平行的空心的管体，所述管体的排列方向与所述箱体中的气流方向垂直；以及

套设于各所述管体上的具有环形构造的热电器件；

所述热电器件包括：沿所述管体的轴向依次交替排列的多个环形的P型热电元件和N型热电元件；

设置于每个所述P型热电元件与N型热电元件之间的环形的隔离层；

连接于每对所述P型热电元件和N型热电元件的外侧壁上的高温端电极；

连接于相邻对的所述P型热电元件和N型热电元件的内侧壁上的低温端电极；以及

分别连接于所述热电器件的两端的电极上的导线。

2.根据权利要求1所述的车用热电发电装置，其特征在于，所述箱体设置于所述发动机及消声器之间的排气管道上。

3.根据权利要求1所述的车用热电发电装置，其特征在于，还包括用于将所述热电器件固定于所述管体的紧固组件。

4.根据权利要求1所述的车用热电发电装置，其特征在于，在所述箱体的与气流方向平行的侧壁上设有用于容纳所述管体的多个孔。

5.根据权利要求1所述的车用热电发电装置，其特征在于，多根所述管体之间串联连通后与车辆的冷却系统相连。

6.根据权利要求1所述的车用热电发电装置，其特征在于，所述管体在所述箱体内交错排列。

7.根据权利要求1所述的车用热电发电装置，其特征在于，各所述管体的外壁上设有电绝缘层。

8.根据权利要求1所述的车用热电发电装置，其特征在于，各所述热电器件的外壁上设有保护层。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的车用热电发电装置，其特征在于，所述热电器件由方钴矿基材料制成。