CN104895655B - 高效汽车尾气热电回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效汽车尾气热电回收装置，其特征在于：不锈钢排气管安装于排气管系统的催化裂化器与消音器之间，其上增加一个热电回收装置，环形热电芯片的冷端上的热量通过环形热电芯片和冷端圆环形铝合金热板之间的超薄高温石墨垫片传导至冷端圆环形铝合金热板上进行冷却，其解决的技术问题是提高汽车燃油经济性，其内部由多个换热器最小单元组装而成，换热器最小单元之间彼此不相互影响，通过热管技术与形态改进的热电材料相结合，组织成一种在能量传输上可控，即通过热管自身的热传输特性，尺寸与功率上可延展的系统级热电转换单元。在有限的汽车底部空间上，可与消音器整合设计，形成多功能替代产品。

Description

高效汽车尾气热电回收装置

技术领域

本发明涉及一种高效汽车尾气热电回收装置，是应用在轿车排气管系统上，适用于燃油经济性差的商用小客车，城市越野和小型皮卡等中高端车辆。

背景技术

自20世纪70年代世界性的能源危机发生以来，能源问题受到世界各国普遍重视，各经济大国都致力抢占能源市场同时，对节能技术的重视程度也大大加强。随着人们生活水平的提高，汽车保有量越来越大，汽车能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题越来越受到各国关注。随着我国汽车工业的迅速发展，提高汽车燃料有效利用率和减少环境污染在我国具有更重要的战略意义。调查研究表明，汽车燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量都被散失或排放到大气中，造成了能源极大浪费，也带来了不良环境影响。以余热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%-70%(柴油机)或80%-70%(汽油机)，主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量。因此将这些汽车废热有效利用是实现汽车节能，降低汽车能源消耗的一个有效途径。

热电技术是将热电转换元件包附在排气管、发动机散热片等热量集中排放的部件上，一旦车辆开始正常行驶，排气管或散热片散发出的热量便会被热电转换元件吸收，并回收转化为电能，再由电路系统将转化的电能所利用，或转送到车内蓄电池组上储存并加以利用。

近年来,车用发动机余热温差发电技术发展很快,国内外许多高校、科研机构、汽车公司都有研究成果的报道，一些试验装置已经进行了实验室台架试验、道路试验以及耐久性试验。

国内研究机构提出了利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想，并设计了一种新装置，证明了利用废气能量驱动涡轮所发出的电能足以提供汽车运行所需电能。

美国能源部资助了柴油机卡车排气余热温差发电的研究,项目人员在250kW(335Hp)柴油机上进行了台架和道路实验。试验装置共产生30V/1kW的直流电, 成本约为1000美元, 回收需要一年半左右的时间。目前这项热电技术设备已经在混合动力卡车上进行实车实验，进行了5万公里测验后表明，该系统将热转化电能，每加仑燃油可使车辆的行驶距离增加一英里，节省燃油达一成左右，如果该技术应用在小型车上，会增加的行驶里程会更多。

俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所,进行了高寒区载重车发动机的直接发电和取暖的研究。实验对象为154kW发动机,辅助的温差发电器有平板式和圆柱式热电模块两种形式,产生600W电能,可以满足全车用电,尚有余热供给驾驶室取暖。

热电转换的两个核心设计在于热电材料自身的转换效率和冷热源换热器的设计，在上述所有设计的产品并没有充分重视热电材料两端换热器的设计。 如何在单位体积上或单位长度（大部分安装在排气管轴向气流方向）上充分有效的提高取热方式是决定实际传输给迳向上布置的热电材料的关键问题， 其问题涉及： 实际利用的排气废热比重占总排气热量的比重， 实际换热器设计能输送到热电材料表面的热量和节电表面的温度是否是最佳工作温度区间， 热电换热器在轴向和迳向上的热膨胀与热电材料自身在轴向和迳向上的热膨胀一致性问题。上述所有设计在热电发电系统中虽宣称有较大功率输出，但实际均未深入考虑尾气在迳向上向换热器结构传热的特性和稳定性问题，长期寿命无法保证。 仅能作为试验性产品而无法进入实际生产与实用阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效汽车尾气热电回收装置，其解决的技术问题是提高汽车燃油经济性，其内部由多个换热器最小单元组装而成，换热器最小单元之间彼此不相互影响，可根据实际功率需求灵活组装。通过热管技术与形态改进的热电材料相结合，组织成一种在能量传输上可控，即通过热管自身的热传输特性， 尺寸与功率上可延展的系统级热电转换单元。在有限的汽车底部空间上，可与消音器整合设计，形成多功能替代产品。

本发明的技术方案是这样实现的：一种高效汽车尾气热电回收装置，由环形热电芯片、高温热管、中低温热管、金属泡沫、聚酰胺垫片、聚四氟乙烯绝热圈、超薄高温石墨垫片、智能电路采集和MPPT 模块、不锈钢排气管、热端圆环形铝合金热板、冷端圆环形铝合金热板和外壳组成；其特征在于：不锈钢排气管安装于排气管系统的催化裂化器与消音器之间，其上增加一个热电回收装置，工作时排气管内尾气余热通过高温热管传导至热端圆环形铝合金热板，其中，高温热管部分置于不锈钢排气管内，另一部分穿过不锈钢排气管置于热端圆环形铝合金热板中，热量再通过圆环形铝合金热板热端和环形热电芯片之间的超薄高温石墨垫片传导至环形热电芯片的热端面，高温薄型环形石墨垫片作为柔性热界面材料填充于环形热电芯片与环形铝合金热板之间， 在环形铝合金热板中装配多只高温热管形成迳向上向废气取热传输方式；环形热电芯片的冷端上的热量通过环形热电芯片和冷端圆环形铝合金热板之间的超薄高温石墨垫片传导至冷端圆环形铝合金热板上进行冷却，其上热量通过置于冷端圆环形铝合金热板里的中低温热管传导给金属泡沫，其中，中低温热管部分置于金属泡沫中，汽车冷却水由入水口通入，从出水口流出，保证冷却水能充满金属泡沫带走其热能，并将其中部分热量转化为电能。

所述热端圆环形铝合金热板和冷端圆环形铝合金热板材料为热阻低且质量轻的铝合金板，热端圆环形铝合金热板中心圆孔与不锈钢排气管的外径相等，冷端圆环形铝合金热板中心圆孔与聚四氟乙烯绝热圈的外径相等，其中，热端圆环形铝合金热板和冷端圆环形铝合金热板采用双层开槽薄铝合金板夹持热管后钎焊连接而成；圆环形铝合金热板和冷端圆环形铝合金热板之间并不机械接触，只有热传输，尾气热量通过圆环形铝合金热板传输给环形热电芯片，然后等面积热传输给冷端圆环形铝合金热板。

所述环形热电芯片与圆环形铝合金热板和冷端圆环形铝合金热板均为圆环形，其接触面的尺寸一致，保证热量传输和温度分布梯度均匀一致；为具有塞贝克效应的带中心圆孔半导体芯片，不锈钢排气管为刚性好的环形中空形状不锈钢，适合现有排气管系统简单改造，充分利用有限的底盘空间。

所述高温热管通在圆环形铝合金热板上钻出等直径通孔机械冲装而成的孔内，在环形面上形成全周长指针式布置方式，装配的热管数目可根据实际要求变化不受局限，管壁采用不锈钢材质且工质为纯水，适用于接触300-600度的高温尾气，保证稳定高效传输不锈钢排气管内流出的高温尾气热量。

所述金属泡沫为泡沫型铝合金，能与冷却水充分填充且具有质量轻的特点，在热传输过程中提供特殊流道，使得冷却水与中低温热管能充分进行热交换，达到高效换热的目的。

所述智能MPPT 模块通过旁路二极管与环形热电芯片的组合，控制输出电压和电流，达到汽车电路系统供电要求。

所述外壳上设置冷却水进水口和出水口，进水口设置于装置首部下方，出水口通过圆柱管道置于装置尾部上方，使得冷却水能充分填充金属泡沫；进出水口安装在冷却系统的最低端。

所述金属泡沫、聚酰胺垫片、不锈钢排气管、热端圆环形铝合金热板、冷端圆环形铝合金热板径向侧设置多个直孔，在冷端圆环形铝合金热板的薄壁上全圆周以等角度分度开凿圆柱孔，热管置于这些圆柱孔中，高温热管一端穿过不锈钢排气管与尾气接触，另一端设置于热端圆环形铝合金热板的圆孔内与之过渡配合，中低温热管一端置于冷端圆环形铝合金热板的圆孔内与之过渡配合，中部穿过聚酰胺垫片的圆柱孔，另一端置于金属泡沫的圆孔内与之过渡配合；

所述聚四氟乙烯绝热圈材料为热阻很大的聚四氟乙烯，其置于排气管和冷端圆环铝合金热板之间以阻隔排气管壁面上的高温传导至冷端圆环铝合金热板上，厚度为0.025mm的超薄高温石墨垫片分别布置于环形热电芯片冷热两端，以减少其与铝合金板之间的接触热阻，聚酰胺垫片材料为绝缘良好的且热阻大的聚酰胺，其置于泡沫金属和热端圆环形铝合金热板、冷端圆环铝合金热板、环形热电芯片之间，用来阻隔热电芯片产生的电流导入冷热铝合金圆板并形成隔热层。

本发明的积极效果是这种废气废热再利用的装置结构简单，充分利用热管‘热超导’的特性，将排气管内废热吸收至管外进行热交换；在整个热电回收装置里没有移动部件，冷却系统与尾气系统充分隔离，提高了热电回收工作过程的可靠性。

附图说明

图1是汽车排气管尾气热电回收装置的组装图。

图2是汽车排气管尾气热电回收装置的组装图的局部剖视图。

图3是汽车排气管尾气热电回收装置的内部换热器最小单元组装图。

图4是内部换热器最小单元局部剖视图。

图5是内部换热器最小单元部分零件图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述：如图1至4所示，一种高效汽车尾气热电回收装置，由环形热电芯片1、高温热管2、中低温热管3、金属泡沫4、聚酰胺垫片5、聚四氟乙烯绝热圈6、超薄高温石墨垫片7、智能电路采集和MPPT 模块、不锈钢排气管9、热端圆环形铝合金热板10、冷端圆环形铝合金热板11和外壳8组成；其特征在于：不锈钢排气管9安装于排气管系统的催化裂化器与消音器之间，其上增加一个热电回收装置，工作时排气管内尾气余热通过高温热管2传导至热端圆环形铝合金热板10，其中，高温热管2部分置于不锈钢排气管9内，另一部分穿过不锈钢排气管9置于热端圆环形铝合金热板10中，热量再通过圆环形铝合金热板10热端和环形热电芯片1之间的超薄高温石墨垫片7传导至环形热电芯片1的热端面，高温薄型环形石墨垫片7作为柔性热界面材料填充于环形热电芯片1与环形铝合金热板10之间， 在环形铝合金热板10中装配多只高温热管2形成迳向上向废气取热传输方式；环形热电芯片1的冷端上的热量通过环形热电芯片1和冷端圆环形铝合金热板11之间的超薄高温石墨垫片7传导至冷端圆环形铝合金热板11上进行冷却，其上热量通过置于冷端圆环形铝合金热板11里的中低温热管3传导给金属泡沫4，其中，中低温热管3部分置于金属泡沫4中，汽车冷却水由入水口12通入，从出水口13流出，保证冷却水能充满金属泡沫4带走其热能，其中部分热量转化为电能。

所述热端圆环形铝合金热板10和冷端圆环形铝合金热板11材料为热阻低且质量轻的铝合金板，热端圆环形铝合金热板10中心圆孔与不锈钢排气管9的外径相等，冷端圆环形铝合金热板11中心圆孔与聚四氟乙烯绝热圈6的外径相等，其中，热端圆环形铝合金热板10和冷端圆环形铝合金热板11采用双层开槽薄铝合金板夹持热管后钎焊连接而成。圆环形铝合金热板10和冷端圆环形铝合金热板11之间并不机械接触，只有热传输，尾气热量通过圆环形铝合金热板10传输给环形热电芯片1，然后等面积热传输给和冷端圆环形铝合金热板11。

所述环形热电芯片1与圆环形铝合金热板10和冷端圆环形铝合金热板11均为圆环形，其接触面的尺寸一致，保证热量传输和温度分布梯度均匀一致。为具有塞贝克效应的带中心圆孔半导体芯片，不锈钢排气管9为刚性好的环形中空形状不锈钢，适合现有排气管系统简单改造，充分利用有限的底盘空间。

所述高温热管2通在圆环形铝合金热板10上钻出等直径通孔机械冲装而成，在环形面上形成全周长指针式布置方式，装配的热管数目可根据实际要求变化不受局限，管壁采用不锈钢材质且工质为纯水，适用于接触300-600度的高温尾气，保证稳定高效传输不锈钢排气管内流出的高温尾气热量。

所述金属泡沫4为泡沫型铝合金，能与冷却水充分填充且具有质量轻的特点，在热传输过程中提供特殊流道，使得冷却水与中低温热管3能充分进行热交换，达到高效换热的目的。

所述智能MPPT 模块通过旁路二极管与环形热电芯片1的组合，控制输出电压和电流，达到汽车电路系统供电要求。

所述外壳8上设置冷却水进水口12和出水口13，进水口12设置于装置首部下方，出水口13通过圆柱管道置于装置尾部上方，使得冷却水能充分填充金属泡沫4。进出水口安装在冷却系统的最低端。

所述金属泡沫4、聚酰胺垫片5、不锈钢排气管9、热端圆环形铝合金热板10、冷端圆环形铝合金热板11径向侧设置多个直孔，在冷端圆环形铝合金热板11的薄壁上全圆周以等角度分度开凿圆柱孔，热管置于这些圆柱孔中，高温热管2一端穿过不锈钢排气管9与尾气接触，另一端设置于热端圆环形铝合金热板10的圆孔内与之过渡配合，中低温热管3一端置于冷端圆环形铝合金热板11的圆孔内与之过渡配合，中部穿过聚酰胺垫片5的圆柱孔，另一端置于金属泡沫4的圆孔内与之过渡配合。

所述聚四氟乙烯绝热圈6材料为热阻很大的聚四氟乙烯，其置于排气管9和冷端圆环铝合金热板11之间以阻隔排气管壁面上的高温传导至冷端圆环铝合金热板11上，厚度为0.025mm的超薄高温石墨垫片7分别布置于环形热电芯片1冷热两端，以减少其与铝合金板之间的接触热阻，聚酰胺垫片5材料为绝缘良好的且热阻大的聚酰胺，其置于泡沫金属4和热端圆环形铝合金热板10、冷端圆环铝合金热板11、环形热电芯片1之间，用来阻隔热电芯片产生的电流导入冷热铝合金圆板并形成隔热层。

如图1所示，高温汽车尾气绕流通过排气管9内时，高温热管2将余热传输给每个换热器单元内的热端圆环形铝合金热板10， 从而将热流引入面积较大的金属圆盘上便于适应环形热电芯片1的圆形形状，冷却水循环通过进水口12和出水口13对装置进行充分冷却保证正常工作；

如图4所示，本发明的汽车尾气热电回收装置由多个环形换热单元组成，根据热流方向：尾气经高温热管2后到达热端圆环形铝合金热板10经超薄高温石墨垫片7后到热电芯片1再经超薄高温石墨垫片7至冷端圆环形铝合金热板11后到中低温热管3经金属泡沫4至冷却水，将其中部分热能转化为电能；

如图4-5所示，环形换热单元内高温热管2一端通过垂直于排气管9轴向的方向插入尾气热流中获取余热，另一端置于热端圆环形铝合金热板10中的圆柱孔内过渡配合，高温热管2内蒸汽将通过冷凝散热，将尾气热能传导至热端圆环形铝合金热板10，热量再由超薄高温石墨垫片7传至环形热电芯片1热端。中低温热管3一端置于冷端圆环形铝合金热板11中的圆柱孔内，另一端置于金属泡沫4的圆柱孔内，中低温热管3内蒸汽将通过冷凝散热，将冷端圆环形铝合金热板11的热能传导至金属泡沫4，从而降低环形热电芯片1冷端的温度。设置于冷端圆环形铝合金热板11和排气管9之间的聚四氟乙烯绝热圈6将阻隔排气管9壁面的高温传导至嵌入冷端圆环形铝合金热板11，而增大热电芯片1两端的温度差，提升热能转化为电能的效率。

Claims (8)

1.一种高效汽车尾气热电回收装置，由环形热电芯片、高温热管、中低温热管、金属泡沫、聚酰胺垫片、聚四氟乙烯绝热圈、超薄高温石墨垫片、智能电路采集和MPPT 模块、不锈钢排气管、热端圆环形铝合金热板、冷端圆环形铝合金热板和外壳组成；其特征在于：不锈钢排气管安装于排气管系统的催化裂化器与消音器之间，工作时排气管内尾气余热通过高温热管传导至热端圆环形铝合金热板，其中，高温热管部分置于不锈钢排气管内，另一部分穿过不锈钢排气管置于热端圆环形铝合金热板中，热量再通过热端圆环形铝合金热板和环形热电芯片之间的超薄高温石墨垫片传导至环形热电芯片的热端面，超薄高温石墨垫片作为柔性热界面材料填充于环形热电芯片与热端圆环形铝合金热板之间， 在热端圆环形铝合金热板中装配多只高温热管形成径向上向废气取热传输方式；环形热电芯片的冷端上的热量通过环形热电芯片和冷端圆环形铝合金热板之间的超薄高温石墨垫片传导至冷端圆环形铝合金热板上进行冷却，其上热量通过置于冷端圆环形铝合金热板里的中低温热管传导给金属泡沫，其中，中低温热管部分置于金属泡沫中，汽车冷却水由入水口通入，从出水口流出，保证冷却水能充满金属泡沫带走其热能，其中部分热量转化为电能；聚四氟乙烯绝热圈置于排气管和冷端圆环形铝合金热板之间以阻隔排气管壁面上的高温传导至冷端圆环形铝合金热板上，超薄高温石墨垫片分别布置于环形热电芯片冷热两端，以减少其与热端圆环形铝合金热板和冷端圆环形铝合金热板之间的接触热阻，聚酰胺垫片置于金属泡沫和热端圆环形铝合金热板、冷端圆环形铝合金热板、环形热电芯片之间，用来阻隔环形热电芯片产生的电流导入冷端圆环形铝合金热板和热端圆环形铝合金热板并形成隔热层；智能电路采集和MPPT 模块通过旁路二极管与环形热电芯片组合，控制输出电压和电流。

2.根据权利要求1中所述的一种高效汽车尾气热电回收装置，其特征在于所述热端圆环形铝合金热板和冷端圆环形铝合金热板材料为热阻低且质量轻的铝合金板，热端圆环形铝合金热板中心圆孔与不锈钢排气管的外径相等，冷端圆环形铝合金热板中心圆孔与聚四氟乙烯绝热圈的外径相等，其中，热端圆环形铝合金热板和冷端圆环形铝合金热板采用双层开槽薄铝合金板夹持高温热管和中低温热管后钎焊连接而成；热端圆环形铝合金热板和冷端圆环形铝合金热板之间并不机械接触，只有热传输，尾气热量通过热端圆环形铝合金热板传输给环形热电芯片，然后将等面积热传输给冷端圆环形铝合金热板。

3.根据权利要求1中所述的一种高效汽车尾气热电回收装置，其特征在于所述环形热电芯片与热端圆环形铝合金热板和冷端圆环形铝合金热板均为圆环形，其接触面的尺寸一致，保证热量传输和温度分布梯度均匀一致；为具有塞贝克效应的带中心圆孔的环形热电芯片，不锈钢排气管为刚性好的环形中空形状不锈钢。

4.根据权利要求1中所述的一种高效汽车尾气热电回收装置，其特征在于所述高温热管通在热端圆环形铝合金热板上钻出等直径通孔机械冲装而成，在环形面上形成全周长指针式布置方式，管壁采用不锈钢材质且工质为纯水，适用于接触300-600度的高温尾气。

5.根据权利要求1中所述的一种高效汽车尾气热电回收装置，其特征在于所述金属泡沫为泡沫型铝合金，在热传输过程中提供特殊流道，使得冷却水与中低温热管能充分进行热交换，达到高效换热的目的。

6.根据权利要求1中所述的一种高效汽车尾气热电回收装置，其特征在于所述外壳上设置冷却水进水口和出水口，进水口设置于装置首部下方，出水口通过圆柱管道置于装置尾部上方，使得冷却水能充分填充金属泡沫；进出水口安装在冷却系统的最低端。

7.根据权利要求1中所述的一种高效汽车尾气热电回收装置，其特征在于所述金属泡沫、聚酰胺垫片、不锈钢排气管、热端圆环形铝合金热板、冷端圆环形铝合金热板径向侧设置多个直孔，在冷端圆环形铝合金热板的薄壁上全圆周以等角度分度开凿圆柱孔，高温热管和中低温热管置于这些圆柱孔中，高温热管一端穿过不锈钢排气管与尾气接触，另一端设置于热端圆环形铝合金热板的圆孔内与之过渡配合，中低温热管一端置于冷端圆环形铝合金热板的圆孔内与之过渡配合，中部穿过聚酰胺垫片的圆柱孔，另一端置于金属泡沫的圆孔内与之过渡配合。

8.根据权利要求1 中所述的一种高效汽车尾气热电回收装置，其特征在于所述聚四氟乙烯绝热圈材料为热阻很大的聚四氟乙烯，聚酰胺垫片材料为绝缘良好的且热阻大的聚酰胺。