CN106206924A - 用于车辆的热电发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆的热电发电设备，利用发动机废热的热电发电设备包括：包括具有导热性的片状石墨层的热电元件；第一传热体，所述第一传热体以一定间隔结合至所述石墨层并且具有导热性和导电性；第二传热体，所述第二传热体以一定间隔设置在所述第一传热体之间并且具有导热性和导电性；P-型热电材料的第一块体，这些第一块体在所述第一传热体和所述第二传热体之间与N-型热电材料的第二块体交替地结合。所述第二块体在所述第一传热体和所述第二传热体之间与所述第一块体交替地结合。特别地，所述第一块体或所述第二块体的至少一者以线接触的形式结合从而与邻近的传热体的倾斜部分形成角度，并且当所述石墨层弯曲时形成表面接触。

Description

用于车辆的热电发电设备

技术领域

本发明涉及一种利用发动机废热的热电发电设备，该热电发电设备可以产生电能。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息并且不构成现有技术。

通常地，用于车辆的热电发电技术是通过使用热电元件产生电能的技术，所述热电元件连同冷却系统一起安装在高温热源单元(排气系统、发动机单元等)上从而改进燃料效率，并且该热电元件具有电子通过热梯度而移动的特征。

通常地，由于热电转化性能取决于独有的ZT值(表示热电材料的热电特征的性能指数)，并且与热电材料的高温部分和低温部分之间的温差成比例地确定输出，因此确定应用部分的热源特征的热电材料、元件的设计以及系统的构造是重要的。

已经开发的用于车辆的大多数热电发电系统都应用于高温排放气体穿过其中的排气管，但是热电发电系统无法获得希望的高输出。

目前，在已经开发的应用于排气管的热电元件和系统的情况下，由于元件中产生的或者在构成热电模块或系统的界面结合过程中产生的各种传热阻挡因素，排放气体的热不能有效地传递至元件，产生向外部的热损失，因此效率降低。

正如已知的，在热电元件中，当高温部分和低温部分之间的温差较大时，输出增加，并且整个热电系统的性能取决于冷却系统的换热效率。

在相关技术中的应用于排气管的热电系统的情况下，安装有分离水冷却系统以增强低温部分的冷却效率，并且由于水冷却系统包括冷却剂、换热器、马达、流动通道等，因此系统的重量和体积大大增加。

此外，在车辆的排气系统的情况下，通常，由于相对靠近发动机的前方部段和远离发动机的后方部段之间出现热值差异，因此在应用于设置在后方部段处的排气管的热电系统的情况下，整个系统的效率变差。

同时，在车辆的发动机的情况下，维持500℃或更大(柴油中600℃，汽油中800℃或更大)的高温，并且在使用发动机冷却剂的情况下，不需要分离冷却系统，因此相比于应用于现有排气管的热电系统，应用于发动机的热电系统紧凑且较轻，并且具有高的输出性能。

为了将热电元件应用于发动机，热电元件不需要影响设置在发动机的后侧处的排气系统的催化剂活性温度，而需要附接至发动机的复杂形状。此外，需要通过增加热电元件的数目增强输出，所述热电元件可以通过形成较大的附接面积从而附接至发动机。

现有的热电元件被构造成如下结构：金属连接件以预定图案附接至一对绝缘基材，并且由P-型热电材料制成的第一块体(a first pellet)和由N-型热电材料制成的第二块体(a second pellet)成对地结合至金属连接件。由于用于将块体结合至金属连接件或者将金属连接件结合至基材的焊接材料的耐热性，即使存在在高温下具有高ZT值的热电材料，在开发高温下可应用的热电元件方面仍然存在限制。

此外，由于基材需要在电绝缘的同时进行有效地传热，因此常常使用陶瓷材料，但是由于陶瓷材料的特征，陶瓷材料的耐久性非常易受振动、热冲击等的影响。

发明内容

本发明提供一种利用发动机废热的热电发电设备，所述热电发电设备的优点在于通过利用发动机中产生的高温废热产生电能并且改进燃料效率。

在一个方面，本发明提供一种利用发动机废热的热电发电设备，包括：热电元件，所述热电元件包括具有导热性的片状石墨层；多个第一传热体，所述第一传热体以预定间隔结合至所述石墨层的一个表面并且具有导热性和导电性；多个第二传热体，所述第二传热体以预定间隔设置在所述第一传热体之间并且具有导热性和导电性；P-型热电材料的第一块体，这些第一块体与下文描述的第二块体交替地布置在所述第一传热体和所述第二传热体之间，并且N-型热电材料的这些第二块体与所述第一块体交替地布置在所述第一传热体和所述第二传热体之间；其中所述第一块体或所述第二块体的至少一者以线接触的形式以这样的方式结合从而仅在其一侧边缘处与所述邻近的传热体的倾斜部分形成角度，从而当所述石墨层弯曲时与所述邻近的传热体的倾斜部分表面接触。

在一个实施例中，所述第一传热体和所述第二传热体可以具有梯形横截面，并且所述第一块体和所述第二块体可以具有平行四边形横截面，并且可以通过改变和控制所述传热体的倾斜部分的至少一个倾斜部分的斜率和彼此邻近的块体来控制所述传热体和所述块体之间的角度。

在另一个实施例中，所述热电元件可以附接至热管的待围绕的一端从而增加传热效率。

在又一个实施例中，可以形成壳体，所述壳体接收热电套筒，所述热电套筒包括所述热电元件和所述热管，所述壳体可以被紧密地分成沿着所述热电套筒的长度方向位于上端处的压缩部分和位于下端处的蒸发部分，在所述蒸发部分中，可以形成用于使排出气体流入和排出的排出气体入口和排出气体出口使得所述排出气体流动至围绕所述热管的一端的热电元件，并且在所述压缩部分中，可以形成用于使发动机冷却剂流入和排出的冷却剂入口和冷却剂出口使得所述发动机冷却剂流动至所述热管的另一端。

在又一个实施例中，所述热管可以为杆状换热器，在所述杆状换热器中工作流体以真空状态密封在管部分中，使用不锈钢(SUS)作为管部分的材料，并且所述工作流体使用选自汞、钠、锂和银的任一种材料或两种或多种材料的混合物。

根据本发明的示例性实施例，通过使用块体和传热体的形状以固体对固体接触的形式(a solid to solid contact)构造热电元件，该热电元件作为无基材结构，而无需利用结合在基材上的分离结合(焊接)材料或工艺，由此实现了高温区域(例如由于用在现有基材中的焊接材料的耐热特征而不能使用的发动机废热)中的热电发电。

下文讨论本发明的其它方面和实施例。

应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。

通过本文提供的说明，其它应用领域将变得明显。应理解说明书和具体实施例仅旨在用于说明的目的而不旨在限制本发明的范围。

附图说明

为了可以更好地理解本发明，将参考附图描述本发明的以示例的方式给出的各个实施例，其中：

图1为显示根据本发明的一个实施例的热电发电设备的图；

图2为沿着图1中的线A-A所呈现的横截面图；和

图3为显示根据本发明的将热电发电设备附接至热管之前的未折叠形状的图。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，显示了说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体目标应用和使用的环境来确定。

本文描述的附图仅用于说明的目的并且不旨在以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

如下描述仅为示例性性质并且不旨在限制本公开、应用或用途。应理解在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

本发明旨在不但覆盖这些示例性实施例，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、等效方式和其它实施例。

在本发明中，通过不需要基材和造成耐热温度(a heat-resistingtemperature)的焊接材料的结构进行达到约数百度的高温发动机废热的热电转化。除去用于界面结合的焊接材料有助于克服耐热温度的问题。

如图1中所示，根据本发明的一个实施例的热电发电设备以热电套筒单元的形式构造，所述热电套筒单元模块化多个热电套筒100，并且每个热电套筒100包括具有杆状的热管110和附接至热管110的下端的热电元件120。

参考图2和3，热电元件120包括具有导热性的石墨层122，附接在石墨层122上的多个第一传热体124和第二传热体126，和设置在第一传热体124和第二传热体126之间的多个第一块体128和第二块体130。

石墨层122有效地传递热源(排出气体)的热同时通过使用石墨材料的屏障特征以避免热电元件120的高温氧化，并且以柔性可弯曲的片状形成。

第一传热体124具有导热性以及导电性(导热性用于传递热源的热，导电性用于导电)，并且以具有梯形横截面的六面体形成，第一块体128和第二块体130邻近具有预定斜率的倾斜部分，并且彼此面对的平行的上表面和下表面的相对宽的表面附接至石墨层122的一个表面。

在该情况下，第一传热体124以规则间隔并以预定图案地堆叠和设置在石墨层122上。

第二传热体126也具有导热性以及导电性(导热性用于传递热源的热，导电性用于导电)，并且以规则间隔地设置在第一传热体124之间，并且以具有梯形横截面的六面体形成，从而使得第一块体128和第二块体130邻近具有预定斜率的倾斜部分，并且彼此面对的平行的上表面和下表面的相对小的表面以预定间隔地面对石墨层122的一个表面。

当热管110的一端被热电元件120围绕时，第二传热体126的彼此面对的平行的上表面和下表面的另一个相对大的表面接触热管110的表面。

此外，第一块体128由P-型热电材料制成并且彼此邻近地结合从而插入第一传热体124和第二传热体126之间。在该情况下，第一块体128以表面接触的形式附接至邻近的第二传热体126(替代性地，第一传热体)的倾斜部分，并且仅一个边缘以线接触的形式附接至第一传热体124(替代性地，第二传热体)的倾斜部分。

第二块体130由N-型热电材料制成并且彼此邻近地结合从而插入第一传热体124和第二传热体126之间。在该情况下，第二块体130以表面接触的形式附接至邻近的第二传热体126(替代性地，第一传热体)的倾斜部分，并且仅一个边缘以线接触的形式附接至第一传热体124(替代性地，第二传热体)的倾斜部分。

亦即，第一块体128和第二块体130以表面接触的形式分别附接至第二传热体126(替代性地，第一传热体)的两个倾斜部分，并且第一块体128和第二块体130的仅一侧边缘以线接触的形式分别附接至第一传热体124(替代性地，第二传热体)的两个倾斜部分。

由于第一块体128和第二块体130以线接触的形式分别附接至第一传热体124的两个倾斜部分，在第一传热体124的两个倾斜部分之间形成角度α(参见图3)。因此，当石墨层122柔性弯曲从而覆盖热管110时，第一块体128和第二块体130与第一传热体124的两个倾斜部分表面接触。

因此，可以通过改变和控制角度α来调节热电元件120的表面曲率。

由于第一传热体124和第二传热体126具有梯形横截面，并且第一块体128和第二块体130具有平行四边形横截面，可以通过改变和控制传热体的倾斜部分的至少一个倾斜部分的斜率以及彼此邻近的块体从而控制传热体和块体之间的角度α。

此外，第一块体128和第二块体130交替地设置在第一传热体124和第二传热体126之间，并且PN-结对彼此串联连接，该PN-结对以与其间的传热体结合的形式形成一对。在该情况下，传热体同时充当用于现有的传热的基材和用于导电的导体从而当电子通过温度梯度移动时产生电流。

如上构造的热电元件120可以围绕热管110的一端从而增加传热和换热的效率。

热管110为杆状换热器，在所述杆状换热器中工作流体以真空状态密封在管部分(或容器)中，从而在高温(例如发动机废热)下使用热管110，不锈金属例如不锈钢(SUS)用作管部分的材料。此外，根据待应用的温度范围，管部分中的工作流体使用选自汞、钠、锂和银的任一种材料或两种或多种材料的混合物。

当热管的一端加热时，管部分中的工作流体穿过在真空状态下的热管的中间部分，并且移动至另一端(工作流体在所述另一端中压缩)，然后工作流体自动返回至其初始位置从而通过工作流体的移动进行换热。

如上所述，热电套筒100通过热管110和附接至热管110的下端的热电元件120形成，并且多个热电套筒100模块化以构成热电发电设备。

如图1中所示，热电发电设备包括壳体，所述壳体在壳体140内接收多个热电套筒110，并且壳体140被紧密地分成沿着热电套筒100的长度方向位于上端处的压缩部分142和位于下端处的蒸发部分146。供应从发动机排出的高温废气并使其穿过蒸发部分146，并且供应发动机冷却剂并使其流入压缩部分142。

为此目的，在蒸发部分146中，形成用于使排出气体流入和排出的排出气体入口143和排出气体出口144，并且在压缩部分142中，形成用于使发动机冷却剂流入和排出的冷却剂入口147和冷却剂出口148。

流入蒸发部分146的排出气体在穿过围绕热管110的一端的热电元件120的外侧时将热传递至热电元件120侧，并且流至压缩部分142的发动机冷却剂流入热管110的另一端(不被热电元件围绕的部分)从而增强热管110的导热性。

因此，热电元件120大大维持了接收排出气体的热的外侧(石墨层和第一传热体)和接收热管110的热的内侧(第二传热体)之间的温差从而产生高输出。

亦即，来自热源(排出气体)的热通过石墨层122和第一传热体124传递至第一块体128和第二块体130，并且来自热管110的热通过第二传热体126传递至第一块体128和第二块体130，因此，大大维持了热电元件120的外侧和内侧之间的温差。

此外，用于输出由热电元件120产生的电流的电极单元150设置在壳体140的下侧处。

电极单元150与热电元件120电连接从而使得由热电元件120产生的电流可以流动，并且尽管未示出，电极单元150包括用于传递来自热电元件120的电流输出的电极端子，DC-DC转换器等，该DC-DC转换器等被构造为一种装置，该装置用于转化通过热电发电来自热电元件的电流输出从而用在车辆的电场加载中。

同样地，在本发明中，通过使用块体128和130和传热体124和126的形状以固体对固体接触的形式构造热电元件120，该热电元件120作为无基材结构，而无需利用结合在基材上的分离结合(焊接)材料或工艺，由此使得高温区域(例如由于用在现有基材中的焊接材料的耐热特征而不能使用的发动机废热)中的热电发电成为可能。

此外，在热电发电的情况下，通常地，当产生界面(例如热电元件的基材)时，会产生热损失并因此使传热效率降低。在本发明中，因为结构无需基材，由于热电元件120通过传热体126直接附接至作为换热器的热管110，并且排出气体通过换热体124直接传递至块体128和130，因此传热效率得以大大增加。

此外，当热电元件120安装在柴油发动机催化器单元的前端时，由于可以始终供应高温热源，从而能够实现更高的输出。

同时，在通过修改热电元件120以消除传热体124和126以及块体128和230之间的角度α从而构造平面状热电元件的情况下，通过焊接或钎焊工艺将热电元件结合在平面状热管的表面上从而构造热电套筒，由此，除了发动机单元之外，能够在车辆的低温区域中实现热电发电。

已经参考本发明的实施例详细描述本发明。然而，本领域技术人员将理解可以在这些实施例中做出改变而不偏离本发明的原理和精神，本发明的范围在所附权利要求及其等价实施例中限定。

Claims (6)

1.一种利用发动机废热的热电发电设备，包括：

热电元件，其由具有导热性的片状石墨层构成；

多个第一传热体，其以预定间隔结合至所述石墨层的表面并且具有导热性和导电性；

多个第二传热体，其以预定间隔设置在所述第一传热体之间并且具有导热性和导电性；和

P-型热电材料的第一块体，这些第一块体与第二块体交替地布置在所述第一传热体和所述第二传热体之间，N-型热电材料的这些第二块体与所述第一块体交替地布置在所述第一传热体和所述第二传热体之间；

其中所述第一块体和所述第二块体的至少一者以线接触的形式与邻近的传热体的倾斜部分结合从而在其一侧边缘处与所述邻近的传热体的倾斜部分形成角度，并且当所述石墨层弯曲时所述第一块体或所述第二块体的所述至少一者与所述邻近的传热体的倾斜部分形成表面接触。

2.根据权利要求1所述的热电发电设备，其中所述第一传热体和所述第二传热体各自具有梯形横截面，并且所述第一块体和所述第二块体各自具有平行四边形横截面，其中通过改变和控制所述邻近的传热体的倾斜部分的斜率和彼此邻近的所述第一和第二块体从而控制所述第一块体或所述第二块体的所述至少一者和所述相邻的传热体的倾斜部分之间的角度。

3.根据权利要求1所述的热电发电设备，其中所述热电元件附接至热管的待围绕的一端从而增加传热效率。

4.根据权利要求3所述的热电发电设备，其中壳体接收热电套筒，每个热电套筒包括所述热电元件和所述热管，并且所述壳体被分成沿着所述热电套筒的长度方向位于上端处的压缩部分和位于下端处的蒸发部分，

其中在所述蒸发部分中，形成用于使排出气体流入和排出的排出气体入口和排出气体出口，从而使得所述排出气体流动至围绕所述热管的一端的热电元件，并且在所述压缩部分中，形成用于使发动机冷却剂流入和排出的冷却剂入口和冷却剂出口，从而使得所述发动机冷却剂流动至所述热管的另一端。

5.根据权利要求3所述的热电发电设备，其中所述热管为杆状换热器，在所述杆状换热器中工作流体以真空状态密封在管部分中，并且所述工作流体使用选自汞、钠、锂和银的任一种材料或两种或多种材料的混合物。

6.根据权利要求5所述的热电发电设备，其中所述管部分由不锈钢材料制成。