CN106559010A - 一种发电模块及汽车排气装置能量回收系统 - Google Patents

Abstract

为克服现有技术中汽车排气装置能量回收系统对汽车尾气热量利用率低的问题，本发明提供了一种发电模块，包括温差发电半导体、散热片和供导热剂流通的导热管；所述散热片和导热管分别设置于所述温差发电半导体的两侧面，以在温差发电半导体的两侧形成温差。同时，本发明还公开了采用上述发电模块的汽车排气装置能量回收系统。本发明提供的发电模块利于提高对热量的利用率。

Description

一种发电模块及汽车排气装置能量回收系统

技术领域

本发明涉及一种发电模块以及采用该发电模块的汽车排气装置能量回收系统。

背景技术

随着社会的发展，汽车成为人们不可或缺的工具。汽车既给人们的生活带来了便利，也推动了社会经济的不断发展。但是，汽车普及率的提高增加了人们对能源，特别是石油和天然气的需求，从而进一步加速了全球能源危机。与此同时，汽车燃油中有大约40％的能量随尾气排出而浪费，并对环境造成了一定的污染。如果能将汽车尾气回收利用，既能提供解决能源危机的新途径，又可减少生产过程中的环境污染，具有极大的经济效益和社会效益。

采用温差发电技术可以有效解决上述问题。温差发电技术是基于温差发电半导体的可将热能直接转化为电能的热电效应，通过在热源和冷端之间合理选用和布置N型和P型热电臂，在热电偶两端产生电压和电流，并将电流引出即可利用。

现有技术中提供了一种汽车排气装置能量回收系统，包括排气管、冷却管、冷却剂供给单元以及多个热电发电单元。排气管接收来自热源的排气并且使排气沿规定方向流通，冷却管沿着排气管布置以使用于冷却排气管的冷却剂流通。冷却剂供给单元为冷却管供给冷却剂，所述多个热电发电单元沿排气流动的方向顺次安装在排气管和冷却管上。多个热电发电单元每个都对应于其高温端与低温端之间的温度差发电，高温端和低温端在对应部位分别安装在排气管和冷却管上，冷却剂供给单元供给冷却剂，使得排气和冷却剂分别沿相反的方向流通。

然而，上述汽车排气装置能量回收系统依然存在汽车尾气热量利用率低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中汽车排气装置能量回收系统对汽车尾气热量利用率低的问题，提供一种发电模块。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

提供一种发电模块，包括温差发电半导体、散热片和供导热剂流通的导热管；所述散热片和导热管分别设置于所述温差发电半导体的两侧面，以在温差发电半导体的两侧形成温差。

本发明提供的发电模块中，通过导热管内的导热剂吸收热量(例如汽车尾气的热量)，吸收热量后具有一定温度的导热剂通过导热管将热量传递给温差发电半导体。由于温差发电半导体另一侧具有散热片，通过散热片和导热管在温差发电半导体两侧产生温差，实现发电功能。

由于通过导热剂吸收热量，并沿导热管流通至温差发电半导体上，因此在使用时，发电模块的设置位置更加灵活，不受例如汽车排气装置等发热装置的结构限制，只需根据空间结构铺设可供导热剂流通的管道即可。同时，发电模块的设置数量也不受发热装置结构限制，可根据具体需要设置更多数量的发电模块，利于对热量充分利用。

并且，作为发电模块核心的温差发电半导体存在极限工作温度。现有技术中，在发热装置(例如汽车排气装置)中热量高于温差发电半导体的极限工作温度的区域(例如汽车排气装置前端高温段)，无法设置温差发电半导体进行发电，导致该区域的热量散失，无法得到有效利用。而本发明提供的发电模块可将温度过高区域的热量传递给导热剂，通过调节导热剂的流量可有效控制传递至温差发电半导体的导热剂温度，从而使发热装置的热量得到充分利用，大大提高了热量的利用率。

另外，上述发电模块中，由于可通过调节进入导热管的导热剂的温度，可实现对温差发电半导体两侧温差的控制，因此，上述发电模块中的散热结构可采用简单的散热片，成本大大降低。

进一步的，所述发电模块还包括与温差发电半导体并排设置的隔热层，所述导热管设置于温差发电半导体和隔热层之间。

通过设置隔热层，可更有效的保证导热管内导热剂的热量被温差发电半导体吸收，利于进一步提高热量的利用率。

进一步的，所述发电模块还包括与温差发电半导体并排设置的导热层，所述导热层设置于温差发电半导体和导热管之间。

通过设置上述导热层，可更均匀的将导热管内导热剂的热量更均匀的传递至温差发电半导体，使热量得到充分合理的利用，利于进一步提高热量的利用率。

进一步的，所述隔热层与导热层之间填充有导热填充物，所述导热填充物包裹所述导热管。

通过设置上述导热填充物利于更好的将导热管内导热剂的热量进行均匀扩散，利于进一步提高热量的利用率。

进一步的，所述导热管在温差发电半导体的一侧呈″S″形迂回分布。

进一步的，所述导热管的进液口和出液口分别位于所述发电模块相对的两端。

同时，本发明还提供了一种汽车排气装置能量回收系统，包括：热交换器、如前所述的发电模块和电流输出控制器；所述热交换器设置于汽车排气装置的排气管上，并与内部具有导热剂的流通管连接；所述热交换器吸收排气管内汽车尾气的热量，并传递给流通管内的导热剂；所述发电模块的导热管与所述流通管连通；所述发电模块吸收导热剂的热量，在温差发电半导体的两侧形成温差，产生电能；所述电流输出控制器与发电模块电连接，用于将发电模块产生的电能输出。

上述汽车排气装置能量回收系统中，通过热交换器吸收排气装置的排气管内汽车尾气的热量，然后将热量传递至流通管内的导热剂。吸收热量后的导热剂沿流通管进入导热管，将热量传递给发电模块的温差发电半导体进行发电。如前所述，上述汽车排气装置能量回收系统可根据汽车排气装置具体结构布置流通管管线，使发电模块的设置不受汽车排气装置具体结构限制。同时，可通过调节导热剂的流量实现导热剂温度的控制，从而充分利用排气管内汽车尾气的热量，提高能量利用率。

进一步的，所述热交换器包括内部中空的壳体；所述壳体与排气管固定连接，并且壳体内部与排气管连通；所述壳体内部设有冷却夹层，所述冷却夹层与所述导热管通过流通管连通，形成供导热剂循环流动的回路。

进一步的，所述壳体的相对的两端分别设有进气管和出气管；所述进气管的一端固定连接至排气管，并与排气管内部连通，进气管的另一端延伸至壳体的内部；所述出气管上朝向进气管的端部延伸至壳体的内，出气管上远离进气管的端部位于壳体外。

在上述结构下，通过进气管、壳体和出气管的配合，使热交换器具有一定的消声功能，提高汽车排气装置的消声效果。

进一步的，所述壳体内部固定有隔板；所述隔板所在平面与进气管轴向垂直，并且隔板中部具有通孔。

通过设置上述隔板，可对消声效果进行进一步调整和优化。

进一步的，所述隔板的边缘穿过冷却夹层固定于壳体内壁上；所述隔板上具有流通孔，所述流通孔位于冷却夹层内。

进一步的，所述进气管位于壳体外部的端部与热交换器一端的排气管法兰连接；所述出气管位于壳体外部的端部与热交换器另一端的排气管法兰连接。

进一步的，所述进气管位于壳体外部的端部与热交换器一端的排气管管卡连接；所述出气管位于壳体外部的端部与热交换器另一端的排气管管卡连接。

进一步的，所述汽车排气装置包括通过排气管依次连接的发动机、三元催化器、消声器；所述热交换器位于三元催化器和消声器之间，并与三元催化器和消声器连通。

进一步的，所述汽车排气装置能量回收系统包括多个发电模块，所述多个发电模块通过流通管相互并联设置。

进一步的，所述汽车排气装置能量回收系统还包括泵，所述泵设置于流通管上，用于驱动流通管内的导热剂流动。

进一步的，所述汽车排气装置能量回收系统还包括泵控制器和温度传感器；所述温度传感器设置于流通管上，用于探测流通管内导热剂的温度；所述泵控制器分别与泵和温度传感器连接，根据温度传感器获取的导热剂温度信息对泵进行控制。

附图说明

图1是本发明优选实施方式提供的发电模块的主视图；

图2是本发明优选实施方式提供的发电模块的左视图；

图3是本发明优选实施方式提供的汽车排气装置能量回收系统示意图；

图4是本发明优选实施方式提供的汽车排气装置能量回收系统中，热交换器第一种结构的截面示意图；

图5是图4中A-A向剖视图；

图6是本发明优选实施方式提供的汽车排气装置能量回收系统中，热交换器第二种结构的截面示意图；

图7是图4中B-B向剖视图；

图8是本发明另一种实施方式提供的汽车排气装置能量回收系统中，热交换器与排气管连接结构示意图；

图9是图8中C-C向剖视图。

说明书附图中的附图标记如下：

1、发电模块；11、温差发电半导体；12、导热管；121、进液口；122、出液口；13、散热片；14、隔热层；15、导热填充物；16、导热层；

2、热交换器；21、壳体；22、进气管；23、出气管；24、冷却夹层；241、导热剂入口；242、导热剂出口；25、进气管法兰；26、出气管法兰；27、隔板；271、流通孔；28、紧固带；281、翻边；29、包覆层；

3、流通管；

4、泵；41、泵控制器；42、温度传感器；

5、电流输出控制器；

6、三元催化器；

7、发动机；

8、消声器；

9、排气管。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语″长度″、″上″、″下″、″竖直″、″水平″、″顶″、″底″、″内″、″外″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。同时，本发明中，″上游″和″下游″为相对的位置概念，如有现有的，具体定义为：在流体流动方向上，″上游″位于″下游″前端，流体先流通″上游″，后流过″下游″。

在本发明的描述中，除非另有说明，″多个″的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″设置″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1和图2对本发明优选实施方式提供的发电模块1的结构进行进一步说明。

具体的，该发电模块1呈长方体状。作为发电模块1的核心功能材料，温差发电半导体11位于发电模块1的中间位置。在其用于感知高温的高温侧，依次叠置有导热层16、导热管12和隔热层14。其中，导热层16用于更均匀的将导热管12的热量传递至温差发电半导体11上，隔热层14用于在导热管12的一侧更好的对其进行保温，防止热量无效散发，提高热量的利用率。

在导热层16和隔热层14之间，导热管12呈″S″型往返迂回布置，以便能较均匀的将导热管12内导热剂的热量散发并传递至导热层16上。导热管12的进液口121和出液口122分别位于发电模块1相对的两端，使导热剂可从发电模块1一端经进液口121流入，然后从发电模块1的另一端从出液口122流出。

同时，在导热层16和隔热层14之间的导热管12之外的空隙部分填充有导热填充物15，以便更均匀的将导热管12内导热剂的热量传递至导热层16上。

温差发电半导体11上与高温侧相对的一侧为低温侧。散热片13设置于温差发电半导体11的低温侧，用于对该侧面进行散热。上述散热片13为常规的金属散热翅片，包括多个平行间隔设置的金属薄片(例如铜片)。

对于发电模块1而言，由于通过在导热管12内流动的导热剂传导热量，而流动的导热剂从热量源吸收热量，通过调整导热剂流量即可实现对导热剂温度的调整，从而实现温差发电半导体11高温侧的温度可调。在此前提下，在温差发电半导体11的低温侧采用常规的冷却结构(例如金属散热翅片)即可实现对温差发电半导体11两侧温差的控制。

如本领域技术人员所公知的，发电模块1上还具有用于将温差发电半导体11产生的电能引出的电极(图中未示出)等。

图3-图9示出了本发明优选实施方式提供的汽车排气装置能量回收系统的结构。

参见图3，如现有的汽车排气装置包括发动机7、三元催化器6和消声器8。发动机7、三元催化器6、消声器8通过排气管9依次连通，形成从发动机7经三元催化器6到消声器8的排气路径。

汽车排气装置能量回收系统包括发电模块1、热交换器2和电流输出控制器5。

发电模块1的结构具体如图1-图2以及前文所述。

热交换器2用于吸收上述排气途径中汽车尾气的热量，并将热量传递给导热剂，由导热剂将热量传递给发电模块1。

为实现导热剂吸收汽车尾气的热量，需实现汽车尾气与导热剂之间的热量交换。可以想到的，直接采用内部流通有导热剂的流通管3螺旋缠绕于排气管9上可在一定程度上实现热交换的目的。

为简化整体结构，提高能量利用率，如图4和图5所示，该热交换器2包括中空的圆柱体状壳体21。为避免汽车尾气热量的散失，该壳体21为隔热材料制成，可有效保证壳体21内部的温度。

圆柱体状壳体21周向内壁上具有冷却夹层24。冷却夹层24具体为外形呈圆筒状夹层。冷却夹层24内用于流通导热剂。为更好的实现壳体21内的汽车尾气与冷却夹层24内的导热剂之间的热交换，冷却夹层24选用导热系数高的材料。

冷却夹层24紧贴壳体21内壁的表面上具有向外穿过壳体21的导热剂入口241和导热剂出口242。从导热剂入口241经冷却夹层24到导热剂出口242的导热剂流动方向与上述排气途径方向相反，以便汽车尾气与冷却夹层24内的导热剂之间实现更高效的热交换。

圆柱体状壳体21的轴向两端分别固定有进气管22和出气管23。进气管22用于与热交换器2上游的排气管9连通，出气管23用于与热交换器2下游的排气管9连通，使热交换器2嵌入上述排气途径中。

进气管22和出气管23各自的一个端部均延伸至壳体21内，通过进气管22、出气管23和壳体21内部空腔的配合，使上述热交换器2同时具有一定的消声功能。具体消声效果可通过调节壳体21的内径以及进气管22、出气管23深入壳体21的长度进行调节。

具体参见图6和图7，为实现不同的消声效果，壳体21内部还可以沿壳体21的径向设置环形的隔板27，隔板27内部具有通孔，供汽车尾气通过。隔板27边缘可以直接固定于冷却夹层24内壁上，也可以穿过冷却夹层24固定于壳体21内壁上(如图6和图7所示结构)。若隔板27穿过冷却夹层24固定于壳体21内壁上，为保证冷却夹层24内导热剂的正常流通，隔板27上位于冷却夹层24内的部分开设有流通孔271。

热交换器2在上述排气途径中的具体设置位置可以调整，热交换器2可设置于排气途径上的三元催化器6之后(如图3所示)。如本领域技术人员可以想到的，热交换器2还可以设置于其他部位。然而，以设置于排气途径上的三元催化器6之后效果最优。

热交换器2通过进气管22与热交换器2上游的排气管9固定连通，或者如图3所示的，直接与三元催化器6固定连通。热交换器2通过出气管23与热交换器2下游的排气管9连通。

进气管22和上游的排气管9或三元催化器6固定连通的方式可以采用现有的各种结构，例如进气管22可通过法兰连接的方式与三元催化器6固定连通(如图4-图7)。此时进气管22上远离壳体21的端部具有进气管法兰25，对应的三元催化器6上朝向进气管22的端部也具有法兰，进气管法兰25与三元催化器6上的法兰相固定连接。同样的，出气管23上远离壳体21的端部具有出气管法兰26，出气管23通过出气管法兰26与其下游的排气管9法兰连接。

如图8和图9所示，作为另一种连接结构，进气管22可通过管卡连接的方式与三元催化器6固定连通，出气管23通过管卡连接与其下游的排气管9。

具体的，出气管23远离壳体21的端口与其下游的排气管9的端口正对，在上述两个端口正对的部位包覆有包覆层29。包覆层29上绕设有环状紧固带28，紧固带28两个相对的端头向外平行延伸形成两个相互平行的翻边281，两个翻边281通过螺栓紧固，从而实现紧固带28对包覆层29的紧密压合，通过包覆层29将出气管23端口和排气管9端口之间密封。

如图8所示，通常，包覆层29上设置有两个紧固带28，两个紧固带28分别设置于出气管23和排气管9上。

回到图3，该汽车排气装置能量回收系统包括多个发电模块1，每个发电模块1的进液口121和出液口122均分别通过流通管3连通至热交换器2的冷却夹层24的导热剂出口242和导热剂入口241。多个发电模块1之间呈并联设置。

连通管上还嵌入有用于驱动流通管3内导热剂流动的泵4。同时，在发电模块1进液口121上游的流通管3上嵌入有用于监测流通管3内导热剂温度的温度传感器42。温度传感器42和泵4均连接至泵控制器41。

并且，多个发电模块1各自独立的电连接至电流输出控制器5。

下面结合图3对该汽车排气装置能量回收系统的工作过程进行描述。

发动机7持续工作产生高温尾气，高温尾气通过排气管9经三元催化器6、热交换器2和消声器8排出。

泵4驱动流通管3内的导热剂持续从导热剂入口241进入冷却夹层24，在冷却夹层24内与热交换器2的壳体21内的高温尾气之间进行热交换，导热剂温度升高后从导热剂出口242流出冷却夹层24，经导热剂出口242和发电模块1的进液口121之间的流通管3进入发电模块1的导热管12内。此时，温差发电半导体11的两侧形成温差，温差发电半导体11产生电能并经电流输出控制器5输出。

从导热管12经出液口122流出的导热剂进入出液口122和导热剂入口241之间的流通管3，经过泵4的驱动作用再次经导热剂入口241进入冷却夹层24，进行循环工作。

在导热剂出口242和发电模块1的进液口121之间的流通管3上嵌入的温度传感器42持续监测进液口121上游的导热剂温度，并将导热剂温度信息持续反馈给泵控制器41，通过泵控制器41控制泵4的转速，实现对导热剂流量的控制，以保证发电模块1中温差发电半导体11两侧的温差处于相对较稳定的状态，保证发电的稳定性和效率。

上述汽车排气装置能量回收系统先通过导热剂吸收高温尾气的热量，在通过流通管3将热的导热剂输送至发电模块1进行发电。因此，发电模块1的数量不受汽车排气装置局部温度的限制，可根据实际需要布置合适数量的发电模块1。同时，发电模块1的布置也不受汽车排气装置局部结构的影响，只需铺设流通管3至可布置发电模块1的区域即可，一方面可布置更多的发电模块1，另一方面，可优化发电模块1的布置方式。另外，通过泵4对导热剂流量的控制，实现温差发电半导体11两侧温差的稳定，此时，对散热结构的要求大大降低，可采用常规的金属散热翅片即可，大大简化了结构，降低了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种发电模块，其特征在于，包括温差发电半导体(11)、散热片(13)和供导热剂流通的导热管(12)；

所述散热片(13)和导热管(12)分别设置于所述温差发电半导体(11)的两侧面，以在温差发电半导体(11)的两侧形成温差。

2.根据权利要求1所述的发电模块，其特征在于，所述发电模块还包括与温差发电半导体(11)并排设置的隔热层(14)，所述导热管(12)设置于温差发电半导体(11)和隔热层(14)之间。

3.根据权利要求2所述的发电模块，其特征在于，所述发电模块还包括与温差发电半导体(11)并排设置的导热层(16)，所述导热层(16)设置于温差发电半导体(11)和导热管(12)之间。

4.根据权利要求3所述的发电模块，其特征在于，所述隔热层(14)与导热层(16)之间填充有导热填充物(15)，所述导热填充物(15)包裹所述导热管(12)。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的发电模块，其特征在于，所述导热管(12)在温差发电半导体(11)的一侧呈“S”形迂回分布。

6.根据权利要求1所述的发电模块，其特征在于，所述导热管(12)的进液口(121)和出液口(122)分别位于所述发电模块(1)相对的两端。

7.一种汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，包括：热交换器(2)、如权利要求1-6中任意一项所述的发电模块(1)和电流输出控制器(5)；

所述热交换器(2)设置于汽车排气装置的排气管(9)上，并与内部具有导热剂的流通管(3)连接；所述热交换器(2)吸收排气管(9)内汽车尾气的热量，并传递给流通管(3)内的导热剂；

所述发电模块(1)的导热管(12)与所述流通管(3)连通；所述发电模块(1)吸收导热剂的热量，在温差发电半导体(11)的两侧形成温差，产生电能；

所述电流输出控制器(5)与发电模块(1)电连接，用于将发电模块(1)产生的电能输出。

8.根据权利要求7所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述热交换器(2)包括内部中空的壳体(21)；

所述壳体(21)与排气管(9)固定连接，并且壳体(21)内部与排气管(9)连通；

所述壳体(21)内部设有冷却夹层(24)，所述冷却夹层(24)与所述导热管(12)通过流通管(3)连通，形成供导热剂循环流动的回路。

9.根据权利要求8所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述壳体(21)的相对的两端分别设有进气管(22)和出气管(23)；

所述进气管(22)的一端固定连接至排气管(9)，并与排气管(9)内部连通，进气管(22)的另一端延伸至壳体(21)的内部；

所述出气管(23)上朝向进气管(22)的端部延伸至壳体(21)的内，出气管(23)上远离进气管(22)的端部位于壳体(21)外。

10.根据权利要求9所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述壳体(21)内部固定有隔板(27)；

所述隔板(27)所在平面与进气管(22)轴向垂直，并且隔板(27)中部具有通孔。

11.根据权利要求10所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述隔板(27)的边缘穿过冷却夹层(24)固定于壳体(21)内壁上；

所述隔板(27)上具有流通孔(271)，所述流通孔(271)位于冷却夹层(24)内。

12.根据权利要求9-11中任意一项所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述进气管(22)位于壳体(21)外部的端部与热交换器(2)一端的排气管(9)法兰连接；所述出气管(23)位于壳体(21)外部的端部与热交换器(2)另一端的排气管(9)法兰连接。

13.根据权利要求9-11中任意一项所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述进气管(22)位于壳体(21)外部的端部与热交换器(2)一端的排气管(9)管卡连接；所述出气管(23)位于壳体(21)外部的端部与热交换器(2)另一端的排气管(9)管卡连接。

14.根据权利要求8-11中任意一项所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述汽车排气装置包括通过排气管(9)依次连接的发动机(7)、三元催化器(6)、消声器(8)；

所述热交换器(2)位于三元催化器(6)和消声器(8)之间，并与三元催化器(6)和消声器(8)连通。

15.根据权利要求7-11中任意一项所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述汽车排气装置能量回收系统包括多个发电模块(1)，所述多个发电模块(1)通过流通管(3)相互并联设置。

16.根据权利要求7-11中任意一项所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述汽车排气装置能量回收系统还包括泵(4)，所述泵(4)设置于流通管(3)上，用于驱动流通管(3)内的导热剂流动。

17.根据权利要求16所述的汽车排气装置能量回收系统，其特征在于，所述汽车排气装置能量回收系统还包括泵控制器(41)和温度传感器(42)；

所述温度传感器(42)设置于流通管(3)上，用于探测流通管(3)内导热剂的温度；

所述泵控制器(41)分别与泵(4)和温度传感器(42)连接，根据温度传感器(42)获取的导热剂温度信息对泵(4)进行控制。