CN113294938B - 一种温差电堆驱动的耦合热泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种温差电堆驱动的耦合热泵，属于能源与动力工程领域，其中，第一热泵与第二热泵之间共享同一冷却散热组件，第二热泵将热势能转化为电势能驱动第一热泵，且第一热泵与第二热泵之间耦合。本发明利用发动机排气和车辆来流冷空气的巨大热势，可在单个热电回路内产生可观热电势；本发明的耦合热泵，将大量低温节点并联，与高温节点组成等效热电回路可显著增加热电回路带负载能力；本发明的耦合热泵，将发动机冷却管路和散热鳍片纳入热电回路中，节省了金属材料，提高了可行性，本发明在尽可能不对发动机做过多改动的同时，利用发动机的排气余热发电，以驱动部分附件工作的耦合热泵，整体提高了发动机综合热效率。

Description

一种温差电堆驱动的耦合热泵

技术领域

本发明涉及能源与动力工程领域，特别是涉及一种温差电堆驱动的耦合热泵。

背景技术

经一百多年内燃机技术的积累，当前内燃机最高有效热效率已突破50％，但受限于材料性能，继续从内燃机燃烧过程本身提高热效率挑战极大，故有必要从内燃机能量损失的方面入手，提升其综合热效率。其中，冷却损失在内燃机总效率损失中占比较大，因此受到了工程技术人员的广泛关注。

当前，发动机冷却系统的散热过程不仅对发动机造成冷却损失，且其工作运行仍需要发动机直接或间接动力驱动，从而不利于发动机的高效动力输出。虽然就现有技术而言，必须对发动机进行冷却散热，但发动机相对于车辆来流冷空气存在巨大的热势能，充分利用这部分热势能对提升发动机综合热效率极为有利。

现有的利用排气余热进行温差发电的方案大多采用半导体温差发电片，该方案的发电效率较高，但温差发电片的高昂单位成本是限制该技术方案进行推广的主要障碍。且由于存在从热端向冷端的热传导，为维持发电效率，需对其冷端进行强制散热，增加了系统体积和质量，不适用于实际车辆。

赛贝克效应(即温差电效应)指出，将两根不同材质金属导线首尾相连成一回路，若两连接节点存在温差，则热势可直接转换为电势。但温差电效应存在下述问题：

1.热电回路需要两端节点温差较大才能产生可观的热电势。

2.单个热电回路所产生热电势较低。

3.回路所需金属材料如能直接利用发动机本体及其冷却系统中的某一部件则可降低装置的实施成本，提高普及性。

发明内容

本发明的目的是提供一种温差电堆驱动的耦合热泵，以解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种温差电堆驱动的耦合热泵，包括：

第一热泵，所述第一热泵为具有冷却散热组件的泵体结构；

第二热泵，所述第二热泵为基于塞贝克效应发电的泵体结构；

储能组件，用于将所述第二热泵的电力依次进行稳压、储能；

所述第一热泵与所述第二热泵之间共享同一所述冷却散热组件，所述第二热泵将热势能转化为电势能驱动所述第一热泵，且所述第一热泵与所述第二热泵之间耦合。

优选的，所述第一热泵和第二热泵工作在同一高低温热源。

优选的，所述第二热泵具有热电回路；

所述热电回路的吸热端设置为高温节点组件，所述高温节点组件布置在所述第一热泵的吸热端；

所述冷却散热组件包括材质不同的冷却管路以及散热鳍片，所述冷却管路与所述散热鳍片之间设置有若干相互接触的低温节点。

优选的，所述高温节点组件包括两个材质不同的第一部件和第二部件，所述第一部件与所述第二部件之间设置有若干相互接触的高温节点；

所述第一部件与所述散热鳍片材质相同的金属材料，所述第二部件与所述冷却管路材质相同的金属材料。

优选的，所述热电回路中产生的功率为：

其中：n为节点数量，△S为两种金属材料的赛贝克系数之差，△T_i为高温节点与低温节点的温差，R_i为高温节点与低温节点组成热电回路的等效阻抗，P为整个不带负载的热电回路的焦耳热功率。

优选的，所述冷却管路、第二部件均为钢制结构，所述散热鳍片、第一部件均为铝制结构。

优选的，所述冷却管路的任意部位上固定有钢端子，所述散热鳍片的任意部位上固定有铝端子；

所述第一部件的一侧固定有所述铝端子，所述第二部件的一侧固定有所述钢端子。

优选的，所述冷却管路上的钢端子与所述第二部件上的钢端子之间通过钢导线电性连接；

所述散热鳍片上的铝端子与所述第一部件上的铝端子之间通过铝导线电性连接。

优选的，所述储能组件由稳压模块及与所述稳压模块电性连接的蓄电池构成。

优选的，所述稳压模块为DC/DC稳压电路。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明利用发动机排气和车辆来流冷空气的巨大热势，可在单个热电回路内产生可观热电势。

(2)本发明的耦合热泵，将大量低温节点并联，与高温节点组成等效热电回路可显著增加热电回路带负载能力。

(3)本发明的耦合热泵，将发动机冷却管路和散热鳍片纳入热电回路中，节省了金属材料，提高了可行性。

(4)本发明在尽可能不对发动机做过多改动的同时，利用发动机的排气余热发电，以驱动部分附件工作的耦合热泵，整体提高了发动机综合热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明温差电堆驱动的耦合热泵的结构示意图；

图2为本发明冷却散热组件的结构示意图；

图3为图2中A的局部放大图；

图4为本发明第一部件及第二部件的结构示意图；

图5为本发明高温节点的结构示意图；

图6为本发明低温节点与高温节点连接关系示意图；

图7为本发明温差电堆驱动的耦合热泵的工作原理图；

其中，1为高温节点，2为第一低温节点，3为第二低温节点，4为第三低温节点，5为冷却管路，6为散热鳍片，7为铝端子，8为钢端子，9为第一部件，10为第二部件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-7，本实施例提供一种温差电堆驱动的耦合热泵，该热泵由两套互相耦合的子热泵构成，原理上包括低温节点组件(即放热端)、高温节点组件(即吸热端)、储能组件三个部分；

第一热泵，第一热泵为具有冷却散热组件的泵体结构，第一热泵是传统的以冷却水或热管为介质，采用鳍片散热的热泵，第一热泵由冷却管路5、散热鳍片6、循环水泵、散热风扇构成；

第二热泵，第二热泵为基于塞贝克效应发电的泵体结构，第二热泵是应用塞贝克效应的无工质热泵，第二热泵由冷却管路5、散热鳍片6、导线、高温节点组件构成热电回路；第二热泵采用大量低温节点(即放热端)与高温节点(即吸热端)组成温差电堆，以提高热电回路带负载能力；

储能组件，用于将第二热泵的电力依次进行稳压、储能；

第一热泵与第二热泵之间共享同一冷却散热组件，第二热泵将热势能转化为电势能驱动第一热泵，且第一热泵与第二热泵之间耦合。第一热泵与第二热泵工作时均从发动机处吸热，从水箱处放热。同时，第二热泵利用发动机相对于车辆来流空气的热势发电，就第二热泵的本质而言，其工作原理为受热势能驱动，产生电功率，类似于受热势能驱动而产生机械功率的热机，但从表观看来，其具有在高温源吸热，低温源放热的热泵工作特点，因此称其为热泵。

由于第一热泵为第二热泵提供物理结构，第二热泵为第一热泵提供驱动功率，二者处于高度耦合状态，故称其为耦合热泵，第一热泵的循环水泵、散热鳍片6(如冷却风扇)等电动附件由第二热泵温差发电驱动，且整个耦合热泵系统对外净输出电力，且第一热泵高低温热源温差与第二热泵所发电功率正相关。

进一步优化方案，第一热泵和第二热泵工作在同一高低温热源。

进一步优化方案，第二热泵具有热电回路，第一热泵的吸热端布置第二热泵的热电回路的高温节点(即吸热端)，第一热泵的冷却管路5(或热管)与散热鳍片6接合处为第二热泵的热电回路的低温节点(即放热端)。即第二热泵利用第一热泵的冷却管路5(或热管)与散热鳍片6的不同金属材料组成热电回路。

热电回路的吸热端设置为高温节点组件，高温节点组件布置在第一热泵的吸热端；

冷却散热组件包括材质不同的冷却管路5以及散热鳍片6，冷却管路5为框体结构，且其框体内连通若干条间隔顺序排列的冷却管，相邻的两条冷却管之间布置散热鳍片6，使得冷却管路5与散热鳍片6之间存在有若干相互接触的低温节点，第一热泵具有大量的散热鳍片6与冷却管路5(或热管)的焊点，可为第二热泵提供大量的低温节点。

进一步优化方案，高温节点组件包括两个材质不同的第一部件9和第二部件10，第一部件9及第二部件10均包括外圆金属环，外圆金属环内固定交错排布的金属肋，第一部件9及第二部件10的金属肋之间交错排布，且第一部件9与第二部件10的金属肋之间存在有若干相互接触的高温节点1；

第一部件9与散热鳍片6选用材质相同的金属材料，第二部件10与冷却管路5选用材质相同的金属材料。

进一步优化方案，图6及图7为本实施例的原理示意图。图6中为冷却管路5及其散热鳍片6。一般地，二者为不同金属材料，且优选冷却管路5材质为钢，散热鳍片6材质为铝。若再分别用钢导线和铝导线将其两端引出并可靠连接，则图中共存在4处钢-铝节点。将高温节点1布置于发动机排气管，则高温节点1相对于第一低温节点2、第二低温节点3、第三低温节点4存在较大温差，回路内将产生热电势热电回路中产生的功率为：

其中：n为节点数量，△S为两种金属材料的赛贝克系数之差，△Ti为高温节点1与i+1号节点的温差，Ri为高温节点1与i+1号节点组成热电回路的等效阻抗，P为整个不带负载的热电回路的焦耳热功率。显然，由上述公式可知，当n(即节点)足够多时，大量的热点回路并联将形成温差电堆，整个热电回路将提供产生可观的带负载功率。

进一步优化方案，冷却管路5、第二部件10均为钢制结构，散热鳍片6、第一部件9均为铝制结构。

进一步优化方案，冷却管路5的任意部位上固定有钢端子8，散热鳍片6的任意部位上固定有铝端子7；

第一部件9的一侧固定有铝端子7，第二部件10的一侧固定有钢端子8。

进一步优化方案，冷却管路5上的钢端子8与第二部件10上的钢端子8之间通过钢导线电性连接；

散热鳍片6上的铝端子7与第一部件9上的铝端子7之间通过铝导线电性连接。

进一步优化方案，储能组件由稳压模块及与稳压模块电性连接的蓄电池构成，优选的，稳压模块为DC/DC稳压电路，第二热泵所发电力经DC/DC稳压电路后储存至蓄电池中，再对第一热泵电动附件供电。本装置能将一部分发动机废热转换成电能驱动附件工作，同时，实施难度较低，有较好的可行性。

本实施例的耦合热泵的具体结构如图1-图5所示，该热泵的整体结构又分为低温节点组件、高温节点组件、储能部件，低温节点组件由钢质冷却管路5、铝质散热鳍片6及冷却水泵构成。冷却管路5与散热鳍片6连接处为低温节点。将铝制散热鳍片6并联，用一铝端子7引出作接线用。同理，可在冷却管路5任一处引出钢端子8作接线用。

进一步地，第一热泵由钢制冷却管路5、铝制散热鳍片6、冷却水泵构成，第二热泵由钢制冷却管路5、铝制散热鳍片6、钢制第二部件10、铝制第一部件9及相应的钢导线和铝导线构成。第一热泵与第二热泵共享钢制冷却管路5、铝制散热鳍片6结构，此为二者物理耦合。低温节点组件存在大量由所述钢质冷却管路5与铝质散热鳍片6连接的节点，将其并联可后整个热电回路将提供产生可观的带负载功率。

高温节点组件由钢制第二部件10及铝制第一部件9构成，二者以高频焊连接，以防止铝制第一部件9受热膨胀与钢制第二部件10连接失效。二者连接点为本实施例的高温节点(即吸热端)，高温节点组件布置于排气管内，即排气轴向流过该部件。高温节点组件可通过法兰或焊接方式连接于排气管路中，且应尽可能靠近发动机机体排气出口。

低温节点与高温节点之间通过钢、铝导线以钢对钢、铝对铝进行电气连接，形成闭合热电回路，将高温排气相对于车辆来流冷空气的热势转换为电势，储能部件为带DC/DC稳压功能的蓄电池(可以是汽车原有蓄电池)，热电回路所产生电力经DC/DC稳压电路稳压后输出至蓄电池，实现电力的储存及调峰。储能组件与所述低温节点组件的冷却水泵作电气连接，以驱动其工作。即第二热泵通过将发动机排气相对于车辆来流空气的热势直接转化为电势驱动第一热泵工作，此为二者功能耦合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种温差电堆驱动的耦合热泵，其特征在于，包括：

第一热泵，所述第一热泵为具有冷却散热组件的泵体结构；

第二热泵，所述第二热泵为基于塞贝克效应发电的泵体结构；

储能组件，用于将所述第二热泵的电力依次进行稳压、储能；

所述第一热泵与所述第二热泵之间共享同一所述冷却散热组件，所述第二热泵将热势能转化为电势能驱动所述第一热泵，且所述第一热泵与所述第二热泵之间耦合；

所述第二热泵具有热电回路；

所述热电回路的吸热端设置为高温节点组件，所述高温节点组件布置在所述第一热泵的吸热端；

所述冷却散热组件包括材质不同的冷却管路(5)以及散热鳍片(6)，所述冷却管路(5)与所述散热鳍片(6)之间设置有若干相互接触的低温节点；

所述高温节点组件包括两个材质不同的第一部件(9)和第二部件(10)，所述第一部件(9)与所述第二部件(10)之间设置有若干相互接触的高温节点(1)；

所述第一部件(9)与所述散热鳍片(6)材质相同的金属材料，所述第二部件(10)与所述冷却管路(5)材质相同的金属材料；

所述冷却管路(5)、第二部件(10)均为钢制结构，所述散热鳍片(6)、第一部件(9)均为铝制结构；

所述冷却管路(5)的任意部位上固定有钢端子(8)，所述散热鳍片(6)的任意部位上固定有铝端子(7)；

所述第一部件(9)的一侧固定有所述铝端子(7)，所述第二部件(10)的一侧固定有所述钢端子(8)；

所述冷却管路(5)上的钢端子(8)与所述第二部件(10)上的钢端子(8)之间通过钢导线电性连接；

所述散热鳍片(6)上的铝端子(7)与所述第一部件(9)上的铝端子(7)之间通过铝导线电性连接。

2.根据权利要求1所述的温差电堆驱动的耦合热泵，其特征在于：所述第一热泵和第二热泵工作在同一高低温热源。

3.根据权利要求1所述的温差电堆驱动的耦合热泵，其特征在于：所述热电回路中产生的功率为：

其中：n为节点数量，△S为两种金属材料的赛贝克系数之差，△T_i为高温节点(1)与低温节点的温差，R_i为高温节点(1)与低温节点组成热电回路的等效阻抗，P为整个不带负载的热电回路的焦耳热功率。

4.根据权利要求1所述的温差电堆驱动的耦合热泵，其特征在于：所述储能组件由稳压模块及与所述稳压模块电性连接的蓄电池构成。

5.根据权利要求4所述的温差电堆驱动的耦合热泵，其特征在于：所述稳压模块为DC/DC稳压电路。

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