CN1793634A

CN1793634A - 热电发电机

Info

Publication number: CN1793634A
Application number: CNA2005101338302A
Authority: CN
Inventors: 山口浩生; 山中保利; 森连太郎; 稻冈宏弥
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2006-06-28
Also published as: JP2006177265A; US20060130888A1; EP1679480A1

Abstract

本发明提供了一种热电发电机(110)，包括：高温热源部(111)，设置在用于冷却发动机(10)的第一流体流过的第一通道(23)上；低温热源部(112)，设置在与具有低于第一流体的温度的第二流体流经的第二通道上；以及热电元件(113)，用于利用高温热源部(111)和低温热源部(112)之间的温差产生电功率。第一通道(23)包含在第一线路(20)中，其中发动机(10)和用于冷却第一流体的第一散热器(21)通过主通道连接成回路。并且，第一通道(23)与第一散热器(21)并排设置在第一线路(20)中。第二通道包含在与第一线路分开的第二线路(30)中，并且具有用于冷却第二流体的第二散热器(31)。

Description

热电发电机

技术领域

本发明涉及使用热电元件从发动机中产生的废热回收电能的热电发电机。

背景技术

已经知道使用热电元件从内燃机(以下称之为发动机)中产生的废热回收电能。例如，在日本未审专利出版物No.JP-A-10-238406中披露的发动机冷却水循环系统中，使用在冷却水线路中循环的冷却水回收电能，其中所述冷却水线路连接发动机和作为热电元件的高温热源部的第一散热器和由空气或水冷却的作为热电元件的低温热源部的第二散热器。并且，高温热源部由容器(tank)构成，并且连接至串联在冷却水线路中的第一散热器。

然而，在上述系统中，高温热源部提高了冷却水线路中的冷却水的阻力。因此，第一散热器中的冷却水的流速降低。这导致冷却性能变差。为了解决此问题，例如，要求增大第一散热器的大小，提高用于使冷却水在线路中循环的泵的容量。

在日本未审专利出版物No.JP-A-9-32636中披露的废热回收装置中，热量回收装置(热电元件)设置在主冷却水流过的主冷却水线路和辅冷却水流过的辅冷却水线路中，从而利用主冷却水和辅冷却水之间产生的温差回收电能。

在上述装置中，主冷却水线路包括设置在发动机本体上的冷却水套，并且具有用于使主冷却水在其中循环的第一冷却水泵。相反，辅冷却水线路与主冷却水线路分开设置，并且由作为闭合线路的一个元件的散热器构成。辅冷却水线路设置有水泵。根据发动机操作条件调整辅冷却水的循环速度，从而控制通过用于冷却发动机本体的热元件的主冷却水的温度。

由于主冷却水的温度由通过热电元件的辅冷却水的流速控制而被控制，所以要求热电元件提高此温度控制的导热系数。然而，如果提高导热系数，则难以充分保持热电元件表面上的温差。并且，这导致回收电能(即，产生电功率)的回收效率变差。相反，如果降低热电元件的导热系数，则要求提高散热器的容量和用于冷却发动机本体的辅冷却水线路的水泵的动力。

鉴于上述问题作出本发明，并且本发明的一个目的是提供一种能通过热电元件产生电功率同时充分保持冷却发动机的能力和抑制散热器中的冷却水的流速降低的热电发电机。

发明内容

根据本发明，热电发电机具有高温热源部、低温热源部和热电元件。高温热源部设置在用于冷却发动机的第一流体流过的第一通道上，以接收来自第一流体的热量。低温热源部设置在第二流体流过的第二通道上，用于接收来自第二流体的热量。第二通道与第一通道分开设置。第二流体具有低于第一流体的温度。热电元件设置在高温热源部和低温热源部之间，用于利用高温热源部和低温热源部之间的温差产生电功率。

第一通道包含在第一线路中。在第一线路中，发动机和用于冷却第一流体的第一散热器通过主通道连接成环状。并且，第二通道包含在与第一线路分开的第二线路中。第二线路具有用于冷却第二流体的第二散热器。

由于高温热源部与第一散热器并排设置在第一线路中，所以不可能通过高温热源部降低第一散热器中的第一流体的流速。因此，不要求增加第一散热器的尺寸，就可充分冷却第一流体，从而，以预定温度保持发动机。

并且，不必将来自高温热源部的第一流体的热量通过热电元件传递给低温热源部。因此，将热电元件的导热系数设定为低水平。并且，由于在第二线路中循环的第二流体通过第二散热器冷却，所以将低温热源部的温度保持在低水平。从而，通过热电元件有效产生电能，同时将高温热源部和低压热源部之间的温差维持在不变水平。

附图说明

根据以下参看附图作出的详细描述，本发明的其它目的、特性、和优点将变得显然，其中在附图中相同部分用相同附图标记表示，并且在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的热电发电机系统的示意性框图；

图2是根据本发明的此实施例的热电发电机系统的示意性框图，用于示出启动发动机时的发动机冷却水的流动。

图3是根据本发明的此实施例的热电发电机系统的示意性框图，用于示出低温启动发动机时的发动机冷却水的流动。

具体实施方式

下面将参看附图描述本发明的实施例。

参看图1，热电发电机系统100主要由热电发电机110和用于控制热电发电机110的操作的控制装置120构成。热电发电机系统100用在具有水冷却发动机10的机动车中，用于从发动机10的废热能回收电能。具体而言，在热电发电机110中，利用高温热源部111和低温热源部112之间的温差在热电元件113处产生电功率。

首先，将参看图1描述热电发电机系统100的基本构造。发动机10设置有发动机冷却水线路(第一线路)20。发动机冷却水线路20的主通道这样构成，使得经过发动机10的发动机冷却水(第一流体)利用水泵14从第一出口部11通过发动机冷却水散热器(以下称之为第一散热器)21循环到入口部13。这里，水泵14靠近入口部13设置，并且由发动机10驱动。

并且，发动机冷却水线路20设置有绕过第一散热器21的旁路通道22和温度调节器24。温度调节器24位于旁路通道22与主通道在第一散热器21的下游的位置相遇的交汇处。温度调节器24设置为调整与第一散热器21连通的主通道的发动机冷却水的流速和旁路通道22的发动机冷却水的流速。

具体而言，在发动机冷却水的温度等于或低于预定第一温度(例如，85℃)时，温度调节器24关闭主通道。在发动机冷却水的温度超过第一预定温度时，温度调节器24开始打开主通道。在发动机冷却水的温度等于或高于第二预定温度(例如，90℃)时，温度调节器24关闭旁路通道22，并且完全打开主通道。

并且，发动机冷却水线路20设置有与第一散热器21并排设置的平行通道(第一通道)23。具体而言，平行通道23在第一散热器21的上游位置从第一散热器21和旁路通道22之间的主通道分叉。平行通道23在温度调节器24和水泵14之间与主通道相遇。

在平行通道23的分叉点处设置有流速调整阀25。根据阀25的开口度调整到第一散热器21的发动机冷却水的流速和到平行通道23的发动机冷却水的流速。并且，开关阀26设置在平行通道23和主通道的交汇处。开关阀26切换通道，以便使从平行通道23流出的发动机冷却水和从温度调节器24流经主通道的发动机冷却水的至少之一流向发动机10。

并且，开关阀27设置在旁路通道22从发动机冷却水线路20的主通道分叉的分叉点处。开关阀27切换主通道和旁路通道22。流速调整阀25的开口度和开关阀26、27的切换操作由控制装置120控制。

并且，热电发电机系统100具有低温线路(第二线路，第二通道)30，其中低温冷却水(第二流体)通过所述低温线路循环。低温线路30与发动机冷却水线路20分离工作。在低温线路30上，设置有低温冷却水散热器(以下称之为第二散热器)31。并且，电泵32设置在低温线路30上，用于在使低温冷却水在其中循环。低温冷却水通过第二散热器31冷却，从而低温冷却水的温度保持为低于发动机冷却水线路20的发动机冷却水的温度。电泵32由控制装置120控制。

并且，发动机10设置有加热器热水线路40，其中发动机冷却水通过加热器热水线路40循环。加热器热水线路40从第二出口部12延伸，并且与发动机冷却水线路20的主通道在通过加热器芯41的水泵14的上游的位置处相遇。这里，加热器芯41是热交换器，用于使用发动机冷却水(热水)的热量加热用于空调系统的空气。

热电发电机110使用冷却水线路20的发动机冷却水和作为热源的低温侧线路30的低温冷却水。热电发电机110由高温热源部111、低温热源部112和热电元件113组成。

热电元件113(热电模块)113是利用塞贝克效应产生电功率和利用珀尔帖效应产生热量的已知元件。通过穿过金属电极串联地交替布置p型半导体和n型半导体构成热电元件113。

高温热源部111和低温热源部112的每个都设置为热交换器，并且由具有平坦形状的金属容器装置构成。并且，内散热片(inner fins)插入其中。高温热源部111和低温热源部112分别紧密连接至热电元件113的第一侧和第二侧。电绝缘体夹在热电元件113和高温热源部111之间以及热电元件113和低温热源部112之间，并且涂覆导热油脂，以减少接触热阻。可选地，热传递片状物夹在它们之间。

高温热源部111布置在平行通道23上，从而发动机冷却水线路20的发动机冷却水通过高温热源部111。类似地，低温侧热源部112布置在低温侧线路30上，从而低温侧线路30的低温冷却水通过低温热源部112。即，热电发电机110这样构造，使得热电元件113使用流经平行通道23的发动机冷却水和流经分别作为高温侧热源和低温侧热源的低温侧线路30的低温冷却水。

控制装置(控制器)120接收例如分别来自外部空气温度传感器S1和发动机冷却水传感器S2的外部空气温度信号和冷却水温度信号。并且，控制装置20接收热电发电机110的工作情况。控制装置20基于上述信息控制流速调整阀25和电泵32。

并且，控制装置120控制换流器(功率转换装置)130。具体而言，当电功率由热电元件113产生时，所产生的电功率通过换流器130储存在电池140中。并且，根据外部温度信号和冷却水温度信号，从电池140将电功率通过换流器130发送给热电元件113。这里，控制装置120、换流器130、和电池140提供电功率供应装置(电功率供应单元)。

接着，将参看图1至3描述上述构造的操作和有利效果。

1.在发动机10正常工作期间

在发动机10正常工作期间，当发动机冷却水电路20中的发动机冷却水的温度超过第一预定温度(例如，85℃)时，温度调节器24关闭旁路通道22，并且打开与第一散热器21连通的主通道。同时，这样控制开关阀26，使得来自温度调节器24的主通道和平行通道23与水泵14连通，如图1中所示。并且，控制开关阀27，以打开主通道，从而发动机冷却水流到第一散热器21。进而，操纵低温侧电路30的电泵32。

这样，在发动机冷却水线路20中，发动机冷却水分流到流经第一散热器21的主通道(图1中的实线箭头)和绕过第一散热器21返回主通道的平行通道23(图1中的虚线箭头)中。并且，发动机冷却水经过高温热源部111，且低温冷却水经过低温热源部112。

因此，发动机冷却水通过散热器21冷却，从而，将发动机10的温度保持在预定水平。并且，发动机冷却水和低温冷却水在热源部111、112之间产生不变温差。因此，热电元件113利用塞贝克效应产生电功率。同时，操纵换流器130，从而将产生的电功率储存在电池140中。

这里，根据发动机冷却水的温度控制流速调整阀25的开口度，从而控制待产生的电功率的量。即，在第一散热器21的冷却功率较大时，提高了到第一散热器21的流速。相反，在第一散热器21的冷却功率较小时，提高了到平行通道23的流速。从而，在启动发动机10时，提高了在热电元件113中产生的电功率的量。

在启动发动机10时，当来自外部空气温度传感器S1和发动机水温度传感器S2的温度信号均高于10℃时，温度调节器24打开旁路通道22，并且关闭来自第一散热器21的主通道。同时，控制开关阀26，以仅打开主通道，从而温度调节器24与水泵14连通，如图2中所示。并且，控制开关阀27，以打开旁路通道22。并且，停止低温侧线路30的电泵32。

因此，发动机冷却水仅流经旁路通道22(图2中的实线箭头)，从而预热发动机10。此操作相应于旁路通道22的正常升温操作。同时，在冷启动发动机10时，没有从热电元件113产生电功率。

在冷启动发动机10时，当来自外部空气温度传感器S1和发动机水温度传感器S2的温度信号等于或低于10℃时，温度调节器24打开旁路通道22，并且关闭来自散热器21的主通道。同时，如图3中所示，控制开关阀26，以仅打开平行通道23。并且，控制开关阀27，以打开主通道和关闭旁路通道22。并且，控制流速调整阀25的开口度，从而完全打开平行通道23，完全关闭到第一散热器21的主通道。控制换流器130，以将来自电池140的电功率引导到热电元件113。即，将电功率供给热电元件113。这里，停止低温侧线路30的电泵32。

这样，发动机冷却水线路20中的冷却水流经平行通道23和高温侧热源111，接着返回发动机10(图3中的虚线)。具体而言，在冷却水流经高温热源部111期间利用热电元件113的珀尔帖效应加热冷却水。因此，便于发动机10的升温。

因此，高温热源部111与散热器21并排布置在发动机冷却水线路20中。因此，高温热源部111不可能使得散热器21中的发动机冷却水的流速降低。并且，不要求增加第一散热器21的尺寸和水泵14的容量，就可利用第一散热器21充分冷却发动机冷却水。进而，将发动机10的温度保持在预定水平。

由于不必使来自高温热源部111的热量通过热电元件113传递到低温侧热源112，所以可将热电元件113的导热系数设定在低水平。并且，通过第二散热器31冷却低温侧线路30的低温冷却水。因此，将低温热源部112的温度不变地保持在低水平。据此，保持高温热源部111和低温热源部112之间的不变温差。因此，由热电元件113有效产生电功率。

在发动机10的正常操作期间，流速调整阀25根据第一散热器21要求的冷却功率(即，根据发动机冷却水的温度)调整到第一散热器21的发动机冷却水的流速和到平行通道23的流速。因此，通过有效使用发动机10的废热，通过热电元件113产生电功率。

并且，在发动机冷启动时，将电功率供给热电元件113，并且利用热电元件113的珀尔帖效应加热通过高温热源部111的冷却水。因此，便于发动机10的升温。据此，降低了摩擦损失，提高了排放特性。进而，提高了发动机10的燃料燃烧效率。

举例来说可对上述实施例作出如下修改。首先，如果在冷启动期间不要求利用热电元件113的珀尔帖效应对冷却水进行加热控制，所以可将平行通道23发动机冷却水险路20的主通道与交汇的位置改变到温度调节器24的上游位置。在此情形下，不需要开关阀26、27。(修改1)。

在上述修改1中，如果在正常操作期间不要求利用流速调整阀25对热电元件113的电功率产生进行控制，则可将到散热器21的流速和到平行通道23的流速固定到预定值。因此，不需要流速调整阀25。(修改2)。

本发明不限于上述实施例，可以其它方式实现本发明，而不偏离本发明的精神。

Claims

1.一种热电发电机(110)，用于从发动机(10)产生的废热回收电能，所述热电发电机(110)包括：

高温热源部(111)，设置在用于冷却发动机(10)的第一流体流过的第一通道(23)上，以从所述第一流体回收热量；

低温热源部(112)，设置在与第一通道(23)分开的第二通道上，用于从流经第二通道的第二流体回收热量，所述第二流体具有低于第一流体的温度；以及

热电元件(113)，位于高温热源部(111)和低温热源部(112)之间，用于利用高温热源部(111)和低温热源部(112)之间的温差产生电功率，其中

所述第一通道(23)包含在连接发动机(10)和第一散热器(21)的第一线路(20)中，其中所述第一散热器用于通过主通道冷却回路中的第一流体，

所述第一通道(23)与第一散热器(21)平行地设置在第一线路(20)中，以及

所述第二通道包含在与第一线路分开的第二线路(30)中，并且具有用于冷却第二流体的第二散热器(31)。

2.根据权利要求1所述的热电发电机(110)，进一步包括：

流速调整阀(25)，位于第一通道(23)从主通道分叉的位置处，用于调整到第一通道(23)的第一流体的流速和到散热器(21)的第一流体的流速。

3.根据权利要求2所述的热电发电机(110)，进一步包括：

控制装置(120)，用于控制流速调整阀(25)的开口度。

4.根据权利要求2或3所述的热电发电机(110)，其中根据第一流体的温度控制流速调整阀(25)。

5.根据权利要求1至3中任一所述的热电发电机(110)，进一步包括：

电功率供应装置(120，130，140)，用于供应电功率给热电元件(113)，从而加热流经第一通道(23)的第一流体。