TWI385302B - Engine waste heat recovery thermoelectric conversion system - Google Patents

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Description

引擎廢熱回收熱電轉換系統
本發明係提供一種引擎廢氣集熱發電之技術領域，尤指其技術上提供一種藉有多孔性金屬介質與導熱柱構成之集熱座，配合熱電晶片發電之引擎廢熱回收熱電轉換系統。
一般車輛之引擎25%用於車輛制動功率、35%為引擎冷卻水廢熱能、30%為排氣廢熱能、5%為磨差損失、5%為其他熱損失，可以知道僅有25%為完整運用於輸出之功率，卻有30%之燃料能量隨著排氣廢熱散逸到環境中，不僅是能源的浪費，更會對環境造成熱汙染，因此若能建構一引擎廢熱回收熱電轉換系統，將引擎所排放廢氣之廢熱回收發電，將對地球永續發展有很大的助益。
是以，針對上述習知結構所存在之問題點，如何開發一種更具理想實用性之創新結構，實消費者所殷切企盼，亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向。
有鑑於此，發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。
一般車輛之引擎排氣廢熱直接散逸到環境中，不僅是能源的浪費，更會對環境造成熱汙染，因此若能建構一引擎廢熱回收熱電轉換系統，將引擎所排放廢氣之廢熱回收發電，將對地球永續發展有很大的助益。
一種引擎廢熱回收熱電轉換系統，包括：一系統本體管道，該系統本體管道具有一進入端與一排放端，熱廢氣可經由該進入端進入該系統本體管道內；一集熱座，該集熱座設於該系統本體管道內之該進入端與該排放端間，並與該系統本體管道內表面相接觸，該集熱座可為傳統金屬鰭片(柱)陣列所構成，亦可以數導熱柱為支架，數該導熱柱之間空隙填充多孔性金屬介質所構成；一熱電轉換模組，該熱電轉換模組熱面端黏貼該系統本體管道對應於該集熱座之外表面；一散熱座，該散熱座設於該熱電轉換模組冷面端；藉此，熱廢氣經該集熱座而將熱經該系統本體管道而傳遞至該熱電轉換模組熱面端，並經該散熱座而將熱經該熱電轉換模組冷面端而傳遞至環境中，造成該熱電轉換模組熱面端與冷面端之高溫差而進行發電。
本發明利用集熱座將熱廢氣的熱能快速傳遞至熱電轉換模組熱面端，並利用散熱座將熱從熱電轉換模組冷面端能快速傳遞至環境中，使熱電轉換模組熱面端與冷面端溫差可以愈大，而使熱電轉換模組的發電效率愈佳。
有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於后，相信本發明上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。
參閱第一至第七圖所示，本發明係提供一種引擎廢熱回收熱電轉換系統，包括：一系統本體管道(10)，該系統本體管道(10)具有一進入端(11)與一排放端(12)，引擎(50)之熱廢氣可經由該進入端(11)進入該系統本體管道(10)內；一集熱座(20)，該集熱座(20)設於該系統本體管道(10)內之該進入端(11)與該排放端(12)間，並與該系統本體管道(10)內表面相接觸，該集熱座(20)可為傳統金屬鰭柱(23)或金屬鰭片陣列所構成，亦可以數導熱柱(21)為支架，數該導熱柱(21)之間空隙填充多孔性金屬介質(22)所構成；一熱電轉換模組(30)，該熱電轉換模組(30)熱面端(31)黏貼該系統本體管道(10)對應於該集熱座(20)之外表面；一散熱座(40)，該散熱座(40)設於該熱電轉換模組(30)冷面端(32)；藉此，熱廢氣經該集熱座(20)而將熱經該系統本體管道(10)而傳遞至該熱電轉換模組(30)熱面端(31)，並經該散熱座(40)而將熱經該熱電轉換模組(30)冷面端(32)而傳遞至環境中，造成該熱電轉換模組(30)熱面端(31)與冷面端(32)之高溫差而進行發電。
其中，該熱電轉換模組(30)可外接一外部負載或蓄電瓶(33)，將所發之電力儲存在該外部負載或蓄電瓶(33)上。
其中，該系統本體管道(10)之該進入端(11)處可設有一蜂巢式整流器(13)。
其中，上述所述多孔性金屬介質(22)可為開放式發泡鋁材、燒結銅粒或堆疊銅粒，開放式發泡鋁材與堆疊銅粒孔洞結構可參考第六及第七圖所示之顯微照片圖。
其中，該熱電轉換模組(30)可為數熱電晶片所構成。
其中，該散熱座(40)為數金屬鰭柱(41)或金屬鰭片陣列排列所構成。
本發明之引擎廢熱回收熱電轉換系統，當熱廢氣穿過集熱座時，有效使熱廢氣於複雜之結構中竄動，因此具有充分的時間進行熱交換，最後藉由導熱柱(21)將熱傳遞至表面主體，以達最佳之集熱功效。此外，本設計利用集熱座(20)之複雜結構，使引擎廢氣於多孔性介質結構間不斷迂迴流動及震盪，藉由這些震盪及碰撞，大幅抵消音波能量，因此可以同時擔負減低噪音之消音器功能，耑此，於排氣管中裝設此熱電轉換系統，可取代原來之消音系統，並不需要再加裝消音系統，也就不會額外增加排氣管內之背壓，對於引擎系統之運作均不會產生影響。
本發明之引擎廢熱回收熱電轉換系統，於導熱系統中，創新運用多孔性介質作為導熱之媒介，並搭配內部所建構之導熱柱(21)，其可有效將熱源吸收並傳達至熱電轉換模組(30)，以達到最佳之熱傳特性，此外，冷卻系統所架設之散熱柱亦符合車輛於行駛間與空氣產生大量之散熱機制，以大幅提升冷卻機制。最後藉由拉大溫差，將致電功率提升至最佳狀態。而本平台之發熱面均設計為方型，其主要為充分利用表面空間，可貼附較多片之熱電轉換模組(30)，以得到較佳之致電功率。而多孔性介質之複雜結構有大幅降低引擎所發出之噪音功效，因此，本系統除了可做廢熱回收系統外，亦可將降低引擎之噪音，亦可降低材料成本之支出。
其中，請參閱第五圖，本發明也可以加長系統本體管道(10)，並以串接方式將多個熱電轉換模組(30)連接起來，產生更大之功率，並將其產生之電力回充並加以運用，以達到具經濟效益之發電量。
其中，請參閱第四A至第四D圖，該集熱座(20)之導熱柱(21)可呈柱狀、片狀、穿孔式片狀及蛇形迂迴等四種類型，參閱第四E圖，該集熱座(20)亦可為傳統金屬鰭片(柱)陣列型式。
前文係針對本發明之較佳實施例為本發明之技術特徵進行具體之說明；惟，熟悉此項技術之人士當可在不脫離本發明之精神與原則下對本發明進行變更與修改，而該等變更與修改，皆應涵蓋於如下申請專利範圍所界定之範疇中。
(10)‧‧‧系統本體管道
(11)‧‧‧進入端
(12)‧‧‧排放端
(13)‧‧‧蜂巢式整流器
(20)‧‧‧集熱座
(21)‧‧‧導熱柱
(22)‧‧‧多孔性金屬介質
(23)‧‧‧金屬鰭柱
(30)‧‧‧熱電轉換模組
(31)‧‧‧熱面端
(32)‧‧‧冷面端
(33)‧‧‧蓄電瓶
(40)‧‧‧散熱座
(41)‧‧‧金屬鰭柱
(50)‧‧‧引擎
第一圖：本發明之剖面示意圖。
第二圖：本發明之立體剖面示意圖。
第三圖：本發明裝設於一引擎之示意圖。
第四A圖：本發明之集熱座之導熱柱呈柱狀示意圖。
第四B圖：本發明之集熱座之導熱柱呈片狀示意圖。
第四C圖：本發明之集熱座之導熱柱呈穿孔式片狀示意圖。
第四D圖：本發明之集熱座之導熱柱呈蛇形迂迴狀示意圖。
第四E圖：本發明之集熱座之導熱柱為金屬鰭片(柱)陣列型式示意圖。
第五圖：本發明加長系統本體管道之剖面示意圖。
第六圖：本發明使用之開放式發泡鋁材顯微照片圖。
第七圖：本發明使用之堆疊銅粒顯微照片圖。
(10)．．．系統本體管道
(11)．．．進入端
(12)．．．排放端
(13)．．．蜂巢式整流器
(20)．．．集熱座
(30)．．．熱電轉換模組
(31)．．．熱面端
(32)．．．冷面端
(33)．．．蓄電瓶
(40)．．．散熱座
(41)．．．金屬鰭柱

Claims (8)

  1. 一種引擎廢熱回收熱電轉換系統，包括：一系統本體管道，該系統本體管道具有一進入端與一排放端，熱廢氣可經由該進入端進入該系統本體管道內；一集熱座，該集熱座係以數導熱柱為支架，數該導熱柱之間空隙填充多孔性金屬介質所構成，該集熱座設於該系統本體管道內之該進入端與該排放端間，並與該系統本體管道內表面相接觸；一熱電轉換模組，該熱電轉換模組熱面端黏貼該系統本體管道對應於該集熱座之外表面；一散熱座，該散熱座設於該熱電轉換模組冷面端；藉此，熱廢氣經該集熱座而將熱經該系統本體管道而傳遞至該熱電轉換模組熱面端，並經該散熱座而將熱經該熱電轉換模組冷面端而傳遞至環境中，造成該熱電轉換模組熱面端與冷面端之高溫差而進行發電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之引擎廢熱回收熱電轉換系統，其中該集熱座之多孔性金屬介質可為開放式發泡鋁材。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之引擎廢熱回收熱電轉換系統，其中該集熱座之多孔性金屬介質可為燒結銅粒。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之引擎廢熱回收熱電 轉換系統，其中該集熱座之多孔性金屬介質可為堆疊銅粒。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之引擎廢熱回收熱電轉換系統，其中該熱電轉換模組可為數熱電晶片所構成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之引擎廢熱回收熱電轉換系統，其中該散熱座為數金屬鰭片或金屬鰭柱陣列排列所構成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之引擎廢熱回收熱電轉換系統，其中該系統本體管道之該進入端處可設有一蜂巢式整流器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之引擎廢熱回收熱電轉換系統，其中該熱電轉換模組可外接一蓄電瓶，將所發之電力儲存在該蓄電瓶上。
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