UA19090U

UA19090U - Thermoelectric generator for a motor car

Info

Publication number: UA19090U
Application number: UAA200607268U
Authority: UA
Inventors: Vilius Yaroslavo Mykhailovskyi; Liubov Tymofiivna Strutynska
Original assignee: Inst Thermal Electricity
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2006-12-15

Abstract

The proposed thermoelectric generator for a motor car is designed for converting the heat energy of the exhaust gases of the motor car into electric power. The generator contains a thermoelectric battery, elements for supplying heat to the battery and discharging heat from the battery, and a control valve for controlling flow rate of exhaust gases. The thermoelectric battery consists of a liquid-cooled section and an air-cooled section.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель відноситься до області енергетики, зокрема, до термоелектричних генераторів електричної 2 енергії, Її може використовуватися для перетворення теплової енергії, яка виділяється автомобільним двигуном, в електричну.The useful model refers to the field of energy, in particular, to thermoelectric generators of electrical 2 energy. It can be used to convert thermal energy, which is released by a car engine, into electrical energy.

Відомий термоелектричний генератор для автомобіля |1)|), який складається з великої кількості термоелементів, розташованих на вихлопній трубі. Для розташування великої кількості термоелементів вона має розгалуження на декілька труб меншого діаметра, на кожній з яких і розміщено ряд термоелементів, таким 70 чином, що їхні гарячі спаї знаходяться в потоці гарячих газів, які рухаються у внутрішньому об'ємі розгалужених труб, а холодні спаї мають тепловий контакт зі стінками розгалуженого трубопроводу (охолоджуючий трубопровід). Недоліком такого генератора є нерівномірність температури гарячих спаїв термоелементів, розташованих поздовж руху гарячих газів у розгалужених трубах, а також залежність величини електричної потужності та напруги від режиму роботи двигуна і руху автомобіля. 19 Відомий також термоелектричний генератор |2), який складається з ряду термоелементів, розташованих послідовно на поверхні вихлопної труби. Висота термоелементів, що розташовані вздовж руху гарячих газів, зменшується. Цим досягається стабільність теплового потоку, що проходить Через ці термоелементи. Величина генерованої потужності такого генератора також суттєво залежить від режиму руху автомобіля та величини його навантаження.A known thermoelectric generator for a car |1)|), which consists of a large number of thermoelements located on the exhaust pipe. To accommodate a large number of thermocouples, it branches into several tubes of smaller diameter, on each of which a number of thermocouples are placed, in such a way that their hot junctions are in the flow of hot gases moving in the inner volume of the branched tubes, and the cold junctions are have thermal contact with the walls of the branched pipeline (cooling pipeline). The disadvantage of such a generator is the non-uniformity of the temperature of the hot junctions of the thermocouples located along the movement of hot gases in the branched pipes, as well as the dependence of the amount of electric power and voltage on the mode of operation of the engine and the movement of the car. 19 A thermoelectric generator |2) is also known, which consists of a number of thermoelements located in series on the surface of the exhaust pipe. The height of thermoelements located along the movement of hot gases decreases. This achieves the stability of the heat flow passing through these thermoelements. The magnitude of the generated power of such a generator also significantly depends on the vehicle's driving mode and its load.

Відомий пристрій для повторного використання енергії вихлопного газу двигуна, який містить термоелектричний генератор, утилізатор теплової енергії та клапан |З) При малих навантаженнях двигуна більша частина вихлопних газів направляється за допомогою клапана на утилізатор тепла, а при зростанні навантаження вихлопні гази направляються на термоелектричний генератор. Внаслідок різниці температур між гарячим спаєм, який нагрівається вихлопними газами та холодним спаєм, що охолоджується повітряним 22 радіатором, термоєлектричний генератор генерує електричний струм. В такому пристрої частина теплової -о енергії вихлопних газів не перетворюється в електричну енергію, а надходить до утилізатора. Утилізоване тепло повертається в систему охолодження двигуна, чим збільшує витрати електричної енергії для живлення вентилятора охолодження. Величина генерованої електричної енергії також залежить від режиму роботи двигуна. оA known device for reusing the energy of the exhaust gas of the engine, which contains a thermoelectric generator, a heat energy utilizer and a valve |C) At low engine loads, most of the exhaust gases are directed by the valve to the heat utilizer, and when the load increases, the exhaust gases are directed to the thermoelectric generator. As a result of the temperature difference between the hot junction, which is heated by the exhaust gases, and the cold junction, which is cooled by the air 22 radiator, the thermoelectric generator generates an electric current. In such a device, part of the thermal energy of the exhaust gases is not converted into electrical energy, but goes to the recycler. Recycled heat is returned to the engine cooling system, which increases the cost of electrical energy to power the cooling fan. The amount of generated electrical energy also depends on the mode of operation of the engine. at

Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є термоелектричний генератор, який нагрівається Ге»! гарячими газами, а охолоджується теплоносієм, що циркулює в системі охолодження двигуна (4). Цей пристрій розташований на розгалуженні від вихлопної труби. Надходження гарячих газів до термогенератора регулюється о клапаном в залежності від режиму роботи двигуна. В будь-якому режимі роботи через термогенератор Ф проходить тільки частина вихлопних газів автомобіля, тобто теплова енергія газів використовується не повністю, а величина електричної потужності, як і в попередніх випадках, також залежить від навантаження -- двигуна.The closest to the proposed useful model is a thermoelectric generator, which is heated by Ge»! hot gases, and is cooled by the coolant circulating in the engine cooling system (4). This device is located on the branch from the exhaust pipe. The flow of hot gases to the thermogenerator is regulated by a valve depending on the engine operating mode. In any mode of operation, only a part of the car's exhaust gases passes through the thermogenerator F, that is, the thermal energy of the gases is not fully used, and the amount of electric power, as in the previous cases, also depends on the load - the engine.

Тому актуальним є завдання створення ефективного термогенератора, в якому максимально використовується енергія вихлопних газів при різних режимах роботи двигуна автомобіля. «Therefore, the task of creating an effective heat generator that makes maximum use of the energy of exhaust gases in different operating modes of the car engine is urgent. "

Вказане завдання розв'язується тим, що термоелектричний генератор для перетворення теплової енергії З 70 вихлопних газів автомобіля в електричну на основі термоєлектричних модулів, систем підведення та відведення с тепла від термоелектричної батареї, клапана для регулювання швидкості потоку вихлопних газів містить двіThis task is solved by the fact that the thermoelectric generator for converting thermal energy from 70 car exhaust gases into electrical energy based on thermoelectric modules, heat supply and removal systems from a thermoelectric battery, a valve for regulating the flow rate of exhaust gases contains two

Із» окремі секції, одна з яких на початку вихлопної труби має рідинне охолодження, друга - яка розташована послідовно до першої - має повітряне охолодження.From" separate sections, one of which at the beginning of the exhaust pipe has liquid cooling, the second - which is located in series with the first - has air cooling.

Відповідність критерію новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. - У корисній моделі запропоновано нове рішення для автомобільних термоелектричних генераторів для (се) перетворення теплової енергії вихлопних газів автомобіля в електричну на основі термоелектричних модулів, систем підведення та відведення тепла від термоелектричної батареї, клапана для регулювання швидкості о потоку вихлопних газів, яке полягає в тому, що термогенератор містить дві окремі секції, одна з яких на (Те) 20 початку вихлопної труби має рідинне охолодження, друга - яка розташована послідовно до першої - має повітряне охолодження. с Тому ознака, яка не зустрічається ні в одному з аналогів - містить дві окремі секції, одна з яких на початку вихлопної труби має рідинне охолодження, друга - яка розташована послідовно до першої - має повітряне охолодження - забезпечує заявленому пристрою необхідний ,винахідницький рівень". 29 Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, с його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного напрямку.The conformity of the "novelty" criterion to the proposed device is ensured by the fact that the declared set of features is not contained in any of the objects of the existing state of the art. - In a useful model, a new solution for automotive thermoelectric generators is proposed for (se) conversion of the thermal energy of car exhaust gases into electrical energy on the basis of thermoelectric modules, systems for supplying and removing heat from a thermoelectric battery, a valve for regulating the speed of the flow of exhaust gases, which consists in the fact that the thermogenerator contains two separate sections, one of which at the (Te) 20 beginning of the exhaust pipe has liquid cooling, the second - which is located in series with the first - has air cooling. Therefore, a feature that is not found in any of the analogues - contains two separate sections, one of which at the beginning of the exhaust pipe has liquid cooling, the second - which is located in series with the first - has air cooling - provides the claimed device with the necessary inventors what level". 29 The industrial use of the proposed useful model does not require special technologies and materials, and its implementation is possible at existing instrument-making enterprises.

Суть корисної моделі представлена на наступних рисунках. На Фіг.1 наведена схему запропонованого термогенератора; на Фіг.2 наведена конструкція першої секції термогенератора; на Фіг.3 - поперечний переріз першої секції термогенератора; на Фіг.4 - конструкція другої секції термогенератор; на Фіг.5 - поперечний 60 переріз другої секції термогенератора.The essence of a useful model is presented in the following figures. Figure 1 shows the scheme of the proposed thermal generator; Fig. 2 shows the design of the first section of the thermogenerator; Fig. 3 is a cross-section of the first section of the thermogenerator; in Fig. 4 - the design of the second section of the thermogenerator; Fig. 5 is a cross-section 60 of the second section of the thermogenerator.

Термогенератор, наведений на Фіг.1, містить секцію 1, яка має водяне охолодження, послідовно до неї розташована секція 2 з повітряним охолодженням. Вихлопна труба, на якій розташовані секції, має розгалуження перед першою секцією, в якому розташований клапан 3, який з'єднаний з електронним блоком 4. Електронний блок 4 керує роботою клапана З в залежності від режиму роботи двигуна 5 та датчика температури 6. Перша та бо друга секції термогенератора з'єднані зі споживачем електричної енергії 7.The thermogenerator shown in Fig. 1 contains section 1, which has water cooling, and section 2 with air cooling is located in series with it. The exhaust pipe on which the sections are located has a branch in front of the first section, in which the valve 3 is located, which is connected to the electronic unit 4. The electronic unit 4 controls the operation of the valve C depending on the operating mode of the engine 5 and the temperature sensor 6. The first and because the second section of the thermogenerator is connected to the consumer of electrical energy 7.

Перша секція термогенератора (Фіг.2) містить радіатор 8, що являє собою прямокутну трубу, внутрішня поверхня труби має ребра 9, які утворюють поздовжні канали для проходження гарячих газів. На зовнішній поверхні труби 8 розташовані термоелектричні модулі 10. Холодна сторона кожного модуля має тепловийThe first section of the thermogenerator (Fig. 2) contains a radiator 8, which is a rectangular pipe, the inner surface of the pipe has ribs 9, which form longitudinal channels for the passage of hot gases. Thermoelectric modules 10 are located on the outer surface of pipe 8. The cold side of each module has a thermal one

Контакт з індивідуальним рідинним теплообмінником 11, який має вигляд пластини, в тілі якої зроблені канали для проходження рідини. Теплообмінники мають вхідні та вихідні патрубки і з'єднані в один рідинний контур, який під'єднаний до загальної рідинної системи охолодження двигуна.Contact with an individual liquid heat exchanger 11, which has the form of a plate, in the body of which channels are made for the passage of liquid. The heat exchangers have inlet and outlet pipes and are connected in one liquid circuit, which is connected to the general liquid engine cooling system.

Тепловий контакт між теплообмінними поверхнями гарячого радіатора, термоелектричних модулів і рідинних теплообмінників створюється за допомогою пружної пластини 12 та притискної пластини 13. 70 Друга секція термогенератора містить гарячий радіатор 8, який має ребра 9 для відбору тепла від гарячих газів. На зовнішній поверхні радіатора 8 другої секції розташовані термоелектричні модулі 10, кожна пара яких має тепловий контакт з повітряним радіатором 4 для відведення тепла від термоелектричних модулів. Ребра 15 радіатора для відведення тепла орієнтовані паралельно поздовжньої осі автомобіля.Thermal contact between the heat exchange surfaces of the hot radiator, thermoelectric modules and fluid heat exchangers is created with the help of an elastic plate 12 and a pressure plate 13. 70 The second section of the heat generator contains a hot radiator 8, which has fins 9 for removing heat from hot gases. Thermoelectric modules 10 are located on the outer surface of the radiator 8 of the second section, each pair of which has thermal contact with the air radiator 4 to remove heat from the thermoelectric modules. Ribs 15 of the radiator for heat removal are oriented parallel to the longitudinal axis of the car.

В каналах радіатора 8 другої секції, перпендикулярно до напрямку руху гарячих газів, почергово на верхній ув та нижній поверхнях встановлені перегородки, які мають висоту 2/3 висоти прямокутної труби. Зовнішні поверхні гарячого радіатора, з яких може втрачатись тепло, закриті теплоізоляцією 17.In the channels of the radiator 8 of the second section, perpendicular to the direction of movement of hot gases, partitions are installed alternately on the upper and lower surfaces, the height of which is 2/3 of the height of the rectangular pipe. The outer surfaces of the hot radiator, from which heat can be lost, are covered with thermal insulation 17.

Працює термогенератор наступним чином. Гарячі вихлопні гази, які виходять з випускного колектора двигуна 5, надходять до газорозподільного клапана 3, через який частина газів надходить до секції 1 генератора, а інша - у розгалуження від вихлопної труби (величини потоків регулюються в залежності від режиму роботи 2о двигуна та температури газів на вході в першу секцію). Теплова енергія від гарячих газів, що надійшли у секцію 1, відводиться радіатором 8 і надходить до термоелектричних модулів 10 першої секції. Частина тепла, що проходить через модулі, перетворюється в електричну енергію, а інша відводиться теплообмінниками 11, в яких циркулює рідкий теплоносій з системи охолодження двигуна автомобіля.The thermal generator works as follows. The hot exhaust gases coming out of the exhaust manifold of the engine 5 go to the gas distribution valve 3, through which part of the gases goes to the section 1 of the generator, and the other goes to the branch from the exhaust pipe (flow values are regulated depending on the operating mode of the engine and the temperature of the gases at the entrance to the first section). Thermal energy from the hot gases entering section 1 is removed by the radiator 8 and enters the thermoelectric modules 10 of the first section. Part of the heat passing through the modules is converted into electrical energy, and the rest is removed by heat exchangers 11, in which the liquid coolant from the car engine cooling system circulates.

Внаслідок різниці температур між гарячою та холодною сторонами модулів 10 термобатарея генерує електричний струм, який направляється до споживача 7 (Фіг.1).As a result of the temperature difference between the hot and cold sides of the modules 10, the thermal battery generates an electric current, which is sent to the consumer 7 (Fig. 1).

Гарячі гази, які віддали частину теплової енергії у першій секції, надходять по вихлопній трубі до другої т секції, де частина їх теплової енергії знову перетворюється в електричну за допомогою термоелектричних модулів другої секції. Теплова енергія, яка пройшла через модулі і не перетворилась в електричну енергію, відводиться від термоелектричних модулів в оточуюче середовище за допомогою повітряних радіаторів 14. оThe hot gases, which gave off part of the thermal energy in the first section, flow through the exhaust pipe to the second section, where part of their thermal energy is again converted into electrical energy with the help of thermoelectric modules of the second section. The thermal energy that passed through the modules and did not turn into electrical energy is removed from the thermoelectric modules to the environment using air radiators 14. o

З0 Швидкість вихлопних газів, які проходять через другу секцію, суттєво зменшується внаслідок зміни напрямку їх руху через почергово встановлені перегородки 16, тобто секція 2 одночасно виконує функцію глушника Ме автомобіля. оЗ0 The speed of exhaust gases that pass through the second section is significantly reduced due to the change in the direction of their movement through the alternately installed partitions 16, that is, section 2 simultaneously performs the function of the car muffler. at

Таким чином, запропонована двохсекційна конструкція термогенератора дозволяє ефективно відводити тепло від вихлопних газів автомобіля шляхом регулювання швидкості надходження потоку газів до кожної секції (22) з5 та перетворювати частину цього тепла в електричну енергію. При малих оборотах двигуна та на холостому ходу - де основна частина вихлопних газів надходить до першої секції, після виходу з першої секції теплова енергія вихлопних газів додатково відводиться у другій секції. При збільшенні обертів двигуна і (або) підвищенні температури на вході першої секції частина вихлопних газів через трубу розгалуження надходить безпосередньо до другої секції, що дозволяє підтримувати температуру гарячого радіатора обох секцій, а, відповідно, і « електричну потужність ТЕГ, яка генерується, на заданому рівні. з с Застосування запропонованого термоелектричного генератора дозволяє отримувати електричну потужність біля 120-150Вт, яка співрозмірна з потужністю стандартних автомобільних генераторів. При цьому надійність ;» запропонованого термогенератора суттєво перевищує надійність традиційних автомобільних генераторів.Thus, the proposed two-section design of the heat generator allows you to effectively remove heat from the exhaust gases of the car by adjusting the speed of the flow of gases to each section (22) from 5 and converting part of this heat into electrical energy. At low engine speeds and idling - where the main part of the exhaust gases enters the first section, after leaving the first section, the thermal energy of the exhaust gases is additionally removed in the second section. When the engine revolutions increase and (or) the temperature at the entrance of the first section increases, a part of the exhaust gases through the branch pipe goes directly to the second section, which allows you to maintain the temperature of the hot radiator of both sections, and, accordingly, the "electric power of the TEG, which is generated, at the given levels The application of the proposed thermoelectric generator allows to obtain an electric power of about 120-150 W, which is commensurate with the power of standard automobile generators. At the same time, reliability;" of the proposed thermal generator significantly exceeds the reliability of traditional automobile generators.

Література 1. Пат. УР 7012009. МКИ РгРО205/02; РО1М5/02;. НОТІ 35/22; НОТІ 35/28; НО2М11/00.. Тнегтоеїесігіс депегайг ог - мепісіе / Тегада Задапйіго (ОР). - Опубл.17.01.1995. 2. Пат. УР 6038560. МКИ НО2МЗ3/00. Сепегайог ог ехпацзі дав. / Тайспі Ніюзні (ОР). - Опубл.10.02.1994. ік З. Пат. УР 2003314366. МКИ РГО205/04; БО1Р7/16; РО5050/02. Епдіпе ехпацйзі даз геизе аррагайшв. / Такаді о Мазгазвнпі (ОР). - Опубл.0о6.11.2003. 4. Пат. УР. 2004/0221577 А1. МКИ Г25821/02; РО201/04; РО1829/10.. Тнептоеїесігіс депегайіпд демісе. / Нігоо ік Уатадисні Мазшознпі Матапака (ОР) / - Опубл.11.11.2004.References 1. Pat. UR 7012009. MKY RgRO205/02; РО1М5/02;. NOTES 35/22; NOTES 35/28; НО2М11/00.. Tnegtoeyesigis depegayg og - mepisie / Tegada Zadapyigo (OR). - Published on January 17, 1995. 2. Pat. UR 6038560. MKY NO2MZ3/00. Sepegayog og ehpatzi dav. / Taispi Niyuzni (OR). - Published on February 10, 1994. ik Z. Pat. UR 2003314366. MKY RHO205/04; BO1P7/16; RO5050/02. Epdipe ekhpatsyzi daz geize arragaishv. / Takadi about Mazgazvnpi (OR). - Published on November 6, 2003. 4. Pat. Ur. 2004/0221577 A1. MKY G25821/02; RO201/04; RO1829/10.. Tneptoeyesigis depegayipd demise. / Nigoo ik Uatadisni Mazshoznpi Matapaka (OR) / - Publ. 11.11.2004.

Claims

The formula of the invention

1. A thermoelectric generator for converting the thermal energy of car exhaust gases into electrical energy based on thermoelectric modules, heat supply and removal systems from a thermoelectric battery, a valve for regulating the flow rate of exhaust gases, which is characterized by the fact that it contains two separate sections, one of which at the beginning of the exhaust pipe has liquid cooling, the second - which is located in series with the first - has air cooling.

2. Thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the exhaust pipe has a branch before entering the first section, which is connected to it again after the first section.

3. Thermoelectric generator according to claims 1 and 2, which is characterized by the fact that the valve for regulating the flow rate of exhaust gases is located in front of the first section in the branching chain of the exhaust pipe, connected where With the electronic unit that determines the level of opening of the valve for the intake of exhaust gases in each branch pipe.

4. The thermoelectric generator according to claim 1, which is characterized by the fact that the first section consists of a radiator for extracting heat from hot exhaust gases, which has the form of a rectangular tube, on the inner surface of which there are ribs that form longitudinal channels for the passage of exhaust gases, and on thermoelectric modules sealed in thin-walled stainless steel capsules are located on the outer surface of this radiator; each of the modules has an individual liquid radiator for heat removal, which has the form of a rectangular plate, in the body of which there are longitudinal channels for the flow of cooling liquid, the channels are connected by liquid collectors, one of which has a nozzle for the entrance, and the other - for the exit of the liquid; individual liquid radiators are connected to each other in one liquid circuit, which is connected to the engine cooling system. 70

5. Thermoelectric generator according to claim 1, which is characterized by the fact that the second section of the thermogenerator is simultaneously a car muffler.

6. The thermoelectric generator according to claims 1, 4 and 5, which is distinguished by the fact that its second section consists of a radiator, in the channels of which, perpendicular to the direction of gas movement, plate partitions are additionally installed alternately on the upper and lower planes of the rectangular pipe, the height of which is 2/ 3 pipe heights; 7/5 thermoelectric sealed modules located on the outer surface of the radiator of the second section; an air radiator for removing heat from the modules, which has the form of a plate, one surface of which has thermal contact with the cold side of the module, and the opposite surface has ribs oriented parallel to the longitudinal axis of the vehicle. z z "c) (o) "c) (o) є

- and? - se) («c) se) (42) 60 b5