[發明專利]圓柱殼直板翅片式汽車排氣熱電發電裝置

有效

• 申請號: 201310597455.1
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN103644016A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 何勇靈;周岷峰
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01N5/02
• 分類號: F01N5/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明涉及熱電發電技術領域，屬于一種新型的發動機廢熱回收利用形式，具體是指一種圓柱殼直板翅片式汽車排氣熱電發電裝置。

背景技術

汽車工業在我國國民經濟中占了相當高的比重，進入21世紀以來汽車工業得到迅猛發展，相應的汽車所需要的能源也與日俱增,汽車節能技術的發展備受關注。目前，汽車發動機利用燃料燃燒產生的能量的轉換效率僅為40%左右，也就是說燃料中有超過60%的能量沒有得到有效利用，被排放到大氣中。而在這60%的能量中發動機排出的廢氣帶走了大約總能量的30%到45%的熱量，另外還有30%左右的能量用于冷卻，這些能量絕大部分都是以余熱的形式散發到了空氣中，不可避免的浪費了大量能源，造成了非常嚴重的空氣污染。熱電發電技術利用賽貝克效應，直接將熱能轉化為電能，具有無運動部件、無噪聲、無污染、工作可靠、使用壽命長等優點，已經廣泛應用于工業廢熱回收領域，而在發動機廢熱回收方面，熱電發電技術也被認為是有潛力替代傳統汽車發電機的一種新型技術手段。熱電發電系統既可以有效的回收發動機廢熱，減少能源浪費以及排放的有害物質，又可以通過外部電路將所轉換的電能儲存到車用蓄電池或其他儲能設備中，以供汽車電子設備使用，有效的提高了汽車的燃油利用率。

發明內容

本發明針對傳統汽車排氣管熱電發電裝置對排氣結構改動較大、發電量單一、發電器件接觸不充分、影響發動機排氣背壓等不足，提出了一種圓柱殼直板翅片式汽車排氣熱電發電裝置。本裝置可布置于汽車排氣催化轉化器以及消聲器之間，有效的回收發動機廢熱以轉化電能。兩個半圓柱殼直接接觸排氣管，并利用緊固螺栓連接，以支撐導熱翅片、熱電發電模塊以及冷卻管道支撐圓盤等。半圓柱殼與排氣管直接接觸導熱，避免了因適應熱電發電模塊尺寸而對排氣管進行的結構改造，對發動機的排氣背壓不會造成任何影響。冷卻管道通過發動機冷卻系統支路引入冷卻液流，對熱電發電模塊冷端進行冷卻，冷卻管道設計為扁平矩形截面通道，規格統一，接口方便。在半圓柱殼兩端設置冷卻管道支撐圓盤并與半圓柱殼通過螺栓相連接，使整個熱電發電裝置結構穩定可靠。

為了進一步達到本發明的目的，提高熱電發電效率，與排氣管直接接觸的半圓柱殼采用不銹鋼結構，導熱穩定并且結構可靠，能夠滿足排氣溫度對換熱器提出的需求（汽車三元催化轉化器附近排氣溫度為770K左右）。導熱翅片采用鋁合金結構，導熱效果良好，能夠為熱電發電模塊熱端提供較高的溫度，提高熱電發電模塊兩端溫差以增大發電功率。在導熱翅片與熱電發電模塊熱端之間涂抹一定數量的導熱硅脂，以減小由于表面粗糙而引起的接觸熱阻，進一步提高導熱系數。冷卻管道同樣采用鋁合金材料，結構上采用直通道、薄壁矩形截面，可直接利用鋁合金板材加工焊接而成，方便生產。鋁合金冷卻管道通過兩端的支撐圓盤配合以緊固裝置固定并與熱電發電模塊緊密接觸，并形成一定的預緊力，使得熱電發電模塊與導熱翅片以及熱電發電模塊與冷卻管道之間緊密貼合。支撐圓盤與排氣管之間以及支撐圓盤與半圓柱殼的連接螺栓周圍布置絕熱材料制成的絕熱墊圈，最大限度的減小由于支撐圓盤受熱對冷卻管道內冷卻液溫度的影響。

本發明的優點在于：

（1）本裝置導熱效率高，相對熱阻較小，相對于傳統汽車排氣管熱電發電裝置，提高了排氣廢熱的回收效率，適用于大規模量產使用。

（2）本裝置結構緊湊簡易，無需對排氣管進行任何改裝，安裝維護方便，工作可靠性高。

附圖說明

圖1為本發明的汽車排氣熱電發電裝置的結構示意圖；

圖2為圖1的左視圖；

圖3為圖1的A-A剖面圖。

圖中：

1.排氣管；?????2.支撐圓盤A；?????3.緊固裝置；?????4.冷卻管道；?????5.裝配凸臺；

6.緊固螺栓；???7.導熱翅片；??????8.支撐圓盤B；????9.熱電發電模塊；?10.半圓柱殼；

11.連接螺栓；??12.絕熱墊圈A；????13.絕熱墊圈B。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

本發明提供一種圓柱殼直板翅片式汽車排氣熱電發電裝置，如圖1所示，所述的裝置包括半圓柱殼10、導熱翅片7、熱電發電模塊9、冷卻管道4、支撐圓盤A2、支撐圓盤B8、絕熱墊圈A12和絕熱墊圈B13。

本發明提供的裝置位于汽車三元催化轉化器和消聲器之間的排氣管1上。參見圖1和圖3，將兩個完全相同的半圓柱殼10通過裝配凸臺5上的緊固螺栓6緊密連接（優選的，在一側的裝配凸臺上設置11個緊固螺栓6，兩側一共22個緊固螺栓6），還可以通過焊接方式將半圓柱殼10焊接在排氣管1上，以提高其結構穩定性，并保證兩個半圓柱殼10與排氣管1之間的緊密接觸。將導熱翅片7安裝在半圓柱殼10的裝配槽上。在半圓柱殼10表面預留若干規格相同并沿周向均勻分布的裝配槽，裝配槽的長度與半圓柱殼10軸向長度相等，并且裝配槽的軸線與圓柱殼軸線平行；裝配槽的槽深不宜超過半圓柱殼10軸向厚度的20%，導熱翅片7的數量可以在預留的裝配槽數量內任意調節，以滿足不同的發電功率需求，如圖3安裝有8個單獨的導熱翅片7。在裝配槽內以及導熱翅片7與裝配槽接觸表面涂抹一定數量的導熱硅脂，提高導熱能力，導熱翅片7兩端與裝配槽兩端的相同位置均預留連接螺栓孔，加裝緊固螺栓固定。所述的導熱翅片7也可以是與半圓柱殼10一體加工成型，均勻布置在圓柱殼10的外表面。在兩個半圓柱殼10所形成的圓柱殼上，導熱翅片7的個數為偶數，導熱翅片7裝配后的位置與所在半圓柱殼10處切線的方向垂直。在每個導熱翅片7的兩面，安裝熱電發電模塊9，通過焊接方式予以固定，并在接觸面上均勻涂以耐高溫型導熱硅脂以提高導熱系數。優選地在每個導熱翅片7的兩個側面各安裝6個熱電發電模塊9。熱電發電模塊9可以采用Hi-Z公司生產的HZ20系列熱電發電片，單片發電功率可達19W左右。每一導熱翅片上面的所有熱電模塊9通過電串聯方式連接起來，通過DC-DC轉換電路對外輸出。每一側的若干熱電發電模塊9冷端統一與一個冷卻管道4緊密貼合，同樣采用焊接方式予以固定并涂以導熱硅脂。發動機冷卻系統引出支路，并通過調壓閥將冷卻液注入各冷卻管道4中，使得每一冷卻管道4內冷卻液的流速與壓力保持一致，保證所有熱電發電模塊9的冷卻效果均勻，冷卻液流動方向與發動機排氣流動方向平行但相反，冷卻液流經各冷卻管道4后匯集，并通過調壓閥調整至發動機冷卻系統的壓力，流到發動機冷卻管路中形成循環。在裝配好的半圓柱殼10的兩端的排氣管1上相等距離套上絕熱墊圈B13，并在絕熱墊圈B13上安裝相同的兩片冷卻通道支撐圓盤A2和B8，支撐圓盤A2和B8可以采用類似于半圓柱殼10的連接方式，即通過兩個半圓盤拼接焊接而成，支撐圓盤A2和支撐圓盤B8上均加工與冷卻管道4尺寸符合的槽，可將每個冷卻管道4夾緊并通過緊固裝置3予以固定，如圖2，并加載一定的預緊力，以保證熱電發電模塊9與冷卻管道4以及導熱翅片7的緊密貼合。半圓柱殼10的兩個端面均預留一定數量的螺孔，一系列細長連接螺栓11通過這些螺孔將半圓柱殼10和支撐圓盤A2及B8相連接，但不接觸。在連接螺栓11與支撐圓盤A2和B8之間布置一系列絕熱墊圈A12，最大限度減少由于連接螺栓11的導熱造成支撐圓盤A2和B8溫度升高，而對冷卻管道4內的冷卻液溫度的影響。支撐圓盤A2和B8與排氣管1之間均布置有絕熱墊圈B13，以避免排氣管1的熱量通過支撐圓盤A2或B8傳導給冷卻管道4。所述的絕熱墊圈A12和B13均可采用橡膠等彈性絕熱材料制造，受熱膨脹后能夠形成一定的支撐力。