CN1667937B - 内置式高密度温差发电器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高密度温差发电器，其特征在于：该发电器主要包括内置网状转换元件的绝热热电转换器和分离的独立冷源，热电转换器连接在排气管中部，通道内设置多级轴向排列的热电转换元件，由半导体热电偶并联组成立体电极，立体电极再连接成转换网络，网络的补偿导线与独立冷源中的冷端接点连接组成大规模的热电回路；独立冷源采用冷却液循环冷却，***运行时输出直流电，可以经电流调节器的调节，输出到用电设备。该温差发电器从发动机排气余热的特点和有效地利用热源与冷源的角度出发，通过强化热电转换的方式来提高热电器件的转换效率和输出功率。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种温差发电器，尤其是指它的热源是管道内的余热流、热电转换元件设置在管道内，具有轴向-多级-网状-集成-层叠的结构；独立冷源与热***分离，通过导线与热电转换元件连接形成大规模热电回路，自动将余热能直接转换为电能的能量转换***。
背景技术
内燃机运行中，百分之六十左右的燃料燃烧的化学能未能有效利用，大部分通过排气管排放到环境大气中。排气中的能量主要包括余热能和流动动能两部分，温度在800-1200K之间，气流高速流动并具有一维、变截面、有摩擦、可压缩、具有传热、非等熵、不定常等特点。从进气口进入的热量，一部分经管壁传入大气，其余随气流由排气口排出。现有技术中，对排气中动能利用主要是采用废气涡轮增压的方法提高内燃机的充气量；而余热能的利用除了车厢的供暖以外，尚无有效的方法。因此，为了提高内燃机的节能效果，必须对排气中的余热能给予有效的回收利用。中小型内燃机尤其是作为移动动力源的发动机，由于工作的特点，决定了它们的余热回收利用装置不能采取庞大复杂的机械形式，而根据热电直接转换原理开发的温差发电器将是一种高密度的能量转换装置。
热电效应是一种物理现象：两种导体连接形成的闭合回路，当导体的两个接点处于不同的温度状态时，回路中就会有电流产生。这种回路被称为热电回路、电流称为热电流，其电动势称为热电动势，当热电材料确定以后，回路中的热电动势仅与两接点的温差有关。将这样两种导体的端点焊接在一起制成的元件，称为热电偶，现有的产品可分为金属热电偶和半导体热电偶两大类。用不同材料制成的热电偶有不同的应用领域：金属热电偶只能产生微弱的热电流，一般的只能作为测温元件使用；而现代热电材料一般是二元或三元的固熔体合金，其塞贝克系数是金属热电偶的十几至几十倍，先进的可达1000μvμV/C°。半导体热电偶的发电能力远大于金属热电偶，可以作为低电压、大电流的热电力转换器件。根据热电学的基本定理和基本回路原理，热电偶可以采用串联或并联的方式连接，以满足对输出电压和电流值的要求，连接方法是：热电偶串联时每一个热端接点都要与一个冷端接点构成回路；并联时，仅在并联回路的两个引出点与冷源同时接触。热电偶连接成的单一转换元件称为热电堆，常见的是平板式热电堆，其中所有的热电偶串联连接，回路的冷接点和热接点分别焊接在前后绝缘平板上。这样的热电堆已经商品化、系列化，例如国产TEC1-12706型致冷片，技术指标为：转换级数为1、具有127对热电偶、截面积为1平方毫米、陶瓷结构、工作电流6安培，外型尺寸为40mm×40mm×3.8mm。热电回路也可以使用与热电偶相匹配的廉价的延长导线连接，以增加热源与冷源之间的距离，这种导线被称为补偿导线。
目前，温差电器件可以应用于：(1)根据塞贝克效应工作的温差电池、固定式小型温差电源等。前者采用放射性同位素作为热源，用做遥远太空(无太阳光)的宇航电源；后者可用于偏远地区或某些特殊场合。(2)以珀尔帖效应为原理的热电致冷设备，包括一些致冷装置及冰箱、空调等。发电用的半导体平板式热电堆片的结构与致冷片是类似的，工作时热电堆片的上下表面分别接触热源和冷源，按塞贝克方式工作。这种热电偶的臂长仅为3-10mm，冷热端之间距离很小，因此对材料的绝热性能要求很高。已经研究的温差发电器是在矩形通道的外表面上，排列敷设若干热电堆片，发动机的排气从发电器内腔流过，经金属壁面向热电堆片传递热量。热电堆片的外侧直接接触冷源，冷却的形式有空气自然对流散热、强迫通风散热、水冷散热和环流散热四种。这类温差发电器的特点可以归纳为：热电转换元件外置及冷源近距离夹紧设置，因而存在温差小、热电转换效率低、体积不紧凑、输出功率小、价格高的问题，至今还处在热电材料选配和转换原理研究的阶段。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种高密度温差发电器，该温差发电器从发动机排气余热的特点和有效地利用热源和冷源的角度出发，通过强化热电转换的方式来提高热电器件的转换效率和输出功率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：温差发电器主要包括内置网状转换元件的绝热热电转换器和分离的独立冷源，热电转换器连接在排气管中部，通道内设置多级轴向排列的热电转换元件，由半导体热电偶并联组成立体电极，立体电极再连接成转换网络，转换网络的补偿导线与独立冷源中的冷端接点连接组成大规模的热电回路；独立冷源采用冷却液循环冷却，温差发电器***运行时输出直流电，可以经电流调节器的调节，输出到用电设备。
所述热电转换器由前盖、后盖、转换板、垫板、接线盒和紧固螺栓组成。前盖和后盖设有与排气管连接的管接头，转换板的内腔为圆形通道，其中固定了若干由热电偶集成的立体电极，立体电极和连接固定电极的框架，形成了网状转换元件；内通道的外表面敷设绝热层，防止热量经管壁散失，立体电极的连线由转换板的一边引出，在接线盒中固定；垫板中的内腔为通孔，转换板与垫板交替轴向叠加，由紧固螺栓穿过前盖、后盖、转换板、垫板的四角固定。
为了热电转换器在高温下长期稳定地工作，所有热电偶、连线、网络框架及其引出线必须密封在耐高温的防氧化、防腐蚀的涂层中。
热电转换器的内腔是内燃机排气的通道，热电偶网络中的空隙应保证热气流通过，不造成过大的流动阻力。
所述冷源装置与热环境分离，其中设置的冷端接点也由热电偶组成，通过补偿导线与热端的热电偶形成回路。它可以是具有冷凝器、风扇、压力泵、管道和冷却液的独立循环冷却***。
对上述技术方案进一步的改进是：热电转换器的外型应根据需要设计，可以为圆柱形或其它几何形状，内部通道也可以设计为矩形或其它几何形状。
对上述技术方案进一步的改进是：热电转换器可以根据需要设计为其它几何形状的转换元件轴向排列，形成空间多级网状转换***。
对上述技术方案进一步的改进是：沿排气管轴向排列的热电转换元件，可以根据沿途温度的变化，采用不同配方的热电材料组合成热电偶，使它们工作在各自最适应的温度范围内，充分利用热流的温度变化。
对上述技术方案进一步的改进是：本***中的热电偶可以是半导体、金属材料或非金属制成；补偿导线可以采用金属、非金属或半导体材料的导线。
对上述技术方案进一步的改进是：冷源可以是使用风扇等强迫风冷的独立冷却装置，或直接利用内燃机冷却***的非独立冷却***。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)建立了强化热交换的形式，将转换元件内置，可以有效的利用热源，以强烈的对流换热形式取代了通过壁面的固体导热形式，减小了热电偶片敷设时与壁面之间的接触热阻，提高了热流密度；
(2)能够建立起较大的温差，原因在于：管内高速流动的气流产生的滞止温度高于气流本身的温度，充分利用气体流动动能，热电偶就能得到更高的热源温度；采用分离冷源之后，减小了热源对冷源直接的传热影响，增强了冷却效果。因而，***的温差可以成倍地提高。
(3)强化了热电偶的集成度，由于本发明提出了立体电极和网状、多级连接的结构，热电转换器在相同直径的轴向空间中，可以设置更多的热电偶，加大总截面积，提高了热电场的强度。
(4)结构紧凑，满足不同输出功率的需要，整体效率高；由于采用了叠加的多级模块化结构，可以方便地根据输出功率的需要设置模块的数量；特别是补偿导线方法的提出，可以简化热电材料的筛选条件，便于研发出塞贝克系数更高的热电极，提高单热电偶的转换效率，进一步提高温差发电器的功率密度。
(5)使用性能好，应用领域广泛。设计中可以保证网状缝隙通道面积之和大于等于原排气管截面积，减小流动阻力不影响排气背压。因此，获得良好的转换性能的同时，保持了内燃机的充气和排气性能，将能应用在各类汽车或以热机为动力的余热回收利用的场合。
以上优点充分体现了本发明的多项创新的意义和效果，将使温差电转换技术从有限应用走向广泛实用的阶段。
本发明针对车用发动机排气余热回收利用的热电转换器的设计方案加以阐述。其它种类的热机或其它余热的热电转换器的设计方案也可以按同样的方法实现。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
图1为本发明的温差发电器***图。
图2为图1中内置式绝热热电转换器的结构立体图。
图3为图2中转换板及立体电极的结构立体图。
图4为图3中的局部放大图。
图5为图1中的独立冷源结构立体图。
图6为本发明的温差发电器的热电转换电路图
具体实施方式
如图1所示，本发明的温差发电器由内置网状转换元件的绝热热电转换器和分离的独立冷源***组成。其中1为内燃机；2为排气管；3为热电转换器，安装在内燃机排气管中部，尽可能靠近发动机，与排气管2是管道连接；独立冷源6与热***分离，采用补偿导线5与热端大规模转换网络连接成热电回路，采用电连接；与冷凝器7、压力泵8、风扇9采用管道连接；10为冷却管道，冷却液在冷却***内循环，冷却热电回路的冷接点和输出导线11。
构成本发明装置的各部件的作用是：内燃机排气热流是转换回路的热源，独立冷源是转换***的冷源，热电转换器是热电转换元件与内燃机排气热流直接进行热交换，将余热能直接转换为电能的装置。独立冷源与热***分离，采用了冷却效果良好的液冷方式，目的是为了使温差发电器能够在较大的温差下工作。***的热接点是热电转换器中的大规模热电偶网络，冷接点是处于独立冷源中的热电偶，二者通过补偿导线连接成封闭的热电回路，电源输出导线也要经由独立冷源保持相同的温度，***输出直流电。
如图2所示，热电转换器由前盖3-1、转换板3-2、垫板3-3、接线盒3-4、后盖3-5和紧固螺栓3-6组成。前、后盖的中心设有与排气管连接的管接头3-7。转换板的内腔为圆形通道，其中固定了若干由热电偶并联集成的立体电极和固定电极的框架，通道的外表面敷设绝热层，热电偶的连线由板的一边引出，在接线盒中固定；垫板3-3中的内腔为通孔，两种板交替轴向叠加，由紧固螺栓3-6穿过前盖、后盖、转换板、垫板的四角固定，使转换器的内腔连成相通的排气通道，且各转换板之间保持有一定的间隙，相互电绝缘，保证热气流能获得连续流动并与每一个热电偶良好接触；通道外壁的绝热层也连成一体，防止热量散失。既可以满足输出功率的需要，也便于制造和检修。
如图3、图4所示，转换板由外壳3-2-1、绝缘层3-2-2、立体电极3-2-3、内腔压圈3-2-4、框架3-2-5、输出导线3-2-6组成。视图K是立体电极3-2-3的局部放大图，其中3-2-3(1)和3-2-3(2)是不同的半导体材料，3-2-3(3)是具有固定作用的导流片，3-2-3(4)是绝缘片。热电偶表面有耐高温且防腐蚀的涂层。热电偶采用圆形半导体材料直接压焊而成，臂长为1.0-2.0mm，截面积取决于通过的电流。半导体N、P型材料可以选用Bi2Te3或Sb2Te3等，由于热电偶是轴向设置，几何尺寸小，使温差电器的整体结构紧凑。
为了满足输出电流的需要，热电转换组件需要集中大量的热电偶，首先将一定数量的热电偶并联成空间立体电极，热电偶之间由绝缘片分开及电绝缘，并列的热电偶用金属导流片固定及电连接。立体电极设置在内腔通道中，相互串联形成单级网状转换元件。其次，若干转换板轴向层叠设置，组成多级热电转换***。这样做的意义在于：(1)可以集成众多的热电偶，即使个别热电偶在使用中损坏也不会影响整体的使用性能；(2)使每一个热电偶臂取短尺寸(实验表明：短尺寸臂效率高)、截面沿管道轴向扩展满足电流对截面积的需要；(3)使每一个热电偶都能与热气流进行完善的对流换热，而获得更高的换热系数。内燃机的高温排气流进入温差发电器通道的内腔，与前一级模块中的每一个热电偶直接接触，通过对流换热的方式传递热量，并流过立体电极间的缝隙与下一级热电模块再次进行热交换，最终的低温气流由排气口排出。
本发明中热电偶的连接与现有的热电堆的连接方式不同的是，热电偶臂不是由金属导流片串联，而是由导电性能优良且热阻较高的补偿导线连接起来，冷、热源之间的联系不是仅仅通过热电偶的两臂，而是通过整个热电偶回路来实现。补偿导线的长度可以是热电偶臂长的几十倍，材料可以选用含石墨成分的合成材料，导热能力将显著地减小，同时，补偿导线不但起到线路的连接作用，也起到网状框架的支撑作用。
本发明提出的大规模热电转换网络，包含了网状热电偶元件和多级转换***，以及与独立冷源组成的热电回路两个方面，以较少的引出导线连接了大量的热电偶，简化了热电回路。根据电工学原理，单一热电偶的输出功率虽然小，但大量热电偶适当的集成起来，总输出功率是热电回路中所有热电偶输出功率的总和。采用串联和并联(混联)的方式，是为了利用热电偶基本回路，寻求最优的连接***和最优的电压、电流输出特性。热电偶混联***不论多么复杂多么庞大，只要是严格按照基本回路原理连接起来的，它们也只是整个热电回路中的热接点，而回路中的冷接点被设置在分离的独立冷源中，二者经过若干补偿导线连接形成完整的热电回路，并使整个***具有温差。因此，热电偶的数量和连接方式，即热电偶的集成度，是提高发电器的效率和输出功率的关键因素之一。
如图5所示，独立冷源由外壳6-1、接线盒6-2、管接头6-3和6-5、网状冷端接点组6-4构成。根据热电偶基本回路原理，热电偶串联时，回路需要在冷端设置节点。一定数量的冷端节点同样需要网状集成，便于冷流体与每一个热电偶进行对流换热。独立冷源中热电偶的网状结构与转换板中的热电偶网络类似，但数量少截面积大，表面需要电绝缘防腐蚀，可以采用相同的方法制备。对于大功率的温差发电器，为了取得良好的冷却效果，需要采用强迫水冷的方案，冷却水可以直接引自发动机的水冷***，与之分流循环冷却，也可以采用独立冷却液***的方案；对于较小功率的温差发电器，可以采用强制风冷的方案。
如图6所示为网状热电偶元件连接回路。其中T1、T2分别为高温热源与低温热源的温度，且T1＞T2，它们所在的用短划线标识的区域分别是热电转换器和独立冷源；标示有“+”“-”符号的线段是直流输出导线；A、B为两种半导体材料组合的热电偶，要求它们有尽可能高的塞贝克系数。为了简化电路，热电偶的连接采用并联为主的方式，并联减少了引出的补偿导线的数量，K1、K2、……、Kn-1是热电转换器中并联的各热电偶组，每组并联的热电偶制成立体电极；同时，为了输出较高的电压，还需要将若干并联起来的热电偶再进行串联。根据热电偶基本电路原理，每个串联回路需要在冷源中设置一个冷端接点，Kn是所有串联热电偶组在独立冷源中的接点组。导线A1、A2、……、An-1和B1、B2、……、Bn-1是热电偶的连接线，将各热电偶连接成一个整体，输出电流的导线也要经过独立冷源，保持具有相同的温度。
综上所述，由轴向-多级-网状-集成-层叠特征的内置式绝热热电转换器和分离式独立冷源组成的转换***，能够充分利用排气的动能和余热能，强化了热源和冷源的利用率；管内对流换热的方式有利于获得高的T1和大的换热系数；网状元件和立体电极有利于集成大量的热电偶；分离式独立冷源强化了冷却的效果，补偿导线的连接方式使冷、热端连接成完整的热电回路，有助于获得大的温差。上述强化热电转换的方案，使本发明的新型温差发电器具有结构紧凑、效率高和输出功率大的特点。
Claims (8)
1.一种内置式高密度温差发电器，其特征在于：该发电器主要包括内置网状转换元件的绝热热电转换器和分离的独立冷源，热电转换器连接在排气管中部，热电转换器的转换板的通道内设置多级轴向排列的热电转换元件，由半导体热电偶并联组成立体电极，立体电极再连接成转换网络，转换网络的补偿导线与独立冷源中的冷端接点连接组成大规模的热电回路；独立冷源采用冷却液循环冷却，温差发电器***运行时输出直流电，经电流调节器的调节，输出到用电设备。
2.根据权利要求1所述的内置式高密度温差发电器，其特征在于：热电转换器由前盖、后盖、转换板、垫板、接线盒和紧固螺栓组成；前盖和后盖设有与排气管连接的管接头，由紧固螺栓穿过前盖、后盖、转换板和垫板的四角固定。
3.根据权利要求2所述的内置式高密度温差发电器，其特征在于：转换板由外壳、绝缘层、立体电极、内腔压圈、框架、补偿导线组成，转换板的内腔为圆形通道，其中固定了若干由热电偶集成的立体电极，立体电极和连接固定立体电极的框架，形成了网状转换元件；通道的外表面敷设绝热层，防止热量经管壁散失，立体电极的连线为补偿导线，由转换板的一边引出并在接线盒中固定。
4.根据权利要求2所述的内置式高密度温差发电器，其特征在于：垫板中的内腔为通孔，是排气流的通道，垫板中的通道外设置绝热层，垫板的厚度根据各转换板的轴向距离的要求决定。
5.根据权利要求2所述的内置式高密度温差发电器，其特征在于：所有热电偶、连线、网状框架及其引出线均密封在耐高温的防氧化、防腐蚀的涂层中。
6.根据权利要求2所述的内置式高密度温差发电器，其特征在于：转换板与垫板交替轴向叠加，热电转换电路通过导线连接，组成多级热电转换网络。
7.根据权利要求2所述的内置式高密度温差发电器，其特征在于：接线盒由电绝缘材料制成，全部连接线在其中固定，并集中为电缆引出。
8.根据权利要求1所述的内置式高密度温差发电器，其特征在于：独立冷源由外壳、接线盒、管接头、网状冷端接点组构成，独立冷源与热***分离，采用补偿导线与热端立体电极连接成转换回路，独立冷源与冷凝器、压力泵、风扇组成独立冷却***，冷却液在冷却***内循环，冷却热电回路的冷接点和输出导线。
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