回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统的制作方法

1.本发明涉及热电转换系统的技术领域，具体涉及一种回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统。


背景技术：

2.进入21世纪，全球的人口逐步增长，因此人类对于能源的需求量也随之急速增加。然而，自工业革命以来，人类逐步消耗着地球几十万年来积累的有限资源，例如石油、天然气，导致这些常规能源面临枯竭。况且，大肆利用石油天然气对地球的生态环境也造成了巨大的破坏。利用常规能源的弊端日益凸显，改善能源结构刻不容缓。
3.研究表明，发动机在提供了动力的同时，柴油机发动机有效功的热当量仅仅占燃料发热量的30％
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40％，汽油机发动机仅为20％
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30％，而以废热形式散失的热量占比燃料热量同样很高，柴油机为55％
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70％，汽油机为70％
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80％，因此，发动机燃料的能量利用率只有三分之一左右，大量能量被浪费。在能源紧缺的现实背景下，每提高1％的能源利用率，都会对发动机的产业产生巨大影响，对节能减排做出巨大贡献。
4.热电材料具有广泛的实用性，其体积小，质量轻，工作无噪声，能够在不产生任何机械振动的情况下实现热电转换，保证了其他机构工作的平稳性。并且，热电材料没有液态气态介质，工作时不存在污染环境的问题，响应速度快，使用寿命长，具有良好的综合社会效益。对于一些精密仪器采用热电发电减少了不必要的构件。
5.热电材料在能源匮乏的大背景下正逐步发展，氧化物热电材料最为普遍，它可以在高温下持续工作，无毒，无污染，因而得到人们的广泛关注。半导体热电材料、功能梯度材料、新型热电材料等同步发展，随着热电技术急速发展，热电材料成本逐步降低，易于制造生产。同时，对能源利用率的提高起到重要作用，适宜大面积推广使用，具有广泛的应用市场。
6.我国已在节能减排方面取得了显著成果，供电煤耗及输电线损明显下降，例如仅2007年，我国供电煤耗下降10g/(kw
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h)，发电厂用电率由1992年的7％下降到5.92％，电网输电线损由8.93％下降到6.85％。大气污染物同样得到有效排放，烟尘排放得到合理控制，新投产的电厂的除尘效率达到99％，国家制定烟尘排放浓度降低到50mg/m3，烟尘排放量逐年下降，由上世纪的16.5g/(kw
·
h)下降到1.3g/(kw
·
h)。二氧化硫等有害物质的排放同样得到极大地遏制。因此，使用热电材料实现能源的再利用，即可以实现提高能源利用率的目标，又减少了环境的污染，符合节能减排的发展理念。
7.同时，人们环保意识的提高，节能减排的思想已经渗透至人们的方方面面当中。近年来我国热电转换领域有了较为重大的突破，而发动机中的冷却水及其尾气比较贴近生活，都有着较高的温度，这部分热量都直接随着循环水和尾气直接散失，若将热电转换技术应用于发动机的冷却水及发动机尾气中，则可以吸收其中的废热转化为电能，这极大的减少了能源的浪费，节能同时又能减排。因此，有必要设计一种回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统，该热电转换系统充分吸收利用冷却水管道和尾气排放管道散失的热能，并将其转化为清洁能源电能，提高了能源利用率。
9.为实现上述目的，本发明所设计的一种回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统，用于发动机的冷却水及尾气中废热的回收，所述发动机上设置有冷却水管道和尾气管道；它包括设有冷却水路热电转换装置、尾气管道热电转换装置、第一整流电路、第二整流电路以及蓄电池；
10.所述冷却水路热电转换装置包括冷却水路热电模块组，所述尾气管道热电转换装置包括尾气管道热电模块组，所述冷却水路热电模块组套设在冷却水管道上，所述尾气管道热电模块组套设在尾气管道上，所述第一整流电路与冷却水路热电模块组电连接，所述第二整流电路与尾气管道热电模块组电连接，所述蓄电池分别与第一整流电路、第二整流电路电连接；
11.所述冷却水路热电模块组的一侧吸收热端积累的热量形成热端，另一侧设置有第一散热组件形成冷端，利用冷热端的温差产生电能，经第一整流电路储存至蓄电池中；所述尾气管道热电模块组的一侧吸收尾气废热形成热端，另一侧设有第二散热组件形成冷端，通过冷热端温差产生电能，经第二整流电路储存至蓄电池中。
12.进一步地，所述冷却水路热电转换装置包括环绕冷却水管道由内至外依次设置的第一热端陶瓷片、第一热端铜片、冷却水路热电模块组、第一冷端铜片、第一冷端陶瓷片以及散热片；
13.所述第一热端陶瓷片和第一热端铜片形成冷却水路热电模块组的热端，所述第一冷端铜片、第一冷端陶瓷片以及散热片构成第一散热组件形成冷却水路热电模块组的冷端。
14.进一步地，所述冷却水路热电模块组由若干个p型半导体、n型半导体和导流片组成，其中：多列p型半导体和多列n型半导体交错排列构成热电偶对，并通过导流片串联形成一条完整环形线路。
15.进一步地，所述p型半导体为放出空穴的半导体，所述n型半导体为放出自由电子的半导体；当冷却水路热电模块组的热端和冷端维持设定的温差时，冷却水路热电模块组的p型半导体和n型半导体两端形成电压差，进而产生电流，并且电流由n型半导体流到p型半导体，再经过下一个n型半导体，这样多列热电模块组串联，最终电流通过第一整流电路整合，储存进入蓄电池中。
16.进一步地，所述第一热端陶瓷片为环状陶瓷片，所述第一热端陶瓷片与第一热端铜片相互贴近布置，所述第一热端陶瓷片通过导热硅脂安装在冷却水管道上；
17.所述第一热端陶瓷片、第一热端铜片、冷却水路热电模块组、第一冷端铜片、第一冷端陶瓷片以及散热片相邻两者之间通过导热硅脂连接。
18.进一步地，所述尾气管道热电转换装置包括环绕尾气管道由内至外依次设置的第二热端陶瓷片、第二热端铜片、尾气管道热电模块组、第二冷端铜片、第二冷端陶瓷片以及水路套管；
19.所述第二热端陶瓷片、第二热端铜片形成尾气管道热电模块组的热端，所述第二
冷端铜片、第二冷端陶瓷片以及水路套管构成第二散热组件形成尾气管道热电模块组的冷端；所述尾气管道热电模块组与冷却水路热电模块组的结构相同。
20.进一步地，所述尾气管道的外圈设置有若干组沿轴向间隔布置的凸起肋片，每个所述凸起肋片的外壁设置有绝热层。
21.进一步地，所述水路套管包括套管本体，所述套管本体的一端设置有进水口和出水口，所述尾气管道贯穿通过水路套管的中部，所述水路套管的水流方向与尾气管道的烟气流向相反。
22.再进一步地，所述第二热端陶瓷片设有若干组，每组所述第二热端陶瓷片安装于尾气管道的外表面呈凹环状结构。
23.更进一步地，所述第二热端陶瓷片、第二热端铜片、尾气管道热电模块组、第二冷端铜片、第二冷端陶瓷片相邻两者之间通过导热硅脂连接。
24.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
25.其一，本发明的回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统利用热电模块组在发动机各部分的合理安装，热电模块的安装采用陶瓷片
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铜片
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热电模块组
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铜片
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陶瓷片
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散热组件的组装方式，从而实现将废热转化为电能。
26.其二，本发明的回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统将尾气管道结构设计为环肋状，增大管道散热面积，提高能源利用率。同时，将尾气管道外围设计循环水套，水流采用逆流的方式，增大热量的散失速度，形成稳定的冷端。
27.其三，本发明的回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统的发动机的大部分能量以热能通过冷却水管道和尾气排放管道散失，该装置充分吸收利用这部分热能，并将其转化为清洁能源电能，可以供其它设备直接使用或者储存到蓄电池中，提高了能源利用率，符合节能理念。
28.其四，本发明的回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象，回收再利用冷却水管道和尾气排放管道的热能，将其转化为电能再利用，提高了能源利用率。
29.其五，本发明的回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统可以发电，在其工作时，相比其它发电装置，没有机械振动，不存在噪声污染、环境污染的问题，符合减排的理念。
30.其六，本发明的回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统的体积小、质量轻，结构简单，易于安装，价格低廉，适合推广，具有良好的社会经济效应。
附图说明
31.图1为一种回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统的立体结构示意图；
32.图2为图1中冷却水路热电转换装置的放大结构示意图；
33.图3为图1中尾气管道热电转换装置的放大结构示意图；
34.图4为散热片的结构示意图；
35.图5为图2中沿a
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a方向的剖视结构示意图；
36.图6为尾气管道热电转换装置的剖视结构示意图；
37.图7为图6中沿b
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b方向的剖视结构示意图；
38.图8为图6中沿c
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c方向的剖视结构示意图；
39.图9为水路套管的结构示意图；
40.图中：冷却水路热电转换装置1、尾气管道热电转换装置2、第一整流电路3、第二整流电路4、蓄电池5、发动机6、冷却水管道7、尾气管道8、冷却水路热电模块组9、p型半导体9.1、n型半导体9.2、导流片9.3、尾气管道热电模块组10、第一热端陶瓷片11、第一热端铜片12、第一冷端铜片13、第一冷端陶瓷片14、散热片15、第二热端陶瓷片16、第二热端铜片17、第二冷端铜片18、第二冷端陶瓷片19、水路套管20、套管本体20.1、进水口20.2、出水口20.3、凸起肋片21、绝热层22。
具体实施方式
41.下面结合实施案例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
42.如图1所示的一种回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统，用于发动机6的冷却水及尾气中废热的回收，发动机6上设置有冷却水管道7和尾气管道8；其特征在于：包括设有冷却水路热电转换装置1、尾气管道热电转换装置2、第一整流电路3、第二整流电路4以及蓄电池5；冷却水路热电转换装置1包括冷却水路热电模块组9，尾气管道热电转换装置2包括尾气管道热电模块组10，冷却水路热电模块组9套设在冷却水管道7上，尾气管道热电模块组10套设在尾气管道8上，第一整流电路3与冷却水路热电模块组9电连接，第二整流电路4与尾气管道热电模块组10电连接，蓄电池5分别与第一整流电路3、第二整流电路4电连接；冷却水路热电模块组9的一侧吸收热端积累的热量形成热端，另一侧设置有第一散热组件形成冷端，利用冷热端的温差产生电能，经第一整流电路3储存至蓄电池5中；尾气管道热电模块组10的一侧吸收尾气废热形成热端，另一侧设有第二散热组件形成冷端，通过冷热端温差产生电能，经第二整流电路4储存至蓄电池5中。
43.如图2和图4所示，冷却水路热电转换装置1包括环绕冷却水管道7由内至外依次设置的第一热端陶瓷片11、第一热端铜片12、冷却水路热电模块组9、第一冷端铜片13、第一冷端陶瓷片14以及散热片15；第一热端陶瓷片11和第一热端铜片12形成冷却水路热电模块组9的热端，第一冷端铜片13、第一冷端陶瓷片14以及散热片15构成第一散热组件形成冷却水路热电模块组9的冷端。
44.如图5所示，冷却水路热电模块组9由若干个p型半导体9.1、n型半导体9.2和导流片9.3组成，其中：多列p型半导体9.1和多列n型半导体9.2交错排列构成热电偶对，并通过铜质材料的导流片9.3串联形成一条完整环形线路。p型半导体9.1为放出空穴的半导体，n型半导体9.2为放出自由电子的半导体；当冷却水路热电模块组9的热端和冷端维持设定的温差时，冷却水路热电模块组9的p型半导体9.1和n型半导体9.2两端形成电压差，进而产生电流，并且电流由n型半导体9.2流到p型半导体9.1，再经过下一个n型半导体9.2，这样多列热电模块组串联，最终电流通过第一整流电路3整合，储存进入蓄电池5中，供其它用电设备使用或直接利用。冷却水路热电模块组9利用半导体的热电效应作为原理进行废热吸收，并转化为电能；半导体热电效应包括五种基本效应，其中塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆孙效应是热电理论的基础，而焦耳热效应和傅立叶效应是不可逆效应。
45.本实施例中，第一热端陶瓷片11为环状陶瓷片，第一热端陶瓷片11的内圈紧贴冷
却水管道7的管道外壁，第一热端陶瓷片11的外壁与第一热端铜片12相互贴近布置，第一热端陶瓷片11通过导热硅脂安装在冷却水管道7上；第一热端陶瓷片11、第一热端铜片12、冷却水路热电模块组9、第一冷端铜片13、第一冷端陶瓷片14以及散热片15相邻两者之间通过导热硅脂连接。它们通过导热硅脂装在冷却水管道7上，第一热端陶瓷片11充分传导冷却水余热，并且起到了绝缘的作用，防止产生电流随冷却水管道7流失；而第一热端铜片12在传递热量的同时，拥有储存热量的作用，使得冷却水路热电模块组9的热端温度保持稳定。第一冷端铜片13与第一冷端陶瓷片14形状与热端相同，在整体结构的纵剖截面图中即为上下对称结构。
46.如图3和图6～图7所示，尾气管道热电转换装置2包括环绕尾气管道8由内至外依次设置的第二热端陶瓷片16、第二热端铜片17、尾气管道热电模块组10、第二冷端铜片18、第二冷端陶瓷片19以及水路套管20；第二热端陶瓷片16、第二热端铜片17形成尾气管道热电模块组10的热端，第二冷端铜片18、第二冷端陶瓷片19以及水路套管20构成第二散热组件形成尾气管道热电模块组10的冷端；尾气管道热电模块组10与冷却水路热电模块组9的结构相同。尾气余热通过第二热端陶瓷片16、第二热端铜片17传递至尾气管道热电模块组10的一端，第二热端陶瓷片16能有效的传递热量，且隔绝电流通过；第二热端铜片17能传递热量，且储存一定的热量，达到蓄热的作用，使得热端热源温度稳定。尾气管道热电模块组10在两端的温度差异下，引起两端电压差，即塞贝克效应，从而产生电流，经过第二整流电路4的整合，储存在蓄电池5中，直接使用或间接使用。
47.本实施例中，第二热端陶瓷片16设有若干组，每组第二热端陶瓷片16安装于尾气管道8的外表面呈凹环状结构。第二热端陶瓷片16、第二热端铜片17、尾气管道热电模块组10、第二冷端铜片18、第二冷端陶瓷片19相邻两者之间通过导热硅脂连接。尾气管道8的外圈设置有若干组沿轴向间隔布置的凸起肋片21，每个凸起肋片21的外壁设置有绝热层22。尾气管道8设计为带有凸起肋片21的构造，凸起肋片间隔均匀，环绕在管道周围。为了增大尾气余热通过尾气管道的换热效率，故将尾气管道8设计成环肋状尾气管道，突起部分为实心肋片，同时，增大了尾气管道热电模块组10的铺设面积，间接起到了提高能源利用率的作用。上述的连接两种材料之间的导热硅脂是一种高导热的绝缘有机硅材料，可在导热硅脂是一种高导热绝缘有机硅材料，可以在
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50℃～230℃的温度下长期保持使用时的脂膏状态。
48.本实施例中，第一整流电路3和第二整流电路4均由变压器、主电路和滤波器组成，其中：主电路由整流二极管和晶闸管组成，连接热电模块组的电流输出端。滤波器用于滤除脉动直流电压中的交流成分，其输入端与整流主电路的晶闸管连接，输出端与蓄电池连接。变压器实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配。本实施例中，蓄电池为镍铬蓄电池，第一整流电路3和第二整流电路4的变压器输出端通过导线与蓄电池相连，将电能储存进蓄电池中，蓄电池中的电能可以得到广泛利用，例如发动机点火、日用照明。
49.本实施例的尾气管道8在实际应用时，其环肋顶端存在尖端散热的现象，环肋两侧存在沿尾气管道轴向散热，这都不利于能量的充分利用，所以在环肋状尾气管道的尖端和轴向末端增添绝热层，达到提高能源利用率的目的。图7所示的横截面b
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b反映了尾气管道环肋最大部分的结构，以及环肋顶端的绝热层。图8所示的横截面c
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c则体现了水路套管的结构特点。
50.如图9所示，水路套管20包括套管本体20.1，套管本体20.1的一端设置有进水口20.2和出水口20.3，尾气管道8贯穿通过水路套管20的中部，水路套管20的水流方向与尾气管道8的烟气流向相反。发动机尾气管道部分的水路套管的进水口在管道下方，出水口在管道上方，水流的流向从尾气管道末端到首端，即逆流方式，从而增大热量散失速度。
51.本实施例的尾气管道热电模块组10在正常工作时，同样需要保持冷端温度的稳定。尾气管道结构单一，所以便于加装水路套管20，保持冷端温度的稳定。尾气管道热电模块组10的外围结构依次为第二冷端铜片18、第二冷端陶瓷片19、水路套管20，它们彼此接触面尺寸一致，保证了热量的均匀传递。在冷、热流体的性质、流量、进出口温度及换热面积都相同的条件下，逆流布置时，冷、热流体之间具有最大的平均温差，叉流次之，顺流最小，在其他条件相同时，平均温差越大，传热量就越大，换热效果就好。水路套管20的水流从进水口20.2由下至上，由右至左，在出水口20.3流出，与此同时尾气管道8气流从左至右的流动，水路套管如果采用顺流布置，则热流体出口的终温仍高于冷流体出口的终温；而采用逆流布置，则热流体的出口温度可以低于冷流体的出口温度。所以，在水路套管20设计时，流向是采用逆流布置的形式。
52.本发明提供的回收发动机冷却水及尾气中废热的热电转换系统，其工作过程如下：
53.发动机处于工作状态时，冷却水系统吸收燃料燃烧产生的大部分热量，并且排出的尾气中也含有大量热量。冷却水中的这部分热量首先经冷却水管道7的管道壁传导到第一热端陶瓷片11上，然后再传导到第一热端铜片12上，第一热端陶瓷片11直接提供热能，形成热端，冷却水路热电模块组9一端紧贴第一热端铜片12，热量经冷却水路热电模块组9热端传导到另一端，再经第一冷端铜片13、第一冷端陶瓷片14、散热片15快速散失，形成稳定的冷端，冷却水路热电模块组因冷热段温差产生电流，并储存到蓄电池中。
54.尾气中的热量经管尾气管道8的道壁首先传导到外层的第二热端陶瓷片16上，然后再传导到热端第二热端铜片17上，形成热端，尾气管道热电模块组10一端紧贴第二热端铜片17，热量经尾气管道热电模块组10到另一端，经过第二冷端铜片18、第二冷端陶瓷片19向外散失，这部分热量随第二冷端陶瓷片19外的冷端冷却水路加速散失，尾气管道热电模块组10的一侧便形成稳定的冷端，尾气管道热电模块组10因温差产生电流，将电流储存进蓄电池中，并与前述的电路整合到同一个电路中，上述尾气排放管道的热电模块组冷端冷却水系统是发动机冷却水系统的分支，二者共用一个大循环。
55.汽车发动机的能源利用率仅为30％左右，大部分能量都以热能形式散失，其中，发动机冷却水带走的热量和尾气中的热量总和占总散热量的70％左右，本发明合理设计二者管道的结构，采用上述热电转换装置，吸收发动机冷却水及尾气的余热能量，在热电模块组内将所吸收的热能转化成易于利用的能源
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电能，通过整流电路储存在蓄电池中或供用电负载使用，实现充分利用发动机的冷却水及尾气中的废热，极大地提高了能量利用率。
56.最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
57.在此，需要说明的是，上述技术方案的描述是示例性的，本说明书可以以不同形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的技术方案。相反，提供这些说明将使得本发明公
开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本说明书所公开的范围。此外，本发明的技术方案仅由权利要求的范围限定。
58.用于描述本说明书和权利要求的各方面公开的形状、尺寸、比率、角度和数字仅仅是示例，因此，本说明书和权利要求的不限于所示出的细节。在以下描述中，当相关的已知功能或配置的详细描述被确定为不必要地模糊本说明书和权利要求的重点时，将省略详细描述。
59.在使用本说明书中描述的“包括”、“具有”和“包含”的情况下，除非使用否则还可以具有另一部分或其他部分，所用的术语通常可以是单数但也可以表示复数形式。
60.应该指出，尽管在本说明书可能出现并使用术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”等来描述各种不同的组件，但是这些成分和部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个成分和部分和另一个成分和部分。例如，在不脱离本说明书的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件可以被称为第一部件，顶部和底部的部件在一定情况下，也可以彼此对调或转换；一端和另一端的部件可以彼此性能相同或者不同。
61.此外，在构成部件时，尽管没有其明确的描述，但可以理解必然包括一定的误差区域。在描述位置关系时，例如，当位置顺序被描述为“在...上”、“在...上方”、“在...下方”和“下一个”时，除非使用“恰好”或“直接”这样的词汇或术语，此外则可以包括它们之间不接触或者接触的情形。如果提到第一元件位于第二元件“上”，则并不意味着在图中第一元件必须位于第二元件的上方。所述部件的上部和下部会根据观察的角度和定向的改变而改变。因此，在附图中或在实际构造中，如果涉及了第一元件位于第二元件“上”的情况可以包括第一元件位于第二元件“下方”的情况以及第一元件位于第二元件“上方”的情况。在描述时间关系时，除非使用“恰好”或“直接”，否则在描述“之后”、“后续”、“随后”和“之前”时，可以包括步骤之间并不连续的情况。
62.本发明的各种实施方案的特征可以部分地或全部地彼此组合或者拼接，并且可以如本领域技术人员可以充分理解的以各种不同地构造来执行。本发明的实施方案可以彼此独立地执行，或者可以通过相互依赖的关系一起执行。