CN1664324A - 热电式发电机 - Google Patents

Abstract

根据本发明所述的热交换器具有多个管、上水箱和支撑件。流体流经多个管。上水箱具有芯板和箱体，并以与多个管的内空间相连通的方式设置在多个管的纵向端部上。芯板呈大致弧形的横截面，其两侧边缘被固定在箱体上，其中间部分固定在多个管的纵向端部上并相对侧边缘朝向多个管凸出。箱体形成内空间。支撑件在两侧边缘之间保持有距离。

Description

热电式发电机

技术领域

本发明涉及热电式发电机，所述热电式发电机利用温差作用在热电元件上的塞贝克(Seebeck)效应而产生电力。

背景技术

JP-10-136672-A公开了传统的热电式发电机，所述热电式发电机包括多个用于交替加热和冷却的叠置热交换器和设置在热交换器之间的热电产生模块。热交换器通过其一端侧上的排放气体供给管和其另外一端侧上的排放气体排放管而彼此相连通，这样排放的气体流经所有的热交换器。特别地，每个排放气体供给管和排放气体排放管具有多个朝向多个用于加热热交换器的支管。排放气体供给管的支管和排放气体排放管的支管被连接到用于加热的各热交换器并与用于加热的各热交换器一体形成。

用于冷却的热交换器具有与上述相似的结构。热交换器通过冷却水供给管的支管和冷却水排放管的支管彼此相连通，这样冷却水流经所有的热交换器。

为了减少通过与热电产生模块相接触的热交换器的表面不平度(表面粗糙度)所导致的热传输阻力，氦气填充在热电产生模块和热交换器之间。此外，为了将均匀的压力施加到用于加热的热交换器，叠置中的热电产生模块和用于冷却的热交换器，加压装置(风箱)被提供成用于对流体介质(空气、氮气、硅油等)加压。

但是，在上述的传统技术中，热电式发电机通过填充氦气和通过设定加压装置(风箱)而使其整体上具有极其复杂的结构。特别地，每个热交换器通过供给管和排放管的多个支管一体相连接，使得热交换器的间隙发生变化，并导致加压装置对于组装热交换器和热电产生模块彼此相紧密接触而具有复杂的结构，肯定对它们产生变形。

发明内容

有鉴于上述的问题，本发明的目的是提供一种具有能够将热电元件、热侧热源部分和冷侧热源部分彼此较好接触的多层热电式发电机，而不需要很笨重的结构。

为了实现上述目的，根据本发明的热电式发电机包括：多个热侧热源部分，多个冷侧热源部分，热电元件，热侧连通器和冷侧连通器。热流体在多个热侧热源部分中流动，比热流体冷的冷流体在多个冷侧热源部分中流动。热侧热源部分和冷侧热源部分以将热电元件设置在热侧热源部分和冷侧热源部分之间的方式交替叠置。热侧连通器连通多个热侧热源部分，冷侧连通器连通多个冷侧热源部分。每个热侧连通器和冷侧连通器具有距离调节器，用于调节热侧热源部分和冷侧热源部分之间的距离以将它们在叠置的方向上与热电元件相接触。

附图说明

本发明的其它特征和优点将被理解，以及相关部分操作和功能，从下述的详细说明、所附权利要求和附图中可详细了解到，在图中：

图1是根据本发明的第一实施例的包括引擎的整个结构的示意图；

图2是图1中的热电式发电机的外观的主视图；

图3是图1中的热电式发电机的外观的平面图；

图4A是显示高温侧热源部分(对于最上层)的平面图；

图4B是显示高温侧热源部分(对于最上层)的主视图；

图5A是显示高温侧热源部分的平面图(对于通常的层)；

图5B是显示高温侧热源部分(用于通常的层)的主视图；

图6A是显示低温侧热源部分(对于最上层)的平面图；

图6B是显示低温侧热源部分(对于最上层)的主视图；

图7A是低温侧热源部分的平面图(对于通常的层)；

图7B是显示低温侧热源部分(用于通常的层)的主视图；

图8是显示高温侧热源部分、低温侧热源部分和热电元件的组装方式的分解视图；

图9是根据第二实施例的热电式发电机的外观的主视垂直横截面视图；

图10是显示图9中高温侧热源部分和低温侧热源部分的组装方式的分解垂直横截面视图；

图11是根据第三实施例的热电式发电机的外观的主视图；

图12是根据本发明的第一另外的实施例的包括引擎的整个结构的示意图；

图13是根据本发明的第二另外的实施例的包括引擎的整个结构的示意图；以及

图14是根据本发明的第三另外的实施例的包括引擎的整个结构的示意图。

具体实施方式

(第一实施例)

根据本发明所述的热电式发电机100被施加到具有水冷引擎10的车辆，其中电能由于与引擎10冷却相关的被释放的热能而恢复。首先，基本的结构将参照图1-8进行描述。此处，图1是显示包括引擎10的整个结构的示意图。图2、3是显示热电式发电机100的外观的主视图和平面图。图4、5是显示高温侧热源部分110的平面图和主视图。图6、7是显示低温侧热源部分120的平面图和主视图。图8是显示高温侧热源部分110、低温侧热源部分120和热电元件130的组装方式的分解视图。

如图1中所示，引擎10具有引擎制冷剂回路20和散热器21。水泵11在引擎10中通过引擎制冷剂回路20和散热器21循环制冷剂。此处，水泵11是通过引擎10的驱动力所运行的引擎驱动式泵。通过散热器21的散热冷却所述制冷剂以适当地控制引擎10的操作温度。顺便提及的是，引擎制冷剂回路20具有用于围绕散热器21绕道用的旁路22和用于调节制冷剂流经旁路22的流量的温度调节装置(流量控制阀)23。当制冷剂的温度没有超过预定的值(例如90℃)时，温度调节装置23关闭通过散热器21的制冷剂流、以将制冷剂流经旁路22来防止制冷剂过分冷却。

引擎散制冷剂回路20具有在散热器21的上游点和旁路22之间的节点上分叉的热制冷剂流入管31和在散热器21的下游点和温度调节装置23之间的节点上分叉的热制冷剂流出管32。热制冷剂流入管31和热制冷剂流出管32连接到热电式发电机100的热侧热源部分110，这将在下面进行说明。即，尽管温度调节装置23朝向散热器21的一侧开口，流经散热器21的热制冷剂的一部分(温度在90℃和100℃之间的制冷剂对应于本发明的“热流体”)通过热制冷剂流入管31和热制冷剂流出管32被引入到热侧热源部分110。

热电式发电机100具有冷侧散热器43，其独立于散热器21，冷制冷剂流入管41和冷制冷剂流出管42被连接到冷侧散热器43和热电式发电机100的冷侧热源部分120，这将在下面进行说明。水泵44被设置在冷制冷剂流出管42的方向上。水泵44操作以让冷制冷剂(温度在30℃和40℃之间的制冷剂对应于本发明的“冷流体”)通过冷侧热源部分120在冷侧散热器43中流动。

如图2、3所示，热电式发电机的形成方式是通过塞贝克效应发电的传统的热电元件130被设置在交替叠置的热侧热源部分110和冷侧热源部分120之间。在此实施例中，热电式发电机100具有包括两个热侧热源部分110、三个冷侧热源部分120和四个热电元件130的9层结构。热导性油脂涂层活或热传输板被设置在热侧热源部分110和热电元件130之间以及冷侧热源部分120和热电元件130之间。

热侧连通器140在堆叠的方向上连通多个热侧热源部分110。冷侧连通器150在叠置的方向上连通多个冷侧热源部分120。冷制冷剂流出冷侧散热器43，然后流经多个冷侧热源部分120。在下述中，热源部分110、120的叠置方向将被称为上下方向，如图2中所示。

如图4、5中所示，热侧热源部分110是具有扁平矩形形状的容器并以彼此相对的方式形成有一对板部件。热侧热源部分110在一对相对的拐角(在图4A中的右上和左下部分上)具有两个凸起111和用于在其中心部分插入螺栓181的螺栓孔122。内散热片113被设置在热侧热源部分110中以将热散热器的热有效地传输到热电元件130。

如图5中所示，较大直径的管(对应本发明中的“一侧管”)141和较小直径管(对于本发明中的“另外一侧管”)142被连接到凸起部分111，其连接方式是与热侧热源部分110相连通。较小直径管142具有围绕上端部分的外周的槽。O形环(对于本发明的“密封部件”)143连接到槽上。

热侧热源部分110的最上一个具有热制冷剂入口管144和热制冷剂出口管145(参照图4A和4B)，以代替较小直径管142。热侧热源部分110的最下一个没有较大直径管141(未示出)。

如图6、7中所示，冷侧热源部分120与上述的热侧热源部分110不同之处在于在另外的一对相对拐角(在图6A和7A中的右下和左上部分上)上具有两个凸起121。冷侧热源部分120具有基本与热侧热源部分110相同的结构，除了上述的这点之外。冷侧热源部分120在中间部分上具有螺栓孔122和用于将冷制冷剂的热量有效地传输到热电元件130的内散热片113。

如图7中所示，较大直径管141和连接O形环143的较小直径管142被连接到凸起部分121。冷侧热源部分120的最上一个具有冷制冷剂入口管151和冷制冷剂出口管152(参看图6A和6B)以代替小直径管142。冷侧热源部分120的最下一个没有较大直径管141(未示出)。

热电式发电机100组装过程如下。如图8中所示，冷侧热源部分120、热电元件130、热侧热源部分110和热电元件130依次反复叠置。冷侧热源部分120的最下一个的较小直径管142被插入到紧邻最下一个之上的另外一个冷侧热源部分120的较大直径管141中，将O形环143设置在较大直径管141的内周和较小直径管142的外周之间。较大直径管141、较小直径管142和O形环143构成冷侧连通器150。冷侧热源部分120彼此相连通，冷散热器入口管151和冷制冷剂出口管152在冷侧热源部分120的最上一个上敞开。

相似地，热侧热源部分110的最下一个的较小直径管142被插入紧邻在最下一个之上的热侧热源部分110的另外一个的较大直径管141中，其间设置O形环143。较大直径管141、较小直径管142和O形环143构成热侧连通器140。热侧热源部分110彼此相连通，热制冷剂入口管144和热制冷剂出口管145在热侧热源部分110的最上一个上开口。

此处，热侧连通器140和冷侧连通器150分别设置在各热源部分110、120的一对和另外一对对角相对凸起111、121上。这样，热侧连通器140没有与冷侧热源部分120相接触，冷侧连通器150没有与热侧热源部分110相接触。

上述的热侧热源部分110、冷侧热源部分120和热电元件130的堆栈被夹持在下板160和上板170(分别在对应于管144、145、151和152的位置上具有管孔)之间并通过下板160和上板170支撑。多个螺栓181和螺帽182固定所述堆栈和在上下的方向上施加预定的压力的下、上板160、170，以形成热电式发电机100。

热电式发电机100的热制冷剂入口管144连接到热制冷剂流入管31，热制冷剂出口管145被连接到热制冷剂流出管32。同时，冷制冷剂入口管151被连接到冷制冷剂流入管41，冷制冷剂流出管152被连接到冷制冷剂流出管42。

接着，将描述具有上述结构的热电式发电机100的操作过程。当温度调节装置23通过制冷剂的温度增加(超过90℃以成为热制冷剂)朝向散热器21的侧面开口时，流经引擎制冷剂回路20的热制冷剂的一部分流经热制冷剂流入管31、热电式发电机100的热制冷剂流入管144、多个热侧热源部分110、热制冷剂出口管145和热制冷剂流出管32，然后回到散热器21下游点。

通过操作水泵44，冷制冷剂流经冷侧散热器43，冷制冷剂流入管41、冷制冷剂进入管151、多个冷侧热源部分120、冷制冷剂出口管152、冷制冷剂流出管42，然后回到冷侧散热器43。

然后，热电元件130通过流经热侧热源部分110的热制冷剂和流经冷侧热源部分120的冷制冷剂的热制冷剂而暴露出温度差异以产生电力，该电力用于对电池(未示出)进行充电并用于操作各辅助工具。

当热电元件130产生电力时，需要各热侧热源部分110和热电式发电机100与热电元件130在给定的表面压力上相接触以减小接触热传输阻力。在本发明中，通过使用用于连接各热源部分110、120的上述各连通器140、150，连通器140、150用作距离调节器140A，所述距离调节器140A在上下的方向上调节(平滑)热侧热源部分110、冷侧热源部分120和热电元件130的尺寸公差。这样，在热侧热源部分110、冷侧热源部分120和热电元件130的堆栈中，热电元件130与各热侧热源部分110、冷侧热源部分120在没有过分变形的情况下很好地相接触。这就减小了公开在本发明的现有技术中的加压装置的多余的结构。

此外，可以通过顺序反复叠置冷侧热源部分120、热电元件130、热侧热源部分110和热电元件130而提高热电式发电机100的组装工作性。

也可以通过在一个和另外一对对角相对拐角上的凸起111、121上设置各连通器140、150而防止热侧热源部分110和冷侧热源部分120之间的热传输，而不是将热侧热源部分110和冷侧连通器150彼此在一起以及冷侧热源部分、热侧连通器140彼此在一起。即，由热电元件130所产生的电力量通过保持热源部分110、120之间的温差而得到保证。

此外，通过使用热侧热源部分110的热源用的引擎10的制冷剂(热制冷剂)，热电式发电机100可以有效地使用引擎10的废热。

(第二实施例)

本发明的第二实施例显示在图9和10中。第二实施例与上述第一实施例不同的结构在于各连通器140、150。第二实施例采用具有风箱142的管141a(对应于本发明中的“管”)，所述风箱根据管141a的两端之间的距离而延伸和收缩。风箱142a用作距离调节器140A。

如图10中所示，热源部分110、120的堆栈通过交替叠置冷侧热源部分120、热侧热源部分110，并将管141a设置在各热源部分110、120之间并将它们一体燃烧而形成。在所述堆栈中，热源部分110、120之间的间隙被设置大于热电装置130的厚度。

此处，热侧热源部分140(图10中的左侧)使热制冷剂通过设置在热侧热源部分110之间的冷侧热源部分120之上。用相同的方式，冷侧热源部分150(图10中的右侧)使冷制冷剂通过设置在冷侧热源部分120之间的热侧热源部分110之上。

然后，热电元件130被插入到被燃烧的堆栈中的间隙中。热源部分110、120和热电元件130的堆栈被夹持在下板160和上板170之间并通过下板160和上板170支撑，然后所述杆和上下板160、170通过多个螺栓181固定。

在此实施例中，通过使用设有用于形成各连通器140、150的风箱142的管141a，各热源部分110、120之间的间距在将杆用螺栓181固定时通过风箱142a(距离调节器140A)的收缩而调整。这样，就有可能在没有过分的变形的情况下将热电元件130与各热源部分110、120相很好接触。

在此第二实施例中，与第一实施例相比各管141a与热侧热源部分110以及冷侧热源部分120相接触，导致热制冷剂和冷制冷剂之间的少量的热传输。但是，第二实施例不需要O形环143，第一实施例中的两类的较大直径管141和较小直径管142被组合为一类管141a，以减小部件的种类。

(第三实施例)

本发明的第三实施例被显示在图11中。与第一实施例相比，第三实施例中，热侧热源部分110、冷侧热源部分120和夹持在下板160和上板170之间的热电元件130所构成的堆栈通过将内空间保持到合适的真空状态的真空容器190而被封装。

与空气中相比，在真空中热传输减小，以减小从热侧热源部分110到外部的热扩散以及通过冷侧热源部分120的热吸收所导致的两个热源部分110、120之间的温度差。

当真空容器190没有被采用，冷侧热源部分120比外部空气更冷，空气中的水蒸气冷凝在冷侧热源部分120的表面上，这导致短路或者热电元件130中的腐蚀。在第三实施例中，这种问题不会发生。

(其它实施例)

与上述第一至第三实施例相比，如图12中所示，热电式发电机100可以具有在引擎10的废气和热制冷剂之间换热的加热器45，以增加冷制冷剂和热制冷剂之间的温度差异。这样，通过有效使用废气的热量，热电元件130的发电能力增加。此外，引擎100的废气10可以通过热侧热源部分110而被引入，尽管图中未示出。

作为冷侧热源部分120中的冷流体，可以使用循环在车辆制冷循环装置50中的制冷剂。如公知的那样，制冷循环装置具有闭合的回路，所述回路包括通过制冷剂管55顺序连接的压缩机51、冷凝机52、膨胀阀53和蒸发器54。然后，如图13中所示，冷侧热源部分120在制冷循环装置50(此后通过膨胀阀53解压缩)中供给制冷剂，以代替冷制冷剂。可选地，如图14中所示，通过在膨胀阀53和蒸发器54之间包括冷却器56，制冷剂进一步冷却冷制冷剂(流体)。这样，冷侧热源部分120变得比传统的用于空调或者用于引擎10的制冷剂或者制冷剂更冷。

尽管对本发明的一些实施例进行了说明，普通技术人员可以理解在不背离本发明的精神和原则的情况下可以对本发明进行修改和变化，其范围由所附权利要求书所限定。

Claims (7)

1.一种热交换器，包括：

多个管，流体流经所述多个管；

上水箱，所述上水箱具有芯板和箱体，并以与多个管的内空间相连通的方式设置在多个管的纵向端部上；芯板具有大约弧形的横截面，其两侧边缘被固定在箱体上，而其中间部分固定在多个管的纵向端部上并相对于两侧边缘朝向多个管凸出，箱体形成内空间；以及

支撑件，所述支撑件在两侧边缘之间保持有距离。

2.根据权利要求1所述的热交换器，

其特征在于，支撑件在主体中与箱体一体形成。

3.根据权利要求2所述的热交换器，

其特征在于，箱体由薄板形成，所述薄板被冲压成形具有用于形成箱体的第一部分、与主体部分相邻接的第二部分、以及其部分被切除以留下用于形成所述支撑件的第三部分的形状。

4.根据权利要求3所述的热交换器，

其特征在于，第一部分大致呈梯形的形状，其宽度在纵向方向上逐渐减小，以使得内空间的横截面区域在上水箱的纵向方向上、在从连接器离开时逐渐减小，流体通过所述连接器流入或者流出上水箱。

5.根据权利要求2所述的热交换器，

其特征在于，箱体被形成为圆柱形，其形状根据上水箱的形状来形成，并具有用于形成箱体的第一部分和将安置在两个侧边缘之间的第二部分、以及其部分被切除以留下用于形成支撑件的第三部分。

6.根据权利要求1所述的热交换器，

其特征在于，芯板和箱体由金属材料制造。

7.根据权利要求6所述的热交换器，

其特征在于，芯板和箱体由铜合金制造。

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