熱電堆及應(yīng)用該熱電堆的汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置制造方法
【專利摘要】熱電堆及應(yīng)用該熱電堆的汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置,成型為長方體柱狀的P型熱電偶臂與N型熱電偶臂交錯排列，相鄰熱電偶臂之間緊貼放置絕熱絕緣薄膜材料隔離，消除了空氣氣體的對流、輻射引起的冷、熱面溫差下降的弊端，提高了熱電轉(zhuǎn)換率。熱電偶臂之間的電連接通過柔性導(dǎo)熱導(dǎo)電材料完成，緩沖了熱應(yīng)力并消除它對產(chǎn)品的不良影響，解決了熱應(yīng)力導(dǎo)致熱電堆變形、破裂與熱電偶臂之間焊點脫落，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性與使用壽命的問題。
【專利說明】熱電堆及應(yīng)用該熱電堆的汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型與溫差熱電發(fā)電、熱電制冷技術(shù)有關(guān)，尤其與汽車尾氣余熱發(fā)電、制冷技術(shù)有關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)利用塞貝克(Seeback)效應(yīng)，將溫差熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，有體積小、重量輕、無振動、無噪音、壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)余熱或廢熱利用方面具有廣闊前景。雖然半導(dǎo)體溫差發(fā)電已有諸多應(yīng)用，但長久以來起關(guān)鍵作用的熱電堆(或稱熱電模塊)集成度不高，導(dǎo)致溫差發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)化效率、占用的空間、制造成本限制了熱電溫差發(fā)電與制冷技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用。目前的熱電堆中，排成行列二維矩陣的系列熱電偶元件之間留有足夠的行、列空隙，造成集成度低，而且空隙中留有空氣氣體，這些空氣氣體會使熱電堆的熱面與冷面之間產(chǎn)生熱的對流、輻射，降低熱電堆熱面與冷面之間的溫差A(yù)T，直接導(dǎo)致熱電偶電動勢的降低。例如，200910146005.4熱電模塊裝置和用于其中的熱交換器，申請?zhí)?01010265900.0 一種發(fā)動機(jī)廢氣能量利用裝置及應(yīng)用該裝置的汽車，201210227154.5汽車尾氣管溫差發(fā)電裝置，201110363273.9新一代不耗發(fā)動機(jī)動力的汽車發(fā)電機(jī)。
實用新型內(nèi)容
[0003]溫差余熱發(fā)電與制冷裝置的核心部件是熱電堆，為了克服目前熱電堆與溫差余熱發(fā)電制冷裝置的以上缺點，本實用新型提出一種集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低的熱電堆，同時提出一種利用該熱電堆作為發(fā)電與制冷的核心部件構(gòu)成的高效汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置。
[0004]目前的熱電堆中，排成行、列矩陣布局的系列熱電偶元件通過導(dǎo)體并聯(lián)或串聯(lián)，熱電堆的發(fā)電總功率為所有熱電偶的發(fā)電功率之和。熱電堆中的熱電偶由P型熱電偶臂與N型熱電偶臂組成，采用焊接方法進(jìn)行連接，工藝復(fù)雜、合格率低、成本高。為了隔熱與絕緣，行、列矩陣排列的熱電偶元件之間、熱電偶臂之間必須留有足夠的空隙，由于熱電偶臂尺寸本身較小，一般空隙尺寸會占元件尺寸的80%-120%，以較小的80%計算，其浪費(fèi)比例為:(1+80%)X(1+80%) - 1=224%,可見在熱電堆中超過元件自身所占面積近兩倍的布局空間作為空隙被浪費(fèi)了，空間浪費(fèi)巨大。同時，熱電偶元件之間、熱電偶臂之間的空隙不僅浪費(fèi)熱電堆的空間，而且空隙中留有空氣介質(zhì)，這些空氣氣體介質(zhì)會使熱電堆的熱面與冷面之間產(chǎn)生熱的對流、輻射，降低熱面與冷面之間的溫差A(yù)T，直接導(dǎo)致熱電偶產(chǎn)生的電動勢降低，因為每個熱電偶產(chǎn)生的電動勢是冷熱面溫差A(yù)T與塞貝克(Seeback)系數(shù)σ之乘積。在實際使用環(huán)境中，熱電堆冷、熱兩面溫差大，溫度變化大，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易引起陶瓷材料的冷、熱面變形或甚至破裂，也經(jīng)常引起焊點脫落，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性并縮短產(chǎn)品的使用壽命。
[0005]本實用新型熱電堆的技術(shù)方案是:在熱電堆中，成型為長方體柱狀的P型熱電偶臂與N型熱電偶臂交錯排列，所有熱電偶臂之間緊貼放置絕熱絕緣薄膜材料隔離，絕熱絕緣薄膜厚度可以做到小于熱電偶臂寬度的5%，整過熱電堆的空間浪費(fèi)可以做到小于5%，節(jié)省了空間。熱電偶臂之間緊貼放置的絕熱絕緣薄膜材料還排除了空氣介質(zhì)，因此消除了空氣氣體的對流、輻射引起的冷熱面之間溫差下降的弊端，提高了熱電轉(zhuǎn)換率。為了解決熱應(yīng)力容易導(dǎo)致熱電堆的冷、熱面變形、破裂與熱電偶臂之間焊點脫落，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性與使用壽命的問題，熱電偶臂之間的電連接通過放置柔性導(dǎo)熱導(dǎo)電材料于熱電偶臂上、下底面與殼體的上下底面內(nèi)側(cè)之間，緩沖了熱應(yīng)力并消除它對產(chǎn)品的不良影響。同時，熱電偶臂之間緊貼放置的柔性絕熱絕緣薄膜材料，也可以進(jìn)一步緩沖熱應(yīng)力并消除其不良影響。
[0006]在本實用新型的熱電堆中，熱電偶臂從列方向看，是一整條的長發(fā)體柱，按列依序排列，沒有行空隙。切割成長方體柱狀的熱電偶按列依序排放，可以看成為把傳統(tǒng)熱電堆中同一列的多個熱電偶合并為一個熱電偶，也相當(dāng)于把這同一列的多個熱電偶在電路上進(jìn)行了并聯(lián)，這樣不僅去除了同一列的多個熱電偶之間的空隙，而且省去了同一列熱電偶相互之間的焊接。
[0007]因此，本實用新型熱電堆取得的有益技術(shù)效果為:1、大大提高了熱電堆集成度，占元件2倍多的浪費(fèi)空間降低到5%，集成度提高2倍以上，也即是在同樣面積的熱電堆中，本實用新型熱電堆所發(fā)電或制冷的功率超過傳統(tǒng)熱電堆的3倍以上；2、省掉熱電偶臂之間的焊接工序，制作過程簡便，成本低廉；3、適應(yīng)溫差變化大，抗熱應(yīng)力能力強(qiáng)，產(chǎn)品可靠性高、壽命長；4、由于集成度高，熱電轉(zhuǎn)換能力包括熱電發(fā)電與熱電制冷的能力強(qiáng)，易于在汽車尾氣余熱發(fā)電制冷等要求熱電轉(zhuǎn)換功率大的應(yīng)用場合推廣使用，能夠產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
[0008]一種高效汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置
[0009]目前，汽車的機(jī)械動力轉(zhuǎn)換效率僅30%左右，燃油中有多達(dá)70%左右的能量沒有被有效利用，其中發(fā)動機(jī)尾氣所帶走的熱量占燃料燃燒熱量的40%左右，用于冷卻的熱量占30%左右，這些能量絕大部分以余熱的形式散失到空氣中，造成了巨大的能源浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染。近年來，利用熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)將大量廢熱回收轉(zhuǎn)為電能的研究得到歐、美、日等國的重視，并在汽車尾氣余熱發(fā)電的應(yīng)用中取得了一些成果。目前的汽車尾氣余熱溫差發(fā)電裝置普遍存在轉(zhuǎn)換效率低、轉(zhuǎn)換功率小的問題，還存在成本高、集成度低、所占空間大、可靠性低、壽命短、性價比低、投資回收期長等亟待解決的問題。
[0010]本實用新型的另一目的，是利用前面提出的高效熱電堆分別作為發(fā)電機(jī)構(gòu)與制冷機(jī)構(gòu)的核心部件組成高效汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置，解決上面所述的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在汽車尾氣余熱利用方面的問題。
[0011]其技術(shù)方案是:本實用新型的汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置利用本實用新型提出的熱電堆作為核心部件，將汽車尾氣余熱轉(zhuǎn)換為電能，再將獲取的電能制冷，供給乘坐室內(nèi)。它包含熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)與熱電制冷機(jī)構(gòu)，熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)線將電能輸出給熱電制冷機(jī)構(gòu)，熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)包含有一到多個用于發(fā)電的發(fā)電熱電堆，熱電制冷機(jī)構(gòu)包含有一到多個用于制冷的制冷熱電堆。
[0012]具體地，在熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)方面，發(fā)電熱電堆的熱面、冷面分別連接有集熱器、散熱器。相鄰發(fā)電熱電堆的熱面相向?qū)⒓療崞骶o夾于中間，以便兩者共享一個集熱器，達(dá)到有益技術(shù)效果:提高集成度、縮小裝置空間、節(jié)省材料。同樣地，相鄰熱電堆的冷面相向?qū)⑸崞骶o夾于中間以便兩者共享一個散熱器，達(dá)到同樣的有益技術(shù)效果:提高集成度、縮小裝置空間、節(jié)省材料。集熱器通過集熱熱管與汽車尾氣管相連，散熱器通過散熱熱管與汽車?yán)鋮s水箱相連，達(dá)到有益技術(shù)效果是:通過傳熱高效的熱管提高尾氣余熱的收集效率與冷面的散熱效率，建立穩(wěn)定的、更大的發(fā)電熱電堆冷熱面的溫差，輸出穩(wěn)定、足夠的電能。
[0013]同樣地，在熱電制冷機(jī)構(gòu)方面，采用類似的技術(shù)方案:制冷熱電堆的熱面、冷面分另Ij連接有散熱器、集冷器，相鄰制冷熱電堆的熱面相向?qū)⑸崞骶o夾于兩者中間，相鄰制冷熱電堆的冷面相向?qū)⒓淦骶o夾于兩者中間，散熱器通過散熱熱管與汽車車座室外的空間環(huán)境，集冷器通過冷氣傳送熱管與汽車乘坐室內(nèi)原空調(diào)系統(tǒng)的冷氣出口相連。這樣的熱電制冷機(jī)構(gòu)的好處是:集成度高、縮小裝置空間、節(jié)省材料，制冷量大，通過傳熱高效的熱管提高制冷量傳遞的效率，產(chǎn)生穩(wěn)定的、更大的制冷熱電堆冷、熱面的溫差，輸出穩(wěn)定、足夠的冷量。
[0014]發(fā)電機(jī)構(gòu)包含發(fā)電熱電堆的數(shù)量與制冷機(jī)構(gòu)包含的制冷熱電堆的數(shù)量相等、--
對應(yīng)，熱電參數(shù)相近、內(nèi)阻相近，每個發(fā)電熱電堆通過導(dǎo)線將電能輸出給對應(yīng)的制冷熱電堆。由于熱電參數(shù)相近，內(nèi)阻接近，可以保證發(fā)電輸出功率接近最大值，使發(fā)電模塊作為電池的內(nèi)阻與制冷模塊作為負(fù)載的內(nèi)阻得到自然匹配。
[0015]所述整個汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置的有益技術(shù)效果是:發(fā)電功率大、制冷量大，集成度高、可靠性高、壽命長，適應(yīng)尾氣高溫下長期穩(wěn)定工作。這樣在夏天開啟空調(diào)時，空調(diào)系統(tǒng)不消耗發(fā)動機(jī)的機(jī)械動力，可以增強(qiáng)發(fā)動機(jī)的動力、減少油耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型的熱電堆原理圖。
[0017]圖2是傳統(tǒng)的熱電堆內(nèi)部元件平面布局圖。
[0018]圖3是本實用新型的發(fā)電機(jī)構(gòu)原理圖。
[0019]圖4是本實用新型的制冷機(jī)構(gòu)原理圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖與具體實施例進(jìn)一步說明本實用新型。如圖1所示，本實用新型熱電堆的內(nèi)部包含有多個電路串聯(lián)相連接的熱電偶，每個熱電偶由P型熱電偶臂I與N型熱電偶臂2構(gòu)成，并封裝于殼體之中，P型熱電偶臂I與N型熱電偶臂2交錯順序排列，并通過在相鄰側(cè)面之間插入絕熱絕緣薄膜材料4相連接，每對相鄰的P型熱電偶臂I與N型熱電偶臂2的上底面通過導(dǎo)熱導(dǎo)電電極材料5相連構(gòu)成熱電偶，各熱電偶順序通過其熱電偶臂的下底面與導(dǎo)熱導(dǎo)電電極材料5相連構(gòu)成串聯(lián)電路，首尾熱電偶臂的下底面引出導(dǎo)體6;連接為一體的熱電偶整體封裝固定于殼體之中，殼體的上下面3為導(dǎo)熱絕緣材料，殼體的四周側(cè)面為絕熱絕緣材料。絕熱絕緣薄膜材料4選擇為絕熱絕緣性好、具有柔性特點的石棉材料。熱導(dǎo)電薄膜電極材料5選擇為導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、具有柔性特點的銀絲網(wǎng)帶。
[0021]下面結(jié)合附圖與具體實施例進(jìn)一步說明汽車尾氣余熱發(fā)電裝置，本實用新型汽車尾氣余熱發(fā)電裝置包含熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)(圖3)與熱電制冷機(jī)構(gòu)(圖4)，熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)線將電能輸出給熱電制冷機(jī)構(gòu)。如圖3所示，熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)包含3個用于發(fā)電的發(fā)電熱電堆e5，發(fā)電熱電堆e5的熱面、冷面分別連接有集熱器e2、散熱器e4，相鄰發(fā)電熱電堆e5的熱面相向?qū)⒓療崞鱡2緊夾于兩者中間，相鄰熱電堆e5的冷面相向?qū)⑸崞鱡4緊夾于兩者中間，集熱器e2通過集熱熱管el與汽車尾氣管相連,散熱器e4通過散熱熱管e3與汽車?yán)鋮s水箱相連；
[0022]如圖4所示，熱電制冷機(jī)構(gòu)包含有3個用于制冷的制冷熱電堆c5，制冷熱電堆c5的熱面、冷面分別連接有散熱器c2、集冷器c4，制冷熱電堆c5的熱面相向?qū)⑸崞鱟2緊夾于兩者中間，相鄰制冷熱電堆c5的冷面相向?qū)⒓淦鱟4緊夾于兩者中間，散熱器c2通過散熱熱管Cl與汽車座室外的空間環(huán)境連接，集冷器c4通過冷氣傳送熱管c3與汽車乘坐室內(nèi)原空調(diào)系統(tǒng)冷氣出口相連。
[0023]發(fā)電機(jī)構(gòu)的每個發(fā)電熱電堆e5與制冷機(jī)構(gòu)的制冷熱電堆c5--對應(yīng)，熱電參數(shù)
相近、內(nèi)阻相近，每個發(fā)電熱電堆e5通過導(dǎo)線將電能輸出給對應(yīng)的制冷熱電堆c5。由于熱電參數(shù)相近，內(nèi)阻接近，可以保證每個發(fā)電熱電堆e5的輸出功率接近最大值，使發(fā)電熱電堆e5作為電池的 內(nèi)阻與制冷熱電堆c5作為用電負(fù)載的內(nèi)阻得到自然匹配。
【權(quán)利要求】
1.一種熱電堆，包含有多個相連接的熱電偶，熱電偶由P型熱電偶臂與N型熱電偶臂構(gòu)成，并封裝于殼體之中，其特征在于，P型熱電偶臂(I)與N型熱電偶臂(2)交錯順序排列，并通過在相鄰側(cè)面之間插入絕熱絕緣薄膜材料(4)相連接，每對相鄰的P型熱電偶臂(I)與N型熱電偶臂⑵的上底面通過導(dǎo)熱導(dǎo)電電極材料(5)相連構(gòu)成熱電偶，各熱電偶順序通過其熱電偶臂的下底面與導(dǎo)熱導(dǎo)電電極材料(5)相連構(gòu)成串聯(lián)電路，首尾熱電偶臂的下底面引出導(dǎo)體(6);連接為一體的熱電偶系列整體封裝固定于殼體之中，殼體的上下面(3)為導(dǎo)熱絕緣材料，殼體的四周側(cè)面為絕熱絕緣材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電堆，其特征在于其絕熱絕緣薄膜材料(4)為柔性材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電堆，其特征在于其絕熱絕緣薄膜材料(4)為石棉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電堆，其特征在于其導(dǎo)熱導(dǎo)電薄膜電極材料(5)為柔性導(dǎo)熱導(dǎo)電材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電堆，其特征在于其導(dǎo)熱導(dǎo)電薄膜電極材料(5)為石墨紙或銅絲網(wǎng)帶或銀絲網(wǎng)帶。
6.一種使用權(quán)利要求1所述熱電堆的汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置，包含熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)與熱電制冷機(jī)構(gòu)，熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)線將電能輸出給熱電制冷機(jī)構(gòu)，其特征在于，熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)包含有一到多個用于發(fā)電的發(fā)電熱電堆(e5),發(fā)電熱電堆(e5)的熱面、冷面分別連接有集熱器(e2)、散熱器(e4)，相鄰發(fā)電熱電堆(e5)的熱面相向?qū)⒓療崞?e2)緊夾于兩者中間，相鄰熱電堆(e5)的冷面相向?qū)⑸崞?e4)緊夾于兩者中間，集熱器(e2)通過集熱熱管(el)與汽車尾氣管相連，散熱器(e4)通過散熱熱管(e3)與汽車?yán)鋮s水箱相連；熱電制冷機(jī)構(gòu)包含有一到多個用于制冷的制冷熱電堆(c5)，制冷熱電堆(c5)的熱面、冷面分別連接有散熱器(c2)、集冷器(c4)，制冷熱電堆(c5)的熱面相向?qū)⑸崞?c2)緊夾于兩者中間，相鄰制冷熱電堆(c5)的冷面相向?qū)⒓淦?c4)緊夾于兩者中間，散熱器(c2)通過散熱熱管(Cl)與汽車車座室外的空間環(huán)境，集冷器(c4)通過冷氣傳送熱管(c3)與汽車乘坐室內(nèi)原空調(diào)機(jī)冷氣出口相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的汽車尾氣余熱發(fā)電制冷裝置，其特征在于，發(fā)電機(jī)構(gòu)包含發(fā)電熱電堆(e5)的數(shù)量與制冷機(jī)構(gòu)包含的制冷熱電堆(c5)的數(shù)量相等、對應(yīng)，熱電參數(shù)相近、內(nèi)阻相近，每個發(fā)電熱電堆(e5)通過導(dǎo)線將電能輸出給對應(yīng)的制冷熱電堆(c5)。
【文檔編號】F25B21/04GK203787471SQ201320653141
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】張紅碧, 許小燕, 曾東建 申請人:張紅碧, 許小燕