CN103904948A - 用于车辆的累积型热电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种累积型热电发电机，其包括安装于废气入口管道与废气出口管道之间的多个单元模块的组件，第一热电元件和第二热电元件安装于所述单元模块中。冷却剂入口在废气出口管道的方向上在最外单元模块的上部内形成，冷却剂出口在废气入口管道的方向上在最外单元模块的下部内形成。一对废气流动路径可在所述单元模块的左侧和右侧上形成，且一对冷却剂流动路径在所述单元模块的上侧和下侧内形成，流入废气入口管道中的废气流动通过所述一对废气流动路径，流入冷却剂入口中的冷却剂流动通过所述一对冷却剂流动路径。

Description

用于车辆的累积型热电发电机

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年12月27日在韩国知识产权局提交的专利申请No.10-2012-0154530在35U.S.C.§119下的优先权，该申请的全部内容通过引用纳入本文。

技术领域

本发明涉及一种热电发电机，更特别地涉及一种用于车辆的累积型热电发电机。

背景技术

通常地，热电发电机指当将温差施加至加热元件和冷却元件的两端时，通过使用在加热元件与冷却元件之间产生的势差而获得电能的装置。典型地，加热元件和冷却元件由金属或半导体制成。这样，热量可直接转化为电力而无机械操作。

热电发电机通常应用于工业锅炉的废气设备和边远地区中的供电设施，近年来，它们开始应用于废物焚烧炉的废热利用系统、地热发电、海洋温差发电等。

同时，由于在车辆内提供电功率以充电电池的发动机驱动交流发电机（也称为交流发电机）的效率仅在约33%效率下操作，且交流发电机的轴功率应该随着车辆的电功率消耗增加而增加，因此当轴功率的损失增加时，燃料消耗变得增加，且由于高燃料消耗而导致排出增加的污染物。

操作交流发电机所需的能量的量基于车辆的行驶状态和由车辆消耗的电功率的量而变化。因此，已开始将从发动机收集废热的热电发电机加入车辆中。

车辆中的热电发电机通常包括加热单元，所述加热单元用于进行废气与热电模块的高温端之间的热传递。该热电模块常常包括多个热电半导体、用于冷却热电模块的低温端的冷却单元，以及废热回收装置。热电发电机将获自发动机的废热的热能转化为电能。

图1为示出了用于热电发电机中的热电模块的概念的示意图。热电模块制造为电路，使得电流通过热电动势而流动，所述热电动势通过连接p型和n型导体或半导体，并在一侧设定高温热源，且在另一侧设定低温热源而产生。典型地，每个热电模块可输出约2W至4W。

然而，必要的是使加热单元与冷却单元之间的温差达到最大，以增加由热电模块产生的功率量，但由于在诸如图1所示的相关技术的用于车辆的热电发电机中加热单元和冷却单元的结构效率一般较差，因此高温端与低温端之间的温差比所希望的更小。

发明内容

本发明已致力于提供一种用于车辆的累积型热电发电机，其能够通过改进包括加热单元和冷却单元的热交换结构而使热电发电机的发电效率达到最大。

本发明的示例性实施方案提供了一种用于车辆的累积型热电发电机，其中热电发电单元安装于废气入口管道与废气出口管道之间，所述热电发电单元为多个单元模块的组件，第一热电元件和第二热电元件安装于所述单元模块中。冷却剂入口在废气出口管道的方向上在最外单元组件的上部形成，并且冷却剂入口挡板安装于最外单元模块的下部。冷却剂出口在废气入口管道的方向上在最外单元模块的下部形成，并且冷却剂出口挡板安装于最外单元模块的上部。分别地，一对废气流动路径在所述单元模块的左侧和右侧处形成，并且一对冷却剂流动路径在所述单元模块的上侧和下侧处形成，流入废气入口管道中的废气流动通过所述一对废气流动路径，流入冷却剂入口中的冷却剂流动通过所述一对冷却剂流动路径。

具有根据本发明的示例性实施方案的前述构造的用于车辆的累积型热电发电机具有如下优点。

第一，根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的热电发电单元具有其中多个单元模块累积的结构，由此通过在有限空间中有效构造高温部分和低温部分的路径并增加热电元件的表面积而改进热电发电量。

第二，由于根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的热电发电单元使用作为基本单元的单元模块而形成，因此热电发电单元可通过调节在热电发电单元中使用的单元模块的数量而适当地应对车辆底盘的布局限制和发动机输出的变化。

第三，由于根据本发明的示例性实施方案的热电发电单元的单元模块具有其中单元模块通过焊接方法一体组装而不使用另外的密封工序和连接元件的结构，因此组装分布可得以减小，并且生产率可得以改进。

第四，由于根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的热电发电单元的单元模块具有相同的形状，且相同数目重复组装，因此用于提供元件的系统得以简化，并且维护易于进行，使得单元模块适于批量生产。此外，热电发电机的结构强度得以改进。

附图说明

图1为示出了相关的热电模块的示意图。

图2为根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的立体图。

图3为示出了其中根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的废气入口管道和废气出口管道分离的状态的立体图。

图4为根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的单元模块的立体图。

图5为根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的单元模块的分解立体图。

图6为根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的部分切割立体图。

图7为示出了根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的操作的部分切割部分的放大立体图。

图8为示出了根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的操作的横截面图。

图9A至图9B为示出了根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的热交换的横截示意图。

具体实施方式

应当理解，本文所用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆（SUV）、公共车辆、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇和船舶的船只，航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其他替代性燃料车辆（例如源于非汽油的能源的燃料）。

另外，应理解如下模块和单元作为组成结构元件的硬件呈现，且不应该被解释为为了本申请的目的的软件。本文所用的术语仅为了描述特定的实施方案的目的，且不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一种”和“所述”旨在同样包括复数形式，除非上下文明确相反指出。还应了解，当在本说明书中使用时，术语“包括”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块的存在，但不排除一种或多种其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或其组合的存在或添加。如本文所用，术语“和/或”包括一种或多种相关的所列项目的任意和全部组合。”

在下文，将参考附图更详细地描述根据本发明的一个示例性实施方案的用于车辆的累积型热电发电机的构造。然而，所附附图作为例子提供以将本发明的精神完全传达给本领域技术人员。因此，本发明不限于所附附图，并可以各种形式实施。

此外，除非限定本说明书中所用的术语，否则这些术语具有本发明所属技术领域的技术人员所通常理解的含义，并且可能不必要地使本发明的主旨晦涩的已知的功能和构造将不会在如下描述和所附附图中详细描述。

图2为根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的立体图，并且图3为示出了其中根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的废气入口管道和废气出口管道分离的状态的立体图。

参见图2和3，根据本发明的示例性实施方案的热电发电机1包括热电发电单元10，所述热电发电单元10安装于废气入口管道2与废气出口管道3之间，废气通过所述废气入口管道2流入，废气通过所述废气出口管道3排出。

冷却剂入口4在热电发电单元10的出口管道3的方向上在最外单元模块100的上部形成，且冷却剂入口挡板6a安装于下部。如图6所示，冷却剂出口5在入口管道2的方向上在最外单元模块100的下部内形成，并且冷却剂出口挡板6b安装于上部内。

此外，废气出口8可在热电发电单元10的出口管道3的方向上在最外单元模块100的一侧上形成，且控制流入废气入口管道2的废气的排放的阀门20可附接至最外单元模块100的另一侧。

另外，如图7所示，废气入口7可在入口管道2的方向上在最外单元模块100的一侧上形成，且废气挡板9可安装于最外单元模块100的另一侧。

在根据本发明的示例性实施方案的热电发电单元10中，热传递在来自发动机废气的热量与冷的冷却剂之间经由如下过程发生：流入废气入口管道2的废气通过废气出口管道3排放至外部，且冷却剂从冷却剂入口4流动至冷却剂出口5。

此外，经由热传递，温差施加至第一热电元件170和第二热电元件171的两端，因此电能通过在经加热的热电元件与经冷却的热电元件之间产生的势差而产生，所述第一热电元件170和第二热电元件171可由金属或半导体制成，并安装于热电发电单元10中。

根据本发明的示例性实施方案的热电发电单元10为多个其中安装第一热电元件170和第二热电元件171的单元模块100的组件，图4为示出了单元模块100的构造的立体图，且图5为单元模块100的分解立体图。

参照图4和5，单元模块100为通过将第一板110、第二板120、第三板130和第四板140以如下方式彼此顺序联接而形成：第二板120附接至第一板110的前表面，第三板130附接至第二板120的前表面，并且第四板140附接至第三板130的前表面。

单元模块100包括在模块的左侧和右侧上形成的一对废气流动路径150，并包括在模块的上侧和下侧上形成的在废气流动路径150之间的一对冷却剂流动路径160，废气流动通过所述一对废气流动路径150，且冷却剂流动通过所述一对冷却剂流动路径160。

更特别地，一对第一板废气通孔111和112和一对第一板冷却剂通孔113和114在单元模块100的第一板110内形成，废气通过所述一对第一板废气通孔111和112在左侧和右侧流动，冷却剂通过所述一对第一板冷却剂通孔113和114在上侧和下侧流动。同样地，一对第二板废气通孔121和122和一对第二板冷却剂通孔123和124在单元模块100的第二板120处形成，废气通过所述一对第二板废气通孔121和122在左侧和右侧流动，冷却剂通过所述一对第二板冷却剂通孔123和124在上侧和下侧流动。

另外，一对第三板废气通孔131和132和一对第三板冷却剂通孔133和134在单元模块100的第三板130处形成，废气通过所述一对第三板废气通孔131和132在左侧和右侧流动，冷却剂通过所述一对第三板冷却剂通孔133和134在上侧和下侧流动。最后在本发明的示例性实施方案中，一对第四板废气通孔141和142和一对第四板冷却剂通孔143和144在单元模块100的第四板140处形成，废气通过所述一对第四板废气通孔141和142在左侧和右侧流动，冷却剂通过所述一对第四板冷却剂通孔143和144在上侧和下侧流动。

第一板110和第二板120可通过焊接方法彼此附接，而不使用另外的密封和连接元件。通过焊接方法附接可同样分别应用于第二板120与第三板130之间的附接以及第三板130与第四板140之间的附接。此外，由金属或半导体制成的第一热电元件170可附接于第二板120与第三板130之间。

另外，由金属或半导体制成的第二热电元件171可附接至第四板140的表面，附接至第四板140的表面的第二热电元件171与联接至第四板140的前表面的另一单元模块100的第一板110的后表面接触。

因此，在如上所述构造的根据本发明的示例性实施方案的单元模块100中，当第一板110、第二板120、第三板130和第四板140联接时，通过分别彼此重叠第一板110、第二板120、第三板130和第四板140的废气通孔111、112、121、122、131、132、141和142而形成单元模块100的一对废气流动路径150，并且通过分别彼此重叠第一板110、第二板120、第三板130和第四板140的冷却剂通孔113、114、123、124、133、134、143和144而形成单元模块100的一对冷却剂流动路径160。

在如上所述构造的根据本发明的示例性实施方案的单元模块100中，如作为根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的部分切割立体图的图6以及作为示出了根据本发明的示例性实施方案的热电发电机的操作部分切割部分的放大立体图的图7所示，由于在入口管道2的方向上在最外单元模块100的一侧的废气通孔被废气挡板9关闭，因此自废气入口管道2流动的废气流入在入口管道2的方向上在最外单元模块100的另一侧上的废气入口7中，并通过每个单元模块100的废气流动路径150流动至废气出口管道3。

另外，由于在出口管道3的方向上在最外单元模块100的下部形成的冷却剂通孔被冷却剂入口挡板6a关闭，因此冷却剂流入在出口管道3的方向上在最外单元模块100的上部形成的冷却剂入口4中，并通过每个单元模块100的冷却剂流动路径160而流动至冷却剂出口5。在本文，由于在入口管道2的方向上在最外单元模块100的上部形成的冷却剂通孔被冷却剂出口挡板6b关闭，因此冷却剂仅排放至在入口管道2的方向上在最外单元模块100的下部形成的冷却剂出口5。

因此，如在图8的单元模块100的横截面图中所示，由于流入冷却剂入口4中的冷却剂通过单元模块100的冷却剂流动路径160流入每个单元模块100的第一板110与第二板120之间。流入废气入口7中的废气流入单元模块100的第三板130与第四板140之间。在竖直方向上流动通过冷却剂流动路径160的冷却剂以及在水平方向上流动的流入废气入口7的废气彼此垂直，因此冷却剂与废气之间的热传递有效进行。通过废气与冷却剂之间的有效热传递，更大的温差应用于附接于第二板120与第三板130之间的第一热电元件170的两端，且更大的温差应用于附接于第四板140与另一单元模块100的第一板110’之间的第二热电元件171的两端。因此，由于在经加热的热电元件与经冷却的热电元件之间产生了更大的势差，因此可有效地进行电能的产生。

同时，根据本发明的示例性实施方案，在根据本发明的示例性实施方案的热电发电单元10中，可将阀门20附接至在废气出口管道3的方向上最外设置的单元模块100的另一侧。如图9A所示，在阀门20中，当阀门20关闭时，通过前述的冷却剂与废气之间的热传递而进行热电发电，在此情况中流入废气入口管道2的废气不通过阀门20排出，而是仅通过废气出口8排出。

然而，如图9B所示，当阀门20打开时，由于流入废气入口管道2的废气经过打开状态下的阀门20，并通过废气出口8排出，因此进行旁通操作，其中热电发电单元10的热电发电部分受限。旁通操作限制了热电发电，以防止热电元件由于高负载驱动而过热。

本发明参照附图中所示的仅作为例子的实施方案进行描述，并可通过各种实施方案实施。因此，本发明的真正范围仅由权利要求进行限定。

Claims (14)

1.一种用于车辆的累积型热电发电机，其包括：

热电发电单元，所述热电发电单元包括安装于废气入口管道与废气出口管道之间的多个单元模块的组件，其中在所述热电发电单元中，

冷却剂入口在所述废气出口管道的方向上在最外单元模块内形成，冷却剂出口在所述废气入口管道的方向上在最外单元模块的下部内形成，以及

第一热电元件和第二热电元件安装于所述热电发电单元中，其中所述第一热电元件和第二热电元件当废气流入所述废气入口管道且冷却剂流入冷却剂入口时在彼此垂直方向上，根据废气与所述冷却剂之间的热传递而产生势差。

2.根据权利要求1所述的用于车辆的累积型热电发电机，其中

一对废气流动路径在所述单元模块的左侧和右侧上形成，流入所述废气入口管道的废气通过所述一对废气流动路径流动，以及

一对冷却剂流动路径在所述单元模块的上侧和下侧上形成，流入所述冷却剂入口的冷却剂流动通过所述一对冷却剂流动路径。

3.根据权利要求2所述的用于车辆的累积型热电发电机，其中

冷却剂入口挡板在所述废气出口管道的方向上设置于所述最外单元模块内，以及

冷却剂出口挡板在所述废气入口管道的方向上设置于所述最外单元模块内。

4.根据权利要求2所述的用于车辆的累积型热电发电机，其中

废气出口在所述热电发电单元的出口管道的方向上在所述最外单元模块的一侧上形成，且阀门连接至所述最外单元模块的另一侧，以及

废气入口在入口管道的方向上在所述最外单元模块的一侧上形成，且废气挡板设置于所述最外单元模块的另一侧上。

5.根据权利要求2所述的用于车辆的累积型热电发电机，其中

所述单元模块通过将第一板、第二板、第三板和第四板彼此顺序联接而形成，

一对第一板废气通孔在所述第一板的左侧和右侧上形成，并且一对第一板冷却剂通孔在所述第一板的上侧和下侧上形成，废气流动通过所述一对第一板废气通孔，并且所述冷却剂流动通过所述一对第一板冷却剂通孔，

一对第二板废气通孔在所述第二板的左侧和右侧处形成，并且一对第二板冷却剂通孔在所述第二板的上侧和下侧处形成，废气流动通过所述一对第二板废气通孔，并且所述冷却剂流动通过所述一对第二板冷却剂通孔，

一对第三板废气通孔在所述第三板的左侧和右侧处形成，并且一对第三板冷却剂通孔在所述第三板的上侧和下侧处形成，废气流动通过所述一对第三板废气通孔，并且所述冷却剂流动通过所述一对第三板冷却剂通孔，以及

一对第四板废气通孔在所述第四板的左侧和右侧上形成，并且一对第四板冷却剂通孔在所述第四板的上侧和下侧上形成，废气流动通过所述一对第四板废气通孔，并且所述冷却剂流动通过所述一对第四板冷却剂通孔。

6.根据权利要求5所述的用于车辆的累积型热电发电机，其中

所述第一热电元件附接于所述第二板与所述第三板之间，以及

所述第二热电元件附接至所述第四板的表面。

7.根据权利要求5所述的用于车辆的累积型热电发电机，其中所述单元模块的第一板、第二板、第三板和第四板通过焊接方法附接。

8.一种安装于车辆的排气线中的热电发电机系统，其包括：

排气管道入口；

排气管道出口，以及

热电发电机，所述热电发电机包括多个安装于废气管道入口与废气管道出口之间的单元模块，其中冷却剂入口在所述废气出口管道的方向上在最外单元模块内形成，冷却剂出口在所述废气入口管道的方向上在最外单元模块的下部内形成，并且第一热电元件和第二热电元件安装于所述热电发电机中，

其中在所述热电发电机内的冷却剂流和废气流彼此垂直。

9.根据权利要求8所述的安装于车辆的排气线中的热电发电系统，其中：

一对废气流动路径在所述单元模块的左侧和右侧上形成，流入所述废气入口管道的废气通过所述一对废气流动路径流动，且

一对冷却剂流动路径在所述单元模块的上侧和下侧上形成，流入所述冷却剂入口的冷却剂流动通过所述一对冷却剂流动路径。

10.根据权利要求9所述的安装于车辆的排气线中的热电发电系统，其中：

冷却剂入口挡板在所述废气出口管道的方向上设置于最外单元模块内，且

冷却剂出口挡板在所述废气入口管道的方向上设置于最外单元模块内。

11.根据权利要求9所述的安装于车辆的排气线中的热电发电系统，其中

废气出口在所述热电发电单元的出口管道的方向上在所述最外单元模块的一侧上形成，并且阀门连接至所述最外单元模块的另一侧，以及

废气入口在入口管道的方向上在所述最外单元模块的一侧上形成，且废气挡板设置于所述最外单元模块的另一侧上。

12.根据权利要求9所述的安装于车辆的排气线中的热电发电系统，其中

所述单元模块通过将第一板、第二板、第三板和第四板彼此顺序联接而形成，

一对第一板废气通孔在所述第一板的左侧和右侧上形成，并且一对第一板冷却剂通孔在所述第一板的上侧和下侧上形成，废气流动通过所述一对第一板废气通孔，并且所述冷却剂流动通过所述一对第一板冷却剂通孔，

一对第二板废气通孔在所述第二板的左侧和右侧处形成，并且一对第二板冷却剂通孔在所述第二板的上侧和下侧处形成，废气流动通过所述一对第二板废气通孔，并且所述冷却剂流动通过所述一对第二板冷却剂通孔，

一对第三板废气通孔在所述第三板的左侧和右侧处形成，并且一对第三板冷却剂通孔在所述第三板的上侧和下侧处形成，废气流动通过所述一对第三板废气通孔，并且所述冷却剂流动通过所述一对第三板冷却剂通孔，且

一对第四板废气通孔在所述第四板的左侧和右侧上形成，并且一对第四板冷却剂通孔在所述第四板的上侧和下侧上形成，废气流动通过所述一对第四板废气通孔，并且所述冷却剂流动通过所述一对第四板冷却剂通孔。

13.根据权利要求2所述的用于车辆的累积型热电发电机，其中

所述第一热电元件附接于所述第二板与所述第三板之间，以及

所述第二热电元件附接至所述第四板的表面。

14.根据权利要求12所述的安装于车辆的排气线中的热电发电系统，其中所述单元模块的第一板、第二板、第三板和第四板通过焊接方法附接。

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