專利名稱：能量轉(zhuǎn)換裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用熱電裝置來轉(zhuǎn)換來自反應(yīng)過程的廢棄熱。在更具體的應(yīng)用中，本發(fā)明涉及也構(gòu)造成進行催化轉(zhuǎn)換的熱電裝置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出作為提高依賴于碳氫化合物燃料(例如煤、汽油、柴油等)作為能源的電源系統(tǒng)的效率的方法的熱電裝置的使用。當(dāng)前，由于熱和其它損耗，從諸如汽油之類的燃料燃燒獲得的約75%的能量被浪費掉，而且僅約25%的能量被車輛用于行駛或?qū)υO(shè)備或附件供電，例如，各種電氣部件。在柴油情況下，利用了約34%的能量。由于例如越來越多的電氣部件和電子器件被增加到車輛，車輛的電力要求持續(xù)增加。熱電回收系統(tǒng)可通過使用目前浪費的熱能的一部分用于直接電能轉(zhuǎn)換來提高碳氫化合物作動力的車輛的效率，且可節(jié)省例如現(xiàn)在由交流發(fā)電機使用的車輛的機械能。這可導(dǎo)致燃料燃燒所提供的總化學(xué)能的凈節(jié)省。很多發(fā)電應(yīng)用中(例如汽車應(yīng)用)，存在高溫梯度。因此，理想的是利用熱電裝置來將浪費的熱能轉(zhuǎn)換成電能(其可減少環(huán)境CO2)；促進由于減少發(fā)動機上的負載而使用更輕且更少動力發(fā)動機來供電的能力；促進一旦發(fā)動機啟動，由于可從熱電模塊供應(yīng)電力而使用更小電池；和/或潛在地消除或最小化諸如交流發(fā)電機的設(shè)備的使用。熱電裝置的理想最大輸出電力很大程度上取決于熱梯度。因此，理想的是將熱電裝置放置在來自燃燒反應(yīng)的廢氣的溫度相對高的地方，例如，在車輛應(yīng)用中臨近發(fā)動機模塊。但是，根據(jù)這些裝置的構(gòu)造，包括例如制成這種裝置的材料，在某些常規(guī)熱電裝置的使用中，可能出現(xiàn)考驗。例如，某些常規(guī)熱電裝置包括在相對低的熱梯度(例如小于約 IOO0C )下運行的材料。當(dāng)在較高溫度梯度下運行時，例如在后燃燒過程中的運行，包括車輛應(yīng)用中的運行，這種常規(guī)熱電裝置可能不能承受相關(guān)的熱機械應(yīng)力。此外，呈現(xiàn)相對高熱膨脹系數(shù)的材料可能導(dǎo)致在熱電裝置的熱側(cè)和冷側(cè)之間的不同膨脹(擴張)，由此導(dǎo)致裝置中熱電元件的過度應(yīng)變。另一問題是毒性，這可能由于制成某些常規(guī)熱電裝置的材料的使用而出現(xiàn)，尤其對于制成熱電P型和η型元件的材料。尤其在消費者應(yīng)用中，例如車輛應(yīng)用，毒性材料的使用是不合需要的。當(dāng)在燃燒廢氣上進行催化轉(zhuǎn)換時，例如在車輛應(yīng)用中，還理想的是將催化轉(zhuǎn)換系統(tǒng)定位在靠近或位于最熱氣體的廢氣流內(nèi)。由于在將后燃燒催化轉(zhuǎn)換系統(tǒng)預(yù)熱到催化轉(zhuǎn)換反應(yīng)變得相對有效的溫度時經(jīng)常需要延遲(指點火時間)，所以這種位置是理想的。在點火之前，可能會出現(xiàn)冷啟動污染。由于催化轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和熱電裝置都可在定位在具有非常高溫的廢氣流處時得到益處，理想的是提供一種裝置，該裝置組合了催化轉(zhuǎn)換和熱電能發(fā)電，從而兩個過程都可利用
尚溫廢氣。在常規(guī)催化轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，來自催化轉(zhuǎn)換反應(yīng)(發(fā)熱反應(yīng))的熱通常不收集或轉(zhuǎn)換并因此被浪費了。因此，還理想的是通過將來自發(fā)熱催化轉(zhuǎn)換反應(yīng)的廢棄熱轉(zhuǎn)換成另一形式的能量(例如電能)而利用。此外，理想的是提供一種熱電裝置，其構(gòu)造成能夠承受相對高的溫度梯度和/或不引起毒性問題，并由能夠承受相對高的溫度梯度和/或不引起毒性問題的材料制成。

發(fā)明內(nèi)容
其它目的和想要的特征部分地將在以下說明書中闡述，而根據(jù)說明書部分地將會顯而易見，或可通過實施本發(fā)明來獲知。通過在所附權(quán)利要求中特別指出的元素和組合，將能認識和獲知本發(fā)明的至少某些目的和優(yōu)點。應(yīng)當(dāng)理解上述一般描述和以下詳細描述僅是示例性和說明性的，而不限制本發(fā)明或權(quán)利要求書。根據(jù)各種示例性實施例，本發(fā)明設(shè)想一種能量轉(zhuǎn)換裝置，包括構(gòu)造成接收熱流體的至少一個熱源室、構(gòu)造成接收冷卻劑的至少一個冷源室、以及與該至少一個熱源室和至少一個冷源室熱連通的多個熱電元件，其中該至少一個熱源室構(gòu)造成對接收在該至少一個熱源室中的熱流體進行催化轉(zhuǎn)換，熱電元件構(gòu)造成當(dāng)暴露于溫度梯度時產(chǎn)生電勢，且該至少一個熱源室和至少一個冷源室由具有相對低熱膨脹系數(shù)的材料形成。各種示例性實施例中，本發(fā)明還設(shè)想用于將熱轉(zhuǎn)換成電能的方法。該方法可包括使熱流體流過至少一個熱源室，該至少一個熱源室由具有相對低的熱膨脹系數(shù)的材料形成，對流過該熱源室的流體進行催化轉(zhuǎn)換，使冷卻劑流過至少一個冷源室，該至少一個冷源室由具有相對低的熱膨脹系數(shù)的材料形成，以及通過多個熱電元件與至少一個熱源室和至少一個冷源室之間的熱交換而產(chǎn)生跨越多個熱電元件的溫度梯度。該方法還包括通過多個熱電元件產(chǎn)生電勢。


可單獨從下面的詳細描述中理解本發(fā)明或與附圖一起理解本發(fā)明。所包括的附圖用于提供對本發(fā)明的進一步理解，且納入到本說明書中并構(gòu)成其一部分。這些附圖示出本發(fā)明的一個或多個示例性實施例，與說明書一起，用于解釋某些原理和運行。附圖中圖1示出具有廢氣管的機動車輛發(fā)動機的示例性實施例的立體圖，廢氣管來自與相應(yīng)的根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置流體連通的每個氣缸；圖2是圖1的熱電發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置之一的剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的另一示例性實施例的剖視圖；圖4是圖2的熱電發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的熱源室的示例性實施例的局部剖視圖；圖5是圖1的發(fā)動機模塊、廢氣管以及熱電發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的剖視圖；圖6是圖2的熱源室的內(nèi)表面部分上散熱片的示例性實施例的側(cè)視圖；以及
圖7是根據(jù)本發(fā)明的可使用的熱電元件和電極的示例性實施例的剖視圖。雖然下面詳細說明書參照說明性的實施例，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，多種替換、修改和變型是明顯的。因此，要求保護的主題旨在被廣義地理解。
具體實施例方式將詳細參照本發(fā)明的各種示例性實施例，在附圖中示出了實施例的示例。各種示例性實施例不是旨在限制本發(fā)明。相反，本發(fā)明旨在覆蓋所有替換方案、修改和等價方案。本發(fā)明設(shè)想催化轉(zhuǎn)換和熱電能發(fā)電一體化的裝置和方法。更具體來說，本發(fā)明提供了將熱電裝置的熱源室用作催化轉(zhuǎn)換室。由此，發(fā)熱催化轉(zhuǎn)換反應(yīng)熱能和后燃燒熱能都可用于熱電能發(fā)電。該裝置可放置在燃燒系統(tǒng)內(nèi)靠近廢氣具有非常高溫度的位置處，由此呈現(xiàn)用于運行熱電裝置的相對高溫度梯度環(huán)境。在車輛應(yīng)用中(例如各種示例性實施例中)，組合的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置可定位在氣缸模塊的外部，大致在最高溫度廢氣處。這種定位可提供最大的熱梯度，并由此提供同時來自廢氣和發(fā)熱催化轉(zhuǎn)換反應(yīng)的大量熱電發(fā)電。本發(fā)明還設(shè)想利用具有相對低熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料來形成基底，該基底形成熱流體和冷流體循環(huán)的室。例如，本發(fā)明設(shè)想對熱源室和冷源室使用單一玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)。這種構(gòu)造可更好地承受高溫環(huán)境，包括高溫梯度，同時還提供相對快速且有效的催化點火效果。關(guān)于前者，具有相對低CTE的材料(例如，各種玻璃陶瓷材料)可使得熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置能夠通過最小化熱電裝置的熱側(cè)和冷側(cè)之間的不同膨脹效果而承受相對高熱機械應(yīng)力而不失效。關(guān)于后者，還呈現(xiàn)相對大熱容的該種材料可實現(xiàn)提高的催化反應(yīng)和更快的點火時間。發(fā)熱催化后燃燒能量用于加強熱電能發(fā)電。國際專利申請公開W02008/106099(2008年9月4日，題為“玻璃陶瓷熱電模塊 (GLASS-CERAMIC THERMOELECTRIC MODULE) ”，該公開整體以參見方式納入本文)揭示了一種合適的材料，該合適的材料呈現(xiàn)可用于制造根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的熱電發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換設(shè)備的理想CTE。W02008/106099(以參見方式納入本文)也揭示了用于制造用在后燃燒應(yīng)用中的熱電裝置的各種方法且這種生產(chǎn)方法還可用于形成本發(fā)明的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換設(shè)備，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，各種修改將是合適且明顯的。除了上面討論的各方面，在根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實施例中，組合的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)造還可促進氣體和催化劑部位的相互作用、最小化空間要求、促進承受振動的能力、和/或消除與某些常規(guī)催化轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相關(guān)的油封需要。雖然下文參照附圖描述的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的示例性實施例是參照機動車輛應(yīng)用討論的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，這些示例性實施例在各種應(yīng)用中是有用的，例如在固定的發(fā)電廠和燃燒系統(tǒng)中，在其中，理想的是將廢棄熱轉(zhuǎn)換成電能和/或在各種廢棄流體流上進行催化轉(zhuǎn)換。參照圖1，示出具有廢氣管110的四缸內(nèi)燃機的氣缸模塊100的示例性實施例的立體示意圖，廢氣管110從每個氣缸120延伸到相應(yīng)的根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實施例的一體的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置150。來自每個氣缸120的后燃燒廢氣G從上游廢氣管 110流過熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置150中每個并流出下游廢氣管130，如示意性地表示圖 1中廢氣流動的箭頭所示。
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如圖1的立體圖所示，一體的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置150可具有大致平面的、 層狀的基底構(gòu)造，中心基底層形成熱源室(例如，構(gòu)造成接納來自氣缸120的熱廢氣)且外基底形成冷源室(例如，構(gòu)造成接納冷卻劑)，如下文將更詳細描述的。如下文還將更詳細描述的，設(shè)置在熱源室和每個冷源室之間并與熱源室和每個冷源室接觸的熱電元件層包括多個熱電元件。下文還討論用于制造本發(fā)明的基底層以及熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的示例性方法的進一步細節(jié)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解圖1中示出的四缸內(nèi)燃機僅是示例性的且可根據(jù)需要將具有任意數(shù)量氣缸的發(fā)動機與具有適當(dāng)數(shù)量的一體熱電/催化轉(zhuǎn)換裝置一起利用。此外，在示例性實施例中，由于本文所揭示的用于形成熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的材料，可能能夠利用跨越所有發(fā)動機氣缸的單一熱電裝置且其能夠承受相關(guān)的熱機械應(yīng)力。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一體的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置150的示例性實施例的剖視圖。圖2所示的剖視圖例如表示沿裝置150的位于大致垂直于圖1所示裝置150的縱向軸線的平面(即，平行于裝置150的短側(cè)的平面)截取的橫截面。如圖2所示，熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置150包括多個(這里兩個)熱源室255， 熱源室255與來自發(fā)動機的熱廢氣流體連通(例如，通過諸如圖1和5所示的廢氣管110 的廢氣管)。熱源室255還通過將催化劑納入在室255的內(nèi)表面部分上而用作催化轉(zhuǎn)換室， 如將在下文中進一步描述的。在各種示例性實施例中，如圖2所示，熱源室255可具有與常規(guī)廢氣管大致相同的橫截面面積，但呈更平的縱橫比。這種更平的縱橫比可致使最大化熱交換和/或最大化與室255的內(nèi)表面部分催化劑互相作用。作為非限制性實施例，熱源室 255可具有約5mm至約20mm的深度d (例如約14mm)和約30mm至約60mm的寬度w (例如約 45mm)。熱源室255的外部和相反側(cè)是熱電元件272、273的層270、271。熱電元件272、273 的層270、271可大致對稱地設(shè)置在形成熱源室255的基底282和觀4的相反側(cè)上，由此將熱源室255定位在總裝置150的大致中心。作為示例，熱電元件可分別包括ρ型和η型熱電元件272、273。電極276可與臨近元件272、273電接觸。在每個熱電元件層270、271的與熱源室255相反的一側(cè)上是構(gòu)造呈接納冷卻流體的冷源室275。例如，在各種示例性實施例中，室275可通過入口和出口端口 222、2Μ接納來自例如機動車輛冷卻系統(tǒng)(圖2中以附圖標(biāo)記1000示意性示出)的冷卻劑。因此，熱電元件272、273在一側(cè)上與作為熱源的熱源室255熱交換且在相反側(cè)上與作為冷源的冷源室275熱交換。因此，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟悉的，跨越從熱源室 255到冷源室275的熱電元件272、273的溫度梯度可導(dǎo)致熱電元件272、273產(chǎn)生電勢，并與電極276 —起，產(chǎn)生電力。電引線(未示出)可與電極276電接觸地放置以將產(chǎn)生自裝置 250的電力引導(dǎo)到例如電儲存裝置和/或直接引導(dǎo)到可消耗所產(chǎn)生的電力的電子部件和其它部件。在替代實施例中，如圖7所示的示例，替代如圖2所示使用ρ型和η型熱電元件和設(shè)置在P型和η型熱電元件的兩側(cè)上的連接這些熱電元件的電極，熱電元件773可包括具有s形電極776的一系列ρ型或η型元件，電極776用于將一個熱電元件的冷側(cè)連接到臨近熱電元件的熱側(cè)。熱電元件773可僅在一側(cè)(熱側(cè)或冷側(cè))上連結(jié)在一起。在示例性實施例中，熱電元件773的聯(lián)接是在冷源室775處。這種構(gòu)造可通過例如允許熱電元件773的與圖7中冷源室775相反的各端區(qū)域彼此相對移動，來減少在熱電元件773施加與熱側(cè)和冷側(cè)的不同擴張有關(guān)的過大應(yīng)變的風(fēng)險。國際專利申請公開W02007/065954A1更詳細描述了用于熱電元件和電極的構(gòu)造，該公開于2007年6月14日出版，題為“熱電裝置 (THERMOELECTRIC DEVICE) ”，其整體以參見方式納入本文。 各種示例性實施例中，來自機動車輛冷卻回路的冷卻劑可流過冷源室275，且該冷卻劑可具有從約65°C到約70°C的溫度范圍。該溫度范圍對于在非常高溫(例如約350°C至約850°C溫度范圍)下工作的熱電元件材料來說是理想的。例如，對于本文所述的各種示例性熱電元件材料，雖然與溫度梯度的熱側(cè)相關(guān)的溫度通常高于某些常規(guī)熱電裝置應(yīng)用中的溫度，但是冷側(cè)的溫度不需要和常規(guī)應(yīng)用中冷側(cè)的溫度一樣低。通過消除利用散熱器或其它裝備來將冷卻劑冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟鹊男枰?，使用較高冷側(cè)溫度的能力在發(fā)電應(yīng)用中是有利的，諸如車輛應(yīng)用中。在較高運行溫度處具有相對高的無量綱品質(zhì)因數(shù)ZT的熱電材料的使用可允許使用這種較高冷卻劑溫度。各種示例性實施例中，例如如圖1所示，熱廢氣可進入室255之一中的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置，以大致U形路徑循環(huán)通過該裝置，并從其它室255離開。因此，每個室255 內(nèi)，氣體可沿大致相反的方向流動，如下文將進一步描述的。但是，這種U形流動樣式是示例性的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解本發(fā)明的熱電發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的熱源室或冷源室可利用各種流體路徑。這種流動路徑可通過在室內(nèi)提供各種結(jié)構(gòu)(包括但不限于隔板、壁、 閥、膜等)而形成以控制流體流過其中的流動。例如，熱源室內(nèi)的流動沿沿相同方向，而來自發(fā)動機內(nèi)每個氣缸的廢氣可分離并轉(zhuǎn)入熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的熱源室中的每個熱源室。該情況下，來自每個室的流體可組合以從單一廢氣管離開裝置。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還將理解，可設(shè)置從一個至不只一個范圍內(nèi)的任何數(shù)量的熱源室，每個熱源室可夾入兩個冷源室之間。在可替代示例性實施例中，例如 W02008/106099(其以參見方式納入本文)中所示及所述，該一個或多個冷源室可僅設(shè)置在一個或多個熱源室的一側(cè)上，但是，這種構(gòu)造可致使某種程度的效率降低。參照圖3，例如，所示的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置350的示例性實施例包括三個熱源室355，每個熱源室在其任一側(cè)上具有兩個相應(yīng)的冷源室375，由此大致中心地放置熱源室355。熱流體可沿相同方向或沿不同方向(例如室375中兩個的流動方向可以是相同方向，其與第三個室375內(nèi)流動方向不同)循環(huán)通過每個室355。圖4中以熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置250的局部剖視圖示出使用隔板和傾斜壁來改變循環(huán)通過中心熱源室255的廢氣的流體流動路徑的示例性實施例。圖4所示橫截面僅示出熱源室255并沿大致平行于熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置250的縱向軸線的平面截取。 如圖4中箭頭所示，廢氣G可通過入口開口 405進入中心熱源室255中的一個，入口開口 405與來自車輛發(fā)動機中一個或多個氣缸的廢氣管(圖4中未示出)流體連通地連接。在圖4的示例性實施例中，一系列隔板410可將兩個室255彼此分隔開。隔板410可定位成使得圍繞每個室455內(nèi)一系列傾斜壁415和420流動的大部分廢氣G撞擊在隔板410上。 但是，連續(xù)的隔板410之間的間隔可允許廢氣的部分P迂回流過室255的整個長度并直接從一個室255流到另一個。替代地，除了通過一系列間隔的分離隔板分離室255，還可設(shè)置大致延伸室255的整個長度的單一壁。這種壁的長度和定位可使得氣體可以從一個室流到靠近室255的與入口和出口開口 405和425相反的端部的下一個室，例如，以圖4中主氣體流動G所示的方式。如上所述，每個熱源室255可設(shè)有一系列傾斜壁以使得穿過每個室255的氣體流 G具有曲折的路徑。例如，在圖3示例性實施例中，每個室255設(shè)有交替布置的較長長度的傾斜壁415和較短長度的傾斜壁420。根據(jù)各種示例性實施例，壁415和420可以約45度傾斜，但是其它傾斜角度可在本發(fā)明的范圍內(nèi)考慮且可選擇成實現(xiàn)所要求的混合和/或氣體流動樣式。分離室255的傾斜壁415、420以及隔板410(或單一壁)一起可構(gòu)造成使得氣體G沿大致U形流動路徑從一個室255流到另一個，同時實現(xiàn)每個室255內(nèi)的曲折流動路徑，如圖4所示。氣體G的曲折流動路徑和迂回部分P可產(chǎn)生湍流，該湍流增強了中心室255內(nèi)的分子相互作用并使溫度均勻。通過將更均勻熱傳遞到熱電元件，這種效果可同時增強熱傳遞和催化轉(zhuǎn)換反應(yīng)。如下文更進一步詳細討論，室255(除了設(shè)有隔板和/或傾斜壁415、 420)可設(shè)有散熱片(為簡化目的，圖4或5中未示出)，散熱片構(gòu)造成促進熱傳遞和/或催化轉(zhuǎn)換，通過例如增加熱源室255內(nèi)熱交換和催化表面面積。圖4實施例中，這種散熱片可設(shè)置在隔板410的一側(cè)或兩側(cè)上和/或沿形成室255的內(nèi)表面壁部分設(shè)置。現(xiàn)參照圖5，示出具有相應(yīng)于發(fā)動機模塊100的每個氣缸120的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置150的圖1的四氣缸發(fā)動機模塊100的示例性實施例的橫截面。圖5所示的橫截面沿大致垂直于氣缸120和熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置150的縱向軸線的平面截取。如圖 4 一樣，圖5所示室255為簡化而未顯示散熱片，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解室255可包括散熱片。如上所述，用于形成本發(fā)明的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的熱源室和冷源室的相對低CTE材料(諸如玻璃陶瓷)的使用可允許使用相對大的基底(例如100mm*200mm數(shù)量級的)，而在即使經(jīng)受相對大熱梯度時也不產(chǎn)生太大應(yīng)力。熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的使用這種相對大覆蓋區(qū)的能力可允許所要使用并跨越發(fā)動機模塊的兩個或更多個氣缸放置的單一裝置，具有適當(dāng)?shù)牧鲃舆B通結(jié)構(gòu)將來自發(fā)動機的廢氣流入裝置。但是，在某些情況下，可能需要每個氣缸使用一個熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置，如圖5中示例性實施例所示。 例如，在某些情況中，氣缸模塊100(例如包括鋁氣缸模塊)的材料呈現(xiàn)與熱電發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的相對低CTE太大不同的CTE。這種熱不匹配可能在熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置與發(fā)動機模塊100結(jié)合的地方引起連接考驗和不想要的應(yīng)力。通過每個氣缸120設(shè)置一個熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置150，可通過裝置150與氣缸模塊100之間的平面至平面連接而局部控制CTE的不匹配。該平面至平面連接可允許裝置150和氣缸模塊100的相反表面在熱膨脹過程中相對于彼此側(cè)向滑動而不丟失氣密性和/或致使不想要的應(yīng)力。如圖2所示，各種示例性實施例中，熱源室255的內(nèi)表面部分258可包括散熱片 260，散熱片260用于增加承載催化劑的表面面積并還用于增強熱交換。各種示例性實施例中，散熱片260可布置在室255的長側(cè)上，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解散熱片260可具有多種布置而不偏離本發(fā)明的范圍。散熱片260可以是分別在基底層282和觀4的形成過程中模塑的微散熱片，將在下文更詳細地描述散熱片的示例性實施例。根據(jù)各種示例性實施例，并參照示出室255的一側(cè)上的一組散熱片的圖6，散熱片 260的高度hf可在從約100微米(μ m)至約3mm的范圍內(nèi)，例如，高度hf可以是約1mm。此外，散熱片260可在其底部具有從約40 μ m至約Imm范圍內(nèi)的寬度Wf，例如，寬度Wf可以是約0. 4mm。散熱片260可以是錐形的，例如，呈圓錐或截頭錐構(gòu)造，其底部臨近室255的內(nèi)表面258。從底部到散熱片自由端的錐角可在從約5度到約20度的范圍內(nèi)，例如，約15度。 散熱片的錐形構(gòu)造可增強熱傳遞并還可便于在模塑工藝中移出。各種示例性實施例中，相鄰散熱片之間的節(jié)距P可在從約0. 2mm至約5mm的范圍內(nèi)，例如，節(jié)距ρ可以是約Imm節(jié)距。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解可改變該散熱片構(gòu)造(包括例如其高度、寬度、錐角、節(jié)距、和/或定位)來實現(xiàn)例如所要求的表面面積、熱交換和/或催化劑互相作用特性。如同室255的其它內(nèi)表面部分，散熱片260可承載催化顆粒，包括高溫催化材料，例如鉬(Pt)、 鈀(Pd)、和/或銠(他)。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的封閉底漆沉積技術(shù)可用于提供散熱片沈0，以及具有催化顆粒的熱源室的任何其它內(nèi)表面部分。根據(jù)各種示例性實施例，除了熱電元件和電極以外，熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的主體部分(例如，圖2的示例性實施例中所示的基底觀2、觀4、四2、四4、四6以及四8)可由相對低CTE材料制成，諸如相對低CTE玻璃陶瓷材料，包括但不限于，例如W02008/106099 中所述的材料，其以參見方式納入本文。如上所述，可適于形成根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的主體部分的材料可呈現(xiàn)一個或多個下述特征對廢氣或其它后燃燒廢氣的耐化學(xué)性或在后燃燒暴露溫度抗氧化；低熱膨脹系數(shù)(CTE)，例如，小于約 βΟχκΤσ1，例如，在感興趣的運行溫度(例如，從約20°c至約iooo°c)，在從約lOxKTc—1至約2(^1(^(71的范圍內(nèi)；相對高的導(dǎo)熱系數(shù)，例如，在約20°C至約1000°C的溫度范圍內(nèi)，高于約2. 5W/m*K，以實現(xiàn)在熱電層的冷側(cè)上足夠的熱傳導(dǎo)，由此促進熱電元件內(nèi)熱梯度的建立；相對大熱容以降低預(yù)熱速度或冷卻速度，其對快速催化反應(yīng)或點火是有益的，且對在高溫時遞送最大效率的熱電元件的快速預(yù)熱是有益的；良好的耐熱性，例如，約800°C耐久且峰值約950°C，從而兼容后燃燒廢氣的溫度。可用于形成根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的基底的示例性材料包括(但不限于)堇青石陶瓷、堇青石玻璃陶瓷、硅酸鋁鋰玻璃陶瓷、以及諸如氮化硅陶瓷的硅化物?？捎糜谛纬筛鶕?jù)本發(fā)明的示例性實施例的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的基底的一種示例性材料是堇青石。堇青石在約100°c至約900°C溫度范圍內(nèi)時，具有在從約IOxKTC—1至約ΖΟχΚΤσ1范圍內(nèi)的相對低熱膨脹系數(shù)(CTE)；在從約1. 5W/n^K至約 4W/n^K范圍內(nèi)的相對高導(dǎo)熱系數(shù)；在約0. 8J/g/°C至約0. 9J/g/°C范圍內(nèi)的相對大熱容；以及約1000°C的耐熱性。各種示例性實施例的熱電元件可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉的ρ型和η型半導(dǎo)體材料。這種材料包括例如碲化鉍。但是，碲化鉍通常用在相對低溫的應(yīng)用中，例如，約150°C 數(shù)量級的。當(dāng)用在后燃燒應(yīng)用中時，諸如在本文所述的車輛應(yīng)用中，理想的是對熱電元件使用可承受相對高溫和高溫度梯度的材料。此外，當(dāng)用在消費者應(yīng)用中時，諸如用在機動車輛時，理想的是使用不涉及毒性的熱電元件材料。此外，理想的是使用最小化熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的主體部分(例如玻璃陶瓷基底)與熱電元件之間的擴張差異結(jié)果的熱電元件材料。過度的擴張差異可致使不想要的機械應(yīng)力和裝置結(jié)構(gòu)的失效。因此，用于熱電元件的合適材料可呈現(xiàn)相對低CTE范圍，例如，對于約100°C至約 9000C的溫度范圍，從約ΘΟχΙΟ^σ1至約ΙΟΟχΙΟ^σ1 ；約lW/m*K(瓦/米*開)至約3W/m*K 范圍內(nèi)的相對高耐熱；以及相對高的無量綱品質(zhì)因素ZT，例如從約0. 6至約1. 2的范圍，例如，在約100°C至約900°C溫度范圍時，從約1. O至約1. 5。
各種示例性實施例中，可使用氧化物熱電材料，因為氧化物熱電材料可以是無毒的且能夠承受高溫，其燒結(jié)出現(xiàn)在約1000°C至約1300°C溫度范圍內(nèi)。這種材料的例子包括例如水錳礦、輝鈷礦和錫的氧化物。可用于根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實施例的ρ型和η型熱電元件的呈現(xiàn)理想特性的另一材料是摻雜的硅鍺合金，例如，摻雜磷的Sitli8Ge^該合金具有在約4(^10- -1至約 δΟχΙΟ^Γ1范圍內(nèi)的相對低CTE，且可在約1000°C至約1200°C范圍的高溫下運行，并具有相對高無量綱品質(zhì)因素，例如，1000°C時無量綱品質(zhì)因素約0. 8。各種示例性實施例中，可使用熱成形技術(shù)形成熱電元件，諸如根據(jù)2008年9 月4日出版的題為“包含玻璃的合成物成型方法(METHODS F0RF0RMING COMPOSITIONS CONTAINING GLASS) ”的國際申請公開W02008/106161中所述工藝的熱壓技術(shù)或熱滾技術(shù)， 其整體以參見方式納入本文。除了上面所討論的材料，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，基于本發(fā)明，如何選擇適于熱電元件的其它材料。此外，W02008/106099(以參見方式納入本文)揭示了用于可用于本發(fā)明的示例性實施例的熱電元件的其它合適材料。根據(jù)各種示例性實施例，諸如銀、金、鉬、鈀、鉬/鈀合金、和/或鍍銅或鍍鎳銀的各種電極材料可用于電極。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將熟悉其它合適的電極材料。在示例性實施例中，用于連接熱電元件的電極(例如圖2的示例性實施例所示的電極276)可呈構(gòu)造成可經(jīng)受得住暴露于達約1000°C溫度的可延展電極形式。各種示例性實施例中，電極可作為膏狀物(例如銀膏或金膏)沉積在基底的適當(dāng)表面部分上，例如在形成在圖2中的基底層觀2、 觀4、294和296的系列空穴中，且熱電元件272、273可以以膏狀植入。該植入的熱電元件和膏狀物可加熱以固化該膏狀物以形成電極(例如圖2中電極276)和/或?qū)犭娫Y(jié)合到電極。根據(jù)膏狀物材料，該固化可在約650°C至約1300°C溫度范圍內(nèi)進行約1小時或更長。各種示例性實施例中，該固化可發(fā)生在基底層密封在一起之后。根據(jù)各種示例性實施例，如上所討論的，本發(fā)明的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置可具有由多個基底層(例如，如上所討論的，由諸如玻璃陶瓷的相對低CTE材料制成)形成的主體部分，多個基底層形成各種空腔，當(dāng)這些空腔密封在一起時，形成用于流體循環(huán)和植入并容納熱電元件的各種室。例如，參照圖2，各種示例性實施例中，在其一側(cè)上形成空腔的兩個基底層282和284可密封在一起，使得其相應(yīng)空腔彼此面對且在一起形成熱源室255。在所形成的熱源室255的任一側(cè)上，冷源室275由兩個類似基底層292和四4以及基底層296 和298形成，基底層292和294形成圖2中底部冷源室，基底層296和298形成頂部冷源室。 除了形成彼此面對面的空腔以分別形成熱源室255和冷源室275外，基底層觀2、觀4、四2、 294和四6中每個在與分別形成熱源室255和冷源室275的空腔的相反面上還形成一系列較小空腔。這系列的空腔構(gòu)造成接納熱電元件272和273 ；熱電元件272和273分別固定在基底層294和282之間，以及296和284之間，并通過電極276結(jié)合到各基底層。在沿基底觀2、觀4、294和296每個的在基底的兩側(cè)上包括空腔的位置處，基底呈現(xiàn)較薄區(qū)域。這種較薄區(qū)域可增強熱從室255或275傳遞到熱電元件272、273。各種示例性實施例中，基底觀2、觀4、294和四6的較薄區(qū)域可在約0. 4mm至約0. 8mm范圍內(nèi)，例如約 0. 5mm，而基底沘2、沘4、294和四6的總體厚度可在約3mm至約15mm范圍內(nèi)。根據(jù)各種示例性實施例，基底層可熱成形，例如通過熱壓或熱滾技術(shù)，如在W02008/106161中所揭示的，其整體以參加方式納入本文。例如，形成冷源室的基底層的形成可使用熱成形模塑形成，例如石墨模塑。雙側(cè)壓操作對在基底層的一側(cè)上形成用于形成熱源室或冷源室的一個或多個空腔和在相反側(cè)上形成用于接納熱電元件的一個或多個空腔是有用的。參照W02008/106161進一步解釋可用于形成本發(fā)明的各示例性實施例的基底和基底的相應(yīng)空腔的該雙側(cè)熱壓操作。為形成玻璃陶瓷基底層，在熱成形發(fā)生后，完成了陶瓷化周期。根據(jù)各種示例性實施例，單獨的基底層可在熱周期中通過熱密封或熔料密封而彼此密封，例如利用較軟玻璃熔料作物密封介質(zhì)，該熱周期出現(xiàn)在陶瓷化周期過程中或在陶瓷化周期之后。關(guān)于用于制造本發(fā)明的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)化裝置的示例性技術(shù)的進一步描述， 參照W02008/106099，其以參照方式納入本文。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解各種其它技術(shù)可用于形成本發(fā)明的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)化裝置且本文所述的示例性技術(shù)是非限制性的。根據(jù)前文，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解各種想要的特征可從根據(jù)本發(fā)明的一體的熱電能和催化轉(zhuǎn)化裝置的各種示例性實施例得到。例如，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的裝置可節(jié)省空間、減少成本、提高效率、并對環(huán)境有利?；诒景l(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解如何改變構(gòu)造，包括材料選擇、數(shù)量、構(gòu)造、 和流體循環(huán)室和熱電層的布置、以及一體的熱電能發(fā)電和催化轉(zhuǎn)換裝置的運行來實現(xiàn)所要求的能量和催化轉(zhuǎn)換，而不偏離本發(fā)明的范圍。此外，可對本文所述的裝置制造方法進行各種修改而不偏離本發(fā)明的范圍。就本說明書和所附權(quán)利要求書而言，除非另外指示，所有的數(shù)字表示數(shù)量、百分比或比例，而說明書和權(quán)利要求書中所用的其它數(shù)值應(yīng)理解成在所有情況中由術(shù)語“約”修改。因而，除非有相反指示，否則下面說明書和所附權(quán)利要求書中闡述的數(shù)字參數(shù)是可根據(jù)被認為待由本發(fā)明實現(xiàn)的所要求的特性而變化的近似值。最低程度但不作為限制權(quán)利要求書的范圍的等價原則的應(yīng)用的嘗試，每個數(shù)字參數(shù)應(yīng)至少根據(jù)所報道的重要數(shù)字并通過應(yīng)用普通的舍入技術(shù)解釋。盡管陳述本發(fā)明的寬泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但在特定示例中陳述的數(shù)值仍然盡可能精確地報告。然而，任何數(shù)值固有地包含必然來自它們相應(yīng)的試驗測量中存在的標(biāo)準(zhǔn)差的某些誤差。而且，本文中公開的所有范圍應(yīng)當(dāng)被理解為包含其中所包含的任何和所有的子范圍。注意，當(dāng)用在本說明書和所附權(quán)利要求書時，除非清楚地且明確地限于一個指示物，否則單數(shù)形式術(shù)語“一個”、“這個”和“那個”，以及任何詞的單數(shù)形式使用，包括復(fù)數(shù)形式指示物。如本文所使用的，術(shù)語“包括”及其語法變型表示非限制性，使得清單中物件的列舉不排除可代替所列物件或增加到所列物件的其它相似物件。應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然已關(guān)于本發(fā)明的特定示例性實施例詳細描述了本發(fā)明，但不應(yīng)當(dāng)認為本發(fā)明局限于這些，因為在不偏離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的寬廣范圍的情況下，多種修改是可能的。
權(quán)利要求
1.一種能量轉(zhuǎn)換裝置，包括構(gòu)造成接收熱流體的至少一個熱源室055，355)，所述至少一個熱源室(255，355)構(gòu)造成對接收在所述至少一個熱源室055，355)中的所述熱流體進行催化轉(zhuǎn)換；至少一個冷源室075，375)，所述至少一個冷源室(275,37 構(gòu)造成接收冷卻劑；以及與所述至少一個熱源室(255,35 和所述至少一個冷源室(275,37 熱連通的多個熱電元件072，273，773)，所述熱電元件(272，273，773)構(gòu)造成當(dāng)暴露于溫度梯度時產(chǎn)生電勢，其中，所述至少一個熱源室(255,35 和所述至少一個冷源室075，375)由具有相對低熱膨脹系數(shù)的材料形成。
2.如權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述至少一個熱源室(255， 355)和所述至少一個冷源室075，375)由在約20°C至約1000°C溫度范圍內(nèi)具有小于約 SOXlO-7C-1的熱膨脹系數(shù)的材料形成。
3.如權(quán)利要求1-2中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述至少一個熱源室(255,35 和所述至少一個冷源室075，375)由玻璃陶瓷材料形成。
4.如權(quán)利要求1-3中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，具有相對低的熱膨脹系數(shù)的所述材料選自堇青石陶瓷、堇青石玻璃陶瓷、硅酸鋁鋰玻璃陶瓷、以及硅化物材料。
5.如權(quán)利要求1-4中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述至少一個熱源室(255,355)包括多個散熱片(260) 0
6.如權(quán)利要求1-5中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述至少一個冷源室(275，375)構(gòu)造成接收來自機動車輛冷卻系統(tǒng)的冷卻劑。
7.如權(quán)利要求1-6中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述至少一個熱源室(255,35 構(gòu)造成接收來自內(nèi)燃機的廢氣。
8.如權(quán)利要求1-7中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，還包括多個基底 (282, 284，292，294)，所述多個基底(282, 284，292，294)包括具有相對低熱膨脹系數(shù)的材料，所述基底形成空腔并連結(jié)在一起以形成所述至少一個熱源室(255，355)和所述至少一個冷源室(275，375)。
9.如權(quán)利要求8所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述多個熱電元件(272，273，773) 放置在兩個基底之間，并在所述熱電元件的第一側(cè)上與所述熱源室(255,35 熱接觸，在所述熱電元件的第二相反側(cè)上與所述冷源室(275,37 熱接觸。
10.如權(quán)利要求1-9中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述熱電元件 (272，273，773)由選自水錳礦氧化物、輝鈷礦氧化物和錫氧化物的材料制成。
11.如權(quán)利要求1-10中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述熱電元件 (272,273,773)由摻雜的硅鍺合金制成。
12.如權(quán)利要求11所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述熱電元件(272，273，773)通過熱壓或熱滾技術(shù)制成。
13.如權(quán)利要求1-12中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述熱電元件 (272，273，773)包括ρ型和η型元件。
14.如權(quán)利要求1-13中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，還包括電極(276，776)，所述電極076，776)與所述多個熱電元件電接觸。
15.如權(quán)利要求14所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述電極(276，776)包括可固化導(dǎo)電膏狀物。
16.如權(quán)利要求1-15中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述熱源室(255， 355)包括容納催化劑的涂層。
17.如權(quán)利要求1-16中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述熱源室(255， 355)包括多個隔板(410)和傾斜壁(415，420)，所述多個隔板(410)和傾斜壁(415,420) 構(gòu)造成在流過熱源室055，355)的熱流體中產(chǎn)生湍流。
18.如權(quán)利要求1-17中的任何項所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述能量轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)造成通過平面至平面連接而附連到機動車輛的發(fā)動機模塊。
19.一種將熱轉(zhuǎn)換成電能的方法，所述方法包括使熱流體流過至少一個熱源室055，355)，所述至少一個熱源室055，355)由具有相對低的熱膨脹系數(shù)的材料形成；對流過所述熱源室的所述熱流體進行催化轉(zhuǎn)換；使冷卻劑流過至少一個冷源室075，375)，所述至少一個冷源室075，375)由具有相對低的熱膨脹系數(shù)的材料形成；以及通過多個熱電元件與所述至少一個熱源室和所述至少一個冷源室之間的熱交換而產(chǎn)生跨越所述多個熱電元件072，273，773)的溫度梯度；以及通過所述多個熱電元件產(chǎn)生電勢。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述至少一個熱源室(255，355)和所述至少一個冷源室075，375)的具有相對低熱膨脹系數(shù)的所述材料包括玻璃陶瓷材料。
21.如權(quán)利要求19-20中的任何項所述的方法，其特征在于，使熱流體流過所述至少一個熱源室(255,35 包括使來自內(nèi)燃機的廢氣流過所述至少一個熱源室055，355)。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，使冷卻劑流過所述至少一個冷源室(275， 375)包括使來自機動車輛冷卻系統(tǒng)的冷卻劑流過所述至少一個冷源室075，375)。
23.如權(quán)利要求20-22中的任何項所述的方法，其特征在于，還包括在所述熱流體流過所述至少一個熱源室(255,35 過程中，在所述熱流體的流動中產(chǎn)生湍流。
全文摘要
一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可包括構(gòu)造成接收熱流體的至少一個熱源室(255，355)，構(gòu)造成接收冷卻劑的至少一個冷源室(275，375)，以及多個與至少一個熱源室(255，355)和至少一個冷源室(275，375)熱連通的熱電元件(272，273，773)，熱電元件構(gòu)造成當(dāng)暴露于溫度梯度時產(chǎn)生電勢。該至少一個熱源室(255，355)可構(gòu)造成對接收在該至少一個熱源室(255，355)中的熱流體進行催化轉(zhuǎn)換。該至少一個熱源室(255，355)和至少一個冷源室(275，375)可由具有相對低熱膨脹系數(shù)的材料形成。
文檔編號F01N3/10GK102197202SQ200980143696
公開日2011年9月21日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者P·G·馬克斯, T·L·達努克斯 申請人:康寧股份有限公司