利用與熱源直接接觸的熱電模塊進(jìn)行熱電發(fā)電的熱交換器的制造方法
【專利說明】利用與熱源直接接觸的熱電模塊進(jìn)行熱電發(fā)電的熱交換器
相關(guān)申請的交叉引用
[0001 ] 本申請要求2013年10月18日提交的美國臨時專利申請序列號61/892，767“A HeatExchanger for Thermoelectric Power Generat1n with the Thermoelectric Modulesin Direct Contact with the Heat Source”的優(yōu)先權(quán)，該申請以引用的方式全部并入本文。
政府權(quán)益
[0002]根據(jù)美國國家科學(xué)基金課題批準(zhǔn)號CBET-1048767的條款，美國政府對本發(fā)明具有一些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大體上涉及熱交換器，并且更加具體地涉及利用與熱源直接接觸的熱電模塊進(jìn)行熱電發(fā)電的熱交換器。
【背景技術(shù)】
[0004]熱交換器是一種用于從一種介質(zhì)至另一種介質(zhì)進(jìn)行有效熱傳遞的設(shè)備。一個這種熱交換器是如圖1所示的用于熱電發(fā)電的熱交換器。參照圖1，圖1圖示了常規(guī)熱電發(fā)電機(jī)100，該熱電發(fā)電機(jī)100包括排氣熱交換器101。排氣熱交換器101由排氣外殼/壁102限定，諸如鋁排氣外殼。排氣熱交換器101接收來自內(nèi)燃機(jī)104的加壓排氣流103，并且從排氣流103提取熱能。
[0005]排氣熱交換器101可以包括用于密封地連接至內(nèi)燃機(jī)104的排氣管(未示出)的法蘭(未示出)。法蘭和壁102可以通過例如鍛粗加工(upsetting)，由單件形成。可替代地，法蘭可以通過焊接(welding)、釬焊(brazing)或者卷邊(crimping)而附接至壁102。要理解的是，當(dāng)引擎104運(yùn)行并且在排氣系統(tǒng)中包含加壓排氣流103時，來自內(nèi)燃機(jī)104的排氣流103與周圍大氣相比處于更高的壓力。
[0006]排氣熱交換器101可以包括散熱片105A-105R(例如，鋁散熱片)，這些散熱片105A-105R與壁102接觸以增加來自排氣流103的熱傳遞的速率。散熱片105A-105R可以共同地或者單獨(dú)地分別被稱為多個散熱片105或者散熱片105。
[0007]熱電發(fā)電機(jī)100進(jìn)一步包括熱電裝置模塊106，熱電裝置模塊106的熱側(cè)連接至壁102。熱電裝置模塊106被配置為將熱交換器1I提取的熱能轉(zhuǎn)換成電能107，以供電負(fù)載108(例如，電池、電動機(jī)、風(fēng)機(jī))消耗或者存儲。
[0008]而且，熱電發(fā)電機(jī)100包括液冷式熱交換器(liquid cooled heat exchangers)109A、109B，該液冷式熱交換器109A、109B設(shè)置在熱電裝置模塊106的冷側(cè)上，以將熱能從熱電裝置模塊106傳遞至經(jīng)過液冷式熱交換器109A、109B的液體冷卻劑(例如，水)。
[0009]當(dāng)前，常規(guī)的熱電發(fā)電機(jī)，諸如在圖1中示出的，利用金屬壁，諸如壁102。然而，通過利用這種金屬壁，在金屬壁102與熱電裝置模塊106的熱側(cè)之間存在熱接觸電阻。結(jié)果，發(fā)生傳導(dǎo)損耗(conduct1n lossed)，從而降低將熱能從熱交換器101傳遞至熱電裝置模塊106的效果。
[0010]而且，常規(guī)熱電發(fā)電機(jī)的損壞來源出現(xiàn)在金屬壁(諸如，壁12)與熱電裝置模塊(諸如，模塊106)的熱側(cè)之間的結(jié)合處。這種損壞的發(fā)生是因為金屬壁與熱電裝置模塊的熱側(cè)上使用的陶瓷材料在熱膨脹系數(shù)上的大差異，從而導(dǎo)致壁與熱電裝置模塊之間的結(jié)合處的熱疲勞損壞。
[0011]結(jié)果，這種常規(guī)熱電發(fā)電機(jī)會遭受導(dǎo)通傳導(dǎo)損耗和熱疲勞損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在本發(fā)明的一個實施例中，熱電發(fā)電機(jī)包括:熱交換器，該熱交換器被配置為從排氣流提取熱能，其中，熱交換器包括:與熱交換器的邊界接觸的第一多個散熱片，其中，第一多個散熱片直接連接至第一多個熱電裝置模塊。熱交換器進(jìn)一步包括:直接連接至熱交換器的邊界的第二多個熱電裝置模塊。第一多個和第二多個熱電模塊配置為將熱能轉(zhuǎn)換成電會K。
[0013]在本發(fā)明的另一實施例中，熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括:內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)被配置為通過排氣管生成排氣流。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括:熱電發(fā)電機(jī)，該熱電發(fā)電機(jī)經(jīng)由排氣管連接至內(nèi)燃機(jī)。另外，系統(tǒng)包括:電負(fù)載，該電負(fù)載連接至熱電發(fā)電機(jī)。熱電發(fā)電機(jī)包括:熱交換器，該熱交換器被配置為從排氣流提取熱能，其中，熱交換器包括:與熱交換器的邊界接觸的第一多個散熱片，其中，第一多個散熱片直接連接至第一多個熱電裝置模塊。熱交換器進(jìn)一步包括:直接連接至熱交換器的邊界的第二多個熱電裝置模塊。第一多個和第二多個熱電模塊被配置為將熱能轉(zhuǎn)換成電能。
[0014]前面已經(jīng)概述了本發(fā)明的一個或者多個實施例的相當(dāng)一般的特征和技術(shù)優(yōu)點，以便可以更好地理解以下本發(fā)明的詳細(xì)說明。本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點將在下文中進(jìn)行描述，這可以構(gòu)成本發(fā)明的權(quán)利要求書的主旨。
【附圖說明】
[0015]當(dāng)結(jié)合以下附圖考慮以下詳細(xì)說明時，可以獲得對本發(fā)明更好的理解，其中:
[0016]圖1圖示了常規(guī)熱電發(fā)電機(jī)；
[0017]圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例取消了在熱電裝置模塊與散熱片之間的金屬壁的熱電發(fā)電機(jī)；
[0018]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例連接至散熱片的熱電裝置模塊;以及
[0019]圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例與在連接至散熱片的熱電裝置模塊的熱側(cè)上的熱電模塊外殼一體化的第二組散熱片。
【具體實施方式】
[0020]雖然下面結(jié)合實施單個外殼的熱電發(fā)電機(jī)來討論本發(fā)明，但是本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于實施多個外殼的熱電發(fā)電機(jī)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠?qū)⒈景l(fā)明的原理應(yīng)用于這些實施方式。進(jìn)一步地，將本發(fā)明的原理應(yīng)用于這些實施方式的各個實施例將落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0021]如在背景部分中所闡述的，當(dāng)前，常規(guī)熱電發(fā)電機(jī)，諸如在圖1中示出的發(fā)電機(jī)，利用金屬壁，諸如壁102。參照圖1，利用這種金屬壁，在金屬壁102與熱電裝置模塊106的熱側(cè)之間存在熱接觸電阻。結(jié)果，發(fā)生傳導(dǎo)損耗，從而降低了將熱能從熱交換器101傳遞至熱電裝置模塊106的效果。而且，常規(guī)熱電發(fā)電機(jī)的損壞來源出現(xiàn)在金屬壁(諸如，壁102)與熱電裝置模塊(諸如，模塊106)的熱側(cè)之間的結(jié)合處。這種損壞的發(fā)生是因為金屬壁與熱電裝置模塊的熱側(cè)上使用的陶瓷材料在熱膨脹系數(shù)上的大差異，從而導(dǎo)致壁與熱電裝置模塊之間的結(jié)合處的熱疲勞損壞。結(jié)果，這種常規(guī)熱電發(fā)電機(jī)會遭受傳導(dǎo)損耗和熱疲勞損壞。
[0022]本發(fā)明提供一種熱電發(fā)電機(jī)，該熱電發(fā)電機(jī)通過取消金屬壁來改進(jìn)將熱能從排氣熱交換器傳遞至熱電裝置模塊的效果，從而消除過去發(fā)生的傳導(dǎo)損耗。而且，本發(fā)明的熱電發(fā)電機(jī)提供一種用于通過取消金屬壁來降低熱疲勞損壞源的方式，從而改進(jìn)熱電發(fā)電機(jī)的耐用性。另外，本發(fā)明的熱電發(fā)電機(jī)允許熱電裝置模塊在給定熱電發(fā)電機(jī)容量下具有更高的密度，從而針對給定發(fā)電機(jī)容量或者大小允許更大的電力生產(chǎn)。另外，與多個外殼(諸如，如圖1所示的三個外殼)相反，本發(fā)明的熱電發(fā)電機(jī)的設(shè)計包含在單個外殼中，從而降低了制造熱電發(fā)電機(jī)的成本。下面將結(jié)合圖2對囊括了這些益處的本發(fā)明的熱電發(fā)電機(jī)進(jìn)行討論。
[0023]參照圖2，圖2圖示了由排氣外殼201(諸如，擠制鋁排氣外殼)限定的熱電發(fā)電機(jī)200。在一個實施例中，排氣外殼201的截面為大約15cm x 30cm。熱電發(fā)電機(jī)200包括熱交換器202，該熱交換器202接收來自內(nèi)燃機(jī)204的加壓排氣流203并且從排氣流203提取熱能。
[0024]在一個實施例中，外殼201可以包括法蘭(未示出)，諸如不銹鋼法蘭，用于密封連接至內(nèi)燃機(jī)204的排氣管(未示出)，諸如不銹鋼排氣管。在一個實施例中，法蘭和外殼201可以通過例如鍛粗加工，由單件形成。可替代地，法蘭可以通過焊接、釬焊或者卷邊而附接至外殼201。要理解的是，當(dāng)引擎203運(yùn)行并且在排氣系統(tǒng)中包含加壓排氣流204時，來自內(nèi)燃機(jī)204的排氣流203與周圍大氣相比處于更高的壓力。
[0025]熱交換器202可以包括散熱片205A-205F(例如，鋁散熱片)，這些散熱片205A-205F與在熱交換器202內(nèi)的邊界206接觸。散熱片205A-205F可以共同地或者單獨(dú)地分別被稱為多個散熱片205或者散熱片205。雖然圖2圖示了散熱片205A-205F，但是熱交換器202可以包括任何數(shù)量的散熱片205，并且本發(fā)明的熱交換器在范圍上不限于所描繪數(shù)量的散熱片205。在一個實施例中，散熱片205在熱交換器202中被用于增加來自排氣流203的熱傳遞的速率。
[0026]熱交換器202進(jìn)一步包括直接連接至散熱片205或者邊界206的熱電裝置模塊207A-207S。熱電裝置模塊207A-207S可以共同地或者單獨(dú)地分別被稱為多個熱電裝置模塊207或者熱電裝置模塊207 ο雖然圖2圖示了熱電裝置模塊2