專利名稱：內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫差發(fā)電器，尤其是指它的熱源是管道內(nèi)的余熱流、熱電轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在管道內(nèi)，具有軸向-多級-網(wǎng)狀-集成-層疊的結(jié)構(gòu)；冷源與熱系統(tǒng)分離，通過導(dǎo)線與熱電轉(zhuǎn)換元件連接形成大規(guī)模熱電回路，自動(dòng)將余熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行中，百分之六十左右的燃料燃燒的化學(xué)能未能有效利用，大部分通過排氣管排放到環(huán)境大氣中。排氣中的能量主要包括余熱能和流動(dòng)動(dòng)能兩部分，溫度在800-1200K之間，氣流高速流動(dòng)并具有一維/變截面/有摩擦/可壓縮/具有傳熱/非等熵/不定常等特點(diǎn)。從進(jìn)氣口進(jìn)入的熱量，一部分經(jīng)管壁傳入大氣，其余隨氣流由排氣口排出。現(xiàn)有技術(shù)中，對排氣中動(dòng)能利用主要是采用廢氣渦輪增壓的方法提高內(nèi)燃機(jī)的充氣量；而余熱能的利用除了車廂的供暖以外，尚無有效的方法。因此，為了提高內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能效果，必須對排氣中的余熱能給予有效的回收利用。中小型內(nèi)燃機(jī)尤其是作為移動(dòng)動(dòng)力源的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于工作的特點(diǎn)，決定了它們的余熱回收利用裝置不能采取龐大/復(fù)雜的機(jī)械形式，而根據(jù)熱電直接轉(zhuǎn)換原理開發(fā)的溫差發(fā)電器將是一種高密度的能量轉(zhuǎn)換裝置。
熱電效應(yīng)是一種物理現(xiàn)象兩種導(dǎo)體連接形成的閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體的兩個(gè)接點(diǎn)處于不同的溫度狀態(tài)時(shí)，回路中就會(huì)有電流產(chǎn)生。這種回路被稱為熱電回路、電流稱為熱電流，其電動(dòng)勢稱為熱電動(dòng)勢，當(dāng)熱電材料確定以后，回路中的熱電動(dòng)勢僅與兩接點(diǎn)的溫差有關(guān)。將這樣兩種導(dǎo)體的端點(diǎn)焊接在一起制成的元件，稱為熱電偶，現(xiàn)有的產(chǎn)品可分為金屬熱電偶和半導(dǎo)體熱電偶兩大類。用不同材料制成的熱電偶有不同的應(yīng)用領(lǐng)域金屬熱電偶只能產(chǎn)生微弱的熱電流，一般的只能作為測溫元件使用；而現(xiàn)代熱電材料一般是二元或三元的固熔體合金，其塞貝克系數(shù)是金屬熱電偶的十幾至幾十倍，先進(jìn)的可達(dá)1000μvμV/C°。半導(dǎo)體熱電偶的發(fā)電能力遠(yuǎn)大于金屬熱電偶，可以作為低電壓、大電流的熱電力轉(zhuǎn)換器件。根據(jù)熱電學(xué)的基本定理和基本回路原理，熱電偶可以采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接，以滿足對輸出電壓/電流值的要求，連接方法是熱電偶串聯(lián)時(shí)每一個(gè)熱端接點(diǎn)都要與一個(gè)冷端接點(diǎn)構(gòu)成回路；并聯(lián)時(shí)，僅在并聯(lián)回路的兩個(gè)引出點(diǎn)與冷源同時(shí)接觸。熱電偶連接成的單一轉(zhuǎn)換元件稱為熱電堆，常見的是平板式熱電堆，其中所有的熱電偶串聯(lián)連接，回路的冷/熱接點(diǎn)分別焊接在前后絕緣平板上。這樣的熱電堆已經(jīng)商品化、系列化，例如國產(chǎn)TEC1-12706型致冷片，技術(shù)指標(biāo)為轉(zhuǎn)換級數(shù)1/127對熱電偶/截面積為1平方毫米/陶瓷式結(jié)構(gòu)/工作電流6安培，外型尺寸為40mm×40mm×3.8mm。熱電回路也可以使用與熱電偶相匹配的廉價(jià)的延長導(dǎo)線連接，以增加熱源與冷源之間的距離，這種導(dǎo)線被稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。
目前，溫差電器件可以應(yīng)用于(1)根據(jù)塞貝克效應(yīng)工作的溫差電池、固定式小型溫差電源等。前者采用放射性同位素作為熱源，用做遙遠(yuǎn)太空(無太陽光)的宇航電源；后者可用于偏遠(yuǎn)地區(qū)或某些特殊場合。(2)以珀?duì)柼?yīng)為原理的熱電致冷設(shè)備，包括一些致冷裝置及冰箱、空調(diào)等。發(fā)電用的半導(dǎo)體平板式熱電堆片的結(jié)構(gòu)與致冷片是類似的，工作時(shí)熱電堆片的上下表面分別接觸熱源和冷源，按塞貝克方式工作。這種熱電偶的臂長僅為3-10mm，冷熱端之間距離很小，因此對材料的絕熱性能要求很高。已經(jīng)研究的溫差發(fā)電器是在矩形通道的外表面上，排列敷設(shè)若干熱電堆片，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣從發(fā)電器內(nèi)腔流過，經(jīng)金屬壁面向熱電堆片傳遞熱量。熱電堆片的外側(cè)直接接觸冷源，冷卻的形式有空氣自然對流散熱、強(qiáng)迫通風(fēng)散熱、水冷散熱和環(huán)流散熱四種。這類溫差發(fā)電器的特點(diǎn)可以歸納為熱電轉(zhuǎn)換元件外置及冷源近距離夾緊設(shè)置，因而存在溫差小、熱電轉(zhuǎn)換效率低、體積不緊湊、輸出功率小、價(jià)格高的問題，至今還處在熱電材料選配和轉(zhuǎn)換原理研究的階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，該溫差發(fā)電器從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱的特點(diǎn)和有效地利用熱源/冷源的角度出發(fā)，通過強(qiáng)化熱電轉(zhuǎn)換的方式來提高熱電器件的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為溫差發(fā)電器主要包括內(nèi)置網(wǎng)狀轉(zhuǎn)換元件的絕熱熱電轉(zhuǎn)換器和分離的獨(dú)立冷源，熱電轉(zhuǎn)換器連接在排氣管中部，通道內(nèi)設(shè)置多級軸向排列的熱電轉(zhuǎn)換元件，由半導(dǎo)體熱電偶并聯(lián)組成立體電極，立體電極再連接成轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償導(dǎo)線與冷源中的冷端接點(diǎn)連接組成大規(guī)模的熱電回路；獨(dú)立冷源采用冷卻液循環(huán)冷卻，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)輸出直流電，可以經(jīng)電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，輸出到用電設(shè)備。
所述熱電轉(zhuǎn)換器由前/后蓋、轉(zhuǎn)換板、墊板、接線盒和緊固螺栓組成。前/后蓋設(shè)有與排氣管連接的管接頭，轉(zhuǎn)換板的內(nèi)腔為圓形通道，其中固定了若干由熱電偶集成的立體電極，立體電極和連接/固定電極的框架，形成了網(wǎng)狀轉(zhuǎn)換元件；內(nèi)通道的外表面敷設(shè)絕熱層，防止熱量經(jīng)管壁散失，熱電極的連線由轉(zhuǎn)換板的一邊引出，在接線盒中固定；墊板中的內(nèi)腔為通孔，轉(zhuǎn)換板與墊板交替軸向疊加，由緊固螺栓穿過四角固定。
為了熱電轉(zhuǎn)換器在高溫下長期穩(wěn)定地工作，所有熱電偶、連線、網(wǎng)絡(luò)框架及其引出線必須密封在耐高溫的防氧化、防腐蝕的涂層中。
熱電轉(zhuǎn)換器的內(nèi)腔是內(nèi)燃機(jī)排氣的通道，熱電偶網(wǎng)絡(luò)中的空隙應(yīng)保證熱氣流通過，不造成過大的流動(dòng)阻力。
所述冷源裝置與熱環(huán)境分離，其中設(shè)置的冷端接點(diǎn)也由熱電偶組成，通過補(bǔ)償導(dǎo)線與熱端的熱電偶形成回路。它可以是具有冷凝器、風(fēng)扇、壓力泵、管道和冷卻液的獨(dú)立循環(huán)冷卻系統(tǒng)。
對上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是熱電轉(zhuǎn)換器的外型應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)，可以為圓柱形或其它幾何形狀，內(nèi)部通道也可以設(shè)計(jì)為矩形或其它幾何形狀。
對上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是熱電轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)為其它幾何形狀的轉(zhuǎn)換元件軸向排列，形成空間多級網(wǎng)狀轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
對上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是沿排氣管軸向排列的熱電轉(zhuǎn)換元件，可以根據(jù)沿途溫度的變化，采用不同配方的熱電材料組合成熱電偶，使它們工作在各自最適應(yīng)的溫度范圍內(nèi)，充分利用熱流的溫度變化。
對上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是本系統(tǒng)中的熱電偶可以是半導(dǎo)體、金屬材料或非金屬制成；補(bǔ)償導(dǎo)線可以采用金屬、非金屬或半導(dǎo)體材料的導(dǎo)線。
對上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是冷源可以是使用風(fēng)扇等強(qiáng)迫風(fēng)冷的獨(dú)立冷卻裝置，或直接利用內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的非獨(dú)立冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)建立了強(qiáng)化熱交換的形式，將轉(zhuǎn)換元件內(nèi)置，可以有效的利用熱源，以強(qiáng)烈的對流換熱形式取代了通過壁面的固體導(dǎo)熱形式，減小了熱電偶片敷設(shè)時(shí)與壁面之間的接觸熱阻，提高了熱流密度；(2)能夠建立起較大的溫差，原因在于管內(nèi)高速流動(dòng)的氣流產(chǎn)生的滯止溫度高于氣流本身的溫度，充分利用氣體流動(dòng)動(dòng)能，熱電偶就能得到更高的熱源溫度；采用分離冷源之后，減小了熱源對冷源直接的傳熱影響，增強(qiáng)了冷卻效果。因而，系統(tǒng)的溫差可以成倍地提高。
(3)強(qiáng)化了熱電偶的集成度，由于本發(fā)明提出了立體電極和網(wǎng)狀/多級連接的結(jié)構(gòu)，熱電轉(zhuǎn)換器在相同直徑的軸向空間中，可以設(shè)置更多的熱電偶，加大總截面積，提高了熱電場的強(qiáng)度。
(4)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足不同輸出功率的需要，整體效率高；由于采用了疊加的多級模塊化結(jié)構(gòu)，可以方便地根據(jù)輸出功率的需要設(shè)置模塊的數(shù)量；特別是補(bǔ)償導(dǎo)線方法的提出，可以簡化熱電材料的篩選條件，便于研發(fā)出塞貝克系數(shù)更高的熱電極，提高單熱電偶的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步提高溫差發(fā)電器的功率密度。
(5)使用性能好，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。設(shè)計(jì)中可以保證網(wǎng)狀縫隙通道面積之和大于等于原排氣管截面積，減小流動(dòng)阻力不影響排氣背壓。因此，獲得良好的轉(zhuǎn)換性能的同時(shí)，保持了內(nèi)燃機(jī)的充氣和排氣性能，將能應(yīng)用在各類汽車或以熱機(jī)為動(dòng)力的余熱回收利用的場合。
以上優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)了本發(fā)明的多項(xiàng)創(chuàng)新的意義和效果，將使溫差電轉(zhuǎn)換技術(shù)從有限應(yīng)用走向廣泛實(shí)用的階段。
本發(fā)明針對車用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱回收利用的熱電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案加以闡述。其它種類的熱機(jī)或其它余熱的熱電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案也可以按同樣的方法實(shí)現(xiàn)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明

圖1為本發(fā)明的溫差發(fā)電器系統(tǒng)圖。
圖2為圖1中內(nèi)置式絕熱熱電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)立體圖。
圖3為圖2中轉(zhuǎn)換板及立體電極的結(jié)構(gòu)立體圖。
圖4為圖3中的局部放大圖。
圖5為圖1中的分離冷源結(jié)構(gòu)立體圖。
圖6為本發(fā)明的溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換電路圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的溫差發(fā)電器由內(nèi)置網(wǎng)狀轉(zhuǎn)換元件的絕熱熱電轉(zhuǎn)換器和分離的獨(dú)立冷源系統(tǒng)組成。其中1為內(nèi)燃機(jī)；2為排氣管；3為熱電轉(zhuǎn)換器，安裝在內(nèi)燃機(jī)排氣管中部，盡可能靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，與排氣管2是管道連接；冷源6與熱系統(tǒng)分離，采用補(bǔ)償導(dǎo)線5與熱端大規(guī)模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)連接成熱電回路，采用電連接；與冷凝器7、壓力泵8、風(fēng)扇9采用管道連接；10為冷卻管道，冷卻液在冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，冷卻熱電回路的冷接點(diǎn)和輸出導(dǎo)線11。
構(gòu)成本發(fā)明裝置的各部件的作用是內(nèi)燃機(jī)排氣熱流是轉(zhuǎn)換回路的熱源，獨(dú)立冷源是轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的冷源，熱電轉(zhuǎn)換器是熱電轉(zhuǎn)換元件與內(nèi)燃機(jī)排氣熱流直接進(jìn)行熱交換，將余熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。獨(dú)立冷源與熱系統(tǒng)分離，采用了冷卻效果良好的液冷方式，目的是為了使溫差發(fā)電器能夠在較大的溫差下工作。系統(tǒng)的熱接點(diǎn)是熱電轉(zhuǎn)換器中的大規(guī)模熱電偶網(wǎng)絡(luò)，冷接點(diǎn)是處于冷源中的熱電偶，二者通過補(bǔ)償導(dǎo)線連接成封閉的熱電回路，電源輸出導(dǎo)線也要經(jīng)由冷源保持相同的溫度，系統(tǒng)輸出直流電。
如圖2所示，熱電轉(zhuǎn)換器由前蓋3-1、轉(zhuǎn)換板3-2、墊板3-3、接線盒3-4、后蓋3-5和緊固螺栓3-6組成。前/后蓋的中心設(shè)有與排氣管連接的管接頭3-7。轉(zhuǎn)換板的內(nèi)腔為圓形通道，其中固定了若干由熱電偶并聯(lián)集成的立體電極和固定電極的框架，通道的外表面敷設(shè)絕熱層，熱電偶的連線由板的一邊引出，在接線盒中固定；墊板3中的內(nèi)腔為通孔，兩種板交替軸向疊加，由緊固螺栓6穿過四角固定，使轉(zhuǎn)換器的內(nèi)腔連成相通的排氣通道，且各轉(zhuǎn)換板之間保持有一定的間隙，相互電絕緣，保證熱氣流能獲得連續(xù)流動(dòng)并與每一個(gè)熱電偶良好接觸；通道外壁的絕熱層也連成一體，防止熱量散失。既可以滿足輸出功率的需要，也便于制造和檢修。
如圖3、圖4所示，轉(zhuǎn)換板由外殼3-2-1、絕緣層3-2-2、立體電極3-2-3、內(nèi)腔壓圈3-2-4、框架3-2-5、輸出導(dǎo)線3-2-6組成。視圖K是立體電極3-2-3的局部放大圖，其中3-2-3(1)和3-2-3(2)是不同的半導(dǎo)體材料，3-2-3(3)是具有固定作用的導(dǎo)流片，3-2-3(4)是絕緣片。熱電偶表面有耐高溫且防腐蝕的涂層。熱電偶采用圓形半導(dǎo)體材料直接壓焊而成，臂長為1.0-2.0mm，截面積取決于通過的電流。半導(dǎo)體N、P型材料可以選用Bi2Te3或Sb2Te3等，由于熱電偶是軸向設(shè)置，幾何尺寸小，使溫差電器的整體結(jié)構(gòu)緊湊。
為了滿足輸出電流的需要，熱電轉(zhuǎn)換組件需要集中大量的熱電偶，首先將一定數(shù)量的熱電偶并聯(lián)成空間立體電極，熱電偶之間由絕緣片分開及電絕緣，并列的熱電偶用金屬導(dǎo)流片固定及電連接。立體電極設(shè)置在內(nèi)腔通道中，相互串聯(lián)形成單級網(wǎng)狀轉(zhuǎn)換元件。其次，若干轉(zhuǎn)換板軸向?qū)盈B設(shè)置，組成多級熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這樣做的意義在于(1)可以集成眾多的熱電偶，即使個(gè)別熱電偶在使用中損壞也不會(huì)影響整體的使用性能；(2)使每一個(gè)熱電偶臂取短尺寸(實(shí)驗(yàn)表明短尺寸臂效率高)、截面沿管道軸向擴(kuò)展?jié)M足電流對截面積的需要；(3)使每一個(gè)熱電偶都能與熱氣流進(jìn)行完善的對流換熱，而獲得更高的換熱系數(shù)。內(nèi)燃機(jī)的高溫排氣流進(jìn)入溫差發(fā)電器通道的內(nèi)腔，與前一級模塊中的每一個(gè)熱電偶直接接觸，通過對流換熱的方式傳遞熱量，并流過立體電極間的縫隙與下一級熱電模塊再次進(jìn)行熱交換，最終的低溫氣流由排氣口排出。
本發(fā)明中熱電偶的連接與現(xiàn)有的熱電堆的連接方式不同的是，熱電偶臂不是由金屬導(dǎo)流片串聯(lián)，而是由導(dǎo)電性能優(yōu)良且熱阻較高的補(bǔ)償導(dǎo)線連接起來，冷/熱源之間的聯(lián)系不是僅僅通過熱電偶的兩臂，而是通過整個(gè)熱電偶回路來實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)償導(dǎo)線的長度可以是熱電偶臂長的幾十倍，材料可以選用含石墨成分的合成材料，導(dǎo)熱能力將顯著地減小，同時(shí)，補(bǔ)償導(dǎo)線不但起到線路的連接作用，也起到網(wǎng)狀框架的支撐作用。
本發(fā)明提出的大規(guī)模熱電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，包含了網(wǎng)狀熱電偶堆和多級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以及與分離冷源組成的熱電回路兩個(gè)方面，以較少的引出導(dǎo)線連接了大量的熱電偶，簡化了熱電回路。根據(jù)電工學(xué)原理，單一熱電偶的輸出功率雖然小，但大量熱電偶適當(dāng)?shù)募善饋?，總輸出功率是熱電回路中所有熱電偶輸出功率的總和。采用?并/混聯(lián)的方式，是為了利用熱電偶基本回路，尋求最優(yōu)的連接系統(tǒng)和最優(yōu)的電壓/電流輸出特性。熱電偶混聯(lián)系統(tǒng)不論多么復(fù)雜多么龐大，只要是嚴(yán)格按照基本回路原理連接起來的，它們也只是整個(gè)熱電回路中的熱接點(diǎn)，而回路中的冷接點(diǎn)被設(shè)置在分離的冷源中，二者經(jīng)過若干補(bǔ)償導(dǎo)線連接形成完整的熱電回路，并使整個(gè)系統(tǒng)具有溫差。因此，熱電偶的數(shù)量和連接方式，即熱電偶的集成度，是提高發(fā)電器的效率和輸出功率的關(guān)鍵因素之一。
如圖5所示，分離冷源由外殼6-1、接線盒6-2、管接頭6-3、網(wǎng)狀冷端接點(diǎn)組6-4構(gòu)成。根據(jù)熱電偶基本回路原理，熱電偶串聯(lián)時(shí)，回路需要在冷端設(shè)置節(jié)點(diǎn)。一定數(shù)量的冷端節(jié)點(diǎn)同樣需要網(wǎng)狀集成，便于冷流體與每一個(gè)熱電偶進(jìn)行對流換熱。冷源中熱電偶的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換板中的熱電偶網(wǎng)絡(luò)類似，但數(shù)量少截面積大，表面需要電絕緣防腐蝕，可以采用相同的方法制備。對于大功率的溫差發(fā)電器，為了取得良好的冷卻效果，需要采用強(qiáng)迫水冷的方案，冷卻水可以直接引自發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷系統(tǒng)，與之分流循環(huán)冷卻，也可以采用獨(dú)立冷卻液系統(tǒng)的方案；對于較小功率的溫差發(fā)電器，可以采用強(qiáng)制風(fēng)冷的方案。
如圖6所示為網(wǎng)狀熱電偶模塊連接回路。其中T1、T2分別為高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏囟?，且T1＞T2，它們所在的用短劃線標(biāo)識的區(qū)域分別是熱電轉(zhuǎn)換器和分離冷源；標(biāo)示有“+”“-”符號的線段是直流輸出導(dǎo)線；A、B為兩種半導(dǎo)體材料組合的熱電偶，要求它們有盡可能高的塞貝克系數(shù)。為了簡化電路，熱電偶的連接采用并聯(lián)為主的方式，并聯(lián)減少了引出的補(bǔ)償導(dǎo)線的數(shù)量，K1、K2、……、Kn-1是熱電轉(zhuǎn)換器中并聯(lián)的各熱電偶組，每組并聯(lián)的熱電偶制成立體電極；同時(shí)，為了輸出較高的電壓，還需要將若干并聯(lián)起來的熱電偶再進(jìn)行串聯(lián)。根據(jù)熱電偶基本電路原理，每個(gè)串聯(lián)回路需要在冷源中設(shè)置一個(gè)冷端接點(diǎn)，Kn是所有串聯(lián)熱電偶組在冷源中的接點(diǎn)組。導(dǎo)線A1、A2、……、An-1和B1、B2、……、Bn-1是熱電偶的連接線，將各熱電偶連接成一個(gè)整體，輸出電流的導(dǎo)線也要經(jīng)過冷源，保持具有相同的溫度。
綜上所述，由軸向-多級-網(wǎng)狀-集成-層疊特征的內(nèi)置式絕熱熱電轉(zhuǎn)換器和分離式獨(dú)立冷源組成的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠充分利用排氣的動(dòng)能和余熱能，強(qiáng)化了熱/冷源的利用率；管內(nèi)對流換熱的方式有利于獲得高的T1和大的換熱系數(shù)；網(wǎng)狀模塊和立體電極有利于集成大量的熱電偶；分離式獨(dú)立冷源強(qiáng)化了冷卻的效果，補(bǔ)償導(dǎo)線的連接方式使冷/熱端連接成完整的熱電回路，有助于獲得大的溫差。上述強(qiáng)化熱電轉(zhuǎn)換的方案，使本發(fā)明的新型溫差發(fā)電器具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高和輸出功率大的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于該發(fā)電器主要包括內(nèi)置網(wǎng)狀轉(zhuǎn)換元件的絕熱熱電轉(zhuǎn)換器和分離的獨(dú)立冷源，熱電轉(zhuǎn)換器連接在排氣管中部，通道內(nèi)設(shè)置多級軸向排列的熱電轉(zhuǎn)換元件，由半導(dǎo)體熱電偶并聯(lián)組成立體電極，立體電極再連接成轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償導(dǎo)線與冷源中的冷端接點(diǎn)連接組成大規(guī)模的熱電回路；獨(dú)立冷源采用冷卻液循環(huán)冷卻，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)輸出直流電，可以經(jīng)電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，輸出到用電設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于轉(zhuǎn)換器由前/后蓋、轉(zhuǎn)換板、墊板、接線盒和緊固螺栓組成。前/后蓋設(shè)有與排氣管連接的管接頭，由緊固螺栓穿過四角固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于轉(zhuǎn)換板由外殼、絕緣層、立體電極、內(nèi)腔壓圈、框架、補(bǔ)償導(dǎo)線組成，轉(zhuǎn)換板的內(nèi)腔為圓形通道，其中固定了若干由熱電偶集成的立體電極，立體電極和連接/固定電極的框架，形成了網(wǎng)狀轉(zhuǎn)換元件；內(nèi)通道的外表面敷設(shè)絕熱層，防止熱量經(jīng)管壁散失，熱電極的連線為補(bǔ)償導(dǎo)線，由轉(zhuǎn)換板的一邊引出并在接線盒中固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于墊板中的內(nèi)腔為通孔，是排氣流的通道，通道外設(shè)置絕熱層，墊板的厚度根據(jù)各轉(zhuǎn)換板的軸向距離的要求決定。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于一定數(shù)量的熱電偶并聯(lián)成空間立體電極，熱電偶采用不同半導(dǎo)體材料壓焊而成，其臂長取決效率、截面積取決于通過的電流強(qiáng)度，熱電偶之間由絕緣片分開及電絕緣，并列的熱電偶用金屬導(dǎo)流片固定及電連接，立體電極設(shè)置在內(nèi)腔通道中，相互串聯(lián)形成單級網(wǎng)狀轉(zhuǎn)換元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于所有熱電偶、連線、網(wǎng)狀框架及其引出線均密封在耐高溫的防氧化、防腐蝕的涂層中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于轉(zhuǎn)換板與墊板交替軸向疊加，電路通過導(dǎo)線連接，組成多級熱電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，其疊加數(shù)量由輸出功率確定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于接線盒由電絕緣材料制成，全部連接線在其中固定，并集中為電纜引出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于分離冷源由外殼、接線盒、管接頭、網(wǎng)狀冷端接點(diǎn)組構(gòu)成，冷源與熱系統(tǒng)分離，采用補(bǔ)償導(dǎo)線與熱端電極連接成轉(zhuǎn)換回路，與冷凝器、壓力泵、風(fēng)扇組成獨(dú)立冷卻系統(tǒng)，冷卻液在冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，冷卻熱電回路的冷接點(diǎn)和輸出導(dǎo)線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，其特征在于補(bǔ)償導(dǎo)線的材料與熱電偶匹配，具有高溫下電阻低、熱阻高的特性，其直徑和長度由熱電回路要求決定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)置式高密度溫差發(fā)電器，主要包括內(nèi)置網(wǎng)狀轉(zhuǎn)換元件的絕熱熱電轉(zhuǎn)換器和分離的獨(dú)立冷源，熱電轉(zhuǎn)換器連接在排氣管中部，通道內(nèi)設(shè)置多級軸向排列的熱電轉(zhuǎn)換元件，由半導(dǎo)體熱電偶并聯(lián)組成立體電極，立體電極再連接成轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償導(dǎo)線與冷源中的冷端接點(diǎn)連接組成大規(guī)模的熱電回路；獨(dú)立冷源采用冷卻液循環(huán)冷卻，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)輸出直流電，可以經(jīng)電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，輸出到用電設(shè)備。該溫差發(fā)電器從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱的特點(diǎn)和有效地利用熱源/冷源的角度出發(fā)，通過強(qiáng)化熱電轉(zhuǎn)換的方式來提高熱電器件的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。
文檔編號H01L35/00GK1667937SQ20051003328
公開日2005年9月14日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月25日
發(fā)明者張征 申請人:華南理工大學(xué)