圆柱壳直板翅片式汽车排气热电发电装置

摘要

本发明公开了圆柱壳直板翅片式汽车排气热电发电装置，其中，两个结构完全相同的半圆柱壳对接在排气管上，并通过紧固螺栓和焊接的方式予以固定；导热翅片通过预留在半圆柱壳上的装配槽安装在上面，并在翅片两侧紧密贴合一定数量的热电发电模块；对翅片每一面上的一组热电发电模块布置单独的矩形截面薄壁冷却管道，并通过两端的支撑圆盘配合紧固装置固定安装；在支撑圆盘的不同位置加装绝热垫圈以减少对冷却通道内冷却液温度的影响。该圆柱壳直板翅片式汽车排气热电发电装置具有结构简单紧凑、工作可靠性高、导热效果良好等优点，相对于传统排气管热电发电装置，无需改变排气管结构，不会影响排气背压，适合进行大规模推广及应用。

说明书

技术领域

本发明涉及热电发电技术领域，属于一种新型的发动机废热回收利用形式，具体是指一 种圆柱壳直板翅片式汽车排气热电发电装置。

背景技术

汽车工业在我国国民经济中占了相当高的比重，进入21世纪以来汽车工业得到迅猛发 展，相应的汽车所需要的能源也与日俱增,汽车节能技术的发展备受关注。目前，汽车发动机 利用燃料燃烧产生的能量的转换效率仅为40%左右，也就是说燃料中有超过60%的能量没有 得到有效利用，被排放到大气中。而在这60%的能量中发动机排出的废气带走了大约总能量 的30%到45%的热量，另外还有30%左右的能量用于冷却，这些能量绝大部分都是以余热的 形式散发到了空气中，不可避免的浪费了大量能源，造成了非常严重的空气污染。热电发电 技术利用赛贝克效应，直接将热能转化为电能，具有无运动部件、无噪声、无污染、工作可 靠、使用寿命长等优点，已经广泛应用于工业废热回收领域，而在发动机废热回收方面，热 电发电技术也被认为是有潜力替代传统汽车发电机的一种新型技术手段。热电发电系统既可 以有效的回收发动机废热，减少能源浪费以及排放的有害物质，又可以通过外部电路将所转 换的电能储存到车用蓄电池或其他储能设备中，以供汽车电子设备使用，有效的提高了汽车 的燃油利用率。

发明内容

本发明针对传统汽车排气管热电发电装置对排气结构改动较大、发电量单一、发电器件 接触不充分、影响发动机排气背压等不足，提出了一种圆柱壳直板翅片式汽车排气热电发电 装置。本装置可布置于汽车排气催化转化器以及消声器之间，有效的回收发动机废热以转化 电能。两个半圆柱壳直接接触排气管，并利用紧固螺栓连接，以支撑导热翅片、热电发电模 块以及冷却管道支撑圆盘等。半圆柱壳与排气管直接接触导热，避免了因适应热电发电模块 尺寸而对排气管进行的结构改造，对发动机的排气背压不会造成任何影响。冷却管道通过发 动机冷却系统支路引入冷却液流，对热电发电模块冷端进行冷却，冷却管道设计为扁平矩形 截面通道，规格统一，接口方便。在半圆柱壳两端设置冷却管道支撑圆盘并与半圆柱壳通过 螺栓相连接，使整个热电发电装置结构稳定可靠。

为了进一步达到本发明的目的，提高热电发电效率，与排气管直接接触的半圆柱壳采用 不锈钢结构，导热稳定并且结构可靠，能够满足排气温度对换热器提出的需求（汽车三元催 化转化器附近排气温度为770K左右）。导热翅片采用铝合金结构，导热效果良好，能够为 热电发电模块热端提供较高的温度，提高热电发电模块两端温差以增大发电功率。在导热翅 片与热电发电模块热端之间涂抹一定数量的导热硅脂，以减小由于表面粗糙而引起的接触热 阻，进一步提高导热系数。冷却管道同样采用铝合金材料，结构上采用直通道、薄壁矩形截 面，可直接利用铝合金板材加工焊接而成，方便生产。铝合金冷却管道通过两端的支撑圆盘 配合以紧固装置固定并与热电发电模块紧密接触，并形成一定的预紧力，使得热电发电模块 与导热翅片以及热电发电模块与冷却管道之间紧密贴合。支撑圆盘与排气管之间以及支撑圆 盘与半圆柱壳的连接螺栓周围布置绝热材料制成的绝热垫圈，最大限度的减小由于支撑圆盘 受热对冷却管道内冷却液温度的影响。

本发明的优点在于：

（1）本装置导热效率高，相对热阻较小，相对于传统汽车排气管热电发电装置，提高了 排气废热的回收效率，适用于大规模量产使用。

（2）本装置结构紧凑简易，无需对排气管进行任何改装，安装维护方便，工作可靠性高。

附图说明

图1为本发明的汽车排气热电发电装置的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的A-A剖面图。

图中：

1.排气管；     2.支撑圆盘A；     3.紧固装置；     4.冷却管道；     5.装配凸台；

6.紧固螺栓；   7.导热翅片；      8.支撑圆盘B；    9.热电发电模块； 10.半圆柱壳；

11.连接螺栓；  12.绝热垫圈A；    13.绝热垫圈B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种圆柱壳直板翅片式汽车排气热电发电装置，如图1所示，所述的装置包 括半圆柱壳10、导热翅片7、热电发电模块9、冷却管道4、支撑圆盘A2、支撑圆盘B8、绝 热垫圈A12和绝热垫圈B13。

本发明提供的装置位于汽车三元催化转化器和消声器之间的排气管1上。参见图1和图 3，将两个完全相同的半圆柱壳10通过装配凸台5上的紧固螺栓6紧密连接（优选的，在一 侧的装配凸台上设置11个紧固螺栓6，两侧一共22个紧固螺栓6），还可以通过焊接方式将 半圆柱壳10焊接在排气管1上，以提高其结构稳定性，并保证两个半圆柱壳10与排气管1 之间的紧密接触。将导热翅片7安装在半圆柱壳10的装配槽上。在半圆柱壳10表面预留若 干规格相同并沿周向均匀分布的装配槽，装配槽的长度与半圆柱壳10轴向长度相等，并且装 配槽的轴线与圆柱壳轴线平行；装配槽的槽深不宜超过半圆柱壳10轴向厚度的20%，导热翅 片7的数量可以在预留的装配槽数量内任意调节，以满足不同的发电功率需求，如图3安装 有8个单独的导热翅片7。在装配槽内以及导热翅片7与装配槽接触表面涂抹一定数量的导 热硅脂，提高导热能力，导热翅片7两端与装配槽两端的相同位置均预留连接螺栓孔，加装 紧固螺栓固定。所述的导热翅片7也可以是与半圆柱壳10一体加工成型，均匀布置在圆柱壳 10的外表面。在两个半圆柱壳10所形成的圆柱壳上，导热翅片7的个数为偶数，导热翅片7 装配后的位置与所在半圆柱壳10处切线的方向垂直。在每个导热翅片7的两面，安装热电发 电模块9，通过焊接方式予以固定，并在接触面上均匀涂以耐高温型导热硅脂以提高导热系 数。优选地在每个导热翅片7的两个侧面各安装6个热电发电模块9。热电发电模块9可以 采用Hi-Z公司生产的HZ20系列热电发电片，单片发电功率可达19W左右。每一导热翅片 上面的所有热电模块9通过电串联方式连接起来，通过DC-DC转换电路对外输出。每一侧的 若干热电发电模块9冷端统一与一个冷却管道4紧密贴合，同样采用焊接方式予以固定并涂 以导热硅脂。发动机冷却系统引出支路，并通过调压阀将冷却液注入各冷却管道4中，使得 每一冷却管道4内冷却液的流速与压力保持一致，保证所有热电发电模块9的冷却效果均匀， 冷却液流动方向与发动机排气流动方向平行但相反，冷却液流经各冷却管道4后汇集，并通 过调压阀调整至发动机冷却系统的压力，流到发动机冷却管路中形成循环。在装配好的半圆 柱壳10的两端的排气管1上相等距离套上绝热垫圈B13，并在绝热垫圈B13上安装相同的两 片冷却通道支撑圆盘A2和B8，支撑圆盘A2和B8可以采用类似于半圆柱壳10的连接方式， 即通过两个半圆盘拼接焊接而成，支撑圆盘A2和支撑圆盘B8上均加工与冷却管道4尺寸符 合的槽，可将每个冷却管道4夹紧并通过紧固装置3予以固定，如图2，并加载一定的预紧 力，以保证热电发电模块9与冷却管道4以及导热翅片7的紧密贴合。半圆柱壳10的两个端 面均预留一定数量的螺孔，一系列细长连接螺栓11通过这些螺孔将半圆柱壳10和支撑圆盘 A2及B8相连接，但不接触。在连接螺栓11与支撑圆盘A2和B8之间布置一系列绝热垫圈 A12，最大限度减少由于连接螺栓11的导热造成支撑圆盘A2和B8温度升高，而对冷却管道 4内的冷却液温度的影响。支撑圆盘A2和B8与排气管1之间均布置有绝热垫圈B13，以避 免排气管1的热量通过支撑圆盘A2或B8传导给冷却管道4。所述的绝热垫圈A12和B13均 可采用橡胶等弹性绝热材料制造，受热膨胀后能够形成一定的支撑力。