高效汽車尾氣熱電回收裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高效汽車尾氣熱電回收裝置，是應(yīng)用在轎車排氣管系統(tǒng)上，適用 于燃油經(jīng)濟(jì)性差的商用小客車，城市越野和小型皮卡等中高端車輛。
【背景技術(shù)】
[0002] 自20世紀(jì)70年代世界性的能源危機(jī)發(fā)生以來，能源問題受到世界各國(guó)普遍重視， 各經(jīng)濟(jì)大國(guó)都致力搶占能源市場(chǎng)同時(shí)，對(duì)節(jié)能技術(shù)的重視程度也大大加強(qiáng)。隨著人們生活 水平的提高，汽車保有量越來越大，汽車能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來越高，汽 車節(jié)能問題越來越受到各國(guó)關(guān)注。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，提高汽車燃料有效利用 率和減少環(huán)境污染在我國(guó)具有更重要的戰(zhàn)略意義。調(diào)查研宄表明，汽車燃料燃燒所釋放的 能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量都被散失或排放到大氣中，造成了能源極大 浪費(fèi)，也帶來了不良環(huán)境影響。以余熱形式排出車外的能量占燃燒總能量的55%-70%(柴油 機(jī)）或80%-70%(汽油機(jī)），主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量。因此將這 些汽車廢熱有效利用是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能，降低汽車能源消耗的一個(gè)有效途徑。
[0003] 熱電技術(shù)是將熱電轉(zhuǎn)換元件包附在排氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱片等熱量集中排放的部件 上，一旦車輛開始正常行駛，排氣管或散熱片散發(fā)出的熱量便會(huì)被熱電轉(zhuǎn)換元件吸收，并回 收轉(zhuǎn)化為電能，再由電路系統(tǒng)將轉(zhuǎn)化的電能所利用，或轉(zhuǎn)送到車內(nèi)蓄電池組上儲(chǔ)存并加以 利用。
[0004] 近年來，車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，國(guó)內(nèi)外許多高校、科研機(jī)構(gòu)、汽 車公司都有研宄成果的報(bào)道，一些試驗(yàn)裝置已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)、道路試驗(yàn)以及耐 久性試驗(yàn)。
[0005] 國(guó)內(nèi)研宄機(jī)構(gòu)提出了利用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)想，并設(shè)計(jì)了一 種新裝置，證明了利用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪所發(fā)出的電能足以提供汽車運(yùn)行所需電能。
[0006] 美國(guó)能源部資助了柴油機(jī)卡車排氣余熱溫差發(fā)電的研宄，項(xiàng)目人員在 250kW(335Hp)柴油機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架和道路實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)裝置共產(chǎn)生30V/lkW的直流電，成 本約為1000美元，回收需要一年半左右的時(shí)間。目前這項(xiàng)熱電技術(shù)設(shè)備已經(jīng)在混合動(dòng)力 卡車上進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了 5萬公里測(cè)驗(yàn)后表明，該系統(tǒng)將熱轉(zhuǎn)化電能，每加侖燃油可使 車輛的行駛距離增加一英里，節(jié)省燃油達(dá)一成左右，如果該技術(shù)應(yīng)用在小型車上，會(huì)增加的 行駛里程會(huì)更多。
[0007] 俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)中心物理與能源工程研宄所，進(jìn)行了高寒區(qū)載重車發(fā)動(dòng)機(jī)的直 接發(fā)電和取暖的研宄。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為154kW發(fā)動(dòng)機(jī)，輔助的溫差發(fā)電器有平板式和圓柱式熱 電模塊兩種形式，產(chǎn)生600W電能，可以滿足全車用電，尚有余熱供給駕駛室取暖。
[0008] 熱電轉(zhuǎn)換的兩個(gè)核心設(shè)計(jì)在于熱電材料自身的轉(zhuǎn)換效率和冷熱源換熱器的設(shè)計(jì)， 在上述所有設(shè)計(jì)的產(chǎn)品并沒有充分重視熱電材料兩端換熱器的設(shè)計(jì)。如何在單位體積上 或單位長(zhǎng)度(大部分安裝在排氣管軸向氣流方向）上充分有效的提高取熱方式是決定實(shí)際 傳輸給逕向上布置的熱電材料的關(guān)鍵問題，其問題涉及：實(shí)際利用的排氣廢熱比重占總 排氣熱量的比重，實(shí)際換熱器設(shè)計(jì)能輸送到熱電材料表面的熱量和節(jié)電表面的溫度是否 是最佳工作溫度區(qū)間，熱電換熱器在軸向和逕向上的熱膨脹與熱電材料自身在軸向和逕 向上的熱膨脹一致性問題。上述所有設(shè)計(jì)在熱電發(fā)電系統(tǒng)中雖宣稱有較大功率輸出，但實(shí) 際均未深入考慮尾氣在逕向上向換熱器結(jié)構(gòu)傳熱的特性和穩(wěn)定性問題，長(zhǎng)期壽命無法保 證。僅能作為試驗(yàn)性產(chǎn)品而無法進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)與實(shí)用階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種高效汽車尾氣熱電回收裝置，其解決的技術(shù)問題是提 高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，其內(nèi)部由多個(gè)換熱器最小單元組裝而成，換熱器最小單元之間彼此不 相互影響，可根據(jù)實(shí)際功率需求靈活組裝。通過熱管技術(shù)與形態(tài)改進(jìn)的熱電材料相結(jié)合，組 織成一種在能量傳輸上可控，即通過熱管自身的熱傳輸特性，尺寸與功率上可延展的系統(tǒng) 級(jí)熱電轉(zhuǎn)換單元。在有限的汽車底部空間上，可與消音器整合設(shè)計(jì)，形成多功能替代產(chǎn)品。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種高效汽車尾氣熱電回收裝置，由環(huán)形熱電 芯片、高溫?zé)峁?、中低溫?zé)峁?、金屬泡沫、聚酰胺墊片、聚四氟乙烯絕熱圈、超薄高溫石墨墊 片、智能電路采集和MPPT模塊、不銹鋼排氣管、熱端圓環(huán)形鋁合金熱板、冷端圓環(huán)形鋁合金 熱板和外殼組成；其特征在于：不銹鋼排氣管安裝于排氣管系統(tǒng)的催化裂化器與消音器之 間，其上增加一個(gè)熱電回收裝置，工作時(shí)排氣管內(nèi)尾氣余熱通過高溫?zé)峁軅鲗?dǎo)至熱端圓環(huán) 形鋁合金熱板，其中，高溫?zé)峁懿糠种糜诓讳P鋼排氣管內(nèi)，另一部分穿過不銹鋼排氣管置于 熱端圓環(huán)形鋁合金熱板中，熱量再通過圓環(huán)形鋁合金熱板熱端和環(huán)形熱電芯片之間的超薄 高溫石墨墊片傳導(dǎo)至環(huán)形熱電芯片的熱端面，高溫薄型環(huán)形石墨墊片作為柔性熱界面材料 填充于環(huán)形熱電芯片與環(huán)形鋁合金熱板之間，在環(huán)形鋁合金熱板中裝配多只高溫?zé)峁苄?成逕向上向廢氣取熱傳輸方式；環(huán)形熱電芯片的冷端上的熱量通過環(huán)形熱電芯片和冷端圓 環(huán)形鋁合金熱板之間的超薄高溫石墨墊片傳導(dǎo)至冷端圓環(huán)形鋁合金熱板上進(jìn)行冷卻，其上 熱量通過置于冷端圓環(huán)形鋁合金熱板里的中低溫?zé)峁軅鲗?dǎo)給金屬泡沫，其中，中低溫?zé)峁?部分置于金屬泡沫中，汽車?yán)鋮s水由入水口通入，從出水口流出，保證冷卻水能充滿金屬泡 沫帶走其熱能，并將其中部分熱量轉(zhuǎn)化為電能。
[0011] 所述熱端圓環(huán)形鋁合金熱板和冷端圓環(huán)形鋁合金熱板材料為熱阻低且質(zhì)量輕的 鋁合金板，熱端圓環(huán)形鋁合金熱板中心圓孔與不銹鋼排氣管的外徑相等，冷端圓環(huán)形鋁合 金熱板中心圓孔與聚四氟乙烯絕熱圈的外徑相等，其中，熱端圓環(huán)形鋁合金熱板和冷端圓 環(huán)形鋁合金熱板采用雙層開槽薄鋁合金板夾持熱管后釬焊連接而成；圓環(huán)形鋁合金熱板和 冷端圓環(huán)形鋁合金熱板之間并不機(jī)械接觸，只有熱傳輸，尾氣熱量通過圓環(huán)形鋁合金熱板 傳輸給環(huán)形熱電芯片，然后等面積熱傳輸給冷端圓環(huán)形鋁合金熱板。
[0012] 所述環(huán)形熱電芯片與圓環(huán)形鋁合金熱板和冷端圓環(huán)形鋁合金熱板均為圓環(huán)形，其 接觸面的尺寸一致，保證熱量傳輸和溫度分布梯度均勻一致；為具有塞貝克效應(yīng)的帶中心 圓孔半導(dǎo)體芯片，不銹鋼排氣管為剛性好的環(huán)形中空形狀不銹鋼，適合現(xiàn)有排氣管系統(tǒng)簡(jiǎn) 單改造，充分利用有限的底盤空間。
[0013] 所述高溫?zé)峁芡ㄔ趫A環(huán)形鋁合金熱板上鉆出等直徑通孔機(jī)械沖裝而成的孔內(nèi)，在 環(huán)形面上形成全周長(zhǎng)指針式布置方式，裝配的熱管數(shù)目可根據(jù)實(shí)際要求變化不受局限，管 壁采用不銹鋼材質(zhì)且工質(zhì)為純水，適用于接觸300-600度的高溫尾氣，保證穩(wěn)定高效傳輸 不銹鋼排氣管內(nèi)流出的高溫尾氣熱量。
[0014] 所述金屬泡沫為泡沫型鋁合金，能與冷卻水充分填充且具有質(zhì)量輕的特點(diǎn)，在熱 傳輸過程中提供特殊流道，使得冷卻水與中低溫?zé)峁苣艹浞诌M(jìn)行熱交換，達(dá)到高效換熱的 目的。
[0015] 所述智能MPPT模塊通過旁路二極管與環(huán)形熱電芯片的組合，控制輸出電壓和電 流，達(dá)到汽車電路系統(tǒng)供電要求。
[0016] 所述外殼上設(shè)置冷卻水進(jìn)水口和出水口，進(jìn)水口設(shè)置于裝置首部下方，出水口通 過圓柱管道置于裝置尾部上方，使得冷卻水能充分填充金屬泡沫；進(jìn)出水口安裝在冷卻系 統(tǒng)的最低端。
[0017] 所述金屬泡沫、聚酰胺墊片、不銹鋼排氣管、熱端圓環(huán)形鋁合金熱板、冷端圓環(huán)形 鋁合金熱板徑向側(cè)設(shè)置多個(gè)直孔，在冷端圓環(huán)形鋁合金熱板的薄壁上全圓周以等角度分度 開鑿圓柱孔，熱管置于這些圓柱孔中，高溫?zé)峁芤欢舜┻^不銹鋼排氣管與尾氣接觸，另一端 設(shè)置于熱端圓環(huán)形鋁合金熱板的圓孔內(nèi)與之過渡配合，中低溫?zé)峁芤欢酥糜诶涠藞A環(huán)形鋁 合金熱板的圓孔內(nèi)與之過渡配合，中部穿過聚酰胺墊片的圓柱孔，另一端置于金屬泡沫的 圓孔內(nèi)與之過渡配合； 所述聚四氟乙烯絕熱圈材料為熱阻很大的聚四氟乙烯，其置于排氣管和冷端圓環(huán)鋁合 金熱板之間以阻隔排氣管壁面上的高溫傳導(dǎo)至冷端圓環(huán)鋁合金熱板上，厚度為0. 025mm的 超薄高溫石墨墊片分別布置于環(huán)形熱電芯片冷熱兩端，以減少其與鋁合金板之間的接觸熱 阻，聚酰胺墊片材料為絕緣良好的且熱阻大的聚酰胺，其置于泡沫金屬和熱端圓環(huán)形鋁合 金熱板、冷端圓環(huán)鋁合金熱板、環(huán)形熱電芯片之間，用來阻隔熱電芯片產(chǎn)生的電流導(dǎo)入冷熱 鋁合金圓板并形成隔熱層。
[0018] 本發(fā)明的積極效果是這種廢氣廢熱再利用的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，充分利用熱管'熱超 導(dǎo)'的特性，將排氣管內(nèi)廢熱吸收至管外進(jìn)行熱交換；在整個(gè)熱電回收裝置里沒有移動(dòng)部 件，冷卻系統(tǒng)與尾氣系統(tǒng)充分隔離，提高了熱電回收工作過程的可靠性。

【附圖說明】
[0019] 圖1是汽車排氣管尾氣熱電回收裝置的組裝圖。
[0020] 圖2是汽車排氣管尾氣熱電回收裝置的組裝圖的局部剖視圖。
[0021] 圖3是汽車排氣管尾氣熱電回收裝置的內(nèi)部換熱器最小單元組裝圖。
[0022] 圖4是內(nèi)部換熱器最小單元局部剖視圖。
[0023] 圖5是內(nèi)部換熱器最小單元部分零件圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述：如圖1至4所示，一種高效汽車 尾氣熱電回收裝置，由環(huán)形熱電芯片1、高溫?zé)峁?、中低溫?zé)峁?、金屬泡沫4、聚酰胺墊片 5、聚四氟乙烯絕熱圈6、超薄高溫石墨墊片7、智能電路采集和MPPT模塊、不銹鋼排氣管9、 熱端圓環(huán)形鋁合金熱板10、冷端圓環(huán)形鋁合金熱板11和外殼8組成；其特征在于：不銹鋼 排氣管9安裝于排氣管系統(tǒng)的催化裂化器與消音器之間，其上增加一個(gè)熱電回收裝置，工 作時(shí)排氣管內(nèi)尾氣余熱通過高溫?zé)峁?傳導(dǎo)至熱端圓環(huán)形鋁合金熱板10,其中，高溫?zé)峁? 部分置于不銹鋼排氣管9內(nèi)，另一部分穿過不銹鋼排氣管9置于熱端圓環(huán)形鋁合金熱板10 中，熱量再通過圓環(huán)形鋁合金熱板10熱端和環(huán)形熱電芯片1之間的超薄高溫石墨墊片7傳 導(dǎo)至環(huán)形熱電芯片1的熱端面，高溫薄型環(huán)形石墨墊片7作為柔性熱界面材料填充于環(huán)形 熱電芯片1與環(huán)形鋁合金熱板10之間，在環(huán)形鋁合金熱板10中裝配多只高溫?zé)峁?形成 逕向上向廢氣取熱傳輸方式；環(huán)形熱電芯片1的冷端上的熱量通過環(huán)形熱電芯片1和冷端 圓環(huán)形鋁合金熱板11之間的超薄高溫石墨墊片7傳導(dǎo)至冷端圓環(huán)形鋁合金熱板11上進(jìn)行 冷卻，其上熱量通過置于冷端圓環(huán)形鋁合金熱板11里的中低溫?zé)峁?傳導(dǎo)給金屬泡沫4,其 中，中低溫?zé)?