熱電機的製作方法
2023-12-04 21:25:11
專利名稱：熱電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱電機，尤其是指採用熱電轉換元件和機械電子控制系統，能將燃料燃燒產生的熱能直接轉換為電能，而且這個轉換過程能夠控制，最終通過電動機輸出動力的機電裝置。
能源是文明之源。熱能是有史以來，人類能最廣泛使用的大規模的能源形式之一。目前對熱能的利用方式有很多，熱功轉換主要是通過依據各種熱力循環原理製造的熱機，將燃料的化學能轉換為機械能。
內燃機是最典型的熱機，由曲柄連杆機構、配氣機構、點火系統、冷卻系統等複雜的機械裝置組成，通過進氣、壓縮、膨脹、排氣四個衝程，將汽油(柴油)燃燒時產生的熱能轉換為機械能。內燃機發展了一百多年，作為車輛動力裝置得到了廣泛的應用，其技術性能不斷地改進和提高。但是其固有的缺點，如熱效率低(35％左右)、排氣汙染、結構複雜、工作時的振動和噪音等問題，至今無法得到根本性的解決。為此，現代開發的電動汽車，採用了化學電池或燃料電池作為主要能源。
電池能將化學能轉換為電能，車用高密度化學電池具有較高的「比功率」指標，主要缺點是價格昂貴壽命低，一次充電後的行駛裡程與燃油內燃機汽車相比有一定的差距，即「比能量」指標低。
燃料電池的理論效率可以達到80-90％，但是，由於工作時自身的溫度在幾百度甚至1000多度，部分熱能的產生和損耗是不可避免的。同時，燃料電池結構複雜，存在各種電位與副反應，其實際的使用效率為55％左右。以燃料電池為動力的電動車的行駛裡程取決於車載燃料的多少，只要有適量的燃料，電動車可以具有與燃油汽車相當的行駛裡程，即燃料電池具有較高的「比能量」指標。但由於化學反應速度的限制，車輛在爬坡或超車需要高的放電率時，燃料電池難以滿足要求，即「比功率」指標低。這些情況說明，在電池技術沒有取得突破之前，電動車的使用將受到電池性能的制約。
熱電轉換的方式主要有熱能-機械能-電能的轉換、熱能-電能直接轉換。前者的轉換需要用熱機作為中間環節，後者根據熱電效應，將熱能直接轉換為電能。熱電效應是一種物理現象在兩種導體(或半導體)組成的閉合迴路中，當兩個端點處於不同的溫度狀態時，迴路中將會產生熱電流，其熱電勢僅與兩接點的溫度有關。熱電偶是一種良好的熱電轉換元件，它的基本結構很簡單，是由兩種不同材料的熱電極焊接而成。不同的材料組合的熱電偶具有不同的熱電勢特性，適用於不同的溫度環境。迄今為止，現代工業熱電偶主要用於溫度測量，使用範圍覆蓋了-273℃-2500℃的溫度域。
熱電效應發現以來，也有過許多將熱電偶作為電源使用的例子，現代也有以熱電偶為轉換元件的穩態溫差電池。但由於熱電偶的熱電勢只有毫伏級，熱電轉換的效率低，尚無大規模高強度地作為電源使用，尤其作為車載動態電源使用。
為此，本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種新型的熱機-熱電機。作為一種動力機械，熱電機既能達到高比能量、高比功率、高效率、低汙染等性能指標，又不會產生振動和躁聲等問題。
本發明的熱電機主要包括內設熱電偶的燃燒室、冷源裝置、電流調節器、電子控制器、高壓點火器。燃燒室內設置的熱電偶連接成大規模熱電轉換網絡的結構，網絡的引出線經過冷源裝置後與電流調節器電連接；電子控制器分別與電流調節器、輸入控制信號採用信號連接、與高壓點火器電連接，高壓點火器與燃燒室電連接；電流調節器輸出的三相交流電供交流電動機輸出功率。如果採用直流電動機作為動力源，可以取消電流調節器。
所述燃燒室採用絕熱外殼，並用隔板將內部分隔成若干個高溫、中溫、低溫的區域；隔板上固定有適用於不同溫度的熱電轉換元件；燃燒室內設置燃料噴嘴和高壓電極，熱電轉換元件採用熱電偶。
燃燒室內的熱電偶可以根據需要以各種形式連接，例如以串聯或並聯或串並聯結合方式，形成大規模的熱電偶網絡，為了在高溫下穩定地工作，熱電偶應選用適合長期高溫條件的材料，網絡及其引出線必須嚴密地封裝在耐高溫的防氧化、防腐蝕的塗層中。
所述冷源裝置可以是配有風扇等具有冷卻作用的裝置。
所述電流調節器可以是現有的將直流電轉換為交流電的裝置，包括接線合併電路與逆變器。
所述電子控制器是一單片微機系統及其控制的電路，或者是計算機、工控機等其他電子控制系統。
所述高壓點火器可以是汽油機採用的點火線圈和火花塞。
為了充分利用輸出電流，可以在電子控制器與電流調節器之間連接蓄電池，在需要時存取電流。
對上述技術方案進一步的改進是燃燒室為一個或二個或多個，以滿足輸出功率特性的需要。
對上述技術方案進一步的改進是燃燒室可以分隔為一級或二級或多級內腔，其結構基本相同，充分利用熱流的溫度變化。
對上述技術方案進一步的改進是燃燒室內可以設置一個或二個或多個熱源。
對上述技術方案進一步的改進是作為熱電轉換元件的熱電偶，可以是金屬材料或非金屬材料製成。為了利用高溫氣流工作過程中的各級溫差，熱電偶的連接網絡可以是多層、多級大規模點陣連接的熱電轉換網絡群。
對上述技術方案進一步的改進是燃料可以是液態燃料或氣態燃料。
本發明與現有技術相比具有如下優點(1)改進了熱源的燃燒方式，改善了燃燒條件，熱電轉換以連續方式進行，提高了熱效率；(2)採用燃燒室和多層、多級大規模熱電偶網絡群的結構，充分利用了高溫熱流工作過程中的各級溫差，最大限度地將燃料燃燒產生的熱能直接轉換為電能，提高了熱能的利用率；(3)採用機械與電子裝置組成二級控制系統，進行電動機調速和對燃燒工況的調節，具有良好的使用性能和比功率指標。
(4)比能量指標取決於配置燃料的數量；(5)整體結構緊湊，沒有複雜的運動機構，不需要潤滑、密封，解決了振動噪音等問題；(6)可以使用液態或氣態的多種燃料，具有良好的經濟性和低汙染指標，使用氫氣或低熱值燃料時，排氣汙染問題將得到根本的解決。
由以上技術方案可知，本發明以熱電效應為基本原理。它的熱源是燃燒室內的高溫熱流，冷源是環境大氣，熱電轉換方式為從燃料的燃燒中獲得熱能，熱電偶將熱能直接轉換為電能，驅動電動機輸出功率。
圖1為本發明的熱電機結構方框圖；圖2為本發明的實施例——車用熱電機的結構方框圖；圖3為圖2中的燃燒室結構示意圖；圖4為圖2中的冷源裝置結構示意圖；圖5為圖2中電子控制器的電路原理圖。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
實施例如圖1所示，本發明的熱電機由內設熱電偶的燃燒室1、冷源裝置2、電流調節器3、電子控制器4、高壓點火器5構成；燃料和空氣與燃燒室1管道連接，燃燒室1內置的熱電偶的引出線經過冷源裝置2後與電流調節器3電連接，電子控制器4分別與電流調節器3、輸入的控制信號採用信號連接、與高壓點火器5電連接，高壓點火器5與燃燒室1電連接，電流調節器3與交流電動機M電連接。
構成本發明裝置的各部件的作用是燃燒所需的空氣和燃料氣體混合後經噴嘴進入燃燒室1。電子控制器4根據控制信號，使高壓點火器5輸出高壓電流，經高壓電極點燃可燃混合氣。燃燒產生的高溫氣流在燃燒室內與各個熱電偶接觸，熱電偶產生溫差熱電勢，大規模熱電偶網絡將每一個熱電偶產生的熱電勢匯集起來，經過冷源裝置2形成直流電。電子控制器4的另一個作用是調節燃料的供給量和電動機的轉速。
電流調節器3主要由接線合併電路與逆變器組成。接線合併電路實際上是一種電極電流的合併輸出電路，作用是把熱電偶網絡的引出線通過適當的方式連接到一個公共的功率提取端，達到減少逆變器數量的目的。逆變器將直流電轉變為三相交流電，送給交流電動機。
圖2所示為一個車用熱電機的實施方案。在圖1的基礎上，連接在電子控制器4上的有起動開關7和駕駛踏板6。前者接通低壓蓄電池向直流電路供電，後者輸入駕駛員的控制信號。電子控制器的輸出電流分別通向高壓點火器5、電磁開關閥8等受控元件，形成了一個電子控制系統。
在燃料的輸入管道中安裝有可控電磁開關閥8，用於根據電子控制器4的信號，調節燃燒室的燃料供給量；10是燃料箱，儲存液態或氣態的燃料，11是空氣濾清器，過濾空氣中的雜質。
燃燒室1內設有多層、多級的熱電偶網絡，各級熱電偶網絡的引出線經冷源裝置2和電流調節器3構成迴路。電流調節器3輸出的三相交流電供交流電動機使用，驅動車輛行駛。
如圖3所示，燃燒室1主要由燃料噴嘴1-1、底座1-2、隔板1-3、熱電偶網絡1-8、熱電偶1-9、絕熱外殼1-10、高壓電極1-11構成，頂部有排氣管。為了減少熱能的損耗，燃燒室採用了分開式的圓筒形絕熱外殼1-10，用耐熱的多層複合材料製成，各層外殼之間用螺栓連接，便於安裝與拆卸。隔板1-3將燃燒室內部分隔成高溫區域1-4、中溫區域1-5和低溫區域1-6。各級熱電偶網絡1-8固定在各層隔板上，隔板沿圓周還開有通道1-7，使熱氣流通過，由燃燒室的上一級區域進入下一級區域。可燃混合氣由噴嘴1-1噴入燃燒室，經高壓電極1-11點火後燃燒，形成高溫火焰。
各級熱電偶採用不同的配對電極材料，連接成熱電偶網絡組，使燃燒氣流的熱能在高溫、中溫、低溫狀態時，都能最大限度地轉換為電流。當氣流最終從排氣管排出時，它的溫度已經接近環境大氣的溫度。
如圖4所示，冷源裝置2的殼體2-3設計成圓筒形、前端設有冷卻風扇2-2、風扇推動大氣軸向通過冷源，從後端流出，導線2-1固定在殼體2-3內，被流過的大氣冷卻。根據熱電偶接線方法，每一個並聯熱電偶網絡有2條引出線，而串聯的熱電偶網絡組不但有2條引出線，還有若干個串聯節點，所有的引出線和串聯節點都需要接入冷源裝置，增大與燃燒室內熱流的溫差，並使所有導線的溫度保持一致。
下面結合圖2對圖5進行說明，車用熱電機的電子控制器4由單片微機8051、A/D轉換、D/A轉換晶片、多電壓電源組件以及所控制的電路構成。其中SWITCH 7代表起動開關7，電流來自蓄電池9；駕駛踏板6的模擬信號首先由A/D轉換為數位訊號，經單片微機處理之後，再經D/A轉換為模擬信號，控制安裝在燃料輸入管道上的電磁開關閥8，達到調節燃料供給量的目的；在需要點火時，P26發出信號，控制繼電器接通或切斷12伏低壓電路，使高壓點火器5產生高壓電流，高壓電極跳火點燃可燃混合氣；調速時，單片微機將駕駛踏板6的信號，與INT1接收的來自電動機M的反饋信號相比較，處理後輸出8位數位訊號給電流調節器3，對電機的轉速進行控制。
車用熱電機工作過程如下熱電機起動時，打開起動開關7，接通電子控制器的直流電源。燃燒所需的空氣經過空氣濾清器11過濾，與燃料氣體混合後經噴嘴噴入燃燒室。電子控制器4控制由高壓點火器5向高壓電極1-11輸出電流，點燃燃燒室內的可燃混合氣。燃燒產生的高溫氣流是熱電機的高溫熱源，熱流穿過每一層每一級熱電偶網絡，與每一個熱電偶1-9進行熱電轉換，溫度逐漸降低。熱電偶產生溫差熱電勢，大規模熱電偶網絡群將每一個熱電偶產生的熱電勢匯集起來，經過冷源裝置後形成直流電。電流調節器將直流電轉換為交流電供交流電動機驅動車輛。
一般車輛行駛的速度變化時，駕駛員需要通過駕駛踏板對發動機的轉速進行調速，在變速器的配合下獲得需要的輸出功率。熱電機的控制方式與此類似駕駛員腳踏駕駛踏板，發出指令，傳感器檢測駕駛踏板升降的位置和速度信號後，傳給電子控制器，由後者比較電機反饋信號，自動進行電機調速和電源輸出電流的調節。電機調速有多種成熟的方法，這裡不再贅述。熱電機對電源輸出電流的調節是兩方面的(1)改變燃燒室的燃燒溫度，這是通過改變燃料輸入量實現的，輸入的燃料多則燃燒的溫度高，使得熱電轉換的熱電勢高，反之則低；(2)改變參加工作的熱電偶的數量，這是通過改變參加工作的燃燒室的數量來實現，參加工作的熱電偶的數量多，總體熱電勢高，反之總體熱電勢降低。綜合二者的作用，熱電機將具有良好的使用特能。
權利要求
1.一種熱電機，其特徵在於主要包括燃燒室、冷源裝置、電流調節器、電子控制器、高壓點火器；燃燒室內設置的熱電偶連接成大規模熱電轉換網絡的結構，網絡的引出線經過冷源裝置後與電流調節器電連接；電子控制器分別與電流調節器、輸入控制信號採用信號連接、與高壓點火器電連接，高壓點火器與燃燒室電連接，電流調節器輸出的三相交流電供交流電動機輸出功率。
2.根據權利要求1所述的熱電機，其特徵在於所述燃燒室採用絕熱外殼，並用隔板將內部分隔成若干個高溫、中溫、低溫的區域；隔板上固定有適用於不同溫度的熱電偶；燃燒室內設置燃料噴嘴和高壓電極。
3.根據權利要求2所述的熱電機，其特徵在於燃燒室內的熱電偶以串聯或並聯或串並聯結合方式，形成大規模的熱電偶網絡，網絡及其引出線封裝在耐高溫的防氧化、防腐蝕的塗層中。
4.根據權利要求3所述的熱電機，其特徵在於熱電偶可以是金屬材料或非金屬材料製成。
5.根據權利要求3所述的熱電機，其特徵在於熱電偶的連接網絡可以是多層、多級大規模點陣連接的熱電轉換網絡群。
6.根據權利要求1或2所述的熱電機，其特徵在於所述冷源裝置可以是配有風扇的裝置。
7.根據權利要求1或2所述的熱電機，其特徵在於所述電子控制器是一單片微機系統及其控制的電路。
8.根據權利要求1或2所述的熱電機，其特徵在於燃燒室為一個或二個或多個。
9.根據權利要求1或2所述的熱電機，其特徵在於燃燒室可以分隔為一級或二級或多級內腔。
10.根據權利要求1或2所述的熱電機，其特徵在於燃燒室內可以設置一個或二個或多個熱源。
全文摘要
一種熱電機主要包括內設熱電偶的燃燒室、冷源裝置、電流調節器、電子控制器、高壓點火器。燃燒室內設置的熱電偶連接成大規模熱電轉換網絡的結構,網絡的引出線經過冷源裝置後與電流調節器電連接;電子控制器分別與電流調節器、輸入控制信號採用信號連接、與高壓點火器電連接,高壓點火器與燃燒室電連接;本發明的熱電機作為動力機械,既能達到高比能量、高比功率、高效率、低汙染等性能指標,又不會產生振動和噪聲等問題。
文檔編號H01L35/00GK1334641SQ01127719
公開日2002年2月6日 申請日期2001年8月9日 優先權日2001年8月9日
發明者張徵 申請人:張徵