熱電發電系統以及具有其的車輛排氣歧管的製作方法
2023-04-28 07:31:11 2
相關申請的交叉引用
本申請要求2016年3月29日提交的韓國專利申請第10-2016-0037942號的優先權和權益，該申請的全部內容結合於此用於通過該引用的所有目的。
本發明涉及一種熱電發電系統以及具有該熱電發電系統的車輛排氣歧管，更具體而言，本發明涉及能夠由排放氣體直接供熱從而大幅提高發電效率的熱電發電系統以及具有該熱電發電系統的車輛排氣歧管。
背景技術：
已知地，熱電發電系統被配置為使用熱電模塊來發電，其中，熱電模塊可以使用通過在其兩個表面之間的溫度差來產生熱電動勢的賽貝克效應來發電。
同時，在熱電發電系統旨在應用至車輛時，為了足量地確保熱電模塊的溫度差，熱電模塊的一個表面可以安裝在車輛排氣管線部件(例如，排氣管道或車輛排氣歧管)中，而熱電模塊的另一個表面可以設置有冷卻系統。
因此，熱電模塊的一個表面可以由於排放氣體的高熱量而形成熱側，而熱電模塊的另一個表面可以由於冷卻系統的冷卻水而形成冷側。如此，可以通過熱電模塊的熱側和冷側之間的溫度差而發電。
然而，由於現有排氣管線部件(例如，排氣管道和排氣歧管)的不平的表面或熱電模塊的形狀的限制，可能不足量地確保熱電模塊與排氣管線部件的表面之間的接觸面積，從而在熱量從排放氣體傳遞至熱電模塊的一個表面時，熱量損失可能很嚴重。
由於熱量的損失導致不能足量地確保熱電模塊的熱側與冷側之間的溫度差，所以熱電模塊的發電效率可能下降。
公開於本發明背景部分的信息僅僅旨在增強對本發明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現有技術。
技術實現要素：
本發明的各個方面提供了一種熱電發電系統，其能夠通過在熱量從排放氣體傳遞至熱電發電系統時最小化熱傳遞阻抗元素來大幅提高熱電模塊的熱側與冷側之間的溫度差，從而提高熱電發電系統的發電效率，本發明的各個方面還提供了具有該熱電發電系統的車輛排氣歧管。
根據本發明的示例性實施方案，一種熱電發電系統，包括：基座，其被配置為安裝在車輛排氣管線部件的一側；以及至少一個熱電模塊，其被配置為安裝在基座的頂表面上，其中，排氣管線部件的一側設置有與排氣管線部件的內部空間連通的開口，基座被安裝為密封排氣管線部件的開口，並且基座由導熱材料製成，並且基座的表面形成有絕緣層。
該熱電模塊可以包括：至少一個下電極，其被配置為安裝在基座的頂表面上；至少一個上電極，其被配置為設置在下電極的上部且彼此隔開；以及至少一對熱電元件，其被配置為插置在下電極與上電極之間，並且連接至下電極和上電極。
基座可以具有形成在其底表面上的多個熱傳遞鰭片，所述多個熱傳遞鰭片可以位於排氣管線部件的開口內。
開口的邊緣可以形成有厚壁部，該厚壁部的厚度大於車輛排氣管線部件的體壁的厚度，熱傳遞鰭片的厚度可以形成為小於厚壁部的厚度。
熱電模塊可以進一步包括至少一個上座，其設置在上電極的頂表面上，該上座可以設置有冷卻套管。
基座可以具有至少一個穿透部，下電極可以被安裝為密封穿透部，下電極的底表面可以形成有多個熱傳遞鰭片，該多個熱傳遞鰭片可以穿透基座的穿透部。
該熱電發電系統可以進一步包括：壓力構件，其被配置為將熱電模塊壓向基座。
該熱電發電系統可以進一步包括：壓力板，其被配置為壓迫壓力構件。
該熱電發電系統可以進一步包括：絕熱材料，其被配置為填充在熱電模塊的周圍。
根據本發明的另一示例性實施方案，一種車輛排氣歧管包括：歧管本體，其被配置為具有形成在其至少一部分的頂表面上的平整表面，該平整表面的一側形成有開口；以及熱電發電系統，其被配置為安裝在歧管本體的平整表面上，其中，熱電發電系統包括基座和至少一個熱電模塊，所述基座被安裝為密封歧管本體的開口，所述至少一個熱電模塊安裝在基座的頂表面上。
基座可以由導熱材料組成，並且基座的表面可以形成有絕緣層。
該熱電模塊可以包括：至少一個下電極，其被配置為安裝在基座的頂表面上；至少一個上電極，其被配置為設置在下電極的上部且彼此隔開；以及至少一對熱電元件，其被配置為插置在下電極與上電極之間，並且連接至下電極和上電極。
基座可以具有形成在其底表面上的多個熱傳遞鰭片，所述多個熱傳遞鰭片可以位於排氣管線部件的開口內。
開口的邊緣可以形成有厚壁部，該厚壁部的厚度大於車輛排氣管線部件的體壁的厚度，熱傳遞鰭片的厚度可以形成為小於厚壁部的厚度。
熱電模塊可以進一步包括至少一個上座，其設置在上電極的頂表面上，該上座可以設置有冷卻套管。
基座可以具有至少一個穿透部，下電極可以被安裝為密封穿透部，下電極的底表面可以形成有多個熱傳遞鰭片，該多個熱傳遞鰭片可以穿透基座的穿透部。
通過納入本文的附圖以及隨後與附圖一起用於說明本發明的某些原理的具體實施方式，本發明的方法和裝置所具有的其它特徵和優點將更為具體地變得清楚或得以闡明。
附圖說明
圖1是示出根據本發明的示例性實施方案的車輛排氣歧管以及連接至該車輛排氣歧管的催化轉化器的立體圖；
圖2是示出根據本發明的示例性實施方案的車輛排氣歧管的側視圖；
圖3是從圖2的箭頭方向a觀察的頂視圖；
圖4是示出圖3的歧管本體的平整表面形成有開口的狀態的圖；
圖5是沿著圖4的線b-b獲得的橫截面視圖，並且是示出根據本發明的示例性實施方案的熱電發電系統安裝在歧管本體的開口處的狀態的橫截面視圖；
圖6是示出根據本發明的另一示例性實施方案的熱電發電系統的下電極與基座的聯接結構的橫截面視圖；
圖7是從頂部觀察的圖6的基座的頂視圖；
圖8是從底部觀察的圖6的上座的底視圖；
圖9是示出根據本發明的另一示例性實施方案的熱電發電系統的下電極通過焊接等與基座聯接的狀態的圖；以及
圖10是示出根據本發明的另一示例性實施方案的熱電發電系統的下電極通過緊固件等與基座聯接的狀態的圖。
應當了解，所附附圖並不必須是按比例繪製的，其呈現了某種程度上經過簡化的說明本發明的基本原理的各個特徵。本文所公開的本發明的具體設計特徵包括例如具體尺寸、方向、位置和形狀將部分地由具體所要應用和使用的環境來確定。
在這些圖形中，在附圖的多幅附圖中，附圖標記指本發明的相同的或等同的部件。
附圖標記
10：歧管本體
11：入口部
12：出口部
13：平整表面
14：螺栓
15：催化轉化器
16：入口凸緣
18：開口
19：厚壁部
20：熱電模塊
21、22：熱電元件
23：下電極
24：上電極
25：基座
27、23a：熱傳遞鰭片。
具體實施方式
現在將詳細地參考本發明的各個實施方案，這些實施方案的示例被示出在附圖中並描述如下。雖然本發明與示例性實施方案相結合進行描述，但是應當了解，本說明書並非旨在將本發明限制為那些示例性實施方案。相反，本發明旨在不但覆蓋這些示例性實施方案，而且覆蓋可以包括在由所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍之內的各種可替選形式、修改形式、等同形式及其他實施方案。
參照圖1至圖3，根據本發明的各個示例性實施方案的車輛排氣歧管可以包括歧管本體10。
歧管本體10的一側設置有向外延伸的多個入口部11，其中，該多個入口部11可以與發動機側聯接，以將發動機產生的排放氣體經由該多個入口部11引入到歧管本體10中。
該多個入口部11可以與入口凸緣16聯接，其中，入口凸緣16可以具有與該多個入口部11連通的多個開口。
歧管本體10的另一側可以設置有出口部12，其中，出口部12可以連接至催化轉化器15或排氣管道等。
歧管本體10的內側可以形成有收集經由多個入口部11引入的排放氣體的空間。
歧管本體10可以具有平整表面13，其形成在歧管本體的至少一個表面上。圖1至圖3示出的是，平整表面13形成在歧管本體10的頂表面上。
由於歧管本體10的至少一個表面上形成了平整表面13，歧管本體10的體積可以形成為大於每個入口部11的體積，從而，歧管本體10的橫截面面積可以形成為大於入口部的橫截面面積以減小回壓，從而大幅提高排放氣體的可流動性。
此外，如圖2所示，平整表面13可以與水平表面以預定角度傾斜設置，從而可以更平穩地實現排放氣體的流動。
此外，歧管本體10的平整表面13可以設置有向上突出的多個螺栓14。螺栓14可以通過焊接等固定到歧管本體10的平整表面13。
參照圖4，歧管本體10的平整表面13可以形成有開口18，其與歧管本體10的內部空間連通，而且，平整表面13上可以非常穩固且穩定地安裝熱電發電系統。此外，可以在開口18處安裝熱電發電系統的熱側以將熱量從排放氣體直接傳遞至熱電發電系統，使得熱電發電系統的熱側與冷側之間的溫度差可以大幅增加，從而大幅提高發電效率。
參照圖5，根據本發明的各個示例性實施方案的熱電發電系統可以包括基座25以及安裝在基座25的頂表面上的至少一個熱電模塊20。
基座25可以由導熱材料製成，例如銅和不鏽鋼，而在基座25的表面上可以形成絕緣層26。
如圖5所示，基座25可以安裝在排氣歧管的歧管本體10的平整表面13上，使得基座25的底表面可以直接接觸平整表面13的開口18。因為基座25直接接觸開口18，穿過歧管本體10的內部空間的來自排放氣體的熱量可以直接傳遞至基座25。由此，在熱量從排放氣體傳遞至熱電發電系統時導致的熱量損失可以最小化，從而增加熱電發電系統的熱側與冷側之間的溫度差，從而大幅提高發電效率。
同時，根據本發明的各個示例性實施方案的熱電發電系統還可以安裝在排放氣體穿過的各種類型的排氣管線部件中，例如具有圖1至圖4的平整表面13的排氣歧管以及排氣管道。總之，根據本發明的各個示例性實施方案的熱電發電系統還可以安裝在排放氣體穿過的各種類型的排氣管線部件中，例如具有形成在其至少一個表面上的平整表面的排氣歧管以及排氣管道。
基座25的尺寸被配置為可以覆蓋開口18的邊緣，使得基座25的底表面的邊緣可以通過焊接等密封地安裝在開口18的邊緣。因此，當然可以防止排放氣體經由開口18洩露到外部。
此外，基座25的底表面設置有多個熱傳遞鰭片27，該多個熱傳遞鰭片27設置在開口18內，使得來自排放氣體的熱量可以經由該多個熱傳遞鰭片27直接傳遞至基座25，並且熱傳遞率可以通過熱傳遞鰭片27而大幅提高。
同時，開口18的邊緣可以形成有厚壁部19，其厚度t2大於歧管本體10的體壁的厚度t1。
熱傳遞鰭片27的厚度t3可以形成為小於厚壁部19的厚度t2，使得熱傳遞鰭片27的下端27a可以以預定間隔s與歧管本體10的頂表面10a隔開。由此，可以不將熱傳遞鰭片27拉入歧管本體10的內部空間，使得熱傳遞鰭片27不會影響到排放氣體的回壓。
此外，每個熱傳遞鰭片27可以與排放氣體的流動方向平行地延伸，從而對排放氣體的回壓的影響可以最小化。
熱電模塊20可以包括安裝在基座25的頂表面上的至少一個下電極23、設置在下電極23的上部的彼此隔開的至少一個上電極24、以及插置在下電極23與上電極24之間的至少一對熱電元件21和22。
下電極23可以安裝在基座25的頂表面上，尤其是，可以通過粘合劑等固定在基座25的絕緣層26上。
上電極24可以設置在下電極23的相對側，即，上部，同時彼此隔開。具體而言，上電極24和下電極23可以布置為鋸齒結構。
成對的熱電元件21和22彼此可以具有相反的極性，如p型半導體元件、n型半導體元件等。
此外，可以在上電極24的頂表面上安裝上座29，還可以在上座29的頂表面上安裝冷卻套管30，其具有冷卻介質在其中穿過的冷卻通道。
如圖5所示，當安裝了多個熱電模塊20並且從而安裝了多個冷卻套管30對應於每個熱電模塊20時，在該多個冷卻套管30之間可以安裝連接器32，並且連接器32可以具有連接通道，冷卻介質流通過該連接通道而連接在相鄰的冷卻套管30之間。
通過該配置，在根據本發明的各個示例性實施方案的熱電發電系統中，基座25(來自排放氣體的熱量直接傳遞至此)可以被配置為熱側，而上座29(冷卻空氣從冷卻套管30傳遞至此)可以被配置為冷側。從而，該熱電發電系統可以使用熱側與冷側之間的溫度差來進行熱電發電。
此外，如圖5所示，根據本發明的各個示例性實施方案的熱電發電系統可以進一步包括壓力構件41，其將熱電模塊20壓向基座25。
根據本發明的示例性實施方案，壓力構件41可以被配置為安裝在冷卻套管30的上部的壓力墊。壓力墊可以具有陶瓷纖維以及層壓矽酸鹽材料的複合結構，從而具有預定的壓縮率。接觸壓力可以依據壓縮墊31的壓縮率而得到控制，從而確保適當的對於熱電模塊20的壓力性能。
熱電模塊20和冷卻套管30可以通過壓力構件41更穩固地安裝到排氣管線部件，例如歧管本體10和排氣管道，從而有效地防止熱電模塊20由于振動等而損壞。此外，熱電模塊20通過壓力構件41粘合到排氣管線部件(例如，歧管本體10和排氣管道)的平整表面13，從而維持冷卻套管30與熱電模塊20的穩固的可安裝性。
根據本發明的另一示例性實施方案，壓力構件41可以由具有吸震性和增壓性的金屬網形成，該金屬網可以具有類似前述壓縮墊的壓縮率的預定的壓縮率，並且，接觸壓力可以依據金屬網的壓縮率而受到控制，從而確保適當的對於熱電模塊20的壓力性能。
此外，金屬網具有吸震性以對於熱電模塊20的熱膨脹執行適當的吸震功能，從而更有效地防止熱電模塊20損壞。
此外，在排氣管線部件(例如歧管本體10和排氣管道)的上部可以經由螺栓14安裝熱保護蓋50。熱保護蓋50可以被配置為覆蓋熱電發電系統的上部和側表面。
隨著緊固件14a(例如，螺母)與螺栓14的上端緊固，熱保護蓋50可以被安裝為覆蓋排氣管線部件(例如，歧管本體10和排氣管道)的上部。由於熱保護蓋50覆蓋了排氣管線部件(例如，歧管本體10和排氣管道)的上部，可以防止來自排放氣體的熱量損失到外面，而且，熱電模塊20等可以受到穩定的保護而不受外界物理影響。
在壓力構件41的上部可以安裝壓力板42，其壓迫壓力構件41，壓力板42可以經由輔助螺栓46安裝。
隨著壓力板42在輔助螺栓46的上端就位，然後緊固件46a(例如，螺母)緊固在輔助螺栓46的上端的螺紋部，壓力板42可以安裝在壓力構件41的頂表面上。
此外，熱電模塊20的周圍可以密實地填充絕熱材料45，例如玻璃棉，從而能夠防止熱電模塊20的各種類型的部件分離到外面，並且有效地防止熱量損失到外面，從而足量地確保熱電模塊20的冷側與熱側之間的溫度差。
此外，除了在熱電模塊20的周圍，可以填充絕熱材料45包裹熱保護蓋50內的熱電模塊20、冷卻套管30、壓力墊41、壓力板42等。
圖6至圖10是示出根據本發明的另一示例性實施方案的熱電發電系統的圖。
參照圖6，在根據本發明的另一示例性實施方案的熱電發電系統中，在下電極23的底表面上形成了多個熱傳遞鰭片23a，下電極23的熱傳遞鰭片23a被安裝為穿透基座25，使得下電極23可以被配置為直接接收來自排放氣體的熱量，從而進一步增加排放氣體的熱傳遞率。
如圖6和圖7所示，基座25具有多個穿透部25a，在穿透部25a中，下電極23的熱傳遞鰭片23a被安裝為穿透每個穿透部25a，並且下電極23可以被安裝為密封穿透部25a。
在下電極23的頂表面上可以設置多個凹槽部23b，每個熱電元件21和22的下端可以插入到凹槽部中。因此，熱電元件21和22的組裝性能和可安裝性可以提高。
同時，如圖9所示，下電極23的邊緣可以通過硬釺焊、軟釺焊、電焊25b等而與基座25的穿透部25a的邊緣聯接。
與此不同，如圖10所示，下電極23的邊緣也可以通過緊固件25c(例如，螺釘和鉚釘)而與基座25的穿透部25a的邊緣聯接。
此外，如圖8所示，多個上電極24附接至上座29的底表面。
如上所述，根據本發明的示例性實施方案，熱電發電系統的熱側與冷側之間的溫度差可以通過將熱量從排放氣體直接傳遞至安裝在排氣管線部件(例如，排氣歧管和排氣管道)中的熱電發電系統而大幅提高，從而大幅提高發電效率。
為了方便解釋和精確限定所附權利要求，術語「上」、「下」、「內」、「外」、「靠上」、「靠下」、「上」、「下」、「向上」、「向下」、「前」、「後」、「背」、「內」、「外」、「向內」、「向外」、「內部」、「外部」、「內側」、「外側」、「向前」、「向後」被用於參考附圖中所顯示的這些特徵的位置來描述示例性實施方案的特徵。
前面對本發明具體示例性實施方案所呈現的描述是出於說明和描述的目的。前面的描述並不想要成為毫無遺漏的，也不是想要把本發明限制為所公開的精確形式，顯然，根據上述教導很多改變和變化都是可能的。選擇示例性實施方案並進行描述是為了解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的技術人員能夠利用並實現本發明的各種示例性實施方案及其各種可替選形式和修改形式。本發明的範圍旨在由所附權利要求及其等同形式來限定。