廢熱發電裝置的製作方法
2023-04-23 22:29:01
專利名稱：廢熱發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將排氣的熱能轉換成電能的廢熱發電裝置。
背景技術：
廢熱發電裝置已經被研製出來以通過將排氣的熱能轉換成電能，而從由發動機排出的排氣中收集能量。在廢熱發電裝置中，熱電轉換模塊放在排氣流過的排氣管(高溫側)和冷卻單元(低溫側)之間。熱電轉換模塊的每個熱電元件都根據高溫側和低溫側之間的溫差在發電中起作用(相關技術JP-A-11-36981；圖3到5)。可以通過升高高溫側的溫度以便增大高溫側和低溫側之間的溫差來改善熱電轉換模塊的熱電轉換效率，這可能需要改善高溫側和低溫側各自的元件的熱傳導以及改善熱電轉換模塊和排氣管/冷卻單元之間的熱傳導，排氣管/冷卻單元分別在合適的表面壓力下與熱電轉換模塊接觸。
由於廢熱發電裝置在高溫側中的溫度能增加到800°，所以在其縱向、寬度和厚度方向上的尺寸的每個熱膨脹都根據溫度增加而變大。而由於低溫側的溫度最高能增加到100°，所以在各個方向上的尺寸的每個熱膨脹變小。結果，熱電轉換模塊的高溫側和低溫側之間出現了尺寸差，導致變形。這可能引起熱電轉換模塊和排氣管/冷卻部分之間的位移，或熱電元件的變形。熱電元件的嚴重變形可能引起廢熱發電裝置的破壞。由於熱電轉換模塊和排氣管/冷卻單元之間的表面接觸受熱膨脹的幹擾，所以其間的熱傳導變壞，降低了熱電轉換效率。尤其是，通常採用的廢熱發電裝置的外管由單個元件形成，排氣管和冷卻單元都連接到該外管。上面形成的外管幾乎不被允許吸收前述變形。結果，變形遍布到裝置上。如果冷卻單元由具有高剛性的水冷系統形成，則可能更難以吸收由於低的彈簧常數的變形。
傳統上，排氣管和冷卻單元連接於其上的廢熱發電裝置的外管由表現出低熱膨脹率的材料形成，如不鏽鋼，以便減小熱變形。不鏽鋼表現出低導熱性，因而，表現出高熱阻，結果，熱能在其傳遞到熱電轉換模塊之前，就在經過高溫側和低溫側的元件的過程中損失了，這可能使熱電轉換效率變差。
發明內容
本發明的目標是提供一種具有優良熱電轉換效率的廢熱發電裝置。
廢熱發電裝置包括將排氣的熱能轉換成電能的熱電轉換單元，熱交換單元，其設置在熱電轉換單元的一個表面上以傳導流過排氣管的排氣的熱能，和冷卻單元，其設置在熱電轉換單元的另一個表面上以冷卻熱電轉換單元。將冷卻單元的剛性設定成熱電轉換單元、熱交換單元和冷卻單元中剛性最高的。
廢熱發電裝置包括一個系統，其中熱電轉換單元放在熱交換單元和冷卻單元之間以便傳遞熱能，熱交換單元傳導流過排氣管的排氣的熱能。在前述系統中，冷卻單元具有最高剛性，這使得在熱能在其中傳遞的系統中，能允許冷卻單元向熱電轉換單元施加合適的表面壓力。即，可以使得冷卻單元和熱電轉換單元之間的表面接觸均勻，導致能改善表面接觸。這可以改善向熱電轉換單元的熱能傳遞，並進一步改善熱電轉換效率。
在廢熱發電裝置中，熱交換單元包括用來傳導廢氣熱能的熱交換片和一個基部，該基部具有一個其上放置有熱交換單元的表面和另一個其上放置有熱電轉換單元的表面。排氣管包括一個主體，其形成排氣道的框架，基部連接到排氣道，且熱交換片設置在其中。基部的剛性設定成在包括排氣管和熱交換單元的排氣道中剛性的最高值。
在廢熱發電裝置中，熱交換單元包括熱交換片和基部，熱電轉換單元放置在基部上，排氣管包括構成排氣道的框架的主體。在廢熱發電裝置中，熱交換單元的基部連接到排氣管的主體以便形成排氣道，基部具有在排氣道的其它元件的剛性中的最高剛性。這可以允許熱交換單元向熱電轉換單元施加合適的表面壓力，即，可以使得熱交換單元和熱電轉換單元之間的表面接觸均勻，導致能改善表面接觸。這可以改善向熱電轉換單元的熱能傳遞，並進一步改善熱電轉換效率。
在廢熱發電裝置中，排氣管的主體由熱膨脹率比熱交換單元的熱膨脹率低的材料形成。
在廢熱發電裝置中，排除在熱能在其中傳遞的系統之外的排氣管的主體由熱膨脹率比熱交換單元的熱膨脹率低的材料形成，例如，不鏽鋼等等。因而，排氣管的主體在排氣的熱量下不太可能膨脹，結果，能抑制廢熱發電裝置在總體上的變形。熱能在其中傳遞的系統如熱交換單元和冷卻單元可以由一種材料形成，該材料表現出較高的熱膨脹率，例如鋁，和表現出高導熱性。這可以減小系統中的熱阻，從而改善熱電轉換效率。
在廢熱發電裝置中，排氣管的主體設置在廢熱發電裝置的中央，熱電轉換單元設置在熱交換單元的外周上，熱交換單元連接到排氣管的主體，冷卻單元設置在熱電轉換單元的外周上。廢熱發電裝置還包括設置在冷卻單元外側上的彈性件，且形成一個用來固定熱電轉換單元的彈性系統，其中通過彈性件將壓力在外部施加到冷卻單元。
在廢熱發電裝置中，排氣管的主體位於裝置的中央，熱電轉換單元放在熱交換單元和冷卻單元之間，排氣管的主體連接到熱交換單元。該裝置包括彈性系統，其中彈性件用來在外部壓擠冷卻單元以便將熱電轉換單元固定在熱交換單元和冷卻單元之間。彈性系統用來以較低的彈簧常數壓擠熱交換單元和冷卻單元之間的熱電轉換單元，並通過允許熱交換單元和冷卻單元將合適的表面壓力施加到熱電轉換單元來進一步壓擠熱電轉換單元。這使得能以較低彈簧常數吸收熱電轉換模塊的高溫側(熱交換單元)和低溫側(冷卻單元)之間的變形。
在廢熱發電裝置中，熱電轉換單元包括由多個熱電元件形成的模塊，基於該模塊構造彈性系統的單元。
在廢熱發電裝置中，熱電轉換單元主要由具有多個熱電元件的模塊形成，這樣，彈性系統的單個單元基於熱電轉換單元的模塊而形成，因而，廢熱發電裝置包括由多個彈性系統的單元形成的彈性系統，所述彈性系統的單元沿著排氣管的主體的縱向和周向方向布置。即使在某個彈性系統中發生變形，也可以防止這種變形遍布到彈性系統的其它單元上，這是因為每個彈性系統都獨立地提供。這樣，在彈性系統的單元中發生的變形不會累積。
在廢熱發電裝置中，彈性件包括彈簧和壓擠件，它們處於彼此點接觸和線接觸中的一種情況中。
在廢熱發電裝置中，即使彈性件壓擠冷卻單元的點由於受熱變形而轉移，也可以使得從彈性件施加到冷卻件(從冷卻單元到熱電轉換單元)的表面壓力均勻。這是因為彈簧和壓擠件處於點接觸或線接觸中。這使得能改善冷卻單元和熱電轉換單元之間的表面接觸。
在廢熱發電裝置中，每個熱交換單元和排氣管的主體都具有變化的構形，以便熱交換單元變形的方向與排氣管的主體變形的方向相反。
在廢熱發電裝置中，熱交換單元變形的方向與排氣管的主體變形的方向相反，兩個相反的變形力可以抵消，從而抑制了排氣道的變形。即使熱交換片受熱變形或膨脹，也可以抑制彈性系統或廢熱發電裝置的變形。
圖1是根據本發明一個實施例的廢熱發電裝置的透視圖；圖2是如圖1中所示的廢熱發電裝置的前視圖；圖3是如圖1中所示的廢熱發電裝置在上遊側的側視圖；圖4是沿圖3中所示側視圖的線IV-IV獲得的剖視圖；圖5是沿圖2中所示側視圖的線V-V獲得的剖視圖；圖6是沿圖2中所示側視圖的線VI-VI獲得的剖視圖；圖7A是如圖5中所示的分開的排氣管的主體的側視圖；圖7B是一個平面圖，表示分開的排氣管在縱向方向上的一部分；圖8A是圖5中所示的冷卻單元的蓋子的平面圖；圖8B是沿圖8A中所示平面圖的線VIIIB-VIIIB獲得的剖視圖；圖9A是圖5中所示的冷卻單元的主體的平面圖；圖9B是沿圖9A中所示平面圖的線IXB-IXB獲得的剖視圖；圖9C是沿圖9A中所示平面圖的線IXC-IXC獲得的剖視圖；圖10A是圖5中所示的熱交換件的前視圖；圖10B是圖5中所示的熱交換件的側視圖；圖10C是圖5中所示的熱交換件的底視圖；圖11A是圖5中所示的夾子的平面圖；圖11B是圖5中所示的夾子的前視圖；圖12是圖5中所示的板簧的平面圖；圖13A是圖5中所示的壓擠件的平面圖；圖13B是沿圖13A中所示平面圖的線XIIIB-XIIIB獲得的剖視圖；圖14是透視圖，表示位於排氣歧管附近的廢熱發電裝置。
具體實施例方式
將參考附圖描述廢熱發電裝置。
在該實施例中，根據本發明的廢熱發電裝置安裝在車輛上以便將從汽油發動機排出的排氣的熱能轉換成電能。廢熱發電裝置具有四部分類型(沿著外周分成4個部分)的排氣管，沿著外周布置有4個廢熱發電單元，在縱向方向上布置4排廢熱發電單元，因而，廢熱發電裝置總共包括16個廢熱發電單元。
將參考圖1到6描述廢熱發電裝置1的結構。圖1是廢熱發電裝置的透視圖，圖2是圖1的廢熱發電裝置的前視圖，圖3是廢熱發電裝置在上遊側的側視圖，圖4是沿圖3中所示側視圖的線IV-IV獲得的剖視圖，圖5是沿圖2中所示前視圖的線V-V獲得的剖視圖，圖6是沿圖2中所示前視圖的線VI-VI獲得的剖視圖。
廢熱發電裝置1設置在連接到汽油發動機(未示出)排氣歧管的排氣系統的任意位置，例如，廢熱發電裝置可以設置在排氣歧管附近、排氣淨化催化劑的上遊側、消聲器的上遊側等等。廢熱發電裝置1沿著排氣管的外周是四部分類型的，且包括16個廢熱發電單元2，廢熱發電裝置1沿著周向方向包括4個廢熱發電單元2(看圖3)，沿著縱向方向包括4排廢熱發電單元2A到2D(看圖2)。在廢熱發電裝置1中，每個廢熱發電單元2都用來將排氣的熱能轉換成電能，電能通過DC/DC轉換器(未示出)充入電池(未示出)中。
在廢熱發電裝置1中，連接到上遊側的排氣管(未示出)的排氣引入管3設置在上遊側的末端，連接到下遊側的排氣管(未示出)的排氣排出管4設置在下遊側的末端。有4個分開的排氣管5，它們通過焊接在排氣引入管3和排氣排出管4之間彼此相連，那些分開的排氣管5中的每一個都每隔90°地布置在廢熱發電裝置1的中央(看圖5)，分別形成4個分開的排氣道CW各自的框架。在該實施例中，每個分開的排氣管5都與排氣管的主體對應。
將參考圖7A和7B描述分開的排氣管5。圖7A是分開的排氣管5的側視圖，圖7B是一個平面圖，表示分開的排氣管5在縱向方向上的一部分。
分開的排氣管5由具有薄板形的主要部分的不鏽鋼形成。參考圖7A，分開的排氣管5具有等腰梯形的形狀，如側視圖所示，由長側邊5a和兩個側邊5c確定的每個角是45°，每個側邊5c都連接在長側邊5a和短側邊5b的各個端部之間，與分開的排氣管5的長側邊5a對應的外板5d設有4個布置在縱向方向上的開口5e。在圖7A中，僅僅示出了兩個開口5e。開口5e的形狀大致為正方形，熱交換件12的熱交換片12b插入到其上，如圖10中所示。外板5d具有形成於其中的螺栓孔5f，通過螺栓孔5f，沿著開口5e的外周用螺栓將熱交換件12緊固。外板5d的厚度大於分開的排氣管5的其它部分的厚度，螺栓孔5f具有陰螺紋。
每個分開的排氣管5的側板5g被焊接到相鄰的分開的排氣管的相應側板5g，分開的排氣管每個都相隔90°布置。然後，4個分開的排氣管5沿著外周連接起來且形成大致正方形的形狀，如側視圖所示(看圖5)。每個分開的排氣管5都設有4個熱交換件12。通過閉合4個開口5e形成分開的排氣道CW，4個分開的排氣管5的每個內板5i的兩端都通過焊接連接到上遊側的分離件6，和通過焊接連接到下遊側的接合件7(看圖4)。分離件6形成得象四角稜錐的形狀，其寬度越往上遊去越小，以便來自排氣引入管3的排氣的流動被分離到4個分開的排氣道CW中，接合件7形成得象四角稜錐的形狀，其寬度越往下遊去越小，以便每個流過4個分開的排氣道CW的排氣結合起來。
每個分開的排氣管5都由熱膨脹率比鋁的熱膨脹率低的不鏽鋼形成，與組成廢熱發電裝置1的其它元件相比，其具有相對較低程度的熱膨脹。由於分開的排氣管5形成薄板狀的等腰梯形形狀，所以與用於廢熱發電裝置1的其它元件(特別是熱交換件12)相比，其具有較低的剛性，因而，分開的排氣管5在側板5g朝著短壁5i變形的方向上發生變形，如圖7A的箭頭所示。由於分開的排氣管5的剛性小於冷卻單元8的剛性，冷卻單元8的熱交換表面的形狀的變形可以發生在它的變形之後。
廢熱發電單元2主要由熱電轉換模塊13形成，組成單元2的各種元件基於熱電轉換模塊13的尺寸形成。在廢熱發電單元2中，合適的壓力(例如，14kg/cm2)從低溫側和高溫側施加在熱電轉換模塊13上，廢熱發電單元2由彈性系統柔性地壓擠，以便改善熱電轉換模塊13的熱電轉換效率。然後，將每個廢熱發電單元2分別安裝在分開的排氣管5的開口5e中。在廢熱發電裝置1中，4個廢熱發電單元2A、2B、2C、2D布置在上遊側和下遊側之間，以便能在上遊側或下遊側均勻地獲得熱電轉換效率。廢熱發電單元2設有冷卻單元8、熱交換件12(12A、12B、12C、12D)、熱電轉換模塊13和彈簧夾14，形成傳遞熱能的系統和彈簧夾系統。在該實施例中，廢熱發電單元2可以與彈性系統對應，熱交換件12可以與熱交換單元對應，熱電轉換模塊13可以與熱電轉換單元對應，彈簧夾14可以與彈性件對應。分開的排氣管5和熱交換件12可以組成排氣道系統。
將參考8A到9C描述冷卻單元8。圖8A是冷卻單元8的蓋子的平面圖，圖8B是沿圖8A中所示平面圖的VIIIB-VIIIB獲得的剖視圖，圖9A是冷卻單元8的主體的平面圖，圖9B是沿圖9A中所示平面圖的IXB-IXB獲得的剖視圖，圖9C是沿圖9A中所示平面圖的IXC-IXC獲得的剖視圖。
冷卻單元8用來將合適的壓力施加到熱電轉換模塊13的低溫端面，以便被固定和用水冷卻，冷卻單元8具有廢熱發電單元2的元件中的最高剛性(特別在傳遞熱能的系統中)。冷卻單元8充當一個基準，基於該基準，通過廢熱發電單元2(特別是彈簧夾系統)來固定熱電轉換模塊13。冷卻單元8設有冷卻蓋子9、主體10和冷卻水管11。
冷卻單元8的主體10的蓋子9由鋁形成。蓋子9在寬度方向上的尺寸與主體10相同，蓋子9包括厚板部9a，厚板部9a的尺寸在縱向方向上稍大於主體10。圓形底孔9b形成於厚板部9a的中央，以便接收將安裝在其中的壓擠件17。兩個支承部9c設置在孔9b周圍，每個支承部9c都用來從兩側支承板簧16和放置冷卻水管11，支承部9c位於這樣的位置上以便它們之間的距離稍大於板簧在縱向方向上的尺寸。支承部9c還這樣布置，即它們的上表面稍低於板簧16的每個上表面。較靠近孔9d的支承部9c的構形沿著板簧16的端部形狀形成，安裝孔9d形成於各個支承部9c的外端側中，以便各個冷卻水管11安裝在其中。還在支承部9c中形成冷卻水孔9e，每個冷卻水孔9e都分別與安裝孔9d的下側部連通。冷卻水孔9e穿過蓋子9的底部，以便與主體10的冷卻部10a連通。四個孔9f形成在板部9a的每個角處，通過這四個孔9f用螺栓將主體10緊固。
參考圖9A到9C，主體10形成為一個用蓋子9封閉的盒子，蓋子9由鋁製成。主體10具有盒狀的形狀，其厚度很大，且其尺寸在寬度和縱向方向上稍大於熱電轉換模塊13。主體10的凹口部組成冷卻部10a，冷卻水流到冷卻部10a中。冷卻部10a設有用來使冷卻水冷卻的散熱片10b，散熱片10b的每個翼片都具有同樣的高度，以便在被設置到主體10上時與蓋子9的底部接觸。主體10的底面是平的，以便與熱電轉換模塊13的低溫端面緊密接觸。四個底部螺栓孔10c形成於主體10的每個角中，通過底部螺栓孔10c用螺栓將蓋子9緊固，每個螺栓孔10c都具有陰螺紋。
蓋子9設定成通過緊固4個螺栓(未示出)來固定到主體10上，2個冷卻水管11通過焊接連接到蓋子9以形成冷卻單元8。由於冷卻單元8基於熱電轉換模塊13的尺寸構造，所以可以保持冷卻單元8的面積減小。由於冷卻單元8是具有很大厚度的盒狀形狀，所以其剛性在廢熱發電單元2的元件中是最高的。可以基於冷卻單元8的剛性來固定熱電轉換模塊13，結果，使得冷卻單元8和熱電轉換模塊13的低溫端面之間的接觸均勻，改善了它們之間的熱接觸，因而，可以進一步增強冷卻單元8和熱電轉換模塊13之間的熱交換。
如圖4中所示，廢熱發電裝置1具有4個布置在縱向方向上的冷卻單元8，最上遊側的冷卻單元8上遊的冷卻水管11和最下遊側的冷卻單元8下遊的冷卻水管11通過散熱器軟管(未示出)連接到散熱器(未示出)，其它的冷卻水管11在相鄰的冷卻單元8之間彼此相連。在每個冷卻單元8中，已經用散熱器冷卻的冷卻水通過冷卻水管11和冷卻水孔9e引入到冷卻部10a中，然後，冷卻水流過散熱片10b的翼片以便被冷卻，這可以將冷卻水保持在較低溫度。由於冷卻單元8由鋁形成，鋁基本上表現出比不鏽鋼更低的導熱性，所以可以減小所得的熱阻。因而，冷卻單元8能將熱量傳遞到熱電轉換模塊13，同時保持較低的溫度。
將參考圖10A到10C描述熱交換件12。圖10A、10B和10C分別是熱交換件12的前視圖、側視圖和底視圖。
由鋁製成的熱交換件12主要由基部12a和熱交換片12b形成。基部12a具有厚板狀形狀，在其中央處的臺部12c的厚度稍大於外周部，熱電轉換模塊13設置在臺部12c上。臺部12c的尺寸在寬度和縱向方向上稍大於熱電轉換模塊13，臺部12c的上表面具有一個平面，以使得其與熱電轉換模塊13的高溫端面緊密接觸。基部12a的外周部形成凸緣部12d，其與分開的排氣管5的外板5d接合，熱交換件12連接到分開的排氣管5。多個孔12e形成於凸緣部12d中，通過孔12e，用螺栓固定和緊固分開的排氣管5。基部12a的面對熱交換片12b的表面具有連接到其上的片基部12f，片基部12f具有合適尺寸以便與分開的排氣管5的開口5e配合，連接到片基部12f的熱交換片12b具有合適高度以便當將熱交換件12連接到分開的排氣管5時，熱交換片12b的每個翼片都靠近側板5g和內板5i但不與它們接觸。因而，熱交換片12b的全部翼片基本上形成等腰梯形形狀，如圖10A中所示。廢熱發電裝置1包括4個布置在縱向方向上的熱交換件12A到12D(看圖4)，熱交換件12的熱交換片12b的翼片之間的間距如此設定，即越往下遊，間距變得越小(看圖5和6)。熱交換件12越靠近上遊，熱交換片12b的翼片的數量就越多。
熱交換件12A到12D中的每個都與在分開的排氣管5中形成的開口5e配合，以便用螺栓20緊固。結果，如圖4到6中所示地形成分開的排氣道CW。由於熱交換件12的基部12a基於熱電轉換模塊13的尺寸構造，所以可以保持其面積減小。基部12a還具有厚板狀形狀，導致在分開的排氣管5和熱交換件12中的最高剛性，其中分開的排氣管5和熱交換件12組成分開的排氣道CW。因而，使得基部12a和熱電轉換模塊13的高溫端面之間的接觸均勻，從而改善它們之間的熱接觸。這使得能改善熱交換件12和熱電轉換模塊13之間的熱傳導。
根據在廢熱發電裝置1的縱向方向上的位置，通過改變熱交換片12b的翼片之間的間距來改變熱交換片12b的表面積，以便應付當排氣流向下遊側時的排氣溫度的降低(熱能減少)。在熱交換片12b更接近下遊時，通過減小翼片之間的間距來增加熱交換片12b的表面積。這可以允許與排氣接觸的面積增大，增加廢熱能的數量。前述結構使得能均衡在布置在廢熱發電裝置1的縱向方向上的各個熱交換件12A到12D中獲得的吸收到的熱能，並能使得在每個熱交換件12A到12D和對應的熱電轉換模塊13之間的接觸表面處的溫度一致，例如為400℃。
熱交換件12的基部12a具有很大的厚度和高剛性。熱交換片12b的每個翼片的高度如此設定，即熱交換片12b基本上形成等腰梯形的形狀，結果，熱交換件12在這樣的方向上變形，即熱交換片12b的每個翼片都朝著基部12a膨脹，如圖10A中所示。
熱電轉換模塊13包括多個熱電元件(未示出)，例如由Bi2Te3形成的p型和n型半導體，它們電學上串聯布置且熱力上並聯布置。熱電轉換模塊13基本上具有正方形的形狀，其面積小，具有彼此平行地水平布置的高溫端面和低溫端面。基於塞貝克效應利用兩個端面之間的溫差，熱電轉換模塊13用來將熱能轉換成電能，以便從兩個電極(未示出)輸出電能。
將參考圖11A到13B描述彈簧夾14。圖11A和圖11B表示夾子部的平面圖和前視圖，圖12是板簧的平面圖，圖13A是壓擠件的平面圖，圖13B是沿圖13A中所示平面圖的線XIIIB-XIIIB獲得的剖視圖。
彈簧夾14用來將預定壓力從冷卻單元8的外部施加到熱電轉換模塊13，以便其被固定到冷卻單元8和熱交換件12之間。這時，彈簧夾14用來自多個板簧的彈力作為一個整體柔性地壓擠廢熱發電單元2。四個彈簧夾14沿著廢熱發電裝置1的外周固定到廢熱發電裝置1以便其被緊固，因而，彈簧夾14包括夾子15、多個板簧16和壓擠件17。施加到熱電轉換模塊13上的預定壓力如此設定，即施加到熱電轉換模塊13和冷卻單元8之間以及熱電轉換模塊13和熱交換件12之間的每個表面壓力變成合適的值。
參考圖11A和11B，由鐵形成的夾子15包括存儲部15a、連接部15b、固定部15c和側板部15d。存儲部15a、連接部15b和固定部15c全部由單個板形成，該單個板的兩端上設有側板15d。當在前方觀察時，存儲部15a具有凹口部，且如平面圖所示，存儲部15a基本上具有橢圓形的形狀。與板簧16具有相同形狀但尺寸稍小於板簧16的開口15e形成於存儲部15a上。開口15e的外周用來壓擠板簧16。孔15f形成於存儲部15a的相對兩端處，冷卻單元8的冷卻水管11與其配合。連接部15b用來將存儲部15a連接到兩端處的固定部15c。通過相對於連接部15b以直角彎曲組成夾子15的板的兩端來形成固定部15c，以便固定部15c與夾子15的相鄰底面接觸。在固定部15c的每一個中都形成三個螺栓孔15g，螺栓穿過螺栓孔15g。當連接和固定4個夾子15時，它們基本上形成圓形形狀，如剖視圖所示，並覆蓋廢熱發電裝置1的最外部(看圖5和6)。
參考圖12，板簧16基本上具有橢圓形的形狀，如平面圖所示，其由鐵形成。由於板簧16具有小的彈簧常數，所以彈簧夾14通過堆疊多個板簧16來產生彈力。
壓擠件17由鐵形成且具有半球形形狀，以便與板簧16進行點接觸。壓擠件17的圓形底面的尺寸足以與在冷卻單元8中形成的孔9b配合，如圖8A和8B中所示。底孔17a形成於壓擠件17的底面的中央。
在彈簧夾14中，壓擠件17與冷卻單元8的蓋子9的孔9b配合。多個板簧16堆積在壓擠件17上。夾子15位於板簧16上以便用存儲部15a覆蓋板簧16和冷卻單元8的一部分。板簧16由蓋子9的支承部9c在兩側支承，堆積的板簧16的頂面高於支承部9c。夾子15的固定部15c相對於兩側處的夾子15的固定部15c對齊，以便用螺栓21和螺母22固定相鄰的夾子15的固定部15c，如圖5和6中所示。用4個彈簧夾14固定廢熱發電裝置1，4個彈簧夾14被沿著外周固定且象帶子一樣地起作用。
在彈簧夾14中，在夾子15通過板簧16和壓擠件17施加的壓力下，預定壓力從壓擠件17施加到冷卻單元8(施加到熱電轉換模塊13和熱交換件12)。通過改變螺栓21和螺母22的緊固力，可調節預定壓力。即使由於板簧16或夾子15的位移而使得在壓擠中出現偏差，也能從與板簧16點接觸的壓擠件17將均勻的壓力施加到冷卻單元8，結果，在冷卻單元8上產生均勻的表面壓力。由於通過堆積多個板簧16來產生彈力，每個板簧16都具有小彈簧常數，所以可以柔性地壓擠熱電轉換模塊13。
在廢熱發電單元2中，在寬度方向上從廢熱發電裝置1的中央開始布置熱交換件12、熱電轉換模塊13、冷卻單元8和彈簧夾14。基於冷卻單元8，熱電轉換模塊13由彈簧夾14柔性地固定在合適的表面壓力下。在廢熱發電裝置1中，4個分開的排氣管5布置在周向方向上，4個廢熱發電單元2布置在縱向方向上，每個廢熱發電單元2都獨立地設置在廢熱發電裝置中。
將參考圖1到6描述廢熱發電裝置1的工作。
廢熱發電裝置1接收來自排氣管3的排氣流，並允許通過最上遊的冷卻水管11供給的冷卻水流過其中。所引入的排氣的流動被分離件分成4份，以便被引向各個分開的排氣道CW。
在各個分開的排氣道CW的每一個中的排氣朝著下遊流過4個熱交換件12A到12D的各個熱交換片12b的翼片(看圖10)。通過熱交換片12b從排氣中吸收熱能。排氣流動得越靠近下遊，排氣損失的熱能越多，使得排氣溫度降低。因此將熱交換片12的那些翼片之間的間距減小以改善吸收廢熱能的效率。熱交換件12將吸收的熱能傳遞到臺部12c(看圖10)。由於熱交換件12由具有低熱阻的鋁形成，所以可以將溫度保持得很高，直到熱能傳遞到臺部12c為止。熱交換件12將熱能傳遞到熱電轉換模塊13的高溫端面。這時，合適的表面壓力從熱電轉換模塊13的高溫端面施加到臺部12c的上表面，臺部12c的上表面保持平坦且與熱電轉換模塊13的高溫端面均勻地接觸。每個熱交換件12A到12D都基本上傳遞同樣數量的熱能，而與它們位於上遊或下遊的位置無關，因而，熱電轉換模塊13的高溫端面可以基本上保持在恆溫。流過4個分開的排氣道CW的每個排氣都在接合件7處結合起來，以便排出到廢熱發電裝置1下遊的排氣管中。這時，熱量被從排氣中吸走，導致溫度降低。
冷卻水流向下遊，分別流過4個冷卻單元8的冷卻部10a內的每個散熱片10b的翼片，如圖9中所示。冷卻水在散熱片10b中被進一步冷卻。冷卻單元8用來將冷卻水傳遞到主體10的底部，同時將冷卻水保持在低溫。由具有低熱阻的鋁形成的冷卻單元8起作用以保持冷卻水的低溫，直到它到達底面。冷卻單元8用來將冷卻水的低溫傳遞到熱電轉換模塊13的低溫端面。這時，合適的表面壓力從主體10的底面施加到熱電轉換模塊13的低溫端面。主體10的底面保持其平坦，以便均勻接觸熱電轉換模塊13的低溫表面。然後，將來自最下遊側的冷卻單元8的冷卻水從廢熱發電裝置1排出。
利用傳遞到高溫端面的冷卻水的高溫和傳遞到低溫端面的冷卻水的低溫之間的溫差，每個熱電轉換模塊13都產生電能，產生的電能被充入電池中。由於冷卻水的高溫和低溫都可以被足夠地保持，所以它們之間具有的溫差足夠大，因而，由於高的熱電轉換效率而產生大量電能。無論上遊側還是下遊側，由於高溫側的溫度都保持在常值，所以即使在下遊側，熱電轉換效率也不會降低。
即使在熱量的影響下，在任一個廢熱發電單元2中發生變形，廢熱發電裝置1也不會受到變形的影響，因為每個廢熱發電單元2都獨立地布置。即，發生在每個廢熱發電單元2中的變形不會累積。由於組成廢熱發電裝置1的框架的4個分開的排氣管5由具有低熱膨脹率的不鏽鋼形成，所以在熱量下裝置獨自的膨脹程度很小。這樣，可以減少產生的變形。廢熱發電裝置1如此構造，即分開的排氣管5變形的方向與各個熱交換件12變形的方向相反。因而，即使分開的排氣管5和熱交換件12都在高溫排氣的熱量下發生變形，其中發生的每個變形也可以互相抵消，這樣，抑制了廢熱發電單元2中的變形。
每個廢熱發電單元2都被多個板簧16的彈力柔性地壓擠。前述結構使得能吸收由於受熱而發生在廢熱發電單元2中的變形。由於壓擠件17與板簧16點接觸，所以表面壓力能均勻地分別施加到冷卻單元8、熱電轉換模塊13和熱交換件12，而與組成廢熱發電單元2的元件之間的位置移動無關。
在廢熱發電裝置1中，冷卻單元8的剛性設定成最高值，基於該最高值形成廢熱發電單元2。這可以允許將合適的表面壓力施加到熱電轉換模塊13，從而改善了冷卻單元8和熱電模塊13的低溫端面之間的表面接觸，並進一步降低了其低溫端面的溫度。熱交換件12的基部12a的剛性設定成高溫側的最高值。這可以允許將合適的表面壓力施加到熱電轉換模塊13，從而改善基部12a和熱電轉換模塊13的高溫端面之間的表面接觸，並進一步增大其高溫端面的溫度。在廢熱發電裝置1中，廢熱發電單元2的熱能通過其傳遞的系統由具有高導熱性的鋁形成。因而，每個元件的熱阻都被減小，從而增大了高溫側的溫度，並降低了熱電轉換模塊13的低溫側的溫度。廢熱發電裝置1的每個廢熱發電單元2的熱電轉換效率具有相當高的熱轉換效率。
在廢熱發電裝置1中，用多個板簧16施加的外部壓力來柔性地固定熱電轉換模塊13。即使由於受熱而在組成裝置1的元件中發生變形，由於這種變形引起的形變(損害熱電元件)也可以得到抑制，從而產生合適的表面壓力。由於4個彈簧夾14布置在周向方向上以便象螺栓那樣緊固裝置1，這樣，能柔性地對裝置1進行足夠的固定。允許與每個彈簧夾14點接觸的壓擠件17不變地將均勻的表面壓力施加到廢熱發電裝置。
組成廢熱發電裝置1的框架的每個分開的排氣管5都由具有低熱膨脹率的不鏽鋼形成。這可以抑制廢熱發電裝置1的熱變形。具有小面積的廢熱發電單元2基於熱電轉換模塊13的尺寸形成，以便與分開的排氣管5聯合。廢熱發電單元2受熱發生的變形可以得到抑制，這種變形的影響幾乎不會遍布到其它廢熱發電單元2。在廢熱發電裝置1中，分開的排氣管5變形的方向與熱交換件12變形的方向相反。即使分開的排氣管5和熱交換件12都受熱變形，每個變形也能互相抵消，從而抑制了廢熱發電單元2中的變形。
將參考圖14描述本發明的一個例子，其中廢熱發電裝置21設置在排氣系統中。圖14是透視圖，表示布置在排氣歧管附近的廢熱發電裝置。
廢熱發電裝置21布置在排氣歧管EM附近，排氣歧管EM的排氣口直接連接到廢熱發電裝置21。在廢熱發電裝置21中，排氣管被分成6部分。廢熱發電裝置21包括12個廢熱發電單元22。有6個廢熱發電單元22布置在周向方向上，2排廢熱發電單元22布置在縱向方向上。由於廢熱發電裝置21布置在排氣歧管附近，所以它接收在排氣系統中處於最高溫度的排氣流。在各個廢熱發電單元22的高溫側的熱電轉換模塊(未示出)被加熱以達到高溫，從而改善熱電轉換效率。
如果通常採用的廢熱發電裝置布置在排氣歧管附近，則變形可能由於高溫排氣而變得較嚴重，導致熱電元件等等的變形或破壞。然而，本例子的廢熱發電裝置21構造成儘可能地抑制熱量下的變形，廢熱發電裝置21能設置在排氣歧管EM附近，這使得能以較高的效率從高溫排氣中收集熱能。
如已經關於本發明實施例描述的，應該懂得，本發明能以各種形式實施，而不局限於此。
在前述實施例中，廢熱發電裝置應用於汽車，然而，它可以應用於包含排出排氣的內燃機的其它結構。
在該實施例中，提供了16或12個廢熱發電單元以形成廢熱發電裝置，然而，廢熱發電單元的數量可以設定成任意值，只要考慮到這種布置的空間和構形，將那些單元合適地布置在周向和縱向方向上。
在前述實施例中，廢熱發電裝置的溫度保持一致，而與在上遊或下遊的位置無關。這可以通過布置一種熱交換件來實現，該熱交換件在熱交換片的翼片之間的每個間距越往下遊越小。這也可以通過用一種材料形成熱交換件來實現，該材料的導熱性越往下遊變得越高。另外，這可以通過提供一種熱交換件來實現，該熱交換件的翼片具有不同間距，且該熱交換件由具有不同導熱性的材料形成。
在前述實施例中，組成熱能通過其傳導的系統的各個元件由鋁形成，每個分開的排氣管由不鏽鋼形成。這種系統的元件可以由具有更高導熱性的其它材料形成。每個分開的排氣管可以由具有更低熱膨脹率的其它材料形成。
在前述實施例中，熱交換件設置在熱電轉換模塊的高溫端面，冷卻單元設置在其低溫端面，作為絕緣板的元件可以放在熱交換件和冷卻單元之間。
在該實施例中，不僅可以採用水冷型的冷卻單元，而且可以採用氣冷型的冷卻單元。
本發明的廢熱發電裝置使得能減小受熱引起的變形的影響，提供改善的熱電轉換效率。
權利要求
1.一種廢熱發電裝置包括將排氣的熱能轉換成電能的熱電轉換單元；熱交換單元，其設置在所述熱電轉換單元的一個表面上以傳導流過排氣管的所述排氣的熱能；和冷卻單元，其設置在所述熱電轉換單元的另一個表面上以冷卻熱電轉換單元，其特徵在於冷卻單元的剛性設定成所述熱電轉換單元、熱交換單元和冷卻單元的剛性中的最高值。
2.如權利要求1所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述熱交換單元包括用來傳導所述排氣的熱能的熱交換片和一個基部，基部具有一個其上放置有所述熱交換單元的表面和另一個其上放置有所述熱電轉換單元的表面；所述排氣管包括主體，其形成排氣道的框架，所述基部連接到排氣道，且所述熱交換片設置在其中；所述排氣道由所述排氣管和熱交換單元構造；和所述基部的剛性設定成所述排氣道的結構中的最高值。
3.如權利要求2所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述排氣管的主體由熱膨脹率比所述熱交換單元的熱膨脹率低的材料形成。
4.如權利要求3所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述排氣管的主體由不鏽鋼形成。
5.如權利要求3所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述排氣管的主體設置在所述廢熱發電裝置的中央，所述熱電轉換單元設置在所述熱交換單元的外周上，熱交換單元連接到所述排氣管的主體，和所述冷卻單元設置在所述熱電轉換單元的外周上；彈性件設置在所述冷卻單元的外側上；和形成一個用來固定所述熱電轉換單元的彈性系統，其中通過所述彈性件將壓力在外部施加到所述冷卻單元。
6.如權利要求5所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述熱電轉換單元包括由多個熱電元件形成的模塊；和基於該模塊構造所述彈性系統的單元。
7.如權利要求5所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述彈性件包括彈簧和壓擠件，它們處於彼此點接觸和線接觸中的一種情況中。
8.如權利要求2所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述排氣管中的熱交換片在其翼片之間具有不同的間距。
9.如權利要求8所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述熱交換片由一種材料形成，該材料局部上表現出不同的導熱性。
10.如權利要求2所述的廢熱發電裝置，其特徵在於每個熱交換單元和所述排氣管的主體都具有變化的構形，以便所述熱交換單元變形的方向與所述排氣管的主體變形的方向相反。
11.如權利要求2所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述排氣管的主體設置在所述廢熱發電裝置的中央，所述熱電轉換單元設置在所述熱交換單元的外周上，熱交換單元連接到所述排氣管的主體，和所述冷卻單元設置在所述熱電轉換單元的外周上；彈性件設置在所述冷卻單元的外側上；和形成一個用來固定所述熱電轉換單元的彈性系統，其中通過所述彈性件將壓力在外部施加到所述冷卻單元。
12.如權利要求11所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述彈性件包括彈簧和壓擠件，它們處於彼此點接觸和線接觸中的一種情況中。
13.如權利要求11所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述熱電轉換單元包括由多個熱電元件形成的模塊；和基於該模塊構造所述彈性系統的單元。
14.如權利要求13所述的廢熱發電裝置，其特徵在於所述彈性件包括彈簧和壓擠件，它們處於彼此點接觸和線接觸中的一種情況中。
15.如權利要求14所述的廢熱發電裝置，其特徵在於每個熱交換單元和所述排氣管的主體都具有變化的構形，以便所述熱交換單元變形的方向與所述排氣管的主體變形的方向相反。
全文摘要
一種廢熱發電裝置(1)包括熱交換單元(12)，其傳導流過排氣管的排氣的熱能，冷卻單元(8)，和熱電轉換單元熱電轉換模塊(13)。冷卻單元(8)具有組成一個系統的元件中的最高剛性，廢熱發電裝置(1)中的熱能通過該系統。熱交換單元(12)的基部具有排氣管(5)的主體和熱交換單元(12)的剛性中的最高剛性，排氣管的主體和熱交換單元兩者形成排氣道。熱電轉換單元(12)通過作為彈簧夾的彈性件(14)固定，彈簧夾在外部將壓力施加到冷卻單元(8)。
文檔編號H01L35/00GK1732333SQ200380107366
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月23日 優先權日2002年12月26日
發明者村田清仁 申請人:豐田自動車株式會社