引擎的热电发电机系统的制作方法

本申请基于并且要求于2014年11月27日提交给韩国知识产权局的韩国专利申请第10-2014-0167587号的优先权的权益，通过引用将其全部内容结合在此。

技术领域

本公开涉及引擎的热电发电机系统(thermoelectric generator system)，并且更具体地，涉及通过使用由引擎产生的高温废热进行发电来提高内燃机的燃料效率的引擎的热电发电机系统。

背景技术：

通常，用于车辆的热电发电机技术是一种通过使用与冷却系统一起安装在车辆的诸如废气系统和引擎部分的高温热源部分内的热电元件以基于温度梯度使电子移动进行发电来提高燃料效率的技术。用于车辆的现有的热电发电机系统通过安装在排气管内的热电发电机模块来执行热电发电。

同时，已经开发了一种以其中热电发电机模块包裹排气管的形式将热电发电机模块安装在排气管的循环管内的技术。然而，当以热电发电机模块包裹排气管的形式将热电发电机模块安装在现有的循环管内时，存在对利用从引擎部分产生的最高温的废热的限制，并且不易于将平面热电发电机模块安装在弯曲的循环管内。此外，当限定了排气管的温度区域时，仅 可以使用满足温度区域的热电发电机模块并且由此存在对功率改善的限制。

技术实现要素：

本公开提供了一种通过使用从引擎产生的高温废热进行发电来提高内燃机的燃料效率的引擎的热电发电机系统。

根据本公开的示例性实施方式，引擎的热电发电机系统可以包括：绝热的热保护壳(heat protective cover)，被安装在引擎内；以及单元，被设置在热保护壳的上端以均匀地分布热能。

具体地，该单元可包括：散热器(heat spreader)，可以被设置在下部并且包括热散热器和冷散热器；热电发电机模块，被设置在散热器的上部以执行热电发电；以及冷却套，被设置在热电发电机模块的上部以执行冷却。

该热保护壳可以包括石墨片，该石墨片被设置在平坦的铝表面上以传导热量并且吸收辐射热(radiant heat)。可以通过顺序堆叠热散热器、石墨片、热电发电机模块、石墨片、冷散热器以及冷却套来配置该单元。该冷却套可插入有U型水冷却管。

此外，该热保护壳可以被被安装在引擎的排气歧管(exhaust manifold)内，并且该热保护壳的上端可被配置为基于温度通过对流(convection)/辐射或者传导来对热能进行转换，并且可以包括该单元以在特定温度或更高的温度下通过传导来传递热能以及在低于特定温度的温度下通过辐射或者对流来传递热能。该热保护壳可以包括旁路设备，该旁路设备被配置为在初始启动期间使用从该热保护壳辐射的热能来驱动发电机系统以发电并且通过传导来提高热电功率。

旁路设备可包括：高导热柱(high heat conductive pillar)，高导热柱具有由热管配置并且是可移动的内部结构；冷却水，被设置在该柱上；以及容器，被配置为使用高压蒸汽垂直地移动该柱。容器可包括：第一室，在该第一室中容纳冷凝水；以及第二室，被配置为与第一室互连并且具有插入其中的柱。在单元模块中，热电发电机模块可以被插入在热散热器与冷散热器之间，该热电发电机模块与柱相接触并且石墨片可以被附接至各个接触面以使热传递接触面热阻最小化。

附图说明

从结合附图进行的下列详细描述中，本公开的上述目标和其他目标、特征以及优点将变得更为显而易见：

图1是示出了根据本公开的示例性实施方式的引擎的热电发电机系统的示例图；

图2A至图2C是示出了根据本公开的示例性实施方式的引擎的热电发电机系统的热保护壳的示例图；

图3A至图3B是示出了根据本公开的示例性实施方式的引擎的热电发电机系统的旁路设备的柱的示例图；

图4是示出了根据本公开的示例性实施方式的引擎的热电发电机系统的热保护壳的旁路设备的示例性正视图；

图5是示出了根据本公开的示例性实施方式的引擎的热电发电机系统的热保护壳的旁路设备的示例性侧视图；以及

图6和图7是示出了根据本公开的示例性实施方式的应用于引擎的热电发电机系统的热保护壳的单元的示例图。

具体实施方式

应当理解的是，本文中使用的术语“车辆”或者“车辆的”或者其他相似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的客车、包括各种船舶的船只、飞机等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、内燃机、插电式混合动力车辆、氢动力车辆以及其他可替代燃料车辆(例如，源自不同于石油的资源的燃料)。

尽管使用执行示例性过程的多个单元描述了示例性实施方式，然而，应当理解的是，还可通过一个或者多个模块执行示例性过程。

本文中所使用的术语仅用于描述具体实施方式之目的并且并不旨在限制本发明。如本文中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”以及“该(the)”还旨在包括复数形式。应当进一步理解的是，本说明书中所使用的术语“包括(comprises)”和/或“包含(comprising)”指定了存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者添加一种或者多种其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关列出项中的一个或者多个的任一个和所有组合。

如本文中所使用的，除非具体说明或者从上下文显而易见，否则术语“约”应被理解为在本领域的正常容差范围内，例如，在2平均标准偏差以内。“约”应被理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或者0.01％内。除非另从上下文中清晰可见，否则本文中所提供的所有数值可被术语“约”修饰。

将参考附图详细描述本公开的示例性实施方式。如在图1至图7中示出的，根据本公开的示例性实施方式的引擎的热电发电机系统可包括安装在引擎10内的热保护壳100和安装在热保护壳100上的单元200。

如在图1和图2A至图2C中所示，热保护壳100可以是被安装成保护配线免受排气歧管的充分高温影响的绝热构件，以将使用来自引擎10的废热的热电发电机模块安装在引擎部分内。如在图6中所示，单元200可以被安装在热保护壳100的上端以均匀地分布热能。

在该配置中，单元200可包括散热器210、热电发电机模块220以及冷却套230，并且可以与热保护壳100固定在一起以操作发电机系统。散热器210可以被安装在单元200的下部并且可以包括热散热器211和冷散热器212。此外，热电发电机模块220可以被安装在散热器210的上部以执行发电，并且冷却套230可以被安装在热电发电机模块220上以执行冷却。

同时，相关技术领域使用由双重铝层配置的壳来限制住空气并且改善绝热性能，但是，根据本公开的示例性实施方式的热保护壳100可具有石墨片，该石墨片被设置在平坦的铝表面上以传导热量并且吸收辐射热。具体地，可以通过在热保护壳100的上部顺序堆叠热散热器211、石墨片、热电发电机模块220、石墨片、冷散热器212以及冷却套230来配置单元200。具体地，U型水冷却管可以被插入到冷却套230中。

而且，可以插入石墨片以使接触面处的热传递热阻最小化并且吸收振动，并且散热器210可以是被插入用于将热量均匀地传递至热电元件的热电元件和层。具体地，具有热电发电机模块220的散热器210可通过至少200磅/平方英寸的按压而被固定在一起以使热传递最大化。

此外，根据本公开的示例性实施方式，下部的热散热器211的尺寸可以被设计成大于冷散热器212的尺寸，以防止温度由于热电发电机模块220的边缘周围的冷却而被不均匀地分布并且确保与热保护壳100固定在一起的部分。由于来自排气歧管的辐射热量，热保护壳100的表面温度会根据操作条件的不同而不同，但是，通常，在约1500rpm至4500rpm的部分中可具有从约150℃至350℃的范围。

同时，根据本公开的示例性实施方式，热保护壳100可以被安装在引擎10的排气歧管内，并且热保护壳100的上端可被配置为基于温度通过对流/辐射或者传导来对热能进行转换。热保护壳100的上端可以安装有单元200以在特定温度或者更高的温度下通过传导来传递热能，并且在低于特定温度的温度下通过辐射或者对流来传递热能。

根据本公开的示例性实施方式，如在图1中所示，热保护壳100和单元200可以被安装在引擎10内以利用从排气歧管辐射的热能。具体地，如在图2A至图2C中所示，可以被配置为通过传导来传递热能以执行热电发电的热保护壳100可具有夹持(clamping)结构，在夹持结构中，上端与下端的聚焦部分(focusing part)彼此分离。

而且，因为从引擎10产生的废气对催化剂活性温度具有实质影响，所以应在引擎启动之后需要生成初始辐射的约1870秒内(基于FTP模式，阶段I)防止热量转移至热电发电机系统，并且因为催化剂被初始活化并且催化剂被氧化而产生热量，所以应保持催化阶段入口处的废气温度为约450℃以上。而且，根据本公开的示例性实施方式，热保护壳100可以包括旁路设备110，该旁路设备被配置为在初始启动期间使用从热保护壳100辐射的热能来驱动发动机系统以发电并且通过传导提高热电功率。

如在图3A和图3B至图5中所示，旁路设备110可包括具有由热管P配置的内部结构的高导热柱111、安装在柱111上的冷却水112以及容器113，该容器被配置为使用高压蒸汽垂直地移动柱111。在该配置中，容器113可包括：第一室114，其中可以容纳冷凝水W；以及第二室115，与第一室114互连并且柱111可以被插入其中。

此外，容器113可以由诸如铝和铜等高导热金属制成，并且其上端和下端可以以基本上正方形的形状形成以确保热接触面积。具体地，在柱111移动期间，容器113的上端可保持为具有比所接触的TE模块更大的面积以在模块的整个区域上均匀地供应热能。

同时，回顾根据本公开的示例性实施方式的热电发电的顺序，在低温环境(例如，低于特定温度)下，可以通过传导和辐射来自热管P的上端部分的热能来将热能从引擎10的排气歧管转移至热保护壳100，从而产生热电发电，以及在高温环境下，可以在下部容器113中的流体的沸点(B.P.)或者更高的温度下通过形成高压蒸汽并且在将热能供应给柱111的同时通过压力与热电发电机模块220的高温侧(hot side)相接触来产生热电发电。

此外，柱111可以插入有具有高传导率(约～5000W/mK)的热管P，热能可以以快速的反应速度进行移动，如在图5中所示，显著的高温和高压的蒸汽可增加至预定的高度，并且然后可以通过形成在柱111的下端的壁表面上的通路而转移至形成有热绝缘材料的壁表面的第一室114，并且在其中被冷凝，冷凝的流体可以通过在第一室114中形成的通道再次移动至下部容器113。具体地，流体的流动速率要求即使在充分低温下仍可保持高压的水位，并且可以设置独立的夹持结构以增强柱111与模块(或者热散热器)之间的表面粘附力。

而且，在单元模块中，热电发电机模块220可以被插入在热散热器211与冷散热器212之间，其与柱111接触并且石墨片可以被附接至各个接触面，从而使热传递接触面热阻最小化。如在图6和图7中所示，在其中将冷却套230附接至冷散热器212的单元200可以被配置为与旁路设备100保持特定间隔距离，并且然后可以附接至热保护壳100。具体地，水可以被用作容器113中所使用的流体，但是考虑到模块的导热值和耐用性，还可以应用其他流体。

因此，根据本公开的示例性实施方式，热电发电机系统可包括安装在引擎10内的绝热的热保护壳100和设置在热保护壳100的上端以均匀地分布热能的单元200，从而使用安装在引擎10的排气歧管的上端处的热保护壳100来保护配线免受废热影响，从而在不影响催化剂的情况下利用从排气歧管废弃的废热来吸收从排气歧管废弃的热能发电，以提高内燃机的 燃料效率，并且通过在特定温度或者更高温度下的传导来传递热量，并且通过在低于特定温度的温度下的辐射和对流来传递热量以提高效率。

如上所述，尽管已经参考示例性实施方式和附图描述了本公开，然而，本领域技术人员应当认识到本公开并不局限于此，在不背离权利要求所限定的范围的情况下可以做出各种变形和改变。

图中各个元件的符号

10：引擎

100：热保护壳

200：单元

210：散热器

220：热电发电机模块

230：冷却套