利用与热源直接接触的热电模块进行热电发电的热交换器的制造方法
【专利说明】利用与热源直接接触的热电模块进行热电发电的热交换器
相关申请的交叉引用
[0001 ] 本申请要求2013年10月18日提交的美国临时专利申请序列号61/892，767“A HeatExchanger for Thermoelectric Power Generat1n with the Thermoelectric Modulesin Direct Contact with the Heat Source”的优先权，该申请以引用的方式全部并入本文。
政府权益
[0002]根据美国国家科学基金课题批准号CBET-1048767的条款，美国政府对本发明具有一些权利。
技术领域
[0003]本发明大体上涉及热交换器，并且更加具体地涉及利用与热源直接接触的热电模块进行热电发电的热交换器。
【背景技术】
[0004]热交换器是一种用于从一种介质至另一种介质进行有效热传递的设备。一个这种热交换器是如图1所示的用于热电发电的热交换器。参照图1，图1图示了常规热电发电机100，该热电发电机100包括排气热交换器101。排气热交换器101由排气外壳/壁102限定，诸如铝排气外壳。排气热交换器101接收来自内燃机104的加压排气流103，并且从排气流103提取热能。
[0005]排气热交换器101可以包括用于密封地连接至内燃机104的排气管(未示出)的法兰(未示出)。法兰和壁102可以通过例如锻粗加工(upsetting)，由单件形成。可替代地，法兰可以通过焊接(welding)、钎焊(brazing)或者卷边(crimping)而附接至壁102。要理解的是，当引擎104运行并且在排气系统中包含加压排气流103时，来自内燃机104的排气流103与周围大气相比处于更高的压力。
[0006]排气热交换器101可以包括散热片105A-105R(例如，铝散热片)，这些散热片105A-105R与壁102接触以增加来自排气流103的热传递的速率。散热片105A-105R可以共同地或者单独地分别被称为多个散热片105或者散热片105。
[0007]热电发电机100进一步包括热电装置模块106，热电装置模块106的热侧连接至壁102。热电装置模块106被配置为将热交换器1I提取的热能转换成电能107，以供电负载108(例如，电池、电动机、风机)消耗或者存储。
[0008]而且，热电发电机100包括液冷式热交换器(liquid cooled heat exchangers)109A、109B，该液冷式热交换器109A、109B设置在热电装置模块106的冷侧上，以将热能从热电装置模块106传递至经过液冷式热交换器109A、109B的液体冷却剂(例如，水)。
[0009]当前，常规的热电发电机，诸如在图1中示出的，利用金属壁，诸如壁102。然而，通过利用这种金属壁，在金属壁102与热电装置模块106的热侧之间存在热接触电阻。结果，发生传导损耗(conduct1n lossed)，从而降低将热能从热交换器101传递至热电装置模块106的效果。
[0010]而且，常规热电发电机的损坏来源出现在金属壁(诸如，壁12)与热电装置模块(诸如，模块106)的热侧之间的结合处。这种损坏的发生是因为金属壁与热电装置模块的热侧上使用的陶瓷材料在热膨胀系数上的大差异，从而导致壁与热电装置模块之间的结合处的热疲劳损坏。
[0011]结果，这种常规热电发电机会遭受导通传导损耗和热疲劳损坏。
【发明内容】
[0012]在本发明的一个实施例中，热电发电机包括:热交换器，该热交换器被配置为从排气流提取热能，其中，热交换器包括:与热交换器的边界接触的第一多个散热片，其中，第一多个散热片直接连接至第一多个热电装置模块。热交换器进一步包括:直接连接至热交换器的边界的第二多个热电装置模块。第一多个和第二多个热电模块配置为将热能转换成电會K。
[0013]在本发明的另一实施例中，热电发电机系统包括:内燃机，该内燃机被配置为通过排气管生成排气流。该系统进一步包括:热电发电机，该热电发电机经由排气管连接至内燃机。另外，系统包括:电负载，该电负载连接至热电发电机。热电发电机包括:热交换器，该热交换器被配置为从排气流提取热能，其中，热交换器包括:与热交换器的边界接触的第一多个散热片，其中，第一多个散热片直接连接至第一多个热电装置模块。热交换器进一步包括:直接连接至热交换器的边界的第二多个热电装置模块。第一多个和第二多个热电模块被配置为将热能转换成电能。
[0014]前面已经概述了本发明的一个或者多个实施例的相当一般的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下本发明的详细说明。本发明的另外的特征和优点将在下文中进行描述，这可以构成本发明的权利要求书的主旨。
【附图说明】
[0015]当结合以下附图考虑以下详细说明时，可以获得对本发明更好的理解，其中:
[0016]图1图示了常规热电发电机；
[0017]图2图示了根据本发明的一个实施例取消了在热电装置模块与散热片之间的金属壁的热电发电机；
[0018]图3图示了根据本发明的一个实施例连接至散热片的热电装置模块;以及
[0019]图4图示了根据本发明的一个实施例与在连接至散热片的热电装置模块的热侧上的热电模块外壳一体化的第二组散热片。
【具体实施方式】
[0020]虽然下面结合实施单个外壳的热电发电机来讨论本发明，但是本发明的原理可以应用于实施多个外壳的热电发电机。本领域的普通技术人员将能够将本发明的原理应用于这些实施方式。进一步地，将本发明的原理应用于这些实施方式的各个实施例将落在本发明的范围内。
[0021]如在背景部分中所阐述的，当前，常规热电发电机，诸如在图1中示出的发电机，利用金属壁，诸如壁102。参照图1，利用这种金属壁，在金属壁102与热电装置模块106的热侧之间存在热接触电阻。结果，发生传导损耗，从而降低了将热能从热交换器101传递至热电装置模块106的效果。而且，常规热电发电机的损坏来源出现在金属壁(诸如，壁102)与热电装置模块(诸如，模块106)的热侧之间的结合处。这种损坏的发生是因为金属壁与热电装置模块的热侧上使用的陶瓷材料在热膨胀系数上的大差异，从而导致壁与热电装置模块之间的结合处的热疲劳损坏。结果，这种常规热电发电机会遭受传导损耗和热疲劳损坏。
[0022]本发明提供一种热电发电机，该热电发电机通过取消金属壁来改进将热能从排气热交换器传递至热电装置模块的效果，从而消除过去发生的传导损耗。而且，本发明的热电发电机提供一种用于通过取消金属壁来降低热疲劳损坏源的方式，从而改进热电发电机的耐用性。另外，本发明的热电发电机允许热电装置模块在给定热电发电机容量下具有更高的密度，从而针对给定发电机容量或者大小允许更大的电力生产。另外，与多个外壳(诸如，如图1所示的三个外壳)相反，本发明的热电发电机的设计包含在单个外壳中，从而降低了制造热电发电机的成本。下面将结合图2对囊括了这些益处的本发明的热电发电机进行讨论。
[0023]参照图2，图2图示了由排气外壳201(诸如，挤制铝排气外壳)限定的热电发电机200。在一个实施例中，排气外壳201的截面为大约15cm x 30cm。热电发电机200包括热交换器202，该热交换器202接收来自内燃机204的加压排气流203并且从排气流203提取热能。
[0024]在一个实施例中，外壳201可以包括法兰(未示出)，诸如不锈钢法兰，用于密封连接至内燃机204的排气管(未示出)，诸如不锈钢排气管。在一个实施例中，法兰和外壳201可以通过例如锻粗加工，由单件形成。可替代地，法兰可以通过焊接、钎焊或者卷边而附接至外壳201。要理解的是，当引擎203运行并且在排气系统中包含加压排气流204时，来自内燃机204的排气流203与周围大气相比处于更高的压力。
[0025]热交换器202可以包括散热片205A-205F(例如，铝散热片)，这些散热片205A-205F与在热交换器202内的边界206接触。散热片205A-205F可以共同地或者单独地分别被称为多个散热片205或者散热片205。虽然图2图示了散热片205A-205F，但是热交换器202可以包括任何数量的散热片205，并且本发明的热交换器在范围上不限于所描绘数量的散热片205。在一个实施例中，散热片205在热交换器202中被用于增加来自排气流203的热传递的速率。
[0026]热交换器202进一步包括直接连接至散热片205或者边界206的热电装置模块207A-207S。热电装置模块207A-207S可以共同地或者单独地分别被称为多个热电装置模块207或者热电装置模块207 ο虽然图2图示了热电装置模块2