专利名称：用于内燃机的热电发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热电发电机，特别是涉及一种将内燃机排气的热能转化为电能的热电发电机。
背景技术：
使用将热能转化为电能的热电发电机元件进行发电已公知于现有技术中。该热电发电机元件利用塞贝克(Seeback)效应，即利用金属片或半导体片两端(高温部分和低温部分)之间的温差，在金属片或半导体片的高温部分和低温部分之间产生电位差。较大的温差可增加由热电发电机元件所产生的电能。
图1示出了热电发电机元件结构的一个例子。如图1所示，该热电发电机元件包括n型和p型半导体。每一个n型半导体具有作为阳极的高温部分，和作为阴极的低温部分。为了产生大量的电能，n型和p型半导体交替地串联连接，以形成电极模块。
特许公开号为2000-297632的日本专利描述了应用这种热电发电机元件的一个例子。特别地，在内燃机的排气口设置有一个催化剂装置(该装置包括载体，其承载催化剂以用于净化排气)。热电发电机设置在催化剂装置的上游以将排气的热能转化为电能。但是，该热电发电机吸收排气的热量。这阻碍了对催化剂装置的加热并延长了催化剂的惰性时间。在日本特许公开号为2000-297632的专利中，为了防止这种问题，当催化剂处于惰性时，热电发电机作为加热器利用电能来加热排气。
但是，当热电发电机作为加热器时，排气的热能将不被转化为电能。这减少了所产生的电量。为解决该问题，在日本特许公开号为2000-297632的专利中，在催化剂装置的下游还另外设置有一个热电发电机。该另外的热电发电机用于持续的产生电能。但是，这种结构增大了整个排气装置。
发明内容
本发明提供了一种热电发电机，其可减小用于内燃机的排气装置的尺寸，并可确保热电发电机元件所产生的电量以及催化剂装置的净化效果。
一方面，本发明是一种热电发电机，其用于与排气通道相连接的内燃机。该发电机包括设置在排气通道内的催化剂装置，其用于净化排气。热电发电机元件，设置在该催化剂装置上，其用于将流过排气通道的废气热能转化为电能。该热电发电机元件至少设置在相对于排气流的催化剂装置的下游部分。
另一方面，本发明是一种热电发电机，其用于与排气通道相连接的内燃机。该发电机具有设置在排气通道内的催化剂装置，该催化剂装置具有第一部分和第二部分，其中，当废气流过催化剂装置时，第一部分的温度相对较高，而当废气流过催化剂装置时，第二部分的温度相对较低。热电发电机元件，设置在该催化剂装置上，其用于将流过排气通道的废气热能转化为电能。该热电发电机元件设置在第一部分上。
通过下面的说明书并参照附图，以及通过对本发明原理进行的示例性描述，本发明的其它方面和优点将变得更明显。
本发明及其目的和优点通过下述优选实施例并参照其附图将被更好地理解，其中附图为图1是热电发电机元件结构的示意图；图2是车辆排气系统与本发明优选实施例的热电发电机相组合的示意图；图3是图2中热电发电机的部分剖面图；图4是沿图3中4-4线的剖面图；图5是催化剂载体和冷却剂中的温度分布示意图；图6是根据本发明另一实施例的热电发电机的部分剖面图。
具体实施例方式
在附图中，同样的数字表示相同的元件。
根据本发明优选实施例的热电发电机20将通过参照附图2-5进行论述。
图2示意性地示出了车辆1的排气系统12与热电发电机20的组合。
如图2所示，排气系统12包括排气通道17。相对于排气流，从其上游侧开始，排气通道17包括排气歧管13，热电发电机20，第二催化剂装置14，和消音器16。在排气系统12中，从内燃机11排出的废气流过排气歧管13，热电发电机20，和消音器16并排放到大气中。
热电发电机20将通过参照附图3-5进行论述。
图3是热电发电机20的部分剖面图。如图3所示，热电发电机20包括第一催化剂装置30和热电发电机组40。
第一催化剂装置30包括圆柱形的催化剂载体31和容纳该催化剂载体31的外壳32。催化剂载体31承载催化剂。当催化剂达到预定的活化温度时，催化剂净化排气组份，如碳氢(HC)，一氧化碳(CO)，以及氮氧化物(NOx)。与第二催化剂装置14相比，第一催化剂装置30承载了更多的催化剂并具有更高的排气净化能力。外壳32由具有相对较高热导率和相对较高抗腐蚀性的材料(例如不锈钢)制成。外壳32具有一个开口端。连接到排气歧管13的上游法兰33设置在外壳32的一个端部。连接到排气通道17的下游法兰34设置在外壳32的另一端部。
热电发电机组40包括大量热电发电机元件41和冷却机构42。每一热电发电机元件41具有和如图1所示的热电发电机元件相同的结构。每一热电发电机元件41在两个相对表面的每一个上布置一个电极。具有高热导率的绝缘层41a可适用于每一个电极。热电发电机元件41沿第一催化剂装置30的轴向或者排气的流动方向设置在第一催化剂装置30的外围表面。面对第一催化剂装置30(下文指的是面H)的每一热电发电机元件41的表面为高温面。
冷却机构42设置在与面H相对的每一热电发电机元件41的表面上。作为冷却介质的冷却剂被吸入到冷却机构42中。从冷却剂流动方向的上游侧起，该冷却机构42包括吸入管43，第一收集部44，导水管45，冷却部46，第二收集部47，和排出管48。
第一收集部44和第二收集部47是设置在外壳32外圆周表面的环形管。第二收集部47相对于排气流的方向设置在第一收集部44的上游。在第一催化剂装置30的轴向方向延伸的导水管45连接第一收集部44和第二收集部47。
每一导水管45包括冷却热电发电机元件41的冷却部46。与冷却部46(下文指的是面C)相接触的每一热电发电机元件41的表面是低温表面。冷却剂通过导水管45吸入到每一冷却部46中。
吸入管43连接到第一收集部44。冷却剂通过吸入管43被抽吸到第一收集部44中。排出管48连接到第二收集部47。冷却剂通过排出管48从第二收集部47排出到冷却系统中。
热电发电机元件41，或者热电发电机组40设置在相对于排气流方向下游侧的第一催化剂装置30的外圆周表面上。
图4是沿图3中4-4线的剖面图。如图4所示，催化剂载体31插入在外壳32中。而外壳32插入在八面形套管35中。套管35由具有高热导率的材料制成，如铝或铜。套管35具有的外圆周表面包括沿外壳32的纵向延伸的八个平面。
热电发电机元件41设置成与套管35的外圆周表面相接触。在该优选实施中，热电发电机元件41设置在套管35的八个平面中的每一面上。于是，在套管35的外圆周表面上设置有总数为16(8×2)的热电发电机元件41。而且，热电发电机元件41以等夹角(45°)设置。
在每一热电发电机元件41中，表面C与冷却部46相接触。而且，如图4所示，在每一冷却部46中形成有大量散热片49。
在与热电发电机元件41相接触的表面相对的每一冷却部46的表面上设置有盘形弹簧50和垫圈51。带状物52通过相应的盘形弹簧50和垫圈51将每一冷却部46固定到热电发电机元件41。
当内燃机11的排气流入到第一催化剂装置30时，废气加热第一催化剂装置30，也即增加了由催化剂载体31所承载的催化剂的活性。当该催化剂的温度达到预定的活化温度时，催化剂将净化排气。于是，所净化的排气流入到排气通道17。
排气的热量使第一催化剂装置30的温度升高。于是，在每一热电发电机元件41中，与第一催化剂装置30的外圆周表面相接触的面H的温度升高了。相反地，在每一热电发电机元件41中，冷却剂冷却与冷却部46相接触的面C。于是，表面C的温度降低了。该方式所引起的每一热电发电机元件41的表面H和表面C之间的温差的增加将在热电发电机元件41中产生电位差并产生电能。
催化剂的活化将产生化学反应能。因此，第一催化剂装置30接收排气的热能和化学反应热。这进一步升高了第一催化剂装置30的温度。结果，每一热电发电机元件41中的高温面H的温度进一步升高了。更确切的说，设置在第一催化剂装置30上的热电发电机元件41进一步增大了热电发电机元件41的高温面H和低温面C之间的温差，这增加了所产生的电量。
热电发电机元件41，或者热电发电机组40设置在相对于排气流方向下游侧的第一催化剂装置30的外圆周表面上。于是，在相应于第一催化剂装置30的排气上游侧的部分处，该第一催化剂装置30不会妨碍对第一催化剂装置30的加热。因此，第一催化剂装置30的上游侧可相对于排气流被充分加热。这可确保对第一催化剂装置30充分的加热。
以这种方式，热电发电机元件41将不会以不希望的方式而影响第一催化剂装置30的温度增加。在上述现有技术的热电发电机设备中，热电发电机元件可用作加热器。但是，在该优选实施例中，热电发电机元件41被持续地用于产生电能。这可确保热电发电机元件41产生足够的电能。
在该优选实施例中，热电发电机元件41(热电发电机组40)设置在第一催化剂装置30的外圆周表面上。于是，第一催化剂装置30和热电发电机元件41被整体地形成。与在排气通道中分别设置催化剂装置和热电发电机相比，这可减少用于内燃机的整个排气装置的尺寸。
冷却机构42设置在每一热电发电机元件41的表面C上。这可增加热电发电机元件41的高温面H和低温面C之间的温差并进一步增加由热电发电机元件41所产生的电能。
如上所述，当催化剂被活化时将产生化学反应热。在该状态下，第一催化剂装置30(催化剂载体31)的温度分布是非均匀的。如图5所示，第一催化剂装置30的温度相对于排气流的下游侧来说，其温度更高一些。当冷却剂在冷却机构42中流过时，其吸收第一催化剂装置30的热量。于是，冷却剂的温度相对于冷却剂流的下游侧来说，其温度更高一些。于是，与冷却机构42中的冷却剂和排气以相同方向流动相比，当冷却剂和排气以相反方向流动时，每一热电发电机元件41的高温面H和低温面C之间的温差将更大并且如同本优选实施例一样可产生更多的电能。
该优选实施例的热电发电机20具有的优点如下所述。
(1)热电发电机20包括第一催化剂装置30和相互整体设置的热电发电机元件41。因此，与在排气通道17中分别设置催化剂装置和热电发电机相比，这可减少用于内燃机11的整个排气装置的尺寸。
(2)当催化剂被活化时，将产生化学反应热。于是，第一催化剂装置30的温度升高值大于由排气热量所导致的温度上升。由于每一热电发电机元件41设置在这种第一催化剂装置30中，每一热电发电机元件41高温面H的温度进一步增加了。这增加了高温面H和低温面C之间的温差并进一步增加了由热电发电机元件41所产生的电能。
(3)每一热电发电机元件41设置在相对于排气流方向下游侧的第一催化剂装置30的外圆周表面上。于是，第一催化剂装置30的下游侧以最佳的方式被加热。这确保了第一催化剂装置30的净化效果。
(4)热电发电机元件41不会以不希望的方式而影响第一催化剂装置30的加热。于是，热电发电机元件41被持续地用于产生电能。这可确保由热电发电机元件41以最佳方式而产生足够的电能。
(5)冷却机构42连接到热电发电机元件41。这增加了每一热电发电机元件41的高温面H和低温面C之间的温差。于是，所产生的电能也进一步增加了。
(6)冷却机构42内的冷却剂和第一催化剂装置30内的排气以相反的方向流动。这进一步增加了每一热电发电机元件41的高温面H和低温面C之间的温差并进一步增加了所产生的电能。
本发明可在不偏离其精神和范围的前提下以多种其它特定形式来体现，这对本领域普通技术人员而言是明显的。特别地，可以理解，本发明可以下列形式来体现。
在该优选实施例中，第一催化剂装置30设置在热电发电机20中，第二催化剂装置14设置在热电发电机20的下游。可代替的是，从相对于排气流方向的上游侧开始，可设置外壳32’，其相似于外壳32；催化剂载体31，其相似于催化剂载体31；以及第二催化剂载体60，其相似于第二催化剂装置14的催化剂载体。而且，热电发电机组40可设置在第二催化剂载体60的外圆周表面上。可替代地，该优选实施例的催化剂载体31可分为上游载体和下游载体，而热电发电机组40设置在下游载体周围。
在该优选实施例中，冷却机构42可被去除。在该情形中，每一热电发电机元件41的表面C暴露于大气中并被冷却。在该情形，热电发电机仍将具有上述(1)至(4)的优点。
在该优选实施例中，热电发电机元件41仅设置在相对于排气流下游侧的第一催化剂装置30的部分处。可代替的是，热电发电机元件41可以较低密度设置在相对于排气流上游侧的第一催化剂装置30的部分处，并且以较高密度设置在相对于排气流下游侧的第一催化剂装置30的部分处。换句话说，在第一催化剂装置30的上游侧可比其下游侧设置更多的热电发电机元件41。在该情形，热电发电机具有和该优选实施例相同的优点。
在该优选实施例中，带状物52将第一催化剂装置30和热电发电机组40紧固在一起。但是，第一催化剂装置30和热电发电机组40可通过任何方式紧固在一起。而且，可包括任何数量的热电发电机元件41。
在该优选实施例中，冷却剂作为冷却机构42的冷却介质。但是，任何冷却介质都可被使用，只要冷却机构42可被冷却。
这里的例子和实施例应被认为是示例性的，而不是限制性的，并且本发明并不限定于这里的细节，其可在所附权利要求的范围和等效内改变。
权利要求
1.一种热电发电机(20)，其用于与排气通道(17)相连接的内燃机(11)，该发电机包括设置在排气通道内的催化剂装置(30)，其用于净化排气，该发电机的特征在于在催化剂装置上设置有热电发电机元件(41)，其用于将流过排气通道的废气热能转化为电能，该热电发电机元件至少设置在相对于排气流的催化剂装置的下游部分。
2.一种热电发电机(20)，其用于与排气通道(17)相连接的内燃机(10)，该发电机包括设置在排气通道内的催化剂装置(30)，该催化剂装置具有第一部分和第二部分，其中，当废气流过催化剂装置时，第一部分的温度相对较高，而当废气流过催化剂装置时，第二部分的温度相对较低，该发电机的特征在于在催化剂装置上设置有热电发电机元件(41)，其用于将流过排气通道的废气热能转化为电能，该热电发电机元件设置在所述第一部分上。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于所述热电发电机元件包括面对催化剂装置的第一表面(H)和与该第一表面相对的第二表面(C)，该发电机还包括设置在第二表面上的冷却机构(42)，其用于通过冷却介质来冷却该热电发电机元件。
4.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于冷却机构中的冷却介质的流动方向与催化剂装置中的排气流动的方向相反。
全文摘要
一种热电发电机(20)，其可减小用于内燃机(11)的整个排气装置的尺寸，并可确保热电发电机元件(41)所产生的电量以及催化剂装置(30)的净化效果。该热电发电机(20)包括设置在排气通道(17)内的催化剂装置(30)，其用于净化排气。一种热电发电机元件(41)，其设置在催化剂装置上，用于将流过排气通道的废气热能转化为电能。该热电发电机元件设置在相对于排气流的催化剂装置的下游部分。
文档编号B60R16/02GK1652368SQ200510007919
公开日2005年8月10日 申请日期2005年2月5日 优先权日2004年2月5日
发明者下地浩二, 铃木康一 申请人:丰田自动车株式会社