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，更具体地，涉及一种用来将从内燃机排出气体的热能转变成电能的热电发电机。
背景技术：
用热电发电元件进行发电在现有技术中是已知的，其将热能转变成电能。热电发电元件利用塞贝克效应，其中金属件或半导体件的两端(高温部分和低温部分)之间的温差在金属件或半导体件的高温部分和低温部分之间产生电位差，较大的温差可以增大热电发电元件所发的电力。
图1表示热电发电元件的结构的例子。如图1中所示，热电发电元件包括n型和p型半导体。每个n型半导体都具有充当阳极的高温部分和充当阴极的低温部分。为了发出很大量的电力，n型和p型半导体交替地串联连接以形成电极模块。
日本特许公开专利2002-325470描述了这种热电发电元件的应用的例子。具体地说，机架布置在内燃机的排气道中，热电发电元件的一侧接触机架的外围表面，热电发电元件的另一侧接触冷却机构，通过这样布置热电发电元件，来自排气的热能转变成电能。
粘合剂至少将机架固定到热电发电元件上或将热电发电元件固定到冷却机构上。
热电发电元件固定到其上的固定件(机架或冷却机构)可能具有不同于热电发电元件的热膨胀系数。在这种情况下，当固定件和热电发电元件的温度改变时，固定件的变形量不同于热电发电元件的变形量，因而，热应力作用于热电发电元件上，这可能对热电发电元件造成损害。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于内部燃烧室的热电发电机，其减小热电发电元件受到损害的可能性。
本发明的一个方面是用于内燃机的热电发电机，内燃机连接到排气道，发电机包括布置在排气道中的热元件，冷元件布置在热元件外侧，以可相对于热元件和冷元件移动的方式布置在热元件和冷元件之间的热电发电元件将来自排气道中的排气的热能转变成电能。
从下面结合附图进行的说明，本发明的其它方面和优点将变得显而易见，下面的说明通过例子阐明了本发明的原理。
参考下面当前优选实施方式的说明以及附图，本发明以及其目标和优点可以被最好地理解，其中图1是表示热电发电元件的结构的示意图；图2是表示包含根据本发明优选实施方式的热电发电机的车辆排气系统的示意图；图3是表示热电发电机的透视图；图4是表示图2的热电发电机的局部剖视图；图5是沿图4中的线5-5获得的剖视图；图6是在垂直于排气流动方向的方向上表示根据本发明另一个实施方式的热电发电机的示意剖视图；图7是在垂直于排气流动方向的方向上表示根据本发明又一个实施方式的热电发电机的示意剖视图；图8是在垂直于排气流动方向的方向上表示根据本发明还一个实施方式的热电发电机的示意剖视图；和图9是表示根据本发明又一个实施方式的热电发电机的位置的示意图。
具体实施例方式
在图中，相同的附图标记始终用来表示相同的元件。
现在将参考图2至5论述根据本发明优选实施方式的热电发电机20。
图2示意性地表示包含热电发电机20的车辆1的排气系统12。
如图2中所示，排气系统12包括排气道17，从相对于排气流动的上游侧，排气道17包括排气歧管13、热电发电机20和消声器16。在排气系统12中，从内燃机11放出的排气通过排气歧管13、热电发电机20和消声器16排放到大气中。
现在将参考图3至5论述热电发电机20。
图3是表示热电发电机20的透视图，图4是表示热电发电机20的局部剖视图。如图4中所示，热电发电机20包括排气催化剂30和热电发电机组40。
排气催化剂30包括圆柱形的催化剂载体31和容纳催化剂载体31的外壳32，催化剂载体31承载催化剂。当催化剂达到预定活化温度时，催化剂净化排气成分，例如碳化氢(HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOX)。
外壳32由不锈钢制成，其是具有较高导热性和较优良的耐蚀性的材料。在本实施方式中，热膨胀系数比其它不锈钢更高的奥氏体不锈钢(例如，SUS 303或SUS 304)被用来形成外壳32。外壳32具有开口端，连接到排气歧管13的上游凸缘33布置在外壳32的一端上，连接到排气道17的下游凸缘34布置在外壳32的另一端上，这样，排气道17形成外壳32的一部分和热元件的至少一部分。外壳32压配合到套管35中，套管35由具有较高导热性和较优良耐蚀性的材料(例如，不锈钢、铝合金或铜)制成，因而，套管35容易将热传递到外壳32。套管35形成热元件的一部分。
热电发电机组40包括多个热电发电元件41和一冷却机构42，每个热电发电元件41具有与图1中所示的同样的结构。在本实施方式中，每个热电发电元件41都具有两个侧部，电极布置在两个侧部上。电极由非晶质碳膜41a(DLC膜)涂覆，非晶质碳膜41a的摩擦系数是较小的。此外，非晶质碳膜41a具有优良的电绝缘性、导热性、耐热性和耐磨性。
热电发电元件41在排气催化剂30的轴向方向上布置在套管35的外围表面上，即，在排气的流动方向上。在每个热电发电元件41中接触套管35外围表面的表面(下文中称为表面H)充当高温表面。
冷却机构42布置在每个热电发电元件41的与表面H相对的表面上，充当冷却介质的冷却剂流过冷却机构42。从相对于冷却剂流动方向的上游侧，冷却机构42包括进入管43、第一聚集部44、导水管45、冷却部46、第二聚集部47和排出管48，冷却机构42充当冷元件。
第一聚集部44和第二聚集部47是布置在外壳32的外围表面外侧的环形管，相对于排气流动方向，第一聚集部44布置在第二聚集部47的上游，在排气催化剂30的轴向方向上延伸的导水管45连接第一聚集部44和第二聚集部47。
每个导水管45都包括冷却部46，冷却部46冷却相关的热电发电元件41。每个热电发电元件41的接触相关冷却部46的表面(此后称为表面C)充当低温表面，冷却剂通过相关的导水管45吸入到每个冷却部46中。
进入管43连接到第一聚集部44的上部，冷却剂通过进入管43吸入到第一聚集部44中。排出管48在相对于排气流动的下游侧连接到第二聚集部47的下部，冷却剂通过排出管48从第二聚集部47排出到冷却系统中。在本布置中，冷却剂在冷却机构42中和在排气流动的方向上向下流动。
图5是沿着图4中的线5-5获得的剖视图。如图5中所示，催化剂载体31插入外壳32中，外壳32插入八角形的套管35中，载体31被挤压成型并由金属制成。更具体地，载体31具有蜂巢结构，多个小孔在轴向方向上延伸穿过载体31，确定小孔的壁表面由烧结金属形成。在优选实施方式中，通过将铬或铝加到钢中制造的合金用作烧结金属，然而，可以使用任何金属，只要它具有优良的耐热性。
套管35的外围表面包括八个在外壳32的轴向方向上延伸的平坦平面。
热电发电元件41布置成与套管35的外围表面接触。在本实施方式中，在套管35的轴向方向上，在套管35的八个平坦平面中的每一个上都布置着四个热电发电元件41，因而，总共三十二个(8×4)热电发电元件41布置在套管35的外围表面上。此外，热电发电元件41以等角间隔(45°)布置。
在每个热电发电元件41中，表面C与相关的冷却部46接触。此外，如图5中所示，多个散热片49形成于每个冷却部46中。
盘形弹簧(贝式弹簧)50和垫片51布置在每个冷却部46的与接触相关热电发电元件41的表面相对的表面上，带状件52通过相应的盘形弹簧50和垫片51将每个冷却部46固定到相关的热电发电元件41。因而，充当紧固件的带状件52整体地紧固冷却部46、相关的热电发电元件41、套管35和外壳32，每个热电发电元件41保持在被挤压于冷却部46和套管35之间的状态中。这样，每个热电发电元件41以可移动的方式保持在冷却机构42的相关冷却部46和套管35之间，套管35形成热元件的一部分。在本实施方式中，带状件52由金属制成，然而，带状件52可以由其它材料制成。此外，例如橡胶件的弹性件可以代替盘形弹簧50使用。
在热电发电机20中，每个热电发电元件41都保持在被挤压于套管35和冷却部46之间的状态中，换句话说，热电发电元件41保持在一个状态中，其中它没有被完全固定到套管35或冷却部46。因而，热电发电元件41可相对于套管35和冷却部46移动。当由于不同的热膨胀系数而使得热电发电元件41的变形量不同于套管35的变形量时，热电发电元件41和套管35相对于彼此移动，这减小了作用于热电发电元件41上的应力，结果，由于热电发电元件41和套管35之间热膨胀系数的不同而产生的、作用于冷却部46上的热应力减小。同样地，由于热电发电元件41可相对于冷却部46移动，所以由于热电发电元件41和冷却部46之间热膨胀系数的不同而产生的热应力向热电发电元件41的施加得到抑制，这降低了对热电发电元件41造成损害的可能性。
热电发电元件41可相对于套管35和冷却部46移动。此外，热电发电元件41直接接触套管35和冷却部46，这确保了通过套管35和冷却部46之间的温差产生电力。
带状件52整体地紧固热电发电元件41、套管35和冷却部46，这样，热电发电元件41由简单的结构保持在被挤压的状态中。
热电发电元件41没有被完全固定，这便于热电发电元件41的替换。
通过增加热电发电元件与热元件之间的粘合剂或热电发电元件与冷元件之间的粘合剂，可以增加从热元件传递到热电发电元件的热量或从热电发电元件传递到冷元件的热量，以增大热电发电元件所发的电力。然而，如果增大施加在热电发电元件41和热元件之间的压力以增大粘附力，则热元件可能变形。在本实施方式中，为了抑制热元件的这种变形，充当热元件的套管35布置在外壳32的外围表面上，每个热电发电元件41的表面H与套管35接触，套管35增大了包括套管35的热元件的刚性。因而，热元件(外壳32)的变形得到抑制，即使在压力如上所述地增大时。
每个热电发电元件41大体上是平的，套管35是多边形的。换句话说，套管35的表面和热电发电元件41的表面H彼此一致地成形，这确保了热电发电元件41的表面H和套管35之间的粘附。
外壳32由奥氏体不锈钢制成，因而，与使用其它不锈钢时相比，外壳32的热膨胀很大，外壳32的径向膨胀将套管35推向热电发电元件41，这增强了套管35和热电发电元件41之间的粘附，并增大了从套管35传递到热电发电元件41的热量，结果，热电发电元件41所发的电力进一步增大。
排气催化剂30布置在外壳32中，当对排气进行净化时，化学反应热量使排气催化剂30的温度上升，从而，排气催化剂30的温度高于排气歧管13和排气道17的温度，与不使用排气催化剂30时相比，这进一步增加了外壳32的温度。因而，与外壳32的外围表面接触的套管35的温度进一步变得更高，这进一步增大了热电发电元件41所发的电量。套管35温度的进一步增加增大了由热膨胀引起的变形，然而，即使当热膨胀使热元件变形时，热电发电机20也能防止对热电发电元件41造成损害。此外，排气催化剂30和热电发电机20整体地形成，在该结构中，与排气催化剂30和热电发电机20分开布置在排气道17中时相比，内燃机的整个排气装置是紧凑的。
当内燃机在发动机速度和负载高的状态中运行时，排气温度上升，从而，在排气催化剂30中出现了由于高温引起的恶化趋势。然而，在本实施方式中，排气催化剂30的热量被热电发电元件41消耗，这抑制了排气催化剂30的高温恶化。
排气催化剂30的载体31由金属制成，金属载体容易传递它产生的化学反应热量和排气热量，因而，金属载体的温度上升速度高于陶瓷载体的温度上升速度，从而，金属载体的温度更快地变得高于陶瓷载体的温度。因而，在本实施方式中，每个热电发电元件41中的高温表面H的温度容易进一步增加，这进一步增大了热电发电元件41所发的电力。这种金属载体可以由多个层叠的薄金属板或一螺旋形的薄金属板形成，然而，由这种薄板形成的载体的刚度很低，因而，薄金属板容易被外部压力变形，从而，通过外壳32施加的压力可以使薄金属板变形，有时，对载体造成损害。为了避免这个问题，本实施方式的金属载体31挤压成型。此外，多个壁整体地形成在载体31中，从而，与由薄金属板形成的载体相比，载体31具有高的刚性，这样，由外力导致的变形量较小。因而，即使当增加施加到载体31的压力以增加发电量时，载体31的变形也能得到抑制。
冷却剂流过的冷却机构42布置在热电发电元件41的低温表面C上以充分地冷却低温表面C。此外，冷却剂在冷却机构42中向下流动，这在冷却机构42的吸入冷却剂的上游部分和下游部分之间产生水位差，这样，冷却剂有效地流过冷却机构42。此外，冷却剂在与排气相同的方向上流动，换句话说，冷却剂相对于排气流动向下游流动，这充分冷却了整个冷却机构42。
每个热电发电元件41的高温表面H和低温表面C都由非晶质碳膜41a涂覆，非晶质碳膜41a或钻石状碳(DLC)膜具有较小的摩擦系数，这样，热电发电元件41和接触热电发电元件41的元件(套管35和冷却部46)之间的移动阻力较小，因而，热电发电元件41容易在套管35和冷却部46上移动，这充分减小了对热电发电元件41造成损害的可能性。非晶质碳膜41a具有较优良的电绝缘性，这确保了热电发电元件41的高温侧电极之间和热电发电元件41的低温侧电极之间的绝缘。非晶质碳膜41a具有较高的导热性，这确保了与热元件和冷元件之间的温差一致的发电。此外，非晶质碳膜41a具有较优良的耐热性和耐磨性，这确保了长期发电。
本实施方式的热电发电机20具有下述优点。
(1)热电发电元件41可相对于热元件(套管35)和冷元件(冷却部46)移动，这减小了热元件与冷元件和热电发电元件41的热膨胀系数之间的差别对热电发电元件41造成损害的可能性。
热电发电元件41可相对于热元件和冷元件移动。此外，热电发电元件41直接接触热元件和冷元件，这以最佳的方式确保了与热元件和冷元件之间的温差一致的发电。
(2)每个热电发电元件41都保持在被热元件和冷元件挤压的状态中，因而，热电发电元件41没有完全固定到热元件和冷元件，这样，热电发电元件41可相对于热元件和冷元件移动。
(3)热电发电元件41没有被完全固定，这便于热电发电元件41的替换。
(4)带状件52整体地紧固热电发电元件41、热元件和冷元件，这样，热电发电元件41通过简单的结构保持在挤压状态中。
(5)形成热元件一部分的套管35布置在外壳32的外围表面上，外壳32形成排气道的一部分，这增加了热电发电元件41所发的电力并抑制了外壳32的变形。
(6)套管35接触热电发电元件41的表面H的表面与表面H一致地成形，更具体地，套管35是多边形的并具有多个平坦表面，这确保了热电发电元件41的表面H和套管35之间的粘附力，套管35形成热元件的一部分。
(7)外壳32由奥氏体不锈钢形成，这进一步改善了套管35和热电发电元件41之间的粘附力，并进一步增加了热电发电元件41所发的电力。
(8)排气催化剂30布置在外壳32中，这进一步升高套管35的温度和增加了热电发电元件41所发的电力。此外，在本实施方式中，即使热膨胀使包括套管35的热元件变形，对热电发电元件41造成伤害的可能性也被减小。因而，即使采用了升高套管35温度的结构，对热电发电元件41造成伤害的可能性也被减小。
(9)排气催化剂30和热电发电机20彼此整体地装配，这样，内燃机的整个排气装置很紧凑。
(10)当内燃机在高速和高负载的状态中运行时，排气温度上升，在这种状态下，高温引起的恶化趋向于在排气催化剂30中发生。在本实施方式中，排气催化剂30的这种高温恶化以最佳方式得到抑制。
(11)排气催化剂30的载体31是挤压成型的金属载体，这容易进一步增加每个热电发电元件41中的高温表面H的温度，因而，热电发电元件41所发的电力进一步增加。
因为载体31是挤压成型的金属载体，所以即使施加到每个热电发电元件41的压力增加，载体31的变形也以最佳方式得到抑制。
(12)冷却剂在冷却机构42中向下流动，这样，冷却剂有效地流过冷却机构42，每个热电发电元件41的低温表面C以最佳方式得到冷却。
此外，冷却剂在与排气相同的方向上流动，因而，整个冷却机构42以最佳方式得到冷却。
(13)每个热电发电元件41的两侧由非晶质碳膜41a涂覆，这样，热电发电元件41和接触热电发电元件41的元件(套管35和冷却部46)之间的移动阻力很小，这充分减小了对热电发电元件41造成损害的可能性。此外，确保了热电发电元件41的高温侧电极之间和热电发电元件41的低温侧电极之间的绝缘。另外，确保了与热元件和冷元件之间的温差一致的发电。因而，确保了长期发电。
对于本领域技术人员来说很明显，在不背离本发明精神或范围的情况下，本发明能以许多其它的特定形式实施。特别地，应该理解本发明能以下面的形式实施。
在优选实施方式中，带状件52整体地紧固冷却部46、热电发电元件41和套管35。作为替代方案，热电发电元件41也可以如图6中所示的那样保持在挤压状态中。
更具体地，大体上多边形的载体31′插入多边形外壳32′中，冷却机构42′具有多个以整体方式形成并在外壳32′的圆周方向上延伸的冷却部46，外壳32′布置在排气流动方向上。热电发电元件41宽松地紧固到冷却机构42′的内表面，此外，热电发电元件41和冷却机构42′压配合到外壳32′的外围表面。这样，通过将热电发电元件41宽松地紧固到冷元件和将冷元件与热电发电元件压配合到热元件的外围表面，热电发电元件41被压配合在热元件和冷元件之间。在该结构中，可以取消带状件52。因而，用简单的结构，热电发电元件41保持在被压向热元件和冷元件的状态中。
热元件和热电发电元件41可以被宽松地紧固，并且热元件和热电发电元件41可以压配合到冷元件的内表面，或者，热电发电元件也可以压配合在热元件和冷元件之间。
参考图7，可以取消套管35。在这种情况下，图6的载体31′和外壳32′如此使用以便每个热电发电元件41的整个表面H直接接触外壳32′的外围表面。因而，热量以最佳的方式从载体31′传递到热电发电元件41。
如上所述，在图6中，套管35被取消，热电发电元件41压配合在热元件和冷元件之间。作为替代方案，参考图8，可以使用套管35，热电发电元件41可以压配合在套管35和冷元件之间。
优选实施方式的套管35可以由奥氏体不锈钢形成，这增大了套管35的热膨胀并改善了热电发电元件41和套管35之间的粘附力，结果，从套管35传递到热电发电元件41的热量增加。这进一步增加了热电发电元件41所发的电力。
套管35和外壳32可以整体形成，排气催化剂可以插入套管35中。
如上所述，优选地，载体31是挤压成型的金属载体，然而，载体31可以是陶瓷载体或由薄金属板形成的金属载体。
在本发明的每个实施方式中，可以使用任何排气催化剂，只要在净化排气成分时产生热量。
可以取消外壳32或外壳32′中的载体，即排气催化剂。换句话说，本发明可以应用于一种结构，其中热电发电元件41布置在形成排气系统的排气管的外围表面上。
在优选实施方式中，热电发电元件41的两侧由非晶质碳膜41a涂覆。任何膜都可以用于涂覆，只要它具有小的摩擦系数、优良的电绝缘性、热传递性、耐热性和耐磨性。此外，每个热电发电元件41的一侧(例如，表面H)可以由非晶质碳膜41a覆盖，而每个热电发电元件41的另一侧(例如，表面C)由不同于非晶质碳膜41a的膜涂覆。
可以有任何数量的热电发电元件41。
在优选实施方式中，冷却剂用作冷却机构42的冷却介质，然而，可以使用任何冷却介质，只要冷却机构42能被冷却。
冷却机构42是所谓的水冷机构，作为替换方案，可以使用包括散热片的空气冷却机构。
可以取消盘形弹簧50和垫片51，带状件52可以直接紧固冷却部46。
如图9中所示，热电发电机20可以直接布置在排气歧管13下方，这有助于使车辆1的地板下部变平，增加车辆1的内部空间。
这些例子和实施方式应看作说明性的而非限制性的，本发明不局限于在此给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等价方案内改变。
权利要求
1.一种用于内燃机(11)的热电发电机(20)，所述内燃机连接到排气道(17)，所述发电机包括布置在排气道中的热元件(32，35)和布置在所述热元件外侧的冷元件(42)，所述热电发电机特征在于，以可相对于热元件和冷元件移动的方式布置在热元件和冷元件之间的热电发电元件(41)，用来将来自排气道中的排气的热能转变成电能。
2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于保持件(52)用来将所述热电发电元件保持在被挤压于热元件和冷元件之间的状态中。
3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于所述热电发电元件压配合在热元件和冷元件之间。
4.如权利要求1至3中任一个所述的发电机，其特征在于所述热电发电元件包括接触热元件的第一表面(H)和接触冷元件的第二表面(C)，所述热元件包括热体(32)和套管(35)，该套管(35)与第一表面接触地布置在所述热体外侧。
5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于所述套管包括一表面，该表面成形为紧密接触所述第一表面。
6.如权利要求5所述的发电机，其特征在于所述套管是多边形的。
7.如权利要求1至3中任一个所述的发电机，其特征在于所述热元件由奥氏体不锈钢形成。
8.如权利要求1至3中任一个所述的发电机，其特征在于所述热元件具有孔口，所述发电机还包括容纳于热元件的孔口中的排气催化剂(30)。
9.如权利要求8所述的发电机，其特征在于所述排气催化剂包括挤压成型的金属载体(31)。
10.如权利要求1至3中任一个所述的发电机，其特征在于所述冷元件包括冷却介质流过的冷却机构(42)。
11.如权利要求10所述的发电机，其特征在于所述冷却机构构形成使得冷却介质向下流动和在排气流动的方向上流动。
12.如权利要求1至3中任一个所述的发电机，其特征在于所述热电发电元件包括接触热元件的第一表面(H)和接触冷元件的第二表面(C)，所述发电机还包括涂覆所述第一和第二表面中的至少一个的非晶质碳膜(41)。
13.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，还包括用来整体地保持所述热电发电元件、热元件和冷元件的带状件(52)。
14.如权利要求13所述的发电机，其特征在于，还包括布置在冷元件和带状件之间的弹性件(50)。
全文摘要
一种用于内燃机(11)的热电发电机(20)，其防止热电发电元件(41)受到损害。热电发电机包括外壳(32)和套管(35)，外壳(32)布置在排气道中，冷却机构(42)布置在套管外侧。热电发电元件以可相对于套管和冷却机构移动的方式布置在套管和冷却机构之间，热电发电元件将来自排气道中的排气的热能转变成电能。
文档编号B60K13/00GK1652370SQ20051000792
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, 松原慎弥 申请人:丰田自动车株式会社