本发明涉及一种置有热电材料的新型绿色智能轮胎，可适用于各种车辆上的轮胎，特别适用于充气型智能轮胎和新概念型智能轮胎，可有效地降低轮胎胎肩部位温度、减少热污染、延长轮胎寿命并将热能转化为电能为智能传感器供电。
背景技术：
自二十世纪九十年代以来，能量转换材料就成为一个新的研究热门。热电材料能利用温度梯度在不产生温室气体排放的情况下将材料的热能转换为电能，在废热利用、自持发电等方面显现出巨大的优势，热电材料工作时本身无噪音，无污染，回收系统以热能形式散发的能量，热电材料发电被认为是最具前景的绿色能源技术之一，在实现全球可持续发展方面发挥着关键作用。
轮胎滚动过程中温度会逐步增加。温度升高主要来自两个方面：一方面是轮胎与路面的摩擦生热，另一方面是因为橡胶材料特殊的滞后损失所产生的热量。对于后者，从微观上来看，橡胶材料的分子链在轮胎滚动周期交变运动中受到内摩擦的作用，当外力作用时，高分子链运动跟不上外力的变化，导致应变滞后于应力，两者产生一个相位差，橡胶材料在其变形及回复过程中都需要克服分子间的内摩擦做功，这部分功会以热量的方式损失，从而导致滞后生热，橡胶材料滞后生热使其内部热量不断累积。在轮胎时速100km/h达到稳态滚动时，轮胎胎肩部位温度可达127.8℃，与临近区域温差可达40℃，长时间高温可引起橡胶材料软化和加速热降解，使轮胎出现肩空、肩裂和胎面磨损等一系列问题。
轮胎逐步向着智能化、绿色化方向发展，在轮胎中越来越多地应用到各种传感器等电子设备。热电材料在轮胎中应用可以提高能源利用率、降低轮胎温度同时给予电子设备稳定充足的电能，为电子设备大量应用到轮胎中做好了技术上的准备，其产生的电能还可以应用到汽车的其他部件之中去。故热电材料在轮胎中具有广泛的应用前景。
技术实现要素：
本发明提出一种轮胎热量管理方法，在轮胎高温区域设置热电材料，热电材料与传感器连接，热电材料将轮胎产生的废热转化为电能供传感器使用或者与整车电力系统整合供汽车其他部件的电力使用。
本发明不拘泥于某种特定种类的热电材料，热电材料的热端与热电材料的冷端形成温度梯度，驱动热电材料导带中的电子和价带中的空穴两种数量相等的载流子形成电动势，用导线接通热电材料冷端后产生电能，电能储存后，通过导线连接或无线充电技术向传感器供电或者与整车电力系统连接，特别优选的是，热电材料为p/n型半导体热电材料。。
热电材料设置在轮胎胎面花纹沟槽底部、轮胎胎圈三角填充胶部位、或轮胎内侧胎肩部位的至少一个部位。
热电材料为沿轮胎周向环绕的环形结构或沿轮胎周向环绕的块状结构。
热电材料的固定方式至少采用如下方式之一：
1)使用粘合剂作为热电材料的固定部分，将热电材料装置直接粘合在轮胎胎体上；
2)在轮胎硫化阶段将热电材料装置直接硫化进轮胎内部；
3)在轮胎内部安放支撑体对热电材料起到固定作用；
4)在轮胎内部使用橡胶材料包覆固定热电材料。
本发明还提供一种置有热电材料的充气型智能轮胎，包括子午线或斜交轮胎胎体、热电材料装置、热电材料装置固定装置和智能传感器，热电材料设置在轮胎高温区域，热电材料冷端通过导线连通储电装置，储电装置通过导线或无线充电技术与智能传感器连接或者与整车电力系统连接，热电材料将轮胎产生的废热转化为电能供智能传感器使用或者与整车电力系统整合供汽车其他部件的电力使用，可适用于各种车辆上的轮胎，特别适用于充气型智能轮胎和新概念型智能轮胎，可有效地降低轮胎胎肩部位温度、延长轮胎寿命并将热能转化为电能为智能传感器供电。
热电材料设置在轮胎胎面花纹沟槽底部、轮胎胎圈三角填充胶部位、或轮胎内侧胎肩部位的至少一个部位。
热电材料为沿轮胎周向环绕的环形结构或沿轮胎周向环绕的块状结构。
热电材料的固定方式至少采用如下方式之一：
1)使用粘合剂作为热电材料的固定部分，将热电材料装置直接粘合在轮胎胎体上；
2)在轮胎硫化阶段将热电材料装置直接硫化进轮胎内部；
3)在轮胎内部安放支撑体对热电材料起到固定作用；
4)在轮胎内部使用橡胶材料包覆固定热电材料。
具体的，一种置有热电材料的充气型智能轮胎，包括轮胎胎体10，指传统的子午线、斜交充气轮胎胎体，热电材料装置21至23、热电材料装置固定部分31至35和智能传感器50。轮胎在滚动的时候与路面存在摩擦力，在摩擦生热的作用下，轮胎的胎面11温度升高，与周围材料存在较大温差，适宜在胎面花纹沟槽区域12底部部分安装填充花纹沟槽式热电材料装置21；另外轮胎在稳态滚动时胎圈部位13因橡胶材料滞后生热产生高温区42，存在较大温度梯度，适宜在三角填充胶附件安放胎圈区热电材料装置22；另外轮胎在滚动时胎肩部位14生热最为明显，存在明显的温度梯度大的区域41，适宜在胎肩部位安放内挂式热电材料装置23。另外，可以在花纹沟槽12、胎圈13和胎肩14部位安放图9环状或图10块状形状的热电材料。此外，在安放热电材料装置时，可以采取半预埋式31、预埋式32、粘贴式33、安放支撑体34和橡胶材料包覆35等固定手段进行热电材料装置的固定。
它根据轮胎在行驶时因橡胶材料滞后生热产生高温区41和42而被安放在轮胎的胎面花纹沟槽区域12、部分替换三角胶的胎圈部位13和轮胎胎肩部位14；热电材料装置固定部分，根据热电材料装置不同安放位置的工作环境而采取不同的安装方式31-35。
相应的本发明实施例还提供了一种新概念绿色智能轮胎，包括置有热电材料的装置和传感器设备，其中，上述热电材料装置的位置选取方法和固定方式均适用于该新概念轮胎的实施例中，也能达到同样的技术效果。
该发明的工作原理：常见的热电材料有金属合金类、半导体类、聚合物类等不同类型，下面参图2以p/n型半导体材料的热电转化机理为例介绍热电材料在轮胎中应用的工作原理。轮胎在滚动过程中产生高温区域，具体对应轮胎不同位置高温区41、42和43，热电材料的热端200和热电材料的冷端203之间形成巨大的温度梯度，驱动热电材料导带中的电子和价带中的空穴两种数量相等的载流子形成电动势，用导线205接通电路后产生电能。其中，n型半导体201中参与导电的主要是带负电的电子，这些电子主要来自于半导体中的杂质原子，在热激励的作用下自由电子向热电材料的冷端定向移动形成电子电流；p型半导体202中参与导电的主要是带正电的空穴，在热激励的作用下少数自由电子在多数的空穴中移动，看似空穴产生定向移动，形成空穴电流。电路中产生的电能储存在储电设备204中，通过导线连接或者无线充电技术向传感器50供电。传感器50可根据智能轮胎发展的需要被应用到监测胎压、温度检测、振动感应等多个方面。
该发明的加工有两种方案：一种是在将热电材料装置和轮胎分开加工，在轮胎加工完成后增加一道工序，用粘合剂或安放支撑体等手段将热电材料装置固定到指定的位置，该加工方法简单，生产效率高，利于工业化生产。第二种方案是在轮胎生产过程中采用橡胶包覆或者埋入橡胶的方式安放热电材料装置，热电材料装置同轮胎一起硫化，该加工方法得到的产品质量高，连接牢固。
本发明通过将热电材料装置应用到各种智能轮胎之中，实现了轮胎行驶时有效地降低轮胎的温度，减少热污染，延长了轮胎的使用寿命，并且将轮胎废热转化为供智能传感器使用的电能，该设计是可适用于各种车辆上的轮胎。
附图说明
图1为一种置有热电材料的新型绿色智能轮胎结构示意图；
图2为该发明的工作原理图；
图3－5为12r22.5轮胎100km/h稳态滚动二维断面温度分布图；
图6为本发明的填充花纹沟槽式热电材料装置二维结构说明；
图7为本发明的部分替换三角胶式热电材料装置二维结构说明；
图8为本发明的胎肩内挂式热电材料装置二维结构说明；
图9为环状结构的热电材料装置轮胎周向剖面说明；
图10为块状结构的热电材料装置轮胎周向剖面说明；
图11为热电材料装置半预埋式二维结构说明；
图12为热电材料装置预埋式二维结构说明；
图13为热电材料装置粘贴式二维结构说明；
图14为热电材料装置安放支撑体二维结构说明；
图15为热电材料装置橡胶包覆二维结构说明；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明涉及的一种置有热电材料的充气型智能轮胎，包括轮胎胎体10，指传统的子午线、斜交充气轮胎胎体，热电材料装置21至23和热电材料装置固定部分31至35。轮胎在滚动的时候由于橡胶材料的滞后现象和轮胎胎面与路面的摩擦生热，产生了轮胎胎面与地面接触摩擦生热高温区43和滞后生热高温区域41、42，这些区域存在巨大的温度梯度，是热电材料良好的工作环境。在高温区43，在胎面花纹沟槽区域12底部部分安装填充花纹沟槽式热电材料装置21，利用胎面与路面的摩擦生热产生的热能为填充花纹沟槽式热电材料装置提供驱动力。在高温区42，胎圈部位13存在较大的温差，亦为在三角填充胶区域安放胎圈区热电材料装置22提供驱动力。在高温区41安放内挂式热电材料装置23，可利用热电材料本身的热能转化的优势，将胎肩部位14的温度降低，降低胎肩部位的热氧老化和热分解，并能将轮胎在滚动时产生的废热转化为电能，供轮胎中或整车电力系统利用，实现智能轮胎的节能绿色化发展，符合轮胎发展的趋势。
本发明的特征在于热电材料装置固定方式和材料加工灵活。如图11-15，热电材料装置可以根据不同的安放位置采取半预埋式31、预埋式32、粘贴式33、安放支撑体34和橡胶包覆35不同方式在轮胎中固定热电材料。其中，半预埋31和预埋32是指将热电材料在轮胎硫化之前嵌入到轮胎之中随着轮胎一起硫化定型；粘贴式33是指采用胶黏剂的方式将热电材料装置和轮胎胎体10进行粘合起到固定的作用；安放支撑体34是指借助各种支撑体对热电材料装置进行物理固定；橡胶包覆35是指利用橡胶之间的粘合性好的优势用橡胶材料将热电材料包覆，然后进行硫化定型起到固定的作用。此外，为了方便热电材料装置在轮胎中安装和工作，提出了如图9、图10的加工形状，可将热电材料加工成环状23(a)或者块状23(b)。
特别是本发明提出的热电材料装置的安放位置是利用有限元方法进行科学计算并借助最优化技术得到的合理选择，见图3-5。图3是12r22.5轮胎100km/h稳态滚动时有限元分析二维断面温度分布图，根据图3可以得知在轮胎稳态滚动时受橡胶材料滞后损失的影响在胎肩和胎圈部位存在高温区。根据图4可知，胎肩部位14温度最高值为127.8℃，有临近区域存在40℃的温差，温度梯度大，是热电材料理想的工作环境。根据图5可知，胎圈部位13温度最高值为109.2℃，与周边温度梯度大，亦是热电材料的理想工作环境。
相应的由于本发明实例置有热电材料的新型绿色智能轮胎的热电材料装置，应用于新概念智能轮胎，因此，本发明实施例还提供了一种新概念绿色智能轮胎，包括置有热电材料的装置，其中，上述热电材料装置的位置选取方法和固定方式均适用于该新概念轮胎的实施例中，也能达到同样的技术效果。
在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或者其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。