热电堆及应用该热电堆的汽车尾气余热发电制冷装置制造方法
【专利摘要】热电堆及应用该热电堆的汽车尾气余热发电制冷装置,成型为长方体柱状的P型热电偶臂与N型热电偶臂交错排列，相邻热电偶臂之间紧贴放置绝热绝缘薄膜材料隔离，消除了空气气体的对流、辐射引起的冷、热面温差下降的弊端，提高了热电转换率。热电偶臂之间的电连接通过柔性导热导电材料完成，缓冲了热应力并消除它对产品的不良影响，解决了热应力导致热电堆变形、破裂与热电偶臂之间焊点脱落，严重影响产品的可靠性与使用寿命的问题。
【专利说明】热电堆及应用该热电堆的汽车尾气余热发电制冷装置
【技术领域】
[0001]本实用新型与温差热电发电、热电制冷技术有关，尤其与汽车尾气余热发电、制冷技术有关。
【背景技术】
[0002]半导体温差发电技术利用塞贝克(Seeback)效应，将温差热能直接转换为电能，有体积小、重量轻、无振动、无噪音、寿命长等优点，在工业余热或废热利用方面具有广阔前景。虽然半导体温差发电已有诸多应用，但长久以来起关键作用的热电堆(或称热电模块)集成度不高，导致温差发电装置的转化效率、占用的空间、制造成本限制了热电温差发电与制冷技术在汽车上的广泛应用。目前的热电堆中，排成行列二维矩阵的系列热电偶元件之间留有足够的行、列空隙，造成集成度低，而且空隙中留有空气气体，这些空气气体会使热电堆的热面与冷面之间产生热的对流、辐射，降低热电堆热面与冷面之间的温差AT，直接导致热电偶电动势的降低。例如，200910146005.4热电模块装置和用于其中的热交换器，申请号201010265900.0 一种发动机废气能量利用装置及应用该装置的汽车，201210227154.5汽车尾气管温差发电装置，201110363273.9新一代不耗发动机动力的汽车发电机。
实用新型内容
[0003]温差余热发电与制冷装置的核心部件是热电堆，为了克服目前热电堆与温差余热发电制冷装置的以上缺点，本实用新型提出一种集成度高、结构简单、制造成本低的热电堆，同时提出一种利用该热电堆作为发电与制冷的核心部件构成的高效汽车尾气余热发电制冷装置。
[0004]目前的热电堆中，排成行、列矩阵布局的系列热电偶元件通过导体并联或串联，热电堆的发电总功率为所有热电偶的发电功率之和。热电堆中的热电偶由P型热电偶臂与N型热电偶臂组成，采用焊接方法进行连接，工艺复杂、合格率低、成本高。为了隔热与绝缘，行、列矩阵排列的热电偶元件之间、热电偶臂之间必须留有足够的空隙，由于热电偶臂尺寸本身较小，一般空隙尺寸会占元件尺寸的80%-120%，以较小的80%计算，其浪费比例为:(1+80%)X(1+80%) - 1=224%,可见在热电堆中超过元件自身所占面积近两倍的布局空间作为空隙被浪费了，空间浪费巨大。同时，热电偶元件之间、热电偶臂之间的空隙不仅浪费热电堆的空间，而且空隙中留有空气介质，这些空气气体介质会使热电堆的热面与冷面之间产生热的对流、辐射，降低热面与冷面之间的温差AT，直接导致热电偶产生的电动势降低，因为每个热电偶产生的电动势是冷热面温差AT与塞贝克(Seeback)系数σ之乘积。在实际使用环境中，热电堆冷、热两面温差大，温度变化大，由此产生的热应力容易引起陶瓷材料的冷、热面变形或甚至破裂，也经常引起焊点脱落，严重影响产品的可靠性并缩短产品的使用寿命。
[0005]本实用新型热电堆的技术方案是:在热电堆中，成型为长方体柱状的P型热电偶臂与N型热电偶臂交错排列，所有热电偶臂之间紧贴放置绝热绝缘薄膜材料隔离，绝热绝缘薄膜厚度可以做到小于热电偶臂宽度的5%，整过热电堆的空间浪费可以做到小于5%，节省了空间。热电偶臂之间紧贴放置的绝热绝缘薄膜材料还排除了空气介质，因此消除了空气气体的对流、辐射引起的冷热面之间温差下降的弊端，提高了热电转换率。为了解决热应力容易导致热电堆的冷、热面变形、破裂与热电偶臂之间焊点脱落，严重影响产品的可靠性与使用寿命的问题，热电偶臂之间的电连接通过放置柔性导热导电材料于热电偶臂上、下底面与壳体的上下底面内侧之间，缓冲了热应力并消除它对产品的不良影响。同时，热电偶臂之间紧贴放置的柔性绝热绝缘薄膜材料，也可以进一步缓冲热应力并消除其不良影响。
[0006]在本实用新型的热电堆中，热电偶臂从列方向看，是一整条的长发体柱，按列依序排列，没有行空隙。切割成长方体柱状的热电偶按列依序排放，可以看成为把传统热电堆中同一列的多个热电偶合并为一个热电偶，也相当于把这同一列的多个热电偶在电路上进行了并联，这样不仅去除了同一列的多个热电偶之间的空隙，而且省去了同一列热电偶相互之间的焊接。
[0007]因此，本实用新型热电堆取得的有益技术效果为:1、大大提高了热电堆集成度，占元件2倍多的浪费空间降低到5%，集成度提高2倍以上，也即是在同样面积的热电堆中，本实用新型热电堆所发电或制冷的功率超过传统热电堆的3倍以上；2、省掉热电偶臂之间的焊接工序，制作过程简便，成本低廉；3、适应温差变化大，抗热应力能力强，产品可靠性高、寿命长；4、由于集成度高，热电转换能力包括热电发电与热电制冷的能力强，易于在汽车尾气余热发电制冷等要求热电转换功率大的应用场合推广使用，能够产生较好的经济效益与社会效益。
[0008]一种高效汽车尾气余热发电制冷装置
[0009]目前，汽车的机械动力转换效率仅30%左右，燃油中有多达70%左右的能量没有被有效利用，其中发动机尾气所带走的热量占燃料燃烧热量的40%左右，用于冷却的热量占30%左右，这些能量绝大部分以余热的形式散失到空气中，造成了巨大的能源浪费和严重的环境污染。近年来，利用热电转换技术将大量废热回收转为电能的研究得到欧、美、日等国的重视，并在汽车尾气余热发电的应用中取得了一些成果。目前的汽车尾气余热温差发电装置普遍存在转换效率低、转换功率小的问题，还存在成本高、集成度低、所占空间大、可靠性低、寿命短、性价比低、投资回收期长等亟待解决的问题。
[0010]本实用新型的另一目的，是利用前面提出的高效热电堆分别作为发电机构与制冷机构的核心部件组成高效汽车尾气余热发电制冷装置，解决上面所述的热电转换技术在汽车尾气余热利用方面的问题。
[0011]其技术方案是:本实用新型的汽车尾气余热发电制冷装置利用本实用新型提出的热电堆作为核心部件，将汽车尾气余热转换为电能，再将获取的电能制冷，供给乘坐室内。它包含热电发电机构与热电制冷机构，热电发电机构通过导线将电能输出给热电制冷机构，热电发电机构包含有一到多个用于发电的发电热电堆，热电制冷机构包含有一到多个用于制冷的制冷热电堆。
[0012]具体地，在热电发电机构方面，发电热电堆的热面、冷面分别连接有集热器、散热器。相邻发电热电堆的热面相向将集热器紧夹于中间，以便两者共享一个集热器，达到有益技术效果:提高集成度、缩小装置空间、节省材料。同样地，相邻热电堆的冷面相向将散热器紧夹于中间以便两者共享一个散热器，达到同样的有益技术效果:提高集成度、缩小装置空间、节省材料。集热器通过集热热管与汽车尾气管相连，散热器通过散热热管与汽车冷却水箱相连，达到有益技术效果是:通过传热高效的热管提高尾气余热的收集效率与冷面的散热效率，建立稳定的、更大的发电热电堆冷热面的温差，输出稳定、足够的电能。
[0013]同样地，在热电制冷机构方面，采用类似的技术方案:制冷热电堆的热面、冷面分另Ij连接有散热器、集冷器，相邻制冷热电堆的热面相向将散热器紧夹于两者中间，相邻制冷热电堆的冷面相向将集冷器紧夹于两者中间，散热器通过散热热管与汽车车座室外的空间环境，集冷器通过冷气传送热管与汽车乘坐室内原空调系统的冷气出口相连。这样的热电制冷机构的好处是:集成度高、缩小装置空间、节省材料，制冷量大，通过传热高效的热管提高制冷量传递的效率，产生稳定的、更大的制冷热电堆冷、热面的温差，输出稳定、足够的冷量。
[0014]发电机构包含发电热电堆的数量与制冷机构包含的制冷热电堆的数量相等、--
对应，热电参数相近、内阻相近，每个发电热电堆通过导线将电能输出给对应的制冷热电堆。由于热电参数相近，内阻接近，可以保证发电输出功率接近最大值，使发电模块作为电池的内阻与制冷模块作为负载的内阻得到自然匹配。
[0015]所述整个汽车尾气余热发电制冷装置的有益技术效果是:发电功率大、制冷量大，集成度高、可靠性高、寿命长，适应尾气高温下长期稳定工作。这样在夏天开启空调时，空调系统不消耗发动机的机械动力，可以增强发动机的动力、减少油耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型的热电堆原理图。
[0017]图2是传统的热电堆内部元件平面布局图。
[0018]图3是本实用新型的发电机构原理图。
[0019]图4是本实用新型的制冷机构原理图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图与具体实施例进一步说明本实用新型。如图1所示，本实用新型热电堆的内部包含有多个电路串联相连接的热电偶，每个热电偶由P型热电偶臂I与N型热电偶臂2构成，并封装于壳体之中，P型热电偶臂I与N型热电偶臂2交错顺序排列，并通过在相邻侧面之间插入绝热绝缘薄膜材料4相连接，每对相邻的P型热电偶臂I与N型热电偶臂2的上底面通过导热导电电极材料5相连构成热电偶，各热电偶顺序通过其热电偶臂的下底面与导热导电电极材料5相连构成串联电路，首尾热电偶臂的下底面引出导体6;连接为一体的热电偶整体封装固定于壳体之中，壳体的上下面3为导热绝缘材料，壳体的四周侧面为绝热绝缘材料。绝热绝缘薄膜材料4选择为绝热绝缘性好、具有柔性特点的石棉材料。热导电薄膜电极材料5选择为导电导热性好、具有柔性特点的银丝网带。
[0021]下面结合附图与具体实施例进一步说明汽车尾气余热发电装置，本实用新型汽车尾气余热发电装置包含热电发电机构(图3)与热电制冷机构(图4)，热电发电机构通过导线将电能输出给热电制冷机构。如图3所示，热电发电机构包含3个用于发电的发电热电堆e5，发电热电堆e5的热面、冷面分别连接有集热器e2、散热器e4，相邻发电热电堆e5的热面相向将集热器e2紧夹于两者中间，相邻热电堆e5的冷面相向将散热器e4紧夹于两者中间，集热器e2通过集热热管el与汽车尾气管相连,散热器e4通过散热热管e3与汽车冷却水箱相连；
[0022]如图4所示，热电制冷机构包含有3个用于制冷的制冷热电堆c5，制冷热电堆c5的热面、冷面分别连接有散热器c2、集冷器c4，制冷热电堆c5的热面相向将散热器c2紧夹于两者中间，相邻制冷热电堆c5的冷面相向将集冷器c4紧夹于两者中间，散热器c2通过散热热管Cl与汽车座室外的空间环境连接，集冷器c4通过冷气传送热管c3与汽车乘坐室内原空调系统冷气出口相连。
[0023]发电机构的每个发电热电堆e5与制冷机构的制冷热电堆c5--对应，热电参数
相近、内阻相近，每个发电热电堆e5通过导线将电能输出给对应的制冷热电堆c5。由于热电参数相近，内阻接近，可以保证每个发电热电堆e5的输出功率接近最大值，使发电热电堆e5作为电池的 内阻与制冷热电堆c5作为用电负载的内阻得到自然匹配。
【权利要求】
1.一种热电堆，包含有多个相连接的热电偶，热电偶由P型热电偶臂与N型热电偶臂构成，并封装于壳体之中，其特征在于，P型热电偶臂(I)与N型热电偶臂(2)交错顺序排列，并通过在相邻侧面之间插入绝热绝缘薄膜材料(4)相连接，每对相邻的P型热电偶臂(I)与N型热电偶臂⑵的上底面通过导热导电电极材料(5)相连构成热电偶，各热电偶顺序通过其热电偶臂的下底面与导热导电电极材料(5)相连构成串联电路，首尾热电偶臂的下底面引出导体(6);连接为一体的热电偶系列整体封装固定于壳体之中，壳体的上下面(3)为导热绝缘材料，壳体的四周侧面为绝热绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的热电堆，其特征在于其绝热绝缘薄膜材料(4)为柔性材料。
3.根据权利要求1所述的热电堆，其特征在于其绝热绝缘薄膜材料(4)为石棉。
4.根据权利要求1所述的热电堆，其特征在于其导热导电薄膜电极材料(5)为柔性导热导电材料。
5.根据权利要求1所述的热电堆，其特征在于其导热导电薄膜电极材料(5)为石墨纸或铜丝网带或银丝网带。
6.一种使用权利要求1所述热电堆的汽车尾气余热发电制冷装置，包含热电发电机构与热电制冷机构，热电发电机构通过导线将电能输出给热电制冷机构，其特征在于，热电发电机构包含有一到多个用于发电的发电热电堆(e5),发电热电堆(e5)的热面、冷面分别连接有集热器(e2)、散热器(e4)，相邻发电热电堆(e5)的热面相向将集热器(e2)紧夹于两者中间，相邻热电堆(e5)的冷面相向将散热器(e4)紧夹于两者中间，集热器(e2)通过集热热管(el)与汽车尾气管相连，散热器(e4)通过散热热管(e3)与汽车冷却水箱相连；热电制冷机构包含有一到多个用于制冷的制冷热电堆(c5)，制冷热电堆(c5)的热面、冷面分别连接有散热器(c2)、集冷器(c4)，制冷热电堆(c5)的热面相向将散热器(c2)紧夹于两者中间，相邻制冷热电堆(c5)的冷面相向将集冷器(c4)紧夹于两者中间，散热器(c2)通过散热热管(Cl)与汽车车座室外的空间环境，集冷器(c4)通过冷气传送热管(c3)与汽车乘坐室内原空调机冷气出口相连。
7.根据权利要求6所述的汽车尾气余热发电制冷装置，其特征在于，发电机构包含发电热电堆(e5)的数量与制冷机构包含的制冷热电堆(c5)的数量相等、对应，热电参数相近、内阻相近，每个发电热电堆(e5)通过导线将电能输出给对应的制冷热电堆(c5)。
【文档编号】F25B21/04GK203787471SQ201320653141
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】张红碧, 许小燕, 曾东建 申请人:张红碧, 许小燕