专利名称：轻质高效热电式废热回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及与运转的内燃机所产生的热流体流结合的热电设备的使用。该热电设 备的高温侧与例如是热发动机排气流传热接触，而低温侧与环境空气传热接触，从而产生 电能。更具体地，本发明涉及使用轻质、高导热性的泡沫材料与热电设备的高温侧和/或低 温侧接触，以增加设备的电能输出。
背景技术：
改进的热管理在很多领域都是领先的科研项目。例如，汽车燃料中含有的约30% 的能量都作为内燃机排气中的热能而损失于环境。以电能的形式回收这种废热中的一部分 并用于汽车是有利的。这样的废热回收能够降低对汽车交流发电机的电力需求并提高了燃 料效率。许多宇航和电子方面的应用也一直在寻求改进的热管理。热电装置借助于温度梯度将热能转换成电能。这些装置没有运动的部件。所以， 针对高容量的相对较低的生产成本以及潜在的高可靠性，热电装置是经得起考验的。热电 装置可以用于回收基于内燃机的车辆的废热能量，从而例如用热的排气流来产生电力。为 了使通过热电材料的温度梯度最大化来最大化电力输出，在热电设备的热侧和冷侧处设置 高效的热交换器是重要的。因此，需要对热交换器材料和设计方案进行改进。
发明内容
一种热电模块可包含两个或多个电串联和热并联连接的由N型或P型掺杂半导体 材料形成的元件。这些热电元件以及它们的电互连部件通常安装于两个陶瓷基片之间。热 电元件安装成使一个多个接点在模块的高温侧处且一个或多个接点在模块的低温侧处。基 片将整个结构保持在一起并使各个元件相互电隔离并与外部安装表面电隔离。举例来说， 许多热电模块的尺寸范围是面积为2. 5到50mm2，高度为2. 5到5mm。通常，当模块在其热 接点和冷接点之间经受较大的温度差异时，其会产生较大的电输出。众多机动车辆中，用碳氢化合物燃料的内燃机产生热排气，其通过排气管排入大 气。热排气提供相对高的温度源，可以用在一个或多个热电设备的高温接点处。一组这样 的热电设备可以，例如，沿着排气管道定位且设备的高温侧与热流动气流热交换接触。类似 地，发动机通常利用在发动机内部循环的冷却液来进行冷却并由其加热。冷却剂随后循环 通过热交换器以将其热量释放至环境空气。虽然液态冷却剂比燃烧排气的温度低，但是冷 却剂仍然为一组热电装置的运行提供相对较高的温度源。在这两种情况下，环境空气可提 供插设的热电设备的低温侧。为了提高使用这样的高温源的热电系统的运行效率，需要提 高热电设备的热接点和冷接点处的热传递。这样的热电发电设备的组群或者组合可以连接成使电流串联流动和/或电流并联流动以将产生的电力传导至电池并存储，或传导至车辆 上或固定式发动机附近的电力消耗装置。本发明提供一种(i)具有非常高的导热性的轻质、开孔、泡沫材料和(ii) 一种热 电设备的结合，用以改善与车辆发动机相关的热流体流(和/或相对温度较低的环境空气 流)的利用。这种结合设想用于产生高的电输出以对车辆上的电气设备进行供能。在一种实施方式中，高导热性泡沫可以为碳泡沫，由石墨纤维形成的材料。这种碳 材料可以由浙青制成。石墨泡沫体或泡沫层被用来增强从热的发动机排气流或热的发动机 冷却剂流至热电设备的高温侧的传热。该泡沫体被设计用来提高高温侧的温度。在另一个 实施方式中，石墨泡沫体可以用来提高环境空气与热电设备低温侧之间的传热。另外，泡沫 体被设计用来降低热电设备低温侧的温度。从而，泡沫被用来增大热电设备的热侧和冷侧之间的温差，以提高设备的效率。泡 沫的高开孔允许，例如，至少一些排气流经过它以提高至热电设备的热侧的传热。并且同样 地，泡沫可以允许内部的环境空气流动以提高从热电设备和在其冷侧的低温的传热。密度低的泡沫允许设计出通向和来自热电设备的高效传热路径，而不会明显增加
车辆的重量。技术方案1 本发明提供一种利用流体流产生电能的车载热电车辆系统，该流体 体被加热至高于环境空气温度，并在来自为车辆提供动力的内燃机的加热流体流管道中流 动，该加热的流体流管道与车辆周边的环境空气处于热传递关系；该热电系统包括至少一个热电设备，其具有传导元件的至少一个高温接点和传导元件的至少一个 低温接点，用于在高温接点和低温接点经历温度差异时产生电势，该热电设备位于车辆上， 且其高温接点与所述加热的流体流管道处于热传递关系而其低温接点与环境空气处于热 传递关系；以及高传导性泡沫体，其与所述热电设备的高温接点和低温接点中的至少一个进行传 热接触，该泡沫体的形状和位置被设置成增大从加热的流体流至所述高温接点的热传递， 或者提高来自所述热电设备的低温接点的热传递。技术方案2 根据方案1所述的系统，其中所述高传导性泡沫体包括碳泡沫。技术方案3 根据方案2所述的系统，其中所述碳泡沫由浙青制成。技术方案4:根据方案1所述的系统，其中所述加热的流体流管道是排气管，且所 述加热的流体流是排气。技术方案5 根据方案4所述的系统，其中所述高传导性泡沫体位于所述排气管 内。技术方案6 根据方案4所述的系统，进一步包括围绕所述排气管的壳体以及第二 高传导性泡沫体，其中所述热电设备位于所述壳体的一侧而第二高传导性泡沫体位于所述 壳体的另一侧。技术方案7 根据方案6所述的系统，其中第二高传导性泡沫体包括碳泡沫。技术方案8 根据方案7所述的系统，其中所述碳泡沫由浙青形成。技术方案9 根据方案1所述的系统，其中所述加热的流体流管道是散热器管，且 所述加热的流体流是液态冷却剂。技术方案10 根据方案9所述的系统，进一步包括至少一个散热器翅片，且其中所述热电设备和所述高传导性泡沫体位于所述散热器翅片上。技术方案11 根据方案1所述的系统，其中所述热电设备包括热电材料。技术方案12 根据方案11所述的系统，其中所述热电材料包括下列中的至少 一种方钴矿、Bi2Te3基合金、Zn4Sb3、PbSeTe/PbTe量子点超晶格、Bi2Te3/Sb2Te3超晶格、 AgPb18SbTe20, PbTe基合金、SiGe基合金以及其它高效的热电材料。技术方案13 根据方案1所述的系统，其中所述高传导性泡沫体包括加热的流体 流或冷的流体流流过其的至少一个孔。技术方案14 本发明还提供一种方法，利用加热到高于环境空气温度的流体流在 车辆上产生电能，该方法包括提供至少一个热电设备，该热电设备具有传导元件的至少一个高温接点和传导元 件的至少一个低温接点，该热电设备位于车辆上，且其高温接点与加热的流体流管道处于 热传递关系而其低温接点定位成与环境空气处于热传递关系；使所述加热的流体流在来自为车辆提供动力的内燃机的加热流体流管道中流动， 所述加热的流体流管道与车辆周边的环境空气处于热传递关系；提供高传导性泡沫体，其与所述热电设备的高温接点和低温接点中的至少一个进 行传热接触，所述泡沫体的形状和位置被设置成增大从所述加热的流体流至所述热电设备 的高温接点的热传递，或者增大来自所述热电设备的低温接点的热传递；在所述高温接点和低温接点之间经历温度差时，利用所述热电设备从所述加热的 流体流捕获热能；以及将所述热能转化为电能。技术方案15 根据方案14所述的方法，其中所述加热的流体流管道是排气管，且 所述加热的流体流是排气。技术方案16 根据方案14所述的方法，其中所述加热的流体流管道是散热器管， 且所述加热的流体流是液态冷却剂。技术方案17 根据方案14所述的方法，其中所述高传导性泡沫体包括碳泡沫。技术方案18 根据方案17所述的方法，其中所述碳泡沫由浙青制成。本发明其它的目的和优点在本说明书接下来的具体实施方式
的描述中将变得更 加明显。
图1是采用p-n型传导路径的热电设备的图解说明。电势产生装置具有高温侧和 低温侧，以及连接于低温侧的外部电路。图2是根据本发明一个实施例的位于机动车辆发动机排气管道中的热电废热回 收系统的截面图。图示的系统包括源自内燃机的包含多孔泡沫的排气管，热排气流经过该 多孔泡沫。在热排气管道周围间隔布置着四个热电设备，且它们的高温侧与热排气管接触， 以及它们的低温侧与带有由多孔碳形成的附加圆柱体的外管接合，用于增强至流经排气管 的环境空气的导热性。图3是本发明另一实施例的热电废热回收系统。图示的是用于车辆发动机的排气 管的轴向截面图，图示出了多孔泡沫材料的不同的设计形状以及管道中热排气的流动。
图4是本发明还一实施例的热电废热回收系统。图示出了发动机冷却剂用的热交 换器中发动机冷却剂和空气流路径。在其低温侧具有多孔泡沫结构的热电设备结合在空气 通道中。
具体实施例方式一个实施例包括热电系统，其包括高传导性泡沫，用于将从燃烧发动机捕获的废 热能转变为电力。废热能可以从内燃机的排气或冷却剂中捕获。废热能可以包括在车辆的 内燃机已经执行其正常功能之后可获得的任何热能，例如，残留于排气中的热或传递至液 态冷却剂的热。图1示出了产生电势和直流电流的热电设备或模块10。该热电设备是不具有运动 部件的固定形态的设备，其能利用温度差产生电能而没有机械运动。该热电设备10包括高 温侧或热侧12以及低温侧或冷侧14。高温侧12与高温Th的热源相接触，并且可以部分地 由板或基片18限定。低温侧14与具有较低温度Tc < Th的散热器接触，并可以部分地由板 或基片20限定。板18和20可以由作为电绝缘体和导热体的陶瓷材料制成。在该实施例中，热电设备或模块10包括多个由互补的热电材料制成的元件，在图 1中总体以标号22来表示。一组热电元件是η(负)型半导体热电材料(在图1中标记为 N)，以及第二互补组的热电元件是ρ(正)型半导体热电材料(在图1中标记为P)。N型半 导体热电材料是通过添加具有比基础半导体材料(base semiconductor material)多一个 价电子的杂质而制成的，而P型半导体热电材料是通过添加具有比基础半导体材料少一个 价电子的杂质而制成的。热电设备10可以具有任意合适数量的N和P半导体热电元件，例 如可以具有数十或数百甚至更多对的N和P型半导体。如图1所示，热电元件以交替成对 的N和P元件布置。在图1所示的实施例中，相邻的成对的N和P热电元件在一侧彼此直接电连接，在 另一侧彼此通过另一对元件和电路而间接连接。电连接器30，可以是任何适合的电互连材 料，可以用来为任意两个相邻的热电N和P半导体之间提供电缆。电子通过电连接器30从 η型半导体热电元件N向邻近的ρ型半导体热电元件P移动。两个相邻的成对半导体N和 P串联电连接，即，一对中的P型半导体P直接与邻近的一对中的η型半导体N连接，或者反 之亦然。互补的成对的热电元件通过它们各自的高温侧12和低温侧14而处于热传递关 系。热侧12和冷侧14之间的温度梯度引起成对的热电元件中的电子离开热侧12而移向 冷侧14。电子通过在高温侧12吸收热能而跃迁至更高的能量级别。电子经过电连接器30 从每个成对的η型半导体N流向相邻的ρ型半导体P，下降至较低的能量级别并通过低温侧 14释放能量。因此，在每个热电模块中沿着从η型半导体N向ρ型半导体P的方向产生电 流。如图1所示，外部电路连接于低温侧14。电能产生通过增加热侧12和冷侧14之间的温度差，以及通过使用具有更高ZT值 的热电材料22而增加，其中ZT是热电优良指数。ZT是无量纲参数，它表征了转换效率(即 热能至电能)相对于材料特性的关系。ZT传统上定义为ZT = S2OT/k，其中S、σ、κ、 T分别是塞贝克系数、导电系数、导热系数以及绝对温度。ZT越大，热电材料的转换效率就 越高。高效的热电材料应当具有大的塞贝克系数，大的导电系数，以及小的导热系数。热电材料22可以是但不局限于例如方钴矿、Bi2Te3基合金、Zn4Sb3、PbSeTe/PbTe量子点超晶格、 8士21^3/51321^3超晶格、AgPb18SbTe2(1、PbTe基合金、SiGe基合金以及其它高效率热电材料。热 电材料22可以掺杂杂质以形成η型材料和可以掺杂杂质以形成ρ型材料。在一个实施例中，被传向热电材料以产生电力的热源是产生热废物 (heatedeffluent)的碳氢化合物内燃机(诸如柴油机、汽油机等)。热废物的一个实例是 加热的排气。热废物的另一个实例是散热器中的液态冷却剂。从而，热电设备10可用于冷 却排气流或液态冷却剂并将热能转变为电能。根据该实施例，可以通过使用高传导性泡沫材料(在图2-4中以附图标记38、39、 237、238、239和338示出)来增加热侧12和冷侧14之间的温度梯度。该泡沫用来增加热 电设备的热、冷侧之间的温差以增强设备的效能。在一个实施例中，高传导性泡沫材料可以 是碳泡沫，也可以称为石墨泡沫，例如美国专利No. 6033506和6037032中描述的。碳泡沫 可以由浙青来形成，例如浙青粉沫，浙青颗粒，或者浙青小球。这种碳泡沫有极高的热扩散系数和导热率。例如，室温下碳泡料的整体导热率范 围可以从50W/m*K到超过100W/m*K。据报道的最大整体导热率是175W/m · K。如果考 虑重量，碳泡沫材料的比导热率可以是铜的比导热率的四倍以上。碳泡沫在相同体积下与 铝合金具有相等的导热率，而碳泡沫的重量仅相当于铝合金的1/5。碳泡沫的腔壁(cell wall)由高度定向的石墨面(graphit印lane)或带(ligament)制成，与高性能的碳纤维相 似。室温下碳泡沫腔壁内的石墨带的导热率可能大于1700W/m · K。碳泡沫的多孔结构以及轻质特性使得可以形成直接热交换器。碳泡沫的开孔结构 使得比表面积大于4m2/g，这是典型的热交换器比表面积的100倍以上。碳泡沫的开孔尺寸 可以是大约50到300微米。碳泡沫还具有较小的密度，在0. 2至0. 7g/cm3。独特的材料特 性的结合还可以导致卓越的吸声和衰减声音性能(低噪音)。事实上，碳泡沫制成的带有翅 片的散热器效率可以达到同体积的铝制散热器效率的3倍以上，而重量仅为铝制散热器的 1/5 (每克的散热器的效率高5倍以上)。在空气中碳泡沫的最大工作温度为500°C。图2表示热电式热回收系统32的一个实施例，包括将车辆排气流中的热转换为电 力的热电设备110。图2是排气管的横截面图，该图示出了产生电力的热电设备的使用。该 热电设备110可以与图1中的热电设备10相似。为了简化附图，图2中未示出源自热电设 备110的电导线。但是这些电连接件在图1中有表示，指向储能装置，例如电池或电力消耗 设备。典型地，内燃机的排气从发动机排气歧管排出并进入排气管34。排出发动机的排 气流可具有500至650摄氏度的平均温度。排气管34可以包括催化转化器，至少一个消声 器，以及排气在该处排向大气的尾管。热电式热回收系统可以沿着排气管定位于催化转化 器和尾管之间。热电式热回收系统32将排气流中的热转化为电力。在一个实施例中，热电 式热回收系统可以沿排气管34延伸一到两英寸。热电式热回收系统32包括热电设备110，其位于并固定于排气管34和壳体或围管 36之间。在一个实施例中，围管36可以是不锈钢。在该实施例中，排气管34和围管36的 横截面呈圆形。排气管可以填充有多孔的石墨泡沫38。管的尺寸以及排气管34中泡沫38 的长度被设计成为允许合适流量的排气流而不产生额外的背压。碳泡沫38可包括通道41， 沿排气管34中碳泡沫38的长度延伸。排气流经高导热的泡沫和/或泡沫中的通道41，从而增大了排气管34内表面的温度。通道41可有助于维持期望的背压以及更好的热交换效 率。在不同的实施例中，通道41可以包括穿过厚度方向的图案，该图案可在碳泡沫块上由 通过机加工、雕刻、或切割的方式而形成。通道41可以具有任意合适的形状和尺寸。通道 41可以是，例如，截面是不同直径的圆形。或者通道41也可以是，例如，平行或者交叉的缝 或线路。任意合适数量的成对的半导体124(图2中示出了四对)可以沿着排气管34的外 表面定位。热电设备110的热侧112可以位于设备与排气管34相接触的地方。流过排气 管34和泡沫38的排气加热热电设备110的热侧112。冷侧114可位于设备110与围管36 相接触的地方。流动经过围管36外侧的空气冷却冷侧114。对热侧112的加热以及对冷侧 114的冷却在热电式热回收系统32中形成了温度梯度或差异。响应于该温度梯度，热电式 热回收系统32产生电力。生成的电力的量随着来自发动机的排气流和热电设备110中所 采用的热电材料122的类型而变化。高传导性泡沫材料可以为泡沫体或层的形式，并且可以用作热电系统32的热侧 和/或冷侧上的热交换器。排气管34中的泡沫材料38被用来提高从热流至热电设备10 的高温侧12的热传递。泡沫材料38增大高温侧12的温度。在另外一个实施例中，类似的 泡沫材料39可以被用来提高冷流体，例如环境空气，和热电设备10的低温侧14之间的导 热性能。在图2中，围管36上的圆柱形层状泡沫材料39降低了热电设备110的低温侧114 的温度。环境空气流入或通过泡沫外壳层39。图3表示了热电式热回收系统232的另一个实施例，该热电式热回收系统包括将 车辆排气流中的热转化为电能的热电设备210。热电设备210可以与图1中的热电设备10 相类似。图3示出了车辆排气管道234的轴向截面。在一个实施例中，排气管道234可以 是不锈钢的。热电式热回收系统232的多孔泡沫设计形状以及热排气在管道中的流动与图 2的系统32不同。流经排气管234的排气加热热电设备210的热侧212。流经围管236外 部的空气冷却热电设备210的冷侧214。在所示的实施例中，沿着排气管道234的轴向截面 在热侧212和冷侧214上都设置有许多热电设备210。在不同的实施例中，在图3中所示的 轴向横截面的上游或者下游，也可以设置沿着排气管道234长度定位的多个热电设备210。 在一个实施例中，多孔泡沫，例如石墨泡沫，不为填充圆柱体的形状。在这里，图示的排气管 道部分包括大体上中空的石墨管238，该石墨管具有从管壁径向向内延伸的内部翅片237。 石墨泡沫部分239也可以位于围管236之上。在本实施例中，排气可以垂直于截面区域流 动。排气也可以通过翅片237和管壁的孔流动以增大外壁的温度。众多成对的半导体224 被设置并固定成使它们的高温接点压靠管壁的外表面。参照附图4，在另一个实施例中，热电式废热回收系统332从散热器(热交换 器)46的液态冷却剂流44中回收热。图4中只示出了散热器46及其流体通道的一段。热 电设备310与液态冷却剂44处于热交换关系。热电设备310可以与图1中示出的热电设 备10相类似。在一个实施例中，液态冷却剂可为约10(TC。散热器46包括管48和热翅片 或薄片50。热翅片50可以在管48之间以锯齿形延伸。液态冷却剂44流过管48，例如铝 管。管48可以水平或垂直定向。热通过管48从液态冷却剂44向热翅片50传递。在一个 实施例中，热翅片50为铝。空气流经热翅片50并被其加热，然后空气排出车辆。至少一个 风扇可位于散热器46的一侧以使空气流经热翅片50。热翅片50增加了可用于热传递的表面积。如图4所述，许多小的热电设备310附接于热翅片50。空气在泡沫材料338的孔 周围并穿过孔流动。成对的半导体326可附接于每个翅片50或者附接于适当数量的翅片 50。每个热电设备310的热侧318固定于热交换器的被加热的翅片表面，且冷侧320暴露 于流经热翅片50的空气。泡沫材料338被设计用来降低冷侧320的温度。由热电式热回收系统32、232或332所产生的电力可以储存于储能装置中。在一 个实施例中，热电式热回收系统32、232或332可以电连接至热电能控制系统，该热电能控 制系统控制从系统32、232或332至电力控制器件的电力流动。一种储能装置，例如电池或 电容器，可以电连接至电力控制器件以储存由热电式热回收系统32、232或332所产生的电 力。该电力随后可以用于车辆。应当进一步理解的是，本发明包括回收从任意车辆应用释放的热的热电式热回收 系统32、232或332。术语“车辆”包括用于运输人或物的所有装置和结构，包括汽车、轿车、 卡车、巴士、摩托车、铁路机车、轮船、飞机、宇航设备等等。虽然本发明的应用以特定实施例来描述，但本发明的范围并不局限于这些实施 例。
权利要求
一种利用流体流产生电能的车载热电车辆系统，该流体流被加热至高于环境空气温度并在来自为所述车辆提供动力的内燃机的加热流体流管道中流动，该加热流体流管道与车辆周围的环境空气处于热传递关系；该热电系统包括至少一个热电设备，其具有传导元件的至少一个高温接点和传导元件的至少一个低温接点，用于在所述高温接点和低温接点经历温度差异时产生电势，该热电设备位于所述车辆上，且其高温接点与所述加热流体流管道处于热传递关系而其低温接点定位成与环境空气处于热传递关系；以及高传导性泡沫体，其与所述热电设备的高温接点和低温接点中的至少一个热传递接触，该泡沫体被成形并定位成增大从所述加热流体流至所述热电设备的高温接点的热传递，或者增大来自所述热电设备的低温接点的热传递。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述高传导性泡沫体包括碳泡沫。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述碳泡沫由浙青制成。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述加热流体流管道是排气管，且所述加热流体流 是排气。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述高传导性泡沫体定位于所述排气管内。
6.如权利要求4所述的系统，进一步包括围绕所述排气管的壳体以及第二高传导性泡 沫体，其中所述热电设备位于所述壳体的一侧而第二高传导性泡沫体位于所述壳体的另一 侧。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述第二高传导性泡沫体包括碳泡沫。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述碳泡沫由浙青形成。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述加热流体流管路是散热器管，且所述加热流体 流是液态冷却剂。
10.一种利用被加热到高于环境空气温度的流体流在车辆上产生电能的方法，该方法 包括提供至少一个热电设备，该热电设备具有传导元件的至少一个高温接点和传导元件的 至少一个低温接点，该热电设备位于所述车辆上，且其高温接点与加热流体流管道处于热 传递关系而其低温接点定位成与环境空气处于热传递关系；使所述加热流体流在来自为所述车辆提供动力的内燃机的加热流体流管道中流动，所 述加热流体流管道与车辆周围的环境空气处于热传递关系；提供高传导性泡沫体，其与所述热电设备的高温接点和低温接点中的至少一个热传递 接触，所述泡沫体被成形并定位成增大从所述加热流体流至所述热电设备的高温接点的热 传递，或者增大来自所述热电设备的低温接点的热传递；当所述高温接点和低温接点经历温度差时，利用所述热电设备从所述加热流体流捕获 热能；以及将所述热能转化为电能。
全文摘要
本发明涉及轻质高效热电式废热回收系统，提供的一种实施方式包括车载热电车辆系统，用于利用加热流体流产生电能，该热电系统包括具有高温和低温接点的至少一个热电设备，以及高传导性泡沫体，该泡沫体的形状和位置被设置成增大从加热流体流至热电设备的高温接点的热传递，或者增大来自热电设备的低温接点的热传递。
文档编号F01N5/02GK101900021SQ20101013561
公开日2010年12月1日 申请日期2010年1月25日 优先权日2009年1月23日
发明者H·王, J·W·克莱特, J·杨 申请人:通用汽车环球科技运作公司;Ut-巴特勒有限公司