一种基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置的制作方法

本发明涉及余热发电装置，尤其是涉及一种基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置。

背景技术：

燃料燃烧所放出的能量被内燃机转换成机械能的部分只占全部能量的三分之一左右，大部分被汽车废气所带走被释放到大气中。一方面大量温室气体的排放造成了环境的污染，另一方面大量热量不经利用就排放造成了能源的浪费。如果能够充分利用汽车废热，将其部分转化为电能或汽车动能，既提高了能源利用率，降低汽车能耗，增加了汽车的运行里程，又减少了石油消耗量，降低温室气体排放，对环境、经济、能源安全都有着重要的意义。

然而，由于汽车尾气余热的低品位以及汽车本身特殊性，导致现在的汽车尾气余热回收装置大都处在实验室阶段，有着各自的缺点，很难实际投入使用：半导体温差发电热效率低，长期运行可靠性差；废弃涡轮增压对汽车尾气排放有着巨大影响；朗肯循环结构复杂，尺寸巨大；斯特林发电机加工精度要求高，装配困难，运动复杂。

脉管发电机是脉管制冷机的一种逆循环，其运动部件都在室温，因此具有很高的可靠性，同时具有热效率高，造价较低的特点。如果脉管发电机能改造成汽车尾气余热回收装置，使其可以用汽车尾气余热发电，将会节约大量的能源。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在减少汽车热污染的同时回收热能再次为汽车提供动力，实现汽车内部节能减排的正向循环，在高温端无运动部件，无高精度配合要求，机械加工难度低，提高系统可靠性和加工制造的可行性的基于脉管发电机的汽车尾气余热回收装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置，包括脉管发电机和整流系统，其中脉管发电机一端置于汽车尾气管道内，另一端连接整流系统，通过脉管发电机捕捉汽车尾气的热量做功产生电能，再通过整流系统将所得电能储存在蓄电池内。

进一步地，所述的脉管发电机包括带功回收能力的膨胀机、脉管发电机热头和热交换系统；所述的膨胀机包括顶部带功回收腔的膨胀机气缸，以及膨胀机气缸内同轴布置的至少一组膨胀活塞和功回收活塞，膨胀活塞与功回收活塞之间形成膨胀机膨胀腔、功回收活塞与气缸构成的背腔形成膨胀机功回收腔；所述的膨胀机中功回收活塞与膨胀活塞运动的相位差，使脉管发电机热头可通过热交换系统回收汽车尾气中的热量，在室温端放热，并在膨胀机膨胀腔内膨胀做功，产生电能，膨胀机功回收腔回收脉管室温端气体膨胀传递的部分膨胀功。

进一步地，所述的膨胀机还包括一组或多组直线电机，其中直线电机为一组时，与前述一组膨胀活塞和功回收活塞构成单头结构的膨胀机。所述直线电机为可以常规市售的直线电机，包括动磁式、动圈式或动铁式直线电机，线圈切割磁感线，产生感应电流等。如某种动磁式直线电机，包含磁铁、线圈和内铁芯、外铁芯，直线电机中膨胀活塞可以与磁铁共同运动，使线圈切割磁感线，产生感应电流，向汽车蓄电池充电。

进一步地，所述的直线电机设有两组，各直线电机分别连接一组膨胀活塞和功回收活塞，两组结构共用一个气缸，形成一个膨胀机功回收腔，两个膨胀机膨胀腔，构成双头结构的膨胀机进一步地，所述的膨胀机还包括柔性弹簧，该柔性弹簧包括膨胀活塞弹簧和功回收活塞弹簧，其中，膨胀活塞弹簧支承膨胀活塞，功回收活塞弹簧支承功回收活塞。

进一步地，所述的脉管发电机热头包括顺次连接的脉管室温端连接管、脉管室温端气体均匀器、脉管、热头高温端换热器、回热器、热头室温端换热器、以及回热器室温端连接管；其中，回热器室温端连接管连接膨胀机膨胀腔与回热器的室温端，脉管室温端连接管连接膨胀机功回收腔与脉管的室温端。

进一步地，所述的热交换系统包括高温端热交换系统和室温端热交换系统；高温端热交换系统连接热头高温端换热器及汽车排气总管，室温端热交换系统连接热头室温端换热器与冷却介质。

进一步地，所述的高温端热交换系统为翅片结构，或者为一根或多根高温热管构成的热管吸热结构。翅片结构为采用直肋结构的高温端翅片换热器，以耐高温紫铜或碳化硅作为主要材料，高温端翅片换热器与热头高温换热器顶面连接，共同伸入汽车排气总管内，通过管内气体受迫流动完成高温换热器向汽车尾气的吸热过程；热管吸热结构为采用一根或多根高温热管，所述的高温热管蒸发段缠绕于汽车排气总管，与管壁热接触，高温热管冷凝段与热头热头高温换热器铆接，通过高温热管内相变换热完成热头高温换热器与汽车尾气的热传导。

进一步地，所述的室温端热交换系统为翅片散热结构，或者水冷套管结构。翅片散热结构为采用环肋结构的室温端翅片换热器，翅片背面与热头室温换热器同轴过盈连接，翅片正面与空气对流换热。水冷套管结构为热头室温端换热器内侧与氦气工质接触换热，外接触面采用液体管路，并套以开有两个液体水嘴的水冷套，完成热头室温端换热器向冷却液体的放热过程。

进一步地，所述的汽车尾气余热回收充电装置与汽车排气管相对位置任意。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)在油电混合动力汽车中，具备实用价值。直接利用汽车尾气低品位热能，转化为电能为汽车充电，在减少汽车热污染的同时回收热能再次为汽车提供动力，实现汽车内部节能减排的正向循环。

(2)区别于常用的废热回收方式，本发明采用带功回收能力的膨胀机、脉管发电机热头、热交换系统完成热能向电能的转换，在高温端无运动部件，无高精度配合要求，机械加工难度低，提高系统可靠性和加工制造的可行性。

附图说明

图1为实施例1基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置的结构示意图；

图2为实施例2基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置的结构示意图；

图3为实施例3基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置的结构示意图；

图4为实施例4基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置的结构示意图；

图中标号所示：双头膨胀机0、膨胀机1、膨胀机膨胀腔101、膨胀机功回收腔102、膨胀活塞11、功回收活塞15、膨胀机气缸12、柔性弹簧16、直线电机14、膨胀活塞弹簧161、功回收弹簧162、磁铁142、线圈143、内铁芯144、外铁芯145、脉管发电机热头2、脉管室温端连接管21、脉管室温端气体均匀器22、脉管23、热头高温端换热器24、回热器25、热头室温端换热器26、回热器室温端连接管27、热交换系统3、高温端热交换系统31、室温端热交换系统32、高温端翅片换热器311、室温端翅片换热器321、高温热管312、水冷套322、液体管路323、汽车排气总管313、整流系统4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置，如图1所示，包含单个带功回收能力的膨胀机1、脉管发电机热头2、热交换系统3、整流系统4。

膨胀机气缸12内的膨胀活塞11与功回收活塞15之间形成膨胀机膨胀腔101、气缸12与功回收活塞15构成的背腔形成膨胀机功回收腔102；

脉管发电机热头2由脉管室温端连接管21、脉管室温端气体均匀器22、脉管23、热头高温端换热器24、回热器25、热头室温端换热器26以及回热器室温端连接管27顺次连接而成；

回热器室温端连接管27连接膨胀机膨胀腔101与回热器室温端，脉管室温端连接管21连接膨胀机功回收腔102与脉管室温端；热交换系统3包括高温端热交换系统31和室温端热交换系统32；

高温端热交换系统31连接热头高温端换热器24及汽车排气管313，实现从汽车尾气吸热过程，室温端热交换系统32连接热头室温端换热器26与冷却介质，实现室温端的冷却放热，完成功从高温端输入，向室温端输出过程，带功回收能力的膨胀机1中膨胀活塞11与功回收活塞15之间形成的一定动相位差使膨胀机对外做功，产生电能，连接技术成熟的整流系统4向汽车蓄电池充电。

膨胀机1包含膨胀活塞11、功回收活塞15、膨胀机气缸12、柔性弹簧16和直线电机14。膨胀活塞11和功回收活塞15同轴布置，膨胀活塞11、功回收活塞15在膨胀机气缸12内往复运动，膨胀活塞11、功回收活塞15与膨胀机气缸12之间的空间构成膨胀机膨胀腔101，功回收活塞15与膨胀机气缸12之间的空间构成膨胀机功回收腔102；

柔性弹簧16包含膨胀活塞弹簧161和功回收活塞弹簧162，膨胀活塞弹簧161支承膨胀活塞11，功回收活塞弹簧162支承功回收活塞15；

直线电机14包含磁铁142、线圈143和内铁芯144、外铁芯145，直线电机14为动磁式；磁铁142通过磁铁支撑或线圈支撑与膨胀活塞11共同运动，线圈143切割磁感线，产生感应电流。

通过调节膨胀活塞11和功回收活塞15的固有频率，可以调节膨胀活塞11和功回收活塞15之间的相位角，使得膨胀活塞11和功回收活塞15保持一个相位差，该相位差使功从脉管23的热端向冷端输入，使热头高温端换热器24吸热，热头室温端换热器26放热，膨胀机膨胀对外做功，并由活塞的往复运动实现工作介质在发电机中循环往复。

高温端热交换系统31包含高温端翅片换热器311，高温端翅片换热器311采用直肋设计，用耐高温紫铜作为主要材料，高温端翅片换热器311与热头高温换热器24顶面连接，共同伸入汽车排气总管内，通过管内气体受迫流动完成热头高温换热器24向汽车尾气的吸热过程；

室温端热交换系统32包含室温端翅片换热器321，室温端翅片换热器321采用环肋设计，翅片背面与热头室温换热器26同轴过盈连接，翅片正面与空气对流换热。

工作时，从汽车尾气吸收的热量通过高温端热交换系统31、脉管23和脉管室温端连接管21传递到膨胀机功回收腔102，使之膨胀，与功回收活塞弹簧162配合使功回收活塞15在带功回收活塞的膨胀机1内完成简谐振动，同时膨胀机膨胀腔内101的热量通过回热器室温端连接管27传递到室温端热交换系统32被冷却，使得膨胀机膨胀腔收缩101，与膨胀活塞弹簧161配合，使膨胀活塞11做简谐振动，最终导致膨胀活塞11与功回收活塞15之间形成的一定动相位差使带功回收能力的膨胀机1对外做功，并使线圈143切割磁感线，产生感应电流，再通过整流系统4向汽车蓄电池充电。

实施例2

一种基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置，与实施例1的不同在于，带功回收能力的膨胀机1由一个变为两个，为双头对称式膨胀机0，如图2所示，对称布置两台直线电机14，两个膨胀活塞11及两个功回收活塞15，两个膨胀机对置共用一个膨胀机气缸12，两组膨胀活塞11与功回收活塞15之间各形成两个膨胀机膨胀腔101，两个功回收活塞的功背腔连接，形成一个膨胀机功回收腔102。回热器室温端27连接管连接两个膨胀机膨胀腔101与回热器室温端，脉管室温端连接管21连接膨胀机功回收腔102与脉管室温端。

实施例3

一种基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置，如图3所示，与实施例1的不同在于，高温端热交换系统31采用一根或多根高温热管312，所述的高温热管312蒸发段缠绕于汽车排气总管313，与管壁热接触，高温热管312冷凝段与热头热头高温换热器24铆接，通过高温热管312内相变换热完成热头高温换热器24与汽车尾气的热传导。本实施例中采用的直线电机14为动磁式，包含磁铁142、线圈143和内铁芯144、外铁芯145；磁铁142与膨胀活塞11共同运动，使线圈143切割磁感线，产生感应电流。

实施例4

一种基于脉管发电机的汽车尾气余热回收充电装置，如图4所示，与实施例1的不同在于，室温端热交换系统32采用液体介质对进行冷却，热头室温端换热器26内侧与氦气工质接触换热，外接触面采用液体管路323，并套以开有两个液体水嘴的水冷套322，完成热头室温端换热器26向冷却液体的放热过程。高温端翅片换热器311采用直肋设计，用耐高温碳化硅作为主要材料。

以上实施例仅用于说明本发明技术方案，并非是对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做的改变、替代、修饰、简化均为等效的变换，都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。