专利名称：废热发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将排气的热能转换成电能的废热发电装置。
背景技术：
废热发电装置已经被研制出来以通过将排气的热能转换成电能，而从由发动机排出的排气中收集能量。在废热发电装置中，热电转换模块放在排气流过的排气管(高温侧)和冷却单元(低温侧)之间。热电转换模块的每个热电元件都根据高温侧和低温侧之间的温差在发电中起作用(相关技术JP-A-11-36981；图3到5)。可以通过升高高温侧的温度以便增大高温侧和低温侧之间的温差来改善热电转换模块的热电转换效率，这可能需要改善高温侧和低温侧各自的元件的热传导以及改善热电转换模块和排气管/冷却单元之间的热传导，排气管/冷却单元分别在合适的表面压力下与热电转换模块接触。
由于废热发电装置在高温侧中的温度能增加到800°，所以在其纵向、宽度和厚度方向上的尺寸的每个热膨胀都根据温度增加而变大。而由于低温侧的温度最高能增加到100°，所以在各个方向上的尺寸的每个热膨胀变小。结果，热电转换模块的高温侧和低温侧之间出现了尺寸差，导致变形。这可能引起热电转换模块和排气管/冷却部分之间的位移，或热电元件的变形。热电元件的严重变形可能引起废热发电装置的破坏。由于热电转换模块和排气管/冷却单元之间的表面接触受热膨胀的干扰，所以其间的热传导变坏，降低了热电转换效率。尤其是，通常采用的废热发电装置的外管由单个元件形成，排气管和冷却单元都连接到该外管。上面形成的外管几乎不被允许吸收前述变形。结果，变形遍布到装置上。如果冷却单元由具有高刚性的水冷系统形成，则可能更难以吸收由于低的弹簧常数的变形。
传统上，排气管和冷却单元连接于其上的废热发电装置的外管由表现出低热膨胀率的材料形成，如不锈钢，以便减小热变形。不锈钢表现出低导热性，因而，表现出高热阻，结果，热能在其传递到热电转换模块之前，就在经过高温侧和低温侧的元件的过程中损失了，这可能使热电转换效率变差。
发明内容
本发明的目标是提供一种具有优良热电转换效率的废热发电装置。
废热发电装置包括将排气的热能转换成电能的热电转换单元，热交换单元，其设置在热电转换单元的一个表面上以传导流过排气管的排气的热能，和冷却单元，其设置在热电转换单元的另一个表面上以冷却热电转换单元。将冷却单元的刚性设定成热电转换单元、热交换单元和冷却单元中刚性最高的。
废热发电装置包括一个系统，其中热电转换单元放在热交换单元和冷却单元之间以便传递热能，热交换单元传导流过排气管的排气的热能。在前述系统中，冷却单元具有最高刚性，这使得在热能在其中传递的系统中，能允许冷却单元向热电转换单元施加合适的表面压力。即，可以使得冷却单元和热电转换单元之间的表面接触均匀，导致能改善表面接触。这可以改善向热电转换单元的热能传递，并进一步改善热电转换效率。
在废热发电装置中，热交换单元包括用来传导废气热能的热交换片和一个基部，该基部具有一个其上放置有热交换单元的表面和另一个其上放置有热电转换单元的表面。排气管包括一个主体，其形成排气道的框架，基部连接到排气道，且热交换片设置在其中。基部的刚性设定成在包括排气管和热交换单元的排气道中刚性的最高值。
在废热发电装置中，热交换单元包括热交换片和基部，热电转换单元放置在基部上，排气管包括构成排气道的框架的主体。在废热发电装置中，热交换单元的基部连接到排气管的主体以便形成排气道，基部具有在排气道的其它元件的刚性中的最高刚性。这可以允许热交换单元向热电转换单元施加合适的表面压力，即，可以使得热交换单元和热电转换单元之间的表面接触均匀，导致能改善表面接触。这可以改善向热电转换单元的热能传递，并进一步改善热电转换效率。
在废热发电装置中，排气管的主体由热膨胀率比热交换单元的热膨胀率低的材料形成。
在废热发电装置中，排除在热能在其中传递的系统之外的排气管的主体由热膨胀率比热交换单元的热膨胀率低的材料形成，例如，不锈钢等等。因而，排气管的主体在排气的热量下不太可能膨胀，结果，能抑制废热发电装置在总体上的变形。热能在其中传递的系统如热交换单元和冷却单元可以由一种材料形成，该材料表现出较高的热膨胀率，例如铝，和表现出高导热性。这可以减小系统中的热阻，从而改善热电转换效率。
在废热发电装置中，排气管的主体设置在废热发电装置的中央，热电转换单元设置在热交换单元的外周上，热交换单元连接到排气管的主体，冷却单元设置在热电转换单元的外周上。废热发电装置还包括设置在冷却单元外侧上的弹性件，且形成一个用来固定热电转换单元的弹性系统，其中通过弹性件将压力在外部施加到冷却单元。
在废热发电装置中，排气管的主体位于装置的中央，热电转换单元放在热交换单元和冷却单元之间，排气管的主体连接到热交换单元。该装置包括弹性系统，其中弹性件用来在外部压挤冷却单元以便将热电转换单元固定在热交换单元和冷却单元之间。弹性系统用来以较低的弹簧常数压挤热交换单元和冷却单元之间的热电转换单元，并通过允许热交换单元和冷却单元将合适的表面压力施加到热电转换单元来进一步压挤热电转换单元。这使得能以较低弹簧常数吸收热电转换模块的高温侧(热交换单元)和低温侧(冷却单元)之间的变形。
在废热发电装置中，热电转换单元包括由多个热电元件形成的模块，基于该模块构造弹性系统的单元。
在废热发电装置中，热电转换单元主要由具有多个热电元件的模块形成，这样，弹性系统的单个单元基于热电转换单元的模块而形成，因而，废热发电装置包括由多个弹性系统的单元形成的弹性系统，所述弹性系统的单元沿着排气管的主体的纵向和周向方向布置。即使在某个弹性系统中发生变形，也可以防止这种变形遍布到弹性系统的其它单元上，这是因为每个弹性系统都独立地提供。这样，在弹性系统的单元中发生的变形不会累积。
在废热发电装置中，弹性件包括弹簧和压挤件，它们处于彼此点接触和线接触中的一种情况中。
在废热发电装置中，即使弹性件压挤冷却单元的点由于受热变形而转移，也可以使得从弹性件施加到冷却件(从冷却单元到热电转换单元)的表面压力均匀。这是因为弹簧和压挤件处于点接触或线接触中。这使得能改善冷却单元和热电转换单元之间的表面接触。
在废热发电装置中，每个热交换单元和排气管的主体都具有变化的构形，以便热交换单元变形的方向与排气管的主体变形的方向相反。
在废热发电装置中，热交换单元变形的方向与排气管的主体变形的方向相反，两个相反的变形力可以抵消，从而抑制了排气道的变形。即使热交换片受热变形或膨胀，也可以抑制弹性系统或废热发电装置的变形。
图1是根据本发明一个实施例的废热发电装置的透视图；图2是如图1中所示的废热发电装置的前视图；图3是如图1中所示的废热发电装置在上游侧的侧视图；图4是沿图3中所示侧视图的线IV-IV获得的剖视图；图5是沿图2中所示侧视图的线V-V获得的剖视图；图6是沿图2中所示侧视图的线VI-VI获得的剖视图；图7A是如图5中所示的分开的排气管的主体的侧视图；图7B是一个平面图，表示分开的排气管在纵向方向上的一部分；图8A是图5中所示的冷却单元的盖子的平面图；图8B是沿图8A中所示平面图的线VIIIB-VIIIB获得的剖视图；图9A是图5中所示的冷却单元的主体的平面图；图9B是沿图9A中所示平面图的线IXB-IXB获得的剖视图；图9C是沿图9A中所示平面图的线IXC-IXC获得的剖视图；图10A是图5中所示的热交换件的前视图；图10B是图5中所示的热交换件的侧视图；图10C是图5中所示的热交换件的底视图；图11A是图5中所示的夹子的平面图；图11B是图5中所示的夹子的前视图；图12是图5中所示的板簧的平面图；图13A是图5中所示的压挤件的平面图；图13B是沿图13A中所示平面图的线XIIIB-XIIIB获得的剖视图；图14是透视图，表示位于排气歧管附近的废热发电装置。
具体实施例方式
将参考附图描述废热发电装置。
在该实施例中，根据本发明的废热发电装置安装在车辆上以便将从汽油发动机排出的排气的热能转换成电能。废热发电装置具有四部分类型(沿着外周分成4个部分)的排气管，沿着外周布置有4个废热发电单元，在纵向方向上布置4排废热发电单元，因而，废热发电装置总共包括16个废热发电单元。
将参考图1到6描述废热发电装置1的结构。图1是废热发电装置的透视图，图2是图1的废热发电装置的前视图，图3是废热发电装置在上游侧的侧视图，图4是沿图3中所示侧视图的线IV-IV获得的剖视图，图5是沿图2中所示前视图的线V-V获得的剖视图，图6是沿图2中所示前视图的线VI-VI获得的剖视图。
废热发电装置1设置在连接到汽油发动机(未示出)排气歧管的排气系统的任意位置，例如，废热发电装置可以设置在排气歧管附近、排气净化催化剂的上游侧、消声器的上游侧等等。废热发电装置1沿着排气管的外周是四部分类型的，且包括16个废热发电单元2，废热发电装置1沿着周向方向包括4个废热发电单元2(看图3)，沿着纵向方向包括4排废热发电单元2A到2D(看图2)。在废热发电装置1中，每个废热发电单元2都用来将排气的热能转换成电能，电能通过DC/DC转换器(未示出)充入电池(未示出)中。
在废热发电装置1中，连接到上游侧的排气管(未示出)的排气引入管3设置在上游侧的末端，连接到下游侧的排气管(未示出)的排气排出管4设置在下游侧的末端。有4个分开的排气管5，它们通过焊接在排气引入管3和排气排出管4之间彼此相连，那些分开的排气管5中的每一个都每隔90°地布置在废热发电装置1的中央(看图5)，分别形成4个分开的排气道CW各自的框架。在该实施例中，每个分开的排气管5都与排气管的主体对应。
将参考图7A和7B描述分开的排气管5。图7A是分开的排气管5的侧视图，图7B是一个平面图，表示分开的排气管5在纵向方向上的一部分。
分开的排气管5由具有薄板形的主要部分的不锈钢形成。参考图7A，分开的排气管5具有等腰梯形的形状，如侧视图所示，由长侧边5a和两个侧边5c确定的每个角是45°，每个侧边5c都连接在长侧边5a和短侧边5b的各个端部之间，与分开的排气管5的长侧边5a对应的外板5d设有4个布置在纵向方向上的开口5e。在图7A中，仅仅示出了两个开口5e。开口5e的形状大致为正方形，热交换件12的热交换片12b插入到其上，如图10中所示。外板5d具有形成于其中的螺栓孔5f，通过螺栓孔5f，沿着开口5e的外周用螺栓将热交换件12紧固。外板5d的厚度大于分开的排气管5的其它部分的厚度，螺栓孔5f具有阴螺纹。
每个分开的排气管5的侧板5g被焊接到相邻的分开的排气管的相应侧板5g，分开的排气管每个都相隔90°布置。然后，4个分开的排气管5沿着外周连接起来且形成大致正方形的形状，如侧视图所示(看图5)。每个分开的排气管5都设有4个热交换件12。通过闭合4个开口5e形成分开的排气道CW，4个分开的排气管5的每个内板5i的两端都通过焊接连接到上游侧的分离件6，和通过焊接连接到下游侧的接合件7(看图4)。分离件6形成得象四角棱锥的形状，其宽度越往上游去越小，以便来自排气引入管3的排气的流动被分离到4个分开的排气道CW中，接合件7形成得象四角棱锥的形状，其宽度越往下游去越小，以便每个流过4个分开的排气道CW的排气结合起来。
每个分开的排气管5都由热膨胀率比铝的热膨胀率低的不锈钢形成，与组成废热发电装置1的其它元件相比，其具有相对较低程度的热膨胀。由于分开的排气管5形成薄板状的等腰梯形形状，所以与用于废热发电装置1的其它元件(特别是热交换件12)相比，其具有较低的刚性，因而，分开的排气管5在侧板5g朝着短壁5i变形的方向上发生变形，如图7A的箭头所示。由于分开的排气管5的刚性小于冷却单元8的刚性，冷却单元8的热交换表面的形状的变形可以发生在它的变形之后。
废热发电单元2主要由热电转换模块13形成，组成单元2的各种元件基于热电转换模块13的尺寸形成。在废热发电单元2中，合适的压力(例如，14kg/cm2)从低温侧和高温侧施加在热电转换模块13上，废热发电单元2由弹性系统柔性地压挤，以便改善热电转换模块13的热电转换效率。然后，将每个废热发电单元2分别安装在分开的排气管5的开口5e中。在废热发电装置1中，4个废热发电单元2A、2B、2C、2D布置在上游侧和下游侧之间，以便能在上游侧或下游侧均匀地获得热电转换效率。废热发电单元2设有冷却单元8、热交换件12(12A、12B、12C、12D)、热电转换模块13和弹簧夹14，形成传递热能的系统和弹簧夹系统。在该实施例中，废热发电单元2可以与弹性系统对应，热交换件12可以与热交换单元对应，热电转换模块13可以与热电转换单元对应，弹簧夹14可以与弹性件对应。分开的排气管5和热交换件12可以组成排气道系统。
将参考8A到9C描述冷却单元8。图8A是冷却单元8的盖子的平面图，图8B是沿图8A中所示平面图的VIIIB-VIIIB获得的剖视图，图9A是冷却单元8的主体的平面图，图9B是沿图9A中所示平面图的IXB-IXB获得的剖视图，图9C是沿图9A中所示平面图的IXC-IXC获得的剖视图。
冷却单元8用来将合适的压力施加到热电转换模块13的低温端面，以便被固定和用水冷却，冷却单元8具有废热发电单元2的元件中的最高刚性(特别在传递热能的系统中)。冷却单元8充当一个基准，基于该基准，通过废热发电单元2(特别是弹簧夹系统)来固定热电转换模块13。冷却单元8设有冷却盖子9、主体10和冷却水管11。
冷却单元8的主体10的盖子9由铝形成。盖子9在宽度方向上的尺寸与主体10相同，盖子9包括厚板部9a，厚板部9a的尺寸在纵向方向上稍大于主体10。圆形底孔9b形成于厚板部9a的中央，以便接收将安装在其中的压挤件17。两个支承部9c设置在孔9b周围，每个支承部9c都用来从两侧支承板簧16和放置冷却水管11，支承部9c位于这样的位置上以便它们之间的距离稍大于板簧在纵向方向上的尺寸。支承部9c还这样布置，即它们的上表面稍低于板簧16的每个上表面。较靠近孔9d的支承部9c的构形沿着板簧16的端部形状形成，安装孔9d形成于各个支承部9c的外端侧中，以便各个冷却水管11安装在其中。还在支承部9c中形成冷却水孔9e，每个冷却水孔9e都分别与安装孔9d的下侧部连通。冷却水孔9e穿过盖子9的底部，以便与主体10的冷却部10a连通。四个孔9f形成在板部9a的每个角处，通过这四个孔9f用螺栓将主体10紧固。
参考图9A到9C，主体10形成为一个用盖子9封闭的盒子，盖子9由铝制成。主体10具有盒状的形状，其厚度很大，且其尺寸在宽度和纵向方向上稍大于热电转换模块13。主体10的凹口部组成冷却部10a，冷却水流到冷却部10a中。冷却部10a设有用来使冷却水冷却的散热片10b，散热片10b的每个翼片都具有同样的高度，以便在被设置到主体10上时与盖子9的底部接触。主体10的底面是平的，以便与热电转换模块13的低温端面紧密接触。四个底部螺栓孔10c形成于主体10的每个角中，通过底部螺栓孔10c用螺栓将盖子9紧固，每个螺栓孔10c都具有阴螺纹。
盖子9设定成通过紧固4个螺栓(未示出)来固定到主体10上，2个冷却水管11通过焊接连接到盖子9以形成冷却单元8。由于冷却单元8基于热电转换模块13的尺寸构造，所以可以保持冷却单元8的面积减小。由于冷却单元8是具有很大厚度的盒状形状，所以其刚性在废热发电单元2的元件中是最高的。可以基于冷却单元8的刚性来固定热电转换模块13，结果，使得冷却单元8和热电转换模块13的低温端面之间的接触均匀，改善了它们之间的热接触，因而，可以进一步增强冷却单元8和热电转换模块13之间的热交换。
如图4中所示，废热发电装置1具有4个布置在纵向方向上的冷却单元8，最上游侧的冷却单元8上游的冷却水管11和最下游侧的冷却单元8下游的冷却水管11通过散热器软管(未示出)连接到散热器(未示出)，其它的冷却水管11在相邻的冷却单元8之间彼此相连。在每个冷却单元8中，已经用散热器冷却的冷却水通过冷却水管11和冷却水孔9e引入到冷却部10a中，然后，冷却水流过散热片10b的翼片以便被冷却，这可以将冷却水保持在较低温度。由于冷却单元8由铝形成，铝基本上表现出比不锈钢更低的导热性，所以可以减小所得的热阻。因而，冷却单元8能将热量传递到热电转换模块13，同时保持较低的温度。
将参考图10A到10C描述热交换件12。图10A、10B和10C分别是热交换件12的前视图、侧视图和底视图。
由铝制成的热交换件12主要由基部12a和热交换片12b形成。基部12a具有厚板状形状，在其中央处的台部12c的厚度稍大于外周部，热电转换模块13设置在台部12c上。台部12c的尺寸在宽度和纵向方向上稍大于热电转换模块13，台部12c的上表面具有一个平面，以使得其与热电转换模块13的高温端面紧密接触。基部12a的外周部形成凸缘部12d，其与分开的排气管5的外板5d接合，热交换件12连接到分开的排气管5。多个孔12e形成于凸缘部12d中，通过孔12e，用螺栓固定和紧固分开的排气管5。基部12a的面对热交换片12b的表面具有连接到其上的片基部12f，片基部12f具有合适尺寸以便与分开的排气管5的开口5e配合，连接到片基部12f的热交换片12b具有合适高度以便当将热交换件12连接到分开的排气管5时，热交换片12b的每个翼片都靠近侧板5g和内板5i但不与它们接触。因而，热交换片12b的全部翼片基本上形成等腰梯形形状，如图10A中所示。废热发电装置1包括4个布置在纵向方向上的热交换件12A到12D(看图4)，热交换件12的热交换片12b的翼片之间的间距如此设定，即越往下游，间距变得越小(看图5和6)。热交换件12越靠近上游，热交换片12b的翼片的数量就越多。
热交换件12A到12D中的每个都与在分开的排气管5中形成的开口5e配合，以便用螺栓20紧固。结果，如图4到6中所示地形成分开的排气道CW。由于热交换件12的基部12a基于热电转换模块13的尺寸构造，所以可以保持其面积减小。基部12a还具有厚板状形状，导致在分开的排气管5和热交换件12中的最高刚性，其中分开的排气管5和热交换件12组成分开的排气道CW。因而，使得基部12a和热电转换模块13的高温端面之间的接触均匀，从而改善它们之间的热接触。这使得能改善热交换件12和热电转换模块13之间的热传导。
根据在废热发电装置1的纵向方向上的位置，通过改变热交换片12b的翼片之间的间距来改变热交换片12b的表面积，以便应付当排气流向下游侧时的排气温度的降低(热能减少)。在热交换片12b更接近下游时，通过减小翼片之间的间距来增加热交换片12b的表面积。这可以允许与排气接触的面积增大，增加废热能的数量。前述结构使得能均衡在布置在废热发电装置1的纵向方向上的各个热交换件12A到12D中获得的吸收到的热能，并能使得在每个热交换件12A到12D和对应的热电转换模块13之间的接触表面处的温度一致，例如为400℃。
热交换件12的基部12a具有很大的厚度和高刚性。热交换片12b的每个翼片的高度如此设定，即热交换片12b基本上形成等腰梯形的形状，结果，热交换件12在这样的方向上变形，即热交换片12b的每个翼片都朝着基部12a膨胀，如图10A中所示。
热电转换模块13包括多个热电元件(未示出)，例如由Bi2Te3形成的p型和n型半导体，它们电学上串联布置且热力上并联布置。热电转换模块13基本上具有正方形的形状，其面积小，具有彼此平行地水平布置的高温端面和低温端面。基于塞贝克效应利用两个端面之间的温差，热电转换模块13用来将热能转换成电能，以便从两个电极(未示出)输出电能。
将参考图11A到13B描述弹簧夹14。图11A和图11B表示夹子部的平面图和前视图，图12是板簧的平面图，图13A是压挤件的平面图，图13B是沿图13A中所示平面图的线XIIIB-XIIIB获得的剖视图。
弹簧夹14用来将预定压力从冷却单元8的外部施加到热电转换模块13，以便其被固定到冷却单元8和热交换件12之间。这时，弹簧夹14用来自多个板簧的弹力作为一个整体柔性地压挤废热发电单元2。四个弹簧夹14沿着废热发电装置1的外周固定到废热发电装置1以便其被紧固，因而，弹簧夹14包括夹子15、多个板簧16和压挤件17。施加到热电转换模块13上的预定压力如此设定，即施加到热电转换模块13和冷却单元8之间以及热电转换模块13和热交换件12之间的每个表面压力变成合适的值。
参考图11A和11B，由铁形成的夹子15包括存储部15a、连接部15b、固定部15c和侧板部15d。存储部15a、连接部15b和固定部15c全部由单个板形成，该单个板的两端上设有侧板15d。当在前方观察时，存储部15a具有凹口部，且如平面图所示，存储部15a基本上具有椭圆形的形状。与板簧16具有相同形状但尺寸稍小于板簧16的开口15e形成于存储部15a上。开口15e的外周用来压挤板簧16。孔15f形成于存储部15a的相对两端处，冷却单元8的冷却水管11与其配合。连接部15b用来将存储部15a连接到两端处的固定部15c。通过相对于连接部15b以直角弯曲组成夹子15的板的两端来形成固定部15c，以便固定部15c与夹子15的相邻底面接触。在固定部15c的每一个中都形成三个螺栓孔15g，螺栓穿过螺栓孔15g。当连接和固定4个夹子15时，它们基本上形成圆形形状，如剖视图所示，并覆盖废热发电装置1的最外部(看图5和6)。
参考图12，板簧16基本上具有椭圆形的形状，如平面图所示，其由铁形成。由于板簧16具有小的弹簧常数，所以弹簧夹14通过堆叠多个板簧16来产生弹力。
压挤件17由铁形成且具有半球形形状，以便与板簧16进行点接触。压挤件17的圆形底面的尺寸足以与在冷却单元8中形成的孔9b配合，如图8A和8B中所示。底孔17a形成于压挤件17的底面的中央。
在弹簧夹14中，压挤件17与冷却单元8的盖子9的孔9b配合。多个板簧16堆积在压挤件17上。夹子15位于板簧16上以便用存储部15a覆盖板簧16和冷却单元8的一部分。板簧16由盖子9的支承部9c在两侧支承，堆积的板簧16的顶面高于支承部9c。夹子15的固定部15c相对于两侧处的夹子15的固定部15c对齐，以便用螺栓21和螺母22固定相邻的夹子15的固定部15c，如图5和6中所示。用4个弹簧夹14固定废热发电装置1，4个弹簧夹14被沿着外周固定且象带子一样地起作用。
在弹簧夹14中，在夹子15通过板簧16和压挤件17施加的压力下，预定压力从压挤件17施加到冷却单元8(施加到热电转换模块13和热交换件12)。通过改变螺栓21和螺母22的紧固力，可调节预定压力。即使由于板簧16或夹子15的位移而使得在压挤中出现偏差，也能从与板簧16点接触的压挤件17将均匀的压力施加到冷却单元8，结果，在冷却单元8上产生均匀的表面压力。由于通过堆积多个板簧16来产生弹力，每个板簧16都具有小弹簧常数，所以可以柔性地压挤热电转换模块13。
在废热发电单元2中，在宽度方向上从废热发电装置1的中央开始布置热交换件12、热电转换模块13、冷却单元8和弹簧夹14。基于冷却单元8，热电转换模块13由弹簧夹14柔性地固定在合适的表面压力下。在废热发电装置1中，4个分开的排气管5布置在周向方向上，4个废热发电单元2布置在纵向方向上，每个废热发电单元2都独立地设置在废热发电装置中。
将参考图1到6描述废热发电装置1的工作。
废热发电装置1接收来自排气管3的排气流，并允许通过最上游的冷却水管11供给的冷却水流过其中。所引入的排气的流动被分离件分成4份，以便被引向各个分开的排气道CW。
在各个分开的排气道CW的每一个中的排气朝着下游流过4个热交换件12A到12D的各个热交换片12b的翼片(看图10)。通过热交换片12b从排气中吸收热能。排气流动得越靠近下游，排气损失的热能越多，使得排气温度降低。因此将热交换片12的那些翼片之间的间距减小以改善吸收废热能的效率。热交换件12将吸收的热能传递到台部12c(看图10)。由于热交换件12由具有低热阻的铝形成，所以可以将温度保持得很高，直到热能传递到台部12c为止。热交换件12将热能传递到热电转换模块13的高温端面。这时，合适的表面压力从热电转换模块13的高温端面施加到台部12c的上表面，台部12c的上表面保持平坦且与热电转换模块13的高温端面均匀地接触。每个热交换件12A到12D都基本上传递同样数量的热能，而与它们位于上游或下游的位置无关，因而，热电转换模块13的高温端面可以基本上保持在恒温。流过4个分开的排气道CW的每个排气都在接合件7处结合起来，以便排出到废热发电装置1下游的排气管中。这时，热量被从排气中吸走，导致温度降低。
冷却水流向下游，分别流过4个冷却单元8的冷却部10a内的每个散热片10b的翼片，如图9中所示。冷却水在散热片10b中被进一步冷却。冷却单元8用来将冷却水传递到主体10的底部，同时将冷却水保持在低温。由具有低热阻的铝形成的冷却单元8起作用以保持冷却水的低温，直到它到达底面。冷却单元8用来将冷却水的低温传递到热电转换模块13的低温端面。这时，合适的表面压力从主体10的底面施加到热电转换模块13的低温端面。主体10的底面保持其平坦，以便均匀接触热电转换模块13的低温表面。然后，将来自最下游侧的冷却单元8的冷却水从废热发电装置1排出。
利用传递到高温端面的冷却水的高温和传递到低温端面的冷却水的低温之间的温差，每个热电转换模块13都产生电能，产生的电能被充入电池中。由于冷却水的高温和低温都可以被足够地保持，所以它们之间具有的温差足够大，因而，由于高的热电转换效率而产生大量电能。无论上游侧还是下游侧，由于高温侧的温度都保持在常值，所以即使在下游侧，热电转换效率也不会降低。
即使在热量的影响下，在任一个废热发电单元2中发生变形，废热发电装置1也不会受到变形的影响，因为每个废热发电单元2都独立地布置。即，发生在每个废热发电单元2中的变形不会累积。由于组成废热发电装置1的框架的4个分开的排气管5由具有低热膨胀率的不锈钢形成，所以在热量下装置独自的膨胀程度很小。这样，可以减少产生的变形。废热发电装置1如此构造，即分开的排气管5变形的方向与各个热交换件12变形的方向相反。因而，即使分开的排气管5和热交换件12都在高温排气的热量下发生变形，其中发生的每个变形也可以互相抵消，这样，抑制了废热发电单元2中的变形。
每个废热发电单元2都被多个板簧16的弹力柔性地压挤。前述结构使得能吸收由于受热而发生在废热发电单元2中的变形。由于压挤件17与板簧16点接触，所以表面压力能均匀地分别施加到冷却单元8、热电转换模块13和热交换件12，而与组成废热发电单元2的元件之间的位置移动无关。
在废热发电装置1中，冷却单元8的刚性设定成最高值，基于该最高值形成废热发电单元2。这可以允许将合适的表面压力施加到热电转换模块13，从而改善了冷却单元8和热电模块13的低温端面之间的表面接触，并进一步降低了其低温端面的温度。热交换件12的基部12a的刚性设定成高温侧的最高值。这可以允许将合适的表面压力施加到热电转换模块13，从而改善基部12a和热电转换模块13的高温端面之间的表面接触，并进一步增大其高温端面的温度。在废热发电装置1中，废热发电单元2的热能通过其传递的系统由具有高导热性的铝形成。因而，每个元件的热阻都被减小，从而增大了高温侧的温度，并降低了热电转换模块13的低温侧的温度。废热发电装置1的每个废热发电单元2的热电转换效率具有相当高的热转换效率。
在废热发电装置1中，用多个板簧16施加的外部压力来柔性地固定热电转换模块13。即使由于受热而在组成装置1的元件中发生变形，由于这种变形引起的形变(损害热电元件)也可以得到抑制，从而产生合适的表面压力。由于4个弹簧夹14布置在周向方向上以便象螺栓那样紧固装置1，这样，能柔性地对装置1进行足够的固定。允许与每个弹簧夹14点接触的压挤件17不变地将均匀的表面压力施加到废热发电装置。
组成废热发电装置1的框架的每个分开的排气管5都由具有低热膨胀率的不锈钢形成。这可以抑制废热发电装置1的热变形。具有小面积的废热发电单元2基于热电转换模块13的尺寸形成，以便与分开的排气管5联合。废热发电单元2受热发生的变形可以得到抑制，这种变形的影响几乎不会遍布到其它废热发电单元2。在废热发电装置1中，分开的排气管5变形的方向与热交换件12变形的方向相反。即使分开的排气管5和热交换件12都受热变形，每个变形也能互相抵消，从而抑制了废热发电单元2中的变形。
将参考图14描述本发明的一个例子，其中废热发电装置21设置在排气系统中。图14是透视图，表示布置在排气歧管附近的废热发电装置。
废热发电装置21布置在排气歧管EM附近，排气歧管EM的排气口直接连接到废热发电装置21。在废热发电装置21中，排气管被分成6部分。废热发电装置21包括12个废热发电单元22。有6个废热发电单元22布置在周向方向上，2排废热发电单元22布置在纵向方向上。由于废热发电装置21布置在排气歧管附近，所以它接收在排气系统中处于最高温度的排气流。在各个废热发电单元22的高温侧的热电转换模块(未示出)被加热以达到高温，从而改善热电转换效率。
如果通常采用的废热发电装置布置在排气歧管附近，则变形可能由于高温排气而变得较严重，导致热电元件等等的变形或破坏。然而，本例子的废热发电装置21构造成尽可能地抑制热量下的变形，废热发电装置21能设置在排气歧管EM附近，这使得能以较高的效率从高温排气中收集热能。
如已经关于本发明实施例描述的，应该懂得，本发明能以各种形式实施，而不局限于此。
在前述实施例中，废热发电装置应用于汽车，然而，它可以应用于包含排出排气的内燃机的其它结构。
在该实施例中，提供了16或12个废热发电单元以形成废热发电装置，然而，废热发电单元的数量可以设定成任意值，只要考虑到这种布置的空间和构形，将那些单元合适地布置在周向和纵向方向上。
在前述实施例中，废热发电装置的温度保持一致，而与在上游或下游的位置无关。这可以通过布置一种热交换件来实现，该热交换件在热交换片的翼片之间的每个间距越往下游越小。这也可以通过用一种材料形成热交换件来实现，该材料的导热性越往下游变得越高。另外，这可以通过提供一种热交换件来实现，该热交换件的翼片具有不同间距，且该热交换件由具有不同导热性的材料形成。
在前述实施例中，组成热能通过其传导的系统的各个元件由铝形成，每个分开的排气管由不锈钢形成。这种系统的元件可以由具有更高导热性的其它材料形成。每个分开的排气管可以由具有更低热膨胀率的其它材料形成。
在前述实施例中，热交换件设置在热电转换模块的高温端面，冷却单元设置在其低温端面，作为绝缘板的元件可以放在热交换件和冷却单元之间。
在该实施例中，不仅可以采用水冷型的冷却单元，而且可以采用气冷型的冷却单元。
本发明的废热发电装置使得能减小受热引起的变形的影响，提供改善的热电转换效率。
权利要求
1.一种废热发电装置包括将排气的热能转换成电能的热电转换单元；热交换单元，其设置在所述热电转换单元的一个表面上以传导流过排气管的所述排气的热能；和冷却单元，其设置在所述热电转换单元的另一个表面上以冷却热电转换单元，其特征在于冷却单元的刚性设定成所述热电转换单元、热交换单元和冷却单元的刚性中的最高值。
2.如权利要求1所述的废热发电装置，其特征在于所述热交换单元包括用来传导所述排气的热能的热交换片和一个基部，基部具有一个其上放置有所述热交换单元的表面和另一个其上放置有所述热电转换单元的表面；所述排气管包括主体，其形成排气道的框架，所述基部连接到排气道，且所述热交换片设置在其中；所述排气道由所述排气管和热交换单元构造；和所述基部的刚性设定成所述排气道的结构中的最高值。
3.如权利要求2所述的废热发电装置，其特征在于所述排气管的主体由热膨胀率比所述热交换单元的热膨胀率低的材料形成。
4.如权利要求3所述的废热发电装置，其特征在于所述排气管的主体由不锈钢形成。
5.如权利要求3所述的废热发电装置，其特征在于所述排气管的主体设置在所述废热发电装置的中央，所述热电转换单元设置在所述热交换单元的外周上，热交换单元连接到所述排气管的主体，和所述冷却单元设置在所述热电转换单元的外周上；弹性件设置在所述冷却单元的外侧上；和形成一个用来固定所述热电转换单元的弹性系统，其中通过所述弹性件将压力在外部施加到所述冷却单元。
6.如权利要求5所述的废热发电装置，其特征在于所述热电转换单元包括由多个热电元件形成的模块；和基于该模块构造所述弹性系统的单元。
7.如权利要求5所述的废热发电装置，其特征在于所述弹性件包括弹簧和压挤件，它们处于彼此点接触和线接触中的一种情况中。
8.如权利要求2所述的废热发电装置，其特征在于所述排气管中的热交换片在其翼片之间具有不同的间距。
9.如权利要求8所述的废热发电装置，其特征在于所述热交换片由一种材料形成，该材料局部上表现出不同的导热性。
10.如权利要求2所述的废热发电装置，其特征在于每个热交换单元和所述排气管的主体都具有变化的构形，以便所述热交换单元变形的方向与所述排气管的主体变形的方向相反。
11.如权利要求2所述的废热发电装置，其特征在于所述排气管的主体设置在所述废热发电装置的中央，所述热电转换单元设置在所述热交换单元的外周上，热交换单元连接到所述排气管的主体，和所述冷却单元设置在所述热电转换单元的外周上；弹性件设置在所述冷却单元的外侧上；和形成一个用来固定所述热电转换单元的弹性系统，其中通过所述弹性件将压力在外部施加到所述冷却单元。
12.如权利要求11所述的废热发电装置，其特征在于所述弹性件包括弹簧和压挤件，它们处于彼此点接触和线接触中的一种情况中。
13.如权利要求11所述的废热发电装置，其特征在于所述热电转换单元包括由多个热电元件形成的模块；和基于该模块构造所述弹性系统的单元。
14.如权利要求13所述的废热发电装置，其特征在于所述弹性件包括弹簧和压挤件，它们处于彼此点接触和线接触中的一种情况中。
15.如权利要求14所述的废热发电装置，其特征在于每个热交换单元和所述排气管的主体都具有变化的构形，以便所述热交换单元变形的方向与所述排气管的主体变形的方向相反。
全文摘要
一种废热发电装置(1)包括热交换单元(12)，其传导流过排气管的排气的热能，冷却单元(8)，和热电转换单元热电转换模块(13)。冷却单元(8)具有组成一个系统的元件中的最高刚性，废热发电装置(1)中的热能通过该系统。热交换单元(12)的基部具有排气管(5)的主体和热交换单元(12)的刚性中的最高刚性，排气管的主体和热交换单元两者形成排气道。热电转换单元(12)通过作为弹簧夹的弹性件(14)固定，弹簧夹在外部将压力施加到冷却单元(8)。
文档编号H01L35/00GK1732333SQ200380107366
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月23日 优先权日2002年12月26日
发明者村田清仁 申请人:丰田自动车株式会社