能量回收与消声一体化装置 |
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| 申请号 | CN201611107157.X | 申请日 | 2016-12-06 | 公开(公告)号 | CN106640308A | 公开(公告)日 | 2017-05-10 |
| 申请人 | 清华大学苏州汽车研究院(相城); 华环(苏州)汽车科技有限公司; | 发明人 | 余文杰; 郑四发; 柳仲达; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 能量 回收与消声一体化装置，包括消声器、设置在所述消声器上的冷却系统、设置在所述消声器与所述冷却系统之间的热电模 块 、用于将所述消声器、所述冷却系统和所述热电模块固定连接在一起的夹紧装置，所述热电模块具有热端和冷端，所述热端与所述消声器 接触 ，所述冷端与所述冷却系统接触。该能量回收与消声一体化装置结构紧凑、占用底盘空间小，重量轻，易于安装，对排气系统的改造较小，从而对排气系统的影响也小，同时该能量回收与消声一体化装置余热回收效率高，可实现节能减耗。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种能量回收与消声一体化装置，其特征在于：包括消声器、设置在所述消声器上的冷却系统、设置在所述消声器与所述冷却系统之间的热电模块、用于将所述消声器、所述冷却系统和所述热电模块固定连接在一起的夹紧装置，所述热电模块具有热端和冷端，所述热端与所述消声器接触，所述冷端与所述冷却系统接触。 |
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| 说明书全文 | 能量回收与消声一体化装置[0001] 技术领域[0003] 背景技术[0004] 进入21世纪以来，随着全球性能源问题的凸显，节能减排成为世界各国日益关注的议题。研究表明，传统汽车发动机的燃油能量仅30%左右用于驱动车轮，剩余约70％的能量没有被有效利用，其中约40％的能量以尾气废热形式排放到空气中，造成了能源浪费和环境污染。若对这部分废热加以回收发电，则会大幅提高内燃机的燃料利用效率，有效降低汽车的燃油消耗，减少对环境的污染，带来良好的社会效益和可观的经济效益。 [0005] 近年来，随着材料科学领域研究的突破，出现了一些性能较好的热电转换材料，这为汽车尾气能量的回收利用、提高能源利用效率提供了一种新的途径和方法。汽车尾气温差发电技术是采用热电转换材料将尾气中的废热转换成电能，供汽车内电器设备使用，从而提高汽车的燃油利用率的技术。热电转换材料具有体积小、结构紧凑、无运动部件等特点，在低品位热能利用方面具有独特的优势。 [0006] 目前汽车尾气温差发电技术主要是将排气管路的高温壁面作为热电转换材料的热源来进行温差发电，主要采用的热电转换材料为半导体温差发电片，温差发电片为扁平状，质地坚硬，不能弯曲。要将尾气热电回收技术集成到汽车排气系统中，需要考虑如何将扁平的热电片安装在表面不平的排气管路上，以及如何提高余热回收效率，前人在这两方面进行了研究。专利CN201210227087、CN201210227154通过柔性导热基座将热电片安装在排气管表面，该装置重量轻，体积小，不用对排气系统结构进行改造，但由于排气管表面积小，可安装的热电片少，余热回收效率低，再加上热电片冷端采用的是风冷模型，其散热效果不及水冷模型，发电量会进一步降低。专利CN201310077133、CN201420772818、CN201420708417中采用专门的集热箱体来安装发电片。由于集热箱体体积较大，表面平整，易于大面积安装热电片，提高了余热回收效率，再加上箱体内部含有大量导热翅片，增大了集热效果，进一步提高了排气余热的回收效率。但对排气系统改造较大，需要额外接入一个集热箱，增加了重量。同时，由于集热箱的体积较大，会占用大量底盘空间，与排气消声器存在安装位置矛盾问题。另外集热箱内部含有大量导热翅片，会产生较大的背压和噪声，影响排气系统的性能。 [0007] 发明内容[0008] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的问题，提供一种结构紧凑、占用底盘空间小、余热回收效率高、能够减小额外的背压和噪声产生的能量回收与消声一体化装置。 [0009] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种能量回收与消声一体化装置，包括消声器、设置在所述消声器上的冷却系统、设置在所述消声器与所述冷却系统之间的热电模块、用于将所述消声器、所述冷却系统和所述热电模块固定连接在一起的夹紧装置，所述热电模块具有热端和冷端，所述热端与所述消声器接触，所述冷端与所述冷却系统接触。 [0010] 优选地，所述消声器包括具有进气口和排气口的第一壳体、连接在所述进气口处的进气管、连接在所述排气口处的排气管、固定设置在所述第一壳体内的集热挡板，所述集热挡板将所述第一壳体内部分隔成两个腔体：集热腔和消声腔，所述进气口连通所述集热腔，所述排气口连通所述消声腔，所述集热腔呈侠缝型，且沿所述气流流动方向，所述侠缝逐渐变窄，所述集热腔与所述消声腔连通。 [0011] 进一步地，所述消声器还包括沿气流流动方向依次间隔设置在所述消声腔内的第一隔板和第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板将所述消声腔分隔成顺序连接的三个腔室：第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述消声器还包括固定设置在所述消声腔内的第一插管和第二插管，所述第一插管的两端分别与所述第一腔室和所述第三腔室连通，所述第二插管的一端与所述第三腔室连通，另一端经所述第一腔室与所述排气管连通。 [0012] 更进一步地，所述第一隔板上设有贯通所述第一隔板的两端面的多个第一通孔，所述第二隔板上设有贯通所述第二隔板的两端面的多个第二通孔，所述第一插管上设有使所述第一插管的内腔与所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室三个腔室中的一个腔室相连通的多个第三通孔，所述第二插管上设有使所述第二插管的内腔与所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室三个腔室中的一个腔室相连通的多个第四通孔，所述消声器还包括设置在所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室三个腔室中的一个腔室中的吸音棉，所述第三通孔、所述第四通孔和所述吸音棉位于同一腔室中。 [0013] 更进一步地，所述消声器还包括固定设置在所述消声腔内的第三隔板和第三插管，沿气流流动方向，所述第三隔板在所述消声腔内位于所述第二隔板的后方，所述第三隔板将所述第三腔室分隔成两个腔室，所述第一插管和所述第二插管的一端分别与两个腔室中与所述第二腔室相邻的一个腔室连通，所述第三插管的两端分别与所述第三腔室分隔成的两个腔室连通，所述第三隔板上设有贯通所述第三隔板的两端面的多个第五通孔。 [0014] 优选地，所述冷却系统采用水冷系统，所述水冷系统包括具有进水口和出水口的第二壳体、连接在所述进水口处的进水管、连接在所述出水口处的出水管、固定设置在所述第二壳体的内腔中的多个第一导流板，多个所述第一导流板沿水流的流动方向间隔平行设置，使所述第二壳体的内腔形成“之”字型的水流通道。 [0015] 进一步地，所述水冷系统还包括固定设置在所述第二壳体的内腔中的多个第二导流板，多个所述第二导流板沿垂直于水流的流动方向间隔平行设置，所述第二导流板的两端部分别固定连接在沿水流的流动方向上的首尾两块所述第一导流板上，所述第二导流板上设有贯穿所述第二导流板的两端面的第六通孔。 [0017] 进一步地，每租所述热电片组均包括多个热电片，每组所述热电片组中的多个所述热电片之间相并联连接，当所述热电片组有多组时，多组所述热电片组之间相串联连接。 [0018] 优选地，所述能量回收与消声一体化装置还包括分别设置在所述消声器与所述热电模块、所述热电模块与所述冷却系统之间的导热石墨纸。 [0019] 由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的能量回收与消声一体化装置结构紧凑、占用底盘空间小，重量轻，易于安装，对排气系统的的改造较小，从而对排气系统的影响也小，同时该能量回收与消声一体化装置余热回收效率高，可实现节能减耗。 [0021] 附图1为本发明的能量回收与消声一体化装置的结构示意图；附图2为本发明的能量回收与消声一体化装置的结构示意图（去掉罩壳）； 附图3为本发明的消声器的结构示意图； 附图4为本发明的消声器的主视图； 附图5为本发明的消声器中消声腔的内部的主视图； 附图6为本发明的消声器中消声腔的内部的俯视图； 附图7为本发明的冷却系统的结构示意图； 附图8为本发明的热电模块的结构示意图； 附图9为附图8中A处局部放大图。 [0022] 其中：1、消声器；11、第一壳体；12、进气管；13、排气管14、集热挡板；151、集热腔；152、消声腔；161、第一隔板；162、第二隔板；163、第三隔板；171、第一腔室；172、第二腔室； 173、第三腔室；173a/173b、腔室；181、第一插管；181a、第三通孔；182、第二插管；182a、第四通孔；183、第三插管； 2、冷却系统；21、第二壳体；22、进水管；23、出水管；24、第一导流板；25、第二导流板； 251、第六通孔； 3、热电模块；31、框架；32、热电片组；321、第一热电片组；322、第二热电片组；323、第三热电片组；324、第四热电片组；33、线路通道；331、横向线路通道；332、纵向线路通道；34、输电线路；341、正极输电线路；342、负极输电线路； 4、夹紧装置；41、夹紧板；42、固定框架；43、夹紧螺丝； 5、罩壳；6、导热石墨纸。 [0023] 具体实施方式[0024] 下面结合附图和具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。 [0025] 参见图1和图2所示的能量回收与消声一体化装置，包括消声器1、设置在消声器1上的冷却系统2、设置在消声器1与冷却系统2之间的热电模块3、用于将消声器1、冷却系统2和热电模块3紧固在一起的夹紧装置4、罩设在冷却系统2和消声器1的外部的罩壳5。 [0026] 如图3和图4所示，消声器1包括第一壳体11，第一壳体11具有进气口和排气口，该消声器1还包括连接在进气口位置处的进气管12、连接在排气口位置处的排气管13，气流从进气管12流入第一壳体11的内腔部，从排气管13流出第一壳体11。 [0027] 第一壳体11的一端部从外边缘向中心逐渐缩小，进气口位于第一壳体11的最小的一端部。一种具体的实施例，第一壳体11呈一端部具有缩口的长方体的形状，第一壳体11的长度延伸方向与气流的流动方向相同，进气口位于第一壳体11的长度方向上的一端部，即缩口端，排气口位于第一壳体11的长度方向上的另一端部，优选地，进气口和排气口位于同一直线方向上。 [0028] 该消声器1还包括设置在第一壳体11的内部的集热挡板14，集热挡板14将第一壳体11的内腔分隔成两个腔体：集热腔151和消声腔152，集热腔151与消声腔152相连通，第一壳体11上的进气口连通集热腔151，第一壳体11上的排气口连通消声腔152，集热腔151呈侠缝型，从而使集热腔151的空间尺寸较小，使得消声腔152的容积与第一壳体11的容积相当，故集热腔151的加入对该排气消声器消声量的影响很小，同时，当集热腔151通道狭小时，气流流过时充分与第一壳体11的表面接触，使第一壳体11的表面温度迅速升高，使得集热效果较好。 [0029] 由于气流刚流入集热腔151时温度较高，在流动过程中温度逐渐降低，为使集热效果在气流流动方向上保持一致，沿气流流动方向，侠缝逐渐变窄，从而使得第一壳体11的上下表面的温度沿流动方向分布均匀。 [0030] 在本实施例中，第一壳体11的上下表面的面积大于其前后表面的面积，因此将热电模块3分别安装在第一壳体11的上下表面上吸收第一壳体11上下表面的热量来进行发电，实现汽车尾气余热的回收利用，对应的，冷却系统2也设置在第一壳体11的上下表面上。这样，集热挡板14分别与第一壳体11的上下表面之间形成侠缝，集热挡板14的前后两侧分别固定连接在第一壳体11的前后两侧上。 [0031] 本实施例中消声腔152内的具体结构设置为：如图5和图6所示，消声器1还包括包括沿气流流动方向依次间隔设置在消声腔152内的第一隔板161和第二隔板162，第一隔板161和第二隔板162将消声腔152分隔成顺序连接的三个腔室：第一腔室171、第二腔室172和第三腔室173，消声器1还包括固定设置在消声腔 152内的第一插管181和第二插管182，第一插管181的两端分别与第一腔室171和第三腔室 173连通，第二插管182的一端与第三腔室173连通，另一端经第一腔室171与与排气管13连通。 [0032] 第一隔板161上设有贯通第一隔板161的两端面的多个第一通孔，第二隔板162上设有贯通第二隔板162的两端面的多个第二通孔，第一插管181上设有使第一插管181的内腔与第一腔室171、第二腔室172和第三腔室173三个腔室的一个腔室相连通的多个第三通孔181a，第二插管182上设有使第二插管182的内腔与第一腔室171、第二腔室172和第三腔室173三个腔室的一个腔室相连通的多个第四通孔182a，该消声器还包括设置在第一腔室171、第二腔室172和第三腔室173三个腔室中的一个腔室中的吸音棉，且第三通孔181a、第四通孔182a和吸音棉位于同一腔室中，本实施例中，第三通孔181a、第四通孔182a和吸音棉均位于第二腔室172中，吸音棉在第二腔室172中均匀分布，密度为120g/L。 [0033] 本实施例中，第一通孔有320个，直径为5mm，第二通孔有320个，直径为4mm，第三通孔181a有240个，直径为4mm，第四通孔182a有240个，直径为4mm。 [0034] 消声器1还包括固定设置在消声腔152内的第三隔板163和第三插管183，沿气流流动方向，第三隔板163在消声腔152内位于第二隔板162的后方，第三隔板163将第三腔室173分隔成两个腔室：腔室173a和腔室173b，腔室173a与第二腔室172相邻，第一插管181和第二插管182的一端分别与腔室173a连通，第三插管183的两端分别与腔室173a和腔室173b相连通，第三隔板163上设有贯通第三隔板163的两端面的多个第五通孔。本实施例中，第五通孔有8个，直径为3mm。 [0035] 该消声器1工作时，气流从进气管12流入第一壳体11中，遇到集热挡板14后，被分成上下两股，沿着第一壳体11与集热挡板14之间的狭缝流动，在集热挡板14末端流出，进入消声腔152中；气流进入消声腔152后，首先流入第一腔室171，在其中发生膨胀，然后通过第一插管181流入第三腔室173，再次膨胀后通过第二插管182经排气管13流出消声器1。第一腔室171、第三腔室173的膨胀腔结构用来吸收尾气中的中低频噪声。第一隔板161上的第一通孔、第二隔板162上的第二通孔、第一插管181上的第三通孔181a、第二插管182上的第四通孔182a配合第二腔室172中的吸音棉，用来吸收尾气中的高频噪声。腔室173b与第三插管183构成的共振腔结构用来吸收尾气中的特定频率噪声。 [0036] 为提高冷却效果，从而提高热电模块3的发电效率，本实施例中，冷却系统2采用水冷系统。如图7所示，该水冷系统包括具有进水口和出水口的的第二壳体21、设置在进水口处的进水管22、设置在出水口处的出水管23、固定设置在第二壳体21的内腔中的多个第一导流挡板24，多个第一导流板24以一定的位置排布使第二壳体21的内腔中形成一定的水流通道。本实施例中，沿水流的流动方向，多个第一导流板24间隔平行设置，相邻两块第一导流板24中的一块第一导流板24的长度方向上的一端部固定设置在第二壳体21的一侧的内壁上，其另一端部与第二壳体21的一侧的内壁相对的另一侧内壁之间具有一定的距离；相邻两块第一导流板24中的另一块第一导流板24的长度方向上的另一端部固定设置与第二壳体21的一侧的内壁相对的另一侧内壁上，其一端部与第二壳体21的一侧的内壁之间具有一定的距离，这样就使第二壳体21的内腔形成一个“之”字型的水流通道。 [0037] 该水冷系统还包括固定设置在第二壳体21的内腔中的多个第二导流板25，多个第二导流板25沿垂直于水流的流动方向间隔平行设置，第二导流板25的两端部分别固定连接在沿水流的流动方向上的首尾两块第一导流板24上，第二导流板25上设有贯穿第二导流板25的两端面的第六通孔251。 [0038] 本实施例中，第一导流板24设有四块，第二导流板25设有两块。 [0039] 冷却水流从进水管22流入第二壳体21的内腔中，沿着第一导流挡板24与第二壳体21构成的 “之”字形的水流通道流动，这样，可确保第二壳体21内部各处都有冷却水流过，从而可提高散热的均匀性。冷却水流动过程中，受到第二导流挡板25的阻碍，只能从其上的第六通孔251中流过，这样，可增大水流的湍流程度，使冷却水与第二壳体21充分接触，进而提高散热效果。 [0040] 热电模块3具有热端和冷端，其热端与消声器1的第一壳体11接触，其冷端与冷却系统2的第二壳体21接触。具体的，热电模块3包括框架31、设置在框架31上热电片组32、连接在框架31上的线路通道33、设置在线路通道33内的输电线路34，热电片组32至少设有一组，输电线路34分别与至少一组热电片组32连接。 [0041] 框架31包含外围三条边框和内部分叉的小框架，为实心结构，框架31具有一定的弹性，主要用于固定热电片组32，以方便热电片组32的安装，并保护热电片组32不被压坏。 [0042] 每组热电片组32中均包含有多个热电片，每个热电片都为方形扁平状结构，分别镶嵌在由框架31与线路通道33组成的各个方框中，每组热电片组32中的多个热电片之间相并联连接，多组热电片组32之间相串联连接，这样连接的好处是：若某个热电片工作不正常或已损坏，不会影响到其他热电片的正常工作，这样可保证发电的效率。由于每组热电片组32所包含的热电片较多，一两个热电片工作不正常并不影响整组热电片组32的工作性能，故热电片组32与热电片组32之间可以采用串联连接；另外，热电片组32与热电片组32之间采用串联连接而不采用并联连接，可防止输电线路34上的电流过大引起不必要的麻烦。本实施例中，热电片组32分成四组，分别为第一热电片组321、第二热电片组322、第三热电片组323、第四热电片组324，每组包含两行共14个热电片。 [0043] 线路通道33为空心结构，输电线路34设置在线路通道33空心的内腔中，从而方便了输电线路34的布置，还可保护输电线路34不被高温烧坏。线路通道33包括横向线路通道331和纵向线路通道332，横向线路通道331有四条，每条横向线路通道331设置在每组热电片组32的两行热电片之间。 [0044] 输电线路34包括正极输电线路341和负极输电线路342。 [0045] 具体接线方法如下：每个热电片都含有一个正极引线和一个负极引线，用于电能输出。在每条横向线路通道331的内部均含有正极输电线路341和负极输电线路342，每条横向线路通道331对应一组热电片组32，每组热电片组32中热电片的正、负极引线分别与对应的横向线路通道331中的正极输电线路341和负极输电线路342相连接，实现每个热电片组32中热电片之间的并联连接。在纵向线路通道332中，不同组的正极输电线路341与不同组的负极输电线路342相连接，实现热电片组32与热电片组32之间的串联连接。 [0046] 夹紧装置包括夹紧板41，夹紧板41分别设置在该能够回收与消声一体化装置的上下两侧，将上下两侧的夹紧板41通过夹紧螺丝43连接在一起后，便将将冷却系统2、热电模块3、消声器1夹紧在一起。该夹紧装置还包括固定框架42，固定框架42固定设置在消声器1的第一壳体11的外侧壁上，在采用夹紧螺丝43连接上下两侧的夹紧板41时，同时将固定框架42与夹紧板41连接在一起，这样，可使冷却系统2、热电模块3、消声器1更紧密的连接在一起，从而保证热电模块3的热端与消声器1接触，热电模块3的冷端与冷却系统2接触。 [0047] 该能量回收与消声一体化装置还包括分别设置在热电模块3与冷却系统2之间、热电模块3和消声器1之间的导热石墨纸6，通过设置导热石墨纸6，可以减小热电模块3的冷端与冷却系统2接触、热端和消声器1接触时的接触热阻，从而提高热电模块3的导热效果，增大热电回收效率。 [0048] 该能够回收与消声一体化装置工作时，尾气流过消声器1时，加热了消声器1的第一壳体11，由于消声器1与热电模块3的热端相接触，使热电模块3的热端温度升高。冷却水通过进水管22流入第二壳体21内部吸收热量，冷却系统2与热电模块3的冷端相接触，使得热电模块3的冷端温度保持在冷却水温附近。热电模块3的冷、热端存在温差后就会产生电能，然后从输电线路34输出，热电模块3的冷、热端的温差越大，产生的电能越大。同时，当尾气流经消声器1时，还可吸收尾气中的噪声。这样，通过该能够回收与消声一体化装置既可以实现消声降噪，同时可还以对尾气中的余热进行回收利用，且余热的回收效率高，同时该装置结构紧凑，体积小，重量轻，对排气系统的改造较小。 [0049]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 |
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