夹具安装的热电发电机
阅读：676发布：2020-05-14
专利汇可以提供夹具安装的热电发电机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种夹具安装的热电发 电机 。在一个实施方式中，公开了一种系统，所述系统包括夹具，所述夹具限定基本上圆柱形的孔口。一个或多个 热电发电机 (TEG)层联接至所述夹具并且接收来自所述夹具的热。所述TEG层可以使用热电纳米结构形成。一个或多个 散热 片也联接至一个或多个TEG层并且向所述TEG层提供冷却。，下面是夹具安装的热电发电机专利的具体信息内容。
1.一种系统，包括：
夹具，所述夹具限定基本上圆柱形的孔口；
一个或多个热电发电机层，所述热电发电机层联接至所述夹具并且接收来自所述夹具的热，其中所述热电发电机层包括热电纳米结构；以及
一个或多个散热片，所述散热片联接至一个或多个热电发电机层并且向所述热电发电机层提供冷却。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个散热片包括冷却鳍片。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述冷却鳍片包含铝。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
一个或多个热绝缘层，所述热绝缘层位于所述夹具和所述一个或多个散热片之间。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述夹具包括：
新月形状的上方部分；和
新月形状的下方部分，
其中所述夹具的所述上方和下方部分通过相对的铰链联接。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
发动机的排气管，所述排气管位于所述夹具的所述孔口内。
7.根据权利要求6所述的系统，其中通过所述一个或多个热电发电机层接收的热由排气管内的加热的废气提供。
8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
多个电连接的热电发电机夹具，每个热电发电机夹具包括夹具、一个或多个热电发电机层和一个或多个散热片。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述热电发电机夹具联接至发动机的排气管。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述热电发电机夹具联接至催化转化器和消声器之间的排气管。
11.一种方法，包括：
联接一个或多个热电发电机层至发动机的排气管，其中所述热电发电机层包括热电纳米结构；
将热传递至所述一个或多个热电发电机层；
为所述一个或多个热电发电机层提供冷却；
通过将传递的热转化成电能从而通过所述一个或多个热电发电机层产生电力。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
通过包含热绝缘材料的壳体热绝缘特定热电发电机层的相反侧。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
使用冷却鳍片从而为所述一个或多个热电发电机层提供冷却。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在催化转化器和消声器之间的位置处联接所述一个或多个热电发电机层至所述排气管。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
使用不同夹具电连接热电发电机层，所述热电发电机层联接至所述排气管。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
将热传递至特定热电发电机层的第一侧，其中所述特定热电发电机层的第一侧与所述特定热电发电机层的被提供冷却的第二侧相反。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个热电发电机层包括硅基纳米结构。
18.一种装置，包括：
用于将来自排气管的热转化成电能的装置；和
用于联接热转化装置至排气管的装置。
19.根据权利要求18所述的装置，包括：
用于冷却所述热转化装置的装置。
20.根据权利要求18所述的装置，包括：
用于从所述排气管拆卸所述热转化装置的装置。
夹具安装的热电发电机
技术领域
背景技术
[0002] 热电发电机(TEG)为能够将热转化成电能的设备。TEG可以用于改进各种应用的操作效率。一种所述应用为汽车，其中TEG可以用于从汽车废热中回收可用能量。更具体地，TEG可以将内燃机(IC)中的废热(例如废气热)转化成电力。该电力然后可以被汽车内的其它部件(例如电池充电器、电气部件等)使用，这可以增加整体燃料经济并且改进车辆排放。
[0003] 然而目前的汽车TEG遭受的缺点在于可能妨碍设备的潜在有用性。例如，目前的汽车TEG通常组装复杂并且难以拆卸。因此，可能需要改变发动机设计从而适应TEG，并且修理和/或更换TEG可能是昂贵且耗时的。此外，这些改变还通常阻止用TEG翻新老旧车辆。因此，目前需要高度有效的TEG，并且所述TEG具有最小尺寸和重量，容易拆卸，并且组装上具有最小的复杂性。
发明内容
[0005] 本发明提供一种用于将一个或多个TEG附接至发动机排气系统的系统和方法。具体而言，公开了模块化的夹具安装的TEG，其允许将一个或多个TEG附接至现有的发动机排气系统。
[0006] 在一个实施方式中，公开了一种系统，所述系统包括夹具，所述夹具限定基本上圆柱形的孔口。一个或多个热电发电机(TEG)层联接至所述夹具并且接收来自所述夹具的热。所述TEG层可以使用热电纳米结构形成。一个或多个散热片也联接至一个或多个TEG层并且向所述TEG层提供冷却。
[0007] 在一个方面，所述系统可以包括一个或多个热绝缘层，所述热绝缘层位于所述夹具和所述一个或多个散热片之间。在另一个方面，所述一个或多个散热片为冷却鳍片并且可以使用铝构成。在另一个方面，所述夹具可以包括新月形状的上方部分和新月形状的下方部分，其中所述夹具的所述上方和下方部分通过相对的铰链联接。在另一个方面，所述系统还包括发动机的排气管，所述排气管位于所述夹具的所述孔口内。在一些方面，通过所述一个或多个TEG层接收的热由所述废气管内的加热的废气提供。在另一个方面，所述系统还包括多个电连接的TEG夹具，每个TEG夹具包括夹具、一个或多个TEG层和一个或多个散热片。所述TEG夹具可以联接至发动机的排气管，并且在一个方面，可以联接至催化转化器和消声器之间的排气管。
[0008] 在另一个实施方式中，公开了一种方法，其中一个或多个热电发电机(TEG)层联接至发动机的排气管。所述TEG层可以使用热电纳米结构形成。将热传递至所述一个或多个TEG层并且也为所述一个或多个TEG层提供冷却。通过将传递的热转化成电能从而通过所述一个或多个TEG层产生电力。
[0009] 在一个方面，特定TEG层的相反侧可以热绝缘。在另一个方面，可以使用冷却鳍片从而为所述一个或多个TEG层提供冷却。在一些方面，可以在催化转化器和消声器之间的位置处联接所述一个或多个TEG层至所述排气管。在一个方面，可以使用不同夹具电连接TEG层，所述TEG层联接至所述排气管。在另一个方面，热可以传递至特定TEG层的一侧，所述一侧与所述特定TEG层的被提供冷却的第二侧相反。在另一个方面，所述一个或多个TEG层可以使用硅基纳米结构构成。
[0010] 在另一个实施方式中，公开了一种装置。所述装置包括用于将来自排气管的热转化成电能的装置。所述装置还包括用于联接热转化装置至排气管的装置。
[0011] 在一个方面，所述装置还可以包括用于冷却所述热转化装置的装置。在另一个方面，所述装置还包括用于从所述排气管拆卸所述热转化装置的装置。
[0013] 接下来将参照某些示例性实施例及其所显示的附图详细地描述本发明的以上和其它特征，在此之后所给附图仅作为显示的方式，因而对本发明是非限定性的，其中：
[0014] 图1显示了具有附接的热电发电机(TEG)的用于车辆的示例性排气系统；
[0015] 图2显示了用于排气管的示例性TEG系统；
[0016] 图3显示了图2的TEG系统的示例性展开图；和
[0017] 图4显示了通过TEG发电的示例性曲线。
[0018] 应当了解，附图不必按比例，显示了说明本发明的基本原理的各种优选特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
[0019] 在这些图中，贯穿附图的多幅图，附图标记涉及本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
[0020] 在下文中，将描述本公开从而容易由本领域技术人员实现。
[0021] 应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共车辆、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
[0022] 此外，应理解一些方法可以通过至少一个控制器执行。术语控制器涉及包括存储器和处理器的硬件设备，所述处理器被构造成执行一个或多个步骤，所述步骤应被解释成其算法结构。存储器被构造成储存算法步骤，处理器被特别地构造成执行所述算法步骤从而进行一个或多个下文进一步描述的过程。
[0023] 此外，本发明的控制逻辑可以在包括通过处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读媒介上体现为永久性计算机可读媒体。计算机可读媒介的实例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存盘、智能卡和光学数据储存设备。计算机可读记录媒介也可以分布在网络联接的计算机系统中使得计算机可读媒介以分布方式储存和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网络(CAN)。
[0024] 本文所使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的并且不旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚说明。还将理解当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或多种其他的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群体。正如本文所使用的，术语“和/或”包括一种或多种相关列举项目的任何和所有组合。
[0025] 本发明一般而言提供模块化的热电发电机(TEG)系统，所述模块化的热电发电机(TEG)系统可以联接至发动机的排气管。来自管内废气的热传递至一个或多个TEG元件并且转化成电能。
[0026] 现在参考图1，显示了根据各个实施方式的用于车辆的示例性排气系统。排气系统100通常工作以在燃烧之后从联接的发动机中除去废气。如图所示，例如，排气系统100可以包括排气歧管102，所述排气歧管102联接至发动机并且提供路径，该路径用于使发动机内的废气远离发动机燃烧室被输送。
[0027] 在一些实施方式中，排气系统100还包括催化转化器106，所述催化转化器106经由前方排气管104联接至排气歧管102。通常地，催化转化器106工作以在排气系统100将气体释放至大气之前从废气中除去污染物。例如，催化转化器106可以使废气中存在的一氧化碳(CO)或未燃烧的烃进行化学反应从而形成二氧化碳(CO2)和/或水(H2O)。
[0028] 排气系统100还可以包括消声器112，所述消声器112工作以减少通过发动机和排气系统100产生的噪声。如图所示，消声器112可以经由后方管110、谐振器108和/或中间管(未示出)联接至催化转化器106，所述中间管连接催化转化器106和谐振器108。应理解排气系统100仅为排气系统的一个实例，并且其它排气系统可以使用其它构造(例如通过重新设置、拆卸或增加部件)而不偏离本发明的范围。
[0029] 根据各个实施方式，热电发电机(TEG)系统114可以联接至排气系统100中的排气管(例如后方管110、位于谐振器108和催化转化器106之间的中间管等)。一般而言，TEG系统114通过将废气中存在的热转化成电能而操作。在一些情况下，至多40％的通过发动机产生的燃烧能量可能以发动机废气内的热的形式损失。TEG系统114可以用于通过将废气中的热转化成电能从而收回一些能量。例如，TEG系统114可以电连接至车辆的电池，允许在需要之前储存回收的能量。在一些情况下，由于回收的电能，车辆的交流发电机也可以缩小尺寸。如图所示，TEG系统114的模块化性质允许将任何数量的TEG系统114联接至排气管。在一些情况下，TEG系统114各自分离地连接至储存系统(例如车辆电池)。在其它情况下，TEG系统114彼此电连接。
[0030] 虽然在此主要基于车辆排气系统显示TEG系统114，应理解TEG系统114可以适用于任何其它形式的非车辆排气系统。
[0031] 现在参考图2，显示了根据各个实施方式的示例性TEG系统114。在各个实施方式中，TEG系统114为夹具，所述夹具将TEG系统114联接至排气管。在一个实施方式中，TEG系统114包括新月形状的上方部分116和新月形状的下方部分118，所述上方部分116和下方部分118当联接时限定基本上圆柱形形状的孔口121。孔口121的直径因此可以定尺寸从而容纳排气管。虽然图2中所示的夹具机构包括两个部分(例如部分116、118)，在其它实施方式中可以使用任何数量的部段。
[0032] 多个联接至夹具的TEG壳体122从由部分116、118形成的夹具沿径向向外延伸。在TEG系统114中可以使用任何数量的TEG壳体122和相应的TEG。如图所示，例如，上方和下方部分116、118的每一者可以联接至三个TEG壳体122。例如，由上方和下方部分116、
118形成的夹具的外部可以通常形成六边形形状，其中TEG壳体122联接至六边形的每一侧。在其它实施方式中，上方和下方部分116、118可以形成n边多边形(例如正方形形状、五边形形状等)，其中相应数量的TEG壳体122联接至每一侧。在另一个实施方式中，上方和下方部分116、118形成圆柱形外部并且一个或多个TEG壳体122可以配合并联接至夹具(例如每个TEG壳体122可以具有弯曲基部)。
118形成的夹具的外部可以通常形成六边形形状，其中TEG壳体122联接至六边形的每一侧。在其它实施方式中，上方和下方部分116、118可以形成n边多边形(例如正方形形状、五边形形状等)，其中相应数量的TEG壳体122联接至每一侧。在另一个实施方式中，上方和下方部分116、118形成圆柱形外部并且一个或多个TEG壳体122可以配合并联接至夹具(例如每个TEG壳体122可以具有弯曲基部)。
[0033] 在一些实施方式中，TEG系统100还可以包括一个或多个散热片120，所述散热片120联接至TEG壳体122并且为容纳在其中的TEG提供冷却。在一个实施方式中，散热片
120使用导热材料(例如铝)构成。如图所示，散热片120可以包括多个鳍片结构从而增加散热片120的表面积，因此增加提供至TEG壳体122的冷却量。在各个实施方式中，TEG壳体122可以使用热绝缘材料(例如陶瓷、聚合物等)构成，从而使散热片120与加热的排气管热绝缘。
120使用导热材料(例如铝)构成。如图所示，散热片120可以包括多个鳍片结构从而增加散热片120的表面积，因此增加提供至TEG壳体122的冷却量。在各个实施方式中，TEG壳体122可以使用热绝缘材料(例如陶瓷、聚合物等)构成，从而使散热片120与加热的排气管热绝缘。
[0034] 图3显示了根据各个实施方式的TEG系统114的示例性展开图。如前所述，TEG系统114包括上方和下方部分116、118，所述上方和下方部分116、118可以彼此粘附并且围绕排气管夹紧。在一个实施方式中，部分116、118通过紧固件124a和124b联接，所述紧固件124a和124b通过孔口装配在部分116、118的相对端部上。如图所示，例如，紧固件124a可以插入通过部分116、118的形成铰链的相对端部上的孔口。在部分116、118的相对侧上，紧固件124b可以插入通过位于部分116、118上的孔口，所述孔口基本上垂直于紧固件124a插入通过其中的铰链延伸。正如将理解的，所显示的联接装置仅为示例性的，并且根据其它实施方式可以使用其它装置(例如焊接、垂直于排气管延伸的紧固件等)联接上方和下方部分116、118。当联接时，上方和下方部分116、118向排气管提供压缩力从而避免TEG系统
114的移动。
114的移动。
[0035] 位于TEG壳体122内的是TEG层128，所述TEG层128将热转化成电能。TEG层128的每一者可以使用硅基纳米结构构成，或者替代性地，由其它合适的化合物组成，所述化合物包括例如铋、铅、镁、硒、碲、锗、锑、镍铬合金等。硅基纳米结构为高度有效的TEG-适配材料，其允许显著缩小TEG层128的尺寸。单个TEG对可以由一个n-型纳米结构(例如具有过量电子的材料)和一个p-型纳米结构(例如具有过量电洞的结构)组成，或者替代性地，由一个n-型纳米结构或一个p-型纳米结构组成。适用于TEG层128的纳米结构和纳米相材料可以包括但不限于无孔材料、纳米丝和纳米尺寸的沉淀物和疏松材料中的层片形成。在一个实施方式中，结构和/或相的一个或多个尺寸大于电子或电洞的平均自由程。
在另一个实施方式中，结构和/或相的一个或多个尺寸小于材料的声子波长。
在另一个实施方式中，结构和/或相的一个或多个尺寸小于材料的声子波长。
[0036] 为了提供穿过TEG层128的温差并且消散来自废气的热，散热片120联接至TEG层128并且沿径向远离排气管延伸。在操作过程中，来自穿过排气管的废气的热通过上方和下方部分116、118传递并且进入特定TEG层128的一侧。在相反侧上，联接的散热片120消散来自TEG层128的热，在层内提供温差。该温差在TEG层128内产生电流并且产生的电能可以被送往储存设备(例如电池、超级电容等)从而被车辆随后使用。在其它实施方式中，除了散热片120之外或代替散热片120，可以使用其它冷却机构。例如，在其它实施方式中，TEG层128可以联接至水套管并且进行液体冷却。
[0037] 特别地，虽然在本文中关于TEG系统114的各个部件使用“层”，但该术语旨在描述部件在系统114内的物理位置而非其实际构造。例如，正如将理解的，TEG层128可以包括任何数量的TEG排列，所述排列可以为“层状”或不为“层状”，例如成对的反向掺杂的材料。换言之，术语“层”不旨在限制于材料的特定类型或形成。
[0038] 在一些实施方式中，TEG壳体122可以为与通过上方和下方部分116、118形成的夹具热绝缘的散热片120。例如，TEG壳体122可以使用具有低导热性的材料(例如聚合物、陶瓷等)构成，因此增加TEG层128的相反侧之间的温差。
[0039] 在一个实施方式中，散热片120、TEG壳体122和TEG层128可以使用紧固件126联接至上方和下方部分116、118。紧固件126可以例如插入通过散热片120并且进入部分116、118，由此将散热片120、TEG层128和TEG壳体122夹在一起。在其它实施方式中，可以使用其它紧固机构。
[0040] 现在参考图4，显示了根据各个实施方式的通过TEG发电的示例性曲线400。如图所示，绘制了根据温差402和时间404变化的通过一对TEG元件产生的电力的量。
[0041] 基于城市行驶循环，废气的温度通常在350–450℃的范围内。也已经显示，依据车辆速度和大气温度，围绕废气管的空气流的温度在25-45℃的范围内。因此，根据本文的教导的TEG系统具有产生大约400℃的温差的趋势。通过曲线400可见，在成对的TEG元件中的400度温差产生约1瓦特(W)的功率。特别地，图4中显示的温度仅为示意性的并且可以根据车辆本身的构造(例如用于冷却的空气流的可用量可以取决于车辆的形状)、车辆排气系统的构造，和/或TEG系统在排气系统内的相对位置(例如在排气系统中上游温度可能比下游更大)而变化。
[0042] 如前所述，来自燃烧发动机的至多40％的能量损失归因于废气中的热。对于典型的在峰值马力下操作并且产生75kW功率的100马力发动机，至多30kW的该功率可能经由加热的废气而损失。在本文中描述的典型的TEG模块已经显示提供4-10％之间的能量回收，意味着使用本文描述的系统可能以电能的形式收回1.2kW和3kW之间的功率。
[0043] 有利地，本文描述的技术用于可以附接至发动机的排气管(例如车辆中使用的那些)的模块化TEG系统。设计的模块化性质允许将任何数量的TEG系统联接至排气管，允许以电能的形式收回下游废热。本文提供的设计也允许将TEG系统附接至现有的排气系统而无需较大修改。
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