本申請基于并且要求于2014年11月27日提交給韓國知識產(chǎn)權(quán)局的韓國專利申請第10-2014-0167587號的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，通過引用將其全部內(nèi)容結(jié)合在此。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(thermoelectric generator system)，并且更具體地，涉及通過使用由引擎產(chǎn)生的高溫廢熱進(jìn)行發(fā)電來提高內(nèi)燃機(jī)的燃料效率的引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

通常，用于車輛的熱電發(fā)電機(jī)技術(shù)是一種通過使用與冷卻系統(tǒng)一起安裝在車輛的諸如廢氣系統(tǒng)和引擎部分的高溫?zé)嵩床糠謨?nèi)的熱電元件以基于溫度梯度使電子移動進(jìn)行發(fā)電來提高燃料效率的技術(shù)。用于車輛的現(xiàn)有的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通過安裝在排氣管內(nèi)的熱電發(fā)電機(jī)模塊來執(zhí)行熱電發(fā)電。

同時，已經(jīng)開發(fā)了一種以其中熱電發(fā)電機(jī)模塊包裹排氣管的形式將熱電發(fā)電機(jī)模塊安裝在排氣管的循環(huán)管內(nèi)的技術(shù)。然而，當(dāng)以熱電發(fā)電機(jī)模塊包裹排氣管的形式將熱電發(fā)電機(jī)模塊安裝在現(xiàn)有的循環(huán)管內(nèi)時，存在對利用從引擎部分產(chǎn)生的最高溫的廢熱的限制，并且不易于將平面熱電發(fā)電機(jī)模塊安裝在彎曲的循環(huán)管內(nèi)。此外，當(dāng)限定了排氣管的溫度區(qū)域時，僅 可以使用滿足溫度區(qū)域的熱電發(fā)電機(jī)模塊并且由此存在對功率改善的限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開提供了一種通過使用從引擎產(chǎn)生的高溫廢熱進(jìn)行發(fā)電來提高內(nèi)燃機(jī)的燃料效率的引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

根據(jù)本公開的示例性實施方式，引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以包括：絕熱的熱保護(hù)殼(heat protective cover)，被安裝在引擎內(nèi)；以及單元，被設(shè)置在熱保護(hù)殼的上端以均勻地分布熱能。

具體地，該單元可包括：散熱器(heat spreader)，可以被設(shè)置在下部并且包括熱散熱器和冷散熱器；熱電發(fā)電機(jī)模塊，被設(shè)置在散熱器的上部以執(zhí)行熱電發(fā)電；以及冷卻套，被設(shè)置在熱電發(fā)電機(jī)模塊的上部以執(zhí)行冷卻。

該熱保護(hù)殼可以包括石墨片，該石墨片被設(shè)置在平坦的鋁表面上以傳導(dǎo)熱量并且吸收輻射熱(radiant heat)。可以通過順序堆疊熱散熱器、石墨片、熱電發(fā)電機(jī)模塊、石墨片、冷散熱器以及冷卻套來配置該單元。該冷卻套可插入有U型水冷卻管。

此外，該熱保護(hù)殼可以被被安裝在引擎的排氣歧管(exhaust manifold)內(nèi)，并且該熱保護(hù)殼的上端可被配置為基于溫度通過對流(convection)/輻射或者傳導(dǎo)來對熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且可以包括該單元以在特定溫度或更高的溫度下通過傳導(dǎo)來傳遞熱能以及在低于特定溫度的溫度下通過輻射或者對流來傳遞熱能。該熱保護(hù)殼可以包括旁路設(shè)備，該旁路設(shè)備被配置為在初始啟動期間使用從該熱保護(hù)殼輻射的熱能來驅(qū)動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以發(fā)電并且通過傳導(dǎo)來提高熱電功率。

旁路設(shè)備可包括：高導(dǎo)熱柱(high heat conductive pillar)，高導(dǎo)熱柱具有由熱管配置并且是可移動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；冷卻水，被設(shè)置在該柱上；以及容器，被配置為使用高壓蒸汽垂直地移動該柱。容器可包括：第一室，在該第一室中容納冷凝水；以及第二室，被配置為與第一室互連并且具有插入其中的柱。在單元模塊中，熱電發(fā)電機(jī)模塊可以被插入在熱散熱器與冷散熱器之間，該熱電發(fā)電機(jī)模塊與柱相接觸并且石墨片可以被附接至各個接觸面以使熱傳遞接觸面熱阻最小化。

附圖說明

從結(jié)合附圖進(jìn)行的下列詳細(xì)描述中，本公開的上述目標(biāo)和其他目標(biāo)、特征以及優(yōu)點將變得更為顯而易見：

圖1是示出了根據(jù)本公開的示例性實施方式的引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的示例圖；

圖2A至圖2C是示出了根據(jù)本公開的示例性實施方式的引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的熱保護(hù)殼的示例圖；

圖3A至圖3B是示出了根據(jù)本公開的示例性實施方式的引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的旁路設(shè)備的柱的示例圖；

圖4是示出了根據(jù)本公開的示例性實施方式的引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的熱保護(hù)殼的旁路設(shè)備的示例性正視圖；

圖5是示出了根據(jù)本公開的示例性實施方式的引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的熱保護(hù)殼的旁路設(shè)備的示例性側(cè)視圖；以及

圖6和圖7是示出了根據(jù)本公開的示例性實施方式的應(yīng)用于引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的熱保護(hù)殼的單元的示例圖。

具體實施方式

應(yīng)當(dāng)理解的是，本文中使用的術(shù)語“車輛”或者“車輛的”或者其他相似術(shù)語通常包括機(jī)動車輛，諸如包括運動型多用途車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛的客車、包括各種船舶的船只、飛機(jī)等等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、內(nèi)燃機(jī)、插電式混合動力車輛、氫動力車輛以及其他可替代燃料車輛(例如，源自不同于石油的資源的燃料)。

盡管使用執(zhí)行示例性過程的多個單元描述了示例性實施方式，然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，還可通過一個或者多個模塊執(zhí)行示例性過程。

本文中所使用的術(shù)語僅用于描述具體實施方式之目的并且并不旨在限制本發(fā)明。如本文中所使用的，除非上下文另有明確指示，否則單數(shù)形式“一(a)”、“一個(an)”以及“該(the)”還旨在包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解的是，本說明書中所使用的術(shù)語“包括(comprises)”和/或“包含(comprising)”指定了存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者添加一種或者多種其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其組合。如本文中所使用的，術(shù)語“和/或”包括相關(guān)列出項中的一個或者多個的任一個和所有組合。

如本文中所使用的，除非具體說明或者從上下文顯而易見，否則術(shù)語“約”應(yīng)被理解為在本領(lǐng)域的正常容差范圍內(nèi)，例如，在2平均標(biāo)準(zhǔn)偏差以內(nèi)?！凹s”應(yīng)被理解為在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或者0.01％內(nèi)。除非另從上下文中清晰可見，否則本文中所提供的所有數(shù)值可被術(shù)語“約”修飾。

將參考附圖詳細(xì)描述本公開的示例性實施方式。如在圖1至圖7中示出的，根據(jù)本公開的示例性實施方式的引擎的熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可包括安裝在引擎10內(nèi)的熱保護(hù)殼100和安裝在熱保護(hù)殼100上的單元200。

如在圖1和圖2A至圖2C中所示，熱保護(hù)殼100可以是被安裝成保護(hù)配線免受排氣歧管的充分高溫影響的絕熱構(gòu)件，以將使用來自引擎10的廢熱的熱電發(fā)電機(jī)模塊安裝在引擎部分內(nèi)。如在圖6中所示，單元200可以被安裝在熱保護(hù)殼100的上端以均勻地分布熱能。

在該配置中，單元200可包括散熱器210、熱電發(fā)電機(jī)模塊220以及冷卻套230，并且可以與熱保護(hù)殼100固定在一起以操作發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。散熱器210可以被安裝在單元200的下部并且可以包括熱散熱器211和冷散熱器212。此外，熱電發(fā)電機(jī)模塊220可以被安裝在散熱器210的上部以執(zhí)行發(fā)電，并且冷卻套230可以被安裝在熱電發(fā)電機(jī)模塊220上以執(zhí)行冷卻。

同時，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域使用由雙重鋁層配置的殼來限制住空氣并且改善絕熱性能，但是，根據(jù)本公開的示例性實施方式的熱保護(hù)殼100可具有石墨片，該石墨片被設(shè)置在平坦的鋁表面上以傳導(dǎo)熱量并且吸收輻射熱。具體地，可以通過在熱保護(hù)殼100的上部順序堆疊熱散熱器211、石墨片、熱電發(fā)電機(jī)模塊220、石墨片、冷散熱器212以及冷卻套230來配置單元200。具體地，U型水冷卻管可以被插入到冷卻套230中。

而且，可以插入石墨片以使接觸面處的熱傳遞熱阻最小化并且吸收振動，并且散熱器210可以是被插入用于將熱量均勻地傳遞至熱電元件的熱電元件和層。具體地，具有熱電發(fā)電機(jī)模塊220的散熱器210可通過至少200磅/平方英寸的按壓而被固定在一起以使熱傳遞最大化。

此外，根據(jù)本公開的示例性實施方式，下部的熱散熱器211的尺寸可以被設(shè)計成大于冷散熱器212的尺寸，以防止溫度由于熱電發(fā)電機(jī)模塊220的邊緣周圍的冷卻而被不均勻地分布并且確保與熱保護(hù)殼100固定在一起的部分。由于來自排氣歧管的輻射熱量，熱保護(hù)殼100的表面溫度會根據(jù)操作條件的不同而不同，但是，通常，在約1500rpm至4500rpm的部分中可具有從約150℃至350℃的范圍。

同時，根據(jù)本公開的示例性實施方式，熱保護(hù)殼100可以被安裝在引擎10的排氣歧管內(nèi)，并且熱保護(hù)殼100的上端可被配置為基于溫度通過對流/輻射或者傳導(dǎo)來對熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。熱保護(hù)殼100的上端可以安裝有單元200以在特定溫度或者更高的溫度下通過傳導(dǎo)來傳遞熱能，并且在低于特定溫度的溫度下通過輻射或者對流來傳遞熱能。

根據(jù)本公開的示例性實施方式，如在圖1中所示，熱保護(hù)殼100和單元200可以被安裝在引擎10內(nèi)以利用從排氣歧管輻射的熱能。具體地，如在圖2A至圖2C中所示，可以被配置為通過傳導(dǎo)來傳遞熱能以執(zhí)行熱電發(fā)電的熱保護(hù)殼100可具有夾持(clamping)結(jié)構(gòu)，在夾持結(jié)構(gòu)中，上端與下端的聚焦部分(focusing part)彼此分離。

而且，因為從引擎10產(chǎn)生的廢氣對催化劑活性溫度具有實質(zhì)影響，所以應(yīng)在引擎啟動之后需要生成初始輻射的約1870秒內(nèi)(基于FTP模式，階段I)防止熱量轉(zhuǎn)移至熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，并且因為催化劑被初始活化并且催化劑被氧化而產(chǎn)生熱量，所以應(yīng)保持催化階段入口處的廢氣溫度為約450℃以上。而且，根據(jù)本公開的示例性實施方式，熱保護(hù)殼100可以包括旁路設(shè)備110，該旁路設(shè)備被配置為在初始啟動期間使用從熱保護(hù)殼100輻射的熱能來驅(qū)動發(fā)動機(jī)系統(tǒng)以發(fā)電并且通過傳導(dǎo)提高熱電功率。

如在圖3A和圖3B至圖5中所示，旁路設(shè)備110可包括具有由熱管P配置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱柱111、安裝在柱111上的冷卻水112以及容器113，該容器被配置為使用高壓蒸汽垂直地移動柱111。在該配置中，容器113可包括：第一室114，其中可以容納冷凝水W；以及第二室115，與第一室114互連并且柱111可以被插入其中。

此外，容器113可以由諸如鋁和銅等高導(dǎo)熱金屬制成，并且其上端和下端可以以基本上正方形的形狀形成以確保熱接觸面積。具體地，在柱111移動期間，容器113的上端可保持為具有比所接觸的TE模塊更大的面積以在模塊的整個區(qū)域上均勻地供應(yīng)熱能。

同時，回顧根據(jù)本公開的示例性實施方式的熱電發(fā)電的順序，在低溫環(huán)境(例如，低于特定溫度)下，可以通過傳導(dǎo)和輻射來自熱管P的上端部分的熱能來將熱能從引擎10的排氣歧管轉(zhuǎn)移至熱保護(hù)殼100，從而產(chǎn)生熱電發(fā)電，以及在高溫環(huán)境下，可以在下部容器113中的流體的沸點(B.P.)或者更高的溫度下通過形成高壓蒸汽并且在將熱能供應(yīng)給柱111的同時通過壓力與熱電發(fā)電機(jī)模塊220的高溫側(cè)(hot side)相接觸來產(chǎn)生熱電發(fā)電。

此外，柱111可以插入有具有高傳導(dǎo)率(約～5000W/mK)的熱管P，熱能可以以快速的反應(yīng)速度進(jìn)行移動，如在圖5中所示，顯著的高溫和高壓的蒸汽可增加至預(yù)定的高度，并且然后可以通過形成在柱111的下端的壁表面上的通路而轉(zhuǎn)移至形成有熱絕緣材料的壁表面的第一室114，并且在其中被冷凝，冷凝的流體可以通過在第一室114中形成的通道再次移動至下部容器113。具體地，流體的流動速率要求即使在充分低溫下仍可保持高壓的水位，并且可以設(shè)置獨立的夾持結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)柱111與模塊(或者熱散熱器)之間的表面粘附力。

而且，在單元模塊中，熱電發(fā)電機(jī)模塊220可以被插入在熱散熱器211與冷散熱器212之間，其與柱111接觸并且石墨片可以被附接至各個接觸面，從而使熱傳遞接觸面熱阻最小化。如在圖6和圖7中所示，在其中將冷卻套230附接至冷散熱器212的單元200可以被配置為與旁路設(shè)備100保持特定間隔距離，并且然后可以附接至熱保護(hù)殼100。具體地，水可以被用作容器113中所使用的流體，但是考慮到模塊的導(dǎo)熱值和耐用性，還可以應(yīng)用其他流體。

因此，根據(jù)本公開的示例性實施方式，熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可包括安裝在引擎10內(nèi)的絕熱的熱保護(hù)殼100和設(shè)置在熱保護(hù)殼100的上端以均勻地分布熱能的單元200，從而使用安裝在引擎10的排氣歧管的上端處的熱保護(hù)殼100來保護(hù)配線免受廢熱影響，從而在不影響催化劑的情況下利用從排氣歧管廢棄的廢熱來吸收從排氣歧管廢棄的熱能發(fā)電，以提高內(nèi)燃機(jī)的 燃料效率，并且通過在特定溫度或者更高溫度下的傳導(dǎo)來傳遞熱量，并且通過在低于特定溫度的溫度下的輻射和對流來傳遞熱量以提高效率。

如上所述，盡管已經(jīng)參考示例性實施方式和附圖描述了本公開，然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到本公開并不局限于此，在不背離權(quán)利要求所限定的范圍的情況下可以做出各種變形和改變。

圖中各個元件的符號

10：引擎

100：熱保護(hù)殼

200：單元

210：散熱器

220：熱電發(fā)電機(jī)模塊

230：冷卻套