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技术领域

本发明涉及汽车尾气温差发电装置及方法领域，具体地涉及一种 圆筒式汽车尾气热电转换装置及安装方法。

背景技术

传统燃油发动机的燃油能量约30％以尾气废热的方式排放，造成 了巨大的能量浪费，采用热电转换技术回收尾气废热进行发电供给车 载系统使用是提高其燃油经济性的一个重要途径。目前，现有的汽车 尾气发电装置大多采取平板式结构，即热交换器为平板式，热电模块 平铺在平板式热交换器的表面，但这种方式对发动机的尾气背压影响 较大，会造成尾气气流不通畅，导致热交换器受热不均匀，最终热影 响电转换效率，尽管发出了一定电量但还可能会降低发动机的动力性 和燃油经济性，得不偿失。

此外，还报道过圆筒式结构的热交换器，如中国实用新型专利(公 开号：2031198709U，公开日：2013-08-07)报道了题为汽车尾气余 热发电装置的专利文献，文献中公开了一种汽车尾气余热发电装置， 包括温差发电器、散热片和连接套，且连接套的内径为圆柱形，与汽 车排气筒外圆相匹配，连接套的外部呈现六边形柱体，具有六边形柱 体结构的连接套分为上套和下套两部份组成；中国实用新型专利(公 开号：204652267U，公开日：2015-09-16)报道了题为一种尾气温差 发电装置的专利文献，文献中公开了一种包括双层半八边形排气管的 温差发电装置，这两种设计均采用圆筒式的双层结构设计模式，提高 了尾气余热的换热效率，但是结构设计不够紧凑，同时不利于稳定发 动机中尾气流动背压。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种圆筒式汽车尾气热电转换装 置及安装方法，其目的是在保证发动机中尾气流动背压不增加的基础 上，提高尾气余热的热转换效率。

本发明的一种圆筒式汽车尾气热电转换装置，包括热电转换单元 和电压巡检单元，所述热电转换单元包含热交换器，热交换器包含第 一热面、第二热面、第三热面、第四热面、第五热面、第六热面、第 七热面和第八热面，且第一热面～第八热面围合形成两端开口设置的 筒式腔体，在筒式腔体的内侧均匀设置若干个翅片，在筒式腔体外侧 的第一热面～第八热面的表面上分别对应连接有第一热电模块组、第 二热电模块组、第三热电模块组、第四热电模块组、第五热电模块组、 第六热电模块组、第七热电模块组和第八热电模块组中的各个热电模 块的热端，第一热电模块组～第八热电模块组中的各个热电模块的冷 端分别对应连接着第一水箱、第二水箱、第三水箱、第四水箱、第五 水箱、第六水箱、第七水箱和第八水箱；第一水箱～第八水箱的外侧 设置有固定热交换器、热电模块组和水箱的第一紧箍环、第二紧箍环、 第三紧箍环、第四紧箍环和第五紧箍环；

所述电压巡检单元包含第一检测从板、第二检测从板、第三检测 从板和第四检测从板，第一检测从板～第四检测从板分别通过第一高 温导线组、第二高温导线组、第三高温导线组、第四高温导线组、第 五高温导线组、第六高温导线组、第七高温导线组和第八高温导线组 与第一热电模块组～第八热电模块组相连并检测各个热电模块组中的 热电模块电压，第一检测从板～第四检测从板还通过CAN总线与检测 主板进行通信，通过RS485接口向上位机传送各个热电模块的电压 检测数据并进行分析，通过LCD显示器对电压检测数据进行实时显 示；通过GPRS模块和Zigbee模块将各个热电模块的电压检测数据 实时无线传输给远程监控中心。

具体的，所述第一热电模块组～第八热电模块组通过串联或并联 的方式进行组合作为热电转换单元的最终输出端，且第一热电模块组 ～第八热电模块组中的各个热电模块组均包含五个以串联方式组合的 热电模块；所述第一水箱～第八水箱中的各个水箱均包含多列水箱， 且第一水箱～第八水箱中的每列水箱的下表面分别与第一热电模块组 ～第八热电模块组中的各个热电模块的冷端对应相连；

所述热电转换单元还包含汽车发动机，汽车发动机排出的高温尾 气通过第一导气管的进气口与热交换器的入口相连，热交换器的出口 通过第二导气管的出气口与大气相连；汽车发动机的冷却装置中的冷 却水出口经过第一散热片管道后分为八条支路分别与第一水箱中的 第一进水口、第二水箱中的第二进水口、第三水箱中的第三进水口、 第四水箱中的第四进水口、第五水箱中的第五进水口、第六水箱中的 第六进水口、第七水箱中的第七进水口和第八水箱中的第八进水口相 连，且第一水箱～第八水箱的冷却水出口相连后经过第二散热片管道， 与冷却装置的冷却水入口相连，形成热电转换单元的一个冷却水循环 回路。

具体的，所述第一热面～第八热面围合形成正八边形筒式腔体， 在正八边形筒式腔体的内侧均匀设置有十六个翅片，所述翅片设置在 相邻两个热面的结合处，或者每个热面在宽边上的中位线处，且相邻 两个翅片之间的夹角为22.5°。

具体的，所述第一热电模块组～第八热电模块组中的各个热电模 块的电压正负极输出端分别对应通过第一高温导线组～第八高温导线 组与接线板上对应的输入端相连，且第一高温导线组和第二高温导线 组对应的第一接线板的输出端与第一检测从板的信号采集端相连，第 三高温导线组和第四高温导线组对应的第二接线板的输出端与第二 检测从板的信号采集端相连，第五高温导线组与第六高温导线组对应 的第三接线板的输出端与第三检测从板的信号采集端相连，第七高温 导线组与第八高温导线组对应的第四接线板的输出端与第四检测从 板的信号采集端相连。

具体的，所述第一高温线组(71)～第八高温线组(78)中的各 个高温线组均包含多根排线，电压巡检单元(8)的接线板(80)输 出端通过每组多根排线与检测从板的信号采集端相连。

为实现本发明的目的，本发明还提供了圆筒式汽车尾气热电转换 装置的安装方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤一：在正八边形筒式热交换器的第一热面～第八热面的表面 上均匀涂布耐高温导热硅胶，将第一热电模块组～第八热电模块组分 别对应贴附在第一热面～第八热面上；

步骤二：在第一热电模块组～第八热电模块组中的热电模块的冷 端均匀涂布耐高温导热硅胶，再将第一水箱～第八水箱的下表面分别 对应贴附在第一热电模块组～第八热电模块组中的各个热电模块组中 的热电模块的冷端上；

步骤三：在第一水箱～第八水箱的表面上，通过螺栓固定第一紧 箍环～第五紧箍环，且第一紧箍环～第五紧箍环分别与每个热电模块组 中的五个串联的热电模块在位置上相对应。

有益效果：

本发明与平板式热交换器相比，采用的类似圆筒式热交换器筒内 部气流顺畅，筒内翅片受热均匀，可在不改变汽车发动机背压的前提 下实现尾气废热的有效收集，同时，由于其结构的对称性，各个热面 上热电模块的温差和输出性能基本一致，这样也便于它们之间的电气 串并联组合连接。此外，采用发动机自身冷却装置的冷却水控制热电 模块的冷端温度，使装置的操作变得方便可行同时能够降低装置的开 发和回收成本。本发明经过多次试验与改良，可较好解决汽车尾气余 热利用不充分、输出功率低等难题，提高了热电转换装置的转换效率 和输出功率，有助于实现传统汽车发动机的节能与减排。

附图说明

图1为本发明圆筒式汽车尾气热电转换装置的整体结构示意图；

图2为图1中导气管的进气口的正视图；

图3为图1中热交换器热交换器热交换器的结构示意图；

图4为图3的内部结构示意图；

图5为图1中热电模块组和水箱布局示意图；

图6为图5中第一热电模块单元电压检测示意图；

图7为图5中第二热电模块单元电压检测示意图；

图8为图5中第三热电模块单元电压检测示意图；

图9为图5中第四热电模块单元电压检测示意图。

图中各部件标号如下：

1—进水口：11—第一进水口、12—第二进水口、13—第三进水 口、14—第四进水口、15—第五进水口、16—第六进水口、17—第七 进水口、18—第八进水口；

2—水箱：21—第一水箱、22—第二水箱、23—第三水箱、24— 第四水箱、25—第五水箱、26—第六水箱、27—第七水箱、28—第八 水箱；

3—热电模块：31—第一热电模块、32—第二热电模块、33—第 三热电模块、34—第四热电模块、35—第五热电模块、36—第六热电 模块、37—第七热电模块、38—第八热电模块；

4—热交换器热交换器热交换器：41—第一热面、42—第二热面、 43—第三热面、44—第四热面、45—第五热面、46—第六热面、47 —第七热面、48—第八热面；

5—紧箍环：51—第一紧箍环、52—第二紧箍环、53—第三紧箍 环、54—第四紧箍环、55—第五紧箍环；

6—翅片；

60—巡检从板：61—第一巡检从板、62—第二巡检从板、63—第 三巡检从板、64—第四巡检从板；

7—热电转换单元；

71—第一高温导线组、72—第二高温导线组、73—第三高温导线 组、74—第四高温导线组、75—第五高温导线组、76—第六高温导线 组、77—第七高温导线组、78—第八高温导线组；

8—电压巡检单元；

80—接线板：81—第一排线组、82—第二排线组、83—第三排线 组、84—第四排线组；

9—汽车发动机；

10—冷却装置；

91—第一导气管；

92—进气口；

93—第二导气管；

94—出气口；

95—第一散热片管道；

96—第二散热片管道；

100—检测主板；

101—上位机；

102—LCD显示器；

103—GPRS模块；

104—Zigbee模块。

具体实施方式

下面结合附图及具体设施例对本发明作进一步的描述，但实施例 不应理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明的圆筒式汽车尾气热电转换装置，包括热电 转换单元(7)和电压巡检单元(8)，所述热电转换单元(7)包括热 交换器热交换器热交换器(4)，如图4所示，热交换器热交换器热交 换器(4)包括第一热面(41)、第二热面(42)、第三热面(43)、第 四热面(44)、第五热面(45)、第六热面(46)、第七热面(47)和 第八热面(48)，且第一热面(41)～第八热面(48)围合形成类似圆 筒式的正八边形中空腔体，在中空腔体的两端均设置开口，在中空腔 体内侧均匀设置十六个具有一定厚度和高度的翅片(6)(优选导热性 好的材料，如铜制或铝制)，所述翅片(6)设置在相邻两个热面的结 合处，或者每个热面在宽边上的中位线处，且相邻两个翅片之间的夹 角为22.5°，本实施例中设计翅片的目的是，当高温尾气经过翅片时， 翅片吸收热量并将热量均匀传导至热交换器的多个热面，且由于热交 换器结构的对称性，保证热面受热均匀。

如图2、图3和图3所示，在第一热面(41)～第八热面(48) 的各个热面的表面上均匀涂布一定厚度的耐高温导热硅胶，再将第一 热电模块组(31)、第二热电模块组(32)、第三热电模块组(33)、 第四热电模块组(34)、第五热电模块组(35)、第六热电模块组(36)、 第七热电模块组(37)和第八热电模块组(38)分别对应贴附在第一 热面(41)～第八热面(48)上，其中第一热电模块组(31)～第八热 电模块组(38)通过串联或并联的方式进行组合作为热电转换单元(7) 的最终输出端，且第一热电模块组(31)～第八热电模块组(38)中 的各个热电模块组均包含有五个相互串联的热电模块，因此，第一热 面(41)～第八热面(48)吸收废气中的热量并将热量传递给第一热 电模块组(31)～第八热电模块组(38)中的各个热电模块的热端； 在每个热电模块组中串联的热电模块的冷端也涂布一定厚度的耐高 温导热硅胶，再将第一水箱(21)、第二水箱(22)、第三水箱(23)、 第四水箱(24)、第五水箱(25)、第六水箱(26)、第七水箱(27) 和第八水箱(28)分别对应贴附在第一热电模块组(31)～第八热电 模块组(38)中的热电模块的冷端，第一水箱(21)～第八水箱(28) 为热电模块组提供冷端温度，热电模块设置在水箱和热交换器之间， 利用冷热两端温度差产生直流电能。

再次结合图1可知，热电转换单元(7)还包含汽车发动机(9)， 汽车发动机(9)排出的高温尾气通过第一导气管(91)的进气口(92) 与热交换器(4)的入口相连，热交换器(4)的出口通过第二导气管 (93)的出气口(94)与大气相连；结合图2可知，汽车发动机(9) 的冷却装置(10)中的冷却水出口经过第一散热片管道(95)后分为 八条支路分别与第一水箱(21)中的第一进水口(11)、第二水箱(22) 中的第二进水口(12)、第三水箱(23)中的第三进水口(13)、第四 水箱(24)中的第四进水口(14)、第五水箱(25)中的第五进水口 (15)、第六水箱(26)中的第六进水口(16)、第七水箱(27)中的 第七进水口(17)和第八水箱(28)中的第八进水口(18)相连，且 第一水箱(21)～第八水箱(28)的冷却水出口相连后经过第二散热 片管道(96)，与冷却装置(10)的冷却水入口相连，形成热电转换 单元(7)的一个冷却水循环回路，利用发动机自身冷却装置的冷却 水控制热电模块的冷端温度，使装置的操作变得方便可行同时能够降 低装置的开发和回收成本。

再次结合图1和图5可知，在第一水箱(21)～第八水箱围合形 成的筒式热电转换装置的外侧，通过螺栓固定了第一紧箍环(51)、 第二紧箍环(52)、第三紧箍环(53)、第四紧箍环(54)和第五紧箍 环(55)，且第一紧箍环(51)～第五紧箍环(55)与每个热电模块组 中相互串联的热电模块在位置上对应，与热电模块组中的五个串联的 热电模块在同一条直线上。

再次如图1所示，电压巡检单元(8)包括第一检测从板(61)、 第二检测从板(62)、第三检测从板(63)和第四检测从板(64)，结 合图7可知，第一热电模块组(31)中五个串联的热电模块的电压正 负极输出端通过第一高温导线组(71)与接线板(80)上对应的输入 端相连；第二热电模块组(31)中五个热电模块的电压正负极输出端 通过第二高温导线组(72)与接线板(80)上对应的输入端相连；第 一高温导线组(71)和第二高温导线组(72)与第一排线组(81)相 连接，且第一高温导线组(71)和第二高温导线组(72)利用第一排 线组(81)中的多根排线与对应的接线板输出端相连，接线板输出端 再与第一检测从板(61)的信号采集端相连，第一检测从板(61)利 用内部的A/D转换模块采集对应的第一热电模块组(31)和第二热 电模块组(32)中的各个热电模块的电压并进行相应的软件滤波数据 处理。

结合图1和图7可知，第三热电模块组(33)中五个串联的热电 模块的电压正负极输出端通过第三高温导线组(73)与接线板(80) 上对应的输入端相连；第四热电模块组(34)中五个串联的热电模块 的电压正负极输出端通过第四高温导线组(74)与接线板(80)上对 应的输入端相连；第三高温线组(73)和第四高温线组(74)与第二 排线组(82)相连，且第三高温导线组(73)和第四高温导线组(74) 利用第二排线组(82)中的多根排线与对应的接线板输出端相连，接 线板输出端再与第二检测从板(62)的信号采集端相连，第二检测从 板(62)利用内部的A/D转换模块采集对应的第三热电模块组(33) 和第四热电模块组(34)中的各个热电模块的电压并进行相应的软件 滤波数据处理。

结合图1和图8可知，第五热电模块组(35)中五个串联的热电 模块的电压正负极输出端通过第五高温导线组(75)与接线板(80) 上对应的输入端相连；第六热电模块组(36)中五个串联的热电模块 的电压正负极输出端通过第六高温导线组(76)与接线板(80)上对 应的输入端相连；第五高温线组(75)和第六高温线组(76)与第三 排线组(83)相连，且第五高温导线组(75)和第六高温导线组(76) 利用第三排线组(83)中的多根排线与对应的接线板输出端相连，接 线板输出端再与第三检测从板(63)的信号采集端相连，第三检测从 板(63)利用内部的A/D转换模块采集对应的第五热电模块组(35) 和第六热电模块组(36)中的各个热电模块的电压并进行相应的软件 滤波数据处理。

结合图1和图9可知，第七热电模块组(37)中五个串联的热电 模块的电压正负极输出端通过第七高温导线组(77)与接线板(80) 上对应的输入端相连；第八热电模块组(38)中五个串联的热电模块 的电压正负极输出端通过第八高温导线组(78)与接线板(80)上对 应的输入端相连；第七高温线组(77)和第八高温线组(78)与第四 排线组(84)相连，且第七高温导线组(77)和第八高温导线组(78) 利用第四排线组(84)中的多根排线与对应的接线板输出端相连，接 线板输出端再与第四检测从板(64)的信号采集端相连，第四检测从 板(64)利用内部的A/D转换模块采集对应的第七热电模块组(37) 和第八热电模块组(38)中的各个热电模块的电压并进行相应的软件 滤波数据处理。

再次结合图1可知，第一检测从板(61)～第四检测从板(64) 通过CAN总线与检测主板(100)相连进行通信，检测主板(100) 能够通过CAN总线以一定时间为巡检周期来收集检测从板采集的数 据；另一方面，检测主板(100)通过RS485接口与上位机(101) 相连，上位机(101)会对数据进行分析处理，一方面显示各个热电 模块的实时电压数据，另一方面还能绘制出实时数据曲线通过LCD 显示器(102)显示在屏幕上，并进行数据库保存，以便对热电模块 进行性能的跟踪和分析，此外，检测主板(100)还同时利用GPRS 模块(103)和Zigbee模块(104)与远程监控中心实现无线远程数 据通信，其中GPRS模块(103)还可以与手机进行数据通信。