[发明专利]热电堆及应用该热电堆的汽车尾气余热发电制冷装置

说明书

技术领域

本发明与温差热电发电、热电制冷技术有关，尤其与汽车尾气余热发电、制冷技术有关。

背景技术

半导体温差发电技术利用塞贝克(Seeback)效应，将温差热能直接转换为电能，有体积小、重量轻、无振动、无噪音、寿命长等优点，在工业余热或废热利用方面具有广阔前景。虽然半导体温差发电已有诸多应用，但长久以来起关键作用的热电堆(或称热电模块)集成度不高，导致温差发电装置的转化效率、占用的空间、制造成本限制了热电温差发电与制冷技术在汽车上的广泛应用。目前的热电堆中，排成行列二维矩阵的系列热电偶元件之间留有足够的行、列空隙，造成集成度低，而且空隙中留有空气气体，这些空气气体会使热电堆的热面与冷面之间产生热的对流、辐射，降低热电堆热面与冷面之间的温差ΔT，直接导致热电偶电动势的降低。例如，200910146005.4热电模块装置和用于其中的热交换器,申请号201010265900.0一种发动机废气能量利用装置及应用该装置的汽车，201210227154.5汽车尾气管温差发电装置，201110363273.9新一代不耗发动机动力的汽车发电机。

发明内容

温差余热发电与制冷装置的核心部件是热电堆，为了克服目前热电堆与温差余热发电制冷装置的以上缺点，本发明提出一种集成度高、结构简单、制造成本低的热电堆，同时提出一种利用该热电堆作为发电与制冷的核心部件构成的高效汽车尾气余热发电制冷装置。

目前的热电堆中，排成行、列矩阵布局的系列热电偶元件通过导体并联或串联，热电堆的发电总功率为所有热电偶的发电功率之和。热电堆中的热电偶由P型热电偶臂与N型热电偶臂组成，采用焊接方法进行连接，工艺复杂、合格率低、成本高。为了隔热与绝缘，行、列矩阵排列的热电偶元件之间、热电偶臂之间必须留有足够的空隙，由于热电偶臂尺寸本身较小，一般空隙尺寸会占元件尺寸的80%-120%，以较小的80%计算，其浪费比例为：(1+80%)X(1+80%)–1=224%,可见在热电堆中超过元件自身所占面积近两倍的布局空间作为空隙被浪费了，空间浪费巨大。同时，热电偶元件之间、热电偶臂之间的空隙不仅浪费热电堆的空间，而且空隙中留有空气介质，这些空气气体介质会使热电堆的热面与冷面之间产生热的对流、辐射，降低热面与冷面之间的温差ΔT，直接导致热电偶产生的电动势降低，因为每个热电偶产生的电动势是冷热面温差ΔT与塞贝克(Seeback)系数σ之乘积。在实际使用环境中，热电堆冷、热两面温差大，温度变化大，由此产生的热应力容易引起陶瓷材料的冷、热面变形或甚至破裂，也经常引起焊点脱落，严重影响产品的可靠性并缩短产品的使用寿命。

本发明热电堆的技术方案是：在热电堆中，成型为长方体柱状的P型热电偶臂与N型热电偶臂交错排列，所有热电偶臂之间紧贴放置绝热绝缘薄膜材料隔离，绝热绝缘薄膜厚度可以做到小于热电偶臂宽度的5%，整过热电堆的空间浪费可以做到小于5%，节省了空间。热电偶臂之间紧贴放置的绝热绝缘薄膜材料还排除了空气介质，因此消除了空气气体的对流、辐射引起的冷热面之间温差下降的弊端，提高了热电转换率。为了解决热应力容易导致热电堆的冷、热面变形、破裂与热电偶臂之间焊点脱落，严重影响产品的可靠性与使用寿命的问题，热电偶臂之间的电连接通过放置柔性导热导电材料于热电偶臂上、下底面与壳体的上下底面内侧之间，缓冲了热应力并消除它对产品的不良影响。同时，热电偶臂之间紧贴放置的柔性绝热绝缘薄膜材料，也可以进一步缓冲热应力并消除其不良影响。

在本发明的热电堆中，热电偶臂从列方向看，是一整条的长发体柱，按列依序排列，没有行空隙。切割成长方体柱状的热电偶按列依序排放，可以看成为把传统热电堆中同一列的多个热电偶合并为一个热电偶，也相当于把这同一列的多个热电偶在电路上进行了并联，这样不仅去除了同一列的多个热电偶之间的空隙，而且省去了同一列热电偶相互之间的焊接。

因此，本发明热电堆取得的有益技术效果为：1、大大提高了热电堆集成度，占元件2倍多的浪费空间降低到5%，集成度提高2倍以上，也即是在同样面积的热电堆中，本发明热电堆所发电或制冷的功率超过传统热电堆的3倍以上；2、省掉热电偶臂之间的焊接工序，制作过程简便，成本低廉；3、适应温差变化大，抗热应力能力强，产品可靠性高、寿命长；4、由于集成度高，热电转换能力包括热电发电与热电制冷的能力强，易于在汽车尾气余热发电制冷等要求热电转换功率大的应用场合推广使用，能够产生较好的经济效益与社会效益。

一种高效汽车尾气余热发电制冷装置