[0001] 本发明涉及温差发电、 内燃机及电机技术领域。

背景技术

[0002] 依据 Peltier及 Seebeck效应发展的半导体致冷及温差发电技术� � 其核心为热电转 换模块， 也称热电材料、 热电半导体等， 可实现电能与热能间的双向转换， 上 述能量转换为全固态的能量转换方式， 无需化学反应或流体介质， 无运动部件 、 无噪音、 无磨损、 无介质泄露、 无有害物质排放、 体积小重量轻、 移动方便 、 运行稳定、 可靠性高、 寿命长等优点。 但现有热电转换模块的导热接触面 （ 包括热面及冷面） 都以烧结的平面的氧化铝陶瓷为主、 其平面加工要求高、 成 本高。 其内部的导流片均采用直板状金属 （以铜为主） 导流片， 在温度骤变吋 产生的热应力无法得到有效释放， 为兼顾热电转换模块的寿命， 导致模块尺寸 及其内部半导体数量受限， 最终导致热电转换模块的功率受限。 且导流片与半 导体的连接 （如焊接） 产生的材料间扩散将影响半导体材料的性能， 又通过增 加防扩散层的方式来抑制扩散， 增加了模块的热阻， 降低了效率。 授权公告号 为 CN 2779623 Y的中国专利文献公幵了一种基于设具曲弧面� �致冷芯片结构， 其对热电转换模块的改进在于导热接触面为曲 面以及由可塑性强的金属基板代 替了传统的氧化铝陶瓷基板， 扩大了热电模块的应用范围， 但该专利文献未提 及对导流片有任何改进， 仍然存在直板状金属导流片的热应力问题导致 的模块 寿命、 尺寸与功率受限的问题， 以及材料间的扩散问题及热阻和效率问题， 且 其增加的附着在基板整个表面的绝缘层也增加 了模块的热阻。

[0003] 现有内燃机的效率较低， 燃料燃烧后生成高温高压气体， 高温高压气体的能量 大致可分为高压气体和热能二部分， 内燃机仅利用了其中的高压气体的部分能 量驱动活塞对外做功即输出机械能， 而热能没有利用； 没有利用的热能又分为 废热和有害热能二部分， 其中废热为发动机排出的高温高压尾气， 有害热能指 燃料燃烧后将内燃机缸体温度升高的热能， 而过高的内燃机缸体温度会妨害内 燃机正常运行， 从而而需要冷却系统对内燃机缸体进行冷却， 进而需要消耗能 量或资源来驱动冷却系统运行， 而冷却系统消耗的能量绝大部分直接或间接来 自内燃机的机械能输出， 从而降低了内燃机的有效机械能输出， 降低了内燃机 的效率。 为满足有效机械能的输出， 只能靠增加内燃机排气量的方式来增加内 燃机的有效输出的机械能， 而大排量的内燃机必然带来更高的排放污染。

[0004] 申请公布号为 CN 1625026 A的中国专利文献公幵了活塞式内燃直线发电� �， 与 传统内燃机一样， 仅利用了内燃机的燃烧室内燃料燃烧产生的高 温高压气体对 活塞做功， 没有提及燃料燃烧后产生的高压气体的同吋带 来内燃机缸体的温度 升高及应对措施， 自然也没有对高温缸体的热能进行利用。

[0005] 申请公布号为 CN 102425499 A的中国专利文献公幵了一种止点可控的自由� �塞 内燃直线发电机， 与传统内燃机一样， 仅利用了燃油燃烧后产生的高压气体推 动活塞做功进而进行发电， 没有提及燃油燃烧后产生的高压气体的同吋带 来内 燃机缸体的温度升高及应对措施， 自然也没有对高温缸体的热能进行利用。

[0006] 现有的电机， 包括将电能转成机械能的电动机及将机械能转 成电能的发电机， 在进行能量转换吋， 会有一部分损耗变成热量， 此为有害热能， 必须进行冷却 以保证电机正常运转， 低功率的电机通过外壳自然冷却即可达到冷却 目的； 大 功率的电机， 发热量大， 必须依靠强制冷却系统进行散热， 强制冷却系统的运 行又耗费了额外的能量， 增加能源消耗和温室气体排放 （如铁路的电力牵引机 车、 电动汽车的高功率驱动电机等） 。

[0007] 现有的各种能量转换设备中， 受技术所限， 转换效率达不到 100%， 其中浪费 的能量绝大部分以热能的形式释放， 有的热能以废弃热能的形式排放掉， 另一 部分热能积蓄在设备内部会导致设备内部温度 升高， 进而影响设备的正常运行 ， 故此类设备均配备了冷却系统用于散热， 使设备在适宜的温度环境下运行。 其中设备内需要散热的热能称为有害热能， 有害热能非但没有被利用或利用效 率很低， 还要耗费更多的能量和资源来驱动冷却系统的 运行， 在降低能量转换 效率的同吋， 进一步造成能量及资源的浪费。 内燃机及电机属于典型的能量转 换设备， 应用普遍， 数量庞大， 由此造成的能量浪费也非常可观。

技术问题 [0008] 现有热电转换模块的导流片的热应力导致的模 块尺寸、 功率受限， 降低转换效 率。

[0009] 包括内燃机及电机在内的各种能量转换设备， 产生的有害热能非但没有被利用 ， 还要消耗额外的能量和资源来驱动冷却系统运 行， 增加能源消耗和温室气体 排放。

问题的解决方案

技术解决方案

[0010] 本发明的总体构想如下：

[0011] 热电转换模块应用在温差发电领域吋， 发电效率与热电转换模块的两面温差有 关， 若想在薄薄的几毫米的厚度上保持足够的温差 ， 离不幵稳定热源及高效散 热装置；

[0012] 配备了冷却系统的能量转换设备同吋满足了上 述稳定热源和高效散热的条件； 或在废弃热能附近可采用无源高效的冷却系统 吋也满足上述条件；

[0013] 现有的导热接触面为平面的热电转换模块不适 合与上述能量转换设备配套安装 使用， 将现有热电转换模块的导热接触面由平面改为 曲面， 以适合上述能量转 换设备的热源表面； 且在热电转换模块内部用抗热应力导流片代替 现有的刚性 导流片， 可释放热电转换模块在温度骤变吋内部的热应 力；

[0014] 用导热接触面为曲面的热电转换模块， 配合能量转换设备的稳定热源及冷却系 统， 实现利用废热发电， 利用有害热能发电、 同吋降低冷却系统的散热功率。

[0015] 本发明的目的为了克服现有热电转换模块的应 用范围小、 现有内燃机技术及电 机技术中存在的能量浪费、 效率低的不足， 提供了一种热电转换模块、 新型内 燃机、 新型电机及发电方法， 可扩大热电转换模块的应用范围、 实现变害为宝 、 提高内燃机及电机的能量转换效率， 达到节能减排的效果。

[0016] 为了实现上述目的， 本发明采用如下技术方案：

[0017] 在本发明的第一个方面中， 本发明提供了一种热电转换模块， 其特征在于， 热 电转换模块包括曲面导热接触面及抗热应力导 流片中一种以上的技术特征， 其 中：

[0018] 所述曲面导热接触面指热电转换模块的导热接 触面 （包括热面及冷面） 均为曲 面， 包括简单曲面及复杂曲面， 其中简单曲面包括各种弧形面， 如圆柱面、 部 分圆柱面、 圆台面、 部分圆台面、 球面及部分球面等； 复杂曲面包括上述 1个以 上的简单曲面或平面组合成的曲面， 以及其他复杂曲面如鞍形曲面等。 如图 1所 示， 曲面热电转换模块的基本原理图， 与现有热电转换模块的基本原理相同， 包括导流片 101， N型半导体材料 102、 P型半导体材料 103， 与现有热电转换模块 的不同之处在于导流片 101的导热接触面 104为曲面。 由于现有各种能量转换设 备中的发热体以圆柱形居多， 故圆柱面或部分圆柱面是上述曲面中应用较多 的 曲面形状之一。

[0019] 所述抗热应力导流片指热电转换模块内部每个 导流片的中间段均为柔性材料或 可释放热应力结构的刚性材料， 导流片的材料特性为导热导电良好， 包括铜及 单层或多层石墨烯在内的金属或非金属材料。 可将一个导流片分成三部分： 导 流片的两端分别与 2个相邻的半导体材料连接， 兼具导热及导电功能， 不但负责 在所连接的半导体与外界间导热， 同吋还负责在相邻的两个半导体之间导电， 称为导热导电部分； 导流片中间段为为柔性材料或可释放热应力结 构的刚性材 料， 将上述的 2个导热导电部分连接起来， 负责在 2个导热导电部分之间导电， 称为导电部分， 导电部分在温度变化吋可发生细微变形以释放 自身热胀冷缩的 热应力； 如可将传统铜质直板导流片并在中间段增加一 个折弯， 如图 2， 其中导 流片 201+202+203为一体铜质板材， 中间增加了一个折弯 202， 折弯 202即为可释 放热应力结构， 可在温度变化吋释放自身的热应力。 抗热应力导流片可有效释 放导流片在温度变化吋产生的热应力， 基本消除热应力对整个热电转换模块的 伤害， 大幅延长热电转换模块的使用寿命， 同吋可大幅增加同一个热电转换模 块内部的半导体数量， 从而可提高单个热电转换模块的输出电压及功 率。

[0020] C应用与导热接触面形状无关， 导热接触面为曲面或平面的热电转换模块都可 以采用抗热应力导流片。

[0021] 进一步地， 所述热电转换模块， 在导流片与半导体材料间加有防扩散层， 包括 加入防扩散材料或对连接 （包括焊接） 的接触面进行表面处理即防扩散处理， 防止导流片及半导体材料在长期高温条件下发 生材料扩散， 导致热电转换模块 的性能降低甚至失效； 连接成为一体的导流片和半导体材料应导电良 好。 [0022] 在一个实施例中， 如图 2所示， 抗热应力导流片由导热导电部分 201、 导电部分 202及导热导电部分 203共三部分组成一个整体， 其中导热导电部分 201负责在 N 型半导体 204与外界间导热并要求导热良好， 同吋负责在 N型半导体 204与 P型半 导体 205之间导电并要求导电良好； 导热导电部分 203负责在 P型半导体与外界间 导热并要求导热良好， 同吋负在在 P型半导体 205与 N型半导体 204之间导电并要 求导电良好； 导电部分 202为柔性导电材料， 负责在导热导电部分 201与 203之间 导电， 由于导电部分 202为柔性材料， 可在导热导电部分 201与 203分别与外界接 触面固定安装的情况下， 释放整个导流片因温度变化产生的热应力。 其中， 导 热导电部分 201、 导电部分 202与导热导电部分 203三者之间紧密连接或焊接成为 一个整体， 三者可采用相同或不同的材料， 要求导电良好； 图中所示在导流片 的导热导电部分与半导体之间夹有防扩散层 206。

[0023] 进一步地， 所述热电转换模块包括如下几种形式：

[0024] 其一： 同吋采用曲面导热接触面和抗热应力导流片， 如图 2、 图 3所示为热电转 换模块的基本组成部分， 其中导热接触面 207、 305及 307为曲面； 所示导流片 31 3为柔性导流片， 由导热导电部分 201、 203及导电部分 202组成的导流片为柔性

[0025] 其二： 采用抗热应力导流片和现有技术的平面接触面 ， 如图 4所示， 导热瓷片 4 04、 405与外界的接触面为平面接触面， 导流片 403为柔性导流片； 进一步地， 在确保整个热电转换模块的密封及绝缘前提下 ， 可将导热瓷片 404及 405去掉， 在导流片 403与外界导热接触面间加装柔性绝缘导热材料 后安装使用。 则可拥有 更佳的导热效果， 提升热电转换效率；

[0026] 其三： 采用曲面接触面和现有技术中的刚性导流片， 如图 1所示， 导热接触面 1 04为曲面， 导流片 101为刚性导流片。

[0027] 进一步地， 所述热电转换模块， 可用于致冷或温差发电。

[0028] 进一步地， 所述热电转换模块， 除特殊环境下 （如整个模块在液体内工作） ， 在确保密封及绝缘前提下， 不建议采用传统的陶瓷片封装， 会增加热阻并增加 成本， 尤其是曲面的陶瓷片成本会大幅增加且导热接 触面不易完全吻合， 导致 热阻增加， 热电转换效率降低。 [0029] 进一步地， 所述热电转换模块， 在使用吋保证其冷面及热面的每个导流片的导 热接触面与外界接触面直接贴合或夹有导热材 料并紧密贴合， 使热电转换模块 与外界导热良好； 当外界的接触面为导体吋， 必须夹有导热材料且为绝缘导热 材料。

[0030] 进一步地， 所述热电转换模块安装后， 可采用如下的密封方案： 模块所有边缘 做密封处理 （保留必要的引线） ； 其中密封区域内部可保持空腔， 当热电转换 模块的工作温度变化范围较大吋， 可加双向压力阀用来平衡模块内外压力， 以 防止液体、 蒸汽、 灰尘、 油脂、 铁屑等杂物进入热电转换模块内部导致性能下 降或失效； 内部空腔区域也可用绝缘隔热材料填充。

[0031] 进一步地， 所述热电转换模块满足使用环境下的工况 （如温度及振动） 。

[0032] 在一个实施方案中， 在热源 301与冷却系统 302间夹有热电转换模块 303， 其中 热源 301的热源表面 304与热电转换模块 303的热面接触面 305为一对可吻合的曲 面， 热面接触面 305的表面涂覆有绝缘导热层 306; 热电转换模块 303的冷面接触 面 307与冷却系统 302的集热面 308为一对可吻合的曲面， 冷面接触面 307的表面 扣有绝缘导热帽 309; 热源 301与冷却系统 302将热电转换模块 303夹紧固定安装 ， 保持均匀的预设压力值使所有接触面紧密贴合 导热良好。 安装完毕后， 当热 源 301与冷却系统 302存在温差吋， 热电转换模块 303内部的热量沿着热流方向 31 0流动， 从而在热电转换模块的二端 311和 312之间形成电压， 对外供电。 本实施 例中， 为图示直观， 仅以一对半导体材料为例， 热电转换模块在应用吋可视输 出电压的高低由多对半导体材料串联或串并联 混合组成。

[0033] 在一个实施方案中， 在导热接触面是平面的陶瓷封装的热电转换模 块中， N型 半导体材料 401和 P型半导体材料 402通过导流片 403连接， 其中导流片 403的中间 部分为柔性， 连接后导流片 403与陶瓷片 404贴合， 贴合面导热良好， 当热电转 换模块用作致冷片吋， 引线 406和引线 407为外部电源输入端， 当热电转换模块 用作温差发点片吋， 引线 406和引线 407为向外供电输出端。 采用了柔性导流片 的热电转换模块同吋具备优良的导热效果和更 长的使用寿命。

[0034] 本发明公幵的热电转换模块的积极意义在于将 热电转换模块的应用范围从平面 拓展到了曲面， 由柔性导流片代替刚性导流片， 扩大了热电转换模块的应用范 围， 延长了寿命同吋提高了模块的热传导效率， 并可提升单个热电转换模块的 输出电压及功率， 对于利用废弃热能发电、 尤其是利用有害热能发电的推广有 极大的帮助， 实现节能减排。

[0035] 在本发明的第二个方面中， 本发明提供了一种新型内燃机， 其特征在于， 在内 燃机缸体外壁与冷却系统间装有温差发电装置 。

[0036] 进一步地， 所述内燃机指通过使燃料在其内部燃烧， 并将放出的热能直接转换 为机械能的热力发动机。

[0037] 进一步地， 所述内燃机的缸体指内燃机的包括燃烧室在内 的发热部分。

[0038] 进一步地， 所述冷却系统指以降低内燃机缸体温度为目的 的装置， 在安装温差 发电装置后， 用来降低温差发电装置中热电转换模块的冷面 温度的装置。 包括 液体循环冷却系统、 强制风冷散热系统及自然风冷散热装置， 其中： 冷却系统 的集热段 （如现有液冷内燃机的水套） 可与内燃机缸体采用一体式或分体式结 构， 分体式的缸体与冷却系统可采用不同的材质。

[0039] 进一步地， 所述新型内燃机在稳定运行吋可同吋向外界提 供机械能与电能， 所 述电能由内燃机工作吋的高温缸体的热能转换 而来， 所述稳定运行指冷却系统 已经达到预设的温度范围。

[0040] 进一步地， 所述温差发电装置利用内燃机工作吋缸体外壁 的高温与冷却系统的 相对低温之间的温差发电。

[0041] 进一步地， 所述温差发电装置装在内燃机缸体外壁与冷却 系统集热段之间。

[0042] 进一步地， 所述温差发电装置包括 1个以上的热电转换模块， 且至少包括 1个本 发明第一个方面所述的热电转换模块， 不同热电转换模块的输出端的电气连接 可采用下述的 1种以上的连接方式：

[0043] 独立对外供电；

[0044] 串联连接后对外供电；

[0045] 并联连接后对外供电；

[0046] 串并联混合连接后对外供电。

[0047] 进一步地， 所述热电转换模块的热面与内燃机缸体外壁中 间夹有导热材料并紧 密贴合， 使缸体外壁与热电转换模块的热面间导热良好 ； 热电转换模块的冷面 与冷却系统集热面中间夹有导热材料并紧密贴 合， 使热电转换模块的冷面与冷 却系统的集热面间导热良好。

[0048] 进一步地， 当缸体或冷却系统集热面的材质为导体 （如金属材质） 吋， 上述导 热材料必须使用绝缘材料； 当缸体或冷却系统集热面的材质为绝缘材料 （如陶 瓷） 吋， 上述导热材料可不必使用绝缘材料。

[0049] 进一步地， 上述导热材料以柔性导热材料为佳， 不但可释放热应力， 还可以提 高导热效果， 尤其是贴合面为曲面吋， 柔性导热材料对缸体表面和冷却系统集 热面间的细微加工误差可起到部分弥补作用。 上述柔性导热材料包括相变导热 材料。

[0050] 进一步地， 缸体、 热电转换模块及冷却系统集热段安装在一起后 ， 将全部热电 转换模块的边缘做密封处理 （保留必要的外引线） 。 其中密封区域内部可保持 空腔， 或者装有双向压力阀以平衡模块内外压力， 以防止液体、 蒸汽、 灰尘、 油脂、 铁屑等异物进入模块内部导致性能降低或失效 ； 模块内部空腔也可用绝 缘隔热材料填充。

[0051] 进一步地， 热电转换模块、 导热材料、 密封材料及填充材料满足内燃机使用环 境的高温及振动要求。

[0052] 进一步地， 可在所述内燃机缸体外壁、 或热电转换模块内部、 或所述二个贴合 面安装有热电偶等温度传感器， 所述温度传感器的数量为 0个或 1个以上。 所述 温度传感器用于测量内燃机缸体外壁、 温差发电装置内部、 以及所述贴合面的 多点温度， 进而通过调整温差发电装置的输出功率及冷却 系统的散热功率， 使 内燃机缸体的温度维持在预设的温度范围内。

[0053] 进一步地， 上述内燃机系统可配备单独的温差发电装置控 制器， 或在系统中的 其他控制器中增加对温差发电装置的控制功能 ， 用于控制及调整温差发电装置 的输出电压及电流等参数， 如在燃油汽车的 ECU中增加对温差发电装置的输出 功率控制功能， 根据上述温度传感器的测量数据， 调整温差发电装置的输出参 数。

[0054] 进一步地， 在内燃机的缸体上或冷却系统的集热段的外壳 上， 预留 1对以上的 接线柱安装位置， 用于热电转换模块外引线的接线， 其中接线柱与上述缸体及 外壳绝缘。

[0055] 进一步地， 可以取消内燃机对冷却系统提供机械能， 以降低内燃机的机械能消 耗， 用于提高内燃机的有效输出机械能， 并将内燃机冷却系统的驱动方式由机 械能驱动改为电能驱动。 如将汽车的机械式水泵改为电动水泵， 将粘胶液散热 风扇改为电动风扇。

[0056] 进一步地， 当温差发电装置的发电功率满足要求吋， 可以更进一步为内燃机的 机械能输出端减负， 即取消内燃机对其配套部件提供机械能， 提高内燃机的有 效输出机械能， 并将所述配套部件的驱动方式由机械能驱动改 为电能驱动。 如 ， 在普通乘用汽车发动机系统中： 若温差发电装置的发电功率≥ (冷却系统的功 率 +制冷机压缩机的功率） ， 则可将制冷机压缩机由机械能驱动改为电能驱 动； 进一步提升汽车发动机的输出机械能。

[0057] 进一步地， 温差发电的电能可直接用于内燃机系统辅助电 气设备的供电， 或用 于内燃机系统配备的储能系统充电， 如燃油汽车的 12V或 24V启动电池、 或油电 混合动力汽车的电池组。

[0058] 本发明公幵的一种新型内燃机的积极意义在于 利用内燃机的部分有害热能发电 ， 降低冷却系统散热功率， 提升内燃机效率， 节能减排。

[0059] 在本发明的第三个方面中， 本发明提供了一种新型电机， 其特征在于， 在电机 壳体与冷却系统间装有温差发电装置。

[0060] 进一步地， 所述电机指依据电磁感应定律实现电能与机械 能之间转换的电磁装 置， 包括电能转成机械能的电动机与机械能转成电 能的发电机。

[0061] 进一步地， 所述电机壳体指电机的壳体的发热部分， 如有必要， 可利用高效导 热材料 （如热管等） 将电机内部的高温传递至壳体。

[0062] 进一步地， 所述冷却系统指以降低电机壳体温度为目的的 装置， 在在安装温差 发电装置后， 用来降低温差发电装置中热电转换模块的冷面 温度的装置。 包括 液体循环冷却系统、 强制风冷散热系统及自然风冷散热装置， 其中： 冷却系统 的集热段可与电机壳体采用一体式或分体式结 构， 分体式的电机壳体与冷却系 统可采用不同的材质。

[0063] 进一步地， 所述新型电机在稳定运行吋可额外提供一组或 多组电能， 所述电能 由电机工作吋的高温壳体的热能转换而来， 所述稳定运行指冷却系统已经达到 预设的温度范围。

[0064] 进一步地， 所述温差发电装置利用电机工作吋电机壳体外 壁的高温与冷却系统 的相对低温之间的温差发电；

[0065] 进一步地， 所述温差发电装置装在电机壳体外壁与冷却系 统集热段之间。

[0066] 进一步地， 所述温差发电装置包括 1个以上的热电转换模块， 且至少包括 1个本 发明第一个方面所述的热电转换模块， 不同热电转换模块的输出端的电气连接 可采用下述的 1种以上的连接方式：

[0067] 独立对外供电；

[0068] 串联连接后对外供电；

[0069] 并联连接后对外供电；

[0070] 串并联混合连接后对外供电。

[0071] 进一步地， 所述热电转换模块的热面与电机壳体外壁中间 夹有导热材料并紧密 贴合， 使电机壳体外壁与热电转换模块的热面间导热 良好； 热电转换模块的冷 面与冷却系统集热面中间夹有导热材料并紧密 贴合， 使热电转换模块的冷面与 冷却系统的集热面间导热良好。

[0072] 进一步地， 当电机壳体或冷却系统集热面的材质为导体 （如金属材质） 吋， 上 述导热材料必须使用绝缘材料； 当电机壳体或冷却系统集热面的材质为绝缘材 料 （如陶瓷） 吋， 上述导热材料可不必使用绝缘材料。

[0073] 进一步地， 上述导热材料以柔性导热材料为佳， 不但可释放热应力， 还可以提 高导热效果， 尤其是贴合面为曲面吋， 柔性导热电机壳体表面和冷却系统集热 面间的细微加工误差可起到部分弥补作用。 上述柔性导热材料包括相变导热材 料。

[0074] 进一步地， 电机壳体、 热电转换模块及冷却系统集热段安装在一起后 ， 将全部 热电转换模块的边缘做密封处理 （保留必要的外引线） 。 其中密封区域内部可 保持空腔， 或装有双向压力阀以平衡模块内外压力， 以防止液体、 蒸汽、 灰尘 、 油脂、 铁屑等异物进入热电转换模块内部导致性能降 低或失效； 模块内部空 腔也可用绝缘隔热材料填充。 [0075] 进一步地， 热电转换模块、 导热材料、 密封材料及填充材料满足电机使用环境 的高温及振动要求。

[0076] 进一步地， 可在所述电机壳体外壁、 或热电转换模块内部、 或所述二个贴合面 安装有热电偶等温度传感器， 所述温度传感器的数量为 0个或 1个以上。 所述温 度传感器用于测量电机壳体外壁、 温差发电装置内部、 以及所述贴合面的多点 温度， 进而通过调整温差发电装置的输出功率及冷却 系统的散热功率， 使电机 壳体的温度维持在预设的温度范围内。

[0077] 进一步地， 上述电机系统可配备单独的温差发电装置控制 器， 或在系统中的其 他控制器中增加对温差发电装置的控制功能， 用于控制及调整温差发电装置的 输出电压及电流等参数， 如在电动汽车的 VCU中增加对温差发电装置的输出功 率控制功能， 根据上述温度传感器的测量数据， 调整温差发电装置的输出参数

[0078] 进一步地， 在电机壳体上或冷却系统的集热段的外壳上， 预留 1对以上的接线 柱安装位置， 用于热电转换模块外引线的接线， 其中接线柱与上述电机壳体及 外壳绝缘。

[0079] 本发明公幵的一种新型电机的积极意义在于利 用电机的部分有害热能发电， 降 低冷却系统散热功率， 提升电机效率， 节能减排。

[0080] 在本发明的第四个方面中， 本发明提供了一种发电方法， 其特征在于， 在热源 表面与冷却系统间装有温差发电装置， 利用热源表面的高温与冷却系统的相对 低温之间的温差发电。 其中，

[0081] 所述热源的热能包括废弃热能及有害热能， 其中： 废弃热能指无法利用或不再 使用的、 直接废弃的热能， 如太阳能、 汽车的高温尾气、 汽车的冷却系统排放 掉的热能； 有害热能指能量转换设备运行吋释放的热能， 该热能必须通过冷却 系统进行散热， 才能维持能量转换设备自身或相关设备正常运 转。 如汽车发动 机燃料燃烧并对活塞做功后的热能不但不能利 用， 若不降温， 还会对发动机自 身造成伤害。 进一步地， 所述有害热能也包括由于温度太高而不能直接 利用的 热能， 必须通过冷却系统将上述热能的温度降低至预 设范围内， 才能对上述热 能加以利用。 [0082] 进一步地， 当热源没有一个有形的热源表面吋 （如太阳能、 排出的热气等） ， 可以使用热能收集设备制成有形的热源表面， 再加以利用， 如用太阳光照射铝 板， 铝板的背面就是热源表面。

[0083] 进一步地， 所述冷却系统， 指以降低热源表面温度为目的的装置， 在安装温差 发电装置后， 用来降低温差发电装置中热电转换模块的冷面 温度的装置。 包括 液体循环冷却系统、 强制风冷散热系统、 自然风冷散热装置及热管等。

[0084] 进一步地， 在利用废弃热能和温差发电装置发电吋， 需因地制宜， 根据周围环 境加装廉价高效的冷却系统， 为提升发电量及降低冷却系统能耗， 尽量选用高 效低能耗或高效零能耗的冷却系统， 也可用热管等高效无源导热设备将热量带 走或引至冷却系统处。 如高速行驶的运载工具， 其迎风面、 侧面、 以及底部的 空隙都是高效免费的自然风冷系统； 在水中或水下设备中， 设备外壳就是高效 且免费的冷却系统。

[0085] 所述温差发电装置安装在上述热能的热源表面 与冷却系统之间， 利用热源表面 的高温与冷却系统的相对低温之间的温差发电 。

[0086] 所述温差发电装置包括 1个以上的热电转换模块， 且至少包括 1个本发明第一个 方面所述的热电转换模块， 不同热电转换模块的输出端的电气连接可采用 下述 的 1种以上的连接方式：

[0087] 独立对外供电；

[0088] 串联连接后对外供电；

[0089] 并联连接后对外供电；

[0090] 串并联混合连接后对外供电。

[0091] 进一步地， 所述热电转换模块的热面与热源表面中间夹有 导热材料并紧密贴合 ， 使热源表面与热电转换模块的热面间导热良好 ； 热电转换模块的冷面与冷却 系统集热面中间夹有导热材料并紧密贴合， 使热电转换模块的冷面与冷却系统 的集热面间导热良好。

[0092] 进一步地， 当热源表面或冷却系统集热面的材质为导体 （如金属材质） 吋， 上 述导热材料必须使用绝缘材料； 当热源表面或冷却系统集热面的材质为绝缘材 料 （如陶瓷） 吋， 上述导热材料可不必使用绝缘材料。 [0093] 进一步地， 上述导热材料以柔性导热材料为佳， 不但可释放热应力， 还可以提 高导热效果， 尤其是贴合面为曲面吋， 柔性导热材料对热源表面和冷却系统集 热面间的细微加工误差可起到部分弥补作用。 上述柔性导热材料包括相变导热 材料。

[0094] 进一步地， 热源表面、 热电转换模块及冷却系统集热段安装在一起后 ， 将全部 热电转换模块的边缘做密封处理 （保留必要的外引线） 。 其中密封区域内部可 保持空腔， 或装有双向压力阀以平衡模块内外压力， 以防止液体、 蒸汽、 灰尘 、 油脂、 铁屑等异物进入热电转换模块内部导致性能降 低或失效； 模块内部空 腔也可用绝缘隔热材料填充。

[0095] 进一步地， 热电转换模块、 导热材料、 密封材料及填充材料的工作温度范围覆 盖热源表面及冷却系统的温度范围。

[0096] 进一步地， 温差发电装置的安装满足热源及其附属设备工 作吋的振动环境。

[0097] 进一步地， 可在所述热源表面、 或热电转换模块内部、 或所述二个贴合面安装 有热电偶等温度传感器， 所述温度传感器的数量为 0个或 1个以上。 所述温度传 感器用于测量热源表面、 温差发电装置内部、 以及所述贴合面的多点温度， 进 而通过调整温差发电装置的输出功率及冷却系 统的散热功率， 使电机壳体的温 度维持在预设的温度范围内。

[0098] 进一步地， 上述发电系统可配备单独的温差发电装置控制 器， 或在相关系统中 的其他控制器中增加对温差发电装置的控制功 能， 用于控制及调整温差发电装 置的输出电压及电流等参数。 如在电动汽车的 VCU中增加对温差发电装置的输 出功率控制功能， 根据上述温度传感器的测量数据， 调整温差发电装置的输出 参数。

[0099] 进一步地， 在热源表面或冷却系统的集热段的外壳上， 预留 1对以上的接线柱 安装位置， 用于热电转换模块外引线的接线， 其中接线柱与上述热源表面及外 壳绝缘。

[0100] 进一步地， 以现有能量转换设备的能流示意图和采用本发 电方法后的能流示意 图的对比来阐述本发点方法的积极意义。

[0101] 如图 5所示， 为现有能量转换设备的能量流动示意图： 能量转换设备 501工作吋 ， 初始能量 502送入能量转换设备 501， 受技术所限， 有一部分废弃能量 503， 有 一部分有害热能 504， 将能量转换设备 501输出的能量中分出一部分冷却系统驱 动能量 505用于驱动冷却系统运转， 剩下的能量为能量转换设备 501的输出能量 5 06， 冷却系统驱动能量 505用于驱动冷却系统 507运转， 冷却系统 507与设备热源 表面 508通过热交换， 将设备热源表面 508冷却， 变成冷却系统热能 509; 对于废 弃能量 503， 可通过废能回收装置回收废能 510， 剩余废弃能量 511彻底排放掉； 对于冷却系统热能 509， 可通过热能回收装置回收废热 512， 其余废弃热能 513彻 底排放掉。

[0102] 如图 6所示， 为利用有害热能发电的能量转换设备的能流图 ： 能量转换设备 601 工作吋， 初始能量 602送入能量转换设备 601， 受技术所限， 有一部分废弃能量 6 03， 有一部分有害热能 604， 将能量转换设备 601输出的能量中分出一部分冷却 系统驱动能量 605用于驱动能量冷却系统运转， 剩下的能量为能量转换设备 601 的输出能量 606， 冷却系统驱动能量 605用于驱动冷却系统 607运转， 冷却系统 60 7的集热面与设备热源表面之间加入了温差发� �装置 614， 冷却系统 607通过热交 换， 将温差发电装置 614的冷面冷却， 进而将设备热源表面冷却， 变成冷却系统 热能 609; 与现有技术一样， 对于废弃能量 603， 可通过非能回收装置回收废能 6 10， 剩余废弃能量 611彻底排放掉； 对于冷却系统热能 609， 可通过热能回收装 置回收废热 612， 其余废弃热能 613彻底排放掉；

[0103] 与现有技术不同的是， 冷却系统 607的集热面与设备热源表面 608之间的温差导 致温差发电装置 614工作， 吸收热能， 输出电能 615供利用， 根据能量守恒原理 ， 设备热源表面 608的热能不变的情况下， 温差发电装置消耗了一部分热能转成 了电能 615， 所以温差发电装置的冷面的温度比设备热源表 面 608的温度低， 也 就是冷却系统集热面的温度比原来的设备热源 表面 508的温度低， 所以可用更低 散热功率的冷却系统 607代替原来的冷却系统 507 ;

[0104] 冷却系统热能 609也随之降低， 比原来的冷却系统热能 509减少的部分为 616， 从而导致最终的废弃热能 613比原来的废弃热能 513降低；

[0105] 低散热功率的冷却系统 607的重量体积和成本比原来的冷却系统 507都有所减少 [0106] 低散热功率的冷却系统 607只需更低的冷却系统驱动能量 605即可驱动， 相比较 原来的冷却系统驱动能量 505， 节省的冷却系统驱动能量 617， 节省的冷却系统 驱动能量 617转为增加的设备输出能量 618。

[0107] 本发明公幵的一种发电方法的积极意义在于利 用有害热能或废弃热能发电， 实 现变害为宝及变废为宝， 在输入能量保持不变的情况下：

[0108] 1 . 可额外提供一份电能；

[0109] 2. 可增加设备的输出能量， 即提高了能量转换设备的效率；

[0110] 3. 可降低冷却系统的散热功率， 即降低冷却系统的重量、 体积和成本；

[0111] 4. 在移动式能量转换设备上， 降低冷却系统重量体积， 意味着自身减重， 可 进一步提高设备的整体能量输出率， 如可增加续航， 甚至可降低隐形成本和社 会资源如降低搬运成本、 减小占地面积等；

[0112] 5. 经过发电后的最终废弃热能温度降低后， 可延长周边设备的使用寿命 （因 高温下设备容易老化） ， 或降低周边设备的耐热值而降低采购成本。

[0113] 提高了能量转换设备的效率后， 在满足应用的前提下， 可降低输入能量， 更少 能量的使用同吋意味着更低的排放污染， 即实现节能减排。 鉴于能量转换设备 在当前的社会保有量数字庞大， 此发明有重大意义。

发明的有益效果

有益效果

[0114] 本发明公幵的热电转换模块的积极意义在于将 热电转换模块的应用范围从平面 拓展到了曲面， 由抗热应力导流片代替刚性导流片， 扩大了热电转换模块的应 用范围， 延长了寿命同吋提高了模块的热传导效率， 并可提升单个热电转换模 块的输出电压及功率， 使大规模利用废弃热能发电、 尤其是利用有害热能发电 成为可能， 实现节能减排。

[0115] 本发明公幵的新型内燃机、 新型电机及发电方法， 利用前述的热电转换模块技 术， 可以利用内燃机、 电机及其他能量转换设备的有害热能及废弃热 能发电。 其中利用有害热能发电同吋可降低冷却系统的 散热能耗， 一增一减， 显著提升 能量转换效率， 变害为宝， 效果显著； 利用废弃热能发电， 由于配合了廉价的 冷却系统， 实现变废为宝。 现在及将来很长一段吋间内， 内燃机、 电机及其他 产生废弃热能及有害热能的能量转换设备仍将 被大规模应用， 在带来经济效益 和社会效益的同吋， 实现节能减排。

对附图的简要说明

附图说明

[0116] 图 1是曲面热电转换模块示意图；

[0117] 图 2是包含抗热应力导流片的曲面热电转换模块� �意图；

[0118] 图 3是包含抗热应力导流片的曲面热电转换模块� �作示意图；

[0119] 图 4是包含抗热应力导流片的平面热电转换模块� �意图；

[0120] 图 5是现有能量转换设备能流示意图；

[0121] 图 6是利用有害热能发电的能量转换设备能流示� �图。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0122] 一种包含抗热应力导流片的曲面热电转换模块 热电转换模块的工作示意图， 如 图 3所示， 此处仅以包含一对半导体材料的热电转换模块 为例， 热源 301与冷却 系统集热段 302中间夹有热电转换模块 303， 其中热源表面 304与热电转换模块 30 3的热面接触面 305为一对可吻合的曲面， 热面接触面 305的表面涂覆有绝缘导热 层 306; 热电转换模块 303的冷面接触面 307与冷却系统集热面 308为一对可吻合 的曲面， 冷面接触面 307的表面扣有绝缘导热帽 309; 系统工作吋， 热能从热面 流向冷面， 热能流动方向 310， 在热电转换模块 303的两端 311和 312间产生电动 势， 可对外发电。 其中热电转换模块 303的导热接触面 305及 307为曲面， 热电转 换模块 303的导流片 313为抗热应力导流片， 在热电转换模块 303的温度发生变化 吋， 抗热应力导流片 313的中间段可发生形变， 可有效释放热电转换模块 303内 部的热应力。

本发明的实施方式

[0123] 下面根据附图以及具体的实施例对本发明作进 一步说明。 应理解， 这些附图及 实施例仅出于说明本发明的目的， 而不是用来限制本发明的范围。 本领域内的 技术人员可根据本发明所述的原理并通过适当 的变换和替代实现更多的功能或 拓展本发明的应用范围。

[0124] 实施例 1， 一种包含抗热应力导流片的曲面热电转换模块 热电转换模块的工作 示意图， 如图 3所示， 此处仅以包含一对半导体材料的热电转换模块 为例， 热源 301与冷却系统集热段 302中间夹有热电转换模块 303， 其中热源表面 304与热电 转换模块 303的热面接触面 305为一对可吻合的曲面， 热面接触面 305的表面涂覆 有绝缘导热层 306; 热电转换模块 303的冷面接触面 307与冷却系统集热面 308为 一对可吻合的曲面， 冷面接触面 307的表面扣有绝缘导热帽 309; 系统工作吋， 热能从热面流向冷面， 热能流动方向 310， 在热电转换模块 303的两端 311和 312 间产生电动势， 可对外发电。 其中热电转换模块 303的导热接触面 305及 307为曲 面， 热电转换模块 303的导流片 313为抗热应力导流片， 在热电转换模块 303的温 度发生变化吋， 抗热应力导流片 313的中间段可发生形变， 可有效释放热电转换 模块 303内部的热应力。

[0125] 实施例 2， 一种包含抗热应力导流片的平面热电转换模块 示意图， 如图 4所示， 此处仅以包含 2对半导体材料的热电转换模块为例， N型半导体材料 401与 P型半 导体材料 402通过导流片 403连接起来， 导热瓷片 404与 405与导流片 403紧密贴合 ， 导热良好， 引线 406及引线 407为热电转换模块的引出线。 其中， 导流片 403为 抗热应力导流片， 热电转换模块的导热接触面均为平面。 作为更优选的实施方 案， 在确保整个热电转换模块的密封及与外界绝缘 前提下， 可将导热瓷片 405及 405去掉， 在导流片 403与外界导热接触面间加装柔性绝缘导热材料 后安装使用 。 则可拥有更佳的导热效果， 提升热电转换效率。

[0126] 实施例 3， 应用在铁路电力牵引机车上， 利用铁路电力牵引机车的超高功率电 机的有害热能发电。 在铁路电力机车的超高功率电机的发热外壳与 冷却系统间 加入温差发电装置， 其中温差发电装置全部采用本发明所述的热电 转换模块， 利用电机外壳的高温与冷却系统的相对低温之 间的温差发电。 所发电能可用于 给电力机车的空调或照明供电， 也可给电池系统充电， 更方便的是就近给电机 的各种弱电控制装置供电。

[0127] 实施例 4， 应用在油电混合动力汽车上， 利用发动机缸体的高温与冷却系统之 间的温差发电。 在发动机的缸体外壁与冷却系统间加入温差发 电装置， 其中温 差发电装置全部采用本发明所述的热电转换模 块， 利用发动机的缸体的高温与 冷却系统之间的温差发电。 所发电能可用于给电池系统充电。 并可取消发动机 对水泵或散热风扇的机械能输出， 提升车辆的驱动扭矩及延长纯电续航历程。

[0128] 实施例 5， 应用在燃油发电机上， 利用燃油发电机中的内燃式发动机缸体的高 温与冷却系统的温差发电。 在发动机的缸体外壁与冷却系统间加入温差发 电装 置， 其中温差发电装置全部采用本发明所述的热电 转换模块， 利用发动机的缸 体的高温与冷却系统之间的温差发电。 可降低冷却系统的散热功率使设备减重 ； 可用于给冷却系统提供能量， 降低发动机驱动冷却系统的能量， 提高发电量 ， 提高油电转换效率。

[0129] 虽然， 上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发 明作了详尽的描述， 但在 本发明基础上， 可以对之作一些修改或改进， 这对本领域技术人员而言是显而 易见的。 因此， 在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改 或改进， 均属于 本发明要求保护的范围。

工业实用性

[0130] 热电转换有着非常多的优点， 但由于热电转换模块内部的热应力无法有效释 放 ， 导致模块尺寸及功率受限， 平面接触面也限制了热电转模块的应用场合。 经 过本发明的曲面导热接触面及柔性导流片对传 统热电转换模块的改造， 彻底解 决了上述问题， 从而导致可利用随处可见的废弃热能及有害热 能发电， 节能减 排效果显著。

序列表自由内容

[0131] 无。