一种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统

摘要

一种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统，其特征在于系统主要由回路型双工质脉动热管、电路系统和磁体三部分组成；其中，所述回路脉动热管(1)是主要的传热和热动转换元件，由多个紫铜材质的冷却管(5)，绝缘套管(6)和多个紫铜材质的加热管(7)通过螺纹形式连接而成的回路，回路上部设有抽真空阀(2)、低沸点绝缘工质充液阀(3)和高沸点导电工质充液阀(4)，电路系统包括各绝缘管内侧的发电电极(11)、外接串联绝缘导线(9)和接口电极(10)。本发明所产生的电能可以储存，也可以直接提供给汽车的尾灯、音响等小功率用电器件，经济性与实用性较高。

说明书

技术领域

本发明属于汽车尾气余热利用设备领域，特别涉及一种应用于汽车尾气 余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统。

背景技术

现代社会汽车已经成为人们出行最为普遍的代步工具，进入21世纪以 来，汽车占有率迅速升高，今天已然实现了在千家万户中的普及；然而汽车发 动机的热动转换效率较低，大量热量通过尾气排放出去；如何利用低品位的废 热，进一步提高能源的利用效率已经成为当今一个十分重要的议题。

脉动热管内部工质的流型随加热功率的增大先后经历脉动流向循环流 的转变，从汽车尾部三元催化器中流出的尾气温度在400-800℃左右，且尾气流 量和流速较大，能够提供较高的加热功率，使脉动热管内部工质实现循环流动， 实现热能和动能的定向转换。

脉动热管采用导电介质和低沸点绝缘工质交错充液方式，利用低沸点 绝缘工质相变产生的动力推动双工质在管内流动，再利用导电介质切割磁力线 原理发电，完成动能和电能的转换。

汽车尾气在排放过程中不仅含有温度较高的余热能，还伴随一定的噪音， 噪音的声能也能进一步促进脉动热管内部工质的运动，提高尾气余热向动能和 电能的转换效率。

发明内容

本发明的目的是设计一种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热 管热电转化系统，回收利用温度、压力相对环境较高的尾气中的热能，并将品 位较低的余热转变成品位较高的电能加以利用，整体提高燃油的能源利用效率 和余热的利用品质。

本发明的目的是这样实现的：

一种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统，所述系统 主要由回路型双工质脉动热管、电路系统和磁体三部分组成；其中，所述回路 脉动热管是主要的传热和热动转换元件，由多个紫铜材质的冷却管，绝缘套管 和多个紫铜材质的加热管通过螺纹形式连接而成的回路，回路上部设有抽真空 阀、低沸点绝缘工质充液阀和高沸点导电工质充液阀，电路系统包括各绝缘管 内侧的发电电极、外接串联绝缘导线和接口电极；磁体包括平行布置于脉动热 管绝热段两侧的磁体N极与磁体S极。

所述低沸点绝缘工质充液阀与高沸点导电工质注液阀紧邻布置。

所述回路型双工质脉动热管的冷却管和加热管的内径与外径均分别相同，且 具有良好导热性能，冷却管和加热管是管端头均分别带有外螺纹的金属管；绝 缘套管的管端头带有内螺纹，内径与加热管和冷却管均相同，但外径稍大的绝 缘套管，绝缘套管外加装保温层。

每根所述绝缘套管连接一个发电电极，它是由绝缘套管中间截面的内壁两侧 紧贴的互不接触的对称金属矩形片组成，金属片的长度小于绝缘套管长度6mm 左右，且不与冷热管端头接触。

多根并列所述绝缘套管组成多个发电电极，电极间通过外接绝缘导线串联连 接，每根外接导线的端头穿过绝缘管壁中间截面两侧的小孔与电极片连接，串 联回路的接口电极与外电路相连。

所述回路脉动热管的加热管为U形弯管，各段U形管等间距平行布置在热 管下部；冷却管为弯头较小的Π型管，交错布置在上部；绝热管布置在中间连 接处。

所述回路脉动热管整体倾斜放置，倾斜角度取决于尾气的加热功率和双工质 充液率及热物性参数。

所述磁体N极与磁体S极平行布置于回路脉动热管绝热段两侧一定距离处， 磁体形成的磁力线方向与脉动热管U形加热管的弯头方向一致。

所述加热管与汽车尾气出口相邻，直接接受尾气的对流加热。

所述冷却管布置在车体外部，直接接受汽车运行时外部空气的强制对流冷 却；所述加热管、绝热管和冷却管三部分分别放置在三个通道里，绝热段的绝 缘套管要绝热保温。

一种汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统，主要由冷 却管、绝缘套管、加热管、抽真空阀、低沸点绝缘工质注液阀、高沸点导电工 质注液阀组成的回路脉动热管，发电电极、外接绝缘导线和接口电极串联成的 电路系统，和N极与S极组成的磁体三部分组成。脉动热管包括三部分，加热 管完成热量从高温热源(汽车尾气)向管内工质的热量传递，冷却管实现的是 把输出电功后的工质的剩余热量向冷源(环境)的散热，绝热绝缘管是通过导 电工质运动切割磁力线在电极上产生电动势输出电功，从而完成热能向电能的 转换。

脉动热管的加热管和冷却管采用壁厚为1mm左右的高导热系数的紫铜 管，可大大降低管壁的导热热阻，提高热管管壁的导热性能。

脉动热管热电转换装置是在汽车运行时工作的，在不需提供外动力的条 件下，就能保证高温尾气和环境对热管的加热管和冷却管的强制对流传热，获 得较优的管外传热性能。

脉动热管加热管长度可适当长于冷却管长度，主要原因是加热功率大于 散热功率，且冷却风速高于尾气流速。

脉动热管采用低沸点绝缘工质的目的是，低沸点工质在与热源和冷源交 换热量的过程中发生相变，工质在加热段的汽化膨胀和在冷却段的冷凝压缩会 自发产生运动推力，推动工质在管内做自激运动。

脉动热管采用高沸点导电工质的目的是，高沸点导电工质以多个液塞的 型式与低沸点工质的汽液塞交替并存于管内，高沸点工质在与冷、热源交换热 量时不发生相变，通过低沸点工质的运动推动高沸点工质做同向运动，导电工 质在经过绝热段时切割磁力线，使绝缘段两侧金属电极片上产生电动势。

采用温度较高、流量足够大的汽车尾气作为热源，提供较大的加热功率， 易于在脉动热管内形成工质的单向循环流动。

脉动热管内部工质的自激循环运动，也与管内工质液塞分布不均导致的 重力不均有关。增大重力不均易于在管内形成自激循环运动。液相导电工质一 般密度较大，有利于加强热管垂直方向的重力不均，利于循环流动的产生。

研究发现，为保证管内工质的运行动力，一般导电工质的充液率占整个 热管内容积的30％左右，相变工质的液相体积占总容积除去导电工质容积后剩 余容积的50％～60％。

根据汽车尾气的加热功率及导电工质和相变工质的热物特性，脉动热管 (1)的倾斜角可随导电工质充液率的增加而减小，倾斜角度可从小倾角变化到 垂直角度，有较大的调节范围。

脉动热管绝缘段和内部的电极片应足够长，使电极片与几个导电工质液 塞接触，保证单个电极的电动势不太小和电动势的连续输出。

根据导电介质切割磁力线产生定向电流的原理，当回路脉动热管加热段 弯头方向与绝热段的磁场方向一致时，多个并列的绝缘电极的电动势同向，多 个绝缘电极串联后电动势叠加，利于输出较大电压。

工作原理：脉动热管的低沸点绝缘工质和高沸点导电工质的多次交替充 注过程，使管内形成低沸点工质的汽、液塞和高沸点工质的液柱交替并存的形 态。汽车工作时，发动机产生的尾气流经脉动热管的加热管，经管外对流和管 壁导热加热管内工质，低沸点工质吸热汽化，体积膨胀，因膨胀受限，促使加 热管内工质升压和饱和温度的升高；同理，冷却管内工质向管外大气散热，冷 凝液化，同时降压降温；从而在热管的冷、热端形成压差和温差，促使工质从 加热管向冷却管移动，并带动高沸点导电工质在管内运动。研究发现，当尾气 温度及加热功率足够高，且管内工质因液塞分布不均产生的重力不均足够大时， 管内形成工质的单向循环运动，导电工质流经绝缘段磁场时切割磁力线，在发 电电极上形成电动势，各电极同向且串联连接，经接口电极输出。做功后的工 质流经脉动热管上部冷却管时接受汽车上方来流的强制对流冷却。输出的电能 可以储存或用于汽车尾灯、音响等小功率负载。

本发明与现有脉动热管热电转化技术相比具有以下优点：应用于汽车 尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统的高温热源是从汽车发动机中 排出的尾气，温度高、压力大，流速快，能够提供较高的加热功率。不需要对 脉动热管进行特殊的结构设计，就能实现脉动热管内部双工质的单向流动。简 化了结构，使系统工作更加稳定；应用于汽车尾气热能回收利用的车载脉动热 管热电转化系统在电能的输出上，提出了有效的发电电极结构和电极的串联设 计，必要时还可进行并联，能够最大限度利用脉动热管热电转化的能力；应用 于汽车尾气热能回收利用的车载脉动热管热电转化系统的低温热源是汽车来流 空气，不需要外加动力就提供了对脉动热管冷却段强制空冷的能力，能有效增 加脉动热管传热温差，提高传热功率，也会增大脉动热管内部工质流速，提升 产生电能的能力；应用于汽车尾气热能回收利用的车载脉动热管热电转化系统 不仅可以利用尾气的热能，还能利用一部分声能，缓解噪声的影响。

附图说明

图1为汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统示意图。

图2为绝热绝缘发电电极管结构示意图。

图2a为图2中沿a—a方向剖视图。

图3为电极片与导线的接口。

图4为加热管结构示意图。

图5为冷却管结构示意图。

图6为发电接口串联电路系统示意图。

图中：1、回路脉动热管；2、抽真空阀；3、低沸点绝缘工质注液阀；4、高 沸点导电工质注液阀；5、冷却管；6、绝缘套管；7、加热管；8、磁体S极； 9、外接绝缘导线；10、接口电极；11、发电电极；12、金属电极片；13、磁体 N极；14、绝热保温层；15、电极导线接口环；61、绝缘管壁；62、绝缘 管端头内螺纹。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图6，一种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化 系统，所述系统主要由回路型双工质脉动热管、电路系统和磁体三部分组成； 其中，所述回路脉动热管1是主要的传热和热动转换元件，由多个紫铜材质的 冷却管5，绝缘套管6和多个紫铜材质的加热管7通过螺纹形式连接而成的回路， 回路上部设有抽真空阀2、低沸点绝缘工质充液阀3和高沸点导电工质充液阀4， 电路系统包括各绝缘管内侧的发电电极11、外接串联绝缘导线9和接口电极10； 磁体包括平行布置于脉动热管绝热段两侧的磁体N极13与磁体S极8。

所述低沸点绝缘工质充液阀3与高沸点导电工质注液阀4紧邻布置。

所述回路型双工质脉动热管的冷却管5和加热管7的内径与外径均分别相 同，且具有良好导热性能，冷却管5和加热管7是管端头均分别带有外螺纹的 金属管；绝缘套管6的管端头带有内螺纹，内径与加热管7和冷却管5均相同， 但外径稍大的绝缘套管，绝缘套管6外加装保温层。

每根所述绝缘套管6连接一个发电电极11，它是由绝缘套管6中间截面的内 壁两侧紧贴的互不接触的对称金属矩形片12组成，金属片的长度小于绝缘套管 6长度6mm左右，且不与冷热管端头接触。

多根并列所述绝缘套管6组成多个发电电极11，电极间通过外接绝缘导线7 串联连接，每根外接导线的端头穿过绝缘管壁中间截面两侧的小孔与电极片12 连接，串联回路的接口电极10与外电路相连。

所述回路脉动热管1的加热管7为U形弯管，各段U形管等间距平行布置 在热管下部；冷却管5为弯头较小的Π型管，交错布置在上部；绝热管布置在 中间连接处。

所述回路脉动热管1整体倾斜放置，倾斜角度取决于尾气的加热功率和双工 质充液率及热物性参数。

所述磁体N极13与磁体S极8平行布置于回路脉动热管1绝热段两侧一定 距离处，磁体形成的磁力线方向与脉动热管U形加热管的弯头方向一致。

所述加热管7与汽车尾气出口相邻，直接接受尾气的对流加热。

所述冷却管5布置在车体外部，直接接受汽车运行时外部空气的强制对流 冷却；所述加热管7、绝热管6和冷却管5三部分分别放置在三个通道里，绝热 段的绝缘套管要绝热保温。

一种应用于汽车尾气余热回收利用的车载脉动热管热电转化系统，如图1， 其组成部件有回路脉动热管1的冷却管5、绝热绝缘套管6、加热管7、抽真空 口2、低沸点绝缘工质充液阀3、高沸点导电工质充液阀4，绝缘管段内壁的发 电电极11、外接串联绝缘导线9、接口电极10；磁体N极13与磁体S极8。其 中，回路脉动热管1是热电转换系统的核心部件。经过理论计算和实验研究， 得到最佳工作状态下脉动热管的充液参数和加工参数。

具体实施步骤如下：第一步是回路脉动热管1的组合连接。先把每段绝缘导 线9的一侧端头点焊在一个金属电极片12的中间位置，导线另一端伸入绝缘套 管6内部，从内侧小孔伸出，之后拉紧使金属电极片12紧贴于绝缘套管6的内 壁上；再把管外的绝缘导线9首尾连接，与接口电极10组成串联回路；之后把 脉动热管的冷却管5、加热管7和绝缘套管6以螺纹方式紧密连接成回路脉动热 管1。

第二步，进行热管的充液。首先对回路脉动热管进行抽真空处理，之后根据 两种工质的充注量分多次交替充入低沸点绝缘工质和高沸点导电工质，使两种 工质在管内部形成多个交替的汽液柱塞。

第三步，固定磁体的N极和S极在热管绝热段两侧，磁力线方向与热管加热 端弯头方向相同。

第四步，根据热管的倾斜角度固定热管，把热管的加热管7放置在汽车尾气 出口通道里并密封；再给绝缘套管6加装保温层，用隔板隔离热管的加热管7、 绝缘套管6和冷却管5，热管冷却管5放在车外，直接接受外部冷空气的强制风 冷却。整个系统的加热管7，绝热管6和冷却管5分别放置在相应的通道里，并 保证隔板良好的密封性能和绝缘套管的绝热性能。

回路型脉动热管内交替充入高沸点导电工质A与低沸点绝缘工质B；脉动热 管绝热段为绝缘套管，以螺纹方式与两端的冷热管连接；每根绝缘套管内壁装 有发电电极，电极间通过导线首尾串联连接，从接口电极接入外线路。汽车运 行时，从发动机流出并经过三元催化器后的尾气快速流出后加热脉动热管下部 的加热管，驱动管内工质作定向循环运动，其中导电介质A的运动切割了绝热 段两侧的磁力线，在绝缘套管内侧电极上产生电动势，各同向电极串联后对外 输出。脉动热管上部冷却端放置在车体外，管内工质在管外迎面风作用下被以 强制对流方式冷却。

上面所述的实施案例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明 的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程 技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护 范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。