專利名稱：熱電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電機(jī)，尤其是指采用熱電轉(zhuǎn)換元件和機(jī)械電子控制系統(tǒng)，能將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，而且這個(gè)轉(zhuǎn)換過程能夠控制，最終通過電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力的機(jī)電裝置。
能源是文明之源。熱能是有史以來，人類能最廣泛使用的大規(guī)模的能源形式之一。目前對(duì)熱能的利用方式有很多，熱功轉(zhuǎn)換主要是通過依據(jù)各種熱力循環(huán)原理制造的熱機(jī)，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
內(nèi)燃機(jī)是最典型的熱機(jī)，由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、點(diǎn)火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等復(fù)雜的機(jī)械裝置組成，通過進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣四個(gè)沖程，將汽油(柴油)燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。內(nèi)燃機(jī)發(fā)展了一百多年，作為車輛動(dòng)力裝置得到了廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)性能不斷地改進(jìn)和提高。但是其固有的缺點(diǎn)，如熱效率低(35％左右)、排氣污染、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作時(shí)的振動(dòng)和噪音等問題，至今無法得到根本性的解決。為此，現(xiàn)代開發(fā)的電動(dòng)汽車，采用了化學(xué)電池或燃料電池作為主要能源。
電池能將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，車用高密度化學(xué)電池具有較高的“比功率”指標(biāo)，主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴壽命低，一次充電后的行駛里程與燃油內(nèi)燃機(jī)汽車相比有一定的差距，即“比能量”指標(biāo)低。
燃料電池的理論效率可以達(dá)到80-90％，但是，由于工作時(shí)自身的溫度在幾百度甚至1000多度，部分熱能的產(chǎn)生和損耗是不可避免的。同時(shí)，燃料電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在各種電位與副反應(yīng)，其實(shí)際的使用效率為55％左右。以燃料電池為動(dòng)力的電動(dòng)車的行駛里程取決于車載燃料的多少，只要有適量的燃料，電動(dòng)車可以具有與燃油汽車相當(dāng)?shù)男旭偫锍蹋慈剂想姵鼐哂休^高的“比能量”指標(biāo)。但由于化學(xué)反應(yīng)速度的限制，車輛在爬坡或超車需要高的放電率時(shí)，燃料電池難以滿足要求，即“比功率”指標(biāo)低。這些情況說明，在電池技術(shù)沒有取得突破之前，電動(dòng)車的使用將受到電池性能的制約。
熱電轉(zhuǎn)換的方式主要有熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換、熱能-電能直接轉(zhuǎn)換。前者的轉(zhuǎn)換需要用熱機(jī)作為中間環(huán)節(jié)，后者根據(jù)熱電效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能。熱電效應(yīng)是一種物理現(xiàn)象在兩種導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)端點(diǎn)處于不同的溫度狀態(tài)時(shí)，回路中將會(huì)產(chǎn)生熱電流，其熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶是一種良好的熱電轉(zhuǎn)換元件，它的基本結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，是由兩種不同材料的熱電極焊接而成。不同的材料組合的熱電偶具有不同的熱電勢(shì)特性，適用于不同的溫度環(huán)境。迄今為止，現(xiàn)代工業(yè)熱電偶主要用于溫度測(cè)量，使用范圍覆蓋了-273℃-2500℃的溫度域。
熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，也有過許多將熱電偶作為電源使用的例子，現(xiàn)代也有以熱電偶為轉(zhuǎn)換元件的穩(wěn)態(tài)溫差電池。但由于熱電偶的熱電勢(shì)只有毫伏級(jí)，熱電轉(zhuǎn)換的效率低，尚無大規(guī)模高強(qiáng)度地作為電源使用，尤其作為車載動(dòng)態(tài)電源使用。
為此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的熱機(jī)-熱電機(jī)。作為一種動(dòng)力機(jī)械，熱電機(jī)既能達(dá)到高比能量、高比功率、高效率、低污染等性能指標(biāo)，又不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和躁聲等問題。
本發(fā)明的熱電機(jī)主要包括內(nèi)設(shè)熱電偶的燃燒室、冷源裝置、電流調(diào)節(jié)器、電子控制器、高壓點(diǎn)火器。燃燒室內(nèi)設(shè)置的熱電偶連接成大規(guī)模熱電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的引出線經(jīng)過冷源裝置后與電流調(diào)節(jié)器電連接；電子控制器分別與電流調(diào)節(jié)器、輸入控制信號(hào)采用信號(hào)連接、與高壓點(diǎn)火器電連接，高壓點(diǎn)火器與燃燒室電連接；電流調(diào)節(jié)器輸出的三相交流電供交流電動(dòng)機(jī)輸出功率。如果采用直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，可以取消電流調(diào)節(jié)器。
所述燃燒室采用絕熱外殼，并用隔板將內(nèi)部分隔成若干個(gè)高溫、中溫、低溫的區(qū)域；隔板上固定有適用于不同溫度的熱電轉(zhuǎn)換元件；燃燒室內(nèi)設(shè)置燃料噴嘴和高壓電極，熱電轉(zhuǎn)換元件采用熱電偶。
燃燒室內(nèi)的熱電偶可以根據(jù)需要以各種形式連接，例如以串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合方式，形成大規(guī)模的熱電偶網(wǎng)絡(luò)，為了在高溫下穩(wěn)定地工作，熱電偶應(yīng)選用適合長(zhǎng)期高溫條件的材料，網(wǎng)絡(luò)及其引出線必須嚴(yán)密地封裝在耐高溫的防氧化、防腐蝕的涂層中。
所述冷源裝置可以是配有風(fēng)扇等具有冷卻作用的裝置。
所述電流調(diào)節(jié)器可以是現(xiàn)有的將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，包括接線合并電路與逆變器。
所述電子控制器是一單片微機(jī)系統(tǒng)及其控制的電路，或者是計(jì)算機(jī)、工控機(jī)等其他電子控制系統(tǒng)。
所述高壓點(diǎn)火器可以是汽油機(jī)采用的點(diǎn)火線圈和火花塞。
為了充分利用輸出電流，可以在電子控制器與電流調(diào)節(jié)器之間連接蓄電池，在需要時(shí)存取電流。
對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是燃燒室為一個(gè)或二個(gè)或多個(gè)，以滿足輸出功率特性的需要。
對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是燃燒室可以分隔為一級(jí)或二級(jí)或多級(jí)內(nèi)腔，其結(jié)構(gòu)基本相同，充分利用熱流的溫度變化。
對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是燃燒室內(nèi)可以設(shè)置一個(gè)或二個(gè)或多個(gè)熱源。
對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是作為熱電轉(zhuǎn)換元件的熱電偶，可以是金屬材料或非金屬材料制成。為了利用高溫氣流工作過程中的各級(jí)溫差，熱電偶的連接網(wǎng)絡(luò)可以是多層、多級(jí)大規(guī)模點(diǎn)陣連接的熱電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)群。
對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)一步的改進(jìn)是燃料可以是液態(tài)燃料或氣態(tài)燃料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)改進(jìn)了熱源的燃燒方式，改善了燃燒條件，熱電轉(zhuǎn)換以連續(xù)方式進(jìn)行，提高了熱效率；(2)采用燃燒室和多層、多級(jí)大規(guī)模熱電偶網(wǎng)絡(luò)群的結(jié)構(gòu)，充分利用了高溫?zé)崃鞴ぷ鬟^程中的各級(jí)溫差，最大限度地將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，提高了熱能的利用率；(3)采用機(jī)械與電子裝置組成二級(jí)控制系統(tǒng)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速和對(duì)燃燒工況的調(diào)節(jié)，具有良好的使用性能和比功率指標(biāo)。
(4)比能量指標(biāo)取決于配置燃料的數(shù)量；(5)整體結(jié)構(gòu)緊湊，沒有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，不需要潤(rùn)滑、密封，解決了振動(dòng)噪音等問題；(6)可以使用液態(tài)或氣態(tài)的多種燃料，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和低污染指標(biāo)，使用氫氣或低熱值燃料時(shí)，排氣污染問題將得到根本的解決。
由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明以熱電效應(yīng)為基本原理。它的熱源是燃燒室內(nèi)的高溫?zé)崃?，冷源是環(huán)境大氣，熱電轉(zhuǎn)換方式為從燃料的燃燒中獲得熱能，熱電偶將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出功率。


圖1為本發(fā)明的熱電機(jī)結(jié)構(gòu)方框圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)施例——車用熱電機(jī)的結(jié)構(gòu)方框圖；圖3為圖2中的燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖2中的冷源裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖2中電子控制器的電路原理圖。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例如圖1所示，本發(fā)明的熱電機(jī)由內(nèi)設(shè)熱電偶的燃燒室1、冷源裝置2、電流調(diào)節(jié)器3、電子控制器4、高壓點(diǎn)火器5構(gòu)成；燃料和空氣與燃燒室1管道連接，燃燒室1內(nèi)置的熱電偶的引出線經(jīng)過冷源裝置2后與電流調(diào)節(jié)器3電連接，電子控制器4分別與電流調(diào)節(jié)器3、輸入的控制信號(hào)采用信號(hào)連接、與高壓點(diǎn)火器5電連接，高壓點(diǎn)火器5與燃燒室1電連接，電流調(diào)節(jié)器3與交流電動(dòng)機(jī)M電連接。
構(gòu)成本發(fā)明裝置的各部件的作用是燃燒所需的空氣和燃料氣體混合后經(jīng)噴嘴進(jìn)入燃燒室1。電子控制器4根據(jù)控制信號(hào)，使高壓點(diǎn)火器5輸出高壓電流，經(jīng)高壓電極點(diǎn)燃可燃混合氣。燃燒產(chǎn)生的高溫氣流在燃燒室內(nèi)與各個(gè)熱電偶接觸，熱電偶產(chǎn)生溫差熱電勢(shì)，大規(guī)模熱電偶網(wǎng)絡(luò)將每一個(gè)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)匯集起來，經(jīng)過冷源裝置2形成直流電。電子控制器4的另一個(gè)作用是調(diào)節(jié)燃料的供給量和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
電流調(diào)節(jié)器3主要由接線合并電路與逆變器組成。接線合并電路實(shí)際上是一種電極電流的合并輸出電路，作用是把熱電偶網(wǎng)絡(luò)的引出線通過適當(dāng)?shù)姆绞竭B接到一個(gè)公共的功率提取端，達(dá)到減少逆變器數(shù)量的目的。逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟?，送給交流電動(dòng)機(jī)。
圖2所示為一個(gè)車用熱電機(jī)的實(shí)施方案。在圖1的基礎(chǔ)上，連接在電子控制器4上的有起動(dòng)開關(guān)7和駕駛踏板6。前者接通低壓蓄電池向直流電路供電，后者輸入駕駛員的控制信號(hào)。電子控制器的輸出電流分別通向高壓點(diǎn)火器5、電磁開關(guān)閥8等受控元件，形成了一個(gè)電子控制系統(tǒng)。
在燃料的輸入管道中安裝有可控電磁開關(guān)閥8，用于根據(jù)電子控制器4的信號(hào)，調(diào)節(jié)燃燒室的燃料供給量；10是燃料箱，儲(chǔ)存液態(tài)或氣態(tài)的燃料，11是空氣濾清器，過濾空氣中的雜質(zhì)。
燃燒室1內(nèi)設(shè)有多層、多級(jí)的熱電偶網(wǎng)絡(luò)，各級(jí)熱電偶網(wǎng)絡(luò)的引出線經(jīng)冷源裝置2和電流調(diào)節(jié)器3構(gòu)成回路。電流調(diào)節(jié)器3輸出的三相交流電供交流電動(dòng)機(jī)使用，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。
如圖3所示，燃燒室1主要由燃料噴嘴1-1、底座1-2、隔板1-3、熱電偶網(wǎng)絡(luò)1-8、熱電偶1-9、絕熱外殼1-10、高壓電極1-11構(gòu)成，頂部有排氣管。為了減少熱能的損耗，燃燒室采用了分開式的圓筒形絕熱外殼1-10，用耐熱的多層復(fù)合材料制成，各層外殼之間用螺栓連接，便于安裝與拆卸。隔板1-3將燃燒室內(nèi)部分隔成高溫區(qū)域1-4、中溫區(qū)域1-5和低溫區(qū)域1-6。各級(jí)熱電偶網(wǎng)絡(luò)1-8固定在各層隔板上，隔板沿圓周還開有通道1-7，使熱氣流通過，由燃燒室的上一級(jí)區(qū)域進(jìn)入下一級(jí)區(qū)域。可燃混合氣由噴嘴1-1噴入燃燒室，經(jīng)高壓電極1-11點(diǎn)火后燃燒，形成高溫火焰。
各級(jí)熱電偶采用不同的配對(duì)電極材料，連接成熱電偶網(wǎng)絡(luò)組，使燃燒氣流的熱能在高溫、中溫、低溫狀態(tài)時(shí)，都能最大限度地轉(zhuǎn)換為電流。當(dāng)氣流最終從排氣管排出時(shí)，它的溫度已經(jīng)接近環(huán)境大氣的溫度。
如圖4所示，冷源裝置2的殼體2-3設(shè)計(jì)成圓筒形、前端設(shè)有冷卻風(fēng)扇2-2、風(fēng)扇推動(dòng)大氣軸向通過冷源，從后端流出，導(dǎo)線2-1固定在殼體2-3內(nèi)，被流過的大氣冷卻。根據(jù)熱電偶接線方法，每一個(gè)并聯(lián)熱電偶網(wǎng)絡(luò)有2條引出線，而串聯(lián)的熱電偶網(wǎng)絡(luò)組不但有2條引出線，還有若干個(gè)串聯(lián)節(jié)點(diǎn)，所有的引出線和串聯(lián)節(jié)點(diǎn)都需要接入冷源裝置，增大與燃燒室內(nèi)熱流的溫差，并使所有導(dǎo)線的溫度保持一致。
下面結(jié)合圖2對(duì)圖5進(jìn)行說明，車用熱電機(jī)的電子控制器4由單片微機(jī)8051、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換芯片、多電壓電源組件以及所控制的電路構(gòu)成。其中SWITCH 7代表起動(dòng)開關(guān)7，電流來自蓄電池9；駕駛踏板6的模擬信號(hào)首先由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片微機(jī)處理之后，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，控制安裝在燃料輸入管道上的電磁開關(guān)閥8，達(dá)到調(diào)節(jié)燃料供給量的目的；在需要點(diǎn)火時(shí)，P26發(fā)出信號(hào)，控制繼電器接通或切斷12伏低壓電路，使高壓點(diǎn)火器5產(chǎn)生高壓電流，高壓電極跳火點(diǎn)燃可燃混合氣；調(diào)速時(shí)，單片微機(jī)將駕駛踏板6的信號(hào)，與INT1接收的來自電動(dòng)機(jī)M的反饋信號(hào)相比較，處理后輸出8位數(shù)字信號(hào)給電流調(diào)節(jié)器3，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。
車用熱電機(jī)工作過程如下熱電機(jī)起動(dòng)時(shí)，打開起動(dòng)開關(guān)7，接通電子控制器的直流電源。燃燒所需的空氣經(jīng)過空氣濾清器11過濾，與燃料氣體混合后經(jīng)噴嘴噴入燃燒室。電子控制器4控制由高壓點(diǎn)火器5向高壓電極1-11輸出電流，點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的可燃混合氣。燃燒產(chǎn)生的高溫氣流是熱電機(jī)的高溫?zé)嵩?，熱流穿過每一層每一級(jí)熱電偶網(wǎng)絡(luò)，與每一個(gè)熱電偶1-9進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，溫度逐漸降低。熱電偶產(chǎn)生溫差熱電勢(shì)，大規(guī)模熱電偶網(wǎng)絡(luò)群將每一個(gè)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)匯集起來，經(jīng)過冷源裝置后形成直流電。電流調(diào)節(jié)器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。
一般車輛行駛的速度變化時(shí)，駕駛員需要通過駕駛踏板對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速，在變速器的配合下獲得需要的輸出功率。熱電機(jī)的控制方式與此類似駕駛員腳踏駕駛踏板，發(fā)出指令，傳感器檢測(cè)駕駛踏板升降的位置和速度信號(hào)后，傳給電子控制器，由后者比較電機(jī)反饋信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行電機(jī)調(diào)速和電源輸出電流的調(diào)節(jié)。電機(jī)調(diào)速有多種成熟的方法，這里不再贅述。熱電機(jī)對(duì)電源輸出電流的調(diào)節(jié)是兩方面的(1)改變?nèi)紵业娜紵郎囟?，這是通過改變?nèi)剂陷斎肓繉?shí)現(xiàn)的，輸入的燃料多則燃燒的溫度高，使得熱電轉(zhuǎn)換的熱電勢(shì)高，反之則低；(2)改變參加工作的熱電偶的數(shù)量，這是通過改變參加工作的燃燒室的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，參加工作的熱電偶的數(shù)量多，總體熱電勢(shì)高，反之總體熱電勢(shì)降低。綜合二者的作用，熱電機(jī)將具有良好的使用特能。
權(quán)利要求
1.一種熱電機(jī)，其特征在于主要包括燃燒室、冷源裝置、電流調(diào)節(jié)器、電子控制器、高壓點(diǎn)火器；燃燒室內(nèi)設(shè)置的熱電偶連接成大規(guī)模熱電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的引出線經(jīng)過冷源裝置后與電流調(diào)節(jié)器電連接；電子控制器分別與電流調(diào)節(jié)器、輸入控制信號(hào)采用信號(hào)連接、與高壓點(diǎn)火器電連接，高壓點(diǎn)火器與燃燒室電連接，電流調(diào)節(jié)器輸出的三相交流電供交流電動(dòng)機(jī)輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電機(jī)，其特征在于所述燃燒室采用絕熱外殼，并用隔板將內(nèi)部分隔成若干個(gè)高溫、中溫、低溫的區(qū)域；隔板上固定有適用于不同溫度的熱電偶；燃燒室內(nèi)設(shè)置燃料噴嘴和高壓電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電機(jī)，其特征在于燃燒室內(nèi)的熱電偶以串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合方式，形成大規(guī)模的熱電偶網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)及其引出線封裝在耐高溫的防氧化、防腐蝕的涂層中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱電機(jī)，其特征在于熱電偶可以是金屬材料或非金屬材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱電機(jī)，其特征在于熱電偶的連接網(wǎng)絡(luò)可以是多層、多級(jí)大規(guī)模點(diǎn)陣連接的熱電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)群。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱電機(jī)，其特征在于所述冷源裝置可以是配有風(fēng)扇的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱電機(jī)，其特征在于所述電子控制器是一單片微機(jī)系統(tǒng)及其控制的電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱電機(jī)，其特征在于燃燒室為一個(gè)或二個(gè)或多個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱電機(jī)，其特征在于燃燒室可以分隔為一級(jí)或二級(jí)或多級(jí)內(nèi)腔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱電機(jī)，其特征在于燃燒室內(nèi)可以設(shè)置一個(gè)或二個(gè)或多個(gè)熱源。
全文摘要
一種熱電機(jī)主要包括內(nèi)設(shè)熱電偶的燃燒室、冷源裝置、電流調(diào)節(jié)器、電子控制器、高壓點(diǎn)火器。燃燒室內(nèi)設(shè)置的熱電偶連接成大規(guī)模熱電轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)的引出線經(jīng)過冷源裝置后與電流調(diào)節(jié)器電連接;電子控制器分別與電流調(diào)節(jié)器、輸入控制信號(hào)采用信號(hào)連接、與高壓點(diǎn)火器電連接,高壓點(diǎn)火器與燃燒室電連接;本發(fā)明的熱電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)械,既能達(dá)到高比能量、高比功率、高效率、低污染等性能指標(biāo),又不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲等問題。
文檔編號(hào)H01L35/00GK1334641SQ01127719
公開日2002年2月6日 申請(qǐng)日期2001年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月9日
發(fā)明者張征 申請(qǐng)人:張征