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发动机余热发电系统设计【4张CAD图纸】【优秀】

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发动机余热发电系统设计

44页 13000字数+说明书+任务书+4张CAD图纸

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中文摘要

英文摘要

第1章绪论1

1.1课题研究的背景1

　　1.2 课题研究的意义2

　　1.3 国内外余热发电的研究现状2

第2章余热发电系统的原理与理论设计4

2.1余热发电系统的原理4

2.1.1 余热发电器的原理4

　　2.1.2 塞贝克效应4

2.1.3 帕尔帖效应5

2.1.4 汤姆逊效应6

2.2 余热发电器的理论模型7

2.3余热发电系统的理论计算7

2.3.1 余热发电系统温度梯度的计算7

2.3.2 单个电偶臂的功率计算和效率计算9

2.3.3 余热发电系统的功率与效率的理论计算11

第3章余热发电系统的设计13

3.1热电发生器结构分析13

3.2.1美国普林斯顿大学研究的方案13

3.2.2美国普林斯顿大学研究的方案15

3.2.3热电堆式热电发电器16

　　3.2 余热电发电器模块的设计17

　　3.2.1 通气管道的结构设计18

　　3.2.2 通水管道的结构设计20

　　3.2.3 余热发电器的设计22

3.2.4余热发电器的结构制作26

3.2.5余热发电器的工艺设计28

　　3.3余热发电器模块的固定框架设计30

　　3.4余热发电器模块和固定框架装配32

　　3.5余热发电器模块之间的连接部件32

第4章总结34

参考文献35

附录36

致谢37

中文摘要

　　　随着微机电系统（MEMS）的快速发展，为MEMS 提供电能的微小型功率

器件（POWER MEMS）逐步得到了广泛的研制。微小型热电电源是其中得到发

展的研究课题。

　　　本文提出了发动机余热发电系统设计方案，它是在发电器两端施加强制温差并利用热电效应将热能转换为电能的一种器件，它包括冷源、热源和微小型热电发电器三险要部件，具有寿命长、可靠性高、无污染、安静无噪声和无可动部件等优点。

　　　本文结合热电堆式热电发电器的理论模型，考虑到汤姆孙效应的影响，建立了发动机余热发电系统的模型。

关键词：关键词1：设计; 关键词2：分析; 关键词3：结构; 关键词4：尺寸; 关键词5：组合

在其它工程机械、船舶、飞机运输工具中，发动机对能量的利用效率也存在同样的效率低、能源浪费等问题。现代化国家的经济发展和能源有着密切的关系，在正常的情况下，经济发展与能源之间存在着正相关，也就是说，能源消费量越大，国民生产总值也越高。反之，能源不足就会影响国民经济的发展，甚至会造成巨大的损失。据分析，由于能源不足所引起的国民经济损失，约为能源本身价值的20到60倍。由此可见，不论哪个国家哪一个时期，若要加快发展国民经济，就必须保证能源消费量的相应增长。目前，我国正处于改革开放的前期阶段，要尽快发展社会主义经济建设，除了其他的必要条件外，还必须重视能源这一重要的物质基础。因此，能源是我国更好地进行社发济的关键。一方面要增加能源的采集，另一方面还要注重提高能源的利用率。

　　　1.2 课题研究的意义

　　　节能与环保是21 世纪人类面临的严重问题。中国正处在持续发展的关键阶段, 开发新能源和充分利用低品位能源、废能源具有重大意义。同时, 通过节能可以节约大量燃料, 对于降低我国在二氧化碳, 二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影响。我国在各种工业过程中存在大量的热能浪费现象, 发展各种环境友好的节能技术, 是十分重要的。

　　　本课题的意义在于：一方面不仅提高了对能源的利用率，节约了能源，另外一方面也减少了对大自然的热污染，保护了环境。

1.3 国内外余热发电的研究现状

　　目前在微小型热电发电器的研究方面，国外对微型热电发电机研究比较完善的有Princeton 大学、南加州大学和Michigan 大学。美国USC 空气动力实验室于2000 年推出微型热电发电机（MicroFire），德国Dresden 科技大学，利用铜箔作为介质研发了一种微型热电发电器，其面积为16*30mm^2,输出电压达到250mV。美国和日本是目前国际上对热电材料与工程研究投入最多的国家。美国的研究主要侧重于军事、航天、理论和高科技方面日本的研究侧重于废热利用，同时相应地着力于耐高温的陶瓷温差电材料的研究在大尺寸的范围，热电发电装置已经取得实际的应用。国内研究现状：热电现象本身是可逆的, 温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面, 互相可逆。可同一个PN 结, 若施加温差则可用来发电,若对其通电, 则可用于在一端致冷。国内对半导体致冷现象和应用研究具有一定水平, 目前已有商品器件和设备出售, 但对温差发电,则几乎是一片空白. 这主要是因为我国在军事高技术研究能力方面相对落后, 未能刺激起足够的需求. 随着国际学术交流的广泛开展,国内不少学者到国外接触了相关技术, 相信我国在这一领域相对落后的面貌将逐渐改观.

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内容简介：: 毕业设计（论文）任务书一、题目：发动机余热发电系统设计二、分院机电与能源分院学生姓名专业班级 04机电（1）班学号发放日期 2007年12月三、指导教师对毕业设计（论文）的进度安排及任务要求：1、主要任务与目标:2、主要内容与基本要求:3、计划进度:4、主要参考文献:起讫日期： 2007 年 01月 15 日至年月日指导教师（签名）职称 2007年 01 月 15日四、分院审核意见负责人（签名）年月日4毕业设计（论文）工作记录卡姓名：日期写作环节主要工作内容指导教师签字选题（选题）开题报告（搜集资料）搜集资料（开题报告）初稿（总体方案设计分析）二稿（设计计算和工作图）定稿（说明书撰写）注：设计类工作记录卡写作环节一栏按括号内要求填写毕业设计（论文）工作指导卡姓名指导教师计划进程表日期工作内容完成情况指导教师检查答疑记录日期检查答疑内容指导教师签字学生请假记录日期请假原因指导教师签字毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目发动机余热发电系统设计 Design of system for waste thermal of generator 姓名学号分院机电与能源分院专业班级指导教师完成时间 2008 年 05 月 20 日I中文摘要中文摘要随着微机电系统（MEMS）的快速发展，为MEMS 提供电能的微小型功率器件（POWER MEMS）逐步得到了广泛的研制。微小型热电电源是其中得到发展的研究课题。本文提出了发动机余热发电系统设计方案，它是在发电器两端施加强制温差并利用热电效应将热能转换为电能的一种器件，它包括冷源、热源和微小型热电发电器三险要部件，具有寿命长、可靠性高、无污染、安静无噪声和无可动部件等优点。本文结合热电堆式热电发电器的理论模型，考虑到汤姆孙效应的影响，建立了发动机余热发电系统的模型。关键词：关键词1：设计; 关键词2：分析; 关键词3：结构; 关键词4：尺寸; 关键词5：组合 IIAbstractThe widely use of MEMS prompted the extensive research of Power MEMSMicro (small) thermoelectric generation device is one of the research programs for Power MEMS.In the paper, the design of system for waste thermal of generator was put forward, and the theory of which is put temperature in difference actively to two sides of the micro (small) thermoelectric generator. The device includes mainly three parts such as heat source, sink source and micro (small) thermoelectric generator etc, which has merits of quiet, long life-span for use, no pollution and having no movable components etc.Combined with perfect model of common thermoelectric generator, generator were built up based on such factors as the effect of Thomson effect ，then the design of system for waste thermal of generator were optimized. Key word: 1. design 2. analyze 3. configuration 4. size 5. CombinationIII目目录录中文摘要中文摘要英文摘要英文摘要第第 1 1 章章绪绪论论.1 11.1 课题研究的背景.11.2 课题研究的意义.21.3 国内外余热发电的研究现状.2第第 2 2 章章余热发电系统的原理与理论设计余热发电系统的原理与理论设计.4 42.1 余热发电系统的原理 .42.1.1 余热发电器的原理.42.1.2 塞贝克效应.42.1.3 帕尔帖效应.52.1.4 汤姆逊效应.62.2 余热发电器的理论模型.72.3 余热发电系统的理论计算 .72.3.1 余热发电系统温度梯度的计算.72.3.2 单个电偶臂的功率计算和效率计算.92.3.3 余热发电系统的功率与效率的理论计算.11第第 3 3 章章余热发电系统余热发电系统的设计的设计.13133.1 热电发生器结构分析 .133.2.1 美国普林斯顿大学研究的方案.133.2.2 美国普林斯顿大学研究的方案.153.2.3 热电堆式热电发电器.163.2 余热电发电器模块的设计.173.2.1 通气管道的结构设计.183.2.2 通水管道的结构设计.203.2.3 余热发电器的设计.223.2.4 余热发电器的结构制作.263.2.5 余热发电器的工艺设计.283.3 余热发电器模块的固定框架设计 .303.4 余热发电器模块和固定框架装配 .323.5 余热发电器模块之间的连接部件 .32第第 4 4 章章总总结结.3434参考文献参考文献.3535附录附录.3636致谢致谢.37370第第 1 章章绪绪论论1.1课题研究的背景课题研究的背景我国建设节约型社会的现状不容乐观，进入 21 世纪以来，我国经济社会继续保持了快速发展的势头，取得了有目共睹的伟大成就，也遭遇前所未曾有过的资源约束和环境制约。针对这些情况，中央适时地提出了建设资源节约型、环境友好性社会等一系列新的观念和决策。节约型社会目的是通过“加快建设资源节约型社会，推动循环经济发展。解决全面建设小康社会面临的资源约束和环境压力问题。保障国民经济持续快速协调健康发展(国办发(2004330 号文件)，强调在经济活动中节约资源和保护环境的同等重要性，要求经济效率和环境保护并驾齐驱。要求人类发展生态经济，追求以节约资源、能源和减少污染为前提的生念经济效率，要求人类在经济活动中实现经济与环境的协凋统一。目前，建没节约型社会多从节能技术、绿色技术、循环经济等方面展开，这有利于节约型社会建设的深入发展。在现在这个飞速发展的社会中交通无疑是很重要的一块，而汽车、飞机、船舶等交通运输工具又是不可或缺的，而发动机是汽车、飞机、船舶等交通运输工具的核心部件，其应用范围非常广泛。随着人类社会的发展，发动机的数量急速增加。以汽车为例，2005 年汽车保有量达 3300 万台，预计 2010 年将超过 7000 万台。与之相对应的是发动机数量的剧增和废热的大量排放。调查研究表明，发动机燃料燃烧所发出的能量只有3438（柴油机）或 2528（汽油机）被有效利用。其它的能量被排放到发动机体外，仅由排气带走的热量就占进入发动机中的燃料所产生热量的3045。这一方面造成了较大的能源浪费，另一方面使周边环境温度升高，带来了城市的热岛效应等不良影响。热污染首当其冲的受害者是水生物，由于水温升高使水中溶解氧减少，水体处于缺氧状态，同时又使水生生物代谢率增高而需要更多的氧，造成一些水生生物在热效力作用下发育受阻或死亡，从而影响环境和生态平衡。此外，河水水温上升给一些致病微生物造成一个人工温床，使它们得以滋生、泛滥，引起疾病流行，危害人类健康。随着人口和耗能量的增长，城市排入大气的热量日益增多。按照热力学定律，人类使用的全部1能量终将转化为热，传入大气，逸向太空。这样，使地面反射太阳热能的反射率增高，吸收太阳辐射热减少，沿地面空气的热减少，上升气流减弱，阻碍云雨形成，造成局部地区干旱，影响农作物生长。近一个世纪以来，地球大气中的二氧化碳不断增加，气候变暖，冰川积雪融化，使海水水位上升，一些原本十分炎热的城市，变得更热。造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。在其它工程机械、船舶、飞机运输工具中，发动机对能量的利用效率也存在同样的效率低、能源浪费等问题。现代化国家的经济发展和能源有着密切的关系，在正常的情况下，经济发展与能源之间存在着正相关，也就是说，能源消费量越大，国民生产总值也越高。反之，能源不足就会影响国民经济的发展，甚至会造成巨大的损失。据分析，由于能源不足所引起的国民经济损失，约为能源本身价值的 20 到 60 倍。由此可见，不论哪个国家哪一个时期，若要加快发展国民经济，就必须保证能源消费量的相应增长。目前，我国正处于改革开放的前期阶段，要尽快发展社会主义经济建设，除了其他的必要条件外，还必须重视能源这一重要的物质基础。因此，能源是我国更好地进行社发济的关键。一方面要增加能源的采集，另一方面还要注重提高能源的利用率。1.2 课题研究的意义课题研究的意义节能与环保是21 世纪人类面临的严重问题。中国正处在持续发展的关键阶段, 开发新能源和充分利用低品位能源、废能源具有重大意义。同时, 通过节能可以节约大量燃料, 对于降低我国在二氧化碳, 二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影响。我国在各种工业过程中存在大量的热能浪费现象, 发展各种环境友好的节能技术, 是十分重要的。本课题的意义在于：一方面不仅提高了对能源的利用率，节约了能源，另外一方面也减少了对大自然的热污染，保护了环境。1.3 国内外余热发电的研究现状国内外余热发电的研究现状目前在微小型热电发电器的研究方面，国外对微型热电发电机研究比较完善的有Princeton 大学、南加州大学和Michigan 大学。美国USC 空气动力实2验室于2000 年推出微型热电发电机（MicroFire），德国Dresden 科技大学，利用铜箔作为介质研发了一种微型热电发电器，其面积为16*30mm2,输出电压达到250mV。美国和日本是目前国际上对热电材料与工程研究投入最多的国家。美国的研究主要侧重于军事、航天、理论和高科技方面日本的研究侧重于废热利用，同时相应地着力于耐高温的陶瓷温差电材料的研究在大尺寸的范围，热电发电装置已经取得实际的应用。国内研究现状：热电现象本身是可逆的, 温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面, 互相可逆。可同一个PN 结, 若施加温差则可用来发电,若对其通电, 则可用于在一端致冷。国内对半导体致冷现象和应用研究具有一定水平, 目前已有商品器件和设备出售, 但对温差发电,则几乎是一片空白. 这主要是因为我国在军事高技术研究能力方面相对落后, 未能刺激起足够的需求. 随着国际学术交流的广泛开展,国内不少学者到国外接触了相关技术, 相信我国在这一领域相对落后的面貌将逐渐改观.3第第 2 章章余热发电系统的原理与理论设计余热发电系统的原理与理论设计2.1 余热发电系统的原理余热发电系统的原理 2.1.1 余热发电器的原理余热发电器的原理余热发电器主要是利用热电材料的热电效应产生电流而工作的。热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，它包括塞贝克(Seebeck)效应，帕尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应。这三个效应通过开尔文(Kelvin)关系式联系在一起。这三个效应奠定了热力学热电理论发展的基础。热电效应还伴随产生了其它效应：焦耳热效应和傅立叶效应。下面分别介绍热电发电器的基本理论。图图 2 21 1 热电转换工作原理热电转换工作原理2.1.2 塞贝克效应塞贝克效应1821 年法国物理学家T.J.Seebeck 在考察 Bi-Cu 与Bi-Te 回路的电磁效应时发现了热电流、他的实验表明，当由两种不同导体材科构成的闭合回路的两个节点温度不同时，回路中有热电流产生，这就是Seebeck 效应如图所示 4图图 2-22-2 赛贝克效应图赛贝克效应图不同导体材料,a.b 两端节点存在温差T 时，便会产生Seebeck 电势V，定义Seebeck 电势率ab=V/T,当T0 时,写成: ab = dV/Dt （21） ab 称为塞贝克系数,其符号取决于组成热电偶的材料本身及节点的温度/一般规定在低温是a 到b,其值为正,他的大小取决于两节点的温度和金属导体的材料性质。2.1.3 帕尔帖效应帕尔帖效应1834 年,法国物理学家C.A.Peltier 观察到当电流通过两个不同导体的节点时，在节点附近有温度变化：当电流从某一方向流经回路的节点时，节点会变冷，而当电流反向的时候，结点温度会变热。Lenz 于1838 年给出Peltier 效应的本质特征。Peltier 效应显示出热电致冷的可能性。Peltier 效应表明，流经两种不同的导体组成的回路的结点的微小电流会产生可逆的热效应，在时间dt 内其热量dQp 的大小与流过的电流I 成正比： dQp=abIdt=abq （2-2）比例系数 ab 称为Peltier 系数，也叫Peltier 电势，q 是传输的电荷。当电流由a 到b, ab 为正，dQ0,吸热：反之则放热。ab 的大小与节点温度及热电偶组成材料有关。Peltier 效应产生的原因是位于节点两边材料中载流子浓5度与Fermi 能级不一样，当电流通过节点时，为了维持能量和电荷守恒必须与环境交换能量。2.1.4 汤姆逊效应汤姆逊效应1854 年，Thomson 发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度，就会有可逆的热效应产生，称为Thomson 效应，产生的热为Thomson 热。Thomson 热与通过的电流，经历的时间成正比，假定温度梯度较小： dQT = IdT / dx （23）比例系数为汤姆逊（Thomson）系数。符号规则与Peltier 效应相同，当电流流向热端，dT0，0，dQ0，吸热。三个热电系数可以通过开尔文（Kelvin）关系式联系起来：T 为绝对温度。从上两项关系式可导出单一材料的Seekeck 系数和Thomson系数的关系：从该关系式看出，如果知道Thomson 系数，就可以通过积分得到的单一材料的Seebeck 系数。可见，热电效应是热传导和电传导之间的一种可逆的交叉耦合效应。根据电导，热导的通常定义，可把这种热电偶合效应表示为：矩阵表示形式为：6 式中，分别是电流，熵流和热流密度，以及T 分别为电场强度、温度差、电导率、Seebeck 系数、热导率和温度。式(26a)表明了材料存在温度差，则可以产生电流；反之，式(26b)显示了电流可以在材料中产生热流。2.2 余热发电器的理论模型余热发电器的理论模型描述热电发电器热电转换性能的参数主要包括输出功率和热电转换效率。对微小型热电发电机而言，还有质量（体积）比功率（或称为输出能量密度）等性能指标。对普通尺寸热电发电器，一般按照图22 这种一对P、N 电偶臂简化模型进行分析计算。理想模型主要包括导热覆盖基板、导流层和电偶臂三部分。当电偶臂两端存在温差时，P、N 结两种不同热电材料将产生塞贝克（Seebeck）效应，故而在回路中产生电流。图图 2 23 3 热发电器单对电偶臂理想结构热发电器单对电偶臂理想结构2.3 余热发电系统的理论计算余热发电系统的理论计算2.3.1 余热余热发电系统温度发电系统温度梯度的计算梯度的计算图22为理论的一对PN 电偶臂热电发电器结构。一对PN 电偶臂热电发电器主要包括电绝缘导热覆盖片、导流铜片和焊料层。导热覆盖片为高导热率的绝缘片，冷热端的材料、尺寸一样，则可以得到三者的热导率分别为：K c1 = K c2= K c3 = （28）容易推得总的热导率为：7 K = （29）式中：c 1 导热覆盖基板有效热导率； c2 导流片的有效热导率；c3电偶臂有效热导率；l c1导热覆盖基板厚度； l c2导流片厚度；lc3电偶臂厚度；A c1导热覆盖基板的面积；A c2导流片的面积； A c3电偶臂面积；K c1导热覆盖基板导热率；K c2导流层导热率； K c3电偶臂导热率。导热覆盖基板的材料是氧化铝陶瓷，有效热导率c 1（20 W/m.30 W/m.），这里设置导热系数依次递增c 1 = 5 W/m. （存在接触间隙）导热覆盖基板厚度取：l c1 = 1 mm导热覆盖基板的面积取：A c1= 100mm*100mm导流片的材料是铜, 有效热导率c 2 = 401W/m. （查自传热学赵镇南高等教育出版社 P492 附录 3）导流片厚度取：l c2= 1 mm导流片面积取: A c2= 21mm*1mm电偶臂材料是 Bi2Se3，有效热导率c 3 = 140 W/m. 电偶臂厚度取：l c3= 16.4 mm电偶臂面积取: A c3= 3mm*3mm所以：K c1 = = 50 W/ K c2 = =8.421 W/8K c3 = = 0.077 W/K =0.076 W/傅立叶效应 Qk= (Th-Tc) = K T设：热端温度启始为800 冷端温度为20所以：Qk总= KT总 = 0.076 W/ * 780 =10.184 WQk1= K c1T1 = Qk2= K c2T2 = Qk3= K c3T3 = Qk总 = 10.184W所以： T1 = 0.2 T2 =1.2 T3 = 132.3 2.3.2 单个电偶臂的功率计算和效率计算单个电偶臂的功率计算和效率计算按照牛顿热力学定律，热电发电器电偶臂两端存在温差时，产生热流。电偶臂从热源吸收的热量为帕尔特热、焦耳热和传导热三部分之和，即：式中：发电效率；P 输出到负载上的电能；I 回路中产生的电流；Q h 热端的热流；Q l 低温热源从低温端吸收的热流；R L 负载电阻；R 电偶臂的内阻；NP 塞贝克（Seebeck）系数；K 热传导系数；T1 热源温度；9T2 冷源温度。由电流回路，消除未知量电流I ，可以得到发电器的输出功率P 为：（212）由上述三式可得到热电发电器的转换效率为:上述公式中，内阻R 为P 、N 半导体电偶臂的电阻，其计算公式为: （214）式中：N N 型电偶臂电导率；L N N 型电偶臂臂长；A N N 型电偶臂截面积；P P 型电偶臂电导率；L P P 型电偶臂臂长； P P 型电偶臂截面积。NP5 根据实验得出 L /A0.55mmNP= 200（v/） R0.00275 T1 8000.21.2798.6T2 798.6132.3666.3T1 T2 132.3 当 R LR 时，功率最大所以： 2.3.3 余热发电系统的功率与效率的理论计算余热发电系统的功率与效率的理论计算热电发电器电偶臂截面尺寸为 3mm3mm，高度为 16.4mm，电偶臂对数199 对。10选择开始水温为：20 水的流量为：q1 v1*s 末温为 25选择尾气温度为：800 尾气的流速为：v23 m/s 末温为100水的比热C14200 j/kg* 尾气的比热 C2=1003 j/kg*水的密度11000kg/ 尾气的密度 11.29kg/ 假设：忽略热的损耗，则 Q水Q气 Q= C*M*C*V*=C*v*s*t*设： S水道 S气道 t1 t2 则 C1*1*q1*1C2*2*v 2*2 现在假设有三个模块组成余热发电系统P=152.8W= C M CV=C v s（通气管道截面积）t选择尾气温度为：800 末温为100尾气的比热 C2=1003 j/kg* 尾气的密度 11.29 kg/尾气的流速为：v21 m/s t= = 0.104 ss（通气管道截面积）= 0.10.1 = 0.01 = 700 = C M C V=C v st2825.8 W =11第第 3 章章余热发电系统余热发电系统的设计的设计3.1 热电热电发生器结构分析发生器结构分析归纳起来在目前研究和应用比较普遍和成功的结构上，热电发电器主要有微卷式，热电堆和薄膜热电发电器等等几种结构。我们在这里选择3种来进行说明讲解，再进行性能和优、缺点比较从而选出我们所需要的发生器类型来进行研究分析和优化。3.2.1 美国普林斯顿大学研究的方案美国普林斯顿大学研究的方案图图 3-13-1 SWISSSWISS ROLLROLL在此装置中，双盘旋的管道是燃气化学反应的场所，所以称为SWISS ROLL，我们也称为微卷式电热发生器，他的尺寸大小大约为12.5mm*12.5mm*5mm，材料为氧化铝陶瓷，通过Daestro 微加工方法实现三维实物，管道宽度为0.075mm,燃料和空气由泵注入通道，在Swiss Roll 中心通过两个电极点燃，引发燃料的持续燃烧燃料燃烧后的废气通过管道排出。普林斯顿大学研究了包括氢、甲烷、甲醇和乙醇等燃料，由于大部分的燃料进行持续催化燃烧需要一定的初始温度（300oC 以上）才能持续燃烧，需要通过其他热源进行预热，其中氢气可在室温下开始催化反应研究还表明在300oC 以上时，氢气和空气的混合气可以在较大范围的比例下反应，反应产生的热量从2瓦到12 12瓦，经过热电转换，能点燃100 毫瓦的灯泡。与此相类似的还有南加州大学的方案，他们运用的也是Swills Roll 的结构，是名叫Micro-fire 的微型电源系统，他是用电化学微机械加工技术（EFAB）将微燃机。微热发电机和热交换器集成在一个微器件中。他们设计了微型和中型的两种方案，如下图图图 3-23-2 SwissSwiss RollRoll 的的2 2 维和维和3 3 维的结构模型维的结构模型这就是这种Swiss Roll 的2 维和3 维的结构模型。研究人员通过控制气体燃料的流入来改变火焰燃烧温度，采用热电偶测定发电器不同位置的温度，并通过气相色谱仪分析燃烧后的气体成分来进行相关实验分析发电器中，微型和中型燃烧器的管径分别问0.13mm 和3mm,分别研究了低速流动、长时间停留、低温，高速流动、短时间停留、高温两种情况，获得了详细的无焰燃烧可持续进行的温度范围，以及在结构中的温度分布仿真。得到的仿真结果如图3-3所示。 13图图 3-33-3 SwissSwiss RollRoll温度分布仿真温度分布仿真实验研究还表明，三维的Swiss Roll 结构能减少热量的损失3.2.2美国普林斯顿大学研究的方案美国普林斯顿大学研究的方案这是由德国斯图加特大学研制的In-Plane 微型热电发生器，如下图图图 3-43-4 In-PlaneIn-Plane 微型热电发生器微型热电发生器In-Plane 型微热电发电器件的结构可以用IC 的薄膜工艺，方便地形成半导体电偶臂之间的金属电连接导流层，因而与标准IC 工艺兼容。英国Cardiff 大学的热电研究中心先后采用蓝宝石上的硅膜和石英上的多晶硅膜作为热电材料，制作了为心脏起搏器供电的微型热电发电器件。其测试器件大小为：5mm*10mm*0.45mm，为了测试的目的，内含不同数量和尺寸的热电臂。测试结果表明，每个长、宽、高分别为450m, 100m,0.4m 的热电偶在两种薄膜材料内的塞贝克电压都可以达到0.5mV/K 左右。使用热导率较低的石英时，由于衬底热泄露大大降低，器件能量转换效率可提高50 倍,德国斯图加特大学14用晶体硅微加工技术，制造了桥结构的In-Plane 型微热电发电器件。其测试器件由硅材料构成，P 型和N 型的热电臂长宽分别为500m 和7m，通过在中间10m 厚的硅薄膜上掺杂形成，掺杂深度为lm，热电偶连接的数量有10 个。这种结构用衬底的垂直侧面提供温差，因而衬底内部与热电臂平行的热流损失得到了降低。实验结果为，衬底垂直侧面温差为10K 时,器件的热电功率达到1.5m 。3.2.3 热电堆式热电发电器热电堆式热电发电器它是由美国喷气动力实验室（JPL）研制的 Cross-Plane。如下图图图 3-53-5 Cross-PlaneCross-Plane这种器件的结构和普通的Cross-Plane 型微热电制冷器件是一样，Cross-Plane 结构微热电制冷器件的原理和传统的体热电制冷器件非常类似，只是衬底和热电偶臂本体半导体材料换成了薄膜材料，由于在这种结构的制冷器中，热流的方向与衬底表面垂直故有如此称呼。两层衬底为发电器的冷端和热端中间夹着连接在一起的热电偶。其原理是：根据塞贝克效应，当发电器热端和冷端存在温差时，会在回路中产生电流。他们摈弃了体技术，而采用了厚膜Bi2Te3 合金材料，在保持热电臂截面积与长度之比不变的条件下，缩小热电臂，提高了热电功率单位体积内的密度。同时，一个微热电发电器件连接数万个热电偶，以在低温差下获得伏特级的高电压，此微热电发电器件的另一特点是，其制造工艺结合了电化学淀积和集成电路的刻蚀工艺。实际的测试器件由2300 个热电偶连成，热电臂的长度为50m,直径为6m,在158.5K 温差下，可以以4.1V 的电压提供22mw 的功率。实验结果表明，以上方法完全可以用于MEMS 微系统，为其提供微型电源。目前，JPL 正在研究用P 型和N 型Bi2T3, 纳米线代替厚膜合金，便用类似的方法实现更小尺寸的半导体电偶臂。JPL 的Cross-Plane 微热电发生器件虽然能达到很高的功率密度值，但是某些应用场合却需要更低的微瓦级功率，如小型传感器和放大器线路的供电。另外这种Cross-Plane 结构固有的缺点就是，热电偶臂之间的金属导流层不容易制造。当然发电器的结构还有很多，如自停止多晶硅金属结构微热电发电器等等，但是就我们目前的选取的几种经过上述分析比较得出的结果是：微卷式热电转换器热损失比较小，对热能的利用率比较高，但其微加工比较困难；同时由于热电材料沿温度梯度方向线性串联排列，每一部分热电材料的温差事实上不大，使其产生的功率也受到了限制。薄膜式热电发电方案从微加工技术方面来说是比较成熟的，其体积尺寸也比较小但其产生的功率普通较低，一般只有微瓦级热电堆的PN 结相对于温度场是并联结构，每一对PN 结均有相同的温差，故每一对PN结串联后，产生的功率相对较大另外，其热源腔可以设计得相对较大，燃料的燃烧，温控等相对容易，但其热损失比微卷式发电器要大。我们在这里选择热电堆式热电发生器作为热电电源的核心部件来设计。3.2 余余热热发电器模块发电器模块的设计的设计热电堆式微小型热电发电器主要包括上下导热覆盖片、导流片、焊料层、PN 结电偶臂和输出导线等部分。微小型热电发电器的输出功率和效率受到接触内阻、汤姆孙效应和温度变化的影响以及导热覆盖片、导流片和焊料层对导热系数的影响（该设计中由于体积较大，故可忽略焊料层对导热系数的影响）。热电发电器模块的设计主要包括水流道、气流道和热电发电偶臂的结构设计。设计这个模块的整体形状要以热量的最大利用为目标。我考虑过的形状有：微卷式（SwissRoll）、热电堆和薄膜热电发电器。16微卷式（SwissRoll）热电转换器热损失比较小，对热能的利用率比较高，但其微加工比较困难所以没有采用。由资料可知：薄膜式热电发电方案从微加工技术方面来说是比较成熟的，其体积尺寸也比较小，但其产生的功率普遍较低，一般只有微瓦级，所以在设计中也没有予以采用。而热电堆的PN结相对于温度场是并联结构，每一对PN 结均有相同的温差，故每一对PN结串联后，产生的功率相对较大，最终选择了热电堆式热电发电器作为热电电源的核心部件来设计。设计流道是以热量的最大利用为目标的，所以我考虑到了“双管形热电发电器”和“方形热电发电器”，双管形热电发电器的热量利用率虽然比方形热电发电器要高，但其应用于实际当中制作方面要求较高而且维修不方便，方形热电发电器不但具有较高的热利用率而且后期用于实际中制作方便，维修简单，所以最后在我和老师的讨论下决定设计方形热电发电器模块。下面我以简图的形式来介绍一下方形热电发电器电偶臂的具体组成：图图 3-63-6 方形热电发电器电偶臂方形热电发电器电偶臂下面的是余热发电器系统的水、气流向简图：17图图 3-73-7 发电器系统的水、气流向简图发电器系统的水、气流向简图3.2.1 通气管道的结构设计通气管道的结构设计位于发电器模块中心的是一通气管道，材料为导热较好的铜，在管道的内部加了一井字形的材料为铜的导热肋板，提高整个管道的导热率，提高整体的热利用率。图图 3 38 8 通气管道通气管道位于通气管道外面的是连接通气管道，其材料为铝合金（4.5Cu，1.5%Mg，0.6%Mn）,其安装方式是为底部四边用 75和 95的铅锡18合金焊接在通气管道的四边上。通气管道的这种隆起设计是为了将尾气分散导入通气管道，避免尾气堵塞，也可以将尾气中的余热更好的被铜片吸收传递给导热层，提高热利用率。图图 3-93-9 通气管道连接零件通气管道连接零件3.2.2 通水管道的结构设计通水管道的结构设计位于通气管道外面的是两对尺寸不一但形状一样的通水管道，其材料为铝合金（4.5Cu，1.5%Mg，0.6%Mn），该管道的元件有：2 个管道接头、三块铝合金板（两块小的规格为：182.8*20*2,还有一块大的规格为：405.6*104*2）。管道的制作步骤为：管接头用 75和 95的铅锡合金焊接在打好孔的小铝合金板上，焊接时避免产生空隙，防止以后漏水的现象产生，然后将那块大的铝合金按照图纸折好，用 75和 95的铅锡合金焊接好，最后整体焊接，最后水检查看是否有漏水现象的产生，及时将漏水处的漏洞修补好，以备以后正常使用。19图图 3 31010 通水管道（通水管道（1 1）通水管道（2）的制作方式是一样的，只是材料的规格不一样的，总的一点要求就是：焊接完毕后进行水检，查看何处漏水，及时进行修补，避免后期漏水。20图图 3 31111 通水管道（通水管道（2 2）3.2.3 余热发电器的设计余热发电器的设计发电电偶臂主要包括导热覆盖基板、导流层和电偶臂三部分。当电偶臂两端存在温差时，P、N 结两种不同热电材料将产生塞贝克（Seebeck）效应，故而在回路中产生电流。图图 3 31212 电偶臂的理论图形电偶臂的理论图形位于通气管道和通水管道的中间是PN 电偶臂热电发电器，一对PN 电偶臂热电发电器主要包括电绝缘导热覆盖片、导流铜片和PN 电偶臂，导热覆盖层采用95的氧化铝陶瓷，导流层为导铜片，焊料层为75和95的铅锡合金以及21导电银胶和耐高温银胶。电偶臂材料是 Bi2Se3，热电发电器电偶臂截面尺寸为3mm3mm，高度为16.4mm，电偶臂对数199对。由前面的理论分析知道，选用的热电材料赛贝克系数越高越好，同时，也希望该材料能耐高温（温差越大，热电材料的赛贝克电压就越大）。图图 3-133-13 电绝缘导热覆盖片电绝缘导热覆盖片22图图 3-143-14 导流层导流层23图图 3-153-15 电偶臂电偶臂电偶臂中的电流流向如下图所示：图图 3-163-16 电偶臂中电偶臂中电流的流向电流的流向243.2.4余余热发电器的结构制作热发电器的结构制作普通热电堆式热电发电器主要包括氧化铝陶瓷片制作加工，热电材料的配制、PN半导体材料的制作，热电发电器的装配等几部分工艺，其制作工艺也呈规模化、集成化特点。小型热电电源的结构包括陶瓷基板、铜导流层、焊料层、热电偶电偶臂以及引出导线等几部分。其加工工艺如图317。下面来介绍热电发电器制作工艺：（1）陶瓷基板的选用与制作陶瓷基板的选用与制作陶瓷基板上的导流层则主要采取覆盖铝层工艺，也有部分厂家采用渗铜工艺形成。导流层阵列见图318，图左和图右分别覆盖基板导流层阵列图形以及半导体电偶臂阵列结构图。根据基板导流层阵列，这里用SU-8 胶制作出焊料层掩模，见图319，掩模的通孔和基板导流层重合并压合紧固。然后在方形槽内注入高温导电银胶，从而形成需要的焊料层。（2 2）热电材料的选用与电偶臂的制作热电材料的选用与电偶臂的制作和普通热电发电器热电材料制作工艺一样，将碲化铋材料以及一些添加剂按照一定比例配方，在920K 以上的高温下融化，再进行晶棒的拉制，切片，晶粒的切割等工艺，从而得到我们所需要的PN 热电电偶臂颗粒。采用专门定制的模具，见图320，将P 型电偶臂颗粒和N 型电偶臂颗粒间隔排列模具的方槽中。25图图 3 31717 小型热电发电器加工工艺框图小型热电发电器加工工艺框图图图 3 31818 发电器覆盖基板导流层结构发电器覆盖基板导流层结构26图图 3 31919 焊料层掩模焊料层掩模图图 3 32020 小型电偶臂阵列模具小型电偶臂阵列模具（3 3）发电器的装配与封装发电器的装配与封装将P、N 型电偶臂颗粒依次间隔排列在专用模具中后，再将模具对准氧化铝陶瓷下覆盖基板，让P、N 电偶臂对牢导流层，通过焊料层将电偶臂与覆盖层粘接在一起。然后再用焊料将导出引线与导流层出口粘接在一起。采取同样方式将上覆盖基板与电偶臂颗粒粘接。等导电胶凝固后，将发电器置于高温恒温炉中静置10 小时以上，让焊料充分和电偶臂导流层充分焊合。高温炉温度保持在450K550K 的范围。在高温炉中静置一段时间后，将发电器取出，用电阻仪初步测试引线两端的电阻，如电阻不是无穷大（一般在110 欧姆的范围），说明焊合正常。此时用高温硅胶把发电器四周封合固化，以起到保护作用。这样，热电发电器的制作就完成。该工艺与杭州建华半导体致冷器有限公合作，初步试制获得成功。3.2.5余余热发电器的工艺设计热发电器的工艺设计热电发电器电偶臂的截面尺寸一般在1mm2 及以上，颗粒尺寸相对较大，热电材料的切割相对比较容易。将PN 结电偶臂置于专用的模具中进行阵列，一般可采用手工方法，总的加工相对容易。具体流程图如图321。现具体阐述如下：在加工好带导流层的陶瓷基板后，接下来就是电偶臂的制作。由于电偶臂尺寸小，材料脆性较大，故这里采用了硅模工艺，即首先制作好一种带方孔阵列的硅模，然后注入熔融的热电材料，和发电器覆盖基板焊合后，再去除原有27的硅模，留下热电电偶臂。具体硅模工艺如下：根据设计的热电发电器，制作出掩模胶片，用于光刻胶曝光。选择抛光硅片，其厚度为0.3mm0.5mm，尺寸为8”。先清洗硅片，用氢氟酸缓冲剂作为腐蚀液去除表面的二氧化硅。然后放在涂胶机上涂一层光刻胶PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）。光刻胶厚度达到50 微米左右。经过曝光显影，光刻胶在硅片表面形成方孔阵列，然后通过深度光刻，使硅片形成方孔阵列，该方孔阵列不是通孔而是一个方形槽阵列。然后在去除掉硅片上的光刻胶。翻转硅片，在另外一面涂上光刻胶，重复曝光显影、光刻、清洗等工作，在另一面形成方形槽阵列。两面的方形槽呈间隔排列。这就制成了我们需要的硅模。在高温炉中，分别将P 型和N 型半导体电偶臂材料置于石英容器中进行高温加热，直至熔化（熔化温度在650左右）。然后将P 型热电材料注入到硅模一面的方形槽中。待硅模冷却，P 型材料固化后，翻转硅模，将N 型热电材料注入到硅模另外一面的方形槽中。再次待硅模冷却，热电材料固化。最后对硅模两面进行研磨，直至露出热电电偶臂，并根据需要的热电电偶臂高度，确定研磨量和研磨后硅模的厚度。经过电偶臂与焊料层的键合、发电器的切割封装后，就得到需要的热电发电器。通过图形表示。整个工艺主要包括涂胶、曝光显影、光刻、铸模以及键合封装等工艺，主要反应了硅模和电偶臂的制作工艺。28 图图 3 32121 微型热发电器制作工艺流程微型热发电器制作工艺流程3.3 余余热发电器模块的固定框架设计热发电器模块的固定框架设计发电器模块的固定框架的材料是：硬度较高的不锈钢材料。固定框的形状是将内部的元件包紧在一起，固定框的两端用自加工的螺丝螺母加以固定，并施加一定的锁紧力，使得内部的元件不能移动，保证整个机构能正常的工作。顶端留下一定的间隙是为了将该发电机构连接固定到车体上。具体的安装手段以及自加工的螺丝螺母的详细请看附录上的图纸。29图图 3-223-22 固定框架固定框架303.4 余余热发电器模块和固定框架装配热发电器模块和固定框架装配图图 3-233-23 余热余热发电器模块发电器模块装配的主要要求是：确保每一个部分紧密的结合在一起，避免产生过多间隙使得电阻增大。3.5 余余热发电器模块之间的连接部件热发电器模块之间的连接部件模块之间的连接件采用外部购买的不锈钢编织软管，购买的单位为：上海沪旋旋转接头厂，该单位供应的 RL 型金属软管，内管是 EPDM（三元乙丙橡胶）的，耐高温高压，外表是不绣钢丝编织而成，材质:铜芯铜帽铝丝/不锈钢丝或者是铜芯锌帽铝丝/不绣刚丝，我现在在我的设计中选用的材质是: 铜芯锌帽、不绣刚丝外套。在该公司购买的金属软管的长度可以根据自己的需求设定，在这里软管的长度尽量可以选的短一点以节约空间，另外在汽车排放尾气管道上加工一定量的螺纹以连接该金属软管。由于在该设计中没有多少压力的要求，所以可以在一定程度上降低金属软管的压力要求，以减少软管的成本。通水管道电偶臂导热肋板通气管道道紧定框架电绝缘导热层、导流层31 图图 3-243-24 金属软管选购表金属软管选购表32第第 4 章章总总结结在进行发动机余热发电系统设计的开始我首先了解了有关于热电的一些基础理论和国内外有关于这一领域的相关论文，认识到了这一设计对以后能源的利用有着很大的意义，同时也了解了热电发电的原理和主要计算过程，在此基础上我开始动手设计我的发动机余热发电系统的设计，首先是考虑如何将余热利用最大化，于是最开始联想到了美国普林斯顿大学研究方案的形状，但是意识到后期制作和维修方面的问题，所以没有再想下去，于是第二种方案应运而生-方形包围余热发电器，这种想法在后期的制作方面比较简单而且热利用率也比较好，不足的是比较笨重，难看，存在一点热散失。一些结构、尺寸方面还有些地方有待楼伟同学的优化。通过这次的毕业设计使我有幸接触到了很多新的领域的知识，不仅开阔了自己的眼界，而且也考验了我活用知识的能力。这次设计不仅增强我个人的自信，也培养了与他人的团结和作精神。33参考文献参考文献1 .童志义, 赵晓东. 国外MEMS 器件现状及发展趋势. 电子工业专用设备,2002,31(4):200-206.2 张威, 张大成, 王阳元. MEMS 概况及发展趋势. 微纳电子技术,2002,1:22-27.3 李德胜, 王东红, 孙金玮, 金鹏. MEMS 技术及其应用. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社. 2002.3.4 朱智富，汽车废热利用的有效途径J,黑龙江工程学院学报（自然科学版）2005，19（2）：5159.5 倪久建，陈江平，覃峰等，汽车尾气余热驱动的金属氧化物制冷循环J，能源技术，2004，25（6）：231234.6 陈焕新，谭显光，燃料电池汽车余热利用的可行性探讨J，建筑热能通风空调，2004，23（5）：8

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