CN107109994B - 用于排气废热回收的装置 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，排气废热回收系统包括：第一排气废热回收组件，其包括：中心排气通道，其构造成允许排气沿着排气轴线的通过；和第一多个热电(TE)腿，第一多个TE腿中的每个TE腿包括与排气通道热连通的热端和与热端相对的冷端；以及电耦接器，其与第一多个TE腿中的每个TE腿电连通，电耦接器构造成从第一多个TE腿接收电。

Description

用于排气废热回收的装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年9月4日提交的美国临时申请号61/873,534的权益，所述美国临时申请的全部内容通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明涉及一种产生具有高温的排气的系统。

背景技术

许多系统产生从系统排出的热。一个这样的系统的示例是其中燃料的燃烧导致带有高温的排气的汽车系统。

已调查研究了一些从排气回收热能的方法。例如，一些方法试图利用热电效应从排气系统回收能量，以通过将温差应用于热电(TE)材料来产生电。生成的电可用于操作汽车电子与辅助系统，从而降低发动机与相关能量管理的负载；因而改善燃料经济性。

基于TE的系统典型地包括用于从热的排气提取热的热交换器。由于热交换器的效率提高，所以从排气取出更多的能量，导致增加的电的生成。然而，在已知的系统中，提高的热交换器效率伴有降低系统效率的提高的背压。

此外，在已知的系统中，更高效率的热交换器通过增大的尺寸实现。由于热交换器的尺寸增大，所以热交换器经受提高的热应力。另外，在包括汽车系统的许多系统中，空间是有限的用品。

因此，需要的是具有提高的效率的基于TE的系统。不明显提高横跨热交换器的压降的TE系统是有利的。不具有提高的应力和应变的有害效应的TE系统是进一步有利的。另外，不引起过度的空间需求的TE系统是有利的。

发明内容

根据一个实施例，排气废热回收系统包括：第一排气废热回收组件，其包括：中心排气通道，其构造成允许排气沿着排气轴线的通过；和第一多个热电(TE)腿，第一多个TE腿中的每个TE腿包括与排气通道热连通的热端和与热端相对的冷端；以及电耦接器，其与第一多个TE腿中的每个TE腿电连通，电耦接器构造成从第一多个TE腿接收电。

在一个或多个实施例中，第一排气废热回收组件还包括：多个鳍片，其位于通道内，鳍片将通道分成多个端口，其中，第一多个TE腿中的每个TE腿的热端通过多个鳍片与排气通道热连通。

在一个或多个实施例中，中心排气通道中的每个中心排气通道在与排气轴线垂直的平面中限定矩形周缘。

在一个或多个实施例中，第一多个TE腿被构造在第一模块中。

在一个或多个实施例中，第一排气废热回收组件还包括：第二多个TE腿，其与电耦接器电连通，第二多个TE腿中的每个TE腿包括与排气通道热连通的热端和与热端相对的冷端，其中，第二多个TE腿中没有一个TE腿位于模块中。

在一个或多个实施例中，第一模块被定位成与矩形周缘的第一侧相邻。第一排气废热回收组件还包括：TE腿的第二模块，其位于矩形周缘的第二侧上，第二侧与第一侧相对；TE腿的第三模块，其位于矩形周缘的第三侧上，第三侧与第一侧和第二侧二者相邻；以及TE腿的第四模块，其位于矩形周缘的第四侧上，第四侧与所述第三侧相对。

在一个或多个实施例中，第二多个TE腿中的第一TE腿位于第一模块与第四模块之间，第二多个TE腿中的第二TE腿位于第四模块与第二模块之间，第二多个TE腿中的第三TE腿位于第二模块与第三模块之间，并且第二多个TE腿中的第四TE腿位于第三模块与第一模块之间。

在一个或多个实施例中，多个鳍片中的每个鳍片是波纹的。

在一个或多个实施例中，第一排气废热回收组件是多个排气废热回收组件中的一个排气废热回收组件，多个排气废热回收组件中的每个排气废热回收组件包括：中心排气通道，其构造成允许排气沿着排气轴线的通过；以及第一多个热电(TE)腿，第一多个TE腿中的每个TE腿包括与排气通道热连通的热端和与热端相对的冷端，多个排气废热回收组件中的每个排气废热回收组件与电耦接器电连通，并且多个排气废热回收组件形成限定外周界的阵列，所述外周界大致匹配相关排气管道的内周界。

在一个或多个实施例中，系统包括多个转向器，多个转向器中的每个转向器位于多个排气废热回收组件中的相应一个排气废热回收组件的中心排气通道内。

在一个或多个实施例中，多个转向器中的每个转向器居中地位于多个排气废热回收组件中的相应一个排气废热回收组件的中心排气通道内。

在一个或多个实施例中，第一排气废热回收组件还包括冷却剂通道，其与第一多个TE腿的冷端中的每个冷端热连通。

在一个或多个实施例中，第一排气废热回收组件还包括预应力元件，其绕冷却剂通道的外周缘布置，预应力元件构造成对第一排气废热回收组件预加应力。

在一个或多个实施例中，预应力元件包括弹性套。

在一个或多个实施例中，预应力元件包括可扭转紧固件。

附图说明

图1描绘在与热电排气废热回收组件的排气流轴线垂直的平面中的端平面图，所述热电排气废热回收组件包括以模块和腿的形式的TE元件；

图2描绘能用于图1的组件的鳍片矩阵的一部分的端平面图；

图3描绘在与热电排气废热回收组件的排气流轴线垂直的平面中的端平面图，所述热电排气废热回收组件包括仅以TE腿的形式的TE元件；

图4描绘包括多个热电排气废热回收组件的热电排气废热回收系统的简化示意图；

图5描绘图4的热电排气废热回收组件的侧平面图；

图6描绘在与热电排气废热回收组件的排气流轴线垂直的平面中的端平面图，所述热电排气废热回收组件包括带有八边形冷却剂通道的TE模块和腿；

图7描绘在与热电排气废热回收组件的排气流轴线垂直的平面中的端平面图，所述热电排气废热回收组件包括在气体通道中带有转向器的TE模块和腿；

图8描绘在与热电排气废热回收组件的排气流轴线垂直的平面中的端平面图，所述热电排气废热回收组件包括带有以绕组件的外壁的螺母/螺栓机构的形式的预应力机构的TE模块和腿；以及

图9描绘在与热电排气废热回收组件的排气流轴线垂直的平面中的端平面图，所述热电排气废热回收组件包括带有以绕组件的外壁的弹性套的形式的预应力机构的TE模块和腿。

具体实施方式

为了促进对本发明的原理的理解，现在将对附图所图示并且在以下的书面说明中所描述的实施例作出参考。从而，应理解的是，没有对本发明范围的限制。还应理解的是，本发明包括所图示实施例的任何变更和变型，并且包括如本发明所涉及的技术的技术人员通常所想到的本发明的原理的另外的应用。

初始参考图1，排气废热回收组件100包括周边地绕废气通道104(还被简单地称为“气体通道”)的四个TE模块102x。TE模块102x包括热地连接至气体通道104的“热端”106x和热地连接至冷却剂通道110的“冷端”108x。在气体通道104内，鳍片矩阵112包括限定废气穿过的端口116的许多鳍片114。

鳍片114以大致矩形矩阵的形式，但在其他实施例中以蜂巢结构的形式。鳍片114具有在60-100微米范围内的厚度。在其他实施例中，鳍片114具有小于60微米或大于100微米的厚度。鳍片114在各种实施例中是包括平直鳍片、针形鳍片等的另一类型的期望构造。如图1所描绘地，鳍片114是平直鳍片。图2描绘了包括波纹鳍片122的鳍片矩阵120的一部分。波纹鳍片122可用于缓解鳍片矩阵上的热和/或机械应力。

鳍片在有些实施例中由诸如钢、铜或金属的合金的金属制成，其中，合金的成分被选择，以便防止恶劣的汽车废气环境对材料的损害。在其他实施例中，可使用诸如陶瓷的其他材料。气体通道104的正面横截面在有些实施例中是如图1所示的方形的，但在其他实施例中，诸如圆形、六边形、矩形等的形状被并入。

图1中的端口116大致上是方形的。在其他实施例中，使用矩形、正弦形、多边形或圆形的端口。尽管描绘了限定三十六个端口116的五个水平和五个垂直的鳍片114，但在其他实施例中有更少或更多的鳍片114和端口116。例如，在有些实施例中沿着每个气体通道的长度和宽度使用四到八个端口116。在又一实施例中，沿着特定气体通道的长度或宽度的端口116的数量取决于对于特定应用的所期望的功率的设计约束和/或所期望的压降小于四或大于八。

图1中的TE模块102x是包括多个热电材料的腿(未示出)的梯形TE模块。在一个实施例中，热电模块通常由串联地电连接并且并联地热连接的多个n和p型腿元件(耦接)组成。在其他实施例中，可使用带有其他形状和/或尺寸的TE模块。每个TE模块的热端106x与气体通道104的外体可操作地接触，用于传递热，并且冷端108x与冷却剂通道100的内壁可操作地接触，用于热的传输。在各种实施例中，TE模块压配合或利用带有相当高的热导率的胶来胶粘。在有些实施例中，使用压配合与胶粘的组合。冷却剂通道100在有些实施例中由一种或多种金属制成，或者替代地由带有高的传导率的材料制成。可选择地，可使用陶瓷和/或聚合物的不同组合。

排气废热回收组件100包括位于TE模块102x之间的热电腿124。腿124在其他实施例中被省略。在有些实施例中，TE模块被省略。例如，图3描绘了废热回收组件150，其包括带有鳍片矩阵152的气体通道152和从气体通道152延伸至冷却剂通道158的多个热电腿156。腿的数量和形状、TE模块和/或腿或TE模块与热/冷通道的接触点对于特定的实施例构造成在腿/TE模块与通道体之间获得期望的接触程度。

返回至图1，在操作中，废气被引导通过鳍片114由废气加热的端口116。鳍片114将热传递至气体通道104的外体。从而，在冷端108x由冷却剂通道110内的冷却维持相对冷的同时，热端106x被加热。在有些实施例中，留在气体通道104与冷却剂通道的内体之间的任何空的空间由高度传导的物质填充。TE模块102x内的得到的热梯度导致电的生成。

尽管图1描绘了包括单个气体通道104的排气废热回收组件100，但特定系统内的组件的数量被选择，以在不超过压降极限的同时从系统提供期望的功率输出。图4和5描绘了包括成阵列的六个组件100的系统170。组件100向电子地耦连至诸如汽车实施例中的电池管理系统的电子管理系统的电耦接器或模块172提供电。

如图5所示，系统170是带有废气的组件100的单排三层系统，所述废气在与排气轴线平行的箭头174的方向上移动。层的组件的添加还被称为“线”的添加。阵列能在诸如车辆排气流的排气流内构成，以大致与车辆排气管道的横截面同延。

尽管组件100提供了方形的横截面，但可能有其他的形状。图6描绘了周边地绕废气通道204的四个TE模块202x的排气废热回收组件200。TE模块202x包括热地连接至气体通道204的“热端”206x和热地连接至冷却剂通道210的“冷端”208x。在气体通道204内，鳍片矩阵212包括限定废气穿过的端口216的许多鳍片214。还提供多个热电腿218。除冷却剂通道210是八边形的外，组件200大致与组件100相同。不同成形的组件可用于将阵列配合在不同成形的排气流内，以便使例如车辆的排气管道的横截面大致与组件阵列匹配。

在又一实施例中，组件中的气体通道是六边形的，并且冷却剂通道的内体和外体是六边形的。替代地，取决于端部应用可使用诸如圆形、矩形等的其他形状和用于气体通道和冷却剂通道体的这些形状的多种组合。

图7描绘了与组件100相似的组件230。主要差异在于组件230在气体通道234内包括转向器232。转向器232是使热的废气从气体通道234的中心区域朝着气体通道234的侧壁转向的实心块，以增加从排气回收的热量。转向器232在有些实施例中如图7所示位于中心。在其他实施例中，转向器位于气体通道中的其他位置。尽管转向器232是方形的，但转向器在其他实施例中是圆形的、矩形的、多边形的等。转向器在有些实施例中朝着上游方向成锥形，以提供绕转向器的更有效的排气流动。转向器232由绝缘材料或带有低的传导率的材料制成。

以上所描述的排气废热回收组件典型地经受关机温度与操作温度之间的极端温度。图2的波纹鳍片是解决合成应力的一个方法。图8描绘了能与波纹鳍片结合的另一方法。在图8中，排气废热回收组件250利用以位于组件250的外体和/或内体上的多个螺母螺栓机构或紧固件252的形式的预应力元件被预加应力。预应力的量能由机构252的扭矩控制。

图9描绘了能与波纹鳍片结合的另一预应力元件。在图9中，排气废热回收组件260利用绕组件260的弹性套262被预加应力，所述弹性套262引起组件260的压缩预应力。

以上所描述的实施例提供一种包括期望数量的组件的排气废热回收系统，其中，每个组件包括气体通道，所述气体通道通过配合在气体通道与冷却剂通道之间的热电模块或腿被冷却剂通道包围。系统在低的压降的情况下于紧凑的空间中提供大量的功率，并可用于其中相当多的热被耗散的任何系统。由于可获得的紧凑的尺寸和合理的制造成本，所以期望的实施例尤其可用于汽车排气系统。此外，所描述的实施例允许在不遭受严重损害的情况下能够承受大的热应力的装置。

所描述的实施例在每TE模块和每组件的相当高的功率输出的情况下提供紧凑的模块化设计。所描述的鳍片矩阵在合理的压降的情况下提供高的热传递效率。所描述的TE模块和腿能紧凑地布置，以实现大的热回收。所描述的实施例在有些实施例中设置有预应力机构，以增强机械稳定性。

尽管在附图和前述说明中已详细图示并描述了本发明，但它们在性质上应被认为是说明性的而非限制性的。应理解的是，仅介绍了优选实施例，并且期望保护属于本发明的精神的范围内的所有变化、变型和另外的应用。

Claims (19)

1.一种排气废热回收系统，包括：

第一排气废热回收组件，其包括：

中心排气通道，其构造成允许排气沿排气轴线通过，以及

第一多个热电(TE)腿，所述第一多个TE腿中的每一个包括与所述排气通道热连通的热端和与所述热端相对的冷端；以及

电耦接器，其与所述第一多个TE腿中的每一个电连通，所述电耦接器构造成从所述第一多个TE腿接收电，所述第一排气废热回收组件还包括：

位于所述通道内的多个鳍片，所述鳍片将所述通道分成多个端口，其中，所述第一多个TE腿中的每一个的热端通过所述多个鳍片与所述排气通道热连通, 鳍片（114）具有在60-100微米范围内的厚度，鳍片（114）呈现大致矩形矩阵的形式或者蜂巢结构的形式。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，中心排气通道中的每一个在与所述排气轴线垂直的平面中限定矩形周缘。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一多个TE腿被构造在第一模块中。

4.如权利要求3所述的系统，所述第一排气废热回收组件还包括：

第二多个TE腿，其与所述电耦接器电连通，所述第二多个TE腿中的每一个包括与所述排气通道热连通的热端和与所述热端相对的冷端，其中，所述第二多个TE腿中没有一个位于模块中。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一模块被定位成与所述矩形周缘的第一侧相邻，所述第一排气废热回收组件还包括：

TE腿的第二模块，其位于所述矩形周缘的第二侧上，所述第二侧与所述第一侧相对；

TE腿的第三模块，其位于所述矩形周缘的第三侧上，所述第三侧与所述第一侧和所述第二侧二者相邻；以及

TE腿的第四模块，其位于所述矩形周缘的第四侧上，所述第四侧与所述第三侧相对。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：

所述第二多个TE腿中的第一个位于所述第一模块与所述第四模块之间；

所述第二多个TE腿中的第二个位于所述第四模块与所述第二模块之间；

所述第二多个TE腿中的第三个位于所述第二模块与所述第三模块之间；以及

所述第二多个TE腿中的第四个位于所述第三模块与所述第一模块之间。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述多个鳍片中的每一个都是波纹的。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：

所述第一排气废热回收组件是多个排气废热回收组件中的一个，所述多个排气废热回收组件中的每一个包括：

中心排气通道，其构造成允许排气沿所述排气轴线通过，以及

第一多个热电(TE)腿，所述第一多个TE腿中的每一个包括与所述排气通道热连通的热端和与所述热端相对的冷端；

所述多个排气废热回收组件中的每一个与所述电耦接器电连通；以及

所述多个排气废热回收组件形成限定了外周界的阵列，所述外周界基本上匹配相关联的排气管道的内周界。

9.如权利要求8所述的系统，还包括：

多个转向器，所述多个转向器中的每一个位于所述多个排气废热回收组件中相应的一个的中心排气通道内。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个转向器中的每一个居中地位于所述多个排气废热回收组件中所述相应的一个的中心排气通道内。

11.如权利要求1所述的系统，所述第一排气废热回收组件还包括：

冷却剂通道，其与所述第一多个TE腿的冷端中的每一个热连通。

12.如权利要求11所述的系统，所述第一排气废热回收组件还包括：

预应力元件，其绕所述冷却剂通道的外周缘布置，所述预应力元件构造成对所述第一排气废热回收组件预加应力。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述预应力元件包括：

弹性套。

14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述预应力元件包括：

可扭转紧固件。

15.如权利要求12所述的系统，其特征在于：

所述第一多个TE腿被构造在第一模块中。

16.如权利要求15所述的系统，所述第一排气废热回收组件还包括：

第二多个TE腿，其与所述电耦接器电连通，所述第二多个TE腿中的每一个包括与所述排气通道热连通的热端和与所述热端相对的冷端，其中，所述第二多个TE腿中没有一个位于模块中。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述多个鳍片中的每一个都是波纹的。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于：

所述第一排气废热回收组件是多个排气废热回收组件中的一个，所述多个排气废热回收组件中的每一个包括：

中心排气通道，其构造成允许排气沿所述排气轴线通过，以及

第一多个热电(TE)腿，所述第一多个TE腿中的每一个包括与所述排气通道热连通的热端和与所述热端相对的冷端；

所述多个排气废热回收组件中的每一个与所述电耦接器电连通；以及

所述多个排气废热回收组件形成限定了外周界的阵列，所述外周界基本上匹配相关联的排气管道的内周界。

19.如权利要求18所述的系统，还包括：

多个转向器，所述多个转向器中的每一个位于所述多个排气废热回收组件中相应的一个的中心排气通道内。

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