CN108431541A - 分段式适形热交换器 - Google Patents

Abstract

公开了一种热交换器，能够适形于由于外部应力的膨胀/收缩以及调节/适应热交换器与其他部件的界面处的表面缺陷。热交换器由各个热交换元件组成，其中各元件互连成它们可沿和/或绕不同轴线相对于彼此移位，同时保持流体流过热交换器。每个元件具有流体入口、流体出口和在其间延伸的流体通道，各元件布置成一个元件的出口流体连接到相邻元件的入口。各个元件还物理地互连以允许响应于外部膨胀/收缩力的纵向和/或侧向移位，同时保持流体流过整个热交换器，以及绕这些轴线中的每个倾斜以解决界面表面处的表面缺陷/公差。

Description

分段式适形热交换器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月22日提交的美国临时专利申请第62/270,638号的优先权和权益，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及分段式适形热交换器。具体地，本公开涉及一种热交换器，该热交换器能够在外部应力下适形，这是通过具有能够在保持流体流过热交换器并且保持通过热交换器在界面表面处良好热力接触的同时沿着和/或围绕不同的轴线移动的区段来实现的。

背景技术

一般而言，热交换器常常承受外部应力，这些外部应力通常与它们所暴露的各种温度有关。例如，包含在热电发电机(TEG)中的热交换器暴露于大范围的温度，这对TEG的构造有一定的限制。

热电发电机是已知的并且用于将热量转换成电能。它们可以结合到各种类型的系统中，以将废热转换成额外的电能/能量。更具体地说，热电发电机通常包括至少一个热的热交换器和至少一个冷的热交换器，其间布置有一个或多个热电模块。分别在热电模块和热的和冷的热交换器之间实现良好的接触对于整个设备的正常运行非常重要。合适的热界面材料(TIM)布置在热电模块和热的热交换器的界面处以及与冷热交换器的界面处，然而，由于装置所暴露的宽温度范围，该材料通常承受高应力，与冷的热交换器相比，温度会导致热的热交换器的膨胀/收缩的规模大得多。考虑到整个单元通常被紧密地捆扎或夹在一起以确保各个部件之间良好的热接触，热电模块与热的热交换器和冷的热交换器的界面处的膨胀/收缩率的差异将热界面材料暴露于高应力，这经常导致界面处的材料开裂或失效，这对TEG的功能有不利影响。尽管可以使用更厚和/或更坚固的热界面材料来努力防止开裂和/或失效，但选择更厚和/或更坚固的材料通常会减少热交换器和热电模块之间的热接触，这具有对TEG的整体表现不利的影响。

因此，提供能够在它们的界面表面处保持良好热接触的热交换器，无论是用于热电发电机内还是用于其他应用，并且能够符合和/或适应在其界面处的膨胀/收缩在单个热交换器的界面表面暴露于不同程度的膨胀/收缩和/或外部应力并且界面表面需要一致的热接触的应用中尤其有用。

发明内容

根据本公开的示例实施例，提供一种热交换器，包括：多个热交换元件，每个所述热交换元件具有主轴线和横轴线、以及流体入口、流体出口和在所述流体入口与流体出口之间延伸并将所述流体入口和流体出口互连的内部流动路径；入口歧管元件，所述入口歧管元件流体地联接到所述多个热交换元件中至少一个的流体入口；出口歧管元件，所述出口歧管元件流体地联接到所述多个热交换元件中至少一个的流体出口；其中所述多个热交换元件互连，每个所述热交换元件连接到至少一个相邻的所述热交换元件以允许围绕所述主轴线和/或所述横轴线的膨胀和/或收缩以及旋转运动。

在一实施例中，多个热交换元件包括第一热交换元件和第二热交换元件，第一热交换元件和第二热交换元件彼此相邻横向布置，且第一热交换元件和第二热交换元件的内部流动路径流体地联接在一起。

在一实施例中，多个热交换元件包括彼此相邻横向布置的第一热交换元件和第二热交换元件，且第一热交换元件和第二热交换元件包括彼此互锁的侧向边缘部分，从而将第一热交换元件和第二热交换元件连接在一起。

在一实施例中，多个热交换元件包括彼此相邻纵向布置的第一热交换元件和第三热交换元件，且第一和第三热交换元件包括彼此互锁的纵向边缘部分，从而将第一热交换元件和第三热交换元件连接在一起。

在一实施例中，所述第一热交换元件和所述第二热交换元件中的每个的所述流体入口和流体出口中的一个是远离所述第一热交换元件或第二热交换元件的侧向边缘部分延伸的突起的形式，所述流体入口和流体出口中的另一个是适于滑动地接纳来自横向相邻的第一热交换元件和第二热交换元件的突起的开口的形式，从而将第一热交换元件的内部流动路径流体地联接到第二热交换元件的内部流动路径。

在一实施例中，在入口歧管元件与使其流体入口联接到入口歧管元件的每个所述热交换器元件之间设置滑动面密封，以及在出口歧管元件与使其流体出口联接到入口歧管元件的每个所述热交换器元件之间设置滑动面密封；所述热交换器还包括布置在每个滑动面密封处的密封装置，所述密封装置提供滑动界面，所述热交换元件在与所述入口歧管元件和出口歧管元件接合时可在滑动界面上滑动。

在一实施例中，在歧管元件之一内的流体开口与所述热交换元件之一的流体入口或流体出口之间形成每个所述滑动面密封，且其中所述流体入口或出口沿所述热交换元件的露出的侧向边缘设置；以及其中每个所述滑动面密封的密封元件包括O形环，O形环接纳在围绕歧管元件之一的流体开口之一或所述热交换元件之一的流体入口或出口的环形凹槽内。

在一实施例中，每个所述环形凹槽围绕歧管元件之一的流体开口之一，且歧管元件的流体开口的直径大于热交换元件的流体入口和出口。

在一实施例中，每个所述歧管元件具有沿所述流体开口中的一个或多个设置的内表面；其中沿内表面设置有接纳凹槽；其中热交换元件的露出的侧向边缘形成在热交换元件的匹配外边缘部分上；以及其中所述匹配外边缘部分适于以舌槽布置滑动地接纳在所述接纳凹槽内。

在一实施例中，所述热交换元件中的至少一个包括：底部和顶部，底部和顶部封围流体腔，所述底部具有大致平坦的底表面；所述热交换元件具有第一互锁纵向端部部分、与所述第一互锁纵向端部部分大致相对的第二互锁纵向端部部分、第一侧向互锁边缘部分和与所述第一侧向互锁边缘部分大致相对的第二侧向互锁边缘部分；其中所述流体入口延伸穿过所述热交换元件的第一侧向侧表面以与所述流体腔流体连通，所述流体出口在与所述流体入口大致纵向相对并对齐的位置延伸穿过热交换元件的相对第二侧向侧表面，从而与所述流体腔流体连通，所述内部流动路径形成在所述流体腔内。

在一实施例中，一个所述热交换元件的所述第一纵向互锁端部部分连接到纵向相邻的所述热交换元件的第二纵向互锁端部部分，且一个所述热交换元件的第一侧向互锁边缘部分连接到横向相邻的所述热交换元件的第二侧向互锁边缘部分，所述相邻热交换元件的互锁侧向边缘部分建立热交换元件的内部流动路径之间的流体连通。

在一实施例中，纵向相邻热交换元件的所述第一互锁纵向端部部分和第二互锁纵向端部部分包括延伸穿过其中的通孔，所述第一互锁纵向端部部分和第二互锁纵向端部部分中的一个内的通孔大于形成在第一互锁纵向端部部分和第二互锁纵向端部部分内中的另一个内形成的通孔，当所述纵向相邻热交换元件以互锁关系布置时，在所述第一互锁纵向端部部分和第二互锁纵向端部部分内形成的所述通孔交叠；以及其中定位杆插入穿过所述交叠的通孔。

在一实施例中，所述定位杆可靠地固定在所述交叠通孔之一内以将相应的热交换元件固定到所述定位杆；以及其中所述定位杆的直径小于所述交叠通孔中另一个的直径，相应的热交换元件相对于纵向相邻的热交换元件绕所述定位杆可移动。

在一实施例中，纵向相邻热交换元件的互锁纵向端部部分和侧向相邻热交换元件的所述互锁侧向边缘部分各包括匹配的大致平行滑动表面。

在一实施例中，热交换器还包括布置在所述流体腔内的翅片板插入件，用于限定所述流体入口与所述流体出口之间的所述内部流动路径。

在一实施例中，在形成于所述第一纵向端部内的通孔的两侧上形成的一对螺纹孔，以接纳用于限制一热交换元件与纵向相邻热交换元件绕主轴线的相对倾斜运动的固定螺钉。

根据本公开的另一示例实施例，提供一种热电发电机组件，包括：热的热交换器，所述热的热交换器具有一对间隔开的壁，一对间隔开的壁在其间限定流体流动路径，用于使第一热交换流体流过其中；多个热电模块，所述多个热电模块布置在每个所述间隔开的壁的外表面上；一对冷的热交换器，所述一对冷的热交换器布置在所述热的热交换器的两侧上，与所述多个热电模块接触，用于使第二热交换流体流过其中，其中每个所述冷的热交换器包括：多个热交换元件，每个所述热交换元件具有主轴线和横轴线、以及流体入口、流体出口和在所述流体入口与流体出口之间延伸并将所述流体入口和流体出口互连的内部流动路径；入口歧管，所述入口歧管流体地联接到所述多个热交换元件中至少一个的流体入口；出口歧管，所述出口歧管流体地联接到所述多个热交换元件中至少一个的流体出口；其中所述多个热交换元件互连，每个所述热交换元件连接到至少一个相邻的所述热交换元件以允许所述多个热交换元件沿所述主轴线的膨胀和/或收缩以及绕所述主轴线和/或所述横轴线的旋转运动；多个杆，所述多个杆延伸穿过所述冷的热交换器并穿过所述热的热交换器用于将所述冷的热交换器固定到所述热的热交换器，并用于建立所述冷的热交换器与所述热电模块之间的热接触。

在一实施例中，每个所述热交换元件具有第一端部部分和与所述第一端部部分大致相对的第二端部部分；其中每个所述杆牢固地固定到所述热的热交换器并延伸穿过形成所述冷的热交换器之一的所述热交换元件之一的端部部分之一；其中每个所述热交换元件的第一端部部分牢固地固定到延伸穿过所述第一端部的杆中的第一个，且每个所述热交换器的所述第二端部部分绕延伸穿过所述第二端部的所述杆的第二个可移动。

在一实施例中，所述热的热交换器大致在约700℃的温度下运行，且所述冷的热交换器大致在约110℃的温度下运行。

在一实施例中，每个冷的热交换器中热交换元件的数量对应于布置在所述热的热交换器的相应侧上的热电模块的数量。

附图说明

作为示例，现在将参考示出本申请的示例实施例的附图，其中：

图1是根据本公开的示例实施例的热交换器的俯视立体图；

图1A是图1的热交换器的歧管元件的俯视立体图；

图1B是图1A的歧管元件的正视图；

图2是形成图1的热交换器的一部分的单独热交换元件的俯视立体图；

图3是图2的热交换元件的正视图；

图4是图2的热交换元件的后视图；

图5是图2的热交换元件的俯视平面图；

图6是图2的热交换元件的仰视平面图；

图7是图2的热交换元件的俯视平面图，其中盖部分被移除；

图8是图7的热交换元件的俯视平面图，其中布置有翅片板；

图9是示出形成图1的热交换器的一部分的两个热交换元件以其匹配互锁关系布置的俯视立体图；

图10是图9的热交换元件的正视图；

图11是图9的热交换元件的后视图；

图12是图9的热交换元件的俯视平面图；

图13是图9的热交换元件的仰视平面图；

图14是图2的三个单独的热交换元件以其匹配的互锁布置来布置的俯视立体图；

图15A是示出两者之间允许相对运动的两个匹配热交换元件的立体图；

图15B是沿图15A中所示的剖面线15B-15B'截取的图15A的热交换元件的横截面图；

图16是包含图1的热交换器的热电发电机的立体图；

图17是去除了外部热交换器的图16的热电发电机的立体图；

图18是图16的部分组装的热电发电机的立体图；

图19是图18的完全组装的热电发电机的立体图；

图20是如图17和18所示的部分组装的热电发电机的一部分的细节图；

图21是通过外部热交换元件与出口歧管元件之间的滑动面密封中的一个在x-y平面中的横截面；

图22是穿过容纳在相邻热交换元件的相应流体出口内的热交换元件的流体入口的x-y平面中的横截面；以及

图23是穿过一对互连热交换元件的纵向端部的y-z平面中的横截面。

在不同的附图中会使用相似的附图标记来表示相似的部件。

具体实施方式

参考附图，在图1中示出了根据本公开的热交换器10的示例实施例。在本示例性实施例中，热交换器10被细分或分段，使得热交换器10由多个单独的热交换元件12构成，多个单独的热交换元件12被布置在一起并互连以形成热交换器10的热交换芯。虽然图1示出了由16个单独的热交换元件12构成的热交换器10，但是单独的热交换元件12的实际数量和/或总体尺寸可以根据特定应用和/或特定设计要求而变化。因此，将理解的是，本公开不旨在限于由16个单独的热交换元件12形成的热交换器10，并且考虑在本公开的范围内的其它变型。

为了便于参考，图1示出了x-y-z坐标系，其中y轴在此也被称为热交换器10和单独的热交换元件12的纵轴线或主轴线。x轴在本文中被称为作为横向或侧向轴线。

热交换元件12布置成多个侧向延伸的行(在图1中标记为A、B、C、D)，并且在本实施例中，每个侧向延伸的行A、B、C、D由四个热交换元件12构成，出于以下讨论的目的，标记为12(1)、12(2)、12(3)和12(4)。在每一行的相对两端处的两个热交换元件12(1)、12(4)有时在下文中被称为“外部”热交换元件，并且外部热交换元件12(1)、12(4)之间的两个热交换元件12(2)、12(3)有时在下文中被称为“内部”热交换元件。而且，如下面将进一步描述的，行D中的每个热交换元件12具有与其他行中的对应热交换元件稍微不同的构造。所有热交换元件12具有非常相似的结构，并且除非另有说明，否则以下讨论适用于所有热交换元件12，而无论它们在热交换器10中的位置如何。

入口歧管元件14和出口歧管元件16布置在多个单独热交换元件12的相对侧向两侧上，用于将热交换流体输送到热交换器10/从热交换器10排出，并且纵向延伸贯穿热交换器10的长度。流体通过流体配件之一的入口配件18进入热交换器10，流体通过形成在入口歧管元件14内的内部通道17沿入口歧管元件14纵向分布，流体从内部通道17经由沿入口歧管元件14的内表面22以纵向间隔开的间距形成的各流体开口20，传递到每个侧向延伸行的热交换元件12，各流体开口20在本文中也被称为“歧管端口20”。例如参见图1A和1B。

入口歧管元件14的每个流体开口20流体地连接到每个侧向延伸行的热交换元件12的第一热交换元件12(1)，并且被对应的环形凹槽21包围，用于接纳适当的密封装置23，以便对形成在相应的热交换元件12(1)中的对应的流体开口提供适当的面密封。在本示例实施例中，入口歧管元件14还沿着其内表面22形成有接纳槽84，用于以舌-槽布置接纳每个第一热交换元件12(1)的相应的匹配外边缘部分80，从而当组装热交换器10时，每个第一热交换元件12(1)可沿槽84纵向滑动到位。每个密封装置23包括在围绕每个流体开口20的一个凹槽21中的O形环，并且被选择为使得其提供滑动面密封，该滑动面密封允许第一热交换元件12(1)的各自具有流体开口82的匹配外边缘部分80沿着入口歧管元件14纵向地滑动同时保持与歧管端口20中的一个对准，以确保在歧管端口20与第一交换元件12(1)之间的界面处维持适当的密封，防止流体从歧管端口20流出。

出口歧管元件16在结构上与上述入口歧管元件14类似，其中出口歧管元件16具有内部通道17，用于通过沿着出口歧管元件16的内表面22以间隔开的间距形成的对应的流体开口20接收从每个侧向延伸行中的最后一个热交换元件12(在该情况下是热交换元件12(4))排出的热交换流体，其中在每个流体开口20周围形成相应的凹槽21，每个侧向延伸行的热交换元件12中的最后一个热交换元件12(4)具有匹配的外边缘部分80从而以舌-槽布置被滑动地接纳在沿着出口歧管元件16的内表面22设置的接纳槽84中。每个最后的热交换元件12(4)通过与每个流体开口20大致流体密封互连而流体地连接到出口歧管元件16，该流体密封互连由于布置在凹槽21内的密封装置23的滑动面而实现，这允许最后的热交换元件12(4)沿着出口歧管元件16的内表面22纵向滑动到位，同时确保在其间界面处的适当密封。因此，流体从每个侧向延伸行的热交换元件12的最后一个热交换元件12(4)排放到歧管元件16中，在歧管元件16中，流体通过相应的出口配件24离开热交换器10。

图21是示出外部热交换元件12(4)和出口歧管元件16之间的滑动面密封之一的放大横截面。滑动面密封形成在歧管元件中的流体开口20与所述热交换元件12(4)之一的流体出口58之间。在外部热交换元件中，流体出口58包括沿着热交换元件12(4)的露出的侧向边缘80设置的流体开口82。滑动面密封包括呈O形环形式的密封元件23，密封元件23接纳在围绕出口歧管元件16的流体开口21的环形凹槽21中，并且在出口歧管16与热交换元件12的露出的侧向边缘80之间被压缩。

尽管图21示出了设置在出口歧管元件16的凹槽21中的密封元件23，但应该理解，凹槽21和密封元件23可以替代地围绕热交换元件12的流体开口82设置。

从图21中可以看出，热交换元件12的流体开口82具有比出口歧管元件16的流体开口20小的直径。这允许由热膨胀造成的出口歧管元件16与热交换元件12之间的一些相对纵向位移，而会不损害热交换元件12与出口歧管元件16之间的流体密封。相同的讨论适用于入口歧管元件14和与其流体连接的外部热交换元件12之间的滑动面密封。

因此，可以看出，一些热交换元件12(1)滑动地连接到入口歧管元件14并且一些热交换元件12(4)滑动地连接到出口歧管元件16，并且热交换器10包括布置在热交换元件12(1)、12(4)与入口歧管元件14或出口歧管元件16之间的每个流体连接处的密封装置23。密封装置23提供滑动接口，热交换元件12(1)、12(4)在与入口歧管元件14和出口歧管元件16接合时可以在该滑动接口上滑动。在下面进一步详细描述各个热交换元件12(1)和12(4)与入口歧管元件14和出口歧管元件16之间的互连。

现在参考图2-8，示出了形成热交换器10的热交换元件12中的一个，并且更具体地示出了行A、B或C的内部热交换元件12(2)、12(3)中的一个。除非另有说明，否则以下讨论也适用于外部热交换元件12(1)、12(4)和/或行D的热交换元件12。

每个热交换元件12由封闭流体腔54的底部26和顶部28构成。在本示例性实施例中，底部26是实心的、大致矩形的主体，其被加工或以其他方式形成有平坦底部30和限定流体腔54的壁。底部26也形成有所需的互锁特征，而顶部部分28是盖板的形式，其覆盖流体腔54的开口顶部。然而，应该理解，底部26和顶部28不一定具有附图中所示的具体构造。

为了便于参考，现在将参照x-y-z坐标系来描述图2至图8中所示的热交换元件12的特征。更具体地说，热交换元件12具有带有第一和第二纵向间隔开的端部35、37的下部29和具有第一和第二纵向间隔开的端部34、38的上部32。下部29和上部32沿y轴(即纵轴线或主轴线)相对彼此偏移，以便为热交换元件12提供第一互锁纵向端部36，第一互锁纵向端部36沿y轴在下部29的第一端部35上方悬伸第一距离D1。类似地，下部29和上部32的偏移为热交换元件12提供了第二互锁纵向端部40，所述第二互锁纵向端部40由沿y轴从下部29的第二端部37内缩距离D2的上部32的第二端部38形成，如图3和4所示。在本实施例中，下部29和上部32均设置在热交换元件12的底部26中。然而，应理解这不是必需的。例如，下部29和上部32可以替代地限定在热交换元件12的相应底部26和顶部28中。

下部29和上部32也沿着x轴(即，横向轴线或侧向轴线)相对于彼此侧向偏移。在这点上，上部32具有第一和第二侧向边缘42、47，且下部29具有第一和第二侧向边缘44、50。上部32的第一侧向边缘42从下部29的第一侧向边缘44沿x轴内缩距离D3，以向热交换元件12提供第一侧向互锁边缘部分46。类似地，上部32的第二侧向边缘47从下部29第二侧向边缘50沿x轴向外悬伸或突出距离D4，以向热交换元件12提供第二侧向互锁边缘部分48，如图5和6所示。

现在参考图7和8，流体腔54由底部26和顶部28封围，并且在本实施例中形成在底部26内。流体腔54由周边凸缘55围绕，周边凸缘55由底部26的平坦上表面限定，当两个部件以其匹配关系布置成流体地封闭流体腔54时，周边凸缘55抵靠顶部部分28的内表面密封。

流体入口56形成在热交换元件12的第一侧向侧表面57中并且延伸穿过热交换元件12的第一侧向侧表面57，使得流体入口56与流体腔54流体连通，在本实施例中，该第一侧向侧表面57是下部29的限定其第二侧向边缘50的壁。呈管状或圆筒形突起或配件形式的流体入口56远离下部29的第一侧向侧表面57和第二侧向边缘50向外延伸。在一些实施例中，形成流体入口56的管状或圆筒形突起可以是插入或以其他方式固定在形成于底部26中的对应开口内的单独部件，而在其他实施例中，其可以一体形成为热交换元件12的一部分。直接与流体入口56相对并与其纵向对齐，流体出口58形成在热交换元件12的第二侧向侧表面59内并延伸穿过该第二侧向侧表面59，使得流体出口58与流体腔54流体连通，在本实施例中，该第二侧向侧表面59是限定其相对的第一侧向边缘44的壁。

如图22的放大图所示，当各个热交换元件12以其互锁布置布置时，流体出口开口58的尺寸设置为接纳从侧向相邻的热交换元件12突出的流体入口56，如下面进一步描述的。由此，如图1所示，当各热交换元件12侧向彼此相邻地布置时，一个热交换元件12的流体入口56接纳在相邻热交换元件12的相应流体出口58内。如图所示，出口58可以设置有环形凹槽66，其中接收O形环形式的密封装置68，该O形环形成抵靠出口56的外表面的流体密封密封件，其中该密封件允许响应于热交换器10的热膨胀而沿x轴有侧向的一些相对位移。这样，每行A、B、C、D中的所有热交换元件12彼此流体地互连并且与入口歧管元件14和出口歧管元件16互连，使得沿着每行A、B、C、D热交换元件12从入口歧管元件14到出口歧管元件16形成连续的流动路径。由于每个侧向延伸行中的各热交换元件12通过各流体入口56和各流体出口开口58之间的“桩套(peg and socket)”或伸缩连接彼此流体地互连，即使在各个热交换元件12之间有轻微侧向分离或相对移动时也能保持相邻元件12之间的流体密封连接。

在一些实施例中，流体腔54装配有湍流增强插入件60，例如翅片板或湍流增强器，典型地为位于流体腔54内的波纹板形式，与其顶壁和底壁接触，并且形成从流体腔54的一纵向端部延伸到另一纵向端部的大致纵向流体流动通道，用于穿过热交换元件12的热交换流体的流动。在其他实施例中，流体腔54可在其中直接形成多个纵向流体流动通道，而不需要使用涡流增强插入件60。

在本示例性实施例中，流体腔54具有两个间隔开的流通分隔件62，流通分隔件62从腔54的靠近入口56和出口58的端部边缘向内延伸到流体腔54中。另一流通分隔件62从流体腔54的相对端部边缘向内延伸到流体腔54中并且被布置为在形成在流体腔54的相对端部上的流通分隔件62中间。流通分隔件62通常延伸进入流体腔54的内部相同的距离，流通分隔件62到流体腔54的每个端部的之间的距离通常对应于布置在腔54内的涡流增强插入件60的长度。由此，流通分隔件62用于在流体腔54的任一端处在涡流增强插入件60的相应端部与流体腔54的端部边缘之间形成的间隙内形成分开的歧管区域64。使用时，流体通过流体入口56进入热交换元件12并且被输送到第一歧管区域64(1)，在第一歧管区域64(1)处，流体被分配到由湍流增强插入件60形成的第一组纵向流动通道，到达第二歧管区域64(2)，在第二歧管区域64(2)处，流体随即通过由湍流增强插入件60形成的下一组流动通道切换返回第三歧管区域64(3)。一旦进入第三歧管区域64(3)，流体通过由湍流增强插入件60形成的下一组流动通道再次切换返回第四歧管区域64(4)，在第四歧管区域64(4)，通过由湍流增强插入件60形成的最后一组流动通道最后一次切换返回到第五歧管区域64(5)，在第五歧管区域64(5)处流体从热交换元件12通过流体出口开口58排出到相应行的热交换元件12中的相邻热交换元件12，如将在下文进一步详细描述的。因此，可以看出，在每个热交换元件12的流体入口56和流体出口58之间延伸并且将二者互连的内部流动路径61(图8)可以通过使用将流体引导通过流体腔54的元件来限定。在本实施例中，这些元件是湍流增强插入件60和流通分隔件62，它们共同形成限定穿过热交换元件12的多通道、蛇形或切换返回流动路径61的五个分开的歧管区域64(1)-64(5)。流体遵循蛇形流动路径61，如图8中的箭头所示。应该理解，热交换器10不限于所描述的特定流动路径61，并且可构思穿过各个热交换元件12的不同流动路径61且将其包括在本公开的范围内。

为了形成热交换器10，各单独的热交换元件12互连，每个热交换元件12连接到至少一个相邻的热交换元件12，以允许多个热交换元件12的膨胀和/或收缩以及围绕所述主轴线和/或所述横轴线的旋转运动。

纵向相邻的成对热交换元件12的互连和互锁在图9至13中示出并且现在在下文进行描述。尽管图9至13示出了行A、B或C的成对内部热交换元件对12(2)或12(3)的互连和互锁，但以下描述同样适用于成对的外部热交换元件12(1)或12(4)的互连和互锁。如图所示，两个热交换元件12首尾相接地布置，使得一个热交换元件12的第一互锁纵向端部部分36大致布置在纵向相邻热交换元件12的第二互锁纵向端部部分40的顶部(即，与第二互锁纵向端部部分40交叠)，使得一个热交换元件12的上部32的第一端部34大致与另一热交换元件12的上部32的第二端部38抵接或表面对表面地接触，使得第一互锁纵向端部部分36和第二互锁纵向端部部分40彼此直接面对或相对。在第一和第二互锁纵向端部部分36、40之间可留有小间隙39，例如如图10和11所示，以允许表面的公差和/或差异以及允许在两个热交换元件12之间的无摩擦滑动。为了便于纵向相邻热交换元件12的对齐和互锁布置，在每个热交换元件12的上部32的第一互锁纵向端部部分36中形成通孔或开口70。类似地，在热交换元件12的下部29的相对的第二互锁纵向端部部分40中形成通孔或开口71。如图5最清楚地示出的，开口70、71中的一个形成得比另一个大，在这种情况下，通孔71的直径略大于通孔70。

在图23的放大图中示出了开口70、71的上述布置。可以看出，杆75在开口71中的松动接合将允许两个热交换元件12之间响应于热膨胀的一些相对纵向移动，并且还能围绕x轴进行一些有限的旋转运动。

行D中的各热交换元件12具有稍微修改的构造，它们仅具有第一互锁纵向端部部分36。相对端不具有互锁端部部分，而是形成为没有任何偏移并且简单地设置有开口70以容纳系杆75。该端部的构造可以在图15A和15B中看到。

一对较小的通孔或开口72形成在主开口70的两侧上，这些开口72也延伸穿过第一互锁纵向端部部分36。当纵向相邻的热交换元件12如图9中布置时，一个热交换元件12的通孔70与纵向相邻的热交换元件12的通孔71交叠并轴向对齐。

图14中示出了侧向相邻的成对热交换元件12的互连和互锁，现在在下文进行描述。当热交换元件12布置成与侧向相邻的热交换元件12互连并互锁时，一个热交换元件12的第一互锁侧向边缘部分46布置在侧向相邻热交换元件12的第二互锁横向边缘部分48的顶部(即，与第二互锁侧向边缘部分48交叠)，使得一个热交换元件12的上部32的第一侧向边缘42大致与侧向相邻热交换元件12的上部32的第二侧向边缘47抵接或表面对表面地接触，使得第一和第二互锁侧向边缘部分46、48直接彼此面对或相对。在第一和第二互锁侧向边缘部分46、48之间可留有小的间隙，以允许表面的公差和/或差异以及允许两个热交换元件12之间的无摩擦滑动，基本上与上述和附图中所示的纵向端部部分36、40之间的间隙39相同。

为了促进侧向相邻热交换元件12的对齐和互锁布置，在相应的第一互锁侧向边缘部分46和第二互锁侧向边缘部分48中形成额外的通孔或开口73、74。

另外，如上所述，侧向相邻热交换元件12的互连导致两个热交换元件12的流体腔54和内部流动路径61流体地连接在一起。

在此描述的实施例中，开口70、72和74延伸穿过每个热交换元件12的底部26和顶部28，而开口71和73仅延伸穿过底部26。

在一些实施例中，定位杆或系杆75(参见例如图16-20)可以用于确保热交换元件12相对于彼此之间以及相对于整个系统的附加部件的互锁和正确对准。也可以在任何通孔72、73、74中使用固定螺钉(图15B)，以便辅助各热交换元件12之间的互锁布置和相对关系。在使用固定螺钉52的情况下，接纳固定螺钉52的通孔72、73、74会具有螺纹。例如，用固定螺钉52螺纹接合在开口72、73、74中的任一个中并且延伸穿过相应开口72、73、74的基部以与相邻热交换元件12上的对应表面接合。固定螺钉52可以在各种热交换元件12之间单独调节以允许其间不同程度的相对运动。

在一些实施例中，通孔70、71中的至少一个的直径略大于插入穿过对齐的开口70、71的定位杆或销75的直径以允许各个热交换元件12之间的一些相对移动。更具体地，通孔70、71的尺寸和相应定位杆75的尺寸之差允许在各个热交换元件12之间的x和y方向上轻微移动以及围绕至少x轴倾斜或旋转，同时固定螺钉也可被调节，以允许各个热交换元件12之间围绕y轴的一定量的倾斜和/或旋转。图15A通过方向箭头77、79示意性地示出围绕x轴和y轴的可能旋转。

一旦热交换芯已由所需数量的单独的热交换元件12组装而成，就将入口歧管元件14和出口歧管元件16布置在热交换芯的相应侧向侧上。如上所述，在本示例性实施例中，与相应的入口歧管元件14和出口歧管元件16互连的外部热交换元件12(1)和12(4)沿着与入口歧管元件14和出口歧管元件16互连的边缘具有不同的构造，且两个外部热交换元件12(1)、12(4)彼此不同。

例如，图15A示出了一对互连的、纵向相邻的第一热交换元件12(1)。如其中所示，上部32和下部29的偏移的第二侧向边缘47、50由具有沿着热交换元件12的露出的侧向边缘形成的流体开口82的舌状部分80代替，其中舌状部分适于容纳在沿入口歧管元件14的内表面22形成的凹槽84中并且与其形成舌槽连接。从图1A和15A可以看出，每个第一热交换元件12(1)的入口歧管元件14的相应凹槽84和舌状部分80可以分别设置有互锁凹槽86、88，以提供第一热交换元件12(1)与入口歧管元件14之间的互锁。

尽管未在附图中示出，但是在最后的热交换元件12(4)中设有类似的舌部80。然而，最后的热交换元件12(4)的舌部80将沿着相对的侧向边缘设置，使得该舌部代替相应的上部32和下部29的第一侧向边缘42、44。如图所示，在舌部80中形成流体开口82，用于与在入口歧管元件14和出口歧管元件16的内表面22中形成的相应的流体开口20接合。

通过由互连以允许单独的热交换元件12在其互锁布置中进行平面和旋转运动的各单独的热交换元件12来形成热交换器10，热交换器10能够适应表面变化以及适应由于热交换器10暴露于其中的温度范围所引起的热膨胀和/或收缩，该温度范围否则将导致热交换器10的主体内的内部应力会最终致使热交换器10随着时间的推移而开裂和/或失效。

其中热交换器10能够符合表面变化以及响应热交换器10的热膨胀和/或收缩的上述热交换器10的一个具体应用是，其中热交换器10用作例如图16-19所示的热电发电机(TEG)100的冷的热交换器。在所示的实施例中，热电发电机100由热温度热交换器90构成，该热温度交换器90为任何已知合适的热交换器的形式，其封闭间隔开的壁或板91、92之间的各种流体流动通道以用于通过其中的热温度流体的流动，例如汽车系统中产生的废气，因此，应该理解，热的热交换器90通常将在超过700℃的温度下运行。热的热交换器90配备有其各自的相应入口歧管93和出口歧管94，用于将热流体引入热交换器90和从热交换器90排出。各个热电(TE)模块96以间隔开的间距布置在热的热交换器90的外壁91、92的外表面上。在如图17所示，16个单独的热电模块96布置在热的热交换器90的两侧上，这对应于用于形成图1所示的热交换器10的示例性实施例的单独的热交换元件12的数量，然而，应理解，热电模块96的实际数量和单独的热交换元件12的实际数量可以根据具体应用而变化，并且本公开不旨在限于具有布置在热的热交换器90的两侧上的16个热电模块96的热电发电机100具有各由16个单独的热交换元件12组成的对应的冷的热交换器10。然而，已经发现，将冷的热交换器例如热交换器10细分或分段成大致对应于热电模块96的尺寸的单独的热交换元件12是允许使用趋于导致热交换器10与热电模块96之间改善的热界面的较薄的热界面材料(TIM)的一种方式。假定与热电发电机100内的热交换器90相比，冷的热交换器10在低得多的温度下运行，例如在110℃以下，则冷的热交换器10更有利于具有细分或分段结构。

如图17所示，热的热交换器90跨越其主体设置有多个通孔或开口98，多个通孔或开口98的位置大致对应于形成在单独的热交换元件12内的通孔70、71中的位置。与形成在热交换元件12中的通孔70、71不同，通孔98的尺寸设置成与定位杆75紧密互锁配合。在一些实施例中，杆75可以通过低导热率的中间陶瓷绝缘体95紧密地固定到热的热交换器，以减少在与热的热交换器90的接口处绕过热电材料的寄生热损失。因此，一旦热电模块96被布置成横跨热的热交换器90的表面，且定位杆75插入穿过开口98，则形成热交换器10的单独的热交换元件12可在热的热交换器90的两侧上布置在其顶上，从而有效地将热电模块96夹在热的热交换器90与相应冷的热交换器10的相应表面91或92之间。将诸如垫圈和螺母的固定装置99布置在定位杆75的相应螺纹端上以将整个组件固定在一起。

使用时，热的热交换器90例如暴露于内燃机的排气，该内燃机的排气然后可使热交换器在约-40至700℃的温度范围内经受热伸长，而冷的热交换器10在约-40至110℃的温度变化中经受较小的极端情况。这可以进一步基于用于构造单独热交换器的材料的不同而被放大，例如与铝制冷的热交换器10相比的不锈钢热交换器。当暴露于这种温度范围的差异时，预期有冷的热交换器10的偏转(和/或膨胀)，该偏转由于热电模块96与相应冷的热交换器10之间界面处的剪切应力会灾难性地导致热电材料的失效。通过采用上述具有细分或分段结构的冷的热交换器10结合允许组成整体热交换器结构的单独的热交换元件12之间的相对移动，已经发现，热交换器10能够承受当它用作热电发电机100的一部分时它所经受的剪切应力。更具体地，为了适应剪切应力，冷的热交换器10的单独的热交换元件12在其一端通过杆75固定或固联到热的热交换器90，杆75紧密地穿过在热交换元件中形成的通孔70、71中的较小一个，同时允许绕插入穿过在热交换元件12的相对端处通孔70、71中较大的另一个的杆75的移动。结果，通过使每个热交换元件12的一端固定到热的热交换器90并且具有可围绕其到热的热交换器90的连接点移动的第二端，每个热交换元件12随与其配对的热电模块96一起被承载，其配对的热电模块96固定在膨胀和收缩的热交换器90上。因此，热电模块96需要被锁定在热的热交换器90上的其特定位置并锁定到其匹配的冷的热交换器10，而无论冷的和热的热交换器10、90的热伸长之差如何。在示例性实施例中，这是由于形成在每个热交换元件12中的通孔70、71中的至少一个具有比定位杆75更大的直径来实现的。因此，在两者之间提供了足够的间隙，这允许热的热交换器90的热膨胀/收缩，单独的冷的热交换元件12随着定位杆75中的一个一起移动。通过在单独的热交换元件12的每个端部处具有定位杆75，允许冷的热交换元件12将相应的热电模块96夹在其自身与热的热交换器90之间以允许冷的热交换器10跟随热的热交换器90的膨胀和收缩。在定位杆75的任一端处使用的固定装置允许单独的热交换元件12被迫抵靠对应的热电模块96并且还允许进行调节，使得单独的热交换元件12可以沿其主轴线或纵轴线(即，y轴)在布置在其两端的两个定位杆75之间倾斜。上述在通孔72、73、74中固定螺钉52的使用允许热交换元件12相对于彼此沿主轴线或纵轴线(即，y轴)和/或沿着横轴线(即x轴)倾斜，如图15A所示。单独的热交换元件12的倾斜允许热交换器10符合表面缺陷和/或也可能由于热交换器10所暴露的热应力而发生的额外偏转，通常限制单独的热交换元件12的倾斜而确保维持足够的平行度或整体平坦度，以与相应的热电模块96进行适当的热接触。

在对每个定位杆75上的螺母99和每个冷的热交换元件12上的固定螺钉52的调整顺序之后，每个冷的热交换器10可以符合或适于在高度和平行度公差方面以及相邻热交换元件12的局部表面倾斜和平坦度方面适应每个热电模块96。可以开发固定螺钉52和螺母的特定紧固顺序，以便以简单的顺序方式实现所需的属性。例如，在定位杆75的中央行的一端处进行调节并且首先调节固定螺钉52，然后沿着中央行调节每个热交换元件12的螺母99，随后朝向歧管元件14、16从中央行向外逐行地调节其相邻的行。然而，应理解，特定的拧紧和/或调节顺序将取决于整个装置的具体应用、所需属性、单独的热交换元件12的数量等，并且本公开不旨在限于在此描述的示例紧固顺序。

虽然热交换器10在结合到热电发电机100中时具有与热的热交换器90一起适形和/或膨胀/收缩的能力，但通过整个热交换器10的流动路径的完整性由于在管状或圆筒状流体入口56与相邻元件12上的相应流体出口58之间伸缩或滑动接合而得以保持。因此，即使当单独的热交换元件12相对于彼此移动时，也能保持单独热交换元件12之间的流体连接，确保整个热交换器10的适当且无泄漏地运行。

尽管已经在热电发电机100的上下文中描述了热交换器10，但应理解，热交换器10具有适应热膨胀/收缩以及适形和/或适应或与高度和/或平行度相关的表面缺陷和/或公差的能力可具有超出仅热电发电机范围的应用。因此，热交换器10可用于各种其他应用，其中热交换器可暴露于宽范围的温度，导致装置的整体偏转。因此，将会理解，可以对所描述的实施例进行某些改适和修改，并且上面讨论的实施例被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种热交换器，包括：

多个热交换元件，每个所述热交换元件具有主轴线和横轴线、以及流体入口、流体出口和在所述流体入口与流体出口之间延伸并将所述流体入口和流体出口互连的内部流动路径；

入口歧管元件，所述入口歧管元件流体地联接到所述多个热交换元件中至少一个的流体入口；

出口歧管元件，所述出口歧管元件流体地联接到所述多个热交换元件中至少一个的流体出口；

其中所述多个热交换元件互连，每个所述热交换元件连接到至少一个相邻的所述热交换元件以允许围绕所述主轴线和/或所述横轴线的膨胀和/或收缩以及旋转运动。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述多个热交换元件包括第一热交换元件和第二热交换元件，所述第一热交换元件和第二热交换元件彼此相邻横向布置，且所述第一热交换元件和第二热交换元件的内部流动路径流体地联接在一起。

3.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述多个热交换元件包括彼此相邻横向布置的第一热交换元件和第二热交换元件，且所述第一热交换元件和第二热交换元件包括彼此互锁的侧向边缘部分，从而将所述第一热交换元件和第二热交换元件连接在一起。

4.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述多个热交换元件包括彼此相邻纵向布置的第一热交换元件和第三热交换元件，且所述第一和第三热交换元件包括彼此互锁的纵向边缘部分，从而将所述第一热交换元件和第三热交换元件连接在一起。

5.如权利要求2或3所述的热交换器，其特征在于，所述第一热交换元件和所述第二热交换元件中的每个的所述流体入口和流体出口中的一个是远离所述第一热交换元件或第二热交换元件的所述侧向边缘部分延伸的突起的形式，所述流体入口和流体出口中的另一个是适于滑动地接纳来自横向相邻的第一热交换元件和第二热交换元件的突起的开口的形式，从而将所述第一热交换元件的内部流动路径流体地联接到所述第二热交换元件的内部流动路径。

6.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在所述入口歧管元件与使其流体入口联接到所述入口歧管元件的每个所述热交换器元件之间设置滑动面密封，以及在所述出口歧管元件与使其流体出口联接到所述入口歧管元件的每个所述热交换器元件之间设置滑动面密封；

所述热交换器还包括布置在每个所述滑动面密封处的密封装置，所述密封装置提供滑动界面，所述热交换元件在与所述入口歧管元件和所述出口歧管元件接合时可在所述滑动界面上滑动。

7.如权利要求6所述的热交换器，其特征在于，在歧管元件之一内的流体开口与所述热交换元件之一的流体入口或流体出口之间形成每个所述滑动面密封，且其中所述流体入口或出口沿所述热交换元件的露出的侧向边缘设置；以及

其中每个所述滑动面密封的密封元件包括O形环，所述O形环接纳在围绕所述歧管元件之一的所述流体开口之一或所述热交换元件之一的流体入口或出口的环形凹槽内。

8.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，每个所述环形凹槽围绕所述歧管元件之一的所述流体开口之一，且所述歧管元件的所述流体开口的直径大于所述热交换元件的所述流体入口和出口。

9.如权利要求7或8所述的热交换器，其特征在于，每个所述歧管元件具有沿所述流体开口中的一个或多个设置的内表面；

其中接纳凹槽沿所述内表面设置；

其中所述热交换元件的露出的侧向边缘形成在所述热交换元件的匹配外边缘部分上；以及

其中所述匹配外边缘部分适于以舌槽布置滑动地接纳在所述接纳凹槽内。

10.如权利要求1至9中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述热交换元件中的至少一个包括：

底部和顶部，所述底部和顶部封围流体腔，所述底部具有大致平坦的底表面；

所述热交换元件具有第一互锁纵向端部部分、与所述第一互锁纵向端部部分大致相对的第二互锁纵向端部部分、第一侧向互锁边缘部分和与所述第一侧向互锁边缘部分大致相对的第二侧向互锁边缘部分；

其中所述流体入口延伸穿过所述热交换元件的第一侧向侧表面以与所述流体腔流体连通，所述流体出口在与所述流体入口大致纵向相对并对齐的位置延伸穿过所述热交换元件的相对第二侧向侧表面，从而与所述流体腔流体连通，所述内部流动路径形成在所述流体腔内。

11.如权利要求10所述的热交换器，其特征在于，一个所述热交换元件的所述第一纵向互锁端部部分连接到纵向相邻的所述热交换元件的第二纵向互锁端部部分，且一个所述热交换元件的所述第一侧向互锁边缘部分连接到横向相邻的所述热交换元件的第二侧向互锁边缘部分，所述相邻热交换元件的互锁侧向边缘部分建立所述热交换元件的所述内部流动路径之间的流体连通。

12.如权利要求11所述的热交换器，其特征在于，所述纵向相邻热交换元件的所述第一互锁纵向端部部分和第二互锁纵向端部部分包括延伸穿过其中的通孔，所述第一互锁纵向端部部分和第二互锁纵向端部部分中的一个内的通孔大于在所述第一互锁纵向端部部分和第二互锁纵向端部部分中的另一个内形成的通孔，当所述纵向相邻热交换元件以互锁关系布置时，在所述第一互锁纵向端部部分和第二互锁纵向端部部分内形成的所述通孔交叠；以及

定位杆插入穿过所述交叠通孔。

13.如权利要求12所述的热交换器，其特征在于，所述定位杆可靠地固定在所述交叠通孔之一内以将相应的热交换元件固定到所述定位杆；以及

其中所述定位杆的直径小于所述交叠通孔中另一个的直径，相应的热交换元件能相对于纵向相邻的热交换元件绕所述定位杆移动。

14.如权利要求13所述的热交换器，其特征在于，所述纵向相邻热交换元件的所述互锁纵向端部部分和所述侧向相邻热交换元件的所述互锁侧向边缘部分各包括匹配的大致平行滑动表面。

15.如权利要求10至14中任一项所述的热交换器，其特征在于，还包括布置在所述流体腔内的翅片板插入件，用于限定所述流体入口与所述流体出口之间的所述内部流动路径。

16.如权利要求10至14中任一项所述的热交换器，其特征在于，还包括在形成于所述第一纵向端部部分内的通孔的两侧上形成的一对螺纹孔，以接纳用于限制一热交换元件与纵向相邻热交换元件围绕所述主轴线的相对倾斜运动的固定螺钉。

17.一种热电发电机组件，包括：

热的热交换器，所述热的热交换器具有一对间隔开的壁，所述一对间隔开的壁在其间限定流体流动路径，用于使第一热交换流体流过其中；

多个热电模块，所述多个热电模块布置在每个所述间隔开的壁的外表面上；

一对冷的热交换器，所述一对冷的热交换器布置在所述热的热交换器的两侧上，与所述多个热电模块接触，用于使第二热交换流体流过其中，其中每个所述冷的热交换器包括：

多个热交换元件，每个所述热交换元件具有主轴线和横轴线、以及流体入口、流体出口和在所述流体入口与流体出口之间延伸并将所述流体入口和流体出口互连的内部流动路径；

入口歧管，所述入口歧管流体地联接到所述多个热交换元件中至少一个的流体入口；

出口歧管，所述出口歧管流体地联接到所述多个热交换元件中至少一个的流体出口；

其中所述多个热交换元件互连，每个所述热交换元件连接到至少一个相邻的所述热交换元件以允许所述多个热交换元件沿所述主轴线的膨胀和/或收缩以及绕所述主轴线和/或所述横轴线的旋转运动；

多个杆，所述多个杆延伸穿过所述冷的热交换器并穿过所述热的热交换器，用于将所述冷的热交换器固定到所述热的热交换器，并用于建立所述冷的热交换器与所述热电模块之间的热接触。

18.如权利要求17所述的热电发电机，其特征在于，每个所述热交换元件具有第一端部部分和与所述第一端部部分大致相对的第二端部部分；

其中每个所述杆牢固地固定到所述热的热交换器并延伸穿过形成所述冷的热交换器之一的所述热交换元件之一的端部部分之一；

其中每个所述热交换元件的所述第一端部部分牢固地固定到延伸穿过所述第一端部的杆中的第一个，且每个所述热交换器的所述第二端部部分能围绕延伸穿过所述第二端部的所述杆的第二个移动。

19.如权利要求17或18所述的热电发电机组件，其特征在于，所述热的热交换器大致在约700℃的温度下运行，且所述冷的热交换器大致在约110℃的温度下运行。

20.如权利要求17至19中任一项所述的热电发电机组件，其特征在于，每个冷的热交换器中热交换元件的数量对应于布置在所述热的热交换器的相应侧上的热电模块的数量。