用於排氣廢熱回收的裝置的製作方法

2024-02-27 20:16:15

相關申請的交叉引用

本申請要求2013年9月4日提交的美國臨時申請號61/873,534的權益，所述美國臨時申請的全部內容通過引用結合於本文中。

本發明涉及一種產生具有高溫的排氣的系統。

背景技術：

許多系統產生從系統排出的熱。一個這樣的系統的示例是其中燃料的燃燒導致帶有高溫的排氣的汽車系統。

已調查研究了一些從排氣回收熱能的方法。例如，一些方法試圖利用熱電效應從排氣系統回收能量，以通過將溫差應用於熱電(te)材料來產生電。生成的電可用於操作汽車電子與輔助系統，從而降低發動機與相關能量管理的負載；因而改善燃料經濟性。

基於te的系統典型地包括用於從熱的排氣提取熱的熱交換器。由於熱交換器的效率提高，所以從排氣取出更多的能量，導致增加的電的生成。然而，在已知的系統中，提高的熱交換器效率伴有降低系統效率的提高的背壓。

此外，在已知的系統中，更高效率的熱交換器通過增大的尺寸實現。由於熱交換器的尺寸增大，所以熱交換器經受提高的熱應力。另外，在包括汽車系統的許多系統中，空間是有限的用品。

因此，需要的是具有提高的效率的基於te的系統。不明顯提高橫跨熱交換器的壓降的te系統是有利的。不具有提高的應力和應變的有害效應的te系統是進一步有利的。另外，不引起過度的空間需求的te系統是有利的。

技術實現要素：

根據一個實施例，排氣廢熱回收系統包括：第一排氣廢熱回收組件，其包括：中心排氣通道，其構造成允許排氣沿著排氣軸線的通過；和第一多個熱電(te)腿，第一多個te腿中的每個te腿包括與排氣通道熱連通的熱端和與熱端相對的冷端；以及電耦接器，其與第一多個te腿中的每個te腿電連通，電耦接器構造成從第一多個te腿接收電。

在一個或多個實施例中，第一排氣廢熱回收組件還包括：多個鰭片，其位於通道內，鰭片將通道分成多個埠，其中，第一多個te腿中的每個te腿的熱端通過多個鰭片與排氣通道熱連通。

在一個或多個實施例中，中心排氣通道中的每個中心排氣通道在與排氣軸線垂直的平面中限定矩形周緣。

在一個或多個實施例中，第一多個te腿被構造在第一模塊中。

在一個或多個實施例中，第一排氣廢熱回收組件還包括：第二多個te腿，其與電耦接器電連通，第二多個te腿中的每個te腿包括與排氣通道熱連通的熱端和與熱端相對的冷端，其中，第二多個te腿中沒有一個te腿位於模塊中。

在一個或多個實施例中，第一模塊被定位成與矩形周緣的第一側相鄰。第一排氣廢熱回收組件還包括：te腿的第二模塊，其位於矩形周緣的第二側上，第二側與第一側相對；te腿的第三模塊，其位於矩形周緣的第三側上，第三側與第一側和第二側二者相鄰；以及te腿的第四模塊，其位於矩形周緣的第四側上，第四側與所述第三側相對。

在一個或多個實施例中，第二多個te腿中的第一te腿位於第一模塊與第四模塊之間，第二多個te腿中的第二te腿位於第四模塊與第二模塊之間，第二多個te腿中的第三te腿位於第二模塊與第三模塊之間，並且第二多個te腿中的第四te腿位於第三模塊與第一模塊之間。

在一個或多個實施例中，多個鰭片中的每個鰭片是波紋的。

在一個或多個實施例中，第一排氣廢熱回收組件是多個排氣廢熱回收組件中的一個排氣廢熱回收組件，多個排氣廢熱回收組件中的每個排氣廢熱回收組件包括：中心排氣通道，其構造成允許排氣沿著排氣軸線的通過；以及第一多個熱電(te)腿，第一多個te腿中的每個te腿包括與排氣通道熱連通的熱端和與熱端相對的冷端，多個排氣廢熱回收組件中的每個排氣廢熱回收組件與電耦接器電連通，並且多個排氣廢熱回收組件形成限定外周界的陣列，所述外周界大致匹配相關排氣管道的內周界。

在一個或多個實施例中，系統包括多個轉向器，多個轉向器中的每個轉向器位於多個排氣廢熱回收組件中的相應一個排氣廢熱回收組件的中心排氣通道內。

在一個或多個實施例中，多個轉向器中的每個轉向器居中地位於多個排氣廢熱回收組件中的相應一個排氣廢熱回收組件的中心排氣通道內。

在一個或多個實施例中，第一排氣廢熱回收組件還包括冷卻劑通道，其與第一多個te腿的冷端中的每個冷端熱連通。

在一個或多個實施例中，第一排氣廢熱回收組件還包括預應力元件，其繞冷卻劑通道的外周緣布置，預應力元件構造成對第一排氣廢熱回收組件預加應力。

在一個或多個實施例中，預應力元件包括彈性套。

在一個或多個實施例中，預應力元件包括可扭轉緊固件。

附圖說明

圖1描繪在與熱電排氣廢熱回收組件的排氣流軸線垂直的平面中的端平面圖，所述熱電排氣廢熱回收組件包括以模塊和腿的形式的te元件；

圖2描繪能用於圖1的組件的鰭片矩陣的一部分的端平面圖；

圖3描繪在與熱電排氣廢熱回收組件的排氣流軸線垂直的平面中的端平面圖，所述熱電排氣廢熱回收組件包括僅以te腿的形式的te元件；

圖4描繪包括多個熱電排氣廢熱回收組件的熱電排氣廢熱回收系統的簡化示意圖；

圖5描繪圖4的熱電排氣廢熱回收組件的側平面圖；

圖6描繪在與熱電排氣廢熱回收組件的排氣流軸線垂直的平面中的端平面圖，所述熱電排氣廢熱回收組件包括帶有八邊形冷卻劑通道的te模塊和腿；

圖7描繪在與熱電排氣廢熱回收組件的排氣流軸線垂直的平面中的端平面圖，所述熱電排氣廢熱回收組件包括在氣體通道中帶有轉向器的te模塊和腿；

圖8描繪在與熱電排氣廢熱回收組件的排氣流軸線垂直的平面中的端平面圖，所述熱電排氣廢熱回收組件包括帶有以繞組件的外壁的螺母/螺栓機構的形式的預應力機構的te模塊和腿；以及

圖9描繪在與熱電排氣廢熱回收組件的排氣流軸線垂直的平面中的端平面圖，所述熱電排氣廢熱回收組件包括帶有以繞組件的外壁的彈性套的形式的預應力機構的te模塊和腿。

具體實施方式

為了促進對本發明的原理的理解，現在將對附圖所圖示並且在以下的書面說明中所描述的實施例作出參考。從而，應理解的是，沒有對本發明範圍的限制。還應理解的是，本發明包括所圖示實施例的任何變更和變型，並且包括如本發明所涉及的技術的技術人員通常所想到的本發明的原理的另外的應用。

初始參考圖1，排氣廢熱回收組件100包括周邊地繞廢氣通道104(還被簡單地稱為「氣體通道」)的四個te模塊102x。te模塊102x包括熱地連接至氣體通道104的「熱端」106x和熱地連接至冷卻劑通道110的「冷端」108x。在氣體通道104內，鰭片矩陣112包括限定廢氣穿過的埠116的許多鰭片114。

鰭片114以大致矩形矩陣的形式，但在其他實施例中以蜂巢結構的形式。鰭片114具有在60-100微米範圍內的厚度。在其他實施例中，鰭片114具有小於60微米或大於100微米的厚度。鰭片114在各種實施例中是包括平直鰭片、針形鰭片等的另一類型的期望構造。如圖1所描繪地，鰭片114是平直鰭片。圖2描繪了包括波紋鰭片122的鰭片矩陣120的一部分。波紋鰭片122可用於緩解鰭片矩陣上的熱和/或機械應力。

鰭片在有些實施例中由諸如鋼、銅或金屬的合金的金屬製成，其中，合金的成分被選擇，以便防止惡劣的汽車廢氣環境對材料的損害。在其他實施例中，可使用諸如陶瓷的其他材料。氣體通道104的正面橫截面在有些實施例中是如圖1所示的方形的，但在其他實施例中，諸如圓形、六邊形、矩形等的形狀被併入。

圖1中的埠116大致上是方形的。在其他實施例中，使用矩形、正弦形、多邊形或圓形的埠。儘管描繪了限定三十六個埠116的五個水平和五個垂直的鰭片114，但在其他實施例中有更少或更多的鰭片114和埠116。例如，在有些實施例中沿著每個氣體通道的長度和寬度使用四到八個埠116。在又一實施例中，沿著特定氣體通道的長度或寬度的埠116的數量取決於對於特定應用的所期望的功率的設計約束和/或所期望的壓降小於四或大於八。

圖1中的te模塊102x是包括多個熱電材料的腿(未示出)的梯形te模塊。在一個實施例中，熱電模塊通常由串聯地電連接並且並聯地熱連接的多個n和p型腿元件(耦接)組成。在其他實施例中，可使用帶有其他形狀和/或尺寸的te模塊。每個te模塊的熱端106x與氣體通道104的外體可操作地接觸，用於傳遞熱，並且冷端108x與冷卻劑通道100的內壁可操作地接觸，用於熱的傳輸。在各種實施例中，te模塊壓配合或利用帶有相當高的熱導率的膠來膠粘。在有些實施例中，使用壓配合與膠粘的組合。冷卻劑通道100在有些實施例中由一種或多種金屬製成，或者替代地由帶有高的傳導率的材料製成。可選擇地，可使用陶瓷和/或聚合物的不同組合。

排氣廢熱回收組件100包括位於te模塊102x之間的熱電腿124。腿124在其他實施例中被省略。在有些實施例中，te模塊被省略。例如，圖3描繪了廢熱回收組件150，其包括帶有鰭片矩陣152的氣體通道152和從氣體通道152延伸至冷卻劑通道158的多個熱電腿156。腿的數量和形狀、te模塊和/或腿或te模塊與熱/冷通道的接觸點對於特定的實施例構造成在腿/te模塊與通道體之間獲得期望的接觸程度。

返回至圖1，在操作中，廢氣被引導通過鰭片114由廢氣加熱的埠116。鰭片114將熱傳遞至氣體通道104的外體。從而，在冷端108x由冷卻劑通道110內的冷卻維持相對冷的同時，熱端106x被加熱。在有些實施例中，留在氣體通道104與冷卻劑通道的內體之間的任何空的空間由高度傳導的物質填充。te模塊102x內的得到的熱梯度導致電的生成。

儘管圖1描繪了包括單個氣體通道104的排氣廢熱回收組件100，但特定系統內的組件的數量被選擇，以在不超過壓降極限的同時從系統提供期望的功率輸出。圖4和5描繪了包括成陣列的六個組件100的系統170。組件100向電子地耦連至諸如汽車實施例中的電池管理系統的電子管理系統的電耦接器或模塊172提供電。

如圖5所示，系統170是帶有廢氣的組件100的單排三層系統，所述廢氣在與排氣軸線平行的箭頭174的方向上移動。層的組件的添加還被稱為「線」的添加。陣列能在諸如車輛排氣流的排氣流內構成，以大致與車輛排氣管道的橫截面同延。

儘管組件100提供了方形的橫截面，但可能有其他的形狀。圖6描繪了周邊地繞廢氣通道204的四個te模塊202x的排氣廢熱回收組件200。te模塊202x包括熱地連接至氣體通道204的「熱端」206x和熱地連接至冷卻劑通道210的「冷端」208x。在氣體通道204內，鰭片矩陣212包括限定廢氣穿過的埠216的許多鰭片214。還提供多個熱電腿218。除冷卻劑通道210是八邊形的外，組件200大致與組件100相同。不同成形的組件可用於將陣列配合在不同成形的排氣流內，以便使例如車輛的排氣管道的橫截面大致與組件陣列匹配。

在又一實施例中，組件中的氣體通道是六邊形的，並且冷卻劑通道的內體和外體是六邊形的。替代地，取決於端部應用可使用諸如圓形、矩形等的其他形狀和用於氣體通道和冷卻劑通道體的這些形狀的多種組合。

圖7描繪了與組件100相似的組件230。主要差異在於組件230在氣體通道234內包括轉向器232。轉向器232是使熱的廢氣從氣體通道234的中心區域朝著氣體通道234的側壁轉向的實心塊，以增加從排氣回收的熱量。轉向器232在有些實施例中如圖7所示位於中心。在其他實施例中，轉向器位於氣體通道中的其他位置。儘管轉向器232是方形的，但轉向器在其他實施例中是圓形的、矩形的、多邊形的等。轉向器在有些實施例中朝著上遊方向成錐形，以提供繞轉向器的更有效的排氣流動。轉向器232由絕緣材料或帶有低的傳導率的材料製成。

以上所描述的排氣廢熱回收組件典型地經受關機溫度與操作溫度之間的極端溫度。圖2的波紋鰭片是解決合成應力的一個方法。圖8描繪了能與波紋鰭片結合的另一方法。在圖8中，排氣廢熱回收組件250利用以位於組件250的外體和/或內體上的多個螺母螺栓機構或緊固件252的形式的預應力元件被預加應力。預應力的量能由機構252的扭矩控制。

圖9描繪了能與波紋鰭片結合的另一預應力元件。在圖9中，排氣廢熱回收組件260利用繞組件260的彈性套262被預加應力，所述彈性套262引起組件260的壓縮預應力。

以上所描述的實施例提供一種包括期望數量的組件的排氣廢熱回收系統，其中，每個組件包括氣體通道，所述氣體通道通過配合在氣體通道與冷卻劑通道之間的熱電模塊或腿被冷卻劑通道包圍。系統在低的壓降的情況下於緊湊的空間中提供大量的功率，並可用於其中相當多的熱被耗散的任何系統。由於可獲得的緊湊的尺寸和合理的製造成本，所以期望的實施例尤其可用於汽車排氣系統。此外，所描述的實施例允許在不遭受嚴重損害的情況下能夠承受大的熱應力的裝置。

所描述的實施例在每te模塊和每組件的相當高的功率輸出的情況下提供緊湊的模塊化設計。所描述的鰭片矩陣在合理的壓降的情況下提供高的熱傳遞效率。所描述的te模塊和腿能緊湊地布置，以實現大的熱回收。所描述的實施例在有些實施例中設置有預應力機構，以增強機械穩定性。

儘管在附圖和前述說明中已詳細圖示並描述了本發明，但它們在性質上應被認為是說明性的而非限制性的。應理解的是，僅介紹了優選實施例，並且期望保護屬於本發明的精神的範圍內的所有變化、變型和另外的應用。