CN106870076A - 热交换器以及热电转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种换热效率高、能量利用率大的热交换器和热电转换装置。本发明所提供的热交换器，与发动机的尾气出口相连，其特征在于，包括：壳体，具有：进气口、排气口以及热交换腔体；和位于热交换腔体内，沿着从进气口向着排气口的方向依次设置的：两个第一引流板、两个第二引流板、第一阻流板、第二阻流板、扰流板组件、两个第三引流板以及两个第四引流板，其中，扰流板组件具有并排对称设置的两个扰流板组，每个扰流板组包括多个相互平行设置S型扰流板，两个第三引流板沿着方向看呈间距逐渐减小的八字形，两个第四引流板与两个第三引流板间隔一定间距设置，并且沿着方向看也呈间距逐渐减小的八字形，第四引流板比第三引流板更长。

Description

热交换器以及热电转换装置

技术领域

本发明涉及一种热交换器和含有该热交换器的热电转换装置。

背景技术

传统汽车发动机只有较少部分的能量被冷却系统消耗，余下的大部分总能量都以高温废气的形式由汽车排气系统排出，造成了巨大的能量浪费，利用汽车尾气携带的热量进行温差发电来给汽车上空调等车载设备的供电，可以有效降低汽车的能源消耗，减少对环境的污染，并产生经济效益。

在传统的温差发电热交换装置中，用于传导尾气热量的热交换器两边的温度与中间的温度受热不均匀，导致换热效率低，使得尾气的热量不能够被充分利用，而且挡流板的设置还会增加发动机的背压，阻碍发动机排气的效率，而使得发动机燃油经济性下降。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种换热效率高、能量利用率大的热交换器和含有该热交换器的热电转换装置。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案。

<热交换器>

本发明提供一种热交换器，与发动机的尾气出口相连，其特征在于，包括：壳体，具有：将尾气出口流出的尾气引入壳体内的进气口，将换热后的尾气排出的排气口，和位于进气口和排气口之间的热交换腔体；和位于热交换腔体内，沿着从进气口向着排气口的方向依次设置的：两个第一引流板、两个第二引流板、第一阻流板、第二阻流板、扰流板组件、两个第三引流板以及两个第四引流板，其中，两个第一引流板沿着方向看呈间距逐渐增大的倒八字形，两个第二引流板与两个第一引流板间隔一定间距设置，并且沿着方向看也呈间距逐渐增大的倒八字形，第二引流板比第一引流板更长，第一阻流板设置在两个第二引流板之间，与进气口相对向，并且具有多个通气孔，第二阻流板也与进气口相对向，并且具有多个通气孔，长度比第一阻流板更长，扰流板组件具有并排对称设置的两个扰流板组，每个扰流板组包括多个相互平行设置S型扰流板，两个第三引流板沿着方向看呈间距逐渐减小的八字形，两个第四引流板与两个第三引流板间隔一定间距设置，并且沿着方向看也呈间距逐渐减小的八字形，第四引流板比第三引流板更长。

本发明所涉及的热交换器，还可以具有这样的特征：将腔体的设置有两个第一引流板、两个第二引流板、第一阻流板以及第二阻流板的区域记为前部区域，将设置有扰流板组件的区域记为中部区域，将设置有两个第三引流板和两个第四引流板的区域记为后部区域，将前部区域、中部区域、后部区域的面积依次记为S1、S2、S3，S1：S2：S3＝1:4～7:1。

本发明所涉及的热交换器，还可以具有这样的特征：两个第一引流板之间的夹角为120°，两个第二引流板之间的夹角也为120°，两个第三引流板之间的夹角为130°，两个第四引流板之间的夹角为130°，将第一引流板和第二引流板的长度分别记为L1、L2，L1：L2＝2:3～5:2。

本发明所涉及的热交换器，还可以具有这样的特征：将两个第一引流板的顶端之间的间距记为B1，两个第一引流板的顶端之间的间距记为B2，B1：B2＝3:1～2。

本发明所涉及的热交换器，还可以具有这样的特征：将第一引流板、第二引流板、第一阻流板以及第二阻流板到进气口的最短距离分别记为D1、D2、D3、D4，D1：D2：D3：D4＝5：8～12:15～19：20。

本发明所涉及的热交换器，还可以具有这样的特征：每个S型扰流板包括三个横向板和两个竖向板，该S型绕流板的一个开口朝向第二阻流板的侧部，另一个开口朝向排气口。

本发明所涉及的热交换器，还可以具有这样的特征：每个扰流板组中，由外向内S型扰流板的高度逐渐增加，相邻两块S型扰流板之间的高度差为4.5％～15％。

本发明所涉及的热交换器，还可以具有这样的特征：每个扰流板组中，由外向内S型扰流板的高度依次递增10％。

本发明所涉及的热交换器，还可以具有这样的特征：将S型扰流板中位于最外侧的横向板作为第一横向板，每个扰流板组中，位于最外层的第一横向板最长，次外层的第一横向板比最外层的短，内层的第一横向板比次外层的短。

<热电转换装置>

本发明还提供了一种热电转换装置，其特征在于，包括：热交换器，与发动机的尾气出口相连；热电器件，贴合设置在热交换器的外表面上；以及冷却器，与热电器件的冷端相接触设置，其中，热交换器为以上<热交换器>所描述的热交换器。

发明的作用与效果

根据本发明的热交换器和热电转换装置，因为在热交换腔体内，沿着从进气口向着排气口的方向依次设置了呈倒八字形的两个第一引流板和两个第二引流板、第一阻流板、第二阻流板、扰流板组件、呈倒八字形的两个第三引流板以及两个第四引流板，并且扰流板组件具有并排对称设置的两个扰流板组，每个扰流板组由多个相互平行设置S型扰流板构成，这样的结构能够引导尾气先流向壳体两边，再逐步向中间扩散，从而保证了尾气能够充分扩散，避免壳体中间部分温度过高，保证热交换器的壳体表面温度均匀，提高热交换器的热传递和换热效率，使热电转换装置能够更加充分地受热，因此一方面能够提高总发电量，进而提高汽车尾气余热的利用率；另一方面，保证了尾气在热交换器中的气相平整度，降低了发动机的背压，提升了发动机的性能。

附图说明

图1是本发明涉及的热交换器的外部结构示意图；

图2是本发明涉及的热交换器的内部结构示意图；

图3是本发明涉及的热交换器的内部结构斜视图；

图4是本发明涉及的扰流板组的结构示意图。

上述图1至4中，各部件标号如下：

10.热交换器：11.壳体、12.第一引流板、13.第二引流板、14.第一阻流板、15.第二阻流板、16.扰流板组件、17.第三引流板、18.第四引流板；

111.进气口、112.排气口、113.热交换腔体；

Z1.前部、Z2.中部、Z3.后部；

161.扰流板组，1611.S型扰流板：1611a.第一横向板、1611b.第一竖向板、1611c.第二横向板、1611d.第二竖向板、1611e.第三横向板。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的热交换器和热电转换装置作详细阐述。

<实施例>

本实施例中，热电转换装置与汽车发动机的排气口相连通，对发动机燃烧产生的高温尾气进行热能回收，并将回收的热能转换成为电能供给车载用电系统使用。热电转换装置包括：热交换器、热电器件、冷却器。热交换器用于将高温尾气的热能传递给热电器件。热电器件的热面与热交换器的外表相贴合能够吸收热能，冷面与冷却器相接触，从而通过热面与冷面的温度差产生电能。热电器件包括多个热电模块，这些热电模块贴合设置在热交换器的上下表面上。冷却器包括多个矩形水箱，每个矩形水箱都与热电器件的冷面紧密贴合接触。

如图1和2所示，热交换器10包括：壳体11、两个第一引流板12、两个第二引流板13、第一阻流板14、第二阻流板15、扰流板组件16、两个第三引流板17以及两个第四引流板18。

壳体11具有进气口111、排气口112以及热交换腔体113。进气口111与发动机的尾气出口相连通，用于将尾气出口流出的尾气引入热交换腔体113内；排气口112与汽车尾气处理器相连通，用于将换热后的尾气排出。热交换腔体113位于进气口111和排气口112之间。

如图2所示，将热交换腔体113分为前部Z1、中部Z2和后部Z3。前部Z1的两边角为圆弧形，这是为了保证尾气进入后能够向两边引流充分扩散。中部Z2为长方体形，便于安装热电模块。后部Z3的两边角也为圆弧形，这是为了保证尾气能够顺畅地被排出。

两个第一引流板12、两个第二引流板13、第一阻流板14、第二阻流板15、扰流板组件16、两个第三引流板17以及两个第四引流板18被固定在热交换腔体113内，并且沿着从进气口111向着排气口112的方向(即、图2中箭头F所示的方向)被顺次设置。具体地，两个第一引流板12、两个第二引流板13、第一阻流板14以及第二阻流板15被设置在热交换腔体113的前部Z1，扰流板组件16被设置在热交换腔体113的中部Z2，两个第三引流板17和两个第四引流板18被设置在热交换腔体113的后部Z3。将前部Z1、中部Z1、后部Z3的横截面积依次记为S1、S2、S3，S1：S2：S3＝1:4～7:1，本实施例中，为最优比1:5:1。

两个第一引流板12沿着箭头F所示的方向看呈间距逐渐增大的倒八字形。本实施例中，两个第一引流板12之间的夹角为120°。

两个第二引流板13与两个第一引流板12相互平行，并间隔一定间距设置，沿着箭头F所示的方向看也呈间距逐渐增大的倒八字形，第二引流板13比第一引流板12更长。本实施例中，两个第二引流板13之间的夹角也为120°。

将两个第一引流板12的顶端之间的间距记为B1，两个第二引流板的顶端之间的间距记为B2，B1：B2＝3:1～2，本实施例中为最优比3：1。

第一阻流板14位于两个第二引流板13之间，与进气口111相对向，并且均匀多个通气孔14a。本实施例中，第一阻流板14上每隔50mm设一个通气孔14a。

第二阻流板15与第一阻流板14相平行，并且均与设有多个通气孔15a，长度比第一阻流板14更长。本实施例中，第二阻流板15上每隔50mm设一个通气孔15a。

将上述第一引流板12、第二引流板13、第一阻流板14以及第二阻流板15的长度分别记为L1、L2、L3、L4，L1：L2：L3：L4＝2：3～5：2：5～8，本实施例中为最优比1：2：1：3；B1：B2：L4＝3：1～2：6～12，本实施例中为最优比3：1：9；将第一引流板12、第二引流板13、第一阻流板14以及第二阻流板15到进气口的最短距离分别记为D1、D2、D3、D4，D1：D2：D3：D4＝5：8～12:15～19：20，本实施例中为最优比5：10：16：18；第一引流板12、第二引流板13、第一阻流板14以及第二阻流板15的高度相等，均为整个壳体11厚度的5/9。

扰流板组件16具有两个扰流板组161，这两个扰流板组161以热交换腔体113的中心轴为对称轴，相对称设置，并且两个扰流板组161的结构完全相同，下面仅以图2和3中位于下方的扰流板组161为例进行详细说明。

如图2和3所示，扰流板组161包括多个相互平行设置的S型扰流板1611，相邻两个S型扰流板1611向对向，并且相互间隔一定距离，本实施例中，相邻两个S型扰流板之间的最小间隙在5mm以上，外层间距大，中间间距小，这样的间距设计是为了使气流能够在中间停留更长的时间，而让壳体中部受热更加均匀。

进一步，在扰流板组161中，由外向内，S型扰流板1611的高度逐渐增加，相邻两块S型扰流板1611之间的高度差为4.5％～15％。本实施例中，为最优高度差：S型扰流板1611的高度依次递增10％，最内层S型扰流板1611的高度为最外层的2.4倍，并且最外层的高度与第二阻流板15的高度相等，最内层的高度为整个壳体11厚度的2/3。高度采用递增的方式有利于气流从两端边缘引流到壳体中部，使得中部受热更加均匀，提高尾气利用效率。

本实施例中，为了便于清楚地查看S型扰流板1611的结构，图4中并未将所有的S型扰流板1611全部显示出，而仅显示了五个S型扰流板1611。如图2至4所示，每个S型扰流板1611包括三个横向板和两个竖向板，按照从外向内的顺序(即、图中从下至上的顺序)，S型扰流板1611依次由第一横向板1611a、第一竖向板1611b、第二横向板1611c、第二竖向板1611d以及第三横向板1611e相连而成。第一横向板1611a、第一竖向板1611b以及第二横向板1611c围成了S型绕流板1611的第一开口，该第一开口朝向第二阻流板15的侧部；第二横向板1611c、第二竖向板1611d以及第三横向板1611e围成了S型绕流板1611的第二开口，该第二开口朝向排气口112。这样的开口朝向有助于更好的扰流和引流。

另外，在扰流板组161中，位于最外层的第一横向板1611a最长，次外层的第一横向板1611a比最外层的短，内层的第一横向板1611a比次外层的短，这样的设计能够使尾气流入后，最先流入热交换腔113的外层，在逐步向中间层流入，从而更好的对尾气进行引流，使中部受热更加均匀和充分，更进一步提高尾气利用效率。

如图2和3所示，两个第三引流板17沿着箭头F所示的方向看呈间距逐渐减小的八字形。本实施例中，两个第三引流板17之间的夹角为130°。

两个第四引流板18与两个第三引流板17相互平行，并间隔一定间距设置，沿着箭头F所示的方向看也呈间距逐渐减小的八字形，第四引流板18比第三引流板17更长。本实施例中，两个第三引流板17之间的夹角也为130°。

两个第四引流板18与两个第三引流板17间隔一定间距设置，并且沿着箭头F所示的方向看也呈间距逐渐减小的八字形，第四引流板18比第三引流板17更长。

将两个第三引流板17的顶端之间的间距记为B3，两个第四引流板18的顶端之间的间距记为B4，B3：B4＝1:1～1.5，本实施例中为最优比1：1。将第三引流板17和第四引流板18的长度分别记为L5和L6，L5：L6＝1：3～5，本实施例中为最优比1：3；将第三引流板17和第四引流板18到进气口的最短距离分别记为D5、D6，D5：D6＝11：4～9，本实施例中为最优比11：5；第三引流板17和第四引流板18的高度相等，均为整个壳体11厚度的5/9。

本实施例中，如图1至4所示，发动机工作产生的大量高温尾气，通过进气口111进入热交换腔体113中，然后被两个第一引流板12进行分流，接着被两个第二引流板13进行引流，然后经第一阻流板14和第二阻流板15阻流和进一步地分流，使得尾气先向两边扩散分流，再逐步向中间扩散，进而流入扰流板组件16，被扰流板组件16进行扰动，随后，尾气再流向两个第三引流板17和两个第四引流板18，通过第三引流板17和两个第四引流板18对尾气进一步地分流和引流。最后从排气口112排出。

实施例的作用与效果

根据本实施例的热交换器和热电转换装置，因为高温尾气进入热交换器的壳体后，第一引流板能够对尾气进行分流，使尾气均匀流动，避免局部温度过高，然后第二引流板再将尾气向两边引流，从而保证尾气在热交换器中的气相平整度，减小热交换器内的背压，再由第一阻流板适当阻挡部分气流，使得气流先向两边扩散分流，再逐步向中间扩散，以确保壳体的前部的表面能够均匀受热，然后流入扰流板组件中的尾气，被扰流板进行扰动，一方面使尾气的热量能够更加充分地扩散并且均匀地传递至整个壳体的外表面，另一方面使尾气停留时间延长，从而使得壳体的外表面的传热时间增长，最后，再由两个第三引流板和两个第四引流板对尾气进行分流和引流，减慢尾气在壳体后部的流速，以确保壳体后部的温度，使得壳体后部也能够充分均匀传热，而且也进一步增长了整个壳体的传热时间。这样，通过对尾气进行分流、引流和扰动，不仅使得尾气扩散和流动得更加均匀，还能够非常有效地降低发动机的背压，从而在提高热交换器的热传递和换热效率，并提高汽车尾气余热的利用率的同时，还能够有效提升发动机的性能。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的热交换器和热电转换装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种热交换器(10)，与发动机的尾气出口相连，其特征在于，包括：

壳体(11)，具有：将所述尾气出口流出的尾气引入所述壳体(11)内的进气口(111)，将换热后的所述尾气排出的排气口(112)，和位于所述进气口(111)和排气口(112)之间的热交换腔体(113)；和

位于所述热交换腔体(113)内，沿着从进气口(111)向着所述排气口(112)的方向依次设置的：两个第一引流板(12)、两个第二引流板(13)、第一阻流板(14)、第二阻流板(15)、扰流板组(161)件(16)、两个第三引流板(17)以及两个第四引流板(18)，

其中，所述两个第一引流板(12)沿着所述方向看呈间距逐渐增大的倒八字形，

所述两个第二引流板(13)与所述两个第一引流板(12)间隔一定间距设置，并且沿着所述方向看也呈间距逐渐增大的倒八字形，所述第二引流板(13)比所述第一引流板(12)更长，

所述第一阻流板(14)设置在两个所述第二引流板(13)之间，与所述进气口(111)相对向，并且具有多个通气孔，

所述第二阻流板(15)也与所述进气口(111)相对向，并且具有多个通气孔，长度比所述第一阻流板(14)更长，

所述扰流板组(161)件(16)具有并排对称设置的两个扰流板组(161)，每个所述扰流板组(161)包括多个相互平行设置S型扰流板(1611)，

所述两个第三引流板(17)沿着所述方向看呈间距逐渐减小的八字形，

所述两个第四引流板(18)与所述两个第三引流板(17)间隔一定间距设置，并且沿着所述方向看也呈间距逐渐减小的八字形，所述第四引流板(18)比所述第三引流板(17)更长。

2.根据权利要求1所述的热交换器(10)，其特征在于：

其中，将所述腔体的设置有所述两个第一引流板(12)、所述两个第二引流板(13)、所述第一阻流板(14)以及所述第二阻流板(15)的区域记为前部区域，将设置有所述扰流板组(161)件(16)的区域记为中部区域，将设置有所述两个第三引流板(17)和所述两个第四引流板(18)的区域记为后部区域，

将所述前部区域、所述中部区域、所述后部区域的面积依次记为S1、S2、S3，S1：S2：S3＝1:4～7:1。

3.根据权利要求1所述的热交换器(10)，其特征在于：

其中，所述两个第一引流板(12)之间的夹角为120°，所述两个第二引流板(13)之间的夹角也为120°，所述两个第三引流板(17)之间的夹角为130°，所述两个第四引流板(18)之间的夹角为130°，

将所述第一引流板(12)和所述第二引流板(13)的长度分别记为L1、L2，L1：L2＝2:3～5:2。

4.根据权利要求1所述的热交换器(10)，其特征在于：

其中，将两个所述第一引流板(12)的顶端之间的间距记为B1，两个所述第一引流板(12)的顶端之间的间距记为B2，B1：B2＝3:1～2。

5.根据权利要求1所述的热交换器(10)，其特征在于：

其中，将所述第一引流板(12)、所述第二引流板(13)、所述第一阻流板(14)以及所述第二阻流板(15)到所述进气口(111)的最短距离分别记为D1、D2、D3、D4，D1：D2：D3：D4＝5：8～12:15～19：20。

6.根据权利要求1所述的热交换器(10)，其特征在于：

其中，每个所述S型扰流板(1611)包括三个横向板和两个竖向板，

该S型绕流板的一个开口朝向所述第二阻流板(15)的侧部，另一个开口朝向所述排气口(112)。

7.根据权利要求6所述的热交换器(10)，其特征在于：

其中，每个所述扰流板组(161)中，由外向内所述S型扰流板(1611)的高度逐渐增加，

相邻两块所述S型扰流板(1611)之间的高度差为4.5％～15％。

8.根据权利要求7所述的热交换器(10)，其特征在于：

其中，每个所述扰流板组(161)中，由外向内所述S型扰流板(1611)的高度依次递增10％。

9.根据权利要求8所述的热交换器(10)，其特征在于：

其中，将所述S型扰流板(1611)中位于最外侧的横向板作为第一横向板(1611a)，

每个所述扰流板组(161)中，位于最外层的所述第一横向板(1611a)最长，次外层的所述第一横向板(1611a)比最外层的短，内层的所述第一横向板(1611a)比次外层的短。

10.一种热电转换装置(10)，其特征在于，包括：

热交换器(10)，与发动机的尾气出口相连；

热电器件，贴合设置在所述热交换器(10)的外表面上；以及

冷却器，与所述热电器件的冷端相接触设置，

其中，所述热交换器(10)为权利要求1至9中任意一项所述的热交换器(10)。