CN105627788B - 废热交换结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种废热交换结构，包括一内管、一外管及一导热结构，该内管管体设置有多数个孔洞，其中该内管管体内部设置有多个入口通道及多个出口通道，该些入口通道与该些出口通道对应地设置，且该些入口通道与该些出口通道与该些孔洞连通，使一流体经该些入口通道及该些孔洞而进入该些出口通道。该外管装设于该内管外部。该导热结构位于该内管与该外管间，该导热结构设置在该内管管体的外表面及该外管管体的内表面上。

Description

废热交换结构
技术领域
本发明涉及一种热交换结构，特别是涉及一种废热交换结构。
背景技术
传统排气管废气热交换结构是在长方体内部设置彼此平行的鳍片，鳍片上设置有半球状的凹槽，增加接触面积。热废气由入口到出口采串流式通过鳍片热传导到外管表面，随着气流向下游，外管表面温度逐渐降低，安装热电模块情况下，上下游温差过大，外管表面温度差高达100℃。
发明内容
本发明的目的在于提供一种废热交换结构，其能达到外管表面上下游均温效果，配合热电模块提升发电效能，减少电能损失的废热交换结构。
为达上述目的，本发明公开一种废热交换结构，包括一内管、一外管及一导热结构，该内管管体设置有多数个孔洞，其中该内管管体内部设置有多个入口通道及多个出口通道，该些入口通道与该些出口通道对应地设置，且该些入口通道与该些出口通道与该些孔洞连通，使一流体经该些入口通道及该些孔洞而进入该些出口通道。该外管装设于该内管外部。该导热结构位于该内管与该外管间，该导热结构设置在该内管管体的外表面及该外管管体的内表面上。
其中该些孔洞呈直线排列，且为多数列孔洞。
其中该些孔洞分别为多个入口孔洞与多个出口孔洞，该些入口孔洞与该些入口通道对应连通，而该些出口孔洞与该些出口通道对应连通。
其中每一入口通道包括有一第一端与一第二端，该入口通道的第一端面积大于该入口通道的第二端面积，而每一出口通道包括有一第一端与第二端，该出口通道的第一端面积小于该出口通道的第二端面积。
其中每一入口通道呈一V形组件，且从该入口通道的第一端渐缩至该入口通道的第二端，而每一出口通道为一V形组件，且从该出口通道的第一端渐扩至该出口通道的第二端；及该入口通道的第一端与该出口通道的第一端链接，该入口通道的第二端连接该出口通道的第二端，该呈V形组件的入口通道与呈V形组件的出口通道彼此间隔地贴合。
在一实施例中，其中该导热结构包括有多数个固定组件与多数鳍片组，该多数鳍片组固定于该多数个固定组件上；及该每一固定组件具有多数个嵌槽，使嵌固每一鳍片组。每一鳍片组包括有多数鳍片，且每一鳍片呈波浪状。
其中每一固定组件固定于该内管的外表面上，而该固定组件两端侧的鳍片组固定于该外管的内表面上。
在一实施例中，其中该些固定组件包括一第一固定组件与一第二固定组件，该第一固定组件具有多数个第一嵌槽，使嵌固每一鳍片组的外缘部分，而该第二固定组件具有多数个第二嵌槽，使嵌固每一鳍片组的内缘部分。该每一鳍片组包括有多数鳍片，且每一鳍片呈波浪状。
其中该第一固定组件固定于该外管的内表面上，而该第二固定组件固定于该内管的外表面上。
在一实施例中，本发明进一步包括热电模块设置于外管管体的外表面上。
在一实施例中，本发明废热交换结构采用六角状等分且废热进入热电模块下的外管与波浪鳍片，上下游每一热电模块能够均匀获得的热量传导，以至于温度分布能够均匀，上下游的外管表面温差低，小于30℃。在电源管理上能获得较高的有效电能。
附图说明
图1为本发明废热交换结构的部分分解立体示意图；
图2A为本发明废热交换结构的内管立体示意图；
图2B为本发明废热交换结构的入口通道与出口通道立体示意图；
图3A为本发明废热交换结构的自然对流方式的立体示意图；
图3B为本发明废热交换结构的外界流体将热带走的立体示意图；
图4为图1外管附着热电模块的另一实施例立体示意图；
图5A为本发明废热交换结构的图4A-A剖面示意图；
图5B为本发明废热交换结构的鳍片结构示意图；
图6为本发明废热交换结构的部分透明示意图；
图7为本发明废热交换结构含热电模块的1/6剖面示意图；
图8为图7的外管管体的外表面温度示意图；
图9为图8的外管管体的外表面温度曲线图；
图10与图11为图7的气流流速向量图与气流流场追迹图；
图12为本发明废热交换结构的另一实施例示意图；
图13为图12的实施例外管透明示意图；
图14为图12的实施例B-B剖面示意图；
图15为图12的实施例的内管气流路径示意图；
图16A为图12的实施例的内管示意图；
图16B为图12的实施例的入口通道与出口通道示意图。
符号说明
废热交换结构100； 内管102；
第一端1021； 入口通道1022；
第二端1023； 出口通道1024；
第一端1025； 孔洞1026；
入口孔洞1027 出口孔洞1028；
第二端1031； 内管外表面1029；
外管104； 外管内表面1042；
外管外表面105； 热电模块106；
箱体107； 入口1071；
出口1072； 导热结构110；
鳍片1102； 鳍片1103；
固定组件1104； 嵌槽1105；
鳍片组1106； 固定组件200；
第一固定组件201； 第二固定组件203；
鳍片组205； 鳍片2051。
具体实施方式
请参阅图1、图2A及图2B为本发明废热交换结构的立体示意图及立体分解图与入口通道与出口通道立体示意图，本发明废热交换结构100包括一内管102及一外管104，该内管102设有多个入口通道1022及多个出口通道1024供含热废的流体由该入口通道1022进入而由该出口通道1024排出。其中该内管102管体设置有多数个孔洞1026、，使该内管102管体内部的每一入口通道1022及每一出口通道1024利用孔洞1026相连通，因此，该含废热的流体可经由该些入口通道1022进入经该些孔洞1026而由该些出口通道1024排出。其中该含废热的流体可包括气体与液体。在一实施例中，本发明以排气管为实施例，但不限于排气管，其它相同创作精神的结构，均为本发明的创作精神所包含的范围内。如图2A所示，当含废热的流体由该内管102内部经过该些孔洞1026到该外管104内部时，含废热的流体会与该外管104内导热结构110的表面接触，使流体的热能经该外管104管体由内而外地传递至该外表面105，例如散热至大气中；或例如利用另一流体(例如气体或液体)将废热带走；或经由热电转换成电能回收；或转换成其它种能量回收利用。
在一实施例中，该外管104并未设置热电模块，而是利用自然对流方式，将流体的废热向外界散热。
如图1所示，该外管104两端侧分别设置有一封闭组件103将外管104封闭，避免流体外泄。
在一实施例中，该导热结构110可为一鳍片结构，但不以此为限，例如导热片等等，均为本发明的创作精神所包含的范围内。
如图2A与图2B所示，该些入口通道1022与该些出口通道1024同轴地对应地设置，使该含废热的流体从该些入口通道1022进入并经过该些孔洞1026而进入该些出口通道1024排出。在过程中，使含废热的流体尽量充分地与该外管104管体接触，而将热能传递至该外管104上。该些孔洞1026分别为多个入口孔洞1027与多个出口孔洞1028构成，该些入口孔洞1027与该些入口通道1022对应连通，而该些出口孔洞1028与该些出口通道1024对应连通。请参阅图3A为本发明废热交换结构的自然对流方式的立体示意图。，该外管104两端侧分别设置有一封闭组件103将外管104封闭，避免流体外泄。该外管104两端侧分别与该封闭组件103固定。利用与外界大气接触外管104而散热。
图3B为本发明废热交换结构的外界流体将热带走的立体示意图，该废热交换结构100设置在一箱体107中。该箱体107具有一入口1071与一出口1072提供冷却流体进出。当冷却流体进入该箱体107中，就会与该废热交换结构100的外管接触吸收热能，进而将冷却流体温度提升，用于将该废热交换结构100的热能带走。
请参阅图4为图1外管附着热电模块的立体示意图，本发明进一步可包含一热电模块106设置在该外管104管体的外表面105。而该外管104管体的外表面105设有一或多个热电模块106，使接触废热气而进行热电转换以产生电能。该热电模块106可包括一或多个热电芯片。当含废热的流体由该内管102内部经过该些孔洞1026到该外管104内部时，含废热的流体会与该外管104内导热结构110的表面接触，使流体的热能经该外管104管体传递至该外管表面105上的热电模块106，从而进行热电转换以产生电能。
在一实施例中，本发明在不包括热电模块时，可利用自然对流方式，让废热交换器与外界空气接触直接散热。
在另一实施例中，本发明在不包括热电模块时，可利用冷却流体通过废热交换器的外表面，让冷却流体将废热带走。
请参阅图5A与图5B为本发明废热交换结构的A-A剖面示意图及导热结构示意图，在一实施例中，该内管102管体上的该些孔洞1026为多数排列直线的孔洞1026，且为多数列孔洞1026，如图2A所示。如图5A的含废热流体依箭头流动所示，在一实施例中，该些入口通道1022的上方内管102管体对应地设置多数个孔洞1027，即提供热废气自内管102的入口通道1022进入，因受到V形组件(该些入口通道)的第一端1021面积(如图2B所示)较第二端1023面积大的形状影响，含废热的流体会自然地往该些孔洞1027流动并进入该内管102与该外管104间的空间，亦即该导热结构110间流动，并充分地使含废热的流体与该导热结构的每一鳍片1102接触。接着，当流体接触到外管104管体的内表面1042，会反弹至两侧其它孔洞1028，亦即该些出口通道1024上方的外管104管体对应地设置的多数个孔洞1028，提供流体自外管104的出口通道1024排出，其中V形组件为该些入口通道1022及该些出口通道1024的具体实施例结构，如图2B所示。
在一实施例中，该些入口通道1022的第一端1021为V形面积，而该些入口通道1022的第二端1023为一尖端结构，故该些入口通道1022形成渐缩通道。而该些出口通道1024的第一端1025为尖端结构，而该些出口通道1024的第二端1031为一V形面积，故该些出口通道1024形成渐扩通道。因此，本发明的该些入口通道1022与该些出口通道1024具备如后结构，即每一入口通道1022包括有一第一端1021与一第二端1023，该入口通道1022的第一端1021面积大于该入口通道1022的第二端1023面积，而每一出口通道1024包括有一第一端1025与第二端1031，该出口通道1024的第一端1025面积小于该出口通道1024的第二端1031面积。
在一实施例中，由于每一入口通道1022呈一V形组件，且从该入口通道1022的第一端1021渐缩至该入口通道1022的第二端1023，而每一出口通道1024也为一V形组件，且从该出口通道1024的第一端1025渐扩至该出口通道1024的第二端1031。因此，该入口通道1022的第一端1021与该出口通道1024的第一端1025链接，该入口通道1022的第二端1023连接该出口通道1024的第二端1031，该呈V形组件的入口通道1022与呈V形组件的出口通道1024彼此间隔地贴合，形成隔开的入口通道1022与出口通道1024的结构设计。
如图5A、图5B所示，在该内管102与该外管104之间设置有一导热结构110，该导热结构110设置在该内管102管体的外表面1029上及在该外管104管体的内表面1042上。该导热结构110可为鳍片结构，或等效结构所包括的创作精神在内者。该鳍片结构110包括有多数个固定组件1104与多数鳍片组1106，该多数鳍片组1106固定于该多数个固定组件1104上。该固定组件1104为一片状结构，因此，该每一固定组件1104具有多数个嵌槽1105，使嵌固每一鳍片组1106。该嵌槽1105为一梳状结构，通过该梳状结构间的每一凹槽(图中未示)可嵌固每一鳍片组1106。在一实施例中，为配合六角排气管的形状，每一鳍片组1106可为六角状。
在一实施例中，该外管104管体可为六角形，而该内管102管体可为一圆形。
在一实施例中，该每一鳍片组1106包括有多数鳍片1103，且每一鳍片1103呈波浪状，增加接触面积，使含废热的流体可接触每一鳍片1103表面，并将热能通过该鳍片1103传递到外管104管体的外管表面105，再传递到该些热电模块106。
在一实施例中，每一固定组件1104的两端固定于该内管102的外表面1029上，而该固定组件1104两端侧的鳍片组1106则固定于该外管104的内表面1042上。一般可以焊接方式达成。
请参阅图6为本发明废热交换结构的部分剖面示意图，在一实施例中，本发明排气管可为六角柱排气管。如图所示，为六角柱排气管热交换结构100的1/6结构。在一实施例中，外管设计约320mm，为六进六出的排气管设计。亦即入口通道1022为六个，出口通道1024为六个的结构设计。其中图中显示排气管的1/6入口通道，与1/6的出口通道。
请参阅图7为本发明废热交换结构的1/6剖面示意图，在一实施例中，以六角柱排气管100的1/6模拟，每一热电模块106对应地设置在每一鳍片组1106上方。热电模块106在一实施例中以4x4cm，共6个的结构设计仿真。
请参阅图8为图7的表面温度示意图，显示出其温度的分布情形。仿真条件为入口温度为650℃，热废气流量约0.117kg/s。热电模块(TE)冷端为95℃，作为模拟冷面。
请参阅图9为图8的外管表面温度曲线图，仿真结果，显示排气管热端表面温度平均在320℃，且有30℃的温差变化。
请参阅图10与图11为图7的气流模拟结果示意图，图中显示，六角柱排气管的中心气流向量分布以及追迹路线。显示含废热的流体均匀且充分接触鳍片。
请参阅图12为本发明废热交换结构的另一实施例示意图，本实施例与前述实施例相同结构，不同处在于：该外管104管体可为一圆形，每一鳍片1103也为一圆形，该内管102管体也为一圆形。
请参阅图13为本发明废热交换结构的再一实施例示意图，本实施例与前述实施例大致相同，不同处在于：该些固定组件200包括一第一固定组件201与一第二固定组件203，该第一固定组件201具有多数个第一嵌槽(图中未示)，使嵌固每一鳍片组205的外缘部分，而该第二固定组件203具有多数个第二嵌槽(图中未示)，使嵌固每一鳍片组205的内缘部分。
在一实施例中，该每一鳍片组205包括有多数鳍片，且每一鳍片2051呈波浪状。
该第一固定组件201固定于该外管104的内表面上，而该第二固定组件203固定于该内管102的外表面上。
在一实施例中，该第一固定组件201共有12片，嵌固该些鳍片组205。而该第二固定组件203共有24片，嵌固该些鳍片组205。因此，每二片第一固定组件201间配置有二片第二固定组件203。如图14所示，含废热的流体流动方向可如箭头所示，自该入口通道1022进入，经过该内管102管体上的孔洞1027，向外流动而与鳍片组205及外管104内导热结构的表面接触传递热能至外管104外表面105上的热电模块106进行热电转换。热废气经该外管104内表面的反弹而于该第一固定组件201与该第二固定组件203间流动，并自该孔洞1028进入到该出口通道1024而排出。
请参阅图15、图16A与图16B为本发明废热交换结构的再一实施例的内管气流路径示意图及内管示意图与入口通道与出口通道示意图，含废热的流体自该入口通道1022进入经孔洞1027向外流动，经外管104内表面的反弹再进入对应该出口通道1024的孔洞1028而排出。综上所述，本发明废热交换结构能达到每一热电模块能够均匀获得的热量传导与温度分布，上下游的外管表面温差低，小于30℃，配合热电模块提升发电性能，在电源管理上能获得较高的有效电能，减少电能损失，确实符合专利要件，爰依法提出申请。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所为的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的权利要求。

Claims (13)

1.一种废热交换结构，包括:
内管，内管管体设置有多数个孔洞，其中该内管管体内部设置有多个入口通道及多个出口通道，该些入口通道与该些出口通道对应地设置，且该些入口通道与该些出口通道与该些孔洞连通，使一流体经该些入口通道及该些孔洞而进入该些出口通道；
外管，装设于该内管外部；及
导热结构，位于该内管与该外管间，该导热结构设置在该内管管体的外表面及该外管管体的内表面上；
其中该些孔洞分别为多个入口孔洞与多个出口孔洞，该些入口孔洞与该些入口通道对应连通，而该些出口孔洞与该些出口通道对应连通；
其中每一入口通道包括有第一端与第二端，该入口通道的第一端面积大于该入口通道的第二端面积，而每一出口通道包括有第一端与第二端，该出口通道的第一端面积小于该出口通道的第二端面积；
其中每一入口通道呈一V形组件，且从该入口通道的第一端渐缩至该入口通道的第二端，而每一出口通道为一V形组件，且从该出口通道的第一端渐扩至该出口通道的第二端；及该入口通道的第一端与该出口通道的第一端连接，该入口通道的第二端连接该出口通道的第二端，该呈V形组件的入口通道与呈V形组件的出口通道彼此间隔地贴合。
2.如权利要求1所述的废热交换结构，其中该些孔洞呈直线排列，且为多数列孔洞。
3.如权利要求1所述的废热交换结构，其中该导热结构包括有多数个固定组件与多数鳍片组，该多数鳍片组固定于该多数个固定组件上；及该每一固定组件具有多数个嵌槽，使嵌固每一鳍片组。
4.如权利要求3所述的废热交换结构，其中该每一鳍片组包括有多数鳍片，且每一鳍片呈波浪状。
5.如权利要求3所述的废热交换结构，其中每一固定组件固定于该内管的外表面上，而该固定组件两端侧的鳍片组固定于该外管的内表面上。
6.如权利要求3所述的废热交换结构，其中该些固定组件包括第一固定组件与第二固定组件，该第一固定组件具有多数个第一嵌槽，使嵌固每一鳍片组的外缘部分，而该第二固定组件具有多数个第二嵌槽，使嵌固每一鳍片组的内缘部分。
7.如权利要求6所述的废热交换结构，其中该每一鳍片组包括有多数鳍片，且每一鳍片呈波浪状。
8.如权利要求6所述的废热交换结构，其中该第一固定组件固定于该外管的内表面上，而该第二固定组件固定于该内管的外表面上。
9.如权利要求1所述的废热交换结构，其中该流体为一气体或液体。
10.如权利要求1所述的废热交换结构，其中该废热交换结构为一排气管废热交换结构，其中该内管为一圆形，而该外管为一六角形，该导热结构为一六角形。
11.如权利要求1所述的废热交换结构，其中废热交换结构为一排气管废热交换结构，其中该内管为一圆形，而该外管为一圆形，该导热结构为一圆形。
12.如权利要求1所述的废热交换结构，还包括一或多个热电模块，设置于该外管管体的外表面上。
13.如权利要求1所述的废热交换结构，其中该废热交换结构设置于一管体或箱体或盒体中，利用该管体或箱体或盒体内的冷却流体将废热带走。
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