CN102235832B - 热传递结构、热传递装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在适合传导流体的管状体（2）和与所述管状体接触的接触体（3）之间进行热传递的结构（1），其中，接触体（3）包括与面向管状体（2）的接触侧（4），通过该接触侧，接触体（3）与面向接触体（3）的管状体（2）的外侧（5）相接触，其中，在结构（1）的拉伸状态下，预加载力（6）沿预加载方向（7）将接触体（3）压靠在管状体（2）上。如果在结构（1）的未拉伸状态下外侧（5）向接触体（3）凸出弯曲，如果在拉伸状态下，外侧（5）相对未拉伸状态变形并面-面倚靠在接触侧（4）上，并且如果在支撑体（2）的内部设置有支承结构（8），且该支承结构在拉伸状态下将自身支撑在沿预加载方向（7）彼此相对设置的管状体（2）的两个内侧（9，10）之上，则即使在工作温度范围之上，也能获得高的热传递效率。

Description

热传递结构、热传递装置及制造方法

技术领域

本发明涉及一种在适于传导流体的管状体和与所述管状体相接触的接触体之间进行热传递的结构。本发明还涉及一种用于内燃机、更优选机动车内燃机的排气系统的热传递装置，该装置装配备有这样的热传递结构。此外，本发明涉及一种制造所述热传递结构的方法。

技术背景

许多工程部分中，在传导流体的管状体和与所述管状体相接触的接触体之间需要达到尽可能有效的热传递。例如，来自流体的热量导入接触体中或者，相反地，热量从接触体传递到流体中并排出。因此，这种热传递结构用于通过流体流动冷却或加热接触体。此处，原则上可能的是，接触体同样是流体传导管，从而通过该结构，热量最终能从一种流体传递给另一种流体。

对于现代的应用，使用了热电转换器或温差发电器，其将温差转变成电压差或者将热流转换成电流。这种温差发电器根据反转的珀尔帖效应运行，从而其操作类似于珀尔帖元件。在热传递装置中，这种温差发电器现在可各自设置在传导发热流体的热管和传导吸热流体的冷管之间。热管和冷管之间的温差然后存在于各个热电转换器处并可转换成电流。

对于所有这些应用，需要在各个管状体和各个接触体之间存在的面-面接触实现尽可能高的热传递效率，即在常规运行期间该结构经受的整个温度范围上。为了保证期望的面-面接触以及为了改善热传递，原则上能够借助于预加载力一起挤压管状体和接触体。然而已经表明的是，当选择太大的预加载力时，就管状体来说经常发生膨胀。通过膨胀，管状体能够在某些区域抬离接触体，使得先前与接触体的面-面接触变成带状或线状，这显著减弱了热传递。此外是热膨胀效应，在这种情况下，各个管状体、各个接触体以及产生预加载力的预加载装置会不同地膨胀，因此能够发生预加载力的变化，使得管状体的膨胀例如仅在较高温度发生。

发明内容

本发明解决了这样的一个问题，即描述了一用于热传递结构、热传递装置和相关制造方法的改进实施方案，其更优选的特征在于特别有效的热传递。

根据本发明，该问题通过独立权利要求的主题得以解决。有利的实施方案是从属权利要求的主题。

本发明基于的整体思路是制造各个管状体，使得在该结构的未拉伸状态下，它具有向接触体凸出弯曲的外侧，在拉伸状态下相对于未拉伸状态会变形并因此以面-面方式倚靠接触体。该设计抵消了管状体的膨胀并在管状体和接触体之间产生高质量的面-面接触。为了使该高质量的接触在预加载力改变的情况下也能维持，本发明另外提出在管状体的内部设置支承结构，以使得拉伸状态下的支承结构将自身支撑在沿夹紧方向彼此相对设置的管状体的两个内侧上。借助于该支承结构，可有效地防止管状体向内侧的膨胀。因此，即使预加载力改变，也能保持管状体和接触体之间的面-面接触。因此，即使改变温度，管状体和接触体之间也能获得高质量的有效热传递。

根据一个有利的实施方案，管状体的外侧倚靠的接触体的接触侧，在未拉伸状态下在接触体的横截面上是平坦的。当接触体相对于管状体具有显著较高的刚度时，这是优选的。这种情况例如是接触体为热电转换器的时候。

根据另一实施方案，可以提供的是，拉伸状态下的该接触侧和该外侧在主体横截面在一平面上彼此面-面倚靠。换句话说，拉伸状态下，凸出弯曲的外侧变形至这样的程度，使得它面-面倚靠在平坦的接触侧上。因此，总体上该结构是比较紧凑的结构。

该支承结构可由已经折叠成波浪形或锯齿形或者矩形的网状材料，或者由褶皱的网状材料形成。因此，该支承结构具有简单的结构，从而其能有成本效益地实现。实际上波浪或褶的延伸方向或纵向平行于管状体的纵向延伸。因此，支承结构在管状体中仅形成极小的流阻。

对于另一实施方案，该支承结构可包括至少一个管。这种管可具有圆形、更优选环形或椭圆形或卵形，或者也可以是有角的、更优选正方形或矩形的横截面。管状支承结构具有特别高的稳定性。实际上，支承结构的管的纵向平行于管状体的纵向延伸。

为了简化制造，支承结构可仅仅固定到管状体两个内侧之一上。因此，在管状体内部支承结构仅定位在两个内侧之一上。因此，管状体在未拉伸状态下可具有弯曲的外侧，而支承结构也不会为此目的必须变形。

正如已经多次说明的，接触体实际上可以是将温差转变成电流的热电转换器或温差发电器。

接触体和管状体之间的接触直接或间接地产生。对于直接接触，管状体及其外侧直接倚靠在接触体的接触侧上。对于间接接触，在外侧和接触侧之间设置另外的组件，该组件实际上是导热层。借助于这种导热层，管状体和接触体之间的热传递得以改善。更优选地，这种导热层可在外侧和接触侧之间补偿微小的公差相关的形状偏差。代替设置在接触侧和外侧之间的单独导热层，也可提供另一实施方案，给其接触侧上的接触体以这种方式装备这样的导热层，使得导热层形成接触体或者接触侧的组件。此外或者可替换地，管状体或其外侧也可以以这种方式具有这样的导热层，使得各个导热层然后形成管状体的或者外侧的组件。这样，尽管有导热层，在接触体与管状体之间也存在直接接触。

根据另一实施方案，支承结构可以这样一种方式具有结构表面，从而流阻增加并且热传递得到改善。特别地，借助于特定表面构造，可以支持紊流边界层在支承结构上的发展。支承结构然后具有紊流器的附加功能。

此处提出的热传递结构更优选在用于内燃机、更优选用于机动车内燃机的排气系统的热传递装置中实现。这种热传递装置包括至少一个用于传导放热流体的热管、至少一个用于传导吸热流体的冷管和至少一个用于将温差转变成电压的温差发电器。此处，在每种情况下，各个温差发电器设置在冷管和热管之间并和这些一起拉伸。在这种情况下，各个温差发电器与各个管的该结构可配置成根据本发明的热传递结构，其中，热传递结构的管状体通过各个管，也就是说通过热管和冷管形成，而热传递结构的接触体通过各个温差发电器形成。

例如可制造根据本发明的热传递结构，使得支承结构引入到各个管状体中，随后形成各个管状体，直到管状体的外侧向外侧突出弯曲，然后各个接触体设置在管状体上，并随后拉伸至少一个管状体和至少一个接触体的结构。只有在支承结构引入后形成管状体，才能保证在随后的夹紧过程中，当管状体通过夹紧再次变形时，该支承结构能够满足支撑功能。实际上，管状体的形成通过内高压形成法来完成。

本发明的另外的重要特征和优点可由从属权利要求、附图以及通过附图的相应附图说明来获得。

可以理解的是，如上所述的以及下文中仍将说明的特征不仅可用在各个组合状态中，也可以用于其他组合或独自使用，都不脱离本发明的保护范围。

本发明的优选示例性实施方案在附图中示出并在下文中详细说明，其中相同的附图标记指代相同或相似或者功能相同的组件。

附图说明

在各种情况下，它示意性地示出了

图1 拉伸状态下热传递结构高度简化的横截面，

图2 热传递装置的高度简化的横截面，

图3 如图1中的横截面，然而其在未拉伸状态下，

图4-7 对于不同的其他实施方案，在拉伸状态下的管状体横截面，

图8 具有制造不同状态a到e的热传递结构。

具体实施例

根据图1，用于热传递的结构1，在下文中也被标示为热传递结构1，其包括管状体2和接触体3。管状体2用于传导可以是液体或气体的流体。接触体3优选是热电转换器或热电发生器15。然而，原则上，它也可以是由其将热量排出或者被供应热量的另一组件。结构1用于管状体2和为此目的与管状体2相接触的接触体3之间的热传递。管状体2和接触体3是独立的组件，它们更优选松散地彼此接触，也就是说并不彼此固定。然而，这样的实施方案也是可能的，其中管状体2和接触体3可例如通过粘合、焊合、焊接彼此固定。

接触体3具有面向管状体2的接触侧4。管状体2包括面向接触体3的外侧5。接触体3和其接触侧4与管状体2的外侧5相接触。在图1所示的结构1的拉伸状态下，由箭头表示的预加载力6是活动的，它沿着双箭头表示的预加载方向7将接触体3压靠在管状体2上。因此，接触侧4和外侧5之间实现了面-面接触。

在管状体2的内部，设置有支承结构8。在图1的拉伸状态下，支承结构将自身支撑在管状体2的两个内侧9和10上，它们在预加载方向7上彼此相对设置。因此，阻止或防止了在外侧5上向管状体2内部取向的膨胀形成。

图3示出了未拉伸状态下的结构1，未对它施加预加载力6。在该未拉伸状态下，外侧5向接触体3凸出弯曲。在该结构1的未拉伸状态下，最好只有线形或条形的接触在外侧5和接触侧4之间基本上实现。因此，根据图4的拉伸状态下的外侧5，相对于根据图3的未拉伸状态显著的变形，使得在根据图1的拉伸状态下，它开始面-面倚靠在接触侧4上。

通过夹紧，借助于预加载力6，管状体2因此变形，优选弹性变形。与此相反，基于预加载力6，接触体3并不变形或者仅不明显地变形。此外，值得注意的是，图1的拉伸状态下的支承结构8在预加载方向7上支撑着彼此叠放的两个内侧9，10。与此相反，图3中未拉伸状态下的支承结构8或多或少倚靠在一内壁10上，同时它与另一内壁9相隔开，因此并未实现其支撑功能。

根据图3，在未拉伸状态下，接触体3的接触侧4在接触体3的横截面中也可以是平坦的。由于接触体3足够的刚度，图1的拉伸状态下的平坦接触侧4导致在元件2、3的横截面中接触侧4和外侧5在平面11上彼此面-面倚靠。这可用于实现尽可能紧凑的设计和简单制造。

根据图2，热传递装置12，其可与内燃机、更优选机动车内燃机的排气系统使用，包括用于传导放热流体的至少一个热管13和用于传导吸热流体的至少一个冷管14。例如，热管13可传导在排气系统中从内燃机排出的废气。与此相反，冷管14可传导例如用于加热机动车内部空间的内燃机冷却回路中的冷却剂。

此外，这里示出的热传递装置12包括至少一个温差发电器15，在其帮助下温差可转变为电压。在每种情况下，各个温差发电器15都设置在冷管14和热管13之间并与它们一起拉伸。相应的预加载力再次用箭头6表示，正如相应的预加载方向7用双箭头表示一样。

在该热传递装置12中，各个温差发电器15正好与各个热管13并与各个冷管14形成先前参照图1和3进行说明的热传递结构1。图2中的方括号标示了实现的热传递结构1。在各个热传递结构1中，每种情况下的温差发电器15形成了接触体3，同时各个管，或者是热管13，或者是冷管14，形成了结构1的相关管状体2。因此，支承结构8同样设置在各个管13、14中。

在所示的实施例中，设置了三个冷管14和两个热管13，使得在热传递装置12的相对端部，此处是顶部和底部，各存在有冷管14。相对于温差发电器15的能量传递来说，这是有利的。原则上，每个热管13和每个冷管14能够形成结构1的变形管状体2。然而，另外的实施方案也是可能的，其中只有冷管14构造成变形的管状体2，而热管13在拉伸状态下基本上未变形。可替代地，同样可能的是，仅将热管13构造成结构1的变形管状体2，而冷管14在拉伸状态下也是基本上未变形的。

为了实现夹紧或者为了引入预加载力6，热传递装置12包括有壳体16，其例如具有两个半壳体17和18，它们具有U形的轮廓，在预加载方向7上彼此插接，使得例如预加载力6可例如通过压板或焊接连接或者螺纹连接等施加给半壳体17、18，并经由这些施加给结构1。显然，在这种情况下，任何其他适当的轮廓面或形状，例如C形、I 形、L形和T形，原则上都可用于半壳体17和18，只要各个壳体16都能实现期望的用于产生预加载力6的内部预加载或夹紧。

用于图2的热传递装置12中的结构1，另外的特征在于，在各个管13、14或管状体2与各个温差发电器15或接触体3之间，设置有导热层19。因此，接触体3和管状体2在这种情况下彼此并不直接倚靠，而是间接地，即通过各个导热层19倚靠。

通常，对于所有的结构1来说，这种导热层19可设置在接触侧4和外侧5之间。在这种情况下，导热层19然后可设置成接触体3和管状体2之间的单独组件。同样可能的是，将导热层19作为管状体2的组件部分用于其外侧5上。此外或可代替地，这种导热层19可作为接触体3的组件部分用于其接触侧4上。在此范围内，由于导热层19然后形成接触体3的或接触侧5的组件部分，或者形成管状体2的或外侧5的组件部分，重新产生管状体2和接触体3之间的直接接触。

在此范围内，因为各个导热层19实现为单独元件或组件，它可由例如基于云母的碳膜或石墨膜制成或组成。各个导热层19也可以是硅基底的，作为替代，kapton膜或芳酰胺织物的导热层19也是可以想到的。原则上，具有较高导热率的任何材料都可用于制造这种导热层19。优选地，导热层19的各种材料应该具有较高的柔韧性，例如以便能够补偿制造公差，这提高了面-面接触并从而提高了热传递。

支承结构8实际上由网状材料20制成，对于图1-3的实施方案其例如能够是波浪状折叠或皱褶。然而，原则上，此处类似的任何折叠或褶皱结构都是可想到的。例如，图4示出了矩形折叠的网状材料20，而图6示出了锯齿形折叠的网状材料20。图7示出了复合波形，其中在网状材料20中，ω形部分21与正弦曲线部分22以任意顺序规则交替或彼此相随。这种混合形状可具有特殊的优势，因为以这种方式，一方面，对于正弦曲线部分22，支承结构8通过压缩得以刚化，而另一方面，具有ω形部分21的支承结构能够更弹性地吸收压缩。通过正弦曲线部分22和ω形部分21的特定选择和顺序，能够在支承结构8中实现期望的钢化和支撑作用。

在这种情况下，网状材料20的单个波或褶延伸，它们的延伸方向或者纵向平行于管状体2纵向方向。横截面中的所述纵向保持与附图平面垂直。

图5示出了支承结构8的另一实施方案，对于该方案，支承结构8包括至少一个管23或者通过一个管23形成。实际上，在这种情况下，管23的纵向也平行于管状体2的纵向延伸。

支承结构8可具有结构化的表面，以这种方式使得流阻增加并提高热传递。更优选地，借助于特定表面结构，能够支撑湍流边界层的发展。然后支承结构8具有紊流器的附加功能。

在下文中，用于制造热传递结构1或热传递装置12的优选方法参照图8a-8e进行更详细的说明。

起初，根据图8a，设置了管状体2的毛坯，在图8a中标示为2’。根据图8b，支承结构8引入到该毛坯2’中。此处，原则上能够将支承结构8固定在管状体2上或毛坯2’上。优选地，在这种情况下，支承结构8例如通过焊接工艺仅固定到两个内侧9、10之一上。例如，支承结构8仅固定到内侧10上。作为对此的替代，支承结构8也可同时固定到两个内侧9和10。

根据8c，然后这样发生管状体2或毛坯2’的成型，直到外侧5向外侧凸出弯曲。管状体2现在达到它在未拉伸状态下的最终形状。在此范围内，因为支承结构8仅固定在一个内侧10上，因此在该成型过程中，另一内侧9从支承结构8移开。在此范围内，因为支承结构8同时固定在两个内侧9，10上，因此，在成型过程中，也会发生支承结构8的塑性变形。图1-8的剖视图都示出了横切于其纵向的管状体2的横截面。在这种情况下，图3和8c中示出的凸形弯曲在这些横截面中得以实现，也就是在管状体2的横切方向上发生。管状体2同样可以在其纵向方向上弯曲，使得在纵截面上实现凸形弯曲。因此可存在两个垂直重叠的弯曲，导致立体弯曲或球面弯曲。因此，在管状体2的纵向上，管状体2能够获得具有不同弯曲半径的不同截面。

根据图8b，现在接触体3可设置在管状体2上。这然后对应于根据图3的结构1的未拉伸状态。

之后，在预加载方向7上具有预加载力6的结构1发生夹紧，其导致了反映在图8e中的结构1的拉伸状态，这也对应于图1的状态。

在这种情况下，管状体2的或毛坯2’的成型例如可通过内部高压成型方法来实现。

为了制造热传递装置12，管状体2或管13、14与接触体3或温差发电器15彼此在顶部上堆叠，最后成一堆，与壳体16一起拉伸或不与壳体16一起拉伸。

Claims (12)

1.一种用于在适于传导流体的管状体（2）和与所述管状体接触的接触体（3）之间进行热传递的结构，

-其中，所述接触体（3）包括面向管状体（2）的接触侧（4），通过所述接触侧，接触体（3）与具有面对接触体（3）的外侧（5）的所述管状体（2）相接触，

-其中，在结构（1）的拉伸状态下，预加载力（6）沿预加载方向（7）将接触体（3）压靠在管状体（2）上，

-其中在结构（1）的未拉伸状态下，所述外侧（5）向接触体（3）凸出弯曲，

-其中，外侧（5）在相对未拉伸状态的拉伸状态下变形并面-面倚靠在接触侧（4）上，

-其中，在管状体（2）的内部，设置有支承结构（8），其中支承结构在拉伸状态下将自身支撑在沿预加载方向（7）彼此相对设置的管状体（2）的两个内侧（9，10）上。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，在未拉伸状态下，接触侧（4）在接触体（3）的横截面中是平坦的。

3.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，在拉伸状态下，接触侧（4）和外侧（5）在管状体（2）和接触体（3）的横截面中于一平面（11）内彼此面-面倚靠。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，支承结构（8）由波形或锯齿形或矩形折叠或褶皱的网状材料（20）形成。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，波或褶的延伸方向或纵向平行于管状体（2）的纵向。

6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，支承结构（8）包括至少一个管（23）或由该管形成。

7.根据权利要求6所述的结构，其特征在于，管（23）的纵向平行于管状体（2）的纵向。

8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，接触体（3）是温差发电器（15）。

9.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，

-在接触侧（4）和外侧（5）之间设置有导热层（19），或者

-接触侧（4）和/或外侧（5）包括导热层（19）。

10.一种用于内燃机的排气系统的热传递装置，其

-具有至少一个用于传导放热流体的热管（13），

-具有至少一个用于传导吸热流体的冷管（14），

-具有至少一个用于将温差转变成电压的温差发电器（15），

-其中，每种情况下，各个温差发电器（15）设置在冷管（14）和热管（13）之间并与它们一起拉伸，

-其中，各个温差发电器（15）和选自热管（13）和冷管（14）的至少一个管构造成根据权利要求1-9中任一项所述的结构（1），

-其中结构（1）的管状体（2）通过相应的热管（13）或冷管（14）形成并且结构（1）的接触体（3）由各个温差发电器（15）形成。

11.一种制造根据权利要求1-9中任一项所述的结构（1）的方法，

-其中，支承结构（8）引入到各个管状体（2）中，且其中各个管状体（2）随后成型直到它的外侧（5）向外侧凸出弯曲，

-其中，随后将各个接触体（3）设置在管状体（2）上，

-其中，随后将至少一个管状体（2）和至少一个接触体（3）的结构（1）一起拉伸。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过内部高压成型产生各个管状体（2）的成型。

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