排气热回收装置的制作方法

专利名称：排气热回收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种排气热回收装置，其执行废气(如汽车的废气) 与冷却液之间的热交换并且回收所述废气中的热。
背景技术：
如/>开号为2004-293395和2002-147291的日本专利申请所示，用 于发动机的排气冷却部件是众所周知的，其中双管结构具有内管和外 管，且在外管的内部的上游侧设置有排气控制阀。排气冷却器设置在 内管和外管之间，其执行冷却水与废气之间的热交换。发明内容在如上提到的技术中，当发动机停止时，在排气冷却器中的冷却 水通道中的冷却水停止循环。由于残留热，冷却水的温度可能会上升 至沸腾。本发明是根据上述情况做出的，并且提供了 一种排气热回收装置， 其能够防止热交换器内部的冷却液的温度升高。为了实现上述目的，根据本发明的第 一方案的排气热回收装置包 括热交换器，其执行废气与冷却介质之间的热交换；及自然对流通道, 其一端连接到在热交换器中的冷却介质通道的重力方向上的上部，另 一端连接到冷却介质通道的重力方向上的下部。第一方案的排气热回收装置中，热交换器的冷却介质通道和自然 对流通道构成冷却介质由于自然对流(即相对密度差)能够循环的自然对流循环3各线。自然对流通道连接到冷却介质通道的重力方向上的 上部和下部。由于该自然对流循环路线中的冷却介质的温度差，冷却 介质通过自然对流循环路线循环。由此，即使是在热交换器中的冷却 介质通道中不产生受迫流动的结构，也能避免冷却介质在热交换器的 高温部附近的积聚。相应地，冷却介质不会达到高温。以这种方式，利用本方案的排气热回收装置，能够防止热交换器 内部的冷却介质达到高温。本发明的第二方案包括第一方案的排气热回收装置，其中自然对 流通道的中间部分位于热交换器的外侧。在根据本发明的第二方案的排气热回收装置中，自然对流通道的 中间部分位于热交换器的外侧。当冷却介质通过自然对流循环通道循 环时，热量被分散在自然对流通道的中间部分。由此，能够有效地防 止冷却介质达到高温。本发明的第三方案包括第一或第二方案的排气热回收装置，其中，的旁路部件的周围形成的热交换部件。热交换器被构造为在废气流经 旁路的状态和废气流经热交换部件的状态间可切换。第三方案的排气热回收装置中，圆柱形热交换部件沿水平方向形成于"i殳置的旁路部件的周围。冷却介质通道^:置在该热交换部件中以 便其能够执行与废气的热交换。通过该结构，相对于冷却介质量的热 交换器中的废气量是很大的。即使在具有很多热量的这种构造中，也 能够防止在自然对流循环路线(route)中循环的冷却介质达到高温而 不用依赖冷却介质的受迫流动。根据本发明的第四方案的排气热回收装置，包括热交换器，其执行废气与冷却介质之间的热交换；及自然对流通道，其一端连接到在热交换器中的冷却介质通道的重力方向上的上部，其另一端连接到冷 却介质通道的重力方向上的下部，而其中间部分位于热交换器的外侧。第四方案的排气热回收装置中，热交换器的冷却介质通道和自然 对流通道构成冷却介质由于自然对流(即相对密度差)能够循环的自 然对流循环路线。自然对流通道连接到冷却介质通道的重力方向上的 上部和下部。因为自然对流通道的中间部分位于热交换器的外侧，当 冷却介质在自然对流循环通道中循环时，其在自然对流通道的中间部 分处释放热量，并被冷却。虽然该结构不会在热交换器的冷却介质通 道中产生受迫流动，但是也能避免冷却介质在热交换器的高温部附近 的积聚，并且冷却介质不会达到高温。以这种方式，利用第四方案的排气热回收装置，能够防止热交换 器内部的冷却介质达到高温。根据本发明的第五方案的排气热回收装置，包括热交换器，其具 有执行废气与冷却介质之间的热交换并在沿水平方向设置的旁路部件 的周围形成的热交换部件，并且热交换器被构造为在废气流经旁路的状态和废气流经热交换部件的状态间可切换；及自然对流通道，其一 端连接到在热交换器中的冷却介质通道的重力方向上的上部，其另一 端连接到冷却介质通道的重力方向上的下部，而其中间部分位于热交 换器的外侧。第五方案的排气热回收装置中，圓柱形热交换部件形成为围绕沿 水平方向设置的旁路部件周围。冷却介质通道设置在该热交换部件中以便与废气交换热。通过该结构，相对于冷却介质量的热交换器中的 废气量是很大的。热交换器的冷却介质通道和自然对流通道构成冷却 介质由于自然对流(即相对密度差)能够循环的自然对流循环路线。自然对流通道连接到冷却介质通道的重力方向上的上部和下部。因为 自然对流通道的中间部分位于热交换部件(热交换器)的外侧，当冷 却介质在自然对流循环通道中循环时，其在自然对流通道的中间部分 处释》文热量，并纟皮冷却。相应地，虽然该结构不会在热交换器的冷却 介质通道中产生受迫流动，但是冷却介质不会达到高温。以这种方式，利用第五方案的排气热回收装置，能够防止热交换 器内部的冷却介质达到高温。本发明的第六方案是第五方案的排气热回收装置，其中自然对流 通道的一端连接到冷却介质通道中位于旁路部件上方的在重力方向上 的上侧部，另一端连接到位于旁路部件下方的在重力方向上的下侧部。第六方案的排气热回收装置中，自然对流通道以其相对于旁路通 道而位于上侧和下侧的部分处连接到冷却介质通道。基于该原因，不 包括在冷却介质通道的冷却介质的自然对流循环通道中的部分变得很 小。由此，在自然对流循环通道中循环的冷却介质的量增加，并且能 够有效地防止热交换器内部的冷却介质达到高温。根据本发明的第七方案的排气热回收装置，包括第 一到第六方案 的排气热回收装置中的任意一种，其中冷却介质通道包括冷却介质循 环路线的一部分，当在废气与冷却介质之间执行热交换时冷却介质在 该部分处被强制地循环，并且自然对流通道的一端和另一端连接到冷 却介质通道部分，当冷却介质在冷却介质通道中净皮强制循环时，在所 述部分处自然对流通道的一端与另一端之间的压力差变得小于预定 值。第七方案的排气热回收装置中，当在废气与冷却介质之间执行热 交换时，诸如泵的装置运作使得冷却介质在冷却介质循环通道中被强 制循环，冷却介质循环通道包括热交换器的冷却介质通道。由此，能 够执行有效的热交换。另一方面，如果冷却介质循环通道中的冷却介质的受迫循环流动(即泵的运转)停止，则热交换器中的废气侧处的 残留热被传输到冷却介质通道的冷却介质中。冷却介质通过自然对流 循环通道循环，该自然对流循环通道被构造为包括上述冷却介质通道 和自然对流通道，从而能防止冷却介质达到高温。此处，自然对流通道的一端和另一端(即，由于自然对流的冷却 介质的导入部和排出部)连接到如下部分，当受迫流动在冷却介质循 环路线中循环时，在该部分处自然对流通道的一端与另 一端之间的压 力差变得小于预定值。基于此原因，当产生受迫循环时，抑制了冷却 介质流入自然对流通道内。因此，当在废气与冷却介质之间执行热交 换时，能防止冷却介质中所含的热被浪费地排到自然对流通道。根据本发明的第八方案的排气热回收装置包括第 一到第六方案的 排气热回收装置中的任意一种，其中冷却介质通道包括冷却介质循环 路线的一部分，当在废气与冷却介质之间执行热交换时，冷却介质在该部分处^:强制地循环。自然对流通道的一端和另一端连接到位于与冷却介质通道中冷却 介质受迫循环的流向垂直的平面上的部分。第八方案的排气热回收装置中，当在废气与冷却介质之间执行热 交换时，操作泵等被操作并且冷却介质在冷却介质循环路线中被强制 循环，该冷却介质循环路线包括热交换器的冷却介质通道。由此，能 够执行有效的热交换。另一方面，如果冷却介质循环通道中的冷却介 质的受迫循环流动(即泵的操作)停止，则热交换器中的废气侧处的 残留热被传输到冷却介质通道的冷却介质中。冷却介质通过自然对流 循环通道循环，该自然对流循环通道4皮构造为包括冷却介质通道和自 然对流通道，乂人而能防止冷却介质达到高温。此处，自然对流通道的一端和另一端(即，由于自然对流的冷却 介质的导入部和排出部)连接到位于垂直于冷却介质通道中冷却介质受迫循环的流向的平面上的位置。基于此原因，由于冷却介质的强制 循环引起的冷却介质的导入部和排出部之间的压力差很小。相应地， 当冷却介质循环路线中产生强制循环时，抑制了冷却介质流入自然对 流通道，防止了冷却介质中所含的热浪费地释放到自然对流通道。根据本发明第九方案的排气热回收装置包括第 一到第三方案的排气热回收装置中的任意一种，其中热交换器包括外壳，其具有废气 流经的排气通道和邻近排气通道设置的冷却介质流经的冷却介质通 道；第一连接通道，其在冷却介质通道的冷却介质流向上的一端处连 4妄到冷却介质通道的重力方向上的上部，并形成自然对流通道一端侧 的一个部分；第二连接通道，其在冷却介质通道的冷却介质流向上的另 一端处连接到冷却介质通道的重力方向上的下部，并形成自然对流通 道另一端侧的一个部分；及绝热部件，其使第二连接通道的位于外壳 内的部分与废气相绝热。第九方案的排气热回收装置中，流经排气通道的废气与流经冷却 介质通道的冷却介质在外壳中执行热交换。冷却介质在冷却介质通道 中从第 一连接通道流到第二连接通道或从第二连接通道流到第 一连接 通道，并在外壳内部和外部循环(是强制地循环)。此时，通过绝热部 件绝热的第二连接通道处的冷却介质的温度(升高)被抑制为低于冷 却介质通道中的冷却介质的温度。然后，当冷却介质的强制循环被停止时，第二连接通道的冷却介 质由于其相对较低的温度使其相对密度大于冷却介质通道中的冷却介 质的相对密度，由于重力而产生向下的流动。在冷却介质通道的在冷 却介质流向上的另 一端侧处，冷却介质流进冷却介质通道在重力方向 上的下部。由于这样，产生了冷却介质向第一连接通道侧的自然对流， 防止了冷却介质达到高温。此外，通过设置绝热部件，能够在外壳(即， 第二连接通道，其为自然对流通道的另一端)内部设置一个部件，在该部件处冷却介质的一部分能够被保持在相对低的温度。由于这样， 第二连接通道被外壳覆盖并保护。根据本发明的第十方案的排气热回收装置包括热交换器，热交换 器包括外壳，其具有废气流经的排气通道和邻近排气通道设置的冷却介质流经的冷却介质通道；第一连接通道，其在冷却介质通道的冷却 介质流向上的 一端处连通外壳的外部和冷却介质通道的重力方向上的 上部；第二连接通道，其在冷却介质通道的冷却介质流向上的另一端 处连通外壳的外部和冷却介质通道的重力方向上的下部；及绝热部件， 其使第二连接通道的位于外壳内的部分与废气相绝热。第十方案的排气热回收装置中，在外壳内执行流经排气通道的废 气和流经外壳中的冷却介质通道的冷却介质之间的热交换。冷却介质 在冷却介质通道中从第一连接通道流向第二连接通道或从第二连接通 道流向第一连接通道，在外壳的内部和外部循环(强制地循环)。此时， 通过绝热部件绝热的第二连接通道处的冷却介质的温度(升高)被抑 制为低于冷却介质通道中的冷却介质的温度。然后，当冷却介质的受迫循环被停止时，第二连接通道的冷却介 质由于其相对较低的温度使其相对密度大于冷却介质通道中的冷却介 质的相对密度，由于重力而产生向下的流动。在冷却介质通道的在冷 却介质流向上的另 一端侧处，冷却介质流进冷却介质通道的在重力方 向上的下部。由于这样，产生了冷却介质向第一连接通道侧的自然对 流，防止了冷却介质达到高温。此外，通过设置绝热部件，能够在外 壳(即，第二连接通道)内部设置一个部件，在该部件处冷却介质的 一部分能够被保持在相对低的温度。由于这样，第二连接通道被外壳 遮盖并保护。以这种方式，通过第十方案的排气热回收装置，能够防止热交换 器内部的冷却介质达到高温。本发明的第十一方案是第九或第十方案的排气热回收装置，当从 废气流动的方向看时，第二连接通道除去穿透外壳的部分后的部分形 成为完全与冷却介质通道重叠。
第十一方案的排气热回收装置中，当从废气流动的方向看时，除 去穿透外壳的部分后的第二连接通道完全与冷却介质通道重叠，并且 不会妨碍废气的流动，所以能抑制排气背压的增加。
本发明的第十二方案是第十一方案的排气热回收装置，其中，当 从废气流动的方向看时，第二连接通道除去穿透外壳的部分后的部分 具有与冷却介质通道的截面形状相同的截面形状。
第十二方案的排气热回收装置中，当从废气流动的方向看时，除
去穿透外壳的部分后的第二连接通道具有与冷却介质通道的截面形状 相同的截面形状，并且能够在保持低温冷却介质的同时保持上述背压 抑制效果，以便产生冷却介质的自然对流。
本发明的第十三方案是第十一或第十二方案的排气热回收装置， 其中冷却介质通道形成为同轴地围绕排气通道的圓柱形。
第十三方案的排气热回收装置中，例如，冷却介质通道形成在限 定排气通道的内管壁和同轴地设置在内管壁的外侧的外管壁之间。第 二连接通道在轴向上设置在冷却介质通道的任一侧。当冷却介质的受 迫循环被停止时，因为低温冷却介质流进第二连接通道的形成为圆柱 形的下部，所以冷却介质流动不可能停滞在自然对流通道。因而能够 有效地防止外壳中的冷却介质的温度增加。
本发明的第十四方案的排气热回收装置是第十一到第十三方案的 排气热回收装置中的任意一种，其中第二连接通道在废气流向上设置 在冷却介质通道的下游侧。第十四方案的排气热回收装置中，在热已经被吸收后，由于废气 和冷却介质之间的热交换，废气与第二连接通道接触，从而第二连接 通道从废气中吸收的热很小。能够使得第二连接通道内的冷却介质的 温度较低。
本发明的第十五方案的排气热回收装置是第九'到第十四方案的排 气热回收装置中的任意 一种，其中第二连接通道通过利用分割板分割 冷却介质通道在冷却介质流向上的另 一端而形成。
第十五方案的排气热回收装置中，冷却介质通道和第二连接通道 为一体形成，即，在冷却介质通道和废气流经的第二连接通道之间没 有间隔部。相应地，第二连接通道与废气的接触面积小，能够使第二 连接通道中的冷却介质保持在更低的温度。


图1是垂直于用于排气热回收的构成根据本发明的第一实施例的
排气热回收系统的热交换器的轴向的截面图2是用于排气热回收的构成根据本发明的第一实施例的排气热 回收系统的热交换器的轴向截面图3是示出4艮据本发明的第一实施例的排气热回收系统的总体结 构的系统流程图4是垂直于用于排气热回收的构成根据本发明的第一实施例的 排气热回收系统的热交换器的可选实例的轴向的截面图5A是用于排气热回收的根据本发明的第二实施例的热交换器 的轴向截面图5B是沿图5A中线5B-5B的截面图；图6是采用根据本发明的第二实施例的热交换器的排气热回收系统的系统流程图；及图7A是示出根据本发明的第三实施例的热交换器的轴向截面图；图7B是沿图7A中线7B-7B的截面图。
具体实施方式
如上所述的根据本发明的排气热回收装置展示出其在防止热交换 器(即外壳)内的冷却介质的温度升高方面的较好的效果。将结合图1到图3说明用作根据本发明的第一示范实施例的排气 热回收装置的排气热回收系统10。注意，在下面的说明中当使用类似 上游和下游的术语时，这表示在废气流向上的上游/下游侧。此外，各 图中的向上(UP)箭头及向下(LO)箭头分别表示在重力方向上的上 侧和下侧(即车身的向上和向下的方向)。图3以流程图示出了排气热回收系统IO的总体结构。如图所示， 由于与发动机冷却水的热交换，排气热回收系统IO回收汽车的内燃机 12的废气中的热。回收的热用于加热或加快发动机12的暖机。形成将废气导出的排气路线的排气管14连接到发动机12。在排气 管14的排气路线上从上游侧依次设置催化剂转化器16、排气热回收热 交换器18 (以下称为"热交换器18")和主消音器20。催化剂转化器 16被构造为利用设置在其中的催化剂16A清洁流经的废气。主消音器 20被构造为降低将经清洁的废气排放到空气时所产生的排气噪声。气的热回收到发动机冷却水。同样，作为用于废气的旁路部件的旁路 通道22和作为用于开启和关闭旁路通道22的通道切换装置的通道切换阀24设置在热交换器18的内部。这些部件被构造为能够在执行废 气与发动机冷却水间的热交换的排气热回收模式和废气流经旁路通道 22的正常模式之间切换。下文将对此进行详细说明。如图2所示，热交换器18包括各自形成圓柱形并同轴设置的内管 26和外管28，并设置有形成废气流动部件的外壳30。此外，外壳30 上设置有以大于排气管14的直径的直径连接外管28的上游端28A以 及排气管14的位于催化剂转化器16侧的部分的圆锥缸32;以及连接 外管28的下游端28B和排气管14的位于主消音器20侧的部分的圆锥 缸34。下列部件形成在外壳30的内部，排气入口头36，其为圆锥缸32 内部的空间；排气热交换路线38，其形成在内管26和外管28之间形 成的圆柱形空间的热交换部件；旁路通道22，其为内管26的内部空间， 其中设置有通道切换阀24;以及排气出口头40，其作为交流部件并且 是圓锥缸34内部的空间。作为冷却介质的通道的发动机冷却水管42设置在外壳30的排气 热交换路线38的内部，并且形成热交换部件35,以及形成作为热交换 器18中的发动机冷却水的流道的发动机冷却水热交换路线44 (以下 称为"热交换路线44")。本示范实施例中，如图l所示，发动机冷却水 管42具有形成双圆柱形热交换路线44的四层圆柱结构。以后，包括 发动机冷却水管42的外侧的热交换路线44的部分将被称为外侧气缸 42A，包括发动机冷却水管42的内侧的热交换路线44的部分将被称为 内侧气紅42B。发动才几冷却水管42的外侧气缸42A和内侧气缸42B在发动才几冷 却水流向上的上游侧部分穿过外管28连接到所设的入口 46，在发动机 冷却水流向上的下游侧部分穿过外管28连接到所设的出口 48。本范实施例中，与出口 48相比，入口 46设置在排气热交换i 各线38的下游侧， 热交换器18是逆流式热交换器。热交换器18被构造为使得当通道切换阀24处于内管26 (旁路通 道22)被关闭的排气热回收模式时，通过使废气流向排气热交换路线 38来执行热交换功能。在通道切换阀24打开内管26的正常模式下， 废气主要流经旁路通道22，从而执行排气旁路功能。注意，设置有发 动机冷却水管42的排气热交换路线38的流动阻力(压力损失)大于 开启的旁路通道22的流动阻力。这种构造使得在通道切换阀24打开 内管26的情况下，几乎没有废气流向排气热交换路线38。通道切换阀24由作为控制装置(未显示)的ECU (发动机控制部 件)控制，并且例如被设计为，当需要加快发动机12的暖机时(即当 发动机冷却水温度低于特定阈值(如80。C时))，关闭旁路通道22。排气热回收系统10还设置有将发动机冷却水的热回收用于加热器 的前暖气风箱50和后暖气风箱52，以及使发动机冷却水在前暖气风箱 50和后暖气风箱52之间循环的加热水通道54。前暖气风箱50和后暖 气风箱52平行设置。热交换器18在加热水通道54中设置在后暖气风 箱52的下游侧。也就是说，入口 46设置在加热水通道54中的后暖气 风箱52侧，出口 48设置在加热水通道54中的发动机12的上游侧。 本示范实施例中，热交换器18设置在发动机冷却水系统中与前暖气风 箱50平行并与后暖气风箱52串联。相应地，在排气热回收系统10中，此系统净皮设计为由于随着发动 机12的运行而运转的水泵(未图示)使得发动机冷却水沿图3的加热 水通道54上标出的箭头方向流动。由此，当来自发动机12的高温加 热水流经前暖气风箱50和后暖气风箱52时，水经历了热交换，且回 收的热用于加热器。在后暖气风箱52处冷却的发动机冷却水被导入热 交换器18,并在必要时(即，取决于ECU的控制)使其与废气交换热。该系统被设计为使得流经热交换器18的发动机冷却水同流经前暖气风箱50的发动机冷却水一起返回到发动机12。通过这种方式，从发动机 暖机的角度看，热交换器18被构造为作为在发动机冷却水导入发动机 12前加热发动才几冷却水的加热器。包括排气热回收系统10的热交换器18设置有自然对流水管56, 自然对流水管56连接外侧气缸42A的在重力方向上的上部和下部，其 中间部分位于外壳30的外侧。更具体地，自然对流水管56的主要结 构部分是，冷却水导入部件56A，其连接到外侧气缸42A的较内管26 (旁路通道22)低侧的部分；冷却水排出部56B,其连接到外侧气缸 42A的较内管26 (旁路通道22)高侧的部分；以及热释放部56C,其 穿过外管28并位于外壳30即热交换器18的外侧。由此，在排气热回收系统10中，自然对流水管56与位于冷却水 导入部件56A和基本位于外侧气缸42A的重力方向上的冷却水排出部 56B之间的部分构成第一环形自然对流循环路线58。在本范实施例中， 如图1所示，自然对流水管56 (即自然对流循环路线58 )相对于内管 26的左、右侧设置。同样，如图2所示，沿废气流向设置有多个自然 对流水管56。当从侧面看时，上述自然对流水管56中的每一个具有设置在与发 动机冷却水管42 (外侧气缸42A)的轴向正交的平面上的冷却水导入 部件56A和冷却水排出部56B。更具体地说，从侧^L图看时，连接冷 却水导入部件56A和冷却水排出部56B的想像的直线L设置为基本垂 直于发动机冷却水管42的轴向。此处，通过外侧气缸42A,从入口 46流入并从出口 48流出的发 动机冷却水总体从入口 46侧向出口 48侧基本均匀。相应地，该装置 净皮构造为，使得在发动机冷却水由于包括发动机冷却水管42的加热水 通道54中的水泵作用而受迫循环时，上述设置在想像的直线L上的冷却水导入部件56A和冷却水排出部56B (当从侧面看时)之间几乎没 有压力差。也就是说，压力差或压力比仍在设定值内。由此，在由于 水泵作用而受迫循环时，能防止发动机冷却水流向自然对流水管56。此外，将每个外侧气缸42A连4妄到内侧气缸42B的 一对上、下连 接管部件42C设置在发动机冷却水管42上，位于使每个自然对流水管 56设置在冷却水流动的方向上的位置处。由此，排气热回收系统10中， 内侧气缸42B的基本左半部或右半部、自然对流水管56以及包括在外 侧气缸42A中的将内侧气缸42B的半部分与自然对流水管56相连接 的部分形成第二自然对流循环^各线60。自然对流循环^各线60包括位于 热交换器18的外侧的热释放器56C，并与第一自然对流循环路线58 平行。此外，排气热回收系统IO被设计为使得当该系统处于排气热回收 模式时，排气热交换路线38中的位于内管26和内侧气缸42B之间的 空间作为排气通道。在正常模式下，此空间作为将旁路通道22 (高温 废气流经其中)与热交换路线44相分隔的隔热空气层。接下来，将说明第一示范实施例的效果。如上构造的排气热回收系统10中，当发动机冷却水的温度低时， 如刚启动发动机12后，ECU基于如加快暖机的需要来驱动通道切换阀 24关闭，使旁路通道22关闭。也就是说，排气热回收模式被选中。当 发生这种情况时，发动机12的废气被导入热交换器18的排气热交换 路线38而没有流向旁路通道22。在导入排气热交换路线38的废气与 发动机冷却水之间执行热交换，并且废气使发动机冷却水加热。由此， 加快了发动机12的暖才几。另一方面，如果发动机冷却水的温度上升并超过阈值，则ECU操 作通道切换阀24打开，^f吏旁路通道22打开。也就是说，ECLM人排气 热回收模式切换到正常模式。当这种情况发生时，废气主要流经旁路通道22。同时在这种情况下，由于发动机12 (即水泵)的动作，发动 才几冷却水在包括发动冲几冷却水管42的加热水通道54中循环。然后当发动机12停止时，水泵的动作停止，并且由于水泵停止发 动机冷却水的受迫循环停止。虽然发生了这些，但是在发动机12停止 后热交换器18的内管26 (旁路通道22)的高温状态维持一段时间。 来自该高温旁路通道22的热被传输到发动机冷却水管42中的发动机 冷却水。排气热回收系统10中，设置有连接外侧气缸42A的顶部和底部的 自然对流水管56，使得自然对流水管56和外侧气缸42A的一部分形 成第一自然对流循环路线58。此外，自然对流水管56、外侧气缸42A 的一部分和内侧气缸42B的左半部或右半部形成第二自然对流循环路 线60。由于在位于循环路线58和循环路线60的上侧和下侧之间的发 动机冷却水产生的比重差，使得自然对流循环路线58和自然对流循环 路线60中的发动机冷却水产生图1的箭头An所示的自然对流。比重 差是由于发动机冷却水的温度差导致的，该温度差归因于水泵的运行 停止后从旁3各通道22向发动机冷却水管42中的发动机冷却水传输的 热。此循环中流经热释放器56C的发动机冷却水通过与空气的热交换 器净皮冷却。由此，防止了发动4几冷却水的不正常的升温和沸腾。因为外侧气缸42A的相对于旁路通道22的上部和下部利用自然对 流水管56连4^,所以外侧气缸42A中未形成自然对流循环^^线58的 部分较少。相应地，在自然对流循环路线58中循环并在热释放器56C 处一皮冷却的发动才几冷却水的量增加。由此，有效地防止了发动才几冷却 水温度的上升。在排气热回收系统10中，当发动机12被停止时，通 过自然对流循环能防止发动机冷却水温度的上升，而不使用如电动马 达的动力。注意，自然对流水管56的冷却水导入部件56A和冷却水排出部 56B设置在外侧气缸42A中的与冷却水流向(轴线方向)垂直的平面 上(或当从侧面看时沿图2中的想象的直线L)。换句话说，当发动机 冷却水通过加热水通道54经历受迫循环时，冷却水导入部件56A和冷 却水排出部56B之间没有压力差。由于此原因，排气热回收系统10 中，无论在排气热回收模式还是在正常模式的情况下，发动机冷却水 均不流入自然对流水管56。因此，当如上所述停止发动才几12时，其在冷却水的浪费或不必要的冷却的同时，实现了防止发动机冷却水温度 升高的功能。根据本发明第一示范实施例的排气热回收系统10,由于在中间部 分设置了旁路通道22，排气能力变大。在本构造中，当发动机12关闭 时，发动机冷却水的温度可能变高，但是，能够防止发动机冷却水管 42中的冷却水的温度上升。注意，上述示范实施例中，示出了发动机冷却水管42形成双圆柱 形热交换路线44的例子，但是，本发明并不因此而受限制。举例来说， 如图4所示，发动才几冷却水管42也可^L构造为形成单一圓柱形热交换 路线44。在这种情况下，自然对流循环路线58被形成为与自然对流水 管56产生单一对流路线(见箭头B )。接下来，将描述本发明的另一示范实施例。注意，具有与第一示 范实施例中的基本相同的构造的零件和部件采用与第一示范实施例相 同的标记，并省略对其的说明。(第二示范实施例)图6示出了作为根据第二示范实施例的排气热回收装置的排气热 回收系统70的总体结构的流程图。如图所示，排气热回收系统70与 第一示范实施例的不同之处在于热交换器。第一示范实施例的热交换器18设置有朝向外管28的外侧突出的自然对流水管56。与此相反， 排气热回收热交换器72 (以下称为"热交换器72")没有自然对流水管 56。如图5A和图5B所示，热交换器72中，设置有内管26使轴线方 向为水平方向(如车辆的前后方向)。内管26穿过外管28的中心轴部， 外管28被单独限定为外壳。内管26在轴线方向的两端连接到排气管 14。内管26也可被构造为排气管14的一部分。此外，热交换器72设 置有圆锥缸32,圆锥缸32的上游端以气密状态固定在内管26的外周， 圆锥缸32的下游端连接到外管28的上游端28A。热交换器72还设置 有圆锥缸34，圓锥缸34的下游端以气密状态固定在内管26的外周， 圓锥缸34的上游端连4妄到外管28的下游端28B。热交换器72中的热交换部件35中形成有排气入口头36，其是 内管26和圆锥缸32之间的空间；排气热交换路线38,其是形成于内 管26和外管28之间的圓柱形空间；排气出口头40，其是内管26和圓 锥缸34之间的空间。内管26的内部作为上述的旁路通道22。设置在 圓锥缸32的内侧部上并连接到排气入口头36的热交换器入口孔26A 形成于内管26上，设置在圓锥缸34的内侧部并连接到排气出口头40 的热交换器出口孔26B形成于内管26上。冷却水管74设置在排气热交换路线38的内部，其包括作为热交 换器72中的发动机冷却水通道的冷却水热交换路线76 (以下称为"热 交换^^线76")。在本示范实施例中，冷却水管74在双缸的内侧形成圆 柱形热交换路线76。作为第一连接通道的冷却水入口管78在冷却水流 向(即受迫循环的方向)上的上游侧连接到冷却水管74。冷却水入口 管78穿过外管28并连接冷却水入口 76A和外管28的外侧部分(即稍 后描述的加热水通道54)。冷却水入口 76A位于轴线方向为水平方向 的圆柱形热交换路线76在重力方向上的最上部。同样，冷却水出口 76B位于冷却水管74在冷却水流向(即受迫循 环的方向)上的下游侧。冷却水出口 76B位于冷却水管74在重力方向 上的最下部，其开口朝向废气流向的上游侧。作为第二连接通道的冷 却水出口管80连接到冷却水出口 76B上。冷却水出口管80呈环形构 造使得其内径和外径与冷却水管74的内径和外径相匹配。冷却水出口 管80被构造为包括在废气流向的下侧与冷却水管74同轴设置的环管 82、穿过外管28并连接环管82在重力方向上的最上部和外管28的外 部的出口 84。 相应地，热交换3各线76的冷却水出口 76B通过冷却水 出口管80连4妄到外管28的外部。当从废气流向的上游侧看时，环管82的整体形状与冷却水管74 重叠，使得环管82完全隐藏在冷却水管74背后(即没有可见的部分)。 在本示范实施例中，环管82位于排气热交换路线38和排气出口头40 之间的分界线的附近，并稍微与冷却水管74的下游端分离。作为绝热部件的绝热器86设置在冷却水出口管80上并且具有隔 热结构。绝热器86设置为基本上跨越形成冷却水出口管80的环管82 和出口 84的内表面中的每一个的整个周围，绝热器86将冷却水出口 管80的内部与废气相绝热。注意，绝热器86还可以设置在冷却水出 口管80的外表面上(同时设置在内表面和外表面上)，但是，优选为 绝热器86的整个外部形状与冷却水管74重叠。对于绝热器86来说， 可使用如硅、耐热树脂、玻璃棉或保持在钢板上的陶瓷棉等的材料。上述热交换器72中，制成这种结构使得当通道切换阀24关闭内 管26 (旁路通道22)时，由于废气在排气热交换路线38中流动这实 现了热交换功能。当通道切换阀24打开内管26时，废气主要流经旁 路通道22并且实现了废气旁路功能。注意，设置有冷却水管74的排 气热交换路线38的流动阻力(压力损失)大于开启的旁路通道22的流动阻力。这种构造使得在通道切换阀24打开内管26的情况下，几 乎没有废气流向排气热交换路线38。通道切换阀24由作为控制装置(未显示)的ECU控制，并被设 计为，例如在发动机冷却水的温度低而需要加快发动机12的暖机或加 热的情况下，旁路通道22被关闭。与排气热回收系统10 —样，排气热回收系统70还设置有回收发 动机冷却水中的热用于加热器的前暖气风箱50和后暖气风箱52,以及 使发动机冷却水循环到前暖气风箱50和后暖气风箱52的加热水通道 54。前暖气风箱50和后暖气风箱52平行地设置于发动机12上。热交 换器72设置在加热水通道54中的后暖气风箱52的下游侧。也就是说， 冷却水入口管78设置在加热水通道54中的后暖气风箱52侧，而冷却 水出口管80的出口部84设置在加热水通道54中的发动机12的上游 侧。此示范实施例中，热交换器72在发动机冷却水系统中平行于前暖 气风箱50平行设置并且与后暖气风箱5串联。相应地，排气热回收系统70中，此系统被i殳计为使得发动机冷却 水在图6的加热水通道54上的箭头示出的方向流动。由此，该结构为 流经发动机12的高温加热水流经前暖气风箱50和后暖气风箱52时， 所述水经历了热交换并且回收的热用于加热器。在后暖气风箱52处冷 却的发动机冷却水被导入热交换器72，并与废气交换热。流经热交换 器72的发动机冷却水同流经前暖气风箱50的发动机冷却水一起返回 到发动机12。通过这种方式，对于加热操作，热交换器72作为在发动 机冷却水被发动机12加热前预热发动机冷却水的预热装置。本示范实施例中，用于发动机冷却水的受迫循环的加热水通道54 对应于形成用于使发动机冷却水经历自然对流的自然对流循环路线的 一部分的"自然对流通道"。接下来，将说明第二示范实施例的作用。在如上构造的排气热回收系统70中，当发动机冷却水的温度低时， 如刚启动发动机12后，ECU基于如加热或加快暖机发动机12的需要 而驱动通道切换阀24关闭，使旁路通道22关闭。也就是说，排气热 回收模式被选中。发动机12的废气被导入到热交换器72的排气热交 换路线38中而没有流向旁路通道22。在热交换器72中执行导入排气 热交换路线38的废气与发动机冷却水之间的热交换，废气使发动机冷 却水^皮加热。由此，加热被加快或发动机12暖机。另一方面，如果发动机冷却水的温度上升并超过阈值，则ECU操 作通道切换阀24打开，使旁路通道22打开。也就是说，ECU从排气 热回收模式切换到正常模式。当发生这种情况时，废气主要流经旁路 通道22。同样在这种情况下，由于发动机12的作用(即水泵)，发动 机冷却水通过包括冷却水管74的加热水通道54循环。然后当发动机12停止时，水泵的动作停止，并且由于水泵停止发 动机冷却水的受迫循环停止。在发动机12停止后，热交换器72的内 管26 (旁路通道22 )的高温状态保持一段时间。来自此高温旁路通道 22的热被传输到冷却水管74中的发动机冷却水。排气热回收系统72中，在冷却水出口管80处设置绝热器86。基 于这个原因，冷却水出口管80 (此处从废气获得的热相对较小)中的 发动机冷却水温度低于热交换路线76中的发动机冷却水的温度，且其 相对密度高于热交换路线76中的发动机冷却水的相对密度(在此，水 泵运行停止后排气热从旁路通道22被传输)。相应地，冷却水出口管 80中的发动机冷却水由于重力产生向下的流动，并从冷却水出口部 76B流进热交换路线76在纵向上的最4氐部。由此，热交换路线76内 的发动机冷却水被推出，并产生向冷却水入口部76A的流动。也就是 说，在热交换器72 (外管28)的内部发生发动机冷却水的自然对流。通过这种方式，因为当发动机12被停止时发生发动机冷却水的自然对流(即环流)，所以避免了发动机冷却水的温度过度升高和沸腾。尤其是在热交换器72中，由于在中间部分设置了旁路通道22所以排 气能力大。在此结构中，当发动机12关闭时发动机冷却水温度可能变 高，但是，通过设置冷却水出口管80 (主要是环管82)和绝热器86 ， 能够防止冷却水管74中冷却水的高温。此外，热交换器72中，与当发动机12停止时使用装置(例如， 电泵)以产生发动机冷却水的受迫循环流动的结构相比，没有消耗电 力。基于此原因，在避免发动机冷却水的温度过度增加和沸腾的同时， 不会影响燃料消耗。此外，当从废气流动的方向看时，热交换器72中，环管82的截 面形状与冷却水管74的截面形状基本相同，并且环管82隐藏在冷却 水管74的后面使得环管82不会妨碍废气流动。相应地，通过设置包 括环管82的冷却水出口管80，防止了废气流动背压的增加。此外，因 为环管82的截面形状与热交换路线76的截面形状基本匹配，所以能 够在增加低温发动机冷却水的残留量的同时保持抑制背压的上述效 果。热交换器72中，由于热交换路线76形成为圓柱形的形状，系统 70 4皮构造为4吏得在发动4几冷却水的循环方向上形成发动机冷却水通道 (在本示范实施例中为单一的一个)的同时，保留所需的表面积。基 于此原因，由于自然对流使得不太可能发生发动机冷却水的停滞，并 且能够有效地防止热交换部件35 (外管28)中冷却水温度的升高。同样，热交换器72中，因为环管82相对于冷却水管74位于废气 流向的下游侧，所以从环管82中的废气获得的热变少。基于此原因， 能够进一步降低环管82内部的发动机冷却水的温度。相应地，在发动 才几12停止时可加快自然对流。26热交换器72中，通过设置绝热器86，设置在外管28中的环管82 内的发动机冷却水的相对密度变得相对大。与冷却水通道的一部分通 过冷却水管74设置在外管28的外侧的结构相比，防止了在车辆行进 期间环管82由于飞石等被损害。也就是说，环管82被外管28保护。(第三示范实施例)接下来，将参照图7说明用作形成根据本发明的第三示范实施例 的排气热回收系统的排气热交换器的排气热回收热交换器90 (下文称 为"热交换器90")。图7A示出了热交换器90的截面图。图7B示出沿图7A中的线 B-7B的截面图。如图所示，热交换器90与根据本发明的第二示范实 施例的热交换器72不同之处在于环管82,此处冷却水出口管80是与 冷却水管74分离的单独部分，热交换器90包括与冷却水管74 —体设 置的环形管3各线92。具体来说，环形管路线92设置有位于冷却水管74的下游侧端的 分割板94,由此环型管路线92被形成为与热交换路线76相隔开的发 动机冷却水路线(第二连接通道)。分割板94形成为环形部以便与热 交换路线76 (冷却水管74)的截面形状相对应，并其最低部沿水平方 向4皮切断。从环形部的最上部向上延伸的部分进入出口部84。由此， 环形管路线92和热交换路线76通过形成为分割板94的截止部(cutoff portion)的冷却水出口部76B连接。通过环管82，绝热器86设置在以这种方式形成的环形管路线92 上。除了热交换器90以外，其它构造与热交换器72的相应构造相同。相应地，根据本发明的第三示范实施例的热交换器卯，能够获得 与根据第二示范实施例的热交换器72相同的功能和相同的效果。此外， 热交换器90中，因为环形管路线92与冷却水管74—体形成，所以在冷却水管74和环形管路线92之间没有形成废气流经的缝隙，这与第 二示范实施例中的热交换器72不同。因此，环形管路线92和废气之 间的接触面积变小。基于此原因，环形管路线92从废气获得的热进一 步减少，并能维持环形管路线92内的发动机冷却水的低温。注意，上述第二和第三示范实施例中，示出了冷却水入口管78为 发动机冷却水受迫循环流动的入口部而冷却水出口管80为出口部的例 子(即平行流动式热交换器)，但是，本发明并不局限于此。举例来说， 该系统可以做成，受迫循环的发动机冷却水从冷却水出口管80的出口 部84导入而/人冷却水入口管78排出。此外，上述第二和第三示范实施例中，示出了热交换路线76形成 于单一冷却水管74上的实例，但是，本发明并不因此而受限制。举例来说，热交换路线76能形成为多个e同轴气缸，或能形成为多个直管。此外，上述第二和第三示范实施例中，示出了旁路通道22形成在 包括热交换器72的内管26的内部，但是，本发明并不因此而受限制。 举例来说，旁路通道22能设置为位于热交换器72 —侧的多个平行的 管道。同样，本发明能够用于不设旁路通道22的排气热回收装置。
权利要求
1、一种排气热回收装置，包括热交换器，其执行废气与冷却介质之间的热交换；及自然对流通道，其一端连接到在所述热交换器中的冷却介质通道的重力方向上的上部，另一端连接到所述冷却介质通道的重力方向上的下部。
2、 如权利要求1所述的排气热回收装置，其中所述自然对流通道 的中间部分位于所述热交换器的外侧。
3、 如权利要求1或2所述的排气热回收装置，其中所述热交换器 具有执行所述废气与所述冷却介质之间的热交换并在沿水平方向设置 的旁路部件的周围形成的热交换部件，并且所述热交换器被构造为在 所述废气流经所述旁路的状态和所述废气流经所述热交换部件的状态 间可切换。
4、 一种排气热回收装置，包括热交换器，其执行废气与冷却介质之间的热交换；及自然对流通道，其一端连接到在所述热交换器中的冷却介质通道 的重力方向上的上部，另一端连接到所述冷却介质通道的重力方向上 的下部，而中间部分位于所述热交换器的外侧。
5、 一种排气热回收装置，包括热交换器，其具有执行废气与冷却介质之间的热交换并在沿水平 方向设置的旁路部件的周围形成的热交换部件，并且所述热交换器被构造为在所述废气流经所述旁路的状态和所述废气流经所述热交换部件的状态间可切换；及自然对流通道，其一端连接到设置在所述热交换器中的冷却介质 通道的重力方向上的上部，另一端连接到所述冷却介质通道的重力方 向上的下部，而中间部分位于所述热交换器的外侧。
6、 如权利要求3或5所述的排气热回收装置，其中所述自然对流 通道的一端连接到所述冷却介质通道中位于所述旁路部件上方的在重 力方向上的上侧部，另 一端连接到位于所述旁路部件下方的在重力方 向上的下侧部。
7、 如权利要求1至6中任一项所述的排气热回收装置，其中所述 冷却介质通道包括冷却介质循环路线的如下部分当在所述废气与所并且所述自然对流通道的所述一端和所述另 一端连接到所述冷却介质 通道的如下部分当冷却介质在所述冷却介质通道中被强制循环时， 在所述部分处所述自然对流通道的所述一端与所述另 一端之间的压力 差变得小于预定值。
8、 如权利要求1至6中任一项所述的排气热回收装置，其中所述 冷却介质通道包括冷却介质循环路线的如下部分当在所述废气与所并且所述自然对流通道的所述一端和所述另一端连接到处于与所述冷 却介质通道中所述冷却介质受迫循环的流向垂直的平面上的位置。
9、 如权利要求1至3中任一项所述的排气热回收装置，其中所述 热交换器包括外壳，其具有所述废气流经的排气通道和邻近所述排气通道设置的所述冷却介质流经的冷却介质通道；第一连接通道，其在所述冷却介质通道的所述冷却介质流向上的 一端处连接到所述冷却介质通道的重力方向上的上部，并形成所述自 然对流通道一端侧的 一个部分；第二连接通道，其在所述冷却介质通道的所述冷却介质流向上的 另一端处连接到所述冷却介质通道的重力方向上的下部，并形成所述 自然对流通道另 一端侧的一个部分；及绝热部件，其使所述第二连接通道的位于所述外壳内的部分与所 述废气相绝热。
10、 一种排气热回收装置，包括热交换器，所述热交换器包括外壳，其具有废气流经的排气通道和邻近所述排气通道设置 的冷却介质流经的冷却介质通道；第一连接通道，其在所述冷却介质通道的所述冷却介质流向 上的一端处连通所述外壳的外部和所述冷却介质通道的重力方向上的 上部；第二连接通道，其在所述冷却介质通道的所述冷却介质流向 上的另一端处连通所述外壳的外部和所述冷却介质通道的重力方向上 的下部；及绝热部件，其使所述第二连接通道的位于所述外壳内的部分 与所述废气相绝热。
11、 如权利要求9或IO所述的排气热回收装置，其中，当从所述 废气流动的方向看时，所述第二连接通道除去穿透所述外壳的部分后 的部分形成为完全与所述冷却介质通道重叠。
12、 如权利要求11所述的排气热回收装置，其中，当从所述废气 流动的方向看时，所述第二连接通道除去所述穿透所述外壳的部分后 的所述部分具有与所述冷却介质通道的截面形状相同的截面形状。
13、 如权利要求11或12所述的排气热回收装置，其中所述冷却 介质通道形成为同轴地围绕所述排气通道的圓柱形。
14、 如权利要求11至13中任一项所述的排气热回收装置，其中 所述第二连接通道在所述废气流向上设置在所述冷却介质通道的下游侧。
15、 如权利要求9至14中任一项所述的排气热回收装置，其中所 述第二连接通道通过用分割板在所述冷却介质流向上分割所述冷却介 质通道的另一端而形成。
全文摘要
本发明提供一种能够防止热交换器中的冷却介质达到高温的排气热回收装置。排气热回收装置10设置有热交换器18，其在废气与冷却介质之间执行热交换；自然对流水管56，其一端连接到热交换器18中的发动机冷却水管42的在重力方向上的上部，其另一端连接到发动机冷却水管42在重力方向上的下部，其中间部分位于热交换器18的外侧。
文档编号G01N7/08GK101405484SQ20078000929
公开日2009年4月8日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月16日
发明者大谷哲郎, 山田武志 申请人:丰田自动车株式会社