专利名称：排气热回收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于车辆例如汽车的排气热回收装置。
技术背景公知的是，利用热管原理来回收从车辆引擎的排气系统排放的废气的 热量，并将所回收的热量用于其它目的例如对引擎加温。例如，日本未审查的专利申请公布No.62-268722描述了一种用于利用来自引擎的废气的 热量来加热引擎冷却剂的排气热回收装置。具体地，具有热管的蒸发单元 设置在引擎排气管中，废气流过该引擎排气管，具有热管的冷凝单元设置 在引擎冷却剂回路中，引擎冷却剂流过该弓I擎冷却剂回路。作为另一例子，日本未审查专利申请公布No.4-45393描述了一种循环 热管热交换器。所公开的热交换器包括循环闭合回路通道，填充有内部 热传递流体；设置在回路通道上的蒸发单元，用于通过接收外部热来蒸发 其中的内部热传地流体；以及在比蒸发单元更高的位置处设置在回路通道 上的冷凝单元，用于执行所蒸发的内部热传递流体和外部热传递流体之间 的热交换。图6示出了排气热回收装置的例子。在图6所示的排气热回收装置中， 用作热交换单元的蒸发单元n和冷凝单元J2在水平方向上彼此相邻地设 置。蒸发单元J1和冷凝单元J2的热管J3的端部连接到集管(header)(连通 部)J5，使得蒸发单元J1的热管J3通过集管J5与冷凝单元J2的热管J3连通。在这种热回收装置中，通过回收废气的热量而立即升高引擎冷却剂的 温度，特别是在例如冬季在引擎的冷启动时。因此，可以改进燃料效率和 加热操作。另一方面，在引擎高负荷的情况下，例如在炎热的夏季，必须 限制废气的热量回收，以避免引擎过热。例如，提出了设置带有阀单元的排气热回收装置，所述阀单元例如隔膜式阀单元，用于停止工作流体的循环。隔膜式阀单元由隔膜和阀体构成， 所述隔膜可响应工作流体的压力而运动，所述阀体由所述隔膜驱动。阀单 元限制过度地回收热量。发明内容基于上述问题而作出本发明，本发明的目的是提供一种能够以简单的 结构限制热量的过度回收的排气热回收装置。根据本发明的一方面，排气热回收装置包括蒸发单元、冷凝单元、蒸 发侧连通部、冷凝侧连通部以及节流部。蒸发单元设置在从引擎排出的废 气通过其流动的废气通道中，用于执行废气和流过其中的工作流体之间的 热交换，从而蒸发工作流体。冷凝单元设置在引擎冷却剂流过其中的冷却 剂通道中，用于执行引擎冷却剂和已经在蒸发单元中蒸发的工作流体之间 的热交换，从而冷凝工作流体。蒸发侧连通部连接所述蒸发单元和所述冷 凝单元，用于将蒸发的工作流体从蒸发单元引入到冷凝单元中。冷凝侧连 通部连接所述冷凝单元和所述蒸发单元，用于将冷凝的工作流体从冷凝单 元引入到蒸发单元中。节流部设置在冷凝侧连通部中。所述节流部被构造成限制过度回收排气热量。因此，通过具有简单结 构的节流部来限制热量的过度回收。例如，节流部由具有节流孔的固定节流件构成。可以通过设置节流部 的节流孔的开口程度和密封在排气热回收装置中的工作流体的量来确定 排气热回收装置中回收的热量的量的上限。作为另一例子，通过可变节流件来提供所述节流部，该可变节流件能 够根据工作流体的温度改变工作流体流过其中的节流孔的开口程度。根据本发明的第二方面，排气热回收装置包括蒸发单元、冷凝单元、 蒸发侧连通部和冷凝侧连通部。蒸发单元设置在废气通过其流动的废气通 道中，用于执行废气和流过其中的工作流体之间的热交换，从而蒸发工作 流体。冷凝单元设置在引擎冷却剂流过其中的冷却剂通道中，用于执行引 擎冷却剂和已经在蒸发单元中蒸发的工作流体之间的热交换，从而冷凝工 作流体。蒸发侧连通部连接所述蒸发单元和所述冷凝单元，并限定用于将 工作流体从蒸发单元引入到冷凝单元中的通道。冷凝侧连通部连接所述冷凝单元和所述蒸发单元，并限定用于将工作流体从冷凝单元引入到蒸发单 元中的通道。冷凝侧连通部包括具有减小的通道面积的节流部。因此，通过局部减小冷凝侧连通部的通道面积来限制热量的过度回收。
从下面参照附图的详细描述中，本发明的其它目的、特征和优点将变 得明显，其中，相同的部件用相同的标号表示图l是根据本发明第一实施例的排气热回收装置的示意性剖视图；图2A和图2B是示出作为比较例的排气热回收装置的操作的原理图；图2C和图2D是示出根据第一实施例的排气热回收装置的操作的原理图；图3A是在工作流体低温情况下根据本发明第二实施例的排气热回收装置的蒸发侧连通部的放大的示意性剖视图；图3B是在工作流体高温情况下根据本发明第二实施例的排气热回收装置的蒸发侧连通部的放大的示意性剖视图；图4是根据本发明第三实施例的排气热回收装置的冷凝侧连通部的放 大的示意性剖视图；图5是根据本发明另一实施例的排气热回收装置的冷凝侧连通部的放 大的示意性剖视图；图6是现有技术的排气热回收装置的示意性剖视图。优选实施方式(第一实施例)参照图l，本发明第一实施例的排气热回收装置应用在由引擎(例如， 内燃机)驱动的车辆中，用于回收来自引擎的排气系统的废气的排气热量 并且将该热量用来帮助加热引擎等。排气热回收装置通常包括蒸发单元1和冷凝单元2。蒸发单元l设置在 与废气通道(未示出)连通的第一外壳100中，从引擎排放的废气流过废 气通道。在本实施例中，例如，第一外壳100设置在排气管中，废气流过排气管。蒸发单元l执行废气和流过其中的工作流体之间的热交换，从而 蒸发工作流体。冷凝单元2设置在排气管的外部。冷凝单元2设置在与引擎的冷却剂通 道(未示出)连通的第二外壳200中，引擎冷却剂流过冷却剂通道。冷凝 单元2执行已经在蒸发单元1中蒸发的工作流体和引擎冷却剂之间的热交 换，从而冷凝工作流体。第二外壳200具有冷却剂入口201和冷却剂出口 202。冷却剂入口201在引擎的下游位置连接到冷却剂通道，用于将冷却剂 引入到第二外壳200中。冷却剂出口202在引擎的上游位置连接到冷却剂通 道，用于将冷却剂从第二外壳200引到冷却剂通道。例如，在本实施例中，第一外壳100和第二外壳200彼此相邻地设置。 另外，在第一外壳100和第二外壳200之间设置有间隙。冷凝单元l具有多个蒸发侧热管3a和连接到热管3a的外表面的蒸发侧 散热片(fm) 4a。例如，散热片4a为波纹散热片。热管3a中的每个具有大 致扁平的管形形状。热管3a被定位成它的纵轴线在图l中的垂直方向V例如 上下方向上延伸。另外，热管3a被定位使得在垂直于管3a的纵轴线的方向 上限定的剖面的主轴线基本上平行于废气的流动方向，例如在垂直于图l 的纸面的方向上。在管堆叠方向H例如在水平方向上，热管3a相互平行地 堆叠。蒸发单元l在热管3a的两端具有蒸发侧集管5a。集管5a在管堆叠方向H 上延伸，从而与所有热管3a连通。与热管3a的上端连通的一个集管5a被称 为第一蒸发侧集管51a，与热管3a的下端连通的另一集管5a被称为第二蒸 发侧集管52a。冷凝单元2包括连接到热管3b的外表面的冷凝侧热管3b和冷凝侧散热 片4b。例如，散热片4b是波纹散热片。热管3b为大致扁平的管。热管3b 中的每个被定位使得它的纵轴线在图1中的垂直方向V例如上下方向上延 伸。另外，热管3b被定位使得在垂直于管3b的纵轴线的方向上限定的剖面 的主轴线基本上平行于蒸发单元l的废气的流动方向，例如在垂直于图l的 纸面的方向上。在管堆叠方向H上，例如在水平方向上，热管3b相互平行 地堆叠。冷凝单元2在热管3b的两端具有冷凝侧集管5b。集管5b在管堆叠方向H上延伸，从而与所有热管3b连通。与热管3b的上端连通的一个集管5b被 称为第一冷凝侧集管51b，与热管3b的下端连通的另一集管5b被称为第二 冷凝侧集管52b。蒸发侧集管5a通过连通部6与冷凝侧集管5b连通，连通部6具有基本上 管形形状。因此，通过热管3a和3b、集管5a和5b以及连通部6形成封闭的 环路。该路径填充有能够被蒸发和冷凝的工作流体例如水、酒精等。工作 流体通过蒸发单元1和冷凝单元2循环。位于上侧并连接第一蒸发侧集管51a和第一冷凝侧集管51b的一个连 通部6被称为蒸发侧连通部61。在蒸发单元l中蒸发的工作流体被通过蒸发 侧连通部61引入到冷凝单元2中。位于下侧并连接第二蒸发侧集管52a和第二冷凝侧集管52b的另一连 通部6被称为冷凝侧连通部62。在冷凝单元2中冷凝的工作流体被通过冷凝 侧连通部62引入到蒸发单元1中。冷凝侧连通部62具有作为节流部的固定节流件7a。在本实施例中，节 流构件70设置在冷凝侧连通部62中，通过节流构件70来提供固定节流件 7a。也就是说，节流构件70被设置使得冷凝的工作流体流过其中的通道的 通道面积(例如，横截面积)在冷凝侧连通部62中局部地减小。节流构件70形成具有减小的横截面的节流孔。例如，节流构件70具有 这样的形状，使得节流孔的横截面积相对于冷凝的操作流体的流动从上游 端向中间部分逐渐减小并且从中间部分向下游端逐渐增大。节流构件70具 有第一锥形管状壁701和第二锥形管状壁702，第一锥形管状壁701的内径 相对于工作流体的流动从上游位置向下游位置减小，第二锥形管状壁702 从第一锥形管状壁701的下游端连续地延伸。第二锥形管状壁702的内径相 对于工作流体的流动从上游位置向下游位置增加。接着，将描述排气热回收装置的操作。图2A和图2B是示出作为比较 例的没有节流部的排气热回收装置的操作的原理图。图2C和图2D是示出 本发明的排气热回收装置的操作的原理图。图2A和图2C示出了引入到排气热回收装置中的废气的热量的量Qin为第一值Ql的情况。图2B和图2D示出了废气的热量的量Qin为大于第一值 Q1的第二值Q2的情况。在图2A至图2D中，为了便于解释，通过单个热管3a简单地表示多个蒸发侧热管3a。类似地，通过单个热管3b简单地示出多 个冷凝侧热管3b。此外，在图2A至图2D中省略了对散热片4a、 4b和第一 外壳100及第二外壳200的表示。在蒸发单元1中蒸发的工作流体通过蒸发侧连通部61在冷凝单元2中 流动。在冷凝单元2中，工作流体被冷凝和液化。液化的工作流体通过冷 凝侧连通部62在蒸发单元1中流动。由于工作流体在蒸发单元1中的蒸发和工作流体在冷凝单元2中的冷 凝的平衡，所以在蒸发单元l和冷凝单元2之间产生工作流体的水位差h。 工作流体由于水位差h而从冷凝单元2返回到蒸发单元l中。这样，工作流体在排气热回收装置中循环。在图2A所示的排气热回收装置中，工作流体的回流的压力损失AP1 与水位差h满足下面的关系APl=pgh在上面的等式中，p表示液相工作流体的密度，g表示重力加速度。这 里，工作流体的密度p和重力加速度g是恒定的。因此，当废气的热量的量 Qin恒定时，水位差h由压力损失APl确定。Qout表示传递到冷凝单元2中的冷却剂的热量的量。如图2B所示，当废气的热量的量Qin增加时，工作流体的回流的量增 加。这样，工作流体的流速增加。因此，工作流体的回流的压力损失AP1 增加，因而水位差h增加。在图2C所示的本实施例中，由于冷凝侧连通部62设置有固定节流件 7a，所以工作流体的回流的压力损失AP'由压力损失APl和固定节流件引起 的压力损失AP2之和(即，AP'=AP1+AP2)确定。在这种情况下，蒸发单 元l和冷凝单元2之间的水位差h2比图2A所示的排气热回收装置的水位差h 大的量为固定节流件7a的压力损失AP2。因而，当废气的热量的量Qin如图2D所示增加时，工作流体的回流的 压力损失AP'增加。这样，使工作流体返回所需的水位差h2增加。当难以 保持使工作流体返回所需的水位差h2时，返回到蒸发单元l的工作流体的量受到限制。因此，在排气热回收装置中回收的热量的量稳定下来。在本实施例中，固定节流件7a设置在冷凝侧连通部62中。通过预先设置固定节流件7a的开口度(例如，固定节流件7a的节流孔的通道面积)和 填充在排气热回收装置中的工作流体的量来确定在排气热回收装置中回 收的热量的量的上限。因而，与具有由隔膜、阀体等构成的隔膜型阀单元的排气热回收装置 相比，简化了用于限制过度热回收的结构。 (第二实施例)将参照图3A和图3B来描述本发明的第二实施例。与第一实施例中相 同的部件将用相同的标号表示，并且不对其重复描述。在第二实施例中，冷凝侧连通部62设置有可变节流件7b作为节流部， 代替第一实施例中的固定节流件7a。可变节流件7b被构造成根据工作流体 的温度改变限定在其中的节流孔的开口程度，即，工作流体的通道的横截 面积。图3A示出了当工作流体的温度低时可变节流件7b的情况，图3B示出 了当工作流体的温度高时可变节流件7b的情况。可变节流件7b被构造使得 开口程度根据工作流体的温度增加而减小。在本实施例中，可变节流件7b由根据周围温度可变形的材料制成。例 如，可变节流件7b的材料可以为双金属(bi-metal)、形状记忆合金等。另 外，在本实施例中，可变节流件7b被构造使得即使当流过冷凝侧连通部62 的工作流体的温度增加时工作流体的通道也不完全封闭。接着，将描述第二实施例的排气热回收装置的操作。当废气的热量的 量Qin增加时，在排气热回收装置中回收的热量的量增加。在本实施例中， 可变节流件7b设置在冷凝侧连通部62中。当废气的热量的量Qin增加时， 工作流体的温度增加。因而，可变节流件7b的开口程度随着操作流体的温 度的增加而降低，因而压力损失AP2增加。这样，在排气热回收装置中回 收的热量的量的增加被限制在特定点。当废气的热量的量Qin进一步增加 时，可变节流件7b的开口程度进一步减小，因而压力损失AP2进一步增大。 结果，工作流体的回流量减小，从而在排气热回收装置中回收的热量的量 降低。在本实施例中，冷凝侧连通部62设置有可变节流件7b，可变节流件7b 根据工作流体的温度增加来改变开口程度。因此，在排气热回收装置中回收的热量的量根据工作流体的温度的增加而降低。因为当引擎负荷高时， 例如在夏季工作流体的温度高时，在排气热回收装置中回收的热量的量受 到限制，所以引擎不易过热。 (第三实施例)将参照图4描述本发明的第三实施例。与第一实施例相同的部件将用 相同的标号表示，并且不重复对其描述。如图4所示，本实施例的排气热回收装置具有在冷凝侧连通部62中的 可变节流件7c，作为节流部。可变节流件7c包括节流孔71、用于打开和关 闭节流孔71的阀体72、以及温敏可变形构件73。可变形构件73的一端连接 到阀体72的与节流孔71相反的一侧的端壁。可变形构件73的另一端连接到 设置在冷凝侧连通部62中的支撑构件74。可变形构件73可响应温度变形。例如，可变形构件73被构造成当穿过 冷凝侧连通部62的工作流体的温度超过预定温度时热膨胀。例如，可变形 构件73由热膨胀系数大于冷凝侧连通部62的金属的热膨胀系数的热蜡、热金属或类似物制成。当穿过冷凝侧连通部62的工作流体的温度增加时，阀体72在减小节流 孔71的开口程度的方向上移动。另一方面，当穿过冷凝侧连通部62的工作 流体的温度降低时，阀体72在增大节流孔71的开口程度的方向上移动。在 本实施例中，即使当穿过冷凝侧连通部62的工作流体的温度增加时阀体72 也不完全关闭节流孔71。由于冷凝侧连通部62设置有根据工作流体的温度增加而改变节流孔 71的开口程度的可变节流件7c，所以在排气热回收装置中回收的热量的量 根据工作流体的温度增加而减小。这样，将提供与第二实施例相似的效果。 (其它实施例)在第一实施例中，节流构件70形成节流孔，该节流孔的内径相对于工 作流体的流动从上游位置向中间位置逐渐减小并且从中间位置向下游位 置逐渐增大。然而，节流构件70的节流孔的形状不限于上述形状。例如， 节流构件70可以具有圆柱形形状，并可以具有基本上恒定的通道面积。在第一实施例中，通过节流构件70提供固定节流件7a。然而，如图5 所示，可以通过局部减小冷凝侧连通部62的通道面积(例如，内径)来形成固定节流件7a。在这种情况下，减少了部件的数目。此外，通过设置固定节流件7a的内径d和长度L来确定固定节流件7a的压力损失AP2。在第二和第三实施例中，可变节流件7b和7c被设置成直接接触工作流体，并根据工作流体的温度机械地控制可变节流件7b和7c的开口程度。可选地，可以单独地采用温度传感器来检测穿过冷凝侧连通部62的工作流体的温度，并且可变节流件7b和7c可以被构造成基于温度传感器所检测的温度来电子控制可变节流件7b和7c的开口程度。在上面的实施例中，冷凝侧连通部62被示例性地水平定位。然而，冷凝侧连通部62的定位不限于此。冷凝侧连通部62可以相对于水平方向倾斜。其它优点和变形对本领域技术人员来说是容易想到的。因此，广义上 本发明不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和示例性例子。
权利要求
1.一种排气热回收装置，包括蒸发单元，该蒸发单元设置在废气通道中，从引擎排出的废气通过所述废气通道流动，所述蒸发单元用于执行废气和流过其中的工作流体之间的热交换，从而蒸发工作流体；冷凝单元，该冷凝单元设置在冷却剂通道中，引擎冷却剂通过所述冷却剂通道流动，所述冷凝单元用于执行引擎冷却剂和已经在蒸发单元中蒸发的工作流体之间的热交换，从而冷凝工作流体；连接所述蒸发单元和所述冷凝单元的蒸发侧连通部，其用于将工作流体从蒸发单元引入到冷凝单元中；连接所述冷凝单元和所述蒸发单元的冷凝侧连通部，其用于将工作流体从冷凝单元引入到蒸发单元中；以及设置在所述冷凝侧连通部中的节流部。
2. 根据权利要求l所述的排气热回收装置，其中，所述节流部包括固 定节流件。
3. 根据权利要求2所述的排气热回收装置，其中，通过局部减小所述 冷凝侧连通部的通道面积来设置所述固定节流件。
4. 根据权利要求l所述的排气热回收装置，其中， 所述节流部包括可变节流件，该可变节流件被构造成根据工作流体的温度改变工作流体流过其中的节流孔的开口程度。
5. 根据权利要求4所述的排气热回收装置，其中，所述可变节流件被构造使得开口程度根据工作流体的温度增加而减
6. —种排气热回收装置，包括-蒸发单元，该蒸发单元设置在废气通道中，从引擎排出的废气通过所 述废气通道流动，所述蒸发单元用于执行废气和流过其中的工作流体之间 的热交换，从而蒸发工作流体；冷凝单元，该冷凝单元设置在冷却剂通道中，引擎冷却剂通过所述冷却剂通道流动，所述冷凝单元用于执行引擎冷却剂和已经在蒸发单元中蒸 发的工作流体之间的热交换，从而冷凝工作流体；连接所述蒸发单元和所述冷凝单元的蒸发侧连通部，其限定用于将工 作流体从蒸发单元引入到冷凝单元中的通道；以及连接所述冷凝单元和所述蒸发单元的冷凝侧连通部，其限定用于将工 作流体从冷凝单元引入到蒸发单元中的通道；其中所述冷凝侧连通部包括具有减小的通道面积的节流部。
全文摘要
一种排气热回收装置，包括蒸发单元、冷凝单元、蒸发侧连通部和冷凝侧连通部。蒸发单元设置在废气通过其流动的废气通道中，并执行废气和流过其中的工作流体之间的热交换，从而蒸发工作流体。冷凝单元设置在引擎冷却剂流过其中的冷却剂通道中，并执行引擎冷却剂和已经在蒸发单元中蒸发的工作流体之间的热交换，从而冷凝工作流体。蒸发侧连通部连接所述蒸发单元和所述冷凝单元，用于将工作流体引入到冷凝单元中。冷凝侧连通部连接所述冷凝单元和所述蒸发单元，用于将冷凝的工作流体引入到蒸发单元中。冷凝侧连通部设置有节流部。
文档编号F28D15/02GK101251060SQ20081008073
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月18日 优先权日2007年2月19日
发明者井上诚司, 宫川雅志, 小原公和, 山中保利, 村松宪志郎 申请人:株式会社电装