排氣熱回收裝置的制作方法

專利名稱：排氣熱回收裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種排氣熱回收裝置，其執行廢氣(如汽車的廢氣) 與冷卻液之間的熱交換并且回收所述廢氣中的熱。
背景技術：
如/>開號為2004-293395和2002-147291的日本專利申請所示，用 于發動機的排氣冷卻部件是眾所周知的，其中雙管結構具有內管和外 管，且在外管的內部的上游側設置有排氣控制閥。排氣冷卻器設置在 內管和外管之間，其執行冷卻水與廢氣之間的熱交換。發明內容在如上提到的技術中，當發動機停止時，在排氣冷卻器中的冷卻 水通道中的冷卻水停止循環。由于殘留熱，冷卻水的溫度可能會上升 至沸騰。本發明是根據上述情況做出的，并且提供了 一種排氣熱回收裝置， 其能夠防止熱交換器內部的冷卻液的溫度升高。為了實現上述目的，根據本發明的第 一方案的排氣熱回收裝置包 括熱交換器，其執行廢氣與冷卻介質之間的熱交換；及自然對流通道, 其一端連接到在熱交換器中的冷卻介質通道的重力方向上的上部，另 一端連接到冷卻介質通道的重力方向上的下部。第一方案的排氣熱回收裝置中，熱交換器的冷卻介質通道和自然 對流通道構成冷卻介質由于自然對流(即相對密度差)能夠循環的自然對流循環3各線。自然對流通道連接到冷卻介質通道的重力方向上的 上部和下部。由于該自然對流循環路線中的冷卻介質的溫度差，冷卻 介質通過自然對流循環路線循環。由此，即使是在熱交換器中的冷卻 介質通道中不產生受迫流動的結構，也能避免冷卻介質在熱交換器的 高溫部附近的積聚。相應地，冷卻介質不會達到高溫。以這種方式，利用本方案的排氣熱回收裝置，能夠防止熱交換器 內部的冷卻介質達到高溫。本發明的第二方案包括第一方案的排氣熱回收裝置，其中自然對 流通道的中間部分位于熱交換器的外側。在根據本發明的第二方案的排氣熱回收裝置中，自然對流通道的 中間部分位于熱交換器的外側。當冷卻介質通過自然對流循環通道循 環時，熱量被分散在自然對流通道的中間部分。由此，能夠有效地防 止冷卻介質達到高溫。本發明的第三方案包括第一或第二方案的排氣熱回收裝置，其中，的旁路部件的周圍形成的熱交換部件。熱交換器被構造為在廢氣流經 旁路的狀態和廢氣流經熱交換部件的狀態間可切換。第三方案的排氣熱回收裝置中，圓柱形熱交換部件沿水平方向形成于"i殳置的旁路部件的周圍。冷卻介質通道^:置在該熱交換部件中以 便其能夠執行與廢氣的熱交換。通過該結構，相對于冷卻介質量的熱 交換器中的廢氣量是很大的。即使在具有很多熱量的這種構造中，也 能夠防止在自然對流循環路線(route)中循環的冷卻介質達到高溫而 不用依賴冷卻介質的受迫流動。根據本發明的第四方案的排氣熱回收裝置，包括熱交換器，其執行廢氣與冷卻介質之間的熱交換；及自然對流通道，其一端連接到在熱交換器中的冷卻介質通道的重力方向上的上部，其另一端連接到冷 卻介質通道的重力方向上的下部，而其中間部分位于熱交換器的外側。第四方案的排氣熱回收裝置中，熱交換器的冷卻介質通道和自然 對流通道構成冷卻介質由于自然對流(即相對密度差)能夠循環的自 然對流循環路線。自然對流通道連接到冷卻介質通道的重力方向上的 上部和下部。因為自然對流通道的中間部分位于熱交換器的外側，當 冷卻介質在自然對流循環通道中循環時，其在自然對流通道的中間部 分處釋放熱量，并被冷卻。雖然該結構不會在熱交換器的冷卻介質通 道中產生受迫流動，但是也能避免冷卻介質在熱交換器的高溫部附近 的積聚，并且冷卻介質不會達到高溫。以這種方式，利用第四方案的排氣熱回收裝置，能夠防止熱交換 器內部的冷卻介質達到高溫。根據本發明的第五方案的排氣熱回收裝置，包括熱交換器，其具 有執行廢氣與冷卻介質之間的熱交換并在沿水平方向設置的旁路部件 的周圍形成的熱交換部件，并且熱交換器被構造為在廢氣流經旁路的狀態和廢氣流經熱交換部件的狀態間可切換；及自然對流通道，其一 端連接到在熱交換器中的冷卻介質通道的重力方向上的上部，其另一 端連接到冷卻介質通道的重力方向上的下部，而其中間部分位于熱交 換器的外側。第五方案的排氣熱回收裝置中，圓柱形熱交換部件形成為圍繞沿 水平方向設置的旁路部件周圍。冷卻介質通道設置在該熱交換部件中以便與廢氣交換熱。通過該結構，相對于冷卻介質量的熱交換器中的 廢氣量是很大的。熱交換器的冷卻介質通道和自然對流通道構成冷卻 介質由于自然對流(即相對密度差)能夠循環的自然對流循環路線。自然對流通道連接到冷卻介質通道的重力方向上的上部和下部。因為 自然對流通道的中間部分位于熱交換部件(熱交換器)的外側，當冷 卻介質在自然對流循環通道中循環時，其在自然對流通道的中間部分 處釋》文熱量，并纟皮冷卻。相應地，雖然該結構不會在熱交換器的冷卻 介質通道中產生受迫流動，但是冷卻介質不會達到高溫。以這種方式，利用第五方案的排氣熱回收裝置，能夠防止熱交換 器內部的冷卻介質達到高溫。本發明的第六方案是第五方案的排氣熱回收裝置，其中自然對流 通道的一端連接到冷卻介質通道中位于旁路部件上方的在重力方向上 的上側部，另一端連接到位于旁路部件下方的在重力方向上的下側部。第六方案的排氣熱回收裝置中，自然對流通道以其相對于旁路通 道而位于上側和下側的部分處連接到冷卻介質通道。基于該原因，不 包括在冷卻介質通道的冷卻介質的自然對流循環通道中的部分變得很 小。由此，在自然對流循環通道中循環的冷卻介質的量增加，并且能 夠有效地防止熱交換器內部的冷卻介質達到高溫。根據本發明的第七方案的排氣熱回收裝置，包括第 一到第六方案 的排氣熱回收裝置中的任意一種，其中冷卻介質通道包括冷卻介質循 環路線的一部分，當在廢氣與冷卻介質之間執行熱交換時冷卻介質在 該部分處被強制地循環，并且自然對流通道的一端和另一端連接到冷 卻介質通道部分，當冷卻介質在冷卻介質通道中凈皮強制循環時，在所 述部分處自然對流通道的一端與另一端之間的壓力差變得小于預定 值。第七方案的排氣熱回收裝置中，當在廢氣與冷卻介質之間執行熱 交換時，諸如泵的裝置運作使得冷卻介質在冷卻介質循環通道中被強 制循環，冷卻介質循環通道包括熱交換器的冷卻介質通道。由此，能 夠執行有效的熱交換。另一方面，如果冷卻介質循環通道中的冷卻介質的受迫循環流動(即泵的運轉)停止，則熱交換器中的廢氣側處的 殘留熱被傳輸到冷卻介質通道的冷卻介質中。冷卻介質通過自然對流 循環通道循環，該自然對流循環通道被構造為包括上述冷卻介質通道 和自然對流通道，從而能防止冷卻介質達到高溫。此處，自然對流通道的一端和另一端(即，由于自然對流的冷卻 介質的導入部和排出部)連接到如下部分，當受迫流動在冷卻介質循 環路線中循環時，在該部分處自然對流通道的一端與另 一端之間的壓 力差變得小于預定值。基于此原因，當產生受迫循環時，抑制了冷卻 介質流入自然對流通道內。因此，當在廢氣與冷卻介質之間執行熱交 換時，能防止冷卻介質中所含的熱被浪費地排到自然對流通道。根據本發明的第八方案的排氣熱回收裝置包括第 一到第六方案的 排氣熱回收裝置中的任意一種，其中冷卻介質通道包括冷卻介質循環 路線的一部分，當在廢氣與冷卻介質之間執行熱交換時，冷卻介質在該部分處^:強制地循環。自然對流通道的一端和另一端連接到位于與冷卻介質通道中冷卻 介質受迫循環的流向垂直的平面上的部分。第八方案的排氣熱回收裝置中，當在廢氣與冷卻介質之間執行熱 交換時，操作泵等被操作并且冷卻介質在冷卻介質循環路線中被強制 循環，該冷卻介質循環路線包括熱交換器的冷卻介質通道。由此，能 夠執行有效的熱交換。另一方面，如果冷卻介質循環通道中的冷卻介 質的受迫循環流動(即泵的操作)停止，則熱交換器中的廢氣側處的 殘留熱被傳輸到冷卻介質通道的冷卻介質中。冷卻介質通過自然對流 循環通道循環，該自然對流循環通道4皮構造為包括冷卻介質通道和自 然對流通道，乂人而能防止冷卻介質達到高溫。此處，自然對流通道的一端和另一端(即，由于自然對流的冷卻 介質的導入部和排出部)連接到位于垂直于冷卻介質通道中冷卻介質受迫循環的流向的平面上的位置。基于此原因，由于冷卻介質的強制 循環引起的冷卻介質的導入部和排出部之間的壓力差很小。相應地， 當冷卻介質循環路線中產生強制循環時，抑制了冷卻介質流入自然對 流通道，防止了冷卻介質中所含的熱浪費地釋放到自然對流通道。根據本發明第九方案的排氣熱回收裝置包括第 一到第三方案的排氣熱回收裝置中的任意一種，其中熱交換器包括外殼，其具有廢氣 流經的排氣通道和鄰近排氣通道設置的冷卻介質流經的冷卻介質通 道；第一連接通道，其在冷卻介質通道的冷卻介質流向上的一端處連 4妄到冷卻介質通道的重力方向上的上部，并形成自然對流通道一端側 的一個部分；第二連接通道，其在冷卻介質通道的冷卻介質流向上的另 一端處連接到冷卻介質通道的重力方向上的下部，并形成自然對流通 道另一端側的一個部分；及絕熱部件，其使第二連接通道的位于外殼 內的部分與廢氣相絕熱。第九方案的排氣熱回收裝置中，流經排氣通道的廢氣與流經冷卻 介質通道的冷卻介質在外殼中執行熱交換。冷卻介質在冷卻介質通道 中從第 一連接通道流到第二連接通道或從第二連接通道流到第 一連接 通道，并在外殼內部和外部循環(是強制地循環)。此時，通過絕熱部 件絕熱的第二連接通道處的冷卻介質的溫度(升高)被抑制為低于冷 卻介質通道中的冷卻介質的溫度。然后，當冷卻介質的強制循環被停止時，第二連接通道的冷卻介 質由于其相對較低的溫度使其相對密度大于冷卻介質通道中的冷卻介 質的相對密度，由于重力而產生向下的流動。在冷卻介質通道的在冷 卻介質流向上的另 一端側處，冷卻介質流進冷卻介質通道在重力方向 上的下部。由于這樣，產生了冷卻介質向第一連接通道側的自然對流， 防止了冷卻介質達到高溫。此外，通過設置絕熱部件，能夠在外殼(即， 第二連接通道，其為自然對流通道的另一端)內部設置一個部件，在該部件處冷卻介質的一部分能夠被保持在相對低的溫度。由于這樣， 第二連接通道被外殼覆蓋并保護。根據本發明的第十方案的排氣熱回收裝置包括熱交換器，熱交換 器包括外殼，其具有廢氣流經的排氣通道和鄰近排氣通道設置的冷卻介質流經的冷卻介質通道；第一連接通道，其在冷卻介質通道的冷卻 介質流向上的 一端處連通外殼的外部和冷卻介質通道的重力方向上的 上部；第二連接通道，其在冷卻介質通道的冷卻介質流向上的另一端 處連通外殼的外部和冷卻介質通道的重力方向上的下部；及絕熱部件， 其使第二連接通道的位于外殼內的部分與廢氣相絕熱。第十方案的排氣熱回收裝置中，在外殼內執行流經排氣通道的廢 氣和流經外殼中的冷卻介質通道的冷卻介質之間的熱交換。冷卻介質 在冷卻介質通道中從第一連接通道流向第二連接通道或從第二連接通 道流向第一連接通道，在外殼的內部和外部循環(強制地循環)。此時， 通過絕熱部件絕熱的第二連接通道處的冷卻介質的溫度(升高)被抑 制為低于冷卻介質通道中的冷卻介質的溫度。然后，當冷卻介質的受迫循環被停止時，第二連接通道的冷卻介 質由于其相對較低的溫度使其相對密度大于冷卻介質通道中的冷卻介 質的相對密度，由于重力而產生向下的流動。在冷卻介質通道的在冷 卻介質流向上的另 一端側處，冷卻介質流進冷卻介質通道的在重力方 向上的下部。由于這樣，產生了冷卻介質向第一連接通道側的自然對 流，防止了冷卻介質達到高溫。此外，通過設置絕熱部件，能夠在外 殼(即，第二連接通道)內部設置一個部件，在該部件處冷卻介質的 一部分能夠被保持在相對低的溫度。由于這樣，第二連接通道被外殼 遮蓋并保護。以這種方式，通過第十方案的排氣熱回收裝置，能夠防止熱交換 器內部的冷卻介質達到高溫。本發明的第十一方案是第九或第十方案的排氣熱回收裝置，當從 廢氣流動的方向看時，第二連接通道除去穿透外殼的部分后的部分形 成為完全與冷卻介質通道重疊。
第十一方案的排氣熱回收裝置中，當從廢氣流動的方向看時，除 去穿透外殼的部分后的第二連接通道完全與冷卻介質通道重疊，并且 不會妨礙廢氣的流動，所以能抑制排氣背壓的增加。
本發明的第十二方案是第十一方案的排氣熱回收裝置，其中，當 從廢氣流動的方向看時，第二連接通道除去穿透外殼的部分后的部分 具有與冷卻介質通道的截面形狀相同的截面形狀。
第十二方案的排氣熱回收裝置中，當從廢氣流動的方向看時，除
去穿透外殼的部分后的第二連接通道具有與冷卻介質通道的截面形狀 相同的截面形狀，并且能夠在保持低溫冷卻介質的同時保持上述背壓 抑制效果，以便產生冷卻介質的自然對流。
本發明的第十三方案是第十一或第十二方案的排氣熱回收裝置， 其中冷卻介質通道形成為同軸地圍繞排氣通道的圓柱形。
第十三方案的排氣熱回收裝置中，例如，冷卻介質通道形成在限 定排氣通道的內管壁和同軸地設置在內管壁的外側的外管壁之間。第 二連接通道在軸向上設置在冷卻介質通道的任一側。當冷卻介質的受 迫循環被停止時，因為低溫冷卻介質流進第二連接通道的形成為圓柱 形的下部，所以冷卻介質流動不可能停滯在自然對流通道。因而能夠 有效地防止外殼中的冷卻介質的溫度增加。
本發明的第十四方案的排氣熱回收裝置是第十一到第十三方案的 排氣熱回收裝置中的任意一種，其中第二連接通道在廢氣流向上設置 在冷卻介質通道的下游側。第十四方案的排氣熱回收裝置中，在熱已經被吸收后，由于廢氣 和冷卻介質之間的熱交換，廢氣與第二連接通道接觸，從而第二連接 通道從廢氣中吸收的熱很小。能夠使得第二連接通道內的冷卻介質的 溫度較低。
本發明的第十五方案的排氣熱回收裝置是第九'到第十四方案的排 氣熱回收裝置中的任意 一種，其中第二連接通道通過利用分割板分割 冷卻介質通道在冷卻介質流向上的另 一端而形成。
第十五方案的排氣熱回收裝置中，冷卻介質通道和第二連接通道 為一體形成，即，在冷卻介質通道和廢氣流經的第二連接通道之間沒 有間隔部。相應地，第二連接通道與廢氣的接觸面積小，能夠使第二 連接通道中的冷卻介質保持在更低的溫度。


圖1是垂直于用于排氣熱回收的構成根據本發明的第一實施例的
排氣熱回收系統的熱交換器的軸向的截面圖2是用于排氣熱回收的構成根據本發明的第一實施例的排氣熱 回收系統的熱交換器的軸向截面圖3是示出4艮據本發明的第一實施例的排氣熱回收系統的總體結 構的系統流程圖4是垂直于用于排氣熱回收的構成根據本發明的第一實施例的 排氣熱回收系統的熱交換器的可選實例的軸向的截面圖5A是用于排氣熱回收的根據本發明的第二實施例的熱交換器 的軸向截面圖5B是沿圖5A中線5B-5B的截面圖；圖6是采用根據本發明的第二實施例的熱交換器的排氣熱回收系統的系統流程圖；及圖7A是示出根據本發明的第三實施例的熱交換器的軸向截面圖；圖7B是沿圖7A中線7B-7B的截面圖。
具體實施方式
如上所述的根據本發明的排氣熱回收裝置展示出其在防止熱交換 器(即外殼)內的冷卻介質的溫度升高方面的較好的效果。將結合圖1到圖3說明用作根據本發明的第一示范實施例的排氣 熱回收裝置的排氣熱回收系統10。注意，在下面的說明中當使用類似 上游和下游的術語時，這表示在廢氣流向上的上游/下游側。此外，各 圖中的向上(UP)箭頭及向下(LO)箭頭分別表示在重力方向上的上 側和下側(即車身的向上和向下的方向)。圖3以流程圖示出了排氣熱回收系統IO的總體結構。如圖所示， 由于與發動機冷卻水的熱交換，排氣熱回收系統IO回收汽車的內燃機 12的廢氣中的熱。回收的熱用于加熱或加快發動機12的暖機。形成將廢氣導出的排氣路線的排氣管14連接到發動機12。在排氣 管14的排氣路線上從上游側依次設置催化劑轉化器16、排氣熱回收熱 交換器18 (以下稱為"熱交換器18")和主消音器20。催化劑轉化器 16被構造為利用設置在其中的催化劑16A清潔流經的廢氣。主消音器 20被構造為降低將經清潔的廢氣排放到空氣時所產生的排氣噪聲。氣的熱回收到發動機冷卻水。同樣，作為用于廢氣的旁路部件的旁路 通道22和作為用于開啟和關閉旁路通道22的通道切換裝置的通道切換閥24設置在熱交換器18的內部。這些部件被構造為能夠在執行廢 氣與發動機冷卻水間的熱交換的排氣熱回收模式和廢氣流經旁路通道 22的正常模式之間切換。下文將對此進行詳細說明。如圖2所示，熱交換器18包括各自形成圓柱形并同軸設置的內管 26和外管28，并設置有形成廢氣流動部件的外殼30。此外，外殼30 上設置有以大于排氣管14的直徑的直徑連接外管28的上游端28A以 及排氣管14的位于催化劑轉化器16側的部分的圓錐缸32;以及連接 外管28的下游端28B和排氣管14的位于主消音器20側的部分的圓錐 缸34。下列部件形成在外殼30的內部，排氣入口頭36，其為圓錐缸32 內部的空間；排氣熱交換路線38，其形成在內管26和外管28之間形 成的圓柱形空間的熱交換部件；旁路通道22，其為內管26的內部空間， 其中設置有通道切換閥24;以及排氣出口頭40，其作為交流部件并且 是圓錐缸34內部的空間。作為冷卻介質的通道的發動機冷卻水管42設置在外殼30的排氣 熱交換路線38的內部，并且形成熱交換部件35,以及形成作為熱交換 器18中的發動機冷卻水的流道的發動機冷卻水熱交換路線44 (以下 稱為"熱交換路線44")。本示范實施例中，如圖l所示，發動機冷卻水 管42具有形成雙圓柱形熱交換路線44的四層圓柱結構。以后，包括 發動機冷卻水管42的外側的熱交換路線44的部分將被稱為外側氣缸 42A，包括發動機冷卻水管42的內側的熱交換路線44的部分將被稱為 內側氣紅42B。發動才幾冷卻水管42的外側氣缸42A和內側氣缸42B在發動才幾冷 卻水流向上的上游側部分穿過外管28連接到所設的入口 46，在發動機 冷卻水流向上的下游側部分穿過外管28連接到所設的出口 48。本范實施例中，與出口 48相比，入口 46設置在排氣熱交換i 各線38的下游側， 熱交換器18是逆流式熱交換器。熱交換器18被構造為使得當通道切換閥24處于內管26 (旁路通 道22)被關閉的排氣熱回收模式時，通過使廢氣流向排氣熱交換路線 38來執行熱交換功能。在通道切換閥24打開內管26的正常模式下， 廢氣主要流經旁路通道22，從而執行排氣旁路功能。注意，設置有發 動機冷卻水管42的排氣熱交換路線38的流動阻力(壓力損失)大于 開啟的旁路通道22的流動阻力。這種構造使得在通道切換閥24打開 內管26的情況下，幾乎沒有廢氣流向排氣熱交換路線38。通道切換閥24由作為控制裝置(未顯示)的ECU (發動機控制部 件)控制，并且例如被設計為，當需要加快發動機12的暖機時(即當 發動機冷卻水溫度低于特定閾值(如80。C時))，關閉旁路通道22。排氣熱回收系統10還設置有將發動機冷卻水的熱回收用于加熱器 的前暖氣風箱50和后暖氣風箱52，以及使發動機冷卻水在前暖氣風箱 50和后暖氣風箱52之間循環的加熱水通道54。前暖氣風箱50和后暖 氣風箱52平行設置。熱交換器18在加熱水通道54中設置在后暖氣風 箱52的下游側。也就是說，入口 46設置在加熱水通道54中的后暖氣 風箱52側，出口 48設置在加熱水通道54中的發動機12的上游側。 本示范實施例中，熱交換器18設置在發動機冷卻水系統中與前暖氣風 箱50平行并與后暖氣風箱52串聯。相應地，在排氣熱回收系統10中，此系統凈皮設計為由于隨著發動 機12的運行而運轉的水泵(未圖示)使得發動機冷卻水沿圖3的加熱 水通道54上標出的箭頭方向流動。由此，當來自發動機12的高溫加 熱水流經前暖氣風箱50和后暖氣風箱52時，水經歷了熱交換，且回 收的熱用于加熱器。在后暖氣風箱52處冷卻的發動機冷卻水被導入熱 交換器18,并在必要時(即，取決于ECU的控制)使其與廢氣交換熱。該系統被設計為使得流經熱交換器18的發動機冷卻水同流經前暖氣風箱50的發動機冷卻水一起返回到發動機12。通過這種方式，從發動機 暖機的角度看，熱交換器18被構造為作為在發動機冷卻水導入發動機 12前加熱發動才幾冷卻水的加熱器。包括排氣熱回收系統10的熱交換器18設置有自然對流水管56, 自然對流水管56連接外側氣缸42A的在重力方向上的上部和下部，其 中間部分位于外殼30的外側。更具體地，自然對流水管56的主要結 構部分是，冷卻水導入部件56A，其連接到外側氣缸42A的較內管26 (旁路通道22)低側的部分；冷卻水排出部56B,其連接到外側氣缸 42A的較內管26 (旁路通道22)高側的部分；以及熱釋放部56C,其 穿過外管28并位于外殼30即熱交換器18的外側。由此，在排氣熱回收系統10中，自然對流水管56與位于冷卻水 導入部件56A和基本位于外側氣缸42A的重力方向上的冷卻水排出部 56B之間的部分構成第一環形自然對流循環路線58。在本范實施例中， 如圖1所示，自然對流水管56 (即自然對流循環路線58 )相對于內管 26的左、右側設置。同樣，如圖2所示，沿廢氣流向設置有多個自然 對流水管56。當從側面看時，上述自然對流水管56中的每一個具有設置在與發 動機冷卻水管42 (外側氣缸42A)的軸向正交的平面上的冷卻水導入 部件56A和冷卻水排出部56B。更具體地說，從側^L圖看時，連接冷 卻水導入部件56A和冷卻水排出部56B的想像的直線L設置為基本垂 直于發動機冷卻水管42的軸向。此處，通過外側氣缸42A,從入口 46流入并從出口 48流出的發 動機冷卻水總體從入口 46側向出口 48側基本均勻。相應地，該裝置 凈皮構造為，使得在發動機冷卻水由于包括發動機冷卻水管42的加熱水 通道54中的水泵作用而受迫循環時，上述設置在想像的直線L上的冷卻水導入部件56A和冷卻水排出部56B (當從側面看時)之間幾乎沒 有壓力差。也就是說，壓力差或壓力比仍在設定值內。由此，在由于 水泵作用而受迫循環時，能防止發動機冷卻水流向自然對流水管56。此外，將每個外側氣缸42A連4妄到內側氣缸42B的 一對上、下連 接管部件42C設置在發動機冷卻水管42上，位于使每個自然對流水管 56設置在冷卻水流動的方向上的位置處。由此，排氣熱回收系統10中， 內側氣缸42B的基本左半部或右半部、自然對流水管56以及包括在外 側氣缸42A中的將內側氣缸42B的半部分與自然對流水管56相連接 的部分形成第二自然對流循環^各線60。自然對流循環^各線60包括位于 熱交換器18的外側的熱釋放器56C，并與第一自然對流循環路線58 平行。此外，排氣熱回收系統IO被設計為使得當該系統處于排氣熱回收 模式時，排氣熱交換路線38中的位于內管26和內側氣缸42B之間的 空間作為排氣通道。在正常模式下，此空間作為將旁路通道22 (高溫 廢氣流經其中)與熱交換路線44相分隔的隔熱空氣層。接下來，將說明第一示范實施例的效果。如上構造的排氣熱回收系統10中，當發動機冷卻水的溫度低時， 如剛啟動發動機12后，ECU基于如加快暖機的需要來驅動通道切換閥 24關閉，使旁路通道22關閉。也就是說，排氣熱回收模式被選中。當 發生這種情況時，發動機12的廢氣被導入熱交換器18的排氣熱交換 路線38而沒有流向旁路通道22。在導入排氣熱交換路線38的廢氣與 發動機冷卻水之間執行熱交換，并且廢氣使發動機冷卻水加熱。由此， 加快了發動機12的暖才幾。另一方面，如果發動機冷卻水的溫度上升并超過閾值，則ECU操 作通道切換閥24打開，^f吏旁路通道22打開。也就是說，ECLM人排氣 熱回收模式切換到正常模式。當這種情況發生時，廢氣主要流經旁路通道22。同時在這種情況下，由于發動機12 (即水泵)的動作，發動 才幾冷卻水在包括發動沖幾冷卻水管42的加熱水通道54中循環。然后當發動機12停止時，水泵的動作停止，并且由于水泵停止發 動機冷卻水的受迫循環停止。雖然發生了這些，但是在發動機12停止 后熱交換器18的內管26 (旁路通道22)的高溫狀態維持一段時間。 來自該高溫旁路通道22的熱被傳輸到發動機冷卻水管42中的發動機 冷卻水。排氣熱回收系統10中，設置有連接外側氣缸42A的頂部和底部的 自然對流水管56，使得自然對流水管56和外側氣缸42A的一部分形 成第一自然對流循環路線58。此外，自然對流水管56、外側氣缸42A 的一部分和內側氣缸42B的左半部或右半部形成第二自然對流循環路 線60。由于在位于循環路線58和循環路線60的上側和下側之間的發 動機冷卻水產生的比重差，使得自然對流循環路線58和自然對流循環 路線60中的發動機冷卻水產生圖1的箭頭An所示的自然對流。比重 差是由于發動機冷卻水的溫度差導致的，該溫度差歸因于水泵的運行 停止后從旁3各通道22向發動機冷卻水管42中的發動機冷卻水傳輸的 熱。此循環中流經熱釋放器56C的發動機冷卻水通過與空氣的熱交換 器凈皮冷卻。由此，防止了發動4幾冷卻水的不正常的升溫和沸騰。因為外側氣缸42A的相對于旁路通道22的上部和下部利用自然對 流水管56連4^,所以外側氣缸42A中未形成自然對流循環^^線58的 部分較少。相應地，在自然對流循環路線58中循環并在熱釋放器56C 處一皮冷卻的發動才幾冷卻水的量增加。由此，有效地防止了發動才幾冷卻 水溫度的上升。在排氣熱回收系統10中，當發動機12被停止時，通 過自然對流循環能防止發動機冷卻水溫度的上升，而不使用如電動馬 達的動力。注意，自然對流水管56的冷卻水導入部件56A和冷卻水排出部 56B設置在外側氣缸42A中的與冷卻水流向(軸線方向)垂直的平面 上(或當從側面看時沿圖2中的想象的直線L)。換句話說，當發動機 冷卻水通過加熱水通道54經歷受迫循環時，冷卻水導入部件56A和冷 卻水排出部56B之間沒有壓力差。由于此原因，排氣熱回收系統10 中，無論在排氣熱回收模式還是在正常模式的情況下，發動機冷卻水 均不流入自然對流水管56。因此，當如上所述停止發動才幾12時，其在冷卻水的浪費或不必要的冷卻的同時，實現了防止發動機冷卻水溫度 升高的功能。根據本發明第一示范實施例的排氣熱回收系統10,由于在中間部 分設置了旁路通道22，排氣能力變大。在本構造中，當發動機12關閉 時，發動機冷卻水的溫度可能變高，但是，能夠防止發動機冷卻水管 42中的冷卻水的溫度上升。注意，上述示范實施例中，示出了發動機冷卻水管42形成雙圓柱 形熱交換路線44的例子，但是，本發明并不因此而受限制。舉例來說， 如圖4所示，發動才幾冷卻水管42也可^L構造為形成單一圓柱形熱交換 路線44。在這種情況下，自然對流循環路線58被形成為與自然對流水 管56產生單一對流路線(見箭頭B )。接下來，將描述本發明的另一示范實施例。注意，具有與第一示 范實施例中的基本相同的構造的零件和部件采用與第一示范實施例相 同的標記，并省略對其的說明。(第二示范實施例)圖6示出了作為根據第二示范實施例的排氣熱回收裝置的排氣熱 回收系統70的總體結構的流程圖。如圖所示，排氣熱回收系統70與 第一示范實施例的不同之處在于熱交換器。第一示范實施例的熱交換器18設置有朝向外管28的外側突出的自然對流水管56。與此相反， 排氣熱回收熱交換器72 (以下稱為"熱交換器72")沒有自然對流水管 56。如圖5A和圖5B所示，熱交換器72中，設置有內管26使軸線方 向為水平方向(如車輛的前后方向)。內管26穿過外管28的中心軸部， 外管28被單獨限定為外殼。內管26在軸線方向的兩端連接到排氣管 14。內管26也可被構造為排氣管14的一部分。此外，熱交換器72設 置有圓錐缸32,圓錐缸32的上游端以氣密狀態固定在內管26的外周， 圓錐缸32的下游端連接到外管28的上游端28A。熱交換器72還設置 有圓錐缸34，圓錐缸34的下游端以氣密狀態固定在內管26的外周， 圓錐缸34的上游端連4妄到外管28的下游端28B。熱交換器72中的熱交換部件35中形成有排氣入口頭36，其是 內管26和圓錐缸32之間的空間；排氣熱交換路線38,其是形成于內 管26和外管28之間的圓柱形空間；排氣出口頭40，其是內管26和圓 錐缸34之間的空間。內管26的內部作為上述的旁路通道22。設置在 圓錐缸32的內側部上并連接到排氣入口頭36的熱交換器入口孔26A 形成于內管26上，設置在圓錐缸34的內側部并連接到排氣出口頭40 的熱交換器出口孔26B形成于內管26上。冷卻水管74設置在排氣熱交換路線38的內部，其包括作為熱交 換器72中的發動機冷卻水通道的冷卻水熱交換路線76 (以下稱為"熱 交換^^線76")。在本示范實施例中，冷卻水管74在雙缸的內側形成圓 柱形熱交換路線76。作為第一連接通道的冷卻水入口管78在冷卻水流 向(即受迫循環的方向)上的上游側連接到冷卻水管74。冷卻水入口 管78穿過外管28并連接冷卻水入口 76A和外管28的外側部分(即稍 后描述的加熱水通道54)。冷卻水入口 76A位于軸線方向為水平方向 的圓柱形熱交換路線76在重力方向上的最上部。同樣，冷卻水出口 76B位于冷卻水管74在冷卻水流向(即受迫循 環的方向)上的下游側。冷卻水出口 76B位于冷卻水管74在重力方向 上的最下部，其開口朝向廢氣流向的上游側。作為第二連接通道的冷 卻水出口管80連接到冷卻水出口 76B上。冷卻水出口管80呈環形構 造使得其內徑和外徑與冷卻水管74的內徑和外徑相匹配。冷卻水出口 管80被構造為包括在廢氣流向的下側與冷卻水管74同軸設置的環管 82、穿過外管28并連接環管82在重力方向上的最上部和外管28的外 部的出口 84。 相應地，熱交換3各線76的冷卻水出口 76B通過冷卻水 出口管80連4妄到外管28的外部。當從廢氣流向的上游側看時，環管82的整體形狀與冷卻水管74 重疊，使得環管82完全隱藏在冷卻水管74背后(即沒有可見的部分)。 在本示范實施例中，環管82位于排氣熱交換路線38和排氣出口頭40 之間的分界線的附近，并稍微與冷卻水管74的下游端分離。作為絕熱部件的絕熱器86設置在冷卻水出口管80上并且具有隔 熱結構。絕熱器86設置為基本上跨越形成冷卻水出口管80的環管82 和出口 84的內表面中的每一個的整個周圍，絕熱器86將冷卻水出口 管80的內部與廢氣相絕熱。注意，絕熱器86還可以設置在冷卻水出 口管80的外表面上(同時設置在內表面和外表面上)，但是，優選為 絕熱器86的整個外部形狀與冷卻水管74重疊。對于絕熱器86來說， 可使用如硅、耐熱樹脂、玻璃棉或保持在鋼板上的陶瓷棉等的材料。上述熱交換器72中，制成這種結構使得當通道切換閥24關閉內 管26 (旁路通道22)時，由于廢氣在排氣熱交換路線38中流動這實 現了熱交換功能。當通道切換閥24打開內管26時，廢氣主要流經旁 路通道22并且實現了廢氣旁路功能。注意，設置有冷卻水管74的排 氣熱交換路線38的流動阻力(壓力損失)大于開啟的旁路通道22的流動阻力。這種構造使得在通道切換閥24打開內管26的情況下，幾 乎沒有廢氣流向排氣熱交換路線38。通道切換閥24由作為控制裝置(未顯示)的ECU控制，并被設 計為，例如在發動機冷卻水的溫度低而需要加快發動機12的暖機或加 熱的情況下，旁路通道22被關閉。與排氣熱回收系統10 —樣，排氣熱回收系統70還設置有回收發 動機冷卻水中的熱用于加熱器的前暖氣風箱50和后暖氣風箱52,以及 使發動機冷卻水循環到前暖氣風箱50和后暖氣風箱52的加熱水通道 54。前暖氣風箱50和后暖氣風箱52平行地設置于發動機12上。熱交 換器72設置在加熱水通道54中的后暖氣風箱52的下游側。也就是說， 冷卻水入口管78設置在加熱水通道54中的后暖氣風箱52側，而冷卻 水出口管80的出口部84設置在加熱水通道54中的發動機12的上游 側。此示范實施例中，熱交換器72在發動機冷卻水系統中平行于前暖 氣風箱50平行設置并且與后暖氣風箱5串聯。相應地，排氣熱回收系統70中，此系統被i殳計為使得發動機冷卻 水在圖6的加熱水通道54上的箭頭示出的方向流動。由此，該結構為 流經發動機12的高溫加熱水流經前暖氣風箱50和后暖氣風箱52時， 所述水經歷了熱交換并且回收的熱用于加熱器。在后暖氣風箱52處冷 卻的發動機冷卻水被導入熱交換器72，并與廢氣交換熱。流經熱交換 器72的發動機冷卻水同流經前暖氣風箱50的發動機冷卻水一起返回 到發動機12。通過這種方式，對于加熱操作，熱交換器72作為在發動 機冷卻水被發動機12加熱前預熱發動機冷卻水的預熱裝置。本示范實施例中，用于發動機冷卻水的受迫循環的加熱水通道54 對應于形成用于使發動機冷卻水經歷自然對流的自然對流循環路線的 一部分的"自然對流通道"。接下來，將說明第二示范實施例的作用。在如上構造的排氣熱回收系統70中，當發動機冷卻水的溫度低時， 如剛啟動發動機12后，ECU基于如加熱或加快暖機發動機12的需要 而驅動通道切換閥24關閉，使旁路通道22關閉。也就是說，排氣熱 回收模式被選中。發動機12的廢氣被導入到熱交換器72的排氣熱交 換路線38中而沒有流向旁路通道22。在熱交換器72中執行導入排氣 熱交換路線38的廢氣與發動機冷卻水之間的熱交換，廢氣使發動機冷 卻水^皮加熱。由此，加熱被加快或發動機12暖機。另一方面，如果發動機冷卻水的溫度上升并超過閾值，則ECU操 作通道切換閥24打開，使旁路通道22打開。也就是說，ECU從排氣 熱回收模式切換到正常模式。當發生這種情況時，廢氣主要流經旁路 通道22。同樣在這種情況下，由于發動機12的作用(即水泵)，發動 機冷卻水通過包括冷卻水管74的加熱水通道54循環。然后當發動機12停止時，水泵的動作停止，并且由于水泵停止發 動機冷卻水的受迫循環停止。在發動機12停止后，熱交換器72的內 管26 (旁路通道22 )的高溫狀態保持一段時間。來自此高溫旁路通道 22的熱被傳輸到冷卻水管74中的發動機冷卻水。排氣熱回收系統72中，在冷卻水出口管80處設置絕熱器86。基 于這個原因，冷卻水出口管80 (此處從廢氣獲得的熱相對較小)中的 發動機冷卻水溫度低于熱交換路線76中的發動機冷卻水的溫度，且其 相對密度高于熱交換路線76中的發動機冷卻水的相對密度(在此，水 泵運行停止后排氣熱從旁路通道22被傳輸)。相應地，冷卻水出口管 80中的發動機冷卻水由于重力產生向下的流動，并從冷卻水出口部 76B流進熱交換路線76在縱向上的最4氐部。由此，熱交換路線76內 的發動機冷卻水被推出，并產生向冷卻水入口部76A的流動。也就是 說，在熱交換器72 (外管28)的內部發生發動機冷卻水的自然對流。通過這種方式，因為當發動機12被停止時發生發動機冷卻水的自然對流(即環流)，所以避免了發動機冷卻水的溫度過度升高和沸騰。尤其是在熱交換器72中，由于在中間部分設置了旁路通道22所以排 氣能力大。在此結構中，當發動機12關閉時發動機冷卻水溫度可能變 高，但是，通過設置冷卻水出口管80 (主要是環管82)和絕熱器86 ， 能夠防止冷卻水管74中冷卻水的高溫。此外，熱交換器72中，與當發動機12停止時使用裝置(例如， 電泵)以產生發動機冷卻水的受迫循環流動的結構相比，沒有消耗電 力。基于此原因，在避免發動機冷卻水的溫度過度增加和沸騰的同時， 不會影響燃料消耗。此外，當從廢氣流動的方向看時，熱交換器72中，環管82的截 面形狀與冷卻水管74的截面形狀基本相同，并且環管82隱藏在冷卻 水管74的后面使得環管82不會妨礙廢氣流動。相應地，通過設置包 括環管82的冷卻水出口管80，防止了廢氣流動背壓的增加。此外，因 為環管82的截面形狀與熱交換路線76的截面形狀基本匹配，所以能 夠在增加低溫發動機冷卻水的殘留量的同時保持抑制背壓的上述效 果。熱交換器72中，由于熱交換路線76形成為圓柱形的形狀，系統 70 4皮構造為4吏得在發動4幾冷卻水的循環方向上形成發動機冷卻水通道 (在本示范實施例中為單一的一個)的同時，保留所需的表面積。基 于此原因，由于自然對流使得不太可能發生發動機冷卻水的停滯，并 且能夠有效地防止熱交換部件35 (外管28)中冷卻水溫度的升高。同樣，熱交換器72中，因為環管82相對于冷卻水管74位于廢氣 流向的下游側，所以從環管82中的廢氣獲得的熱變少。基于此原因， 能夠進一步降低環管82內部的發動機冷卻水的溫度。相應地，在發動 才幾12停止時可加快自然對流。26熱交換器72中，通過設置絕熱器86，設置在外管28中的環管82 內的發動機冷卻水的相對密度變得相對大。與冷卻水通道的一部分通 過冷卻水管74設置在外管28的外側的結構相比，防止了在車輛行進 期間環管82由于飛石等被損害。也就是說，環管82被外管28保護。(第三示范實施例)接下來，將參照圖7說明用作形成根據本發明的第三示范實施例 的排氣熱回收系統的排氣熱交換器的排氣熱回收熱交換器90 (下文稱 為"熱交換器90")。圖7A示出了熱交換器90的截面圖。圖7B示出沿圖7A中的線 B-7B的截面圖。如圖所示，熱交換器90與根據本發明的第二示范實 施例的熱交換器72不同之處在于環管82,此處冷卻水出口管80是與 冷卻水管74分離的單獨部分，熱交換器90包括與冷卻水管74 —體設 置的環形管3各線92。具體來說，環形管路線92設置有位于冷卻水管74的下游側端的 分割板94,由此環型管路線92被形成為與熱交換路線76相隔開的發 動機冷卻水路線(第二連接通道)。分割板94形成為環形部以便與熱 交換路線76 (冷卻水管74)的截面形狀相對應，并其最低部沿水平方 向4皮切斷。從環形部的最上部向上延伸的部分進入出口部84。由此， 環形管路線92和熱交換路線76通過形成為分割板94的截止部(cutoff portion)的冷卻水出口部76B連接。通過環管82，絕熱器86設置在以這種方式形成的環形管路線92 上。除了熱交換器90以外，其它構造與熱交換器72的相應構造相同。相應地，根據本發明的第三示范實施例的熱交換器卯，能夠獲得 與根據第二示范實施例的熱交換器72相同的功能和相同的效果。此外， 熱交換器90中，因為環形管路線92與冷卻水管74—體形成，所以在冷卻水管74和環形管路線92之間沒有形成廢氣流經的縫隙，這與第 二示范實施例中的熱交換器72不同。因此，環形管路線92和廢氣之 間的接觸面積變小。基于此原因，環形管路線92從廢氣獲得的熱進一 步減少，并能維持環形管路線92內的發動機冷卻水的低溫。注意，上述第二和第三示范實施例中，示出了冷卻水入口管78為 發動機冷卻水受迫循環流動的入口部而冷卻水出口管80為出口部的例 子(即平行流動式熱交換器)，但是，本發明并不局限于此。舉例來說， 該系統可以做成，受迫循環的發動機冷卻水從冷卻水出口管80的出口 部84導入而/人冷卻水入口管78排出。此外，上述第二和第三示范實施例中，示出了熱交換路線76形成 于單一冷卻水管74上的實例，但是，本發明并不因此而受限制。舉例來說，熱交換路線76能形成為多個e同軸氣缸，或能形成為多個直管。此外，上述第二和第三示范實施例中，示出了旁路通道22形成在 包括熱交換器72的內管26的內部，但是，本發明并不因此而受限制。 舉例來說，旁路通道22能設置為位于熱交換器72 —側的多個平行的 管道。同樣，本發明能夠用于不設旁路通道22的排氣熱回收裝置。
權利要求
1、一種排氣熱回收裝置，包括熱交換器，其執行廢氣與冷卻介質之間的熱交換；及自然對流通道，其一端連接到在所述熱交換器中的冷卻介質通道的重力方向上的上部，另一端連接到所述冷卻介質通道的重力方向上的下部。
2、 如權利要求1所述的排氣熱回收裝置，其中所述自然對流通道 的中間部分位于所述熱交換器的外側。
3、 如權利要求1或2所述的排氣熱回收裝置，其中所述熱交換器 具有執行所述廢氣與所述冷卻介質之間的熱交換并在沿水平方向設置 的旁路部件的周圍形成的熱交換部件，并且所述熱交換器被構造為在 所述廢氣流經所述旁路的狀態和所述廢氣流經所述熱交換部件的狀態 間可切換。
4、 一種排氣熱回收裝置，包括熱交換器，其執行廢氣與冷卻介質之間的熱交換；及自然對流通道，其一端連接到在所述熱交換器中的冷卻介質通道 的重力方向上的上部，另一端連接到所述冷卻介質通道的重力方向上 的下部，而中間部分位于所述熱交換器的外側。
5、 一種排氣熱回收裝置，包括熱交換器，其具有執行廢氣與冷卻介質之間的熱交換并在沿水平 方向設置的旁路部件的周圍形成的熱交換部件，并且所述熱交換器被構造為在所述廢氣流經所述旁路的狀態和所述廢氣流經所述熱交換部件的狀態間可切換；及自然對流通道，其一端連接到設置在所述熱交換器中的冷卻介質 通道的重力方向上的上部，另一端連接到所述冷卻介質通道的重力方 向上的下部，而中間部分位于所述熱交換器的外側。
6、 如權利要求3或5所述的排氣熱回收裝置，其中所述自然對流 通道的一端連接到所述冷卻介質通道中位于所述旁路部件上方的在重 力方向上的上側部，另 一端連接到位于所述旁路部件下方的在重力方 向上的下側部。
7、 如權利要求1至6中任一項所述的排氣熱回收裝置，其中所述 冷卻介質通道包括冷卻介質循環路線的如下部分當在所述廢氣與所并且所述自然對流通道的所述一端和所述另 一端連接到所述冷卻介質 通道的如下部分當冷卻介質在所述冷卻介質通道中被強制循環時， 在所述部分處所述自然對流通道的所述一端與所述另 一端之間的壓力 差變得小于預定值。
8、 如權利要求1至6中任一項所述的排氣熱回收裝置，其中所述 冷卻介質通道包括冷卻介質循環路線的如下部分當在所述廢氣與所并且所述自然對流通道的所述一端和所述另一端連接到處于與所述冷 卻介質通道中所述冷卻介質受迫循環的流向垂直的平面上的位置。
9、 如權利要求1至3中任一項所述的排氣熱回收裝置，其中所述 熱交換器包括外殼，其具有所述廢氣流經的排氣通道和鄰近所述排氣通道設置的所述冷卻介質流經的冷卻介質通道；第一連接通道，其在所述冷卻介質通道的所述冷卻介質流向上的 一端處連接到所述冷卻介質通道的重力方向上的上部，并形成所述自 然對流通道一端側的 一個部分；第二連接通道，其在所述冷卻介質通道的所述冷卻介質流向上的 另一端處連接到所述冷卻介質通道的重力方向上的下部，并形成所述 自然對流通道另 一端側的一個部分；及絕熱部件，其使所述第二連接通道的位于所述外殼內的部分與所 述廢氣相絕熱。
10、 一種排氣熱回收裝置，包括熱交換器，所述熱交換器包括外殼，其具有廢氣流經的排氣通道和鄰近所述排氣通道設置 的冷卻介質流經的冷卻介質通道；第一連接通道，其在所述冷卻介質通道的所述冷卻介質流向 上的一端處連通所述外殼的外部和所述冷卻介質通道的重力方向上的 上部；第二連接通道，其在所述冷卻介質通道的所述冷卻介質流向 上的另一端處連通所述外殼的外部和所述冷卻介質通道的重力方向上 的下部；及絕熱部件，其使所述第二連接通道的位于所述外殼內的部分 與所述廢氣相絕熱。
11、 如權利要求9或IO所述的排氣熱回收裝置，其中，當從所述 廢氣流動的方向看時，所述第二連接通道除去穿透所述外殼的部分后 的部分形成為完全與所述冷卻介質通道重疊。
12、 如權利要求11所述的排氣熱回收裝置，其中，當從所述廢氣 流動的方向看時，所述第二連接通道除去所述穿透所述外殼的部分后 的所述部分具有與所述冷卻介質通道的截面形狀相同的截面形狀。
13、 如權利要求11或12所述的排氣熱回收裝置，其中所述冷卻 介質通道形成為同軸地圍繞所述排氣通道的圓柱形。
14、 如權利要求11至13中任一項所述的排氣熱回收裝置，其中 所述第二連接通道在所述廢氣流向上設置在所述冷卻介質通道的下游側。
15、 如權利要求9至14中任一項所述的排氣熱回收裝置，其中所 述第二連接通道通過用分割板在所述冷卻介質流向上分割所述冷卻介 質通道的另一端而形成。
全文摘要
本發明提供一種能夠防止熱交換器中的冷卻介質達到高溫的排氣熱回收裝置。排氣熱回收裝置10設置有熱交換器18，其在廢氣與冷卻介質之間執行熱交換；自然對流水管56，其一端連接到熱交換器18中的發動機冷卻水管42的在重力方向上的上部，其另一端連接到發動機冷卻水管42在重力方向上的下部，其中間部分位于熱交換器18的外側。
文檔編號G01N7/08GK101405484SQ20078000929
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月12日 優先權日2006年3月16日
發明者大谷哲郎, 山田武志 申請人:豐田自動車株式會社