CN101356347A - 废热回收装置 - Google Patents

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Abstract

废热回收装置包括：连续形成而其中间部分的截面没有缩小的容纳部分(120)，该容纳部分适合被插入内燃机(10)的排气管(11)的中间部分从而使内燃机的废气能够通过；设置在容纳部分(120)中的催化转化器(12)，用来清洁废气；在容纳部分(120)中废气流的下游侧邻近催化转化器(12)设置的蒸发器(110)，用来利用废气的热量蒸发其中的工作媒介；以及冷凝器(130)，用于通过将从蒸发器(110)流入其中的工作媒介的热量辐射到内燃机(10)的冷却剂侧来冷凝工作媒介，以回收冷却剂侧的热量，并将冷凝后的工作媒介返回到蒸发器(110)。

Description

废热回收装置
技术领域
本发明涉及使用热管的废热回收装置，尤其涉及适合用于装备有内燃机的车辆的废热回收装置。
背景技术
热虹吸管型废热回收装置已为人所知，如在例如JP-A-7-120178中所公开的那样。废热回收装置是由热虹吸管构成的，包括连接成圆形的蒸发器和冷凝器。蒸发器被布置在发动机的排气管内，而冷凝器被布置在发动机冷却剂管内，这样可以将发动机废气的热量回收到发动机冷却剂内。
一般来说，提供催化转化器(催化转换器)以在排气管的中间位置清洁废气。然而，JP-A-7-120178没能在考虑这样的催化转化器的同时，公开蒸发器的有效布置或者排气管的合适的形状等类似问题。
例如，只有当废气的温度等于或高于预定的温度时，催化转化器才发挥作用。当蒸发器位于催化转化器的废气流的上游侧时，废气被蒸发器冷却，这样催化转化器不能充分发挥其作用。
由于蒸发器被布置在排气管内，排气管相对于蒸发器在入口处的尺寸增大而在出口处的尺寸缩小，由此造成循环中废气压力的损失。此外，需要能够有效的将催化转化器和蒸发器安装在车辆等之上的废热回收装置。
有人提议将环形热管型热交换器作为利用热管原理的热交换器，如在JP-A-4-45393中所公开的。热交换器包括密封的循环路径来形成闭合的环路，以及密封在循环路径中并能够被蒸发和冷凝的传热流体。热交换器还包括设置在循环路径中以利用从外部吸收的热量来蒸发工作流体的蒸发器，以及设置在循环路径中位置高于蒸发器以在被蒸发器所蒸发的传热流体与用来接收从外部传递的热量的流体之间交换热量的冷凝器。
为了提供具有简单、紧凑结构并且在车辆上的安装性能方面具有优势的废热回收装置，理想的情况是蒸发器和冷凝器被构造成一个整体。举一个例子，如图8所示，蒸发器J1和冷凝器J2在水平方向上被放在互相邻近的位置，集管(连接部分)J5被设置用于在热管J3的垂直方向上在蒸发器J1和冷凝器J2的各个端部之间进行连通。
在上面所描述的废热回收装置中，蒸发器J1所蒸发的工作流体通过上部集管J5流入冷凝器J2中。工作流体在冷凝器J2中被冷凝成为液体，该液体通过下部集管J5流入蒸发器J1中。工作流体(液体)的水高之差(水头高度差h)是在蒸发器J1和冷凝器J2之间由位于上面的蒸发器J1处工作流体的蒸发和冷凝器J2处工作流体的冷凝之间的平衡造成的。这种水头高度差“h”导致工作流体从冷凝器J2返回到蒸发器J1，从而使工作流体能够循环。这样，为了将足够数量的工作流体从冷凝器J2返回到蒸发器J1，有必要确保水头高度差“h”。
上面所描述的废热回收装置在被蒸发器J1所蒸发的工作流体和冷凝器J2中上游侧的发动机冷却剂之间交换热量。这样，为了确保冷凝器J2的热交换性能，需要保证设置在冷凝器J2处(也就是在蒸发器J1所蒸发的工作流体流入的一侧)的热管J3的上部的热辐射性能。
发明内容
基于对前述问题的考虑而完成本发明，本发明的一个目标是提供一种能够有效执行清洁废气功能和回收废气中的废热的功能，同时具有良好安装性能的废热回收装置。
本发明的另一目标是提供能够确保在工作流体循环中蒸发器和冷凝器之间的水头高度差同时确保设置在冷凝器中的热管的上部的热辐射性能的废热回收装置。
根据本发明的第一示例，废热回收装置包括：连续形成而其中间部分的截面没有缩小的容纳部分，该容纳部分适合被插入内燃机的排气管的中间部分从而使内燃机的废气能够通过；设置在容纳部分中的催化转化器，用来清洁废气；在容纳部分中废气流的下游侧邻近催化转化器设置的蒸发器，用来利用废气的热量蒸发其中的工作媒介；以及冷凝器，用来通过将从蒸发器流入其中的工作媒介的热量向内燃机的冷却剂侧辐射来冷凝工作媒介，从而回收冷却剂侧的热量，并将冷凝后的工作媒介返回到蒸发器。
因此，提供在容纳部分中既包括催化转化器又包括蒸发器的紧凑的废热回收装置是可能的，由此废热回收装置可以被有效的集中安装。
催化转化器相对于蒸发器被设置在废气流的上游侧，这样能够充分发挥清洁废气的功能而不会受到蒸发器处废气冷却的影响。蒸发器与已由催化转化器清洁并且温度升高的废气交换热量，由此能够有效回收废热。
用来容纳催化转化器和蒸发器的容纳部分可以连续形成而不必使其截面尺寸减小。这样，在排气管中形成的增大的管部分或者缩小的管部分的数量可以被减少，由此减少循环中废气压力的损失。
例如，可以在容纳部分的下表面形成朝着排气管的后端侧延伸的槽。这样，即使当废气的温度在蒸发器中被降低、废气中的水分成为冷凝水时，冷凝水被收集在槽中，并可以进一步随着废气流一起流向排气管的后端侧。这可以降低水分对催化转化器和蒸发器的影响。此外，可以提供多个这样的槽。在这种情况下，冷凝水可以更加有效的被收集流向后端侧。
另一种可选择的方案是，槽可以朝着排气管的后端侧向下倾斜。可选择地，容纳部分的下表面可以在其宽度方向上朝着槽向下倾斜。
可选择地，容纳部分的下表面可以设置为使得蒸发器的废气流上游侧被置于比包括蒸发器的废气流的下游侧高的位置。在这种情况下，即使当废气的温度在蒸发器中被降低、废气中的湿气成为冷凝水时，也可以避免冷凝水流向催化转化器，并且冷凝水可以与废气流一起流向排气管的后端侧。这可以进一步降低潮湿对催化转化器和蒸发器的影响。
可选择地，在包含于蒸发器的热交换部分中的热交换构件中添加贵金属催化转化器。这样，蒸发器的热交换部分可以具备清洁废气的功能。这可以使固有的催化转化器紧凑。
根据本发明的第二个示例，将被安装在使用内燃机作为驱动源以使车辆运转的车辆上的废热回收装置包括：设置在废气路径中的蒸发器，从内燃机排出的废气通过该废气路径得以循环，蒸发器适合于在废气和被填充到其中并能够被蒸发和冷凝的工作流体之间交换热量，从而蒸发工作流体；设置在冷却剂路径中的冷凝器，内燃机的冷却剂通过该冷却剂路径得以循环，冷凝器适合于交换冷却剂和蒸发器所蒸发的工作流体之间的热量，由此冷凝工作流体。在废热回收装置中，蒸发器和冷凝器被设置在闭环流动路径中，通过该路径工作流体得以循环，蒸发器和冷凝器的位置在大致水平的方向上邻近，冷凝器在冷凝侧有多个互相平行设置的热管，冷凝侧的热管具有小截面面积部分，该部分的截面面积小于上端部分的截面面积，当蒸发器被加热时，该小截面面积部分位于冷凝侧热管中的工作流体的上表面之下。
当通过加热蒸发器使工作流体的循环从工作流体的循环被停止状态(在该状态下蒸发器没有被加热)被启动时，冷凝侧工作流体的上表面位置(水面位置)被提高。这时，在冷凝侧，当蒸发器被加热时，截面面积(该截面面积垂直于冷凝侧热管的纵向方向)比上端部分的截面面积小的小截面面积部分位于工作流体的上表面(水面)之下。这可以进一步提高工作流体的循环中冷凝侧的工作流体的上表面的位置(水面位置)，由此增大蒸发器和冷凝器之间的水头高度的差异。
在冷凝侧的热管中，当蒸发器被加热时，小截面面积部分位于工作流体的上表面(水面)之下。这样，当蒸发器被加热时，位于工作流体上表面(水面)之上的冷凝侧热管的部分的截面面积不需要被减少。因此，增大冷凝侧热管的上部的外表面的面积是可能的，由此改善热辐射性质。
这样，有可能确保工作流体循环中蒸发器和冷凝器之间的水头高度差，同时确保冷凝侧热管上部的热辐射性质。
可以在冷凝器的下游侧提供阀机构，用来开启和关闭流动路径，冷凝后的工作流体通过该路径流入蒸发器。在这种情况下，当阀机构关闭而且工作流体的返回被阻止时，工作流体被储存在冷凝器中。因此，阀机构上游侧的冷凝器需具备储存冷凝的工作流体的能力。这样，在冷凝侧的热管中，当蒸发器被加热时将小截面面积部分设置在工作流体的上表面(水面)之下，能够增大当蒸发器被加热时位于工作流体上表面(水面)之上的冷凝侧热管部分的流动路径截面面积。因此，有可能确保冷凝侧热管的上侧具有储存冷凝的工作流体的能力。
当蒸发器没有被加热时，小截面面积部分可以被放在至少低于冷凝侧热管中工作流体的上表面之下的位置。
附图说明
图1是根据第一实施例示出废热回收装置在车辆上的安装状态的示意图。
图2是沿着图1的A-A线的废热回收装置的截面示意图。
图3是根据第二实施例示出管道形状的侧视图。
图4是根据第四实施例的废热回收装置的截面示意图。
图5是根据第四实施例示出冷凝侧热管的一部分的放大的透视图。
图6(a)和图6(b)是示出冷凝侧热管的一部分的放大的透视图，其中图6(a)示出根据第五实施例的结构，图6(b)示出一个比较示例的结构。
图7是根据第六实施例示出冷凝侧热管的一部分的放大的透视图。
图8是示出传统的废热回收装置的截面图。
具体实施方式
(第一实施例)
根据本发明的第一实施例的废热回收装置100被应用于使用发动机10作为车辆运转的驱动源的车辆中。废热回收装置100被设置在排气管11和发动机10的废热回收回路30中。下面将参考图1和图2说明具体的结构。图1是示出废热回收装置100在车辆上的安装状态的示意图，图2是沿着图1的A-A线的截面示意图(废热回收装置100)。
如图1所示，发动机10是水冷式的内燃机，具有排气管11，燃料燃烧后产生的废气从该排气管中排出。发动机10包括散热器(radiator)回路20，通过该回路用来冷却发动机10的发动机冷却剂(以下称为冷却剂)得以循环，废热回收回路30用作除了散热器回路20之外的流动路径，通过该路径冷却剂得以循环，以及加热器回路40，通过该回路冷却剂(温水)在加热器芯41中循环以加热将要被调节的气体。
散热器回路20设置有散热器21，该散热器交换由水泵22循环的冷却剂和外部空气之间的热量由此冷却冷却剂。散热器回路20中提供了旁路流动路径23，通过该路径冷却剂绕开散热器21进行循环。恒温器24适合于调整流过散热器21的冷却剂的量以及流过旁路流动路径23的冷却剂的量。尤其是，在使发动机加温时，增加旁路流动路径23侧的冷却剂的数量来促进发动机的升温。也就是说，避免散热器21过度冷却冷却剂。
废热回收回路30是流动路径，该路径从散热器回路20的发动机出口形成分支以与水泵22相连，通过该路径水泵22使冷却剂循环。后面将要描述的废热回收装置100的水箱140(冷凝器130)被连接到废热回收回路30的中间点。
加热器回路40是这样的回路，在该回路中冷却剂(温水)从不同于散热器20的发动机出口的位置流出，并且该回路与废热回收回路30的下游侧汇合。加热器回路40设置有加热器芯41来充当用来加热的热交换器。冷却剂(温水)由上面所描述的水泵22通过加热器回路40循环。加热器芯41被设置在空气调节装置(图中未示)的空气调节箱中，来通过与温水的热交换加热将被调节、被鼓风机送风的空气。
如图1和图2所示，废热回收装置100包括催化转化器12、蒸发器110、管道120、冷凝器130、水箱140等。催化转化器12和蒸发器110被容纳在管道120中，蒸发器110和冷凝器130彼此相连。这些元件构成环形热管101。
催化转化器12用来清洁废气。催化转化器12是由矩形柱状的构件(单块)形成的，该构件由诸如在其中添加了催化剂的陶瓷材料制成。
热管101设置有没有示出的密封部分。热管101通过密封部分被排成真空(被减压)，并利用工作媒介封装以封闭该密封部分。水被用作工作媒介。尽管水的沸点在1标准大气压下是100度，热泵101内部的空气被减压(例如到0.01标准大气压)，这样沸点就变为5到10摄氏度。要说明的是可用作工作媒介的物质除了水以外，还包括例如酒精、根皮碳phlorocarbon、氟利昂等等。
除了上面所描述的催化转化器12，包含在废热回收装置100中的每个构件(将在以后描述)由具有高抗腐蚀性的不锈钢构件制成。在暂时装配这些构件之后，这些单独的构件通过使用被设置在邻接部分和接合部分的焊接材料被整体焊接(铜焊)到一起。
蒸发器110包括管111、散热片112、下水箱部分113和上水箱部分114。管111有一个细长的管构件，该构件具有具扁平的截面形状。这些管111按照预先确定的管间距被排列在一行上，这些管在图2所示的左-右方向上(以下称为排列方向)互相被隔开，使得管111的纵向方向沿着垂直方向。此外，管111还被沿着与图2所示的纸表面相垂直的方向(以下称为行方向)排成多行。
充当热交换构件的散热片112插在排列在排列方向上的管111之间，并与管111的外壁表面相连。散热片112用来增大与废气进行热交换的面积，并且是通过辊轧工艺由波浪形的薄片制成的波纹形的散热片。管111和散热片112构成蒸发器110的热交换部分。
每个下水箱部分113和上水箱部分114形成为扁平的箱子形状。下水箱部分113和上水箱部分114被设置在纵向方向上管111的两端。管孔(未示出)在水箱部分113和114的与管111相对应的位置上形成。每个管111在纵向方向上的两端分别与水箱部分113和114的管孔相连。管111与水箱部分113和114相连并相通。
管道120对应于本发明中的容纳部分，并如下面将要描述的那样允许废气通过那里。管道120是圆柱形构件，其截面的形状大致为矩形，并且以恒定的截面面积连续形成而没有在轴方向上管道120的一端和另一端之间的中间部分减少截面面积。在管道120的下表面121上形成槽122以当管道插入到通往排气管11的途中时朝着排气管11的后端侧延伸。槽122的截面可以是图2所示的大致半圆形，或者任何合适的形状，如四边形或V字形。
催化转化器12和蒸发器110被容纳在管道120中。蒸发器110被设置在相对于催化转化器12的废气流的下游侧并在管道120中与催化转化器12邻近。蒸发器110被容纳在管道120中，使得管111的行方向(与图2的纸表面相垂直的方向)与废气的流动方向(与图2的纸表面相垂直的方向)相同。
冷凝器130具有多个管131，这些管象上面所描述的蒸发器110一样，排列成具有沿着垂直方向的纵向方向。纵向方向上管131的两端形成为与上水箱部分132和下水箱部分133相连。管131被放在与水箱部分132和133的内部相连通的位置。
上面所描述的冷凝器130被容纳在水箱140中。水箱140是沿着管131的纵向方向延伸形成的细长的箱子。水箱140在一端上有冷却剂引入管141用来将冷却剂引入到其中，在另一端有冷却剂排出管142用来将冷却剂排出到外部。
阀机构150被设置在冷凝器130的下水箱部分133中。阀机构150的内部被隔膜151分成在大气侧与大气连通的空间152和用来将下水箱部分133与下水箱部分113连通的连通流动路径153。连通流动路径153设置有阀体154，该阀体与隔膜151相连并适合于开启和关闭流通流动路径153。
隔膜151在图2所示的左-右方向上根据由外部空气施加的大气压和冷凝器130(热管101)的内部压力之间的平衡进行位移。隔膜151位移移动用来开启和关闭连通流动路径153的阀体154。这样，阀机构150根据工作媒介的压力来充当开启和关闭连通流动路径153的阀。更具体而言，当冷凝器130(热管101)的内部压力增加到超过预定的内部压力(阀关闭压力)以克服大气压力时，阀体154滑向图2所示的右边方向以关闭连通流动路径153。相反地，当冷凝器130(热管101)的内部压力降低到预定的压力(阀关闭压力)之下时，阀体154被开启。
冷凝器130被设置在管道120的外面、蒸发器110的一侧，并与蒸发器110相连从而使上水箱部分114与上水箱部分132相连通。冷凝器130也被连接以使阀机构150的连通流动路径153与下水箱113相连通。下水箱部分113、管111、上水箱部分114、上水箱部分132、管131、下水箱部分133、阀机构150(连通流动路径153)和下水箱部分113被连接成环形以形成热管101。
如上所述，废热回收装置100被形成。废热回收装置100被设置在从车辆底面下的地面上看时朝着车厢内部凹陷的凹陷部分。管道120(催化转化器12和蒸发器110)插入到排气管11中，水箱140的管141和管142都被连接到废热回收回路30(见图1)。
现在，下面将描述具有上述布置的废热回收装置100的操作、效果和优点。
当发动机10被驱动时，水泵22运转，使冷却剂通过散热器回路20、废热回收回路30和加热器回路40循环。发动机10燃烧的燃料的废气流过排气管11，然后被废热回收装置100的催化转化器12清洁。这时，废气的温度通过催化转化器12的清洁效果而升高。已经通过催化转化器12的废气流入下游侧的蒸发器110而没有受到管道120中流体的很大影响，然后被排放到大气中。通过废热回收回路30循环的冷却剂通过废热回收装置100的水箱140(冷凝器130)的内部。
发动机10被驱动后，热管101的内部压力随着冷却剂温度的上升而逐渐增加。由于废气的数量根据发动机10的负载状态变化，装有普通发动机的车辆的内部压力根据车辆的各种运转状态发生改变，包括加速、减速和停止。
当热管101的内部压力在低于阀关闭压力的状态下继续增加时，阀机构150处于阀被开启的状态。热管101中的水(工作媒介)接收流经蒸发器110处管道120的废气的热量以开始被沸腾并汽化从而产生蒸汽。蒸汽在管111中上升以经由上水箱部分114流入冷凝器130中(上水箱部分132和管131)。流入冷凝器130的蒸汽被从废热回收回路30流入水箱140的冷却剂冷却成为冷凝水，冷凝水流经下水箱部分133和阀机构150的流通通道153从而被回流并返回到蒸发器110的下水箱部分113。
这样，废气中的热量被转移到水中，然后从蒸发器110被传送角到冷凝器130。当蒸汽被冷凝器130冷凝时，热量作为冷凝潜热被释放，流经废热回收回路30的冷却剂被确定地加热。因此，发动机10的升温得到促进以实现发动机10摩擦损失的减少，以及用于改善低温启动特性的燃料数量增加的减少，从而提高燃料效率。这样，有可能使用冷却剂作为加热源，提高加热器芯41的加热性能。废气的一部分热量通过热管101的外壁表面被从蒸发器110传递到冷凝器130。
在蒸发器110中提供管111和散热片112增加了从废气接收热量的面积。因此能够促进蒸发器110处工作媒介的蒸发，从而能够增加传送到冷凝器130的热量的数量。
然后，在冷却剂的温度超过预定的温度(如70摄氏度)以使内部压力超过阀关闭压力之后，阀机构150开始进入阀关闭状态，由此避免冷凝水回流到热管101中。在蒸发器110中，水被全部蒸发(变干)，并流入冷凝器130中。在冷凝器130中，冷凝水被储存。
然后，水的蒸发和冷凝导致的热传递被确定地停止(废热的回收被停止)，这样传递到冷却剂侧的热量的量仅仅由通过热管101进行的热传递导致。这样，当废热回收继续进行而废气的温度随着发动机负载的增大而上升时，冷却剂的温度被过度增加以超过散热器21的散热能力，由此导致过热。然而，转换到停止废热回收可以避免这个问题。
在这个实施例中，催化转化器12和蒸发器110在管道120中被设置在一起，由此提供了紧凑的废热回收装置100。这样，与传统情况下分别决定和处理催化转化器12和蒸发器110的安装位置相比，催化转化器12和蒸发器110可以被有效的共同安装在车辆底板的下面(在另一侧)。
催化转化器12相对于蒸发器110被设置在废气流的上游侧，这样可以充分发挥清洁废气的作用而不受蒸发器110处被冷却的废气的影响。
蒸发器110与被催化转化器清洁并且温度上升的废气进行热交换，由此使废热回收有效进行。
用来容纳催化转化器12和蒸发器110的管道120连续形成而不减小管道120的截面面积。这可以减少排气管11中形成的扩大管部分和缩小管部分的数量，由此减少废气通过循环的压力损失。
通过上面所描述的废热回收装置100将废气的热量传送到冷却剂侧导致废气被冷却以及废气中包含的湿气作为冷凝水被储存在管道120的下表面121中。通常地，被储存的冷凝水可能被由蒸发器110处压力损失所产生的废气的湍流移动到催化转化器12和蒸发器110。
然而，在本实施例中，槽122被设置在用来在容纳蒸发器110的管道120的下表面121上，这样储存在下表面121的冷凝水被收集在槽122中。收集的冷凝水可以与废气流一起流到排气管11的后端侧，由此降低潮湿对催化转化器12和蒸发器110的影响。潮湿对催化转化器12的影响包括由普通陶瓷材料制成的催化转化器12由于淬火效应出现的断裂。对蒸发器110的影响包括潮湿导致的腐蚀的出现。
可以在下表面121上提供多个槽122。这可以更加有效的收集冷凝水以使其流到后端侧。
槽122可以朝着排气管11的后端侧向下倾斜。在这种情况下，冷凝水可以更加有效的流到后端侧。
下表面121最好是在下表面121上的槽122的宽度方向(图2所示的左-右方向)上朝着槽122向下倾斜。在这种情况下，冷凝水可以更加有效的被收集在槽122中。
此外，当部分废气没有经过排气管11后端侧的消声器被排放到外部而产生的噪音水平不构成问题的情况下，可以在槽122中提供排出孔以朝着外部向下开口，由此使储存在槽122中的冷凝水被从排出孔排放到外部。
(第二实施例)
图3示出本发明的第二实施例。第二实施例与第一实施例的不同之处在于管道120的下表面121的形状。
管道120的下表面形成为使得带有位于蒸发器110的废气流上游侧的催化转化器12的下表面121的区域在垂直方向上被置于比带有蒸发器110的下表面121的区域高的位置。
也就是说，管道120的下表面121是从废气流的上游侧延伸通过催化转化器12以台阶部分向下侧扩展，并进一步以在下表面121上的相同平面高度朝向废气流的下游侧延伸的部分。
这样，即使当废气的温度被蒸发器110降低且废气中所包含的湿气成为冷凝水，冷凝水可以被避免朝着催化转化器12流动并可以与废气流一起朝着排气管11的后端侧流动。因此，与第一实施例相似，这可以降低潮湿对催化转化器12和蒸发器110的影响。
(第三实施例)
第三实施例的基本形状与第一实施例的相似。第三实施例与第一实施例的不同之处在于包含在蒸发器110的热交换部分的散热片112的材料。本实施例的散热片112是由添加了诸如铂(Pt)的贵金属催化剂的材料制成。
蒸发器110本身的热交换部分具有清洁废气的功能。也就是说，在发动机的高输出量等情况下，热管101的内部压力超过了阀关闭压力，这样流通流动路径153被阀机构150关闭以停止废热回收装置100的热传递。在这种情况下，废热回收装置不产生废气的冷却效果，而散热片112有效地发挥清洁功能，以使固有的催化转化器12紧凑。另一种方案是，当催化转化器12的清洁能力被保留时，散热片112的清洁能力可以得到提高。散热片112基本上被用来增大热交换的面积。由于散热片112的表面积变大，废气的清洁效果可以被提高。这样，散热片112适合于用作具有清洁效果的重要构件。
需要说明的是被添加贵金属催化剂的构件可以是包含在蒸发器110的热交换部分中的管111。此外，管111和散热片112都可以充当被添加贵金属催化转化器的构件。
(第四实施例)
下面将在图4和图5的基础上描述本发明的第四实施例。第四实施例的废热回收装置可以回收例如来自于车辆的发动机(内燃机)的排气系统的废气的废热，并可以利用废热促进发动机加温(预热)等。
图4是根据第四实施例的废热回收装置的截面示意图。如图4所示，第四实施例的废热回收装置包括蒸发器110和冷凝器130。蒸发器110和冷凝器130被布置在水平方向上相互邻近的位置。
蒸发器110被设置在位于发动机的排气缸(图中未示)中的第一外壳120a(容纳部分)中。蒸发器110交换废气和下面将描述的工作流体之间的热量，使工作流体可以蒸发。
冷凝器130被设置在排气缸的外部，位于布置在发动机的冷却剂路径(图中未示)上的第二外壳120b(容纳部分)中。冷凝器130交换蒸发器110所蒸发的工作流体和发动机冷却剂之间的热量以使工作流体能够在那里被冷凝。第二外壳120b设置有连接到发动机冷却剂出口端的冷却剂入口201，以及连接到发动机冷却剂入口端的冷却剂出口202。
现在，下面将介绍蒸发器110的结构。
蒸发器110在蒸发侧有多个热管3a及连接到蒸发侧热管3a的外表面的波浪形的散热片4a。蒸发侧的热管3a形成为扁平形状，使得废气的循环方向(与纸表面垂直的方向)与大直径方向相同。蒸发侧的热管3a被平行设置，使得热管3a的纵向方向与垂直方向相同。
蒸发侧的集管5a在蒸发侧热管3a的纵向方向上被分别设置在蒸发器110中的热管3a的两侧端，以在蒸发侧热管3a的层叠方向上延伸并与蒸发侧的所有热管3a相连通。在集管5a中位于废热回收装置的上端侧的蒸发侧集管5a被称为蒸发侧的第一集管51a。位于废热回收装置的下端侧的蒸发侧集管5a被称为蒸发侧的第二集管52a。
现在，下面将描述冷凝器130的结构。
冷凝器130有多个冷凝侧热管3b和连接到冷凝侧热管3b的外表面的直的散热片4b。冷凝侧热管3b形成为扁平形状，使得废气的循环方向(与纸表面垂直的方向)与大直径方向相同。热管3b被平行设置，使得热管3b的纵向方向与垂直方向相同。
冷凝侧集管5b在冷凝侧热管3b的纵向方向上的两端被分别设置在冷凝器130中，以在冷凝侧热管3b的层叠方向上延伸并与冷凝侧所有的热管3b连通。在集管5b中，位于废热回收装置垂直方向的上端侧的冷凝侧集管5b被称为冷凝侧的第一集管51b。位于废热回收装置垂直方向的下端侧的冷凝侧集管5b被称为冷凝侧的第二集管52b。
蒸发侧的集管5a和冷凝侧的集管5b互相连接以使其互相连通。蒸发侧和冷凝侧的热管3a和3b以及蒸发侧和冷凝侧的集管5a和集管5b形成闭合回路，能够被蒸发和冷凝的工作流体，如水或酒精，被装到该闭合回路中。
阀机构150被设置在冷凝侧的第二集管52b中。阀机构150充当隔膜型的开启和关闭装置来形成连接冷凝侧热管3b与蒸发侧的第二集管52a的流动路径，并用来根据蒸发侧热管3a的内部压力(即工作流体的压力)来开启和关闭流动路径。具体而言，当在制冷剂的预定温度下内部压力从通常的阀开启状态增加到超过第一预定压力时，阀机构150被关闭。相反的，当内部压力被降低到低于小于第一预定压力的第二预定压力时，阀机构150再次被开启。这能阻止回收废热以避免在例如夏季的发动机高负载时期的过热。
根据第四实施例的冷凝侧热管3b的详细结构将在下面描述。在本实施例中，各冷凝侧热管3b具有相同的结构。
图5是根据第四实施例示出冷凝侧热管3b的透视图。如图5所示，第四实施例的冷凝侧热管3b包括位于上侧(冷凝侧的第一集管51b侧)的上部部分31、位于下侧(冷凝侧的第二集管52b侧)的下部部分32和位于上部部分31和下部部分32之间的中间部分33。
冷凝侧热管3b中的下部部分32的截面(与冷凝侧热管3b的纵向方向相垂直的截面)的面积小于上部部分31的截面面积。中间部分33与上部部分31和下部部分32相连，其截面面积从上部部分31的下端到下部部分32的上端逐渐减少。这样，与上部部分31的截面面积相比，中间部分33的面积在整个区域比较小。在本实施例中，下部部分32和中间部分33形成小截面面积部分300。只有冷凝侧热管3b的宽度方向上的长度被改变以改变其截面面积。
当蒸发器110被加热，也就是说，当工作流体流过时，小截面面积部分300位于冷凝侧热管3b中工作流体的上表面(以下称为循环状态的水表面，见图5中的虚线A)之下。循环状态的水表面位置根据废热回收装置的尺寸或者操作条件而不同。例如，当蒸发器110被加热时，水表面位置可以被设置在冷凝侧热管3b中的工作流体的上表面可以被设置的任何位置。
在本实施例中，当蒸发器110没有被加热时，也就是说，当工作流体的循环被停止时，截面面积小于中间部分33的截面面积的下部部分32位于冷凝侧热管3b中的工作流体的上表面(以下称为停止状态的水表面，见图5中虚线B)之下。停止状态的水表面的位置由当废热回收装置被生产时装载的工作流体的数量决定。
当通过加热蒸发器110使工作流体的循环从停止状态(在该状态中蒸发器110没有被加热)启动时，冷凝侧热管3b中的工作流体的上表面(水表面)位置被提高。这时，在本实施例中，截面面积比上部部分31的截面面积小的小截面面积部分300位于冷凝侧热管3b中循环状态的水表面之下。这可以进一步提高工作流体循环中冷凝侧热管3b中工作流体的上表面(水表面)位置，导致蒸发器110和冷凝器130之间水头高度差的增加。
在冷凝侧热管3b中，小截面面积部分300位于循环状态的水表面之下，由此位于循环状态的水表面之上的部分的截面面积不需要被减少。这能够增大冷凝侧热管3b的上部部分的外表面的面积，从而提高热辐射性能。
因此，有可能确保工作流体循环中蒸发器110和冷凝器130之间水位高度的差异，同时确保冷凝侧热管3b的上部部分的热辐射性质。
在第四实施例中，阀机构150被置于冷凝侧的第二集管52b中以控制从冷凝器130流向蒸发器110的工作流体的流动。在这种情况下，当阀机构150被关闭以停止工作流体的返回时，工作流体被储存在冷凝器130中。这样，冷凝器130中的阀机构150的上游侧需要具有储存冷凝的工作流体的能力。如上所述，将小截面面积部分300设置在冷凝侧热管3b中循环状态的水表面之下，可以增大高于循环状态的水表面的冷凝侧热管3b的上部部分的流动路径的截面面积。这可以确保在冷凝侧热管3b的上部部分31中储存冷凝工作流体的能力。
(第五实施例)
下面将在图6的基础上描述本发明的第五实施例。与上述第四实施例中相同的元件将用相同的附图标记表示，这样将在下面省略对附图标记的描述。
图6(a)和图6(b)是示出冷凝侧热管3b的主要部分的放大的透视图，其中图6(a)示出第五实施例的结构，图6(b)示出一个比较示例的结构。
如图6(a)所示，本实施例的冷凝器130是所谓的拉制杯(drawn cup)型。冷凝器130通过对准两个管板的中心、把这些管板层叠并将这些管板互相焊接在一起而制成，从而形成冷凝侧的层叠的扁平热管3b和冷凝侧热管3b的纵向方向两端的冷凝侧集管5b。在本实施例中，冷凝侧热管3b的下部部分32与冷凝侧的第二集管52b相对应。冷凝侧第二集管52b中设置有大致为圆柱形的阀机构150来控制工作流体从冷凝器180流向蒸发器110的流动。
传统上，如图6(b)所示，位于冷凝侧的第二集管J52b中的阀机构J6之下的部分(见图6(b)中对角线所表示的部分X)是个无用空间，该空间永远不会对确保蒸发器110和冷凝器130之间的水位高度之差有贡献。
相反，在第五实施例中，下部部分32在冷凝侧热管3b中形成，也就是说，冷凝侧第二集管52b的截面面积被制作成小于上部部分31的截面面积。这样，有可能减小无用空间的容积(见图6(a)中对角线所表示的部分Y)。这能够增大蒸发器110和冷凝器130之间的水位高度之差，从而增加从冷凝器130进入到蒸发器110的工作流体的流速。这样，可以增加在蒸发器110和冷凝器130之间循环的工作流体的量，从而提高热回收性能。
(第六实施例)
下面将在图7的基础上描述本发明的第六实施例。与上述第四实施例中相同的元件将用相同的附图标记表示，这样将在下面省略对附图标记的描述。
图7是根据第六实施例示出冷凝侧热管3b的主要部分的放大的透视图。如图7所示，本实施例的小截面面积部分300具有从上侧向下侧逐渐减小而后逐渐增加的工作流体流动路径。这可以取得同上述第四实施例相同的效果。
(其他实施例)
尽管在上述的第四实施例到第六实施例中，只有冷凝侧热管3b的宽度方向上的长度被改变来改变其截面面积，本发明并不被限制于此。例如，通过改变冷凝侧热管3b的厚度方向的长度，热管3b的截面面积可以被改变。
尽管在上述的第四实施例到第六实施例中，所有的冷凝侧热管3b都设置有小截面面积部分300，本发明并不被限制于此。至少一个冷凝侧热管3b可能设置有小截面面积部分300。尽管在每个上述的实施例中，阀机构150被设置在冷凝侧第二集管52b中，但是可以不设置阀机构150。
尽管在上述第一实施例到第三实施例中管道120是具有矩形截面的管，本发明并不被限制于此。当催化转化器12形成为圆柱形时，与催化转化器12相应的管道120的区域的截面可以形成为圆形，从而以矩形的方式与催化转化器12在内部接触，并平滑地连接到对应于蒸发器110的管道120的矩形截面部分。
尽管在上述第一实施例到第三实施例中，废热回收装置100的基本结构包括位于蒸发器110的侧端部的冷凝器130，本发明并不被限制于此。冷凝器130可以被置于蒸发器110之上。在这种情况下，冷凝器130的管131可以被水平设置。
阀机构150适合于根据热管101的内部压力，也就是工作媒介的压力，被开启和关闭。作为一种替代，阀机构150可以是根据冷却剂或工作媒介的温度被开启和关闭的阀。
当散热器21在热辐射能力方面具有足够的余量，可以去除阀机构150，这样下水箱部分133和下水箱部分113可以直接互相连接。

Claims (12)

1.一种废热回收装置，包括：
连续形成而其中间部分的截面没有缩小的容纳部分(120)，所述容纳部分适合被插入内燃机(10)的排气管(11)的中间部分以使内燃机(10)的废气能够通过；
设置在容纳部分(120)中的催化转化器(12)，用来清洁废气；
在容纳部分(120)中废气流的下游侧邻近催化转化器(12)设置的蒸发器(110)，用于利用废气的热量蒸发其中的工作媒介；以及
冷凝器(130)，用于通过将从蒸发器(110)流入其中的工作媒介的热量向内燃机(10)的冷却剂侧辐射来冷凝工作媒介，从而回收冷却剂侧的热量，并将冷凝后的工作媒介返回到蒸发器(110)。
2.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，所述容纳部分(120)的下表面(121)设置有槽(122)，所述槽朝着排气管(11)的后端侧延伸。
3.根据权利要求2所述的废热回收装置，其特征在于，设置有多个所述槽(122)。
4.根据权利要求2或3所述的废热回收装置，其特征在于，槽(122)朝着排气管(11)的后端侧向下倾斜。
5.根据权利要求2至4中任一项权利要求所述的废热回收装置，其特征在于，所述下表面(121)在槽(122)的宽度方向上朝着槽(122)向下倾斜。
6.根据权利要求2至5中任一项权利要求所述的废热回收装置，其特征在于，所述槽(122)上设置有朝着外部开口的排出孔。
7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的废热回收装置，其特征在于，容纳部分(120)的下表面(121)形成为具有相对蒸发器(110)的废气流上游侧，所述上游侧高于包括下表面(121)上的蒸发器(110)的废气流的下游侧。
8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的废热回收装置，其特征在于，贵金属催化转化器被添加到包括在蒸发器(110)的热交换部分中的热交换构件(112)。
9.根据权利要求8所述的废热回收装置，其特征在于，热交换构件(112)是用来增大热交换面积的散热片(112)。
10.一种废热回收装置，被安装在使用内燃机作为其驱动源以使车辆运转的车辆上，所述废热回收装置包括：
设置在废气路径中的蒸发器(110)，从内燃机排出的废气通过该废气路径得以循环，该蒸发器适合在废气和被填充到其中并能够被蒸发和冷凝的工作流体之间交换热量，从而蒸发工作流体；以及
设置在冷却剂路径中的冷凝器(130)，内燃机的冷却剂通过该冷却剂路径得以循环，该冷凝器适合于在冷却剂和被蒸发器(110)蒸发的工作流体之间交换热量，由此冷凝工作流体，
其中：
蒸发器(110)和冷凝器(130)被设置在闭环流动路径中，通过该闭环流动路径工作流体得以循环，
蒸发器(110)和冷凝器(130)被设置为在大致水平的方向上彼此邻近，
冷凝器(130)在冷凝侧具有多个互相平行设置的热管(3b)，
冷凝侧的热管(3b)具有小截面面积部分(300)，该部分的截面面积小于其上端部分的截面面积，
当蒸发器(110)被加热时，该小截面面积部分(300)位于冷凝侧热管(3b)中的工作流体的上表面之下。
11.根据权利要求10所述的废热回收装置，其特征在于，进一步包括位于冷凝器(130)下游侧的阀机构(150)，用来开启和关闭流动路径，通过所述流动路径冷凝的工作流体流入蒸发器(110)。
12.根据权利要求10或11所述的废热回收装置，其特征在于，当蒸发器(110)没有被加热时，所述小截面面积部分(300)至少位于冷凝侧热管(3b)中的工作流体的上表面之下。
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