CN102803887B - 废热回收装置 - Google Patents

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Abstract

在通过在废气与热媒之间进行热交换而对热媒进行加热的热回收部(30)的正上方，配置通过在热媒和发动机冷却水之间进行热交换而对发动机冷却水进行加热的冷凝部(40)，并通过蒸汽供应管(50)连接热回收部(30)的上部和冷凝部(40)的下部。在冷凝部(40)的内部空间内配置发动机冷却水所流经的LLC管(42)以使其包围蒸汽供应管(50)的开口部的周围。

Description

废热回收装置
技术领域
本发明涉及设置在内燃机等机构中的通过回收废气热量促进适合的加热对象升温的废热回收装置。尤其本发明涉及用于提高废热回收效率的对策。
背景技术
以往，已知一种废热回收装置，该废热回收装置利用热导管来回收安装在汽车等车辆上的内燃机(以下，称作发动机)的废气的热量并促进发动机的预热(例如，参照下述的专利文献1和专利文献2)。
这种废热回收装置包括热回收部和冷凝部。在热回收部中，通过废气的热量使热媒(例如水等冷媒)蒸发。然后，将该气相的热媒运送到冷凝部，在该冷凝部中，在热媒与发动机的冷却水之间进行热交换，急速提高该冷却水的温度。由此能够缩短发动机的预热运转时间而改善燃料消耗率。
另外，在冷凝部中与冷却水进行了热交换的热媒被冷凝，并返回到热回收部。然后，在该热回收部中，进行热媒再次通过废气的热量而蒸发并被运送到冷凝部的循环。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：特开2009-8318号公报
专利文献2：特开2007-170299号公报
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在以往的废热回收装置中，由于以下几点，提高废热回收效率的程度是有限的，因此需要用于进一步提高该废热回收效率的改善。
即，在以往的废热回收装置的冷凝部中，发动机的冷却水所流经的空间处于经由冷凝部的外壁暴露于大气的状态。因此，冷却水的热量从该冷凝部的外壁向大气中大量释放(放热)的可能性很高。即，在从上述热媒(例如，蒸汽)受热的冷却水流经冷凝部的内部的期间，冷却水经由该冷凝部的外壁向大气中大量放热，从而冷却水的温度变低，该被释放的热量成为损失热量。此外，考虑到耐蚀性等，该冷凝部的外壁多由不锈钢制成。该不锈钢是热传导率较高的材料(与用于运载发动机的冷却水的软管相比，热传导率较高)，因此促进向大气中的放热。
另外，在以往的废热回收装置中，被传送到上述冷凝部中的热媒(蒸汽)的大部分被直接引至冷凝部的内壁面。在这种构造中，与上述的冷却水发生热量损失的情况一样，存在该热媒的热量经由冷凝部的外壁向大气中大量释放的可能性。即，被热媒运送到冷凝部的热量中的相当多的热量从冷凝部的外壁被释放到大气中而未被供应给上述冷却水，从而损失热量增大与该放热量相应的量。
本发明就是鉴于上述情况而作出的，其目的在于提供一种可抑制冷凝部中的热量损失来大幅提高废热回收效率的废热回收装置。
用于解决问题的手段
—问题的解决原理—
用于实现上述目的的本发明的解决原理是：通过在被废热加热的流体(加热用流体)与加热对象流体(被加热用流体)之间进行热交换的放热部(冷凝部)的内部空间中配置供加热对象流体在其中流动的配管，并且通过将导入到该放热部的内部空间中的加热用流体直接引向该配管，来减小加热对象流体所接收的热量向外部的放热量以及加热用流体向外部的放热量，由此大幅抑制热量的损失。
—解决手段—
具体来说，本发明以下述的废热回收装置为前提，该废热回收装置包括：受热部，所述受热部用于通过废气的热量加热流体来使其蒸发；放热部，所述放热部用于接收在所述受热部中蒸发的气相流体并通过该流体对加热对象流体进行加热；流体供应管，所述流体供应管将在所述受热部中蒸发的气相流体供应至放热部的内部空间；以及回流通路，所述回流通路用于使在所述放热部中冷凝成液相的流体返回到所述受热部。对于所述废热回收装置，在所述放热部的内部空间中配置加热对象流路配管，所述加热对象流路配管包括：第一配管部分，所述第一配管部分构成加热对象流体流入所述内部空间的流入路径；以及第二配管部分，所述第二配管部分经由在所述内部空间或者所述内部空间的外侧弯曲的弯曲配管部分而与第一配管部分相连，并且所述第二配管部分构成加热对象流体从所述内部空间流出的流出路径。并且，所述流体供应管在所述放热部的内部空间中的开口位置被设定在向所述第一配管部分与所述第二配管部分之间的空间供应所述气相流体的位置。
根据该特定项，在所述受热部中，流体通过废气的热量被加热并蒸发。该气相流体经由流体供应管被供应给放热部，与在配置于该放热部内部中的加热对象流路配管的内部流动的加热对象流体进行热交换。由此，加热对象流体被加热。另外，对加热对象流体进行加热后的流体被冷凝，并经由回流通路返回到受热部。在流体如此进行循环的状态下，在上述放热部中，流体供应管的开口位置被设定在向所述第一配管部分与所述第二配管部分之间的空间供应所述气相流体的位置。因此，气相流体直接朝向所述第一配管部分和所述第二配管部分各自的外表面流动。即，能够在抑制该气相流体的热量中的从放热部的外壁释放的放热量的同时，使其大部分经由第一配管部分和第二配管部分作用于对加热对象流体的加热。另外，由于加热对象流体在放热部的内部空间中流经加热对象流路配管的内部，因此所述加热对象流体所接收的热量几乎不从放热部的外壁放热。其结果是，加热对象流体以维持从气相流体接收到的热量的大致全部量的状态从放热部中流出。如此，气相流体和加热对象流体向外部的放热量均被大幅减少，因此能够提高废热回收效率。
在更优选的构成中，所述弯曲配管部分被配置在所述放热部的内部空间内，并将第一配管部分和第二配管部分连起来。并且，在上述的更优选的构成中，所述流体供应管的开口位置被设定在向被所述第一配管部分、弯曲配管部分以及第二配管部分包围的空间供应所述气相流体的位置。
根据该构成，从流体供应管向放热部的内部空间供应的气相流体的大部分分别直接朝向第一配管部分、弯曲配管部分、第二配管部分的各个外表面流动。因此，可大幅抑制气相流体的热量中的从放热部的外壁释放的放热量，能够大幅提高废热回收效率。
作为所述受热部和放热部的配置的一个方式，具体可举出以下构成。即，在该构成中，所述放热部被配置在受热部的正上方。并且，在该构成中，所述流体供应管连结受热部的上部和放热部的下部，以使它们的内部空间相互连通。
通过如此将放热部配置在受热部的正上方，能够减少气相流体从受热部向放热部运送时的热损失。即，通过能够将上記流体供应管的长度尺寸设定得较短，能够抑制从流体供应管的表面释放的放热量，能够将在受热部中获得的热量的大部分供应给放热部。因此能够提高放热部中的热交换效率。
作为所述受热部和放热部的配置的一个方式，更具体地可举出如下构成：所述废热回收装置回收从安装在车辆上的内燃机中排出的废气的热量，并且所述受热部和放热部被容纳配置在形成于车辆地板上的通道部的下侧空间中。
根据该构成，在车辆行驶时流入车辆地板的通道部内的行驶风沿着废热回收装置的受热部的下表面和侧面流动。即，由于行驶风几乎不流向放热部的侧面和上表面，因此该行驶风几乎不从放热部损失热量。因此，气相流体和加热对象流体向外部的放热量(由于行驶风而损失的热量)均被大幅减少，从而能够提高热回收效率。
另外，在此情况下，所述第一配管部分和所述第二配管部分在放热部的平面视图中优选位于放热部的壳体侧面与流体供应管之间。
由此，即使通过放热部中的热交换而冷凝的流体在其自重的作用下从第一配管部分和第二配管部分中滴下，该流体(液相流体)也不会经由流体供应管返回到受热部，而是朝向回流通路下流并返回到受热部。因此，流体的循环中不发生逆流，循环动作顺利地进行，从而能够实现高效的热回收。
另外，所述流体供应管在所述放热部的内部空间内的上端高度位置优选被设定在与所述第一配管部分和所述第二配管部分的下端的高度位置相同高度的位置，或者被设定在比所述第一配管部分和所述第二配管部分的下端的高度位置更低的位置。
由此，向放热部的内部空间供应的气相流体从流体供应管的上端向水平方向扩散。该气相流体的大部分朝向第一配管部分和第二配管部分的各外表面流动，而不会被直接吹向放热部的上表面。由此，能够提高放热部中的热交换效率。
另外，在本发明的废热回收装置中，所述第一配管部分、所述第二配管部分、以及所述弯曲配管部分优选相对于所述流体供应管的上端而位于所述车辆的右方、左方、以及前方或后方。
由此，能够增大从所述蒸汽供应管向所述放热部的内部空间供应的蒸汽中直接吹向加热对象流路配管的外表面的蒸汽的量的比例。其结果是，能够进一步提高废热回收效率。另外，由于所述第一配管部分和所述第二配管部分设置在所述流体供应管的上端的左右，因此所述第一配管部分和所述第二配管部分在车辆的前后方向上延伸。由此，仅通过直接延迟所述第一配管部分和所述第二配管部分，就能够将用于向加热对象流体的供应目的地供应加热对象流体的配管配置在通道部内的、行驶风的流量较少的区域中。从而，通过简单构成的配管，能够减少向加热对象流体的外部释放的放热量(由于行驶风而损失的热量)来提高废热回收效率。
另外，所述第一配管部分、弯曲配管部分、以及第二配管部分优选被配置在共同的假想水平面上。
由此，减小所述放热部沿铅垂方向的尺寸，能够将所述放热部配置在所述通道部内的、行驶风的流量较少的区域中。其结果是，气相流体和加热对象流体向外部的放热量(由于行驶风而损失的热量)均被减少，能够提高废热回收效率。
发明效果
在本发明中，在使得被废热加热的流体与加热对象流体进行热交换的放热部的内部空间中配置供加热对象流体在其中流动用的配管，并且将导入到该放热部的内部空间中的加热用流体直接引至该配管。由此气相流体和加热对象流体向外部的放热量均被大幅减小，能够提高废热回收效率。
附图说明
图1是示出实施方式涉及的废热回收系统的概略构成的图；
图2是示出废热回收装置的设置状态的立体图；
图3是从车身前方观看的废热回收装置的设置状态的图；
图4是示出热回收部的核心的立体图；
图5是从车身前方观看的废热回收装置的剖面图；
图6是沿图3的VI-VI线的剖面图；
图7A是各变形例的与图6相当的图；
图7B是各变形例的与图6相当的图；
图7C是各变形例的与图6相当的图；
图7D是各变形例的与图6相当的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。在本实施方式中，对本发明应用于安装在汽车上的多气缸汽油发动机(内燃机)中所具备的废热回收装置的情况进行说明。
—废热回收系统—
图1示出了本实施方式涉及的发动机1所具备的废热回收系统的概略构成。
本实施方式涉及的发动机1将从进气系统供应的空气和从燃料供应系统供应的燃料以适合的空燃比混合而成的混合气供应到燃烧室从而使混合气燃烧，之后将随着这种燃烧产生的废气从排气系统排向大气。
排气系统被构成为至少具有安装在发动机1上的排气歧管2和经由球形接头3与该排气歧管2连接的排气管4。然后，由上述排气歧管2和排气管4形成排气通路。
上述球形接头3允许排气歧管2与排气管4之间的适当的摆动，并且起到使发动机1的振动和活动不会传递到排气管4或者衰减后传递的功能。
两个催化剂5、6串联设置在上述排气管4上。通过这两个催化剂5、6来净化废气。
在这两个催化剂5、6中，在排气管4中被设置在废气(排气)的流动方向的上游侧的催化剂5是被称作所谓起始催化剂(S/C)的催化剂。以下，将该催化剂5称作上游侧催化剂5。另一方面，排气管4中被设置在废气的流动方向的下游侧的催化剂6是被称作所谓主催化剂(M/C)或者地板下催化剂(U/F)的催化剂。以下，将该催化剂6称作下游侧催化剂6。
这两个催化剂5、6例如均由三元催化剂构成。该三元催化剂起到通过化学反应将一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)、氮氧化物(NOx)一并变成无害成分的净化作用。
发动机1的内部(水套)填充有称作长效冷媒(LLC)的冷却液(以下，简称作冷却水)。该冷却水从冷却水移出路径8中暂时移出后被供应给散热器7，并从该散热器7经由冷却水回流通路9回到发动机1。散热器7通过与外部气体的热交换来冷却通过水泵10被循环的冷却水。
然后，通过自动调温器11调节流经散热器7的冷却水量和流经旁通路12的冷却水量。例如，在发动机1预热运转时，增加旁通路12侧的冷却水量来促进发动机的预热。
在从冷却水移出路径8分出并在冷却水回流通路9中与水泵10的上游侧连接的加热器流路13的中途设置有加热器核心14。该加热器核心14是用于利用上述冷却水的热量进行车厢内的供暖的热源。通过该加热器核心14被加热的空气被鼓风机15导入到车厢内。由上述加热器核心14和鼓风机15构成了加热器单元16。上述加热器流路13包括位于后述的废热回收装置20的上游侧(冷却水流动方向上的上游侧)的上游侧流路13a、以及位于废热回收装置20的下游侧的下游侧流路13b。在废热回收装置20中的废热回收动作(该废热回收动作下面详细叙述)被进行的情况下，流经该下游侧流路13b的冷却水的温度高于流经上游侧流路13a的冷却水的温度。
—废热回收装置的构成—
如上构成的发动机1的排气系统配置有废热回收装置20。
图2是示出废热回收装置20的设置状态的立体图。图3是从车身前方观看的废热回收装置20的设置状态的图。图4是示出废热回收装置20的内部所容纳的核心31的立体图。图5是从车身前方观看的废热回收装置20的剖面图。此外，图6是沿图3的VI-VI线的剖面图。
该废热回收装置20用于回收从发动机1中排出的废气的热量以促进上述冷却水的升温。废热回收装置20主要包括热回收部(受热部)30和冷凝部(放热部)40。废热回收装置20具有这些热回收部30和冷凝部40通过蒸汽供应管(流体供应管)50和冷凝水回流部(回流通路)60相连的构成(参照图3和图5)。
具体地，在热回收部30的上侧配置有冷凝部40。并且，该热回收部30的上部和冷凝部40的下部通过蒸汽供应管50连接，热回收部30的侧部和和冷凝部40的侧部通过冷凝水回流部60连接。由此，形成了以热回收部30、蒸汽供给管50、冷凝部40、冷凝水回流部60的顺序使热媒(流体)循环的环路型热管构造。
此外，上述环路型热管构造的废热回收装置20是指：通过在热回收部30和冷凝部40之间使热媒在相变(在液相和气相之间相变)的同时进行循环、来反复进行热回收部30中的废气热量的回收和冷凝部40中的放热(向冷却水的放热)的装置。
由上述热回收部30、蒸汽供应管50、冷凝部40以及冷凝水回流部60形成的热媒的循环路径的内部处于真空状态，并且该循环路径内封装有适量的热媒。该热媒例如采用纯净水等。水的沸点在一个大气压下为100℃。通过对上述热媒的循环路径内进行减压(例如，减压到0.01气压)，循环路径内的水的沸点变为例如5～10℃。作为热媒，除纯净水以外，还可采用例如酒精、碳氟化合物、氟里昂等。另外，废热回收装置20的主要构件例如由具有高耐蚀性的不锈钢材料形成。
作为该废热回收装置20的构成部件的概要，上述热回收部30是使用废气的热量使封装在内部的液相热媒蒸发的热回收部。该热回收部30具有使用单个核心31的构成。如图4和图5所示，多个排气通路32和多个热媒通路33以交替地相邻配置的状态设置于上述核心31中。上述热回收部30被构成为在流经排气通路32的废气与流经热媒通路33的热媒之间进行热交换。对于该热回收部30的具体构成，将在后面进行说明。
冷凝部40接受在热回收部30中变成蒸汽的气相热媒，并通过该热媒的潜热和显热对作为加热对象的上述冷却水进行加热。该冷凝部40内的气相热媒随着其与冷却水之间的热交换而被冷凝成液相，并经由冷凝水回流部60返回到热回收部30。对于该冷凝部40的具体构成，将在后面进行说明。
—废热回收装置20的配置方式—
接下来，对上述废热回收装置20的配置方式进行说明。
如图1和图2所示，在废热回收装置20中，上述热回收部30被设置在排气管4的中途，从而使得经由该排气管4流入热回收部30中的废气的热量在热回收部30中被热媒回收。
排气管4通过设置废热回收装置20而以其为界被分割成上游部4a和下游部4b。
上述热回收部30中的各排气通路32的入口被配置在排气管4的上游部4a侧，另一方面，各排气通路32的出口被配置在排气管4的下游部4b侧。
在热回收部30的排气入口侧与排气管4的上游部4a之间的连结部分以及热回收部30的排气出口侧与排气管4的下游部4b之间的连结部分设置有锥形状的连接管4c、4d。
设置在上游侧连结部分上的连接管4c具有从废气流动方向的上游侧向下游侧逐渐增大内径尺寸的形状。由此，可使流经排气管4的上游部4a的废气到达废热回收装置20的热回收部30的排气入口整个区域。
设置在下游侧连结部分上的连接管4D具有从废气流动方向的上游侧向下游侧逐渐减小内径寸法的形状。由此，可使从废热回收装置20的热回收部30的排气出口整个区域中流出的废气在减小阻力的同时一起流向排气管4的下游部4b。
另外，上述排气管4被容纳通道部17a内，该通道部17a形成在车身的地板面板(车辆地板)17中，并沿车身前后方向延伸。因此，如图3所示，配置在上述连接管4c、4d之间的热回收部30、配置在该热回收部30的上侧的冷凝部40也分别被容纳在通道部17a内(地板面板17的下侧空间)。
通过这样的废热回收装置20的设置状态，车辆行驶时流入地板面板17的通道部17a内的行驶风沿着热回收部30的下表面和侧面流动(在图3中，在该行驶风的流量较多的区域画上了虚斜线)。即，行驶风几乎不流向上述冷凝部40的侧面和上表面，因此从冷凝部40几乎不会因为该行驶风而发生热量损失。如图3所示，行驶风的流量较少的区域是通道部17a内空间中的略上一半的区域。因此，冷凝部40优选被配置成其下端的位置高于通道部17a内空间的上下方向上的中央位置。
—热回收部30的构成—
接下来，对上述热回收部30的构成进行详细说明。
如图4所示，在热回收部30中形成有上述排气通路32和热媒通路33的核心31被构成为在横向(车宽度方向)上层叠并连结了适当数量的管道34、34、…的层叠构造体。通过使用焊接或铜焊等对层叠部分进行接合，来进行各管道34、34、…彼此之间的连结。
管道34在本实施方式中为大致长方体形状，并且形成于其内部的空间构成了上述排气通路32。
在管道34的两侧壁的中间区域(废气的流动方向上的中间区域)设置有贯穿上下方向的整个区域而延伸的凹部34a、34a。当将各管道34层叠连结时，废气的流动方向上的两端部分被接合在一起，废气的流动方向上的两端部分是没有设置上述凹部34a、34a的部分。由此，在相互面对的凹部34a、34a彼此之间形成沿上下方向延伸的空间。该空间构成了上述热媒流动的热媒通路33。
另外，在作为各管道34的内部空间的排气通路32中设置有作为接受废气热量的受热体的散热片34b。该散热片34b例如是一般公知的波纹式散热片。
如此，排气通路32与热媒通路33以交替相邻地被配置多个。在此，排气通路32形成为沿着废气流动方向的横向孔，热媒通路33形成为沿着与废气流动方向垂直的上下方向的纵向孔。
在如此构成的核心31的上部安装有上侧壳体35(参照图5)。由该上侧壳体35形成了送出用的合流空间35a，送出用的合流空间35a用于将在上述热媒通路33内蒸发的气相热媒收集后向冷凝部40送出。该上侧壳体35以覆盖所有热媒通路33、33、…的上部开口的方式设置在核心31的上部。由此，在核心31的所有热媒通路33、33、…内蒸发的气相热媒被收集在上述合流空间35a中。其结果是，被收集在该合流空间35a中的气相热媒通过蒸汽供应管50被供应给冷凝部40。
另外，在核心31的下部和侧部安装有下侧壳体36。由该下侧壳体36形成了回收空间36a，回收空间36a用于回收在上述冷凝部40中冷凝的水。该下侧壳体36以覆盖所有热媒通路33、33、…的下部开口的方式设置在核心31的下部。由此，在上述回收空间36a中，从冷凝部40接收的液相热媒分散流入到核心31的所有热媒通路33、33、…中。
—蒸汽供应管50—
蒸汽供应管50具有沿铅垂方向延伸的轴线，并连接热回收部30的上部(上壁)和冷凝部40的下部(下壁)，从而使这些热回收部30的内部空间(热媒通路33、33、…以及合流空间35a)与冷凝部40的内部空间相连通。更具体来说，连接了热回收部30的上表面的中央部与冷凝部40的下表面的中央部。
另外，该蒸汽供应管50的上端贯穿冷凝部40的下壁而延伸到冷凝部40的内部空间。在该蒸汽供应管50的上端设置有向冷凝部40的内部空间排放蒸汽的开口。该蒸汽供应管50的上端位置(开口的位置)在该冷凝部40的内部空间中被设置在较低的位置。即，当在热回收部30中蒸发的热媒经由蒸汽供应管50向冷凝部40的内部空间供应时，该热媒(蒸汽)在该冷凝部40的内部空间的较低的位置上向水平方向扩散。换言之，通过由蒸汽供应管50对热媒的向上的导引在冷凝部40的内部空间的较低位置处被解除，使得该热媒(蒸汽)向水平方向扩散(参照图5的箭头A)。由此构成为难以引起从蒸汽供应管50导入冷凝部40的内部空间中的热媒的大部分被直接吹向冷凝部40的上表面的状态。
具体来说，该蒸汽供应管50的上端位置被设定在与后述的LLC管42的外表面的下端的高度位置相同的高度位置处，或者被设定在比该LLC管42的外表面的下端的高度位置更低的位置处。
—冷凝部40的构成—
接下来，对上述冷凝部40的构成进行详细说明。
冷凝部40包括大致长方体形状的中空的壳体41、以及配置在该壳体41内的LLC管(加热对象流路配管)42。
上述壳体41呈扁平形状，其平面视图形状与上述热回收部30的平面视图形状大致一致，而其高度尺寸为热回收部30的高度尺寸的约1/4左右。另外，该壳体41的内部空间被构成为热媒扩散空间，由上述蒸汽供应管50供应的热媒(蒸汽)被导入到热媒扩散空间中并在其中向水平方向扩散。
并且，配置在该壳体41内的LLC管42的形状以包围上述蒸汽供应管50的开口位置(冷凝部40的底面的中央位置)的方式弯曲。
具体来说，如图6(沿图3的VI-VI线的剖面图)所示，LLC管42的上游端和下游端贯穿壳体41的各侧壁中的车身前方侧的侧壁41a。由导入管部分(第一配管部分)42a、弯曲部分(弯曲配管部分)42b、以及导出管部分(第二配管部分)42c连续地形成了该LLC管42。
上述导入管部分42a是与形成上述加热器流路13的上游侧流路13a的上游侧配管13A连续且贯穿壳体41的车身前方侧的侧壁41a的直管部分。导出管部分42c是与形成上述加热器流路13的下游侧流路13b的下游侧配管13B连续且贯穿壳体41的车身前方侧的侧壁41a的直管部分。并且，弯曲管部分42b是在冷凝部40的壳体41内部连结上述导入管部分42a的下游端和导出管部分42c的上游端的被弯曲(弯折)的配管部分。另外，上述导入管部分42a、弯曲管部分42b以及导出管部分42c各自的轴线上的高度位置被设定在壳体41内的上下方向上的大致中央位置。即，这些管部分42a、42b、42c被配置在同一假想水平面上。
通过如此构成，当冷却水从加热器流路13的上游侧流路13a流入LLC管42内时，该冷却水按照导入管部分42a、弯曲管部分42b、导出管部分42c的顺序依次流过并向加热器流路13的下游侧流路13b流出。在冷却水如此在LLC管42内流动的期间，该冷却水通过与被导入到冷凝部40的壳体41内的热媒(蒸汽)的热交换而被加热。
通过如此构成，如图6所示，在冷凝部40的内部，导入管部分42a、导出管部分42c、弯曲管部分42b相对于蒸汽供应管50的下游端分别位于三个方向(图6中的左右方向以及上侧方向；即车辆的右侧方向、左侧方向、以及后侧方向)。即，LLC管42被配置为包围蒸汽供应管50的下游端的周围。从而，蒸汽供应管50的开口位置被设定在向由导入管部分41a、弯曲管部分41b以及导出管部分42c包围的空间供应蒸汽的位置处。由此，从蒸汽供应管50的下游端流入壳体41内的热媒直接朝向导入管部分42a、导出管部分42c以及弯曲管部分42b的每一个(在到达壳体41的内壁面(侧面)之前)流动。
—冷凝水回流部60—
如图5所示，冷凝水回流部60具有在将冷凝部40的侧壁和热回收部30的侧壁(下侧壳体36)连接起来的回流配管61的中途设置有开闭阀62的构成。当进行废热回收动作时，该开闭阀62打开，使得从冷凝部40向热回收部30的热媒的回收变得可能，从而使得热媒在上述的热回收部30、蒸汽供应管50、冷凝部40、冷凝水回流部60中循环。另一方面，例如在冷却水温度达到预定温度从而不需要进行废热回收动作时，开闭阀62关闭，禁止从冷凝部40向热回收部30的热媒的回收，由此使上述的热媒循环停止。该开闭阀62既可以由电磁开闭阀构成，也可以由随着温度变化而进行开闭动作的自动调温器构成。
—废热回收装置20的动作—
接下来，对废热回收装置20的动作进行说明。
当发动机1进行冷起动时，上游侧催化剂5、下游侧催化剂6以及发动机1的冷却水均处于低温(外部气体温度程度)。在发动机1从该状态起动后，随之，从发动机1经由排气歧管2向排气管4排出例如300～400℃的废气，两个催化剂5、6通过废气被加热。另外，冷却水经由旁通路12返回到发动机1而不经过散热器7，因此预热运转被执行。
在这样的预热运转期间，流经排气管4的废气流入并经过热回收部30中的核心31的排气通路32、32、…。废气在经过排气通路32的过程中，与排气通路32内的散热片34b的外表面接触并向下游侧流动。由此，废气的热量被传递到散热片34b。
另一方面，储存在热回收部30的回收空间36a和热媒通路33、33、…中的液相热媒在核心31中的所有热媒通路33、33、…内接受流经上述排气通路32、32、…的废气的热量，由此被加热而蒸发。
该蒸发了的气相热媒在所有热媒通路33、33、…内上升(参照图5中由虚线示出的箭头)后在合流空间35a中合流，并经由蒸汽供应管50被导入到冷凝部40中(参照图5的箭头A)。
在该冷凝部40中，在LLC管42内流动的冷却水通过气相热媒的潜热和显热被加热。由此，冷凝部40内的气相热媒冷凝成液相，并经由冷凝水回流部60返回到热回收部30的回收空间36a(参照图5的箭头B)。在预热运转期间，上述开闭阀62处于打开状态，返回到热回收部30的回收空间36a的液相热媒再次接受流经排气通路32、32、…的废气的热量而蒸发，并被导入到冷凝部40中。这种热媒的循环动作在预热运转期间反复进行。
如此，在由热回收部30、蒸汽供应管50、冷凝部40、冷凝水回流部60形成的闭环路内，热媒在相变的同时进行循环，从而废气热量的回收和冷却水的加热被反复进行。由此，可使发动机1的预热运转尽早结束，能够改善燃料消耗率。
并且，当预热结束从而不再需要与冷凝部40中的冷却水进行热交换时，开闭阀62关闭，禁止从冷凝部40向热回收部30的热媒的回收，由此停止上述的热媒循环。
并且，本实施方式的动作的特点在于上述冷凝部40中的热交换动作。具体来说，如上所述，在冷凝部40的内部，导入管部分42a、导出管部分42c、弯曲管部分42b相对于蒸汽供应管50的下游端(上端)分别位于三个方向(图6中的左右方向以及上侧方向)。另外，蒸汽供应管50的上端位置被设定在冷凝部40的内部空间中的较低位置，并且热媒(蒸汽)在冷凝部40的内部空间的较低位置处向水平方向扩散。
因此，被导入冷凝部40的内部空间中的热媒的大部分向水平方向扩散，并且在被喷到冷凝部40的内表面(侧面)之前被直接吹向导入管部分42a、导出管部分42c、弯曲管部分42b的每一个。因此，能够抑制该气相热媒的热量中的从冷凝部40的壳体41的壁面释放的放热量，同时使其大部分经由LLC管42作用于冷却水的加热。
另外，冷却水在冷凝部40的内部空间中流经LLC管42的内部，因此该冷却水所接受的热量中的从冷凝部40的壳体41的壁面释放的放热量几乎为零。其结果是，冷却水以维持从气相热媒接收的热量的大致全部量的状态从冷凝部40向加热器流路13的下游侧流路13b流出。
如此，由于气相热媒和冷却水向外部的放热量均被大幅减小，因此能够天宫废热回收效率。另外，在本实施方式中，由于能够通过改变蒸汽供应管50和LLC管42的配置方式来实现上述效果，因此还能够降低成本和减轻废热回收装置20的重量。
另外，在本实施方式中，通过将冷凝部40配置在热回收部30的正上方，能够缩短连接冷凝部40和热回收部30的蒸汽供应管50的长度尺寸。因此，能够抑制从该蒸汽供应管50的表面释放的放热量，可将热回收部30中获得的热量的大部分供应给冷凝部40，从而能够提高冷凝部40中的热交换效率。
并且，在本实施方式中，上述的导入管部分42a、导出管部分42c、弯曲管部分42b的每一个在冷凝部40的平面视图(水平面视图)中均位于壳体41的侧面与蒸汽供应管50的开口位置之间。即，使得LLC管42不位于蒸汽供应管50的开口的上方。因此，即使通过冷凝部40中的热交换而冷凝的液相热媒在其自重的作用下从LLC管42中滴下，该液相热媒也不会经由蒸汽供应管50返回到热回收部30。即，液相热媒始终经由冷凝水回流部60返回到热回收部30。因此，热媒的循环不会发生逆流，循环动作顺利地进行，从而能够实现高效的热回收。
另外，如上所述，废热回收装置20被容纳在地板面板17的通道部17a内，并且冷凝部40被配置在热回收部30的上侧。因此，当车辆行驶时，流入地板面板17的通道部17a内的行驶风沿着热回收部30的下表面和侧面流动(参照图3中标记有虚斜线的区域)。即，行驶风几乎不流向上述冷凝部40的侧面和上表面，因此该行驶风几乎不会因为冷凝部40而损失热量。以下，进行具体说明。
废热回收装置20中遭受行驶风的区域中的热转移量通过下式(1)来表示。
[式1]
Q＝hA(TS-Tf)    …(1)
但是，上述膜传热系数是根据流体的状态而定的值，在平板上发达的湍流的强制对流传热中如下表示。
[式2]
[式3]
[式4]
由此，由于在不遭受行驶风的区域中不发生强制对流传热，因此遭受行驶风的区域(热回收部30的下表面和侧面)在放热方面其支配作用，从而几乎不会因为冷凝部40而发生热量损失。
因此，从冷凝部40向外部释放的放热量(因为行驶风而损失的热量)被大幅减小，能够提高废热回收效率。另外，由于LLC管42被配置在冷凝部40的壳体41内部，因此流经该LLC管42的冷却水的热量不会因为行驶风而损失。
另外，由于上述LLC管42未暴露在外部环境中，因此不需要考虑盐腐蚀等。特别地，在该LLC管42因盐腐蚀等而发生了冷却水泄漏的情况下，为了避免发动机1过热，不得不使发动机停止。在本实施方式中，不需要考虑这种盐腐蚀等。因此，该LLC管42的构成材料的采用范围变宽，可选择较廉价的材料和选择热交换效率高的材料(热传导率高的材料)。
—变形例—
接下来，参照图7A～图7D对本发明的变形例进行说明。以下的变形例是LLC管42在冷凝部40内的配置状态的变形例。
在图7A所示的构成中，LLC管42的导入管部分42a贯穿冷凝部40的壳体41的位于车身前方侧的侧壁41a，并经由弯曲成大致90°(在轴线的延长方向上的变更角度为90°)的弯曲管部分42b与导出管部分42c相连，并且导出管部分42c贯穿冷凝部40的壳体41的位于车身侧方的侧壁41b。即，导入管部分42a、弯曲管部分42b、以及导出管部分42c相对于蒸汽供应管50的下游端分别位于图7A的左方至上方。
在图7B所示的构成中，LLC管42的导入管部分42a贯穿冷凝部40的壳体41的位于车身侧方的侧壁41b，并经由弯曲成大致180°的弯曲管部分42b与导出管部分42c相连，并且导出管部分42c贯穿冷凝部40的壳体41的位于车身侧方的侧壁41b。即，导入管部分42a、弯曲管部分42b、以及导出管部分42c相对于蒸汽供应管50的下游端分别位于图7B的左方至上下方。
在图7C所示的构成中，LLC管42的导入管部分42a贯穿冷凝部40的壳体41的位于车身侧方的侧壁41b，并经由弯曲成大致270°的弯曲管部分42b与导出管部分42c相连，并且导出管部分42c贯穿冷凝部40的壳体41的位于车身侧方的侧壁41b。
在图7D所示的构成中，LLC管42的导入管部分42a贯穿冷凝部40的壳体41的位于车身前方侧的侧壁41a，并经由配置在冷凝部40的壳体41的外部且弯曲成大致180°的弯曲管部分42b与导出管部分42c相连，并且导出管部分42c贯穿冷凝部40的壳体41的位于车身前方侧的侧壁41a。即，导入管部分42a以及导出管部分42c相对于蒸汽供应管50的下游端分别位于图7D的左右方。在图7D所示的构成中，弯曲管部分42b暴露于外部环境中。因此，该弯曲管部分42b的构成材料需要采用考虑了盐腐蚀等的材料(例如，不锈钢)。
如图6、图7B及图7C所示，在平面视图中，LLC管42优选存在于从蒸汽供应管50的中心延伸到壳体41的四个侧面的四条垂线中的至少三条垂线上。由此，能够增大从蒸汽供应管50向壳体41的内部空间供应的蒸汽中直接喷到LLC管42的外表面的蒸汽量的比例。其结果是，能够进一步提高废热回收效率。
—其他实施方式—
以上说明的实施方式和变形例中的废热回收装置20被设置在汽油发动机中。但本发明不限于此，也可以被设置在柴油发动机中。在此情况下，催化剂装置采用DPF(Diesel Particulate Filter：柴油微粒过滤器)和DPNR(Diesel Particulate-NOx Reduction system：柴油氧化氮微粒减少系统)等。
另外，也可以将上游侧催化剂5设为NOx吸附还原催化剂(NSR：NOx storage reduction：氧化氮储存还原)，将下游侧催化剂6设为NOx选择还原催化剂(SCR：Selective Catalytic Reduction：选择性催化还原)。
另外，本发明还可应用于被构成为可并用内燃机和电动马达作为动力源的混合动力车辆。在本发明应用于该混合动力车辆的情况下，能够在短时间内实现冷起动时的预热运转完成(根据预热运转完成的发动机停止)，从而能够削减燃料消耗量。
另外，在上述的实施方式和变形例中的LLC管42中，仅在一个位置设置了弯曲管部分42b。但也可以采用在多个位置弯曲的LLC管。另外，弯曲管部分42b的弯曲形状也不特别限定。弯曲管部分42b的弯曲角度(弯曲管部分42b的在轴线的延长方向上的变更角度)可以为锐角、直角、钝角中的任一者。
产业上的可用性
本发明可应用于安装在汽车用发动机中的通过回收废气热量来促进冷却水的温度上升的废热回收装置。
符号说明

Claims (8)

1.一种废热回收装置，包括：受热部，所述受热部用于通过废气的热量加热流体来使其蒸发；放热部，所述放热部用于接收在所述受热部中蒸发的气相流体并通过该流体对加热对象流体进行加热；流体供应管，所述流体供应管将在所述受热部中蒸发的气相流体供应至放热部的内部空间；以及回流通路，所述回流通路用于使在所述放热部中冷凝成液相的流体返回到所述受热部；
所述废热回收装置的特征在于，
在所述放热部的内部空间内配置有加热对象流路配管，所述加热对象流路配管具有：第一配管部分，所述第一配管部分构成加热对象流体流入所述内部空间的流入路径；以及第二配管部分，所述第二配管部分经由在所述内部空间或者所述内部空间的外侧弯曲的弯曲配管部分而与第一配管部分相连，并且所述第二配管部分构成加热对象流体从所述内部空间流出的流出路径，
所述流体供应管在所述放热部的内部空间中的开口位置被设定在向所述第一配管部分与所述第二配管部分之间的空间供应所述气相流体的位置。
2.如权利要求1所述的废热回收装置，其中，
所述弯曲配管部分被配置在所述放热部的内部空间内，并将第一配管部分和第二配管部分连起来，
所述流体供应管的开口位置被设定在向被所述第一配管部分、弯曲配管部分以及第二配管部分包围的空间供应所述气相流体的位置。
3.如权利要求1或2所述的废热回收装置，其中，
所述放热部被配置在受热部的正上方，
所述流体供应管被构成为连结受热部的上部和放热部的下部，以使它们的内部空间相互连通。
4.如权利要求3所述的废热回收装置，其中，
所述废热回收装置回收从安装在车辆上的内燃机中排出的废气的热量，
所述受热部和放热部被容纳配置在形成于车辆地板上的通道部的下侧空间中。
5.如权利要求3所述的废热回收装置，其中，
所述第一配管部分和所述第二配管部分在放热部的平面视图中位于放热部的壳体侧面与流体供应管之间。
6.如权利要求3所述的废热回收装置，其中，
所述流体供应管在所述放热部的内部空间内的上端高度位置被设定在与所述第一配管部分和所述第二配管部分的下端的高度位置相同高度的位置，或者被设定在比所述第一配管部分和所述第二配管部分的下端的高度位置更低的位置。
7.如权利要求4所述的废热回收装置，其中，
所述第一配管部分、所述第二配管部分以及所述弯曲配管部分相对于所述流体供应管的上端位于所述车辆的右方、左方、前方以及后方中的两个方向或三个方向。
8.如权利要求3所述的废热回收装置，其中，
所述第一配管部分、弯曲配管部分以及第二配管部分被配置在相同的假想水平面上。
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