CN104612854B - 旋转式废热回收设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种旋转式废热回收设备，其包括：废气管，包括：引入高温废气的旁通路径；和延伸部，其以半圆柱形状从所述旁通路径的一侧延伸，使废气通过；和半圆柱形热交换器，其可旋转地容纳在所述废气管内，使从所述旁通路径供给的高温废气与通过冷却剂入口引入的低温冷却剂之间进行热交换，其中所述热交换器的侧面包括形成为平面的直径面和形成为曲面的弧面，所述热交换器的直径面以所述热交换器的旋转轴线为基准，其一面闭合，其另一面设置有废气入口，废气通过所述废气入口引入而流过废气路径。

Description

旋转式废热回收设备
技术领域
本发明涉及一种回收在车辆的发动机燃烧后废弃的废热并使用所 收集的废热的废热回收设备，并且更具体地涉及一种能够通过可旋转 地设置半圆柱形热交换器而同时作为旁通阀和热交换器发挥作用的旋 转式废热回收设备，在所述半圆柱形热交换器中以旋转轴线为其基准 的一面是闭合的并且另一面在废气管内开口。
背景技术
一般，根据车辆的行驶状态，车辆在启动的初期阶段进行暖机 (warm-up)步骤和加热(heating)步骤，在车辆的行驶期间进行热电 式发电步骤，并且当车辆在倾斜道路上行驶或者以过高速度行驶时进 行旁通步骤。
车辆的废热回收设备是这样一种装置，其回收在发动机燃烧后废 弃的废热来使用所回收的废热用于发动机的暖机和变速器 (transmission)的暖机，或者将回收的热能传送到空气调节装置来使 用所传送的热能对车辆的内部加热。
当使用车辆的废热回收设备时，可以在起动的初期使用高温废气 来加热冷却剂。因此，发动机的预热时间减少，这样能够提高燃料效 率并减少废气。
在发动机暖机之前，在怠速(idling)时从车辆排出最大量的污染 物，并且能够通过使用该废热回收设备减少暖机时间来减少从车辆排 出的污染物。
也能够使用经该废热回收设备加热的冷却剂迅速提高发动机冷却 剂和变速器油的温度来减少发动机内的摩擦和变速器内的摩擦。此外， 在冬季时间能够迅速对车辆的内部加热。
如图1A和图1B所示，现有技术的车辆的废热回收设备具有这样 一种结构，其可以借由阀致动器(valve actuator)6旋转的旁通阀5设 置在旁通路径4处并且包括冷却剂路径1和废气路径2的热交换器3 附设到旁通路径4的一侧。
如图1B所示，当旁通路路径4由旁通阀5关闭时，废气被引入到 热交换器3，并且由于在该热交换器的废气路径2中流过的高温废气与 在冷却剂路径1中流过的低温冷却剂之间的热交换，工作流体的温度 增加，使得发动机和变速器被暖机。
然而，在现有技术的废热回收设备中，由于诸如热交换器、旁通 路径、旁通阀和阀致动器的构件的数量过多，其结构可能很复杂，并 且其制造成本和重量会过度增加。
在现有技术的废热回收设备中，当旁通路径打开时，也就是说， 当执行旁通时，由于难以防止废气被引入到该换热器中，冷却剂的隔 热性能会下降。此外，当废气被旁通时，如果添加单独的阀操作连杆 结构来防止废气被引入到该换热器中，组装过程会变复杂，并且制造 成本会增加。
本发明的背景部分中公开的信息仅是为了增强对本发明的一般背 景的理解，并且不应该被视为承认或以任何形式暗示此信息本领域技 术人员所熟知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面旨在提供一种旋转式废热回收设备，其能够通 过移除旁通阀且为该热交换器提供热交换功能和旁通路径打开/关闭功 能来减少制造成本和重量并简化制造过程，并且当废气在无额外构件 的情况下旁通时能够通过防止废气被引入到换热器来提高冷却剂的隔 热性能。
在本发明的一方面中，一种旋转式废热回收设备，其包括：废气 管，包括：引入高温废气的旁通路径；和延伸部，其以半圆柱形状从 所述旁通路径的一侧延伸，使废气通过；和半圆柱形热交换器，其可 旋转地容纳在所述废气管内，使从所述旁通路径供给的高温废气与通 过冷却剂入口引入的低温冷却剂之间进行热交换，其中所述热交换器 的侧面包括形成为平面的直径面和形成为曲面的弧面，所述热交换器 的直径面以所述热交换器的旋转轴线为基准，其一面闭合，其另一面 设置有废气入口，废气通过所述废气入口引入而流过废气路径。
所述冷却剂入口连接到所述热交换器的上端，以将所述冷却剂引 入到所述热交换器内形成的冷却剂路径，用于排出流过所述冷却剂路 径的冷却剂的冷却剂排出口连接到所述热交换器的下端，并且所述冷 却剂入口和所述冷却剂排出口与所述热交换器的旋转轴线同轴设置。
由柔性材料制成以便调节随同所述热交换器的旋转的所述冷却剂 入口和所述冷却剂排出口的移动的软管连接到所述冷却剂入口和所述 冷却剂排出口的端部。
用于排出流过所述废气路径的废气的废气出口形成在所述热交换 器的弧面的一侧，并且当所述热交换器旋转而容纳在所述延伸部中时， 所述热交换器的弧面和所述延伸部的内表面彼此完全接触，由所述延 伸部的内表面关闭所述废气出口。
所述热交换器配置有：通过所述冷却剂入口引入的冷却剂流过的 多个半圆形板状冷却剂路径；和废气流过的多个半圆形板状废气路径， 所述多个半圆形板状冷却剂路径和所述多个半圆形板状废气路径交替 地层叠，彼此平行地相邻。所述多个半圆形板状冷却剂路径彼此流体 连接。
所述热交换器配置有：使通过所述冷却剂入口引入的冷却剂流过 的、彼此平行地隔开的多个半圆形板状冷却剂路径；和设置在彼此隔 开的冷却剂路径之间的、废气流过的多个管状废气路径。所述多个半 圆形板状冷却剂路径彼此流体连接。
根据本发明的各个实施例，由于包括直径面和弧面的半圆柱形热 交换器可旋转地设置在该废气管内，并且该直径面的一面以该热交换 器的旋转轴线为其基准，为闭合面，该直径面的另一面被贯通以使得 废气流过，因此当热交换器横穿废气管地被设置时，该热交换器能够 具有热交换功能，并且当热交换器被容纳在废气管的延伸部中时，通 过打开旁通路径，该热交换器能够具有旁通功能。
也就是说，该废热回收设备的结构可以通过为该热交换器提供旁 通阀功能和热交换功能而得到简化，使得容易制造该废热回收设备并 且可以减少其制造成本和重量。
还能够通过将与热交换器的上端连接的冷却剂入口和与热交换器 的下端连接的冷却剂排出口设置在与热交换器的旋转轴线同一条线 上，能够使随着热交换器的旋转而变化的区域最小化。
当热交换器旋转而容纳时，由于延伸部的弧面和内表面彼此完全 接触来完全关闭废气出口，因此当废气旁通时，能够防止废气被引入 到无单独构件或单独连杆结构(separate link structure)的热交换器中。 因此，能够提高冷却剂的隔热性能。
本发明的方法和装置具有其它特征和优点，根据附图及后面具体 实施方式这些特征和优点将变得明朗，或者说这些特征和优点在附图 及后面的具体实施方式中进行了更具体的描述，附图合并与此，与具 体实施方式一起用于解释本发明的特定原理。
附图说明
图1A是示出现有技术的废热回收设备的透视图。
图1B是示出从顶部看时的图1A所示的废热回收设备的平面剖视 图。
图2是示出本发明的示例性旋转式废热回收设备的热交换状态的 投影透视图。
图3是示出本发明的示例性旋转式废热回收设备的旁通状态的投 影透视图。
图4是示出本发明的示例性旋转式废热回收设备的热交换器、冷 却剂入口和冷却剂排出口的透视图。
图5A是示出本发明的示例性旋转式废热回收设备中当废气出口 打开时废气的流动的示例性剖视图。
图5B是示出本发明的示例性旋转式废热回收设备中当废气出口 关闭时废气的流动的示例性剖视图。
图6是示出本发明的示例性旋转式废热回收设备的热交换器的透 视图。
图7是示出本发明的示例性旋转式废热回收设备的热交换器的透 视图。
应理解，附图并不一定按照比例绘制，它们只是呈现了示出本发明的基本原理的在某些程度上经简化了的各种特征的表示。本文所公开的本发明的具体设计特征，包括，例如具体尺寸、定位、位置和形 状，将部分地由特定目的的应用和使用环境来确定。
这些图形中，贯穿附图的多幅图形，相同的附图标记指代本发明 的相同或等同部件。
具体实施方式
现在将具体参考本发明的各个实施例，这些实施例的实例被显示在 附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施例相结合进行描述， 但是应当理解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施例。 相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施例，而且覆盖可以被包括 在由所附权利要求所限定的本发明精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等同形式及其它实施方案。
本发明的各种实施例的旋转式废热回收设备包括废气管10和半圆 柱形热交换器20，其中废气管10包括高温废气旁通到的旁通路径12 和以半圆柱形状从旁通路径12的一侧延伸而使废气通过的延伸部14， 半圆柱形热交换器20可旋转地容纳在废气管10内且使在从旁通路径 12供给的高温废气与通过冷却剂入口31引入的低温冷却剂之间进行 热交换。热交换器20的侧面包括形成为平面的直径面21和形成为曲 面的弧面22，并且热交换器20的直径面21具有一个以热交换器20 的旋转轴线23为其基准的闭合面和设置有废气入口41的另一面，废 气被引入到废气入口41中以便流过废气路径40。
如图2所示，旁通路径12包括引入废气的旁通入口11和排出废气 的旁通出口13，并且呈使高温废气通过的管形状。
虽然在所示的各种实施例中旁通路径12呈圆柱形状，但是考虑到 车辆的种类、所排出的废气的量和车体的整个外观，该旁通路径可具 有各种形状，如六棱柱(hexagonalcylinder)形状和椭圆柱形状。
如图3所示，当被引入到旁通入口11的废气排出到旁通出口13 而不通过要在下述的热交换器20时，也就是说，当废气被旁通时，以 半圆柱形状延伸以便容纳热交换器20的延伸部14附设到旁通路径12 的一侧。
如图2所示，半圆柱形热交换器20被可旋转地容纳，使得在包括 旁通路径12和延伸部14的废气管10内的高温废气与低温冷却剂之间 进行热交换。
如图2所示，热交换器20的侧面被分成直径面21和弧面22，其 中直径面21形成为平面且包括一个半圆的直径部分，弧面22形成为 曲面且包括该半圆的弧形部分。
如图2所示，热交换器20的直径面21的带有热交换器20的旋转 轴线23的一面(所示的实施例中以旋转轴线23为其基准的左表面) 被阻断，并且其另一面(在各种实施例中以旋转轴线23为其基准的右 表面)设置有废气通过的废气入口41。
如图2和图4所示，弧面22的带有热交换器20的旋转轴线23的 一面(面向直径面21的闭合面的表面)设置有排出废气的废气出口42， 并且其另一面(面向形成有废气入口41的直径面21的表面的表面) 闭合。
也就是说，如图2所示，废气被引入到废气入口41，通过热交换 器20内的废气路径40在整个热交换器20中流过，然后通过在与废气 入口41成对角的方向上设置的废气出口42排出。
如图2所示，当废气与冷却剂之间进行热交换时，热交换器20的 直径面21被设置成横穿废气管10，同时面向将废气引入到旁通路径入 口11的方向，并且废气穿过在直径面21中形成的废气入口41，穿过 废气路径40，然后排出到废气出口42与冷却剂交换。
如图3所示，当废气被旁通时，热交换器20旋转，以便打开要容 纳在延伸部14中的旁通路径12，并且废气被引入到旁通入口11，然 后排出到旁通出口13。
用于旋转热交换器20的设备的示例可包括：机械致动器，其中通 过密封在蜡恒温器(wax thermostat)的蜡的膨胀或收缩上下移动的蜡 恒温器的直线运动通过凸轮或连杆结构(link structure)被转换为旋转 运动来旋转该热交换器；和电子致动器，其中由传感器测量冷却剂的 温度并且由控制器旋转电动机来旋转该热交换器。
如图2所示，用于将冷却剂引入到热交换器20内形成的冷却剂路 径30的冷却剂入口31可连接到热交换器20的上端，并且用于将流过 冷却剂路径30的冷却剂排出的冷却剂排出口32可连接到热交换器20 的下端。
冷却剂入口31和冷却剂排出口32可以根据废气回收设备的结构， 按冷却剂入口31可连接到热交换器20的下端、冷却剂排出口32可连 接到热交换器20的上端的方式自然地设置。可替代地，冷却剂入口31 可连接到热交换器20的上端，并且冷却剂排出口32可连接到热交换 器20的下端。
如图2和图3所示，由于冷却剂入口31和冷却剂排出口32与热 交换器20的旋转轴线23成同一直线地设置，即使热交换器20旋转， 冷却剂入口31和冷却剂排出口32形成为几乎不移动。
也就是说，冷却剂入口31和冷却剂排出口32可分别设置在热交换 器20的上端和下端，以热交换器20的旋转轴线23为基准，彼此相对。
此外，如图2和图3所示，由柔性材料制成以便调节冷却剂入口 31和冷却剂排出口32随同热交换器20的旋转的移动的软管33可连接 到冷却剂入口31和冷却剂排出口32的端部。
软管33形成为由易弯曲的柔性材料，例如橡胶、塑料(vinyl)或 布制成的管，并无论冷却剂入口31和冷却剂排出口32如何移动，均 能使冷却剂供给至冷却剂路径30。
如图3所示，当热交换器20旋转而容纳在延伸部14内时，弧面 22和延伸部14的内表面可彼此完全接触，由延伸部14的内表面关闭 (封闭)在弧面22的一侧形成的废气出口42。
也就是说，为了说明上的方便起见，虽然在所示的实施例中示出的 是延伸部14与热交换器20的弧面22之间具有微小的间隙，但是热交 换器20的弧面22和延伸部14的内表面可具有几乎相同的半径、相同 的弧度(arc)和相同的高度。
图5A和图5B是示意性地示出热交换器20和旁通路径12的示例 图，其用于检查引入到热交换器20的废气量和在废气出口42打开时 和在废气出口42关闭时旁通的废气量。
如图5A所示，当废气出口42打开时，即使废气旁通，也由于废 气以其流量的约5％的小流量被引入到热交换器20，因此冷却剂的隔热 性能降低。另一方面，如图5B所示，当废气出口42关闭时，即使废 气被旁通，该废气也几乎不被引入到热交换器20。
相应地，如本发明的各种实施例所示，当弧面22和延伸部14的内 表面彼此完全接触来关闭废气出口42时，能够改善废气旁通时的冷却 剂的隔热性能。
如图6所示，热交换器20可以是层叠式热交换器，其中通过冷却 剂入口31被引入的冷却剂流过的多个半圆形板状冷却剂路径30和废 气流过的多个半圆形板状废气路径40交替地层叠，彼此平行地相邻。
如上所述，由于冷却剂路径30和废气路径40彼此交替相邻地设置， 能够通过热交换器20使热交换性能最大化。
如图7所示，热交换器20可以是毛细管型热交换器，其中通过冷 却剂入口31被引入的冷却剂流过的多个半圆形板状冷却剂路径30设 置成彼此平行地隔开，并且废气流过的多个管状废气路径40设置在彼 此隔开的冷却剂路径30之间。
由于半圆形板状冷却剂路径30如在图6所示的层叠式热交换器中 设置成彼此隔开，并且多个小管状废气路径40设置在如图7所示的冷 却剂路径30之间，所能够最大化热交换性能。
本发明的各种实施例的旋转式废热回收设备的操作过程如下：
如图2所示，在车辆起动的初期从发动机排出的废气通过旁通入口 11被引入废气管10，并且冷却剂通过连接到该发动机的冷却剂入口31 被引入冷却剂路径30。
此时，热交换器20的直径面21设置成在面向废气的入口方向的方 向上横穿废气管10。废气通过热交换器20的废气入口41在热交换器 20内流过，然后通过废气出口42排出。
相应地，在热交换器20内进行高温废气与低温冷却剂之间的热交 换，并且被加热的冷却剂用来对发动机和变速器进行暖机。
如图3所示，在车辆被暖机后，热交换器20旋转而容纳在废气管 10的延伸部14中，并且随着热交换器20从旁通路径12移除，打开旁 通路径12。
相应地，通过旁通入口11引入到旁通路径12的高温废气大部分通 过旁通出口13排出，而不通过热交换器，所以能防止发动机的过热负 载。
为了方便解释和在所附权利要求中的准确限定，参考如附图所示 的示例性实施例的特征的位置，术语“上”、“下”、“内”和“外” 等用于描述这种示例性实施例的特征。
前述对本发明的具体示例性实施例的描述是为了例证和说明的目 的。这些描述并非想穷尽本发明，或者将本发明限定为所公开的精确 形式，并且很显然，根据上述教导，可以作出很多改变或变化。对示 例性实施例进行选择和说明的目的在于解释本发明的特定原理及其实 际应用，从而使得本领域的其他技术人员实现并利用本发明的各种不 同的示例性实施例以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由 所附的权利要求及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种旋转式废热回收设备，其包括：
废气管，包括：引入高温废气的旁通路径；和延伸部，其以半圆柱形状从所述旁通路径的一侧延伸，使废气通过；和
半圆柱形热交换器，其可旋转地容纳在所述废气管内，使从所述旁通路径供给的高温废气与通过冷却剂入口引入的低温冷却剂之间进行热交换，其中
所述热交换器的侧面包括形成为平面的直径面和形成为曲面的弧面，
所述热交换器的直径面以所述热交换器的旋转轴线为基准，其一面闭合，其另一面设置有废气入口，废气通过所述废气入口引入而流过废气路径。
2.根据权利要求1所述的设备，其中
所述冷却剂入口连接到所述热交换器的上端，以将所述冷却剂引入到所述热交换器内形成的冷却剂路径，
用于排出流过所述冷却剂路径的冷却剂的冷却剂排出口连接到所述热交换器的下端，并且
所述冷却剂入口和所述冷却剂排出口与所述热交换器的旋转轴线同轴设置。
3.根据权利要求2所述的设备，其中由柔性材料制成以便调节随同所述热交换器的旋转的所述冷却剂入口和所述冷却剂排出口的移动的软管连接到所述冷却剂入口和所述冷却剂排出口的端部。
4.根据权利要求1所述的设备，其中
用于排出流过所述废气路径的废气的废气出口形成在所述热交换器的弧面的一侧，并且
当所述热交换器旋转而容纳在所述延伸部中时，所述热交换器的弧面和所述延伸部的内表面彼此完全接触，由所述延伸部的内表面关闭所述废气出口。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述热交换器配置有：通过所述冷却剂入口引入的冷却剂流过的多个半圆形板状冷却剂路径；和废气流过的多个半圆形板状废气路径，所述多个半圆形板状冷却剂路径和所述多个半圆形板状废气路径交替地层叠，彼此平行地相邻。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述多个半圆形板状冷却剂路径彼此流体连接。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述热交换器配置有：使通过所述冷却剂入口引入的冷却剂流过的、彼此平行地隔开的多个半圆形板状冷却剂路径；和设置在彼此隔开的冷却剂路径之间的、废气流过的多个管状废气路径。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述多个半圆形板状冷却剂路径彼此流体连接。
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