CN109556446A - 废热回收装置 - Google Patents

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古贺祥啓
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Ibiden Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Abstract

一种废热回收装置，包括：热交换器，其设置在排气流过的排气管的内部，所述热交换器由碳化硅形成，并且所述热交换器在所述排气和热介质之间执行热交换；以及保持构件，其设置在所述热交换器的外周处，由陶瓷片或可膨胀石墨片形成，并且被夹在所述排气管和所述热交换器之间，由此将所述热交换器保持在所述排气管中。

Description

废热回收装置
技术领域
本公开涉及一种废热回收装置。
背景技术
日本专利申请公开(JP-A)第2016-223717号公开了一种热交换器，其中使用诸如不锈钢(SUS)的金属的金属带被插入陶瓷蜂窝结构和壳体之间。通过将JP-A第2016-223717号的热交换器安装在汽车中，使排气和诸如冷却剂的热介质能够在蜂窝结构的单元内流动并进行热交换。
在此，当发动机停止时，通常热交换器内的冷却剂(热介质)的流动停止。另外，在高负荷行驶后发动机已经停止的情况下，存在如下担忧：当在高负荷行驶时由于排气而已经达到高温的排气管的热量传递到热交换器时，已经停止流动的冷却剂(热介质)沸腾。特别是在如JP-A第2016-223717号中那样金属带被插入陶瓷蜂窝结构与壳体之间的构造中，热量容易从壳体传递至蜂窝结构，从而容易使冷却剂(热介质)沸腾。
发明内容
本公开的目的是提供一种废热回收装置，其能够抑制由热量从排气管传递至热交换器而引起的热介质的沸腾。
废热回收装置的第一方案包括：热交换器，其设置在排气流过的排气管的内部，所述热交换器由碳化硅形成，并且所述热交换器在所述排气和热介质之间执行热交换；以及保持构件，其设置在所述热交换器的外周处，由陶瓷片或可膨胀石墨片形成，并且被夹在所述排气管和所述热交换器之间，由此将所述热交换器保持在所述排气管中。
陶瓷片包括制成片材的陶瓷纤维。作为陶瓷纤维，例如，可以使用硅铝纤维、氧化铝纤维、二氧化硅纤维、岩棉和玻璃纤维。可膨胀石墨片包含制成片材的可膨胀石墨。其实例包括由GrafTech制造的GRAFOIL。
根据第一方案的废热回收装置，在热交换器中，热交换发生在流过排气管的排气和热介质之间。而且，设置在热交换器的外周上的保持构件被夹在排气管和热交换器之间，并由此将热交换器保持在排气管中。
在此，在第一方案的构造中，其热传导率低于形成热交换器的碳化硅的热传导率的陶瓷片或可膨胀石墨片被用作保持构件。出于这个原因，排气的热量难以被从排气管传递至热交换器。因此，能够抑制由热量从排气管传递至热交换器而引起的热介质的沸腾。
第二方案是第一方案的废热回收装置，其中：所述热交换器在所述热交换器的面对所述排气的流动方向上的上游的表面处具有流入开口，并且所述热交换器在穿过所述流入开口流入的排气与所述热介质之间执行热交换，并且所述保持构件围绕沿着所述排气的所述流动方向的虚拟线布置在所述热交换器的所述外周处。
根据第二方案的废热回收装置，热交换器具有形成在热交换器的面对排气的流动方向上的上游的表面中的流入开口，并且热交换器在从流入开口流入的排气和热介质之间交换热量。
在此，在第二方案的构造中，保持构件围绕沿着排气的流动方向的虚拟线布置在热交换器的外周上。出于这种原因，保持构件阻止排气在热交换器和排气管之间流动，并且排气能够被引导至流入开口。因此，被引导至热交换器的排气的量增加并且提高了热交换效率。
应当注意，保持构件围绕着虚拟线布置在热交换器的外周上的构造并不限于保持构件绕虚拟线布置成圆形形状的构造，并且例如还可以是保持构件布置成矩形形状以便围绕虚拟线的构造。只要满足保持构件布置成围绕虚拟线的构造即可。
第三方案是第二方案的热交换器，进一步包括：入口部，其设置在所述热交换器处并且将所述热介质导入到所述热交换器中；以及出口部，其设置在所述热交换器处并且将所述热介质从所述热交换器导出，其中，在所述入口部和所述出口部的排气流动方向上游侧和下游侧处，所述保持构件围绕沿着所述排气的所述流动方向的虚拟线布置在所述热交换器的所述外周处。
根据第三方案的废热回收装置，热介质穿过形成在热交换器中的入口部导入到热交换器中。而且，热介质穿过形成在热交换器中的出口部而从热交换器导出。
在第三方案的构造中，在入口部和出口部的排气流动方向上游侧和下游侧上，保持构件围绕沿着排气的流动方向的虚拟线布置在热交换器的外周上。
出于这个原因，能够防止排气从入口部和出口部的排气流动方向上游侧和下游侧朝向入口部和出口部流入。
本公开能够抑制由热量从排气管传递至热交换器引起的热介质的沸腾。
附图说明
图1是示出与实施例有关的排气管结构的构造的剖视图；
图2是示出与实施例有关的废热回收装置的构造的立体图；并且
图3是沿着气流方向(方向A)观看的、示出与实施例有关的排气管结构的构造的剖视图(沿着图1的线3-3的剖视图)。
具体实施方式
下面将基于附图描述与本公开有关的实施例的实例。
(排气管结构10)
首先，将描述已经应用了与本实施例有关的废热回收装置30的排气管结构10的构造。图1是排气管结构10的剖视图。
排气管结构10是用于诸如汽车的车辆的排气管结构，并且是用于将从车辆的发动机排出的排气排出到大气(车辆外侧)的管结构。具体地，如图1中所示，排气管结构10配备有排气管20和废热回收装置30。
排气管20由管状管构造(参见图3)，并且排气在排气管20内沿一个方向流动。在附图中，为排气流动的方向的气流方向由箭头A的方向表示。例如，因上下分割的构件通过焊接而彼此接合，排气管20以管状形成。具体地，如图3中所示，排气管20具有构造排气管20的上部的上构件24，以及构造排气管20的下部的下构件26。例如，因分别从上构件24和下构件26横向突出的凸缘部24A和26A通过焊接彼此接合，排气管20以管状形成。排气管20的外形构造成大致矩形形状。具体地，排气管20的外形构造成其拐角部倒圆角的大致矩形形状。
如图1中所示，在上构件24中形成了开口25，废热回收装置30的后述入口部34和出口部35插入到该开口25中。应当注意，排气具有在例如200℃至800℃的范围内的温度。
废热回收装置30具有在流过排气管20的排气和热介质之间交换热量的功能，由此回收排气的热量并且再次利用该热量。作为热介质，例如，使用用于冷却发动机的冷却剂(长效冷却剂(LLC))。热介质具有低于排气的温度的温度。在使用冷却剂作为热介质的情况下，热介质的温度例如在其最高点达到约130℃。
如图1中所示，废热回收装置30具体地具有热交换器32、入口部34和出口部35、导入管36、导出管37、O形环38和39以及保持构件33。
热交换器32设置在排气管20的内部并且具有在穿过排气管20的内部流动的排气和热介质之间交换热量的功能。具体地，热交换器32具有热交换器主体321和流路形成部323，流入通路341和流出通路351形成在该流路形成部323中。
流路形成部323一体地设置在热交换器主体321的上表面中。流入通路341允许来自入口部34的热介质在热交换器主体321的上表面处朝向图1中的纸面的近侧(图2中的方向-D)和图1中的纸面的远侧(图2中的方向+D)流过其中。流出通路351允许来自热交换器主体321的热介质在热交换器主体321的上表面处朝向图1中的纸面的远侧(图2中的方向-E)和图1中的纸面的近侧(图2中的方向+E)流过其中至出口部35。应当注意，当车辆的发动机停止时，热介质并不流入到入口部34中，并且热交换器主体321内部的热介质的流动停止。
如图2中所示，在热交换器主体321中形成了多个气体流路32A，其允许排气从热交换器主体321的侧表面32F至侧表面32R(参见图1)沿着箭头A的方向流过其中。气体流路32A具有排气流入的流入开口42和排气流出的流出开口。
正如从箭头A的方向观看到的，气体流路32A二维地(栅格状)布置。气体流路32A的流入开口42和流出开口分别在侧表面32F和侧表面32R中二维地布置(参见图1)。侧表面32F是热交换器32的面对气流方向上的上游的表面。侧表面32R是热交换器32的面对气流方向上的下游的表面。
而且，如图1中所示，在热交换器主体321的内部形成了多个介质流路32B，其允许热介质从流入通路341(入口部34)朝向流出通路351(出口部35)流过其中。多个介质流路32B与多个气体流路32A交替布置并且通过分隔壁而与气体流路32A分隔开。另外，热交换经由分隔壁而在流过介质流路32B的热介质和流过气体流路32A的排气之间发生。
而且，包括热交换器主体321和流路形成部323的热交换器32由碳化硅形成。碳化硅是超硬的、耐热的且耐磨损的。
入口部34是用于将热介质引导至热交换器32的内部(流入通路341)的开口部。入口部34与热交换器32的流路形成部323一体地由碳化硅形成。具体而言，如图1中所示，入口部34从热交换器32的流路形成部323的气流方向(方向A)下游侧部的上端部(流入通路341的上部)向上延伸。而且，入口部34的远侧端部通过排气管20的上构件24中的开口25而在排气管20的径向方向上向外突出。与流入通路341连通的导入通路34A形成在入口部34中。
出口部35是用于将热介质从热交换器32的内部(流出通路351)导出的开口部。出口部35与热交换器32的流路形成部323一体地由碳化硅形成。具体而言，如图1中所示，出口部35从热交换器32的流路形成部323的气流方向(方向A)的上游侧部的上端部向上延伸。而且，出口部35的远侧端部通过排气管20的上构件24中的开口25而在排气管20的径向方向上向外突出。与流出通路351连通的导出通路35A形成在出口部35中。
如上所述，入口部34和出口部35的远侧端部朝排气管20外突出，并且入口部34的内侧(内表面侧)的空间和出口部35的内侧(内表面侧)的空间与排气管20的内部空间隔离开。以上述方式，在本实施例中，形成在热交换器32中的一对开口部由入口部34和出口部35构成。
而且，在本实施例中，如上所述，包括热交换器主体321和流路形成部323的热交换器32、入口部34和出口部35由碳化硅一体地形成。具体而言，热交换器32、入口部34和出口部35例如通过使多孔体充满金属硅而形成。
导入管36是将热介质从排气管20的外侧经由入口部34引入到热交换器32中的导入管。导入管36的下游端部(下端部)连接至入口部34。具体而言，导入管36的下游端部插入到入口部34中。
O形环38在入口部34和导入管36之间布置在入口部34的内侧。具体而言，O形环38布置在导入管36的外表面和入口部34的内表面之间并且密封导入管36的外表面和入口部34的内表面之间的空间。更具体地，O形环38在排气管20的径向方向外侧(上侧)的位置处密封导入管36的外表面和入口部34的内表面之间的空间。
以这种方式，O形环38布置在入口部34的内侧，因此O形环38接触温度比排气低的热介质但不接触流过排气管20的排气。即，O形环38布置在如下位置：其不接触流过排气管20的排气而其接触热介质。
O形环38以具有圆形横截面的环的形状构造(参见JIS B 0142)，并且例如由弹性树脂材料制成。O形环38以如下状态布置在导入管36的外表面和入口部34的内表面之间：其在径向方向上被压缩(弹性)地变形。
导出管37是将热介质从热交换器32经由出口部35导出到排气管20的外侧的导出管。导出管37的上游端部(下端部)连接至出口部35。具体而言，导出管37的上游端部插入到出口部35中。
O形管39在出口部35和导出管37之间布置在出口部35的内侧。具体而言，O形环39布置在导出管37的外表面和出口部35的内表面之间并且密封导出管37的外表面和出口部35的内表面之间的空间。更具体地，O形环39在排气管20的径向方向外侧(上侧)的位置处密封导出管37的外表面和出口部35的内表面之间的空间。
以这种方式，O形环39布置在出口部35的内侧，因此O形环39接触温度比排气低的热介质但不接触流过排气管20的排气。即，O形环39布置在如下位置：其不接触流过排气管20的排气而接触热介质。
O形环39以具有圆形横截面的环的形状构造(参见JIS B 0142)，并且例如由弹性树脂材料制成。O形环39以如下状态布置在导出管37的外表面和出口部35的内表面之间：其在径向方向上被压缩(弹性)地变形。以上述方式，在本实施例中，密封入口部34和导入管36之间的空间以及出口部35和导出管37之间的空间的一对密封构件由O形环38和O形环39构成。
如图2中所示，保持构件33围绕沿着气流方向(方向A)的虚拟线SL布置在热交换器32的外周上。具体而言，保持构件33布置成与热交换器32的侧表面32M和32N、底表面32T和上表面32J接触。即，如图3中所示，保持构件33布置成大致矩形管形状以便围绕着虚拟线SL。具体而言，保持构件33布置成其拐角部倒圆角的矩形管形状。
而且，保持构件33布置在热交换器32的侧表面32M和32N以及底表面32T的整体上。在热交换器32的上表面32J处，保持构件33形成为围绕入口部34和出口部35的框架的形状，如在俯视图(参见图2)中看到的。
因此，在入口部34和出口部35的气流方向上游侧和下游侧，保持构件33围绕沿着气流方向(方向A)的虚拟线SL布置在热交换器32的外周上。
另外，保持构件33以如下状态布置：其被夹在排气管20的内周表面与热交换器32的侧表面32M和32N、底表面32T和上表面32J之间。具体而言，保持构件33以压缩变形状态布置在排气管20的内周表面与热交换器32的侧表面32M和32N、底表面32T和上表面32J之间。
以这种方式，通过被夹在排气管20和热交换器32之间，保持构件33将热交换器32保持在排气管20中。即，保持构件33具有将热交换器32保持在排气管20中的保持功能。
而且，因为保持构件33被夹在排气管20和热交换器32之间，密封了热交换器32和排气管20之间的空间。即，保持构件33用作抑制排气进入热交换器32和排气管20之间的空间中的气体密封件。
而且，保持构件33是弹性的并且减轻从排气管20至热交换器32的冲击和振动。即，保持构件33还用作提供热交换器32和排气管20之间的缓冲的缓冲构件。
保持构件33由陶瓷片或可膨胀石墨片制成。陶瓷片包括制成片材的陶瓷纤维。作为陶瓷纤维，例如，可以使用硅铝纤维、氧化铝纤维、二氧化硅纤维、岩棉和玻璃纤维。可膨胀石墨片包括制成片材的可膨胀石墨。其实例包括由GrafTech制成的GRAFOIL。陶瓷片的热传导率是约0.03-0.3W/mk。可膨胀石墨片的热传导率是约1-10W/mk。主要由碳化硅制成的热交换器32的热传导率是约100-300W/mk，并且陶瓷片和可膨胀石墨片的热传导率低于包含碳化硅的热交换器32的热传导率。
(本实施例的作用和效果)
接下来，将描述本实施例的作用和效果。
根据与本实施例有关的废热回收装置30，热介质由导入管36从排气管20的外侧经由入口部34的导入通路34A引导到热交换器32的流入通路341中(参见图1)。已经被导入流入通路341的热介质流过热交换器主体321的介质流路32B。同时，排气管20内部的排气流过热交换器主体321的气体流路32A。另外，流过热交换器主体321的介质流路32B的热介质与流过气体流路32A的排气交换热量。已经与排气交换热量的热介质流过热交换器32的出口通路351和出口部35的导出通路35A，并且此后由导出管37导出至排气管20的外侧。因此，回收了流过排气管20的排气的热量。该热量在排气管20外侧被再次利用。
在此，在本实施例中，夹在热交换器32和排气管20之间的保持构件33由陶瓷片或可膨胀石墨片制成，其热传导率低于碳化硅的热传导率。
例如，在热交换器32通过被插入在热交换器32和排气管20之间的金属构件而被保持在排气管20中的构造(比较例1)的情况下，或在由金属制成的热交换器32通过例如焊接保持在排气管20中的构造(比较例2)的情况下，容易使热量从排气管20传递至热交换器32。这是因为比较例1和比较例2的构造在热量上与热交换器32和排气管20彼此直接接触的状态并无太多不同。
尤其是在于高负荷行驶后发动机已经停止的情况下，存在如下的担忧：当在高负荷行驶时由于排气而已经达到高温的排气管20的热量传递到热交换器32时，当发动机停止时停止流动的热介质将沸腾。
相反，在本实施例中，如上所述，其热传导率低于形成热交换器32的碳化硅的热传导率的陶瓷片或可膨胀石墨片被用作保持构件33，因此相较于比较例1和比较例2，排气的热量难以从排气管20传递至热交换器32。因此，能够抑制由热量从排气管20传递至热交换器32引起的热介质的沸腾。
因此，即使在排气管20在高负荷行驶时由于排气而已经达到高温并且热介质并未在热交换器32内部流动时，能够抑制由热量从排气管20传递至热交换器32引起的热介质的沸腾。
而且，在本实施例中，保持构件33围绕沿着排气的流动方向的虚拟线SL布置在热交换器32的外周上。出于这个原因，保持构件33阻止排气在热交换器32和排气管20之间流动，并且排气能够被引导至流入开口42。因此，引导至热交换器32的排气的量增加并且提高了热交换效率。
而且，在本实施例中，在入口部34和出口部35的排气流动方向上游侧和下游侧上，保持构件33围绕沿着排气的流动方向的虚拟线SL布置在热交换器32的外周上。
出于这个原因，能够防止排气从入口部34和出口部35的排气流动方向上游侧和下游侧朝向入口部34和出口部35流入。
(示例性修改)
在本实施例中，冷却剂被用作热介质，但热介质不限于此。作为热介质，可以使用自动变速器油(ATF)或无级变速器(CTV)油，并且可以广泛地应用诸如用于热交换的液体或气体的流体。
而且，在实施例中，保持构件33布置成大致矩形形状以便围绕虚拟线SL，但是保持构件33不局限于此。例如，保持构件33还可具有如下构造：其布置成关于虚拟线SL的大致圆形形状。即，保持构件33可布置成任意形状，只要保持构件33围绕虚拟线SL布置在热交换器32的外周上的构造是保持构件33布置成围绕虚拟线SL的构造即可。
本公开并不局限于上述实施例而是可以在不偏离其主旨的范围内以多种方式修改、改变或改进。

Claims (4)

1.一种废热回收装置，包括：
热交换器(32)，其设置在排气流过的排气管(20)的内部，所述热交换器(32)由碳化硅形成，并且所述热交换器(32)在所述排气和热介质之间执行热交换；以及
保持构件(33)，其设置在所述热交换器(32)的外周处，由陶瓷片或可膨胀石墨片形成，并且被夹在所述排气管(20)和所述热交换器(32)之间，由此将所述热交换器(32)保持在所述排气管(20)中。
2.根据权利要求1所述的废热回收装置，其中：
所述热交换器(32)在所述热交换器(32)的面对所述排气的流动方向上的上游的表面处具有流入开口(42)，并且所述热交换器(32)在穿过所述流入开口(42)流入的排气与所述热介质之间执行热交换，并且
所述保持构件(33)围绕沿着所述排气的所述流动方向的虚拟线布置在所述热交换器的所述外周处。
3.根据权利要求2所述的废热回收装置，进一步包括：
入口部(34)，其设置在所述热交换器(32)处并且将所述热介质导入到所述热交换器(32)中；以及
出口部(35)，其设置在所述热交换器(32)处并且将所述热介质从所述热交换器导出，
其中，在所述入口部(34)和所述出口部(35)的排气流动方向上游侧和下游侧处，所述保持构件(33)围绕沿着所述排气的所述流动方向的虚拟线布置在所述热交换器(32)的所述外周处。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的废热回收装置，其中，所述保持构件(33)围绕所述虚拟线在所述热交换器的所述外周处布置成矩形形状。
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