Тепловая труба и рекуператор тепла выхлопных газов, содержащий такую тепловую трубу
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в рекуператорах тепла выхлопных газов. Предложена тепловая труба, содержащая семь участков на стороне нагревательного блока для нагревания чистой воды с использованием тепла выхлопных газов, отводимых из двигателя, и шесть участков на стороне испарительного блока для испарения чистой воды, нагретой каждым участком тепловой трубы на стороне нагревательного блока с использованием тепла выхлопных газов, и средство для замедления скорости течения чистой воды, протекающей в участках тепловой трубы на стороне испарительного блока. Средство для замедления скорости течения снабжено участком смешения, который смешивает чистую воду, нагретую каждым участком тепловой трубы на стороне нагревательного блока, на стороне испарительного блока, и в котором площадь поперечного сечения проточного контура установлена большей, чем в каждом участке тепловой трубы на стороне нагревательного блока. Технический результат - поддержание эффективного теплообмена путем повторного нагрева испарившейся парофазной рабочей текучей среды, теплом выхлопных газов, например, во время запуска из холодного состояния. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Изобретение относится к тепловой трубе, используемой в транспортном средстве, например автомобиле, и рекуператору тепла выхлопных газов, содержащему такую тепловую трубу.
Уровень техники
Обычным примером уровня техники является использование принципа тепловой трубы для рекуперации тепла выхлопных газов, отводимых из двигателя транспортного средства, и применение данного тепла выхлопных газов для поддержки подогрева двигателя и т.п.
Кроме того, предлагался теплообменник из петлевых тепловых трубок, в котором использован принцип тепловой трубы (см., например, опубликованную заявку на патент Японии №4-45393 (JP-A-4-45393)). Данный теплообменник содержит замкнутый контур циркуляции, который формирует замкнутую петлю, рабочую текучую среду, залитую в контур циркуляции, допускающий испарение и конденсацию, испарительный блок, расположенный в контуре циркуляции, который испаряет рабочую текучую среду посредством подведения тепла снаружи, и конденсационный блок, расположенный в более высоком положении, чем испарительный блок, в контуре циркуляции, который осуществляет теплообмен между рабочей текучей средой, испарившейся в испарительном блоке, и теплопередающей текучей средой снаружи.
Однако для установки на транспортное средство от конструкции рекуператора тепла выхлопных газов требуется компактность. Следовательно, в случае применения теплообменника из петлевых тепловых трубок в качестве рекуператора тепла выхлопных газов предпочтительно применение конфигурации, показанной на фиг.5, содержащей множество тепловых трубок c, нагревательный блок a, который нагревает рабочую текучую среду с использованием тепла выхлопных газов, и испарительный блок b, который испаряет рабочую текучую среду, нагретую нагревательным блоком a с использованием тепла выхлопных газов, и расположен параллельно в горизонтальном направлении, и коллекторы d1 и d2 (соединительные участки), соответственно, соединяющие оба конца в вертикальном направлении каждой тепловой трубы c. В данном случае коллектор d2 на стороне испарительного блока b каждой тепловой трубы c (сверху на фиг.5) соединен с конденсационным блоком так, что испарившаяся рабочая текучая среда обеспечивает теплообмен с целью поддержки подогрева, тогда как коллектор d1 на стороне нагревательного блока a каждой тепловой трубы c (внизу на фиг.5) соединен с конденсационным блоком так, что рабочая текучая среда, которая конденсировалась в результате теплообмена с целью поддержки подогрева, возвращается назад.
Однако рекуператор тепла выхлопных газов, выполненный приведенным образом, все же имеет недостатки, описанные ниже. А именно, так как тепловые трубы c имеют одинаковую форму на стороне нагревательного блока a упомянутых трубок и на стороне испарительного блока b упомянутых трубок, или, другими словами, участок c1 тепловой трубы на стороне нагревательного блока и участок c2 тепловой трубы на стороне испарительного блока совместно формируют пару и сформированы с одинаковой формой, то, когда рабочая текучая среда, нагретая на участке c1 тепловой трубы на стороне нагревательного блока превращается в паровую фазу и расширяется в объеме во время испарения в секции c2 тепловой трубы на стороне испарительного блока, давление рабочей текучей среды возрастает в связи с упомянутым расширением объема и вынуждает рабочую текучую среду направляться в конденсационный блок, с проходом внутри секции c2 тепловой трубы на стороне испарительного блока с большой скоростью течения. Следовательно, несмотря на то что парофазная рабочая текучая среда, испаряющаяся в секции c2 тепловой трубы на стороне испарительного блока, испытывает действие тепла выхлопных газов, теплу выхлопных газов трудно воздействовать на парофазную рабочую текучую среду, что мешает парофазной рабочей текучей среде в секции c2 тепловой трубы на стороне испарительного блока повторно нагреваться от тепла выхлопных газов. В результате во время запуска из холодного состояния и подобного состояния, когда особенно требуется поддержка подогрева, тепло рабочей текучей среды теряется непосредственно в результате контакта парофазной рабочей текучей среды, например, с холодными периферическими стенками конденсационного блока, что препятствует эффективному осуществлению теплообмена с целью поддержки подогрева.
Краткое описание изобретения
Изобретение обеспечивает тепловую трубу, способную поддерживать эффективный теплообмен с целью поддержки подогрева, например, во время запуска из холодного состояния, посредством достаточного повторного нагрева испарившейся парофазной рабочей текучей среды, с использованием тепла выхлопных газов, рекуператор тепла выхлопных газов, снабженный упомянутой тепловой трубой.
Первый аспект изобретения относится к тепловой трубе, снабженной нагревательным блоком, который снабжен участком тепловой трубы на стороне нагревательного блока, который нагревает рабочую текучую среду с использованием тепла выхлопных газов, отводимых из двигателя, испарительным блоком, который снабжен участком тепловой трубы на стороне испарительного блока, через который протекает рабочая текучая среда, и который испаряет рабочую текучую среду, нагретую нагревательным блоком, с использованием тепла выхлопных газов, и средством замедления скорости течения для замедления скорости течения рабочей текучей среды, протекающей в участок тепловой трубы на стороне испарительного блока.
В тепловой трубе в соответствии с упомянутым первым аспектом может быть обеспечено множество участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока, и средство замедления скорости течения может быть снабжено участком смешения, который смешивает рабочую текучую среду, соответственно, нагретую множеством участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока, на стороне испарительного блока.
В результате использования упомянутой конфигурации рабочая текучая среда, смешивающаяся из участка тепловой трубы на стороне нагревательного блока, задерживается на участке смешения, что приводит к замедлению скорости течения рабочей текучей среды. В результате тепло выхлопных газов может легко воздействовать на рабочую текучую среду, скорость течения которой замедлена на участке смешения на стороне испарительного блока, что позволяет парофазной рабочей текучей среде, испарившейся на участке смешения на стороне нагревательного блока, в достаточной степени повторно нагреваться теплом выхлопных газов, чтобы обеспечивать достаточное количество тепла. В результате во время запуска из холодного состояния и подобного состояния, во время которого особенно требуется поддержка подогрева, непосредственные потери тепла парофазной рабочей текучей средой, обусловленные контактом с периферическими стенками конденсационного блока и т.п., исключаются, что допускает эффективное осуществление теплообмена с целью поддержки подогрева.
В тепловой трубе в соответствии с упомянутым первым аспектом площадь поперечного сечения проточного контура, ортогонального вертикальному направлению участка смешения, можно назначить больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура, ортогонального вертикальному направлению множества участков тепловой трубы на стороне испарительного блока. В соответствии с приведенной конфигурацией на рабочую текучую среду, которая подмешана из каждого участка тепловой трубы на стороне испарительного блока в широкий участок смешения, надежно воздействует тепло выхлопных газов вследствие задержки на участке смешения на стороне испарительного блока. В результате парофазная рабочая текучая среда, испарившаяся на участке смешения на стороне испарительного блока, в достаточной степени повторно нагревается теплом выхлопных газов, чтобы обеспечивать достаточное количество тепла.
Кроме того, в тепловой трубе в соответствии с упомянутым первым аспектом площадь поперечного сечения проточного контура, ортогональная вертикальному направлению участка смешения, может быть больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура, ортогональная вертикальному направлению участку тепловой трубы на стороне испарительного блока. В соответствии с приведенной конфигурацией рабочая текучая среда, которая подмешана из каждого участка тепловой трубы на стороне нагревательного блока в участок смешения, сопротивляется быстрому впуску в участок тепловой трубы на стороне испарительного блока, имеющий небольшую площадь поперечного сечения проточного контура. Следовательно, скорость течения рабочей текучей среды, которая подмешана из каждого участка тепловой трубы на стороне нагревательного блока, временно снижается на участке смешения, и тепло выхлопных газов надежно воздействует на рабочую текучую среду, скорость течения которой снизилась на участке смешения. В результате парофазная рабочая текучая среда, испарившаяся на участке смешения на стороне испарительного блока, в достаточной степени повторно нагревается теплом выхлопных газов, чтобы обеспечивать достаточное количество тепла.
Кроме того, тепловая труба в соответствии с упомянутым первым аспектом может быть снабжена дросселирующим средством, которое обеспечивают между участком смешения и участком тепловой трубы на стороне испарительного блока и которое ограничивает площадь поперечного сечения проточного канала, ортогональная вертикальному направлению. В соответствии с приведенной конфигурацией рабочая текучая среда, которая подмешана из каждого участка тепловой трубы на стороне нагревательного блока в участок смешения, дополнительно сопротивляется впуску в участок тепловой трубы на стороне испарительного блока, имеющий ограниченную площадь поперечного сечения проточного контура. Следовательно, скорость течения рабочей текучей среды, которая подмешана из каждого участка тепловой трубы на стороне нагревательного блока в участок смешения, дополнительно снижается, и тепло выхлопных газов еще более надежно воздействует на рабочую текучую среду, скорость течения которой дополнительно снижена на участке смешения. В результате парофазная рабочая текучая среда, испарившаяся на участке смешения на стороне испарительного блока, в достаточной степени повторно нагревается теплом выхлопных газов, чтобы обеспечивать достаточное количество тепла.
Кроме того, тепловая труба в соответствии с упомянутым первым аспектом может быть обеспечена вблизи центра выхлопной трубы. В соответствии с приведенной конфигурацией тепло выхлопных газов вблизи центра выхлопной трубы, где температура внутри выхлопной трубы является максимальной, действует на рабочую текучую среду внутри участка смешения, и тепло выхлопных газов эффективно передается рабочей текучей среде, задержанной в участке смешения. В результате парофазная рабочая текучая среда, испарившаяся на участке смешения на стороне испарительного блока, эффективно нагревается теплом высокотемпературных выхлопных газов вблизи центра выхлопной трубы, чтобы обеспечивать достаточное количество тепла.
В тепловой трубе в соответствии с упомянутым первым аспектом поперечное сечение участка смешения, ортогональное направлению потока выхлопных газов, может иметь форму полукруговой дуги.
В тепловой трубе в соответствии с упомянутым первым аспектом рабочая текучая среда, дополнительно нагретая испарительным блоком, может быть парофазной рабочей текучей средой.
В тепловой трубе в соответствии с упомянутым первым аспектом испарительный блок может быть расположен выше, чем нагревательный блок по вертикальному направлению.
В сущности, как изложено выше, при замедлении скорости течения рабочей текучей среды с помощью средства замедления скорости течения, снабженного участком смешения и т.п., который смешивает текучую рабочую среду, нагретую в каждом участке тепловой трубы на стороне нагревательного блока, в тепловой трубе на стороне испарительного блока, тепло выхлопных газов легко действует на рабочую текучую среду, скорость течения которой снижена на участке смешения на стороне испарительного блока, что обеспечивает достаточное количество теплоты для парофазной рабочей текучей среды и создает возможность эффективного осуществления теплообмена с целью поддержки подогрева благодаря исключению непосредственных потерь тепла парофазной рабочей текучей средой, обусловленных контактом с холодными периферическими стенками и т.п. конденсационного блока, особенно когда во время холодного запуска требуется поддержка подогрева.
Второй аспект настоящего изобретения относится к рекуператору тепла выхлопных газов, который снабжен тепловой трубой в соответствии с первым аспектом, и конденсационным блоком, в который впускается рабочая текучая среда, испарившаяся в испарительном блоке, и в котором впущенная рабочая текучая среда охлаждается.
Третий аспект настоящего изобретения относится к рекуператору тепла выхлопных газов, содержащему тепловую трубу, содержащую нагревательный блок для нагревания рабочей текучей среды с использованием тепла выхлопных газов, отводимых от двигателя, и испарительный блок, который снабжен участком тепловой трубы на стороне испарительного блока, по которому протекает рабочая текучая среда, и который испаряет рабочую текучую среду, нагретую нагревательным блоком, с использованием тепла выхлопных газов. В рекуператоре тепла выхлопных газов тепловая труба снабжена средством замедления скорости течения для замедления скорости рабочей текучей среды, протекающей по участку тепловой трубы на стороне испарительного блока.
Краткое описание чертежей
Вышеприведенные и другие цели, признаки и преимущества изобретения будут очевидны из нижеследующего описания примерных вариантов со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены идентичные элементы. На чертежах:
Фиг.1 - вид в перспективе, представляющий рекуператор тепла выхлопных газов согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, примененный в выхлопной трубе автомобиля;
Фиг.2 - вид сбоку в продольном разрезе того же самого рекуператора тепла выхлопных газов, примененного в выхлопной трубе автомобиля;
Фиг.3 - вид спереди в поперечном разрезе того же самого рекуператора тепла выхлопных газов, если смотреть вдоль оси выхлопной трубы;
Фиг.4 - вид спереди в поперечном разрезе того же самого рекуператора тепла выхлопных газов согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, если смотреть вдоль оси выхлопной трубы; и
Фиг.5 - вид спереди в поперечном разрезе рекуператора тепла выхлопных газов в соответствии с уровнем техники, если смотреть вдоль оси выхлопной трубы.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Далее приведено объяснение способов осуществления изобретения со ссылкой на чертежи.
На фиг.1 и 2 показана выхлопная труба автомобиля, в которой применен рекуператор тепла выхлопных газов согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, и рекуператор 2 тепла выхлопных газов обеспечен в промежуточном положении в упомянутой выхлопной трубе 1. В частности, выхлопная труба 1 разделена рекуператором 2 тепла выхлопных газов на верхний по потоку канал 11 выхлопной трубы и нижний по потоку канал 12 выхлопной трубы, и при этом расположенная спереди относительно направления потока выхлопных газов сторона корпуса 25 испарителя (который будет описан в дальнейшем) рекуператора 2 тепла выхлопных газов соединена с верхним по потоку каналом 11 выхлопной трубы, и расположенная сзади относительно направления потока выхлопных газов сторона корпуса 25 испарителя соединена с нижним по потоку каналом 12 выхлопной трубы. Кроме того, каталитический катализатор обеспечен с передней стороны верхнего по потоку канала 11 выхлопной трубы (дальше вперед относительно потока, чем рекуператор 2 тепла выхлопных газов). С другой стороны, глушитель обеспечен с задней стороны нижнего по потоку канала 12 выхлопной трубы (дальше назад по потоку, чем рекуператор 2 тепла выхлопных газов).
Кроме того, как показано на фиг.3, рекуператор 2 тепла выхлопных газов снабжен тепловой трубой 23, содержащей нагревательный блок 21 и испарительный блок 22, и конденсационный блок 24.
Тепловая труба 23 допускает прохождение по ней рабочей текучей среды в форме чистой воды и помещается внутри корпуса 25 испарителя, имеющего приблизительную форму прямоугольного каркаса. Центральный участок корпуса 25 испарителя, в котором расположена упомянутая тепловая труба 23, расположен так, чтобы быть обращенным внутрь выхлопной трубы 1. Тепловая труба 23 снабжена множеством участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока со стороны нагревательного блока 21, который нагревает чистую воду теплом выхлопных газов (внизу на фиг.3), и множеством участков 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока со стороны испарительного блока 22, который испаряет чистую воду, нагретую участками 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока (сверху на фиг.3). Тепловая труба 23 выполняет теплообмен между чистой водой, протекающей внутри каждого участка 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока и каждого участка 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, и выхлопными газами, присутствующими внутри выхлопной трубы 1 и отводимыми из двигателя, с нагреванием и испарением, тем самым, чистой воды. В данном случае каждый участок 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока и каждый участок 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока имеет заданную длину (например, приблизительно 60 мм) в направлении потока выхлопных газов, протекающих по выхлопной трубе 1, и обеспечены с продолжением в вертикальном направлении с заданными интервалами в направлениях влево и вправо, соответственно, со стороны нагревательного блока 21 и со стороны испарительного блока 22 внутри корпуса 25 испарителя.
Конденсационный блок 24 имеет форму закрытого бака и расположен снаружи выхлопной трубы 1. К конденсационному блоку 24 подсоединены впускной патрубок 31 и выпускной патрубок 32 контура 3 охлаждающей воды, который прокачивает по замкнутому пути воду охлаждения двигателя. Кроме того, конденсационный блок 24 и корпус 25 испарителя связаны верхним и нижним соединительными каналами 26a и 26b, и парофазная чистая вода или водяной пар, испарившийся при посредстве тепловой трубы 23 корпуса 25 испарителя (участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока и участков 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока), впускается в конденсационный блок 24 по верхнему соединительному каналу 26a. Прослойка 251 водяного пара, в которой смешивается водяной пар, испарившийся при посредстве тепловой трубы 23, обеспечивается в верхнем конце корпуса 25 испарителя, и верхний конец каждого участка 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, т.е. тепловой трубы 23, установлен и вставлен в нижнюю поверхность упомянутой прослойки 251 водяного пара. С другой стороны, впускной участок 252, в который впускается жидкофазная чистая вода, накопленная в резервуарном участке 27, подлежащем описанию в последующем, обеспечен в нижнем конце корпуса 25 испарителя, и нижний конец каждого участка 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, т.е. тепловой трубы 23, установлен и вставлен в верхнюю поверхность упомянутого впускного участка 252. Верхний соединительный канал 26a подсоединен между прослойкой 251 водяного пара корпуса 25 испарителя и конденсационным блоком 24, а нижний соединительный канал 26b подсоединен между впускным участком 252 корпуса 25 испарителя и резервуарным участком 27 (который подлежит описанию в дальнейшем). В данном случае каждый участок 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока и каждый участок 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока сформированы так, чтобы иметь одинаковый диаметр.
Конденсационный блок 24 конструктивно разделен на два слоя перегородкой 241 и осуществляет теплообмен между водой охлаждения двигателя, впускаемой из впускного патрубка 31 контура 3 охлаждающей воды на стороне внешнего слоя 241a снаружи упомянутой перегородки 241, и водяным паром, впускаемым из прослойки 251 водяного пара на стороне внутреннего слоя 241b внутрь перегородки 241, что приводит к конденсации водяного пара, который лишился тепла вследствие теплообмена с водой охлаждения двигателя, из паровой фазы в жидкую фазу чистой воды. Вода охлаждения двигателя, которая испытала теплообмен с водяным паром в конденсационном блоке 24, вытекает со стороны внешнего слоя 241a конденсационного блока 24 через выпускной патрубок 32 контура 3 охлаждающей воды. В данном случае впускной патрубок 31 контура 3 охлаждающей воды расположен со стороны прослойки 251 водяного пара на стороне внешнего слоя 241a конденсационного блока 24, и теплота высокотемпературного водяного пара сразу после впуска из прослойки 251 водяного пара передается охлаждающей воде.
С другой стороны, резервуарный участок 27 обеспечен на нижней поверхности конденсационного блока 24, и чистая вода, которая перешла в жидкую фазу в результате теплообмена с водой охлаждения двигателя в конденсационном блоке 24, перемещается из конденсационного блока 24 в резервуарный участок 27 и накапливается в нем. Жидкофазная чистая вода, которая накопилась в резервуарном участке 27, возвращается назад в корпус 25 испарителя по нижнему соединительному каналу 26b. Кроме того, для управления возвратом жидкофазной чистой воды в резервуарный участок 27 в нижнем участке корпуса 25 испарителя, в месте соединения с нижним соединительным каналом 26b резервуарного участка 27 обеспечен клапан 271. Данный клапан 271 открывается и закрывается управляющим участком 272, приводимым в действие разрежением со стороны двигателя, и в результате закрытия путем срабатывания управляющего участка 272, например, по окончании прогрева, когда больше не требуется теплообмен с водой охлаждения двигателя в конденсационном блоке 24, движение чистой воды (водяного пара) регулируется так, чтобы тепловая нагрузка могла рассеиваться в радиатор. В данном случае чистая вода, применяемая в качестве рабочей текучей среды рекуператора 2 тепла выхлопных газов, герметично закрыта с обеспечением вакуума (пониженного давления) в тепловой трубе 23 (участках 23а тепловой трубы на стороне нагревательного блока и участках 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока), конденсационном блоке 24, резервуарном участке 27 и верхнем и нижнем соединительных каналах 26а и 26b. Кроме того, тепловая труба 23, конденсационный блок 24, резервуарный участок 27 и верхний и нижний соединительные каналы 26а и 26b выполнены из нержавеющей стали, обладающей высокой стойкостью к коррозии.
На стороне испарительного блока 22 тепловой трубы 23 обеспечено средство замедления скорости течения для замедления скорости течения парофазной чистой воды (водяного пара), протекающей в форме водяного пара по каждому из участков 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока. Данное средство замедления скорости течения снабжено участком 23с смешения, который смешивает чистую воду, соответственно нагретую каждым участком 23а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, на стороне испарительного блока 22. Верхний конец каждого участка 23а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, соответственно, соединен с нижним концом упомянутого участка 23с смешения. Нижний конец каждого участка 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, соответственно, соединен с верхним концом участка 23c смешения, расположенного между взаимно смежными участками 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, и соединен с нижним концом водяной паровой фазы 251 посредством продолжения вверх в вертикальном направлении. Кроме того, волнистое оребрение 23d присоединено между корпусом 25 испарителя и прилегающими к нему участками 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока и участками 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, между взаимно смежными участками 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока и между взаимно смежными участками 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, и волнистое оребрение 23d активизирует теплообмен между чистой водой и выхлопными газами благодаря увеличению площадей теплопередачи участков 23a и 23b тепловой трубы на стороне нагревательного блока и на стороне испарительного блока. Участок 23c смешения обеспечен продолжающимся приблизительно в горизонтальном направлении (горизонтальном направлении, приблизительно ортогональном оси выхлопной трубы), вблизи центра выхлопной трубы 1. В данном случае диагональные линии, показанные на фиг.3, обозначают жидкофазную чистую воду, а точки обозначают водяной пар (парофазную чистую воду). Кроме того, участок 23c смешения смешивает не только чистую воду, нагретую внутри каждого из участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, но, предпочтительно, когда теплообмен активизируется вследствие повышения количества тепла выхлопных газов, смешивает также водяной пар, испарившийся в результате нагревания, переходящего вовнутрь каждого из участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока.
Кроме того, участку 23c смешения на стороне испарительного блока 22 назначена площадь поперечного сечения проточного контура больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура в каждом участке 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока. Другими словами, в противоположность семи участкам 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, расположенным в горизонтальном направлении, ортогональном направлению потока выхлопных газов, участок 23c смешения обеспечен непрерывно продолжающимся между участками 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока с одной стороны в горизонтальном направлении, ортогональном направлению потока выхлопных газов (левый край фиг.3), и участками 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, с другой стороны в горизонтальном направлении, ортогональном направлению потока выхлопных газов (правый край фиг.3), и в результате этого площадь поперечного сечения проточного контура, ортогонального вертикальному направлению участка 23c смешения, назначена больше, чем суммарная площадь сечения проточных контуров, ортогонального вертикальному направлению каждого участка 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, когда семь упомянутых участков обеспечены с промежутками в горизонтальном направлении, ортогональном направлению потока выхлопных газов.
С другой стороны, участку 23c смешения на стороне испарительного блока 22 назначена площадь поперечного сечения проточного контура больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура каждого участка 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока. Другими словами, шесть участков 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока расположены в горизонтальном направлении, ортогональном направлению потока выхлопных газов, и в результате этого площадь поперечного сечения проточного контура участка 23c смешения, обеспеченного непрерывно продолжающимся между участками 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока как с одной стороны, так и с другой стороны в горизонтальном направлении, ортогональном направлению потока выхлопных газов, назначена больше, чем суммарная площадь поперечного сечения проточного контура каждого участка 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, когда шесть упомянутых участков обеспечены с промежутками в горизонтальном направлении, ортогональном направлению потока выхлопных газов. Суммарная площадь сечения проточных контуров, ортогонального вертикальному направлению каждого из участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, назначена больше, чем суммарная площадь сечения проточных контуров, ортогонального вертикальному направлению каждого из участков 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока.
В данном случае нижний конец каждого участка 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, соответственно, соединен с впускным участком 252 в нижнем конце корпуса 25 испарителя, и верхний конец каждого участка 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока соединен с нижним концом участка 23c смешения путем продолжения вверх в вертикальном направлении. С другой стороны, нижний конец каждого участка 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, соответственно, соединен с участком 23с смешения, расположенным между взаимно смежными участками 23а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, и верхний конец каждого участка 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока соединен с нижним концом водяной паровой фазы 251 в верхнем конце корпуса 25 испарителя путем продолжения вверх в вертикальном направлении.
Таким образом, в вышеописанном первом варианте осуществления тепловая труба 23 вынуждает скорость течения чистой воды, протекающей по каждому из участков 23а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, замедляться на участке 23с смешения на стороне испарительного блока 22, с помощью средства замедления скорости течения, снабженного участком 23с смешения, который смешивает чистую воду, соответственно, нагретую семью участками 23а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, со стороны нагревательного блока 21 в сторону испарительного блока 22. Вышеописанное решение принято, чтобы замедлять скорость течения чистой воды, выходящей из каждого из участков 23а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, посредством задержки на участке 23с смешения, имеющем большую площадь поперечного сечения проточного контура, путем осуществления смешивания чистой воды, нагреваемой каждым участком 23а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, в участок 23с смешения на стороне испарительного блока 22. Кроме того, поскольку площадь поперечного сечения проточного контура участка 23с смешения обеспечена больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура каждого участка 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, то чистая вода, которая подмешана из каждого участка 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока в участок 23c смешения, сопротивляется быстрому впуску в каждый участок 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, имеющий небольшую площадь поперечного сечения проточного контура, что вызывает временное снижение скорости течения чистой воды на участке 23c смешения. В результате тепло выхлопных газов легко действует на чистую воду, скорость течения которой замедлена на участке 23c смешения на стороне испарительного блока 22, и водяной пар (парофазная чистая вода), испарившийся на участке 23c смешения на стороне испарительного блока 22, повторно нагревается в достаточной степени теплом выхлопных газов, что обеспечивает достаточное количество теплоты. В результате, теплообмен с водой охлаждения двигателя может эффективно осуществляться путем исключения непосредственных потерь тепла водяного пара, обусловленных контактом с холодной перегородкой 241 и подобными элементами конденсационного блока 24, особенно во время запуска из холодного состояния, когда требуется поддержка подогрева.
Кроме того, так как участок 23c смешения испарительного блока 22 обеспечен продолжающимся в горизонтальном направлении вблизи центра выхлопной трубы 1, то тепло выхлопных газов, которые достигают максимальной температуры вблизи центра выхлопной трубы 1, может эффективно передаваться чистой воде, задерживаемой на участке 23c смешения, что очень полезно с точки зрения повышения эффективности теплообмена с водой охлаждения двигателя.
Кроме того, так как суммарная периферическая площадь поперечного сечения проточного канала каждого из участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока назначена больше, чем суммарная периферическая площадь поперечного сечения проточного канала каждого из участков 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока, то тепло выхлопных газов энергично и эффективно действует на жидкофазную чистую воду в каждом из участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока вследствие большой периферической площади поперечного сечения проточного канала упомянутых участков, что дает возможность эффективного нагревания жидкофазной чистой воды в каждом из участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока.
Ниже приведено пояснение второго варианта осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.4.
В упомянутом втором варианте осуществления применена отличающаяся конфигурация тепловой трубы. Далее, другие составляющие компоненты, за исключением тепловой трубы, являются такими же, как в случае вышеприведенного первого варианта осуществления, одинаковые ссылочные позиции служат для обозначения одинаковых составляющих компонентов, и их подробное описание опущено.
А именно, во втором варианте осуществления, тепловая труба 28 допускает течение по ней рабочей текучей среды в форме чистой воды и помещается внутри корпуса 25 испарителя, имеющего форму прямоугольного каркаса. Центральный участок корпуса 25 испарителя, в котором расположена упомянутая тепловая труба 28, расположен так, чтобы быть обращенным внутрь выхлопной трубы 1. Тепловая труба 28 снабжена множеством участков 28а тепловой трубы на стороне нагревательного блока со стороны нагревательного блока 21 (внизу на фиг.4), который нагревает чистую воду теплом выхлопных газов, и множеством участков 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока со стороны испарительного блока 22 (сверху на фиг.3), который испаряет чистую воду, нагретую участками 28а тепловой трубы на стороне нагревательного блока. Приведенная тепловая труба 28 выполняет теплообмен между чистой водой, протекающей внутри каждого участка 28а тепловой трубы на стороне нагревательного блока и каждого участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока, и выхлопными газами, отводимыми из двигателя, с испарением, тем самым, чистой воды при нагреве. В данном случае каждый из участков 28а тепловой трубы на стороне нагревательного блока и каждый из участков 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока обеспечены внутри корпуса 25 испарителя, с продолжением в вертикальном направлении с заданными интервалами в направлениях влево и вправо соответственно.
Тепловая труба 28 снабжена средством замедления скорости течения для замедления скорости течения парофазной чистой воды (водяного пара), протекающей в форме водяного пара по каждому из участков 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока. Данное средство замедления скорости течения снабжено участками 28с смешения, имеющими приблизительно полукруглое сечение, ортогональное потоку выхлопных газов, которые вынуждают чистую воду, соответственно, нагретую каждым из участков 28а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, смешиваться на стороне испарительного блока 22. Кроме того, волнистое оребрение 28d присоединено между корпусом 25 испарителя и прилегающими к нему участками 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока и участками 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока, между взаимно смежными участками 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока и между взаимно смежными участками 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока, и волнистое оребрение 28d активизирует теплообмен между чистой водой и выхлопными газами благодаря увеличению площади теплопередачи тепловой трубы 28. Каждый участок смешения 28c обеспечен по схеме расположения рядами, с заданными интервалами в, соответственно, приблизительно горизонтальном направлении (горизонтальном направлении, приблизительно ортогональном оси выхлопной трубы), вблизи центра выхлопной трубы 1. В данном случае диагональные линии, показанные в тепловой трубе 28 на фиг.4, обозначают жидкофазную чистую воду, а точки обозначают водяной пар (парофазную чистую воду).
Кроме того, верхние концы каждого в каждой группе из двух участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока соответственно соединены с каждым участком 28c смешения на стороне испарительного блока 22, а нижний конец одного участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока соединен с каждым участком 28c смешения на стороне испарительного блока 22. Каждому участку 28c смешения на стороне испарительного блока 22 назначена площадь поперечного сечения проточного контура больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура каждого участка 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока. Другими словами, в противоположность двум участкам 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, расположенным с промежутками в горизонтальном направлении, ортогональном направлению потока выхлопных газов, входящих между волнистым оребрением 28d, каждый участок 28c смешения обеспечен непрерывно продолжающимся между двумя участками 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, и в результате площадь поперечного сечения проточного контура участка 28c смешения назначена больше, чем суммарная площадь поперечного сечения каждого из двух участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, обеспеченных с промежутками в горизонтальном направлении, ортогональном направлению потока выхлопных газов.
С другой стороны, каждому участку 28c смешения на стороне испарительного блока 22 назначена площадь поперечного сечения проточного контура больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура каждого из участков 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока. Другими словами, площадь поперечного сечения проточного контура участка 28c смешения, обеспеченного непрерывно продолжающимся между двумя участками 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, установлена больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура одного участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока, соединенного с верхним концом данного участка 28c смешения. Суммарная площадь поперечного сечения проточного контура двух участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока установлена вдвое больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура одного участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока.
В данном случае нижние концы каждой группы из двух участков 28а тепловой трубы на стороне нагревательного блока соответственно соединены с впускным участком 252 на нижнем конце корпуса 25 испарителя, и верхние концы упомянутой группы соединены с нижними концами участков 28с смешения путем продолжения вверх в вертикальном направлении. С другой стороны, нижний конец каждого участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока, соответственно, соединен с верхним концом участка 28с смешения, расположенным между составляющих группу двух участков 28а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, и верхний конец каждого участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока соединен с нижним концом водяной паровой прослойки 251 на верхнем конце корпуса 25 испарителя путем продолжения вверх в вертикальном направлении. Кроме того, вместе с шестью участками 28а тепловой трубы на стороне нагревательного блока, расположенными со стороны нагревательного блока 21, три участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока расположены со стороны испарительного блока 22.
Таким образом, в упомянутом втором варианте осуществления тепловая труба 28 замедляет скорость течения чистой воды, протекающей по каждому из участков 28а тепловой трубы, в каждом из участков 28с смешения на стороне испарительного блока 22, с помощью средства замедления скорости течения, снабженного участками 28c смешения, смешивающими чистую воду, соответственно, нагретую каждой группой из двух участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, со стороны нагревательного блока 21 в сторону испарительного блока 22. Вышеописанное решение принято потому, что скорость течения чистой воды, подмешиваемой из каждого участка 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, замедляется в результате задержки на каждом участке 28c смешения, имеющем большую площадь поперечного сечения проточного контура, так как чистая вода, нагреваемая каждыми двумя из участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, доводится до смешения на каждом участке 28c смешения на стороне испарительного блока 22. Кроме того, поскольку площадь поперечного сечения проточного контура каждого участка 28c смешения обеспечена больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура одного участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока, то чистая вода, которая подмешана из каждого участка 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока в каждый участок 28c смешения, сопротивляется быстрому впуску в каждый участок 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока, имеющий небольшую площадь поперечного сечения проточного контура, что вызывает временное снижение скорости течения чистой воды на участках 28c смешения. В результате тепло выхлопных газов легко действует на чистую воду, скорость течения которой замедлена на каждом участке 28c смешения на стороне испарительного блока 22, и водяной пар (парофазная чистая вода), испарившийся на каждом участке 28c смешения на стороне испарительного блока 22, повторно нагревается в достаточной степени теплом выхлопных газов, что обеспечивает достаточное количество теплоты. В результате теплообмен с водой охлаждения двигателя может эффективно осуществляться путем исключения непосредственных потерь тепла водяного пара, обусловленных контактом с холодной перегородкой 241 и подобными элементами конденсационного блока 24, особенно во время запуска из холодного состояния, когда требуется поддержка подогрева.
Кроме того, так как каждый участок 28c смешения испарительного блока 22 обеспечен продолжающимся в горизонтальном направлении вблизи центра выхлопной трубы 1, то тепло выхлопных газов, которые достигают максимальной температуры вблизи центра выхлопной трубы 1, может эффективно передаваться чистой воде, задерживаемой на каждом участке 28c смешения, что очень полезно с точки зрения повышения эффективности теплообмена с водой охлаждения двигателя.
Кроме того, так как суммарная площадь поперечного сечения проточного канала каждого из шести участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока назначена больше, чем суммарная площадь поперечного сечения проточного канала каждого из трех участков 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока, то тепло выхлопных газов энергично и эффективно действует на жидкофазную чистую воду в каждом из участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока вследствие большой периферической площади поперечного сечения проточного канала упомянутых участков, что обеспечивает эффективный нагрев жидкофазной чистой воды в каждом из участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока.
Более того, настоящее изобретение не ограничено каждым из вышеупомянутых вариантов осуществления и, наоборот, включает различные другие их варианты. Например, хотя площади поперечного сечения проточных каналов участков 23c и 28c смешения на стороне испарительного блока 22 установлены больше, чем площади поперечного сечения проточных каналов каждого из участков 23b и 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока в каждом из вариантов осуществления, между участком смешения и участками тепловой трубы на стороне испарительного блока, а именно со стороны, расположенной ниже по потоку, участка смешения на стороне испарительного блока 22 или со стороны, расположенной выше по потоку, каждого участка тепловой трубы на стороне испарительного блока, может быть обеспечено дросселирующее средство, которое ограничивает площадь поперечного сечения проточного канала. В данном случае рабочая текучая среда, которая подмешана из каждого участка тепловой трубы на стороне нагревательного блока в участок смешения, дополнительно сопротивляется впуску в участок тепловой трубы на стороне испарительного блока, имеющий ограниченную площадь поперечного сечения проточного контура, и тепло выхлопных газов воздействует еще надежнее на рабочую текучую среду, скорость течения которой дополнительно снижена на участке смешения.
Кроме того, хотя ранее описанный первый вариант осуществления использует конфигурацию, в которой каждый из участков 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока и каждый из участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, соответственно, сформированы с одним и тем же диаметром, и число участков 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока на один меньше, чем число участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, а именно шесть, и поэтому суммарная площадь поперечного сечения проточного контура шести участков 23b тепловой трубы на стороне испарительного блока устанавливается меньшей, чем суммарная площадь поперечного сечения проточного контура семи участков 23a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, если суммарная площадь поперечного сечения проточного контура каждого из участков тепловой трубы на стороне испарительного блока назначена меньше, чем суммарная площадь поперечного сечения проточного контура каждого из участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока, то не требуется, чтобы каждый из участков тепловой трубы на стороне испарительного блока и каждый из участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока, соответственно, имели одинаковый диаметр, и разность чисел участков тепловой трубы на стороне испарительного блока и участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока не ограничивается вышеприведенной.
Кроме того, в ранее описанном втором варианте осуществления, хотя каждый из участков 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока и каждый из участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, соответственно, сформированы с одним и тем же диаметром, и верхние концы каждой группы из двух участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока соединены с нижним концом одного участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока через участки 28c смешения, и поэтому площадь поперечного сечения проточного контура одного участка 28b тепловой трубы на стороне испарительного блока установлена равной приблизительно половине суммарной площади поперечного сечения проточного контура каждой группы из двух участков 28a тепловой трубы на стороне нагревательного блока, если суммарная площадь поперечного сечения проточного контура участков тепловой трубы на стороне испарительного блока установлена меньше, чем суммарная площадь поперечного сечения проточного контура участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока, то не требуется, чтобы каждый участок тепловой трубы на стороне испарительного блока и каждый участок тепловой трубы на стороне нагревательного блока, соответственно, были сформированы с одинаковым диаметром, и разность чисел участков тепловой трубы на стороне испарительного блока и участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока не ограничивается вышеприведенной.
Кроме того, хотя клапан 271 для регулирования возврата жидкофазной чистой воды в резервуарный участок 27 обеспечен в состоянии соединения с нижним соединительным каналом 26b резервуарного участка 27 в вариантах осуществления, местоположение, в котором обеспечен данный клапан не ограничено упомянутым выше, а наоборот, клапан можно обеспечивать в любом местоположении, при условии, что перемещение водяного пара в конденсационный блок регулируется, когда клапан закрыт, например, по окончании прогрева, когда больше не требуется теплообмен с водой охлаждения двигателя в конденсационном блоке.
Кроме того, хотя в качестве объекта теплообмена, который осуществляет теплообмен с выхлопными газами в рекуператоре 2 тепла выхлопных газов в приведенных вариантах осуществления, применяется вода охлаждения двигателя, объектом теплообмена может быть также моторное масло или трансмиссионное масло и т.п.
Более того, хотя в приведенных вариантах осуществления в качестве рабочей текучей среды применяется чистая вода, возможно также применение других рабочих текучих сред, кроме воды, например спиртов или фтороуглеродов.
1. Тепловая труба (23), содержащая:
нагревательный блок (21), который имеет участок (23а) тепловой трубы на стороне нагревательного блока, который нагревает рабочую текучую среду с использованием тепла выхлопных газов, отводимых из двигателя; и
испарительный блок (22), который имеет участок (23b) тепловой трубы на стороне испарительного блока, через который протекает рабочая текучая среда, и который дополнительно нагревает рабочую текучую среду, нагретую участком тепловой трубы на стороне нагревательного блока, с использованием тепла выхлопных газов,
отличающаяся тем, что она содержит средство замедления скорости течения для замедления скорости течения рабочей текучей среды, протекающей в участок тепловой трубы на стороне испарительного блока,
при этом
имеется множество участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока; и
средство замедления скорости течения имеет участок (23с) смешения, который смешивает рабочую текучую среду, соответственно, нагретую множеством участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока, на стороне испарительного блока.
2. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения проточного контура, ортогональная вертикальному направлению участка смешения, больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура, ортогональная вертикальному направлению множества участков тепловой трубы на стороне нагревательного блока.
3. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения проточного контура, ортогональная вертикальному направлению участка смешения, больше, чем площадь поперечного сечения проточного контура, ортогональная вертикальному направлению участка тепловой трубы на стороне испарительного блока.
4. Тепловая труба по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит дросселирующее средство, которое обеспечено между участком смешения и участком тепловой трубы на стороне испарительного блока, и которое ограничивает площадь поперечного сечения проточного контура, ортогональную вертикальному направлению.
5. Тепловая труба по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что участок смешения обеспечен вблизи центра выхлопной трубы, через которую протекают выхлопные газы.
6. Тепловая труба по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что сечение участка смешения, ортогонального направлению потока выхлопных газов, имеет форму полукруговой дуги.
7. Тепловая труба по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что рабочая текучая среда, дополнительно нагретая испарительным блоком, является парофазной рабочей текучей средой.
8. Тепловая труба по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что испарительный блок расположен выше, чем нагревательный блок в вертикальном направлении.
9. Тепловая труба по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что средство замедления скорости течения соединено как одним концом участка тепловой трубы на стороне нагревательного блока, так и с одним концом участка тепловой трубы на стороне испарительного блока,
причем указанный один конец участка тепловой трубы на стороне испарительного блока является концом на стороне нагревательного блока, а
указанный один конец участка тепловой трубы на стороне нагревательного блока является концом на стороне испарительного блока.
10. Рекуператор тепла выхлопных газов, отличающийся тем, что он содержит:
тепловую трубу по любому из пп.1-9; и
конденсационный блок, в который впускается рабочая текучая среда, дополнительно нагретая испарительным блоком, и в котором впущенная рабочая текучая среда охлаждается.
