[发明专利]用于热管的铁素体不锈钢和钢板，及热管和高温废热回收系统

说明书

发明背景

技术领域

本发明涉及用于热管的不锈钢和钢板，所述热管用于利用水的蒸发潜热进行热交换，并涉及该热管和包括该热管的高温废热回收系统。

背景技术

近来，为了回收在车辆行驶中以高温排放的发动机废气的热量并将其循环用作车辆的能量源，从而提高车辆的燃料效率，将一种高温废热回收系统投入实际应用。通常使用热交换器进行废热的回收，其用于在废热与冷却水或任何其它热媒之间的热交换；并且作为实现有效率热交换的方法，具有可被称为热管的传热装置的热交换器在车辆等的高温废热回收系统中的应用得到特别关注。

图1所示为一种普通废气通道结构的例子，其包含安装在车辆废气通道中的高温废热回收系统。在很多情况下，如该图所示，废热回收系统位于地板下部转换器的后面。将高温废热回收系统回收的热量有效地用于车辆行驶启动时加热发动机的冷却水和在冬季的空间加热；并且这有助于提高汽油车辆、柴油车辆、混合动力车辆等的燃料效率，并节省其中的电池。

图2示意地显示了热管的原理。

[0.初始状态]

热管10是金属密闭容器，其在真空(最高100Pa)下内部密封有纯水；容器的内部形成液态水的液相部11和空间部12。

[1.加热/冷却状态]

当用废气加热热管10的包括液相部11的部位(加热区)时，液相部11中的水剧烈地蒸发。蒸发是吸热反应，因此该部位可有效地吸收废气的热量。具体讲，大多废热的热能作为蒸发潜热被转移到水蒸汽中(加热)。当用冷却水等冷却热管10的空间部12的一部分(冷却区)时，那么水蒸汽在热管的冷却容器的内表面冷凝，并且冷凝的水返回到液相部11。冷凝是放热反应，因此与水蒸汽的潜热对应的热量被释放并转移到冷却水中(冷却)。因此接收到热量的冷却水得到加热，并用作热水。加热和冷却的循环持续进行，从而实现利用水的蒸发潜热的有效热交换。

专利文献1公开了一种热管型高温废热回收系统。图3示意性地示出了该系统的一部分。它包含其中废气流通的加热区22和其中冷却水31流通的冷却区32；盘状物23在加热区22中平行布置。在相邻的盘状物23之间布置的是钎焊至盘状物23的集热片24。引导废气通过该集热片24。每个盘状物23的两端都与上部集管(蒸汽流动通道)和底部集管(液体回流通道)连接，通过所述集管将加热区22与冷却区32相连接；如前面提及的，盘状物23和集管在真空抽吸后加入水并密封。将能够开启和关闭液体回流通道的模式切换阀33设置在冷却区32的下部。当模式切换阀33处于开启状态(热回收模式)，盘状物23中的水被废气加热时，那么水以沸腾(蒸汽)→冷凝(冷凝液)的循环方式进行循环，从而回收废气中的废热。在许多情况下，将盘状物23成形为具有扁平状，以增加其比表面积和尽可能最小化废气的排放阻力；通常，通过压制具有优良耐热性和优良耐蚀性的不锈钢板来成形盘状物。在许多情况下，供给加热区22的废气的温度由于转换器的催化作用而得到提高，并经常达到800℃或更高。当模式切换阀33处于关闭状态(热切断模式)时，加热区22的材料温度是最高的，推测达到600至900℃的温度范围。

在这种方式下，热管被加热到900℃左右的温度范围，因此它必须由具有优异的高温强度(抗蠕变性、抗高温疲劳性、抗热疲劳性)和优异的抗高温氧化性的材料来形成。另外，它要求优异的可加工性、焊接性和钎焊性。另外，重要的是它必须是廉价的。综合这些要求，目前认为不锈钢是最适于用作热管的材料。专利文献2公开了由不锈钢形成的热管，该不锈钢含有14-27wt％的Cr。

专利文献1：JP-A 2007-327719

专利文献2：JP-A 7-243784

然而，由不锈钢形成的热管在行驶的早期阶段可能会在其内部产生大量氢。各种研究的结果表明，由于氢的产生，其内部压力经常可高于1MPa。在这种情况下，热管应该是严格依法控制的压力容器。为了使作为非常普及的废热回收系统易于使用，期望构建热管内部压力不超过1MPa的高温废热回收系统。

另外，热管内部氢的产生是降低向冷却水的传热效率的危险因素，还是令系统产生过高应力的危险因素；因而这可能成为系统损坏和重大事故的原因。

铁素体不锈钢与奥氏体钢相比具有更小的热膨胀系数，因此在加热和冷却循环中的抗热疲劳性方面是有利的。另外，铁素体不锈钢与奥氏体钢相比具有更小的氢扩散系数，因此有利于将容器内部产生的氢排出系统。此外，铁素体不锈钢通常比奥氏体钢更便宜。不利的方面，铁素体不锈钢的抗高温氧化性、高温强度、耐蚀性等通常低于奥氏体钢。

发明内容