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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasabwärme-Rückgewinnungsvorrichtung,
die für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Automobil, Verwendung
findet.
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Es
ist bekannt, Wärme aus Abgas, das aus einem Auspuffsystem
eines Fahrzeugmotors ausgetragen wird, unter Verwendung des Prinzips
des Wärmerohres rückzugewinnen und die rückgewonnene Wärme
für andere Zwecke, beispielsweise für das Aufwärmen
des Motors, zu benutzen. Beispielsweise beschreibt die veröffentlichte
nicht geprüfte
Japanische
Patentanmeldung Nr. 62-268722 ein Abgasabwärme-Rückgewinnungssystem
zum Erwärmen eines Motorkühlmittels unter Verwendung
der Wärme eines Abgases aus einem Motor. Spezifisch ist
eine Verdampfereinheit, die über Wärmerohre verfügt,
in einer Motorabgasleitung angeordnet, durch welche das Abgas strömt,
und eine Kondensationseinheit, die über Wärmerohre
verfügt, ist in einem Motorkühlmittelkreis, durch
welchen das Kühlmittel strömt, angeordnet.
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Als
ein weiteres Beispiel sei die veröffentlichte nicht geprüfte
Japanische Patentanmeldung Nr. 4-45393 genannt,
die über einen Wärmeaustauscher mit geschleiftem
Wärmerohr verfügt. Der offenbarte Wärmeaustauscher
schließt einen geschleiften geschlossenen Zirkulationskanal,
der mit einem inneren Wärmeübertragungsfluid gefüllt
ist, eine Verdampfereinheit, die auf dem Zirkulationskanal zum Verdampfen
des inneren Wärmeübertragungsfluids hierin unter
Aufnahme äußerer Wärme angeordnet ist,
sowie eine Kondensationseinheit ein, die auf dem Zirkulationskanal
an einem Ort höher als die Verdampfereinheit angeordnet
ist, um den Wärmeaustausch zwischen dem verdampften inneren
Wärmeübertragungsfluid und einem äußeren
Wärmeübertragungsfluid vorzunehmen.
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6 zeigt
ein Beispiel einer Ab(gas)wärme-Rückgewinnungseinrichtung.
Bei der in 6 gezeigten Abgasabwärme-Rückgewinnungseinrichtung
ist eine Verdampfungseinheit J1 und eine Kondensationseinheit J2
als Wärme austauschende Einhei ten benachbart einander in
einer horizontalen Richtung angeordnet. Enden der Wärmerohre
J3 der Verdampfungs- und Kondensationseinheit J1, J2 sind an Sammler
(Verbindungsteile) J5 gekuppelt, so dass die Wärmerohre
J3 der Verdampfungseinheit J1 in Verbindung mit den Wärmerohren
J3 der Kondensationseinheit J2 über die Sammler J5 stehen.
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In
solchen Abgasabwärme-Rückgewinnungvorrichtungen
wird die Temperatur des Motorkühlmittels unmittelbar erhöht,
indem die Wärme des Abgases, insbesondere beim Kaltstart
der Maschine wie im Winter, rückgewonnen wird. Daher werden
Brennstoffwirkungsgrad und Netzbetrieb verbessert. Andererseits
ist es bei einem Motorvolllastbetrieb, beispielsweise im heißen
Sommer, notwendig, die Rückgewinnung der Wärme
des Abgases zu beschränken bzw. zu drosseln, um so eine Überhitzung des
Motors zu vermeiden.
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Es
wurde beispielsweise vorgeschlagen, die Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung
mit einer Ventileinheit, beispielsweise einer Ventileinheit vom Membrantyp,
zu versehen, um die Zirkulation des Betriebsfluids zu stoppen. Die
Ventileinheit vom Membrantyp ist aufgebaut aus einer Membran, die
abhängig vom Druck des Betriebsfluids beweglich ist und einem
Ventilkörper, der durch die Membran betätigt wird.
Die Ventileinheit unterbindet eine übermäßige Rückgewinnung
von Wärme.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehenden Verhältnisse
gemacht, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Abgasabwärme-Rückgewinnungsvorrichtung
zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, eine übermäßige Rückgewinnung
von Wärme bei einer einfachen Konstruktion zu beschränken.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt eine Ab(gas)wärme-Rückgewinnungsvorrichtung
einer Verdampfungseinheit eine Kondensationseinheit und einen verdampfungsseitigen
Verbindungsteil, einen kondensationsseitigen Verbindungsteil und
einen Drosselteil ein. Die Verdampfungseinheit ist in einem Abgaskanal
anzuordnen, durch welchen ein Abgas, das aus einem Motor abgegeben
wird, strömt, um den Wärmeaustausch zwischen dem
Abgas und einem hierin strömenden Betriebsfluid durchzuführen,
wodurch das Betriebsfluid verdampft. Die Kondensationseinheit ist
in einem Kühlmittelkanal anzuordnen, durch welchen ein Motorkühlmit tel
strömt, um den Wärmeaustausch zwischen dem Motorkühlmittel
und dem Betriebsfluid vorzunehmen, welches in der Verdampfungseinheit verdampft
wurde, wodurch das Betriebsfluid kondensiert wird. Der verdampfungsseitige
Verbindungsteil verbindet die Verdampfungseinheit und die Kondensationseinheit,
um verdampftes Betriebsfluid aus der Verdampfungseinheit zur Kondensationseinheit
zu führen. Der kondensationsseitige Verbindungsteil verbindet
die Kondensationseinheit mit der Verdampfungseinheit zum Einführen
kondensierten Betriebsfluids aus der Kondensationseinheit in die
Verdampfungseinheit. Der Drosselteil ist in dem kondensationsseitigen
Verbindungsteil angeordnet.
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Der
Drosselteil ist so konfiguriert, dass er eine übermäßige
Rückgewinnung von Abwärme beschränkt.
Somit wird eine übermäßige Rückgewinnung
von Wärme durch den Drosselteil, der einen einfachen Aufbau
hat, beschränkt.
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Beispielsweise
ist der Drosselteil aus einer festen Drossel und einer Öffnung
aufgebaut. Eine obere Begrenzung der Menge an in der Abgasabwärme-Rückgewinnungsvorrichtung
rückgewonnenen Wärme kann festgelegt werden, indem
ein Öffnungsgrad einer Öffnung des Drosselteils
sowie die Menge an in der Abgasabwärme-Rückgewinnungsvorrichtung
eingeschlossenen Betriebsfluids eingestellt wird.
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Als
ein anderes Beispiel ist der Drosselteil mit einer variablen Drossel
versehen, die in der Lage ist, einen Öffnungsgrad einer Öffnung,
durch welche das Betriebsfluid tritt, entsprechend einer Temperatur des
Betriebsfluids zu verändern bzw. zu variieren.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umschließt eine
Ab(gas)wärme-Rückgewinnungsvorrichtung eine Verdampfungseinheit, eine
Kondensationseinheit, eine verdampfungsseitigen Verbindungsteil
und einen kondensationsseitigen Verbindungsteil ein. Die Verdampfungseinheit
ist im Abgaswärmekanal anzuordnen, durch welchen ein Abgas
strömt, um so den Wärmeaustausch zwischen dem
Abgas und einem hierin strömenden Betriebsfluid durchzuführen,
wodurch das Betriebsfluid verdampft wird. Die Kondensationseinheit
ist in einem Kühlkanal anzuordnen, durch welchen ein Motorkühlmittel
strömt, um den Wärmeaustausch zwischen dem Motorkühlmittel
und dem Betriebsfluid vorzunehmen, das in der Verdampfungseinheit
verdampft wurde, wodurch das Betriebsfluid kondensiert. Der ver dampfungsseitige
Verbindungsteil verbindet die Verdampfungseinheit und die Kondensationseinheit
und definiert einen Kanal zum Einführen des Betriebsfluids
aus der Verdampfungseinheit zur Kondensationseinheit. Der kondensationsseitige
Verbindungsteil verbindet die Kondensationseinheit und die Verdampfungseinheit
und definiert einen Kanal zum Einführen des Betriebsfluids
aus der Kondensationseinheit in die Verdampfungseinheit. Der kondensationsseitige
Verbindungsteil umfasst einen Drosselteil, der über eine
reduzierte Durchlassfläche bzw. einen reduzierten Kanalbereich
verfügt.
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Somit
wird überschüssige Rückgewinnung von
Wärme dadurch beschränkt, indem teilweise der Durchgangsbereich
des kondensationsseitigen Verbindungsteils beschränkt wird.
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Andere
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher
aus der folgenden detaillierten Beschreibung, mit der auf die beiliegenden
Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Teile mit gleichen
Bezugszahlen bezeichnet sind, und in denen:
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1 ein
schematischer Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Rückgewinnung
der Abgaswärme gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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die 2A und 2B sind
konzeptionelle Darstellungen, um den Betrieb einer Vorrichtung zur Rückgewinnung
der Abgaswärme als Vergleichsbeispiel zu zeigen;
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die 2C und 2D sind
konzeptionelle Darstellungen, um den Betrieb der Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung
gemäß der ersten Ausführungsform zu zeigen;
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3A ist
eine vergrößerte schematische Querschnittsdarstellung
eines verdampfungsseitigen Verbindungsteils einer Vorrichtung zur
Rückgewinnung der Abgaswärme, wenn die Temperatur
des Betriebsfluids gering ist, gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3B ist
ein vergrößerter schematischer Schnitt durch den
verdampfungsseitigen Verbindungsteil der Vorrichtung zur Rückgewinnung
der Abgaswärme in einem Zustand, wenn die Temperatur des
Betriebsfluids hoch liegt, gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
ein schematischer Schnitt durch einen kondensationsseitigen Verbindungsteil
einer Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abgaswärme gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
ein vergrößerter Schnitt einer schematischen Schnittdarstellung
eines kondensationsseitigen Verbindungsteils einer Vorrichtung zur
Rückgewinnung der Abgaswärme gemäß einer
anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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6 ist
ein schematischer Schnitt durch eine Vorrichtung zur Rückgewinnung
der Abgaswärme einer anderen Bauart.
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(Erste Ausführungsform)
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, verwendet
in einem Fahrzeug, das durch einen Motor (beispielsweise einer Brennkraftmaschine)
angetrieben wird, um Abwärme aus einem Abgas aus einem
Auspuffsystem einer Brennkraftmaschine rückzugewinnen und
die Wärme zur Erleichterung eines Aufwärmens des
Motors oder dergleichen zu benutzen.
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Die
Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abgaswärme umfasst
allgemein eine Verdampfungseinheit 1 und eine Kondensationseinheit 2.
Die Verdampfungseinheit 1 ist in einem ersten Gehäuse 100 angeordnet,
das in Verbindung mit einem Abgaskanal (nicht dargestellt) steht,
durch welchen das aus dem Motor ausgestoßene Abgas strömt.
In der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise ist
das erste Gehäuse 100 in einem Abgasrohr, durch
welches Abgas strömt, angeordnet. Die Verdampfungseinheit 1 nimmt
den Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und einem hierin
strömenden Betriebsfluid vor, wodurch das Betriebsfluid
verdampft wird.
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Die
Kondensationseinheit 2 ist außerhalb des Abgasrohres
angeordnet. Die Kondensationseinheit 2 ist in einem zweiten
Gehäuse 200 angeordnet, das in Verbindung mit
einem Kühlmittelkanal (nicht dargestellt) der Maschine
steht, durch welchen Kühlmittel strömt. Die Kondensationseinheit 2 nimmt
den Wärmeaustausch zwischen dem Betriebsfluid, das in der
Verdampfungseinheit 1 verdampft wurde, und dem Motorkühlmittel
vor, wodurch das Betriebsfluid kondensiert wird. Das zweite Gehäuse 200 verfügt über
eine Kühlmitteleinlassöffnung 201 und
eine Kühlmittelauslassöffnung 202. Die
Kühlmitteleinlassöffnung 201 ist mit
dem Kühlmittelkanal an einem Ort in Strömungsrichtung
hinter dem Motor gekuppelt, um das Kühlmittel in das zweite Gehäuse 201 zu
leiten. Die Kühlmittelauslassöffnung 202 ist
mit dem Kühlmittelkanal an einem Ort in Strömungsrichtung vor
dem Motor gekuppelt, um das Kühlmittel aus dem zweiten
Gehäuse 200 in den Kühlmittelkanal einzuführen.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise sind das
erste Gehäuse 100 und das zweite Gehäuse 200 benachbart
einander angeordnet. Auch ist ein Spaltraum zwischen dem ersten
Gehäuse 100 und dem zweiten Gehäuse 200 vorgesehen.
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Die
Verdampfungseinheit 1 verfügt über eine Vielzahl
von verdampfungsseitigen Wärmerohren 3a und verdampfungsseitigen
Rippen 4a, die mit den Außenflächen der
Wärmerohre 3a verbunden sind. Bei den Rippen 4a handelt
es sich beispielsweise um gewellte Rippen. Jedes der Wärmerohre 3a verfügt über
eine im Wesentlichen flache röhrenförmige Gestalt.
Das Wärmerohr 3a ist so orientiert, dass seine Längsachse
sich in einer Vertikalrichtung V, beispielsweise einer Aufwärts-/Abwärtsrichtung
in 1 erstreckt. Auch ist das Wärmerohr 3a derart
orientiert, dass eine Hauptachse eines in einer Richtung senkrecht
zur Längsachse des Rohres 3a orientierte Hauptachse
im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung des
Abgases verläuft, beispielsweise in einer Richtung senkrecht
zu der Zeichenebene der 1. Die Wärmerohre 3a sind
parallel zueinander in eine Rohrstapelrichtung H, beispielsweise
in einer horizontalen Richtung, gestapelt.
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Die
Verdampfungseinheit 1 verfügt über verdampfungsseitige
Sammler 5a an beiden Enden der Wärmerohre 3a.
Die Sammler 5a erstrecken sich in der Rohrstapelrichtung
H, um in Verbindung mit sämtlichen Wärmerohren 3a zu
kommen. Einer der Sammler 5a, der in Verbindung mit den
oberen Enden der Wärmerohre 3a steht, wird als
erster verdampfungsseitiger Sammler 51a, und der andere Sammler 5a,
der in Verbindung mit den unteren Enden der Wärmerohre 3a steht,
als zweiter verdampfungsseitiger Sammler 52a bezeichnet.
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Die
Kondensationseinheit 2 umfasst kondensationsseitige Wärmerohre 3b und
kondensationsseitige Rippen 4b, die an die Außenflächen
der Wärmerohre 3b angeschlossen sind. Bei den
Rippen bzw. Flossen 4b handelt es sich beispielsweise um gewellte
Rippen. Die Wärmerohre 3b sind im Wesentlichen
flache Rohre. Jedes der Wärmerohre 3b ist so orientiert,
dass seine Längsachse sich in der vertikalen Rich tung V,
beispielsweise in der Aufwärts-/Abwärtsrichtung
in 1, erstreckt. Auch ist das Wärmerohr 3b derart
orientiert, dass eine Hauptachse eines in einer Richtung senkrecht
zur Längsachse des Rohres 3b definierten Querschnitts
im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Abgases
der Verdampfungseinheit 1 ist, beispielsweise in der Richtung
senkrecht zur Zeichenebene der 1. Die Wärmerohre 3b sind
parallel zueinander in Rohrstapelrichtung H, beispielsweise in der
horizontalen Richtung, gestapelt.
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Die
Kondensationseinheit 2 umfasst kondensationsseitige Sammler 5b an
den beiden Enden der Wärmerohre 3b. Die Sammler 5b erstrecken
sich in Rohrstapelrichtung H, um in Verbindung mit sämtlichen
Wärmerohren 3b zu treten. Einer der Sammler 5b,
der in Verbindung mit den oberen Enden der Wärmerohre 3b steht,
wird als erster kondensationsseitiger Sammler 51b und der
andere Sammler 5b, der in Verbindung mit den unteren Enden
der Wärmerohre 3b steht, wird als zweiter kondensationsseitiger Sammler 52b bezeichnet.
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Die
verdampfungsseitigen Sammler 5a stehen in Verbindung mit
den kondensationsseitigen Sammlern 5b über die
Verbindungsteile 6, die im Wesentlichen röhrenförmige
Gestalt haben. So wird ein geschlossener geschleifter Weg durch
die Wärmerohre 3a, 3b, die Sammler 5a, 5b und
die Verbindungsteile 6 geformt. Der Weg ist mit Betriebsfluid gefüllt,
das verdampfbar und kondensierbar ist, beispielsweise Wasser, Alkohol
oder dergleichen. Das Betriebsfluid zirkuliert durch die Verdampfungseinheit 1 und
die Kondensationseinheit 2.
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Eines
der Verbindungsteile 6, das auf einer oberen Seite angeordnet
ist und den ersten verdampfungsseitigen Sammler 51a und
den ersten kondensationsseitigen Sammler 51b verbindet,
wird als verdampfungsseitiger Verbindungsteil 61 bezeichnet. Das
Betriebsfluid, das in der Verdampfungseinheit 1 verdampft
wurde, wird in die Kondensationseinheit 2 durch den verdampfungsseitigen
Verbindungsteil 61 eingeführt.
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Der
andere Verbindungsteil 6, der sich auf einer unteren Seite
befindet und den zweiten verdampfungsseitigen Sammler 52a und
den zweiten kondensationsseitigen Sammler 52b verbindet,
wird als kondensationsseitiges Verbindungsteil 62 bezeichnet. Das
Betriebsfluid, das in der Kondensationseinheit 2 kondensiert
wurde, wird in die Verdampfungseinheit 1 durch das kondensationsseitige
Verbindungsteil 62 eingeführt.
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Das
kondensationsseitige Verbindungsteil 62 verfügt über
eine feste Drossel 7a als Drosselteil. Bei der vorliegenden
Ausführungsform ist ein Drosselelement 70 im kondensationsseitigen
Verbindungsteil 62 angeordnet, und die feste Drossel 7a ist durch
das Drosselelement 70 gegeben. Das heißt, das
Drosselelement 70 ist derart angeordnet, dass ein Durchgangsbereich
(beispielsweise eine Querschnittsfläche) eines Kanals,
durch welchen kondensiertes Betriebsfluid strömt, teilweise
in dem kondensationsseitigen Verbindungsteil 62 reduziert
wird.
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Das
Drosselelement 70 bildet eine Öffnung mit einem
reduzierten Querschnitt. Beispielsweise ist das Drosselelement 70 von
einer Gestalt, derart, dass eine Querschnittsfläche der Öffnung
allmählich von einem Anströmende zu einem Mittelteil
sich verkleinert und allmählich vom Mittelteil zu einem
Abströmende sich vergrößert, und zwar
bezogen auf die Strömung des kondensierten Betriebsfluids.
Das Drosselelement 70 verfügt über eine
erste sich verjüngende Wandung 701, deren Innendurchmesser sich
von einem Anströmort zu einem Abströmort bezogen
auf die Strömung des Betriebsfluids verkleinert, und eine
zweite sich verjüngende röhrenförmige Wandung 702,
die kontinuierlich von einem Abströmende der ersten verjüngten
röhrenförmigen Wandung 702 abgeht. Ein
Innendurchmesser der zweiten verjüngten röhrenförmigen
Wandung 702 nimmt von einem Anströmort zu einem
Abströmort bezogen auf die Strömung des Betriebsfluids
zu.
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Als
Nächstes soll eine Arbeitsweise der Vorrichtung zur Rückgewinnung
der Abgaswärme beschrieben werden. Die 2A und 2B sind
konzeptionelle Darstellungen, um den Betrieb einer Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung
ohne einen Drosselteil als Vergleichsbeispiel zu zeigen. Die 2C und 2D sind
konzeptionelle Darstellungen, um den Betrieb der Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung deutlich werden zu lassen.
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Die 2A und 2C zeigen
Zustände, in denen die Menge QEIN der
Wärme des in die Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung
eingeführten Abgases gleich einem ersten Wert Q1 ist. Die 2B und 2C zeigen
Zustände, in denen die Menge QEIN der
Wärme des Abgases gleich einem zweiten Wert Q2, der größer
als der erste Wert Q1 ist, ist. In den 2A bis 2D ist
die Vielzahl von verdampferseitigen Wärmerohren 3a einfach
durch ein einzige Wärmerohr 3a der einfachen Erläuterung
wegen dargestellt. In ähnlicher Weise ist die Vielzahl
kondensationsseitiger Wärmerohre 3b einfach durch
ein einziges Wärmerohr 3b versinnbildlicht. Weiterhin
ist die Darstellung der Rippen oder Flossen 4a und 4b und
der ersten und zweien Gehäuse 100, 200 in
den 2A bis 2D fortgelassen
worden.
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Das
in der Verdampfungseinheit 1 verdampfte Betriebsfluid strömt
in die Kondensationseinheit 2 durch den verdampferseitigen
Verbindungsteil 61. In der Kondensationseinheit 2 wird
das Betriebsfluid kondensiert und verflüssigt. Das verflüssigte
Betriebsfluid strömt in die Verdampfungseinheit 1 über den
kondensationsseitigen Verbindungsteil 62.
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Aufgrund
des Ausgleichs der Verdampfung des Betriebsfluids in der Verdampfungseinheit 1 und der
Kondensation des Betriebsfluids in der Kondensationseinheit 2 wird
eine Differenz h im Pegel des Wassers des Betriebsfluids zwischen
der Verdampfungseinheit 1 und der Kondensationseinheit 2 erzeugt.
Das Betriebsfluid wird zur Verdampfungseinheit 1 aus der
Kondensationseinheit 2 aufgrund der Differenz im Wasserniveau
h rückgeführt. Auf diese Weise wird das Betriebsfluid
in der Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abgaswärme
in Zirkulation versetzt.
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In
der Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abgaswärme,
gezeigt in 2A, genügen der Druckverlust ΔP1
einer Rückströmung des Betriebsfluids und die
Differenz im Wasserniveau h der folgenden Beziehung: ΔP1
= ρgh
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In
der obigen Gleichung bezeichnete ρ die Dichte des Betriebsfluids
in einer flüssigen Phase und g bezeichnet die Schwerkraftbeschleunigung. Hier
sind die Dichte ρ des Betriebsfluids und die Schwerkraftbeschleunigung
g konstant. Wenn somit die Menge QEIN der
Wärme des Abgases konstant ist, wird die Differenz h des
Wasserniveaus bestimmt durch den Druckverlust ΔP1. QAUS bezeichnet die Menge an Wärme,
die auf das Kühlmittel in der Kondensationseinheit 2 übertragen
wurde.
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Wie
in 2B gezeigt, nimmt, wenn die Menge QEIN der
Wärme des Abgases zunimmt, die Menge an rückgeführter
Strömung des Betriebsfluids zu. Hierdurch steigt die Strömungsgeschwindigkeit des
Betriebsfluids. Somit nimmt der Druckverlust ΔP1 der Rückströmung
des Betriebsfluids zu, und damit nimmt die Differenz h im Wasserniveau
zu.
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Bei
der vorliegenden in 2C gezeigten Ausführungsform
wird, da der kondensationsseitige Verbindungsteil 62 mit
der festen Drossel 7a versehen ist, der Druckverlust ΔP'
der Rückströmung des Betriebsfluids durch die
Summe des Druckverlustes ΔP1 und des Druckverlustes ΔP2
aufgrund der festen Drossel 7a bestimmt (das heißt, ΔP'
= ΔP1 + ΔP2). In diesem Fall ist die Wasserniveaudifferenz
h2 zwischen der Verdampfungseinheit 1 und der Kondensationseinheit 2 größer
als die Wasserniveaudifferenz h (die Differenz der Wasserpegel)
der in 2A gezeigten Vorrichtung zur
Rückgewinnung der Abgaswärme, und zwar um die
Größe des Druckverlustes ΔP2 der festen
Drossel 7a.
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Wenn
dann die Menge QEIN der Wärme des Abgases
zunimmt, gezeigt in 2D, dann nimmt auch der Druckverlust ΔP'
der Rückströmung des Betriebsfluids zu. Hierdurch
wird die Wasserniveaudifferenz h2, die notwendig ist für
die Rückführung des Betriebsfluids, erhöht.
Wird es schwierig, die Wasserniveaudifferenz h2, die zum Rückführen
des Betriebsfluids notwendig ist, aufrecht zu erhalten, so wird
die Menge an zur Verdampfungseinheit 1 rückgeführtem
Betriebsfluid begrenzt. Damit nimmt die Menge an Wärme
in den Plateaus der Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abgaswärme
zu.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform ist eine feste Drossel 7a in
dem kondensationsseitigen Verbindungsteil 62 vorgesehen.
Die obere Begrenzung der in der Vorrichtung zur Wärmeabgasrückgewinnung
rückgewonnenen Wärme wird bestimmt durch eine
Voreinstellung des Öffnungsgrades der festen Drossel 7a,
beispielsweise des Durchlassbereiches der Öffnung der festen
Drossel 7a sowie der Menge des in die Vorrichtung zur Rückgewinnung
der Abgaswärme gefüllten Betriebsfluids. Damit
wird der Aufbau zur Beschränkung einer übermäßigen
Wärmerückgewinnung vereinfacht, verglichen mit
einer Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abgaswärme
mit einer Einheit vom Membranventiltyp, aufgebaut aus einer Membran,
einem Ventilkörper und dergleichen.
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(Zweite Ausführungsform)
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Eine
zweite Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug
auf die 3A und 3B beschrieben
werden. Komponenten ähnlich denen der ersten Ausführungsform
sind mit den gleichen Bezugzahlen bezeichnet, deren Beschreibung
wird nicht wiederholt.
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Bei
der zweiten Ausführungsform ist der kondensationsseitige
Verbindungsteil 62 mit einer variablen Drossel 7b als
Drosselteil anstelle der festen Drossel 7a der ersten Ausführungsform
vorgesehen. Die variable Drossel 7b ist so konfiguriert,
dass sie den Öffnungsgrad einer hierin definierten Öffnung verändert,
das heißt, die Querschnittsfläche des Durchlasses
für das Betriebsfluid entsprechend der Temperatur des Betriebsfluids.
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3A zeigt
einen Zustand der variablen Drossel 7b, wenn die Temperatur
des Betriebsfluids niedrig liegt, und 3B zeigt
einen Zustand der variablen Drossel 7b, wenn die Temperatur
des Betriebsfluids hoch liegt. Die variable Drossel 7b ist
so konfiguriert, dass der Öffnungsgrad entsprechend einer
Zunahme in der Temperatur des Betriebsfluids reduziert wird.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform wird die variable Drossel 7b aus
einem Material gemacht, das entsprechend der Umgebungstemperatur
verformbar ist. Beispielsweise kann das Material der variablen Drossel 7b ein
Bi-Metall, eine Legierung mit Formerinnerungsvermögen oder
dergleichen sein. Weiterhin ist bei der vorliegenden Ausführungsform die
variable Drossel 7b so konfiguriert, dass der Durchlass
des Betriebsfluids nicht voll geschlossen wird, selbst wenn die
Temperatur des durch den kondensationsseitigen Verbindungsteil 62 fließenden Betriebsfluids
erhöht wird.
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Als
Nächstes soll eine Arbeitsweise der Vorrichtung zur Rückgewinnung
der Abgaswärme der zweiten Ausführungsform beschrieben
werden. Wenn die Menge QEIN der Wärme
des Abgases zunimmt, dann nimmt auch die Menge an in der Vorrichtung
zur Rückgewinnung der Abgaswärme rückgewonnener
Wärme zu. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist die variable Drossel 7b in dem kondensationsseitigen
Verbindungsteil 62 vorgesehen. Wenn die Menge QEIN der Wärme des Abgases zunimmt,
nimmt auch die Temperatur des Betriebsfluids zu. Somit reduziert
sich der Öffnungsgrad der variablen Drossel 7b mit
einer Zunahme der Temperatur des Betriebsfluids und damit nimmt
der Druckverlust ΔP2 zu. Somit ist ein Anstieg in der Menge
an rückgewonnener Wärme in der Vorrichtung zur
Rückgewinnung der Abgaswärme auf einen gewissen
Punkt beschränkt. Wenn die Menge QEIN der
Wärme des Abgases weiter zunimmt, dann reduziert sich der Öffnungsgrad
der variablen Drossel 7b weiter, und damit nimmt der Druckverlust ΔP2
weiter zu. Im Ergebnis wird die Menge an rückströmendem
Betriebsfluid reduziert und damit die Menge der Vorrichtung zur Rückgewinnung
der Abgaswärme.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform ist der kondensationsseitige
Verbindungsteil 62 mit der variablen Drossel 7b versehen,
die den Öffnungsgrad entsprechend der Steigerung in der
Temperatur des Betriebsfluids variiert. Daher wird die Menge an in
der Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abgaswärme
rückgewonnener Wärme entsprechend dem Anstieg
der Temperatur des Betriebsfluids reduziert. Da die Menge an in
der Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abgaswärme
rückgewonnener Wärme begrenzt ist, wenn die Motorlast
groß ist, beispielsweise im Sommer, in dem die Temperatur
des Betriebsfluids hoch liegt, wird es weniger wahrscheinlich, dass
der Motor überhitzt wird.
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(Dritte Ausführungsform)
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Eine
dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll
nun mit Bezug auf 4 beschrieben werden. Die Komponenten ähnlich
denen der ersten Ausführungsform sind mit den gleichen
Bezugszahlen bezeichnet, deren Beschreibung wird daher nicht wiederholt.
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Wie
in 4 gezeigt, hat die Vorrichtung zur Rückgewinnung
der Abgaswärme der vorliegenden Ausführungsform
eine variable Drossel 7c im kondensationsseitigen Verbindungsteil 62 als
Drosselteil. Die variable Drossel 7c umfasst eine Öffnung 71,
einen Ventilkörper 72 zum Öffnen und
Schließen der Öffnung 71 und ein temperaturempfindliches
verformbares Element 73. Ein Ende des verformbaren Elements 73 ist
mit einer Stirnwand des Ventilkörpers 72 auf einer
Seite der Öffnung 71 gegenüber verbunden.
Ein gegenüberliegendes Ende des verformbaren Elements 73 ist
mit einem Trägerelement 74 verbunden, das im kondensationsseitigen
Verbindungsteil 62 angeordnet ist.
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Das
verformbare Element 73 ist abhängig von der Temperatur
verformbar. Beispielsweise ist das verformbare Element 73 so
konfiguriert, dass es sich thermisch ausdehnt, wenn die Temperatur
des durch den kondensationsseitigen Verbindungsteil 62 gehenden
Betriebsfluids eine vorbestimmte Temperatur überschreitet.
Das verformbare Element 73 ist beispielsweise aus Thermowachs,
Thermometall oder dergleichen hergestellt und verfügt über
einen Koeffizienten der Wärmeexpansion, der größer
als der des Metalls des kondensationsseitigen Verbindungsteils 62 ist.
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Wenn
die Temperatur des durch den kondensationsseitigen Verbindungsteils 62 gehenden
Betriebsfluids zunimmt, wird der Ventilkörper 70 in
einer Richtung bewegt, in der sich der Öffnungsgrad der Öffnung 71 reduziert.
Andererseits, wenn die Temperatur des durch den kondensationsseitigen
Verbindungsteil 62 gehenden Betriebsfluids reduziert wird, wird
der Ventilkörper 72 in einer Richtung bewegt,
in der der Öffnungsgrad der Öffnung 71 vergrößert
wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform schließt
der Ventilkörper 72 nicht die Öffnung 71 ganz,
selbst wenn die Temperatur des durch den kondensationsseitigen Verbindungsteil 62 gehenden
Betriebsfluids gesteigert wird.
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Da
der kondensationsseitige Verbindungsteil 62 mit der variablen
Drossel 7c ausgestattet ist, welche den Öffnungsgrad
der Öffnung 71 entsprechend einem Ansteigen in
der Temperatur des Betriebsfluids variiert, wird die Menge an in
der Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abgaswärme
rückgewonnener Wärme entsprechend einem Anstieg
in der Temperatur des Betriebsfluids reduziert. Somit werden Effekte ähnlich
denen der zweiten Ausführungsform erreicht.
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(Andere Ausführungsformen)
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Bei
der ersten Ausführungsform bildet das Drosselelement 70 die Öffnung,
deren Innendurchmesser allmählich sich von der Anströmseite
zum mittleren Ort reduziert und allmählich vom mittleren Ort
zur Abströmseite bezogen auf die Strömung des Betriebsfluids
zunimmt. Jedoch ist die Gestalt der Öffnung des Drosselelements 70 nicht
auf Obiges beschränkt. Beispielsweise kann das Drosselelement 70 eine
zylindrische Gestalt haben und über einen im Wesentlichen
konstanten Durchlassbereich verfügen.
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Bei
der ersten Ausführungsform ist die feste Drossel 7a durch
ein Drosselelement 70 gebildet. Jedoch kann die feste Drossel 7a geformt
werden, indem teilweise der Durchgangsbereich (das heißt,
der Innendurchmesser) des kondensationsseitigen Verbindungsteils 62,
wie in 5 gezeigt, reduziert wird. In diesem Fall wird
die Anzahl der Komponenten reduziert. Weiterhin wird der Druckverlust ΔP2
der festen Drossel 7a bestimmt, indem ein Innendurchmesser
d und eine Länge L der festen Drossel 7a eingestellt
werden.
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Bei
den zweiten und dritten Ausführungsformen sind die variablen
Drosseln 7b, 7c angeordnet, um direkt das Betriebsfluid
zu kontaktieren, und die Öffnungsgrade der variablen Drosseln 7b, 7c werden mechanisch
entsprechend der Temperatur des Betriebsfluids geregelt. Alternativ
kann ein Temperatursensor getrennt Anwendung finden, um die Temperatur
des Betriebsfluids zu erfassen, die durch den kondensationsseitigen
Verbindungsteil 62 geht; und die variable Drossel 7b, 7c kann
so konfiguriert werden, dass deren Öffnungsgrade elektrisch
basierend auf der Temperatur, die der Temperatursensor ermittelt hat,
geregelt werden.
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Bei
den oben genannten Ausführungsformen ist der kondensationsseitige
Verbindungsteil 62 beispielsweise horizontal orientiert.
Die Orientierung des kondensationsseitigen Verbindungsteils 62 ist aber
auf Obiges nicht begrenzt. Der kondensationsseitige Verbindungsteil 62 kann
relativ zur horizontalen Richtung geneigt sein.
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Zusätzliche
Vorteile und Konfigurationen ergeben sich ohne weiteres für
den Fachmann. Die Erfindung ist in ihrer breiteren Gesamtheit daher
nicht auf spezifische Details, dargestellte Vorrichtungen und erläuternde
Beispiele, wie gezeigt und beschrieben, beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 62-268722 [0002]
- - JP 4-45393 [0003]