DE102006016751A1

DE102006016751A1 - Wärmerohr und Abwärmewiedergewinnungssystem damit

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Publication number: DE102006016751A1
Application number: DE102006016751A
Authority: DE
Inventors: Yasutoshi Kariya Yamanaka; Shinichi Kariya Hamada; Seiji Kariya Inoue; Kimio Kariya Kohara
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2006-11-09
Also published as: JP2006317013A; US20060231235A1

Abstract

Ein Wärmerohr, das zwischen einem Betrieb und einer Einstellung eines Wärmetransports schalten kann, wenn es für einen Bodenheiztyp verwendet wird, und ein Herabtropfen des kondensierten Arbeitsmediums zur Verdampfapparatseite verhindern kann, und ein Abwärmewiedergewinnungssystem mit diesem werden vorgesehen. Ein Wärmerohr mit einem Verdampfapparat, der an ein Ende eines rohrförmigen geschlossenen Behälters gesetzt ist und Wärme eines äußeren Hochtemperaturteils verwendet, um das innere Arbeitsmedium verdampfen zu lassen, und einem Kondensator, der an das andere Ende des geschlossenen Behälters gesetzt ist und Wärme zu einem äußeren Niedertemperaturteil abstrahlt, um das verdampfte Arbeitsmedium kondensieren zu lassen, wobei der Verdampfapparat unterhalb des Kondensators angeordnet ist und eine Halteeinrichtung besitzt, die das durch den Kondensator kondensierte verflüssigte Arbeitsmedium zusammen mit einem Anstieg der durch den Verdampfapparat empfangenen Wärmemenge hält, um eine Rückkehr zum Verdampfapparat zu verhindern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmerohr, das zum Wiedergewinnen der Abwärme eines Abgases zum Beispiel eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors geeignet ist, und seine Verwendung zum Heizen von Kühlwasser des Verbrennungsmotors sowie ein Abwärmewiedergewinnungssystem damit.

TECHNISCHER HINTERGRUND

In der Vergangenheit ist als ein Fahrzeugheizsystem mit einem Wärmerohr zum Beispiel das in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung (A) Nr. 59-16211 gezeigte bekannt. Dieses ordnet einen Verdampfapparat des Wärmerohrs (Schleifentyp) in einem Abgaskanal des Motors an, ordnet einen Kondensator des Wärmerohrs an einer Luftauslassseite eines Heizgebrauchs-Heizerkerns an, benutzt das Wärmerohr, um Abwärme direkt zur Heizgebrauchsluft zu transportieren, und versucht dadurch, die Heizleistung in einer kurzen Zeit nach einem Motorstart zu sichern.

In diesem Fahrzeugheizsystem ist das Wärmerohr an seinem Mittelteil mit einer Ventileinrichtung versehen. Wenn die durch den Temperatursensor erhaltene Heizgebrauchslufttemperatur zu einem vorbestimmten Wert wird, wird die Ventileinrichtung geschlossen und der Wärmetransport durch das Wärmerohr gestoppt.

Bei der in der obigen japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung (A) Nr. 59-16211 beschriebenen Technik findet jedoch beim Anordnen des Verdampfapparats des Wärmerohrs an der unteren Seite und des Kondensators an der oberen Seite, d.h. bei einer Verwendung als so genannter „Bodenheiztyp", falls die Tropfen des durch den Kondensator kondensierten Wassers zu dem Zeitpunkt, wenn der Wärmetransportvorgang stoppt, wegen einer Vibration, usw. während des Fahrzeugbetriebs zur Verdampfapparatseite tropfen, eine schnelle Verdampfung statt, sodass der Innendruck des Wärmerohrs schnell steigt und das Wärmerohr leicht bricht oder die wiederholte Druckschwankung leicht das Wärmerohr brechen lässt. Dieses Phänomen ist bei einem Thermosiphon des Bodenheiztyps besonders deutlich.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Unter Berücksichtigung des obigen Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmerohr, das zwischen einem Betrieb und einer Einstellung des Wärmetransports schalten kann, wenn es für einen Bodenheiztyp verwendet wird, und ein Tropfen des kondensierten Arbeitsmediums zur Verdampfapparatsseite verhindern kann, sowie ein Abwärmewiedergewinnungssystem mit diesem vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung löst die obige Aufgabe durch Einsetzen der folgenden technischen Mittel.

In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmerohr vorgesehen, mit einem Verdampfapparat (110A), der an ein Ende eines rohrförmigen geschlossenen Behälters (111) gesetzt ist und Wärme eines äußeren Hochtemperaturteils (11) verwendet, um das innere Arbeitsmedium verdampfen zu lassen, und einem Kondensator (110B), der an das andere Ende des geschlossenen Behälters (111) gesetzt ist und Wärme zu einem äußeren Niedertemperaturteil (30) abstrahlen lässt, um das verdampfte Arbeitsmedium kondensieren zu lassen, wobei der Verdampfapparat (110A) unter dem Kondensator (110B) angeordnet ist und eine Halteeinrichtung (112) besitzt, die das durch den Kondensator (110B) kondensierte, verflüssigte Arbeitsmedium zusammen mit einem Anstieg der durch den Verdampfapparat (110A) empfangenen Wärmemenge hält, um eine Rückkehr zum Verdampfapparat (110A) zu verhindern.

Hierdurch wird es möglich, da eine Rückkehr des verflüssigten Arbeitsmediums zusammen mit einem Anstieg der durch den Verdampfapparat (110A) empfangenen Wärmemenge durch die Halteeinrichtung (112) verhindert wird, zwischen einem Betrieb und einer Einstellung des Wärmetransports durch den einfachen Aufbau der Halteeinrichtung (112) in einem Wärmerohr (110) zu schalten, wenn es als ein Bodenheiztyp verwendet wird.

Hierbei wird das verflüssigte Arbeitsmedium zur Zeit der Einstellung des Wärmetransports durch die Halteeinrichtung (112) gehalten, sodass verhindert werden kann, dass das verflüssigte Arbeitsmedium wegen einer äußeren Vibration in den Verdampfapparat (110A) heruntertropft. Das heißt, da eine schnelle Verdampfung auf der Seite des Verdampfapparats (110A) verhindert werden kann, gibt es nicht länger das Risiko des schnellen Ansteigens des Innendrucks des Wärmerohrs (110) und des Brechens des Wärmerohrs (110) oder des durch eine wiederholte Druckschwankung verursachten Brechens des Wärmerohrs (110).

In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmerohr vorgesehen, bei dem der Verdampfapparat (110A) unter dem Kondensator (110B) angeordnet ist und eine Halteeinrichtung (112) besitzt, die das durch den Kondensator (110B) kondensierte, verflüssigte Arbeitsmedium hält, wenn die Temperatur des äußeren Niedertemperaturteils (30) zu einem vorbestimmten Wert oder mehr wird, um so eine Rückkehr zum Verdampfapparat (110A) zu verhindern, wodurch eine Wirkung ähnlich dem ersten Aspekt erzielt werden kann.

Die Halteeinrichtung (112) kann in einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Ventilelement (112) sein, das zwischen dem Verdampfapparat (110A) und dem Kondensator (110B) vorgesehen ist und einen Rückführkanal (111a) des verflüssigten Arbeitsmediums öffnet und schließt.

In einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung hat das Ventilelement (112) einen Kanal (112b), durch den ein durch den Verdampfapparat (110A) verdampftes Dampfarbeitsmedium zirkuliert, und ein Stauteil (112a), das ein Ausströmen des verflüssigten Arbeitsmediums zur Seite des Kanals (112b) verhindert.

Hierdurch gelangt das Dampfarbeitsmedium, selbst nachdem das Ventilelement (112) geschlossen ist, vom Verdampfapparat (110A) durch den Kanal (112b) und erreicht den Kondensator (110B), wo es kondensiert wird, sodass ein Anstieg des Innendrucks im Verdampfapparat (110A) verhindert werden kann. Ferner kann das Stauteil (112a) des Ventilelements (112) das verflüssigte Arbeitsmedium zuverlässig halten und ein Einströmen vom Kanal (112b) zum Verdampfapparat (110A) verhindern.

In einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Höhe des Stauteils (112a) um ein vorbestimmtes Maß höher als das Niveau des verflüssigten Arbeitsmediums, das am Ausströmen zur Seite des Kanals (112b) gehindert ist, eingestellt.

Aufgrund dessen kann das Ventilelement (112) des vierten Aspekts ein spezieller Aspekt sein, der verhindern kann, dass das verflüssigte Arbeitsmedium aufgrund einer äußeren Vibration, usw. in den Verdampfapparat (110A) heruntertropft.

In einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Ventilelement (112) durch eine Wärmedehnung und Wärmeschrumpfung des am Kondensator (110B) vorgesehenen Thermowachses (113) angetrieben.

Hierdurch kann das Ventilelement (112) entsprechend der Temperatur des Niedertemperaturteils (30) entsprechend dem Kondensator (110B) geöffnet und geschlossen werden. Das heißt, wenn es erwünscht ist, die Temperatur des Niedertemperaturteils (30) auf einer vorbestimmten Temperatur unten zu halten, kann das Ventilelement (112) bei einer vorbestimmten Temperatur geschlossen werden und der Wärmetransport des Wärmerohrs (110) kann gestoppt werden.

Weiter kann in einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Halteeinrichtung ein Flächenvergrößerungsteil sein, das die Fläche der Oberfläche der Innenwand des Kondensators (110B) vergrößert.

Insbesondere verwendet in einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Flächenvergrößerungsteil einen Docht.

Ein neunter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Abwärmewiedergewinnungssystem mit einem Wärmerohr (110) des ersten Aspekts, wobei ein Verdampfapparat (110A) eines Wärmerohrs (110) in einem Abgasrohr (11) zur Zirkulation des Abgases eines Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist, ein Kondensator (110B) in einem Kühlwasserkanal (30) zum Zirkulieren eines Kühlwassers des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist, und das Wärmerohr (110) zum Transportieren von Abwärme des Abgases zum Kühlwasser verwendet wird.

Weiter zeigen die Bezugsziffern in Klammern der obigen Einrichtungen die Entsprechung mit den speziellen Einrichtungen, die später in den Ausführungsbeispielen beschrieben werden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung aus den angehängten Zeichnungen und der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung besser verständlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung des Zustandes des in einem Fahrzeug montierten Abwärmewiedergewinnungssystems.
2 ist eine Seitenansicht eines Abwärmewiedergewinnungssystems in einem ersten Ausführungsbeispiel.
3 ist eine Querschnittsansicht in einem Teil A-A von 2.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Ventilelements in einem Wärmerohr in einem ersten Ausführungsbeispiel (Ventilöffnungszustand).
5 ist eine Querschnittsansicht eines Ventilelements in einem Wärmerohr in einem ersten Ausführungsbeispiel (Ventilschließzustand).
6 ist eine Perspektivansicht eines Ventilelements aus Sicht der B-Richtung in 4.
7 ist ein Diagramm eines Betriebszustandes und eines eingestellten Zustandes einer Wärmetransportfunktion eines Wärmerohrs in Bezug zur Kühlwassertemperatur.
8 ist eine Querschnittsansicht eines Ventilelements in einem Wärmerohr in einem zweiten Ausführungsbeispiel (Ventilöffnungszustand).
9 ist eine Querschnittsansicht eines Ventilelements in einem Wärmerohr in einem zweiten Ausführungsbeispiel (Ventilschließzustand).
10 ist ein Diagramm einer Wärmeleitungsmenge zum Motorkühlwasser gemäß einem Abwärmewiedergewinnungssystem in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
BESTER AUSFÜHRUNGSMODUS DER ERFINDUNG
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Ein Abwärmewiedergewinnungssystem 100 in einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist auf ein Fahrzeug (Kraftfahrzeug) mit einem Motor 10 als eine Antriebsquelle für den Betrieb angewendet. Zuerst wird nun unter Verwendung von 1 bis 6 ein spezieller Aufbau erläutert. Weiter ist 1 eine schematische Darstellung des Zustandes des in einem Fahrzeug montierten Abwärmewiedergewinnungssystems 100, 2 ist eine Seitenansicht eines Abwärmewiedergewinnungssystems 100, 3 ist eine Querschnittsansicht in einem Teil A-A von 2, 4 und 5 sind Querschnittsansichten eines Ventilelements 112 in einem Wärmerohr 110, und 6 ist eine Perspektivansicht eines Ventilelements 112 aus Sicht der B-Richtung in 4.
Wie in 1 dargestellt, ist der Motor 10 ein wassergekühlter Verbrennungsmotor, der ein Abgasrohr (entsprechend dem Hochtemperaturteil in der vorliegenden Erfindung) 11 hat, aus dem Abgas ausgegeben wird, nachdem Brennstoff verbrannt ist. Das Abgasrohr 11 ist mit einem Katalysator 12 zum Reinigen des Abgases versehen.
Weiter besitzt der Motor 10 einen Kühlerkreis 20, in dem ein Motorkühlwasser (nachfolgend Kühlwasser) zirkuliert wird, um den Motor 10 zu kühlen, und einen Heizerkreis 30, der Kühlwasser (warmes Wasser) als Wärmequelle verwendet, um die Klimaluft zu heizen.
Der Kühlerkreis 20 ist mit einem Kühler 21 versehen. Der Kühler 21 kühlt das durch die Wasserpumpe 22 zirkulierte Kühlwasser durch Wärmeaustausch mit der Außenluft. Weiter ist der Kühlerkreis 20 mit einem Bypasskanal (nicht dargestellt) ver sehen, durch den das Kühlwasser an dem Kühler 21 vorbei zirkuliert wird. Ein Thermostat (nicht dargestellt) wird benutzt, um die Menge des durch den Kühler 21 zirkulierenden Kühlwassers und die Menge des durch den Bypasskanal zirkulierenden Kühlwassers einzustellen. Insbesondere wird die Menge des Kühlwassers auf der Seite des Bypasskanals zur Zeit des Motoraufwärmens erhöht und das Motoraufwärmen wird gefördert. Das heißt, ein Unterkühlen des Kühlwassers durch den Kühler 21 wird verhindert.
Der Heizerkreis (entsprechend dem Niedertemperaturteil in der vorliegenden Erfindung und dem Kühlwasserkanal) 30 ist mit einem Heizerkern 31 als ein Heizgebrauchs-Wärmetauscher versehen. Die Wasserpumpe 22 wird zur Zirkulation des Kühlwassers (warmes Wasser) verwendet. Der Heizerkern 31 ist in einem Klimagehäuse einer nicht dargestellten Klimaeinheit angeordnet. Durch ein Gebläse geblasene Klimaluft wird durch Wärmeaustausch mit dem warmen Wasser geheizt.
Das Abwärmewiedergewinnungssystem 100 besteht, wie in 2 und 3 dargestellt, aus mehreren (hier drei) Wärmerohren 110, an deren Außenseiten Rippen 120 vorgesehen sind. Ein Ende jedes Wärmerohrs 110 (Verdampfapparat 110A) ist in einem Abgasrohrteil 130 angeordnet, während das andere Ende (Kondensator 110B) in dem Wasserbehälter 140 angeordnet ist. Die das Abwärmewiedergewinnungssystem 100 bildenden Elemente (nachfolgend erläutert) bestehen aus einem Edelstahlmaterial, das mit einer hohen Korrosionsfestigkeit versehen ist. Die Elemente werden zusammengesetzt, dann miteinander durch ein Lotmaterial verlötet, das an den anstoßenden Teilen und eingreifenden Teilen vorgesehen ist.
Jedes Wärmerohr 110 besitzt einen Behälter 111, ein Ventilelement 112 und ein Thermostat 113. Im Innern des Behälters 111 ist ein Arbeitsmedium eingeschlossen. Der Behälter (entsprechend dem geschlossenen Behälter in der vorliegenden Erfindung) 111 besteht aus einem geraden runden Rohr, das in einer Ausrichtung verwendet wird, bei der seine Längsrichtung in der vertikalen Richtung orientiert ist. Das obere Ende des Behälters 111 ist geöffnet. Diese Öffnung ist durch Befestigen eines Thermostats 113 dort geschlossen. Das Thermostat 113 ist ein Temperaturmessteil, in dem ein Thermowachs eingeschlossen ist, das sich entsprechend der Temperatur ausdehnt und schrumpft. Ferner ist das Ventilelement 112 der kenn zeichnende Teil im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Einzelheiten werden später erläutert.
Weiter ist jedes Wärmerohr 110 mit einem nicht dargestellten Einlass versehen. Das Innere des Wärmerohrs 110 ist von diesem Einlass auf ein Vakuum evakuiert (im Druck reduziert), dann wird ein Arbeitsmedium darin eingeschlossen, dann wird der Einlass geschlossen. Das hier verwendete Arbeitsmedium ist Wasser. Wasser hat einen Siedepunkt üblicherweise 100°C (bei einer Atmosphäre), aber da das Rohr 110 im Druck reduziert ist (zum Beispiel auf 0,04 Atmosphären), wird der Siedepunkt zu 30 bis 40°C. Weiter kann das verwendete Arbeitsmedium neben Wasser auch Alkohol, ein Fluorkohlenstoff, Freon, usw. sein.
Jedes Wärmerohr 110 dieses Aufbaus bildet einen Verdampfapparat 110A an der unteren Seite, einen Kondensator 110B an der oberen Seite und ein Isolierteil 110C zwischen den beiden 110A, 110B und funktioniert als ein Bodenheiztyp.
Mehrere Wärmerohre 110 sind angeordnet. Die Außenwände der Teile der Wärmerohre 110 entsprechend dem Verdampfapparat 110A und dem Kondensator 110B haben plattenartige Rippen 120, die aus einem dünnen Blechmaterial gebildet sind, das mit ihnen verbunden ist. Weiter sind die durch die Wärmerohre 110 gebildeten Verdampfapparate 110A in dem Abgasrohrteil 130 angeordnet, das eine Leitung mit quadratischem Querschnitt bildet, während die Kondensatoren 110B in einem ein kastenförmiges Gefäß bildenden Wasserbehälter 140 angeordnet sind. Ferner besitzt der Wasserbehälter 140 ein Einlassrohr 141 und ein Auslassrohr 142, die mit dem Innern des Wasserbehälters 140 verbunden sind und an ihm an gegenüberliegenden Seiten angeschlossen sind.
Weiter ist der kennzeichnende Teil dieses Ausführungsbeispiels das Vorsehen eines Ventilsitzes 111b innerhalb jedes Wärmerohrs 110 und eines Ventilelements 112, das vom Thermostat 113 angeschlossen ist und auf dem Ventilsitz 111b sitzen kann.
Wie in 4 bis 6 dargestellt, ist der Ventilsitz 111b zwischen dem Verdampfapparat 110A und dem Kondensator 110B des Wärmerohrs 110 (Behälter 111) (Isolierteil 110C) positioniert, steht von der Innenwandfläche 111a des Behälters 111 zur axialen Mitte heraus, und bildet dadurch eine Ringform in der Umfangsrichtung an der Innenwandfläche 111a.
Das Ventilelement 112 (entsprechend dem Halteteil in der vorliegenden Erfindung) basiert auf einem scheibenförmigen Element. Am Außenumfang hat es ein senkrechtes Wandteil (entsprechend dem Stauteil der vorliegenden Erfindung) 112a, das in der Querschnittsform einen Ring bildet, der sich im Umfang in der vertikalen Richtung erstreckt. Weiter sind in der axialen Mitte des vertikalen Wandteils 112a mehrere Lochteile (entsprechend dem Kanal in der vorliegenden Erfindung) 112b ausgebildet, die durch das scheibenförmige Teil dringen und Fächerformen bilden. Weiter ist das scheibenförmige Teil an seiner axialen Mitte integral mit einer Welle 112c versehen, die an der oberen Seite mit einem Thermostat 113 verbunden ist. Die Welle 112c stößt gegen das Thermowachs im Thermostat 113 und ist durch ein nicht dargestelltes Federelement gegen die Thermowachsseite vorgespannt. Deshalb lässt bedingt durch die Temperatur außerhalb des Thermostats 113 (entsprechend der Temperatur des Niedertemperaturteils der vorliegenden Erfindung, insbesondere der Temperatur des durch den Wasserbehälter 140 zirkulierenden Kühlwassers), die nicht die vorbestimmte Temperatur erfüllt (entsprechend dem vorbestimmten Wert in der vorliegenden Erfindung, zum Beispiel 90°C), ein Schrumpfen des Thermowachses die Welle 112c durch das Federelement zur Seite des Thermostats 113 vorspannen und das untere Ende des vertikalen Wandteils 112a des Ventilelements 112 und den Ventilsitz 111b trennen (Ventilöffnungszustand) (4).
Ferner wird die Welle 112c bedingt durch die Temperatur außerhalb des Thermostats 113, welche die vorbestimmte Temperatur oder mehr ist, durch die Ausdehnung des Thermowachses (Expansionskraft des Thermowachses, die die Vorspannkraft des Federelements überwindet) zur Gegenseite des Thermostats gedrückt und das untere Ende des vertikalen Wandteils 112a des Ventilelements 112 sitzt auf dem Ventilsitz 111b (Ventilschließzustand) (5).
Wenn das Ventilelement 112 auf dem Ventilsitz 111b sitzt, bilden die Innenwandfläche 111a, der Ventilsitz 111b und das vertikale Wandteil 112a einen sich nach oben öffnenden Raum M. Dieser Raum M bildet, wie später erläutert, einen Raum, in dem das durch den Kondensator 110B kondensierte Kondenswasser gehalten wird. Das Volumen des Raums M ist auf wenigstens die maximale Menge Kondenswasser eingestellt. Mit anderen Worten ist die obere Endposition des vertikalen Wandteils 112a so eingestellt, dass sie um ein vorbestimmtes Maß höher als das Niveau der maximalen Menge des Kondenswassers wird.
Das Abwärmewiedergewinnungssystem 100 ist in der obigen Weise gebildet. Das Abgasrohrteil 130 ist in das Abgasrohr 11 an dem Teil eingesetzt, der die stromabwärtige Seite des Kondensators 12 bildet. Weiter sind die zwei Rohre 141 und 142 des Wasserbehälters 140 mit dem Heizerkreis 30 verbunden (1).
Als nächstes werden die Funktionsweise basierend auf dem obigen Aufbau und der Wirkungsmodus und die Wirkungen derselben zusätzlich mit 7 erläutert. 7 ist ein Diagramm, das den Betriebszustand und den eingestellten Zustand der Wärmetransportfunktion eines Wärmerohrs 110 in Bezug zur Kühlwassertemperatur zeigt.
Zusammen mit dem Starten des Motors 10 wird die Wasserpumpe 22 aktiviert. Das Kühlwasser zirkuliert durch den Kühlerkreis 20 und den Heizerkreis 30. Das Abgas des durch den Motor 10 verbrannten Kraftstoffs gelangt durch den Katalysator 12, strömt durch das Abgasrohr und das Abgasrohrteil 130, gelangt zur Außenseite des Verdampfapparats 110A jedes Wärmerohrs 110 in dem Abwärmewiedergewinnungssystem 100 und wird zur Atmosphäre ausgegeben. Weiter zirkuliert das durch den Heizerkreis 30 zirkulierende Kühlwasser durch das Innere des Wasserbehälters 140 und gelangt aus dem Kondensator 110B jedes Wärmerohrs 110.
In dem Abwärmewiedergewinnungssystem 100 empfängt das Wasser (Arbeitsmedium) in jedem Wärmerohr 110, nachdem der Motor 10 gestartet ist und bis die Kühlwassertemperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wie in 4 dargestellt, Wärme von dem durch das Abgasrohrteil 130 strömenden Abgas und siedet und verdampft am Verdampfapparat 110A, um zu Dampf zu werden. Dieser steigt durch das Innere des Wärmerohrs 110, gelangt durch die Lochteile 112b des Ventilelements 112 und zwischen das senkrechte Wandteil 112a und die Innenwandfläche 111a, um in den Kondensator 110B zu strömen. Der in den Kondensator 110B strömende Dampf wird durch das durch das Innere des Wasserbehälters 140 strömende Kühlwasser gekühlt, wird an der Innenwandfläche 111a zu Kondenswasser, sinkt aufgrund der Schwerkraft und kehrt entlang der Innenwandfläche 111a zum Verdampfapparat 110A zurück. Die Innenwandfläche 111a bildet einen Rückführkanal, durch den das Kondenswasser herabströmt und zurückgeführt wird.
Auf diese Weise wird die Wärme des Abgases auf das Wasser übertragen und vom Verdampfapparat 110A zum Kondensator 110B transportiert. Wenn der Dampf durch den Kondensator 110B kondensiert wird, wird er als Kondensationswärme ausgegeben, wodurch das durch den Heizerkreis 30 strömende Kühlwasser geheizt wird (Abwärmewiedergewinnungsvorgang). Weiter wird ein Teil der Wärme des Abgases aufgrund der Wärmeleitung durch die Außenwand des Wärmerohrs 110 vom Verdampfapparat 110A zum Kondensator 110B übertragen.
Deshalb wird, wenn die Außenlufttemperatur relativ niedrig ist oder die Kühlwassertemperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht, nachdem der Motor 10 gestartet ist, usw., eine Abwärmewiedergewinnung durch das Wärmerohr 110 ausgeführt (linke Seite der Zeitachse in 7), das Kühlwasser wird positiv geheizt und ein Aufwärmen des Motors 10 wird gefördert, sodass der Reibungsverlust des Motors 10 reduziert wird, der Kraftstoffanstieg zum Verbessern des Niedertemperaturstartvermögens unterdrückt wird, usw. und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessert wird. Weiter wird die Heizleistung des Heizerkerns 31 mit dem Kühlwasser als Heizquelle verbessert.
Wenn dagegen der Wärmetransport des Wärmerohrs 110 (oder Betriebsbedingungen des Motors 10, usw.) darin resultiert, dass die Kühlwassertemperatur eine vorbestimmte Temperatur oder mehr erreicht, wie in 5 dargestellt, bewirkt das Thermostat 113, dass die Welle 112c zur Gegenseite des Thermostats gedrückt wird (weißer Pfeil in 5) und das senkrechte Wandteil 112a des Ventilelements 112 auf dem Ventilsitz 111b sitzt. Wenn dies der Fall ist, wird das am Kondensator 110B kondensierte Kondenswasser an dem den Außenumfang des Ventilelements 112 bildenden Raum M gehalten und eine Rückkehr des Kondenswassers zum Verdampfapparat 110A wird behindert. Danach gelangt der Dampf, wenn die Verdampfung am Verdampfapparat 110A fortschreitet, durch die Lochteile 112b des Ventilelements 112 und strömt in den Kondensator 110B und wird dann am Kondensator 110B kondensiert. Weiter verdampft das Wasser im Verdampfapparat 110A vollständig, wenn die Verdampfung am Verdampfapparat 110A fortschreitet, und wird zu Dampf, woraufhin der Wärmetransport gestoppt wird. Das heißt, die Abwärmewiedergewinnung wird eingestellt (rechte Seite der Zeitachse in 7), und das Heizen des Kühlwassers wird eingestellt (eingestellte Abwärmewiedergewinnung).
Falls die Abwärmewiedergewinnung mit Verstreichen der Zeit nach dem Starten des Motors 10 und während des Ansteigens der Kühlwassertemperatur fortgesetzt wird, steigt deshalb die Kühlwassertemperatur übermäßig, das Wärmestrahlvermögen des Kühlers 20 wird überschritten und es resultiert ein Überhitzen. Durch Wechseln zum Einstellen der Abwärmewiedergewinnung wird dieser Missstand verhindert.
Hierbei wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Versehen jedes Wärmerohrs 110 mit einem durch das Thermostat 113 geschlossenen und einen Raum M am Außenumfang des Ventilelements 112 zur Zeit des Ventilschließens bildenden Ventilelement 112 das Kondenswasser vom Kondensator 110B gehalten und eine Rückkehr zum Verdampfapparat 110A wird gesperrt. Auf diese Weise kann in jedem Wärmerohr 110, das als ein Bodenheiztyp verwendet wird, ein Betrieb und eine Einstellung des Wärmetransports durch diesen einfachen Aufbau geschaltet werden.
Weiter wird das Kondenswasser zur Zeit der Einstellung des Wärmetransports durch das Ventilelement 112 im Raum M gehalten, aber da die Position des oberen Endes des vertikalen Wandteils 112a ausreichend höher als das Niveau des gehaltenen Kondenswassers (um eine vorbestimmte Menge höher) eingestellt ist, ist es möglich, ein Herabtropfen des Kondenswassers aufgrund Vibrationen, usw. des Fahrzeugs zum Verdampfapparat 110A zu verhindern. Das heißt, eine schnelle Verdampfung auf der Seite des Verdampfapparats 110A kann verhindert werden, sodass nicht länger ein Risiko besteht, dass der Innendruck des Wärmerohrs 110 schnell steigt und das Wärmerohr 110 bricht oder wiederholte Druckschwankungen das Wärmerohr 110 brechen lassen.
Ferner gelangt, da das Ventilelement 112 mit Lochteilen 112b versehen ist, selbst nachdem das Ventilelement 112 geschlossen ist, Dampf vom Verdampfapparat 110A durch die Lochteile 112b, erreicht den Kondensator 110B und wird kondensiert, sodass ein Anstieg des Innendrucks des Verdampfapparats 110A verhindert werden kann.
Weiter kann, da das Ventilelement 112 durch das Thermostat 113 geöffnet und geschlossen wird, ein Wärmetransport des Wärmerohrs 110 basierend auf der Kühlwassertemperatur eingestellt werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 8 bis 10 dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel besteht aus dem im Aufbau des Ventilelements 112A vereinfachten ersten Ausführungsbeispiel. Das heißt, in dem in Patentdokument 1 im Abschnitt über den technischen Hintergrund beschriebenen Stand der Technik wird ein Temperatursensor oder eine Ventileinrichtung zum Betreiben und Einstellen eines Wärmetransports durch das Wärmerohr verwendet. Ferner wird in der Praxis auch eine Steuereinrichtung zum Öffnen und Schließen der Ventileinrichtung entsprechend der Temperatur vom Temperatursensor notwendig, und deshalb werden die Kosten höher. Dies löst das Problem und verhindert ein Herabtropfen von Kondenswasser zur Zeit der Einstellung des Wärmetransports.
Der Behälter 111A des Wärmerohrs 110 ist ein auch von der oberen Endseite geschlossenes eingeschlossenes Gefäß. Das Thermostat 113 ist weggelassen. Weiter besteht das Ventilelement 112A aus einem scheibenförmigen Teil, das mit einem vertikalen Wandteil 112a und Lochteilen 112b ausgebildet ist. Die Welle 112c ist weggelassen. Das heißt, das Ventilelement 112A ist in einem freien Zustand über dem Ventilsitz 111b ohne Stütze von anderen Elementen angeordnet.
Ferner wird die Menge des im Wärmerohr 110 eingeschlossenen Wassers im Voraus auf eine vollständig im Verdampfapparat 110A verdampfende Menge, wenn die Abgastemperatur (Abwärmemenge), die entsprechend der Last des Motors 10 steigt, eine vorbestimmte Abgastemperatur übersteigt, eingestellt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel steigt, nachdem der Motor 10 gestartet ist, wenn die Abgastemperatur zusammen mit der Wärmelast zu einer vorbestimmten Abgastemperatur oder weniger wird, der am Verdampfapparat 110A verdampfte Dampf, gelangt durch die Lochteile 112b des Ventilelements 112A und erreicht den Kondensator 110B. Hierbei wird das Ventilelement 112A wegen des Aufwärtsstroms des Dampfes (Dampfströmungsrate) weiter als der Ventilsitz 111b nach oben gehoben (Ventilöffnungszustand von 8).
Der in den Kondensator 110B strömende Dampf wird durch das durch das Innere des Wasserbehälters 140 strömende Kühlwasser gekühlt, wird an der Innenwandfläche 111a zu Kondenswasser, sinkt wegen der Schwerkraft und wird entlang der Innenwandfläche 111a zum Verdampfapparat 110A zurückgeleitet. Deshalb wird wegen der Wärmetransportfunktion des Wärmerohrs 110 das Kühlwasser positiv geheizt (linke Seite der Abszisse in 10, Abwärmewiedergewinnungsvorgang).
Wenn dagegen die Abgastemperatur zusammen mit der Motorlast eine vorbestimmte Abgastemperatur übersteigt (zusammen mit einem Anstieg der durch den Verdampfapparat 110A empfangenen Wärmemenge), verdampft das Wasser des Verdampfapparats 110A vollständig und es gibt nicht länger einen Aufwärtsstrom des Dampfes, sodass das Ventilelement 112A auf dem Ventilsitz 111b sitzt (Ventilschließzustand von 8). Deshalb wird das am Kondensator 110B kondensierte Kondenswasser wie im ersten Ausführungsbeispiel in dem Raum am Außenumfang des Ventilelement 112A gehalten, die Rückkehr des Kondenswassers zum Verdampfapparat 110A wird gesperrt und der Wärmetransport wird gestoppt (rechte Seite der Abszisse in 10, eingestellte Abwärmewiedergewinnung).
Danach wird, wenn der Betrieb des Motors 10 gestoppt wird, das Abgas nicht länger zum Verdampfapparat 110A geleitet, sodass die Temperatur des Verdampfapparats 110A schnell fällt. Da das Kühlwasser eine große Wärmekapazität besitzt, hält es weiter die hohe Temperatur (etwa 80°C) für eine Weile, diese Kühlwasserseite (Kondensator 110B) wird zum Verdampfapparat des Wärmerohrs 110, die Abgasseite (Verdampfapparat 110A) wird zum Kondensator, und der ursprüngliche Vorgang wird umgekehrt. Weiter verdampft allmählich das im Raum M gehaltene Kondenswasser, gelangt durch die Lochteile 112b des Ventilelements 112A und kondensiert an der Abgasseite (Verdampfapparat 110A), wodurch das Wärmerohr 110 zum Ausgangszustand zurückkehrt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gibt es, selbst wenn die Kühlwassertemperatur nicht ausreichend steigt, wenn der Motor 10 einmal in einen Hochlastbetrieb kommt und die Abgastemperatur höher als eine vorbestimmte Abgastemperatur wird, das Problem, dass das Ventilelement 112A schließlich auf dem Ventilsitz 111b sitzt und eine Rückkehr zum Ausgangszustand schwierig wird, bis der Motor 10 wieder einmal ausgeschaltet wird, aber im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel gibt es den Vorteil, viel billiger zu sein.
Ferner ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel das vertikale Wandteil 112a am Außenumfang des Ventilelements 112A vorgesehen, aber selbst wenn es um die Lochteile 112b vorgesehen ist, kann die Wasserhaltefunktion ähnlich gesichert werden.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
Im zweiten Ausführungsbeispiel wurde das Ventilelement 112A als die Halteeinrichtung des Kondenswassers verwendet, aber stattdessen ist es auch möglich, ein den Bereich der Innenwandfläche des Kondensators 110B vergrößerndes Flächenvergrößerungsteil zu verwenden. Insbesondere kann das Flächenvergrößerungsteil ein Docht sein, der aus Metallmaschen, Metallfilz, Schaummetall, Sintermetall und dergleichen besteht. Eine Wirkung ähnlich dem zweiten Ausführungsbeispiel kann erzielt werden.
Ferner war das Wärmerohr 110 (Behälter 111) als ein rundes Rohr geformt, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt und es kann auch ein mit Winkeln versehenes Rohr, ein flaches Rohr, ein Mehrlochrohr und dergleichen sein.
Weiter wurde die Erläuterung eines Hochtemperaturteils bestehend aus dem Abgasrohr 11, eines Niedertemperaturteils bestehend aus dem Heizerkreis 30 und des Transports der Wärme des Abgases zum Kühlwasser gegeben, aber es ist auch möglich, die Abwärme des Wärmeerzeugungsgeräts zum Heizen einer vorbestimmten Stelle zu verwenden.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung basierend auf speziellen Ausführungsbeispielen im Detail erläutert wurde, aber ein Fachmann kann verschiedene Änderungen, Modifikationen, usw. vornehmen, ohne die Ansprüche und das Konzept der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Wärmerohr, mit einem Verdampfapparat, der an einem Ende eines rohrförmigen geschlossenen Behälters vorgesehen ist und Wärme eines äußeren Hochtemperaturteils benutzt, um das innere Arbeitsmedium verdampfen zu lassen, und einem Kondensator, der an der anderen Endseite des geschlossenen Behälters vorgesehen ist und Wärme zu einem äußeren Niedertemperaturteil abstrahlt, um das verdampfte Arbeitsmedium kondensieren zu lassen, wobei der Verdampfapparat unterhalb des Kondensators angeordnet ist und eine Halteeinrichtung besitzt, die das durch den Kondensator kondensierte verflüssigte Arbeitsmedium während eines Anstiegs der durch den Verdampfapparat empfangenen Wärmemenge hält, um eine Rückkehr zum Verdampfapparat zu verhindern.
Wärmerohr, mit einem Verdampfapparat, der an einem Ende eines rohrförmigen geschlossenen Behälters vorgesehen ist und Wärme eines äußeren Hochtemperaturteils benutzt, um das innere Arbeitsmedium verdampfen zu lassen, und einem Kondensator, der an der anderen Endseite des geschlossenen Behälters vorgesehen ist und Wärme an ein äußeres Niedertemperaturteil abstrahlt, um das verdampfte Arbeitsmedium kondensieren zu lassen, wobei der Verdampfapparat unterhalb des Kondensators angeordnet ist und eine Halteeinrichtung besitzt, die das durch den Kondensator kondensierte verflüssigte Arbeitsmedium hält, wenn eine Temperatur des Niedertemperaturteils zu einem vorbestimmten Wert oder mehr wird, um eine Rückkehr zum Verdampfapparat zu verhindern.
Wärmerohr nach Anspruch 1, bei welchem die Halteeinrichtung ein Ventilelement ist, das zwischen dem Verdampfapparat und dem Kondensator vor gesehen ist und einen Rückführkanal des verflüssigten Arbeitsmediums öffnet und schließt.
Wärmerohr nach Anspruch 3, bei welchem das Ventilelement aufweist: einen Kanal, durch den ein durch den Verdampfapparat verdampftes Dampfarbeitsmedium zirkuliert, und ein Stauteil, das ein Ausströmen des verflüssigten Arbeitsmediums zur Kanalseite verhindert.
Wärmerohr nach Anspruch 4, bei welchem eine Höhe des Stauteils um ein vorbestimmtes Maß höher als das Niveau des verflüssigten Arbeitsmediums, das an einem Ausströmen zur Kanalseite gehindert ist, eingestellt ist.
Wärmerohr nach Anspruch 3, bei welchem das Ventilelement durch eine Wärmedehnung und eine Wärmeschrumpfung eines am Kondensator vorgesehenen Thermowachses angetrieben wird.
Wärmerohr nach Anspruch 1, bei welchem die Halteeinrichtung ein den Bereich der Oberfläche der Innenwand des Kondensators vergrößerndes Flächenvergrößerungsteil ist.
Wärmerohr nach Anspruch 7, bei welchem das Flächenvergrößerungsteil ein Docht ist.
Abwärmewiedergewinnungssystem mit einem Wärmerohr, bei welchem ein Verdampfapparat eines Wärmerohrs nach Anspruch 1 in einem Abgasrohr zur Zirkulation eines Abgases eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, ein Kondensator in einem Kühlwasserkanal zum Zirkulieren von Kühlwasser des Verbrennungsmotors angeordnet ist, und das Wärmerohr zum Transportieren von Abwärme des Abgases zum Kühlwasser verwendet wird.