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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung, welche
Abgaswärme von Abgas aus einem Verbrennungsmotor wiedergewinnt,
um so die Abgaswärme zum Heizen von Kühlmittel
des Motors zu verwenden. Die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung
ist beispielsweise geeignet zur Verwendung in einem Fahrzeug, welches
einen Verbrennungsmotor enthält.
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Ein
herkömmlicher Wärmetauscher ist bekannt, welcher
beispielsweise in
JP-A-4-45393 offenbart
ist. Das heißt, der Wärmetauscher wendet eine Schleifen-Wärmeleitung
an, welche ein Strömungsraten-Einstellventil enthält,
welches in einem Punkt eines mittleren Weges einer Kondensationsführung von
einem Kondensor zu einem Verdampfer angeordnet ist, und dazu ausgelegt
ist, die Strömungsrate des darin strömenden Wärmeübertragungsfluids
einzustellen.
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Eine
Abzweig-Durchführung ist dahingehend vorgesehen, abzuzweigen
und mit einem Punkt auf mittleren Weg einer Verdampfungs-Durchführung zwischen
dem Verdampfer und dem Kondensor verbunden zu sein. Die Abzweig-Durchführung
ist mit einem Antriebsabschnitt versehen, welcher dazu ausgelegt
ist, durch einen Dampfdruck eines vorbestimmten Werts oder mehr
betrieben zu werden, welcher aus der Verdampfungs-Durchführung
empfangen wird. Das Strömungsraten-Einstellventil weist
ein Not-Schließventil auf einer Kondensationsseite zum Schließen
der Kondensations-Durchführung in Zusammenarbeit mit dem
Betrieb des Antriebsabschnitts auf.
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Somit
wird der Öffnungsgrad des Strömungsraten-Einstellventils
in Übereinstimmung mit einer Temperatur von Fluid gesteuert,
auf welches in dem Kondensor Wärme übertragen
wird, so dass eine Menge von Wärme, welche auf das Fluid übertragen
wird, eingestellt wird, während der Druck in einer Wärmepumpe
unterhalb eines eingestellten Werts gehalten wird.
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Wenn
das Strömungsraten-Einstellventil infolge irgendeines abnormalen
Zustands konstant offen bleibt, wird an dem Verdampfer das übermäßige Verdampfen
fortgesetzt. Wenn ein Dampfdruck einen vorbestimmten Wert überschreitet,
wird der Antriebsabschnitt zum Betrieb des Not-Schließventils
in Zusammenarbeit mit dem Antriebsabschnitt angetrieben, wodurch
die Kondensations-Durchführung geschlossen wird. Somit
wird die Strömung des Wärmeübertragungsfluids
zwangsweise gestoppt, wodurch ein anormales Ansteigen des Dampfdrucks
bis oberhalb des vorbestimmten Werts vermieden wird, und auch der
Ausfall oder dergleichen der Wärmeleitung vermieden wird.
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Obwohl
der Wärmeleitungs-Wärmetauscher das Ansteigen
des Dampfdrucks infolge übermäßigen Verdampfens
an dem Verdampfer durch Verwendung des Not-Schließventils
vermeidet, kann der Wärmetauscher nicht ein übermäßiges
Ansteigen der Temperatur des Wärme übertragenden
Fluids an dem Kondensor vermeiden.
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Wenn
zum Beispiel die Zufuhr von Wärme aus einer Wärmequelle
zu dem Verdampfer abrupt gestoppt wird und gleichzeitig das Strömen
des Wärme übertragenden Fluids an dem Kondensor
gestoppt wird, kann das Wärme übertragende Fluid eine übermäßig
ansteigende Temperatur aufweisen, ohne das Not-Schließventil
zu schließen, während die Verdampfungswirkung
infolge der verbleibenden Wärme aus der Wärmequelle
fortgesetzt wird.
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Die
Erfindung wurde mit Blick auf die vorstehenden Probleme gemacht,
und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung
bereitzustellen, welche ein übermäßiges
Ansteigen der Temperatur eines Wärme übertragenden
Fluids auf eine Kondensorseite vermeiden kann, während
ein übermäßiges Ansteigen des Innendrucks
vermieden wird.
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Gemäß einem
Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung:
einen Verdampfer zum Verdampfen von darin eingeschlossenem Arbeitsfluid
durch Abgaswärme aus einem Verbrennungsmotor; einen Kondensor
zum Kühlen des an dem Verdampfer verdampften Arbeitsmediums
durch Kühlmittel des Verbrennungsmotors; einen Kommunikationsabschnitt zum
kommunizierenden Verbinden des Verdampfers mit dem Kondensor in
einer Ringform; ein Innendruck-Betriebsventil, das dazu ausgelegt
ist, geschlossen zu werden, wenn ein Druck des Arbeitsmediums gleich
oder größer einem vorbestimmten Druck ist; und
ein Temperatur-Betriebsventil, das dazu ausgelegt ist, geschlossen
zu werden, wenn eine Temperatur des Kühlmittels gleich
oder größer einer vorbestimmten Temperatur ist.
Ferner sind das Innendruck-Betriebsventil und das Temperatur-Betriebsventil
zwischen einer stromabwärtigen Seite des Kondensors und
einer stromaufwärtigen Seite des Verdampfers in dem Kommunikationsabschnitt angeordnet.
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Somit
kann der Kommunikationsabschnitt auf der Grundlage von zwei unabhängigen
Zuständen geschlossen werden, welche den Druck des Arbeitsmediums
und die Temperatur des Kühlmittels einschließen,
um so die Verdampfungswirkung an dem Verdampfer zu stoppen. Zum
Beispiel kann das Verdampfen fortgesetzt werden, während
das Innendruck-Betriebsventil nicht geschlossen ist, ohne den Druck
des Arbeitsmediums an dem Verdampfer stark zu erhöhen,
was zu einem übermäßigen Ansteigen der
Temperatur des Kühlmittels an dem Kondensor führt.
Selbst in diesem Fall kann das Schließen des Temperatur-Betriebsventils
den Kommunikationsabschnitt schließen, um die Verdampfungswirkung
des Verdampfers zu stoppen, wodurch das übermäßige Ansteigen
der Temperatur des Kühlmittels vermieden wird.
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Zum
Beispiel wird in einem Fall, in welchem die vorbestimmte Temperatur
höher als die von Kühlmittel ist, welche erhalten
wird, wenn der vorbestimmte Druck erreicht ist, ein zulässiger
Maximalwert als die vorbestimmte Temperatur ausgewählt. Somit
kann die Abgaswärme wiedergewonnen werden, ohne unnötigerweise
das Temperatur-Betriebsventil zu schließen, während
das übermäßige Ansteigen der Temperatur
des Kühlmittels vermieden wird.
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Das
Drucksteuerventil kann zum Beispiel vom Membran-Typ zum Antrieb
eines Ventilkörpers durch eine Membran sein. In diesem
Fall ist die Membran dazu geeignet, gemäß dem
Druck des Arbeitsmediums versetzt zu werden.
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Ferner
kann das Temperatur-Betriebsventil vom Thermowachs-Typ zum Antrieb
eines Ventilkörpers durch einen Thermowachsabschnitt sein.
In diesem Fall ist der Thermowachsabschnitt durch Einschließen
von Wachs darin ausgebildet, welches gemäß der
Temperatur des Kühlmittels expandiert und zusammengezogen
wird.
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Alternativ
kann das Temperatur-Betriebsventil auf einer stromabwärtigen
Seite des Innendruck-Betriebsventils angeordnet sein.
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Somit
ist in einem Fall, in welchem der Tank zum Sammeln einer Mehrzahl
von Rohren, welche als ein Arbeitsmedium-Strömungspfad
dienen, in dem Kondensor vorgesehen ist, das Innendruck-Betriebsventil
in dem Tank angeordnet. Ferner kann das Temperatur-Betriebsventil
in dem Kommunikationsabschnitt zwischen dem Kondensor und dem Verdampfer
auf der stromabwärtigen Seite des Tanks angeordnet sein,
so dass die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung einfach
ausgebildet sein kann.
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Zusätzliche
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
einfacher ersichtlich, wenn diese zusammen mit den begleitenden
Zeichnungen betrachtet werden, wobei:
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1 ein
schematisches Diagramm ist, welches einen montierten Zustand einer
Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung auf einem Fahrzeug
zeigt; und
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2 eine
Querschnittsansicht ist, welche die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung
gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 auf
ein Fahrzeug (Automobil) angewandt, welches einen Motor 10 als
eine Antriebsquelle zum Fahren verwendet. Die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 ist
in einer Abgasleitung 11 und einem Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 des Motors 10 angeordnet.
Nun wird der spezifische Aufbau dieser Elemente unter Verwendung
der 1 und 2 beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist der Motor 10 ein wassergekühlter
Verbrennungsmotor und enthält die Abgasleitung 11,
um Abgas zu ermöglichen, aus diesem abgegeben zu werden,
nachdem Brennstoff verbrannt wurde. Die Abgasleitung 11 ist
mit einem Katalysator 12 zum Reinigen des Abgases versehen. Der
Motor 10 enthält einen Radiatorkreis 20,
um Motorkühlwasser zum Kühlen des Motors 10 (nachfolgend
als Kühlmittel bezeichnet) zu ermöglichen, dort hindurch
zu zirkulieren. Der Motor 10 enthält auch den
Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30, welcher als
ein Strömungspfad dient, der von dem Radiator kreis 20 zum
Ermöglichen eines Zirkulierens des Kühlmittels
dort hindurch unterschiedlich ist, und einen Heizkreis 40 zum
Ermöglichen eines Zirkulierens des Kühlwassers
(Warmwassers), welches als eine Heizquelle zum Heizen von klimatisierter
Luft dient, dort hindurch.
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Ein
Radiator 21 ist in dem Radiatorkreis 20 vorgesehen
und ist geeignet, das durch eine Wasserpumpe 22 zirkulierende
Kühlmittel durch Wärmetausch mit Außenluft
zu kühlen. Ein Bypass-Strömungspfad 23 zum
Umgehen des Radiators 21 im Bypass, um dem Kühlmittel
zu ermöglichen, dort hindurch zu treten, ist in dem Radiatorkreis 20 vorgesehen.
Ein Thermostat 24 stellt eine durch den Radiator 21 strömende
Kühlmittelmenge und eine durch den Bypass-Strömungspfad 23 strömende
Kühlmittelmenge ein. Insbesondere wird beim Aufwärmen
des Motors die in den Bypass-Strömungspfad 23 strömende
Kühlmittelmenge erhöht, um das Aufwärmen zu
unterstützen. Das heißt, dies kann Unterkühlen des
Kühlmittels durch den Radiator 21 verhindern.
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Der
Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 ist ein Strömungspfad,
welcher von einem Motorauslass des Radiatorkreises 20 abzweigt
und an die Wasserpumpe 22 angeschlossen ist. Der Kreis 30 ist
geeignet, dem Kühlmittel Zirkulation dort hindurch durch
die Wasserpumpe 22 zu ermöglichen. Ein Wassertank 140 (Kondensor 130)
der Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100,
welche später zu beschreiben ist, ist an den Punkt des
mittleren Weges des Abgaswärme-Wiedergewinnungskreises 30 angeschlossen.
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Der
Heizkreis 40 ist ein Kreis, um zu ermöglichen,
dass das Kühlmittel (Warmwasser) von einem von dem Motorauslass
des Radiatorkreises 20 unterschiedlichen Teil strömt
und ist mit der stromabwärtigen Seite des Abgaswärme-Wiedergewinnungskreises 30 zu
verbinden. Der Heizkreis 40 ist mit einem Heizkern 41 versehen,
welcher als ein Wärmetauscher zum Aufwärmen dient,
und ermöglicht dem Kühlmittel (Warmwasser), dort
hindurch durch die vorstehend genannte Wasserpumpe 22 zu
zirkulieren. Der Heizkern 41 ist in einem Klimatisierungsgehäuse
einer nicht gezeigten Klimatisierungseinheit angeordnet und heizt
die klimatisierte Luft, welche durch ein Gebläse geblasen
wird, durch Wärmetausch mit dem Warmwasser.
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Wie
in 1 und 2 gezeigt ist, enthält die
Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 einen
Verdampfer 110, eine Durchführung 120,
den Kondensor 130, den Wassertank 140, ein Innendruck-Betriebsventil 150,
ein Temperatur-Betriebsventil 160 und derglei chen. In der
Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 ist
der Verdampfer 110 in der Durchführung 120 untergebracht,
und der Verdampfer 110 und der Kondensor 130 sind
miteinander durch einen Verbindungsströmungspfad 115 und
einen Rückflusspfad 135, welcher als ein Verbindungsabschnitt
dient, verbunden, um so eine schleifenartige Wärmeleitung 101 auszubilden.
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Die
Wärmeleitung 101 ist mit einem nicht gezeigten
Versiegelungsabschnitt versehen, von welchem das Innere der Wärmeleitung 101 auf
Vakuum evakuiert (dekomprimiert) wird. Der Versiegelungsabschnitt
wird versiegelt, nachdem das Arbeitsmedium in diesen eingefüllt
wurde. Zur Zeit ist das verwendete Arbeitsmedium Wasser. Der Siedepunkt von
Wasser ist 100°C bei 1 Atmosphärendruck. Da das
Innere der Wärmeleitung 101 dekomprimiert wird (auf
beispielsweise 0,01 Atmosphärendruck) wird der Siedepunkt
von Wasser 5 bis 10°C. Das Arbeitsmedium zur Verwendung
kann Alkohol, Fluorkohlenwasserstoff, Flon und dergleichen, zusätzlich
zu Wasser, enthalten.
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Jeweilige
(später zu beschreibende) Komponenten, welche die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 bilden,
sind aus rostfreiem Stahl mit hoher Korrosionsbeständigkeit
hergestellt. Nach dem Zusammensetzen dieser jeweiligen Komponenten
werden diese Komponenten integriert miteinander mit Lötmaterial
verlötet, welches in einem angrenzenden Abschnitt und einem
anliegenden Abschnitt vorgesehen wird.
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Der
Verdampfer 110 ist aus Rohren 111, Lamellen 112,
einem unteren Tank 113, einem oberen Tank 114 und
dergleichen ausgebildet. Das Rohr 111 weist ein längliches
Rohrelement mit einem flachen Querschnitt auf. Diese Rohre 111 sind
in Linie (deren Richtung nachfolgend als die Anordnungsrichtung bezeichnet
wird) mit einem vorbestimmten Rohrabstand angeordnet, welcher dazwischen
in der in 2 gezeigten Links-/Rechts-Richtung
derart ausgebildet ist, dass die Längsrichtung der Rohre 111 vertikal
gerichtet ist. Ferner sind die Rohre 111 derart angeordnet,
dass die vorstehend genannten Linien in einer Richtung orthogonal
zu der Papieroberfläche von 2 positioniert
sind (nachfolgend als eine Linienrichtung bezeichnet).
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Die
Lamellen 112, welche als ein Wärmetauschelement
dienen, sind zwischen den jeweiligen Rohren 111 in der
Anordnungsrichtung angeordnet, um mit den äußeren
Wandflächen (Oberflächen) der jeweiligen Rohre 111 verbunden
zu werden. Die Lamelle 112 dient zum Vergrößern
einer Wärmeaustauschfläche mit Abgas, und ist
beispielsweise eine Welllamelle, welche in einer Wellenform durch
Walzverarbeitung unter Verwendung einer dünnen Bandplatte
ausgebildet ist. Die Rohre 111 und die Lamellen 112 bilden
den Wärme tauschenden Abschnitt des Verdampfers 110.
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Der
untere Tank 113 und der obere Tankabschnitt 114 sind
zu einem flachen Behälter ausgebildet, und sind auf den
Enden des Rohrs 111 in der Längsrichtung angeordnet.
Jeder der Tanks 113 und 114 weist Rohröffnungen
(nicht gezeigt) auf, welche an Positionen entsprechend den Rohren 111 ausgebildet
sind. Beide Enden der Rohre 111 in der Längsrichtung
sind an die Rohröffnungen der Tanks 113, 114 angeschlossen,
und dadurch sind die Rohre 111 in kommunizierender Verbindung
mit dem Inneren der Tanks 113 und 114.
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Der
Verdampfer 110 ist in der Durchführung 120 untergebracht.
Die Durchführung 120 ist in einer zylindrischen
Form mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet, und ist geeignet,
dem Abgas zu ermöglichen, dort hindurch zu strömen,
wie später beschrieben wird. Der Verdampfer 110 ist
derart untergebracht, dass die Linienrichtung der Rohre 111 (die
Richtung senkrecht zu der Papieroberfläche von 2)
identisch zu einer Strömungsrichtung des Abgases (die Richtung
senkrecht zu der Papieroberfläche von 2)
ist.
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Ähnlich
dem Verdampfer 110 enthält der Kondensor 130 eine
Mehrzahl von Rohren 131, die derart angeordnet sind, dass
die Längsrichtung der Rohre senkrecht gerichtet ist, und
Lamellen 132, welche in einer Wellenform ausgebildet sind
und zwischen den Rohren angeordnet sind (intervene) und mit diesen
verbunden sind. Beide Enden jedes Rohrs 131 in der Längsrichtung
sind an den oberen und den unteren Tank 133 und 134 angeschlossen.
Die Rohre 131 stehen in kommunizierender Verbindung mit dem
Inneren der Tanks 133 und 134.
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Der
Kondensor 130 ist in dem Wassertank 140 untergebracht.
Der Wassertank 140 ist ein Gehäuse, welches in
länglicher Form entlang der Längsrichtung des
Rohrs 131 ausgebildet ist. Der Wassertank 140 weist
eine Kühlmitteleinführleitung 141 zum Einleiten
des Kühlmittels dort hinein auf einem Ende davon auf, und
eine Kühlmittelabgabeleitung 142 zum Abgeben des
Kühlmittels zu dem Äußeren auf dem anderen
Ende davon.
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Das
Innendruck-Betriebsventil 150 ist in dem unteren Tank 134 des
Kondensors 130 vorgesehen. Das Innere des Innendruck-Betriebsventils 150 ist
in einem atmosphärenseiti gen Raum 152, welcher
mit der Atmosphäre in kommunizierender Verbindung steht,
und einem Kommunikationsströmungspfad 153 zum
kommunizierenden Verbinden des unteren Tanks 134 mit dem
Rückflusspfad 135, der später zu beschreiben
ist, durch eine Membran 151 unterteilt. Der Kommunikationsströmungspfad 153 ist
an die Membran 151 angeschlossen und mit einem Ventilkörper 154 zum Öffnen
und Schließen des Kommunikationsströmungspfads 153 versehen.
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Die
Membran 151 wird in der in 2 gezeigten
Links-/Rechts-Richtung in Übereinstimmung mit einem Gleichgewicht
zwischen dem Atmosphärendruck, welcher von der Außenluft
ausgeübt wird, und dem Innendruck des Kondensors 130 (Wärmeleitung 101)
versetzt. Die Versetzung des Ventilkörpers 154 zusammen
mit der Versetzung der Membran 151 öffnet und
schließt den Kommunikationsströmungspfad 153.
Auf diese Weise dient das Innendruck-Betriebsventil 150 als
ein Membran-Ventil zum Öffnen und Schließen des
Kommunikationsströmungspfads 153 in Übereinstimmung
mit einem Druck des Arbeitsmediums. Genauer gleitet dann, wenn der
Innendruck des Kondensors 130 (Wärmeleitung 101)
sich auf einen vorbestimmten Druck (Ventil-Schließdruck)
oder mehr erhöht, um den Atmosphärendruck zu überwinden,
der Ventilkörper 154 in der in 2 gezeigten
Rechts-Richtung, um den Kommunikationsströmungspfad 153 zu
schließen. Wenn umgekehrt der Innendruck des Kondensors 130 (Wärmeleitung 101)
unterhalb des vorbestimmten Drucks ist (Ventil-Schließdruck),
wird der Ventilkörper 154 geöffnet.
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Der
Innendruck der Wärmeleitung 101 ändert
sich in Übereinstimmung mit dem Gleichgewicht zwischen
der Menge von durch den Verdampfer 110 empfangener Wärme
und der Menge von aus dem Kondensor 130 an das Kühlmittel
abgestrahlter Wärme. Im Allgemeinen ist der Innendruck
umso höher, je höher die Temperatur des Kühlmittels
ist. Die Temperatur von Kühlmittel in dem Radiator 121 wird
auf etwa 90°C in normalen Fahrzeugen eingestellt. Somit wird,
wenn die Temperatur von Kühlmittel auf der Abstrahlseite
auf etwa 80 bis 90°C angenommen wird, der vorbestimmte
Druck in Übereinstimmung mit der Menge von Wärme
bestimmt, welche durch den Verdampfer 110 empfangen wird.
Wenn der Innendruck unterhalb des vorbestimmten Drucks ist, öffnet
der Ventilkörper 154 des Innendruck-Betriebsventils 150 den
Kommunikationsströmungspfad 153, und führt die
Abwärme bzw. Abgaswärme sicher bzw. zwangsweise
an das Kühlmittel zurück, wie später
beschrieben wird. Ferner wird dann, wenn der Innendruck gleich oder
größer dem vorbestimmten Druck ist, der Ventilkörper 154 geschlossen,
um die Wiedergewinnung bzw. Rückführung der Abgaswärme
in das Kühlmittel zu stoppen, wie später beschrieben
wird.
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Der
Kondensor 130 ist auf einer Seite des Verdampfers 110 angeordnet
und der obere Tank 114 und der obere Tank 133 sind
miteinander kommunizierend über den Verbindungsströmungspfad 115 verbunden.
Der Verbindungsströmungspfad 115 durchdringt die
Durchführung 120 und den Wassertank 140.
Der Kommunikationsströmungspfad 153 des Innendruck-Betriebsventils 150 und
der Rohre 111 sind in kommunizierender Weise miteinander über
den Rückflusspfad 135 verbunden. Der Rückflusspfad 135 durchdringt
die Durchführung 120 und den Wassertank 140.
Somit sind der untere Tank 113, die Rohre 111,
der obere Tank 114, der Verbindungsströmungspfad 115,
der obere Tank 133, die Rohre 131, der untere
Tank 134, das Innendruck-Betriebsventil 150 (Kommunikationsströmungspfad 153),
der Rückflusspfad 135, die Rohre 111 und
der untere Tank 113 in Ringform in dieser Reihenfolge verbunden,
um die Wärmeleitung 101 auszubilden.
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Das
Temperatur-Betriebsventil 160 ist an einer Position auf
der stromabwärtigen Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 in
dem Rückflusspfad 135 vorgesehen. Das Temperatur-Betriebsventil 160 enthält
einen Thermowachsabschnitt 161, einen Betätigungsstift 162,
einen Ventilkörper 163 und eine Feder 164.
Der Thermowachsabschnitt 161 ist durch Einfüllen
von Wachs in diesen ausgebildet, welches in Übereinstimmung
mit einer Temperatur des Kühlmittels sich ausdehnt und
zusammenzieht. Der Thermowachsabschnitt 161 ist an dem
Inneren eines überhängenden Abschnitts 143 fixiert,
welcher von einem zwischenliegenden Abschnitt des Wassertanks 140 zu
der Seite des Verdampfers 110 hin überhängt.
Der Thermowachsabschnitt 161 ist dem Kühlmittel
in dem Wassertank 140 ausgesetzt.
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Der
Betätigungsstift 162 ist ein Element, welches
in länglicher Form ausgebildet ist, und dessen eines Ende
in den Thermowachsabschnitt 161 eingesetzt ist, und dessen
anderes Ende sich zu dem Rückflusspfad 135 auf
der tieferen Seite erstreckt. Der Ventilkörper 163 ist
in dem Rückflusspfad 135 angeordnet und mit dem
Betätigungsstift 162 verbunden. Die Feder 164 ist
zwischen dem Ventilkörper 163 und der tieferen
Seite des Rückflusspfades 135 angeordnet, und
treibt den Ventilkörper 163 zu der Seite des Thermowachsabschnitts 161.
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Im
Allgemeinen wird, wenn die Temperatur von Kühlmittel unterhalb
der vorbestimmten Temperatur ist, das Wachs in dem Thermowachsabschnitt 161 zusammengezogen
und eine treibende Kraft der Feder 164 veranlasst den Ventilkörper 163,
sich nach oben zu bewegen, wie in 2 gezeigt
ist, so dass der Rückflusspfad 135 offen bleibt.
Das Wachs in dem Thermowachsabschnitt 161 wird mit steigender Temperatur
des Kühlmittels expandiert. Wenn die Temperatur des Kühlmittels
gleich oder größer als die vorbestimmte Temperatur
ist, überwindet der Betätigungsstift 162 die
treibende Kraft der Feder 164, um nach unten zu gleiten,
wie in 2 gezeigt ist, so dass der Ventilkörper 163 sich
auch nach unten zusammen mit dem Betätigungsstift 162 bewegt,
um den Rückflusspfad 135 zu schließen.
Auf diese Weise dient das Temperatur-Betriebsventil 160 als
ein Thermowachs-Typ-Ventil zum Öffnen und Schließen des
Rückflusspfades 135 in Übereinstimmung
mit der Temperatur des Kühlmittels.
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Die
vorstehend genannte vorbestimmte Temperatur ist auf einer Temperatur
gewählt, die höher als die von Kühlmittel
(von etwa 80 bis 90°C) bei einem vorbestimmten Druck (einem
Innendruck von Kältemittel, welcher bestimmt ist, wenn
die vorstehend genannte Kühlmitteltemperatur auf 80 bis
90°C angenommen wird), zum Schließen des Innendruck-Betriebsventils 150.
Die vorbestimmte Temperatur ist auf 100°C gewählt,
dies unter Berücksichtigung der oberen Grenze der Toleranz
einer zu steuernden Kühlmitteltemperatur. Für
die Kühlmitteltemperatur von nicht weniger als der vorbestimmten Temperatur
schließt der Ventilkörper 163 des Temperatur-Betriebsventils 160 den
Rückflusspfad 135, um Wiedergewinnung der Abgaswärme
an das Kühlmittel zu stoppen, wie später beschrieben
wird.
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Die
Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 ist
auf diese Weise ausgebildet, und in einem ausgenommenen Abschnitt
angeordnet, der dahingehend ausgebildet ist, zu dem Inneren eines Fahrzeugabteils
ausgenommen zu sein, wenn dies von dem (Erd)-Boden unter einem Boden
des Fahrzeugs aus betrachtet wird. Die Durchführung 120 (Verdampfer 110)
ist in der Abgasleitung 11 auf der stromabwärtigen
Seite eines Katalysators 12 zwischenliegend angeordnet
(intervenes), und beide Leitungen 141 und 142 des
Wassertanks 140 sind an dem Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 angeschlossen
(siehe 1).
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Nun
wird der Betrieb und die Wirkungen der Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 mit der
vorstehend genannten Anordnung nachfolgend beschrieben.
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Wenn
der Motor 10 betrieben wird, wird die Wasserpumpe 22 dahingehend
betrieben, dem Kühlmittel ein Zirkulieren durch den Radiatorkreis 20,
den Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 und den Heizkreis 40 zu
ermöglichen. Das Abgas aus dem durch den Motor 10 verbrannten
Brennstoff strömt durch die Abgasleitung 11, und
wird dann durch den Katalysator 112 gereinigt. Das Abgas
strömt in den Verdampfer 110 in der Durchführung 120 und
wird dann in die Atmosphäre abgegeben. Das Kühlmittel, welches
durch den Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 zirkuliert,
tritt durch den Wassertank 140 (Kondensor 130)
der Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100.
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Nach
dem Anlassen des Motors 10 beginnt die Kühlmitteltemperatur
zu steigen, während der Innendruck der Wärmeleitung 101 allmählich
ansteigt. Da die Menge von Abgaswärme sich gemäß einer Last
des Motors 10 ändert, ändert sich der
Innendruck eines Fahrzeugs, welches einen normalen Motor enthält,
gemäß verschiedenen Betriebszuständen des
Fahrzeugs, welche Beschleunigung, Verzögerung, Stoppen
und dergleichen enthalten.
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Während
der Innendruck der Wärmeleitung 101 unter dem
vorbestimmten Druck erhöht wird, wird das Innendruck-Betriebsventil 150 geöffnet.
Das Wasser (Arbeitsmedium, Arbeitsmedium) in der Wärmeleitung 101 empfängt
Wärme aus dem Abgas, welches in der Führung 120 an
den Verdampfer 110 strömt, und beginnt zu sieden
und wird verdampft, um zu Dampf zu werden, welcher in den Rohren 111 ansteigt
und in den Kondensor 130 (den oberen Tank 133 und
die Rohre 131) durch den oberen Tank 114 und den
Verbindungsströmungspfad 115 strömt.
Der in dem Kondensor 130 strömende Dampf wird
durch das Kühlmittel gekühlt, welches in dem Wassertank 140 aus
dem Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 strömt,
um zu kondensiertem Wasser zu werden, welches aus den Rohren 111 des
Verdampfers 110 in den unteren Tank 113 zurückgeleitet
wird, nachdem es durch den unteren Tank 134, den Kommunikationsströmungspfad 153 des
Innendruck-Betriebsventils 150 und den Rückflusspfad 135 hindurchgetreten ist.
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Auf
diese Weise wird die Wärme des Abgases an Wasser übertragen,
und dann aus dem Verdampfer 110 zu dem Kondensor 130 transportiert,
wo der Dampf als kondensierte latente Wärme in Kondensation
abgegeben wird, so dass das Kühlmittel, welches durch den
Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 strömt,
sicher bzw. zwangsweise erwärmt wird. Das heißt,
das Aufwärmen des Motors 10 wird unterstützt,
wodurch eine Reduzie rung des Reibungsverlusts des Motors 10 erzielt
wird, und eine Reduzierung eines Ansteigens einer Kraftstoffmenge,
um Anlasseigenschaften bei niedrigen Temperaturen zu verbessern,
was somit zu einer Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit
führt. Ferner verbessert dies auch die Aufwärmeigenschaften
des Heizkerns 41, welcher das Kühlmittel als eine
Wärmequelle verwendet. Einige Wärme des Abgases wird
dahingehend übertragen, sich von dem Verdampfer 110 für
den Kondensor 130 über eine Außenwandoberfläche
der Wärmeleitung 101 zu bewegen.
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Das
Vorsehen der Rohre 111 und der Lamellen 112 in
dem Verdampfer 110 kann die Fläche zur Aufnahme
von Wärme des Abgases vergrößern, wodurch
das Verdampfen des Arbeitsmediums an dem Verdampfer 110 unterstützt
wird, wodurch somit die Menge von Wärme, welche zu dem
Kondensor 130 transportiert wird, vergrößert
wird.
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Wenn
die Temperatur von Kühlmittel ansteigt und der Innendruck
den vorbestimmten Druck übersteigt, wird das Innendruck-Betriebsventil 150 geschlossen,
um das Rückfließen des kondensierten Wassers in
der Wärmeleitung 101 zu unterbrechen. Dann wird
das Wasser in dem Verdampfer 110 vollständig verdampft
(ausgetrocknet) und strömt zu dem Kondensor 130,
wo das kondensierte Wasser bevorratet wird.
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Das
heißt, der durch Verdampfung und Kondensation von Wasser
vollzogene Wärmetransport wird sicher gestoppt (was dem
Stoppen von Wiedergewinnung der Abgaswärme entspricht),
und die Menge von Wärme, welche zu der Kühlmittelseite übertragen
wird, ist nur eine Wärmeübertragung über die
Wärmeleitung 101. Somit kann dieses Umschalten
auf das Stoppen der Wiedergewinnung von Abgaswärme den
Nachteil vermeiden, dass dann, wenn die Wiedergewinnung von Abgaswärme
fortgesetzt wird, während die Abgastemperatur mit Steigen
einer Last des Motors 10 hoch wird, die Temperatur von Kühlmittel übermäßig
ansteigen kann, um eine Abstrahlkapazität des Radiators 121 zu überschreiten, was
zu Überhitzung führt.
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In
diesem Zustand bleibt, da die Temperatur des Kühlmittels
in dem Kondensor 130 etwa 80 bis 90°C ist, was
die vorbestimmte Temperatur, zum Beispiel 100°C, nicht
erreicht, das Temperatur-Betriebsventil 160 geöffnet.
Das heißt, das Innendruck-Betriebsventil 150 ist
geschlossen, um so das Rückfließen des kondensierten
Wassers in der Wärmeleitung 101 zu vermeiden.
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Andererseits
wird, während der Innendruck der Wärmeleitung 101 nicht
auf den vorbestimmten Wert erhöht ist und das Wiedergewinnen
von Abgaswärme mit dem geöffneten Betriebsventil 150 ausgeführt
wird, dann, wenn der Motor 10 gestoppt wird (was ein so
genanntes "Standdurchnässen" ("dead soak") ist), wird die
Zirkulation des Kühlmittels in dem Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 gestoppt, indem
die Wasserpumpe 22 gestoppt wird, so dass die Zufuhr (Strömung)
von Kühlmittel zu dem Wassertank 140 gestoppt
wird. In dem Verdampfer 110 wird die Verdampfungswirkung
von Wasser durch die verbleibende Wärme des Abgases fortgesetzt,
so dass der gesiedete Dampf in dem Kondensor 130 strömt,
um das Kühlmittel zu erwärmen. Da das Kühlmittel
nicht in den Wassertank 140 zugeführt wird, kann
lokales Sieden auftreten, um drastische Erhöhung der Temperatur
des Kühlmittels für eine kurze Zeit zu bewirken.
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In
dieser Ausführungsform wird jedoch, wenn die Kühlmitteltemperatur
gleich oder größer als die vorbestimmte Temperatur
(100°C) ist, das Temperatur-Betriebsventil 160 in
einen geschlossenen Zustand gebracht, um den Rückflusspfad 135 zu schließen,
wodurch das Rückfließen des kondensierten Wassers
aus dem Kondensor 130 zu dem Verdampfer 110 vermieden
wird. Dies kann die Wiedergewinnung der Abgaswärme stoppen,
wodurch das übermäßige Ansteigen der
Temperatur des Kühlmittels vermieden werden kann.
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Die
vorbestimmte Temperatur des Kühlmittels zum Schließen
des Temperatur-Betriebsventils 160 ist auf eine Temperatur
eingestellt, welche höher als die des Kühlmittels
ist, wenn der Innendruck den vorbestimmten Druck zum Schließen
des Innendruck-Betriebsventils 150 erreicht. Dies kann
das übermäßige Ansteigen der Temperatur
des Kühlmittels vermeiden, während Abgaswärme
ohne regelmäßiges Schließen des Temperatur-Betriebsventils 160 wiedergewonnen
wird.
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Da
das Temperatur-Betriebsventil 160 auf der stromabwärtigen
Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 angeordnet ist,
kann das Innendruck-Betriebsventil 150 in dem unteren Tank 134 angeordnet sein,
und das Temperatur-Betriebsventil 160 kann in dem Rückflusspfad 135 angeordnet
sein, wodurch die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 einfach
ausgebildet wird.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Ausführungsform enthält
eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung den Verdampfer 110 zum
Verdampfen von darin abgeschlossenem Arbeitsmedium durch Abwärme
aus einem Verbrennungsmotor, den Kondensor 130 zum Kühlen
des an dem Verdampfer 110 verdampften Arbeitsmediums durch Kühlmittel
des Verbrennungsmotors 10, einen Verbindungsabschnitt (115, 135)
zum kommunizierenden Verbinden des Verdampfers 110 mit
dem Kondensor 130 in der Form eines Ringes, das Innendruck-Betriebsventil 150,
welches dazu ausgelegt ist, geschlossen zu werden, wenn ein Druck
des Arbeitsmediums gleich oder größer einem vorbestimmten Druck
ist; und das Temperatur-Betriebsventil 160, welches dazu
ausgelegt ist, geschlossen zu werden, wenn die Temperatur des Kühlmittels
gleich oder größer einer vorbestimmten Temperatur
ist. Ferner sind das Innendruck-Betriebsventil 150 und
das Temperatur-Betriebsventil 160 zwischen einer stromabwärtigen
Seite des Kondensors 130 und einer stromaufwärtigen
Seite des Verdampfers 110 in dem Kommunikationsabschnitt
(115, 135) angeordnet.
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Somit
kann der Kommunikationsabschnitt 135 auf der Grundlage
von zwei unabhängigen Zuständen geschlossen werden,
welche den Druck des Arbeitsmediums und die Temperatur von Kühlmittel einschließen,
um so die Verdampfungswirkung an dem Verdampfer 110 zu
stoppen. Zum Beispiel kann die Verdampfung fortgesetzt werden, während
das Innendruck-Betriebsventil 150 nicht geschlossen ist, ohne
den Druck des Arbeitsmediums an dem Verdampfer 110 stark
zu erhöhen, was zu einem übermäßigen
Ansteigen der Kühlmitteltemperatur an dem Kondensor 130 führt
bzw. führen würde. Selbst in diesem Fall kann
das Schließen des Temperatur-Betriebsventils 160 den
Kommunikationsabschnitt 135 schließen, um die
Verdampfungswirkung des Verdampfers 110 zu stoppen, wodurch
das übermäßige Ansteigen der Temperatur
des Kühlmittels vermieden wird.
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Zum
Beispiel kann die vorbestimmte Temperatur höher als die
Temperatur von Kühlmittel eingestellt werden, welche erhalten
wird, wenn der vorbestimmte Druck erreicht ist. Ferner kann das Druck-Steuerventil 150 beispielsweise
vom Membran-Typ zum Antreiben eines Ventilkörpers 154 durch eine
Membran 151 sein. In diesem Fall ist die Membran 151 geeignet,
gemäß dem Druck des Arbeitsmediums versetzt zu
werden. Alternativ kann das Temperatur-Betriebsventil 160 vom
Thermowachs-Typ zum Antrieb eines Ventilkörpers 163 durch
einen Thermowachsabschnitt 161 sein. In diesem Fall ist der
Thermowachsabschnitt 161 durch Einschließen eines
Wachses darin ausgebildet, welches sich gemäß der
Temperatur des Kühlmittels expandiert und zusammenzieht.
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Ferner
kann das Temperatur-Betriebsventil 160 auf einer stromabwärtigen
Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 angeordnet sein.
In diesem Fall kann das Innendruck- Betriebsventil 150 in
dem Tank 134 angeordnet sein, und das Temperatur-Betriebsventil 160 kann
in dem Kommunikationsabschnitt 135 angeordnet sein, welcher
zwischen dem Verdampfer 110 und dem Kondensor 130 an
einer stromabwärtigen Seite des Tanks 134 angeordnet
ist. Ferner kann der Kommunikationsabschnitt 135, der zwischen
der stromabwärtigen Seite des Kondensors 130 und
der stromaufwärtigen Seite des Verdampfers 110 angeordnet
ist, in kommunizierender Verbindung mit einem Punkt des mittleren
Weges des Rohrs 111 in einer Erstreckungsrichtung des Rohrs
in dem Verdampfer 110 sein.
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Zusätzlich
kann der Kommunikationsabschnitt 135, der zwischen der
stromabwärtigen Seite des Kondensors 130 und der
stromaufwärtigen Seite des Verdampfers 110 angeordnet
ist, sich in einer Position oberhalb einer Flüssigkeitsoberfläche
des in dem Verdampfer 110 abgeschlossenen Arbeitsmediums
befinden.
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(Andere Ausführungsformen)
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Obwohl
in jeder der vorstehend genannten Ausführungsformen das
Temperatur-Betriebsventil 160 auf der stromabwärtigen
Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 vorgesehen ist,
ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Das Temperatur-Betriebsventil 160 kann
auf der stromaufwärtigen Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 vorgesehen
sein.
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Obwohl
in der vorstehenden Beschreibung das Innendruck-Betriebsventil 150 vom
Membran-Typ ist und das Temperatur-Betriebsventil 160 vom
Thermowachs-Typ ist, können alle der Betriebsventile 150 und 160 von
jedem anderen Typ sein.
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Solche Änderungen
und Modifikationen sind dahingehend zu verstehen, dass diese innerhalb
des Bereichs der vorliegenden Erfindung sind, wie er durch die anliegenden
Ansprüche definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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