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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmesammelvorrichtung,
die Abwärme unter Verwendung einer Schleifenwärmerohrleitung
aus Abgas von einer Brennkraftmaschine sammelt. Die Abwärmesammelvorrichtung
verwendet die gesammelte Wärme zum Heizen eines Heizmediums,
wie etwa Motorkühlmittel und Motoröl der Brennkraftmaschine.
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Ein
Wärmerohrleitungswärmetauscher ist in der Technik
bekannt, wie zum Beispiel in
JP-A-4-45393 offenbart.
Ein herkömmlicher Wärmetauscher dieses Stands
der Technik hat eine Schleifenrohrleitung, in der ein Strömungssteuerventil
in einem Durchgang für kondensiertes Fluid, der einen Kondensationsabschnitt
mit einem Verdampfungsabschnitt verbindet, bereitgestellt ist, um
eine Menge an Arbeitsfluid (Wärmeübertragungsfluid)
zu steuern, die durch den Durchgang für kondensiertes Fluid strömt.
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In
dem vorstehenden herkömmlichen Wärmetauscher ist
ein Umleitungsdurchgang bereitgestellt, der von einem anderen Durchgang
(Dampfströmungsdurchgang) verzweigt, der den Verdampfungsabschnitt
mit dem Kondensationsabschnitt verbindet. Ein Antriebsabschnitt
des Strömungssteuerventils ist in dem Umleitungsdurchgang
bereitgestellt, so dass der Antriebsabschnitt betrieben wird, wenn
der Dampfdruck in dem Dampfströmungsdurchgang (höher
als ein vorgegebener Druck) ist. Auch ist ein Nebenventil in dem
Durchgang für kondensiertes Fluid auf einer Seite des Strömungssteuerventils
in Richtung des Kondensationsabschnitts bereitgestellt, und das
Nebenventil schließt den Kondensationsfluiddurchgang in
Verbindung mit dem Betrieb des Antriebsabschnitts.
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Der
Antriebsabschnitt ist zum Beispiel als ein Membranmotor ausgebildet,
der aus einer Membran mit einem Ventilkörper besteht, der
mit der Membran verbunden ist. Ferner ist das Nebenventil zum Beispiel
als ein Notfallschließventil zum Schließen des Durchgangs
für kondensiertes Fluid ausgebildet, welcher eine Verbindung
und ein Kabel umfasst, die beide in Verbindung mit der Verschiebung
der Membran bewegt werden. Eine Verbindungsrohrleitung ist ferner
zwischen dem Membranmotor und dem Notfallschließventil
bereitgestellt, so dass die Verbindungsrohrleitung Dampf, der in
den Membranmotor eingetreten ist, zu dem Notfallschließventil
ausstößt.
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Folglich
wird der Öffnungsgrad des Strömungssteuerventils
abhängig von der Temperatur des Arbeitsfluids (Wärmeübertragungsfluid)
in dem Kondensationsabschnitt eingestellt. Als ein Ergebnis wird
eine Wärmeübertragungsmenge an das Arbeitsfluid
eingestellt, und ein Innendruck der Wärmerohrleitung wird
auf einen Wert gesteuert, der innerhalb eines gewünschten
Bereichs liegt.
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In
dem Fall, in dem das Strömungssteuerventil unter irgendwelchen
anomalen Bedingungen geöffnet gehalten wird und der Dampfdruck
als ein Ergebnis übermäßiger Verdampfung
an dem Verdampfungsabschnitt einen vorgegebenen Druck übersteigt,
wird der Antriebsabschnitt betrieben, so dass der Durchgang für
kondensiertes Fluid von dem Nebenventil geschlossen wird, das in
Verbindung mit dem Antriebsabschnitt betrieben wird. Folglich wird die
Zirkulation des Arbeitsfluids zwangsweise gestoppt, um den Dampfdruck
zu begrenzen, dass er nicht anomal höher als ein vorgegebener
Druck wird. Zum Beispiel wird dadurch ein Zerbersten der Wärmerohrleitung
verhindert.
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Gemäß dem
vorstehenden herkömmlichen Wärmetauscher ist der
Antriebsabschnitt in dem Dampfströmungsdurchgang bereitgestellt,
während das Notfallschließventil in dem Durchgang
für kondensiertes Fluid bereitgestellt ist. Daher erfordert
das System die Verbindung und den Draht, um die beiden wie vorstehend
zu verbinden. Außerdem ist die Verbindungsrohrleitung erforderlich,
um den Dampf (der in den Antriebsabschnitt eingetreten ist) zu dem
Notfallschließventil auszustoßen. Wie vorstehend,
ist die Struktur des Wärmetauschers als Ganzes kompliziert.
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Wenn
außerdem der Betrieb für die Wärmerohrleitung
aufgrund des Schließens des Notfallschließventils
gestoppt wird, wird der Innendruck der Wärmerohrleitung
verringert und dadurch wird das Notfallschließventil in
einer kurzen Zeitspanne wieder geöffnet. Eine Zwischenspieleinrichtung
ist zum Beispiel für die Verbindung und/oder das Kabel
notwendig, um das vorstehende Wiederöffnen des Notfallschließventils
zu vermeiden. Dies ist auch einer der Gründe, warum die
Struktur des Wärmetauschers kompliziert wird.
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Angesichts
der vorstehenden Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Abwärmesammelvorrichtung zur Verfügung zu
stellen, die eine Schleifenrohrleitung verwendet, wobei die Vorrichtung
mit einer einfacheren Struktur dabei beschränkt wird, mehr
Wärme als benötigt zu sammeln.
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Um
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird eine
Abwärmesammelvorrichtung bereitgestellt, die eine Schleifenwärmerohrleitung
und eine Ventilvorrichtung umfasst. Die Schleifenwärmerohrleitung
umfasst einen Verdampfungsabschnitt, einen Kondensationsabschnitt
und einen Verbindungsabschnitt. Der Verdampfungsabschnitt ist aufgebaut,
um ein erstes Medium in dem Verdampfungsabschnitt unter Verwendung
von Wärme aus Abgas von einer Brennkraftmaschine zu verdampfen. Der
Kondensationsabschnitt ist derart aufgebaut, dass er das verdampfte
erste Medium, das in dem Verdampfungsabschnitt verdampft wird, unter
Verwendung eines zweiten Mediums abkühlt. Der Verbindungsabschnitt
ist derart aufgebaut, dass er den Verdampfungsabschnitt mit dem
Kondensationsabschnitt verbindet. Die Ventilvorrichtung umfasst
einen Antriebsabschnitt und einen Ventilkörper. Der Antriebsabschnitt
ist derart aufgebaut, dass er entsprechend dem Druck des ersten
Mediums und/oder der Temperatur des ersten Mediums und/oder der
Temperatur des zweiten Mediums betätigt wird. Der Ventilkörper
ist integral mit dem Antriebsabschnitt zum Öffnen und Schließen
des Verbindungsabschnitts in Verbindung mit dem Antriebsabschnitt
ausgebildet. Die Ventilvorrichtung ist (a) an einer von dem Kondensationsabschnitt
stromabwärtigen Position oder (b) an einer von dem Verdampfungsabschnitt
stromaufwärtigen Position bereitgestellt.
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Die
Erfindung wird zusammen mit ihren zusätzlichen Zielen,
Merkmalen und Vorteilen am besten aus der folgenden Beschreibung,
den beigefügten Patentansprüchen und den beigefügten
Zeichnungen verstanden, wobei:
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1 eine
schematische Ansicht ist, die eine in einem Fahrzeug installierte
Abwärmesammelvorrichtung zeigt;
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2 eine
Querschnittansicht ist, die eine Abwärmesammelvorrichtung
gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine
Querschnittansicht ist, die entlang einer Linie III-III in 2 genommen
ist;
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4 eine
Querschnittansicht ist, die eine Ventilvorrichtung für
die erste Ausführungsform in einem geöffneten
Ventilzustand zeigt;
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5 eine
Querschnittansicht ist, die die Ventilvorrichtung für die
erste Ausführungsform in einem geschlossenem Ventilzustand
zeigt;
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6 ein
Diagramm ist, das eine Beziehung eines Innendrucks einer Wärmerohrleitung
und einer Temperatur von Motorkühlmittel in Bezug auf die Wärmemenge
von Abgas zeigt;
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7 ein
Diagramm ist, das einen Betrieb der Ventilöffnung und des
Schließens für den Ventilkörper der Ventilvorrichtung
zeigt;
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8A ein
Zeitdiagramm ist, das eine Änderung des Innendrucks der
Wärmerohrleitung nach dem Start eines Motorbetriebs zeigt;
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8B ein
Zeitdiagramm ist, das eine Änderung der Temperatur des
Motorkühlmittels nach dem Start des Motorbetriebs zeigt;
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8C ein
Zeitdiagramm ist, das eine Änderung der Wärmemenge
des Abgases in Bezug auf eine Lastbedingung des Motors nach dem
Start des Motorbetriebs zeigt;
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9 eine
Querschnittansicht ist, die eine Ventilvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 eine
Querschnittansicht ist, die eine Ventilvorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11 eine
Querschnittansicht ist, die eine Abwärmesammelvorrichtung
gemäß einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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12 eine
Querschnittansicht ist, die eine Abwärmesammelvorrichtung
gemäß einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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13 eine
Querschnittansicht ist, die eine Abwärmesammelvorrichtung
gemäß einer Modifikation der fünften
Ausführungsform zeigt;
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14 eine
Querschnittansicht ist, die eine Abwärmesammelvorrichtung
gemäß einer sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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15 eine
Querschnittansicht ist, die eine Abwärmesammelvorrichtung
gemäß einer siebten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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16 eine
vergrößerte Ansicht ist, die einen Rückwärtsstrombegrenzungsabschnitt
der siebten Ausführungsform zeigt;
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17 eine
vergrößerte Ansicht ist, die eine Modifikation
des Rückstrombegrenzungsabschnitts zeigt;
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18 eine
vergrößerte Ansicht ist, die einen Beschränkungsabschnitt
zeigt;
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19 eine
Querschnittansicht ist, die eine Abwärmesammelvorrichtung
in einer geneigten Position gemäß einem Vergleichsbeispiel
zeigt;
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20 eine
schematische Ansicht ist, die eine in einem Fahrzeug installierte
Abwärmesammelvorrichtung gemäß einer
achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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21 eine
schematische Ansicht ist, die eine in dem Fahrzeug installierte
Abwärmesammelvorrichtung gemäß einer
Modifikation der achten Ausführungsform zeigt;
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22 eine
schematische Ansicht ist, die eine in einem Fahrzeug installierte
Abwärmesammelvorrichtung gemäß einer
neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
und
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23 eine
schematische Ansicht ist, die eine in dem Fahrzeug installierte
Abwärmesammelvorrichtung gemäß einer
Modifikation der neunten Ausführungsform zeigt.
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(Erste Ausführungsform)
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Eine
Abwärmesammelvorrichtung 100 gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
auf ein Fahrzeug mit einem Motor 10 zum Erzeugen einer
Antriebsleistung für das Fahrzeug angewendet. Die Abwärmesammelvorrichtung 100 ist
in einer Abgasrohrleitung 11 und einem Abwärmesammelkreis 30 des
Motors 10 bereitgestellt. Die detailliertere Struktur wird
unter Bezug auf 1 bis 5 beschrieben. 1 ist
eine schematische Ansicht, die die in dem Fahrzeug installierte
Abwärmesammelvorrichtung 100 zeigt. 2 ist
eine Querschnittansicht der Abwärmesammelvorrichtung 100. 3 ist
eine entlang einer Linie III-III in 2 genommene
Querschnittansicht. 4 ist eine Querschnittansicht,
die eine in der Abwärmesammelvorrichtung 100 bereitgestellte
Ventilvorrichtung 150 in einem geöffneten Ventilzustand
zeigt, und 5 ist eine Querschnittansicht,
die die Ventilvorrichtung 150 in einem geschlossenen Ventilzustand
zeigt.
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Wie
in 1 gezeigt, ist der Motor 10 eine wassergekühlte
Brennkraftmaschine und hat die Abgasrohrleitung 11 zum
Abgeben von Abgas, das nach der Verbrennung von Brennstoff in dem
Motor 10 erzeugt wird. Ein Katalysator 12 ist
in der Abgasrohrleitung 11 zum Reinigen des Abgases bereitgestellt. Der
Motor 10 hat ferner einen Strahlerkreis 20, durch den
Motorkühlmittel (auf das hier nachstehend als Kühlmittel
Bezug genommen wird) als ein Heizmedium (zweites Medium) zum Abkühlen
des Motors 10 zirkuliert wird, wobei der Abwärmesammelkreis 30 unabhängig
von dem Strahlerkreis 20 ausgebildet ist und das Motorkühlmittel
durch ihn zirkuliert wird, und einen Heizungskreis 40,
durch den das Motorkühlmittel (heißes Wasser)
ebenfalls zirkuliert wird, zum Heizen von Luft, die in einen Fahrgastraum
des Fahrzeugs geblasen werden soll.
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Ein
Strahler 21 ist in dem Strahlerkreis 20 zum Abkühlen
des von einer Wasserpumpe 22 zirkulierten Kühlmittels
durch Wärmeaustausch mit Außenluft bereitgestellt.
Ein Umleitungsdurchgang 23 zum Umgehen des Strahlers 21 ist
in dem Strahlerkreis 20 bereitgestellt. Eine Menge des
Kühlmittels, das in den Strahler 21 strömt,
ebenso wie eine Menge des Kühlmittels, das durch den Umleitungsdurchgang 23 strömt,
wird von einem Thermostat 24 eingestellt. Insbesondere
in einem Motoraufwärmbetrieb wird die Menge des durch den
Umleitungsdurchgang 23 strömenden Kühlmittels
erhöht, um das Aufwärmen des Motors 10 zu
erleichtern. Nämlich wird das Unterkühlen des
Motorkühlmittels durch den Strahler 21 verhindert.
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Ein
Ende des Abwärmesammelkreises 30 verzweigt von
einer Auslassöffnung des Strahlerkreises 20. Das
Motorkühlmittel strömt aus dem Motor 10 durch
die Auslassöffnung. Das andere Ende des Abwärmesammelkreises 30 ist
mit dem Motor 30 verbunden, wobei das Kühlmittel
von der Wasserpumpe 22 durch den Abwärmesammelkreis 30 zirkuliert wird.
Ein Wasserbehälter 140 (ein Kondensationsabschnitt 130 der
Abwärmesammelvorrichtung 100 ist, wie später
beschrieben, in dem Abwärmesammelkreis 30 bereitgestellt.
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Ein
Ende des Heizungskreises 40 ist mit einer anderen Auslassöffnung
des Motors 10 verbunden, und das andere Ende des Heizungskreises 40 ist
an einer Position stromabwärtig von der Abwärmesammelvorrichtung 100 mit
dem Abwärmesammelkreis 30 verbunden. Ein Heizungskern 41 ist
in dem Heizungskreis 40 bereitgestellt, um als ein Wärmetauscher
für eine Heizung zu dienen, und das Motorkühlmittel
(heißes Wasser) wird von der Wasserpumpe 22 durch
den Heizungskreis 40 zirkuliert. Der Heizungskern 41 ist
in einem (nicht gezeigten) Einheitengehäuse einer Klimatisierungseinheit
angeordnet und heizt die von einem Gebläseventilator geblasene Luft
durch Wärmeaustausch mit heißem Wasser.
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Wie
in 2 und 3 gezeigt, ist die Abwärmesammelvorrichtung 100 aus
einer Schleifenwärmerohrleitung 101 mit einem
Verdampfungsabschnitt 110, dem Kondensationsabschnitt 130,
der Ventilvorrichtung 150 und einem Rückführungsabschnitt 160 für
kondensiertes Wasser zusammengesetzt, die in dieser Reihenfolge
verbunden sind. Ein (nicht gezeigter) Einsatzabschnitt ist in der
Wärmerohrleitung 101 bereitgestellt. Die Wärmerohrleitung 101 wird
durch den Einsatzabschnitt evakuiert (ihr Druck herabgesetzt), und
der Einsatzabschnitt wird fest verschlossen, nachdem Arbeitsfluid
(erstes Medium) in die Wärmerohrleitung 101 gefüllt
ist. Das Arbeitsfluid in dieser Ausführungsform ist Wasser.
Die Siedetemperatur des Wassers ist in der normalen Atmosphäre
(1 atm) 100°C. Da der Druck der Wärmerohrleitung 101 jedoch
herabgesetzt ist (z. B. 0,01 atm) wird die Siedetemperatur des Arbeitsfluids
in der Wärmerohrleitung 101 5 bis 10°C.
Alkohol, Fluorkohlenwasserstoff, Freongas und so weiter können alternativ
als das Arbeitsfluid (erstes Medium) verwendet werden.
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Der
Kondensationsabschnitt 130 und die Ventilvorrichtung 150 der
Wärmerohrleitung 101 sind in dem Wasserbehälter 140 angeordnet.
Jeder Bestandteil (der beschrieben werden soll) der Abwärmesammelvorrichtung 100 ist
aus nichtrostendem Material mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit
gefertigt. Und die Bestandteile werden, nachdem die vorstehenden
Bestandteile zusammenmontiert sind, integral mit Füllmetall,
das auf Kontaktabschnitten oder Anschlussabschnitten bereitgestellt
ist, aneinander hartgelötet.
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Der
Verdampfungsabschnitt 110 ist aus Rohren 111,
Lamellen 112, Plattenelementen 113, 114, 115 und
so weiter zusammengesetzt. Jedes der Rohre (Durchgänge) 111 ist
in einer flachen Rohrform ausgebildet, und eine Längsachse
des Rohrs 111 erstreckt sich in einer vertikalen Richtung.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die vertikale Richtung nicht
auf eine Richtung beschränkt, die durch die Schwerkraft
definiert ist, sondern kann als eine Richtung definiert werden,
die im Allgemeinen senkrecht zu einem Boden des Fahrzeugs ist, auf
dem die Abwärmesammelvorrichtung montiert ist. Mehrere
Rohre 111 sind in einer Rechts-Links-Richtung in 2 oder 3 in
vorgegebenen Rohrabständen TP voneinander beabstandet.
Die Rohre 111 sind aus drei Rohrreihen zusammengesetzt,
von denen sich jede in der Auf-Abwärtsrichtung in 3 erstreckt.
Beide Längsenden der Rohre 111 sind jeweils an
den unteren und oberen Plattenelementen 113 und 114 befestigt,
von denen jedes mehrere Öffnungen hat. Mehrere Plattenlamellen 112,
die aus dünnem Plattenmaterial gefertigt sind, sind zwischen
Außenwänden der Rohre 111 angeordnet.
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Die
untere Behälterplatte 115 ist derart bereitgestellt,
dass sie dem unteren Plattenelement 113 und den unteren
Enden der Rohre 111 gegenüberliegt, so dass ein
unterer Sammelrohrabschnitt (zweiter Sammelrohrabschnitt) zwischen
der unteren Behälterplatte 115 und dem unteren
Plattenelement 113 ausgebildet wird. Ein Verbindungsabschnitt 116,
der zwischen der unteren Behälterplatte 115 und
dem unteren Plattenelement 113 ausgebildet ist, steht mit
jedem unteren Ende der Rohre 111 in Verbindung, so dass
das kondensierte Arbeitsfluid an jedes der Rohre 111 verteilt
wird.
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Eine
wärmeisolierende Platte (Isolationswand) 121 ist
in einer ähnlichen Weise bereitgestellt, so dass sie dem
oberen Plattenelement 14 und den oberen Enden der Rohre 111 gegenüber
liegt, so dass ein oberer Sammelrohrabschnitt (erster Sammelrohrabschnitt)
zwischen der wärmeisolierenden Platte 121 und
dem oberen Plattenelement 114 ausgebildet ist. Ein Verbindungsabschnitt 117,
der zwischen der wärmeisolierenden Platte 121 und
dem oberen Plattenelement 114 ausgebildet ist, steht mit jedem
oberen Ende der Rohre 111 in Verbindung, so dass das Arbeitsfluid
aus jedem der Rohre in dem Durchgang 117 gesammelt wird.
Ein Paar von Seitenplatten 118 ist auf beiden horizontalen
Seiten (der linken und rechten Seite) der Abwärmesammelvorrichtung 100 als
ein Verstärkungs- und Befestigungselement bereitgestellt.
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Ein
Abgasdurchgang für Abgas, der zum Beispiel einen rechteckigen
Querschnitt hat, ist in einem Raum ausgebildet, der von einem Umgebungselement
umgeben ist, das durch die oberen und unteren Plattenelemente 114 und 113 und
das Paar Seitenplatten 118 gebildet ist. Das Abgas strömt
in eine Richtung senkrecht zu dem Blatt von 2 durch den
Abgasdurchgang. Mit anderen Worten strömt das Abgas über
den Abgasdurchgang in einer Richtung senkrecht zu den Längsachsen
der mehreren Rohre durch den Verdampfungsabschnitt 110,
wie in einer durch einen Pfeil in 3 angezeigten
Richtung gezeigt.
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Der
Wasserbehälter (Durchgang für zweites Medium) 140 ist
aus einer Wasserbehälterplatte 141 mit einer flachen
Form und einem Wasserbehälterelement 142 mit einer
U-Form in seinem Querschnitt zusammengesetzt. Ein von der Wasserbehälterplatte 141 und
dem Behälterelement 142 definierter Innenraum
erstreckt sich in eine Richtung (Links-Rechts-Richtung in 2),
die mit den Richtungen der Rohrreihen 111 zusammenfällt.
Der Wasserbehälter 140 ist auf einer Oberseite
des Durchgangs 117 ausgebildet. Eine Einlassrohrleitung 143 für
das Kühlmittel ist an einem Ende (links in 2) des
Wasserbehälters 140 bereitgestellt, und eine Auslassrohrleitung 144 für
das Kühlmittel ist an dem anderen Ende (rechts in 2)
des Wasserbehälters 140 bereitgestellt. Der Kondensationsabschnitt 130 ist
im Inneren des Wasserbehälters 140 angeordnet.
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In
dem Kondensationsabschnitt 130 ist ein Fluiddurchgang derart
ausgebildet, dass er eine Form hat, die ähnlich einem so
genannten „Drawn-cup"-Wärmetauscher ist, wobei
der Kondensationsabschnitt 130 mehrere übereinander
angeordnete Rohre 133 umfasst. Jedes der mehreren Rohre
ist durch Verbindung von Paaren von Rohrplatten 131 und 132 gefertigt.
Die Rohre 133 umfassen mehrere Durchgangsabschnitte 133a und
ein Paar von Behälterabschnitten 133b und 133c an
beiden Längsenden der Durchgangsabschnitte 133a. Jeder
der Behälterabschnitte 133b und 133c steht durch
eine Öffnung an einer Verbindung in einer Aufbaurichtung
der Rohre 133 in Verbindung.
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Eine
Dampfeinlassrohrleitung 134 ist in dem Behälterabschnitt 133b bereitgestellt,
wobei ein Ende (ein unteres Ende) der Dampfeinlassrohrleitung 134 zusammengezogen
ist und mit dem Durchgang 117 verbunden ist, und sein anderes
Ende (ein oberes Ende) ausgedehnt und zu einem oberen Raum des Behälterabschnitts 133b geöffnet
ist. Der obere Durchgang 117 steht durch die Dampfeinlassrohrleitung 134 mit
dem Innenraum des Behälterabschnitts 133b in Verbindung
und steht ferner durch die Durchgangsabschnitte 133a der
Rohre 133 mit dem Behälterabschnitt 133c in
Verbindung. Wie vorstehend steht der obere Sammelrohrabschnitt 117 (das
obere Plattenelement 114 und die wärmeisolierende
Platte 121) des Verdampfungsabschnitts 110 über
die Dampfeinlassrohrleitung 134 mit dem Kondensationsabschnitt 130 in
Verbindung.
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Mehrere
Lufträume sind zwischen der wärmeisolierenden
Platte 121 mit Wellenform und der flach geformten Wasserbehälterplatte 141 ausgebildet, wobei
jeder Luftraum als ein Wärmeisolationsabschnitt 120 zwischen
dem Verdampfungsabschnitt 110 und dem Kondensationsabschnitt 130 wirkt.
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Der
Rückführungsabschnitt 160 für
kondensiertes Wasser 160 ist durch eine Rücklaufrohrleitung (Verbindungsabschnitt,
Rückführungsdurchgang) 161 und eine wärmeisolierende
Wand (Rückführungsdurchgangs-Wärmeisolationswand) 162 ausgebildet.
Die Rückführungsrohrleitung 161 ist eine einzelne
Rohrleitung mit einem kreisförmigen Querschnitt, deren
Längslänge fast gleich der der Rohre 111 ist.
Ein Ende (ein oberes Ende) der Rückführungsrohrleitung 161 erstreckt
sich durch den Durchgang 117 und steht mit einem Inneren
des Behälterabschnitts 133c des Kondensationsabschnitts 130 in Verbindung,
während ihr anderes Ende (ihr unteres Ende) mit dem Durchgang 116 (dem
unteren Sammelrohrabschnitt, der das untere Plattenelement 113 und
die untere Behälterplatte 115 umfasst) des Verdampfungsabschnitts 110 in
Verbindung steht. Die Rückführungsrohrleitung 161 ist
in einem Raum angeordnet, der in dem Verdampfungsabschnitt 110 (nämlich
in dem Bereich des Abgasdurchgangs) angeordnet ist, so dass die
Rückführungsrohrleitung 161 von dem benachbarten
Rohr 111, wie in 3 gezeigt,
um einen Abstand getrennt ist, der gleich dem vorgegebenen Rohrabstand
TP ist. Es sollte bemerkt werden, dass der Rohrabstand TP zum Beispiel
als eine Länge zwischen einer mittleren Längsachse
des Rohrs 111 und einer mittleren Längsachse des
benachbarten Rohrs 111 definiert ist. Wie aus 3 zu
erkennen, ist die Rückführungsrohrleitung 161 in
der Reihe der Rohre 111 an einer am weitesten stromabwärtig
gelegenen Position des Verdampfungsabschnitts 110 in einer
Strömungsrichtung des Abgases angeordnet. Alternativ kann
nicht nur eine Rückführungsrohrleitung, sondern
mehrere Rückführungsrohrleitungen (weniger als
die Anzahl der Rohre 111) bereitgestellt werden.
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Die
wärmeisolierende Wand 162 ist auf einer stromaufwärtigen
Seite der Rückführungsrohrleitung 161 in
der Strömungsrichtung des Abgases angeordnet. Die wärmeisolierende
Wand 162 ist in einer Halbkreisform ausgebildet oder hat
einen C-förmigen Querschnitt. Jedoch kann die wärmeisolierende Wand 162 in
einer Kreisform ausgebildet sein, so dass die wärmeisolierende
Wand 162 die Rückführungsrohrleitung 161 vollständig
bedeckt.
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Die
Ventilvorrichtung 150 ist in dem Behälterabschnitt 133c angeordnet
und bildet einen Verbindungsdurchgang zum Verbinden des Durchgangsabschnitts 133a des
Rohrs 133 mit der Rückführungsrohrleitung 161.
Die Ventilvorrichtung 150 ist eine Membranventil-Steuervorrichtung
zum Steuern eines Ventilöffnungsgrads entsprechend einem
inneren Fluiddruck (Druck des Arbeitsfluids) in der Wärmerohrleitung 101.
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Die
Ventilvorrichtung 150 ist von einer Oberseite des Wasserbehälters 140 in
den Behälterabschnitt 133c eingesetzt, so dass
ein äußerer Umfangsabschnitt ihres unteren Endes
sich durch den Behälterabschnitt 133c und die
Wasserbehälterplatte 141 erstreckt. Der Außenumfangsabschnitt
des unteren Endes der Ventilvorrichtung 150 ist in Kontakt
mit der wärmeisolierenden Platte 121 gebracht
und umgibt das Öffnungsende der Rückführungsleitung 161. Die
Ventilvorrichtung 150 ist in der Wärmerohrleitung 101 auf
einer stromabwärtigen Seite des Kondensationsabschnitts 130 in
einer Zirkulationsrichtung des Arbeitsfluids angeordnet.
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Wie 4 und 5 gezeigt,
ist die Ventilvorrichtung 150 aus einem Gehäusekörper 150A zusammengesetzt,
der ein oberes Gehäuse 151 und ein unteres Gehäuse 152,
eine Membran 153, eine Feder 154 und einen Ventilkörper 155 hat.
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Der
Gehäusekörper 150A ist in einer zylindrischen
Form ausgebildet und hat an seinem Zwischenabschnitt einen Abschnitt
mit großem Durchmesser. Eine Luftöffnung 151a ist
an einem oberen Ende des oberen Gehäuses 151 bereitgestellt,
um das Innere des Gehäusekörpers 150A mit
der Umgebungsluft zu verbinden. Eine Wassereinlassöffnung 152a ist
an einer Seitenwand des unteren Gehäuses 152 bereitgestellt
oder gebohrt, durch die das kondensierte Wasser ins Innere des Gehäusekörpers 150A strömt.
Eine Wasserauslassöffnung 152b, durch die das
kondensierte Wasser aus dem Gehäusekörper 150A strömt,
ist an einem unteren Ende des unteren Gehäuses 152 bereitgestellt.
Eine Wasserauslassöffnung 152b ist an einem unteren
Ende des unteren Gehäuses 152 bereitgestellt,
durch das das kondensierte Wasser aus dem Gehäusekörper 150A strömt.
Die Wasserauslassöffnung 152b ist mit dem oberen
Ende der Rückführungsrohrleitung 161 verbunden.
Das untere Gehäuse 152 umfasst einen Schieberabschnitt
(Ventilsitz) 152, der eine Öffnung 152d zwischen
den Wassereinlass- und Auslassöffnungen 152a und 152b des
unteren Gehäuses hat.
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Die
Membran (Antriebsabschnitt) 153 ist zwischen den oberen
und unteren Gehäusen 151 und 152 angeordnet,
um eine Antriebskraft auf den Ventilkörper 155 anzuwenden.
Die Feder 154 ist zwischen dem oberen Gehäuse 151 und
der Membran 153 zum Vorspannen der Membran 153 nach
unten angeordnet. Die Membran 153 wird wie in 4 und 5 entsprechend
einer Kraft nach oben oder nach unten bewegt, die zwischen (a) einer
Kraft nach unten (die Federkraft F und der Umgebungsdruck Pa, der
durch die Luftöffnung 151a ins Innere des oberen Gehäuses 151 eingeführt
wird) und (b) einer Kraft nach oben ausbalanciert ist. Die Kraft
nach oben wird von dem Innendruck Pi des Arbeitsfluids in der Wärmerohrleitung 101 (Kondensationsabschnitt 130)
erzeugt, wobei das Arbeitsfluid durch die Wassereinlassöffnung 152a in
das untere Gehäuse 152 eingeleitet wird.
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Der
Ventilkörper 155 ist aus einer flachen Scheibe
ausgebildet, und entgegengesetzt zu der unteren Seite des Schieberabschnitts 152c angeordnet.
Der Ventilkörper 155 ist über eine Verbindungsstange 155a,
die in die Öffnung 152d eingesetzt ist, integral
mit der Membran 153 verbunden. Folglich wird der Ventilkörper 155 zusammen
mit der Membran 153 nach oben oder unten bewegt, um die Öffnung 152d des
Schieberabschnitts 152c zu öffnen oder zu schließen.
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Insbesondere
wenn der Innendruck Pi des Arbeitsfluids erhöht wird, so
dass er einen ersten vorgegebenen Wert Pi1 bei einer vorgegebenen
Temperatur (z. B. 70°C) des Motorkühlmittels übersteigt, schließt
die Ventilvorrichtung ihren Durchgang. Wenn andererseits der Innendruck
Pi verringert wird, so dass er niedriger als ein zweiter vorgegebener
Druck Pi2 wird, der niedriger als der erste vorgegebene Wert Pi1
ist, öffnet die Ventilvorrichtung ihren Durchgang. Auf
den ersten vorgegebenen Druck Pi1 wird auch als ein Ventilschließdruck
Bezug genommen, und auf den zweiten vorgegebenen Druck Pi2 wird auch
als in Ventilöffnungsdruck Bezug genommen.
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Das
kennzeichnende Merkmal des Ventilöffnens und Schließens
für den Ventilkörper 155 in der Ventilvorrichtung 150 wird
weiter erklärt. 6 zeigt die Beziehung zwischen
der Temperatur des Kühlmittels für den Motor 10 und
dem Innendruck Pi der Wärmerohrleitung 101 in
Bezug auf die Wärmemenge des Abgases. Der Innendruck Pi
der Wärmerohrleitung 101 wird erhöht,
wenn die Temperatur des Motorkühlmittels erhöht
wird. Der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung wird auch
erhöht, wenn die Wärmemenge des Abgases erhöht
wird. Die Wärmemenge des Abgases variiert abhängig
von dem Betriebszustand des Motors, so dass die Wärmemenge
bei einem Hochlastmotorbetrieb höher wird, während
die Wärmemenge bei einem Niederlastmotorbetrieb niedriger
wird.
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Wie
in 7 gezeigt, hat der Ventilöffnungs- und
Schließbetrieb der Ventilvorrichtung 150 eine Hysterese.
Nämlich schließt die Ventilvorrichtung 150 ihren
Durchgang oder wird geschlossen bei dem ersten vorgegebenen Druck
Pi1 für den Innendruck, der durch die Wärmemenge
während eines Mittellastmotorbetriebs bei der Temperatur
von 70°C des Motorkühlmittels erreicht wird. Und
die Ventilvorrichtung 150 öffnet ihren Durchgang
oder wird geöffnet bei dem zweiten vorgegebenen Druck Pi2
für den Innendruck, der von der Wärmemenge während
eines Motorleerlaufbetriebs bei der Temperatur von 70°C des
Motorkühlmittels erreicht wird. Das Wasser wird als das
Arbeitsfluid für die Wärmerohrleitung 101 in dieser
Ausführungsform verwendet. Daher wird der erste vorgegebene
Druck Pi1 entsprechend der Temperatur des Kühlmittels für
den Motor 10 und der Wärmemenge des Abgases als
ein Wert von 0,1 MPa ausgewählt, während der zweite
vorgegebene Druck Pi2 als ein Wert von 0,05 MPa ausgewählt
wird.
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Die
Temperatur des gesättigten Dampfs für das Wasser
entspricht 100°C bei dem Innendruck Pi von 0,1 MPa. In
den meisten Fällen wird das Motorkühlmittel von
dem Strahler 21 auf um die 100°C gesteuert. Wenn
daher der Innendruck Pi höher als 0,1 MPa ist, wird ein
Betrieb zum Sammeln der Abwärme aus dem Abgas durch das
Motorkühlmittel gestoppt, indem der Ventilkörper 155 geschlossen
wird oder indem der Ventilkörper 155 in eine Schließposition nahe
dem Verbindungsabschnitt 161 verschoben wird, wie nachstehend
erklärt. Auch entspricht die Temperatur des gesättigten
Dampfs für das Wasser bei dem Innendruck Pi von 0,05 MPa
80°C. Der Betrieb zum Sammeln der Abwärme aus
dem Abgas durch das Motorkühlmittel wird aktiv ausgeführt,
indem der Ventilkörper 155 geöffnet wird
oder indem der Ventilkörper 155 in eine Öffnungsposition
verschoben wird, um den Verbindungsabschnitt 161 zu öffnen,
wenn der Innendruck Pi zwischen 0,05 MPa und 0,1 MPa ist (die Temperatur
des Motorkühlmittels ist zwischen 80 und 100°C).
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Gemäß der
Abwärmesammelvorrichtung 100 der vorstehenden
Ausführungsform ist der Verdampfungsabschnitt 100 in
der Abgasrohrleitung 11 auf einer stromabwärtigen
Seite des Katalysators 12 angeordnet, und die Einlass-
und Auslassrohrleitungen 143 und 144 des Wasserbehälters 140 sind
mit dem Abwärmesammelkreis 30 verbunden (1).
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Nun
wird ein Betrieb der Abwärmesammelvorrichtung 100 gemäß der
vorstehenden Struktur erklärt.
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Wenn
der Motorbetrieb gestartet wird, wird die Wasserpumpe 22 durch
den Motor 10 aktiviert, so dass das Motorkühlmittel
seine Zirkulation in dem Strahlerkreis 20, der Abwärmesammelvorrichtung 30 und
dem Heizungskreis 40 beginnt. Das in dem Motor 10 verbrannte
Abgas strömt durch den Katalysator 12 in der Abgasrohrleitung 11 und
wird in die Atmosphäre abgegeben, wobei das Abgas den Verdampfungsabschnitt 110 (den
Abgasdurchgang, der durch die Plattenelemente 113, 114, 118 definiert
ist) der Abwärmesammelvorrichtung 100 durchläuft.
Das in dem Abwärmesammelkreis 30 zirkulierende
Motorkühlmittel strömt durch den Wasserbehälter 140 (den
Kondensationsabschnitt 130) der Abwärmesammelvorrichtung 100.
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Nachdem
der Motor 10 gestartet wurde, nimmt die Temperatur des
Motorkühlmittels, wie in 8B gezeigt,
zu, der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung 101 wird
allmählich, wie in 8A gezeigt,
erhöht, und die Wärmemenge des Abgases variiert
abhängig von der Motorlast, wie in 8C gezeigt.
Folglich variiert der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung
in einem Fahrzeug mit gewöhnlichem Motor entsprechend den
verschiedenen Motorbetriebsbedingungen, wie etwa einer Fahrzeugbeschleunigung,
einer Fahrzeugverlangsamung, einem Fahrzeughalt und so weiter (wie
durch Projektionspunkte in 8A gezeigt).
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Wenn
der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung 101 niedriger
als der Ventilschließdruck Pi1 ist, öffnet der
Ventilkörper 155 der Ventilvorrichtung 150 die Öffnung 152d,
wie bereits unter Bezug auf 7 erklärt.
Daher nimmt das Wasser (Arbeitsfluid) in der Wärmerohrleitung 101 an
dem Verdampfungsabschnitt 110 die Wärme aus dem
Abgas auf, das durch die Abgasrohrleitung 11 strömt,
um die Verdampfung zu beginnen. Das Arbeitsfluid (Wasserdampf) strömt in
den Rohren 111 aufwärts und strömt durch
den Durchgang 117 und die Dampfeinlassrohrleitung 134 in
den Kondensationsabschnitt 130 (den Behälterabschnitt 133b und
den Zwischendurchgangsabschnitt 133a). Der in den Kondensationsabschnitt 130 strömende
Wasserdampf wird dann durch das Motorkühlmittel, das aus
der Abwärmesammelvorrichtung 30 in den Wasserbehälter 140 strömt,
abgekühlt und zu kondensiertem Wasser kondensiert. Das
kondensierte Wasser strömt durch die Wassereinlassöffnung 152a der
Ventilvorrichtung 150, die durch den Ventilkörper 155 geöffnete Öffnung 152d,
die Wasserauslassöffnung 152b und die Rückführungsrohrleitung 161 in
den Durchgang 116 des Verdampfungsabschnitts 110.
Das durch die Rückführungsrohrleitung 161 strömende
kondensierte Wasser wird durch die wärmeisolierende Wand 162 davon
abgehalten, aufgrund der Wärme aus dem Abgas zu verdampfen, und
dadurch wird eine ruhige Zirkulation des Arbeitsfluids realisiert.
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Wie
vorstehend wird die Wärme von dem Abgas auf das Arbeitsfluid übertragen
und von dem Verdampfungsabschnitt 110 an den. Kondensationsabschnitt 130 weitergeleitet.
Die Wärme wird als latente Kondensationswärme
abgegeben, wenn der Wasserdampf an dem Kondensationsabschnitt 130 zu
dem Wasser kondensiert wird, so dass das durch den Abwärmesammelkreis 30 strömende
Motorkühlmittel geheizt wird. Folglich wird der Aufwärmbetrieb
des Motors 10 erleichtert. Ein Reibungsverlust in dem Motor 10 wird
dadurch verringert. Außerdem kann durch eine Verringerung
des Reibungsverlusts des Motors 10, eine Erhöhung
der Brennstoffmenge, die andernfalls notwendig ist, um einen reibungslosen Startbetrieb
ebenso wie einen schnellen Aufwärmbetrieb für
den Motor zu verbessern, unterdrückt werden. Als ein Ergebnis
wird ein Brennstoffverbrauchsverhältnis verbessert. Außerdem
wird eine Heizleistung durch den Heizungskern 41 verbessert.
Auch wird etwas von der Wärme aus dem Abgas von dem Verdampfungsabschnitt 110 durch
Wärmeleitung durch die Außenwandfläche
der Wärmerohrleitung 101 an den Kondensationsabschnitt 130 weitergeleitet.
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Wenn
der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung 101 den
Ventilschließdruck Pi1 übersteigt, wie in 8 durch einen Punkt A gezeigt, schließt
der Ventilkörper 155 vorübergehend die Öffnung 152d.
Das kondensierte Wasser wird dadurch davon abgehalten, in die Rückführungsrohrleitung 161 zu
strömen, so dass die Zirkulation des Arbeitsfluids in der
Wärmerohrleitung 101 gestoppt wird. Nämlich
wird das Sammeln der Abwärme gestoppt. Dann wird der Innendruck
Pi der Wärmerohrleitung 101 gesenkt. Wenn der
Innendruck Pi niedriger als der Ventilöffnungsdruck Pi2
wird, wie durch einen Punkt B in 8 angezeigt, öffnet
der Ventilkörper 155 die Öffnung 152d wieder,
um den Betrieb des Abwärmesammelns wieder zu starten.
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Wenn
die Temperatur des Motorkühlmittels nach dem Punkt B (bei
dem Zeitpunkt t1 in 8B) 70°C übersteigt
und wenn der Innendruck Pi höher als der Ventilschließdruck
Pi1 wird, wie durch einen Punkt C in 8A angezeigt,
schließt der Ventilkörper 155 die Öffnung 152d erneut.
Als ein Ergebnis wird der Innendruck Pi aufgrund des Betriebsstopps des
Betriebs der Wärmerohrleitung 101 gesenkt. Solange
der Motor 10 in seinem Betrieb ist, wird die Wärmemenge
des Abgases nicht niedriger als beim Motorleerlaufbetrieb. Dies
bedeutet, dass der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung 101 nicht
niedriger wird als der Ventilöffnungsdruck Pi2. Daher wird
die Öffnung 152d danach durch den Ventilkörper 155 nicht
geöffnet, und der Betrieb für das Abwärmesammeln
wird fortgesetzt gestoppt.
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Wenn
der Motor 10 gestoppt ist, gibt es keine Wärmemenge
des Abgases mehr, und die Temperatur des Motorkühlmittels
wird ebenfalls gesenkt. Der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung 101 wird
dadurch verringert, so dass er niedriger als der Ventilöffnungsdruck
Pi2 ist, und der Ventilkörper 155 öffnet die Öffnung 152d,
um das nächste Abwärmesammeln zu ermöglichen.
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Wie
vorstehend ist die Ventilvorrichtung 150 gemäß der
Abwärmesammelvorrichtung 100 der vorliegenden
Ausführungsform in der Zirkulationsrichtung des Arbeitsfluids
auf der stromabwärtigen Seite des Kondensationsabschnitts 130 angeordnet.
Die Ventilvorrichtung 150 ist aus der Membran 153 und dem
Ventilkörper 155 zusammengesetzt, der sich integral
mit der Membran 153 bewegt, um den Durchgang in der Wärmerohrleitung 101 zu öffnen
und zu schließen. Die Membran 153 dient als ein
Antriebsabschnitt, der betätigt oder betrieben wird, wenn
der Antriebsabschnitt den Innendruck Pi in der Wärmerohrleitung 101 abtastet.
Folglich ist die Struktur der Ventilvorrichtung 150 einfacher
als die in der Beschreibung der verwandten Technik. Da außerdem
der Betrieb der Abwärmesammelvorrichtung abhängig
von dem Innendruck Pi gestoppt wird, der entsprechend der Temperatur
des Motorkühlmittels und der Wärmemenge des Abgases
bestimmt wird, kann ein Überhitzen des Motorkühlmittels
durch das Abgas vermieden werden. Nämlich, da die Ventilvorrichtung 150 die
Strömungsmenge des Arbeitsfluids von dem Kondensationsabschnitt 130 zu
dem Verdampfungsabschnitt 110 einstellt, wird das übermäßige Ansammeln
einer Wärmemenge vermieden, und dadurch kann eine Überhitzung
des Motors vermieden werden.
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Außerdem
ist der Ventilkörper 155 mit einer Hysteresecharakteristik
für den Öffnungs- und Schließbetrieb
versehen. Nämlich wird die Öffnung 152d geschlossen,
wenn der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung 101 höher
als der Ventilschließdruck Pi1 ist, während die Öffnung 152d geöffnet
wird, wenn der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung 101 niedriger
als der Ventilöffnungsdruck Pi2 ist. Folglich kann ein
Pendeln zwischen der Ventilschließposition und der Ventilöffnungsposition
des Ventilkörpers 155 verhindert werden, selbst
wenn eine kleine Veränderung des Innendrucks Pi der Wärmerohrleitung 101 stattfindet.
Als ein Ergebnis können ein stabiler Betrieb für
das Abwärmesammeln und ein stabiler Stoppbetrieb des Abwärmesammelns
realisiert werden.
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Die
Abwärmesammelvorrichtung 100 der vorliegenden
Erfindung kann auf ein hybrides Elektrofahrzeug angewendet werden.
In dem hybriden Elektrofahrzeug wird der Motorbetrieb häufig
zeitweise gestoppt, selbst wenn das Fahrzeug läuft. Daher kann
die Temperatur des Motorkühlmittels während des
Laufens des Fahrzeugs verringert sein. Der Innendruck Pi der Wärmerohrleitung 101 variiert
in einer im Vergleich zu einem normalen Fahrzeug komplizierteren Weise,
so dass der Start und Stopp des Abwärmesammelbetriebs häufiger
wiederholt werden können als im normalen Fahrzeug. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Überhitzung des Motorkühlmittels
jedoch ebenso verhindert, und die Überhitzung des Motors
für das hybride elektrische Fahrzeug kann sicher verhindert
werden.
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform werden in dem Verdampfungsabschnitt 110 mehrere Rohre 111 bereitgestellt,
so dass ein Wärmeaufnahmebereich in Bezug auf das Abgas
vergrößert wird, um die Verdampfung des Arbeitsfluids
an dem Verdampfungsabschnitt 110 zu erleichtern. Die Wärmeübertragungsmenge
von dem Verdampfungsabschnitt 110 an den Kondensationsabschnitt 130 wird dabei
erhöht.
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Außerdem
ist der Wärmeisolationsabschnitt 120 zwischen
dem Verdampfungsabschnitt 110 und dem Kondensationsabschnitt 120 bereitgestellt,
so dass der Verdampfungsabschnitt 110 davon abgehalten
wird, von dem durch den Kondensationsabschnitt 130 strömenden
Motorkühlmittel abgekühlt zu werden. Daher wird
der Kondensationsbetrieb in dem Verdampfungsabschnitt 110 unterdrückt.
Eine passende Wärmeübertragung kann realisiert
werden, selbst wenn der Kondensationsabschnitt 130 dicht
an und auf der oberen Seite des Verdampfungsabschnitts 110 bereitgestellt
wird. Der wärmeisolierende Abschnitt 120 wird
durch die mehreren Lufträume gebildet, die gebildet werden,
indem die wärmeisolierende Platte 121 zwischen
dem Verdampfungsabschnitt 110 und dem Kondensationsabschnitt 130 bereitgestellt
wird. Der vorstehende Luftraum stellt eine wärmeisolierende
Wirkung bereit. Als ein Ergebnis wird der wärmeisolierende
Abschnitt 120 mit einer einfachen Struktur ausgebildet.
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Außerdem
wird die Länge in Längsrichtung der Rückführungsrohrleitung 161 fast
gleich der der Rohre 111 gemacht, so dass der Kondensationsabschnitt 130 in
einer kompakten Weise an den Verdampfungsabschnitt 110 montiert
werden kann. Außerdem ist die Rückführungsrohrleitung 161 in
dem Raum angeordnet, der in dem Verdampfungsabschnitt 110 (dem
Abgasdurchgangsbereich) zusammen mit mehreren Rohren 111 definiert
ist, so dass die Rückführungsrohrleitung 161 mit
den mehreren Rohren 111 zusammenmontiert werden kann. Als
ein Ergebnis wird ein Herstellungsverfahren für die Abwärmesammelvorrichtung 100 einfacher
gemacht.
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Außerdem
ist die wärmeisolierende Wand 162 in Richtung
des Abgasstroms wenigstens auf der stromaufwärtigen Seite
der Rückführungsrohrleitung 161 bereitgestellt,
so dass die Wärmeübertragung von dem Abgas auf
das kondensierte Wasser, das durch die Rückführungsrohrleitung 161 strömt,
unterdrückt wird. Daher kann die Verdampfung des kondensierten
Wassers in der Rückführungsrohrleitung 161 unterdrückt
werden, um einen reibungslosen Rückstrom des kondensierten
Wassers von dem Kondensationsabschnitt 130 zu dem Verdampfungsabschnitt 110 zu
erreichen.
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Außerdem
ist die Rückführungsrohrleitung 161 stromabwärtig
von der Rohrreihe 111 in der Abgasströmungsrichtung
angeordnet. Da das Abgas das Wasser in den mehreren Rohren 111 heizt,
wird die Temperatur des Abgases niedriger, wenn das Abgas in die
stromabwärtige Richtung strömt. Folglich wird
die Verdampfung des kondensierten Wassers in der Rückführungsrohrleitung 161 weiter
unterdrückt.
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Wie
vorstehend kann die Abwärmesammelvorrichtung 100 erhalten
werden, die eine hohe Leistung für die Wärmeübertragung
hat, die eine kompakte Größe hat und die ein übermäßiges
Sammeln der Abwärme mit einer einfachen Struktur vermeiden kann.
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Gemäß der
ersten Ausführungsform wird der Ventilschließdruck
des Ventilkörpers 155 für die Ventilvorrichtung 150 als
der Wert von 0,1 MPa ausgewählt, während sein
Ventilöffnungsdruck als der Wert von 0,05 MPa ausgewählt
wird. Jedoch können andere Werte für die Ventilschließ-
und Öffnungsdrücke ausgewählt werden.
Zum Beispiel kann der Ventilöffnungsdruck als der Wert
von 0,6 kPa ausgewählt werden, während der Ventilschließdruck
auf dem gleichen Wert von 0,1 MPa mit der Temperatur des gesättigten
Dampfs für Wasser in der Wärmerohrleitung 101 als
die obere Grenze bleiben kann. In dem Fall, in dem der Ventilöffnungsdruck
als der Wert von 0,6 kPa ausgewählt wird, entspricht die
Temperatur des gesättigten Dampfs für das Wasser
0°C. Da das Wasser über dieser Temperatur (über
diesem Druck) nicht gefroren sein kann, kann dieser Wert (0,6 kPa) als
eine der grundlegenden Bedingungen zum Durchführen des
Wärmeübertragungsbetriebs betrachtet werden. Mit
anderen Worten, da das Wasser über diesem Druck nicht gefroren
werden kann, kann dieser Wert als eine der Bedingungen zum Durchführen
der grundlegenden Wärmeübertragung durch die Verdampfung
und Kondensation in der Wärmerohrleitung 101 betrachtet
werden. In dem Fall von 0,6 kPa für den Ventilöffnungsdruck
kann der Bereich des Abwärmesammelbetriebs in Bezug auf
das Kühlmittel auf seinen Maximalwert vergrößert
werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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9 zeigt
eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Ventilvorrichtung 150 der zweiten Ausführungsform
unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform darin,
dass an dem Schieberabschnitt 152 eine winzige Öffnung 152e bereitgestellt
ist. Gemäß einer derartigen Modifikation kann,
selbst wenn die Öffnung 152d durch den Ventilkörper 155 ganz
geschlossen ist, eine kleine Menge an kondensiertem Wasser von dem
Kondensationsabschnitt 130 zu dem Verdampfungsabschnitt 110 zurückkehren.
In dem Fall, in dem der Motor 10 in seiner Hochlast arbeitet,
aber der Strahler 21 eine zusätzliche Übertragung
(z. B. zusätzliche Kapazität) für den
Kühlbetrieb hat, wird der Abwärmesammelbetrieb
durch die Zirkulation des Arbeitsfluids durch die winzige Öffnung 152 ausgeführt.
Die Größe der winzigen Öffnung 152e wird
abhängig von der zusätzlichen Übertragung
an dem Strahler 21 bestimmt, so dass die Überhitzung
vermieden werden kann, selbst wenn die gewisse Menge an Arbeitsfluid durch
die winzige Öffnung 152 zirkuliert wird.
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Wie
vorstehend kann die kleine Menge an kondensiertem Fluid von dem
Kondensationsabschnitt 130 durch die winzige Öffnung 152 zirkuliert werden,
selbst wenn die Öffnung 152d von dem Ventilkörper 155 vollständig
geschlossen ist. Da das kondensierte Fluid von dem Kondensationsabschnitt 130 zu
dem Verdampfungsabschnitt 110 strömt, kann der Verdampfungsabschnitt 110 gekühlt
werden, um dadurch die Wärmebeständigkeitsleistungsfähigkeit
der Abwärmesammelvorrichtung 100 zu verbessern.
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(Dritte Ausführungsform)
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10 zeigt
eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Membranventilvorrichtung 150 der ersten Ausführungsform
wird durch eine Ventilvorrichtung 170 vom Warmwachstyp
ersetzt, wobei die Ventilvorrichtung 170 den Durchgang
abhängig von der Temperatur des Motorkühlmittels öffnet
und schließt.
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Um
genau zu sein, ist die Ventilvorrichtung 170 aus einem
Warmwachsabschnitt 171, einer Verbindungsstange 172 und
einem Balg 173 zusammengesetzt. Ein Wachs ist in den Warmwachsabschnitt 171 gefüllt,
der abhängig von der Temperatur des Kühlmittels
ausgedehnt und zusammengezogen wird. Ein Ende (oberes Ende) der
langen schmalen Verbindungsstange 172 ist in den Warmwachsabschnitt 171 eingesetzt,
und das andere Ende ist nach unten verlängert. Die Verbindungsstange 172 wird wie
in 10 abhängig von der Ausdehnung und dem
Zusammenziehen des Wachses nach unten oder nach oben bewegt. Das
heißt, die Verbindungsstange 172 gleitet aufgrund
der Ausdehnung des Wachses nach unten und gleitet aufgrund des Zusammenziehens
des Wachses nach oben. Der Warmwachsabschnitt 171 und die
Verbindungsstange 172 dienen als ein Antriebsabschnitt
für die Ventilvorrichtung 170.
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Der
Balg 173 wirkt als ein Ventilkörper für
die Ventilvorrichtung 170. Der Balg 173 ist aus
Metall in der Form eines flexiblen Faltenelements gefertigt, und
ist in einer Längsrichtung dehnbar. Ein Ende (oberes Ende)
des Balgs 173 hat ein offenes Ende, und das andere Ende
(unteres Ende) ist geschlossen. Die Verbindungsstange 172 und
der Warmwachsabschnitt 171 sind in das obere offene Ende des
Balgs 173 eingesetzt, und das untere Ende der Verbindungsstange 172 ist
mit dem unteren Ende des Balgs 173 verbunden. Das untere
Ende des Warmwachsabschnitts 171 ist in dem Balg 173 untergebracht
oder aufgenommen. Sein oberes Ende steht ins Äußere
des Balgs 173 vor. Der Warmwachsabschnitt 171 ist
mit dem offenen Ende des Balgs 173 verbunden, um das offene
Ende zu schließen, und dort befestigt. Mehrere Verbindungsöffnungen 174 (zum
Beispiel zwei Verbindungsöffnungen 174) sind nahe
dem unteren Ende des Warmwachsabschnitts 171 des Balgs 173 bereitgestellt,
um das Innere des Balgs 173 mit dessen Äußerem
zu verbinden.
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Die
Ventilvorrichtung 170 ist in dem Behälterabschnitt 133c des
Kondensationsabschnitts 130 angeordnet, so dass der Warmwachsabschnitt 171 auf der
oberen äußeren Seite des Behälterabschnitts 133c angeordnet
ist und die Verbindungsöffnungen 174 sich zu dem
Raum außerhalb des Behälterabschnitts 133c öffnen.
Das untere Ende des Balgs 173 ist derart angeordnet, dass
es entgegengesetzt zu einem Ventilsitz ist, der in der Wasserbehälterplatte 141 ausgebildet
ist, an der der Behälterabschnitt 133c mit der
Rückführungsrohrleitung 161 verbunden
ist.
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Der
obere Abschnitt des Warmwachsabschnitts 171 ist dem Motorkühlmittel
in dem Wasserbehälter 140 ausgesetzt. Das Kühlmittel
strömt durch die Verbindungsöffnungen 174 ins
Innere des Balgs 173, so dass der untere Abschnitt des
Warmwachsabschnitts 171 ebenso wie die Verbindungsstange 172 dem
Kühlmittel ausgesetzt sind.
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Wenn
die Temperatur des Kühlmittels niedrig ist, wird das Wachs
des Warmwachsabschnitts 171 zusammengezogen, und die Verbindungsstange 172 wird
folglich gleitend in die Aufwärtsrichtung bewegt. Das untere
Ende des Balgs 173 wird ebenfalls zusammen mit der Verbindungsstange 172 gleitend nach
oben bewegt, so dass die Ventilvorrichtung 170 den Durchgang
der Rückführungsrohrleitung 161 öffnet.
Nämlich wird der Kondensationsabschnitt 130 mit
der Rückführungsrohrleitung 161 verbunden,
um den Abwärmesammelbetrieb durch die Vorrichtung 100 auszuführen.
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Wenn
die Temperatur des Kühlmittels erhöht wird, wird
das Wachs des Warmwachsabschnitts 171 ausgedehnt, und die
Verbindungsstange 172 wird gleitend in die Abwärtsrichtung
bewegt. Das untere Ende des Balgs 173 wird ebenfalls zusammen
mit der Verbindungsstange 172 gleitend nach unten bewegt.
Die Ventilvorrichtung 170 schießt den Durchgang
oder die Öffnung der Rückführungsrohrleitung 161,
wenn die Temperatur des Kühlmittels eine vorgegebene Temperatur übersteigt.
Folglich wird die Verbindung zwischen dem Kondensationsabschnitt 130 und
dem Verdampfungsabschnitt 110 abgeschnitten, um den Abwärmesammelbetrieb
durch die Vorrichtung 100 zu beenden.
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Wie
vorstehend wird gemäß der dritten Ausführungsform
der Start oder Stopp des Abwärmesammelbetriebs abhängig
von der Temperatur des Kühlmittels ausgeführt,
so dass die Temperatursteuerung des Kühlmittels einfacher
wird. Da das Kühlmittel außerdem durch die Verbindungsöffnungen 174 ins
Innere des Balgs 173 strömt, wird der gesamte
Warmwachsabschnitt 171 (und die Verbindungsstange 172)
dem Kühlmittel ausgesetzt. Als ein Ergebnis wird der Ventilöffnungs-
und Schließbetrieb des Ventilkörpers (Balg 173)
nicht durch die Temperatur des Arbeitsfluids beeinträchtigt.
Daher kann eine genauere Steuerung des Ventilöffnungs-
und Schließbetriebs abhängig von der Temperatur
des Kühlmittels realisiert werden.
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(Vierte Ausführungsform)
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11 zeigt
eine vierte Ausführungsform der Erfindung. In der Abwärmesammelvorrichtung 100 gemäß der
vierten Ausführungsform ist eine Position des Kondensationsabschnitts 130 relativ
zu dem Verdampfungsabschnitt 110 im Vergleich zu der ersten
Ausführungsform modifiziert. In der vierten Ausführungsform
werden die gleichen Bezugszahlen verwendet, um die gleichen oder ähnliche
Teile und Vorrichtungen der ersten Ausführungsform zu bezeichnen.
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Die
Rohre 133 des Kondensationsabschnitts 130 sind
parallel zu den Rohren 111 des Verdampfungsabschnitts 110 angeordnet.
Nämlich erstrecken sich die Rohre 133 vertikal,
und der Kondensationsabschnitt 130 ist auf einem horizontalen
Seitenabschnitt (rechte Seite in 11) des
Verdampfungsabschnitts 110 angeordnet.
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In
der vierten Ausführungsform ist jedes der Rohre 111 des
Verdampfungsabschnitts 110 ein Plattenrohr, das aus einem
Paar Plattenelemente gefertigt ist, und zwischen den benachbarten
Rohren 111 sind geriffelte Lamellen 112 angeordnet.
Ein unterer Sammelrohrabschnitt 113A mit einer zylindrischen Form
ist an den unteren Enden der jeweiligen Rohre 111 bereitgestellt,
um den unteren Durchgang 116 zu bilden. In der gleichen
Weise ist ein oberer Sammelrohrabschnitt 114A mit einer
zylindrischen Form an den oberen Enden der jeweiligen Rohre 111 bereitgestellt,
um den oberen Durchgang 117 zu bilden.
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Das
Paar Seitenplatten 118 ist auf beiden horizontalen Seiten
des Verdampfungsabschnitts 110 bereitgestellt. Eine obere
Platte 119a und eine untere Platte 119b sind auf
beiden vertikalen Seiten des Verdampfungsabschnitts 110 bereitgestellt.
Der Abgasdurchgang mit einer rechteckigen Form ist durch diese Platten 118, 119a und 119b ausgebildet.
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An
einer Verbindung zwischen dem oberen Sammelrohrlabschnitt 114A des
Verdampfungsabschnitts 110 und dem Behälterabschnitt 133b des Kondensationsabschnitts 130 ist
die Dampfeinlassrohrleitung 134 der ersten Ausführungsform
nicht bereitgestellt. Daher ist der obere Sammelrohrabschnitt 114A direkt
mit dem Behälterabschnitt 133b verbunden.
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Die
Ventilvorrichtung 150 ist an dem unteren Ende des Kondensationsabschnitts 130 bereitgestellt und
mit dem unteren Behälterabschnitt 133c (Behälter
auf der stromabwärtigen Seite) verbunden. Die Wasserauslassöffnung 152b der
Ventilvorrichtung 150 ist direkt mit dem unteren Sammelrohrabschnitt 113A des
Verdampfungsabschnitts 110 verbunden.
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Der
Betrieb und die Ergebnisse der Abwärmesammelvorrichtung 100 der
vierten Ausführungsform sind die gleichen wie die in der
ersten Ausführungsform. Außerdem ist die Längsrichtung
der Rohre 133 des Kondensationsabschnitts 130 in
der gleichen Richtung wie die Rohre 111 des Verdampfungsabschnitts 110 angeordnet,
und der Kondensationsabschnitt 130 ist auf der horizontalen
Seite des Verdampfungsabschnitts angeordnet. Folglich kann der untere
Sammelrohrabschnitt 113A des Verdampfungsabschnitts 110 derart
angeordnet sein, dass er dem Behälterabschnitt 133c (Ventilvorrichtung 150) des
Kondensationsabschnitts 130 gegenüber liegt. Als
ein Ergebnis kann die Rückführungsrohrleitung 161 (zusammen
mit der wärmeisolierenden Wand 162) der ersten
Ausführungsform eliminiert werden, was es möglich
macht, die stromabwärtige Seite des Kondensationsabschnitts 130 mit
der stromaufwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 110 zu
verbinden, wodurch die Anzahl der Komponenten verringert wird.
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(Fünfte Ausführungsform)
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12 zeigt
eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der Abwärmesammelvorrichtung 100 gemäß der
fünften Ausführungsform ist im Vergleich zu der
vierten Ausführungsform der Fluidverbindungsabschnitt zum
Verbinden des Verdampfungsabschnitts 110 mit dem Kondensationsabschnitt 130 modifiziert,
und die Position der Ventilvorrichtung 150 ist modifiziert.
Ferner werden in der Abwärmesammelvorrichtung 100 der
fünften Ausführungsform die gleichen Bezugszahlen
verwendet, um die gleichen oder ähnliche Teile und Vorrichtungen wie
in der vierten Ausführungsform zu bezeichnen.
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Der
Fluidverbindungsabschnitt besteht, wie in 12 gezeigt,
aus einem Fluidzustromdurchgang (Eintrittsdurchgang) 163 und
einem Fluidablaufdurchgang (Rückführungsdurchgang) 164,
wobei der Fluidverbindungsabschnitt durch eine gestrichelte Linie
eingekreist ist. Der Fluidzustromdurchgang 163 ist ein
Durchgangsabschnitt, um das Arbeitsfluid (Wasserdampf), das an dem
Verdampfungsabschnitt 110 verdampft wird, in den Kondensationsabschnitt 130 strömen
zu lassen. Zu diesem Zweck verbindet der Fluidzustromdurchgang 163 eines
der Rohre 111 des Verdampfungsabschnitts 110, das
auf einer Seite nahe dem Kondensationsabschnitt 130 angeordnet
ist, mit einem der Rohre 133 des Kondensationsabschnitts 130,
das auf einer Seite nahe dem Verdampfungsabschnitt 110 angeordnet ist.
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Der
Fluidablaufdurchgang 164 ist ein Durchgangsabschnitt zum
Rückführen des kondensierten Wassers, das an dem
Kondensationsabschnitt 130 kondensiert wird, zu dem unteren
Durchgang 116 des Verdampfungsabschnitts 110.
Zu diesem Zweck verbindet der Fluidablaufdurchgang 164 die
Wasserauslassöffnung 152 für kondensiertes
Wasser der Ventilvorrichtung 150 mit dem Rohr 111 des
Verdampfungsabschnitts 110, das auf der Seite nahe dem Kondensationsabschnitt 130 angeordnet
ist.
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Die
Fluidzustrom- und Ablaufdurchgänge 163 und 164 sind
in einem Bereich, in dem die Durchgänge 163 und 164 mit
dem Rohr 111 verbindbar sind, näher aneinander
angeordnet. Der Fluidzustromdurchgang 163 ist an einer
derartigen Position angeordnet, die in der vertikalen Richtung höher
als ein Flüssigkeitspegel D des Wassers (Arbeitsfluid)
in dem Verdampfungsabschnitt 110 ist. Der Flüssigkeitspegel
D entspricht hier einem Pegel des Arbeitsfluids während
des Nichtbetriebs der Abwärmesammelvorrichtung 110,
wobei das Arbeitsfluid durch das Abgas nicht verdampft ist und im
Wesentlichen das gesamte Arbeitsfluid zu dem Wasser kondensiert
ist und in dem Verdampfungsabschnitt 110 gelagert ist.
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Die
Ventilvorrichtung 150 ist ebenfalls an der Position angeordnet,
die in der vertikalen Richtung höher als der Flüssigkeitspegel
D des Wassers ist. Da der Fluidablaufdurchgang 164 mit
der Ventilvorrichtung 150 verbunden ist, ist der Fluidablaufdurchgang 164 ebenso
auf der Position angeordnet, die in der vertikalen Richtung höher
als der Flüssigkeitspegel D ist. Ein unteres Ende des Kondensationsabschnitts 130 ist
derart konstruiert, dass es mit der Ventilvorrichtung 150 ausgerichtet
ist. Folglich ist das untere Ende des Kondensationsabschnitts 130 in
der vertikalen Richtung höher als das untere Ende des Kondensationsabschnitts 110.
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Die
Abwärmesammelvorrichtung 100 der fünften
Ausführungsform hat den gleichen Betrieb und die gleichen
Ergebnisse wie die vierte (d. h. die erste) Ausführungsform.
Außerdem sind die Durchgänge, die Fluidzustrom-
und Auslaufdurchgänge 163 und 164, näher
aneinander angeordnet, so dass die an den Durchgangsabschnitten 163 und 164 erzeugte
Wärmespannung verringert werden kann.
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In
den Durchgangsabschnitten 163 und 164 zum miteinander
Verbinden des Verdampfungsabschnitts 110 und des Kondensationsabschnitts 130 wird
durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas, das den Verdampfungsabschnitt 110 durchläuft,
und dem Kühlmittel, das den Kondensationsabschnitt 130 durchläuft,
eine Wärmespannung (d. h. eine thermische Verformung) erzeugt.
Die Wärmespannung wird größer, wenn ein
Abstand zwischen den Durchgangsabschnitten 163 und 164 größer wird.
Der Abstand zwischen den Durchgangsabschnitten 163 und 164 kann
jedoch kürzer gemacht werden, indem sie näher
aneinander angeordnet werden. Als ein Ergebnis kann die an den Durchgangsabschnitten 163 und 164 erzeugte
Wärmespannung verringert werden.
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Der
Fluidzustromdurchgang 163 ist an der Position angeordnet,
die höher als der Flüssigkeitspegel D des Wassers
ist, so dass der Fluidzustromdurchgang 163 nicht mit dem
Wasser gefüllt werden kann und dadurch der an dem Verdampfungsabschnitt 110 verdampfte
Wasserdampf nicht in dem Raum des Verdampfungsabschnitts 110 gehalten
werden kann.
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Da
die Ventilvorrichtung 150 auch an der Position angeordnet
ist, die höher als der Flüssigkeitspegel D ist,
kann die Funktion der Ventilvorrichtung 150 nicht durch
den Wasserfrost blockiert werden. Mit anderen Worten kann die Ventilvorrichtung 150 in
dem Fall, in dem die Ventilvorrichtung 150 in einem Vergleichsbeispiel
an einer tieferen Position als der Flüssigkeitspegel D
des Wassers angeordnet wird, zusammen mit dem Wasser frieren, wenn
die Abwärmesammelvorrichtung 100 in einer Niedertemperaturumgebung
nicht betrieben wird. Wenn die Ventilvorrichtung 150 gefroren
ist, kann ihre Ein-/Ausbetätigung nicht ausgeführt
werden, und die Zirkulation des Arbeitsfluids (Wasserdampf, kondensiertes
Wasser) in der Abwärmesammelvorrichtung 100 wird
dadurch blockiert, bis der Umgebungsabschnitt der Ventilvorrichtung 150 aufgetaut
wird. Nämlich kann die Abwärmesammelvorrichtung 100 ihren
Betrieb nicht starten, wenn die Ventilvorrichtung 150 mit
Wasser in ihrem Inneren gefroren ist. Gemäß der
vorstehenden Ausführungsform tritt das vorstehende Problem
jedoch nicht auf, weil die Ventilvorrichtung 150 an der
höheren Position als der Flüssigkeitspegel D des
Wassers angeordnet ist, so dass sie nicht zusammen mit dem Wasser
gefroren werden kann.
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Gemäß der
vorstehenden Ausführungsform ist die Ventilvorrichtung 150 an
der höheren Position als der Flüssigkeitspegel
D des Wassers angeordnet, und das untere Ende des Kondensationsabschnitts 130 ist
an der Position angeordnet, die in der vertikalen Richtung höher
als das untere Ende des Kondensationsabschnitts 110 ist.
Folglich kann das gesamte Wasser in der Vorrichtung 100 im
Wesentlichen in dem Verdampfungsabschnitt 110 konzentriert
werden (kein Wasser wird in dem Kondensationsabschnitt 130 aufgenommen),
wenn die Abwärmesammelvorrichtung 100 nicht betrieben
wird. Dies bedeutet, dass die Menge des Wassers, die in die Vorrichtung 100 gefüllt
wird, kleiner gemacht werden kann. Außerdem kann die Größe
des Kondensationsabschnitts 130, selbst in Anbetracht einer
derartigen Situation, in der während des Betriebs der Vorrichtung 100,
in dem die Ventilvorrichtung 150 geschlossen ist, das gesamte
kondensierte Wasser in dem Kondensationsabschnitt 130 aufgenommen
werden sollte, um einen Betrag kleiner gemacht werden, der der Verringerung
der Menge des Wassers entspricht, die ursprünglich eingefüllt
wird.
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13 zeigt
eine Modifikation der fünften Ausführungsform.
In dieser Modifikation ist der Kondensationsabschnitt 130 an
einer Oberseite des Verdampfungsabschnitts 110 angeordnet,
wobei Positionen der Durchgangsabschnitte 163 und 164 ebenso wie
der Ventilvorrichtung 150 geändert sind. Der Kondensationsabschnitt 130 ist
im Vergleich zu dem der fünften Ausführungsform
um 90 Grad gedreht und ist auf der Oberseite des Verdampfungsabschnitts 110 angeordnet.
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Der
Fluidzustromdurchgang 163 ist ein Durchgang zum Verbinden
des Durchgangs 117 des Verdampfungsabschnitts 110 mit
einem der Rohre 133 des Kondensationsabschnitts 130,
das auf einer Seite nahe dem Verdampfungsabschnitt 110 angeordnet
ist. Der Fluidablaufdurchgang 164 ist ein langer schmaler
Durchgangsabschnitt zum Verbinden der Auslassöffnung 152 für
kondensiertes Wasser der Ventilvorrichtung 150 mit dem
unteren Durchgang 116 des Verdampfungsabschnitts 110.
Die Durchgangsabschnitte 163 und 164 sind näher
aneinander angeordnet. Gemäß der vorstehenden
Modifikation ist der Fluidzustromdurchgang 163 ebenso wie
die Ventilvorrichtung an der Position angeordnet, die höher
als der Flüssigkeitspegel D des Wassers ist, so dass die
gleichen Ergebnisse wie die der fünften Ausführungsform
erhalten werden können.
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(Sechste Ausführungsform)
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14 zeigt
eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
in der die Durchgänge 163 und 164 als
der Fluidverbindungsabschnitt in der fünften Ausführungsform
durch eine Fluidrohrleitung 165 ausgebildet sind. In der
Abwärmesammelvorrichtung 100 der sechsten Ausführungsform
werden die gleichen Bezugszahlen verwendet, um gleiche oder ähnliche
Teile und Vorrichtungen wie in der fünften Ausführungsform
zu bezeichnen.
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Die
Fluidrohrleitung 165 ist derart verlängert, dass
die Wasserauslassöffnung 152b der Ventilvorrichtung 150 mit
dem Rohr 111 des Verdampfungsabschnitts 110 in
Verbindung steht, das auf der Seite nahe dem Kondensationsabschnitt 130 angeordnet ist.
Ein oberer Abschnitt der Fluidrohrleitung 165 steht mit
dem Rohr 133 des Kondensationsabschnitts 130 in
Verbindung, das auf der Seite nahe dem Verdampfungsabschnitt 110 angeordnet
ist. Die Fluidrohrleitung 165 ist ebenfalls an der Position
angeordnet, die höher als der Flüssigkeitspegel
D des Wassers ist.
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Eine
Trennwand 166 ist im Inneren der Fluidrohrleitung 165 zum
Trennen des Raums der Rohrleitung 165 in einen oberen Raum
und einen unteren Raum ausgebildet. Als ein Ergebnis steht das Rohr 111 des
Verdampfungsabschnitts 110 durch den oberen Raum, der durch
die Trennwand 166 in der Fluidrohrleitung 165 ausgebildet
ist, mit dem Rohr 133 des Kondensationsabschnitts 130 in
Verbindung. In ähnlicher Weise steht die Auslassöffnung 152b für
kondensiertes Wasser der Ventilvorrichtung 150 durch den
unteren Raum, der durch die Trennwand 166 in der Fluidrohrleitung 165 ausgebildet
ist, mit dem Rohr 111 des Verdampfungsabschnitts 110 in
Verbindung.
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Gemäß der
vorstehenden sechsten Ausführungsform sind die Fluidzustrom-
und Ablaufdurchgänge in der einzelnen Fluidrohrleitung 165 ausgebildet.
Daher ist der Abstand zwischen den zwei Durchgangsabschnitten (163, 164)
im Vergleich zu der fünften Ausführungsform, in
der zwei Durchgangsabschnitte (163, 164) bereitgestellt
sind, im Wesentlichen null. Folglich kann die Wärmespannung
weiter verringert werden.
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Außerdem
ist in der Fluidrohrleitung 165 die Trennwand 166 bereitgestellt.
Folglich wird in dem Durchgang 165 durch die Trennwand 166 ein
direkter Kontakt zwischen dem an dem Verdampfungsabschnitt 110 verdampften
Wasserdampf und dem kondensierten Wasser, das an dem Kondensationsabschnitt 130 gekühlt
und kondensiert wird, verhindert. Es wird daher vermieden, dass
der Wasserdampf von dem Verdampfungsabschnitt 110 durch
das kondensierte Wasser abgekühlt (kondensiert) wird, bevor
er in den Kondensationsabschnitt 130 eintritt.
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Jedoch
kann die Trennwand 166 in dem Fall, in dem der Einflussgrad,
der durch den direkten Kontakt zwischen dem Wasserdampf und dem
kondensierten Wasser in dem Durchgang 165 bewirkt wird, relativ
klein ist, nicht bereitgestellt werden.
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(Siebte Ausführungsform)
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Eine
siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 15 bis 18 gezeigt,
in der im Vergleich zu der vierten Ausführungsform in dem Kondensationsabschnitt 130 eine
Rückstrombegrenzungseinrichtung bereitgestellt ist, so
dass ein Rückstrom des kondensierten Wassers zu dem Verdampfungsabschnitt 110 unterdrückt
wird.
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Die
Rückstrombegrenzungseinrichtung ist auf einer stromaufwärtigen
Seite des Kondensationsabschnitts 130, nämlich
auf einer stromaufwärtigen Seite eines Zwischendurchgangsabschnitts 133a der Rohre
(Durchgang für das Arbeitsfluid oder erste Medium) 133 bereitgestellt.
Die stromaufwärtige Seite ist in 15 durch
einen Ring E angezeigt.
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Die
Rückstrombegrenzungseinrichtung ist, wie in 16 gezeigt,
zum Beispiel als mehrere Plattenelemente 133d ausgebildet.
Jedes Plattenelement 133d ist an einer Innenwand des Zwischendurchgangsabschnitts 133a bereitgestellt,
so dass das Plattenelement 133d in eine Strömungsrichtung des
Wasserdampfs, der von dem Verdampfungsabschnitt 110 einströmt,
geneigt ist. Mit anderen Worten steht das Plattenelement 133d von
der Innenwand des Zwischendurchgangsabschnitts 133a vor
und ist relativ zu einer Strömungsrichtung des Arbeitsfluid (erstes
Medium) gewinkelt, so dass das Plattenelement 133d sich
in Richtung der Ventilvorrichtung 150 erstreckt. Mehrere
Plattenelemente 133d sind bereitgestellt, so dass sie einander
gegenüber liegen. Die mehreren Plattenelemente 133d können
in der Richtung des Wasserdampfstroms, wie in 17 gezeigt, abwechselnd
an der Innenwand des Zwischendurchgangsabschnitts 133a bereitgestellt
werden. Die Rückstrombegrenzungseinrichtung kann, wie in 18 gezeigt,
als ein Beschränkungsabschnitt 133e ausgebildet
werden, so dass ein Innendurchmesser oder eine Querschnittfläche
des Zwischendurchgangsabschnitts 133a verringert wird.
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Wie
bereits in der ersten Ausführungsform erklärt,
wird die Ventilvorrichtung 150 in der Abwärmesammelvorrichtung 100 geschlossen,
wenn der Innendruck Pi des Arbeitsfluids in der Wärmerohrleitung 101 als
ein Ergebnis davon, dass die Verdampfung in dem Verdampfungsabschnitt 110 fortlaufend ausgeführt
wurde, erhöht wird, so dass er den Ventilschließdruck
Pi1 übersteigt. Die Rezirkulation des kondensierten Wassers
in der Wärmerohrleitung 101 (dem Kondensationsabschnitt 130)
wird gestoppt. In einer derartigen Situation ist der Verdampfungsabschnitt 110 in
einem Zustand einer so genannten „Leerheizung", in dem
der Verdampfungsabschnitt 110 geheizt wird, während
das Wasser (Arbeitsfluid) nicht ausreichend in ihn gefüllt
ist. Als ein Ergebnis kann die Temperatur des Verdampfungsabschnitts 110 auf
einen äußerst hohen Wert erhöht werden.
In einem Fall, in dem die Abwärmesammelvorrichtung 100 in
der vorstehenden Situation aufgrund einer Fahrt des Fahrzeugs auf
einer geneigten Straße oder einer Schwingung, die während
der Fahrt des Fahrzeugs auf die Vorrichtung 100 angewendet
wird, geneigt ist (z. B. um einen Winkel „θ" in 19),
kann das kondensierte Wasser in dem Kondensationsabschnitt 130 an
den Verdampfungsabschnitt 110 rückgeführt
werden.
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In
dem Fall, in dem das kondensierte Wasser, wie etwa in einer durch
einen Pfeil in 19 angezeigten Richtung, an
den Verdampfungsabschnitt 110, der in dem Zustand der „Leerheizung"
ist, rückgeführt würde, würde
der Verdampfungsabschnitt 110 schnell abgekühlt
werden, so dass die Wärmespannung auftreten kann. Außerdem
kann das rückgeführte kondensierte Wasser sofort
verdampft werden, um den Druck in dem Verdampfungsabschnitt 110 zu
erhöhen. Die Wärmeübertragung kann in
dem Verdampfungsabschnitt 110 abgeschlossen werden, was
die Beanspruchbarkeit ebenso wie die Funktion der Wärmesammelvorrichtung 100 verschlechtert. Gemäß der
siebten Ausführungsform können die vorstehenden
Nachteile jedoch durch die Rückstrombegrenzungseinrichtungen
(133d, 133e) überwunden werden.
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(Achte Ausführungsform)
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Eine
achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 20 gezeigt.
In der vorstehenden Ausführungsform wurde die Abwärmesammelvorrichtung
beschrieben, wobei die Abwärmesammelvorrichtung 100 in
einem Motorkühlmittelkreis bereitgestellt ist und wobei
das Motorkühlmittel in dem Kondensationsabschnitt 130 geheizt
wird. Die Abwärmesammelvorrichtung 100 kann jedoch
derart bereitgestellt werden, dass der Wärmeaustausch zwischen
(a) einem Heizmedium (zweiten Medium), das in einem von dem Strahlerkreis 20 unabhängigen oder
getrennten Kreis strömt, und (b) Arbeitsfluid (erstes Medium)
in dem Kondensationsabschnitt 130 ausgeführt wird.
Ferner werden in der achten Ausführungsform die gleichen
Bezugszahlen verwendet, um die gleichen oder ähnliche Teile
und Vorrichtungen wie in der siebten Ausführungsform zu
bezeichnen, und ihre detaillierten Beschreibungen werden weggelassen.
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In 20 bezeichnet
die Zahl 200 einen Stromrichter zum Steuern der Drehung
eines Motors in einem hybriden Elektrofahrzeug, das entweder unter
Verwendung eines Verbrennungsmotors oder des Elektromotors läuft.
In einem Stromrichterkühlmittelkreis 201 wird
Stromrichterkühlmittel zum Abkühlen des Stromrichters
zirkuliert. Ferner ist der Stromrichterkühlmittelkreis 201 getrennt
von dem Strahlerkreis 20 zum Abkühlen des Motors
bereitgestellt, und das Stromrichterkühlmittel, das als
ein Heizmedium (zweites Medium) dient, wird von einer zweiten Wasserpumpe 202 durch
den Strahlerkreis 20 zirkuliert. In dem Stromrichterkühlmittelkreis 201 ist
ein Stromrichterstrahler 203 bereitgestellt, der das Stromrichterkühlmittel
durch den Wärmeaustausch zwischen dem Stromrichterkühlmittel
und der Außenluft abkühlt. Ein Heizungskern 41 ist
in einer Strömungsrichtung des Stromrichterkühlmittels
stromaufwärtig von dem Stromrichterstrahler 203 angeordnet.
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Der
Kondensationsabschnitt 130 der Abwärmesammelvorrichtung 100 ist
auf einer stromaufwärtigen Seite des Heizungskerns 41 des
Stromrichterkühlmittelkreises 201 bereitgestellt.
Die Wärme des Abgases von dem Motor 10 wird an
das Wasser (Arbeitsfluid) übertragen, und das Wasser wird
durch den Verdampfungsabschnitt 110 an den Kondensationsabschnitt 130 weitergeleitet.
Wenn der Wasserdampf in dem Kondensationsabschnitt 130 kondensiert
wird, wird Wärme als latente Kondensationswärme
abgegeben, und das Stromrichterkühlmittel, das durch den
Stromrichterkühlmittelkreis 201 strömt, wird
aktiv geheizt. Als ein Ergebnis wird die Temperatur des Stromrichterkühlmittels,
das in den Heizungskern 41 strömt, erhöht.
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Insbesondere
ist die Abwärmesammelvorrichtung 100 gemäß der
vorliegenden Erfindung in dem unabhängigen Stromrichterkühlmittelkreis 201 bereitgestellt,
dessen Wärmekapazität kleiner als die des Strahlerkreises 20 ist.
Daher kann die Temperatur des Heizungskerns 41 im Vergleich
zu der ersten Ausführungsform, in der der Kondensationsabschnitt 130 in
dem Strahlerkreis 20 bereitgestellt ist, schnell erhöht
werden. Auch ist die Abwärmesammelvorrichtung 100 in
dem Stromrichterkühlmittelkreis 201 unabhängig
von dem Strahlerkreis 20 für den Motor 10 bereitgestellt,
und das Stromrichterkühlmittel wird von der zweiten Wasserpumpe 202 zirkuliert.
Daher wird die Temperatur des Heizungskerns 41 ungeachtet
des Betriebszustands des Motors 10 erhöht.
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Ferner
kann als eine Modifikation der vorliegenden Ausführungsform,
wie in 21 gezeigt, anstelle des Heizungskerns 41 stromabwärtig
von dem Kondensationsabschnitt 130 eine Batterie B für
den Stromrichter bereitgestellt werden, und die Batterie B kann
durch das Stromrichterkühlmittel, das von der Abwärmesammelvorrichtung 100 geheizt
wird, geheizt werden.
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(Neunte Ausführungsform)
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Eine
neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 22 gezeigt.
Wie in 22 gezeigt, können,
selbst wenn der Kondensationsabschnitt 130 der Abwärmesammelvorrichtung 100 in einem
von dem Strahlerkreis 20 unabhängigen Kreis bereitgestellt
ist, in dem ein anderes Heizmedium als das Motorkühlmittel
strömt, der gleiche Betrieb und die gleichen Ergebnisse
wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erhalten
werden. Ferner werden in der neunten Ausführungsform die
gleichen Bezugszahlen verwendet, um die gleichen oder ähnliche
Teile und Vorrichtungen wie in der achten Ausführungsform
zu bezeichnen, und deren detaillierte Beschreibungen werden weggelassen.
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In 22 bezeichnet
die Zahl 205 einen Ölkreis, in dem Motoröl,
das als ein Heizmedium (zweites Medium) dient, von einer dritten
Umwälzpumpe 206 zirkuliert wird. Der Ölkreis
ist ein Heizmediumkreis, der unabhängig von dem Strahlerkreis 20 ist.
In dem Ölkreis 205 ist ein Ölkühler 204 bereitgestellt, der
das Motoröl unter Verwendung des Motorkühlmittels
abkühlt. Ferner ist in einer Strömungsrichtung des Öls
auf einer stromabwärtigen Seite des Ölkühlers 204 der
Kondensationsabschnitt 130 der Abwärmesammelvorrichtung 100 bereitgestellt.
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform wird in dem Verdampfungsabschnitt 110 der
Abwärmesammelvorrichtung 100 die Wärme
von dem Abgase an Wasser, das als das Arbeitsfluid dient, übertragen.
Ferner wird das durch den Ölkreis 205 strömende Öl
durch die latente Kondensationswärme, die abgegeben wird,
wenn das Wasser in dem Kondensationsabschnitt 130 kondensiert
wird, geheizt. Als ein Ergebnis kann das in dem Kondensationsabschnitt 130 geheizte Öl
an den Motor 10 zugeführt werden. Daher kann der
Kondensationsabschnitt 130 als ein Ölwärmer
verwendet werden, und die zum Aufwärmen des Motors 10 benötigte
Zeit kann verkürzt werden. Ferner ist der Ölkreis 205 gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Kreis, der unabhängig von dem Strahlerkreis 20 ist,
in dem das Motorkühlmittel strömt. Da die Wärmekapazität
des Ölkreises 205 kleiner als die des Strahlerkreises 20 ist,
kann die Temperatur des Motoröls schneller erhöht
werden als in dem Fall, in dem der Kondensationsabschnitt 130 der
Abwärmesammelvorrichtung 100 in dem Strahlerkreis 20 bereitgestellt
ist.
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Ferner
können als eine Modifikation der vorliegenden Ausführungsform,
wie in 23 gezeigt, selbst wenn der
Kondensationsabschnitt 130 der Abwärmesammelvorrichtung 100 in
einem Automatikgetriebefluidkreis (ATF-Kreis) 210, in dem
das Arbeitsöl des Automatikgetriebes 207 zirkuliert,
bereitgestellt ist, der gleiche Betrieb und die Ergebnisse wie in
der neunten Ausführungsform erhalten werden. Es sollte
bemerkt werden, dass auf das Arbeitsöl in dem Automatikgetriebe 207 auch
als ATF Bezug genommen wird, und es als ein Heizmedium dient.
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In 23 bezeichnet
die Zahl 208 einen ATF-Wärmer, der einen Wärmeaustausch
zwischen dem ATF und dem Motorkühlmittel ausführt,
und der Kondensationsabschnitt 130 der Abwärmesammelvorrichtung 100 ist
in einer Strömungsrichtung des ATF auf einer stromabwärtigen
Seite des ATF-Wärmers 208 bereitgestellt. Eine
vierte Umwälzpumpe 209 zum Zirkulieren des ATF
ist in dem ATF-Kreis 210 bereitgestellt. Durch Betreiben
der vierten Umwälzpumpe 209 wird erlaubt, dass
das in dem Kondensationsabschnitt 130 geheizte ATF in das
Automatikgetriebe 207 strömt. Als ein Ergebnis
kann der Kondensationsabschnitt 130 als ein ATF-Hilfswärmer verwendet
werden, der die zum Aufwärmen des Automatikgetriebes 207 benötigte
Zeit verkürzt.
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(Andere Modifikationen)
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Die
Ventilvorrichtung 150 ist in den vorstehenden Ausführungsformen
in der Zirkulationsrichtung des Arbeitsfluids (Wasser) auf der stromabwärtigen
Seite des Kondensationsabschnitts 130 bereitgestellt. Jedoch
kann die Ventilvorrichtung auf einer stromaufwärtigen Seite
des Verdampfungsabschnitts 110 bereitgestellt sein.
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Die
Ventilvorrichtung 150 (170) wird betrieben, um
ihren Durchgang abhängig von dem Innendruck Pi des Arbeitsfluids
der Wärmerohrleitung 101 oder der Temperatur des
Kühlmittels zu öffnen oder zu schließen.
Die Ventilvorrichtung kann jedoch betrieben werden, so dass sie
den Durchgang abhängig von einer Temperatur des Arbeitsfluids öffnet
oder schließt. Um genau zu sein, werden zum Beispiel ein Warmwachsabschnitt 171,
der ähnlich dem in der dritten Ausführungsform
ist, und ein Ventilkörper, der in Verbindung mit dem Warmwachsabschnitt 171 arbeitet,
verwendet. Der vorstehende Warmwachsabschnitt 171 wird
in dem Kondensationsabschnitt 130 bereitgestellt, so dass
der Warmwachsabschnitt 171 abhängig von der Temperatur
des Arbeitsfluids betätigt wird.
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Der
Wärmeisolationsabschnitt 120 umfasst mehrere Lufträume,
die in den vorstehenden Ausführungsformen durch die wärmeisolierende
Platte 121 definiert sind. Der Wärmeisolationsabschnitt 120 ist jedoch
nicht auf das Vorstehende beschränkt. Alternativ kann ein
wärmeisolierendes Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit
zwischen dem Verdampfungsabschnitt 110 und dem Kondensationsabschnitt 130 angeordnet
werden.
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Die
Rückführungsrohrleitung 161 ist in der ersten
Ausführungsform in dem Bereich des Abgasdurchgangs angeordnet.
Die Rückführungsrohrleitung 161 kann
jedoch an einem derartigen Abschnitt außerhalb des Abgasdurchgangs
(dem Abgasdurchgang in dem Verdampfungsabschnitt 110) angeordnet
werden, so dass die wärmeisolierende Wand 162 eliminiert
werden kann, wodurch die Auswirkungen des Abgases in der Rückführungsrohrleitung 161 verhindert
werden.
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Bisher
wurden die Ausführungsformen beschrieben, die das Motorkühlmittel,
das Stromrichterkühlmittel, das Motoröl, ATF,
etc. als das Heizmedium verwenden. Jedoch kann jedes Heizmedium
(zweites Medium) verwendet werden, solange ähnliche Ergebnisse
erzielt werden.
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Zusätzliche
Vorteile und Modifikationen werden Fachleuten der Technik ohne weiteres
einfallen. Die Erfindung ist in ihrem weiteren Sinne daher nicht auf
die spezifischen Details, die repräsentative Vorrichtung
und veranschaulichende Beispiele, die gezeigt und beschrieben sind,
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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