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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckspeicher für eine Abwärmenutzungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, das eine Brennkraftmaschine umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem eine Abwärmenutzungsvorrichtung für ein derartiges Kraftfahrzeug.
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Eine Abwärmenutzungsvorrichtung, die vorzugsweise nach dem Rankine-Kreisprozess bzw. nach dem Rankine-Clausius-Kreisprozess arbeitet, umfasst einen Abwärmenutzungskreis, in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert. Im Abwärmenutzungskreis sind in der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels hintereinander angeordnet eine Fördereinrichtung zum Antreiben des Arbeitsmittels, ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine Expansionsmaschine zum Entspannen des Arbeitsmittels sowie ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmittels. Die Fördereinrichtung treibt dabei das kondensierte Arbeitsmittel an.
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Aus der
DE 10 2010 054 733 ist eine Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, mit einem Abwärmenutzungskreis, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, mit einer im Abwärmenutzungskreis angeordneten Fördereinrichtung zum Fördern des Arbeitsmediums gegen einen Hochdruck, mit einem im Abwärmenutzungskreis stromab der Fördereinrichtung angeordneten Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine, mit einer im Abwärmenutzungskreis stromab des Verdampfers angeordneten Expansionsmaschine zum Expandieren des Arbeitsmediums auf einen Niederdruck und mit einem im Abwärmenutzungskreis stromab der Expansionsmaschine angeordneten Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums.
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Es hat sich gezeigt, dass sich im Abwärmenutzungskreis bzw. im Arbeitsmittel bei ausgeschalteter Abwärmenutzungsvorrichtung ein im Vergleich zum Umgebungsdruck kleiner Ruhedruck einstellt, während bei eingeschalteter Abwärmenutzungsvorrichtung im Abwärmenutzungskreis bzw. im Arbeitsmittel Arbeitsdrücke entstehen, die deutlich oberhalb des Umgebungsdrucks liegen. In der Folge muss eine herkömmliche Abwärmenutzungsvorrichtung in beide Richtungen, also für Überdruck und für Unterdruck abgedichtet werden, was zu einem hohen Aufwand führt. Ein niedriger Ruhedruck wirkt sich außerdem auf ein verzögertes bzw. langsames Kaltstartverhalten der Abwärmenutzungsvorrichtung aus.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Abwärmenutzungsvorrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen vereinfachten Aufbau und vorzugsweise durch ein verbessertes Kaltstartverhalten auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Abwärmenutzungsvorrichtung mit einem Druckspeicher auszustatten, der an geeigneter Stelle an den Abwärmenutzungskreis angeschlossen ist und mit dem bei ausgeschalteter Abwärmenutzungsvorrichtung im Arbeitsmedium ein Mindestdruck bereitgestellt werden kann. Ein derartiger Mindestdruck kann vorzugsweise in einem Bereich von ±10% des Umgebungsdrucks des Abwärmenutzungskreises liegen, so dass relativ leicht beherrschbare Druckdifferenzen vorliegen, was den Aufwand zur Vermeidung von Leckagen erheblich reduziert. Des Weiteren lässt sich dadurch das Kaltstartverhalten der Abwärmenutzungsvorrichtung signifikant verbessern, da beim Einschalten der Abwärmenutzungsvorrichtung bereits der im Bereich des Umgebungsdrucks liegende Mindestdruck vorliegt.
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Erfindungsgemäß weist der Druckspeicher ein Metallgehäuse auf, in dem eine Metallmembran einen Druckraum von einem Speicherraum trennt. Der Speicherraum ist dabei über einen entsprechenden Anschluss des Metallgehäuses mit dem Abwärmenutzungskreis der Abwärmenutzungsvorrichtung fluidisch verbindbar. Die Metallmembran kann in Verbindung mit dem Druckraum den gewünschten Mindestdruck auf das im Speicherraum bevorratete Arbeitsmedium aufbringen. Beispielsweise kann der Druckraum über wenigstens eine Verbindungsöffnung fluidisch mit der Umgebung des Druckspeichers verbunden sein, so dass im Druckraum Umgebungsluft mit Umgebungsdruck vorliegt. Alternativ ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei welcher der Druckraum hermetisch abgedichtet und mit einem geeigneten Gas befüllt ist. Hierdurch lässt sich ein absoluter Mindestdruck vorgeben, während im zuvor genannten Fall ein vom Umgebungsdruck abhängiger Mindestdruck vorgegeben wird.
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Die Metallmembran ist so konstruiert bzw. konzipiert, dass sie federelastisch aus einer Ruhelage herausbewegt werden kann, um auf Kosten des Volumens des Druckraums das Volumen des Speicherraums zu vergrößern und umgekehrt. Die Federelastizität der Metallmembran trägt dabei zur Bereitstellung des Mindestdrucks bei.
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Der Druckspeicher kann grundsätzlich als Überdruckspeicher oder als Unterdruckspeicher ausgestaltet sein. Bei einem Überdruckspeicher liegt der Mindestdruck oberhalb des Umgebungsdrucks, während bei einem Unterdruckspeicher der Mindestdruck unterhalb des Umgebungsdrucks liegt.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Druckraum ausschließlich durch eine dem Druckraum zugewandte, insbesondere erste, Membranseite und einen der Metallmembran zugewandten, insbesondere ersten, Abschnitt einer Gehäuseinnenseite des Metallgehäuses begrenzt sein. Hierdurch besitzt der Druckspeicher einen sehr einfachen Aufbau, der vergleichsweise preiswert realisierbar ist. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung kann der erste Abschnitt der Gehäuseinnenseite einen Überdruckanschlag für die Metallmembran bilden. Mit zunehmendem Überdruck im Speicherraum im Vergleich zum Druckraum weicht die Metallmembran zunehmend in den Druckraum aus. Um eine plastische Verformung der Metallmembran zu vermeiden, begrenzt der Überdruckanschlag den möglichen Stellweg der Metallmembran in den Druckraum hinein.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Speicherraum ausschließlich durch eine dem Speicherraum zugewandte, insbesondere zweite, Membranseite und einen der Metallmembran zugewandten, insbesondere zweiten, Abschnitt einer Gehäuseinnenseite des Metallgehäuses begrenzt sein. Auch hier ergibt sich eine extrem preiswert realisierbare Konstruktion für den Druckspeicher. Zweckmäßig kann bei einer Weiterbildung der zweite Abschnitt der Gehäuseinnenseite einen Unterdruckanschlag für die Metallmembran bilden. Im Falle eines Unterdrucks im Speicherraum im Vergleich zum Druckraum dehnt sich die Metallmembran in Richtung Speicherraum aus. Um eine plastische Verformung der Metallmembran hierbei zu vermeiden, begrenzt der Unterdruckanschlag den möglichen Stellweg der Metallmembran.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Metallmembran mehrere konzentrische Ringzonen aufweisen, die im Querschnitt der Metallmembran eine Wellenstruktur oder eine Stufenstruktur bilden. Durch den vorgeschlagenen Aufbau kann die Metallmembran sowohl in der Druckrichtung als auch in der Unterdruckrichtung vergleichsweise große Verstellbewegungen bzw. Hübe durchführen, ohne ihren elastischen Verformungsbereich zu verlassen. Dementsprechend können die Volumina für Druckraum und Speicherraum vergleichsweise groß dimensioniert werden, ohne dass die Metallmembran dabei einen allzu großen Durchmesser benötigt. Gleichzeitig bleibt die Federkonstante der Membran über den gesamten möglichen Stellweg weitgehend konstant.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann eine Gehäuseinnenseite des Metallgehäuses in zwei einander gegenüberliegenden und der Metallmembran zugewandten Abschnitten zur Metallmembran hin konkav gewölbt sein. Die Wölbungen sind dabei zweckmäßig komplementär zur Verformung der Metallmembran ausgelegt, denen die Metallmembran bei entsprechenden Druckdifferenzen ausgesetzt ist. Auf diese Weise baut das Metallgehäuse extrem kompakt und vermeidet gleichzeitig eine frühzeitige Kontaktierung der Metallmembran mit der Gehäuseinnenseite.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Metallgehäuse zwei Halbschalen aufweisen, die in einem in Umfangsrichtung geschlossenen Befestigungsbereich aneinander befestigt sind, wobei die Metallmembran entlang eines Membranrands in diesen Befestigungsbereich eingebunden ist. Bei einer derartigen Bauart kann die Metallmembran durch die Befestigung der beiden Halbschalen aneinander am Gehäuse befestigt werden. Auf diese Weise können separate Befestigungsmittel zum Befestigen der Membran am Gehäuse entfallen. Folglich besitzt der Druckspeicher hierdurch einen extrem einfachen Aufbau.
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Der Druckspeicher bzw. des Metallgehäuse und vorzugsweise die Metallmembran können in einer Ebene, die senkrecht zur Bewegungsrichtung eines Membranzentrums verläuft, kreisförmig ausgelegt sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Metallgehäuse flach konzipiert sein, so dass sein Durchmesser größer ist als seine Dicke, die parallel zur Bewegungsrichtung des Membranzentrums gemessen ist. In einem Querschnitt des Gehäuses, in einer Ebene, die sich parallel zur Bewegungsrichtung des Membranzentrums erstreckt, kann das Gehäuse linsenförmig ausgestaltet sein. Eine derartige Linsenform ergibt sich insbesondere dann, wenn die Gehäuseinnenseite beiderseits der Membran zur Membran hin konkav gewölbt ist und wenn eine Gehäuseaußenseite hinsichtlich ihrer Kontur der Kontur der Gehäuseinnenseite folgt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Abwärmenutzungsvorrichtung,
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2 eine Draufsicht auf einen Druckspeicher,
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3 eine Seitenansicht des Druckspeichers,
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4 einen Querschnitt des Druckspeichers entsprechend Schnittlinien IV in 3,
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5 ein vergrößertes Detail V aus 4.
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Entsprechend 1 umfasst eine Abwärmenutzungsvorrichtung 1, die zusammen mit einer Brennkraftmaschine 2 in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, einen Abwärmenutzungskreis 3, in dem ein Arbeitsmedium oder Arbeitsmittel 4 zirkuliert. Der Abwärmenutzungskreis 3 ist bevorzugt als geschlossener Kreis ausgestaltet, der als Rankine-Kreisprozess bzw. als Rankine-Clausius-Kreisprozess ausgelegt ist. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 umfasst außerdem eine Fördereinrichtung 5, einen Verdampfer 6, eine Expansionsmaschine 7 und einen Kondensator 8, die in einer Förderrichtung des Arbeitsmediums 4 im Abwärmenutzungskreis 3 hintereinander angeordnet sind.
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Die Fördereinrichtung 5 ist im Abwärmenutzungskreis 3 angeordnet und dient zum Fördern des Arbeitsmediums 4 gegen einen Hochdruck. Zweckmäßig ist die Fördereinrichtung 5 als volumetrische Pumpe ausgestaltet und ist hierzu mit einem Antriebsmotor 9 antriebsgekoppelt. Der Verdampfer 6 ist im Abwärmenutzungskreis 3 stromab der Fördereinrichtung 5 angeordnet und dient zum Verdampfen des Arbeitsmediums 4, wozu der Verdampfer 6 Abwärme der Brennkraftmaschine 2 nutzt. Im Beispiel ist der Verdampfer 6 hierzu wärmeübertragend mit einer Abgasanlage 10 der Brennkraftmaschine 2 gekoppelt. Ein entsprechender Wärmestrom ist durch einen Pfeil 11 angedeutet. Die Brennkraftmaschine 2 weist außerdem eine Frischluftanlage 12 auf.
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Die Expansionsmaschine 7, beispielsweise in Form einer Turbine, ist im Abwärmenutzungskreis 3 stromab des Verdampfers 6 angeordnet und dient zum Expandieren des Arbeitsmediums 4 auf einen Niederdruck. Gleichzeitig kann mit Hilfe der Expansionsmaschine 7 dem Arbeitsmedium Energie entzogen werden und zwar in Form mechanischer Arbeit, beispielsweise zum Antreiben einer Welle 13. Über die Welle 13 kann die dem Arbeitsmedium 4 entzogene Energie oder Arbeit zum Antreiben eines Generators 14 und/oder einer beliebigen Maschine oder Komponente der Brennkraftmaschine 2 bzw. des damit ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden. Auch kann über die Welle 13 Antriebsleistung an einen nicht gezeigten Antriebsstrang der Brennkraftmaschine 2 übertragen werden, um die Antriebsleistung der Brennkraftmaschine 2 zu unterstützen.
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Der Kondensator 8 ist im Abwärmenutzungskreis 3 stromab der Expansionsmaschine 7 angeordnet und dient zum Kondensieren des Arbeitsmediums 4. Hierzu wird dem Arbeitsmedium 4 gemäß einem Pfeil 15 Wärme entzogen.
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Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsvorrichtung 1 ist außerdem mit einem Druckspeicher 16 ausgestattet, der hierzu im Abwärmenutzungskreis 3 angeordnet ist bzw. an den Abwärmenutzungskreis 3 angeschlossen ist. Mit Hilfe des Druckspeichers 16 kann im Arbeitsmedium 4 ein vorbestimmter und/oder ein einstellbarer Mindestdruck eingestellt und/oder gewährleistet werden. Zweckmäßig ist der Druckspeicher 16 zwischen dem Kondensator 8 und der Fördereinrichtung 5 im Abwärmenutzungskreis 3 angeordnet bzw. daran angeschlossen. Hierzu kann beispielsweise eine Verbindungsleitung 17 vorgesehen sein, die den Druckspeicher 16 mit dem Abwärmenutzungskreis 3 fluidisch koppelt. Eine Anschlussstelle 18, in welcher die Verbindungsleitung 17 an den Abwärmenutzungskreis 3 angeschlossen ist, befindet sich im Beispiel stromab des Kondensators 8 und stromauf der Fördereinrichtung 5.
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Entsprechend den 1–5 besitzt der Druckspeicher 16 ein Gehäuse 19 aus Metall und eine Membran 20, die ebenfalls aus Metall hergestellt ist. Das Gehäuse 19 kann dabei bevorzugt aus einem Leichtmetall bzw. aus einer Leichtmetalllegierung hergestellt sein, während die Membran 20 bevorzugt aus einer Eisenlegierung, insbesondere Stahl, vorzugsweise Edelstahl, hergestellt ist. Die Membran 20 trennt dabei im Gehäuse 19 einen Druckraum 21 von einem Speicherraum 22. Der Speicherraum 22 ist über einen Anschluss 23 mit dem Abwärmenutzungskreis 3 fluidisch verbunden. Im gezeigten Beispiel der 1 verbindet die Verbindungsleitung 17 den Anschluss 23 mit der Anschlussstelle 18 des Abwärmenutzungskreises 3. Alternativ kann der Druckspeicher 16 auch direkt in den Abwärmenutzungskreis 3 integriert sein.
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Wie sich den 2 und 4 entnehmen lässt, steht im gezeigten Beispiel der Druckraum 21 über eine Verbindungsöffnung 24 fluidisch mit einer Umgebung 25 des Druckspeichers 16 in Verbindung, so dass im Druckraum 21 letztlich Umgebungsdruck herrscht und der Druckraum 21 mit Umgebungsluft befüllt ist. Alternativ dazu ist es grundsätzlich möglich, den Druckraum 21 hermetisch dicht abzuschließen.
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Wie sich insbesondere 4 entnehmen lässt, ist der Druckraum 21 ausschließlich durch eine dem Druckraum 21 zugewandte erste Membranseite 26 und einen der Membran 20 zugewandten ersten Abschnitt 27 einer Gehäuseinnenseite 28 begrenzt. Auch der Speicherraum 22 ist nur durch eine dem Speicherraum 22 zugewandte zweite Membranseite 29 und einen der Membran 20 zugewandten zweiten Abschnitt 30 der Gehäuseinnenseite 28 begrenzt. Im Beispiel sind die Membran 20 und das Gehäuse 19 so aufeinander abgestimmt, dass der erste Abschnitt 27 der Gehäuseinnenseite 28 einen Überdruckanschlag für die Membran 20 bildet. Außerdem bildet der zweite Abschnitt 30 der Gehäuseinnenseite 28 einen Unterdruckanschlag für die Membran 20.
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Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform weist die Membran 20 mehrere konzentrische Ringzonen 31 auf, die in 2 durch unterbrochene Linien angedeutet sind. Gemäß 5 bilden diese Ringzonen 31 im Querschnitt der Membran 20 eine Wellenstruktur 32. Alternativ können die Ringzonen 31 im Querschnitt der Membran 20 auch eine Stufenstruktur bilden. Durch die jeweilige Struktur, hier durch die Wellenstruktur 32, besitzt die Membran 20 eine vergleichsweise große und im Verstellbereich der Membran 20 quasi konstante Federelastizität, derart, dass ein Membranzentrum 33 eine Bewegungsrichtung 34 aufweist, die senkrecht auf einer Ebene steht, in der sich die Membran 20 im Gleichgewichtszustand erstreckt. In dieser Ebene besitzt die Membran 20 außerdem eine kreisförmige Geometrie. Ebenso besitzt das Gehäuse 19 gemäß 2 in einer Ebene, die sich senkrecht zur Bewegungsrichtung 34 des Membranzentrums 33 erstreckt, eine kreisförmige Gestalt. Ferner ist das Gehäuse 19 gemäß 3 flach konzipiert, derart, dass eine parallel zur Bewegungsrichtung 34 des Membranzentrums 33 gemessene Dicke 35 des Gehäuses 19 stets kleiner ist als ein Durchmesser 36 des Gehäuses 19.
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Wie sich insbesondere 4 entnehmen lässt, sind die beiden Abschnitte 27, 30 der Gehäuseinnenseite 28 jeweils zur Membran 20 hin konkav gewölbt. Hierdurch kann sich die Membran 20 bei entsprechendem Überdruck im Speicherraum 22 flächig an dem ersten Abschnitt 27 der Gehäuseinnenseite 28 anlegen, wodurch das Volumen des Druckraums 21 maximiert ist. Bei entsprechendem Unterdruck im Speicherraum 22 kann sich die Membran 20 am zweiten Abschnitt 30 der Gehäuseinnenseite 28 flächig anlegen, wodurch das Volumen des Speicherraums 22 minimiert ist.
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Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse 19 zwei Halbschalen 37, 38, die nahezu identisch aufgebaut sein können. Die beiden Halbschalen 37, 38 sind in einem Befestigungsbereich 39, der in der Umfangsrichtung geschlossen umläuft, aneinander befestigt. Zweckmäßig ist die Membran 20 entlang eines außenliegenden Membranrands 40 in diesen umlaufenden Befestigungsbereich 39 eingebunden, so dass die Membran 20 durch die Befestigung der Halbschalen 37, 38 aneinander am Gehäuse 19 befestigt ist. Im Beispiel zeigt die eine Halbschale 37 mehrere, in der Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordnete, radial nach außen vorstehende Laschen 41, mit denen das Gehäuse 19 an geeigneter Stelle befestigt werden kann, zum Beispiel am Kondensator 8 oder an einem Gehäuse der Abwärmenutzungsvorrichtung 1.
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Der Abwärmenutzungskreis 3 wird in der Regel bei eingeschalteter Brennkraftmaschine 2 betrieben. Er kann aber, z. B im Start-Stopp-Betrieb der Brennkraftmaschine 2, auch dann betrieben werden, wenn die Brennkraftmaschine 2 abgeschaltet ist.
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Der Druckspeicher 16 weist einen Überdruckendanschlag 27 und einen Unterdruckendanschlag 30 auf. Er dehnt sich bei entsprechendem Überdruck im Speicherraum 22 bis zum Überdruckendanschlag 27 aus. Die Volumenänderung des Druckspeichers 16 ist abhängig von der Temperatur des Arbeitsmediums. Kühlt das Arbeitsmedium ab, so sinkt der Druck im Abwärmenutzungskreis 3. Unterschreitet der Druck im Abwärmenutzungskreis 3 den Umgebungsdruck, so drückt der Umgebungsdruck den Druckspeicher 16 zusammen und der Druckspeicher 16 gibt Arbeitsmedium in den Abwärmenutzungskreis 3 ab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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