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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug, und insbesondere einen thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug, der in der Lage ist, die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs durch Ändern eines Wärmetauschmodus für Abwärme in Abhängigkeit von einem Antriebsmodus des Fahrzeugs zu verbessern.
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HINTERGRUND
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Allgemein werden in Fahrzeugen ein Abwärme-Rückgewinnungssystem (EHRS, exhaust heat recovery system) und ein thermoelektrisches Erzeugungssystem (TEGS, thermoelectric generation system) als Technologien zur Nutzung von Abwärme angewendet.
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Das Abwärme-Rückgewinnungssystem ist ein System zur Rückgewinnung von Abwärme durch Wärmeaustausch zwischen Abgas und einem Kühlmittel, um im Winter die rückgewonnene Abwärme zum Aufwärmen eines Verbrennungsmotors während einer Anfangsphase des Motorstarts zu nutzen, wodurch eine verbesserte Kraftstoffeffizienz erzielt wird.
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Ein solches Abwärme-Rückgewinnungssystem hat eine Wirkung dahingehend, Abwärme während einer Anfangsphase des Motorstarts im Winter in großem Maße zu nutzen, hat jedoch ein Problem dahingehend, dass Abgas unter anderen Bedingungen umgeleitet wird und sich daher die Effizienz des Systems verschlechtern kann.
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Das wie oben erwähnte thermoelektrische Erzeugungssystem hingegen ist ein System, bei dem ein thermoelektrisches Element zur Erzeugung von Elektrizität mithilfe eines Temperaturunterschieds zwischen einem Hochtemperaturteil und einem Niedertemperaturteil Abwärme als Hochtemperaturteil nutzt und gleichzeitig ein Kühlmittel als Niedertemperaturteil nutzt, um die in einem Fahrzeug benötigten Elektrizität zu erzeugen, wodurch es möglich wird, die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu verbessern.
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Das thermoelektrische Erzeugungssystem zeigt ein breiteres Anwendungsspektrum als das Abwärme-Rückgewinnungssystem, hat jedoch ein Problem dahingehend, dass die Menge an erzeugter Elektrizität eingeschränkt ist, verglichen mit einem Anstieg der Kosten, die durch die Verwendung eines teuren thermoelektrischen Elements versursacht werden.
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Hinzu kommt, dass bei einem gewöhnlichen Fahrzeug ein thermoelektrisches Erzeugungssystem und ein Abwärme-Rückgewinnungssystem aufeinanderfolgend derart angeordnet sind, dass Abgas, nachdem es durch das thermoelektrische Erzeugungssystem gelangt ist, an das Abwärme-Rückgewinnungssystem zugeführt wird. Aus diesem Grund kann ein Nachteil dahingehend bestehen, dass die Wirkung des Aufwärmens eines Kühlmittels beeinträchtigt werden kann.
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Die obige, in diesem Abschnitt offenbarte Thematik dient lediglich dem besseren Verständnis des allgemeinen technischen Hintergrunds der Erfindung und soll nicht als Bestätigung oder jedwede Form von Vorschlag betrachtet werden, dass diese Thematik den Stand der Technik bildet, der einem Fachmann bereits bekannt ist.
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DARSTELLUNG
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Die vorliegende Offenbarung erfolgte daher in Anbetracht der obenstehenden Probleme und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug anzugeben, der in der Lage ist, durch Ändern eines Wärmetauschmodus für Abwärme in Abhängigkeit von einem Antriebsmodus des Fahrzeugs eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz zu erzielen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung können die obigen und andere Aufgaben erzielt werden, indem ein thermoelektrischer Generator für ein Fahrzeug bereitgestellt wird, der die Wärme von aus einem Motor des Fahrzeugs ausgeleitetem Abgas nutzt. Der thermoelektrische Generator kann eine Wärmetauscheinheit, durch die ein Kühlmittel zum Wärmetausch mit dem Abgas zirkuliert, eine thermoelektrische Erzeugungseinheit zum Umwandeln von Wärmeenergie aus Abgas in elektrische Energie, einen ersten Strömungskanal zum Leiten des aus dem Motor ausgeleiteten Abgases derart, dass es die Wärmetauscheinheit durchläuft, einen zweiten Strömungskanal zum Leiten des aus dem Motor ausgeleiteten Abgases derart, dass es die thermoelektrische Erzeugungseinheit durchläuft, einen dritten Strömungskanal zum Leiten des aus dem Motor ausgeleiteten Abgases derart, dass es die Wärmetauscheinheit und die thermoelektrische Erzeugungseinheit umgeht, ohne die Wärmetauscheinheit und die thermoelektrische Erzeugungseinheit zu durchlaufen, ein erstes Ventil zum Öffnen oder Schließen des ersten Strömungskanals, ein zweites Ventil zum wahlweisen Öffnen oder Schließen des zweiten Strömungskanals und des dritten Strömungskanals, und eine Antriebseinheit für die Betätigung des ersten Ventils und des zweiten Ventils durch eine einzige Energiequelle, aufweisen.
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Die thermoelektrische Erzeugungseinheit kann innerhalb der Wärmetauscheinheit angeordnet sein. Die thermoelektrische Erzeugungseinheit kann ein thermoelektrisches Modul aufweisen, dessen eine Seite den zweiten Strömungskanal berührt und dessen andere Seite zum Kühlmittel, das innerhalb der Wärmetauscheinheit strömt, freiliegt.
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Der thermoelektrische Generator kann ferner ein Gehäuse aufweisen, in dem die Wärmetauscheinheit und die thermoelektrische Erzeugungseinheit angeordnet sind. Das Gehäuse kann eine erste Zone, in der der erste und der zweite Strömungskanal, die Wärmetauscheinheit und die thermoelektrische Erzeugungseinheit angeordnet sind, und eine zweite Zone, in der der dritte Strömungskanal und das erste und das zweite Ventil angeordnet sind, aufweisen.
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Die Antriebseinheit kann eine Stellwelle, um sich gemäß dem Betrieb eines Motors zu drehen, eine erste Führungswelle, die mit einem ersten Kopplungselement versehen ist, um sich in Kopplung mit der Stellwelle derart zu drehen, dass die erste Führungswelle das erste Ventil durch Drehung des ersten Kopplungselements schwenkbewegt, wodurch der erste Strömungskanal geöffnet oder geschlossen wird, eine zweite Führungswelle, die mit einem zweiten Kopplungselement versehen ist, um sich in Kopplung mit der Stellwelle derart zu drehen, dass die zweite Führungswelle das zweite Ventil durch Drehung des zweiten Kopplungselements schwenkbewegt, wodurch der zweite Strömungskanal und der dritte Strömungskanal wahlweise geöffnet oder geschlossen werden, und ein Gehäuse aufweisen, in dem die Stellwelle, die erste Führungswelle und die zweite Führungswelle angeordnet sind.
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Die erste Führungswelle kann eine zylindrische Form haben und in ihr kann die Stellwelle angeordnet sein. Das erste Kopplungselement kann derart an einem Ende der ersten Führungswelle angeordnet sein, dass sich das erste Kopplungselement entlang eines Umfangs der ersten Führungswelle dreht. Die zweite Führungswelle kann eine zylindrische Form haben und in ihr kann die erste Führungswelle angeordnet sein. Das zweite Kopplungselement kann derart an einem Ende der zweiten Führungswelle angeordnet sein, das sich das zweite Kopplungselement entlang eines Umfangs der zweiten Führungswelle dreht.
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Die Stellwelle, die erste Führungswelle und die zweite Führungswelle können jeweils miteinander fluchtende Mittelachsen aufweisen.
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Die Antriebseinheit kann ein erstes elastisches Element, das zwischen der Stellwelle und dem ersten Kopplungselement angeordnet ist, um eine normale Drehung und eine Rückwärtsdrehung des ersten Kopplungselements zu begrenzen; und
ein zweites elastisches Element aufweisen, das zwischen dem zweiten Kopplungselement und dem Gehäuse angeordnet ist, um eine normale Drehung und eine Rückwärtsdrehung des zweiten Kopplungselements zu begrenzen.
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An der Stellwelle kann ein erstes Eingriffselement derart angebracht sein, dass das erste Eingriffselement das erste Kopplungselement berühren kann, um das erste Kopplungselementnormal zu drehen. An der Stellwelle kann ein zweites Eingriffselement derart angebracht sein, dass das zweite Eingriffselement das zweite Kopplungselement berühren kann, um das zweite Kopplungselement normal zu drehen.
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Der thermoelektrische Generator kann ferner einen Controller aufweisen, um zu steuern, ob sich der Motor dreht oder nicht, und einen Drehwinkel des Motors zu steuern. Der Controller kann in Abhängigkeit von einem Aufwärmmodus, einem thermoelektrischen Erzeugungsmodus und einem Umgehungsmodus steuern, ob sich der Motor dreht oder nicht, und den Drehwinkel des Motors steuern.
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Im Aufwärmmodus kann der Controller den Motor dahingehend steuern, in einer Normalposition angeordnet zu sein, so dass das zweite Ventil in einer Position angeordnet ist, in der das zweite Ventil den dritten Strömungskanal schließt und gleichzeitig den zweiten Strömungskanal öffnet, wodurch bewirkt wird, dass das Abgas durch den ersten Strömungskanal und den zweiten Strömungskanal strömt. Im thermoelektrischen Erzeugungsmodus kann der Controller den Motor um einen vorgegeben Winkel normal drehen, so dass sich das erste Ventil in eine Position bewegt, in der das erste Ventil den ersten Strömungskanal schließt und das zweite Ventil in einer Position gehalten wird, in der das zweite Ventil den dritten Strömungskanal schließt und gleichzeitig den zweiten Strömungskanal öffnet, wodurch bewirkt wird, dass das Abgas nur durch den zweiten Strömungskanal strömt. Im Umgehungsmodus kann der Controller den Motor ferner um einen vorgegebenen Winkel normal drehen, so dass das erste Ventil in der Position gehalten wird, in der das erste Ventil den ersten Strömungskanal schließt und das zweite Ventil sich in eine Position bewegt, in der das zweite Ventil den zweiten Strömungskanal schließt und gleichzeitig den dritten Strömungskanal öffnet, wodurch bewirkt wird, dass das Abgas nur durch den dritten Strömungskanal strömt.
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Der erste Strömungskanal, der zweite Strömungskanal und der dritte Strömungskanal können parallelgeschaltet sein.
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Figurenliste
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aufgrund der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden, in denen:
- 1 ein Schaubild zum Veranschaulichen einer Konfiguration eines thermoelektrischen Generators für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
- 2 eine perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen des thermoelektrischen Generators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
- 3 eine Seitenansicht zum Veranschaulichen des thermoelektrischen Generators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
- 4 eine Seitenansicht zum Veranschaulichen einer Konfiguration einer Antriebseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist; und
die 5 bis 7 Ansichten sind, die Betriebszustände des thermoelektrischen Generators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es wird nun ausführlich Bezug genommen auf Ausführungsbeispiele, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch auf zahlreiche unterschiedliche Weisen ausgebildet werden und soll nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie auf die hier angeführten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Diese Ausführungsbeispiele werden vielmehr bereitgestellt, damit diese Offenbarung ganzheitlich und vollständig ist und einem Fachmann den Rahmen der Offenbarung vollumfänglich vermittelt. Die vorliegende Offenbarung wird lediglich durch die Kategorien der Ansprüche definiert. Wo immer möglich werden in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder gleichwertige Teile zu verweisen.
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1 ist ein Schaubild, das eine Konfiguration eines thermoelektrischen Generators für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die den thermoelektrischen Generator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. 3 ist eine Seitensicht, die den thermoelektrischen Generator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. 4 ist eine Seitenansicht, die eine Konfiguration einer Antriebseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
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Wie in den Zeichnungen dargestellt handelt es sich bei dem thermoelektrischen Generator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung um ein thermoelektrisches Erzeugungssystems, das Wärme von Abgas nutzt, welches aus einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs ausgeleitet wird. Der thermoelektrische Generator weist eine Wärmetauschstruktur auf, die in der Lage ist, einen integrierten Betrieb eines Modus zum Rückgewinnen von Wärme aus Abgas durch ein Kühlmittel und einen Modus zum Umwandeln von Wärmeenergie aus Abgas in elektrische Energie zu erzielen.
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Der thermoelektrische Generator für Fahrzeuge gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung weist beispielsweise eine Wärmetauscheinheit 10, durch die ein Kühlmittel zum Wärmetausch mit Abgas zirkuliert, eine thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 zum Umwandeln von Wärmeenergie von Abgas in elektrisch Energie, einen ersten Strömungskanal 31 zum Leiten von aus einem Motor ausgeleiteten Abgases derart, dass es die Wärmetauscheinheit 10 durchläuft, einen zweiten Strömungskanal 32 zum Leiten des aus dem Motor ausgeleiteten Abgases derart, dass es die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 durchläuft, und einen dritten Strömungskanal 33 zum Leiten des aus dem Motor ausgeleiteten Abgases derart, dass es die Wärmetauscheinheit 10 und die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 umgeht, ohne die Wärmetauscheinheit 10 und die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 zu durchlaufen, auf. Der thermoelektrische Generator weist ferner ein erstes Ventil zum Öffnen oder Schließen des ersten Strömungskanals 31, ein zweites Ventil 102 zum wahlweisen Öffnen oder Schließen des zweiten Strömungskanals 32 und des dritten Strömungskanals 33, und eine Antriebseinheit 100 für die Betätigung des ersten Ventils 101 und des zweiten Ventils 102 durch eine einzige Energiequelle auf.
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Bei der Wärmetauscheinheit 10 handelt es sich um eine Einrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus Abgas durch ein Kühlmittel. Im Zusammenhang damit ist die Wärmetauscheinheit 10 eingerichtet, es dem Kühlmittel zu ermöglichen, um den ersten Strömungskanal 31 zu strömen, durch den ein aus dem Motor ausgeleitetes Abgas strömt, so dass das Kühlmittel in Berührung mit dem ersten Strömungskanal 31 ist. Die Wärmetauscheinheit 10 kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass sie die Form eines Kastens annimmt, durch den hindurch sich der erste Strömungskanal 31 erstreckt. Selbstverständlich ist die Wärmetauscheinheit 10 nicht auf die Kastenform beschränkt und kann in verschiedenen Formen ausgebildet sein, die es dem Kühlmittel ermöglichen, den ersten Strömungskanal 31 derart zu umströmen, dass zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel ein Wärmeaustausch erreicht wird. Die Wärmetauscheinheit 10 kann derart ausgebildet sein, dass sie die Form eines Wassermantels annimmt, der den ersten Strömungskanal 31 umgibt.
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Bei der thermoelektrischen Erzeugungseinheit 20 handelt es sich um eine Einrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie von Abgas in elektrische Energie. Die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 ist innerhalb der Wärmetauscheinheit 10 angeordnet. Dementsprechend ist das Kühlmittel, das innerhalb der Wärmeaustauscheinheit 10 strömt, auch in Kontakt mit der thermoelektrischen Erzeugungseinheit 20, und kann als solches Wärme mit der thermoelektrischen Erzeugungseinheit 20 tauschen.
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Die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 weist ein thermoelektrisches Modul, dessen eine Seite den zweiten Strömungskanal 32 berührt und dessen andere Seite zum Kühlmittel, das innerhalb der Wärmetauscheinheit 10 strömt, freiliegt, auf. In diesem Fall wird das thermoelektrische Modul 21 von mehreren thermoelektrischen Elementen gebildet, die elektrisch miteinander verbunden sind. Jedes thermoelektrische Element arbeitet dahingehend, unter Ausnutzung eines Temperaturunterschieds zwischen einem Hochtemperaturteil desselben und eines Niedertemperaturteils desselben Elektrizität zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform ist das thermoelektrische Modul 21 derart angeordnet, dass der Hochtemperaturteil von jedem thermoelektrischen Element den zweiten Strömungskanal 32 berührt und der Niedertemperaturteil von jedem thermoelektrischen Element zum Kühlmittel hin freiliegt.
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Die Wärmetauscheinheit 10 und die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 sind ferner innerhalb eines Gehäuses 40 angeordnet, in dem ein Aufnahmeraum definiert ist.
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In diesem Fall ist das Gehäuse 40 in eine erste Zone 40a, durch die sich der erste Strömungskanal 31 und der zweite Strömungskanal 32 erstrecken und in dem die Wärmetauscheinheit 10 und die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 angeordnet sind, und eine zweite Zone 40b, in der der dritte Strömungskanal 33 ausgebildet ist, und in dem das erste Ventil 101 und das zweite Ventil 202 verbaut sind, unterteilt. Die erste Zone 40a und die zweite Zone 40b können beispielsweise durch vertikales Teilen des Inneren des Gehäuses 40 in zwei Abschnitte definiert werden.
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Die erste Zone 40a ist beispielsweise in eine 1-1-te Zone 40c, in der Einlässe des ersten und des zweiten Strömungskanals 31 und 32 angeordnet sind, eine 1-2-te Zone 40d, in der die Wärmetauscheinheit 10 und die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 angeordnet sind, und eine 1-3-te Zone 40e, in der ein Auslass des ersten Strömungskanals 31 angeordnet ist, und eine 1-4-te Zone 40f, in der ein Auslass des zweiten Strömungskanals 32 angeordnet ist, unterteilt. Die 1-1-te Zone 40c, die 1-2-te Zone 40d, die 1-3-te Zone 40e und die 1-4-te Zone 40f können beispielsweise durch Unterteilen der ersten Zone 40a in vier Abschnitte, bezogen auf eine Strömungsrichtung von Abgas, definiert werden.
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In diesem Fall können die 1-1-te Zone 40c, die 1-2-te Zone 40d, die 1-3-te Zone 40e und die 1-4-te Zone 40f jeweils als gesonderte Räume ausgebildet sein, oder können ausgebildet sein, indem ein einziger Raum jeweils in mehrere Räume geteilt wird. In der dargestellten Ausführungsform sind die 1-1-te Zone 40c bzw. die 1-2-te Zone 40d als gesonderte Räume ausgebildet, wohingegen die 1-3-te Zone 40e bzw. die 1-4-te Zone 40f durch Teilen eines einzelnen Raums mittels einer Abtrennung in zwei Abschnitte gebildet sind.
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Ferner sind die 1-1-te Zone 40c, die 1-3-te Zone 40e und die 1-4-te Zone 40f gebildet, um innerhalb des Gehäuses 40 mit der zweiten Zone 40b zu kommunizieren. Dementsprechend werden die Einlässe der ersten und zweiten Strömungskanäle 31 und 32 durch die 1-1-te Zone 40c gesichert, der Auslass des ersten Strömungskanals 31 wird durch die 1-3-te Zone 40e gesichert, und der Auslass des zweiten Strömungskanals 32 wird durch die 1-4-te Zone 40f gesichert.
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In diesem Fall sind die 1-1-te Zone 40c und die zweite Zone 40b ausgebildet, um miteinander durch alle Abschnitte einer Grenzfläche zwischen ihnen zu kommunizieren, und daher kann eine ungehinderte Strömung von Abgas zwischen der 1-1-ten Zone 40c und der zweiten Zone 40b erzielt werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Grenzfläche zwischen der 1-3-ten Zone 40e und der zweiten Zone 40b und die Grenzfläche zwischen der 1-4ten Zone 40f und der zweiten Zone 40b Kommunikationsräume an gewünschten Abschnitten dieser aufweisen, um die Zonen durch das erste bzw. zweite Ventil 101 und 102 zu öffnen oder zu schließen. Beispielsweise ist an der Grenzfläche zwischen der 1-3-ten Zone 40e und der zweiten Zone 40b eine erste Durchgangsöffnung 42 gebildet, und an der Grenzfläche zwischen der 1-4-ten Zone 40f und der zweiten Zone 40b ist eine zweite Durchgangsöffnung 43 gebildet. In diesem Fall können die erste Durchgangsöffnung 42 und die zweite Durchgangsöffnung 43 einen im Wesentlichen viereckigen Querschnitt aufweisen.
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Ferner bilden der erste Strömungskanal 31, der zweite Strömungskanal 32 und der dritte Strömungskanal 33 Räume, durch die das Abgas strömt. Sowohl der erste als auch der zweite Strömungskanal 31 und 32 sind durch ein Rohr mit viereckigem Querschnitt gebildet und gleichzeitig mit einem Einlass und einem Auslass gebildet. Einhergehend damit sind der erste Strömungskanal 31 und der zweite Strömungskanal 32 derart in der ersten Zone 40a des Gehäuses 40 angeordnet, dass sich der erste Strömungskanal 31 durch die Wärmetauscheinheit 10 erstreckt und sich der zweite Strömungskanal 32 durch die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 erstreckt. Der dritte Strömungskanal 33 hingegen ist durch Anwenden der zweiten Zone 40b des Gehäuses 40 ohne jegliche Modifizierung gebildet. In diesem Fall sind der erste Strömungskanal 31, der zweite Strömungskanal 32 und der dritte Strömungskanal 33 zueinander parallelgeschaltet.
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Ferner ist das erste Ventil 101 in der zweiten Zone 40b des Gehäuses 40 angeordnet, um die erste Durchgangsöffnung 42 zu öffnen oder zu schließen, um den ersten Strömungskanal 31 zu öffnen oder zu schließen. Das zweite Ventil 102 ist ebenfalls in der zweiten Zone 40b des Gehäuses angeordnet, um wahlweise den zweiten Strömungskanal 32 und den dritten Strömungskanal 33 zu öffnen oder zu schließen. Ferner ist die Antriebseinheit 100, welche das erste Ventil 101 und das zweite Ventil 102 durch eine einzelne Leistungsquelle betätigt, in der zweiten Zone 40b des Gehäuses 40 angeordnet.
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In diesem Fall bewegen sich das erste Ventil 101 und das zweite Ventil 102 in schwenkender Art und Weise in Abhängigkeit von einer Betätigung der Antriebseinheit 100, wodurch die erste Durchgangsöffnung 42 bzw. die zweite Durchgangsöffnung 43 geöffnet bzw. geschlossen werden. Zu diesem Zweck haben sowohl das erste Ventil 101 als auch das zweite Ventil 10 die Form eines Tellers, der vermittels der Antriebseinheit 100 schwenkbewegbar ist. Das zweite Ventil 102 hat eine Form, die dem Querschnitt des dritten Strömungskanals 33 entspricht, und als solches kann der Querschnitt des dritten Strömungskanals 33 von dem zweiten Ventil 102 geschlossen werden. Ferner ist an dem ersten Ventil 101 ein erster Vorsprung 101a gebildet, der bezüglich Position und Form der ersten Durchgangsöffnung 42 entspricht, und an dem zweiten Ventil 102 ist ein zweiter Vorsprung 102a gebildet, der bezüglich Position und Form der zweiten Durchgangsöffnung 43 entspricht. Dementsprechend öffnen bzw. schließen der erste Vorsprung 101a und der zweite Vorsprung 102a die erste Durchgangsöffnung 42 und die zweite Durchgangsöffnung 43 durch eine Schwenkbewegung des ersten Ventils 101 bzw. des zweiten Ventils 102.
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Bei der Antriebseinheit 100 handelt es sich um eine Einrichtung zum Betätigen des ersten Ventils 101 und des zweiten Ventils 102 durch eine einzelne Energiequelle. Die Antriebseinheit 100 weist eine Stellwelle, um sich gemäß dem Betrieb eines Motors zu drehen, eine erste Führungswelle 120, die mit einem ersten Kopplungselement 122 versehen ist, um sich in Kopplung mit der Stellwelle 110 derart zu drehen, dass die erste Führungswelle 120 das erste Ventil 101 durch Drehung des ersten Kopplungselements 122 schwenkbewegt, wodurch der erste Strömungskanal 31 geöffnet oder geschlossen wird, eine zweite Führungswelle 130, die mit einem zweiten Kopplungselement 132 versehen ist, um sich in Kopplung mit der Stellwelle 110 derart zu drehen, dass die zweite Führungswelle 130 das zweite Ventil 102 durch Drehung des zweiten Kopplungselements 132 schwenkbewegt, wodurch der zweite Strömungskanal 32 und der dritte Strömungskanal 33 wahlweise geöffnet oder geschlossen werden, sowie ein Gehäuse 140 zur Aufnahme der Stellwelle 110, der ersten Führungswelle 120 und der zweiten Führungswelle 130 in dessen Innerem auf.
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In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Stellwelle 110, die erste Führungswelle 120 und die zweite Führungswelle 130 Mittelachsen aufweisen, die jeweils miteinander fluchten.
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Zu diesem Zweck hat die erste Führungswelle 120 eine zylindrische Form und in ihr ist die Stellwelle 110 angeordnet. Auf ähnliche Weise hat die zweite Führungswelle 130 eine zylindrische Form, und in ihr ist die erste Führungswelle 120 angeordnet.
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Das erste Kopplungselement 122 ist derart an einem Ende der ersten Führungswelle 120 angeordnet, dass sich das erste Kopplungselement 122 entlang eines Umfangs der ersten Führungswelle 120 dreht. Das zweite Kopplungselement 132 ist derart an einem Ende der zweiten Führungswelle 130 angeordnet, dass sich das zweite Kopplungselement 132 entlang eines Umfangs der zweiten Führungswelle 130 dreht. Um das erste Kopplungselement 122 und das zweite Kopplungselement 132 mit der ersten Führungswelle 120 bzw. der zweiten Führungswelle 130 zu verbinden, können zur Drehung derselben verschiedene Strukturen verwirklicht werden. In der dargestellten Ausführungsform ist an dem Ende der ersten Führungswelle 120 eine Führungseinrichtung wie etwa eine Schiene oder eine Nut vorgesehen, um es dem ersten Kopplungselement 122 zu ermöglichen, sich entlang des Umfangs der ersten Führungswelle 120 zu drehen, und dementsprechend kann sich das erste Kopplungselement 122 entlang der Führungseinrichtung drehen. Auf ähnliche Weise ist an dem Ende der zweiten Führungswelle 130 eine Führungseinrichtung wie etwa eine Schiene oder eine Nut vorgesehen, um es dem zweiten Kopplungselement 132 zu ermöglichen, sich entlang des Umfangs der zweiten Führungswelle 130 zu drehen, und dementsprechend kann sich das zweite Kopplungselement 132 entlang der Führungseinrichtung drehen.
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Ferner ist an der Stellwelle 110 ein erstes Stellelement 111 derart angebracht, dass das erste Eingriffselement 111 das erste Kopplungselement 122 berühren kann, um das erste Kopplungselement 122 normal zu drehen. An der Stellwelle 110 ist ebenfalls ein zweites Eingriffselement 112 angebracht, so dass das zweite Eingriffselement 112 das zweite Kopplungselement 132 berühren kann, um das zweite Kopplungselement 132 zu drehen. Dementsprechend drehen sich das erste Eingriffselement 111 und das zweite Eingriffselement 112 gemäß des Antriebs der Stellwelle 110, wodurch das erste Kopplungselement 122 bzw. das zweite Kopplungselement 132 gedreht werden. Selbstverständlich sind das erste Eingriffselement 111 und das zweite Eingriffselement 112 um einen vorgegebenen Winkel voneinander beabstandet, und das erste Kopplungselement 122 und das zweite Kopplungselement 132 sind ebenfalls durch einen vorgegebenen Winkel voneinander beabstandet. Gemäß der oben beschriebenen Anordnung dreht das erste Eingriffselement 111 zunächst das erste Kopplungselement 122, wenn sich die Stellwelle 110 dreht. Wenn die Drehung der Stellwelle 110 fortgeführt wird, dreht dann das zweite Eingriffselement 112 das zweite Kopplungselement 132.
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Zum Bereitstellen einer Rückstellkraft, um das erste Kopplungselement 122 und das zweite Kopplungselement 132 in ihre Ursprungspositionen nach deren Drehung zurückzustellen, weist eine Antriebseinheit 110 ferner ein erstes elastisches Element 121, das zwischen der Stellwelle 110 und dem ersten Kopplungselement 122 installiert ist, um eine normale Drehung und eine Rückwärtsdrehung des ersten Kopplungselements 122 zu begrenzen, sowie ein zweites elastisches Element 131 auf, das zwischen dem zweiten Kopplungselement 122 und dem Gehäuse 140 installiert ist, um die normale Drehung und die Rückwärtsdrehung des zweiten Kopplungselements 132 zu begrenzen.
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In diesem Fall stellt das erste elastische Element 121 eine Rückstellkraft bereit und wird gleichzeitig entsprechend der normalen Drehung des ersten Kopplungselements 122 gedehnt, und das zweite elastische Element 131 stellt eine Rückstellkraft bereit und wird gleichzeitig gemäß der normalen Drehung des zweiten Kopplungselements 132 komprimiert. Für derartige Funktionen können das erste elastische Element 121 und das zweite elastische Element 131 vermittels verschiedener Federstrukturen verwirklicht sein.
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Der thermoelektrische Generator gemäß der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ferner einen (nicht gezeigten) Controller auf, um zu steuern, ob sich der Motor dreht oder nicht, und um einen Drehwinkel des Motors zu steuern. Der Controller steuert in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus, d.h. einem Aufwärmmodus, einem thermoelektrischen Erzeugungsmodus, oder einem Umgehungsmodus, ob sich der Motor dreht oder nicht, und steuert den Drehwinkel des Motors.
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Beispielsweise steuert der Controller den Motor im Aufwärmmodus dahingehend, in einer Normalposition angeordnet zu sein. In diesem Zustand ist das zweite Ventil 102 in einer Position angeordnet, in der das zweite Ventil 102 den dritten Strömungskanal 33 schließt und gleichzeitig den zweiten Strömungskanal 32 öffnet. Dementsprechend wird bewirkt, dass Abgas durch den ersten Strömungskanal 31 und den zweiten Strömungskanal 32 strömt.
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Im thermoelektrischen Erzeugungsmodus hingegen dreht der Controller den Motor um einen vorgegebenen Winkel, so dass sich das erste Ventil 101 in eine Position bewegt, in der das erste Ventil 101 den ersten Strömungskanal 31 schließt und das zweite Ventil 102 in einer Position gehalten wird, in der das zweite Ventil 102 den dritten Strömungskanal 33 schließt und gleichzeitig den zweiten Strömungskanal 32 öffnet. Dementsprechend strömt Abgas nur durch den zweiten Strömungskanal 32.
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Ferner dreht der Controller den Motor im Umgehungsmodus normal um einen vorgegebenen Winkel, so dass das erste Ventil 101 in der Position gehalten wird, in der das erste Ventil 101 den ersten Strömungskanal 31 schließt und sich das zweite Ventil 102 in eine Position bewegt, in der das zweite Ventil 102 den zweiten Strömungskanal 32 schließt und gleichzeitig den dritten Strömungskanal 33 öffnet. Dementsprechend wird bewirkt, dass das Abgas nur durch den dritten Strömungskanal 33 strömt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Controller durch einen nicht-flüchtigen Speicher (nicht gezeigt), der eingerichtet ist, um einen Algorithmus, der zur Steuerung des Betriebs von verschiedenen Bauelementen des Fahrzeugs eingerichtet ist, oder Daten, wie etwa Softwarebefehle zum Ausführen des Algorithmus, zu speichern, und einen Prozessor (nicht gezeigt) ausgebildet sein, der zum Ausführen eines wie nachfolgend beschriebenen Betriebs mithilfe der in dem Speicher gespeicherten Daten eingerichtet ist. Dabei können der Speicher und der Prozessor jeweils als einzelne Chips ausgeführt sein. Alternativ können der Speicher und der Prozessor als ein einzelner, integrierter Chip ausgebildet sein. Der Prozessor kann in Form eines oder mehrerer Prozessoren vorliegen.
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Nachfolgend werden Betriebszustände des thermoelektrischen Generators für Fahrzeuge, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung eingerichtet ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Die 5 bis 7 sind Ansichten, die Betriebszustände des thermoelektrischen Generators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen. Insbesondere ist 5 eine Ansicht, die einen Betriebszustand im Aufwärmmodus veranschaulicht, und 6 ist eine Ansicht, die einen Betriebszustand im thermoelektrischen Betriebsmodus veranschaulicht, und 7 ist eine Ansicht, die einen Betriebszustand im Umgehungsmodus veranschaulicht.
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Zunächst befindet sich der Motor in dem Aufwärmmodus, der einer anfänglichen Fahrtphase des Fahrzeugs entspricht, in einem Nicht-Betriebsmodus (Drehwinkel des Motors: 0°), wie in 5 dargestellt. In diesem Zustand sind sowohl das erste Ventil 101 als auch das zweite Ventil 102 jeweils an Ursprungspositionen derselben angeordnet (Ventildrehwinkel: 0°). Demensprechend werden sowohl das erste elastische Element 121 als auch das zweite elastische Element 131 in einem Zustand gehalten, in dem weder eine Spannkraft noch eine Kompressionskraft aufgebracht werden.
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In diesem Zustand ist das erste Ventil 101 in einer Position angeordnet, in der das erste Ventil 101 den ersten Strömungskanal 31 öffnet, und das zweite Ventil 102 ist in einer Position angeordnet, in der das zweite Ventil 102 den ersten Strömungskanal 32 öffnet und gleichzeitig der dritte Strömungskanal 33 geschlossen wird.
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Dementsprechend erwärmt das Abgas ein Kühlmittel, während es durch den ersten Strömungskanal 31 und den zweiten Strömungskanal 32 strömt. In diesem Zustand führt die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 ebenfalls die Erzeugung von Elektrizität durch.
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Wird ein Aufwärmen des Kühlmittels nicht länger benötigt, wenn das Fahren des Fahrzeugs für einen gewissen Zeitraum fortgesetzt wurde, wird der Betriebsmodus des thermoelektrischen Generators in den thermoelektrischen Erzeugungsmodus umgeschaltet. In diesem Zustand dreht sich der Motor normal um einen vorgegebenen Winkel (Motordrehwinkel: 50°), wie in 6 gezeigt. Dementsprechend dreht sich die Stellwelle 110 um 50°, wodurch sich das erste Eingriffselement 11 und das zweite Eingriffselement 112 um einen Winkel von 50° drehen. Im Ergebnis dreht sich das erste Kopplungselement 122, das über das elastische Element 121 mit dem ersten Eingriffselement 111 verbunden ist, um 50°. Dementsprechend dreht sich das erste Ventil 101 gemäß der Drehung des ersten Kopplungselements 122, wodurch die erste Durchgangsöffnung 42 geschlossen wird. Dementsprechend ist der erste Strömungskanal 31 geschlossen. In diesem Zustand wird keine Spannkraft auf das erste elastische Element 121 aufgebracht, weil sich das erste Kopplungselement 122 bewegt und gleichzeitig den gleichen Drehwinkel durchläuft wie das erste elastische Element 121, wenn sich das erste elastische Element bewegt, während es sich dreht.
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Selbstverständlich dreht sich das zweite Eingriffselement 112 um 50° und bewegt sich dementsprechend nur in eine Position in der Nähe des zweiten Kopplungselements 132. Demnach werden das zweite Ventil 102, das zweite Kopplungselement 132 und das zweite elastische Element 131 jeweils in den Aufwärmzuständen derselben gehalten.
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Demensprechend strömt das Abgas nur durch den zweiten Strömungskanal 32, und demnach wird der Großteil der Wärmeenergie des Abgases in der thermoelektrischen Erzeugungseinheit 20 in elektrische Energie umgewandelt.
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Wird der Betriebsmodus des thermoelektrischen Generators in den Umgehungsmodus geschaltet, um Abgas gemäß Antriebszuständen des Fahrzeugs umzuleiten, dreht sich der Motor weiterhin normal um einen vorgegebenen Winkel (Motordrehwinkel:100°), wie in 7 gezeigt. Dementsprechend dreht sich die Stellwelle 110 verglichen mit dem thermoelektrischen Erzeugungsmodus um 50° weiter. Dementsprechend dreht die Stellwelle 110 ferner das erste Eingriffselement 111 und das zweite Eingriffselement 112 um einen Winkel von 50° weiter. Anstelle der weiteren Drehung des wie oben beschriebenen ersten Eingriffselement 111 kann sich das erste Kopplungselement 122 nicht weiterdrehen, da das erste Ventil 101, das mit dem ersten Kopplungselement 122 verbunden ist, die erste Durchgangsöffnung 42 bereits verschlossen hat. Im Ergebnis absorbiert das erste elastische Element 121 eine Rotationskraft der Stellwelle 110, während es unter Spannung steht. Selbstverständlich dreht das zweite Eingriffselement 112 das zweite Kopplungselement 132 um einen Winkel von 50°, während es das zweite Kopplungselement 132 berührt. Im Ergebnis dreht sich das zweite Ventil 102 gemäß der Drehung des zweiten Kopplungselements 132, um die zweite Durchgangsöffnung 43 zu schließen, und dementsprechend wird der zweite Strömungskanal 32 geschlossen, und der dritte Strömungskanal 33 wird geöffnet. In diesem Zustand wird das zweite elastische Element 131 entsprechend dem Drehwinkel des zweiten Kopplungselements 132 komprimiert.
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Dementsprechend umgeht Abgas die Wärmetauscheinheit 10 und die thermoelektrische Erzeugungseinheit 20 und strömt gleichzeitig nur durch den dritten Strömungskanal 33.
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Hingegen stellen sich das erste Kopplungselement 122 und das zweite Kopplungselement 131 mittels einer Spannkraft, die sich in dem ersten elastischen Element 121 aufbaut bzw. einer Kompressionskraft, die sich in dem zweiten elastischen Element 131 aufbaut in Ursprungspositionen zurück, wenn die Stellwelle in eine ursprüngliche Position zurückkehrt, wenn das Fahren das Fahrzeugs gestoppt wird, und dementsprechend kehren das erste Ventil 101 und das zweite Ventil 102 jeweils in ihre Aufwärmzustände zurück.
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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung eine Wirkung der Verbesserung der Kraftstoffeffizienz zu erwarten, indem ein Wärmetauschmodus im Zusammenhang mit Abwärme derart verändert wird, dass das Rückgewinnen von Abwärme und thermoelektrische Erzeugung wahlweise in Abhängigkeit von einem Antriebsmodus des Fahrzeugs zur Anwendung kommen.
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Ferner sind gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung der erste Strömungskanal, der sich durch die Wärmetauscheinheit erstreckt, und der zweite Strömungskanal, der sich durch die thermoelektrische Erzeugungseinheit erstreckt, derart parallel angeordnet, das Abgas in einem Aufwärmmodus unmittelbar durch den ersten Strömungskanal gelangen kann, wodurch ein Kühlmittel schneller erwärmt wird, verglichen mit einem Fall aus dem Stand der Technik, bei dem ein thermoelektrisches Erzeugungssystem und ein Abgaswärmebehandlungssystem nacheinander angeordnet sind, so dass Abgas, nachdem es das thermoelektrische Erzeugungssystem durchlaufen hat, an das Abwärme-Rückgewinnungssystem zugeführt wird, was zu einer Verschlechterung der Erwärmungswirkung des Kühlmittels führt. Ferner kann der zweite Strömungskanal, der in Kontakt mit dem Kühlmittel ist, geöffnet werden, und daher kann sich die Aufwärmzeit des Kühlmittels weiter verkürzen.
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Der Betrieb des ersten und zweiten Ventils zum Verwirklichen eines Aufwärmmodus, eines thermoelektrischen Erzeugungsmodus und eines Umgehungsmodus durch wahlweises Öffnen oder Schließen des ersten bis dritten Strömungskanals kann ferner mithilfe eines einzelnen Motors gesteuert werden, und demnach kann mit einem Effekt verringerter Herstellungskosten der Vorrichtung gerechnet werden.
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Obwohl die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichungszwecken offenbart wurden, wird ein Fachmann verstehen, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Ersetzungen möglich sind, ohne vom Rahmen und Geist der Erfindung abzuweichen, wie diese in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist.
