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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der eine Vorrichtung
zum Erzeugen von nichtthermischem Plasma enthält. Die Erfindung
betrifft auch ein Verfahren zum Behandeln von Abgasen von Verbrennungsmotoren
beispielsweise durch Verwenden eines Wärmetauschers, der
eine Vorrichtung zum Erzeugen von nichtthermischem Plasma enthält,
um Emissionen von Stickstoffoxiden (NOx)
in solchen Abgasen zu kühlen und/oder zu reduzieren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Abgase von Verbrennungsmotoren können eine Anzahl von Nebenprodukten
der Verbrennung enthalten, einschließlich NOx,
Aerosole bzw. Feinstaub, wie beispielsweise kohlenstoffhaltigen Ruß,
und unverbrannten Kohlenwasserstoffkraftstoff. Insbesondere enthalten
die Abgase von Dieselmotoren signifikante Mengen an NOx und
Ruß, und ein NOx-Gehalt ist auch
in den Abgasen von so genannten "Mager"-Verbrennungsmotoren hoch,
in welchen der Kraftstoff mit überschüssigem Sauerstoff
verbrannt wird, um eine Effizienz eines Motors zu erhöhen.
Die Abgasströme von Magerverbrennungsmotoren können
auch signifikante Mengen an Sauerstoff enthalten.
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Die
schädlichen Effekte eines Abgebens von NOx,
Ruß und flüchtigen organischen Verbindungen in
die Atmosphäre sind gut dokumentiert. NOx ist
an der Erzeugung von fotochemischem Smog, saurem Regen und Ozon
beteiligt. Rußpartikel in der Luft tragen zu einer schlechten
Sicht und Atemwegserkrankungen bei.
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In
sowohl Kompressions- (Diesel-) als auch Funkenzündungsmotoren
sind Abgasbehandlungssysteme verwendet worden, um NOx-Emissionen
zu erniedrigen. Solche Behandlungssysteme, die einen Anteil des
Abgases wieder zu dem Motor zuführen können, können
NOx-Emissionen von Dieselmotoren um 40 bis
50% reduzieren, und größere Reduzierungen sind
durch Kühlen des Abgases unter Verwendung eines Abgaskühlers,
wie beispielsweise eines kompakten Rohrbündel-Wärmetauschers,
möglich. Es gibt jedoch Grenzen bezüglich der
Menge an Abgas, die wieder in den Motor eingeführt werden
kann, bevor eine Leistungsausgabe und eine Kraftstoffökonomie
nachteilig beeinflusst werden, und es ist herausgefunden worden,
dass die Wiedereinführung von Abgasen in den Motor den
Rußgehalt des Abgases signifikant erhöhen kann.
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Das
Vorhandensein von großen Mengen an Ruß im Abgas
kann zu einer Ablagerung an den inneren Oberflächen des
Abgaskühlers führen. Es wird geglaubt, dass eine
Ablagerung die Leistungsfähigkeit des Kühlers
erniedrigt, indem eine Wärmesperre niedriger Leitungsfähigkeit
an den Wärmetauscheroberflächen erzeugt wird,
indem eine Oberflächenrauigkeit an den Wärmetauscheroberflächen
verursacht wird, was den Druckabfall erhöht, und indem die
Durchgänge eingeschränkt bzw. verengt werden, durch
welche die Abgase fließen, und zwar insbesondere in Rohren
kleinen Durchmesser.
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Es
ist bekannt, Rußpartikel- bzw. Feinstaub-Abscheider und/oder
-Filter zu verwenden, um den Rußgehalt eines Abgasstroms
zu reduzieren. Einige dieser Abscheider und Filter können
einen Plasmareaktor enthalten, der NO2 erzeugt,
um mit dem Ruß zu reagieren und ihn in gasförmiges
CO und/oder CO2 umzuwandeln. Es ist auch
bekannt, dass die Ablagerung von Abgaskühlern durch Vorsehen
eines Rußpartikel-Abscheiders oder -Filters stromauf vom
Kühler reduziert oder verhindert werden kann. Jedoch leiden
diese Systeme an dem Nachteil, dass eine zusätzliche Komponente
im Abgasstrom zum Zwecke eines Reduzierens eines Rußgehalts
erforderlich ist. Dies erhöht die Kosten und die Komplexität
des Abgassystems.
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Es
bleibt noch eine Notwendigkeit für Abgassysteme, in welchen
die Ablagerung eines Abgaskühlers teilweise oder vollständig
auf eine Weise verhindert wird, die einfacher und kosteneffektiver
als in bekannten Systemen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Wärmetauscher zur Verfügung
gestellt, der folgendes aufweist: einen ersten Fluiddurchgang, der
sich zwischen einem ersten Einlassanschluss und einem ersten Auslassanschluss
erstreckt; einen zweiten Fluiddurchgang, der sich zwischen einem
zweiten Einlassanschluss und einem zweiten Auslassanschluss erstreckt,
wobei der erste und der zweite Fluiddurchgang gegenseitig abgedichtet
sind; wenigstens eine Wärmetauscheroberfläche,
durch welche der erste und der zweite Fluiddurchgang in Wärmetauscherkommunikation
miteinander sind; und wenigstens eine Elektrode, die im zweiten
Fluiddurchgang angeordnet ist; wobei die wenigstens eine Elektrode
mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die während eines
Einsatzes des Wärmetauschers eine Spannung an die wenigstens
eine Elektrode anlegt; und wobei die Spannung von einer ausreichenden Größe
ist, um zu veranlassen, dass die wenigstens eine Elektrode ein nichtthermisches
Plasma im zweiten Fluiddurchgang erzeugt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Reduzieren von Emissionen
von Stickstoffoxiden im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur
Verfügung gestellt. Das Verfahren weist folgendes auf:
(a) Vorsehen eines Wärmetauschers gemäß der
Erfindung im Abgasstrom des Verbrennungsmotors; (b) Führen
von heißen Abgasen durch den Abgasstrom und durch den zweiten
Fluiddurchgang des Wärmetauschers, so dass heiße
Abgase, die durch den Abgasstrom fließen, durch den zweiten Einlassanschluss
in den Wärmetauscher eintreten, durch den zweiten Fluiddurchgang
fließen und den Wärmetauscher durch den zweiten
Auslassanschluss verlassen; wobei die heißen Abgase Mengen an
Stickoxid und kohlenstoffhaltigem Ruß enthalten; (c) Führen
eines Kühlmittels durch den ersten Fluiddurchgang; und
(d) Erregen der Spannungsquelle, um eine Spannung an die wenigstens
eine Elektrode anzulegen; wobei die Spannung von ausreichender Größe
ist, um zu veranlassen, dass die wenigstens eine Elektrode ein nichtthermisches
Plasma im zweiten Fluiddurchgang erzeugt, wobei das nichtthermische
Plasma veranlasst, dass wenigstens ein Anteil des Stickoxids in
den heißen Abgasen in Stickstoffdioxid umgewandelt wird,
das mit dem Ruß reagiert, um Kohlenstoffdioxid und Stickstoff
zu erzeugen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nur anhand
eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 ein
schematischer Längsschnitt eines Wärmetauschers
gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist;
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2 ein
Querschnitt entlang der Linie II-II der 1 ist;
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3 und 4 Seitenansichten
des Wärmetauschers der 1 sind,
wobei das zweite Einlass- und das zweite Auslass-Anschlussstück
abgewinkelt sind;
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5 eine
bevorzugte Form eines Elektroden-Abstandhalters zur Verwendung bei
dem in 1 gezeigten Wärmetauscher darstellt;
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6 ein
schematischer Längsschnitt eines Wärmetauschers
gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist; und
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7 eine
Endansicht des Wärmetauschers der 6 mit entfernter
Endkappe 138 ist und eine Anzahl von möglichen
Elektroden- und Abstandhalterkonfigurationen zeigt; und
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8 eine
schematische, perspektivische Ansicht des Wärmetauschers
der 6 ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die 1 bis 4 stellen
einen ersten bevorzugten Wärmetauscher 10 gemäß der
Erfindung schematisch dar. Der Wärmetauscher 10 ist
vom "Rohrbündel"-Typ, der eine Vielzahl von Rohren 12 aufweist,
die sich parallel zueinander erstrecken und eine Längsachse
A definieren. Die Rohre 12 sind in der Form eines Rohrbündels 14 angeordnet.
Der Einfachheit halber sind in der 1 nur sechs
Rohre 12 des Rohrbündels 14 gezeigt.
Das Rohrbündel 14 ist entlang seiner Seiten durch
eine äußere Hülle oder ein äußeres
Ge häuse 16 umgeben, die oder das sich axial erstreckt.
Das Gehäuse 16 des Wärmetauschers 10 hat
eine zylindrische Seitenwand, die sich parallel zur Längsachse
A erstreckt. Es wird erkannt werden, dass das Gehäuse 16 nicht
notwendigerweise zylindrisch ist, sondern von irgendeiner gewünschten
Form sein kann. Beispielsweise kann das Gehäuse 16 einen
Querschnitt haben, der in der Form eines regelmäßigen
oder unregelmäßigen Polygons ist.
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Die
Seitenwand des Gehäuses 16 ist mit einem ersten
Einlassanschluss 18 und einem ersten Auslassanschluss 20 versehen,
die durch einen ersten Fluiddurchgang 21, der den Innenbereich
des Gehäuses 16 aufweist, zwischen den Enden der Rohre 12 in
Kommunikationsverbindung miteinander sind. Im Einsatz fließt
ein erstes Wärmeaustauschfluid durch den Innenbereich des
Gehäuses 16 zwischen dem ersten Einlassanschluss 18 und
dem ersten Auslassanschluss 20 in Kontakt mit den Außenflächen
der Rohre 12. Der erste Einlassanschluss 18 und
der erste Auslassanschluss 20 sind jeweils mit einem ersten
Einlass- und einem ersten Auslass-Anschlussstück 19 und 25 versehen,
durch welche das erste Fluid in den ersten Fluiddurchgang 21 eintritt und
diesen verlässt. In dem in den Zeichnungen gezeigten Wärmetauscher 20 sind
das Einlass- und das Auslass-Anschlussstück 19, 25 in
der Form von zylindrischen Rohren, die sich unter 90 Grad von der
Seitenwand des Gehäuses 16 aus nach außen
erstrecken. Es wird jedoch erkannt werden, dass die Anschlussstücke 19, 25 von
verschiedenen Konfigurationen sein können und dass sie
unter weniger als oder mehr als 90 Grad relativ zu dem Gehäuse 16 abgewinkelt
sein können.
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Der
erste Einlass- und der erste Auslassanschluss 18, 20 sind
entlang der Achse A voneinander beabstandet, um einen axialen Fluss
des ersten Wärmeaustauschfluids zur Verfügung
zu stellen. Zusätzlich können der erste Einlass-
und der erste Auslassanschluss 18, 20 umfangsmäßig
voneinander beabstandet sein, um einen Querfluss durch das Rohrbündel 14 sicherzustellen.
Bei dem in den Zeichnungen gezeigten Beispiel sind der erste Einlass-
und der erste Auslassanschluss 18, 20 und ihre
jeweiligen Anschlussstücke 19, 25 umfangsmäßig
um etwa 180 Grad beabstandet.
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Die
Seitenwand des Gehäuses 16 hat auch einen zweiten
Einlassanschluss 22 und einen zweiten Auslassanschluss 24,
die durch einen zweiten Fluiddurchgang 23, der die hohlen
Innenbereiche 26 der Rohre 12 enthält,
in Kommunikationsverbindung miteinander sind. Im Einsatz fließt
ein zweites Wärmeaustauschfluid durch die Innenbereiche 26 der Rohre 12 zwischen
dem zweiten Einlassanschluss 22 und dem zweiten Auslassanschluss 24,
wobei das zweite Fluid durch die Seitenwände der Rohre 12 in Wärmeaustauschkommunikation
mit dem ersten Fluid ist.
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Der
zweite Einlass- und der zweite Auslassanschluss 22, 24 sind
jeweils mit einem zweiten Einlass- und einem zweiten Auslass-Anschlussstück 27, 29 versehen,
durch welche das zweite Fluid in den zweiten Fluiddurchgang 21 eintritt
und diesen verlässt. Die obigen Angaben in Bezug auf die
Form und die Lokalisierung des ersten Einlass- und des ersten Auslassanschlusses 18, 20 und
der Anschlussstücke 19, 25 gelten auch
für den zweiten Einlass- und den zweiten Auslassanschluss 22, 24 und
ihre jeweiligen Anschlusstücke 27, 29.
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Der
Wärmetauscher weist weiterhin eine Dichtungseinrichtung
benachbart zu den Enden der Rohre zum Verhindern eines Fluidflusses
zwischen den Fluiddurchgängen 21, 23 auf.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
weist die Dichtungseinrichtung ein Paar von gelochten bzw. perforierten Rohrplatten 28, 30 auf,
die auch als "Kopfteile" bekannt sind, welche in abgedichtetem Eingriff
mit den Enden der Rohre 12 sind. Die Rohrplatten 28, 30 haben
auch periphere äußere Ränder, die zu
der Seitenwand des Gehäuses 16 abgedichtet sind.
Bei dem in den Zeichnungen gezeigten Wärmetauscher 10 sind
die Rohrplatten 28, 30 kreisförmig. Es
wird jedoch erkannt werden, dass die Form der Rohrplatten 28, 30 variabel
ist und durch die Form des Gehäuses 16 bestimmt
ist.
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Es
wird erkannt werden, dass die Verwendung von Kopfteilen nicht wesentlich
für die Erfindung ist. Andere Typen von Dichtungseinrichtungen können
verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, den Wärmetauscher
10 unter
Verwendung einer "kopfteillosen" Konstruktion aufzubauen, wobei die
Enden der Rohre
12 erweitert und gegeneinander abgedichtet
sind, um die Notwendigkeit für perforierte Rohrplatten
zu eliminieren. Ein Beispiel für einen solchen kopfteillosen
Aufbau ist in der gemeinsam zessionierten US-Anmeldung NR. 10/778,571,
die als
US 2005/0067153
A1 am 31. März 2005 veröffentlicht ist,
beschrieben, welche hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme
enthalten ist.
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Die
Perforationen 29 und 31 in den Rohrplatten 28 und 30 sind
vorzugsweise von ausreichendem Durchmesser, um den Fluss des zweiten
Wärmeaustauschfluids durch die Rohre 12 nicht
zu beschränken. Bei dem in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiel
haben die Perforationen 29 und 31 vorzugsweise
einen Durchmesser, der derselbe wie der Innendurchmesser der Rohre 12 ist.
Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Beispielsweise
können die Perforationen 29 und 31 vorzugsweise
von ausreichendem Durchmesser sein, so dass die Rohrenden innerhalb
der Perforationen 29 und 31 aufgenommen werden
können.
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Es
wird aus der 1 gesehen werden, dass der zweite
Fluiddurchgang 23 weiterhin einen Einlassverteiler 32 aufweist,
der zwischen der Rohrplatte 28 und einem ersten Ende 34 des
Wärmetauschers 10 ausgebildet ist, und einen Auslassverteiler 36,
der zwischen der Rohrplatte 30 und dem zweiten Ende 38 des
Wärmetauschers 10 ausgebildet ist. Das Vorsehen
dieser Verteiler 32 und 36 stellt eine im Wesentlichen
gleichmäßige Verteilung des zweiten Wärmeaustauschfluids
unter den Rohren 12 des Rohrbündels 14 sicher.
Um eine Flussverteilung weiter zu verbessern, kann es bevorzugt
sein, das zweite Einlass- und das zweite Auslass-Anschlussstück 27, 29 relativ
zu dem Gehäuse 16 abzuwinkeln. Die 3 und 4 stellen
zwei mögliche abgewinkelte Konfigurationen dar. Wie es
in diesen Zeichnungen gezeigt ist, kann das zweite Einlass-Anschlussstück 27 in
Richtung zu (4) oder weg von (3)
der Richtung einer Flussrichtung durch den zweiten Fluiddurchgang 23 abgewinkelt
sein. Gleichermaßen kann das zweite Auslass-Anschlussstück 29 in
Richtung zu (3) oder weg von (4)
der Flussrichtung abgewinkelt sein. Es wird erkannt werden, dass auch
Konfigurationen, die andere als diejenigen sind, die in den 3 und 4 gezeigt
sind, verwendet werden können, d. h. das zweite Fluideinlass-
und das zweite Fluidauslass-Anschlussstück 27, 29 können
unabhängig in Richtung zu oder weg von der Flussrichtung
abgewinkelt sein, wobei die Winkel variabel sind.
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Somit
weist der Wärmetauscher 10 einen ersten Fluiddurchgang 21 auf,
der den Innenbereich des Gehäuses 16 aufweist
und sich in Längsrich tung zwischen den Rohrplatten 28, 30 erstreckt;
und einen zweiten Fluiddurchgang 23, der die Innenbereiche 26 der
Rohre 12 und den Einlass- und den Auslassverteiler 32, 36 aufweist.
Die Fluiddurchgänge 21, 23 sind durch
wenigstens eine Wärmeaustauschoberfläche in Wärmeaustauschkommunikation
miteinander. Bei dem bevorzugten Wärmetauscher 10 gibt
es eine Vielzahl von Wärmetauschoberflächen, von
welchen jede die Seitenwand eines Rohrs 12 aufweist. Wo
der Wärmetauscher 10 ein Abgaskühler
ist, weist das erste Wärmeaustauschfluid ein flüssiges
Kühlmittel auf und weist das zweite Wärmeaustauschfluid
heiße Abgase auf, die durch einen Wärmeaustausch
mit dem flüssigen Kühlmittel gekühlt
werden, wenn sie durch die Rohre 12 laufen.
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Der
Wärmetauscher 10 weist weiterhin wenigstens eine
Elektrode 40 auf, die im zweiten Fluiddurchgang 23 angeordnet
ist, d. h. in dem Abgasdurchgang, wo der Wärmetauscher
ein Abgaskühler ist. Bei dem Aufbau mit Hülle
und Rohren bzw. mit Rohrbündel des Wärmetauschers 10 ist
vorzugsweise eine Vielzahl von Elektroden 40 vorgesehen,
welche sich jeweils durch den hohlen Innenbereich 26 von
einem der Rohre 12 erstrecken. Noch bevorzugter sind alle
Rohre 12 mit einer Elektrode 40 versehen. Da die
Elektrode 40 einen Teil des inneren Volumens des Rohrs 12 wegnimmt,
den sie besetzt, kann es bevorzugt sein, dass die Rohre 12 bezüglich
des Durchmessers etwas größer als die Rohre eines
herkömmlichen Rohrbündel-Wärmetauschers
sind oder dass eine größere Anzahl von Rohren
verwendet wird, um einen ausreichenden Fluss des zweiten Wärmeaustauschfluids
durch die Rohre beizubehalten.
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Die
Elektroden 40 sind ausreichend lang, um sich vollständig
durch die Rohre 12, durch die Rohrplatten 28 und 30 und
vollständig durch den Einlass- und den Auslass-Verteiler 32, 36 zu
erstrecken. Die Elektroden 40 sind vorzugsweise in der
Form von zylindrischen Metallstäben und sind bevorzugt
von ausreichender Steifigkeit bzw. Festigkeit, um eine minimale
Stütze zwischen ihren Enden zu erfordern. Bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung weisen die Elektroden Stäbe aus rostfreiem
Stahl mit einem Durchmesser von etwa 1/8 Inches (= 0,3175 cm) auf.
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Die
Elektroden 40 erstrecken sich durch die Rohre 12 und
die Rohrplatten 28, 30 in einer beabstandeten
Beziehung dazu und die Elektroden 40 können zwischen
ihren Enden gestützt sein, um einen erwünschten
Abstand von den Seitenwänden der Rohre 12 beizubehalten.
Zu diesem Zweck können Abstandhalter innerhalb der Rohre 12 vorgesehen
sein, um den Abstand beizubehalten. Die 5 stellt
ein Beispiel eines Abstandhalters 42 dar, der zum Beibehalten
des Abstands zwischen den Elektroden 40 und den Seitenwänden
der Rohre 12 verwendet werden kann. Der Abstandhalter 42 ist
aus elektrisch isolierendem Material, wie beispielsweise Keramik,
hergestellt und enthält eine zentrale Nabe 44 mit
einer Öffnung 46, durch welche sich eine Elektrode
erstrecken kann. Der Abstandhalter 42 weist auch eine Vielzahl
von radialen Armen 48 auf, die sich von der Nabe 44 um
einen Abstand nach außen erstrecken, der ausreichend ist,
so dass die Arme 48 einen Kontakt mit den inneren Oberflächen
der Rohre 12 herstellen. Das zweite Wärmeaustauschfluid
fließt durch die Lücken 50 zwischen den
Armen 48.
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Die
Elektroden 40 sind an ihren Enden durch ein Paar von elektrisch
isolierenden Strukturen gestützt bzw. gelagert. Diese Strukturen
können vorzugsweise in der Form von Endkappen 52, 54 sein, die
die entgegengesetzten Enden 34, 38 des Wärmetauschers 10 abschließen.
Die Endkappen 52 und 54 sind in 1 derart
gezeigt, dass sie in einem abgedichteten Eingriff mit dem Gehäuse 16 sind.
Es wird erkannt werden, dass die Mittel für einen Eingriff
zwischen den Endkappen 52, 54 und dem Gehäuse 16 variabel
sind. Beispielsweise kann es eine gewisse Überlagerung
zwischen den Endkappen 52, 54 und dem Gehäuse 16 geben
und/oder die Endkappen 52, 54 können
teilweise oder vollständig innerhalb des Gehäuses 16 aufgenommen
sein. Die Endkappe 52 ist mit Mitteln zum Zuführen
einer Spannung zu den Elektroden 40 versehen, wobei dies
nachfolgend detaillierter diskutiert wird.
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Die
Endkappe 54 der 1 ist in der Form einer Platte
oder einer Scheibe aus elektrisch isolierendem Material, wie beispielsweise
Keramik. Die Endkappe 54 ist gegossen oder auf andere Weise ausgebildet,
um eine Vielzahl von Löchern 56 zu haben, in welchen
die Enden der Elektroden 40 aufgenommen werden. Die Löcher 56 erstrecken
sich nur teilweise durch die Endkappe 54, damit sie die
Enden der Elektroden 40 vollständig umgeben. Beim
Wärmetauscher 10 weist die Endkappe 54 eine
zylindrische Scheibe mit einem Durchmesser auf, der im Wesentlichen
derselbe wie derjenige des Gehäuses 16 ist.
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Die
andere Endkappe 52, die in 1 gezeigt
ist, besteht aus zwei Schichten 58, 60 aus elektrisch
isolierendem Material, die durch eine leitende Schicht 62 getrennt
sind. Die isolierenden Schichten 58, 60 können
auch in der Form von perforierten Platten oder Scheiben sein, wie
es oben unter Bezugnahme auf die Endkappe 54 beschrieben
ist. Eine 58 der Schichten, die von dem Ende 34 des
Wärmetauschers 10 aus nach innen angeordnet ist,
hat eine Vielzahl von Perforationen bzw. Löchern 64,
die sich vollständig dort hindurch erstrecken. Die Enden
der Elektroden 40 erstrecken sich vollständig
durch die Perforationen 64 und sind in Kontakt mit der
leitenden Schicht 62, die vorzugsweise eine Metallplatte oder
-scheibe von demselben Durchmesser wie die Schichten 58, 60 aufweisen
kann. Vorzugsweise ist die leitende Schicht 62 aus einem
Metall ausgebildet, das dasselbe wie das oder kompatibel mit dem
Metall ist, aus welchem die Elektroden 40 hergestellt sind. Beispielsweise
kann dort, wo die Elektroden 40 Stäbe aus rostfreiem
Stahl aufweisen, die leitende Schicht 62 aus einer Platte
oder einer Scheibe aus rostfreiem Stahl bestehen. Bei einigen Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann es bevorzugt sein, die Elektroden 40 an
die leitende Schicht 62 zu bondieren und/oder die isolierenden
Schichten 58, 60 an die leitende Schicht 62 zu
bondieren.
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Die
zweite isolierende Schicht 60 ist an dem Ende 34 des
Wärmetauschers 10 angeordnet und bedeckt die leitende
Schicht 62.
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Die
leitende Schicht 62 der Endkappe 52 ist in elektrischer
Kommunikation mit einer Hochspannungsquelle 66, die vorzugsweise
eine modifizierte Zündkerze aufweisen kann. Die Spannungsquelle 66 kann
vorzugsweise eine gepulste Spannung von etwa 1 bis etwa 30 kV und
mit einem niedrigen Strom liefern. Die Spannungserfordernisse werden
von der Geometrie und der Größe abhängen,
die zum Erzeugen einer erwünschten Plasmaentladung nötig
sind. Die Frequenz kann auch variiert werden, um eine Leistungsfähigkeit
zu verbessern, oder kann variiert werden, um zur Motordrehzahl und
zur Gasflussrate zu passen. Die modifizierte Zündkerze
kann vorzugsweise durch die Speichereinheit für elektrische
Energie des Fahrzeugs versorgt werden und der Spannungspuls kann
vorzugsweise durch einen schnell agierenden Schalter gesteuert werden,
der in das elektronische Steuermodul des Fahrzeugs programmiert
ist.
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Wenn
er als Abgaskühler eingesetzt wird, sind das erste Einlass-
und das erste Auslass-Anschlussstück 19, 25 des
Wärmetauschers 10 mit einem Kühlmittelkreis
verbunden und ein flüssiges Kühlmittel fließt
durch den ersten Fluiddurchgang 21 in Kontakt mit den Rohren 12.
Das flüssige Kühlmittel kann vorzugsweise ein
Glykol/Wasser-Motorkühlmittel aufweisen. Das zweite Einlass-
und das zweite Auslass-Anschlussstück 27, 29 sind
in das Abgassystem verbunden, so dass ein heißes Abgas
durch den zweiten Fluiddurchgang 23 fließt, der
durch die Innenbereiche 26 der Rohre 12 verläuft.
Das Abgas wird eine gewisse Menge an Stickoxid (NO) und kohlenstoffhaltigem
Ruß enthalten. Wenn die heißen Abgase durch die
Rohre 12 laufen, sind sie durch die Seitenwände
der Rohre 12 in Wärmeaustauschkontakt mit dem
flüssigen Kühlmittel. Wärme von den Abgasen
wird durch die Seitenwände der Rohre 12 transferiert
und wird durch das Kühlmittel absorbiert, wie bei einem
herkömmlichen Abgaskühler.
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Zusätzlich
werden durch die leitende Schicht 62 der Endkappe 52 Spannungspulse
zu den Elektroden 40 geführt. Diese Spannungspulse
resultieren in einer elektrischen Entladung von den Elektroden 40, was
in der Erzeugung eines nichtthermischen Entladeplasmas innerhalb
der Rohre 12 resultiert. Die Plasmaentladung wandelt wenigstens
einen Teil von dem NO in Stickstoffdioxid (NO2)
um, welches mit dem Ruß reagiert, um Kohlenstoffdioxid
(CO2) und Stickstoff (N2)
zu erzeugen. Das Abgas, das aus dem Wärmetauscher 10 austritt,
ist daher reiner und enthält geringere Mengen an NOx und Ruß als vor einer Behandlung
im Wärmetauscher 10. Ein Teil des gereinigten,
gekühlten Abgases, das aus dem Wärmetauscher 10 austritt,
kann zu dem Einlass-Verteiler des Motors (nicht gezeigt) geführt
werden.
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Es
wird auch erwartet, dass die Plasmaentladung andere Vorteile zur
Verfügung stellt. Beispielsweise dort, wo ein Teil des
Abgases wieder zu dem Motor geführt wird, können
noch durch das Plasma ausgebildete freie Radikale vorhanden sein,
wenn das Abgas in den Einlass-Verteiler eintritt, und es würde
erwartet werden, dass sie den Verbrennungsprozess verbessern. Zusätzlich
wird geglaubt, dass das eingerichtete elektrische Feld zusätzliche
Kräfte im Gasstrom erzeugen kann, wobei diese Kräfte elektrohydrodynamische
Kräfte (elektrophoretisch) genannt werden oder allgemeiner
"Korona-Wind" ge nannt werden. Diese Kräfte können
einen Wärmetransfer durch Erhöhen einer Turbulenz
innerhalb des zweiten Fluiddurchgangs 23 und folgliches
Erniedrigen der thermischen Grenzschicht erhöhen.
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Ein
zweiter bevorzugter Wärmetauscher
110 ist in den
6 bis
8 schematisch
dargestellt. Der Wärmetauscher
110 ist vom Typ
mit "gestapelten Rohren" gleich demjenigen, der in dem
US-Patent Nr. 7,195,060 (Martin et
al.), erteilt am 27. März 2007 und mit dem Titel "Stacked-Tube
Heat Exchanger", beschrieben ist, welches hierin in seiner Gesamtheit durch
Bezugnahme enthalten ist.
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Der
Wärmetauscher
110 weist eine Vielzahl von länglichen,
allgemein flachen Rohren
112 auf, die jeweils eine Breitendimension
haben, die größer als ihre Höhendimension
ist. Die Rohre
112 können vorzugsweise identisch
zu den Rohren
12 des in dem oben angegebenen
US-Patent Nr. 7,195,060 beschriebenen
Wärmetauschers
10 sein, der entweder in einem
Stück aufgebaut ist oder Plattenpaare aufweist, wie es
in
7 gezeigt ist. Die Rohre
112 erstrecken
sich parallel zueinander, um eine Längsachse
10 zu
definieren, und sind in der Form eines Rohrstapels
114 angeordnet.
Die Rohre haben Endteilbereiche
115, die in der vertikalen
Richtung erweitert sind, so dass die Endteilbereiche
115 eine
Höhe haben, die größer als eine Höhe
der zentralen Teilbereiche der Rohre
112 ist. Dies lässt
zu, dass die zentralen Teilbereiche der Rohre
112 voneinander
beabstandet sind, während die Endteilbereiche
115,
ohne die Notwendigkeit für ein perforiertes Kopfteil oder eine
perforierte Rohrplatte, direkt gegenseitig abgedichtet sein können.
Obwohl der Wärmetauscher
110 derart gezeigt ist,
dass er einen kopfteillosen Aufbau hat, wird es erkannt werden,
dass die Rohre
112 des Wärmetauschers
110 stattdessen
von einer konstanten Höhe sein können und die
Rohrenden
115 in geschlitzten Kopfteilen aufgenommen werden
können, die die Enden des ersten Fluidflussdurchgangs
130 abdichten.
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Der
Rohrstapel
114 ist entlang seiner Seiten durch eine äußere
Hülle oder ein äußeres Gehäuse
116 umgeben,
die oder das sich in axialer Richtung erstreckt und die oder das
vorzugsweise identisch zu dem Gehäuse
44 des in
dem oben angegebenen
US-Patent
Nr. 7,195,060 beschriebenen Wärmetauschers
10 sein
kann. Das Gehäuse
116 des Wärmetauschers
110 hat
ein Paar von Seitenplatten
118,
120 und ein Paar
von Endplatten
122,
124, die sich entlang der
Achse A erstrecken. Das in den Zeichnungen gezeigte Gehäuse
116 hat
einen rechteckförmigen Querschnitt. Es wird jedoch erkannt
werden, dass das Gehäuse, in Abhängigkeit von
der Form des Rohrstapels
114, den es umgibt, irgendeine
geeignete Form haben kann. Die Enden des Gehäuses
116 überlagern
die Endteilbereiche
115 der Rohre
112 und sind
mit diesen abgedichtet, obwohl stattdessen irgendeine der in dem
oben angegebenen
US-Patent Nr.
7,195,060 offenbarten alternativen Anordnungen, wie beispielsweise
der in den
4A,
4B und
4C des
US-Patents
Nr. 7,195,060 gezeigten Anordnungen, verwendet werden könnte.
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Die
Seitenwand des Gehäuses
116 ist mit einem ersten
Einlassanschluss
126 und einem ersten Auslassanschluss
128 versehen
(nur ein Einlassanschluss
126 ist in
6 zu
sehen), die durch einen ersten Fluiddurchgang
130 in Flusskommunikation miteinander
sind. Der erste Fluiddurchgang
130 weist die Räume
zwischen benachbarten Rohren
112 auf und beide Anschlüsse
126,
128 sind
in Flusskommunikation mit jedem der Räume zwischen benachbarten
Rohren
112 im Stapel
114. Um eine Flusskommunikation
zwischen den Anschlüssen
126,
128 und den
Räumen zwischen den Rohren
112 zur Verfügung
zu stellen, sind die Anschlüsse
126,
128 in
erhöhten bzw. angehobenen Verteilern
132,
134 (siehe
7)
angeordnet, von welchen jeder einen erhöhten Teilbereich
von einer der Seitenplatten
118,
120 aufweist,
der sich über im Wesentlichen die gesamte Höhe
der Seitenplatte
118,
120 erstreckt. Die erhöhten
Verteiler
132,
134 können vorzugsweise
dasselbe Erscheinungsbild wie die in dem
US-Patent Nr. 7,195,060 beschriebenen
Verteiler
56,
60 haben.
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Wie
bei dem oben beschriebenen Wärmetauscher
10 ist
der Wärmetauscher
110 mit einem Paar von Endkappen
136,
138 versehen,
die die entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers
110 abschließen.
Die Endkappen
136,
138 haben vorzugsweise einen
rechteckförmigen transversalen Querschnitt und sind in
abgedichtetem, überlagerndem Eingriff mit den Endteilbereichen
115 der
Rohre
112. Es wird erkannt werden, dass verschiedene alternative
Anordnungen zum Abdichten der Enden des Wärmetauschers
110 möglich
sind, einschließlich derjenigen, die in dem
US-Patent Nr. 7,195,060 offenbart
sind und die oben angegeben sind. Beispielsweise könnten
die End kappen
136,
138 die Enden des Gehäuses
116 überlagern
oder könnten die Enden des Gehäuses
116 die
Endkappen
136,
138 überlagern.
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Die
Endkappen 136, 138 sind jeweils mit einem zweiten
Einlassanschluss 140 und einem zweiten Auslassanschluss 142 versehen.
Der zweite Einlass- und der zweite Auslassanschluss 140, 142 sind durch
einen zweiten Fluiddurchgang 144, der die hohlen Innenbereiche
der Rohre 112 enthält, in Flusskommunikation miteinander.
Im Einsatz fließt ein zweites Wärmeaustauschfluid
durch die Innenbereiche 126 der Rohre 112 zwischen
dem zweiten Einlassanschluss 122 und dem zweiten Auslassanschluss 124,
wobei das zweite Fluid durch die Seitenwände der Rohre 112 in
Wärmeaustauschkommunikation mit dem ersten Fluid ist. Wie
es in den Zeichnungen gezeigt ist, ist ein erster Verteilerraum 146 innerhalb
der ersten Endkappe 136 vorgesehen, um eine Flusskommunikation
zwischen allen Rohrenden 115 und dem zweiten Einlassanschluss 140 zur
Verfügung zu stellen, und ist ein zweiter Verteilerraum 148 innerhalb
der zweiten Endkappe 138 vorgesehen, um eine Flusskommunikation
zwischen allen Rohrenden 115 und dem zweiten Auslassanschluss 142 zur
Verfügung zu stellen.
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Obwohl
es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, wird es erkannt werden,
dass der erste Einlass- und der erste Auslassanschluss 126, 128 mit
Einlass- und Auslass-Anschlussstücken versehen sein können,
und der zweite Einlass- und der zweite Auslassanschluss 140, 142 sind
mit Einlass- und Auslass-Anschlussstücken 154, 156 versehen.
Die Formen und Konfigurationen der Anschlussstücke sind natürlich
teilweise abhängig von Aufmachungserfordernissen und sind
daher äußerst variabel. Beispielsweise können
das Einlass- und das Auslass-Anschlussstück 154, 156 des
zweiten Einlass- und des zweiten Auslassanschlusses 140, 142 vorzugsweise von
derselben Form und Konfiguration wie der Einlass- und der Auslassanschluss 27, 29 des
oben beschriebenen Wärmetauschers 10 sein.
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Somit
weist der Wärmetauscher 110 einen ersten Fluiddurchgang 130 auf,
der im Innenbereich des Gehäuses 116 angeordnet
ist und die Räume zwischen benachbarten Rohren 112 aufweist,
und einen zweiten Fluiddurchgang 144, der die Innenbereiche
der Rohre 112 und den Einlass- und den Auslass-Verteilerraum 146, 148 aufweist.
Die Fluiddurchgänge 130, 144 sind durch wenigstens
eine Wärmeaustauschoberfläche in Wärmeaustauschkommunikation
miteinander. Bei dem bevorzugten Wärmetauscher 110 gibt
es eine Vielzahl von Wärmeaustauschoberflächen,
die die obersten und untersten Wände der Rohre 112 aufweisen.
Wo der Wärmetauscher 110 ein Abgaskühler
ist, weist das erste Wärmeaustauschfluid ein flüssiges
Kühlmittel auf und weist das zweite Wärmeaustauschfluid
heiße Abgase auf, wie bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Der
Wärmetauscher 110 weist weiterhin wenigstens eine
Elektrode 158 auf, die im zweiten Fluiddurchgang 144 angeordnet
ist, der der Abgasdurchgang in dem Fall ist, in welchem der Wärmetauscher 110 einen
Abgaskühler aufweist. Beim Aufbau mit gestapelten Rohren
des Wärmetauschers 110 ist vorzugsweise eine Vielzahl
von Elektroden 158 vorgesehen, die sich jeweils durch den
hohlen Innenbereich von einem der Rohre 112 erstreckt.
Bevorzugter ist der Innenbereich von jedem Rohr 112 mit
wenigstens einer Elektrode 158 versehen und kann, wie es in 7 gezeigt
ist, jedes Rohr 112 mit einer Vielzahl von Elektroden 158 versehen
sein, die in einer beabstandeten, parallelen Beziehung zueinander
angeordnet sind. Da ein Teilbereich des inneren Volumens jedes Rohrs 112 durch
die Elektroden 158 weggenommen wird, kann es bevorzugt
sein, dass die Rohre 112 im Querschnittsbereich etwas größer
als die Rohre eines herkömmlichen Wärmetauschers
mit gestapelten Rohren sind oder dass eine größere
Anzahl von Rohren 112 verwendet wird, um einen ausreichenden
Fluss des zweiten Wärmeaustauschfluids durch die Rohre 112 beizubehalten.
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Die
Elektroden 158 sind ausreichend lang, um sich vollständig
durch die Rohre 112 und durch die Rohrenden 115 zu
erstrecken. Die Elektroden 158 können sich vorzugsweise
vollständig durch die Einlass- und Auslass-Verteilerräume 146, 148 erstrecken.
Die Elektroden 158 können vorzugsweise in der
Form von Metallstäben sein, die von ausreichender Steifigkeit
bzw. Festigkeit sind, um eine minimale Stützung zwischen
ihren Enden zu erfordern. Bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung weisen die Elektroden Stäbe aus rostfreiem
Stahl 158a mit einem Durchmesser von etwa 1/8 Inches (=
0,3175 cm) auf. 7 stellt drei bevorzugte Formen
von Elektroden 158 dar. Die meisten der Rohre 112,
die in 7 gezeigt sind, enthalten eine Vielzahl von Elektroden 158a in
der Form von zylindrischen Stäben, wobei die Elektroden 158a über
die Breite der Rohre 112 voneinander beabstandet sind.
Eines der in 7 gezeigten Rohre 112 enthält
eine Vielzahl von Elektroden 158b mit einem abgeflachten,
ovalen Querschnitt und ein anderes der Rohre 112 enthält eine
einzige flache, plattenartige Elektrode 158c, die perforiert
sein kann oder nicht. Auch andere Formen sind möglich.
Beispielsweise können die Elektroden 158c in der
Form eines Drahtgitters oder eines Streckmetalls sein. Es wird erkannt
werden, dass die in 7 gezeigten verschiedenen Elektrodenkonfigurationen
nur illustrativen Zwecken dienen. Es kann bevorzugt sein, dass jedes
Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers gemäß der
Erfindung nur einen Typ von Elektrode haben wird.
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Die
Elektroden 158 erstrecken sich durch die Rohre 112 in
einer beabstandeten Beziehung dazu und in einer beabstandeten Beziehung
zueinander. Die Elektroden 158 können zwischen
ihren Enden gestützt sein, um einen erwünschten
Abstand von den Seitenwänden der Rohre 112 beizubehalten.
Zu diesem Zweck können Abstandhalter innerhalb der Rohre 112 vorgesehen
sein, um den Abstand beizubehalten. 7 zeigt
zwei unterschiedliche Typen von Abstandhaltern, die mit stabförmigen
Elektroden, wie beispielsweise den Elektroden 158a und 158b der 7,
verwendet werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
ist ein Abstandhalter 166 vorgesehen, der bezüglich
des Aufbaus identisch zu dem oben beschriebenen Abstandhalter 42 ist,
außer dass er vier Beine bzw. Arme für eine zusätzliche Stabilität
innerhalb des rechteckförmigen Rohrs 112 hat.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Abstandhalter 168 in
der Form eines Blocks mit einer zentralen Arbeitsöffnung
vorgesehen, durch welche sich die Elektrode 158 erstreckt.
Es wird erkannt werden, dass viele alternative Formen von Abstandhaltern
innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung in Abhängigkeit
von den Elektroden- und Rohrformen möglich sind.
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Die
Elektroden 158 werden an ihren Enden durch ein Paar von
elektrisch isolierenden Strukturen gestützt. Diese Strukturen
können vorzugsweise in der Form von Endkappen 170, 172 sein,
die die entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers 110 abschließen.
Die Endkappen 170 und 172 sind in 6 derart
gezeigt, dass sie in abgedichtetem Eingriff mit dem Gehäuse 116 sind.
Es wird erkannt werden, dass die Mittel für einen Eingriff
zwischen den Endkappen 170, 172 und dem Gehäuse 116 variabel sind.
Bei spielsweise kann es eine gewisse Überlagerung zwischen
den Endkappen 170, 172 und dem Gehäuse 116 geben
und/oder können die Endkappen 170, 172 teilweise
oder vollständig innerhalb des Gehäuses 116 aufgenommen
sein. Die Endkappe 172 ist mit Mitteln zum Zuführen
einer Spannung zu den Elektroden 158 versehen, wie es nachfolgend diskutiert
wird. Bei dem Wärmetauscher 110 haben die Endkappen 170, 172 eine
rechteckförmige Größe und Form entsprechend
derjenigen des Gehäuses 116, obwohl ihre Form
variiert werden kann.
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Die
Endkappe 170 der 6 ist in
der Form einer Platte aus elektrisch isolierendem Material, wie beispielsweise
Keramik. Die Endkappe 170 ist gegossen oder auf andere
Weise ausgebildet, um eine Vielzahl von Löchern 174 zu
haben, in welchen die Enden der Elektroden 158 aufgenommen
werden. Die Löcher 174 erstrecken sich nur teilweise
durch die Endkappe 170, um die Enden der Elektroden 158 vollständig
zu umgeben.
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Die
andere Endkappe 172, die in 6 gezeigt
ist, besteht aus zwei Schichten 176, 178 aus elektrisch
isolierendem Material, die durch eine leitende Schicht 180 getrennt
sind. Eine der isolierenden Schichten 176 ist in der Form
einer perforierten Platte mit einer Vielzahl von Perforationen 182,
die sich vollständig dort hindurch erstrecken. Die Enden der
Elektroden 158 erstrecken sich vollständig durch die
Perforationen 182 und sind in Kontakt mit der leitenden
Schicht 180, die vorzugsweise eine Metallplatte aufweisen
kann. Die obigen Kommentare in Bezug auf die Auswahl von Materialien
für die Elektroden 40 und die leitende Schicht 62 gelten
hier ebenso. Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung
kann es bevorzugt sein, die Elektroden 158 an die leitende
Schicht 180 zu bondieren und/oder die isolierenden Schichten 176, 178 an
die leitende Schicht 180 zu bondieren. Die zweite isolierende Schicht 178 ist
an dem Ende des Wärmetauschers 110 angeordnet
und bedeckt die leitende Schicht 180.
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Die
leitende Schicht 180 der Endkappe 172 ist in elektrischer
Kommunikation mit einer Hochspannungsquelle 184, die vorzugsweise
dieselbe wie diejenige sein kann, die oben unter Bezugnahme auf das
erste bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
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Die
Verwendung des Wärmetauschers 110 als Abgaskühler
ist so, wie es oben in Verbindung mit dem Wärmetauscher 10 beschrieben
ist.
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Obwohl
die Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen
beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt. Vielmehr
enthält die Erfindung innerhalb ihres Schutzumfangs alle
Ausführungsbeispiele, die in den Schutzumfang der folgenden
Ansprüche fallen können.
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Zusammenfassung
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WÄRMETAUSCHER UND
VERFAHREN ZUM BEHANDELN VON ABGASEN VON VERBRENNUNGSMOTOREN
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Eine
Kombination aus Abgaskühler und Vorrichtung für
nichtthermisches Plasma hat einen ersten und einen zweiten Fluiddurchgang,
die in einer Wärmeaustauschkommunikation miteinander sind. Eine
oder mehrere Elektroden sind in dem zweiten Fluiddurchgang angeordnet.
Die Elektroden sind mit einer Spannungsquelle verbunden. Wenn eine
Spannung von ausreichender Größe an die Elektroden
angelegt wird, wird ein nichtthermisches Plasma in dem zweiten Fluiddurchgang
erzeugt. Die Vorrichtung kann in der Form eines Rohrbündel-Wärmetauschers oder
eines Wärmetauschers vom Typ mit gestapelten Rohren aufgebaut
sein, wobei sich die Elektroden durch die Wärmeaustauschrohre
erstrecken. Heiße Abgase fließen vorzugsweise
durch die Rohre in einem Wärmeaustauschkontakt mit einem
flüssigen Kühlmittel, um dadurch die Abgase zu
kühlen. Die Elektroden erzeugen nichtthermisches Plasma
innerhalb der Rohre, was wenigstens einen Teil von NO im Abgas in
NO2 umwandelt, welches mit Ruß in
den Abgasen reagiert, um CO2 und N2 zu erzeugen, um dadurch die Abgase zu reinigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2005/0067153
A1 [0024]
- - US 7195060 [0039, 0040, 0041, 0041, 0041, 0042, 0043]