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QUERVERWEIS AUF BEZOGENE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/916336, die am 16. Dezember 2013 eingereicht wurde und deren Inhalt hier einbezogen wird.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Entfernen von Wärme aus Gasströmen, wie Wärmewiedergewinnungsvorrichtungen zum Entfernen von Wärme aus Motorfahrzeug-Ansaugluft- und Abgassystemen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Das Erfordernis zum Entfernen von Wärme aus Gasströmen besteht bei zahlreichen Anwendungen. In Motorfahrzeugen beispielsweise kann es erforderlich sein, Wärme aus dem Ansaugluft- und/oder Abgasstrom zu entfernen. Beispielsweise benötigt die Ansaugluft (oder ”Ladeluft”) bei einigen Anwendungen eine Kühlung, beispielsweise bei Motoren mit Turboladern oder Superladern. In Fahrzeugen, die Abgasrückführungs-(EGR-) oder Abgaswärmewiedergewinnungs-(EGHR-)Systeme enthalten, wird Wärme aus dem Abgasstrom entfernt. Die aus dem Ansaugluft- oder Abgasstrom entfernte Wärme wird typischerweise zu einem flüssigen Kältemittel in einem Wärmetauscher übertragen.
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In EGHR-Systemen beispielsweise wird Wärme von den Fahrzeugabgasen zu anderen Fahrzeugkomponenten über ein flüssiges Kältemittel oder Öl übertragen, um eine schnellere Erwärmung von Luft und Fahrzeugfluiden beim Starten des Fahrzeugs zu erhalten, wodurch der Kraftstoffverbrauch verringert wird. Durch die Abgase erwärmte Luft kann zum schnellen Erwärmen des Fahrzeug-Innenraums und zum Enteisen von Fenstern verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit langer Leerlaufperioden während des Starts bei kaltem Wetter herabgesetzt wird. Aus dem Abgas herausgezogene Wärme, die zum Erwärmen von Fahrzeugfluiden, wie Motoröl und Getriebeöl, verwendet wird, verringert deren Viskosität und verbessert die Kraftstoffausnutzung während des Starts. Nach der anfänglichen Startperiode ist die Wiedergewinnung von Wärme aus den Abgasen nicht länger erforderlich. Daher enthalten EGHR-Systeme typischerweise einen Bypass, um die Wärmeübertragung von den Abgasen zu dem flüssigen Kältemittel zu minimieren, nachdem das Fahrzeug die normale Betriebstemperatur erreicht hat. Dies trägt dazu bei, die Belastung des Kühlsystems zu minimieren und die Gefahr des Siedens oder einer thermischen Verschlechterung des flüssigen Kältemittels zu minimieren.
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Ein EGHR-System enthält daher einen Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher zum Herausziehen von Wärme aus dem Fahrzeugabgas und zum Übertragen der Wärme zu einem flüssigen Kältemittel, typischerweise einem Wasser/Glykol-Maschinenkältemittel, obgleich eine direkte Übertragung zu einem Öl auch möglich ist. Das EGHR-System enthält auch ein Gasumleitungsventil zum Leiten zumindest eines Teils der Abgasströmung durch den Wärmetauscher während des Fahrzeugstarts und zum Umgehen des Wärmetauschers, nachdem die Wärme aus dem Abgas nicht länger benötigt wird. Der Wärmetauscher und das Ventil müssen mit dem Abgasleitungssystem verbunden sein. Ein Aktuator ist auch vorgesehen, um die Betätigung des Ventils zu steuern. Das Ventil kann mittels eines elektronisch gesteuerten Solenoids, eines Wachsmotors, eines Maschinenvakuums oder eines Bimetall- oder eines Formspeicherlegierungs-(SMA-)Aktuators betätigt werden.
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Um Raum zu sparen und die Kosten und das Fahrzeuggewicht zu verringern, können das Ventil und der Wärmetauscher in eine einzige Einheit integriert sein, die hier als eine EGHR-Vorrichtung bezeichnet wird. In vielen integrierten EGHR-Vorrichtungen wird jedoch der Wärmetauscher durch die Abgase erwärmt, unabhängig davon, ob die Vorrichtung im Wärmeaustauschmodus oder im Bypassmodus ist. Dies kann aufgrund des Entweichens von Abgas an dem Ventil vorbei und/oder durch thermische Leitung erfolgen. Dies erhöht die Wärmemenge, die zu dem Kältemittel übertragen wird, erhöht die Belastung des Kühlsystems und birgt die Gefahr einer kumulativen thermischen Verschlechterung des Kühlmittels oder induzierter thermischer Beanspruchungen, die eine Beschädigung des Wärmetauschers bewirken können.
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Es wurden EGHR-Vorrichtungen entwickelt, die sich einiger dieser Probleme annehmen. Beispielsweise haben die provisorische US-Patentanmeldung Nr. 61/771608, die am 1. März 2013 eingereicht wurde, und die US-Patentanmeldung Nr. 13/599339 desselben Anmelders, die am 30. August 2012 eingereicht wurde (veröffentlicht am 14. März 2013 als
US 2013/0061584 A1 ) eine im Wesentlichen T-förmige oder U-förmige Konfiguration. Diese Konfiguration hat eine kürzere Modullänge in der Gasströmungsrichtung, wodurch es möglich ist, sie in dem Motorraum näher an der Quelle der heißen Abgase anzuordnen. Auch ermöglicht die T-förmige Konfiguration, dass der Wärmetauscher im Abstand von der Abgasleitung angeordnet ist, wodurch die von dem Abgas zu dem Kältemittel übertragene Wärmemenge verringert wird, wenn die Vorrichtung im Bypassmodus ist. Jedoch erfordert diese Gestaltung einen getrennten Ventilkörper oder einen Strömungskanal zwischen der Abgasleitung und dem Wärmetauscher, mit einer festen Flanschschnittstelle zwischen dem Wärmetauscher und dem Ventilkörper oder Strömungskanal. Diese strukturelle Beschränkung beeinträchtigt die Fähigkeit der EGHR-Vorrichtung, unter unterschiedlichen Gasbetriebstemperaturen zu expandieren, und beeinträchtigt insbesondere die Flexibilität des Wärmetauscherkörpers zwischen seiner Einlass- und seiner Auslassöffnung, die deutlich unterschiedliche Temperaturen haben. Dies kann zu hohen thermischen Beanspruchungen in dem Wärmetauscher und zu einem potenziellen Versagen der Wärmetauscherplatten nahe der Flanschschnittstelle führen.
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Es verbleibt daher die Notwendigkeit für einfache und effektive Wärmewiedergewinnungsvorrichtungen für Motorfahrzeug-Ansaugluft- und Abgassysteme, die den Raumbedarf, das Gewicht und die Anzahl von Komponenten minimieren, die leicht in existierende Abgasleitungssysteme integrierbar sind und die auch thermische Beanspruchungen und eine unerwünschte Wärmeübertragung zu dem Kältemittel im Bypassmodus minimieren.
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KURZFASSUNG
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung vorgesehen, welche aufweist: eine Gasströmungsleitung mit einem Einlass und einem Auslass, wobei eine Gesamtgas-Strömungsrichtung durch die Gasströmungsleitung zwischen dem Einlass und dem Auslass von dieser definiert ist; einen Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher mit einer Gaseinlassöffnung und einer Gasauslassöffnung; ein Gasumleitungsventil, das in der Gasströmungsleitung angeordnet ist, wobei das Ventil zwischen einer Bypassposition und einer Wärmeaustauschposition bewegbar ist. Die Gasströmungsleitung enthält einen divergierenden Verzweigungspunkt, an dem die Gasströmungsleitung in eine Bypass-Verzweigungsleitung und eine Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung geteilt ist. Die Bypass-Verzweigungsleitung umgeht den Wärmetauscher, und die Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung enthält einen Stromaufwärts-Leitungsbereich und einen Stromabwärts-Leitungsbereich. Der Stromaufwärts-Leitungsbereich hat ein erstes Ende in Strömungsverbindung mit der Gasströmungsleitung an dem divergierenden Verzweigungspunkt und ein zweites Ende in Strömungsverbindung mit der Gaseinlassöffnung des Wärmetauschers. Der Stromabwärts-Leitungsbereich hat ein erstes Ende in Strömungsverbindung mit der Gasauslassöffnung des Wärmetauschers. Die Gasströmungsrichtung in die Gaseinlassöffnung des Wärmetauschers divergiert in eine Richtung weg von der Gesamtgasströmungsrichtung durch die Gasströmungsleitung.
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Gemäß einem Aspekt weist die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung weiterhin einen konvergierenden Verzweigungspunkt auf, an dem die Bypass-Verzweigungsleitung und die Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung konvergieren, wobei der konvergierende Verzweigungspunkt sich stromaufwärts des Auslasses der Gasströmungsleitung befindet. Der Stromabwärts-Leitungsbereich kann ein zweites Ende in Strömungsverbindung mit der Gasströmungsleitung an dem konvergierenden Verzweigungspunkt haben.
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Gemäß einem anderen Aspekt geht eine erste Ebene durch den Einlass und den Auslass der Gasströmungsleitung, den ersten Verzweigungspunkt und die Bypass-Verzweigungsleitung hindurch. Eine zweite Ebene kann durch das zweite Ende des Stromaufwärts-Leitungsbereichs und das erste Ende des Stromabwärts-Leitungsbereichs hindurchgehen, wobei Bereiche der ersten und der zweiten Ebene, die durch die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung hindurchgehen, einen gegenseitigen Abstand aufweisen. Das zweite Ende des Stromaufwärts-Leitungsbereichs und das erste Ende des Stromabwärts-Leitungsbereichs können an der jeweiligen Gaseinlassöffnung und Gasauslassöffnung in der zweiten Ebene an dem Wärmetauscher befestigt sein.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt sind der Stromaufwärts-Leitungsbereich und der Stromabwärts-Leitungsbereich von der ersten Ebene weg zu der zweiten Ebene hin gekrümmt.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt sind das zweite Ende des Stromaufwärts-Leitungsbereichs und das erste Ende des Stromabwärts-Leitungsbereichs frei von einer Verbindung miteinander oder mit anderen Bereichen der Gasströmungsleitung.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt verläuft die Gasströmungsrichtung an der Gaseinlassöffnung des Wärmetauschers unter einem Winkel von etwa 90 Grad gegenüber der Gesamtgasströmungsrichtung durch die Gasströmungsleitung.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt verläuft die Gasströmungsrichtung an der Gasauslassöffnung des Wärmetauschers unter einem Winkel von etwa 90 Grad gegenüber der Gesamtgasströmungsrichtung durch die Gasströmungsleitung.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt verläuft die Gasströmungsrichtung an dem zweiten Ende des Stromaufwärts-Leitungsbereichs und dem ersten Ende des Stromabwärts-Leitungsbereichs unter einem Winkel von etwa 90 Grad gegenüber der Gesamtgasströmungsrichtung durch die Gasströmungsleitung.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt ist der Wärmetauscher aus einem Stapel von Platten gebildet, die abwechselnde Gasströmungsdurchgänge und Flüssigkeitsströmungsdurchgänge, die sich im Wesentlichen parallel zu der Gesamtgasströmungsrichtung durch die Gasströmungsleitung erstrecken, definieren.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt weist der Wärmetauscher weiterhin einen Gaseinlassverteiler, der mit der Gaseinlassöffnung verbunden ist, und einen Gasauslassverteiler, der mit der Gasauslassöffnung verbunden ist, auf, wobei eine Gasströmungsrichtung durch jeweils den Gaseinlassverteiler und den Gasauslassverteiler unter einem Winkel gegenüber der Gesamtgasströmungsrichtung durch die Gasströmungsleitung verläuft.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt befindet sich das Gasumleitungsventil an dem divergierenden Verzweigungspunkt. Wenn sich das Gasumleitungsventil in der Bypassposition befindet, kann die Gasströmung zu der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung im Wesentlichen vollständig blockiert werden; und wenn das Gasumleitungsventil in der Wärmeaustauschposition ist, kann die Gasströmung zu der Bypass-Verzweigungsleitung im Wesentlichen vollständig blockiert werden.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt weist der Wärmetauscher weiterhin eine Bodenplatte auf, in der die Gaseinlassöffnung und die Gasauslassöffnung angeordnet sind, wobei das zweite Ende des Stromaufwärts-Leitungsbereichs und das erste Ende des Stromabwärts-Leitungsbereichs an der Bodenplatte befestigt sind. Die Bodenplatte kann verstärkt oder verdickt sein, zumindest in Bereichen nahe der Gaseinlassöffnung und der Gasauslassöffnung.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt sind das zweite Ende des Stromaufwärts-Leitungsbereichs und das erste Ende des Stromabwärts-Leitungsbereichs entlang der Gesamtgasströmungsrichtung zueinander ausgerichtet.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt sind das zweite Ende des Stromaufwärts-Leitungsbereichs und das erste Ende des Stromabwärts-Leitungsbereichs entlang einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Gesamtgasströmungsrichtung ist, zueinander ausgerichtet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine perspektivische Draufsicht auf eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
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2 eine Endansicht der Wärmewiedergewinnungsvorrichtung nach 1 von dem Einlassende aus betrachtet ist;
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3 eine Draufsicht auf die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung nach 1 ist, wobei sich das Gasumleitungsventil im Bypassmodus befindet und die Gasströmungsleitung in der ersten Ebene PL1 in 2 geschnitten ist;
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4 eine Draufsicht auf die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung nach 1 ist, wobei sich das Gasumleitungsventil in dem Wärmeaustauschmodus befindet und die Gasströmungsleitung in der ersten Ebene PL1 in 2 geschnitten ist;
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5 eine isolierte perspektivische Draufsicht ist, die die Gasströmungsleitung der Wärmewiedergewinnungsvorrichtung nach 1 zeigt;
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6 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung nach 1 ist, die die entgegengesetzte Seite der Vorrichtung zeigt;
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7 ein Querschnitt entlang der Linie 7-7' in 1 ist;
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8 eine perspektivischen Ansicht einer Wärmewiedergewinnungsvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel von unten ist;
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9 eine perspektivische Draufsicht auf die in 8 gezeigte Wärmewiedergewinnungsvorrichtung ist;
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10 eine Draufsicht auf eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel ist, teilweise im Querschnitt; und
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11 eine perspektivische Draufsicht auf die Gasströmungsleitung der Wärmewiedergewinnungsvorrichtung nach 10 ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel wird nun mit Bezug auf die 1–5 beschrieben. Die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 10 kann als eine EGHR-Vorrichtung in einem Motorfahrzeug-Abgassystem verwendet werden und wird daher hier manchmal als EGHR-Vorrichtung 10 bezeichnet.
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Die Vorrichtung 10 weist ein Gasumleitungsventil 12, einen Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher 14 und eine Gasströmungsleitung 16 auf. Die Gasströmungsleitung 16 hat einen Einlass 18 und einen Auslass 20. Wenn die Vorrichtung 10 eine EGHR-Vorrichtung ist, ist die Vorrichtung 10 in einer Abgasleitung eines Motorfahrzeugs stromabwärts des Abgasverteilers und stromaufwärts des Auspuffrohrs installiert. Aufgrund ihrer kompakten Größe kann die Vorrichtung 10 in dem Motorraum des Fahrzeugs nahe dem Abgasverteiler angeordnet sein. Die hier verwendeten Begriffe ”stromaufwärts” und ”stromabwärts” sind Begriffe, die verwendet werden, um die Orte von Elementen der Vorrichtung 10 relativ zu dem Strömungspfad des durch die Vorrichtung 10 strömenden Gases zu beschreiben.
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Eine Gesamtrichtung der Gasströmung durch die Vorrichtung 10 ist zwischen dem Einlass 18 und dem Auslass 20 definiert. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Gesamtrichtung der Gasströmung parallel zu den Pfeilen A und B in 1, die dieselbe ist wie die Richtung der Gasströmung an dem Einlass 18 bzw. dem Auslass 20.
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Der Wärmetauscher 14 kann ähnlich dem Wärmetauscher oder mit diesem identisch sein, der in der US-Patentanmeldung Nr. 13/599339 für eine Erfindung mit der Bezeichnung ”Abgas-Wärmewiedergewinnungsvorrichtung”, die am 30. August 2012 eingereicht wurde und die hier in ihrer Gesamtheit einbezogen wird, beschrieben ist.
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Der Wärmetauscher 14 weist einen Wärmetauscherkern 22 auf, der einen Stapel von Kernplatten 24 enthält, die mehrere Gasströmungsdurchgänge 26 und mehrere Flüssigkeitsströmungsdurchgänge 28, die in abwechselnder Reihe angeordnet sind, definieren. Die Gasströmungsdurchgänge 26 und die Flüssigkeitsströmungsdurchgänge 28 können parallel zu der Strömung des Gases durch die Gasleitung 20 sein. Das durch die Gasströmungsdurchgänge 26 strömende Gas kann ein heißes Fahrzeugabgas sein, und die durch die Flüssigkeitsströmungsdurchgänge strömende Flüssigkeit kann ein flüssiges Kältemittel sein, wie ein Wasser/Glykol-Maschinenkältemittel, das auch durch andere Komponenten des Fahrzeug-Kühlsystems zirkulieren kann. Die Kernplatten 24 können aus rostfreiem Stahl oder anderem wärmebeständigem Material bestehen, und sie können durch Hartlöten mit einem geeigneten Füllmetall miteinander verbunden sein.
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Mehrere Verteiler erstrecken sich durch den Kern 22 und können im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Gasströmung durch die Leitung 20 sein. Der Wärmetauscher 14 enthält vier derartige Verteiler, nämlich einen Gaseinlassverteiler 30 und einen Gasauslassverteiler 32 in Strömungsverbindung mit den Gasströmungsdurchgängen 26; und einen Flüssigkeitseinlassverteiler 34 und einen Flüssigkeitsauslassverteiler 36 in Strömungsverbindung mit den Flüssigkeitsströmungsdurchgängen 28. Die Flüssigkeitsverteiler 34, 36 sind in Strömungsverbindung mit einem Paar von Flüssigkeitsarmaturen 6, 8.
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Der Wärmetauscherkern 22 hat eine Bodenplatte 38, die mit einer Gaseinlassöffnung 40 und einer Gasauslassöffnung 42 versehen ist. Die Öffnungen 40, 42 erstrecken sich durch die Bodenplatte 38 und kommunizieren mit dem Gaseinlass- bzw. dem Gasauslassverteiler 30, 32. Der Wärmetauscher 14 unterscheidet sich von dem in der US-Patentanmeldung Nr. 13/599339 beschriebenen dahingehend, dass er nicht eine dicke Befestigungsplatte zum Befestigen an dem Flansch eines Ventilkörpers enthält. Die Anbringung einer kontinuierlichen Befestigungsplatte an der Bodenplatte 38 könnte die Flexibilität des Wärmetauschers 14 zwischen der Gaseinlass- und -auslassöffnung 40, 42 einschränken und zu hohen thermischen Beanspruchungen in dem Wärmetauscher führen.
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Die Struktur des Wärmetauschers 14 ist nicht in irgendeiner der Zeichnungen im Einzelnen gezeigt, ausgenommen in dem Querschnitt von 7. Es ist davon auszugehen, dass der Wärmetauscher ”selbstumschließend” sein kann, wie in 7 gezeigt ist, d. h., er enthält kein externes Gehäuse. Jedoch ist dies nicht wesentlich, und der Wärmetauscher 14 kann stattdessen ein externes Gehäuse enthalten, das mehrere Rohre oder Platten, die Gas- und/oder Flüssigkeitsströmungsdurchgänge definieren, umschließt.
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Zwischen ihrem Einlass 18 und ihrem Auslass 20 ist die Gasströmungsleitung 16 in eine Bypass-Verzweigungsleitung 46 und eine Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 geteilt. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Bypass-Verzweigungsleitung 46 entlang der Gesamtgasströmungsrichtung. Die Bypass-Verzweigungsleitung 46 definiert einen Bypass-Gasströmungspfad, entlang dessen das Gas strömen kann, ohne durch den Wärmetauscher 14 unter Bedingungen, in denen eine Wiedergewinnung von Wärme aus dem Gas nicht erforderlich ist, hindurchzugehen, beispielsweise wenn das Fahrzeug seine normale Betriebstemperatur erreicht hat.
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Die Gasströmungsleitung 16 ist in Verzweigungsleitungen 46, 48 an einem divergierenden Verzweigungspunkt 50, der sich stromaufwärts des Wärmetauschers 14 befindet, geteilt. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das Gasumleitungsventil 12 an dem divergierenden Verzweigungspunkt 50, um selektiv die Gasströmung zu einer der Verzweigungsleitungen 46, 48 in Abhängigkeit von der Position des Ventils 12 zu blockieren.
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Die Verzweigungsleitungen 46, 48 können stromabwärts des Wärmetauschers 14 an einem konvergierenden Verzweigungspunkt 52, der sich stromaufwärts des Auslasses 20 der Gasströmungsleitung befindet, konvergieren.
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Die Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 weist einen Stromaufwärts-Leitungsbereich 54 und einen Stromabwärts-Leitungsbereich 56 auf. Der Stromaufwärts-Leitungsbereich 54 hat ein erstes Ende 58 in Strömungsverbindung mit der Gasströmungsleitung 16 an dem divergierenden Verzweigungspunkt 50, um das Gas von dem Einlass 18 zu empfangen, und ein zweites Ende 60 in Strömungsverbindung mit der Gaseinlassöffnung des Wärmetauschers 14.
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Der Stromabwärts-Leitungsbereich 56 hat ein erstes Ende 62 in Strömungsverbindung mit der Gasauslassöffnung 42 des Wärmetauschers 14 und ein zweites Ende 64, das in Strömungsverbindung mit der Gasströmungsleitung 16 an dem konvergierenden Verzweigungspunkt 52 sein kann.
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Es ist aus den Zeichnungen ersichtlich, dass die Richtung der Gasströmung an der Gaseinlassöffnung 40 und der Gasauslassöffnung 42 des Wärmetauschers 14 von der Gesamtgasströmungsrichtung durch die Gasströmungsleitung 16 verschieden ist. In dieser Hinsicht divergiert die Richtung der Gasströmung von der Gesamtgasströmungsrichtung, wenn es durch die Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 zu dem Wärmetauscher 14 hin strömt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Richtung der Gasströmung, wenn sie in das erste Ende 58 des Stromaufwärts-Leitungsbereichs 54 eintritt, im Wesentlichen dieselbe wie die Gesamtgasströmungsrichtung. Der Stromaufwärts-Leitungsbereich 54 ist entlang seiner Länge um etwa 90 Grad gekrümmt, um zu bewirken, dass die Gasströmung einer Richtungsänderung um etwa 90 Grad relativ zu der Gesamtgasströmungsrichtung an dem zweiten Ende 60 des Stromaufwärts-Leitungsbereichs 54 und der Gaseinlassöffnung 40 des Wärmetauschers unterzogen wird.
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Auch ist aus 7 ersichtlich, dass die Richtung der Gasströmung innerhalb des Wärmetauschers 14 im Wesentlichen U-förmig ist, strömend durch den Gaseinlass- und -auslassverteiler 30, 32 in entgegengesetzten Richtungen, die um etwa 90 Grad gegenüber der Gesamtgasströmungsrichtung angeordnet sind, und strömend durch die Gasströmungsdurchgänge 26 in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der Gesamtgasströmungsrichtung sein kann. Der U-förmige Strömungspfad durch den Wärmetauscher 14 ermöglicht der Vorrichtung 10 eine kurze Modullänge in der Gasströmungsrichtung, so wie in den vorstehend erwähnten T-förmigen EGHR-Vorrichtungen.
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An der Gasauslassöffnung 42 des Wärmetauschers und dem ersten Ende 62 des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56 verläuft die Gasströmungsrichtung noch unter einem Winkel von etwa 90 Grad in Bezug auf die Gesamtgasströmungsrichtung. Der Stromabwärts-Leitungsbereich 56 ist entlang seiner Länge um etwa 90 Grad gekrümmt, um zu bewirken, dass die Gasströmung einer Richtungsänderung von etwa 90 Grad unterzogen wird, derart, dass zu der Zeit des Erreichens des zweiten Endes 64 des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56 die Gasströmung im Wesentlichen parallel zu der Gesamtgasströmungsrichtung ist.
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Somit ist ersichtlich, dass der Stromaufwärts- und der Stromabwärts-Leitungsbereich 54, 56 gekrümmte Übergänge bilden, um die Richtung des in den Wärmetauscher 14 eintretenden und aus diesem austretenden Gasstroms zu ändern. Dies ermöglicht die Verwendung eines kompakten Wärmetauschers mit einem U-förmigen Strömungspfad und ergibt auch andere Vorteile. Es ist aus den Zeichnungen und insbesondere den 3 bis 5 ersichtlich, dass das zweite Ende 60 des Stromaufwärts-Leitungsbereichs 54 und das erste Ende 62 des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56 frei von jeglicher Verbindung untereinander und auch frei von jeglicher Verbindung zu anderen Bereichen der Gasströmungsleitung 16 sind. Der Stromaufwärts- und der Stromabwärts-Leitungsbereich 54, 56 sind nur mit dem Rest der Gasströmungsleitung 16 an ihren jeweiligen entgegengesetzten Enden 58, 64 verbunden. Da die Enden 60 und 62 der Leitungsbereiche 54, 56 frei von Verbindungen zu dem Rest der Gasströmungsleitung 16 sind und da die Leitungsbereiche 54, 56 selbst gekrümmt sind, sind sie auch in der Lage, sich um einen kleinen Betrag zueinander hin und voneinander weg zu biegen (d. h. im Wesentlichen in der Gesamtgasströmungsrichtung), wodurch eine Entlastung von potenziellen thermischen Beanspruchungen erfolgt, die durch thermische Ausdehnung und Zusammenziehung des Wärmetauschers 14 entlang der Länge der Platten 24 auftreten könnten.
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Es ist aus den Zeichnungen ersichtlich, dass mit Ausnahme der divergierenden Bereiche der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 die Gasströmungsleitung im Wesentlichen in einer einzigen Ebene liegt. In dieser Hinsicht sind der Einlass 18, der Auslass 20, die Bypass-Verzweigungsleitung 46, der divergierende Verzweigungspunkt 50 und der konvergierende Verzweigungspunkt 52 sämtlich im Wesentlichen koplanar, derart, dass eine erste Ebene PL1 (2) durch einige oder sämtliche dieser Komponenten hindurchgehen kann.
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Die divergierenden Bereiche der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 andererseits, und insbesondere die Stromaufwärts- und Stromabwärts-Leitungsbereiche 54, 56 sind von dieser ersten Ebene weg gekrümmt, und sie erstrecken sich zu einer zweiten Ebene PL2 (2) hin, die durch das zweite Ende 60 des Stromaufwärts-Leitungsbereichs 54 und das erste Ende 62 des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56 und/oder die Punkte, an denen die Leitungsbereiche 54 und 56 an dem Wärmetauscher 14 befestigt sind, hindurchgeht.
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Während die erste und die zweite Ebene nicht parallel zueinander zu sein brauchen, weisen die Bereiche der Ebenen, die durch Bereiche der Vorrichtung 10 hindurchgehen, einen gegenseitigen Abstand auf. Dieser Abstand ist beispielsweise in 2 ersichtlich, und er führt dazu, dass der Wärmetauscher 14 einen Abstand von Bereichen der Gasströmungsleitung 16 aufweist, mit Ausnahme des Verlaufs der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48. Somit hat der Wärmetauscher 14, wenn die Vorrichtung 10 im Bypassmodus ist, einen Abstand von der Strömung des heißen Gases durch die Bypass-Verzweigungsleitung 46, wodurch die Wärmemenge, die im Bypassmodus der Vorrichtung 10 von dem Abgas zu dem Kältemittel übertragen wird, verringert wird.
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Das Gasumleitungsventil 12 enthält ein bewegbares Ventilelement 82, das drehbar in der Gasströmungsleitung 16 angeordnet ist. Das Ventilteil 82 weist eine Klappe auf, die sich um eine Drehachse P dreht, die sich durch den Strömungskanal unter einem Winkel von etwa 90 Grad zu der Richtung der Gasströmung durch die Leitung 16 erstreckt. Das Ventilteil 82 kann an einer Stange 84 befestigt sein und wird auf der Stange 84 zwischen der Wärmeaustauschposition (4) und der Bypassposition (3) gedreht.
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Bei den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Ventilelement 82 an dem konvergierenden Verzweigungspunkt 50 befestigt, wodurch ermöglich wird, dass das Ventilelement 82 den Eintritt in die Bypass-Verzweigungsleitung 46 oder die Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 blockiert. Während diese Anordnung den maximalen Nutzen in Bezug auf die Isolierung des Wärmetauschers 14 von der Strömung des heißen Gases in dem Bypassmodus liefert, ist darauf hinzuweisen, dass das Ventilelement 82 woanders in der Gasströmungsleitung installiert sein kann. Beispielsweise kann ein ähnlich gestaltetes Ventilelement 82 an dem konvergierenden Verzweigungspunkt 52 angeordnet sein, um abwechselnd den jeweiligen Auslass der Bypass-Verzweigungsleitung 46 und der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 zu blockieren. Alternativ kann das Ventilelement 82 ein Ventilelement vom Drehklappentyp sein, das in der Bypass-Verzweigungsleitung installiert ist, um abwechselnd die Bypassgasströmung durch die Bypass-Verzweigungsleitung 46 zu öffnen und zu sperren. Als eine weitere Alternative kann das Ventilelement 82 ein Ventilelement vom Drehklappentyp sein, das in der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 installiert ist, um abwechselnd die Bypass-Gasströmung durch die Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 zu öffnen und zu sperren.
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Das Drehen des Ventilteils 82 um die Achse P kann durch jedes geeignete Mittel gesteuert werden, einschließlich eines elektronischen Solenoids oder eines Aktuators, der durch Maschinenvakuum betätigt wird, oder eines anderen Aktuators oder eines Steuersystems. Das Ventilteil 82 kann jede geeignete Form haben, um in der Wärmeaustauschposition und der Bypassposition gegenüber der inneren Oberfläche der Gasströmungsleitung 16 abzudichten, wobei diese zumindest teilweise von der Form des Strömungskanals 16 abhängt. Um die thermische Isolierung des Wärmetauschers 14 in dem Bypassmodus zu maximieren, sollte das Ventilteil 82 in der Bypassposition die Gasströmung zu der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 im Wesentlichen vollständig blockieren. Es kann auch erwünscht sein, eine Abdichtung mit der inneren Oberfläche der Leitung 16 zu erreichen, so dass es in der Wärmeaustauschposition die Gasströmung zu der Bypass-Verzweigungsleitung 48 im Wesentlichen vollständig blockiert, obgleich dies weniger kritisch ist.
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In den Zeichnungen ist eine Buchse oder ein ”Lagerblock” 88 gezeigt, in die/den sich ein Ende der Ventilstange 84 erstreckt und die/der Ventillager (nicht gezeigt) aufnehmen kann. Typischerweise wird ein Ende der Ventilstange in einer Buchse 88 aufgenommen, die sich innerhalb des Strömungskanals 16 befinden kann, und ein entgegengesetztes Ende der Ventilstange 84 durchdringt typischerweise die Kanalwand und erstreckt sich durch eine Buchse oder einen Lagerblock 88, die/der entweder innerhalb oder außerhalb der Kanalwand angeordnet ist. Auch ist das durchdringende Ende der Ventilstange 84 typischerweise an dem Ventilbetätigungsmechanismus 86 angebracht, der schematisch in 5 gezeigt ist.
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Im Betrieb der Vorrichtung 10 ist, wenn das Ventilteil 82 in der in 4 gezeigten Wärmeaustauschposition ist, die Bypass-Verzweigungsleitung 46 zumindest teilweise durch das Ventilteil 82 blockiert, während der Eingang zu der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 im Wesentlichen vollständig offen ist, wodurch eine Strömung durch den Wärmetauscher 14 ermöglicht wird. Die Gasströmung von dem Einlass 18 tritt in die Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 am divergierenden Verzweigungspunkt 50 ein und tritt in das erste Ende 58 des Stromaufwärts-Leitungsbereichs 54 ein. Das Gas strömt dann durch den Stromaufwärts-Leitungsbereich 54 zu dessen zweitem Ende, bevor es in den Wärmetauscher 14 durch die Gaseinlassöffnung eintritt. Innerhalb des Wärmetauschers 14 strömt das Gas in den Gaseinlassverteiler 30, aus dem es in die Gasströmungsdurchgänge 26 eintritt, um Wärme zu dem durch die Flüssigkeitsströmungsdurchgänge 28 strömenden flüssigen Kältemittel zu übertragen. Das Gas strömt dann aus den Gasströmungsdurchgängen 26 und in den Gasauslassverteiler 32, aus dem es den Wärmetauscher 14 durch die Gasauslassöffnung 42 verlässt. Aus der Gasauslassöffnung 42 des Wärmetauschers 14 tritt das Gas in das erste Ende des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56 ein und strömt zu dem zweiten Ende 64 von diesem an dem konvergierenden Verzweigungspunkt 52, von dem aus es zu dem Auslass 20 strömt.
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Wenn das Ventil 12 in der Bypassposition nach 3 ist, tritt die Gasströmung von dem Einlass 18 an dem divergierenden Verzweigungspunkt 50 in die Bypass-Verzweigungsleitung 46 ein. Das Gas strömt dann durch die Bypass-Verzweigungsleitung 46 zu dem konvergierenden Verzweigungspunkt 52, von dem aus es zu dem Auslass 20 strömt.
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Die Leitungsbereiche 54, 56 der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 können durch verschiedene Mittel an dem Wärmetauscher 14 befestigt sein, von denen eines im Querschnitt in 7 gezeigt ist. Wie gezeigt ist, können das zweite Ende 60 des Stromaufwärts-Leitungsbereichs 54 und das erste Ende 62 des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56 angrenzend an ihre Enden mit Rippen 66 bzw. 68 versehen sein, um als Anschläge gegen eine zu weite Einführung in den Wärmetauscher 14 durch die Bodenplatte 38 wirksam zu sein. Die Enden 60, 62 können auch durch Stauchen erweitert sein, um eine feste Passung innerhalb der Gaseinlass- und -auslassöffnungen 40, 42 zu erzielen, gefolgt von Hartlöten. Es ist darauf hinzuweisen, dass andere Anordnungen zum Befestigen der Leitungsbereiche 54, 56 an dem Wärmetauscher 14 existieren. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass die Bodenplatte 38 verstärkt und/oder verdickt sein kann, zumindest in den die Gaseinlass- und -auslassöffnungen 40, 42 umgebenden Bereichen, um eine starke Verbindung zwischen der Bodenplatte 38 und den Leitungsbereichen 54, 56 zu erhalten.
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In der Vorrichtung 10 sind der Stromaufwärts- und der Stromabwärts-Leitungsbereich 54, 56 der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 entlang der Gesamtgasströmungsrichtung miteinander ausgerichtet. Auch ist die Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 parallel zu der Bypass-Verzweigungsleitung 46, zumindest in der Draufsicht der 3 und 4. Jedoch ist die Orientierung der Komponenten relativ zueinander änderbar, abhängig zumindest teilweise von Verpackungsanforderungen. Daher kann die Orientierung von Komponenten von derjenigen der Vorrichtung 10 abweichen, wie nachfolgend mit Bezug auf die 8 bis 10 diskutiert wird.
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Die 8 und 9 illustrieren eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 100 nach den 8 und 9 unterscheidet sich von der Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 10 in der Orientierung ihrer Komponenten. Alle Elemente der Vorrichtung 100 sind auch in der Vorrichtung 10 enthalten und wurden bereits vorstehend beschrieben, und eine weitere Beschreibung dieser Elemente ist nicht erforderlich. Die Elemente, die die Wärmewiedergewinnungsvorrichtungen 10 und 100 gemeinsam haben, sind in den 8 und 9 durch die gleichen Bezugszahlen identifiziert.
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In der Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 100 nach den 8 und 9 sind der Stromaufwärts- und der Stromabwärts-Leitungsbereich 54, 56 der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 entlang einer Richtung miteinander ausgerichtet, die um etwa 90 Grad zu der Gesamtgasströmungsrichtung verläuft, und um etwa 90 Grad zu der Richtung der Gasströmung durch die Bypass-Verzweigungsleitung 46. Zusätzlich ist die Richtung der Gasströmung durch die Gasströmungsdurchgänge 26 unter einem Winkel von etwa 90 Grad in Bezug auf die Gesamtgasströmungsrichtung orientiert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Orientierung des Wärmetauschers 14 um 90 Grad in Bezug auf die Gesamtgasströmungsrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel nicht erforderlich ist. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 14 diagonal zu der Gesamtgasströmungsrichtung orientiert sein.
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Es ist ersichtlich, dass die Vorrichtung 100 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Länge des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56 in der Wärmeaustausch-Verzweigungsleitung 48 beträchtlich verkürzt, wodurch der Teil des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56, der sich parallel zu der Bypass-Verzweigungsleitung 46 erstreckt, effektiv eliminiert wird, wenn sich die zwei Verzweigungsleitungen 46, 48 dem konvergierenden Verzweigungspunkt 52 annähern. Somit kann die Vorrichtung 100 kompakter und leichter sein und weniger Material benötigen als die vorbeschriebene Vorrichtung 10. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Gesamtkonfiguration der hier beschriebenen Wärmewiedergewinnungsvorrichtungen zumindest teilweise von Raumbeschränkungen in den Fahrzeugen, in denen sie installiert sind, abhängt.
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Die 10 und 11 illustrieren eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 110 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ansicht der Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 110 in 10 ist ähnlich der in 3 gezeigten; geschnitten in einer ersten horizontalen Ebene, mit dem Ventil 12 in der Bypassposition, und den Umriss des Wärmetauschers in punktierten Linien zeigend. 11 zeigt isoliert die Gasströmungsleitung 16 der Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 110. Die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 110 unterscheidet sich von den Wärmewiedergewinnungsvorrichtungen 10 und 100 in der Orientierung ihrer Komponenten. Sämtliche Elemente der Vorrichtung 110 sind auch in den Vorrichtungen 10 und 100 enthalten und wurden bereits vorstehend beschrieben, und eine weitere Beschreibung dieser Elemente ist nicht erforderlich. Die Elemente, die bei beiden Wärmewiedergewinnungsvorrichtungen 10 und 110 verwendet werden, sind in 10 durch gleiche Bezugszahlen identifiziert.
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Die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 110 nach den 10 und 11 erzielt einen gleichen Nutzen wie die vorstehend beschriebene Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 100 dadurch, dass sie im Wesentlichen den Teil des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56 eliminiert, der sich parallel zu der Bypass-Verzweigungsleitung 46 erstreckt. In der Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 110 sind die rechteckigen Öffnungen an dem zweiten Ende 60 des Stromaufwärts-Leitungsbereichs 54 und dem ersten Ende 62 des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56 relativ zueinander ausgerichtet (wie durch die punktierten Linien in 11 gezeigt ist), aber leicht (um eine Achse senkrecht zu der Zeichenebene in 10) relativ zu der Gesamtgasströmungsrichtung und zu der Gasströmungsrichtung durch die Bypass-Verzweigungsleitung 46 gedreht. Diese leichte Drehung minimiert die Länge des Stromabwärts-Leitungsbereichs 56, während die Ausrichtung der rechteckigen Öffnungen aufrechterhalten bleibt, um die Verbindung des Wärmetauschers 14 mit den Leitungsbereichen 54 und 56 zu vereinfachen. Als eine Folge sind der Wärmetauscher 14 und die Gasströmungsdurchgänge 26 hiervon relativ zu der Gesamtgasströmungsrichtung und zu der Richtung der Gasströmung durch die Bypass-Verzweigungsleitung 46 abgewinkelt.
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Obgleich die Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Stattdessen enthält die Erfindung alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der angefügten Ansprüche fallen können.
