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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung, welche Abgaswärme von Abgas aus einem Verbrennungsmotor wiedergewinnt, um so die Abgaswärme zum Heizen von Kühlmittel des Motors zu verwenden. Die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung ist beispielsweise geeignet zur Verwendung in einem Fahrzeug, welches einen Verbrennungsmotor enthält.
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Aus
JP 2008-51479 A ,
US 4 974 667 A sowie
DE 10 2007 015 533 A1 sind Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtungen bekannt, bei denen stromab des Kondensators und stromauf des Verdampfers entweder ein Innendruck-Ventil oder ein Thermostatventil angeordnet ist.
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Weiterhin ist aus
JP H04-45393 A ein Wärmetauscher bekannt, der eine Schleifen-Wärmeleitung anwendet, welche ein Strömungsraten-Einstellventil enthält, welches in einem Punkt eines mittleren Weges einer Kondensationsführung von einem Kondensor zu einem Verdampfer angeordnet ist, und dazu ausgelegt ist, die Strömungsrate des darin strömenden Wärmeübertragungsfluids einzustellen.
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Eine Abzweig-Durchführung ist dahingehend vorgesehen, abzuzweigen und mit einem Punkt auf mittleren Weg einer Verdampfungs-Durchführung zwischen dem Verdampfer und dem Kondensor verbunden zu sein. Die Abzweig-Durchführung ist mit einem Antriebsabschnitt versehen, welcher dazu ausgelegt ist, durch einen Dampfdruck eines vorbestimmten Werts oder mehr betrieben zu werden, welcher aus der Verdampfungs-Durchführung empfangen wird. Des Strömungsraten-Einstellventil weist ein Not-Schließventil auf einer Kondensationsseite zum Schließen der Kondensations-Durchführung in Zusammenarbeit mit dem Betrieb des Antriebsabschnitts auf.
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Somit wird der Öffnungsgrad des Strömungsraten-Einstellventils in Übereinstimmung mit einer Temperatur von Fluid gesteuert, auf welches in dem Kondensor Wärme übertragen wird, so dass eine Menge von Wärme, welche auf das Fluid übertragen wird, eingestellt wird, während der Druck in einer Wärmepumpe unterhalb eines eingestellten Werts gehalten wird.
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Wenn das Strömungsraten-Einstellventil infolge irgendeines abnormalen Zustands konstant offen bleibt, wird an dem Verdampfer das übermäßige Verdampfen fortgesetzt. Wenn ein Dampfdruck einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird der Antriebsabschnitt zum Betrieb des Not-Schließventils in Zusammenarbeit mit dem Antriebsabschnitt angetrieben, wodurch die Kondensations-Durchführung geschlossen wird. Somit wird die Strömung des Wärmeübertragungsfluids zwangsweise gestoppt, wodurch ein anormales Ansteigen des Dampfdrucks bis oberhalb des vorbestimmten Werts vermieden wird, und auch der Ausfall oder dergleichen der Wärmeleitung vermieden wird.
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Obwohl der Wärmeleitungs-Wärmetauscher das Ansteigen des Dampfdrucks infolge übermäßigen Verdampfens an dem Verdampfer durch Verwendung des Not-Schließventils vermeidet, kann der Wärmetauscher nicht ein übermäßiges Ansteigen der Temperatur des Wärme übertragenden Fluids an dem Kondensor vermeiden.
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Wenn zum Beispiel die Zufuhr von Wärme aus einer Wärmequelle zu dem Verdampfer abrupt gestoppt wird und gleichzeitig das Strömen des Wärme übertragenden Fluids an dem Kondensor gestoppt wird, kann das Wärme übertragende Fluid eine übermäßig ansteigende Temperatur aufweisen, ohne das Not-Schließventil zu schließen, während die Verdampfungswirkung infolge der verbleibenden Wärme aus der Wärmequelle fortgesetzt wird.
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Die Erfindung wurde mit Blick auf die vorstehenden Probleme gemacht, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung bereitzustellen, welche ein übermäßiges Ansteigen der Temperatur eines Wärme übertragenden Fluids auf eine Kondensorseite vermeiden kann, während ein übermäßiges Ansteigen des Innendrucks vermieden wird.
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Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung: einen Verdampfer zum Verdampfen von darin eingeschlossenem Arbeitsfluid durch Abgaswärme aus einem Verbrennungsmotor; einen Kondensor zum Kühlen des an dem Verdampfer verdampften Arbeitsmediums durch Kühlmittel des Verbrennungsmotors; einen Kommunikationsabschnitt zum kommunizierenden Verbinden des Verdampfers mit dem Kondensor in einer Ringform; ein Innendruck-Betriebsventil, das dazu ausgelegt ist, geschlossen zu werden, wenn ein Druck des Arbeitsmediums gleich oder größer einem vorbestimmten Druck ist; und ein Temperatur-Betriebsventil, das dazu ausgelegt ist, geschlossen zu werden, wenn eine Temperatur des Kühlmittels gleich oder größer einer vorbestimmten Temperatur ist. Ferner sind das Innendruck-Betriebsventil und das Temperatur-Betriebsventil zwischen einer stromabwärtigen Seite des Kondensors und einer stromaufwärtigen Seite des Verdampfers in dem Kommunikationsabschnitt angeordnet.
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Somit kann der Kommunikationsabschnitt auf der Grundlage von zwei unabhängigen Zuständen geschlossen werden, welche den Druck des Arbeitsmediums und die Temperatur des Kühlmittels einschließen, um so die Verdampfungswirkung an dem Verdampfer zu stoppen. Zum Beispiel kann das Verdampfen fortgesetzt werden, während das Innendruck-Betriebsventil nicht geschlossen ist, ohne den Druck des Arbeitsmediums an dem Verdampfer stark zu erhöhen, was zu einem übermäßigen Ansteigen der Temperatur des Kühlmittels an dem Kondensor führt. Selbst in diesem Fall kann das Schließen des Temperatur-Betriebsventils den Kommunikationsabschnitt schließen, um die Verdampfungswirkung des Verdampfers zu stoppen, wodurch das übermäßige Ansteigen der Temperatur des Kühlmittels vermieden wird.
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Zum Beispiel wird in einem Fall, in welchem die vorbestimmte Temperatur höher als die von Kühlmittel ist, welche erhalten wird, wenn der vorbestimmte Druck erreicht ist, ein zulässiger Maximalwert als die vorbestimmte Temperatur ausgewählt. Somit kann die Abgaswärme wiedergewonnen werden, ohne unnötigerweise das Temperatur-Betriebsventil zu schließen, während das übermäßige Ansteigen der Temperatur des Kühlmittels vermieden wird.
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Das Drucksteuerventil kann zum Beispiel vom Membran-Typ zum Antrieb eines Ventilkörpers durch eine Membran sein. In diesem Fall ist die Membran dazu geeignet, gemäß dem Druck des Arbeitsmediums versetzt zu werden.
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Ferner kann das Temperatur-Betriebsventil vom Thermowachs-Typ zum Antrieb eines Ventilkörpers durch einen Thermowachsabschnitt sein. In diesem Fall ist der Thermowachsabschnitt durch Einschließen von Wachs darin ausgebildet, welches gemäß der Temperatur des Kühlmittels expandiert und zusammengezogen wird.
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Alternativ kann das Temperatur-Betriebsventil auf einer stromabwärtigen Seite des Innendruck-Betriebsventils angeordnet sein.
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Somit ist in einem Fall, in welchem der Tank zum Sammeln einer Mehrzahl von Rohren, welche als ein Arbeitsmedium-Strömungspfad dienen, in dem Kondensor vorgesehen ist, das Innendruck-Betriebsventil in dem Tank angeordnet. Ferner kann das Temperatur-Betriebsventil in dem Kommunikationsabschnitt zwischen dem Kondensor und dem Verdampfer auf der stromabwärtigen Seite des Tanks angeordnet sein, so dass die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung einfach ausgebildet sein kann.
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Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen einfacher ersichtlich, wenn diese zusammen mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden, wobei:
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1 ein schematisches Diagramm ist, welches einen montierten Zustand einer Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung auf einem Fahrzeug zeigt; und
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2 eine Querschnittsansicht ist, welche die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 auf ein Fahrzeug (Automobil) angewandt, welches einen Motor 10 als eine Antriebsquelle zum Fahren verwendet. Die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 ist in einer Abgasleitung 11 und einem Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 des Motors 10 angeordnet. Nun wird der spezifische Aufbau dieser Elemente unter Verwendung der 1 und 2 beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt ist, ist der Motor 10 ein wassergekühlter Verbrennungsmotor und enthält die Abgasleitung 11, um Abgas zu ermöglichen, aus diesem abgegeben zu werden, nachdem Brennstoff verbrannt wurde. Die Abgasleitung 11 ist mit einem Katalysator 12 zum Reinigen des Abgases versehen. Der Motor 10 enthält einen Radiatorkreis 20, um Motorkühlwasser zum Kühlen des Motors 10 (nachfolgend als Kühlmittel bezeichnet) zu ermöglichen, dort hindurch zu zirkulieren. Der Motor 10 enthält auch den Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30, welcher als ein Strömungspfad dient, der von dem Radiatorkreis 20 zum Ermöglichen eines Zirkulierens des Kühlmittels dort hindurch unterschiedlich ist, und einen Heizkreis 40 zum Ermöglichen eines Zirkulierens des Kühlwassers (Warmwassers), welches als eine Heizquelle zum Heizen von klimatisierter Luft dient, dort hindurch.
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Ein Radiator 21 ist in dem Radiatorkreis 20 vorgesehen und ist geeignet, das durch eine Wasserpumpe 22 zirkulierende Kühlmittel durch Wärmetausch mit Außenluft zu kühlen. Ein Bypass-Strömungspfad 23 zum Umgehen des Radiators 21 im Bypass, um dem Kühlmittel zu ermöglichen, dort hindurch zu treten, ist in dem Radiatorkreis 20 vorgesehen. Ein Thermostat 24 stellt eine durch den Radiator 21 strömende Kühlmittelmenge und eine durch den Bypass-Strömungspfad 23 strömende Kühlmittelmenge ein. Insbesondere wird beim Aufwärmen des Motors die in den Bypass-Strömungspfad 23 strömende Kühlmittelmenge erhöht, um das Aufwärmen zu unterstützen. Das heißt, dies kann Unterkühlen des Kühlmittels durch den Radiator 21 verhindern.
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Der Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 ist ein Strömungspfad, welcher von einem Motorauslass des Radiatorkreises 20 abzweigt und an die Wasserpumpe 22 angeschlossen ist. Der Kreis 30 ist geeignet, dem Kühlmittel Zirkulation dort hindurch durch die Wasserpumpe 22 zu ermöglichen. Ein Wassertank 140 (Kondensor 130) der Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100, welche später zu beschreiben ist, ist an den Punkt des mittleren Weges des Abgaswärme-Wiedergewinnungskreises 30 angeschlossen.
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Der Heizkreis 40 ist ein Kreis, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel (Warmwasser) von einem von dem Motorauslass des Radiatorkreises 20 unterschiedlichen Teil strömt und ist mit der stromabwärtigen Seite des Abgaswärme-Wiedergewinnungskreises 30 zu verbinden. Der Heizkreis 40 ist mit einem Heizkern 41 versehen, welcher als ein Wärmetauscher zum Aufwärmen dient, und ermöglicht dem Kühlmittel (Warmwasser), dort hindurch durch die vorstehend genannte Wasserpumpe 22 zu zirkulieren. Der Heizkern 41 ist in einem Klimatisierungsgehäuse einer nicht gezeigten Klimatisierungseinheit angeordnet und heizt die klimatisierte Luft, welche durch ein Gebläse geblasen wird, durch Wärmetausch mit dem Warmwasser.
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Wie in 1 und 2 gezeigt ist, enthält die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 einen Verdampfer 110, eine Durchführung 120, den Kondensor 130, den Wassertank 140, ein Innendruck-Betriebsventil 150, ein Temperatur-Betriebsventil 160 und dergleichen. In der Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 ist der Verdampfer 110 in der Durchführung 120 untergebracht, und der Verdampfer 110 und der Kondensor 130 sind miteinander durch einen Verbindungsströmungspfad 115 und einen Rückflusspfad 135, welcher als ein Verbindungsabschnitt dient, verbunden, um so eine schleifenartige Wärmeleitung 101 auszubilden.
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Die Wärmeleitung 101 ist mit einem nicht gezeigten Versiegelungsabschnitt versehen, von welchem das Innere der Wärmeleitung 101 auf Vakuum evakuiert (dekomprimiert) wird. Der Versiegelungsabschnitt wird versiegelt, nachdem das Arbeitsmedium in diesen eingefüllt wurde. Zur Zeit ist das verwendete Arbeitsmedium Wasser. Der Siedepunkt von Wasser ist 100°C bei 1 Atmosphärendruck. Da das Innere der Wärmeleitung 101 dekomprimiert wird (auf beispielsweise 0,01 Atmosphärendruck) wird der Siedepunkt von Wasser 5 bis 10°C. Das Arbeitsmedium zur Verwendung kann Alkohol, Fluorkohlenwasserstoff, Flon und dergleichen, zusätzlich zu Wasser, enthalten.
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Jeweilige (später zu beschreibende) Komponenten, welche die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 bilden, sind aus rostfreiem Stahl mit hoher Korrosionsbeständigkeit hergestellt. Nach dem Zusammensetzen dieser jeweiligen Komponenten werden diese Komponenten integriert miteinander mit Lötmaterial verlötet, welches in einem angrenzenden Abschnitt und einem anliegenden Abschnitt vorgesehen wird.
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Der Verdampfer 110 ist aus Rohren 111, Lamellen 112, einem unteren Tank 113, einem oberen Tank 114 und dergleichen ausgebildet. Das Rohr 111 weist ein längliches Rohrelement mit einem flachen Querschnitt auf. Diese Rohre 111 sind in Linie (deren Richtung nachfolgend als die Anordnungsrichtung bezeichnet wird) mit einem vorbestimmten Rohrabstand angeordnet, welcher dazwischen in der in 2 gezeigten Links-/Rechts-Richtung derart ausgebildet ist, dass die Längsrichtung der Rohre 111 vertikal gerichtet ist. Ferner sind die Rohre 111 derart angeordnet, dass die vorstehend genannten Linien in einer Richtung orthogonal zu der Papieroberfläche von 2 positioniert sind (nachfolgend als eine Linienrichtung bezeichnet).
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Die Lamellen 112, welche als ein Wärmetauschelement dienen, sind zwischen den jeweiligen Rohren 111 in der Anordnungsrichtung angeordnet, um mit den äußeren Wandflächen (Oberflächen) der jeweiligen Rohre 111 verbunden zu werden. Die Lamelle 112 dient zum Vergrößern einer Wärmeaustauschfläche mit Abgas, und ist beispielsweise eine Welllamelle, welche in einer Wellenform durch Walzverarbeitung unter Verwendung einer dünnen Bandplatte ausgebildet ist. Die Rohre 111 und die Lamellen 112 bilden den Wärme tauschenden Abschnitt des Verdampfers 110.
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Der untere Tank 113 und der obere Tankabschnitt 114 sind zu einem flachen Behälter ausgebildet, und sind auf den Enden des Rohrs 111 in der Längsrichtung angeordnet. Jeder der Tanks 113 und 114 weist Rohröffnungen (nicht gezeigt) auf, welche an Positionen entsprechend den Rohren 111 ausgebildet sind. Beide Enden der Rohre 111 in der Längsrichtung sind an die Rohröffnungen der Tanks 113, 114 angeschlossen, und dadurch sind die Rohre 111 in kommunizierender Verbindung mit dem Inneren der Tanks 113 und 114.
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Der Verdampfer 110 ist in der Durchführung 120 untergebracht. Die Durchführung 120 ist in einer zylindrischen Form mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet, und ist geeignet, dem Abgas zu ermöglichen, dort hindurch zu strömen, wie später beschrieben wird. Der Verdampfer 110 ist derart untergebracht, dass die Linienrichtung der Rohre 111 (die Richtung senkrecht zu der Papieroberfläche von 2) identisch zu einer Strömungsrichtung des Abgases (die Richtung senkrecht zu der Papieroberfläche von 2) ist.
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Ähnlich dem Verdampfer 110 enthält der Kondensor 130 eine Mehrzahl von Rohren 131, die derart angeordnet sind, dass die Längsrichtung der Rohre senkrecht gerichtet ist, und Lamellen 132, welche in einer Wellenform ausgebildet sind und zwischen den Rohren angeordnet sind (intervene) und mit diesen verbunden sind. Beide Enden jedes Rohrs 131 in der Längsrichtung sind an den oberen und den unteren Tank 133 und 134 angeschlossen. Die Rohre 131 stehen in kommunizierender Verbindung mit dem Inneren der Tanks 133 und 134.
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Der Kondensor 130 ist in dem Wassertank 140 untergebracht. Der Wassertank 140 ist ein Gehäuse, welches in länglicher Form entlang der Längsrichtung des Rohrs 131 ausgebildet ist. Der Wassertank 140 weist eine Kühlmitteleinführleitung 141 zum Einleiten des Kühlmittels dort hinein auf einem Ende davon auf, und eine Kühlmittelabgabeleitung 142 zum Abgeben des Kühlmittels zu dem Äußeren auf dem anderen Ende davon.
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Das Innendruck-Betriebsventil 150 ist in dem unteren Tank 134 des Kondensors 130 vorgesehen. Das Innere des Innendruck-Betriebsventils 150 ist in einem atmosphärenseitigen Raum 152, welcher mit der Atmosphäre in kommunizierender Verbindung steht, und einem Kommunikationsströmungspfad 153 zum kommunizierenden Verbinden des unteren Tanks 134 mit dem Rückflusspfad 135, der später zu beschreiben ist, durch eine Membran 151 unterteilt. Der Kommunikationsströmungspfad 153 ist an die Membran 151 angeschlossen und mit einem Ventilkörper 154 zum Öffnen und Schließen des Kommunikationsströmungspfads 153 versehen.
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Die Membran 151 wird in der in 2 gezeigten Links-/Rechts-Richtung in Übereinstimmung mit einem Gleichgewicht zwischen dem Atmosphärendruck, welcher von der Außenluft ausgeübt wird, und dem Innendruck des Kondensors 130 (Wärmeleitung 101) versetzt. Die Versetzung des Ventilkörpers 154 zusammen mit der Versetzung der Membran 151 öffnet und schließt den Kommunikationsströmungspfad 153. Auf diese Weise dient das Innendruck-Betriebsventil 150 als ein Membran-Ventil zum Öffnen und Schließen des Kommunikationsströmungspfads 153 in Übereinstimmung mit einem Druck des Arbeitsmediums. Genauer gleitet dann, wenn der Innendruck des Kondensors 130 (Wärmeleitung 101) sich auf einen vorbestimmten Druck (Ventil-Schließdruck) oder mehr erhöht, um den Atmosphärendruck zu überwinden, der Ventilkörper 154 in der in 2 gezeigten Rechts-Richtung, um den Kommunikationsströmungspfad 153 zu schließen. Wenn umgekehrt der Innendruck des Kondensors 130 (Wärmeleitung 101) unterhalb des vorbestimmten Drucks ist (Ventil-Schließdruck), wird der Ventilkörper 154 geöffnet.
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Der Innendruck der Wärmeleitung 101 ändert sich in Übereinstimmung mit dem Gleichgewicht zwischen der Menge von durch den Verdampfer 110 empfangener Wärme und der Menge von aus dem Kondensor 130 an das Kühlmittel abgestrahlter Wärme. Im Allgemeinen ist der Innendruck umso höher, je höher die Temperatur des Kühlmittels ist. Die Temperatur von Kühlmittel in dem Radiator 121 wird auf etwa 90°C in normalen Fahrzeugen eingestellt. Somit wird, wenn die Temperatur von Kühlmittel auf der Abstrahlseite auf etwa 80 bis 90°C angenommen wird, der vorbestimmte Druck in Übereinstimmung mit der Menge von Wärme bestimmt, welche durch den Verdampfer 110 empfangen wird. Wenn der Innendruck unterhalb des vorbestimmten Drucks ist, öffnet der Ventilkörper 154 des Innendruck-Betriebsventils 150 den Kommunikationsströmungspfad 153, und führt die Abwärme bzw. Abgaswärme sicher bzw. zwangsweise an das Kühlmittel zurück, wie später beschrieben wird. Ferner wird dann, wenn der Innendruck gleich oder größer dem vorbestimmten Druck ist, der Ventilkörper 154 geschlossen, um die Wiedergewinnung bzw. Rückführung der Abgaswärme in das Kühlmittel zu stoppen, wie später beschrieben wird.
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Der Kondensor 130 ist auf einer Seite des Verdampfers 110 angeordnet und der obere Tank 114 und der obere Tank 133 sind miteinander kommunizierend über den Verbindungsströmungspfad 115 verbunden. Der Verbindungsströmungspfad 115 durchdringt die Durchführung 120 und den Wassertank 140. Der Kommunikationsströmungspfad 153 des Innendruck-Betriebsventils 150 und der Rohre 111 sind in kommunizierender Weise miteinander über den Rückflusspfad 135 verbunden. Der Rückflusspfad 135 durchdringt die Durchführung 120 und den Wassertank 140. Somit sind der untere Tank 113, die Rohre 111, der obere Tank 114, der Verbindungsströmungspfad 115, der obere Tank 133, die Rohre 131, der untere Tank 134, das Innendruck-Betriebsventil 150 (Kommunikationsströmungspfad 153), der Rückflusspfad 135, die Rohre 111 und der untere Tank 113 in Ringform in dieser Reihenfolge verbunden, um die Wärmeleitung 101 auszubilden.
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Das Temperatur-Betriebsventil 160 ist an einer Position auf der stromabwärtigen Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 in dem Rückflusspfad 135 vorgesehen. Das Temperatur-Betriebsventil 160 enthält einen Thermowachsabschnitt 161, einen Betätigungsstift 162, einen Ventilkörper 163 und eine Feder 164. Der Thermowachsabschnitt 161 ist durch Einfüllen von Wachs in diesen ausgebildet, welches in Übereinstimmung mit einer Temperatur des Kühlmittels sich ausdehnt und zusammenzieht. Der Thermowachsabschnitt 161 ist an dem Inneren eines überhängenden Abschnitts 143 fixiert, welcher von einem zwischenliegenden Abschnitt des Wassertanks 140 zu der Seite des Verdampfers 110 hin überhängt. Der Thermowachsabschnitt 161 ist dem Kühlmittel in dem Wassertank 140 ausgesetzt.
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Der Betätigungsstift 162 ist ein Element, welches in länglicher Form ausgebildet ist, und dessen eines Ende in den Thermowachsabschnitt 161 eingesetzt ist, und dessen anderes Ende sich zu dem Rückflusspfad 135 auf der tieferen Seite erstreckt. Der Ventilkörper 163 ist in dem Rückflusspfad 135 angeordnet und mit dem Betätigungsstift 162 verbunden. Die Feder 164 ist zwischen dem Ventilkörper 163 und der tieferen Seite des Rückflusspfades 135 angeordnet, und treibt den Ventilkörper 163 zu der Seite des Thermowachsabschnitts 161.
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Im Allgemeinen wird, wenn die Temperatur von Kühlmittel unterhalb der vorbestimmten Temperatur ist, das Wachs in dem Thermowachsabschnitt 161 zusammengezogen und eine treibende Kraft der Feder 164 veranlasst den Ventilkörper 163, sich nach oben zu bewegen, wie in 2 gezeigt ist, so dass der Rückflusspfad 135 offen bleibt. Das Wachs in dem Thermowachsabschnitt 161 wird mit steigender Temperatur des Kühlmittels expandiert. Wenn die Temperatur des Kühlmittels gleich oder größer als die vorbestimmte Temperatur ist, überwindet der Betätigungsstift 162 die treibende Kraft der Feder 164, um nach unten zu gleiten, wie in 2 gezeigt ist, so dass der Ventilkörper 163 sich auch nach unten zusammen mit dem Betätigungsstift 162 bewegt, um den Rückflusspfad 135 zu schließen. Auf diese Weise dient das Temperatur-Betriebsventil 160 als ein Thermowachs-Typ-Ventil zum Öffnen und Schließen des Rückflusspfades 135 in Übereinstimmung mit der Temperatur des Kühlmittels.
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Die vorstehend genannte vorbestimmte Temperatur ist auf einer Temperatur gewählt, die höher als die von Kühlmittel (von etwa 80 bis 90°C) bei einem vorbestimmten Druck (einem Innendruck von Kältemittel, welcher bestimmt ist, wenn die vorstehend genannte Kühlmitteltemperatur auf 80 bis 90°C angenommen wird), zum Schließen des Innendruck-Betriebsventils 150. Die vorbestimmte Temperatur ist auf 100°C gewählt, dies unter Berücksichtigung der oberen Grenze der Toleranz einer zu steuernden Kühlmitteltemperatur. Für die Kühlmitteltemperatur von nicht weniger als der vorbestimmten Temperatur schließt der Ventilkörper 163 des Temperatur-Betriebsventils 160 den Rückflusspfad 135, um Wiedergewinnung der Abgaswärme an das Kühlmittel zu stoppen, wie später beschrieben wird.
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Die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 ist auf diese Weise ausgebildet, und in einem ausgenommenen Abschnitt angeordnet, der dahingehend ausgebildet ist, zu dem Inneren eines Fahrzeugabteils ausgenommen zu sein, wenn dies von dem (Erd)-Boden unter einem Boden des Fahrzeugs aus betrachtet wird. Die Durchführung 120 (Verdampfer 110) ist in der Abgasleitung 11 auf der stromabwärtigen Seite eines Katalysators 12 zwischenliegend angeordnet (intervenes), und beide Leitungen 141 und 142 des Wassertanks 140 sind an dem Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 angeschlossen (siehe 1).
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Nun wird der Betrieb und die Wirkungen der Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 mit der vorstehend genannten Anordnung nachfolgend beschrieben.
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Wenn der Motor 10 betrieben wird, wird die Wasserpumpe 22 dahingehend betrieben, dem Kühlmittel ein Zirkulieren durch den Radiatorkreis 20, den Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 und den Heizkreis 40 zu ermöglichen. Das Abgas aus dem durch den Motor 10 verbrannten Brennstoff strömt durch die Abgasleitung 11, und wird dann durch den Katalysator 112 gereinigt. Das Abgas strömt in den Verdampfer 110 in der Durchführung 120 und wird dann in die Atmosphäre abgegeben. Das Kühlmittel, welches durch den Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 zirkuliert, tritt durch den Wassertank 140 (Kondensor 130) der Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100.
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Nach dem Anlassen des Motors 10 beginnt die Kühlmitteltemperatur zu steigen, während der Innendruck der Wärmeleitung 101 allmählich ansteigt. Da die Menge von Abgaswärme sich gemäß einer Last des Motors 10 ändert, ändert sich der Innendruck eines Fahrzeugs, welches einen normalen Motor enthält, gemäß verschiedenen Betriebszuständen des Fahrzeugs, welche Beschleunigung, Verzögerung, Stoppen und dergleichen enthalten.
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Während der Innendruck der Wärmeleitung 101 unter dem vorbestimmten Druck erhöht wird, wird das Innendruck-Betriebsventil 150 geöffnet. Das Wasser (Arbeitsmedium, Arbeitsmedium) in der Wärmeleitung 101 empfängt Wärme aus dem Abgas, welches in der Führung 120 an den Verdampfer 110 strömt, und beginnt zu sieden und wird verdampft, um zu Dampf zu werden, welcher in den Rohren 111 ansteigt und in den Kondensor 130 (den oberen Tank 133 und die Rohre 131) durch den oberen Tank 114 und den Verbindungsströmungspfad 115 strömt. Der in dem Kondensor 130 strömende Dampf wird durch das Kühlmittel gekühlt, welches in dem Wassertank 140 aus dem Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 strömt, um zu kondensiertem Wasser zu werden, welches aus den Rohren 111 des Verdampfers 110 in den unteren Tank 113 zurückgeleitet wird, nachdem es durch den unteren Tank 134, den Kommunikationsströmungspfad 153 des Innendruck-Betriebsventils 150 und den Rückflusspfad 135 hindurchgetreten ist.
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Auf diese Weise wird die Wärme des Abgases an Wasser übertragen, und dann aus dem Verdampfer 110 zu dem Kondensor 130 transportiert, wo der Dampf als kondensierte latente Wärme in Kondensation abgegeben wird, so dass das Kühlmittel, welches durch den Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 strömt, sicher bzw. zwangsweise erwärmt wird. Das heißt, das Aufwärmen des Motors 10 wird unterstützt, wodurch eine Reduzierung des Reibungsverlusts des Motors 10 erzielt wird, und eine Reduzierung eines Ansteigens einer Kraftstoffmenge, um Anlasseigenschaften bei niedrigen Temperaturen zu verbessern, was somit zu einer Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit führt. Ferner verbessert dies auch die Aufwärmeigenschaften des Heizkerns 41, welcher das Kühlmittel als eine Wärmequelle verwendet. Einige Wärme des Abgases wird dahingehend übertragen, sich von dem Verdampfer 110 für den Kondensor 130 über eine Außenwandoberfläche der Wärmeleitung 101 zu bewegen.
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Das Vorsehen der Rohre 111 und der Lamellen 112 in dem Verdampfer 110 kann die Fläche zur Aufnahme von Wärme des Abgases vergrößern, wodurch das Verdampfen des Arbeitsmediums an dem Verdampfer 110 unterstützt wird, wodurch somit die Menge von Wärme, welche zu dem Kondensor 130 transportiert wird, vergrößert wird.
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Wenn die Temperatur von Kühlmittel ansteigt und der Innendruck den vorbestimmten Druck übersteigt, wird das Innendruck-Betriebsventil 150 geschlossen, um das Rückfließen des kondensierten Wassers in der Wärmeleitung 101 zu unterbrechen. Dann wird das Wasser in dem Verdampfer 110 vollständig verdampft (ausgetrocknet) und strömt zu dem Kondensor 130, wo das kondensierte Wasser bevorratet wird.
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Das heißt, der durch Verdampfung und Kondensation von Wasser vollzogene Wärmetransport wird sicher gestoppt (was dem Stoppen von Wiedergewinnung der Abgaswärme entspricht), und die Menge von Wärme, welche zu der Kühlmittelseite übertragen wird, ist nur eine Wärmeübertragung über die Wärmeleitung 101. Somit kann dieses Umschalten auf das Stoppen der Wiedergewinnung von Abgaswärme den Nachteil vermeiden, dass dann, wenn die Wiedergewinnung von Abgaswärme fortgesetzt wird, während die Abgastemperatur mit Steigen einer Last des Motors 10 hoch wird, die Temperatur von Kühlmittel übermäßig ansteigen kann, um eine Abstrahlkapazität des Radiators 121 zu überschreiten, was zu Überhitzung führt.
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In diesem Zustand bleibt, da die Temperatur des Kühlmittels in dem Kondensor 130 etwa 80 bis 90°C ist, was die vorbestimmte Temperatur, zum Beispiel 100°C, nicht erreicht, das Temperatur-Betriebsventil 160 geöffnet. Das heißt, das Innendruck-Betriebsventil 150 ist geschlossen, um so das Rückfließen des kondensierten Wassers in der Wärmeleitung 101 zu vermeiden.
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Andererseits wird, während der Innendruck der Wärmeleitung 101 nicht auf den vorbestimmten Wert erhöht ist und das Wiedergewinnen von Abgaswärme mit dem geöffneten Betriebsventil 150 ausgeführt wird, dann, wenn der Motor 10 gestoppt wird (was ein so genanntes ”Standdurchnässen” (”dead soak”) ist), wird die Zirkulation des Kühlmittels in dem Abgaswärme-Wiedergewinnungskreis 30 gestoppt, indem die Wasserpumpe 22 gestoppt wird, so dass die Zufuhr (Strömung) von Kühlmittel zu dem Wassertank 140 gestoppt wird. In dem Verdampfer 110 wird die Verdampfungswirkung von Wasser durch die verbleibende Wärme des Abgases fortgesetzt, so dass der gesiedete Dampf in dem Kondensor 130 strömt, um das Kühlmittel zu erwärmen. Da das Kühlmittel nicht in den Wassertank 140 zugeführt wird, kann lokales Sieden auftreten, um drastische Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels für eine kurze Zeit zu bewirken.
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In dieser Ausführungsform wird jedoch, wenn die Kühlmitteltemperatur gleich oder größer als die vorbestimmte Temperatur (100°C) ist, das Temperatur-Betriebsventil 160 in einen geschlossenen Zustand gebracht, um den Rückflusspfad 135 zu schließen, wodurch das Rückfließen des kondensierten Wassers aus dem Kondensor 130 zu dem Verdampfer 110 vermieden wird. Dies kann die Wiedergewinnung der Abgaswärme stoppen, wodurch das übermäßige Ansteigen der Temperatur des Kühlmittels vermieden werden kann.
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Die vorbestimmte Temperatur des Kühlmittels zum Schließen des Temperatur-Betriebsventils 160 ist auf eine Temperatur eingestellt, welche höher als die des Kühlmittels ist, wenn der Innendruck den vorbestimmten Druck zum Schließen des Innendruck-Betriebsventils 150 erreicht. Dies kann das übermäßige Ansteigen der Temperatur des Kühlmittels vermeiden, während Abgaswärme ohne regelmäßiges Schließen des Temperatur-Betriebsventils 160 wiedergewonnen wird.
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Da das Temperatur-Betriebsventil 160 auf der stromabwärtigen Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 angeordnet ist, kann das Innendruck-Betriebsventil 150 in dem unteren Tank 134 angeordnet sein, und das Temperatur-Betriebsventil 160 kann in dem Rückflusspfad 135 angeordnet sein, wodurch die Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung 100 einfach ausgebildet wird.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform enthält eine Abgaswärme-Wiedergewinnungseinrichtung den Verdampfer 110 zum Verdampfen von darin abgeschlossenem Arbeitsmedium durch Abwärme aus einem Verbrennungsmotor, den Kondensor 130 zum Kühlen des an dem Verdampfer 110 verdampften Arbeitsmediums durch Kühlmittel des Verbrennungsmotors 10, einen Verbindungsabschnitt (115, 135) zum kommunizierenden Verbinden des Verdampfers 110 mit dem Kondensor 130 in der Form eines Ringes, das Innendruck-Betriebsventil 150, welches dazu ausgelegt ist, geschlossen zu werden, wenn ein Druck des Arbeitsmediums gleich oder größer einem vorbestimmten Druck ist; und das Temperatur-Betriebsventil 160, welches dazu ausgelegt ist, geschlossen zu werden, wenn die Temperatur des Kühlmittels gleich oder größer einer vorbestimmten Temperatur ist. Ferner sind das Innendruck-Betriebsventil 150 und das Temperatur-Betriebsventil 160 zwischen einer stromabwärtigen Seite des Kondensors 130 und einer stromaufwärtigen Seite des Verdampfers 110 in dem Kommunikationsabschnitt (115, 135) angeordnet.
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Somit kann der Kommunikationsabschnitt 135 auf der Grundlage von zwei unabhängigen Zuständen geschlossen werden, welche den Druck des Arbeitsmediums und die Temperatur von Kühlmittel einschließen, um so die Verdampfungswirkung an dem Verdampfer 110 zu stoppen. Zum Beispiel kann die Verdampfung fortgesetzt werden, während das Innendruck-Betriebsventil 150 nicht geschlossen ist, ohne den Druck des Arbeitsmediums an dem Verdampfer 110 stark zu erhöhen, was zu einem übermäßigen Ansteigen der Kühlmitteltemperatur an dem Kondensor 130 führt bzw. führen würde. Selbst in diesem Fall kann das Schließen des Temperatur-Betriebsventils 160 den Kommunikationsabschnitt 135 schließen, um die Verdampfungswirkung des Verdampfers 110 zu stoppen, wodurch das übermäßige Ansteigen der Temperatur des Kühlmittels vermieden wird.
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Zum Beispiel kann die vorbestimmte Temperatur höher als die Temperatur von Kühlmittel eingestellt werden, welche erhalten wird, wenn der vorbestimmte Druck erreicht ist. Ferner kann das Druck-Steuerventil 150 beispielsweise vom Membran-Typ zum Antreiben eines Ventilkörpers 154 durch eine Membran 151 sein. In diesem Fall ist die Membran 151 geeignet, gemäß dem Druck des Arbeitsmediums versetzt zu werden. Alternativ kann das Temperatur-Betriebsventil 160 vom Thermowachs-Typ zum Antrieb eines Ventilkörpers 163 durch einen Thermowachsabschnitt 161 sein. In diesem Fall ist der Thermowachsabschnitt 161 durch Einschließen eines Wachses darin ausgebildet, welches sich gemäß der Temperatur des Kühlmittels expandiert und zusammenzieht.
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Ferner kann das Temperatur-Betriebsventil 160 auf einer stromabwärtigen Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 angeordnet sein. In diesem Fall kann das Innendruck-Betriebsventil 150 in dem Tank 134 angeordnet sein, und das Temperatur-Betriebsventil 160 kann in dem Kommunikationsabschnitt 135 angeordnet sein, welcher zwischen dem Verdampfer 110 und dem Kondensor 130 an einer stromabwärtigen Seite des Tanks 134 angeordnet ist. Ferner kann der Kommunikationsabschnitt 135, der zwischen der stromabwärtigen Seite des Kondensors 130 und der stromaufwärtigen Seite des Verdampfers 110 angeordnet ist, in kommunizierender Verbindung mit einem Punkt des mittleren Weges des Rohrs 111 in einer Erstreckungsrichtung des Rohrs in dem Verdampfer 110 sein.
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Zusätzlich kann der Kommunikationsabschnitt 135, der zwischen der stromabwärtigen Seite des Kondensors 130 und der stromaufwärtigen Seite des Verdampfers 110 angeordnet ist, sich in einer Position oberhalb einer Flüssigkeitsoberfläche des in dem Verdampfer 110 abgeschlossenen Arbeitsmediums befinden.
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(Andere Ausführungsformen)
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Obwohl in jeder der vorstehend genannten Ausführungsformen das Temperatur-Betriebsventil 160 auf der stromabwärtigen Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 vorgesehen ist, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Das Temperatur-Betriebsventil 160 kann auf der stromaufwärtigen Seite des Innendruck-Betriebsventils 150 vorgesehen sein.
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Obwohl in der vorstehenden Beschreibung das Innendruck-Betriebsventil 150 vom Membran-Typ ist und das Temperatur-Betriebsventil 160 vom Thermowachs-Typ ist, können alle der Betriebsventile 150 und 160 von jedem anderen Typ sein.
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Solche Änderungen und Modifikationen sind dahingehend zu verstehen, dass diese innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung sind, wie er durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
