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Die Erfindung betrifft einen Ausgleichsbehälter für ein Kühlsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Kühlanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Es ist bekannt, in ein Fahrzeug-Kühlsystem einen Ausgleichsbehälter zu integrieren. Dieser dient unter anderem zur Abscheidung von Luft aus dem Kühlkreislauf, zum Ausgleich des Volumenzuwachses des Kühlmittels bei Erwärmung, zum Befüllen des Kühlsystems sowie zum Aufbau eines Druckpolsters zur Vermeidung des Siedens des Kühlmittels. Zur Entgasung des Kühlkreislaufes ist eine Einbindung des Ausgleichsbehälters, sowohl in den internen Motorkreislauf, als auch in den üblicherweise über den Thermostaten geführten Gesamtkühlkreislauf möglich. Ausgleichsbehälter sind z. B. aus der
DE 195 38 239 C1 oder der
DE 202 17 307 U1 bekannt.
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Nach dem Motorstart ist eine sofortige Entlüftung des Kühlkreislaufes notwendig, so dass der Ausgleichsbehälter zwangsläufig auch bei Einbindung in den kleinen Kreislauf des Verbrennungsmotors mit aufgeheizt wird, was die Warmlaufphase mit entsprechenden Verbrauchs- und Heizleistungsnachteilen verlängert. Um ein Abscheiden der im Kühlmittel gebundenen Luft trotz Verschäumens des Kühlmittels zu vermeiden, muss vom Eintritt aus eine relativ lange Beruhigungsstrecke bis zum Auslauf aus dem Ausgleichsbehälter vorgesehen werden, was ein relativ großes Volumen des Ausgleichsbehälters bewirkt. Wird der Ausgleichsbehälter in den großen Gesamtkreislauf mit Verbrennungsmotor, Fahrzeugkühler und Thermostat eingebunden, entfällt zwar das Mitaufheizen in der Warmlaufphase, eine Entlüftung ist jedoch erst bei geöffnetem Thermostaten möglich, was bei der Befüllung des Kühlsystems zu Problemen führen kann.
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Die
US 3 195 294 A zeigt einen Kühlmittelkreislauf zur Abscheidung von Gasblasen aus einem Kühlmittel, wobei entweder in der Zulauf- oder Ablaufleitung ein Bereich mit verengtem Strömungsquerschnitt angeordnet ist, der mit einem Ausgleichsbehälter so in Verbindung steht, dass Gasblasen in diesen abgegeben werden können.
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Die
DE 28 21 872 A1 offenbart ein Überdruck-Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem in einer das Überdruck-Kühlsystem abschließenden Wand angeordnetem Unterdruckventil und einem Überdruckventil, einem Verschlußdeckel und einem Kühlmittelausgleichsbehälter. Eine Zulaufleitung ist austrittseitig und eine Ablaufleitung ist eintrittseitig eng benachbart am Gehäuse angeordnet, so dass das von der Zulaufleitung zugeführte Kühlmittel nahezu vollständig in die Ablaufleitung gelangt, ohne sich mit dem Kühlmittel im Ausgleichsbehälter zu mischen. Nachteilig ist, dass Gasblasen nur bei geöffneten Ventilen in den Ausgleichsbehälter gelangen können, was aufgrund der systembedingten Funktion der Ventile nur selten der Fall ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ausgleichsbehälter für ein Kühlsystem zu ermöglichen, der die bekannten Nachteile im Stand der Technik vermeidet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 9 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Ausgleichsbehälter für einen Kühlkreislauf, sowie die erfindungsgemäße Kühlanordnung sehen neben den gattungsgemäßen Merkmalen vor, dass die Zulaufleitung und die Ablaufleitung so am Gehäuse angeordnet sind, dass das von der Zulaufleitung zugeführte Kühlmittel nahezu vollständig in die Ablaufleitung gelangt, ohne sich mit dem Kühlmittel in dem Ausgleichsbehälter zu mischen, während Gasblasen aus dem Kühlmittel in den Ausgleichsbehälter abgegeben werden. Damit kann vorteilhaft auch eine Wärmeabgabe an das Kühlmittel im Ausgleichsbehälter vermieden werden. Nur die Gasblasen werden in das Kühlmittel im Ausgleichsbehälter abgegeben. Das mit der Zulaufleitung zugeführte Kühlmittel streift das Kühlmittel im Ausgleichsbehälter nur. Es gelangt im Normalbetrieb allenfalls nur eine minimale Menge des zugeführten Kühlmittels in den Ausgleichsbehälter, Praktisch das ganze zugeführte Kühlmittel wird unmittelbar über die Ablaufleitung wieder abgeführt. Die Zulaufleitung weist einen Zulaufleitungsquerschnitt auf, der wenigstens doppelt so groß ist wie ein Ablaufleitungsquerschnitt der Ablaufleitung. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Zulaufleitung sehr groß gegenüber dem Querschnitt der Ablaufleitung. Durch den großen Querschnitt ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels sehr niedrig. Ein Verschäumen des Kühlmittels wird vermieden. Durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit beim Vorbeiströmen des Kühlmittels an dem Ausgleichsbehälter kann eine Beruhigungsstrecke verkürzt oder vermieden werden. Der Ausgleichsbehälter kann daher relativ klein ausgeführt sein. Im zuströmenden Kühlmittel enthaltene Gase oder Luft können trotzdem zuverlässig abgeschieden werden. Eine übliche statische Befüllung des Ausgleichsbehälters mit Kühlmittel kann über die Zulaufleitung, die dann als Einfüllstutzen fungiert, erfolgen. Die Luft aus dem Kühlkreislauf kann über einen üblichen Entlüftungsstutzen im Luftpolsterbereich des Ausgleichsbehälters abgeschieden werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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In einer günstigen Ausgestaltung sind die Zulaufleitung austrittseitig und die Ablaufleitung eintrittseitig eng benachbart, wodurch eine Durchmischung des zuströmenden Kühlmittels mit dem Kühlmittel im Ausgleichsbehälter vermieden werden kann.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Zulaufleitung und die Ablaufleitung in eingebautem Zustand nahe eines Bodens des Gehäuses angeordnet. Das zuströmende Kühlmittel strömt von unten in Richtung des Ausgleichsbehälters und dann an diesem vorbei. Dadurch wird erreicht, dass sich das zuströmende Kühlmittel praktisch nicht mit dem im Ausgleichsbehälter enthaltenen Kühlmittel durchmischt. Eine Aufheizung des Ausgleichsbehälters unterbleibt. Der Ausgleichsbehälter kann daher günstig in den sogenannten kleinen Kühlkreislauf eines Fahrzeugs integriert werden, ohne die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors zu verlängern. Der kleine Kühlkreislauf führt durch den Verbrennungsmotor und ist von einem üblichen Kühlkreislauf-Thermostaten sowie vom Fahrzeugkühler unabhängig. Beim Start der Verbrennungskraftmaschine wird erst der kleine Kühlkreislauf aktiviert, um den Verbrennungsmotor in der Warmlaufphase schnell auf Betriebstemperatur aufzuheizen. Zulaufleitung und Ablaufleitung können aber auch an anderen Bereichen des Gehäuses angeordnet sein.
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In einer günstigen Ausgestaltung mündet die Zulaufleitung im eingebauten Zustand mit ihrer Stirnseite von unten in den Boden. Dadurch kann die Luft aus dem zuströmenden Kühlmittel nach oben entweichen. Zwischen der Zulaufleitung und der Ablaufleitung ist bevorzugt eine Schottwand angeordnet, die eine direkte Ansaugung des Kühlmittels in die Ablaufleitung begünstigt. Dadurch erfolgt auch eine Strömungsumlenkung des Kühlmittels zwischen Zulaufleitung und Ablaufleitung, was die Abscheidung der Luft aus dem zuströmenden Kühlmittel erleichtert, besonders in Verbindung mit der geringen Strömungsgeschwindigkeit des zuströmenden Kühlmittels.
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In einer alternativen günstigen Ausgestaltung verläuft die Zulaufleitung parallel zum Boden. Die Zulaufleitung weist dabei vorzugsweise eine in axialer Strömungsrichtung verlaufende Öffnung zum Gehäuse auf. Bevorzugt geht die Zulaufleitung in axialer Strömungsrichtung in die Ablaufleitung über. Das zuströmende Kühlmittel strömt praktisch nur am Ausgleichsbehälter vorbei, ohne sich mit dem Kühlmittel im Ausgleichsbehälter zu mischen.
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Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
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1 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälters mit stirnseitig anstoßender Zulaufleitung;
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2a: eine Prinzipskizze einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälters mit einer parallel unter dem Boden verlaufenden Zulaufleitung und b: einen Schnitt durch die Zulaufleitung;
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3 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Kühlanordnung.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausgleichsbehälters 10 für einen Kühlkreislauf eines Fahrzeugs. Der Ausgleichsbehälter 10 umfasst ein Gehäuse 24 mit einem Entlüftungsstutzen 14 an einer Entlüftungsöffnung 14', der im oberen Bereich 23 des Gehäuses 24 im Bereich eines Luftpolsters 12 angeordnet ist. Ein Überdruckventil 13 ist im oberen Bereich 23 angeschlossen.
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Über eine Zulaufleitung 15 im unteren Bereich des Bodens 22 des Gehäuses 24 wird Kühlmittel 11' zum Ausgleichsbehälter 10 zugeführt und über eine mit der Zulaufleitung 15 verbundene Ablaufleitung 18 abgeführt. Luftblasen 20 können zwar aus dem zuströmenden Kühlmittel 11' in das Luftpolster 12 abgeschieden und über den Entlüftungsstutzen 14 abgeführt werden, das zuströmende Kühlmittel 11 wird aber praktisch vollständig über die Ablaufleitung 18 abgeführt.
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Die Zulaufleitung 15 weist einen Zulaufleitungsquerschnitt 15' auf, der wesentlich größer ist wie ein Ablaufleitungsquerschnitt 18' der Ablaufleitung 18. Die Zulaufleitung 15 ist austrittseitig mit der Eintrittseite der Ablaufleitung 18 eng benachbart, so dass mit geringer Strömungsgeschwindigkeit zuströmendes Kühlmittel 11' praktisch nur am Boden 22 des Ausgleichsbehälters 10 eintritt und gleich wieder in die Ablaufleitung 18 austritt und dabei vor dem Austritt die mitgeführte Luft als Luftblasen 20 abscheidet, ohne sich nennenswert mit dem Kühlmittel 11 im Ausgleichsbehälter 10 zu mischen.
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Die Zulaufleitung 15 mündet mit ihrer Stirnseite von unten in den Boden 22 und Kühlmittel 11' tritt in Strömungsrichtung 16 in den Ausgleichsbehälter 10 und gelangt unmittelbar wieder in die Ablaufleitung 18. Die Ablaufleitung 18 führt zur Seite weg in Strömungsrichtung 19. Durch die wegen des grollen Zulaufleitungsquerschnitts 15' geringe Strömungsgeschwindigkeit und die Umlenkung der Strömungsrichtung von 16 nach 19 kann Luft aus dem zuströmenden Kühlmittel 11' effizient durch das Kühlmittel 11 in Richtung Luftpolster 12 abgeschieden werden. Zwischen der Zulaufleitung 15 und der Ablaufleitung 18 ist eine Schottwand 17 angeordnet, die eine direkte Ansaugung des Kühlmittels 11' in die Ablaufleitung 18 begünstigt und die Ablaufleitung 18 gegen den Ausgleichsbehälter 10 abschirmt.
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2a zeigt eine alternative Ausgestaltung des Ausgleichsbehälters 10. 2b zeigt einen Schnitt durch die Zulaufleitung 15. In dieser Ausgestaltung verläuft die Zulaufleitung 15 parallel zum Boden 22 des Gehäuses 24 und weist eine in axialer Strömungsrichtung 16 verlaufende Öffnung 21 zum Gehäuse 24 auf. Die Zulaufleitung 15 geht in axialer Strömungsrichtung 16, 19 in die Ablaufleitung 18 über. Es gibt keine Unterbrechung in dem sich verjüngenden Rohr. 2b zeigt einen Schnitt durch die Zulaufleitung 15, in dem die zum Ausgleichsbehälter 10 hin gerichtete Öffnung 21 zu erkennen ist. Das zuströmende Kühlmittel 11' strömt praktisch nur am Gehäuse 24 bzw. dem Kühlmittel 22 im Ausgleichsbehälter 10 vorbei und gibt dadurch seine Gasblasen 20 in den Ausgleichsbehälter 10 ab, ohne sich mit dem Kühlmittel 11 darin zu mischen.
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3 zeigt eine bevorzugte Kühlanordnung beispielhaft für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 27 mit zwei Zylinderbänken, mit einem Ausgleichsbehälter 10 mit einer Zulaufleitung 15 und einer Ablaufleitung 18. Die Zulaufleitung 15 und die Ablaufleitung 18 sind so angeordnet, dass sie praktisch ineinander übergehen, entsprechend dem Ausführungsbeispiels in 2a und sind z. B. am Boden des Ausgleichsbehälters 10 angeordnet.
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Der Ausgleichsbehälter 10 ist in einen von einem Thermostaten 29 abhängigen kleinen Kühlkreislauf 25 integriert, der mit dünn ausgezogenen Linien gezeichnet ist. Die Zulaufleitung 15 weist einen deutlich größeren Querschnitt auf, als die Ablaufleitung 18. Im oberen Bereich des Ausgleichsbehälters ist eine Entlüftungsleitung 14 mit einem Rückschlagventil 31 angeordnet. An einen üblichen Thermostaten 29, der als Zweitellerthermostat ausgebildet ist, sind Anschlüsse für eine nicht näher bezeichnete Kurzschlussleitung, einen Kühlerrücklauf zum Kühler 26 und ein Heizungsrücklauf zu einer Heizung 28 angeschlossen. Stromabwärts des Thermostaten 29 ist eine Kühlmittelpumpe 30 angeordnet.
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Der Ausgleichsbehälter 10 wird zur Entgasung des Kreislaufs in der gezeigten Weise in den kleinen Kühlkreislauf 25 eingebunden. Eine Durchströmung ab Motorstart ist gewährleistet. Die Zulaufleitung 15 hat einen relativ großen Durchmesser, z. B. 16 mm. Die Strömungsgeschwindigkeit ist damit gering und eine Verschäumung des Kühlmittels findet nicht statt.
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Durch den großen Durchmesser kann, wie normalerweise üblich, auch die Befüllung des Kühlkreislaufs erfolgen. Eine Entlüftung des Kreislaufs beim Befüllen ist über die Entlüftungsleitung 14 gewährleistet. Das Rückschlagventil 31 verhindert im Betrieb des Verbrennungsmotors 27 eine Durchströmung der Entlüftungsleitung 14 und damit die thermische Kopplung. Die Zulaufleitung 15 wird dabei an einer geodätisch relativ hohen Stelle des Kühlkreislaufs angeschlossen, welche einerseits die Entlüftung des Kreislaufs gewährleistet und andererseits eine Befüllung möglich macht, z. B. am Kühlervorlaufschlauch 32 bzw. Kühlereintrittskasten 33 oben.
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Die Ablaufleitung 18 hat einen relativ kleinen Durchmesser und fungiert als Drossel, um den Volumenstrom und damit die Strömungsgeschwindigkeit in der Zulaufleitung 15 gering zu halten. Aufgrund der speziellen Anordnung von Zulaufleitung 15 und Ablaufleitung 18, wie in den 1 und 2 dargestellt ist, kann nun sehr gut Gas bzw. Luft aus dem zuströmenden Kühlmittel abgeschieden werden. Die thermische Kopplung ist minimal und der Wärmeverlust dadurch sehr gering.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ausgleichsbehälter
- 11
- Kühlmittel
- 11'
- zuströmendes Kühlmittel
- 12
- Luftpolster
- 13
- Überdruckventil
- 14
- Entlüftungsstutzen
- 14
- Entlüftungsöffnung
- 15
- Zulaufleitung
- 15'
- Zulauföffnungsquerschnitt
- 16
- Zulaufrichtung
- 17
- Schottwand
- 18
- Ablaufleitung
- 18'
- Ablaufleitungsquerschnitt
- 19
- Ablaufrichtung
- 20
- Luftblasen
- 21
- axial verlaufende Öffnung
- 22
- Boden
- 23
- oberer Bereich
- 24
- Gehäuse
- 25
- kleiner Kühlkreislauf
- 26
- Kühler
- 27
- Verbrennungskraftmaschine
- 28
- Heizung
- 29
- Thermostat
- 30
- Pumpe
- 31
- Rückschlagventil
- 32
- Kühlervorlaufschlauch
- 33
- Kühlereintrittskasten
