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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Ausgleichsbehälter für flüssiges Fluid, insbesondere Kühlfluid einer Kühlvorrichtung eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Fluideinlass und wenigstens einem Fluidauslass für das Fluid und mit einem Ionentauscher zur Aufbereitung des Fluids mit einem Ionentauscherbehälter, der wenigstens einen Einlass für aufzubereitendes Fluid und wenigstens einen Auslass für aufbereitetes Fluid aufweist und in dem ein granulatartiges Ionentauschermedium strömungstechnisch zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, und der Ionentauscherbehälter in dem Ausgleichsbehälter austauschbar angeordnet ist und der Einlass mit dem Fluideinlass und der Auslass mit Fluidauslass korrespondiert.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Ionentauscher eines Ausgleichsbehälters für flüssiges Fluid, insbesondere Kühlfluid einer Kühlvorrichtung eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, zur Aufbereitung des Fluids, mit einem Ionentauscherbehälter, der wenigstens einen Einlass für aufzubereitendes Fluid und wenigstens einen Auslass für aufbereitetes Fluid aufweist und in dem ein granulatartiges Ionentauschermedium strömungstechnisch zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, und der in dem Ausgleichsbehälter austauschbar angeordnet werden kann, derart, dass der Einlass mit einem Fluideinlass des Ausgleichsbehälters und der Auslass mit einem Fluidauslass des Ausgleichsbehälters korrespondiert.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2009 012 379 A1 ist ein Kühlmitteltank für ein Kühlmittelsystem eines Brennstoffzellenstapels bekannt. Der Kühlmitteltank umfasst einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass. Eine Ionentauscherkartusche sitzt auf einem Unterteil des Kühlmitteltanks in einer eigenen Kammer des Kühlmitteltanks, benachbart dem Kühlmitteleinlass. Die Ionentauscherkartusche umfasst ein Gehäuse, in dem Ionentauscherharz angeordnet ist. Die Ionentauscherkartusche besitzt zumindest ein fluidpermeables Auslassfenster, das in dem Gehäuse geformt ist. Das Auslassfenster ermöglicht eine Fluidkommunikation mit dem Kühlmittelauslass. Das Gehäuse der Ionentauscherkartusche besitzt ferner einen Einlass zur Fluidkommunikation mit dem Kühlmitteleinlass. Das Kühlmittel durchströmt zur Aufbereitung die Ionentauscherkartusche und damit das Ionentauscherharz vom Einlass, von unten nach oben, zum Auslassfenster. Die Ionentauscherkartusche ist aus einem festen Material und daher starr und nicht verformbar. Das Ionentauscherharz ist lose in der Ionentauscherkartusche untergebracht. Die lose Anordnung des Ionentauscherharzes in der starren Ionentauscherkartusche ermöglicht die Bildung von bevorzugten Strömungswegen durch das durchströmende Kühlmittel. Derartige bevorzugte Strömungswege sind unerwünscht, da dadurch nur ein Teil des Ionentauschermediums durchströmt wird und zur Wirkung kommt. Hierdurch wird die Gesamtkapazität des Ionentauscher bezüglich der Aufbereitung des Kühlmittels insgesamt verringert. Außerdem wird so die Standzeit der Ionentauscherkartusche verlängert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ausgleichsbehälter für flüssiges Fluid und einen Ionentauscher der eingangs genannten Art auszugestalten, der einfach und platzsparend realisiert werden kann, eine optimale Effizienz bezüglich der Aufbereitung des Fluids aufweist und der eine möglichst lange Standzeit hat.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Ionentauscherbehälter eine flexible Hülle hat.
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Erfindungsgemäß hat der Ionentauscherbehälter eine flexible Hülle und ist dadurch einfach in seiner Form veränderbar. So kann er einfach von außen durch entsprechende Krafteinwirkung komprimiert und das im Ionentauscherbehälter enthaltene Ionentauschermedium verpresst werden. Die Komprimierung des Ionentauschermediums wirkt der unerwünschten Bildung von bevorzugten Strömungskanälen entgegen. So wird die Standzeit des Ionentauschers verlängert. Außerdem wird die Effizienz bezüglich der Aufbereitung des Fluids verbessert. Der flexible Ionentauscherbehälter kann außerdem einfach an dem zur Verfügung stehenden Einbauraum optimal angepasst werden. Ein Ionentauscherbehälter einer Ausführungsart kann so bei unterschiedlichen Ausgleichsbehältern verwendet werden. Auf diese Weise wird die erforderliche Bauteilevielfalt verringert. Im Übrigen kann ein Ionentauscherbehälter einer Ausführungsart je nach Bedarf mit unterschiedlichen Mengen von Ionentauschermaterial gefüllt werden. Leerräume im Ionentauscherbehälter können einfach durch Kompression des Ionentauscherbehälters zusammen gedrückt werden. Auf diese Weise können einfach mit einem Ionentauscherbehälter einer Baugröße Ionentauscher mit unterschiedlichen Kapazitäten realisiert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens eine Kompressionseinrichtung, insbesondere mit wenigstens einem elastischen Element, zur Kompression des Ionentauscherbehälters, insbesondere des Ionentauschermediums, vorgesehen sein. Mit der Kompressionseinrichtung kann der Ionentauscherbehälter mit diesem darin enthaltenen Ionentauschermedium komprimiert werden, so dass der Bildung von bevorzugten Fluidströmungskanälen entgegengewirkt wird. Vorteilhafterweise kann in der Ionentauscherkammer an einem Deckel einer Austauschöffnung, durch die der Ionentauscher in die Ionentauscherkammer eingebracht werden kann, ein vorgespanntes elastisches Element angeordnet sein, mit dem der Ionentauscherbehälter gegen einen Boden der Ionentauscherkammer gepresst und damit komprimiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein entsprechendes vorgespanntes elastisches Element auch an der Bodenseite der Ionentauscherkammer angeordnet sein und den Ionentauscherbehälter zum Deckel hin komprimieren. Bei dem elastischen Element kann es sich insbesondere um ein Federelement handeln, insbesondere eine beschichtete Metallfeder oder eine Kunststofffeder. Es kann auch eine Metallfeder vorgesehen sein, die in einem gegen das Fluid abgedichteten Raum, insbesondere unter Verwendung einer Membrane oder eines Faltenbalgs, angeordnet ist, um einen Eintrag von Metallionen in das Fluid zu verhindern. Eine beschichtete Metallfeder oder eine Metallfeder in einem abgedichteten Raum kann vorteilhafterweise auf der Seite des Einlasses des Ionentauscherbehälters angeordnet sein. Auf diese Weise werden bei einer Beschädigung der Beschichtung der Metallfeder oder des abgedichteten Raumes eventuell austretende Metallionen durch das im Strömungspfad folgende Ionentauschermedium aufgenommen und gelangen nicht in die Fluidleitung. Die Kompressionseinrichtung kann vorzugsweise als Teil des Ionentauschers auch eine vorgespannte, elastische Kompressionshülle aufweisen, in welcher der Ionentauscherbehälter steckt und die den Ionentauscherbehälter und mit ihm das Ionentauschermedium komprimiert. Die Kompressionseinrichtung kann Teil des Ionentauschers sein. Ebenso kann der Deckel Teil des Ionentauschers sein.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Kompressionseinrichtung, insbesondere mit einem elastischen Element, zur Kompression des Ionentauschermediums in dem Ionentauscherbehälter angeordnet sein. So kann der Ionentauscher als Modulbauelement gemeinsam mit der Kompressionseinrichtung gefertigt werden. Der Ionentauscherbeutel kann gemeinsam mit der Kompressionseinrichtung ausgetauscht werden. Das elastische Element kann dabei, wie oben bereits beschrieben, ein vorgespanntes Federelement, insbesondere eine beschichtete Metallfeder, eine Kunststofffeder oder eine Metallfeder in einem abgedichteten Raum sein. Dadurch, dass die Kompressionseinrichtung in dem Ionentauscherbehälter angeordnet ist, ist eine optimale Kompression des Ionentauschermediums möglich, da die Hülle des Ionentauscherbehälters bei der Kompression nicht verformt werden muss. Die Kompressionseinrichtung kann direkt auf das Ionentauschermedium wirken. So kann die Kompressionseinrichtung insgesamt entsprechend kleiner dimensioniert sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Hülle des Ionentauscherbehälters wenigstens abschnittsweise elastisch sein. Der Ionentauscherbehälter kann auf diese Weise prall mit Ionentauschermedium gefüllt werden, so dass der elastische Bereich der Hülle mit einer Vorspannung versehen wird. Diese Vorspannung komprimiert das enthaltene Ionentauschermedium, sodass der elastische Anteil der Hülle des Ionentauscherbehälters als Kompressionseinrichtung wirkt. Der Bildung von bevorzugten Strömungskanälen wird auf diese Weise entgegengewirkt. Außerdem können durch die Elastizität des Ionentauscherbehälters im Ionentauscher auftretende Druckschwankungen durch das durchströmende Kühlfluid kompensiert werden. Ferner kann auf weitere elastische Elemente zur Kompression des Ionentauscherbehälters verzichtet werden. Zumindest können sie entsprechend kleiner dimensioniert werden.
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Ferner kann vorteilhafterweise der Ausgleichsbehälter eine Anschlussgeometrie für den Ionentauscherbehälter aufweisen, mit der der Einlass mit dem Fluideinlass oder der Auslass mit Fluidauslass verbunden ist. Die Anschlussgeometrie ermöglicht eine einfache Montage des Ionentauschers in der Ionentauscherkammer. Die Anschlussgeometrie kann vorteilhafterweise so ausgestaltet sein, dass durch einfaches Einstecken des Ionentauscherbehälters eine Fluidverbindung zwischen dem Einlass und dem Fluideinlass oder dem Auslass und dem Fluidauslass realisiert wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Ionentauscherbehälter in einer festen Aufnahmehülle, insbesondere einem Innenzylinder im Ausgleichsbehälter, angeordnet sein. Durch die feste Aufnahmehülle kann die Form des Ionentauscherbehälters vorgegeben werden. Bei der Verwendung einer Kompressionseinrichtung, kann so verhindert werden, dass der Ionentauscherbehälter seine Form verändert und dadurch der Kompressionskraft ausreicht. Bei der Kompression können der Ionentauscherbehälter und das Ionentauschermedium gegen eine Innenwand der festen Aufnahmehülle gepresst werden, wodurch eine optimale Verdichtung des Ionentauschermediums erfolgt. Der Bildung von bevorzugten Strömungskanälen kann so einfach und effizient entgegengewirkt werden. Wenn die Aufnahmehülle insbesondere in Form eines Innenzylinders fest im Ausgleichsbehälter angeordnet ist, kann sie gleichzeitig als Aufnahme und Führung beim Einbau des Ionentauscherbehälters wirken. Die Aufnahmehülle kann vorteilhafterweise zusätzlich mit einer Anschlussgeometrie für den Ionentauscherbehälter kombiniert sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Ionentauscherkammer eine Austauschöffnung für den Ionentauscher aufweisen, die mit einem Deckel, insbesondere mit einem Schnappverschluss oder Rastverschluss, verschließbar ist. Durch die Austauschöffnung kann der Ionentauscher einfach in den Ausgleichsbehälter eingebracht und aus diesem entfernt werden. Schnellverschlüsse und Rastverschlüsse können schnell und einfach geschlossen und geöffnet werden.
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Vorteilhafterweise kann der Ionentauscherbehälter mittels eine Halteeinrichtung, insbesondere einem insbesondere zweiteiligen Halteteil mit Krallen oder einer Rastverbindung, am Deckel gehalten sein. Mit dem Halteteil kann der Ionentauscherbehälter einfach festgeklemmt und durch die Krallen sicher am Deckel gehalten werden. Auf diese Weise kann bei einem Austausch des Ionentauschers der Ionentauscherbehälter gemeinsam mit dem Deckel vom Ausgleichsbehälter getrennt werden. Es ist kein zusätzliches Werkzeug erforderlich, um den Ionentauscherbehälter zu greifen und aus dem Ausgleichsbehälter herauszuziehen. Der Deckel kann Teil des Ionentauschers sein. Das Halteteil kann einfach aus zwei Teilen zusammengesetzter sein. Es kann einfach um den Ionentauscherbeutel herum geschlossen werden. Eine Rastverbindung ist einfach verbindbar und wieder lösbar.
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Vorteilhafterweise kann der Deckel einen wenigstens zweistufigen Öffnungsmechanismus aufweisen. Auf diese Weise kann einfach eine Sicherheitsfunktion realisiert werden. Falls im Ausgleichsbehälter ein Überdruck gegenüber der Umgebung herrscht, kann mit der Sicherheitsfunktionen einfach verhindert werden, dass der Deckel beim Öffnen unkontrolliert weggeschleudert wird, was zu einer Gefährdung des Servicepersonals führen kann. Der Öffnungsmechanismus kann vorzugsweise eine Art Bajonettverschluss aufweisen, der mit einer Sicherheitsfeder kombiniert sein kann.
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Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch den Ionentauscher gelöst, dadurch, dass der Ionentauscherbehälter eine flexible Hülle hat. Die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälter aufgezeigten Merkmale und Vorteile gelten für den erfindungsgemäßen Ionentauscher entsprechend.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen schematisch:
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1 eine isometrische Darstellung eines Ausgleichsbehälters für Kühlmittel eines Kühlkreislaufs eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs, in dem ein Ionentauscher angeordnet ist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine Draufsicht des Ausgleichsbehälters aus der 1;
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3 eine Seitenansicht des Ausgleichsbehälters aus den 1 und 2;
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4 einen Längsschnitt des Ausgleichsbehälters aus den 1 bis 3 entlang der Schnittlinie IV-IV aus der 2;
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5 einen Längsschnitt eines Ausgleichsbehälters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, welcher zu dem Ausgleichsbehälter aus den 1 bis 4 ähnlich ist;
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6 einen Längsschnitt eines Ausgleichsbehälters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, der zu den Ausgleichsbehältern aus den 1 bis 5 ähnlich ist;
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7 einen Längsschnitt eines Ausgleichsbehälters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, der zu den Ausgleichsbehältern aus den 1 bis 6 ähnlich ist;
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8 eine Seitenansicht des Ionentauschers des Ausgleichsbehälters aus der 7;
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9 einen Längsschnitt eines Ausgleichsbehälters gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, welches zu den Ausgleichsbehältern aus den 1 bis 8 ähnlich ist;
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10 einen Längsschnitt des Ionentauschers des Ausgleichsbehälters aus der 9.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ausgleichsbehälters 10 für Kühlfluid eines Kühlkreislaufs eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Der Ausgleichsbehälter 10 umfasst ein Basisteil 12, das mit einem Deckelteil 14 dicht verschlossen ist.
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In dem Ausgleichsbehälter 10 sind Schwallwände 16 für das Kühlfluid angeordnet, die den Ausgleichsbehälter 10, wie in der 4 gezeigt, in mehrere Kammern 18 unterteilt. Die Schwallwände 16 wirken festigkeitssteigernd und dienen zur Beruhigung des Kühlfluids. Die Schwallwände 16 weisen jeweils im unteren Bereich Durchströmöffnungen 20 auf, durch die das Kühlfluid zwischen den Kammern 18 strömen kann. In ihren oberen Bereichen weisen die Schwallwände 16 Ausgleichsöffnungen 22 auf, durch die insbesondere zum Druckausgleich Luft zwischen den Kammern 18 strömen kann.
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In einer zylindrischen Aufnahmekammer 24 des Ausgleichsbehälters 10 ist ein Ionentauscherbeutel 26 eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 25 bezeichneten Ionentauschers angeordnet. Die Aufnahmekammer 24 ist durch einen Innenzylinder 28 begrenzt, in dem der Ionentauscherbeutel 26 eingesteckt ist. Der Ionentauscherbeutel 26 ist mit einem in der 4 schraffiert angedeuteten Ionentauschergranulat 27 gefüllt, auf dessen Wirkungsweise hier nicht weiter eingegangen wird. Der Innenzylinder 28 ist umfänglich dicht mit dem Boden des Ausgleichsbehälters 10 verbunden.
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Der Boden des Ausgleichsbehälters 10 bildet auch einen Kammerboden 30 der Aufnahmekammer 24. Der obere Rand des Innenzylinders 28 ist frei, so dass dort Verbindungsöffnungen 32 zu den an den Innenzylinder 28 angrenzenden Kammern 18 des Ausgleichsbehälters 10 realisiert sind.
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Der Kammerboden 30 ist abgestuft und begrenzt einen Zulaufraum 34, in den ein Zulaufstutzen 36 führt. Der Kammerboden 30 mit dem Zulaufraum 34 bilden so eine Anschlussgeometrie für den Ionentauscherbeutel 26. Der Zulaufstutzen 36 ist zur Zuführung von Kühlfluid in den Ausgleichsbehälter 10 mit einer nicht gezeigten Kühlmittelzuleitung des Kühlmittelkreislaufs verbunden.
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Ein dem Zulaufstutzen 36 zugewandter, in der 4 unterer Bereich des Zulaufraums 34 ist im Durchmesser bezüglich dem Durchmesser des Innenzylinders 28 reduziert. In diesem unteren Bereich des Zulaufraums 34 ist eine vorgespannte Spiraldruckfeder 38 axial zum Innenzylinder 28 angeordnet. Die Spiraldruckfeder 38 ist aus Kunststoff. Sie stützt sich mit einem Ende am Kammerboden 30 ab. Mit dem anderen Ende stützt sich die Spiraldruckfeder 38 an einem Verteilerelement 40 ab.
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Das Verteilerelement 40 ist im Innenzylinder 28 axial beweglich angeordnet. Die Umfangsseite des Verteilerelements 40 ist abgestuft. Ein dem der Spiraldruckfeder 38 zugewandter Abschnitt des Verteilerelements 40 weist in etwa den Durchmesser des unteren Bereich des Kammerbodens 30 auf. Ein dem Ionentauscherbeutel 26 zugewandter Abschnitt des Verteilerelements 40 hat in etwa den Querschnitt des Innenzylinders 28. Das Verteilerelement 40 wird mit der vorgespannten Spiraldruckfeder 38 in axialer Richtung gegen den Ionentauscherbeutel 26 gedrückt. In der 4 ist das Verteilerelement 40 der besseren Übersichtlichkeit wegen in seiner unteren Position gezeigt, in der es keine Kraft auf den Ionentauscherbeutel 26 ausübt. In der nicht dargestellten betriebsbereiten Position bewirkt der Druck des Verteilerelements 40 gegen den Ionentauscherbeutel 26, dass dieser in den Innenzylinder 28 hinein gepresst wird, so dass er flächig an der umfänglichen Innenseite des Innenzylinders 28 anliegt. Das Ionentauschergranulat 27 wird dabei komprimiert, wodurch der Bildung von bevorzugten Strömungskanälen im Ionentauschergranulat 27 beim durchströmen von Kühlflüssigkeit entgegengewirkt wird.
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Das Verteilerelement 40 weist eine Vielzahl von in der 4 angedeuteten Verteilerkanälen auf, welche den Zulaufraum 34 mit der angrenzenden Unterseite des Ionentauscherbeutels 26 verbinden. Mit dem Verteilerelement 40 wird bewirkt, dass durch den Zulaufstutzen 36 in den Zulaufraum 34 einströmendes, aufzubereitendes Kühlfluid, in 4 angedeutet durch einen Pfeil 44, gleichmäßig über den Querschnitt des Innenzylinders 28 verteilt und der Unterseite des Ionentauscherbeutels 26 zuströmen kann.
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Neben der Aufnahmekammer 24 ist im Boden des Ausgleichsbehälters 10 eine Austrittsöffnung 46 angeordnet, die an der Außenseite des Ausgleichsbehälters 10 von einem Austrittsstutzen 48 umgeben ist. Der Austrittsstutzen 48 ist zur Abführung von Kühlfluid aus dem Ausgleichsbehälter 10 mit einer gezeigten Kühlmittelableitung des Kühlmittelkreislaufs verbunden.
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Der Ausgleichsbehälter 10 weist räumlich oben am Deckelteil 14 einen Aufnahmestutzen 50 mit einer zu dem Innenzylinder 28 der Aufnahmekammer 24 koaxialen Aufnahmeöffnung 52 auf. Durch die Aufnahmeöffnung 52 kann der Ionentauscherbeutel 26 in die Aufnahmekammer 24 des Ausgleichsbehälters 10 eingebracht und aus dieser heraus genommen werden. Der Aufnahmestutzen 50 weitet sich auf seiner dem Innenzylinder 28 abgewandten Seite trichterartig auf, wodurch das Einbringen des Ionentauscher Beute 26 und der Einbau eines Aufnahmedeckels 54 zum Verschließen der Aufnahmeöffnung 52 vereinfacht wird.
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Der Aufnahmedeckel 54 umfasst einen Becher 56. Die offene Seite des Bechers 56 befindet sich auf der der Aufnahmekammer 24 abgewandten Außenseite. Mit einem Boden 58 des Bechers 56 wird die Aufnahmeöffnung 52 verschlossen. Am Boden 56 des Bechers 58 liegt eine Pressscheibe 86 flächig an, die an der dem Verteilerelement 54 abgewandte Oberseite des Ionentauscherbeutels 26 befestigt ist.
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In der Umfangswand des Bechers 56 erstrecken sich axial auf einer Höhe in Umfangsrichtung jeweils teilumfänglich zwei Schlitze 60, die insbesondere in der 1 gezeigt sind. Durch die Schlitze 60 reichen Bögen eines beispielsweise in den 1 und 2 gezeigten, mehrfach geschwungenen, federnden Sicherungsringes 62. Der Aufnahmestutzen 50 weist entsprechende Schlitze für den Sicherungsring 62 auf, welche in den 1 bis 4 der besseren Übersicht halber nicht gezeigt sind.
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Am Rand des Bechers 56 ist einstückig ein Kragen 64 angeordnet. Der Kragen 64 erstreckt sich vom Becher 56 aus radial nach außen. Er geht radial außen in einen Zylinderabschnitt 66 über, welcher zum Becher 56 koaxial ist und diesen radial außen umgibt. In dem Zylinderabschnitt 66 sind drei etwa L-förmige Bajonettaufnahmen 68 angeordnet, welche jeweils zu dem freien Rand des Zylinderabschnitts 66 offen sind. In die Bajonettaufnahme 68 greifen bei montiertem Aufnahmedeckel 54, wie insbesondere in der 1 gezeigt, entsprechende Stege 70 ein. Die Stege 70 sind an der radial äußeren Umfangsseite des Aufnahmestutzens 50 angeordnet und erstrecken sich in Umfangsrichtung und radial nach außen. Die Stege 70 und die Bajonettaufnahmen 68 wirken in der Art eines Bajonettverschlusses zusammen.
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Der Becher 56 des Aufnahmedeckels 54 weist ferner radial außen eine umfängliche Dichtungsnut mit einer Ringdichtung 72 auf, die den Aufnahmedeckel 54 gegen den die radial innere Seite des Aufnahmestutzens 50 abdichtet.
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Durch die Kombination der Stege 70 mit dem Bajonettaufnahmen 68 und dem Sicherungsring 62 mit den Schlitzen 60 ist ein zweistufiger Öffnungsmechanismus für den Aufnahmedeckel 54 realisiert. Nach dem Öffnen der Bajonettverbindung mit den Stegen 70 und den Bajonettaufnahmen 68 ist der Aufnahmedeckel 54 durch den Sicherungsring 62 weiterhin im Aufnahmestutzen 50 gesichert. Auf diese Weise wird verhindert, dass, falls im Ausgleichsbehälter 10 ein Überdruck gegenüber der Umgebung herrscht, der Aufnahmedeckel 54 unkontrolliert aus dem Ausnahmestutzen 50 herausgeschleudert wird. Nach dem Lösen der Bajonettverbindung gibt der Aufnahmedeckel 54 die Aufnahmeöffnung 52 frei, so dass sich der Überdruck kontrolliert abbauen kann. Erst nach dem Lösen des Sicherungsringes 62 kann der Aufnahmedeckel 54 auf der dem Aufnahmestutzen 50 entfernt werden.
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Neben dem Aufnahmestutzen 50 ist, wie in den 1 bis 3 gezeigt, am Deckelteil 14 ein Nachfüllstutzen 74 zum Nachfüllen von Kühlfluid angeordnet. Der Nachfüllstutzen 74 ist mit einem Schraubverschluss 76 verschließbar.
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Der Ionentauscherbeutel 26 ist aus einem flexiblen, elastischen Material, sodass er sich der Form des Innenzylinders 28 anpassen kann. Das Material des Ionentauscherbeutels 26 ist für das Kühlfluid durchlässig. Das Kühlfluid kann so aus den Verteilerkanälen 42 des Verteilerelements 40 in das Innere des Ionentauscherbeutels 26 einströmen. Ein an dem Verteilerelement 40 zugewandter Abschnitt des Ionentauscherbeutels 26 wirkt so als Einlass 41 für das aufzubereitende Kühlfluid. Dadurch, dass der Ionentauscherbeutels 26 an der Innenseite des Innenzylinders 28 anliegt, wird verhindert, dass das Kühlfluid dort aus dem Ionentauscherbeutels 36 Austritt. Das Kühlfluid muss das Ionentauschergranulat 27 von unten nach oben in Richtung der Pfeile 82 durchströmen und wird dort aufbereitet. Das aufbereitete Kühlfluid kann nur durch die Verbindungsöffnungen 32, in der 4 angedeutet durch einen Pfeil 80, aus der Aufnahmekammer 24 heraus strömen. Dortige Abschnitte des Ionentauscherbeutels 26 dienen als Auslass 43 für das aufbereitete Kühlfluid. Die Strömung des Kühlfluids durch den Ionentauscherbeutel 26 vom Einlass 41 zum Auslass 43 ist so vorgegeben. Aus dem Auslass 43 strömt das aufbereitete Kühlfluid in die Kammern 18 und von dort aus über die Austrittsöffnung 46 und den Austrittsstutzen 48 aus dem Ausgleichsbehälter 10 heraus.
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Das Material des Ionentauscherbeutels 26 in den Bereichen des Einlasses 41 und des Auslasses 43 erfüllt zusätzlich eine Rückhaltefunktion für das Ionentauschergranulat 27. Separate Rückhalteinrichtungen, beispielsweise in Form von Sieben, sind so nicht erforderlich.
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In der 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Ausgleichsbehälters 10 gezeigt. Diejenigen Elemente, die zu denen des ersten Ausführungsbeispiels aus den 1 bis 4 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszeichen zuzüglich 100 versehen. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Spiraldruckfeder 38 nicht im Zulaufraum 34, sondern in einem Federaufnahmezylinder 84 angeordnet ist. Der Federaufnahmezylinder 84 ist koaxial zum Becher 56 des Aufnahmedeckels 54 an der der Aufnahmekammer 24 zugewandten Seite des Bodens 58 angebracht. Die Spiraldruckfeder 38 stützt sich auf einer Seite an dem Boden 58 und auf der anderen Seite an der Pressscheibe 86 ab. Die Pressscheibe 86 ist in axialer Richtung im Innenzylinder 28 verschiebbar, sodass der Ionentauscherbeutel 26 durch die Vorspannung der Spiraldruckfeder 38 über die Pressscheibe 86 im Innenzylinder 28 komprimiert wird.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind der Zulaufraum 134 und das Verteilerelement 140 nicht abgestuft. Das Verteilerelement 140 ist nicht verschiebbar im Zulaufraum 134 angeordnet. Es wirkt so als Widerlager für den Ionentauscherbeutel 26.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel, dargestellt in der 6, unterschiedet sich vom zweiten Ausführungsbeispiel aus der 5 dadurch, dass anstelle der Pressscheibe 86 ein Kunststoffbecher 186 vorgesehen ist. Der Kunststoffbecher 186 besteht aus zwei voneinander trennbaren Halbschalen 188, welche den Ionentauscherbeutel 26 auf seiner dem Aufnahmedeckel 54 zugewandten Seite umgreifen. Die Halbschalen 188 weisen radial innen an ihren Umfangsseiten Krallen 190 auf, welche sich in den Ionentauscherbeutel 26 einkrallen und diesen festhalten. Der Kunststoffbecher 186 ist axial im Federaufnahmezylinder 84 verschiebbar. Anstelle der Spiraldruckfeder 38 ist ein Federboden 138 vorgesehen, der am Boden 58 des Bechers 56 des Aufnahmedeckels 54 befestigt ist. Der Fehlerboden 138 drückt in axialer Richtung gegen den Kunststoffbecher 186, so dass der Ionentauscherbeutel 26 gegen den Innenzylinder 28 und das Verteilerelement 140 gepresst und das Ionentauschergranulat 27 verdichtet wird.
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In den 7 und 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des Ausgleichsbehälters 10 gezeigt. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 5 dadurch, dass die Pressscheibe 86 radial außen Rastnasen 292 einer Rastverbindung 293 aufweist. Über die Rastverbindung 293 ist der Ionentauscherbeutel 26 trennbar mit dem Aufnahmedeckel 54 verbunden. Der Federaufnahmezylinder 84 weist in seiner Umfangswand mit den Rastnasen 292 korrespondierende Rastaufnahmen 294 auf. Die Rastaufnahmen 294 verfügen jeweils über einen sich axial erstreckenden Einführungsabschnitt 296, welcher zum freien Rand des Federaufnahmezylinders 84 offen ist. Durch den Einführungsabschnitt 296 kann die entsprechende Rastnase 292 in axialer Richtung in die Rastaufnahme 294 eingeführt und aus dieser heraus gezogen werden. Der Einführungsabschnitt 296 geht über in einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Translationsabschnitt 298. An den Translationsabschnitt 298 schließt sich ein sich in axialer Richtung erstreckender Verschiebeabschnitt 299 an. Der Verschiebeabschnitt 299 überragt den Translationsabschnitt 298 in axialer Richtung beidseitig. Die Rastnasen 292 mit den speziell ausgestalteten Rastaufnahmen 294 wirken als Sicherheitsverrastung, welche verhindert, dass sich die Verbindung zwischen der Pressscheibe 86 und dem Aufnahmedeckel 54 ungewollt löst. In dem Verschiebeabschnitt 299 kann sich die Pressscheibe 86 relativ zum Federaufnahmezylinder 84 in axialer Richtung bewegen, um den Ionentauscherbeutel 26 zu komprimieren.
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In den 9 und 10 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel des Ausgleichsbehälters 10 gezeigt. Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel in 5 ist anstelle der Spiraldruckfeder 38 ein Federboden 338 vorgesehen, welcher sich im Ionentauscherbeutel 26 befindet. Der Federboden 338 stützt sich an einer Abdeckscheibe 300 ab, welche an der dem Aufnahmedeckel 54 zugewandten Seite des Ionentauscherbeutels 26 angeordnet ist. Mit seiner der Deckelscheibe 300 abgewandten Stirnseite stützt sich der Fehlerboden 338 an einer Pressscheibe 386 ab. Die Pressscheibe 386 befindet sich im Inneren des Ionentauscherbeutels 26 zwischen dem Federboden 338 und dem Ionentauschergranulat 27. Die Pressscheibe 386 ist fluiddurchlässig. Der Auslass 43 des Ionentauscherbeutels 26 befindet sich auf Höhe des Federbodens 138. Die Abdeckscheibe 300 wird in Führungsleisten 388 am Boden 58 des Aufnahmedeckels 54 gehalten.
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Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eines Ausgleichsbehälters 10 und eines Ionentauschers 25 sind unter anderem folgende Modifikationen möglich:
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf einen Ionentauscher 25 von Kühlvorrichtungen von Brennstoffzellen von Kraftfahrzeugen. Vielmehr kann sie auch bei Ionentauschern von andersartigen Funktionssystemen zur Aufbereitung von andersartigen flüssigen Fluiden, beispielsweise bei Ionentauschern zur Deionisierung von Wasser bei Funkenerodiermaschinen, bei stationären Brennstoffzellenanwendungen oder zur Aufbereitung von wässriger Harnstofflösung, welche beispielsweise zur Sauerstoffreduktion von Stickoxiden in den Abgasstrom einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, verwendet werden. Auch kann die Erfindung bei der Aufbereitung von Trinkwasser, Kühlwasser, Kesselwasser oder einem andersartigen Brauchwasser eingesetzt werden.
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Die Spiraldruckfedern 38 kann statt aus Kunststoff auch aus einem beschichteten Metall sein. Anstelle der Spiraldruckfedern 38 kann auch offenporiger Schaum als elastisches Element zur Kompression des Ionentauscherbehälters 26 eingesetzt werden.
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Es kann auch eine Metallfeder vorgesehen sein, die in einem gegen das Kühlfluid abgedichteten Raum, beispielsweise unter Verwendung einer Membran. und/oder eines Faltenbalgs, angeordnet ist, um einen Eintrag von Metallionen in das Kühlfluid zu verhindern.
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Der Ionentauscherbeutel 26 kann statt aus einem flexiblen elastischen Material auch aus einem flexiblen nichtelastischen Material oder einen nur abschnittsweise elastischen Material sein.
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Der Ionentauscherbeutels 26 kann auch in den Abschnitten zwischen dem Einlass 41 und dem Auslass 43 für Fluid undurchlässig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Ionentauscherbeutel 26 dort fluidundurchlässig beschichtet sein oder mit einer fluidundurchlässigen Hülle, beispielsweise einer elastischen Kompressionshülle, umgeben sein. Sind die Abschnitte zwischen dem Einlass 41 und dem Auslass 43 fluidundurchlässig, kann auf die Dichtwirkung beim Anliegen des Ionentauscherbeutels 26 an der radial inneren Umfangsseite des Innenzylinders 28 verzichtet werden. Weist eine entsprechende fluidundurchlässige Hülle eine ausreichende Kompressionswirkung auf, um das Ionentauschergranulat 21 zur Vermeidung von bevorzugten Strömungskanälen ausreichend zu verpressen, kann auch auf die Kompressionsfunktion des Innenzylinders 28 verzichtet werden. Unter Umständen kann dann auf den Innenzylinder 28 gänzlich verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009012379 A1 [0003]
