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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen eines unzureichenden Abstandes einer Temperatur einer Flüssigkeit von ihrem Gefrierpunkt, einen Flüssigkeitsbehälter mit der Vorrichtung und ein Fahrzeug mit dem Flüssigkeitsbehälter.
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Flüssigkeiten wie Scheibenwischwasser oder Kühlflüssigkeit in einem Fahrzeug, die abrufbar in einem Flüssigkeitsbehälter aufgenommen sind sollten nicht gefrieren, da sie sonst nicht mehr über einen Auslass aus dem Flüssigkeitsbehälter ablaufen können. Um dies zu gewährleisten, ist es beispielsweise aus der
DE 10 2007 049 327 A1 bekannt, den Flüssigkeitsbehälter thermisch zu isolieren. Aus der
DE 31 24 112 A1 ist es bekannt, den Auslass thermisch zu erwärmen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen besseren Schutz vor einem Einfrieren einer Flüssigkeit bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung schlägt vor, einen Punkt in der Flüssigkeit auf eine Temperatur unterhalb der Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit abzukühlen und zu überwachen, ob die Flüssigkeit an diesem Punkt gefriert.
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Der Vorschlag geht von der Überlegung aus, dass weder ein thermisches Isolieren noch ein lokales Erwärmen der Flüssigkeit erreichen können, dass die gesamte Flüssigkeit zuverlässig über ihrem Gefrierpunkt bleibt. Eine Isolierung kann das Gefrieren zwar verzögern, es nicht jedoch verhindern. Demgegenüber kann ein lokales Erwärmen zwar das Gefrieren verhindern, jedoch wird hier nur ein kleiner Teil der Flüssigkeit oberhalb des Gefrierpunktes gehalten, was meist unzureichend ist. Zwar wäre es möglich, die gesamte Flüssigkeit zu erwärmen, jedoch muss dies dauerhaft geschehen, da nicht bekannt ist, wann die Flüssigkeit gefriert. Dies führt zu einem inakzeptablen Energieverbrauch.
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Den Gefrierpunkt einer Flüssigkeit allgemein zu überwachen birgt jedoch das Problem, dass der Gefrierpunkt in der Regel nur dann bestimmt werden kann, wenn die Flüssigkeit bereits gefroren ist, und es für weitere Maßnahmen bereits zu spät sein könnte. Es muss daher gewährleistet sein, dass vorausschauend bestimmt werden kann, wann der Gefrierpunkt erreicht sein könnte.
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Die Erfindung ermöglicht dieses vorausschauende Bestimmen des Gefrierpunktes, indem es ein lokales Temperaturgefälle in die Flüssigkeit einbringt. Auf diese Weise, fällt zunächst nur die Temperatur nur eines Teils der Flüssigkeit unterhalb des Gefrierpunktes der Flüssigkeit, so dass anhand eines lokalen Bereichs der Flüssigkeit abgeleitet werden kann, ob die Gefahr besteht, dass die gesamte Flüssigkeit gefriert, so dass gegebenenfalls Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können, damit nicht auch die restliche Flüssigkeit gefriert.
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Die Erfindung gibt daher eine Vorrichtung zum Bestimmen eines unzureichenden Abstandes einer Durchschnittstemperatur einer Flüssigkeit von ihrem Gefrierpunkt an, die eine Kühleinrichtung zum Erzeugen eines örtlichen Temperaturgefälles von einem ersten Punkt in der Flüssigkeit zu einem zweiten Punkt in der Flüssigkeit umfasst. Dabei liegt die Temperatur des zweiten Punktes unterhalb der Gesamttemperatur der Flüssigkeit. Die angegebene Vorrichtung umfasst ferner eine Messeinrichtung zum Bestimmen des unzureichenden Abstandes der Temperatur der Flüssigkeit von ihrem Gefrierpunkt, wenn die Flüssigkeit am zweiten Punkt gefriert. Das Temperaturgefälle vom ersten Punkt zum zweiten Punkt heißt dabei, dass der erste Punkt der wärmere der beiden Punkte ist.
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Durch die angegebene Vorrichtung ist bestimmbar, wann die Flüssigkeit bis kurz vor ihrem Gefrierpunkt abgekühlt ist. Auf diese Weise könnten kurz vor dem Gefrieren automatisch entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um das Gefrieren zu verhindern. Die Gegenmaßnahmen können ein Erwärmung der Flüssigkeit oder ein Zuführen von Frostschutzmittel umfassen, um die Temperaturreserve zum Gefrierpunkt zu erhöhen. Mit anderen Worten lässt sich ein Regelkreis mit oder ohne menschliche Zwischenschritte aufbauen, der sicherstellt, dass die Flüssigkeit nicht gefriert. Alternativ kann die Information der Vorrichtung aber auch genutzt werden, um den Gefrierpunkt der Flüssigkeit zu bestimmen und ihn als Information weiterzuverwenden, wenn beispielsweise der Gefrierpunkt einer unbekannten Flüssigkeit bestimmt werden soll.
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Ob die Flüssigkeit gefriert, kann auf vielfältige Weise bestimmt werden. So ist eine optische Überwachung genauso erdenklich, wie eine haptische Überwachung. Vorzugsweise weist die Messeinrichtung ein Messelement auf, mit dem Sie die Temperaturdifferenz zwischen der Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit und dem zweiten Punkt oder die Absoluttemperatur der Flüssigkeit am zweiten Punkt bestimmen kann. Mittels einer Auswerteschaltung kann die Messeinrichtung dann die erfasste Temperaturdifferenz oder die erfasste Temperaturdifferenz auswerten und beispielsweise ein Signal ausgeben, wenn ein bestimmtes Kriterium erfüllt ist, das einen unzureichenden Abstand der Durchschnittstemperatur vom Gefrierpunkt bestimmt.
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Im Falle der Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen der Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit und dem zweiten Punkt kann dieses bestimmte Kriterium eine Temperaturdifferenzschwelle sein. Wenn die Flüssigkeit am zweiten Punkt ihren Gefrierpunkt erreicht hat, findet dort eine Phasenumwandlung statt, wodurch die Flüssigkeit am zweiten Punkt während der Phasenumwandlung trotz Energiezufuhr zur Kühleinrichtung nicht weiter abkühlt. Mit anderen Worten wird die Temperaturdifferenz zwischen der Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit und dem zweiten Punkt trotz Energiezufuhr zur Kühleinrichtung immer kleiner, woran das Gefrieren der Flüssigkeit am zweiten Punkt erkannt werden kann. Besonders bevorzugt wird dazu die bereits genannte Temperaturdifferenzschwelle herangezogen, so dass die oben genannte Auswerteschaltung der Messeinrichtung ein Signal ausgeben kann, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit und dem zweiten Punkt die Temperaturdifferenzschwelle unterschreitet.
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Wird mit der Auswerteschaltung die Absoluttemperatur der Flüssigkeit am zweiten Punkt ausgewertet, so könnte beispielsweise das zeitliche Temperaturgefälle am zweiten Punkt ausgewertet werden. Bei dem zeitlichen Temperaturgefälle am zweiten Punkt handelt es sich um den zeitlichen Differenzialquotient der Absoluttemperatur der Flüssigkeit am zweiten Punkt. Ist dieser Differentialquotient zu klein, dann ändert sich die Temperatur am zweiten Punkt kaum noch, was ein Hinweis darauf ist, dass die Flüssigkeit am zweiten Punkt eine Phasenumwandlung durchläuft und damit gefriert. Beispielsweise kann damit die oben genannte Auswerteschaltung der Messeinrichtung ein Signal ausgeben, wenn das zeitliche Temperaturgefälle am zweiten Punkt einen bestimmten Wert unterschreitet und so dass die Absoluttemperatur der Flüssigkeit am zweiten Punkt als konstant angesehen werden kann.
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Besonders bevorzugt ist die Messeinrichtung zum Bestimmen, dass die Flüssigkeit am zweiten Punkt gefriert vorgesehen, wenn ein zeitliches Temperaturgefälle am zweiten Punkt eine Unstetigkeit aufweist. Diese Unstetigkeit ist auf die Phasenumwandlung der Flüssigkeit von flüssig nach fest zurückzuführen und sehr präzise auswertbar. Die Unstetigkeit im Temperaturgefälle kann so beispielsweise durch den Temperaturverlauf am zweiten Punkt erfasst werden, wenn der Temperaturverlauf nicht mehr differenzierbar ist und so einen Knick aufweist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Messeinrichtung eine eine Öffnung aufweisende Einhausung, einen Teil der Flüssigkeit um den zweiten Punkt umgibt. Durch die Einhausung können Wechselwirkungen zwischen der Temperatur der Flüssigkeit am zweiten Punkt und der restlichen Flüssigkeit vermieden werden. Auf diese Weise wird die Flüssigkeit am zweiten Punkt weniger durch die restliche Flüssigkeit aufgewärmt und umgekehrt, so dass selbst mit einem sehr kleinen Temperaturgefälle noch zuverlässig bestimmbar ist, ob die Gesamttemperatur der Flüssigkeit kurz vor dem Gefrierpunkt steht.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Kühleinrichtung nach dem Gefrieren der Flüssigkeit am zweiten Punkt zum Erzeugen eines örtlichen Temperaturgefälles von einem zweiten Punkt zum ersten Punkt und die Messeinrichtung zum Bestimmen des unzureichenden Abstands der Gesamttemperatur der Flüssigkeit von ihrem Gefrierpunkt vorgesehen, wenn die Flüssigkeit am ersten Punkt gefriert. Auf diese Weise können die Messungen der Messeinrichtung ohne weiteren technischen Aufwand plausibilisiert werden, denn nur wenn sich in beiden Richtungen dasselbe Ergebnis einstellt, sind die Messergebnisse zuverlässig. Die Bestimmung, wann die Flüssigkeit am ersten Punkt gefriert kann dabei in der gleichen Weise erfolgen, wie die Bestimmung, ob die Flüssigkeit am zweiten Punkt gefriert.
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Die Erfindung gibt auch einen Flüssigkeitsbehälter an, der einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen einer Flüssigkeit und eine in dem Aufnahmeraum angeordnete angegebene Vorrichtung zum Bestimmen eines unzureichenden Abstandes der Gesamttemperatur der Flüssigkeit von ihrem Gefrierpunkt umfasst.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Einhausung ein Volumen von weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% eines Volumens des Aufnahmeraums. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die thermischen Veränderungen der Kühleinrichtung keine funktionswesentlichen Änderungen an der Flüssigkeit hervorrufen, die beispielsweise dazu führen könnten, dass die Flüssigkeit nicht mehr aus dem Aufnahmeraum ablaufen kann.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung umfasst der angegebene Flüssigkeitsbehälter eine Öffnung zum Einfüllen der Flüssigkeit. Auf diese Weise kann der Flüssigkeit beispielsweise das bereits genannte Frostschutzmittel zugeführt werden, um die Temperaturreserve der Flüssigkeit zum Gefrierpunkt zu erhöhen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst der angegebene Flüssigkeitsbehälter einen Deckel zum Verschließen der Öffnung und eine mit dem Deckel bewegliche Mischeinrichtung zum Durchmischen der Flüssigkeit im Aufnahmeraum. Auf diese Weise kann die Flüssigkeit im Behälter nach jedem Auffüllen automatisch durchmischt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Flüssigkeit zum Erhöhen der Temperaturreserve zum Gefrierpunkt ein Frostschutzmittel untergemischt wird, das durch das Schließen des Deckels durch die Mischeinrichtung automatisch mit der Flüssigkeit vermischt wird.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung umfasst eine Kavität mit einem Auslass zum Ablassen der Flüssigkeit aus dem Aufnahmeraum, wobei die Vorrichtung zum Ansaugen der Flüssigkeit aus der Kavität zum ersten und/oder zweiten Punkt vorgesehen ist. Auf diese Weise kann die Flüssigkeit direkt am Auslass als kritischen Punkt des angegebenen Flüssigkeitsbehälters überwacht werden, ohne dass die Vorrichtung die Flüssigkeit am Auslass selbst negativ beeinflusst und ungewollt beispielsweise am ersten Punkt gefriert.
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Die Erfindung gibt auch ein Fahrzeug mit einem angegebenen Flüssigkeitsbehälter an, wobei der Flüssigkeitsbehälter insbesondere zur Aufnahme von Scheibenwasser oder Kühlflüssigkeit vorgesehen ist. Alternativ kann der Flüssigkeitsbehälter aber auch zur Aufnahme eines Motoröls oder der Benzintank des Fahrzeugs sein.
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Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Bestimmen eines unzureichenden Abstandes einer Durchschnittstemperatur einer Flüssigkeit von ihrem Gefrierpunkt dass den Schritt Erzeugen eines örtlichen Temperaturgefälles von einem ersten Punkt in der Flüssigkeit zu einem zweiten Punkt in der Flüssigkeit, wobei eine Temperatur am zweiten Punkt der Flüssigkeit unterhalb der Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit liegt, und den Schritt Bestimmen des unzureichenden Abstandes der Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit von ihrem Gefrierpunkt, wenn die Flüssigkeit am zweiten Punkt gefriert, umfasst.
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Das Verfahren kann um Schritte erweitert werden, die den Merkmalen der Unteransprüche der Vorrichtung sinngemäß entsprechen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 eine angegebene Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine Temperaturkurve einer beispielshaften Flüssigkeit, und
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3 einen Flüssigkeitsbehälter mit der angegebenen Vorrichtung zeigen.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine angegebene Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst in der vorliegenden Ausführung ein Peltier-Element 2, das in einer Flüssigkeit 4 aufgenommen ist. Das Peltier-Element 2 erzeugt ein Wärmegefälle von einer ersten Elementseite 6 zu einer zweiten Elementseite 8. Das heißt, dass die Temperatur der Flüssigkeit 4 auf der ersten Elementseite 6 höher ist, als auf der zweiten Elementseite 8. Ferner wird das Peltier-Element 2 über eine elektrische Leitung 10 mit elektrischer Energie versorgt.
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Durch das Wärmegefälle wird die Flüssigkeit 4 an der ersten Elementseite 6 erwärmt, während die Flüssigkeit 4 an der zweiten Elementseite 8 abgekühlt wird. Zum Erfassen der Temperatur der Flüssigkeit 4 auf der ersten Elementseite 6 weist die Vorrichtung 1 ferner einen angedeuteten ersten Temperatursensor 12 auf, während die Vorrichtung 1 zum Erfassen der Temperatur der Flüssigkeit 4 auf der zweiten Elementseite 8 einen angedeuteten zweiten Temperatursensor 14 aufweist.
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Im Betrieb der Vorrichtung 1 kühlt das Peltier-Element 2 die Flüssigkeit 4 auf der zweiten Elementseite 8 ab. Die Temperatur 16 der abgekühlten Flüssigkeit 4 wird durch den zweiten Temperatursensor 14 über die Zeit 18 erfasst und ist in 2 die an späterer Stelle näher erläutert wird.
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Basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Temperatur 16 der abgekühlten Flüssigkeit ermittelt die Vorrichtung 1 in einer noch zu beschreibenden Weise, ob sich die gesamte Flüssigkeit 4 bereits bis nahe vor den Gefrierpunkt 20 abgekühlt hat.
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Ist dies der Fall, so kann die Vorrichtung das Wärmegefälle umdrehen, die Flüssigkeit 4 an der ersten Elementseite 8 abkühlen und beispielsweise zur Plausibilisierung der Messergebnisse die Ermittlung, ob sich die gesamte Flüssigkeit 4 bereits bis nahe vor den Gefrierpunkt 20 abgekühlt hat, wiederholen.
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Um die Auswirkungen der Abkühlung der Flüssigkeit 4 beispielsweise an der zweiten Elementseite 8 auf die gesamte restliche Flüssigkeit 4 so klein wie möglich zu halten, kann am Peltier-Element 2 eine Einhausung 22 ausgebildet sein, die die Flüssigkeit 4 an der zweiten Elementseite 8 vor der restlichen Flüssigkeit 4 abschirmt. Damit die Flüssigkeit 4 in die Einhausung 22 eindringen kann, weist die Einhausung 22 eine Öffnung 24 auf.
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In 2 ist beispielhaft der zeitliche Temperaturverlauf der Flüssigkeit 4 an der zweiten Elementseite 8 gezeigt.
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Wie aus 2 ersichtlich wird die Flüssigkeit 4 auf der zweiten Elementseite 8 zunächst bis zu einem ersten Zeitpunkt 26 stetig abgekühlt. Am ersten Zeitpunkt 26 weist der zeitliche Temperaturverlauf einen Knick 28 auf, der darauf deutet, dass sich die Phase der Flüssigkeit 4 auf der zweiten Elementseite 8 ändert. Anhand dieses Knicks 28 ist erkennbar, dass die Flüssigkeit 4 an der zweiten Elementseite 8 zu gefrieren beginnt. Dies verwendet die Vorrichtung 1 als Information und Anhaltspunkt, dass auch die restliche Flüssigkeit 4 kurz davorsteht, zu gefrieren.
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Der Gefrierprozess der Flüssigkeit 4 an der zweiten Elementseite 8 ist zu einem zweiten Zeitpunkt 30 abgeschlossen.
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In 3 ist ein Flüssigkeitsbehälter 32 mit der Vorrichtung 1 gezeigt.
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Der Flüssigkeitsbehälter 32 weist ein einen Aufnahmeraum 34 ausbildendes Gehäuse 35 auf, wobei der Aufnahmeraum 34 durch einen Deckel 36 in einer gezeigten Richtung 38 geöffnet und verschlossen werden kann. Der Deckel 36 ist mit dem Gehäuse 35 über ein Scharnier 40 verbunden. An einer Unterseite des Gehäuses 35 ist ein Auslass 42 aus dem Aufnahmeraum 34 ausgebildet, über den die Flüssigkeit 4 aus dem Aufnahmeraum 34 entlassen werden kann.
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Die Vorrichtung 1 ist im Aufnahmeraum 34 in der Flüssigkeit 4 angeordnet. Die Vorrichtung 1 weist einen Ansaugschlauch 44 auf, über den die Flüssigkeit 4 in der Nähe des Auslasses 42 an das Peltier-Element 2 angesaugt werden kann.
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Am Scharnier 40 ist ferner rechtwinklig zum Deckel 36 ein Löffel 46 ausgebildet, der sich im auf dem Gehäuse 35 aufliegenden Zustand in die Flüssigkeit 4 erstreckt und um Wesentlichen parallel zu einer Wand des Gehäuses 35 verläuft.
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Durch die Bewegung des Deckels 36 beispielsweise beim Öffnen und Schließen des Aufnahmeraums 34 wird der Löffel 46 in zwei gezeigte Richtungen 48, 50 um eine Drehachse des Scharniers 40 geschwenkt, so dass er sich durch die Flüssigkeit 4 bewegt. Auf diese Weise durchmischt der Löffel 46 die Flüssigkeit 4 automatisch beim Öffnen und Schließen des Deckels 36 beispielsweise wenn ein Frostschutzmittel über die Öffnung am Deckel 36 in den Aufnahmeraum 34 eingefüllt und der Flüssigkeit 4 zugegeben worden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007049327 A1 [0002]
- DE 3124112 A1 [0002]
