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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem einer Fahrzeugbatterie mit einer Anordnung umfassend ein zu kühlendes Objekt, einen Wärmetauscher und eine Pumpvorrichtung und mit einem Kühlmittel, das mittels der Pumpvorrichtung durch die Anordnung geleitet wird.
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Bei einem Einfüllvorgang in ein Kühlsystem kann Luft in das System gelangen, bzw. die sich im System befindende Luft nicht vollständig entweichen. Diese Luft mindert die Kühlleistung des Kühlsystems und kann gegebenenfalls die gesamte Kühlung gefährden.
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Bei thermischen Solaranlagen, die mit einem Wasser-Propylenglykol-Flüssigkeitsgemisch gefüllt sind, treten oft Korrosionsschäden und Kavitationsschäden auf. Hiergegen wurde Hitze- und glykolbeständige Selbstentlüfter entwickelt, welche aus einem Sieb oder einem Gittergeflecht bestehen, an welchen die Luftblasen gefangen und gesammelt werden, um anschließend über einen selbsttätigen Entlüfter entfernt zu werden.
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Auch in Warmwasser-Heizungssystemen in Wohnungen führt Luft in dem System zu einer verminderten Heizleistung, zu Korrosionsschäden, zu Kavitationsschäden an den Pumpen und ungewollten Geräuschen. Hierfür wurden selbstentlüftende Ventile entwickelt, welche hygroskopische Scheiben aufweisen, die die Luft entweichen lassen, aber das Heizwasser zurückhalten.
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DE 10 2010 007 857 A1 zeigt ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit einem Kühlkreislauf zum Kühlen von Komponenten des Brennstoffzellensystems, in welchem eine Pumpeinrichtung zum Pumpen eines Kühlmittels angeordnet ist. Während des Befüllvorgangs des Kühlkreislaufs steuert eine Steuereinrichtung ein 3/2-Wege-Ventil an, so dass das Kühlmittel entlüftet wird. Zum Entlüften wird das Kühlmittel über eine Zuleitung einem Wärmeübertrager zugeführt, der eine Entlüftungseinrichtung aufweist.
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DE 10 2009 033 959 A1 zeigt ein RESS-Temperaturmanagementsystem für ein Fahrzeug, wobei in einem Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittel durch einen Batteriesatz geleitet wird und diesen kühlt. Von einem Kühlaggregat wird das Kühlmittel zu einem Luftabscheider geleitet, wo Luft von dem Kühlmittel in einen RESS-Ausgleichsbehälter hinein abgeschieden wird.
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DE 10 2010 048 478 A1 und
DE 10 2009 019 944 A1 zeigen weitere Temperatursysteme für Fahrzeuge, bei denen Luftabscheider vorgesehen sind, in welchen Luftblasen in dem Kühlmittelströmungsfluss abgeschieden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß weist ein Kühlsystem einen Abscheider auf, der auf einem bezüglich der Erdanziehung höchsten Niveau innerhalb einer Anordnung umfassend ein zu kühlendes Objekt, einen Wärmetauscher und eine Pumpvorrichtung, angeordnet ist und der eingerichtet ist, im Kühlmittel enthaltenes Gas aus dem Kühlsystem abzuscheiden.
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Mit den Maßnahmen der Erfindung wird das sich am höchsten Niveau der Anordnung sammelnde Gas mittels einem Abscheider abgeschieden. Hierdurch wird das Nachfüllen des Kühlmittels während der Wartungsarbeiten erleichtert und außerdem ein sicherer Betrieb des zu kühlenden Objekts ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass verhindert wird, dass die Pumpvorrichtung durch auftretende Kavitation bei der Umwälzung des Kühlmittels in der Kühlmittelleitung beschädigt wird. Dabei weist der Abscheider insbesondere auch eine kleinere Baugröße auf als glykolbeständige Entlüfter, welche für mit Wasser-Propylenglykol-Flüssigkeitsgemisch gefüllte thermische Solaranlagen vorgeschlagen wurden.
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Besonders vorteilhaft wird das System eingesetzt, wenn die inneren Leitungssysteme anfällig für Korrosionsschäden durch Luft sind. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden derartige Korrosionsschäden im Inneren des Kühlsystems vermieden, da ungewollt zugeführte Luft entweichen kann.
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Nach einer Ausführungsform ist der Abscheider in ein Kühlmittel führendes Bauteil integriert. Befindet sich an der höchsten Stelle des Kühlmittelkreislaufs ein Bauteil, beispielsweise ein Rohrabschnitt oder ein Verteiler, kann die Membran in dieses direkt eingebaut werden, wobei sie das höchste Bauelement bildet und das Kühlmittel führende Bauteil die Sammelfunktion übernimmt.
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Beispielsweise ist am höchsten Niveau innerhalb der Anordnung ein Verteiler des Kühlsystems angeordnet und der Abscheider an den Verteiler gekoppelt. Der Verteiler ist ein Bauelement, welches einen Kühlstrom in verschiedene Zweige aufteilt bzw. die Kühlströme wieder zusammenführt. Das Bauteil wird oft eingesetzt, wenn mehrere Kühlplatten innerhalb eines Batterie-Packs parallel angeschlossen werden. Aufgrund der höheren Temperatur des Rücklaufs wird der Abscheider bevorzugt in dem dortigen Verteiler eingefügt, falls sich dieser auf dem höchsten Niveau befindet.
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Es ist auch möglich, für den Abscheider ein separates Gehäuse vorzusehen, d. h. den Abscheider in einem separaten Gehäuse anzuordnen. Der Abscheider mit separatem Gehäuse wird an der höchsten Stelle des Kühlmittelkreislaufs eingefügt.
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Der Abscheider weist bevorzugt eine ein- oder mehrlagige Membran auf. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Abscheider dabei auf einem osmotischen Prinzip basiert. Die ein- oder mehrlagige Membran ist gasdurchlässig, aber abweisend für Flüssigkeiten ausgebildet. Zum Schutz vor Beschädigung oder vor Schmutz kann die Membran in ein Stützgitter eingesetzt werden.
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Im Betrieb der Kühlmittelzirkulation entsteht ein Druck im Kühlmittelkreislauf, welcher im Allgemeinen höher ist als der Umgebungsdruck, welcher im Allgemeinen der atmosphärische Druck ist. Durch den Druckunterschied zwischen der Umgebung und dem höheren Druck im Kühlmittelkreislauf wird die Luft durch die gasdurchlässige Membran gepresst und kann entweichen. Die Druckdifferenz vermindert auch das Eindringen von Luft in den Kreislauf. Erreicht das Kühlmittel die Membran, so wird dieses von dieser zurückgehalten. Bei der Zirkulation des Kühlmittels durch den Kreislauf setzen sich die darin enthaltenen Luftblasen durch die Beruhigung ab und steigen zur Membran hoch, da diese sich am höchsten Niveau der Anordnung befindet. Durch die vorhandene Druckdifferenz entweichen die Luftblasen über die Membran.
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Bevorzugt ist der Abscheider zur Erhöhung der Gasabscheidung speziell ausgeformt und/oder weist Einbauten zur Erhöhung der Gasabscheidung auf. Die Einbauten können beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Einbauten sein, insbesondere Prallbleche oder Einlegesiebe. Durch einige Einbauten wird der durchfließende Kühlmittelstrom umgeleitet und ein direkter Durchfluss durch den Abscheider verhindert. Insbesondere führt dies zu einer Änderung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit, welches die Abscheidung der mitgeführten Luftblasen erhöht. Ebenso können spezielle Ausformungen des Abscheiders geeignet sein, die lokale Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, um eine Erhöhung der Gasabscheidung zu erzielen.
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Besonders bevorzugt wird das System eingesetzt in Systemen, in welchen das Kühlmittel ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch enthält. Derartige Gemische werden insbesondere zur Kühlung von Fahrzeugbatterien verwendet, welche Lithium-Ionen-Technik verwenden. Lithium-Ionen-Batterien besitzen ein aktives Kühlsystem, um eine gewünschte Zelltemperatur zu erreichen und eine optimale Lebensdauer und Leistungsabgabe der Batterie zu gewährleisten. Das Kühlsystem wird mit einem Kühlmittel aus einem Wasser-Ethylenglykol-Flüssigkeitsgemisch gefüllt. Mit den Maßnahmen der Erfindung ist ein sicherer Betrieb der Zellen ermöglicht. Insbesondere werden Korrosionsschäden im Inneren des Kühlsystems effektiv vermieden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 ein Kühlsystem in seitlicher Ansicht,
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2 das Kühlsystem aus 1 in Draufsicht,
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3 ein weiteres Kühlsystem in seitlicher Ansicht und in Draufsicht,
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4 einen Abscheider in einem Kühlmittel führenden Bauteil in seitlicher Schnittansicht,
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5 einen weiteren Abscheider in einem Kühlmittel führenden Bauteil in seitlicher Schnittansicht,
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6 einen Abscheider mit einem separaten Gehäuse in seitlicher Schnittansicht,
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7 einen weiteren Abscheider mit einem separaten Gehäuse in seitlicher Schnittansicht,
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8 einen weiteren Abscheider mit einem separaten Gehäuse in seitlicher Schnittansicht und
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9 einen weiteren Abscheider mit einem separaten Gehäuse in Schnittansicht von oben.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Kühlsystem dargestellt mit einer Anordnung umfassend ein zu kühlendes Objekt 2, einen Wärmetauscher 4 und eine Pumpvorrichtung 6, die von einem Kühlmittel durchströmt werden. Die Anordnung umfasst weiterhin einen Abscheider 8. Das Kühlmittel wird in einer Kühlmittelleitung 10, 12, 14 von der Pumpvorrichtung 6 umgewälzt und zirkuliert zwischen dem zu kühlenden Objekt 2, dem Wärmetauscher 4 und dem Abscheider 8.
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Die Pumpvorrichtung 6 ist in einer Verbindungsleitung 10 zwischen dem Wärmetauscher 4 und dem zu kühlenden Objekt 2 angeordnet und bedient einen Vorlauf 16 des zu kühlenden Objekts 2. Der Abscheider 8 ist hinter einem Rücklauf 18 des zu kühlenden Objekts 2 angeordnet. Zwischen dem Abscheider 8 und dem zu kühlenden Objekt 2 besteht eine Verbindungsleitung 12 und zwischen dem Abscheider 8 und dem Wärmetauscher 4 besteht eine weitere Verbindungsleitung 14. Alternativ könnte die Pumpeinrichtung 6 in die Verbindungsleitung 14 oder in die Verbindungsleitung 12 integriert sein, so dass die Pumpeinrichtung 6 und der Luftabscheider 8 benachbart zueinander angeordnet sind, was nicht dargestellt ist.
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Der Luftabscheider 8 befindet sich auf einem höchsten Niveau 20 bezüglich der Erdanziehung 24, welche hier beispielhaft durch einen Pfeil dargestellt ist, der die Richtung der Erdanziehungskraft anzeigen soll. Der Ort der stärksten Erdanziehung ist in 1 schematisch durch eine Erdung 22 kenntlich gemacht. Der Begriff „höchstes Niveau“ ist räumlich zu verstehen und kann physikalisch auch als der Ort des niedrigsten Betrags der Erdanziehungskraft innerhalb der Anordnung beschrieben werden. Die Verhältniswörter „oben“, „unten“, „oberhalb“, „unterhalb“ sind mit Bezug auf die Richtung der Erdanziehung 24 zu verstehen.
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Das zu kühlende Objekt 2 umfasst in der in 1 dargestellten Ausführungsform einen so genannten Batteriepack 26, welcher im Allgemeinen mehrere Lithium-Ionen-Module aufweisen kann und eine Kühlplatte 32, welche oberhalb des zu kühlenden Batteriepacks 26 angeordnet ist.
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2 zeigt das System von 1 in Draufsicht. In Draufsicht ist die relative Anordnung des Batteriepacks 26, der Kühlplatte 32, des Wärmetauschers 4, der Pumpvorrichtung 6 und des Abscheiders 8 zueinander weniger von Bedeutung. Es kommt darauf an, dass der Abscheider 8 oberhalb des zu kühlenden Objekts 2 angeordnet ist, was in Draufsicht nicht zu erkennen ist.
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3 zeigt ein weiteres Kühlsystem in seitlicher Ansicht und in Draufsicht. Das Kühlsystem umfasst wiederum das zu kühlende Objekt 2, den Wärmetauscher 4 und die Pumpvorrichtung 6, die von dem Kühlmittel durchströmt werden. Das Kühlsystem umfasst weiterhin den Abscheider 8. Das Kühlmittel wird in der Kühlmittelleitung von der Pumpvorrichtung 6 umgewälzt und zirkuliert zwischen dem zu kühlenden Objekt 2, dem Wärmetauscher 4 und dem Abscheider 8. Im Gegensatz zu dem in 1 und 2 dargestellten System umfasst das zu kühlende Objekt hier zwei Batteriemodule 30a und 30b, welche jeweils Vorläufe 16 und Rückläufe 18 aufweisen. Um die Versorgung der beiden Batteriemodule 30a und 30b mit Kühlmittel zu ermöglichen, sind zwei Verteiler 28, 29 vorgesehen, die den Kühlstrom vor den Vorläufen 16 in verschiedene Zweige 34a, 34b aufteilen und die Kühlströme aus verschiedenen Zweigen 36a, 36b hinter den Rückläufen 18 wieder zusammenführen. Wie aus der seitlichen Schnittansicht des Systems in 3 ersichtlich, ist der Rücklaufverteiler 29 an der höchsten Stelle 20 des Systems angeordnet und der Abscheider 8 vorteilhaft in den Rücklaufverteiler 29 integriert.
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4 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Ausschnitts aus einem Gehäuse 54 eines Kühlmittel führenden Bauteils 50 mit einem darin angeordneten Abscheider 8. Das Kühlmittel führende Bauteil 50 kann beispielsweise der in 3 dargestellte Verteiler 29 sein. Der Abscheider 8 umfasst eine Membran 42, welche hier beispielhaft zwei übereinander angeordnete Lagen 44, 45 aufweist, die gasdurchlässig sind, aber Flüssigkeiten abweisen.
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Die mehrlagige Membran 42 ist in ein Stützgitter 46 eingesetzt, um die Membran 42 vor Schmutz oder Beschädigung zu schützen. Das Stützgitter 46 ist hier beispielshaft über einen Dichtungsring 48 an eine Öffnung 52 des Kühlmittel führenden Bauteils 50 gesetzt, kann aber ebenso gut eingeschraubt, angeschweißt oder anderweitig an das Gehäuse 54 des Bauteils 50 gekoppelt sein. Die Öffnung 52 des Kühlmittel führenden Bauteils 50 befindet sich an der höchsten Stelle 20 des Kühlmittelkreislaufs, wobei dies wiederum mit Bezug auf die Richtung der Erdanziehungskraft 24 zu verstehen ist.
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Beim Füllen des Kühlkreislaufs mit dem Kühlmittel 40 steigt der Füllstand im Inneren des Rohrsystems und insbesondere auch im Inneren des Kühlmittel führenden Bauteils 50 an, wobei sich die Luft nach oben absetzt. Eine Befüllöffnung für das System befindet sich dabei üblicherweise an einer zugänglichen Stelle, beispielsweise im Bereich des Wärmetauschers. Nach dem Befüllvorgang wird diese verschlossen, beispielsweise mit einer Verschlussschraube, einem Ventil oder einem Hahn. Durch die gas-, insbesondere luftdurchlässige Membran 42 kann die Luft bereits beim Befüllen entweichen. Auch während der Zirkulation des Kühlmittels 40 durch den Kreislauf setzen sich die darin enthaltenen Luftblasen ab und steigen zur Membran 42 hoch. Durch die Druckdifferenz zur Umgebung des Kühlmittel führenden Bauteils 50 entweichen die Luftblasen über die Membran 42.
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In 5 weist der Abscheider 8 eine Entlüftungsschraube 47 auf, die hier beispielhaft in das Stützgitter 46 integriert ist. Es ist auch möglich, dass die die Entlüftungsschraube 47 in das die Membran 42 umgebende Gehäuse 54 des Kühlmittel führenden Bauteils 50 integriert ist. Die Entlüftungsschraube 47 wird während des Befüllens des Systems mit dem Kühlmittel 40 geöffnet. Über eine Öffnung in der Entlüftungsschraube 47 kann die Luft schneller entweichen und muss nicht zwingend die Membran 42 passieren. Sobald das Kühlmittel 40 über die Öffnung der Entlüftungsschraube 47 austritt, wird diese geschlossen. Während des Betriebs der Kühlmittelzirkulation bleibt die Entlüftungsschraube 47 geschlossen.
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6 zeigt einen Abscheider 8 mit einem separaten Gehäuse 56 in seitlicher Schnittansicht. Der Abscheider 8 mit separatem Gehäuse 56 kann ebenso eine Entlüftungsschraube aufweisen, was hier und im Folgenden nicht dargestellt ist. Das separate Gehäuse 56 weist eine Höhe 64 auf, wobei der bezüglich der Erdanziehung 24 höchste Punkt 20 durch eine Öffnung 52 des separaten Gehäuses 56 gebildet wird, in welche die Membran 42 eingesetzt ist. Die Membran 42 kann wie mit Bezug auf 4 beschrieben an dem separaten Gehäuse 56 befestigt sein.
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Das separate Gehäuse 56 weist einen Zufluss 58 und einen Abfluss 60 auf, und ist in ein Rohrsystem des Kühlsystems einsetzbar. Außerdem umfasst der Abscheider 8 ein Prellblech 62, das an einer Unterseite 65 des separaten Gehäuses 56 angeordnet ist und eine Höhe 66 aufweist, die größer ist als die Durchmesser von Zu- und Abfluss 58, 60. Durch diese Anordnung wird der durchfließende Kühlmittelstrom umgeleitet und ein direkter Durchfluss durch den Abscheider 8 verhindert. Insbesondere führt dies auch zu einer Änderung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund der lokalen Beunruhigung des Kühlmittels entstehen Blasen, die zur Membran 42 aufsteigen. Durch das Prellblech 62 wird also die Abscheidung der mitgeführten Luftblasen erhöht.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Abscheiders 8 mit dem separaten Gehäuse 56. Anstelle des Prellblechs ist hier ein Einlegesieb 68 vorgesehen, welches den durchfließenden Kühlmittelstrom umleitet und einen direkten Durchfluss durch den Abscheider 8 verhindert. Durch das Einlegesieb 68 wird ebenfalls die Abscheidung der mitgeführten Luftblasen erhöht.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Abscheiders 8 mit dem separaten Gehäuse 56. Das separate Gehäuse 56 ist hier speziell ausgeformt, um die Abscheidung der mitgeführten Luftblasen zu erhöhen. Hierzu ist der Abfluss 60 höher angeordnet als der Zufluss 58. Das Kühlmittel 40 muss im Abscheider 8 einen Höhenunterschied 70 überwinden und wird damit lokal beunruhigt, was zu der gewünschten Verbesserung führt.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Abscheiders 8 mit dem separaten Gehäuse 56 in Schnittansicht von oben. Die in 9 dargestellte Ausführungsform kann insbesondere als zwei überlagerte Schnittansichten der in 8 dargestellten Ausführungsform verstanden werden, wobei zum Verständnis der Zufluss 58 und der Abfluss 60 in derselben Ebene dargestellt sind. Tatsächlich können der Zufluss 58 und der Abfluss 60 den in 8 darstellen Höhenunterschied besitzen oder nach einigen Ausführungsformen in derselben Ebene liegen. Vorteilhaft ist das Gehäuse 56 des Abscheiders 8 in diesen Ausführungsformen zyklonartig gestaltet. Das Kühlmittel 40 strömt im Zufluss 58 tangential ein und fließt im Abfluss 60 tangential wieder aus. Dadurch wird innerhalb des Abscheiders 8 das Kühlmittel 40 in eine Rotationsbewegung versetzt, die auch als ein Wirbel bezeichnet werden kann. Das Kühlmittel besitzt folglich im Abscheider 8 eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als außerhalb. Es wird durch die Zentrifugalkräfte nach außen gedrückt, während sich mitgeführte Luftblasen, aufgrund der geringen spezifischen Dichte im Inneren, d. h. in einem Auge 74 des Wirbels sammeln und aufsteigen. Durch einen möglichen Höhenunterschied zwischen Ein- und Auslass, d. h. zwischen dem Zufluss 58 und dem Abfluss 60 wird der Effekt verstärkt.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010007857 A1 [0005]
- DE 102009033959 A1 [0006]
- DE 102010048478 A1 [0007]
- DE 102009019944 A1 [0007]
