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Die Erfindung betrifft ein Entlüftungsventil zur Verwendung in einem Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs, wobei das Entlüftungsventil einseitig luftdurchlässig ist und ein Schließmittel aufweist, das das Entlüftungsventil, entgegen der Durchströmrichtung der Luft beim Entlüften, sperrt, sowie mindestens eine Membran aufweist, die gasdurchlässig und für Kühlflüssigkeit flüssigkeitsdicht ist.
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Ein derartiges Entlüftungsventil ist aus der
DE 11 2004 000 363 T5 bekannt. Dieses Entlüftungsventil ist Bestandteil einer Anordnung zum Abscheiden von Luft aus der Kühlflüssigkeit. Hierbei wird die Kühlflüssigkeit in eine Drehbewegung versetzt, sodass die Kühlflüssigkeit durch die Zentrifugalkraft nach radial auswärts gedrängt wird. Luft sammelt sich somit in einem Raum nahe der Drehachse. In diesem Bereich ist das Entlüftungsventil positioniert.
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In der
DE 196 07 638 C1 ist ein Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine beschrieben. Dieser Kühlkreislauf weist Entlüftungsleitungen sowie ein an einem Ausgleichsbehälter des Kühlsystems angebrachtes Entlüftungsventil auf. Dieses ermöglicht in Abhängigkeit vom Behälterinnendruck eine Verbindung zur Umgebung. Die sich oberhalb eines Kühlmittelspiegels bzw. Kühlwasserspiegels im Ausgleichsbehälter befindliche Luft kann bei Überschreiten eines vorgegebenen Höchstdrucks entspannt werden.
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Bei den zu entlüftenden Komponenten des Kühlsystems handelt es sich insbesondere um Komponenten eines mittels einer Brennkraftmaschine oder mittels einer Elektromaschine antreibbaren Kraftfahrzeugs.
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Bei Kraftfahrzeugen, die mittels Elektromaschinen antreibbar sind finden gleichfalls Kühlsysteme Verwendung. Komponenten des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeuges, die zu kühlen sind, sind insbesondere die Elektromaschine selbst, ein oder mit mehreren Batterien des Antriebs oder ein oder mehrere Leistungselektroniken.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Entlüftungsventil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sich ein optimiertes Fail-Safe-Verhalten des Kühlsystems ergibt.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Entlüftungsventil, das gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Entlüftungssystem ist vorgesehen, dass die Membran bei einem Druck im Kühlsystem, der höher ist als der Druck im Kühlsystem, bei dem das Entlüftungsventil zwecks Entlüftung des Kühlsystems öffnet, flüssigkeitsdurchlässig ist.
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Mittels des erfindungsgemäßen Entlüftungsventils wird somit erreicht, dass unmittelbar über das Entlüftungsventil ein unerwünschter, überhoher Druck im Kühlsystem abgebaut werden kann. Hierdurch wird eine Beschädigung von Komponenten des Kühlsystems verhindert.
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Das Entlüftungsventil ist insbesondere so ausgelegt, dass bei Ansteigen des Drucks im Kühlsystem über eine definierte Druckschwelle zunächst das Entlüftungsventil öffnet, womit Luft aus dem Kühlsystem gelangt. Beim weiteren Ansteigen des Drucks im Kühlsystem und Erreichen einer weiteren definierten Druckschwelle wird die bislang flüssigkeitsdichte Membran für Kühlflüssigkeit bzw. für Flüssigkeitsmoleküle der Kühlflüssigkeit flüssigkeitsdurchlässig. Ein weiterer Anstieg des Drucks im Kühlsystem wird somit verhindert.
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Beispielsweise beträgt der Druck im Kühlsystem 0 bar–4 bar gegenüber dem Außendruck und es öffnet das Entlüftungsventil in diesem Druckbereich. Ferner ist die Membran vorzugsweise ab einem Druck im Kühlsystem von mindestens 1,5 bar gegenüber Außendruck flüssigkeitsdurchlässig.
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Hierdurch ist sichergestellt, dass dann, wenn bereits die Luft vollständig aus dem Kühlsystem ausgetreten ist, sich somit nur noch Kühlflüssigkeit im Kühlsystem befindet, eine Erwärmung der Flüssigkeit im Kühlsystem und ein hiermit einhergehender höherer Druck der Flüssigkeit im Kühlsystem nicht zu einer Beschädigung der Komponenten des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Kühlkreislaufs, führt. Vielmehr kann die Flüssigkeit bei Überschreiten des bestimmten Drucks durch das Entlüftungsventil austreten, womit ein unerwünschtes weiteres Ansteigen des Drucks im Kühlsystem vermieden wird.
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Ein weiterer positiver Effekt ist zudem, dass das Entlüftungsventil gegen das Eindringen von Luft in das Kühlsystem sperrt und somit der Ausgleichsbehälter zum Entlüften nicht wie in bekannter Weise der höchste Punkt im Kühlsystem zwangsläufig ist. Die Positionierung des Ausgleichsbehälters ist beliebig wählbar und dadurch eine verbesserte Bauraumausnutzung sichergestellt.
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Das bei dem Entlüftungsventil Verwendung findende Schließmittel kann unterschiedlich beschaffen sein.
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So weist das Schließmittel beispielsweise einen federbelasteten Schließkörper auf, der das Entlüftungsventil sperrt, entgegen der Durchströmrichtung der Luft beim Entlüften. Der Schließkörper muß nicht federbelastet sein. Eine Ausführung, rein über Schwerkraft oder Gasdruck, ist auch möglich. Der Schließkörper sperrt auch die Flüssigkeit nach dem Durchlassen der Flüssigkeit durch die Membran, bei Fail-Safe-Verhalten.
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Gemäß einem anderen Beispiel ist das Schließmittel derart gestaltet, dass es eine in einem Ventilgehäuse des Entlüftungsventils befindliche Flüssigkeit, insbesondere Kühlflüssigkeit aufweist, sowie unterhalb der Flüssigkeit ein in das Ventilgehäuse mündender Entlüftungskanal angeordnet ist. Bei Überdruck kann die Luft somit durch die innerhalb des Ventilgehäuses angeordnete Flüssigkeit nach oben aufsteigen und gelangt so aus dem Kühlsystem. Von außen kann Luft nicht in das Kühlsystem gelangen, weil es nicht durch die im Ventilgehäuse befindliche Flüssigkeit hindurchtreten kann. Die Flüssigkeit bildet somit die Funktion des Rückschlagventils ab. Bei einem waagerechten Einbau kann die Kraft entweichen, aber nicht eindringen.
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Beispielsweise ist die Membran des Entlüftungsventils, bezogen auf die Austrittsrichtung der Luft beim Entlüften, stromaufwärts des Schließmittels angeordnet. Kühlflüssigkeit kann somit nicht bis zum Schließmittel gelangen bzw. nur dann bis zum Schließmittel gelangen, wenn der bestimmte Druck, bei dem die Membran für die Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitsmoleküle durchlässig wird, im Kühlsystem erreicht wird. Zusätzlich kann die Membran des Entlüftungsventils, bezogen auf die Austrittsrichtung der Luft beim Entlüften, auch stromabwärts des Schließmittels angeordnet sein. Diese Membran dient insbesondere dem Zweck, Eintritt von Feuchtigkeit und Schmutz von außen in den Bereich des Schließmittels, insbesondere des federbelasteten Schließkörpers, zu verhindern. Diese Membran kann durchaus auch derart gestaltet sein, dass sie bei Erreichen des vorstehend erörterten Flüssigkeitsdrucks für Flüssigkeit, insbesondere für Flüssigkeitsmoleküle durchlässig wird.
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Vorzugsweise besteht die Membran aus Polymerfasern, insbesondere aus gewebten PTFE-, PA- oder PP-Fasern. Die Membran kann auch durch Sintern, oder anderweitig hergestellt sein.
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Bei der mittels des Entlüftungsventils zu entlüftenden Komponente des Kühlsystems des Kraftfahrzeugs handelt es sich insbesondere um einen Kühler, einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine oder einen Kühlwasserausgleichsbehälter.
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Das Entlüftungsventil stellt ein besonders gutes Fail-Safe-Verhalten des Kühlsystems des Kraftfahrzeugs sicher. Es benötigt nur geringen Bauraum bei einfacher Bauweise des Kühlsystems.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung der in der Zeichnung wiedergegebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele, ohne hierauf beschränkt zu sein.
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Es zeigt:
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1 ein Prinzipschaubild zur Verdeutlichung eines Kühlsystems einer Brennkraftmaschine, bei dem erfindungsgemäß gestaltete Entlüftungsventile Verwendung finden,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines bei einem Kühlsystem einer Brennkraftmaschine Verwendung findenden Entlüftungsventils, in einer Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II in 3,
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3 das Entlüftungsventil in einer Ansicht III in 2,
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Entlüftungsventils, in einer Schnittdarstellung gemäß 2,
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5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Entlüftungsventils, in einer Schnittdarstellung gemäß 2,
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6 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Entlüftungsventils, in einer Schnittdarstellung gemäß 2.
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Das in 1 veranschaulichte Kühlsystem 1 einer Brennkraftmaschine 2 zeigt einen Zylinderkopf 3, eine bezüglich der Durchströmung des Zylinderkopfs 3 bzw. der Brennkraftmaschine 2 stromaufwärts angeordnete Kühlmittelpumpe 4 sowie einen stromabwärts der Brennkraftmaschine 2 angeordneten Kühler 5. Über Kühlwasserleitungen 6 wird, wie durch den diesen zugeordneten Pfeil 25 veranschaulicht, die Kühlflüssigkeit bzw. das Kühlwasser vom Kühler 5 zur Kühlmittelpumpe 4 gefördert und von dort durch die Kühlkanäle der Brennkraftmaschine 2 bzw. des Zylinderkopfs 3 wieder zum Kühler 5. Stromaufwärts der Kühlmittelpumpe 4 zweigt eine Leitung 7 von der Kühlwasserleitung 6 ab. Diese Leitung 7 verbindet die Kühlwasserleitung 6 mit einem Kühlwasserausgleichsbehälter 8. Je nach Druckverhältnissen im Kühlwasserausgleichsbehälter 8 ergibt sich ein variabler Kühlwasserstand im Kühlwasserausgleichsbehälter 8, womit Kühlwasser in der Leitung 7 in entgegengesetzten Richtungen strömen kann. Dies ist durch den Doppelpfeil 10 veranschaulicht.
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Bei dem Kühlsystem 1 sind Entlüftungsventile 11 vorgesehen. Neben dem jeweiligen Entlüftungsventil 11 ist dessen Funktion bezeichnet. Das Entlüftungsventil 11, über das der Kühler 5 unmittelbar entlüftet, ermöglicht den Durchtritt von Gas bzw. Luft nach außen. Das Entlüftungsventil 11 ist derart gestaltet, dass es bis zum Erreichen eines bestimmten Flüssigkeitsdrucks flüssigkeitsdicht ist. Je nach Aufbau einer Membran dieses Entlüftungsventils 11, die gasdurchlässig und grundsätzlich flüssigkeitsdicht ist, kann Flüssigkeit bzw. können Flüssigkeitsmoleküle durch die Membran gelangen, wenn ein bestimmter Druck erreicht ist. Dies kann, je nach Struktur der gewählten Membran, bei unterschiedlichen Drücken der Fall sein. Beispielsweise beträgt der Druck im Kühlsystem 1 bar–1,5 bar gegenüber dem Außendruck und es öffnet das Entlüftungsventil in diesem Druckbereich, während die Membran ab einem Druck im Kühlsystem von mindestens 2 bar, insbesondere 2 bar gegenüber Außendruck flüssigkeitsdurchlässig ist. Die Membran besteht insbesondere aus gewebten PTFE-, PA- oder PP-Fasern.
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Für das Entlüftungsventil 11, über das der Zylinderkopf 3 bzw. die Brennkraftmaschine 2 unmittelbar entlüftet, gilt das vorstehend zum Entlüftungsventil 11 des Kühlers 5 Beschriebene. Auch dieses Entlüftungsventil 11 weist somit eine Membran auf, die gasdurchlässig und bis zum Erreichen eines bestimmten Flüssigkeitsdrucks im Kühlsystem flüssigkeitsdicht ist.
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Auch das Entlüftungsventil 11, das dem unmittelbaren Entlüften des Kühlwasserausgleichsbehälters 8 dient, ist im Wesentlichen gemäß dem Entlüftungsventil 11 für den Kühler 5 und den Zylinderkopf 3 bzw. die Brennkraftmaschine 2 ausgebildet. Konkret ist dieses Entlüftungsventil 11 mit einer gasdurchlässigen und bis zum Erreichen des bestimmten Flüssigkeitsdrucks im Kühlsystem flüssigkeitsdichten Membran versehen. Allerdings ist das Entlüftungsventil 11 so gestaltet, dass es in beiden Richtungen gasdurchlässig ist, somit sowohl die Funktion eines Entlüftungsventils als auch die eines Belüftungsventils aufweist.
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Die Gestaltung des Entlüftungsventils 11 kann unterschiedlich sein und ist nicht auf die schematische Darstellung gemäß 1 mit federbelastetem Verschlussteil beschränkt.
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In den 2 bis 6 sind vorteilhafte Gestaltungen des bei dem Kühlsystem Verwendung findenden Entlüftungsventils 11 beschrieben:
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den 2 und 3 sind ein Ventilgehäuse 12 bzw. ein Ventilkörper, ein vom Ventilgehäuse 12 umschlossener Ventilraum 13, ein Schließkörper 14, der als Teller ausgebildet ist sowie ein Federelement 15, das als zylindrische Druckfeder ausgebildet ist, vorgesehen. Bezogen auf die Entlüftungsrichtung 16 des Entlüftungsventils 11 ist stromabwärts des Schließkörpers 14 ein Federhalter 17, der als Verschlussdeckel ausgebildet ist, in das Ventilgehäuse 12 eingepresst. Dieser Federhalter 17 weist einen, bezüglich der Entlüftungsrichtung 16 stromaufwärtigen zentralen Vorsprung 18 und eine außermittige Ventilauslassöffnung 19 auf. Im Bereich eines Rücksprungs 20 des Ventilgehäuses 13 ist eine Membran 21 mit dem Ventilgehäuse 12 verklebt. Die Klebschicht zwischen der Membran 21 und dem Ventilgehäuse 12 ist mit der Bezugsziffer 22 bezeichnet. Die Membran 21 besteht aus gewebten PTFE-, PA- oder PP-Fasern. Die Membran 21 trennt den stromaufwärtigen Bereich des Ventilraums 13 zum stromabwärtigen Bereich des Ventilraums 1, im Bereich dessen das Federelement angeordnet ist. Die Membran 21 ist so gestaltet, dass sie gasdurchlässig und bis zum Erreichen des bestimmten Flüssigkeitsdrucks im Kühlsystem flüssigkeitsdicht ist. Dies hängt von den konkreten Anforderungen beim Betreiben des Kühlsystems ab.
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Wie zuvor erläutert, kann bis zu einem bestimmten Druck im Kühlsystem keine Luft durch das Entlüftungsventil 11 nach außen treten. Dies ist erst bei erhöhtem Druck dann, beispielsweise 1 bar gegenüber Außendruck der Fall, wenn das Entlüftungsventil 11 öffnet, somit der Schließkörper 4 von der Membran 21 weg bewegt wird, entgegen der Kraft des Federelements 15, wobei der maximale Hub des Schließkörpers 4 durch Anlage am Vorsprung 18 begrenzt ist. Sinkt der Druck ab, schließt das Entlüftungsventil 11 wieder. Kühlwasser kann durch die Membran 21 während des Entlüftens nicht hindurchtreten. Bei Überschreiten des genannten Druckniveaus, beispielsweise 2 bar gegenüber Außendruck, können Flüssigkeitsmoleküle durch die Membran 21 gelangen.
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Das Ausführungsbeispiel nach der 4 unterscheidet sich von demjenigen nach den 2 und 3 im Wesentlichen dadurch, dass der Schließkörper 14 als Kugel ausgebildet ist und das Federelement 15 eine konische Druckfeder ist, die zwischen dem Schließkörper 14 und dem Federhalter 17 wirksam ist. Der als Kugel ausgebildete Schließkörper 14 wirkt mit einem konischen Ventilsitz 23 zusammen und es ist die Membran 21 mittels der Klebstoffschicht 22 in dem Bereich mit dem Ventilgehäuse 12 verbunden, der stromaufwärts des Ventilsitzes 23 angeordnet ist. Die Membran 21 ist bei diesem Ausführungsbeispiel entsprechend derjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gestaltet, sodass bezüglich der Wirkungsweise des Entlüftungsventils 11 auf die Erörterung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
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Das Ausführungsbeispiel nach der 5 unterscheidet sich von demjenigen nach der 4 dadurch, dass der Federhalter 17 nicht als Verschlussdeckel, sondern als Ring ausgebildet ist und stromabwärts dieses Federhalters 17 über die Klebstoffschicht 22 die Membran 21 mit dem Federhalter 17 verbunden ist. Im Bereich des Federhalters 17 ist somit eine zusätzliche Membran 21 vorgesehen, die dem Zweck dient, ein Eintreten von Flüssigkeit oder Schmutz von außen in das Entlüftungsventil 11, konkret in den Bereich des Federelements 15 und des Schließkörpers 14 zu verhindern. Auch diese Membran 21 ist bei Erreichen des definierten Drucks flüssigkeitsdurchlässig.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der 6 sind, genauso wie beim Ausführungsbeispiel nach der 5, zwei mit dem Ventilgehäuse 12 verklebte Membranen 21 vorgesehen. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich aber grundsätzlich von den vorbeschriebenen dadurch, dass statt eines mechanisch wirkenden Schließmittels in Art des Schließkörpers 14 ein als Flüssigkeit 24, insbesondere Kühlflüssigkeit ausgebildetes Schließmittel vorgesehen ist. Hierbei ist das Entlüftungsventil 11 aufrecht angeordnet, sodass die Flüssigkeit 24 oberhalb der unteren Membran 21 angeordnet ist und damit durch diese Membran 21 vom darunter befindlichen Bereich des Ventilraums 13 abgetrennt ist. Diese untere Membran 21 erfüllt dieselbe Funktion wie die zu den anderen Ausführungsbeispielen beschriebenen Membranen 21, die mit dem Schließkörper 14 zusammenwirken. Zusätzlich ist bei dem Ausführungsbeispiel nach der 6 die obere Membran 21 vorgesehen, die dieselbe Funktion aufweist wie die zum Ausführungsbeispiel 5 beschriebene, mit dem Federhalter 17 verbundene Membran 21.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 6 entlüftet das Entlüftungsventil durch die untere Membran 21 und die Flüssigkeit nach außen. Ein Durchtritt von Luft von außen in den Ventilraum 13 ist wegen der Flüssigkeit 24 nicht möglich.
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Die Entlüftungsventile 11, die bei dem Kühlsystem 1 gemäß der Darstellung in 1 im Bereich des Zylinderkopfs 3 und des Kühlers 5 Verwendung finden, sind insbesondere gemäß den Ausführungsbeispielen nach den 2 bis 6 gestaltet. Die Entlüftungsmöglichkeit betreffend den Kühlwasserausgleichsbehälter 8 in den veranschaulichten beiden Richtungen lässt sich auf einfache Art und Weise durch Modifizierung des zu den Ausführungsformen beschriebenen Entlüftungsventils 11 dahingehend erreichen, dass auf den Schließkörper 14 mit Federelement 15 oder auf die Flüssigkeit 24 verzichtet wird. In diesem Fall sperrt die Membran 21 zum Kühlsystem hin ab, erlaubt aber den Durchtritt der Luft aus dem Kühlwasserausgleichsbehälter 8 bzw. in diesen. Alternativ könnten, wie zur 1 schematisch veranschaulicht, im Entlüftungsventil 11 für den Kühlwasserausgleichsbehälter 8 zwei Durchlässe für die Luft vorgesehen sein, die mittels federbelasteter Schließkörper entgegengesetzt verschlossen werden, sodass bei Überschreiten einer definierten Vorspannkraft des jeweiligen Federelements ein Luftdurchtritt in der jeweiligen Richtung erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlsystem
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Zylinderkopf
- 4
- Kühlmittelpumpe
- 5
- Kühler
- 6
- Kühlwasserleitung
- 7
- Leitung
- 8
- Kühlwasserausgleichsbehälter
- 10
- Doppelpfeil
- 11
- Entlüftungsventil
- 12
- Ventilgehäuse
- 13
- Ventilraum
- 14
- Schließkörper
- 15
- Federelement
- 16
- Entlüftungsrichtung
- 17
- Federhalter
- 18
- Vorsprung
- 19
- Ventilauslassöffnung
- 20
- Rücksprung
- 21
- Membran
- 22
- Klebstoffschicht
- 23
- Ventilsitz
- 24
- Flüssigkeit
- 25
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112004000363 T5 [0002]
- DE 19607638 C1 [0003]
