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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitstank gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger gattungsgemäßer Flüssigkeitstank ist insbesondere zur Aufbewahrung von wässriger Harnstofflösung ausgebildet, wie sie unter dem Markennamen "AdBlue®" zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion von Fahrzeugabgasen in Kraftfahrzeugen verwendet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft daher insbesondere einen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitstank.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Flüssigkeitstanks der gattungsgemäßen Art bekannt, bei welchen ein Schwimmerkörper im Tankvolumen vorgesehen ist, etwa um anhand der Lage des Schwimmerkörpers relativ zu einem Abschnitt des Flüssigkeitstanks den Befüllungsgrad des Flüssigkeitstanks zu ermitteln.
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Gerade bei Flüssigkeitstanks in Kraftfahrzeugen, welche zur Aufbewahrung von wässriger Harnstofflösung für eine selektive katalytische Reduktion ausgebildet sind, ist deren Befüllung mit der bestimmungsgemäßen Flüssigkeit bisweilen nicht unproblematisch.
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Derartige Flüssigkeitstanks weisen neben dem Einfüllstutzen eine gesonderte Entlüftungsleitung auf, welche mit ihrem tankseitigen Ende bis in das Tankvolumen hinein reicht und in etwa die maximale Füllhöhe des Flüssigkeitstanks festlegt. Das tankfernere Ende der Entlüftungsleitung endet üblicherweise in einem Abschnitt des Einfüllstutzens, sodass die Entlüftungsleitung das Tankvolumen mit dem Einfüllstutzen und der darin gebildeten Flüssigkeit-Einfüllleitung fluidmechanisch verbindet.
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Die Befüllung des bekannten Flüssigkeitstanks läuft mit einer voreingestellten Füllrate von etwa 40 l/min wie folgt ab:
Ein Flüssigkeit abgebendes Endstück eines Zapfhahns wird in die tankfernere Öffnung des Einfüllstutzens eingeführt und zur Ausgabe von Flüssigkeit mit der vorbestimmten Füllrate betätigt. Zunächst strömt die vom Zapfhahn ausgegebene Flüssigkeit einfach durch die Flüssigkeit-Einfüllleitung des Einfüllstutzens in das Tankvolumen, worauf hin der Flüssigkeitsspiegel im Tankvolumen steigt.
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Dann, wenn der Flüssigkeitsspiegel im Tankvolumen das tankseitige Ende der Entlüftungsleitung erreicht und diese somit verschließt, steigt mit weiter in das Tankvolumen einströmender Flüssigkeit der Druck im Tankvolumen stark an, da im Tankvolumen eingeschlossenes Gas bei verschlossener Entlüftungsleitung nicht mehr aus dem Tankvolumen entweichen kann. In der Folge wird durch den Druckanstieg im Tankvolumen ein Rückschlagventil im Einfüllstutzen geschlossen, sodass der Einfüllstutzen für eine Durchströmung mit Flüssigkeit in das Tankvolumen hinein gesperrt ist. Die Lage des Flüssigkeitsspiegels im Tankvolumen ändert sich daraufhin – abgesehen von möglicherweise stattfindenden unbedeutenden Nachfließ- oder Rückfließvorgängen – nicht mehr. In dem durch das Rückschlagventil abgeschlossenen Einfüllstutzen bildet sich nun mit der weiter aus dem Zapfhahn ausströmenden Flüssigkeit eine Flüssigkeitssäule, deren Flüssigkeitsspiegel rasant ansteigt. Wenn die Flüssigkeitssäule den Zapfhahn erreicht, löst sie an diesem das Förderende aus. Der Zapfhahn schaltet somit ab und der Füllvorgang ist im Grunde beendet.
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Bei Abnahme des Drucks im Tankvolumen – etwa durch bestimmungsgemäßen Verbrauch der Flüssigkeit – öffnet das Rückschlagventil wieder, sodass etwaig noch im Einfüllstutzen vorhandene Flüssigkeit in das Tankvolumen nachströmen kann und sodass der Flüssigkeitstank für einen erneuten Füllvorgang bereit ist.
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Nachteilig an der bekannten Konstruktion des Flüssigkeitstanks ist zum einen das Erfordernis des Vorsehens eines Rückschlagventils, was die Herstellung des bekannten Flüssigkeitstanks und insbesondere seines Einfüllstutzens verteuert. Zum anderen ist nachteilig, dass es nach dem Schließen des Rückschlagventils bei gleichbleibender Füllrate des Zapfhahns von 40 l/min am tankferneren Einsteckende des Einfüllstutzens zu einem unerwünschten spritzenden Austritt von Flüssigkeit kommen kann, da der Zapfhahn möglicherweise durch den Flüssigkeitsanstieg im Einfüllstutzen nicht ausreichend schnell abgeschaltet werden kann. Der spritzende Austritt von Flüssigkeit wird durch den beim Förderende stets vorhandenen verschlossenen Zustand der Entlüftungsleitung noch verstärkt, da auch seitens der dann verschlossenen Entlüftungsleitung eine Druckerhöhung im Einfüllstutzen bewirkt bzw. ein Druckausgleich verhindert wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Flüssigkeitstank der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die zuvor genannten Nachteile vermindert oder gar beseitigt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen gattungsgemäßen Flüssigkeitstank, bei welchem der Schwimmerkörper in eine Rückzugsstellung vorgespannt ist und unter der Wirkung von durch die Einfüllöffnung in das Tankvolumen hinein strömender Flüssigkeit von der Rückzugsstellung in eine Einlassstellung verlagerbar ist, wobei der von Flüssigkeit durchströmbare Querschnitt der Einfüllöffnung dann größer ist, wenn der Schwimmerkörper sich in der Einlassstellung befindet, als dann, wenn der Schwimmerkörper sich in der Rückzugsstellung befindet, wobei der Schwimmerkörper eine geringere Dichte aufweist als die Flüssigkeit, zu deren Aufbewahrung der Flüssigkeitstank ausgebildet ist, wobei der Schwimmerkörper unter Berücksichtigung seiner Dichte derart bemessen ist, dass die Summe aus einer zur Rückzugsstellung hin wirkenden erreichbaren Auftriebskraft, dann, wenn der Schwimmerkörper in Kontakt mit der bereits in das Tankvolumen eingefüllten Flüssigkeit ist, und gegebenenfalls einer zur Rückzugsstellung hin wirkenden Vorspannkraft größer ist als eine zur Einlassstellung hin wirkende Verlagerungskraft, die von der in das Tankvolumen hinein strömenden Flüssigkeit bewirkt wird.
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Es ist also die in das Tankvolumen einströmende Flüssigkeit von der bereits in das Tankvolumen eingefüllten Flüssigkeit zu unterscheiden. Als Einfüllstutzen wird jegliches Befüllrohr verstanden.
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Der Schwimmerkörper im Flüssigkeitstank der vorliegenden Erfindung hat anders als bei bisher bekannten Flüssigkeitstanks nicht mehr die Aufgabe, dauerhaft auf der Flüssigkeitsoberfläche der im Tank vorhandenen Flüssigkeit zu treiben und dadurch etwa den Tankinhalt bzw. die Füllhöhe von in den Tank eingefüllter Flüssigkeit anzuzeigen. Vielmehr dient der Schwimmerkörper im erfindungsgemäßen Flüssigkeitstank einer gewissen "Befüllungssteuerung" des Flüssigkeitstanks. Der Schwimmerkörper des erfindungsgemäßen Flüssigkeitstanks ist nur zum vorübergehenden Kontakt mit der in den Flüssigkeitstank eingefüllten Flüssigkeit angeordnet und ist mit dieser bevorzugt nur während des Füllvorgangs in Benetzungskontakt.
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Die Einfüllöffnung hat dann, wenn sich der Schwimmerkörper in der Rückzugsstellung befindet, einen kleineren von Flüssigkeit durchströmbaren Querschnitt als dann, wenn sich der Schwimmerkörper in der Einlassstellung befindet. Der der Rückzugsstellung des Schwimmerkörpers zugeordnete durchströmbare Querschnitt der Einfüllöffnung kann Null sein, ist jedoch bevorzugt von 0 verschieden, sodass im Einfüllstutzen vorhandene Flüssigkeit auch dann aus dem Einfüllstutzen in das Tankvolumen nachströmen kann, wenn sich der Schwimmerkörper in der Rückzugsstellung befindet. Die Nachströmrate kann, verglichen mit der Füllrate der bestimmungsgemäßen Befüllung, um wenigstens eine Größenordnung kleiner sein als diese. Die Dauer der Nachströmung spielt für den Füllvorgang keine entscheidende Rolle.
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Die Einfüllöffnung kann auch mehrteilig ausgebildet sein, etwa mit einer dauerhaft geöffneten Teil-Einfüllöffnung, deren durchströmbarer Querschnitt von der Lage des Schwimmerkörpers unabhängig ist, und mit einer von dieser gesondert ausgebildeten variablen Teil-Einfüllöffnung, deren durchströmbarer Querschnitt von der Lage des Schwimmerkörpers abhängig ist und die gegebenenfalls vom Schwimmerkörper in der Rückzugsstellung vollständig verschlossen sein kann.
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Der der Rückzugsstellung des Schwimmerkörpers zugeordnete durchströmbare Querschnitt ist bevorzugt so gewählt, dass er eine Durchströmung mit der vorbestimmten Füllrate, mit welcher der erfindungsgemäße Flüssigkeitstank durch den Einfüllstutzen hindurch üblicherweise befüllt wird, nicht gestattet, ohne dass sich der Einfüllstutzen oder ein Teil davon allmählich mit Flüssigkeit füllt.
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Der der Einlassstellung des Schwimmerkörpers zugeordnete durchströmbare Querschnitt ist dagegen bevorzugt so gewählt, dass Flüssigkeit mit der vorbestimmten Füllrate den Einfüllstutzen durchströmen kann, ohne dass im Einfüllstutzen oder in einem Teil davon eine Flüssigkeitssäule ansteigt.
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Wird nun in den Einfüllstutzen eine Flüssigkeit abgebende Vorrichtung eingeführt, etwa ein Zapfhahn oder eine Kruse-Flasche, welche Flüssigkeit mit einer vorbestimmten Füllrate abgibt, so wird der Schwimmerkörper durch eine von der strömenden Flüssigkeit bewirkte fluiddynamische Kraft aus der Rückzugsstellung in die Einlassstellung verlagert, wobei sich gleichzeitig der durchströmbare Querschnitt der Einfüllöffnung vergrößert. Durch diese vergrößerte Einfüllöffnung kann die Flüssigkeit in der vorbestimmten Füllrate problemlos in das Tankvolumen hineinströmen. Die zum Tankvolumen hin oder in das Tankvolumen hinein strömende Flüssigkeit hält den Schwimmerkörper in der Einlassstellung.
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Steigt mit zunehmender Befüllung des Tankvolumens der Flüssigkeitsspiegel im Flüssigkeitstank an, wird die in den Tank eingefüllte Flüssigkeit und somit der Flüssigkeitsspiegel den Schwimmerkörper erreichen und mit weiterem Anstieg an diesem eine Auftriebskraft erzeugen. Diese Auftriebskraft – gegebenenfalls unterstützt durch eine zur Rückzugsstellung hin wirkenden Vorspannkraft – bewirkt gegen die von der einströmenden Flüssigkeit erzeugte fluiddynamische Verlagerungskraft eine Rückstellkraft, welche den Schwimmerkörper zurück in Richtung zur Rückzugsstellung hin verstellt.
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Mit der auftriebskraftbedingten Rückstellung des Schwimmerkörpers zur Rückzugsstellung hin steigt bei unveränderter Füllrate aufgrund des dann zunehmend verringerten durchströmbaren Querschnitts der Einfüllöffnung Flüssigkeit im Einfüllstutzen an, welche zum Abschalten eines Zapfhahns bzw. allgemein zu einem Förderende führen kann. Die bis zum Abschalten des Zapfhahns im Einfüllstutzen angesammelte Flüssigkeit kann allmählich durch die Einfüllöffnung selbst dann in das Tankvolumen fließen, wenn sich der Schwimmerkörper in der Rückzugsstellung befindet, falls der der Rückzugsstellung zugeordnete durchströmbare Querschnitt der Einfüllöffnung von 0 verschieden ist. Mit Flüssigkeitsströmung im Einfüllstutzen mit der vorbestimmten Füllrate und damit mit Fortfall der durch die Flüssigkeitsströmung bewirkten fluiddynamischen Verlagerungskraft verbleibt der Schwimmerkörper aufgrund der geschilderten Vorspannung in der Rückzugsstellung, sodass der Schwimmerkörper nur gegen Ende des Füllvorgangs und möglicherweise zusätzlich eine kurze Zeit danach, in der der Flüssigkeitstank maximal oder nahezu maximal gefüllt ist, von Flüssigkeit benetzt ist.
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Somit bleibt der erfindungsgemäße Flüssigkeitstank auch unter extremen thermischen Bedingungen befüllbar, wenn die im Flüssigkeitstank aufgenommene Flüssigkeit aufgrund besonders niedriger Außentemperaturen teilweise oder vollständig gefriert.
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Überdies ist weder das Vorsehen eines Rückschlagventils im Einfüllstutzen erforderlich noch das Verschließen einer Entlüftungsleitung. Somit ist der aus dem Stand der Technik bekannte starke Druckanstieg im Tankvolumen gegen Ende eines Füllvorgangs und mit diesem ein unerwünschtes spritzendes Austreten von Flüssigkeit durch das tankfernere Einsteckende des Einfüllstutzens vermeidbar.
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Grundsätzlich soll nicht ausgeschlossen sein, dass der Schwimmerkörper nur mittelbar – etwa über eine Mechanik, wie Getriebe oder Gestänge, – von der in das Tankvolumen hineinströmenden Flüssigkeit von der Rückzugsstellung in die Einlassstellung verlagerbar ist. Aus Gründen einer besonders einfachen und daher bevorzugten Konstruktion ist es jedoch vorteilhaft, wenn der Schwimmerkörper unmittelbar von der strömenden Flüssigkeit von der Rückzugsstellung in die Einlassstellung verlagerbar ist. Daher ist es bevorzugt, wenn die strömende Flüssigkeit unmittelbar eine von der Rückzugsstellung in Richtung der Einlassstellung wirkende Kraft auf den Schwimmerkörper ausüben kann. Dies kann konstruktiv dadurch erreicht werden, dass der Schwimmerkörper eine Prallfläche aufweist, welche wenigstens dann, wenn sich der Schwimmerkörper in der Rückzugsstellung befindet, der Flüssigkeits-Einfüllleitung derart zugewandt ist, dass die Prallfläche von durch die Flüssigkeits-Einfüllleitung in Richtung zum Tankvolumen hin strömender Flüssigkeit zur Benetzung erreichbar ist.
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Dabei kann es ausreichen, dass die Prallfläche nur dann von der zum Tankvolumen hin strömenden Flüssigkeit benetzbar ist, wenn sich der Schwimmerkörper in der Rückzugsstellung befindet, und von der strömenden Flüssigkeit nicht mehr benetzbar ist oder die strömende Flüssigkeit auf den Schwimmerkörper keine ausreichende Verlagerungskraft mehr ausüben kann, wenn der Schwimmerkörper sich ein vorbestimmtes Stück aus der Rückzugsstellung entfernt hat. Es ist sogar denkbar, dass sich der Schwimmerkörper – beispielsweise durch eine Art über Übertotpunktbewegung nach durch fluiddynamische Kräfte bewirktem Überschreiten des Totpunktes – unter Einwirkung lediglich der Schwerkraft selbstständig weiter bis zur Einlassstellung bewegt.
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Bevorzugt ist die Prallfläche jedoch derart vorgesehen, dass sie so lange von strömender Flüssigkeit benetzbar ist, wie Flüssigkeit durch den Einfüllstutzen zum Tankvolumen hin strömt. Somit ist weiter bevorzugt, dass die strömende Flüssigkeit während des gesamten Füllvorgangs eine den Schwimmerkörper in die Einlassstellung verlagernd bzw. in die Einlassstellung vorspannende fluiddynamische Kraft ausübt.
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Aufgrund des oben Gesagten ist auch denkbar, dass der Schwimmerkörper nur dann, wenn es sich in der Rückzugsstellung befindet, auch in diese vorgespannt ist und nach Verlassen derselben oder nach Entfernung um einen vorbestimmten Abstand aus derselben keine Vorspannung in Richtung der Rückzugsstellung mehr erfährt. Bevorzugt ist der Schwimmerkörper jedoch während seiner gesamten Verlagerungsbewegung von der Rückzugsstellung in die Einlassstellung zur Rückzugsstellung hin vorgespannt.
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Der Flüssigkeitstank kann Vorspannmittel aufweisen, welche den Schwimmerkörper in die Rückzugsstellung vorspannen, um die durch die bereits in das Tankvolumen eingefüllte Flüssigkeit bewirkte Auftriebskraft durch eine zusätzlich bewirkte Vorspannkraft zu verstärken.
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Die Vorspannung des Schwimmerkörpers in die Rückzugsstellung bzw. zur Rückzugsstellung hin kann durch elastische Federmittel erfolgen, durch welche der Schwimmerkörper mittelbar oder unmittelbar mit der Tankwandung verbunden ist. Die Tankwandung dient somit als Bezugsbauteil für ein ruhendes Koordinatensystem zur Beobachtung des relativ zur Tankwandung bewegten Schwimmerkörpers. Die Federmittel können beliebige Federmittel sein, etwa Schrauben- oder Blattfedern. Die Federmittel können Hook'sche Federmittel sein mit einem linearen Zusammenhang zwischen rückstellender Kraft und Auslenkung. Die Federmittel können ebenso einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen rückstellender Kraft und Auslenkung aufweisen, wie dies beispielsweise bei elastomeren Federn der Fall sein kann.
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Da der Schwimmerkörper zumindest in der Rückzugsstellung sich vorteilhafterweise nahe am Einfüllstutzen befindet, ist der Schwimmerkörper bevorzugt durch die Federmittel unmittelbar mit dem Einfüllstutzen verbunden.
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Die Vorspannmittel können den Schwimmerkörper alternativ oder zusätzlich zu den elastischen Federmitteln mittels magnetischer Kräfte in die Rückzugsstellung vorspannen. Somit kann wenigstens ein Bauteil aus Schwimmerkörper und Vorspannmittel einen Magneten aufweisen. Es kann dann ausreichen, dass das jeweils andere Bauteil ein ferromagnetisches Material aufweist, das nicht dauermagnetisiert zu sein braucht, welches mit dem Magneten wechselwirkt. Zur Erhöhung der wirkenden Vorspannkräfte können auch beide Bauteile einen Magneten – also etwa ein dauermagnetisiertes ferromagnetisches Material – aufweisen.
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Der Schwimmerkörper kann den durchströmbaren Querschnitt der Einfüllöffnung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung mittelbar durch eine weitere Vorrichtung und gegebenenfalls unter Zwischenanordnung eines Getriebes oder Gestänges durch Entfernung von der Rückzugsstellung und durch Annäherung an diese verändern. Konstruktiv einfacher, betriebssicherer und weniger Bauraum beanspruchend sorgt der Schwimmerkörper selbst für eine Veränderung des durchströmbaren Querschnitts der Einfüllöffnung abhängig von seiner Relativstellung zu ihr, etwa indem er mit zunehmender Annäherung an die Rückzugsstellung einen immer größeren Teil der Einfüllöffnung verdeckt. Diese unmittelbare, bevorzugt nur teilweise, Verdeckung der Einfüllöffnung durch den Schwimmerkörper erleichtert überdies die oben beschriebene bevorzugte Ausbildung der Prallfläche am Schwimmerkörper. Denn die Prallfläche kann dann von jenem Abschnitt des Schwimmerkörpers bereitgestellt sein, welcher in der Rückzugsstellung einen Teil der Einfüllöffnung verdeckt und somit von einem Abschnitt des Randes der Einfüllöffnung umgeben ist. Die Prallfläche kann jedoch auch gesondert von der die Einfüllöffnung verdeckenden Grundsätzlich kann die Einlassstellung eine beliebige von der Rückzugsstellung verschiedene Relativstellung des Schwimmerkörpers relativ zum Einfüllstutzen bzw. zu dessen Einfüllöffnung sein, solange nur der von der Flüssigkeit durchströmbare Querschnitt der Einfüllöffnung in der Einlassstellung des Schwimmerkörpers größer ist als in dessen Rückzugsstellung. Um wiederholbare Verhältnisse für unterschiedliche Füllvorgänge bereitstellen zu können, ist es jedoch bevorzugt, wenn die Einlassstellung eine wiederholbare erreichbare Relativstellung ist. Daher ist es bevorzugt, dass am Flüssigkeitstank Führungsmittel vorgesehen sind, durch welche der Schwimmerkörper zur Verlagerungsbewegung zwischen der Rückzugsstellung und der Einlassstellung geführt ist.
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Weiterhin kann die Trajektorie der Verlagerungsbewegung des Schwimmerkörpers zwischen Rückzugsstellung und Einlassstellung grundsätzlich nahezu beliebig sein. Bevorzugt steht der Schwimmerkörper bzw. seine Prallfläche sowohl in der Rückzugsstellung, wie auch in der Einlassstellung, und besonders bevorzugt auch in jeder Zwischenstellung, mit der zum Tankvolumen hin oder in dieses hineinströmenden Flüssigkeit in Benetzungskontakt. Bevorzugt ist daher die Trajektorie der Verlagerungsbewegung des Schwimmerkörpers ein Abschnitt des Verlaufs des aus der Einfüllöffnung in das Tankvolumen hinein austretenden Flüssigkeitsstrahls. Längs dieses Flüssigkeitsstrahls, dessen Verlauf bei bekanntem maximal durchströmbaren Querschnitt der Einfüllöffnung und bei ebenso bekannter Füllrate der vorbestimmten Flüssigkeit bekannt oder wenigstens ermittelbar ist, führen daher die Führungsmittel bevorzugt den Schwimmerkörper zwischen den genannten Stellungen.
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Bevorzugt wird die Schwerkraft zur Befüllung des Tanks unterstützend genützt, sodass der Flüssigkeitsstrahl den Einfüllstutzen an der Einfüllöffnung bevorzugt in möglichst gerader Linie längs der Schwerkraftwirkungsrichtung verlässt. Daher sind Linear-Führungsmittel als Führungsmittel bevorzugt.
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Wenngleich gesonderte Führungsmittel vorgesehen sein können, um den Schwimmerkörper während seiner Verlagerungsbewegung zu führen, können in einer bevorzugten, weil nur eine niedrige Anzahl an Bauteilen benötigten Ausführungsform Führungsmittel oder ein Teil derselben vom Einfüllstutzen selbst gebildet sein. Alternativ
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kann der Einfüllstutzen wenigstens die Führungsmittel aufweisen. Ebenso kann der Schwimmerkörper einen Teil der Führungsmittel aufweisen oder bilden. Beispielsweise kann der Einfüllstutzen in einem die Einfüllöffnung aufweisenden Bereich, vorzugsweise Längsendbereich, rohrförmig ausgebildet sein. Ebenso kann der Schwimmerkörper einen rohrförmigen Abschnitt aufweisen. Einer der rohrförmigen Abschnitte von Schwimmerkörper und Einfüllstutzen kann dabei den rohrförmigen Abschnitt des jeweils anderen Bauteils teilweise oder vollständig umgeben und so zu einer Relativbewegung längs der dann gemeinsamen Rohrachse geführt sein. Weiterhin kann eine Verdrehsicherung zwischen Schwimmerkörper und Einfüllstutzen vorgesehen sein, um eine Relativverdrehung der beiden Bauteile, insbesondere um die gemeinsame Rohrachse, zu verhindern. Die Verdrehsicherung kann beispielsweise durch gleitenden Formschluss eines Vorsprungs an dem rohrförmigen Abschnitt des einen Bauteils aus Schwimmerkörper und Einfüllstutzen mit einer Ausnehmung am rohrförmigen Abschnitt des jeweils anderen Bauteils gebildet sein.
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Im Zweifelsfalle soll der hier diskutierte erfindungsgemäße Flüssigkeitstank in einer Bezugssituation betrachtet werden und in dieser Bezugssituation als beschrieben verstanden werden. Diese Bezugssituation ist jene eines auf horizontaler Stellfläche ruhenden, fertig montierten Flüssigkeitstanks. Dies schließt insbesondere die Situation eines fertig in ein Kraftfahrzeug montierten Flüssigkeitstanks ein, wenn das Kraftfahrzeug mit dem darin montierten Flüssigkeitstanks auf einer horizontalen Stellfläche abgestellt ist.
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Ebenso wie die Schwerkraft zur Befüllung des Flüssigkeitstanks unterstützend herangezogen werden kann, kann die Schwerkraft auch zur Unterstützung der Verlagerungsbewegung des Schwimmerkörpers von der Rückzugsstellung zur Einlassstellung hin herangezogen werden. Dies ist insbesondere dann einfach der Fall, wenn die Einlassstellung des Schwimmerkörpers von dessen Rückzugsstellung in Schwerkraftwirkungsrichtung entfernt gelegen ist. Somit verläuft bevorzugt die Verlagerungsbewegung in Schwerkraftwirkungsrichtung.
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Um zu verhindern, dass der Schwimmerkörper dann, wenn die im Flüssigkeitstank aufgenommene Flüssigkeit gefriert, in der Flüssigkeit einfriert, ist der Schwimmerkörper in der Rückzugsstellung bevorzugt mit Abstand von dem Flüssigkeitsspiegel über dem selben vorgesehen, wobei der Schwimmerkörper bereits dann nicht mehr den ruhenden Flüssigkeitsspiegel benetzt, wenn der Flüssigkeitstank zu nicht mehr als 90 % seiner bestimmungsgemäßen Füllhöhe gefüllt ist. Bevorzugt befindet sich der Schwimmerkörper sogar dann benetzungsfrei über dem Flüssigkeitsspiegel im Flüssigkeitstank, wenn dieser bis zu seiner bestimmungsgemäßen Füllhöhe mit Flüssigkeit gefüllt ist. Letzteres ist durch Abstimmung der erzielbaren Auftriebskraft, gegebenenfalls auch der Vorspannkraft, einerseits und der fluiddynamischen Verlagerungskraft andererseits möglich:
Wenn sich zwischen der Rückzugsstellung und der Einlassstellung eine verhältnismäßig lange Verlagerungsstrecke befindet und wenn die Verlagerungsbewegung im Wesentlichen in Schwerkraftwirkungsrichtung verläuft, gerät der von der in das Tankvolumen einströmenden Flüssigkeit zur Einlassstellung hin verlagerte Schwimmerkörper eine vorbestimmte Zeitspanne vor dem Erreichen der maximalen Füllhöhe im Tankvolumen in Kontakt mit der in das Tankvolumen eingefüllten Flüssigkeit und erfährt so eine Auftriebskraft, die den Schwimmerkörper, gegebenenfalls zusammen mit der Vorspannkraft, zurück in Richtung zur Rückzugsstellung hin bewegt. Durch diese Bewegung zurück in Richtung zur Rückzugsstellung wird der durchströmbare Querschnitt der Einfüllöffnung verringert, sodass sich im Einfüllstutzen eine zu dessen tankfernerer Einstecköffnung hin ansteigende Flüssigkeitssäule zu bilden beginnt. Dann, wenn die Flüssigkeitssäule einen in die Einstecköffnung eingesteckten Zapfhahn erreicht und diesen abschaltet, endet die fluiddynamische Wirkung der Flüssigkeit auf den Schwimmerkörper, sodass dieser von den Vorspannmitteln vollends zurück in die Rückzugsstellung bewegt werden kann. Durch die Wirkung der Vorspannmittel kann der Schwimmerkörper so von der bereits in das Tankvolumen eingefüllten Flüssigkeit abgehoben werden. Die sich noch in dem Einfüllstutzen befindende Flüssigkeit der Flüssigkeitssäule läuft allmählich durch die querschnittsmäßig verringerte Einfüllöffnung aus dem Einfüllstutzen in das Tankvolumen hinein ab, führt dort jedoch dort nicht zu einer nennenswerten Erhöhung des Flüssigkeitsspiegels bis hin zum Schwimmerkörper. Somit kann der Schwimmerkörper tatsächlich nur während eines Füllvorgangs zur Befüllung des Tankvolumens mit der im Tankvolumen aufgenommenen Flüssigkeit in Benetzungskontakt sein und nach Ende des Füllvorgangs mit der im Tankvolumen maximal aufgenommenen Flüssigkeitsmenge nicht mehr in Benetzungskontakt stehen. Ein Einfrieren der im Tankvolumen aufgenommenen Flüssigkeit hat somit keine Auswirkung auf die Funktionstüchtigkeit des Schwimmerkörpers.
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Um die Funktionstüchtigkeit des Schwimmerkörpers auch im Falle eines Einfrierens eines Teils oder der Gesamtheit der im Tankvolumen aufgenommenen Flüssigkeit möglichst sicherstellen zu können, kann vorgesehen sein, dass der Schwimmerkörper an seiner Außenfläche wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise vollständig eine flüssigkeitsabweisende Oberfläche aufweist. Entsprechendes kann für den Einfüllstutzen gelten, zumindest für einen dessen Einfüllöffnung umfassenden Längsendbereich. Auch dieser kann eine flüssigkeitsabweisenden Oberfläche aufweisen.
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Um einen übermäßigen Druckaufbau im Inneren des Tankvolumens bei dessen Befüllung zu vermeiden, kann der Flüssigkeitstank eine Entlüftungsleitung aufweisen, welche vom Tankvolumen wegführt. Durch diese Entlüftungsleitung kann von einströmender Flüssigkeit verdrängtes Gas aus dem Tankvolumen entweichen und so einen Druckanstieg verhindern. Bevorzugt verbindet die Entlüftungsleitung in an sich bekannter Weise das Tankvolumen mit dem Einfüllstutzen strömungsleitend.
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Im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen bekannten Flüssigkeitstanks zur Aufnahme von wässriger Harnstofflösung muss die Entlüftungsleitung des vorliegenden erfindungsgemäßen Flüssigkeitstanks nicht mehr bis in das Tankvolumen hineinreichen. Sie kann oberhalb der Einfüllöffnung enden. Sie kann sogar bündig mit der Tankwandung, insbesondere mit einer bei Betrachtung des Flüssigkeitstanks in der oben beschriebenen Bezugssituation oberen Tankwandung, enden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiter einen Flüssigkeitstank mit den oben genannten Vorspannmitteln zur Vorspannung des Schwimmerkörpers in die Rückzugsstellung, wie er oben beschrieben und weitergebildet ist, mit einer Betankungsvorrichtung, die zur Abgabe der Flüssigkeit, zu deren Aufnahme der Flüssigkeitstank ausgebildet ist, mit einer vorbestimmten Massen- oder/und Volumenrate pro Zeiteinheit ausgebildet ist. Diese Massen- oder/und Volumenrate pro Zeiteinheit ist oben als "Füllrate" bezeichnet. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem wie oben beschrieben und weitergebildeten Flüssigkeitstank.
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Erfindungsgemäß ist bei diesem Flüssigkeitstank die den Schwimmerkörper in die Rückzugsstellung vorspannende Vorspannkraft kleiner als die durch die von der mit der vorbestimmten Massen- oder/und Volumenrate in Richtung zum Tankvolumen hin strömenden Flüssigkeit bewirkbare Verlagerungskraft eingestellt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
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1 eine grobschematische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines leeren Flüssigkeitstanks der vorliegenden Erfindung,
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2 der Flüssigkeitstank von 1 während einer Befüllung mit Flüssigkeit,
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3 der Flüssigkeitstank der 1 und 2 gegen Ende des Füllvorgangs und
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4 der Flüssigkeitstank der 1 bis 3 nach dem Ende des Füllvorgangs.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Flüssigkeitstanks der vorliegenden Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet. Der Flüssigkeitstank 10 weist einen Tankkörper 12 auf, welcher aus einer Tank-Oberschale 14 und einer Tank-Unterschale 16 gebildet sein kann. Diese umschließen gemeinsam ein Tankvolumen 18, das von der Wandung 20 des Tankkörpers 12 begrenzt ist.
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Ein Einfüllstutzen 22 durchsetzt – vorzugsweise in Schwerkraftwirkungsrichtung verlaufend – die Tankwandung 20, um eine Befüllung des Tankvolumens 18 mit Flüssigkeit zu ermöglichen. Eine Entlüftungsleitung 24 gestattet Gas, welches im Tankvolumen 18 während eines Füllvorgangs durch eintretende Flüssigkeit verdrängt wird, durch den Einfüllstutzen 22, mit dem die Entlüftungsleitung 24 fluidmechanisch kommuniziert, zu entweichen.
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Eine Entnahmeöffnung zur bestimmungsgemäßen Entnahme von Flüssigkeit aus dem Tank 10 ist in den 1 bis 4 nicht dargestellt, sie kann beispielsweise vor der Zeichenebene der 1 bis 4 liegen.
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An dem im Tankvolumen 18 gelegenen Längsendbereich 26 des Einfüllstutzens 22 ist eine Einfüllöffnung 28 ausgebildet, beispielsweise als Langloch, welche in dem in 1 gezeigten Zustand nur einen geringen von Flüssigkeit im Einfüllstutzen 22 durchströmbaren Querschnitt aufweist.
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An dem Längsendbereich 26 des Einfüllstutzens 22 ist ein Schwimmerkörper 30 in Längsrichtung des Einfüllstutzens 22 vorgesehen. Der Einfüllstutzen 22 ist zumindest in dem in den 1 bis 4 dargestellten Bereich als Rohr ausgebildet, welches sich längs einer Rohrachse R erstreckt. Wie oben bereits ausgesagt ist, verläuft die Rohrachse R bevorzugt in Richtung der Schwerkraftwirkung. Im Inneren des rohrförmigen Einfüllstutzens 22 verläuft eine Einfüllleitung 32, durch welche Flüssigkeit von außen in das Tankvolumen 18 geleitet werden kann. Die als Langloch ausgebildete Einfüllöffnung 28 verläuft mit ihrer Längsrichtung bevorzugt ebenfalls parallel zur Rohrachse R, um durch Verlagerung des Schwimmerkörpers 30 eine möglichst große Änderung ihres durchströmbaren Querschnitts bewirken zu können.
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Der Schwimmerkörper 30, welcher also längs der Rohrachse R am Längsendbereich 26 des Einfüllstutzens 22 verlagerbar vorgesehen ist, befindet sich in 1 in seiner Rückzugsstellung, in die er durch lediglich schematisch angedeutete vorspannmittel 34 vorgespannt ist. Die Vorspannmittel 34 können magnetische Vorspannmittel umfassen, die den Schwimmerkörper 30 in die Rückzugsstellung magnetisch vorspannen. Die Vorspannmittel 34 können alternativ oder zusätzlich mechanische Federmittel sein, die beispielsweise einenends mit der Tank-Oberschale 14 und andernends mit dem Schwimmerkörper 30 verbundene Zugfedern sein können. In der Rückzugsstellung verdeckt der Schwimmerkörper 30 einen wesentlichen Teil der Einfüllöffnung 28, sodass deren durchströmbarer Querschnitt dann am kleinsten ist, wenn sich der Schwimmerkörper in der Rückzugsstellung befindet.
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Nachfolgend werden die Vorspannmittel 34 lediglich beispielhaft als mechanische Federmittel 34 beschrieben.
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Der Längsendbereich 26 des Einfüllstutzens 22 kann als Bewegungsführung der Verlagerungsbewegung des Schwimmerkörpers 30 relativ zum Einfüllstutzen 22 dienen. Der Schwimmerkörper 30 kann hierzu beispielsweise einen Führungsabschnitt 36 aufweisen, der den Längsendbereich 26 des Einfüllstutzens 22 umgibt. Beispielsweise kann der Führungsabschnitt 36 hülsenartig ausgebildet sein.
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Die in 1 gezeigte Rückzugsstellung als Relativstellung des Schwimmerkörpers 30 relativ zum Einfüllstutzen 22 ist bevorzugt durch einen Anschlag mechanisch definiert, sodass die Rückzugsstellung im bevorzugten Ausführungsbeispiel eine relative Endstellung des Schwimmerkörpers 30 relativ zum Einfüllstutzen 22 ist.
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Wie man besser in den 2 und 4 erkennt, kann der mechanische Anschlag des Schwimmerkörpers 30 am Einfüllstutzen 22 in einfacher Art und Weise durch einen Anlageeingriff einer Anschlagfläche 38 des Schwimmerkörpers 30 mit einer in Richtung der Rohrachse R weisenden Endfläche 40 des Einfüllstutzens 22 gebildet sein.
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Der in 1 abgebildete Flüssigkeitstank 10 ist leer.
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Der Zustand des Flüssigkeitstanks 10 nach Beginn eines Füllvorgangs ist in 2 dargestellt. Hierzu wurde ein Zapfhahn 42 oder ein vergleichbares Ausgabe-Bauteil zur Ausgabe von Flüssigkeit 44 in das tankfernere Einsteckende 46 des Einfüllstutzens 22 eingeführt. Nach Betätigung des Zapfhahns 42 gibt dieser Flüssigkeit 44 mit einer vorbestimmten Rate ab, im Beispiel von wässriger Harnstofflösung für Systeme zur selektiven katalytischen Reduktion in Kraftfahrzeugen als der Flüssigkeit 44 mit einer Füllrate von 40 l/min.
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Die vom Zapfhahn 42 abgegebene Flüssigkeit 44 stürzt entlang der Einfüllleitung 32 zum Schwimmerkörper 30 und zur Einfüllöffnung 28 hin. Die strömende Flüssigkeit 44 trifft auf eine Prallfläche 48 des Schwimmerkörpers 30, welche bevorzugt dauerhaft der Einfüllleitung 32 zugewandt ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Prallfläche 48 von der Anschlagfläche 38 des Schwimmerkörpers radial außen umgeben.
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Durch den fluiddynamischen Staudruck den die mit der oben genannten Füllrate abgegebene Flüssigkeit 44 auf die Prallfläche 48 des Schwimmerkörpers 30 ausübt, wird der Schwimmerkörper 30 gegen die von den Federmitteln 34 bewirkte Rückstellkraft aus der in 1 gezeigten Rückzugsstellung in die in 2 gezeigte Einlassstellung verlagert. Durch diese Verlagerung verringert sich der vom Schwimmerkörper 30 bzw. genauer von dessen Führungsabschnitt 36 verdeckte Teil der Einfüllöffnung 28, sodass deren durchströmbarer Querschnitt nun, da sich der Schwimmerkörper 30 in der Einlassstellung befindet, gegenüber jenem durchströmbaren Querschnitt größer ist, der besteht, wenn sich der Schwimmerkörper 30 in seiner Rückzugsstellung befindet. Vorzugsweise stellt sich dann, wenn sich der Schwimmerkörper 30 in der Einlassstellung befindet, an beiden Längsenden des Einfüllstutzens 22 ein dynamisches Gleichgewicht der durch den Einfüllstutzen 22 strömenden Flüssigkeit 44 ein, sodass bei in die Einlassstellung verlagertem Schwimmerkörper 30 pro Zeiteinheit die gleiche Menge Flüssigkeit 44 durch die Einfüllöffnung 28 aus dem Einfüllstutzen 22 in das Tankvolumen 18 hinein eintreten kann, wie durch den Zapfhahn 42 in den Einfüllstutzen 22 hinein abgegeben wird. Dies ermöglicht eine rasche Befüllung des Tankvolumens 18 mit der Flüssigkeit 44.
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Von der eingefüllten Flüssigkeit 44 verdrängtes Gas kann durch die Entlüftungsleitung 24 entweichen.
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In 3 ist ein zeitlich dem Ende des Füllvorgangs naher Zustand dargestellt. Der Flüssigkeitsspiegel 50 ist gegenüber dem Zustand von 2 weiter angestiegen und hat nicht nur den Schwimmerkörper 30 erreicht, sondern hat mit weiterem Anstieg den auf dem Flüssigkeitsspiegel 50 auftreibenden Schwimmerkörper 30 unter Unterstützung der rückstellenden Wirkung der Federmittel 34 aus der Einlassstellung von 2 ein Stück weit zurück in Richtung der Rückzugsstellung von 1 verlagert.
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Hierdurch hat sich der Grad an Überdeckung der Einfüllöffnung 28 durch den Schwimmerkörper 30, genauer durch dessen Führungsabschnitt 36, wieder erhöht, sodass der von Flüssigkeit 44 durchströmbare Querschnitt der Einfüllöffnung 28 gegenüber dem Zustand von 2 abgenommen hat. Bei unveränderter vom Zapfhahn 42 ausgegebene Füllrate ist somit das zuvor bestehende dynamische Gleichgewicht gestört und es kann pro Zeiteinheit nur noch weniger Flüssigkeitsmenge durch die Einfüllöffnung 28 mit verringertem durchströmbaren Querschnitt zum Tankvolumen 18 hin austreten als in der gleichen Zeiteinheit durch den Zapfhahn 42 in den Einfüllstutzen 22 eingefüllt wird. In der Folge steigt im Einfüllstutzen 22, also in der Einfüllleitung 32, eine Flüssigkeitssäule 52 so lange an, bis diese den Zapfhahn 42 erreicht und dessen Abschaltautomatik auslöst. Dieser Zustand ist in 3 gezeigt.
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Mit dem Abschalten des Zapfhahns 42 entfällt die fluiddynamische Wirkung der durch den Einfüllstutzen 22 hindurchströmenden Flüssigkeit 44, sodass den Federmitteln 34 und ihrer Rückstellkraft nur noch der statische Druck der Flüssigkeitssäule 52 entgegenwirkt, nicht mehr jedoch die fluiddynamische Wirkung der strömenden Flüssigkeit. Die Folge ist, dass die Rückstellkraft der Federmittel 34 überwiegt und der Schwimmerkörper 30 zurück in die Rückzugsstellung gezogen wird. Durch die restliche Einfüllöffnung 28, die auch dann verbleibt, wenn sich der Schwimmerkörper 30 in der Rückzugsstellung befindet, kann die Flüssigkeitssäule 52 weitestgehend in das Tankvolumen 18 entweichen. Zur Vermeidung einer verbleibenden Flüssigkeitssäule etwa im Bereich des Führungsabschnitts 36 des Schwimmerkörpers 30 kann der Schwimmerkörper 30, etwa in der Prallfläche 48, eine Durchgangsöffnung aufweisen, durch die Flüssigkeit 44 langsam, aber vollständig, aus dem Einfüllstutzen 22 in das Tankvolumen 18 entweichen kann. Die Durchgangsöffnung hat verglichen mit der Rest-Einfüllöffnung 28 bei Anordnung des Schwimmerkörpers 30 in der Rückzugsstellung einen deutlich kleineren durchströmbaren Querschnitt, sodass die Wirkung der Prallfläche 48 durch die Durchgangsöffnung, die in den 1 bis 4 im Übrigen nicht dargestellt ist, nicht verloren geht bzw. nicht beeinträchtigt ist.
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In 4 ist der Zustand des erfindungsgemäßen Flüssigkeitstanks 10 nach Abschluss des Füllvorgangs gezeigt. Die Flüssigkeitssäule 52, die die Abschaltautomatik ausgelöst hat, ist zwischenzeitlich in das Tankvolumen 18 abgeflossen.
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Unter der Wirkung der Federmittel 34 wurde der Schwimmerkörper 30 vollends in die Rückzugsstellung zurück bewegt und dabei vom Flüssigkeitsspiegel 50 vorzugsweise abgehoben, sodass der Schwimmerkörper 30 nach Abschluss eines Füllvorgangs des Tanks 10 und bei unbewegtem Tank 10 keinerlei Kontakt mit der im Tankvolumen 18 aufgenommenen Flüssigkeit 44 mehr aufweist. Somit kann der Schwimmerkörper 30 im Falle eines Einfrierens von Flüssigkeit 44 im Tank 10 nicht festfrieren.
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Zur Unterstützung des lediglich vorübergehenden Charakters der Benetzung des Schwimmerkörpers 30 durch Flüssigkeit 44 ist der Schwimmerkörper 30 vorzugsweise mit einer flüssigkeitsabweisenden Oberfläche versehen. Entsprechendes kann auch für den Einfüllstutzen 22, zumindest für dessen Längsendbereich 26 im Inneren des Tanks 10 gelten.
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Während des Füllvorgangs ist die Entlüftungsleitung 24 die gesamte Zeit betriebsbereit, sodass ein bei Flüssigkeitstanks des Standes der Technik bisweilen am Ende eines Füllvorgangs zu beobachtendes spritzendes Austreten von Flüssigkeit 44 aus dem Einsteckende 46 des Einfüllstutzens 22 beim erfindungsgemäßen Flüssigkeitstank 10 in der Regel nicht vorkommt.
