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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abwärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Abwärmerückgewinnungssysteme zur thermischen Energierückgewinnung aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der
DE 2014 10 018 987 A1 .
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Das bekannte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. In dem Kreislauf ist weiterhin ein Membranausdehnungsgefäß bzw. ein Ausgleichsbehälter zur Volumenkompensation des Arbeitsmediums angeordnet. In dem Ausgleichsbehälter ist ein Fluidraum zur Aufnahme des Arbeitsmediums ausgebildet.
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Dadurch kann das Gesamtvolumen des Arbeitsmediums innerhalb des Kreislaufs unterschiedlichen Temperaturniveaus angepasst werden. Die Volumenänderung ist durch die Verwendung einer Membran jedoch minimiert. Weiterhin unterliegt die Membran hohen mechanischen Beanspruchungen, insbesondere an den Belastungen der Kanten.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem verwendet demgegenüber einen Faltenbalg, so dass große Volumenänderungen des Fluidraums realisiert werden können. Weiterhin werden dadurch die Beanspruchungen des Ausgleichsbehälters reduziert.
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Das Abwärmerückgewinnungssystem weist dazu einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. In dem Kreislauf ist weiterhin ein Ausgleichsbehälter zur Volumenkompensation des Arbeitsmediums angeordnet. In dem Ausgleichsbehälter ist ein Fluidraum zur Aufnahme des Arbeitsmediums ausgebildet. Der Fluidraum ist durch einen Faltenbalg begrenzt. Durch den Grad der Faltung des Faltenbalgs ist das Volumen des Fluidraums veränderbar.
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Durch die Verwendung des Faltenbalgs ist das Volumen des Fluidraums theoretisch nahezu beliebig veränderbar. Auch werden so die festigkeitskritischen hohen Beanspruchungen an einer Membran, insbesondere an Berührungskanten, vermieden.
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Weiterhin kann der Ausgleichsbehälter so mit einer hoch korrosionsbeständigen Medientrennung versehen werden. Es muss nicht auf schwere und teure Edelstahlmaterialien zurückgegriffen werden. Der Ausgleichsbehälter selbst ist vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff gestaltet, so dass er eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht und hoher Medienbeständigkeit aufweist.
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Durch die Verwendung des Faltenbalgs kann der Ausgleichsbehälter auch permeationsdicht gestaltet sein. Die notwendige Permeationsdichtheit wird über besondere Verarbeitungsschritte bei der Formung des Faltenbalgs erreicht. Die Falten erzeugen bei Verformung durch die Elastizität des Werkstoffs eine gewisse Federwirkung. Über eine geeignete Wahl des Neutralzustands des Faltenbalgs bzw. seiner Ruheposition – je nach Fertigungszustand, beispielsweise mit anliegenden Falten – kann bei Verformung des Faltenbalgs sowohl eine Druck- als auch eine Zugkraft erzeugt werden. Diese wirkt auf das enthaltene Arbeitsmedium bzw. Fluid und kann zur Unterstützung des Befüll- oder Entleervorgangs entsprechend eingestellt werden.
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Durch den Faltenbalg wird eine Medientrennung zur Umgebung bzw. zu einem Ausgleichsraum realisiert. Da der Faltenbalg beweglich bzw. verformbar ist, ist der Ausgleichsbehälter in der Lage, ein variables aber dennoch vollständig umschlossenes Volumen des Arbeitsmediums aufzunehmen.
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Volumenänderungen des Arbeitsmediums in dem Kreislauf – beispielsweise durch Änderung des Dampfanteils – können dadurch ausgeglichen werden.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Faltenbalg aus PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgeführt. Dieser Werkstoff ist gegen sehr viele Medien, insbesondere Arbeitsmedien von Abwärmerückgewinnungssystemen, beispielsweise Kältemittel, über einen weiten Temperaturbereich ausgezeichnet beständig.
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In vorteilhaften Ausführungen trennt der Faltenbalg den Fluidraum gegenüber einem Ausgleichsraum. Das Gesamtvolumen aus Fluidraum und Ausgleichsraum bleibt unabhängig von der Faltung des Faltenbalgs konstant. Dadurch besteht die Möglichkeit ein gegenüber der Atmosphäre unterschiedliches Druckniveau in dem Ausgleichsraum aufzubauen und somit die Lage bzw. Position des Faltenbalgs optimal festzulegen. Weiterhin kann dadurch eine komplette Abdichtung des Ausgleichsbehälters gegen die Umgebung besser gewährleistet werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist der Faltenbalg diffusionsminimiert. Dadurch kann auf eine teure permeationsdichte Ausführung verzichtet werden. Dies ist speziell im Zusammenhang mit dem Ausgleichsraum eine gute Alternative, da so dennoch kein Arbeitsmedium an die Umgebung abgegeben wird.
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In vorteilhaften Ausführungen weist eine den Fluidraum begrenzende Innenwand des Ausgleichsbehälters eine arbeitsmediumbeständige Beschichtung auf. Dadurch kann der Ausgleichsbehälter aus einem nahezu beliebigen Material gefertigt sein, die Beständigkeit gegenüber dem Arbeitsmedium wird durch die Beschichtung erreicht. Dies kann beispielsweise durch eine herkömmliche Beschichtung erfolgen, aber auch durch eine Auskleidung der Innenwand, beispielsweise durch Aufkleben einer Folie. Vorzugsweise ist die Beschichtung permeationsdicht.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Ausgleichsbehälter ein Ventil auf. Der Ausgleichsraum ist dabei durch das Ventil be- und entlüftbar. Dadurch kann der Ausgleichsbehälter seinen Innendruck, speziell den Druck des Ausgleichsraums, an den Umgebungsdruck anpassen, ohne dass gewisse Mengen an Arbeitsmedium in die Umgebung austreten. Durch den Einsatz des Ventils sind jedoch nahezu beliebige Drücke in dem Ausgleichsraum einstellbar. Hohe Drücke im Ausgleichsraum können beispielsweise dazu verwendet werden die Medientrennung zwischen Fluidraum und Ausgleichsraum optimal permeationsdicht zu gestalten, insbesondere wenn der Ausgleichsraum einen höheren Druck aufweist als der Fluidraum.
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In vorteilhaften Ausführungen ist in dem Ausgleichsraum ein Kondensatraum zur Aufnahme von Kondensat ausgebildet. Das Kondensat bildet sich üblicherweise aus der Luftfeuchtigkeit der Luft des Ausgleichsraums. Es können jedoch auch Kleinstmengen von Arbeitsmedium sein, welche sich in dem Kondensatraum sammeln, insbesondere wenn der Faltenbalg nicht permeationsdicht sondern diffusionsminimiert ist. Beispielsweise kann der Kondensatraum als Vertiefung in dem Ausgleichsbehälter gestaltet sein, so dass sich das Kondensat aufgrund der Gravitationskraft in dieser Vertiefung ansammelt.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist an dem Faltenbalg ein Endstück angeordnet. Das Endstück kann dabei die Stirnseite des Faltenbalgs bilden, welche den Fluidraum vom Ausgleichsraum trennt, oder es kann auf diese Stirnseite aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt sein. Durch das Gewicht des Endstücks kann eine Ruheposition des Faltenbalgs eingestellt sein, also beispielsweise die Position, in welcher im Fluidraum und im Ausgleichsraum gleicher Druck herrscht.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist in dem Ausgleichsbehälter ein Sensorelement zur Bestimmung der Position des Faltenbalgs angeordnet. Die Geometrie des Ausgleichsbehälters und der beweglichen Medientrennung bzw. des Faltenbalgs sind so ausgeführt, dass die Verschiebung des Faltenbalgs über das Sensorelement erfasst wird und daraus das aktuelle Volumen von Fluidraum und/oder Ausgleichsraum bestimmt werden kann und somit auch ein genereller Füllstand des Kreislaufs. Die Anordnung des Sensorelements ist dabei sowohl auf der Fluidseite, also im Bereich des Fluidraums, als auch auf der Luftseite, also im Bereich des Ausgleichsraums, möglich. Der Faltenbalg bzw. das Endstück übernimmt dadurch auch eine Sensorfunktion.
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In besonders vorteilhaften Ausführungen weist das Sensorelement einen Ultraschallsensor oder einen Schleifdraht auf. Dies sind besonders genaue, aber auch robuste und vergleichsweise günstige Sensorelemente.
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In bevorzugten Ausführungen ist der Ausgleichsbehälter zwischen dem Kondensator und der Speisefluidpumpe angeordnet. Damit ist der Ausgleichsbehälter auf der Niederdruckseite des Abwärmerückgewinnungssystems, also stromaufwärts der Speisefluidpumpe angeordnet. Dementsprechend sind die Festigkeitsanforderungen an den Ausgleichsbehälter geringer. Dadurch können beispielsweise Materialkosten und Wandstärken eingespart werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Fluidraum dabei die Funktion eines Sammelbehälters des Abwärmerückgewinnungssystems auf. Ein zusätzlicher weiterer Sammelbehälter ist daher nicht notwendig. Somit kann der Ausgleichsbehälter sogar bauraumneutral in dem Abwärmerückgewinnungssystem eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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2 schematisch einen Ausgleichsbehälter eines Abwärmerückgewinnungssystems im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Der Brennkraftmaschine 110 wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr 112 zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung 111 aus der Brennkraftmaschine 110 abgeführt.
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Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter 101 und eine Ventileinheit 101a in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein, oder sogar entfallen, falls ein hermetisch dichtes Abwärmerückgewinnungssystem 100 vorliegt.
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Der Verdampfer 103 ist an die Abgasleitung 111 der Brennkraftmaschine 110 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110. Erfindungsgemäß ist ein medienbeständiger und permeationsdichter Ausgleichsbehälter 90 in dem Kreislauf 100a angeordnet bzw. an den Kreislauf 100a angeschlossen, im Ausführungsbeispiel der 1 zwischen der Speisefluidpumpe 102 und dem Verdampfer 103.
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Die Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems 100 ist wie folgt:
Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe 102, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter 101, in den Verdampfer 103 gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter 101 zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe 102 zugeführt.
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Die Volumenverhältnisse der flüssigen und der gasförmigen Phase des Arbeitsmediums hängen unter anderem vom aktuellen Wärmeangebot in der Abgasleitung 111 und damit vom Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine 110 ab, der sich je nach Fahrprofil sehr dynamisch ändern kann. Eine erhöhte Wärmezufuhr führt bei Abwärmerückgewinnungssystemen 100 mit konstantem Konstruktionsvolumen zu einer Druckerhöhung des Arbeitsmediums. Bei sogenannten druckausgeglichenen Systemen wird dabei die Volumenzunahme des Arbeitsmediums durch den Ausgleichsbehälter 90 kompensiert. Der Ausgleichsbehälter 90 nimmt Arbeitsmedium in seiner flüssigen Phase auf und verhindert dadurch einen Druckanstieg im System. Beim Absinken der Wärmezufuhr fließt dem System wieder Arbeitsmedium zu und ein Absinken des Systemdrucks unter Umgebungsdruck wird so verhindert.
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Der Ausgleichsbehälter 90 kann bei entsprechender Größe die Funktion des Sammelbehälters 101 mit übernehmen. In diesem Fall wird der Ausgleichsbehälter 90 an der Anschlussstelle der Ventileinheit 101a montiert, in unterschiedlichen Ausführungen mit oder ohne Ventileinheit 101a. Unabhängig davon kann der Ausgleichsbehälter 90 auch in weiteren alternativen Ausführungen auf der Niederdruckseite des Abwärmerückgewinnungssystems 100, also stromaufwärts der Speisefluidpumpe 102, angeordnet sein.
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Für einen möglichst wartungsarmen Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems 100 über typische Service-Intervalle von mobilen Anwendungen – bei Nutzfahrzeugen beispielsweise 1 Jahr – darf dem Abwärmerückgewinnungssystem 100 über den Ausgleichsbehälter 90 kein Arbeitsmedium oder nur eine unwesentliche Menge an Arbeitsmedium verloren gehen.
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2 zeigt einen vorteilhaften Ausgleichsbehälter 90 in einer Schnittdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Ausgleichsbehälter 90 weist einen zylindrischen Behältertopf 1 und einen dazu passend geformten Deckel 2 auf. Vorzugsweise sind dabei der Behältertopf 1 und der Deckel 2 aus einem geeigneten Kunststoff ausgeführt, beispielsweise aus PTFE. Zwischen dem Behältertopf 1 und dem Deckel 2 ist ein zylindrischer Faltenbalg 3 verspannt. In dem Deckel 2 ist ein Fluidanschluss 10 ausgebildet, über welchen der Ausgleichsbehälter 90 an den Kreislauf 100a angeschlossen werden kann. Üblicherweise wird der Ausgleichsbehälter 90 in einem Bereich an den Kreislauf 100a angeschlossen, in welchem das Arbeitsmedium in flüssiger Phase vorliegt. Zwischen dem Deckel 2 und dem Faltenbalg 3 ist ein Fluidraum 4 ausgebildet, in welchen der Fluidanschluss 10 mündet. Weiterhin ist zwischen dem Faltenbalg 3 und dem Behältertopf 1 ein Ausgleichsraum 5 ausgebildet, welcher durch den Faltenbalg 3 gegenüber dem Fluidraum 4 abgedichtet ist, vorzugsweise permeationsdicht abgedichtet.
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An dem kreisförmigen Ende des Faltenbalgs 3 ist vorteilhafterweise ein Endstück 6 angeordnet, beispielsweise in Form eines Rings oder einer Scheibe. Das Endstück 6 begrenzt an einer ersten Fläche 6.1 den Fluidraum 4 und an einer gegenüberliegenden zweiten Fläche 6.2 den Ausgleichsraum 5; die beiden Flächen 6.1, 6.2 sind somit mit den entsprechenden Drücken von Fluidraum 4 bzw. Ausgleichsraum 5 belastet. Die Druckverhältnisse führen dazu, dass sich der Faltenbalg 3 in Richtung des Ausgleichsraums 5 ausdehnt, oder in Richtung des Fluidraums 4 zusammenzieht. Das Gesamtvolumen als Summe aus den Volumina von Fluidraum 4 und Ausgleichsraum 5 bleibt dabei immer konstant.
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Das Gewicht des Endstücks 6 wird zur optimalen Ausgleichsfunktion des Ausgleichsbehälters 90 variiert. Dabei ist jedoch eine Ausrichtung des Ausgleichsbehälters 90 bezüglich der Gravitationskraft erforderlich. Vorzugsweise erfolgt die Ausrichtung so, dass die Gravitationskraft senkrecht zu den beiden Flächen 6.1, 6.2 wirkt, wobei der Fluidraum 4 oben und der Ausgleichsraum 5 unten angeordnet sind. Das kreisförmige Endstück 6 behält durch eine entsprechend Steifigkeit auch seine plane Form bei, was die Bestimmung der Ausdehnung bzw. die Bestimmung der Lage des Faltenbalgs 3 erleichtert und dadurch die Genauigkeit der Füllstandsbestimmung des Ausgleichsbehälters 90 bzw. der beiden Volumina von Fluidraum 4 und Ausgleichsraum 5 erhöht.
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In dem Behältertopf 1 ist ein Ausgleichsanschluss 11 ausgebildet, welcher in den Ausgleichsraum 5 mündet. In dem Ausgleichsanschluss 11 wiederum ist ein Ventil 12 angeordnet, welches den Ausgleichsraum 5 verschließt oder freigibt. Der Ausgleichsraum 5 kann so über den Ausgleichsanschluss 11 und das Ventil 12 be- und entlüftet werden, oder auch mit einem eigenen Druckniveau beaufschlagt werden. Eine Druckregelung des Ausgleichsraums 5 ist somit möglich.
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In dem Ausgleichsraum 5 ist ein Kondensatraum 13 als Teilvolumen ausgebildet. Vorzugsweise ist der Kondensatraum 13 bezüglich der Gravitationskraft am niedrigsten Punkt des Ausgleichsvolumens 5 ausgebildet. Der Kondensatraum 13 dient dazu sowohl Wasser aus der Belüftung des Ausgleichsraums 5 als auch Flüssigkeit aus Kleinstmengen des Arbeitsmediums zu sammeln. In der Ausführung der 2 ist der Kondensatraum 13 als Vertiefung in dem Behältertopf 1 gestaltet.
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In Weiterbildungen der Erfindung ist der Deckel 2, und unter Umständen auch der Behältertopf 1, mit einer entsprechenden Auskleidung bzw. Beschichtung versehen, so dass der Deckel 2 – bzw. der Behältertopf 1 – vor korrosiven Angriffen durch das Arbeitsmedium geschützt ist. Die Auskleidung für den Deckel 2 ist auf einer Innenwand bzw. Deckelwand 2a angeordnet bzw. als Beschichtung aufgebracht, wobei die Deckelwand 2a die den Fluidraum 4 begrenzende Fläche des Deckels 2 ist. Eine entsprechende Auskleidung des Behältertopfs 1 kann analog dazu auf der Innenwand 1a des Behältertopfs angeordnet sein. Die Beschichtung kann dabei beispielsweise aufgespritzt oder aber auch als Folie aufgeklebt sein.
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Je nach durch den Fluidanschluss 10 zugeflossenem Volumen des Arbeitsmediums verändert sich die Länge des zylindrischen Faltenbalgs 3 und mit ihr die Position des Endstücks 6. Die Position des Endstücks 6 wird in weiterbildenden Ausführungen über geeignete Sensoren erfasst.
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Beispielhaft sind dazu mehrere Sensoren an dem Ausgleichsbehälter 90 angeordnet, welche einzeln aber auch in beliebiger Kombination verwendet werden können:
- – Ein Ultraschallsensor 7 ist an dem Deckel 2 angeordnet und sendet und empfängt ein Signal, welches an dem Endstück 6 reflektiert wird.
- – Ein weiterer Ultraschallsensor 8 ist an dem Behältertopf 1 angeordnet und sendet und empfängt ein Signal, welches an dem Endstück 6 reflektiert wird.
- – Ein Schleifdraht 9 ist an dem Behältertopf 1 angeordnet und wirkt mit dem Faltenbalg 3 derart zusammen, dass ein elektrischer Widerstand verändert wird.
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Es sind auch weitere Sensoren möglich, die beispielsweise auf den Prinzipien der Triangulation oder der Lasertechnik beruhen. Hierbei wird je nach Sensorsystem von der Seite des Fluidraums 4 oder von der Seite des Ausgleichsraums 5 aus gemessen. Die Position des Faltenbalgs 3 bzw. des Endstücks 6 wird dann beispielsweise von einem nicht dargestellten Steuergerät in ein Volumen des Fluidraums 4 und/oder in ein Volumen des Ausgleichsraums 5 umgerechnet.
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Ideal diffusionsdichte Werkstoffe für den Faltenbalg 3 sind nur in metallischer Ausführung darstellbar, was zu großen Kostennachteilen führt. Die vorliegende Erfindung verwendet daher vorzugsweise einen diffusionsminimierten Werkstoff auf PTFE-Basis oder ein anderes geeignetes Elastomer oder Plastomer. Der Faltenbalg 3 wird bei seiner Längenänderung vorteilhafterweise über die Außenspitzen und oder die Innenspitzen der Faltung präzise geführt. Durch zusätzliche Versteifungskomponenten im Faltenbalg 3 kann dessen Druckfestigkeit bei Bedarf erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 201410018987 A1 [0002]
