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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verminderung des Säuregehalts in einem Kühlmittelgemisch nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Die Kühlung beispielsweise von Verbrennungsmotoren aber auch von Batterien und/oder Brennstoffzellensystemen durch flüssige Kühlmittel ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise kommt als Kühlmittel dabei ein Gemisch mit einem Kühlerfrostschutzmittel zum Einsatz. Aufgrund der Alterung kommt es darin in an sich bekannter Art und Weise zu der Ausbildung von sauren Alterungsprodukten durch die Oxidation des im Kühlmittel als Frostschutz enthaltenen Ethylenglykols beziehungsweise der enthaltenen Inhibitoren. Die so entstehenden Säuren können Korrosion verursachen. Gleichzeitig ist es so, dass die Säurebildung auch die Leitfähigkeit des Kühlmittels erhöht, was bei der Kühlung von elektrochemischen Systemen wie Batterien und Brennstoffzellen höchst unerwünscht ist, da es die Gefahr eines Fremdstroms oder gar eines Kurzschlusses durch das Kühlmittel begünstigt. Zur Vermeidung von Schäden ist daher ein rechtzeitiger Austausch des Kühlmittels der derzeitige Stand der Technik. Daher wird durch bestehende Wartungsvorschriften ein recht häufiger Austausch des Kühlmittels im Kühlkreislauf verlangt.
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Zur Vermeidung von Ionen im Kühlmittel eines Brennstoffzellensystems beschreibt die
DE 603 12 795 T3 die Zugabe von Polymeren in das Kühlmittel. Die entsprechenden Polymere weisen Säuregruppen auf und können dazu verwendet werden entsprechende Kationen aus dem Kühlmittel zu absorbieren und andere Polymere mit entsprechenden basischen Gruppen können dazu verwendet werden Anionen zu absorbieren. Diese polymeren lonenunterdrückungsmittel liegen dabei fein verteilt in dem Kühlmittel vor, wobei die Teilchengröße unter 100 µm liegt.
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Beim Austausch des Kühlmediums müssen diese Teile jeweils mitausgetauscht werden. Insbesondere bei den derzeitigen Diskussionen über Mikroplastikpartikel stellt dies einen gravierenden Nachteil dar und ist dem Verbraucher schwer vermittelbar, da die entsprechenden Partikel aufwändig aus dem Kühlmittel wieder herausgefiltert werden müssen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zu schaffen, welche saure Bestandteile aus dem Kühlmittel bindet oder unschädlich macht, ohne das dem Kühlmittel Stoffe zugesetzt werden müssen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verminderung des Säuregehalts nutzt ein polymeres Bauteil. Dieses ist in dem Kühlkreislauf als wenigstens ein vorzugsweise tauschbarer Einsatz angeordnet und besteht aus einem säureempfindlichen Polymer. Ein solches säureempfindliches Polymer, welches bevorzugt auf der Basis von Polyamiden ausgebildet sein kann, ermöglicht die Aufnahme der im Kühlmittel enthaltenen Protonen und durch eine Reaktion mit der Polymermatrix beziehungsweise den darin enthaltenen Säurestabilisatoren eine feste Bindung. Die Säure wird damit dem Gemisch mit dem Kühlerfrostschutzmittel dauerhaft entzogen. Ein einfacher Wechsel des Einsatzes oder des ihn aufweisenden Bauteils in regelmäßigen Abständen reicht dann aus, um eine Übersäuerung des Kühlmittels zu verhindern oder zumindest auf längere Standzeiten hinauszuzögern, sodass ein Austausch des Kühlmittels nicht mehr oder nur noch relativ selten notwendig ist. Anders als beim Stand der Technik ist keinerlei Zugabe von Stoffen in das Kühlmittel notwendig, sodass auch keinerlei Nachteile hinsichtlich der Umweltbelastung, dem Ausfällen von Stoffen, der Erhöhung der Leitfähigkeit, wie es beispielsweise beim Zusatz von Lauge der Fall wäre, auftreten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht so einen sehr langfristigen Einsatz des Kühlmittelgemischs in dem Kühlkreislauf auch dann, wenn beispielsweise elektrochemische Bauteile wie Batterien oder Brennstoffzellen gekühlt oder mitgekühlt werden, da neben des Säuregehalts auch die durch Protonen hervorgerufene elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittelgemischs entsprechend reduziert wird.
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Ein solches säureempfindliches Polymer, welches gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee zum Beispiel auf der Basis von Polyamiden, Polyurethan, Polyestern oder thermoplastischen Elastomeren auf Basis von Urethanen, Estern oder Amiden, Polycarbonaten oder Polymethylmethacrylat oder NBR-Kautschuken ausgebildet sein kann, ermöglicht die Aufnahme der im Kühlmittel entstehenden Säuren. Diese gelangen also in ein derartiges Polymer und werden darin gebunden beziehungsweise von diesem absorbiert. Geeignete Verstärkungsstoffe oder Füllstoffe, beziehungsweise Zuschlagsstoffe oder Additive ermöglichen dabei bis zu einem gewissen Grad eine Steuerung des Eindringens der Säuren in den Polymerwerkstoff.
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Vorzugsweise ist es gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der Einsatz eine strukturierte Oberfläche zur Erhöhung der verfügbaren Fläche an seiner Oberfläche aufweist. Hierdurch wird eine größere verfügbare Fläche an der Oberfläche des Einsatzes zur Verfügung gestellt, sodass ein noch intensiverer Kontakt zwischen dem säureempfindlichen Polymer und dem Kühlmittelgemisch auftritt, sodass die Einlagerung der Säuren in dem Einsatz noch weiter verbessert wird. Der Einsatz kann dazu prinzipiell als Spritzguss, Extrusion, 3D-Druck, Pressteil oder Untervarianten bzw. Kombinationen hiervon, wie z.B. 2K-Spritzguss hergestellt sein, welcher vorzugsweise eine entsprechende Oberflächenstruktur wie beispielsweise Noppenrillen, eine waffelartige Struktur oder dergleichen aufweist. Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass das säureempfindliche Polymer des Einsatzes als Vlies ausgebildet ist, um so durch die entsprechende Porosität eine noch größere verfügbare Oberfläche bereitzustellen. Auch alternative Ausgestaltungen beispielsweise in Form von Schwämmen, Geflechten, Gestricken oder dergleichen wären hier natürlich prinzipiell ebenso denkbar.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass der Einsatz in einem Ausgleichsbehälter für das Kühlmittelgemisch angeordnet ist. Er lässt sich dann entsprechend einfach positionieren und bei Bedarf, also wenn die Einlagerungskapazität für die Säuren erreicht ist, austauschen. Er kann beispielsweise als Einsatz in dem Ausgleichsbehälter angeordnet sein, entweder alleine oder in Verbindung mit einem weiteren Element, wie beispielsweise einem Filtereinsatz und/oder einer lonentauscherpatrone. Letztere insbesondere beim Einsatz im Kühlkreisläufen, welche unter anderem elektrochemische Systeme kühlen. Alternativ dazu kann beispielsweise auch ein Teil des Ausgleichsbehälters für das Kühlmittelgemisch mit dem säureempfindlichen Polymer ausgekleidet oder aus diesem ausgebildet sein.
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Eine alternative Ausgestaltung wäre selbstverständlich eine separate Kartusche in dem Kühlkreislauf, welche beispielsweise in einem Nebenzweig des Kühlkreislaufs angeordnet sein kann. Auch diese kann wiederum mit einem Filterelement und/oder einem lonentauscher entsprechend kombiniert werden. Insbesondere befindet sich der Einsatz dabei in einem Teilkreislauf des eigentlichen Kühlkreislaufs, um so die insgesamt auftretenden Druckverluste in dem Kühlkreislauf zu minimieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 einen schematisch angedeuteten Kühlkreislauf mit der Vorrichtung;
- 2 eine erste mögliche Ausführungsform der Vorrichtung;
- 3 eine zweite mögliche Ausführungsform der Vorrichtung;
- 4 eine dritte mögliche Ausführungsform der Vorrichtung;
- 5 eine vierte mögliche Ausführungsform der Vorrichtung;
- 6 eine fünfte mögliche Ausführungsform der Vorrichtung; und
- 7 eine sechste mögliche Ausführungsform der Vorrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist rein schematisch ein Kühlkreislauf 1 dargestellt, welcher einen Kühlwärmetauscher 2 in dessen Bereich ein Gebläse 3 angedeutet ist, sowie eine zu kühlende Komponente 4 umfasst. Ein Kühlmittelgemisch, welches ein Kühlerfrostschutzmittel aufweist, wird durch eine Kühlmittelfördereinrichtung 5 umgepumpt. Der Kühlkreislauf 1 umfasst ferner eine mit 6 bezeichnete Vorrichtung, welche beispielsweise als Kartusche 62 oder auch als Ausgleichsbehälter 61 ausgebildet sein kann.
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In dieser Vorrichtung 6, welche nachfolgend in verschiedenen möglichen Ausführungsvarianten noch dargestellt ist, ist dabei ein austauschbarer Einsatz 7 aus einem säureempfindlichen Polymer angeordnet. Anstelle der Integration der Vorrichtung 6 in den Hauptkreislauf des Füllkreislaufs 1 wäre es selbstverständlich auch denkbar, diese in einem Nebenkreislauf, beispielsweise in einem Bypass zum Kühlwärmetauscher 5 oder dergleichen anzuordnen. Dieser Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss. In der Praxis ist es nun so, dass das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf durch die thermische Belastung im Laufe des Betriebs zunehmend altert. Dabei entstehen saure Alterungsprodukte, insbesondere durch Oxidation des im Kühlmittel enthaltenen Frostschutzes in Form des Ethylenglycols. Die so entstehenden Säuren führen einerseits zu einer erhöhten korrosiven Belastung metallischer und polymerer Konstruktionswerkstoffe in dem Kühlkreislauf sowie der in den Kühlkreislauf eingebundenen Komponenten 4. Es kommt also zu einer Korrosion der metallischen Bauteile beziehungsweise zu einem säurekatalysierten Abbau von konstruktiven Polymerwerkstoffen. Zusätzlich ist es so, dass sich durch die Säurebildung die Leitfähigkeit des Kühlmittels deutlich erhöht, was den Einsatz zur Kühlung einer Batterie und einer Brennstoffzelle entsprechend schwierig macht, weil es hier zu einer Fremdstromgefahr bis hin zu einer Kurzschlussgefahr kommen kann, wenn die Leitfähigkeit des Kühlmittels bestimmte Grenzwerte überschreitet.
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Um die so entstandenen Säuren in dem Kühlmittelgemisch aufzunehmen und so die Notwendigkeit des Austausch des Kühlmittelgemischs zu verhindern oder zumindest stark hinauszuzögern, besteht der bereits angesprochene Einsatz 7 aus Polymeren, welche zur Aufnahme der Säuren geeignet sind, wozu beispielsweise Polymere auf der Basis von Polyamiden oder den anderen oben bereits genannten Stoffen Verwendung finden. Der Einsatz 7 selbst kann in beliebiger Art und Weise hergestellt sein, vorzugsweise jedoch durch Spritzgießen oder Pressen oder in Form eines Vlieses oder dergleichen. Er hat idealerweise eine vergrößerte Oberfläche, indem er entsprechend strukturiert oder in der Art eines Vlieses, eines Gestricks oder dergleichen aus Fäden oder Ähnlichem aufgebaut ist. Er ist nun in der Lage, über einen Kontakt des Kühlmittelgemischs mit den entsprechenden Säuren und der Oberfläche des Einsatzes 7 diese Säuren einzulagern und zu binden. Ist die Kapazität des Einsatzes 7 aufgebraucht, so reicht ein einfacher Austausch des Einsatzes 7 aus, um den Prozess wieder zu starten und so auch weiterhin die Säuren dauerhaft aus dem Kühlmittelgemisch aufzunehmen. Dies ist außerordentlich einfach und effizient, da der Austausch des Einsatzes 7 im Vergleich zu einem Austausch des gesamten Kühlmittelgemischs bei einer Wartung sehr viel einfacher, schneller, effizienter und kostengünstiger möglich ist.
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In den nachfolgenden 2 bis 7 sind nun verschiedene Varianten des Einsatzes und der Vorrichtung 6 dargestellt.
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In der Darstellung der 2 ist die Vorrichtung 6 als Ausgleichsbehälter 61 ausgebildet. In diesen Ausgleichsbehälter für das Kühlmittelgemisch, welcher in jedem Kühlkreislauf ohnehin vorhanden ist, ist der entsprechende Einsatz 7 aus dem säureempfindlichen Polymer angeordnet und kann so die Säuren, welche alterungsbedingt in dem Kühlmittelgemisch entstehen entsprechend aufnehmen.
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In der Darstellung der 3 ist der Aufbau ähnlich. Auch hier befindet sich der Einsatz 7 in einem Ausgleichsbehälter 61 als Vorrichtung 6, wobei zusätzlich zu dem Einsatz 7 ein Filtereinsatz 8 mit in dem Ausgleichsbehälter 61 angeordnet ist, um so neben der Aufnahme von Säuren auch eine Filterung des Kühlmittelgemischs zu erreichen und eventuelle Partikel oder dergleichen aus dem Kühlkreislauf 1 zu entfernen.
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4 zeigt ebenfalls ein Ausgleichsbehälter 61 als Vorrichtung 6, wobei der Einsatz 7 hier als Auskleidung an der Innenwand des schematisch geschnitten dargestellten Ausgleichsbehälters angeordnet ist.
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In 5 ist die Vorrichtung 6 als separate Kartusche 62 ausgebildet, welche in dem Kühlkreislauf 1, unabhängig von dem typischerweise ebenfalls vorhandenen Ausgleichsbehälter 61, entsprechend durchströmt wird. In der Kartusche 62, welche als Ganzes oder hinsichtlich des Einsatzes 7 wechselbar ist, ist hier wiederum der Einsatz angeordnet, vergleichbar wie beim Aufbau in 2.
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In der Darstellung der 6 ist der Aufbau ebenfalls in der Kartusche 62 als Vorrichtung 6 realisiert, vergleichbar wie in der Darstellung der 3, mit einem Filtereinsatz 8, welcher zusammen mit dem Einsatz 7 aus säureempfindlichem Polymer in der Kartusche 62 angeordnet ist.
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In der Darstellung der 7 ist ebenfalls die Darstellung der Vorrichtung 6 als Kartusche gewählt, wobei dieser Aufbau selbstverständlich auch in einem Ausgleichsbehälter 61 für das Kühlmittelgemisch denkbar wäre. An die Stelle des Filtereinsatzes 8 tritt hier eine lonentauscherpatrone 9, welche zusammen mit dem Einsatz 7 aus säureempfindlichem Polymer in der Kartusche 62 angeordnet ist. Wie bereits erwähnt, ließe sich dieser Aufbau auch in den Ausgleichsbehälter 61 so integrieren.
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Selbstverständlich lassen sich die Ausführungsbeispiele mit dem Filtereinsatz 8 und der lonentauscherpatrone 9 auch untereinander kombinieren, sodass entweder in einer Kartusche 62 oder dem Kühlmittelausgleichsbehälter 61 als Vorrichtung 6 dann sowohl lonentauscherpatronen 9 als auch der Filtereinsatz 8 sowie der Einsatz 7 angeordnet wären.
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Der Einsatz einer lonentauscherpatrone 9 ist dabei lediglich bei Brennstoffzellenfahrzeugen oder Batteriefahrzeugen notwendig, da lediglich hier die leitfähigen Ionen zu elektrischen Problemen, wie zum Beispiel Fremdströmen oder Kurzschlüssen, führen können. Bei reinen verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen reicht eine der in den 2 bis 6 genannten Varianten zur Verlängerung der Nutzungsdauer des Kühlmittelgemischs völlig aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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