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Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelausgleichsanordnung zum Anschluss an einen Kühlkreislauf, umfassend einen Behälter und ein Kühlkreislaufanschlussstück, das ausgebildet ist, den Behälter fluidmechanisch mit dem Kühlkreislauf zu verbinden.
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In Kühlmittelkreislaufsystemen kommt es zu Druckveränderungen, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen des Kühlmittels oder aufgrund einer Änderung der Drehzahl einer im Kühlkreislauf vorhandenen Kühlmittelpumpe. Um auf diese Druckveränderungen reagieren zu können, werden typischerweise sogenannte Kühlmittelausgleichsbehälter eingesetzt, die neben der Aufnahme des Kühlmittels auch den Flüssigkeitsdruck im System begrenzen können. Typischerweise wird hierfür der Behälter mit einem Hohlkörper ausgeführt, in welchem das Kühlmittelvolumen und ein Volumen einer Gasvorlage, beispielsweise ein Luftpolster, enthalten sind, die aufeinander abgestimmt und angepasst sind an die gegebenen Randbedingungen, wie einem erwartenden Temperaturhub, thermische Eigenschaften des Kühlmittels, Kühlmittelvolumen und Pumpenleistung der Kühlmittelpumpe. Entsprechende Kühlmittelausgleichsbehälter oder Kühlmittelausgleichsanordnungen sind der
DE 10 2012 024 372 A1 und der
US 2002/0 112 678 A1 zu entnehmen.
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In Abhängigkeit des Kühlmittelvolumens im Kühlkreislauf, der zu erwartenden Temperaturen und den zulässigen Grenzdrücken ist die Gasvorlage als druckregulierendes Medium im Ausgleichsbehälter sehr groß auszulegen.
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Der Bauraum für eine Kühlmittelausgleichsanordnung ist deshalb entsprechend groß zu wählen. Ein Druckausgleich oder eine Druckregulierung aufgrund dieses Luftpolsters unterliegt nur einer geringen Dynamik, sodass die Druckregulierung bei bekannten Kühlmittelausgleichsanordnungen auf Druckveränderungen vergleichsweise träge reagiert.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlmittelausgleichsanordnung, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen und ein Verfahren zur Druckregulierung anzugeben, die zumindest einen der vorstehend genannten Nachteile überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlmittelausgleichsanordnung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1, durch ein Kraftfahrzeug mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 7 und durch ein Verfahren mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Kühlmittelausgleichsanordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass in das Kühlmittelkreislaufanschlussstück eine Ventileinrichtung fluidmechanisch eingebunden ist, und dass die Ventileinrichtung verstellbar ist zwischen einer Durchlasskonfiguration, in welcher ein Kühlmittelfluss in den oder aus dem Behälter ermöglicht ist, und einer Sperrkonfiguration, in welcher ein Kühlmittelfluss in den oder aus dem Behälter unterbunden ist.
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Damit wird die Ventileinrichtung also dafür eingesetzt, das im Kühlkreislauf vorhandene Kühlmittel zu halten und nur bei einer entsprechenden Volumenerhöhung oder Druckerhöhung aus dem Kühlkreislauf in den Behälter abzuleiten.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ventileinrichtung ausgebildet ist, aus der Sperrkonfiguration in die Durchlasskonfiguration dann verstellt zu werden, wenn ein kühlkreislaufseitiger Druck einen behälterseitigen Druck um einen vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Druckwert überschreitet und/oder wenn ein kühlkreislaufseitiger Druck einen behälterseitigen Druck um einen vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Druckwert unterschreitet. Dies ermöglicht eine direkte und zeitlich schnelle Regelung auf der Kühlkreislaufseite, womit die Kühlmittelausgleichsanordnung eine erhöhte Dynamik gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Ausgleichsbehältern aufweist. Sie reagiert vorzugsweise unmittelbar auf Druckveränderungen im Kühlkreislauf, wobei aufgrund des Einsatzes der Ventileinrichtung ein Bauraumgewinn aufgrund deren einer kleiner Dimensionierung erzielt wird.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Kühlmittelausgleichsanordnung aber zwei Betriebspunkte auf, an welchen die Ventileinrichtung in die Durchlasskonfiguration verstellt wird. Ein erster Betriebspunkt kann dabei an dem ersten Druckwert liegen, an welchem der kühlkreislaufseitige Druck den behälterseitigen Druck überschreitet. Der zweite Betriebspunkt kann dabei der zweite Druckwert sein, bei dem der kühlkreislaufseitige Druck den behälterseitigen Druck unterschreitet.
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Es ist zudem die Möglichkeit eröffnet, dass das Kühlkreislaufanschlussstück mit einer Behälterleitung verbunden ist, insbesondere einstückig mit einer solchen gebildet ist, die derart in den Behälter ragt, dass diese in ein im Behälter vorhandenes Kühlmittelvolumen mündet. Mit einer derartigen Konfiguration ist die Möglichkeit vorhanden, dass beim Unterschreiten des kühlkreislaufseitigen Drucks um den behälterseitigen Druck, insbesondere um einen vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Druckwert, das Kühlmittel aus dem Kühlmittelvolumen des Behälters in den Kühlkreislauf gesaugt wird. Umgekehrt wird bei einem Überschreiten des kühlkreislaufseitigen Drucks über den behälterseitigen Druck um den vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Druckwert Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf in den Behälter gefördert, womit das dort vorhandene Kühlmittelvolumen erhöht wird.
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Um den Differenzdruck auf der Kühlkreislaufseite der Ventileinrichtung und der Behälterseite der Ventileinrichtung erfassen zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn in das Kühlkreislaufanschlussstück ein erster Drucksensor und ein zweiter Drucksensor eingebunden sind. Der erste Drucksensor ist dabei vorzugsweise kühlkreislaufseitig bezüglich der Ventileinrichtung angeordnet und der zweite Drucksensor ist dabei vorzugsweise behälterseitig bezüglich der Ventileinrichtung angeordnet. Mit einer geeigneten Steuereinrichtung können die kühlkreislaufseitig und behälterseitig erfassten Drücke ausgewertet werden. Die Steuereinrichtung kann dabei ausgebildet sein, die Ventileinrichtung zu betätigen, um bei einer vorgegebenen Druckdifferenz die Ventileinrichtungen aus der Sperrkonfiguration in die Durchlasskonfiguration zu verstellen.
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In einer bevorzugten Weitergestaltung der Erfindung ist dabei die Ventileinrichtung als eine verstellbare, insbesondere um eine Achse schwenkbare Ventilklappe gebildet oder umfasst eine solche.
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Um die Differenzdrücke entsprechend einstellen zu können und um das Verstellen der Ventileinrichtung aus der Sperrkonfiguration in die Durchlasskonfiguration in Abhängigkeit von den wirkenden Drücken zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ventilklappe von mindestens einer Feder beaufschlagt ist, und wenn die Ventileinrichtung in der Sperrkonfiguration vorliegt, solange sich die mindestens eine Feder in einem unausgelengten Zustand befindet.
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Die für die erfindungsgemäße Kühlmittelausgleichsanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, das einen Kühlkreislauf und eine an einen Kühlkreislauf fluidmechanisch angebundene Kühlmittelausgleichsanordnung umfasst. Ein derartiges Kraftfahrzeug zeichnet sich durch eine optimierte Bauraumausnutzung aus, da die Kühlmittelausgleichsanordnung nur einen geringen Bauraumbedarf aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Druckregulierung eines mit einem Kühlmittel befüllten Kühlkreislaufs eines Kraftfahrzeugs, an welchem eine Kühlmittelausgleichsanordnung fluidmechanisch angebunden ist, umfasst ein Überführen der Ventileinrichtung aus der Sperrkonfiguration in die Durchlasskonfiguration, wenn ein kühlkreislaufseitiger Druck einen behälterseitigen Druck um einen vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Druckwert überschreitet und/oder wenn ein kühlkreislaufseitiger Druck einen behälterseitigen Druck um einen vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Druckwert unterschreitet.
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Das Verfahren stellt also eine Kühlmittelausgleichsanordnung bereit, die bei zwei bestimmten Öffnungsdrücken in die Durchlasskonfiguration verstellt wird. In dieser kann ein Kühlmittel durch das Kühlkreislaufanschlussstück strömen. Bei den beiden unterschiedlichen Drücken wird dabei ein Ablassen bzw. ein Rücksaugen des Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf oder in den Kühlkreislauf ermöglicht.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ventileinrichtung zurück in die Sperrkonfiguration verstellt wird, wenn der Betrag einer aus dem kühlkreislaufseitigen Druck und dem behälterseitigen Druck gebildeten Druckdifferenz unter einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert gesunken ist. Sobald also der Differenzdruck wieder zu einem Grenzdruck des Systems führt, wird der Anschluss, also das Kühlkreislaufanschlussstück durch die Ventileinrichtung wieder verschlossen.
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Es ist von Vorteil, wenn beim Überschreiten des ersten Druckwerts Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf in den Behälter gefördert wird, und wenn beim Unterschreiten des zweiten Druckwerts Kühlmittel aus dem Behälter in den Kühlkreislauf gefördert, insbesondere gesaugt wird. Auch damit ist ein System mit zwei verschiedenen Öffnungsdrücken realisiert, das Bauraum einspart und sehr dynamisch auf Druckveränderungen im Kühlmittelkreislauf reagiert.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine an einen Kühlkreislauf angeschlossene Kühlmittelausgleichsanordnung in Sperrkonfiguration, und
- 2 eine weitere an einen Kühlkreislauf angeschlossene Kühlmittelausgleichsanordnung ebenfalls in Sperrkonfiguration.
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In den Figuren ist eine Kühlmittelausgleichsanordnung 100 gezeigt, die vorliegend an einen Kühlkreislauf 200 angeschlossen ist. Der Kühlkreislauf 200 ist typischerweise ein geschlossener Kreislauf, in welchem mindestens ein Wärmetauscher und eine Kühlmittelpumpe vorliegen, um das im Kühlkreislauf 200 vorhandene Kühlermittel zu zirkulieren. Die Kühlmittelausgleichsanordnung 100 umfasst einen Behälter 102 und ein Kühlkreislaufanschlussstück 104, welches ausgebildet ist, den Behälter 102 fluidmechanisch mit dem Kühlkreislauf 200 zu verbinden. Das Kühlkreislaufanschlussstück 104 ist vorliegend über eine Behälterleitung 108 mit dem Behälter 102 verbunden, insbesondere sogar einstückig mit dieser gebildet. Die Behälterleitung 108 ragt derart in den Behälter 102, dass diese in ein im Behälter 102 vorhandenes Kühlmittelvolumen mündet. Der Behälter 102 kann geschlossen oder auch offen ausgeführt sein, wobei die Behälterleitung 108 vorliegend durch eine Wandung des Behälters 102, insbesondere fluiddicht, geführt ist, eine Biegung aufweist und dann nahe des Bodens des Behälters 102 in das Kühlmittelvolumen mündet.
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In das Kühlkreislaufanschlussstück 104 ist eine Ventileinrichtung 106 fluidmechanisch eingebunden. Diese Ventileinrichtung 106 ist verstellbar zwischen einer Durchlasskonfiguration, in welcher ein Kühlmittelfluss in den oder aus dem Behälter 102 ermöglicht ist, und einer Sperrkonfiguration, in welcher ein Kühlmittelfluss in den oder aus dem Behälter 102 unterbunden ist. Um das Kühlkreislaufanschlussstück 104 fluiddicht, insbesondere flüssigkeitsdicht zu verschließen, weist die Ventileinrichtung 106 vorliegend eine um eine Achse schwenkbare Ventilklappe 114 auf.
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Die Ventileinrichtung 106 ist vorliegend ausgebildet, aus der Sperrkonfiguration in die Durchlasskonfiguration dann verstellt zu werden, wenn der kühlkreislaufseitige Druck einen behälterseitigen Druck um einen vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Druckwert überschreitet. Damit ist also gewährleistet, dass infolge eines zu hohen Druckanstieges im Kühlkreislauf 200 Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf 200 in den Behälter 102 abgelassen werden kann.
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Vorliegend ist die Ventileinrichtung 106 außerdem ausgebildet, aus der Sperrkonfiguration in die Durchlasskonfiguration dann verstellt zu werden, wenn ein kühlkreislaufseitiger Druck einen behälterseitigen Druck um einen vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Druckwert unterschreitet. Damit ist es möglich, dass infolge eines Druckabfalls im Kühlkreislauf 200 das im Behälter 102 vorhandene Kühlmittel zurück in den Kühlkreislauf 200 gefördert wird, mithin gesaugt wird. Ein Absinken des Druckes im Kühlkreislauf 200 kann beispielsweise durch eine Reduktion der Drehzahl der Kühlmittelpumpe entstehen.
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Der erste Druckwert kann dabei vom zweiten Druckwert verschieden sein, wobei zudem in einer speziellen Ausgestaltung die Möglichkeit eröffnet ist, dass der erste Druckwert dem zweiten Druckwert entspricht.
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Beim Beispiel nach 1 sind der erste Druckwert und der zweite Druckwert voneinander verschieden, was durch die an die Ventilklappe 114 angelehnten Federn angedeutet ist. Diese Federn können dabei die Ventilklappe 114 beaufschlagen, wobei sich die Ventileinrichtung 106 in der Sperrkonfiguration befindet, solange sich die Federn in ihrem unausgelenkten Zustand befinden. Es ist zu erkennen, dass ein größerer Druck notwendig ist, um Kühlmittel aus dem Behälter 102 in den Kühlkreislauf zu fördern, als dieser benötigt würde, um ein Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf 200 in den Behälter 102 abzugeben.
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Eine elektromechanische Lösung ist in 2 gezeigt, bei der die Ventileinrichtung 106 mit einer Steuereinrichtung 116 kommunikationsverbunden ist. Diese Steuereinrichtung 116 ist zudem mit einem ersten Drucksensor 110 und mit einem zweiten Drucksensor 112 kommunikationsverbunden. Der erste Drucksensor 110 ist im Kühlkreislaufanschlussstück 104 kühlkreislaufseitig bezüglich der Ventileinrichtung 106 angeordnet. Der zweite Drucksensor 112 ist in den Kühlkreislaufanschlussstück 104 Behälterseitig bezüglich der Ventileinrichtung 106 angeordnet. Beide Drucksensoren 110, 112 erfassen die Drücke, wobei bei Erreichen eines entsprechenden Differenzdrucks die Ventilklappe 114 geöffnet wird.
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In beiden Fällen, also sowohl bei der Kühlmittelausgleichseinordnung 100 nach 1 als auch bei der Kühlmittelausgleichsanordnung 100 nach 2 wird die Ventileinrichtung 106 dann zurück in die Sperrkonfiguration verstellt, wenn der Betrag einer aus dem kühlkreislaufseitigen Druck und dem behälterseitigen Druck gebildeten Druckdifferenz unter einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert gesunken ist.
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Im Ergebnis zeichnet sich die Kühlmittelausgleichsanordnung 100, das mit dieser ausgestattete Kraftfahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren durch eine zeitlich sehr schnelle Regelungen auf der Kühlkreislaufseite aus. Sie zeigen eine verbesserte Dynamik, die zu einer unmittelbaren Reduktion auf Druckänderungen im Kühlkreislauf 200 führt. Zudem ist aufgrund des Wegfalls des Luftpolsters im Behälter 102 ein deutlicher Bauraumgewinn aufgrund der damit einhergehenden kleineren Dimensionierung zu verzeichnen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kühlmittelausgleichsanordnung
- 102
- Behälter
- 104
- Kühlkreislaufanschlussstück
- 106
- Ventileinrichtung
- 108
- Behälterleitung
- 110
- erster Drucksensor
- 112
- zweiter Drucksensor
- 114
- Ventilklappe
- 116
- Steuereinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012024372 A1 [0002]
- US 2002/0112678 A1 [0002]
