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Die Erfindung betrifft einen Behälter, geeignet zur Aufnahme fluider Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges mit einer Vereisungsleiteinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Einrichtungen zum Schutz gegen Vereisung betreffen grundsätzlich jeden Behälter für ein fluides Betriebsmittel in einem Kraftfahrzeug, z.B. Behälter für die Harnstoff-Wasser-Lösung (Handelsname Adblue®), DEF oder Wasser (z.B. Reinigungsflüssigkeit von Scheiben- bzw. Scheinwerfer-Waschanlagen). Solche Betriebsmittel weisen zwar als Gefrierschutz oftmals ein Frostschutzmittel auf, trotzdem ist bei lang anhaltenden Außentemperaturen bspw. zwischen -10° und -30° mit einem Einfrieren der fluiden Betriebsmittel, also mit einer Vereisung zu rechnen.
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Vor allem Behälter mit flüssigen Betriebsmitteln mit einem hohen Gefrierpunkt der Flüssigkeit müssen die Volumenexpansion beim Vereisungsprozess aushalten oder ausgleichen können. Daher wird der Behälter typischerweise nicht vollständig mit dem Betriebsmittel befüllt. Es verbleibt vielmehr stets ein Ausgleichsvolumen als Freiraum, Ausgleichsraum oder Kompensationsraum zum Ausgleich der Volumenexpansion bei der Vereisung.
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Beim Einfrieren der Flüssigkeit entsteht zunächst an den äußeren Rändern des Behälterinnenraums, sowie an der zum Ausgleichsvolumen hin gerichteten Oberfläche des Betriebsmittels eine erste Eisschicht. Mit der Zeit wächst diese Eisschicht zum Inneren des Behälters hin an. Gleichzeitig wölbt sich die Eisschicht während des Anwachsens, es kann ein sogenannter „Eisvulkan“ entstehen. Diese Wölbung des zusätzlichen Eisvolumens kann den gesamten Behälter verformen. Die Behälteraußenwandung kann die Verformung meist nur plastisch aufnehmen und ist somit dauerhaft beschädigt.
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Es muss also stets ein Abstand zwischen der Oberfläche der Flüssigkeit und der Unterseite der oberen Wandung des Behälters zumindest in dem Bereich verbleiben, in dem sich der Eisvulkan erwartungsgemäß ausbildet. Dieser Ort ist typischerweise mittig auf der Oberfläche der Flüssigkeit angeordnet. Ein solcher Ausgleichsraum limitiert unerwünscht das Volumen der Flüssigkeit, welches ohnehin bereits durch die komplexen Behältergeometrien begrenzt ist, die durch das Platzangebot im Kraftfahrzeug notwendig werden. Der SCR-Tank bspw. verliert ca. 3 Liter für die Flüssigkeit nutzbares Volumen.
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Alternativ zu einem Ausgleichsraum wird der Vereisungsprozess durch die Gestaltung einer Isolierung der Behälteroberfläche gesteuert. Dadurch wird in bestimmten Bereichen des Behälters mehr Kälte eingetragen als in anderen Bereichen. So wird bspw. in der
EP 2 376 751 B1 eine haubenförmige Isolation an der Oberseite eines Behälters offenbart, während der Behälterboden von Isolation frei bleibt. Damit wird die Vereisung zwar nicht verhindert, die Art und Weise der Volumenexpansion beim Vereisen jedoch gezielt beeinflusst. Eine solche Isolierung würde aber ebenfalls Platz in Anspruch nehmen und Kosten durch zusätzlichen Material- und Teileaufwand verursachen.
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Ferner muss der Vereisungsprozess so gesteuert werden, dass der Einschluss von Flüssigkeit durch Eis, eine sogenannte „Kavität“, verhindert wird. Verschiedene Möglichkeiten zur kontrollierten Vereisung von Tanks und zum Schutz vor Einbauten sind bereits im Stand der Technik bekannt.
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Die
DE 10 2015 204 621 A1 betrifft einen Behälter für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges mit einem Tauchrohr, welches im Bereich des Eiskompensationsvolumens angeordnet ist. Zum Schutz vor Beschädigung des Tauchrohres bei der Vereisung des Betriebsmittels ist das Tauchrohr zumindest teilweise elastisch verformbar.
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Die
US 10,023,048 B2 schlägt eine kontrollierte Vereisung vor, indem die einzelnen Wandabschnitte der Behälterwandung mit unterschiedlicher Isolationswirkung, d.h. mit unterschiedlichen Wandungsdicken oder Wandungsmaterialien gebildet werden. Der vorgesehene Ausgleichsraum wird ferner dadurch reduziert, dass der Abstand zwischen der Oberfläche der Flüssigkeit und der oberen Behälterwandung nur lokal und in besonders anfälligen Bereichen eingehalten wird.
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Die US 2017 / 0 328 255 A1 offenbart eine Tankvorrichtung für eine wässerige Harnstofflösung, welche einen separaten Bodenabschnitt aufweist, der an dem Tankgehäuse angebracht ist. Auf einer Oberseite des separaten Bodenabschnitts ist eine Lamellenstruktur ausgebildet. Die Lamellenstruktur erzeugt beim Einfrieren der Harnstofflösung Sollbruchstellen, welche die Entstehung einer Kavität verhindern.
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Die WO 2010 / 069 636 A1 zeigt einen Tank mit einem Eisdruck-Element, das u.a. durch seine Kompressibilität nicht gefrorenes Reduktionsmittel in Freiräume im Tank leitet, um Kavitäten zu verhindern. Die Eisdruck-Elemente sind stabförmig ausgeführt und erstrecken sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung durch den Tank.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die kontrollierte Vereisung eines Behälters mit fluidem Betriebsmittel noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Beschädigungen am Behälter und am Fahrzeug infolge von Vereisung des fluiden Betriebsmittels zu vermeiden. Ferner besteht die Aufgabe darin, die einfüllbare Menge an Betriebsmittel in den durch den Behälter zur Verfügung gestellten Behälterinnenraum zu maximieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Behälter, geeignet zur Aufnahme fluider Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges mit einer Vereisungsleiteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft einen Behälter, geeignet zur Aufnahme fluider Betriebsmittel eines Kraftfahrzeugs. Der Behälter weist einen Außenbehälter mit einer Außenbehälterinnenseite und einer Außenbehälteraußenseite auf, wobei der Außenbehälter einen Behälterinnenraum einschließt, welcher Behälterinnenraum in ein Betriebsmittelvolumen und ein Ausgleichsvolumen unterteilbar ist. Dabei ist am Außenbehälter eine Vereisungsleiteinrichtung angeordnet, die als mindestens eine in den Behälterinnenraum weisende Vertiefung der Außenbehälteraußenseite ausgebildet ist.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird die Vereisung des fluiden Betriebsmittels gezielt beeinflusst und eine Beschädigung des Behälters durch die Eisbildung vermieden. Dabei werden während der Vereisung des fluiden Betriebsmittels Luftströme der kalten Umgebungsluft an der Außenbehälteraußenseite und/oder Strömungen des fluiden Betriebsmittels im Behälterinnenraum derart geleitet, dass es den Vorgang der Vereisung verändert. Die mindestens eine nach innen oder in den Behälterinnenraum weisende Vertiefung der Außenbehälteraußenseite vergrößert die Kontaktfläche zwischen dem Betriebsmittel und der Außenbehälterinnenseite lokal. Durch die vergrößerte Kontaktfläche im Bereich der Vertiefung kann kalte Umgebungsluft dort die Bildung einer Eisschicht initiieren. Mit anderen Worten, es wird zusätzliche Umgebungskälte für das fluide Betriebsmittel bereitgestellt, um die Vereisung bzw. die Eisbildung des Betriebsmittels zu beeinflussen. Alternativ oder zusätzlich wird dafür fluides Betriebsmittel lokal entlang der lokal vergrößerten Außenbehälterinnenseite verdrängt. Die Vereisungsleiteinrichtung kann dann bewirken, dass die kritischen Bereiche zuerst einfrieren und die Eisschicht dort expandiert, wo ausreichend Platz vorhanden und eine Beschädigung des Behälters nicht zu befürchten ist.
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Die Eisbildung im fluiden Betriebsmittel wird damit so beeinflusst, dass während der Volumenexpansion der Eisschicht beim Durchfrieren ein unerwünschter Druckaufbau bzw. eine unerwünschte Druckentladung durch Eisvulkane oder Kavitäten nicht erst entstehen kann. Bei gleichbleibendem Behälterinnenraum kann das benötigte Ausgleichsvolumen kleiner und das Betriebsmittelvolumen größer ausfallen. Vorzugsweise kann das Ausgleichsvolumens auf die Mindestgröße reduziert werden, die notwendig ist, um die Volumenexpansion der Eisschicht auszugleichen. Unter „Betriebsmittelvolumen“ wird vorzugsweise das Volumen der maximal einfüllbaren Menge mit fluidem oder flüssigem Betriebsmittel verstanden. Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführung weist damit eine Vertiefung in der Behälteraußenwand auf, die nicht durch die Stabilität bzw. Steifheit des Behälters oder das Platzangebot beim Einbau des Behälters bedingt sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vereisungsleiteinrichtung als mindestens ein Vorsprung der Außenbehälterinnenseite ausgebildet ist. Ein solcher Vorsprung an der Außenbehälterinnenseite kann direkt aus der mindestens einen Vertiefung an der Außenbehälteraußenseite resultieren. Durch einen solchen Vorsprung wird das fluide Betriebsmittel lokal verdrängt. Am Ort des verdrängten Betriebsmittels kann sich damit keine Eisschicht bilden. Vielmehr wächst die Eisschicht im Behälterinnenraum dort, wo die Volumenexpansion der Eisschicht toleriert werden kann.
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Vorzugsweise ist die Vereisungsleiteinrichtung ganz oder teilweise im Bereich des Betriebsmittelvolumens angeordnet. D.h., dass zumindest bei maximal zulässiger Befüllung des Behälters mit fluidem Betriebsmittel unter maximaler Ausnutzung des vorgesehenen Betriebsmittelvolumens die Vereisungsleiteinrichtung zumindest teilweise in das Betriebsmittel eintaucht. Nimmt während des Betriebs das Volumen des fluiden Betriebsmittels durch Verbrauch ab, wobei auch die Oberfläche des fluiden Betriebsmittels absinkt, kann die Vereisungsleiteinrichtung den Kontakt mit dem fluiden Betriebsmittel verlieren. Bei abnehmender Füllmenge kann die Vereisungsleiteinrichtung schließlich entbehrlich werden, weil die Volumenexpansion der Eisschicht zwangsläufig geringer ausfällt und mehr Ausgleichsraum für die Expansion der Eisschicht des verbleibenden fluiden Betriebsmittels zur Verfügung steht. Mit anderen Worten, zumindest bei maximaler Befüllung ist die Vereisungsleiteinrichtung stets in direktem Kontakt mit dem fluiden Betriebsmittel.
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In einer optionalen Weiterbildung der Erfindung weist der Außenbehälter bezüglich der Fahrzeughochachse eine obere Wandung auf, wobei die Vereisungsleiteinrichtung an der oberen Wandung angeordnet ist.
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Durch die Richtung der Schwerkraft ist das Ausgleichsvolumen typischerweise oberhalb einer Oberfläche des Betriebsmittelvolumens angeordnet. Die Fahrzeughochachse ist parallel zur Richtung der Schwerkraft ausgerichtet. Der Ausgleichsraum ist meist mit Luft oder gasförmigem bzw. verdampftem Betriebsmittel gefüllt und isoliert das fluide Betriebsmittel nach oben thermisch. Die Vereisungsleiteinrichtung überbrückt die Isolierung im Ausgleichsraum und taucht in das Betriebsmittel ein. Damit hat das fluide Betriebsmittel im Bereich der Vereisungsleiteinrichtung trotz des Ausgleichsraums direkten Kontakt mit der Behälteraußenwandung und damit der Umgebungskälte. Umgebungskälte kann damit auch mittig zur Oberfläche des Betriebsmittels transportiert werden. Anders ausgedrückt kann Kälte aus der Umgebungsluft im Behälterinnenraum an einem Ort in dem Betriebsmittel bereitgestellt werden, der ohne die Vereisungsleiteinrichtung keinen Kontakt zur Außenwandung des Behälters haben würde.
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Die Vertiefung der Außenbehälteraußenseite kann optional mit einem Isoliermaterial ausgefüllt oder ausfüllbar sein. Dadurch kann zwar der Kältestrom im Bereich der lokal vergrößerten Oberfläche verringert werden, die lokale Verdrängung an fluidem Betriebsmittel bleibt jedoch erhalten. Die Isolierung kann dahingehend realisiert sein, dass die Vertiefung der Vereisungsleiteinrichtung ganz oder teilweise mit dem Material des Außenbehälters ausgefüllt ist. Einen ähnlichen Isoliereffekt in der Vereisungsleiteinrichtung haben Verunreinigungen, die während des Betriebs des Behälters in einem Kraftfahrzeug (z.B. Sand, Wasser, Schnee) in die Vertiefung gelangen können. Damit bleibt die Vereisungsleiteinrichtung im Betrieb, bspw. im Betrieb eines Kraftfahrzeugs, trotz etwaiger Verunreinigungen funktionsfähig.
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In einer optionalen Weiterbildung der Erfindung ist die Vereisungsleiteinrichtung als Tasche in der Außenbehälteraußenseite mit einem zylindrischen, insbesondere einem kreiszylindrischen, Profil ausgebildet.
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Dabei bildet eine erste Stirnfläche des zylindrischen Profils die Öffnung der Vertiefung und die zweite Stirnfläche bildet die Bodenfläche. Insbesondere die Bodenfläche ist bei maximaler Befüllung des Betriebsmittelvolumens mit fluidem Betriebsmittel stets in Kontakt mit dem fluiden Betriebsmittel. Auch der bzgl. der Fahrzeughochachse untere Teil der Mantelfläche der zylindrischen Tasche ist bei maximaler Befüllung des Betriebsmittelvolumens mit fluidem Betriebsmittel stets in Kontakt mit dem fluiden Betriebsmittel. Ein derartiges Profil ist besonders kostengünstig auszubilden und in die Wandung des Außenbehälters zu integrieren. Die Integration kann erfolgen, indem die Tasche bei der Herstellung des Behälters einstückig mit der Wandung des Außenbehälters ausgebildet wird. Alternativ kann die Tasche als separater Einsatz nachträglich in die Wandung des Außenbehälters eingesetzt und mit ihr dichtend verbunden werden. Jedoch kann die Vereisungsleiteinrichtung auch komplexe, bspw. fingerartige Geometrien aufweisen.
- 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Behälters aus dem Stand der Technik,
- 2 zeigt einen beispielhaften Vereisungsprozess mit einem Behälter aus dem Stand der Technik,
- 3a-3d zeigen bespielhafte Versuchsergebnisse mit einem Behälter aus dem Stand der Technik,
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
- 4a-4b Schnittdarstellungen einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behälters,
- 5 einen vergrößerten Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht auf die Außenbehälteraußenseite eines beispielhaften erfindungsgemäßen Behälters,
- 6a-6b einen vergrößerten Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht auf die Außenbehälterinnenseite eines beispielhaften erfindungsgemäßen Behälters,
- 7 einen beispielhaften Vereisungsprozess mit einem Behälter einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behälters,
- 8a-8b einen beispielhaften Vereisungsprozess mit einem Behälter einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behälters mit isolierter Vereisungsleiteinrichtung, und
- 9a-9d bespielhafte Versuchsergebnisse mit einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behälters.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden. Zwecks Anschaulichkeit wird nachfolgend vereinfacht meist von einem flüssigen Betriebsmittel bzw. einer Betriebsflüssigkeit ausgegangen, auch wenn damit sämtliche fluiden Betriebsmittel, also mit flüssigen, gasförmigen oder festen bzw. festen Anteilen vom Wortlaut erfasst sind.
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In 1 zeigt einen Behälter 100 für ein flüssiges Betriebsmittel 200, bspw. einen SCR-Tank, eines Kraftfahrzeuges in seiner Ausrichtung im Betrieb relativ zur Schwerkraft S. Der Behälter 100 umfasst einen aufgeschnitten dargestellten Außenbehälter 110, der einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein kann, mit einer Außenbehälterinnenseite 111 und einer Außenbehälteraußenseite 112. Die Geometrie des Außenbehälters 110 ist im Wesentlichen durch das Platzangebot beim Einbau und das benötigte Volumen an Betriebsmittel 200 bedingt. Der Außenbehälter 110 schließt einen Behälterinnenraum 300 ein. Der Behälterinnenraum 300 ist teilweise mit einem fluiden Betriebsmittel 200 befüllt, sodass sich in einem unteren Bereich ein Betriebsmittelvolumen 320 ausbildet und in einem oberen Bereich ein Ausgleichsvolumen 310 verbleibt. Unterhalb des Ausgleichsvolumens 310 und oberhalb des Betriebsmittelvolumens 320 bildet sich eine Oberfläche 210 des Betriebsmittels 200 aus. Das Betriebsmittelvolumen 320 und das Ausgleichsvolumen 310 addieren sich im Wesentlichen zum Behälterinnenraum 300. Beim Einfrieren des Betriebsmittels 200 entsteht zunächst an den äußeren Rändern sowie an der zum Ausgleichsvolumen 310 hin gerichteten Oberfläche 210 des Betriebsmittels 200 eine erste Eisschicht 201 (vgl. 2). Mit der Zeit wächst diese Eisschicht 201 zur Mitte des Behälters 100 hin an. Gleichzeitig wölbt sich die Eisschicht 201 unter Ausbildung eines Eisvulkans 220 während des Anwachsens. Diese Wölbung des zusätzlichen Eisvolumens kann den gesamten Außenbehälter 110 verformen. Daher muss das Ausgleichsvolumen 310 ausrechend groß bemessen sein, indem zwischen der Oberfläche 210 und einer oberen Wandung 120 des Außenbehälters 110 ein Abstand A1 von bspw. 35 mm verbleibt, sodass auch nach Ausbildung des Eisvulkans 220 noch ein Abstand A2 zwischen der Eisschicht 201 und der oberen Wandung 120 von bspw. 10 mm verbleibt. Dadurch müssen also bspw. 18% des Behälterinnenraums 300 ungenutzt für das Ausgleichsvolumen 310 geopfert werden.
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2 zeigt einen beispielhaften Gefriervorgang des Betriebsmittels 200 in einem Behälter 100 mit maximal befülltem Betriebsmittelvolumen 320 aus dem Stand der Technik zu drei ausgewählten Zeitpunkten t1-t3. Zu einer ersten Zeit t1 ist das Betriebsmittel 200 noch flüssig. Gefriert das Betriebsmittel 200 im Behälter 100 im Zeitpunkt t2, so bildet sich zunächst eine Eisschicht 201 an den Außenbehälterinnenseiten 111 des Außenbehälters 110. Zeitgleich gefriert die Betriebsmitteloberfläche 220. Zum Zeitpunkt t3 wird flüssiges Betriebsmittelvolumen 200 im Inneren in einer Flüssigkeitsblase 202 eingeschlossen, eine Kavität entsteht. Gefriert die eingeschlossene Flüssigkeitsblase 202 schließlich auch, ist durch den Einschluss durch die Eisschicht 201 kein Platz mehr für die Volumenexpansion vorhanden. Schließlich kann es zum Aufbruch der Eisschicht 202 kommen, der sich in der Regel in Richtung der oberen Wandung 220 des Außenbehälters 110 ausbreitet. Das kann den Behälter 100 zerstören.
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Eine solche Beschädigung bzw. Zerstörung des Außenbehälters 110 ist in den 3a-3d gezeigt. Zunächst kann gemäß 3a eine Deformation 121 der oberen Wandung 120 durch die Bildung eines Eisvulkans 220 (vgl. 1) entstehen, der mit zunehmendem Anwachsen der Eisschicht 201 von unten gegen die obere Wandung 120 drückt. Ein Behälter 100 mit einem Behälterinnenraum 300 oder einem Betriebsmittelvolumen 320 von 16 Litern wäre dann bspw. gemäß 3b einer Deformation 121 in Form einer Wölbung der oberen Wandung 120 um 1,13 Millimeter ausgesetzt. Die Deformation 121 ist typischerweise am stärksten mittig bzgl. einer Behälterbreite 123 und einer Behältertiefe 122 ausgeprägt. Durch die Deformation 121 kann gemäß der 3c-3d die obere Wandung 120 aufbrechen und die Eisschicht 201 freilegen. Ein solcher Behälter 100 würde ohne eine Vereisungsleiteinrichtung 150 im Falle einer vollständigen Vereisung versagen.
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Die 4a und 4b zeigen zwei Ansichten des gleichen Behälter 100 für ein flüssiges Betriebsmittel 200 eines Kraftfahrzeuges mit einem aufgeschnittenen Außenbehälter 110. Im Unterschied zu dem Behälter 100 gemäß 1 ist eine Vereisungsleiteinrichtung 150 vorgesehen. Die Vereisungsleiteinrichtung 150 ist als in den Behälterinnenraum 300 weisende Vertiefung 151 der Außenbehälteraußenseite 112 und zugleich als Vorsprung 152 der Außenbehälterinnenseite 111 ausgebildet. Die Vereisungsleiteinrichtung 150 ist von der oberen Wandung 120 nach unten weisend teilweise im Bereich des Ausgleichsvolumens 310 und teilweise im Bereich des Betriebsmittelvolumens 320 angeordnet. Der Anteil der Vereisungsleiteinrichtung 150, die von flüssigem Betriebsmittel 200 bedeckt ist, ist abhängig vom tatsächlichen Füllstand des Betriebsmittelvolumens 320. Durch das Eintauchen der Vereisungsleiteinrichtung 150 in das Betriebsmittel 200 ermöglicht die Vertiefung 151 mittig im Behälterinnenraum 300 einen unmittelbaren Temperaturaustausch mit der Umgebung 400. Damit hat das Betriebsmittel 200 im Bereich der Vereisungsleiteinrichtung 150 trotz des Ausgleichsraums 310 direkten Kontakt mit der Außenbehälterinnenseite 111 und damit der Umgebungskälte. Umgebungskälte kann dadurch zur Oberfläche 210 des Betriebsmittels 200 transportiert werden. Durch die Vereisungsleiteinrichtung 150 ist eine Verkleinerung des Ausgleichsvolumens 310 und folglich eine Vergrößerung des Betriebsmittelvolumens 320, bspw. auf 85% des Behälterinnenraums 300 möglich. Dies gilt selbst unter Berücksichtigung, dass die Vereisungsleiteinrichtung 150 Platz im Behälterinnenraum 300 beansprucht.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Außenbehälteraußenseite 112 der oberen Wandung 120 des Außenbehälters 110 mit der Vertiefung 151 der Vereisungsleiteinrichtung 150. Die Vereisungsleiteinrichtung 150 ist bspw. als Tasche in der Außenbehälteraußenseite 112 mit einem kreiszylindrischen Profil ausgebildet, wobei eine erste Stirnfläche 151a des zylindrischen Profils die Öffnung der Vertiefung 151 zur Umgebung 400 darstellt. Die Integration der Vereisungsleiteinrichtung 150 kann einstückig mit der oberen Wandung 120 des Behälters 100 erfolgen. Alternativ kann die Vertiefung 151 als separater Einsatz nachträglich in die obere Wandung 120 des Außenbehälters 110 eingesetzt und mit ihr dichtend verbunden werden.
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Die 6a und 6b zeigen einen vergrößerten Ausschnitt der Außenbehälterinnenseite 111 der oberen Wandung 120 des Außenbehälters 110 mit dem Vorsprung 152 der Vereisungsleiteinrichtung 150. Der Vorsprung 152 der Vereisungsleiteinrichtung 150 an der Außenbehälterinnenseite 111 kann der Tasche in der Außenbehälteraußenseite 112 entsprechen, wobei eine zweite Stirnfläche 152a des zylindrischen Profils die Bodenwandung der Vereisungsleiteinrichtung 150 bildet. Insbesondere die Bodenwandung ist bei maximaler Befüllung des Betriebsmittelvolumens 320 mit Betriebsmittel 200 stets unterhalb der Oberfläche 210 des Betriebsmittels 200. Auch der untere Teil der Mantelfläche 152b der zylindrischen Vereisungsleiteinrichtung 150 ist bei maximaler Befüllung des Betriebsmittelvolumens 320 mit Betriebsmittel 200 stets eingetaucht. Eine derartige Vereisungsleiteinrichtung 150 ist besonders kostengünstig auszubilden.
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7 zeigt einen beispielhaften Gefriervorgang des Betriebsmittels 200 in einem geneigten Behälter 100 mit maximal befülltem Betriebsmittelvolumen 320 mit einer Vereisungsleiteinrichtung 150 zu drei ausgewählten Zeitpunkten t1-t3. Durch die Neigung des Behälters ist auch die obere Wandung 120 schräg angestellt. Zu einer ersten Zeit t1 ist das Betriebsmittel 200 noch flüssig, durch die Vertiefung 151 der Vereisungsleiteinrichtung 150 gelangt jedoch kalte Luft der Umgebung 400 in einen Bereich unterhalb der Oberfläche 210 des Betriebsmittels 200. Gefriert das Betriebsmittel 200 im Behälter 100 im Zeitpunkt t2, so bildet sich eine Eisschicht 201 an den Außenbehälterinnenseiten 111 des Außenbehälters 110 im Bereich des Betriebsmittelvolumens 320. Durch die Vereisungsleiteinrichtung 150 wird die Oberfläche der Außenbehälterinnenseite 111 und damit der Außenbehälterinnenseite 112 lokal vergrößert, sodass auch dort die Eisbildung initiiert wird. Die Vereisung wird dadurch so beeinflusst, dass ein Einschluss flüssigen Betriebsmittelvolumens 200 im Inneren einer Flüssigkeitsblase 202 verhindert werden kann. Dies gilt sogar bei einem geneigt eingebauten Behälter 100. Dadurch ist bis zum Zeitpunkt der vollständigen Vereisung zum Zeitpunkt t3 Platz für die Volumenexpansion der Eisschicht 201 vorhanden. Trotz der vollständigen Vereisung des Betriebsmittels 200 kann damit eine Beschädigung des Behälters 100 vermieden werden.
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Die 8a und 8b zeigen einen beispielhaften Gefriervorgang des Betriebsmittels 200 in einem Behälter 100 in einer Frontansicht und einer Seitenansicht mit maximal befülltem Betriebsmittelvolumen 320 und einer Vereisungsleiteinrichtung 150 zu drei ausgewählten Zeitpunkten t1-t3. Zu einer ersten Zeit t1 ist das Betriebsmittel 200 noch flüssig, die Vertiefung 151 ist jedoch mit einem Material ausgefüllt, das eine isolierende Wirkung hat, also einem Isoliermaterial 153. Einen solchen Isoliereffekt in der Vereisungsleiteinrichtung 150 können Verunreinigungen hervorrufen, die während des Betriebs des Behälters 100 in einem Kraftfahrzeug entstehen können, z.B. Wasser, Schnee oder Sand 154 (vgl. 9a). Durch das Isoliermaterial 153 der Vereisungsleiteinrichtung 150 gelangt keine oder weniger kalte Luft der Umgebung 400 in einen Bereich unterhalb der Oberfläche 210 des Betriebsmittels 200. Dennoch verhindert das Eintauchen des Vorsprungs 152 in das Betriebsmittel 200 durch die Verdrängung des Betriebsmittels 200, dass das Betriebsmittel 200 im Behälter 100 im Zeitpunkt t2 im Bereich der Vereisungsleiteinrichtung 150 gefriert. Es bildet sich damit zwar eine Eisschicht 201 an den Außenbehälterinnenseiten 111 des Außenbehälters 110; das noch nicht gefrorene Betriebsmittel 200 hat jedoch stets einen offenen, nicht vereisten Zugang zur Oberfläche 210 und damit Platz zum Expandieren. Insbesondere der Bereich, in dem ein Eisvulkan 220 (vgl. 1) typischerweise seine maximale Auslenkung hätte, bleibt lange vollständig eisfrei. Die Vereisung wird dadurch so beeinflusst, dass ein Einschluss flüssigen Betriebsmittelvolumens 200 im Inneren einer Flüssigkeitsblase 202 verhindert werden kann. Dadurch ist bis kurz vor der vollständigen Vereisung zum Zeitpunkt t3 Platz für die Volumenexpansion der Eisbildung vorhanden. Trotz der Vereisung bleibt der Behälter 100 intakt.
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Eine solch erfolgreiches Resultat eines unbeschädigten Außenbehälters 110 ist in den 9a-9d gezeigt. Die Vertiefung 151 der Vereisungsleiteinrichtung 150 ist gemäß 9a mit Sand 154 ausgefüllt, der unter Kälteeinfluss eine isolierende Wirkung zeigt. Mit bloßem Auge ist auch bei vollständigem Ausfrieren des Betriebsmittels 200 eine Deformation 121 der oberen Wandung 120 nicht erkennbar. Messungen haben gezeigt, dass ein Behälter 100 mit einem Behälterinnenraum 300 oder einem Betriebsmittelvolumen 320 von 16 Litern bspw. eine Deformation 121 in Form einer Wölbung der oberen Wandung 120 um nur 0,14 Millimeter aufweist. Vorzugsweise ist gemäß 9b die Vereisungsleiteinrichtung 150 auf der oberen Wandung 120 der Außenbehälters 110 mittig bzw. zentral bzgl. einer (beispielhaft eingezeichneten) Behälterbreite 123 und einer (beispielhaft eingezeichneten) Behältertiefe 122 anzuordnen. Durch die erfolgreiche Begrenzung der Deformation 121 bleibt gemäß 9c-9d die obere Wandung 120 intakt, der Prozess der Vereisung ist überstanden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Behälter
- 110
- Außenbehälter
- 111
- Außenbehälterinnenseite
- 112
- Außenbehälteraußenseite
- 120
- obere Wandung
- 121
- Deformation
- 122
- Behältertiefe
- 123
- Behälterbreite
- 150
- Vereisungsleiteinrichtung
- 151
- Vertiefung
- 151a
- erste Stirnfläche, insbesondere Öffnung der Vertiefung
- 152
- Vorsprung
- 152a
- zweite Stirnfläche, insbesondere Bodenwandung
- 152b
- Mantelfläche
- 153
- Isolierung
- 154
- Sand
- 200
- Betriebsmittel
- 201
- Eisschicht
- 202
- Flüssigkeitsblase
- 210
- Oberfläche
- 220
- Eisvulkan
- 300
- Behälterinnenraum
- 310
- Ausgleichsvolumen
- 320
- Betriebsmittelvolumen
- 400
- Umgebung
- A1-A2
- Abstand
- S
- Schwerkraft
- t1 -t3
- Zeitpunkte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2376751 B1 [0006]
- DE 102015204621 A1 [0008]
- US 10023048 B2 [0009]
