DE102021110014A1

DE102021110014A1 - Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter mit integrierter, von der Behälterwand längs ihres gesamten Umfangs beabstandeter Wirbelkammer

Info

Publication number: DE102021110014A1
Application number: DE102021110014.3A
Authority: DE
Inventors: Marco Barbolini; Zaoli He
Original assignee: Roechling Automotive AG and Co KG; Roechling Automotive SE and Co KG
Current assignee: Roechling Automotive Se De
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2022-10-20
Also published as: CN115217611A; US20220333623A1; US11905982B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) zur Anordnung in einem Kühlflüssigkeitskreislauf, umfassend:
- ein Behältergehäuse (12),
- im Behältergehäuse (12) eine Wirbelkammer (42)
- eine Zuführleitung (40) zur Einleitung von Kühlflüssigkeit in das Behältergehäuse (12), und
- eine Auslassöffnung (58) zur Ausleitung von Kühlflüssigkeit aus dem Behältergehäuse (12), wobei die Zuführleitung (40) in die Wirbelkammer (42) mündet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wirbelkammer (42) durch längs einer Wirbelkammerachse (W) von einem Basis-Wandabschnitt (44c) des Behältergehäuses (12) abstehende, geschlossen um die Wirbelkammerachse (W) umlaufende Wand (44) definiert ist, welche in jeder zur Wirbelkammerachse (W) orthogonalen Richtung mit Abstand vom Behältergehäuse (12) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter zur Anordnung in einem Kühlflüssigkeitskreislauf, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfassend:

- ein Behältergehäuse,
- im Behältergehäuse eine Wirbelkammer
- eine Zuführleitung zur Einleitung von Kühlflüssigkeit in das Behältergehäuse, und
- eine Auslassöffnung zur Ausleitung von Kühlflüssigkeit aus dem Behältergehäuse,

Ein solcher Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter, nachfolgend auch nur kurz als „Ausgleichsbehälter“ bezeichnet, ist aus der DE 100 50 852 A1 bekannt. Wie der Ausgleichsbehälter der vorliegenden Erfindung ist auch dieser bekannte Ausgleichsbehälter zur Anordnung in einem nachfolgend kurz als „Kühlkreislauf“ bezeichneten Kühlflüssigkeitskreislauf eines Kraftfahrzeugs geeignet und bestimmt.
Derartige Ausgleichsbehälter im Kühlkreislauf erfüllen üblicherweise zwei Aufgaben: zum einen bieten sie ein Ausgleichsvolumen, um eine durch Temperaturerhöhung bewirkte Volumenvergrößerung der im Kühlkreislauf umlaufenden Kühlflüssigkeit aufzunehmen. Zum anderen sorgen Ausgleichsbehälter, zumeist über sogenannte Wirbelkammern, für eine Entgasung der Kühlflüssigkeit was zur Vermeidung unerwünschter Kavitation an Fördereinrichtungen zur Förderung der Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf, wie etwa an Pumpenrädern und Ventilen, vorteilhaft ist.
Bekannte Kühlkreisläufe mit Ausgleichsbehältern für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen werden mit einem Volumenstrom von etwa 5 l/min betrieben. Erstaunlicherweise erfordern batteriegespeiste elektromobile Fahrzeuge zur Kühlung ihrer sich aufheizenden Fahrzeugkomponenten betragsmäßig höhere Kühlflüssigkeitsströme von 10 oder sogar 12 l/min oder mehr. Mit zunehmendem Volumenstrom der Kühlflüssigkeit wird deren Entgasung schwieriger, was vermutlich bei vorgegebenem Aufnahmevolumen des Ausgleichsbehälters mit der immer kürzer werdenden Verweilzeit der Kühlflüssigkeit im Ausgleichsbehälter zusammenhängt.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche weitere Ausgleichsbehälter bekannt. Mit gewisser Relevanz für die vorliegende Erfindung sei zusätzlich auf den Ausgleichsbehälter der DE 10 2008 060 088 B4 verwiesen.
Bei beiden bekannten Ausgleichsbehälter mit im Ausgleichsbehälter integrierter Wirbelkammer ist zur Realisierung von Einsparpotenzialen an Material und Fertigungsaufwand ein Teil der Wirbelkammerwand, welche die sich in der Wirbelkammer einstellende Wirbelströmung radial außen begrenzt, gleichzeitig auch Teil der Behälterwand. Aus der DE 100 50 852 A1 ist außerdem bekannt, einen Bereich innerhalb des Behältergehäuses, aber außerhalb der Wirbelkammer in mehrere voneinander getrennte Kammern zu unterteilen, wobei die die Kammern voneinander trennenden Trennwände Kommunikationsöffnungen aufweisen, durch welche hindurch Kühlflüssigkeit von einer Kammer in die jenseits der Trennwand benachbarte Kammer strömen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den eingangs genannten Ausgleichsbehälter derart zu verbessern, dass er auch bei höheren Volumenströmen an Kühlflüssigkeit von mehr als 10 oder sogar mehr als 12 l/min ohne Zunahme an Bauraum eine thermisch bedingte Ausdehnung der Kühlflüssigkeit sowie deren Entgasung wirksam ermöglicht.
Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung an einem eingangs genannten Ausgleichsbehälter dadurch, dass die Wirbelkammer durch eine längs einer Wirbelkammerachse von einem Basis-Wandabschnitt des Behältergehäuses abstehende, geschlossen um die Wirbelkammerachse umlaufende Wand definiert ist, welche in jeder zur Wirbelkammerachse orthogonalen Richtung mit Abstand vom Behältergehäuse angeordnet ist.
Grundsätzlich kann die Wirbelkammer, in welche die Kühlflüssigkeit eingeleitet wird, eine nahezu beliebige Gestalt aufweisen. Zur Erzielung einer möglichst wenig turbulenten Strömung nach Einleitung der Kühlflüssigkeit in die Wirbelkammer weist die Wand der Wirbelkammer, welche geschlossen um die Wirbelkammerachse umläuft, eine knickfreie konkav gekrümmte innere Oberfläche auf. Bevorzugt ist die innere Oberfläche der Wand frei von Strömungshindernissen, wie beispielsweise von von der inneren Oberfläche vorstehenden Stegen oder Prallflächen, welche von der Wand zur Wirbelkammerachse hin vorstehen. Die Wirbelkammer kann eine kugelförmige oder kugelkalottenförmige innere Oberfläche aufweisen. Bevorzugt weist die Wirbelkammer eine kreiszylindrische oder elliptisch-zylindrische innere Oberfläche auf. Es ist auch nicht ausgeschlossen, dass in unterschiedlichen Bereichen der Wand der Wirbelkammer unterschiedliche innere Oberflächengestalten kombiniert sind, beispielsweise wenn an eine zylindrische innere Wandoberfläche im Bereich einer Zylinder-Stirnseite ein Wandabschnitt mit kalottenförmiger innerer Oberfläche anschließt.
Auch die Wirbelkammer des Ausgleichsbehälters der vorliegenden Erfindung kann einen gemeinsam mit der Behältergehäusewand ausgebildeten Wandabschnitt aufweisen, etwa am Basis-Wandabschnitt zur Bildung einer die Wirbelkammer begrenzenden, quer zur Wirbelkammerachse orientierten inneren Wandoberfläche. Existiert nur eine Wirbelkammerachse, kann die Wirbelkammer eine zylindrische, konische oder allgemein sich längs der Wirbelkammerachse abschnittsweise verjüngende oder/und aufweitende Kammergestalt aufweisen. Die innere Oberfläche der Wand der Wirbelkammer weist in Schnittebenen orthogonal zur Wirbelkammerachse geschlossen um die Wirbelkammerachse umlaufende Schnittlinien auf, diese sind bevorzugt Kreise, wobei jedoch auch elliptische oder ovale Schnittlinien nicht ausgeschlossen sein sollen.
Durch die Einleitung der Kühlflüssigkeit in die Wirbelkammer kann diese, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, entlang der Innenwandfläche der Wirbelkammer strömen, in der Regel in einem Wirbel strömen, und dabei entgasen. Durch die Ausbildung der Wirbelkammerwand mit zur Wirbelkammerachse orthogonalem allseitigem Abstand vom Behältergehäuse, also von der Behälterwand, kann ein Strömungsweg der Kühlflüssigkeit im Ausgleichsbehälter, aber außerhalb der Wirbelkammer, lang ausgebildet werden. Dadurch kann die Verweildauer der Kühlflüssigkeit im Ausgleichsbehälter erhöht und so das Entgasungsergebnis verbessert werden.
Durch die genannte Ausbildung der Wirbelkammer mit Abstand vom Behältergehäuse kann die Wirbelkammer an ihrer Außenseite in Umfangsrichtung vollständig von Kühlflüssigkeit umströmbar im Behältergehäuse aufgenommen sein. Durch die Möglichkeit der Kühlflüssigkeit, nach einem Verlassen der Wirbelkammer die Wirbelkammer an deren Außenseite, aber immer noch im Inneren des Behältergehäuses, zu umströmen und somit zusätzlich zur Wirbelströmung in der Wirbelkammer eine Ringströmung außerhalb der Wirbelkammer zu erzeugen, kann die Verweilzeit der Kühlflüssigkeit im Ausgleichsbehälter weiter erhöht und somit die Kühlflüssigkeit trotz des betragsmäßig größeren Volumenstroms über längere Zeit damit mit größerem Erfolg entgast werden.
Grundsätzlich kann der Basis-Wandabschnitt, von welchem aus die die Wirbelkammer begrenzende Wand vorsteht, ein beliebiger Wandabschnitt des Behältergehäuses sein, beispielsweise eine Seitenwand des Behälters oder ein Abschnitt der Behälterdecke oder des Behälterbodens. Bevorzugt ist der Basis-Wandabschnitt ein Abschnitt des Behälterbodens oder der dem Behälterboden gegenüberliegenden Behälterdecke, sodass die Wirbelkammerachse im fertig montierten, betriebsbereiten Zustand im Wesentlichen parallel zur Schwerkraftwirkungsrichtung verläuft oder zumindest in einem Kegel mit einem halben Öffnungswinkel von 10° um eine zur Schwerkraftwirkungsrichtung parallele Kegelachse, welche die Wirbelkammerachse schneidet. Dann kann eine in die Wirbelkammer eingeleitete Kühlflüssigkeitsströmung vorteilhaft an einer Seitenwand der Wirbelkammer um die Wirbelkammerachse in einer Wirbelströmung kreisen, wobei die Schwerkraft an jedem Umfangsort entlang der Wirbelströmung im Wesentlichen die gleiche Wirkung auf die strömende Kühlflüssigkeit hat. Ist die Wirbelkammerachse zu stark gegenüber der Schwerkraftwirkungsrichtung geneigt, kann es zu unerwünschten Strömungsabrissen am dann existierenden oberen Scheitel der Wirbelströmung um die Wirbelkammerachse kommen.
Damit die in die Wirbelkammer eingeleitete Kühlflüssigkeit auch in den außerhalb der Wirbelkammer, aber immer noch innerhalb des Behältergehäuses gelegenen Bereich gelangen kann, weist die Wand der Wirbelkammer bevorzugt wenigstens eine Durchgangsöffnung auf, welche die Wand in Dickenrichtung vollständig durchsetzt. Die Durchgangsöffnung ist bevorzugt an einem im betriebsbereiten Zustand des Ausgleichsbehälters geodätisch möglichst tief gelegenen Ort ausgebildet, sodass die Kühlflüssigkeit an einem geodätisch möglichst hoch gelegenen Ort in die Wirbelkammer eingeleitet werden kann, und diese somit einen möglichst langen Weg innerhalb der Wirbelkammer zurücklegt, bevor sie zur Durchgangsöffnung gelangt. Bevorzugt ist die Durchgangsöffnung derart angeordnet, dass ein Abschnitt von ihr durch den Behälterboden begrenzt ist.
Abweichend vom oben Gesagten kann die Mündung der Zuführleitung in die Wirbelkammer auf der gleichen Höhe gelegen sein wie wenigstens eine Durchgangsöffnung. Dies ist insbesondere bei hohen Volumenströmen von 12 l/min oder mehr, etwa von mehr als 20 l/min oder mehr als 30 l/min, möglich. Daher kann auch die Mündung der Zuführleitung an einem geodätisch tiefen, insbesondere am geodätisch tiefsten Ort der Wirbelkammer gelegen sein. Aufgrund des hohen Volumenstroms kann dann die eingeleitete Kühlflüssigkeit von der geodätisch tiefen Mündung hochsteigen und so ihren Strömungsweg und mithin ihre Verweildauer verlängern.
Grundsätzlich kann eine einzige Durchgangsöffnung in der Wand der Wirbelkammer ausreichen. Um zu gewährleisten, dass auch große Volumenströme an Kühlflüssigkeit sicher aus der Wirbelkammer in den Bereich zwischen Wirbelkammer und Behältergehäuse gelangen können, kann die Wand der Wirbelkammer eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweisen, welche jeweils die Wand in Dickenrichtung vollständig durchsetzen. Wenigstens zwei der Durchgangsöffnungen können in Umfangsrichtung um die Wirbelkammerachse an unterschiedlichen Umfangspositionen angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können wenigstens zwei der Durchgangsöffnungen in einer Richtung längs der Wirbelkammerachse an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können wenigstens zwei Durchgangsöffnungen unterschiedliche Gestalt, etwa kreisförmig und elliptisch oder rund und polygonal, oder/und betragsmäßig unterschiedliche Öffnungsquerschnittsflächen aufweisen.
Zur besseren Führung einer Strömung der Kühlflüssigkeit in der Wirbelkammer kann im Inneren der Wirbelkammer eine Strömungsleitplatte angeordnet sein. Die Strömungsleitplatte kann zur Erzielung einer möglichst der Innenwandfläche, also der inneren Oberfläche der Wand der Wirbelkammer folgenden Kühlflüssigkeitsströmung parallel zu der Innenwandfläche der Wirbelkammer mit Abstand zu dieser Innenwandfläche verlaufen. Bevorzugt erstreckt sich die Strömungsleitplatte nur um einen Umfangsabschnitt, jedoch nicht vollständig geschlossen um die Wirbelkammerachse herum. Ist also die Wirbelkammer eine zylindrische Wirbelkammer, ist die Strömungsleitplatte bevorzugt eine teilzylindrische Strömungsleitplatte. Bevorzugt kragt die Strömungsleitplatte vom selben Basis-Wandabschnitt entlang der Wirbelkammerachse aus wie die Wand der Wirbelkammer. Bevorzugt ist die Strömungsleitplatte um die Wirbelkammerachse oder um eine zur Wirbelkammerachse parallele Krümmungsachse gekrümmt.
Ebenso erstreckt sich die Strömungsleitplatte bevorzugt im Bereich des Strömungseinlaufs in die Wirbelkammer, also etwa längs der Wirbelkammerachse ein einem mit der Mündung der Zuführleitung gemeinsamen Axialbereich. Da die Strömungsleitplatte den Verlauf der Kühlflüssigkeitsströmung bevorzugt in deren Einlaufbereich in die Wirbelkammer beeinflussen soll, reicht es aus, wenn die Strömungsleitplatte sich nur über einen Teil der bezüglich der Wirbelkammerachse axialen Abmessung der Wirbelkammer erstreckt. Bevorzugt befindet sich die Strömungsleitplatte vollständig in einer sie tragenden, besonders bevorzugt spritzgegossenen, Behälterschale, wie sie weiter unten näher erläutert wird.
Zur Beschleunigung oder Verzögerung der Kühlflüssigkeit in der Wirbelkammer kann ein Spaltabstand zwischen der inneren Oberfläche der Wand der Wirbelkammer und einer ihr zugewandten Oberfläche der Strömungsleitplatte längs des Strömungswegs der Kühlflüssigkeit in dem von der inneren Oberfläche der Wand der Wirbelkammer und der ihr zugewandten Oberfläche der Strömungsleitplatte gebildeten Spalt, etwa in Umfangsrichtung um die Wirbelkammerachse oder/und um eine zur Wirbelkammerachse parallele Krümmungsachse der Strömungsleitplatte, kleiner bzw. größer werden.
Grundsätzlich kann es ausreichen, wenn sich die Wirbelkammer nur über einen Teil des im Inneren des Behältergehäuses längs der Wirbelkammerachse bereitgestellten Raumes erstreckt. Für einen möglichst langen Strömungsweg innerhalb der Wirbelkammer ist es jedoch vorteilhaft, wenn sich die Wirbelkammer vom Basis-Wandabschnitt des Behältergehäuses längs der Wirbelkammerachse bis zu dem dem Basis-Wandabschnitt gegenüberliegenden End-Wandabschnitt des Behältergehäuses erstreckt. Bevorzugt erstreckt sich also die Wirbelkammer vom Behälterboden bis zur gegenüberliegenden Behälterdecke. Ebenso bevorzugt ist die Strömungsleitplatte, wenn vorhanden, bevorzugt nur in der unteren oder nur in der oberen Behälterschale ausgebildet. Aus den zuvor genannten Gründen ist die Strömungsleitplatte, wenn vorhanden, bevorzugt in jener Behälterschale ausgebildet, die auch die Mündung der Zuführleitung in die Wirbelkammer zeigt.
Der Ausgleichsbehälter kann vorteilhaft im Spritzgussverfahren ausgebildet sein und beispielsweise eine obere und eine untere Behälterschale umfassen. Bevorzugt umfasst die untere Behälterschale den Behälterboden und einen Teil der Seitenwände des Behälters und umfasst die obere Behälterschale die Behälterdecke und einen Teil der Seitenwände des Behälters. In diesem bevorzugten Fall umfasst jede Behälterschale einen Teil der Wirbelkammer, wobei bevorzugt der jeweilige Teil der Wirbelkammer einstückig mit der sie aufweisenden Behälterschale ausgebildet ist.
Grundsätzlich kann der Bereich außerhalb der Wirbelkammer, aber innerhalb des Behältergehäuses frei von Strömungshindernissen sein. Bevorzugt ist jedoch der Bereich innerhalb des Behältergehäuses, aber außerhalb der Wirbelkammer, in eine Mehrzahl von miteinander kommunizierenden Kammern unterteilt. Im Stand der Technik sind derartige Kammern als Expansionskammern bezeichnet, da sie stärker als die durchströmte Wirbelkammer der Aufnahme der temperaturbedingten Volumenzunahme der Kühlflüssigkeit dienen. Die Kammern sind grundsätzlich durch Trennwände voneinander getrennt, wobei der Bereich innerhalb des Behältergehäuses, aber außerhalb der Wirbelkammer, so ausgestaltet sein sollte, dass eine Strömung in Umfangsrichtung um die Wirbelkammerachse außerhalb der Wirbelkammer möglich ist. Die Strömung in Umfangsrichtung kann, muss aber nicht die Wirbelkammer vollständig geschlossen umrunden. Zu diesem Zweck können Trennwände, welche zwei benachbarte Kammern voneinander trennen, eine Kommunikationsöffnung aufweisen, durch welche hindurch Kühlflüssigkeit von der einen der Kammern in die jeweils benachbarte andere strömen kann.
Es können alle Trennwände je wenigstens eine Kommunikationsöffnung aufweisen, so dass Kühlflüssigkeit in der Ringströmung die Wirbelkammer außen mehrfach umströmen kann. Alternativ kann wenigstens eine Trennwand frei von einer Kommunikationsöffnung sein, insbesondere um einen zuführseitigen Innenbereich oder/und die Zuführleitung von der Auslassöffnung körperlich zu trennen. Die von Kommunikationsöffnungen freie Trennwand erstreckt sich bevorzugt flächendeckend zwischen dem Behältergehäuse und der Wirbelkammer, um eine vollständige körperliche Unterbrechung des Raums außen um die Wirbelkammer herum zu erreichen.
Die Kommunikationsöffnungen von wenigstens zwei Trennwänden können zur Förderung der Entgasung der Kühlflüssigkeit mit unterschiedlichem Abstand von der Wirbelkammer angeordnet sind oder/und in einer Richtung längs der Wirbelkammerachse an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein. Dadurch kann einer makroskopisch außen um die Wirbelkammer strömenden Kühlflüssigkeitsströmung eine bezüglich der Wirbelkammerachse radiale oder/und axiale Strömung überlagert werden. Die Kühlflüssigkeitsströmung kann so beispielsweise spiral- oder wendelförmig von der Wirbelkammer an eine Wand, insbesondere Seitenwand, des Behältergehäuses angenähert werden oder die außerhalb der Wirbelkammer um diese herum strömende Kühlflüssigkeitsströmung kann beispielsweise in einer Art überlagerter Pendelbewegung sich abschnittsweise der Wirbelkammer und einer Wand, insbesondere Seitenwand, des Behältergehäuses annähern. Zusätzlich oder alternativ zu den unterschiedlichen Anordnungsorten der Kommunikationsöffnungen können diese, beispielsweise zur gezielten Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit, unterschiedliche Gestalt oder/und betragsmäßig unterschiedliche Öffnungsquerschnittsflächen aufweisen. Dies unterstützt die Entgasung weiter.
Bevorzugt erstrecken sich die flächigen Trennwände - wobei für jede flächige Trennwand gilt, dass ihre Dickenabmessung wesentlich kürzer ist als ihre zueinander und zur jeweiligen lokalen Dickenrichtung orthogonalen körperlichen Haupterstreckungsrichtungen - mit wenigstens einer ihrer körperlichen Haupterstreckungsrichtungen parallel zur Wirbelkammerachse. Wenngleich dies nicht zwingend der Fall sein muss, ist die Ausbildung ebener Trennwände bevorzugt.
Grundsätzlich kann daran gedacht sein, dass sich die Trennwände längs der Wirbelkammerachse nur über einen Teil der entsprechenden Abmessung der Wirbelkammer erstrecken. Zur sorgfältigen Entgasung der eingangs genannten betragsmäßig großen Volumenströme an Kühlflüssigkeit ist es jedoch bevorzugt, wenn Trennwände, welche zwei benachbarte Kammern voneinander trennen, sich von einem Behälterboden bis zu einer dem Behälterboden gegenüberliegenden Behälterdecke erstrecken.
Auch die Trennwände sind bevorzugt im Spritzgussverfahren einstückig mit den sie jeweils tragenden Behälterschalen ausgebildet.
Zur Erzielung einer Kühlflüssigkeitsströmung im Behältergehäuse mit einem möglichst langen Strömungsweg ist die Auslassöffnung bevorzugt außerhalb der Wirbelkammer im Behältergehäuse ausgebildet. So muss die Kühlflüssigkeit vom Inneren der Wirbelkammer in die Außenumgebung der Wirbelkammer im Behältergehäuse strömen.
Die vorliegende Anmeldung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein hybrid-elektrisch oder vollelektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend einen Kühlkreislauf mit einem gemäß vorstehender Beschreibung ausgebildeten Kühlflüssigkeits-Ausgleichsbehälter. Der Kühlkreislauf umfasst eine Pumpenanordnung zur Erzeugung einer Kühlflüssigkeitsströmung im Kühlkreislauf, wobei die Pumpenanordnung dazu ausgebildet ist, im bestimmungsgemäßen Normal-Kühlbetrieb, einen Volumenstrom an Kühlflüssigkeit von wenigstens 12 l/min, vorzugsweise von wenigstens 25 l/min, noch stärker bevorzugt von wenigstens 35 l/min zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:

1 eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälter längs einer zur Wirbelkammerachse parallelen Schnittachse,
2 eine Draufsicht auf die Innenseite der unteren Behälterschale des Ausgleichsbehälters von 1, und
3 eine perspektivische Ansicht auf den Innenbereich der unteren Behälterschale von 2.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälters allgemein mit 10 bezeichnet. Der Ausgleichsbehälter 10 weist ein Behältergehäuse 12 auf und ist aus einer oberen Behälterschale 14 und einer unteren Behälterschale 16 gebildet.
Die obere Behälterschale 14 umfasst eine Behälterdecke 18 und eine einstückig von der Behälterdecke 18 auskragende, geschlossen umlaufende obere Seitenwand 20 als Abschnitte des Behältergehäuses 12.
Die untere Behälterschale 16 umfasst einen der Behälterdecke 18 im betriebsbereiten Zustand des Ausgleichsbehälters 10 gegenüberliegenden Behälterboden 22 und eine einstückig vom Behälterboden 22 auskragende, geschlossen umlaufende untere Seitenwand 24 als Abschnitte des Behältergehäuses 12. Die obere und die untere Behälterschale 14 bzw. 16 sind längs einer Fügeebene 26 miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, beispielsweise durch Spiegelschweißen oder durch ein anderes geeignetes Schweißverfahren.
An die Außenseite der Behälterschalen 14 und 16 sind Funktionsformationen angeformt, wie beispielsweise Halterungen 28, 30 und 32 zur Befestigung des Ausgleichsbehälters 10 an einer ihn umgebenden Struktur, insbesondere der Struktur eines Fahrzeugs V. Eine weitere Funktionsformation ist die im dargestellten Beispiel die obere Behälterschale 14 durchsetzende Sensorhalterung 34, welche eine Sensoranordnung 36 zur Erfassung von Betriebszuständen des Ausgleichsbehälters 10 oder/und von Eigenschaften der den Ausgleichsbehälter 10 durchströmenden Kühlflüssigkeit hält.
Im Bereich des Behälterbodens 22 führt an der unteren Behälterschale 14 ein einstückig mit der unteren Behälterschale 14 ausgebildetes Rohr 38 als Teil einer Zuführleitung 40 Kühlflüssigkeit in den Ausgleichsbehälter 10 hinein. Das Rohr 38 und die Zuführleitung 40 verlaufen im dargestellten Beispiel vorteilhaft längs einer geradlinigen Zuführachse Z, welche das Rohr 38 und die Zuführleitung 40 zentral durchsetzend gedacht ist. Die Zuführleitung 40 ist Teil eines Kühlflüssigkeitskreislaufs bzw. Kühlkreislaufs 41 im Kraftfahrzeug V. Der Kühlkreislauf 41 umfasst eine Pumpe 39, welche im Betrieb des Kühlkreislaufs 41 Volumenströme an Kühlflüssigkeit von zwischen 30 und 50 l/min erzeugt.
Beide Behälterschalen 14 und 16 sind im Spritzgussverfahren aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt, vorzugsweise aus Polyethylen oder Polypropylen.
Der Ausgleichbehälter 10 ist in 1 in seiner betriebsbereiten räumlichen Orientierung dargestellt. Der Pfeil g gibt die Schwerkraftwirkungsrichtung an. Diese verläuft parallel zur Zeichenebene von 1 und orthogonal zur Zeichenebene von 2.
Im Inneren des Ausgleichsbehälters 10 ist eine zylindrische Wirbelkammer 42 ausgebildet, welche sich durchgehend vom Behälterboden 22 bis zur Behälterdecke 18 erstreckt. Als Hilfe zur erleichterten Beschreibung des Innenbereichs des Ausgleichsbehälters 10 ist eine virtuelle Wirbelkammerachse W dargestellt, welche die Wirbelkammer 42 zentral durchsetzend gedacht ist. Aufgrund der zylindrischen Gestalt der Wirbelkammer 42 fällt die virtuelle Wirbelkammerachse W mit der Zylinderachse der Wirbelkammer 42 zusammen.
Die Wand 44 der Wirbelkammer 42 ist vorliegend zweiteilig zu je etwa gleichen Teilen in der oberen Behälterschale 14 und in der unteren Behälterschale 16 ausgebildet. Eine einstückig mit der oberen Behälterschale 14 ausgebildete obere Wirbelkammerwand 44a und eine einstückig mit der unteren Behälterschale 16 ausgebildete untere Wirbelkammerwand 44b treffen sich in der Fügeebene 26 und sind dort miteinander zu der Wand 44 der Wirbelkammer 42 verschweißt.
Die Zuführleitung 40 durchsetzt die untere Seitenwand 24 und mündet an einer Mündungsöffnung 46 in die Wirbelkammer 42. In die Wirbelkammer 42 über die Mündungsöffnung 46 exzentrisch bezüglich der Wirbelkammerachse W eingeleitete Kühlflüssigkeit strömt bei Betrachtung der 2 in die Wirbelkammer 42 ein und wird nach dem Auftreffen auf die innere Oberfläche der Wand 44 in eine entgegen dem Uhrzeigersinn orientierte Wirbelströmung umgelenkt.
Die Wirbelkammer 42 erstreckt sich mit ihrer unteren Wirbelkammerwand 44b von einem Basis-Wandabschnitt 44c weg zu einem End-Wandabschnitt 44d hin. Der Basis-Wandabschnitt 44c ist durch einen Abschnitt des Behälterbodens 22 gebildet, der End-Wandabschnitt 44d durch einen Abschnitt der Behälterdecke 18.
Ebenfalls längs der Wirbelkammerachse W vom Basis-Wandabschnitt 44c weg erstreckt sich eine Strömungsleitplatte 48. Orthogonal zur Wirbelkammerachse W verläuft die Strömungsleitplatte 48 mit Abstand von der unteren Wirbelkammerwand 44b. Die Strömungsleitplatte 48, welche um eine zur Wirbelkammerachse W parallele Krümmungsachse gekrümmt ist, reicht im dargestellten Beispiel nicht bis zur Fügeebene 26, sondern endet mit Abstand zu dieser. Die Strömungsleitplatte 48 erstreckt sich jedoch soweit längs der Wirbelkammerachse W, dass ihr vom Behälterboden 22 fernliegendes Längsende der Fügeebene 26 näher gelegen ist als dem Behälterboden 22.
Die Strömungsleitplatte 48 ist zwar um die Wirbelkammerachse W herum gekrümmt, erstreckt sich jedoch nur unvollständig um die Wirbelkammerachse W und läuft nicht geschlossen um diese um. Der Umlaufwinkel der Strömungsleitplatte 48 um eine bezüglich der Strömungsleitplatte 48 zentrale Achse P (s. 2), welche abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel die Wirbelkammerachse W sein kann, beträgt etwa 180°.
Wie man in den 2 und 3 erkennen kann, ist im dargestellten Beispiel die Strömungsleitplatte 48 etwa teilzylindrisch ausgebildet, wobei die Zylinderachse P (s. 2) der Strömungsleitplatte 48 mit Abstand von der Wirbelkammerachse W verläuft, sodass sich der Abstand zwischen der Strömungsleitplatte 48 und der ihr gegenüberliegenden unteren Wirbelkammerwand 44b längs der Umfangserstreckung der beiden Formationen im Gegenuhrzeigersinn in 2 verringert. Die Mündungsöffnung 46 der Zuführleitung 40 weist zu einem Bereich zwischen Strömungsleitplatte 48 und unterer Wirbelkammerwand 44b hin, in welchem der Abstand zwischen diesen größer ist. Eine in den Spalt 49 zwischen Strömungsleitplatte 48 und unterer Wirbelkammerwand 44b eingeleitete Kühlflüssigkeit strömt somit bei Betrachtung der 2 entgegen dem Uhrzeigersinn längs des Spalts 49 und wird durch das sich längs des Strömungswegs verringernde Spaltmaß des Spalts 49 beschleunigt.
Über mehrere Durchgangsöffnungen 50 kann Kühlflüssigkeit aus der Wirbelkammer 42 in die Außenumgebung der Wirbelkammer 42 zwischen der Wand 44 der Wirbelkammer 42 und dem Behältergehäuse 12 strömen. In 1 ist nur eine Durchgangsöffnung 50 zu erkennen. 3 zeigt jedoch zwei Durchgangsöffnungen 50.
Außerhalb der Wirbelkammer 42 sind Expansionskammern 52 gebildet, von welchen jeweils zwei unmittelbar benachbarte Expansionskammern 52 durch je eine flächige Trennwand 54 voneinander getrennt sind. Auch die Trennwände 54 erstrecken sich vollständig zwischen dem Behälterboden 22 und der Behälterdecke 18. Wie die Wand 44 der Wirbelkammer 42 ist auch jede Trennwand 54 im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine obere Trennwand 54a und eine untere Trennwand 54b gebildet, welche in der Fügeebene 26 einander kontaktieren und vorzugsweise miteinander, besonders bevorzugt stoffschlüssig, verbunden sind. Da die beiden Behälterschalen 14 und 16 bevorzugt durch Spritzguss hergestellt sind, sind die oberen und unteren Trennwände 54a bzw. 54b im dargestellten Beispiel einstückig mit dem Behältergehäuse 12, also mit Behälterdecke 18, Behälterboden 22 und Seitenwänden 20 und 24 ausgebildet.
In jeder Trennwand 54 bis auf die Trennwand zwischen der Zuführleitung 40 und der Auslassöffnung 58, deren untere Trennwand 54b' in den 2 und 3 zu sehen ist, ist jeweils eine Kommunikationsöffnung 56 ausgebildet, durch welche hindurch Kühlflüssigkeit von einer Seite der Trennwand 54 zur anderen Seite der Trennwand 54 strömen kann.
Die Wirbelkammer 42 ist in jeder zur Wirbelkammerachse W orthogonalen (radialen) Richtung mit Abstand vom Behältergehäuse 12 ausgebildet. Durch die Kommunikationsöffnungen 56 ist eine Strömung von Kühlflüssigkeit in Umfangsrichtung um die Wirbelkammerachse W möglich.
In den 2 und 3 ist die Auslassöffnung 58 zu erkennen, durch welche hindurch Kühlflüssigkeit aus dem Ausgleichsbehälter 10 austreten kann. Die Auslassöffnung 58 mündet unmittelbar in eine Expansionskammer 52', sodass Kühlflüssigkeit zwingend von der Wirbelkammer 42 in die Expansionskammer 52' mit der Auslassöffnung 58 strömen muss, um den Ausgleichbehälter 10 wieder verlassen zu können.
Um den Strömungsweg und damit die Verweilzeit der Kühlflüssigkeit im Ausgleichsbehälter 10 zu erhöhen, weist die Wirbelkammer 42 keine Durchgangsöffnungen 50 zu der Expansionskammer 52' mit der Auslassöffnung 58 und zu der dieser Expansionskammer 52' entgegen der Wirbelrichtung der Kühlflüssigkeit in der Wirbelkammer 42 benachbarten Expansionskammer 52" auf. Die Wirbelkammer 42 weist jedoch je eine Durchgangsöffnung 50 in die übrigen an die Wirbelkammer 42 angrenzenden Expansionskammern 52 auf.
Die Trennwand 54 zwischen der Auslassöffnung 58 und der Zuführleitung 40 weist keine Kommunikationsöffnung 56 auf. Sie erstreckt sich vollständig über die gesamte Querschnittsfläche des Innenraums zwischen der Wirbelkammer 42 und dem Behältergehäuse 12. Alle übrigen Trennwände 54 weisen je eine Kommunikationsöffnung 56 auf. Somit kommunizieren alle Expansionskammern 52 miteinander, mit Ausnahme der unmittelbar benachbarten Expansionskammern 52, durch welche die Zuführleitung 40 verläuft und der Expansionskammer 52', in welcher die Auslassöffnung 58 gelegen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10050852 A1 [0002, 0006]
DE 102008060088 B4 [0005]

Claims

Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) zur Anordnung in einem Kühlflüssigkeitskreislauf (41), umfassend: - ein Behältergehäuse (12), - im Behältergehäuse (12) eine Wirbelkammer (42) - eine Zuführleitung (40) zur Einleitung von Kühlflüssigkeit in das Behältergehäuse (12), und - eine Auslassöffnung (58) zur Ausleitung von Kühlflüssigkeit aus dem Behältergehäuse (12), wobei die Zuführleitung (40) in die Wirbelkammer (42) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkammer (42) durch eine längs einer Wirbelkammerachse (W) von einem Basis-Wandabschnitt (44c) des Behältergehäuses (12) abstehende, geschlossen um die Wirbelkammerachse (W) umlaufende Wand (44) definiert ist, welche in jeder zur Wirbelkammerachse (W) orthogonalen Richtung mit Abstand vom Behältergehäuse (12) angeordnet ist.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkammer (42) mit ihrer Außenseite in Umfangsrichtung vollständig von Kühlflüssigkeit umströmbar im Behältergehäuse (12) aufgenommen ist.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (44) der Wirbelkammer (42) wenigstens eine Durchgangsöffnung (50) aufweist, welche die Wand (44) in Dickenrichtung vollständig durchsetzt.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (44) der Wirbelkammer (42) eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (50) aufweist, welche die Wand (44) in Dickenrichtung vollständig durchsetzen, wobei wenigstens zwei der Durchgangsöffnungen (50) in Umfangsrichtung um die Wirbelkammerachse (W) an unterschiedlichen Umfangspositionen angeordnet sind oder/und in einer Richtung längs der Wirbelkammerachse (W) an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind oder/und unterschiedliche Gestalt oder/und unterschiedliche Öffnungsquerschnittsflächen aufweisen.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Wirbelkammer (42) eine Strömungsleitplatte (48) angeordnet ist.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitplatte (48) parallel zu einer Innenwandfläche der Wirbelkammer (42) mit Abstand zu dieser verläuft.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wirbelkammer (42) vom Basis-Wandabschnitt (44) des Behältergehäuses (12) längs der Wirbelkammerachse (W) bis zu dem dem Basis-Wandabschnitt (44c) gegenüberliegenden End-Wandabschnitt (44d) des Behältergehäuses (12) erstreckt.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich innerhalb des Behältergehäuses (12), aber außerhalb der Wirbelkammer (42), in eine Mehrzahl von miteinander kommunizierenden Kammern (52, 52', 52") unterteilt ist.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Trennwände (54), welche zwei benachbarte Kammern (52, 52', 52") voneinander trennen, eine Kommunikationsöffnung (56) aufweisen, durch welche hindurch Kühlflüssigkeit von der einen der Kammern (52, 52', 52") in die jeweils andere strömen kann, wobei die Kommunikationsöffnungen (56) von wenigstens zwei Trennwänden (54) mit unterschiedlichem Abstand von der Wirbelkammer (42) angeordnet sind oder/und in einer Richtung längs der Wirbelkammerachse (W) an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind oder/und unterschiedliche Gestalt oder/und unterschiedliche Öffnungsquerschnittsflächen aufweisen.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Trennwände (54), welche zwei benachbarte Kammern (52, 52', 52") voneinander trennen, sich von einem Behälterboden (22) bis zu einer dem Behälterboden (22) gegenüberliegenden Behälterdecke (18) erstrecken.
Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (58) außerhalb der Wirbelkammer (42) im Behältergehäuse (12) ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (V) mit Kühlflüssigkeitskreislauf (41) mit einem Kühlflüssigkeit-Ausgleichsbehälter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeitskreislauf (41) eine Pumpe (39) umfasst, welche im bestimmungsgemäßen Normalbetrieb zur Erzielung eines Kühlflüssigkeitsstroms von mehr als 12 l/min ausgebildet ist.