DE102021131788A1 - Refrigerant cycle and cooling system for vehicles - Google Patents
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Abstract
Ein Kältemittelkreislauf für akkumulatorelektrisch-angetriebene Fahrzeuge, umfassend einen ersten Teilkreislauf, umfassend einen Kompressor, einen zweiten Teilkreislauf, verbunden mit dem ersten Teilkreislauf über einen Gas/Flüssigphasenabscheider, wobei der Gas/Flüssigphasenabscheider über eine erste Ölrückführvorrichtung, eine zweite Ölrückführvorrichtung oder eine dritte Ölrückführvorrichtung mit dem Kompressor verbunden ist.A refrigerant circuit for accumulator-electric vehicles, comprising a first sub-circuit comprising a compressor, a second sub-circuit connected to the first sub-circuit via a gas/liquid phase separator, the gas/liquid phase separator having a first oil return device, a second oil return device or a third oil return device connected to the compressor.
Description
Das Projekt, das zu dieser Anmeldung geführt hat, weist eine Finanzierung durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 770019 auf („The project leading to this application has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 770019“).The project leading to this application has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under Grant Agreement No. 770019 ("The project leading to this application has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 770019”).
Gebiet der Erfindungfield of invention
Das Gebiet der Erfindung betrifft das Kühlen von Akkumulatoren im Allgemeinen und im Speziellen einen Kältemittelkreislauf und ein Kühlsystem für akkumulatorelektrisch-angetriebene Fahrzeuge.The field of the invention relates to the cooling of accumulators in general and in particular to a refrigerant circuit and a cooling system for accumulator-electric-powered vehicles.
Stand der TechnikState of the art
Trotz der wachsenden Nachfrage nach (ultra-)schnellen Ladevorgängen für Elektrofahrzeuge geht der Stand der Technik beim Wärmemanagement von Akkumulatoren beziehungsweise Batterien weg von der direkten Kühlung in Richtung indirekter Kühlung. Aus thermodynamischer Sicht ist dieser Trend erstaunlich, da die direkte Kühlung bei einem gegebenen Kompressor beziehungsweise Verdichter eine viel höhere Kühlleistung bereitstellt als die indirekte Kühlung.Despite the growing demand for (ultra) fast charging processes for electric vehicles, the state of the art in thermal management of accumulators or batteries is moving away from direct cooling towards indirect cooling. From a thermodynamic point of view, this trend is astonishing since direct cooling provides a much higher cooling capacity than indirect cooling for a given compressor or condensors.
Bei der direkten Kältemittelkühlung wird die Wärme direkt durch das Kältemittel im Wärmetauscher des Akkumulators gesammelt, während bei der indirekten Akkumulatorkühlung die Wärme des Akkumulators in einem Kühlmittel gesammelt wird, welches über einen Kühler durch einen Kältemittelkreislauf gegengekühlt wird. Um die gleiche Zellentemperatur eines Akkumulators zu erreichen, ist die Verdampfungstemperatur im Akkumulatorwärmetauscher bei direkter Kühlung höher als im Kühler bei indirekter Kühlung. Daher sind der damit zusammenhängende (gesättigte) Druck und die Dampfdichte am Kompressoreinlass bei direkter Kühlung höher. Das heißt, der Kompressor fördert bei einer gegebenen Drehzahl mehr Kältemittelmassenstrom und stellt somit eine höhere Kühlleistung bei direkter Kühlung bereit. Abhängig von der erforderlichen Betriebstemperatur und der Leitfähigkeit der Wärmeübertrager kann die direkte Kühlung etwa die doppelte Kälteleistung im Vergleich zur indirekten Kühlung bereitstellen.With direct refrigerant cooling, the heat is collected directly by the refrigerant in the accumulator's heat exchanger, while with indirect accumulator cooling, the heat of the accumulator is collected in a coolant, which is counter-cooled by a coolant circuit via a cooler. In order to achieve the same cell temperature of an accumulator, the evaporation temperature in the accumulator heat exchanger with direct cooling is higher than in the cooler with indirect cooling. Therefore, the associated (saturated) pressure and vapor density at the compressor inlet are higher with direct cooling. This means that the compressor delivers more refrigerant mass flow at a given speed and thus provides a higher cooling capacity with direct cooling. Depending on the required operating temperature and the conductivity of the heat exchanger, direct cooling can provide about twice the cooling capacity compared to indirect cooling.
In Bezug auf die Kosteneffizienz schneidet die direkte Kühlung potenziell besser ab als die indirekte Kühlung, da sie keinen Gegenkühler, keine Kühlmittelpumpe, keine Kühlmittelschläuche und keine Ventile erfordert.In terms of cost-efficiency, direct cooling potentially performs better than indirect cooling because it does not require a back cooler, coolant pump, coolant hoses, or valves.
Das Hauptproblem bei der direkten Kühlung von Akkumulatoren tritt auf, wenn das Kältemittel zu einem Zweiphasenstrom (gasförmig und flüssig) expandiert und in mehrere parallele Teilkreisläufe geleitet wird, um das Akkumulatorpaket, umfassend eine Vielzahl von Akkumulator-Zellen, zu kühlen. Da der Zweiphasenstrom von dem Gas dominiert wird, verteilt sich die Flüssigkeit nicht gleichmäßig auf alle Teilkreisläufe. Das heißt die Kühlung, entsprechend der Verdampfung der Flüssigkeit, ist in einigen Teilkreisläufen unzureichend, während ein Teil des flüssigen Kältemittels nutzlos durch andere Teilkreisläufe strömt, ohne verdampft zu werden.The main problem with the direct cooling of accumulators arises when the refrigerant expands into a two-phase flow (gaseous and liquid) and is fed into several parallel sub-loops in order to cool the accumulator pack comprising a multiplicity of accumulator cells. Since the two-phase flow is dominated by the gas, the liquid is not evenly distributed over all sub-circuits. That is, cooling corresponding to the evaporation of the liquid is insufficient in some sub-circuits, while part of the liquid refrigerant flows uselessly through other sub-circuits without being vaporized.
Die deutsche Patentanmeldung
Der Kältemittelkreislauf für eine direkte Kühlung nach dem Stand der Technik besteht somit aus zwei Teilkreisläufen, die über einen Gas-/Flüssigphasenabscheider kommunizieren. Im ersten Teilkreislauf fließt das Kältemittel von der Gasaustrittsöffnung des Gas-/Flüssigphasenabscheiders zu einem Kompressor, einem Wärmetauscher und einer Expansionsvorrichtung zurück in den Gas-/Flüssigphasenabscheider. Im zweiten Teilkreislauf fließt das Kältemittel von der Flüssigkeitsauslassöffnung eines Gas-/Flüssigphasenabscheiders zu einer Kältemittelpumpe und mindestens einem Verdampfer zurück in den Gas-/Flüssigphasenabscheider über einen Einlass, der vom Einlass des ersten Teilkreislaufs getrennt ist.The refrigerant circuit for direct cooling according to the prior art thus consists of two partial circuits that communicate via a gas/liquid phase separator. In the first sub-cycle, the refrigerant flows back into the gas/liquid phase separator from the gas outlet opening of the gas/liquid phase separator to a compressor, a heat exchanger and an expansion device. In the second part circuit, the refrigerant flows from the liquid outlet opening of a gas/liquid phase separator to a refrigerant pump and at least one evaporator back into the gas/liquid phase separator via an inlet which is separate from the inlet of the first part circuit.
Dabei wird nicht auf das Tribologie-Management des Kompressors eingegangen. Trotz der Ölabscheidung und Ölrückführung innerhalb des Kompressors verlässt ein Teil des Öls die Kompressorauslassöffnung und fließt schließlich in den Gas-/Flüssigphasenabscheider. Da dieser Abscheider nur gasförmiges Kältemittel zum Kompressor zurückführt, konzentriert sich das Öl im flüssigen Kältemittel und zirkuliert im zweiten Teilkreislauf. Schließlich geht dem Kompressor das Öl aus und er läuft trocken.The tribology management of the compressor is not discussed here. Despite the oil separation and oil return inside the compressor, some of the oil leaves the compressor so outlet and finally flows into the gas / liquid phase separator. Since this separator only returns gaseous refrigerant to the compressor, the oil is concentrated in the liquid refrigerant and circulates in the second sub-circuit. Eventually the compressor will run out of oil and run dry.
Des Weiteren wird keine Möglichkeit beschrieben, den Kältemittelkreislauf derart umzukehren, um bei Bedarf und/oder Wunsch im Sommer eine Akkumulatorkühlung beziehungsweise Fahrzeug-Kabinenkühlung und im Winter die eine Heizung über die Wärmepumpe bereitzustellen.Furthermore, no possibility is described of reversing the refrigerant circuit in such a way as to provide accumulator cooling or vehicle cabin cooling in summer and heating via the heat pump in winter if required and/or desired.
Ebenso schlägt der Stand der Technik vor, den Kältemittelkreislauf mit mehreren Verdampfern zu nutzen, die unterschiedliche Wärmeleistungen aufweisen. Dies setzt die Integration von Absperrventilen voraus, um ungenutzte Verdampfer zu schließen oder eine sehr leistungsstarke Pumpe zu installieren, um den Flüssigkältemittelstrom durch alle ungenutzten oder teilweise genutzten Verdampfer zu pumpen.The prior art also proposes using the refrigerant circuit with a plurality of evaporators that have different heat outputs. This requires the integration of isolation valves to close off unused evaporators or the installation of a very powerful pump to pump the liquid refrigerant stream through any unused or partially used evaporators.
Der Stand der Technik ist bei der Anwendung der direkten Kühlung von Akkumulatoren auf Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) mit eher kleinen Akkumulatorpaketen und nur wenigen parallelen Teilkreisläufen beschränkt.The state of the art is limited in the application of direct cooling of accumulators to plug-in hybrid electric vehicles (PHEV) with rather small accumulator packs and only a few parallel sub-circuits.
Bei reinen Elektrofahrzeugen mit großen Akkumulatorpaketen wird die direkte Kältemittelkühlung bis auf wenige Ausnahmen nicht eingesetzt. Wie beschrieben findet ansonsten eine indirekte Kühlung Anwendung, indem ein Kältemittelkreislauf und ein Kühlkreislauf verwendet werden, die über Wärmetauscher miteinander gekoppelt sind.With a few exceptions, direct refrigerant cooling is not used in purely electric vehicles with large battery packs. Otherwise, as described, indirect cooling is used by using a refrigerant circuit and a cooling circuit, which are coupled to one another via heat exchangers.
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine direkte Kühlung mit sich selbst schmierendem Kältemittelkreislauf für unterschiedlich große Akkumulatorpakete eines Fahrzeugs bereitzustellen.One aim of the present disclosure is to provide direct cooling with a self-lubricating refrigerant circuit for battery packs of different sizes in a vehicle.
Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Das vorliegende Dokument beschreibt einen Kältemittelkreislauf für akkumulatorelektrisch-angetriebene Fahrzeuge, wobei der Kältemittelkreislauf einen ersten Teilkreislauf, umfassend einen Kompressor und einen zweiten Teilkreislauf umfasst. Der zweite Teilkreislauf ist mit dem ersten Teilkreislauf über einen Gas/Flüssigphasenabscheider verbunden, wobei der Gas/Flüssigphasenabscheider über eine erste Ölrückführvorrichtung, eine zweite Ölrückführvorrichtung oder eine dritte Ölrückführvorrichtung mit dem Kompressor verbunden ist.The present document describes a refrigerant circuit for accumulator-electrically powered vehicles, the refrigerant circuit comprising a first sub-circuit, comprising a compressor, and a second sub-circuit. The second sub-circuit is connected to the first sub-circuit via a gas/liquid phase separator, the gas/liquid phase separator being connected to the compressor via a first oil return device, a second oil return device or a third oil return device.
Nach einem Aspekt umfasst der erste Teilkreislauf eine A-Leitung und der zweite Teilkreislauf eine B-Leitung. Bei der A-Leitung und der B-Leitung handelt es sich um Komponenten, welche auf dem technischen Gebiet der Erfindung üblich sind und zumindest abschnittsweise mindestens eines von einem Rohr oder einem Rohrbündel aus parallelen Rohren beziehungsweise Kanälen mit teilweise unterschiedlichem/n Durchmesser/n,.According to one aspect, the first sub-circuit comprises an A-line and the second sub-circuit comprises a B-line. The A line and the B line are components which are customary in the technical field of the invention and at least in sections at least one of a tube or a tube bundle made of parallel tubes or channels with partially different diameter(s), .
Der Kältemittelkreislauf nach dem vorgenannten Aspekt umfasst somit zwei voneinander unterschiedliche Teilkreisläufe, welche unterschiedliche Aufgaben innerhalb des Kältemittelkreislaufs übernehmen können.The refrigerant circuit according to the aforementioned aspect thus comprises two sub-circuits which are different from one another and which can take on different tasks within the refrigerant circuit.
Nach einem Aspekt ist die erste Ölrückführvorrichtung und die zweite Ölrückführvorrichtung eine integrale Komponente des Gas/Flüssigphasenabscheiders.In one aspect, the first oil return device and the second oil return device is an integral component of the gas/liquid phase separator.
Der Kältemittelkreislauf nach dem vorgenannten Aspekt kann kompakt ausgeführt werden und so in einem kleineren Bauraum eingesetzt werden.The refrigerant circuit according to the aforementioned aspect can be made compact and can thus be used in a smaller installation space.
Nach einem Aspekt umfasst die dritte Ölrückführvorrichtung eine separate Komponente, welche den ersten Teilkreislauf vor dem Kompressor und den zweiten Teilkreislauf vor dem Gas/Flüssigphasenabscheider verbindet.In one aspect, the third oil return device comprises a separate component connecting the first sub-circuit before the compressor and the second sub-circuit before the gas/liquid phase separator.
Der Kältemittelkreislauf nach dem vorgenannten Aspekt kann mit kleineren und einfach ausgebildeten Komponenten ausgeführt werden, um in einer komplexen Bauraumsituation eingesetzt zu werden.The refrigerant circuit according to the aforementioned aspect can be designed with smaller and simply designed components in order to be used in a complex installation space situation.
Nach einem Aspekt umfasst der Gas-/Flüssigphasenabscheider ein Reservoir, welches ein Kältemittel aufnimmt, wobei das Kältemittel gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel umfasst.In one aspect, the gas/liquid phase separator includes a reservoir that holds a refrigerant, the refrigerant including gaseous refrigerant and liquid refrigerant.
Durch das Reservoir kann die Menge des Kältemittels, beispielsweise mittels Augenlicht über einen Glaseinsatz oder einen Sensor, beobachtet und bei Bedarf nachgefüllt werden wodurch der Kältemittelkreislauf sicherer und länger betrieben werden kann.The amount of refrigerant can be observed through the reservoir, for example by means of eyesight via a glass insert or a sensor, and refilled if necessary, which means that the refrigerant circuit can be operated more safely and for longer.
Nach einem Aspekt besteht das flüssige Kältemittel aus einem Gemisch aus einem flüssigen Kältemittel und Öl oder reinem Kältemittel.In one aspect, the liquid refrigerant is a mixture of liquid refrigerant and oil or pure refrigerant.
Das flüssige Kältemittel, wie damit auch das Kältemittel, kann nicht nur kühlen sondern auch schmieren.The liquid refrigerant, as well as the refrigerant, can not only cool but also lubricate.
Nach einem Aspekt ist die A-Leitung vermittels Saugrohr mit dem Reservoir zum Aufnehmen des gasförmigen Kältemittels verbunden und die B-Leitung ist vermittels Saugleitung zum Aufnehmen des flüssigen Kältemittels mit dem Reservoir verbunden.In one aspect, the A-line is connected to the reservoir for receiving the gaseous refrigerant via a suction pipe and the B-line is connected via a suction line to the receiver of the liquid refrigerant connected to the reservoir.
Der erste Teilkreislauf wird dadurch über das Saugrohr mit gasförmigen Kältemittel versorgt und der zweite Teilkreis wird dadurch über die Saugleitung mit dem flüssigen Kältemittel versorgt.The first sub-circuit is thus supplied with gaseous refrigerant via the suction pipe and the second sub-circuit is supplied with the liquid refrigerant via the suction line.
Nach einem Aspekt umfasst das Saugrohr ein erstes Loch zum Aufnehmen eines Teils des flüssigen Kältemittels aus dem Reservoir.In one aspect, the suction tube includes a first hole for receiving a portion of the liquid refrigerant from the reservoir.
Durch das erste Loch kann ein Teil des flüssigen Kältemittels in den ersten Teilkreislauf zum Schmieren des Kompressors eingespeist werden.Part of the liquid refrigerant can be fed through the first hole into the first sub-circuit for lubricating the compressor.
Nach einem Aspekt umfasst des Saugrohr eine Öffnung zum direkten Aufnehmen eines Teils des flüssigen Kältemittels aus dem zweiten Teilkreislauf.In one aspect, the suction tube includes an opening for directly receiving a portion of the liquid refrigerant from the second sub-loop.
Durch die Öffnung kann ein Teil des flüssigen Kältemittels in den ersten Teilkreislauf zum Schmieren des Kompressors eingespeist werden.Part of the liquid refrigerant can be fed through the opening into the first partial circuit for lubricating the compressor.
Nach einem Aspekt umfasst der Gas-/Flüssigphasenabscheider ferner eine erste Komponente und eine zweite Komponente, wobei die erste Komponente mindestens einen Teil des flüssigen Kältemittels aus dem zweiten Teilkreislauf direkt an die zweite Komponente abgibt.In one aspect, the gas/liquid phase separator further includes a first component and a second component, wherein the first component delivers at least a portion of the liquid refrigerant from the second sub-loop directly to the second component.
Dadurch kann ein Teil des flüssigen Kältemittels aus dem zweiten Teilkreislauf direkt an die zweite Komponente abgegeben werden, ohne dass es in dem Reservoir verweilt.As a result, part of the liquid refrigerant from the second partial circuit can be delivered directly to the second component without it staying in the reservoir.
Nach einem Aspekt umfasst die zweite Komponente eine Sammelvorrichtung zum Aufnehmen des freigegebenen Teils des flüssigen Kältemittels der ersten Komponente. Insbesondere ist die zweite Komponente als Rohr, als Trichter oder als Schale ausgebildet.In one aspect, the second component includes a collection device for receiving the released portion of the liquid refrigerant of the first component. In particular, the second component is designed as a tube, a funnel or a bowl.
Dadurch kann ein Teil des flüssigen Kältemittels aus dem zweiten Teilkreislauf sehr gut von der zweiten Komponente aufgenommen werden, ohne dass es in dem Reservoir verweilt.As a result, part of the liquid refrigerant from the second partial circuit can be very well absorbed by the second component without it staying in the reservoir.
Nach einem Aspekt ist die zweite Komponente eine integrale Komponente des Saugrohrs.In one aspect, the second component is an integral component of the intake manifold.
Der Teil des flüssigen Kältemittels wird so über das Saugrohr in den ersten Teilkreislauf zum Schmieren des Kompressors gespeist.The part of the liquid refrigerant is thus fed via the suction pipe into the first partial circuit for lubricating the compressor.
Nach einem Aspekt umfasst die erste Komponente mindestens eines von einem Rohr mit mindestens einer Öffnung, ein Rohr mit einer perforierten Wand, ein Prallblech und eine Spirale.In one aspect, the first component includes at least one of a tube having at least one opening, a tube having a perforated wall, a baffle, and a coil.
Durch die besondere Form kann der Teil des flüssigen Kältemittels zielgerichtet von der ersten Komponente an die zweite Komponente abgeben werden.Due to the special shape, part of the liquid refrigerant can be released from the first component to the second component in a targeted manner.
Nach einem Aspekt umfasst die separate Komponente mindestens ein Loch zum Verbinden des ersten Teilkreislaufs und des zweiten Teilkreislaufs.According to one aspect, the separate component comprises at least one hole for connecting the first partial circuit and the second partial circuit.
Durch das mindestens eine Loch kann ein Teil des flüssigen Kältemittels von dem zweiten Teilkreislauf in den ersten Teilkreislauf zum Schmieren des Kompressors eingespeist werden.A part of the liquid refrigerant can be fed from the second sub-circuit into the first sub-circuit for lubricating the compressor through the at least one hole.
Nach einem Aspekt umfasst die separate Komponente einen gebogenen Abschnitt, welcher Zentrifugalkräfte auf das durch die separate Komponente strömende Kältemittel bewirkt.In one aspect, the discrete component includes a curved portion that imposes centrifugal forces on refrigerant flowing through the discrete component.
Durch die Zentrifugalkräfte wird im gebogenen Abschnitt das flüssige Kältemittel von dem gasförmigen Kältemittel des Kältemittels getrennt.The liquid refrigerant is separated from the gaseous refrigerant of the refrigerant in the curved section by the centrifugal forces.
Nach einem Aspekt umfasst der gebogene Abschnitt mindestens ein Loch zum Durchströmen mindestens eines Teils des flüssigen Kältemittels von dem zweiten Teilkreislauf in den ersten Teilkreislauf. Das mindestens eine Loch ist mindestens eines von einem Komponentenloch und einem Austauschplattenloch.In one aspect, the bent portion includes at least one hole for at least a portion of the liquid refrigerant to flow through from the second sub-circuit into the first sub-circuit. The at least one hole is at least one of a component hole and a replacement plate hole.
Durch das mindestens eine Loch kann ein Teil des flüssigen Kältemittels von dem zweiten Teilkreislauf in den ersten Teilkreislauf zum Schmieren des Kompressors eingespeist werden.A part of the liquid refrigerant can be fed from the second sub-circuit into the first sub-circuit for lubricating the compressor through the at least one hole.
Nach einem Aspekt ist das mindestens eine Austauschplattenloch in einer austauschbaren Austauschplatte integriert.In one aspect, the at least one replacement plate hole is integrated into a replaceable replacement plate.
Die Austauschplatte kann zu Reinigungszwecken oder zur Wartung leicht ausgetauscht werden. Die Austauschplatte kann durch eine zweite Austauschplatte mit mindestens einem Austauschplattenloch ersetzt werden, um die Querschnittsfläche des mindestens einen Austauschplattenlochs an die Gegebenheiten des Kältemittelkreislaufs anzupassen.The replacement plate can be easily replaced for cleaning or maintenance. The replacement plate can be replaced by a second replacement plate with at least one replacement plate hole in order to adapt the cross-sectional area of the at least one replacement plate hole to the conditions of the refrigerant circuit.
Nach einem Aspekt umfasst der Kältemittelkreislauf ferner einen Wärmetauscher, ein Expansionsventil und eine Kältemittelpumpe. Der Wärmetauscher und das Expansionsventil sind im ersten Teilkreislauf angeordnet. Die Kältemittelpumpe ist im zweiten Teilkreislauf bereitgestellt.According to one aspect, the refrigerant circuit further includes a heat exchanger, an expansion valve, and a refrigerant pump. The heat exchanger and the expansion valve are arranged in the first partial circuit. The refrigerant pump is provided in the second sub-circuit.
Figurenlistecharacter list
Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung und vieler damit verbundener Vorteile lässt sich leicht erlangen, wenn diese durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren besser verstanden wird.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufs nach einem ersten Aspekt mit einem Gas-/Flüssigphasenabscheider nach einem ersten Aspekt. -
2 ist eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs nach1 mit einem Gas-/Flüssigphasenabscheider nach einem zweiten Aspekt. -
3 ist eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufs nach einem zweiten Aspekt. -
4 ist eine perspektivische Schnittdarstellung einer Teilkomponente des Kältemittelkreislaufs gemäß3 . -
5 stellt ein illustratives Beispiel für den Einsatz des Kältemittelkreislaufs nach1 dar. -
6 zeigt eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs mit einem Verdampfungssystem gemäß einem Aspekt.
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1 Fig. 12 is a schematic representation of a refrigeration circuit according to a first aspect including a gas-liquid phase separator according to a first aspect. -
2 Fig. 12 is a schematic diagram of the refrigerant circuit1 with a gas/liquid phase separator according to a second aspect. -
3 12 is a schematic diagram of a refrigerant circuit according to a second aspect. -
4 FIG. 14 is a sectional perspective view of a partial component of the refrigeration cycle according to FIG3 . -
5 represents an illustrative example of the use of the refrigerant cycle1 represent. -
6 FIG. 12 shows a schematic representation of the refrigerant circuit with an evaporation system according to one aspect.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beschrieben. Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Aspekte der Erfindung nur Beispiele sind und den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken. Die Erfindung wird durch die Ansprüche und ihre Äquivalente definiert. Es versteht sich, dass Merkmale eines Aspekts der Erfindung mit einem Merkmal eines anderen Aspekts oder anderer Aspekte der Erfindung kombiniert werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The invention will now be described with reference to the figures. It should be understood that the aspects of the invention described herein are exemplary only and do not in any way limit the scope of the claims. The invention is defined by the claims and their equivalents. It is understood that features of one aspect of the invention may be combined with a feature of another aspect or aspects of the invention, provided they are not mutually exclusive.
Der erste Teilkreislauf A umfasst einen Kompressor beziehungsweise einen Verdichter 102, einen Wärmetauscher 104 und eine Expansionsvorrichtung 106, welche alle über eine A-Leitung 101 miteinander und dem Gas-/Flüssigphasenabscheider 120 verbunden sind. Bei der A-Leitung 101 handelt es sich um eine Komponente, welche auf dem technischen Gebiet der Erfindung üblich ist und zumindest abschnittsweise mindestens eines von einem Rohr oder einem Rohrbündel aus parallelen Rohren beziehungsweise Kanälen mit teilweise unterschiedlichem/n Durchmesser/n, umfasst. Aus Gründen der Kürze wird die A-Leitung 101 daher nicht näher im Detail beschrieben.The first partial circuit A comprises a compressor or
Der zweite Teilkreislauf B umfasst eine Kältemittelpumpe 126 und mindestens ein Verdampfersystem 128, wobei Kältemittelpumpe 126 und Verdampfersystem 128 über eine B-Leitung 125 miteinander und dem Gas-/Flüssigphasenabscheider 120 verbunden sind. Bei der B-Leitung 125 handelt es sich um eine Komponente, welche auf dem technischen Gebiet der Erfindung üblich ist und zumindest abschnittsweise mindestens eines von einem Rohr oder einem Rohrbündel aus parallelen Rohren beziehungsweise Kanälen mit teilweise unterschiedlichem/n Durchmesser/n, umfasst. Aus Gründen der Kürze wird die B-Leitung 125 daher nicht näher im Detail beschrieben.The second partial circuit B comprises a
Der Gas-/Flüssigphasenabscheider 120 umfasst ein Reservoir 121, ein Saugrohr 122 und eine Saugleitung 124. Das Saugrohr 122 umfasst eine Öffnung 123. Das Reservoir 121 umfasst ein Kältemittel 115. Das Kältemittel 115 besteht aus einem Gemisch aus einem Kältemittel und Öl oder aus reinem Kältemittel. Dabei besteht das Kältemittel beispielsweise aus HFO-1234yf oder R744 und das Öl besteht beispielsweise aus einem Schmieröl, abgestimmt auf den jeweiligen Kompressor 102.The gas/
Das Kältemittel 115 wird über die Saugleitung 124 durch die Kältemittelpumpe 126 an das Verdampfersystem 128 im zweiten Teilkreislauf B geleitet. Im Verdampfersystem 128 verdampft das Kältemittel 115 und bildet ein Gas-/Flüssigkeitsgemisch.The refrigerant 115 is conducted via the
Aufgrund des Phasenübergangs des Kältemittels 115 (flüssig zu dampfförmig) kommt es zu einem verstärkten Wärmetransportprozess von hoher zu niedriger Temperatur. Durch die Verdampfung des Kältemittels 115 im Verdampfersystem 128 wird thermische Energie beziehungsweise Wärme aus der Umgebung oder beispielsweise von dem Verdampfersystem 128 an den Kältemittelkreislauf 100 abgegeben und dadurch gekühlt. Mit anderen Worten, durch die Verdampfung des Kältemittels 115 im Verdampfersystem 128 wird einem mit dem Verdampfersystem 128 in Kontakt stehendem Medium Energie in Form von Wärme entzogen und von dem Kältemittel 115 vorwiegend durch den Phasenübergang von flüssiger Phase zu dampfförmiger Phase (Verdampfungsenthalpie) aufgenommen.Due to the phase transition of the refrigerant 115 (liquid to vapor), there is an enhanced heat transfer process from high to low temperature. As a result of the evaporation of the refrigerant 115 in the
Im zweiten Teilkreislauf B nach dem Verdampfersystem 128 besteht das Kältemittel 115 somit aus einem Gemisch aus einer gasförmigen Phase und einer flüssigen Phase. Das Gas-/Flüssigkeitsgemisch wird an den Gas-/Flüssigphasenabscheider 120 geführt und mit Hilfe des Gas-/Flüssigphasenabscheiders 120 in seine gasförmige und flüssige Phase getrennt. Dem Reservoir 121 wird somit das Kältemittel 115 als gasförmiges Kältemittel 115g und als flüssiges Kältemittel 115f bereitgestellt. Das flüssige Kältemittel 115f besteht wie das Kältemittel 115 aus einem Gemisch aus einem flüssigen Kältemittel und Öl oder aus reinem Kältemittel.In the second partial circuit B after the
Das Reservoir 121 ist eingerichtet, um das flüssige Kältemittel 115f und das gasförmige Kältemittel 115g aufzunehmen. Da sich das flüssige Kältemittel 115f im unteren Bereich des Reservoirs 121 und das gasförmige Kältemittel 115g im oberen Bereich des Reservoirs 121 sammelt, ist das Saugrohr 122 für das gasförmiges Kältemittel 115g derart ausgestaltet, dass die Öffnung 123 des Saugrohrs 122 stets über eine Oberfläche des flüssigen Kältemittels 115f ragt, um nicht das flüssige Kältemittel 115f aus dem Reservoir 121 durch die Öffnung 123 aufzunehmen. Die Saugleitung 124 für das flüssige Kältemittel 115f ist derart ausgestaltet, um am Boden des Reservoirs 121 bereitgestellt zu sein, und durch das flüssige Kältemittel 115f bedeckt zu sein.The
Die hier verwendeten Ausdrücke „oberer Bereich“, „unterer Bereich“ und „Boden des Reservoirs“ sind als Richtungsangaben zu verstehen und Beschreiben Positionen, welche sich auf eine horizontale Betrachtung des Reservoirs 121 beziehen, bei welchem sich durch die physikalischen Gesetze die flüssige Phase näher an der Erdoberfläche befindet als die gasförmige Phase des Kältemittels 115.The terms "upper area", "lower area" and "bottom of the reservoir" used here are to be understood as directional indications and describe positions which relate to a horizontal view of the
Das flüssige Kältemittel 115f wird über die Saugleitung 124 durch die Kältemittelpumpe 126 an das Verdampfersystem 128 im zweiten Teilkreislauf B gepumpt. Im Verdampfersystem 128 wird das flüssige Kältemittel 115f in ein Gemisch aus einer gasförmigen Phase und einer flüssigen Phase gewandelt und im Gas-/Flüssigphasenabscheider 120 werden die zwei Phasen voneinander getrennt. Damit das Verdampfersystem 128, umfassend beispielsweise eine Vielzahl von Akkumulatorpaketen, wie weiter unten beschrieben, die Vielzahl der Akkumulatorpakete mit möglichst homogener Temperaturverteilung kühlt, kann mehr flüssiges Kältemittel 115f in das Verdampfersystem 128 gepumpt werden als darin verdampfen kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass über die gesamte Lauflänge flüssiges Kältemittel 115f verdampft, und somit kein reiner Gasanteil entsteht und durch weitere Wärmeaufnahme überhitzt wird. Dadurch wird das Verdampfersystem 128 im Teilkreislauf B überversorgt beziehungsweise geflutet und man spricht von gefluteter Verdampfung.The
Durch die Trennung von flüssigem Kältemittel 115f und dampfförmigem Kältemittel 115g in dem Gas/Flüssigphasenabscheider 120 wird vermieden, dass in das Verdampfersystem 128 dampfförmiges Kältemittel 115g einströmt. Im Vergleich zu gängigen Kältemittelkreisläufen, bei welchen das Kältemittel direkt vor dem Verdampfersystem 128 expandiert, wird dem Verdampfersystem 128 gasförmiges Kältemittel 115g mit einem Gewichtsanteil von circa 20% bis 50% des gesamten Kältemittelmassenstroms zugeführt. Wird dem Verdampfersystem 128 gasförmiges Kältemittel 115g mit einem Gewichtsanteil von circa 20% bis 50% des gesamten Kältemittelmassenstroms zugeführt steigt der Volumenanteil des gasförmigen Kältemittels 115g auf bis zu 4000% relativ zum flüssigen Kältemittel 115f. Bei solch hohen Volumenanteilen des gasförmiges Kältemittel 115g würde die Strömungsgeschwindigkeit und der Druckverlust im Vergleich zum rein flüssigen Kältemittel 115f deutlich ansteigen und den Prozess negativ beeinflussen. Zudem wäre in einem Fall, in dem nicht mehr sichergestellt wäre, dass sich ausreichend flüssiges Kältemittel 115f gleichmäßig im Verdampfersystem 128 verteilt, eine inhomogenen Kühlung und inhomogener Temperaturverteilung die Folge.The separation of liquid refrigerant 115f and vaporous refrigerant 115g in the gas/
Da das Kältemittel das Verdampfersystem 128 zumindest teilweise als Zweiphasenstrom beziehungsweise Gas-/Flüssigkeitsgemisch durchströmt, ist der Druckverlust direkt mit einer Temperaturabnahme verbunden, das heißt bei konventionellen Anwendungen mit Kühlmitteln ist die Temperaturdifferenz zwischen Auslass und Einlass in das Verdampfersystem 128, über beispielsweise ein gesamtes Akkumulatorpaket höher als bei der gefluteten Verdampfung. Mit anderen Worten, die geflutete Verdampfung stellt eine höhere Temperaturhomogenität und somit eine homogenere Kühlung, beispielsweise von Akkumulatorpaketen, bereit, wodurch die Alterung der Akkumulator-Zellen der Akkumulatorpakete aufgrund hoher Temperaturdifferenzen in den Akkumulator-Zellen und zwischen den Akkumulator-Zellen minimiert werden kann.Since the refrigerant flows through the
Des Weiteren kann die B-Leitung 125 innerhalb des Verdampfersystems 128 aufgrund der höheren Temperaturhomogenität in ihrer Leitungslänge länger dimensioniert sein und so eine größere zusätzliche Kühlfläche für eine größere Anzahl von Akkumulator-Zellen bereitstellen. Die hier beschriebene geflutete Verdampfung ist daher besonders nützlich für große Akkumulatorpakete in rechteckigem Bauraum, wie sie in vielen modernen Elektrofahrzeugen eingebaut werden.Furthermore, the B-
Während das flüssige Kältemittel 115f über die Saugleitung 124 in den zweiten Teilkreislauf B gepumpt wird, wird das gasförmige Kältemittel 115g gleichzeitig aus dem Reservoir 121 über die Öffnung 123 des Saugrohrs 122 vom Kompressor 102 in den ersten Teilkreislauf A gesaugt. Der Kompressor 102 verdichtet das gasförmige Kältemittel 115g, wodurch das Volumen des gasförmigen Kältemittels 115g sinkt und die thermische Energie beziehungsweise Temperatur des gasförmigen Kältemittels 115g steigt. Um die thermische Energie des gasförmigen Kältemittels 115g abzuführen, wird das gasförmige Kältemittel 115g im Anschluss an den Kompressor 102 durch den Wärmetauscher 104 geführt und abgekühlt. Bis zum Austritt aus dem Wärmetauschscher 104 wird das Kältemittel 115 zumindest teilweise von der gasförmige Phase in die flüssige Phase überführt. Bevorzugt wird das Kältemittel 115 vollständig in die flüssige Phase überführt, so dass es als flüssiges Kältemittel 115f vorliegt. Das abgekühlte Kältemittel 115 wird danach durch die Expansionsvorrichtung 106 entspannt beziehungsweise auf einen niedrigeren Druck gebracht, wodurch das Kältemittel 115 wiederum in zwei Phasen, eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase, überführt wird. Das Gas-/Flüssigkeitsgemisch wird dem Reservoir 121 des Gas-/Flüssigphasenabscheiders 120 zugeführt.While the
Das Saugrohr 122 umfasst mindestens ein Saugloch 129, welches in der Nähe des Bodens des Reservoirs 121 bereitgestellt ist. Durch das Saugloch 129 gelangt ein Teil des flüssigen Kältemittels 115f in das Saugrohr 122 und vermischt sich mit dem gasförmigen Kältemittel 115g. Das flüssige Kältemittel 115f wird zusammen mit dem gasförmigen Kältemittel 115g zum Kompressor 102 geführt. Das flüssige Kältemittel 115f, umfassend Öl, sorgt für eine Schmierung und/oder Kühlung des Kompressors 102. Dadurch wird gewährleistet, dass der Kompressor 102 nicht trocken läuft und der Kreislauf im ersten Teilkreislauf A über eine sehr lange Laufzeit betrieben werden kann. Das Saugloch 129 im Saugrohr 122 und die A-Leitung 101 definieren eine erste Ölrückführvorrichtung 120A, welche das im Kältemittel 115 beziehungsweise im flüssigen Kältemittel 115f enthaltene Öl an den Kompressor 102 rückführt und dadurch die Schmierung des Kompressors 102 gewährleistet.The
Die zweite Komponente 1203 umfasst eine Sammelvorrichtung zum Aufnehmen des abgegebenen Teils des flüssigen Kältemittels 115f der ersten Komponente 1201. Die zweite Komponente 1203 leitet den abgegebenen Teil des flüssigen Kältemittels 115f direkt an die Öffnung 123 des Saugrohrs 122. Die Sammelvorrichtung der zweiten Komponente 1203 umfasst mindestens eines von einem Rohr, einem Trichter oder einer Schale. Die zweite Komponente 1203 kann eine einzelne, mit dem Saugrohr 122 montierte Komponente oder eine mit dem Saugrohr 122 integrale Komponente sein. Durch die Ausgestaltung der zweiten Komponente 1203 speist die erste Komponente 1201 mindestens einen Teil des flüssigen Kältemittels 115f direkt in die Öffnung 123 (siehe
Die erste Komponente 1201, die zweite Komponente 1203 und die A-Leitung 101 definieren eine zweite Ölrückführvorrichtung 120B, welche das im Kältemittel 115 beziehungsweise im flüssigen Kältemittel 115f enthaltene Öl an den Kompressor 102 rückführt und dadurch die Schmierung des Kompressors 102 gewährleistet.The
Ein Vorteil der ersten Ölrückführvorrichtung 120A und der zweiten Ölrückführvorrichtung 120B besteht darin, dass die Konzentration des im Kältemittel gelösten Öls nach der Teilverdampfung in dem Verdampfersystem 128 höher sein kann als in dem flüssigen Kältemittel 115f, welches sich im Reservoir des Gas-/Flüssigphasenabscheiders 120 befindet. Dadurch kann ein kleinerer Massenstrom an flüssigem Kältemittel 115f mit derselben Menge an gelöstem Öl an den Kompressor 102 zurückgeführt werden, wodurch sich die Effektivität erhöht. Aufgrund des geringeren Massenstroms des flüssigen Kältemittels 115f steigt der Wirkungsgrad des Kompressors 102 und damit des ganzen Kältemittelkreislaufs 100.An advantage of the first
Der Gas-/Flüssigphasenabscheider 120 gleicht dabei dem Gas-/Flüssigphasenabscheider 120 nach
Der Kältemittelkreislauf 100 umfasst ferner eine separate Komponente 140, umfassend eine Teilkomponente 240 (siehe
Der erste Raum A* und der zweite Raum B* der separaten Komponente 140, 240 können unterschiedliche Formen umfassen und sind miteinander durch ein Komponentenloch 212 verbunden. Dadurch gelangt mindestens ein Teil des flüssigen Kältemittels 115f aus dem zweiten Teilkreis B durch das Komponentenloch 212 der separaten Komponente 140, 240 in den ersten Raum A*. Im ersten Raum A* vermischt sich das flüssige Kältemittel 115f mit dem vom Saugrohr 122 in die A-Leitung 101 angesaugten gasförmigen Kältemittel 115g und strömt weiter zu dem Kompressor 102. Dadurch wird gewährleistet, dass der Kompressor 102 mit mindestens einem Teil des flüssigen Kältemittels 115f aus dem zweiten Teilkreislauf B versorgt wird und nicht trocken läuft. Der Kreislauf im ersten Teilkreislauf A kann so über eine sehr lange Laufzeit betrieben werden.The first space A* and the second space B* of the
Die B-Leitung 125, die separate Komponente 140, 240 mit dem zweiten Loch 212 und die A-Leitung 101 definieren eine dritte Ölrückführvorrichtung 212AB, welche das im Kältemittel 115 beziehungsweise im flüssigen Kältemittel 115f enthaltene Öl an den Kompressor 102 rückführt und dadurch eine Schmierung des Kompressors 102 gewährleistet.The
Ein Vorteil der dritten Ölrückführvorrichtung 212AB besteht darin, dass die Ölkonzentration in dem Kältemittel 115 höher sein kann. Die dritte Ölrückführvorrichtung 212AB kann so ausgelegt werden, dass ein geringerer Kältemittelmassenstrom an den Kompressor 102 zurückgeführt wird, wodurch die Effizienz des Systems gesteigert werden kann.An advantage of the third oil return device 212AB is that the concentration of oil in the refrigerant 115 can be higher. The third oil return device 212AB can be designed to return a lower mass flow of refrigerant to the
Ein weiterer Vorteil der dritten Ölrückführvorrichtung 212AB besteht darin, dass der Gas-/Flüssigphasenabscheider 120 kleiner ausgelegt und die Rückführung getrennt davon integriert werden kann. Durch diese Flexibilität erhöht sich die Integrierbarkeit besonders in beengten Bauräumen.Another advantage of the third oil return device 212AB is that the gas-
Der Bus 501 umfasst auf dem Dach den Kältemittelkreislauf 100 und eine Vielzahl, beispielsweise sechs Akkumulatorpakete 510. Die sechs Akkumulatorpakete 510 sind über die B-Leitung 125 als Verdampfersystem 128 im zweiten Teilkreislauf B ausgebildet. Dabei ist der Wärmetauscher 104 des Kältemittelkreislaufs 100 derart am Bus 501 bereitgestellt, dass die dort anliegende thermische Energie beziehungsweise Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.The
Der Bus 501, umfassend den Kältemittelkreislauf 100, wird über Nacht aufgeladen und ist den ganzen Tag ohne vollständige Nachladung der Akkumulatorpakete 510 im Betrieb. Das jeweilige Akkumulatorpaket 510 wird tagsüber nach etwa einer Betriebsstunde, während der Pause eines Fahrers, in circa sechs Minuten mit 250 Kilowatt (kW) aufgeladen. Durch die kurze Ladezeit mit 250 kW werden die jeweiligen Akkumulatorpakete 510 sehr heiß. Diese thermische Energie wird durch das flüssige Kältemittel 115f in der B-Leitung 125 aufgenommen, wodurch es zu einem Phasenübergang von flüssiger Phase zu gasförmiger Phase kommt. Durch die Verdampfung des flüssigen Kältemittels 115f im Verdampfersystem 128 aufgrund der sehr heißen Akkumulatorpakete 510 wird thermische Energie beziehungsweise Wärme von den Akkumulatorpaketen 510 an den Kältemittelkreislauf 100 abgegeben und dadurch gekühlt.The
Der Kältemittelkreislauf 100 kann in einem modifizierten Beispiel derart ausgestaltet sein, dass mindestens ein Teil der B-Leitung 125 durch eine Fahrzeug-Kabine des Busses 501 geführt wird, um bei Bedarf und/oder Wunsch im Sommer die Fahrzeug-Kabine zu kühlen und im Winter die Fahrzeug-Kabine zu heizen.In a modified example, the
In einem weiteren modifizierten Beispiel kann der Kältemittelkreislauf 100 derart ausgestaltet sein, dass der Kreislauf umgekehrt wird, um bei Bedarf und/oder Wunsch im Sommer die Fahrzeug-Kabine zu kühlen und im Winter die Fahrzeug-Kabine zu heizen.In another modified example, the
Die Schnellladung mit effizienter Akkumulatorkühlung durch die geflutete Verdampfung reduziert das Gewicht, das benötigte Volumen und die Investitionen und erhöht die Gesamtdauer des Betriebs des Busses 501.Fast charging with efficient accumulator cooling by flooded evaporation reduces weight, required volume and investment and increases the overall service life of the 501 bus.
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
- 101101
- A-LeitungA line
- 102102
- Kompressorcompressor
- 104104
- Wärmetauscherheat exchanger
- 106106
- Expansionsvorrichtungexpansion device
- 115115
- Kältemittelrefrigerant
- 115f115f
- flüssiges Kältemittelliquid refrigerant
- 115g115g
- gasförmiges Kältemittelgaseous refrigerant
- 120120
- Gas/Flüssigphasenabscheidergas/liquid phase separator
- 121121
- Reservoirreservoir
- 122122
- Saugrohrintake manifold
- 123123
- Öffnung (des Saugrohrs)opening (of the intake manifold)
- 124124
- Saugleitungsuction line
- 125125
- B-LeitungB line
- 126126
- Kältemittelpumperefrigerant pump
- 128128
- Verdampfersystemvaporizer system
- 129129
- erstes Lochfirst hole
- 140140
- separate Komponenteseparate component
- 141141
- A-EinlassA inlet
- 142142
- A-AuslassA outlet
- 143143
- B-EinlassB inlet
- 144144
- B-AuslassB outlet
- 210210
-
gebogene Abschnitt212 zweites Loch
curved section 212 second hole - 214214
- drittes Lochthird hole
- 216216
- Austauschplattereplacement plate
- 240240
- Teilkomponentesubcomponent
- 12011201
- erste Komponentefirst component
- 12031203
- zweite Komponentesecond component
- AA
- erster Teilkreislauffirst sub-cycle
- BB
- zweiter Teilkreislaufsecond sub-cycle
- A*A*
- erste Raumfirst room
- B*B*
- zweite Raumsecond room
- 120A120A
- erste Ölrückführvorrichtungfirst oil return device
- 120B120B
- zweite Ölrückführvorrichtungsecond oil return device
- 212AB212AB
- dritte Ölrückführvorrichtungthird oil return device
- 501501
- Busbus
- 510510
- Akkumulatorpaketbattery pack
- 521521
- Leitungseingangline input
- 531531
- Leitungsausgangline output
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102018101514 A1 [0007]DE 102018101514 A1 [0007]
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DE102021131788.6A Pending DE102021131788A1 (en) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | Refrigerant cycle and cooling system for vehicles |
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Cited By (1)
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DE102022109025A1 (en) | 2022-04-13 | 2023-10-19 | Valeo Klimasysteme Gmbh | SYSTEM TEMPERATURE CONTROL USING BIFUNCTIONAL HEAT EXCHANGER ARRANGEMENTS |
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JP2011231966A (en) | 2010-04-27 | 2011-11-17 | Mitsubishi Electric Corp | Refrigeration cycle device |
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-
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- 2021-12-02 DE DE102021131788.6A patent/DE102021131788A1/en active Pending
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Legal Events
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---|---|---|---|
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