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Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Trocknen eines Kühlsystems im oder am Gehäuse einer Batterie aus mehreren Batterieeinzelzellen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trocknen eines derartigen Kühlsystems.
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Beim Einsatz von Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, sind Kühlsysteme allgemein bekannt und üblich. Über diese Kühlsysteme werden während des Betriebs der Batterien die Batterieeinzelzellen temperiert. Hierfür kann beispielsweise in einer Startphase Wärme zugeführt werden. Im regulären Betrieb wird typischerweise Abwärme aus dem Bereich der Batterieeinzelzellen über das Kühlsystem abgeführt. Das Kühlsystem selbst kann aus einem oder mehreren Wärmetauschern bzw. Kühlern aufgebaut sein, welche beispielsweise in das Batteriegehäuse integriert und untereinander verbunden sind. Alternativ dazu ist auch ein Aufbau denkbar, welcher außen am Batteriegehäuse platziert wird. Dies erfolgt typischerweise bei Batteriegehäusen aus gut wärmeleitenden Materialien, beispielsweise aus Blechen.
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In der Praxis ist es so, dass diese Kühlsysteme mit einem flüssigen Kühlmedium betrieben werden. Um ein Einfrieren des Kühlmediums zu verhindern wird als Kühlmedium, wie es beispielsweise auch im Bereich der Fahrzeugtechnik üblich ist, ein Gemisch aus Wasser und Glykol als Forstschutzmittel verwendet.
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Werden nun Batterien, welche bereits in Betrieb waren, wieder außer Betrieb genommen, um sie für eine längere Zeit einzulagern, wird typischerweise dieses Kühlmedium aus dem Kühlsystem der Batterie entfernt. In der Praxis ist dies außerordentlich kritisch. Das Ablassen des Kühlmediums und ein in der Praxis übliches Durchspülen des Systems mit Druckluft führt typischerweise nie dazu, dass das System vollständig leer und trocken ist. Reste an Wasser und insbesondere Reste an Glykol in diesem Kühlmedium sorgen dann dafür, dass sich in den Kühlsystemen Korrosionsprodukte bilden. Die Kühlsysteme sind meist aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt. In diesem Fall wäre das Korrosionsprodukt Aluminiumhydroxid, welches sich an den inneren Wänden des Kühlsystems ausbildet und bei einer späteren Wiederinbetriebnahme den Wärmeübergang erheblich beeinträchtigt.
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Ein Entfernen des Aluminiumhydroxids ist nur mit chemischen Reinigungsmitteln möglich, welche hinsichtlich der Umweltverträglichkeit hochkritisch sind.
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Zum weiteren Stand der Technik kann in diesem Zusammenhang beispielsweise auf die
US 2014/0356659 A1 verwiesen werden. Dort ist eine Batterie beschrieben, welche während der Produktion entsprechend getrocknet wird. Dieses Trocknen bezieht sich dabei ausschließlich auf das Innere der Batterie, bevor diese mit Elektrolyt befüllt wird. Der Trockenvorgang erfolgt dabei in einem Vakuumofen, was außerordentlich komplex und aufwändig ist. Eine solche Technik lässt sich auf das Trocknen eines Kühlsystems nicht übertragen, da im Vakuumoffen die bereits mit Elektrolyt befüllten und Batterieeinzelzellen thermisch geschädigt werden würden. Außerdem würde eine komplette Batterie samt Kühlsystem einen sehr großen Vakuumofen erforderlich machen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es daher eine Anlage sowie ein Verfahren zum Trocknen eines von einem flüssigen Kühlmedium durchströmten Kühlsystems im oder am Gehäuse einer Batterie anzugeben, welches eine einfache und effiziente Möglichkeit bietet, bereits betriebene Batterien ohne Korrosionsschäden des Kühlsystems zwischenzulagern.
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Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Anlage mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine verfahrensgemäße Lösung ist im Anspruch 9 angegeben. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die Anlage zum Trocknen eines von einem flüssigen Kühlmedium durchströmten Kühlsystems in einer Batterie sieht Leitungselemente zum Verbinden eines Kühlsystemeinlasses und eines Kühlsystemauslasses mit jeweils einer mehrere Schaltstellungen umfassenden Ventileinrichtung, welche auch als Block von mehreren Einzelventilen ausgebildet sein kann, vor. Innerhalb der Anlage ist nun die einlassseitige Ventileinrichtung mit wenigstens einer Druckluftquelle und einer Quelle für demineralisiertes Wasser verbindbar. Demineralisiertes Wasser, welches auch als deionisiertes Wasser (DI) oder vollentsalztes Wasser (VE) bezeichnet wird, kann also dem Kühlsystem bei Bedarf je nach Stellung der Ventileinrichtung zugeführt werden. Die auslassseitige Ventileinrichtung ist dabei mit wenigstens einem Sammeltank oder Ablauf für Flüssigkeiten verbunden. Bevorzugt werden einer oder mehrere Sammeltanks eingesetzt, um die Flüssigkeiten entsprechend aufzufangen, sodass diese nicht in die Umwelt gelangen können.
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Zusätzlich umfasst der Aufbau eine Vakuumpumpe, welche mit der Einlassseite oder der Auslassseite verbunden ist, sodass das Kühlsystem also von einer der Seiten her abgesaugt werden kann. Wird dabei die gegenüberliegende Ventileinrichtung entsprechend geschlossen, stellt sich in dem Kühlsystem ein Unterdruck ein.
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Verfahrensgemäß lässt sich diese Anlage, oder auch alternative Aufbauten von Anlagen, nun nutzen, um ein Kühlsystem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren effizient zu trocknen. Dabei ist es vorgesehen, dass in einem ersten Schritt vorhandenes Kühlmedium aus dem Kühler abgelassen und Reste mit Druckluft ausgeblasen werden.
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In einem zweiten Schritt wird nun das Kühlsystem mit deionisiertem Wasser gespült. Das Kühlsystem ist dabei entweder von einem vorher erfolgten Betrieb der Batterie noch warm oder kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung aufgeheizt werden. Das warme Kühlsystem erlaubt dann ein sehr gutes Ausspülen der Reste des ursprünglichen Kühlmediums, und hier insbesondere des in ihm enthaltenen Glykols über das DI-Wasser, wofür das Kühlsystem entsprechend geheizt oder wenn es bereits warm war auf Temperatur gehalten wird. Nach dem typischerweise mehrfachen Durchspülen des Kühlsystems mit dem DI-Wasser, welches hierfür im Kreislauf durch das Kühlsystem gepumpt werden kann, erfolgt ein Ablassen des DI-Wassers mit einem erneuten nachfolgenden Ausblasen über die Druckluft. Nun liegen in dem System nur noch Reste des DI-Wassers vor. Nun wird das Kühlsystem getrocknet. Hierfür wird in einem fünften Schritt das Kühlsystem einlass- oder auslassseitig mit der Vakuumpumpe verbunden und die jeweils andere Seite wird verschlossen. Die Vakuumpumpe wird nun aktiviert, sodass sich innerhalb des Kühlsystems ein Unterdruck einstellt, wodurch das restliche DI-Wasser in dem Kühlsystem verdampft. Nach einer vorgegebenen Haltezeit wird die verschlossene Seite dann wieder geöffnet, sodass der Wasserdampf über die Vakuumpumpe abgesaugt wird und (trockene) Luft nachströmen kann. Das Kühlsystem ist nun ausgetrocknet und von korrosiven Substanzen wie dem Glykol gänzlich befreit. Die Batterie kann nun also mit nicht befülltem Kühlsystem wieder gelagert werden, ohne dass das Kühlsystem Schaden nimmt.
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Das beschriebene Verfahren kann dabei, wie oben bereits erwähnt, über die erfindungsgemäße Anlage durchgeführt werden. In diesem Fall ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Kühlsystem vor dem ersten Schritt mit der Anlage gekoppelt und nach dem fünften Schritt wieder abgekoppelt wird.
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Vorrichtungsgemäß kann es in der Anlage gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage vorgesehen sein, dass diese eine Heizeinrichtung zum Beheizen des Kühlsystems vorsieht. Über eine solche Heizeinrichtung kann also das Kühlsystem auf Temperatur gebracht werden, um den Spülvorgang und den Trocknungsvorgang zu verbessern bzw. das restlose Austrocknen des DI-Wassers effizienter zu gestalten.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage kann die Heizeinrichtung zur Durchströmung des Kühlsystems in einem Heizmedium ausgebildet sein, wobei die Heizeinrichtung mit der einlassseitige Ventileinrichtung verbunden ist.
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Alternativ dazu könnte die Heizeinrichtung auch als Heizelement ausgebildet sein, welches so ausgestaltet ist, dass es mit dem Kühler in wärmeleitenden Kontakt gebracht werden kann. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung könnte die Heizeinrichtung dazu als Matte mit dem Heizelement ausgebildet sein.
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Dabei kann zwischen der einlassseitigen Ventileinrichtung und der Quelle für das demineralisierte Wasser ein beheizbarer Zwischentank angeordnet sein. Damit kann durch das beheizte Wasser eine besonders effiziente Durchspülung erfolgen, ohne dass die Temperatur des Kühlsystems fällt, auch wenn dieses während des Durchspülens nicht mehr weiter geheizt wird. Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung kann es dabei vorsehen, dass die Heizeinrichtung als Tank für ein flüssiges Heizmedium mit einem Heizelement und einer Fördereinrichtung, also einer Förderpumpe, für das Medium ausgebildet ist. Alternativ zur Verwendung von erwärmter Luft als Heizmedium kann also auch eine Flüssigkeit genutzt werden. Diese kann insbesondere auch das demineralisierte Wasser sein, welches dann die Temperatur des Kühlsystems während des Durchspülens hoch hält, auch wenn das Kühlsystem währenddessen anderweitig nicht mehr beheizt wird.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung kann es ferner vorsehen, dass ein Seitenkanalverdichter als Druckluftquelle und/oder als Quelle für das Heizmedium vorgesehen ist, wobei in diesem Fall in der Luftströmung des Seitenkanalverdichters eine Heizeinrichtung vorgesehen ist.
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Ein derartiges Heizelement kann dabei in allen beschriebenen Einsatzformen vorzugsweise als elektrisches Heizelement ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil einer einfachen und effizienten Beheizung sowie der einfachen Möglichkeit, dieses Heizelement auszuschalten und einzuschalten, je nachdem, ob ein Wärmebedarf vorliegt oder nicht. Insbesondere ließe sich so auch die einfache Möglichkeit einer Temperaturregelung umsetzen, bei welcher die Beheizung auf eine Zieltemperatur im Bereich des Kühlsystems hin geregelt wird, indem ein solches elektrisches Heizelement, sei es in einer Matte oder zur Beheizung eines flüssigen oder gasförmigen Heizmediums, entsprechend ein- oder ausgeschaltet wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage sowie des Verfahrens ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße Anlage zum Trocknen des Kühlsystems einer Batterie, bei welcher das Kühlsystem außerhalb eines Batteriegehäuses angeordnet ist; und
- 2 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zum Trocknen einer Batterie, bei welcher das Kühlsystem innerhalb eines Batteriegehäuses angeordnet ist.
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In der Darstellung der 1 ist ein erfindungsgemäße Anlage 1 zum Trocknen des Kühlsystems einer Batterie bzw. Hochvoltbatterie 2 mit einer Vielzahl von angedeuteten Batterieeinzelzellen 3 innerhalb eines Batteriemoduls zu erkennen. Um das Batteriemodul herum ist ein Batteriegehäuse 4 ausgebildet. Ein Kühlsystem 25 zur Temperierung der Batterieeinzelzellen 3 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel unterhalb des Batteriegehäuses 4 durch einen Kühler 25 entsprechend angedeutet. Anstelle eines einzelnen Kühlers 25 können hier auch mehrere untereinander verbundene Kühler eines solchen Kühlsystems 25 entsprechend umgesetzt werden. Das Kühlsystem selbst wird von einem flüssigen Kühlmedium im Betrieb der Hochvoltbatterie 2 durchströmt, um die Batterieeinzelzellen 3 entsprechend zu temperieren. Es besteht typischerweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, um bei überschaubaren Herstellungskosten eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit in das im Inneren des Kühlers 25 strömende Kühlmedium zu gewährleisten.
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Bei bereits genutzten Hochvoltbatterie 2 ist es nun so, dass durch ein reines Ablassen und Ausblasen des Kühlmediums aus dem Kühler 25 ein Zustand entsteht, bei welchem in dem Kühler Korrosionsprodukte entstehen können, welche ein Weiterverwenden der Hochvoltbatterie 2 schwierig machen oder gänzlich infrage stellen. Deshalb ist auch ein gewisser Aufwand zum Trocknen des Kühlers 25 wirtschaftlich durchaus rentabel. Hierfür ist nun die Anlage 1 vorgesehen. Sie wird über vakuumfeste Leitungselemente 5, 6 mit dem Kühler 25 der Batterie 2 verbunden. Das hier beispielsweise einlassseitige Leitungselement 5 ist dabei mit einer einlassseitigen Ventileinrichtung 7 gekoppelt, das auslassseitige Leitungselement 6 mit einer auslassseitigen Ventileinrichtung 8. Diese Ventileinrichtungen 7, 8, welche aus mehreren einzelnen Ventilen bestehen können, erlauben nun wahlweise die Ankopplung verschiedener Elemente an die entsprechende Einlass- bzw. Auslassleitung 5, 6, um so verschiedene Verfahrensschritte durchzuführen.
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In der Anlage 1 der 1 sind mit der einlassseitigen Ventileinrichtung 7 verbindbar eine Druckluftquelle 9, ein optionaler Seitenkanalverdichter 10 mit Heizelement sowie ein Zwischentank 11 für deionisiertes Wasser angedeutet, welcher ebenfalls ein hier nicht dargestelltes Heizelement und eine Pumpe umfasst. Dieser Zwischentank 11 ist mit einem Vorrat 12 für deionisiertes Wasser verbunden. Außerdem ist er für den Fall einer Kreislaufführung des beheizten deionisierten Wassers aus dem Zwischentank 11 durch den Kühler 25 der Batterie 2 mit einer Rücklaufleitung 13 verbunden, welche den Zwischentank 11 mit der auslassseitigen Ventileinrichtung 8 verbindet. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft mit der auslassseitigen Ventileinrichtung 8 verbunden ist außerdem eine Vakuumpumpe 14. Ferner ist die auslassseitige Ventileinrichtung 8 mit einem Sammeltank 15 für ausgeblasenes Kühlmedium und einem Sammeltank 16 für gebrauchtes Spülmedium in Form von gebrauchtem deionisiertem Wasser versehen. Daneben umfasst der Aufbau der Anlage 1 gemäß 1 eine Steuerung 17 für eine elektrische Heizmatte 18, welche mit dem außen am Batteriegehäuse 4 liegenden Kühler 25 in Kontakt gebracht werden kann, um diesen zu beheizen. Die Anlage 1 ist in einem gemeinsamen Gehäuse 19 untergebracht.
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Bevor nun auf den verfahrensgemäßen Ablauf beim Trocknen des Kühlers 25 im Detail eingegangen wird, soll der Aufbau der 2 noch kurz erläutert werden. Der Unterschied besteht einerseits darin, dass hier der Kühler 25 innerhalb des Batteriegehäuses 2 angeordnet ist, sodass dieser also nicht über eine Heizmatte 18 beheizt werden kann. Die Anlage 1 in der Ausgestaltung gemäß 2 umfasst deshalb einen zusätzlichen Heiztank 20 mit einem hier nicht dargestellten Heizelement und einer Pumpe, sodass ein Heizmedium in dem Heiztank 20 zur Beheizung des Kühlers 25 durch diesen geführt werden kann. Der Heiztank 20 ist dafür auf der Druckseite der Pumpe über eine Zuleitung 22 mit der einlassseitigen Ventileinrichtung 7 verbunden und über eine weitere Rücklaufleitung 21 mit der auslassseitigen Ventileinrichtung 8. Ansonsten entsprechen die in der Anlage 1 dargestellten Elemente den in der 1 und sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Einzig die Steuereinrichtung 17 für die Heizmatte 18 ist hier aus den bereits erläuterten Gründen nicht mehr dargestellt.
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Nun ließe sich anstelle eines eigenen Heizmediums in dem Heizmedientank 20 auch der Zwischentank 11 zum Umwälzen eines beheizten Mediums, hier also des deionisierten Wassers, nutzen, um den Kühler zu beheizen, sodass diese beiden Elemente also auch zusammengelegt werden könnten. Der optionale Seitenkanalverdichter mit Heizelement könnte alternativ dazu ebenfalls genutzt werden, um über beheizte Luft als Heizmedium den Kühler zu beheizen. Er könnte auch zur Bereitstellung von Druckluft genutzt werden, sodass hier also die beschriebene Elemente 9 und 10 optional zu einem zusammengefasst werden könnten, ebenso wie die Elemente 11 und 20.
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Nachfolgend soll nun auf den Ablauf beim Trocknen des Kühlers 25 im Detail eingegangen werden. Hierzu werden die folgenden Schritte durchgeführt:
- 1. Schritt: Kontaktierung des Kühlers 25 der Batterie 2 über vakuumfeste Leitungselemente 5, 6, wie z.B. Schläuche, mit der einlassseitigen Ventileinrichtung 7 und der auslassseitigen Ventileinrichtung 8. Im Fall eines außenliegenden Kühlers 25 (vgl. 1) wird zusätzlich die Heizmatte 18 auf dem Kühler 25 positioniert und befestigt. Über die Anschlussleitung wird die Heizmatte 18 mit dem Steuergerät 17 verbunden.
- 2. Schritt: Die im Kühler 25 vorhandenen Kühlmittelreste aus den Vorprozessen werden entfernt. Hierzu wird - sofern noch nicht erfolgt - das Kühlmedium abgelassen. Dann wird der Kühler 25 mit Druckluft durchströmt. Die Druckluft läuft von der Druckluftquelle 9, z.B. einem Kompressor und oder Speicherkessel, über die Ventileinrichtung 7 und das Leitungselement 5 durch den Kühler. Dort wird ein Großteil des Kühlmittels entfernt und läuft über das Leitungselement 6 und die Ventileinrichtung 8 in den Sammeltank 15. Optional kann die entnommene Kühlmittelmenge auch gemessen und dokumentiert werden.
- 3. Schritt: Um den Kühler 25 trocknen zu können, muss ausreichend Wärme zur Verfügung stellen. Daher ist ein Heizvorgang von Vorteil, falls die Batterie 1 nicht warm an die Anlage angeschlossen wird. Im Fall eines außenliegenden Kühlers 25 (vgl. 1) kann die Heizmatte 18 verwendet werden. Diese wird eingeschalten und der Kühler 25 wird aufgeheizt. Die Temperatur darf dabei nicht die Sicherheitsgrenzen der Batterieeinzelzellen 3 verletzen. Ist der Kühler 25 im Batteriegehäuse innenliegend verbaut (vgl. 2), so scheidet die Heizmatte 18 aus. Alternativ wird in diesem Fall in dem Heiztank 20 ein Heizmedium aufgeheizt bereitgehalten. Über die im Heiztank 20 vorhandene Pumpe wird das Heizmedium über die Ventileinrichtung 7 und das Leitungselement 5 durch den Kühler 25 gepumpt. Über das Leitungselement 6 und die Ventileinrichtung 8 sowie die Rücklaufleitung 21 läuft das Heizmedium zurück in den Heiztank 20. Dieser Kreislauf wird solange aufrechterhalten, bis die Umgebung des Kühlers 25 ausreichend aufgeheizt ist. Mithilfe des Seitenkanalverdichters 10 oder der Druckluftquelle 9 wird dann das Heizmedium durch den Kühler 25 zurück in den Heiztank 20 gedrückt.
- 4. Schritt: Nach dem Ausblasen befinden sich noch geringe Reste von Glykol im Kühlsystem 25. Da diese nicht verdampfen, müssen sie herausgelöst werden. Hierzu wird aus einem Vorrat 12 deionisiertes Wasser in einen Zwischentank 11 gepumpt und dort vorgeheizt. Ist die korrekte Temperatur erreicht, so wird das deionisierte Wasser über die Ventileinrichtung 7 und das Leitungselement 5 in den Kühler 25 gepumpt. Von dort läuft es über das Leitungselement 6 und die Ventileinrichtung 8 sowie die Rücklaufleitung 13 zurück in den Zwischentank 11.
- 5. Schritt: Das Spülmedium kann nur einmal verwendet werden, um eine Glykolanreicherung zu vermeiden. Daher wird nach Abschluss des Spülvorgangs über die auslassseitigen Ventileinrichtung 8 das Spülmedium in den Sammeltank 16 geleitet. Sobald der Zwischentank 11 leer ist, wird der komplette Kreislauf mithilfe des Seitenkanalverdichters 10 oder der Druckluftquelle 9 ausgeblasen. Hierzu schaltet die einlassseitige Ventileinrichtung 7 auf die Luftversorgung, bis der Kühler 25 ausgeblasen ist.
- 6. Schritt: Nun wird der eigentliche Trocknungsvorgang gestartet. Hierzu wird der Zulauf in der einlassseitigen Ventileinrichtung 7 verschlossen. Am Rücklauf schaltet die auslassseitige Ventileinrichtung 8 auf die Vakuumpumpe 14. In den Leitungselementen 5,6 sowie dem Kühler 25 entsteht nun ein Vakuum, vorhandene Wasserreste verdampfen. Nach einer Haltezeit schalten die Ventilinsel einlassseitige Ventileinrichtung 7 auf Luftzufuhr durch den Seitenkanalverdichter 10, die Druckluftquelle 9 oder auch eine Verbindung zur Umgebung, sodass der entstandene Wasserdampf aus dem Kühler 25 herausbefördert wird. Dies wird mehrfach wiederholt, bis alle Wasserrückstände im Kühler 25 verdampft sind.
- 7. Schritt: Nach dem Trocknen werden die Leitungselement 5, 6 von der Batterie 2 abgekoppelt. Auch die ggf. vorhandene Heizmatte 18 wird entfernt. Die Batterie 2 kann nun wie eine unbenutzte Batterie gelagert, verwendet und geprüft werden. Eine Korrosion im Kühlsystem 25 ist dabei zuverlässig ausgeschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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