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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanlage zum Kühlen von wenigstens zwei Komponenten, die im Betrieb Wärme erzeugen und einen unterschiedlichen Kühlbedarf haben, wobei die Anlage wenigstens zwei Kühlkreise umfasst, von denen jeder Folgendes aufweist:
- • eine Pumpe zum Pumpen von Kühlmittel an der Komponente im Kreis vorbei und
- • ein Wärmetauscher zur Abgabe der von der Komponente durch das Kühlmittel aufgenommenen Wärme an ein anderes Medium wie die Umgebungsluft.
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Allgemein betrifft die Erfindung Kühlanlagen mit wenigstens zwei Kühlkreisen zum Kühlen von Komponenten mit unterschiedlichem Kühlbedarf, beispielsweise weil diese in verschiedenen Temperaturbereichen gehalten werden sollen, wobei sich der Kühlbedarf auch auf eine andere Weise unterscheiden kann, beispielsweise weil die Komponenten Temperaturschwankungen in einem unterschiedlichen Ausmaß standhalten können und daher verschiedene Kühlkreise vorzuziehen sind. Es ist ebenfalls denkbar, dass sich die gewünschte Temperatur der verschiedenen im Betrieb Wärme erzeugenden Komponenten nur um wenige Grad unterscheidet, aber die zum Kühlen einer Komponente erforderliche Wärmemenge erheblich größer ist als der Bedarf zum Kühlen der zweiten Komponente und es daher sinnvoll sein kann, einen Kreis mit einem größeren Wärmetauscher und einer größeren Pumpe als beim anderen Kreis vorzusehen. Insbesondere betrifft die Erfindung Kühlanlagen für Anordnungen, bei denen der verfügbare Platz begrenzt ist, wie etwa in Kraftfahrzeugen, und aus diesem Grund wird die Erfindung hauptsächlich für diese Anwendung zur Erläuterung, aber nicht zur Einschränkung der Erfindung beschrieben.
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Bei Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieben, das heißt einem Antrieb, der einen Verbrennungsmotor und eine Elektromaschine umfasst, erwärmt sich der Energiespeicher, etwa das Batteriepack, und die Leistungselektronik zum Steuern des Energieaustauschs zwischen dem Energiespeicher und der Elektromaschine im Betrieb aufgrund des inneren Widerstands dieser. Bei Schwerlastfahrzeugen wie Lastwagen und Bussen können die Batterien in einem Batteriepack erheblich belastet werden und viel Wärme erzeugen, da beim Bremsen so viel kinetische Energie wie möglich wiederverwertet werden soll. Die Temperatur der Batterien entscheidet wesentlich über deren Alterung, das heißt die entsprechenden Temperatursollwerte der Batterien müssen unbedingt überwacht werden. Diese Temperatursollwerte sind aber wesentlich niedriger als die Temperaturen, denen Leistungselektronik wie Wechselrichter und GS/GS-Umrichter standhalten kann. Das heißt, wenn eine Kühlanlage mit den Batterien und der Leistungselektronik im gleichen Kühlkreis ausgestattet ist, altern entweder die Batterien zu schnell oder wird die Leistungselektronik unnötig stark gekühlt, was Energie verschwendet. Aus diesem Grund ist ein Aufteilen der Kühlung dieser Komponenten mit verschiedenen Temperatursollwerten sinnvoll. Wenn Platzmangel besteht, wird vorzugsweise eine Kühlanlage mit zwei Kühlkreisen wie zuvor beschrieben statt zwei separate Kühlanlagen verwendet.
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Technischer Hintergrund
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In der Patentschrift
US 2012/0186290 ist eine Anlage der zuvor beschriebenen Art beschrieben; diese erfordert aber im Wesentlichen so viel Platz wie zwei separate Kühlanlagen und ist ebenso schwer.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen einer Kühlanlage der zuvor definierten Art, die wenigstens in einigen Punkten in Bezug auf die Kühlanlagen dieser Art nach dem Stand der Technik verbessert ist.
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Gemäß dieser Erfindung wird die Aufgabe durch Bereitstellen solch einer Kühlung mit den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen erfüllt.
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Da die Kühlkreise dieser Kühlanlage aufgrund der Verbindungsleitung zwischen diesen das gleiche Kühlmittel verwenden und ein gemeinsames Ausdehnungsgefäß aufweisen, können für die Kühlanlage erforderlicher Raum und erforderliches Gewicht eingespart werden, was zu Kosteneinsparungen führt. Ferner können die Komponenten, die zu verschiedenen Kreisen gehören, entsprechend ihrem Kühlbedarf, das heißt innerhalb verschiedener Temperaturbereiche, gekühlt werden, da die Pumpen vollständig unabhängig voneinander, das heißt bei Bedarf mit verschiedenen Drehzahlen, betrieben werden können. Dadurch wird Energie eingespart, weil die verschiedenen Komponenten nicht auf das gleiche Niveau gekühlt werden müssen, wie dies der Fall wäre, wenn sie in einer einzigen Kühlanlage angeordnet wären.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kühlanlage für jeweils einen der Kühlkreise eine Entlüftungsleitung vom höchsten Punkt des jeweiligen Kreises zum Ausdehnungsgefäß mit einem in der Entlüftungsleitung angeordneten Rückschlagventil, um ein Strömen von Kühlmittel vom Ausdehnungsgefäß zum Punkt im Kreis zu verhindern. Durch ein Anordnen solcher Rückschlagventile in den Entlüftungsleitungen besteht keine Gefahr eines Zwangsrücklaufs vom Ausdehnungsgefäß zum Punkt in diesen und keine Gefahr, dass die Pumpen in einigen Betriebsarten gegeneinander arbeiten. Der höchste Punkt wie hier verwendet ist der höchste lokale Punkt oder ein anderer geeigneter Punkt, an dem sich voraussichtlich Luft sammelt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst wenigstens einer der Kühlkreise eine Bypass-Leitung, die am Wärmetauscher des Kreises vorbei führt, und ein Steuergerät, das zum Steuern des Stroms von Kühlmittel im Kühlkreis ausgebildet ist, so dass es vollständig oder teilweise durch den Wärmetauscher und/oder vollständig oder teilweise durch die Bypass-Leitung strömt. Aufgrund des Vorhandenseins einer solchen Bypass-Leitung wird eine weitere Möglichkeit zum Steuern der Kühlleistung des entsprechenden Kühlkreises bereitgestellt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird diese Möglichkeit noch erweitert, indem eine Vorrichtung in der Bypass-Leitung angeordnet ist, wobei die Vorrichtung zum Liefern von Wärmeenergie in einer steuerbaren Weise zum die Bypass-Leitung passierenden Kühlmittel ausgebildet ist. Somit kann ebenfalls die Temperatur des von der entsprechenden Komponente kommenden Kühlmittels erhöht werden, bevor dieses die Komponente wieder erreicht. Das heißt die Komponente wird erwärmt statt gekühlt. Dies kann wünschenswert sein, wenn die entsprechende Komponente eine Temperatur aufweist, die unterhalb des Bereichs der Temperatursollwerte der Komponente liegt. Wenn die Komponente beispielsweise eine Batterie in einem Kraftfahrzeug ist, kann der entsprechende Temperaturbereich +10°C bis +40°C betragen, und beim Starten des Fahrzeugs im Winter können die Batterien eine Temperatur aufweisen, die außerhalb dieses Bereichs liegt; in diesem Fall ist es vorteilhaft, die Batterien schnell erwärmen zu können, so dass deren Temperatur im entsprechenden Temperaturbereich liegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jeder Kühlkreis dazu ausgebildet, wenigstens eine Komponente mit Temperatursollwerten in einem Bereich zu kühlen, der den Bereich für die Temperatursollwerte der Komponente oder der Komponenten, zu dessen/deren Kühlung der andere Kühlkreis/die anderen Kühlkreise ausgebildet ist/sind, nicht überlappt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kühlanlage eine Vorrichtung, die zum Beeinflussen des Wärmeaustauschs im Wärmetauscher und zum Bewirken des Passierens von einem Kühlmittel getrennt vom Kühlmittel in den Kühlkreisen durch den Wärmetauscher, der zum Kühlkreis für die Komponente mit den niedrigsten Temperatursollwerten gehört, und anschließend durch die Wärmetauscher für Komponenten mit zunehmend höheren Temperatursollwerten ausgebildet ist. Solch eine interne Anordnung der Wärmetauscher trägt zur Kompaktheit der Kühlanlage bei und stellt sicher, dass das Kühlmittel, das zum Passieren der Wärmetauscher gebracht wird, am kältesten ist, wenn es den Wärmetauscher passiert, der zum Kühlkreis mit der Komponente gehört, die innerhalb des niedrigsten Temperaturbereichs gehalten werden soll.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die eine Weiterentwicklung der Ausführungsform darstellt, sind die Wärmetauscher in einer Reihe nach der anderen angeordnet, und die Vorrichtung umfasst einen Lüfter, der zum Erzeugen eines Luftstroms in der Richtung der Reihe und an den Wärmetauschern vorbei ausgebildet ist. Solch eine Anordnung und Kühlung der Wärmetauscher führt zu einem kompakten Luftkanal.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Kühlkreise zum Kühlen von Komponenten mit Temperatursollwerten innerhalb von Bereichen ausgebildet, die sich um wenigstens 2°C, wenigstens 10°C oder wenigstens 20°C voneinander unterscheiden, das heißt der höchste Temperatursollwert von einer der Komponenten, die zu einem der Kühlkreise gehört, liegt wenigstens 2°C, wenigstens 10°C oder wenigstens 20°C unter dem niedrigsten Temperatursollwert von einer anderen Komponente, die zu einem anderen Kühlkreis gehört.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist einer der Kühlkreise zum Kühlen einer Komponente ausgebildet, die eine geringere Beständigkeit gegen Temperaturänderungen aufweist als eine Komponente oder Komponenten, die zum Kühlen von einem anderen Kühlkreis/anderen Kühlkreisen ausgebildet ist/sind. Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Möglichkeit bereit, effizient einen unterschiedlichen Kühlbedarf zu erfüllen, wobei beispielsweise die Temperatur von einem der Kühlkreise relativ viel schwanken muss und wobei die Komponenten in einem anderen der Kühlkreise empfindlich auf Temperaturschwankungen reagieren, die sie einer mechanischen Ermüdung aussetzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jeder Kühlkreis zum Kühlen von wenigstens einer Komponente ausgebildet, deren Kühlbedarf im Betrieb der Komponente auf unterschiedliche Weise variiert, als dies der Kühlbedarf einer Komponente oder von Komponenten tut, die zum Kühlen durch den anderen Kühlkreis/die anderen Kühlkreise ausgebildet ist/sind. Somit kann beispielsweise ein unterschiedlicher Kühlbedarf von Komponenten, die zu verschiedenen Kreisen gehören, erfüllt werden, wenn sich dieser Kühlbedarf stark unterscheidet, weil es einen unterschiedlichen Bedarf in unterschiedlichen Betriebsarten gibt, beispielsweise in der Form einer Komponente in der Form eines Wechselrichters mit einem Bedarf starker Kühlung beim Starten eines Hybridfahrzeugs und anschließend einem geringeren Kühlbedarf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kühlanlage dazu ausgebildet, in einem Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb angeordnet zu sein und mit einem der Kühlkreise einen Energiespeicher wie einen mit einer Elektromaschine des Fahrzeugs verbundenen Batteriepack zu kühlen und mit dem anderen Kühlkreis wenigstens eine Leistungselektronikkomponente wie einen Wechselrichter zu kühlen, die zum Steuern des Energieaustauschs zwischen dem Energiespeicher und der Elektromaschine angeordnet ist. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Anwendung der innovativen Kühlanlage dar, wenn der verfügbare Platz in Kraftfahrzeugen, insbesondere in solchen Kraftfahrzeugen, begrenzt ist und Gewicht ein wichtiger Parameter ist. Insbesondere gilt dies für Schwerlastfahrzeuge wie Lastwagen und Busse. Der Energiespeicher kann auch in einer anderen Form ausgeführt sein, beispielsweise als Superkondensator (auch „Supercap”).
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Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung einer Kühlanlage nach Anspruch 13 und ein Kraftfahrzeug mit den in Anspruch 14 aufgeführten Merkmalen.
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Andere Vorteile und vorteilhafte Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es folgen Beschreibungen einer beispielhaften Ausführungsform in Bezug auf die beigefügte Zeichnung.
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1 zeigt eine stark schematische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus einer Kühlanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform gemäß der Erfindung
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Eine Kühlanlage zum Kühlen eines Batteriepacks und von zwischen diesem Batteriepack und einer Elektromaschine angeordneter Leistungselektronik in einem Fahrzeug 1 mit einem Hybridantrieb ist stark schematisch in 1 dargestellt. Die Kühlanlage umfasst zwei Kühlkreise, das heißt einen ersten 2 zum Kühlen eines Batteriepacks 3 und einen zweiten 4 zum Kühlen von Leistungselektronik in der Form eines GS/GS-Umrichters 5 und eines Wechselrichters 6, die für den Energieaustausch zwischen dem Batteriepack 3 und einer Elektromaschine 7 im Fahrzeug angeordnet sind. Der Weg für solch einen Energieaustausch ist schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt und der Energiefluss entspricht dem Pfeil 8, wenn das Fahrzeug gebremst wird, wenn die Elektromaschine als ein Generator funktioniert, und entspricht dem Pfeil 9, wenn die Elektromaschine als eine Kraftmaschine funktioniert.
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Beide Kreise weisen eine Pumpe 10, 11 jeweils zum Pumpen von Kühlmittel wie Wasser in Richtung der Pfeile des Kreises am Batteriepack 3 und dem Wechselrichter 6 und dem GS/GS-Umrichter 5 vorbei zum Kühlen dieser auf. Der Batteriepack 3 wiederum kann einen Sollwertbereich für seine Temperatur innerhalb des Bereichs von +10°C bis 40°C aufweisen, während die Komponenten 5 und 6 im anderen Kühlkreis einen entsprechenden Temperaturbereich zwischen +60°C und +80°C aufweisen können (wenngleich sie –40°C standhalten können). Es können auch mehr Komponenten als die dargestellten von den entsprechenden Kühlkreisen gekühlt werden und es kann beispielsweise eine Fahrgastzelle im Fahrzeug vom ersten Kühlkreis 2 gekühlt werden und die Elektromaschine 7 und einen Elektrokompressor, die höheren Temperaturen standhalten können, können vom anderen Kühlkreis gekühlt werden.
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In beiden Kühlkreisen befindet sich ein Wärmetauscher 12, 13 zur Abgabe der von den Komponenten des Kühlkreises aufgenommenen Wärme durch das im entsprechenden Kühlkreis fließende Kühlmittel an ein anderes Medium, beispielsweise im dargestellten Fall Luft, die durch ein Gebläse 14 zwangsweise zum Strömen an den Wärmetauschern vorbei gebracht wird. In diesem Fall sind die Wärmetauscher 12 und 13 in einer Reihe angeordnet, auch damit zuerst die Luft den Wärmetauscher 12, der zum ersten Kühlkreis 2 gehört, passiert, so dass dieser Wärmetauscher Luft erhält, die so kalt wie möglich ist.
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Eine Verbindungsleitung 15 verbindet die Kühlkreise 2 und 4 an ihrem Einlauf zu den entsprechenden Pumpen 10, 11 miteinander. Ein gemeinsames Ausdehnungsgefäß 16 der Kühlkreise ist mit der Verbindungsleitung 15 verbunden. Damit so wenig Wärme wie möglich vom ersten Kühlkreis 4 auf den ersten Kühlkreis 2 übertragen wird, ist der Verbindungspunkt zwischen diesen der kälteste Punkt im entsprechenden Kreis.
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Für jeden der Kühlkreise ist eine Entlüftungsleitung 17, 18 angeordnet, die vom höchsten Punkt 19, 20 des entsprechenden Kreises zum Ausdehnungsgefäß 16 führt. Die Position der Punkte 19, 20 kann im entsprechenden Kreis vollkommen anders sein als in der Figur dargestellt und hängt vollständig vom dreidimensionalen Aufbau der Kreise ab. In den Entlüftungsleitungen ist ein Rückschlagventil 21, 22 angeordnet, um das Strömen von Kühlmittel vom Ausdehnungsgefäß 16 zu den Punkten 19, 20 im Kreis zu verhindern. Entsprechend kann kein Zwangsrücklauf vom Ausdehnungsgefäß zum entsprechenden Kreis erfolgen und die Pumpen können nicht gegeneinander arbeiten, wozu andernfalls in bestimmten Betriebsarten die Gefahr bestünde.
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Im ersten Kühlkreis 2 ist eine Bypass-Leitung 23 nach dem Wärmetauscher 12 von diesem Kühlkreis angeordnet und in dieser Bypass-Leitung ist eine Vorrichtung 24 angeordnet, die zum steuerbaren Liefern von Wärmeenergie zum die Bypass-Leitung passierenden Kühlmittel ausgebildet ist. Ein Drei-Wege-Ventil 25 ist zum Verteilen des Kühlmittelstroms zwischen dem Wärmetauscher 12 und der Bypass-Leitung 23 angeordnet.
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Es ist ferner dargestellt, dass ein Temperatursensor 26 im ersten Kühlkreis angeordnet ist, wobei dieser Sensor natürlich bei Bedarf ebenfalls im zweiten Kühlkreis angeordnet sein kann. Ein Steuergerät 27 ist zum Steuern des Drei-Wege-Ventils 25, des Gebläses 14 und der Pumpen 10, 11 angeordnet, um somit die Kühlwirkung des entsprechenden Kühlkreises zu steuern. Entsprechend können die zwei Kühlkreise unabhängig voneinander gesteuert werden.
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Die Funktion der Kühlanlage gemäß der Erfindung ist wie folgt: Wenn das Fahrzeug bei kalter Witterung gestanden ist und gestartet wird, kann beispielsweise nur die erste Pumpe 10 des ersten Kreises 2 betätigt werden, um Kühlmittel im ersten Kreis 2 durch die Heizung 24 umzuwälzen, das heißt ohne den Wärmetauscher 12 zu passieren, um die Batterie auf eine Temperatur innerhalb des Temperatursollbereichs des Batteriepacks zu erwärmen. Bei fortgesetztem Betrieb des Fahrzeugs können der Batteriepack 3 und die Leistungselektronikkomponenten 5, 6 anschließend durch entsprechende Steuerung der Leistung des Gebläses 14 und der Pumpen 10, 11 abgekühlt werden, um innerhalb des Temperaturbereichs zu bleiben. Der zweite Kühlkreis kann aber zum gleichen Zeitpunkt wie der erste gestartet werden, um Lastverluste, aber auch die Leistungselektronik zu kühlen, wenn diese den Strom zum Betrieb der Heizung erzeugen. Wenn das Fahrzeug beispielsweise bewusst abgebremst wird, besteht ein großer Bedarf zum Kühlen der Komponenten und der Luftstrom wird an den Wärmetauschern 12, 13 vorbei geführt und die Pumpen 10, 11 werden mit einer hohen Leistung betrieben, wobei die Leistung wesentlich verringert werden kann, wenn das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit ausschließlich mit dem Verbrennungsmotor zum Antrieb betrieben wird.
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Die Erfindung ist selbstverständlich keinesfalls auf die zuvor beschriebene Ausführungsform beschränkt und einem Fachmann können zahlreiche mögliche Modifizierungen von dieser ersichtlich sein, ohne dass eine Abweichung von der Wesensart der Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert vorliegt.
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Beispielsweise können die Kühlkreise mit einer Bypass-Leitung ausgestattet sein, die ebenfalls nicht mit einer Heizung ausgestattet sein muss.
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Die Kühlanlage kann mit mehr als zwei Kühlkreisen ausgestattet sein, die ein gemeinsames Ausdehnungsgefäß aufweisen. In diesem Fall weist die Verbindungsleitung, welche die Kühlkreise verbindet, mehrere Zweige auf. Das Ausdehnungsgefäß weist dann ebenfalls mehrere Einläufe von den Entlüftungsleitungen auf.
