DE2852725A1

DE2852725A1 - Ausgleichsbehaelter fuer kuehlfluessigkeit

Info

Publication number: DE2852725A1
Application number: DE19782852725
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Gohl
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1978-12-06
Filing date: 1978-12-06
Publication date: 1980-06-12
Also published as: IT1164535B; ES486412A1; FR2443572B1; IT7927855A0; FR2443572A1

Description

PATENTANWÄLTE ^

DIPL-ING. H. STEHMANN DIPL-PHYS. DR. K. SCHWEINZER DIPL-ING. DR. M. RAU

D-6500 Nürnberg essenweinstrasse4-6 telefon 0911/203727 telex 06/23135

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Nürnberg, 05.12.1978 17/53

Süddeutsche Kühlerfabrik Julius Fr.Behr GmbH & Co.KG., Mauserstrasse 3, D - 7000 Stuttgart 30

"Ausgleichsbehälter für Kühlflüssigkeit"

Die Erfindung betrifft einen Ausgleichsbehälter für Kühlflüssigkeit, der^v auf seiner Zuströmseite durch wenigstens zwei Entlüftungsleitungen und auf seiner Abströmseite durch eine NebenStromrücklaufleitung an einen sowohl den Kühlflüssigkeitseintritt als auch den Kühlflüssigkeitsaustritt eines KühlSissigkeitsmantels einer Brennkraftmaschine mit einem Wärmetauscher für die Wärmeabgabe der Kühlflüssigkeit verbindenden Hauptkreislauf für Kühlwasser so angeschlossen ist, daß die eine Entlüftungsleitung als Maschinenbetriebsentlüftungsleitung ständig mit dem Kühlwasseraustritt, die andere Entlüftungsleitung mit dem Wärmetauscher und die Nebenstromrücklaufleitung ständig mit dem Kühlwassereintritt verbunden sind, und bei dem eine im wesentlichen senkrecht stehende innere Trennwand eine Unterteilung in eine Vorkammer und in eine Absaugkammer bildet, die Entltiftungsleitungen in die Vorkammer und die Nebenstromrücklaufleitung in die Absaugkammer münden und die Trennwand sowohl eine am Behälterboden liegende, die..Nebenstrom-Menge ganz oder zum überwiegenden Teil führende direkte Nebenstrom-Verbindung zwischen

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Vorkammer und Absaugkammer als auch eine an der Behälterdeckwand liegende Entlüftungsverbindung zwischen Vorkammer und Absaugkammer aufweist.

Bei einem derartigen bekannten Ausgleichsbehälter (DE-AS 2 437 502) ist zur Verbesserung der Abscheidefunktion für Betriebsverhältnisse, bei denen ein erhöhter Anfall von Luft-, Dampf- oder Gasblasen im Nebenstrom zu erwarten ist, die Nebenstrom-Verbinduna in eine zwischen Vorkammer und Absaugkammer geschaltete Verbindung für blasenarme Kühlflüssigkeit und in eine parallelgeschaltete Verbindung für blasenangereicherte Kühlflüssigkeit unterteilt und die Verbindung für blasenangereicherte Kühlflüssigkeit liegt geodätisch zwischen der Entlüftungsverbindung und der Verbindung für blasenarme Kühlflüssigkeit.

Dieser bekannte Ausgleichsbehälter weist einen relativ hohen Platzbedarf auf und kann in Fahrzeugen oft nicht ausreichend hoch über dem Wärmetauscher angeordnet werden. Dadurch kann der Wärmetauscher und die Brennkraftmaschine nur unvollständig mit Kühlflüssigkeit befüllt werden, da der Kaltwasserstand unter Berücksichtigung eines ausreichenden Ausdehnungsvolumens im Behälter unterhalb der Oberkante des Wasserkastens des zugehörigen Wärmetauschers liegt. Daraus folgt, daß unter ungünstigen Betriebszuständen mit zu geringem Kühlflüssigkeitsvolumen in der Brennkraftmaschine und im Wärmetauscher bezw. mit erhöhter Luftbeimischung im Kühlkreislauf gefahren werden muß.

Bei einem anderen Ausgleichsbehälter der eingangs erwähnten Art (DE-AS 2 462 094) sind zur Lösung derselben Auf-

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gäbe, nämlich die Abscheidefunktion zu erhöhen, in der Vorkammer zusätzliche Leitmittel angeordnet und strömungsmäßig so zwischen die in die Vorkammer mündende öffnung der einen Entlüftüngsleitung und die Verbindungen der Trennwand eingeschaltet, daß die blasenangereicherte Kühlflüssigkeit dieser Entlüftungsleitung in Richtung auf die Behälterdeckwand geleitet wird.

Auch dieser Ausgleichsbehälter gestattet nicht eine jeweils limitierte Befüllung bei entsprechender Auffüllgeschwindigkeit und Auffüllvolumen ohne Lufteinschluß und Luftbeimischung.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Auigäbe zugrunde, bei einem Ausgleichsbehälter der eingangs erläuterten Art, bei einer speziellen fahrzeugbedingten Lage von Wärmetauscher und Ausgleichsbehälter sowie räumlichen Einschränkungen des AusgleichsbeM.ters die vollständige Befüllung des Wärmetauschers und der Brennkraftmaschine gemäß den Forderungen der jeweiligen Spezifikation hinsichtlich Auffallgeschwindigkeit und Auffüllvolumen sicherzustellen und Kühlmittelverluste, die bei bestimmten Betriebszuständen als Funktion des Lastzustandes, der Außenlufttemperatur, der Motoröltemperatur, der Kühlwassertemperatur und der Überdruckabsicherung des Kühlsystems auftreten können, zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine den Ausgleichsbehälter in eine Auffüllkammer und in eine Ausdehnungskammer teilende, dichte Trennwand und durch ein die Ausdehnungskammer mit der Auffüllkammer am geo-

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dätisch höchsten Punkt verbindendes Kühlmittel-Rückführrohr gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Abtrennung einer Ausdehnungskammer kann die Auffüllkammer über einen Einfüllstutzen bis zu einer bestimmten Wasserstandsbegrenzung befüllt werden. Durch den Einfluß der geodätischen Wasserstands-Höhen veränderung erfolgt die gewünschte limitierte Befüllung ohne Lüfteinschluß und Luftbeimischung. Durch die Einfüllbegrenzung wird ferner garantiert, daß keine überfliLlung der Auffüllkammer erfolgt. Das Restvolumen dient als Auffangvolumen für die Kühlmittelausdehnung innerhalb der Betriebstemperatürspanne. Dies bedeutet, daß die Ausdehnungskammer im Normalbetrieb als Kompressionsvolumen dient und über das Kühlmittel-Rückfüh rungsrohr und ein überdruckventil die Verbindung zur Atmosphäre herstellt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es daher vorteilhaft, daß ein Überdruckventil mit integriertem Unterdruckventil und Entlüftungsleitung im oberen Bereich der Ausdehnungskammer und ein Einfüllstutzen, dessen Einfüllöffnung unter dem geodätisch höchsten Niveau des Kühlmittelrückführungsrohres liegt, in der Auffüllkammer angeordnet ist und im geschlossenen Zustand keine Verbindung zur Atmosphäre aufweist. Es ist möglich die Wärmetauscher-Entlüftungsleitung in den Einfüllstutzen einzubinden.

Bei einer Entlüftung für zwei getrennte Kühlkreise (DE-AS 2 063 298) ist es zwar bekannt, zwischen ⁿeinem Ausgleichsbehälter und einem Reservebehälter eine absolut dichte Trennwand vorzusehen. Demgegenüber ist nach der Erfindung keine absolut dichte Trennwand vorgesehen, sondern ,durch die Trennwand ragt ein Kühlmittel-Rückführungsrohr, so daß zwei abhängige Kammern mit differenzierter Funktion entstehen. Die Aüffüll-

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kammer übernimmt die Hauptfunktion, während die Ausdehnungskammer die dem jeweiligen Betriebszustand angepassten Zusatzfunktionen wahrnimmt und im Gegensatz zu einem reinen Überlaufgefäß zur Aufnahme eines temperaturabhäitjLgen Ausdehnungsvolumens steht. Der sonst erforderlicHe zweite Ausgleichsbehälter dient bei der bekannten Entlüftung als Überlaufgefäß für den Ausgleichsbehälter zur Reduzierung des Wasserverlustes, d. h. dem Überlaufgefäß werden lediglich die Funktionen des unbeeinflußbaren Kühlmittel-Nachschubs und die Verkleinerung des Wasserverlustes zugeordnet.

Zur Anpassung an das Behältervolumen der Ausdehnungskammer bei überschreiten der Siedetemperatur (in Abhängig- . keit vom überdruck) ist es vorteilhaft, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, im Kühlmittelrückführrohr eine Drossel vorgesehen ist. Die Drossel bewirkt eine Druckerhöhung im Kreislauf. Dadurch wird die Siedetemperatur erhöht, d.h., die Verdampfung des Kühlmittels wird reduziert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch ein Ausführungsbeispiel darstellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Kühlmittelkreislauf mit Brennkraftmaschine, Wärmetauscher und Ausgleichsbehälter, teilweise geschnitten, und

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälter in einem Schnitt gemäß der Linie A-B in Fig. 1.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Kühlmittelkreislauf, beispielsweise für ein Fahrzeug, besteht aus einer Brennkraftmaschine 1, mit einem entsprechenden Kühlmantel,' einem Wärmetauscher 2 für das Kühlmittel und einem von der Brennkraftmaschine 1 angetriebenen

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Lüfter 19, der ggf. auch über eine temperaturabhängige Kupplung zuschaltbar sein kann. Die Brennkraftmaschine ist mit dem Wärmetauscher 2 über eine Kühlmitteleintrittsleitung 5 und eine Kühlmittelaustrittsleitung 6 verbunden. Die Kühlmittelaustrittsleitung 6 aus dem
Wärmetauscher 2 führt zu einer Wasserpumpe 4 und von
dort zur Brennkraftmaschine 1. In der Leitung 5 oder 6 liegt in der Regel ein den Kurzschluß steuernder (nicht dargestellter Thermostat, der den Wärmetauscher in Abhärgigkeit von der Kühlmitteltemperatur nach Bedarf zuschaltet.

Mit dem Wärmetauscher 2 und der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist ein Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 3. Ober eine Leitung 8 erfolgt dieEntlüftung der Brennkraftmaschine und über eine Leitung 9 die Entlüftung des Wärmetauschers in den Ausgleichsbehälter 3. über eine Auffülleitung
(Saugleitung) 7 ist der Kühlmittelausgleichsbehälter 3 mit der Wasserpumpe 4 verbunden. Diese Auffülleitung 7 erfüllt die Aufgabe einer Nebenstromrücklaufleitung.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Kühlmittelausgleichsbehälter 3 mittels einer dichten, senkrechten Trennwand 12 in zwei voneinander abhängige Kammern, nämlich eine Ausdehnungskammer 10 und eine Auffüllkammer 11 mit differenzierter Funktion unterteilt ist. Die Behälterau sdehnungskammer 10 ist dabei mit einem Überdruckventil mit integriertem Unterdruckventil 14 versehen, wobei ein Belüftungsrohr 17 für das überdruckventil 14 vorgesehen ist.

Die Auffüllkammer 11 weist einen Einfüllstutzen 16 mit einer Auffüllbegrenzung 15 auf.

Es ist auch möglich, die Wärmetauscher-Entlüftungsleitung in den Einfüllstutzen 16 einzubinden.

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Aus dem Längsschnitt in Fig. 1 ist der innere Aufbau innerhalb der Auffüllkammer 11 ersichtlich. Dieser Aufbau entspricht im wesentlichen dem bekannten Ausgleichsbehälter der eingangs beschriebenen Art. Dabei ist eine

Trennwand 20 vorgesehen, die die Auffüllkammer 11 in eine Vorkammer 22 und eine Absaugkammer 23 trennt. Die beiden Kammern werden durch eine Verbindung 24 miteinander verbunden, die an einem geodätisch unteren Bereich der Trennwand angeordnet ist, während im oberen Bereich eine Entlüftungsverbindung 25 besteht. Zweckmäßig ist die Verbindung 24 noch mit einem Leitblech 21 versehen. Die Wirkungsweise der Ausdehnungskammer 11 entspricht im wesentlichen der Wirkungsweise der bekannten Ausgleichsbehälter.

Bei den bekannten Behältern kann der Wärmetauscher 2 und die Brennkraftmaschine 1 nur unvollständig befüllt werden, bis zu einem Niveau N4, da der Kaltwasserstand unter Berücksichtigung eines ausreichenden Ausdehnungsvolumens im Behälter 3 unterhalb der Oberkante N 3 des Wasserkastens des Wärmetauschers 2 liegt.

Durch die erfindungsgemäße Abtisnnung einer Ausdehnungskammer 10 kann die rechte Behälterhälfte, nämlich die Auffüllkammer 11 über den Einfüllstutzen 16 bis zu einer Wasserstandsbegrenzung 15 befüllt werden. Durch den Einfluß der geodätischen Wasserstands-Höhenveränderung N 4 zu N1 erfolgt eine limitierte Auffüllung ohne Lufteinschluß und Luftbeimischung. Durch die Einfüllbegrenzung wird sichergestellt, daß keine überfüLlung der Auffüllkammer 11 erfolgt. Das Restvolumen zwischen N 1 und N 2 dient als Auffangvolumen innerhalb der Betriebstemperaturspanne, d. h. die Ausdehnungskammer 10 dient

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als Kompressionsvolumen und stellt über das Kühlmittel-Rückführungsrohr 13 und das Überdruckventil 14 eine Verbindung zur Atmosphäre her.

Durch da^e beschriebene Wasserstandshöhenänderung wird gewährleistet, daß bei Kühlmittelverlusten bis zum Niveau N 4 ein stabiler, d. h. gasfreier Kühlkreislauf erzielbar ist. Bei bekannter Behälterausführung wird hingegen frühzeitig Luft über die Saugleitung 7 zur Pumpe 4 angesaugt und dadurch die Funktbnsfähigkeit des Kühlkreislaufes infrage gestellt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird auch der Kühlmittelverlust durch Wasserauswurf, der insbesondere bei Exportfahrzeugen für tropische Länder gefährlich wird, vermieden. Als Wasserauswurf wird der Kühlmittelverlust verstanden, der bei bestimmten Betriebszuständen als Funktion des Lastzustandes, der Außenlufttemperatur, der Motoröltemperatur, der Kühlwassertemperatur und der Überdruckabsicherung des Kühlsystems auftritt.

Durch örtliche überhitzung im Bereich der Verbrennungsräume der Brennkraftmaschine bei stehendem Motor bzw. stehender Wasserpumpe 4 wird die druckabhängige Siedetemperatur des Kühlmittels überschritten. Die durch Änderung des Aggregatzustandes bedingte Veränderung des Volumens verdrängt eine definierte Kühlmittelmenge über die Verbindungsleitungen 8, 9 zum Behälter 3. Das Gesamtvolumen wird soweit verändert, daß ein Restraum notwendig wird.

Diese Schwierigkeiten könnten zwar durch zusätzliche Ausdehnung svolumen mit entsprechend aufwendiger Leitungs-

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führung und erheblichem Kostenaufwand und Raumbedarf gelöst werden. Es besteht jedoch die Gefahr der Undichtheiten im Leitungssystem, da sehr viel mehr Leitungen notwendig sind, wobei dann die Undichtheiten zum Versagen des Kreislaufs führen können.

Es ist ferner möglich, den Ventilüberdruck zur Kreislaufabsicherung zu erhöhen. Durch diese Maßnahme kann jedoch ein zusätzliches Ausdehnungsvolumen nicht grundsätzlich eingespart werden. Durch die zusätzliche dynamische Druckerhöhung im Wasser-Luft-Wärmetauscher und bei anderen Bauteilen ist dazu jedoch ein erheblicher Kostenaufwand erforderlich, (verstärkter Wärmetauscher, stärkere Dichtungen, geänderte Schlauchverbindungen).

Bei der erfindungsgemäßen Aufteilung des Ausgleichsbehälters 3 in eine Ausdehnungskammer 10 und eine Auffüllkammer 11 werden auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen die erwähnten Kühlmittelverluste vermieden bzw. verringert.

Wenn beispielsweise bei ungünstigen Betriebsverhältnissen eine expandierende Dampfmenge auftritt, die über die Entlüftungsleitungen 8 und 9 eine Kühlmittelmenge aus den kälteren Zonen des Kühlkreislauf in die Auffüllkammer 11 des Behälters 3 drückt, dann steigt das Kühlmittelniveau in dieser Kammer 11 zunächst bis zum Niveau N an und tritt dann über das Kühlmittelrückführungsrohr in die Ausdehnungskammer 10 über. In Abhängigkeit des Betriebszustandes, d. h. in Abhängigkeit des Volumensbedarfs füllt.sich die Ausdehnungskammer 10 mehr oder weniger an. Die maximale Füllhöhe ist bei N 5 erreicht. Das Entweichen der Kammerluft bzw. bei fortschreitender Kühlmittel-Verdampfung der Dampfmenge erfolgt über das Entlüftungsrohr 17 und das überdruckventil 14. Die überströmende

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Flüssigkeit bzw. Dampfmenge kann über eine Drossel 18 im Kühlmittelrückführungsrohr 13 zur Anpassung an das Behältervolumen 10 gesteuert werden. Es wird eine gezielte Entgasung unter Berücksichtigung des angebotenen Ausdehnungsvolumens erfolgen, so daß kein größerer Wasserte
verlust auftritt.

Bei nachfolgender Betriebszustandsanderung im Nachheizbereich der Brennkraftmaschine, zum Beispiel Starten des Motors bzw. Kühlmittelumlauf oder verzögerte Abkühlung, kondensiert die Gasblase im gefährdeten Bereich. Der dadurch entstehende Kühlmittelmangel muß kurzfristig ausgeglichen werden, d. h. die Ansammlung der verdrängten Kühlmittelmenge in der Ausdehnungskammer 10 muß möglichst schnell als Funktionsvolumen im Kühlkreislauf bzw. in der Auffüllkammer 11 zur Verfügung stehen.

s.

Die durch Kondensation des Dampfvolumens entstehende Druckdifferenz zwischen Kühlkreislauf und atmosphärischem Überdruck öffnet das im Überdruckventil 14 integrierte Unterdruckventil und ermöglicht hierdurch die Rückströmung des Kühlmittels aus der Ausdehnungskammer 10 über das Kühlmittelrückführungsrohr 13 in die Auffüllkammer 11. Die Weiterleitung des Kühlmittels von der Kammer 11 zu der Brennkraftmaschine erfolgt auf bekannte Weise über die Saugleitung 7 zur Wasserpumpe 4.

Erfindungsgemäße Ausgleichsbehälter lassen sich in vorteilhafter Weise aus Kunststoff in Großserien fertigen.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen und Weiterbildungen sowie Teil- und Unterkombinationen der beschriebenen und/ oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.

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Claims

PATENTANWÄLTE DiPL-ING. H. STEHMANN DIPL-PHYS. DR. K. SCHWEINZER DIPL-ING. DR. M. RAU

D-8500 NORNBERG ESSENWEINSTRASSE 4-6 TELEFON 0911/20 37 27 TELEX Oi /23135

Nürnberg, 05. 12. 1978 17/53

Süddeutsche Kühlerfabrik Julius Fr.Behr GmbH & Co.KG., Mauserstrasse 3, D - 7000 Stuttgart 30

A. n. Sprüche

\J Ausgleichsbehälter für Kühlflüssigkeit, der auf seiner Zuströmseite durch wenigstens zwei Entlüftungsleitungen und auf seiner Abströmseite durch eine Nebenstromrücklaufleitung an einen sowohl den Kühlflüssigkeitseintritt als auch den Kühlflüssigkeitsaustritt eines Kühlflüssigkeitsmantels einer Brennkraftmaschine mit einem Wärmetauscher fiir die Wärmeabgabe der Kühlflüssigkeit verbindenden Hauptkreislauf für Kühlwasser so angeschlossen ist, daß die eine Entlüftungsleitung als Maschinenbetriebsentlüftungsleitung ständig mit dem Kühlwasseraustritt_r die andere Entlüftungsleitung mit dem Wärmetauscher und die Nebenstromrücklaufleitung ständig mit dem Kühlwassereintritt verbunden ..sind, und bei dem eine im wesentlichen senkrecht stehende innere Trennwand eine Unterteilung in eine Vorkammer und in eine Absaugkammer bildet, die Entlüftungsleitungen in die Vorkammer und die Nebenstromrücklaufleitung in die Absaugkammer münden und die Trennwand sowohl eine am Behälterboden

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liegende, die Nebenstrom-Menge ganz oder zum überwiegenden Teil führende direkte Nebenstrom-Verbindung zwischen Vorkammer und Absaugkammer als auch eine an der Behälterdeckwand liegende Entlüftungsverbindung zwischeh Vorkammer und Absaugkammer aufweist, gekennzeichnet durch eine den Ausgleichsbehälter (3) in eine Auffüllkammer (11) und eine Ausdehnungskammer (10) teilende, dichte Trennwand (12) und durch ein die Ausdehnungskammer (10) mit der Auffüllkammer (11) am geodätisch höchsten Punkt verbindendes Kühlmittel-Rückführrohr (13).
2. Ausgleichsbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein überdruckventil (14) mit integriertem Unterdruckventil und Entlüftungsleitung (17) im oberen Bereich der Ausdehnungskammer (10) und ein Einfüllstutzen (16), dessen Einfüllöffnung unter dem geodätisch höchsten Niveau des Kühlmittelrückführungsrohres (13) liegt, in der Auffüllkammer (11) angeordnet ist und im geschlossenen Zustand keine Verbindung zur Atmosphäre aufweist.
3. Ausgleichsbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlmittelrückführrohr (13) eine Drossel (18) vorgesehen ist.

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