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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Entgasungseinheit und ein Gehäuse, insbesondere ein Batteriegehäuse, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Gehäuse zur Aufnahme von Elektronikkomponenten wie bspw. Batteriezellen und dergleichen können nicht vollständig dicht gegenüber der Umgebung verschlossen werden, da im Falle einer Fehlfunktion von einzelnen Batteriezellen eine rasche Gasentwicklung zu starken Druckspitzen im Gehäuse führen kann. Ohne Maßnahmen zum Druckausgleich würde die mechanische Integrität des Batteriegehäuses geschädigt werden oder dieses sogar zerstört.
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Solche Druckspitzen, etwa beim Versagen einer Batteriezelle in einem Batteriegehäuse, müssen daher möglichst schnell in die Umgebung abgeleitet werden.
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Als einfachste Ausführung eines Berstschutzes ist, beispielsweise bei Bleiakkus, bekannt, Berstscheiben im Sinne einer „Sollbruchstelle“, insbesondere aus einem metallischen Blechmaterial, zu verwenden, die in eine Gehäuseöffnung eingesetzt werden. Im Falle einer unzulässigen Druckerhöhung reißt die Berstscheibe (irreversible Beschädigung) und gibt den Gasdurchlass frei.
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Bekannte Berstscheiben sind jedoch aufgrund ihrer Konstruktion jedoch häufig zu träge und können nur vergleichsweise kleine Durchströmquerschnitte bedienen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Entgasungseinheit für ein Gehäuse, insbesondere für ein Batteriegehäuse, insbesondere für ein Traktionsbatteriegehäuse eines Kraftfahrzeugs, zu schaffen, die sich durch ein schnelles Ansprechverhalten sowie große bedienbare Durchströmquerschnitte auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Entgasungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner ergibt sich die Aufgabe ein Gehäuse, insbesondere für eine Batterie, insbesondere für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, zu schaffen, das sich durch einen verbesserten Berstschutz auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Die hierin ggf. verwendeten relativen Bezeichnungen „innen“ und „außen“ beziehen sich auf einen Montagezustand bezüglich des Gehäuses, wobei „innen“ zum Gehäuse weisend und „außen“ zur Umgebung weisend bedeutet.
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Die erfindungsgemäße Entgasungseinheit für ein Gehäuse, insbesondere für eine Batterie, insbesondere für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, weist in einer ersten Ausführungsform einen fluiddicht mit einem Rand einer Druckausgleichsöffnung des Gehäuses verbindbaren Grundkörper auf, der zumindest eine Gasdurchtrittsöffnung aufweist. Die Gasdurchtrittsöffnung des Grundkörpers ist in einem Normalbetriebszustand von einem Abdeckelement abgedeckt, das in dem Normalbetriebszustand an einem die Gasdurchtrittsöffnung umlaufenden Rand dichtend an dem Grundkörper anliegt. Die Entgasungseinheit ist bei Überschreiten eines vorbestimmten Gehäuseinnendrucks von dem Normalbetriebszustand in einen Notentgasungszustand überführbar, in dem ein Gasdurchtritt durch die Gasdurchtrittsöffnung frei gegeben ist und das Abdeckelement von dem die Gasdurchtrittsöffnung umlaufenden Rand abgehoben vorliegt. Das heißt im Notentgasungszustand ist die dichtende Anlage des Abdeckelements an dem die Gasdurchtrittsöffnung umlaufenden Rand überwunden. Erfindungsgemäß ist das Abdeckelement als zumindest bi-stabiler Federkörper ausgebildet, der in dem Normalbetriebszustand in einem ersten stabilen Zustand vorliegt und im Notentgasungszustand in einem zweiten stabilen Zustand. Das Überführen der Entgasungseinheit von dem Normalbetriebszustand in den Notentgasungszustand ist hierbei durch eine Zustandsänderung des Abdeckelements bewirkbar.
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Ein Anliegen des Abdeckelements an dem die Gasdurchtrittsöffnung umlaufenden Rand kann unmittelbar oder mittelbar, d. h. etwa unter Zwischenschaltung einer Dichtung, erfolgen.
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Die Gasdurchtrittsöffnung des Grundkörpers ist so ausgelegt, dass diese im Notentgasungszustand einen zusammenhängenden Strömungsweg zwischen einem Gehäuseinnenraum und der Umgebung bereitstellen kann.
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Das als bi-stabiler Federkörper ausgebildete Abdeckelement kann hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften durch eine geeignete Wahl von Abmessungen und Werkstoffparametern so ausgelegt werden, dass sich ein individuell einstellbarer Öffnungsdruck ergibt. Dies ermöglicht es, die erfindungsgemäße Entgasungseinheit flexibel an verschiedene Einsatzfälle anzupassen, da zur Adaption an unterschiedliche Batteriegehäuse lediglich eine Modifikation des Abdeckelement nötig ist und der Grundkörper, in der Art eines Baukastensystems, für mehrere Anwendungsfälle eingesetzt werden kann.
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In Ausführungen sind sowohl der erste stabile Zustand als auch der zweite stabile Zustand stabil im engeren Sinne, sodass die Gasdurchtrittsöffnung des Grundkörpers nachdem das Abdeckelement in den zweiten stabilen Zustand überführt wurde, dauerhaft geöffnet bleibt.
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Es sind jedoch auch Ausführungen möglich und von der vorliegenden Erfindung umfasst, bei denen es sich bei dem zweiten stabilen Zustand um einen metastabilen Zustand handelt, sodass das Abdeckelement ohne Einwirkung des Gehäuseinnendrucks in seinen ersten stabilen Zustand zurückkehrt (Prinzip des Knackfrosches) und so die Entgasungseinheit wieder in ihren Normalbetriebszustand zurück überführt, in dem die Gasdurchtrittsöffnung verschlossen ist.
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Der zumindest bi-stabile Federkörper kann in Ausführungen auch mehr als zwei stabile Zustände aufweisen, etwa einen oder mehrere „Zwischenzustände“.
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Geeigneter Weise bestehen sowohl der Grundkörper als auch das Abdeckelement aus einem feuerfesten bzw. zumindest hochtemperaturstabilen Material, sodass diese ein Notentgasungsereignis in dem Batteriegehäuse weitgehend unbeschadet überstehen.
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Die erfindungsgemäße Entgasungseinheit zeichnet sich durch ein schnelleres Ansprechverhalten aus, da zur Bewirkung der Zustandsänderung des Abdeckelements eine vergleichsweise kurze Einwirkdauer des Gehäuseinnendrucks ausreichend ist, sodass der Übergang von dem Normalbetriebszustand zu dem Notentgasungszustand vergleichsweise schneller erfolgen kann als unter Verwendung bekannter Berstscheiben. Dies erhöht die Betriebssicherheit eines mit der erfindungsgemäßen Entgasungseinheit ausgerüsteten Batteriegehäuses deutlich.
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Ferner sind die zur Bewirkung der Zustandsänderung nötigen Kräfte (durch den Gehäuseinnendruck) geringer als beim Einsatz von klassischen Berstscheiben, sodass durch einen gegebenen Gehäuseinnendruck viel größere Entgasungsquerschnitte freigebbar sind. Es war daher bisher unter Verwendung von klassischen Berstscheiben üblich, mehrere Berstscheiben parallel zu schalten. Die bisher von mehreren parallel geschalteten Berstscheiben ausgeübte Entgasungsaufgabe kann bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Entgasungseinheit von einem einzelnen Bauteil übernommen werden, was die Systemkosten senkt.
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Das Abdeckelement löst sich in seinem zweiten stabilen Zustand aufgrund der Einwirkung des Gehäuseinnendrucks im Notentgasungszustand von dem Grundkörper und kann dabei gewissermaßen aufgrund der plötzlich auftretenden Druckspitzen gewissermaßen vom Grundkörper abgesprengt werden. Das Abdeckelement kann in Ausführungsformen optional über ein längliches Sicherungselement, etwa ein seilartiges oder kettenartiges Sicherungselement, an dem Grundkörper gesichert sein, sodass es nach einem Notentgasungsereignis nicht verloren geht.
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In dem Notentgasungszustand ist das Abdeckelement unter Einwirkung des Gehäuseinnendrucks in seiner Gesamtheit axial verlagerbar, sodass weiter oben beschriebenes „Absprengen“ bzw. „Abwerfen“ des Abdeckelements erfolgen kann. Das heißt, dass anders als bei klassischen Berstscheiben das Abdeckelement vollständig, d.h. mit seiner kompletten Struktur, gegenüber dem Grundkörper verlagerbar ist, während bei klassischen Berstscheibenanwendungen die Berstscheibe fest eingespannt ist. Mit „axial verlagerbar“ ist daher nicht eine lokale axiale Deformation wie z. B. bei Umkehrberstscheiben gemeint, sondern explizit ein axiales Verlagern der Gesamtheit des Abdeckelements.
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Bevorzugt erfolgt das Überführen der Entgasungseinheit von dem Normalbetriebszustand in den Notentgasungszustand durch einen Übergang des Abdeckelements von dem ersten stabilen Zustand zu dem zweiten stabilen Zustand.
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Ein Übergang von dem ersten stabilen Zustand zu dem zweiten stabilen Zustand kann ausschließlich elastisch erfolgen, d. h. ohne irreversible Beschädigung und/oder plastische Verformung des Abdeckelements.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Abdeckelement ein metallisches Material auf oder besteht daraus, insbesondere kann es sich bei dem metallischen Material um Stahlblech handeln, bevorzugt aus einem Federstahl.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Abdeckelement in dem ersten stabilen Zustand eine bevorzugt zentrische Vertiefung aufweisen, welche in Folge der Einwirkung des Gehäuseinnendrucks in dem zweiten stabilen Zustand in eine Auswölbung überführbar ist. Beim Übergang von dem ersten stabilen Zustand zu dem zweiten stabilen Zustand schnappt die Vertiefung also gewissermaßen in die Auswölbung um. Vertiefung bedeutet hierin eine Wölbung in einer im Montagezustand zu dem Gehäuseinnenraum hin weisenden Richtung, während Auswölbung eine in dem Montagezustand von dem Gehäuseinnenraum weg gerichtete Wölbung bezeichnet. Das Funktionsprinzip gemäß dieser Ausführungsform ist zu vergleichen mit einer Schnappscheibe. Gemäß einer Ausführung kann daher das Abdeckelement als Schnappscheibe ausgebildet sein.
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In einer noch weiteren Ausführungsform kann das Abdeckelementeine Topfform haben, wobei das Abdeckelement mit einer offenen Seite zu dem Grundkörper weist. Die die Vertiefung liegt hierbei bevorzugt im Bereich eines Bodens des topfförmigen Abdeckelements vor.
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Gemäß einer besonderen Ausführung kann das topfförmige Abdeckelement zumindest eine zumindest teilumfänglich verlaufende Seitenwand mit einer Axialerstreckung aufweisen, von der sich zumindest ein Befestigungselement radial weg erstreckt. Das Befestigungselement greift in dem ersten stabilen Zustand des Abdeckelements formschlüssig in einen Hinterschnitt des Grundkörpers ein und ist in dem zweiten stabilen Zustand radial verlagert und greift nicht mehr in den Hinterschnitt des Grundkörpers ein, sodass eine Befestigung des Abdeckelements am Grundkörper gelöst ist und die Gasdurchtrittsöffnung des Grundkörpers freigegeben werden kann. Das Befestigungselement kann sich insbesondere nach radial innen erstrecken; es sind jedoch auch Ausführungen möglich, in denen sich das Befestigungselement nach radial außen erstreckt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Befestigungselement an einem dem Boden des topfförmigen Abdeckelements fernen Ende der Seitenwand vorliegt.
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Darüber hinaus kann über einen Umfang der Seitenwand verteilt eine Mehrzahl von Befestigungselementen vorliegen, wobei die Befestigungselemente bevorzugt in einem gleichmäßigen Winkelabstand verteilt angeordnet sind. Hierdurch wird eine bessere umfängliche Verteilung der Haltekräfte in dem ersten stabilen Zustand erreicht, was zu einer verbesserten Abdichtung des Abdeckelements gegenüber dem Rand der Gasdurchtrittsöffnung in dem Normalbetriebszustand beiträgt.
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In einer noch weiteren Ausführung weist die Seitenwand eine Mehrzahl umfänglich verteilter axial verlaufender Schlitze auf, zwischen denen jeweils ein Federzungenabschnitt ausgebildet ist, an dem das Befestigungselement vorliegt.
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Alternativ oder zusätzlich kann an dem umlaufenden Rand der Gasdurchtrittsöffnung des Grundkörpers eine umlaufende Dichtung vorliegen, insbesondere eine Lippendichtung, die bevorzugt am Grundkörper gehalten ist, und die in dem Normalbetriebszustand dichtend an einer Innenseite des Abdeckelements anliegt. Es sind jedoch auch dichtungslose Ausführungen von der Erfindung umfasst, wobei jedoch unter Verwendung einer Dichtung vorteilhaft geringere Anpresskräfte des Abdeckelements gegenüber dem Rand der Gasdurchtrittsöffnung ausreichen um eine vorbestimmte Dichtheit zu erzielen. Bevorzugt handelt es sich bei der Dichtung um eine axial wirksame Dichtung.
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In einer gleichermaßen bevorzugten Ausführungsform kann der Grundkörper einen die Gasdurchtrittsöffnung umlaufenden Stutzenabschnitt aufweisen, wobei das topfförmige Abdeckelement in dem Normalbetriebszustand den Stutzenabschnitt übergreift. Bevorzugt ist die Dichtung hierbei an einem freien Rand des Stutzenabschnitts gehalten. Innerhalb des Stutzenabschnitts befindet sich die Gasdurchtrittsöffnung, sodass der Stutzenabschnitt Teil eines im Montagezustand vom Gehäuseinnenraum in die Umgebung führenden Strömungspfades ist. Der Rand der Gasdurchtrittsöffnung, auf dem das Abdeckelement unmittelbar oder mittelbar abdichtet, wird hierbei durch den freien Rand des Stutzenabschnitts bereitgestellt. Der Hinterschnitt des Grundkörpers, in dem im Normalbetriebszustand das zumindest eine Befestigungselement des Abdeckelements formschlüssig gehalten ist, kann insbesondere in einem radial außerhalb des Stutzenabschnitts vorliegenden Bereich des Grundkörpers angeordnet sein, sodass ein freier Querschnitt der Gasdurchtrittsöffnung nicht eingeengt wird. Ein Übergriff des topfförmigen Abdeckelements über den Stutzenabschnitt hat ferner den Vorteil, dass der Dichtkontakt des Abdeckelements gegenüber dem Rand der Gasdurchtrittsöffnung durch das topfförmige Abdeckelement, insbesondere dessen Seitenwand, vor Umwelteinflüssen geschützt wird und insbesondere kein Schmutz an diesen dringt.
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Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper einen Anschlussflansch aufweist, der in einem Montagezustand zu dem Gehäuse weist. Insbesondere kann an dem Anschlussflansch eine Gehäusedichtung vorliegen, die die Gasdurchtrittsöffnung vollständig umläuft, wobei die Gehäusedichtung bevorzugt in einer Dichtungsnut des Anschlussflanschs aufgenommen ist. Der Anschlussflansch dient also der gasdichten Verbindung der Entgasungseinheit mit dem Gehäuse in einem Montagezustand. Der Anschlussflansch kann als Axial- oder Radialflanschbereich ausgebildet sein. Der Anschlussflansch kann je nach avisierter Montagerichtung der Entgasungseinheit (von außen oder von innen) an einer inneren oder äußeren Seite des Grundkörpers ausgebildet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Gasdurchtrittsöffnung von einer selektiv permeablen Membran überspannt sein, die den Durchtritt von Gasen ermöglicht und den Durchtritt von Feststoffen und/oder Flüssigkeiten unterbindet. Die selektiv permeable Membran kann so ausgelegt sein, dass sie im Fall einer Notentgasung reißt und die Gasdurchtrittsöffnung frei gibt. Die Verwendung von selektiv permeablen Membranen ist auf dem Gebiet der Batterieentgasung bekannt, wobei insbesondere dünne, poröse PTFE-Membranen eingesetzt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Gehäuse, insbesondere ein Batteriegehäuse, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Als weitere Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Entgasungseinheit neben Traktionsbatterien ergeben sich etwa Schaltschränke oder Transformatorengehäuse. Das Gehäuse hat zumindest eine Gehäusewandung mit einer Druckausgleichsöffnung, wobei in dem Gehäuse bevorzugt Batteriezellen anordenbar sind und wobei die Druckausgleichsöffnung von einer erfindungsgemäßen Entgasungseinheit verschlossen ist. Insbesondere ist dabei eine Montage der Entgasungseinheit derart vorgesehen, dass diese mittels zumindest eines Befestigungsmittels, insbesondere einer Schraube, mit einer Wandung des Gehäuses verbunden ist. Durch die Verschraubung werden die zur Verpressung der Gehäusedichtung nötigen Dichtungsvorspannkräfte erzeugt. Die Verschraubung kann insbesondere von einem Innenraum des Gehäuses her erfolgen. Es sind selbstverständlich auch Ausführungsformen von der Erfindung umfasst, bei denen die Verschraubung der Entgasungseinheit mit dem Gehäuse von der Außenseite her erfolgt.
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Schließlich kann die Gehäusewandung an einer Außenseite eine die Druckausgleichsöffnung umlaufende Dichtfläche aufweisen, an der in einem Montagezustand die Gehäusedichtung der Entgasungseinheit anliegt. Die Dichtfläche ist bevorzugt als ein Bereich der Wandung des Gehäuses mit möglichst geringen Abweichungen hinsichtlich Ebenheit und geringer Rauheit ausgebildet. Geeigneter Weise weist das Gehäuse bzw. zumindest dessen Wandung einen Metallwerkstoff auf oder besteht daraus, so dass die Dichtfläche hinsichtlich der o. g. Eigenschaften einfach durch mechanische Bearbeitung erhalten werden kann.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, Beschreibung und Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1 Draufsicht einer erfindungsgemäßen Entgasungseinheit im Normalbetriebszustand;
- 2 Untersicht einer erfindungsgemäßen Entgasungseinheit im Normalbetriebszustand;
- 3 Mittellängsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Entgasungseinheit im Normalbetriebszustand;
- 4 Mittellängsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Entgasungseinheit im Notentgasungszustand;
- 5 Isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Entgasungseinheit im Notentgasungszustand;
- 6 Isometrische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Entgasungseinheit im Notentgasungszustand.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. Merkmale oder Merkmalskombinationen, welche in Zusammenhang mit einer bestimmten Ausführungsform offenbart sind, sind - wenn nicht explizit ausgeschlossen - auch auf die anderen Ausführungsformen übertragbar.
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In 1 ist die erfindungsgemäße Entgasungseinheit 10 in einer Draufsicht dargestellt, was in einem Montagezustand der von einer Außenseite eines Gehäuses sichtbaren Ansicht entspricht. Die Entgasungseinheit 10 verfügt über einen Grundkörper 1, der in einem Montagezustand gasdicht mit einem Rand einer Druckausgleichsöffnung eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses, verbindbar ist. Die Entgasungseinheit 10 ist dazu vorgesehen, einen Gasdurchtritt von einem Gehäuseinnenraum des Gehäuses durch die Druckausgleichsöffnung in die Umgebung zu ermöglichen, wenn ein vorbestimmter Innendruck überschritten wird, insbesondere im Fall einer Fehlfunktion wie etwa eines Batteriezelldefekts. Die Entgasungseinheit 10 wird über Befestigungsbohrungen 15 des Grundkörpers, welche hier als Sacklochbohrungen ausgebildet sind, an dem Gehäuse befestigt, etwa durch Schrauben. Der Grundkörper 1 der Entgasungseinheit 10 hat eine Gasdurchtrittsöffnung 11 (siehe 3 und 4), die sich durchgängig von einer Innenseite zu einer Außenseite erstreckt. Die Gasdurchtrittsöffnung 11 ist außenseitig von einem Abdeckelement 2 verschlossen, das als zumindest bi-stabiler Federkörper ausgebildet ist, insbesondere als Schnappscheibe. Das Abdeckelement 2 hat eine topfförmige Gestalt mit einem Boden 24 sowie einer Seitenwand 25. Die Seitenwand 25 erstreckt sich zumindest teilumfänglich und in Axialrichtung und weist über ihren Umfang verteilt eine Mehrzahl Schlitze 27 auf, zwischen denen jeweils Seitenwandabschnitte vorliegen, die Federzungen 28 ausbilden. Über an den Federzungen 28 vorliegende Befestigungselemente 26 (siehe 3 und 4) ist das Abdeckelement 2 im Normalbetriebszustand bezüglich des Grundkörpers 1 befestigt.
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2 zeigt eine Untersicht der Entgasungseinheit 10, d.h. deren Innenseite, mit der diese in einem Montagezustand mit einem Rand der Druckausgleichsöffnung des Gehäuses verbunden wird. An der Innenseite ist ein Anschlussflansch 14 ausgebildet, hier als Axialflansch. Der Anschlussflansch 14 trägt eine Gehäusedichtung 4, welche in einer Dichtungsnut 141 (siehe 3 und 4) aufgenommen ist, wobei die Gehäusedichtung 4 im Montagezustand unter Einwirkung einer axial gerichteten Vorspannkraft verpresst wird. Von der Innenseite her ist die Gasdurchtrittsöffnung 11 des Grundkörpers 1 zu erkennen, die außenseitig von dem Abdeckelement 2 verschlossen ist.
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In der Mittellängsschnittansicht der 3 ist die erfindungsgemäße Entgasungseinheit 10 in ihrem Normalbetriebszustand N gezeigt. Das Abdeckelement 2 ist hierbei über die an den Federzungen 28 der Seitenwand 25 vorliegenden Befestigungselemente 26 in einem Hinterschnitt 12 des Grundkörpers 1 gehalten. Die Befestigungselemente 26 erstrecken sich an einem dem Boden fernen Ende der Federzungen 28 der Seitenwand 25 nach radial außen. Ein umlaufender Rand 111 der Gasdurchtrittsöffnung 11 des Grundkörpers 1 dichtet in diesem Zustand unter Zwischenschaltung einer umlaufenden Lippendichtung 3 gegenüber dem Abdeckelement 2 ab, sodass die Gasdurchtrittsöffnung 11 gasdicht verschlossen ist. Im Normalbetriebszustand N befindet sich das als zumindest bi-stabiler Federkörper ausgebildete Abdeckelement 2 in seinem ersten stabilen Zustand S1, in welchem dieses eine zentrische Vertiefung 21 des Bodens 24 aufweist. Die zentrische Vertiefung 21 spannt das Abdeckelement 2 bezüglich seiner ringförmigen Dichtauflage auf dem Rand der Gasdurchtrittsöffnung 111 bzw. der Dichtung 3 in Axialrichtung vor und erzeugt somit die zur Sicherstellung der Dichtheit nötige Anpresskraft. Die gezeigte Ausführungsform der Entgasungseinheit 10 ist dazu vorgesehen, von außen an ein Gehäuse montiert zu werden, wobei der Grundkörper 1 im Montagezustand mit seinem Anschlussflansch 14 axial auf einer Außenwand des Gehäuses platziert und vorgespannt wird.
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Die Dichtung 3 ist auf einem freien Rand eines Stutzenabschnitts 13 des Grundkörpers 1 gehalten, der die Gasdurchtrittsöffnung 111 umläuft. Der Stutzenabschnitt 13 ist einstückig mit dem Grundkörper 1 ausgebildet und wird von dem topfförmigen Abdeckelement 2 außenseitig übergriffen. Dies hat den Vorteil, dass der Dichtkontakt zwischen dem Abdeckelement 2 und dem umlaufenden Rand der Gasdurchtrittsöffnung 111, insbesondere durch die Seitenwand 25 des Abdeckelements 2, vor Umwelteinflüssen geschützt ist, was die Dichtwirkung auch über längere Zeitdauern der Nicht-Auslösung sicherstellt.
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Steigt nun aufgrund einer Fehlfunktion der Druck im Inneren des Gehäuses an, wird dieser steigende Druck zunächst von dem Abdeckelement 2 an der Innenseite des Bodens 24 aufgenommen (axialer Pfeil in 4 stellt die Innendruckeinwirkung dar) und über den Eingriff der Befestigungselemente 26 in den Hinterschnitten 12 des Grundkörpers 1 in den Grundkörper abgeleitet. Bei einem weiter steigenden Gehäuseinnendruck wird bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzdrucks die Vertiefung 21 des Bodens 24 des Abdeckelements 2 elastisch nach außen „umschnappen“ und zu einer Auswölbung 22 (siehe 4). Dieser Vorgang wird als Übergang vom ersten stabilen Zustand S1 des Abdeckelements 2 in seinen zweiten stabilen Zustand S2 bezeichnet. Sobald das Abdeckelement 2 in seinem zweiten stabilen Zustand S2 übergegangen ist, befindet sich die Entgasungseinheit 10 in ihrem Notentgasungszustand E. Dies ist in der Mittellängsschnittansicht der 4 gezeigt. In Ausführungen kann daher davon gesprochen werden, dass das Abdeckelement 2 als so genannte Schnappscheibe ausgebildet ist.
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Bei dem im vorangegangenen Absatz beschriebenen „Umschnappen“ des Abdeckelements von seinem ersten stabilen Zustand S1 in seinen zweiten stabilen Zustand S2 werden die Befestigungselemente 26 nach radial innen verlagert (radiale Pfeile), sodass diese in dem zweiten stabilen Zustand S2 auf einem kleineren Durchmesser vorliegen als in dem ersten stabilen Zustand S1. Dies geschieht, mechanisch gesehen, da durch die Transformation der Vertiefung 21 des Bodens 24 zu der Auswölbung 22 eine Drehung der Seitenwand 25 des Grundkörpers (an deren Federzungen die Befestigungselemente 26 endständig vorliegen) um den ringförmigen Auflagequerschnitt des Abdeckelements 2 im Dichtkontakt zur Dichtung 3 erzeugt wird.
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In diesem radial nach innen verlagerten Zustand greifen die Befestigungselemente 26 nicht mehr formschlüssig in den Hinterschnitt 12 des Grundkörpers 1 ein und ein axial gerichteter Bewegungsfreiheitsgrad des Abdeckelements 2 ist freigegeben, d. h. das Abdeckelement 2 kann von dem Grundkörper abgehoben werden.
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In der Folge wird das Abdeckelement 2 unter Einwirkung des Gehäuseinnendrucks von dem Grundkörper abgeworfen. Da das Abdeckelement 2 in dem Notentgasungszustand E also von dem Grundkörper 1 getrennt vorliegt, steht zur Notentgasung der volle, einengungsfreie Querschnitt der Gasdurchtrittsöffnung 111 zur Verfügung, wodurch ein rascher und druckverlustarmer Notentgasungsvorgang ermöglicht wird.
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In anderen nicht figurativ gezeigten Ausführungen kann der zweite stabile Zustand S2 des Abdeckelements 2 als ein metastabiler Zustand ausgebildet sein, sodass das Abdeckelement 2 nach dem „Abwerfen“ vom Grundkörper 1 wieder in seinen ersten stabilen Zustand S1 „zurückschnappt“ (Prinzip Knackfrosch bzw. Klicker).
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Das Abdeckelement 2 ist bevorzugt aus einem Stahlblech, insbesondere aus Federstahl, gebildet und ist dünnwandig, etwa 0,2 bis 2,5 mm dick. Der Grundkörper 1 ist alternativ oder zusätzlich aus einem hochtemperaturstabilen Material gebildet, insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung, um die im Notentgasungsfall auftretende Temperaturen weitgehend unbeschadet überstehen zu können.
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Gegenüber bekannten Bertschutzlösungen, die auf Berstscheiben basieren bietet die erfindungsgemäße Entgasungseinheit den Vorteil eines deutlich schnelleren Ansprechverhaltens, da die Zustandsänderung des als bi-stabiler Federkörper ausgebildeten Abdeckelements quasi schlagartig geschieht. Ferner steht nach dem Überführen der Entgasungseinheit in den Notentgasungszustand der volle Querschnitt der Gasdurchtrittsöffnung des Grundkörpers zur Entgasung zur Verfügung, da das Abdeckelement vollständig vom Grundkörper getrennt werden kann, während bei klassischen Berstscheiben ggf. Reste der geborstenen Scheibe den Querschnitt versperren und einen erhöhten Druckverlust hervorrufen.
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In den 5 und 6 ist schließlich die erfindungsgemäße Entgasungseinheit 10 in isometrischen Darstellungen in ihrem Notentgasungszustand E gezeigt. In der Explosionsansicht der 6 ist Vorgang des „Abwerfens“ bzw. „Absprengens“ des Abdeckelements 2 genauer gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist in diesem Zustand der volle Querschnitt der Gasdurchtrittsöffnung 11 des Grundkörpers 1 ohne Einschränkungen durch das Abdeckelement durchströmbar. Um zu verhindern, dass das Abdeckelement 2 ausgehend hiervon verloren geht kann das Abdeckelement 2 durch ein längliches Sicherungselement, etwa ein Sicherungsseil, an dem Grundkörper 1 gehalten werden, was figurativ jedoch nicht gezeigt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Entgasungseinheit
- 1
- Grundkörper
- 11
- Gasdurchtrittsöffnung
- 111
- Umlaufender Rand der Gasdurchtrittsöffnung
- 12
- Hinterschnitt des Grundkörpers
- 13
- Stutzenabschnitt des Grundkörpers
- 14
- Anschlussflansch des Grundkörpers
- 141
- Dichtungsnut des Anschlussflanschs
- 15
- Befestigungsbohrungen
- 2
- Abdeckelement
- 21
- Vertiefung des Abdeckelements im ersten stabilen Zustand
- 22
- Auswölbung des Abdeckelements im ersten stabilen Zustand
- 23
- offene Seite des Abdeckelements
- 24
- Boden des Abdeckelements
- 25
- Seitenwand des Abdeckelements
- 26
- Befestigungselement des Abdeckelements
- 27
- Schlitze der Seitenwand
- 28
- Federzungen
- 3
- Dichtung
- 4
- Gehäusedichtung
- N
- Normalbetriebszustand
- E
- Notentgasungszustand
- S1
- Erster stabiler Zustand des Abdeckelements
- S2
- Zweiter stabiler Zustand des Abdeckelements
