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Die
Erfindung betrifft ein Druckausgleichselement zum Einbau in eine
Gehäusewand. Es umfasset ein Grundteil und ein auf dem
Grundteil angeordnetes Deckelteil. In dem Druckausgleichselement
ist mindestens ein Gasaustauschkanal vorgesehen, in dem eine gasdurchlässige
Membran angeordnet ist. Das Grundteil weist auf seiner dem Deckelteil
zugewandten Seite einen Ringsteg auf, welcher den Gasaustauschkanal
umgibt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur
Montage einer gasdurchlässigen Membran in einem Gasaustauschkanal
eines solchen Druckausgleichselements.
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Ein
solches Druckausgleichselement ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise
aus der
DE 20 2004 001 139 bekannt.
Ein anderes Druckausgleichselement ist bspw. aus einem Katalog der
Firma Gore unter der Bezeichnung "POV/M 12 × 1,5" bekannt.
Ein solches Druckausgleichselement kann in die Wand eines Gehäuses,
beispielsweise eines geschlossenen Behälters, eingebaut
werden, um einen Druckaustausch des in dem Gehäuse enthaltenen
gasförmigen Mediums mit dem Medium außerhalb des
Gehäuses zu ermöglichen. Das Filterelement in
dem Gasaustauschkanal ist als eine mikroporöse Membran
ausgebildet, die für Luft und Feuchtigkeitsdampf durchlässig,
aber für Wasser, Staub und Schmutz undurchlässig
ist. Die Membran ist bspw. aus Polytetrafluoräthylen (expanded
polytetraflouroehtylene, ePTFE) gefertigt. Die Membran kann hydrophob
und oleophob ausgebildet sein. Durch die Membran wird verhindert,
dass Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, in das Innere
des Gehäuses eindringen kann, und gleichzeitig aber ein
Gasaustausch aus dem Gehäuseinneren mit der Umgebung ermöglicht.
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Die
Druckausgleichselemente können verschiedenen Schutzklassen
zugeordnet werden. So kann einem Druckausgleichselement beispielsweise eine
der Klassen IP67 bzw. IP68 zugeordnet werden, wodurch die Druckwasserdichtigkeit
eines Druckausgleichselements angegeben werden kann. Die Druckwasserfestigkeit
kann beispielsweise 0,1 bar für eine Belastungsdauer von
30 Minuten betragen. Eine weitere Schutzklasse ist die Klasse IP69K,
der ein Druckausgleichselement zugeordnet wird, wenn es einem Hochdruckreinigungsvorgang
standhält, der wie folgt definiert ist: Wasser wird mit
einem Druck von 100 bar aus drei verschiedenen Richtungen mit einem
Abstand von 10 cm auf das Druckausgleichselement gesprüht.
Hält das Druckausgleichselement dieser Belastung stand,
wird es der Klasse IP69K zugeordnet. Diese Schutzklasse ist insbesondere
in der Lebensmitteltechnik und der Pharmazie von Bedeutung, da dort
Produktions- und Abfüllanlagen oft einer besonders gründlichen
Reinigung unterzogen werden müssen. Dabei ist es wichtig,
dass ein Eindringen von Wasser in Gehäuse von elektrischen Anlagen
wirksam verhindert wird.
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Bei
dem aus der
DE 20 2004 001
139 bekannten Druckausgleichselement ist die Membran auf
eine Auflagefläche am Ringsteg aufgelegt, wobei sich ein äußerer
Rand der Membran an einer Innenseite des Ringstegs in eine zum Deckelteil
hin gerichteten Richtung erstreckt. In entgegengesetzter Richtung,
das heißt aus Richtung des Deckelelements, wird dann das
Sicherungselement in das Grundteil eingesetzt, so dass die montierte
Membran theoretisch zwischen der Innenseite des Ringstegs und dem
Sicherungselement befestigt ist. In der Praxis werden die äußeren
Ränder der Membran jedoch durch das eingesetzte Sicherungselement
nach unten gedrückt, so dass die Membran letztlich nur
zwischen der Auflagefläche am Ringsteg und der Unterseite
des Sicherungselements eingeklemmt ist. Das hat einerseits den Nachteil,
dass die Membran durch Einsetzen des Sicherungselements in den Ringsteg zwar
befestigt nicht jedoch gespannt ist. In den tieferliegenden Abschnitten
der montierten Membran kann sich Kondenswasser und Schmutz sammeln,
so dass nicht mehr die gesamte Membranfläche zum Gausaustausch
genutzt werden kann. Zudem besteht aufgrund der flachen Verpressung
der Membran die Gefahr, dass durch den Spalt zwischen Innenseite
des Ringstegs und Sicherungselement Kondenswasser in das Gehäuse
eindringt.
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Um
das Problem eindringenden Kondenswassers zu verhindern, wird bei
dem bekannten Druckausgleichselement der Firma Gore der äußere Rand
der Membran im Rahmen des Spritzgießens des Grundteils
direkt mit umspritzt. Das hat jedoch den Nachteil, dass die Herstellung
des Druckausgleichselements, insbesondere das Spannen und Befestigen
der Membran an dem Grundteil, sehr aufwendig ist.
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Ausgehend
von den bekannten Druckausgleichselementen liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Element dahingehend auszugestalten
und weiterzubilden, dass die Membran auf möglichst einfache
Weise sicher und zuverlässig an dem Grundteil befestigt
werden kann, wobei gleichzeitig ein Hindurchtreten von Kondenswasser durch
das Element verhindert werden soll.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Druckausgleichselement
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Membran auf eine
Stirnseite des Ringstegs aufgelegt, ein äußerer Rand
der Membran durch ein auf den Ringsteg aufgesetztes Sicherungselement
an einer Außenseite des Ringstegs in eine vom Deckelteil
abgewandte Richtung gezogen und zwischen dem Ringsteg und dem Sicherungselement
eingespannt ist.
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Es
wird also vorgeschlagen, die Membran auf die Stirnseite des Ringstegs
zu legen und mit Hilfe eines Sicherungselements, das außen über
die Außenumfangsfläche des Ringstegs geführt
wird, zu spannen und gleichzeitig zu befestigen. Die Membran wird
dabei zwischen der Außenumfangsfläche des Ringstegs
und der Innenumfangsfläche des Sicherungselements eingespannt.
Durch das Aufsetzen des Sicherungselements wird der Rand der Membran
außen um den Ringsteg umbördelt. Durch die Umbördelung
wird eine Dreidimensionalität der Membran erreicht, die
eine besonders hohe Dichtheit gewährleistet. Im Bereich
der Kante zwischen Stirnseite und Außenumfangsfläche
des Ringstegs liegt die darüber gespannte Membran wesentlich
sicherer und fester an als die Membran auf einer ebenen Auflagefläche
anliegen könnte. Die Membran wird gewissermaßen
wie eine Trommelmembran gespannt. Durch diese Dreidimensionalität
der Membran wird eine besonders dichte Montage der Membran ermöglicht
und verhindert, dass Kondenswasser durch das Druckausgleichselement
durchtreten kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
das Sicherungselement integraler Bestandteil des Deckelteils ist. Das
hat den Vorteil, dass die Membran durch einfaches Aufsetzen und
Befestigen des Deckelteils auf dem Grundteil in dem Element befestigt
und gespannt wird.
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Alternativ
wird vorgeschlagen, dass das Sicherungselement als ein von dem Deckelteil
getrenntes separates Bauteil ausgebildet ist. Vorteilhafterweise
ist das Deckelteil auf dem Grundteil befestigt und das auf die Außenseite
des Ringstegs aufgesetzte Sicherungselement durch das auf dem Grundteil befestigte
Deckelteil in seiner aufgesetzten Position gehalten. Das hat den
Vorteil, dass die Membran bei geöffnetem Druckausgleichselement,
das heißt bei noch nicht montiertem Deckelteil, auf die
Stirnseite des Ringspalts aufgelegt und durch Aufsetzen des Sicherungselements
auf den Ringspalt befestigt und gleichzeitig gespannt werden kann.
Ein ordnungsgemäßer Einbau der Membran kann durch
Inaugenscheinnahme kontrolliert werden. Erst danach wird das Deckelteil
auf das Grundteil montiert und befestigt.
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Die
Befestigung des Deckelteils auf dem Grundteil kann auf beliebig
Weise erfolgen, bspw. durch Verschweißen, insbesondere
Ultraschallschweißen oder Laserschweißen, durch
Verkleben oder mittels Reibschluss. Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
das Deckelteil mittels einer Rast- oder Clipsverbindung auf dem
Grundteil befestigt ist. Dazu wird das Deckelteil vorzugsweise außen über
das Grundteil gestülpt, so dass Rasthaken des Deckelteil
mit radial nach innen gerichteten Rastnasen in entsprechende Aussparungen
bzw. eine umlaufende Ringnut des Grundteils einrasten können.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass das Deckelteil mittels einer Presspassung
auf dem Grundteil befestigt ist. Die Presspassung ermöglicht
es, eine lösbare Verbindung zwischen Deckelteil und Grundteil
herzustellen, wobei gleichzeitig gewährleistet ist, dass
das Deckelteil und das Grundteil im Bereich der Presspassung dichtend
miteinander verbunden sind. Die vorgeschlagenen Befestigungen des
Deckelteils auf dem Grundteil ermöglichen relativ kurze
Prozesszeiten bei der Herstellung des Druckausgleichselements.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
wird vorgeschlagen, dass zwischen der Membran und dem Ringsteg ein
elastisches Dichtungselement angeordnet ist. Dieses ist vorzugsweise
als ein elastischer O-Ring aus einem Gummi- oder Kunststoffmaterial ausgebildet.
Das Dichtungselement kann in eine an der Außenumfangsfläche
des Ringstegs ausgebildete Ringnut eingesetzt sein, wobei es im
Ausgangszustand, das heißt vor dem Aufsetzen des Sicherungselements
auf den Ringsteg, ein wenig über die Außenumfangfläche
des Ringstegs hervorragt. Beim Aufsetzen des Sicherungselements
auf den Ringsteg wird das Dichtungselement radial nach innen gedrückt.
Die Membran wird dann zwischen der radial nach außen gerichteten
Außenfläche des Dichtungselements und einer radial
nach innen gerichteten Fläche des Sicherungselements eingespannt.
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Das
Grundteil und das Deckelteil können im wesentlichen rotationssymmetrisch
ausgebildet sein. Dies erleichtert das Einsetzen des Druckausgleichselementes
in die Bohrung eines Gehäuses. Das Grundteil kann beispielsweise über
eine Verschraubung an einer Gehäusewand befestigt sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
vorgeschlagen, dass der Gasaustauschkanal, der Ringsteg, das Sicherungselement
und/oder das Dichtungselement einen kreisförmigen Querschnitt
aufweisen.
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Das
Grundteil und das Deckelteil können aus Kunststoff gebildet
sein, wodurch das Druckausgleichselement in großen Stückzahlen
besonders preiswert herstellbar ist. Das Grundteil und das Deckelteil
können aber auch aus Metall, insbesondere aus Edelstahl,
gebildet sein, um eine besonders hohe Medien- und Temperaturresistenz
aufzuweisen.
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Eine
Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Gasaustauschkanal
Kanalabschnitte aufweist, wobei sich ein erster Kanalabschnitt von
einem freien Ende des Grundteils bis zu dem Filterelement und ein
zweiter Kanalabschnitt von dem Filterelement bis zu im Deckel vorgesehenen
Gasaustauschöffnungen erstreckt. Dabei ist es besonders vorteilhaft,
wenn der zweite Kanalabschnitt labyrinthartig ausgebildet ist. Somit
kann ein unter Druck stehendes Medium in der Umgebung des Druckausgleichselements
nicht direkt auf die Membran wirken, die nur bis zu einem Maximaldruck wasserundurchlässig
ist. Durch den labyrinthartigen Kanalabschnitt kann der Druck des
auf das Druckausgleichselement wirkenden Mediums abgeschwächt
werden, so dass letztlich eine höhere Druckwasserdichtigkeit
des Druckausgleichselements gewährleistet werden kann.
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Das
Grundteil oder ein am Grundteil festgelegtes Sicherungselement kann
dem Deckelteil zugewandte Stege aufweisen, die durch Gasaustauschdurchbrüche
unterbrochen sind. Durch die Stege kann der zweite Kanalabschnitt
räumlich begrenzt werden. Die Stege können auch
dazu dienen, dass sich das Deckelteil auf diesen abstützen
kann.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht
vor, dass die Gasaustauschöffnungen des Deckelteils und
die Gasaustauschdurchbrüche des Grundteils versetzt zueinander
angeordnet sind. Hierdurch kann ein labyrinthartiger Gasaustauschkanal
gebildet werden, wodurch, wie oben beschrieben, das Druckausgleichselement
besonders druckwasserdicht ausgeführt ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung sind
der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Druckausgleichselements
in einer Explosionsdarstellung;
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2 eine
Schnittansicht des Druckausgleichselements gemäß 1 vor
der Montage;
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3 eine
vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts III aus 2;
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4 eine
Schnittansicht des Druckausgleichselements gemäß 1 nach
der Montage; und
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5 eine
vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts V aus 4.
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In 1 sind
die Einzelteile eines erfindungsgemäßen Druckausgleichselement,
das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet
ist, dargestellt. Das Ausgleichselement 2 weist im Wesentlichen
ein Grundteil 4 auf, auf dem ein Deckelteil 6 angeordnet
ist. Im Druckausgleichselement 2 ist ein Gasaustauschkanal 8 vorgesehen,
in dem ein Filterelement in Form einer mikroporösen Membran 10 aus
Polytetrafluoräthylen (ePTFE) angeordnet ist. Die Membran 10 ist
luft- und gasdurchlässig, jedoch undurchlässig
für Wasser, Schmutz und Staub. Die Poren in einer ePTFE-Membran
sind etwa 20.000 Mal kleiner als ein Wassertropfen. Deswegen ist
die Membran 10 sehr dicht gegen Wasser und Schmutz. Feuchtigkeit
wird jedoch als Wasserdampf durchgelassen, so dass deshalb von einer
atmungsaktiven Membran 10 gesprochen wird. Zur Befestigung
der Membran 10 auf dem Grundteil 4 ist ein ringförmiges
Sicherungselement 28 vorgesehen.
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Das
Grundteil 4 weist einen im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten
Stutzen 12 auf, der auf seiner Außenseite mit
einem Außengewinde 14 versehen ist. Der Stutzen 12 mündet
an seinem dem Deckelteil 6 zugewandten Ende in einen Bund 16,
dessen Außenseite eine Angriffsfläche 18 für
einen Maulschlüssel aufweist.
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Der
Bund 16 weist ferner auf seiner dem Deckelteil 6 zugewandten
Seite einen Ringsteg 24 auf. Die Stirnfläche des
Ringstegs 24 dient als Auflagefläche für
die Membran 10 (vgl. 2 und 3).
Die zylindrische Außenfläche des Ringstegs 24 dient
als Anlagefläche für den äußeren
Rand der Membran 10 (vgl. 4 und 5).
Genauer gesagt ist in einer in Richtung des Deckelteils 6 offenen
Ringnut in der Außenumfangsfläche des Ringstegs 24 ein
Dichtungselement 26 in Form eines O-Rings aus Gummi oder Kunststoff
angeordnet, das sowohl über die Stirnfläche als
auch über die Außenumfangsfläche des Ringstegs 24 hervorsteht.
Dieser O-Ring 26 bildet streng genommen sowohl die stirnseitige
Auflagefläche für die Membran 10 als
auch die seitliche Anlagefläche für den äußeren
Rand der Membran 10. Die Membran 10 wird durch
den Sicherungsring 28 gehalten, der außen über
den Ringsteg 24 aufgepresst wird, so dass die Membran 10 sicher
und mediendicht am Grundteil 4 befestigt ist (vgl. 4 und 5).
Der Sicherungsring 28 ist mit dünnen, von der
Membran 10 weg weisenden Stegen 30 versehen, zwischen
denen Gasaustauschdurchbrüche 32 gebildet sind.
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Der
Ringsteg 24 weist eine zylindrische Außenfläche 34 auf.
Diese grenzt an eine dem Deckelteil 6 zugewandte Oberfläche
des Bunds 16, die einen Halteabschnitt 36 für
einen Oberflächenabschnitt 38 des Deckelteils 6 bildet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Halteabschnitt 36 durch
mehrere Vertiefungen 20 mit radial nach außen gerichteten
Hinterschneidungen (vgl. 2) gebildet. Die Vertiefungen 20 dienen
zur Aufnahme von Rasthaken 22 des Oberflächenabschnitts 38 des
Deckelteils 6, wobei radial nach außen gerichtete
Rastnasen der Haken 22 bei auf dem Grundteil 4 befestigtem
Deckelteil 6 (vgl. 4) die Hinterschneidungen
der Vertiefungen 20 hintergreifen. Das Deckelteil 6 weist
eine zylindrische Ringwand 40 auf, die mit einer Rändelung 41 versehen
ist. Die Rasthaken 22 erstecken sich ausgehend von der
unteren Stirnseite der Ringwand 40 in Längsrichtung
des Druckausgleichselements 2 in Richtung des Grundteils 4.
An die Ringwand 40 schließt sich eine scheibenförmige Deckelplatte 42 an.
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Das
Deckelteil 6 weist in der Ringwand 40 ausgebildete
Gasaustauschöffnungen 48 auf. Somit kann Gas (z.
B. Luft und Feuchtigkeitsdampf) entlang eines ersten Kanalabschnitts 50,
der innerhalb des Stutzens 12 des Grundteils 4 gebildet
ist und der sich bis hin zur Membran 10 erstreckt und weiter über
den zweiten Kanalabschnitt 52, der sich von der Membran 10 bis
hin zu den Gasaustauschöffnungen 48 erstreckt,
ausgetauscht werden.
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Das
Druckausgleichselement 2 kann in eine Gehäusewand
eingebaut werden. Hierfür weist die Gehäusewand
eine kreisförmige Einbauöffnung auf, in der das
Grundteil 4 des Druckausgleichselements aufgenommen ist.
Das Druckausgleichselement 2 ist mit Hilfe einer Mutter,
die auf das Außengewinde 14 aufgeschraubt ist,
an der Gehäusewand gesichert. Um zu vermeiden, dass Gas
oder Flüssigkeit durch die Einbauöffnung in der
Gehäusewand ausgetauscht werden kann, ist zwischen dem
Bund 16 des Grundteils 4 und der Gehäusewand
ein Dichtungselement in Form eines O-Rings 60 vorgesehen.
Alternativ kann in der Einbauöffnung auch ein Innengewinde
ausgebildet sein, das mit dem Außengewinde 14 des
Grundteils 4 in Eingriff tritt, wodurch das Druckausgleichselement 2 an
der Gehäusewand gehalten ist.
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Anhand
der 2 bis 5 wird die Montage des erfindungsgemäßen
Druckausgleichselements 2, insbesondere die Montage der
Membran 2 in dem Druckausgleichskanal 8, näher
erläutert, wobei das Druckausgleichselement 2 in
den 2 und 3 vor der Montage und in den 4 und 5 nach
der Montage dargestellt ist. Zur Montage wird die Membran 10 auf die
Stirnseite des Ringstegs 24 bzw. auf den O-Ring 26 aufgelegt.
Dann wird der Sicherungsring 28 auf die Membran 10 gelegt.
Die innere untere Kante des Sicherungsrings 28 ist abgerundet.
Der aufgelegte Ring 28 bördelt den äußeren Rand
der Membran 10 nach unten um den O-Ring 26 um.
Durch weiteres Aufsetzen des Sicherungsrings 28 auf den
Ringsteg 24 wird der umgebördelte äußere
Rand der Membran 10 weiter in eine Richtung weg von dem
Deckelteil 6 gezogen (vgl. 4 und 5).
Dabei wird die Membran 10 gespannt und gleichzeitig zwischen
Innenumfangsfläche des Sicherungsrings 28 und
Außenumfangsfläche des Ringstegs 24 bzw.
des O-Rings 26 eingespannt. Der aufgesetzte Sicherungsring 28 kann
mittels einer Presspassung, mittels Reibschluss oder auf andere Weise
auf dem Ringsteg 24 gehalten sein.
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Schließlich
wird das Deckelteil 6 auf das Grundteil 4 gesetzt,
wobei die Rasthaken 22 in die Vertiefungen 20 eingreifen.
Bei vollständig aufgesetztem Deckelteil 6 hintergreifen
die Rastnasen der Rasthaken 22 Hinterschneidungen in den
Vertiefungen 20. Die Stirnseiten der Stege 30 des
Sicherungsrings 28 stützen sich an der Innenseite
der Deckelplatte 42 ab. Dadurch wird der Sicherungsring 28 (und
damit auch die Membran 10 auf dem Grundteil 4)
durch das an dem Grundteil 4 befestigte Deckelteil 6 sicher
und zuverlässig in der Sicherungsposition gehalten. Durch
Lösen der Rastverbindungen zwischen Deckelteil 6 und
Grundteil 4 kann das Druckausgleichselement wieder auseinander
gebaut und in seine Einzelteile zerlegt werden.
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Selbstverständlich
können Teile des Druckausgleichselements 2 statt
aus Kunststoff auch aus einem Metall, insbesondere Edelstahl, gefertigt
werden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, das Grundteil 4,
das Deckelteil 6 und/oder den Sicherungsring 28 aus
Edelstahl zu fertigen. Es ist sogar denkbar, die Membran 10 statt
aus ePTFE ebenfalls aus Edelstahl zu fertigen, vorausgesetzt es
können entsprechende Eigenschaften (Gasdurchlässigkeit und
Undurchlässigkeit für Wasser und Schmutz; Atmungsaktivität)
der Edelstahl-Membran erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202004001139 [0002, 0004]