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Die Erfindung betrifft einen Verformungssensor, umfassend ein mit einem inkompressiblen Indikatorfluid gefülltes verformbares Sensorbehältnis, das in einem Druckerfassungsbereich anordenbar und über eine Sperreinrichtung mit einem zumindest teilweise transparenten Auffangreservoir zur optischen Anzeige von darin enthaltenem Indikatorfluid verbunden ist, wobei die Sperreinrichtung bei Überschreitung eines auf das Sensorbehältnis einwirkenden Grenzdrucks einen Zufluss des Indikatorfluids in das Auffangreservoir ermöglicht, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Gattungsbildende Verformungssensoren sind im Stand der Technik bekannt. Sie werden insbesondere in der Lebensmittelproduktion eingesetzt, da es bei Sterilisierungs- und Pasteurisierungsvorgängen von zentraler Bedeutung ist, die zu sterilisierenden bzw. pasteurisierenden Lebensmittel mit einem bestimmten Mindestdruck zu beaufschlagen, um dadurch sicherzugehen, dass schädliche Bakterien in den Lebensmitteln sicher abgetötet werden. Aus der Druckschrift
WO 2012/158820 A1 geht eine irreversible Druckanzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 hervor, welche eine abgeschlossene Fluidkammer umfasst, die mit mindestens einer Anzeigekammer in Verbindung steht. Weiter weist die Druckanzeigevorrichtung ein in der Fluidkammer befindliches Indikatormaterial auf. Ferner umfasst die Druckanzeigevorrichtung ein in der Anzeigekammer befindliches Gas, welches durch das Indikatormaterial verdräng- oder komprimierbar ist. Eine dem Stand der Technik entsprechende Druckanzeigevorrichtung nutzt die Eigenschaft der Komprimierbarkeit eines Gases bei Druckbeaufschlagung aus. Und so werden dem Stand der Technik entsprechende Druckanzeigevorrichtungen vornehmlich innerhalb von Sterilisierungs- bzw. Pasteurisierungsanlagen eingesetzt, um nach einem Sterilisierungs- bzw. Pasteurisierungsvorgang in unmittelbarer Nachbarschaft der sterilisierten bzw. pasteurisierten Lebensmittel eine sichere Anzeige zu erhalten, ob ein notwendiges Mindestdruckniveau erreicht worden ist. Jedoch nicht immer ist es möglich, eine Druckanzeigevorrichtung direkt in unmittelbarer Nachbarschaft eines Bereichs anzuordnen, der tatsächlich druckbeaufschlagt wird. Dies trifft beispielsweise auf Konstruktionen zu, bei denen angespannte Platzverhältnisse vorliegen, die es erforderlich machen, eine Druckanzeigevorrichtung außerhalb des eigentlichen Druckbeaufschlagungsbereichs anzuordnen. Diese Situation liegt insbesondere auch bei Batteriezellmodulen vor, da in diesen die Notwendigkeit besteht, innerhalb eines möglichst geringen Volumens eine Vielzahl von Batteriezellen platzsparend anzuordnen. Gerade bei einem Batteriezellmodul besteht jedoch trotzdem die Notwendigkeit, einen möglicherweise auftretenden mechanischen Druck zwischen den Batteriezellen zuverlässig zu detektieren und diese Detektion außerhalb des Batteriezellmoduls anzuzeigen, um dadurch nicht zuletzt auch eine Gefährdung in Folge des mechanischen Drucks für Personen, die an entsprechenden Batteriemodulen arbeiten, ausschließen zu können.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Druckanzeigevorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik unter diesen Gesichtspunkten optimiert, und insbesondere eine Möglichkeit bietet, eine sichere und zuverlässige Detektion eines mechanischen Drucks in einem Druckbeaufschlagungsbereich durchzuführen, ohne dass dieser Bereich vollständig für eine entsprechende Druckanzeigevorrichtung zugänglich sein muss.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Aufgabe ist mit einem Verformungssensor, umfassend ein mit einem inkompressiblen Indikatorfluid gefülltes verformbares Sensorbehältnis, das in einem Druckerfassungsbereich anordenbar und über eine Sperreinrichtung mit einem zumindest teilweise transparenten Auffangreservoir zur optischen Anzeige von darin enthaltenem Indikatorfluid verbunden ist, wobei die Sperreinrichtung bei Überschreitung eines auf das Sensorbehältnis einwirkenden Grenzdrucks einen Zufluss des Indikatorfluids in das Auffangreservoir ermöglicht, dadurch gelöst, dass das Auffangreservoir ein vergrößerbares Volumen aufweist und außerhalb eines Druckerfassungsbereichs angeordnet ist.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verformungssensor anzugeben, welcher über ein Sensorbehältnis verfügt, das mit einem inkompressiblen Indikatorfluid gefüllt ist. Das Sensorbehältnis ist so ausgeführt, dass es direkt in einem Bereich, in dem eine Verformung in Folge einer Druckbeaufschlagung nachzuweisen ist, angeordnet werden kann. Der Nachweis der Verformung in diesem Bereich erfolgt zunächst durch Druckbeaufschlagung des Sensorbehältnisses, das die Druckbeaufschlagung auf die Indikatorflüssigkeit überträgt, wobei auf Grund der Inkompressibilität der Indikatorflüssigkeit eine Verdrängung der Indikatorflüssigkeit aus dem Sensorbehältnis stattfindet. Über eine Sperreinrichtung ist das Sensorbehältnis mit einem Auffangreservoir verbunden, welches beim Überschreiten eines Grenzdrucks einen Zufluss des Indikatorfluids in das Auffangreservoir gestattet. Zur besseren Erkennbarkeit eines Zuflusses von Indikatorfluid in das Auffangreservoir ist das Auffangreservoir zumindest teilweise transparent ausgebildet und weist erfindungsgemäß ein vergrößerbares Volumen auf, um den Zufluss von Indikatorflüssigkeit in das Auffangreservoir optisch anzuzeigen. Weiter erfindungsgemäß ist das Auffangreservoir außerhalb eines Druckerfassungsbereichs im Bereich eines Umgebungsdrucks angeordnet und ermöglicht dadurch eine Verformungsdetektion in Folge einer Druckbeaufschlagung außerhalb des eigentlichen Druckbeaufschlagungsbereichs, so dass ein erfindungsgemäßer Verformungssensor überall dort eingesetzt werden kann, wo eine direkte Druckmessung, beispielsweise mit einer Kraftmessdose, aus Platzgründen nicht möglich ist oder technische Sicherheitsaspekte einer direkten Verformungsmessung im Bereich der Druckbeaufschlagung entgegenstehen.
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In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist die Sperreinrichtung als zerstörbare Membran ausgebildet. Dadurch ist sichergestellt, dass im Falle einer Überschreitung des Grenzdrucks auf die Sperreinrichtung ein irreversibles Anzeigemerkmal für eine mechanische Druckbeaufschlagung in dem Bereich, in dem das Sensorbehältnis angeordnet ist, gegeben ist, welches im Zufluss von Indikatorfluid in das Auffangreservoir und gegebenenfalls in einer Volumenvergrößerung des Auffangreservoirs als weiteres Merkmal, besteht. Zudem bietet die Verwendung einer Membran als Sperreinrichtung eine einfache Möglichkeit, durch Variation von Materialart, Materialstärke und Materialfläche den Grenzdruck, bei dem eine Zerstörung der Membran eintritt, präzise einzustellen.
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In einer alternativen Weiterbildung ist die Sperreinrichtung als wiederverschließbares Ventil ausgebildet, das sich bei Unterschreiten des Grenzdruckes schließt. Diese Ausführungsform bringt den Vorteil mit sich, dass bereits eine einmalige Überschreitung des Grenzdrucks in dem Bereich der Druckbeaufschlagung dauerhaft angezeigt wird. Dies ist insbesondere geboten, wenn schon eine einmalige Überschreitung des Grenzdrucks mit Gefahren verbunden ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Risiko besteht, dass in Folge der Überschreitung des Grenzdrucks Medien in den Bereich der Druckbeaufschlagung eindringen könnten, oder wenn von einer Druckbeaufschlagung ein erhöhtes Gefährdungspotential beim Zerlegen des Batteriemoduls ausgeht.
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Weiter vorteilhaft ist das Sensorbehältnis flächig, vorzugweise rechteckig, ausgebildet und ermöglicht durch diese Formgebung einen Einsatz in solchen Bereichen, in denen wenig Platz für eine Verformungsmessung zur Verfügung steht. Eine flächige und vorzugsweise rechteckige Ausbildung des Sensorbehältnisses ermöglicht es zudem, mehrere Verformungssensoren in Strukturen, in denen mehrere ähnliche und/oder funktionsgleiche Komponenten verbaut sind, für eine Überdruckdetektion an diesen ähnlichen und/oder funktionsgleichen Komponenten anzuordnen. Typische Anwendungsfälle hierzu finden sich insbesondere in der Batterie- und Akkumulatortechnik, da dort die Notwendigkeit besteht, eine Vielzahl von Batteriezellen auf einem möglichst kompakten Bauraum anzuordnen und dabei die Gewissheit zu haben, dass keine Batteriezelle eine unzulässige Verformung erfährt, da dies im Extremfall mit einem Austritt gefährlicher Medien, beispielsweise Elektrolyt, einhergehen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Sensorbehältnis eine kommunizierende Sensorleitungsstruktur. Die Sensorleitungsstruktur ist in diesem Aspekt der Erfindung vorteilhaft derart ausgebildet, dass sie das Sensorbehältnis möglichst vollständig abdeckt, um in sämtlichen relevanten Bereichen des Sensorbehältnisses eine sichere Detektion eines mechanischen Drucks durchführen zu können. Darüber hinaus ist durch die kommunizierende Eigenschaft der Sensorleitungsstruktur sichergestellt, dass Druckbeaufschlagungen auf das Sensorbehältnis, über die Sensorleitungsstruktur an die Sperreinrichtung weitergegeben werden.
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Ebenfalls vorteilhaft weist das Sensorbehältnis eine oder mehrere miteinander kommunizierende mäanderförmige Sensorleitungsstrukturen auf und ermöglicht dadurch eine noch sensiblere und räumlich aufgelöste Detektion eines mechanischen Drucks, auch wenn dieser nur lokal auf einen begrenzten Bereich des Sensorbehältnisses einwirken sollte. Durch die mäanderförmige Ausbildung der Sensorleitungsstrukturen ist zudem sichergestellt, dass möglichst jeder Bereich des Sensorbehältnisses von den Sensorleitungsstrukturen erreicht wird, um idealerweise in allen Bereichen, die einer Druckbeaufschlagung ausgesetzt werden können, eine hohe Detektionsgüte zu garantieren.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Sensorbehältnis zumindest teilweise aus einer Folie gebildet. Durch diese Ausgestaltung des Sensorbehältnisses ist eine einfache Übertragung des mechanischen Drucks auf die Indikatorflüssigkeit sichergestellt, wodurch bereits geringe Druckbeaufschlagungen detektierbar sind und sich der Verformungssensor in dieser Weiterbildung für ein noch breiteres Einsatzspektrum eignet.
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In einer ebenfalls bevorzugten Weiterbildung ist das Auffangreservoir aus einer Folie gebildet. Diese Ausbildung des Auffangreservoirs gestattet eine einfache Volumenvergrößerung, wenn in Folge einer Zerstörung der Membran Indikatorflüssigkeit in das Auffangreservoir zufließt. Dadurch ist neben dem Zufluss von Indikatorfluid in das Auffangreservoir ein zusätzlicher Indikator für eine mechanische Druckbeaufschlagung im Bereich des Sensorbehältnisses gegeben. Weiterhin besteht bei einer Ausbildung des Auffangreservoirs aus einer Folie die Möglichkeit, durch Variation von Material, Stärke und Grundform der Folie das Ausdehnungsverhalten des Auffangreservoirs anforderungsgerecht einzustellen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn aus Platzmangel nur ein begrenztes Volumen für das Auffangreservoir in ausgedehntem Zustand zur Verfügung gestellt werden kann.
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Ebenfalls bevorzugt sind das Sensorbehältnis und das Auffangreservoir als miteinander verbindbare Einzelteile ausgebildet. Dies ermöglicht einerseits eine einfachere und damit kostenoptimierte Fertigung dieser beiden Komponenten. Andererseits erlaubt dies aber auch das Auffangreservoir nachträglich auf das Sensorbehältnis aufzusetzen oder nach einer erfolgten einmaligen optischen Anzeige eines mechanischen Drucks, das Auffangreservoir auszutauschen, ohne hierfür das Sensorbehältnis aus dem Bereich, in dem eine mechanische Duckbeaufschlagung detektiert werden soll, entfernen zu müssen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn dieser Bereich schwer zugänglich ist oder ein Austausch des Sensorbehältnisses nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand oder unzulässig hoher Gefährdung für eine Person durchgeführt werden kann.
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Schließlich ist die Aufgabe auch für ein Zellmodul einer wiederaufladbaren Batterie mit mehreren nebeneinander angeordneten Batteriezellen dadurch gelöst, dass zumindest zwischen zwei benachbarten Batteriezellen, oder zwischen einer Batteriezelle und einer Wand des Zellmoduls, ein Verformungssensor nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen angeordnet ist. Dieser alternative Aspekt der Erfindung beschreibt einen konkreten Anwendungsfall, bei dem zumindest zwischen zwei Batteriezellen eines Zellmoduls einer wiederaufladbaren Batterie, oder zwischen einer Batteriezelle und einer Wand des Zellmoduls, ein erfindungsgemäßer Verformungssensor angeordnet ist. Dabei ist es unerheblich, welche geometrische Form die jeweiligen Batteriezellen aufweisen, da in Folge der mäanderförmigen Ausgestaltung der Sensorleitungsstrukturen eine sensible Detektion eines mechanischen Drucks in einem kompletten Druckbeaufschlagungsbereich, in dem das Sensorbehältnis angeordnet ist, durchgeführt werden kann. Alle Vorteile, die in den vorangegangenen Ausführungsformen beschrieben worden sind, behalten offenkundig auch in diesem alternativen Aspekt der Erfindung weiterhin ihre Gültigkeit.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Verformungssensor,
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2 eine Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Zellmodul mit einem zwischen zwei Batteriezellen angeordneten erfindungsgemäßen Verformungssensor, sowie
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3a–3d Schnittansichten von erfindungsgemäßen Auffangreservoiren und Sperreinrichtungen mit jeweils unterschiedlichem Füllstand des Indikatorfluids.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verformungssensors 10 in einer Schnittansicht. In einem rechteckig ausgebildeten Sensorbehältnis 12 ist eine mäanderförmig verlaufende Sensorleitungsstruktur 20 angeordnet, die mit einem Indikatorfluid gefüllt ist, das zur besseren Sichtbarkeit ein Färbemittel aufweist. Über eine Sperreinrichtung 14 ist die Sensorleitungsstruktur 20 des Sensorbehältnisses 12 mit einem Auffangreservoir 16 verbunden, welches zumindest teilweise optisch transparent ausgeführt ist, um darin enthaltenes Indikatorfluid erkennen zu können. Das Sensorbehältnis 12 ist zumindest teilweise aus einem folienartigen Werkstoff hergestellt und ermöglicht auf diese Weise bei Anordnung in einem Druckbeaufschlagungsbereich eine einfache und sensible Druckweitergabe an die Sensorleitungsstruktur 20, wodurch das in der Sensorleitungsstruktur 20 enthaltene inkompressible Indikatorfluid in Richtung der Sperreinrichtung 14 gedrückt wird. Die Sperreinrichtung 14 wiederum weist eine Membran auf, welche bei Überschreitung eines Grenzdrucks unter Druckbeaufschlagung durch das Indikatorfluid zerstört wird und es dem Indikatorfluid gestattet, in das Auffangreservoir 16 zu fließen. Zur besseren Sichtbarkeit eines Zuflusses von Indikatorfluid in das Auffangreservoir 16 ist das Auffangreservoir 16 ebenfalls aus einem folienartigen Werkstoff hergestellt und dehnt sich bei Zerstörung der Membran in der Sperreinrichtung 14 aufgrund eines Zuflusses von Indikatorfluid aus, was zusätzlich durch eine Volumenvergrößerung des Auffangreservoirs 16 angezeigt wird.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zellmoduls 22 in einer Schnittansicht dargestellt. Zwischen zwei Batteriezellen 24 ist ein erfindungsgemäßer Verformungssensor 10 angeordnet, wobei sich nur das Sensorbehältnis 12 mit der mäanderförmigen Sensorleitungsstruktur 20 in einem direkten Druckbeaufschlagungsbereich zwischen den beiden Batteriezellen 24 befindet, während das Auffangreservoir 16 und die Sperreinrichtung 14 außerhalb des Zellmoduls 20 angeordnet sind. Die Befestigung des Auffangreservoirs 16 und der Sperreinrichtung 14 an dem Sensorbehältnis 12 erfolgt über eine Verschraubung, so dass im Falle einer Zerstörung der Membran in der Sperreinrichtung 14 und erfolgtem Zufluss von Indikatorfluid in das Auffangreservoir 16 diese Komponenten einfach getauscht und nachgefüllt werden können, ohne das Sensorbehältnis 12 aus dem Druckbeaufschlagungsbereich zwischen den beiden Batteriezellen 24 entfernen zu müssen. Neben einer deutlichen Verkürzung einer Umrüstzeit bedingt dieses Prinzip zudem eine deutliche Erhöhung der Sicherheit, da nicht unmittelbar in dem Druckbeaufschlagungsbereich der Batteriezellen 24 gearbeitet werden muss, da dies insbesondere bei Detektion von Verformungen in diesem Bereich mit hohen sicherheitstechnischen Risiken verbunden sein kann.
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3a–3d zeigen erfindungsgemäße Auffangreservoire 16 sowie erfindungsgemäße Sperreinrichtungen 14 in verschiedenen Füllständen mit Indikatorfluid. In 3a befindet sich die Indikatorflüssigkeit unterhalb der Sperreinrichtung 14 und beaufschlagt die darin enthaltene Membran nicht. In 3b hingegen drückt die Indikatorflüssigkeit bereits gegen die Membran, erreicht jedoch nicht den notwendigen Grenzdruck, um diese zu zerstören. In 3c ist dieser Grenzdruck erreicht, so dass die Membran zerstört wird und die Indikatorflüssigkeit beginnt, in das Auffangreservoir 16 zu fließen. In 3d ist das Auffangreservoir 16 beinahe vollständig mit Indikatorflüssigkeit gefüllt, wodurch sich das Auffangreservoir 16 in seinem Volumen vergrößert, so dass neben dem Zufluss von Indikatorflüssigkeit in das Auffangreservoir 16 ein zusätzlicher Indikator für eine Überdruckbeaufschlagung im Bereich des Sensorbehältnisses 12 vorliegt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert worden ist, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass die beispielhaft genannte Ausführungsformen nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehenden Ausführungen und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verformungssensor
- 12
- Sensorbehältnis
- 14
- Sperreinrichtung
- 16
- Auffangreservoir
- 20
- Sensorleitungsstruktur
- 22
- Zellmodul
- 24
- Batteriezelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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