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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich eines Innendrucks eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses eines Kraftfahrzeuges, mit einem Umgebungsdruck des Gehäuses. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug, aufweisend die Vorrichtung zum Ausgleich eines Innendrucks eines Gehäuses mit einem Umgebungsdruck des Gehäuses.
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Stand der Technik
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In Gehäusen von Hochvolt-Batteriesystemen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, kommt es durch Temperatur- und Druckänderungen zu Druckunterschieden zwischen dem Gehäuse des Batteriesystems und der Umgebung. Diese müssen im Normalbetrieb ausgeglichen werden. Darüber hinaus besteht besonders bei Hochvoltbatteriesystemen mit großer Kapazität die Gefahr, dass eine oder mehrere Zellen der Batterie durch Überlastung oder andere technische Defekte ausfallen. Dabei können große Schadgasmengen entstehen, die kontrolliert abgeführt werden müssen. Dies ist besonders dann notwendig, wenn das Batteriesystem in der Nähe von Klimaanlagenansaugungen oder Öffnungen zum Innenraum des Fahrzeuges liegt.
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Bisher sind für die beiden Funktionen, Druckausgleich im Normalbetrieb und Notentgasung, meist zwei separate Einzellösungen vorgesehen. Dabei kommen für den Druckausgleich im Normalbetrieb beispielsweise Mikrofilter zum Einsatz, während für die Notentgasung beispielsweise Berstscheiben vorgesehen sind.
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Diese Art der Einzellösungen umfassen in der Regel mindestens zwei Bauteile. Es entstehen dadurch hohe Kosten durch aufwendige Herstell- oder Montageprozesse. Auch werden durch die Einrichtungen meist große Bauräume in Anspruch genommen.
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Aus der
DE 10 2014 111 041 A1 ist ein Entgasungsventil zur Entgasung eines Gehäuses bekannt, welches insbesondere ein Gehäuse einer Batterie eines Kraftfahrzeuges ist. Das Entgasungsventil umfasst eine Membran, die wasserdicht, aber atmungsaktiv ist. Ein Spannrahmen drückt die Membran gegen ein Auflageelement mit einer vorbestimmten Anpresskraft. Die Anpresskraft ist geringer als eine Auslösekraft, bei der sich die Membran von dem Auflageelement löst und einen Fluidkanal zwischen einem Innenraum des Gehäuses und einer Umgebung des Gehäuses freigibt.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ausgleich eines Innendrucks eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses für ein Kraftfahrzeug, mit einem Umgebungsdruck des Gehäuses bereitzustellen, welche die Funktionen Druckausgleich im Normalbetrieb und Notentgasung in einem Bauteil integriert. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die Vorrichtung zum Ausgleich eines Innendrucks eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses für ein Kraftfahrzeug, mit einem Umgebungsdruck des Gehäuses, weist ein Druckausgleichselement auf, welches wenigstens einen Elementkörper und eine an dem Elementkörper angeordnete Membran umfasst. Mittels eines Verbindungselementes kann das Druckausgleichselement luftdicht mit dem Gehäuse verbunden werden. Der Elementkörper weist eine Elastizität auf, aufgrund derer bei Vorliegen eines Innendrucks, welcher geringer als ein Grenzdruck ist, der Elementkörper luftdicht auf dem Verbindungselement aufliegt. Liegt ein Innendruck vor, welcher größer ist als der Grenzdruck, gibt der Elementkörper zum Austausch von Gas eine Öffnung zwischen dem Elementkörper und dem Verbindungselement frei.
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Die Membran ist dabei vorzugsweise derart an dem Druckausgleichselement angeordnet, dass über die Membran der Druckausgleich im Normalbetrieb erfolgen kann. Dazu ermöglicht die Membran den Austausch kleiner Luftmengen zwischen dem Innenraum des Gehäuses und der Umgebung des Gehäuses. Darüber hinaus ist die Membran leicht dehnbar, um den Druck im Inneren des Gehäuses über dessen eine Volumenvergrößerung verringern zu können. Vorzugsweise ist die Membran flüssigkeitsundurchlässig, um das Eindringen von Wasser oder Feuchtigkeit in das Batteriegehäuse zu verhindern.
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Eine Notentgasung ist bei Überschreiten des Grenzdrucks notwendig. Der Grenzdruck ist daher der Druck, der vorliegt, wenn im Inneren des Batteriegehäuses eine kritische Menge an Schadgas generiert wurde. Damit nach Überschreiten des Grenzdrucks ein Abführen der Schadgasmengen erfolgen kann, weist der Elementkörper eine Elastizität auf, aufgrund derer bei Erreichen des Grenzdrucks eine elastische Verformung des Elementkörpers derart auftritt, dass sich der Elementkörper vorzugsweise in eine Richtung weg vom Batteriegehäuse vom Verbindungselement abhebt, um so eine Öffnung zwischen dem Elementkörper und dem Verbindungselement freizugeben. Durch diese Öffnung können Schadgasmengen an die Umgebung abgeführt werden.
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Beim Druckausgleich im Normalbetrieb über die Membran ist ein Druckausgleich in beide Richtungen, also vom Innenraum des Gehäuses zur Umgebung oder von der Umgebung in den Innenraum des Gehäuses möglich, während die Notentgasung lediglich in eine Richtung, also vom Innenraum des Gehäuses in die Umgebung erfolgen kann. Dazu liegt der Elementkörper derart auf dem Verbindungselement auf, dass er eine Art Ventil bildet.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Es ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass der Elementkörper einen insbesondere kreisförmigen Rand aufweist, welcher in Form wenigstens einer Dichtlippe ausgebildet ist. Liegt ein Innendruck des Gehäuses vor, welcher geringer ist als der Grenzdruck, liegt die Dichtlippe im Randbereich, insbesondere an der Unterseite, auf einer dem Gehäuse abgewandten Fläche des Verbindungselementes auf.
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Bei Überschreitung des Grenzdrucks im Innenraum des Gehäuses wird zum Abführen entstandener Schadgasmengen eine Öffnung zwischen der wenigstens einen Dichtlippe und dem Verbindungselement freigegeben. Dies geschieht, indem sich das Druckausgleichselement elastisch derart verformt, dass sie vom Verbindungselement abhebt. Vorzugsweise ist eine zweite Dichtlippe vorgesehen, welche radial versetzt zur ersten Dichtlippe angeordnet ist.
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Die Dichtlippe verläuft entlang der gesamten Umfangsfläche des kreisförmigen Randes und dichtet den Bereich zwischen dem Druckausgleichselement und dem Verbindungselement bei Unterschreiten des Grenzdrucks luftdicht ab. Erst bei Überschreiten des Grenzdrucks im Innenraum des Gehäuses hebt sich die Dichtlippe entweder teilweise oder vollständig von der dem Gehäuse abgewandten Fläche des Verbindungselementes ab.
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Das Verbindungselement weist darüber hinaus eine ringförmig ausgestaltete, radial hervorstehende Fläche auf, welche vorzugsweise derart ausgestaltet ist, dass eine Anschlusseinrichtung einer Dichtigkeitsprüfvorrichtung an dieser Fläche anbringbar ist. Dazu ist die Fläche insbesondere ausreichend groß in radialer Richtung ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Druckausgleichselement einen Zapfen zur Befestigung des Druckausgleichselementes an dem Verbindungselement aufweist. Der Zapfen ist vorzugsweise an dem Elementkörper angeordnet und ist mit seiner Längsachse senkrecht zur Oberfläche des Gehäuses orientiert.
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Vorteilhafterweise weist der Zapfen wenigstens ein Rastelement auf, welches mit einer an dem Verbindungselement vorhandenen Vertiefung, einem Vorsprung oder einer Kante in Eingriff gebracht werden kann. Besonders bevorzugt ist das Rastelement entlang der Umfangsfläche des Zapfens vollständig umlaufend ausgebildet, sodass es mit einer ringförmigen Aufnahme an dem Verbindungselement in Eingriff gebracht werden kann.
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Mittels des Rastelementes ist eine besonders einfache Montage des Druckausgleichselementes an dem Verbindungselement möglich. Neben der Verbindung mittels eines Rastelementes ist jedoch auch jede weitere geeignete Verbindungsart zur Verbindung des Druckausgleichselementes mit dem Verbindungselement möglich. Insbesondere ist die Verbindung zwischen dem Druckausgleichselement und dem Verbindungselement lösbar, um einen einfachen Austausch des Druckausgleichselementes zu ermöglichen.
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Ein Austausch des Druckausgleichselementes ist jedoch vorteilhaft nur dann notwendig, wenn das Druckausgleichselement beschädigt ist. Dies ist jedoch nur beispielsweise nach starker äußerer Krafteinwirkung nötig, da sowohl während des Normalbetriebs als auch nach einer Notentgasung keine irreparablen Schäden an der Vorrichtung entstehen, sodass auch insbesondere nach einer Notausgasung kein Austausch der Vorrichtung notwendig ist.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Membran in den Elementkörper integriert ist und von dem Elementkörper bereichsweise umschlossen wird. Die Membran ist bevorzugt ringförmig ausgestaltet. Alternativ ist es auch möglich, dass sich die Membran aus mehreren Teilmembranen zusammensetzt. Vorzugsweise besteht die Membran aus Polytetrafluorethylen (PTFE).
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Elementkörper mindestens eine Aussparung aufweist, welche von der wenigstens einen Membran überdeckt wird. Über diese Aussparung erfolgt dann vorzugsweise der Druckausgleich im Normalbetrieb, also wenn der Druckunterschied zwischen dem Innenraum des Gehäuses und der Umgebung gering ist, indem über die über die Aussparung gespannte Membran der Austausch kleiner Luftmengen erfolgen kann.
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Vorteilhaft weist der Elementkörper mehrere Aussparungen auf, welche mittels Stegen aneinander grenzen. Diese Vielzahl an Aussparungen sind vorteilhaft ringförmig angeordnet, sodass sie von der ebenfalls ringförmig ausgestalteten, in den Elementkörper integrierten Membran überdeckt werden. Die Aussparungen können eine identische Größe aufweisen oder alternativ unterschiedlich groß ausgestaltet sein.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Membran mittels eines Spritz- oder Gussverfahrens mit dem Elementkörper verbunden ist und somit in diesen integriert ist. Jedoch sind auch andere Verbindungstechniken denkbar, welche eine feste und luftdichte Verbindung zwischen der Membran und dem Elementkörper ermöglichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Elementkörper ein Elastomer, vorzugsweise EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), umfasst. Dadurch erhält der Elementkörper die Eigenschaft, sich bei Überschreiten eines Grenzdrucks derart zu verformen, dass eine Öffnung zum Abführen von Schadgas oder anderen Gasen zwischen dem Verbindungselement und dem Druckausgleichselement freigegeben wird. Die Elastizität wird dazu entsprechend dem gewünschten Grenzdruck gewählt.
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Während der Notentgasung, wenn der Druck im Inneren des Gehäuses also den Grenzdruck überschreitet, bleibt der Zapfen vorzugsweise positionsfest aufgrund der Rastverbindung mit dem Verbindungselement. Es findet also keine translatorische Bewegung des Druckausgleichselements weg vom Gehäuse statt. Der Elementkörper verformt sich insbesondere im Randbereich derart, dass Gas zwischen dem Druckausgleichselement bzw. dem Elementkörper und dem Verbindungselement entweichen kann.
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Während des Herstellungsprozesses des Druckausgleichselements wird die Membran in ein entsprechendes Werkzeug, beispielsweise in die Form eines Spritz- oder Gusswerkzeugs oder ein Vulkanisierwerkzeug, eingelegt und von Stempeln gespannt. Die Kontaktfläche zwischen den Stempeln und der Membran wird dadurch gleichzeitig maskiert, wobei die Kontaktflächen die Aussparungen bilden bzw. diesen entsprechen. Die Form, in welche die Membran eingelegt wird, entspricht dabei der Form des Elementkörpers.
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Anschließend wird das EPDM in die Form gefüllt. Das Befüllen der Form erfolgt vorzugsweise unter hohem Druck, sodass das Elastomer in die überstehenden Membranteilflächen, welche nicht von den Stempeln abgedeckt werden, gedrückt wird. Dabei wird das Elastomer in die poröse Oberfläche der Membran gedrückt, wodurch eine mechanisch belastbare und luftdichte Verkrallung zwischen dem Elastomer beziehungsweise dem Elementkörper und der Membran entsteht. Die Verbindung zwischen der Membran und dem Elementkörper entsteht also im Wesentlichen durch Formschluss.
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Um den Formschluss und damit die mechanische Belastbarkeit zwischen der Membran und dem Elementkörper weiter zu erhöhen, kann der Rand vorzugsweise mit Löchern versehen werden, welche zusätzlich während des Spritz- beziehungsweise Gussvorgangs mit dem Elastomer gefüllt werden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft denkbar, dass der Elementkörper mittels Kunststoff- oder Metalleinlagen verstärkt wird. Diese Einlagen werden vorzugsweise ebenfalls in die Form des Spritz- oder Gusswerkzeugs eingelegt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Vorrichtung mit den zuvor beschriebenen Merkmalen.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung
- 1 eine Explosionsansicht der Vorrichtung zum Druckausgleich,
- 2 eine Querschnittsdarstellung des Druckausgleichselements,
- 3 eine Ansicht der Vorrichtung von einer dem Gehäuseinnenraum zugewandten Seite, und
- 4 eine Querschnittsansicht der Vorrichtung.
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In 1 ist die Vorrichtung 100 zum Ausgleich eines Innendrucks eines Gehäuses mit dem Umgebungsdruck des Gehäuses in einer Explosionsansicht gezeigt. Das Gehäuse kann beispielsweise das Gehäuse einer Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs sein. Die Vorrichtung 100 weist auf der dem Gehäuse (in den Figuren nicht dargestellt) abgewandten Seite einen Deckel 200 auf, welcher die Vorrichtung und vor dem Eindringen von Nässe und Schmutz schützt. Gleichzeitig weist der Deckel jedoch Öffnungen auf, um einen Gasaustausch zum Druckausgleich im Normalbetrieb und während einer Notentgasung ermöglicht.
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Unterhalb des Deckels 200 ist das Druckausgleichelement 10 angeordnet. Das Druckausgleichselement 10 weist einen Elementkörper 11 mit einer scheibenartigen Grundform auf. Innerhalb der scheibenartigen Grundform des Elementkörpers 11 sind mehrere Aussparungen 11a angeordnet. Die Aussparungen 11a sind derart im Elementkörper 11 angeordnet, dass sie durch schmale Stege voneinander getrennt sind und eine ringartige Struktur bilden.
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In den ringartig angeordneten Aussparungen 11a erstreckt sich die Membran 12. Das Druckausgleichselement 10 wird vorzugsweise in einem Spritz- oder Gussverfahren hergestellt. Dabei wird die Membran 12 mit dem Elastomer, welches den Elementkörper 11 bildet, derart umspritzt, dass die ringförmige Membran 12 an den Aussparungen 11a freiliegt und ansonsten von dem Elementkörper 11 umschlossen wird.
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Das Druckausgleichselement 10 kann mittels eines Zapfens 16 mit dem zwischen dem Gehäuse und dem Druckausgleichelement 10 angeordneten Verbindungselement 13 mit dem Gehäuse verbunden werden. Dazu weist der Zapfen 16 an der Umfangsfläche des Zapfens 16 ein umlaufendes Rastelement 16a auf, welches mit einem ringförmig ausgebildeten Gegenstück 16b in Eingriff gebracht werden kann.
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Das Verbindungselement 13 weist einen kreisförmigen Rand auf, welcher von einer ringförmigen Fläche 15 gebildet wird. Die ringförmige Fläche 15 ist in radialer Richtung ausreichend groß ausgebildet, damit ein Adapter einer Dichtigkeitsprüfvorrichtung an der ringförmigen Fläche anbringbar ist. Ferner weist das Verbindungselement eine Hülse umfassend eine Einrichtung zum Befestigen des Deckels 200 auf. Dies kann beispielweise ein Gewinde und eine Rasteinrichtung in Form einer Nut sein, in welche der Deckel 200 verschraubt oder eingerastet werden kann.
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Damit des Verbindungselement 13 luftdicht mit dem Gehäuse verbunden werden kann, ist zwischen dem Verbindungselement 13 und dem Gehäuse eine Dichtung 300, vorzugsweise ein O-Ring , in einer ringförmigen Nut an der Unterseite des Verbindungselements 13 angeordnet. Das Verbindungselement 13 kann beispielsweise mittels Kleben oder Schweißen luft- und wasserdicht mit dem Gehäuse verbunden werden. Als Kleb- oder Schweißfläche dient auf der Seite des Verbindungselements 13 vorzugsweise die dem Gehäuse zugewandte Seite der ringförmigen Fläche 15.
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In 2 ist das Druckausgleichselement 10 in einer Querschnittsdarstellung gezeigt. In der Querschnittsbetrachtung weist der Elementkörper 11 im Wesentlichen eine T-Form auf. Der Elementkörper 11 umfasst zwei Dichtlippen 14a, 14b, welche am einem Randbereich 14 des Elementkörpers 11 angeordnet sind, sowie den Zapfen 16 und das an dem Zapfen angeordnete Rastelelement 16a. Der Elementkörper 11, die Dichtlippen 14a, der Zapfen 16 und das Rastelement 16a sind vorzugsweise einstückig ausgebildet.
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Die zwei Dichtlippen 14a, 14b sind in radialer Richtung betrachtet hintereinander angeordnet und erhöhen die Dichtigkeit der Vorrichtung für die Fälle, in denen der Grenzdruck im Gehäuse nicht überschritten wird und keine Notentgasung erfolgt. Es können alternativ nur eine Dichtlippe 14a, 14b oder mehr als zwei Dichtlippen 14a, 14b vorgesehen sind.
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Der Zapfen 16 ist mit seiner Längsachse senkrecht zur Membran 12 angeordnet und weist etwa mittig das Rastelement 16a auf, welches entlang der Umfangsfläche des Zapfens 16 verläuft und sich in axialer Richtung zum Zapfenende hin verjüngt. Dadurch bildet der Zapfen eine Art Widerhaken, welcher fest in ein entsprechend ringförmiges Gegenstück am Verbindungselement 13 einbringbar ist.
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3 zeigt die Vorrichtung 100 von einer dem Gehäuseinnenraum zugewandten Seite. Zu erkennen ist die Unterseite des Verbindungselements 13 mit der ringförmigen Nut, in welcher die Dichtung 300 in Form eines O-Rings angeordnet ist. Ferner ist das Druckausgleichselement 10 mit dem Zapfen 16 zu sehen, welcher mittels des Rastelements 16a mit dem ringförmigen Gegenstück, welches eine Kante 16b bildet, verbunden ist. Durch den Rastmechanismus, welcher durch das Rastelement 16a und die Kante 16b des ringförmigen Gegenstücks gebildet wird, kann die Druckausgleichsvorrichtung auf einfache Weise insbesondere ohne den Einsatz von Werkzeug an dem Verbindungselement 13 montiert werden.
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Dazu wird der Zapfen 16 mit dem Rastelement 16a durch das ringförmigen Gegenstück an dem Verbindungselement gedrückt bis das Rastelement 16a hinter der Kante 16b einrastet. In diesem Zustand liegen auch die Dichtlippen 14a, 14b auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des Verbindungselements 13 auf, und bilden so einen Gegendruck, wodurch das Druckausgleichselement 10, bis auf den Bereich der Membran 12, luftdicht mit dem Verbindungselement 13 verbunden ist.
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4 zeigt die Vorrichtung 100 umfassend den Deckel 200, das Druckausgleichselement 10, das Verbindungselement 13 sowie die Dichtung 300 in montiertem Zustand in einer Querschnittdarstellung. In diesem Zustand der Vorrichtung 100 liegt der Normalbetrieb vor, die Dichtlippen 14a, 14b liegen also auf dem Verbindungselement 1 auf. Der Deckel 200 ist mittels einer Rastvorrichtung mit dem hülsenartigen Abschnitt des Verbindungselements 13 an dieser verbunden. Sowohl der hülsenartige Abschnitt als auch der Deckel 200 weisen Öffnungen zum Austausch von Gas bzw. Luft auf.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 10
- Druckausgleichselement
- 11
- Elementkörper
- 11a
- Aussparung
- 12
- Membran
- 13
- Verbindungselement
- 14
- Rand
- 14a,b
- Dichtlippe
- 15
- ringförmige Fläche
- 16
- Zapfen
- 16a
- Rastelement
- 16b
- Kante
- 200
- Deckel
- 300
- Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014111041 A1 [0005]
