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Die Erfindung betrifft eine Druckkompensationsvorrichtung für ein Bauteil mit einem abgeschlossenen Innenraum, insbesondere für ein Batteriegehäuse. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Batteriegehäuse mit einer Entlastungsöffnung und einer solchen Druckkompensationsvorrichtung.
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Batteriegehäuse, wie sie insbesondere für batteriebetriebene Kraftfahrzeuge verwendet werden, sollten hermetisch dicht sowie wasserdicht sein, damit im Betrieb keine Substanzen (Gase und Chemikalien) an die Umgebung abgegeben werden oder in die Batterie gelangen. Aus der Dichtigkeit resultiert das Problem, dass es insbesondere bei Temperaturänderungen zu Änderungen des Innendrucks im Batteriegehäuse kommt.
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Steigt der Druck im Inneren des Batteriegehäuses an, führt dies zu mechanischen Belastungen von Strukturbauteilen des Batteriegehäuses. Die mechanischen Belastungen sind über die Lebensdauer der Batterie relevant für die Dauerfestigkeit der Strukturbauteile und können, im Falle von besonders hohen Drücken, zu einem unkontrollierten Versagen der Strukturbauteile führen. In einem solchen Fall besteht das Risiko, dass Substanzen aus dem Innenraum des Batteriegehäuses in unkontrollierte Weise in die Umgebung gelangen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, auf konstruktiv einfache Weise zu verhindern, dass der Druck im Innenraum eines Batteriegehäuses stark ansteigt. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, beim Auftreten von unzulässig hohen Drücken ein unkontrolliertes Versagen des Batteriegehäuses zu verhindern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Druckkompensationsvorrichtung mit einem Gehäuse, einem darin angeordneten bewegbaren Element, das dafür ausgebildet ist, auf einer Seite einem im Innenraum herrschenden Druck und auf der entgegengesetzten Seite einem Außendruck außerhalb des Bauteils ausgesetzt zu sein, wobei das bewegbare Element über einen konstruktiv vorgegebenen Weg verstellbar ist, um zu verhindern, dass sich innerhalb des Innenraums ein Überdruck aufbaut, wobei das bewegbare Element eine Sollbruchstelle aufweist, die bei Überschreiten einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen dem Druck im Innenraum und dem Außendruck eine Abströmöffnung freigibt. Die erfindungsgemäße Druckkompensationsvorrichtung adressiert zwei Probleme auf einmal: Zum einen wird mit dem bewegbaren Element ein Ausgleichsvolumen geschaffen, sodass bei Temperaturänderungen im Inneren des Batteriegehäuses das sich dort eingeschlossene Gas ausdehnen kann, ohne dass der Innendruck stark ansteigt. Das Ausgleichsvolumen und damit der Innenraum des Batteriegehäuses ist dabei durch das bewegbare Element vom Außenraum abgetrennt, sodass der Innenraum weiterhin hermetisch vom Außenraum abgedichtet ist. Zum anderen gewährleistet die Sollbruchstelle, dass bei einem übermäßig hohen Innendruck eine „Druckablassöffnung“ geschaffen wird, und zwar bei einem konstruktiv vorgegebenen Überdruck und an einer konstruktiv vorgegebenen Stelle, nämlich im bewegbaren Element. Die Druckkompensationsvorrichtung ist dabei so angeordnet, dass das durch die Druckablassöffnung ausströmende Gas keine Fahrzeuginsassen gefährden kann und auch keine anderen Personen. Insbesondere ist die Druckablassöffnung zum Boden des Fahrzeugs gerichtet. Indem die Sollbruchstelle auf dem bewegbaren Element angeordnet ist, ergibt sich eine sehr platzsparende Bauweise.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird durch den konstruktiv vorgegebenen Weg und zumindest einen Anteil einer Oberfläche des bewegbaren Elementes ein Ausgleichsvolumen vorgegeben, um welches ein Volumen des Innenraumes veränderbar ist. Dies ermöglicht es, die Druckkompensationsvorrichtung mit geringem Aufwand an vorgegebene anwendungsspezifische Anforderungen anzupassen, beispielsweise eine Batteriegehäusegröße oder erwartbare Temperatur- und/oder Druckschwankungen. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Ausgleichsvolumen von 60 Kubikzentimetern vorgesehen sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das bewegbare Element eine Berstscheibe. Da Berstscheiben typischerweise sehr flach und dünn sind, wird eine kompakte Bauweise erzielt. Weiterhin vorteilhaft sind die geringen Kosten, die Wartungsfreiheit und die Langlebigkeit, die der Einsatz von Berstscheiben mit sich bringt.
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In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung umfasst das bewegbare Element einen federgelagerten Hohlkolben. In einem Ausführungsbeispiel kann der Hohlkolben auf einer Spiralfeder mit vorgegebener Federkonstante gelagert sein und eine geschlossene Stirnseite umfassen. Hierdurch können verschiedene Vorteile erzielt werden. So bietet die geschlossene Stirnseite des Hohlkolbens eine Fläche, welche groß genug ist, um mit einer Sollbruchstelle ausgestattet zu werden. Gleichzeitig ermöglicht die Spiralfeder eine genaue Einstellung eines gewünschten Druckkompensationsbereiches, beispielsweise über die Federkonstante.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das bewegbare Element eine Gummimembran. Ein Vorteil der Gummimembran ist, dass sie die notwendige elastische Verformbarkeit aufweist, um das bewegliche Element verschieben zu können, und gleichzeitig eine Barriere schafft, die einen Stoffaustausch zwischen dem Innen- und Außenraum unterbindet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umschließt die Sollbruchstelle einen Anteil einer Oberfläche des bewegbaren Elementes ringförmig. Dadurch kann im Falle eines übermäßig hohen Innendruckes der von der Sollbruchstelle umschlossenen Anteil vollständig abgelöst werden und eine für einen Druckausgleich hinreichend große Druckablassöffnung freigeben.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass zumindest das Gehäuse und das bewegbare Element der Druckkompensationsvorrichtung kühlflüssigkeitsbeständig sind. Dies ermöglicht eine Verwendung der Druckkompensationsvorrichtung zur Druckkompensation kühlmittelgefüllter Innenräume, wie beispielsweise kühlmitteldurchfluteter Traktionsbatterien.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Batteriegehäuse mit einer Entlastungsöffnung und einer Druckkompensationsvorrichtung, wobei das Gehäuse der Druckkompensationsvorrichtung der Entlastungsöffnung zugeordnet ist, sodass das bewegbare Element die Entlastungsöffnung verschließt. Die Vorteile, die zur Druckkompensationsvorrichtung diskutiert wurden, gelten selbstverständlich auch für das Batteriegehäuse.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine von einer umlaufenden Sollbruchstelle umschlossene Oberfläche des bewegbaren Elementes kleiner als ein Querschnitt der Entlastungsöffnung. Dadurch können in einem Schadensfall durch ein Brechen der Sollbruchstelle abgelöste Teile in den Außenbereich gelangen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die freigegebene Abströmöffnung nicht durch die abgelösten Teile blockiert wird und einen für die Druckkompensation hinreichenden großen Strömungsquerschnitt aufweist.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der konstruktiv vorgegebene Weg des bewegbaren Elementes durch einen Anschlag an einer Seite des Batteriegehäuses begrenzt wird. Dadurch ist das Ausgleichsvolumen konstruktiv begrenzt, wodurch eine präzise Ausgleichscharakteristik gewährleistet ist, die bei einem hohen Druckanstieg dazu führt, dass die Sollbruchstelle anspricht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung eines Batteriegehäuses mit einer Druckkompensationsvorrichtung;
- - 2 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Druckkompensationsvorrichtung in einem ersten Zustand;
- - 3 die Druckkompensationsvorrichtung aus 2 in einem zweiten Zustand;
- - 4 die Druckkompensationsvorrichtung aus 2 in einem dritten Zustand;
- - 5 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Druckkompensationsvorrichtung in einem ersten Zustand;
- - 6 die Druckkompensationsvorrichtung aus 5 in einem zweiten Zustand; und
- - 7 die Druckkompensationsvorrichtung aus 5 in einem dritten Zustand.
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In 1 ist schematisch ein Batteriegehäuse 12 gezeigt, das dazu dient, Batterien oder Akkumulatoren aufzunehmen, die dafür vorgesehen sind, ein Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Das Batteriegehäuse 12 ist im Normalfall hermetisch gegenüber der Außenumgebung abgeschlossen, damit im Betrieb keine Substanzen, wie Gase und/oder Chemikalien, aus der Batterie an die Umgebung abgegeben werden und/oder von der Umgebung in die Batterie gelangen.
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Um mechanische Belastungen der Batteriekomponenten, insbesondere von Strukturbauteilen des Batteriegehäuses, zu reduzieren, ist am Batteriegehäuse 12 eine hier schematisch dargestellte Druckkompensationsvorrichtung 10 angebracht, die dazu dient, Überdrücke im Batteriegehäuse 12 zu verringern und bei einem übermäßig hohen Innendruck eine Abströmöffnung 64 freizugeben.
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In den 2 bis 4 ist eine erste Ausführungsform der Druckkompensationsvorrichtung 10 im Detail gezeigt. Diese ist im Ausführungsbeispiel im Batteriegehäuse 12 angebracht und einer Entlastungsöffnung 14 im Batteriegehäuse 12 zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind die Entlastungsöffnung 14 und die Druckkompensationsvorrichtung 10 zu einem Fahrzeuguntergrund hin ausgerichtet.
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Die Druckkompensationsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 16, eine Spiralfeder 18 und ein mit der Spiralfeder 18 verbundenes, als Hohlkolben 20 ausgebildetes bewegbares Element 22 mit einer Berstscheibe 24.
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Das Gehäuse 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 ist als tiefgezogener zylindrischer Blechnapf 26 ausgebildet. Alternativ kann das Gehäuse 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere in Napfform, gefertigt sein. Auf einer ersten Stirnseite 28 umfasst der Blechnapf 26 eine erste kreisförmige Öffnung 30 und einen um die erste Öffnung 30 verlaufenden Flansch 32. Auf einer zweiten Stirnseite 34 umfasst der zylindrische Blechnapf 26 eine zweite kreisförmige Öffnung 36.
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Im Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 über den Flansch 32 gasdicht an einer Innenseite 38 des Batteriegehäuses 12 befestigt. Die Befestigung ist im Ausführungsbeispiel über eine Schweißverbindung realisiert. In weiteren nicht gezeigten Ausführungsformen kann das Gehäuse 16 der Druckkompressionsvorrichtung 10 auch über Löt-, Klebe-, Niet- und/oder Schraubverbindungen sowie sonstige geeignete Verbindungsarten am Batteriegehäuse 12 befestigt sein.
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Der Flansch 32 umschließt in der gezeigten Ausführungsform die Entlastungsöffnung 14 des Batteriegehäuses 12 konzentrisch, sodass die Mittelpunkte der ersten und zweiten Öffnung 30, 36 des Gehäuses 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 und der Entlastungsöffnung 14 des Batteriegehäuses 12 auf einer Geraden liegen.
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Die erste kreisförmige Öffnung 30 des Gehäuses 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 weist im Ausführungsbeispiel einen größeren Durchmesser auf als die Entlastungsöffnung 14 im Batteriegehäuse 12. Dadurch entsteht zwischen dem Flansch 32 und der Entlastungsöffnung 14 ein Absatz 40.
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In der beschriebenen Ausführungsform ist die Spiralfeder 18, wie in den 2 bis 4 gezeigt, auf dem Absatz 40 gelagert. Der Hohlkolben 20 ist an einer ersten Stirnseite 42 geschlossen und an einer zweiten Stirnseite 44 geöffnet. Die Spiralfeder 18 ragt durch die geöffnete Stirnseite 42 in den Hohlkolben 20 hinein und ist in einem Federlager 46 auf dessen Innenseite gelagert. Der Hohlkolben 20 ist im Gehäuse 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 bewegbar und wird von der Spiralfeder 18 mit einer Kraft so beaufschlagt, dass er eine bestimmte Stellung im Gehäuse 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 einnimmt.
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Bei Bewegungen des Hohlkolbens 20 wird dessen Mantelfläche von einer Innenseite des Gehäuses 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 geführt, sodass ein Verkippen des Hohlkolbens 20 verhindert wird.
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In einer Nut des Hohlkolbens 20 ist ein Dichtring 48 angeordnet. Durch einen direkten Kontakt des Dichtringes 48 mit der Innenseite des Gehäuses 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 wird der Innenraum 50 des Batteriegehäuses 12 gegen einen Außenbereich 52 abgedichtet und so verhindert, dass im Betrieb Substanzen, wie Gase oder Chemikalien, zwischen Innenraum 50 und Außenbereich 52 ausgetauscht werden.
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Durch die Entlastungsöffnung 14 im Batteriegehäuse 12 und die erste Öffnung 30 im Gehäuse 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 ist der Hohlkolben 20 an seiner offenen Stirnseite 44 einem Außendruck ausgesetzt, welcher außerhalb des Batteriegehäuses 12 herrscht.
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Gleichzeitig ist die geschlossene Stirnseite 42 des Hohlkolbens 20 durch die zweite Öffnung 36 im Gehäuse 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 einem im Innenraum 50 des Batteriegehäuses 12 herrschenden Innendruck ausgesetzt.
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Im Falle, dass eine durch den Innendruck auf den Hohlkolben 20 wirkende Kraft kleiner ist als eine Gegenkraft, welche sich im Ausführungsbeispiel aus einer Federkraft sowie einer durch den Außendruck auf den Hohlkolben 20 wirkenden Kraft zusammensetzt, drückt die Spiralfeder 18, wie in 2 gezeigt, den Hohlkolben 20 mit seiner geschlossenen Stirnseite 42 gegen die Innenseite des Gehäuses 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10. Im Ausführungsbeispiel entspricht die durch den Innendruck auf den Hohlkolben 20 wirkende Kraft dem Innendruck multipliziert mit der Stirnseitenfläche 56 des Hohlkolbens 20. Die durch den Außendruck auf den Hohlkolben 20 wirkenden Kraft entspricht dem Außendruck multipliziert mit der Stirnseitenfläche 56.
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Im Falle, dass die durch den Innendruck auf den Hohlkolben 20 wirkende Kraft größer ist als die Gegenkraft, wird, wie in 3 gezeigt, die Spiralfeder 18 gestaucht und der Hohlkolben 20 im Gehäuse 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 verschoben.
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In der beschriebenen Ausführungsform wird ein Verschiebeweg 54 des Hohlkolbens 20 dadurch begrenzt, dass dessen offene Stirnseite 44, wie in 3 gezeigt, an dem Absatz 40 auf der Innenseite des Batteriegehäuses 12 zwischen dem Flansch 32 und der Entlastungsöffnung 14 zum Anliegen kommt.
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Durch ein Verschieben des Hohlkolbens 20 freiwerdender Raum innerhalb des Gehäuses 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 dient als Ausgleichsvolumen 60 für ein im Innenraum 50 des Batteriegehäuse 12 befindliches Gas. So kann sich das Gas beispielsweise aufgrund eines ladebedingten Temperaturanstieges innerhalb der der Batterie kontrolliert ausdehnen, ohne dass es dabei zu einem Überdruck im Batteriegehäuse 12 kommt. Der Innenraum 50 und der Außenbereich 52 bleiben dabei über den Hohlkolben 20 und den Dichtring 48 stofflich voneinander getrennt. Im Ausführungsbeispiel entspricht das Ausgleichsvolumen 60 einer Stirnseitenfläche 56 des Hohlkolbens 20 multipliziert mit dem Verschiebeweg 54 des Hohlkolbens 20. In einem Beispiel beträgt das Ausgleichsvolumen etwa 60 Kubikzentimeter. Über die Begrenzung des Verschiebeweges 54 wird dabei sichergestellt, dass dieser Volumenwert präzise eingehalten wird.
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In der beschriebenen Ausführungsform umfasst der Hohlkolben 20 an seiner geschlossenen Stirnseite 42 eine Sollbruchstelle 62, welche in einem vorgegebenen Abstand zentrisch um den Stirnseitenmittelpunkt verläuft. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird durch die Sollbruchstelle die bereits erwähnte Berstscheibe 24 gebildet.
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Bei einem Überschreiten einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen dem Druck im Innenraum 50 und dem Außendruck, beispielsweise aufgrund eines Batterieschadens, bricht die Sollbruchstelle 62, sodass die Berstscheibe 24, wie in 4 gezeigt, eine Abströmöffnung 64 freigibt. Durch die Abströmöffnung 64 kann unter Druck stehendes Gas aus dem Innenraum 50 des Batteriegehäuses 12 kontrolliert in den Außenbereich 52 entlassen werden. Dadurch wird verhindert, dass sich im Batteriegehäuse 12 Überdrücke aufbauen, die zu einer Verformung oder sogar zu einem unkontrollierten Bersten des Batteriegehäuses 12 führen können. Gleichzeitig wird über die konstruktiv vorgegebene Position der Sollbruchstelle 62 auf dem Hohlkolben 20 sowie die fahrzeugunterseitige Anordnung der Druckkompensationsvorrichtung 10 sichergestellt, dass im Schadensfall aus der Traktionsbatterie ausströmende Gas keine Fahrzeuginsassen oder sonstige Personen gefährdet werden.
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Die 5, 6 und 7 zeigen eine zweite Ausführungsform einer Druckkompensationsvorrichtung 10, welche ebenfalls in einem Batteriegehäuse 12 einer Traktionsbatterie angebracht und einer Entlastungsöffnung 14 im Batteriegehäuse 12 zugeordnet ist.
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Die zweite Ausführungsform entspricht in mehreren wesentlichen Merkmalen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Gleiche und funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der zweiten Ausführungsform ist das Gehäuse 16 der Druckkompensationsvorrichtung 10 als Kunststoffring 66 ausgebildet. Eine erste Stirnseite 28 des Kunststoffringes 66 ist konzentrisch zur Entlastungsöffnung 14 im Batteriegehäuse 12 angeordnet und auf dessen Innenseite 38 mittels einer gas- und flüssigkeitsdichten Klebeverbindung fixiert.
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Auf einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 34 des Kunststoffringes 66 ist ein bewegbares Element 22 angeordnet. In der beschriebenen Ausführungsform ist das bewegbare Element 22 eine napfförmige Gummimembran 68, in deren Zentrum eine kreisförmige Scheibe 70 eingebettet ist. Im Ausführungsbeispiel besteht die Scheibe ebenfalls aus Kunststoff.
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Ein Rand der Gummimembran 68 ist mittels einer Klebeverbindung gas- und flüssigkeitsdicht mit der zweiten Stirnseite 34 des Kunststoffringes 66 verbunden, sodass der Innenraum 50 des Batteriegehäuses 12 mittels der Gummimembran 68 hermetisch gegenüber dem Außenbereich 52 abgedichtet ist.
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In der beschriebenen Ausführungsform sind der Kunststoffring 66, die Gummimembran 68 sowie die Scheibe 70 aus kühlflüssigkeitsbeständigen Materialien gefertigt.
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Eine äußere Mantelseite des Kunststoffringes 66 sowie eine erste Seite der Gummimembran 68 und der Scheibe 70 sind einem im Batteriegehäuse 12 befindlichen Kühlmittel sowie einem im Innenraum 50 herrschenden Innendendruck ausgesetzt. Die den genannten jeweils gegenüberliegenden Seiten der Bauteile 66, 68, 70 sind einer außerhalb des Batteriegehäuses 12 herrschenden Atmosphäre und einem Außendruck ausgesetzt.
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Im Falle, dass der Innendruck kleiner oder gleich dem Außendruck ist, ragt die napfförmige Gummimembran 68, wie in 5 gezeigt, über den Kunststoffring 66 hinaus in den Innenraum 50 des Batteriegehäuses 12 hinein.
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Im Falle, dass der Innendruck größer ist als der Außendruck, wirkt auf die Gummimembran 68 sowie die Scheibe 70 eine Kraft, welche bei Überschreiten eines vorgegebenen Mindestwertes dazu führt, dass die Gummimembran 68 umklappt und, wie in 6 gezeigt, in den Kunststoffring 66 hineinragt. Dadurch entsteht analog zum ersten Ausführungsbeispiel ein freier Raum, um dessen Volumen 60 sich ein im Innenraum 50 des Batteriegehäuses 12 befindliches Medium ausdehnen kann, ohne dass ein stofflicher Austausch mit dem Außenbereich 52 erfolgt.
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Die Innenseite 38 des Batteriegehäuses 12 dient dabei als Anschlag 58 für die Gummimembran 68 und gibt einen maximalen Verschiebeweg 54 vor.
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In der beschriebenen Ausführungsform ist eine Kontaktfläche zwischen der Gummimembran 68 und der eingebetteten Scheibe 70 als Sollbruchstelle 62 ausgebildet.
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Bei einem Überschreiten einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen dem Druck im Innenraum 50 und dem Außendruck bricht die Sollbruchstelle 62. Infolgedessen wird die Scheibe 70 aus der Gummimembran 68 herausgedrückt und gibt, wie in 7 gezeigt, eine Abströmöffnung 64 frei, durch welche unter Druck stehendes Medium aus dem Innenraum 50 des Batteriegehäuses 12 kontrolliert in den Außenbereich 52 entlassen wird.
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Im Ausführungsbeispiel sind sowohl die Scheibe 70 als auch die Entlastungsöffnung 14 rund und konzentrisch zueinander angeordnet. Dabei ist der Durchmesser der Scheibe 70 kleiner als ein Durchmesser der Entlastungsöffnung 14, sodass die Scheibe 70 im Schadensfall durch die Entlastungsöffnung 14 hindurchtreten kann. Dadurch wird sichergestellt, dass keine abgelösten Teile die Abströmöffnung 64 blockieren.
