DE102021125558A1

DE102021125558A1 - KFZ-Batterie-Druckausgleichsventil

Info

Publication number: DE102021125558A1
Application number: DE102021125558.9A
Authority: DE
Inventors: Dimitri Kahlkopf; Jaroslav Manak; Matthias Nix; Volker Remmel
Original assignee: Woco Industrietechnik GmbH
Current assignee: Woco Industrietechnik GmbH
Priority date: 2021-10-01
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2023-04-06
Also published as: WO2023052582A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckausgleichsventil zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, umfassend: ein mit der Einrichtung zu verbindendes Gehäuse mit einer fluidal mit dem Innendruck der Einrichtung verbundenen Öffnung; einen Dichtkolben, der in eine Schließstellung zum Schließen der Öffnung vorgespannt ist und bei Überschreiten eines vorbestimmten Innendrucks in der Einrichtung aus der Schließstellung in eine Öffnungsstellung zum Freigeben der Öffnung bewegbar ist; und eine fest mit dem Dichtkolben verbundene semipermeable Membran, über die in der Schließstellung ein Gasaustausch zwischen der Einrichtung und der Umgebung bereitgestellt ist; wobei in der Öffnungsstellung ein Massenstrom von wenigstens 100 g/s zugelassen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckausgleichsventil zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System aus einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, und einem erfindungsgemäßen Druckausgleichsventil zum Entlüften der Einrichtung.
Druckausgleichsventile dienen dazu, Temperatur- und/oder Druckluftschwankungen in Gehäusen zur Aufnahme von Elektronikkomponenten, wie beispielsweise Batteriezellen in Kraftfahrzeugen, vor unzulässigen mechanischen Belastungen, die zu einem Bersten oder einem Ausbeulen des Gehäuses führen können, zu verhindern. Ferner sollen die Druckausgleichsventile derart gestaltet sein, dass ein Eindringen von Fremdkörpern, wie Schmutz, anderen festen Partikeln oder auch Wasser, vermieden ist.
Ein derartiges Druckausgleichsventil ist aus EP 2 586 081 B1 bekannt, das einen mit dem Batteriegehäuse zu verbindenden Rohrabschnitt aufweist, der einen im Wesentlichen geschlossenen Ventilraum begrenzt. In dem Ventilraum ist ein federvorgespannter Dichtkolben angeordnet, der das Eindringen von Schmutz, Wasser, etc. von außen in das Batteriegehäuse verhindert und eine semipermeable Membran aufweist, die einen Gasaustausch zum „Einatmen“ und „Ausatmen“ im normalen Betriebszustand der Batterie ermöglicht, um geringfügige Druckschwankungen oder Temperaturschwankungen ausgleichen zu können. Im Berstzustand, wenn im Batteriegehäuse ein starker Überdruck entsteht, drückt der Überdruck den federvorgespannten Kolben entgegen der Federkraft weg vom Dichtsitz, sodass ein größerer Öffnungsquerschnitt freigegeben ist und der Überdruck über Austrittskanäle entweichen kann.
Bei dem Druckausgleichsventil gemäß EP 2 586 081 B1 hat sich allerdings als nachteilig erwiesen, dass die Druckausgleichskanäle derart klein bemessen sind, dass nicht zuverlässig und schnell genug der große Überdruck im Berstzustand abgebaut werden kann. Das Druckausgleichsventil tendiert zu Beschädigungen, sowohl im Ventil selbst als auch im Batteriegehäuse. Darüber hinaus benötigt das Ventil einen großen axialen Bauraum.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, insbesondere ein Druckausgleichsventil mit geringem Bauraumbedarf herzustellen, welches eine effektivere Entlüftung im Berstzustand ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Danach ist ein Druckausgleichsventil zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Hochvoltbatterie, wie beispielsweise einer Lithium-basierten Traktionsbatterie, bereitgestellt. Das Druckausgleichsventil ist dazu in der Lage, Temperatur- und/oder Druckschwankungen in den Überdruck erzeugenden Einrichtungen auszugleichen, um diese vor unzulässigen mechanischen Belastungen zu schützen. Gleichzeitig verhindert das Druckausgleichsventil ein Eindringen von Fremdkörpern, wie Schmutz, anderen festen Partikeln oder Flüssigkeiten, in das Innere der Einrichtung.
Das erfindungsgemäße Druckausgleichsventil umfasst ein mit der Einrichtung zu verbindendes Gehäuse mit einer fluidal mit dem Inneren bzw. dem darin herrschenden Fluiddruck der Einrichtung verbundenen Öffnung. Das Gehäuse kann aus einem Stück, insbesondere aus einem Kunststoffstück, hergestellt sein oder mehrteilig aufgebaut sein. Beispielsweise umfasst das Gehäuse eine einrichtungsseitige Basis und wenigstens ein weiteres Gehäuseteil, wie eine der Basis gegenüberliegende Abdeckung, die das Druckausgleichsventil vor äußeren Einflüssen wie Festkörpern, Schmutz oder Flüssigkeiten schützt. Über die Öffnung im Gehäuse können Gase aus der Überdruck erzeugenden Einrichtung durch das Druckausgleichsventil in die Umgebung gelangen, sowie umgekehrt. Das Gehäuse kann fluiddicht an die Einrichtung angeschlossen sein, sodass eine Gas-Bypass-Strömung am Druckausgleichsventil vorbei verhindert werden kann. Bei der Dichtung kann es sich beispielsweise um eine Elastomer-Dichtung, wie eine EPDM-Dichtung, handeln. Diese kann beispielsweise im Spritzgussverfahren oder im Schäumungsverfahren hergestellt sein und/oder im Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren mit wenigstens einem Gehäuseteil hergestellt sein. Beispielsweise weist die Dichtung mehrere Dichtlippen auf, um die Dichtungswirkung zu verstärken und/oder um einen Labyrinthdichtungseffekt zu schaffen.
Das erfindungsgemäße Druckausgleichsventil umfasst ferner einen Dichtkolben, der in eine Schließstellung zum Schließen der Öffnung vorgespannt ist und bei Überschreiten eines vorbestimmten Innendrucks in der Einrichtung aus der Schließstellung in eine Öffnungsstellung zum Freigeben der Öffnung bewegbar ist. Die Vorspannung des Dichtkolbens in die Schließstellung kann über eine separate Vorspanneinrichtung erfolgen, die beispielsweise durch eine sich am Gehäuse abstützende Feder, wie eine Druckfeder, realisiert sein kann.
Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Druckausgleichsventil eine fest mit dem Dichtkolben verbundene semipermeable Membran auf, über die in der Schließstellung ein Gasaustausch zwischen der Einrichtung und der Umgebung bereitgestellt ist. Im normalen, fehlerfreien Betrieb der Einrichtung befindet sich das Druckausgleichsventil somit im Schließzustand. In diesem Schließzustand kann ein Gasaustausch über die semipermeable Membran stattfinden, die zum Einatmen und Ausatmen den Gasaustausch ermöglicht, um geringfügige Druck- und/oder Temperaturschwankungen ausgleichen zu können. Die semipermeable Membran ist ferner derart gestaltet, dass sie einen Durchtritt von Flüssigkeiten, wie Wasser, Öl oder dergleichen, unterbindet. Somit ist das Innere der Einrichtung vor äußeren Einflüssen geschützt. Durch die mechanische Vorspanneinrichtung ist eine einfache Möglichkeit geschaffen, im normalen Betriebszustand die Schließstellung beizubehalten. Je nach Anwendungsfall und Einsatzgebiet bzw. Art der Überdruck erzeugenden Einrichtung kann der vorbestimmte Innendruck variieren und/oder die Vorspannkraft auf den Dichtkolben eingestellt werden, um spezifisch eine Beschädigung der Einrichtung zu verhindern, indem zum Einnehmen eines Notentlüftungszustandes der Dichtkolben in seine Öffnungsstellung verbracht wird. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass im Notzustand bzw. Fehlerzustand, der einer Notentlüftung bedarf, der Dichtkolben selbsttätig, d.h. insbesondere ausschließlich unter dem Einfluss des sich innerhalb der Einrichtung aufbauenden Innendrucks, aus der Schließstellung in seine Öffnungsstellung zum Einnehmen des Notentlüftungszustandes verbracht wird. Sobald sich der Innendruck in der Einrichtung derart abbaut, dass die auf den Dichtkolben wirkende Vorspannkraft die vom Innendruck auf den Dichtkolben ausgeübte, der Vorspannkraft entgegenwirkende Druckkraft wieder übersteigt, bewegt sich der Dichtkolben erneut in die Schließstellung zurück. Das Druckausgleichsventil ist somit reversibel verwendbar. Die Membran ist fest mit dem Dichtkolben verbunden. Dies bedeutet, dass sich die Membran mit dem Dichtkolben bei dessen Bewegung mitbewegt. Die Verbindung kann beispielsweise durch eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung sowie durch stoffschlüssige Verbindungstechniken realisiert sein. Beispielweise kann die Membran an den Dichtkolben angeschweißt oder daran festgeklebt sein.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Öffnungsstellung ein Massenstrom von wenigstens 100 g/s zugelassen. Ist der vorbestimmte Innendruck erreicht und hat sich der Dichtkolben in seine Öffnungsstellung bewegt, ist zur schnellen Notentlüftung erfindungsgemäß ein sehr hoher Massenstrom zugelassen, sodass Gas, insbesondere Luft, aus dem Inneren der Überdruck erzeugenden Einrichtung in die Umgebung frei und schnell austreten kann. Durch den großen Massenstrom wird damit die Notentlüftungszeit reduziert, sodass diejenige Zeit, zu der ein eine Beschädigung der Einrichtung riskierender Innendruck vorliegt, möglichst gering gehalten werden kann. Der Massenstrom von wenigstens 100 g/s ergibt sich insbesondere bei mittleren Gasaustrittstemperaturen von etwa 300 °C und/oder bei einem Innendruck innerhalb der Einrichtung von etwa 500 mbar. Im Notentlüftungszustand geht es insbesondere darum, möglichst schnell möglichst viel Innendruck abzubauen. Der erfindungsgemäße Mindest-Massenstrom von 100 g/s bei den oben angegebenen Umgebungsbedingungen hat sich als erhebliche Verbesserung gegenüber Stand der Technik-Druckausgleichsventilen herausgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Druckausgleichsventil zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Hochvoltbatterie, wie einer Lithium-basierten Traktionsbatterie, bereitgestellt. In Bezug auf die Merkmale des Oberbegriffs sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorhergehenden Ausführungen verwiesen.
Das Gehäuse des Druckausgleichsventils umfasst hierbei eine einrichtungsseitige Basis, die eine fluidal mit dem Innendruck der Einrichtung verbundene Öffnung aufweist, und eine gegenüberliegende Abdeckung. Abdeckung und Basis können aus einem Teil hergestellt sein oder als separate Bauteile realisiert sein.
Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt sind die Basis und die Abdeckung über eine Säulenstruktur miteinander gekoppelt, sodass ein umlaufender Mantelbereich des Gehäuses zu wenigstens 50%, insbesondere zu wenigstens 60%, 70% oder wenigstens 80%, für einen Gasaustausch offen ist. Mit anderen Worten ist die Säulenstruktur derart dimensioniert, dass ein in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Dichtkolbens umlaufender Mantelbereich vollständig frei ist, sodass insbesondere im Öffnungszustand des Dichtkolbens bzw. im Notentlüftungszustand des Druckausgleichsventils die Gasströmung ungehindert, d.h. ohne Kollision mit Komponenten des Druckausgleichsventils, insbesondere dessen Gehäuses, in die Umgebung ausströmen kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils weist die Säulenstruktur wenigstens zwei, insbesondere drei, vier oder fünf, die Öffnung umgebende und in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens orientierte Säulen auf, die sowohl die Basis als auch die Abdeckung tragen. Die Säulen können gleichmäßig in Umfangsrichtung in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Dichtkolbens um die Öffnung herum angeordnet bzw. verteilt sein. In einer beispielhaften Weiterbildung sind die Basis und die Säulen aus einem Stück, insbesondere im Spritzgussverfahren, hergestellt. Alternativ oder zusätzlich kann die Abdeckung fest an den Säulen befestigt sein, beispielsweise damit verschraubt, verclipst, verrastet oder auch nur lose aufgelegt sein.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der offene Mantelbereich von der Säulenstruktur, insbesondere von den wenigstens zwei säulenartigen Gehäuseteilen, in insbesondere gleich dimensionierte Sektoren unterteilt. Dadurch ist im Wesentlichen eine Rundumentlüftung gewährleistet, die es dem erfindungsgemäßen Druckausgleichsventil erlaubt, insbesondere in der Öffnungsstellung des Dichtkolbens und damit im Notentlüftungszustand des Druckausgleichsventils unter anderem den Mindest-Massenstrom von wenigstens 100 g/s bzw. die großvolumige Notentlüftungsströmung zuzulassen, sodass eine besonders effektive Notentlüftung stattfindet, die Beschädigungen an der Einrichtung verhindert. Die Sektoren können beispielsweise als Zylindermantelsegmente geformt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorgehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Druckausgleichsventil zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Hochvoltbatterie, wie einer Lithium-basierten Traktionsbatterie, bereitgestellt. In Bezug auf die Merkmale des Oberbegriffs sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorhergehenden Ausführungen verwiesen.
Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt ist in der Öffnungsstellung des Dichtkolbens ein im Wesentlichen geradliniger Strömungspfad für einen austretenden Gasstrom zwischen der Einrichtung der Umgebung über die Öffnung hergestellt. Ein weiterer Aspekt, der sich im Notentlüftungszustand als besonders vorteilhaft erwiesen hat, ist, dass die austretende Gasströmung aus der Einrichtung im Wesentlichen umlenkungsfrei in die Umgebung ausströmen kann. Dies kann beispielsweise erfindungsgemäß dadurch ermöglicht werden, dass das Druckausgleichsventil derart konstruiert ist, dass bei geöffnetem Dichtkolben die durch die Öffnung in das Druckausgleichsventil einströmende Gasströmung ohne eine weitere Um- oder Ablenkung das Druckausgleichsventil in Richtung Umgebung verlassen kann, wodurch eine besonders effektive Notentlüftung geschaffen ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils weist das Gehäuse eine einrichtungsseitige, die Öffnung aufweisende Basis mit einem Strömungsleitvorsprung auf, der sich insbesondere in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens erstreckt. Der Dichtkolben weist ferner einen seitlichen Strömungsleitrand auf, der insbesondere in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens orientiert ist. Der Dichtkolben und die Basis können derart aufeinander abgestimmt sein, dass der Strömungsleitvorsprung und der Strömungsleitrand im Schließzustand unter Bildung eines Labyrinthkanals ineinandergreifen. Somit ist auf konstruktiv einfache Art und Weise ohne Notwendigkeit einer zusätzlichen Dichtung ein Labyrinthdichtungseffekt geschaffen, sodass beispielsweise die Membran vor direkten Flüssigkeitsstrahlen oder einem Zugriff von außen geschützt ist. Alternativ oder zusätzlich können der Dichtkolben und die Basis derart aufeinander abgestimmt sein, dass im Öffnungszustand der Dichtkolben und die Basis in einem Abstand in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens zueinander unter Ausbildung eines geradlinigen Entlüftungskanals angeordnet sind. Während im Schließzustand der Strömungsleitrand und der Strömungsleitvorsprung quer zur Bewegungsrichtung des Dichtkolbens überlappen, ist die Überlappung in der Öffnungsstellung des Dichtkolbens aufgehoben. Die Bewegungsamplitude des Dichtkolbens übersteigt demnach das Maß der Überlappung an Strömungsleitrand und Strömungsleitvorsprung. Beispielsweise kann der Dichtkolben zweiteilig ausgebildet sein und eine der Einrichtung abgewandte Abdeckplatte aufweisen, an der der Strömungsleitrand angeordnet ist, sowie ein Kolbenteil, welches den Dichtkontakt mit dem Gehäuse, insbesondere der Basis, einnimmt.
Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung ist das erfindungsgemäße Druckausgleichsventil so ausgestaltet, dass ein im Öffnungszustand austretender Gasstrom im Wesentlichen umlenkungsfrei das Gehäuse und den Dichtkolben passieren kann. Insbesondere ist dessen Gehäuse derart insbesondere offen konstruiert, dass der im Wesentlichen umlenkungsfreie Gasstrom ausströmen kann. Die umlenkungsfreie Strömung wird beispielsweise dadurch ermöglicht, dass das Druckausgleichsventil derart konstruiert ist, dass bei geöffnetem Dichtkolben die durch die Öffnung in das Druckausgleichsventil einströmende Gasströmung ohne eine weitere Um- oder Ablenkung das Druckausgleichsventil in Richtung Umgebung verlassen kann, wodurch eine besonders effektive Notentlüftung geschaffen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Druckausgleichsventil zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Hochvoltbatterie, wie einer Lithium-basierten Traktionsbatterie, bereitgestellt. In Bezug auf die Merkmale des Oberbegriffs sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorhergehenden Ausführungen verwiesen.
Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt umfasst das Druckausgleichsventil eine aus einem Stück hergestellte Dichtung, die am Gehäuse angebracht ist und sowohl das Gehäuse gegen den Dichtkolben als auch das Gehäuse gegen die Einrichtung abdichtet. Es wurde erfindungsgemäß herausgefunden, dass unter Inkaufnahme einer geringfügig komplizierteren Dichtungsgeometrie die Montage des Druckausgleichsventils dadurch deutlich vereinfacht werden kann, dass eine Dichtung für zwei separate Dichtungsschnittstellen verwendet wird. Ferner lassen sich Kosten reduzieren, da wenigstens auf ein zusätzliches Dichtungselement verzichtet werden kann. Beispielsweise umfasst das Gehäuse eine einrichtungsseitige Basis und eine gegenüberliegende Abdeckung, wobei die Dichtung an der Basis angebracht ist.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Dichtung als Mehrlippendichtung ausgebildet. Die Mehrlippendichtung kann wenigstens zwei der Einrichtung zugeordnete Dichtlippen und/oder wenigstens zwei dem Dichtkolben zugeordnete Dichtlippen aufweisen. Das Vorsehen einer Mehrdichtlippe begünstigt einen Labyrinthdichtungseffekt.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die Dichtung und eine einrichtungsseitige, die Öffnung aufweisende Basis des Gehäuses im Mehrkomponentenspritzgussverfahren hergestellt. Alternativ kann die Dichtung an die einrichtungsseitige, die Öffnung aufweisende Basis des Gehäuses angespritzt sein. Somit ist eine einfache und kostengünstige Montage bzw. Herstellung des Druckausgleichsventils gegeben. Es ist kein händisches oder auch automatisiertes Einlegen und gezieltes Positionieren einer Dichtung notwendig. Montagefehler und damit verbundene Undichtigkeiten, die wiederum zu einer Beschädigung der Einrichtung führen können, werden damit ausgeschlossen.
In einer weiteren beispielhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils kleidet die Dichtung einen die Öffnung begrenzenden Öffnungsrand einer einrichtungsseitigen, die Öffnung aufweisenden Basis des Gehäuses im Wesentlichen vollständig aus. Mit anderen Worten legt sich die Dichtung im montierten Zustand um den die Öffnung begrenzenden Öffnungsrand des Gehäuseteils herum und daran an. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung weist die Dichtung eine Aufnahme für den Öffnungsrand auf, in der der Öffnungsrand im Wesentlichen vollständig untergebracht ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Druckausgleichsventil zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Hochvoltbatterie, wie einer Lithium-basierten Traktionsbatterie, bereitgestellt. In Bezug auf die Merkmale des Oberbegriffs sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorhergehenden Ausführungen verwiesen.
Gemäß dem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt kennzeichnet sich das Druckausgleichsventil durch eine den Dichtkolben in die Schließstellung vorspannende Vorspanneinrichtung aus, die im Wesentlichen vollständig der Umgebung ausgesetzt ist. Es hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, dass das Weglassen einer die Vorspanneinrichtung vor der Umgebung schützenden bzw. abschirmenden Einhausung sich zum einen positiv im Hinblick auf eine reduzierte Teilevielfalt und damit einen reduzierten Montageaufwand auswirkt. Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere darin, dass insbesondere flüssige Medien oder auch Festkörper aus der Umgebung, die mit dem Druckausgleichventil in Kontakt geraten, möglichst selbsttätig von diesem wieder unmittelbar abfließen, sich davon ablüften oder allgemein davon entfernen können. Damit verbunden ist ein weiterer Vorteil, der sich insbesondere im Winter bemerkbar macht oder allgemein bei kalten Temperaturen, da durch die freiliegende Gehäusestruktur Flüssigkeitsansammlungen reduziert bzw. vermieden werden können, was ferner dazu führt, dass vermieden werden kann, dass die Flüssigkeiten im Bereich des Druckausgleichsventils einfrieren und/oder dort zu Beschädigungen führen.
Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils weist die Vorspanneinrichtung wenigstens ein, insbesondere zwei, drei, vier, fünf oder sechs, sich an der Basis abstützende Federelemente, wie eine Federzunge, auf. Beispielsweise können die Federelemente gleichmäßig in Umfangsrichtung und/oder konzentrisch bzgl. der Bewegungsachse des Dichtkolbens angeordnet sein.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung des Druckausgleichsventils ist die Vorspanneinrichtung aus einem Stück mit einem mit der Basis gekoppelten Gehäuseteil hergestellt. Beispielsweise können sich die einzelnen Federelemente der Vorspanneinrichtung nach radial innen und in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens von einem ringförmigen Gehäuseteil, mit dem die Federelemente aus einem Stück hergestellt sind, hin zu einer der Einrichtung abgewandten Rückseite des Dichtkolbens oder einer mit dem Dichtkolben fest verbundenen rückseitigen Abdeckplatte erstrecken und damit in einem kraftübertragenden Kontakt stehen.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung weist die Vorspanneinrichtung wenigstens drei, insbesondere vier, fünf oder sechs, Federelemente auf, die konzentrisch bzgl. einer in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens orientierten Mittelachse des rotationsförmig ausgebildeten Druckausgleichsventils angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können die Federelemente beim Bewegen des Dichtkolbens in die Öffnungsstellung an einer der Einrichtung abgewandten, umgebungsseitigen Dichtkolbenoberfläche entlang gleiten.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung weist das Druckausgleichsventil eine stromabwärts des Dichtkolbens angeordnete Strömungsführung für aus der Einrichtung austretende Gase zum Umlenken der Gase entgegen der Strömungsrichtung der Gase aus der Einrichtung in das Druckausgleichsventil auf. Auf diese Weise kann beispielsweise der zunehmenden Forderung Genüge getan werden, die aus dem Einrichtungsinneren ausströmenden, insbesondere heißen oder umgebungsschädlichen, Gase gezielt zu sammeln und/oder in eine gewünschte Richtung umzulenken. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung ist die Strömungsführung durch das Gehäuse oder eine mit dem Gehäuse zu verbindende Führungskappe realisiert. Beispielsweise kann das Gehäuse bzw. die Führungskappe mit Gaskanälen für die austretenden Gase versehen sein.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils umfasst dieses eine, insbesondere mechanisch oder chemisch, am Dichtkolben befestigte Dichtung, die insbesondere aus einem thermoplastischen Elastomer hergestellt ist. Die Dichtung bildet im Schließzustand des Dichtkolbens einen Dichtkontakt mit dem Gehäuse, insbesondere dessen Basis, aus.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein System aus einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Hochvoltbatterie, wie einer Lithium-basierten Traktionsbatterie, und einem nach einem der vorstehenden Aspekte bzw. beispielhaften Ausführungen ausgebildeten Druckausgleichsventil zum Entlüften der Einrichtung bereitgestellt.
Bevorzugte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden werden weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung mittels Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden beispielhaften Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems aus einer Überdruck erzeugenden Einrichtung und einer ersten beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils;
2 eine perspektivische Ansicht des Systems aus 1 von unten;
3 eine Draufsicht auf das System aus den 1 und 2;
4 eine Schnittansicht des Systems aus den 1 bis 3 entlang der Linie I - I in 3 in einer Schließstellung;
5 eine Schnittansicht des Systems aus den 1 bis 4 entlang der Linie I - I in 3 in einer Öffnungsstellung;
6 bis 9 eine zweite beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils;
10 eine dritte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils;
11 bis 14 eine vierte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils;
15 bis 18 eine fünfte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils;
19 bis 21 eine sechste beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils;
22 bis 24 eine siebte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils;
25 und 26 eine achte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils;

In der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind ein erfindungsgemäßes Druckausgleichsventil zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 1 und ein System aus einer Überdruck erzeugenden Einrichtung und einem erfindungsgemäßen Druckausgleichsventil im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 10 versehen.
In den 1 bis 5 ist ein System 10 aus einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, und einer ersten beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils 1 dargestellt. Das Druckausgleichsventil 1 ist dazu in der Lage, Temperatur- und/oder Druckschwankungen in der Überdruck erzeugenden Einrichtung auszugleichen, um diese vor unzulässigen mechanischen Belastungen zu schützen. Gleichzeitig verhindert das Druckausgleichsventil 1 ein Eindringen von Fremdkörpern, wie Schmutz, anderen festen Partikeln oder Flüssigkeiten, in das Innere der Einrichtung. Ein erfindungsgemäßes Druckausgleichsventil 1 umfasst im Wesentlichen die folgenden Hauptkomponenten: Ein mit der Einrichtung zu verbindendes Gehäuse 3 mit einer fluidal mit dem Innendruck der Einrichtung verbundenen Öffnung 5, einen Dichtkolben 7 und eine fest mit dem Dichtkolben 7 verbundene semipermeable Membran 9.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Systems 10 bei dem das erfindungsgemäße Druckausgleichsventil 1 mit vier Schrauben 11 fest mit einem Gehäuse 13 der Einrichtung verbunden ist. 2 zeigt das System 10 von unten, so dass die Öffnung 5 im Gehäuse 3 der Einrichtung zu erkennen ist, die das Druckausgleichsventil 1 fluidal mit der Einrichtung verbindet. Über die Öffnung 5 können Gase aus der Überdruck erzeugenden Einrichtung durch das Druckausgleichsventil 1 in die Umgebung gelangen und umgekehrt.
Das Gehäuse 3 umfasst eine einrichtungsseitige Basis 15 in der sich die Öffnung 5 befindet. Die Basis 15 ist fluiddicht mit dem Gehäuse 13 der Einrichtung verbunden, was später im Detail erläutert wird. Das Gehäuse 3 umfasst außerdem eine der Basis 15 gegenüberliegende Abdeckung 17, die dazu dient das Druckausgleichsventil 1 vor äußeren Einflüssen wie Festkörpern, Schmutz oder Flüssigkeiten zu schützen. Die Basis 15 und die Abdeckung 17 können beispielweise aus Kunststoff hergestellt sein. In der ersten beispielhaften Ausführung in den 1 bis 5 sind die Basis 15 und die Abdeckung 17 über eine Säulenstruktur 19 aus vier zylindrischen Säulen 21 miteinander gekoppelt, wobei die vier Säulen 21 in Umfangsrichtung der Öffnung 5 gleichmäßig um die Öffnung 5 herum angeordnet sind und sich in Richtung einer durch die Öffnung 5 definierten Mittelachse M des Druckausgleichventils 1 erstrecken. Die Säulen 21 unterteilen einen umlaufenden Mantelbereich 23 des Gehäuses 3 zwischen der Basis 15 und der Abdeckung 17 in vier gleich dimensionierte Sektoren 25, über die ein Gasaustausch zwischen dem Inneren der Einrichtung und der Umgebung möglich ist. Durch die Sektoren 25 ist wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 60%, wenigstens 70% oder wenigstens 80% des Mantelbereichs 23 für den Gasaustausch offen, wodurch eine Rundumentlüftung gewährleistet ist. In der ersten beispielhaften Ausführung in den 1 bis 5 sind die Säulen 21 im Spritzgussverfahren einstückig mit der Basis 15 ausgebildet. Die Abdeckung 17 wird dann bei der Montage des Druckausgleichsventils 1, nach dem Einbringen der weiteren Komponenten des Druckausgleichsventils 1 ins Innere des Gehäuses 3, mit den Säulen 21 verschweißt. Eine Gesamthöhe des Gehäuses 3 bzw. des Druckausgleichsventils 1 kann dann beispielsweise etwa 20 mm betragen.
3 zeigt das System 10 aus den 1 und 2 in einer Draufsicht und 4 und 5 zeigen das System 10 jeweils in einer Schnittansicht entlang der Linie I - I in 3. In 4 ist das Druckausgleichsventil 1 dabei in einer Schließstellung und in 5 in einer Öffnungsstellung dargestellt. Anhand der 4 und 5 wird im Folgenden die Funktionsweise und der Aufbau der einzelnen Komponenten des Druckausgleichsventils 1 im Detail erläutert.
Bei normalem, fehlerfreien Betrieb der Einrichtung befindet sich das Druckausgleichsventil 1 in der Schließstellung (4). In der Schließstellung ist der Dichtkolben 7 gegen die Basis 15 vorgespannt und verschließt die Öffnung 5. Bei Überschreiten eines vorbestimmten Innendrucks in der Einrichtung ist der Dichtkolben 7 aus der Schließstellung in eine Öffnungsstellung (5) bewegbar, in der die Öffnung 5 bzw. ein durch die Öffnung 5 definierter Öffnungsquerschnitt freigegeben ist und somit ein Notentlüftungszustand vorliegt.
Der Dichtkolben 7 ist in der ersten beispielhaften Ausführung in den 1 bis 5 rotationssymmetrisch bezüglich der Mittelachse M ausgebildet und bewegt sich von der Schließstellung entlang der Mittelachse M von der Öffnung 5 weg, um in die Öffnungsstellung zu gelangen. Der Dichtkolben 7 ist zwischen der Basis 15 und der Abdeckung 17, mit anderen Worten in dem Gehäuse 3, angeordnet und besteht aus einem basisseitigen Federteller 27 und einem abdeckungsseitigen Membranteller 29. Der Federteller 27 und der Membranteller 29 können beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sein. Der Membranteller 29 weist eine umlaufende Nut 31 an einer dem Federteller zugewandten Seite auf, in die ein entsprechender Vorsprung 33 an einer dem Membranteller zugewandten Seite am Federteller 27 formschlüssig eingreift, so dass der Membranteller 29 und der Federteller 27 in Radialrichtung, quer zur Mittelachse M, aneinander fixiert sind.
Die Vorspannung des Dichtkolbens 7 erfolgt in der ersten beispielhaften Ausführung in den 1 bis 5 über eine Feder 35 die zwischen der Abdeckung 17 und dem Federteller 27 angeordnet ist. Die Feder 35 besteht aus mehreren Windungen deren Windungsdurchmesser von der Abdeckung 17 aus in Richtung des Federtellers 27 kontinuierlich zunimmt. Zur Fixierung der Feder 35 ist an der Abdeckung 17 ein rotationsförmiger Vorsprung 37 vorgesehen, der ins Innere der Feder 35 eingreift und an dem Federteller 27 ein rotationsförmiger Vorsprung 39, der die Außenseite der Feder 35 umschließt. Im Schließzustand übersteigt die Federkraft der Feder 35 die vom Innendruck der Einrichtung auf den Dichtkolben 7 ausgeübte Druckkraft und drückt den Dichtkolben 7 somit gegen die Basis 15 bzw. die Öffnung 5. Wenn der Innendruck in der Einrichtung einen vorbestimmten Wert überschreitet, der der Federkraft der Feder 35 entspricht, drückt der Innendruck den Dichtkolben 7 aus der Schließstellung von der Öffnung 5 weg in die Öffnungsstellung, in der der Membranteller 29 an dem Vorsprung 37 der Abdeckung 17 anliegt. Die Windungen der Feder 35 schieben sich dabei wie in 5 gezeigt ineinander. Sobald der Innendruck in der Einrichtung durch die Notentlüftung im Öffnungszustand weit genug abgebaut ist, so dass die Federkraft der Feder 35 die Druckkraft des Innenrucks wieder übersteigt, bewegt sich der Dichtkolben 7 automatisch wieder in die Schließstellung zurück.
Der Membranteller 29 ist ringförmig um eine zentrale Öffnung 41 herum ausgebildet, die an einer der Öffnung 5 zugewandten Seite durch die semipermeable Membran 9 geschlossen ist. Die semipermeable Membran 9 kann an den Membranträger 29 angeklebt oder angeschweißt sein. In der Schließstellung ist über die semipermeable Membran 9 ein Gasaustausch zwischen der Einrichtung und der Umgebung bereitgestellt. Die Luft strömt dabei wie durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 83 in 4 angedeutet beim Einatmen von der Umgebung zunächst zwischen der Basis 15 und dem Federteller 27 und anschließend durch definierte Kanäle zwischen dem Federteller 27 und dem Membranteller 29 hindurch in die Öffnung 41 des Membrantellers 29 und schließlich durch die semipermeable Membran 9 in die Einrichtung. Für eine gezielte Umlenkung der einströmenden Luft weist die Basis 15 einen in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens 7 orientierten, dem Federteller 27 zugewandten Strömungsleitvorsprung 43 auf. In Radialrichtung nach außen ist um den Strömungsleitvorsprung 43 herum eine Nut 45 ausgebildet. Der Federteller 27 weist am äußeren Rand einen ebenfalls in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens 7 orientierten, der Basis 15 zugewandten Strömungsleitrand 47 auf, der in der Schließstellung in die Nut 45 hineinragt, so dass der Strömungsleitvorsprung 43 und der Strömungsleitrand 47 unter Bildung eines Labyrinthkanals 83 ineinandergreifen. Somit ist auf konstruktiv einfache Art und Weise ohne Notwendigkeit einer zusätzlichen Dichtung ein Labyrinthdichtungseffekt geschaffen, sodass beispielsweise die semipermeable Membran 9 vor direkten Flüssigkeitsstrahlen oder einem Zugriff von außen geschützt ist. Beim Ausatmen strömt die Luft auf die gleiche Weise aus der Einrichtung heraus in die Umgebung.
Durch das Einatmen und Ausatmen können in der Schließstellung geringfügige Druck- und Temperaturschwankungen ausgeglichen werden. Gleichzeitig unterbindet die semipermeable Membran 9 aber den Durchtritt von Flüssigkeiten, wie Wasser, Öl oder dergleichen, so dass das Innere der Einrichtung vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Mit anderen Worten ist die semipermeable Membran 9 durchlässig für Gase aber undurchlässig für Flüssigkeiten.
In der Öffnungsstellung (5) des Dichtkolbens 7 ist ein im Wesentlich geradliniger Strömungspfad für einen austretenden Gasstrom zwischen der Einrichtung und der Umgebung über die Öffnung 5 hergestellt, was in 5 durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 48 angedeutet ist. Wie in 5 zu erkennen ist, ist der Dichtkolben 7 in der Öffnungsstellung so weit von der Öffnung 5 entfernt, dass die Luft aus der Einrichtung zwischen der Basis 15 und dem Federteller 27 hindurch und anschließend durch die Sektoren 25 im Mantelbereich 23 des Gehäuses 3 entlang eines geradlinigen Strömungspfads 48 umlenkungsfrei aus der Einrichtung austreten kann. Eine Strömungsengstelle liegt dabei zwischen dem Strömungsleitvorsprung 43 an der Basis 15 und dem Federteller 27 und beträgt etwa 5,7 mm. Dadurch ist in der Öffnungsstellung ein Massenstrom von wenigstens 100 g/s zugelassen, sodass die Luft aus dem Inneren der Einrichtung in die Umgebung frei und schnell austreten kann.
Durch den großen Massenstrom wird die Notentlüftungszeit reduziert, sodass diejenige Zeit, zu der ein eine Beschädigung der Einrichtung riskierender Innendruck vorliegt, möglichst gering gehalten werden kann. Der Massenstrom von wenigstens 100 g/s ergibt sich insbesondere bei mittleren Gasaustrittstemperaturen von etwa 300 °C und/oder bei einem Innendruck innerhalb der Einrichtung von etwa 500 mbar. Im Notentlüftungszustand geht es insbesondere darum, möglichst schnell möglichst viel Innendruck abzubauen. Der erfindungsgemäße Mindest-Massenstrom von 100 g/s bei den oben angegebenen Umgebungsbedingungen hat sich als erhebliche Verbesserung gegenüber Stand der Technik-Druckausgleichsventilen herausgestellt.
Um sowohl im Schließzustand als auch im Öffnungszustand einen definierten Strömungspfad 48, 83 durch das Druckausgleichsventil 1 zu ermöglichen, ist die Basis 15 über eine Dichtung 49 gegenüber dem Gehäuse 13 der Einrichtung abgedichtet. Die Dichtung 49 kann beispielsweise eine Elastomer-Dichtung, wie eine EPDM-Dichtung, sein. In der ersten beispielhaften Ausführung in den 1 bis 5 ist die Dichtung 49 aus einem Stück hergestellt und dichtet die Basis 15 sowohl gegenüber dem Dichtkolben 7 als auch gegenüber dem Gehäuse 13 der Einrichtung ab. Dafür ist die Dichtung 49 als Mehrlippendichtung ausgebildet und weist zwei einrichtungsseitige Dichtlippen 51 zum Abdichten gegenüber der Einrichtung und zwei dichtkolbenseitige Dichtlippen 53 zum Abdichten gegenüber dem Dichtkolben 7 auf. Durch die jeweils zwei Dichtlippen für jede der beiden Dichtungsstellen wird jeweils ein Labyrinthdichtungseffekt der Dichtung 49 begünstigt.
Es wurde erfindungsgemäß herausgefunden, dass unter Inkaufnahme einer geringfügig komplizierteren Dichtungsgeometrie der Dichtung 49 die Montage des Druckausgleichsventils 1 dadurch deutlich vereinfacht werden kann, dass die Dichtung 49 für zwei separate Dichtungsschnittstellen verwendet wird. Ferner lassen sich Kosten reduzieren, da wenigstens auf ein zusätzliches Dichtungselement verzichtet werden kann. Durch die einteilige Dichtung 49 kann außerdem ein Leckagepfad zwischen der Umgebung und dem Inneren des Gehäuses 3 zwischen den beiden Dichtstellen ausgeschlossen werden.
Bei der Abdichtung gegenüber der Einrichtung ermöglichen die Dichtlippen 51 eine richtungsunabhängige selbstverstärkende Dichtwirkung, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Einrichtung und der Umgebung steigt. Dadurch ist auf einfache Art und Weise eine Toleranzausgleichsmöglichkeit gegenüber größeren Unebenheiten bereitgestellt. Für die Abdichtung gegenüber dem Dichtkolben 7 liegen die Dichtlippen 53 an einer konischen Dichtfläche 54 des Membrantellers 29 an. Über die konische Dichtfläche 54 wird der Dichtkolben 7 außerdem in der Schließstellung bezüglich der Öffnung 5 zentriert. Zusätzlich ist eine schwingungsdämpfende Wirkung auf den Dichtkolben 7 in axialer Richtung entlang der Mittelachse M und in radialer Richtung quer zur Mittelachse M gegeben. Dadurch ist ebenfalls auf einfache Art und Weise eine Toleranzausgleichsmöglichkeit gegenüber größeren Unebenheiten bereitgestellt.
In der ersten beispielhaften Ausführung sind die Basis 15 und die Dichtung 49 im Mehrkomponentenspritzgussverfahren hergestellt. Alternativ kann die Dichtung 49 an die Basis 15 angespritzt sein. Bei beiden Varianten ist eine einfache und kostengünstige Montage bzw. Herstellung des Druckausgleichsventils 1 gegeben. Es ist kein händisches oder auch automatisiertes Einlegen und gezieltes Positionieren der Dichtung 49 notwendig. Montagefehler und damit verbundene Undichtigkeiten, die wiederum zu einer Beschädigung der Einrichtung führen können, werden damit ausgeschlossen. Um eine fluiddichte Verbindung zwischen der Basis 15 und der Dichtung 49 zu ermöglichen, weist die Basis 15 einen die Öffnung 5 begrenzenden umlaufenden Öffnungsrand 55 auf. Dieser ist nach dem Anbringen der Dichtung 49 vollständig von der Dichtung 49 ausgekleidet. Die Dichtung 49 weist somit im fertigen Zustand eine Aufnahme 57 auf, die formkomplementär zu dem Öffnungsrand 55 ausgebildet ist und diesen vollständig aufnimmt. Mit anderen Worten ist der Öffnungsrand 55 der Basis 15 vollständig in der Aufnahme 57 der Dichtung 49 untergebracht.
Durch das erfindungsgemäße Druckausgleichsventil 1 ist eine wiederholbare differenzierte Funktionsprüfung der Gesamtleckage, der Druckausgleichsfunktion über die semipermeable Membran 9 in der Schließstellung und die Notentlüftungsfunktion in der Öffnungsstellung möglich. Die Funktionsprüfung kann dabei zu jeder Zeit durchgeführt werden, beispielsweise nach der Montage des Druckausgleichsventils 1 an der Einrichtung oder als Sicherheitsüberprüfung über die gesamte Lebensdauer.
In den 6 bis 8 ist eine zweite beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils 1 gezeigt. Zum Aufbau und der Funktionsweise des Druckausgleichsventils 1 und der einzelnen Komponenten wird im Wesentlichen auf die Ausführungen zu der ersten beispielhaften Ausführung in den 1 bis 5 verwiesen, so dass im Folgenden nur die Unterschiede erläutert werden.
Zunächst ist in 6 zu erkennen, dass die Säulen 21, die die Basis 15 und die Abdeckung 17 miteinander verbinden, nicht zylindrisch ausgebildet sind, sondern jeweils vier um den Umfang der Säule 21 gleich verteilte Aussparungen 59 aufweisen. Dadurch kann Material eingespart werden. Ein weiterer Unterschied ist in den 8 und 9 zu erkennen, die das Druckausgleichsventil 1 analog zu den 4 und 5 in einer Schließstellung (8) und in einer Öffnungsstellung (9) zeigen. Es ist zu erkennen, dass der Federteller 27 und der Membranteller 29 in der zweiten beispielhaften Ausführung mittels einer Verschweißung 61 verbunden sind, statt über die Nut 31 und den formschlüssig darin eingreifenden Vorsprung 33.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied zu der ersten beispielhaften Ausführung ist ebenfalls aus den 8 und 9 ersichtlich und besteht in der Abdichtung der Basis 15 gegenüber der Einrichtung und dem Dichtkolben 7. Statt der Mehrlippendichtung 49 sind in der zweiten beispielhaften Ausführung zwei separate Dichtungen vorgesehen. Zur Abdichtung der Basis 15 gegenüber der Einrichtung ist ein Dichtring 63 vorgesehen, der einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist und beispielsweise etwa 2,8 mm breit und 4 mm hoch sein kann und einen Innendurchmesser von etwa 48 mm aufweisen kann. In der Basis 15 ist dafür eine entsprechende umlaufende Nut 65 zum Aufnehmen des Dichtrings 63 vorgesehen. Zur Abdichtung der Basis 15 gegenüber dem Dichtkolben 7 in der Schließstellung ist eine Dichtung 67 am Membranteller 29 angeordnet, die in Richtung der Basis 15 gekrümmt ist. Die Dichtung 67 kann aus thermoplastischem Elastomer bestehen und mechanisch oder chemisch an dem Membranteller 29 angebracht sein. Dadurch können die Prozessschritte beim Montieren des Druckausgleichsventils 1 reduziert werden, weil die Dichtung 67 nicht separat eingelegt werden muss. Auf diese Weise können auch Montagefehler und daraus resultierende Beschädigungen und/oder Undichtheiten verhindert werden. In der Öffnungsstellung liegt die Strömungsengstelle bei der zweiten beispielhaften Ausführung zwischen der Dichtung 67 und dem Strömungsleitvorsprung 43 an der Basis 15 und beträgt etwa 3, 4 mm.
In 10 ist eine dritte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils 1 in einer Öffnungsstellung dargestellt, die sich von der zweiten beispielhaften Ausführung durch die Ausgestaltung des Dichtrings 63 zwischen der Basis 15 und der Einrichtung unterscheidet. Die Dichtung 63 ist in der dritten beispielhaften Ausführung in 10 T-förmig ausgebildet, wobei sich ein Schenkel 69 senkrecht von der Basis 15 aus in Richtung der Einrichtung (in 10 nicht dargestellt) erstreckt. Am einrichtungsseitigen Ende des Schenkels 69 befindet sich eine umlaufende Vertiefung 71, so dass zwei Dichtlippen zur Abdichtung gegenüber der Einrichtung ausgebildet sind.
In den 11 bis 14 ist eine vierte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils 1 gezeigt. Zum Aufbau und der Funktionsweise des Druckausgleichsventils 1 und der einzelnen Komponenten wird im Wesentlichen auf die Ausführungen zu den vorherigen beispielhaften Ausführungen verwiesen, so dass im Folgenden nur die Unterschiede erläutert werden.
11 zeigt die vierte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils 1 in einer perspektivischen Ansicht. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungen sind die Basis 15 und die Abdeckung 17 rotationssymmetrisch bezüglich der Mittelachse M ausgebildet. Die Abdeckung 17 weist bei der vierten beispielhaften Ausführung drei einstückig mit der Abdeckung 17 gefertigte plattenförmige Säulen 21 auf, die den Mantelbereich 23 zwischen der Basis 15 und der Abdeckung 17 in drei gleich dimensionierte Sektoren 25 unterteilen. Am einrichtungsseitigen Ende der Säulen 21 sind jeweils zwei Nuten 73 gebildet, zwischen denen ein rechteckförmiger Vorsprung 75 angeordnet ist. Die Basis 15 weist zwei Vorsprünge 77 auf, die formschlüssig in die Nuten 73 eingreifen und somit eine zuverlässige Positionierung der Abdeckung 17 bezüglich der Basis 15 in Umfangsrichtung ermöglichen. Die Befestigung der Basis 15 und der Abdeckung 17 ist in der vierten beispielhaften Ausführung mit Verrastungselementen 85, 87 an der Basis 15 und der Abdeckung 17 realisiert, die sich mit Ausnahme der Säulen 21 über den gesamten Umfang der Basis 15 und der Abdeckung 17 erstrecken. Zur Verbindung mit der Einrichtung weist die Basis 15 in der vierten beispielhaften Ausführung einen zylinderförmigen Abschnitt 79 auf, der mit einem Gewinde versehen ist und in die Einrichtung (in den 11 bis 14 nicht dargestellt) eingeschraubt wird. Der Dichtring 63 zur Abdichtung zwischen der Basis 15 und der Einrichtung ist in der vierten beispielhaften Ausführung als O-Ring mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet.
Ein weiterer Unterschied besteht in der Strömungsführung beim Einatmen und Ausatmen in der Schließstellung (13). Der Labyrinthkanal 83 ist anders als bei den bisherigen Ausführungen nicht vollständig umlaufend, sondern im Bereich der Säulen 21 geschlossen. Im Bereich der Säulen 21 liegt der Federteller 27 in der Schließstellung jeweils auf einer Erhöhung 81 auf.
In den 15 bis 18 ist eine fünfte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils 1 gezeigt. Zum Aufbau und der Funktionsweise des Druckausgleichsventils 1 und der einzelnen Komponenten wird wieder im Wesentlichen auf die Ausführungen zu den vorherigen beispielhaften Ausführungen verwiesen, so dass im Folgenden wieder nur die Unterschiede erläutert werden.
Die fünfte beispielhafte Ausführung unterscheidet sich dadurch von den vorherigen Ausführungen, dass zum Positionieren der Basis 15 und somit des gesamten Druckausgleichsventils 1 bezüglich der Einrichtung zwei Stifte 89 an einer einrichtungsseitigen Unterseite der Basis 15 vorgesehen sind. Aus den 17 und 18, die das Druckausgleichsventil 1 in einer Schließstellung (17) und in einer Öffnungsstellung (18) zeigen wird außerdem die Verschweißung zwischen der Basis 15 und der Abdeckung 17 deutlich. Die mit der Basis 15 einstückig verbundenen Säulen 21 weisen an der der Einrichtung abgewandten Oberseite jeweils einen Dom 93 auf, der im montierten Zustand des Druckausgleichsventils 1 über die Abdeckung 17 hinausragt. Die Abdeckung 17 weist entsprechende Durchgangsbohrungen 91 auf, mit denen die Abdeckung 17 auf die Basis 15 aufgeschoben und anschließend verschweißt werden kann.
Es sei klar, dass die Basis 15 und die Abdeckung 17 bei der zweiten beispielhaften Ausführung in den 6 bis 9 auf die gleiche Weise verschweißt sind. Bei der ersten beispielhaften Ausführung weist die Abdeckung 17 im Gegensatz dazu keine Durchgangsbohrungen 91 auf, sondern liegt mit einem Auflagebereich 95 flächig auf den Säulen 21 auf, so dass eine flächigere Verschweißung am Übergang zwischen der Basis 15 und der Abdeckung 17 möglich ist.
In den 19 bis 21 ist eine sechste beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils 1 dargestellt, die sich von der fünften Ausführung in den 15 bis 18 dadurch unterscheidet, dass die Stifte 89 zum Positionieren des Druckausgleichsventils 1 bezüglich der Einrichtung nicht wie insbesondere in 16 erkennbar radial außerhalb des Dichtrings 63, sondern innerhalb des Dichtrings 63 angeordnet sind. Außerdem wird bei der sechsten beispielhaften Ausführung die T-förmige Dichtung 63 aus 10 verwendet, während bei der fünften beispielhaften Ausführung die rechteckförmige Dichtung 63 aus den 6 bis 9 verwendet wird. Es sei jedoch klar, dass auch die jeweils andere Dichtung 63 eingesetzt werden kann.
In den 22 bis 24 ist eine siebte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils 1 dargestellt, die sich dadurch von den vorherigen Ausführungen unterscheidet, dass am Öffnungsrand 55 der Öffnung 5 zwei Rastnasen 97 zur Fixierung des Druckausgleichsventils 1 an der Einrichtung vorgesehen sind.
In den 25 und 26 ist eine achte beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckausgleichsventils 1 dargestellt, wobei in 25 eine Draufsicht auf das Druckausgleichsventil 1 und in 26 eine Schnittansicht des Druckausgleichsventils 1 entlang der Linie II - II in 25 in einer Schließstellung dargestellt ist.
In der achten beispielhaften Ausführung sind keine Abdeckung und keine Feder zum Vorspannen des Dichtkolbens 7 vorgesehen. Stattdessen wird der Dichtkolben 7 von einer Vorspanneinrichtung 99 vorgespannt, die im Wesentlichen vollständig der Umgebung ausgesetzt ist. Es hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, dass das Weglassen der Abdeckung sich zum einen positiv im Hinblick auf eine reduzierte Teilevielfalt und damit einen reduzierten Montageaufwand auswirkt. Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere darin, dass insbesondere flüssige Medien oder auch Festkörper aus der Umgebung, die mit dem Druckausgleichventil 1 in Kontakt geraten, möglichst selbsttätig von diesem wieder unmittelbar abfließen, sich davon ablüften oder allgemein davon entfernen können. Damit verbunden ist ein weiterer Vorteil, der sich insbesondere im Winter bemerkbar macht oder allgemein bei kalten Temperaturen, da durch die freiliegende Gehäusestruktur Flüssigkeitsansammlungen reduziert bzw. vermieden werden können, was ferner dazu führt, dass vermieden werden kann, dass die Flüssigkeiten im Bereich des Druckausgleichsventils 1 einfrieren und/oder dort zu Beschädigungen führen.
Die Vorspanneinrichtung 99 besteht in der achten beispielhaften Ausführung aus fünf konzentrisch bezüglich der Mittelachse M angeordneten und in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten Federelementen 101, die einstückig mit einem Gehäuseteil 103 ausgebildet sind. Das Gehäuseteil 103 ist auf die gleiche Weise mit den Säulen 21 der Basis 15 verbunden, wie die Abdeckung in der Ausführung in den 15 bis 18. Mit anderen Worten stützen sich die Federelemente 101 über das Gehäuseteil 103 an der Basis 15 ab. Die Federelemente 101 erstrecken sich von dem Gehäuseteil 103 aus nach radial innen und in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens hin zu einer der Einrichtung abgewandten Rückseite 105 des Dichtkolbens 7 bzw. des Federtellers 27. Die Enden der Federelemente 101 stehen in einem kraftübertragenden Kontakt mit dem Dichtkolben 7, wobei sich die Kontaktbereiche zwischen dem Dichtkolben 7 und den Federelementen 101 in der Schließstellung des Druckausgleichsventils 1 in einem radialen Abstand zur Mittelachse M befinden. Wenn sich der Dichtkolben 7 aufgrund eines zu hohen Innendrucks in der Einrichtung aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung bewegt, gleiten die Federelemente 101 an der Dichtkolbenoberfläche 105 entlang in Richtung der Mittelachse M. Dadurch kann sich der Dichtkolben 7 von der Öffnung 5 weg bewegen und ermöglicht einen geradlinigen Strömungspfad zur Notentlüftung der Einrichtung.
Es kann vorgesehen sein, dass ein erfindungsgemäßes Druckausgleichsventil 1 zusätzlich eine stromabwärts des Dichtkolbens 7 angeordnete Strömungsführung (nicht dargestellt) für aus der Einrichtung austretende Gase zum Umlenken der Gase entgegen der Strömungsrichtung der Gase aus der Einrichtung in das Druckausgleichsventil 1 aufweist. Auf diese Weise kann beispielsweise der zunehmenden Forderung Genüge getan werden, die aus dem Einrichtungsinneren ausströmenden, insbesondere heißen oder umgebungsschädlichen, Gase gezielt zu sammeln und/oder in eine gewünschte Richtung umzulenken. Die Strömungsführung kann dabei durch das Gehäuse 3 oder eine mit dem Gehäuse 3 zu verbindende Führungskappe realisiert sein. Beispielsweise kann das Gehäuse 3 bzw. die Führungskappe mit Gaskanälen für die austretenden Gase versehen sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste

1: Druckausgleichsventil
3: Gehäuse
5: Öffnung
7: Dichtkolben
9: semipermeable Membran
11: Schraube
13: Einrichtungsgehäuse
15: Basis
17: Abdeckung
19: Säulenstruktur
21: Säule
23: Mantelbereich
25: Sektor
27: Federteller
29: Membranteller
31: Nut
33: Vorsprung
35: Feder
37: Vorsprung
39: Vorsprung
41: Öffnung
43: Strömungsleitvorsprung
45: Nut
47: Strömungsleitrand
48: geradliniger Strömungspfad
49: Mehrlippendichtung
51: einrichtungseitige Dichtlippe
53: dichtkolbenseitige Dichtlippe
54: Dichtfläche
55: Öffnungsrand
57: Aufnahme
59: Aussparung
61: Verschweißung
63: Dichtring
65: Nut
67: Dichtung
69: Schenkel
71: Vertiefung
73: Nut
75: Vorsprung
77: Vorsprung
79: Einschraubabschnitt
81: Erhöhung
83: Labyrinthkanal
85: Verrastungsvorsprung
87: Verrastungsvorsprung
89: Stift
91: Durchgangsbohrung
93: Dom
95: Auflagebereich
97: Rastnase
99: Vorspanneinrichtung
101: Federelement
103: Gehäuseteil
105: Dichtkolbenoberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2586081 B1 [0003, 0004]

Claims

Druckausgleichsventil (1) zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - ein mit der Einrichtung zu verbindendes Gehäuse (3) mit einer fluidal mit dem Innendruck der Einrichtung verbundenen Öffnung (5); - einen Dichtkolben (7), der in eine Schließstellung zum Schließen der Öffnung (5) vorgespannt ist und bei Überschreiten eines vorbestimmten Innendrucks in der Einrichtung aus der Schließstellung in eine Öffnungsstellung zum Freigeben der Öffnung (5) bewegbar ist; und - eine fest mit dem Dichtkolben (7) verbundene semipermeable Membran (9), über die in der Schließstellung ein Gasaustausch zwischen der Einrichtung und der Umgebung bereitgestellt ist; dadurch gekennzeichnet, dass in der Öffnungsstellung ein Massenstrom von wenigstens 100 g/s zugelassen ist.
Druckausgleichsventil (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - ein mit der Einrichtung zu verbindendes Gehäuse (3) mit einer einrichtungsseitigen Basis (15), die eine fluidal mit dem Innendruck der Einrichtung verbundene Öffnung (5) aufweist, und einer gegenüberliegenden Abdeckung (17); und - einen Dichtkolben (7), der in eine Schließstellung zum Schließen der Öffnung (5) vorgespannt ist und bei Überschreiten eines vorbestimmten Innendrucks in der Einrichtung aus der Schließstellung in eine Öffnungsstellung zum Freigeben der Öffnung (5) bewegbar ist; und - eine fest mit dem Dichtkolben (7) verbundene semipermeable Membran (9), über die in der Schließstellung ein Gasaustausch zwischen der Einrichtung und der Umgebung bereitgestellt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (15) und die Abdeckung (17) über eine Säulenstruktur (19) miteinander gekoppelt sind, sodass ein umlaufender Mantelbereich (23) des Gehäuses (3) zu wenigstens 50%, insbesondere zu wenigstens 60%, 70% oder wenigstens 80%, für einen Gasaustausch offen ist.
Druckausgleichsventil (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulenstruktur (19) wenigstens zwei, insbesondere drei, vier oder fünf, die Öffnung (5) umgebende und in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens (7) orientierte Säulen (21) aufweist, die sowohl die Basis (15) als auch die Abdeckung (17) tragen, wobei insbesondere die Basis (15) und die Säulen (21) aus einem Stück, insbesondere im Spritzgussverfahren, hergestellt sind und/oder die Abdeckung (17) fest an den Säulen (21) befestigt ist.
Druckausgleichsventil (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Mantelbereich (23) von der Säulenstruktur (19) in insbesondere gleich dimensionierte Sektoren (25) unterteilt ist, um eine Rundumentlüftung zu gewährleisten.
Druckausgleichsventil (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - ein mit der Einrichtung zu verbindendes Gehäuse (3) mit einer fluidal mit dem Innendruck der Einrichtung verbundenen Öffnung (5), die einen Öffnungsquerschnitt begrenzt; - einen Dichtkolben (7), der in eine Schließstellung zum Schließen der Öffnung (5) vorgespannt ist und bei Überschreiten eines vorbestimmten Innendrucks in der Einrichtung aus der Schließstellung in eine Öffnungsstellung zum Freigeben der Öffnung (5) bewegbar ist; und - eine fest mit dem Dichtkolben (7) verbundene semipermeable Membran (9), über die in der Schließstellung ein Gasaustausch zwischen der Einrichtung und der Umgebung bereitgestellt ist; dadurch gekennzeichnet, dass in der Öffnungsstellung ein im Wesentlichen geradliniger Strömungspfad (48) für einen austretenden Gasstrom zwischen der Einrichtung und der Umgebung über die Öffnung (5) hergestellt ist.
Druckausgleichsventil (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) eine einrichtungsseitige, die Öffnung (5) aufweisende Basis (15) mit einem Strömungsleitvorsprung (43) aufweist und der Dichtkolben (7) einen seitlichen Strömungsleitrand (47) aufweist, wobei der Dichtkolben (7) und die Basis (15) derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Strömungsleitvorsprung (43) und der Strömungsleitrand (47) im Schließzustand unter Bildung eines Labyrinthkanals (83) ineinander eingreifen und/oder im Öffnungszustand in einem Abstand in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens (7) zueinander unter Bildung eines geradlinigen Entlüftungskanals (48) angeordnet sind.
Druckausgleichsventil (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es derart ausgestaltet ist, dass ein im Öffnungszustand austretender Gasstrom im Wesentlichen umlenkungsfrei das Gehäuse (3) und den Dichtkolben (7) passieren kann.
Druckausgleichsventil (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - ein mit der Einrichtung zu verbindendes Gehäuse (3) mit einer fluidal mit dem Innendruck der Einrichtung verbundenen Öffnung (5); und - einen Dichtkolben (7), der in eine Schließstellung zum Schließen der Öffnung (5) vorgespannt ist und bei Überschreiten eines vorbestimmten Innendrucks in der Einrichtung aus der Schließstellung in eine Öffnungsstellung zum Freigeben der Öffnung (5) bewegbar ist; und - eine fest mit dem Dichtkolben (7) verbundene semipermeable Membran (9), über die in der Schließstellung ein Gasaustausch zwischen der Einrichtung und der Umgebung bereitgestellt ist; gekennzeichnet durch eine aus einem Stück hergestellte Dichtung (49), die am Gehäuse (3) angebracht ist und sowohl das Gehäuse (3) gegen den Dichtkolben (7) als auch das Gehäuse (3) gegen die Einrichtung abdichtet.
Druckausgleichsventil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (49) als Mehrlippendichtung ausgebildet ist, wobei insbesondere die Mehrlippendichtung zwei der Einrichtung zugeordnete Dichtlippen (51) und zwei dem Dichtkolben (7) zugeordnete Dichtlippen (53) aufweist.
Druckausgleichsventil (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (49) und eine einrichtungsseitige, die Öffnung (5) aufweisende Basis (15) des Gehäuses (3) im Mehrkomponentenspritzgussverfahren hergestellt sind oder die Dichtung (49) an die einrichtungsseitige, die Öffnung (5) aufweisende Basis (15) des Gehäuses (3) angespritzt ist.
Druckausgleichsventil (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (49) einen die Öffnung (5) begrenzenden Öffnungsrand (55) einer einrichtungsseitigen, die Öffnung (5) aufweisenden Basis (15) des Gehäuses (3) im Wesentlichen vollständig auskleidet, wobei insbesondere die Dichtung (49) eine Aufnahme (57) für den Öffnungsrand (55) aufweist, in der der Öffnungsrand (55) im Wesentlichen vollständig untergebracht ist.
Druckausgleichsventil (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zum Entlüften einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - eine mit der Einrichtung zu verbindende Basis (15) mit einer fluidal mit dem Innendruck der Einrichtung verbundenen Öffnung (5), die einen Öffnungsquerschnitt begrenzt; - einen Dichtkolben (7), der zwischen einer Schließstellung, in der er die Öffnung (5) verschließt, und einer Öffnungsstellung bewegbar ist, in der der Öffnungsquerschnitt vollständig freigegeben ist; und - eine fest mit dem Dichtkolben (7) verbundene semipermeable Membran (9), über die in der Schließstellung ein Gasaustausch zwischen der Einrichtung und der Umgebung bereitgestellt ist; gekennzeichnet durch eine den Dichtkolben (7) in die Schließstellung vorspannende Vorspanneinrichtung (99), die im Wesentlichen vollständig der Umgebung ausgesetzt ist.
Druckausgleichsventil (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (99) wenigstens ein, insbesondere zwei, drei, vier, fünf oder sechs, sich an der Basis (15) abstützendes Federelement (101), wie eine Federzunge, aufweist.
Druckausgleichsventil (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (99) aus einem Stück mit einem mit der Basis (15) gekoppelten Gehäuseteil (103) hergestellt ist.
Druckausgleichsventil (1) nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch wenigstens drei, insbesondere vier, fünf oder sechs, Federelemente (101), die konzentrisch bezüglich einer in Bewegungsrichtung des Dichtkolbens (7) orientierten Mittelachse (M) des Druckausgleichsventils (1) angeordnet sind und/oder beim Bewegen des Dichtkolbens (7) in die Öffnungsstellung an einer der Einrichtung abgewandten, umgebungsseitigen Dichtkolbenoberfläche (105) entlanggleiten.
Druckausgleichsventil (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine stromabwärts des Dichtkolbens (7) angeordnete Strömungsführung für aus der Einrichtung austretende Gase zum Umlenken der Gase entgegen der Strömungsrichtung der Gase aus der Einrichtung in das Druckausgleichsventil (1), wobei insbesondere die Strömungsführung durch das Gehäuse (3) oder eine mit dem Gehäuse (3) zu verbindende Führungskappe realisiert ist.
Druckausgleichsventil (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, insbesondere mechanisch oder chemisch, an dem Dichtkolben (7) befestigte Dichtung (67), insbesondere aus thermoplastischem Elastomer, die im Schließzustand einen Dichtkontakt mit dem Gehäuse (3), insbesondere der Basis (15), ausbildet.
System (10) aus einer Überdruck erzeugenden Einrichtung, wie einer Batterie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, und einem nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Druckausgleichsventil (1) zum Entlüften der Einrichtung.