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Die Erfindung betrifft einen Hochvoltspeicher mit mehreren Zellen, die jeweils ein Zellengehäuse mit einer durch einen bei Zellenüberdruck öffnenden Verschluss verschlossenen Zellengehäuseöffnung aufweisen, und einem an die Zellengehäuseöffnungen angeschlossenen Entlüftungskanal, der eine den Zellengehäuseöffnungen in einer Hochrichtung gegenüberliegende Flammschutzwand aufweist.
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Ein grundsätzliches Problem bei Hochvoltspeichern besteht darin, dass die Zellen im Versagensfall ausgasen können, was manchmal auch als Ausbrennen bezeichnet wird. Dabei reißt eine durch eine Berstmembran gebildete Sollbruchstelle, woraufhin ein Medium aus der Zelle nach außen strömt. Aufgrund chemischer Vorgänge besteht das ausströmende Medium aus heißem Gas, welches z.B. eine Temperatur von ca. 1000°C aufweist und in der Regel metallische Partikel aus dem Inneren der Zelle mit sich führt. Dieses z.B. auch als Plasmastrahl bezeichnete Medium ist sehr abrasiv und durchtrennt viele konventionelle Materialien in kurzer Zeit. Die Anforderungen an die Flammschutzwand bzw. an den Entlüftungskanal sind somit sehr hoch, sodass der Einsatz vieler Materialien dafür nicht in Erwägung gezogen werden kann.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, die Belastung der Flammschutzwand durch ein aus den Zellen ausströmendes Medium reduzieren zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Hochvoltspeicher nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung gegeben.
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Ein Hochvoltspeicher mit mehreren Zellen, die jeweils ein Zellengehäuse mit einer durch einen bei Zellenüberdruck öffnenden Verschluss verschlossenen Zellengehäuseöffnung aufweisen, und einem an die Zellengehäuseöffnungen angeschlossenen Entlüftungskanal, der eine den Zellengehäuseöffnungen in einer Hochrichtung gegenüberliegende Flammschutzwand aufweist, ist erfindungsgemäß insbesondere dadurch weitergebildet, dass die Flammschutzwand, insbesondere zumindest in den Zellengehäuseöffnungen, vorzugsweise in Hochrichtung, gegenüberliegenden Bereichen, bezüglich einer quer zur Hochrichtung verlaufenden Querebene, vorzugsweise zumindest bereichsweise, geneigt und/oder gekrümmt verläuft.
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Die Entlüftungskanäle herkömmlicher Hochvoltspeicher weisen in der Regel einen rechteckigen Querschnitt auf und sind zur Abführung des Mediums oberhalb oder unterhalb der Zellen platziert. Bei all diesen Konzepten trifft ein aus den Zellen ausströmendes Medium jedoch im rechten Winkel auf die der Zellengehäuseöffnung gegenüberliegende Entlüftungskanalwand bzw. Flammschutzwand. Nachteilig daran ist der hohe Energieeintrag pro Fläche. Durch das Auftreffen des aus den Zellen ausströmenden Mediums unter einem Winkel von 90° entsteht ein maximaler Energieeintrag auf minimaler Fläche. Ferner wirkt unter einem Auftreffwinkel von 90° die maximale Kraft durch den Massenstrom des strömenden Mediums auf das Material der angeströmten Wand. Das bedeutet, dass die Flammschutzwand die größtmögliche Belastung erfährt.
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Hingegen ist bei der erfindungsgemäßen Lösung durch den geneigten und/oder gekrümmten Verlauf der Flammschutzwand insbesondere
- - die an der Flammschutzwand vorgesehene Anströmfläche vergrößert, auf welche ein durch die Zellengehäuseöffnungen aus den Zellen in Hochrichtung ausströmendes Medium auftrifft und/oder
- - die Materialstärke der Flammschutzwand in Wirkrichtung des ausströmenden Mediums vergrößert und/oder
- - die aufgrund des ausströmenden Mediums auf die Flammschutzwand wirkende Kraft verringert.
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Schließt die Flammschutzwand, beispielsweise in ihren den Zellengehäuseöffnungen gegenüberliegenden Bereichen, mit der Querebene einen Winkel von α ein, wobei α insbesondere ungleich Null ist, so vergrößert sich die Anströmfläche, auf welche ein durch die Zellengehäuseöffnungen aus den Zellen in Hochrichtung ausströmendes Medium auf die Flammschutzwand auftrifft, z.B. um den Faktor „1/cos(a)“. Entsprechend erhöht sich beispielsweise die Materialstärke der Flammschutzwand in Wirkrichtung des ausströmenden Mediums, z.B. um den Faktor „1/cos(a)“. Insbesondere verringert sich die aufgrund des ausströmenden Mediums auf die Flammschutzwand wirkende Kraft, z.B. um den Faktor „cos(α)“.
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Bevorzugt verläuft die Flammschutzwand bezüglich der quer zur Hochrichtung verlaufenden Querebene geneigt und/oder gekrümmt. Vorzugsweise ist die Flammschutzwand, insbesondere zumindest in den den Zellengehäuseöffnungen, vorzugsweise in Hochrichtung, gegenüberliegenden Bereichen, bezüglich der quer zur Hochrichtung verlaufenden Querebene um mehr als 0° und weniger als 90° geneigt. Vorteilhaft ist die Flammschutzwand, insbesondere zumindest in den den Zellengehäuseöffnungen, vorzugsweise in Hochrichtung, gegenüberliegenden Bereichen, bezüglich der quer zur Hochrichtung verlaufenden Querebene um wenigstens 20° oder um mehr als 20° geneigt. Die Flammschutzwand liegt den Zellengehäuseöffnungen in Hochrichtung insbesondere im Abstand gegenüber.
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Bevorzugt verläuft quer zur Hochrichtung eine Längsrichtung. Vorzugsweise verläuft quer zur Hochrichtung und/oder quer zur Längsrichtung eine Querrichtung. Vorteilhaft verläuft oder verlaufen die oder eine Längsrichtung und/oder die oder eine Querrichtung, insbesondere jeweils, in oder parallel zu der Querebene.
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Der Ausdruck „wenigstens ein“ umfasst insbesondere auch die Bedeutung von „ein“ oder „genau ein“. Bei dem Medium handelt es sich bevorzugt um ein, vorzugsweise heißes, Gas. Beispielsweise bildet das Medium ein Plasma. Insbesondere führt das Medium metallische Partikel mit. Das Medium wird z.B. als Plasma bezeichnet. Das oder ein, bevorzugt durch die Zellengehäuseöffnungen, aus den Zellen ausströmendes Medium wird beispielsweise als Plasmastrahl bezeichnet.
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Bevorzugt handelt es sich bei den Zellen um prismatische Zellen. Beispielsweise sind die Zellen quaderförmig. Vorzugsweise sind die Zellen, insbesondere in geometrischer und/oder in technischer Hinsicht, identisch oder gleichartig aufgebaut.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die Zellen in der oder einer, insbesondere quer zur Hochrichtung verlaufenden, Längsrichtung hintereinander angeordnet. Bevorzugt erstreckt sich die Flammschutzwand und/oder der Entlüftungskanal in Längsrichtung. Dies ist z.B. eine übliche Anordnung bei prismatischen Zellen.
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Gemäß einer Weiterbildung umfasst der Hochvoltspeicher wenigstens ein Modul. Bevorzugt umfasst das wenigstens eine Modul die Zellen und/oder den Entlüftungskanal und/oder die Flammschutzwand. Vorzugsweise umfasst das wenigstens eine Modul ein Modulgehäuse. Vorteilhaft sind die Zellen und/oder der Entlüftungskanal und/oder die Flammschutzwand in dem Modulgehäuse angeordnet.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst der Hochvoltspeicher ein Hochvoltspeichergehäuse. Bevorzugt sind die Zellen und/oder der Entlüftungskanal und/oder die Flammschutzwand in dem Hochvoltspeichergehäuse angeordnet. Vorzugsweise ist das wenigstens eine Modul in dem Hochvoltspeichergehäuse angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung verläuft die Flammschutzwand, insbesondere zumindest in den den Zellengehäuseöffnungen gegenüberliegenden Bereichen, bezüglich der oder einer, vorzugsweise quer zur Hochrichtung und/oder quer zur Längsrichtung verlaufenden, Querrichtung geneigt und/oder gekrümmt. Bevorzugt verläuft die Flammschutzwand parallel zur Längsrichtung.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist der Entlüftungskanal, insbesondere zumindest in einem sich in Längsrichtung über die Zellen erstreckenden Abschnitt, bevorzugt in geometrischer Hinsicht, die Form eines, vorzugsweise in Längsrichtung verlaufenden, insbesondere geraden, Prismas auf. Beispielsweise weist der Entlüftungskanal einen viereckigen oder mehreckigen Querschnitt auf.
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Bevorzugt weist der Entlüftungskanal eine Kanaldecke auf. Die Kanaldecke bildet insbesondere eine, vorzugsweise obere, Wand des Entlüftungskanals. Vorteilhaft ist die Kanaldecke in einem Abstand in Hochrichtung zu den Zellengehäuseöffnungen angeordnet. Bevorzugt weist der Entlüftungskanal zwei Seitenwände auf. Die Seitenwände bilden insbesondere jeweils eine, vorzugsweise seitliche, Wand des Entlüftungskanals. Vorteilhaft liegen die Seitenwände, insbesondere in Querrichtung und/oder im Abstand, einander gegenüber. Bevorzugt weist der Entlüftungskanal einen Kanalboden auf. Der Kanalboden bildet insbesondere eine, vorzugsweise untere, Wand des Entlüftungskanals. Vorteilhaft liegt der Kanalboden, insbesondere in Hochrichtung und/oder im Abstand, der Kanaldecke gegenüber. Vorteilhaft liegt die Kanaldecke, insbesondere in Hochrichtung und/oder im Abstand, dem Kanalboden gegenüber. Bevorzugt ist der Entlüftungskanal durch oder über den Kanalboden an die Zellen und/oder an die Zellengehäuseöffnungen angeschlossen. Vorzugsweise sind in dem Kanalboden im Bereich der Zellengehäuseöffnungen, insbesondere durchgehende, Einlasslöcher vorgesehen. Vorteilhaft ist der Entlüftungskanal durch die Einlasslöcher an die Zellengehäuseöffnungen angeschlossen und/oder mit den Zellengehäuseöffnungen verbunden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist in die Flammschutzwand wenigstens eine, vorzugsweise in Längsrichtung verlaufende und/oder insbesondere in Hochrichtung auf die Zellen vorspringende und/oder vorragende, Sicke eingebracht. Somit kann z.B. der gegenüber der Querebene geneigte und/oder gekrümmte Verlauf der Flammschutzwand und/oder der den Zellengehäuseöffnungen, vorzugsweise in Hochrichtung, gegenüberliegenden Bereichen der Flammschutzwand auf einfache Weise realisieret werden. Beispielsweise ist die Sicke in Querrichtung mittig und/oder den Zellengehäuseöffnungen in Hochrichtung gegenüberliegend angeordnet. Alternativ ist die Sicke z.B. in Querrichtung außermittig und/oder in Querrichtung gegenüber den Zellengehäuseöffnungen versetzt angeordnet. Die außermittige und/oder versetzte Anordnung ermöglicht insbesondere eine flache Bauweise.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die Flammschutzwand, insbesondere an ihrer den Zellengehäuseöffnungen zugewandten Seite, mit einer, vorzugsweise feuerfesten und/oder hitzebeständigen, Beschichtung versehen. Auch hierdurch ist beispielsweise eine flache Bauweise möglich.
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Die Flammschutzwand ist z.B. in dem Entlüftungskanal vorgesehen. Beispielsweise bildet die Flammschutzwand ein separates Bauteil. Bevorzugt ist die Flammschutzwand durch eine, insbesondere den Zellen und/oder den Zellengehäuseöffnungen, vorzugsweise in Hochrichtung, gegenüberliegende, Wand des Entlüftungskanals gebildet. Diese Wand ist z.B. die Kanaldecke oder durch die Kanaldecke gebildet. Hierdurch sind z.B. Material- und Montagaufwand reduzierbar.
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Die Flammschutzwand und/oder der Entlüftungskanal besteht oder bestehen z.B. aus Metall. Beispielsweise besteht oder bestehen die Flammschutzwand und/oder der Entlüftungskanal aus Blech. Bevorzugt besteht oder bestehen die Flammschutzwand und/oder der Entlüftungskanal aus Kunststoff, der vorzugsweise mit Fasern verstärkt ist. Bei dem Kunststoff handelt es sich insbesondere um einen thermoplastischen Kunststoff, wie z.B. Polyamid. Alternativ handelt es sich bei dem Kunststoff z.B. um einen duroplastischen Kunststoff. Bei den Fasern handelt es sich z.B. um Endlosfasern. Beispielsweise handelt es sich bei den Fasern um Basaltfasern.
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Gemäß einer Ausgestaltung besteht oder bestehen die Flammschutzwand und/oder der Entlüftungskanal aus Organoblech. Unter einem Organoblech wird insbesondere eine endlosfaserverstärkte Platte aus thermoplastischem Kunststoff verstanden. Beispielsweise kann ein Organoblech auch als Prepreg mit thermoplastischer Matrix bezeichnet werden. Als Materialien für Matrix und Fasern des Organoblechs werden z.B. Polyamid und Basaltfasern eingesetzt.
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Der bei Zellenüberdruck öffnende Verschluss jeder Zelle öffnet insbesondere bei oder ab einem vorgegebenen Zellenüberdruck. Beispielsweise umfasst der bei Zellenüberdruck öffnende Verschluss jeder Zelle eine Sollbruchstelle. Der bei Zellenüberdruck öffnende Verschluss jeder Zelle umfasst bevorzugt eine Berstmembran oder ein Überdruckventil oder ist z.B. durch eine Berstmembran oder ein Überdruckventil gebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung umfasst oder bildet jede Zelle eine oder wenigstens eine galvanische Zelle oder mehrere galvanische Zellen. Eine galvanische Zelle wird z.B. auch als galvanisches Element bezeichnet. Beispielsweise umfasst oder bildet jede Zelle eine oder wenigstens eine Sekundärzelle oder mehrere Sekundärzellen. Jede Zelle kann z.B. auch als Speicherzelle oder als Batteriezelle oder als Akkuzelle oder als Sekundärelement bezeichnet werden.
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Bevorzugt umfasst jede Zelle einen, insbesondere elektrischen, Pluspol und einen, insbesondere elektrischen, Minuspol. Vorzugsweise sind die Zellen elektrisch in Reihe geschaltet.
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Gemäß der Erfindung trifft ein aus den Zellen ausströmendes Medium nicht unter einem rechten Winkel, sondern unter einem angestellten Winkel auf die Flammschutzwand auf. Hierdurch ergeben sich signifikante Vorteile gegenüber herkömmlichen Flammschutzkonzepten. Insbesondere können aufgrund der Neigung und/oder der Krümmung der Flammschutzwand in zumindest ihren den Zellengehäuseöffnungen gegenüberliegenden Bereichen die thermische und die mechanische Belastung der Flammschutzwand reduziert werden. Hierdurch wird beispielsweise die Möglichkeit geschaffen, Materialien grundsätzlich zu befähigen, in diesem Kontext eingesetzt zu werden. Somit können z.B. andere Materialien als bisher zum Einsatz kommen oder es kann der Materialeinsatz reduziert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht von Zellen und von einem Entlüftungskanal eines Hochvoltspeichers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 die Ansicht nach 1 mit lediglich einer der Zellen,
- 3 eine teilweise Darstellung eines Querschnitts des aus 1 ersichtlichen Entlüftungskanals,
- 4 eine teilweise Darstellung eines Querschnitts eines Entlüftungskanals gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
- 5 eine teilweise Darstellung eines Querschnitts eines Entlüftungskanals gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
- 6 eine schematische Ansicht von Zellen und von einem Entlüftungskanal eines herkömmlichen Hochvoltspeichers und
- 7 eine teilweise Darstellung eines Querschnitts des aus 6 ersichtlichen Entlüftungskanals.
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Aus 1 ist eine perspektivische Ansicht von mehreren in einer Längsrichtung x hintereinander angeordneten Zellen 1 und eines sich in Längsrichtung x erstreckenden Entlüftungskanals 2 eines lediglich teilweise dargestellten Hochvoltspeichers 3 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich. Ferner zeigt 2 die Ansicht nach 1 mit lediglich einer der Zellen 1. Die Zellen 1 sind insbesondere identisch aufgebaut.
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Jede Zelle 1 weist ein Zellengehäuse 4 mit einer Zellengehäuseöffnung 5 auf, die durch einen bei Zellenüberdruck öffnenden Verschluss 6 in Form einer Berstmembran verschlossenen ist. Ferner weist jede Zelle 1 einen Pluspol 7 und einen Minuspol 8 auf.
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Der Entlüftungskanal 2 ist an die Zellengehäuseöffnungen 5 angeschlossen und weist eine in einer Hochrichtung z im Abstand zu den Zellengehäuseöffnungen 5 angeordnete Kanaldecke 9 sowie zwei in einer Querrichtung y im Abstand einander gegenüberliegende Kanalseitenwände 10 und 11 auf. Ferner weist der Entlüftungskanal 2 einen der Kanaldecke 9 in Hochrichtung z im Abstand gegenüberliegenden Kanalboden 12 auf, in dem im Bereich der Zellengehäuseöffnungen 5 durchgehende Einlasslöcher 13 vorgesehen sind. Die Kanaldecke 9 bildet somit eine den Zellengehäuseöffnungen 5 in Hochrichtung z gegenüberliegende Flammschutzwand FS, was insbesondere aus 3 ersichtlich ist, die eine teilweise Darstellung eines Querschnitts des Entlüftungskanals 2 zeigt. Dabei ist die Flammschutzwand FS gegenüber einer quer zur Hochrichtung z verlaufenden Querebene Q um einen Winkel α geneigt. Somit ist eine von einem, insbesondere durch die Zellengehäuseöffnungen 5 aus den Zellen 1 in Hochrichtung z ausströmenden, Medium M angeströmte und/oder anströmbare und in der Zeichnung lediglich schematisch angedeutete Fläche L der Flammschutzwand FS vergrößert, und zwar insbesondere um den Faktor „1/cos(α)“. Die Fläche L kann z.B. auch als Flächenbereich bezeichnet werden. Ferner ist die effektive Materialstärke d der Flammschutzwand FS in Wirkrichtung des ausströmenden Mediums M vergrößert, und zwar insbesondere um den Faktor „1/cos(α)“. Dabei fällt die Wirkrichtung des ausströmenden Mediums M insbesondere mit der Hochrichtung z zusammen. Das, vorzugsweise strömende, Medium M wird z.B. auch als Plasma oder Plasmastrahl bezeichnet. Die Fläche L kann beispielsweise auch als Fläche der Flammschutzwand im Plasmastrahl bezeichnet werden.
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Zum Vergleich mit einem herkömmlichen Hochvoltspeicher wird insbesondere auf die 6 und 7 verwiesen, wobei zu der ersten Ausführungsform identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind. Es ist erkennbar, dass der Entlüftungskanal 2 des herkömmlichen Hochvoltspeichers 3 quaderförmig ausgebildet ist, sodass die Kanaldecke 9 und somit auch die Flammschutzwand, senkrecht zur Hochrichtung z verläuft.
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Aus 4 ist eine teilweise Darstellung eines Querschnitts eines Entlüftungskanals 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform ersichtlich, wobei zu der ersten Ausführungsform identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist in die Flammschutzwand FS eine in Längsrichtung x verlaufende und in Hochrichtung z auf die Zellen 1 vorspringende Sicke 14 eingebracht, die in Querrichtung y insbesondere außermittig und/oder in Querrichtung y gegenüber den Zellengehäuseöffnungen 5 versetzt angeordnet ist. Abgesehen von diesen Unterschieden stimmt die zweite Ausführungsform mit oder im Wesentlichen mit der ersten Ausführungsform überein, sodass zur weiteren Beschreibung der zweiten Ausführungsform auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen wird.
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Aus 5 ist eine teilweise Darstellung eines Querschnitts eines Entlüftungskanals 2 gemäß einer dritten Ausführungsform ersichtlich, wobei zu der ersten Ausführungsform identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist in die Flammschutzwand FS eine in Längsrichtung x verlaufende und in Hochrichtung z auf die Zellen 1 vorspringende Sicke 14 eingebracht, die in Querrichtung y insbesondere mittig und/oder über den Zellengehäuseöffnungen 5 angeordnet ist. Abgesehen von diesen Unterschieden stimmt die dritte Ausführungsform mit oder im Wesentlichen mit der ersten Ausführungsform überein, sodass zur weiteren Beschreibung der dritten Ausführungsform auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zelle
- 2
- Entlüftungskanal
- 3
- Hochvoltspeicher
- 4
- Zellengehäuse
- 5
- Zellengehäuseöffnung
- 6
- Verschluss / Berstmembran
- 7
- Pluspol
- 8
- Minuspol
- 9
- Kanaldecke
- 10
- Kanalseitenwand
- 11
- Kanalseitenwand
- 12
- Kanalboden
- 13
- Einlassloch im Kanalboden
- 14
- Sicke
- d
- Materialstärke in Hochrichtung
- L
- vom Medium angeströmte und/oder anströmbare Fläche der Flammschutzwand
- M
- strömendes Medium
- α
- Winkel
- Q
- Querebene
- FS
- Flammschutzwand
- x
- Längsrichtung
- y
- Querrichtung
- z
- Hochrichtung
