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Die Erfindung betrifft ein Druckausgleichselement zur Herstellung eines Druckausgleichs zwischen einem druckdicht umschlossenem Innenraum und einer den Innenraum umgebenden Umgebung, mit einem Befestigungselement mit einem Befestigungsbereich mit einer darin angeordneten Druckausgleichsleitung und mit einem Aufnahmeabschnitt, einem Membranelement, welches in dem Aufnahmeabschnitt aufgenommen ist, und einem Kopfelement, welches mit dem Befestigungselement form- oder kraftschlüssig verbunden ist und das Membranelement in dem Aufnahmeabschnitt fixiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt eine nach außen weisende Stirnfläche aufweist, welche konkav einwärts gewölbt ist.
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Druckausgleichselemente dienen generell dazu, um Bauteile zu be- und entlüften, insbesondere finden solche Druckausgleichselemente zum Be- und Entlüften von Gehäusen Anwendung. Diese Be- und Entlüftung wird erforderlich, wenn aufgrund von Temperaturschwankungen oder Schwankungen des Umgebungsdrucks oder des Drucks innerhalb eines Bauteils/Gehäuses ein Druckunterschied zwischen einem Innenraum des Bauteils/Gehäuses und einer Umgebung auftritt. Ein solcher Druckunterschied baut sich regelmäßig dann auf, wenn dieser Innenraum druckdicht umschlossen ist, zumindest aber solcherart umschlossen ist, dass ein sich aufbauender Druckunterschied nicht schnell genug durch einen Fluidstrom, der durch Öffnungen, Spalten oder dergleichen hindurch dringt, ausgeglichen werden kann.
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Eine grundsätzliche Anforderung an Druckausgleichselemente liegt in deren Anwendung als mehrfach und häufig eingesetztes Bauteil begründet und fordert eine kostengünstige Herstellung dieser Bauteile. Druckausgleichselemente finden regelmäßig an einer Vielzahl von Bauteilen und Gehäusen Anwendung. Sie können und müssen als solche Standard-Bauteile kostengünstig hergestellt und montiert werden können.
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Eine weitere Anforderung an Druckausgleichselemente liegt in einer hohen Widerstandsfähigkeit gegen eine Vielzahl von unterschiedlichen Stoffen, insbesondere eine chemische Beständigkeit gegen unterschiedliche Chemikalien. Durch diese Eigenschaft wird ein universeller Einsatz eines Druckausgleichselements in verschiedenen Anwendungen eröffnet und die Notwendigkeit, unterschiedliche Varianten von Druckausgleichselementen bereitzuhalten, verringert bzw. das Sortiment reduziert.
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Während diese beiden grundlegenden Anforderungen zum Einsatz kostengünstiger Kunststoffe für die Herstellung von Druckausgleichselementen führen kann, steht dem Einsatz eines solchen Werkstoffs eine dritte Anforderung entgegen, nämlich, die Anforderung einer hohen mechanischen Stabilität. Druckausgleichselemente sind oftmals bereits aufgrund ihrer Einbaulage ein aus einem Bauteil oder Gehäuse hervorstehendes konstruktives Element und als solches mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Diese mechanischen Beanspruchungen sind für eine Festigkeitsberechnung schwer vorhersehbar, da sie häufig aus Belastunger herrühren, die nicht dem regulären Gebrauch des Bauteils/Gehäuses entspringen. So können beispielsweise Beanspruchungen das Druckausgleichselements auftreten, die durch eine Schlagbelastung verursacht werden. Es ist generell wünschenswert und ein Ziel der Erfindung, ein Druckausgleichselement bereitzustellen, welches gegenüber solchen Beanspruchungen eine verbesserte Widerstandsfähigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Druckausgleichselement der Eingangs genannten Art gelöst, bei dem der Kopfabschnitt eine nach außen weisende Stirnfläche aufweist, welche konkav einwärts gewölbt ist.
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Das erfindungsgemäße Druckausgleichselement zeichnet sich durch eine konkav einwärts gewölbte Stirnfläche aus. Grundsätzlich ist zu verstehen, dass ein Druckausgleichselement solcherart aufgebaut ist, dass es in eine Öffnung in einem Bauteil oder einem Gehäuse eingesetzt und darin befestigt werden kann, beispielsweise durch Einschrauben eines an dem Druckausgleichselement ausgebildeten Außengewindes in eine Gewindebohrung, alternativ aber auch durch Einclippen, Einpressen oder dergleichen. Das Druckausgleichselement bildet in diesem Fall eine durch den Aufnahmeabschnitt in dieser Gehäuseöffnung definierte Längsachse aus, die zugleich eine Flächennormale zur Stirnfläche des Druckausgleichselementes darstellt. Diese Stirnfläche weist regelmäßig eine nach außen weisenden Flächenteil auf, der typischerweise mechanischen Beanspruchungen aus unvorhersehbaren Belastungen ausgesetzt ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Stirnfläche konkav ausgeformt, d. h. sie ist nach einwärts gewölbt und bildet somit eine Mulde in der nach außen weisenden Fläche aus. Diese Wölbung kann mit einem konstanten Radius über den gesamten Bereich der Wölbung ausgeführt sein, ebenso kann aber auch sich der Radius von einem Abschnitt der Wölbung zu einem anderen Abschnitt der Wölbung verändern. Die konkave Ausbildung hat mehrere Vorteile gegenüber vorbekannten Ausgestaltungen von Druckausgleichselementen. So wird zum Einen eine ungünstige Punktbelastung durch Schlageinwirkung bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Druckausgleichselements gerade im kritischen Stirnflächenbereich vermieden. Hier bietet die konkave Ausgestaltung gegenüber planen oder konvexen Ausgestaltungen den Vorteil, dass gerade Schlageinwirkungen, die durch konvex geformte oder plane Gegenstände auf das Druckausgleichselement einwirken, über einen größeren Flächenanteil aufgenommen werden und folglich keine lokalen Überbeanspruchungen bewirken können. Die Beanspruchung, die in dem Druckausgleichselement durch eine solche Schlagbelastung auftritt, ist demzufolge gegenüber vorbekannten geometrischen Ausgestaltungen reduziert.
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Ein weiterer Vorteil der konkaven Ausgestaltung der Stirnfläche liegt darin, dass bei etwa gleichem Materialaufwand wie bei anderen geometrischen Ausgestaltungen – beispielsweise plan oder konvex – eine bessere Ableitung der Kräfte, die durch äußere Belastungen in dem Druckausgleichselement auftreten, erzielt wird. Dies liegt zum einen daran, dass gerade im Randbereich der konkaven Auswölbung eine vorteilhafte Verbindung zu weiteren Strukturen des Druckausgleichselements erreicht wird und zum anderen darin, dass gerade der Mittelbereich der Stirnfläche durch die Konkavität solcherart zurückgesetzt ist, dass er äußeren Belastungen gegenüber geschützt liegt und folglich mit einer reduzierten Wandstärke gegenüber Ausführungen aus dem Stand der Technik ausgelegt werden kann, ohne dass hierbei eine statistisch erhöhte Empfindlichkeit gegenüber den Belastungen auftritt.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Befestigungselement einen Flansch mit einer ringförmigen Auflagefläche aufweist und dass die konkav gewölbte Stirnfläche von einem ringförmigen Randbereich umgeben ist, von dem aus eine direkte Kraftübertragung einer auf den Randbereich einwirkenden Kraft auf einer senkrecht zur Auflagefläche liegenden Kraftübertragungslinie zu der Auflagefläche in mehreren über den Umfang verteilten Bereichen erfolgt.
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Grundsätzlich ist es einerseits wünschenswert, dass das Druckausgleichselement äußere Krafteinwirkungen aufnehmen und diese oder Anteile davon absorbieren kann, beispielsweise durch eine dämpfende elastische Verformung. Andererseits ist es vorteilhaft, wenn solche äußeren Einwirkungen mit einer möglichst günstigen Kraftflusslinie von ihrem Einwirkungsort durch das Druckausgleichselement auf das Bauteil/Gehäuse weitergeleitet werden können, in welches das Druckausgleichselement eingebaut ist. Zu diesem Zweck eignet sich erfindungsgemäß insbesondere ein Flansch mit einer ringförmigen Auflagefläche, der beispielsweise als Dichtungsfläche zwischen Druckausgleichselement und Bauteil/Gehäusewand ausgeführt sein kann. Ein solcher Flasch liegt gemäß dieser Ausführungsform in Bezug auf den ringförmigen Randbereich der konkav gewölbten Stirnfläche solcherart, dass eine Krafteinwirkung auf diese ringförmige Stirnfläche direkt auf einer senkrecht zur Auflagefläche des Flansches liegenden Kraftübertragungslinie übertragen werden kann. Unter einer direkten Übertragung ist hierbei zu verstehen, dass keine Übertragung stattfindet, bei der die Bauelemente des Druckausgleichselement Hebelkräften oder im mechanischen Sinne Kräften des Biegebalken unterworfen sind. Statt dessen ist vorzugsweise entlang der gesamten Kraftübertragungslinie Vollmaterial des Druckausgleichselementes vorhanden, wobei dieses Vollmaterial durch ein integrales Bauteil oder durch aneinander angrenzende Bauteile mit direktem Kraftübertragungskontakt bereitgestellt werden kann. In Abwandlung dieses Prinzips ist es ebenso vorteilhaft, wenn die Kraftübertragung durch Rippenelemente von zumindest mehreren Bereichen des Randbereichs der Stirnfläche aus erzielt wird. Diese direkte Kraftübertragung ist in vielen Anwendungsfällen der über den gesamten Umfang massiven Ausbildungen des Kraftübertragungswegs ebenbürtig, da der Randbereich der Stirnfläche gerade aufgrund der konkaven Ausgestaltung einen Bereich hoher Materialdicke darstellen kann und daher eine Kraftübertragung auf eine Rippe, die sich in zum Flansch und hin erstreckt, innerhalb dieses Randbereichs ohne große Materialbeanspruchung erfolgen kann, auch dann, wenn der Krafteinwirkungspunkt nicht unmittelbar im Bereich der Rippe liegt, sondern beispielsweise zwischen zwei im 90 Grad-Winkel zueinander angeordneten Rippen.
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Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die direkte Kraftübertragung über den gesamten Umfang erfolgt. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Kraftübertragungsweg über den gesamten Umfang durch massive Materialbereitstellungen bewirkt.
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Noch weiter ist es bevorzugt, wenn die konkave Wölbung eine Radius aufweist, welcher mindestens der Hälfte und höchstens dem Doppelten des Durchmessers der Stirnfläche entspricht, insbesondere etwa dem Durchmesser der Stirnfläche entspricht. Mit diesen Ausgestaltungen hat sich gezeigt, dass eine einerseits vorteilhafte Widerstandsfähigkeit gegen typische Schlag-, Scher- oder sonstige Belastungen erreicht wird, zugleich aber eine Materialsparende und hinsichtlich der Kraftübertragung vorteilhafte Geometrie des Druckausgleichselementes ausgeführt werden kann.
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Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der Aufnahmeabschnitt einen ringförmigen Absatz aufweist, auf dem sich ein ringförmiger Absatz des Kopfelements abstützt, und dass die Grenzfläche zwischen den Absätzen von Aufnahmeabschnitt und Kopfelement parallel zu der Auflagefläche liegt. Hierdurch wird eine günstige Kraftübertragung durch im Wesentlichen senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung liegende Flächen zwischen dem Aufnahmeabschnitt und dem Kopfelement erreicht.
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Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der konkav einwärts gewölbte Abschnitt durch eine konkav gewölbte Wand gebildet wird, die auf ihrer nach innen weisenden Seite mittels einer oder mehrerer Rippen, insbesondere mittels radial verlaufenden Rippen verstärkt ist. Durch diese Ausgestaltung wird eine einerseits materialsparende, zugleich aber gegen äußere Belastungseinwirkungen widerstandsfähige Struktur im Bereich der Stirnfläche ausgebildet. Die Rippen können dabei gleichmäßig über den Umfang verteilt sein, beispielsweise durch vier im 90 Grad-Winkel zueinander angeordnete Rippen, ebenso beispielsweise durch acht im 48 Grad-Winkel zueinander angeordnete Rippen.
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Noch weiter ist es bevorzugt, wenn das Kopfelement eine Mehrzahl von Öffnungen, insbesondere Bohrungen aufweist, die mit der Membran in Fluidverbindung stehen. Durch eine solche Ausgestaltung wird ein effizienter Fluidfluss durch das Druckausgleichselement zur Herstellung des Druckausgleichs erreicht, wobei die Anzahl und der Durchmesser der Bohrungen entsprechend gewählt werden können, um einen ausreichenden Durchflussquerschnitt für das entsprechende Medium, insbesondere Luft, zu erreichen, die Bohrungen dienen dabei dazu, um Fluidfluss in beiden Richtungen, d. h. von der Stirnfläche aus in Richtung in das Druckausgleichselement hinein (beispielsweise zur Belüftung eines Gehäuses) oder zur Stirnfläche aus dem Druckausgleichselement heraus (beispielsweise zur Entlüftung eines Gehäuses) auszubilden. Die Membran dient hierbei dazu, um das Eindringen von Feuchtigkeit im Zuge eines solchen Luftdruckausgleichs zu verhindern.
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Schließlich ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das die Membran ausgebildet ist, um gasdurchlässig und flüssigkeitsundurchlässig zu sein. Mit dieser Ausgestaltung wird eine sichere Be- und Entlüftung ohne die Gefahr eines Eindringens oder Austretens von Flüssigkeit erreicht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Druckausgleichselements von seitlich oben,
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2 eine Seitenansicht des Druckausgleichselementes gemäß 1,
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3 eine geschnittene Seitenansicht des Druckausgleichselementes gemäß 1, und
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4 eine Draufsicht auf das Druckausgleichselement mit eingetragener Schnittlinie gemäß des Schnittes nach 3.
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Bezugnehmend auf die Figuren umfasst ein Druckausgleichselement insgesamt vier separate Bauelemente. Zum einen beinhaltet das Druckausgleichselement ein Befestigungselement 10, an dem ein Außengewinde 11 um eine Mittellängsachse 100 an einem Schaftabschnitt ausgebildet ist. Dieses Außengewinde 11 dient zur Befestigung des Druckausgleichselement in einer entsprechenden Gewindebohrung eines Gehäuses. Innerhalb des Außengewindes ist eine zentrale Bohrung 18 ausgebildet, die koaxial zur Mittellängsachse 100 liegt.
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Ausgehend von einem Einschraubende 12 des Außengewindes 11 erstreckt sich das Außengewinde 11 bis zu einem Auflageflansch 13, an dem eine elastromere Dichtung 14 angespritzt ist. Die elastomere Dichtung 14 weist zu dem Außengewinde 11 und dient zur Abdichtung auf einer Gehäusewandung bei eingeschraubten Druckausgleichselement im Bereich um die Gewindebohrung im Gehäuse. Das Befestigungselement 10 weist weiterhin einen von dem Einschraubende 12 wegweisenden, nach Außen stehenden Befestigungsringabschnitt 15 auf, der eine Außenumfangsnut 16 zwischen einem Kopfabschnitt und dem Auflageflansch 13 ausbildet.
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Weiterhin umfasst das Druckausgleichselement ein Kopfelement 20 in die ringförmige Befestigungsnut 16 greift ein als Schnappring ausgebildeter, nach innen weisender Kragen 21 des Kopfelementes 20 formschlüssig ein und verriegelt dieses Kopfelement auf dem Befestigungselement hierdurch formschlüssig. Das Kopfelement 20 weist eine Stirnfläche 22 auf, die konkav einwärts in Richtung des Einschraubendes 12 des Druckausgleichselementes gewölbt ist. Diese gewölbte Stirnfläche ist auf ihrer zum Einschraubende 12 weisenden Seite mit vier sich radial erstreckenden Rippen 23 verstärkt.
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Das Kopfelement 20 weist weiterhin einen zum Einschraubende 12 vorstehenden Ringflansch 24 auf, der einwärts von dem Ringvorsprung 15 liegt. Dieser Ringflansch 24 drückt einen äußeren Membranrand einer Membran 40 auf einen Ringabschnitt 31 einer gummielastischen Einsatzelementes 30 und sichert dieses Einsatzelement 30 in einer axial im Befestigungselement ausgebildete Ringnut 17. Auf diese Weise wird die Membran 40 im Druckausgleichselement befestigt.
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Das elastomere Einsatzelement 30 weist eine kreuzförmige Verstrebung 32 auf, die sich durch vier Rippen in einem 90 Grad-Winkel zueinander radial erstreckt. Diese kreuzförmige Verstrebung stützt die kreisförmige Membran 40, welche gasdurchlässig und flüssigkeitsundurchlässig ausgebildet ist, beispielsweise als technisch-textile Membran. Auf diese Weise wird durch das Druckausgleichselement sichergestellt, dass ein Druckausgleich mittels Gasen möglich ist, hierbei aber das Eindringen von Flüssigkeiten verhindert wird. Die Membran wird zwischen dem elastomeren Stützelement und dem ringförmigen Flanschabschnitt des Kopfelementes kraftschlüssig fixiert.
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Im Kopfelement sind eine Mehrzahl von Öffnungen 26 ausgebildet, welche eine gasförmige Verbindung zu dem Membranelement herstellen. Ein Druckausgleich ist ausgehend von diesen Öffnungen 26 über die Membran, die zwischen den Verstärkungsrippen des elastomeren Stützelementes liegenden Öffnungen und die zentrale Bohrung 18 im Befestigungselement somit durch einen entsprechenden Gasfluß möglich.
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Das Kopfelement 20 und das Befestigungelement 10 können vorzugsweise aus einem Kunststoff wie Polyamid, Polyethylen oder dergleichen hergestellt sein. Das Einsatzelement kann vorzugsweise aus Polyurethan hergestellt sein. Die Membran 40 kann vorzugsweise aus Gore-Tex® oder einem funktionell ähnlichen technischen Textilgewebe hergestellt sein.
