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Mehrzellige Akkumulatorenbatterie
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Gegenstand der Erfindung ist eine mehrzellige Akkumulatorenbatterie,
die in einem abgeschlossenen Raum angeordnet ist, der mit Entlüftungsanordnungen
versehen ist.
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Batteriebehälter nehmen in ihrem Innenraum eine aus mehreren Akkumulatorenzellen
bestehende Batterie auf und ihre Hauptfunktion besteht darin, eine fflr die Umwelt
möglichst sichere Entlüftung zu gewährleisten. Im Betrieb von Akkumulatoren entstehEn,
insbesondere bei der Ladung, Gase, Elektrolytnebel und -dämpfe. Als Gefahrenquelle
sind insbesondere die in den Akkumulatorenzellen entstehenden Gase Wasser-und Sauerstoff
von Bedeutung, die bei einem bestimmten Mischungsverhältnis und entsprechender Temperatur
zur Bildung von Knallgas führen konnen.
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Da die Zellentemperatur verhältnismäßig leicht durch Temperiervorrichtungen
zu beherrschen ist, muß besonderer Wert auf eine verpufrunge und explosionsuichere
Entgasung der Zellen in den Behälterinnenraum und von dort in die Atmosphäre gelegt
werden.
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Wegen individueller Unterschiede entwickeln die Einzelzellen im Batterieverband
oft stark voneinander abweichende Gasmengen und die Gasausstoßvolumina sind insbesondere
bei Hochleistungszellen größer als es zur Aufrechterhaltung des Gasmechanismus während
der Ladung und während des Betriebes eigentlich notwendig ist. Häufig kommt es daher
bei starker Gasung zur Bildung von Wasserstcff- und Sauerstoffnestern im Innenraum
der Batteriebehälter. Diese Gase füllen zusammen mit atmosphärischer Luft, mit Schwebeteilchen,
Verunreinigungen sowie mit
Elektrolytdampf und -nebel den freien
Batterieraum aus und es ergibt sich bei erhöhter Temperatur ein explosives Gemenge.
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Bei bekannten Batteriebehältern und Batterieräumen ist die gefahrlose
Ableitung dieses Gas-, Luft-, Elektrolytdsmpt-Schiebeteilchengex nges an die Atmosphäre
nur sehr unvollkommen, da sie nur mittels des Drucks der aus den offenen Zellen
susströmenden Gase und Elektrolytnebel erfolgt. Der entstehende Druck reicht oft
nicht aus, um eine stetige Ableitung beispielsweise durch die Plettenschutzpakete
von Battcriebehaltern fur den Untertagebetrieb zu gewährleisten. Ebenso schlecht
ist in vielen Fällen die Gasableitung aus Batterieräumen, die ringsum geschlossen
sind und nur einseitig eine ttfnungsklappe fflr den seitlichen Batterieaustausch
besitzen.
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Daneben haben fast alle Batteriebehälter den Nachteil, daß sie nicht
voll wärmeisoliert sind, Ist beispielsweise der Deckel eines Batterie behälters
nicht durch eine aufgebrachte Gummi- oder Schaumstoffschicht wärmeisoliert, so gelangen
die warmen auf steigenden ElektrolytdFmpte an die relativ kalte Deckelunterseite.
Der Taupunkt wird dort unterschritten und es bilden sich Elektrolyttrdptchen, die
in großer Zahl auf die Zellendeckel, Verbinder und Polbolzen regnen und neben Korrosion
noch Nebenschlüsse bewirken und auch die unteren Spalten der Plattenschutzpakete
zusetzen, so daß auch deren eigentlicher Zweck in Frage gestellt ist.
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Bekannt sind auch Entlflftungsvorrichtungen fUr Batterieräume, die
durch Exhaustoren uber ein Rohrleitungssystem, welches über den Batterisoberflächen
angeordnet ist, betrieben werden. Bei einer anderen Entl#ftungsvarrichtung werden
die Zellenventile der Einzelzellen der Akkumulatorerbatterie über eine gemeinsame
Rohrleitung miteinander verbunden und an ein Saug- oder Druckpumpenaggregat angeschlossen.
Diese Vorrichtungen besitzen den Nachteil, daß sie Energie aus den Akkumulatoren
oder aus ein Fremdstromnetz zum Betrieb der Pumpen- oder Exhaustoren-Motoren benötigen.
Weiterhin besitzen derartige Entlüftungseinrichtungen ein hohes Gewicht und sind
sehr aufwendig. Neben der apparativen Ausrüstung üssnn kostspielige, konstruktive
Maßnahmen ergriffen werden, wenn beiâpieisisiss ein Batteriebehälter in einer explosionsgefährdeten
Umgebung,
wie es im Untertagebetrieb der Fall ist, verwendet werden
soll.
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Ein dickwandiger Behälter mit Plattenschutzpaketen im schweren Deckel
ist nur mit Hilfe besonderer Kran-Transportvorrichtungen zu handhaben und zu öffnen.
So wiegt beispielsweise allein der Deckel eines Untertagebatteriebehälters in den
Ausmaßen von ca. 3000 x 1000 mm etwa 1000 kp. Dieses Gewicht kann bei den notwendigen
Wartungs- und Reparaturarbeiten nicht mehr manuell gehandhabt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen wartungsleicht bedienberen
Batteriebehälter bzw. Batterie raum zu schaffen, bei welchem eine unmittelbare Entlüftung
des Behälterinnenraumes ohne Energieentnuhme aus der Batterie unter allen Betriebsbedingungen
gewährleistet wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß oberhalb der
Batterienberflache eine Gasleitplane angeordnet ist. Dabei besteht die Gasleitplane
insbesondere vollständig aus einem flexiblen Material.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren 1 bis 8 näher erläutert.
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Es stellen dar: Figur 1 die perspektivische Gesamtansicht eines Batteriebehältere;
Figur 2 einen Querschnitt in der x - x' Ebene der Figur 1; Figur 3 den Teilquerschnitt
durch eine andere Ausführungsform eines Batteriebehälters; Figur 4, Figur 5 und
Figur 6 den Querschnitt gemäß Figur 2 bei verschiedenen Betriebsbedingungen; Figur
7 eine Gasleitplane mit zusätzlichen Schwingblättern; Figur 8 die zusätzliche Anordnung
einer Reusenschiene unterhalb der Gasleitplane.
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Gemäß Figur 1 ist auf dem oberen freien, mit Plattenschutzpaketen
3 versehenen Rand eines Batteriebehälters 1 eine dünne, ebene Gasleitplane 2 aus
Gummi oder Kunststoff befestigt. Bereits im ruhenden Zustand des Batteriebehälters
hängt die Gummi- oder Kunststoffplsne 2 in der Mitte der vorher freien Behälteroberfläche
um den Betrag d durch. Nimmt man an, daß die Gasleitplane 2 in ihrer Dicke und in
ihrer Materialatruktur homogen ist, so wird der Durchhang stetig, d.h. ohne plötzliche
Sprünge
nach den Rändern des Batteriebehälters hin kleiner, wie
anhand der Ourchhangslinien 5 und 6 zu erkennen ist.
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Durch den gleichmäßigen, stetigen Durchhang der Gasleitplane 2 nach
ellen Saiten wird das aus den Zellenstopfen oder -ventilen der schematisch dargestellten
Batterie 4 (Figur 2) ausströmende Gas bzw. der Gas/Elektrolytnebel in Pfeilrichtung,
wie in den Figuren 2 und 3 angedeutet, durch die Plattenschutzpakete 3 auf dem kflrzssten
Weg nach außen gefflhrt, wobei die Druckentspannung stetig und gefahrlos erfolgt,
da sich keine Wasserstott- und Sauerstoffnester bilden kõnnen. Die gleich gute Druckentspannung
und Entlflftung tritt auch bei einer im Querschnitt beispielsweise dreiecksförmigen
Gasleitplane 2 gemäß Figur 3 ein. Insbesondere Gasleitplanen entsprechend Figur
3 kennen aus einem starren Kunststoffmaterial bestehen und über an ihrem Rand angebrachte
flexible Streifen aus Kunststoff oder Gummi beweglich mit dem Behälterrand verbunden
sein. alle Ausführungsformen von Leitplanen müssen jedoch den Behälterinnenraum
vollkommen dicht abschließen. Am Befestigungarand des Batteriebehälters 1 s#nd unterhalb
der Gasleitplane 2 die Plattenschutzpakete 3 oder sonstige Gasauslässe so angebracht,
daß sich zwischen oberem Rand dieser Gasauslässe oder Plattensshutzpakete 3 und
Unterseite der Gasleitplane 2 kein Raum oder nur ein geringer Raum befindet, so
daß sich kein Gasstau in der Ausstr#-mungsrichtung bilden kann.
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Sird ein solcher Batteriebehälter 1 in ein Fahrzeug eingebaut, so
treten bei jeder Richtungsänderung sich überlagernde Longitudinal- und Transversalschwingungen
in allen Ebenen der Gasleitplane 2 auf. Durch die ständig wechselnden Fahrzeug-Beschleunigungen,
verz§gerungen, Schlingen über Bug und Heck, sowie Krängungen nach Steuerbord und
Backbord und umgekehrt ergeben sich unterschiedliche Bewegungen der Gasleitplane
2. Die Intensität und der Charakter dieser Bewegung kann von heftigen, abrupten
Stößen bis zum gleichtormigen Rollen ständig wechseln, jedoch wird in jedem Fall
die Bewegung der Gaslsitplane mit der Fahrzeugbewegung nach dem Newtonschen Beharrungsgesetz
auf rechterhalten. Die Bewegung der Gasleitplane 2 überträgt sich direkt und verlustlos
auf das zu transportierende Gas, welches auf diese Weise bei Po engstem Gasüberdruck
und auch im vollkommen entspannten Zustand slcher
durch die Plattenschutzpakete
3 in die Atmosphäre abgeleitet wird.
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Den Gasen und Dämpfen, die keine oder kaum eine Eigenbewegung besitzen,
wird auf diese Weise eine Fremdbewegung aufgezwungen.
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Die von der Gasleitplane 2 herrührenden Fremdbewegungen können noch
durch auf der Gasleitplane 2 frei bewegliche zusätzliche Massen 7 verstärkt werden.
Als zusätzliche Massen 7 eignen sich Flüssigkeiten oder auch feste Materialien.
Als Flüssigkeit ist beispielsweise Ul hoher Viskosität, das leicht ohne Reibungsverluste
der Schwerkraft und den Fahrzeugbewegungen folgt und die Leitplane 2 in verstärkter
Bewegung hält, geeignet.
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Die bendtigte ölmenge richtet sich nach der Dicke und der Dehnungsfestigkeit
sowie nach der Elastizität des Materials der Leitplane 2. Allgemein gesagt, soll
die ölmenge nicht so schwer scirl, daß die Beziehung: a - d = 15 Millimeter uhtrschritte
wird, wobei a der Abstand vom Be halterand bis zur höchsten Erhebung der Batterisoberfläche,
meistens ist dies die Ventil- oder Verbinderoberfläche, ist. Der maximal mögliche
Durchhang ist mit d bezeichnet. Um einen noch stärkeren Bewegungsausschlag zu erreichen,
können statt flüssiger zusätzlicher Massen 7 Festkörper benutzt werden. Diese Körper
kennen beispiP1sw#ise aus Kunststoff oder aus Metall mit Kunstatoffüberzeug sein;
Kugeln werden wegen des geringen Reibungswiderstandes nach allen Seiten bevorzugt.
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Die Wirkung des leichtflüssigen und temperaturbeständigen Ules, welches
bevorzugt verwendet wird, ist anhand der Figuren 4 bis 6 erläutert. In allen Figuren
ist ein ebener Metalldeckel 11 als abschließender Deckel auf die Ränder der Leitplane
2 gelegt; das Bewegungsmittel 7 kann so beliebig hin- und herschwappen, ohne den
oberen Bewegungsraum, der von der Gasleitplane 2 und dem Deckel 11 gebildet wird,
verlassen zu können. Entsteht in der Batterie ein starker Druck, dieser kann beispielsweise
auch im Ruhezustand des Fahrzeuges bei der Starkstromladung bei schlechten Kühlverhältnissen
entstehen, so wird die flexible Gasleitplane 2 zu irgendeiner faltigen Form durch
den Gasdampfdruck gegen den Deckel 11 gemäß Figur 4 gedrückt. Die Luft im oberen
Bewegungsraum wird komprimiert, das flüssige Ul 7 jedoch nicht. Es verteilt sich
auf die Faltenzwischenräume, die die hochgepreßte Gasleitplane 2 unter dem hohen
Druck gebildet
hat. Das mehr oder weniger stark komprimierte Luftpolster
oberhalb der Gasleitplane wirkt als Gegenkraft, die mit der auf das al 7 und auf
die Leitplane 2 wirkenden Schwerkraft zusammen das Gas bei nachlassendem Gasdruck
über die Plattenschutzpakete 3 in die Atmosphäre drückt. Außerdem gibt das heiße
Gasflüssigkeitsgemenge noch zusätzlich Wärme an die im oberen Bewegungsraum eingeschlossene
Luft ab, wobei sich das Luftpolster noch weiter ausdehnt und das Gemenge noch wirkungsvoller
nach außen druck.
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Figur 5 zeigt als häufig auftretende Bewegungsform eine Fahrzeugkrängung
nach Steuurbord. Die zusätzliche Masse 7 drückt die Gasleitplans 2 mehr und mehr
nach rechts und schiebt damit das Gaaflflssigkeitsg-in.
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ge durch die Plattenschutzpakete 3 in die Atmosphäre. Eine FihrzeugkrSngung
nach Backbord erzeugt eine analoge Wirkung. Ebenso verhält sich die Leitplane bei
Bewegungen in der Fahrzauglängsschse, Bei einer pldtzlichen Verzögerung drückt das
Bewegungamittel 7 die Leitplane 2 zum Bug, während bei einer plötzlichen Beschleunigung
das Bewegungsmittel zum Heck drückt. Erfolgen die Fahrzeugeinwirkungen auf das Bewegungsmittel
7 schlagartig, abrupt, so wird ebenso kraftvoll das Gasflüssigkeitsgemenge von der
Steilwand der Leitplane 2 nach außen geschoben, während auf der flacheren Wandseite
der Gasleitplane ein relativ leichter Unterdruck entsteht, der die darunterliegenden
Zellen wirkungsvoll entgast.
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In Figur 6 ist ein Sonderfall dargestellt, der sich dann ergibt, wenn
ein Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit beispielaweise in eine Linkekurve gefahren
wird. Eigentlich mUßte die zusätzliche Masse 7 die Gaaluitplane 2 nach links drücken,
das geschieht aber nicht, wenn die Zentrifugalkraft sehr hoch ist, da diese die
flüssig. Masse 7 nach einer Per.-bei einstellt und die Gasleitplane 2 nach Steuerbord
drückt.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, daß sich zwischen dem
Deckel 11 und der Gasleitplane 2 im oberen Bewegungsraum ein wärmeisolierendus Luftpolster
befindet. Die Außemtempsratur kann nicht mehr direkt .uf duft Behälterinnenraum
einwirken; das bedeutet, daß der Taupunkt des Gasflüssigkeitsgemenges bei den durch
die ständige Bewegung erzielten kurzen Ausstoßzeiten nicht mehr unterschritten werden
kann. Es kommt daher keuu noch zu Elektrolyttropfenbildungen im Behälterinnenraum;
es entstehen omit
keine schädlichen Korrosionen und Nebenschlüsse.
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Die Unterseite der Leitplane 2 kann glatt sein. Um aber eine bessere
Schubwirkung auf das Gas/Elektrolytnebel-Gemenga zu erzielen, kann sie auf ihrer
den Akkumulatorenzellen zugewandten Seite mit gegenseitig zueinander versetzten
Schwingblättern 8 gemäß Figur 7 versehen werden. Je dünner die Schwingblätter, desto
höher ist die Zahl ihrer eigenen Schwingungen bei jeder Bewegung der Leitplane 2.
Die Schwingblätter sollten alle die gleiche Höhe besitzen, damit jedes Blatt gleichen
Anteil am Ausschub des Gasflüssigkeitsgemenges besitzt. Je größer die Höhe der Schwingblätter
8 im Vergleich zu ihrer Breite ist und Je dünner die Schwingblätter sind, desto
besser ist der Gasdampfausstoß bei jeder Fahrzeugbewegung, bei dem sich die Schwingblätter
8 allein oder in der Hauptsache bewegen.
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Als Material für die Gasleitplane 2 kann Weichgummi, der gegen leinwirkung
stabilisiert ist, oder Kunststoff gewählt werden. Bewährt haben sich Folienplanen
aus Polyäthylen, Polypropyletll oder Polyvinylchlorid, Die Materialdicke schwankt
je nach der freien Behälteroberfläche bei Verwendung von elastischem Gummi zwischen
2 mm und 6 mm und zwischen 0,3 mm und 3 mm bei Kun#tsto#f1eitplanen. Zur Erzielung
eines aglichst großen Durchhanges d können beide Materialien in einer Form vorgereckt
werden, wodurch sie im DurcF,hangsbereich nnch an Dehrlungsfestigkeit gewinnen.
Besonders strapazierfähige, großflächige Gasleitplanen 2 werden aus mehreren aufeinandergelegten
und verschweißten Folien unter Zwischenlegung von Längs- und Querbandagen an den
Stellen, die am meisten beansprucht sind, hergestellt.
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Die Befestigung der Gasleitplane 2 am Batteriebehälter 1 kann sowohl
auf dem oberen Rand rundum erfolgen als auch oben an der Innenwandung des Batteriebehälters
und zwar so, daß stets ein lückenloser, stetiger Übergang zum Plattenschutzpaket
oder zum Gasauslaß besteht. Ebenso kann die Gasleitplane 2, wie in Figur 8 gezeigt,
auf einer Reusenschiene 9 angeordnet werden. Die Reusen 10 dieser Schiene dienen
dazu, die Eingänge der Plattenschutzpakete im unteren Bereich ständig freizuhalten,
damit plötzlich auftretende Gasüberdrucke auch dann noch abgeleitet werden können,
wenn auf grund der Fahrzeugbewegungen eine Seite der Plattenschutzpakete
von
der Gasleitplane weitgehend abgodeckt wäre.
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Eine Befestigungamöglichkeit ist bei Behältern mit Plattenschutzpake
ten im Behälterdeckel dadurch gegeben, daß die Gasleitplane direkt unter der Deckelplatte
unter Freilassung der Ausl aß schlitze der Plattenschutzpakete befestigt wird. Bei
scharnierartig an den Behälterstirnseiten angebrachten Teildeckeln, bei Rolideckeln
und bei Schwenkdeckeln kann die Leitplane nur an den inneren Behälterwänden oben
angebracht werden. In diesen Fällen sind dort auch die Plattenschutzpakete snzuordnen.
Eine weitere Ausführungsform ergibt einen besonders funktionstüchtigen Behälter
für den Traktionsbetrieb. Die Gasleitplane 2 wird von einer weiteren Decke, die
mit einem Ventil versehen ist, luftdicht abgedeckt; darüber wird der Behälterdeckel
angeordnet. Diese Decke besteht aus dem gleichen Material wie die Gasleitplane;
die Materialdicke kann beliebig stärker sein, da die Decke nicht nitschwingen muß,
sulldern in ihrer Hauptfunktion isolierend wirken so]l. tim die Gasleltplsre
von jedem Luftkissendruck zu befreien und damit möglichst schlaff zu halten, weil
sie dann mit Hilfe der beweglichen zusätzlichen Masse besser hin-und herschwingen
kann, wird das zwischerl der Decke und der Gasleitplane 2 befindliche Luftkissen
über das Ventil teilweise abgesaugt. Erfahrungsgemäß genügt eine Drukmindenrung
um 0,1 bar bis 0,3 bar, um eine genügend schlaffe Leitplane 2 zu erzeugen und der
zusätzlichen Masse den Luftwiderstand zu nehmen. Der Hauptvorteil der Drurkmlnderung
ist jedoch die bessere Wärmeisolierung; der Taupunkt des Gas/Elektrolytnenel-Gemenges
wird bei einer solchen Anordnung nur bei sehr tiefen Temperaturen unterschritten.
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Wenn über der Ventil decke noch ein Hohl- oder ein einfacher Flachdeckel
angeordnet wird, ergibt sich zusätzlich über dem druckgeminderten Luttkissen ein
zweiter Luftraum, der zusätzlich wärmeisolierend wirkt und eine Taupunktunterschreitung
auch bei besonders niedrigen Temperaturen verhindert.
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Bei stationär verwendeten Batteriebehältern, bei denen sich die Gasleitplane
2 nur bei sehr hohem Druck oder unter hoher Temperatureinwirkung des Gas/Elektrol#tnebel-Gemenges
formmäßig verändert, wird statt der Druckminderung eine Druckerhöhung durch Einblasen
von Luft in das Luftkissen durchgeführt. Die Druckerhöhung bewirkt eine gute parabelförmige
Ausbeulung der Gasleitplane 2 und bewirkt eine gute Ableitung und Druckentspannung
der
aus den Zellen dar aattefz au-,stromend2n Gase. ErFahrungsgemä genügt eine Druckerhöhung
um 0,1 bar bis 0,4 bar, um ein formgerechtes Luftkissen zu erzeugen. Eine Verformung
durch fehlerhafte, zu hohi Druckaufgabe kann durch formbegrenzende 9anderen an oder
in der Gasleitplane 2 vermieden werden. Bei der Druckerhöhung stützt sich die Ventildecke
gegen die Unterfläche des Sehälterdeckels ab oder gegen das zweite Luftpolster unter
dem Deckel, wenn dieser allseitig luftdicht aufgelegt wurde.
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Bei allen erfindungsgemäßen Behälterausführungen kann statt eines
gro-Gen, meist einteiligen schweren Behälterdeckels ein aus mehreren leicht zu handhabenden
Deckelsegmenten zusammengefügter Deckel benutzt werden.
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Da die Gasleitplane 2 die Gesamtabdeckung des Behälterinnenraumes
und die gute Innenraumentgasung gewährleistet, hat der Behälterdeckel diese Funktionen
nicht mehr zu erfüllen und dient nunmehr allein zum Schutz gegen zu hohe Innendrucke,
zum Flammerlschutz und im wesentlichen zum Schutz gegen äußere mechanische Beanspruchungen.
Die Aufteilung eines großen Deckels in mehrere Teilsegmentdeckelstreifen kann nach
den Erfordernissen der Bedienungserleichterung erfolgen. Zweckmäßig werden die Schmalseiten
der Teilsegmente bei konstanten Breiten so genormt, daß sie gewichtsmäßiy leicht
gehandhatlt wcrdrn könn-n. Die Endsegmer)te sind dann die alleinigen Elemente, die
an die wechselnde Behälterlänge angepaßt werden müssen. Neben dieser fabrikatorischen
Vereinfachung und Bedienungserleichterung ist auch die Wartung einer Akkumulatorenbatterie
in einem erfindungsgemäßen Batteriebehälter mit Gasleitplane 2 und Teilsegmentdeckel
wesentlich vereinfacht. Es werden Teilsegmente zur Wartung und die Leitplane 2 soweit
abgedeckt, bis der Batterieteil, an dem zu arbeiten ist, freiliegt. Das kann bei
allen Witterungsbedingungen erfolgen, da der nicht benötigte Batterieteil von den
übrigen sufliegenden Teilsegmenten geschützt bleibt. Konstruktiv können die Teilsegmente
als Plattensegmente aneinanderstoßend oder als Formsegmente überlappend ausgebildet
sein.
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- Patentansprüche -