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Die Erfindung betrifft ein temperaturgesteuertes Sicherheitselement für Fluidspeicher sowie einen Fluidspeicher mit einem solchen Sicherheitselement. Mit Fluidspeicher sind vorliegend insbesondere Gasflaschen, z. B. solche für komprimiertes Erdgas (CNG) oder Wasserstofftanks gemeint, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden.
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Für die Genehmigung spezieller Bauteile von Kraftfahrzeugen, in deren Antriebssystem komprimiertes Erdgas (CNG) oder Wasserstoff verwendet wird, gibt es einheitliche Bedingungen. Diese Bedingungen sind unter anderem in der ECE-Regelung Nr. 110 über den Einsatz von komprimiertem Erdgas festgelegt. In Anhang 3 – Anlage A der oben genannten Regelung sind Prüfverfahren für Gasflaschen beschrieben. Der Abschnitt A.15 befasst sich mit der Feuerschutzprüfung. Den Punkten A.15.6 und A.15.7 ist zu entnehmen, dass bei der Feuerschutzprüfung zwischen Gasflaschen mit einer Länge bis zu 1,65 m und mit einer Länge von mehr als 1,65 m unterschieden wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Zylinder mit einer Länge von mehr als 1,65 m regelmäßig mit zusätzlichen Sicherheitselementen (Druckminderern) versehen sind. Die Erfindung betrifft ein solches zusätzliches Sicherheitselement, das dazu dient, bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur das in einer Gasflasche befindliche Gas kontrolliert ausströmen zu lassen, um eine Explosion der Gasflasche zu verhindern. Weitere Funktionen (z. B. die kontrollierte Entnahme von Gas etc.) hat ein derartiges Sicherheitselement in der Regel nicht. Dies gilt sinngemäß auch für die Wasserstofftechnik.
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Aus dem Stand der Technik sind Sicherheitselemente mit Strömungskanälen bekannt, die einen axialen Einlass und einen axialen Auslass aufweisen. Darüber hinaus sind Sicherheitselemente bekannt, deren Strömungskanal einen axialen Einlass und einen radialen Auslass aufweisen. Die zuletzt genannten Druckminderer werden häufig in Gasflaschen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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Ein Problem beim Einsatz der vorstehend beschriebenen Sicherheitselemente mit axialem Einlass und radialem Auslass ist, dass der radiale Auslass im eingebauten Zustand des Fluidspeichers regelmäßig zum Fahrzeugboden ausgerichtet sein soll, damit im Feuerfall ausströmendes Gas nicht in Richtung der Fahrgastzelle, sondern von der Fahrgastzelle weg strömt. Um den radialen Auslass bekannter Druckminderer korrekt zu positionieren, muss der gesamte Fluidspeicher nach dem Einschrauben des Sicherheitselements gedreht werden. Dies ist je nach Einbausituation sehr umständlich. Auch in anderen Einsatzgebieten von Fluidspeichern ist es häufig gewünscht, den radialen Auslass eines Sicherheitselements nach dem Einbau desselben in eine bestimme Position zu bringen.
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Aus
DE 25 49 060 A1 ist eine Vorrichtung zur Betätigung eines Verschlussventils bekannt, das hinsichtlich seines Auslösemechanismus optimiert ist.
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In
WO 2007/009 628 A1 ,
US 7,337,799 B2 und
US 6,571,822 B2 sind verschiedene weitere Sicherheitsventile für Druckgasbehälter beschrieben, die teilweise auch in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitselement zur Verfügung zu stellen, welches eine einfache Ausrichtung des radialen Auslasses ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßes temperaturgesteuertes Sicherheitselement für Fluidspeicher umfasst einen Ventilkörper mit einem Außengewinde zum Eindrehen in einen Fluidspeicher, einen Strömungskanal mit einem axialen Einlass und einem radialen Auslass sowie mindestens ein in dem Strömungskanal angeordnetes Sperrelement, welches bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur den Strömungskanal freigibt. Darüber hinaus umfasst der radiale Auslass ein von dem Ventilkörper unabhängiges Auslasselement, mittels welchem die Position des radialen Auslasses nach Eindrehen des Ventilkörpers in einen Fluidspeicher unabhängig von der Position des Ventilkörpers und der Position des Fluidspeichers einstellbar ist. Das Auslasselement ist ein ringförmiges Element mit einer radialen Ausnehmung, dessen relative Position zum Ventilkörper mit Hilfe einer Fixiervorrichtung einstellbar ist. Als Fixiervorrichtung ist ein Deckel vorgesehen, mittels welchem das ringförmige Element zwischen dem Ventilkörper und dem Deckel einklemmbar ist. Das erfindungsgemäße Sicherheitselement kann zunächst in einen Fluidspeicher eingedreht werden. Anschließend ist die Position des radialen Auslasses unabhängig von der Position des Ventilkörpers und der Position des Fluidspeichers einstellbar, d. h. der Austausch eines aus dem Stand der Technik bekannten Sicherheitselements durch ein erfindungsgemäßes Sicherheitselement ist möglich, ohne dass dazu der in ein Kraftfahrzeug eingebaute Fluidspeicher bewegt werden muss. Trotzdem ist bei dem erfindungsgemäßen Sicherheitselement gewährleistet, dass der radiale Auslass so positioniert werden kann, dass in einem Feuerfall gewährleistet ist, dass ausströmendes Fluid (z. B. Gas) nicht in Richtung der Fahrgastzelle oder in andere ungewünschte Richtungen strömt. Die Realisierung eines einstellbaren radialen Auslasses mit einem ringförmigen Element und einem Deckel ist besonders einfach und kostengünstig zu realisieren. Hierbei entstehen im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Druckminderern nur geringe Mehrkosten. Ferner lässt sich ein Sicherheitselement mit ringförmigem Element und Deckel besonders leicht installieren und verringert damit das Risiko von Fehlbedienungen.
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Insbesondere wenn ein ringförmiges Element und/oder ein Deckel als Fixiervorrichtung verwendet werden, ist es gewünscht, dass zwischen dem Ventilkörper und dem Ring bzw. zwischen dem Ring und dem Deckel keine Leckagen entstehen. Um das Risiko derartiger Leckagen gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn das ringförmige Element derart ausgebildet ist, dass es in axialer Richtung des Ventilkörpers eine Elastizität von mehr als 3%, bevorzugt mehr als 5% und besonders bevorzugt mehr als 10%, aufweist. In diesem Fall kann das ringförmige Element beispielsweise mit Hilfe des Deckels derart zwischen Deckel und Ventilkörper eingeklemmt werden, dass das ringförmige Element sich aufgrund seiner Elastizität an die angrenzenden Flächen des Deckels und des Ventilkörpers anpasst und somit in diesen Bereichen besonders gut abdichtet.
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Die vorstehend angesprochene Elastizität kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das ringförmige Element konisch ausgebildet ist. In diesem Fall kann nämlich eine elastische Biegung des ringförmigen Elements in axialer Richtung des Ventilkörpers konstruktionsbedingt erzielt werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherheitselements ist der Berstkörper in dem Ventilkörper derart angeordnet, dass der Berstkörper sich über eine Länge von 30%, bevorzugt 50% und besonders bevorzugt 70%, in dem Bereich des Ventilkörpers befindet, der sich nach Einschrauben des Sicherheitselements in einem Fluidspeicher innerhalb des Fluidspeichers befindet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Berstkörper teilweise innerhalb des Fluidspeichers angeordnet ist und ein Temperaturanstieg innerhalb des Fluidspeichers somit besonders gut den Berstkörper erreicht. Dadurch wird die Reaktionszeit des Sicherheitselements gering gehalten.
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Der radiale Auslass weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die Querschnittsfläche des Auslasses vorzugsweise mindestens der kleinsten Querschnittsfläche des übrigen Strömungskanals entspricht.
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Dadurch wird sichergestellt, dass es nicht innerhalb des Sicherheitselements beim Ausströmen von Fluid zu einem erhöhten Druck und/oder einer weiteren Erhöhung der Fluidtemperatur kommt.
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Vorzugsweise bestehen der Ventilkörper, das ringförmige Element, das Sperrelement und/oder der Deckel aus einem metallischen Werkstoff. Grundsätzlich ist es zwar möglich, auch andere Werkstoffe zu verwenden. Metallische Werkstoffe haben jedoch den Vorteil, dass diese meist eine besonders hohe Festigkeit sowie Temperaturbeständigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften sind für das erfindungsgemäße Sicherheitselement besonders wichtig.
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Die Erfindung betrifft auch einen Fluidspeicher umfassend ein erfindungsgemäßes Sicherheitselement.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Seitenansicht des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Sicherheitselements,
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3 eine Schnittdarstellung des in den 1 und 2 gezeigten Sicherheitselements gemäß den Pfeilen III-III in 2,
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4 das in den 1 bis 3 gezeigte erfindungsgemäße Sicherheitselement in einer Ansicht von oben,
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5 das in den 1 bis 4 gezeigte erfindungsgemäße Sicherheitselement in einer Abschnittansicht gemäß den Pfeilen V-V in 4,
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6 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements in einer zweiten Ausführungsform,
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7–11 verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements in einer dritten Ausführungsform sowie
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12–16 verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements in einer vierten Ausführungsform.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements 10 in einer perspektivischen Ansicht. Das Sicherheitselement 10 umfasst einen Ventilkörper 12 mit einem daran ausgebildeten Außensechskantprofil 13 (z. B. SW 38). Der untere, zylindrische Teil des Ventilkörpers weist ein Außengewinde 22 auf, damit das Sicherheitselement 10 z. B. mit Hilfe eines Sechskantschlüssels leicht in einen Fluidspeicher, z. B. eine Gasflasche (nicht gezeigt), eingeschraubt werden kann (vgl. 2–5). Vorzugsweise beträgt das Maß des Gewindes 1 1/8 Zoll. Die Abdichtung zwischen dem Ventilkörper 12 und dem Fluidspeicher, in den das Sicherheitselement hineingeschraubt wird, erfolgt über einen O-Ring 24.
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Alternativ zu der in 1 gezeigten Ausführungsform kann das Sicherheitselement auch ein 25E-kegeliges Außengewinde und eine entsprechende konische Abdichtung aufweisen.
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Das in 1 gezeigte Sicherheitselement weist einen axialen Einlass 14, einen radialen Auslass 16, einen Deckel 18 und ein zwischen Deckel 18 und Ventilkörper 12 angeordnetes ringförmiges Element 20 auf. Der axiale Einlass 14 ist in dem Ventilkörper 12 vorgesehen. Der radiale Auslass ist in dem ringförmigen Element 20 vorgesehen.
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Um die relative Anordnung des ringförmigen Elements 20 zu dem Ventilkörper 12 vorzugeben, weist der Ventilkörper 12 eine kreisförmige Erhöhung 21 auf, deren Innendurchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser des ringförmigen Elements 20 entspricht. Der Ventilkörper 12 bettet so das ringförmige Element 20 teilweise in diesen ein und bildet so einen Sitz für das ringförmige Element 20.
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Das Sicherheitselement 10 einschließlich ringförmigem Element 20 und Deckel 18 weist vorzugsweise eine Länge von weniger als 50 mm, besonders bevorzugt eine Länge von 44,25 mm auf. Der Bereich, der nach dem Eindrehen des Sicherheitselements 10 in einen Fluidspeicher aus diesem herausragt weist vorzugsweise eine Länge von weniger als 20 mm auf, besonders bevorzugt eine Länge von 14,25 mm.
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Wie in den 3 und 5 dargestellt, handelt es sich bei dem ringförmigen Element 20 um einen konisch ausgebildeten Ring 26, der mit Hilfe von Schrauben 27a, 27b zwischen Deckel 18 und Ventilkörper 12 einklemmbar ist.
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In den 3 und 5 ist ebenfalls dargestellt, dass innerhalb des Ventilkörpers 12 als Sperrelement 28 ein Kolben 30 und als Berstkörper 26 ein Glaskolben 32 angeordnet sind. Der Kolben 30 weist vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 10 mm auf, insbesondere einen Durchmesser von 4,6 mm. Der Glaskolben 32 ist zwischen dem Sperrelement 28 und einer in den Ventilkörper 12 eingeschraubten Scheibe 34 angeordnet.
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Der Kolben 30 ist an zwei verschiedenen Stellen mit O-Ringen 36, 38 gegenüber dem Ventilkörper 12 abgedichtet. Er ist ferner im Bereich des unteren O-Rings 38 mit einem Stützring 40 versehen.
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Nachfolgend werden auf die Montage und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sicherheitselements 10 eingegangen. Das erfindungsgemäße Sicherheitselement kann und wird im Normalfall – wie in den 1 bis 5 dargestellt – vollständig vormontiert geliefert. Für die Verwendung in einem Fluidspeicher sind dann noch folgende Schritte erforderlich:
- 1. Einschrauben des Sicherheitselements 10 in einen Fluidspeicher, so dass das Außengewinde 22 mit dem Innengewinde eines Fluidspeichers in Eingriff gelangt und der O-Ring 24 den Bereich zwischen Sicherheitselement 10 und Fluidspeicher abdichtet,
- 2. Positionieren des ringförmigen Elements 20 einschließlich dem daran ausgebildeten Auslass 16,
- 3. Festziehen der Schrauben 27a, 28a, sobald das ringförmige Element 20 mit dem daran ausgebildeten Auslass 16 korrekt positioniert ist, um das ringförmige Element 20 durch Einklemmen zwischen Deckel 18 und Ventilkörper 12 in seiner Lage zu fixieren.
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Ist das Sicherheitselement in einen Fluidspeicher eingeschraubt, funktioniert es wie folgt: Steigende Temperaturen innerhalb oder außerhalb des Fluidspeichers führen dazu, dass auch die Temperatur im Inneren des Ventilkörpers 12 dort steigt, wo der Glaskolben 32 sich befindet. Wird eine bestimmte Grenztemperatur für einen gewissen Zeitraum überschritten, führt dies dazu, dass der Glaskolben 32 zerbricht und der Kolben 30 aufgrund des von dem Fluidspeicher auf diesen wirkenden Drucks in den Ventilkörper hineingedrückt wird. Dadurch wird ein von dem Einlass 14 durch den Ventilkörper 12 und in dem Ventilkörper angeordnete Kanäle 15 zu einem Auslass 16 führender Strömungskanal freigegeben, durch welchen das in dem Fluidspeicher befindliche Fluid gezielt entweichen kann. Dadurch kann eine Explosion des Fluidspeichers verhindert oder deren Ausmaß zumindest deutlich reduziert werden.
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6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements 10 in einer Ansicht analog zu 3. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um ein Sicherheitselement, das baugleich zu dem in den 1–5 gezeigten Sicherheitselement ist. Für gleiche Teile wurden daher gleiche Bezugszeichen verwendet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform im oberen Bereich des Ventilkörpers 12 einen O-Ring 42 auf, der den Übergang von dem Ventilkörper 12 zu dem ringförmigen Element 20 abdichtet.
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Die 7 bis 11 zeigen eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements 10. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in den 1 bis 5 gezeigten ersten Ausführungsform. Für gleiche Teile wurden daher gleiche Bezugszeichen verwendet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform weist das ringförmige Element 20 in der dritten Ausführungsform jedoch Vorsprünge 44, 46 auf, die im montierten Zustand des Sicherheitselements in entsprechende Vertiefungen von dem Deckel 18 und dem Ventilkörper 12 eingreifen und so eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ringförmigen Element 20 und dem Deckel 18 bzw. zwischen dem ringförmigen Element 20 und dem Ventilkörper 12 herstellen. Die Vertiefung des Ventilkörpers 12 ist dadurch gebildet, dass dieser eine relativ breite kreisförmige Erhöhung 21 aufweist. Analog dazu weist der Deckel 18 an seiner Unterseite ebenfalls eine kreisförmige Erhöhung 52 auf. Dies hat den Vorteil, dass das ringförmige Element zusätzlich in seiner Lage fixiert und gesichert ist.
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Darüber hinaus weisen der Deckel 18 und der Ventilkörper 12 ein Innengewinde 48 bzw. ein darauf abgestimmtes Außengewinde 50 auf, damit der Deckel 18 zur Fixierung des ringförmigen Elements 20 auf den Ventilkörper 12 aufgeschraubt werden kann. Dadurch kann auf separate Schrauben zur Befestigung des Deckels verzichtet werden. Um den Deckel 18 mit kreisförmiger Kontur festdrehen zu können, weist dieser an seiner Oberseite zwei Öffnungen 54 auf, die insbesondere in 10 dargestellt sind.
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Die 12 bis 16 zeigen eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements 10. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in den 7 bis 11 gezeigten dritten Ausführungsform. Für gleiche Teile wurden daher gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist das ringförmige Element 20 bei der vorliegenden Ausführungsform ein einfacher Ring in Form eines Hohlzylinders. Ein solches ringförmiges Element 20 weist eine sehr einfache Geometrie auf und ist daher kostengünstig verfügbar. Zur Festlegung der Position des ringförmigen Elements 20 sind im Deckel 18 und im Ventilkörper 12 Nuten 56, 58 vorgesehen. Der Deckel 18 steht – wie in der dritten Ausführungsform – über ein Innengewinde 48 mit einem an dem Ventilkörper 12 ausgebildeten Außengewinde 50 im Eingriff und ermöglicht es somit, das ringförmige Element fest zwischen Deckel 18 und Ventilkörper 12 einzuspannen. Das Festdrehen und Lösen des Deckels erfolgt wiederum mit den im Deckel vorgesehenen Öffnungen 54 (vgl. 15).
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Die in den 12 bis 16 beschriebene Ausführungsform unterscheidet sich auch durch die Anordnung der in dem Ventilkörper vorgesehenen Kanäle 15a, 15b. Diese verlaufen nicht radial (wie in den anderen Ausführungsformen), sondern schräg zur Mittelachse des Sicherheitselements. Vorzugsweise liegt der Winkel der Bohrungen zwischen 15° und 70°, besonders bevorzugt zwischen 30° und 60°. In der gezeigten Ausführungsform beträgt der Winkel gegenüber der Mittelachse 45°. Dadurch ergibt sich eine sehr leichte und platzsparende Bauform, welche gegenüber den anderen Ausführungsformen den Vorteil hat, dass die Höhe (Abstand von der Unterkante des Sechskantprofils 13 bis zur Oberkante des Deckels 18) sehr gering ist. Sie beträgt vorzugsweise weniger als 10 mm, besonders bevorzugt 9 mm bei einer Gesamtlänge des Sicherheitselements 10 von ca. 39 mm.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, wie die Erfindung realisiert werden kann. Sie sollen den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang nicht einschränken. So ist es insbesondere möglich, statt zwei Kanälen 15a, 15b nur einen Kanal oder mehrere Kanäle vorzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sicherheitselement
- 12
- Ventilkörper
- 13
- Außensechskantprofil
- 14
- Einlass (Eintrittsöffnung)
- 15
- Kanäle im Ventilkörper
- 16
- Auslass (Austrittsöffnung)
- 18
- Deckel
- 20
- ringförmiges Element
- 21
- kreisförmige Erhöhung
- 22
- Außengewinde
- 24
- O-Ring
- 26
- Berstkörper
- 27
- Schrauben
- 28
- Sperrelement
- 30
- Kolben
- 32
- Glaskolben
- 34
- Scheibe
- 36
- O-Ring
- 38
- O-Ring
- 40
- Stützring
- 42
- O-Ring
- 44
- Vorsprung des ringförmigen Elements
- 46
- Vorsprung des ringförmigen Elements
- 48
- Innengewinde
- 50
- Außengewinde
- 52
- kreisförmige Erhöhung des Deckels
- 54
- Öffnungen zum Festdrehen des Deckels
- 56
- Nut im Deckel zur Aufnahme des ringförmigen Elements
- 58
- Nut im Ventilkörper zur Aufnahme des ringförmigen Elements
