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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine insbesondere thermisch aktivierte Druckentlastungsvorrichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Verschiedene Druckentlastungsvorrichtungen werden dazu verwendet, eine druckbeaufschlagte Substanz, wie ein Gas, zu entlüften, wenn sie unter festgelegten Leistungsbedingungen aktiviert werden. Beispielsweise können derartige Druckentlastungsvorrichtungen dazu verwendet werden, die Inhalte eines komprimierten Wasserstoffbrennstoffbehälters zu entlüften. Die Druckentlastungsvorrichtung kann derart ausgelegt sein, eine gewünschte Strömungskapazität zum Schutz des Wasserstoffbrennstoffbehälters zu erreichen, so dass der Behälter innerhalb einer bestimmten Zeitdauer vollständig entlüftet wird.
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Bestimmte Hochdruckbehälter können in vier Typen klassifiziert werden: ein Gefäß vom Typ I mit einem vollständig aus Metall bestehenden Aufbau; einen Typ II, der einen metallausgekleideten Aufbau mit einer Glasfaserringumwicklung aufweist; einen Typ III, der einen metallausgekleideten Aufbau mit einer Verbundstoff-Vollumwicklung aufweist; und einen Typ IV, der einen kunststoffausgekleideten Aufbau mit einer Verbundstoff-Vollumwicklung aufweist. Derartige Hochdruckgefäße zum Aufnehmen eines komprimierten Wasserstoffgases sollten die erforderliche mechanische Stabilität und Integrität bereitstellen, um ein Reißen oder Bersten des Druckgefäßes von dem Wasserstoffbrennstoffdruck darin zu verhindern. Druckgefäße zur Verwendung in einem Fahrzeug können auch unter Verwendung von Leichtmaterialien hergestellt werden, so dass sie die Gewichtsanforderungen des Fahrzeugs nicht signifikant beeinträchtigen. In einigen Fällen kann das Druckgefäß vom Typ IV zur Speicherung von komprimiertem Wasserstoffgas an einem Fahrzeug verwendet werden.
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Wie in der Druckschrift
US 6 742 554 B1 offenbart ist, ist die Form des Druckgefäßes vom Typ IV, das zur Speicherung von Wasserstoffgas denkbar ist, allgemein zylindrisch, um die gewünschte Integrität bereitzustellen, und weist eine äußere Bauwand und eine Innenauskleidung, die eine Behälterkammer darin definiert, auf. Die Kombination der Außenwand und der Auskleidung sehen die gewünschte bauliche Integrität, den Druckeinschluss und die Gasdichtheit auf eine leichte und kosteneffektive Art und Weise vor.
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Derartige Druckgefäße können einen Adapter aufweisen, der die Einlass- und Auslassöffnung für das darin enthaltene Wasserstoffgas bereitstellt. Der Adapter kann verschiedene Ventile, Druckregler, Verrohrungsverbinder, Überströmungsbegrenzer, etc. aufnehmen. Diese Komponenten erlauben ein Füllen des Druckgefäßes mit dem komprimierten Wasserstoffgas und Erlauben einen Austrag des komprimierten Gases von dem Druckgefäß bei oder nahe Umgebungsdruck oder einem höheren Druck und ein Liefern an einen Verwender des Gases, wie eine Brennstoffzellenleistungsanlage. Der Adapter kann beispielsweise aus Stahl hergestellt sein, um eine bauliche Festigkeit zur Speicherung des komprimierten Wasserstoffgases bereitzustellen. Ein geeigneter Klebstoff, ein Dichtungsring oder dergleichen kann verwendet werden, um die Auskleidung an dem Adapter auf eine gasdichte Art und Weise abzudichten und den Adapter an die Außenwand des Gefäßes zu sichern.
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Druckgefäße zur Verwendung als Brennstoffbehälter können interne Prozessfehler aufweisen oder können externen erhöhten Temperaturen ausgesetzt sein. Derartige Bedingungen können abhängig von dem Behältertyp und dem Behälteraufbau dahingehend wirken, den enthaltenen Druck zu erhöhen und/oder die baulichen Materialien zu verschlechtern. Die Integration einer Druckentlastungsvorrichtung sieht ein Mittel zur Entlüftung des Brennstoffbehälters unter derartigen Bedingungen vor. Bei einigen Druckgefäßen kann die Druckentlastungsvorrichtung an dem Adapter oder einer Öffnung des Druckgefäßes angeordnet sein.
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Ein Typ von Druckentlastungsvorrichtung ist eine thermisch aktivierte Druckentlastungsvorrichtung (TPRD), die durch erhöhte Temperatur aktiviert wird. Die TPRD kann in demselben Bereich oder Fach, wie der Brennstoffbehälter oder Systeme, die geschützt werden sollen, angeordnet sein, so dass sie derselben Umgebung ausgesetzt sind. Auf diese Weise kann die TPRD auf dieselben Bedingungen, denen der Brennstoffbehälter ausgesetzt ist, reagieren. Abschirmungen und Strömungsbarrieren, wenn vorhanden, können so positioniert sein, dass sie das Ansprechen und die Funktionalität der TPRD nicht stören.
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Verschiedene TPRDs weisen Beschränkungen bei gewissen Anwendungen auf. Beispielsweise kann ein Problem mit Glaskolben-TPRD-Konstruktionen ein Verlust an Bewegbarkeit des Freigabekolbens während der Lebensdauer sein. Korrosion und/oder Fremdmaterial kann den Freigabekolben blockieren oder gefrieren und die Aktivierungsfunktion verhindern, in der es erforderlich ist, dass der Kolben das druckbeaufschlagte Material bewegt und freigibt. Ein Verlust an Freigabekolbenbewegung kann ohne Meldung oder Hinweis stattfinden. Überdies kann, sobald die TPRD installiert ist, möglicherweise kein Weg vorhanden sein, den Freigabekolben während der TPRD-Lebensdauer zu prüfen und sicherzustellen, dass der Freigabekolben nicht verklemmt ist. In vielen Fällen ist keine Aktivierungsprüfung möglich.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst eine Druckentlastungsvorrichtung einen Körper, ein Element und eine reaktive Komponente. Der Körper umfasst einen Kanal und einen Auslass. Das Element ist verschiebbar in dem Kanal angeordnet. Die reaktive Komponente ist zwischen einem Ende des Elements und einem Anschlag angeordnet. Die reaktive Komponente ist empfindlich gegenüber einer Umgebungsschwelle, die ein Schmelzen, Verformen oder Zerbrechen der reaktiven Komponente bewirkt, wodurch ermöglicht wird, dass das Element in dem Kanal zu dem Anschlag gleitet und den Kanal fluidtechnisch mit dem Auslass koppelt. Der Anschlag ist zur Bewegung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert, wodurch zugelassen wird, dass sich das Element relativ zu dem Körper ohne Fluidkopplung des Kanals und des Auslasses bewegen kann. Ferner ist ein Sensor vorgesehen, der eine relative Bewegung zwischen dem Element und dem Körper detektiert, wenn der Anschlag zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegt wird.
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Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst eine thermisch aktivierte Druckentlastungsvorrichtung einen Körper, der einen Kanal und einen Auslass umfasst. Ein Element ist verschiebbar in dem Kanal angeordnet. Eine zerbrechliche Komponente, die ein Fluid umfasst, ist zwischen einem Ende des Elements und einem Anschlag angeordnet. Die zerbrechliche Komponente ist empfindlich gegenüber einer Schwellentemperatur, die zur Folge hat, dass die zerbrechliche Komponente bricht, wodurch ermöglicht wird, dass das Element in dem Kanal zu dem Anschlag gleitet und den Kanal fluidtechnisch mit dem Auslass koppelt. Der Anschlag ist zur Bewegung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert, wodurch zugelassen wird, dass sich das Element relativ zu dem Körper ohne Fluidkopplung des Kanals mit dem Auslass bewegt. Ein Sensor detektiert eine relative Bewegung zwischen dem Element und dem Körper, wenn der Anschlag zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegt wird.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorgesehenen Beschreibung offensichtlich. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur zu Zwecken der Veranschaulichung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu veranschaulichenden Zwecken gewählter Ausführungsformen und nicht aller möglicher Ausführungsformen.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Druckentlastungsvorrichtung in einer ersten Position.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht der Ausführungsform der Druckentlastungsvorrichtung von 1 in einer zweiten Position.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die folgende Technologiebeschreibung ist lediglich beispielhafter Natur in Bezug auf den vorliegenden Gegenstand, die Herstellung und den Gebrauch einer oder mehrerer Erfindungen. Bezüglich der offenbarten Verfahren ist die Reihenfolge der dargestellten Schritte beispielhafter Natur, und somit kann sich die Reihenfolge der Schritte bei verschiedenen Ausführungsformen, wenn möglich, unterscheiden.
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Die vorliegende Technologie betrifft eine Sicherheitsinspektion eines Druckentlastungsventils und eine Funktionalitätsprüfung während der Lebensdauer des Ventils. Oftmals weist ein Druckgefäß keine leicht verfügbare Energiequelle auf und arbeitet in Umgebungen, in denen es unerwünscht sein kann, mit Leistung beaufschlagte Temperatursensoren zu verwenden, wie ein Thermoelement, das auf ein solenoidgetriebenes Druckentlastungsventil wirkt. Somit kann es unter gewissen Umständen erwünscht sein, eine Halbleiter-Druckentlastungsvorrichtung mechanischer Natur bereitzustellen, die zuverlässig geschlossen bleibt, mit Ausnahme, wenn eine Temperatur über einer Schwellentemperatur auftritt und/oder ein Druck über einem Schwellendruck auftritt, auf den hin die Vorrichtung öffnet, um Druck von dem Druckgefäß zu entlasten. Beispielsweise kann die Druckentlastungsvorrichtung eine reaktive Komponente aufweisen, die eine Konformation bei der gewünschten Temperatur und/oder dem gewünschten Druck ändert. Bei Konformationsänderung kann sich ein Element der Druckentlastungsvorrichtung, wie ein Kolben, frei in einen offenen Zustand bewegen, der einen Austrag der Druckgefäßinhalte zulässt.
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Ein Weg, um eine derartige reaktive Komponente bereitzustellen, besteht darin, ein eutektisches Material zu verwenden, das einen Schmelzpunkt bei der Schwellentemperatur besitzt. Das eutektische Material kann in einem Entlüftungskreislauf der Druckentlastungsvorrichtung angeordnet sein. Wenn eine Temperatur über dem Schmelzpunkt für das eutektische Material erreicht ist, ändert das eutektische Material die Konformation durch Schmelzen, und es wird ermöglicht, das Fluid aus der Vorrichtung entweichen kann. Ein anderer Weg besteht darin, eine fluidgefüllte zerbrechliche Komponente (z. B. einen Glaskolben) zu verwenden, wobei das Fluid in der zerbrechlichen Komponente einen Druck aufweist, der die zerbrechliche Komponente bei der Schwellentemperatur zerbricht. Ein noch weiterer Weg besteht darin, eine reaktive Komponente zu verwenden, die sich über einem Schwellendruck verformt oder zerbricht.
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Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine Ausführungsform einer Druckentlastungsvorrichtung 100 in einer ersten Position gezeigt. Die Vorrichtung 100 weist einen Körper 110 und ein Element 120 (z. B. einen Kolben) auf, der verschiebbar in einem Kanal 130 des Körpers 110 angeordnet ist. Beispielsweise kann der Kanal 130 eine Länge des Körpers 110 durchqueren, und das Element 120 kann zumindest einen Abschnitt des Kanals 130 besetzen. Das Element 120 kann mit dem Kanal 130 zusammenwirken, um eine fluiddichte Abdichtung in dem Kanal 130 bereitzustellen. Wenn die Vorrichtung 100 mit einem Druckgefäß (nicht gezeigt) gekoppelt ist, weist ein Ende 140 des Elements 120 einen Druck auf Grundlage der Inhalte des Druckgefäßes auf, wie durch einen Blockpfeil gezeigt ist. Beispielsweise kann das Element 120 mit einer anderen Komponente (nicht gezeigt) gekoppelt sein, wie einer Feder, die den Druck der Inhalte des Druckgefäßes auf das Element 120 überträgt. Eine reaktive Komponente 150 ist zwischen einem anderen Ende 160 des Elements 120 und einem Anschlag 170 angeordnet, wobei die reaktive Komponente 150 einer Bewegung des Elements 120 zu dem Anschlag 170 widersteht. Die reaktive Komponente 150 verhindert daher eine Bewegung des Elements 120 zu dem Anschlag 170, wenn die Inhalte des Druckgefäßes einen Druck auf das Ende 140 des Elements 120 ausüben. Eine Schutzkappe 180 kann dazu verwendet werden, um die reaktive Komponente 150 der Vorrichtung 100 zumindest teilweise zu umschließen und zu schützen. Die Schutzkappe 180 kann eine oder mehrere Öffnungen 270 aufweisen, die ermöglichen, das die reaktive Komponente 150 der lokalen Umgebung der Druckentlastungsvorrichtung 100 ausgesetzt ist.
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Die reaktive Komponente 150 besitzt eine ausreichende bauliche Integrität, um den Druck der Inhalte des Druckgefäßes, der durch das Element 120 übertragen wird, auszuhalten. Jedoch ist die reaktive Komponente 150 gegenüber einer Umgebungsschwelle empfindlich, die bewirkt, das die reaktive Komponente 150 eine Konformation ändert, wodurch eine Bewegung des Elements 120 relativ zu dem Anschlag 170 zugelassen wird. Beispielsweise kann die reaktive Komponente 150 gegenüber einer Temperatur empfindlich sein, und wenn eine Schwellentemperatur auftritt, ist das Ergebnis, dass die reaktive Komponente 150 eine Konformation ändert, so dass sie nicht mehr der Bewegung des Elements 120 zu dem Anschlag 170 widersteht. Beispielsweise kann sich das Element 120 dann zu dem Anschlag 170 aufgrund des Drucks der Gefäßinhalte, der auf das Element 120 ausgeübt wird, bewegen. Dies ermöglicht, dass das sich bewegende Element 120 und das Ende 140 einen Auslass 190 zu einer Fluidkommunikation mit dem Kanal 130 freilegen, so dass Inhalte des Druckgefäßes durch den Auslass 190 entlüftet werden können. Gleichermaßen widersteht, wenn die reaktive Komponente 150 gegenüber Druck empfindlich ist und einem Schwellendruck ausgesetzt ist, der eine Änderung der Konformation der reaktiven Komponente 150 bewirkt, die reaktive Komponente 150 nicht mehr der Bewegung des Elements 120 zu dem Anschlag 170, so dass sich das Element 120 zu dem Anschlag 170 bewegen und den Auslass 190 freilegen kann. Es sei angemerkt, dass bei einigen Ausführungsformen die reaktive Komponente 150 gegenüber sowohl einer Schwellentemperatur als auch einem Schwellendruck oder anderen Umgebungsschwellen empfindlich sein kann.
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Nun Bezug nehmend auf 2 ist eine Ausführungsform der Druckentlastungsvorrichtung 100 in einer zweiten Position gezeigt. In der zweiten Position können das Element 120, die reaktive Komponente 150 und der Anschlag 170 gemeinsam relativ zu dem Körper 110 der Vorrichtung 100 in einer Richtung bewegt werden, die schließlich den Auslass 190 freilegt. Jedoch ist die Bewegung nicht ausreichend, um den Auslass 190 freizulegen, um die Entlüftung der Inhalte des Druckgefäßes durch den Auslass 190 zuzulassen. Dies bedeutet, das Element 120 kann eine Distanz durch den Kanal 130 verschoben werden, um sicherzustellen, dass das Element 120 relativ zu dem Kanal 130 in dem Körper 110 nicht gefroren oder fixiert ist. Das Element 120, die reaktive Komponente 150 und der Anschlag 170 verbleiben in Position relativ zueinander, und die optionale Schutzkappe 180 kann in Position relativ zu dem Element 120, der reaktiven Komponente 150 und dem Anschlag 170 bleiben. Beispielsweise kann die Bewegung des Elements 120, der reaktiven Komponente 150, des Anschlags 170 und der Schutzkappe 180 in die zweite Position einen Spalt 200 zwischen der Schutzkappe 180 und dem Körper 110 bilden.
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Eine Änderung der Druckentlastungsvorrichtung 100 von der ersten Position in 1 zu der zweiten Position in 2 oder umgekehrt sieht ein Mittel vor, um zu prüfen, ob das Element 120 relativ zu dem Kanal 130 verschiebbar ist, und kann sicherstellen, dass die Vorrichtung 100 nicht gefroren oder aufgrund von Korrosion und/oder Fremdmaterial betriebsunfähig ist, das das Element 120 relativ zu dem Kanal 130 anbindet. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Bewegung der Vorrichtung 100 zwischen den in 1 und 2 gezeigten Positionen durchgeführt werden, um die Bewegung des Elements 120 in dem Kanal 130 zu verbessern, wo das Element 120 relativ zu dem Kanal 130 teilweise verklemmt sein kann.
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Die Druckentlastungsvorrichtung 100 kann zwischen der ersten Position in 1 und der zweiten Position in 2 durch Änderung der Position des Anschlags 170 relativ zu dem Körper 110 geschaltet werden. Beispielsweise kann in der ersten Position, die in 1 gezeigt ist, der Anschlag 170 unter einer ersten Distanz 210 von dem Körper 110 angeordnet sein, und in der zweiten Position, die in 2 gezeigt ist, kann der Anschlag 170 unter einer zweiten Distanz 220 von dem Körper 110 angeordnet sein. Wie gezeigt ist, legt die zweite Distanz 220 bei der zweiten Position den Auslass 190 nicht zu dem Kanal 130 frei, wenn sich das Element 120 bewegt. Die Bewegung des Anschlags 170, die ihrerseits begleitend die reaktive Komponente 150, das Element 120 und die optionale Schutzkappe 180 bewegen kann, kann bewerten, ob das Element 120 immer noch verschiebbar in dem Kanal 130 des Körpers 110 angeordnet ist. Bei der Bewegung der Vorrichtung 100 von der ersten Position von 1 zu der zweiten Position von 2 kann der Druck an dem Ende 140 des Elements 120 (wie durch den Blockpfeil angegeben ist), der durch die Inhalte des Druckgefäßes bereitgestellt ist, sicherstellen, dass sich das Element 120 und die reaktive Komponente 150 mit dem Anschlag 170 bewegen. In einigen Fällen, falls der Anschlag 170 von der ersten Position zu der zweiten Position bewegt ist und sich das Element 120 nicht gleichermaßen bewegt, kann das Element 120 in dem Kanal 130 verklemmt oder gefroren sein, was angibt, dass der Betrieb der Druckentlastungsvorrichtung 100 gefährdet sein kann.
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Es können verschiedene Mittel verwendet werden, um den Anschlag 170 relativ zu dem Körper 110 der Vorrichtung 100 zu bewegen. Ein einstellbares Rückhaltesystem kann die Position des Anschlags 170 relativ zu dem Körper 110 halten. Bei einigen Ausführungsformen kann das einstellbare Rückhaltesystem den Druck aushalten und überwinden, der auf das Ende 140 des Elements 120 von den Inhalten des Druckgefäßes ausgeübt wird, wobei der Druck durch das Element 120 auf die reaktive Komponente 150 und auf den Anschlag 170 übertragen wird. Beispielsweise kann das einstellbare Rückhaltesystem eine Schraube 230 aufweisen, die einen Abschnitt 240 des Anschlags 170 und einen Gewindeabschnitt 250 des Körpers 110 koppelt und eine Verstellung aufweist, um den Anschlag 170 relativ zu dem Körper 110 vorzuschieben/zurückzuziehen. Es können andere Mittel, die zur Verschiebung eines Objekts relativ zu einem anderen Objekt verwendet werden, dazu verwendet werden, den Anschlag 170 in der ersten/zweiten Position relativ zu dem Körper 110 zu halten; z. B. einen Klinkenhebel mit einstellbaren und verriegelbaren Positionen (nicht gezeigt).
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Die Druckentlastungsvorrichtung 100 weist ein Erfassungsmittel auf, um zu erfassen, ob sich das Element 120 relativ zu dem Körper 110 bewegt. Beispielsweise kann das Erfassungsmittel einen optischen oder induktiven Sensor 260 aufweisen, der mit dem Körper 110 gekoppelt und derart konfiguriert ist, eine relative Bewegung zwischen dem Element 120 und dem Körper 110 zu detektieren. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Erfassungsmittel so positioniert sein, dass es eine Bewegung des Elements 120 durch den Auslass 190 detektiert, wie gezeigt ist. Oder bei anderen Ausführungsformen kann eine andere Durchbrechung (nicht gezeigt) in dem Körper 110 der Vorrichtung 100 zur Erfassung einer Bewegung des Elements 120 durch den Kanal 130 in dem Körper 110 verwendet werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Element 120 durch den Auslass 190 betrachtet werden, wo das Element 120 markiert oder indexiert sein kann, um anzugeben, ob sich dass Element 120 relativ zu dem Körper 110 bewegt hat, wenn die Vorrichtung 100 zwischen der ersten und zweiten Position geschaltet wird, wie in den 1 und 2 gezeigt ist.
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Die vorliegende Technologie sieht verschiedene Vorteile vor. Diese umfassen Verbesserungen durch Bereitstellung von Druckentlastungsvorrichtungen mit Prüffunktionalität. Die Fähigkeit, einen Betrieb der Druckentlastungsvorrichtung zu inspizieren, kann Vorrichtungen feststellen, die eine Reparatur oder einen Austausch erfordern. Gewisse Anwendungen, die Druckgefäße verwenden, können die Einhaltung von Codes, Standards oder Regulierungen, die der Druckgefäßsicherheit zugeordnet sind, die eine Entlastungsventilprüfung notwendig machen, erfordern.
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Es sind zahlreiche spezifische Einzelheiten dargestellt, wie Beispiele spezifischer Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein vollständiges Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Dem Fachmann sei offensichtlich, dass spezifische Einzelheiten nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können.
