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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines elektronischen Geräts, insbesondere zur Verwendung in einem explosionsgefährdeten Bereich.
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In explosionsgefährdeten Bereichen, beispielsweise auf Bohrinseln, können die an den äußeren elektronischen Schnittstellen eines elektronischen Geräts anliegenden elektrischen Energien ein in der Umgebung vorhandenes Gas-Luftgemisch zünden und zur Explosion bringen. Dies gilt in besonderem Maße für hochreaktive Gasgemische wie etwa Gemische aus Wasserstoff und Sauerstoff, für welche besagte elektrische Energie als Aktivierungsenergie zur Verfügung steht, um eine exotherme Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser zu initiieren. Ähnliches gilt für Gasgemische aus Azetylen-Sauerstoff.
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Darüber hinaus besteht bei elektronischen Geräten die Gefahr, dass bei Erhitzung über eine kritische Temperatur hinweg – etwa aufgrund einer Fehlfunktion im Gerät – die auf der Geräteoberfläche bereitgestellte thermische Energie ebenfalls zur Zündung eines das Gerät umgebenden explosiven Gasgemisches führen kann.
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Die
DE 20 2004 006 679 U1 beschreibt einen Druck- und/oder Sogkräften ausgesetzten Schaltschrank mit und ohne Schaltschranktür. Zur Vermeidung einer Verformung des Schaltschrankes bei Einwirkung von Druck- und/oder Saugkräften ist dieser mit Einrichtungen für einen vom Außendruck bzw. von Sogkräften abhängigen Druckausgleich im Innenraum des Schaltschranks versehen.
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Die
US 5,497,290 offenbart eine elektronische Schaltungsanordnung mit einem Gehäusekörper, mittels welchem ein abgedichteter Innenraum definiert ist. Im Innenraum ist eine Platine mit einer Mehrzahl von elektronischen Komponenten angeordnet. Das Gehäuse umfasst zwei Gehäuseteile, die im Bereich jeweiliger Befestigungsabschnitte aneinander befestigbar sind. Im Bereich der beiden Befestigungsabschnitte ist auch die Platine angeordnet. In einem Befestigungsabschnitt ist ein Belüftungsloch vorhanden, welches Druckfluktuationen absorbieren kann.
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Die
DE 10 2011 118 571 B4 beschreibt ein tragbares Gerät mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. Das Gerät umfasst eine Funktionselektronik, die in einem Gehäuse untergebracht ist. Zumindest der die Funktionselektronik aufnehmende Bereich des Gehäuseinnenraums steht unter einem statischen Überdruck eines nicht zündfähigen Schutzgases. Dieses ist in wenigstens einem Behältnis untergebracht, welches Teil des Geräts ist.
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Aus der
DE 10 2011 118 571 B4 bekannte Gegenmaßnahmen gegen die oben genannte Gefahr der Zündung eines das Gerät umgebenden explosiven Gasgemisches sehen vor, das elektronische Gerät in einem druckdichten Gehäuse anzuordnen, wodurch verhindert werden soll, dass reaktive Gase in Kontakt mit der Geräteoberfläche einschließlich der dort vorhandenen elektronischen oder elektrischen Schnittstellen gelangen können. Als problematisch bei solchen druckdichten Gehäusen erweist sich indes, dass bestimmte Gasformen aufgrund der geringen Größe der Gasmoleküle bzw. -Gasatome auch in druckdicht ausgelegte Gehäuse hinein diffundieren und dort mit dem elektronischen Gerät in Kontakt geraten können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer Geräte-Anordnung mit einem elektronischen Gerät und einem Gehäuse für dieses elektronisches Gerät zu schaffen, bei welchem die o. g. Problematik nicht oder nur mehr in stark entschärfter Form auftritt.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, ein Gehäuse zur Aufnahme eines elektronischen Geräts mittels einer federelastischen Trennwand in einen ersten und einen zweiten Teilraum zu unterteilen, und den ersten der beiden Teilräume, der zur Aufnahme des elektronischen Geräts eingerichtet ist, mit einem unter einem vorbestimmten Gasdruck stehenden Gas zu befüllen. Demgegenüber ist der zweite Teilraum des Gehäuses derart ausgebildet, dass zwischen ihm und der Umgebung um das Gehäuse eine Fluidverbindung besteht. Erfindungswesentlich ist dabei eine Druckbeaufschlagungseinrichtung, welche den ersten Teilraum mit einem zusätzlichen, vorbestimmten Druck beaufschlägt, so dass der im ersten Teilraum herrschende Gesamt-Gasdruck sich aus dem ursprünglichen, vorbestimmten Gasdruck des Gases und besagtem zusätzlichen Druck zusammensetzt. Gegenüber dem zweiten Teilraum und der Umgebung des Gehäuses wird als im ersten Teilraum ein Gas-Überdruck erzeugt, was dem unerwünschten Eindiffundieren von Gasatomen bzw. Gasmolekülen von außen in den zweiten Teilraum entgegenwirkt.
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Für den Fall, dass nun der Umgebungsdruck um das Gehäuse absinkt, etwa, weil das Gehäuse samt dem elektronischen Gerät an einen höher gelegenen Ort transportiert wird, wird auch der im zweiten Teilraum bestehende Gasdruck um denselben Betrag zurückgehen; denn aufgrund der bestehenden Fluidverbindung zwischen dem zweiten Teilraum und der Umgebung des Gehäuses herrscht im zweiten Teilraum stets derselbe Gasdruck wie in der Umgebung um das Gehäuse.
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Ein Druckabfall im zweiten Teilraum führt folglich zunächst zu einer erhöhten Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck im ersten Teilraum und dem verringerten Gasdruck im zweiten Teilraum. Ließe man die Wirkung der erfindungswesentlichen Druckbeaufschlagungseinrichtung gänzlich außer Betracht, so würde besagte Druckdifferenz zu einer Bewegung der federelastischen Trennwand vom ersten Teilraum weg zum zweiten Teilraum hin führen, so dass das Volumen des ersten Teilraums durch die Bewegung der Trennwand so lange vergrößert wird, bis aufgrund des mit der Volumenvergrößerung des ersten Teilraums einhergehenden Reduzierung des Gasdrucks im ersten Teilraum in beiden Teilräumen wieder ein Druckgleichgewicht herrscht.
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In diesem stationären Endzustand würde der Gasdruck im ersten Teilraum genau jenem im zweiten Teilraum entsprechen. Mittels der erfindungswesentlichen Druckbeaufschlagungseinrichtung wird jedoch – unabhängig von den in den beiden Teilräumen herrschenden und den darin befindlichen Gasen erzeugten Gasdrücken – eine zusätzliche Kraft auf die Trennwand zum ersten Teilraum hin ausgeübt. Dies bedeutet, dass die neue Gleichgewichtslage der Trennwand unter Berücksichtigung des von der Druckbeaufschlagungseinrichtung erzeugten zusätzlichen Drucks gegenüber jener, bei welcher der vom der Druckbeaufschlagungseinrichtung zusätzlich erzeugte Druck unberücksichtigt bleibt, um einen vorbestimmten Betrag zum zweiten Teilraum hin verschoben ist. Die damit verbundene Volumenverringerung des ersten Teilraums führt aber zu einem Druckanstieg im ersten Teilraum. Der Betrag dieses Druckanstiegs entspricht exakt dem von der Druckbeaufschlagungseinrichtung erzeugten, zusätzlichen Fluiddruck.
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Folglich ist im neuen Gleichgewichtszustand der Gasdruck im ersten Teilraum, in welchem das mittels des Gehäuses zu schützende elektronische Gerät vorgesehen ist, stets um einen vorbestimmten Betrag größer, als der Gasdruck im zweiten Teilraum, welcher stets identisch gleich dem momentanen Umgebungsdruck ist. Der im Vergleich zum zweiten Teilraum und der Umgebung des Gehäuses druckbeaufschlagte erste Teilraum verhindert weitgehend oder gar vollständig das Eindiffundieren von explosiven Gasen in den ersten Teilraum. Dies ermöglicht einen hochwirksamen Schutz des im ersten Teilraum angeordneten elektronischen Geräts, so dass dieses auch in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet werden kann, ohne dass die Gefahr der Auslösung einer Explosion durch das Gerät bestünde.
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Besonders zweckmäßig mag die Trennwand in einer bevorzugten Ausführungsform als für das Gas impermeable Membran ausgebildet sein. Dies stellt sicher, dass das im ersten Teilraum angeordnete Gas nicht durch die Membran aus dem ersten in den zweiten Teilraum gelangen und über diesen durch die existierende Fluidverbindung in die Umgebung gelangen kann. Gleichzeitig verleiht die Ausgestaltung der Trennwand als Membran dieser die gewünschten elastischen Eigenschaften. Als Membran-Material mag etwa ein Metall oder ein Kunststoff, in letzterem Fall bevorzugt ein Elastomer, in Betracht kommen. Besonders gute elastische Eigenschaften besitzt insbesondere ein Gummi.
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Zur stabilen Befestigung des elektronischen Geräts im ersten Teilraum kann in diesem wenigstens ein Halteelement, vorzugsweise wenigstens zwei Halteelemente, vorgesehen sein, an welchen das elektronische Gerät lösbar oder, alternativ dazu, stationär befestigt werden kann. Solche Halteelemente können in ersterem Fall etwa in der Art von Rastelementen ausgebildet sein, an welchen das elektronische Gerät lösbar fixiert werden kann. Alternativ zu derartigen Rastverbindungen sind selbstverständlich auch andere Arten der Verbindung vorstellbar; vorstellbar ist beispielsweise, das elektronische Gerät mit Hilfe einer durch die Halteelemente ausgebildeten Klemmverbindung im ersten Teilraum anzubringen.
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Zur Herstellung der erforderlichen Fluidverbindung zwischen dem zweiten Teilraum und der momentanen Umgebung des Gehäuses wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgeschlagen, im Gehäuse eine Durchgangsöffnung vorzusehen, welche den zweiten Teilraum fluidisch mit der Umgebung des Gehäuses verbindet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, welche eine besonders einfache technische Realisierung der Druckbeaufschlagungseinrichtung erlaubt, umfasst diese wenigstens ein Federelement, vorzugsweise vier Federelemente. Das Federelement mag sich dabei einenends – direkt oder indirekt, in letzterem Fall über eine weitere im Gehäuse verbaute Komponente – am Gehäuse und anderenends an der Trennwand abstützen. Das Federelement ist dabei derart im Gehäuse anzubringen, dass es die Trennwand unter Ausübung einer Vorspannkraft zum ersten Teilraum hin vorspannt. Mittels einer derart erzeugten Vorspannkraft lässt sich der gewünschte, zusätzliche Fluiddruck im ersten Teilraum erzeugen.
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Hinsichtlich der Anordnung der Druckbeaufschlagungseinrichtung eröffnen sich dem einschlägigen Fachmann verschiedene technische Realisierungsmöglichkeiten. So mag etwa gemäß einer ersten Bauform die Druckbeaufschlagungseinrichtung im zweiten Teilraum angeordnet werden. Gemäß dem oben erläuterten Szenario, welches die Verwendung eines oder mehrerer Federelemente vorschlägt, sind diese entsprechend auf Druck vorgespannt.
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In einer dazu alternativen Variante ist es aber auch vorstellbar, die Druckbeaufschlagungseinrichtung im ersten Teilraum anzuordnen. Kommen auch in dieser Variante Federelemente zum Einsatz, so lässt sich die gewünschte Druckbeaufschlagung im ersten Teilraum herstellen, indem die Federelemente zur Erzeugung der gewünschten Vorspannkraft auf Zug beansprucht werden.
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Die zum Erzeugen einer Vorspannkraft erforderlichen federelastischen Eigenschaften sind in einer Vielzahl moderner Materialien bereits enthalten. Zur Verwendung in der hier vorgestellten Vorrichtung empfehlen sich insbesondere verformbare Kunststoffe wie etwa Elastomere.
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Um das hier vorgestellte Gehäuse auch als Gehäuse für einen Tablet-Computer mit integriertem Display verwenden zu können, wird vorgeschlagen, an geeigneter Stelle im Gehäuse ein Sichtfenster vorzusehen, welches mittels einer Fensterscheibe aus durchsichtigem Material verschlossen wird. Bei geeigneter, dem Fachmann bekannter Ausgestaltung des Sichtfensters – zu denken ist etwa an eine hinreichend dünne, gleichwohl mechanisch stabile Konfigurierung der Fensterscheibe durch Verwendung eines gehärteten Glases als Scheibenmaterial – kann sichergestellt werden, dass die für einen Tablet-Computer zwingend erforderliche Touchscreen-Funktionalität erhalten bleibt.
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Eine vorteilhafte, weil räumliche besonders kompakte Bauform ergibt sich, wenn besagtes Sichtfenster in einer ersten Gehäusewand des Gehäuses vorgesehen wird, die einer zweiten Gehäusewand gegenüberliegt, in welcher die Durchgangsöffnung zum fluidischen Verbinden des zweiten Teilraums mit der Umgebung des Gehäuses vorgesehen ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann als Gas, mit welchem der erste Teilraum zu befüllen ist, ein inertes Gas wie beispielsweise Argon verwendet werden.
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Besonders zweckmäßig mag die Druckbeaufschlagungseinrichtung derart konfiguriert sein, dass die von ihr bewirkte Druckdifferenz zwischen den Gasdrücken in den beiden Teilräumen des Gehäuses wenigstens 2 Millibar, vorzugsweise wenigstens 4 Millibar, beträgt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt in grobschematischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 besitzt ein ausreichend dimensioniertes Gehäuse 5, welches einen Gehäuseinnenraum 6 umhüllt.
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Im Gehäuseinnenraum 6 des Gehäuses 5 ist eine federelastische Trennwand 7 angebracht, und zwar derart, dass sie den Gehäuseinnenraum 6 in einen ersten Teilraum 8a und einen fluidisch von diesem getrennten, zweiten Teilraum 8b unterteilt. Dabei ist der erste Teilraum 8a zur Aufnahme eines elektronischen Geräts 2 eingerichtet. Folglich ist im Beispielszenario der 1 im ersten Teilraum 8a ein elektronisches Gerät 2 in Form eines Tablet-Computers 3 aufgenommen, der ein Display 4 mit Touchscreen-Funktionalität besitzt.
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Zur stabilen Befestigung des elektronischen Geräts 1 im ersten Teilraum 8a können mehrere Halteelemente in Form von Rastelementen (nicht gezeigt) vorgesehen sein, an welchen das elektronische Gerät 2 lösbar befestigbar ist. Alternativ dazu mag auch eine Klemmverbindung (nicht gezeigt) in Betracht kommen. Generell ist auch die Ausbildung einer stationären, also nicht-lösbaren Verbindung denkbar. Im Beispiel der 1 weist das Gehäuse 5 in einer ersten Gehäusewand 5a auf, in welcher ein Sichtfenster 13 vorgesehen ist. Diese wird von einer Fensterscheibe 14 aus gehärtetem Glas verschlossen. Durch das Sichtfenster 13 bleibt das Display 4 für einen Benutzer des Tablet-Computers 3 auch in dem im Gehäuse 5 montierten Zustand sichtbar und als Touchscreen benutzbar.
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Der zweite Teilraum 8b kommuniziert mit Hilfe einer Durchgangsöffnung 10 fluidisch mit der Umgebung U des Gehäuses 5. Es ist klar, dass die Umgebung U nicht Teil der Vorrichtung 1 ist. Dies bedeutet, dass der im zweiten Teilraum herrschende Gasdruck p2 stets identisch gleich dem in der Umgebung U herrschenden Gasdruck pU ist, denn über die Durchgangsöffnung kann zu jedem Zeitpunkt Gas 9b aus der Umgebung U, typischerweise Luft, in den zweiten Teilraum 8b eindringen. In den ersten Teilraum 8a ist demgegenüber – fluidisch isoliert – ein unter einem vorbestimmten Gasdruck pGas stehendes Gas 9a, beispielsweise Argon, eingebracht, welches das elektronische Gerät 2 umgibt.
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Im Beispielszenario der 1 ist die Trennwand 7 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als für das Argon-Gas 9a impermeable Membran 12 ausgebildet. Dies stellt sicher, dass das im ersten Teilraum 8a angeordnete Gas 9a nicht durch die Membran 12 aus dem ersten in den zweiten Teilraum gelangen und über diesen durch die Durchgangsöffnung 10 in die Umgebung U gelangen kann. Gleichzeitig verleiht die Ausgestaltung der Trennwand 7 in Form einer Membran 12 dieser die gewünschten elastischen Eigenschaften. Als Membran-Material kann beispielsweise ein Metall oder ein Kunststoff, in letzterem Fall beispielsweise ein Elastomer, verwendet werden. Als Elastomer kommt insbesondere Gummi in Betracht.
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Lässt man in den folgenden Überlegungen zunächst die erfindungswesentliche Druckbeaufschlagungseinrichtung 11 außer Betracht, so entspricht der Gasdruck pGas dem im ersten Teilraum 8a herrschenden Druck p1. Für den Fall, dass der Umgebungsdruck pU um das Gehäuse 5 absinkt, etwa, weil das Gehäuse 5 mit dem elektronischen Gerät 2 an einen höher gelegenen Ort transportiert wird, sinkt aufgrund der bestehenden Fluidverbindung zwischen dem zweiten Teilraum 8b und der Umgebung U des Gehäuses 5 der im zweiten Teilraum 8b um denselben Betrag. Ein Druckabfall im zweiten Teilraum 8b führt folglich zu einer Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck p1 im ersten Teilraum 8a und dem verringerten Gasdruck p2 im zweiten Teilraum 8b. Lässt man die Wirkung der Druckbeaufschlagungseinrichtung 11 außer Betracht, so würde besagte Druckdifferenz zu einer Bewegung der federelastischen Trennwand 7 vom ersten Teilraum 8a weg zum zweiten Teilraum 8b hin führen, so dass das Volumen des ersten Teilraums 8a durch die Bewegung der Trennwand 7 so lange vergrößert wird, bis aufgrund des mit der Volumenvergrößerung des ersten Teilraums 8a einhergehenden Reduzierung des Gasdrucks p1 im ersten Teilraum in beiden Teilräumen 8a, 8b wie der ein Druckgleichgewicht der beiden Gasdrücke p1 und p2 herrscht. Ein solches Szenario ist in der 1 durch eine gestrichelt gezeichnete Trennwand mit dem Bezugszeichen 7' gezeigt. in diesem stationären Endzustand würde der Gasdruck p1 im ersten Teilraum 8a wieder dem Gasdruck p2 im zweiten Teilraum 8b entsprechen.
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Vor diesem Hintergrund erfindungswesentlich ist nunmehr eine im zweiten Teilraum 8b vorgesehenen Druckbeaufschlagungseinrichtung 11, mittels welcher zu jedem Zeitpunkt der im ersten Teilraum 8a herrschende Fluiddruck p1 um einen vorbestimmten Betrag pD zu einem gegenüber dem Gasdruck p2 erhöhten Gasdruck p1' vergrößert wird.
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Im stationären Zustand, bei welchem die federelastische Trennwand 7 bewegungsfrei in einer stabilen Gleichgewichtsposition verharrt, gilt also die Beziehung p1' = p2 + pD, d. h. das Argon-Gas 9a im ersten Teilraum 9a steht stets um einen um den Betrag pD höheren Druck als das Gas 9b im zweiten Teilraum 9b, und zwar unabhängig von dem im zweiten Teilraum 8b herrschenden Umgebungsdruck pU.
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Der im Vergleich zum zweiten Teilraum 8b und der Umgebung U des Gehäuses 5 um den Differenzdruck pD druckbeaufschlagte erste Teilraum 8a verhindert dann weitgehend oder gar vollständig das Eindiffundieren von explosiven Gasen in den ersten Teilraum 8a. Dies ermöglicht einen hochwirksamen Schutz des im ersten Teilraum 8a platzierten elektronischen Geräts 2, so dass dieses auch in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet werden kann.
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Die Druckbeaufschlagungseinrichtung 11 kann derart konfiguriert sein, dass die von ihr bewirkte Druckdifferenz zwischen den Gasdrücken p1, p2 in den beiden Teilräumen 8a, 8b des Gehäuses 5 wenigstens 2 Millibar, vorzugsweise wenigstens 4 Millibar, beträgt.
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Die Druckbeaufschlagungseinrichtung 11 umfasst hierzu Federelemente 15, von welchen in 1 exemplarisch lediglich zwei dargestellt sind. Die beiden Federelemente 15 sind im zweiten Teilraum 8b angebracht – in Varianten ist selbstverständlich auch eine dazu alternative Anordnung, beispielsweise im ersten Teilraum 8a vorstellbar – und stützen sich jeweils einenends an einer der ersten Gehäusewand 5a gegenüberliegenden, zweiten Gehäusewand 5b und anderenends an der federelastischen Trennwand 7 ab. Zur Verwendung als Federelemente 15 können beispielsweise verformbare Kunststoffe – zu denken ist etwa an Elastomere – verwendet werden.
