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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Berstscheibe gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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Eine Berstscheibe wird dazu verwendet, eine Öffnung eines Behälters abzudichten. Der Behälter kann beispielsweise Bestandteil einer Anlage sein. Die Berstscheibe soll einem Druck, der im normalen Betrieb der Anlage im Behälter auftritt, standhalten. Ein Hauptzweck der Berstscheibe liegt darin, dass sie schlagartig die Öffnung freigibt, wenn im Behälter ein zu hoher Druck auftritt. Die Berstscheibe stellt in diesem Fall eine Sollbruchstelle dar, die einen zügigen Fluidaustausch zwischen dem Behälterinnenraum und der Umgebung ermöglicht. Auf diese Weise wird verhindert, dass ein unkontrollierbar hoher Druck im Behälterinnenraum entsteht, der unter Umständen eine Gefahr darstellen könnte.
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Aus der
WO 89/08589 A1 ist eine Berstscheibe bekannt, bei der zwei die Behälteröffnung abdeckende Berstscheibenelemente über eine Klebeverbindung miteinander verbunden sind. Beide Berstscheibenelemente bestehen aus einer einzigen Schicht.
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Aus
GB 2 285 284 A ,
WO 03/031853 A1 und
WO 2007/067450 A1 sind Berstscheiben bekannt, bei denen das die Behälteröffnung abdeckende Berstscheibenelement eine Wabenstruktur aufweist, um die Stabilität des Berstscheibenelements zu erhöhen und dadurch Gewicht und Material sparen zu können.
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In
DE 20 2011 110 078 wird eine wiederverschließbare Druckentlastungsvorrichtung mit einem mehrschichtigen Element offenbart. Das Element besteht aus drei Schichten. Die mittlere Schicht weist dabei zur Erhöhung der Stabilität eine Wabenstruktur auf.
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Aus der
US 7 234 278 B2 ist eine Berstscheibe bekannt, die mehrere Auswölbungen aufweist. Die Auswölbungen sind vom Behälter weg gerichtet. Eine derartige Berstscheibe wird auch als zugbelastete oder vorwärts gerichtete Berstscheibe bezeichnet. Zwischen den Auswölbungen sind Mulden angeordnet, die die Auswölbungen voneinander trennen.
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Aus der
US 5 267 666 A ist eine Berstscheibe bekannt, die zwei Auswölbungen aufweist. Die Auswölbungen sind dabei in Richtung des Behälterinnenraums gerichtet. Eine derartige Berstscheibe wird auch als Umkehr-Berstscheibe bezeichnet. Zwischen den Auswölbungen ist eine Mulde angeordnet, die die Auswölbungen voneinander trennt. Die Mulde weist ebenfalls eine leichte Wölbung in Richtung des Behälterinnenraums auf. Diese Wölbung der Mulde soll die Stabilität der Mulde gegenüber hohen Drücken im Behälterinnenraum erhöhen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine stabile, leichte und einfach herzustellende Berstscheibe und einen Behälter mit einer solchen Berstscheibe zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Berstscheibe gemäß Anspruch 1 und einen Behälter gemäß Anspruch 13 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß Anspruch 1 umfasst die Berstscheibe ein erstes und ein zweites Berstscheibenelement als Verstärkungsmittel, die miteinander verbunden sind. Im eingebauten Zustand decken beide Berstscheibenelemente eine Behälteröffnung ab. Das erste Berstscheibenelement ist aus einer einzigen Schicht gefertigt, während das zweite Berstscheibenelement mehrere Schichten aufweist. Beispielsweise kann die Berstscheibe ohne das zweite Berstscheibenelement eine bereits aus dem Stand der Technik bekannte Berstscheibe sein. Durch Verbindung des ersten Berstscheibenelements mit dem zweiten Berstscheibenelement kann nun eine besonders stabile und leichte Berstscheibe geschaffen werden, ohne dass die bisher verwandten Produktionsschritte verändert werden müssen. Es können also mit besonders geringem Produktionsaufwand zwei unterschiedlich stabile Berstscheiben hergestellt werden, indem die bereits bekannte Berstscheibe nachträglich mit dem zweiten Berstscheibenelement versehen wird.
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Außerdem ist es möglich, dass das zweite Berstscheibenelement aus einem anderen Material besteht als das erste Berstscheibenelement. Somit kann für das erste Berstscheibenelement beispielsweise ein Material gewählt werden, das den Anforderungen an ein dem Behälterinnenraum zugewandtes Material erfüllt. Hier können beispielsweise Anforderungen an die Hygiene durch ein erstes Bertscheibenelement aus Edelstahl erfüllt werden. Für das zweite Berstscheibenelement kann dann ein anderes Material, beispielsweise Aluminium, verwendet werden.
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Unter einem Berstscheibenelement, das mehrere Schichten aufweist, wird insbesondere ein einstückiges Berstscheibenelement verstanden, das mehrere miteinander, insbesondere stoffschlüssig, verbundene Teile umfasst. Die Teile können beispielsweise miteinander verschmolzen oder verschweißt sein. Die Teile können insbesondere unlösbar miteinander verbunden sein. Dies kann bedeuten, dass sie nicht voneinander getrennt werden können, ohne zumindest eines der Teile zumindest teilweise zu beschädigen.
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Unter einem Berstscheibenelement, das aus einer einzigen Schicht besteht, wird hier insbesondere verstanden, dass es aus makroskopischer Sicht aus einer einzigen Schicht besteht. Es kann sich beispielsweise um ein Blech handeln. Selbstverständlich kann auch ein Berstscheibenelement, das aus einer einzigen Schicht besteht, mehrere Millimeter dick sein und somit mehrere atomare Schichten umfassen. Das erste Berstscheibenelement kann somit insbesondere einstückig oder einteilig ausgebildet sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Berstscheibe eine Rahmenstruktur umfassen. Das erste Berstscheibenelement kann an der Rahmenstruktur befestigt sein. Die Rahmenstruktur kann beispielsweise für eine Befestigung an einer Behälterwand ausgebildet sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Berstscheibenelement ein Verbundmaterial umfassen. Unter einem Verbundmaterial wird hier insbesondere verstanden, dass es mehrere Schichten umfasst, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen können. Alternativ oder zusätzlich können die Schichten auch unterschiedliche Strukturen aufweisen. Beispielsweise kann eine strukturierte Schicht zwischen zwei unstrukturierten Schichten angeordnet sein. Unter einer unstrukturierten Schicht wird hier insbesondere eine Schicht verstanden, die aus makroskopischer Sicht eine ebene Oberfläche aufweist. Selbstverständlich kann auf Kristallgitterebene oder auf atomarer Ebene eine Struktur der Schicht vorhanden sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann zumindest eine Schicht des zweiten Berstscheibenelements eine Verstärkungsstruktur aufweisen. Unter einer Verstärkungsstruktur wird hier insbesondere eine Struktur verstanden, die zur Stabilitätserhöhung beiträgt. Dies kann zum Beispiel eine Wabenstruktur sein, bei der im Querschnitt ein luftgefüllter Innenraum durch ein Vieleck umrandet ist. Es ist auch möglich, dass die Verstärkungsstruktur als Röhrenstruktur ausgebildet ist. In diesem Fall ist im Querschnitt ein luftgefüllter Innenraum durch einen Kreis umrandet. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Verstärkungsstruktur im Querschnitt konzentrische Kreise aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Verstärkungsstruktur auch gitterförmig ausgebildet sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Berstscheibenelement zwei unstrukturierte Schichten umfassen. Die Schicht mit der Verstärkungsstruktur kann zwischen den zwei unstrukturierten Schichten angeordnet sein. Auf diese Weise wird ein besonders stabiles zweites Berstscheibenelement geschaffen. Insbesondere wird die Biegesteifigkeit erhöht. Aufgrund der erhöhten Biegesteifigkeit kann das Gewicht der Berstscheibe im Vergleich mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Berstscheibe reduziert werden, wobei beide Berstscheiben für die gleiche mechanische Belastung ausgelegt sind.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Berstscheibenelement zumindest teilweise aus Aluminium gefertigt sein. Dies hat ein besonders niedriges Gewicht des Berstscheibenelements zum Vorteil. Ein aus Aluminium gefertigtes Verbundmaterial mit einer Wabenstruktur in der Mittelschicht ist unter dem Handelsnamen Alucore bekannt und wird aufgrund des niedrigen Gewichts und der hohen Biegesteifigkeit insbesondere in Fahrstühlen und Flugzeugbögen eingesetzt. Dieses Material eignet sich auch besonders gut für das zweite Berstscheibenelement.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das erste Berstscheibenelement stoffschlüssig mit dem zweiten Berstscheibenelement verbunden sein. So wird eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Berstscheibenelement erreicht, die eine zuverlässige Übertragung von Biegekräften ermöglicht, sodass das zweite Berstscheibenelement besonders gut zur Versteifung der Berstscheibe beiträgt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das erste Berstscheibenelement über eine Klebeverbindung mit dem zweiten Berstscheibenelement verbunden sein. Eine Klebeverbindung hat insbesondere den Vorteil, dass das zweite Berstscheibenelement besonders einfach und komfortabel mit dem ersten Berstscheibenelement verbunden werden kann.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das erste Berstscheibenelement aus einem anderen Material gefertigt sein als das zweite Berstscheibenelement. So kann beispielsweise das Material des ersten Berstscheibenelements in Hinblick darauf ausgewählt werden, dass es in direktem Kontakt mit dem Behälterinnenraum steht. Zum Beispiel kann Edelstahl verwendet werden, um Hygieneanforderungen zu erfüllen. Das Material des zweiten Berstscheibenelements kann in Hinblick auf eine hohe Biegesteifigkeit und ein niedriges Gewicht ausgewählt werden ohne Anforderungen aufgrund der im Behälter ablaufenden Prozesse berücksichtigen zu müssen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Berstscheibe eine Außenseite und eine Innenseite aufweisen. Die Innenseite kann dazu ausgebildet sein, dem Behälterinnenraum zugewandt zu sein. Die Außenseite kann dazu ausgebildet sein, einer Umgebung des Behälters, insbesondere der Atmosphäre, zugewandt zu sein. Die Außenseite kann am zweiten Berstscheibenelement und die Innenseite am ersten Berstscheibenelement angeordnet sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Endbereich des zweiten Berstscheibenelements an der Rahmenstruktur befestigt sein. Unter einem Endbereich wird hier insbesondere ein Randbereich verstanden. Der Endbereich kann insbesondere an einer Seite des Berstscheibenelements verlaufen und in Längen- oder Breitenrichtung des Berstscheibenelements ein Fünftel der Gesamtlänge oder -breite betragen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verstärkungsmittel eine geometrische Struktur der Berstscheibe umfassen. Unter einer geometrischen Struktur wird hier insbesondere verstanden eine dreidimensionale Struktur verstanden, die die Biegesteifigkeit der Berstscheibe erhöht. Die geometrische Struktur kann beispielsweise eine bionische Struktur sein. So können Formen wie sie etwa von Oberflächen von Muscheln oder von Schildkrötenpanzern bekannt sind als geometrische Struktur verwendet werden. Es ist auch möglich, dass gewölbte konzentrische Kreise als geometrische Struktur verwendet werden.
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Derartige Strukturen erhöhen das Widerstandsmoment der Berstscheibe gegen Druckdifferenz zwischen dem Behälterinnenraum und der Umgebung. Somit kann die Berstscheibe nach einer Ausführungsform der Erfindung ein geringeres Gewicht aufweisen als Berstscheiben, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, wobei sie für die gleiche Druckdifferenz ausgebildet ist.
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Ein weiterer Vorteil der geometrischen Struktur ist eine Verbesserung der Öffnungscharakteristik der Berstscheibe. Durch die geometrische Struktur wird zumindest die Wahrscheinlichkeit verringert, dass die Berstscheibe bei einer zu großen Druckdifferenz komplett vom Behälter abreißt.
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Noch ein weiterer Vorteil der geometrischen Struktur ist, dass Unregelmäßigkeiten bei der Dicke des Blechs der Berstscheibe ausgeglichen werden können. Durch die geometrische Struktur werden insbesondere nachteilige mechanische Eigenschaften dieser Unregelmäßigkeiten verringert oder vermieden. Bei einer Berstscheibe mit der geometrischen Struktur sind derartige Unregelmäßigkeiten von untergeordneter Bedeutung, da die geometrische Struktur im Wesentlichen das Verhalten der Berstscheibe bei mechanischen Belastungen bestimmt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Berstscheibe als Verstärkungsmittel mehrere erste Abschnitte und zumindest einen zweiten Abschnitt umfassen. Zwischen zwei ersten Abschnitten kann ein zweiter Abschnitt angeordnet sein. Die ersten Abschnitte können eine vom Behälter weg gerichtete Auswölbung erster Art aufweisen. Außerdem kann der zumindest eine zweite Abschnitt eine vom Behälter weg gerichtete Auswölbung zweiter Art aufweisen. Die Auswölbungen erster Art können stärker ausgeprägt sein als die Auswölbung zweiter Art.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Auswölbungen erster Art und die Auswölbungen zweiter Art in dieselbe Richtung gerichtet sein. Dadurch wird eine besonders hohe Stabilität der Berstscheibe erreicht, wodurch das Gewicht der Berstscheibe verringert werden kann, um vergleichsweise hohen Druckdifferenzen stand zu halten.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Berstscheibe eine Umrandung zur Befestigung am Behälter aufweisen. Die Umrandung kann eine Ebene definieren, aus der die Auswölbungen nach außen vom Behälter weg gerichtet sind.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Auswölbungen erster Art unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass die Krümmungen unterschiedlich stark ausgebildet sind und/oder dass die Auswölbungen erster Art sich unterschiedlich weit weg von der durch die Umrandung definierte Ebene erstrecken.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Auswölbungen zweiter Art unterschiedlich stark ausgeprägt sein. In diesem Fall weist die Berstscheibe zumindest zwei Auswölbungen zweiter Art auf. Unter einer unterschiedlich starken Ausprägung wird hier im Prinzip das gleiche verstanden wie oben in Bezug auf die ersten Auswölbungen ausgeführt wurde.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die ersten und die zweiten Abschnitte streifenartig ausgebildet sein und sich jeweils von einem ersten Teil der Umrandung zu einem dem ersten Teil gegenüberliegenden zweiten Teil der Umrandung erstrecken.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Auswölbungen erster Art in einem mittleren Bereich der Berstscheibe stärker ausgeprägt sein als in Randbereichen der Berstscheibe. Unter den Randbereichen werden hier insbesondere die Bereiche verstanden, die nahe der Umrandung angeordnet sind. Der mittlere Bereich ist von den Randbereichen umgeben.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Auswölbungen zweiter Art im mittleren Bereich stärker ausgeprägt sein als in den Randbereichen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die ersten und die zweiten Abschnitte parallel zueinander angeordnet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet. Darin zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Berstscheibe nach einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine nähere Ansicht des mit A in 1 gekennzeichneten Ausschnitts der Berstscheibe aus 1;
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3 eine seitliche Ansicht der Berstscheibe aus 1;
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4 eine schematische Draufsicht auf eine Berstscheibe nach einer Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine Schnittansicht der Berstscheibe aus 4 entlang der Schnittlinie B-B; und
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6 eine schematische Detailansicht des mit C in 5 gekennzeichneten Ausschnitts der Berstscheibe aus 4.
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7 eine schematische Seitenansicht einer Berstscheibe nach einer Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine schematische Draufsicht auf die Berstscheibe aus 7; und
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9 eine schematische perspektivische Ansicht der Berstscheibe aus 7.
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Die in 1 dargestellte Berstscheibe 100 deckt eine Öffnung eines Behälters ab. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird hier nur ein Ausschnitt einer Wandung 101 des Behälters dargestellt.
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Der Aufbau der Berstscheibe 100 lässt sich besonders gut anhand des in 2 dargestellten Ausschnitts A erkennen. Es ist ein erstes Berstscheibenelement 200 und ein zweites Berstscheibenelement 201 vorgesehen, die beispielsweise miteinander verklebt sein können. Das erste Berstscheibenelement 200 ist an einer Rahmenstruktur 202 der Berstscheibe befestigt. Die Rahmenstruktur 202 wiederum ist an der Behälterwandung 101 befestigt.
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Das erste Berstscheibenelement 200 besteht aus einer einzigen Schicht und ist dem Behälterinnenraum 203 zugewandt. Das zweite Berstscheibenelement 201 umfasst mehrere Schichten und ist der Umgebung zugewandt. Das erste Berstscheibenelement 200 kann nun auf die Anforderungen angepasst werden, die sich daraus ergeben, dass es eine Begrenzung des Behälterinnenraums 203 darstellt. Das zweite Berstscheibenelement 201 kann aufgrund der Mehrschichtigkeit eine besonders große Biegesteifigkeit bei relativ geringem Gewicht aufweisen. Das zweite Berstscheibenelement 201 kann auch als Verbundplatte bezeichnet werden.
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In 3 ist die Öffnungsbewegung B der Berstscheibe 100 dargestellt. Wenn der Druck im Behälterinnenraum 203 zu groß wird, gibt die Berstscheibe 100 nach und öffnet schlagartig die zuvor abgedeckte Behälteröffnung und ermöglicht so einen Druckausgleich. Auf diese Weise kann ein gefährlicher Überdruck vermieden werden. Der Druck, ab dem die Berstscheibe 100 nachgibt, wird im Wesentlichen durch die Struktur und das Material der beiden Berstscheibenelemente 200 und 201 bestimmt. Insbesondere das zweite Berstscheibenelement 201 kann im Verhältnis zu seinem Gewicht besonders biegesteif sein, sodass die Berstscheibe 100 relativ hohen Drücken standhält. Die Berstscheibe 100 kann auf den Behälter angepasst werden, sodass bei Überschreiten des maximal im Behälterinnenraum zulässigen Drucks, die Berstscheibe 100 die Behälteröffnung freigibt.
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In 4 ist ein Endbereich 400 des zweiten Berstscheibenelements 201 dargestellt, in dem das zweite Berstscheibenelement 201 mit der Rahmenstruktur verbunden ist. Der Endbereich 400 erstreckt sich entlang einer Seite des zweiten Berstscheibenelements 201, sodass auch das zweite Berstscheibenelement 201 am Behälter befestigt bleibt, wenn die Berstscheibe 100 die Öffnung freigibt. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Klebeverbindung zwischen dem ersten Berstscheibenelement 200 und dem zweiten Berstscheibenelement 201 dem hohen Behälterinnendruck nicht standhält und sich das zweite Berstscheibenelement 201 vom ersten Berstscheibenelement 200 löst. In diesem Fall wird eine unkontrollierte Bewegung des zweiten Berstscheibenelements 201 durch die Befestigung im Randbereich 400 an der Rahmenstruktur 202 verhindert. Außerdem wird so die in 3 dargestellte Öffnungsbewegung B erreicht.
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In 6 wird noch einmal verdeutlicht, dass das erste Berstscheibenelement 200 an der Rahmenstruktur befestigt ist, die wiederum mit der Behälterwandung 101 verbunden ist. Außerdem ist dargestellt, dass das zweite Berstscheibenelement 201 vom Behälterinnenraum weg gerichtet ist und während des normalen Betriebs nicht in Kontakt mit dem Behälterinnenraum ist, da zwischen dem Behälterinnenraum und dem zweiten Berstscheibenelement 201 das erste Berstscheibenelement 200 angeordnet ist.
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Zusätzlich zu den hier erwähnten Bauteilen kann die Berstscheibe 100 noch Dichtungsmittel umfassen, die zur Abdichtung des Behälters beitragen. Diese können wie aus dem Stand der Technik bekannt ausgebildet sein.
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Die in den 7 bis 9 gezeigte Berstscheibe 700 weist erste Abschnitte 701 mit jeweils einer ersten Auswölbung und zweite Abschnitte 702 mit jeweils einer zweiten Auswölbungen auf. Die ersten und die zweiten Auswölbungen sind in die gleiche Richtung gerichtet. Die ersten und zweiten Abschnitte 701 und 702 verlaufen streifenartig und sind parallel zueinander ausgerichtet. Ein zweiter Abschnitt ist dabei immer zwischen zwei ersten Abschnitten angeordnet. Dies ist beispielhaft anhand des zweiten Abschnitts 702'' gezeigt, der zwischen den beiden ersten Abschnitten 701' und 702'' angeordnet ist. Außerdem umfasst die Berstscheibe 700 eine Umrandung 800.
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Die ersten und die zweiten Auswölbungen erstrecken sich in dieselbe Richtung. Allerdings sind die ersten Auswölbungen stärker ausgeprägt als die zweiten Auswölbungen, sodass hier bildlich gesprochen die ersten Auswölbungen auch als Hügel und die zweiten Auswölbungen als Täler bezeichnet werden können. Dabei ist zu beachten, dass auch die Täler eine Krümmung aufweisen, wie beispielsweise aus 9 ersichtlich. Durch diese Form kann die Berstscheibe 700 besonders leicht ausgeführt sein, da selbst bei einem relativ geringen Gewicht ein ausreichendes Widerstandsmoment vorhanden ist, um einer relativ hohen Druckdifferenz zwischen dem Behälterinnenraum und der Umgebung zu widerstehen.
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Insbesondere in den 7 und 9 ist deutlich zu erkennen, dass die ersten Auswölbungen in einem mittleren Bereich stärker ausgeprägt sind als in den Randbereichen. So ist die Auswölbung des ersten Abschnitts 701'' deutlich stärker ausgeprägt als die des ersten Abschnitts 701''', der relativ nahe an der Umrandung 800 angeordnet ist. Das gleiche trifft entsprechend für die zweiten Auswölbungen zu. Die zweite Auswölbung des zweiten Abschnitts 702'' ist deutlich stärker ausgeprägt als die des zweiten Abschnitts 702', der relativ nahe an der Umrandung 800 angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 89/08589 A1 [0003]
- GB 2285284 A [0004]
- WO 03/031853 A1 [0004]
- WO 2007/067450 A1 [0004]
- DE 202011110078 [0005]
- US 7234278 B2 [0006]
- US 5267666 A [0007]
