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[Gebiet der Technik]
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Die Erfindung betrifft eine thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung mit einem Stützkörper, insbesondere Berstkörper, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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[Stand der Technik]
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Thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtungen werden regelmäßig in Kombination mit Absperrventilen für einen sicheren Verschluss von unter Druck stehenden Fluidspeichern verwendet. Die thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung dient dabei als Sicherheitsvorrichtung, die eine starke Druckerhöhung in einem Fluidspeicher durch thermisch induzierter Ausdehnung des Fluids unterbinden soll, indem das Fluid bei einer vordefinierten Temperatur in die Umgebung abgelassen wird. Auch bekannt sind Druckentlastungsvorrichtungen aus Löschmitteleinrichtungen, die Löschmittel bei einer bestimmten Temperatur automatisch freisetzen.
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Das automatische Ablassen des Fluids wird dabei durch einen temperaturempfindlichen Stützkörper erreicht, der bei einer vordefinierten Temperatur seine Gestalt ändert und dadurch eine Verlagerung eines Sperrelements ermöglicht, das einen Verbindungskanal zwischen dem Fluidspeicher und der Umgebung frei gibt. Beispielsweise kann der temperaturempfindliche Stützkörper ein Schmelzkörper sein, der oberhalb einer vordefinierten Temperatur schmilzt. In einem anderen Beispiel ist der Stützkörper ein thermoplastischer Körper, der oberhalb einer vordefinierten Temperatur erweicht. Auch sind Stützkörper aus einer Formgedächtnislegierung bekannt, die bei einer vordefinierten Temperatur eine Umwandlungstemperatur aufweist, wobei der Stützkörper bei Überschreiten der Umwandlungstemperatur seine Form ändert. In der meistverwendeten Ausführungsform ist der temperaturempfindliche Stützkörper ein Berstkörper, der oberhalb einer vordefinierten Temperatur birst und dadurch eine Verlagerung des Sperrelements ermöglicht.
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Insbesondere ein Berstkörper reagiert empfindlich auf mechanische Belastung. So wird führt speziell Wechselbelastung bei diesen Ausführungen gelegentlich zu einer Beschädigung des Berstkörpers und infolge der Beschädigung zu einem unerwünschten Auslösen der thermisch aktivierbaren Druckentlastungsvorrichtung.
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Dieses Problem ist aus dem Stand der Technik bekannt. So ist aus dem Gebrauchsmuster
DE 202 10 704 U1 eine Sicherheitsvorrichtung für einen Löschmittelbehälter mit einem Verschlusskörper und einem Berstkörper bekannt, bei der der Berstkörper an einem Formstück anliegt, das über ein Federpaket abgestützt ist. Die Abstützung mittels Schraubendruckfeder dient der Absicherung gegenüber einer unbeabsichtigten Auslösung der Sicherheitsvorrichtung und dem Ausgleich der Längentoleranz. Zerplatzt der Berstkörper dagegen aufgrund einer erhöhten Umgebungstemperatur, gibt dieser das Sperrelement (Verschlusskörper) frei.
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Aus der
DE 10 2009 000 800 A1 ist ferner eine Sicherheitsvorrichtung für einen Druckgasbehälter mit einer thermischen Auslöseeinrichtung bekannt, die einen Berstkörper umfasst, der an einem Ende an einer Abstützung gelagert ist, die an ihrem Umfang krallenförmige Federarme aufweist. Dadurch ist der Berstkörper derart gelagert, dass ein Versatz der Achsen, unterschiedliche Temperaturausdehnungen und Bauteiltoleranzen ausgeglichen und Schwingungsanregungen gedämpft werden können.
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Die nachgiebigen Abstützungen aus dem Stand der Technik können die dynamischen Belastungen der Stützkörper reduzieren. Die abgestützten statischen Kräfte werden hingegen weiterhin vom Stützkörper aufgenommen.
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[Technische Aufgabe]
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Der Erfindung liegt daher die Aufgrabe zu Grunde, eine thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung bereitzustellen, bei der die auf den Stütz- oder Berstkörper wirkenden Kräfte reduziert sind.
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[Technische Lösung]
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Druckentlastungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen sowie den abhängigen Ansprüchen.
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Die hier beschriebene thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit mindestens einem Einlasskanal und mindestens einem Auslasskanal. Das Gehäuse definiert die äußere Form der Druckentlastungsvorrichtung und weist eine Einrichtung zum Anschließen der Druckentlastungsvorrichtung an ein fluidführendes System, z.B. einen Fluidspeicher oder ein fluidführendes Leitungssystem auf. In einer praktischen Ausführungsform kann der Fluidspeicher beispielsweise ein unter Druck stehender Gasspeicher, oder ein Flüssigkeitsspeicher sein. Ein fluidführendes Leitungssystem kann beispielsweise die Wasserversorgung einer Löschanlage sein. Zum Anschließen der Druckentlastungsvorrichtung an das fluidführende System kann im Bereich des Einlasskanals beispielsweise ein abgedichtetes Gewinde oder eine abgedichtete Steckverbindung vorgesehen sein. Natürlich können auch andere Anschlusseinrichtungen verwendet werden.
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Über den Einlasskanal wird der Druckentlastungsvorrichtung das Fluid aus dem fluidführenden System zugeführt.
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Über den in dem Gehäuse der Druckentlastungsvorrichtung angeordneten mindestens einen Auslasskanal kann das Fluid in die Umgebung abgelassen werden.
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Der Einlasskanal und der Auslasskanal sind über einen in dem Gehäuse angeordneten Aufnahmeraum verbunden. In dem Aufnahmeraum ist ein Sperrelement angeordnet, das zwischen einer Sperrposition und einer Freigabeposition bewegbar ist. Das in der Sperrposition befindliche Sperrelement sperrt einen Strom eines Fluids vom Einlasskanal zum Auslasskanal ab. Mit anderen Worten blockiert das Sperrelement in der Sperrposition den Durchtritt von Fluid zum Auslasskanal hin, so dass das fluidführende System dicht verschlossen ist. Die Druckentlastungsvorrichtung ist also in dieser ersten Konfiguration, in der sich das Sperrelement in der Sperrposition befindet, geschlossen.
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Aufgrund des durch das Sperrelement abgedichteten Aufnahmeraums weist die Druckentlastungsvorrichtung im geschlossenen Zustand einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich auf. Der Hochdruckbereich umfasst den Einlasskanal und den sich daran anschließenden fluidführenden Bereich bis zu einer Dichtung, die mit dem Sperrelement zusammenwirkt. Die Dichtung grenzt den Hochdruckbereich von dem Niederdruckbereich ab. Der Niederdruckbereich ist der Bereich der Druckentlastungsvorrichtung auf der anderen Seite der Dichtung. In der geschlossenen Konfiguration, in der das Sperrelement in der Sperrposition angeordnet ist, ist das Sperrelement gegen einen Stützkörper oder Berstkörper abgestützt, der eine Verlagerung des Sperrelements verhindert und das Sperrelement in der Sperrposition hält.
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Durch die temperaturbedingte Gestaltänderung des Stützkörpers, im Falle eines Berstkörpers durch das Bersten bei einer vordefinierten Temperatur, wird das Sperrelement freigegeben und ist nicht mehr gegenüber dem Gehäuse fixiert. Es kann in einer Bewegungsrichtung aus der Sperrposition in die Freigabeposition verlagert werden. In der Freigabeposition wird der Durchtritt des Fluids vom Einlasskanal zum Auslasskanal freigegeben und das Fluid kann durch den Auslasskanal ausströmen.
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Bei der hier beschriebenen Druckentlastungsvorrichtung mündet der im Gehäuse angeordnete Einlasskanal quer zur Bewegungsrichtung des Sperrelements in einer Seitenwand des Aufnahmeraums im Bereich eines Mündungsabschnitts, der in der Sperrposition von dem Sperrelement ausgefüllt ist.
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Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass das Fluid im Wesentlichen in radialer Richtung zum Sperrelement hin strömt. Bei den Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik erfolgt der Zustrom des Fluids aus dem Einlasskanal axial zum Sperrelement, d.h. in Bewegungsrichtung des Sperrelements, so dass die gesamte Stirnfläche des Sperrelements mit dem hohen Druck des zuströmenden Fluids beaufschlagt ist. Durch die Beaufschlagung dieser großen Stirnfläche mit hohem Druck ergibt sich eine große Kraft in Bewegungsrichtung des Sperrelements, die von dem Stützkörper gehalten und abgestützt werden muss. Dagegen erfolgt der Zustrom des Hochdruck-Fluids bei der hier beschriebenen Vorrichtung radial. Eine durch den hohen Druck erzeugte Kraft wirkt daher ebenfalls primär radial und somit nicht in Bewegungsrichtung des Sperrelements. Die radial wirkende Kraft wird vom Gehäuse aufgenommen und nicht von dem Stützkörper, der das Sperrelement in Bewegungsrichtung abstützt. Bei einem rotationssymmetrischen Sperrelement kann die radiale Kraft durch geeignete Ausbildung der Dichtungsanordnung vollständig aufgehoben werden. Auch die axiale Kraft in Bewegungsrichtung kann vollständig aufgehoben werden oder auf einen gewünschten Betrag begrenzt werden.
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Die Orientierung der Mündung des Einlasskanals quer zur Bewegungsrichtung des Sperrelements kann entweder rechtwinklig zur Bewegungsrichtung bedeuten oder mit einer Neigung der Längsachse des Einlasskanals zur Bewegungsrichtung. Die Neigung kann von 30° bis 90°, vorzugsweise 60° bis 90°, gegenüber der Richtung, in die das Sperrelement bewegt wird, bedeuten.
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In der Praxis kann der Aufnahmeraum für das Sperrelement eine Bohrung sein und das Sperrelement ein Absperrkolben, insbesondere ein zylinderförmiger Absperrkolben. Die Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt und der zylinderförmige Absperrkolben sind leicht herzustellen und abzudichten. In diesem Fall kann das zuströmende Fluid radial an den Absperrkolben herangeführt werden. Auch der Einlasskanal und der Auslasskanal können jeweils eine Bohrung sein. In der Praxis kann der Aufnahmeraum mit sich daran axial anschließendem Auslasskanal eine erste Bohrung sein und der Einlasskanal eine quer hierzu verlaufende zweite Bohrung.
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In der Praxis kann die Druckentlastungsvorrichtung eine Anordnung zur Erzeugung einer in Bewegungsrichtung wirkenden Kraft aufweisen. In einer ersten Ausführungsform kann diese Kraft durch eine vorgespannte Druckfeder erzeugt werden, die das Sperrelement in Richtung der Freigabeposition drückt. Ein Ende der Druckfeder stützt sich gegen das Gehäuse ab und das andere Ende der Druckfeder gegen das Sperrelement. Wenn der Stützkörper (Berstkörper) die Bewegung des Sperrelements freigibt, drückt die Druckfeder das Sperrelement in die Freigabeposition, und das Fluid kann aus dem Auslasskanal entweichen.
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Bei diesem federgetriebenen Sperrelement kann der Mündungsabschnitt des Einlasskanals unmittelbar gegenüber der Oberfläche des Sperrelements abgedichtet sein. Der Druck des Fluids im Einlasskanal drückt dann das Sperrelement gegen die dem Einlasskanal gegenüberliegende Gehäusewand.
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Das Sperrelement kann auch mittels zweier Dichtringe (O-Ringe) gegenüber dem Aufnahmeraum abgedichtet sein. Bei dieser Ausführungsform kann das Sperrelement zylinderförmig sein. Auf seiner Oberfläche sind zwei Dichtringe angeordnet, die sich gegen die innere Oberfläche des Aufnahmeraums abstützen, der die Form einer kreisförmigen Bohrung aufweist. Die zwei Dichtringe weisen in der axialen Bewegungsrichtung des Sperrelements einen Abstand zueinander auf. Die Mündung des Einlasskanals liegt zwischen diesen Dichtringen, so dass der sich von dem ersten Dichtring zum zweiten Dichtring erstreckende Mündungsabschnitt den Hochdruckbereich bildet. Die beiden Dichtringe dichten in der Sperrposition des Sperrelements diesen Mündungsabschnitt gegenüber den Stirnseiten des Sperrelements ab.
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Außerhalb der Dichtringe herrscht niedriger Druck. Wenn der Durchmesser des Sperrelements im Bereich der Dichtringe gleich groß ist, wirkt die gleiche axiale Kraft auf das Sperrelement in den entgegengesetzten Richtungen zu den zwei Stirnflächen des Sperrelements hin. In diesem Fall heben sich diese axialen Kräfte auf und es wird durch den Druck des Fluids keine axiale Kraft in Bewegungsrichtung des Sperrelements erzeugt.
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In einer praktischen Ausführungsform kann das Sperrelement im Bereich des ersten Dichtrings einen anderen Durchmesser aufweisen als im Bereich des zweiten Dichtrings. Die auf das Sperrelement wirkende Kraft in axialer Richtung ist abhängig von dem Druck im Hochdruckbereich zwischen den Dichtringen sowie von einer Wirkfläche, über die das auf der Hochdruckseite des Dichtrings anstehende Fluid eine Kraft auf das Sperrelement erzeugt. Ist die Wirkfläche an dem Dichtring nahe dem Stützkörper bzw. Berstkörper größer als an dem hiervon entfernten Dichtring, entsteht eine Kraft, die das Sperrelement im Bewegungsrichtung zum Stützkörper hin drückt.
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Der Stützkörper kann in der Praxis ein geschlossener Glaskolben sein, der einen Bestkörper bildet und mit einem Fluid gefüllt ist, das bei Erhöhung der Temperatur expandiert. Die Konstruktion des Berstkörpers und der auf den Berstkörper durch das in dem Berstkörper enthaltene Fluid wirkende Druck sind so auf einander abgestimmt, dass der Druck des in dem Berstkörper enthaltenen, mit einer Temperaturerhöhung expandierenden Fluids den Berstkörper bei einer vordefinierten Temperatur zum Bersten bringt. Anders gesagt platzt der Berstkörper bei einer bestimmten Temperatur. Das Sperrelement wird dann durch die Kraft der Druckfeder oder durch die Kraft aufgrund des Fluids im Hochdruckbereich oder durch eine Kombination beider Kräfte zum Berstkörper hin in die Freigabeposition gedrückt.
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Die Druckentlastungsvorrichtung kann ferner ein Zwischenelement umfassen, das in dem Gehäuse zwischen dem Sperrelement und dem Berstkörper angeordnet ist und welches der Übertragung einer Kraft von dem Sperrelement auf den Berstkörper dient. Das Zwischenelement stützt sich mit einem Ende an dem intakten Berstkörper ab. Das Zwischenelement hält mit seinem anderen Ende bei intaktem Berstkörper das Sperrelement in seiner Sperrposition. Das Zwischenelement kann auch eine Halterung für eine Druckfeder aufweisen, die das Zwischenelement zum Berstkörper hin drückt. Wenn der Berstkörper platzt, drückt die Druckfeder das Zwischenelement in den Bereich, der zuvor von dem Berstkörper ausgefüllt war. Das Sperrelement kann zum Beispiel in eine Öffnung des Zwischenelements hineinragen und kraftschlüssig mit diesem verbunden sein, so dass es nur mit erheblicher Kraft von dem Zwischenelement zu lösen ist. In diesem Fall nimmt das Zwischenelement das Sperrelement in die Öffnungsstellung mit, wenn es von der Druckfeder in den Bereich gedrückt wird, der zuvor von dem Berstkörper ausgefüllt war.
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Der Auslasskanal und der Aufnahmeraum können eine beliebige Orientierung zueinander aufweisen. Wie erwähnt, kann der Auslasskanal in der Praxis eine Bohrung sein. Eine koaxiale Orientierung der Bohrungen des Auslasskanals und der Bohrung des Aufnahmeraums ist vorteilhaft. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bohrung des Auslasskanals und die Bohrung des Aufnahmeraums eine gemeinsame Längsachse besitzen und der Auslasskanal in einer der Bewegungsrichtung des Sperrelements entgegengesetzten Richtung orientiert ist. Das Sperrelement bewegt sich in axialer Richtung in der Bewegungsrichtung von der Sperrposition in die Freigabeposition, in der es sich im Wesentlichen in dem Bereich befindet, in dem zuvor der Stützkörper/Berstkörper war. Der Auslasskanal liegt an dem vom Stützkörper/Berstkörper entfernten Ende des Sperrelements, so dass hier das Fluid ungehindert ausströmen kann.
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Figurenliste
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben.
- 1 ist eine perspektivische Seitenansicht einer Druckentlastungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
- 2 ist eine Seitenansicht der Druckentlastungsvorrichtung aus 1.
- 3 ist eine Vorderansicht der Druckentlastungsvorrichtung aus 1 mit Blick in den Einlasskanal.
- 4 ist eine Schnittdarstellung der Druckentlastungsvorrichtung aus den 1 - 3 mit intaktem Berstkörper und dem Sperrelement in der Sperrposition.
- 5 ist eine der 4 entsprechende Schnittdarstellung mit dem Sperrelement in Freigabeposition.
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[Beschreibung einer Ausführungsform]
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Die in den Figuren dargestellte thermisch aktivierbare Druckentlastungsvorrichtung 2 umfasst ein Gehäuse 4 mit einem Einlasskanal 6 und einem Auslasskanal 8. Das Gehäuse 4 weist außerdem ein an dem Einlasskanal angeordnetes Gewinde 10 zum Anschließen der Druckentlastungsvorrichtung 2 an ein fluidführendes System, beispielsweise einen Druckgasbehälter (nicht dargestellt), auf. Auch an dem Auslasskanal 8 ist in der dargestellten Ausführungsform ein Gewinde 11 angeordnet, an das eine Fluidleitung angeschlossen werden kann, wenn das austretende Fluid von dem Auslasskanal an einen anderen Ort geleitet werden kann. Wenn das austretende Fluid direkt am Gehäuse 4 austreten kann, kann das Gewinde 11 entfallen.
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Zwischen dem Einlasskanal 6 und dem Auslasskanal 8 ist in dem Gehäuse ein Aufnahmeraum 12 (4 und 5) angeordnet. Das Gehäuse 4 ist ein längliches Bauteil mit einer axial verlaufenden Bohrung, welche mehrere aufeinander folgende Abschnitte aufweist. Der mittlere Abschnitt der Bohrung bildet den Aufnahmeraum 12 für ein Sperrelement, nämlich den Absperrkolben 14. Der Einlasskanal 6 mündet in radialer Richtung in den Aufnahmeraum 12. Der Auslasskanal 8 schließt sich axial an den Aufnahmeraum 12 mit dem Sperrelement 14 an. In dem Aufnahmeraum 12 sind neben dem Sperrelement 14 auch ein Berstkörper 16, ein Zwischenelement 18 und eine Druckfeder 20 angeordnet. Ein axiales Ende des Aufnahmeraums 12, das in den Figuren oben liegt, wird durch einen Verschlussstopfen 26 verschlossen. Der Verschlussstopfen 26 weist an seiner Umfangsfläche ein Außengewinde auf, das in ein Innengewinde des Gehäuses 4 eingeschraubt ist.
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Der Aufnahmeraum 12 bildet eine längliche, im Wesentlichen rotationssymmetrische Aussparung in dem Gehäuse 4. Der Auslasskanal 8 und der Aufnahmeraum 12 fluchten miteinander und besitzen somit eine gemeinsame Längsachse.
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Der Einlasskanal 6 und der Aufnahmeraum 12 sind quer zueinander orientiert. Dabei mündet der Einlasskanal 6 so in einer Seitenwand des Aufnahmeraums 12, dass die Längsachse des Einlasskanals 6 und die Längsachse des Aufnahmeraums 12 orthogonal zueinander stehen. Der Bereich des Aufnahmeraums 12, an dem der Einlasskanal 6 mündet, bildet einen Mündungsabschnitt 34 für den Einasskanal 6 und weist einen etwas größeren Durchmesser auf als die angrenzenden Bereiche des Aufnahmeraums 12. Über den Mündungsabschnitt 34 wird dem Aufnahmeraum 12 aus dem Einlasskanal 6 ein Fluid (nicht dargestellt) zugeführt. Der Mündungsabschnitt 34 ist bei geschlossener Druckentlastungsvorrichtung 2 in Richtung der Längsachse des Aufnahmeraums 12 durch zwei Dichtungen begrenzt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Dichtungen zwei O-Ringe 22 und 23, die zwischen dem Sperrelement 14 und der Innenfläche des Aufnahmeraums 12 angeordnet sind und einen axialen Abstand zueinander aufweisen.
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Das Sperrelement 14 ist als ein rotationssymmetrischer Absperrkolben ausgeführt, der in Längsrichtung verschiebbar im Aufnahmeraum 12 angeordnet ist. Das Sperrelement 14 weist in Längsrichtung betrachtet drei Abschnitte auf. Ein erster Endabschnitt 28 ist zu dem Berstkörper 16 hin, in den Zeichnungen nach oben, orientiert. Ein zweiter Endabschnitt 30 liegt an der von dem Berstkörper 16 weg gerichteten Seite des Sperrelements 14 und bildet dessen in den Zeichnungen unten liegendes Ende. Ein dritter, mittlerer Abschnitt 32 befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Sperrelements 14.
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Der erste Endabschnitt 28 ist im oberen Bereich mit einem Außengewinde versehen und in ein Innengwinde des Zwischenelements 18 eingeschraubt. Dadurch ist das Sperrelement 14 an dem Zwischenelement 18 in axialer Richtung festgelegt. An das Außengewinde schließt sich ein gewindeloser Bereich des ersten Endabschnitts 28 an, der gegenüber dem mittleren Abschnitt 32 einen reduzierten Durchmesser aufweist. Auf diesem gewindelosen Bereich des ersten Endabschnitts 28 ist ein oberer Dichtring 22 gelagert. Zwischen dem oberen Dichtring 22 und dem Zwischenelement 18 befindet sich eine erste Distanzhülse 21. Auch der zweite Endabschnitt 30 ist mit einem Außengewinde versehen, auf das eine Gewindehülse 33 aufgeschraubt ist. Auch hier schließt sich an das Außengewinde ein gewindeloser Bereich des zweiten Endabschnitts 30 mit reduziertem Durchmesser an, auf dem ein untere Dichtring 23 gelagert ist. Zwischen dem unteren Dichtring und der Gewindehülse 33 ist eine weitere Distanzhülse 25 angeordnet.
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Zur Montage werden auf dem Absperrkolben 14 die beiden Dichtringe 22, 23 und die Distanzhülsen 21, 25 auf die Endabschnitte 28, 30 aufgeschoben. Dann werden die Gewindehülse 33 auf den unteren Endabschnitt 30 und das Zwischenelement 18 auf den oberen Endabschnitt 28 aufgeschraubt. Die dadurch gebildete Einheit kann dann in die Bohrung des Gehäuses 4 gesteckt werden, die den Aufnahmeraum bildet. Der Absperrkolben 14 ist in axialer Richtung an dem Zwischenelement 18 fixiert.
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Im Ausführungsbeispiel der beigefügten Zeichnungen sind die Querschnittsfläche des ersten Endabschnitts 28 des Sperrelements 14 und die Querschnittsfläche des zweiten Endabschnitts 30 des Sperrelements 14 entlang der Längsachse etwa ähnlich groß. Der dritte, mittlere Abschnitt 32 weist einen größeren Durchmesser auf als der erste Endabschnitt 28 und der zweite Endabschnitt 30 des Sperrelements 14. Dieser mittlere Abschnitt 32 liegt im Mündungsabschnitt 34 des Aufnahmeraums 12, wenn sich das Sperrelement 14 in der in 4 dargestellten Sperrposition befindet. Der erste Endabschnitt 28 und der zweite Endabschnitt 30 des Sperrelements 14 weisen einen etwas geringeren Durchmesser auf, als der Aufnahmeraum 12, so dass zwischen diesen Endabschnitten 28, 30 und der Innenwand des Aufnahmeraums 12 jeweils ein O-Ring 22 bzw. 23 angeordnet werden kann. Die O-Ringe 22 schließen den Mündungsabschnitt 34 gasdicht gegenüber dem oberen und unteren Bereich des Aufnahmeraums 12 und damit gasdicht gegenüber der oberen und unteren Stirnfläche des Sperrelements 14 ab.
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Der Mündungsabschnitt 34 weist zwischen den zwei O-Ringen 22, 23 eine radiale Aufweitung auf, in die der Einlasskanal 6 mündet. In dem gesamten Mündungsabschnitt 34 zwischen den Dichtungen, d.h. den O-Ringen 22, 23, herrscht der Druck des Fluids im Einlasskanal 6, der in der Regel erheblich gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht ist. Somit entsteht im Mündungsabschnitt 34 ein Hochdruckbereich und jenseits der O-Ringe 22, 23 ein Niederdruckbereich.
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Der hydrostatische Druck des Fluids in diesem Hochdruckbereich innerhalb des Mündungsabschnitts 34 wirkt auf das in der Sperrposition befindliche Sperrelement 14 und erzeugt über die Flächen des Sperrelements 14 Kräfte. Die Kraftkomponenten des in radialer Richtung auf das Sperrelement 14 wirkenden Drucks heben sich aufgrund dessen Rotationssymmetrie auf. Die axialen Kraftkomponenten hängen von der Querschnittsfläche des Sperrelements 14 im Bereich der Dichtungen, nämlich der O-Ringe 22 und 23 ab. Obwohl das in den Zeichnungen nicht ohne Weiteres zu erkennen ist, kann der Durchmesser des Sperrelements 14 im ersten, oberen Endabschnitt 28 etwas größer als im zweiten, unteren Endabschnitt 30 sein. Folglich sind die nach oben wirkenden Druckkräfte des Fluids im mit Hochdruck beaufschlagten Mündungsabschnitt 34 größer als die nach unten wirkenden Druckkräfte und die Druckkräfte drängen das Sperrelement 14 nach oben. Die resultierenden und nach oben wirkenden Druckkräfte sind aber sehr viel kleiner, als bei bekannten Ausführungsformen, bei denen der Einlasskanal zur Stirnseite des Sperrelements führt und der hohe Druck an der gesamten Stirnseite anliegt.
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In der in 1 dargestellten, geschlossenen Konfiguration der Druckentlastungsvorrichtung 2 ist das Sperrelement 14 auf einer ersten oberen Stirnseite, die an dem ersten Endabschnitt 28 des Sperrelements 14 angeordnet ist, gegen ein erstes Ende des Zwischenelements 18 abgestützt. Das nach unten gerichtete erste Ende des Zwischenelements 18 weist eine Aussparung auf, die den oberen Bereich des ersten Endabschnitts 28 des Sperrelements 14 umgreift. Die Aussparung am ersten Ende des Zwischenelements 18 weist einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten Endabschnitts 28 des Sperrelements 14, so dass das Zwischenelement 18 in dem Ausführungsbeispiel durch eine Presspassung mit dem Sperrelement 14 verbunden ist.
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Mit einem zweiten, oberen Ende des Zwischenelements 18 stützt sich das Zwischenelement 18 gegen den Berstkörper 16 ab. Das zweite Ende des Zwischenelements 18 weist einen umlaufenden Kragen auf, der mit geringem Spiel in dem Aufnahmeraum 12 aufgenommen ist. Die Oberseite des zweiten Endes des Zwischenelements 18 weist eine Aussparung auf, die das untere Ende des Berstkörpers 16 aufnimmt.
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Der Berstkörper 16 ist in dem Ausführungsbeispiel ein länglicher rotationssymmetrischer, dünnwandiger, geschlossener Glaskolben, der sich in Längsrichtung des Aufnahmeraums 12 erstreckt. An dem oben liegenden Ende des Berstkörpers 16, das dem Zwischenelement 18 abgewandt ist, besitzt der Berstkörper 16 einen Zapfen 24, der in eine Aussparung eines Schraubstopfens 26 hinein ragt, welcher in ein am oberen Ende des Aufnahmeraums 12 angeordnetes Innengewinde eingeschraubt ist und das Gehäuse 4 verschließt. Über den in der Aussparung befindlichen Zapfen 24 wird der Berstkörper 16 sicher in seiner Position gehalten.
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Der an dem Schraubstopfen 26 axial abgestützte Berstkörper 16 fixiert über das Zwischenelement 18 das Sperrelement 14 in seiner Sperrposition, die in der 4 dargestellt ist.
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In dem Berstkörper 16 ist ein Fluid, in der Regel eine Flüssigkeit, enthalten, die bei einer Zunahme der Temperatur expandiert, so dass der Druck auf die Innenfläche des Berstkörpers 16 steigt. Radial um den Berstkörper herum weist der Aufnahmeraum 12 eine Aufweitung auf, so dass die Mantelfläche des Berstkörpers 16 keinen Kontakt zu der Innenfläche des Gehäuses 4 hat. Somit wird die Mantelfläche des Berstkörpers 16 nicht durch das Gehäuse 4 gestützt und der Druck, der durch das im Berstkörper 16 enthaltene Fluid auf die die Mantelfläche des Berstkörpers 16 ausgeübt wird, führt bei einer vorbestimmten Grenztemperatur zu einem Zerplatzen des Berstkörpers 16. Der Berstkörper 16 bildet folglich einen Stützkörper für das Sperrelement 14 und vermeidet dessen Verlagerung in axialer Richtung. Beim Platzen durch Erreichen der Grenztemperatur gibt der Berstkörper die Bewegung des Sperrelements 14 in axialer Richtung frei und ermöglicht, dass das Fluid aus dem Einlasskanal 6 zum Auslasskanal 8 strömt.
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Wenn die Querschnittsflächen des ersten Endabschnitts 28 und des zweiten Endabschnitts 30 des Sperrelements 14 gleichgroß sind, wirkt keine durch das durch den Einlasskanal 6 zuströmende Hochdruck-Fluid erzeugte axiale Kraft in Längsrichtung auf das Sperrelement 14. Die Druckentlastungsvorrichtung weist eine Druckfeder 20 auf, die eine axiale Kraft auf das Zwischenelement 18 in Richtung des Berstkörpers 16 ausübt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Druckfeder 20 als Schraubenfeder ausgeführt, die das Zwischenelement 18 umgibt. Die Schraubenfeder 20 ist vorgespannt und stützt sich mit einem unteren Ende auf einer ringförmigen Schulterfläche im Aufnahmeraum 12 des Gehäuses und mit dem anderen, oberen Ende gegen den Kragen des Zwischenelements 18 ab. Durch die Vorspannung der Druckfeder 20 wird über das Zwischenelement 18 eine nach oben wirkende Kraft auf den Berstkörper ausgeübt.
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In der in 4 dargestellten ersten Konfiguration der thermisch aktivierbaren Druckentlastungsvorrichtung 2, in welcher der Berstkörper 16 intakt ist, befindet sich das Sperrelement 14 in Sperrposition. Die Druckentlastungsvorrichtung ist in einem Bereitschaftszustand, in dem ein Hindurchströmen von Fluid aus dem Einlasskanal 6 zum Auslasskanal 8 abgesperrt ist. Bei einem Überschreiten der Grenztemperatur birst der Berstkörper 16, wodurch das Zwischenelement 18 und das Sperrelement 14 nicht mehr gegen den Berstkörper 16 abgestützt werden. Die vorgespannte Druckfeder 20 expandiert und bewegt dabei das Zwischenelement 18 sowie das daran durch die obengenannte Presspassung gehaltene Sperrelement 14 in die Freigabeposition. Diese zweite Konfiguration der Druckentlastungsvorrichtung 2 ist in der 5 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Zwischenelement 18 und der obere Endabschnitt 28 des Sperrelements 14 in den Bereich nach oben verschoben sind, in dem sich zuvor (s. 4) der intakte Berstkörper 16 befand. Durch das Verschieben des Sperrelements 14 mit den daran befindlichen Dichtringen 22, 23 nach oben ist der Auslasskanal 8 durchströmbar über den Aufnahmeraum 12 mit dem Einlasskanal 6 verbunden, so dass ein der Druckentlastungsvorrichtung 2 über den Einlasskanal 6 zugeführtes, komprimiertes Gas ungehindert aus dem Auslasskanal 8 entweichen kann.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der sich nach unten erstreckende Auslasskanal 8 entgegengesetzt zu der nach oben verlaufenden Bewegungsrichtung des Sperrelements 14 orientiert am Aufnahmeraum 12 angeordnet. Dadurch kann das durch den Einlasskanal 6 zuströmende Gas ungehindert zum Auslasskanal 8 strömen und entweichen, ohne das Sperrelement 14 umströmen zu müssen.
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Wie oben erwähnt, ist der Querschnitt des ersten Endabschnitts 28 des Sperrelements 14 geringfügig größer als der Querschnitt des zweiten Endabschnitts 30. Daraus resultiert eine treibende Kraft nach oben, die vom hydrostatischen Druck des durch den Einlasskanal 6 zuströmenden Fluids erzeugt wird, das Sperrelement 14 in Richtung des Berstkörpers 16 nach oben drückt. Die Größe der treibenden Kraft hängt in diesem Fall vom Verhältnis der Größe der ersten Querschnittsfläche an der Stelle, an welcher der erste O-Ring 22 am ersten Endabschnitt 28 des Sperrelements 14 angeordnet ist, zur Größe der zweiten Querschnittsfläche an der Stelle, an welcher der zweite O-Ring 23 am zweiten Endabschnitt 30 des Sperrelements 14 angeordnet ist, ab. Für die Größe der treibenden Kraft sind lediglich die Querschnittsflächen an diesen zwei Stellen des Sperrelements 14 sowie die Druckdifferenz zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich relevant. Die Größe dieser treibenden Kraft ist deutlich kleiner als bei den bekannten Vorrichtungen, bei denen der Hochdruck aus dem Einlasskanal an der gesamten Stirnfläche des Sperrelements anliegt. Die Größe der treibenden Kraft kann so gewählt werden, dass sie zwar ein schnelles Öffnen der Druckentlastungsvorrichtung fördert aber nicht so groß ist, um den Berstkörper gefährden zu können.
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Wie bereits angemerkt können anstelle des Berstkörpers 16 andere Stützkörper für das Sperrelement vorgesehen werden, die bei Überschreiten einer Grenztemperatur ihre Form ändern und so die Bewegung des Sperrelements 14 freigeben.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Druckentlastungsvorrichtung
- 4
- Gehäuse
- 6
- Einlasskanal
- 8
- Auslasskanal
- 10
- Gewinde
- 11
- Gewinde
- 12
- Aufnahmeraum
- 14
- Sperrelement, Absperrkolben
- 16
- Berstkörper, Stützkörper
- 18
- Zwischenelement
- 20
- Druckfeder, Schraubenfeder
- 21
- Distanzhülse
- 22
- O-Ring, Dichtring
- 23
- O-Ring, Dichtring
- 24
- Zapfen
- 25
- Distanzhülse
- 26
- Schraubstopfen
- 28
- erster Endabschnitt
- 30
- zweiter Endabschnitt
- 32
- dritter Abschnitt
- 33
- Gewindehülse
- 34
- Mündungsabschnitt
- 36
- Kragen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20210704 U1 [0005]
- DE 102009000800 A1 [0006]
