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1. (WO2019034353) PRESSURE SAFEGUARD AND METHOD FOR PRODUCING SAME
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Drucksicherung und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Drucksicherung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Drucksicherung, wobei die Drucksicherung eine Berstscheibe und eine Vakuumstütze umfasst, wobei die Berstscheibe und die Vakuumstütze aus Graphit ausgebildet sind, wobei die einstückig ausgebildete Berstscheibe eine Ausbruchseite und eine Einbruchseite aufweist, wobei die Berstscheibe auf der Einbruchseite eine Ausnehmung aufweist, die einen Berstbereich innerhalb eines Halterings der Berstscheibe ausbildet, wobei die Vakuumstütze in die Ausnehmung eingesetzt ist.

Derartige Drucksicherungen sind hinreichend bekannt und werden regelmäßig in der Apparatetechnik gegen Überdruck beziehungsweise

Unterdruck eingesetzt. Mit einer Drucksicherung soll zuverlässig verhindert werden, dass nicht erwünschte Druckniveaus in Apparaten unter-oder überschritten werden, indem die Drucksicherung beziehungsweise deren Berstscheibe zerbirst. Dabei wird eine Membran der Berstscheibe irreversibel zerstört. Die Membran kann eine Metallfolie oder auch aus Graphit ausgebildet sein. Eine Materialwahl der Membran beziehungs- weise der Berstscheibe ist dabei stets vom j eweiligen Anwendungsfall abhängig. Bei beispielsweise korrosiven Anwendungen sind Drucksicherungen regelmäßig aus Graphit ausgebildet, der gegen Säurekorrosion beständig ist. Zur gasdichten Ausbildung des Graphits kann dieser beispielsweise mit einem Harz imprägniert sein. Auch ist es bekannt, Berstscheiben mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff zu beschichten, um eine gasundurchlässige Berstscheibe, die hochtemperaturbeständig ist, zu erhalten. Weiter sind Drucksicherungen bekannt, bei denen eine Berstscheibe eben ausgebildet und zwischen zwei Halteringen mit j eweils Dichtungen geklemmt ist. Bei Hochtemperaturanwendungen kann es j edoch auch sinnvoll sein, auf eine der Dichtungen zu verzichten und die Berstscheibe integral mit dem Haltering, das heißt einstückig, auszubilden.

Regelmäßig weist eine Drucksicherung auch eine Vakuumstütze auf, wobei diese ein Ausbrechen einer Membran in Folge eines Unterdrucks innerhalb beispielsweise einer Druckleitung verhindern soll. Ansonsten könnten Bruchstücke der Berstscheibe in die Druckleitung gelangen, was auf j eden Fall zu verhindern ist. Die Relativposition der Vakuumstütze zur Berstscheibe bestimmt daher eine Lage einer Ausbruchseite und einer Einbruchseite der Drucksicherung. Dadurch, dass die Vakuumstütze an der Membran anliegt beziehungsweise benachbart dieser angeordnet ist, kann die Membran nur zur Ausbruchseite hin zerbersten. Folglich befindet sich die Vakuumstütze stets innerhalb eines geschlossenen Systems einer Anlage und muss ebenfalls korrosionsbeständig ausgebildet sein.

Insbesondere bei einstückig ausgebildeten Berstscheiben, das heißt

Berstscheiben, die einen Haltering mit einer eine Membran ausbildenden Ausnehmung aufweisen, ist es erforderlich, die Vakuumstütze in die Ausnehmung einzusetzen und darin fest zu fixieren. Eine einstückige Ausbildung der Vakuumstütze zusammen mit der Membran ist hier nicht möglich, da dann die Membran nicht mehr mit einem genau definierten Berstdruck ausbildbar wäre . Eine Fixierung der Vakuumstütze innerhalb der Ausnehmung und benachbart der Membran erfolgt regelmäßig mittels eines Klebermaterials . Bei derartigen Drucksicherungen ist j edoch nachteilig, dass diese nur auf Anwendungstemperaturen beschränkt sind, für die das Klebermaterial noch geeignet ist. Das Klebermaterial schränkt weiter eine Anwendung der Drucksicherung für bestimmte chemische Zusammensetzungen ein, da das Klebermaterial nicht vollständig chemisch beständig ist. So kann dann beispielsweise bei einem Lösen des Klebers die Berstscheibe bei Unterdruck ungewollt zerbersten. Hinzu kommt, dass Bestandteile des Klebermaterials in eine Anlage gelangen und diese in unerwünschter Weise verunreinigen können. Diese Gefahr besteht insbesondere auch bei Hochtemperaturanwendungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drucksicherung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung vorzuschlagen, die beziehungsweise das eine Verwendung der Drucksicherung bei hohen Temperaturen oder chemisch aggressiven Medien ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Drucksicherung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.

Die erfindungsgemäße Drucksicherung umfasst eine Berstscheibe und eine Vakuumstütze, wobei die Berstscheibe und die Vakuumstütze aus Graphit ausgebildet sind, wobei die einstückig ausgebildete Berstscheibe eine Ausbruchseite und eine Einbruchseite aufweist, wobei die Berstscheibe auf der Einbruchseite eine Ausnehmung aufweist, die einen Berstbereich innerhalb eines Halterings der Berstscheibe ausbildet, wobei die Vakuumstütze in die Ausnehmung eingesetzt ist, wobei die Drucksicherung eine aus Kohlenstoff ausgebildete Halteeinrichtung zur formschlüssigen Befestigung der Vakuumstütze in der Ausnehmung umfasst.

Dadurch, dass die Vakuumstütze formschlüssig in der Ausnehmung befestigt ist, kann auf eine stoffschlüssige Befestigung der Vakuumstüt- ze mittels beispielsweise eines Klebermaterials verzichtet werden. Das Klebermaterial kann sich dann auch nicht mehr bei hohen Temperaturen oder chemisch aggressiven Medien innerhalb einer Apparatur oder Anlage auflösen oder eine Atmosphäre innerhalb der Apparatur verunreini-gen. Prinzipiell ist es zwar möglich, die Vakuumstütze innerhalb der

Ausnehmung ergänzend mit einem Klebermaterial zu befestigen, dann ist j edoch durch die formschlüssige Befestigung der Vakuumstütze in der Ausnehmung sichergestellt, dass sich auch bei einem Auflösen des Klebermaterials die Vakuumstütze nicht aus der Ausnehmung lösen kann. Da die Halteeinrichtung wie die Berstscheibe und die Vakuumstütze aus Kohlenstoff ausgebildet ist, ist die Halteeinrichtung ebenfalls chemisch beständig und kann hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Die Drucksicherung wird dadurch für hohe Anwendungstemperaturen von bis zu 500 °C in oxidativer und bis zu 1 .400 °C in inerter Atmosphäre einsetz-bar. Die Berstscheibe kann insgesamt einfach rotationssymmetrisch ausgebildet werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die Drucksicherung klebstofffrei und/oder metallfrei ausgebildet ist. So kann zumindest sichergestellt werden, dass eine Atmosphäre einer Anlage nicht chemisch verunreinigt wird. Insbe-sondere können auch Metalle Oxidationsprodukte abgeben, die eine

Atmosphäre der Anlage in unerwünschter Weise verunreinigen können. Eine klebstofffreie beziehungsweise metallfreie Drucksicherung eignet sich daher besonders gut für Anwendungen, die eine chemisch reine Atmosphäre erfordern.

So ist es besonders vorteilhaft, wenn die Drucksicherung vollständig aus Kohlenstoff besteht. Es kann sich dann auf der Einbruchseite der Drucksicherung neben Kohlenstoff kein weiterer Stoff befinden, der eine Atmosphäre einer Anlage oder Apparatur verunreinigen könnte. Die Drucksicherung kann auch vollständig aus Modifikationen oder besonde-ren Formen von Kohlenstoff bestehen. Dies betrifft insbesondere das Material der Halteeinrichtung .

Der Berstbereich kann eine gleichmäßig dicke und ebene Membran aufweisen. Der Berstbereich kann beispielsweise bereits dadurch ausgebildet werden, dass die Ausnehmung in der Berstscheibe durch beispielsweise spanende Bearbeitung so ausgebildet wird, dass im Bereich der Ausbruchseite der Berstscheibe eine im Vergleich zum Haltering relativ dünne Membran verbleibt. Um einen Berstdruck möglichst genau vorausbestimmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn diese Membran gleichmäßig dick und eben ist. Gleichwohl ist es möglich, dass auch auf der Ausbruchseite eine derartige Ausnehmung ausgebildet ist, die j edoch dann nicht zur Aufnahme der Vakuumstütze dienen kann. Durch die Ausbildung der Ausnehmung wird es möglich, die Membran und den Haltering integral als ein Bauteil auszubilden.

Die Membran kann eine durch eine Materialschwächung ausgebildete Sollbruchstelle aufweisen. Die Materialschwächung kann beispielsweise eine umlaufende oder auch kreuzförmige Nut in der Membran sein. Die Membran kann dann auch vergleichsweise dicker ausgebildet sein.

Die Berstscheibe kann mit pyrolytischem Kohlenstoff aus der Gasphase infiltriert und/oder beschichtet werden, sodass die Membran gasdicht ist.

Die Berstscheibe wird besonders einfach ausbildbar, wenn die Ausbruch-seite der Berstscheibe vollständig eben ausgebildet ist. Der Berstbereich beziehungsweise eine den Berstbereich ausbildende Membran kann dann alleine durch Ausbilden der Ausnehmung hergestellt werden.

Die Vakuumstütze kann scheibenförmig ausgebildet sein und mit einem Außendurchmesser an einem Innendurchmesser des Halterings anliegen. Zwischen dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser kann infolge der formschlüssigen Befestigung der Vakuumstütze in der Ausnehmung eine Spielpassung, vorzugsweise eine Klemmpassung ausgebildet werden. Da in einer radialen Richtung der Vakuumstütze keine Kräfte übertragen werden müssen, kann ein radiales Spiel der Vakuumstütze

innerhalb der Ausnehmung toleriert werden, wodurch die Drucksicherung noch einfacher herstellbar wird.

Weiter kann in der Vakuumstütze eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen ausgebildet sein. Die Durchgangsöffnungen können beispielsweise Durchgangsbohrungen sein, die kreisringförmig und äquidistant in der Vakuumstütze angebracht sind und so eine gleichmäßige Verteilung eines Drucks auf die Einbruchseite beziehungsweise den Berstbereich sicherstellen können. Prinzipiell kann die Vakuumstütze auch mit beliebigen anderen Durchgangsöffnungen ausgebildet sein.

In der Ausnehmung kann ein Anschlag ausgebildet sein, der eine Bewegung der Vakuumstütze in Richtung des Berstbereichs begrenzt. So kann verhindert werden, dass die Vakuumstütze an einer Membran der Berstscheibe anliegen bzw. eine Druckkraft durch beispielsweise Eigengewicht auf die Membran bewirken kann, die diese in unerwünschter Weise zerstören kann.

Die Halteeinrichtung kann aus einer Nut in einer Innenfläche des Halterings und einem in die Nut eingesetzten Halteelement ausgebildet sein. So kann eine Montage der Vakuumstütze in der Ausnehmung besonders einfach dadurch erfolgen, dass die Vakuumstütze in die Ausnehmung eingesetzt wird und nachfolgend das Halteelement in die Nut eingesetzt wird. Das Halteelement kann dann die Nut zu der Innenfläche des Halterings so weit radial überragen, dass die Vakuumstütze aus der Ausnehmung nicht mehr herausfallen kann, wodurch eine formschlüssige Befestigung der Vakuumstütze in der Ausnehmung geschaffen werden kann. Die Nut kann beispielsweise im Rahmen der Ausbildung der Ausnehmung einfach durch spanende Fertigung hergestellt werden. Das Halteelement kann so beschaffen sein, dass es in der Nut geklemmt oder ebenfalls in der Nut formschlüssig befestigt werden kann.

Vorteilhaft ist es, wenn die Vakuumstütze mit einem Ende an dem

Berstbereich und mit einem gegenüberliegenden Ende an dem Halteele- ment anliegt. Eine axiale Bewegung der Vakuumstütze innerhalb der Ausnehmung kann so leicht verhindert werden. Es kann auch weitestgehend sichergestellt werden, dass eventuelle Bruchstücke der Berstscheibe nur auf die Ausbruchseite gelangen können.

In einer Ausführungsform kann die Nut aus einer Ringnut ausgebildet sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Nut auch schraubenförmig oder nur abschnittsweise radial verlaufend ausgebildet sein, wobei eine Ringnut am einfachsten herstellbar ist.

Das Halteelement kann eine aus Kohlenstofffasern ausgebildete Schnur, Litze, Kordel oder ein Band sein. Das Halteelement kann zwar auch ein Ring sein, der durch spanende Bearbeitung aus Graphit hergestellt ist, ein derartiger Ring ist j edoch nur aufwendig herzustellen und kann leicht zerbrechen. Ein aus Kohlenstofffasern gedrehtes oder geflochtenes Halteelement kann hingegen leicht in eine beliebige Form gebracht und an die Nut angepasst werden. In einer besonders einfachen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, die gedrehten oder geflochtenen Kohlenstofffasern in die Nut einzulegen bzw. zu stopfen und so darin zu fixieren.

Vorteilhaft ist es j edoch, wenn die Kohlenstofffasern mit pyrolytischem Kohlenstoff infiltriert und/oder beschichtet sind. So kann dann eine Form des Halteelements einfach ausgebildet und formstabil fixiert werden. Beispielsweise können die Kohlenstofffasern um einen Dorn herum gewickelt und dann mit dem pyrolytischen Kohlenstoff infiltriert und/oder beschichtet werden, sodass ein ringförmiges Halteelement erhalten wird.

Demnach kann das Halteelement zumindest teilweise formstabil ausgebildet sein.

So kann das Halteelement einen Federring ausbilden, welcher einfach in die Nut eingelegt und durch seine Federwirkung darin formschlüssig fixiert werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Drucksiche-rung wird eine Berstscheibe und eine Vakuumstütze der Drucksicherung aus Graphit ausgebildet, wobei die Berstscheibe einstückig mit einer Ausbruchseite und einer Einbruchseite ausgebildet wird, wobei auf der Einbruchseite der Berstscheibe eine Ausnehmung ausgebildet wird, die einen Berstbereich innerhalb eines Halterings der Berstscheibe ausbildet, wobei die Vakuumstütze in die Ausnehmung eingesetzt wird, wobei eine Halteeinrichtung der Drucksicherung aus Kohlenstoff ausgebildet wird, wobei die Vakuumstütze mit der Halteeinrichtung formschlüssig in der Ausnehmung befestigt wird. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Vorteilsbeschreibung der erfin-dungsgemäßen Drucksicherung verwiesen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche .

Nachfolgend wird eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 : Draufsicht einer Berstscheibe;

Fig. 2 : Längsschnittansicht der Berstscheibe;

Fig. 3 : eine Draufsicht einer Vakuumstütze;

Fig. 4 : eine Längsschnittansicht der Vakuumstütze;

Fig. 5 : eine Draufsicht einer Drucksicherung;

Fig. 6 : eine Längsschnittansicht der Drucksicherung;

Fig. 7: eine Längsschnittansicht einer weiteren Berstscheibe;

Fig. 8 : eine Längsschnittansicht einer weiteren Vakuumstütze .

Eine Zusammenschau der Fig. 1 bis 6 zeigt eine Drucksicherung 1 0 mit einer Berstscheibe 1 1 und einer Vakuumstütze 12, wobei die Berstschei-be 1 1 und die Vakuumstütze 12 vollständig aus Graphit ausgebildet sind. Die einstückig ausgebildete Berstscheibe 1 1 weist eine Ausbruchseite 13 und eine Einbruchseite 14 auf, wobei in der Einbruchseite 14 eine im Wesentlichen kreisrunde Ausnehmung 15 ausgebildet ist. Durch die Ausnehmung 15 wird ein Haltering 16 und ein Berstbereich 1 7 der Berstscheibe 1 1 ausgebildet, wobei der Berstbereich 17 eine gleichmäßig dicke und ebene Membran 1 8 ist. Die Ausbruchseite 13 der Berstscheibe 1 1 ist vollständig eben ausgebildet.

Die Vakuumstütze 12 ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 19 auf. Die Durchgangsöffnungen 19 sind als Bohrung 20 entlang eines Kreisrings 21 koaxial und relativ zu einer Längsachse 22 der Drucksicherung 10 ausgebildet. Die Vakuumstütze 12 ist in die Ausnehmung 1 5 so eingesetzt, dass ein Außendurchmesser 23 der Vakuumstütze 12 an einem Innendurchmesser 24 des Halterings 16 beziehungsweise der Ausnehmung 15 im Wesentlichen anliegt. Weiter sind dann am Außendurchmesser 23 Fasen 25 ausgebildet, die ein Einsetzen der Vakuumstütze 12 in die Ausnehmung 15 erleichtern.

Innerhalb der Ausnehmung 15 sind ein abgesetzter Innendurchmesser 26 sowie eine Ringnut 27 ausgebildet. In die Ringnut 27 ist ein Halteele-ment 28 eingesetzt, welches aus hier nicht näher dargestellten, mit pyrolytischem Kohlenstoff infiltrierten und beschichteten Kohlenstofffasern ausgebildet ist. Das Halteelement 28 ist dabei im Wesentlichen formstabil und bildet einen Federring 29 aus, der die Vakuumstütze 12 formschlüssig in der Ausnehmung 15 haltert. Die Ringnut 27 ist dabei so in der Ausnehmung 1 5 angebracht, dass die Vakuumstütze 12 in axialer Richtung relativ zu der Längsachse 22 im Wesentlichen spielfrei in der Ausnehmung 15 gehaltert ist. Die Ringnut 27 und das Halteelement 28 bilden demnach eine Halteeinrichtung 30 aus .

Eine Zusammenschau der Fig. 7 und 8 zeigt eine Berstscheibe 3 1 und eine Vakuumstütze 32 einer hier nicht vollständig dargestellten Drucksicherung. Im Unterschied zu der Berstscheibe aus Fig. 2 ist in einer Ausnehmung 33 der Berstscheibe 3 1 ein Absatz 34 mit einer Ringnut 35 ausgebildet. Der Absatz 34 bildet einen Anschlag 36 für einen an der Vakuumstütze 32 ausgebildeten ringförmigen Vorsprung 37 aus. So kann verhindert werden, dass die Vakuumstütze 32 an einer Membran 38 der Berstscheibe 3 1 anliegen bzw. eine Druckkraft auf die Membran 38 bewirken kann, die diese in unerwünschter Weise zerstören kann.