Kleinste Sicherheitskomponenten für die Druckentlastung

Der Trend zu immer kleineren, leichteren und dabei leistungsfähigeren Bauteilen und Produkten bedeutet auch für die Zulieferindustrie eine Herausforderung, wenn man diesen Trend mitgestalten will. Vor allem in hochsicherheitsrelevanten Anwendungen wie Sicherheitssystemen zum Schutz vor Feuer, in Kühlsystemen, aber auch in der Luftfahrt oder der Automobilindustrie sind kleinste funktionssichere Lösungen gefragt.

Berstscheiben sind bewährte Sicherheitsarmaturen, die auch in anspruchsvollen Umgebungen eine zuverlässige, schnelle Druckentlastung sicherstellen. Die Gestaltung von sehr kleinen Berstscheiben für geringe Druckbereiche – etwa mit nur drei Millimetern Durchmesser und Ansprechdrücken ab acht bar – stellt Entwickler jedoch vor neue Herausforderungen.

Denn bei derart kleinen Bauteilen verstärken sich neben der Abhängigkeit von Qualität und Maßhaltigkeit der Fertigungsmaterialien auch die Einflüsse von Haltern und Einbauart.

Darum werden Berstscheiben in solchen kleinsten Durchmessern – anders als diejenigen in herkömmlichen Abmessungen, die per Flansch in Druckgeräte eingebaut werden – in der Regel als integrierte einbaufertige Baugruppe angeboten. Berstscheibe und Halter sind dann untrennbar verbunden. Die Montage erfolgt je nach Einsatzbedingung geschraubt, geschweißt, gelötet oder geklemmt, um höchste Leckagesicherheit zu gewährleisten.

Die Abmessungen bei der Miniatur-Berstscheibe auf Basis der bisherigen Gestaltung einfach zu verkleinern führt allerdings nicht zum Ziel, da sie sich konstruktiv von größeren Exemplaren unterscheidet. Der Grund liegt in der Funktionsweise: Der Ansprechdruck klassischer zugbelasteter Berstscheiben ergibt sich aus der Festigkeit des verwendeten Rohmaterials und des Durchmessers. Für eine Anwendung mit kleinen Abmessungen und geringen Drücken ergäben sich extrem geringe Materialstärken. Die Scheibe müsste so dünn sein, dass eine Beschädigung bei der Montage kaum auszuschließen ist. Zudem sind Standard-Materialien wie Aluminium dann sehr empfindlich gegenüber atmosphärischer oder anwendungs-
bedingter Korrosion und hohen Prozesstemperaturen. Mögliche Alternativmaterialien wie Silber kommen in der Regel aus wirtschaftlichen Gründen nicht in Betracht.

Ein Ausweichen auf andere Druckentlastungen wie Sicherheitsventile bringt ebenso Nachteile: Zwar lassen sich diese für kleine Drücke auslegen; in zahlreichen maßgeblichen Eigenschaften wie Dichtigkeit, Durchflusscharakteristik oder Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen reichen sie jedoch nicht an die Leistungsfähigkeit von Berstscheiben heran. Zudem sind letztere leichter, kompakter und benötigen weniger Wartungsaufwand.

Die Mitarbeiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Bormann & Neupert by BS&B setzten darum bei der Entwicklung neuer Miniatur-Druckentlastungen auf das bewährte Prinzip der Berstscheiben, gestalteten diese aber grundlegend neu.

Dabei war die Fokussierung auf das Prinzip der Umkehrberstscheiben schnell gefallen, denn diese sind klassischen zugbelasteten Berstscheiben in mehreren Bereichen überlegen. Bei der Auslegung des Berstdrucks sind Form und Struktur der Scheibe ausschlaggebend; Eigenschaft und Qualität des Fertigungsmaterials beeinflussen die Eigenschaften in geringerem Maße. So lässt sich eine höhere Ansprechgenauigkeit erreichen und auch die dauerhafte Beständigkeit gegenüber hohen Betriebsdrücken und -temperaturen steigt.

Ein dauerhafter Prozessdruck von bis zu 90 Prozent des Ansprechdrucks – sowohl zyklisch wie auch statisch – ist problemlos möglich. Ein ungewolltes Ansprechen durch Materialermüdung ist nahezu ausgeschlossen. Zum Vergleich: Zugbelastete Berstscheiben können nur bei maximal 70 Prozent des Ansprechdrucks dauerhaft betrieben werden.

Zudem vereinfachen Umkehrberstscheiben die Qualitätsprüfung während der Fertigung. So kann eine durchgängig hohe Maßhaltigkeit in einem besonders kleinen Toleranzbereich schneller und zugleich sicherer gewährleistet werden – ein Vorteil sowohl für Kleinserien, wie auch in der Massenfertigung.

Je nach Prozessanforderung haben sich bei der Formgebung der jeweiligen Scheiben, die der Hersteller jetzt anbietet, erhebliche Unterschiede ergeben. Der Grund liegt in einer konstruktiven Besonderheit, die sich aus dem geringen Durchmesser ergibt. Die individuelle druckspezifische Gestaltung gewährleistet, dass die Scheibe kontrolliert birst und sich die Fragmente so verformen, dass der maximale Durchflussquerschnitt schnellstens freigegeben wird. Designmerkmale sind etwa Sollbruchstellen, die das Nachgeben an präzise definierter Stelle sichern.

Ein Beispiel ist die mittige Einkerbung der QRB-Berstscheiben. Manche Scheiben sind auch innerhalb bestimmter Bereiche ihres Radius‘ in verschiedene Richtungen gewölbt, wie etwa das Modell FRB. Sie verbinden so die positiven Eigenschaften von zugbelasteten und Umkehrberstscheiben. hei