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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Offenbarung betrifft eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) und insbesondere eine TPRD für ein Hochdruckgefäß.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen kann angeordnet werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs in der Lage ist. Ein Beispiel der Brennstoffzelle ist eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle. In der PEM-Brennstoffzelle wird Wasserstoff als ein Brennstoff an eine Anode geliefert und Sauerstoff wird als ein Oxidationsmittel an eine Kathode geliefert. Eine übliche Technik zum Speichern von Wasserstoff erfolgt in einem leichten Hochdruckgefäß, das gegenüber Durchstechen beständig ist. Hochdruckgefäße, die das komprimierte Wasserstoffgas enthalten, müssen eine gewünschte mechanische Stabilität und Integrität besitzen, die einer ungesteuerten Freisetzung des komprimierten Gases von dem Druckgefäß aufgrund des Innendrucks entgegenwirken. Es ist auch typischerweise erwünscht, die Druckgefäße an Fahrzeugen leicht auszubilden, so dass die Gewichtsanforderungen des Fahrzeugs nicht signifikant beeinträchtigt werden.
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Bekannte Hochdruckgefäße weisen zumindest ein thermisch aktiviertes Sicherheitsventil oder eine thermisch aktivierte Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) auf. Die TPRD ist an einem Vorsprung oder an einem Ende des Hochdruckgefäßes angeordnet, der/das verschiedene Ventile, Druckregler, Verrohrungsverbinder, Überströmungsbegrenzer, etc. unterbringt, um zu ermöglichen, dass das Druckgefäß mit dem komprimierten Wasserstoffgas befüllt werden kann. Die TPRD kann auch an einer anderen Öffnung in dem Druckgefäß angeordnet sein, obwohl die TPRD allgemein an einem oder beiden Enden des Druckgefäßes positioniert ist. Die TPRD ist nützlich, wenn das Druckgefäß hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Es können mehr als eine TPRD verwendet werden, wenn hohe Temperaturen an einem lokalen Bereich entfernt von der Positionierung der einzelnen TPRD stattfinden können. Eine bekannte TPRD weist einen länglichen zerbrechlichen Kolben auf, der mit einem zündfähigen Cord gekoppelt ist, der Wärme an die TPRD von entfernten Bereichen des Gefäßes überträgt. Bei Erhitzung auf eine vorbestimmte Temperatur zerbricht der Kolben, wodurch eine Entlüftungsdurchbrechung geöffnet und die TPRD betätigt wird. Jedoch ist die Wärmeübertragung an die TPRD durch den zündbaren Cord bei bestimmten Anwendungen nicht geeignet und ist gelegentlich nicht vorhersagbar. Ferner erfordert der längliche Kolben eine große Einbaugröße und weist auch ein signifikantes Volumen von temperaturempfindlichem Material auf, das zur Betätigung der TPRD erhitzt werden muss. Zusätzlich kann eine derartige Vorrichtung nur ein einziges Mal betrieben werden. Nach einem derartigen Betrieb ist die TPRD zerstört und muss ersetzt werden.
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Eine andere bekannte TPRD ist rücksetzbar. Jedoch muss der Auslösemechanismus nach einem Betrieb ausgetauscht, rückgesetzt und getestet werden.
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Eine andere bekannte TPRD besitzt einen thermisch betätigten Auslösemechanismus, der sich mit einer Bewegung eines Ventilverschlusselements überlagert. Der Auslösemechanismus ist aus einer Formgedächtnislegierung geformt, die sich bei Erwärmung auf eine eingestellte Temperatur ausdehnt, wodurch die Überlagerung mit dem Verschlusselement beseitigt und die Druckentlastungsvorrichtung betätigt wird. Dieser Einweg-Formgedächtnisauslösemechanismus ist teuer und betrifft mehrere bewegbare Teile.
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Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einer TPRD, die in einem Hochdruckgefäß zur Verwendung mit einem Brennstoffzellenstapel installiert werden kann. Die TPRD soll einen Auslösemechanismus aufweisen, der Herstellkosten minimiert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine thermische Druckentlastungsvorrichtung mit Ausdehnungsaktivierung entdeckt worden, die Herstellkosten minimiert.
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Bei einer Ausführungsform umfasst eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) ein Gehäuse mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, das derart konfiguriert ist, eine Fluidströmung hindurch zuzulassen, einen Halter, der in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Halter zumindest einen Abschnitt aufweist, der aus einem temperaturempfindlichen Material geformt, das derart konfiguriert ist, dass sich sein Volumen mit einer Zunahme der Temperatur ausdehnt; und ein bewegbares Auslöseelement, das benachbart dem Halter angeordnet und zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt des bewegbaren Auslöseelements derart konfiguriert ist, das zweite Ende des Gehäuses abzudichten, wenn sich das bewegbare Element in der geschlossenen Position befindet, und wobei der Halter eine Bewegung des bewegbaren Auslöseelements von der geschlossenen Position zu der offenen Position zulässt, wenn eine vorbestimmte Temperatur des temperaturempfindlichen Materials erreicht ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) ein Gehäuse mit einem ersten Ende, das eine erste Durchbrechung besitzt, und einem zweiten Ende, das eine zweite Durchbrechung besitzt, das derart konfiguriert ist, eine Fluidströmung hindurch zuzulassen; einen Kolben, der verschiebbar in dem Gehäuse montiert und zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei der Kolben die zweite Durchbrechung abdichtet, wenn sich der Kolben in der geschlossenen Position befindet; einen Halter, der in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Halter zumindest einen Abschnitt aufweist, der aus einem temperaturempfindlichen Material geformt ist, das derart konfiguriert ist, dass sich sein Volumen mit einer Zunahme der Temperatur ausdehnt; und ein bewegbares Auslöseelement, das in dem Gehäuse angeordnet und zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei das bewegbare Auslöseelement zumindest teilweise in dem Halter ruht, wenn sich das bewegbare Auslöseelement in der offenen Position befindet, und wobei der Halter eine Bewegung des bewegbaren Auslöseelements von der geschlossenen Position zu der offenen Position zulässt, wenn eine vorbestimmte Temperatur des temperaturempfindlichen Materials erzielt ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) ein Gehäuse mit einem ersten Ende, das eine erste Durchbrechung besitzt, und einem zweiten Ende, das eine zweite Durchbrechung besitzt, das derart konfiguriert ist, eine Fluidströmung hindurch zuzulassen; einen Kolben, der verschiebbar in dem Gehäuse montiert und zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei der Kolben die zweite Durchbrechung abdichtet, wenn sich der Kolben in der geschlossenen Position befindet; einen Halter, der fest in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Halter zumindest einen Abschnitt aufweist, der aus einem temperaturempfindlichen Material geformt ist, das derart konfiguriert ist, dass sich sein Volumen mit einer Zunahme der Temperatur ausdehnt; und ein bewegbares Auslöseelement, das in dem Gehäuse angeordnet und zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei das bewegbare Auslöseelement seitlich in dem Halter ruht, wenn sich das bewegbare Auslöseelement in der geschlossenen Position befindet, und wobei der Halter eine Bewegung des bewegbaren Auslöseelements von der geschlossenen Position in die offene Position zulässt, wenn eine vorbestimmte Temperatur des temperaturempfindlichen Materials erzielt ist, um eine Bewegung des Kolbens in die offene Position zu erlauben.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer TPRD ist, die ein bewegbares Auslöseelement in einer geschlossenen Position gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine schematische Schnittansicht einer in 1 gezeigten TPRD ist, die das bewegbare Auslöseelement in einer offenen Position zeigt;
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3 eine schematische Schnittansicht einer TPRD ist, die einen Kolben in einer geschlossenen Position gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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4 eine schematische Schnittansicht einer in 3 gezeigten TPRD ist, die den Kolben in einer offenen Position zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
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In den 1 und 2 ist eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) 10 gezeigt und weist ein Gehäuse 12 auf, das ein erstes Ende 14 mit einer ersten Durchbrechung 16 und ein zweites Ende 18 mit einer zweiten Durchbrechung 20 besitzt. Die erste und zweite Durchbrechung 16, 20 sind derart konfiguriert, eine Strömung eines Fluides 22 durch das Gehäuse 12 zuzulassen. Bei einem Beispiel kann das Fluid 22 von einem Hochdruckgefäß (nicht gezeigt) in Fluidkommunikation mit der ersten Durchbrechung 16 durch das Gehäuse 12 und die zweite Durchbrechung 20 an die umgebende Atmosphäre strömen, wenn die TPRD aktiviert ist, wie in 2 gezeigt ist. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise zum Schraubeingriff mit dem Hochdruckgefäß konfiguriert sein.
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Die TPRD 10 weist ein Auslöseelement 24 auf, das in dem Gehäuse 12 angeordnet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Auslöseelement 24 ein Ball oder eine Kugel. Es können andere geeignete Auslöseelemente verwendet werden. Die Kugel 24 sitzt seitlich in einem Halter 26. Der Halter 26 weist eine Einfassung 28 auf, die einen Sitz 30 zum Tragen der Kugel 24 in dem Gehäuse 12 bildet. Die Kugel 24 ist aus einem Material mit einer niedrigen thermischen Ausdehnungsrate geformt, wie Glas oder Keramik. Der Halter 26 und die Einfassung 28 sind aus einem Material geformt, das eine höhere thermische Ausdehnungsrate als der Kugel 24 besitzt. Bei einer Ausführungsform sind der Halter 26 und die Einfassung 28 aus Metall geformt. Bei einer anderen Ausführungsform ist zumindest die Einfassung 28 aus einem Material geformt, das eine höhere thermische Ausdehnungsrate als die Kugel 24 und der Halter 26 besitzt. Es können auch andere geeignete Materialien für die Kugel 24 und den Halter 26 verwendet werden. Zusätzlich kann, wenn der Halter 26 und die Einfassung 28 aus demselben Material geformt sind, das eine hohe thermische Ausdehnungsrate besitzt, wie Metall, der Halter 26 als ein Käfig geformt sein, um eine Wärmeübertragung zu unterstützen und damit die thermische Ausdehnung des Halters 26 und der Einfassung 28 zu beschleunigen, wenn die TPRD 10 ausgelöst ist.
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Bei der TPRD 10 von 1 ist die Kugel 24 in einer ersten geschlossenen Position gezeigt, wobei die erste Durchbrechung 16 und das erste Ende 14 des Gehäuses 12 von der zweiten Durchbrechung 20 und dem zweiten Ende 18 des Gehäuses 12 und der Atmosphäre abgedichtet sind. In der ersten geschlossenen Position sitzt die Kugel 24 seitlich in der Einfassung 28 des Halters 26 und blockiert im Wesentlichen die Fluidströmung 22 zwischen der ersten Durchbrechung 16 und der zweiten Durchbrechung 20 durch das Gehäuse 12. Die Kugel 24 ist in eine zweite offene Position bewegbar, wie in 2 gezeigt ist. Die Kugel 24 fällt in den Halter 26 und unterstützt die Fluidströmung 22 von dem Hochdruckgefäß.
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Die Bewegung der Kugel 24 von der ersten geschlossenen Position seitlich sitzend in dem Halter 26 in die zweite offenen Position heruntergefallen in dem Halter 26 wird durch eine Ausdehnung von zumindest der Einfassung 28 des Halters 26 bewirkt. Die Einfassung 28 des Halters 26 wird im Wesentlichen aus einem temperaturempfindlichen Material geformt, das derart angepasst ist, dass sich sein Volumen mit einer Zunahme der Temperatur ausdehnt. Das temperaturempfindliche Material kann sich nach Bedarf linear oder nicht linear ausdehnen. Bei einer Ausführungsform kann sich das temperaturempfindliche Material linear mit der Temperatur ausdehnen und hauptsächlich innerhalb eines definierten Bereiches ausdehnen. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Einfassung 28 aus einem Material mit einer hohen thermischen Ausdehnungsrate geformt, wie Metall. Bei einer noch weiteren Ausführungsform sind sowohl die Einfassung 28 als auch der Halter 26 beide aus demselben Material mit einer hohen thermischen Ausdehnungsrate geformt, wie Metall. Es können andere geeignete temperaturempfindliche Materialien gewählt werden. Das Gehäuse 12 ist aus einem thermisch leitenden Material geformt, das derart angepasst ist, Wärme von der Umgebung benachbart der TPRD 10 auf das temperaturempfindliche Material zu übertragen. Die Kugel 24 ist aus einem Material mit einer geringen thermischen Ausdehnungsrate geformt, wie Glas oder Keramik. Es können andere geeignete Materialien gewählt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die thermische Ausdehnungsrate der Kugel 24 geringer als die thermische Ausdehnungsrate von zumindest der Einfassung 28.
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Während des Betriebs der TPRD 10 dehnt sich zumindest die Einfassung 28 des Halters 26 aus, wenn eine gewünschte Temperatur erreicht wird, was zur Folge hat, dass die Kugel 24 aufgrund von Schwerkraft in den Halter 26 fällt. Eine geeignete gewünschte Temperatur, die dem bestimmten Hochdruckgefäß zugeordnet ist, kann von einem Fachmann gewählt werden. Sobald die Kugel 24 in den Halter 26 fällt, gelangt die Strömung des Fluides 22 von dem Hochdruckgefäß und der ersten Durchbrechung 16 durch das Gehäuse 12 und die zweite Durchbrechung 20 zum Austrag in die Umgebungsluft oder zur Sammlung, wie erforderlich.
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Die 3 und 4 veranschaulichen eine andere Ausführungsform der TPRD 100 und weisen ein Gehäuse 112 auf, das ein erstes Ende 114 mit einer ersten Durchbrechung 116 und ein zweites Ende 118 mit einer zweiten Durchbrechung 120 besitzt. Die erste und zweite Durchbrechung 116, 120 sind derart konfiguriert, um eine Strömung eines Fluides 122 durch das Gehäuse 112 zu ermöglichen. Bei einem Beispiel kann das Fluid 122 von einem Hochdruckgefäß (nicht gezeigt) in Fluidkommunikation mit der ersten Durchbrechung 116, durch das Gehäuse 112 und die zweite Durchbrechung 120 an die umgebende Atmosphäre strömen, wenn die TPRD aktiviert ist, wie in 4 gezeigt ist. Das Gehäuse 112 kann beispielsweise zum Schraubeingriff mit dem Hochdruckgefäß konfiguriert sein.
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Bei der gezeigten Ausführungsform besitzt die TPRD 100 ein Auslöseelement 124, das als ein Ball oder eine Kugel gezeigt ist, der/die in dem Gehäuse 112 angeordnet ist. Die Kugel 124 sitzt seitlich in einem Halter 126. Der Halter 126 weist eine Einfassung 128 auf, die einen Sitz 130 zum Tragen der Kugel 124 in dem Gehäuse 112 bildet. Die Kugel 124 besteht aus einem Material mit einer geringen thermischen Ausdehnungsrate, wie Glas oder Keramik. Der Halter 126 und die Einfassung 128 sind aus einem Material geformt, das eine höhere thermische Ausdehnungsrate besitzt, als die Kugel 124. Bei einer Ausführungsform sind der Halter 126 und die Einfassung 128 aus Metall geformt. Bei einer anderen Ausführungsform ist zumindest die Einfassung 128 aus einem Material geformt, das eine höhere thermische Ausdehnungsrate besitzt, als die Kugel 124 und der Halter 126. Andere geeignete Materialien können für die Kugel 124 und den Halter 126 verwendet werden. Zusätzlich kann, wenn der Halter 126 und die Einfassung 128 aus demselben Material mit einer hohen thermischen Ausdehnungsrate, wie Metall, geformt sind, der Halter 126 als ein Käfig geformt sein, um eine Wärmeübertragung zu unterstützen und eine thermische Ausdehnung des Halters 126 und der Einfassung 128 zu beschleunigen, wenn die TPRD 100 ausgelöst wird.
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Die TPRD 100 weist einen Kolben 136 auf, der verschiebbar in dem Gehäuse 112 angeordnet ist. Der Kolben 136 ist zwischen einer geschlossenen Position, wie in 3 gezeigt ist, und einer offenen Position bewegbar, wie in 4 gezeigt ist. Der Kolben 136 kann zumindest eine darin geformte Durchbrechung 138 zum Unterstützen der Strömung des Fluides 122 hindurch aufweisen, wenn der Kolben 136 sich in der offenen Position befindet. In der geschlossenen Position dichtet der Kolben 136 die erste Durchbrechung 116 ab. Der Kolben 136 weist ein Dichtelement 140 auf, das eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem Kolben 136 und dem Gehäuse 112 in der geschlossenen Position bildet. Der Kolben 136 weist eine Kolbenfeder 142 auf. Die Kolbenfeder 142 treibt den Kolben 136 in die offene Position. Andere geeignete Mittel zum Abdichten und Bewegen des Kolbens 136 zwischen der geschlossenen und offenen Position können verwendet werden.
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Bei der TPRD 100 von 3 ist die Kugel 124 in einer ersten geschlossenen Position gezeigt, wobei die erste Durchbrechung 116 und das erste Ende 114 des Gehäuses 112 von der zweiten Durchbrechung 120 und dem zweiten Ende 118 des Gehäuses 112 und der Atmosphäre abgedichtet werden. In der ersten geschlossenen Position sitzt die Kugel 124 seitlich in der Einfassung 128 des Halters 126 und hält den Kolben 136 in der geschlossenen Position, wobei die Strömung des Fluides 122 zwischen der ersten Durchbrechung 116 und der zweiten Durchbrechung 120 durch das Gehäuse 112 im Wesentlichen blockiert ist. Die Kugel 124 ist zu einer zweiten offenen Position bewegbar, wie in 4 gezeigt ist. Die Kugel 124 fällt in den Halter 126, wobei der Kolben 136 freigegeben wird. Die Kolbenfeder 142 treibt den Kolben 136 in die zweite offene Position und unterstützt selektiv die Strömung des Fluides 122 von dem Hochdruckgefäß.
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Während des Betriebs der TPRD 100 dehnt sich zumindest die Einfassung 128 des Halters 126 aus, wenn eine gewünschte Temperatur erreicht ist, was zur Folge hat, dass die Kugel 124 aufgrund von Schwerkraft in den Halter 126 fällt. Eine geeignete gewünschte Temperatur, die einem bestimmten Hochdruckgefäß zugeordnet ist, kann durch den Fachmann gewählt werden. Sobald die Kugel 124 in den Halter 126 fällt, bewegt sich der Kolben 136 von der ersten geschlossenen Position, die in 3 gezeigt ist, in die zweite offene Position, die in 4 gezeigt ist. In der offenen Position gelangt die Strömung des Fluides 122 von dem Hochdruckgefäß und der ersten Durchbrechung 116 durch das Gehäuse 112 in die zweite Durchbrechung 120 zum Austrag in die Umgebung oder zur Sammlung, wie erforderlich.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang davon verschiedene Änderungen oder Modifikationen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.
