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DE102007063193A1 - Battery e.g. lithium ion battery, for mobile application, has individual cells surrounded by housing, and pressure relief valve arranged in housing frame that connects upper and lower housing sides circumferentially - Google Patents

Battery e.g. lithium ion battery, for mobile application, has individual cells surrounded by housing, and pressure relief valve arranged in housing frame that connects upper and lower housing sides circumferentially Download PDF

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DE102007063193A1
DE102007063193A1 DE102007063193A DE102007063193A DE102007063193A1 DE 102007063193 A1 DE102007063193 A1 DE 102007063193A1 DE 102007063193 A DE102007063193 A DE 102007063193A DE 102007063193 A DE102007063193 A DE 102007063193A DE 102007063193 A1 DE102007063193 A1 DE 102007063193A1
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Jens Dr.-Ing. Meintschel
Dirk Dr. Dipl.-Ing. Schröter
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Mercedes Benz Group AG
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Abstract

The battery (1) has individual cells (4) enclosed and surrounded by a housing (3), and a pressure relief valve (5) arranged in the housing. The pressure relief valve is arranged in a housing frame (3.3) that connects upper and lower housing sides (3.1, 3.2) circumferentially. The pressure relief valve is formed by multiple breaking regions (3.3.1) that are inserted in the housing frame. The pressure relief valve is formed in respective breaking regions of the housing frame by a cavity, recess (6), a predetermined breaking point and an opening provided with a safety membrane e.g. breaking foil.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einer von einem Gehäuse umgebenen, geschlossenen Einzelzellen und einer am Gehäuse angeordneten Überdrucksicherung.The The invention relates to a battery having at least one of one casing surrounded, closed individual cells and arranged on the housing overpressure protection.

Unter Batterie im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Einzelzelle oder ein Verbund von Einzelzellen oder eine zu Modulen zusammengefasste Anordnung von Einzelzellen verstanden, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dieses Gehäuse kann sowohl wiederaufladbare als auch nicht wiederaufladbare Zellen umfassen. Insbesondere werden nachfolgend unter Batterien solche Batterien, wie z. B. Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien, verstanden, die Zellen enthalten, bei denen die Gefahr des Berstens und der Freisetzung von gefährlichen Substanzen, wie z. B. flüssige, brennbare Elektrolyte, besteht.Under Battery in the context of the present invention is a single cell or a composite of single cells or one grouped into modules Arrangement of single cells understood in a common casing are arranged. This case can be both rechargeable and non-rechargeable cells include. In particular, below batteries are those batteries, such as As lithium or lithium-ion batteries, understood that Contain cells where there is a risk of bursting and release of dangerous Substances, such. B. liquid, flammable electrolytes.

Derartige Batterien können unter starker Belastung oder bei Überlastung (z. B. bei Überladung oder zu hohem Entladestrom, beispielsweise bei einem Kurzschluss), im Schadensfall (z. B. Unfall, Elektrolytzersetzung) oder sogar im Normalbetrieb bei starker Erhitzung von außen in einen thermisch unkontrollierbaren Zustand geraten. Dabei können sie überhitzen, einen gefährlichen inneren Druck (auch Zelleninnendruck genannt) bis hin zum Bersten oder Explodieren der Zelle und des Gehäuses aufbauen, wodurch gefährliche Stoffe freigesetzt werden. Speziell im Bereich moderner Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien besteht eine besondere Gefährdung, da diese Batterien flüssige, brennbare, organische Elektrolyte enthalten. Diese Batterien können unter ungünstigen Umständen in Brand geraten und stellen ein sicherheitstechnisches Problem dar.such Batteries can under heavy load or overload (eg overcharged or overcharged) too high discharge current, for example in case of a short circuit), in Damage (eg accident, electrolyte decomposition) or even in the Normal operation with strong heating from the outside into a thermally uncontrollable State advised. They can overheat, a dangerous one internal pressure (also called internal cell pressure) up to bursting or explode the cell and build the housing, creating dangerous Substances are released. Especially in the field of modern lithium or lithium-ion batteries is a particular hazard, because these batteries are liquid, contain flammable, organic electrolytes. These batteries can be under unfavorable circumstances catch fire and pose a safety-related problem represents.

Um Explosionen zu vermeiden, ist es bekannt, die Einzelzellen mit einer gehäuseseitigen Überdrucksicherung zu versehen. Als Überdrucksicherung werden beispielsweise Überdruckventile oder ein oder mehrere Sollbruchstellen oder eine oder mehrere Berstscheiben am Gehäuse angeordnet. 1 und 2 zum Stand der Technik zeigen eine mögliche Ausführungsform einer Batterie 1 mit einer Überdrucksicherung 2, welche zumindest auf einer der Gehäuseseiten 3.1 bzw. 3.2 (= obere bzw. untere Gehäuseseiten) eines mindestens eine Einzelzelle 4 vollständig umgebenden Gehäuses 3 angeordnet ist. Um im Fall beispielsweise einer Überladung oder eines Kurzschlusses den hohen Zelleninnendruck abbauen zu können, ist die Überdrucksicherung 2 beispielsweise durch in die betreffende Gehäuseseiten 3.1 bzw. 3.2 eingebrachte Ausnehmungen 2.1, z. B. durch Einprägung eingebrachte Vertiefungen oder Erhebungen, gebildet. Diese Ausnehmungen 2.1 bilden einen gegenüber mechanischen Beanspruchungen schwachen Gehäusebereich, so dass bei Überschreiten eines bestimmten Zelleninnendrucks das Gehäuse 3 in diesem Bereich (auch Berstscheibenbereich genannt) definiert öffnet. Hierdurch wird der hohe Zelleninnendruck kontrolliert abgebaut.In order to avoid explosions, it is known to provide the individual cells with a housing-side overpressure protection. For example, pressure relief valves or one or more predetermined breaking points or one or more rupture disks are arranged on the housing as overpressure protection. 1 and 2 The prior art shows a possible embodiment of a battery 1 with an overpressure protection 2 , which at least on one of the housing sides 3.1 respectively. 3.2 (= upper or lower sides of the housing) of at least one individual cell 4 completely surrounding housing 3 is arranged. In order to be able to reduce the high internal cell pressure in the case of, for example, an overload or a short circuit, the overpressure protection is 2 for example, through the relevant housing sides 3.1 respectively. 3.2 introduced recesses 2.1 , z. B. formed by impressions depressions or elevations formed. These recesses 2.1 form a relation to mechanical stresses weak housing area, so that when a certain internal cell pressure is exceeded, the housing 3 defined in this area (also called rupture disk area) opens. As a result, the high cell internal pressure is reduced in a controlled manner.

Nachteilig dabei ist, dass die ober- bzw. unterhalb des Gehäuses 3 in dessen Ober- bzw. Unterseite eingebrachte Überdrucksicherung 2 aufgrund einer bauraumoptimalen Stapelung von mehreren Batteriezellen 1 übereinander in einen zwischen diesen gebildeten Zwischenraum mit geringem Abstand angeordnet ist. Durch einen derart geringen Zwischenraum zwischen den einzelnen Batterien 1 kann der zu hohe Zelleninnendruck durch Bersten der Überdrucksicherung in Richtung einer der benachbarten Batterie 1 nur begrenzt abgebaut werden. Insbesondere können ausströmende Stoffe, wie z. B. Gase nicht optimal abgeführt werden.The disadvantage here is that the top or bottom of the housing 3 in the top or bottom introduced overpressure protection 2 due to a space-optimal stacking of multiple battery cells 1 one above the other is arranged in a gap formed between them with a small distance. Due to such a small space between the individual batteries 1 can the high internal cell pressure by bursting the overpressure protection in the direction of one of the adjacent battery 1 be reduced only limited. In particular, effluents, such. B. gases are not optimally dissipated.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit mindestens einer von einem Gehäuse umgebenden Einzelzelle anzugeben, welche besonders sicher betrieben werden kann und welche im kritischen Betriebsfall einen sicheren und schnellen Druckabbau ermöglicht.Of the Invention is therefore the object of a battery with at least one of a housing specify surrounding single cell, which operated particularly safe and which can be a safe one in critical situations and rapid pressure reduction allows.

Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Regarding the battery, the object is achieved by the in claim 1 specified characteristics. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei der erfindungsgemäßen Batterie mit wenigstens einer von einem Gehäuse umgebenen, geschlossenen Einzelzelle und einer am Gehäuse angeordneten Überdrucksicherung ist diese in einen zwei Gehäuseseiten weitgehend umlaufend verbindenden Gehäuserahmen angeordnet. Durch eine Ausbildung des Gehäuses aus zwei Gehäuseseiten – einer oberen und einer unteren –, welche über einen seitlichen Gehäuserahmen umlaufend miteinander verbunden sind und eine Anordnung der Überdrucksicherung in diesen seitlichen Gehäuserahmen ist eine optimale Druckableitung und Gasableitung seitlich nach außen ermöglicht. Somit ist ein einfacher und definierter Abbau eines zu hohen Zelleninnendrucks zur Vermeidung einer Explosion sichergestellt. Darüber hinaus werden die im Zellinneren in Richtung der Überdrucksicherung strömenden Medien, wie z. B. Gase, weitgehend gedrosselt. Durch die seitliche Anordnung der Überdrucksicherung in den Gehäuserahmen weist eine aus mehreren einzelnen, übereinander gestapelten Batterien oder Batteriezellen gebildete Batterieflachzelle eine hohe Packungsdichte auf.at the battery of the invention with at least one enclosed by a housing, closed Single cell and one on the housing arranged overpressure protection this is in a two housing sides arranged largely circumferentially connecting housing frame. By an embodiment of the housing from two sides of the housing - one upper and a lower -, which over a side frame circumferentially interconnected and an arrangement of overpressure protection in this side frame is an optimal pressure discharge and gas discharge laterally Outside allows. Thus, a simple and defined degradation of too high a cell internal pressure to prevent explosion. Furthermore are the media flowing in the cell interior in the direction of overpressure protection, such as As gases, largely throttled. Due to the lateral arrangement the overpressure protection in the case frame has one of several individual, stacked batteries or battery cell battery cell formed a high packing density on.

Je nach Form, Größe und Abmessungen der Batterie kann die Überdrucksicherung durch zumindest einen oder mehrere in den Gehäuserahmen eingebrachte Berstbereiche gebildet sein.ever according to shape, size and dimensions The battery can be overpressure protection by at least one or more rupture areas introduced into the housing frame be formed.

In einer möglichen Ausführungsform ist die Überdrucksicherung im jeweiligen Berstbereich des Gehäuserahmens durch eine Vertiefung, eine Ausnehmung, eine Sollbruchstelle und/oder eine mit einer Sicherungsmembran versehene Öffnung gebildet.In a possible embodiment is the overpressure protection in the respective bursting region of the housing frame through a depression, a recess, a predetermined breaking point and / or one with a safety diaphragm provided opening educated.

Bevorzugt ist die Batterie eine Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie. Verglichen mit anderen Batterietypen besitzt eine Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie z. B. hohe Energiedichten, hohe Zellspannungen, geringe Gewichte, gute Leistungsdichten, geringe Selbstentladungen und hohe Zyklisierbarkeiten. Daher werden Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien insbesondere für mobile Anwendungen verwendet.Prefers the battery is a lithium or lithium-ion battery. Compared with other battery types has a lithium or lithium-ion battery z. High energy densities, high cell voltages, low weights, good power densities, low self-discharges and high cyclizability. Therefore, lithium or lithium-ion batteries are especially for mobile Applications used.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 zum Stand der Technik schematisch in perspektivischer Darstellung eine Batterie mit einer auf einer Ober- oder Unterseite des Batteriegehäuses angeordneten Überdrucksicherung, 1 to the prior art schematically a perspective view of a battery with a arranged on an upper or lower side of the battery case overpressure protection,

2 zum Stand der Technik schematisch die Batterie gemäß 1 im Querschnitt durch die Überdrucksicherung, 2 to the prior art schematically the battery according to 1 in cross section through the overpressure protection,

3 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine beispielsweise als Flachzelle ausgebildete erfindungsgemäße Batterie ohne Überdrucksicherung auf der Ober- bzw. Unterseite des Gehäuses in Draufsicht, 3 schematically an embodiment of an example designed as a flat cell battery according to the invention without overpressure protection on the top or bottom of the housing in plan view,

4 schematisch die Batterie gemäß 3 im Querschnitt mit einer seitlich im Gehäuserahmen angeordneten Überdrucksicherung, 4 schematically the battery according to 3 in cross-section with a laterally arranged in the housing frame overpressure protection,

5 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Batterie gemäß 4, 5 schematically an enlarged section of the battery according to 4 .

6 schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Gehäuserahmen mit einem Berstbereich in perspektivischer Darstellung, 6 schematically an embodiment of a housing frame with a bursting area in perspective,

7 schematisch den Gehäuserahmen gemäß 6 im Längsschnitt, 7 schematically the frame according to 6 in longitudinal section,

8 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Gehäuserahmen mit einem alternativen Berstbereich in perspektivischer Darstellung, und 8th schematically another embodiment of a housing frame with an alternative bursting in perspective, and

9 schematisch den Gehäuserahmen gemäß 8 im Längsschnitt. 9 schematically the frame according to 8th in longitudinal section.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts are in all figures with the same reference numerals Mistake.

3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Batterie 1 ohne Überdrucksicherung auf einer der Gehäuseseiten 3.1 bzw. 3.2 eines Gehäuses 3 in Draufsicht. Die Batterie 1 ist beispielsweise als Flachbatterie mit Batterieanschlüssen 1.1 und 1.2 ausgeführt. 3 schematically shows an embodiment of a battery according to the invention 1 without overpressure protection on one of the sides of the housing 3.1 respectively. 3.2 a housing 3 in plan view. The battery 1 is for example a flat battery with battery connections 1.1 and 1.2 executed.

Bei der Batterie 1 kann es sich beispielsweise um eine Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie handeln.At the battery 1 it may be, for example, a lithium or lithium-ion battery.

Das Gehäuse 3 ist beispielsweise aus Metall, insbesondere Stahl, oder einem anderen geeigneten Material, welches insbesondere beständig gegenüber flüssigen organischen Elektrolyten einer Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie ist.The housing 3 is for example made of metal, in particular steel, or another suitable material, which in particular is resistant to liquid organic electrolytes of a lithium or lithium-ion battery.

In 4 ist die Batterie 1 gemäß 3 im Querschnitt dargestellt. Das Gehäuse 3 ist aus der oberen und unteren Gehäuseseite 3.1 bzw. 3.2 gebildet, die gegenüber herkömmlichen Batterien seitlich umlaufend über einen Gehäuserahmen 3.3 miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 3 umgibt mindestens eine Einzelzelle 4 vollständig.In 4 is the battery 1 according to 3 shown in cross section. The housing 3 is from the upper and lower side of the housing 3.1 respectively. 3.2 formed, which compared to conventional batteries laterally encircling a housing frame 3.3 connected to each other. The housing 3 surrounds at least one single cell 4 Completely.

Im Betrieb der Batterie 1 kann es in kritischen Situationen zu einem besonders hohen Zelleninnendruck beispielsweise bei einem Kurzschluss oder durch Überladung kommen. Für einen steuerbaren und definierten Abbau des zu hohen Zelleninnendrucks ist bei der erfindungsgemäßen Batterie 1 im seitlichen Gehäuserahmen 3.3 an mindestens einer Position eine Überdrucksicherung 5 angeordnet. Dabei ist die Überdrucksicherung 5 im Bereich der größten Verformbarkeit des Gehäuses 3 – einem Berstbereich 3.3.1 des Gehäuserahmens 3.3 – eingebracht. In einer möglichen Ausführungsform kann der Berstbereich 3.3.1 des Gehäuserahmens 3.3 eine gegenüber dem anderen Bereich des Gehäuserahmens 3.3.2 dünnere Wandung aufweisen.In operation of the battery 1 In critical situations, a particularly high internal cell pressure can occur, for example in the event of a short circuit or overcharging. For a controllable and defined reduction of the high cell internal pressure is in the battery according to the invention 1 in the side frame 3.3 at least one position overpressure protection 5 arranged. Here is the overpressure protection 5 in the range of the greatest deformability of the housing 3 - a bursting area 3.3.1 of the case frame 3.3 - brought in. In one possible embodiment, the bursting area 3.3.1 of the case frame 3.3 one opposite the other area of the housing frame 3.3.2 have thinner wall.

Im Ausführungsbeispiel nach 4 ist die Überdrucksicherung 5 im betreffenden Berstbereich 3.3.1 durch eine Ausnehmung 6 gebildet. 5 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt des Berstbereiches 3.3.1 der Batterie 1 gemäß 4 mit der seitlich in den Gehäuserahmen 3.3 eingebrachten Überdrucksicherung 5 als Ausnehmung 6.In the embodiment according to 4 is the overpressure protection 5 in the relevant bursting area 3.3.1 through a recess 6 educated. 5 schematically shows an enlarged section of the bursting area 3.3.1 the battery 1 according to 4 with the side in the case frame 3.3 introduced overpressure protection 5 as a recess 6 ,

6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Gehäuserahmen 3.3 mit einem Berstbereich 3.3.1 in perspektivischer Darstellung. Je nach Ausführungsform der Überdrucksicherung 5 kann diese wie gezeigt als Ausnehmung 6 ausgebildet sein. Alternativ kann der Gehäuserahmen 3.3 im Berstbereich 3.3.1 eine dünnere Wandung aufweisen und/oder mit mindestens einer Sollbruchstelle oder eine Vertiefung in der Wandung des Berstbereiches 3.3.1 (nicht näher dargestellt) versehen sein. 7 zeigt schematisch den Gehäuserahmen 3.3 gemäß 6 im Längsschnitt. Dabei ist die in Form eines Folienstapels ausgebildete Einzelzelle 4 unter Bildung eines Zwischenraumes R im Gehäuse 3 angeordnet. In diesem Zwischenraum R können austretende Gase entlang der dargestellten Pfeile P in Richtung des Berstbereiches 3.3.1 des umlaufenden Gehäuserahmens 3.3 strömen und gegebenenfalls bei einem zu hohen Zelleninnendruck über die im Berstbereich 3.3.1 angeordnete Überdrucksicherung 5 entweichen. 6 schematically shows an embodiment of a housing frame 3.3 with a bursting area 3.3.1 in perspective view. Depending on the embodiment of the overpressure protection 5 This can as shown as a recess 6 be educated. Alternatively, the case frame 3.3 in the bursting area 3.3.1 have a thinner wall and / or with at least one predetermined breaking point or a depression in the wall of the bursting area 3.3.1 Be provided (not shown in detail). 7 shows schematically the case frame 3.3 according to 6 in longitudinal section. It is in the form of a Film stack trained single cell 4 forming a gap R in the housing 3 arranged. In this gap R, escaping gases along the arrows P shown in the direction of the bursting region 3.3.1 of the surrounding housing frame 3.3 flow and optionally at too high a cell internal pressure over in the bursting area 3.3.1 arranged overpressure protection 5 escape.

8 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Gehäuserahmen 3.3 mit einem alternativen Berstbereich 3.3.1 in perspektivischer Darstellung. Dabei ist im Berstbereich 3.3.1 als Überdrucksicherung 5 eine Öffnung 7 eingebracht. Diese Öffnung 7 ist, wie in 9 im Längsschnitt gezeigt, mit einer Sicherungsmembran 8 (= separate Berstfolie oder Berstscheibe) versehen, die in kritischen Überdrucksituationen definiert aufbricht, um ein Ausströmen der Gase zu ermöglichen. 8th schematically shows a further embodiment of a housing frame 3.3 with an alternative bursting area 3.3.1 in perspective view. It is in the bursting area 3.3.1 as overpressure protection 5 an opening 7 brought in. This opening 7 is how in 9 shown in longitudinal section, with a safety membrane 8th (= separate bursting foil or rupture disc) provided that breaks open in critical overpressure situations defined to allow outflow of the gases.

Je nach Vorgabe und/oder Aufbau der Batterie 1 und des Gehäuserahmens 3.3 kann dieser umlaufend mit mehreren Berstbereichen 3.3.1, die wiederum ebenfalls mehrere Überdrucksicherungen 5 aufweisen können, versehen sein. In den gezeigten Ausführungsbeispielen nach 3 bis 9 ist beispielhaft ein Berstbereich 3.3.1 mit einer Überdrucksicherung 5 dargestellt.Depending on specification and / or construction of the battery 1 and the case frame 3.3 This can be revolving with multiple bursting areas 3.3.1 , which in turn also several overpressure fuses 5 may be provided. In the embodiments shown by 3 to 9 is an example of a bursting area 3.3.1 with an overpressure protection 5 shown.

11
Batteriebattery
1.1, 1.21.1 1.2
Batterieanschlüssebattery terminals
22
Überdrucksicherung im Stand der TechnikOverpressure protection in the prior art
33
Gehäusecasing
3.1, 3.23.1 3.2
obere bzw. untere Gehäuseseitenupper or lower sides of the housing
3.33.3
seitlicher Gehäuserahmenlateral housing frame
3.3.13.3.1
Berstbereich im seitlichen GehäuserahmenBurst Range in the side frame
44
Einzelzellesingle cell
55
erfindungsgemäße Überdrucksicherungoverpressure protection according to the invention
66
Ausnehmungrecess
77
Öffnungopening
88th
Sicherungsmembranfusible membrane
PP
Pfeilearrows
RR
Zwischenraumgap

Claims (3)

Batterie (1) mit wenigstens einer von einem Gehäuse (3) umgebenen, geschlossenen Einzelzelle (4) und einer am Gehäuse (3) angeordneten Überdrucksicherung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Überdrucksicherung (5) in einem zwei Gehäuseseiten (3.1, 3.2) weitgehend umlaufend verbindenden Gehäuserahmen (3.3) angeordnet ist.Battery ( 1 ) with at least one of a housing ( 3 ), closed single cell ( 4 ) and one on the housing ( 3 ) arranged overpressure protection ( 5 ), characterized in that the overpressure protection ( 5 ) in a two housing sides ( 3.1 . 3.2 ) largely peripherally connecting housing frame ( 3.3 ) is arranged. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdrucksicherung (5) durch zumindest einen oder mehrere, in den Gehäuserahmen eingebrachte Berstbereiche (3.3.1) gebildet ist.Battery according to claim 1, characterized in that the overpressure protection ( 5 ) by at least one or more, in the housing frame introduced bursting areas ( 3.3.1 ) is formed. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdrucksicherung (5) im jeweiligen Berstbereich (3.3.1) des Gehäuserahmens (3.3) durch eine Vertiefung, eine Ausnehmung (6), eine Sollbruchstelle und/oder eine mit einer Sicherungsmembran (8) versehenen Öffnung (7) gebildet ist.Battery according to claim 1 or 2, characterized in that the overpressure protection ( 5 ) in the respective bursting area ( 3.3.1 ) of the housing frame ( 3.3 ) by a recess, a recess ( 6 ), a predetermined breaking point and / or one with a safety diaphragm ( 8th ) provided opening ( 7 ) is formed.
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