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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugtank mit einem komprimierbaren Kompensationskörper.
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Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen Stickoxide, die in den Abgasen eines Verbrennungsmotors enthalten sind, unter Zuhilfenahme eines wässrigen Reduktionsmittels, wie z. B. einer Harnstofflösung, zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Dazu wird das flüssige Reduktionsmittel aus einem Tank in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors eingespritzt. Die üblichen Reduktionsmittel gefrieren in einem Bereich von –11°C bis –40°C und dehnen sich beim Gefrieren aus.
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Es besteht daher Bedarf nach einem einfach herstell- und montierbaren Fahrzeugtank für ein Reduktionsmittel, der so ausgebildet ist, dass er durch eine Volumenausdehnung von gefrierendem Reduktionsmittel nicht beschädigt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird von einem Fahrzeugtank nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen eines Fahrzeugtanks nach dem unabhängigen Patentanspruch 1.
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Ein erfindungsgemäßer Fahrzeugtank hat ein Tankvolumen, das zur Aufnahme und Speicherung eines Fluids ausgebildet ist. In dem Tankvolumen ist wenigstens ein Kompensationskörper angeordnet, der so ausgebildet ist, dass er im Betrieb, d. h., wenn sich Fluid in dem Tankvolumen befindet, auf dem in das Tankvolumen eingebrachten Fluid schwimmt. Dabei muss der Kompensationskörper nicht vollständig auf der Oberfläche des Fluids schwimmen. Er kann vielmehr so ausgebildet sein, dass sich jeweils ein nicht unerheblicher Bereich des Kompensationskörpers über und unter der Oberfläche des Fluids in dem Tank befindet.
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Der Kompensationskörper ist reversibel komprimierbar ausgebildet, d. h., dass sich sein Volumen unter Einwirkung eines von außen auf den Kompensationskörper einwirkenden Drucks reduziert und der Kompensationskörper wieder sein ursprüngliches Volumen einnimmt, wenn der von außen auf den Kompensationskörper einwirkende Druck nicht mehr vorhanden ist.
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In einem erfindungsgemäßen Fahrzeugtank mit einem reversibel komprimierbaren Kompensationskörper wird eine Volumenausdehnung gefrierenden Fluids durch eine entsprechende Verringerung des Volumens des Kompensationskörpers ausgeglichen, so dass das Gesamtvolumen innerhalb des Tanks, d. h. die Summe des Volumens des zumindest teilweise gefrorenen Fluids und des zumindest teilweise komprimierten Kompensationskörpers, nicht oder zumindest nur in einem gegenüber dem Zustand ohne Kompensationskörper deutlich verringerten Umfang zunimmt. Die so reduzierte Volumenausdehnung des Fluids kann von dem Fahrzeugtank aufgenommen werden, ohne dass dieser dabei beschädigt wird.
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Dadurch, dass ein erfindungsgemäßer Kompensationskörper frei auf oder an der Oberfläche des Fluids schwimmt, ist er stets zwischen der Oberfläche des Fluids und einer Tankbegrenzung, die sich oberhalb der Fluidoberfläche befindet, angeordnet. Wenn die Oberfläche des Fluids gefriert, wirkt der Kompensationskörper als elastischer Puffer zwischen der gefrorenen Fluidoberfläche und der Tankbegrenzung.
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Vorteilhafterweise ist der Kompensationskörper so ausgebildet und angeordnet, dass er an einer Stelle der Fluidoberfläche schwimmt, die einer kritischen und/oder empfindlichen Stelle der Tankbegrenzung, wie z. B. einer Kante oder einem Vorsprung, gegenüberliegt, so dass der Kompensationskörper einen direkten Kontakt zwischen gefrorenem Fluid und der kritischen und/oder empfindlichen Stelle der Tankbegrenzung verhindert. Die kritische und/oder empfindliche Stelle Tankbegrenzung wird so durch den Kompensationskörper vor einer Beschädigung durch gefrorenes Fluid geschützt.
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In einer Ausführungsform enthält der Kompensationskörper ein elastisches Material, wie z. B. Gummi oder elastischen Kunststoff. Aus einem elastischen Material ist ein reversibel komprimierbarer Kompensationskörper besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Vorzugsweise wird der Kompensationskörper aus einem Material hergestellt, das nicht mit dem in den Fahrzeugtank eingebrachten Fluid reagiert und insbesondere auch bei niedrigen Temperaturen, bei denen das Fluid gefriert, reversibel elastisch ist.
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In einer Ausführungsform ist der Kompensationskörper wenigstens teilweise mit einem Gas, wie z. B. Luft, gefüllt. Ein wenigstens teilweise mit einem Gas gefüllter Kompensationskörper ist besonders gut reversibel komprimierbar. Ein mit Luft gefüllter Kompensationskörper ist besonders kostengünstig herstellbar.
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In einer Ausführungsform ist in dem Tankvolumen wenigstens ein Innenbehälter angeordnet und der Kompensationskörper ist als um den Innenbehälter angeordneter Ring ausgebildet. Ein in dem Tankvolumen angeordneter Innenbehälter ermöglicht eine zuverlässige Entnahme des Fluids aus dem Tankvolumen auch bei einem niedrigen Fluid-Füllstand und dient gleichzeitig als Schwappschutz, der eine zuverlässige Fluidentnahme auch bei starken Bewegungen des Tanks, die zu einem Umherschwappen des Fluids in dem Tankvolumen führen, ermöglicht.
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Ein um den Innenbehälter angeordneter Kompensationskörper verhindert zuverlässig einen direkten Kontakt zwischen dem Innenbehälter und gefrorenem Fluid, der zu einer Beschädigung des Innenbehälters führen könnte.
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In einer Ausführungsform ist der Innenbehälter als zylindrischer Topf mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet und der Kompensationskörper ist als kreisförmiger Ring um den kreisförmigen Umfang des Topfs angeordnet.
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Ein Innenbehälter mit einem kreisförmigen Querschnitt und ein Kompensationskörper, der als kreisförmiger Ring ausgebildet ist, lassen sich besonders einfach herstellen. Außerdem haben ein Innenbehälter und ein als kreisförmiger Ring ausgebildeter Kompensationskörper keine Ecken und Kanten, an denen die mechanische Beanspruchung besonders groß wäre. Ein Innenbehälter und ein als kreisförmiger Ring ausgebildeter Kompensationskörper sind daher besonders gut haltbar.
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In einer Ausführungsform ist der Kompensationskörper als Ring ausgebildet, der in einer Ebene, die rechtwinklig zu der Ebene des Ringes angeordnet ist, ein L-förmigen Profil hat. Das Profil hat zwei Schenkel, von denen ein Schenkel parallel zu einer Begrenzung des Innenbehälters und der andere Schenkel parallel zur Fluidoberfläche ausgerichtet ist, wenn sich der Kompensationskörper in einer Betriebsposition befindet, in der er um den Umfang des Innenbehälters in dem Tankvolumen angeordnet ist.
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Ein derart ausgebildeter Kompensationskörper mit einem L-förmigen Profil kann durch den ersten Schenkel, der parallel zu einer Begrenzung des Innenbehälters angeordnet ist, eine Beschädigung des Innenbehälters durch gefrierendes Fluid zuverlässig verhindern, da er gefrorenes Fluid vom Umfang des Innenbehälters abhält. Der parallel zur Oberfläche des Fluids angeordnete Schenkel verhindert den direkten Kontakt gefrorenen Fluids mit einer Begrenzung oder Einrichtungen des Tanks, die oberhalb der Fluidoberfläche angeordnet sind, so dass eine Beschädigung dieser Begrenzung und/oder Einrichtungen durch gefrorenes bzw. gefrierendes Fluid zuverlässig verhindert wird.
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Auch stabilisieren die beiden Schenkel die Lage des Kompensationskörpers in Bezug auf den Innenbehälter und die Fluidoberfläche, so dass der Kompensationskörper stets in der gewünschten Lage auf bzw. an der Fluidoberfläche schwimmt, in der er eine Beschädigung einer Begrenzung des Tankbehälters und/oder eines in dem Volumen des Tanks angeordneten Innenbehälters durch gefrorenes bzw. gefrierendes Fluid zuverlässig verhindert.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Kompensationskörper im Wesentlichen keulen- oder kegelförmig mit einem breiten und einem schmalen Ende ausgebildet. Ein keulen- oder kegelförmig ausgebildeter Kompensationskörper ist besonders gut geeignet, eine Volumenzunahme gefrierenden Fluids aus allen Richtungen aufzunehmen und zu kompensieren. Ein innerhalb des Fluids angeordneter keulen- oder kegelförmig ausgebildeter Kompensationskörper kann darüber hinaus die Volumenzunahme gefrorenen Fluids, das um einen flüssigen Kern aus noch nicht gefrorenem Fluid im Inneren des Tanks angeordnet ist, besonders gut kompensieren.
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In einer Ausführungsform ist der Kompensationskörper so ausgebildet, dass sein Schwerpunkt in einem breiteren Bereich der Keule bzw. des Kegels angeordnet ist. Ein solcher Kompensationskörper schwimmt in dem Fluid in einer definierten Orientierung, wobei der breitere Bereich des keulen- oder kegelförmig ausgebildeten Kompensationskörpers im unteren Bereich und der schmalere Bereich des Kompensationskörpers oberhalb des breiteren Bereichs angeordnet ist. Durch einen solchen erfindungsgemäßen Kompensationskörper ist die Volumenzunahme gefrierenden Fluids besonders gut und auf eine definierte Art und Weise kompensierbar.
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In einer Ausführungsform ist der Kompensationskörper so ausgebildet, dass ein oberer Bereich des Kompensationskörpers stets oberhalb der Fluidoberfläche angeordnet ist. Der oberhalb der Fluidoberfläche angeordnete Bereich wirkt dann als Puffer zwischen einer gefrierenden Fluidoberfläche und einer Tankbegrenzung, die oberhalb der Fluidoberfläche angeordnet ist, so dass eine Beschädigung der Tankbegrenzung durch festes, gefrorenes bzw. gefrierendes Fluid verhindert wird.
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In einer Ausführungsform ist in dem Tank ein Innenbehälter angeordnet und der Kompensationskörper ist so ausgebildet, dass seine Eintauchtiefe in das Fluid im Betrieb in etwa der halben Höhe des Innenbehälters entspricht. Ein solcher Kompensationskörper, der in etwa über die halbe Höhe des Innenbehälters in das Fluid eintaucht, kann eine Volumenzunahme gefrierenden Fluids besonders gut kompensieren und gleichzeitig mit seinem oberhalb der Fluidoberfläche angeordneten Bereich einen direkten Kontakt der Oberfläche gefrorenen Fluids mit einer Tankbegrenzung verhindern. Ein solcher Kompensationskörper kann daher eine Beschädigung des Tanks besonders effektiv verhindern.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugtanks mit zwei Kompensationskörpern; und
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2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kompensationskörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Fahrzeugtank 2 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Begrenzung 3, die zwei Seitenwände, einen Boden und eine Oberseite umfasst. In der Oberseite der Tankbegrenzung 3 ist ein Flansch 4 mit einem Bereich ausgebildet, der sich in einem im Wesentlichen rechten Winkel von der Oberseite des Fahrzeugtanks 2 nach oben zur Außenseite des Fahrzeugtanks 2 erstreckt. Am Übergang von der Oberseite der Tankbegrenzung 3 in den Flansch 4 ist die Tankbegrenzung 3 zunächst nach innen gewölbt, wodurch ein in das Innere des Tankvolumens 9 hervorstehender Bereich X ausgebildet ist, der bei steigender Fluid-Füllhöhe im Tankvolumen 9 als erstes in Kontakt mit der Oberfläche 11 des Fluids im Tankvolumens 9 kommt.
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An dem Flansch 4 ist ein Außengewinde 5 ausgebildet. Ein Deckel 8 ist durch eine Schraubverbindung 6, die im Eingriff mit dem in dem Flansch 4 ausgebildeten Außengewinde 5 steht, mit dem Flansch 4 so verbunden, dass die in dem Flansch 4 ausgebildete Öffnung 7 durch den Deckel 8 fluiddicht verschlossen ist. Bei Bedarf kann der Deckel 8 auch so ausgebildet sein, dass er die Öffnung 7 gasdicht verschließt. In diesem Fall ist eine, in der 1 nicht gezeigte, Be- und Entlüftung vorzusehen, um das Entstehen eines Überdrucks beim Befüllen des Fahrzeugtanks 2 und eines Unterdrucks beim Entleeren des Fahrzeugtanks 2 zu verhindern.
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Auf der dem Tankvolumen 9 zugewandten Seite des Deckels 8 ist eine Tankkomponente 10 ausgebildet, die sich ausgehend von dem Deckel 8 in das Tankvolumen 9 hinein erstreckt. Die Tankkomponente 10 kann bspw. ein Füllstandsensor, ein Temperatursensor, ein Drucksensor, eine Be- und Entlüftung oder eine beliebige andere Komponente sein.
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Innerhalb und unterhalb der in dem Flansch 4 ausgebildeten Öffnung 7 ist ein Innenbehälter 12 ausgebildet, der einen mittleren Bereich des Tankvolumens 9 einnimmt und der von einer Haltevorrichtung 14, die am Boden des Tanks 2 angebracht ist, abgestützt wird. In einem Boden 13 des Innenbehälters 12 ist eine Öffnung 15 ausgebildet, durch die das Innere des Innenbehälters 12 in Fluid-Verbindung mit dem Tankvolumen 9 außerhalb des Innenbehälters 12 steht.
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Um einen oberen Bereich des Innenbehälters 12, insbesondere um einen Bereich knapp unterhalb der Oberseite der Begrenzung 3 des Tanks 2, ist ein erster Kompensationskörper 20 angeordnet. Der erste Kompensationskörper 20 ist als Ring ausgebildet, der den Umfang des Innenbehälters 12 vollständig umschließt.
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Der Kompensationskörper 20 ist reversibel komprimierbar ausgebildet, z. B. indem er ein elastisches Material umfasst und/oder einen mit einem Gas gefüllten Hohlraum enthält. Weiterhin ist der Kompensationskörper 20 so ausgebildet, dass er auf bzw. an der Oberfläche 11 des Fluids, das sich im Tankvolumen 9 befindet, schwimmt. Dadurch, dass der Kompensationskörper 20 auf der Fluidoberfläche 11 schwimmt, ist er stets zwischen der Oberfläche 11 des in dem Tankvolumen 9 befindlichen Fluids und der oberen Begrenzung 3 des Tanks 2, insbesondere zwischen der Oberfläche 11 des Fluids und einem in das Tankvolumen 9 hervorstehenden Bereich X angeordnet.
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Wenn das in dem Tankvolumen 9 befindliche Fluid zumindest teilweise gefriert, schwimmt der Kompensationskörper 20 weiter an der Oberfläche 11 des nunmehr zumindest teilweise gefrorenen Fluids und bildet so einen reversibel komprimierbaren Puffer zwischen einer festen Eisschicht, die sich an der Fluidoberfläche 11 ausbildet, und dem Teil der Tankbegrenzung 3, der oberhalb der Fluidoberfläche 11 angeordnet ist.
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Durch Kompression des Kompensationskörpers 20 wird eine Volumenzunahme des gefrierenden bzw. gefrorenen Fluids ausgeglichen und eine Beschädigung der Begrenzung 3 des Tanks 2, insbesondere des Bereichs X der Tankbegrenzung 3, der in das Tankvolumen 9 hervorsteht und daher als erstes in Kontakt mit dem gefrierenden und sich dabei ausdehnenden Fluid kommt, verhindert. Dadurch, dass der Kompensationskörper 20 an bzw. auf der Oberfläche 11 des Fluids in dem Tankvolumen 9 schwimmt, ist sichergestellt, dass der Kompensationskörper 20 stets zwischen der Oberfläche 11 des (ggf. teilweise gefrorenen) Fluids und der Begrenzung 3 des Tanks 2 angeordnet ist.
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Die Form des Kompensationskörpers 20 stellt sicher, dass beim Einfrieren des Fluids zuerst der komprimierbare Kompensationskörper 20 die Begrenzung 3 des Tanks 2 berührt, so dass der Kontakt durch den komprimierbaren Kompensationskörper 20 abgefedert wird.
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Der Kompensationskörper 20 hat im Querschnitt ein L-förmiges Profil mit einem ersten Schenkel 20b, der parallel zum Umfang des Innenbehälters 12 angeordnet ist, und einen zweiten Schenkel 20a, der im Wesentlichen rechtwinklig zu dem ersten Schenkel 20b parallel zur Fluidoberfläche 11 in dem Tankvolumen 9 angeordnet ist.
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Durch den ersten Schenkel 20b, der parallel zum Umfang des Innenbehälters 12 angeordnet ist, wird die Wand des Innenbehälters 12 vor dem Druck gefrorenen bzw. gefrierenden Fluids geschützt und eine Beschädigung des Innenbehälters 12 zuverlässig vermieden.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kompensationskörpers 22 ist innerhalb des Innenbehälters 12 angeordnet. Der zweite Kompensationskörper 22 ist im Wesentlichen kegelförmig mit einem oberen, schmaleren und einem unteren, breiteren Bereich ausgebildet und zumindest teilweise mit einem Gas, wie z. B. Luft, gefüllt. Weiterhin ist Ballast 23 so innerhalb des Kompensationskörpers 22 angeordnet, dass sich der Schwerpunkt des Kompensationskörpers 22 im unteren, breiteren Bereich des Kegels befindet. Der Ballast 23 ist so gewählt, dass der Kompensationskörper 22 so in dem Fluid schwimmt, dass ein größerer, längerer Bereich des Kegels unterhalb der Fluidoberfläche 11 und nur ein kürzerer, oberer Bereich 22a des Kompensationskörpers 22 oberhalb der Fluidoberfläche 11 in dem Innenbehälter 12 angeordnet ist.
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Der Kompensationskörper 22 befindet sich in der in der 1 gezeigten vertikalen Position, wenn das Tankvolumen 9 mit so viel Fluid gefüllt ist, dass der Fluidstand in dem Innenbehälter 12 hoch genug ist. Bei einem niedrigen Fluid-Füllstand, der eine vertikale Ausrichtung des Kompensationskörpers 22 in dem Innenbehälter 12 nicht zulässt, liegt das untere, mit Ballast 23 gefüllte Ende des Kompensationskörper 22 zunächst auf dem Boden 13 des Innenbehälters 12 auf und der Kompensationskörper 22 legt sich bei weiter fallendem Füllstand schließlich innerhalb des Innenbehälters 12 quer. Bei zunehmendem Fluid-Füllstand innerhalb des Innenbehälters 12 richtet sich der Kompensationskörper 22 aufgrund des Ballastes 23 und der auf den Kompensationskörper 22 wirkenden Kräfte in die in der 1 gezeigte Lage auf.
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In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Fluid im Inneren des Innenbehälters 12 wenigstens teilweise zu Eis 16 gefroren. Da das Fluid in der Regel von außen nach innen gefriert, verbleibt in der Mitte des Innenbehälters 12 zunächst eine mit flüssigem Fluid gefüllte Blase 18. Der Kompensationskörper 22 ist entlang einer Grenzfläche zwischen dem flüssigem Fluid in der Blase 18 und zu Eis 16 gefrorenem Fluid angeordnet. Das obere Ende 22a des Kompensationskörpers 20 steht über die Oberfläche 11 des zu Eis 16 gefrorenen Fluids hervor. Da der Kompensationskörper 22 komprimierbar ist, wird er durch die Volumenausdehnung des zu Eis 16 gefrierenden bzw. gefrorenen Fluids komprimiert und gleicht so eine Volumenzunahme des gefrierenden Fluids aus.
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Eine Beschädigung des Deckels 8 oder einer an dem Deckel 8 angebrachten Tankkomponente 10, die an einer Stelle Y, die am Weitesten in das Innere des Innenbehälters 12 hineinragt, zuerst in Kontakt mit dem Fluid kommt, durch den Druck des zu Eis 16 gefrierenden bzw. gefrorenen Fluids wird so zuverlässig vermieden.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Querschnitts eines ringförmigen Kompensationskörpers 20 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Der Kompensationskörper 20 weist einen ersten Schenkel 20b auf, der sich im Betrieb, d. h., wenn der Kompensationskörper 20 auf einer Fluidoberfläche 11 schwimmt, von der Fluidoberfläche 11 mehr oder weniger rechtwinklig zur Fluidoberfläche 11 in das Fluid hinein erstreckt. Im Betrieb ist der erste Schenkel 20b parallel zur Wand eines Innenbehälters 12 angeordnet, so dass der erste Schenkel 20b des reversibel komprimierbaren Kompensationskörpers 20 die Wand des Innenbehälters 12 vor Beschädigungen, die durch den Druck gefrierenden Fluids verursacht werden, schützt.
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In einem etwa rechten Winkel zu dem ersten Schenkel 20b ist ein zweiter Schenkel 20a angeordnet, der sich im Betrieb, wenn der Kompensationskörper 20 auf der Oberfläche 11 eines Fluids schwimmt, im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 11 des Fluids erstreckt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der erste Schenkel 20b des Kompensationskörpers 20 eine Länge von etwa 70 mm und der zweite Schenkel 20a eine Länge von etwa 40 mm auf. Ein solcher Kompensationskörper 20 hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um die Begrenzung 3 des Tanks 2 und den Innenbehälter 12 vor Beschädigungen durch gefrorenes Fluid zu schützen.
