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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 14. November 2014 eingereichten japanischen Patentanmeldung
JP 2014-232042 A , deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellengehäuse.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik ist eine Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellengehäuse aufgenommen, um vor äußerer Krafteinwirkung geschützt zu sein. Das Brennstoffzellengehäuse hat zwei Elemente umfassend ein oberes Gehäuse und ein unteres Gehäuse von plattenförmiger Gestalt. Das obere Gehäuse hat eine Öffnung auf einer Seite und einen Flansch um die Öffnung. Eine Dichtung ist zwischen dem Flansch des oberen Gehäuses und einem Außenumfangsabschnitt des unteren Gehäuses angeordnet, um zu verhindern, dass Wasser und Schmutz in die Brennstoffzelle gelangt (siehe beispielsweise
JP 2006-221854 A ).
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Das Brennstoffzellengehäuse sollte kleiner ausgestaltet werden, um unbehindert an verschiedenen Stellen installiert werden zu können. Die Verwendung eines dünneren unteren Gehäuses ist ein Weg zur Verkleinerung des Brennstoffzellengehäuses. Jedoch kann ein derart dünnes unteres Gehäuse durch die Reaktion bzw. Auflagerreaktion der Dichtung aufgrund der Differenz zwischen einer Position eines das obere Gehäuse am unteren Gehäuse befestigenden Bolzens und einer Position des unteren Gehäuses in Kontakt mit der Dichtung verformt werden.
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KURZFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um zumindest teilweise das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, und kann gemäß der nachfolgenden Aspekte verwirklicht werden.
- (1) Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Brennstoffzellengehäuse, das ausgestaltet ist, um darin eine Brennstoffzelle anzuordnen. Das Brennstoffzellengehäuse hat: Ein erstes Element, das eine Bodenfläche des Brennstoffzellengehäuses umfasst; und ein zweites Element, das an einen Außenumfangsabschnitt des ersten Elements vermittels eines Befestigungselements befestigt ist, wobei eine Dichtung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element abdichtet und das erste Element eine Rippe umfasst, wobei die Rippe an einer Innenumfangsseite eines Abschnitts angeordnet ist, an dem das erste Element mit der Dichtung in Kontakt gelangt, und von einer Fläche, an welcher das erste Element mit der Dichtung in Kontakt gelangt nach oben ragt. Gemäß diesem Aspekt erhöht die Rippe die Steifigkeit des Brennstoffzellengehäuses, sodass dieses nicht durch die Reaktion der Dichtung verformt wird.
- (2) Bei dem Brennstoffzellengehäuse gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann das zweite Element einen Nutabschnitt umfassen, in dem die Dichtung angeordnet ist. Gemäß diesem Aspekt kann eine Zunahme der Größe des Brennstoffzellengehäuses in Richtung nach oben und unten im Vergleich zu einer Konfiguration verhindert werden, bei welcher der Nutabschnitt im ersten Element vorgesehen ist.
- (3) Bei dem Brennstoffzellengehäuse gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann die Brennstoffzelle durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen ausgebildet sein, und das zweite Element kann mit einem dritten Element zusammenwirken, das eine Fläche der Brennstoffzelle in Stapelrichtung lagert, um die Brennstoffzelle in Stapelrichtung zusammenzudrücken. Da das zweite Element die Brennstoffzelle zusammendrückt, ist es schwierig, die Festigkeit des zweiten Elements zu verringern. Gemäß diesem Aspekt verstärkt die Rippe die Festigkeit des ersten Elements des Brennstoffzellengehäuses, sodass es nicht durch die Reaktionskraft der Dichtung verformt wird. Somit kann die Dicke des ersten Elements verringert werden, sodass das gesamte Brennstoffzellengehäuse mit leichterem Gewicht kleiner ausgebildet werden kann.
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Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Aspekten ausgebildet werden, wobei Beispiele hiervon ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellengehäuses, ein Computerprogramm zum Verwirklichen eines Herstellungsverfahrens sowie ein Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert, umfassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist eine Außenansicht eines Brennstoffzellensystems 10, das bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Anwendung findet;
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2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellengehäuses 100;
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3 ist eine Darstellung, die eine untere Abdeckung 115 zeigt;
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4 ist eine Darstellung, die eine herkömmliche untere Abdeckung 215 zeigt;
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5 ist eine Darstellung, die schematisch die auf die herkömmliche untere Abdeckung 215 wirkende Kraft zeigt;
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6 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Lösen des vorstehend beschriebenen Problems zeigt;
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7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1;
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8A ist ein Diagramm, das schematisch zeigt, wie eine äußere Kraft durch eine Rippe 117 absorbiert wird;
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8B ist eine Darstellung, die schematisch zeigt, wie die äußere Kraft von der Rippe 117 absorbiert wird;
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8C ist eine Darstellung, die schematisch zeigt, wie die äußere Kraft von der Rippe 117 absorbiert wird;
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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A. Ausführungsform:
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1 ist eine Außenansicht eines Brennstoffzellensystems 10, das bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Anwendung findet. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ein Brennstoffzellensystemgehäuse 140 sowie einen Rahmen 200. Das Brennstoffzellensystem 10 ist in einem Fahrzeug installiert. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 10 unter einem Fahrzeuginnenraum angeordnet. In 1 und den anderen Figuren bezeichnen eine positive Richtung der X-Achse, eine positive Richtung der Y-Achse und eine positive Richtung der Z-Achse jeweils die vordere, obere und rechte Seite des Fahrzeugs.
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Das Brennstoffzellensystemgehäuse 140 hat ein Brennstoffzellengehäuse 100 und ein Hilfsmaschinengehäuse 130. Eine Dichtung ist vorgesehen, um die Komponenten des Brennstoffzellensystemgehäuses 140 abzudichten, sodass Fremdstoffe wie Wasser und Staub nicht in das Brennstoffzellensystemgehäuse 140 gelangen können.
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Eine Brennstoffzelle verursacht eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoffgas als Anodengas und Sauerstoffgas als Kathodengas. Das Brennstoffzellengehäuse 100 haust die Brennstoffzelle, die durch stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildet wird, in links-rechts-Richtung (Z-Achsenrichtung) des Fahrzeugs.
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Das Hilfsmaschinengehäuse 130 haust eine Mehrzahl von Hilfsmaschinen (nicht dargestellt), die bei der Brennstoffzelle Anwendung finden. Die Mehrzahl von Hilfsmaschinen umfasst beispielsweise eine Wasserstoffpumpe, einen Injektor, ein Abgas- und Wasserauslassventil, ein Ventil, einen Sensor und dergleichen. Das Hilfsmaschinengehäuse 130 umfasst zusätzlich zu den Hilfsmaschinen eine Kühlwasserleitung, eine Verkabelung zum Zuführen von Strom bzw. Leistung zu den Hilfsmaschinen und dergleichen.
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Flächen des Hilfsmaschinengehäuses 130 sind mit Geräuschvibrationsabdeckungen (NV-Abdeckungen) 141 und 142 (siehe 1) beschichtet, um die Vibrationen und Geräusche, welche von den Hilfsmaschinen erzeugt werden, nicht nach außen zu übertragen. In der vorliegenden Ausführungsform hat jede der NV-Abdeckungen 141 und 142 eine Außenschicht aus einem harten Kunststoff, sowie eine Innenschicht aus Urethanschaum.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind die Mehrzahl von Hilfsmaschinen an einem Sammelrohr 120 angebracht. Eine Seitenfläche des Hilfsmaschinengehäuses 130 auf der linken Seite des Fahrzeugs (eine Seite der negativen Z-Achsenrichtung) wird durch das Sammelrohr 120 bedeckt. Das Sammelrohr 120 bildet einen Strömungspfad für das Wasserstoffgas, das Sauerstoffgas und Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle. Das Sammelrohr 120 hat eine Funktion zum Sicherstellen der Isolierung vor Hochspannungsabschnitten im Brennstoffzellengehäuse 100 sowie eine Funktion zum Zusammendrücken der Zellen in der Brennstoffzelle. Das Sammelroh 120 lagert eine Fläche der Brennstoffzelle in Stapelrichtung.
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Der Rahmen 200 ist unter dem Brennstoffzellensystemgehäuse 140 angeordnet. Der Rahmen 200 lagert das Brennstoffzellensystemgehäuse 140 mit Bolzen 112A und 112B, die in entsprechende Augen 111A und 111B eingesetzt sind, die am Brennstoffzellengehäuse 100 des Brennstoffzellensystemgehäuses 140 ausgebildet sind. Ein Antivibrationsgummiteil ist zwischen dem Brennstoffzellensystemgehäuse 140 und dem Rahmen 200 zur Reduzierung von Vibrationen angeordnet. Der Rahmen 200 ist am Hauptkörper eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) befestigt.
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2 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Brennstoffzellengehäuses 100. Das Brennstoffzellengehäuse 100 umfasst eine Mehrzahl von Komponenten. Das Brennstoffzellengehäuse 100 umfasst ein Stapelgehäuse 105 sowie eine untere Abdeckung 115. Das Stapelgehäuse 105 deckt Seitenflächen bis auf eine Seitenfläche auf der rechten Seite (eine Seite in positive Z-Achsenrichtung) des Fahrzeugs, sowie eine obere Fläche der Brennstoffzelle ab. Die untere Abdeckung 115 deckt eine Bodenfläche bzw. untere Fläche der Brennstoffzelle ab. Die untere Abdeckung 115 umfasst eine Bodenfläche des Brennstoffzellengehäuses 100. Das Sammelrohr 120 hat eine Plattenform (siehe 1) und deckt die Seitenfläche der Brennstoffzelle auf der rechten Seite (der Seite auf der positiven Z-Achsenrichtung) des Fahrzeugs ab. Die untere Abdeckung 115 entspricht einem „ersten Element”. Das Stapelgehäuse 105 ist mit einem Befestigungselement an einem Außenumfangsabschnitt des unteren Gehäuses 115 befestigt und entspricht einem „zweiten Element”. Der „Außenumfangsabschnitt” ist ein Abschnitt, der die Brennstoffzelle umgibt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Bolzen 170 (später beschrieben) als Befestigungselement verwendet.
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Die Brennstoffzelle wird durch Stapeln der Zellen in der Brennstoffzelle gebildet und muss somit zusammengedrückt werden. Im Brennstoffzellensystem 10 wirkt das Stapelgehäuse 105 mit dem Sammelrohr 120 zusammen, um die Brennstoffzelle in Stapelrichtung zusammenzudrücken. Das Stapelgehäuse 105, das Sammelrohr 120 und eine nicht dargestellte Welle halten eine Stapellast für die Brennstoffzelle. Es ist somit schwierig, das Brennstoffzellengehäuse 100 mit einer niedrigeren Festigkeit des Stapelgehäuses 105 zu verkleinern. Das Sammelrohr 120 entspricht einem „dritten Element”.
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Die Dichtung 107 dichtet das Stapelgehäuse 105 und die untere Abdeckung 115 ab. Die Dichtwirkung wird durch Drücken der Dichtung 107 mit einer vorgegebenen Kraft sichergestellt. Die Dichtung 107 kann verhindern, dass Fremdstoffe wie Wasser und Staub in das Brennstoffzellengehäuse 100 gelangen.
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3 ist eine Darstellung, die die untere Abdeckung 115 zeigt. Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, hat die untere Abdeckung 115 eine Rippe 117, die (in positive Y-Achsenrichtung) nach oben ragt. Die Rippe 117 liegt weiter an einer Innenumfangsseite als ein Abschnitt, an welchem die untere Abdeckung 115 und die Dichtung miteinander in Kontakt gelangen. Rippen 116, die in Richtung des Fahrzeugs von vorne nach hinten verlaufen, sind vorgesehen.
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4 ist eine Darstellung zum Erläutern einer herkömmlichen unteren Abdeckung 215. Die herkömmliche untere Abdeckung 215 ist gleich der unteren Abdeckung 115 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, abgesehen davon, dass die Rippe 117 nicht vorgesehen ist.
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5 ist eine Darstellung, die eine Kraft veranschaulicht, die auf die herkömmliche untere Abdeckung 215 wirkt. Ein Bolzen ist in jedes Loch 220 eingesetzt. Eine Linie 230 bezeichnet einen Abschnitt, der mit der Dichtung 107 in Kontakt steht, wenn die untere Abdeckung 215 am Stapelgehäuse 105 angebracht ist. In 5 ist ein Bereich, in dem eine größere Kraft auf die untere Abdeckung 215 aufgebracht wird, dunkler dargestellt, als ein Bereich, in dem eine geringere Kraft auf die untere Abdeckung 215 aufgebracht wird.
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Die untere Abdeckung 215 erfährt eine Kraft F1 in eine Richtung des Fahrzeugs nach oben (positive Y-Achsenrichtung) von den Bolzen, und erfährt eine Kraft F2 in eine Richtung des Fahrzeugs nach unten (negative Y-Achsenrichtung) von der Dichtung 107. Eine Position der unteren Abdeckung 215, an der die Kraft F1 aufgenommen wird, unterscheidet sich von einer Position, an der die untere Abdeckung 215 die Kraft F2 aufnimmt, sodass die untere Abdeckung 215, die eine geringe Dicke hat, sich verformen kann. Als Ergebnis ist die Kraft, welche die Dichtung 107 zusammendrückt und von der unteren Abdeckung 215 aufgebracht wird, ist in einem Bereich T1 zwischen den Öffnungen 220 gering, sodass die Dichtleistung der Dichtung 107 abnimmt. Als Ergebnis der Verformung der unteren Abdeckung 215 in Richtung des Fahrzeugs nach unten (die negative Y-Achsenrichtung) im Bereich T1 gelangt die untere Abdeckung 215 in einem Bereich T2 in engen Kontakt mit dem Stapelgehäuse 105. Daher erfährt, wie in 5 dargestellt ist, die untere Abdeckung eine Kraft im Bereich T2.
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6 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Lösen des Problems zeigt. Als ein Verfahren zum Vermeiden der Verformung der unteren Abdeckung 215 kann die Dicke der unteren Abdeckung 215 in einem Bereich T3 erhöht werden. Gleichwohl muss, um die Dicke im Bereich T3 zu erhöhen, die Dicke der unteren Abdeckung 215 als Ganzes erhöht werden, was zu höheren Kosten und einem größeren Volumen führt.
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Als anderes Verfahren zur Vermeidung der Verformung der unteren Abdeckung 215 kann die Zahl der Bolzen erhöht werden, um kürzere Abstände zwischen den Bolzen zu erzielen. Gleichwohl benötigt dieses Verfahren einen extra Prozess zum Festziehen der Bolzen und senkt somit die Produktivität.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird das Problem daher durch das Bereitstellen der Rippe 117 (siehe 3) an der unteren Abdeckung 115 gelöst.
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7 ist eine Schnittansicht entlang einer Line A-A in 1. Die Dichtung 107 dichtet zwischen der unteren Abdeckung 115 und dem Stapelgehäuse 105 ab. Das Stapelgehäuse 105 ist am Außenumfangsabschnitt der unteren Abdeckung 115 mit den Bolzen 170 befestigt. Die in die obere Richtung (positive Y-Achsenrichtung) verlaufende Rippe 117 ist an einem weiter an der Innenseite gelegenen Abschnitt der unteren Abdeckung 115 angeordnet, als ein Abschnitt der mit der Dichtung 107 in Kontakt steht.
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Die Rippe 117 befindet sich weiter an der Innenseite, als der Abschnitt der unteren Abdeckung 115, der mit der Dichtung 107 in Kontakt steht, und ist über den gesamten Umfang vorgesehen. Das Brennstoffzellengehäuse 100 hat somit eine erhöhte Festigkeit, sodass es nicht durch die Reaktion der Dichtung 107 verformt wird.
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Die Rippe 117 ragt über eine Fläche, an der die untere Abdeckung 115 und die Dichtung 107 miteinander in Kontakt gelangen nach oben (in positive Y-Achsenrichtung). Eine Zunahme der Größe des Brennstoffzellengehäuses 100 in die Richtung nach oben und unten kann somit im Vergleich zu einer Konfiguration verhindert werden, bei der die Rippe 117 in Richtung nach unten (negative Y-Achsenrichtung) verläuft.
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Wenn ein Nutabschnitt, in dem die Dichtung 107 angeordnet ist, an der unteren Abdeckung 115 vorgesehen ist, nimmt die Größe des Brennstoffzellengehäuses 100 in Richtung nach oben und unten zu, da der Nutabschnitt nach unten vorsteht (in negative Y-Achsenrichtung). In der vorliegenden Ausführungsform hat das Stapelgehäuse 105 den Nutabschnitt 106, in dem die Dichtung 107 angeordnet ist. Eine Zunahme der Größe des Brennstoffzellengehäuses 100 in Richtung nach oben und unten kann somit verhindert werden.
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Die 8A bis 8C zeigen schematisch, wie eine externe bzw. äußere Kraft durch die Rippe 117 absorbiert wird. 8A ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, bei dem keine äußere Kraft in horizontale Richtung auf die Rippe 117 wirkt. 8B ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, bei dem eine äußere Kraft in eine Ausdehnungsrichtung in horizontale Richtung auf die Rippe 117 wirkt. Hierbei kann die äußere Kraft in die Ausdehnungsrichtung durch die Rippe 117, die in horizontale Richtung verläuft, absorbiert werden. 8C ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, bei dem die äußere Kraft in eine Kompressions- bzw. Verdichtungsrichtung in horizontale Richtung auf die Rippe 117 wirkt. Hier kann die äußere Kraft in die Verdichtungsrichtung durch die Rippe 117 absorbiert werden, die in horizontale Richtung zusammengedrückt wird.
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B. Abwandlung:
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B1. Abwandlung 1:
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In der vorliegenden Ausführungsform hat die untere Abdeckung 115 einen Nutabschnitt, in dem die Dichtung 107 angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt und die untere Abdeckung 115 kann ohne den Nutabschnitt ausgebildet sein, in dem die Dichtung 107 angeordnet ist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorständig beschriebene Ausführungsform und Abwandlungen beschränkt, sondern kann auf verschiedene Art und Weise verwirklicht werden, ohne von der Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale der Ausführungsform und Abwandlungen entsprechend den technischen Merkmalen eines jeden in der Kurzfassung beschriebenen Aspekts ersetzt oder in geeigneter Weise kombiniert werden, um einen Teil oder das gesamte vorstehend beschriebene Problem zu lösen, oder um einen Teil oder die gesamten vorstehend beschriebenen Effekte zu erzielen. Darüber hinaus können technische Merkmale, die nicht als wesentlich in der Beschreibung bezeichnet sind, in geeigneter Weise weggelassen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014-232042 A [0001]
- JP 2006-221854 A [0003]
