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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Anbinden eines Druckspeichers an mindestens ein Strukturelement eines Fahrzeugs und ein System für ein Fahrzeug.
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Ein Kraftfahrzeug, das Brennstoffzellen und/oder einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor aufweist, womit Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs erzeugt wird, benötigt auch einen als Energiespeicher und/oder Druckspeicher ausgebildeten Behälter zum Speichern von gasförmigem Brennstoff. Dabei ist es erforderlich, diesen Behälter in eine Architektur des Kraftfahrzeugs zu integrieren. Eine Art einer Einbindung des Behälters beeinflusst dabei unter anderem Leistungsdaten, bspw. eine Reichweite, des Kraftfahrzeugs. Es ist üblicherweise vorgesehen, dass ein derartiger als Tank ausgebildeter Behälter von einer Karosseriestruktur des Kraftfahrzeugs entkoppelt ist und bspw. über Spannbänder oder ein sogenanntes Neck-Mounting an der Karosserie befestigt ist. Dabei werden von dem Tank keine tragenden Funktionen übernommen, weshalb er, wie bspw. ein Motor oder ein Getriebe, in die Karosseriestruktur passiv eingebunden ist. Hier ist es bspw. möglich, den Tank an einem vergleichsweise schweren Tragrahmen zu befestigen. Durch Vorsehen der Spannbänder können sich jedoch Einbußen eines Speichervolumens des Tanks ergeben. Außerdem ist der Tank durch Schutzmaßnahmen vor einem möglichen Unfall zu schützen.
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Ein als Wasserstoff-Druckspeicher vom Typ 4 ausgebildeter Tank ist für einen Druck bis 700 bar ausgelegt, weshalb dieser eine hohe Bauteilsteifigkeit und eine hohe Festigkeit aufweist, wobei derartige Eigenschaften des Tanks für die Karosseriestruktur ungenutzt bleiben. Dennoch sind aufwändige Schutzmaßnahmen zu entwickeln, um auch diesen Speicher im Crash-Fall zu schützen.
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Ein Wasserstoffspeicher und ein Verfahren zum Befüllen eines Wasserstoffspeichers sind aus der Druckschrift
DE 10 2006 020 394 A1 bekannt.
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Ein Drucktank in einem Kraftfahrzeug ist aus der Druckschrift
DE 10 2010 024 212 A1 bekannt. Hierbei dient ein elastisches Kunststoffelement zum Befestigen und zum Ausgleich einer Ausdehnung des Drucktanks im Betrieb.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 050 054 A1 zeigt eine Schutzvorrichtung und ein Verfahren zum Schützen eines Druckbehälters. Dabei besteht eine Schutzhülle aus elastischem Material.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, einen Druckspeicher in eine Struktur eines Fahrzeugs zu integrieren.
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Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung und einem System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen der Anordnung und des Systems gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist zum Anbinden eines bspw. rotationssymmetrischen Druckspeichers an mindestens ein Strukturelement eines Fahrzeugs ausgebildet, wobei die Anordnung mindestens eine bspw. rotationssymmetrische Außenhülle und zumindest eine bspw. rotationssymmetrische Innenhülle aus elastischem Material aufweist. Die zumindest eine bspw. rotationssymmetrische Innenhülle ist dazu ausgebildet, zumindest einen Abschnitt des bspw. rotationssymmetrischen Druckspeichers zu umhüllen. Die mindestens eine bspw. rotationssymmetrische Außenhülle ist dazu ausgebildet ist, die zumindest eine bspw. rotationssymmetrische Innenhülle zu umhüllen, wobei die mindestens eine bspw. rotationssymmetrische Außenhülle mit dem mindestens einen Strukturelement verbindbar und/oder verbunden ist. Der Druckspeicher, die zumindest eine Innenhülle und die mindestens eine Außenhülle umschließen in Ausgestaltung eine gemeinsame Rotationsachse.
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Die mindestens eine bspw. rotationssymmetrische Außenhülle ist in Ausgestaltung über mindestens ein Befestigungselement, das je nach Definition ringförmig und/oder rohrförmig ausgebildet ist, mit dem mindestens einen Strukturelement verbindbar bzw. verbunden. In der Regel ist jeweils ein Ende einer bspw. rotationssymmetrischen Außenhülle, die den Druckspeicher komplett umschließt, über ein Befestigungselement mit einem Strukturelement des Fahrzeugs verbunden, bspw. daran befestigt.
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Die zumindest eine bspw. rotationssymmetrische Innenhülle ist rohr- bzw. zylinderförmig und dazu ausgebildet, mindestens einen rohr- bzw. zylinderförmigen Abschnitt des bspw. rotationssymmetrischen Druckspeichers zu umschließen. Falls die Anordnung mehrere bspw. rotationssymmetrische, bspw. rohr- bzw. zylinderförmige Innenhüllen aufweist, sind diese axial zu der gemeinsamen Rotationsachse des Druckspeichers, der Innenhüllen und der Außenhülle hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind.
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Die mindestens eine bspw. rotationssymmetrische Außenhülle ist aus Metall und/oder Kunststoff gebildet und bspw. durch Fasern, bspw. Glasfasern oder Kohlefasern, verstärkt.
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In weiterer Ausgestaltung ist es möglich, dass ein Abschnitt der mindestens einen bspw. rotationssymmetrischen Außenhülle, der eine Öffnung mit einem Ventil und/oder einen Stutzen des bspw. rotationssymmetrischen Druckspeichers umschließt, eine Öffnung bzw. Aussparung aufweist, durch die die Öffnung des Druckspeichers von außen zugänglich ist.
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Das erfindungsgemäße System für ein Fahrzeug weist einen bspw. rotationssymmetrischen Druckspeicher und eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung auf, mit der der Druckspeicher an mindestens einem Strukturelement des Fahrzeugs anzubinden, anbindbar und/oder angebunden ist.
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Das mindestens eine Strukturelement ist als Tragteil, bspw. als Tragteil einer Karosserie oder eines Gestells, des Fahrzeugs ausgebildet.
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Der Druckspeicher, bspw. ein Drucktank und/oder Druckbehälter, ist dazu ausgebildet, ein Gas zu bevorraten bzw. zu speichern.
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Die zumindest eine Innenhülle als elastisches Element umhüllt mindestens einen Teil des zylinderförmigen Abschnitts des Druckspeichers und übernimmt eine zusätzliche Schutzfunktion für den zylinderförmigen Abschnitt bzw. Bereich. Dabei ist es möglich, dass die zumindest eine Innenhülle mehrere Lagen bzw. Schichten aufweist, die zwischen der Wandung des Druckspeichers und der Außenhülle angeordnet sind, wobei eine äußere Lage eine innere Lage umschließt. Mindestens eine derartige Lage ist z. B. aus Kevlar, einem faserverstärkten, bspw. glas- oder kohlefaserverstärkten elastischen Kunststoff oder Gummi gebildet. Falls die Anordnung mehrere zueinander axial versetzte und voneinander beabstandete Innenhüllen aufweist, die durch Zwischenräume voneinander getrennt sind, ist z. B. ein Gewicht zu reduzieren und eine Ausdehnung des Druckspeichers bei einem Betanken zu erleichtern.
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Die bspw. rotationssymmetrische Außenhülle ist wahlweise axial und/oder radial mit dem mindestens einen Strukturelement, bspw. einem Längsträger, Querträger oder einem ähnlichen tragenden Bauteil des Fahrzeugs über das mindestens eine bspw. rotationssymmetrische Befestigungselement verbunden, bspw. verschraubt.
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Außerdem ist die zumindest eine Innenhülle dazu ausgebildet, während eines Betriebs des Fahrzeugs den Druckspeicher gegenüber Bewegungen des Fahrzeugs zu entkoppeln und hierbei bspw. gegenüber Schwingungen zu dämpfen.
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Die vorgestellte Anordnung ist bspw. für einen Wasserstoff-Druckspeicher vom Typ 4 vorgesehen, in dem Wasserstoff unter einem Druck von 700 bar speicherbar ist. Dabei ist es möglich, einen derartigen Druckspeicher funktionell in den Aufbau des Fahrzeugs zu integrieren und dabei bspw. eine Struktur der Karosserie des Fahrzeugs zu versteifen. Hierdurch ist unter anderem eine passive Sicherheit zu erhöhen und ein Gewicht zu reduzieren, wodurch wiederum eine Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen ist.
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Dabei ist der Druckspeicher über die Anordnung mit dem mindestens einen Strukturelement flexibel statt starr verbunden, wobei es dennoch möglich ist, dass der Druckspeicher, der über die Anordnung mit dem mindestens einen Strukturelement verbunden ist, als lasttragende und/oder versteifende Komponente in der Karosserie des Fahrzeugs wirkt. Die Anordnung lässt weiterhin ein sogenanntes Tankatmen des Druckspeichers bzw. Drucktanks aufgrund einer Änderung, d. h. Zunahme oder Abnahme der Menge des Gases innerhalb des Druckspeichers, zu, wenn dieser bspw. unter einem Druck von 700 bar betankt oder entleert wird, wobei sich die Größe bzw. Abmessung des Drucktanks axial bzw. in Längsrichtung und/oder radial um ca. 3 bis 4 mm ändert. Die zumindest eine Innenhülle zwischen der Wandung des Druckspeichers und der Außenhülle lässt demnach eine Ausdehnung des Druckspeichers beim Betanken zu, wobei diese zumindest eine Innenhülle elastisch verformt wird. Gleichzeitig wird über die Anordnung eine Funktion des Druckspeichers als Strukturbauteil ermöglicht, das in den Aufbau des Fahrzeugs starr eingebunden ist. Somit ist es möglich, dass die Anordnung mehrere Innenhüllen bzw. je nach Definition eine in Teilbereichen bzw. mehrteilig ausgebildete Innenhülle aufweist.
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Ergänzend wird vor allem im Falle eines Crashes ein Schutz des Druckspeichers über die zumindest eine Innenhülle gewährleistet, wodurch vermieden wird, dass auf den Druckspeicher oder dessen Ventil unzulässig hohe Kräfte einwirken. Hierbei ist es möglich, dass Belastungen durch einen Impakt bzw. Einschlag durch die zumindest eine elastische Innenhülle auf eine primäre Armierung des Druckspeichers gedämpft wird. Durch Entfall einer sonst üblichen Tragstruktur in der Karosserie des Fahrzeugs, die nunmehr durch die vorgestellte Anordnung ersetzt wird, ist es weiterhin möglich, ein Volumen des Druckspeichers zu vergrößern. Außerdem weist die Anordnung ein im Vergleich zu der sonst üblichen Tragstruktur reduziertes Gewicht auf. Eine passive Sicherheit wird durch Schutz von empfindlichen Dombereichen des Druckspeichers durch die zumindest eine Außenhülle erhöht.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
- 2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sowie eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
- 3 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sowie eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
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Die in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 2 für ein Fahrzeug umfasst die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 4, einen hier rotationssymmetrischen Drucktank bzw. Druckspeicher 6 mit einer Rotationsachse 7 sowie drei als Träger ausgebildete Strukturelemente 8, 10, 12 des Fahrzeugs.
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Eine Wandung 14 des Druckspeichers 6 bzw. Druckbehälters ist hier aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Alternativ ist es möglich, dass die Wandung 14 aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet ist. Außerdem umfasst die Wandung 14 drei Abschnitte, wobei ein mittlerer Abschnitt hier zylinderförmig ausgebildet ist. Dieser mittlere Abschnitt befindet sich zwischen zwei äußeren Abschnitten, die hier halbkugelförmig bzw. domartig ausgebildet sind, wobei an einem Ende bzw. Pol eines jeweiligen äußeren Abschnitts ein Stutzen 16, 18 bzw. ein sogenanntes Bossteil angeordnet ist, der jeweils eine Öffnung des Druckspeichers 6 umschließt, in der ein Ventil anordenbar ist.
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Die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 4 umfasst hier eine elastische Innenhülle 20, eine Außenhülle 22, die hier beide koaxial und/oder rotationssymmetrisch zu der Rotationsachse 7 des Druckspeichers 6 angeordnet sind, und zwei Befestigungselemente 24, 26.
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Dabei weist die elastische Innenhülle 20 mindestens eine elastische Schicht, bspw. aus Gummi, auf, ist rotationssymmetrisch, hier rohrförmig bzw. schlauchförmig ausgebildet und umhüllt bzw. umschließt den mittleren zylinderförmigen Abschnitt des Druckspeichers 6. Die Außenhülle 22 ist aus einem Metall oder einem Kunststoff, der bspw. glasfaserverstärkt oder kohlefaserverstärkt ist, und ist weiterhin rotationssymmetrisch, hier rohrförmig bzw. schlauchförmig ausgebildet, wobei die Außenhülle 22 die Innenhülle 20 umhüllt bzw. umschließt, wobei die Innenhülle 20 hier zwischen der Wandung 14 des Druckspeichers 6 und der Außenhülle 22 angeordnet ist.
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Dabei erstreckt sich die Außenhülle 22 in Richtung der Rotationsachse 7 weiter als die Innenhülle 20 und umschließt auch die beiden äußeren Abschnitte des Druckspeichers 6, wobei Enden der Außenhülle 22 die beiden Strukturelemente 8, 10 zumindest berühren und in Ausgestaltung mit den Strukturelementen 8, 10 verbunden, bspw. daran befestigt sind. Außerdem umschließt bzw. umhüllt jedes der beiden Enden der Außenhülle 22 jeweils ein hier ringförmiges bzw. teilkreisförmiges Befestigungselement 24, 26, das hier aus Metall gebildet und mit einem Strukturelement 8, 10 verbunden, in der Regel daran befestigt ist, wobei .jeweils ein Ende der Außenhülle über jeweils ein Befestigungselement 24, 26, das je nach Definition als Abschnitt einer Wandung eines Zylinders ausgebildet ist, verbunden ist.
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In dem Druckspeicher 6 wird als Medium ein Gas gespeichert, dessen Menge in dem Druckspeicher 6 bei einem Betanken erhöht und bei einer Entnahme wieder verringert wird. Daraus resultiert, dass sich ein Volumen des Druckspeichers 6 sowie eine radiale und/oder axiale Abmessung der Wandung 14 ebenfalls verändert, d. h. beim Betanken vergrößert und bei der Entnahme des Gases verringert werden. Änderungen der Größe des Druckspeichers 6 werden, wie in 1 durch Pfeile angedeutet, durch die elastische Innenhülle 20 kompensiert, deren Volumen zwischen der Wandung 14 und der Außenhülle 22 angepasst wird, wobei eine axiale Ausdehnung der Innenhülle 20 parallel zu der Rotationsachse 7 sowie eine radiale Ausdehnung um die Rotationsachse 7 verändert wird, wohingegen die Außenhülle 22 über die beiden Befestigungselemente 24, 26 starr mit den Strukturelementen 8, 10 verbunden ist.
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Die in 2 schematisch gezeigte zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 28 umfasst hier mehrere, nämlich drei elastische Innenhüllen 30a, 30b, 30c, eine Außenhülle 22 und zwei Befestigungselemente 24, 26. Die Komponenten der Anordnung 28, der Druckspeicher 6 und die Strukturelemente 8, 10, 12 bilden hier die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 32.
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Jede der drei elastischen Innenhüllen 30a, 30b, 30c weist mindestens eine elastische Schicht, bspw. aus Gummi, auf, ist rotationssymmetrisch, hier rohrförmig bzw. schlauchförmig ausgebildet und umhüllt bzw. umschließt jeweils einen Teil des mittleren zylinderförmigen Abschnitts des Druckspeichers 6. Die drei Innenhüllen 30a, 30b, 30c sind hier parallel zu der Rotationsachse 7 nebeneinander versetzt angeordnet, wobei sich zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Innenhüllen 30a, 30b, 30c ein ebenfalls rohr- bzw. zylinderförmiger Zwischenraum befindet, durch den diese beiden unmittelbar benachbarten Innenhüllen 30a, 30b, 30c voneinander beabstandet sind.
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Die Außenhülle 22 ist aus einem Metall oder einem Kunststoff, der bspw. glasfaserverstärkt oder kohlefaserverstärkt ist, und ist weiterhin rotationssymmetrisch, hier rohrförmig bzw. schlauchförmig ausgebildet, wobei die Außenhülle 22 jede der hier drei Innenhüllen 30a, 30b, 30c umhüllt bzw. umschließt, wobei jede der Innenhüllen 30a, 30b, 30c hier zwischen einem Teil der Wandung 14 des Druckspeichers 6 und der Außenhülle 22 angeordnet ist.
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Dabei erstreckt sich die Außenhülle 22 in Richtung der Rotationsachse 7 weiter als die Innenhüllen 30a, 30b, 30c und umschließt auch die beiden äußeren Abschnitte des Druckspeichers 6, wobei Enden der Außenhülle 22 die beiden Strukturelemente 8, 10 zumindest berühren und in Ausgestaltung mit den Strukturelementen 8, 10 verbunden, bspw. daran befestigt sind. Außerdem umschließt bzw. umhüllt jedes der beiden Enden der Außenhülle 22 jeweils ein hier ringförmiges bzw. teilkreisförmiges Befestigungselement 24, 26, das hier aus Metall gebildet und mit einem Strukturelement 8, 10 verbunden, in der Regel daran befestigt ist, wobei jeweils ein Ende der Außenhülle 22 über jeweils ein Befestigungselement 24, 26, das je nach Definition als Abschnitt einer Wandung eines Zylinders ausgebildet ist, verbunden ist.
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Auch bei der zweiten Ausführungsform der Anordnung 28 bzw. des Systems 32 wird eine Änderung der Größe des Druckspeichers 6, wie in 2 durch Pfeile angedeutet, durch die elastischen Innenhülle 30a, 30b, 30c kompensiert, deren Volumen zwischen der Wandung 14 und der Außenhülle 22 angepasst wird, wobei sich Abmessungen der Innenhüllen 30a, 30b, 30c in axialer Richtung parallel zu der Rotationsachse aber auch in radialer Richtung verändern.
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Die in 3 schematisch gezeigte dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 40 umfasst hier mehrere, nämlich zwei elastische Innenhüllen 34a, 34b, eine Außenhülle 22 und zwei Befestigungselemente 24, 26. Die Komponenten der Anordnung 40, ein Druckspeicher 38 und die Strukturelemente 8, 10, 12 bilden hier die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 36.
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Jede der zwei elastischen Innenhüllen 34a, 34b weist mindestens eine elastische Schicht, bspw. aus Gummi, auf, ist rotationssymmetrisch, hier rohrförmig bzw. schlauchförmig ausgebildet und umhüllt bzw. umschließt jeweils einen Teil des mittleren zylinderförmigen Abschnitts des Druckspeichers 38. Die beiden Innenhüllen 34a, 34b sind hier parallel zu der Rotationsachse 7 nebeneinander versetzt angeordnet, wobei sich zwischen den beiden Innenhüllen 34a, 34b ein zumindest teilweise rohr- bzw. zylinderförmiger Zwischenraum befindet, durch den diese beiden Innenhüllen 34a, 34b voneinander beabstandet sind.
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Die Außenhülle 22 ist aus einem Metall oder einem Kunststoff, der bspw. glasfaserverstärkt oder kohlefaserverstärkt ist, und ist weiterhin rotationssymmetrisch, hier rohrförmig bzw. schlauchförmig ausgebildet, wobei die Außenhülle 22 jede der hier zwei Innenhüllen 34a, 34b umhüllt bzw. umschließt, wobei jede der Innenhüllen 34a, 34b hier zwischen einem Teil der Wandung 42 des Druckspeichers 38 und der Außenhülle 22 angeordnet ist.
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Dabei erstreckt sich die Außenhülle 22 in Richtung der Rotationsachse 7 weiter als die Innenhüllen 34a, 34b und umschließt auch die beiden äußeren Abschnitte des Druckspeichers 38, wobei Enden der Außenhülle 22 die beiden Strukturelemente 8, 10 zumindest berühren und in Ausgestaltung mit den Strukturelementen 8, 10 verbunden, bspw. daran befestigt sind. Außerdem umschließt bzw. umhüllt jedes der beiden Enden der Außenhülle 22 jeweils ein hier ringförmiges bzw. teilkreisförmiges Befestigungselement 24, 26, das hier aus Metall gebildet und mit einem Strukturelement 8, 10 verbunden, in der Regel daran befestigt ist, wobei jeweils ein Ende der Außenhülle 22 über jeweils ein Befestigungselement 24, 26, das je nach Definition als Abschnitt einer Wandung eines Zylinders ausgebildet ist, verbunden ist.
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Auch bei der dritten Ausführungsform der Anordnung 40 bzw. des Systems 36 wird eine Änderung der Größe des Druckspeichers 38, wie in 2 durch Pfeile angedeutet, durch die elastischen Innenhüllen 34a, 34b kompensiert, deren Volumen zwischen der Wandung 42 und der Außenhülle 22 angepasst wird, wobei sich ein Radius der Wandung 42 beim Betanken des Druckspeichers 38 in einen mittleren Abschnitt zwischen den beiden Innenhüllen 34a, 34b vergrößert, wobei sich Abmessungen der Innenhüllen 30a, 30b, 30c in axialer Richtung parallel zu der Rotationsachse aber auch in radialer Richtung verändern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006020394 A1 [0004]
- DE 102010024212 A1 [0005]
- DE 102011050054 A1 [0006]
