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HINTERGRUND
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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Tank.
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Stand der Technik
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Es ist eine Konfiguration eines Tanks für Hochdruckfluid bekannt, der eine Auskleidung als Basismaterial des Tanks und eine faserverstärkte Harzschicht auf der äußeren Umfangsfläche der Auskleidung umfasst (siehe
WO 2011/154994 A ). Die Auskleidung ist aus einem Harz gebildet und weist einen zylindrischen Rumpfabschnitt und halbkugelförmige Kuppelabschnitte auf, die an beiden Enden des Rumpfabschnitts entlang der axialen Richtung angeordnet sind. Die faserverstärkte Harzschicht wird durch mehrfaches Wickeln von verstärkten Fasern, die vorab mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert wurden, auf den Außenumfang der Auskleidung ausgebildet. Die faserverstärkte Harzschicht wird verwendet, um die Festigkeit des Liners bzw. der Auskleidung zu erhöhen.
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In einem Fall, in dem der in der
WO 2011/154994 A beschriebene Tank als Brenngasspeicher für eine Brennstoffzelle auf einem Fahrzeug montiert ist, wird das Brenngas, während das Fahrzeug beispielsweise durchgängig auf einer Schnellstraße gefahren wird, durchgängig aus dem Tank der Brennstoffzelle zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt dehnt sich das Brenngas im Tank adiabatisch aus, wodurch die Temperatur und der Druck im Tank gesenkt werden und ein Schrumpfen des Tanks bewirkt wird.
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Der lineare Ausdehnungskoeffizient bzw. Längenausdehnungskoeffizient der Auskleidung ist größer als der lineare Ausdehnungskoeffizient bzw. Längenausdehnungskoeffizient der faserverstärkten Harzschicht, und somit ändert sich die Auskleidung aufgrund der Temperaturänderung stärker in den Abmessungen als die faserverstärkte Harzschicht. Aus der Differenz in der Höhe der Abmessungsänderung kann beim Schrumpfen des Tanks ein Spalt zwischen der Auskleidung und der faserverstärkten Harzschicht entstehen. Im Allgemeinen wird mit zunehmender Länge eines Objekts der Betrag der Abmessungsänderung im Objekt entsprechend dem Längenausdehnungskoeffizienten größer. Daher schrumpft die Auskleidung in axialer Richtung stärker als in radialer Richtung. Dementsprechend wird der Spalt zwischen der Auskleidung und der faserverstärkten Harzschicht insbesondere von den Grenzen bzw. Übergängen zwischen dem Rumpfabschnitt und den Kuppelabschnitten zu den Kuppelabschnitten groß.
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Wird ein Brenngas in einem so niedrigen Temperatur- und Niederdruckzustand schnell in den Tank geladen, dehnt sich der geschrumpfte Tank aus. Zu diesem Zeitpunkt dehnt sich der Tank in radialer Richtung der Auskleidung und dann in axialer Richtung der Auskleidung aus. Dementsprechend ist es wahrscheinlich, dass der Spalt von den Grenzen zwischen dem Rumpfabschnitt und den Kuppelabschnitten zu den Kuppelabschnitten erhalten bleibt. Aufgrund des verbleibenden Spaltes wird die Auskleidung auch mit der faserverstärkten Harzschicht nicht von den Grenzen zu den Kuppelabschnitten in ihrer Festigkeit erhöht, was zu einem Problem führen kann, das die Auskleidung wahrscheinlich verformt. Dieses Problem beschränkt sich nicht nur auf einen Brenngastank für eine Brennstoffzelle, sondern wird auch von anderen Tanks für alle Arten von Hochdruckfluiden wie beispielsweise Erdgas geteilt. Daher besteht Bedarf an einer Technik zur Reduzierung des Spaltmaßes zwischen der Auskleidung und der faserverstärkten Harzschicht. Zum Stand der Technik wird zudem auf die
JP 2010 -
270 781 A , die
EP 2 384 408 B1 sowie die
US 2012 / 0 291 878 A1 verwiesen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung, die zur Lösung der oben beschriebenen Probleme durchgeführt wurde, kann in den folgenden Aspekten umgesetzt werden.
- (1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Tank bereitgestellt. Dieser Tank umfasst: eine Auskleidung mit einem zylindrischen Rumpfabschnitt und einem halbkugelförmigen Kuppelabschnitt, der an beiden Enden des Rumpfabschnitts in einer Richtung einer Mittelachse angeordnet ist; eine faserverstärkte Harzschicht, die auf einer äußeren Umfangsfläche der Auskleidung ausgebildet ist; einen Spannring, der an einer Oberseite des Kuppelabschnitts zur Befestigung eines Ventils installiert ist und einen Vorsprungsabschnitt aufweist, der in axialer Richtung vom Kuppelabschnitt zum Rumpfabschnitt vorsteht; und ein metallisches Verstärkungselement, das separat von dem Spannring ausgebildet ist und integral mit der Auskleidung an einer Innenfläche der Auskleidung geformt ist. Das Verstärkungselement ist im Kuppelabschnitt zumindest an einem Schulterabschnitt nahe einer Grenze zwischen dem Kuppelabschnitt und dem Rumpfabschnitt angeordnet und ist zumindest nicht an einem Teil des Rumpfabschnitts angeordnet.
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Gemäß dem Tank in diesem Aspekt ist das Verstärkungselement im Kuppelabschnitt zumindest am Schulterabschnitt nahe der Grenze zwischen dem Kuppelabschnitt und dem Rumpfabschnitt angeordnet, und somit unterdrückt das Verstärkungselement die Schrumpfung der Auskleidung am Schulterabschnitt, selbst wenn der Tank schrumpft. Dadurch ist es möglich, den Spalt zwischen der Auskleidung und der faserverstärkten Harzschicht im Vergleich zur Konfiguration ohne das Verstärkungselement zu reduzieren. Darüber hinaus ist das Verstärkungselement zumindest nicht an einem Teil des bzw. zumindest teilweise nicht am Rumpfabschnitt(s) angeordnet, wodurch die Gewichtsreduzierung des Tanks gegenüber der Konfiguration, in der das Verstärkungselement am gesamten Rumpfabschnitt angeordnet ist, erreicht werden kann.
- (2) Gemäß einem anderen Aspekt kann ein Abstand von der Mittelachse der Auskleidung zum Schulterabschnitt gleich einem Radius einer Innenfläche des Rumpfabschnitts multipliziert mit 0,9 sein.
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Gemäß dem Tank in diesem Aspekt ist der Abstand von der Mittelachse der Auskleidung zum Schulterabschnitt gleich dem Radius einer Innenfläche des Rumpfabschnitts multipliziert mit 0,9, so dass das Verstärkungselement in einem Bereich von der Grenze zwischen dem Rumpfabschnitt und dem Kuppelabschnitt zum Kuppelabschnitt angeordnet werden kann, in dem der Spalt zwischen der Auskleidung und der faserverstärkten Harzschicht wahrscheinlich erhalten bleibt. Dementsprechend kann in diesem Bereich der Spalt zwischen der Auskleidung und der faserverstärkten Harzschicht reduziert werden.
- (3) Gemäß einem anderen Aspekt kann die Auskleidung eine Außenfläche des Vorsprungsabschnitts be- bzw. abdecken. Das Verstärkungselement kann auf der Auskleidung durchgängig vom Schulterabschnitt zu einem Abschnitt angeordnet sein, der den Vorsprungsabschnitt abdeckt, und dem Abschnitt, der den Vorsprungsabschnitt abdeckt.
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Gemäß dem Tank in diesem Aspekt ist das Verstärkungselement auf der Auskleidung durchgängig von dem Schulterabschnitt zu dem Abschnitt angeordnet, der den Vorsprungsabschnitt abdeckt, und dem Abschnitt, der den Vorsprungsabschnitt abdeckt, was es ermöglicht, den Betrag des Spalts zwischen der Auskleidung und der faserverstärkten Harzschicht in einem Bereich zu reduzieren, der vom Schulterabschnitt zu dem Abschnitt, der den Vorsprungsabschnitt abdeckt, und dem Abschnitt, der den Vorsprungsabschnitt abdeckt, durchgängig ist.
- (4) Gemäß einem anderen Aspekt kann das Verstärkungselement mit zumindest einem Teil der Außenfläche des Vorsprungsabschnitts in Kontakt stehen.
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Gemäß dem Tank in diesem Aspekt ist das Verstärkungselement in Kontakt mit zumindest einem Teil der Außenfläche des Vorsprungsabschnitts, was es ermöglicht, die Wärme des Tanks vom Verstärkungselement durch den Vorsprungsabschnitt nach außen abzugeben und die Wärme der Außenseite vom Vorsprungsabschnitt durch das Verstärkungselement in den Tank zu leiten, wodurch die Temperatur des Tanks entsprechend angepasst wird.
- (5) Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Auskleidung aus einem Harz gebildet sein und aufweisen: einen ersten Kontaktabschnitt, der mit einer Außenfläche eines ersten Abdeckabschnitts des Verstärkungselements in Kontakt steht, der auf der Auskleidung vom Schulterabschnitt bis zu dem Abschnitt, der den Vorsprungsabschnitt abdeckt, angeordnet ist; und einen zweiten Kontaktabschnitt, der mit einer Außenfläche eines zweiten Abdeckabschnitts des Verstärkungselements in Kontakt steht, der auf der Auskleidung an dem Abschnitt angeordnet ist, der den Vorsprungsabschnitt abdeckt. Das Verstärkungselement kann ein Durchgangsloch aufweisen, welches das Verstärkungselement in einer Dickenrichtung durchdringt, sodass das Harz zwischen den ersten Kontaktabschnitt und den zweiten Kontaktabschnitt fließt.
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Gemäß dem Tank in diesem Aspekt hat das Verstärkungselement das Durchgangsloch, welches das Verstärkungselement in Dickenrichtung durchdringt, sodass das Harz zwischen den ersten Kontaktabschnitt und den zweiten Kontaktabschnitt fließt; somit kann das Harz durch das Durchgangsloch fließen. Dadurch ist es möglich, die Auskleidung und das Verstärkungselement integral zu formen und das Auftreten eines Teils ohne Harz zu unterdrücken.
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Die vorliegende Offenbarung kann in verschiedenen Aspekten umgesetzt werden. So kann beispielsweise die vorliegende Offenbarung in Aspekten wie einem Verfahren zur Herstellung eines Tanks, einer Vorrichtung zur Herstellung eines Tanks und einem beweglichen Körper mit einem Tank umgesetzt werden.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm, das den schematischen Aufbau eines Tanks zeigt;
- 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Konfiguration eines Verstärkungselements;
- 3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Konfiguration des Verstärkungselements;
- 4 ist eine schematische vergrößerte Querschnittsansicht eines Spannrings und seiner Umgebung;
- 5 ist ein Diagramm, welches das integrale Ausbilden einer Auskleidung und des Verstärkungselements beschreibt;
- 6 ist ein Diagramm, das eine vorteilhafte Wirkung des Tanks in einer ersten Ausführungsform beschreibt;
- 7 ist ein Diagramm, das eine weitere vorteilhafte Wirkung des Tanks in der ersten Ausführungsform beschreibt; und
- 8 ist eine Querschnittsansicht einer schematischen Konfiguration eines Tanks in einer zweiten Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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A. Erste Ausführungsform:
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A1. Konfiguration eines Tanks:
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1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Tanks als eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Ein Tank 100 ist so konfiguriert, dass auf der äußeren Umfangsfläche einer Auskleidung 10 als Basismaterial des Tanks 100 eine faserverstärkte Harzschicht 20 ausgebildet ist. Der Tank 100 wird in einem Brennstoffzellensystem verwendet, um Wasserstoffgas als Brenngas zu speichern. Die linke Hälfte von 1 zeigt das äußere Erscheinungsbild des Tanks 100, und die rechte Hälfte von 1 zeigt den Querschnitt des Tanks 100 in Längsrichtung.
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Der Tank 100 umfasst die Auskleidung 10, die faserverstärkte Harzschicht 20, einen Spannring 40, einen Endansatz 50, ein Ventil 60 und ein Verstärkungselement 30.
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Der Liner bzw. die Auskleidung 10 ist ein Hohlbehälter mit hohen Gassperreigenschaften. Die Auskleidung 10 weist einen etwa zylindrisch geformten und sich in Längsrichtung erstreckenden Stamm- bzw. Rumpfabschnitt 11 und zwei halbkugelförmige Kuppelabschnitte 12a und 12b auf, die an beiden Enden des Rumpfabschnitts 11 in einer axialen Richtung einer Mittelachse des Rumpfabschnitts 11 angeordnet sind. Die Mittelachse des Rumpfabschnitts 11 entspricht einer Mittelachse CX der Auskleidung 10. Darüber hinaus stimmen die Mittelachsen der Kuppelabschnitte 12a und 12b mit der Mittelachse des Rumpfabschnitts 11 überein. Die „axiale Richtung“ ist eine Richtung entlang der Mittelachse des Rumpfabschnitts 11. Die „radiale Richtung“ ist eine Richtung orthogonal zur axialen Richtung. Die Auskleidung 10 ist aus einem Harz wie beispielsweise Polyamid, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer oder Polyethylen gebildet. Anstelle eines Harzes kann die Auskleidung 10 aus einem Metall, wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung, gebildet werden.
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Der Spannring 40 ist oben auf einem Dom- bzw. Kuppelabschnitt 12a installiert und der Endansatz 50 oben auf dem anderen Kuppelabschnitt 12b installiert. Sowohl der Spannring 40 als auch der Endansatz 50 ist aus Aluminium gefertigt, um den Wärmeaustausch zwischen der Auskleidung 10 und dem Tank 100 zu erleichtern.
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Der Spannring 40 ist so montiert, dass eine Mittelachse des Spannrings 40 mit der Mittelachse des Rumpfabschnitts 11 übereinstimmt. Der Spannring 40 steht mit der Innenseite der Auskleidung 10 in Verbindung. An den Spannring 40 ist eine Wasserstoffgas-Zuleitung angeschlossen. Die Auskleidung 10 und der Spannring 40 sind pressgepasst und miteinander verbunden. Der Spannring 40 weist einen Flanschabschnitt 41 und einen Vorsprungsabschnitt 42 auf. Der Flanschabschnitt 41 ist ein flanschförmiger Abschnitt, der sich in radialer Richtung erstreckt. Der Vorsprungsabschnitt 42 ist ein etwa zylindrischer Abschnitt, der mit dem Flanschabschnitt 41 verbunden ist und von dem Kuppelabschnitt 12a in Richtung des Rumpfabschnitts 11 in axialer Richtung des Rumpfabschnitts 11 vorsteht.
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Der Endansatz 50 ist in seiner Form dem Spannring 40 ähnlich. Im Gegensatz zum Spannring 40 verbindet der Endansatz 50 die Innenseite der Auskleidung 10 nicht mit der Außenseite des Tanks 100.
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Das Ventil 60 ist an der Öffnung im Spannring 40 befestigt. Das Öffnen des Ventils 60 ermöglicht es, ein Wasserstoffgas in die Auskleidung 10 einzubringen oder das in der Auskleidung 10 gespeicherte Wasserstoffgas nach außen abzugeben. Das Schließen des Ventils 60 ermöglicht es, die Auskleidung 10 abzudichten. Ein Teil des Ventils 60 ist in den Spannring 40 eingesetzt. Ein Ende eines Strömungsweges im Ventil 60 ist in der Auskleidung 10 geöffnet.
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Die faserverstärkte Harzschicht 20 ist so ausgebildet, dass sie die äußere Umfangsfläche der Auskleidung 10, die äußere Umfangsseitenfläche des Spannrings 40 und die äußere Umfangsseitenfläche des Endansatzes 50 abdeckt. Die faserverstärkte Harzschicht 20 ist druckfest und wird zur Erhöhung der Festigkeit der Auskleidung 10 eingesetzt. Die faserverstärkte Harzschicht 20 ist eine carbonfaserverstärkte Kunststoffschicht (CFK), in der mit einem wärmehärtenden Harz imprägnierte Carbonfasern mehrfach gewickelt werden und die Mehrzahl von Faserschichten gestapelt werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind die Carbonfasern Carbonfasern auf Polyacrylnitril-(PAN)-Basis. Anstelle der auf Polyacrylnitril-(PAN)-basierten Carbonfasern können auch alle anderen Carbonfasern wie z.B. rayonbasierte Carbonfasern oder pechbasierte Carbonfasern verwendet werden. Darüber hinaus können Glasfasern oder Aramidfasern zur Verstärkung der Carbonfasern einbezogen werden. Das wärmehärtende Harz, mit dem die Carbonfasern imprägniert werden, ist ein Epoxidharz. Anstelle des Epoxidharzes kann jedes andere wärmehärtende Harz, wie beispielsweise ein Polyesterharz oder ein Polyamidharz, verwendet werden. Anstelle des wärmehärtenden Harzes können die Carbonfasern mit UV-härtendem Harz imprägniert werden.
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Wie in 1 dargestellt ist, ist das Verstärkungselement 30 innerhalb der Auskleidung 10 angeordnet. Das Verstärkungselement 30 wird verwendet, um die Festigkeit der Auskleidung 10 zu erhöhen. Das Verstärkungselement 30 umfasst einen ersten Abdeckabschnitt 31 und einen zweiten Abdeckabschnitt 32. Der erste Abdeckabschnitt 31 ist so angeordnet, dass er die Innenfläche eines Teils des Kuppelabschnitts 12a abdeckt. Der zweite Abdeckabschnitt 32 ist so angeordnet, dass er die Außenfläche des Vorsprungsabschnitts 42 des Spannrings 40 abdeckt. Wie in 1 dargestellt ist, ist das Verstärkungselement 30 nicht auf dem Rumpfabschnitt 11 und dem anderen Kuppelabschnitt 12b angeordnet. Das Verstärkungselement 30 ist integral mit der Auskleidung 10 ausgebildet und wird beim Spritzgießen der Auskleidung 10 umspritzt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Verstärkungselement 30 aus Aluminium gebildet. Anstelle von Aluminium kann das Verstärkungselement 30 aus einer anderen Art von Metall, wie beispielsweise Edelstahl oder Titan, gebildet werden. Die Anordnungsposition und das Herstellungsverfahren des Verstärkungselements 30 werden später im Detail beschrieben.
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A2. Details der Konfiguration des Verstärkungselements:
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Die 2 und 3 sind vergrößerte perspektivische Ansichten einer Konfiguration des Verstärkungselements 30. 2 zeigt das Verstärkungselement 30 von der Seite des Spannrings 40 aus gesehen. 3 zeigt das Verstärkungselement 30 aus der Sicht des Innenraums der Auskleidung 10. Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, weist der erste Abdeckabschnitt 31 einen scheibenförmigen Abschnitt im äußeren Erscheinungsbild und einen etwa zylindrischen Abschnitt im äußeren Erscheinungsbild auf, der aus der Mitte des scheibenförmigen Abschnitts in Richtung des Innenraums der Auskleidung 10 ragt. Am Umfang des zylindrischen Abschnitts ist eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 35 ausgebildet. In dem Abschnitt, der im äußeren Erscheinungsbild etwa zylindrisch ist, ragt der zweite Abdeckabschnitt 32 von den Positionen der Durchgangslöcher 35 in Richtung des Innenraums der Auskleidung 10 heraus.
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4 ist eine schematische vergrößerte Querschnittsansicht des Spannrings 40 und seiner Umgebung. 4 zeigt den Querschnitt, der durch das Durchgangsloch 35 verläuft. Wie in 4 dargestellt ist, steht ein Teil des Spannrings 40 in Kontakt mit der Auskleidung 10 oder dem Verstärkungselement 30. Insbesondere sind die Außenfläche des Flanschabschnitts 41 und ein Teil der Außenfläche des Vorsprungsabschnitts 42 mit der Außenfläche der Auskleidung 10 in Kontakt. Darüber hinaus steht ein anderer Teil der Außenfläche des Vorsprungsabschnitts 42 mit dem zweiten Abdeckabschnitt 32 in Kontakt.
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Der Vorsprungsabschnitt 42 weist eine Speichernut 44 auf. Die Außenfläche der Speichernut 44 ist mit dem zweiten Abdeckabschnitt 32 abgedeckt. Ein Stützring 45 und ein O-Ring 46 sind in der Speichernut 44 gelagert. Der Stützring 45 ist ein ringförmiges Element, das einen etwa rechteckigen Querschnitt aufweist. Der Stützring 45 ist aus einem Hartharzmaterial gebildet. Der Stützring 45 ist in der Speichernut 44 außerhalb des O-Rings 46 in axialer Richtung angeordnet, um die Bewegung des O-Rings 46 in axialer Richtung zu unterdrücken.
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Der O-Ring 46 ist ein ringförmiges elastisches Element, das einen etwa kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der O-Ring 46 dient zur Verbesserung der Luftdichtigkeit zwischen der Auskleidung 10 und dem Spannring 40. Wenn der Spannring 40 in die Auskleidung 10 eingesetzt (pressgepasst) wird, wird der O-Ring 46 in Presskontakt mit der Außenfläche des zweiten Abdeckabschnitts 32 gebracht, um den Spalt zwischen der Außenfläche des Vorsprungsabschnitts 42 und der Außenfläche der Auskleidung 10 abzudichten, genauer gesagt, den Spalt zwischen der Außenfläche des Vorsprungsabschnitts 42 und der Außenfläche des zweiten Abdeckabschnitts 32. Der O-Ring 46 ist aus einem Harz wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet.
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Wie in 4 dargestellt ist, ist der erste Abdeckabschnitt 31 durchgängig an der Auskleidung 10 vom Teil des Kuppelabschnitts 12a bis zum Teil des Vorsprungsabschnitts 42 des Spannrings 40 angeordnet. Insbesondere ist der erste Abdeckabschnitt 31 auf der Innenfläche der Auskleidung 10 in einem Bereich von einem Punkt P0 am Kuppelabschnitt 12a bis zum Vorsprungsabschnitt 42 angeordnet. Dieser Bereich umfasst einen Schulterabschnitt SP. Daher ist der erste Abdeckabschnitt 31 durchgängig vom Schulterabschnitt SP zum Abschnitt, der den Vorsprungsabschnitt 42 abdeckt, angeordnet. Der Schulterabschnitt SP ist ein ringförmiger Bereich mit einer Reihe von Punkten, die sich auf der Innenfläche des Kuppelabschnitts 12a nahe der Grenze zwischen dem Rumpfabschnitt 11 und dem Kuppelabschnitt 12a in einem Abstand r2 von der Mittelachse CX der Auskleidung 10 befinden. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Abstand r2 gleich dem Radius r1 des Rumpfabschnitts 11 multipliziert mit 0,9. In der Querschnittsansicht von 4 ist der Schulterabschnitt SP als Punkt P1 gekennzeichnet. Der Einfachheit halber zeigt 4 den Punkt P0 und den Punkt P1 als weiße Punkte.
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Als Ergebnis einer Studie hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass es die Abdeckung zumindest des Schulterabschnitts SP ermöglichen würde, bei abnehmendem Innendruck des Tanks 100 die Schrumpfung der Auskleidung 10 zu unterdrücken und den Abstand zwischen der Auskleidung 10 und der faserverstärkten Harzschicht 20 in einem Bereich von der Grenze zwischen dem Rumpfabschnitt 11 und dem Kuppelabschnitt 12a bis zum Kuppelabschnitt 12a zu verringern. Das Unterdrücken der Schrumpfung (Verformung) der Auskleidung 10 am Schulterabschnitt SP in radialer Richtung der Auskleidung 10 ermöglicht es, die Schrumpfung des Schulterabschnitts SP in Richtung zur Mitte des Innenraums der Auskleidung 10 zu unterdrücken. Dementsprechend wird geschätzt, dass dadurch die Schrumpfung (Verformung) eines näher an der Endseite befindlichen Abschnitts der Auskleidung 10 in axialer Richtung (die Scheitelseite des Kuppelabschnitts 12a) als ein Bereich von der Grenze zwischen dem Rumpfabschnitt 11 und dem Kuppelabschnitt 12a zum Kuppelabschnitt 12a in Richtung der Seite des Rumpfabschnitts 11 (axiale Richtung) unterdrückt wird.
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Wie in 4 dargestellt ist, ist ein Abschnitt der Auskleidung 10, der sandwichartig zwischen dem ersten Abdeckabschnitt 31 und dem Flanschabschnitt 41 des Spannrings 40 (im Folgenden „erster Kontaktabschnitt 10a“ genannt) angeordnet ist, mit der Außenfläche des ersten Abdeckabschnitts 31 in Kontakt.
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Der zweite Abdeckabschnitt 32 ist an einem Abschnitt der Auskleidung 10 angeordnet, der die Außenfläche des Vorsprungsabschnitts 42 des Spannrings 40 abdeckt. Insbesondere deckt der zweite Abdeckabschnitt 32 die Außenfläche des Vorsprungsabschnitts 42 durchgängig von der Position, die in axialer Richtung weiter außen liegt als das Ende der Speichernut 44 auf der Seite des Flanschabschnitts 41, zum Anschlussende des Vorsprungsabschnitts 42 ab. Wie in 4 dargestellt ist, ist ein Abschnitt der Auskleidung 10, der mit dem zweiten Abdeckabschnitt 32 in radialer Richtung in Kontakt steht (im Folgenden „zweiter Kontaktabschnitt 10b“ genannt), mit der Außenfläche des zweiten Abdeckabschnitts 32 in Kontakt.
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Wie in 4 dargestellt ist, ist das Verstärkungselement 30 nicht an einem Abschnitt des Kuppelabschnitts 12a vom Punkt P0 bis zur Grenze mit dem Rumpfabschnitt 11 (im Folgenden „kontaktloser Abschnitt 10c“ genannt) und dem Rumpfabschnitt 11 angeordnet. Das heißt, der Rumpfabschnitt 11 ist nicht mit dem Verstärkungselement 30 in Kontakt, und die Innenfläche des Rumpfabschnitts 11 ist nicht mit dem Verstärkungselement 30 abgedeckt.
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Wie in den 2, 3 und 4 dargestellt ist, weist das Verstärkungselement 30 die Durchgangslöcher 35 in Dickenrichtung zwischen dem ersten Abdeckabschnitt 31 und dem zweiten Abdeckabschnitt 32 auf. Die Durchgangslöcher 35 werden verwendet, sodass zum Zeitpunkt der Ausbildung der Auskleidung 10 ein Harz zwischen den ersten Kontaktabschnitt 10a und den zweiten Kontaktabschnitt 10b fließt.
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A3. Verfahren zur Herstellung der Auskleidung:
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5 ist ein Diagramm, welches das integrale Ausbilden der Auskleidung 10 und des Verstärkungselements 30 beschreibt. Wie in 5 dargestellt ist, wird eine Harzformmatrize 300 zum integralen Ausbilden der Auskleidung 10 und des Verstärkungselements 30 verwendet. 5 zeigt einen Abschnitt der Harzformmatrize 300, der dem in 4 gezeigten Spannring 40 und seiner Umgebung entspricht, in einer vergrößerten Ansicht. Wie in 5 dargestellt ist, umfasst die Harzformmatrize 300 ein Obergesenk 301 und ein Untergesenk 302. Das Obergesenk 301 ist in der Form ausgebildet, die der Innenfläche des Spannrings 40 und der Außenfläche des Kuppelabschnitts 12a der Auskleidung 10 entspricht. Das Untergesenk 302 ist in der Form ausgebildet, die der Innenfläche der Auskleidung 10 entspricht. Das Obergesenk 301 umfasst einen Harzeinlass 310. Ein erwärmtes und geschmolzenes Harzmaterial wird durch den Harzeinlass 310 eingespritzt. 5 zeigt schematisch den Fluss des Harzmaterials aus dem Harzeinlass 310 durch Pfeile.
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Die Auskleidung 10 wird nach folgendem Verfahren gebildet. Das Verstärkungselement 30 ist im Untergesenk 302 angeordnet, und das Obergesenk 301 ist auf dem Untergesenk 302 so angeordnet, dass die Endfläche des Obergesenks 301 mit Ausnahme des Harzeinlasses 310 mit der Endfläche des Untergesenks 302 in Kontakt steht, und dann werden die Werkzeuge bzw. Gesenke unter einem vorbestimmten Klemmdruck verspannt. Zu diesem Zeitpunkt sind Luftspalte c1, c2 und c3 in der Harzformmatrize 300 definiert. Der Luftspalt c1 ist in seiner Form etwa identisch mit dem zweiten Kontaktabschnitt 10b. Der Luftspalt c2 ist in seiner Form etwa identisch mit dem ersten Kontaktabschnitt 10a, und der Luftspalt c3 ist in seiner Form etwa identisch mit dem kontaktlosen Abschnitt 10c.
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Das Harzmaterial fließt aus dem Harzeinlass 310 in die Luftspalte c1, c2 und c3. Zu diesem Zeitpunkt wird das aus dem Harzeinlass 310 fließende Harzmaterial am Ausgang des Harzeinlasses 310 in zwei Teile geteilt, wie in 5 mit Pfeilen dargestellt ist. Ein Teil durchläuft den Luftspalt c2 und strömt über das Durchgangsloch 35 in den Luftspalt c1. Der andere Teil strömt in den Luftspalt c3. Danach wird das Harzmaterial in den Luftspalten c1, c2 und c3 erwärmt und ausgehärtet, um die Auskleidung 10 zu bilden.
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Gemäß dem Tank 100 der vorstehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsform ist das Verstärkungselement 30 zumindest am Schulterabschnitt SP im Kuppelabschnitt 12a nahe der Grenze zwischen dem Kuppelabschnitt 12a und dem Rumpfabschnitt 11 angeordnet. Dementsprechend kann das Verstärkungselement 30 die Schrumpfung der Auskleidung 10 am Schulterabschnitt SP zum Zeitpunkt der Schrumpfung des Tanks 100 unterdrücken, was es ermöglicht, die Größe des Spalts (das Spaltmaß) zwischen der Auskleidung 10 und der faserverstärkten Harzschicht 20 im Vergleich zu der Konfiguration ohne das Verstärkungselement 30 zu reduzieren. Darüber hinaus ist das Verstärkungselement 30 zumindest teilweise nicht am Rumpfabschnitt 11 angeordnet, was eine Gewichtsreduzierung des Tanks 100 im Vergleich zu der Konfiguration ermöglicht, in der das Verstärkungselement 30 am gesamten Rumpfabschnitt 11 angeordnet ist.
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Darüber hinaus kann das Verstärkungselement 30 im Bereich der Grenze zwischen dem Rumpfabschnitt 11 und dem Kuppelabschnitt 12a angeordnet werden, wo ein Spalt zwischen der Auskleidung 10 und der faserverstärkten Harzschicht 20 wahrscheinlich im Kuppelabschnitt 12a verbleibt, wodurch es möglich ist, die Größe des Spalts zwischen der Auskleidung 10 und der faserverstärkten Harzschicht 20 in diesem Bereich zu reduzieren. Das Verstärkungselement 30 ist in Kontakt mit zumindest einem Teil der Außenfläche des Vorsprungsabschnitts 42, was es ermöglicht, die Wärme des Tanks 100 vom Verstärkungselement 30 durch den Vorsprungsabschnitt 42 zur Außenseite des Tanks 100 abzugeben und die Wärme der Außenseite vom Vorsprungsabschnitt 42 durch das Verstärkungselement 30 in den Tank 100 zu leiten, wodurch die Temperatur des Tanks 100 entsprechend angepasst wird. Das Verstärkungselement 30 weist die Durchgangslöcher 35 auf, die in Dickenrichtung derart durchdringen, dass ein Harz zwischen den ersten Kontaktabschnitt 10a und den zweiten Kontaktabschnitt 10b fließt, was es ermöglicht, dass ein Harz zum Zeitpunkt des integralen Ausbildens des Verstärkungselements 30 und der Auskleidung 10 durch die Durchgangslöcher 35 fließt. Dementsprechend ist es möglich, das Auftreten eines Teils ohne das Harz zu unterdrücken.
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B. Beispiele:
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6 ist ein Diagramm, das die Leistung des Tanks 100 der ersten Ausführungsform beschreibt. Basierend auf der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wurden die Tanks 100 (Muster 1 bis 4) hergestellt. Für jedes der Muster 1 bis 4 wurde die Größe eines Spaltes zwischen der Auskleidung 10 und der faserverstärkten Harzschicht 20 an der Grenze zwischen dem Rumpfabschnitt 11 und dem Kuppelabschnitt 12a in axialer Richtung und die maximal erzeugte Spannung bzw. Belastung auf die Auskleidung 10 durch Simulation auf Basis von Computer Aided Engineering (CAE - rechnerunterstützte Entwicklung) berechnet. Die CAE-Simulation wurde durchgeführt, indem beispielsweise der Längenausdehnungskoeffizient, der Elastizitätsmodul bzw. Young-Modul und die Dichte der Auskleidung 10 als Parameter verwendet wurden. Insbesondere betrug der Längenausdehnungskoeffizient der Auskleidung 10 1,1E-4, der Young-Modul der Auskleidung 10 betrug 2,6 GPa und die Dichte der Auskleidung 10 betrug 1,07 G/cm3.
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6 zeigt die Muster in der Querachse und die Größe eines Spaltes und die maximal erzeugte Spannung in der vertikalen Achse. Die „maximal erzeugte Spannung“ bezieht sich auf die maximale Spannung bzw. Belastung, die auf die Auskleidung 10 wirkt, wenn ein Brenngas im Niedertemperatur- und Niederdruckzustand in den Tank 100 geladen wird, z.B. der Zustand, in dem der Tank 100 fast das gesamte Brenngas abgegeben hat. Die Tanks 100 der Muster 1 bis 4 unterscheiden sich in Temperatur und Innendruck. Insbesondere sind das Muster 1 und das Muster 2 gleich in der Temperatur und unterschiedlich im Innendruck. Der Innendruck in Muster 1 ist niedriger als der Innendruck in Muster 2. Das Muster 3 und das Muster 4 sind in der Temperatur gleich und im Innendruck unterschiedlich. Die Temperatur des Musters 3 und des Musters 4 ist niedriger als die Temperatur des Musters 1 und des Musters 2. Der Innendruck in Muster 3 ist gleich dem Innendruck in Muster 1, und der Innendruck in Muster 4 ist gleich dem Innendruck in Muster 2.
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Wie aus Vergleichen zwischen Muster 1 und Muster 2 und zwischen Muster 3 und Muster 4 ersichtlich ist, hat bei gleichen Temperaturen der Tanks 100 das Muster mit einem höheren Innendruck im Tank 100 ein geringeres Spaltmaß und die maximal erzeugte Spannung ist niedriger als bei dem Muster mit einem niedrigeren Innendruck im Tank 100. Darüber hinaus hat, wie aus dem Vergleich zwischen Muster 1 und Muster 3 und zwischen Muster 2 und Muster 4 ersichtlich ist, bei gleichem Innendruck in den Tanks 100 das Muster mit einer höheren Temperatur des Tanks 100 ein geringeres Spaltmaß und die maximal erzeugte Spannung ist niedriger als bei dem Muster mit einer niedrigeren Temperatur des Tanks 100. Wenn die Innendrücke in den Tanks 100 gleich sind, wurde die maximal erzeugte Spannung bzw. Belastung in dem Muster mit einer höheren Temperatur im Tank 100 stärker unterdrückt.
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7 ist ein Diagramm, das andere Leistungen des Tanks 100 der ersten Ausführungsform beschreibt. Der vorgenannte Tank 100 (das Muster 3) wurde hergestellt. Darüber hinaus wurde als Vergleichsbeispiel ein Tank (das Muster 5) ohne das Verstärkungselement 30 hergestellt. Für diese Tanks wurde die Größe eines Spaltes (das Spaltmaß) zwischen der Auskleidung 10 und der faserverstärkten Harzschicht 20 an der Grenze zwischen dem Rumpfabschnitt 11 und dem Kuppelabschnitt 12a in axialer Richtung durch die vorstehend beschriebene CAE-Simulation berechnet. 7 zeigt die Muster in der Querachse und die Größe eines Spaltes in der vertikalen Achse.
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Wie in 7 dargestellt ist, weist Muster 3 eine geringere Größe des Spalts auf als Muster 5 als Vergleichsbeispiel. Dies liegt möglicherweise daran, dass das Verstärkungselement 30 auf der Innenfläche der Auskleidung 10 von Muster 3 so angeordnet wurde, dass beim Absenken des Innendrucks und beim Schrumpfen des Tanks das Verstärkungselement 30 die Abmessungsänderung in der Auskleidung 10 in axialer Richtung und radialer Richtung unterdrückt hat, um den Schrumpfungsgrad der Auskleidung 10 zu reduzieren.
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C. Zweite Ausführungsform:
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8 ist eine Querschnittsansicht einer schematischen Konfiguration eines Tanks 100a in einer zweiten Ausführungsform. 8 zeigt den Spannring 40 und seine Umgebung am Tank 100a wie 4. Der Tank 100a der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Tank 100 der ersten Ausführungsform dadurch, dass er ein Verstärkungselement 30a anstelle des Verstärkungselements 30 umfasst. Andere Komponenten des Tanks 100a der zweiten Ausführungsform sind gleich jenen des Tanks 100 der ersten Ausführungsform, so dass die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet werden und auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
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Das Verstärkungselement 30a der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich in der Anordnungsposition von dem Verstärkungselement 30 der ersten Ausführungsform. Insbesondere umfasst das Verstärkungselement 30a, wie in 8 dargestellt, ein erstes Element 33 und ein zweites Element 34. Das erste Element 33 und das zweite Element 34 sind als separate Elemente ausgebildet, und es gibt kein großes Loch zwischen dem ersten Element 33 und dem zweiten Element 34. Das erste Element 33 weist eine etwa zylindrische Außenform auf. Das erste Element 33 ist auf der Auskleidung 10 an einem Abschnitt angeordnet, der einen Teil der Außenfläche des Vorsprungsabschnitts 42 des Spannrings 40 abdeckt, wie beim oben beschriebenen zweiten Abdeckabschnitt 32. Insbesondere deckt das erste Element 33 durchgängig von einer Position in der Speichernut 44 weiter außen in axialer Richtung als das Ende auf der Seite des Flanschabschnitts 41 zum Anschlussende des Vorsprungsabschnitts 42 ab. Das zweite Element 34 weist eine etwa donutartige Außenform auf. Das zweite Element 34 deckt die Innenfläche der Auskleidung 10 durchgängig von dem Punkt P1 auf dem Kuppelabschnitt 12a, d.h. dem Schulterabschnitt SP als ein Ende, bis zur Grenze zwischen dem Kuppelabschnitt 12a und dem Rumpfabschnitt 11 und dem Rumpfabschnitt 11 nahe der Grenze ab. Das heißt, das Verstärkungselement 30a ist nicht auf dem gesamten Rumpfabschnitt 11 angeordnet.
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Der Tank 100a der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform kann die gleichen vorteilhaften Effekte wie die der ersten Ausführungsform aufweisen. Darüber hinaus deckt das Verstärkungselement 30a durchgängig vom Schulterabschnitt SP als ein Ende zu einem Teil der Innenfläche des Rumpfabschnitts 11 ab, was es ermöglicht, die Größe des Verstärkungselements 30 zu reduzieren und das Gewicht des Tanks 100 im Vergleich zu der Konfiguration zu reduzieren, in der das Verstärkungselement 30a durchgängig vom Vorsprungsabschnitt 42 zu einem Teil der Innenfläche des Rumpfabschnitts 11 abdeckt.
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D. Andere Ausführungsformen:
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D1. Andere Ausführungsform 1:
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Bei den vorstehenden Ausführungsformen ist das Verstärkungselement 30 oder 30a auf der Auskleidung 10 in einem vorbestimmten Bereich mit dem Punkt P1 auf der Innenfläche des Kuppelabschnitts 12a angeordnet, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise das Verstärkungselement 30 oder 30a nur mit dem Punkt P1 in Kontakt stehen. Bei dieser Konfiguration kann ein ringförmiger Metalldraht in Kontakt mit einem ringförmigen Bereich als eine Reihe von Punkten angeordnet werden, bei denen der Abstand r2 vom Punkt P1 auf der Innenfläche der Auskleidung 10, d.h. der Mittelachse CX der Auskleidung 10 gleich dem Radius r1 des Rumpfabschnitts 11 multipliziert mit 0,9 ist. Alternativ kann beispielsweise das Verstärkungselement 30 oder 30a mit einem Punkt auf der Außenfläche der Auskleidung 10 in Kontakt sein, bei dem der Abstand r2 von der Mittelachse CX der Auskleidung 10 gleich dem Radius r1 des Rumpfabschnitts 11 multipliziert mit 0,9 ist. Alternativ kann beispielsweise das Verstärkungselement 30 oder 30a auch mit einem Punkt auf der Auskleidung 10 in Kontakt stehen, bei dem der Abstand r2 von der Mittelachse CX der Auskleidung 10 gleich dem Radius r1 des Rumpfabschnitts 11 multipliziert mit 0,9 ist, mit Ausnahme von Punkten auf der Innenfläche und Punkten auf der Außenfläche der Auskleidung 10. Diese Konfigurationen können die gleichen vorteilhaften Effekte wie die der vorgenannten Ausführungsformen bieten.
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D2. Andere Ausführungsform 2:
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Bei den vorstehenden Ausführungsformen ist der Abstand r2 von der Mittelachse CX der Auskleidung 10 zum Schulterabschnitt SP gleich dem Radius r1 des Rumpfabschnitts 11 multipliziert mit 0,9, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise der Abstand r2 ein Abstand innerhalb eines vorbestimmten Bereichs sein, der auf den Radius r1 des Rumpfabschnitts 11 multipliziert mit 0,9 zentriert ist. Insbesondere kann der Abstand r2 ein beliebiger Abstand innerhalb eines Bereichs von dem Radius r1 des Rumpfabschnitts 11 multipliziert mit 0,85 bis dem Radius r1 des Rumpfabschnitts 11 multipliziert mit 0,95 sein. Diese Konfigurationen können die gleichen vorteilhaften Effekte wie die der vorgenannten Ausführungsformen bieten.
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D3. Andere Ausführungsform 3:
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Bei den vorstehenden Ausführungsformen ist das Verstärkungselement 30 oder 30a auf der Auskleidung 10 am Kuppelabschnitt 12a auf der Seite, an der der Spannring 40 befestigt ist, angeordnet, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise das Verstärkungselement 30 oder 30a auf der Auskleidung 10 am Kuppelabschnitt 12b auf der Seite, an der der Endansatz 50 befestigt ist, angeordnet sein. Alternativ kann das Verstärkungselement 30 oder 30a auf beiden Kuppelabschnitten 12a und 12b angeordnet sein. Diese Konfigurationen können die gleichen vorteilhaften Effekte wie die der vorgenannten Ausführungsformen bieten.
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D4. Andere Ausführungsform 4:
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Bei der ersten Ausführungsform umfasst das Verstärkungselement 30 die Durchgangslöcher 35. Anstelle der Durchgangslöcher kann das Verstärkungselement 30 Aussparungen beinhalten. Das Verstärkungselement 30 braucht die Durchgangslöcher 35 nicht beinhalten. Auch in dieser Konfiguration ist das Verstärkungselement 30 auf der Auskleidung 10 durchgängig vom Schulterabschnitt SP bis zu dem Abschnitt, der den Vorsprungsabschnitt 42 abdeckt, und dem Abschnitt, der den Vorsprungsabschnitt 42 abdeckt, angeordnet, was die gleichen vorteilhaften Effekte wie bei der ersten Ausführungsform bietet.
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D5. Andere Ausführungsform 5:
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Bei der zweiten Ausführungsform umfasst das Verstärkungselement 30a das erste Element 33. Anstelle des ersten Elements 33 kann das Verstärkungselement 30a ein weiteres etwa zylindrisches metallisches Element beinhalten, das nicht integral mit der Auskleidung 10 ausgebildet ist. Diese Konfiguration kann die gleichen vorteilhaften Effekte bieten wie die der zweiten Ausführungsform.
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D6. Andere Ausführungsform 6:
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Bei den vorstehenden Ausführungsformen ist der Tank 100 oder 100a ein Tank zur Speicherung eines Hochdruckfluids, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. Der Tank 100 oder 100a kann ein Tank für den Einsatz in jeder anderen Anwendung sein. Diese Konfiguration kann die gleichen vorteilhaften Effekte wie die der vorgenannten Ausführungsformen bieten.
