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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zugverstrebten Druckbehälters sowie einen zugehörigen Druckbehälter.
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Druckbehälter werden beispielsweise verwendet, um gasförmigen Kraftstoff wie Erdgas oder Wasserstoff in Kraftfahrzeugen oder anderen mobilen oder stationären Einrichtungen zu lagern. Mittels dieses gasförmigen Kraftstoffs können beispielsweise Energiewandler wie Brennstoffzellen oder gasbetriebene Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Die zunehmende Verwendung von gasförmigem Brennstoff führt insbesondere dazu, dass solche Druckbehälter in immer mehr Kraftfahrzeugen eingebaut werden sollen, was die effiziente Nutzung vorhandener Bauräume erfordert. Bei Abweichungen von einer runden Querschnittsform ist die Druckverteilung im Druckbehälter nicht mehr ideal, so dass Maßnahmen wie eine dickere Wandung oder die Verwendung von Zugverstrebungen zur Stabilisierung von Wänden erforderlich werden. Bei zugverstrebten Druckbehältern können Wände gegeneinander stabilisiert werden, wodurch trotz Abweichung vom runden Querschnitt dünnere Wandstärken möglich sind.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, in zugverstrebten Druckbehältern für eine bessere Kraftverteilung zu sorgen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zugverstrebten Druckbehälters. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellen einer Wandung, die mindestens eine erste Wand und eine zweite Wand aufweist,
- - Einbringen einer oder mehrerer Zugstreben, so dass die Zugstreben die erste Wand und die zweite Wand miteinander verbinden,
- - Erhöhen eines Innendrucks innerhalb der Wandung, dabei Spannen der Zugstreben, und
- - Fixieren der Zugstreben an den Wänden, während sie gespannt sind.
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Mittels eines solchen Verfahrens kann in besonders einfacher Weise ein Ausgleich zwischen Zugstreben hergestellt werden, so dass diese unter Belastung gleich stark belastet werden. Dadurch wird einer möglichen ungleichmäßigen Belastung von Zugstreben vorgebeugt, was beispielsweise dadurch vorkommen kann, dass eine der Zugstreben kürzer als die umgebenden Zugstreben ist. Eine ungleichmäßige Belastung von Zugstreben kann zu einer unterschiedlichen Alterung der Zugstreben führen. Einem solchen Effekt wird durch das hier offenbarte Verfahren wirkungsvoll vorgebeugt.
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Die Wandung ist insbesondere dasjenige Element, welches den Druckbehälter außenseitig umgibt und somit einen Innenraum des Druckbehälters definiert, in welchem gasförmiger Brennstoff gelagert werden kann.
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Die erste Wand und die zweite Wand können insbesondere Abschnitte der Wandung sein, wobei die erste Wand und die zweite Wand insbesondere jeweils flächig und/oder parallel zueinander ausgebildet sein können. Dies erlaubt beispielsweise eine vorteilhafte Anpassung an flache, langgestreckte Einbauräume wie beispielsweise den Unterflurraum eines Kraftfahrzeugs. Außerhalb der ersten Wand und der zweiten Wand kann der Druckbehälter beispielsweise zumindest teilweise gebogen sein, um eine Verbindung zwischen den Wänden herzustellen.
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Die Zugstreben können insbesondere Fäden oder Fasern sein, welche die Wände gegeneinander verspannen können und/oder welche Kräfte aufnehmen können, welche dadurch entstehen, dass in dem Druckbehälter gasförmiger Brennstoff unter typischerweise hohem Druck gelagert ist und dadurch einen entsprechend hohen Druck auf die Wände ausübt. Durch das Verspannen der Wände gegeneinander kann typischerweise eine kleinere Wandstärke verwendet werden.
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Unter dem Innendruck kann typischerweise ein Überdruck von in dem Druckbehälter gelagertem Brennstoff gegenüber einer umgebenden Atmosphäre verstanden werden. Es handelt sich somit um denjenigen Druck, welcher dafür sorgt, dass auf die Wandung eine nach außen gerichtete Kraft ausgeübt wird. Dieser Kraft wird typischerweise, insbesondere im Fall von zylindrischen oder kugelförmigen Druckbehältern, durch eine entsprechend hohe Wandstärke gemäß Kesselformel oder aber durch die Verwendung von Zugstreben entgegengewirkt, so dass der Druckbehälter nicht beschädigt wird. Das Erhöhen des Innendrucks kann insbesondere kontinuierlich erfolgen, beispielsweise im Rahmen einer vorbestimmten Rampe oder eines vorbestimmten Gradienten. Die Zugstreben können dabei insbesondere derart gespannt werden, dass sie zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand gerade verlaufen, d.h. keine lockeren Bereiche mehr aufweisen und beispielsweise nicht mehr beliebig geformt werden können.
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Durch ein Fixieren der Zugstreben an den Wänden, während sie gespannt sind, wird die erreichte Konfiguration der Zugstreben für die Lebenszeit des Druckbehälters bewahrt. Unter einem Fixieren kann insbesondere verstanden werden, dass eine Zugstrebe an oder nahe einem Kontaktbereich mit der Wand nicht mehr relativ zur Wand beweglich und/oder verschiebbar ist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei nachfolgenden Befüllvorgängen der gewünschte Effekt eines Ausgleichens der Längen erhalten bleibt, das heißt insbesondere, dass keine unterschiedliche Belastung zwischen den Zugstreben auftritt.
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Gemäß einer Ausführung verbinden eine oder mehrere Zugstreben die erste Wand und die zweite Wand unmittelbar miteinander. Insbesondere kann dies bedeuten, dass diese Zugstreben direkt zwischen den beiden Wänden verlaufen und nicht beispielsweise ein Zwischenelement mit der jeweiligen Wand verbinden. Bevorzugt werden die Zugstreben dabei auch sonst nicht an einem Zwischenelement oder an einem anderen Element umgelenkt. Dies entspricht einer einfachen Ausführung, wobei die beiden Wände so miteinander verspannt werden, dass die dazwischen verlaufenden Zugstreben die Kräfte unmittelbar aufnehmen können.
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Gemäß einer Ausführung verbinden eine oder mehrere Zugstreben die erste Wand mit einem Verbindungsbereich und eine oder mehrere Zugstreben verbinden die zweite Wand mit dem Verbindungsbereich. Dadurch ist es möglich, zusätzliche Elemente insbesondere im Verbindungsbereich vorzusehen, welche zu einer Kraftübertragung führen.
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In dem Verbindungsbereich können insbesondere eine oder mehrere Verbindungselemente angeordnet sein, an welchen die mit der ersten Wand verbundenen Zugstreben umgelenkt werden und an welchen die mit der zweiten Wand verbundenen Zugstreben umgelenkt werden. Dadurch können die Verbindungselemente für eine Vermittlung der Kräfte zwischen den beiden Wänden sorgen. Beispielsweise kann dadurch eine gleichmäßigere Kraftverteilung erreicht werden. Außerdem können die Verbindungselemente beispielsweise weitere Stabilisierungsfunktionen übernehmen. Bei den Verbindungselementen kann es sich beispielsweise um Stäbe oder um beliebige andere Elemente handeln, welche dazu ausgelegt sind, dass die Zugstreben jeweils umgelenkt werden können.
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Insbesondere können während des Spannens die erste Wand und die zweite Wand mittels einer zur Verfügung stehenden Führung geführt werden. Dadurch kann vorgegeben werden, welche Stellung oder Endstellung, beispielsweise druckabhängige Stellung, die Wände einnehmen sollen. Die externe Führung kann insbesondere als Presse ausgebildet sein. Diese weist typischerweise zwei Platten auf, zwischen welchen der Druckbehälter bzw. die zu führenden Wände eingespannt werden können und wodurch die Wände besonders exakt positioniert und geführt werden können.
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Die externe Führung kann insbesondere eine erste Platte aufweisen, an der die erste Wand anliegt, und sie kann des Weiteren eine zweite Platte aufweisen, an der die zweite Wand anliegt. Die zweite Platte kann insbesondere relativ zur ersten Platte beweglich sein. Dadurch können die Platten in vorteilhafter Weise für die Führung der Wände sorgen und einen definierten Zustand oder Endzustand, beispielsweise druckabhängigen Zustand, des Druckbehälters sicherstellen.
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Ein Abstand der Platten kann insbesondere während des Spannens mittels der externen Führung erhöht werden. Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass sich die Wände aufgrund der Druckerhöhung innerhalb des Druckbehälters wie vorgesehen nach außen bewegen können und dabei die Zugstreben gespannt werden.
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Die Zugstreben können insbesondere vor dem Fixieren relativ zu den Wänden verschiebbar sein. Dadurch kann erreicht werden, dass sich diese während des Spannens auch relativ zu den Wänden bewegen können und somit etwaige fertigungsbedingte Ungleichmäßigkeiten ausgleichen können. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Zugstreben an Stellen, an welchen sie in oder an den Wänden umgelenkt werden, gleiten oder sich in ähnlicher Weise bewegen können, so dass ein Abschnitt einer Zugstrebe und ein nach Kontaktierung einer Wand benachbarter Abschnitt einer Zugstrebe sich beim Spannen ausgleichen können. Dadurch wird eine vorteilhafte Kraftverteilung im fertigen Zustand erreicht. Die Zugstreben können vor dem Spannen mindestens teilweise ungespannt sein. Dadurch kann eine einfache Fertigung ermöglicht werden, wobei der Endzustand typischerweise durch das hierin beschriebene Verfahren erreicht wird. Insbesondere können an oder in den Wänden Umlenkungselemente angeordnet sein, um welche die Zugstreben umgelenkt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um innen- oder außenliegende Umlenkungselemente handeln, welche beispielsweise eine Form haben können, welche den Verlauf der jeweiligen Zugstrebe definiert. Beispielsweise können diese außenliegend sein und im Querschnitt eine Halbkreisform oder eine Tropfenform haben. Sie können beispielsweise als Gleitlager oder auch als Wälzlager ausgeführt sein.
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Das Fixieren kann beispielsweise durch Aufbringen von Harz oder einem anderen Kunststoffmaterial erfolgen. Derartige Materialien können insbesondere auf die Wandung aufgebracht werden und können aushärten.
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Dabei können sie beispielsweise die Zugstreben mit an der Wandung fixieren. Sie können auch weitere Stabilisierungsfunktionen übernehmen.
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Die erste Wand und die zweite Wand können sich insbesondere gegenüberliegen. Sie können also beispielsweise gegenüberliegende Seitenflächen des Druckbehälters darstellen. Die erste Wand und die zweite Wand können insbesondere parallel zueinander ausgerichtet sein. Dies entspricht einer einfachen Ausführung und ermöglicht beispielsweise die vorteilhafte Ausnutzung eines Einbauraums, welcher oben und unten durch parallele Platten begrenzt ist. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Unterflurraum eines Kraftfahrzeugs handeln. Auch andere Ausrichtungen der ersten Wand und der zweiten Wand zueinander sind jedoch möglich.
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Die Wandung kann insbesondere geflochten sein. Beispielsweise kann es sich um kohlefaserverstärkten Kunststoff handeln. Auch andere Ausführungen der Wandung, beispielsweise dreidimensionales Weben, sind jedoch möglich.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner einen Druckbehälter, der mittels eines hierin offenbarten Verfahrens hergestellt wurde. Bezüglich des Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen zurückgegriffen werden.
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Ein Druckbehälter dient insbesondere zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigem Brennstoff. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (auch Compressed Natural Gas oder CNG genannt) oder verflüssigtem (auch Liquid Natural Gas oder LNG genannt) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter ist typischerweise mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln.
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Ein Druckbehälter kann insbesondere als Composite Overwrapped Pressure Vessel ausgebildet sein. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch Nominal Working Pressure oder NWP genannt) von mindestens 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mindestens 700 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich (zum Beispiel mehr als 50 K oder mehr als 100 K) unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeugs liegen.
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Die Wandung kann insbesondere als faserverstärkte Schicht ausgebildet sein. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet.
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Mit anderen Worten wird zum Erreichen einer guten Materialausnutzung und einer effektiven Faserauslastung auch beim konventionellen Kompositdruckbehälter versucht, alle Lagen gleichmäßig zu belasten. Dies soll nun auch bei zugverstrebten Druckbehältern durch gleichmäßiges Auslasten aller Zugstreben umgesetzt werden. Auf folgende Weise kann dies beispielsweise erreicht werden.
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Die Zugstreben werden zunächst durch Umlenkungen an der Behälterwand so verankert, dass ein Längenausgleich bzw. ein Spannungsausgleich zwischen den freien Zugstrebenabschnitten möglich ist, die zu beiden Seiten der Umlenkung liegen, da diese freien Zugstrebenabschnitte über den über die Umlenkung laufenden Zugstrebenabschnitt miteinander verbunden sind. Der Druckbehälter hat in diesem Zustand noch keinen Überdruck gegenüber der Umgebung.
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Der Innendruck wird nun langsam erhöht, so dass sich die Behälterwände auseinanderbewegen und die einzelnen Zugstreben zunehmend gelängt und gespannt werden.
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Beim vorangehenden Schritt kann die Behälterwand (bzw. insbesondere die planen also ebenen Abschnitte) von außen durch ein Werkzeug gestützt werden. Im einfachsten Fall können dies die beiden Flächen einer ausreichend großen Presse sein.
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Die freien Zugstrebenabschnitte, die anfangs kürzer sind und somit stärker gespannt werden, ziehen nun die längeren freien Zugstrebenabschnitte auf der anderen Seite der Umlenkung über die Umlenkung zu sich, wodurch sich die Spannung und die Länge der freien Zugstrebenabschnitte etwas angleicht.
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Mit zunehmendem Innendruck werden die Werkzeugflächen (bzw. die Flächen der Presse) weiter auseinandergefahren.
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Schließlich bekommen alle freien Zugstrebenabschnitte den gleichen Spannungszustand. Genauer gesagt werden die verbleibenden Unterschiede bezüglich der Spannung durch die Reibung um die Umlenkungen bestimmt. Der Reibungskoeffizient zwischen Zugstrebe und der Umlenkung sollte deshalb in dieser Phase möglichst gering sein. Neben Gleitlagern eignet sich zur Umsetzung der Umlenkung deshalb auch der Einsatz von Wälzlagern.
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Im anschließenden Schritt wird dieser Zustand nun gewissermaßen „fixiert“, indem beispielsweise Harz um die Umlenkungen eingebracht und ausgehärtet wird. Somit bleibt der bevorzugte gleichmäßige Längen- und Spannungszustand der freien Zugstrebenabschnitte auch erhalten, wenn der Innendruck wieder abgebaut wird und die Werkzeugfläche bzw. die Fläche der Presse von der Tankoberfläche entfernt wird.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: einen Druckbehälter mit nicht gespannten Zugstreben,
- 2: einen Ausschnitt aus dem Druckbehälter von 1,
- 3: einen Druckbehälter mit gespannten Zugstreben,
- 4: einen Ausschnitt aus dem Druckbehälter von 3, und
- 5: einen alternativen Druckbehälter.
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1 zeigt einen Druckbehälter 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Druckbehälter 10 weist eine Wandung 20 auf. Die Wandung 20 weist obenseitig eine erste Wand 21 und untenseitig eine zweite Wand 22 auf. Die beiden Wände 21, 22 sind vorliegend eben und parallel zueinander angeordnet. Zwischen den Wänden 21, 22 befinden sich nicht weiter bezeichnete runde Abschnitte.
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Zwischen den Wänden 21, 22 sind Zugstreben 30 angeordnet. Diese sind grundsätzlich so ausgeführt, dass sie die beiden Wände 21, 22 gegeneinander verspannen können. Die Zugstreben 30 sind dabei zumindest teilweise in den Wänden 21, 22 aufgenommen und an diesen umgelenkt. Eine detaillierte Ausführung hierzu ist in 2 gezeigt, welche den in 1 mit II markierten Bereich zeigt.
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Dabei ist zu sehen, dass eine Zugstrebe 30 sich vorliegend in einen ersten Zugstrebenabschnitt 31 und einen zweiten Zugstrebenabschnitt 32 aufteilt. Nach Durchgang durch die erste Wand 21 wird die Zugstrebe 30 an einem Umlenkungselement 40 umgelenkt, welches wie gezeigt einen halbkreisförmigen Querschnitt hat und mit einer Fläche an der ersten Wand 21 anliegt. Darüber verläuft ein dritter Zugstrebenabschnitt 33, welcher das Umlenkungselement 40 kontaktiert. Das Umlenkungselement 40 ist vorliegend außerhalb der ersten Wand 21 angeordnet, so dass die Zugstrebe 30 außerhalb der ersten Wand 21 umgelenkt wird.
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Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, sind die Zugstreben 30 in dem gezeigten Zustand nicht gespannt.
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1 zeigt ferner eine externe Führung 60. Diese weist eine erste Platte 61 und eine zweite Platte 62 auf. Wie gezeigt kontaktiert die erste Platte 61 die erste Wand 21 und die zweite Platte 62 kontaktiert die zweite Wand 22. Die Führung 60 ist in Form einer Presse ausgebildet, so dass die beiden Platten 61, 62 grundsätzlich bezüglich ihrer Oberflächen parallel zueinander verlaufen und in ihrem Abstand zueinander veränderbar sind.
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Zur Spannung der Zugstreben 30 wird der Innendruck im Druckbehälter 10 erhöht. Dadurch werden die erste Wand 21 und die zweite Wand 22 grundsätzlich auseinandergedrückt. Gleichzeitig werden die beiden Platten 61, 62 weiter voneinander entfernt, so dass ein definierter Zustand der beiden Wände 21, 22 erreicht wird.
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Ein Endzustand mit gespannten Zugstreben 30 ist in 3 dargestellt. Die Zugstreben 30 sind dabei alle gleich lang und nicht mehr locker, so dass sie für eine unmittelbare Vermittlung von Kraft zwischen den beiden Wänden 21, 22 sorgen können. Eine zugehörige Umlenkung ist wiederum in 4 gezeigt, welche den in 3 mit IV markierten Bereich zeigt. In diesem Zustand kann eine Fixierung der Zugstreben 30 erfolgen, so dass der Zustand gleicher Länge dauerhaft beibehalten wird. Wenn dann die Führung 60 entfernt wird und der Druckbehälter 10 seiner normalen Verwendung zugeführt wird, bleibt der Vorteil der gleichen Längen erhalten, so dass eine gleichmäßige Kraftverteilung zwischen den Zugstreben 30 auftritt.
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5 zeigt einen Druckbehälter 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zur bislang gezeigten Ausführung verbinden dabei die Zugstreben die Wände 21, 22 nicht unmittelbar, sondern indirekt miteinander. Hierfür sind in einem Verbindungsbereich 50 mehrere Verbindungselemente 55 vorgesehen, wobei jeweils eine von oben kommende Zugstrebe 35 das Verbindungselement 55 mit der ersten Wand 21 verbindet und eine von unten kommende Zugstrebe 36 das Verbindungselement 55 mit der zweiten Wand 22 verbindet. An dem jeweiligen Verbindungselement 55 werden die beiden Zugstreben 35, 36 jeweils aus unterschiedlichen Richtungen kommend umgelenkt, so dass eine Kraftübertragung zwischen der ersten Wand 21 und der zweiten Wand 22 möglich ist. Die Verbindungselemente 55 können beispielsweise für eine zusätzliche Stabilität verwendet werden. Sie sind vorliegend als Stäbe ausgeführt, welche sich quer zur Papierebene von 5 erstrecken.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Druckbehälter
- 20
- Wandung
- 21
- erste Wand
- 22
- zweite Wand
- 30
- Zugstreben
- 31
- erster Zugstrebenabschnitt
- 32
- zweiter Zugstrebenabschnitt
- 33
- dritter Zugstrebenabschnitt
- 35
- von oben kommende Zugstrebe
- 36
- von unten kommende Zugstrebe
- 40
- Umlenkungselement
- 50
- Verbindungsbereich
- 55
- Verbindungselement
- 60
- Führung
- 61
- erste Platte
- 62
- zweite Platte
