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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tank. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung die Verbesserung einer Ventilbefestigungsstruktur in einem Hochdrucktank, der mit Wasserstoffgas oder dergleichen gefüllt ist.
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Hintergrund der Erfindung
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In einem Hochdrucktank, der zur Speicherung von Wasserstoff oder dergleichen verwendet wird, wird eine Struktur verwendet, die dadurch erhalten wird, dass eine Ventilanordnung (beispielsweise eine Komponente mit einem eingebauten Hochdruckventil) an einem Mündungsstück befestigt wird, das an einer Tanköffnung des Tankhauptkörpers vorgesehen ist. Bei der Befestigung der Ventilanordnung am Mündungsstück wird zudem häufig eine einfache Gewindestruktur verwendet, bei der ein an der Ventilanordnung befindlicher Außengewindeabschnitt mit einem am Mündungsstück befindlichen Innengewindeabschnitt verschraubt wird (siehe beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift
JP 2007-263290 A ).
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Jedoch besteht bei einer Gewindeanordnung für einen Hochdrucktank, wie sie oben beschrieben ist, dahingehend ein Problem, dass die Festigkeit des Gewindeabschnitts mit wiederholter Verwendung abnimmt.
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Aus der
DE 197 51 411 C1 ist ein Composite-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck mit einem Liner aus Kunststoff bekannt. Bei einem Composite-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck mit einem Liner aus Kunststoff und zwei im Halsbereich angeordneten Halsstücken sowie mit einer den Liner verstärkenden Wicklung eines Faserverbundwerkstoffes ist vorgesehen, dass in das Ventil aufnehmenden Handstück ein in diesen einschraubbarer Klemmring vorgesehen ist, der am Außenmantel ein Gewindeabschnitt aufweist, an dem sich ein gewindefreier kegelstumpfartiger Abschnitt anschließt und die zwischen dem Innengewindeabschnitten des Halsstücks angeordnete ringförmige Nut zur Aufnahme eines Dichtringes radial in das Haltstück sich erstreckt und auf der Außenseite des jeweiligen Halsstücks im an den Kragen anschließenden Bereich die Anordnung mindestens einer radial nach außen über den ganzen Umfang sich erschreckende Sicke vorgesehen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Tanks mit einer Struktur, die eine Abnahme der Festigkeit des Gewindeabschnitts beschränkt bzw. verhindert.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen genannt.
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Die Erfinder führten verschiedene Untersuchungen durch, um dieses Problem zu lösen. Ein Hochdrucktank muss getestet werden, um das Maß der Ausdehnung und der Gasdichtigkeit für jeden einzelnen Rahmen (Hochdrucktank-Hauptkörper) zu bewerten, und für diesen Test muss ein Testventil am Mündungsstück befestigt werden. Um ein Testventil dieser Art mehrmals verwenden zu können, muss das Material, das für das Testventil verwendet wird, härter sein als das Mündungsstück, beispielsweise wird für ein Aluminium-Mündungsstück ein Edelstahlventil verwendet. Wenn das Testventil am Ende des Bewertungstests abgenommen wird, und dann ein Produktventil befestigt wird, können jedoch aufgrund eines Abriebs von einem Gewindeabschnitt des Mündungsstücks Fremdstoffe, wie beispielsweise abgeschabte Partikel, abgefräste Partikel, Schmutzpartikel oder dergleichen (in der nachstehenden Beschreibung werden diese Fremdstoffe generell als „Späne” bezeichnet) produziert werden, und es können Probleme aufgrund eines Festfressens entstehen. Als Ergebnis einer intensiven Suche nach Möglichkeiten, die Festigkeit unter den oben geschilderten Umständen aufrechtzuerhalten, wenn beispielsweise Aluminium für das Mündungsstück verwendet wird, kamen die Erfinder zu einer neuen Entdeckung, die auf die Lösung dieses Problems gerichtet ist.
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Der Tank gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf dieser Entdeckung, und er weist auf: einen Tankhauptkörper mit einer inneren Wandschicht und einer äußeren Wandschicht; ein Mündungsstück mit einem Mündungsstückgewindeabschnitt, an dem ein Gewindegang ausgebildet ist, und dessen Durchmesser auf der in axialer Richtung des Tanks außen liegenden Seite größer ist als auf der innen liegenden Seite. Der Mündungsstückgewindeabschnitt hat einen Bewertungstest-Mündungsstückgewindeabschnitt und einen Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt, wobei der Bewertungstest-Mündungsstückgewindeabschnitt auf der in der axialen Richtung des Tanks außen liegenden Seite oder auf der in der axialen Richtung des Tanks innen liegenden Seite ausgebildet ist und der Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt auf der jeweils anderen Seite in der axialen Richtung des Tanks ausgebildet ist. Der der Tank weist ferner eine Ventilanordnung mit einem Testventil und einem Produktventil auf wobei das Testventil einen Ventilgewindeabschnitt aufweist, der dem Bewertungstest-Mündungsstückgewindeabschnitt entspricht, und das Produktventil einen Ventilgewindeabschnitt aufweist, der dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt entspricht, und wobei, für die Durchführung eines Bewertungstest des Tanks, das Testventil derart in das Mündungsstück einbringbar ist, dass der Ventilgewindeabschnitt des Testventils mit dem Bewertungstest-Mündungsstückgewindeabschnitt verschraubt ist, und nach dem Bewertungstest das Testventil aus dem Mündungsstück entfernt wird und statt dessen das Produktventil derart in das Mündungsstück eingebracht wird, dass der Ventilgewindeabschnitt des Produktventils mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt verschraubt ist.
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In diesem Tank kann auch ein Absatz in einer Öffnung des Mündungsstücks ausgebildet sein. In diesem Fall kann mittels des Absatzes beim Installieren des Ventils leicht beurteilt werden, wie weit die benutzte Region des Mündungsstückgewindeabschnitts geht.
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Alternativ kann in diesem Tank der Mündungsstückgewindeabschnitt eine konische Form aufweisen.
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Ferner ist in dem oben beschriebenen Tank vorzugsweise der Test-Mündungsstückgewindeabschnitt, der für Bewertungstests des Tanks verwendet wird, auf der in der axialen Richtung außen liegenden Seite des Tanks ausgebildet, und der Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt ist an der in der axialen Richtung innen liegenden Seite des Tanks ausgebildet.
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Darüber hinaus kann vorzugsweise ein Ventilgewindeabschnitt des Produktventils ebenfalls mit dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt verschraubt werden. In diesem Fall kann besonders bevorzugt der Ventilgewindeabschnitt des Produktventilgewindes mit einem gesamten Bereich des Test-Mündungsstückgewindeabschnitts verschraubt werden. Das Produktventil kann mittels des Ventilgewindeabschnitts des Produktventils, das sowohl mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt als auch dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt verschraubt werden kann, zuverlässiger am Mündungsstück befestigt werden.
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In einem Tank dieser Art besteht das Mündungsstück beispielsweise aus Aluminium, und das Testventil sowie das Produktventil bestehen aus Edelstahl.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Struktur erhalten werden, die eine Abnahme der Festigkeit des Gewindeabschnitts verringert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist eine Skizze, die ein Beispiel für die Zusammensetzung eines Brennstoffzellensystems in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist eine Querschnittsdarstellung des Hauptabschnitts eines Tanks (Hochdrucktanks) gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine seitliche Querschnittsdarstellung eines Hochdrucktanks;
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4 ist eine vergrößerte Skizze des Abschnitts, der von der gepunkteten Linie in 3 eingefasst ist;
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5 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und stellt einen Zustand dar, wo der Testventilgewindeabschnitt des Testventils mit dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt des Mündungsstücks verschraubt ist;
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6 ist eine Skizze, die einen Zustand darstellt, wo der Produktventilgewindeabschnitt des Produktventils mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt des Mündungsstücks verschraubt ist;
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und stellt einen Zustand dar, wo der Produktventilgewindeabschnitt des Produktventils mit sowohl dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt als auch dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt verschraubt ist;
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und stellt einen Fall dar, wo der Mündungsstückgewindeabschnitt und der Gewindeabschnitt der Ventilanordnung eine konische Form aufweisen; und
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9 ist eine Skizze, die zu Vergleichszwecken ein Beispiel für den Aufbau eines herkömmlichen Mündungsstücks darstellt.
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ERKLÄRUNG DER BEZUGSZEICHEN
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- 1: Hochdrucktank (Tank); 11: Mündungsstück; 11h: Öffnung (im Mündungsstück); 42: Mündungsstückgewindeabschnitt, 42p: Produktgewindeabschnitt; 42t: Test-Mündungsstückgewindeabschnitt; 50p: Produktventil (Ventil); 50t: Testventil (Ventil); 51p: Ventilgewindeabschnitt des Testventils; 51t: Ventilgewindeabschnitt des Testventils; 52: Absatz
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachstehend wird die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ausführlich auf Basis einer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform beschrieben.
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Die 1 bis 6 zeigen Ausführungsformen eines Tanks und eines Verfahrens zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung. Nachstehend ist ein Fall beschrieben, in dem der Tank 1 gemäß der vorliegenden Erfindung (nachstehend als „Hochdrucktank” bezeichnet) als eine als Hochdruck-Wasserstofftank ausgebildete Brennstoff-Zufuhrquelle eines Brennstoffzellensystems 100 verwendet wird.
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Zuerst wird ein Überblick über das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben (siehe 1). Dieses Brennstoffzellensystem 100 ist als System ausgebildet, das Folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle 2; ein Sauerstoffgas-Leitungssystem 30, das Luft (Sauerstoff) als Oxidierungs- bzw. Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 2 liefert, ein Brenngas-Leitungssystem 40, das Wasserstoffgas als Brenngas zur Brennstoffzelle 2 liefert, und eine Steuereinheit 70, die eine integrierte Steuerung des gesamten Systems durchführt.
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Die Brennstoffzelle 2 besteht aus einem Festpolymerelektrolyten und weist eine Stapelstruktur auf, bei der eine Vielzahl von einfachen bzw. Einheitszellen übereinander gestapelt sind. Die Einheitszellen der Brennstoffzelle 2 weisen jeweils auf: eine Luftelektrode an einer Oberfläche eines Elektrolyten, der aus einem Ionentauscherfilm besteht, eine Brennstoffelektrode an dessen anderer Oberfläche und ein Paar Separatoren, die jeweils an der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode anliegen. Das Brenngas wird zu einem Brenngas-Strömungskanal in einem Separator geliefert, und das Oxidationsgas wird zu einem Oxidationsgas-Strömungskanal im anderen Separator geliefert, und die Brennstoffzelle 2 erzeugt aufgrund dieser Gaszufuhr elektrische Leistung.
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Das Oxidationsgas-Leitungssystem 30 weist einen Zufuhrkanal 17, in dem Oxidationsgas strömt, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, und einen Ausfuhrkanal 12 auf, in dem das aus der Brennstoffzelle 2 ausgeführte bzw. abgegebene Oxidationsabgas strömt. Ein Kompressor 14, der Oxidationsgas über einen Filter 13 einführt, und ein Befeuchter 15, der das Oxidationsgas befeuchtet, das vom Kompressor 14 unter Druck zugeführt wird, sind im Zufuhrkanal 17 vorgesehen. Das Oxidationsabgas, das durch den Ausfuhrkanal 12 strömt, durchströmt ein Gegendruck-Regelventil 16 und wird für einen Feuchtigkeitsaustausch in den Befeuchter 15 geführt, bevor es schließlich als Abgas aus dem System an die Umgebung abgegeben wird.
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Ein Brenngas-Verteilungssystem 40 weist auf: einen Hochdruck-Wasserstofftank 1, der eine Brennstoff-Zufuhrquelle bildet (in der vorliegenden Beschreibung als „Hochdrucktank 1” bezeichnet), einen Zufuhrkanal 22, durch den Wasserstoffgas strömt, das vom Hochdrucktank 1 zur Brennstoffzelle 2 geliefert werden soll, einen Zirkulationskanal 23, der das Wasserstoffabgas (Brennstoffabgas), das aus der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird, zu einem Zusammenfluss- bzw. Einmündungspunkt A des Zufuhrkanals 22 zurückführt, eine Pumpe 24, um Wasserstoffabgas im Zirkulationskanal 23 unter Druck zum Zufuhrkanal 22 zu liefern, und einen Ausfuhrkanal 25, der vom Zirkulationskanal 23 abzweigt.
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Der Hochdrucktank 1 eignet sich beispielsweise als Brenngas-Zufuhrtank für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, und obwohl nicht eigens dargestellt, sind beispielsweise drei Hochdrucktanks 1 im hinteren Teil des Fahrzeugs installiert. Der Hochdrucktank 1 ist Bestandteil des Brennstoffzellensystems 100 und liefert über das Brenngas-Verteilungssystem 40 Brenngas zur Brennstoffzelle 2. Das im Hochdrucktank 1 gespeicherte Brenngas ist ein unter hohem Druck stehendes, entflammbares Gas, wie beispielsweise Wasserstoffgas oder verdichtetes Erdgas.
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Der in der vorliegenden Ausführungsform dargestellte Hochdrucktank 1 ist so aufgebaut, dass er in der Lage ist, Wasserstoffgas bei einem Druck von beispielsweise 35 MPa zu speichern. Wenn ein Hauptventil 26 des Hochdrucktanks 1 geöffnet wird, strömt Wasserstoffgas in den Zufuhrkanal 22 aus. Danach werden die Durchflussmenge und der Druck des Wasserstoffgases von einem Injektor 29 angepasst, wonach der Druck des Wasserstoffgases, beispielsweise durch ein nachgelagertes mechanisches Druckregelventil 27 oder ein anderes Druckentlastungsventil, auf etwa 200 kPa gesenkt wird und dann zur Brennstoffzelle 2 geliefert wird. Das Hauptventil 26 und der Injektor 29 sind Teil der Ventilanordnung 50, die von den gepunkteten Umrisslinien in 1 angezeigt wird, und die Ventilanordnung 50 ist mit dem Hochdrucktank 1 verbunden.
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Ein Sperrventil 28 ist stromaufwärts vom Einmündungspunkt A des Zufuhrkanals 22 vorgesehen. Das Wasserstoffgas-Zirkulationssystem ist so aufgebaut, dass ein Strömungskanal auf der dem Einmündungspunkt A des Zufuhrkanals 22 nachgelagerten Seite, ein Brenngas-Strömungskanal, der im Separator der Brennstoffzelle 2 ausgebildet ist, und ein Umwälzkanal 23 in Reihe verbunden sind. Durch angemessenes Öffnen eines Spülventils 33 im Ausfuhrkanal 25 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 werden Verunreinigungen im Wasserstoffabgas zusammen mit dem Wasserstoffabgas zu einem Wasserstoffverdünner (nicht dargestellt) abgegeben. Durch Öffnen des Spülventils 33 wird die Konzentration der Verunreinigungen im Wasserstoffabgas im Zirkulationskanal 23 verringert, und die Wasserstoffkonzentration im umgewälzten Wasserstoffabgas wird erhöht.
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Die Steuereinheit 70 besteht aus einem Mikrocomputer mit eingebauter CPU und eingebautem ROM und RAM. Durch Ausführen von vorgegebenen Berechnungen gemäß dem Steuerprogramm führt die CPU verschiedene Prozesse und Steuerverfahren aus, beispielsweise eine Steuerung der Strömungsrate bzw. Durchflussmenge im Injektor 28. Das ROM speichert ein Steuerprogramm und Steuerdaten, die von der CPU verarbeitet werden. Das RAM wird in erster Linie für verschiedene Arbeitsbereiche für Zwecke einer Steuerverarbeitung verwendet. Die Steuereinheit 70 empfängt Erfassungssignale von verschiedenen Drucksensoren und Temperatursensoren, die in den Gassystemen (30, 40) und einem Kühlsystem (nicht dargestellt) verwendet werden, und gibt Steuersignale an die verschiedenen Komponenten aus.
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Nun wird der Aufbau des Hochdrucktanks 1 beschrieben.
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2 ist eine Querschnittsdarstellung, die einen Hauptabschnitt eines Hochdrucktanks 1 zeigt. Der Hochdrucktank 1 weist einen runden, zylindrischen Tankhauptkörper 10, dessen beide Enden eine im Wesentlichen halbkugelige Form aufweisen, und ein Mündungsstück 11 auf, das in Längsrichtung gesehen an einem Endabschnitt des Tankhauptkörpers 10 befestigt ist.
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Der Tankhauptkörper 10 weist eine Zweischicht-Wandstruktur auf, die beispielsweise eine Auskleidung 20, bei der es sich um eine innere Wandschicht handelt, und auf ihrer Außenseite beispielsweise eine CFRP-Schicht 21 aufweist, die eine Harzfaserschicht (Verstärkungsschicht) bildet, bei der es sich um eine äußere Wandschicht handelt.
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Die Auskleidung 20 ist im Wesentlichen in der gleichen Form ausgebildet wie der Tankhauptkörper 10. Die Auskleidung 20 ist beispielsweise aus einem Polyethylenharz, einem Polypropylenharz oder einem anderen harten Harz gebildet (die Auskleidung wird nachstehend auch als „Harzauskleidung 20” bezeichnet).
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Ein umgelegter Abschnitt 30, der zur Innenseite hin gebogen ist, ist da an der Vorderendseite der Harzauskleidung 20 ausgebildet, wo das Mündungsstück 11 vorgesehen ist. Der umgelegte Abschnitt 30 ist so zur Innenseite des Tankhauptkörpers 10 umgelegt, dass er von der CFRP-Schicht 21 an der Außenseite getrennt ist. Der umgelegte Abschnitt 30 weist beispielsweise einen Durchmesser-Reduzierungsabschnitt 30a, in dem der Durchmesser zum vorderen Ende der umgelegten Form hin allmählich abnimmt, und einen runden, zylindrischen Abschnitt 30b mit einem gleichmäßigen Durchmesser auf, der mit dem vorderen Ende des Durchmesser-Reduzierungsabschnitts 30a verbunden ist. Dieser runde, zylindrische Abschnitt 30b bildet einen Öffnungsabschnitt in der Harzauskleidung 20.
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Das Mündungsstück 11 weist eine im Wesentlichen runde, zylindrische Form auf und ist in die Öffnung der Harzauskleidung 20 eingeführt. Das Mündungsstück 11 besteht beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und wird durch Druckgießen oder dergleichen mit einer vorgegebenen Form ausgebildet. Das Mündungsstück 11 ist beispielsweise durch ein Einsatzformverfahren in der Harzauskleidung 20 installiert.
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Das Mündungsstück 11 enthält einen Kragenabschnitt 11a, der beispielsweise an der Vorderendseite (der in der axialen Richtung außen liegenden Seite des Hochdrucktanks 1) ausgebildet ist, und an der hinteren Seite des Kragenabschnitts 11a (der in der axialen Richtung des Hochdrucktanks 1 innen liegenden Seite) einen ringförmigen Ausnehmungsabschnitt 11b, der entlang der Achse des Hochdrucktanks 1 ausgebildet ist. Der Ausnehmungsabschnitt 11b weist eine gekrümmte Form auf, die zur Achsenseite hin vorsteht. Der angrenzende vordere Endabschnitt der CFRP-Schicht 21, der eine ähnliche gekrümmte Form aufweist, steht in engem Kontakt mit dem Ausnehmungsabschnitt 11b.
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Eine feste Schmierstoffbeschichtung C, beispielsweise aus Fluorharz, ist an der Oberfläche des Ausnehmungsabschnitts 11b vorgesehen, die beispielsweise mit der CFRP-Schicht 21 in Kontakt kommt. Dadurch ist der Reibungskoeffizient zwischen der CFRP-Schicht 21 und dem Ausnehmungsabschnitt 11b verringert.
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Die weiter hinten liegende Seite des Ausnehmungsabschnitts 11b des Mündungsstücks 11 ist so ausgebildet, dass sie der Form des umgelegten Abschnitts 30 der Harzauskleidung 20 entspricht, wobei beispielsweise ein vorstehender Abschnitt 11c mit großem Durchmesser anschließend an den Aussparungsabschnitt 11b ausgebildet ist, und ein runder, zylindrischer Mündungsabschnitt 11d mit gleichmäßigem Durchmesser hinter dem vorstehenden Abschnitt 11c ausgebildet ist. Der den Durchmesser reduzierende Abschnitt 30a des umgelegten Abschnitts 30 der Harzauskleidung 20 kommt in engen Kontakt mit dem vorstehenden Abschnitt 11c, und der runde, zylindrische Abschnitt 30b kommt in engen Kontakt mit der Oberfläche des runden, zylindrischen Mündungsabschnitts 11d. Dichtungselemente 40 und 41 sind zwischen dem runden, zylindrischen Abschnitt 30b und dem runden, zylindrischen Mündungsabschnitt 11d angeordnet.
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Die Ventilanordnung 50 steuert die Zufuhr und die Abgabe bzw. Ausfuhr des Brenngases zwischen der äußeren Gaszuleitung (dem Zufuhrkanal 22) und dem Inneren des Hochdrucktanks 1. Dichtungselemente 60 und 61 sind zwischen der Außenumfangsfläche der Ventilanordnung 50 und der Innenumfangsfläche des Mündungsstücks 11 angeordnet.
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Die CFRP-Schicht 21 wird durch Wickeln von Verstärkungsfasern, die mit Harz imprägniert sind, um die Außenumfangsfläche der Harzauskleidung 20 und den Ausnehmungsabschnitt 11b des Mündungsstücks 11, beispielsweise anhand eines Faserwickel-(FW-)Formverfahrens, und durch Härten des Harzes ausgebildet. Epoxidharz, modifiziertes Epoxidharz, ungesättigtes Polyesterharz oder dergleichen wird für das Harz der CFRP-Schicht 21 verwendet. Ferner können beispielsweise Kohlefasern oder Metallfasern als Verstärkungsfasern verwendet werden.
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Nachfolgend wird eine Befestigungsstruktur des Mündungsstücks 11 und der Ventilanordnung 50 im Hochdrucktank 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben (siehe 3 und 4 usw.). In 4, 5 usw. ist das Mündungsstück 11 in vereinfachter Form dargestellt, und daher unterscheiden sich die äußere Form und die Details vom Mündungsstück 11 in 2, dies ist aber kein Hindernis für die Anwendung der vorliegenden Ausführungsform.
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Das Mündungsstück 11 in dieser Befestigungsstruktur weist einen Mündungsstückgewindeabschnitt 42 auf, der auf solche Weise ausgebildet ist, dass sein Innendurchmesser auf der in axialer Richtung außen liegenden Seite des Tanks größer ist als auf der innen liegenden Seite. Beispielsweise ist der Müdungsstückgewindeabschnitt 42 im Fall der vorliegenden Ausführungsform als sogenannte Zweistufenstruktur ausgebildet, bei der ein Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t auf der in der axialen Richtung außen liegenden Seite des Tanks ausgebildet ist, und ein Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p auf der in der axialen Richtung des Tanks innen liegenden Seite ausgebildet ist. Ein Ventilgewindeabschnitt 51 (51t) des Testventils 50t für die Durchführung eines Bewertungstests des Hochdrucktanks 1 kann mit dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t verschraubt werden. Ferner kann der Ventilgewindeabschnitt 51 (51p) des Produktventils 50p zumindest mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p (siehe 5 und 6) verschraubt werden. In 4 und anderen Zeichnungen sind der Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t und der Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p von Einzelpunkt-Strich-Rahmen umgeben (siehe 4 usw.).
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Ferner ist ein Absatz 52, der durch den Unterschied zwischen den Innendurchmessern der Mündungsstückgewindeabschnitte 42p und 42t entsteht, in der Öffnung 11h des Mündungsstücks 11 des Hochdrucktanks 1 ausgebildet (siehe 4 usw.). Dieser Absatz 52 hat den Vorteil, dass er während der Installation des Ventils eine Wahrnehmung und Feststellung, wie weit die jeweiligen Bereiche des Test-Mündungsstückgewindeabschnitts 42t und des Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitts 42p im Mündungsstückgewindeabschnitt 4 (die Bereiche, die als Gewindeabschnitte verwendet werden) gehen, leicht macht.
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Ferner werden in der vorliegenden Ausführungsform zwei Arten von Ventilen mit zueinander verschieden angeordneten Ventilgewindeabschnitten, und zwar ein Testventil 50t und ein Produktventil 50p, als Ventilanordnung 50 verwendet, die am Mündungsstück 11 installiert wird. Am Testventil 50t ist ein Testventilgewindeabschnitt 51 (51 t) ausgebildet, der nur mit dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t des Mündungsstücks 11 verschraubt werden kann (siehe 5), und es dichtet einen Hauptkörper 10 des Tanks ab, wenn es an den einzelnen Rahmen (dem Hochdrucktank 1) installiert ist, wodurch eine Situation geschaffen wird, in der ein Test zum Einstufen der Ausdehnungsmenge und der Gasdichtigkeit durchgeführt werden kann.
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Dagegen ist am Produktventil 50p ein Produktventilgewindeabschnitt 51 (51p) ausgebildet, der zumindest mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p des Mündungsstücks 11 verschraubt werden kann (siehe 6). Der Produktventilgewindeabschnitt 51p der vorliegenden Ausführungsform weist einen kleineren Durchmesser auf als der Testventilgewindeabschnitt 51t des Testventils 50t, so dass er mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p verschraubt werden kann (siehe 5 und 6).
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Es bestehen keine besonderen Beschränkungen in Bezug auf das Material des Testventils 50t und des Produktventils 50p, aber in der vorliegenden Ausführungsform bestehen die Ventile aus Edelstahl, der härter ist als das Aluminium, das als Material für das Mündungsstück 11 verwendet wird.
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Betrachtet man einen herkömmlichen Hochdrucktank, besteht hierbei das Problem, dass der Produktgewindeabschnitt auch für Bewertungstests genutzt werden muss (siehe 9). Daher können Situationen, wo wegen eines Abriebs von dem Mündungsstück Späne erzeugt werden, nur schwer vermieden werden, und es ist von großer Wichtigkeit, unter hohem Druck ein längeres Waschen des Tankinneren auszuführen. Ferner besteht dann, wenn ein Ventilgewindeabschnitt und ein Mündungsstückgewindeabschnitt miteinander verschraubt und festgezogen wurden, das Risiko, dass es zu Problemen aufgrund eines Festfressens kommt, wenn der Ventil-Gewindeabschnitt anschließend entfernt und ein Produktventil installiert wird.
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Falls es sich bei dem Hochdrucktank um einen Wasserstofftank handelt, der einen Brennstoff-Zufuhrtank in einem Brennstoffzellensystem 100 bildet, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, ist es außerdem so, dass die nutzbaren Materialien unter dem Gesichtspunkt einer Wasserstoffversprödung begrenzt sind. Anders ausgedrückt, im Fall eines Hochdruck-Wasserstofftanks 1, der beispielsweise mit Wasserstoffgas gefüllt ist, sind die metallischen Werkstoffe, die für das Mündungsstück 11 verwendet werden können, derzeit auf Edelstahl (SUS), Titan (Ti) und Aluminium (Al) beschränkt, um eine durch Wasserstoffgas bewirkte Versprödung zu vermeiden. Herkömmlicherweise bestehen das Mündungsstück 11 und die Ventilanordnung 50 häufig beide aus Edelstahl, aber unter dem Gesichtspunkt einer Verringerung des Gewichts des Hochdrucktanks 1, der eher schwer ist, wird Aluminium, bei dem es sich um das leichteste der in Frage kommenden Metalle handelt, als Werkstoff für das Mündungsstück verwendet. Obwohl dadurch das Gewicht verringert werden kann, werden während der Befestigung der Ventilanordnung Kratzer in den Kontaktflächen sowohl des Mündungsstücks als auch der Ventilanordnung erzeugt (zum Beispiel in den Gewindeabschnitten, die miteinander verschraubt werden, oder dergleichen), und in manchen Fällen können diese Elemente nicht erneut verwendet werden. Andererseits wird, um das Ventil für den Bewertungstest mehrmals verwenden zu können, ein Edelstahlmaterial, das härter ist als das Mündungsstück 11, für das Testventil verwendet. Daher muss ein längeres Waschen bei hohem Druck durchgeführt werden, damit Späne von dem Mündungsstück 11, die erzeugt werden, wenn das Edelstahl-Testventil verwendet wird, nicht im Hochdrucktank 1 zurückbleiben. Genauer sind mit der derzeitigen Technik die Erzeugung von Spänen und ein längeres Waschen des Tankinneren unter hohem Druck unvermeidlich.
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Dagegen können mit dem Hochdrucktank 1 der vorliegenden Ausführungsform Wirkungen und Vorteile wie die folgenden dadurch erhalten werden, dass das Mündungsstück 11 und die Ventilanordnung 50 (das Testventil 50t und das Produktventil 50p) die oben beschriebene Befestigungsstruktur aufweisen. Genauer gesagt wird, um einen Bewertungstest im Hinblick auf das Maß der Ausdehnung und die Gasdichtigkeit jedes einzelnen Rahmens (des Hochdrucktanks 1) durchführen zu können, ein Testventil 50t am Mündungsstück 11 installiert (siehe 5). In diesem Fall kann der Testventilgewindeabschnitt 51t des Testventils 50t nur mit dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t des Mündungsstücks 11 verschraubt werden. Daher wird der Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p des Mündungsstücks 11 in dem Bewertungstest nicht verwendet und erfährt keine Festigkeitsabnahme.
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Nach dem Bewertungstest wird das Testventil 50t vom Mündungsstück 11 entfernt, und statt dessen das Produktventil 50p installiert (siehe 6). Wie oben beschrieben, weist der Produktventilgewindeabschnitt 51p des Produktventils 50p einen kleineren Durchmesser auf als der Testventilgewindeabschnitt 51t des Testventils 50t und ist so ausgebildet, dass er mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p verschraubt werden kann. Daher kann, wenn das Produktventil 50p im Mündungsstück 11 installiert wird, der neue und bisher nicht benutzte Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p verwendet werden, der keinen Abrieb und keinen Verringerung seiner Festigkeit erfahren hat, wodurch die Erzeugung von Spänen und das Auftreten von Problemen aufgrund eines Festfressens vermieden werden kann, wenn die Komponenten miteinander verschraubt werden.
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Zusammenfassend wird in dem Hochdrucktank 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch Anwenden einer Zweistufenstruktur, in der unterschiedliche Gewindeabschnitte für die Durchführung eines Bewertungstests und für ein Produkt verwendet werden, die Erzeugung von Spänen aufgrund eines Abriebs beim Installieren des Produktventils 50p verhindert, und daher ist ein längeres Reinigen unter hohem Druck nicht nötig. Ferner wird durch Anwendung dieser Zusammenstellung auch die Festigkeit des Mündungsstücks 11, das aus leichtem Aluminiummaterial gefertigt ist, sichergestellt.
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Außerdem ist der Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t, der für die Durchführung von Bewertungstests verwendet wird, in axialer Richtung des Tanks weiter außen angeordnet als der Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p, anders ausgedrückt, zum offenen Ende der Öffnung 11h des Mündungsstücks 11 hin (siehe 5 usw.). Außerdem ist ein Absatz 52 zwischen dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p und dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t ausgebildet. Daher bringt diese Struktur den Vorteil, dass selbst dann, wenn beim Installieren des Testventils 50t im Mündungsstück 11 oder bei dessen Abnahme Späne erzeugt werden würden, diese Späne kaum in das Innere des Hochdrucktanks 1 gelangen können.
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Die oben beschriebene Ausführungsform ist ein vorteilhaftes Beispiel der vorliegenden Erfindung, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt und kann auf verschiedene Weise modifiziert werden, ohne vom Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist in den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen der Produktventilgewindeabschnitt 51p des Produktventils 50p so ausgebildet, dass er nur mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p des Mundstücks 11 verschraubt werden kann (siehe 6), aber vorteilhafterweise ist der Produktventilgewindeabschnitt 51p so ausgebildet, dass er auch mit dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t des Mündungsstücks 11 verschraubt werden kann. Mittels des Produktventilgewindeabschnitts 51p des Produktventils 50p, der sowohl mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p als auch dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t verschraubt werden kann, wird das Produktventil 50p zuverlässiger am Mündungsstück 11 befestigt. Zum Beispiel weist in der in 7 dargestellten Ausführungsform der Produktventilgewindeabschnitt 51p des Produktventils 50p eine zweistufige Struktur auf, und ein Abschnitt des Produktventilgewindeabschnitts 51p, der einen kleinen Durchmesser aufweist, kann mit dem Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p verschraubt werden, während zudem ein Abschnitt des Produktventilgewindeabschnitts 51p, der einen großen Durchmesser aufweist, mit dem Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t verschraubt werden kann (7). Ferner kann in diesem Fall der Produktventilgewindeabschnitt 51p des Produktventils 50p mit dem gesamten Bereich des Test-Mündungsstückgewindeabschnitts 42t verschraubt werden.
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Darüber hinaus gibt die oben beschriebene Ausführungsform als Beispiel einen gestuft ausgebildeten Mündungsstückgewindeabschnitt 42 an, der eine zweistufige Struktur aufweist, in der ein Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t auf der in der axialen Richtung des Tanks außen liegenden Seite ausgebildet ist und ein Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p auf der in der axialen Richtung des Tanks innen liegenden Seite ausgebildet ist (siehe 4 usw.), aber dies ist nur ein mögliches Beispiel der vorliegenden Erfindung. Abgesehen davon ist es auch möglich, die vorliegende Erfindung auf einen Fall anzuwenden, wo der Mündungsstückgewindeabschnitt 42 (und der Gewindeabschnitt der Ventilanordnung) beispielsweise eine konische Form statt einer gestuften Form aufweist (siehe 8). In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, den Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42 und den Testventilgewindeabschnitt 51t in einem Abschnitt auszubilden, der einen großen Durchmesser aufweist (in einem Abschnitt, der in der axialen Richtung des Tanks auf der äußeren Seite liegt), und den Produkt-Mündungsgewindeabschnitt 42p und den Produktventilgewindeabschnitt 51p in einem Abschnitt auszubilden, der einen kleinen Durchmesser aufweist (einem Abschnitt auf der in der axialen Richtungen inneren Seite des Tanks). Durch eine derartige Einteilung des Gewindeabschnitts, der zum Testen und für das Produkt verwendet wird, kann bei einer Installation des Produktventils 50p am Mündungsstück 11 der Produktventilgewindeabschnitt 51p mit einem Produkt-Mündungsgewindeabschnitt 42p verschraubt werden, der noch nicht benutzt wurde. Die hier beschriebene Zusammenstellung ist ein weiteres Beispiel, aber generell kann, wenn der Mündungsstückgewindeabschnitt 42 derart ausgebildet ist, dass sein Durchmesser auf der in der axialen Richtung des Tanks außen liegenden Seite größer ist als auf der innen liegenden Seite (zur Mitte hin), und falls ein Ventilgewindeabschnitt ausgebildet ist (im Falle der vorliegenden Ausführungsform der Testventilgewindeabschnitt 51t oder der Produktventilgewindeabschnitt 51p), der einem Abschnitt des Mündungsstückgewindeabschnitts 42 entspricht (im Falle der vorliegenden Ausführungsform dem Produkt-Mündungsgewindeabschnitt 42t oder dem Produkt-Mündungsgewindeabschnitt 42p), die Herabsetzung der Festigkeit des Gewindeabschnitts vor Installieren des Produktventils 50p am Mündungsstück 11 verhindert werden. Natürlich kann ähnlich wie im oben beschriebenen Fall die Befestigungskraft dadurch weiter erhöht werden, dass der Produktventil-Mündungsstückabschnitt 51p des Produktventils 50p so ausgebildet wird, dass er auch in den Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t des Mündungsstücks geschraubt werden kann, ähnlich wie im oben beschriebenen Fall.
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Ferner ist in der oben beschriebenen Ausführungsform ein Mündungsstückgewindeabschnitt 42 beschrieben, in dem ein Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t auf der in der axialen Richtung des Tanks außen liegenden Seite (zum offenen Ende hin) ausgebildet ist, und ein Produkt-Mündungsstückabschnitt 42p auf der in der axialen Richtung des Tanks innen liegenden Seite (zur Mitte hin) ausgebildet ist, aber es ist genauso möglich, eine umgekehrte Zusammenstellung zu verwenden, bei der der Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t auf der in der axialen Richtung des Tanks innen liegenden Seite ausgebildet ist, und der Produkt-Mündungsstückgewindeabschnitt 42p auf der in der axialen Richtung des Tanks außen liegenden Seite ausgebildet ist. Auch in einem solchen Fall kann die Abnahme der Festigkeit des Gewindeabschnitts vor dem Installieren des Produktventils 50p am Mündungsstück 11 verhindert werden. Um zu vermeiden, dass Späne, die während der Installation und der Entfernung des Testventils 50t am Mündungsstück 11 erzeugt werden, in den Hochdrucktank 1 gelangen, ist es generell vorteilhaft, den Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t auf der in der axialen Richtung des Tanks außen liegenden Seite auszubilden. Falls der Test-Mündungsstückgetriebeabschnitt 42t auf der in der axialen Richtung des Tanks außen liegenden Seite ausgebildet wird, wird der Gewindeabschnitt nacheinander von der außen liegenden Seite zur innen liegenden Seite auf solche Weise benutzt, dass zuerst der Gewindeabschnitt auf der in der axialen Richtung des Tanks außen liegenden Seite (der Test-Mündungsstückgewindeabschnitt 42t) für die Durchführung eines Bewertungstests verwendet wird, und anschließend der Gewindeabschnitt auf der in der axialen Richtung innen liegenden Seite (der Produkt-Mündungsgewindeabschnitt 42p) verwendet wird, und daher kann besser verhindert werden, dass Späne in das Innere des Hochdrucktanks 1 gelangen.
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Darüber hinaus ist in den bisher beschriebenen Ausführungsformen der Hochdrucktank 1 ein Wasserstofftank, der eine Brennstoffquellen-Zufuhrquelle in einem Brennstoffzellensystem 100 bildet, aber dies ist lediglich eine geeignete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und es ist auch möglich, die vorliegende Erfindung auf einen Tank anzuwenden, der statt mit Wasserstoff mit einem anderen Gas oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt ist.
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Um eine hohe Befestigungskraft zu erhalten, wenn das Ventil (50t, 50p) am Mündungsstück 11 befestigt wird, weist vorzugsweise jeder der Gewindeabschnitte 42t, 42p, 51t, 51p) einen großen Durchmesser auf. Wenn auf diese Weise durch Vergrößern des Durchmessers der Gewindeabschnitte auf einfachere Weise eine hohe Befestigungskraft erhalten werden kann, wird die Länge der Gewindeabschnitte des Tanks in der axialen Richtung verkleinert, und die Größe des Mündungsstücks 112 und der Ventile 50g und 50p kann daher verkleinert werden. Falls jedoch der Durchmesser der Öffnung 11h des Mündungsstücks 11 zu groß ist, kann es leichter passieren, dass Späne eindringen, und die Verringerung der Festigkeit des tatsächlichen Mündungsstücks kann eintreten. Daher ist es vorteilhaft, dafür die richtige Balance zu finden.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich für die Anwendung auf verschiedene Tanktypen mit einer Ventilbefestigungsstruktur, wie Hochdrucktanks oder dergleichen, die mit Wasserstoffgas oder dergleichen gefüllt sind.