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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher mit einem Paar
von Sammlertanks, die über
ausreichende Festigkeit verfügen,
derart, dass sie selbst einem Hochdruckmedium standhalten.
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2. Beschreibung
einer anderen Bauform
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Die
Restriktionen für
Abgas, das aus großen Lastkraftwagen
austritt, nehmen jedes Jahr mehr und mehr zu. Gleichzeitig haben
die Aufladedrücke
und die Temperatur des Zwischenkühlers
großer
Lastkraftwagen, wie in 9 gezeigt,
beachtlich zugenommen. Als Wärmeaustauscher
dieses Zwischenkühlers
ist ein in Vertikalrichtung langer Sammlertank 11 mit einem
Rechteckquerschnitt, wie in 10 gezeigt,
bekannt. Mit der Zunahme im Aufladedruck jedoch wird dieser Sammlertank 11 in
zunehmendem Maße
verformt und kann unter übermäßig großer Last,
die auf die Wurzeln oder Fußteile
der Rohre ausgeübt
wird, brechen. Ein Beispiel dieses Sammlertanks ist beschrieben
in der nicht geprüften
Japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 9-196594.
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ZUSAMMENFASSENDE
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist Ziel der vorliegenden Erfindung das vorbeschriebene Problem
zu lösen
und einen Wärmeaustauscher
mit einem Sammlertank zur Verfügung
zu stellen, der in der Lage ist, ausreichend einem gesteigerten
Aufladedruck standzuhalten.
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Zur
Lösung
des oben genannten Problems ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung
ein Wärmeaustauscher
vorgesehen, der ein Mittel verwendet, bei dem ein Außenteil
eines Querschnitts des Sammlertanks sich im Wesentlichen senkrecht zu
dessen Längsrichtung
erstreckt, der sich von einer Verbindung zur anderen erstreckt,
wo das Rohr mit der Kernplatte einschließlich des Querschnitts des Tankkörpers verbunden
ist, in Gestalt einer Ellipse oder eines Polygons ähnlich einer
Ellipse, vor liegt, und wobei das Höhen/Breiten-Verhältnis (aspect
ratio) einer in den Außenteil
einbeschriebenen Ellipse zwischen 0,95 und 1,05 einschließlich liegt.
Mit diesem Wärmeaustauscher
kann die Spannungskonzentration an den Verbindungen zwischen der
Kernplatte und dem Rohr einerseits verhindert werden, und die Querschnittsgestalt
des hinsichtlich der Festigkeit durch die Rohre verstärkten Teils
ist nicht notwendigerweise begrenzt, wodurch Freiheit bei der Auslegung
gewonnen ist.
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Auch,
um das oben genannte Problem zu lösen, ist gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ein Wärmeaustauscher vorgesehen,
bei dem der Querschnitt des Sammlertanks im Wesentlichen senkrecht
zu einer Längsrichtung
des Sammlertanks in Gestalt einer Ellipse oder eines Polygons ähnlich einer
Ellipse vorliegt, und das Höhen/Breiten-Verhältnis einer
in den Sammlertank einbeschriebenen Ellipse zwischen 0,95 und 1,05
einschließlich
liegt.
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Bei
diesem Wärmeaustauscher
ist ein Sammlertank vorgesehen, bei dem die Spannungskonzentration
an der Verbindung zwischen der Kernplatte und den Rohren verhindert
werden kann und der darum ausreichende Festigkeit hat, um einem
gesteigerten Aufladungsdruck standzuhalten.
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Zur
Lösung
des vorgenannten Problems ist nach noch einem weiteren Aspekt der
Erfindung ein Wärmeaustauscher
vorgesehen, bei dem gerade Teile, die je eine Randverbindung bilden,
an der Verbindung zwischen Kernplatte und Tankkörper ausgebildet sind. Daher
wird ein verlässlicherer
Sammlertank geschaffen, bei dem der Verbindungsbereich zwischen
Kernplatte und Tankkörper
positiv gesichert werden kann.
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Um
das vorgenannten Problem zu lösen,
ist nach noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Wärmeaustauscher
vorgesehen, bei dem eine Kappe mit den Öffnungen an den Enden des zylindrischen
Sammlertanks gekuppelt ist. Wenn die Kernplatte und der Tankkörper miteinander
gekuppelt sind, kann eine Lehre von den Öffnungen aus eingeführt werden,
und Druck kann sowohl innerhalb wie außerhalb des Sammlertanks angelegt
werden, wodurch eine positive Kupplung oder Zwangskupplung geschaffen
ist.
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Die
in Klammern nach dem Namen jedes oben beschriebenen Mittels eingesetzte
Zahl gibt ein Beispiel, das mit einem spezifischen in den nachstehenden
Ausführungsformen
beschriebenen Mittel korrespondiert.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun vollständiger verständlich aus
der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung,
wie unten anhand der beiliegenden Zeichnungen dargelegt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Frontansicht, die schematisch einen Wärmeaustauscher gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Schnitt längs
der Linie A-A in 1.
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3 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem sogenannten Höhen/Breiten-Verhältnis (aspect
ratio), der einbeschriebenen Ellipse des Sammlertanks und der auf
die Rohrwurzel (tube root) ausgeübten
Beanspruchung zeigt.
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4A ist
ein Schnitt durch einen Sammlertank mit einem Tankkörper von
halbkreisförmigem Querschnitt
und einer Kernplatte oder Bodenplatte mit einem Querschnitt, der äquivalent
der Hälfte
eines Oktagons ist, wobei die geraden Teile des Tankkörpers sich
jeweils außerhalb
der geraden Teile der Kernplatte befinden.
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4B ist
ein Schnitt und zeigt einen Sammlertank mit einem Tankkörper von
halbkreisförmigem Querschnitt
und einer Kernplatte mit einem Querschnitt äquivalent der Hälfte eines
Oktagons, wobei die geraden Teile des Tankkörpers jeweils innerhalb der
geraden Teile der Kernplatte sich befinden.
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4C ist
ein Schnitt und zeigt einen Sammlertank mit einem Tankkörper von
halbkreisförmigem Querschnitt
und einer Kernplatte von einem Querschnitt äquivalent der Hälfte eines
Oktagons, wobei die geraden Teile sowohl des Tankkörpers wie
der Sammlerplatte sich radial nach außen erstrecken.
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5 ist
ein Schnitt durch einen Sammlertank mit einem oktogonalen Querschnitt.
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6 ist
ein Schnitt und zeigt die Gestalt eines Sammlertanks auf der Seite,
die näher
dem Rohr als der Rohrwurzel ist.
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7 ist
eine perspektivische Darstellung und zeigt einen Sammlertank, der
an jedem seiner Enden eine mit einer Kappe abgedeckte Öffnung hat.
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8A ist
eine perspektivische Darstellung und zeigt einen Sammlertank mit
einem pseudo-kreisförmigen äußeren Umfangsteil
und einem äußeren Umfangsteil,
der im Höhen/Breiten-Verhältnis größer ist.
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8B ist
ein Schnitt und zeigt einen pseudo-kreisförmigen äußeren Umfangsteil eines Sammlertanks,
der auch über
einen Umfangsteil der hinsichtlich des Höhen/Breiten-Verhältnisses
größer ist, verfügt.
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8C ist
ein Schnitt und zeigt einen äußeren Umfangsteil,
der im Höhen/Breiten-Verhältnis größer ist,
und zwar eines Sammlertanks, der auch über einen pseudo-kreisförmigen Umfangsteil
verfügt.
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9 ist
ein Diagramm, das jüngste
Entwicklungen der Steigerungen von Aufladungsdruck und Temperatur
von Zwischenkühlern
für große Lastwagen
zeigt.
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10 ist
ein Schnitt und zeigt einen vertikal langen rechtwinkeligen üblichen
Sammlertank.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen
der Erfindung sollen nun nachstehend mit Bezug auf die 1 bis 8C erläutert werden.
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Die 1 bis 6 sind
schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In 1 ist
mit 20 ein Wärmeaustauscher
bezeichnet. Der Wärmeaustauscher 20 umfasst
eine Vielzahl von Rohren 23 mit einem Paar von Sammlertanks 21,
die an deren Enden daneben angeordnet sind.
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Die
Sammlertanks 21, hergestellt aus Kupfer, Eisen oder rostfreiem
Stahl hoher Festigkeit bei hohen Temperaturen und so ausgelegt,
dass sie aus einem dünnen
Metallblech gearbeitet sein können, verfügen je über eine
Kernplatte 27, die mit jedem Rohr 23 an der Rohrwurzel 25 (tube
root), wie in 2 gezeigt, gekuppelt ist. Jede
Kernplatte oder jeder Rohrboden 27 verfügt über einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt
und ist mit einem geraden Teil 29 an jedem Ende hiervon
als ein Löt- oder
Schweißrand
ausgeführt.
Der Rohrboden 27 ist auch mit einem Tankkörper 31 von
im Wesentlichen halbkreisförmigem
Querschnitt versehen. Der Tankkörper 31 verfügt auch über gerade
Teile 33 als Verbindungen mit dem Rohrboden 27.
Der Rohrboden 27 und der Tankkörper 31 werden mit
den geraden Teilen 29, 33 zusammengebaut und werden
durch Löten
und Schweißen
jeweils gekuppelt. Die so zusammengesetzten Sammlertanks 21 sind
derart geformt, dass deren Querschnitt in Kontakt mit einer Ellipse
steht.
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Die
in den Querschnitt jedes Sammlertanks 21 einbeschriebene
Ellipse 35 wird genauer erläutert. Von der einbeschriebenen
Ellipse 35 nimmt man an, dass sie in Kontakt mit einem
gewöhnlichen
Querschnitt des Sammlertanks steht, der nicht mit einem Rohr oder
einer Konsole oder Pratze verbunden ist.
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Es
sei angenommen, der Schnitt zwischen der Mittellinie E längs der
Mittellinie des Rohres 23 des Sammlertanks 21 und
der Innenwandfläche
des Tankkörpers 31 ist
mit A, der Schnittpunkt zwischen der Mittellinie E und der Kernplatte 27 als
B und der Mittelpunkt des Liniensegments AB als 0 bezeichnet. Auch
sei angenommen, dass die Schnittpunkte zwischen der Mittellinie
F, die durch den Punkt O in Richtung senkrecht zur Mittellinie E
und der Innenwandfläche
des Sammlertanks 21 geht, als C bzw. D bezeichnet werden.
Mit ihrem Mittelpunkt bei 0 und einem der Liniensegmente AB = a
und dem Liniensegment CD = b als lange Achse und dem anderen als kurze
Achse wird eine einbeschriebene Ellipse 35 gebildet.
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Das
Verhältnis
a/b zwischen den langen und kurzen Achsen der einbeschriebenen Ellipse 35 liegt bevorzugt
zwischen 0,95 und 1,05 eingeschlossen. Der Grund für dies soll
anhand der graphischen Darstellung der 3 klargemacht
werden. Die Abszisse stellt das Höhen/Breiten-Verhältnis a/b
der einbeschriebenen Ellipse dar, und die Ordinate die maximale
auf die Rohrwurzel ausgeübte
Beanspruchung, unter der Annahme, dass das Höhen/Breiten-Verhältnis (aspect
ratio) gleich 100 ist, wenn das Höhen/Breiten-Verhältnis a/b
= 1 ist. Die graphische Darstellung lässt erkennen, dass die maximale
auf die Rohrwurzel ausgeübte
Beanspruchung für
ein Höhen/Breiten-Verhältnis a/b
von nicht mehr als 0,95 oder nicht weniger als 1,05 zunimmt. Im
Ergebnis muss die Plattendicke erhöht werden, die Bearbeitung
wird schwierig, was zu höheren
Kosten führt. Somit
sollte das Höhen/Breiten-Verhältnis a/b
wünschenswert
zwischen 0,95 und 1,05, einschließlich liegen.
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Wie
oben erwähnt,
haben die Sammlertanks 21 des oben beschriebenen Wärmeaustauschers
einen im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt mit einem Höhen/Breiten-Verhältnis a/b
zwischen 0,95 und 1,05 inklusive, daher kann eine Beanspruchungskonzentration
auf der Rohrwurzel verhindert werden. Auch im Hinblick auf die Tatsache,
dass die Kernplatte 27 und der Tankkörper 31 mit den geraden Teilen 29, 33 jeweils
ausgestattet sind, welche verlötet
oder verschweißt
werden, wird ausreichend Kupplungsfestigkeit erhalten. Selbst bei
einem Hochdruckmedium daher kann ausreichende Festigkeit sichergestellt
werden, ohne die Dicke zu erhöhen,
wodurch eine Gewichtszunahme und ein Anstieg in den Kosten unterdrückt werden
können.
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Für den Fall,
dass die einbeschriebene Ellipse 35 mit einem im Wesentlichen
kreisförmigen Querschnitt
vom Verhältnis
a/b zwischen den langen und kurzen Achsen von nicht weniger als
0,95 und nicht mehr als 1,05 versehen ist, wird die Dicke des Wärmeaustauschers
zunehmen, was manchmal ungünstige
Betrachtungen der Störung
bezüglich
des Kühlers
bei der Montage auf dem Fahrzeug erfordert. Ein vertikal langer
Querschnitt jedoch würde
eine erhebliche Steigerung in der Dicke bedeuten, um die Festigkeit
aufrecht zu erhalten, was zu einem gesteigerten Gewicht führt. Daher
kann ein im Wesentlichen kreisförmiger
Querschnitt vorteilhaft sowohl die Dicke wie das Gewicht bei niedrigeren
Kosten reduzieren.
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Die 4A bis 4C sowie 5 sind Darstellungen
anderer Beispiele der ersten Ausführungsform.
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Hierbei
zeigen die 4A bis 4C Querschnitte
eines Sammlertanks mit einem halbkreisförmigen Querschnitt des Tankkörpers und
einem halb-oktogonalen Querschnitt der Kernplatte. Die Ecken des
orthogonalen Querschnitts sind unter einem geglätteten Winkel verbunden. In
dem in 4A gezeigten Sammlertank sind
die geraden Teile 45 des Tankkörpers 43 gekuppelt
mit der Außenseite
der gerade Teile 49 der halb-oktogonalen Kernplatte 47. In
dem in 4B gezeigten Sammlertank 51 dagegen,
sind die geraden Teile 55 des Tankkörpers 53 gekuppelt
mit der Innenseite der geraden Teile 59 der halb-oktogonalen
Kernplatte 57. In dem in 4C gezeigten
Sammlertank sind die geraden Teile 65, 69 des
Tankkörpers 63 mit
halbkreisförmigem
Querschnitt, und die Kernplatte 67, die über einen
halb-oktogonalen Querschnitt verfügt, jeweils nach außen reichend
und deren Verlängerungen
sind miteinander gekuppelt.
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Der
in 5 gezeigte Sammlertank liegt in Form eines Oktagons
mit einem Tankkörper
und einer Kernplatte vor, in welcher die geraden Teile 75 des
Tankkörpers 73 mit
der Innenseite der geraden Teile 79 der Kernplatte 77 gekuppelt
sind.
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Die
in den 4A, 4B, 4C, 5 gezeigten
Sammlertanks verfügen über einen
Querschnitt in Form eines Polygons ähnlich der Ellipse oder einer
Kombination einer Ellipse und eines Polygons ähnlich einer Ellipse. Das Polygon
jedoch ist wünschenswert
wenigstens ein Pentagon. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass
für den
Fall, dass das Polygon weniger als fünf Ecken hat, der Winkel zwischen
dem Rohr und der Kernplatte an der Rohrwurzel oder dem Rohrfuß einen
im Wesentlichen geraden Winkel, wie in 10 gezeigt,
annehmen kann, und zwar bei gesteigerter Überbeanspruchung am Fuß oder an
der Wurzel, abhängig
von der Umfangsposition des Polygons bezogen auf das Rohr. Auch würde eine
Anzahl von Ecken von weniger als fünf den Innenwinkel der Ecken
reduzieren und Spannung konzentrieren.
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Der
Teil des Sammlertanks mit einem Querschnitt in Gestalt eines Polygons ähnlich einer
Ellipse ist daher nicht notwendig auf ein Oktagon wie in den vorbeschriebenen
Ausführungsformen
begrenzt, sondern es kann sich um ein Pentagon, ein Hexagon, ein
Nonagon oder ein Dekagon handeln.
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Auch
steht der Querschnitt des Sammlertankteils näher dem Rohr als der Rohrfuß nicht
notwendigerweise in Kontakt mit dem einbeschriebenen Kreis. Insbesondere,
wie in 6 zu sehen, steht der Teil des Sammlertanks 91,
der näher
dem Rohr als die Rohrwurzeln A, B ist, nicht notwendigerweise in Kontakt
mit der einbeschriebenen Ellipse 35 vor, wie die Kernplatte 57 des
Sammlertanks der 4B, vielmehr können die
Rohrwurzeln A und B miteinander in einem Bereich innerhalb des einbeschriebenen Kreises 35,
wie bei der in 6 gezeigten Kernplatte, verbunden
wer den. Dies aufgrund der Tatsache, dass der Teil zwischen den Rohrwurzeln
A und B durch das Rohr 23 verstärkt ist und über ausreichende
Festigkeit verfügt,
ohne in Kontakt mit dem einbeschriebenen Kreis 35 zu stehen.
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7 ist
eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit
einem Aufbau, bei dem eine Öffnung 81 am
Ende des Sammlertanks 51 ausgebildet und durch eine Kappe 83 verschlossen ist.
Hierdurch lassen sich der Tankkörper 73 und
die Kernplatte 57 miteinander kuppeln, indem eine Lehre aus
der Öffnung 81 eingeführt wird
und eng durch Pressen die geraden Teile 55, 59 gegeneinander
innen und außen
befestigt werden.
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Im
Allgemeinen können
Aluminiummaterialien miteinander trotz eines geringen Spiels verschweißt werden,
das zwischen ihnen herrschen kann. Dagegen ist im Falle eines Spiels
an der Schweißzone
von Messing oder rostfreiem Stahl das Schweißen bekanntlich schwierig,
da Zink in der Struktur der vorgenannten vorhanden ist, und aufgrund
des Oxidfilms, wie er auf der Oberfläche der letztgenannten gebildet
wird.
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Im
Sammlertank 51 mit der Kappe 83 gemäß dieser
Ausführungsform
kann die Schweißzone
eng befestigt werden, indem eine Lehre eingeführt wird, selbst wenn Messing
oder rostfreier Stahl geschweißt
wird, was zu einem hochverlässlichen Schweißgut führt.
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8A zeigt
einen Sammlertank 101 gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung. Der Sammlertank 101 umfasst eine ähnliche
Kernplatte 57 wie die in 4B gezeigte,
und der Tankkörper 103 ist
fest auf dem Kerntank (core tank) 57 verschweißt. Der
Tankkörper 103 verfügt über erste
Außenumfangsteile 153 des
Tanks mit pseudo-kreisförmigem
Querschnitt (Höhen/Breiten-Verhältnis 1,95 bis
1,05) (aspect ratio), wie in 8B gezeigt,
und über
zweite Außenumfangsteile 105 des
Tanks mit einem größeren Höhen/Breiten-Verhältnis (beispielsweise
1,2) als der Außenumfangsteil 153 des
ersten Tanks, wie in 8C gezeigt. Die ersten Tankau ßenumfangsteile 153 und
die zweiten Tankaußenumfangsteile 105 wechseln
einander ab und bilden hierdurch den Tankkörper 103.
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Da
der Tankkörper 103 des
Sammlertanks 101 über
erste Tankaußenumfangsteile 153 mit pseudo-kreisförmigem Querschnitt
(Höhen/Breiten-Verhältnis 1,95
bis 1,05) verfügt
und über
zweite Außenumfangsteile 105 verfügt, die
ein größeres Höhen/Breiten-Verhältnis (1,2
beispielsweise) als die ersten Tankaußenumfangsteile 153,
wie oben beschrieben, haben, wird die Festigkeit des Tanks als Ganzes
verbessert und dessen Verformung unterdrückt, wodurch Spannungen an
der Wurzel reduziert werden.
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Die
Formen der ersten Außenumfangsteile 153 des
Tanks und der zweiten Außenumfangsteile 105 des
Tanks sind anwendbar auf den gemeinsamen Teil außer dann, wenn ein Rohr, eine
Lagerungspratze etc. angeordnet sind. Auch ist das Höhen/Breiten-Verhältnis der
Form der zweiten Außenumfangsteile 105 des
Tanks hierauf nicht begrenzt auf und kann jeden anderen Wert außer 1,2
annehmen.
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Die
Erfindung wurde nur mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen,
die zum Zwecke der Erläuterung
gewählt
wurden, beschrieben; zahlreiche Modifikationen können aber offenbar durch den Fachmann,
ohne vom Grundkonzept und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen,
vorgenommen werden.