DE3324214A1

DE3324214A1 - Temperaturkompensierte gasfeder

Info

Publication number: DE3324214A1
Application number: DE19833324214
Authority: DE
Inventors: Richard C. 15215 Pittsburgh Pa. Smith
Original assignee: Gas Spring Corp
Current assignee: ZF North American Inc
Priority date: 1982-08-30
Filing date: 1983-07-05
Publication date: 1984-03-01
Also published as: US4416749A; DE3324214C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft Gasfedern; sie bezieht sich insbesondere auf Gasfedern, die derart automatisch kompensieren, daß sie über einen weiten Temperaturbereich gleichmäßig arbeiten.
Die Federn, die zum Abstützen von Auto-Kofferraumdeckeln, Motorhauben und dergleichen, insbesondere des als Heckklappe ausgebildeten Kofferraumdeckels, dienen, sind oft vom Gasfedertyp. Eine Gasfeder umfaßt in der Hauptsache einen geschlossenen Zylinder, der ein unter hohem Druck stehendes Gas enthält und von dessen einem Ende eine Kolbenstange wegragt. In einem typischen Beispiel wird Stickstoffgas unter einem Druck von annähernd 69 bar (1000 psi) im Zylinder verwendet. Die Federkraft stammt von dem Druck des Gases, der auf eine Querschnittsfläche gleich derjenigen der Stange in dem Zylinder wirkt und die Stange nach außen drückt. Wenn die Stange in den Zylinder hineingeschoben wird, etwa wenn die Heckklappe geschlossen wird, verdrängt die Stange ein bestimmtes Volumen in dem Zylinder, das vorher vom Gas eingenommen worden war. Da das Gesamtvolumen im Zylinder unverändert bleibt, nimmt das restliche, dem Gas zur Verfügung stehende Volumen ab, wodurch sich der Druck des Gases erhöht. Folglich nimmt die Kraft zum Bewegen der Stange nach außen zu. Bei herkömmlichen Gasfedern kann an der Stange im Inneren des Zylinders ein kolbenartiger Bauteil angefügt sein, der dazu dienen kann, die Bewegung der Stange zu dämpfen und den Bewegungsspielraum zu begrenzen. Da der Gasdruck normalerweise auf beiden Seiten des Kolbens gleich ist, erzeugt er, wenn überhaupt, nur eine kleine Kraft an der Stange.
Im Idealfall muß der Druck des Gases ausreichen, um die Kolbenstange aus dem Zylinder nach außen zu schieben und den Kofferraumdeckel oder dergleichen, der mit der Stange verbunden ist, anzuheben. Zudem muß der Gasdruck so niedrig sein, daß,wenn die Stange vollständig ausgefahren ist und der Kofferraumdeckel oder dergleichen angehoben ist, eine Person in der Lage ist, die Stange zum Schließen des Kofferraumdeckels leicht in den Zylinder zurückzuschieben. Aus der Verwendung eines einzigen Gases in einer Gasfeder erwächst ein Nachteil, weil nämlich der Druck jedes Gases in einem feststehenden Volumen von der Temperatur des Gases abhängt. Für ein ideales Gas, dem Stickstoff nahekommt, ist der Druck direkt proportional zur absoluten Temperatur des Gases. Diese Abhängigkeit kann beachtliche Probleme verursachen, wenn derartige Gasfedern in Kraftwagen verwendet werden, die Umgebungstemperaturen von unter -320C bis über 38"C ausgesetzt werden.
Wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, ist der Druck des Gases im Inneren des Zylinders niedrig, woraus eine ungenügende Kraft zum Vorschieben der Stange nach außen für das Anheben des Gewichts des Kofferraumdeckels resultiert. Wenn die Umgebungstemperatur hoch ist, ist der Gasdruck im Zylinder hoch, was eine große Kraft zur Folge hat, die die Stange aus dem Zylinder vorschiebt, und eine solche Situation kann dazu führen, daß der mit der Stange verbundene Kofferraumdeckel sehr rasch angehoben wird und der den Kofferraum öffnenden Person einen Schlag versetzt. Außerdem ist, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist, der Gasdruck im Zylinder hoch, wenn die Stange vollständig ausgefahren ist, was es schwierig macht, die Stange in den Zylinder zurückzuschieben, wenn der Kofferraumdeckel geschlossen werden soll.
Es sind bereits Stoßdämpfer bekannt, die Änderungen der Umgebungstemperatur automatisch kompensieren. Siehe hierzu beispielsweise US-PS 2 944 639; 3 107 752; 3 301 410; 3 971 551 und 3 944 197. Diese Einrichtungen sehen im allgemeinen eine eigene Kammer oder dergleichen in dem Stoßdämpfer vor, um bei Änderung der Umgebungstemperatur das sich ändernde Volumen des primären Dämpferfluids anzugleichen. Solche Einrichtungen sind für einen Temperaturausgleich in einer Gasfeder nicht geeignet, weil sie damit befaßt sind, das Fluidvolumen, nicht aber einen nach außen gerichteten Druck konstant zu halten.
Die Erfindung bezweckt, eine Gasfeder vorzusehen, bei der die Empfindlichkeit der Federkraft für Temperaturschwankungen auf ein annehmbares niedriges Maß reduziert ist.
Die erfindungsgemäße temperaturkompensierte Gasfeder weist ein geschlossenes Gehäuse auf, aus dessen Innenraum sich eine verschiebliche Stange durch ein Ende des Gehäuses nach außen erstreckt, sowie einen an der Stange in dem Gehäuse angebrachten Kolben. Eine Hauptdruckquelle, die in dem Gehäuse untergebracht ist,wirkt gegen den Kolben, um die Stange aus dem Gehäuse vorzufahren, und eine Hilfsdruckquelle, die sich ebenfalls in dem Gehäuse befindet,wirkt gegen den Kolben, um die Stange in das Gehäuse zurückzudrücken. Der Hauptdruck ist höher als der Hilfsdruck und die prozentuale Änderung des Hilfsdrucks mit der Temperatur ist größer als die prozentuale Änderung des Hauptdrucks mit der Temperatur.
Die Hauptdruckquelle ist vorzugsweise ein unter Druck stehendes prn.märes Gas, beispielsweise Stickstoffgas, dessen Druck sich im wesentlichen proportional mit der absoluten Temperatur ändert und das in dem Temperaturbe- reich, dem die Gasfeder ausgesetzt wird, in der Gasphase bleibt. Der angestrebte Temperaturbereich ist von -300C bis 800C.
Die Hilfsdruckquelle ist vorzugsweise der Dampfdruck eines Zweiphasensystems, in dem die flüssige Phase und die Dampfphase über den Temperaturbereich von -30-°C bis 80"C im Gleichgewicht sind. Ein derartiger Dampfdruck ändert sich annähernd exponentiell mit der absoluten Temperatur.
Geeignete Zweiphasensysteme sind Acetylen, Ethan, FREON-12, FREON-13, FREON-114, Propan, Propadien, Perfluorpropan, Dimethylether, n-Butan, Ammoniak, Bromwasserstoff und Jodwasserstoff. Die Hilfsdruckquelle kann auch ein Zweiphasensystem sein, in dem die flüssige und die Dampfphase über einen beträchtlichen Teil des Temperaturbereichs von -30°C bis 800C im Gleichgewicht bleiben, wie beispielsweise Schwefelhexafluorid.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das geschlossene Gehäuse ein zylindrisches Rohr auf mit einer geschlossenen Endwand am einen Ende und mit einer Endwand, die eine Öffnung für den Durchtritt der Stange hat, am anderen Ende. In dem Gehäuse ist koaxial ein inneres Rohr angebracht, das mit seinem einen Ende an der geschlossenen Endwand befestigt ist. In dem inneren Rohr ist der Kolben untergebracht, der das innere Rohr in ein erstes inneres Volumen zwischen dem Kolben und der geschlossenen Endwand und ein zweites inneres Volumen in dem übrigen inneren Rohr unterteilt. Zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr ist eine Trennwand angeordnet, um das Gehäusevolumen außerhalb des inneren Rohrs in ein erstes äußeres Volumen nächst der geschlossenen Endwand und ein zweites äußeres Volumen nächst der mit der Öffnung versehenen Endwand zu unterteilen. Eine erste Leitungsanordnung ermöglicht einen Fluidfluß zwischen dem ersten inneren Volumen und dem ersten äußeren Volumen und eine zweite Leitungsanordnung gestattet einen Fluidfluß zwischen dem zweiten inneren Volumen und dem zweiten äußeren Volumen Die Hauptdruckquelle ist in dem ersten inneren Volumen und dem ersten äußeren Volumen angeordnet und die Hilfsdruckquelle befindet sich in dem zweiten inneren Volumen und dem zweiten äußeren Volumen.
Die erste Leitungsanordnung besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren Löchern durch das innere Rohr jenseits der Reichweite des Kolbenhubs zur geschlossenen Endwand hin. In einer Ausführungsform ist das innere Rohr kürzer als das zylindrische Rohr und steht in Fluidflußverbindung mit dem zweiten äußeren Volumen, um so die zweite Leitungsanordnung zu formen. In einer zweiten Ausführungsform hat das innere Rohr die gleiche Länge wie das zylindrische Rohr und beide Enden sind an den Endwänden des Gehäuses festgemacht und die zweite Leitungsanordnung besteht aus einem oder mehreren Löchern durch das innere Rohr jenseits der Reichweite des Kolbenhubs zu der mit der Öffnung versehenen Endwand hin.
Die Gasfeder kann auch noch einen Anschlag haben, der den Bewegungsspielraum des Kolbens begrenzt. Zwischen dem Kolben und dem inneren Rohr, sowie zwischen der Stange und der Wand, durch die sie tritt, ist eine Fluidabdichtung vorgesehen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen: Fig. 1 eine axiale Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasfeder; Fig. 2 ein Diagramm, das die Kraft als Funktion der Temperatur der in Fig. 1 gezeigten Gasfeder veranschaulicht, wobei die Hauptdruckquelle Stickstoffgas und die Hilfsdruckquelle flüssiges und dampfförmiges Ammoniak im Gleichgewicht sind; Fig. 3 eine axiale Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasfeder; Fig. 4 ein doppelt logarithmisches Diagramm, das das Phasendiagramm für FREON-12 veranschaulicht; Fig. 5 ein Diagramm der auswärts gerichteten Nettofederkraft in Abhängigkeit von der Temperatur für die in Fig. 3 gezeigte Gasfeder, wobei die Hauptdruckquelle Stickstoffgas ist und die Hilfsdruckquelle FREON-12; Fig. 6 ein doppelt logarithmisches Diagramm, das das Phasendiagramm für Schwefelhexafluorid veranschaulicht; und Fig. 7 ein Diagramm der auswärts gerichteten Nettofederkraft in Abhängigkeit von der Temperatur für die in Fig. 3 gezeigte Gasfeder, wobei die Hauptdruckquelle Stickstoffgas ist und die Hilfsdruckquelle Schwefelhexafluorid.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer temperaturkompensierten Gasfeder nach der Lehre der Erfindung dargestellt. Die Gasfeder 10 weist ein geschlossenes Gehäuse 12 auf, das aus einem äußeren Zylinder oder Rohr 14 mit einer geschlossenen Endwand 16 auf dem einen Ende des Zylinders und mit einer Wand 18 am anderen Ende besteht.
Die Wand 18 hat eine durchgehende Öffnung 20. Die Gasfeder 10 umfaßt ferner ein inneres Rohr 22, das innerhalb des Gehäuses 12 und koaxial zu diesem angeordnet ist. Ein Ende des inneren Rohrs 22 ist an der Endwand 16 befestigt und das andere Ende hat in Achsrichtung einen Abstand von der Wand 18. In dem inneren Rohr 22 befindet sich ein Kolben 24, der den Innenraum des inneren Rohrs 22 in ein erstes inneres Volumen 26 zwischen der ge. iilossenen Endwand 16 und dem Kolben 24 und ein zweites inneres Volumen 28 auf der zur Wand 18 hinweisenden Seite des Kolbens unterteilt. Am Kolben 24 ist eine lange Stange 30 angefügt, die durch die Öffnung 20 in der Wand 18 aus dem Gehäuse 12 heraustritt.
Eine Trennwand 32 ist an den beiden Rohren angefügt und erstreckt sich zwischen der Außenseite des inneren Rohrs 22 und der Innenseite des äußeren Rohrs 14. Sie unterteilt das Volumen des Gehäuses außerhalb des inneren Rohrs in ein erstes äußeres Volumen 34 nächst der Wand 16 und ein zweites äußeres Volumen 36 nächst der Wand 18.
Die Trennwand ist vorzugsweise eine ringförmige Platte.
Die Trennwand 32 dient auch noch zur Abstützung des inneren Rohrs 22. Im inneren Rohr 22 sind an einer Stelle jenseits der Reichweite des Hubs des Kolbens 24 in Richtung zur Endwand 16 hin ein oder mehrere Löcher 38 vorgesehen. Die Löcher 38 formen eine erste Leitungsanordnung, die einen Fluidfluß zwischen dem ersten inneren Volumen 26 und dem ersten äußeren Volumen 34 ermöglicht.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das innere Rohr 22 an dem der Wand 18 nahen Ende offen und formt auf diese Weise eine zweite Leitungsanordnung, die einen Fluidfluß zwischen dem zweiten inneren Volumen 28 und dem zweiten äußeren Volumen 36 ermöglicht.
Die Gasfeder 10 kann einen anschlag 40 am freien Ende des inneren Rohrs 22 haben, der die Bewegung des Kolbens 24 zur Wand 18 hin begrenzt und den Kolben in dem inneren Rohr 22 hält. Der in Fig. 1 gezeigte Anschlag 40 ist eine scheibenartige Platte, die am Ende des inneren Rohrs 22 angefügt ist und die Stange 30 umgibt, ohne sie jedoch zu berühren, so daß ein ringförmiger Zwischenraum 42 zwischen der Stange 30 und dem Anschlag 40 für einen Fluidfluß frei bleibt. Die Gasfeder 10 weist eine erste Dichtung 44 zwischen dem Kolben 24 und der Innenwand des inneren Rohrs 22 auf, um einen Fluidfluß zwischen dem ersten und dem zweiten inneren Volumen 26, 28 zu unterbinden, sowie eine zweite Dichtung 46 zwischen der Stange 30 und der Wand 18, um einen Fluidfluß zwischen dem Innenraum und der Außenseite des Gehäuses 12 zu verhindern.
Die Gasfeder 10 hat ferner eine Stange 48, die an der Außenseite des geschlossenen Endes 16 des Gehäuses 12 befestigt ist und an ihrem Ende mit einem Auge 50 versehen ist. Die Stange 30 hat an ihrem freien Ende außerhalb des Gehäuses 12 ein Auge 52. Mit Hilfe der Augen 50 und 52 kann die Gasfeder 10 mechanisch zwischen zwei Punkten eingefügt werden, etwa zwischen dem Chassis und dem Kofferraumdeckel eines Autos. Vorzugsweise sind das innere Rohr 22, das äußere Rohr 14 und der Kolben 24 zylindrisch geformt.
In dem ersten inneren Volumen 26 und dem ersten äußeren Volumen 34 ist eine Hauptdruckquelle vorgesehen, die gegen den Kolben 24 wirkt, um die Stange 30 aus dem Gehäuse 12 vorzufahren. Eine Hilfsdruckquelle ist in dem zweiten inneren Volumen 28 und dem zweiten äußeren Volumen 36 vorhanden, die gegen den Kolben 24 wirkt, um die Stange in das Gehäuse zurückzuschieben. Die am Kolben 24 wirksame Nettokraft resultiert aus dem Unterschied zwischen den Kräften der Hauptdruckquelle und der Hilfs- druckquelle. Da die Gasfeder 10 als eine Feder mit einer nach außen gerichteten Federkraft funktionieren soll, muß der Hauptdruck größer sein als der Hilfsdruck.
Vorzugsweise ist die Hauptdruckquelle ein unter Überdruck stehendes Hauptgas, dessen Druck sich proportional mit der absoluten Temperatur ändert und das über den Temperaturbereich hin, dem die Gasfeder ausgesetzt wird, gasförmig bleibt. Ein bevorzugtes Hauptgas ist Stickstoffgas, das sich im wesentlichen in dem Temperaturbereich von -300C bis 80"C nach dem Gesetz für ideale Gase (PV = nRT) verhält. Wie dem Fachmann bekannt, verhält sich kein Gas exakt nach dem theoretischen idealen Gasgesetz. Andere Gase, die verwendet werden können, sind Argon, Helium, Wasserstoff, Krypton und Neon.
Die Herabsetzung der Temperaturempfindlichkeit in der Gasfeder 10 wird dadurch erreicht, daß durch die Hilfsdruckquelle am Kolben 24 eine rückwärts gerichtete Kraft vorgesehen wird, die bestrebt ist, die infolge einer Temperaturerhöhung auftretende Extrakraft von der Hauptdruckquelle aufzuheben. Der Hilfsdruck ist so gewählt, daß er sich ziemlich verschieden von dem im wesentlichen idealen Gasverhalten des Hauptgases verhält. Gemäß der Erfindung ist die Hilfsdruckquelle der Dampfdruck eines Zweiphasensystems, in dem die flüssige und die dampfförmige Phase im Gleichgewicht sind. Der Dampfdruck eines solchen Zweiphasensystems ändert sich nicht direkt proportional, sondern annähernd exponentiell mit der absoluten Temperatur.
Die wesentliche Bedingung für die Wahl einer Hilfsdruckquelle ist, daß die prozentuale Änderung des Hilfsdrucks mit der Temperatur größer ist als die prozentuale Änderung des Hauptdrucks mit der Temperatur.
Es gibt viele organische und anorganische Substanzen, die als-Hilfsdruckquelle dienen können; hierzu gehören Acetylen, Ethan, FREON-12, FREON-13, FREON-114, Propan, Propadien, Perfluorpropan, Dimethylether, n-Butan, Ammoniak, Bromwasserstoff und Jodwasserstoff. Der Dampfdruck dieser Substanzen reicht von etwa 0 bis 10,3 bar bei einer Temperatur von etwa -30°C bis zu etwa 6,9 bis über 62 bar bei 70°C. In einem Zweiphasensystem hängt für eine vorgegebene Substanz der von ihrem Dampf ausgeübte Druck nur von der Temperatur ab. Die beste Substanz für einen vorgegebenen Zweck wird durch die Konstruktionsanforderungen für diese Anwendung, etwa die Federkraft, die Federgröße, Materialkosten, Herstellungskosten, Lebensdauer der Dichtungen und von dem gewünschten Maß der Temperaturkompensation bestimmt.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß der Hilfsdruck von einem Zweiphasensystem erzeugt wird. Wie weiter unten im Zusammenhang mit Beispiel 3 im einzelnen beschrieben wird, kann als Hilfsdruckquelle Schwefelhexafluorid verwendet werden. Oberhalb einer kritischen Temperatur kann Schwefelhexafluorid nicht als Zweiphasensystem existieren, sondern es existiert ausschließlich als Dampf, ohne daß eine flüssige Phase vorhanden ist. Es wird jedoch auch oberhalb dieser kritischen Temperatur eine Temperaturkompensation erreicht, weil die prozentuale Änderung des Dampfdrucks des Schwefelhexafluorids (d. h.
der Hilfsdruck) mit der Temperatur immer noch größer ist als die prozentuale Änderung eines idealen Gasdrucks mit der Temperatur.
Da eine Substanz in einem Zweiphasensystem mit ihrer Gasphase und Flüssigphase nur für bestimmte Bereiche des spezifischen Volumens im Gleichgewicht bleibt, ergibt sich eine Bedingung für das verfügbare Volumen dieser Substanz in der Gasfeder. Im allgemeinen ist es er- wünscht, daß beide Phasen, die flüssige und die dampfförmige, stets vorhanden sind, so daß der Dampdruck lediglich von der Temperatur abhängt. Wenn die Feder komprimiert wird, d. h., wenn der Kolben 24 sich nach der Wand 16 hin bewegt, wird das verfügbare Volumen für das Zweiphasensystem vergrößert. Wenn anfänglich ein ungenügender Anteil der Flüssigphase der Substanz vorhanden ist, könnte eine solche Vergrößerung des gesamten verfügbaren Volumens bewirken, daß sich die gesamte Flüssigkeit in Dampf verwandelt. Der Druck dieses Dampf s ändert sich im allgemeinen mit der Temperatur in einer ähnlichen Weise wie bei anderen Gasen und liefert daher, wenn überhaupt, nur eine kleine Temperaturkompensation. Wenn jedoch zu viel der Substanz verwendet wird, tritt ein Problem auf, wenn die Feder expandieren kann, wobei das verfügbare Volumen für die Substanz geringer wird. Diese Volumenreduktion kann bewirken, daß die gesamte Dampfphase kondensiert, so daß die Substanz insgesamt in die flüssige Phase gezwungen wird. Dies würde jede weitere Bewegung des Kolbens wirksam verhindern.
Um bei Verwendung eines Zweiphasensystems als Hilfsdruckquelle diese möglichen Probleme zu vermeiden, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt werden: (1) Die kleinste erforderliche Menge der Substanz ist diejenige, die gerade ausreicht, um ein Zweiphasensystem vorzusehen, wenn die Gasfeder bei der höchsten Temperatur, der die Gasfeder ausgesetzt werden kann, voll komprimiert ist, d. h., wenn das verfügbare Volumen am größten ist, und (2) das für die Substanz verfügbare Volumen muß ausreichend groß sein, so daß der Dampf nicht vollständig zu Flüssigkeit kondensiart, wenn die Gasfeder voll ausgefahren ist, d. h., wenn das verfügbare Volumen am kleinsten ist. Der Grenzwert für diese zweite Bedingung ist ebenfalls die höchste Temperatur, der die Gasfeder ausgesetzt werden soll.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung mit konzentrischen Rohren ist in einer Gasfeder besonders vorteilhaft. Für das Hauptgas steht ein ausreichendes zusätzliches Volumen auoberhalb des inneren Rohrs 22 im ersten äußeren Volumen 34 zur Verfügung, so daß das Hauptgas nicht übermäßig komprimiert wird, wenn die Stange 30 vollständig in die Gasfeder zurückgeschoben wird. Anderenfalls könnten die resultierenden übermäßigen Drücke unerwünschte und übertriebene Federkräfte bewirken. In ähnlicher Weise steht auch für die Hilfsdruckquelle ein zusätzliches Volumen außerhalb des inneren Rohrs 22 in dem zweiten äußeren Volumen 36 zur Verfügung, so daß das Hilfsgas nicht übermäßig komprimiert wird, wenn die Stange 30 vollständig ausgefahren wird.
Sämtliche Bestandteile der Gasfeder 10 mit Ausnahme der Dichtungen 44 und 46 sind aus einem Metall ausreichender Festigkeit, um den Drücken der eingesperrten Gase standzuhalten. Die Verwendung eines zylindrischen inneren Rohres 22, äußeren Rohrs 14 und Kolbens 24 ist besonders zweckmäßig.
Beispiel 1 Nachstehend wird ein Zahlenbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasfeder 10 in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform unter Verwendung von Stickstoffgas als Hauptdruckquelle und Ammoniak als Zweiphasensystem für die Hilfsdruckquelle gegeben. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Parametern, die in der Gasfeder 10 betei- ligt sind, kann algebraisch unter Verwendung der folgenden Variablen beschrieben werden: Ag = Fläche des Kolbens, auf die der Stickstoffgasdruck wirkt (inch2) Av = Fläche des Kolbens, auf die der Ammoniakdampfdruck wirkt (inch2) Dp = Durchmesser des Kolbens (inch) Dr = Durchmesser der Stange (inch) F = Kraft der Gasfeder (lb) Pg = Druck des Stickstoffgases (psi) Pv = Druck des Ammoniakdampfs (psi) Po = Stickstoffgasdruck bei 20"C (psi) T = Temperatur (OC) Die auswärts gerichtete Nettofederkraft F ergibt sich durch Subtraktion der auf den Kolben durch den Ammoniakdampf wirkenden Kraft von der auf den Kolben durch das Stickstoffgas ausgeübten Kraft. Die Gleichung zur Berechnung von F unter Vernachlässigung der Kraft des Luftdrucks auf die Stange 30 ist: F = Ag Pg - Av Pv (1) Der Druck des Stickstoffgases stellt sich hinreichend gut folgendermaßen dar: Für dieses Beispiel ist angenommen, daß die erwünschte Federkraft F bei den Temperaturextremen von -300C und 700C 100 englische Pfund (45,4 kg) beträgt. Der Dampfdruck von Ammoniak in einem Zweiphasensystem kann aus bekannten Handbechern, beispielsweise Chemical Engineers Handbook, herausgegeben von Tohn H. Perry (McGraw-Hill, 1950, 3. Ausgabe) entnommen werden. Bei -300C ist der Dampfdruck von Ammoniak 20 psi (1,4 bar) und bei 70"C beträgt der Dampfdruck 475 psi (32,8 bar). Durch Einsetzen dieser Werte, dem gewünschten F = 100 lb und durch Einsetzen von Gleichung (2) in Gleichung (1) erhält man die folgenden Gleichungen: Beim Lösen der Gleichungen (3) und (4) ergibt sich: Av = 0,0921 inch2 (0,594 cm2) (5) Ag Po = 122,80 lb (55,70 kg) (6) Wenn man für den Stangendurchmesser Dr 5/16 inch (7,9 mm) wählt, ein für Gasfedern typischer Wert, dann beträgt die Kolbenfläche Av, auf die der Ammoniakdampfdruck wirkt: Av = /4 (Dg2 ~ Dr2) = t/4 (Dg2 - (5/16)2) = 0,0921 inch2 (0,594 cm2) (7) Die Lösung von Gleichung (7) ergibt Dg = 0,4636 inch (11,77 mm), woraus sich ergibt, daß Ag = 0,1688 inch2 (1,089 cm2). Mit Hilfe der obigen Gleichung (6) ist der notwendige Fülldruck Po für das Stickstoffgas bei 200C 727 psi (50,16 bar).
Durch Füllen des ersten inneren Volumens und des ersten äußeren Volumens mit Stickstoffgas bei 727 psi (50,16 bar) bei 20"C durch Wählen des Stangendurchmessers zu 5/16 inch (7,9 mm) und des Kolbendurchmessers zu 0,4636 inch (11,77 mm) und durch Füllen des zweiten inne- ren Volumens und des zweiten äußeren Volumens mit einer solchen Ammoniakmenge, daß die Flüssigphase und die Dampfphase im Gleichgewicht bleiben, hat die Gasfeder eine nominelle nach außen gerichtete Kraft von 100 lb bei den Temperaturgrenzwerten von -300C und 700C. Das Verhalten dieser Gasfeder bei anderen Temperaturen kann durch Berechnen von Pg bei anderen Temperaturen mit Hilfe der obigen Gleichung (2), durch Bestimmen der Werte von Pv bei verschiedenen Temperaturen und Berechnen der Kräfte mit Hilfe der obigen Gleichung (1) bestimmt werden. Die nachstehende Tabelle I listet diese Daten über den gewünschten Temperaturbereich auf.
TABELLE I Temp. D r u c k F e d e r k r a f t (°C) Pg Pv PgAg PvAv F (psi) (psi) (lb) (lb) (lb) -30 603,9 20 101,8 1,8 100,0 -20 627,8 30 106,0 2,8 103,2 -10 652,6 45 110,2 4,1 106,1 0 677,4 65 114,4 6,0 108,4 10 702,2 90 118,6 8,3 110,3 20 727,0 125 122,8 11,5 111,3 30 751,8 170 127,0 15,7 111,3 40 776,6 230 131,2 21,2 110,0 50 801,4 294 135,4 27,1 108,3 60 826,2 370 139,6 34,1 105,5 70 851,1 475 143,7 43,7 100,0 1 psi = 0,0689 bar 1 lb = 454 g Die obigen Resultate sind in Fig. 2 graphisch darge- stellt, wobei die Kurve "A" die nach außen gerichtete Kraft wiedergibt, die auf den Kolben einwirkt (PgAg), die Kurve "B" stellt die nach innen gerichtete Kraft dar, die auf den Kolben einwirkt (PvAv) und die Kurve "C" stellt die Nettofederkraft der Gasfeder des Beispiels 1 dar, alle als Funktion der Temperatur. Diese Gasfeder hat eine maximale Kraft von etwa 111,3 lb (50,5 kg) zwischen 20"C und 300C und ein Kraftminimum von 100 lb (45 kg) bei den Temperaturextremen. Die Temperaturkompensation des Gasfeder des Beispiels 1 kann mit der Verwendung von Stickstoffgas allein verglichen werden, indem man die größte und kleinste entwickelte Federkraft mit der Kraft bei 200C, die der Standard ist, vergleicht. Für die Gasfeder des Beispiels 1 beträgt die Abweichung etwa 10 %, wogegen für eine Gasfeder mit Stickstoffgas allein die Abweichung bei etwa 34 % liegt.
Daraus wird deutlich, daß die erfindungsgemäße Gasfeder die Schwankung der Federkraft mit der Temperatur im Vergleich zur Verwendung von Stickstoffgas allein beträchtlich vermindert.
In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform einer temperaturkompensierten Gasfeder nach der Lehre der Erfindung dargestellt. Die in Fig. 3 gezeigte Gasfeder 60 hat viele Bestandteile, die mit Bestandteilen in der Gasfeder 10, die in Fig. 1 gezeigt und oben erläutert worden ist, identisch sind. Dementsprechend sind gleiche Elemente in beiden Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und es werden nur die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen erläutert.
In der Gasfeder 60 der Fig. 3 erstreckt sich das innere Rohr 62 vollständig zwischen den Endwänden 16 und 18 und ist an beiden Endwänden festgemacht. Das zweite innere Volumen 64 befindet sich in dem inneren Rohr 62 zwischen dem Kolben 24 und der Wand 18 und das zweite äußere Volumen 66 liegt außerhalb des inneren Rohrs zwischen der Trennwand 32 und der Wand 18. In dem inneren Rohr 62 sind an einer Stelle jenseits der Reichweite des Hubs des Kolbens 24 in Richtung zur Wand 18 hin, die durch den Anschlag 40 bestimmt ist, ein oder mehrere Löcher 68 angebracht. Die Löcher 68 bilden eine Leitungsanordnung zwischen dem zweiten inneren Volumen 64 und dem zweiten äußeren Volumen 66.
Abgesehen von den oben erwähnten Konstruktionsunterschieden arbeitet die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Gasfeder 60 genau wie die in Fig. 1 dargestellte Gasfeder 10. In dem ersten inneren Volumen 26 und dem ersten äußeren Volumen 34 befindet sich eine Hauptdruckquelle und eine Hilfsdruckquelle ist in dem zweiten inneren Volumen 64 und dem zweiten äußeren Volumen 66, wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben.
Die Beziehung zwischen den verschiedenen, in der Gasfeder 60 beteiligten Parametern kann algebraisch unter Verwendung der folgenden Variablen beschrieben werden: Ag = Fläche des Kolbens, auf die der Hauptgasdruck einwirkt (inch2) Ar = Fläche der Stange, auf die der Atmosphärendruck wirkt (inch2) Av = Fläche des Kolbens, auf die der Hilfsdruck wirkt (inch2) Dp = Durchmesser des Kolbens (inch) Dr = Durchmesser der Stange (inch) Dt = Innendurchmesser des äußeren Rohrs (inch) F = Auswärtsgerichtete Nettokraft der Gas feder (lb) L = Länge des inneren und äußeren Rohrs (inch) Ls = Abstand zwischen dem Anschlag 40 und der Wand 18 (inch) Lt = Länge der Gasfeder zwischen dem Auge 50 und dem Auge 52, die sich mit X ändert (inch) Lv = Abstand zwischen der Trennwand 32 und der Wand 18 (inch) M = Masse des Materials der Hilfsdruckquelle (lb) Pa = Atmosphärendruck (psi) Pg = Druck des Hauptgases (psi) Po = Druck des Hauptgases bei 20"C (psi) Pv = Druck der Hilfsdruckquelle (psi) S = Hub oder maximaler Konstruktionswert für die Federkompression X (inch) T = Temperatur (OC) Vg = Volumen des Hauptgases, das sich mit X ändert (inch3) Vv = Volumen des Hilfsdruckquellenmaterials, das sich ebenfalls mit X ändert (inch3) Wc = Dicke des inneren Rohrs (inch) Wp = Dicke des Kolbens (inch) Ws = Dicke der Trennwand (inch) X = Strecke der Federkompression, gemessen vom Anschlag zum Kolben (inch).
Die Eigenschaften der in Fig. 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform können durch Wahl der Anfangswerte für die folgenden Parameter beschrieben werden: Dp, Dr, Dt, L, Ls, Lv, Lt (Maximum), Pa, Po, S, Wc, Wp und Ws. Außerdem ist notwendig, die Abhängigkeit sowohl von Pg als auch von Pv von der Temperatur zu kennen. Für Pg reicht es gewöhnlich aus, das ideale Gasgesetz zu benützen. Für Pv kann die Abhängigkeit des Dampfdrucks von der Temperatur für die spezielle gewählte Substanz aus bekannten Handbüchern entnommen werden.
Die folgenden Gleichungen beziehen sich auf die nach der oben aufgezählten Ausgangsparametern verbleibenden Parameter.
Lt (Minimum) = Lt (Maximum) - S (10) Lt = Lt (Maximum) - X (11) Av = Ag - Ar (12) Vg = t/4 (Dt2 - (Dp + 2Wc)2) (L -Lv - Ws) + Ag(L - Wp - Ls - X) (13) Vv = t/4 (Dt2 - (Dp + 2Wc)2) Lv + Av (X + Ls) (14) Der Druck des Hauptgases ist eine Funktion von X durch das Volumen Vg, der Temperatur T und des Fülldrucks Po.
Unter der Annahme, daß die Füllung mit Gas bei ausgefahrener Stange (d. h. X = 0) vorgenommen wird und daß das Gas praktisch dem idealen Gasgesetz gehorcht, ist sein Druck gegeben durch:

Pg (T = Po Vq (Maximum) (15)

293 Vg

Die Gleichung für die Federkraft als Funktion der Kompression und Temperatur ist gegeben durch: F = Pg Ag - Pv Av - Pa Ar (16) Beispiel 2 Für dieses Beispiel ist eine Gas feder entsprechend der zweiten Ausführungsform mit einer Zweiphasen-Hilfsdruckquelle gewählt, die eine ausgezogene Länge von 50 inch (127 cm) und einen Hub von 20 inch (50,8 cm) hat. Bei einer Temperatur von 200C hat sie eine Nettofederkraft S von 150 lb (68 kg), wenn sie ausgezogen ist, und 160 lb (72,6 kg), wenn sie komprimiert ist. Das Hauptgas ist Stickstoff und die Substanz der Hilfsdruckquelle ist FREON-12, das so unterhalten ist, daß über den Arbeitstemperaturbereich hin stets sowohl die dampfförmige als auch die flüssige Phase vorhanden sind. Die Temperaturkompensation soll sich von -30°C bis 80"C erstrecken.
Die Werte der gewählten Ausgangsparameter sind die folgenden: Dp = 0,593 inch (15,06 mm) Dr = 0,3125 inch (7,94 mm) Dt = 2,25 inch (57,2 mm) L = 26,0 inch (660 mm) Ls = 3,214 inch (81,6 mm) Lv = 0,179 inch (4,5 mm) Lt (max) = 50,0 inch (1270 mm) M = 0,0400 lb (18,16 g) Pa = 14,7 psi (1,01 bar) Po = 604,4 psi (41,6 bar) S = 20,0 inch (508 mm) Wc = 0,0625 inch (1,59 mm) Wp = 0,25 inch (6,35 mm) Ws = 0,0625 inch (1,59 mm) Die obigen Gleichungen (8), (9) und (12) ergeben die Werte: Ag = 0,277 inch2 (1,787 cm2), Ar = 0,077 inch2 (0,497 cm2) und Av = 0,200 inch2 (1,290 cm2).
Die Menge von FREON-12, die in die Gasfeder 60 in diesem Zahlenbeispiel eingefüllt werden muß, beträgt 0,0400 lb (18,16 gl. Eine Menge unter etwa 0,029 lb (13,17 g) würde bewirken, daß sich die gesamte Flüssigkeit in Dampf umwandelt, wenn die Feder voll komprimiert ist, falls die Temperatur 80"C hoch ist. Eine Menge über etwa 0,0500 lb (22,7 g) würde verhindern, daß die Feder voll ausgefahren werden kann, wenn die Temperatur 800C hoch ist, weil der gesamte Dampf zum flüssigen Zustand komprimiert würde. Fig. 4 ist ein Phasendiagramm von FREON-12, wobei der Dampdruck als Funktion des spezifischen Volumens aufgezeichnet ist. Es gibt zwölf Kurven, die die Temperaturen repräsentieren, bei denen die Feder funktionsfähig sein soll. Die gestrichelte Kurve "D" zeigt den Bereich, in dem Flüssigkeit und Dampf im Gleichgewicht sind und in dem folglich diese Ausführungsform arbeiten soll. Die nachstehende Tabelle II listet die zum Berechnen des spezifischen Volumens des FREON-12 verwendeten Mengen in den Grenzfällen, wo die Gasfeder voll ausgefahren und voll komprimiert ist, auf.
TABELLE II Gasfeder Gasfeder voll ausgezogen voll komprimiert Volumen Vv (Gleichung 1,28 in3 5,28 in3 (14)) (21,0 cm3) (86,5 cm3) Masse M von FREON-12 0,0400 lb 0,0400 lb (18,16 g) (18,16 g) Spezifisches Volumen 32,0 in3/lbl 132 in3/lb = Vv/Masse (1,16 cm3g ) (4,76 cm3g Der Arbeitsbereich, der einer Menge von 0,0400 lb (18,16 g) von FREON-12 entspricht, ist durch die gestrichelte Linie "E" in Fig. 4 wiedergegeben. Für den in Frage kommenden Temperaturbereich bleibt deutlich das FREON-12 innerhalb der Flüssig-Dampfphase.
Die nachstehende Tabelle III stellt die Gasfederkraft über den gesamten Bereich der Federkompression und Temperatur dar, für die die Feder bestimmt war. Die Werte für die Kraft stammen aus der obigen Gleichung (16) zusammen mit Gleichung (15) und die Werte für den Dampfdruck des FREON-12 sind dem Phasendiagramm der Fig. 4 entnommen.
TABELLE III Gasfeder- Kompression X Federkraft bei verschiedenen Temperaturen (°C) länge Lt (inch) -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 (inch) 50 0,00 135 139 143 146 148 150 151 150 148 145 141 133 46 4,00 136 141 144 148 150 152 153 152 150 147 143 136 42 8,00 138 142 146 149 152 154 155 154 153 149 145 138 38 12,00 140 144 148 151 154 156 157 156 155 152 148 140 34 16,00 141 146 150 153 156 158 159 159 157 154 150 143 30 20,00 143 148 152 155 158 160 161 161 159 156 152 145 1 inch = 25,4 mm Fig. 5 ist ein Diagramm der Ergebnisse von Tabelle III für volle Kompression und vollen Auszug und vergleicht die Ergebnisse mit einer Gasfeder, die keine Temperaturkompensation hat. Die Kurve F stellt die Federkraft in Abhängigkeit von der Temperatur für die temperaturkompensierte Gasfeder des Beispiels 2 dar, wenn die Feder vollständig komprimiert ist. Die Kurve "G" zeigt die gleichen Werte, wenn die Feder vollständig ausgezogen ist. Die Kurven H" und "I" zeigen die Federkraft in Abhängigkeit von der Temperatur für eine nicht kompensierte Gasfeder, die vollständig komprimiert bzw. vollständig ausgezogen ist.
Sowohl Fig. 5 als auch Tabelle III zeigen, daß eine Kompensation für Temperaturänderungen vorhanden ist. Das Ausmaß der Temperaturkompensation kann quantitativ bestimmt werden, indem man die resultierende prozentuale Änderung der Federkraft mit der Temperatur unter Verwendung der Daten aus Tabelle III berechnet und sie mit derjenigen vergleicht, die für eine unkompensierte Konstruktion zu erwarten ist. Tabelle IV gibt die temperaturkompensierten Ergebnisse wieder. Auf der Basis eines vollen Ausschlags liegt die Abweichung infolge der Temperatur für eine Gasfeder 60 im Beispiel 2 unter 12 %. TABELLE IV Prozentuale Änderung der Federkraft durch die Temperatur Gasfederlänge Kompression X Konstr.-Kraft Min. Kraft Max.Kraft Prozent. Änderung Lt (inch) (inch) (lb) T = 20°C Fmin (lb) Fmax (lb) Fmax - Fmin x 100 F (x, 20) F (X, 20) 50 0,00 150 133 151 12 % 46 4,00 152 136 153 11 % 42 8,00 154 138 155 11 % 38 12,00 156 140 157 11 % 34 16,00 158 141 159 11 % 30 20,00 160 143 161 11 % 1 inch = 25,4 mm 1 lb = 454 g Die entsprechende Schwankung für eine unkompensierte Gasfeder ist viel größer, nämlich etwa 37,5 %. Sie kann geschätzt werden, wenn man annimmt, daß das Gas sich wie ein ideales Gas verhält. Demgemäß ist für ein vorgegebenes Volumen Vg der Druck und damit die Federkraft proportional zur absoluten Temperatur. Für einen Vergleich mit dem obigen Zahlenbeispiel würde ein Temperaturausschlag von -300C bis 800C (2430K bis 3530K) die folgende Änderung bewirken: Beispiel 3 In diesem Beispiel soll wie in Beispiel 2 die Gasfeder eine ausgezogene Länge von 50 inch (1270 mm) und einen Hub von 20 inch (508 mm) haben. Bei einer Temperatur von 20"C hat sie in der ausgezogenen Position eine Nettofederkraft von 150 lb (68 kg) und in der komprimierten Position von 160 lb (72,6 kg). Das Hauptgas ist Stickstoff und das Material der Hilfsdruckquelle ist Schwefelhexafluorid (SF6).
Der Temperaturkompensationsbereich geht von -30°C bis 80"C trotz der Tatsache, daß die kritische Temperatur für SF6 bei 45,55"C liegt, über welcher es ausschließlich als Gas existieren kann.
Die Werte für die gewählten Ausgangsparameter sind: Dp = 0,510 inch (12,95 mm) Dr = 0,3125 inch (7,93 mm) Dt = 2,50 inch (63,5 mm) L = 26,0 inch (660 mm) Ls = 3,00 inch (76,2 mm) Lv = 9,166 inch (232,8 mm) Lt(Max) = 50,0 inch (1270 mm) M = 0,464 lb (210 g) Pa = 14,7 psi (1,014 bar) Po = 929,5 psi (64,09 bar) S = 20,0 inch (508 mm) Wc = 0,0625 inch (1,59 mm) Wp = 0,25 inch (6,35 mm) Ws = 0,0625 inch (1,59 mm) Die obigen Gleichungen (8), (9) und (12) ergeben die folgenden Werte: Ag = 0,204 inch2 (1,316 cm2), Ar = 0,077 inch2 (0,497 cm2) und Av = 0,128 inch2 (0,826 cm2).
Fig. 6 stellt ein Phasendiagramm von Schwefelhexafluorid dar, wobei der Dampfdruck als Funktion des spezifischen Volumens aufgetragen ist. Es sind zwölf ausgezogene Kurven vorhanden, die die Temperaturen darstellen, über welchen die Gasfeder funktionieren soll. Die gestrichelt gezeichnete Kurve J zeigt den Bereich, innerhalb dessen die flüssige und dampfförmige Phase im Gleichaewicht stehen. Für dieses Beispiel muß in die Gasfeder 0,4644 lb (210,8 g) Schwefelhexafluorid eingefüllt werden. Die nachstehende Tabelle V gibt die Mengen wieder, die verwendet werden, um das spezifische Volumen des Schwefelhexafluorids in den beiden Grenzfällen zu berechnen, wenn die Gasfeder voll ausgezogen bzw. voll komprimiert ist.
TABELLE V Gasfeder Gasfeder voll ausgezogen voll komprimiert Volumen Vv (Glei- 42,47 in3 45,02 in3 chung (14)) (696,0 cm3) (737,0 cm3) Masse M v. SF6 0,4644 lb 0,4644 lb (211 g) (211 g) Spezifisches Volu- 91,45 in3/lb 96,95 in3/lb men = Vv/Masse (3,3 cm3g~1) (3,50 cm3g1) Der Arbeitsbereich, der 0,4644 lb (210,8 g) Schwefelhexafluorid entspricht, ist durch die gestrichelte Kurve "K" in Fig. 6 wiedergegeben. Der Bereich des spezifischen Volumens ist bei diesem Beispiel ziemlich eng. Außerdem reichen diese spezifischen Volumina bis zu Temperaturen,oberhalb des kritischen Punkts, wo es für Schwefelhexafluorid unmöglich ist, im flüssigen Zustand zu existieren. Dieses Beispiel ist dafür konstruiert, daß sich das spezifische Volumen von der ausgezogenen zur komprimierten Stellung nur begrenzt ändert. Diese Begrenzung wird dadurch erreicht, daß die Trennwand 32 näher an die Endwand 16 herangerückt wird, als dies im Beispiel 2 der Fall ist. Zu beachten ist der Unterschied in Lv in den Beispielen 2 und 3. Dieses Charakteristikum hat den Effekt, den Druck des Schwefelhexafluorids fast vollständig von der Temperatur und nur sehr wenig von dem Hubparameter X abhängen zu lassen. Besonders zu beachten ist, daß selbst über 40"C, wo der Arbeitsbereich die Flüssig-Dampfphase verläßt, die Eigenschaften von Schwefelhexafluorid so sind, daß die prozentuale Änderung seines Drucks mit der Temperatur größer ist als diejenige des llauptgases Stickstoff.
Die unten aufgeführte Tabelle VI gibt die Gasfederkraft für den vollständigen Bereich der Federkompression und Temperatur wieder, für die die Gasfeder von Beispiel 3 bestimmt ist. Die Kraftwerte stammen aus der obigen Gleichung (16) zusammen mit Gleichung (15) und die Druckwerte des Schwefelhexafluoriddampfs aus dem Phasendiagramm der Fig. 6.
TABELLE VI Gasfederlänge Kompression Federkraft bei verschiedenen Temperaturen (°C) Lt (inch) X (inch) -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 50 0,00 147 150 152 153 152 150 147 145 146 148 149 151 46 4,00 149 152 154 154 154 152 149 147 148 150 152 154 42 8,00 150 154 156 156 156 154 151 149 151 153 155 157 38 12,00 152 155 157 158 158 156 153 152 154 156 158 160 34 16,00 154 157 159 160 160 158 155 154 156 158 160 163 30 20,00 156 159 161 162 162 160 158 157 159 161 163 166 1 inch = 25,4 mm Fig. 7 ist eine Kurvendarstellung der Ergebnisse von Tabelle VI für die vollständige Kompression und den vollständigen Auszug und vergleicht die Ergebnisse mit einer unkompensierten Gasfeder. Die Kurve "L" stellt die Federkraft in Abhängigkeit von der Temperatur für die temperaturkompensierte Gasfeder von Beispiel 3 dar, wobei die Feder vollständig komprimiert ist. Die Kurve "M" zeigt die gleichen Daten, wobei die Feder vollständig ausgezogen ist. Die Kurven "N" und 11011 zeigen die Federkraft in Abhängigkeit von der Temperatur für eine unkompensierte Gasfeder, die vollständig komprimiert bzw.
vollständig ausgezogen ist.
Sowohl Fig. 7 als auch Tabelle VI zeigen deutlich, daß eine Kompensation von Temperaturänderungen vorhanden ist, selbst wenn zeitweise oberhalb des kritischen Punktes der Substanz für die Hilfsdruckquelle gearbeitet wird. Wie beim Beispiel mit FREON-12 kann der Grad der Temperaturkompensation für das Beispiel mit Schwefelhexafluorid quantitativ bestimmt werden, indem man hunter Verwendung der Daten aus Tabelle VI die resultierende prozentuale Änderung der Federkraft mit der Temperatur berechnet und sie mit derjenigen vergleicht, die für eine unkompensierte Konstruktion zu erwarten ist. Die Tabelle VII gibt die temperaturkompensierten Resultate wieder. Auf der Basis eines vollen Ausschlags liegt die Abweichung aufgrund der Temperatur unter 6 %, ein Wert, der nur halb so groß ist wie derjenige für das Beispiel mit FREON-12 und im Vergleich mit der Abweichung von 37,5 % der unkompensierten Gasfeder, wie sie oben in Verbindung mit Beispiel 2 erläutert wurde, noch günstiger abschneidet.
TABELLE VII Gasfeder- Kompression Konstr.Kraft Min.Kraft Max.Kraft Prozentuale Änderung = länge Lt X (inch) (lb) 20 °C Fmin (lb) Fmax (lb) Fmax - Fmin x 100 F (X 20) F(X, 20) 50 0,00 150 145 153 5 % 46 4,00 152 147 154 5 % 42 8,00 154 149 157 5 % 38 12,00 156 152 160 5 % 34 16,00 158 154 163 6 % 30 20,00 160 156 166 6 % 1 inch = 25,4 mm 1 lb = 454 g Im Rahmen der Erfindung, der durch die Ansprüche gegeben ist, sind neben den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen noch andere möglich.
L e e r s e i t e

Claims

Temperaturkompensierte Gasfeder Patentansprüche Gasfeder mit einem geschlossenen Gehäuse, einer verschiebbaren Stange, die aus dem Gehäuseinneren durch ein Ende des Gehäuses nach außen ragt, und mit einem Kolben, der in dem Gehäuse an der Stange befestigt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß sich in dem Gehäuse (12) eine Hauptdruckquelle, die einen auf den Kolben (24) wirkenden Hauptdruck erzeugt, um die Stange (30) aus dem Gehäuse vorzufahren, sowie auch noch eine Hilfsdruckquelle befindet, die einen auf den Kolben wirkenden Hilfsdruck erzeugt, um die Stange in das Gehäuse zurückzudrücken, wobei der Hauptdruck größer ist als der Hilfsdruck und wobei die prozentuale Änderung des Hilfsdrucks mit der Temperatur größer ist als die prozentuale Änderung des Hauptdrucks mit der Temperatur.
2. Gasfeder nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Hauptdruck sich im wesentlichen proportional mit der absoluten Temperatur ändert.
3. Gasfeder nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Hauptdruckquelle ein unter Überdruck stehendes Hauptgas ist, das über den gesamten Temperaturbereich hin, dem die Gasfeder ausgesetzt ist, in der Gasphase verbleibt.
4. Gasfeder nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Temperaturbereich von -300C bis 800C reicht.
5. Gasfeder nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das unter Druck stehende Hauptgas Stickstoff ist.
6. Gasfeder nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß sich der Hilfsdruck annähernd exponentiell mit der absoluten Temperatur ändert.
7. Gasfeder nach Anspruch 1 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hilfsdruckquelle der Dampfdruck eines Zweiphasensystems ist, in dem die flüssige Phase und die Dampfphase im Gleichgewicht sind.
8. Gasfeder nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die flüssige Phase und die Dampf phase des Zweiphasensystems über den Temperaturbereich von -300C bis 80"C hin im Gleichgewicht bleiben.
9. Gasfeder nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Zweiphasensystem aus der folgende Substanzen umfassenden Gruppe gewählt ist: Acetylen, Ethan, FREON-12, FREON-13, FREON-114, Propan, Propadien, Perfluorpropan, Dimethylether, n-Butan, Ammoniak, Bromwasserstoff und Jodwasserstoff.
10. Gasfeder nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Zweiphasensystem Ammoniak ist.
11. Gasfeder nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Zweiphasensystem FREON-12 ist.
12. Gasfeder nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die flüssige Phase und die Dampf phase des Zweiphasensystems über einen wesentlichen Teil des Temperaturbereichs von -30°C bis 80"C im Gleichgewicht bleiben.
13. Gasfeder nach Anspruch 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Zweiphasensystem Schwefelhexafluorid ist.
14. Gasfeder nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Hauptdruckquelle unter Überdruck stehendes Stickstoffgas ist, daß die Hilfsdruckquelle der Dampfdruck eines Zweiphasensystems ist, in dem die flüssige Phase und die Dampfphase im Gleichgewicht sind und das aus der Ammoniak, FREON-12 und Schwefelhexafluorid umfassenden Gruppe gewählt ist.
15. Temperaturkompensierte Gasfeder, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n - z e i c h n e t d u r c h folgende Teile: a) ein geschlossenes Gehäuse (12), umfassend ein äußeres Rohr (14) mit einer geschlossenen Endwand (16) am einen Ende und einer Wand (18) mit durchgehender Öffnung (20) am anderen Ende; b) ein inneres Rohr (22, 62), das in dem äußeren Rohr angebracht und mit seinem einen Ende an der geschlossenen Endwand (16) befestigt ist; c) ein in dem inneren Rohr (22, 62) gleitender Kolben (24), der das innere Rohr in ein erstes inneres Volumen (26) zwischen dem Kolben und der geschlossenen Endwand und ein zweites inneres Volumen (28) im Rest des inneren Rohrs unterteilt; d) eine am Kolben befestigte Stange (30), die durch die Öffnung (20) in der einen Endwand (18) nach außen ragt; e) eine Trennwand (32), die zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr angebracht ist und das außerhalb des inneren Rohrs liegende Volumen des Gehäuses in ein erstes Volumen (34) nächst der geschlossenen Endwand (16) und ein zweites äußeres Volumen (36, 66) nächst der Wand (18) mit durchgehender Öffnung (20) unterteilt; f) eine erste Leitungsanordnung (38), die das erste innere Volumen (26) mit dem ersten äußeren Volumen (34) verbindet; g) eine zweite Leitungsanordnung (42, 68), die das zweite innere Volumen (28) mit dem zweiten äußeren Volumen (36, 66) verbindet; h) eine Hauptdruckquelle in dem ersten inneren und dem ersten äußeren Volumen, die einen Hauptdruck erzeugt, der in dem Sinne auf den Kolben wirkt, daß die Stange (30) durch die Öffnung (20) in der einen Endwand (18) aus dem Gehäuse vorgefahren wird; i) eine Hilfsdruckquelle in dem zweiten inneren und dem zweiten äußeren Volumen, die einen Hilfsdruck erzeugt, der in dem Sinne auf den Kolben wirkt, die Stange in das Gehäuse zurückzudrücken; sowie dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptdruck größer ist als der Hilfsdruck und die prozentuale Änderung des Hilfsdrucks mit der Temperatur größer ist als die prozentuale Änderung des Hauptdrucks mit der Temperatur.
16. Gasfeder nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die erste Leitungsanordnung aus mindestens einem durchgehenden Loch (38) in dem inneren Rohr jenseits der Reichweite des Kolbenhubs in Richtung zur geschlossenen Endwand besteht, daß das innere Rohr (22) sich zu der mit der Öffnung versehenen Endwand (18) hin erstreckt, aber kurz vor dieser endigt und daß das innere Rohr zwischen dem zweiten inneren Volumen (28) und dem zweiten äußeren Volumen offen ist und dadurch die zweite Leitungsanordnung bildet. (Fig. 1)
17. Gasfeder nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die erste Leitungsanordnung aus mindestens einem durchgehenden Loch (38) im inneren Rohr jenseits der Reichweite des Kolbenhubs in Richtung zu der geschlossenen Endwand (16) besteht, daß das innere Rohr (62) sich zur mit Öffnung versehenen Endwand (18) hin erstreckt und an dieser Wand befestigt ist, und daß die zweite Leitungsanordnung aus mindestens einem Loch (68) durch das innere Rohr jenseits der Reichweite des Kolbenhubs in Richtung weg von der geschlossenen Endwand besteht. (Fig. 3)
18. Gasfeder nach Anspruch 16 oder 17, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h einen Anschlag (40), der den Hub des Kolbens weg von der geschlossenen Endwand (16) begrenzt.
19. Gasfeder nach Anspruch 18, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h eine erste Dichtung (44) zwischen dem Kolben und dem inneren Rohr, die eine Fluidströmung am Kolben vorbei verhindert, und durch eine zweite Dichtung (46) zwischen der Stange und dem Umfang der durch die eine Endwand (18) gehenden Öffnung (20), die eine Fluidströmung aus dem Gehäuse heraus unterbindet.
20. Gasfeder nach Anspruch 15, 16 oder 17, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich der Hauptdruck im wesentlichen proportional mit der absoluten Temperatur ändert.
21. Gasfeder nach Anspruch 20, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Hauptdruckquelle ein unter Überdruck stehendes Hauptgas ist, das über den Temperaturbereich hin, dem die Gasfeder ausgesetzt ist, gasförmig bleibt.
22. Gasfeder nach Anspruch 21, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das unter Druck stehende Hauptgas über den Temperaturbereich von -300C bis 800C gasförmig bleibt.
23. Gasfeder nach Anspruch 22, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das unter Überdruck stehende Hauptgas Stickstoffgas ist.
24. Gasfeder nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Hilfsdruck sich annähernd exponentiell mit der absoluten Temperatur ändert.
25. Gasfeder nach Anspruch 15, 16 oder 17, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hilfsdruckquelle der Dampfdruck eines Zweiphasensystems ist, in dem sich die flüssige Phase und die Dampfphase im Gleichgewicht befinden.
26. Gasfeder nach Anspruch 25, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die flüssige Phase und die Dampf phase des Zweiphasensystems über den Temperaturbereich von -300C bis 800C im Gleichgewicht bleiben.
27. Gasfeder nach Anspruch 26, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Zweiphasensystem aus der folgende Substanzen umfassenden Gruppe gewählt ist: Acetylen, Ethan, FREON-12, FREON-13, FREON-114, Propan, Propadien, Perfluorpropan, Dimethylether, n-Butan, Ammoniak, Bromwasserstoff und Jodwasserstoff.
28. Gasfeder nach Anspruch 26, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Zweiphasensystem Ammoniak ist.
29. Gasfeder nach Anspruch 26, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Zweiphasensystem FREON-12 ist.
30. Gasfeder nach Anspruch 25, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die flüssige Phase und die Dampfphase des Zweiphasensystems über einen wesentlichen Teil des Temperaturbereichs von -300C bis 800C im Gleichgewicht bleiben.
31. Gasfeder nach Anspruch 30, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Zweiphasensystem Schwefelhexafluorid ist.
32. Gasfeder nach Anspruch 15, 16 oder 17, d a -d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t , daß die Haupt- druckquelle unter Überdruck stehendes Stickstoffgas ist, daß die Hilfsdruckquelle der Dampfdruck eines Zweiphasensystems ist, in dem die flüssige Phase und die Dampfphase im Gleichgewicht sind, und daß das Zweiphasensystem aus der Ammoniak, FREON-12 und Schwefelhexafluorid umfassenden Gruppe gewählt ist.
33. Gasfeder nach Anspruch 15, 16 oder 17, d a -d u r c h g e k e n n z ei c h n e t , daß das innere Rohr (22), das äußere Rohr (14) und der Kolben (24) im Schnitt zylindrisch sind.