-
Thermisch geregelte Gas- und Dampffedern Es sind thermisch geregelte
Gas- und Dampffedern bekannt, bei denen die Anpassung an veränderliche Nutzlasten
durch Temperaturänderung des federnden Mediums erfolgt. Mit dem Hauptpatent zu dieser
Zusatzpatentanmeldung sind Dampffedern bekanntgemacht, bei denen bei gleichzeitig
erreichbaren konstruktiven Gestaltungsvorteilen die Regelgeschwindigkeit durch die
Verwendung von Wärmespeichern gesteigert wird. Mit dem Zusatzpatent 1088 767 ist
eine hermetisch geschlossene Federanordnung bekanntgemacht, die mit einem Wärmespeicher
gemäß Hauptpatent versehen ist und mit einem hermetisch geschlossenen, zum Federsystem
gehörenden, jedoch druckdicht von diesem getrennten, flüssiges Federmedium aufnehmenden
Vorratsraum ausgestattet ist, der seinerseits durch ein Gaspolster unter einem vom
Federdruck je nach den Betriebszuständen des Gesamtsystems abweichenden Druck gehalten
wird und mit dessen Hilfe ein Flüssigkeitsumlauf zwischen dem Sammelbehälter für
flüssiges Medium in der Feder und dem genannten Zusatzbehälter bewerkstelligt wird.
Bei beiden Federsystemen kann sich entweder in jedem Federkörper ein beheizbarer
Wärmespeicher befinden, oder die einzelnen Federkörper können gemeinsam von nur
einem, außerhalb befindlichen beheizbaren Wärmespeicher versorgt werden. Bei Federkörpern
mit eigenen Wärmespeichern kann dies jedoch, insbesondere wenn Abfallwärme z. B.
aus dem Motorkühlwasserkreislauf verwendet werden soll, zu einem unerwünschten Aufwand
für die der Wärmezufuhr dienende Einrichtung führen und darüber hinaus zur Aufrechterhaltung
des notwendigen Umlaufes bei beispielsweise flüssigen Wärmeträgern die Anordnung
einer besonderen Umlaufpumpe hierfür erforderlich machen.
-
Ein den Federn gemeinsamer Wärmespeicher ist räumlich groß und in
seiner Konstruktion aufwendig. Erfindungsgemäß wird diesen Nachteilen dadurch abgeholfen,
daß ein mit Heizkammer und Wärmespeicher ausgestatteter Verdampfungsraum mit einem
Zylinder in Verbindung steht, in dem durch einen hin- und hergehenden Kolben das
getrennt von den Dampfräumen vorgehaltene federnde Medium auf einen über dem Maximalfederdruck
liegenden Vorratsbehälterspeicherdruck komprimiert wird, wobei die Kolbenbewegung
durch Verdampfungs- und Kondensationsphasen automatisch gesteuert wird. Durch die
Trennung der Verdampfer- und Wärmespeichereinrichtung mit Hilfe eines Kolbens von
dem eigentlichen federnden Medium (Gas) können von ein und demselben Druckerzeuger
beliebig viele Gasfedern z. B. eines Fahrzeuges kurzfristig dem jeweiligen Bedarf
entsprechend in der Füllung verändert werden. Dabei bleiben die Vorteile der mit
dem Hauptpatent bekanntgemachten Einrichtung im wesentlichen erhalten. Darüber hinaus
sind folgende Vorteile erreichbar: 1. Der Druckerzeuger hat dank seiner Arbeitsweise
mit mehreren Hüben einen räumlich kleineren Verdichtungsraum, wodurch er raumsparender
und in seinem konstruktiven Aufwand billiger wird.
-
2. Alle einzelnen Federkörper des Systems können - wie bei herkömmlichen
Luftfedern - ohne Zeitverlust den jeweils sich einstellenden Belastungsverhältnissen
angepaßt werden.
-
3. Der Druckerzeuger des thermisch arbeitenden Systems kann unabhängig
von dem jeweiligen Belastungszustand der einzelnen Federkörper so lange federndes
Medium in den Vorrats- und Speicherbehälter fördern, bis der erforderliche höchste
Druck im Speicherbehälter erreicht ist oder - bei völlig geschlossenem System -alles
in diesem System vorhandene federnde Medium (Gas) in den Vorratsbehälter und die
Federn gefördert ist.
-
Eine der konstruktiven Ausführungsmöglichkeiten eines gemäß vorstehend
aufgezeichneten Erfindungsgedankens aufgebauten Federsystems sei an Hand der Zeichnung
1, die den Druckerzeuger im Schnitt zeigt, nachstehend beschrieben: In dem Zylinder
1 läuft der Kolben 2. Der Kompressionsraum über dem Kolben 2 ist gegen den
Arbeitsraum
unter dem Kolben 2 durch die Wälzhautdichtung 3 völlig abgedichtet. Mit dem Kolben
2 fest verbunden ist der Fortsatz 20, dessen kleiner Kolben an seinem Ende mit überströmschliizen
17 versehen ist. An der Stelle des Übergangs vom Kolben 2 zum Fortsatz 20 befinden
sich die Überströmschlitze 18. Der Fortsatz 20 läuft in der Führung
der Trennwand 4, durch die der Heizraum mit Verdampferraum 15 von dem Zylinderraum
des Zylinders 1 getrennt ist. Die Heizvorrichtung des Verdampferraumes 15
wird hier im Beispiel durch einen Nebenkreislauf des Motorkühlsystems eines wassergekühlten
Fahrzeugverbrennungsmotors über den Zulauf 21 und den Rücklauf 22 ständig mit Wärme
versorgt, so daß sich in diesem Raum eine der Temperatur der Heizflüssigkeit entsprechende
Temperatur von 70 bis 80°C einstellt. Der kleine Kolben mit überströmschlitzen 17
läuft in dem Rohr 5, das in den gekühlten Flüssigkeitsbehälter 6 hineinragt. Im
Interesse einer guten und schnellen Wärmeabfuhr in diesem Bereich ist der Flüssigkeitsbehälter
6 aus gut wärmeleitendem Material gefertigt und mit Kühlrippen 19 versehen. Er ist
mit dem Zylinder 1 über die wärmeisolierende Zwischenschicht 16 so verbunden, daß
von oben her keine Wärmebrücke entsteht. Der Verdampferraum 15 ist überdies gegen
unerwünschte Wärmeabgabe durch die Isolierung 23 geschützt. Das aus den Federkörpern
12 nebst Regulierventilen 13, dem Vorratsraum 7, dem Rücklaufbehälter 8 und den
Rückschlagventilen 11 und 14 bestehende eigentliche Federsystem ist
durch den Raum oberhalb des Kolbens 2 mit dem thermisch arbeitenden Druckerzeuger
verbunden, jedoch durch die Wälzhautdichtung 3 von diesem getrennt. Dieses System
ist mit einem geeigneten Gas - eventuell auch Luft - so weit gefüllt, daß - wenn
es sich, wie im Beispiel gezeigt, um ein völlig geschlossenes System handelt - die
erforderlichen maximalen und minimalen Drücke der Federkörper 12 bei größtmöglichem
Druck im Vorratsraum 7 jederzeit über die Regulierventile 13, die, wie üblich, von
der Federhöhe her beeinflußt werden, eingestellt werden können.
-
Die Arbeitsweise des Systems ist folgende: Am Ende eines Kompressionshubes
befindet sich der Kolben 2, wie gezeichnet, an oberster Stelle. In dieser Stellung
haben die überströmschlitze 17 des kleinen Kolbens gegenüber der Oberkante des Rohres
5 einen Durchgang zum Verdampferraum 15, wie gezeichnet, geöffnet. Der Druck im
Verdampferraum 15 bricht zusammen, und hier noch vorhandenes flüssiges Medium strömt
nach unten ab und vermischt sich mit dem kalten Medium im Rohr 5 und im Flüssigkeitsbehälter
6. Damit gewinnt der Druck des federnden Mediums über dem Kolben 2 das Übergewicht
und drückt diesen mit seinem Fortsatz 20 und dem kleinen Kolben nach unten. Der
kleine Kolben drückt nunmehr, nachdem die Überströmschlitze 17 die Verbindung nach
dem Verdampferraum 15 nicht mehr offenhalten, flüssiges kaltes Medium aus dem Flüssigkeitsbehälter
6 über die Leitung 25 und die Düse 9 in den noch mit dem heißen Dampf des Arbeitsmediums
gefüllten Raum unter dem Kolben 2. Dieser wird dadurch stark gekühlt, der Druck
in ihm bricht ebenfalls zusammen, und federndes Medium aus dem Rücklaufbehälter
8 kann nunmehr, dem nach unten gehenden Kolben 2 folgend, über das Rückschlagventil14
einströmend angesaugt werden. Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis der Kolben
2 bis auf ein durch die überströmschlitze 18 bestimmtes Maß dicht vor seiner untersten
Endlage angekommen ist. Nunmehr befindet sich unter dem Kolben 2 kühleres flüssiges
Medium, welches nach Überschneiden der steuernden Kanten in der Trennwand 4 durch
die überströmschlitze 18 in den Verdampferraum 15 und den Ringraum zwischen dem
Rohr 5 und dem Fortsatz 20 des Kolbens 2 abfließt. In diesem Augenblick füllt
sich außer dem vorgenannten Ringraum auch der Verdampferraum 15 mit verdampfbarem
Medium (z. B. Frigene, Chlormethyl, Octafluorcyclobutan od. ä.). Dank der in ihm
gespeicherten Wärme tritt eine sehr schnelle Verdampfung des Mediums im Verdampferraum
15 ein, und im Raum unter dem Kolben 2 baut sich über das Rückschlagventil10 ein
Druck auf, der über dem Druck des federnden Mediums über dem Kolben 2 liegt und
nunmehr den Kolben 2 mit seinem Fortsatz 20 und den überströmschlitzen 17 so lange
nach oben drückt, bis der Kolben 2 wieder in oberster Endlage angelangt ist, das
federnde Medium über dem Kolben 2 über das Rückschlagventil 11 in den Vorratsraum
7 gedrückt ist und der Vorgang sich wie beschrieben wiederholt. Wichtig ist, daß
bei dem Aufwärtsweg des Kolbens 2 mit seinem Fortsatz 20 und der überströmschlitze
17 das in dem Ringraum zwischen dem Rohr 5 und dem Fortsatz 20 des Kolbens 2 befindliche
flüssige Medium nach oben gefördert und in den Verdampferraum 15
geschoben
wird, wodurch ein dem über das Rückschlagventil10 dampfförmig abströmenden Medium
entsprechender Ersatz an nachzuverdampfendem Medium erfolgt. Im oberen Teil des
Ringraumes zwischen dem Rohr 5 und dem Flüssigkeitsbehälter 6 kann noch ein kleines
Gaspolster (wie gezeichnet) eingebracht werden, welches die überströmvorgänge elastischer
zu gestalten erlaubt.
-
Dank der gespeicherten Wärmeenergie im Verdampferraum 15 und der Nachförderung
verdampfbaren Mediums aus dem Ringraum zwischen dem Rohr 5 und dem Fortsatz 20 des
Kolbens 2 beim Aufwärtshub des Kolbens 2 geht der Kompressionshub sehr schnell vor
sich. Der Abwärtsgang des Kolbens 2 verläuft im Vergleich hierzu langsamer, da während
des Abwärtshubes das im Zylinder 1 unter dem Kolben 2 befindliche dampfförmige Medium
kondensiert werden muß. Hierfür wird trotz der Kondensationshilfe durch die Düse
9 mit Rücksicht auf die nicht unbeträchtliche Wärmekapazität des Dampfes etwas längere
Zeit benötigt. Will man diesen Vorgang ebenfalls beschleunigen, um bei gleichen
Abmessungen eine nennenswerte Erhöhung der Verdichterleistung des Druckerzeugers
zu erreichen, so kann man den Zylinder 1 mit einem druckdichten, ebenfalls mit Kühlrippen
versehenen Mantel größeren Durchmessers umgeben und in die Zylinderwand des Zylinders
1 der obersten Stellung des Kolbens 2 entsprechend, oder in die Wand des Rohres
5 der obersten Stellung der überströmschlitze 17 entsprechend, schlitzförmige Öffnungen
anbringen, so daß bei Erreichen der obersten Stellung des Kolbens 2 bzw. der überströmschlitze
17 das unter dem Kolben 2 befindliche dampfförmige Medium durch diese Schlitze schlagartig
in den vom Zylinder 1 und dem genannten Mantel gebildeten Ringraum abströmt. Damit
bricht der Druck unter dem Kolben 2 beim Erreichen seiner obersten Stellung
sofort
- dem Volumen des Ringraumes entsprechend - fastvöllig zusammen, und der Kolben
2 kann unter der Wirkung des über das Rückschlagventil14 nachströmenden federnden
Mediums sehr schnell - wie vorbeschrieben - nach unten gehen. In diesem Falle sammelt
sich im unteren Teil des Ringraumes zwischen dem Mantel und dem Zylinder 1 kondensiertes
flüssiges Medium an, welches über ein zu diesem Zwecke im unteren Teil des Ringraumes
angeordnetes Rückschlagventil beim Aufwärtshub des Kolbens 2 und damit der überströmschlitze
17 von diesem über den Ringraum zwischen dem Flüssigkeitsbehälter 6 und dem Rohr
5 abgesaugt wird, wodurch der Kreislauf dieses Teiles des Mediums wieder geschlossen
ist. Bei einer Anordnung dieser Art (nicht gezeichnet) kann das Rückschlagventi110
entfallen; des weiteren können Überströmschlitze oberhalb des kleinen Kolbens zweckmäßig
sein, die bei oberster Stellung der überströmschlitze 17 den Arbeitsraum unter dem
Kolben 2 mit dem Verdampferraum 15 verbinden.
-
Das im Vorratsraum 7 nunmehr unter hohem Druck gespeicherte federnde
Medium wird im Bedarfsfalle, gesteuert durch die Regulierventile 13, den Federkörpern
12 zugeführt. Aus den Federkörpern 12 bei Entlastung der Federn abstörmendes Medium
wird über die Regulierventile 13 in den Rücklaufbehälter 8 und von dort in den Raum
über dem Kolben 2 geleitet.
-
Ein besonderer Vorteil des Federsystems gemäß vorstehender Beschreibung
ist, daß dieses auch bei stillstehendem und abgekühltem Fahrzeug durch den Druckgasvorrat
im Vorratsraum 7 und den Federkörpern 12 stets sofort betriebsbereit gehalten wird.
Auch das Anlaufen des Druckerzeugers mit dem Kolben 2 ist stets gewährleistet, ganz
gleich aus welchem Anfangstemperaturbereich, da sich bei völliger Abkühlung flüssiges
Medium im Verdampferraum 15. ansammelt, welches bei Beginn der Wärmezufuhr verdampft
und die Kolbenbewegung mit dem Vorgang der Verdichtung einleitet.
-
Das durch den Kolben 2 von dem Druckerzeuger getrennte federnde Medium
kann im Bedarfsfalle jederzeit von außen etwa durch ein Rückschlagventil am Rücklaufbehälter
8 (nicht gezeichnet) mit federndem Medium nachgefüllt werden, falls sich bei längerer
Betriebszeit ein zu großer Verluft des Vorrates in diesem System ergeben sollte.
Auch ist es möglich, etwa über einen Dreiwegehahn (nicht gezeichnet) vor dem Rückschlagventil
14 mit Hilfe des Kolbens 2 Luft aus der Atmosphäre anzusaugen und auf Systemdruck
zu verdichten. In diesem Falle wird eventuell eine leichte Wickelfeder über dem
Kolben 2 zur Sicherstellung der Abwärtsbewegung (Ansaugen) erforderlich.
-
Die Arbeitsdrücke in dem Federsystem richten sich nach den zur Anwendung
kommenden Temperaturen im Verdampferraum 15. Für Temperaturen zwischen etwa 40°
C unterstem und 70° C oberstem Wert ergeben sich bei der Verwendung von Difluordichlormethan
(C F2 C12) 9,8 ata unterer und 19,1 ata oberer Druckpegel unter dem Kolben 2. Für
Octafluorcyclobutan (C4 F8) sind die vergleichbaren Werte entsprechend niedriger,
bei 40° C=6,6 ata und bei 70° C=15 ata. Geeignet können auch sein Isobutan, Perfluorbutan,
Tetrafluordichlormethan, Difluormonochlormethan und ähnliche auch als Kältemittel
bekannte Stoffe. Zwischendruckbereiche können auch durch Mischungen verschiedener
mischbarer Stoffe vorgenannter Art eingestellt werden.