DE102020113749A1

DE102020113749A1 - Gasdruckfeder mit einem Dehnwachs, Antriebssystem mit der Gasdruckfeder

Info

Publication number: DE102020113749A1
Application number: DE102020113749.4A
Authority: DE
Inventors: Felix Bleib; Ulrich Probst; Alexander Reiser; Martin SCHLEICH
Original assignee: Stabilus GmbH
Current assignee: Stabilus GmbH
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2021-11-25
Also published as: EP4153672A1; CN115698154B; JP2023526407A; CN115698154A; WO2021233841A1; BR112022023453A2; MX2022014504A; US20240026199A1; KR20230003177A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasdruckfeder mit einem Dehnwachs als Ausgleichsmedium zur Verringerung einer Temperaturabhängigkeit einer Federkraft der Gasdruckfeder in einem sich von einer Minimaltemperatur zwischen -40 °C und + 10 °C bis zu einer Maximaltemperatur zwischen +40 °C und +100 °C erstreckenden Arbeitstemperaturbereich der Gasdruckfeder. Das Dehnwachs umfasst in dem gesamten Arbeitstemperaturbereich zumindest eine flüssige Phase und zumindest eine feste Phase. Die Erfindung betrifft ferner ein Antriebssystem für eine Klappe mit einer erfindungsgemäßen Gasdruckfeder zur Unterstützung der Klappe und einem elektromechanischen Antrieb zum Antrieb der Klappe.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Gasdruckfeder mit einem Dehnwachs als Ausgleichsmedium zur Verringerung einer Temperaturabhängigkeit einer Federkraft der Gasdruckfeder in einem sich von einer Minimaltemperatur bis zu einer Maximaltemperatur erstreckenden Arbeitstemperaturbereich der Gasdruckfeder.
Die Erfindung betrifft ferner ein Antriebssystem für eine Klappe mit einer Gasdruckfeder zur Unterstützung der Klappe und einem elektromechanischen Antrieb zum Antrieb der Klappe.
Stand der Technik
Bei Gasdruckfedern ergibt sich dadurch, dass der Druck des verwendeten Arbeitsgases (im Fall eines idealen Arbeitsgases linear) mit der Temperatur ansteigt, eine Gasfedercharakteristik mit einer temperaturabhängigen Federkraft. In vielen Anwendungsfällen, beispielsweise bei Antriebssystemen für Klappen, insbesondere Fahrzeugklappen, ist jedoch eine temperaturunabhängige Federkraft gewünscht. Daher sind aus dem Stand der Technik Gasdruckfedern bekannt, die dazu ausgelegt sind, die Temperaturabhängigkeit der Gasfedercharakteristik mit Hilfe eines Ausgleichsmediums zu kompensieren.
Dazu umfasst die Gasdruckfeder beispielsweise wie in EP 1 795 777 A2 beschrieben einen Arbeitszylinder, der zusammen mit einer Ausgleichskolbenanordnung einen mit einem Arbeitsmedium gefüllten Arbeitsraum umgrenzt, und einer Arbeitsstange, die durch eine Öffnung des Arbeitszylinders verschiebbar in den Arbeitsraum hineinragt. Dabei wird die Ausgleichskolbenanordnung von dem Druck des Arbeitsmediums und dem Druck des in einem Ausgleichsraum vorgesehenen, sich bei Temperaturerhöhung ausdehnenden Ausgleichsmediums in einem das Volumen des Arbeitsraum vergrößernden Sinne beaufschlagt. Damit der Ausgleichskolben bei einer Temperaturverringerung reversibel in seine Ausgangsposition zurückkehrt, kann er außerdem von einem in einem Rückstellraum vorgesehenen Rückstellmedium in einem das Volumen des Arbeitsraum verkleinernden Sinne beaufschlagt sein.
Hinsichtlich der als Ausgleichsmedium einsetzbaren Stoffe verweist DE 31 41 295 A1 ganz pauschal auf eine „spezielle Flüssigkeit“. Demgegenüber ist in der dem gleichen Sachgebiet entstammenden Druckschrift DE 25 11 289 A1 ausdrücklich Hydrauliköl als Ausgleichsmedium genannt. Gemäß US 4,613,115 schließlich werden Zweiphasen-Systeme bestimmter Stoffe als Ausgleichsmedium eingesetzt, genauer gesagt Systeme, bei denen die flüssige und die gasförmige Phase des betrachteten Stoffes bei den jeweiligen Druck-Temperatur-Bedingungen koexistieren.
Alle diese Ausgleichsmedien haben sich in der Praxis jedoch als nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend erwiesen. Insbesondere verfügt das herkömmlich eingesetzte mineralische Öl über eine zu geringe nutzbare Volumenausdehnung in dem üblicherweise betrachteten Betriebszustandsfeld der Gasdruckfeder. Bei Zweiphasen-Systemen wird die hauptsächlich von der Gasphase herrührende, hohe Volumenausdehnung durch die starke Kompressibilität der Gasphase wieder zunichte gemacht.
Gemäß EP 1 795 777 A2 ist das Ausgleichsmedium vorzugsweise eine Flüssigkeit kurz unterhalb ihrer Siedetemperatur oder in einem überkritischen Zustand, da eine solche Flüssigkeit einerseits eine relativ große Volumenausdehnung aufweist, andererseits aber auf Grund ihrer Eigenschaft, immer noch eine Flüssigkeit zu sein, im Wesentlichen inkompressibel sind. Als Beispiele für bevorzugte Ausgleichsmedien werden Kohlendioxid (CO₂), Ethan (C₂H₆), Propan (C₃H₈), Schwefelwasserstoff (H₂S), Ammoniak (NH₃), Methylenchlorid (CH₃Cl), Schwefeldioxid (SO₂) und Schwefelhexafluorid (SF₆) genannt. Nachteilig an diesen Ausgleichsmedien ist jedoch, dass sie, insbesondere da sie leicht flüchtig und teilweise auch korrosiv und/oder toxisch sind, nur mit hohem Aufwand in eine Gasdruckfeder eingebracht und dauerhaft dort gehalten werden können. Darüber hinaus sind viele dieser Ausgleichsmedien leicht entzündlich, was insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen aus Sicherheitsgründen und transportrechtlichen Gründen problematisch ist.
Technische Aufgabe
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders einfach herstellbare und langlebige Gasdruckfeder und ein Antriebssystem für eine Klappe damit zu schaffen, wobei die Temperaturabhängigkeit der Gasfedercharakteristik zuverlässig kompensiert ist.
Technische Lösung
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung stellt eine Gasdruckfeder gemäß Anspruch 1 bereit, die die technische Aufgabe löst. Ebenso wird die Aufgabe durch ein Antriebssystem gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Beschreibung der Ausführungsarten
Die Erfindung betrifft eine Gasdruckfeder mit einem Dehnwachs als Ausgleichsmedium zur Verringerung einer Temperaturabhängigkeit einer Federkraft der Gasdruckfeder in einem sich von einer Minimaltemperatur, insbesondere zwischen -40 °C und + 10 °C, bis zu einer Maximaltemperatur, insbesondere zwischen +40 °C und +100 °C, erstreckenden Arbeitstemperaturbereich der Gasdruckfeder.
Die Gasdruckfeder kann beispielsweise im Wesentlichen wie die in DE 31 41 295 A1 oder in EP 1 795 777 A2 beschriebenen Gasdruckfedern aufgebaut sein. Die Gasdruckfeder umfasst vorzugsweise einen Arbeitszylinder, der zusammen mit einer Ausgleichskolbenanordnung einen mit einem, insbesondere gasförmigen, Arbeitsmedium gefüllten Arbeitsraum umgrenzt, und einer Arbeitsstange, die durch eine Öffnung des Arbeitszylinders verschiebbar in den Arbeitsraum hineinragt. Dabei wird die Ausgleichskolbenanordnung von dem Druck des Arbeitsmediums und dem Druck des in einem Ausgleichsraum vorgesehenen, sich bei Temperaturerhöhung ausdehnenden Ausgleichsmediums in einem das Volumen des Arbeitsraum vergrößernden Sinne beaufschlagt.
Damit der Ausgleichskolben bei einer Temperaturverringerung reversibel in seine Ausgangsposition zurückkehrt, kann er außerdem von einem in einem Rückstellraum vorgesehenen Rückstellmedium in einem das Volumen des Arbeitsraum verkleinernden Sinne beaufschlagt sein.
Das Dehnwachs erfährt bei einer Temperaurerhöhung innerhalb des Arbeitstemperaturbereichs zumindest einen Phasenübergang, insbesondere von einer wachsartig-festen zu einer flüssigen Phase, mit einer signifikanten Volumenzunahme, beispielsweise um 5 % bis 20 %, insbesondere um 10 % bis 15 %. Dadurch kann die Volumenzunahme des Dehnwachses dazu genutzt werden, den Arbeitsraum der Gasdruckfeder zu vergrößern, um eine Druckzunahme des Arbeitsmediums und damit verbundene Erhöhung der Federkraft der Gasdruckfeder durch die Temperaturerhöhung zu verhindern.
In dieser Anmeldung werden temperaturabhängige Effekte in der Regel am Beispiel einer Temperaturerhöhung beschrieben. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass die temperaturabhängigen Effekte reversibel sind, also bei einer Temperaturverringerung im Wesentlichen umgekehrt ablaufen als bei einer Temperaturerhöhung.
Ein Dehnwachs hat gegenüber anderen Arbeitsmedien den Vorteil, dass es aufgrund seiner wachsartigen Konsistenz und geringen chemischen Reaktivität einfach in die Gasdruckfeder eingebracht werden kann. Weiterhin kann es, da es im Arbeitstemperaturbereich fest oder flüssig vorliegt und chemisch wenig reaktiv ist, auf einfache Weise dauerhaft in der Gasdruckfeder eingeschlossen werden, sodass diese langfristig und zuverlässig funktioniert.
Das Dehnwachs umfasst vorzugsweise in dem gesamten Arbeitstemperaturbereich zumindest eine flüssige Phase und zumindest eine feste Phase. Durch die Koexistenz zumindest einer festen und zumindest einer flüssigen Phase erfolgt bei einer Temperaturerhöhung eine zumindest näherungsweise lineare Volumenzunahme des Dehnwachses, wodurch die in der Regel ebenfalls näherungsweise lineare Druckzunahme des Arbeitsmediums über den gesamten Arbeitstemperaturbereich nahezu vollständig kompensiert werden kann.
Dadurch, dass über den gesamten Arbeitstemperaturbereich zumindest eine flüssige Phase und zumindest eine feste Phase vorliegt, unterscheidet sich das Dehnwachs von üblicherweise in Thermostatventilen verwendeten Dehnwachsen, bei denen nur in einem möglichst engen Temperaturbereich eine flüssige und eine feste Phase koexistieren sollen, um eine wohldefinierte Schalttemperatur des Thermostatventils zu bewirken.
Die zumindest eine flüssige Phase und die zumindest eine feste Phase sind vorzugsweise miteinander vermischt oder bilden ein Gel, um eine homogene temperaturabhängige Volumenänderung des Ausgleichsmediums zu bewirken und mögliche Grenzflächeneffekte, die die Linearität der Volumenänderung beeinträchtigen könnten, zu vermeiden. Die zumindest eine flüssige Phase und die zumindest eine feste Phase können aber auch durch zumindest eine Phasengrenze räumlich voneinander getrennt sein.
In dieser Anmeldung angegebenen Eigenschaften von Stoffen und Stoffgemischen beziehen sich auf Standarddruck (100 kPa), wenn nichts anderes angegeben ist.
Die Minimaltemperatur beträgt vorzugsweise -30 °C bis 0 °C, insbesondere -20 °C bis -10 °C. Die Maximaltemperatur beträgt vorzugsweise +50 °C bis +80 °C, insbesondere +60 °C bis +70 °C. Mit den genannten Minimaltemperaturen und Maximaltemperaturen ergibt sich ein Arbeitstemperaturbereich, der eine Vielzahl typischer Anwendungsbereiche von Gasdruckfedern, insbesondere im Fahrzeugbau, abdeckt, sodass unerwünschte Effekte eine Temperaturabhängigkeit der Federkraft der Gasdruckfeder in typischen Anwendungsbereichen vermieden werden.
Das Dehnwachs umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von Alkanen mit voneinander unterschiedlichen Kettenlängen oder besteht daraus, wobei die Alkane bevorzugt eine minimale Kettenlänge im Bereich von 5 bis 20, besonders bevorzugt 10 bis 15, und eine maximale Kettenlänge im Bereich von 20 bis 35, besonders bevorzugt 25 bis 30, aufweisen.
Das Dehnwachs kann beispielsweise 10 bis 25, insbesondere 15 bis 20, Alkane mit voneinander unterschiedlichen Kettenlängen umfassen.
Alkane bieten als Ausgleichsmedium eine Reihe von Vorteilen, insbesondere sind sie aufgrund der stabilen Kohlenstoffketten ohne funktionelle Gruppen reaktionsträge, ab einer gewissen Kettenlänge nur schwer entflammbar und nur unter Anwesenheit von Katalysatoren spaltbar. Alkane sind weiterhin untereinander mischbar, gesundheitlich unbedenklich, kostengünstig verfügbar und bilden aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaft ab einer Kettenlänge von etwa 16 einen Korrosionsschutz für die Gasdruckfeder.
Alkane mit den genannten Kettenlängen weisen über den Arbeitstemperaturbereich der Gasdruckfeder verteilte Schmelztemperaturen auf und stellen dadurch sicher, dass über den gesamten Arbeitstemperaturbereich in dem Ausgleichsmedium zumindest eine flüssige und zumindest eine feste Phase koexistieren. Versuche haben ergeben, dass die Schmelztemperaturen der Alkane in dem Ausgleichsmedium nicht wesentlich von den entsprechenden Schmelztemperaturen der Alkane als Reinstoffe abweichen.
Das Dehnwachs umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von primären Alkoholen mit voneinander unterschiedlichen Kettenlängen oder besteht daraus, wobei die primären Alkohole bevorzugt eine minimale Kettenlänge im Bereich von 3 bis 15, besonders bevorzugt 5 bis 10, und eine maximale Kettenlänge im Bereich von 15 bis 30, besonders bevorzugt 20 bis 25, aufweisen.
Das Dehnwachs kann beispielsweise 2 bis 15, insbesondere 5 bis 10, primäre Alkohole mit voneinander unterschiedlichen Kettenlängen umfassen.
Primäre Alkohole bieten als Ausgleichsmedium eine Reihe von Vorteilen, insbesondere sind sie nicht mit Wasser mischbar und bilden damit einen Korrosionsschutz für die Gasdruckfeder. Außerdem sind sie einfach verfügbar, reagieren neutral, und sind gesundheitlich unbedenklich.
Primäre Alkohole mit den genannten Kettenlängen weisen über den Arbeitstemperaturbereich der Gasdruckfeder verteilte Schmelztemperaturen auf und stellen dadurch sicher, dass über den gesamten Arbeitstemperaturbereich in dem Ausgleichsmedium zumindest eine flüssige und zumindest eine feste Phase koexistieren. Versuche haben ergeben, dass die Schmelztemperaturen der primären Alkohole in dem Ausgleichsmedium nicht wesentlich von den entsprechenden Schmelztemperaturen der primären Alkohole als Reinstoffe abweichen.
Das Dehnwachs umfasst vorzugsweise eine Anzahl von Alkanen und eine Anzahl von primären Alkoholen mit voneinander unterschiedlichen Kettenlängen oder besteht daraus. Primäre Alkohole sind im Allgemeinen mit Alkanen mischbar, sodass sich aus primären Alkoholen und Alkanen vorteilhafterweise ein homogenes Dehnwachs erzeugen lässt.
Alkane weisen im Allgemeinen geringere Flammpunkte auf als primäre Alkohole gleicher Kettenlänge, wobei die Flammpunkte im Bereich kleiner Kettenlängen, beispielsweise mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen, in den Arbeitstemperaturbereich der Gasdruckfeder fallen können. Aus Sicherheitsgründen ist es daher vorteilhaft, bei kleinen Kettenlängen primäre Alkohole zu verwenden. Primäre Alkohole sind jedoch in der Regel teurer als Alkane gleicher Kettenlänge. Wenn das Dehnwachs Alkane und primäre Alkohole, insbesondere als Mischung, enthält, ist die Gasdruckfeder somit eine besonders sicher und besonders kostengünstig herstellbar.
Die Kettenlängen der primären Alkohole und/oder der Alkane liegen vorzugsweise in den zuvor genannten Bereichen. Die primären Alkohole weisen vorzugsweise eine geringere Kettenlänge auf als die Alkane, da bei geringeren Kettenlängen der vorgenannte Sicherheitsvorteil der primären Alkohole ihren Kostennachteil überwiegt. Das Dehnwachs kann beispielsweise zumindest einen primären Alkohol mit einer Kettenlänge unter 12, insbesondere Octanol, und eine Anzahl von Alkanen mit einer Kettenlänge von zumindest 12 umfassen.
Die primären Alkohole bilden vorzugsweise einen Stoffmengenanteil von 1 % bis 15 %, bevorzugt 2 % bis 10 %, des Dehnwachses. Mit einem solchen Stoffmengenanteil können das erfindungsgemäße Schmelzverhalten des Dehnwachses und eine hohe Anwendungssicherheit der Gasdruckfeder mit geringen Kosten erreicht werden.
Das Dehnwachs umfasst vorzugsweise zumindest ein Antioxidationsmittel, um eine mögliche Degradierung des Dehnwachses, insbesondere von primären Alkoholen, durch Reaktionen mit Sauerstoff zu verhindern. Das Antioxidationsmittel umfasst beispielsweise Ascorbylpalmitat. Dieses ist in Ölen löslich, gut verfügbar und ungefährlich. Das Antioxidationsmittel bildet beispielsweise einen Stoffmengenanteil des Dehnwachses von 0,1 % bis 10 %, insbesondere von 0,5 % bis 5 %.
Das Dehnwachs umfasst vorzugsweise zumindest ein Öl, bevorzugt eines für Gasdruckfedern fachüblichen Systemöls, beispielsweise des mit der Handelsbezeichnung Titan SAF 1720 von der Firma Fuchs Schmierstoffe GmbH vertriebenen Öls. Ein Systemöl hat den Vorteil, dass es sowohl als Bestandteil des Dehnwachses als auch zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften der Gasdruckfeder verwendet werden kann.. Das Öl bildet beispielsweise einen Stoffmengenanteil des Dehnwachses von 0,1 % bis 10 %, insbesondere von 0,5 % bis 5 %. Das Öl hat den Vorteil, das es auch bei tiefen Temperaturen, beispielsweise unterhalb von -10 °C, als flüssige Phase vorliegt und somit die Funktion des Dehnwachses bei tiefen Temperaturen sicherstellt. Darüber hinaus kann das Öl auch als Schmiermittel und/oder Dämpfmittel für die Gasdruckfeder fungieren und dadurch ihre Lebensdauer erhöhen.
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für eine Klappe mit einer erfindungsgemäßen Gasdruckfeder zur Unterstützung der Klappe und einem elektromechanischen Antrieb, beispielsweise einem Linearantrieb, insbesondere einem Spindelantrieb, zum Antrieb der Klappe. Bei der Klappe kann es sich beispielsweise um eine Klappe eines Fahrzeugs, insbesondere um eine Motorhaube, eine Kofferraumklappe, eine Gepäckraumklappe oder eine Flügeltür, handeln.
Antriebssysteme für eine Klappe mit einer Gasdruckfeder zur Unterstützung der Klappe und einem elektromechanischen Antrieb zum Antrieb der Klappe sind im Stand der Technik bekannt. Bis auf die Verwendung einer erfindungsgemäßen anstelle einer gattungsgemäßen Gasdruckfeder kann das erfindungsgemäße Antriebssystem wie ein entsprechendes Antriebssystem aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus DE 103 13 440 A1 oder DE 10 2008 045 903 A1 , aufgebaut sein.
Die Gasdruckfeder des Antriebssystems dient dazu, die Klappe in einer beliebigen Stellung gegen die Schwerkraft zu halten, während der elektromechanische Antrieb dazu dient, die Klappe zu öffnen und zu schließen. Zusätzlich kann wie in DE 103 13 440 A1 und DE 10 2008 045 903 A1 eine manuelle Betätigung der Klappe vorgesehen sein.
Die Gasdruckfeder muss eine so hohe Federkraft aufweisen, dass sie Klappe auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen halten kann. Da die Federkraft bei üblichen Gasdruckfedern mit steigender Temperatur steigt, führt dies dazu, dass bei hohen Temperaturen von dem elektromechanischen Antrieb oder einem Bediener eine sehr hohe Kraft aufgebracht werden muss, um die Klappe zu schließen. Daher muss das Antriebssystem einen sehr kraftvollen elektromechanischen Antrieb umfassen, der teuer ist, viel Bauraum beansprucht und im Betrieb viel Energie verbraucht. Außerdem kommt es zu einem hohen Verschleiß des elektromechanischen Antriebs und von anderen mit der Klappe mechanisch verbundenen Teilen, beispielsweise Scharnieren.
Im Stand der Technik werden diese Probleme durch Verwendung eines Federbeins anstelle der Gasdruckfeder umgangen (z.B. DE10 2008 045 903 A1 , Abs. [0021]). Ein Federbein hat zwar eine nahezu temperaturunabhängige Federkraft, ist aber größer, schwerer und teurer als eine Gasdruckfeder mit vergleichbarer Federkraft.
Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen, temperaturkompensierten Gasdruckfeder anstelle einer fachüblichen Gasdruckfeder wird somit ein besonders kostengünstiges, einfach herstellbares, langlebiges, kompaktes, energiesparendes und einfach zu bedienendes Antriebssystem für eine Klappe geschaffen.
Figurenliste
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung und anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft erfindungsgemäße Gegenstände dargestellt sind. Merkmale, welche in den Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Merkmale nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.

1 zeigt die relative Volumenänderung eines Dehnwachses einer erfindungsgemäßen Gasdruckfeder abhängig von der Temperatur.
2 zeigt die relative Volumenänderung eines weiteren Dehnwachses einer erfindungsgemäßen Gasdruckfeder abhängig von der Temperatur.

Fig.1
1 zeigt die relative Volumenänderung δV in % eines Dehnwachses einer erfindungsgemäßen Gasdruckfeder abhängig von der Temperatur T in °C.

Das für 1 untersuchte Dehnwachs wurde durch Vermischung der im Handel erhältlichen Wachse RubiTherm RT35, Mahle-Beer und Paramelt Dilavest 0-30 zu gleichen Anteilen hergestellt und enthält die in folgender Tabelle 1 aufgelisteten Alkane. Die Stoffmengenanteile wurden mit Gas-Chromatographie bestimmt. Tabelle 1:

Name	Kettenlänge	Schmelztemperatur / °C	Stoffmengenanteil / %
n-Dodecan	12	-10	0,0
n-Tridecan	13	-5	0,1
n-Tetradecan	14	6	9,5
n-Pentadecan	15	9	6.2
n-Hexadecan	16	18	3,9
n-Heptadecan	17	21	6,5
n-Octadecan	18	28	15,8
n-Nonadecan	19	32	9,1
n-Eicosan	20	37	10,4
n-Heneicosan	21	40	11,2
n-Docosan	22	44	9,1
n-Tricosan	23	48	6,1
n-Tetracosan	24	50	4,4
n-Pentacosan	25	54	3,1
n-Hexacosan	26	56	1,8
n-Heptacosan	27	59	0,8
n-Octacosan	28	61	0,3
n-Nonacosan	29	64	0,3
n-Triacontan	30	65	0,0
Summe			98,5

Zur Messung der Temperaturabhängigkeit des Volumens des Dehnwachses wurde bei einer Ausgangstemperatur von -10 °C ein Ausgangsvolumen von 3198,4 mm³ des Dehnwachses in eine zylindrische Messkartusche (6 mm Innendurchmesser, 114 mm Innenlänge) mit einem zylindrischen Stößel (3,98 mm Durchmesser, 12,4 mm² Querschnittsfläche) eingefüllt.
Die Messkartusche wurde in einem Temperier-Ofen einer Temperaturrampe unterzogen. Bei jeder untersuchten Temperatur wurde nach einer Wartezeit von ca. 20 min mit einem Wegaufnehmer der Weg, um den der Stößel gegenüber der Ausgangstemperatur durch die Ausdehnung des Dehnwachses gegen eine Gegenkraft von 3 N aus der Kartusche ausgetrieben wurde, aufgenommen.
Die relative Volumenänderung des Dehnwachses wurde als Produkt aus dem aufgenommenen Weg mit der Querschnittsfläche des Stößels dividiert durch das Ausgangsvolumen berechnet. 1 zeigt die so erhaltenen Werte für die Erwärmung (Kreise) und Abkühlung (Quadrate) des Dehnwachses.
Die wesentlichen Bestandteile (Stoffmengenanteil > 5 %) des für 1 untersuchten Dehnwachses weisen Schmelztemperaturen im Bereich von 6 °C bis 48 °C auf (Tabelle 1). Dementsprechend umfasst das Dehnwachs in einem gesamten Arbeitstemperaturbereich von ca. 10 °C bis ca. 50 °C zumindest eine feste und zumindest eine flüssige Phase.
Daraus ergibt sich, wie in 1 erkennbar ist, eine näherungsweise lineare relative Volumenzunahme mit steigender Temperatur in dem Arbeitstemperaturbereich. Eine lineare Regression (gepunktete Linie) der Messdaten in diesem Bereich zeigt einen Korrelationskoeffizienten von R² = 0,96.
Insgesamt wird über den untersuchten Temperaturbereich von -10 °C bis +60 °C eine relative Volumenzunahme von 15 % erreicht, was ausreichend ist, um die Temperaturabhängigkeit der Gasdruckfeder zu kompensieren. Mit einer relativen Volumenzunahme um 15 % ist es bei geeigneten Übersetzungsverhältnissen in der Konstruktion möglich einen Ausgleichshub zu realisieren, welcher ausreichend ist die Temperaturabhängigkeit der Gasfeder vollständig zu kompensieren oder sogar zu überkompensieren.
Eine Überkompensation bietet die Möglichkeit sehr flexibel zu arbeiten und durch Mischen mit entsprechenden Ölen mit geringerer Volumenzunahme die genau gewünschte Ausdehnung für jeden Gasdruckfedertyp passend einzustellen.
Fig.2
2 zeigt die relative Volumenänderung δV in % eines weiteren Dehnwachses einer erfindungsgemäßen Gasdruckfeder abhängig von der Temperatur T in °C.

Das für 2 untersuchte Dehnwachs wurde durch Vermischung dreier im Handel erhältlicher Wachse der Firma Orbesen mit Schmelzbereichen von 6 °C bis 12 °C, von 15 °C bis 40 °C und von 56 °C bis 62 °C zu gleichen Anteilen hergestellt und enthält die in folgender Tabelle 2 aufgelisteten primären Alkohole. Die Stoffmengenanteile wurden mit Gas-Chromatographie bestimmt. Tabelle 2:

Name	Kettenlänge	Schmelztemperatur / °C	Stoffmengenanteil / %
n-Octanol	8	-16	0,0
n-Decanol	10	7	43,8
n-Dodecanol	12	24	0,0
n-Tetradecanol	14	38	24,0
n-Hexadecanol	16	49	31,4
n-Octadecanol	18	59	0,0
Summe			99,3

Die relative Volumenänderung des Dehnwachses wurde ebenso bestimmt, wie zu 1 beschrieben. Im Unterschied zu 1 wurde eine Ausgangstemperatur von -20 °C gewählt.
Die wesentlichen Bestandteile (Stoffmengenanteil > 5 %) des für 1 untersuchten Dehnwachses weisen Schmelztemperaturen im Bereich von 7 °C bis 59 °C auf (Tabelle 2). Dementsprechend umfasst das Dehnwachs in einem gesamten Arbeitstemperaturbereich von ca. 10 °C bis ca. 50 °C zumindest eine feste und zumindest eine flüssige Phase.
Daraus ergibt sich wie in 2 erkennbar ist eine näherungsweise lineare relative Volumenzunahme mit steigender Temperatur in dem Arbeitstemperaturbereich. Eine lineare Regression (gepunktete Linie) der Messdaten in diesem Bereich zeigt einen Korrelationskoeffizienten von R² = 0,98.
Insgesamt wird über den untersuchten Temperaturbereich von -20 °C bis +75 °C eine relative Volumenzunahme von 12 % erreicht, was ausreichend ist, um die Temperaturabhängigkeit der Gasdruckfeder zu kompensieren oder sogar zu überkompensieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1795777 A2 [0004, 0007, 0011]
DE 3141295 A1 [0005, 0011]
DE 2511289 A1 [0005]
US 4613115 [0005]
DE 10313440 A1 [0036, 0037]
DE 102008045903 A1 [0036, 0037, 0039]

Claims

Gasdruckfeder mit einem Dehnwachs als Ausgleichsmedium zur Verringerung einer Temperaturabhängigkeit einer Federkraft der Gasdruckfeder in einem sich von einer Minimaltemperatur zwischen -40 °C und + 10 °C bis zu einer Maximaltemperatur zwischen +40 °C und +100 °C erstreckenden Arbeitstemperaturbereich der Gasdruckfeder, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnwachs in dem gesamten Arbeitstemperaturbereich zumindest eine flüssige Phase und zumindest eine feste Phase umfasst.
Gasdruckfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimaltemperatur -30 °C bis 0 °C, bevorzugt -20 °C bis -10 °C, beträgt.
Gasdruckfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximaltemperatur +50 °C bis +80 °C, bevorzugt +60 °C bis +70 °C, beträgt.
Gasdruckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnwachs eine Mehrzahl von Alkanen mit voneinander unterschiedlichen Kettenlängen umfasst, bevorzugt daraus besteht, wobei die Alkane bevorzugt eine minimale Kettenlänge im Bereich von 5 bis 20, besonders bevorzugt 10 bis 15, und eine maximale Kettenlänge im Bereich von 20 bis 35, besonders bevorzugt 25 bis 30, aufweisen.
Gasdruckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnwachs eine Mehrzahl von primären Alkoholen mit voneinander unterschiedlichen Kettenlängen umfasst, bevorzugt daraus besteht, wobei die primären Alkohole bevorzugt eine minimale Kettenlänge im Bereich von 3 bis 15, besonders bevorzugt 5 bis 10, und eine maximale Kettenlänge im Bereich von 15 bis 30, besonders bevorzugt 20 bis 25, aufweisen.
Gasdruckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnwachs eine Anzahl von Alkanen und eine Anzahl von primären Alkoholen mit voneinander unterschiedlichen Kettenlängen umfasst, bevorzugt daraus besteht.
Gasdruckfeder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die primären Alkohole a) eine geringere Kettenlänge aufweisen als die Alkane und/oder b) einen Stoffmengenanteil von 1 % bis 15 %, bevorzugt 2 % bis 10 %, des Dehnstoffs bilden.
Gasdruckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnwachs zumindest ein Antioxidationsmittel umfasst.
Gasdruckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnwachs zumindest ein Öl, bevorzugt eines für Gasdruckfedern fachüblichen Systemöls, umfasst.
Antriebssystem für eine Klappe mit a) einer Gasdruckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Unterstützung der Klappe und b) einem elektromechanischen Antrieb, bevorzugt einem Spindelantrieb, zum Antrieb der Klappe.