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Thermisch gesteuerte Gasfeder Es ist bekannt, mit Gasen oder Dämpfen
oder Lösungen von Gasen und Dämpfen in Flüssigkeiten gebildete Federn, in denen
die Gase bzw. Dampfpolster als federndes Medium verwendet werden, durch thermische
Beeinflussung, d. h. Temperaturerhöhung oder -erniedrigung, in ihrer Tragfähigkeit
den praktischen Bedürfnissen anzupassen. Bekannt sind auch solche Gas-, Dampf- oder
Absorptionsfedern, die mit Hilfe Joulesche Wärme erzeugender elektrischer Heizelemente
last- oder federhöhenabhängig thermisch gesteuert werden.
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Auch ist bekannt, Kühlanlagen zu verwenden, um thermisch geregelte
Gas- oder Dampffedern bei Entlastung und folglich notwendig werdender Druckminderung
durch Wärmeabfuhr aus dem federnden Medium schneller abzukühlen. Solche Kühlvorrichtungen
sind jedoch in ihrer thermischen Dimensionierung auf die maximal vorkommenden Umlufttemperaturen
abzustimmen, wenn sie auch noch bei diesen Temperaturen wirken sollen.
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Erfindungsgemäß werden für die Temperaturbeeinflussung der Gas- oder
Dampffedern Vorrichtungen verwendet, die nicht nur zum Heizen oder Kühlen, sondern
sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden können. Solche Vorrichtungen
können nicht nur Kältemaschinen bekannter Bauweise sein, sondern auch wegen ihrer
Einfachheit vorteilhafterweise thermoelektrisch wirkende Vorrichtungen, wie beispielsweise
Thermoelemente, bei denen in einfacher Weise durch bloßes Umkehren der Stromrichtung
wahlweise Wärme oder Kälte erzeugt wird. Dadurch wird erreicht, daß als Federarbeitstemperaturen
mittlere Temperaturen im Bereich der. normalen Umgebungstemperatur gewählt werden
können und die thermische Regelung des Federsystems je nach dem Belastungszustand
mittels wechselweiser Erwärmung bzw. Kühlung des federnden Mediums gesteuert wird.
Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist, daß durch die Möglichkeit, mittlere Arbeitstemperaturen
anzuwenden, die Temperaturdifferenz zur Umgebung gering gehalten und demzufolge
die für die thermische Steuerung aufzubringende Wärme- und Energiemenge ebenfalls
klein gehalten werden kann.
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Das Prinzip der Erwärmung oder Kühlung je nach Bedarf unter Anwendung
mittlerer Federarbeitstemperaturen ist bei Verwendung einer beliebigen Kältemaschinenanlage
(z. B. Kompressorkältemaschine, Absorptionskältemaschine, elektrothermische Kältemaschine)
praktisch anwendbar, und zwar am zweckmäßigsten derart, daß sowohl der Kälte erzeugende
Teil der Kältemaschine (Verdampfer) als auch der Wärme abgebende Teil der Kältemaschine
(Kühler) nach Bedarf entweder zur Abkühlung oder Aufheizung des federnden Mediums
herangezogen werden kann. Bei Anwendung von Kältemitteln (z. B. Frigenen) als federnde
Medien der Gas- bzw. Dampffedern ist es möglich, den Kreislauf der Kältemaschine
mit dem aktiven Volumen der Feder steuerungsmäßig direkt in Verbindung zu bringen,
z. B. dergestalt, daß bei notwendig werdender Druckerhöhung in der Feder der Kompressor
der Kältemaschine ohne Kühlung des Mediums direkt temperatur- oder druckerhöhend
in die Feder hineinspeist, während umgekehrt zur Temperaturabsenkung in der Feder
der Kompressor Medium aus der Feder absaugt und nach Kompression und Abkühlung (Kältemaschinenprozeß)
im unterkühlten Zustand der Feder wieder zuströmen läßt. Die Gestaltung solcher
kombinierter Kreisläufe bringt keine besonderen Schwierigkeiten mit sich. Sie hat
jedoch zur Voraussetzung; daß eine entsprechende Kältemaschine (z. B. Kompressorkältemaschine)
in dem beispielsweise abzufedernden Fahrzeug vorgehalten wird. Dieser Aufwand an
Maschinenanlage und die Tatsache des Vorhandenseins bewegter und damit dem Verschleiß
unterliegender Teile ist an sich unerwünscht. Das gemäß der Erfindung angewandte
Prinzip der Mitteltemperaturfeder läßt sich aber - wenn auch mit etwas schlechterem
Energiewirkungsgrad - ohne die vorstehend aufgezeigten Nachteile verwirklichen.
Hierzu sei als Beispiel für die Anwendung des Erfindungsgedankens eine thermisch
gesteuerteMitteltemperaturdampffeder
beschrieben, bei der die thermische
Steuerung mit Hilfe elektrothermischer Wärme- und Kälteerzeugung durchgeführt wird.
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Der »Peltier-Effekt« ermöglicht es, bei Anwendung eines Thermoelementes
durch Änderung der Richtung eines durch die Lötstelle geleiteten Gleichstromes in
dieser Lötstelle entweder Wärme zu erzeugen (wenn Elektronen aus dem Leiter höherer
Energie in den Leiter geringerer Energie überfließen) oder bei Umkehrung der Stromrichtung
Kälte zu erzeugen (wenn Elektronen geringerer Energie benachbarten Atomen Energie
entnehmen und in den anderen Teil des Leiterkreises übertragen). Der Peltier-Effekt
ist also thermodynamisch reversibel. Allerdings geht er stets einher mit zwei irreversiblen
Vorgängen, und zwar 1. dem Auftreten Joulescher Wärme und 2. der Wärmeleitung von
der warmen zur kalten Lötstelle.
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Nachdem man aber erkannt hat, daß zwischen den guten Leitern für Elektrizität
und Wärme, den Metallen einerseits und den Isolatoren andererseits, in der großen
Gruppe der »Halbleiter« Stoffe vorhanden sind, die zwar geringere elektrische Leitfähigkeit
haben, dafür aber eine mehrfach höhere Thermokraft (e in V/Grad) aufweisen (wie
z. B Silicium oder Tellur), ist es möglich, leistungsfähigere, für elektrothermische
Zwecke geeignetere Thermoelemente zu bauen, mit denen sogar eine elektrothermische
Kälteerzeugung mit befriedigendem Wirkungsgrad möglich ist. Diese Verhältnisse wurden
noch verbessert durch die Verwendung von Lötstoffen mit besonders geringen elektrischen
Kontaktwiderständen (z. B. eutektische Legierungen aus 510/o Indium und 49% Zinn
oder Lot aus 800/a Wismut und 200/o Zinn) und die Anwendung druckfester isolierender
Zwischenlagen mit hoher Wärmeleitzahl (z. B. Silikonlacke mit 60/o Al-Pulver). So
konnten bereits elektrothermische Kühlschränke erprobt werden, deren elektrischer
Energiewirkungsgrad denen üblicher kleiner Absorptionskältemaschinen für Kühlschränke
gleichkommt. Die unter Verwendung elektrotermischer Kälteerzeugung erreichbaren
Temperaturunterschiede (40° C und mehr) reichen bei weitem aus, um die für die Regelung
der Feder notwendige Temperaturabsenkung zu bewirken. Dies um so mehr, als nur die
eine Hälfte des Gesamttemperaturarbeitsbereiches der Feder durch Temperaturabsenkung
beherrscht werden muß, während die andere Hälfte (nach oben) durch mit dem gleichen
Element bei Umkehren der Stromrichtung erzeugbare Wärme erfaßt wird.
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Für den praktischen Betrieb einer solchen Feder ergeben sich damit
folgende Verhältnisse: a) Bei normalen Lufttemperaturen wird je nach der Belastung
das federnde Gasvolumen entweder um einige Grade Celsius gekühlt oder erwärmt, wobei
durch einfache Umkehrung der Stromrichtung in der Thermobatterie im Innern der Feder
bedarfsweise Kälte oder Wärme erzeugt wird. In Mittel stellung der Feder fließt
gar kein Strom. Dieser Betriebszustand wird bei mittlerer Raumtemperatur automatisch
aufrechterhalten.
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b) Bei starker Kälte wird in der Feder mit zunehmender Belastung zunehmende
Wärme erzeugt. Die Temperaturdifferenz zwischen der Außenluft und im Innern der
Feder ist jedoch dann wesentlich geringer als bei rein thermisch durch Erhitzen
gesteuerten Federn (z. B. bei -15° C -nur 20° C -gegenüber sonst etwa 50° C). c)
Bei sehr hohen Außentemperaturen wird im Innern der Feder nur Kälte erzeugt. Die
auszusteuernde Temperaturdifferenz entspricht maximal der im Winterbetrieb. Die
aufzuwendende thermische Leistung ist zwar höher wie in der normalen, durch Erwärmung
thermisch geregelten Feder. Dafür aber ermöglicht die Kälteerzeugung eine entsprechende
Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit (z. B. Abkühlung des federnden Mediums bei
Entlastung der Feder).
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Die Wirkungsweise einer Mitteldruckdampffeder mit elektrothermischer
Steuerung sei an Hand der Abbildung für ein Ausführungsbeispiel erläutert. Innerhalb
der beispielsweise durch einen elastischen Federbalg 1 gebildeten, zwischen Grundlage
2 und abzufedernden Massen 3 angeordneten, etwa mit einem Frigen gefüllten Dampffeder
befindet sich ein Ring von Thermoelementen mit positiven Schenkeln 4 und negativen
Schenkeln 5. Diese Schenkel sind im Innern der Feder auf den Kupferring 6 mit Lot
gemäß Beschreibung aufgelötet. Im Innern sind sie in gleicher Weise mit den beiden
durch den isolierenden Ring 7 getrennten Ringen 8 und 9 verbunden. Auf den Außenring
6 sind die Wärmeübertragungsflächen (Metallrippen 10) und im Innern auf die Ringe
8 und 9 entsprechende Rippen 11 metallisch gut wärmeleitend aufgebracht. Die Innenringe
7 und 8 tragen die Stromanschlüsse 12 und 13, die über die Leitungen 14 und 15 mit
der gleichen Stromquelle 16 über den elektrischen Steuermechanismus 17 verbunden
sind. Da beim Heizen bzw. Kühlen im Innenring entstehende Kälte bzw. Wärme an die
Außenluft abgeführt werden muß, ist die Feder mit den Windleitblechen 18 ausgestattet,
die bis in das Innere der Ringe 8 und 9 hineinragen. Der genannte Ringraum ist durch
die gasdichte Kappe 19 mit Wärmeisolierung 20 nach unten abgeschlossen. Im Fahrbetrieb
wird von den Windleitblechen 18 Luft an den Rippen 11 vorbei durch den Hohl- und
Kühlraum zwischen den Rippen 8 und 9 geleitet und damit die dort abzuführende bzw.
zuzuführende Wärme übertragen. Soll die Temperatur im Innern der Feder erhöht werden,
so schaltet das Steuerorgan 17 den Stromkreis vom Schleifkontakt 21 über den Schaltkontakt
22 und Schleifkontakt 23 auf die Leitung 14, und der Strom fließt dann durch die
Leitung 15 über den Schaltkontakt 24 und den Schleifkontakt 25 zur Stromquelle 16
zurück. Soll umgekehrt bei abnehmender Last das federnde Medium gekühlt werden,
so schaltet das Steuerorgan 17 den Strom vom Kontakt 21 über Schaltkontakt 22 auf
Schleifkontakt 26 und Leitung 15. Der rückfließende Strom geht über die Leitung
14. Schleifkontakt 23, Schaltkontakt 27 und Schleifkontakt 28 zur Stromquelle 16
zurück.
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Je nach dem gewählten Arbeitstemperaturbereich kann die Energiebilanz
einer thermischen Feder vorbeschriebener Art auch noch verbessert werden durch die
zusätzliche Verwendung von adsorbierbaren Gasen (C 02) und Adsorptionsmitteln (z.
B. aktiver Kohle, Kiesel, Säure, Gel). Hierbei ist zu berücksichtigen, daß bei dem
Adsorptionsvorgang Wärme frei wird und daß die Menge der Adsorptionswärme nicht
proportional der Menge des adsorbierten Stoffes, sondern konzentrationsabhängig
ist. Es ist also möglich, durch thermische Beeinflussung des Adsorbens in der Feder
bei erforderlicher Tragfähigkeitserhöhung und damit Temperaturerhöhung absorbiertes
Gas zusätzlich frei zu machen und umgekehrt bei Tragfähigkeitsverminderung und damit
Temperaturverminderung adsorbierbares Gas an das Adsorbens
zu binden.
Es ist zwar möglich, die Adsorption für thermisch gesteuerte Federn allein zu verwenden,
jedoch wird man in der Regel Adsorption und Dampffeder zwecks besserer Anpaßbarkeit
an die betrieblichen Bedürfnisse kombiniert verwenden.