Hintergrund der Erfindung
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Gasfedern verwendet man häufig als Gewichtsausgleich für
Motorraumhauben, Kofferraumdeckel, Heckfenster und Heckklappen
von Personenwagen, Kombiwagen und Lieferwagen, um diese
leichter zu öffnen und in oder nahe einer vollständig geöffneten
Stellung zu halten. Es ist allgemein bekannt, daß sich die
Ausgangskräfte von Gasfedern mit der Temperatur des Gases
ändem (Boyle-Mariott'sches-Gesetz); bei geringeren Temperaturen
erzeugt eine Gasfeder eine Kraft, die deutlich geringer ist
als jene Kraft, die sie bei hohen Temperaturen erzeugt. Daher
muß man die Gasfeder derart ausgestalten, daß sie eine
ausreichende Kraft erzeugt, um die Haube, den Kofferraumdeckel
oder dergleichen (nachfolgend als die "Last" bezeichnet) bei
einer geeignet gewählten niedrigen Temperatur von
beispielsweise -30ºC offen zu halten. (Herkömmlich ist die Gasfeder so
ausgestaltet, daß sie bei z.B. -30ºC eine die Last in der
Offenhaltestellung übersteigende Kraft von ein bis fünf Pfund
erzeugt) . Bei hohen Temperaturen kann die Zunahme der
Ausgangskraft in der Offenhaltestellung etwa 50 Pfund betragen,
was bedeutet, daß die zum Bewegen der Last von der
Offenhaltestellung in die geschlossene Stellung erforderliche Kraft
("Bedienungskraft") 50 Pfund beträgt. Natürlich ist eine
Bedienungskraft dieser Höhe unerwünscht.
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Das US. Patent Nr. 5.106.065 (Staton, 21. April 1992), das
dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört, beschreibt und
zeigt eine Gasfeder, die einen Bypass mit einem
federbelasteten Ventil enthält, das einen Fluidfluß an dem Kolben vorbei
von dem geschlossenen Ende zu dem Stangendichtungsende der
Kammer verhindert, bis eine vorbestimmte durch eine
Druckdifferenz
bedingte Kraft über dem Kolben wirkt, sowie einen
Bypass mit einem thermostatischen Ventil enthält, das sich bei
einer vorbestimmten Temperatur öffnet und ermöglicht, daß
Fluid in der Kammer an dem Kolben vorbei von dem geschlossenen
Ende zu dem Stangendichtungsende der Kammer fließt. Wenn das
thermostatische Ventil geschlossen ist, zeigt das
federbelastete Ventil eine Offenhaltekraft, die mit der durch den
Gasdruck bedingten Kraft zusammenwirkt, um die Gasfeder gegen
eine Last (Bedienungskraft) zu halten. Wenn das
thermostatische Ventil offen ist, ist die Offenhaltekraft der Gasfeder
jene, die durch den Gasdruck allein bedingt ist, sofern das
Fluid über den Kolben durch den Bypass mit dem
thermostatischen Ventil fließt.
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Die in dem Patent Nr. 5.106.065 offenbarten Gasfedern ergeben
eine signifikante Verbesserung über die herkömmlichen
Gasfedem dahingehend, daß die durch Temperaturänderungen bedingte
Schwankung der Bedienungskraft beträchtlich reduziert ist.
Andererseits beseitigen sie jedoch Schwankungen der
Bedienungskraft nicht, insofern sie Änderungen der Bedienungskraft
als Funktionen der Temperatur nicht verhindern, sondern nur
zwei Bereiche von Bedienungskräften schaffen, nämlich einen
Niedertemperaturbereich, indem das thermostatische Ventil
geschlossen ist und das federbelastete Ventil eine der
Bedienungskraft entgegenwirkende Kraftzunahme beisteuert, sowie
einen Hochtemperaturbereich, indem diese Kraftzunahme nicht
wirkt, wobei das Fluid an dem Kolben vorbei durch die Umgehung
mit dem dann offenen thermostatischen Ventil fließt. In jedem
Bereich ändert sich die durch Gasdruck bedingte Kraft auf die
Stange als Funktion der durch Temperaturänderungen bedingten
Gasdruckänderungen. Am Oberende jedes der beiden Bereiche ist
die der Bedienungskraft entgegenwirkende Kraft der Gasfeder
beträchtlich höher als am unteren Ende.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasfeder
anzugeben,
in der durch Gasdruckänderungen aufgrund
Temperaturänderungen bedingte Schwankungen der der Bedienungskraft
entgegenwirkenden Kraft der Gasfeder minimiert werden; d.h., die der
Bedienungskraft entgegenwirkende Kraft der Gasfeder über einen
Teil des Betriebsbereichs oder den gesamten Betriebsbereich
der Gasfeder im wesentlichen konstant bleibt. Die vorliegende
Erfindung ist insbesondere eine Verbesserung in einer Gasfeder
derjenigen Bauart, die ein federbelastetes Sperrventil oder
ein auf Temperatur ansprechendes Schnappsperrventil aufweist,
das einen Bypass über den Gasfederkolben gegen Fluidfluß von
dem Raum am geschlossenen Ende zu dem Raum am
Stangendichtungsende schließt. Bei der Gasfeder dieser Bauart ist die dem
Schließen der Last entgegenwirkende Kraft der Gasfeder die
Summe der Kraft des auf die Kolbenstange wirkenden Gasdrucks
(der normalen Ausgangskraft der Gasfeder), und einer Kraft,
die zum Öffnen des federbelasteten Ventils erforderlich ist.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Gasfeder angegeben,
umfassend: ein eine Kammer begrenzendes Zylinderelement, einen
Verschluß an einem Ende des Zylinders, eine Kolbenstange, die
in Dichtbeziehung zu dem Zylinderelement an dem anderen Ende
des Zylinderelements aufgenommen ist und zu dem Verschluß hin
und von diesem weg beweglich ist, und einen Kolben, der an der
Kolbenstange in der Kammer befestigt ist und Dichtmittel und
Ventilmittel aufweist, welche die Kammer in einen inneren Raum
nahe dem einen Ende des Zylinders und einen äußeren Raum nahe
dem anderen Ende des Zylinders teilen, wobei die Volumina der
Räume entsprechend der Stellung des Kolbens veränderlich sind.
Ein Teil der Kammer enthält Flüssigkeit, und in dem anderen
Teil des Zylinders befindet sich Gas mit über Atmosphärendruck
liegendem Druck. Einen ersten Bypass bildende Mittel an dem
Kolben gestatten, daß Flüssigkeit und Gas von dem äußeren Raum
zu dem inneren Raum fließt, wenn sich in Antwort auf die
Stange nach außen drückende Kräfte der Kolben und die Stange zum
äußeren äußeren Raum hin bewegen. Ein Einwegventilmittel
verschließt den ersten Bypass, um zu verhindern, daß Gas und
Flüssigkeit durch ihn hindurch von dem inneren Raum zu dem
äußeren Raum fließt, wenn der Kolben und die Stange zu dem
inneren Raum bewegt werden. Mittel an dem Kolben bilden einen
zweiten Bypass und gestatten, daß bei Bewegung der Stange zu
dem inneren Raum das Gas und die Flüssigkeit von dem inneren
Raum zu dem äußeren Raum fließt, und ein dem zweiten Bypass
zugeordnetes federbelastetes Einwegventilmittel verhindert
eine Strömung durch dieses bei Fehlen einer vorbestimmten
Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem Gas in den
inneren und äußeren Räumen. Eine solche Gasfeder ist aus der
US-A-5.106.065 bekannt.
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Die Verbesserung nach der Erfindung besteht in einer auf
Temperatur ansprechenden Bimetallfeder, welche dem zweiten
Bypassventilmittel betriebsmäßig zugeordnet ist, um an das
zweite Bypassventilmittel eine Vorspannkraft anzulegen, die sich
als Funktion der Temperatur des Gases in der Kammer ändert und
durch Ändern der Gastemperatur bedingte Schwankungen des
Gasdrucks kompensiert und hierdurch Schwankungen jener Kraft, die
auf die Stange in Richtung entgegen einer Bewegung einer
Stange zu dem inneren Raum hin wirkt, minimiert.
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In einigen Ausführungen umfaßt das zweite Bypassventilmittel
einen Sitz und ein mit dem Sitz in Dichteingriff bringbares
Ventilelement, und wobei die Bimetallfeder das Ventilelement
in Dichteingriff mit dem Sitz mit einer Kraft spannt, die als
Funktion abnehmender Temperatur zunimmt. Die Bimetallfeder
kann an einer Druckfeder angreifen, um Toleranzschwankungen zu
kompensieren und ein Klappern der Feder zu verhindern, wenn
diese bei hohen Temperaturen schrumpft.
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In anderen Ausführungen umfaßt das zweite Bypassventilmittel
einen Sitz und ein mit dem Sitz in Dichteingriff bringbares
Ventilelement, wobei eine Druckfeder das Ventilelement in
Dichteingriff mit dem Sitzelement spannt und wobei die auf
Temperatur ansprechende Bimetallfeder angeordnet ist, um der
Druckfeder entgegenzuwirken um an das Ventilelement in dessen
Öffnungsrichtung eine Kraft anzulegen, die als Funktion
zunehmender
Temperatur des Gases in der Kammer zunimmt.
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Die Wirkung der Bimetallfeder ist es, die mit zunehmender
Gastemperatur auf das zweite Bypassventil wirkende Kraft
stufenlos in zur Temperaturzunahme allgemein proportionalen Beträgen
zu reduzieren und hierdurch die durch Gasdruck der Gasfeder
bedingte Zunahme der Kraft auf die Stange auszugleichen. Am
unteren Ende des Betriebstemperaturbereichs der Gasfeder trägt
das federbelastete Ventil des zweiten Bypassmittels einen
relativ großen Teil der gesamten Offenhaltekraft der Gasfeder
bei. Am oberen Ende ist der Beitrag des federbelasteten
Ventils des zweiten Bypassmittels zu der Offenhaltekraft relativ
gering oder kann sogar null sein. Beispielsweise kann die
Bimetallfeder derart ausgestaltet sein, daß sie über einer
bestimmten Temperatur inaktiv ist. Bei Temperaturen unter einem
gewählten Wert ändert sich die zum Öffnen des zweiten
Bypassventils erforderliche Kraft im wesentlichen linear. Demzufolge
werden Änderungen der der Handhaltekraft entgegenwirkenden
Offenhaltekraft der Gasfeder über den
Betriebstemperaturbereich minimal gehalten.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende
Beschreibung beispielhafter Ausführungen in Verbindung mit den
beigefügten Zeichnungen verwiesen.
Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Axialquerschnittsansicht einer Ausführung;
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Fig. 2, 3 und 4 sind axiale Querschnittsteilansichten des
Kolbenabschnitts der Ausführung von Fig. 1 mit Darstellung des
stationären Modus, des Stangenausfahrmodus des
Stangeneinfahrmodus;
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Fig. 5 ist eine Axialquerschnittsansicht des Kolbenabschnitts
einer zweiten Ausführung der Erfindung;
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Fig. 6 ist eine Axialquerschnittsansicht des Kolbenabschnitts
einer dritten Ausführung der Erfindung.
Beschreibung der Ausführungen
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Die Gasfeder 10 der Fig. 1 bis 4 umfaßt ein kreiszylindrisches
Rohr (einen Zylinder) 12, das an einem Ende durch einen
gewalzten und geschweißten Zylinderendverschluß 16 verschlossen
ist. Eine Kolbenstange 18 erstreckt sich durch eine
Stangendichtungsanordnung 20 in dem Stangenende 21 des Zylinders in
den Zylinder 12. An dem Zylinderendverschluß 16 und der
Kolbenstange 18 sind jeweilige Beschläge 22 und 24 befestigt, um
die Gasfeder an einer Vorrichtung, wie etwa einer
Kraftfahrzeugkarosserie, sowie einer Last, wie etwa einer Haube, einem
Kofferraumdeckel und dergleichen anzubringen. Eine
Kolbenanordnung 26 ist an dem in dem Zylinder 12 befindlichen Ende der
Kolbenstange befestigt und umfaßt eine Dichtung und
ventilgesteuerte Bypasse, die die Kammer in dem Zylinder in zwei
Räume unterteilen, deren Volumina sich entsprechend der
Stellung des Kolbens ändern. Vorhanden sind ein innerer Raum IC
zwischen dem Kolben und dem Zylinderendverschluß 16 und ein
äußerer Raum OC zwischen dem Kolben und der
Stangendichtungsanordnung 20.
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Die Umfangsfläche des Kolbens 26 hat einen Abstand zur
Innenwand des Zylinders 12. Eine Ringnut 28 nimmt einen elastomeren
Dichtring 30 auf, der an der Wand des Zylinders 12 in
Dichteingriff entlang läuft. Ein Großteil des freien Volumens der
Zylinderkammer enthält Luft oder Stickstoff bei einem Druck
von etwa 300 bis etwa 4500 psi. Der Rest enthält eine
Flüssigkeit, wie etwa Hydraulikbremsflüssigkeit oder Mineralöl.
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Ein erster Bypass, der eine Passage 32 mit einem Einweg-
Schirm-Sperrventil 34 umfaßt, ermöglicht einen Gas- und
Flüssigkeitsfluß in die Zylinderkammer von dem äußeren Raum OC zu
dem inneren Raum IC, wenn sich die Stange zum Heben der Last
unter der Kraft des Gasdrucks herausbewegt, schließt sich
jedoch,
wenn die Last oder eine Bedienungskraft auf das Fluid in
dem inneren Raum IC drückt und wenn sich die Stange unter
einer Bedienungskraft zu dem geschlossenen Ende der Kammer
bewegt. Ein zweiter Bypass, der eine Passage 36 und ein
federbelastetes Einwegventil 38 umfaßt, schließt sich, wenn die
Stange zum Anheben der Last herausbewegt wird, und schließt sich
auch, wenn die Stange unter Bedienungskraft hineinbewegt wird,
bis der Druck des Gases in dem inneren Raum IC den Druck des
Gases in dem äußeren Raum OC um einen Betrag überschreitet,
der zum Überwinden der Kraft ausreicht, welche das
federbelastete Ventil geschlossen hält.
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Die Passagen 32 und 36 und die Ventile 34 und 38 sind in dem
Kolben 26 enthalten, der allgemein rohrförmig ist und einen
Hohlraum 40 aufweist, der über den Großteil seiner Länge
verläuft, welche einen Teil beider Bypasse bildet. Der Kolben ist
an einer Haltescheibe 42 durch vier Stifte 44 angebracht, die
Löcher in der Scheibe 42 durchsetzen und umgebogen sind. Die
Scheibe 42 ist an der Kolbenstange 18 durch einen Stift 18a
befestigt, der ein Loch in der Scheibe durchsetzt und
umgebogen ist. Nuten 46 in der an der Scheibe abgestützten Seite des
Kolbens ermöglichen einen Fluidfluß zwischen dem äußeren Raum
OC und dem Hohlraum 40, wenn eines der beiden Bypassventile
offen ist.
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Die Feder, welche das Ventil 38 gegen dessen Sitz 38a am Kopf
des Kolbens in eine geschlossene Stellung spannt, ist eine auf
Temperatur ansprechende Bimetallfeder 50, die in dem
Kolbenhohlraum 40 aufgenommen ist und unter Druck zwischen dem
Stiftabschnitt 18a der Stange 18 und einem elastomeren
Ventilelement 38b angreift. Die Feder ist so ausgestaltet, daß sie
mit einer Kraft auf das Ventilelement 38b einwirkt, die als
Funktion der Abnahme ihrer Temperatur allgemein linear
zunimmt. Wenn somit die Temperatur des Gases in der Gasfeder
abnimmt und einhergehend die Ausgangskraft der Gasfeder
abnimmt, nimmt die durch die Bimetallfeder 50 auf das
Ventilelement 38b einwirkende Kraft zu.
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Wenn der Verwender, unterstützt durch die Kraft der Gasfeder,
die Last angehoben hat und die Last losläßt, fällt die Last
einen kurzen Weg und die Stange und der Kolben bewegen sich in
den Zylinder zu dem geschlossenen Ende hin, weit genug, um
eine Druckdifferenz zwischen dem inneren Raum und dem äußeren
Raum zu erzeugen, wobei der Druck in dem inneren Raum IC
größer wird als jener in dem äußeren Raum OC. Das federbelastete
Ventil 38 ist derart ausgestaltet, daß die durch die Last bei
geringen Temperaturen erzeugte Druckdifferenz nicht ausreicht,
um dieses zu öffnen, und die Last wird unter der gemeinsamen
Kraft des Gasdrucks und der Druckdifferenz über dem Kolben auf
den Kolben und die Stange offen gehalten. In der offen
gehaltenen Stellung (Fig. 2) verhindert das Einwegbypassventil 34,
daß Fluid aus dem inneren Raum IC durch den ersten Bypass in
den äußeren Raum OC fließt.
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Wenn der Verwender zum Schließen der Last eine Bedienungskraft
anlegt, nimmt die Druckdifferenz über dem Kolben zu, bis sie
groß genug ist, das federbelastete Ventil 38 zu öffnen,
wodurch das Gas und die Flüssigkeit von dem inneren Raum durch
den zweiten Bypass in den äußeren Raum fließen können, wenn
sich die Stange und der Kolben zu dem geschlossenen Ende des
Zylinders bewegen und die Last geschlossen wird.
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Weil die zum Öffnen des Bypassventils 38 erforderliche
Druckdifferenz als Funktion zunehmender Temperatur allgemein linear
abnimmt, während die durch Gasdruck bedingte Kraft auf die
Stange als Funktion zunehmender Temperatur im wesentlichen
linear zunimmt, besteht die Neigung, daß sich die jeweiligen
Änderungen der zwei Kräfte, die zum Stützen einer
Bedienungskraft zusammenwirken, einander ausgleichen. Demzufolge
kompensiert das federbelastete Ventil 38 durch Änderungen der
Gastemperatur bedingte Schwankungen des Gasdrucks und minimiert
hierdurch Schwankungen der auf die Stange wirkenden Kraft in
einer Richtung, welche der Einwärtsbewegung der Stange in
Richtung des Verschlusses unter einer Bedienungskraft
entgegenwirkt. Natürlich läßt sich durch sorgfältige Ausgestaltung
einer die vorliegende Erfindung enthaltenden Gasfeder die
Bedienungskraft derart einstellen, daß sie über einen breiten
Temperaturbereich im wesentlichen konstant bleibt. In Hinblick
auf Kraftverluste der Stange durch reduzierten Gasdruck wird
es jedoch ausreichen, die Offenhaltekraft (die Ausgangskraft
der Gasfeder) nur unter einer Grenze von z.B. 15ºC mittels der
Bimetallfeder 50 anzuheben. Über der Grenztemperatur drückt
die Feder 50 nicht auf das Ventilelement 38 und es bleibt
offen. In diesem Fall stellt die Gasfederausgangskraft allein
die Offenhaltekraft dar, welche die Last und die
Bedienungskraft stützt.
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Wenn sich der zweite Bypass öffnet, kann Fluid von dem inneren
Raum IC durch die Ventilpassage 36, den Hohlraum 40 und die
Nuten 46 in den äußeren Raum CC fließen, wie in Fig. 4 mit den
Pfeilen gezeigt. Demzufolge können sich die Stange 18 und der
Kolben 26 durch den Zylinder 12 zu dem Zylinderendverschluß 16
unter der Bedienungskraft bewegen, die in Fig. 4 mit dem Pfeil
CF bezeichnet ist.
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Wenn sich die Last unter der Gasfederkraft, die durch eine
Bedienungskraft unterstützt werden kann oder nicht, wie in
Fig. 3 mit dem Pfeil OF gezeigt zu einer offenen Stellung
bewegt wird, öffnet sich das Schirmventil 34 in der Passage
reltiv frei und erlaubt einen Fluidfluß aus dem äußeren Raum OC
durch die Nuten 46, den Hohlraum 40 und die Passage 32 in den
inneren Raum IC, wie in Fig. 3 mit den Pfeilen gezeigt.
Während dessen bleibt der zweite Bypass geschlossen.
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Die Ausführung von Fig. 5 gleicht in vielerlei Hinsicht jener
der Fig. 1 bis 4. Demzufolge sind in Fig. 5 die gleichen
Bezugszeichen verwendet, jedoch mit einem hochgestellten Index
(') versehen. Um Toleranzschwankungen zu kompensieren und die
Bimetallfeder 50' vor Klappern zu schützen, wenn diese bei
hohen Temperaturen schrumpft, ist eine Druckfeder, wie etwa
ein Paar von Tellerfedern 52, in Serie zu der Bimetallfeder in
dem Hohlraum angebracht.
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In der in Fig. 6 gezeigten Ausführung nimmt ein Kolben 100 mit
einem Hohlraum 102 und einer Innenpassage 104 ein elastomeres
Ventilsitzelement 106 auf, das durch einen an dem Kolbenkopf
befestigten Halter 108 an Ort und Stelle gehalten wird. Ein in
einer Passage 112 aufgenommenes Schirmventil 110 bildet einen
Einwegbypass, durch den Fluid von dem äußeren Raum zu dem
inneren Raum fließen kann, wenn sich die Stange unter der
Ausgangskraft der Gasfeder aus dem Zylinder heraus bewegt. Eine
Schraubendruckfeder 114 spannt ein Ventilelement 116 in eine
dicht geschlossene Stellung in Eingriff mit dem
Ventilsitzelement 106. Eine Bimetallfeder 118 steht zwischen einem
Stiftabschnitt 116a des Ventilelements und dem Federhalter 108 in
Eingriff und wirkt der Vorspannkraft der Feder 114 mit einer
Kraft entgegen, die in allgemein linearer Funktion der Zunahme
ihrer Temperatur zunimmt. Demzufolge wirkt sie bei geringen
Temperaturen mit relativ geringen Kräften auf das
Ventilelement 116, und das Ventil wird durch die Schraubenfeder 114 mit
relativ hoher Kraft geschlossen gehalten, um hierdurch bei
geringen Temperaturen die reduzierte Gasfederausgangskraft zu
kompensieren. Wenn ihre Temperatur zunimmt, wirkt die
Bimetallfeder mit zunehmenden Kräften auf das Ventilelement, um
hierdurch die auf das Ventil wirkende Nettokraft zu reduzieren
und es geschlossen zu halten und die durch zunehmende
Temperatur bedingte Zunahme der Ausgangskraft der Gasfeder
auszugleichen.
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Der Fachmann kann zahlreiche Anderungen und Modifikationen der
oben beschriebenen Ausführungen durchführen. Beispielsweise
kann das Ventil in dem ersten Bypass in der Kolbendichtung
enthalten sein. Ferner kann die Rate des Fluidflusses durch
den ersten Bypass durch geeignete Ausgestaltung der Nuten 46
begrenzt sein, um die Bewegungsgeschwindigkeit der Last von
der geschlossenen zur offenen Stellung zu verlangsamen.