JP2012517918A - 金属層メンブレン - Google Patents

Abstract

メンブレンは、第１のエラストマー層及び第２のエラストマー層と、基板のエラストマー層が引き伸ばされた状態にあるときに、加圧されない条件下で基板のエラストマー層に被覆され、ガスを透過しない金属層を備え、金属層と基板のエラストマー層は、第１のエラストマー層と第２のエラストマー層との間に被覆、かつ接着され、第１のエラストマー層と第２のエラストマー層は、それぞれメンブレンの収縮時に金属層と基板のエラストマー層を受けるための空洞を備える。

Description

本発明は、加圧されない条件下において、基板のエラストマー層上に被覆された金属層を有するメンブレンに関し、その金属層はガスが透過しない。

圧力蓄積タンクは、非常に単純な概念の下で動く。タンクの内部は２つのセクションに分けられており、可撓性メンブレン（ブラダー）によって分離されている。片側、つまり通常ブラダーより上のタンクの上側には、高圧ガス、通常は空気が存在する。下側には液体が存在する。メンブレンの裏側のガスからの圧力は、井戸のような開ループシステムで使われているとき、または、例えば暖房水槽または油圧システムのような閉ループシステムで再利用されているとき、液体への圧力となる。いずれの場合でも、より多くの液体をタンクに送り込むように制御システムがポンプに信号を送るまで、ブラダーは液体への圧力を維持する。

ブラダーは通常エラストマーで作られているが、それはまた、熱可塑性ポリマーであってもよいかもしれない。このようなアプリケーションに使用される材料の全ては、ゼロより大きなガス透過性を有する。つまり、加圧されたガスはメンブレンを通して徐々に液体側に漏れ、そして、タンクは、必要とされる圧力を維持する能力を徐々に失う。この結果、ほとんど加圧することなくタンクの水がちょうどいっぱいになるまでポンプを稼働させるまでの時間間隔は、だんだん短くなる。このような場合、ブラダーは単にタンクの壁にくっついているだけである。

大部分のタンクには、上方のチャンバーにより多くのガス（または空気）を送り込むための空気弁がある。しかし、多くのアプリケーションとユーザーにとって、タンクに空気を送り込むことは、不便で、難しく、コストがかかる。非熟練者にとって、タンクを過度に加圧することは、危険で命にかかわる可能性がある。

エラストマー／ポリマーがガスを透過するのは自然な現象である。エラストマー／ポリマーの材料構造により、様々なガスがエラストマー／ポリマーを浸透し、透過することができる。所定のガスでは、通常、ガス圧が高いほど、透過速度は高くなる。

一方、金属は、ほとんどの気体を透過しない。金属にとっての唯一の例外は、イオン型（基本的にプロトン）の水素は金属に浸透することができることである。しかし、水素は、その爆発性、コストにより、圧力蓄積タンクには決して使われない。そして、もしブラダーを透過する水素の透過性について不安な点があるとすれば、水素は金属タンクも透過する可能性があるということである。

しかし、空気や他のガスにとって、金属はガスを透過しない最適な材料である。ガラスもまた、ガスを透過しない。このため、炭酸入り清涼飲料水及び／またはビールに溶解されたガスは、長い時間経過した後であってもアルミニウム缶やガラス瓶では保たれるが、プラスチック瓶では、通常、時間とともにガス圧は下がる。

例えばナノクレイ、マイカ、その他の添加剤等の材料を混合物に添加することによってポリマー／エラストマーのガスの透過性を下げることは、ガスの損失が望まれない工業利用において周知の解決法である。しかし、これらの添加剤によりガスの透過は減少するが、完全になくなるわけではない。さらに重要なことには、これらの添加剤は、通常、著しく伸びたり縮んだりしないようにポリマーに添加される。エラストマーが著しく伸びたり縮んだりした場合、ナノクレイ、マイカ、その他の同様のガス遮断材料は拡張しないので、拡張している空間により、ガスの透過と移動が起こることがある。

代表的な技術は、米国特許第５，０４２，１７６（１９９１年）号明細書であり、これは製造時に比較的高い圧力で膨張して密封された結晶質を含む熱可塑性フィルムから作られたクッション装置の形態の製品を開示する。その製品では、移動ガスが窒素以外の空気のガス成分であり、自己膨張による拡散ポンピング現象を採用することによって、膨張による内圧が長時間維持される。改良された新たなクッション装置では、包囲袋（enclosure envelope）のフィルムのために新たな材料を用いている。その包囲袋は、選択的に拡散ポンプの速度を制御することができ、それによって、より広い自由度のある柔軟性とより高い精度をそのような新しいクッション装置のデザインにおいて許容し、このようにして、初期の製品の不利な点のいくつかを解消しながら、そのような装置の性能を高めて、コストを下げる。窒素がキャプティブガス(captive gas)となる場合には、窒素や空気等の容易に入手できるガスを用いてある種の新しい装置を、永久的に膨張させることが可能である。

必要なものは、加圧されない状態で基板のエラストマー層に被覆され、金属層がガスを透過しない金属層を有するメンブレンである。本発明は、この要求を満たす。

本発明の主要な特徴は、加圧されない状態で基板のエラストマー層に被覆され、ガスを透過しない金属層を有するメンブレンである。

発明の他の特徴は、発明の説明と添付の図面によって指摘され、もしくは明らかにされる。

本発明はメンブレンを備え、メンブレンは、第１のエラストマー層及び第２のエラストマー層と、基板のエラストマー層が引き伸ばされた状態にあるときに、加圧されない条件下で基板のエラストマー層に被覆され、ガスを透過しない金属層を備え、金属層と基板のエラストマー層は、第１のエラストマー層と第２のエラストマー層との間に被覆、かつ接着され、第１のエラストマー層と第２のエラストマー層は、それぞれメンブレンの収縮時に金属層と基板のエラストマー層を受けるための空洞を備える。

添付図面は、明細書に組み込まれて明細書の一部を構成し、本発明の好ましい実施形態を例示して、説明と共に、発明の本質を説明するのに役立つ。
金属層が最大に引き伸ばされた状態におけるメンブレンの側面図である。 金属層が完全に崩れた状態におけるメンブレンの側面図である。 エラストマー層と金属層との間の点の接触部分の上面図である。 エラストマー層と金属層との間の点の接触部分の側面図である。 エラストマー層と金属層との間の円形の接触部分の上面図である。 エラストマー層と金属層との間の正方形の接触部分の上面図である。 エラストマー層と金属層との間の輪状線の接触部分の上面図である。 エラストマー層と金属層との間の直線状の接触部分の上面図である。 製造工程の概略図である。 製造工程の概略図である。 製造工程の概略図である。 製造工程の概略図である。 図１の詳細の断面図である。

この発明では、アルミニウムまたは他の適切な金属の非常に薄い層が、エラストマーを柔軟に保ちながらエラストマーのガスの透過性を減少または無くすために使用される。例えば、アルミニウムまたは他の金属添加剤が、降伏点を超えて伸び、金属層の塑性変形や断裂をもたらすことを防ぐために、メンブレンの形成は、ブラダーがマンドレル工具の上で、最大伸び点すなわち、アプリケーションのエラストマーに生じる最大伸長に、または、それ以上にまで伸ばされている間に完成される。

一旦ブラダーが緩められると、空のポテトチップ・バッグをとって、くしゃくしゃに丸めるのと同様な方法で、エラストマー材料が添加された金属の薄い層はしわが寄る。同じ方法でくしゃくしゃにした後に開放するとバックは、何の問題もなく膨らむことができる。これは、何サイクルにもわたって繰り返すことができる。

金属層は完全に伸張した状態で形成されるため、ブラダーが伸びていない時点（フラット）での金属層の形状は、しわの寄った質感である。

数オングストロームの厚さの金属層は、多くの異なる方法で作成でき、既存の技術である、エラストマーの上に金属の薄い層を蒸気溶着すること、および／または金属を保護するために金属面をエラストマー・シートで覆うことを含む。さらに、数オングストロームの薄い金属の層を薄いエラストマー・シート、または熱可塑性物質、または繊維等の他の適切な材料に被覆させ、または、金属を永久に真ん中で挟むために、第２のポリマーの層を用いる。

別の方法は、非常に薄いポリマー／エラストマーまたは他の材料をとり、その片面又は両面をコーティングし、この材料をエラストマーまたはプラスチックの２つの層の間に挟むことを含む。

さらに、上述の構成に非常に薄い金属とエラストマー／ポリマーの多層を用いると、常に作用することが必要であるアプリケーションのために非常に長い耐久性を確保する。例えば、１つの金属層が破損する非常にまれなケースでは、他の金属層が残存する。

金属によってコートされた材料の１つまたは複数の層を、コートされていない層と厚い材料との間に挟むときには、挟む材料の表面を簡単に薄い金属層にしわが寄るような形状に成型すること、伸張されていない状態でしわが寄っている金属層の形状を制御することが望ましい。

薄い金属層に接触し、比較的厚い挟まれたエラストマー側の形状のいくつかは、細い線接触領域を備える輪状線、または、先端に小さな点があるドット付きの形状、または、全表面を覆う細い接触領域を備える小さな円を含む。他の形状は、先端に小さな接触点を備える平行線や、または金属層にしわが寄ることができるような他のどのような形状をも含む。しかし、よりよくしわが寄ることを制御できるように、また、金属がより厚い外側のエラストマー層との接触領域から引き離されることを防ぐために、小さなセクションであることが望ましい。

薄い金属層は、エラストマー／ポリマー／布地の基材に形成される。そして、２つの厚いエラストマー／ポリマー材料の間に挟まれる。厚いエラストマー／ポリマー材料は永久に密封され、輸送と組み立ての間における金属層の破損を防止する。また、ブラダー／メンブレンの取り扱いも簡単で便利になる。

本発明のメンブレンは、ガスが透過しないことを維持しながら、エラストマー層の伸張の限界まで伸張することが可能である。

図１は、金属層が最大に引き伸ばされた状態におけるメンブレンの側面図である。メンブレン１００は、金属層３０の両側に配置されたエラストマー層１０と２０を備える。金属層３０は、更に金属コーティングが施されたエラストマー基板材料２２０を備える。層２２０は、エラストマー材料や、プラスチックの布や、その他の適切な可撓性材料を含むことができる。

例えば、エラストマー層１０、２０及び２２０は、ブチルゴム、天然または合成ゴム、ＥＰＤＭ、ＶＡＭＡＣ、ＮＢＲ、シリコンゴム、ＳＢＲ、及びポリプロピレン＋ＥＰＤＭ（polypropelene ＋ＥＰＤＭ）、及びそれらの任意の組合せを含むことができる。層１０、２０、２２０は同一の材料からなることは必要ではない。

金属層３０を形成するために基板２２０に形成される金属の厚さは、約０＋から５０オングストローム（Å）の範囲にある。図１はメンブレンとともに金属層３０を示し、ここにおいて、層１０、２０、２２０は完全に伸びた、または広がった状態にある。層３０が広がった状態でしわがないことをより容易に説明するために、層３０はこの側面図において実質的に平面であるように示される。しかし、層３０は引き伸ばされておらず、その代わりに、基板層２２０が完全に引き伸ばされているが、層３０は実質的に加圧されていない状態にある。

金属層３０に使用される金属は、アルミニウム、亜鉛、スズ、鉛又は前述の金属の２つ以上の組み合わせを含み得る。

層１０は突起１１において層２２０に接触しており、層２０は突起２１において層３０に接触している。そうすることで、空洞４０は層３０、２２０に隣接して、そして、それらの両側に区画される。

メンブレンが収縮したときに、層３０と基板の層２２０は、形と体積が変化した、よりしわの寄った形となり、それによって各空洞４０を部分的に塞ぐ。

別の実施形態では、空洞４０は、層１０または２０のいずれかに存在している。例えば、空洞４０は層２０内のみに存在し、層１０には存在しない。従って、層１０は層２２０との接触部分において平らである。別の方法では、層１０は空洞４０を備え、層２０は層３０との接触部分において平らである。

図２は、金属層が完全に崩れた状態におけるメンブレンの側面図である。この図において、層３０、２２０は各々の空洞４０を部分的に占めていることが示されている。実際には、エラストマーのメンブレンが完全に伸びた状態（図１）から緩められた、または縮んだ状態に収縮するにつれて、層３０、２２０は各々の空洞４０にめり込む。各々の空洞４０は、同様にいくらか崩れるが、それでも、同様に縮んだ金属層３０に適合する。図を簡単にするために、各空洞４０は円形の断面を有するように示されているが、崩れた状態では、各々の空洞４０は突起１１、２１がお互いにより近づくにつれて、より楕円形の外観となることが予想される。

図３Ａは、エラストマー層と金属層との間の接触部分を示す上面図である。この実施形態において、突起１１と２１は、図のようなパターンでそれぞれ層２２０と層３０に係合する。

層１０と２０が層２２０と層３０にそれぞれ接触する位置において、公知の接着剤、例えば、サレット(Saret)６３３（化学名ＺＤＡ）、サレット６３４（化学名ＺＤＭＡ）とリコボンド（Ricobond）１７５６（化学名ＰＢ−ｇ−ＭＡ）が用いられる。このように、層３０、２２０の相対的な位置は、突起１１、２１に対する層３０、２２０の動きを阻止する層１０と２０の間でコントロールされる。

図３Ｂは、エラストマー層と金属層との間の接触部分の側面図である。突起１１は、対応する突起２１と協働的に層２２０に係合する。 層３０は、それらの間に配置される。

図４は、エラストマー層と金属層との間の円形の接触部分の上面図である。他の実施形態において、突起１１と２１は、それぞれ層２２０と層３０との接触部分において円形を形成する。

図５は、エラストマー層と金属層との間の正方形の接触部分の上面図である。他の実施形態において、突起１１と２１は、それぞれ層２２０と層３０との接触部分において網状線を形成する。

図６は、エラストマー層と金属層との間の輪状線の接触部分の上面図である。他の実施形態において、突起１１と２１は、それぞれ層２２０と層３０との接触部分において同心円状の輪を形成する。

図７は、エラストマー層と金属層との間の直線状の接触部分の上面図である。他の実施形態において、突起１１と２１は、それぞれ層２２０と層３０との接触部分において平行線を形成する。

ここに記述される接触パターンの各々が、各々の層１０、２０と層３０、２２０との間の空間または空洞４０となることがわかる。このように、収縮した状態で、層３０は格納し、広がるための空間を有する。

図８は、製造工程の概略図である。最初のステップにおいて、第１のエラストマー層１０はマンドレル１０００の上で引き伸ばされ、クランプ２００によって所定の位置に保持される。マンドレル１０００は、層１０をカップ状に保持する。

層１０は、このステップにおいて最大に引き伸ばされた状態で保たれる。従って、一旦形成されると、金属層３０は破壊を引き起こすような引張荷重や応力にさらされることはない。

図９は、製造工程の概略図である。第２のステップにおいて、エラストマーの薄い層２２０は、厚さ約０．０１ｍｍから約１ｍｍの範囲で、層１０の上に引き伸ばされ、クランプ２００によって保持される。層２２０は、各突起１１との接触部分において接着剤により所定の位置に固定される。

図１０は、製造工程の概略図である。第３のステップでは、金属蒸気をマンドレルと層２２０に素早く暴露することにより金属層３０が形成される。金属蒸気は、金属が溶融され、過熱され、それによって蒸着させるための蒸気を形成するプロセスを用いた既知の方法によって生成される。

この方法による層３０の蒸着により、たとえ基板２２０が最も引き伸ばされた状態であっても、層３０が加圧されていない条件下において基板２２０に蒸着されることになる。

この方法による層３０の蒸着は、蓄圧器においてメンブレンが加圧され、伸張されている間に受ける引張荷重によって層３０が損傷または破壊することを防ぐ。

図１１は、製造工程の概略図である。第４のステップでは、エラストマー層２０は層３０の上に引っぱられ、突起２１に塗布された接着剤を用いることにより層３０に固定される。完成したメンブレン１００は、その後、マンドレルから取り除かれる。

マンドレルからメンブレンを取り除くことにより、また使用時の圧力変動により、メンブレンは縮むので、金属層３０は基板２２０が引き伸ばされていない状態ではしわが寄り、基板２２０が引き伸ばされた状態ではしわが寄らない。層３０のしわは、層１０、２０と空洞４０の形状によって決められる。その薄さによって層３０は非常に柔軟性を持ち、何サイクルにもわたって損傷することなく、しわが寄ったり寄らなかったりすることができる。層１０、２０は、さらに衝撃損傷から層３０と基板２２０を保護する。したがって、層３０は、蓄圧タンクに通常関連する圧力で作動することができる。

図１２は、図１の詳細の横断面である。金属層３０は、基板２２０に蒸着によって堆積される。結合された層３０、２２０は、層２０と層１０との間に接着される。

本発明の形態がここに記載されているが、ここに記載された発明の精神および範囲から逸脱することなく、構成と部分との関連において変化させることは当業者にとって明らかであろう。

Claims (5)

1. 第１のエラストマー層（１０）及び第２のエラストマー層（２０）と、
   基板のエラストマー層が引き伸ばされた状態であるときに、加圧されない条件下で基板のエラストマー層（２２０）に被覆されるガスを透過しない金属層（３０）とを備え、
   前記金属層と前記基板のエラストマー層は、前記第１のエラストマー層と前記第２のエラストマー層との間に配置、かつ接着され、
   前記第１のエラストマー層及び前記第２のエラストマー層は、それぞれメンブレンの収縮時に前記金属層と前記基板のエラストマー層を受けるための空洞を備えるメンブレン。
2. 前記第２のエラストマー層は、前記金属層と接触するための突起を備える請求項１に記載のメンブレン。
3. 前記第１のエラストマー層は、前記基板のエラストマー層と接触するための突起を備える請求項１に記載のメンブレン。
4. 第１のエラストマー層を引き伸ばされた状態でマンドレルに貼付け、
   基板のエラストマー層を引き伸ばされた状態で前記第１のエラストマー層に接着し、
   金属蒸気を前記基板のエラストマー層に蒸着し、
   第２のエラストマー層を引き伸ばされた状態で前記基板のエラストマー層に接着し、
   得られたメンブレンをマンドレルから取り外すことを含むメンブレンの製造方法。
5. 前記基板のエラストマー層に隣接した前記第１のエラストマー層に空洞を形成し、
   前記基板のエラストマー層に隣接した前記第２のエラストマー層に空洞を形成することをさらに含む請求項４に記載の方法。

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