KR20210138044A - 과이동 압력 릴리프 기능을 갖는 가스 스프링 - Google Patents

Abstract

단부 벽을 갖는 케이싱 내의 압력 챔버, 돌출 위치와 퇴축 위치 사이의 왕복 운동을 위해 케이싱에 적어도 부분적으로 수용되는 피스톤 로드, 및 단부 벽에 의해 지지되는 압력 릴리프 어셈블리를 갖는 산업용 가스 스프링. 압력 릴리프 어셈블리는 압력 챔버와 연통하는 멤브레인, 및 피스톤 로드가 설계 의도 최대 퇴축 위치까지 과이동할 때 피스톤 로드에 의해 결합 및 이동될 때 멤브레인을 돌파하도록 구성되어 있는 플런저를 가질 수 있다.

Description

과이동 압력 릴리프 기능을 갖는 가스 스프링

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 그 전체가 여기에 참조되는 2019년 3월 20일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/821,073의 우선권을 주장한다.

발명의 기술분야

본 발명은 일반적으로 성형 장비용 산업용 가스 스프링에 관한 것으로, 특히 산업용 가스 스프링용 과이동 압력 릴리프(overtravel pressure relief)에 관한 것이다.

산업용 가스 스프링은 잘 알려져 있으며, 판금 스탬핑, 펀칭 및 천공 작업을 위한 프레스의 다이를 포함한 성형 장비의 많은 적용처에 사용되어 왔다.

예를 들어, 하나 이상의 가스 스프링이 성형 다이 또는 워크피스의 지지를 위한 가동 구성요소에 항복력(yielding force) 또는 복귀력(return force)을 제공하기 위해 성형 장비의 다양한 구현예에 사용될 수 있다. 예를 들어, 바인더 링(binder ring) 구현예에서, 가스 스프링은 성형 다이의 다른 부분이 워크피스를 성형, 절삭, 연신, 스탬핑, 천공(piercing) 또는 굽힘 가공하거나 워크피스로부터 퇴축하는 동안에 금속 워크피스를 고정시키도록 성형 다이의 바인더 링에 항복력을 제공한다. 리프터(lifter) 구현예에서, 가스 스프링은 성형 다이의 표면으로부터 워크피스를 들어올리거나 워크피스의 제어를 유지시키기 위해 항복력 및 복귀력을 제공할 수 있다. 캠 툴(cam tool) 구현예에서, 가스 스프링은 캠 작동식 툴을 원점 위치(home position)로 복귀시키기 위한 항복력을 적용시킬 수 있다. 물론, 가스 스프링은 광범위한 다른 구현예에서 사용될 수 있다.

종래의 산업용 가스 스프링은 케이싱, 케이싱에 수용된 피스톤 로드, 케이싱에 의해 지지되는 피스톤 로드 베어링 앤드 시일 하우징, 및 일반적으로 질소인 가압 가스를 예컨대 일부 적용예에서 1000-5000 psi의 작동 압력으로 유지시키기 위한 압력 챔버를 포함할 수 있다. 가압 가스는 피스톤 로드를 돌출 위치(extended position)로 바이어스(bias)하고, 피스톤 로드의 돌출 위치로부터 퇴축 위치(retracted position)로의 이동에 항복 가능하게(yieldably) 저항한다. 하지만, 피스톤 로드는 설계된 의도된 퇴축 위치를 초과하여 과이동(overtravel)할 수 있으며, 이러한 과이동은 바람직하지 않은 가스 과압력(overpressure) 및 기타 불리한 상태를 초래할 수 있다. 과이동 퇴축된 위치로부터 피스톤 로드의 돌출 위치로의 급속한 복귀 또한 가스 스프링이 사용되는 성형 장비 및/또는 워크피스를 손상시킬 수 있다. 피스톤 로드의 과이동 위치에서, 챔버 내의 가스 압력은 피스톤 로드의 일반적으로 완전히 돌출된 위치에서의 압력보다 50% 내지 100% 더 높은 정도일 수 있다.

적어도 일부 형태에서, 피스톤 로드 및 압력 챔버를 갖는 산업용 가스 스프링은 케이싱의 단부 벽에 의해 지지되는 압력 릴리프 어셈블리를 가질 수 있다. 압력 릴리프 어셈블리는 압력 챔버와 연통하는 멤브레인, 및 설계 의도된 최대 퇴축 위치로부터의 피스톤 로드의 과이동에 의해 결합되어 및 이동될 때 멤브레인을 돌파하도록 구성되어 있는 플런저를 가질 수 있다.

적어도 일부 형태에서, 멤브레인은 단부 벽의 동질의 일체형 부분(homogenously integral part)일 수 있고, 다른 형태에서는 별개의 피스(separate piece)일 수 있다. 적어도 일부 형태에서, 플런저는 압력 챔버를 멤브레인과 연통시키는 통로를 가질 수 있다. 적어도 일부 형태에서, 플런저는 멤브레인을 돌파하기 위한 하나 이상의 비교적 날카로운 에지를 가질 수 있다.

적어도 일부 형태에서, 압력 릴리프 어셈블리는 단부 벽 내에 수용되고 멤브레인을 지지하는 바디를 가질 수 있다. 적어도 일부 형태에서, 바디는 또한 플런저를 지지할 수 있다. 적어도 일부 형태에서, 플런저는 바디 내에 슬라이드 가능하게 수용될 수 있다.

여기에 간단히 설명되는 첨부 도면과 관련하여 이하의 바람직한 실시예 및 최선의 모드의 상세한 설명이 이루어질 것이다.
도 1은 피스톤 로드가 돌출 위치에 있고, 과이동 압력 릴리프 어셈블리를 갖는 산업용 가스 스프링의 단면도이다.
도 2는 과이동 퇴축 위치에서 피스톤 로드가 압력 릴리프 어셈블리를 작동시키는 도 1의 가스 스프링의 단면도이다.
도 3은 도 2의 원형 부분의 확대 부분 단면도이다.
도 4는 도 2의 플런저의 단면도이다.
도 5는 플런저의 제1 변형 형태의 측면도이다.
도 6은 도 5의 플런저의 단면도이다.
도 7은 플런저의 제2 변형 형태의 측면도이다.
도 8은 도 7의 플런저의 단면도이다.
도 9는 플런저의 제3 변형 형태의 사시도이다.
도 10은 도 9의 플런저의 측면도이다.
도 11은 도 9의 플런저의 끝면도이다.
도 12는 도 9의 플런저의 단면도이다.
도 13은 제1 변형된 과이동 압력 릴리프 어셈블리를 갖는 가스 스프링의 부분 단면도이다.
도 14는 도 13의 릴리프 어셈블리의 플런저의 사시도이다.
도 15는 제2 변형된 과이동 압력 릴리프 어셈블리를 갖는 가스 스프링의 부분 단면도이다.
도 16은 도 15의 제2 변형된 과이동 압력 릴리프 어셈블리의 확대 단면도이다.
도 17은 도 16의 17-17 라인을 따라 취한 확대 단면도이다.
도 18은 도 16의 원(18) 내의 부분의 확대 단면도이다.
도 19는 제3 변형된 과이동 압력 릴리프 어셈블리를 갖는 가스 스프링의 부분 개략 단면도이다.
도 20은 도 19의 과압력 릴리프 어셈블리의 확대 사시도이다.
도 21은 도 19의 압력 릴리프 어셈블리의 측면도이다.
도 22는 도 21의 라인 22-22 라인에서 대체적으로 취한 단면도이다.
도 23은 도 22의 23-23 라인에서 대체적으로 취한 부분 확대 단면도이다.
도 24는 도 19의 압력 릴리프 어셈블리의 수정된 바디의 부분 개략 단면도이다.
도 25는 과이동 압력 릴리프 어셈블리의 제4 형태를 갖는 가스 스프링의 부분 개략 단면도이다.
도 26은 도 25의 가스 스프링 및 압력 릴리프 어셈블리의 끝면도이다.
도 27은 도 25의 압력 릴리프 어셈블리의 측면도이다.
도 28은 도 25의 릴리프 어셈블리의 한쪽 단부의 도면이다.
도 29는 도 25의 압력 릴리프 어셈블리의 다른쪽 단부의 끝면도이다.
도 30은 도 27의 30-30 라인을 따라 취한 확대 단면도이다.

도면을 더 자세히 참조하면, 도면들은 성형 장비용 산업용 가스 스프링의 압력 릴리프 어셈블리의 다양한 형태들을 예시한다. 릴리프 어셈블리에서, 의도한 설계 최대 퇴축 위치(intended design maximum retracted position)를 초과한 피스톤 로드의 과이동은 플런저를 결합 이동시켜, 금속 멤브레인을 천공, 절단 또는 돌파(breaching)하여 가스 스프링의 케이싱의 외부로 탈출하도록 압력 챔버 내의 압축 가스를 배기하거나 방출한다. 가압 가스의 이러한 방출은 피스톤 로드가 과이동 위치에서 완전 돌출 위치로 복귀하게 하는 힘을 감소시키고, 일부 적용예에서는 피스톤 로드가 완전 돌출 위치로 완전히 복귀하는 것을 방지할 수 있다. 이것은 가스 스프링이 사용되는 성형 장비 및/또는 워크피스에 대한 손상을 회피시킨다.

도 1에 도시된 바와 같이, 성형 장비를 위한 산업용 가스 스프링(50)은 후방 헤드 또는 벽(54)을 갖는 케이싱(52), 압력 챔버(56), 케이싱에 의해 지지되는 가이드 베어링 앤드 시일 어셈블리(58), 및 가이드 앤드 시일 어셈블리를 통해 수용되고 부분적으로 압력 챔버 내에 배치되는 피스톤 로드(60)를 포함할 수 있다. 사용시, 압력 챔버는 많은 적용처에서 일반적으로 예컨대 1,000 내지 5,000 psi 범위의 압력의 압축 가스, 일반적으로 질소로 충전될 수 있다. 챔버 내의 압축 가스는 피스톤 로드를 도 1에 도시된 바와 같이 그것의 외측 단부가 케이싱의 인접 단부 외부로 돌출한 상태로 그것의 완전 돌출 위치로 항복 가능하게(yieldably) 가압한다. 사용시, 피스톤 로드(60)의 외측 단부는 피스톤 로드를 그것의 완전 돌출 위치와 설계 의도 최대 퇴축 위치 사이에서 왕복 운동시킬 수 있는 프레스 또는 성형 장비(도시되지 않음)의 다이 부재 또는 다른 부분과 또는 그에 의해 결합될 수 있다.

가스 스프링(50)은 피스톤 로드(60)가 의도한 설계 최대 퇴축 위치(도 2)를 초과하여 과이동 퇴축하는 경우 압력 챔버(56)를 가스 스프링의 외부로 배기하여 내부의 압축 가스의 압력을 방출하거나 상당히 감소시키는 과행정(overstroke) 또는 과이동 압력 릴리프 어셈블리(70)를 포함한다. 압력 릴리프 어셈블리(이하, 릴리프 어셈블리라 함)는 피스톤 로드(60)에 의해 이동되어, 피스톤 로드(60)가 퇴축 행정에서 과이동할 때 멤브레인(74)을 절단, 전단, 천공 또는 돌파하여, 챔버(56) 내의 가압 가스를 가스 스프링의 외부로 배기 또는 방출하기 위한 경로를 개방한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 멤브레인(74)의 돌파를 유발하는 피스톤 로드(60)의 과이동(76)의 정도는 0.060인치(1.52mm) 정도일 수 있다.

멤브레인(74)은 2개의 대향하는 블라인드 보어(78, 80) 사이의 분리 벽으로서 케이싱의 헤드(54)의 일체형 부분으로서 형성될 수 있으며, 하나의 보어(78)는 압력 챔버(56) 내로 개방되어 압력 챔버(56)와 연통하고, 다른 일반적으로 대향하는 보어(80)는 헤드(54)의 외부면을 통해 개방됨으로써 가스 스프링의 외부와 연통한다. 멤브레인(74)은 적당한 크기의 힘으로 돌파될 정도로 충분히 얇지만, 가스 스프링의 정상적인 작동 조건하에서, 비교적 빠를 수 있는 피스톤 로드(60)의 퇴축과 돌출의 각각의 정규 사이클에 의해 지배되고, 가스 스프링이 사용 중일 때 분당 20-60 완전 사이클 범위에서 발생하는 압력 변화에 의해 압력 변화에 의해 피로(fatigue)해지지 않을 만큼 충분히 강하다.

멤브레인(74)의 두께는 부분적으로 챔버 내 압축 가스의 최대 작동 압력, 이 가압 가스에 노출되는 멤브레인의 표면적, 및 멤브레인이 제조되는 재료에 의존할 수 있다. 일체형 멤브레인과 보어(78) 그리고 그에 따라 약 0.12 내지 0.15인치(3-4mm) 범위 내의 멤브레인 직경을 갖는 1020 탄소강 헤드의 경우, 멤브레인(74)의 공칭 두께는 일반적으로 0.010 내지 0.020인치(0.25 내지 0.50mm), 바람직하게는 약 0.010 내지 0.012인치(0.25 내지 0.30mm) 범위 내일 수 있다. 바람직하게, 보어(78, 80)는 동축이고, 보어(80)는 멤브레인(74)이 플런저(72)에 의해 돌파될 때 멤브레인(74)의 절단 또는 천공된 부분에 대해 약간의 간극을 제공하도록 보어(78)보다 다소 클 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 플런저(72)는 원통형 외주면(82)과 피스톤 로드(60)가 과이동할 때 피스톤 로드(60)의 인보드 단부(inboard end)(88)와 결합하도록 구성된 대체로 편평한 임보드 단부(imboard end)(86)를 갖는 바디(82)일 수 있다. 다른쪽 단부에 인접하여, 플런저(72)는 각각이 경사진 자유 단부를 갖는 2개의 바람직하게 직경 방향으로 대향되고 축 방향으로 연장된 핑거(90)를 가질 수 있고, 각각의 경사진 자유 단부는 경사진 아치형 또는 편평한 표면(92)을 가지고 형성되어, 플런저에 의해 멤브레인(74)을 절단, 천공, 전단 또는 돌파하기 위한 비교적 날카로운 에지(94)를 제공하여, 플런저가 과이동하는 피스톤 로드(60)에 의해 이동될 때 절단 에지(94)를 멤브레인을 통해 전진시켜 멤브레인을 돌파한다. 플런저(72)는 또한 바람직하게는 멤브레인이 돌파되었을 때 챔버(56) 내의 압축 가스가 멤브레인(74)을 통해 가스 스프링(50)의 외부로 유동할 수 있게 해주는 배기 통로를 제공하는 바람직하게는 동축인 관통 보어(96)를 가질 수 있다. 플런저(72)는 보어(78)에 압입(press) 또는 억지(interference) 끼워맞춤으로 수용될 수 있어, 플런저(72)를 보어(78) 내부에 유지시킨다. 이 압입 끼워맞춤의 범위는 H7/f6 끼워맞춤과 같은 ISO 간섭 또는 중간(transitional) 끼워맞춤과 같은 과도한 힘 없이 피스톤 로드(60)의 과이동에 의해 플런저가 쉽고 빠르게 전진될 수 있을 만큼 충분히 작아야 한다. 플런저(72)의 이러한 억지 끼워맞춤은 가스 스프링(50)의 정상적인 사용 동안 플런저가 보어(78) 밖으로 그리고 압력 챔버(56) 내로 의도치 않게 이동하지 않는 것을 보장한다. 이 억지 끼워맞춤은 더 작은 직경의 가스 스프링과 같은 더 작은 크기의 가스 스프링에 특히 유용할 수 있는 릴리프 어셈블리 및 헤드의 축 방향 공간 및 면적 절약을 제공할 수 있다.

도 5 및 도 6은 도 1 내지 도 4의 플런저(72) 대신에 사용될 수 있는 제1 변형 플런저(100)를 도시한다. 이 변형 플런저(100)는 원통형 외주면(104), 바람직하게는 상기 원통형 표면과 동축인 배기 보어(106), 과이동 피스톤 로드(60)에 의해 결합 가능한 대체로 편평한 제1 단부(108), 및 멤브레인(74)을 천공, 절단 또는 돌파하기 위한 날카로운 에지 또는 팁(114)을 갖는 단일 돌출부(112)를 제공하는 아치형 또는 곡선형 부분(110)을 갖는 제2 단부를 갖는 바디(102)를 가질 수 있다. 이 플런저(100)는 가스 스프링(50)의 헤드(54)의 보어(78)에 압입 끼워맞춤될 수 있다.

도 7 및 도 8은 플런저(72) 대신에 사용될 수 있는 제2 변형 플런저(120)를 도시한다. 이러한 변형 플런저(120)는 원통형 외주면(124), 관통 보어 배기 통로(126), 과이동 피스톤 로드(60)에 의한 결합을 위해 대체로 편평할 수 있는 제1 단부(128), 및 다른쪽 단부에 인접하여 각각이 경사진 외부 면(132)을 갖는 2개의 대체로 직경 방향으로 대향되고 축 방향으로 연장된 핑거(130)를 갖는 바디(122)를 가지고, 각각의 경사진 외부면(132)은 멤브레인(74)의 부분들을 멤브레인(74)의 외주로부터 반경 방향 내측으로 절단, 전단, 천공 또는 돌파할 수 있어서, 멤브레인의 중앙 부분을 돌파하고 멤브레인을 중앙 보어 배기 통로(126)에서 멀어지게 편향시킬 수 있는 상대적으로 날카로운 팁 또는 가장자리(134)를 형성하도록 아치형 또는 평면형일 수 있다. 이 변형 플런저는 가스 스프링(50)의 헤드(54)의 보어(78)에 압입 끼워맞춤될 수 있다.

플런저(72) 대신에 사용될 수 있는 제3 변형 플런저(140)가 도 9-12에 도시되어 있다. 이 플런저(140)는 외부 원통형 표면(144)이 바디의 원주 범위의 일부 둘레로만 원주 방향으로 연장되어 있고, 리세스부(recessed portion)(146) 내로 합쳐지게 되는 바디(142)를 가질 수 있으며, 상기 리세스부(146)는 후방 헤드(54)의 보어(78)와 협조하여 배기 통로를 제공하도록 외부 원통형 표면(144)의 반경 방향 내측의 중심 부분을 갖는 축 방향 및 횡 방향으로 연장되어 있는 평탄 면(148)일 수 있다. 이 플런저(140)는 과이동하는 피스톤 로드(60)에 의해 결합될 수 있는 횡 방향 내측 단부(150)를 가질 수 있고, 그것의 다른쪽 단부에 인접하여 축 방향 외측으로 돌출하고 각각이 경사진 표면(154)을 갖는 한 쌍의 직경 방향으로 대향된 핑거(152)를 가질 수 있고, 상기 각각의 경사진 표면(154)은 자유 단부에 인접하여 아치형 또는 평면형일 수 있고, 멤브레인을 통과하여 과이동하는 피스톤 로드(60)에 의해 이동되거나 전진될 때 멤브레인(74)을 절단, 전단, 천공 또는 돌파할 수 있는 비교적 날카로운 외측 에지(156)를 가질 수 있다. 이들 핑거(152)는 배기 표면(148)으로부터 원주 방향으로 이격될 수 있고, 바람직하게 각각의 핑거는 배기 표면으로부터 원주 방향으로 실질적으로 90도 이격될 수 있다. 이 플런저(140)는 헤드(54)의 보어(78)에 압입 끼워맞춤될 수 있다.

사용시, 이들 플런저(72, 100, 120, 140)의 모두는 플런저를 지지하고 멤브레인 내로 멤브레인을 통과하여 또는 멤브레인을 적어도 부분적으로 통과하여 플런저를 이동시키는 과이동 피스톤 로드(60)에 의해 멤브레인을 적어도 부분적으로 통과하여 전진될 때 멤브레인(74)을 절단, 전단, 천공 또는 돌파한다.

도 13은 베어링 앤드 시일 어셈블리 내에 슬라이드 가능하게 수용된 피스톤 로드(60')를 갖는 가스 스프링(50')의 케이싱(52')의 후방 헤드(54')에 수용된 과이동식 압력 릴리프 어셈블리(160)의 또 다른 형태를 도시한다. 이 가스 스프링(50')은 도 1 및 도 2의 가스 스프링(50)과 실질적으로 동일한 구성 및 배열을 가질 수 있다. 이 릴리프 어셈블리(160)는 헤드(54')의 외부와 연통하는 보어(166)의 칼라(164)에 의해 제거 가능하게 유지되는 디스크 형태의 별개의 멤브레인(separate membrane)(162), 및 압력 챔버(56') 내로 개방되는 대향 보어(170) 내에 수용되는 플런저(168)를 가질 수 있다. 이들 보어(166, 170)는 중간 보어(172)에 의해 연결될 수 있다. 칼라(164)는 보어(166)의 상보적인 내부 나사산(176)과 나사식으로 결합될 수 있는 외부 나사산(174), 및 보어로부터 칼라를 설치 및 제거하기 위한 툴을 수용하기 위한 육각형 소켓과 같은 비원형 리세스 또는 소켓(178)을 가질 수 있다. 칼라는 관통 배기 통로(180)를 가질 수 있고, 다른쪽 단부는 디스크 멤브레인(162)과 결합하기 위한 단면 평면형 또는 약간 아치형일 수 있는 원주 방향으로 연속적인 표면(182)을 가질 수 있어, 칼라(164)가 보어(166) 내로 견고하게 나사결합될 때 디스크 멤브레인(162)을 보어(166)의 원주 방향으로 연속적인 쇼울더 및/또는 단부 면(184)과 금속 대 금속 밀봉 결합하도록 가압한다.

도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 플런저(168)는 원통형 외부 표면(188), 과이동하는 피스톤 로드(60')에 의한 결합을 위해 편평할 수 있는 한쪽 단부(190), 및 다른쪽 단부에서 멤브레인을 천공하거나 돌파하기 위한 팁(196)을 갖는 넥(neck)(194)으로 합쳐지는 한 쌍의 직경 방향으로 대향하는 버트레스(buttress) 또는 좁아지는 쇼울더(192)를 갖는 바디(186)를 가질 수 있다. 이들 쇼울더(192)는 넥(194)을 향해 연장됨에 따라 반경 방향으로 더 좁아질 수 있고, 넥은 팁(196)을 향해 연장됨에 따라 반경 방향으로 더 좁아질 수 있다. 팁(196)은 초기에 멤브레인(162)을 천공하거나 돌파하기 위해 상대적으로 뾰족한 부분을 제공하기 위해 실질적으로 절두원추형(frustoconical)일 수 있으며, 넥과 쇼울더는 과이동하는 피스톤 로드에 의해 부분적으로 멤브레인 내로 이동될 때 천공된 멤브레인의 일부를 일반적으로 방사상 바깥쪽으로 변위시킬 수 있다.

배기 경로를 제공하기 위해, 플런저(168) 내의 축 방향 블라인드 보어(198)가 한쪽 단부에서 압력 챔버(56')와 소통할 수 있고, 다른쪽 단부에서 쇼울더 부분(192)을 통한 횡 방향 보어(200)와 연통할 수 있어, 디스크 멤브레인(162)이 플런저에 의해 천공될 때 챔버(56')로부터 압축 가스를 방출한다. 가스 스프링(50')의 정상 작동 동안 보어(170) 내에 플런저(168)를 유지시키기 위해, 플런저(168)는 보어 내로 약간의 억지 끼워맞춤으로 가압될 수 있다. 한편으로 이 억지 끼워맞춤은 보어(170) 내에 플런저(168)를 유지시키기에 충분한 마찰력을 생성해야 하며, 다른 한편으로 피스톤 로드(60')의 과이동에 의해 멤브레인(162)을 천공하거나 돌파하기 위한 플런저의 보어 내로의 추가 이동을 방해하기에는 불충분한 마찰력을 생성해야 한다. 일반적으로, 이 플런저(168)는 보어 내에서 ISO 중간 유사 끼워맞춤을 가질 수 있다.

도 15는 가스 스프링(50'')의 후방 헤드(54'')를 통해 보어(212) 내에 제거 가능하게 수용된 또 다른 압력 릴리프 어셈블리(210)를 도시한다. 이 릴리프 어셈블리(210)는 보어의 상보적인 나사산과 나사식으로 결합될 수 있는 외부 나사산(216), 및 바디가 보어 내로 전진할 수 있는 정도를 제한하기 위해 카운터보어(220)의 쇼울더와 결합될 수 있는 외주 플랜지(218)를 갖는 칼라 또는 바디(214) 및 보디를 가질 수 있다. 바디(214)는 그것과 일체로 형성되고, 압력 챔버(56'') 내로 개방되는 블라인드 보어 또는 통로(224)와 가스 스프링(50'')의 외부로 개방되는 블라인드 보어 또는 통로(226) 사이에 배치되는 멤브레인(222)을 가질 수 있다. 통로(226)는 케이싱(52'')의 후방 헤드(54'')에 대해 릴리프 어셈블리(210)를 나사식으로 설치 및 제거하기 위한 툴을 수용하도록 구성된 정사각형 또는 육각형과 같은 비원형 형태를 갖는 소켓 부분(228)을 포함할 수 있다. 바디(214)는 바디와 후방 헤드(54'') 사이에 기밀 시일을 제공하기 위해 O-링과 같은 시일(232)을 수용하도록 구성된 원주 방향으로 연속적인 홈(230)을 포함할 수 있다.

도 15 및 16에 도시된 바와 같이, 플런저(234)는 조립 시에 압입 또는 억지 끼워맞춤으로 보어(240) 내에 부분적으로 수용될 수 있는 외부 원통형 표면(238)을 갖는 바디(236)를 가질 수 있다. 플런저의 한쪽 단부는 과이동하는 피스톤 로드(60'')에 의해 결합되도록 구성된 대체로 편평한 면(242)을 가질 수 있고, 다른쪽 단부는 비교적 날카로운 에지(244)를 포함할 수 있으며, 날카로운 에지(244)는 도 18에 도시된 바와 같이, 날카로운 에지(244)가 피스톤 로드의 과이동에 의해 멤브레인을 통해 적어도 부분적으로 이동될 때 멤브레인(222)을 절단, 천공 또는 돌파하도록 구성된다. 비교적 날카로운 에지(244)는 플런저의 단부에 인접하여 아치형 표면(246)에 의해 플런저의 원주 둘레의 부분에 인접하여 형성될 수 있다. 플런저(234)와 그것이 수용되는 보어(240) 사이의 배기 통로는 편평할 수 있고 플런저의 원통형 표면(238)의 반경의 반경 방향 내측으로 배치될 수 있는 종방향 또는 축 방향으로 연장되어 있는 리세스 표면(248)(도 17 및 18)에 의해 제공될 수 있어, 플런저가 멤브레인(226)을 돌파할 때 압력 챔버(56'') 내의 압축 가스가 유동할 수 있는 보어와 플런저 사이의 통로를 제공한다. 바람직하게는, 플런저의 이 리세스부(248)는 플런저의 절단 에지(244)에 대해 대체로 직경 방향 반대편이다. 플런저(234) 대신에, 플런저(72, 100, 120, 140 및 168) 중 임의의 것이 이 릴리프 어셈블리(210)에 사용될 수 있다.

가스 스프링(50'')의 수송 및/또는 서비스 동안과 같이 가스 스프링(50'')의 챔버(56'') 내에 압축 가스가 없을 때, 릴리프 어셈블리(210)의 멤브레인(222)은 보어(212) 내에 압입 끼워맞춤 등으로 수용된 튜브 또는 슬리브(250)(도 15 및 16)에 의해 우발적인 또는 의도치 않은 절단, 천공으로부터 보호될 수 있다. 이 슬리브는 축 방향으로 플런저의 인접 단부까지 그리고 바람직하게는 플런저의 인접 단부의 범위를 약간 초과하여 연장되고, 가스 스프링(50'')이 압력 챔버(56'') 내에 압축 가스를 가질 때의 사용시에 멤브레인(236)을 돌파하도록 플런저(234)를 작동시키는 과이동 피스톤 로드(60'')에 의해 쉽게 붕괴되거나, 압축되거나 또는 찌부러지도록 폴리머 또는 얇은 금속 튜브와 같은 적절한 항복 가능 재료(yieldable material)로 제조된다. 이 릴리프 어셈블리(210)는 릴리프 어셈블리가 후방 헤드의 외부로부터 설치되어야만 하는 내부 형태를 갖는 가스 스프링에 특히 바람직할 수 있다.

도 19는 한쪽 단부에서 압력 챔버(56'')와 연통하고, 다른쪽 단부에서 가스 스프링의 외부와 연통하는, 가스 스프링(50''')의 후방 헤드(54''')를 통해 보어(262) 내에 수용된 압력 릴리프 어셈블리(260)의 또 다른 형태를 도시한다. 이 릴리프 어셈블리(260)는 후방 헤드(54''')의 보어(262) 내에 압입 또는 억지 끼워맞춤으로 수용될 수 있는 원통형 부분(266)을 갖는 바디(264)를 가질 수 있다. 바디(264)는 바디와 바디가 수용되는 보어(262) 사이에 기밀 시일을 제공하도록 O-링과 같은 시일(270)을 수용하도록 구성된 원주 방향으로 연속적인 그루브(268)를 가질 수 있다. 도 19, 22 및 23에 도시된 바와 같이, 바디는 블라인드 보어(272)를 가질 수 있고, 블라인드 보어(272)의 개방 단부는 압력 챔버(56'')와 연통하고, 블라인드 보어(272)의 폐쇄 단부에 인접하여 적어도 부분적으로 대체로 반경 방향으로 보어 내로 돌출하는 일체형 멤브레인(274)의 한쪽 면과 연통한다. 바디는 멤브레인(274)의 다른쪽 면을 헤드의 보어(272)의 인접 부분과 카운터보어(278)를 통해 후방 헤드(54''')의 외부와 연통시키는 리세스 또는 슬롯(276)을 가질 수 있다. 블라인드 보어(272)와 슬롯(278)을 그들 사이에 얇은 금속 부분을 갖는 채로 형성한 후, 멤브레인(274)은 반경 방향으로 보어 내로 돌출하는 딤플형(dimpled) 멤브레인(274) 또는 다른 형태의 멤브레인을 제공하기 위해, 상기 얇은 금속 부분의 적어도 일부를 대체로 반경 방향으로 보어(272) 내로 가압하는 것에 의해 추가로 성형될 수 있다.

플런저(280)는 원통형 외부 표면(284)을 갖고, 대체로 편평하고 과이동하는 피스톤 로드에 의해 결합되도록 구성되는 한쪽 단부(286) 및 비교적 날카롭고 과이동하는 피스톤 로드(60'')가 플런저(280)를 보어(272) 내로 더 전진시킬 때 멤브레인(274)을 절단, 전단 또는 돌파하도록 구성되는 다른쪽 단부(288)를 갖는 바디(282)를 가질 수 있다. 멤브레인(274)에 배기 경로를 제공하기 위해, 플런저 바디(282)는 축 방향으로 연장되어 있고 플런저의 원주 방향 외부 부분(284)의 반경 방향 내측으로 배치되는 평탄 표면일 수 있는 축 방향으로 연장되어 있는 리세스부(290)를 가질 수 있다. 이 리세스부(290)는 날카로운 에지(288)에 근접하지만 이격되어 끝난다. 바디(264) 내에 플런저(280)를 유지시키기 위해, 플런저(280)는 보어(272) 내에 플런저(208)를 유지시키기에 충분하지만, 플런저가 멤브레인(274)을 절단, 전단 또는 돌파하기 위해 과도하게 이동하는 피스톤 로드(60'')에 의해 보어 내로 전진되는 것을 방해하기에 충분한 마찰력을 생성하지 않는 약간의 압입 또는 억지 끼워맞춤으로 보어(272) 내에 수용될 수 있다.

도 24는 바디(264)의 단부에 일체형의 얇은 금속제 항복 가능한 튜브형 부분(292)이 추가되어 압력 챔버(56'') 내로 돌출시키는 것에 의한 릴리프 바디(264)의 변형을 도시한다. 이 튜브형 부분(292)은 가스 스프링(50''')의 수송 또는 서비스 동안과 같이 압력 챔버(56''')에 압축 가스가 없을 때 피스톤 로드(60'')가 우발적으로 플런저를 이동시켜 멤브레인(274)을 돌파하는 것을 방지하기 위해 플런저(280)의 인접 단부(286)를 적어도 바람직하게는 약간 초과하도록 축 방향으로 연장되어 있다.

도 25 및 26은 전적으로 가스 스프링의 외부로부터 설치 및 제거될 수 있는, 가스 스프링(50'''')의 후방 헤드(54'''')를 통한 카운터보어(304)로 보어(302) 내에 수용된 과이동 압력 릴리프 어셈블리(300)의 다른 형태를 도시한다. 이 릴리프 어셈블리(300)는 보어(302) 내의 상보적인 내부 나사산과 결합될 수 있는 외부 나사산 부분(308) 및 릴리프 어셈블리(300)를 헤드(54'''') 내에 설치하거나 헤드로부터 제거하기 위해 상보적인 툴에 의한 결합을 위한 육각형, 정사각형 또는 다른 비원형 구성을 갖는 확대된 비원형 헤드(310)를 갖는 바디(306)를 포함할 수 있다. 바디(306)는 바디가 헤드(54'''') 내의 보어(302) 내로 나사 결합될 수 있는 정도를 제한하도록 카운터보어의 편평한 표면에 지지될 수 있는 쇼울더(312)를 포함할 수 있다. O-링과 같은 시일(314)이 바디(306)의 원주 방향으로 연속적인 그루브(316)에 수용되어 바디와 헤드(54'''') 사이에 기밀 시일을 제공할 수 있다. 도 25 및 30에 도시된 바와 같이, 바디(306)는 나사산(308)과 동축일 수 있고, 개방 단부가 압력 챔버와 연통하고, 블라인드 단부에 인접하여 적어도 일부가 반경 방향으로 보어(318) 내로 돌출하는 멤브레인(320)의 한쪽 면과 연통하는 축 방향으로 연장되어 있는 블라인드 보어(318)를 가질 수 있다. 멤브레인(320)의 외부 표면은 바람직하게는 가스 스프링의 외부로 개방된 헤드의 카운터보어(304)를 통해 가스 스프링(50'''')의 외부와 연통하는 바디(306)의 횡 방향 보어(322)와 연통할 수 있다.

플런저(323)는 원통형 외부 표면(326)을 갖고, 플런저(322)를 보어(318) 내로 전진시키도록 과이동하는 피스톤 로드(60'')에 의해 결합되도록 구성된 한쪽 단부(328)를 갖고, 다른쪽 단부에 비교적 날카로운 에지(330)로서, 과이동하는 피스톤 로드(60'')가 멤브레인의 적어도 일부를 가로질러 플런저 바디의 날카로운 에지(330)를 전진시킬 때 멤브레인(320)을 절단, 전단 또는 돌파하도록 구성된 바의 비교적 날카로운 에지(330)를 가질 수 있는 바디(324)를 가질 수 있다. 챔버(56'') 내의 압축 가스가 돌파되는 멤브레인과 연통할 수 있는 통로를 제공하기 위해, 바디는 플런저 바디(324)의 원주 둘레의 반경 방향 내측의 축 방향으로 연장되어 있는 평탄 표면에 의해 제공될 수 있고, 절단 에지(330)에 인접하고 절단 에지(320)로부터 다소 이격되어 끝나는 축 방향으로 연장되어 있는 리세스부(332)를 가질 수 있어, 플런저(322)가 멤브레인(320)을 돌파할 때 통로(332)는 돌파된 부분과 보어(322, 304)를 통해 가스 스프링의 외부와 연통한다. 압력 챔버(56'')가 가스 스프링의 수송 또는 서비스 동안과 같이 내부에 압축 가스를 갖지 않을 때, 피스톤 로드(60'''')가 우발적으로 플런저와 결합하여 플런저를 이동시켜 멤브레인(320)을 돌파하는 것을 방지하기 위해, 보호 튜브 또는 슬리브(334)가 한쪽 단부는 바디(306)에 지지되고 다른쪽 단부는 플런저(322)의 인접 단부(328)를 적어도 바람직하게는 약간 초과하도록 축 방향으로 연장되어 있는 상태에서 헤드(54'''')의 보어(318) 내에 수용될 수 있다. 이 슬리브(334)는 약간의 억지 끼워맞춤으로 보어(302) 내에 수용될 수 있다. 이 슬리브(334)는 가스 스프링(50'''')의 사용시에 피스톤 로드(60'')가 과이동하여 플런저(280)를 이동시켜 멤브레인(320)을 돌파할 때, 압축되거나 또는 찌부러질 수 있는 폴리머 또는 얇은 금속과 같은 항복 가능 재료(yieldable material)로 제조될 수 있다. 딤플형 멤브레인(320), 절단 에지(330) 및 플런저(322)의 배기 표면(332)의 기본 구성 및 배열은 릴리프 어셈블리(260)의 멤브레인, 절단 에지 및 플런저의 배기 표면과 기본적으로 동일할 수 있으며, 따라서 이에 대한 설명은 여기에서 반복되지 않을 것이다.

가스 스프링의 후방 헤드 또는 벽 내에 압입 또는 억지 끼워맞춤될 수 있는, 플런저를 갖는 압력 릴리프 어셈블리(70 및 160)는 작은 직경의 가스 스프링과 같이 헤드 및/또는 압력 챔버 내에 작은 공간이나 면적이 존재하는 경우나, 릴리프 어셈블리의 멤브레인을 돌파하여 챔버 내의 압축 가스를 배기하는 피스톤 로드의 첫 번째 또는 단일 사건 후에 가스 스프링이 폐기되고 수리 또는 재사용되지 않는 경우에 특히 바람직할 수 있다. 가스 스프링의 피스톤 로드 과이동이 가스 스프링의 릴리프 어셈블리의 멤브레인을 돌파한 후에 가스 스프링을 재사용하기를 원하는 경우에는, 제거 가능한 릴리프 어셈블리(210, 300) 및 제거 가능한 멤브레인 릴리프 어셈블리(160)가 사용될 수 있다. 이는 큰 직경 및/또는 돌출 위치와 설계된 퇴축 위치 사이의 피스톤 로드의 긴 행정의 가스 스프링에 특히 바람직할 수 있는데, 이러한 가스 스프링은 일반적으로 작은 직경의 가스 스프링보다 제조 비용이 훨씬 더 비싸기 때문이다.

개시된 모든 압력 릴리프 어셈블리는 압력 챔버가 초기에 충전되는 가스 압력 및 피스톤 로드가 최대 설계 의도 위치로 퇴축될 때 챔버 내에 생성되는 최대 압력에 관계없이 그들이 조립되어지는 가스 스프링의 피스톤 로드의 과이동에 의해서만 작동된다. 다시 말해, 이러한 어셈블리는 챔버 내의 압축 가스 압력에 관계없이 과이동 압력 릴리프를 제공하므로, 이러한 릴리프 어셈블리를 갖는 가스 스프링은 그들이 사용되는 특정 적용처에 따라 다양한 작동 압력으로 충전될 수 있다. 이러한 모든 피스톤 로드 과이동 압력 릴리프 어셈블리는 또한 이들이 사용되는 가스 스프링의 피스톤 로드의 축 방향 퇴축 과이동에 의해서만 압력 릴리프를 제공하도록 직접 작동되기 때문에 매우 신뢰성 높은 작업을 제공한다.

여기에 과이동 압력 릴리프 어셈블리의 다양한 형태가 현시점에서 바람직한 실시예를 구성하지만, 많은 다른 형태가 가능하다. 본 발명의 모든 가능한 실시예 또는 균등 형태 또는 파생 형태를 언급하려 의도하지 않는다. 본원에서 사용된 용어들은 제한이 아니라 단지 설명적인 것이며, 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (21)

1. 산업용 가스 스프링으로서,
   축 방향으로 연장되어 있는 측벽, 개방 단부, 상기 개방 단부로부터 축 방향으로 이격되어 횡 방향으로 연장되어 있는 단부 벽, 및 상기 측벽과 상기 단부 벽에 의해 부분적으로 한정되는 가스 압력 챔버를 포함하는 케이싱;
   돌출 위치와 퇴축 위치 사이의 왕복 운동을 위해 상기 케이싱 내에 적어도 부분적으로 수용되는 피스톤 로드로서, 상기 압력 챔버와 연통하는 내측 단부 및 상기 피스톤 로드가 상기 돌출 위치에 있을 때 상기 케이싱의 개방 단부의 대체적 축 방향 외측으로 돌출하는 외측 단부를 갖는 피스톤 로드; 및
   상기 단부 벽에 의해 지지되는 압력 릴리프 어셈블리를 포함하고,
   상기 압력 릴리프 어셈블리는:
   상기 압력 챔버와 연통하는 제1 면 및 상기 케이싱의 외부와 연통하는 제2 면으로 구성된 멤브레인; 및
   상기 멤브레인에 인접하고 상기 멤브레인을 돌파하도록 구성된 제1 단부 및 상기 제1 단부로부터 축 방향으로 이격된 제2 단부를 갖는 플런저로서, 상기 제2 단부가 상기 압력 챔버 내에 배치되어, 상기 피스톤 로드가 설계 의도 최대 퇴축 위치까지 과이동할 때, 상기 멤브레인을 돌파하도록 상기 플런저를 이동시키는 상기 피스톤 로드에 의해 결합되도록 구성되어 있는 바의 플런저를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
2. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인의 제1 면을 형성하고 상기 압력 챔버와 연통하는 상기 단부 벽 내의 제1 블라인드 보어, 및 상기 멤브레인의 제2 면을 형성하고 상기 케이싱의 외부와 연통하는 상기 단부 벽 내의 제2 블라인드 보어를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
3. 제2항에 있어서, 상기 플런저는 상기 플런저의 제1 단부와 제2 단부 사이에 적어도 부분적으로 원통형 부분을 갖는 바디를 포함하고, 상기 원통형 부분은 상기 제1 블라인드 보어 내에 부분적으로 수용되는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
4. 제3항에 있어서, 상기 바디는 또한 상기 플런저의 제1 단부에 인접하여 적어도 2개의 원주 방향으로 이격되어 축 방향으로 연장되어 있는 핑거를 포함하고, 상기 핑거의 각각은 비교적 날카로운 에지로서, 상기 비교적 날카로운 에지가 상기 플런저를 상기 멤브레인 쪽으로 이동시키는 상기 피스톤 로드의 과이동에 의해 상기 멤브레인을 적어도 부분적으로 통과하여 전진될 때, 상기 멤브레인을 돌파하기 위한 비교적 날카로운 에지를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
5. 제4항에 있어서, 상기 날카로운 에지는 상기 제1 보어의 외주부에 인접하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
6. 제4항에 있어서, 각각의 에지는 상기 플런저의 바디의 원통형 부분의 반경 방향 내측으로 그리고 상기 제1 보어의 외주부의 반경 방향 내측으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
7. 제3항에 있어서, 상기 바디는 상기 플런저의 제1 단부에 인접하여, 상기 피스톤 로드의 과이동에 의해 상기 멤브레인을 적어도 부분적으로 통과하여 이동될 때 상기 멤브레인을 돌파하도록 구성된 날카로운 에지를 갖는 단일 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
8. 제3항에 있어서, 상기 플런저 바디를 통한 배기 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
9. 제3항에 있어서, 원통형 표면에 리세스를 포함하고, 상기 리세스는 상기 압력 챔버와 상기 멤브레인 사이에 배기 통로의 적어도 일부를 제공하도록 대체로 축 방향으로 상기 바디를 따라 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
10. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 단부 벽의 동질의 일체형 부분인 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
11. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 단부 벽의 동질의 일체형 부분인 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
12. 제3항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 단부 벽의 동질의 일체형 부분인 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
13. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 단부 벽과 별개의 피스이고, 상기 단부 벽으로부터 제거 가능하고, 상기 단부 벽 내의 하나의 보어가 상기 압력 챔버와 연통하고, 상기 단부 벽 내의 카운터보어가 상기 단부 벽의 외부와 연통하고, 상기 플런저는 상기 보어 내에 에 수용되고, 상기 별개의 멤브레인은 상기 카운터보어 내에 수용되어 상기 압력 챔버와 연통하고, 칼라가 상기 카운터보어 내에 제거 가능하게 수용되어, 상기 카운터보어 내에 상기 별개의 멤브레인을 지지하여 유지하고, 상기 멤브레인을 가스 스프링의 외부와 연통시키는 관통 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
14. 제13항에 있어서, 상기 칼라는 상기 카운터보어의 상보적인 나사산과 결합될 수 있는 외부 나사산을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
15. 제1항에 있어서, 상기 단부 벽을 관통하고 상기 압력 챔버 및 상기 가스 스프링의 외부와 연통하는 통로, 상기 통로 내에 수용되는 바디, 상기 바디 내의 블라인드 보어를 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 바디에 의해 적어도 부분적으로 상기 바디의 블라인드 보어 내에 지지되고, 상기 블라인드 보어는 상기 압력 챔버 및 상기 멤브레인의 제1 면과 연통하고, 상기 플런저는 상기 제1 단부가 상기 멤브레인에 인접한 상태에서 상기 블라인드 통로 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
16. 제15항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 블라인드 보어의 적어도 일부를 가로질러 대체로 횡 방향으로 연장되어 있고, 상기 블라인드 보어의 폐쇄 단부의 적어도 일부인 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
17. 제15항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 바디의 동질의 일체형 부분이고, 상기 블라인드 통로의 폐쇄 단부에 인접하여 대체로 반경 방향으로 상기 블라인드 통로 내로 돌출하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
18. 제17항에 있어서, 상기 플런저는 부분적으로 상기 바디의 블라인드 통로 내에 마찰적으로 수용되어 유지되는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
19. 제18항에 있어서, 항복 가능 재료로 이루어지고, 상기 플런저의 적어도 일부를 둘러싸고, 상기 단부 벽을 관통하는 보어 내에 수용되어 적어도 상기 플런저의제2 단부까지 대체로 축 방향으로 연장되어 있는 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
20. 제15항에 있어서, 상기 바디는 상기 단부 벽을 관통하는 통로 내의 상보적인 나사산과 나사식으로 결합될 수 있는 외부 나사산을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
21. 제15항에 있어서, 상기 바디는 상기 단부 벽을 관통하는 통로 내에 억지끼워맞춤으로 마찰적으로 수용되는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.

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