KR820000451B1 - 확산펌프 작용을 이용한 밀봉물 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

확산펌프 작용을 이용한 밀봉물

제1도는 본 발명을 예시한 신발의 안창 평면도.

제2도는 제1도의 선 2-2를 따라 취한 부분 도면으로서 박막의 탄성체 또는 판상물질로 만든 팽창시킨 안창에 관상(管狀)의 요소를 구성하고 신발중창에 함입시킨 것을 예시한 도면.

제3도는 본 발명을 예시한 완충(緩衝)장치의 평면도.

제4도는 제3도의 선 4-4를 따라 취한 부분도면으로서 박막의 탄성체로 만든 완충장치를 완전히 팽창시켰을 때의 구형(球形)의 요소를 예시한 도면.

제5도는 본 발명의 다른 예인 팽창구조를 예시한 등축도(等縮圖).

제6도는 제5도의 선 6-6을 따라 취한 확대도.

제7도는 하중지지 기체를 함유한 초기용적의 공동(空洞)의 종단면도.

제8도는 제7도와 유사한 도면으로서 용적이 팽창된 공동을 예시한 도면.

제9도는 각기 상이한 기체를 사용하여 공동을 초기에 팽창시켰을 때 제1도와 제2도에 예시한 공동에 있어서 상호간에 연락이 되는 공동내의 일정시간에 있어서의 압력을 예시한 도표.

제10도는 제9의 왼쪽 부분을 확대한 도표.

제11도는 각기 상이한 탄성체를 사용하여 만든 안창을 동일기체(C₂F₆)로서 초기에 팽창시켰을 때 제1도와 제2도에 예시한 공동에 있어서 상호간에 연락에 되는 공동내의 일정시간에 있어서의 압력을 예시한 도표.

제12도는 제11도와 유사한 도표로서 전형적인 중합체 필름을 통하여 질소가 확산될때 비교적 신속한 확산속도를 예시한 도표.

제13도는 공기가 공동내로 역확산(逆擴散)됨으로 인하여 탄성체로 된 공동의 확산펌프작용을 예시한 도표.

제14도는 제13도와 유사한 도표로서 탄성체로 된 공동내의 확산펌프 작용으로 인하여 공동내에서 공기와 기타 기체가 초기에 각기 달리 혼합되어 나타나는 압력상승을 예시한 도표.

제15도는 각기 다른 압력에서 특수기체를 초기에 충전시킨 일정체적을 가진 밀폐물내의 확산펌프 작용으로 인한 압력증가 백분율을 예시한 막대도표.

제16도는 제5도의 기압상태의 구조를 예시한 다른 도면.

제16a도는 제16도에 예시한 구조내에서 소요의 압력을 유지하는데 필요한 기체 매체를 예시한 막대 도표.

제17도는 슈퍼깨스와 공기로 팽창시킨 제5도의 가압상태 구조를 예시한 다른 도면.

제17a도는 제17도에 예시한 구조내에서 소요의 압력을 유지하는데 필요한 기체매체의 성분을 예시한 막대도표.

제18도는 초기 팽창점과 붕괴된 상태에서 확산펌프 작용에 의해 완전히 가압된 상태로 구조가 변한 후의 점에서 팽창성 구조내의 공기와 슈퍼깨스의 상대적인 량을 예시한 막대 도표.

제19도, 제20도 및 제21도는 주위 온도와 확산펌프 작용의 자체 보상 효과가 변화하는 동안 팽창성구조 내에 있는 슈퍼깨스와 공기의 압력 변화를 예시한 막대 도표.

본 발명은 대기압(14.7psia)에서 주위 공기중에 형성된 확산펌프 작용을 이용한 밀봉물에 관한 것으로서 공기 이외의 단일 기체, 또는 공기 이외의 기체 혼합물 또는 기체와 공기의 혼합물을 이용하여 초기에 부분적으로나 또는 완전히 팽창시킨 후 선택적인 확산공정을 통하여 주위 공기로부터 에너지를 끌어내어 밀봉물내의 압력을 증가시켜 줌으로서 밀봉물내의 포텐셜 에너지(potential energy)의 수준을 상승시켜 주거나 또는 밀봉물이 유용한 일을 하게 하여 유익한 작용을 행하도록 한 것이다.

주위공기로부터 이러한 에너지를 끌어내어 밀봉물내에 압력에너지를 증가시켜 주거나 유용한 일을 하도록 하는 것을 “확산펌프 작용”, 즉 자동가압작용(self-pressurization) 현상이라 부른다.

확산펌프작용을 다음과 같이 단순한 뜻으로 해석할 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서 탄성체로 된 공기식 장치를 팽창시키는데 사용하는 기체는 장치를 둘러싸고 있는 주위공기와는 다르며 장치의 주위에 있는 공기와는 최소한 부분적으로 다르다.

팽창기체(이하 “슈퍼깨스”라 부름)로는 분자는 크고 용해도 계수가 작은 기체, 즉 투과성이 극히 작고(최소한 부분적으로나마) 탄성체로 된 밀봉물을 통하여 확산능력이 없는 기체를 사용한다.

주위공기로 둘러싼 탄성체로 된 밀봉물의 경우에 있어서 밀봉물내의 압력은 초기 팽창후에 비교적 신속히 상승한다. 압력상승은 밀봉물을 통하여 그 내부로 주위공기중에 있는 질소, 산소 및 아르곤이 확산하여 들어가서 밀봉물내의 공기의 분압(分壓)과 밀봉물 외부의 대기압이 같아지기 때문이라고 생각된다.

초기의 팽창기체가 밀봉물을 통하여 외부로 극히 서서히 확산되어 나가게 되므로서 압력손실은 그다지 없는 반면 주위공기는 내부로 확산하기 때문에 밀봉물내의 전압력은 뚜렷이 상승한다. 따라서 이러한 전압력은 밀봉물내의 공기의 분압과 초기의 팽창기체의 압력의 합(合)이 된다.

어떤 장치에 있어서는 확산펌프 작용이 있는 처음 2-4개월 동안에 초기 팽창압력 이상으로 압력이 상승한후 서서히 감소하기 시작한다. 전압력이 최고치에 도달하게 되면 확산펌프 작용은 장치내에 있든 공기의 분압이 최고도달 가능치인 14.7psia에 달하게 되는 압력까지 진행된다.

이 과정에서의 이 점에서 두 가지의 중요한 사실이 나타난다.

첫째로는, 밀봉내에 최대한의 가압매체(공기)를 충전시키는 것인데, 이때 내부공기압이 외부주위 공기압과 평형(모두가 14.7psia)에 있기 때문에 이 매체는 장치 외부로 확산될 수 없는 것이다.

둘째로는, 탄성질의 박막이 신장 되므로 장치의 체적증가가 주로 일어나기 때문에 슈퍼깨스압은 초기 팽창상태에서의 압력보다 낮다. 압력이 낮으면 일반적으로 슈퍼깨스의 확산 속도가 극히 작기 때문에 이 수치 이하로 감소하게 된다.

이상의 두가지 요소, 즉 평형압에서의 최대공기와 최소 슈퍼깨스는 일정압력에서 장기간에 걸쳐 가압작용을 하게 된다. 이러한 가압작용을 “영구 팽창법”이라 부르기도 한다.

압력이 최고에 달한후 감소속도는 극히 작으며 밀봉물내의 전압력은 약 2년 이상에 걸쳐 초기압력 이상으로 잔존하게 되는데 이것은 특정한 팽창기체에 따라 다르고 또한 밀봉물의 재료와 팽창압에 따라서도 달라진다. 전술한 바와 같이 압력감소는 계속하여 일어나겠지만 밀봉물로부터의 기체의 확산 속도가 느리다는 점에서는 밀봉물내의 압력은 탄성체질의 밀봉물을 수개년 이상동안 효과적으로 계속 사용할 수 있을 정도로 충분하게 잔존하는 것이다. 따라서 밀봉물은 필연적으로 영구히 팽창되어 있게 된다.

종래의 탄성체질 공기식 장치는 보통 공기를 사용하여 주위압력 이상의 압력으로 소요의 초기압력까지 팽창시킨 것으로서, 이러한 장치에 있어서 공기는 사용하거나 또는 사용하지 않거나 간에 신속히 확산되어 나가기 때문에 장치는 갑작스레 바람이 빠져버리게 되어 쓸모가 없게 된다. 더욱이 여러가지 경우를 보더라도 탄성체질은 압력을 받게 되면 신장되어 내부 체적이 확대되고 장치가 사용할 수 없게 될 정도의 속도로 압력이 증가하게 된다. 또한 하중을 가하게 되면 장치내의 공기압이 커지게 되어 탄성체질 장치를 통하여 일부 공기가 밖으로 확산되어 나가는 속도가 가속되며, 하중을 제거하게 되면 압력감소도 훨씬 크게 되어 초기압력 이하로 된다. 하중을 반복하여 가하고 제거하고 하게 되면 내부공기압이 계속 감소하게 되며 팽창된 장치도 매우 신속하게 그 활용가치를 상실하게 된다. 대부분의 기체(슈퍼 깨스 이외)는 유사한 방법으로 거동을 하게 되고 공기식 가압장치내의 압력은 비교적 단기간에 매우 낮은 수치로까지 계속 감소한다.

본 발명에 있어서는 전술한 바와 같이 영구히 팽창시킨 장치일 뿐만 아니라 탄성체질이 신장됨으로서 내부 체적이 증가된다고 하더라도 장치내의 압력은 확산펌프 작용으로 계속 일정하게 유지될 수 있도록 한 것이다. 이러한 체적증가가 일어나게 되면 주위 공기가 장치중으로 더욱 확산해 들어가서 체적 증가와 관계없이 공기압을 유지하게 된다. 더욱이 장치에다 반복하여 외부로부터 하중을 두고 제거하고 하게되면 확산펌프 작용은 비교적 일정한 수준에서 내부 압력을 유지할 수 있게 된다.

본 발명의 목적은 주위공기 중에서 탄성체질 밀봉물을 구성함에 있어서 특수한 슈퍼깨스 한가지 이상을 사용하여 완전히 팽창된 체적이 될 정도로 거의 충전 시키든지 일부를 충전시키며 밀봉물의 체적감소가 되지 않게 하거나 밀봉물내로 기체매체를 추가로 기계적인 방법으로 주입하지 않고서도 밀봉물내의 압력을 초기에 팽창시킨 압력 이상으로 증가되도록 함에 있다.

본 발명의 다른 목적으로는 탄성체질의 밀봉물을 주위 공기중에 구성시킴에 있어서, 일정한 압력수준까지 한가지 이상의 기체를 사용하여 이 밀봉물을 초기에 완전히 팽창시키며, 또한 밀봉물의 체적감소 또는 밀봉물 내로 기체매체를 추가로 기계적인 방법으로 도입하지 않고서도 주위 공기로부터 에너지를 끌어내어 초기팽창압 이상으로 밀봉물의 압력이 증가되도록 함에 있다.

더욱이 한가지 이상의 특수기체를 사용하여 일부 또는 거의 전부를 충전시켜 주위 공기로부터 에너지를 끌어내어 유용한 일을 하도록 함에 있다.

또 다른 목적으로서는 팽창매체로서 최대량의 공기를 활용하며 압력이 14.7psia이고 외부의 주위공기압과 평형상태에 있으며 최소량의 슈퍼깨스를 활용하는 영구팽창 장치를 제조함에 있다. 이러한 영구 팽창법은 비교적 일정 압력에서 장기간 팽창성을 유지할 수 있도록 한 것으로서 주성분 요소인 공기를 장치중으로 자동적으로 충전시키기 때문에 경비절감을 할 수 있는 방법인 것이다.

본 발명의 장점으로는 여러가지가 있으며 본 발명의 특징과 더불어 첨부된 도면에 따라 상술하기로 한다.

제1도와 제2도에 신발의 안창구조를 예시하였는데 이것은 특히 한쌍의 탄성체로 된 투과성 판상물질(10,11)인데 이들을 접합선(2)을 따라 소요의 간격으로 서로 밀봉시켜 상호연결되는 공동(13)을 형성한 후 한 가지 기체 또는 기체 혼합물을 사용하여 대기압 이상의 소요압력까지 팽창시킨 것이다.

이들 기체는 투과성 박판을 통하어 공동의 외부로 통과하는 확산속도가 극히 작고 또한 박판을 통하여 공동 속으로 들어가는 확산속도가 비교적 큰 주위공기중에 있는 질소, 산소 및 아르곤으로서 확산펌프 작용으로 인해 공동내의 전압(全壓)포텐셜 에너지 수준)을 증가시킴과 아울러 공동내의 기체분압에 공기중의 질소, 산호 및 아르곤의 분압이 부가되는 것을 이용한 것이다.

확산펌프 작용과 영구팽창법을 병용하므로서 이들 장치는 5년이상의 내용년수를 가지게 된다.

안창을 산발내에 단독으로 설치할 수도 있고 제2도에서와 같이 압축성 폴리우레탄 발포제 같은 압축성 밀봉물질(14)내에 구성하여 의창(16)을 가진 중창(15)을 형성할 수도 있다.

제1도와 제2도에 예시한 바와 같은 분자가 크고 용해도 계수가 작은 각종 기체로서 가압시킨 공동(13)이 형성된 안창구조물에 대하여 5년이상 팽창시험을 한 결과는 제9도와 제10도에 예시한 바와 같다.

이들 곡선은 대기압 이상의 공기압과 시간과의 관계를 도표로 나타낸 것으로 여기서 안창 재료로서 폴리우레탄을 박판으로 하여 사용한 것이다.

곡선 A에 있어서 팽창기체매체는 헥사 플루오로에탄(C₂F₆)인데 초기팽창압은 20psig였다. 여기서 알아 두어야 할 것은 공동내의 압력이 1차로 약 1주 이상 정도에서 약간 떨어졌다가 다시 상승하여 3개월 이상에 걸쳐서 약 23.6psig나 되는 최대압력에 도달했다는 것이다. 압력이 초기감소는 탄물질의 인장완화로 인하여 공동(13)의 초기체적 증가가 일어나기 때문이라고 생각된다. 최고치에 도달한 후 압력을 극히 서서히 감소하여 2년이 경화후 약 21psig에 도달하고 있다. 이러한 장기간에 걸쳐 압력을 유지할 수 있는 것은 폴리우레탄으로 된 안창에 형성된 공동속으로 질소, 산소 및 아르곤이 확산해 들어가기 때문이라고 생각된다.

기타 분자가 큰 팽창기체를 사용하여 행한 팽창시험 결과는 곡선 B, C, E, F, G 및 H에 있는 바와 같은데, 여기서 각 곡선에 특정기체들을 명시해 두었다. 각 경우에 있어서 압력은 초기에는 증가한 후 극히 느린 속도로 감소하고 있다. 곡선 E는 6불화황(SF₆)을 사용하여 팽창시킨 것에 대한 것으로 2년 경과후 공동내의 압력은 약 20psig로 감소함을 알 수 있다. 곡선 C는 옥타플루오로시콜로부탄(C₃F₈)에 대한 것으로서 1년 경과후 전압이 20psig로 줄었고 2년 경과후는 약 16.5psig 줄었다. 곡선 D의 기체는 2년 경과후 14psig로 감소하였다. 2년 동안에 20psig 이하로 감소하게 되면(곡선 C와 D) 밀봉물내에 잔류하는 전압은 신발을 신고 있는 사람의 발을 적절히 지지할 수 있는 압력이 된다.

곡선 A에서부터 H까지에 있는 기체들을 대조해 보면 제9도의 왼쪽부분에 있는 기체들은 비교적 압력상실을 급속히 하고 있다.

제9도의 아래편 왼쪽 끝부분을 확대시킨 것이 제10도이다. 각 경우에 있어서 폴리우레탄으로 된 밀봉물을 20psig까지 팽창시킨 것이다. 수소, 아산화질소, 이산화질소 또는 산소로 팽창시킨 공동은 10∼40시간 내에 압력전체를 상실하여 찌부러지게 된다. 프레온 22(CHClF₂)으로 팽창시킨 공동은 약 3일내에 전압력을 상실하며, 크세논, 아르곤 및 크립톤으로 팽창시킨 것을 6일 이내에, 프레온 12(Cl₂F₂)로 팽창시킨 것은 18일 이내에, 그리고 메탄(CH₄)으로 팽창시킨 것은 22일 이내에 전 압력을 상실한다. 질소를 사용하여 초기에 20psig까지 팽창시킨 공동은 압력을 상실하여 40일이 경과하면 2psig 이하로 된다. 이와 같은 모든 경우에 있어서 초기에 팽창시킨 공동들은 비교적 짧은 기간에 걸쳐 별효과가 없게 되는데, 이것은 제9도의 곡선 A에서부터 H까지에 예시되어 있는 기체들로 팽창시켰을 경우와 공동속에 유지되어 있는 압력과 비교가 되는 것이다.

탄성체로 된 공동을 초기에 팽창시키는데 사용되는 기체들은 극히 완만한 속도로 공동의 외부로 확산되는 경우 외에는 확산될 수 없다.

이들 기체를 차후부터는 “슈퍼깨스”라 부르기로 한다. 이들 슈퍼깨스에 속하는 것들로는 헥사플루오로에탄, 6불화황, 과플루오로프로판, 과플루오로부탄, 과플루오로펜탄, 과플루오로오로헥산, 과플루오로헵탄, 옥타플루오로시클로부탄, 과플루오로클로부탄, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로메탄, 모노클로로펜타플루오로에탄, 1,2-디클로로테트라플루오로에탄, 1,1,2-트리클로로-1,2,2-트리플루오로에탄, 클로로트리플루오로에틸렌, 브로모트리플루오로메탄, 및 모노클로로트리플루오로메탄 등이 있다.

이들 슈퍼깨스는 다음과 같은 공통적인 특성을 가지고 있다. 즉 대개 거대분자이고 용해도 계수가 극히 작고, 불활성, 무극성, 균일상태의 대칭성, 구형, 타원형 또는 비대칭성의 측쇄를 가진 분자형, 무독성, 비가연성, 금속에 대한 비부식성, 우수한 유전성(誘電性) 기체 및 액체, 고도의 전자유인 및 포착성, 가공성 등을 가지며 또한 탄성체와 플라스틱(고체필름)을 포함한 모든 중합체를 통하여 되는 확산속도가 극히 작다는 등이다. 일반적으로 기체, 액체 또는 증기분자가 커지게 되면 극성이 커지게 된다. 슈퍼깨스에 대해서는 이와 반대이며 가장 극성이 작고 모든 기체들 가운데서 가장 활성이 없는 것에 속한다.

안창과 기타 공동을 형성시킨 것을 만드는데 사용되는 대표적인 박판 또는 필름은 슈퍼깨스에 대해서는 적절히 작용하는 것으로서 다음과 같은 물질로 된 탄성체중에서 사용되는데, 즉 폴리우레탄, 폴리에스테르탄성체, 플루오르계통탄성체, 염화폴리에틸렌, 염화폴리비닐, 클로로슬폰화 폴리에틸렌, 폴리에틸렌과아세트산 에틸렌비닐과의 공중합체, 네오프렌, 부타디엔 아크릴로니트릴고무, 부타디엔스티렌고무, 에틸렌프로필렌중합체, 천연고무, 고강도의 실리콘고무, 저밀도폴리에틸렌, 황화고무, 메틸고무 및 열가소성고무 등이 있다.

제9도와 제10도에 예시한 곡선에 있어서 슈퍼깨스의 확산속도는 폴리우레탄 장벽을 통한 속도이다.

제11도에 있는 도표는 각종 대표적인 종합체로 된 장벽막을 통한 헥사플루오로에탄의 확산속도를 예시한 것이다. 각 곡선에 대한 데이터를 얻기 위해 각 공동을 20psig로 가압한 것이다. 곡선 A에 있다싶이 약 5개월에 걸쳐서 8psig나 되는 압력이 증가되는데 여기서 사용된 장벽막은 우레탄을 코오팅한 나일론포(布)로서 약 2년내에 전체압력은 약 27.4psig로 떨어졌다. 압력은 20psig 이상이나 되는 최대치까지 상승한후 감소하는데, 이러한 것은 각기 여기에 해당되는 장벽막에 대한 곡선 B, C, D, E 및 F에 예시되어 있다. 2년이내에 장벽막에 대한 전체 압력의 지지정도는 초기압력인 20psig를 초과하고 있다. 도표에 있다싶이 곡선 G, H, I, J, K 및 L에 예시되어 있는 중합체로 된 장벽막내의 압력은 모두가 초기압력인 20psig를 초과하는 정도로까지 증가한후 20psig 이하로 감소하고 있다.

제12도는 초기압력이 20psig인 상태하에서 각기 해당되는 중합체로 된 장벽막을 통하여 질소가 확산되는 속도를 확대하여 예시한 것이다. 장벽막을 통한 질소의 확산속도가 비교적 크기 때문에 공동속에 있는 잔류질소깨스의 압력은 2개월이라는 최대한의 기간내에 0으로 되는데, 단 이때 제12도에 예시한 곡선 M에 있는 PVDC와 부틸의 경우는 예외이다.

초기에 저압으로 팽창시킨 탄성체질 밀봉물에 있어서 확산펌프작용이 특히 현저하게 나타난다. 예를 들자면 제13도의 곡선 1의 경우는 슈퍼깨스, 즉 헥사플루오로에탄을 사용하여 초기에 1.0psig까지 팽창시킨 안창의 압력상승을 나타낸 것이다. 이러한 특수한 안창은 비교적 탄성이 있는 물질로서 만든 것으로서 내부압력이 증가함에 따라 체적증가율은 40-50%가 되며 6-8주 동안에 압력 상승율은 약 550% 정도가 된다. 만일 확산펌프작용이 제11도의 윗쪽 곡선들에 예시되어 있는 바와 같이 특수한 탄성체를 사용하여 제조한 일정체적을 가진 밀봉물에서 나타났다면 압력 상승율은 1420% 정도로 크게 나타나게 된다(약13도의 곡선 2).

제15도는 특수탄성체로 만들어 초기에 일정한 게이지 압력에서 100% 슈퍼깨스로 충전시킨 일정체적의 밀봉물에서 나타나는 압력의 상승율이 크게 나타나고 있다. 최대 압력증가는 14.7psig로서 이것은 공기가 밀봉물 속으로 최대한 확산하여 들어갈때 확산펌프 작용에 의하여 나타난다.

초기게이치 압력이 낮을때 초기게이지 압력에 대하여 관계없이 이러한 상승은 일정하기 때문에 압력상승율은 크다. 예를 들자면 초기팽창압이 1.0psig일때 상승율은 1420%가 되며, 초기압력이 0.5psig일때 상승율은 2940%가 된다. 또한 초기압력이 10.0psig가 되면 여기에 대한 상승율은 147%가 된다.

초기에 슈퍼깨스를 사용하여 팽창시킨 안창속으로 주위공기가 확산해 들어가는 것은 제1도에 예시한 것과 같은 안창내의 기체를 분석해 보면 잘 알 수 있는데, 1975년 12월 10일에 순수한 6불화황깨스를 사용하여 22psig의 압력으로 초기에 팽창시켜 2년이상 정도 경과한 1978년 1월 24일에 안창내의 압력을 점검한 결과 19.5psig였다.

이와 같은 조건하에서 2년 경과한 후의 안창의 두께는 약 15.3% 증가하였으며, 이것은 안창에 있는 공동의 체적이 증가하였음을 의미한다. 만일 체적이 변하지 않고 일정한 상태로 있었다면 2년 경과후의 안창의 압력은 측정압인 19.5psig 이상이 되었을 것이다.

위에서 나온 안창내의 기체들을 1978년 1월 하순경 질량분석을 해 본 결과 안창내에는 체적으로 공기를 52%(이 경우에 있어서 주위공기 중에는 동일비율의 질소, 산소 및 아르곤을 함유), 6불화황 47% 및 이산화탄소 0.6%를 함유하고 있었다. 한편 안창의 공동중으로 초기에 도입된 기체는 100% 6불화황으로서 2년 경과후의 분석결과는 공기가 탄성체질 밀봉물을 통하여 내부로 확산펌프작용을 하여 들어가고 소량의 초기 6불화황은 안창의 탄성체질을 통하여 대기중으로 확산되어 나갔다.

안창의 공동에 존재한 이산화탄소 0.6%는 주위공기중에서 일반적으로 존재하는 량보다 약 20배 정도나 되는 것이다. 이산화탄소의 량이 비교적 많은 것은 우레탄이 대표적인데 이것은 우레탄 필름을 통하여 이중에 함입된 염기성 약제로부터 깨스가 방출되기 때문이다.

초기에 슈퍼깨스를 함유하는 안창 또는 기타 특수한 구조물속으로 주위공기가 역방향으로든지 안쪽방향으로 확산해 들어가게 되면 초기 팽창압에서 또는 이와 근사한 압력에서 안창내의 전체 게이지 압력을 유지하게 된다. 그러나 전체 게이지 압력에 대한 기체압의 구성상의 차이가 크게 되는 것은 안창이 팽창된 후에 일어난다. 초기에 안창내의 게이지 압력(및 절대압력)이 100%가 되자면 슈퍼깨스(SF₆)를 사용하면 된다. 2년이 경과한후 안창의 공동을 형성하는 고도로 스트레스를 받고 있는 피복물이 신장되기 때문에 안창의 체적은 25-40% 증가된다. 또한 공동으로부터 슈퍼깨스가 외부로 확산되기 때문에 소량의 압력손실이 있게 된다. 그러나 초기팽창후 첫번째 2개월 정도 동안에 압력상승이 적절한 수중에서 일어나는 것 외에는 게이지 압력은 필연적으로 그대로 있게 된다(제9도 참조).

전술한 질량분석의 결과를 볼것 같으면 안창내의 전체 압력중 50% 이상은 계로 확산해 들어간 주위 공기의 압력으로부터 나온다. 따라서 확산펌프 작용이 일어나므로 해서 나타나는 압력상승은 기체와 필름 또는 필름에서 나오는 방출깨스와의 화학반응과 같은 기타 기구(mechanism)의 결과로 인한 것이 아니라는 것이다.

최소한 소량의 슈퍼깨스를 함유하고 있는 밀봉물로 들어가는 주위 공기의 내부 방향으로의 확산펌프 작용은 안창이 작용을 하고 있는 동안에는 계속하여 자동적으로 주위로부터 일에너지를 끌어내기 가서 일정한 시간적인 추세에서 안창내에 초기에 축적된 잠재적인 압력에너지에 부가함으로서 체적증가의 부요소(負要素)를 완전히 상쇄시키게 된다. 이러한 상쇄효과는 고도로 스트레스를 받고 있는 필름 또는 박막의 인장완화, 장벽막 속에서의 슈퍼깨스의 흡수 및 포화, 슈퍼깨스의 외부 확산으로 인한 소량의 압력손실, 고도(高度)차이로 인한 외부공기압의 변화 및 주기적인 하중을 받게 됨으로 인한 내부공기압의 상실 등으로 인하여 나타나는 것이다.

안창의 경우에 있어서 슈퍼깨스와 더불어 공기의 역확산펌프작용이 없다면 20psig나 되는 게이지 압력은 2∼3개월내로 절반 이하로 감소하게 되는데, 이것은 주로 밀봉물의 체적증가에 기인하고 있다.

낮은 압력을 받게 되는 경우에는 공기의 확산펌프작용의 중요성은 더욱 의미를 가진다.

여기서 중요한 것으로는 슈퍼깨스의 분압은 공기와 관련을 가진다는 점이다. 계에 있는 공기의 분압에 대하여 항상 부가적인 것이다. 14.7psig에서 공기가 나타내는 전체 게이지 압력은 슈퍼깨스 압력에 대하여 고정되고 안정된 기본적인 압력이 된다. 14.7psig의 공기압은 외부공기압과 완전히 평형을 이루기 때문에 누출되지 않는다.

이러한 경우는 안창의 장기간에 걸친 팽창성과 관련이 있는데, 그 이유는 슈퍼깨스로부터 나오는 압력성분은 초기의 전체 압력보다 훨씬 작기 때문이다. 압력차이가 극히 작을 때는 슈퍼깨스의 확산속도는 극히 작은데 이것은 실질적인 영구팽창조건을 발휘하는 고압성분으로 돌아가게 된다.

전술한 바와 같이 한가지 이상의 슈퍼깨스 최소량 및 외부주위공기와 평형을 이루고 있는 압력에서 최대량의 공기를 팽창매체로 사용하여 비교적 일정한 압력 수중에서 밀봉물을 장기간 가압된 상태로 만들고자 하는 것은 “영구 팽창법”이라 부른다.

장기간에 걸쳐 주기적으로 하중과 압력을 가하여 안창과 주위 공기압과의 사이에 불균형이 이루어지도록 하게 되면 공기의 확산펌프작용은 유사하고도 이점이 가는 양상으로 나타나서 제품의 수명이 오래가게 된다.

일예를 들자면, 만일 따져서 안정된 공기가 해면(海面)과 평형에 도달한 안창이 주위공기압이 낮은(예 : 비행기 속이나 산속) 고도(高度)에 있게 될 경우에는 안창을 해면에서 제조하면 적정치 이상의 안정성을 가지게 된다.

공기는 자기보상작용을 하는데 이것은 안창내의 공기압이 외부보다 크고 외부로 확산이 일어나므로 해서 거의 원상태로 복구시키려는 여압(餘壓)작용을 감소시켜서 소요의 하중지지 특성을 가지기 때문이다.

동일한 안창은 해면 수준으로 복귀시키게 되면 필요로 하는것보다 약간 유연하게 되는데, 그 이유는 안창내에 있는 공기의 분압이 주위 공기압보다 작아지기 때문이다. 그러나 몇시간이 지나게 되면 공기의 확산펌프작용이 내부 공기압을 축적시켜 평형상태로 복귀시키게 된다. 안창의 전압력은 다시 자동적으로 소요의 게이지압 수준으로 복귀하게 된다. 사람이 하루종일 안창위에 서있게 되면 이러한 동일작용이 나타난다. 이 동안에는 사람이 가하는 하중으로 인하여 공기압의 손실이 약간 일어난다.

밤에는 하중이 없어지게 되므로 슈퍼깨스는 물체를 원래의 완전한 체적으로 팽창시키게 되어 내부 압력을 저하시키고, 또한 확산펌프작용 공기압을 14.7psig에 도달할때까지 가하게 된다. 따라서 안창이 다시 사람의 하중을 받게 되는 전아침에는 전일에 상실했든 압력이 원상으로 복귀된다.

확산펌프계통의 응용예는 얼마든지 있다. 제3도와 제4도에 있는 것은 탄성체질로 된 쿳숀물체에 적용하는 것이다.

쿳숀물체(20)의 구분은 탄성체질에 원형의 접합부(23)를 설치한 2매의 박막(21,22)을 형성하여 전술한 슈퍼깨스를 사용하여 일부 또는 전부를 완전히 팽창시켜 각각 분리된 구형의 공동(24)이 되도록 한 것인데, 이때 사용하는 기체는 탄성체질 박판으로 된 물질속으로 확산되는 속도가 작은 것이어야 한다.

구형의 공동은 탄성체질 필름 또는 박막을 형성하여 이들을 완전히 팽창시켜 만든다.

쿳숀물체를 둘러싸고 있는 주위 공기를 구성하는 요소는 박막을 통과하여 공동(24)의 내부로 확산하여 들어가는데, 이때 공동내부의 압력은 일정시간 동안 상승한 후(제9도, 제11도 참조) 극히 완만한 속도로 수년간에 걸쳐 감소하므로 공동내의 전체 압력을 사용할 수 있는 수준으로 유지하게 된다.

필요에 따라 공동(24)속으로 슈퍼깨스와 공기 혼합물을 초기에 주입하여 압력상승을 감소시킬 수 있다.

예를 들자면, 쿳숀물체를 포장재료로 사용하고자 할 때는 가압이 된 각 공동을 팽창시켜 저압(2.0psig 이하)에서 작동하게 하므로서 압력 상승을 기할 수 있는데, 여기서는 공동속으로 공기가 내부 확산이 되므로 해서 나타나는 확산펌프 작용에 의한 것이다.

공기와 슈퍼깨스의 혼합물을 사용하여 공동을 팽창시킬 수도 있다. 그 예를 들자면 탄성체질 공동(24)내에 슈퍼깨스 25%와 공기 75%로 된 혼합기체를 사용하면 초기압력 1.0psig에서 2.2psig로 압력상승이 된다(제14도의 곡선 1 참조).

공기와 슈퍼깨스와의 기타 혼합기체를 사용한 압력상승효과는 제14도에 있는 바와 같다.

압력공동을 초기팽창 상태에서 스트레스를 받지 않는 완전상태의 체적으로 팽창시키지 않는다면 압력감소가 되지만 초기 팽창후에 즉시로 주름살이 지게 된다. 이러한 상태에서 게이지압을 0psig(슈퍼깨스의 14.7psig)보다 약간 높게 한다. 확산펌프압이 상승되면 공동의 체적은 팽창되며 슈퍼깨스의 압력은 떨어진다.

이러한 방법에 대한 주요점은 슈퍼깨스의 분압을 떨어지게 하여 공동이 완전히 팽창될때 정확한 상태에서 소요의 압력이 되게 하는 것이다.

탄성체질 필름을 통하여 공동속으로 주위 공기가 들어가서 여기의 압력을 상승시킨다. 즉 공기의 분압이 슈퍼깨스의 분압에 가해져서 전체압이 0 psig 이상이 되게 하는 것이다.

그러나 공동의 체적은 초기의 주름살진 상태로 인하여 팽창하는데 공동의 최종체적에 도달할때까지 확산펌프작용이 계속됨에 따라 체적 팽창도 계속된다. 이러한 팽창은 수주일간 계속되어 안정상태로 도달하게 되며 필요로 하는 최종 내부압력은 0.5psig가 된다.

이점에서 내부 공기압은 14.7psig가 되고 슈퍼깨스압은 0.5psig로 떨어지게 된다. 이러한 것은 장기간의 영구팽창을 시킬 수 있는 이상적인 경우로서 전술한 바 있는 “영구 팽창법”에 따라 팽창시키게 되는 것이다.

본 발명의 다른 적용예는 제7도와 제8도에 예시한 환산펌프작용에 의한 공기압축식 승강기이다.

이것은 확산펌프작용에 의한 일을 사용하는 좋은 예이다.

투과성의 팽창백(bag) 또는 주름통(30)의 아래쪽 끝부분을 베이스(31)를 사용하여 적절히 폐쇄시키며, 또한 윗쪽 끝부분을 수평대(32)를 밀폐시키고 이 위에 분동(W)을 올려놓는다. 백 또는 주름통(30)을 슈퍼깨스를 사용하여 수평대가 소요의 거리(H₁)까지 오도록 팽창시킨다. 탄성체질 밀봉물을 팽창시켰든 게이지 압력을 사용하여 일정하게 유지하도록 하여 분동(W)을 항시 지지하도록 한다.

주위 공기중의 산소, 질소 및 아르곤이 가지는 에너지가 밀봉물중으로 확산하여 들어감에 따라 밀봉물내의 기체의 체적은 증가되고 분동(W)이 있는 수평대(32)는 주름통이 완전히 펴질때까지 계속하여 상승하게 되어 높이(H₂)까지에 도달한다.

밀봉물내의 공기압이 표준 해면조건 및 70°F에서 14.7psig(대기압)에 도달할 때까지 수평대는 계속하여 올라간다.

높이(H₁)에서 높이(H₂)까지 분동(W)을 올리기 위해서 외부에서 힘을 가할 필요는 없다.

이러한 상승작용은 확산펌프작용에 의해 자동적으로 할 수 있다. 즉 주위공기중의 질소, 산소 및 아르곤이 탄성체질 또는 팽창성 밀봉물(30)중으로 확산해 들어가도록 하는 것이다.

밀봉물(30)내의 전체 압력은 분동을 지지하는데 필요한 주위압력 이상으로 대기압 및 전체 압력의 증가분을 합한 압력에서 유지하게 된다.

초기 팽창압력에서 전체압력은 슈퍼깨스로 인하여 100%가 된다. 공기가 밀봉물속을 들어가서 수평대가 올라가게 되면 전체압력은 일정하게 되지만 공기의 분압으로 인한 전체압력 부분은 수평대가 올라갈때 증가된다. 따라서 슈퍼깨스의 분압은 떨어진다. 수평대는 공기의 분압이 최대치(14.7psig)가 될때까지 계속하여 올라간다. 이 압력에서 슈퍼깨스는 최소압력이 된다. 그러나 전체압력(공기 및 슈퍼깨스)은 변하지 않는다. 이것은 초기 팽창압력에서와 같다.

공기식 승강장치가 행하는 일은 극히 특수하며 그 적용범위도 크다. 예를 들자면 다음 표를 보면 알 수 있다싶이 수평대 직경이 1ft, 2ft 및 3ft인 세가지의 각기 다른 장치가 행할 수 있는 일의 량을 나타낸 것이다.

각 경우에 있어서 수평대위에 1000파운드의 분동을 얹어두고 팽창성 주름통을 100% 슈퍼깨스로 팽창시켜 초기 높이 1ft까지 올린다.

상기 표에서 알수 있는 것은 장치의 크기가 클수록 훨씬 효율적이라는 것이다. 예로서 직경이 3ft 인것은 1ft 인 것보다 9배의 일을 하며 슈퍼깨스보다 6배의 일을 한다. 큰 장치는 작은 장치보다 55배 더 많은 공기를 사용하고 있다.

본 발명의 다른 실시예는 제5도와 제6도에 예시된 바와 같이 보호 밀봉물 또는 건물(40)에 사용할 수 있다는 것이다.

밀봉물중에 한쪽 끝벽(41)을 관상(管狀) 아아치(42)에 고착시키고 측벽과 윗쪽(43,44)을 아아치(42)에 고착시켜 관상아아치(45)와 맞물리게 붙이고, 또한 세로방향의 관상의 탄성체질 요소(46)에도 고착시킨다. 고착이 되어 관상아아치(45,42)와 상호 연결된 끝을 서로 붙여서 완전한 구조가 되게 형성시킨다.

전체적인 구조를 저장할때나 수송하고자 할때는 짜부러진 상태로 하여 할 수 있다. 즉 상호연결이 되는 관상요소(42,45,46)와 양쪽벽면(41) 및 측벽과 상부벽면(43,44)내에 공기가 기체가 들어있지 않도록 빼내고 접어 둘 수 있는 것이다. 밀봉물을 세울 장소에 도달하면 전술한 슈퍼깨스를 소량 관상요소(42,45,46) 속으로 펌펑질하여 넣는다.

슈퍼깨스의 량은 단순히 관상요소가 최대 팽창조건의 약 1/10∼1/5 정도로 팽창되게끔 하여주어야 한다.

이 압력에서 슈퍼깨스의 게이지 압력은 필수적으로 0이 되어야 한다. (즉, 주위압력인 14.7psig보다 조금 클정도) 이 상태에서도 구조물은 공기나 기체가 빠진 상태이지만 지상에 쭉 퍼져 있는 상태 보다는 다소 튀어나온 상태가 된다.

이 상태는 구조물이 확산펌프의 에너지 전달이 되어서 자체 팽창을 하여 완전히 곧게 똑바로 선 상태로 할 수 있게 준비가 된 것이다.

확산펌프는 관상요소를 각 아아치형 또는 직선형으로 팽창시켜 양쪽 벽면(41)과 측벽 및 상부 벽면(43,44)이 팽팽하게 경진된 상태로 되게 한다. 구조물이 곧게 서게 되는 동안 확산펌프는 상당량의 일을 한다.

상당한 기간에 걸쳐서 압력은 소요의 정도에서 계속 유지되는데, 그 이유는 똑바로 서게 되면 구조물이 “영구 팽창법”에 따라 압력을 받게 되기 때문이다. 밀봉물(40)의 공기나 기체를 빼내면 수송이 쉽게 되고 또한 슈퍼깨스와 공기와 혼합기체 또는 기타 적절한 슈퍼깨스를 사용하여 대기압 이상의 소요의 압력까지 팽창시켜 밀봉물이 완전히 곧게 서게 할 수 있다.

확산펌프의 장점은 제16도와 제17도에 잘 나타나 있다.

제16도는 팽창성 구조가 완전히 가압되어 곧게 선 상태를 나타낸 것인데 여기서는 팽창매체로서 공기만 사용한 것이다.

이 경우에 있어서 기계적인 펌프장치(100)를 사용하여 구조물내의 압력을 계속 유지해 줘야 하는데 그 이유는 펌프가 새로운 공기를 공급하여 밀봉물외 부는 확산해 나간 공기를 보충해줘야 하기 때문이다.

제16a도는 펌프(100)를 사용하여 팽창시킨 것을 나타낸 것으로서 아아치(42,45,46) 속으로 펌프(100)를 사용하여 공기를 불어넣어 공기압이 17.7psig로 되게 한 것이다.

한편 만일 슈퍼깨스와 확산펌프를 사용하여 구조물이 스스로 세워지도록 하자면 장시간 동안 완전히 경직된 상태로 있을 수 있게 압력을 유지할 수 있어야 한다. 확산펌프작용의 여압(餘壓) 주기종말점에서 밀봉물이 “영구팽창법”에 따른 조건으로 자동팽창되기 때문에 이러한 현상이 일어난다.

이 경우는 제17도를 보면 알 수 있다. 제17a도는 최대공기량(14.7psia) 및 최소슈퍼 깨스량(3.0psia)에서 구조물을 팽창시킨 것을 예시한 것인데 슈퍼깨스를 소량 사용하여 영구히 건립되어 있는 상태로 구조물을 유지할 수 있는데 이것은 슈퍼깨스가 14.7psia로 되어 있는 공기 “기반” 위에서 지지되어 있기 때문이다. 공기펌프를 사용하여 이 계에 에너지를 공급할 필요는 없다(제16도 참조).

제18도는 초기에 팽창시켰을 때의(막대-A) 구조물내의 압력상태와 구조물을 완전히 세웠을 때의(막대-B) 확산펌프작용 주기의 종말점에서의 압력상태를 예시한 것이다. 잘 알 수 있다 싶이 초기팽창에서는 전압력은 슈퍼깨스로 인하여 100%이다. 슈퍼깨스압은 15.0psia로서 주위압력보다 약간 큰 정도이다.

따라서 밀봉물은 약간 팽창될 뿐이고 그래도 짜부러진 상태에 있는 것이다. 그러나 확산 펌프작용 주기가 끝나서 구조물이 완전히 서게 되면 슈퍼깨스압은 15.0psia의 1/5∼1/10 정도까지 떨어지게 되어 3.0psia가 된다. 이러한 압력강하는 구조물의 팽창 조립과정 동안 밀봉물의 체적증가로 인한 것이다.

이러한 현상이 일어나면 공기는 계속하여 밀봉물 속으로 들어가서 관상요소내(42,45,46)의 공기압은 14.7psia가 될때까지 팽창시킨다.

공기압은 최대가 되며 슈퍼깨스압은 최소가 되어 “영구팽창법”을 실증하는 것이 된다.

이와 같이 구조물을 팽창시키는 동안에 확산펌프는 계속하여 중요한 역할을 하게 된다. 예를 들자면 확산펌프작용으로 인하여 주위온도변화가 밀봉물내의 압력에 미치는 영향을 보상해 주는 것이다.

제19도, 제20도 및 제21도를 보면 이러한 보상효과를 잘 이해할 수 있다. 제19도는 여름에 80℉나 되는 날씨에 노출된 구조물을 예시한 것으로 막대도표(A)는 구조물내의 공기와 슈퍼깨스의 분압을 나타낸 것이다. 14.7psia의 공기 기반으로 지지될 경우 3.0psia인 슈퍼깨스압은 구조물의 관상요소를 곧게 서 있는 상태로 충분히 할 수 있다. 그러나 외기 기온이 80℉ 이하, 예로서 밤에는 0℉까지 내려가게 되면(제20도 참조), 장치속에 있는 슈퍼깨스와 공기압력은 모두가 냉각 효과로 인해 감소된다.

구조물내의 전압이 15.0psia가 되면 장치가 짜부러지지 않게 할 수 있는 압력은 되지 못한다. 그러나 구조물이 짜부러지는 것은 아니다. 그 이유는 관상 밀봉물내의 공기가 서서히 냉각됨에 따라 외기와 내기간에 미소압력차가 나타나서 외기가 내부로 확산해 들어가서 내부 압력을 14.7psia로 계속 유지하게 하기 때문이다.

설명을 간단히 하기 위해서 제20도를 보면 온도 강하는 순식간에 일어나는 것이지만 차거운 주위온도 조건을 예시한 것이다.

외기압력(막대-B)와 내부공기압(막대-A)을 비교해 보면 확산펌프 작용을 하기 위해 2.2psig정도의 압력차가 생김을 알 수 있다.

제21도는 날씨가 찬날에 대한 최종 평형상태를 예시한 것으로서 확산펌프작용으로 인해 내부 공기압을 14.7psia로 유지할 수 있는데, 이것은 온도변화와는 무관한 것이다. 따라서 관상구조물내의 전체 압력을 충분히 유지시켜 구조물이 적절하게 조립되어 곧게 서 있을 수 있게 유지할 수 있다.

제21도의 막대도표(A)에 나와 있다싶이 게이지압은 2.5psig이다.

“영구팽창법”을 사용하여 초기팽창시에 구조물을 가압하여 곧게 서 있게 할 수 있다. 팽창을 자체 조립주기에 따라 시키는 경우에 있어서 슈퍼깨스를 100% 사용하여 팽창시키는 대신에 초기 팽창을 공기와 슈퍼깨스의 적절한 혼합기체로서 시켜 공기의 분압이 14.0psig가 되게 하고 슈퍼깨스 압력증가분이 조금 있도록 한다. 이렇게 하는 한가지 방법으로서는 공기펌프를 사용하여 구조물을 일차적으로 완전히 팽창조립시킨후 소량의 슈퍼깨스를 가하는 것이다.

기타 과잉의 공기압(주위압력 이상의 압력)은 확산되어 나와서 평형상태를 이루게 된다.

확산펌프작용을 활용하는 다른 예로는 정구공, 농구공 등과 같은 경기용 공을 제조하는데 있다.

이들 공들은 속이 빈 것으로서 탄성질의 침투성물질로 만든다.

공기와 슈퍼깨스를 적절히 혼합한 기체를 사용하여 주위압력에서 초기팽창시킨 후 각 공안의 압력이 자동적으로 내부확산에 의해 주위 압력보다 높은 일정한 압력까지 증가되게 한다.

이러한 확산펌프작용으로 인하여 초기팽창이 완전히 되면 공은 전술한 바와 같은 영구 팽창특성을 나타낸다. 따라서 공은 무한정으로 팽창된 상태에 있게 된다. 정구공의 경우에는 공을 밀봉가압시킨 금속용기 중에 집어넣고 내부 압력을 적절히 유지해줘야 할 필요는 없게 된다.

사용도중 공속이 있든 질소, 산소 및 아르곤이 투과성 막을 통하여 외부로 강제로 방출되기 때문에 압력을 약간 상실하게 되지만 사용하지 않을 때는 확산펌프 작용이 일어나서 공속의 견체 압력은 소요의 상태로 되돌아가게 된다.

확산펌프 작용은 또한 견술한 바와 같이 고도에 따른 변화에도 대처할 수 있는 능력이 있다. 이러한 보상능력은 특히 정구공의 경우에서 유용하다. 확산펌프 작용은 정구공을 어떠한 고도를 가진 장소에서 사용하든 간에 정구공의 게이지 압력을 항상 적절한 수준(14.0psig)으로 유지하도록 한다.

본 발명에 의한 정구공의 경우에 있어서 공제조업자가 특수한 고도 조건을 가진 지방에서 대하여 특수압력을 가진 특수공을 조제할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 본문에서 상술하고 도면에 예시한 바와 같이 최소한 일부분을 대기압에서 외기에 노출되는 탄성체로 만든 밀봉시킨 공동중에 초기에 한가지 이상의 기체를 함유토록 하고, 이 탄성체의 특성은 한가지 이상의 기체에 대하여 비교적 투과성이 낮고 공동속을 통하여 한가지 이상의 기체가 확산되지 못하게 하고 외기에 대해서는 비교적 투과성이 높아서 외기를 통하여 공동속으로 확산이 가능하도록 하여 공동내에 한가지 이상의 기체와 공기가 조합되어 존재할 수 있도록 한 자체 팽창이 가능토록 한 것을 특징으로 하는 확산펌프 작용을 이용한 압축 공기식 밀봉물.

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