KR880000814B1 - 온도 보상된 가스 스프링 - Google Patents

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휘첼앤드삭스 인더스트리스 인코포레이티드
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Abstract

내용 없음.

Description

온도 보상된 가스 스프링
제1도는 본 발명에 따른 가스 스프링의 제1실시예를 보여주는 종단면도.
제2도는 제1도에 도시한 가스 스프링의 힘을 온도의 함수로서 도시한 그래프로, 제1압력원은 질소 가스이고 제2압력원은 평형상태에 있는 암모니아 액체 및 증기이다.
제3도는 본 발명에 따른 제2실시예를 보여주는 종단면도.
제4도는 프레온(FREON)-12의 상태도를 도시한 log-log그래프.
제5도는 제3도에 도시한 가스 스프링의 온도대 유효외향 스프링힘의 그래프로, 여기서 제1압력원은 질소이고 제2압력원은 프레온-12이다.
제6도는 설퍼 헥사플루오라이드의 상태도를 도시한 log-log그래프.
제7도는 제3도에 도시한 가스 스프링의 온도대 유효 외향 스프링힘의 그래프로 제1압력원은 질소가스이고 제2압력원은 설퍼 헥사플루오라이드이다.
본 발명은 넓은 온도범위에서 일정하게 작동할 수 있게 자동적으로 보상되는 가스 스프링에 관한 것이다.
자동차 트렁크 뚜껑, 엔진뚜껑 및 그유사물, 특히 헷치-백(hatch-back) 트렁크 뚜껑을 지지하는데 사용되는 스프링은 때때로 여러종류의 가스스프링으로 되어있다. 가스 스프링은 고압하의 가스를 함유하는 밀봉된 실린더이며 실린더의 한쪽 단부로부터 뻗어있는 피스톤 막대기를 가지고 있다. 전형적으로, 약 1000 Psi의 압력을 가지는 질소가스가 실린더내에서 사용된다. 가스의 압력에 기인하는 스프링힘은 실린더내의 막대기의 그것과 동일한 횡단면적에 작용하여 막대기를 밖으로 밀어낸다. 막대기를 실린더내로 밀경우, (즉 헷치-백 트렁크 뚜껑이 닫혀지는 경우)막대기는 가스가 채워져 있던 실린더의 어떤 부분을 대체하게 된다. 실린더내의 총부피는 고정되어있기 때문에, 남아있는 가스부피는 감소하게되며 결국 가스의 압력을 증가시킨다. 그러므로 막대기를 바깥으로 이동하는 힘의 작용은 증가한다. 통상적인 가스 스프링은 이동하는 피스톤-형 구조로 실린더의 내부 막대기에 부착되어 있으며 막대기의 운동크기를 제동 및 제한하는데 사용한다. 가스압력은 보통 피스톤의 양쪽면에 똑같으므로, 어떤힘이 막대기에 가해질 경우라도 거의 생성이 없다.
이상적으로 가스의 압력은 실린더 밖으로 피스톤 막대기를 움직이기에 충분하여 트렁크 뚜껑이나 거기에 부착된 유사물을 들어올린다. 막대기가 완전히 뻗쳤을때 가스압력은 충분히 낮아져서 트렁크 뚜껑이나 그유사물이 들어올려지고 트렁크 뚜껑이 닫혀질때 사람으로 하여금 막대기를 쉽게 실런더속으로움직일수 있게 한다. 가스 스프링에서 단일 가스를 사용하는데서 발생하는 단점은 고정된 부피속의 어떤가스의 압력도 가스의 온도에 관계된다는 것이다. 질소 유사물등의 이상기체에서 압력은 가스의 절대온도에 비례한다. 이러한 의존관계는 그러한 가스 스프링이 0℉이하로부터 100℉이상으로 변하는 주변온도에 접하게 자동차에 사용될 경우 상당한 문제를 유발할 수 있다.
주변온도가 낮을때 시린더 내부 가스의 압력도 낮게되어, 결국 막대기를 밖으로 밀어 자동차 뚜껑의 무게를 들어올리기에는 힘이 불충분하게 된다. 주변온도가 높을때 실린더 내부가스 압력도 높아져서, 결국 커다란 힘이 막대기를 실린더의 바깥으로 밀어 막대기에 연결된 트렁크 뚜껑이 매우 빨리 올려져서 트렁크를 여는 사람을 치게된다. 더우기 주변온도가 높을때, 막대기가 완전히 뻗쳐을 때도 실린더 내부 가스압력은 커서 트렁크 뚜껑을 닫고 싶을때 막대기를 실린더속으로 움직이기가 어렵게된다.
주변온도의 변화에 자동적으로 보상되는 완충장치는 공지의 것이다. 예컨데 블레이크(Blake)에의한 미합중국 특허 제 2944639호, 맥킨(McCean)에의한 미합중국특허 제 3107752호, 시이(Seay)에의한 미합중국특허 제 3301410호, 켄달(Kendall) 및 그의동료들에 의한 미합중국특허 제 3971551호, 대쉬코트(Dachicourt)에의한 미합중국특허 제 3944197호를 참고하라. 이러한 장치는 완충장치내에 여분의 방(Chamber) 또는 그유사물을 제공하여 주변온도가 변화함에따라 첫번째 제동유동액의 부피변화를 조절한다.그러한 장치는 외부로 향하는 압력을 일정하게 유지시키기 보다는 유동액 부피를 일정하게 유지시키는데 관여하기 때문에 가스 스프링에서의 온도 보상 작용에는 적당하지 않다.
본 발명의 목적은 온도변화에 따른 스프링힘의 민감도를 허용가능한 낮은 수준으로 감소시킨 가스 스프링을 제공하는데 있다.
본 발명은 밀봉된 케이스, 케이스의 한쪽 단부를 통해내부에서 외부로 뻗어있는 미끄러질 수 있는 막대기, 케이스내의 막대기에 설치되어있는 피스톤을 포함하는 온도 보상되는 가스 스프린이다. 제1압력원은 케이스내에 위치하여 제1압력이 피스톤에 작용함으로서 막대기를 케이스 밖으로 밀게하고 제2압력원은 케이스내에 위치하여 제2압력이 피스톤에 작용함으로서 막대기를 케이스 내부로 밀게한다. 제1압력은 제2압력보다 크며 온도에 따른 제2압력의 변화 퍼센트는 온도에따른 제1압력의 변화 퍼센트보다 크다.
제1압력원은 질소 가스와같이 바람직하게 가압된 제1가스로 그것의 압력은 절대온도에서 비례하여 변하며 가스 스프링이 노출되는 온도범위에 걸쳐 가스상태로 남아있게된다. 바람직한 온도범위는 -30℃-80℃이다.
제2압력원은 두개의상 시스템으로된 증기압으로 여기서 액체및 증기상은 -30℃-80℃의 온도범위에 걸쳐 평형 상태에 있다. 이러한 증기압은 절대온도에 따라 대략 지수적으로 변한다. 적당한 두개의상 시스템은 아세틸렌, 프레온-12, 프레온-13, 프레온-114, 프로판, 프로파디엔, 퍼플루오로프로판, 디메틸에테르, N-부탄, 암모니아. 브롬화수소, 요오드화수소를 포함한다. 또한 제2압력원은 설퍼 헥사플루오라이드와 같이 -30℃-80℃의 온도범위중 상당한 부분에 걸쳐 액체 및 증기상이 평형상태로 남아있는 두개의상 시스템일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에서 밀봉된 케이스는 그한쪽 끝에 밀폐된 단벽과 다른쪽 끝에 그것을 통해 막대기가 통과할 수 있는 개구부가 있는 단벽을 가진 원통형 관을 포함한다. 내부관은 케이스내에서 동축내으로 배치되어 있으며, 내부관의 한쪽 단부는 밀폐된 단벽에 부착되어 있다. 피스톤은 내부관의 안쪽에 위치하여 내부관을 피톤과 밀폐 단벽사이의 제1내부 체적과 내부관의 나머지인 제2내부체적으로 나눈다. 내부관과 외부관 사이에 배플(baffle)이 위치하여 케이스 체적을 내부관의 바깥에서, 밀폐된 단벽에 인접한 제1외부테적과 개구부를 가진 단벽에 인접한 제2외부체적으로 나눈다. 제1도관장치는 제1내부체적과 제1외부체적 사이로 유체흐른을 가능하게하고 제2도관장치는 제2내부체적과 제2외부체적과의 사이로 유체 흐름을 가능하게한다. 제1압력원은 제1재부체적 및 제1외부체적내에 존재하며 제2압력원은 제2내부체적 및 제2외부체적내에 존재한다.
제1도관장치는 바람직하게 밀폐된 단부벽 쪽으로의 피스톤의 이동크기를 지나서 내부판을 통과하는 한개 또는 그이상의 구멍이다. 제1실시예에서 내부관은 원통형관보다 짧으며, 내부관은 제2외부체적과 유체유통되어 제2도관장치를 형성한다. 제2실시예에서 내부관은 원통형관과 같은 길이이며 양쪽 끝은 케이스의 단벽에 부착되어있고 제2도관장치는 개구부를 가진 단부벽쪽으로의 피스톤의 이동크기를 지나서 내부관을 통과하는 한개 또는 그이상의 구멍이다.
가스 스프링은 피스톤의 이동을 제한하는 하나의 정지장치를 또한 포함할 수 있다. 유체밀봉이 피스톤과 내부관사이 및 막대기와 그것이 통과한는 벽사이에 제공된다.
본 발명에 따른 온도 보상된 가스 스프링의 제1실시예를 제1도에 나타내었다. 가스 스프링 10은 한쪽 끝에는 밀폐된 단부벽 16이 설치되어있고 또 다른쪽 끝에는 벽 18이 설치되어 있는 외부 슬리브 또는 외부관 14로 만들어진 밀봉된 케이스 12로 구성된다. 벽 18은 그것을 통과하는 개구부 20을 갖는다. 가스 스프링 10은 케이스 12 내부에 동축적으로 위치한 내부 슬리브 또는 관 22를 포함한다. 내부관 22의 한쪽끝은 단부벽 16에 부착되어 있고, 다른쪽끝은 벽 18로부터 간격을 두고 동축적으로 위치한다. 피스톤 24는 내부관 22내에 위치하며 내부관 22의 배부를 밀폐된 단부벽 16과 피스톤 24 사이의 제1내부체적 26과 벽 18 쪽면의 피스톤상의 제2내부체적 28로 나눈다. 간막대기 30은 피스톤 24에 부착되어 있으며 벽 18에 있는 개구부 20을 통해 케이스 12의 밖으로 뻗어있다.
배플 32는 내부관 22의 외측과 외부관 14의 내측사이에 부착되어 뻗어있으며 내부관을 제외한 케이스 체적을 벽 16에 인접한 제1외부체적 34와 벽 18에 인접한 제2외부체적 36으로 나눈다. 배플 32는 내부관 22를 지지한다. 내부관 22내에 한개 또는 그이상의 구멍 38이 단부벽 16쪽의 방향으로 피스톤 24의 이동크기를 지나 위치한다. 구멍 38은 제1도관장치를 형성하여 유체를 제1내부체적 26과 제1외부체적 34 사이로 흐를수 있게한다. 제1도에서, 내부관 22는 벽 18에 가까운 단부를 구멍을 가지고 있으며 제2도관 장치를 형성하여 유체를 제2내부체적 28과 제2외부체적 36 사이로 흐를수 있게한다.
가스 스프링 10은 내부관 22의 끝에 정지 장치 40을 포함하여 벽 18쪽으로 움직이는 피스톤 24의 이동을 제한하고 내부관 22내에 피스톤을 보유한다. 제1도에서 보여주는 정지장치 40은 막대기 30을 둘러싸면서 내부관 22의 끝에 부착되어있는 워서-형(washer-like)판으로 유체의 흐름을 위해 막대기 30과 정지장치 40 사이에 환형공간 42를 두고있다. 가스 스프링은 피스톤 24과 내보관 22의 내표면사이에 제1 및 제2내부체적 26,28 사이의 유체흐름을 막기위한 제2밀봉 46을 포함한다.
가스 스프링 10은 또한 케이스 12의 밀폐단부 16의 바깥쪽에 그끝에 핀구멍 50을 가진 막대기 48을 포함한다. 막대기 30은 케이스 12 바깥쪽의 막대기끝에 핀구멍 52를 가진다. 핀구멍 50 및 52는 가스 스프링 10이 자동차의 동체와 트렁크 뚜껑꽈의 사이를 기계적을 연결하도록한다. 내부관 22, 외부관 14 및 피스톤 24는 원통형인것이 바람직하다.
제1압력원은 제1재부체적 26 및 제1외부체적 34내에 위치하여 피스톤 24가 막대기 30을 케이스 12 밖으로 미는 작용을 하게한다. 제2압력원은 제2내부체적 28 및 제2외부체적 36내에 위치하여 피스톤 24가 막대기를 케이스 내부로 미는 작용을 하게한다. 제1압력원 및 제2압력원 사이의 힘의 차이에 기인한 유효힘이 피스톤 24에 작용하게 된다. 가스 스프링 10은 밖으로 향하는 스프링 힘을 가진 스프링으로서의 함수이므로 제1압력을 제2압력보다 크게할 필요가 있다.
바람직하게 제1압력원은 가압된 제1가스여야하며 압력은 절대온도에 비례하여 변하고 가스 스프링이 노출되는 온도범위에 걸쳐 기체상태로 남아 있게된다. 바람직한 제1가스는 -30℃-80℃의 온도범위에 걸쳐 이상기체 범칙(PV=nRT)에따라 행동하는 질소가스이다. 어떤 가스도 이론적인 이상기체 법칙에 따라 정확히 행동하지 않는다는 것을 알아야한다. 사용될 수 있는 다른 가스로는 아른곤, 헬륨, 수소, 크립톤, 네온이 있다.
가스 스프링 10에서 온도 민감도의 감소는 온도의 증가에 기인하는 제1압력원으로부터의 여별의 힘을 제거하는 제2압력원에 기인하여 피스톤 24에 가역적인 힘을 제공함으로서 달성될 수 있다. 제2압력원은 제1가스와는 상당히 다른 행동을 하는 가스를 선택한다. 본 발명에서 제2압력원은 액체 및 증기상이 평형상태로 있는 두개의상 시스템의 증기 압력이다. 그러한 두개의상 시스템의 증기압력은 절대온도에 대략 지수적으로 변한다. 제2압력원을 선택하는데 있어 주요 필요조건은 온도에따른 제2압력의 퍼센트 변화가 온도에따른 제1압력의 퍼센트 변화보다 크다는 것이다.
제2압력원으로 제공될 수 있는 많은 유기 및 무기물질이 있는데 즉, 아셀틸렌, 에탄, 프레온-12, 프레온-13, 프레온-114, 프로판, 프로파디엔, 퍼플루오로프로판, 디메틸에테르, N-부탄, 암모니아, 브롬화수소, 요오드화수소와 같은 것이다. 이러한 물질물의 증기압은 약 -30℃의 온도에서 약 0-150 1b./in.2(psi)이며 70℃에서는 100psi-900psi 이상의 범위에 있다. 두개-상 시스템에서 주어진 물질들은 단지 온도에만 의존하는 증기에 의해 압력이 발생되어야 할 것이다. 소기의 적용에 사용하기에 가장좋은 물질은 스프링힘, 스프링크기, 물질가격, 제조가격, 밀봉시간, 온도보상이 요구되는 정도에의해 결정된다.
제2압력이 두개의상 시스템에 의해 발생되어야한다는 것이 절대적으로 필요한 것은 아니다. 실시예3에서 상세히 후술되는 바와같이 제2압력원으로 설퍼 헥사플루오라이드가 사용될 수 있다. 임계온도 이상에서, 설퍼 헥사플루오라이드는 두개의 상 시스템으로 존재할 수 없고 액체상이 존재하지 않는 증기상으로서만 존재한다. 그러나 임계온도 이상에서도 온도 보상작용이 행해지는데 그것은 온도에 따른 설퍼 헥사플루오라이드 증기압(즉, 제2압력)의 페센트 변화보다 여전히 크기 때문이다.
그러한 물질은 어떤 특정 체적의 범위에서만 증기 및 액체상이 평형상태로 있는 두개의상 시스템으로 남아있을수 있기 때문에 가스 스프링에 유용한 물질에 대해 그 체적상에 필요조건이 존재한다. 액상과 증기상이 항상 함께 존재하게하고 증기압만이 온도에 의존하도록 하는 것이 바람직하다. 스프링이 압축되면, 즉 피스톤 24가 벽 16쪽으로 이동하면, 두개의 상 시스템에 유용한 체적은 증가한다. 만일 초기에 물질의 액체상이 불충분한 양이면 전체 융요한 체적의 그러한 증가는모든 액체를 증기로 전환시키는 원인이 된다. 일반적으로 이러한 증기의 압력은 다른 가스들과 비스한 방식으로 온도에따라 변화하기 때문에 혹종의 온도보상 작용을 거의하지 않는다. 그러나 너무 많은 물질이 사용될 경우 스프링이 팽창되어 물질에 유용한 체적을 감소시킬때 문제가 발생된다. 이러한 현상은 피스톤이 더이상 이동하는 것을 방해한다.
제2압력원으로 사용되는 두개의상 시스템이 가진 이러한 문제점을 피하기위해 다음 필요조전이 도입되야 한다.
(1) 가스 스프링이 완전히 압축될때 즉, 가스 스프링이 노출되는 최고의 온도에서 유용체적이 가장클때, 두개의상 시스템을 제공하는데 필요한 물질의 최소량.
(2) 가스 스프링이 완전히 뻗쳤을때 즉, 유용체적이 가장 작을때, 물질에 유용한 체적이 충분히 커서 증기가 전부 액체로 응축되지 않는 체적.
또한 이러한 두번째 필요조건을 제한하는 환경은 가스 스프링이 노출될 수 있는 최고의 온도이다.
제1도에서 보여지는 동심(同心)관은 가스 스프링에 특히 유용하다. 내부관 22 외부의 충분한 부가체적이 제1외부체적 32내에 제공되어 막대기 30이 완전히 가스 스프링내로 들어갔을때 제1가스가 과도하게 압축되지 않도록한다. 그렇지않으면 결과의 과도한 압력은 바람직하지 않으며 과도한 스프링힘을 내게한다. 비슷하게 내부관 22 외부의 부가체적이 제2외부체적 36에 제공되어 막대기 30이 완전히 뻗쳤을때 제2압력원이 과도하게 압축되지 않도록 한다.
밀봉 44 및 46을 제외한 가스 스프링 10의 모든 성분이 제한된 가스의 압력에 저항할 수 있는 충분한 강도를 가진 금속으로 제조되었다. 원통형 내부관 22, 외부관 14, 피스톤 24의 사용은 특히 유용하다.
[실시예 1]
다음은 제1압력원으로 질소가스를 사용하고 제2압력원으로는 두개의 상 시스템으로서 암모니아 가스를 사용하는 제1도에 따른 가스 스프링 10의 실시예이다. 가스 스프링 10에 포함되는 여러가지 매개변수사이의 관계를 다음의 변수를 사용하여 대수학적으로 묘사할 수 있다.
Ag=질소 가스 압력이 작용하는 피스톤의 면적(in.2)
Av=암모니아 증기 압력이 작용하는 피스톤의 면적(in.2)
Dp=피스톤의 직경(in.)
Dr=막대기의 직경(in.)
F=가스 스프링의 힘(Ib.)
Pg=질소가스의 압력(psi)
Pv=암모니아 증기의 압력(psi)
Po=20℃에서의 질소가스 압력(psi)
T=온도(℃)
밖으로 향하는 유효 스프링 힘 F는 질소가스에 의해 피스톤에 가해지는 힘으로부터 암모니아 증기에의해 피스톤에 가해지는 힘을 배므로서 결정된다. 막대기 30에 가해지는 대기압을 무시하면 F를 계산하는 등식은 다음과 같다.
(1) F=AgPg-AvPv
질소 가스의 압력은 다음과같이 잘 표현될 수 있다.
(2)
Figure kpo00001
이 실시예에서 바람직한 스프링 힘 F눈 최고 -30℃-70℃의 온도에서 100Ib. 로 추정된다. 두개의 상 시스템에서 암모니아의 증기압은 John H.Perry이 편집한 Chemical Engineers Handbook(McGraw-Hill 1950년, 제3판)과 같은 표준적이고도 잘 알려진 편람으로부터 결정될 수 있다. -30℃에서 암모니아의 증기압은 20psi이고 70℃에서의 증기압은 475psi이다. 이러한 값과(바람직한 F는 100Ib.) 식(2)를 식(1)에 대입하면 다음과같은 식이 얻어진다.
(3)
Figure kpo00002
(4)
Figure kpo00003
식 (3)과(4)를 풀면 다음과 같다.
(5)Av=0.0921in.2
(6)AgPo=122.80Ib.
만일 막대기 직경, Dr을 가스 스프링의 전형적인 값인 5/16"으로 하면 암모니아 증기압이 작용하는 피스톤의 면적 Av는 다음과 같다.
(7)Av=
Figure kpo00004
/4(Dg2-Dr2)
=
Figure kpo00005
/4(Dg2-(5/16)2)
=0.0921 in.2
식(7)을 풀면 Dg=0.4636in.가 되고 Ag=0.1688in.이 된다. 상기의 (6)식을 사용하여 20℃에서 질소가스의 필요 충분압력 Po를 구하면 727psi가 나온다.
막대기 직경을 5/16"으로하고 피스톤 직경을 0.4636되게하여 체1내부 체적 및 제1외부체적을 20℃, 727psi에서 질소사스로 채우고 제2재부체적 및 제2외부체적을 액체 및 증기상이 평형상태로 남아있는 암모니아를 채우면 가스 스프링은 -30℃-70℃의 온도범위에서 외부로 향하는 힘 100Ib.를 갖게 된다. 다른 온도에서의 가스 스프링의 행동은 상기 식(2)을 사용하여 다른 온도에서의 Pg를 측정하고 여러 온도에서 Pv값을 결정하고 상기 식(1)을 사용하여 힘을 계산함으로써 결정할 수 있다. 하기하는 표1은 바람직한 온도범위에 걸쳐 이러한 데이타를 적은 것이다.
[표 1]
Figure kpo00006
상기의 결과를 제2도에 그래프로 나태내엇는데 여기서 곡선 "A"는 밖으로 향하는 힘이 피스톤에 작용하는 것을 나타내는 것이고(PgAg), 곡선 "B"는 안으로 향하는 힘이 피스톤에 작용하는 것을 나태낸 것이며(PvAv), 곡선 "C"는 실시예 1의 가스 스프링의 유효 스프링 힘을 나타낸 것으로, 이 모든것은 온도의 함수이다. 이러한 가스 스프링은 20℃-30℃에서 최대힘 약 111.3Ib를 가지며 극대온도에서 약 100Ib의 최소힘을 갖는다. 실시예 1의 온도보상작용은 표준이되는 20℃에서의 최대 및 최소 스프링힘을 비교함으로서 질소가스 단독으로 사용될때와 비교될 수 있다. 질소가스만을 사용하는 가스 스프링에서는 편차가 약 34%인데 비해 실시예 1의 가스 스프링에서는 10%이다. 본 발명의 가스 스프링은 질소 가스만을 사용할때와 비교할때 온도에 따른 스프링 힘의 변화를 상당히 감소시킨다는 것을 알 수 있다.
본 발명에따른 온도보상된 가스 스프링의 제2실시예가 제3도에 나타나 있다. 제3도에 보여진 가스 스프링 60은 제1도에서 보여준 가스 스프링 10의 성분과 동일한 많은 성분을 가지고 있다. 따라서 양쪽 그림에서 같은 성분을 같은 번호를 사용하였고 두 실시예의차이점만 후술하기로한다.
제3도의 가스 스프링 60에서 내부관 62는 단부벽 16 및 18사이로 완전히 뻗어서 양쪽 단부벽에 부착된다. 제2내부체적 64는 피스톤 24와 벽 18사이의 내부관 62내에 위치하여 제2외부체적 66은 배플 32와 벽 18 사이의 내부관 바깥에 위치한다. 한개 또는 그이사의 구멍 68이 내부관 62내에 정지 장치 40에위해 결정되는 바와같이 벽 18쪽으로의 피스톤 24의 이동크기를 지나 위치한다.
상기의 구조적 차이점과 달리 제3도에 보여주는 가스 스프링 60의 실시예는 제1에 보여준 가스 스프링 10과 정확히 똑같이 작동한다. 제1압력원은 제1내부체적 26 및 제1외부체적 34내에 위치하며 제2압력원은 제2내부체적 64 및 제2외부체적 66내에 위치한다.
가스 스프링 60내에 포함된 여러가지 매개변수 사이의 관계를 다음의 변수들을 사용하여 대수학적으로 기술하였다.
Ag=제1가스 압력이 작용하는 피스톤의 면적(in.2)
Ar=대기압이 작용하는 막대기의 면적(in.2)
Av=제2압력이 작용하는 피스톤의 면적(in.2)
Dp=피스톤의 직경(in.)
Dr=막대기의 직경(in.)
Dt=외부관의 내부직경(in.)
F=가스 스프링의 밖으로 향하는 유효힘(Ib.)
L=내부 및 외부관의 길이(in.)
Ls=X에따라 변하는 바늘눈 50 및 바늘눈 52사이의 가스 스프링의 길이.
Lv=배플 32와 벽 18사이의 거리(in.)
M=제2압력원 물질의 질량(Ib.)
Pa=대기압(psi)
Pg=제1가스압력(psi)
Po=20℃에서 제1가스의 압력(psi)
Pv=제2압력원의 압력(psi)
S=스트로우크(Stroke) 또는 스프링 압축 X에 대한 최대고안값(in.)
T=온도(℃)
Vg=X 에따라 변하는 제1가스의 체적(in.3)
Vv=X 에따라 변하는 제2압력원 물질의 체적(in.3)
Wc=내부관의 두께(in.)
Wp=피스톤의 두께(in.)
Ws=배플의 두께(in.)
X=정지장치로부터 피스톤까지로 측정되는 스프링 압착의 양(in.)
제3도에 보여진 바람직한 실시예의 특성은 다음의 매개변수에 초기값을 선택함으로써 기술될 수 있다. Dp,Dr,Dt,L,Ls,Lv,Lt(최대),Pa,Po,s,Wc,Wp,Ws,Pv 및 Pg의 온도에 관한 의존성을 역시 알아야 한다. Pg에 대해서는 이상기체법칙을 충분히 이용할 수 있다. Pv에 대해서는, 특정물질에 대한 증기압의 온도의존성을 잘 알려진 편람으로부터 얻을 수 있다.
다음 등식은 남은 매개변수와 초기에 상기에 언급한 매개변수와의 관계이다.
(8)
Figure kpo00007
(9)
Figure kpo00008
(10)Lt(최소)=Lt(최대)-S
(11)Lt=Lt(최대)-X
(12)Av=Ag-Ar
(13)Vg=
Figure kpo00009
/4(Dt2-(Dt+2Wc)2)(L-Lv-Ws)+Ag(L-Wp-Ls-X)
(14)Vv=
Figure kpo00010
/4(Dt2-(Dt+2Wc)2)Lv+Av(X+Ls)
제1가스의 압력은 체적 Vg를 통하여 X, 온도 T, 꽉찬 압력 Po의 함수이다. 가스가 꽉차서 막대기가 뻗어(즉, X=0)가스가 필수적으로 이상기체법칙에 따른다는 가정하에 그것의 압력은 다음과같다.
(15)
Figure kpo00011
온도와 압축의 함수로서의 스프링힘에 대한 식은 다음과 같다.
(16) F=PgAg-PvAv-PaAr
[실시예 2]
이번 실시예에서는, 두개상의 제2압력원을 사용하는 제2실시예에따라 가스 스프링은 연장된 길이 50인치와 20인치의 스트로우크를 가진것을 선택한다. 20℃의 온도에서 그것은 팽창시는 150Ib이고 압축시는 160Ib인 유효 스프링힘 F를 가진다. 제1가스는 질소이고 제2압력원 물질은 작동 온도범위에 걸쳐 기체상과 액체상이 둘다 유지되는 프레온-12이다.
초기에 선택된 매개변수의 값은 다음과같다.
Dp=0.593in. M=0.0400Ib
Dr=0.3155in. Pa=14.7psi
Dt=2.25in. Po=604.4psi
L=26.0in S=20.0in
Ls=3.124in. Wc=0.0625in.
Lv=0.179in. Wp=0.25in.
Lt(max)=50.0in. Ws=0.0625in.
상기의 식(7)(8)(9)에 의해 다음값을 얻는다.
Ag=0.277in.2, Ar=0.077in.2,
Av=0.200in.2
본 실시예의 가스 스프링 60에서 주입되는 프레온-12의 양은 0.0400Ib이다. 0.029Ib보다 적은 양일 경우 온도가 80℃만큼 높을때 스프링이 완전 압축되면 모든 액체는 증기로 전환하게된다. 0.0500Ib보다 많은 양일경우 온도가 80℃만큼 높을때 모든 압축된 증기가 액체상태로 전환되기 때문에 스프링이 완전 팽창되는 것을 방해한다. 스프링이 기능작용을 하는 동안의 온도를 나타내는 12개의 곡선이있다. 점선 "D"는 액체 및 증기가 평형상태로 있는 지역을 나타내며 따라서 이 영역에선 본 실시예가 작동한다. 표2는 가스 스프링이 완전 팽창되고 완전 압축되는 제한된 경우에 있어 프레온-12의 특정한 체적을 계산하는데 사용된 양을 보여준다.
[표 2]
Figure kpo00012
프레온-12의 0.0400Ib.에 상응하는 작동영역이 제4도의 점선 곡선 "E"로 나타내진다. 그온도 범위에서 프레온-12는 액체-기체상으로 남아있는다.
표 3은 스프링 압축의 모든 영역에 걸친 가스 스프링힘과 그것이 작동되도록하는 온도를 나타낸다. 힘값은 상기의 식(16)과 식(15)로부터, 프레온-12증기압력값은 제4도의 상태도로부터 온 것이다.
[표 3]
Figure kpo00013
제5도는 완전압축과 완전팽창에 대한 표3의 결과를 그린것이며 온도보상작용이 없는 가스 스프링을 사용한 결과와는 비교하였다. 곡선 "F"는 스프링이 완전히 압축되었을때 실시예2의 온도보상 가스 스프링에 대한 가스 스프링힘대 온도와의 관계를 보여준다. 곡선 "G"는 스프링이 완전히 팽창되었을 때 동일한 데이타를 보여준다. 곡선 "H" 및 "I"는 각각 완전히 압축되고 팽창되었을때 온도를 보상되지 않은 가스 스프링에대한 가스 스프링힘대 온도와의 관계를 보여준다.
제5도 및 표3은 온도 변화에 대한 보상작용이 있다는 것을 보여준다. 온도보상의 정도는 표3의 데이타를 사용하여 온도에 따른 스프링힘의 결과적인 퍼센트 변화를 계산하고 그것을 보상되지 않은 고안물의 기대치와 비교하여 양(量)으로 표시될 수 있다. 표4는 온도보상된 결과를 보여준다. 실시예2에서 가스 스프링 60의 온도에 기인한 편차는 12퍼센트 이하이다.
[표 4]
Figure kpo00014
온도보상되지 않는 가스 스프링에 대한 상응하는 편차는 매우 커서 약 37.5%이다. 그것은 가스가 이상 기체와같이 행동한다는 가정하에 추정된 것이다. 따라서 주어진 체적 Vg, 압력, 스프링힘은 절대온도에 비례한다. 상기 실시예와 비교하기위한 -30℃-80℃(243
Figure kpo00015
K-353
Figure kpo00016
K)사이의 온도범위는 다음의 편차를 가져온다.
Figure kpo00017
[실시예 3]
실시예 2에서와 같이 본 실시예에서 가스 스프링은 연장된 길이 50인치와 20인치의 스트로우크를 갖는다. 20℃의 온도와 확장된 위치에서 유효 스프링힘은 150Ib. 이고 압축된 위치에서 유효스프링힘은 160Ib.이다. 제 1 가스는 질소이고, 제 2 압력원 물질은 설퍼 헥사플루오라이드(SF6)이다. SF6의 임계온도가 45.55℃임에도 불구하고 온도보상 범위는 -30℃-80℃이며 그 이상에서는 가스로만 존재할 수 있다.
초기에 선택된 매개변수의 값은 다음과 같다.
Dp=0.510in.
Dr=0.3125in.
Dt=2.50in.
L=26.0in.
Ls=3.00in.
Lv=9.166in.
Lt(Max)=50.0in.
M=0.464Ib.
Pa=14.7psi
Po=929.5psi
S=20.0in.
Wc=0.0625in.
Wp=0.25in.
Ws=0.0625in.
식(8),(9),(12)를 이용하여 다음 값을 구한다.
Ag=0.204in.2, Ar=0.077in2, Av=0.128in.2
제6도는 설퍼 헥사플루오라이드의 상태도이며, 거기서 증기압은 특정 체적의 함수로서 구성된다.
제6도는 설퍼 헥사플루오라이드의 상태도이며 여기서 증기압을 특정체적의 함수로서 나타내었다. 가스스프링이 기능작용을 하는 동안에 걸친 온도를 나타내는 12개의 곡선이 있다. 점선 "J"는 액체와 증기가 평형상태로 있는 영역을 보여준다. 본 실시예에서 0.4644Ib.의 설퍼 헥사플루오라이드를 가스 스프링내에 주입한다. 표 V는 가스 스프링이 완전히 팽창되고 완전히 압축되는 두가지 제한된 경우에 있어서 설퍼 헥사플루오라이드의 특정 체적을 계산하기위하여 사용되는 양을 보여준다.
[표 5]
Figure kpo00018
설퍼 헥사플루오라이드 0.4644Ib.에 상응하는 작동영역은 제6도에서 점선 "K"로 나타냈다. 본 실시예에서 특정 체적의 영역은 매우 좁다. 더우기 이러한 특정체적은 거기에선 설퍼 헥사플루오라이드가 액체상으로 존재할 수 없는 임계온도 이상으로까지 온도를 연장시킬수 있다. 본 실시예는 확장된 배열로부터 압축된 배열로의 상당한 변화로부터 특정체적을 제한하기위해 고안되었다. 이러한 제한은 배플 32를 실시예 2에서 보다 단부벽 16쪽으로 더 가까이 위치시킴으로서 얻을수 있다. 실시예 2 및 3에서의 Lv의 차이를 주의하라. 이러한 특성은 설퍼 헥사플루오라이드의 압력이 온도에는 전적으로 의존하고 변위 매개변수 X에는 조금 의존하도록 영향력을 가지고 있다. 작동영역이 액체-증기상을 허용하는 곳에서 40℃이상에서 조차도 설퍼 헥사플루오라이드는 온도에따른 압력의 퍼센트 변화가 제1가스인 질소보다 큰 특성을 가지고 있음에 주의하여야 한다.
표 6은 스프링 압축의 모든 영역에 걸친 가스 스프링힘과 실시예 3의 가스 스프링이 고안될 수 있는 온도를 제시한다. 힘값은 상기의 식 16및 15로부터 구하며 설퍼 헥사플루오라이드 증기 압력값은 제6도의 상태도로부터 구한다.
[표 6]
Figure kpo00019
Figure kpo00020
제7도는 완전 압축과 완전팽창에 대한 표 6의 결과를 그린 것이며 보상되지 않는 가스 스프링과의 결과를 비교하였다. 곡선 "L"은 실시예 3의 온도 보상된 가스 스프링에 대해 스프링이 완전히 압축되었을경우 스프링힘 대 온도와의 관계를 나타낸다. 곡선 "M"은 스프링이 완전히 팽창되었을경우 동일한 데이타를 보여준다. 곡선 "N" 및 "O"는 보상되지 않은 가스 스프링이 완전히 압축 및 완전히 팽창되었을경우에 있어 스프링힘 대 온도와의 관계를 보여준다.
제7도 및 표 6은 일부시간을 제2압력원 물질의 임계점이상으로 작동하였을때 조차도 온도변화에대한 보상작용이 있음을 보여준다. 프레온-12 실시예에서와 같이 설퍼 플루오라이드 실시예에 대한 온도보상정도는 표 6의 데이타를 사용하여 온도에따른 스프링힘의 퍼센트 편차를 계산하고 그것을 보상되지 않은 고안물의 기대치와 비교함으로서 정량화할수 있다. 표 7은 온도보상된 결과를 보여준다. 여기서는 온도에 기인한 편차가 6% 이하이고 이값은 프레온-12실시예의 단지 반밖에 안되며 상기의 실시예 2에서의 보상되지 않은 가스 스프링의 편차가 37.5%인것과 비교할때 매우 바람직하다는 것을 알 수 있다.
[표 7]
Figure kpo00021

Claims (33)

  1. 밀봉된 케이스, 케이스의 한쪽 단부를 통해 내부로 부터 외부로 뻗어있는 미끄러질 수 있는 막대기와, 상기의 케이스내의 막대기에 설치되어있는 피스톤을 포함하고 있으며 케이스내에 제1압력원을 함유하여 제1압력이 피스톤에 작용함으로서 막대기를 케이스 밖으로 밀게하여 상기의 케이스내에 제2압력원을 함유하여 제2압력이 피스톤에 작용함으로서 막대기를 케이스내로 밀게하고 상기의 제1압력은 제2압력보다 크며, 온도에 따른 제2압력의 퍼센트 변화는 온도에따른 제1압력의 퍼센트 변화보다 크다는 개선점을 가지는 가스 스프링.
  2. 제1항에 있어 제1압력은 절대온도에 비례하여 변하는 가스 스프링.
  3. 제2항에 있어 제1압력원은 가스 스프링이 노출되는 온도범위에 걸쳐 기체상으로 남아있는 가압된 제1가스인 가스 스프링.
  4. 제3항에 있어 상기의 온도범위는 -30℃-80℃인 가스 스프링.
  5. 제4항에 있어 상기의 가압된 제1가스는 질소인 가스 스프링.
  6. 제1항에 있어 제2압력은 절대온도에 지수적으로 변하는 가스 스프링.
  7. 제1항 또는 6항에 있어 제2압력원은 액체상과 증기상이 평형상태로 있는 두개의 상 시스템의 증기압력인 가스 스프링.
  8. 제7항에 있어 -30℃-80℃의 온도범위에 걸쳐 두개의 상 시스템의 액체 및 증기상이 평형상태로 남아있는 가스 스프링.
  9. 제8항에 있어 두개의 상 시스템은 사세틸렌, 에탄, 프레온 -12, 프레온-13, 프레온-114, 프로판, 프로파디엔, 퍼플루오로프로판, 디메틸에테르, N-부탄, 암모니아, 브롬화수소 및 요오드화수소로 구성된 그룹으로부터 선택되는 가스 스프링.
  10. 제8항에 있어 두개의 상 시스템은 암모니아인 가스 스프링.
  11. 제8항에 있어 두개의 상 시스템은 프레온-12인 가스 스프링.
  12. 제7항에 있어 -30℃-80-℃의 온도범위중 상당한 부분에 걸쳐 두개의 상 시스템의 액체 및 증기상이 평형상태로 남아있는 가스 스프링.
  13. 제12항에 있어 두개의 상 시스템은 설퍼 헥사플루오라이드인 가스 스프링.
  14. 제1항에 있어 제1압력원은 가압된 질소가스이고, 제2압력원은 액체 및 증기상이 평형상태로 있는 두개의 상 시스템의 증기압이며 상기의 두개의 상 시스템은 암모니아, 프레온-12, 설퍼 헥사플루오라이드로 구성된 그룹중에서 선택된 것인 가스 스프링.
  15. 한쪽 단부에 밀폐된 단부벽을 가진 외부관 및 다른쪽 단부에 그곳을 통해 개구부를 갖는 벽을 포함하는 밀봉된 케이스, 외부관내에 배치되어 있으며 상기의 밀폐된 단부벽에 부착된 하나의 단부를 갖는 내부관, 상기의 내부관내에 위치하여 내부관을 피스톤과 밀폐된 단부벽 사이의 제 1 내부체적 및 내부관의 나머지인 제 2 내부체적으로 나누는 미끄러질 수 있는 피스톤, 피스톤에 부착되어 개구부를 통해 뻗어있는 막대기, 내부관 및 외부관 사이에 부착되어 내부관 바깥의 케이스 체적을 밀폐된 단부벽에 인접한 제1외부체적과 개구부를 가진 벽에 인접한 제2외부체적으로 나누는 배플, 제1내부체적과 제1외부체적을 연결하는 제1도관장치, 제2내부체적과 제2외부체적으로 연결하는 제2도관장치, 제1내부 및 제1외부체적내에 위치하여 제1압력으로 하여금 피스톤에 작용하여 상기의 개구부를 통해 막대기를 케이스 밖으로 밀게하는 제1압력원, 제2내부 및 제2외부체적내에 위치하여 제2압력으로 하여금 피스톤에 작용하여 상기의 개구부를 통해 막대기를 케이스내로 제2압력원을 포함하며 여기서 제1압력은 제2압력보다 크며 온도에 따른 제2압력의 퍼센트 변화는 온도에 따른 제1압력의 퍼센트 변화보다 큰 온도보상된 가스 스프링.
  16. 제15항에 있어 제1도관장치는 밀폐된 단부벽쪽으로의 피스톤의 이동크기를 지나서 내부관을 통과하는 최소한 한개의 구멍이며 상기의 내부관은 개구부를 가진 벽쪽으로 뻗어있으나 약간 간격을 두고 떨어져 있으며 내부관은 제2내부체적 및 제2외부체적 사이가 열려져 있어 제2도관 장치를 형성하는 가스 스프링.
  17. 제15항에 있어 제1도관장치는 밀폐된 단부벽쪽으로의 피스톤의 이동크기를 지나서 내부관을 통과하는 최소한 한개의 구멍이며 상기의 내부관은 개구부를 가진 벽쪽으로 뻗어서 벽에 부착되어 있으며 제2도관장치는 밀폐된 단부벽으로부터 떨어져서 피스톤의 이동크기를 지나 내부관을 통과하는 최소한 한개의 구멍인 가스 스프링.
  18. 제16또는 제17항에 있어 밀폐된 단부벽으로부터 피스톤의 이동을 제한하는 정지장치를 포함하는 가스 스프링.
  19. 제18항에 있어 피스톤을 통과하여 유체가 흐르지 못하게 하기위해 상기 피스톤과 내부관 사이에 있는 제1밀봉과 케이스 밖으로 유체가 흐르지 못하기 하기위해 상기의 막대기와 개구부와의 사이에 있는 제2밀봉을 함유하는 가스 스프링.
  20. 제15, 16 또는 17항에 있어 제1압력은 절대온도에 비례적으로 변하는 가스 스프링.
  21. 제20항에 있어 제1압력원은 가스 스프링이 노출되는 온도범위에 걸쳐 기체상태로 남아있는 가압된 제1가스인 가스 스프링.
  22. 제21항에 있어 상기의 가압된 제1가스는 -30℃-80℃의 온도범위에 걸쳐 가스로 남아있는 가스 스프링.
  23. 제22항에 있어가압된 제1가스는 질소가스인 가스 스프링.
  24. 제15항에 있어 제2압력원은 절대온도에 대략 지수적으로 변하는 가스 스프링.
  25. 제15, 16 또는 17항에 있어 제2압력원은 액체상과 증기상이 평형상태로 있는 두개의 상 시스템의 증기 압력인 가스 스프링.
  26. 제25항에 있어 두개의 상 시스템의 액체 및 증기상은 -30℃-80℃의 온도범위에 걸쳐 평형상태로 남아있는 가스 스프링.
  27. 제26항에 있어 두개의 상 시스템은 아세틸렌, 에탄, 프레온-12, 프레온-13, 프레온-114, 프로판, 프로파디엔, 퍼플루오로프로판, 디메틸에테르, N-부탄, 암모니아, 브롬화수소, 요오드화수소로 구성된 그룹으로부터 선택되는 가스 스프링.
  28. 제26항에 있어 두개의 상 시스템은 암모니아인 가스 스프링.
  29. 제26항에 있어 두개의 상 시스템은 프레온-12인 가스 스프링.
  30. 제25항에 있어 두개의 상 시스템의 액체 및 증기상은 -30℃-80℃ 중의 상당한 온도범위에 걸쳐 평형상태로 남아있는 가스 스프링.
  31. 제30항에 있어 두개의 상 시스템은 설퍼 헥사플루오라이드인 가스 스프링.
  32. 제15, 16, 17항에 있어 제1압력원은 가압된 질소가스이고 제2압력원은 액체 및 증기상이 평형상태로 있는 두개의 상 시스템의 증기 압력으로 두개의 상 시스템은 암모니아, 프레온-12, 설퍼 헥사플루오라이드로 구성된 그룹으로부터 선택되는 가스 스프링.
  33. 제 15, 16, 17항에 있어, 내부관, 외부관, 및 피스톤은 횡단면이 원통형인 가스 스프링.
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