KR101184294B1 - 가스 스프링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 스프링의 온도 의존을 보상하기 위해 보상 피스톤에 작용하는 보상 매체를 사용하는 가스 스프링에 관한 것이다.

본 발명의 제1 특징에 따르면, 보상 매체(16M)는 그 임계온도(Tk)가 가스 스프링(50)의 작동 온도 범위에서 하한의 온도(T_lower)와 상한의 온도(T_upper)를 최고 100도로 초과하는 온도 사이에 존재하고, 보상 매체(16M)의 임계 온도(Tk)를 초과하지 않는 가스 스프링(50)의 작동 온도에서, 보상 매체(16M)의 상태를 나타내는 포인트는 증기압 곡선상에 있거나 또는 그 위에 존재하도록 선택된다.

본 발명의 제2 특징에 따르면, 가스 스프링(50)의 구조를 단순화하기 위해, 컵 모양을 갖는 단일 보상 피스톤(10)이 사용되고, 상기 보상 피스톤(10)은 가스 스프링(50)의 작업 챔버(1a), 보상 챔버(16), 및 복구 챔버(15)를 서로 분리한다.

Description

가스 스프링{Gas spring}

도 1은 가스 스프링의 단면을 도시한다.

도 2는 보상 피스톤의 단면에 대한 상세를 도시한다.

도 3은 2와 유사한 변형례를 도시한다.

도 4는 도 1의 가스 스프링의 작업 실린더, 보상 실린더, 및 보상 피스톤의 단면을 도시한다.

도 5는 보상 피스톤 측의 작업 실린더 단부의 제2 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 6은 보상 피스톤 측의 작업 실린더 단부의 제3 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 7은 보상 피스톤 측의 작업 실린더 단부의 제4 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 8은 보상 피스톤 측의 작업 실린더 단부의 제5 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 9는 보상 피스톤 측의 작업 실린더 단부의 제6 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 10은 보상 피스톤 측의 작업 실린더 단부의 제7 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 11은 보상 피스톤 측의 작업 실린더 단부의 제8 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 12는 보상 피스톤 측의 작업 실린더 단부의 제9 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 13은 피스톤 로드 측의 작업 실린더 단부의 제2 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 14는 피스톤 로드 측의 작업 실린더 단부의 제3 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 15는 피스톤 로드 측의 작업 실린더 단부의 제4 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 16은 피스톤 로드 측의 작업 실린더 단부의 제5 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 17은 피스톤 로드 측의 작업 실린더 단부의 제6 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

도 18은 피스톤 로드 측의 작업 실린더 단부의 제7 구현예의 단면을 상세히 도시한다.

본 발명은 보상 피스톤과 함께, 작동 매체가 충진된 작동 챔버를 한정하는 작동 실린더 및 상기 작동 실린더의 개구를 통하여 작동 챔버 내로 이동이 가능하게 돌출된 작동 로드를 갖고, 상기 작동 챔버 내의 작동 매체, 보상 챔버 내에 수용되고 온도 상승에 따라 작동 챔버의 부피가 증가하도록 팽창하는 보상 매체, 및 복구 챔버 내에 수용되고 작동 챔버의 부피가 감소하도록 복구 챔버 내에 수용된 복구 매체의 압력이 작동되는 보상 피스톤을 구비한 가스 스프링에 관한 것이다.

보상 매체의 사용에 의해 가스 스프링의 온도 의존 특성을 보상하기 위한 목적을 갖는 가스 스프링은 예를 들어, 독일특허 DE 31 41 295A1등에 알려져 있다.

보상 매체로 사용가능한 물질에 관하여, 독일특허 DE 31 41 295A1에는 매우 일반적인 방식으로 "특수 유체"로 언급되어 있다. 이에 반하여, 독일특허 DE 25 11 289A1은 같은 분야를 갖는데, 구체적으로, 상기 보상 매체로 유압 오일(hydraulic oil)이 언급되어 있다. 마지막으로, 미국 특허 US 4,613,115에 의하면, 구체적인 물질의 이상 시스템(two-phase system), 또는 보다 정확하게, 개개의 압력과 온도 조건하에서 문제의 물질이 유체와 기체 상태로 공존하는 시스템이 보상 매체로 사용된다.

그러나, 이러한 보상 매체들의 어느 것도 실용적으로 모든 면에서 만족스러운 것으로 입증되지 못했다. 구체적으로, 통상 사용되던 미네랄 오일은 통상 가스 스프링의 작동 온도 범위인, 한편, 대략 -30도와 대략 50bar 그리고, 다른 한편으로 대략 80도와 대략 440bar의 압력 사이의 온도 범위에서 만족스러운 유용한 부피 팽창을 갖지 않는다.

본 명세서의 문맥에서 용어 "유용한 부피 팽창"은 온도 상승으로 야기된 부피 증가와 동시에 압력 증가로 인한 부피 감소 사이의 차이를 뜻하기 위해 사용된다.

본 발명의 목적은 가스 스프링의 온도 의존에 대한 향상된 보상을 갖는 앞서 언급된 형태의 가스 스프링을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 가스 스프링의 작동 온도 범위의 하한과 실질적으로 동일한 제1 온도와, 대략 100도 정도로 가스 스프링의 작동 온도 범위의 상한을 초과하는 제2 온도 사이에 임계온도가 존재하는 보상 매체가 선택되고, 보상 매체가 작용하는 보상 피스톤의 면과, 작동 매체가 작용하는 보상 피스톤의 면과, 가스 스프링의 설계 온도에서 작동 챔버의 부피와, 가스 스프링의 설계 온도에서 보상 챔버의 부피와, 가스 스프링의 설계 온도에서 보상 피스톤에 작용하는 복구 매체의 복구력이 특정 치수로 정해지고, 보상 매체의 임계온도를 넘지 않는 가스 스프링의 작동 온도에서 작동 매체의 상태를 나타내는 포인트(point)가 증기압 곡선상에 있거나 또는 그 위에 존재하도록 서로 조화되는 앞서 언급된 형태의 가스 스프링에 의해 달성될 수 있다.

발명자가 인식한 바에 따르면, 그 비등 곡선이 상술한 바와 같은 작동 조건의 범위로부터 멀리 벗어나 있어서, 한편으로 실질적으로 비압축성임에도 불구하 고, 다른 한편으로, 아주 적은 부피 팽창을 갖는 미네랄 오일과 같은 통상적인 유체, 및 주로 가스 상태에 기인하는 높은 부피 팽창이 가스 상태의 높은 압축 특성에 의해 다시 한번 무효로 되는 2개 상(phase)의 시스템에 더하여, 한편으로 문제되는 작동 조건에서 상당한 수준의 부피 팽창을 가지면서, 다른 한편으로, 실질적으로 비압축성이어서, 부피 팽창이 제한 없이 가스 스프링의 온도 의존 특성을 보상하기 위해 실질적으로 활용될 수 있는 제3의 물질 군이 존재한다. 한편으로, 비등 직전의 유체가 상대적으로 높은 부피 팽창을 갖지만, 다른 한편으로, 여전히 유체인 그들의 특성은 실질적으로 비압축성이라는 사실에 의하여 기본적인 착상이 이루어진다. 그러나, 가스 스프링의 통상 작동 온도 범위의 상한을 100도 이상 넘는 임계온도를 갖는 물질은 미네랄 오일의 유용한 부피 팽창을 상당히 초과하는 유용한 부피 팽창을 갖지 못한다. 게다가, 발명자는 임계 온도가 가스 스프링의 통상 작동 온도 범위 내인 물질로, 그 임계 온도 이상의 작동 온도에서 가스 상태와 유체 상태를 분별하지 못하는 경우에, 이 온도 범위에서 이러한 물질들의 거동은 실질적으로 유체의 거동에 대응되는 밀도 조건이 된다는 것을 인식하였다. 마지막으로, 발명자들은 가스 스프링의 치수들과 가스 스프링에서 우세한 압력들을 서로 조화시켜서, 개별적으로 사용된 보상 매체에 의해 가스/유체의 이상 조건으로의 천이가 높은 신뢰도로 방지될 수 있다는 것을 또한 인식하였다.

본 발명의 문맥에서 보상 매체의 상태를 나타내는 포인트가 증기압 곡선의 위에 있다는 사실이 언급되었을 때, 통상의 압력/온도 그래프(pT graph)가 참조되었고, 따라서, 보상 매체가 유체 상태에 있다는 사실이 의미된 것이다.

바람직하게, 제2 온도는 가스 스프링의 작동 온도 범위의 상한을 대략 60도 정도밖에 초과하지 않아야 한다. 보다 바람직하게, 제2 온도는 실질적으로 가스 스프링의 작동 온도 범위의 상한과 같은데, 즉, 보상 매체의 임계 온도는 가스 스프링의 작동 온도 범위 내에 있다.

본 발명의 전개에 있어서, 보상 매체는 이산화탄소(CO₂),에탄(C₂H₆),프로판(C₃H₆), 황화 수소(hydrogen sulfide, H₂S),암모니아(NH₃),매틸렌 클로라이드(CH₃CI),이산화 황(SO₂), 및 설퍼 핵사플루오라이드(SF₆)의 군으로부터 각 경우의 사용되는 조건의 함수로서 선택된다. 본 발명에 따른 가스 스프링이 자동차에 사용될 때, 사람에게 직접 접촉되는 의자 및 유사한 장비는 예를 들어, 인화성, 가연성, 독성, 환경 친화성, 등등 일련의 선택 기준이 더 고려되어야 하는 것은 당연하다. 이러한 모든 기준을 고려하면, 이산화탄소(CO₂) 또는 설퍼 핵사플루오라이드(SF₆)가 가장 유리하고, 이산화탄소(CO₂)는 상당히 높은 유용한 부피 팽창을 갖는다.

더욱이, 보상 매체의 임계 온도를 넘는 가스 스프링의 작동 온도에서 보상 매체의 압력은 항상 보상 매체의 임계압력보다 높도록 가스 스프링이 설계되는 것이 유리하다는 것이 입증되었다.

본 발명의 문맥에서, 본 발명에 따른 보상 매체의 단독 사용이 항상 선호된다고 하더라도, 보상 챔버의 전체 가용한 부피는 온도 의존 팽창 및 이에 따른 보 상 피스톤의 운동을 위해 이용될 수 있고, 특별한 경우에, 적어도 하나의 물질은 본 발명에 따른 보상 매체인 적어도 둘 이상의 물질을 포함하는 혼합 물질을 보상 챔버에 도입하는 것이 바람직할 수 있다.

예를 들어, 가스 스프링의 치수와 또한 보상 챔버의 부피는 요구되는 효과를 달성할 수 있도록 외부 조건에 의해 결정되는 것이 유리하다. 다만, 상기 부피의 일부는 상기 보상 매체로 채워져야 한다.

앞서 설명된 단점에 더하여, 앞서 언급된 공개 명세서로부터 알려진 가스 스프링은 큰 전체 사이즈를 요구하는 복잡한 구조에 의해 추가적인 단점을 갖는데, 특히, 보상 피스톤의 설치이다. 예를 들어, 독일특허 DE 31 41 295A1에 공지된 가스 스프링의 경우에, 작업 실린더에 이동가능하게 위치된 첫 번째 피스톤은 스페이서에 의해 간격을 두고 작업 실린더를 동축으로 둘러싸는 외부 실린더에 이동가능하게 배치되고, 복구 챔버 또는 스프링 챔버를 보상 챔버와 분리하는 두 번째 피스톤과 연결된다.

본 발명의 제2 특징에 따르면, 본 발명의 또 다른 목적은 간격을 두고 작업 실린더를 둘러싸고, 작업 로드가 나오는 가스 스프링의 일단으로부터 떨어진 끝단에 의해 작업 실린더를 넘어서 연장되고, 그 떨어진 끝단이 폐쇄된 보상 실린더를 더 구비한 앞서 언급한 가스 스프링에 의해 달성된다. 이때, 상기 보상 실린더와 작업 실리더 사이에는 실질적으로 환상의 챔버로 보상 챔버가 형성되고, 보상 실린더는 그 내부에 컵 베이스와 컵 베이스로부터 작업 로드가 나오는 일단 방향으로 연장된 실린더 부분을 갖는 이동 가능한 단일 보상 피스톤을 갖고, 작업 실린더와 결합되며, 보상 로드는 작업 챔버, 보상 챔버 및 복구 챔버를 서로 분리한다.

이러한 설계의 결과, 단일 보상 피스톤은 작업 챔버로부터 보상 챔버를 한정하고, 보상 챔버 및 작업 챔버를 복구 챔버로부터 한정한다. 이것은 부품의 개수와 전체 길이가 감소됨을 의미하고, 작업 챔버의 직경은 복구 챔버의 직경보다 작고, 따라서, 보상 피스톤의 행정이 작아진 결과, 작업 챔버를 위한 부피의 큰 증가가 달성될 수 있다.

가스 스프링의 전체 길이의 감소에 대해 보다 더 고려하면, 컵 모양의 보상 피스톤의 원통 부분은 보상 실린더 및 작업 실린더 사이에 환상의 실린더에 끼워지는 것이 제안된다. 이러한 방식에 의해, 작업 실린더의 전체 길이는 작업 로드의 이동을 위해 이용될 수 있다.

보상 피스톤과 보상 실린더 사이에는 특별한 안내 요소가 없을 수 있는데, 예를 들어, 컵 모양의 보상 실린더의 원통 부분은 적어도 그 외측 둘레 표면의 일부를 통하여, 보상 실린더의 내측 둘레 표면에 맞닿을 수 있다. 이것은 구조의 추가적인 단순화 및 부품 수의 감소에 기여한다.

컵 모양의 보상 피스톤의 원통 부분으로 돌출된 단부인 작업 실린더의 자유 단부에는 플렌지 형상의 확장된 부분이 제공될 수 있고, 보상 피스톤은 이 확장된 부분 위에 이동가능하게 가이드될 수 있으므로, 보상 매체가 작용하는 보상 피스톤의 표면 및 보상 챔버의 주어진 길이에 대한 보상 챔버의 부피는 서로 독립적으로 결정되는 것이 허용되도록 설계변수가 제공될 수 있다.

보상 실린더에 대한 작업 실린더의 진동 및 횡방향 변형을 방지하기 위해, 본 발명의 전개에서, 적어도 하나의 지지 요소가 보상 실린더와 작업 실린더 사이의 환상 챔버 내에 제공되어야 하며, 이 적어도 하나의 지지요소는 보상 실린더에 대해 작업 실린더를 고정해야 하며, 보상 매체를 위한 적어도 하나의 관통 보어를 가져야 한다. 이러한 장치에서 보상 실린더는 적어도 하나의 지지요소를 위한 적어도 하나의 스톱퍼(stopper)를 가질 수 있고, 이 적어도 하나의 스톱퍼는 적어도 하나의 지지요소와 작업 로드가 나오는 단부 사이의 소정의 최소 간격을 보장한다.

여기에 부가되거나 또는 대안으로서, 작업 실린더를 위한 복수의 지지 부착 부품이 원통 부분에 제공될 수 있는데, 바람직하게 그 자유 단부에 근접하게 배치될 수 있다. 이 지지 부착 부품은 작업 실린더를 향해 내부 반경방향으로 연장될 수 있고, 예를 들어, 블록들처럼 설치될 수 있다.

보상 매체의 부피는 온도가 지속적으로 상승함에 따라 증가되는 것이 바람직하다. 이 경우, 여기에 부가되거나 또는 대안으로, 보상 매체는 전부 또는 부분적으로 비압축성일 수 있다.

가스 스프링이 본 발명의 제2 특징에 따라 설계되었을 때, 본 발명의 첫 번째 조건을 만족하는 보상 매체를 사용하는 것이 좀더 유리하다는 사실을 무시하고, 본 발명의 두 번째 측면에 따른 설계에 사용된 보상 매체는 오일이나 팽창되는 왁스 또는 하나의 상은 액체이고, 다른 상은 가스인, 예를 들어, 설퍼 핵사플루오라이드와 같은 2상(phase) 시스템일 수 있다.

공지된 바와 같이, 본 발명의 두 측면에 따른 작업 챔버는 작업 로드와 연결된 피스톤에 의해 보상 피스톤과 인접한 첫 번째 작업 챔버와 작업 로드가 관통하 는 두 번째 작업 챔버로 나누어질 수 있다.

더욱이, 본 발명의 양 측면에 따른 복구 챔버는 예를 들어, 보상 피스톤에 대해 작업 챔버가 감소되도록 작용하는 압축 가스로 채워질 수 있다. 그 결과, 특별히 가스 스프링의 짧은 전체 길이가 달성될 수 있다. 그러나, 대안으로서나 또는 이에 더하여, 복구 챔버가 보상 피스톤에 대해 작용하는 스프링 장치를 수용하는 것이 가능하다.

이 경우, 상기 스프링 장치는 적어도 하나의 압력 스프링, 예를 들어, 적어도 하나의 헬리컬 스프링 또는 컵 스프링 등을 포함할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여, 예시적인 실시예들을 통하여 보다 상세히 이하에서 설명될 것이다.

도 1에서, 본 발명에 따른 가스 스프링은 전체적으로 도면번호 50으로 표시된다. 가스 스프링(50)은 작업 피스톤(2)이 이동가능하게 안내되는 작업 실린더(1)를 포함한다. 작업 피스톤(2)은 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a)를 제1 작업 챔버(3)와 제2 작업 챔버(4)로 나눈다. 피스톤 로드(6)은 작업 피스톤(2)에 고정되며, 외부에 대해 시일된 제2 작업 챔버(4)를 관통하고, 시일된 방식으로 가스 스프링(1)의 외부로 인출된다.

작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a)에서 작업 피스톤(2)의 움직임을 댐핑하는 것이 가능하도록, 이 챔버는 압축 가스(1M)로 채워져 있고, 제1 작업 챔버(3)를 제2 작업 챔버(4)와 연결하는 스로틀 보어(5)가 작업 피스톤(2)에 제공된다. 그러나, 스로틀 보어(5)에 더하거나 또는 대안으로, 적어도 하나의 종방향 그루브(groove)가 작업 실린더(1)에 또한 만들어질 수 있다.

작업 실린더(1)의 개방 단부(1c), 피스톤 로드가 나오는 단부(1b)와 반대 단부는 컵 모양의 보상 피스톤(10)에 의해 닫혀진다. 이 보상 피스톤(10)은 도시된 실시예에서 원형 디스크 형상인 컵 베이스(1a)와 상기 컵 베이스(1a)로부터 피스톤 로드가 나오는 단부(1b)의 방향으로 돌출되는 원통 부분(10b)를 포함한다. 상기 내부 챔버의 원통 부분(10b)은 보상 피스톤(10)의 컵 개구(11)를 형성하며, 상기 원통 부분(10b)은 작업 실린더(1)의 원주 표면의 바깥 위에 안내된다. 이를 위해, 작업 실린더(1)는 그 단부(1c)에 플랜지 형상의 확장 부분(7)을 갖고, 확장 부분(7)의 반경 방향으로 외주 바깥 면에는 오(O) 링(9)이 끼워지는 환상 그루브(8)가 제공된다. 보상 피스톤(10)이 작업 실린더(1)의 단부(1c)의 플랜지 형상의 확장 부분(7) 위에서 이동가능하도록 보상 피스톤(10)의 원통 부분(10b)이 안내되며, 오 링(9)에 의해 밀폐된다.

도 1에 도시된 바와 같이 보상 피스톤(10)이 작업 실린더(1)의 자유 단부(1c)에 맞닿는 때에도 가스(1M)는 보상 피스톤(10)과 작업 실린더(1) 사이의 맞닿음 간극(abutment gap)을 관통하므로, 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a)의 압축 가스(1M)는 보상 피스톤(10)에 표면 A1으로 작용한다. 이 가스(1M)의 압력은 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a)가 확장되는 방향으로 보상 피스톤(10)에 힘을 작용한다.

더욱이, 보상 피스톤(10)은 그 원통 외주 표면이 간격을 두고 작업 실린더를 동축으로 둘러싸며, 피스톤 로드(6)로부터 떨어진 단부에서 베이스(13)에 의해 닫혀지는 보상 실린더(12)에 축 방향으로 이동가능하도록 배치된다.

밀폐 디스크(14)는 피스톤 로드(6) 측에서 작업 실린더(1) 및 보상 실린더(12)를 밀폐하고, 따라서, 대기로부터 외부까지의 피스톤 로드(6)의 외부 밀봉은 이동 부품이 없는 정적인 방식에 의해 보상 챔버(16)의 밀폐에 의해 수행된다.

작업 실린더(1)와 보상 실린더(12) 사이에 형성된 환상 챔버(16)는 온도 상승에 따라 확장되어 부피가 팽창하는 보상 매체(16M)로 채워진다. 이 보상 매체(16M)는 원통 부분(10b)의 끝면 A2에서 보상 피스톤(16M)에 작용하고, 여기에 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a)가 확장되는 방향으로 힘을 작용한다.

상기 보상 챔버(16)는 보상 피스톤(10)과 베이스(13) 사이에 형성되고, 압축 가스(15M)로 채워진 복구 챔버(15)로부터 밀봉하기 위해, 보상 피스톤(10)은 바깥 면에 환상 밀봉(18)이 끼워지는 반경 방향의 주위 그루브(17)을 갖는다. 이러한 이유로, 복구 챔버(15) 내의 압축 가스(15M)은 표면 A3으로 보상 피스톤(10)에 작용하며, 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a)가 작아지는 방향으로 힘을 작용한다.

복구 챔버(15)내에 압축 가스(15M)가 제공되는데 더하거나 또는 대안으로, 보상 피스톤(10)의 예비장력(pretension)은 보상 피스톤(10)에 작용하는 적어도 하나의 압력 스프링(15M`)의 복구 챔버(15) 내 배치 및/또는 보상 피스톤(10)에 연결된 적어도 하나의 인장 스프링의 복구 챔버(15)내 배치에 의해 작업 실린더(1)의 자유 단부(1c) 방향으로 형성될 수 있다.

앞서 이미 언급된 바와 같이, 보상 피스톤(10)이 복구 챔버(15)가 작아지도 록 보상 실린더(12) 쪽으로 예비장력을 받도록 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a)에는 압축 가스(1M)가 채워져 있다. 특히, 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a) 내에서 작업 피스톤(2)의 위치에 무관하게, 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a) 내의 압력의 결과로 보상 피스톤(10)에 작용하는 힘보다, 보상 챔버가 커지도록 보상 피스톤(10)에 작용하는 힘이 항상 더 크게 되는 방식으로, 복구 챔버(15)에 제공된 가스(15M)의 압력 및, 압력이 작용하는 표면 A1 및 A3이 결정되고, 선택된다.

보상 실린더(12)에 대해 작업 실린더(1)를 지지하고 상대적인 위치를 유지하는 지지 요소(40)가 더 구비될 수 있다는 점을 또한 지적해야 한다. 지지 요소(40)는 관통하는 보상 매체(16M)의 통행에 방해를 최대한 줄이기 위해 적어도 하나의 관통 보어(40a)를 갖는다. 보상 실린더(12) 상의 비드(41)는 지지 요소(40)가 항상 피스톤 로드 측의 작업 실린더(1)의 단부(1b)로부터 최소한의 소정 간격을 유지하도록 보장한다. 이러한 종류의 다수의 스페이서 요소가 제공될 수 있음을 물론이다.

보상 매체(16M)의 최적 이용을 달성하기 위하여, 가스 스프링(50)의 작동을 위한 하한의 온도, 예를 들어, -30도에서, 보상 피스톤(10)은 끝면을 갖는 플랜지 형상의 확장 부분(7)의 단부(1c)에 근접하게 배치된다. 이것은 작동 실린더(1)의 내부 챔버(1a)의 부피가 최소임을 의미한다.

주위 온도가 상승하면, 보상 매체(16M)는 확장되고, 보상 피스톤(10)을 보상 실린더(12)의 베이스(13)를 향해 이동시키며, 즉, 복구 챔버(15)는 감소된다. 이것의 결과로서, 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a)는 증가한다. 이것은 작업 실린더(1) 의 내부 챔버(1a) 부피의 증가가 온도 증가의 효과를 상쇄하기 때문에, 만일 일정하게 유지되던 내부 챔버(1a)의 부피가 증가하지 않거나 또는 한정된 범위 내에서만 증가한다면, 작업 실린더(1)의 내부 챔버(1a)의 온도가 상승하는 결과로, 압력이 증가함을 의미한다.

본 발명에 따르면, 바람직하게, 이산화탄소(CO2)가 보상 매체(16M)로 사용되며, 가스 스프링(50) 및 그 부품의 형상이나 치수에 대응되는 결과로서, 이 이산화탄소는 복구 챔버(16) 내에서 높은 압력 상태를 유지해서, 압력/온도 그래프(pT graph)에서 그 상태를 나타내는 포인트는 통상의 가스 스프링의 작동 온도범위, 즉, 대략 -30도의 하한 온도 T_lower와 대략 +80도의 상한 온도 T_upper 사이에서 언제나 증기압 곡선 상이나 하여튼 그 위에 존재한다.

이 경우 적절한 압력에서의 이산화탄소의 밀도는 실질적으로 액체처럼 거동하도록 높기 때문에, 이산화탄소의 임계온도(Tk)는 대략 31도이므로 문제가 되는 작동 온도 범위 안에 존재한다는 사실 및 임계온도 위의 온도에서 가스 상태와 액체 상태를 더 이상 구분하지 못한다는 사실은 놀랍게도 가능하면 높은 것이 바람직한 유용한 부피 팽창에 나쁜 영향을 주지 않는다.

본 발명에 따른 가스 스프링(50)의 치수 결정의 결과로서, 임계온도 Tk 이상의 온도에서 이산화탄소의 압력은 언제나 이산화탄소의 임계 압력 Pk(73.8 bar)보다 높다는 것을 더욱 보장한다.

용어 "유용한 부피 팽창 ΔV" 또는 보다 정확하게, 용어 "상대적인 유용한 부피 팽창 ΔV/V"는 본 발명의 문맥에서 온도의 상승에 의한 부피 팽창과 동시에 압력의 상승에 의한 부피 감소의 차이를 의미하기 위해 사용된다. 즉,

T_upper는 작동 온도 범위의 상한 온도이다.

T_lower는 작동 온도 범위의 하한 온도이다.

P_upper는 상한 온도에서 보상 챔버 내의 압력이다.

P_lower는 하한 온도에서 보상 챔버 내의 압력이다.

γ는 보상 매체의 부피 팽창 계수이다.

α는 보상 매체의 압축 계수이다.

비교 매체로 사용되는 미네랄 오일의 상대적인 유용한 부피 팽창 ΔV/V은 상기한 작동 온도의 범위에서 대략 6.2%가 된다.

이와 대조적으로, 이산화탄소는 31.8%의 상대적인 유용한 부피팽창 ΔV/V을 부여한다. 더욱이, 이산화탄소는 낮은 원가로 이용할 수 있고, 무독성, 환경친화적, 비 가연성을 갖고, 심지어 다른 물질, 특히 공기와 혼합되었을 때도 폭발성이 없는 등의 장점들을 제공한다.

사람에 직접 또는 간접으로 접촉되는 가스 스프링(50)에 사용되는 보상 매체(16M)는 이산화질소(NO₂) 및 설퍼 핵사플루오라이드(SF₆)이다. 이산화질소(NO₂)의 임계온도는 대략 46.4도이고, 임계압력은 대략 72.5 bar이다. 더욱이, 이산화질소는 이산화탄소의 상대적인 유용한 부피 팽창 ΔV/V 보다 약간 낮은 대략 26%의 상대적인 유용한 부피 팽창 ΔV/V을 갖는다. 설퍼 핵사플루오라이드(SF₆)의 임계 온도 Tk는 대략 45.6도이고, 임계 압력 Pk는 대략 37 bar이다. 더욱이, 설퍼 핵사플루오라이드(SF₆)는 대략 10.7%의 상대적인 유용한 부피 팽창 ΔV/V을 갖는데, 그것은 이산화탄소보다 다소 낮지만, 여전히 미네랄 오일보다 상당히 높다.

가연성, 폭발성, 독성, 악취 공해의 가능성 등과 같은 특성은 제한된 특성이나 배제를 위한 기준을 나타내지 않는 특수한 응용을 위하여, 추가적으로, 에탄, 프로판, 황화 수소, 암모니아, 메틸렌 클로라이드, 및 이산화 황을 사용하는 것이 가능하다. 이들 물질의 변수는 표 1에 표시된다.

	Tk(℃)	Pk(bar)	ΔV/V(%)
Ethane	32.1	50.3	16.1
Propane	96.9	43.6	13.0
Hydro sulfide	100.4	89.0	19.7
Ammonia	132.4	113.0	22.6
Methylene chloride	143.0	68.9	14.6
Sulfur dioxide	157.5	80.3	16.6

위에 표시된 상대적으로 유용한 부피 팽창 ΔV/V의 값은 실질적인 가스 스프링의 구조에 의존하지 않고, 상한 온도 +80도에서 보상 챔버(16)의 압력은 대략 440 bar이고, -30도의 하한 온도에서 대략 50 bar라는 단순화된 가정을 사용하여 위에 보여진 수식을 기본으로 하여 계산된 것임을 지적해야 한다. 그러므로, 표시된 값들은 하나 또는 또 다른 물질의 적합성 및 크기의 영역에서 단순히 착상을 주는 것이다.

본 발명에 따른 가스 스프링의 몇몇 변화된 실시예들이 이하에서 설명될 것이다.

도 1 및 도 4에서, 보상 피스톤(10)은 일체로 만들어지지만, 도 2의 실시예에서 상기 보상 피스톤은 원통 외측 표면에서 컵을 연장하고 보상 피스톤과 동일한 외측 직경을 갖는 실링 슬리브(20)가 고정적으로 끼워지는 반경 외주의 단차진 환상의 함입부(19)을 갖는다. 끝면에서 실링 슬리브(20)는 오 링과 같은 밀폐 요소(미도시)에 의해 보상 피스톤으로부터 밀봉될 수 있다.

비록 도 2에 따른 실시예에서, 보상 피스톤(10)이 컵 형상을 하고 있지만, 도 3을 참조하여, 컵 모양은 원칙적으로 디스크 모양의 베이스 부분(10a)과 실질적으로 원통 슬리브(20`)의 협력에 의해 형성될 수 있음을 지적해야 한다. 만일 디스크 형상의 베이스 부분(10a)의 두께가 보상 실린더(12) 내에서 안내되어야 하는 보상 피스톤(10)을 넘는 길이로 충분하면, 슬리브(20`)는 반드시 보상 피스톤(10)과 동일한 외부 직경을 가질 필요가 없다.

도 5 내지 도 12는 보상 피스톤(10)으로부터 밀봉된 보상 피스톤(10) 측 작업 실린더(1) 끝단의 서로 다른 실시예를 보여준다.

도 5에서, 보상 피스톤 측의 튜브 형태의 작업 실린더(1)의 단부(1c)는 반경방향으로 외측을 향하고 플랜지(22)로 형성되며, 이 트럼펫 형상으로 형성된 공간에 오 링(9)를 수용한다.

또한, 도 6,7 및 도 8은 보상 피스톤 측의 튜브 형태의 작업 실린더의 끝단은 플랜지(22)를 제공하기 위해 반경방향으로 외측으로 형성된다. 이 경우에, 도 6에서,U자 형태의 단면을 갖는 실링 링(21)은 플랜지(22)위에 씌워진다.

도 7에서, 작업 실린더(1)를 둘러싸는 지지 링(23)은 플랜지(22)와 간격을 두고 평행하게 배치되며, 고정 링(24)에 의해 작업 실린더에 고정된다. 플랜지(22)와 지지 링(23) 사이의 환상 갭은 오 링(9)를 수용하는 환상 그루브(8)을 형성한다.

도 8에서, 두 번째 지지 링(25)는 고정 링(24)에 의해 고정된 지지 링(23)과 소정 간격을 두고 평행한 플랜지(22)에 기대어지며, 작업 실린더(1)의 환상 그루브(26) 내로 반경방향으로 돌출된다. 오 링(9)을 수용하는 환상의 그루브(8)는 두 개의 지지 링(23,25) 사이에 형성된다.

도 9에서, 서로에 대해 간격을 두고 평행한 두 개의 지지 링(23,25)은 작업 실린더의 외측 표면에 부착되며, 이들 사이에 오 링(9)을 수용하는 환상 그루브(8)를 형성한다.

도 10 및 도 11의 예시적인 실시예에서, 플랜지 형상의 확장 부분은 존재하지 않고, 대신에 오 링(9)을 수용하기 위한 환상의 그루브(8)가 작업 실린더(1)의 외측 표면에 만들어진다.

도 10에서 환상의 그루브는 반경방향의 변형을 통해 만들어지며, 도 11에서 기계가공에 의해 형성된다.

도 12에 따라, 오 링(9)을 수용하는 환상의 그루브(8)는 작업을 위해 작업 실린더(1)와의 사이에 고정적인 관계가 존재하도록 작업 실린더(1)와 연결된 분리 부분(1d)에 만들어진다.

도 13 내지 도 18은 피스톤 로드 측의 가스 스프링(50) 끝단을 도시한다.

여기서, 튜브 형태의 보상 실린더(12)의 끝단은 반경방향의 내부 쪽으로 플랜지(27)을 향하여 형성된다. 환상의 지지 요소(28)은 플랜지(27)에 축 방향으로 맞닿는다. 지지 요소(28)은 보상 실린더(12)에 의해 그 반경방향으로 외측 표면 위에 둘러싸지며, 도 13,16 및 도 17에 예시된 실시예에서, 비드(bead, 29)는 변형에 의해 보상 실린더(12)에 형성되며, 도 13 및 도 17에서 지지 요소(28)에서 대응되는 리세스에 끼워진다.

가스 스프링으로 돌출된 지지 요소(28)의 끝단은 직경이 작업 실린더의 내부 직경과 맞도록 감소되는 단차(31)을 갖고 이 단차(31)는 작업 실린더(1)의 끝단에 끼워진다.

환상의 실링 요소(32)는 끝면에서 지지 요소(28)에 대해 지지되고, 반경방향의 안쪽으로 피스톤 로드(6)에 대해 맞닿으며, 반경방향의 바깥 쪽으로 작업 실린더(1)의 내부 벽에 맞닿는다.

도 13에서, 작업 실린더는 지지 요소(28)에 결합되며, 반면에 도 14 내지 도 16에 도시된 예시 실시예에서 반경방향의 안쪽으로 향하는 비드(33)는 작업 실린더의 변형을 통하여 형성되며, 지지 요소(28)의 단차(31)에서 대응되는 요부(34)에 끼워진다.

도 17에서, 지지 요소(28)의 단차(31)는 반경방향으로 주위의 외측 표면에서 작업 실린더(1)의 끝단의 플랜지 형상으로 반경방향의 안쪽을 향하는 모양(36)이 끼워지는 환상의 그루브(35)를 가진다.

도 16에서, 단차(31)로 안내하는 부분인 지지 요소(28)의 숄더(37)가 비드(29)에 기대어진다.

도 18에서, 반경방향으로 안쪽을 향하는 비드(38)가 실링 요소(32)로부터 축 방향으로 이격된 위치에서 작업 실린더(1)의 변형을 통하여 형성되며, 피스톤(2)의 바깥 방향의 이동을 제한하는 스톱퍼(stopper)를 형성한다.

도 13에서 도 15, 도 17 및 도 18에서, 실링 링(39)는 보상 챔버(16) 내에 배치되는데, 지지 요소(28)에 근접하거나, 또는 축 방향으로 지지 요소에 기대어지고, 실링 링(39)은 반경방향의 내측으로 작업 실린더(1)의 외부 벽에 기대어지고, 반경방향의 외측으로 보상 챔버(12)의 내부 벽에 기대어지며, 지지 요소(28)로부터 보상 챔버(12)를 밀폐한다.

본 발명의 가스 스프링에 따르면, 가스 스프링의 온도 의존성에 대한 향상된 보상능을 갖는다.

Claims (17)

1. 보상 피스톤 장치(10)와 함께, 작업 매체(1M)로 채워져 있는 작업 챔버(1a)를 한정하는 작업 실린더(1); 및

   상기 작업 실린더(1)의 오프닝을 통하여 이동가능하게 상기 작업 챔버(1a)내로 돌출된 작업 로드(6)를 포함하는 가스 스프링(50)으로서,

   상기 보상 피스톤 장치(10)는 작업 매체(1M)의 압력, 보상 매체(16M)의 압력 및, 복구 매체(15M)에 의해 작용하며, 보상 매체(16M)는 보상 챔버(16) 내에 제공되고 온도가 상승하면 팽창됨으로써 작업 챔버(1a)의 부피가 증가하고, 복구 매체(15M)는 복구 챔버(15) 내에 제공됨으로써 작업 챔버(1)의 부피가 감소하며,

   가스 스프링은 보상 실린더(12)를 더 구비하고, 상기 보상 실린더는 그로부터 간격을 두고 상기 작업 실린더(1)를 둘러싸고, 작업 로드가 나오는 쪽의 가스 스프링(50)의 일단(1b)에서 떨어진 일단(1c)에 의하여 작업 실린더(1)를 넘어서 연장되고, 상기 떨어진 일단(1c)에서 폐쇄되며, 상기 보상 챔버(16)는 작업 실린더(1)와 보상 실린더(12) 사이의 환상 챔버(annular chamber)에 의해 형성되고,

   상기 보상 피스톤 장치는 단일 보상 피스톤(10)을 포함하고, 상기 단일 보상 피스톤은 상기 보상 실린더(12) 내에 이동 가능하게 수용되고, 컵 베이스(10a) 및 원통 부분(10b)을 가지는 컵 모양을 취하고, 원통 부분(10b)은 작업 로드가 나오는 단부(1b)의 방향으로 컵 베이스(10a)로부터 돌출되고, 작업 실린더(1)와 맞물리며, 단일 보상 피스톤(10)은 작업 챔버(1a), 보상 챔버(16), 및 복구 챔버(15)를 서로로부터 분리하는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
2. 제1항에 있어서,

   상기 단일 보상 피스톤(10)의 원통 부분(10b)은 보상 실린더(12)와 작업 실린더(1) 사이의 환형 챔버(16)에 끼워지는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
3. 제1항에 있어서,

   상기 단일 보상 피스톤(10)의 원통 부분(10b)은 적어도 그 외측 둘레 면의 일부에 의하여 보상 실린더(12)의 내측 둘레 면에 맞닿는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
4. 제1항에 있어서,

   상기 작업 실린더(1)의 자유 단부(1c)에는 그 끝단이 단일 보상 피스톤(10)의 원통 부분(10b) 안으로 돌출된 플랜지 형상의 확장 부분(7)이 제공되고, 보상 피스톤(10)은 상기 확장 부분(7) 상에서 이동가능하게 안내되는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
5. 제1항에 있어서,

   상기 보상 실린더(12)와 작업 실린더(1) 사이의 환형 챔버(16)에는 적어도 하나의 지지 요소(40)가 제공되고, 상기 적어도 하나의 지지 요소(40)는 보상 실린더(12)에 대해 작업 실린더(1)의 상대적인 위치를 유지하고, 상기 보상 매체(16M)를 위한 적어도 하나의 관통 보어(40a)를 가지는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
6. 제5항에 있어서,

   상기 보상 실린더(12)는 적어도 하나의 지지 요소(40)를 위한 적어도 하나의 스톱퍼(stopper, 41)를 갖고, 상기 적어도 하나의 스톱퍼(41)는 적어도 하나의 지지 요소(40)와 작업 로드가 나오는 단부(1b) 사이의 간격을 보장하는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
7. 제1항에 있어서,

   상기 작업 실린더(1)를 위한 복수의 지지 링(23,25)들이 원통 부분(10b)에 제공되는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
8. 제1항에 있어서,

   상기 작업 실린더(1)를 위한 복수의 지지 링(23,25)들이 원통 부분(10b)의 자유 단부에 근접하게 제공되는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
9. 제1항에 있어서,

   상기 보상 매체(16M)의 부피는 온도가 지속적으로 상승함에 따라 지속적으로 증가되는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
10. 제1항에 있어서,

    상기 보상 매체(16M)는 비압축성인 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
11. 제1항에 있어서,

    상기 보상 매체(16M)는, (a)오일, (b)팽창되는 왁스(expanding wax), 및 (c)하나의 상(phase)은 액체이고 다른 상은 가스 상태인 2상 매체(two-phase medium)를 포함하는 그룹(group)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
12. 제1항에 있어서,

    상기 작업 챔버(1a)는 작업 로드(6)와 연결된 피스톤(2)에 의해 제1 작업 챔버(3) 및 제2 작업 챔버(4)로 나누어지고, 상기 제1 작업 챔버(3)는 보상 피스톤 장치(10)에 근접하고, 상기 작업 로드(6)는 제2 작업 챔버(4)를 통하여 연장되는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
13. 제1항에 있어서,

    상기 복구 매체(15M)는 복구 챔버(15) 내에 제공된 가압된 가스에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
14. 제1항에 있어서,

    복구 매체(15M`)는 스프링 장치에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 가스 스프링.
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