JPS633105B2 - - Google Patents
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- E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
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Description
本発明は、14.7psia(1Kg/cm2絶対圧)のよう
な大気圧の周囲空気中に配置された空気密閉体に
関し、この密閉体は最初に空気以外のガスまたは
空気以外のガスの混合物またはこのようなガスと
空気の混合物によつて所望圧力まで部分的にまた
は完全に膨張させられるものである。ついで選択
的拡散作用により周囲空気からエネルギが抽出さ
れ、密閉体内の圧力を増大することにより、密閉
体内のポテンシヤル エネルギのレベルを上昇さ
せおよび/または密閉体に有用な仕事をさせる。
周囲空気からエネルギを抽出して密閉体内の圧
力エネルギを増大しまたは有用な仕事をさせるこ
とは、「拡散ポンプ作用」と呼ばれ、これは自己
加圧現象である。
拡散ポンプ作用は簡単に説明すれば次の通りで
ある。本発明においては、エラストマ空気装置を
膨張させるために使用するガスは、装置を包囲す
る周囲空気とは異なりまたは少なくとも部分的に
異なるものである。この膨張用ガス(ここでは
「スーパガス」と呼ぶ)は大きい分子および低い
溶解率を有するガスのグループから選択され、こ
のようなガスは非常に低い浸透性を示し、エラス
トマ材料から少なくとも部分的に作られた密閉体
を通つて容易に拡散することができない。密閉体
が周囲空気で包囲されている場合には、密閉体内
の圧力は最初の膨張後比較的急速に上昇すること
が認められる。この圧力上昇は、密閉体内の空気
の分圧が密閉体外部の大気圧に等しくなるまで、
密閉体内部へ拡散する周囲空気中の窒素、酸素お
よびアルゴンに起因するものと考えられる。周囲
空気が内方へ拡散しつつある間、最初の膨張用ガ
スは密閉体から外方へきわめてゆつくりしか拡散
せず、したがつて本質的には圧力を失なわないか
ら、密閉体内の全圧はかなり上昇する。したがつ
て、この全圧は密閉体内の空気の分圧と密閉体内
の最初の膨張用ガスの圧力の和である。
ある装置においては、圧力は拡散ポンプ作用の
最初の2〜4ケ月間は初期膨張圧力より高くな
り、ついでゆつくり低下し始める。全圧上昇がそ
のピークレベルに達したときには、拡散ポンプ作
用は、装置内の空気の分圧が14.7psiaのその最高
可能値に達した点まで進行している。この点にお
いて、2つの重要な事態が起こつている。第一
に、密閉体は最大量の加圧媒質(空気)で充填さ
れており、この空気は装置から外方へ拡散できな
い、すなわち、内部空気の圧力が外部周囲空気と
平衡状態にあるすなわち両者が14.7psiaにある。
第二に、エラストマフイルムの伸張により装置
の容積が増大しているため、スーパガス圧力は初
期膨張圧力より低くなつている。この低い圧力に
おいては、スーパガスの通常きわめて低い拡散速
度はさらに低い値に低減される。これらの2つの
要因、すなわち、平衡圧力にある最大空気と最少
スーパガスは、本質的に一定圧力の長期間の加圧
に寄与する。この加圧アプローチはここでは「永
久膨張技術(Permanent Inflation
Techniquer)」と呼ばれる。
圧力がピークに達した後、減圧速度は非常に低
く、特定の使用膨張ガス、密閉体の材料および膨
張圧力に依存して、密閉体内の全圧は約2年また
はそれより長い期間初圧力より高い値を維持す
る。上述したように、圧力低下は続行しうるが、
密閉体からのガスの緩慢な拡散速度のゆえに、密
閉体内の圧力は十分に高い値を維持し、さらに数
年間エラストマ密閉体を有効に使用し続けること
ができる。したがつてこの密閉体は永久的に膨張
させられている。
従来のエラストマ空気装置は周囲圧力より高い
所望初圧力まで空気によつて通常膨張させられ
る。これらの装置では空気は使用してもしなくて
もかなり急速に外方へ拡散し、装置は平らになつ
て無用のものになる。さらに、多くの場合にエラ
ストマ材料は加圧によつて伸張して内容積を拡大
し、装置が使用できなくなる速度を増加する。ま
た、装置に加えられる荷重はその内部の空気圧を
さらに増大し、それによりエラストマ装置を通る
空気の一部分の外方拡散を加速し、荷重が除去さ
れたときその初圧力以下のさらに急速な圧力低下
を起こす。荷重の適用と除去が反復されると、内
部空気圧は次第に低減し、膨張装置はその有用性
を非常に急速に失なう。多くのガス(スーパガス
以外)は同様に挙動し、空気装置内の圧力は比較
的短い時間で非常に低い値に次第に低減する。
本発明においては、上述したように、装置が永
久的に膨張させられるだけではなく、内容積がエ
ラストマ材料の伸張により増加しても、拡散ポン
プ作用により装置内の圧力が実質的に一定に維持
される。このような容積増加が起こると、追加の
周囲空気が装置内へ拡散し、容積増加に関係なく
空気圧を維持する。さらに、後述するように、装
置が外部荷重の反復適用と除去を受けるとき、拡
散ポンプ作用が内部圧力を比較的一定のレベルに
維持することができる。
本発明の一目的は、1種またはそれ以上の特殊
スーパガスで完全膨張容積より小さい容積まで部
分的または完全に充填されかつ密閉体の容積の減
小または密閉体内への追加ガス媒質の機械的注入
にたよることなく、密閉体内の圧力がその初膨張
圧力以上に増大するところの、周囲空気雰囲気中
に配置されるエラストマ密閉体を提供することで
ある。
本発明の別の目的は、1種またはそれ以上のガ
スにより予選定圧力まで最初に完全に膨張させら
れ、かつ密閉体の容積の減小または密閉体内への
追加ガス媒質の機械的導入を必要とすることな
く、周囲空気からのエネルギの抽出により密閉体
内の圧力が初膨張圧力以上に増大するところの、
周囲空気雰囲気中に配置されるエラストマ密閉体
を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、周囲空気からエネ
ルギを抽出し、それにより有用な仕事を行なう、
1種またはそれ以上の特殊ガスで部分的または完
全に充填された、周囲空気雰囲気中に配置される
エラストマ密閉装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、14.7psiaの圧力を
有しかつ外部周囲空気の圧力と平衡状態にあると
ころの最大量の空気と、最少量のスーパガスとを
膨張媒質として利用する装置に永久的膨張を与え
ることである。この永久的膨張技術は比較的一定
の圧力における長期間の膨張に寄与する。また、
大部分の成分である空気が自動的にかつ無費用で
装置に入るから、コスト的に効果的にアプローチ
である。
この発明はそのいくつかの実施態様から明らか
になる多くの他の利点および目的を有する。この
ような実施態様は添付図面に示されている。つぎ
に、本発明の一般的原理を例示する目的でこれら
の実施態様について詳細に説明するが、このよう
な詳細な説明は制限的意味に取られるべきではな
い。
以下本発明の実施例を図によつて説明する。本
発明は、予成形され、自己膨張する密閉チヤンバ
を具備し、前記チヤンバ内の少くとも一部分は大
気圧の周囲空気により包囲された浸透性エラスト
マシート材料であり、前記チヤンバは成形後初め
に低溶解度係数を有する不活性、非極性の大分子
ガスから成るガス媒体により膨張され、前記エラ
ストマ材料はその特性として前記ガスに対して比
較的低い浸透性を有し、それにより前記チヤンバ
からの前記ガスの外方拡散に抵抗し、かつ前記チ
ヤンバを包囲する周囲空気に対して比較的高い浸
透性を有し、それにより前記エラストマ材料を通
つて前記膨張されたチヤンバ内への前記周囲空気
の拡散を可能にし、前記チヤンバ内のガスの分圧
と前記チヤンバ内の空気の分圧との合計である全
圧を前記チヤンバ内に提供し、前記エラストマ材
料を通過する前記ガスの拡散率は前記エラストマ
材料を通過する窒素の拡散率より実質上低くした
ものである。
エラストマチヤンバを初めに膨張させるために
使用されるガスは、きわめて緩慢な速度でしかチ
ヤンバから外方へ拡散できないものである。これ
らのガスは以後「スーパガス」と呼ぶことがあ
る。これらのガスには次のものがある。すなわ
ち、ヘキサフルオロエタン、サルフアヘキサフル
オライド、ペルフルオロプロパン、ペルフルオロ
ブタン、ペルフルオロペンタン、ペルフルオロヘ
キサン、ペルフルオロヘプタン、オクタフルオロ
シクロブタン、ペルフルオロシクロブタン、ヘキ
サフルオロプロピレン、テトラフルオロメタン、
モノクロロペンタフルオロエタン、1,2―ジク
ロロ―テトラフルオロエタン、1,1,2―トリ
クロロ―1,2,2トリフルオロエタン、クロロ
トリフルオロエチレン、プロモトリフルオロメタ
ン、モノクロロトリフルオロメタン。
スーパガスは次の共通特性を有する。すなわ
ち、異常に大きな分子、非常に低い溶解率、不活
性、非極性、均質/対称、球状、長球状(扁平ま
たは扁長)または対称的に分枝した分子形状、無
毒性、不燃性、金属非腐食性、すぐれた誘電性ガ
スおよび液体、高レベルの電子付着および捕捉能
力、合成、すべてのポリマー、エラストマおよび
プラスチツク(固体フイルム)中の著しく低減さ
れた拡散速度。通常、ガス、液体または蒸気の分
子が大きくなると、それらはまた極性が大きくな
る。スーパガスはその反対であつて、すべてのガ
スのうちで極性が最も小さくかつ最も不活性なも
のである。
チヤンバ付装置の製造に使用されかつスーパガ
スに関して適正に機能するところの典型的なシー
トまたはフイルムは、下記エラストマ材料のグル
ープから選択することができる。すなわち、ポリ
ウレタン、ポリエステルエラストマ、フルオロエ
ラストマ、塩素化ポリエチレン、ポリビニルクロ
ライド、クロロスルホン化ポリエチレン、ポリエ
チレン/エチレンビニルアセテートコポリマ、ネ
オプレン、ブタジエンアクリロニトリルゴム、ブ
タジエンスチレンゴム、エチレンプロピレンポリ
マ、天然ゴム、高力シリコーンゴム、低密度ポリ
エチレン、アダクトゴム、サルフアイドゴム、メ
チルゴム、熱可塑性ゴム。
ここで、浸透性エラストマシート材料からなる
密閉チヤンバを各種の大分子、低溶解率ガスで加
圧したものについて5年間にわたつて行なつた膨
張試験が第5,6図のグラフに示されている。図
示の曲線は時間に対して大気圧以上の空気圧をプ
ロツトして得られたものであり、使用されたシー
トまたはフイルム材料はポリウレタンである。曲
線Aでは、膨張ガス媒質はヘキサフルオロエタン
(C2H6)であり、初膨張圧は20psig(1.4Kg/cm2ゲ
ージ圧)であつた。図示のように、チヤンバ内の
圧力は約1週間にわたつてやや降下し、ついで上
昇し始め、ほぼ3ケ月で約23.6psig(1.7Kg/cm2ゲ
ージ圧)の最高圧力に達した。初めの圧力降下は
エラストマ材料の引張緩和に起因するチヤンバ1
3の容積の初増加によるものと考えられる。ピー
クに達した後、圧力はきわめて徐々に降下し、2
年経過後には約21psig(1.5Kg/cm2ゲージ圧)の値
を有する。このような長期間にわたる圧力の維持
はポリウレタンで作られたチヤンバ内への窒素、
酸素およびアルゴンの内方拡散に起因したものと
考えられる。
他の大分子膨張ガスを使用した膨張試験の結果
は曲線B、C、D、E、F、G、Hに示され、使
用特定ガスは各曲線上に示されている。各場合に
圧力は最初に上昇し、ついで非常に低い速度で降
下した。サルフアヘキサフルオライド(SF6)に
よる膨張を示す曲線Bにおいては、チヤンバ内の
圧力は2年後約20psigに降下した。オクタフルオ
ロシクロブタン(C3F8)すなわち曲線Cは全圧
が1年後20psigに降下し、2年後約16.5psig(1.2
Kg/cm2ゲージ圧)に降下した。曲線Dのガスは2
年後14psig(1.0Kg/cm2ゲージ圧)に降下した。
曲線A〜Hに示すガスに対比して、第5図の左
側部分に示すガスは比較的急速に圧力を失なつ
た。第5図の下部左端部分は第6図のグラフに拡
大して示してある。各場合に、ポリウレタン密閉
体は20psigまで膨張させられた。水素、酸化二窒
素、二酸化炭素または酸素で膨張させられたチヤ
ンバは10〜40時間以内に圧力の全部を失なつて平
らになつた。すなわち完全に収縮した。フレオン
22(CHCIF2)で膨張させられたチヤンバは約3
日以内の圧力の全部を失なつた。同様に、キセノ
ン、アルゴンおよびクリプトンでは6日以内、フ
レオン12(CHCI2F2)では18日以内、メタン
(CH4)では22日以内であつた。窒素で20psigに
初膨張させられたチヤンバは40日後約2psigより
やや高い圧力まで降下した。これらのすべての場
合に、第9図の曲線A〜Hで示したガスで膨張し
たチヤンバ内の圧力保持と比較すれば、初膨張チ
ヤンバは比較的短い時間で無能になつた。
第5,6図に示す曲線においては、スーパガス
の拡散速度はポリウレタンバリヤの場合に示され
ている。第7図には、多種類の代表的ポリマバリ
ヤフイルム中のヘキサフルオロエタンの拡散速度
を示すグラフが示されている。各曲線のデータを
得るために、各チヤンバは20psigに加圧された。
曲線Aに示すように、バリヤフイルムがウレタン
被覆ナイロン布である場合、約5ケ月で8psigの
圧力上昇が得られ、圧力は約2年で約27.4psig
(1.9Kg/cm2ゲージ圧)の全圧まで降下した。
20psig以上の最高圧力までの圧力上昇およびその
後の圧力降下は曲線B、C、D、E、Fでも示さ
れ、バリヤ材料は各曲線に付記されている。2年
以内ではバリヤフイルムにかかる全圧はなお
20psigの初圧以上である。曲線G、H、I、J、
K、Lに示すポリマバリヤフイルム内の圧力はす
べて20psigの初圧以上ある程度まで上昇したが、
その後図示のように20psig以下まで降下した。
第8図は、図示の代表的ポリマバリヤフイルム
中の、20psigの初圧の窒素の拡散速度を示す拡大
グラフである。これらのバリヤフイルム中の比較
的高い窒素の拡散速度の結果として、第8図の曲
線Mで示すPVDCおよびブチルを除いて、チヤン
バ内に残存する窒素ガスの圧力は2ケ月の最大期
間内に実質的にゼロゲージ圧になる。
拡散ポンプ作用現象は初めに低圧レベルに膨張
させられたエラストマ密閉体で顕著に示される。
たとえば、ヘキサフルオロエタンのようなスーパ
ガスで1.0psigに初膨張させられたチヤンバーの
圧力上昇が第9図の曲線1で示されている。この
チヤンバーは比較的弾性のある材料から作られ、
内圧の上昇によりその容積は40〜50%増加し、圧
力は6〜8週間で約550%上昇した。拡散ポンプ
作用が第7図の上部曲線で示す特殊エラストマ材
料の1つから作られた定積密閉体内で起こつた場
合には、圧力上昇はさらに大きくたとえば1420%
になつたであろう(第9図の曲線2)。
第11図のバーチヤートは、特殊エラストマ材
料から作られかつ図示のゲージ圧の100%スーパ
ガスで初めに充填された定積密閉体で可能なパー
セント圧力上昇を示す。バーチヤートが示すよう
に、ゲージ圧の大幅なパーセント上昇は拡散ポン
プ作用に起因して起こる。圧力上昇の最大増分は
14.7psigであり、これは拡散ポンプ作用の終結で
起こり、このとき最大量の空気が密閉体内へ拡散
している。この増分は初ゲージ圧に関係なく一定
であるから、初ゲージ圧が低いときには、圧力の
パーセント上昇は高い。たとえば、初膨張圧が
1.0psigであるときには1420%の上昇が起こる。
初圧が0.5psigであるときには上昇は2940%であ
り、10.0psigの初圧の場合には上昇は147%であ
る。
スーパガスで初めに膨張させられたチヤンバー
内への周囲空気の拡散は特願昭53−1840号の第1
図に示すタイプの中底内のガスの分析によつて確
認される。この中底は1975年12月10日に純サルフ
アヘキサフルオライドガスにより22psigの圧力ま
で初めに膨張させられた。1978年1月24日すなわ
ち初膨張後2年以上経過したとき、中底内の圧力
が測定され、19.5psigであることが見出された。
ほぼ2年の経過で、中底の厚さは約15.3%増大
し、中底のチヤンバの容積が増大したことを示し
た。この容積が一定に保たれていたならば、約2
年後の中底内の圧力は19.5psigの測定圧より高く
なつていたであろう。
上記中底内のガスが1978年1月の後半に質量分
析法で分析された。この分析により、中底は52体
積%の空気(周囲空気中と同一比率の窒素、酸素
およびアルゴン)、47体積%のサルフアヘキサフ
ルオライドおよび0.6体積%の二酸化炭素を含む
ことが判明した。中底チヤンバに初めに導入され
たガスは100%サルフアヘキサフルオライドであ
つたが、分析の結果、2年の期間に空気がエラス
トマ密閉体を通つてその内部へ拡散し、一方小量
の原サルフアヘキサフルオライドが中底のエラス
トマ材料を通つて大気中へ拡散したことが実証さ
れた。
中底チヤンバ内に存在することが見出された
0.6%二酸化炭素は周囲空気中に通常見出される
量の約20倍である。この比較的大量の二酸化炭素
はウレタンの典型的なものであり、ウレタンフイ
ルムの基本成分からのガス放出に起因する。
初めにスーパガスを含有する中底または他の特
定装置内への周囲空気の逆すなわち内方拡散の結
果として、中底内の全ゲージ圧は初膨張圧または
その付近に、たとえば、約20psigに維持される。
しかしながら、全ゲージ圧に寄与するガス圧の構
成は中底膨張後大幅に変化している。初めに、中
底内のゲージ圧(かつまた絶対圧)の100%はス
ーパガス(SF6)から来るものである。2年後中
底の容積は中底チヤンバを形成する高応力のかか
つたエンベローブの伸張により25〜40%増大して
いる。チヤンバからのスーパガスの外方拡散によ
り小量の圧力損も起こつている。しかも、初膨張
に続く最初の約2ケ月間の介在小圧力上昇を除い
て(第5図参照)、有用なゲージ圧は本質的に不
変である。前記質量分析が示すように、中底内の
有用全圧の50%以上は系内へ拡散した周囲空気の
圧力から来るものである。かくして、拡散ポンプ
作用現象が起こりつつあり、示された圧力上昇
は、ガスとフイルムまたはフイルムの放出ガスと
の化学反応のような、他の機構の結果でないこと
が決定的に実証された。
少なくとも小量のスーパガスを含む密閉体に入
る周囲空気の逆すなわち内方拡散ポンプ作用は、
中底の寿命中連続して周囲雰囲気から自動的に動
作エネルギを抽出し、中底内の初貯蔵エネルギに
時間の経過とともに逐次に付加し、それにより高
応力のかかつたフイルムまたはシートの引張緩和
に起因する容積増加、バリヤフイルム中へのスー
パガスの吸収、飽和、スーパガスの外方拡散によ
る小圧力損、高度に起因する外部空気圧力変化、
および周期的荷重に起因する内部空気圧力損をほ
とんど完全に補償する。
スーパガスの分圧は空気と共同するビルデイン
グ ブロツクのようなものであることに注目する
ことが重要である。それは常に系の空気の分圧に
対して付加的である。14.7psiaの空気による全有
用ゲージ圧の寄与はスーパガス圧に対する一定の
安定した基礎である。14.7psia空気圧は外部空気
の圧力と完全な平衡状態にあるから決して漏出し
ない。
この状態は、スーパガスからの圧力成分が初め
の完全な全圧より非常に低くなつているから、中
底の長期間膨張にさらに寄与する。より低い差圧
においては、スーパガスの通常非常に低い拡散速
度がより高い圧力値の分数にまで低減され、実質
的な永久膨張の状態を現出する。前述したよう
に、膨張媒質として外部空気と平衡圧力状態にあ
る空気の最大量と1種またはそれ以上のスーパガ
スの最少量とを使用する、比較的一定の圧力レベ
ルにおける密閉体の長期間加圧へのこのアプロー
チは、「永久的膨張技術」と呼ばれる。
長期間の周期的荷重および/または圧力の変化
が起こつて内部空気圧と周囲空気圧間に不平衡を
生ずると、空気の拡散ポンプ作用が有効に働いて
製品の有用寿命を延長する。
たとえば、海水面で安定な空気平衡状態に達し
たチヤンバーが周囲空気圧の低いより高い高度
(たとえば航空機または山岳)にもつてこられる
と、装置の堅固度は海水面で製造されているチヤ
ンバーの最適値より大きくなるであろう。チヤン
バー内の空気圧は外部空気圧より大きいから、空
気は自己補償作用を行なつて外方拡散が起こり、
それにより過加圧を低減し、所望の荷重支持特性
を有するほぼ原状態に装置を回復させる。
つぎに同じチヤンバーが海水面まで戻される
と、中底内の空気の分圧は周囲空気圧より低くな
るから、所望状態よりやや軟かくなる。しかしな
がら、数時間内に空気の拡散ポンプ作用が内部空
気圧を増強して平衡状態を回復する。
チヤンバー内の全圧は所望の有用ゲージ圧に近
いレベルまで再び自動的に回復したことになる。
また、チヤンバーが初膨張においてその無応力
の全容積まで膨張させられないで、初膨張直後し
わの寄つた状態にあるならば、圧力上昇をさらに
低減させることができる。この状態ではゲージ圧
はゼロpsig(スーパガスの14.7psia)よりごく僅
かに高くなつている。拡散ポンプ作用により圧力
上昇が起こると、チヤンバーは膨張し、スーパガ
スの圧力は降下する。このアプローチの解決のか
ぎは、チヤンバーが完全に膨張した時点において
スーパガスの分圧が降下して設計圧に達するよう
にすることである。
周囲空気はエラストマフイルムを通過してチヤ
ンバーに入り、その内部の圧力を増大する。すな
わち、空気の分圧がスーパガスの分圧に加えら
れ、ゼロpsigより高い全圧を生ずることになる。
しかしながら、初めにしわの寄つた状態にあるた
め、チヤンバーの容積は膨張し、この膨張は拡散
ポンプ作用によりチヤンバーの最終容積に達する
まで続く。これは安定状態に達するまで数週間を
要し、所望の最終内圧はたとえば0.5psigである。
この時点において、装置内の空気圧は14.7psiaで
あり、スーパガス圧は0.5psiaに降下している。
これは長期間の永久的膨張の理想的状態である。
すなわち、装置は前述した「永久的膨張技術」に
従つて膨張させられている。
第3,4図は本発明を拡散ポンプ作用空気リフ
ト装置に適用した実施例を示す。この装置は拡散
ポンプ作用を使用して仕事をする良い実施例であ
る。エラストマ製浸透性シートからなるバツグま
たはベロー30はその下端がベース31で適当に
閉じられかつその上端が水平プラツトホーム32
で閉じられ、このプラツトホーム上にウエイトW
が置かれている。バツグまたはベロー30はプラ
ツトホームが所望の高さH1に位置する程度まで
スーパガスで膨張させられている。このエラスト
マ密閉体が膨張させられているゲージ圧は常にウ
エイトWを支持しなければならないから、このよ
うなゲージ圧は一定に維持される。周囲空気中の
酸素、窒素およびアルゴンのエネルギが密閉体内
へ拡散するにしたがつて、密閉体内のガスの体積
が増大し、プラツトホーム32がその上のウエイ
トWと共に上昇して高さH2になる。プラツトホ
ームは標準海水面状態および70〓(21℃)におい
て密閉体内の空気圧が14.7psia(大気圧)に達す
るまで上昇を続ける。ウエイトWを高さH1から
H2まで上昇させるのに外力は必要でない。上昇
は、拡散ポンプ作用、すなわち、膨張可能なエラ
ストマ密閉体30内への周囲空気からの窒素、酸
素およびアルゴンの内方拡散の結果として、自動
的に達成される。密閉体30内の全圧はウエイト
を支持するのに必要な周囲圧より高い大気圧と全
圧の増分の和に維持される。
初膨張の時点では、全圧はスーパガスによる
100%である。空気が密閉体に入り、プラツトホ
ームが上昇するとき、全圧は一定に維持される。
しかしながら、空気の分圧に起因する全圧の部分
はプラツトホームが上昇するにしたがつて増大す
る。これに対応して、スーパガスの分圧は降下す
る。プラツトホームは空気の分圧がその最高値す
なわち14.7psiaに達するまで上昇し続ける。この
時点でスーパガスの分圧はその最低値に達してい
る。しかしながら、全圧(空気+スーパガス)は
変わつていない。それは初膨張の時点の全圧と同
一である。
空気リフト装置で行なわれうる仕事は特に大き
なサイズの適用において非常に実質的なものであ
る。たとえば、下記の表は、1フイート、2フイ
ートおよび3フイートのプラツトホーム直径を有
する3つの異なる大きさの装置で達成されうる仕
事量を示す。各場合に、1000ポンドのウエイトが
プラツトホーム上に配置され、ベローは100%ス
ーパガスで1フイートの初高まで膨張させられ
る。
The present invention relates to an air enclosure placed in ambient air at an atmospheric pressure, such as 14.7 psia (1 Kg/cm 2 absolute), which enclosure initially contains a gas other than air or a mixture of gases other than air or It is partially or completely inflated to the desired pressure by such a mixture of gas and air. Energy is then extracted from the ambient air by selective diffusion, increasing the pressure within the enclosure, thereby increasing the level of potential energy within the enclosure and/or causing the enclosure to perform useful work. Extracting energy from the surrounding air to increase the pressure energy within the enclosure or to do useful work is called "diffusion pumping" and is a self-pressurization phenomenon. The diffusion pump action can be briefly explained as follows. In the present invention, the gas used to inflate the elastomeric air device is different, or at least partially different, from the ambient air surrounding the device. This inflation gas (referred to herein as a "supergas") is selected from the group of gases with large molecules and low solubility; such gases exhibit very low permeability and are made at least partially from elastomeric materials. cannot easily diffuse through closed enclosures. It is observed that when the enclosure is surrounded by ambient air, the pressure within the enclosure increases relatively quickly after the initial expansion. This pressure increase continues until the partial pressure of the air inside the enclosure equals the atmospheric pressure outside the enclosure.
This is believed to be due to nitrogen, oxygen, and argon in the surrounding air diffusing into the enclosure. While the ambient air is diffusing inward, the initial inflation gas diffuses outward from the enclosure only very slowly and therefore essentially loses no pressure, so that all of the gas inside the enclosure is Pressure increases considerably. This total pressure is therefore the sum of the partial pressure of the air within the enclosure and the pressure of the initial inflation gas within the enclosure. In some devices, the pressure is higher than the initial inflation pressure for the first 2-4 months of diffusion pumping and then slowly begins to fall. When the total pressure increase reaches its peak level, the diffusion pumping action has progressed to the point where the partial pressure of air within the device has reached its highest possible value of 14.7 psia. Two important things are happening at this point. Firstly, the enclosure is filled with a maximum amount of pressurized medium (air) and this air cannot diffuse outwards from the device, i.e. the pressure of the internal air is in equilibrium with the external ambient air, i.e. both is at 14.7 psia. Second, the supergas pressure is lower than the initial inflation pressure because the volume of the device is increasing due to the stretching of the elastomeric film. At this low pressure, the normally very low diffusion rate of the supergas is reduced to even lower values. These two factors, maximum air at equilibrium pressure and minimum supergas, contribute to long-term pressurization at essentially constant pressure. This pressurization approach is referred to here as “Permanent Inflation Technology”.
Techniquer). After the pressure reaches its peak, the rate of decompression is very slow and, depending on the particular inflation gas used, the closure material and the inflation pressure, the total pressure within the closure will remain below the initial pressure for a period of approximately 2 years or longer. Maintain high values. As mentioned above, the pressure drop may continue, but
Because of the slow rate of diffusion of gas from the closure, the pressure within the closure remains sufficiently high to allow the elastomer closure to continue to be used effectively for several additional years. This closure is therefore permanently expanded. Conventional elastomeric air devices are typically inflated with air to a desired initial pressure above ambient pressure. In these devices, air diffuses outward rather quickly whether used or not, rendering the device flattened and useless. Additionally, elastomeric materials often stretch under pressure, increasing their internal volume and increasing the rate at which the device becomes unusable. Also, a load applied to the device further increases the air pressure inside it, thereby accelerating the outward diffusion of a portion of the air through the elastomeric device, resulting in an even more rapid pressure drop below its initial pressure when the load is removed. wake up As loads are repeatedly applied and removed, the internal air pressure gradually decreases and the expansion device loses its usefulness very quickly. Many gases (other than supergases) behave similarly, with the pressure in the air system gradually decreasing to very low values in a relatively short period of time. In the present invention, as described above, not only is the device permanently inflated, but the pressure within the device remains substantially constant due to the diffusion pumping action even as the internal volume increases due to the stretching of the elastomeric material. be done. When such a volume increase occurs, additional ambient air diffuses into the device to maintain air pressure regardless of the volume increase. Additionally, as discussed below, the diffusion pumping action can maintain the internal pressure at a relatively constant level as the device is subjected to repeated application and removal of external loads. One object of the invention is to reduce the volume of an enclosure partially or completely filled to a volume less than the fully expanded volume with one or more special supergases or to mechanically inject additional gaseous medium into the enclosure. It is an object of the present invention to provide an elastomeric enclosure placed in an ambient air atmosphere in which the pressure within the enclosure increases above its initial inflation pressure without relying on the air. Another object of the invention is that the gas is initially fully inflated to a preset pressure by one or more gases and does not require a reduction in the volume of the enclosure or mechanical introduction of an additional gaseous medium into the enclosure. where the pressure inside the enclosure increases above the initial inflation pressure due to the extraction of energy from the surrounding air without
An object of the present invention is to provide an elastomeric enclosure that is placed in an ambient air atmosphere. Yet another object of the invention is to extract energy from ambient air and thereby perform useful work.
It is an object of the present invention to provide an elastomeric sealing device that is partially or completely filled with one or more special gases and placed in an ambient air atmosphere. Yet another object of the present invention is to provide a permanent system which utilizes as an expansion medium a maximum amount of air having a pressure of 14.7 psia and in equilibrium with the pressure of the external ambient air, and a minimum amount of supergas. It is to give expansion. This permanent expansion technique provides long-term expansion at relatively constant pressure. Also,
It is a cost effective approach since the major component, air, enters the device automatically and costlessly. The invention has many other advantages and objects that become apparent from its several embodiments. Such embodiments are illustrated in the accompanying drawings. Although these embodiments will now be described in detail for the purpose of illustrating the general principles of the invention, such detailed description is not to be construed in a limiting sense. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention comprises a preformed, self-expanding, sealed chamber, at least a portion of which is a permeable elastomeric sheet material surrounded by ambient air at atmospheric pressure, and wherein the chamber initially has a low temperature after molding. The elastomeric material is inflated by a gas medium consisting of an inert, non-polar, large molecular gas having a solubility coefficient, and the elastomeric material has a characteristically relatively low permeability to the gas, thereby reducing the flow of the gas from the chamber. and has a relatively high permeability to the ambient air surrounding the chamber, thereby inhibiting the diffusion of the ambient air through the elastomeric material and into the expanded chamber. providing a total pressure within the chamber that is the sum of the partial pressure of the gas within the chamber and the partial pressure of the air within the chamber, the diffusivity of the gas passing through the elastomeric material being This is substantially lower than the diffusion rate of nitrogen through the . The gas used to initially inflate the elastomer chamber is one that can only diffuse outward from the chamber at a very slow rate. These gases may hereinafter be referred to as "supergases". These gases include: Namely, hexafluoroethane, sulfahexafluoride, perfluoropropane, perfluorobutane, perfluoropentane, perfluorohexane, perfluoroheptane, octafluorocyclobutane, perfluorocyclobutane, hexafluoropropylene, tetrafluoromethane,
Monochloropentafluoroethane, 1,2-dichloro-tetrafluoroethane, 1,1,2-trichloro-1,2,2 trifluoroethane, chlorotrifluoroethylene, promotrifluoromethane, monochlorotrifluoromethane. Supergases have the following common properties: i.e. unusually large molecules, very low dissolution rates, inert, non-polar, homogeneous/symmetrical, spherical, prolate (oblate or prolate) or symmetrically branched molecular shapes, non-toxic, non-flammable, metallic. Non-corrosive, excellent dielectric properties of gases and liquids, high levels of electron attachment and trapping ability, synthetic, significantly reduced diffusion rates in all polymers, elastomers and plastics (solid films). Typically, the larger the molecules of a gas, liquid or vapor, the more polar they also become. Supergases are the opposite; they are the least polar and most inert of all gases. Typical sheets or films used in the manufacture of chambered devices and which function properly with respect to supergas may be selected from the group of elastomeric materials described below. Namely, polyurethane, polyester elastomer, fluoroelastomer, chlorinated polyethylene, polyvinyl chloride, chlorosulfonated polyethylene, polyethylene/ethylene vinyl acetate copolymer, neoprene, butadiene acrylonitrile rubber, butadiene styrene rubber, ethylene propylene polymer, natural rubber, high strength silicone rubber. , low density polyethylene, adduct rubber, sulfide rubber, methyl rubber, thermoplastic rubber. The graphs in Figures 5 and 6 show the expansion tests carried out over a five-year period on sealed chambers made of permeable elastomer sheet materials pressurized with various large molecules and gases with low dissolution rates. There is. The curves shown were obtained by plotting superatmospheric air pressure against time and the sheet or film material used was polyurethane. For curve A, the inflation gas medium was hexafluoroethane (C 2 H 6 ) and the initial inflation pressure was 20 psig (1.4 Kg/cm 2 gauge pressure). As shown, the pressure within the chamber decreased slightly over a period of approximately one week, then began to increase, reaching a maximum pressure of approximately 23.6 psig (1.7 Kg/cm 2 gauge pressure) in approximately three months. The initial pressure drop is in chamber 1 due to tensile relaxation of the elastomer material.
This is thought to be due to the initial increase in the volume of No. 3. After reaching the peak, the pressure drops very gradually until 2
After a year, it has a value of about 21 psig (1.5 Kg/cm 2 gauge pressure). Maintaining this pressure over a long period of time is possible by injecting nitrogen into the chamber made of polyurethane.
This is thought to be due to inward diffusion of oxygen and argon. Results of inflation tests using other large molecule inflation gases are shown in curves B, C, D, E, F, G, and H, with the specific gas used indicated on each curve. In each case the pressure first rose and then fell at a very slow rate. In curve B, which shows expansion with sulfur hexafluoride (SF 6 ), the pressure in the chamber dropped to about 20 psig after two years. For octafluorocyclobutane (C 3 F 8 ), curve C, the total pressure drops to 20 psig after one year and about 16.5 psig (1.2 psig) after two years.
kg/ cm2 gauge pressure). The gas on curve D is 2
After a year, it dropped to 14 psig (1.0 Kg/cm 2 gauge pressure). In contrast to the gases shown in curves A-H, the gas shown in the left-hand portion of FIG. 5 lost pressure relatively quickly. The lower left end portion of FIG. 5 is shown enlarged in the graph of FIG. In each case, the polyurethane closure was expanded to 20 psig. Chambers inflated with hydrogen, dinitrogen oxide, carbon dioxide, or oxygen lose all of their pressure and become flat within 10 to 40 hours. That is, it has completely shrunk. freon
The chamber inflated with 22 (CHCIF 2 ) is approximately 3
Lost all of the pressure within days. Similarly, it was within 6 days for xenon, argon and krypton, within 18 days for Freon 12 (CHCI 2 F 2 ), and within 22 days for methane (CH 4 ). The chamber, which was initially inflated to 20 psig with nitrogen, dropped to a pressure slightly above about 2 psig after 40 days. In all of these cases, the initial expansion chamber became incapacitated in a relatively short period of time when compared to the pressure retention in the gas-inflated chamber shown by curves A-H in FIG. In the curves shown in FIGS. 5 and 6, the diffusion rate of supergas is shown for a polyurethane barrier. FIG. 7 shows a graph showing the diffusion rate of hexafluoroethane in a variety of representative polymer barrier films. To obtain data for each curve, each chamber was pressurized to 20 psig.
As shown in curve A, when the barrier film is urethane-coated nylon cloth, a pressure increase of 8 psig is obtained in about 5 months, and the pressure increases to about 27.4 psig in about 2 years.
(1.9Kg/cm 2 gauge pressure).
The pressure increase to a maximum pressure of 20 psig or more and the subsequent pressure drop are also shown in curves B, C, D, E, and F, with the barrier material noted on each curve. Within two years, the total pressure on the barrier film will still decrease.
The initial pressure is greater than 20 psig. Curves G, H, I, J,
The pressure inside the polymer barrier films shown in K and L all rose to some extent above the initial pressure of 20 psig, but
After that, the temperature dropped to less than 20 psig as shown. FIG. 8 is an enlarged graph showing the diffusion rate of nitrogen at an initial pressure of 20 psig through the exemplary polymeric barrier film shown. As a result of the relatively high diffusion rate of nitrogen in these barrier films, with the exception of PVDC and butyl, shown by curve M in FIG. The pressure will reach zero gauge pressure. Diffusion pumping phenomena are evident in elastomer enclosures that are initially expanded to low pressure levels.
For example, the pressure rise of a chamber initially inflated to 1.0 psig with a supergas such as hexafluoroethane is shown by curve 1 in FIG. This chamber is made from a relatively elastic material,
Due to the increase in internal pressure, its volume increased by 40-50%, and the pressure increased by about 550% in 6-8 weeks. If the diffusion pumping action were to take place in a constant volume enclosure made of one of the special elastomeric materials shown in the upper curve of Figure 7, the pressure rise would be even greater, e.g. 1420%.
(Curve 2 in Figure 9). The Birchaert of FIG. 11 illustrates the percent pressure rise possible in a constant volume enclosure made from a special elastomeric material and initially filled with 100% supergas at the gauge pressure shown. As Birchaert shows, the large percentage increase in gauge pressure occurs due to diffusion pumping. The maximum increment of pressure rise is
14.7 psig, which occurs at the end of the diffusion pump action, when the maximum amount of air has diffused into the enclosure. Since this increment is constant regardless of the initial gauge pressure, the percent increase in pressure is high when the initial gauge pressure is low. For example, if the initial inflation pressure is
At 1.0 psig, a 1420% increase occurs.
When the initial pressure is 0.5 psig the increase is 2940% and for an initial pressure of 10.0 psig the increase is 147%. The diffusion of ambient air into the chamber initially inflated with supergas is described in Patent Application No. 1840-1983.
This is confirmed by analysis of the gas in the insole of the type shown in the figure. The midsole was first inflated to a pressure of 22 psig with pure sulfur hexafluoride gas on December 10, 1975. On January 24, 1978, more than two years after the initial inflation, the pressure within the midsole was measured and found to be 19.5 psig.
Over the course of almost two years, the thickness of the midsole increased by about 15.3%, indicating an increase in the volume of the midsole chamber. If this volume were kept constant, approximately 2
After a year the pressure in the midsole would have been higher than the measured pressure of 19.5 psig. The gas in the bottom was analyzed by mass spectrometry in late January 1978. This analysis revealed that the insole contained 52% air by volume (nitrogen, oxygen and argon in the same proportions as in ambient air), 47% sulfur hexafluoride and 0.6% carbon dioxide. Although the gas initially introduced into the insole chamber was 100% sulfur hexafluoride, analysis showed that over a period of two years, air diffused through the elastomer enclosure into its interior, while a small amount of It was demonstrated that the raw sulfur hexafluoride diffused into the atmosphere through the elastomeric material of the midsole. Found to exist within the insole chamber
0.6% carbon dioxide is about 20 times the amount normally found in ambient air. This relatively large amount of carbon dioxide is typical of urethanes and results from outgassing from the basic components of the urethane film. As a result of the back or inward diffusion of ambient air into the insole or other specific device that initially contains the supergas, the total gauge pressure within the insole is maintained at or near the initial inflation pressure, e.g., about 20 psig. be done.
However, the composition of the gas pressures contributing to the total gauge pressure has changed significantly after the insole expansion. Initially, 100% of the gauge pressure (and also absolute pressure) within the insole comes from supergas (SF 6 ). After two years, the volume of the midsole has increased by 25-40% due to the stretching of the highly stressed envelope that forms the midsole chamber. A small amount of pressure loss also occurs due to outdiffusion of supergas from the chamber. Moreover, except for an intervening small pressure increase during the first approximately two months following initial inflation (see FIG. 5), the useful gauge pressure remains essentially unchanged. As shown by the above mass spectrometry analysis, more than 50% of the total useful pressure within the insole comes from the pressure of the ambient air diffused into the system. It has thus been conclusively demonstrated that a diffusion pumping phenomenon is occurring and that the pressure increase shown is not the result of other mechanisms, such as a chemical reaction between the gas and the film or the film's emitted gas. The reverse or inward diffusion pumping action of ambient air entering the enclosure containing at least a small amount of supergas is
Continuously during the life of the insole, operating energy is automatically extracted from the ambient atmosphere and added sequentially over time to the initial stored energy within the insole, thereby providing tensile relaxation of highly stressed films or sheets. volume increase due to turbulence, absorption of supergas into the barrier film, saturation, small pressure drop due to outward diffusion of supergas, external air pressure change due to altitude,
and almost completely compensates for internal air pressure losses due to cyclic loading. It is important to note that the supergas partial pressure is like a building block in collaboration with the air. It is always additive to the partial pressure of air in the system. The total useful gauge pressure contribution by air of 14.7 psia is a constant stable basis for supergas pressure. The 14.7 psia air pressure is in perfect equilibrium with the external air pressure, so it will never leak. This condition further contributes to long-term expansion of the insole since the pressure component from the supergas is now much lower than the initial full total pressure. At lower differential pressures, the normally very low diffusion rate of the supergas is reduced to a fraction of the higher pressure value, creating a state of substantial permanent expansion. As previously mentioned, long-term pressurization of a closed body at a relatively constant pressure level using a maximum amount of air at equilibrium pressure with external air and a minimum amount of one or more supergases as the expansion medium. This approach to is called the "permanent expansion technique." When long-term cyclic loading and/or pressure changes occur that create an imbalance between internal and ambient air pressure, the diffusion pumping action of the air becomes effective and extends the useful life of the product. For example, if a chamber that has reached stable air equilibrium at sea level is brought to a higher altitude (e.g. in an aircraft or in the mountains) where the ambient air pressure is lower, the stiffness of the device will be the optimum value for chambers manufactured at sea level. It will be bigger. Since the air pressure inside the chamber is greater than the outside air pressure, the air self-compensates and outward diffusion occurs.
This reduces overpressurization and restores the device to a substantially original condition with the desired load-bearing characteristics. If the same chamber is then returned to sea level, the partial pressure of the air within the insole will be lower than the ambient air pressure, so it will be slightly softer than desired. However, within a few hours, the diffusion pumping action of the air builds up the internal air pressure and restores equilibrium. The total pressure within the chamber will have automatically recovered again to a level close to the desired useful gauge pressure. Additionally, the pressure build-up can be further reduced if the chamber is not expanded to its full stress-free volume during the initial expansion and is in a wrinkled state immediately after the initial expansion. In this condition, the gauge pressure is only slightly above zero psig (14.7 psia for supergas). As the pressure increases due to diffusion pumping, the chamber expands and the supergas pressure decreases. The key to this approach is to allow the partial pressure of the supergas to drop to the design pressure once the chamber is fully inflated. Ambient air passes through the elastomeric film and enters the chamber, increasing the pressure inside it. That is, the partial pressure of air will be added to the partial pressure of supergas to create a total pressure greater than zero psig.
However, due to the initial wrinkled state, the volume of the chamber expands, and this expansion continues until the final volume of the chamber is reached due to diffusion pumping. This takes several weeks to reach steady state, and the desired final internal pressure is, for example, 0.5 psig.
At this point, the air pressure in the apparatus is 14.7 psia and the supergas pressure has dropped to 0.5 psia.
This is the ideal condition for long-term permanent expansion.
That is, the device has been expanded according to the "permanent expansion technique" described above. Figures 3 and 4 show an embodiment in which the present invention is applied to a diffusion pump action air lift device. This device is a good example of using diffusion pumping to work. A bag or bellows 30 consisting of a permeable sheet of elastomer is suitably closed at its lower end by a base 31 and at its upper end by a horizontal platform 32.
and the weight W is placed on this platform.
is placed. The bag or bellows 30 is inflated with supergas to such an extent that the platform is at the desired height H1 . Since the gauge pressure to which this elastomer seal is inflated must always support the weight W, such gauge pressure remains constant. As the energy of the oxygen, nitrogen and argon in the surrounding air diffuses into the enclosure, the volume of gas within the enclosure increases and the platform 32, together with the weight W above it, rises to a height H2. . The platform continues to rise until the air pressure within the enclosure reaches 14.7 psia (atmospheric pressure) at standard sea level conditions and 70°C (21°C). Weight W from height H 1
No external force is required to raise it to H 2 . Lifting is achieved automatically as a result of diffusion pumping, ie, inward diffusion of nitrogen, oxygen, and argon from the ambient air into the expandable elastomeric enclosure 30. The total pressure within the enclosure 30 is maintained at atmospheric pressure above the ambient pressure required to support the weight plus the total pressure increment. At the time of initial expansion, the total pressure is due to the supergas
It is 100%. As air enters the enclosure and the platform rises, the total pressure remains constant.
However, the portion of the total pressure due to the partial pressure of air increases as the platform rises. Correspondingly, the partial pressure of the supergas decreases. The platform continues to rise until the partial pressure of air reaches its maximum value, 14.7 psia. At this point the supergas partial pressure has reached its lowest value. However, the total pressure (air + supergas) remains unchanged. It is the same as the total pressure at the time of initial expansion. The work that can be done with air lift equipment is very substantial, especially in large size applications. For example, the table below shows the amount of work that can be accomplished with three different sizes of equipment having platform diameters of 1 foot, 2 feet, and 3 feet. In each case, a 1000 pound weight is placed on the platform and the bellows are inflated with 100% supergas to an initial height of 1 foot.
【表】
* 拡散ポンプ作用に起因する
上記データは装置が大きいほど効果的であるこ
とを示している。たとえば、3―フイート直径の
装置は6倍のスーパガスで1―フイート直径装置
の9倍の仕事を行なうことができる。この大型装
置は小型装置の55倍の空気を使用する。
本発明の別の実施例は第1,2図に示すような
保護密閉体または建造物と関連するものである。
この密閉体は倒立管状アーチ42に固着された端
壁41、およびアーチ42および介在倒立管状ア
ーチ45ならびに縦方向管状エラストマ部材46
に固着された側壁43と頂壁44を含み、各エラ
ストマ部材46の両端は管状アーム45,42に
取付けられかつこれらと連通して一体構造を形成
している。
この構造全体は折りたたまれた状態で輸送かつ
貯蔵することができる。すなわち、相互に連通す
る管状部材42,45,46内に空気またはガス
が入つていないときには、端壁41、側壁43お
よび頂壁44はフレキシブルであつて折りたたむ
ことができる。密閉体を建立すべき場所に達した
とき、前述したスーパガスの1つの小量が相互連
通管状部材42,45,46にポンプで入れられ
る。スーパガスの量は構造体の管状部材をそれら
の最大完全膨張状態の約1/10〜1/5まで膨張させ
るに十分であればよい。この時点では、スーパガ
スのゲージ圧は本質的にゼロである(すなわち、
14.7psiaの周囲圧より僅か数オンス高い圧力であ
る)。構造体はまだ柔軟なしわの寄つた状態にあ
り、「地面上に平らに横たわつている」状態より
僅かに膨張している。このとき構造体は、これを
完全に直立した剛性化状態に自己膨張させる、拡
散ポンプ作用のエネルギ転移の準備ができてい
る。
拡散ポンプ作用は各管状部材をそれらのアーチ
形状または直線形状に膨張させ、その結果管状部
材が実質的に剛性状態になりかつ端壁41、側壁
43および頂壁44が緊張状態になる。構造体の
直立中拡散ポンプ作用によつてかなりの量の仕事
がなされる。完全に直立したとき、構造体は「永
久的膨張技術」に従つて加圧されているから、圧
力は長期間にわたつて所望の上昇値を維持する。
密閉体40は収縮した折りたたみ状態にあるとき
には容易に輸送されかつ選択スーパガスまたはス
ーパガスと空気の混合物によつて大気圧以上の所
望圧力まで容易に膨張させられ、この圧力におい
て密閉体はその完全に直立した剛性状態をとる。
拡散ポンプ作用の利点は第12,13図にさら
に明示されている。第12図は、膨張媒質として
使用された空気のみにより、完全に加圧された直
立形態にある膨張可能構造体を示す。この場合に
は、あるタイプの機械的ポンプ装置100によつ
て構造体内の圧力を維持することが必要である。
すなわち、ポンプは拡散により構造体から流出し
た空気を補充するために新空気を供給しなければ
ならない。第12a図のバー チヤートは、膨張
がポンプ100によつて発生され、それにより空
気がアーチ42,45および縦部材46に押込ま
れ、空気圧が17.7psiaになつていることを示す。
一方、スーパガスおよび拡散ポンプ作用が構造
体を自己直立させるために使用される場合には、
構造体は長期間にわたつて完全剛性状態を維持す
るであろう。これが起こるのは、拡散ポンプ作用
による自己加圧サイクルの終点において、構造体
が「永久的膨張技術」状態まで自動的に膨張させ
られているからである。この状態は第13図に示
されている。バー チヤート(第13a図)は、
構造体の膨張が14.7psiaの空気の最大量と3.0psia
のスーパガスの最少量で達成されていることを示
す。この小量のスーパガスが構造体を永久的直立
状態に維持することができる。その理由は、スー
パガスが空気の14.7psia「基礎」の上に支持され
ているからである。
第12図の場合のように、この系にエネルギを
供給するために空気ポンプを使用する必要はな
い。
第14図のバー チヤートは、初膨張時の構造
体内の圧力状態(バーA)および構造体完全直立
時の拡散ポンプ作用サイクルの終点における構造
体内の圧力状態(バーB)を示す。図示のよう
に、初膨張時には全圧はスーパガスによる100%
である。スーパガス圧は15.0psiaであり、これは
周囲圧より僅か数オンス高い圧力である。したが
つて、密閉体はごく僅かに膨張し、本質的には折
りたたまれた状態にある。しかしながら、拡散ポ
ンプ作用サイクルが終了して構造体が完全に直立
したときには、スーパガス圧は15.0psiaのその初
値の1/5〜1/10に降下し、現在では3.0psiaであ
る。この圧力降下は直立過程中の密閉体の容積増
加に起因するものである。これが起こりつつある
間、空気は密閉体に入り続け、その結果管状部材
42,45,46内の空気圧は14.7psiaに達す
る。
空気圧は最高レベルにあり、スーパガス圧は最
低レベルにあり、これはやはり「永久的膨張技
術」を例示するものである。
構造体がこのようにして膨張させられる時間を
通じて、拡散ポンプ作用は重要な役割を演じ続け
る。たとえば、拡散ポンプ作用は周囲温度の変化
が密閉体内の圧力に及ぼす影響を補償する。この
補償効果は第15,16,17図を参照すれば理
解できる。第15図は80〓(27℃)の夏日におけ
る構造体を示す。バー チヤートAは構造体内の
空気およびスーパガスの分圧のレベルを示す。空
気の14.7psia(基礎)で支持されているとき、
3.0psiaのスーパガス圧は構造体の管状部材を剛
性状態に維持するのに十分である。しかしなが
ら、外部空気温度が夜間80〓降下して0〓になる
と(第16図)、装置内のスーパガス圧と空気圧
は冷却効果により低減される。構造体内の
15.0psiaの全圧は装置がつぶれないように維持す
るには十分でないであろう。しかしながら、構造
体はつぶれない。すなわち、管状密閉体内の空気
が次第に冷えるにしたがつて外部空気と内部空気
間に圧力差を生じ、これにより外部空気が内方へ
拡散して内部空気圧を14.7psiaに維持する。説明
を簡単にするために、第16図は温度降下が瞬時
的であつたかのように冷たい周囲温度状態を示
す。外部空気圧(バーB)と内部空気圧(バー
A)を比較すると、2.2psiの圧力差が拡散ポンプ
作用のために存在することが示されている。第1
7図は低温日に対する最終平衡状態を示しかつ拡
散ポンプ作用が温度変化に関係なく内部空気圧を
14.7psiaに維持し、それにより管状構造体内に十
分な全圧を維持して構造体を適正な直立・剛性化
状態に保つことを示している。ゲージ圧は第21
図のバー チヤートAで示すように2.5psigであ
る。
構造体はまた初膨張の時点において「永久的膨
張技術」により加圧して直立させることもでき
る。膨張に続いて自己直立サイクルが起こる場合
のように100%スーパガスで膨張させる代りに、
空気の14.7psia分圧とスーパガスの適切な小圧力
増分を与えるに十分な空気とスーパガスの混合物
で初膨張を行なう。これを行なう一方法は初めに
構造体を空気ポンプで直立膨張させ、ついでに小
量のスーパガスを添加することである。過剰の空
気圧(周囲圧以上)は拡散流出して平衡状態を設
定する。
拡散ポンプ作用現象の別の用途はテニスボー
ル、バレーボール、バスケツトボールなどような
競技用ボールの製造に関連するものである。これ
らボールは中空であり、浸透性エラストマ材料か
ら作られる。これらのボールは初めに周囲圧の空
気とスーパガスの適正混合物で膨張させられ、そ
の後各ボール内の圧力が大気圧より高い所定圧力
レベルまで内方拡散によつて自動的に増大する。
この拡散ポンプ作用の結果として初完全膨張が
達成された後、ボールは上述した永久的膨張特性
を発揮する。したがつて、ボールは無期限に膨張
状態を維持する。テニスボールの場合には、それ
らの適正な内圧を維持するために、ボールをハー
メチツクシールした加圧金属容器に詰め込む必要
性が解消される。使用時には、ボールはボール内
の窒素、酸素およびアルゴンが浸透性膜を通して
外方へ押出されるためある程度圧力を失なうが、
使用していない時には、拡散ポンプ作用が起こ
り、内部の全圧が所望値に復帰する。
拡散ポンプ作用はまた前述したように高度の変
化を補償することもできる。このような補償はテ
ニスボールの場合に特に有用である。拡散ポンプ
作用はテニスボールが使用されるすべての高度に
おいてボールのゲージ圧を常にその適正値に維持
する(通常14.0psig)。
現在のテニスボールの場合には、ボール製造業
者は極端な高度条件を有する一部の地方のために
特定圧力を有するボールを製造することが必要で
ある。[Table] * Attributable to diffusion pump action The above data shows that the larger the device, the more effective it is. For example, a 3-foot diameter device can do 9 times the work of a 1-foot diameter device with 6 times as much supergas. This large device uses 55 times more air than a small device. Another embodiment of the invention is associated with a protective enclosure or structure as shown in FIGS.
The closure includes an end wall 41 secured to an inverted tubular arch 42 and an intervening inverted tubular arch 45 and a longitudinal tubular elastomeric member 46.
The ends of each elastomeric member 46 are attached to and communicate with tubular arms 45, 42 to form a unitary structure. The entire structure can be transported and stored in the folded state. That is, when there is no air or gas within the interconnecting tubular members 42, 45, 46, the end wall 41, side wall 43 and top wall 44 are flexible and collapsible. When the location where the enclosure is to be erected, a small amount of one of the supergases mentioned above is pumped into the interconnecting tubular members 42, 45, 46. The amount of supergas may be sufficient to inflate the tubular members of the structure to about 1/10 to 1/5 of their maximum fully expanded state. At this point, the supergas gauge pressure is essentially zero (i.e.
(only a few ounces higher than the ambient pressure of 14.7 psia). The structure is still in a soft, wrinkled state, slightly expanded from its "lying flat on the ground" state. The structure is now ready for diffusion pumping energy transfer that causes it to self-expand to a fully upright, rigid state. The diffusion pumping action causes each tubular member to expand into its arcuate or linear configuration such that the tubular members become substantially rigid and the end walls 41, side walls 43, and top wall 44 become taut. A significant amount of work is done by diffusion pumping during uprighting of the structure. When fully erected, the structure is pressurized according to a "permanent inflation technique" so that the pressure maintains the desired elevated value over an extended period of time.
The enclosure 40 is easily transported when in the deflated, folded state and easily inflated with a selected supergas or supergas and air mixture to a desired pressure above atmospheric pressure at which the enclosure will be able to maintain its fully upright position. It assumes a rigid state. The advantages of diffusion pumping are further demonstrated in FIGS. 12 and 13. FIG. 12 shows the inflatable structure in a fully pressurized upright configuration with only air used as the inflation medium. In this case it is necessary to maintain the pressure within the structure by some type of mechanical pumping device 100.
That is, the pump must supply fresh air to replace the air that has flowed out of the structure due to diffusion. The bar chart of FIG. 12a shows that expansion is generated by pump 100, thereby forcing air into arches 42, 45 and longitudinal member 46, resulting in an air pressure of 17.7 psia. On the other hand, if supergas and diffusion pumping are used to self-erect the structure,
The structure will remain fully rigid for an extended period of time. This occurs because at the end of the self-pressurization cycle due to diffusion pumping, the structure is automatically expanded to a "permanent expansion technology" state. This state is shown in FIG. The bar chart (Figure 13a) is
Structure inflation is 3.0psia with a maximum amount of air of 14.7psia
is achieved with the least amount of supergas. This small amount of supergas can maintain the structure permanently upright. The reason is that supergas is supported on a 14.7 psia "base" of air. There is no need to use an air pump to supply energy to this system as in the case of FIG. 12. The bar chart of FIG. 14 shows the pressure conditions within the structure at initial inflation (bar A) and at the end of the diffusion pumping cycle when the structure is fully erected (bar B). As shown in the diagram, the total pressure is 100% due to super gas at the time of initial expansion.
It is. The supergas pressure is 15.0 psia, which is only a few ounces above ambient pressure. The closure is therefore only slightly expanded and essentially in a collapsed state. However, when the diffusion pumping cycle ends and the structure is fully erected, the supergas pressure has dropped to 1/5 to 1/10 of its initial value of 15.0 psia and is now 3.0 psia. This pressure drop is due to the increase in volume of the enclosure during the uprighting process. While this is occurring, air continues to enter the enclosure so that the air pressure within tubular members 42, 45, 46 reaches 14.7 psia. Air pressure is at the highest level and supergas pressure is at the lowest level, again illustrating the "permanent inflation technique". Throughout the time that the structure is expanded in this way, diffusion pumping continues to play an important role. For example, diffusion pumping compensates for the effect that changes in ambient temperature have on the pressure within the enclosure. This compensation effect can be understood by referring to FIGS. 15, 16, and 17. Figure 15 shows the structure on a summer day at 80°C (27°C). Birchat A indicates the level of partial pressure of air and supergas within the structure. When supported at 14.7psia (base) of air,
A supergas pressure of 3.0 psia is sufficient to maintain the tubular members of the structure in a rigid condition. However, when the outside air temperature drops by 80° to 0° during the night (FIG. 16), the supergas pressure and air pressure inside the device are reduced by the cooling effect. inside the structure
A total pressure of 15.0 psia may not be sufficient to keep the device from collapsing. However, the structure does not collapse. That is, as the air within the tubular enclosure gradually cools, a pressure difference is created between the outside air and the inside air, which causes the outside air to diffuse inward to maintain the inside air pressure at 14.7 psia. For ease of explanation, FIG. 16 shows a cold ambient temperature condition as if the temperature drop were instantaneous. A comparison of the external air pressure (bar B) and internal air pressure (bar A) shows that a pressure difference of 2.2 psi exists due to the diffusion pumping action. 1st
Figure 7 shows the final equilibrium state for a low temperature day and shows that the diffusion pump action increases the internal air pressure regardless of temperature changes.
14.7 psia, which has been shown to maintain sufficient total pressure within the tubular structure to keep it properly upright and stiff. Gauge pressure is 21st
The pressure is 2.5 psig, as shown by bar chart A in the figure. The structure can also be pressurized upright by "permanent inflation techniques" at the time of initial inflation. Instead of inflating with 100% supergas, as would be the case if inflation was followed by a self-erecting cycle,
An initial expansion is made with a mixture of air and supergas sufficient to provide a 14.7 psia partial pressure of air and a suitably small pressure increment of supergas. One way to do this is to first inflate the structure upright with an air pump and then add a small amount of supergas. Excess air pressure (above ambient pressure) diffuses out and establishes an equilibrium condition. Another application of the diffusion pumping phenomenon is in connection with the manufacture of competition balls such as tennis balls, volleyballs, basketball balls, and the like. These balls are hollow and made from permeable elastomeric material. These balls are first inflated with a suitable mixture of ambient pressure air and supergas, after which the pressure within each ball is automatically increased by inward diffusion to a predetermined pressure level above atmospheric pressure. After initial full expansion is achieved as a result of this diffusion pumping action, the ball exhibits the permanent expansion characteristics described above. The ball therefore remains inflated indefinitely. In the case of tennis balls, it eliminates the need to pack the balls into a hermetically sealed pressurized metal container to maintain their proper internal pressure. In use, the ball loses some pressure as the nitrogen, oxygen, and argon within the ball are forced outward through the permeable membrane;
When not in use, a diffusion pump action occurs and the total internal pressure returns to the desired value. Diffusion pumping can also compensate for altitude changes, as discussed above. Such compensation is particularly useful in the case of tennis balls. The diffusion pump action maintains the ball's gauge pressure at its proper value (typically 14.0 psig) at all altitudes at which the tennis ball is used. In the case of current tennis balls, it is necessary for ball manufacturers to manufacture balls with specific pressures for some regions with extreme altitude conditions.
第1図は本発明の実施例を示す膨張可能な密閉
体または建造物の斜視図である。第2図は第1図
の2―2線断面拡大図である。第3図は本発明の
別の実施例の縦断面図である。第4図は大容積に
膨張したチヤンバを示す第3図類似の図である。
第5図は密閉チヤンバ内のある時間にわたる圧力
を表わすグラフであり、チヤンバを初膨張させる
ために各種のガスが使用されている。第6図は第
5図の左側部分の一部を拡大したグラフである。
第7図は密閉チヤンバ内のある時間にわたる圧力
を表わすグラフであり、チヤンバーは異なるエラ
ストマ材料で作られかつ同一ガス(C2F6)で初
膨張させられている。第8図は窒素が代表的ポリ
マーフイルムを通つて拡散する比較的速い速度を
示す第7図類似の図である。第9図はチヤンバ内
への空気の逆拡散に起因するエラストマ チヤン
バの拡散ポンプ作用を示すグラフである。第10
図は、空気と他のガスの異なる混合物が初めにチ
ヤンバ内にある、エラストマ チヤンバ内の拡散
ポンプ作用に起因する圧力上昇を示す、第9図類
似のグラフである。第11図は異なる圧力の特殊
ガスで初めに充填された定積密閉体内の拡散ポン
プ作用に起因するパーセント圧力上昇を示すバー
チヤートである。第12図は、構造体が空気で
100%膨張させられかつ圧力が電気モータとポン
プの組合せによつて適当なレベルに維持されてい
る、第1図の加圧構造体の別の図である。第12
a図は第12図の構造体内に所要圧力を維持する
ために必要なガス媒質のタイプを示すバー チヤ
ートである。第13図はスーパガスと空気で膨張
させられた第1図の加圧構造体の別の図である。
第13a図は第13図の構造体内に所要圧力を維
持するためのガス媒質の成分を示すバー チヤー
トである。第14図は、初膨張の時点と構造体が
折りたたまれた状態から拡散ポンプ作用によつて
完全加圧状態に直立させられた後の時点におけ
る、膨張可能構造体内の空気とスーパガスの相対
量を示すバー チヤートである。第15,16,
17図は周囲温度の変化中膨張可能構造体内のス
ーパガスおよび空気の圧力の変化ならびに拡散ポ
ンプ作用の自己補償効果を示す一連のバー チヤ
ートである。
30…ベロー、31…ベース、32…プラツト
ホーム、W…ウエイト、40…保護密閉体、41
…端壁、42…管状アーチ、43…側壁、44…
頂壁、45…管状アーチ、46…管状エラストマ
部材。
FIG. 1 is a perspective view of an inflatable enclosure or structure illustrating an embodiment of the invention. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view taken along line 2--2 in FIG. 1. FIG. 3 is a longitudinal sectional view of another embodiment of the invention. FIG. 4 is a view similar to FIG. 3 showing the chamber expanded to a large volume.
FIG. 5 is a graph representing the pressure within a sealed chamber over time, with various gases being used to initially inflate the chamber. FIG. 6 is a graph in which a part of the left side portion of FIG. 5 is enlarged.
FIG. 7 is a graph representing the pressure over time in sealed chambers made of different elastomeric materials and initially inflated with the same gas (C 2 F 6 ). FIG. 8 is a diagram similar to FIG. 7 showing the relatively fast rate at which nitrogen diffuses through a typical polymer film. FIG. 9 is a graph illustrating the diffusion pumping action of an elastomer chamber due to back-diffusion of air into the chamber. 10th
The Figure is a graph similar to Figure 9 showing the pressure increase due to diffusion pumping in an elastomeric chamber, with different mixtures of air and other gases initially in the chamber. FIG. 11 is a bar chart showing the percent pressure rise due to diffusion pumping in a constant volume enclosure initially filled with special gases at different pressures. Figure 12 shows that the structure is made of air.
2 is another view of the pressurizing structure of FIG. 1, 100% inflated and pressure maintained at the appropriate level by an electric motor and pump combination; FIG. 12th
Figure a is a bar chart showing the type of gaseous medium required to maintain the required pressure within the structure of Figure 12. FIG. 13 is another view of the pressurized structure of FIG. 1 inflated with supergas and air.
FIG. 13a is a bar chart showing the composition of the gaseous medium to maintain the required pressure within the structure of FIG. Figure 14 shows the relative amounts of air and supergas within the inflatable structure at the time of initial inflation and after the structure has been erected from the collapsed state to a fully pressurized state by diffusion pumping. This is a bar chart. 15th, 16th,
Figure 17 is a series of birts showing the changes in supergas and air pressure within the expandable structure during changes in ambient temperature and the self-compensating effects of diffusion pumping. 30... Bellows, 31... Base, 32... Platform, W... Weight, 40... Protective seal, 41
...End wall, 42...Tubular arch, 43...Side wall, 44...
Top wall, 45... tubular arch, 46... tubular elastomer member.
Claims (1)
個のチヤンバーを具備し、前記膨張する部材の少
なくとも一部分はエラストマ材料を含み、前記エ
ラストマ材料により形成される前記チヤンバーは
成形後初めに低溶解度係数を有する不活性、非極
性の大分子ガスから成るガス媒体により膨張さ
れ、前記エラストマ材料はその特性として前記ガ
スの外方拡散に抵抗する比較的低い浸透性を有
し、かつ前記チヤンバーを包囲する周囲空気に対
して比較的高い浸透性を有し、それにより前記エ
ラストマ材料を通つて前記膨張されたチヤンバー
内への前記周囲空気の拡散を可能にし、前記チヤ
ンバー内のガスの分圧と前記チヤンバー内の空気
の分圧との合計である全圧を前記チヤンバー内に
付与し、前記エラストマ材料を通過する前記ガス
の拡散率は前記エラストマ材料を通過する窒素の
拡散率より実質上低くしたことを特徴とする自己
膨張性保護構造物。 2 前記チヤンバーが初めに大気圧以上の前記ガ
スを含み、前記エラストマ材料を通つて拡散する
前記空気が前記チヤンバー内のガス初圧にその分
圧を加えることを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載の自己膨張性構造物。 3 前記チヤンバーの全体が浸透性エラストマ材
料から形成されている特許請求の範囲第2項記載
の自己膨張性構造物。 4 前記チヤンバーの全体が前記エラストマ材料
から形成されている特許請求の範囲第1項記載の
自己膨張性構造物。 5 前記チヤンバーを構成する前記エラストマ材
料が、ポリウレタン、ポリエステルエラストマ、
フルオロエラストマ、塩素化ポリエチレン、ポリ
ビニルクロライド、クロロスルホン化ポリエチレ
ン、ポリエチレン/エチレンビニルアセテートコ
ポリマ、ネオプレン、ブタジエンアクリロニトリ
ルゴム、ブタジエンスチレンゴム、エチレンプロ
ピレンポリマ、天然ゴム、高力シリコーンゴム、
低密度ポリエチレン、アダクトゴム、サルフアイ
ドゴム、メチルゴムまたは熱可塑性ゴムから選択
される特許請求の範囲第1項記載の自己膨張性構
造物。 6 前記ガスがヘキサフルオロエタンを含む特許
請求の範囲第1項記載の自己膨張性構造物。 7 前記ガスがサルフアヘキサフルオライドを含
む特許請求の範囲第1項記載の自己膨張性構造
物。 8 前記エラストマ材料がポリウレタンである特
許請求の範囲第1項記載の自己膨張性構造物。 9 前記チヤンバーが初めに前記ガスと空気の混
合物を含む特許請求の範囲第1項記載の自己膨張
性構造物。 10 前記チヤンバーが初めに前記ガスと窒素の
混合物を含む特許請求の範囲第1項記載の自己膨
張性構造物。 11 前記チヤンバーが初めに前記ガスと酸素の
混合物を含む特許請求の範囲第1項記載の自己膨
張性構造物。 12 前記チヤンバーが初めにガスとアルゴンの
混合物を含む特許請求の範囲第1項記載の自己膨
張性構造物。 13 前記ガスはヘキサフルオロエタン、サルフ
アヘキサフルオライド、ペルフルオロプロパン、
ペルフルオロブタン、ペルフルオロペンタン、ペ
ルフルオロヘキサン、ペルフルオロヘプタン、オ
クタフルオロシクロブタン、ペルフルオロシクロ
ブタン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフル
オロエタン、1,1,2―トリクロロ―1,2,
2トリフルオロエタン、クロロトリフルオロエチ
レン、プロモトリフルオロメタン、又はモノクロ
ロトリフルオロメタンから選択される特許請求の
範囲第1項記載の自己膨張性構造物。[Scope of Claims] 1. At least one member formed by an inflatable member
at least a portion of the expandable member comprises an elastomeric material, and the chamber formed by the elastomeric material initially comprises an inert, non-polar, large molecular gas having a low solubility coefficient after molding. Expanded by a gaseous medium, the elastomeric material characteristically has a relatively low permeability to resist outward diffusion of the gas and a relatively high permeability to the ambient air surrounding the chamber. , thereby allowing diffusion of the ambient air through the elastomeric material and into the inflated chamber, with a total pressure being the sum of the partial pressure of gas in the chamber and the partial pressure of air in the chamber. is provided in the chamber, and the diffusivity of the gas through the elastomeric material is substantially lower than the diffusivity of nitrogen through the elastomeric material. 2. Claim 1, characterized in that said chamber initially contains said gas at above atmospheric pressure, and said air diffusing through said elastomeric material adds its partial pressure to the initial pressure of gas in said chamber.
Self-expanding structure as described in Section. 3. The self-expanding structure of claim 2, wherein said chamber is formed entirely of a permeable elastomeric material. 4. The self-expanding structure of claim 1, wherein said chamber is formed entirely of said elastomeric material. 5. The elastomer material constituting the chamber is polyurethane, polyester elastomer,
Fluoroelastomer, chlorinated polyethylene, polyvinyl chloride, chlorosulfonated polyethylene, polyethylene/ethylene vinyl acetate copolymer, neoprene, butadiene acrylonitrile rubber, butadiene styrene rubber, ethylene propylene polymer, natural rubber, high strength silicone rubber,
A self-expanding structure according to claim 1, which is selected from low density polyethylene, adduct rubber, sulfide rubber, methyl rubber or thermoplastic rubber. 6. The self-expanding structure of claim 1, wherein the gas comprises hexafluoroethane. 7. The self-expanding structure of claim 1, wherein the gas comprises sulfur hexafluoride. 8. The self-expanding structure of claim 1, wherein said elastomeric material is polyurethane. 9. The self-expanding structure of claim 1, wherein said chamber initially contains a mixture of said gas and air. 10. The self-expanding structure of claim 1, wherein said chamber initially contains a mixture of said gas and nitrogen. 11. The self-expanding structure of claim 1, wherein said chamber initially contains a mixture of said gas and oxygen. 12. The self-expanding structure of claim 1, wherein said chamber initially contains a mixture of gas and argon. 13 The gas is hexafluoroethane, sulfur hexafluoride, perfluoropropane,
Perfluorobutane, perfluoropentane, perfluorohexane, perfluoroheptane, octafluorocyclobutane, perfluorocyclobutane, hexafluoropropylene, tetrafluoroethane, 1,1,2-trichloro-1,2,
2. A self-expanding structure according to claim 1, wherein the self-expanding structure is selected from ditrifluoroethane, chlorotrifluoroethylene, promotrifluoromethane, or monochlorotrifluoromethane.
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