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KR20130010917A - 제어 신축 호스 - Google Patents

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KR20130010917A
KR20130010917A KR1020137000693A KR20137000693A KR20130010917A KR 20130010917 A KR20130010917 A KR 20130010917A KR 1020137000693 A KR1020137000693 A KR 1020137000693A KR 20137000693 A KR20137000693 A KR 20137000693A KR 20130010917 A KR20130010917 A KR 20130010917A
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KR
South Korea
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layer
yarns
reinforcement
braided
fiber material
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KR1020137000693A
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알랜 씨 존슨
알렉산드라 메이 엔지
Original Assignee
더 게이츠 코포레이션
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Abstract

유압 시스템에서 압력 변동을 완화하도록 된 신축 호는 내부 튜브, 직물 보강재, 및 외부 피복을 구비한다. 직물 보강재는 복수의 얀을 포함하고, 이들 얀은 또한 제1 섬유 재료종으로 이루어진 복수의 필라멘트 및 제2 섬유 재료종으로 이루어진 필라멘트를 포함하며, 제1 섬유 재료종의 파단 연신율이 제2 섬유 재료종보다 적어도 약 4% 연신율만큼 크다. 이러한 신축 호스는 적어도 하나의 피팅, 커플링, 브래킷, 호스 클램프, 또는 다른 호스를 포함하는 조립체의 일부분일 수 있다.

Description

제어 신축 호스{CONTROLLED EXPANSION HOSE}
본 발명은 일반적으로는 동력 조향 용례에 적합한 고압 제어 신축 호스에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 나일론 및 폴리에스테르 필라멘트를 모두 포함하는 직물 보강층을 갖는 신축 호스이며, 상세하게는 나일론으로 이루어진 제1 편조(braided) 보강층 및 폴리에스테르로 이루어진 제2 편조 보강층을 갖는 신축 호스에 관한 것이다.
신축 호스는 유압 시스템, 동력 조향 시스템 등과 같은 고압 유체 이송 시스템이나 유체 동력 시스템에 이용되고 있다. 호스가 압력 맥동을 겪게 되는 그러한 동적 용례에서, 제어되거나 미리 정해진 양의 체적 신축을 갖는 신축 호스는 압력 변동을 완화(smoothing)한다거나 진동을 감쇠시킨다거나 소음을 감소시킨다거나, 또는 기타 방식으로 압력 펄스에 대한 시스템의 응답을 개선하는 데에 유용할 수 있다. 체적 신축은 고압 유체가 공급되는 경우에 호스의 내부 체적의 변화를 가리킨다. 제어 신축은 호스가 주어진 내부 압력에서 미리 정해진 양의 체적 신축을 나타내도록 설계된 것을 의미한다. 이러한 호스가 통상 "신축 호스(expansion hose)"로 불린다. 신축 호스에 대해 이용될 수 있는 한가지 분류법에서는 ㏄/m 단위로 표기되는 호스의 단위 길이당 체적 신축에 기초하고 있다. 예를 들면, 미국 자동차공학회(SAE International)에서 발행한 표준 규격 SAE J2050에서는 동력 조향용 압력 호스 용례를 위한 신축 호스는 9.85 ㎜의 내경(ID : internal diameter)을 갖는 호스의 경우에 9.0 ㎫의 내부 압력에서 10 ㏄/m 내지 46 ㏄/m 범위의 체적 신축을 갖는 것으로서 기술하고 있다. 자동차 제조업자에 의해 발행된 다른 사양에서는 동력 조향용 고신축 호스의 경우에 약 10 ㎜의 ID에 대해 9.0 ㎫에서 27 ㏄/m 내지 40 ㏄/m의 체적 신축을 나타낼 것을 요구하고 있다. 따라서, 다소 임의적으로는 신축 호스는 또한 저신축 호스나 고신축 호스로서 분류될 수도 있다. 저신축 호스는 미리 정해진 최대 작동 압력에서 약 13% 내지 약 35%의 상대 체적 신축을 가질 수 있다. 고신축 호스의 경우는 미리 정해진 최대 작동 압력에서 약 35%보다 큰 체적 신축을 가질 수 있다.
신축 호스는 일반적으로 최대 작동 압력의 약 4배의 파열 압력을 갖도록 설계된다. 이러한 높은 파열 압력은 일반적으로 고강도의 와이어, 섬유, 또는 얀(yarn)으로 이루어진 보강층을 이용하여 얻을 수 있다. 하지만, 높은 파열 압력과 큰 체적 신축은 서로 상반되는 목표들일 수 있다.
신축 호스가 반복적인 고압 펄스와 같은 동적 조건에 노출되는 경우에는 내피로성 또한 요구된다. 예를 들면, SAE J2050에서는 10.5 ㎫의 설계 작동 압력의 100%를 피크치로 하는 압력 사이클 200,000회를 최소 성능으로서 요구하고 있다. 불행히도, 신축 호스에 대한 요구 조건이 전반적으로 고압, 고온, 및 고내피로성 쪽으로 옮겨가고 있기 때문에, 소정 최소 파열 압력, 소정 작동 압력에서의 미리 정해진 체적 신축 및 높은 임펄스 내피로성을 구비하고자 하는 3가지 목표는 서로 상반되는 것으로 확인되었다. 단순히 작동 압력을 증가시키게 되면 체적 신축은 증가하고 피로 수명은 감소할 것이다. 보강의 정도를 증가시키면 파열 압력은 증가시킬 수 있지만, 이와 동시에 체적 신축이 감소할 것이다. 편조각(braid angle) 또는 나선각과 같은 보강 파라미터는 체적 신축을 다소 제어하는 데에 이용될 수 있지만, 통상의 최적 설정으로부터의 편차는 또한 길이 안정성과 같은 호스 성능의 다른 양태에 부정적인 결과를 초래한다.
미국 특허 제5,172,729호에는 외부 압력 호스에 대해 동축으로 연장하는 내부 가요성 중공체를 갖는 신축 호스의 일례가 개시되어 있다. 이러한 이중 구조의 호스는 복잡하다.
미국 특허 제7,063,181호에는 나일론과 같은 재료의 편조, 나선형 감김, 또는 직조 형태의 2개의 관형 보강층으로 덮인 다층 내부 코어를 갖는 동력 조향용 호스가 개시되어 있다. 그 호스의 신축은 얀의 연신율 및 그 얀이 적용되는 각도를 통해 제어되는 것으로 말하고 있지만, 그 어떠한 일례도 제공하지 않고 있다.
미국 특허 제5,660,210호에는 파단 시에 10%의 연신율을 갖는 폴리에스테르 쓰레드로 이루어진 하층과, 폴리에스테르 또는 폴리비닐 알코올 쓰레드로 이루어진 상층을 포함하는 적어도 2개의 보강 쓰레드 층을 갖는 강화 호스가 개시되어 있다. 그렇게 얻어진 호스는 우수한 내피로성을 갖지만 매우 작은 체적 신축성을 갖는 것으로 알려져 있다. 미국 특허 제5,660,210호는 두 특성, 즉 내피로성과 체적 신축성을 동시에 만족시키는 보강 쓰레드는 없다고 교시하고 있다. 두층의 재료를 변경하는 경우라도, 어떠한 구조도 아직까지 그러한 상반되는 두가지 특성을 만족스럽게 조정하지는 못하였다.
미국 특허 제6,807,988호에는 적어도 제1 및 제2 섬유로 이루어진 제1 및 제2 보강층을 구비하고 이들 두 층이 그 필라멘트의 일부분에 대해서만 젖음성(wetting)을 갖도록 조절된 접합제에 의해 함께 접합된 열가소성 강화 호스 구조가 개시되어 있다. 반경 방향 신축 및 축방향 연신은 비틀림 모멘트에 의한 비틀림 효과를 상쇄시키도록 쌍을 이루어 반대로 감긴 나선형 층들의 피치각에 의해 영향을 받는다고 하고 있다.
미국 특허 제5,316,046호에는 유기 섬유로 이루어진 하나 이상의 보강층을 갖는 동력 조향용 호스가 개시되어 있다. 이 호스는 9 ㎫에서 20 ㏄/m 내지 26 ㏄/m(91 ㎏f/㎠에서 6 ㏄/m 내지 8 ㏄/ft)의 체적 신축을 나타내며, 이는 약 35%의 체적 신축율에 상응한다.
미국 특허 제5,077,108호에는 나일론, 폴리에스테르, 레이온, 면, 비닐론, 아라미드 등으로부터 선택된 재료의 편조물 형태의 섬유질 보강재를 포함하는 호스용 복합 라미네이트가 개시되어 있다.
미국 특허 제6,677,018호에는 강선 보강층과 방향족 폴리아미드에 기초한 유기 섬유 보강층을 포함하는 복수의 보강층을 구비한 고압 호스가 개시되어 있다.
미국 특허 제7,143,789호에는 탄성 계수가 바람직하게는 동일하거나 적어도 유사한 보강용 플라이(ply)의 층을 홀수개 구비한 고압 호스가 개시되어 있다.
미국 특허 제3,383,258호에는 폴리에스테르 필라멘트를 포함하는 적어도 하나의 층의 편조 얀을 구비하는 고압 호스가 개시되어 있다.
미국 특허 제3,605,818호에는 합성 또는 천연 필라멘트를 포함하는 미연사(untwisted) 다중 필라멘트 얀으로 이루어진 바인더 함침 리본의 적어도 하나의 편조층을 갖는 고압 호스가 개시되어 있다. 바람직한 재료는 용융 혼합된 나일론과 폴리에스테르로 이루어진 이성분 필라멘트이다.
일본 특허 공개 공보 제JP 02-147328호에는 수지제 호스의 보강용으로 폴리에스테르 코어와 나일론 외층으로 이루어진 코어-외층형 복합재 섬유를 포함하는 코드가 개시되어 있다. 그러나, 당업계에는 상이한 특성을 갖는 두가지 섬유의 혼합물은 일반적으로 혼합비에 대해 선형적인 관계를 따르지 않고, 얻어지는 특성이 비례하는 경우보다 대체로 덜한 것으로 알려져 있다[예를 들면, Wellington Sears의 "Handbook of Industrial Textiles"(1963)의 §292 참조].
미국 특허 제4,898,212호에는 서로 반대 방향으로 나선형으로 감긴 한쌍의 보강층들을 갖는 가요성 강화 호스가 개시되어 있는 데, 그 보강층은 데니어(denier)당 약 12 내지 약 25 그램의 강도(tenacity)와 약 2% 내지 약 8%의 파단 연신율을 갖고 있는 제1 섬유(방향족 폴리아미드)를 포함하며, 이 제1 섬유는 데니어당 약 7 내지 11 그램의 강도와 약 9% 내지 약 17%의 파단 연신율을 갖는 제2 섬유(바람직하게는 폴리에스테르)에 대해 교대로 인접하는 관계로 배치된다. 케블라(Kevlar)로 이루어진 제1 편조층과 폴리에스테르로 이루어진 제2 편조층을 갖는 예시적인 호스는 굴곡에 대한 내피로성이 나빴다. 개시된 호스의 체전 신축율 역시 신축 호스로 간주하기에는 너무 낮았다.
본 발명은 동력 조향용 호스와 같은 고압 용례를 위해 미리 정해진 체적 신축성 및 임펄스 압력에 대한 우수한 내피로성을 제공하는 신축 호스에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 종래 기술의 호스보다 큰 체적 신축성 및/또는 작동 압력에서 개선된 임펄스 내피로성 및 파열 압력을 갖는 신축 호스에 관한 것이다. 다시 말해, 본 발명은 2개의 상반된 특성, 즉 임펄스 내피로성과 제어된 체적 신축을 동시에 최적화한다.
본 발명은 내부 튜브, 직물 보강재, 및 외부 피복을 갖는 신축 호스에 관한 것이다. 직물 보강재는 복수의 얀을 포함하고, 이들 얀은 또한 제1 섬유 재료종 및 제2 섬유 재료종으로 이루어진 필라멘트를 포함한다. 하나의 실시예에서, 제1 섬유 재료종은 파단 연신율이 제2 섬유 재료종보다 적어도 약 4% 연신율만큼 크다. 다른 실시예에서, 제1 섬유 재료종은 나일론이고 제2 섬유 재료종은 폴리에스테르이다.
직물 보강재는 각 섬유 재료종에 하나씩 2개의 별개의 직물층으로서 존재할 수 있다. 이들 층은 서로 평형을 이루는 보강층일 수 있으며, 제1 섬유 재료종의 얀의 층이 제2 섬유 재료종의 얀의 층의 안쪽에 위치할 수 있다. 이러한 직물층은 감김 방향이 서로 반대로 되게 편조되거나, 래핑(wrapping)되거나, 또는 나선형으로 감긴 층들의 쌍일 수 있다.
신축 호스는 또한 2개의 보강층 사이에 마찰층을 더 포함할 수 있다. 직물 보강재는 접착 처리제가 실질적으로 함침될 수 있다.
다른 실시예에서, 신축 호스용 직물 보강재는 편조되거나, 나선형으로 감기거나, 또는 래핑된 얀들로 이루어진 하나의 평형형 보강층(balanced reinforcing layer)일 수 있고, 그 얀들은 제1 섬유 재료종과 제2 섬유 재료종의 혼합물일 수 있다. 2개 이상의 그러한 층이 이용될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 신축 호스용 직물 보강재는 편조되거나, 나선형으로 감기거나, 또는 래핑된 얀들로 이루어진 하나의 평형형 보강층일 수 있고, 2종의 섬유 재료종이 2종의 각각의 얀으로서 존재하고, 이들 2종의 얀은 그 평형형 보강층 내에서 번갈아 가면서 배치될 수 있다. 그러한 2종의 섬유 재료종은 나일론과 폴리에스테르일 수 있다.
본 발명의 신축 호스의 실시예는 약 1000 psi 내지 약 3000 psi 범위의 압력에서 약 13% 내지 약 35% 범위의 체적 신축율을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 신축 호스는 유압 시스템에서 압력 변동을 감소시키거나 완화하는 데에 적합할 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 신축 호스와, 적어도 하나의 피팅, 커플링, 브래킷, 또는 다른 호스를 포함하는 조립체에 관한 것이다.
위에서는 후속하는 발명의 상세한 설명을 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징 및 기술적 이점을 다소 광의로 개략적으로 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 청구항들의 주제를 이루는 본 발명의 추가적인 특징 및 이점에 대해 설명할 것이다. 당업자라면 개시하는 개념 및 특정 실시예가 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위해 기타 구조를 수정 또는 설계하는 데에 있어서 기초로서 용이하게 활용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 또한, 당업자라면, 그러한 등가의 구조가 첨부된 청구 범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 점을 이해할 것이다. 본 발명의 구조 및 작동 방법 모두와 관련하여 본 발명의 특징으로 여겨지는 신규의 특징들은 추가적인 목적 및 이점들과 함께 첨부 도면과 관련하여 고려할 때에 후속하는 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 단지 예시 및 설명을 위해 제공된 것이지 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니라는 점은 분명히 이해해야 할 것이다.
본 발명에 따른 동력 조향용 호스와 같은 고압용 신축 호스는, 종래 기술의 호스보다 큰 체적 신축성 및/또는 작동 압력에서 개선된 임펄스 내피로성 및 파열 압력을 갖는다. 따라서, 2개의 상반된 특성, 즉 임펄스 내피로성과 제어된 체적 신축을 동시에 최적화한다.
본 명세서에 포함되어 그 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하는 것으로 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 기능을 하며, 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 신축 호스의 부분 파단 사시도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 호스 조립체의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따라 구성된 신축 호스가 도시되어 있다. 신축 호스(10)는 내부 튜브(11), 마찰층(13)에 의해 서로 분리된 편조층(12, 14)들을 포함한 보강재, 및 이 보강재의 층(14) 위에 배치된 외부 피복(15)을 포함한다. 튜브(11)는 엘라스토머나 플라스틱과 같은 1종 이상의 가요성 재료의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 일반적으로, 보강재는 하나 이상의 별개의 직물층을 포함할 수 있고, 이들 층은 평형형 편조층이거나 평형형 나선형 층일 수 있고 2종의 섬유를 포함한다. 여기서, "평형형"이라 함은 호스의 둘레에 각각의 방향으로 래핑되거나, 나선형으로 감기거나, 또는 편조된 동일한 종의 얀을 동일한 개수로 구비함을 의미한다. 또한, 서로 반대의 감김 방향으로 된 얀들이 어느 정도 동일하지만 반대의 감김각을 가짐을 의미한다. 서로 반대로 감긴 얀들이 반경 방향으로 동일한 위치 또는 동일한 층에 있지 않는 경우, 반경 방향 위치의 차이를 보상하도록 약간의 상이한 감김각이 이용될 수 있다. 이러한 평형은 호스가 비틀리게 될 임의의 경향을 최소화한다. 도 1의 실시예는 내부 튜브(11) 위에 편조된 2개의 편조 보강층(12, 14)을 도시하고 있다. 튜브의 내면 재료는 호스 내에서 예상되는 유체 및 환경 조건에 견디도록 선택되는 1종 이상의 적절한 가요성을 갖는 엘라스토머 또는 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 피복(15)은 겪게 되는 외부 환경에 견디도록 설계된 1종 이상의 적절한 가요성을 갖는 엘라스토머 또는 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 피복(15)은 내마모성이나 기타 특별한 특성을 위해 직물 피복 부재를 포함할 수 있다. 마찰층(13)은 2개의 직물 보강층을 서로 접합하도록 구성된 1종 이상의 적절한 가요성의 엘라스토머 또는 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 튜브(11), 마찰층(13) 및 피복(15)은 동일하거나 상이한 재료로 이루어질 수 있다. 튜브(11)는 몰딩, 래핑(wrapping), 가황 처리, 및/또는 압출과 같은 단계들을 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 보강재는 2가지 상이한 종의 합성 폴리머 필라멘트 섬유를 포함한다. 이러한 2종의 합성 섬유는 폴리아미드, 폴리에스테르, 방향족 폴리아미드 또는 아라미드, 레이온, 아크릴, 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리아릴렌 설파이드, 폴리올레핀 등으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 하나의 종의 섬유는 다른 하나의 종의 섬유보다 파단 연신율이 더 크다. 이러한 두 섬유종 간에 연신율의 차이는 백분율 연신율의 측면에서 4%이상일 수 있다. 하나의 실시예에서, 내부 직물층(12)은 나일론, 아크릴 등과 같은 상대적 고연신 재료의 섬유를 포함한다. 내부 직물층(12)을 위한 바람직한 고연신 재료는 나일론이다. 바람직한 나일론은 나일론 66이다. 동 실시예에서, 외부 직물층(14)은 아라미드, 폴리에스테르, 레이온, 폴리페닐렌 설파이드("PPS"), 폴리에틸렌 나프탈레이트("PEN"), 폴리벤조비스티아졸("PBT"), 초고분자량 폴리에틸렌("UHMWPE") 등과 같은 상대적 고탄성 계수 저연신 재료의 섬유를 포함한다. 바람직한 저연신 재료는 폴리에스테르이다. 바람직한 에스테르는 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET")이다. 따라서, 하나의 실시예에서, 내부 직물층(12)은 나일론 필라멘트를 포함하고 외부 직물층(14)은 폴리에스테르 필라멘트를 포함한다. 대안적으로, 내부 직물층(12)이 저연신 섬유로 이루어지고 외부 직물층(14)이 고연신 섬유로 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따르면, 신축 호스의 보강재로서의 고연신 섬유 재료와 저연신 섬유 재료의 조합이 어느 한쪽 재료만으로 달성될 수 있는 것보다 우수한 성능 특성을 제공한다는 점이 확인되었다. 그 성능의 개선은 섬유 비율에 기초한 선형 관계에 의해 예상되는 것보다 현저히 클 수 있다. 예를 들면, 나일론과 폴리에스테르의 보강재 조합은 동력 조향 용례에 요구되는 것과 같은 높은 파열 압력, 임펄스 압력에 대한 높은 내피로성, 및 비교적 큰 체적 신축을 요구하는 신축 호스에 유리하다. 본 발명은 또한 특정 용례에 대해 호스의 신축을 조정하여 유압 시스템에서 공진을 감소시키거나 유압 호스 또는 비유압 호스 시스템에서 소음을 감소시키는 개선된 방법을 제공한다. 이러한 이점은 미국 특허 제5,172,729호 및 제6,155,378호에 개시된 바와 같은 튜닝 케이블이나 기타 복잡한 장치를 필요로 하지 않고도 실현할 수 있어, 시스템의 단순화 및/또는 비용 절감이 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 보강층(12, 14)들은 일부의 고연신 얀과 일부의 저연신 얀, 예를 들어 일부의 나일론 얀과 일부의 폴리에스테르 얀을 규칙적으로 번갈아 가면서 배치되게 편조한 단일 편조층으로 합칠 수도 있다. 예를 들면, 다중 캐리어 편조기에서 브레이더 캐리어(braider carrier)를 하나씩 걸러 폴리에스테르 얀을 적용하고 나머지 캐리어에는 나일론 얀을 적용할 수 있다. 캐리어가 멀티 엔드(multi-end) 능력을 갖는 다면, 편조 패턴은 소정 개수의 나일론의 엔드가 다른 개수의 폴리에스테르의 엔드와 번갈아 가면서 배치되게 될 수 있다. 또는, 다른 예로서, 얀의 엔드를 하나씩 걸러서 폴리에스테르 얀이 나일론 얀과 번갈아 가면서 배치되게 할 수 있다. 이러한 호스는 신축 호스 용례에 대한 설계 요건에 따라 보강용 얀들의 2이상의 유사한 층을 구비할 수도 있다. 이들 보강층은 마찰층 또는 접착제층에 의해 분리될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 보강층(12, 14)들은 고연신 필라멘트 또는 섬유와 저연신 필라멘트 또는 섬유의 혼합사, 예를 들면 나일론 필라멘트와 폴리에스테르 필라멘트의 혼합사를 포함하는 혼합사의 단일 편조층으로 합쳐질 수도 있다. 바람직하게는 그 혼합사는 2종의 단섬유의 혼합물의 방적사이거나, 2개의 재료의 필라멘트를 함께 꼰 합연사(plied warn)이다. 바람직하게는 그 혼합사는 코어-외층 구조가 아니다. 바람직하게는 각각의 필라멘트가 고연신 재료나 저연신 재료, 예를 들면 나일론이나 폴리에스테르로 이루어지고, 두 재료의 분자 혼합은 이루어지지 않는다. 이러한 호스는 신축 호스 용례에 대한 설계 요건에 따라 2이상의 유사한 층을 구비할 수도 있다.
나일론은 폴리머 사슬의 일체형 부분으로서 반복되는 아미드기를 갖는 임의의 장쇄 합성 폴리아미드를 지칭하는 것으로서, 예를 들면 폴리헥사메틸렌다아민 아디파미드인 나일론 66과, 폴리카프로락탐인 나일론 6이 포함된다. 고강도 폴리아미드 섬유 또는 통상 강도의 섬유가 본 발명의 실시예에 이용될 수 있다. 대표적인 나일론 섬유는 DuPont, Acordis, 및 Solutia와 같은 기업에서 판매하고 있다. 유용한 나일론 얀 또는 쓰레드는 그 파단 연신율이 약 13% 내지 약 27% 범위, 바람직하게는 적어도 17%, 또는 약 19% 내지 21%일 수 있다. 유용한 나일론 얀은 500 내지 5000 데니어 범위일 수 있거나, 및/또는 많은 수의 보다 가는 실을 선택적으로 인치당 약 1 내지 5회의 꼬임수로 합연한 것일 수 있다.
폴리에스테르는 폴리머 사슬의 일체형 부분으로서 반복되는 아미드기를 갖는 2가 알코올과 테레프탈산의 에스테르 적어도 약 85중량%로 이루어진 임의의 장쇄 합성 폴리머를 지칭하는 것으로서, 예를 들면 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 즉 PET가 포함된다. 고강도 폴리에스테르 섬유 또는 통상 강도의 폴리에스테르 섬유가 이용될 수 있다. 대표적인 폴리에스테르 섬유로는 DuPont, Acordis, 및 KoSa와 같은 기업에서 판매하고 있다. 유용한 폴리에스테르 얀 또는 쓰레드는 그 파단 연신율이 약 10% 내지 약 19%, 또는 약 11% 내지 약 19%, 또는 약 15%일 수 있다. 유용한 폴리에스테르 얀은 500 내지 5000 데니어 범위일 수 있거나, 및/또는 많은 수의 보다 가는 실을 선택적으로 인치당 약 1 내지 5회의 꼬임수로 합연한 것일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서, 보강을 위해 고연신, 즉 약 17%보다 큰 연신율을 갖는 얀과, 이러한 고연신 얀보다 적어도 약 4% 연신율만큼 작은 연신율을 갖는 저연신 얀을 선택함으로써 신축 호스에서 미리 정해진 체적 신축과 우수한 피로 수명을 달성할 수 있다. 다른 실시예에서, 두 얀은 모두 9% 또는 10% 연신율보다 큰 연신율을 가지며 그 연신율의 차는 적어도 약 4% 연신율만큼일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 신축 호스는 6.9 ㎫(1000 psi) 내지 17.2 ㎫(2500 psi) 또는 20.7 ㎫(3000 psi)에 이르는 범위의 몇몇 작동 압력에서 대략 13% 내지 35%의 체적 신축율을 나타내도록 형성될 수 있다.
얀은, 튜브, 마찰층, 또는 피복에 대한 접착성을 향상시키거나, 및/또는 처리 또는 취급을 개선시키도록 접착 처리될 수 있다. 레조르시놀 포름알데히드 라텍스("RFL"), 에폭시, 이소시아네이트, 우레탄 등을 비롯한 당업계에 공지된 다양한 처리가 유용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 얀은 접착 처리제에 의해 얀의 실질적으로 완전한 함침이 달성되는 방식으로 처리된다. 얀은 고무 시멘트 또는 RFL를 코팅하고 건조시킴으로써 접합 처리될 수 있다. 함침은 일반적으로 충분히 낮은 점도의 접착 처리제를 갖는 침지 탱크를 얀이 통과하게 함과 아울러, 침지 탱크 내부 및/또는 외부의 하나 이상의 다이 또는 롤러 위를 지나게 하여 그 처리제가 얀에 스며들게 함으로써 달성될 수 있다. 호스의 가황 처리와 동시에, 접착제는 열에 의해 반응하여 얀 또는 필라멘트가 서로 간에 및/또는 호스의 하나 이상의 고무 또는 플라스틱 층에 강력하게 접합되게 할 수 있다.
직물 보강층은 편조되거나 나선형으로 래핑될 수 있다. 편조층은 튜브 둘레에 각 방향으로 감겨 반복하여 위/아래로 배치되는 소정 개수의 엔드(end)를 포함한다. 하나의 유용한 구성은 2개는 위 2개는 아래로 가는 패턴(two over two under pattern)으로 편조된 4엔드 구성이다. 또 다른 유용한 편조 패턴은 3개가 위에 3개는 아래에 가는 패턴이다. 그래도, 임의의 원하는 편조 패턴 및/또는 임의의 개수의 엔드가 이용될 수 있다. 그 나선각은 호스의 종방향 축선에 대해 약 54°44'의 소위 "중립각" 또는 "풀림 방지각(lock angle)"으로 되거나, 그에 근사할 수 있다. 나선형 래핑이 이용된다면, 바람직하게는 보강층은 동일한 개수의 얀과 동일한 피치로 이루어지지만 평형을 위해 감김 방향이 서로 반대로 된 2개의 층을 포함한다. 서로 반대로 나선형으로 감긴 한쌍의 층은 그 사이에 마찰층 또는 접착제층을 포함할 수 있다. 나선형 구조든 편조 구조든, 나선각은 약 40°내지 60°범위, 바람직하게는 47°내지 60도 범위, 또는 약 54°일 수 있다.
통상의 편조 공정에서, 각각의 브레이더 데크는 완전한 층을 위해 요구되는 개수의 얀 캐리어 또는 스핀들을 구비할 수 있다. 캐리어들 중, 절반은 시계 방향으로 진행하고 절반은 반시계 방향으로 진행할 수 있다. 각각의 캐리어는 하나의 엔드 또는 복수의 엔드의 얀을 가질 수 있는 원추형 실꾸리 또는 스풀을 구비할 수 있다. 엔드의 개수, 얀의 직경 또는 부피, 및 편조 밀도는 편조층에 의해 원하는 수준의 피복 정도를 제공하도록 선택될 수 있다. 50% 내지 약 100% 범위의 피복 정도가 유리하고, 약 60% 내지 약 95% 범위일 수도 있다. 일반적으로는 접착을 위한 양호한 고무 함침을 위해 충분한 개방도를 허용하면서 가능한 한 높은 편조 밀도가 바람직하다.
튜브, 마찰층 및/또는 피복을 위해 유용한 고무 재료로는 클로로설포네이티드 폴리에틸렌("CSM"), 염소화 폴리에틸렌 엘라스토머("CPE"), 니트릴, 수소화 니트릴, 플루오로엘라스토머, 에틸렌 알파-올레핀 엘라스토머(EPM, EPDM 등) 등이 포함된다. 이러한 고무 재료는 충전제, 단섬유, 가소제, 항산화제, 오존화 방지제, 안정제, 프로세스 보조제, 증량제(extender), 접착 증진제, 조력제(coagents), 가황 처리제, 경화제 등의 당업계에 공지되어 있는 바와 같은 다양한 성분을 포함하도록 합성될 수 있다. 마찬가지로, 플라스틱 재료 또는 열가소성 엘라스토머가 고무 대신에 또는 고무 재료에 추가로 합성되거나, 및/또는 튜브, 마찰층 및/또는 피복에 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 호스를 제조하는 공지의 방법이 대체로 이용될 수 있다. 튜브는 압출되거나, 맨드릴 위에 적층될 수 있다. 보강재는 전술한 바와 같이 튜브에 적용될 수 있다. 마찰층은 필요에 따라 보강재 상에 래핑되거나, 적층되거나, 또는 압출될 수 있다. 마찬가지로, 고무로 이루어진 피복층이 최종층으로서 래핑되거나, 적층되거나, 또는 압출될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 직물 피복을 호스 상에 편조하거나, 래핑하거나, 또는 나선형으로 감을 수 있다. 직물 피복 재료는 한정되는 것은 아니지만, 폴리에스테르, 나일론, 레이온, 면, 및 아라미드의 섬유 또는 기타 적절한 섬유나 그 혼합물을 포함하는 방적사로 이루어질 수 있다.
예
동력 조향 시스템용 신축 호스를 본 발명에 따라 제조하였으며, 이를 본 명세서에서는 "실시예 호스"로 지칭할 것이다. 이 신축 호스에 대한 목표 특성에는 62 ㎫(9000 psi)의 최소 파열 압력과, 15.5 ㎫(2250 psi)에서 22% 내지 30%의 체적 신축율이 포함되었다.
종래의 방법에 따라 3개의 비교용 호스를 제조하였으며, 이를 본 명세서에서는 비교예 A, B 및 C로 지칭할 것이다. 비교예 A 및 B와 실시예 호스는 동일한 장비에서 제조하였으며, 염소화 폴리에틸렌("CPE") 고무로 이루어진 약 1.5 ㎜(0.060 in) 두께의 동일한 내부 튜브와, CPE 고무의 동일한 외부 피복을 구비하였다. 각 호스의 최종 외경은 약 23.5 ㎜(0.925 in)였고, 내경은 약 12.7 ㎜(0.5 in)였다. 비교예 C는 CPE 대신에 클로로설포네이티드 폴리에틸렌("CSM') 고무를 이용하였고, 이 고무로 이루어진 내부 튜브층은 다른 비교예들보다 다소 두껍게 하였다. 모든 호스는 4개의 엔드를 24개의 캐리어를 사용하여 중립각 또는 이에 근사한 각으로 2개는 위 2개는 아래로 가는 패턴으로 편조한 폴리에스테르 방적사(8's/3)의 외부 직물 피복을 구비하였다. 외부 직물 커버는 환경적 조건에 견디도록 하고자 한 것이지 상당한 기계적 강도를 제공하진 않았다. 편조 보강층들은 모두 24개의 캐리어 각각에 4개의 엔드를 사용하여 약 54°의 중립각 또는 이에 근사한 각으로 2가닥은 위로 2가닥은 아래로 있는 패턴으로 생성된 평형형 편조물이었다. 보강용 얀에 대해서는 아래에서 보다 상세하게 설명할 것이다. 2개의 편조 보강층들 사이에는 튜브 및 피복과 동일한 고무 조성을 갖는 0.25 내지 0.5㎜(10 내지 20 mils) 두께의 마찰층을 배치하였다.
비교예 A의 호스는 나일론 66 얀의 2개의 편조층(840-3 데니어 얀, 4엔드 편조물)으로 구성하였다. 비교예 B는 폴리에스테르 얀의 2개의 편조층(1500/2 데니어 얀, 4엔드 편조물)으로 구성하였다. 이들 얀의 인장 강도 및 연신율은 표 1에 기재되어 있다. 비교예 C는 비교예 A에 비해 체적 신축성을 감소시키도록 내부 튜브의 두께를 더 두꺼운 2 ㎜(0.080 in)로 하였다는 점을 제외하면 비교예 A와 동일하게 구성하였다. 본 발명의 실시예는 나일론 6-6 얀의 하나의 편조층(840-2 데니어 얀, 4엔드 편조물)과, 이에 후속한 폴리에스테르 얀의 하나의 편조층(1500/2 데니어 얀, 4엔드 편조물)으로 구성하였다. 이들 얀은 모두 RFL로 접착 처리하여 RFL을 얀에 실질적으로 완전히 함침시켰다.
호스는 15.5 ㎫(2250 psi)의 내부 압력에서 SAE J2050 절차에 따라 백분율 체적 신축율을 결정하는 체적 신축 테스트를 거쳤다. 이들 호스는 또한 ASTM D380 "고무 호스의 표준 테스트법(Standard Test Methods for Rubber Hose)"의 절차에 따라 파열 압력 테스트를 거쳤으며 2회의 테스트의 평균치를 기록하였다. 호스들은 또한 15.5 ㎫(2250 psi)의 임펄스 압력 및 135 ℃(275 ℉)의 온도에서 SAE J343에 따라 임펄스 수명 테스트를 거쳤다. 3회 테스트의 평균치에 근거하여 평균 임펄스 수명을 기록하였다. SAE J343의 테스트 절차 및 SAE J517의 측정 절차에 따라 호스들의 백분율 길이 변화 또한 모니터링하였다.
비교예 A 비교예 B 비교예 C 실시예
호스 구조 CPE 고무
2개의 나일론층
(840-3, 4엔드(end), 24개의 캐리어, 2 오버(over) 2의 편조물)		 2개의 폴리에스테르 층
(1500/2, 4엔드)		 CSM 고무와 더 두꺼운 튜브라는 점을 제외하면 비교예 A와 동일 1개의 나일론층(840-2, 4엔트), 1개의 폴리에스테르 층(1500/2, 4엔드)
얀의 파단 강도
(최소값, lbs)		 42.5 51.0 42.5 28.0
51.0
얀의 파단 연신율(%) 20.3 14.5 20.3 19.0
14.5
% 체적 신축율 39.8% 12.6% 27.1% 26.4%
평균 임펄스 수명(사이클) 258,154 504,902 277,399 1,882,789
파열 압력 65.1 ㎫
(9450 psi)		 64.3 ㎫
(9320 psi)		 테스트 생략 68.4 ㎫
(9925 psi)
길이 변화 5.3% 0.6% 테스트 생략 3.4%
나일론 보강재만을 이용한 비교예 A는 원하는 조합의 성능 목표들을 충족시킬 수 없었다. 원하는 파열 압력 등급을 달성하기에 충분한 나일론 얀을 사용하게 되면 체적 신축율이 너무 높았다(약 40%). 임펄스 테스트 조건에서, 그 호스는 겨우 평균 258,134 사이클만에 고장났다. 비교예 C는 동일한 나일론 보강층을 갖는 경우에 대해 체적 신축율을 낮추도록 조절하기 위해 다른 하나의 변수, 즉 내부 튜브 두께를 이용한 것을 예시하고 있다. 그럼에도, 비교예 C는 여전히 겨우 277,399 사이클의 임펄스 테스트 수명을 보였다.
폴리에스테르 보강재만을 이용한 비교예 B는 원하는 조합의 성능 목표들을 충족시킬 수 없었다. 원하는 파열 압력 등급을 달성하기 위해 충분한 폴리에스테르 얀을 이용하게 되면 체적 신축율이 너무 낮아졌다. 임펄스 테스트 결과는 만족스러웠지만, 너무 낮은 체적 신축율은 예를 들면 특정 소음 한계, 감쇠 요건 등을 갖는 경우와 같은 특별한 동력 조향 용례에 대해서는 만족스럽지 못할 것이다.
반면, 나일론 보강재로 이루어진 하나의 층과 폴리에스테르 보강재로 이루어진 하나의 층을 이용한 실시예 호스는 모든 성능 목표들을 충족시키거나 초과하였다. 특히, 임펄스 테스트 수명은 예상을 훨씬 초과하여 1,882,789 사이클의 평균 수명을 보였다. 실시예는 비교예 A와 비교예 B 사이에서 어느 정도 성능을 나타내는 것이 아니라, 실시예에서 총 보강용 얀이 보다 적더라도 그 비교예들보다 모두 우수한 임펄스 수명과 파열 압력을 나타냈었다.
각각의 호스의 길이 변화는 정상 범위 내에 있었다.
본 발명은 본 발명의 실시예에 따른 신축 호스와 하나 이상의 피팅, 커플링, 장착구, 또는 다른 호스 등을 포함하는 신축 호스 조립체에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 신축 호스 조립체가 도 2에 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 신축 호스 조립체(20)는 신축 호스(10) 및 복귀 호스(21)를 구비한다. 신축 호스(20)의 두 단부는 고압 피팅(24, 26)을 구비한다. 피팅(24)은 호스에 대한 크림핑 연결부, 및 유압 시스템의 일부분일 수 있는 기타 나사식 유압 피팅에 부착하기 위한 스위블 너트(swivel nut)를 구비하고 있다. 피팅(26)은 유사한 크림핑 연결부, 너트 및 엘보우를 포함한다. 복귀 호스(21)의 일단부는 밴드 클램프(도시 생략하지만 어쩌면 신축 호스 조립체의 일부분일 수도 있음) 등에 의해 니플 또는 바브드 피팅(barbed fitting)에 부착하도록 개방되어 있다. 복귀 호스(21)의 타단부는 역시 나사식 스위블 너트 및 엘보우를 갖는 크림핑 피팅인 피팅(28)을 구비한다. 신축 호스 조립체(20)는 또한 2개의 호스를 원하는 평행 관계로 함께 유지하는 밴드 피팅(22)을 구비한다. 밴드 피팅(22)은 또한 장착 브래킷(29)을 포함하며, 이 브래킷(29)은 본 실시예에서 도시한 바와 같이 밴드 피팅과 일체로 성형될 수 있다.
본 발명은 또한 향상된 특성을 갖는 신축 호스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 하나의 실시예에서, 그 방법은, (1) 하나 또는 복수의 고연신 섬유 보강층을 갖는 호스를 설계하는 단계; 및 (2) 고연신 섬유의 일부를 보다 작은 파단 연신율을 갖는 섬유로 대체하는 단계를 포함한다. 대체되는 저연신 섬유의 양은 교체될 고연신 섬유의 양보다 최대 10% 또는 20% 적을 수 있다. 고연신 섬유와 저연신 섬유 간의 파단 연신율의 차이는 적어도 약 4% 연신율일 수 있다. 바람직하게는 고연신 섬유는 적어도 17% 이상, 또는 19% 내지 27%의 연신율을 갖는다. 고연신 섬유는 나일론일 수 있고 저연신 섬유는 폴리에스테르일 수 있다. 따라서, 신축 호스는 1000 psi 내지 3000 psi 범위의 압력에서 적어도 13%, 또는 13% 내지 35% 범위의 미리 정해지거나 특정된 체적 신축율을 갖게 형성될 수 있다.
본 발명 및 그 이점을 상세하게 설명하였지만, 다양한 변경, 대체 및 변형들이 첨부된 청구의 범위에 의해 정해지는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 게다가, 본 명세서의 범위는 본 명세서에 기재된 프로세스, 장치, 제조 공정, 물질 성분, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예에 한정하고자 하는 것은 아니다. 당업자라면, 본 명세서에서 설명한 해당 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재에 존재하거나 차후에 개발될 프로세스, 장치, 제조 공정, 물질 성분, 수단, 방법 또는 단계들이 본 발명에 따라 활용될 수 있다는 점을 본 발명의 개시로부터 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 그러한 프로세스, 장치, 제조 공정, 물질 성분, 수단, 방법 또는 단계들도 청구의 범위의 범주 내에 포함시키고자 하는 것이다. 본 명세서에 개시된 발명은 본 명세서에서 구체적으로 개시하지 않은 임의의 요소 없이도 적절히 실시될 수 있다.
10 : 신축 호스 11 : 내부 튜브
12, 14 : 보강층 13 : 마찰층
15 : 외부 피복 20 : 신축 호스 조립체
21 : 복귀 호스 22 : 밴드 피팅
24, 26, 28 : 피팅 29 : 장착 브래킷

Claims (14)

  1. 내부 튜브, 직물 보강재, 및 외부 피복을 포함하며, 상기 직물 보강재는 복수의 나일론 얀(yarn) 및 복수의 폴리에스테르 얀으로 이루어지고,
    상기 직물 보강재는 상기 나일론 얀의 제1 편조층과, 상기 폴리에스테르 얀의 제2 편조층을 포함하는 것인 신축 호스.
  2. 내부 튜브, 직물 보강재, 및 외부 피복을 포함하며, 상기 직물 보강재는 복수의 나일론 얀(yarn) 및 복수의 폴리에스테르 얀으로 이루어지고, 상기 직물 보강재는 편조되거나, 나선형으로 감기거나, 래핑(wrapping)된 얀들로 이루어진 평형형 보강층을 포함하며, 상기 나일론 얀과 폴리에스테르 얀은 평형형 보강층 내에 교대로 배치되는 것인 신축 호스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 편조층은 제1 편조층에 비해 외층인 것인 신축 호스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 편조층들은 그 사이에 고무층을 구비하며, 상기 직물 보강재는 접착 처리제에 의해 함침되는 것인 신축 호스.
  5. 제4항에 있어서, 6.9 ㎫ 내지 20.7 ㎫ 범위의 내부 압력에서 13% 내지 35% 범위의 체적 신축율을 갖는 것인 신축 호스.
  6. 제5항에 있어서, 적어도 62 ㎫의 파열 압력을 갖는 것인 신축 호스.
  7. 내부 튜브, 직물 보강재, 및 외부 피복을 포함하며, 상기 직물 보강재는 복수의 얀을 포함하며, 이들 얀은 제1 섬유 재료종의 복수의 필라멘트와 제2 섬유 재료종의 복수의 필라멘트를 포함하고, 상기 제1 섬유 재료종의 파단 연신율은 적어도 17%이고 상기 제2 섬유 재료종의 파단 연신율보다 4% 내지 6% 연신율만큼 더 크며,
    상기 직물 보강재는 제2 섬유 재료종의 얀들의 제2 보강층 안쪽에 위치하는 제1 섬유 재료종의 얀들의 제1 보강층을 포함하는 것인 신축 호스.
  8. 제7항에 있어서, 두 보강층들 사이에 마찰층을 더 포함하는 것인 신축 호스.
  9. 제8항에 있어서, 각각의 보강층은 편조층으로 이루어지거나, 나선형으로 감긴 층 또는 래핑층들의 평형을 이루는 쌍으로 이루어지는 것인 신축 호스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 직물 보강층은 접착 처리제에 의해 함침되는 것인 신축 호스.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 섬유 재료종은 나일론이고 상기 제2 섬유 재료종은 폴리에스테르인 것인 신축 호스.
  12. 제7항에 있어서, 상기 직물 보강재는 편조되거나, 나선형으로 감기거나, 래핑된 얀들의 평형형 보강층을 포함하며, 이들 얀은 상기 제1 및 제2 섬유 재료종의 혼합물을 포함하는 것인 신축 호스.
  13. 제7항에 있어서, 상기 직물 보강재는 편조되거나, 나선형으로 감기거나, 래핑된 얀들의 평형형 보강층을 포함하며, 2종의 섬유 재료종들은 2종의 각각의 얀으로서 존재하고, 이들 2종의 얀은 상기 평형형 보강층 내에서 번갈아 가면서 배치되는 것인 신축 호스.
  14. 제7항에 있어서, 6.9 ㎫ 내지 20.7 ㎫ 범위의 내부 압력에서 13% 내지 35% 범위의 체적 신축율을 갖는 것인 신축 호스.
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