KR100490183B1 - 파이프 조인트와 그 밀봉부 - Google Patents

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비. 엠몬스커리
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제이. 와너브라이언
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메텍스 매뉴팩츄어링 코오포레이션
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Abstract

본 발명은 조인트 밀봉부(10)에 관한 것으로서, 이 밀봉부(10)는 관통구멍(12)과, 한 쌍의 인접 플랜지(26, 42) 상에서 각각의 구형 오목면(38, 44)과 짝을 이루는 두 개의 구형 분리형 복록면(20, 22)을 갖는다. 이 플랜지들은 대응하는 분리형 파이프(6, 8)들에 그리고 이 파이프들 주위에 용접되며, 이 파이프들 중 하나는 밀봉부의 구멍(12) 내에 삽입된다. 플랜지들은 두 개의 볼트(52)에 의해 결합되며, 이때 한쪽 플랜지(26)는 볼트(52)에 견고하게 고정되며 다른쪽 플랜지는 한 쌍의 스프링(62)에 의해 볼트에 탄성적으로 움직일 수 있도록 고정되어 다른쪽 플랜지(42)가 이 다른쪽 플랜지에 부착된 파이프(8)의 회전에 응답하여 회전할 수 있게 한다. 한쪽 플랜지는 파이프들 중 하나로써 정적 쐐기형 밀봉 조인트를 형성하며 다른쪽 플랜지는 각 구형 밀봉면으로써 동적 밀봉 조인트를 형성하며, 이때 구형 밀봉부와 플랜지의 표면은 스프링에 의해 쐐기처럼 죄어지는 식으로 함께 가압된다.

Description

파이프 조인트와 그 밀봉부{Pipe joint and seal therefor}
본 발명은 자동 배기시스템용 구형 밀봉부를 이용하는 파이프 조인트에 관한 것이다.
임의의 자동 배기시스템용 파이프 조인트는 구면을 갖는 밀봉부를 이용한다. 예를 들어 종래 기술의 조인트와 밀봉부는 여기서 참고용으로 합체된 미국특허 제 5,499,825 호와 제 5,040,805 호에 기재되어 있다. 통상적인 배기 조인트는, 보통 와이어 메쉬(wire mesh)와 필터재질의 예비성형체(preform) 내로 형성되어 상술한 특허에 설명되어 있는 바와 같이 다이에 의해 단부 밀봉 형상에 압착되는 밀봉부를 포함한다. 이 밀봉부는 밀봉 구조에 따라 강성 또는 유연성을 가질 수도 있다. 윤활제 또는 윤활물질은 윤활표면을 제공하도록 밀봉재 내에 합체된다.
상기 밀봉부는 미국특허 제 5,499,825 호에 제시된 바와 같이 반경방향 외부가 오목한 구형 단절면과 대향 평활 단부면을 갖는 환형체이다. 이 특허에서, 원형의 원통형 관통구는 구형의 환형면과 동축으로 파이프를 수용하기 위해서 평활 단부면과 교통한다. 플랜지는 파이프 단부 가장자리로부터 이격된 수용 파이프에 대한 고정 위치에 용접되며, 밀봉 평면들 중 하나와 접하는 평면을 갖는다. 상기 플랜지는 밀봉부의 축방향 위치를 고정한다. 밀봉 구면은 플랜지에 인접하여 종결한다. 밀봉부의 외부 평면은 파이프 단부 가장자리와 거의 나란하게 종결한다. 그리하여 밀봉부는 파이프 외주와 접하는 환형 보어면과, 플랜지에 접하는 보어에 대하여 수직인 원형 디스크모양의 평면을 갖는다.
이동 가능한 제 2 플랜지는 동적 결합을 형성하기 위하여 밀봉 오목면과 짝을 이루는 오목면을 갖는다. 2개의 플랜지들 각각은 일직선으로 구멍이 형성된 한 쌍의 플랜지 부재들을 갖는다. 볼트는 고정 플랜지의 플랜지 부재에 나사결합된다. 압축 스프링은 이동 가능한 플랜지의 각 플랜지 부재 사이에 배치되며 볼트헤드에 의해 볼트에 포위된다. 상기 스프링은 밀봉 오목면과 결합하여 동적 플랜지 오목면을 탄성적으로 가압한다.
제 2 파이프는 동적 플랜지에 고정된다. 그리하여, 제 2 파이프는 결합된 구면 주위에서 제 1 파이프에 대하여 탄성적으로 회전할 수 있다. 이와 유사한 조인트가 미국특허 제 5,040,805 호에 기술되어 있다. 이러한 조인트들의 목적은 파이프들이 서로에 대하여 이동하는 조인트에서 파이프들을 통하여 수행된 배기가스를 위한 상대적으로 액밀한 밀봉(relatively fluid tight seal)을 제공하는 것이다.
본 분야의 발명자들은 이러한 조인트에 있어서 문제점을 인지한다. 이들은, 원통형 및 평면형 대향 접촉면(mating surface)의 접합시 종래기술의 조인트는 두 개의 결합된 파이프들의 경계면에서 배기가스를 위한 충분한 유체기밀을 제공하지 않는다는 것을 인지한다. 그들은, 고정된 플랜지 및 대향 접촉 파이프의 원통형 대향 접촉면과 대향 접촉 평면 플랜지면을 구비한 밀봉부의 평면은 상대적으로 높은 가스누설 경로를 제공하는 것을 인지한다.
도 1은 본 발명에 따른 조인트와 밀봉부를 도시하는 측단면도.
본 발명에 따른 조인트와 밀봉부는, 상기와 같은 누설을 최소화함으로써 가스 누설의 문제점을 해결하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따른 밀봉부는, 대향단부를 갖는 원형부재와, 축을 따라 제 1 파이프를 내부에 수용하기 위한 단부들에 연장하는 원통형 내표면을 형성하는 단부들 사이와 단부들에 연장하는 축방향 연장 중앙 원통형 관통 보어를 포함한다. 단부들 중 하나에서 종결하는 원형부재의 제 1 반경방향 외부 직면 표면은 한쪽에서 환형 볼록 쐐기형(wedge-like) 부재를 형성하는 하나의 단부에서 내부면과 축을 향하여 테이퍼지며 그리고 이 축과 내부면에서 동축이다. 단부들 중 다른 쪽에서 제 2 반경방향 외부 직면 볼록 구형부재면은 축과, 이 축을 향하여 테이퍼진 제 2 부재와, 제 1 표면에 대하여 일반적으로 거울상 이격관계(mirror image spaced relation)인 다른 단부의 원통형 내표면과 동축이다. 축방향 연장 반경방향 외부 지향 부분은 제 1 표면과 제 2 표면을 축방향으로 이격시키기 위하여 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 배치된다. 결과적으로, 종래기술의 플랜지와 밀봉부 사이의 평면 정적 누설 통로는 본 발명에 의해 종래기술의 평면의 밀봉 작용에 비교하여 밀봉 작용을 향상시키는 쐐기형 밀봉부로 변환된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 유체파이프 조인트는 유체를 운송하도록 정렬된 제 1 파이프와 제 2 파이프를 포함하며, 각 파이프는 원통형 외표면을 갖는다. 밀봉부는 축을 형성하는 중앙 개방 관통구를 가지며, 여기에는 개방된 제 1 파이프가 배치되며, 상기 구멍은 축과 동축인 원통형 표면에 의해 형성되며 제 1 파이프와 인접하고, 상기 밀봉부는 축에 대하여 테이퍼지며 축에 관하여 연장하고, 테이퍼진 외면과 제 1 가장자리에 인접한 원통형 내표면 사이에서 환형의 쐐기형 부재를 형성하기 위한 제 1 밀봉 가장자리에 인접한 원통형 표면을 향하여 테이퍼지고, 이 표면 주위에 연장하는 제 1 환형 반경방향 표면 외부면과, 제 1 가장자리에 대향한 제 2 밀봉 가장자리에 인접한 축에 관하여 연장하는 제 2 환형 볼록 구면을 갖는다.
테이퍼진 표면을 구비한 제 1 플랜지는 밀봉부의 제 1 표면과 대향 접촉하여 결합하는 것이며, 고정위치에 고정되고 제 1 파이프 외부 표면에 대해 그리고 이 파이프 외면 주위에서 실질적으로 유체 불침투성을 가지며, 이 제 1 파이프 외면과 제 1 플랜지는 쐐기형 관계로 밀봉부를 수용하기 위한 환형 쐐기형 리세스(wedge-like recess)를 형성한다.
오목 구면을 구비한 제 2 플랜지는, 밀봉부의 제 2 표면과 대향 접촉하여 이 제 2 표면과 결합하는 것이며, 고정위치에 그리고 제 2 파이프 외면에 대해 그리고 이 외면 주위에서 실질적으로 유체 불침투성으로 고정된다.
볼트수단들은 제 1 플랜지에 대해 고정위치에 고정되며, 제 2 플랜지는 밀봉부의 제 2 구면 주위에서 제 2 파이프를 제 1 파이프에 대해 회전시키기 위한 그리고 테이퍼진 표면과 상응하는 밀봉 구면에 대항하여 플랜지들을 탄성적으로 축방향으로 압박하며, 제 1 플랜지와 제 1 파이프 원통형 외표면 사이에 쐐기형 관계로 밀봉부를 웨지시키기 위하여 리세스내로 밀봉부의 제 1 플랜지를 압박하기 위한 탄성 이동관계로 볼트수단에 고정된다.
도면에서의 조인트 어셈블리(2)는 자동차의 배기시스템에서 사용하기에 특히 적당하다. 그러나, 이 어셈블리는, 시스템 내에서 제 1 파이프가 제 2 파이프에 대해 상대적으로 움직일 수 있는 것이 바람직한 다른 유체 분배시스템에서도 이용될 수 있다. 상기 어셈블리(2)는, 바람직하게는 스테인레스강으로 제조된 원형 원통형 파이프(6)를, 바람직하게는 스테인레스강으로 제조된 원형 원통형의 제 2 파이프(8)에 밀봉식으로 부착하기 위한 조인트(4)를 포함한다. 파이프(6, 8)들은 연소기관의 고온의 유독성 배기가스를 운반하는 자동차의 배기시스템에서 사용하도록 규정되어 있다.
상기 배기시스템에서, 상기 조인트는 본질적으로 누설방지형이어야 하며, 한편 제 1 파이프가 제 2 파이프에 대하여 3자유도(three degrees of rotational freedom)를 가지고 회전할 수는 있지만 병진운동하지는 말아야 한다. 자동차가, 예를 들어 정지상태에 있다면, 바람직스럽지 못하게도 누설된 배기가스가 차량의 승객실 내로 스며들 수도 있다. 상기 조인트가 촉매변환기(catalytic converter) 앞에 배치되면, 불완전 연소된 배기가스는 피할 수도 있다. 임의의 작동조건 하에서, 조인트 내의 저압에 의해 공기가 조인트 내로 후퇴할 수도 있다.
정교한 시스템에서, 산소센서(oxygen sensor)는 배기파이프 내의 배기가스 중에서 산소함유량을 감지한다. 누설로 인하여 공기가 조인트 내로 후퇴되면, 상기 센서는 이러한 비정상적인 상황을 감지할 수도 있다. 컴퓨터는 이에 응답하여 엔진에 공급되어야 하는 연료-공기 혼합비를 더 높히게 되고, 그 결과 더욱 바람직스럽지 못한 배출과 더욱 불량한 연료소비를 발생시킨다. 본 발명에 따른 조인트와 밀봉부는 이러한 누설을 최소화시킨다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 밀봉부(10)는, 스테인레스강일 수도 있으며 주어진 목적에 따라 결정된 직경을 갖는 와이어를 포함하는 직조형 와이어 메쉬(knitted wire mesh)의 보강 매트릭스(reinforcing matrix)와, 질석(vermiculite)이나 운모(mica)일 수도 있는 여과물질과, 흑연(graphite)과 같은 윤활제로 형성된다. 이러한 물질들은 주어진 목적에 따라 첨가될 수도 있으며, 밀봉부를 제작하는 단계 동안에 예비성형체(preform)를 형성할 수도 있다. 이러한 예비성형체 물질의 예는 여기에 참조용으로 합체된 상술한 미국특허 제 5,499,825 호와 제 5,040,805 호에 기재되어 있다. 또한, 이들 특허에는 본 명세서에 기재된 형태의 밀봉부를 이용하여서 자동차의 배기조인트장치에 사용하기 위한 예비성형체 형성 기술이 기재되어 있다.
일반적으로 평면인, 최종 예비성형체는 가요성이며, 맨들(mandrel) 주위에 둘러싸여, 미국특허 제 5,499,825 호와 제 5,040,805 호에 실시예로서 도시한 바와 같은 원통형 구조를 형성한다. 예를 들어, 미국특허 5,499,825 호에서, 스테인레스강으로 제조된 가는 와이어로 구성된 직조형 와이어 네트(net)는 팽창된 흑연, 운모, 또는 석면(asbestos)과 같은 박판의 열저항재료와 결합된다. 그 후에 직조형 와이어 메쉬 내에 배치되는 박판 재료 상에 윤활 합성물이 코팅된다. 그 후에 이러한 구조는 원통형의 암다이(female die)에서 맨들 주위에 둘러싸인다. 원통형 숫다이(male die)는 암다이 내로 삽입되어, 암다이 내의 예비성형체 물질을 압착하며, 원하는 밀봉형상으로 예비성형체를 형성한다.
합성물질의 다른 형태는, 와이어 메쉬가 암다이 내에서 코어 주위에 둘러싸인 후에 암다이에 추가된 파우더 메트릭스(powder matrix)를 포함할 수도 있다. 이 파우더 메트릭스 물질은 형성된 밀봉부 내에서 와이어 메쉬 외부에 존재하는 경향이 있다. 그 후에 물질들의 합성물은 밀봉부를 형성하기 위하여 수다이로 압축된다.
미국특허 제 5,040,805 호에서, 직조형 와이어 메쉬는 코어 주위에 감긴다. 팽창된 흑연박판은 풀린 와이어 메쉬 위에 배치된다. 이들 직조형 와이어 메쉬와 팽창된 흑연박판은 부분 원통형 부품 상에서 원통형으로 연속하여 감기며, 예비성형체 본체의 단부 상에 돌출한 내화물질(refractory material)을 구비한 예비성형체 본체가 형성된다.
예를 들어, 와이어 크기와 직조 루프 공간(knit loop spacing)과 같은 와이어 메쉬 매개변수와 여과물질에 따라서, 발생되는 밀봉부는 부드러워지거나 상대적으로 강해질수 있다.
한 가지 형태에서, 상기 윤활제는 와이어 메쉬 예비성형체 주위에 둘러싸인 흑연 박판물질일 수도 있다. 다른 실시예에서, 파우더 합성물과, 흑연과 같은 윤활물질과, 와이어 메쉬는 암다이에 배치된다. 이들이 압착되면, 최종 구조물은 상대적으로 단단하고 강하다. 윤활물질은 대향 접촉하는 플랜지면(mating flange surface)과 동적(dynamic)으로 작용하기 위하여 밀봉부상에 윤활면을 형성하도록 배치된다.
상기 밀봉부(10)는 축방향(14)으로 뻗어 있는 관통구멍(12)을 갖는 원형이다. 이 밀봉부(10)는 외부가 원통형인 원형면 부분(16)을 갖는다. 이 부분(16)과 각각 단(step)을 형성하는 원형 원통형 부분(18)들이 부분(16)에 대해 반대방향으로 그리고 옆으로 인접하여 배치된다. 이 부분(16)은 상승된 리지(raised ridge)로 도시되어 있지만, 이 상승된 리지는 필수적인 것은 아니며 본 발명과 관련되지 않은 제조용 공구를 향상시키기 위한 목적으로만 제공된다.
다른 방식으로서, 상기 부분(16)은 단일의 연속 원형 원통형 부분(도시안함)을 형성하도록 부분(18)의 인접한 반경방향 외면과 나란하게 배치될 수도 있다.
환형의 볼록한 구형 부분의 표면(20)은 부분(16)의 한쪽에 있으며, 제 2 거울상(mirror image)의 환형의 볼록한 구형 부분의 표면(22)은 부분(16)의 반대쪽에 있다. 이 표면(20, 22)들은 부분(18)의 상응하는 각 표면들과 나란하게 배치되며, 각 환형 반경방향 평면(24)에서의 밀봉단부에서 종결된다. 상기 표면(20, 22)들은 공통 중심으로부터 뻗어 나온 반지름으로부터, 또는 바람직하게는 이격된 중심들로부터 뻗어 나온 반지름으로부터 이루어질 수도 있다.
상기 표면(22)은 표면(12)과 동일한 축(25)에 대하여 그리고 내부가 환형인 원통형 표면(12)에 대하여 경사진다. 이 경사각은, 표면(12, 22)들이 축(25)에 수직한 단부면(24)에서 종결하는, 도면에 도시한 바와 같은 부분에서 테이퍼진 쐐기형 구조를 형성하는 정도이다.
거울상 표면(20)은 표면(22)과 동일하며, 그 결과 표면이 방향(14, 14')으로 조인트와 어셈블리되는 데에 있어서 문제가 발생하지는 않는다. 이것은 조인트의 제작 어셈블리를 용이하게 하여, 어셈블리는 파이프(6, 8)와 방향(14)에 대하여 주어진 밀봉방향으로 표면(20)이나 표면(22) 중 어느 하나를 선택할 필요가 없다. 또한 결과적으로 상기 밀봉면(20)은 밀봉면(12)을 갖는 환형의 쐐기형 구조를 형성한다. 이 쐐기형 구조는 설명한 바와 같이 중요하다.
다른 방식으로서, 상기 표면(20)은 표면(22)의 거울상을 필요로 하지 않는다. 이 표면(20)은 원뿔형일 수도 있으며, 부분은 표면(12)과 함께 쐐기형 구조를 형성하도록 달걀모양이나 다른 형상일 수도 있다. 즉, 대향 단부면(24)에 상응하는 표면(22)의 테이퍼진 단부는 가장 좁아야 하며, 중심 구역으로 접근할수록 밀봉부의 이 단부에서 밀봉부의 가장 넓은 부분이 형성된다.
대향 밀봉단부에서 단부면(24)에 인접한 축(25)에 대한 볼록한 구면(20, 22; 그렇지 않으면 테이퍼 또는 원뿔면(20))의 상대적으로 작은 경사각, 예를 들어 약 35o의 각은, 예를 들어 쐐기형 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
밀봉면(20)이 원뿔형이거나 다른 테이퍼진 형상을 이루는 다른 방식에서는, 원하는 웨지 구조를 형성하기 위해서 이 경사각이 상술한 각도와 유사한 것이 바람직하다. 그러나, 표면(20)이 이하에서 설명하는 바와 같이 정결합(static engagement)할 때 이 표면(20)만이 구형이 아닐 수도 있다는 점이 이해되어야 한다. 이와는 대조적으로, 상기 표면(22)은 동결합(dynamic engagement)하며, 이하에서 설명하는 대향 접촉 플랜지(mating flange)와 함께 회전 동작을 할 수 있도록 구형을 이룬다.
바람직하게는, 고정 플랜지(26)는 근접 수용파이프(6)를 위한 보어를 형성하는 환형 레그(leg)(28)를 갖는 타출형 스테인레스강재 박판(stamped stainless steel sheet)을 포함한다. 레그(28)의 가장자리는, 환형의 연속 봉합선으로 레그(28)와 파이프(6) 사이에서 불침투성의 가스밀봉부를 형성하도록 용접부(30)에서 파이프(6)에 용접된다. 이 용접부(30)는 파이프(6)에 대해 축방향으로 플랜지(26)를 고정시킨다. 또한 이 용접부(30)는 고온의 배기가스를 유동시키는 데 사용된다. 다른 방식으로서, 열이 임의의 인자(factor)로서 사용되지 않는 환경에서, 플랜지(26)에 파이프(6)를 견고하게 고정 및 밀봉하기 위해 다른 밀봉부가 사용될 수도 있다.
상기 플랜지(26)는 평면도에서 볼 때 바람직하게는 일반적으로 삼각형인 플랜지 부재(27)를 갖는다. 이 부재(27)는, 레그(28)의 한쪽 측면으로부터 반경방향으로 뻗어있으며 평면도에서 볼 때 일반적으로 평면 삼각형인 레그(32)를 포함한다. 주변의 보강리브(reinforcing rib)(34)는 레그(32)로부터 똑바로 배치된다. 이 플랜지의 형상과 구조는 주어진 목적에 따라서 다른 형성일 수도 있다. 레그(32)에는 관통구멍(36)이 형성된다. 환형 오목부, 바람직하게는 구형 플랜지부(38)는 파이프(6) 주위에서 이격된 레그(28)로부터 뻗어있으며 레그(32)를 연결한다. 이 플랜지부(38)의 오목 구형면은, 파이프(6) 주위에서 상대적으로 고정된 가스밀봉 관계로 밀봉의 볼록 구형면(20)과 대향 접촉하여서 결합된다.
한편, 표면(20)이 원뿔형이거나 다른 형상으로 테이퍼져야 한다면, 상기 플랜지부(38)의 오목면은 상기 테이퍼면과 결합되어 대향접촉되고 형성된다.
부재(27)로서 구성면에서 동일한 제 2 플랜지 부재(40)는, 플랜지(26)의 상기 부재(27)에 대향하는 측면 상에 존재하는 오목부(38)로부터 연장된다.
바람직하게는, 제 2 플랜지(42)는 이 플랜지의 구멍을 제외하고 (그리고 플랜지부(38)가 구형일 때만) 형상과 구조면에서 플랜지(26)와 동일하다. 이 플랜지(42)는 파이프(8)를 수용하는 원형 원통형 레그(43)를 갖는다. 이 레그(43)는 파이프(8) 주위에서 불침투성의 연속 유체 봉합선을 형성하는 용접부(45)에서 파이프(8)에 용접된다. 다른 방식으로서, 낮은 온도의 유체를 사용하기 위해 상술한 바와 같은 다른 구조로서 플랜지(42)에 파이프(8)를 고정 및 밀봉할 수도 있다.
상기 레그(43)는 환형 플랜지 부분(44)에 연결된다. 상기 플랜지 부분(44)은 바람직하게는 플랜지부(38)와 동일한 오목형으로, 바람직하게는 (부분(38)이 구형일 때만) 구형을 갖는다. 상기 부분(44)은 밀봉부(10)와 밀봉식 대향 접촉 결합상태로 구면(22) 주위에 연장한다. 플랜지 부재(46, 50)는 반대방향으로 부분(44)으로부터 반경방향 외부로 연장한다.
상기 플랜지 부재(46, 50)는 플랜지 부재(32) 내에서 상응하는 구멍(36) 및 플랜지 부재(40) 내에서 상응하는 구멍(36)과는 다른 구멍(48)을 각각 갖는다. 상기 구멍(48)은 구멍(36) 보다 큰 직경을 갖는다. 부재(46)와 거울상관계를 가지며 또한 이 부재와 동일한 제 2 플랜지 부재(50)는, 환형 플랜지 부분(44)에 연결된 플랜지(42)의 대향측 상에 배치된다. 그렇지 않으면, 플랜지(42)는 플랜지(26)와 동일할 수도 있다.
상기 플랜지 부재(46, 50)들의 구멍(48)은 개별 플랜지 부재(27, 40)의 구멍(36)을 가진 축(25)에 대해 축방향으로 평행하게 정렬된다. 볼트(52)는 한쌍의 개별 정렬식 플랜지 부재(34, 46; 40, 50)를 정렬된 구멍의 각각에 배치한다. 볼트(52)는 한쪽 단부에서 헤드(54)를 가지며 다른쪽 단부에서 나사형 스터드(56)를 갖는다. 숄더(58)는 스터드(56)에 인접한다. 너트(60)는 고정된 축위치에서 숄더(58)에 플랜지 부재(27)를 축방향으로 록크한다. 다른 볼트(52)는 플랜지 부재(40)에 유사하게 고정된다. 그리하여 밀봉부(10)는 파이프(6)와 대향 접촉 구형 밀봉면(20) 및 플랜지부(38) 사이에서 반대방향(14)으로 웨지식으로 축방향으로 록크된다. 따라서, 밀봉부(10)는 플랜지(26)와 파이프(6)에 대하여 정적인 웨지식이다.
압축코일 스프링(62)은 볼트(52)의 헤드(54)의 각각에서의 환형 플랜지(63)와 플랜지 부재(46) 사이에 배치되어, 그것을 통하여 각각의 볼트(52)들을 수용한다. 제위치의 너트(60)에 있어서, 상기 스프링(62)은 반대방향(14)으로 압축되며 플랜지(42)를 탄성적으로 가압한다. 이러한 작용은 플랜지(42)의 구형부(44)를 구형밀봉면(22)에 대하여 실질적으로는 유체 기밀이지만 동적인 관계로 안착한다. 또한 이러한 작용은 밀봉부(10)의 구면(20)을 플랜지부(38)의 볼록한 구면과 유체 기밀 정적관계로 안착한다.
상기 볼트(52)는 이러한 구멍들 내에서 횡으로 떠오르도록 구멍(48) 보다 더 작은 직경을 갖는다. 이러한 부유 작용은 플랜지(42)가 파이프(8)의 회전에 응답하여 3회전자유도 및 병진운동하지않게(no translation) 파이프(6)에 대해 회전할 수 있게 한다.
작동면에서, 상기 배기가스(64)는 파이프(6, 8)들과 그들 사이의 접합부(66) 사이를 통과하여 유동한다. 상기 가스(64)는 용접부(45) 때문에 대기에 대해 파이프(8)와 플랜지(42)의 레그(43) 사이에서 유동할 수 없다. 이와 유사하게, 가스는 레그(28)와 파이프(6) 사이에서 용접부(30) 때문에 대기로 유동할 수 없다.
상기 가스(64)는 두 개의 다른 통로를 따를 수도 있다. 하나의 통로는 밀봉부(10)의 볼록면(20)과 오목한 플랜지부(38) 사이의 경계면에 대해서 밀봉부(10)의 표면(12)과 파이프(6) 사이에 배치된다. 그러나, 밀봉부(10)가 플랜지부와 정적으로 결합하며 구형이기 때문에, 이들 사이의 누설은 종래기술의 조인트의 평면과 비교하여 최소화된다.
상기 스프링(62)의 탄성 축하중은 일반적으로 축방향(14')으로 상기 밀봉부(10)를 가압한다. 표면(20)에 인접한 단부에서 테이퍼진 밀봉부(10)와, 정적인 플랜지부(38)의 대향 접촉 표면은 플랜지부(38)와 파이프(6) 사이의 공동의 대향 접촉 쐐기형 내로 웨지된다. 이러한 쐐기형 작동은 밀봉부(10)와, 플랜지부(38) 및, 파이프(6) 사이에 상대적으로 높은 법선 밀봉력을 발생시킨다. 이러한 작용은 산업분야에서 논의된 바와 같이, 종래기술의 비쐐기형 평면(non wedged planar surface)과 비교하여 개선된 유체 기밀을 제공한다.
본원에서, 상기 웨지 작용은, 예를 들어 플랜지와 밀봉부 사이에서 원뿔형이나 다른 유사한 형상의 대향 접촉 표면에 의해 정적 플랜지에서 비-구면(non-spherical surface)으로써 얻어질 수도 있다. 밀봉부(10)가 부드러운 이러한 실시예에서, 파이프(6)에 대하여 수직하게 반경방향으로 부드러울 수도 있다. 이 경우에, 웨징 작용에 응답하여 가요성 밀봉부는 반경방향으로 안쪽을 향하여 파이프(6)와의 향상된 밀봉작용을 제공하며, 추가로 그들 사이의 잠재적인 누설을 감소시킨다.
제 2 통로는 구형 밀봉면(22)과 오목 플랜지부(44) 사이에 배치될 수 있다. 이것은 또한 상대적으로 유체 기밀형이며 가스누설을 최소화시킨다. 그결과 가스누설은 밀봉부(10)의 이중 구형 밀봉면에 의해 실질적으로 방지된다.
이 분야의 보통의 기술자에게는, 상기 실시예의 변용이 가능하다. 예를 들어, 구형 밀봉면은 원통형 플러시나 직립표면에 의해 분리될 필요가 없고 채널이나 비-원통형 리지와 같은 다른 형상의 표면에 의해 분리될 수 있다. 밀봉부(10)와 그것의 두 개의 구면(20, 22)들은 바람직하게는 반구의 표면에 해당한다. 반구는, 중앙이 절단된 부분을 갖는 밀봉부(10)의 형태로 3개의 평행 부분들로 분리된다. 그결과 두 개의 구형 볼록 밀봉면들은 공통 중심으로부터 뻗어 나오는 반지름을 가질 수도 있다. 그러나 이것은 필수적인 것은 아니다. 2개의 구면의 반경은 두 개의 축방향으로 이격된 중심들로부터 뻗어 나온다.
통상적으로, 상기 밀봉부는 직조형 와이어 메쉬(knitted wire mesh)로 형성되지만, 예를 들어 메쉬 보강제가 없이 분말형 합성물과 같은 고형(solid) 금속 구조체로 형성될 수 있다. 또한 밀봉부는 단조가공, 기계가공, 주물가공되거나 다른 형태로 제작될 수 있다. 이러한 메쉬는 직조되거나 직조되지 않을 수도 있다. 보강재는 비금속 물질로 제작될 수도 있다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구항들에 의해 한정되며, 본원에서의 상세한 설명은 예시적인 것일 뿐 한정적인 것이 아니다.

Claims (18)

  1. 유체를 운송하기 위하여 정렬되며, 각각 원통형 외표면을 갖는 제 1 파이프 및 제 2 파이프와;
    축을 규정하는 중앙 관통 구멍을 갖고 이 구멍 내에 제 1 파이프가 배치되는 밀봉부로서, 상기 구멍은 그 축과 동축을 이루며 제 1 파이프와 접하는 원통형 표면에 의해 형성되고, 상기 밀봉부는, 상기 축에 대하여 테이퍼지고 이 축 주위로 연장하며, 제 1 가장자리에 인접한 내부 원통형 표면과 테이퍼진 외부 표면 사이에 환형 쐐기형 부재를 형성하기 위해 제 1 밀봉부 가장자리에 인접한 상기 원통형 표면을 향하여 테이퍼지고 이 표면 주위로 연장하는 제 1 환형 반경방향 외부 표면과, 제 1 가장자리에 대향하는 제 2 밀봉부 가장자리에 인접한 상기 축 주위로 연장되는 제 2 환형 볼록 구면을 갖는 밀봉부와;
    상기 밀봉부의 제 1 표면과 대향 접촉하며 이 제 1 표면과 결합하기 위한 테이퍼진 표면을 구비하고, 고정 위치에 그리고 제 1 파이프 외부 표면에 대해 그 주위에 유체 불침투성 관계로 고정되는 제 1 플랜지로서, 밀봉부를 쐐기형 관계로 수용하기 위한 환형의 쐐기형 리세스(wedge-like recess)를 상기 제 1 파이프 외부 표면과 함께 형성하는 제 1 플랜지와;
    밀봉부의 제 2 표면과 대향 접촉하고 이 제 2 표면과 결합하기 위한 오목 구면을 구비하며, 제 2 파이프 외부 표면에 대하여 그리고 그 주위에 유체 불침투성 관계로 고정되는 제 2 플랜지; 및
    고정위치에서 제 1 플랜지에 고정되는 볼트수단을 포함하며,
    상기 제 2 플랜지는 제 2 파이프가 상기 밀봉부의 제 2 구면 주위에서 제 1 파이프에 대해 회전할 수 있도록, 그리고 상응하는 밀봉부의 구면 및 테이퍼진 표면에 대하여 플랜지를 탄성적으로 축방향으로 가압하며, 밀봉부의 제 1 가장자리를 상기 리세스내로 이동시켜 밀봉부를 제 1 플랜지와 상기 제 1 파이프 외부 구면 사이에 웨지형관계로 웨지하기 위해서 상기 볼트 수단에 대해 탄성 이동식으로 고정되는 유체파이프 조인트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부의 제 1 표면 및 제 2 표면은 축방향으로 이격되는 유체파이프 조인트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부는 연성 재질(compliant material) 로 형성되는 유체파이프 조인트.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부의 제 1 표면은 볼록 구형이며, 제 1 플랜지는 밀봉부의 제 1 표면을 결합하기 위한 오목 구면을 갖는 유체파이프 조인트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 볼트수단은 제 1 플랜지에 대해 고정식으로 고정되고, 또한 제 2 플랜지에 이격 관계로 고정되는 제 1 및 제 2 볼트, 및 각각의 볼트와 상기 제 2 플랜지 사이에 고정된 스프링을 포함하는 유체파이프 조인트.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부는 고형 윤활 박판재질(solid lubricant sheet material)로 감싸여 압축되는 직조형 와이어 메쉬로 형성되는 유체파이프 조인트.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 플랜지와 제 2 플랜지는 각각 상응하는 제 1 파이프 및 제 2 파이프에 대해 파이프 주위의 연속하는 환형 용접선(seam)에서 개별적으로 용접되는 유체파이프 조인트.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 밀봉면과 제 2 밀봉면은 구형이며, 서로 거울상(mirror image)을 이루는 유체파이프 조인트.
  9. 축을 규정하는 내부 원통형 표면에 의해 형성된 중앙구멍과, 이 구멍의 주위로 연장되고 제 1 밀봉부의 단부 부근에 상기 밀봉부의 내부 원통형 표면과 함께 환형 쐐기형 부재를 형성하기 위하여 상기 축에 대해서 내부 원통형 표면을 향해서 테이퍼지는 제 1 환형 외부 표면, 및 상기 제 1 단부와 대향하는 밀봉 단부에서 중간부로부터 상기 밀봉부의 내부 표면을 향해 테이퍼지는 상기 개구 주위로 연장되는 제 2 환형 볼록 구면을 갖는 환형 밀봉부로서, 상기 제 1 표면은 제 1 밀봉부 단부로부터 이격된 상대적으로 보다 넓은 중간부를 향해 반경방향 외측으로 테이퍼지고, 상기 내부 원통형 표면은 상기 제 1 단부와 제 2 단부를 향하여 그 사이에서 연장되는, 환형 밀봉부와;
    상기 중앙구멍 내에서 상기 밀봉부의 내부 원통형 표면과 접하는 외부 원통형 표면을 갖고 축방향으로 연장되는 제 1 파이프와;
    상기 제 1 파이프 외부 원통형 표면과 함께 환형 쐐기형 리세스를 형성하는 밀봉부의 제 1 테이퍼면과 대향 접촉하여 결합하는 제 1 테이퍼진 표면을 구비하고, 상기 제 1 파이프부의 외부 원통형 표면에 대해 유체 불침투 관계로 그 주위에서 고정 위치에 고정되는 제 1 플랜지로서, 상기 밀봉부의 테이퍼진 표면 부근의 밀봉부가 제 1 플랜지와 제 1 파이프 사이에서 상기 제 1 플랜지 테이퍼진 표면에 대해 쐐기형 밀봉 관계로 완전히 안착되도록 상기 밀봉부에 대해 반경방향 외측으로 연장되는 하나 이상의 제 1 플랜지 부재를 구비하는 제 1 플랜지와;
    상기 밀봉부의 제 2 구면에 대해 아치형 슬라이딩관계로 대향접촉하여 결합되는 제 2 오목 구면을 갖고, 상기 밀봉부에 대해 반경방향 외측으로 연장되는 하나 이상의 제 2 플랜지 부재를 갖는 제 2 플랜지로서, 상기 하나 이상의 제 1 플랜지 부재는 하나 이상의 제 2 플랜지 부재에 대응하여 그와 병렬로 배치되는 제 2 플랜지와;
    상기 제 1 파이프로부터 축방향 유동 유체를 수용하도록 제 1 파이프와 정렬되는 제 2 파이프로서, 상기 제 2 플랜지에 대해 유체 불침투성 관계로 고정되는 원통형 외부 표면을 갖는 제 2 파이프; 및
    하나 이상의 제 1 플랜지 부재와 하나 이상의 제 2 플랜지 부재에 고정되어 이들 플랜지의 제 1 및 제 2 표면을 밀봉부의 제 1 및 제 2 표면과 쐐기형 밀봉 결합 관계로 접촉하도록 축방향으로 탄성 가압하고, 제 2 파이프가 제 1 파이프에 대해 이동할 수 있게 하는 볼트 수단을 포함하는 유체 파이프 조인트.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 밀봉부의 제 1 표면과 제 2 표면은 구형이며, 서로로부터 축방향으로 이격되며 서로 거울상을 이루는 유체파이프 조인트.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 플랜지들은 서로 동일한 거울상을 이루는 유체파이프 조인트.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 밀봉부의 환형 테이퍼면과 제 1 플랜지의 환형 테이퍼면은 구형인 유체파이프 조인트.
  13. 제 1 파이프를 제 2 플랜지에 대해 그리고 제 2 파이프에 대해 이동가능하게 밀봉 결합하도록 이동 결합시키기 위한 제 1 플랜지를 포함하는 제 1 유체 파이프와 제 2 유체 파이프를 유체 커플링하기 위한 조인트로서, 상기 제 2 플랜지는 제 2 파이프를 제 2 플랜지와 밀봉부에 대해 상대 고정위치에서 고정하며, 상기 조인트는 상기 제 1 플랜지와 제 1 파이프를 제 2 플랜지, 상기 제 2 파이프, 상기 밀봉부에 대해 이동할 수 있게 하면서 밀봉결합 상태로 상기 제 1 플랜지와 밀봉부를 제 2 플랜지를 향하여 탄성적으로 가압하여 밀봉부 및 플랜지와 밀봉 결합시키기 위한 수단을 포함하는 조인트에 있어서,
    상기 밀봉부는, 개별 대향 환형 밀봉부의 가장자리에 인접하여 종결하며 대향 축방향으로 바라보는 제 1 및 제 2 의 환형 반경방향 외향 표면을 갖고 상기 제 2 파이프를 수용하기 위해서 상기 에지를 향해 연장되는 내부 원통형 밀봉면을 형성하는 축방향 연장되는 중앙 관통 개구를 갖는 환형 부재를 포함하며, 상기 제 1 표면은 상기 축방향으로 상기 가장자리들중 하나에서 상기 내부 원통형 표면을 향해 테이퍼지며 제 2 플랜지와의 쐐기형 결합을 그리고 상기 제 2 파이프와의 쐐기형 결합을 밀봉하도록 설정되며, 상기 제 2 표면은 구형이며 상기 제 1 플랜지와 회전 밀봉결합하도록 설정되며, 상기 제 1 플랜지는 밀봉부를 제 2 플랜지와 제 2 파이프 사이에 밀봉 결합하는 조인트.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 밀봉부는 상기 제 1 표면과 제 2 표면 사이에서 원형 원통형 부분을 포함하는 조인트.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 테이퍼면은 구형인 조인트.
  16. 대향 단부들을 가지며, 축을 따라 제 1 파이프를 내부에 수용하기 위하여 상기 단부들에 연장하는 내부 원통형 표면을 형성하는 단부들 사이에서 그리고 이 단부들에 대해 연장하는 축방향 연장 중앙 원통형 관통보어를 갖는 원형부재와;
    상기 하나의 단부에서 환형 볼록 쐐기형 부재를 형성하는 상기 하나의 단부에서 상기 내부면을 향해 그리고 상기 축을 향해 테이퍼지며 이 축들에 대해 상기 단부들 중 하나에서 동축으로 종결하는 상기 원형부재의 제 1 반경방향 외향 표면과;
    상기 단부들 중 다른쪽에서 상기 축과 동축인 제 2 반경방향 외향 볼록 구형부분과;
    상기 제 1 표면과 제 2 표면 사이에서 상기 제 1 표면과 제 2 표면을 축방향으로 이격시키기 위한 축방향 연장하는 반경방향 외향 부분을 포함하며,
    상기 제 2 부분은 상기 제 1 표면에 대해 거울상 이격관계로 상기 다른 단부에서 상기 내부 원통형 표면과 상기 축을 향해 테이퍼지고,
    상기 밀봉부는 고체구조물을 형성하기 위하여 압축된 필터물질을 구비한 와이어메쉬를 포함하는 밀봉부.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 표면은 볼록 및 구형인 밀봉부.
  18. 유체를 운송하기 위하여 정렬되며 각각 원통형 외표면을 갖는 제 1 및 제 2 파이프와;
    밀봉부를 통하여 연장하는 연속 내부 원통형 표면과 축을 형성하고 그 내부에는 제 1 파이프가 배치되는 밀봉부로서, 상기 내부 원통형 표면과 함께 상기 축주위로 연장되는 쐐기형 부재를 형성하는 제 1 반경방향 외향 환형 표면과 상기 축 주위로 연장되는 제 2 환형 볼록 구면을 갖는 밀봉부와;
    제 1 표면을 갖는 제 1 플랜지로서, 상기 제 1 환형 표면을 제 1 파이프와 협동하여 고정 위치에 쐐기형으로 완전히 안착된 유체 밀봉 관계로 또한 제 1 파이프 외부 표면에 대해 그리고 이 제 1 파이프 외부 표면 주위에 유체 불침투성 관계로 고정되는 제 1 표면을 구비한 제 1 플랜지와;
    밀봉부의 제 2 환형 구면과 다이나믹하게 결합하기 위한 오목한 구면을 갖고 상기 제 2 파이프 외부 표면에 대해 그리고 그 주위에 유체 불침투성 관계로 고정되는 제 2 플랜지; 및
    상기 제 1 플랜지에 대해 고정 위치에 고정되고, 상기 제 2 플랜지에 대해서는 탄성 이동가능한 관계로 고정되어 제 2 파이프가 제 1 파이프에 대해 상기 밀봉부의 제 2 구면의 주위로 회전할 수 있게 하고, 또한 상기 제 2 플랜지를 대응 밀봉 구면에 대해 탄성적으로 가압하고 밀봉부의 제 1 환형 표면을 쐐기형 관계로 가압하는 플랜지 고정 수단을 포함하는 유체 파이프 조인트.
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