KR100590152B1 - 가변 강성 벨로우즈 - Google Patents

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Abstract

표면에 상승되어 형성된 복수개의 원주방향 컨볼류트를 갖는 튜브를 포함하는 벨로우즈가 개시되어 있고, 적어도 하나의 컨볼류트는 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 형성되어 있다.
벨로우즈, 덕트, 튜브, 컨볼류트, 최대 응력, 최대 변형률

Description

가변 강성 벨로우즈{VARIABLE STIFFNESS BELLOWS}
배경
1. 발명의 분야
본 발명은 자동차 산업 등에 사용되는 공기 덕트 분야에 관한 것이다.
2. 관련 기술의 설명
공기 덕트는 통상, 예를 들면 공기 덕트가 공기를 엔진으로 운반하는 자동차에 사용된다. 공기는 터보 과급기(turbocharger)를 통과하고, 이러한 경우에 덕트를 통해 유동하는 공기는 온도가 180℃에 이를 때까지 가열될 수 있지만, 일반적으로 공기는 140℃ 내지 160℃ 사이의 범위에서 가열된다.
이러한 공기 덕트들은 통상 여러가지 취입 성형(blow molding) 기술에 의해 제작된다. 연속 압출 취입 성형 기술은 수개의 강성 및 연성 세그먼트들을 결합시킨 단일편 공기 덕트를 생산하기 위해 사용된다.
종래의 공기 덕트 부분의 예가 도1 및 도2에 도시되어 있고, 도면에서 복수개의 컨볼류트(convolute; 7)가 형성된 제1 튜브(5), 벨로우즈(3)의 일단부에 연결된 제2 튜브(9), 및 벨로우즈(3)의 타단부에 연결된 제3 튜브(11)를 포함하는 벨로우즈(3)를 구비한 공기 덕트(1)가 도시되어 있다. 컨볼류트(7)들은 기본적으로 제1 튜브(5)의 표면에 형성된 원주방향 상승 리지(ridge)이다. 연성 재료 세그먼트는 대체로 직선 튜브 부분에 위치되고, 컨볼류트와 결합하여 조립, 엔진 거동, 충격 흡수 및 NVH(소음, 진동 및 하시니스(harshness)) 제어를 위해 공기 덕트의 편향 및 분리를 가능하게 한다. 분리는, 공기 덕트가 연결되는 엔진의 다른 부품에 대해 이 공기 덕트가 독립적으로 이동할 수 있도록 제작되는 것을 의미한다. 또한, 공기 덕트를 엔진에 연결하는 공기 덕트의 단부도, 이 단부가 엔진에 유연하게 연결될 수 있도록 연성 재료로 제작된다.
종래의 취입 성형된 공기 덕트의 문제점은 벨로우즈가 열가소성 에스테르 에테르 엘라스토머(thermoplastic ester ether elastomer, TEEE) 또는 가요성 폴리아미드(polyamide) 등의 연성 재료로 제작되기 때문에, 벨로우즈가 소정 온도 및 압력 하에서 종방향 또는 축방향으로 너무 길게 신장되는 경향이 있다는 것이다.
발명의 요약
본 발명의 벨로우즈는, 표면에 돌출 형성된 복수개의 원주방향 컨볼류트를 갖고 단면이 실질적으로 원형인 튜브를 포함하는 벨로우즈에 있어서, 상기 컨볼류트들 중 적어도 하나의 컨볼류트는 컨볼류트의 일부분이 실질적으로 원형인 튜브의 단면을 유지하면서 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 형성된다.
본 발명의 벨로우즈에 있어서, 바람직하게는, 상기 컨볼류트들 중 적어도 하나의 컨볼류트는 컨볼류트의 2개의 대향하는 부분들이 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있고 컨볼류트의 2개의 대향하는 부분들이 튜브의 표면보다 높게 연장하도록 형성된다.
본 발명의 벨로우즈에 있어서, 바람직하게는, 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있는 2개의 대향하는 부분들과 튜브의 표면보다 높게 연장하는 2개의 대향하는 부분들을 갖는 상기 컨볼류트들이 동일한 방향으로 향해 있다.
또한, 본 발명의 덕트는, 표면에 돌출 형성된 복수개의 원주방향 컨볼류트를 갖고 단면이 실질적으로 원형인 제1 튜브를 포함하는 벨로우즈와, 제1 튜브의 제1 단부에 연결된 제2 튜브 및 제1 튜브의 제2 단부에 연결된 제3 튜브를 포함하고, 상기 컨볼류트들 중 적어도 하나의 컨볼류트는 컨볼류트의 일부분이 실질적으로 원형인 제1 튜브의 단면을 유지하면서 제1 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 형성된다.
도면의 간단한 설명
도1은 종래의 벨로우즈 구성을 갖는 덕트의 측면도이다.
도2는 도1의 덕트의 사시도이다.
도3은 본 발명에 따른 벨로우즈 구성을 갖는 덕트의 측면도이다.
도4는 도3의 덕트의 사시도이다.
도5는 도4의 선5-5를 따라 취한 덕트의 단면도이다.
도6은 본 발명에 따른 벨로우즈 구성을 갖는 덕트의 측면도이다.
도7은 도6의 덕트의 사시도이다.
도8은 도3의 선8-8을 따라 취한 덕트의 단면도이다.
상세한 설명
본 발명은 복수개의 원주방향 컨볼류트가 표면에 돌출 형성된 제1 튜브를 포함하는 벨로우즈에 관한 것으로, 적어도 하나의 컨볼류트는 이 컨볼류트의 일부분이 제1 튜브의 표면과 거의 동일한 평면 상에 있도록 형성된다. 벨로우즈가 덕트의 일부분인 경우, 벨로우즈의 일단부에 연결된 제2 튜브와 벨로우즈의 타단부에 연결된 제3 튜브도 제공된다.
가변 강성 벨로우즈에서는, 벨로우즈가 구부러지는 방향을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명은 벨로우즈의 종방향 신장을 제어한다. 실제로, 본 발명의 벨로우즈는 종래의 벨로우즈에 비해 종방향(축방향)으로의 신장이 매우 작다.
공기 또는 액체 등의 유체가 소정 압력 하에서 덕트를 통해 이동할 때, 덕트의 돌출된 표면과 접촉하는 압력은 벨로우즈를 인장 및 변형시키는 힘을 발생시킨다. 이러한 힘은 재료 응력을 발생시켜, 시간의 경과에 따라 재료 크립(creep)을 야기하고, 덕트를 설계 공차로부터 벗어나게 한다. 그러면, 덕트는 원치 않는 이동을 함으로써 다른 부품과 접촉하여, 덕트 또는 이 덕트가 접촉하는 다른 부품들에 손상을 입힐 수도 있다. 엔진에 사용되는 경우, 덕트는 고온 표면과 접촉하여 손상될 수도 있다.
또한, 본 발명의 벨로우즈는 덕트의 분리, 즉 덕트가 엔진의 다른 부품과 독립적으로 이동하는 것을 허용한다. 덕트의 분리는 벨로우즈에 연결된 튜브 부분 상의 전단 응력을 크게 감소시키거나 방지한다.
도면을 보면, 도3 및 도4에는 본 발명에 따라 구성된 가변 강성 벨로우즈(15)를 구비한 덕트가 도시되어 있다. 벨로우즈(15)는 복수개의 컨볼류트(19)가 형성된 제1 튜브(17)를 포함한다. 덕트(13)는 벨로우즈(15), 벨로우즈(15)의 일단부에 연결된 제2 튜브(21), 및 벨로우즈(15)의 타단부에 연결된 제3 튜브(23)를 포함한다.
도5에 도시된 바와 같이, 컨볼류트(19)들은 기본적으로 제1 튜브(17)의 표면에 형성된 원주방향 상승 리지이다. 그러나, 도1에 도시된 종래의 컨볼류트(7)와는 다르게, 컨볼류트(19)는 제1 튜브(17)의 전체 원주방향 주위에 형성되지 않고 적어도 하나의 컨볼류트(19)는 컨볼류트(19)의 일부분이 제1 튜브(17)의 표면과 거의 동일한 평면 상에 있도록 형성된다. 도3의 경우에는, 모든 컨볼류트(19)들이 튜브(17)의 표면과 거의 동일한 평면 상에 있는 부분을 갖도록 형성되어 있다.
도3 및 도4에서, 컨볼류트(19)들은 동일한 방향을 향해 있지만, 그러할 필요는 없다. 도6 및 도7을 보면, 도3과 같이 형성된 컨볼류트(29)를 포함하지만, 컨볼류트(29)와 동일한 형상을 갖고 컨볼류트(29)로부터 90°의 위치에 형성된 컨볼류트(31)도 포함한다. 이러한 구성에 따르면, 컨볼류트(29)의 상승된 부분은 컨볼류트(31)의 평평한 부분과 부분적으로 중첩되고, 컨볼류트(31)의 상승된 부분은 컨볼류트(29)의 평평한 부분과 부분적으로 중첩된다. 벨로우즈(27)의 컨볼류트(29, 31)들의 방향에 의해 덕트의 강성이 제어되고, 따라서 소정 방향으로의 덕트의 구부림 능력이 제어된다.
도3에 도시된 벨로우즈(15)는 종래 기술의 벨로우즈(3)와 비교하면 2가지의 중요한 이점을 갖는다. 첫째, 벨로우즈(15)는 x 방향으로의 덕트(13)의 종방향 신장을 제한한다. 신장에 있어서의 이러한 개선은, 컨볼류트(19)의 평평한 부분의 강성의 결과이다. 둘째, 벨로우즈(15)는 덕트(13)가 y 방향으로는 구부러지지만 z 방향으로는 구부러지지 않도록 제한한다.
도6에 도시된 벨로우즈(27)는 덕트(25)를 y 및 z 방향으로 균등하게 구부릴 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 벨로우즈(27)도 x 방향으로의 덕트(25)의 종방향 신장을 제한한다.
도5에 도시된 컨볼류트(19)는 평평한 부분으로부터 상승된 부분까지 균일한 두께를 갖지만, 본 발명이 이 구성으로 제한되는 것은 아니다. 컨볼류트(19)는 타원형과 같은 균일하지 않은 두께일 수도 있다. 제1 튜브(17)의 두께는 제2 튜브(21) 및/또는 제3 튜브(23)의 두께와 동일하거나 동일하지 않을 수도 있다.
튜브(17) 상의 컨볼류트(19)의 높이는 균일하게 도시되어 있지만, 컨볼류트(19)의 높이는 컨볼류트들 사이에서 변화할 수도 있다.
도8을 보면, 도3의 컨볼류트(19)의 단면도가 도시되어 있다. 도6의 컨볼류트(29)는 도3의 컨볼류트(19)와 동일한 형상을 갖는다.
컨볼류트의 형상은 본 발명에 있어 중요하지 않다. 도5에서 컨볼류트가 반원형으로서 도시되어 있지만, 본 발명은 상기 형상의 컨볼류트로 제한되지 않는다. 컨볼류트는 본 발명의 이점을 제공하는 형상을 갖는 한 삼각형, 직사각형, 사다리꼴 또는 다른 형상일 수 있다.
가변 강성 벨로우즈에서 컨볼류트의 수는 특정한 수로 제한되지 않는다. 사용되는 컨볼류트의 수는, 사용되는 벨로우즈의 용도 또는 벨로우즈를 포함하는 덕트의 용도에 따라 정해진다.
본 명세서에 사용된 "덕트"라는 용어는 제한적인 것이 아니고, 배관 또는 호스와 같은 어떠한 다른 유체 운반 수단도 포함한다. 또한, 도면에 도시된 덕트는 하나의 벨로우즈를 포함하지만, 덕트의 설계에 따라 여러 개의 벨로우즈가 하나의 덕트 내에 사용될 수도 있다.
본 발명의 벨로우즈와 덕트는 바람직하게는 취입 성형에 의해 제작되지만, 본 발명은 이로 제한되는 것이 아니고, 당업자에게 공지된 어떠한 종래의 수단에 의해서도 제작될 수 있다.
취입 성형의 경우, 벨로우즈와 덕트는 취입 성형될 수 있는 어떠한 열가소성 수지로부터도 제작될 수 있다. "열가소성 수지"라는 용어는 합성 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 블록 폴리에스테르 에테르 코폴리머, 에틸렌 프로필렌 디엔 엘라스토머(EPDM), 폴리프로필렌과 같은 올레핀, 및 이들의 혼합물이나 합성물을 포함한다.
예
예1은 도1에 도시된 덕트를 사용하는 비교예이고, 예2는 도3 및 도4에 도시된 가변 강성 벨로우즈를 갖는 덕트를 사용하는 본 발명의 예이고, 예3은 도5 및 도6에 도시된 가변 강성 벨로우즈를 갖는 덕트를 사용하는 본 발명의 예이다.
벨로우즈의 벽 두께는 균일하고 2.0 mm로 일정하며, 벨로우즈에 연결된 튜브 부분의 벽 두께는 균일하고 3.0 mm로 일정하다.
이하의 예들에서, 도1, 도3 및 도6에 도시된 3개의 벨로우즈 각각은 이하의 순서에 따라 평가되었다. 제2 튜브는 벨로우즈로부터 떨어진 튜브의 단부에서 클램핑되어 정지 상태로 유지되고, 제3 튜브는 캡으로 폐쇄된다. 120℃에서 (압력 게이지로) 0.15 MPa(1.5 bar)의 내부 압력이 전체 덕트에 가해진다. 즉, 압력이 덕트, 제2 튜브, 벨로우즈 및 제3 튜브를 통해 단부 캡 표면 상에 가해진다. 단부가 캡으로 막힌 덕트의 측부는 x 축을 따라 자유롭게 신장된다.
덕트는 TEEE로 제작된다.
3개의 덕트 각각에 대해 이하의 특성, 즉 (1) 덕트 내부 및 외부에서의 재료 표면의 재료 변형률, (2) 재료 응력, (3) x 축을 따라 종방향(축방향)으로 측정된 부품 변형, 및 (4) y 축 및 z 축을 따라 반경방향으로 측정된 부품 변형이 측정된다.
표1
예 번호 최대 변형률- 상부표면 (%) 최대 변형률- 하부표면 (%) 최대 응력- 상부표면 (MPa) 최대 종방향 신장 (축방향) x축(mm) 종방향 신장 감소율 (축방향) x축(%) 반경방향 최대변형 y축 (mm) 반경방향 최대변형 z축 (mm)
비교예1 11.3 10.3 4.0 15.3 - 1.7 1.7
예2 9.6 9.3 3.5 3.7 76 2.2 -1.1
예3 10.2 11.0 3.7 7.1 54 1.8 1.7

상기 예들은 본 발명에 따라 구성된 가변 강성 벨로우즈를 갖는 덕트의 물리적 특성들이 기대 이상으로 향상된 것을 나타낸다.
특히, 예2 및 예3에 있어서의 재료 변형률과 재료 응력의 결과치는 비교예1에 비해 우수하여, 덕트의 재료의 악화가 없음을 나타낸다.
예2 및 예3은 비교예1과 비교하여 덕트의 종방향 신장이 상당히 감소된 것을 나타낸다. 예2는 비교예1과 비교하여 종방향 신장이 76% 감소한 것을 나타내고, 예3은 비교예1과 비교하여 종방향 신장이 54% 감소한 것을 나타낸다.
예2 및 예3의 덕트의 y 방향 및 z 방향으로의 반경방향 변형은 비교예1의 결과와 비교하여 양호하다. 이는 상기와 같은 시험 환경에 처하는 경우, 덕트의 바람직하지 않은 변형이 없다는 것을 나타낸다.

Claims (9)

  1. 표면에 돌출 형성된 복수개의 원주방향 컨볼류트를 갖고 단면이 실질적으로 원형인 튜브를 포함하는 벨로우즈에 있어서,
    상기 컨볼류트들 중 적어도 하나의 컨볼류트는 컨볼류트의 일부분이 실질적으로 원형인 튜브의 단면을 유지하면서 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 벨로우즈.
  2. 제1항에 있어서, 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있는 일부분을 갖는 상기 컨볼류트들이 동일한 방향으로 향해 있는 것을 특징으로 하는 벨로우즈.
  3. 제1항에 있어서, 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있는 일부분을 갖는 상기 컨볼류트들이 서로 다른 방향으로 향해 있는 것을 특징으로 하는 벨로우즈.
  4. 제1항의 벨로우즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 덕트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 벨로우즈는 취입 성형에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 벨로우즈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 벨로우즈는 열가소성 수지로 제작되는 것을 특징으로 하는 벨로우즈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 컨볼류트들 중 적어도 하나의 컨볼류트는 컨볼류트의 2개의 대향하는 부분들이 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있고 컨볼류트의 2개의 대향하는 부분들이 튜브의 표면보다 높게 연장하도록 형성된 것을 특징으로 하는 벨로우즈.
  8. 제7항에 있어서, 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있는 2개의 대향하는 부분들과 튜브의 표면보다 높게 연장하는 2개의 대향하는 부분들을 갖는 상기 컨볼류트들이 동일한 방향으로 향해 있는 것을 특징으로 하는 벨로우즈.
  9. 표면에 돌출 형성된 복수개의 원주방향 컨볼류트를 갖고 단면이 실질적으로 원형인 제1 튜브를 포함하는 벨로우즈와,
    제1 튜브의 제1 단부에 연결된 제2 튜브 및 제1 튜브의 제2 단부에 연결된 제3 튜브를 포함하고,
    상기 컨볼류트들 중 적어도 하나의 컨볼류트는 컨볼류트의 일부분이 실질적으로 원형인 제1 튜브의 단면을 유지하면서 제1 튜브의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 덕트.
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