KR100619550B1 - 스핀 용접된 유체 커플링 - Google Patents

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KR100619550B1
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짓코빅마이클티2세
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아이티티 매뉴팩츄어링 엔터프라이즈, 인코포레이티드
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Abstract

제1 유체 운반 부품과 제2 유체 운반 부품 사이의 유체 커플링은, 제1 부품과 제2 부품을 스핀 용접에 의해 함께 접합하도록 제1 부품 및 제2 부품의 재료와 스핀 용접 적합성이 있고 제1 부품의 리세스에 배치되는 접합 재료에 의해 유발되는 스핀 용접에 의해 형성된다.

Description

스핀 용접된 유체 커플링{SPIN WELDED FLUID COUPLING}
도 1은 본 발명의 스핀 용접된 유체 커플링의 일 양태의 분해 단면도이고,
도 2는 도 1에 도시된 유체 커플링의 조립 상태를 보여주는 종단면도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
40 : 유체 커플링
42 : 커넥터
44, 46 : 관형 부품
60 : 리테이너
73 : 리세스
78 : 접합 재료
본 발명은 유체 커넥터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 그러한 커넥터를 관형 부품과 상호 밀봉 접속하는 것에 관한 것으로, 특히 스핀 용접을 사용하여 그러한 상호 접속을 달성하는 것에 관한 것이다.
퀵 커넥터 커플링은 미국 자동차 산업에서 다년간 광범위하게 사용되어 왔 다. 수많은 용례에 적용될 수 있지만, 퀵 커넥터는 통상적으로 연료 시스템 및 증기 회수 시스템에 채용되고 있다. 가장 간단하고 가장 비용 효율적인 구조는 플라스틱 하우징을 포함한 암형의 퀵 커넥터가 수형의 금속 관형 부품에 해제 가능하게 결합되는 타입이다. 암형 하우징의 반대측 단부는 통상적으로, 그 외주면에 축방향으로 간격을 두고 바브(barb)가 형성되어 있고 그 위에 나일론 또는 플라스틱 관형 부품이 가압되는 부재를 포함하는 스템(stem)을 형성한다. 이러한 구조는 미국 특허 제5,542,712호에 개시되어 있다.
유체 취급 시스템에 있어서, 사용된 커넥터는 함께 적절하게 결합되는 수형 부분 및 암형 부분을 구비하는 것이 필수적이다. 커넥터가 불완전하면, 관련 시스템에 있어서 유체의 누설을 초래할 수 있다. 이는 시스템이 가압 상태로 있을 때 특히 불리할 수 있으며, 커넥터의 누설에 의해 가압 유체가 방출된다. 또한, 최근의 연방법은, 차량 연료 및 증기 회수 시스템에서의 탄화수소의 방출량을 현저히 감소시킬 것을 요구하고 있다. 통상의 퀵 커넥터는, 관형 부품과 관련 커넥터 바디의 조립 상태를 기계적으로 유지하는 데에는 효과적이지만 상기 연방법의 요구를 적절하게 해결하지는 못하고 있다. 또한, 채용된 재료, 통상적으로 나일론 12는 탄화수소가 그 커넥터를 관통 투과하는 것을 충분히 억제하지 못하고 있다.
투과 문제는 상이한 타입 또는 조성의 플라스틱의 2층 이상의 별개의 층을 포함하는, 동시 압출된 다층 플라스틱 관의 개발을 통하여 부분적으로 해소되었으며, 상기 층들 중 하나는 탄화수소가 시스템으로부터 누출되는 것을 억제하기에 효과적인 투과층을 제공하도록 특별하게 설계된다. 일반적으로, 가장 성공적인 다층 관은, 외부 환경에 대한 내성이 있는 재료로 이루어지며 비교적 두꺼운 외층을 채용한다. 최내층은 보다 얇으며, 탄화수소, 알콜 및 연료 혼합물에 존재하는 기타 재료와 같은 재료의 확산을 억제하는 능력을 갖도록 선택되는 재료로 이루어진다. 내부에서 유체의 유동에 의해 발생되는 정전하를 소산시키기에 충분한 수준의 전기 전도성을 가질 수 있다. 현재까지는, 상이한 폴리머 층 사이에서 만족스러운 적층 특징을 얻는 것이 극히 어려웠다. 따라서, 내층 및 외층을 접합하기 위하여 하나 이상의 중간층을 사용하는 것이 제안되었다.
연료 관련 용례에서 다층 관을 이용하는 것은, 관형 부품에 있어서 임의의 중간층 뿐 아니라 내층 및 외층의 적층 단부(lamina end)가 시스템의 연료 및 증기 또는 동등하게 거친 외부 환경에 필연적으로 노출되는 한은 문제로 되어 왔다. 이러한 노출은 여러 층 사이의 접합을 악화시키는 경향이 있어서, 층의 박리 또는 분리를 초래하며, 그 결과 시스템의 완전성의 손상, 연료 오염 및 심지어 유체 흐름의 방해를 야기한다.
관련 문제는 상업적으로 이용 가능한 퀵 커넥터 장치의 2가지 측면으로부터 유래되는데, 즉 큰 용적 및 낮은 판매가로 인하여 저가이면서 어느 정도 휘기 쉬운 재료를 빈번하게 필수적으로 사용해야 한다는 것과, 극히 작은 내부 장착 부품의 복잡한 윤곽으로부터 유래되는 것이다. 이들 측면은 오조립의 가능성을 총괄적으로 증가시킨다. 자동화 조립을 포함하여 큰 용적을 형성하는 기술은, 부품의 오조립 및 허용할 수 없는 치수 변동을 검출하기 어렵게 하는 문제를 악화시키는 경향이 있다. 과도한 치수 오차의 누적(stack-up)으로 인하여, 바브형 스템(barbed stem)과 플라스틱 관 사이의 결합 특성(pull-apart characteristic)이 저하되어, 누설이 초래될 수 있다. O 링의 누락과 같은 오조립으로 인하여, 누설이 초래될 수도 있다. 다층 관의 경우에, 치수 및/또는 부착 문제로 인하여, 바브형 스템에 관을 삽입할 때에 기계적 박리가 초래될 수 있다. 마지막으로, 낮은 후프 강도(hoop strength)를 갖는 다층 구조체 또는 단일 벽의 플라스틱 관은 시간에 따라 또는 고온에서 느슨하게 될 수 있으며, 그 결과 유체의 누설 또는 침투를 초래할 수 있다.
하우징과 관형 부품 사이에 확실한 스핀 용접을 달성하기 위하여, 하우징(즉, 커넥터)과 관형 부품을 적합한 재료로 형성할 필요가 있다. 이는, 커넥터를 플라스틱으로 형성하고 관형 부품을 금속으로 형성하는 경우뿐 아니라, 커넥터 하우징을 금속으로 형성하고 관형 부품을 플라스틱으로 형성하는 경우에도 곤란한 것으로 판명되었다. 관형 하우징과 관형 부품을 상이한 재료로 형성하는 경우에 커넥터 하우징과 관형 부품을 접착식으로 접합하려는 시도가 있었지만, 커플링 부품이 일반적으로 스핀 용접에 적합하지 않은 상이한 재료로 형성되는 경우에 다중 부품의 유체 커플링에서 확실하고 누설이 없는 스핀 용접을 보장하기 위하여 유체 커플링을 추가로 개선할 수 있는 것으로 생각된다.
본 발명은 제1 유체 운반 부품과 제2 유체 운반 부품 사이에 스핀 용접 접합을 제공하는 스핀 용접된 유체 커플링에 관한 것이다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 제1 유체 운반 부품과 제2 유체 운반 부품 사이의 유체 커플링을 형성하는 방법에 관한 것이다. 이러한 유체 커플링 형성 방법은, 상기 제1 유체 운반 부품의 일단에 개방단을 갖는 환형 리세스를 형성하는 단계와, 상기 제1 유체 운반 부품 및 제2 유체 운반 부품의 재료와 스핀 용접 적합성이 있는 접합 재료를 상기 리세스 내의 표면에 고착하는 단계와, 상기 제1 유체 운반 부품의 리세스 내로 상기 제2 유체 운반 부품을 삽입하는 단계와, 상기 접합 재료에 의해 상기 제1 유체 운반 부품과 제2 유체 운반 부품을 밀봉 가능하게 접합하도록 상기 제1 유체 운반 부품 및 제2 유체 운반 부품을 스핀 용접하는 단계를 포함한다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 제1 유체 운반 부품과 제2 유체 운반 부품의 스핀 용접 접합에 의해 형성되는 유체 커플링을 제공한다. 이 유체 커플링은, 관통 보어가 제1 단부로부터 연장되어 있는 몸체로 형성되는 제1 부품과, 관통 보어가 제1 단부로부터 연장되어 있는 제2 부품을 구비하며, 상기 제1 부품의 제1 단부로부터 개방단이 있는 리세스가 연장되고, 상기 제2 부품에 상기 제1 부품을 스핀 용접에 의해 접합하도록 상기 리세스 내의 제1 부품의 적어도 하나의 표면에 스핀 용접을 유도하는 접합 재료가 배치되어 있다.
본 발명의 스핀 용접 유체 커플링과 이를 형성하는 방법은, 종래에는 너무 상이하여 스핀 용접을 할 수 없었던 제1 부품 및 제2 부품 형성 재료를 특유하게 사용할 수 있게 하여 상기 부품들을 확실하고 누설이 없게 접합되도록 스핀 용접할 수 있게 하는, 두 유체 운반 부품 사이의 스핀 용접 커플링을 제공한다. 제1 부품 및 제2 부품 사이의 계면에 제1 부품 및 제2 부품을 형성하는 재료와 스핀 용접 적합성이 있는 접합 재료를 특유하게 사용하면, 상이한 재료에도 불구하고 제1 부품 및 제2 부품을 형성하는 상이한 재료 사이에 스핀 용접이 유도된다.
접합 재료는, 금속 부품, 플라스틱 코팅된 금속 부품, 또는 플라스틱 부품을 플라스틱 또는 완전히 상이한 재료로 형성된 커넥터 바디 또는 부품에 스핀 용접할 수 있도록 하기 위하여 많은 상이한 타입의 제1 부품 및 제2 부품 형성 재료와 적합성이 있게 변경될 수 있다.
본 발명의 각종의 특징, 이점 및 다른 용도는 이하의 상세한 설명과 도면을 참고로 보다 명확하게 될 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 퀵 커넥터 조립체 또는 유체 커플링(40)을 포함하는 용례, 바람직하게는 차량 용례에 사용되는 본 발명의 한 양태가 예시되어 있으며, 상기 유체 커플링에 있어서는 커넥터(42)가 금속 관형 부품(44)과 플라스틱 또는 금속 관형 부품(46)을 상호 접속하여 유동 회로를 얻는 작용을 한다.
유체 커플링(40)은 단지 예로서만 도시된 커넥터(42)를 사용한다는 것을 이해할 것이다. 유체 커플링(40)은 관형 또는 도관형 부품에 유동 접속되도록 설계되는 밸브, 유동 매니폴드, 자동차 브레이크 실린더 등과 같은 유체 동작식 요소의 포트 또는 연장부에서 구현될 수 있다. 대안으로, 본 발명의 유체 커플링은, 이하에서 설명하는 커넥터(42)의 하우징과 같은 커넥터 하우징에 접합되는 밸브, 유동 매니폴드 또는 차량 브레이크 실린더와 같은 유체 동작식 요소에 부착되는 부품에서 구현될 수 있다.
커넥터(42)는, 제1 개구(52)로부터 제2 개구(54)로 관통 연장되는 단차진 보어(50)를 갖는 대략 관형의 부품으로 유리 충전 나일론 또는 기타 적합한 재료로 형성되는 경질 쉘 플라스틱제 커넥터 바디(48)의 조립체이다.
금속 또는 플라스틱제 관형 부품(44)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1 개구(52)를 통하여 보어(50) 내로 연장된다. 관형 부품(44)의 선단(58)으로부터 축방향으로 오프셋되어 있는 단압(鍛壓) 헤드(upset head)가 커넥터 바디(48)와 조립 상태로 있는 리테이너(60)에 해제 가능하게 맞물린다. 관형 부품(44)의 외주면은 제1 및 제2의 탄성 O 링(62, 64)에 의해 보어(50) 내에서 커넥터 바디(48)와 밀봉 가능하게 맞물리며, 상기 O 링은 스페이서(66)에 의해 분리되고 상부 햇(hat; 70)에 의해 도시된 위치로 유지되어 있다. 도시된 바와 같이, 금속 관형 부품(44)의 선단(58)은 보어(50) 내에 삽입되어, 커넥터(42)와 기계적으로 맞물릴 수 있다. 관형 부품(44)은 리테이너(60)를 변위시킴으로써 커넥터(42)로부터 분리될 수 있다.
커넥터 바디(48)에 있어서 보어(50)의 중간 단차부(72)는, 금속 관형 부품(44)의 선단(58)과 미끄럼 결합되어(slip fit) 금속 관형 부품과 긴밀하게 접촉하는 것을 보장하도록 치수가 정해진다. 단차부(72)로부터 커넥터 바디(48)의 단부(54)까지 축방향으로 소경의 보어(71)가 연장된다.
상기 단부(54)로부터 외측으로 반경 방향으로 간격을 두고 있는 동심의 외측 단부(74)를 형성하도록 커넥터(42)의 단부(54)에 환형 리세스(73)가 형성되어 있다. 외측 단부(74)는 단부(54)와 동일 평면에 있을 수도 있고 도 1 및 도 2에 도 시된 바와 같이 축방향으로 오프셋되어 있을 수도 있다. 환형 리세스(73)는 커넥터(42)의 단부(54, 74) 사이에 환형 홈 또는 단부가 개방된 슬롯을 형성하며, 이 슬롯은 반경 방향 내측의 리세스 표면(75), 반경 방향 외측의 리세스 표면(76) 및 내측 단부벽(77)으로 형성되어 있다.
반경 방향 내측의 리세스 표면(75), 반경 방향 외측의 리세스 표면(76) 및 내측 단부벽(77) 중 적어도 하나, 선택적으로는 3곳 모두는 커넥터 하우징(48) 및 관형 부품(46)의 외면상의 재료 모두와 스핀 용접 적합성이 있는 접합 재료의 층(78)으로 피복되어 있다. 예컨대, 스핀 용접을 유도하는 접합 재료로서 SANOPRENE을 채용할 수 있다.
접합 재료(78)는 적합한 수단에 의해 표면(75, 76)과 단부벽(77)에 도포되며, 이러한 적합한 수단으로는 커넥터 하우징(48)의 사출 성형 중의 이중 사출 성형(double shot injection molding)을 포함할 수 있다. 이중 사출 성형 공정은 표면(75, 76)과 단부벽(77)이 모두 접합 재료(78)로 피복되는 것을 보장한다.
대안으로, 접합 재료(78)는 다른 기법에 의해 리세스(73) 내로 삽입될 수 있다. 일 양태에 따르면, 접합 재료(78)는 3개의 표면(75, 76, 77) 중 임의의 곳 또는 3곳 모두에 느슨한 형태로 고착될 수 있다. 커넥터(42)에 대해 관형 부품(46)을 스핀 용접하는 중에, 느슨한 접합 재료(78)는 용융된 후에 응고되어, 이들 요소를 함께 융합한다.
다른 양태에 따르면, 접합 재료(78)는 별도의 단계에서 관형 부품(46)과 커넥터(42) 사이에서 리세스(73) 내로 삽입될 수 있다. 그 후, 접합 재료는, 관형 부품(46)의 후속 삽입 이전에 스핀 마찰 또는 초음파 용접에 의해 리세스(73) 내의 고정 위치에 융합된다.
접합 재료(78)는, 관형 부품(46)의 측벽이 플라스틱 코팅된 금속 측벽과 같은 하나 이상의 재료층으로 형성되는 것과는 상관없이, 관형 부품(46)의 측벽 두께를 용이하게 수용할 수 있는 개구를 리세스(73) 내의 접합 재료(78)의 대향 표면 사이에 형성하도록 소정의 두께로 표면(75, 76, 77)에 도포된다.
플라스틱 또는 금속 관형 부품(46)은 금속 측벽(80)이 플라스틱 재료 외층(82)에 의해 둘러싸여 있는 금속 관 또는 도관으로 형성될 수 있다. 플라스틱 재료 외층(82)은 동시 압출 또는 기타 잘 알려진 접합 기술에 의해 금속 측벽에 확실하게 부착된다.
본 발명에 이상적으로 사용하기에 적합한 한 가지 특별한 플라스틱 및 금속 관형 부품(46)은 본 발명의 출원인이 제작하여 "NYCLAD"라는 제품명으로 판매하는 나일론 12-탄소강 부품이 있다. 다른 타입의 금속 뿐 아니라 다른 플라스틱 재료를 사용하여 관형 부품(46)을 형성할 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
예컨대, 한 가지 다층 관형 부품(46)은 플루오로폴리머의 내층, 나일론(NYLON)의 외층, 그리고 이들 두 층을 함께 접합하는 Admer 접착제와 같은 중간 접착제를 포함할 수 있다. 동일한 접착제를 리세스(73)의 내부 표면에 도포되는 스핀 용접 유도 재료(78) 또는 상용화제(compatibilizer)로서 사용할 수 있다.
대안으로, 상용화제 또는 스핀 용접 유도 접합 재료(78)는 NYLON 12 유체 커넥터와 NYLON 6 관형 부품 사이에서 리세스(73) 내의 표면(75, 76 및/또는 77)에 배치된 NYLON 6/12 일 수 있다. 대안으로, 커넥터를 NYLON 6으로 형성하고, 관형 부품을 NYLON 12로 형성하여, 동일한 NYLON 6/12 상용화제로 할 수 있다.
관형 부품(46)의 플라스틱 외층(82)은 외부 차폐 코팅층을 갖는 단일 벽의 층인 것으로 도시되어 있지만, 서로 접합되고 금속 관의 측벽(80)에 대해 접합되는 상이한 플라스틱 층으로 이루어진 측벽 구조 또는 중간의 전도성 재료층과 함께 적어도 2층의 플라스틱으로 이루어진 측벽 구조를 관형 부품(46)에 대하여 채용할 수도 있다.
커넥터(42)의 선행 에지의 최내측 코너는 관형 부품(46)을 커넥터(42)의 리세스(73) 내로 삽입하는 것을 돕기 위한 인입 특징부(lead-in feature)를 제공하도록 경사지거나 각질 수도 있다.
도 2를 참조하면, 플라스틱 및 금속 관형 부품(46)을 커넥터 바디(48) 상에 접합하는 스핀 용접 공정이 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 관형 부품(46)은 리세스(73)와 동심으로 사전 위치 설정되어 있다.
관형 부품(46)은, 예컨대 적합한 프레스에 견고하게 장착될 수 있고, 커넥터 바디(48)는 상기 관형 부품과 상대 회전하도록 장착될 수 있다. 일단 속도 차이가 적절하게 확립되면, 관형 부품(46)과 커넥터 바디(48)는 관형 부품(46)의 선행 에지가 리세스(73)의 단부벽(77)과 접촉할 때까지 함께 축방향으로 가압되고, 이 때 모든 상대 축방향 및 회전방향 변위는 정지된다.
스핀 용접에 있어서의 각종 제어 파라미터는 다른 용례일지라도 일반적으로 널리 공지되어 있다. 간략화를 위하여, 본 명세서에서는 상기 파라미터를 반복하 지 않으며, 미국 특허 제2,933,428호, 제3,980,248호 및 제5,152,855호를 참고로 한다.
스핀 용접 공정 중에, 관형 부품(46)의 외층(82)의 외면은 커넥터 바디(48)의 리세스(73)의 반경 방향 내면 및 반경 방향 외면에 마찰식으로 맞물려서 그 표면을 용융시켜 용접 영역을 형성한다.
본 발명에 따르면, 관형 부품 및 커넥터 바디의 재료와 스핀 용접 적합성이 있는 접합 재료를 사용하여 관형 부품과 커넥터 바디 사이에 누설이 없는 밀봉 접속부를 보장하는 특유의 유체 커플링이 제공된다. 또한, 본 발명에 따른 특유의 퀵 커넥터 및 유체 커플링은 스핀 용접 공정을 통하여 금속, 플라스틱 코팅 금속 또는 플라스틱 관형 부품을 플라스틱 커넥터 바디에 접합할 수 있어서, 관형 부품과 커넥터 바디 사이에 360° 완전한 시일을 확실하게 제공한다.

Claims (8)

  1. 제1 유체 운반 부품 및 제2 유체 운반 부품 사이에 유체 커플링을 형성하는 방법으로서,
    상기 제1 유체 운반 부품의 일단에 개방단을 갖고, 반경 방향 내측의 리세스 표면, 반경 방향 외측의 리세스 표면 및 내측 단부벽을 구비한 환형 리세스를 형성하는 단계와,
    상기 제1 유체 운반 부품 및 제2 유체 운반 부품을 형성하는 재료와 스핀 용접 적합성이 있는 접합 재료를 상기 제1 유체 운반 부품의 적어도 반경 방향 내측의 리세스 표면 및 반경 방향 외측의 리세스 표면에 배치하는 단계와,
    상기 제1 유체 운반 부품의 리세스 내로 상기 제2 유체 운반 부품의 단부를 삽입하는 단계와,
    상기 접합 재료에 의해 상기 제1 유체 운반 부품과 제2 유체 운반 부품을 접합하도록 상기 제1 유체 운반 부품 및 제2 유체 운반 부품을 스핀 용접하는 단계
    를 포함하는 유체 커플링 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 접합 재료를 상기 제1 유체 운반 부품의 상기 리세스 내에 배치하는 상기 단계는 접합 재료와 상기 제1 유체 운반 부품을 이중 사출 성형(double shot injection molding)하는 단계를 포함하는 것인 유체 커플링 형성 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 접합 재료를 상기 제1 유체 운반 부품의 상기 리세스 내에 고착하는 상기 단계는, 상기 접합 재료를 느슨한 상태로 리세스 내로 삽입하는 단계와, 제1 유체 운반 부품과 제2 유체 운반 부품의 스핀 용접 중에 접합 재료가 용융 상태로 되도록 접합 재료의 온도를 상승시키는 단계를 포함하는 것인 유체 커플링 형성 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 접합 재료를 상기 제1 유체 운반 부품의 상기 리세스 내에 고착하는 상기 단계는, 접합 재료를 상기 리세스 내로 삽입하는 단계와, 제2 유체 운반 부품을 리세스 내로 삽입하기 전에 리세스의 표면에 접합 재료를 고착하는 단계를 포함하는 것인 유체 커플링 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 접합 재료를 상기 제1 유체 운반 부품의 상기 리세스 내에 고착하는 상기 단계는, 반경 방향으로 간격을 두고 있는 동축의 제1 표면 및 제2 표면을 지닌 리세스를 형성하는 단계와, 상기 제1 표면과 제2 표면 중 적어도 하나에 접합 재료를 고착하는 단계를 포함하는 것인 유체 커플링 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 금속 및 플라스틱과 스핀 용접 적합성이 있는 재료 중에서 접합 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는 유체 커플링 형성 방법.
  7. 제1 단부로부터 연장되어 있는 보어를 지닌 제1 부품과,
    제1 단부로부터 연장되어 있는 보어를 지닌 제2 부품
    을 구비하며,
    상기 제1 부품의 제1 단부로부터 개방단이 있는 리세스가 축방향으로 연장되고, 상기 리세스는 반경 방향 내측의 리세스 표면, 반경 방향 외측의 리세스 표면 및 내측 단부벽을 구비하며,
    상기 리세스 내로 상기 제2 유체 운반 부품의 제1 단부를 삽입하기 전에, 상기 제1 부품의 적어도 상기 반경 방향 내측의 리세스 표면 및 반경 방향 외측의 리세스 표면에 스핀 용접을 유도하는 접합 재료가 배치되어 있고,
    상기 접합 재료에 의해 상기 제2 부품의 제1 단부가 상기 제1 부품의 반경 방향 내측의 리세스 표면과 반경 방향 외측의 리세스 표면에 상기 접합 재료에 의해 스핀 용접 결합되는 것인 유체 커플링.
  8. 삭제
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