KR20030013476A - 플라스틱 코팅 금속 튜브를 사용하여 스핀 용착된 유체커넥터 - Google Patents

플라스틱 코팅 금속 튜브를 사용하여 스핀 용착된 유체커넥터 Download PDF

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KR20030013476A
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KR
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connector body
passage
metal tube
opening
connector
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KR1020027018005A
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English (en)
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스틸러데이비드씨.
맥스웰크리스토퍼티.
Original Assignee
아이티티 매뉴팩츄어링 엔터프라이즈, 인코포레이티드
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Abstract

유체 커넥터 본체(42)와, 플라스틱 외층을 구비한 금속 튜브(46) 사이의 연결은 스핀 용착에 의해 이루어진다. 튜브를 수용하도록 형성된 커넥터 본체의 부분은 정합하는 튜브의 플라스틱 외층과 맞물리는 단부 표면을 형성하여, 커넥터 본체의 유체 통로와 외부 환경 사이에 주변을 둘러싸는 연속적인 밀봉을 생성한다. 커넥터 본체에서 반경 방향 내측으로 연장하는 플랜지(76)는 금속 튜브를 수용하는 단부 개구로부터 일정 간격 떨어진 소정 위치에서 내부 통로로 연장한다. 이 플랜지는 금속 튜브를 위한 삽입 제한기로서 기능을 한다.

Description

플라스틱 코팅 금속 튜브를 사용하여 스핀 용착된 유체 커넥터{SPIN WELDED FLUID CONNECTOR USING PLASTIC COATED METAL TUBE}
수년 동안 미국의 자동차 산업에서는 퀵 연결 이음쇠(quick connect coupling)가 폭넓게 사용되어 왔다. 퀵 커넥터(quick connector)는 비록 수많은 용례에 적용할 수 있지만, 연료 시스템 및 증기 회수 시스템에서 통상적으로 채용된다. 가장 간단하고 비용면에서도 가장 효과적인 구성은 금속제 수형 배관 튜브 단부에 해제 가능하게 결합되는 플라스틱제 하우징의 암형 퀵 커넥터이다. 암형의 하우징의 반대 단부는 축선 방향으로 일정 간격 떨어진 복수의 돌기(barb) 부분이 외주면에 형성된 스템(stem)을 형성하는 것이 가장 일반적이며, 그 위에 나일론 또는 플라스틱 배관 튜브 단부가 압입된다. 그러한 구성은 "긴 돌기 구조가 있는 퀵 커넥터 하우징(Quick Connector Housing With Elongated Barb Design)"이라는 명칭으로 1996년 8월 6일자로 허여된 미국 특허 제5,542,712호에 기재되어 있다.
유체 취급 시스템에서, 사용되는 커넥터들이 적절하게 함께 연결되는 암형 부분과 수형 부분을 구비하는 것은 피할 수 없는 일이다. 불완전한 커넥터는 관련 시스템에서 유체를 누출시킬 수 있다. 이는 그러한 시스템이 압력 하에 있고, 누출되는 커넥터가 가압 유체를 배출시키는 경우에는 특히 결점이 될 수 있다. 또한, 최근 미국 연방 법률은 자동차의 연료 및 증기 회수 시스템으로부터의 탄화수소 배출물의 현저한 감소를 요구하고 있다. 종래의 퀵 커넥터는, 비록 관련 커넥터 본체와의 조립시에 배관 튜브 단부를 기계적으로 유지하는 데에 효과적이지만, 연방 정부의 요구를 적절하게 해결한 것은 아니다. 또한, 사용되는 재료는, 통상적으로는 나일론 12는 이를 통한 탄화수소의 침투에 대한 충분한 저항성을 제공하지 못한다.
침투에 대한 문제점은, 상이한 형태 또는 계통의 플라스틱의 2 이상의 별도의 층을 포함하며, 그 중 하나의 층은 특히 유효 침투층을 제공하여 상기 시스템으로부터의 탄화수소의 탈출을 봉쇄하도록 구성되어 있는 공동 압출의 다층 플라스틱 튜브의 개발을 통해 부분적으로 해결되었다. 일반적으로, 가장 성공적인 다층 배관은 외부 환경에 대한 저항성을 갖는 재료로 이루어진 비교적 두꺼운 외층을 사용한다. 최내층은 보다 얇으며, 탄화수소, 알코올 및 연료 혼합물에 존재하는 기타 물질과 같은 물질의 외층으로의 확산을 봉쇄하는 능력에 대해 선택되며, 그 내에서의 유체의 흐름으로 인해 발생하는 정전하를 발산하기에 충분한 정도의 전기 전도성을 가질 수 있는 재료로 이루어진다. 오늘날까지, 상이한 폴리머층 간에 만족스러운 적층 특성을 얻는 다는 것은 상당히 어려웠다. 따라서, 내층과 외층을 접합하는 데에 하나 이상의 중간층을 사용하는 것이 제안되었다.
연료 관련 용례에서 다층 배관을 사용하는 것은 배관 단부 또는 튜브 단부가 부득이 임의의 중간층뿐만 아니라 내외층의 층상 단부를 상기 시스템의 연료 및 증기 또는 이와 동일하게 가혹한 외부 환경 중 어느 것에 노출시키기 때문에, 문제점을 갖고 있다. 그러한 노출은 다양한 층들 사이의 접합을 열화시켜, 층의 박리 또는 분리를 야기하며, 시스템의 완결성에서의 손실, 연료의 오염, 그리고 심지어 연료 흐름의 방해를 초래할 우려가 있다.
관련 문제점은 시판 중인 퀵 연결 장치의 이원적인 양태, 즉 저렴하고 다소 유연한 재료의 사용을 주로 필요로 하는 대량 생산 및 낮은 판매 가격과, 아주 적은 억지 끼워 맞춤 구성 요소들의 복잡한 형상으로부터 야기된다. 이러한 양태는 공동으로 조립 실수의 가능성을 증대시킨다. 자동화 조립을 비롯한, 대량 생산 기술은 조립의 실수 또는 구성 요소들의 허용할 수 없는 치수 변화를 발견하기 어렵다는 점에서 상기 문제점을 악화시킬 우려가 있다. 과도한 치수 공차의 누적은 돌기가 있는 스템과 플라스틱 튜브 간의 당겨 분리되는 특성을 낮게 하며, 누출을 야기할 수 있다. O링을 끼우지 않은 것과 같은 조립의 실수 또한 누출을 야기할 수 있다. 다층 튜브의 경우에, 치수 및/또는 접착제의 문제점은 돌기가 있는 스템 위로 튜브를 삽입할 때의 기계적인 박리를 초래할 수 있다. 마지막으로, 낮은 후프 강도(hoop strength)를 갖는 단일 벽의 플라스틱 튜브 또는 다층 구조체는 시간이 지남에 따라 또는 온도 상승으로 헐거워져, 유체의 누출 및 삼출(weeping)을 초래할 수 있다.
본 발명은 유체 커넥터에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 그러한 커넥터를 배관 단부 형상과 밀봉 상호 연결하는 것에 관한 것이며, 또한 더 구체적으로 말하면, 이러한 상호 연결을 달성하는 데에 스핀 용착을 사용하는 유체 커넥터에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 스핀 용착 유체 이음쇠의 단면도이며,
도 2는 도 1에 도시되어 있는 커넥터 본체의 길이 방향 단면도이고,
도 3은 튜브 단부를 커넥터 본체 안에 스핀 용착하기 전의 도 1의 유체 이음쇠를 확대 도시한 분해 단면도이며,
도 4는 커넥터 본체에 대한 튜브 단부의 스핀 용착 연결부를 상당히 확대 도시한 단면도이고,
도 5는 변형례의 커넥터 본체에 대한 튜브 단부의 스핀 용착 연결부를 상당히 확대 도시한 단면도이다.
본 발명은 간단하고, 저렴하면서도 기계적 환경적으로 견고한 연결을 배관 튜브 단부와 커넥터 본체 사이에 제공할 뿐만 아니라, 종래 기술의 결점을 극복한 조립체를 제공한다.
본 발명의 유체 커넥터는 플라스틱 코팅된 금속제 튜브와 스핀 용착 연결하도록 설계되어 있다. 이 커넥터는, 정합하는 도관을 수용하도록 되어 있는 제1 개구와, 튜브를 수용하도록 되어 있는 제2 개구를 상호 연결하는 관통 통로를 구비한 본체를 포함한다. 제2 개구에서의 관통 통로의 단부는 튜브의 외면과 밀봉되게 결합하는 표면을 형성한다. 이러한 구성은 튜브 단부와 커넥터 본체를 신뢰성 있게 밀봉하여, 유체의 누출과 외부 오염물의 침입을 모두 방지하는 데에 이점이 있다.
하나의 양태에서, 본 발명은 플라스틱 외층이 부착되어 있는 금속 튜브와 스핀 용착 연결하는 유체 커넥터이다. 이 커넥터는 정합하는 도관을 수용하도록 되어 있는 제1 개구와, 튜브를 수용하도록 되어 있는 제2 개구를 상호 연결하는 관통 통로를 형성하는 본체를 포함한다.
다른 양태에서, 유체 이음쇠는 도관을 수용하도록 되어 있는 제1 개구와, 그 반대측의 제2 개구를 상호 연결하는 관통 통로를 형성하는 커넥터 본체를 포함한다. 내측 용착면을 형성하는 내면이 제2 개구의 둘레에 배치되어 본체에 형성된다. 금속 튜브 단부는 이에 부착된 플라스틱 외층을 구비한다. 플라스틱 외층은 커넥터 본체의 내측 용착면에 스핀 용착된다.
바람직하게는, 제2 개구는 관통 통로의 일단부에서 환형 내면을 형성한다.플랜지가 상기 관통 통로의 제2 개구로부터 일정 간격을 두고 배치되어, 커넥터 본체로부터 관통 통로 안으로 반경 방향 내측으로 연장한다. 이 플랜지는 튜브의 선단부에 의해 맞물릴 수 있다.
본 발명의 스핀 용착 유체 커넥터는, 금속 튜브 상에 부착된 플라스틱 외층이 플라스틱 커넥터 본체의 내면에 스핀 용착되는 스핀 용착 공정을 사용함으로써, 금속 튜브 단부와 플라스틱 커넥터 본체 간에 확실하며 완전하게 밀봉된 연결을 제공한다.
본 발명의 다양한 특징, 이점, 그리고 기타 용례는 이하의 상세한 설명과 도면을 참조함으로써 보다 명백해 질 것이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 양태는, 바람직하게는 자동차용 유체 회로를 형성하도록 커넥터(42)가 금속제 배관 부재 단부(44)와, 금속-플라스틱 튜브 단부(46)를 상호 연결하는 기능을 하고 있는 퀵 커넥터 조립체 또는 유체 이음쇠(40)를 포함하는 용례로 도시되어 있다.
도 2에 잘 도시되어 있는 바와 같이, 커넥터(42)는, 계단형 보어(50)가 제1 개구(52)로부터 제2 개구(54)로 관통 연장하는 거의 관 형상으로 유리 충전 나일론 또는 기타 적절한 재료에 의해 형성된 단단한 외피의 플라스틱 커넥터 본체(48)의 조립체이다.
금속제 배관 부재 단부(40)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 제1 개구(52)를 통하여 보어(50) 안으로 연장한다. 튜브(44)의 선단부(58)로부터 축방향으로 오프셋된 업셋 비드(upset bead)(56)는 본체(48)와 조립 상태에 있는 리테이너(60)와 해제 가능하게 맞물린다. 금속 튜브(44)의 외주면은 제1 및 제2의 탄성 O링(62, 64)에 의해 보어(50) 내에서 본체(48)와 밀봉되게 맞물리게 되며, 상기 O링들은 스페이서(66)에 의해 분리되고 제2의 스페이서(68)와 상부 모자 형상부(70)에 의해 예시된 위치에서 구속되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 금속 튜브 단부(44)의 선단부(58)는 보어(50) 내에 삽입되어, 기구 또는 특수 조립 장비의 사용 없이 커넥터(42)에 기계적으로 맞물릴 수 있다. 금속 튜브 단부(44)는 리테이너(60)를 탄성적으로 변위시킴으로써 커넥터(42)로부터 해체될 수 있다.
커넥터 본체(48)에서 보어(50)의 중간 계단형 부분(72)은 금속 튜브(44)의 선단부(58)와의 미끄럼 끼워 맞춤(slip-fit)을 보장하는 치수로 되어 있어, 이와 밀접한 접촉을 달성하게 한다.
플랜지(77)는 커넥터 본체(48)의 주요 부분과 일체로 형성되어, 도 2에서의 방향에 있어서 그 주요 부분으로부터 축방향 좌측으로 연장한다. 플랜지(76)는 선단 노즈(nose)(80)에서 종결된다. 플랜지(76)는 원형으로서 제2 개구(54)와 동심을 이루며, 내부 보어(79)를 형성한다.
플라스틱-금속 튜브 단부(46)는 플라스틱 재료의 외층(82)으로 피복된 금속 측벽(81)이 있는 금속 튜브 또는 도관으로 형성되는 것이 바람직하다. 플라스틱 외층(82)은 공동 압출 및 기타 공지의 기술에 의해 금속 층(81)에 확실하게 부착된다.
본 발명에서 사용하기에 이상적으로 적합한 하나의 특정 플라스틱-금속 튜브 단부(46)는 "NYCLAD"라는 상품명으로 본 발명의 양수인에 의해 제조 및 시판되는 나일론 12 - 탄소강 튜브이다. 다른 형태의 금속 및 다른 플라스틱 재료가 본 발명을 실시하는 데에 채용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
튜브 단부(46)의 플라스틱 외층(82)이 단일 벽의 층인 것으로 도시되어 있지만, 상이한 플라스틱 층들이 서로에 대해 그리고 금속 튜브 단부(81)에 대해 부착되게 결합되어 있는 다층 구조, 또는 중간의 전도성 재료의 층을 갖는 적어도 2개의 플라스틱 층도 튜브 단부(46)를 위해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 커넥터 본체(48)의 선단 연부(80)의 최내측 모서리는 또한 커넥터 본체(48)의 마지막 보어(79) 안으로의 튜브 단부(46)의 삽입을 향상시키는 도입부를 제공하도록 경사지거나 임의의 각도를 가질 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 플라스틱-금속 튜브 단부(46)를 커넥터 본체(48)에 장착하는 스핀 용착 공정을 설명한다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 튜브 단부(46)는 제2 개구(54)와 동심으로 사전에 위치 설정되어, 그로부터 축방향으로 약간 떨어져 있다. 튜브 단부(46)의 공칭 외경은, 튜브 단부(46)가 커넥터 본체(48)와 접촉할 경우 선단 연부(96)가 선단 노즈(80)와 먼저 접촉하여, 이들 둘의 위치를 미리 설정하고 자심작용(self-centering)하는 것을 보장하도록 선단 노즈(80)의 내경보다 약간 크게 한다. 이러한 자심작용의 구성은 또한 스핀 용착 중에 안내 맨드릴의 필요성을 없애준다.
내부 플랜지(76)는 보어(72)와 보어(79) 사이에서 커넥터 본체(48)에 형성된다. 플랜지(76)는 중앙의 구멍(78)에 의해 환형 형상을 갖는다. 구멍(78)은 계단형 보어(50)와 제2 개구(54)를 유체 연통시킨다. 플랜지(76)는 제2 개구(54)로부터 내측으로 연장하는 관통 통로 안으로의 플라스틱-금속 튜브 단부(46)의 삽입을 제한하는 기능을 한다. 바람직하게는, 커넥터 본체(48)의 인접하는 측벽으로부터의 플랜지(76)의 반경 방향 연장부는 플라스틱-금속 튜브 단부(46)의 전체 벽두께와 실질적으로 동일한 치수를 갖는다.
튜브 단부(46)가 커넥터 본체(48)와 맞물리게 축방향으로 가압될 때에, 예를 들면 튜브 단부(46)는 고정식으로 장착되어 있고, 커넥터 본체(48)는 적절한 가압하에서 그에 대해 상대 회전하도록 장착되어 있다. 적절한 속도차가 얻어지면, 튜브 단부(46)와 커넥터 본체(48)는, 모든 상대 축방향 이동 및 회전 이동이 중지되는 튜브 단부(46)의 선단 연부(96)가 플랜지(76)와 접촉할 때까지 화살표(98)로 나타낸 바와 같이 축방향으로 함께 가압된다.
스핀 용착 공정 중에, 튜브 단부(46)의 외층(82)의 외면(100)은 보어 부분(79)의 내면과 마찰로 맞물리게 됨으로써, 도 4에 잘 도시되어 있는 외측의 용착 영역(104)을 형성하도록 그 면들을 용융시키게 된다.
스핀 용착에서의 다양한 제어 변수는, 비록 다른 용례이기는 하지만 일반적으로 잘 공지되어 있다. 간략화를 위해, 이들의 상세한 설명은 뮬러(Mueller) 명의의 미국 특허 제2,933,428호, 미노시마(Minoshima) 명의의 미국 특허 제3,980,248호, 젠스만(Jansman) 등의 명의의 미국 특허 제5,152,855호에 참조할 수 있으므로, 본 명세서에서는 생략하였다.
플라스틱 층(82)과 커넥터 본체(48)에서는 스핀 용착 공정 중에 형성된 용융 상태로부터 고화됨에 따라 예상할 수 있을 정도로 혼합되는, 특히 용융 온도에 있어서 융화성이 있는 재료를 채용하는 것이 바람직하다. 이는 최적화된 구조적 일체성을 갖는 용착부를 생성한다.
도 5는 본 발명의 다른 양태에 따른 퀵 커넥터 본체(48)의 변형례를 도시하고 있다. 이 양태에서, 제2 개구(54)로부터 내측으로 연장하는 마지막 보어 부분(79')은, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 일정한 직경의 매끄러운 벽 형상을 갖는 대신에, 플랜지(76)로부터 연장하는 제1의 축소 테이퍼 부분(84)으로 형성되며, 이 부분은 선단 노즈(80)의 제2 개구(54)에서 종결되는 보다 가파르며, 큰 각도의 제2 테이퍼 부분(86)으로 천이 된다.
스핀 용착 공정 중에, 큰 경사각의 제2 테이퍼 부분(86)은 튜브 단부(46)의 선단부(96)에서 보다 큰 마찰을 야기하여, 보다 많은 양의 열과, 튜브 단부(46)의플라스틱 외층(82)의 단부 및 커넥터 본체(48)의 단부의 보다 신속한 용융을 초래한다.
튜브 단부(46)와 커넥터 본체(48)가 서로에 대해 축방향으로 계속 전진함에 따라, 튜브 단부(46)의 플라스틱 외층(82)은 덜 가파른 제1 테이퍼 부분(84)을 따라 지나갈 것이다. 커넥터 본체(48)의 제1 및 제2 테이퍼 부분(84, 86)은 모두 튜브 단부(46)의 플라스틱 외층(82)과 커넥터 본체(48) 사이의 완전한 360°의 환형 밀봉을 보장하는 용착 영역을 제공한다.
커넥터 본체(48)에서의 2중 테이퍼 부분 및 추가의 플래쉬 트랩(flash trap)의 구성 및 사용과 관련한 추가의 세부 사항은, 본 발명과 동일한 양수인에 의해 양수된 "스핀 용착 유체 커넥터(Spin Welded Fluid Connector)"라는 명칭의 미국 특허 제6,199,916호를 참조함으로써 얻을 수 있다.
결론적으로, 본 명세서에는 플라스틱 코팅 금속 튜브와 플라스틱제 퀵 커넥터 본체 간에 밀봉 연결을 보장하도록 스핀 용착을 사용하며, 상기 커넥터 본체의 타단부는 다른 튜브 단부에 밀봉되게 연결되는 독특한 유체 커넥터가 개시되어 있다. 본 발명에 따른 독특한 퀵 커넥터 및 유체 이음쇠는 금속 튜브를 신속한 스핀 용착 공정을 통해 플라스틱 커넥터 본체에 밀봉되게 결합되며, 상기 스핀 용착 공정은 튜브와 커넥터 본체 사이에 완전한 360°의 밀봉을 보장할 수 있다.

Claims (8)

  1. 플라스틱 외층이 부착된 금속 튜브와, 이 튜브와 스핀 용착 연결하는 유체 커넥터의 조합체로서, 상기 커넥터는
    정합하는 도관을 수용하도록 되어 있는 제1 개구와, 상기 금속 튜브를 수용하도록 되어 있는 제2 개구를 상호 연결하는 관통 통로를 형성하는 본체를 포함하는 것인 조합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 개구는 상기 관통 통로의 일단부에서 환형 내면을 형성하는 것인 조합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 관통 통로의 제2 개구로부터 일정 간격을 두고 있으며, 상기 관통 통로 안으로 반경방향 내측으로 연장하고, 상기 금속 튜브의 선단부에 맞물릴 수 있는 플랜지를 더 포함하는 것인 조합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 정합하는 도관의 접합면과 해제 가능하게 맞물리도록 상기 커넥터 본체에 장착되는 리테이너를 더 포함하는 것인 조합체.
  5. 관통 통로를 형성하는 커넥터 본체로서, 이 관통 통로는 도관을 수용하도록 되어 있는 제1 개구와, 상기 본체에 형성된 내면을 구획하는 반대측의 제2 개구를상호 연결하며, 상기 내면은 내측의 용착면을 형성하도록 되어 있는 커넥터 본체와,
    플라스틱 외층이 부착되어 있으며, 이 플라스틱 외층이 상기 커넥터 본체의 상기 내측의 용착면에 스핀 용착하도록 되어 있는 금속 튜브
    를 포함하는 것인 유체 이음쇠.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 개구는 상기 관통 통로의 일단부에서 환형 내면을 형성하는 것인 유체 이음쇠.
  7. 제5항에 있어서, 상기 관통 통로의 제2 개구로부터 일정 간격을 두고 있으며, 상기 관통 통로 안으로 반경방향 내측으로 연장하고, 상기 금속 튜브의 선단부에 맞물릴 수 있는 플랜지를 더 포함하는 것인 유체 이음쇠.
  8. 제5항에 있어서, 상기 도관의 접합면과 해제 가능하게 맞물리도록 상기 커넥터 본체에 장착되는 리테이너를 더 포함하는 것인 유체 이음쇠.
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