KR20090064547A - 변형 리미터를 갖춘 평 시일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단면도에서 보인 바와 같이, 금속 층의 일측에 파형 구조(5a)를 구비한 적어도 부분적으로 프로파일(5)을 갖춘 하나 이상의 금속 층(1)을 구성하는 평 시일에 관한 것이다. 상기 파형 구조(5a)의 반대측에 있는 상기 프로파일(5)의 측부는 모서리들과 둥글게 되는 부분들이 번갈아 제공된 등고선(5b, 5c, 5d)으로 구비된다.

평 시일, 변형 리미터, 금속 층, 프로파일, 등고선, 파형 구조

Description

변형 리미터를 갖춘 평 시일{Flat seal having a deformation limiter}

본 발명은 하나 이상의 금속층(metallic layer)을 갖춘 평 시일(flat seal)에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 변형 리미터(deformation limiter)로서 사용된 평 시일의 금속층에 관한 것이다. 특히 금속 평 시일은 내연기관의 구성요소들을 밀봉하기 위해 사용된 것으로서 실린더 헤드 시일로써 사용될 수 있지만, 플랜지 시일(flange seal)과 같은 다른 형태의 시일로 형상지어질 수 있다.

실린더 헤드 시일은 내연기관 시스템에서 엔진 블럭(engin block)과 실린더 헤드 사이에서 클램핑된다. 상기 시일의 주요 임무는 연소 챔버, 오일 덕트 및 냉각제 구역을 밀봉하는 역할을 한다. 또한, 상기 시일은 실린더 헤드와 실린더 블럭 사이에서 힘 전달 부재로써 이용된다. 엔진이 작동할 때 발생하는 밀봉 갭 진동은 탄성적으로 보상되어야 한다.

실린더 헤드 시일, 특히 관통 개구(through-opening)들, 예를 들어 연소 챔버 개구 또는 냉각제 및 엔진오일 통로 주변의 실린더 헤드 시일의 영역에서 밀봉 효과를 확보하고 증가시키기 위해서, 일반적으로 한 층 이상의 실린더 헤드 시일에는 상기 개구들을 일반적으로 완전히 에워싸는 비딩(beading) 또는 돌출부들이 제공되어 있다. 또한 상기 실린더 헤드 시일의 요구된 탄성이 비딩 또는 돌출부들에 의해 확보되어 있다.

상기 비딩의 탄성 변형성은 필수적으로 구성요소의 강성에 의존하고, 즉, 상기 비딩은 실린더 헤드와 엔진 블럭의 강성에 다소 의존하여 변형된다. 그러나, 상기 비딩의 탄성특성은 규정 시간을 넘으면 감소된다. 또한 과도한 밀봉 갭 진동은 비딩에 대하여 과부하(overloading)를 초래할 수 있다. 이는 비딩 강도의 감소 및 탄성 가능성의 감소를 초래할 수 있거나 심지어 비딩 내에 균열을 유발시킬 수 있다. 이러한 이유로, 현재 일반적으로 변형 리미터들이 사용되는데, 그들은 "스토퍼(stopper)" 또는 "인스톱(INSTOP)"라 한다. 이에 대하여, 완전한 소성 변형은 방지되고 내구성 및 탄성인자에 관한 바람직한 조건들이 성취된다. 상기와 같은 변형 리미터들은 예를 들어 금속 층들 중 하나 위에 벤딩함으로써 성취될 수 있거나, 또는 추가적인 스토퍼 층들이 시일의 작용 층들 사이에 삽입된다.

유럽특허 제1 290 364호에는 웨이브 스토퍼(wave stopper)들 및 사다리꼴형 스토퍼(trapezoidal stopper)들이 개시되어 공지되어 있다. 상기 웨이브 스토퍼들은 파형(wave shape)이 가압되어 있는 금속 층들이고, 사다리꼴형 스토퍼들은 각 웨이브 피크(wave peak)들 및 골(trough)들이 평평하게 되거나 동일한 높이로 이루어진 웨이브 스토퍼들이다. 상기 웨이브 스토퍼들 및 사다리꼴형 스토퍼들은 주어진 텐션, 온도 및 강성 조건들에 이상적으로 적용되며 공정에서 주어진 설치 공간에 바람직하게 이용되는 사실을 특징으로 하였다.

상기 웨이브 스토퍼는 그의 웨이브 같은 형상으로 인하여 탄성이 크며 가변성 범위의 탄성을 가진다. 상기 웨이브 스토퍼는 금속 층의 높이, 가압된 파형의 진폭(amplitude) 및 가압된 파형의 반경(radius)과 같은 웨이브 스토퍼의 파라미터들을 변경시킴으로써 주어진 엔진 강성에 적용될 수 있다. 상기 인자들은 각 작동 상태에서 압축 피크가 균등하게 되고 구성요소들에 대한 압축이 균일하게 되는 것을 의미한다.

표면 압력의 압축 진폭을 감소시킬 수 있게 하기 위해서는, 공지된 사다리꼴 형상이 파형에 더하여 개발되었다. 상기 변경된 웨이브 스토퍼는 감소된 표면 압력과 동시에 뚜렷한 탄성-소성 인자를 가진다. 베어링 면(bearing face)이 요구조건에 응하여 적용되고 배분될 수 있다.

본 발명의 목적은 웨이브 스토퍼의 장점과 사다리꼴형 스토퍼의 장점들을 결합한 스토퍼를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 등고선(contour)은 단면을 가지고, 모서리들과 둥그스런 부분이 제공되며 상응하는 압력 및 밀봉 조건들에 대하여 매우 가변적으로 맞춰질 수 있음이 명시되었다. 본 발명에 따른 스토퍼는 웨이브 스토퍼보다 더욱 완고하게 실제 작동 영역에서 작용하고 따라서 더욱 우수한 용접 스토퍼를 대신하는 기능을 수행한다. 본 발명에 따른 상기 스토퍼의 등고선의 추가 장점은 웨이브 스토퍼를 가압하기 위해 이전에 사용된 도구가 계속하여 사용될 수 있는 데에 있다. 이는 비용 효과 해결책을 얻을 수 있음을 의미한다.

본 발명의 제1 태양에 따르면, 평 시일(flat seal)은 하나 이상의 금속 층을 구비하되 적어도 부분적으로 프로파일(profile)을 가진 하나 이상의 금속 층이 제공된다. 예를 들면 상기 프로파일은 금속 층으로 가압되고 금속 층의 일 측에 단면도에서 보인 바와 같이 파형 구조(wave-shaped structure)를 가진다. 상기 프로파일은 파형 구조에 반대로 놓인 측부가 모서리 및 둥근 부분들이 교대로 제공된 부분인 등고선을 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 파형 구조와 상기 등고선의 둥근 요소들은 필수적으로 사인곡선 형상(sinusoidal shape)으로 이루어지지 않아야 하며, 다른 파형들 또한 가능하다. 또한, 모서리들이 제공된 등고선의 부분들은 모서리의 수 또는 임의의 각들로 한정되지 않는다. 파형 구조와 등고선의 결합은 양 측이 둥글어지게 되는 스토퍼들로부터 다른 변형 인자를 생성한다. 이는 본 발명에 따른 스토퍼의 강성을 증가시킨다.

바람직하게 하나 이상의 금속 층은 프로파일에 인접한 비딩을 가진다. 이러한 배열은, 평 시일이 단지 하나의 층으로 이루어질 때에도, 본 발명에 따른 프로파일이 비딩을 위한 변형 리미터 또는 스토퍼로서 작용할 수 있음을 의미한다.

상기 파형 구조의 진폭 및 등고선의 높이로 이루어진 프로파일의 높이는 바람직하게 비딩의 높이보다 작게 이루어진다. 이는 비딩의 완전한 밀봉 효과가 유지되는 것을 보장한다.

일 실시예에서, 상기 파형 구조의 웨이브 피크 및/또는 등고선의 둥근 부분들은 균일한 간격을 유지한다. 이는 실린더 헤드 또는 엔진 블럭 상의 압력 분포가 균일하게 유지될 수 있음을 의미한다.

추가 실시예에서, 상기 파형 구조의 웨이브 피크 및/또는 등고선의 둥근 부분들은 다른 간격을 유지한다. 이는 스토퍼가 평 시일에 관한 각각의 요구 사항들에 적용될 수 있음을 의미한다. 특히 상기 평 시일의 탄성 및 스프링 강성은 국부적으로 및 개별적으로 조절될 수 있다.

바람직하게 상기 파형 구조의 웨이브 피크 및 등고선의 둥근 부분들은 금속 층에 필수적으로 수직으로 정렬한다. 이는 파형 구조 또는 둥근 부분의 웨이브 피크들이 위치되는 금속 층의 지점에서 재료 단면은 단순한 웨이브 스토퍼에 있는 동일한 지점보다 더 두껍게 됨을 의미한다. 이는 평 시일의 강성이 증가되는 결과를 얻게 된다.

또 다른 실시예에 따르면, 프로파일의 높이는 프로파일 내에서 변한다. 이는 프로파일 내의 파형 구조의 진폭과 둥근 부분의 높이가 평 시일과 주변 엔진 부품의 각각의 기하학에 대하여 개별적으로 적용될 수 있음을 의미한다. 이는 국부적으로 영향을 받게될 스프링 강성과 평 시일의 탄성을 허용한다.

다른 태양에 따르면, 상기 평 시일은 제1 금속 층과 유사한 프로파일을 가진 추가 금속 층을 구비한다. 이는 임의의 두께 비율과 압력 비율이 평 시일 내에서 고려될 수 있음을 의미한다.

바람직하게 추가 금속 층은 제1 금속 층에 거울 대칭(mirror-symmetrically)으로 배열된다. 이는 평 시일의 탄성 및 강성에 관한 바람직한 특성이 유지될 수 있음을 의미한다. 또한 비딩은 프로파일들을 갖춘 두 개의 금속 층으로 인하여 보존될 수 있고, 그럼에도 불구하고 충분한 클램핑 힘에 의한 바람직한 밀봉 효과가 유지될 수 있다. 이 경우에서, 인접한 밀봉 층들 또는 인접한 엔진 부품들 상의 스토퍼의 베어링 면(bearing face), 스토퍼의 탄성 및 강성은 두 개 층의 방향(orientation)에 의존하여 증가한다.

또 다른 실시예에 따르면, 제1 금속 층의 프로파일 및 추가 금속 층의 프로파일은 서로에 관하여 오프셋 배열된다. 이는 밀봉 인자가 목표 방법에 추가로 영향을 받을 수 있음을 의미한다.

두 개의 금속 층은 다른 프로파일을 가질 수 있다. 두 개의 층은 그들의 파형 구조의 간격, 길이, 깊이, 진폭, 각도, 그리고 등고선의 둥근 부분의 간격, 높이, 각도, 반경, 모서리 수의 의미에서 다를 수 있다. 이는 평 시일의 압력 프로파일이 개별적 요구사항 및 조건들에 관하여 개별적으로 설계될 수 있음을 의미한다.

바람직하게 하나 이상의 금속 층은 탄성 스프링 스틸(steel)로 제조된다. 그러나, 임의의 다른 적절한 재료, 예를 들어 냉간 변형될 수 있고 템퍼링으로 경화되는 스틸이 이용될 수 있다.

물론, 본 발명에 따른 프로파일을 갖춘 스토퍼를 포함하는 추가 층들이 평 시일로 도입될 수 있다.

본 발명은 발명의 여러가지 실시예들에 대한 도면들을 이용하여 더욱 상세히 설명될 것이다.

도 1은 비딩용 스토퍼로써 작용하는 본 발명에 따른 프로파일을 갖춘 평 시일의 부품에 대한 개략 측단면도.

도 2는 비딩용 스토퍼로써 작용하는 본 발명에 따른 추가 프로파일을 갖춘 평 시일의 부품에 대한 개략 측단면도.

도 3은 비딩용 스토퍼로써 작용하는 본 발명에 따른 추가 프로파일을 갖춘 평 시일의 부품에 대한 개략 측단면도.

도 4는 세 개 층으로 이루어진 평 시일의 부품에 대한 개략 측단면도.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 프로파일의 두 개의 층을 갖춘 평 시일의 부품에 대한 측단면도.

도 1은 평 시일의 금속 층(1)을 상세히 나타내고 있다. 프로파일(5)은 금속 층으로 스토퍼로써 가압되어서 프로파일이 일측은 파형 구조(5a) 및 타측은 등고선(5b)을 이루며, 등고선은 파형 구조로 구성되고 웨이브 골(wave trough)의 바닥부는 평평하게 이루어진다. 상기 프로파일의 높이(10)는 파형 구조의 진폭과 등고선의 웨이브 피크의 진폭 사이에서 연장된다. 비딩(7)은 스토퍼에 인접하게 배열되고, 비딩은 도면부호 20으로 지칭된 높이로 이루어진다. 상기 비딩의 높이(20)는 프로파일의 높이(10)보다 더 크다. 상기 비딩은 파형 구조로써 동일한 방향에서 금속 층으로 필수적으로 가압되는 것은 아니며, 또한 등고선의 방향으로 연장될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 추가 실시예의 프로파일을 갖춘 평 시일의 부품에 대한 개략 측단면도이다. 상기 평 시일의 금속 층(1)은 프로파일(5)을 가진다. 상기 프로파일(5)은 비대칭 부분들로 이루어지고 모서리들과 비대칭으로 둥근 부분들이 교대로 제공된 파형 구조(5a)와 등고선(5c)을 구성한다. 상기 프로파일의 높이(10)는 파형 구조의 진폭과 둥근 단면들의 높이 사이에서 연장한다. 비딩(7)은 스토퍼 에 인접하게 배열된다. 상기 프로파일의 높이(10)는 비딩의 높이(20)보다 더 작다.

도 3은 본 발명에 따른 추가 실시예의 프로파일을 갖춘 평 시일의 부품에 대한 개략 측단면도이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속 층(1)은 프로파일(5)을 구비한다. 또한 이 경우에서 프로파일은 파형 구조(5a) 및 등고선(5d)을 구성하며, 각 경우에서 둥근 부분들은 파형 구조의 웨이브 피크의 중심에 있는 모서리와 만난다. 상기 경우에서도 역시 비딩(7)은 프로파일에 인접한다. 프로파일의 높이(10)는 파형 구조의 진폭에서 등고선의 둥근 부부들의 높이까지 연장하며, 이경우에서도 역시 비딩(7)의 높이보다 더 작다.

도 4는 세 개 층으로 이루어진 평 시일의 부품에 대한 개략 측단면도이다. 두 개의 외측에 놓인 층(30)들은 각 경우에서 비딩(35)을 구비한다. 본 발명에 따른 프로파일을 갖춘 금속 층(1)은 두 개의 비디드(beaded)층 사이에 배열된다. 상기 금속 층(1)은 두 개의 비디드 층(30)을 위한 스토퍼로써 작용한다. 결국, 프로파일은 금속 층(1)으로 스토퍼로써 가압되고, 프로파일은 일측에는 파형 구조(5a) 및 타측에는 등고선(5b)을 가지며, 등고선은 웨이브 골의 바닥부가 평평해진 파형 구조를 구성한다.

도 5a 두 개의 금속 층(1, 40)을 갖춘 평 시일의 부품을 보이고 있다. 두 개의 층 둘다 본 발명에 따른 프로파일(5)을 구비며, 상기 프로파일은 일측에는 파형 구조(5a)를 갖추고 타측에는 웨이브 골의 바닥부가 평평하게 되는 파형 구조를 구성하는 등고선(5b)을 갖춘다. 상기 층(40)의 웨이브 피크들이 층(1)의 웨이브 피크 위에 놓이게 되도록 거울 대칭적으로 배열된다.

도 5b는 평 시일의 부품을 형성하는 두 개의 금속 층(1, 50)을 보이고 있다. 상기 층들 둘 다 일측에는 파형 구조(5a)를 갖추고 타측에는 등고선(5b)을 갖춘 본 발명에 따른 프로파일(5)을 구비한다. 비록 두 개의 층이 거울 대칭적으로 배열되어 있지만 도 5a와는 대조적으로 두 개의 층이 서로에 관계하여 오프셋되어 있으며, 따라서 층(50)의 웨이브 피크가 층(1)의 웨이브 골에 놓이게 된다.

상기와 같은 변형 리미터를 갖춘 평 시일은 내연기관 시스템에서 엔진 블럭과 실린더 헤드 사이에서 클램핑되어 밀봉하는 역할을 하며, 실린더 헤드와 실린더 블럭 사이에서의 힘 전달 부재로써 이용된다.

Claims (13)

1. 단면도에서 보인 바와 같이, 금속 층의 일측에 파형 구조(5a)를 구비한 적어도 부분적으로 프로파일(5)을 갖춘 하나 이상의 금속 층(1)을 구성하는 평 시일에 있어서,

   상기 파형 구조(5a)의 반대측에 있는 상기 프로파일(5)의 측부는 각이지고 둥글게 되는 부분들이 번갈아 이루어진 등고선(5b, 5c, 5d)으로 구비되는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 금속 층(1)은 상기 프로파일(5)에 인접한 비딩(7)을 구비하는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
3. 제2항에 있어서, 상기 프로파일(5)의 높이(10)는 비딩(7)의 높이(20)보다 더 작은 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
4. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파형 구조(5a)의 웨이브 피크들은 적어도 부분적으로 균일한 간격을 이루는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파형 구조(5a)의 웨이브 피 크들은 적어도 부분적으로 다른 간격을 이루는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
6. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 등고선(5b, 5c, 5d)의 둥근 부분들은 적어도 부분적으로 균일한 간격을 이루는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
7. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 등고선(5b, 5c, 5d)의 둥근 부분들은 적어도 부분적으로 다른 간격을 이루는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파형 구조(5a)의 웨이브 골들과 상기 등고선(5b, 5d)의 둥근 부분들은 상기 금속 층에 필수적으로 수직으로 배열하는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
9. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로파일의 높이(10)는 상기 프로파일(5) 내에서 변하는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
10. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 금속 층(40, 50)이 제1 금속 층(1)과 유사한 프로파일을 구비하여 제공되는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
11. 제10항에 있어서, 상기 추가 금속 층(40)은 상기 제1 금속 층(1)에 거울 대칭적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
12. 제10항에 있어서, 상기 제1 금속 층(1)의 프로파일과 추가 금속 층(50)의 프로파일은 서로에 대하여 적어도 부분적으로 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.
13. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 상기 금속 층은 탄성 스프링 스틸로 제조되는 것을 특징으로 하는 변형 리미터를 갖춘 평 시일.

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