KR20090065452A - 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조 - Google Patents

고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조 Download PDF

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KR20090065452A
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Abstract

접속 헤드부의 관축 방향 길이를 충분히 유지함으로써 환상 플랜지부와 상대 부품과의 간섭을 회피할 수 있고, 또한, 300 ㎫ 이상의 고압 부여에 의한 오토프리티지(autofrettage) 처리 시에 있어서의 누출을 방지할 수 있는 높은 시일성을 얻을 수 있는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조를 제공한다.
두께가 두껍고 직경이 작은 강관(鋼管)의 접속 단부에, 구면상의 시트면과, 환상 플랜지부와, 상기 시트면에 연속되는 원추면을 가지며, 와셔와 체결 너트를 포함하여 이루어지는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조에 있어서, t(두께)/D(외경)＜0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우에, 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1)가 0.38D∼0.7D, 상기 시트면의 구체 반경(R)이 0.45D∼0.65D, 상기 환상 플랜지부 외경(D1)이 1.2D∼1.4D이고, 상기 헤드부 내주면에, 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면을 갖는 접속 헤드부인 것을 특징으로 한다.

Description

고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조{CONNECTION HEAD STRUCTURE OF HIGH PRESSURE FUEL INJECTION TUBE}
본 발명은, 예컨대 디젤 내연 기관에 있어서 연료의 공급로 등으로 배치되어 많이 이용되는, 비교적 작은 직경으로 이루어지는 두께가 두꺼운 강관(鋼管)에 의한 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조에 관한 것이다.
종래에 이러한 종류의 접속 헤드부를 갖는 고압 연료 분사관으로서는, 도 5에 예시된 바와 같이, 비교적 작은 직경으로 이루어지는 두께가 두꺼운 강관(111)의 접속 단부에, 구면상(球面狀)의 시트면(113)과, 상기 시트면(113)으로부터 관축 방향으로 간격을 두고 형성된 환상(環狀) 플랜지부(115)와, 상기 시트면(113)에 연속되어 상기 환상 플랜지부(115)까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 원호면(114)으로 형성된 접속 헤드부(112)를 갖는 것이 알려져 있다(일본 특허 공개 제2003-336560호 공보의 도 4 참조). 이러한 종류의 접속 헤드부(112)는, 외측으로부터의 펀치 부재에 의한 관축 방향으로의 가압에 의한 좌굴 가공에 의해 성형되는 것과 관련하여, 이 가압에 의한 좌굴 가공에 따르는 둘레벽의 외측으로의 확대에 의해, 상기 헤드부 내주면에 내경의 대직경화 및 응력 집중에 의해 내표면의 인장 응력이 상승한 포켓[환상 오목부](116)이 생기도록 구성되며, 이러한 상태로 사용에 제공되었으나, 배치 사용 시의 고압 유체에 기인하여 상기 포켓부 부근에 캐비테이션 침식(cavitation erosion)을 발생시키거나, 상기 접속 헤드부에 포켓을 기점으로 피로 파괴에 의한 직경 방향의 균열이 방사상으로 발생하거나, 포켓 주위에 피로 파괴에 의한 원주 방향의 균열이 발생한다고 하는 문제가 있었다.
이러한 대책으로서, 본 출원인은, 예컨대 비교적 작은 직경으로 이루어지는 두께가 두꺼운 강관의 접속 단부에, 구면상의 시트면과, 상기 시트면으로부터 관축 방향으로 간격을 두고 형성된 환상 플랜지부와, 상기 시트면에 연속되어 상기 환상 플랜지부까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 원추면으로 형성된 접속 헤드부를 갖는 고압 연료 분사관에 있어서, 상기 원추면의 일부에 깊이가 얕은 환상의 만곡 오목홈을 형성함으로써, 상기 접속 헤드부의 성형에 따라 발생하는 상기 헤드부 내측의 포켓을 깊이가 얕고 완만한 모양으로 하는 방법(일본 특허 공개 제2003-336560호 공보의 도 1 참조)이나, 외측 둘레면이 상대 시트부로 향해 있는 절두(截頭) 원추형, 또는 절두 원호형의 시트면으로 하는 접속 헤드부의 성형에 따라 발생하는 상기 헤드부 내측의 포켓을, 상기 헤드부 내측에 끼워 맞춤되는 금속제 원통 부재로 피복하는 방법(일본 특허 공개 제2005-180218호 공보) 등을 앞서 제안하였다.
또한, 본 출원인은, 헤드부 성형시에 있어서 상기 포켓의 형성에 따르는 상기 포켓의 골부의 균열 발생, 및 배치 사용 시의 고압 유체의 흐름에 기인하여 상기 포켓부 부근에 발생하는 캐비테이션 침식에 의한 균열의 발생, 및 상기 헤드부 성형시에 있어서 포켓의 형성에 따르는 내경의 대직경화 및 응력 집중에 의해 내표 면의 인장 응력의 상승 현상의 발생을 방지하는 수단으로서, 상기의 앞서 제안한 기술과 거의 동등 또는 그 이상의 효과를 얻을 수 있는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조를 제안하였다(일본 특허 출원 제2007-61085호).
이 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조는, t(두께)/D(외경)＜0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우에, 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1)를 0.38D∼0.6D, 상기 시트면의 구체 반경(R)을 0.45D∼0.65D, 상기 환상 플랜지부 외경(D1)을 1.2D∼1.4D로 하고, 또한 상기 헤드부 내주면을 상기 강관의 내주면의 직경에 가까운 관축 방향 단면의 윤곽이 대략 편평한 원통형면 및/또는 콘(cone)형면으로 하는 것, 또는, t(두께)/D(외경)≥0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우에, 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1)를 0.38D∼0.7D, 상기 시트면의 구체 반경(R)을 0.45D∼0.65D, 상기 환상 플랜지부 외경(D1)을 1.2D∼1.4D로 하고, 또한 상기 헤드부 내주면을 상기 강관의 내주면의 직경에 가까운 관축 방향 단면의 윤곽이 대략 편평한 원통형면 및/또는 콘형면으로 하는 것, 또한, 상기 접속 헤드부의, 상기 구면상의 시트면에 연속되어 상기 환상 플랜지부 또는 상기 환상 플랜지부 부근까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 원추면(가압 시트면)의 꼭지각의 각도(θ)를 50∼60도, 상기 원추면의 최대 직경(D3)을 1.03D∼1.09D로 하고, 또한 상기 원추면의 최대 직경 부분과 상기 환상 플랜지부를 원추면, 또는 윤곽이 볼록형 또는 오목형인 원추면, 혹은 원통형면으로 연속되어 있는 것 등을 특징으로 하는 것이다.
상기 일본 특허 출원 제2007-61085호에 기재된 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조는, 상기 접속 헤드부 내주면이 상기 강관의 내주면에 가까운 관축 방향 단면의 윤곽이 대략 편평한 면을 갖기 때문에, 상기 접속 헤드부의 내측에 소성 가공에 의해 발생하는 포켓(환상 오목부)이 거의 존재하지 않으므로, 상기 헤드부 성형시에 있어서 포켓부의 골부의 균열의 발생, 및 상기 헤드부 내에서의 유체압에 의한 캐비테이션 침식에 의한 균열 발생의 우려, 그리고 상기 헤드부 성형시에 있어서 상기 포켓의 형성에 따르는 내경의 대직경화 및 응력 집중에 의한 내표면의 인장 응력의 상승 현상을 없애고, 또한 접속 헤드부 내주면이 피로 파괴의 기점이 될 가능성을 대폭으로 감소시킬 수 있는 등의 우수한 효과를 발휘한다.
그러나, 상기한 일본 특허 출원 제2007-61085호에 기재된 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조에 있어서는, 접속 헤드부의 관축 방향 길이를 충분히 유지할 수 없어, 환상 플랜지부가 상대 부품과 간섭하는 것이 염려된다고 하는 문제나, 상기 고압 연료 분사관에 오토프리티지(autofrettage) 처리를 실시하는 경우에 노즐(시일 플러그)과 그 관체의 축 어긋남에 의한 시일성의 악화가 염려되고, 특히 300 ㎫ 이상의 고압 부여에 의한 오토프리티지 처리 시에 누출을 일으키는 것이 염려된다고 하는 문제를 갖는 것이 판명되었다.
본 발명은, 종래의 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 접속 헤드부의 관축 방향 길이를 충분히 유지함으로써 환상 플랜지부와 상대 부품과의 간섭을 회피할 수 있고, 또한, 300 ㎫ 이상의 고압 부여에 의한 오토프리티지 처리 시에 있어서의 누출을 방지할 수 있는 높은 시일성을 얻을 수 있는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조를 제안하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조는, 비교적 작은 직경으로 이루어지는 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 접속 단부에, 구면상의 시트면과, 상기 시트면으로부터 관축 방향으로 간격을 두고 형성된 환상 플랜지부와, 상기 시트면에 연속되어 상기 환상 플랜지부 또는 상기 환상 플랜지부 부근까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 대략 구면에 가까운 원추면을 가지며, 상기 환상 플랜 지부의 배면에 직접 또는 간접적으로 결합되는 체결 너트를 포함하여 이루어지는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조에 있어서, t(두께)/D(외경)＜0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우에, 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1)가 0.38D∼0.7D, 상기 시트면의 구체 반경(R)이 0.45D∼0.65D, 상기 환상 플랜지부 외경(D1)이 1.2D∼1.4D이고, 상기 헤드부 내주면에, 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면을 갖는 접속 헤드부인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조로서, 비교적 작은 직경으로 이루어지는 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 접속 단부에, 구면상의 시트면과, 상기 시트면으로부터 관축 방향으로 간격을 두고 형성된 환상 플랜지부와, 상기 시트면에 연속되어 상기 환상 플랜지부 또는 상기 환상 플랜지부 부근까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 대략 구면에 가까운 원추면을 가지며, 상기 환상 플랜지부의 배면에 직접 또는 간접적으로 결합되는 체결 너트를 포함하여 이루어지는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조에 있어서, t(두께)/D(외경)≥0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우에, 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1)가 0.38D∼0.7D, 상기 시트면의 구체 반경(R)이 0.45D∼0.65D, 상기 환상 플랜지부 외경(D1)이 1.2D∼1.4D이고, 상기 헤드부 내주면에, 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면을 갖는 접속 헤드부인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한 본 발명은, 상기 2단 테이퍼 형상면으로서, 접속 헤드부 끝단으로부터 의 테이퍼 전체 깊이(LT)가 0.65L1∼1.3L1이고, 상기 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 내경을 Din으로 한 경우, 접속 헤드부 내주 안쪽으로부터 1단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT1)이 1.15Din∼1.7Din, 상기 1단째의 테이퍼 형상면에 연속되는 접속 헤드부 개구단측의 2단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT2)이 1.2Din∼1.9Din이며, 또한 2단째의 테이퍼 반각(半角; θ)이 20∼45도인 것을 바람직한 형태로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 상기 두께가 두껍고 직경이 작은 강관은, 인장 강도가 600 ㎫ 이상인 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조는, 상기 헤드부 내주면에, 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면을 갖기 때문에, 상기 접속 헤드부의 내측에 소성 가공에 의해 발생하는 포켓(환상 오목부)이 거의 존재하지 않으므로, 상기 헤드부 성형시에 있어서 포켓부의 골부의 균열의 발생, 및 상기 헤드부 내에서의 유체압에 의한 캐비테이션 침식에 의한 균열 발생의 우려, 그리고 상기 헤드부 성형시에 있어서 상기 포켓의 형성에 따르는 내경의 대직경화 및 응력 집중에 의한 내표면의 인장 응력의 상승 현상을 없애고, 또한 접속 헤드부 내주면이 피로 파괴의 기점이 될 가능성을 대폭으로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, t(두께)/D(외경)＜0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우라도, 접속 시의 환상 플랜지부와 상대 부품과의 간섭을 회피할 수 있으며, 내연 기관 사용 시에 있어서의 고압 연료 분사관 접속부의 정상적인 기능이 유지되고, 상기 포켓이 거의 존재하지 않음에 의한 연료 흐름의 원활화 작용과 어우러져 보다 정확한 연료 분사가 가능해진다.
또한, 접속 헤드부 내주면에, 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면을 가지며, 또한 그 관축 방향 테이퍼 길이 및 테이퍼 각도를 적정하게 설정함으로써, 접속 헤드부의 관축 방향 길이가 비교적 길어도 좌굴 성형시에 있어서 상기 헤드부의 볼륨(체적)을 감소시킬 수 있고, 코어를 채용하는 헤드부 성형 방법에 의한 헤드부 성형 시에 코어를 적극적으로 헤드부 내면에 접촉시킴으로써 좌굴이 적어지며, 포켓을 없애거나 또는 가급적 작게 할 수 있고, 또한 상기 고압 연료 분사관에 실시하는 오토프리티지 처리 시에 안정된 시일면 또는 시일선을 확보함으로써 노즐(시일 플러그)과 상기 관체의 시일성을 향상시킬 수 있으며, 300 ㎫ 이상의 고압 부여에 의한 오토프리티지 처리에 있어서도 시일의 안정성, 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명의 접속 헤드부 구조에 있어서, t(두께)/D(외경)＜0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우에, 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1)를 0.38D∼0.7D로 한정한 것은, 환상 플랜지부와 상대 부품과의 간섭을 회피하기 위한 관축 방향 길이를 확보하기 위함과, 0.38D 미만에서는 헤드부를 형성할 수 없고, 한편, 0.7D를 초과하면, 포켓이 발생함과 아울러 상기 포켓이 점차로 커지기 때문이다. 또한, 상기 시트면의 구체 반경(R)을 0.45D∼0.65D로 한 것은, 0.45D 미만에서는 헤드부를 형성할 수 없고, 한편, 0.65D를 초 과하면, 포켓이 발생함과 아울러 상기 포켓이 점차로 커지기 때문이다. 또한, 상기 환상 플랜지부 외경(D1)을 1.2D∼1.4D로 한 것은, 1.2D 미만에서는 상대 부품과 체결할 때, 높은 축력을 전달하기 위한 넓은 가압 면적을 확보할 수 없고, 한편, 1.4D를 초과하면 포켓이 발생함과 아울러 상기 포켓이 점차로 커지기 때문이다.
또한, 본 발명의 접속 헤드부 구조에 있어서, t(두께)/D(외경)≥0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우에, 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1)를 0.38D∼0.7D로 한정한 것은, 0.38D 미만에서는 헤드부를 형성할 수 없고, 한편, 0.7D를 초과하면, 포켓이 발생함과 아울러 상기 포켓이 점차로 커지기 때문이다. 또한, 시트면의 구체 반경(R) 및 상기 환상 플랜지부 외경(D1)의 수치 한정 이유에 대해서는, 상기 t(두께)/D(외경)＜0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우와 동일하기 때문에 생략한다.
또한, 본 발명의 접속 헤드부 구조에 있어서, 접속 헤드부 내주면을 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면으로 한 것은, 접속 헤드부의 관축 방향 길이가 비교적 길어도 좌굴 성형시에 있어서 상기 헤드부의 볼륨(체적)을 감소시키고, 코어를 채용하는 헤드부 성형 방법에 의한 헤드부 성형 시에 코어를 적극적으로 헤드부 내면에 접촉시킴으로써 좌굴을 적게 하여 더욱 포켓을 없애거나 또는 가급적 작게 하기 위함과, 300 ㎫ 이상의 고압 부여에 의한 오토프리티지 처리 시에 있어서의 안정된 시일면(면접촉) 또는 시일선(선접촉)을 확보함으로써 시일성을 향상시키기 위함이다.
이 접속 헤드부의 내주면에 있어서, 상기 2단 테이퍼 형상면의 접속 헤드부 끝단으로부터의 테이퍼 전체 깊이(LT)를 0.65L1∼1.3L1으로 한 것은, 0.65L1 미만에서는 좌굴 성형 시에 선단의 볼륨(체적)을 작게 하는 효과를 충분히 얻을 수 없고, 한편, 1.3L1을 초과하면 코어와 척 사이에 끼워진 두께가 원래의 두께보다 작아져 소성 가공이 곤란해지기 때문이다.
또한, 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 내경을 Din으로 한 경우, 접속 헤드부 내주 안쪽으로부터 1단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT1)을 1.15Din∼1.7Din으로 한 것은, 1.15Din 미만에서는 접속 헤드부의 두께의 체적을 작게 하는 효과가 적어, 포켓의 발생 또는 포켓이 크게 형성되는 것이 염려되고, 또한 오토프리티지 처리 시에 시일면(시일선)을 안정적으로 확보하기 어려우며, 한편, 1.7Din을 초과하면, 접속 헤드부 개구단측의 2단째의 테이퍼와의 직경의 차이가 작아 2단째의 테이퍼가 거의 형성되지 않아, 오토프리티지 처리 시에 시일면(시일선)을 안정적으로 확보하기 어려워지기 때문이다.
또한, 상기 1단째의 테이퍼 형상면에 연속되는 접속 헤드부 개구단측의 2단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT2)을 1.2Din∼1.9Din으로 한 것은, 1.2Din 미만에서는 DT1과의 직경의 차이가 작아 2단째의 테이퍼가 거의 형성되지 않아서, 오토프리티지 처리 시에 시일면(시일선)을 안정적으로 확보하기 어렵고, 한편, 1.9Din을 초과하면 구면상의 시트면 선단부의 두께가 얇아져서 강도가 저하되어, 상대 부품과의 체결 시의 변형 발생이 염려되기 때문이다.
또한, 상기 2단째의 테이퍼 반각(θ)을 20∼45도로 한 것은, 20도 미만에서는 오토프리티지 처리 시에 노즐(시일 플러그)이 깊이 침입하기 쉽고, 이에 따라 관 단부에서의 직경의 확대 방향의 힘이 커져, 인장 강도가 600 ㎫ 이상으로 비교적 고강도의 재료라고 해도 선단의 변형이 커져 가장 중요한 구면상의 시트면에 변형이 발생할 염려가 있으며, 한편, 45도를 초과하면 오토프리티지 처리 시의 노즐(시일 플러그)과 분사관의 축 어긋남(편심)의 허용 범위가 너무 작아져, 실제 가동 시에 누출을 일으키는 것이 염려되기 때문이다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 두께가 두껍고 직경이 작은 강관 재료의 인장 강도를 600 ㎫ 이상으로 한 것은, 높은 오토프리티지 처리압이 가능해져 높은 압축 응력을 잔류시킬 수 있어 오토프리티지 효과가 현저히 예상되기 때문이다. 이 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 강철 종류로서는, 스테인리스강, 트립강, 고압 배관용 탄소강, 합금강 등이 적합하다. 또한, 인장 강도가 600 ㎫ 미만인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관 재료의 경우는, 접속 헤드부 성형 후에 열처리에 의해 상기 접속 헤드부 부분의 인장 강도를 600 ㎫ 이상으로 해도 좋다.
도 1은 본 발명에 따른 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조의 제1 실시예를 도시하는 종단 측면도이고, 도 2는 이 접속 헤드부 구조의 제2 실시예를 도시하는 종단 측면도이며, 도 3은 이 접속 헤드부 구조의 제3 실시예를 도시하는 종단 측면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조에 있어서 오토프리티지 처리 시의 노즐(시일 플러그) 끼워맞춤 상태의 일례를 도시하는 주요부 확대 종단 측면도이며, 도면 부호 1은 두께가 두껍고 직경이 작은 강관, 도면 부호 2는 접속 헤드부, 도면 부호 2a는 2단 테이퍼 형상면, 도면 부호 2a-1은 1단째 테이퍼 형상면, 도면 부호 2a-2는 2단째 테이퍼 형상면, 도면 부호 2a-3은 경 계선(시일선), 도면 부호 3은 구면상의 시트면(가압 시트면), 도면 부호 4는 대략 원추면, 도면 부호 5는 환상 플랜지부, 도면 부호 6은 상대 부품, 도면 부호 6a는 시트면(수압(受壓) 시트면), 도면 부호 7은 노즐(시일 플러그), 도면 부호 8은 와셔(슬리브 와셔), 도면 부호 9는 체결 너트, 도면 부호 θ는 테이퍼 반각이다.
두께가 두껍고 직경이 작은 강관(1)은, 미리 정해진 치수로 절단된 인장 강도 600 ㎫ 이상의 스테인리스강, 트립강, 고압 배관용 탄소강, 합금강 등의 강재로 이루어지는 관 직경(D)이 6 ㎜ 내지 10 ㎜, 두께(t)가 1.25 ㎜ 내지 3.5 ㎜ 정도의 비교적 직경이 작고 두께가 두꺼운 관으로 이루어진다.
도 1에 도시된 제1 실시예의 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조는, 두께가 두껍고 직경이 작은 강관(1)의 접속 단부에, 외측 둘레면이 상대 시트부로 향해 있는 구면상의 시트면(3)과, 상기 시트면(3)으로부터 관축 방향으로 간격을 두고 형성된 환상 플랜지부(5)와, 상기 시트면(3)에 연속되어 상기 환상 플랜지부(5)까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 관축 방향 단면의 윤곽이 곡선 또는 직선형인 원추면(4)과, 상기 헤드부 내주면이 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면(2a)을 이룬 헤드부 개구부로 구성되고, 내주면에 포켓이 거의 존재하지 않는 접속 헤드부(2)를 갖는다.
상기한 접속 헤드부(2)에 있어서, 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부(5) 배면까지의 관축 방향 거리(L1)는, 두께가 두껍고 직경이 작은 강관(1)의 두께를 t, 외형을 D로 한 경우, t/D가 0.3 미만 또는 t/D가 0.3 이상의 어느 쪽이라도 0.38D∼0.7D, 상기 시트면(3)의 구체 반경(R)은 0.45D∼0.65D, 상기 환상 플 랜지부(5)의 외경(D1)은 1.2D∼1.4D이다.
또한, 접속 헤드부(2)의 내주 안쪽으로부터 1단째의 테이퍼 형상면(2a-1) 및 상기 1단째 테이퍼 형상면에 연속되는 접속 헤드부 개구단측의 2단째의 테이퍼 형상면(2a-2)으로 구성되는 상기 2단 테이퍼 형상면(2a)은, 접속 헤드부 끝단으로부터의 테이퍼 전체 깊이(LT)가 0.65L1∼1.3L1이고, 또한 상기 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 내경을 Din으로 한 경우, 1단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT1)이 1.15Din∼1.7Din, 2단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT2)이 1.2Din∼1.9Din이고, 또한 2단째의 테이퍼 반각(θ)이 20∼45도이다.
또한, 와셔(8)는 환상 플랜지부(5)의 목 하부에 코킹 등의 수단에 의해 단단하게 끼워 맞춰지거나 또는 헐겁게 끼워 맞춰져 있다. 이 와셔(8)의 체결 너트(9)와의 접촉면(8-1)은, 평면 또는 원추면 혹은 구면을 이루고 있다. 또한, 환상 플랜지부(5)의 와셔(8)의 접촉면은, 관축에 직각인 평탄면이나 관축의 후방으로 직경이 축소되는 원추면이어도 좋다.
도 2에 도시된 제2 실시예는, 상기 도 1에 도시된 제1 실시예에 비하여 관 두께가 비교적 두껍고, 선단 시트면의 구체가 비교적 큰 고압 연료 분사관의 접속 헤드부(2)를 예시한 것으로, 이 접속 헤드부(2)는, 상기 도 1에 도시된 것과 마찬가지로 외측 둘레면이 상대 시트부로 향해 있는 구면상의 시트면(3)과, 상기 시트면(3)으로부터 관축 방향으로 간격을 두고 형성된 환상 플랜지부(5)와, 상기 시트면(3)에 연속되어 상기 환상 플랜지부(5)까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 관축 방향 단면의 윤곽이 곡선 또는 직선형인 대략 원추면(4)과, 상기 헤드부 내주면이 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면(2a)을 이룬 헤드부 개구부로 구성되며, 내주면에 포켓이 거의 존재하지 않는 것이다.
도 3에 도시된 제3 실시예는, 상기 도 1에 도시된 제1 실시예와 관 직경, 관 두께가 모두 동일한 사이즈(D φ8 ㎜, Din φ4 ㎜)인 고압 연료 분사관의 접속 헤드부(2)를 예시한 것으로, 상기 도 1 및 도 2에 도시된 것과 마찬가지로 외측 둘레면이 상대 시트부로 향해 있는 구면상의 시트면(3)과, 상기 시트면(3)으로부터 관축 방향으로 간격을 두고 형성된 환상 플랜지부(5)와, 상기 시트면(3)에 연속되어 상기 환상 플랜지부(5)까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 관축 방향 단면의 윤곽이 곡선 또는 직선형인 대략 원추면(4)과, 상기 헤드부 내주면이 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면(2a)을 이룬 헤드부 개구부로 구성되지만, 본 실시예의 경우는, 접속 헤드부 끝단으로부터 환상 플랜지부(5) 배면까지의 관축 방향 거리(L1)와 접속 헤드부 끝단으로부터의 테이퍼 전체 깊이(LT)가 거의 동일한 길이인, 내주면에 포켓이 거의 존재하지 않는 접속 헤드부(2)를 갖는 것이다.
상기 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예의 접속 헤드부 구조의 경우는, 상기 접속 헤드부의 내경부에 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면(2a)을 형성함으로써, 접속 헤드부 끝단으로부터 환상 플랜지부(5) 배면까지의 관축 방향 거리(L1), 즉 접속 헤드부의 길이가 0.7D 이하의 범위이면, 상기 접속 헤드부를 구성하는 공간의 볼륨(체적)을 감소시킬 수 있 고, 코어를 채용하는 헤드부 성형 방법에 의한 헤드부 성형 시에 코어를 적극적으로 헤드부 내면에 접촉시킴으로써 좌굴이 적어지며, 포켓을 없애거나 또는 가급적 작게 할 수 있다.
또한, 2단 테이퍼 형상면(2a)의 접속 헤드부 개구단측의 2단째의 테이퍼 형상면(2a-2)을 예컨대 코어를 채용하는 헤드부 성형 방법에 의해 성형함으로써, 높은 면압으로 가압 성형되어 형상 정밀도가 높고 면 거칠기가 매끄러운 시일면을 얻을 수 있기 때문에, 형상이 안정되어 후술하는 오토프리티지 처리 시의 시일성이 양호해진다.
또한, 본 발명에 따른 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조의 경우는, 도 4에 오토프리티지 처리 시의 노즐(시일 플러그) 끼워맞춤 상태의 일례를 도시한 바와 같이, 2단 테이퍼 형상면(2a)의 접속 헤드부 개구단측의 2단째의 테이퍼형상면(2a-2) 부분에 노즐(시일 플러그)(7)이 끼워 맞춰지기 때문에, 노즐(시일 플러그)(7)과 상기 관체(1)의 축이 어긋나지 않고 정밀도 좋게 끼워 맞춰지는 것에 더하여, 2단째의 테이퍼 형상면(2a-2)은 상기한 바와 같이 형상 정밀도가 높고 면 거칠기가 매끄러운 시일면을 갖고 있기 때문에 화살표 P 방향으로 고압을 부여해도 높은 시일성을 얻을 수 있으며, 특히 300 ㎫ 이상의 고압 부여에 의한 오토프리티지 처리에 있어서도 시일의 안정성, 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 도 4에서는 2단째의 테이퍼 형상면(2a-2) 부분을 노즐(시일 플러그)(7)의 시일면(면접촉)으로 하고 있으나, 1단째의 테이퍼 형상면(2a-1)과 2단째의 테이퍼 형상면(2a-2) 사이의 링 형상의 경계선(2a-3) 부분에 노즐(시일 플러그)(7)을 끼워 맞춰 상기 경계 선(2a-3) 부분을 시일선(선접촉)으로 해도 되는 것은 물론이다. 또한, 접속 헤드부(2)의 개구단[2단째의 테이퍼 형상면(2a-2)의 개구단]에서 선접촉시켜 시일하는 것도 물론 가능하다.
[실시예 1]
관 직경(D)이 8.0 ㎜, 관 내경(Din)이 4.0 ㎜, 두께(t)가 2.0 ㎜인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관(t/D=0.25)[재질: DIN ST52 상당, 인장 강도 800 ㎫]을 이용하여, 코어를 채용하는 헤드부 성형 방법에 의해 도 1에 도시된 접속 헤드부를 성형하였다. 본 실시예에 있어서 각 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 관 직경(D), 두께(t)에 대하여, 얻어진 접속 헤드부의 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1), 시트면의 구체 반경(R), 환상 플랜지부 외경(D1), 접속 헤드부 끝단으로부터의 테이퍼 전체 깊이(LT), 1단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT1), 2단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT2), 테이퍼 반각(θ)은 각각 L1=5.0 ㎜, R=4.325 ㎜, D1=11 ㎜, LT=3.0 ㎜, DT1=4.7 ㎜, DT2=5.2 ㎜, θ=22도였으나, 접속 헤드부 내주면에 포켓(환상 오목부)의 발생은 확인되지 않았다.
또한, 얻어진 접속 헤드부의 시일성을 확인하기 위해서, 상기 접속 헤드부를 갖는 고압 연료 분사관에 대하여 500 ㎫의 고압을 부여해서 오토프리티지 처리를 실시한 결과, 노즐(시일 플러그) 끼워 맞춤부로부터의 압력 매체의 누출은 전혀 확인되지 않았다.
[실시예 2]
관 직경(D)이 9.0 ㎜, 관 내경(Din)이 3.0 ㎜, 두께(t)가 3.0 ㎜인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관(t/D=0.33)[재질: DIN ST52 상당, 인장 강도 640 ㎫]을 이용하여, 코어를 채용하는 헤드부 성형 방법에 의해 도 2에 도시된 접속 헤드부를 성형하였다. 본 실시예에 있어서 각 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 관 직경(D), 두께(t)에 대하여, 얻어진 접속 헤드부의 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1), 시트면의 구체 반경(R), 환상 플랜지부 외경(D1), 접속 헤드부 끝단으로부터의 테이퍼 전체 깊이(LT), 1단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT1), 2단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT2), 테이퍼 반각(θ)은 각각 L1=4.0 ㎜, R=4.75 ㎜, D1=12 ㎜, LT=6.3 ㎜, DT1=5.1 ㎜, DT2=5.7 ㎜, θ=35도였으나, 접속 헤드부 내주면에 포켓(환상 오목부)의 발생은 확인되지 않았다.
또한, 얻어진 접속 헤드부의 시일성을 확인하기 위해서, 상기 접속 헤드부를 갖는 고압 연료 분사관에 대하여 700 ㎫의 고압을 부여해서 오토프리티지 처리를 실시한 결과, 본 실시예에 있어서도 노즐(시일 플러그) 끼워 맞춤부로부터의 압력 매체의 누출은 전혀 확인되지 않았다.
[실시예 3]
관 직경(D)이 8.0 ㎜, 관 내경(Din)이 4.0 ㎜, 두께(t)가 2.0 ㎜인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관(t/D=0.25)[재질: DIN ST52 상당, 인장 강도 800 ㎫]을 이용하여, 코어를 채용하는 헤드부 성형 방법에 의해 도 3에 도시된 접속 헤드부를 성형하였다. 본 실시예에 있어서 각 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 관 직 경(D), 두께(t)에 대하여, 얻어진 접속 헤드부의 접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1), 시트면의 구체 반경(R), 환상 플랜지부 외경(D1), 접속 헤드부 끝단으로부터의 테이퍼 전체 깊이(LT), 1단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT1), 2단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT2), 테이퍼 반각(θ)은 각각 L1=5.0 ㎜, R=4.325 ㎜, D1=11 ㎜, LT=5.1 ㎜, DT1=4.7 ㎜, DT2=5.6 ㎜, θ=40도였으나, 접속 헤드부 내주면에 포켓(환상 오목부)의 발생은 확인되지 않았다.
또한, 얻어진 접속 헤드부의 시일성을 확인하기 위해서, 상기 접속 헤드부를 갖는 고압 연료 분사관에 대하여 500 ㎫의 고압을 부여해서 오토프리티지 처리를 실시한 결과, 본 실시예에 있어서도 노즐(시일 플러그) 끼워 맞춤부로부터의 압력 매체의 누출은 전혀 확인되지 않았다.
본 발명에 따른 고압 연료 분사관의 접속 헤드부는, 상기 헤드부 내주면에, 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면을 갖기 때문에, 상기 접속 헤드부의 내측에 소성 가공에 의해 발생하는 포켓(환상 오목부)이 거의 존재하지 않으므로, 상기 헤드부 성형시에 있어서 포켓부의 골부의 균열의 발생, 및 상기 헤드부 내에서의 유체압에 의한 캐비테이션 침식에 의한 균열 발생의 우려, 그리고 상기 헤드부 성형시에 있어서 상기 포켓의 형성에 따르는 내경의 대직경화 및 응력 집중에 의한 내표면의 인장 응력의 상승 현상을 없애고, 또한 접속 헤드부 내주면이 피로 파괴의 기점이 될 가능성을 대폭으로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, t(두께)/D(외경)＜0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우라도, 접속 시의 환상 플랜지부와 상대 부품과의 간섭을 회피할 수 있으며, 내연 기관 사용 시에 있어서의 고압 연료 분사관 접속부의 정상적인 기능이 유지되고, 상기 포켓이 거의 존재하지 않음에 의한 연료 흐름의 원활화 작용과 어우러져 보다 정확한 연료 분사가 가능해진다.
또한, 접속 헤드부 내주면에, 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면을 가지며, 또한 그 관축 방향 테이퍼 길이 및 테이퍼 각도를 적정하게 설정함으로써, 접속 헤드부의 관축 방향 길이가 비교적 길어도 좌굴 성형 시에 있어서 상기 헤드부의 볼륨(체적)을 감소시킬 수 있고, 코어를 채용하는 헤드부 성형 방법에 의한 헤드부 성형 시에 코어를 적극적으로 헤드부 내면에 접촉시킴으로써 좌굴이 적어지며, 포켓을 없애거나 또는 가급적 작게 할 수 있고, 또한 상기 고압 연료 분사관에 실시하는 오토프리티지 처리 시에 안정된 시일면 또는 시일선을 확보할 수 있어서 노즐(시일 플러그)과 상기 관체의 시일성을 향상시킬 수 있으며, 300 ㎫ 이상의 고압 부여에 의한 오토프리티지 처리에 있어서도 시일의 안정성, 신뢰성을 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명은, 디젤 내연 기관에 있어서 연료의 공급로로서 배치되어 많이 이용되는 고압 연료 분사관에 한하지 않고, 비교적 작은 직경으로 이루어지는 두께가 두꺼운 강관에 의한 접속 헤드부를 갖는 각종의 고압 금속 배관에도 적용 가능하며, 산업상의 이용 가치는 매우 크다.
도 1은 본 발명에 따른 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조의 제1 실시예를 도시하는 종단 측면도이다.
도 2는 이 접속 헤드부 구조의 제2 실시예를 도시하는 종단 측면도이다.
도 3은 이 접속 헤드부 구조의 제3 실시예를 도시하는 종단 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조에 있어서 오토프리티지 처리 시의 노즐(시일 플러그) 끼워맞춤 상태의 일례를 도시하는 주요부 확대 종단 측면도이다.
도 5는 본 발명의 대상으로 하는 종래의 고압 연료 분사관의 접속 헤드부의 일례를 도시하는 종단 측면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 두께가 두껍고 직경이 작은 강관
2: 접속 헤드부 2a: 2단 테이퍼 형상면
2a-1: 1단째 테이퍼 형상면 2a-2: 2단째 테이퍼 형상면
2a-3: 경계선(시일선) 3: 구면상의 시트면(가압 시트면)
4: 대략 원추면 5: 환상 플랜지부
6: 상대 부품 6a: 시트면(수압 시트면)
7: 노즐(시일 플러그) 8: 와셔(슬리브 와셔)
8-1: 접촉면 9: 체결 너트
θ: 테이퍼 반각

Claims (4)

  1. 두께가 두껍고 직경이 작은 강관(鋼管)의 접속 단부에,
    구면상(球面狀)의 시트면과,
    상기 시트면으로부터 관축 방향으로 간격을 두고 형성된 환상(環狀) 플랜지부와,
    상기 시트면에 연속되어 상기 환상 플랜지부 또는 상기 환상 플랜지부 부근까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 대략 구면에 가까운 원추면을 가지며,
    상기 환상 플랜지부의 배면에 직접 또는 간접적으로 결합되는 체결 너트를 포함하여 이루어지는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조에 있어서,
    두께(t)/외경(D)＜0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우에,
    접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1)가 0.38D∼0.7D,
    상기 시트면의 구체 반경(R)이 0.45D∼0.65D,
    상기 환상 플랜지부 외경(D1)이 1.2D∼1.4D이고,
    상기 접속 헤드부의 내주면에, 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면을 갖는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조.
  2. 두께가 두껍고 직경이 작은 강관(鋼管)의 접속 단부에,
    구면상(球面狀)의 시트면과,
    상기 시트면으로부터 관축 방향으로 간격을 두고 형성된 환상(環狀) 플랜지부와,
    상기 시트면에 연속되어 상기 환상 플랜지부 또는 상기 환상 플랜지부 부근까지 선단을 향하여 끝이 가늘어지는 대략 구면에 가까운 원추면을 가지며,
    상기 환상 플랜지부의 배면에 직접 또는 간접적으로 결합되는 체결 너트를 포함하여 이루어지는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조에 있어서,
    두께(t)/외경(D)≥0.3인 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 경우에,
    접속 헤드부 끝단으로부터 상기 환상 플랜지부 배면까지의 관축 방향 거리(L1)가 0.38D∼0.7D,
    상기 시트면의 구체 반경(R)이 0.45D∼0.65D,
    상기 환상 플랜지부 외경(D1)이 1.2D∼1.4D이고,
    상기 접속 헤드부의 내주면에, 상기 강관의 관축 방향 단면의 윤곽이 그 개구부를 향하여 넓어지는 2단 테이퍼 형상면을 갖는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2단 테이퍼 형상면은, 접속 헤드부 끝단으로부터의 테이퍼 전체 깊이(LT)가 0.65L1∼1.3L1이고,
    상기 두께가 두껍고 직경이 작은 강관의 내경을 Din으로 한 경우, 접속 헤드부 내주면의 1단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT1)이 1.15Din∼1.7Din, 상기 1단 째의 테이퍼 형상면에 연속되는 접속 헤드부 개구단측의 2단째의 테이퍼 형상면 개구 직경(DT2)이 1.2Din∼1.9Din이며,
    2단째의 테이퍼 반각(半角; θ)이 20∼45도인 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 두께가 두껍고 직경이 작은 강관 재료는, 인장 강도가 600 ㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관의 접속 헤드부 구조.
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