KR20230170143A - 압력 호스를 위한 보강층 - Google Patents

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윌리암 그란트
카일 스프링
켄 지오바네티
릭 힐
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게이츠 코포레이션
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Abstract

개선된 보강 층을 갖는 압력 호스의 실시예가 본 명세서에 설명된다. 일부 실시예에서, 압력 호스의 보강 층은 110% 이상의 보강 체적비(RVR)를 갖는다. 보강 층은 복수의 편조 빔을 포함할 수 있으며, 각각의 빔은 복수의 가닥을 포함한다. 일부 실시예에서, 빔 내에서의 복수의 가닥은 다층형 배향으로 배열된다. 일부 실시예에서, 각각의 빔 내에서의 가닥들의 개수 및 가닥들의 배향은 보강 층의 모든 빔 간에 서로 동일하다. 빔 내에서의 가닥의 형상, 크기, 및 배열은 모두 표면적 대 체적의 비율을 증가시키기 위해, 그리고 이에 따라, 보강 층의 RVR을 증가시키기 위해 조정될 수 있다.

Description

압력 호스를 위한 보강층{A REINFORCEMENT LAYER FOR A PRESSURE HOSE}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2018 년 11 월 16 일에 출원된 미국 특허 출원 제 16/193,411 호를 우선권 주장하며, 또한 2018 년 2 월 19 일에 출원된 미국 특허 가출원 제 62/632,350 호를 우선권 주장하며, 이들 출원의 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 인용된다.
본 개시는 개선된 압력 호스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 보강 층에 110%를 초과하는 보강 체적비(RVR)를 제공하는 "슈퍼팩(superpack)" 구성을 채용 한 보강 층을 구비한 개선된 압력 호스에 관한 것이다. 개선된 압력 호스의 그 외 다른 특징은 RVR이 126%를 초과하는 단층형 보강 층 및 두 개의 층이 작동 동안 순 음(net negative)의 길이 변화를 나타내는 복층형 보강 층을 포함한다.
편조 보강 층(braided reinforcement layer)을 포함하는 압력 호스가 수년 전부터 알려져 왔다. 이전에 알려진 보강 층의 일반적인 구성 방법은, 일반적으로, 한 그룹의 개별 가닥(end)(스트랜드(strand)라고도 지칭됨)을 개별 빔(beam)으로 묶는 단계 및 이어서, 내부 튜브 층의 원주의 주위에 복수의 빔을 편조하는 단계를 포함하여 왔다. 이전에 알려진 편조 보강 층은, 예를 들어, 가닥에 사용된 재료, 빔 내에서의 가닥의 개수, 가닥들이 빔 내에 배열된 방식, 채용된 편조 유형 등이 서로 차이가 날 수 있다.
압력 호스에 사용되는 다양한 알려진 편조 보강 층에도 불구하고, 편조 보강 층을 구비한 압력 호스의 개선이 여전히 요구되고 있다. 예를 들어, 이전에 알려진 압력 호스는 그 압력 공차에 대해 한계가 있으며, 높은 압력 공차가 요구된다. 경우에 따라, 보다 고압의 호스가 생산될 수 있긴 하지만, 예를 들어, 압력 호스의 중량 및/또는 유연성이 희생될 수 있다. 개선된 호스 효율 및 굴곡력이 또한 요구된다.
일부 기존 압력 호스의 설계 결함에 대한 구체적인 일 예로서, 빔이 일관된 경로를 따르지 않는 경우가 있다. 빔이 편조물 전체에 걸쳐 일관된 경로를 따르지 않으면, 서로 다른 기하학적 형상으로 인해 응력 집중이 발생하며 평균 편조물 직경이 달라진다. 이러한 기하학적 형상의 차이로 인해 제품의 유체 정역학적 성능 및 임펄스 성능의 일관성이 결여된다. 이러한 일관성 결여는 성능 요구 사항을 충족하지 못하게 되는 심각한 위험을 초래한다.
따라서, 위에서 확인된 문제 중 일부 또는 전부를 개선하는 편조 보강 층을 포함하는 압력 호스이 계속 요구되고 있다.
일본 공개특허공보 특개2000-018443호(2000.01.18.)
본 "발명의 내용"은 아래의 "구체적인 설명"에 추가로 설명되는 단순화된 형태로 엄선된 개념을 소개하기 위해 제공된다. 본 "발명의 내용" 및 전술한 "배경 기술"은 청구되고 있는 주제의 핵심 양태 또는 필수 양태를 식별하기 위한 것은 아니다. 더욱이, 본 "발명의 내용"은 청구되고 있는 주제의 범위를 결정하는 데 도움을 주기 위해 사용되기 위한 것은 아니다.
일부 실시예에서, 압력 호스가 설명된다. 압력 호스는 압력 호스의 내부 통로를 획정하는 튜브 층, 튜브 층의 위에 배치된 단층형 보강 층, 및 보강 층의 위에 배치된 덮개 층을 포함한다. 보강 층은 튜브 층의 주위에 함께 편조되는 복수의 빔(beam)을 포함한다. 각각의 빔은 복수의 가닥(end)으로 구성될 수도 있다. 보강 층은 126% 이상의 보강 체적비(RVR)를 갖는다.
일부 실시예에서, 압력 호스용 보강 층이 설명된다. 보강 층은 중공의 원통형 몸체를 형성하도록 함께 편조된 복수의 빔을 포함한다. 각각의 빔은 다층형 배향으로 배열된 복수의 가닥을 포함한다. 다층형 배향은 빔 내에서의 모두 가닥이 동일한 전체 길이를 갖지는 않는 것을 보장할 것이다. 동일한 다층형 가닥 배향이 보강 층을 형성하도록 함께 편조된 모든 빔에 사용될 수도 있다. 모든 빔에 대해 동일한 다층형 가닥 배향이 사용되면, 보강 층에 사용된 모든 빔이 동일한 전체 길이를 갖는 것이 보장된다.
일부 실시예에서, 압력 호스가 설명된다. 압력 호스는 압력 호스의 내부 통로를 획정하는 튜브 층, 튜브 층의 위에 배치된 보강 층, 및 보강 층의 위에 배치된 덮개 층을 포함한다. 보강 층은 튜브 층의 주위에 함께 편조된 복수의 빔을 포함하며, 각각의 빔은 다층형 배향으로 함께 그룹을 형성하는 복수의 가닥을 포함한다. 복수의 빔은 각각, 동일한 다층형 가닥 배향으로 배열된 동일한 개수의 가닥을 포함한다. 이러한 방식으로 형성된 보강 층은 110% 이상의 보강 체적비를 갖는다.
일부 실시예에서, 압력 호스가 설명된다. 압력 호스는 단층형 보강 층을 포함하며, 단층형 보강 층은 전술한 빔 및 가닥 구성을 가지며, 126% 이상의 보강 체적비를 갖는다.
일부 실시예에서, 압력 호스가 설명된다. 압력 호스는 복층형 보강 층을 포함하며, 각각의 층은 전술한 빔 및 가닥 구성을 갖는다. 또한, 압력 호스에 압력이 인가되면, 보강 층의 각각의 층은 순 음의 길이 변화를 갖도록 구성된다. 일부 실시예에서, 압력 호스의 중립 각도보다 작은 각각의 층의 편조 각도를 사용함으로써 순 음의 길이 변화 특징이 달성된다.
본 명세서에 설명된 압력 호스의 이들 양태 및 그 외 다른 양태가 본 명세서의 "구체적인 설명" 및 도면을 고려한 후에 명백해질 것이다. 그러나, 청구되고 있는 주제의 범위는, 주어진 주제가 "배경 기술"에서 주목한 일부 또는 모든 문제를 다루거나 "발명의 내용"에 언급된 임의의 특징이나 양태를 포함하는지 여부가 아니라 쟁점이 되는 바와 같은 "청구 범위"에 의해 결정되어야 함을 이해하여야 한다.
바람직한 실시예를 포함하여 개시된 베어링 아이솔레이터의 비제한적이고 비 포괄적인 실시예가, 동일한 도면 부호가 달리 명시되지 않는 한 다양한 도면에 걸쳐 동일한 부품을 지칭하는, 아래의 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 명세서에 설명된 다양한 실시예에 따른 압력 호스의 기본 복합 구조의 단면도이다.
도 2는 본 명세서에 설명된 다양한 실시예에 따른 편조 보강 층의 평면도이다.
도 3a는 종래 기술에 따른 가닥들의 배향의 단면도를 제공한다.
도 3b 내지 도 3e는 본 명세서에 설명된 다양한 실시예에 따른 빔 내에서 사용하기에 적합한 가닥들의 다양한 배향의 단면도를 제공한다.
도 4a는 본 명세서에 설명된 편조 보강 층의 치수를 예시하기 위한 목적의 편조 보강 층의 간단한 측면도 및 편조 보강 층의 나선의 가닥의 간단한 확대 사시도를 제공한다.
도 4b는 본 명세서에 설명된 편조 보강 층의 치수를 예시하기 위한 목적의 튜브 층의 위에 편조된 보강 층의 간단한 단면도를 제공한다.
도 5a 및 도 5b에는 본 명세서에 설명된 다양한 실시예에 따른 가닥 및 빔 배향의 단면도가 도시되어 있다.
도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b에는 종래 기술에 따른 다양한 가닥 및 빔 배향의 단면도가 도시되어 있다.
도 8a 및 도 8b에는 본 명세서에 설명된 다양한 실시예에 따른 서로 다른 가닥 직경을 갖는 가닥들의 다양한 배향의 단면도가 도시되어 있다.
도 9a 및 도 9b에는 본 명세서에 설명된 다양한 실시예에 따른 서로 다른 가닥 인장 강도를 갖는 가닥들의 다양한 배향의 단면도가 도시되어 있다.
실시예가 본 명세서의 일부를 형성하며 예시적인 특정한 실시예를 예시로서 보여주는 첨부 도면을 참조하여 아래에 보다 완전하게 설명된다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 개시된다. 그러나, 실시예가 다수의 상이한 형태로 구현될 수도 있으며 본 명세서에 설명된 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 따라서, 아래의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아 들여져서는 안 된다.
도 1은 본 명세서에 설명된 다양한 실시예에 따른 압력 호스(100)의 단면도를 제공한다. 압력 호스(100)의 기본 구조는 튜브 층(110), 보강 층(120), 및 덮개 층(130)을 포함한다. 튜브 층(110)은 압력 호스(100)의 최내측 층의 역할을 하며, 보강 층(120)은 중간 층의 역할을 하며, 덮개 층(130)은 최외측 층(130)의 역할을 하므로, 튜브 층(110)과 덮개 층(130)이 보강 층(120)을 효과적으로 피포(encapsulation)한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 튜브 층(110), 보강 층(120), 및 덮개 층(130)은 서로 동심적으로 정렬된다.
튜브 층(110)은 세장형의 중공 원통형이다. 압력 호스(100)의 최내측 층으로서, 튜브 층(110)은 매체가 통과하여 유동할 수도 있는 압력 호스(100)의 내부 통로를 획정한다. 튜브 층(110)의 내경(D)(즉, 압력 호스(100)의 통로의 직경), 튜브 층(110)의 외경, 및 튜브 층의 두께(즉, 튜브 층의 내경(D)과 외경 사이의 거리)는 일반적으로 제한되지 않으며, 압력 호스가 사용될 특정한 용례에 기초하여 선택될 수도 있다. 일부 실시예에서, 튜브 층(110)의 내경(D)은 3 mm 내지 127 mm, 예를 들어, 6 mm 내지 51 mm의 범위일 수도 있다. 튜브 층(110)의 두께는 1.25 mm 내지 13 mm, 예를 들어, 2 mm 내지 5 mm의 범위일 수도 있다. 일부 실시예에서, 튜브 층(110)의 두께는 압력 호스 용으로 이전에 알려진 튜브 층에 사용된 두께보다 작을 수 있는데, 그 이유는 본 명세서에 설명된 호스(100)의 튜브 층(110)이 이전에 알려진 압력 호스에서 요구되었던 보강 수준에 의존할 필요가 없기 때문이다. 아래에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 명세서에 설명된 보강 층(120)이 극적으로 개선된 보강 특성을 나타내므로, 튜브 층(110)은 호스(100)를 보강할 필요가 없을 수도 있다.
튜브 층(110)의 재료도 일반적으로 제한되지 않으며, 압력 호스에 적합한 및/또는 압력 호스(100)를 통과할 특정 매체를 취급하기에 적합한 임의의 재료일 수도 있다. 튜브 층의 재료로 사용하기에 적합한 일반적인 등급의 재료에는 고무 및 플라스틱이 포함된다. 사용하기에 적합한 고무 재료의 구체적인 예에는, 천연 고무, 니트릴 고무(NBR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 클로로프렌(CR), 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체(EPDM), 및 염소화 폴리에틸렌(CPE)이 포함된다. 사용하기에 적합한 플라스틱 재료의 구체적인 예에는, 폴리아미드(PA 또는 나일론), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 및 UHMWPE(초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE))가 포함된다. 튜브 층에 사용될 수 있는 그 외 다른 일반적인 등급의 재료에는, 얇은 금속 층, 가요성 금속 구조, 열가소성 가황물(TPV), 및 열가소성 및 열경화성 폴리우레탄, 폴리우레아, 및 폴리이미드와 같은 그 외 다른 탄성 중합체가 포함된다.
일부 실시예에서, 튜브 층(110)은, 상이한 재료로 이루어진 다수의 동축 정렬 층으로 제조된 튜브 층과 같은, 복합 재료이다. 이러한 복합 구조는 임의의 개수의 층을 포함할 수도 있으며, 조합 형태의 임의의 순서를 갖는 이전에 설명된 임의의 재료를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 복합 재료는 하나 이상의 플라스틱 재료 층, 하나 이상의 고무 재료층, 및 하나 이상의 중합체 재료 층을 포함할 수도 있다. 이러한 다양한 층의 순서가, 예를 들어, 최내측 플라스틱 층, 중간 고무 층, 및 중합체 외층일 수 있지만, 그 외 다른 층 순서도 모두 가능하다.
일부 실시예에서, 튜브 층(110)의 재료는 전통적으로는 다양한 이유로 압력 호스의 튜브 층으로서 사용하기에 적합한 것으로 간주되지 않았던 재료로 제조된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 튜브 층 재료는, 전형적으로 저압 호스에서 사용된 튜브 층 재료와 같은, 성능이 낮은 재료일 수도 있다. 아래에서 더 상세하게 설명되는 보강 층(120)의 성능 특성으로 인해, 성능이 더 낮은 튜브 층 재료의 사용이 가능할 수도 있다. 다시 말해, 본 명세서에 설명된 보강 층(120)에 의해 제공되는 강화된 보강 특성을 고려하여 튜브 층이 보강 특성에 의존할 필요가 없기 때문에, 본 명세서에 설명된 호스(100)에 사용하기에는 더 낮은 성능의 튜브 층 재료가 적합할 수도 있다. 이전에는 압력 호스에 적합하지 않은 것으로 간주되었지만 본 명세서에 설명된 호스(100)의 튜브 층(110)에 사용될 수 있는 성능이 낮은 예시적인 재료로는, 저압 호스에서 일반적으로 사용되는 점토 재료 튜브 층과 같은, 점토 재료가 있다.
대안으로서, 튜브 층(110)의 재료가 고급의 고성능 튜브 층 재료로 제조될 수도 있다. 이러한 고급 재료를 사용하면, 고성능 튜브 층 재료의 특성과 본 명세서에 설명된 보강 층(120)의 특성을 조합함으로써 압력 호스(100)의 성능을 증대시킬 수도 있다. 이러한 조합에 의해, 고성능 튜브 층 재료 및 이전에 알려진 보강 층에 의해 이전에 달성된 것보다 큰 성능 능력을 갖는 호스(100)를 제공할 수도 있다.
튜브 층(110)의 재료가 고무인 경우와 같은 일부 실시예에서, 튜브 층(110)의 재료에는 "백색(white)" 충전제가 없거나 실질적으로 없다. 일반적으로 말하자면, 고무 재료는 "흑색(black)" 충전제 및/또는 "백색" 충전제로 충전될 수 있다. 흑색 충전제는 고무의 물리적 특성을 위한 구조를 제공하여 물리적 특성을 강화하는 충전제를 지칭한다. 예시적인 흑색 충전제로는 카본 블랙이 있다. 백색 충전제는 열경화성 공정에서 화학 반응의 균형을 맞추며 및/또는 체적을 증가시키는 데 사용되는 충전제를 지칭한다. 예시적인 백색 충전제에는 점토 및 활석이 포함된다. 튜브 층(110)에 사용되는 재료는 임의의 적절한 양의 흑색 충전제를 포함할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 튜브 층의 재료에는 백색 충전제가 없거나 백색 충전제가 실질적으로 없다. 백색 충전제의 양과 관련하여 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "실질적으로 없는(substantially free)"은 튜브 층의 5 중량% 미만을 의미한다.
대안의 실시예에서, 튜브 층(110)이, "흑색" 충전제인지, "백색" 충전제인지, 또는 이들 모두인지에 상관 없이, 전통적으로 압력 호스에 사용되는 튜브 층에 제공되었던 양보다 많은 양의 충전제를 포함할 수도 있다. 튜브 층(110)에서의 더 많은 양의 충전제의 사용은, 아래에 더 상세하게 설명되는 개선된 보강 층(120)을 고려하여, 보강을 위한 튜브 층에 대한 의존성을 감소시킴으로써 가능할 수도 있다. 충전제 함량이 증가된 튜브 층(110)을 사용함에 따른 주요 이점은, 일반적으로, 튜브 층의 비용이 충전제 함량이 낮은 튜브 층에서보다 낮으며, 따라서, 호스(100)의 성능 특성을 희생시키지 않고서도 호스(100)의 전체 비용이 감소된다는 점이다.
튜브 층(110)의 내부 표면 및/또는 외부 표면은, 다양한 원하는 특성을 내부 표면 및/또는 외부 표면에 부여하기 위하여, 선택적으로 처리 및/또는 코팅될 수 있다. 예를 들어, 튜브 층(110)에 화학적 호환성의 내화학성을 부여하기 위하여, 내부 표면이 처리 또는 코팅될 수도 있다. 튜브 층110)을 보강 층(120)의 후속 적용에 더 적합하게 만들기 위하여, 예를 들어, 튜브 층(110)과 보강 층(120)의 사이의 접착력을 향상시키기 위하여, 외부 표면이 처리 또는 코팅될 수도 있다. 내부 표면 및/또는 외부 표면의 예시적인 처리에는, 화학적 프라이머(primer)의 적용, 서로 다른 조성의 고무 층의 적용, 및 처리 직물 층의 적용이 포함될 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
도 1에 단일 튜브 층(110)을 포함하는 압력 호스(100)가 도시되어 있지만, 압력 호스가 하나 이상의 튜브 층(110)을 포함할 수도 있음을 이해하여야 한다. 다시 말해, 튜브 층(110)이 두 개 이상의 동심적으로 정렬된 층으로 제조된 복합 구조일 수 있다. 다층형 튜브 층(110)의 각각의 층은 동일한 재료, 상이한 충전제 함량, 표면 처리 등을 갖춘 동일한 기본 재료로 제조될 수 있으며, 또는 다층형 튜브 층(110)의 상이한 층이, 예를 들어, 하나 이상의 플라스틱 기반 층 및 하나 이상의 고무 기반 층을 제공함으로써 상이한 재료로 제조될 수 있다. 다층형 튜브 층(110)이 개선된 강도, 개선된 화학적 호환성, 개선된 내화학성 등과 같은 압력 호스(100)에 대한 구체적인 의도한 용례에 기초하여 바람직할 수도 있는 다양한 특성을 튜브 층에 제공하기 위해 사용될 수 있다.
계속해서 도 1을 참조하면, 보강 층(120)이 튜브 층(110)의 위에 도포된다. 보강 층(120)은 튜브 층(110)의 위에 직접, 즉, 튜브 층(110)과 보강 층(120)의 사이의 임의의 중간 재료(들) 또는 층(들) 없이, 형성될 수 있다. 대안으로서, 튜브 층(110)과 보강 층의 사이에, 튜브 층(110)에 대한 보강 층(120)의 접착을 촉진하는 층 또는 재료와 같은, 중간 재료(들) 또는 층(들)이 제공될 수 있다. 보강 층(120)과 튜브 층(110)의 사이에 중간 층이 제공되지 않는 경우, 보강 층(120)은 일반적으로, 튜브 층(110)의 외경과 대략 동일한 내경을 가질 것이다. 보강 층의 두께는 일반적으로 제한되지 않으며, 아래에 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 보강 층의 특정한 구성, 예를 들어, 빔 당 가닥들의 개수, 빔 내에서의 가닥의 배향, 및 보강 층 내에서의 층의 개수에 기초하여 달라질 것이다. 보강 층(120)은 일반적으로, 튜브 층(110)과 동일한 공간을 차지할 것이며, 이것은 보강 층(120)의 길이가 일반적으로, 튜브 층(110)의 길이와 대략 동일할 것이므로, 보강 층(110)이 튜브 층(110)의 전체 길이를 따라 제공된다는 것을 의미한다.
도 2를 참조하면, 보강 층은 일반적으로, 하나 이상의 층을 포함하며, 각각의 층은 개별 빔(122)을 형성하도록 함께 묶여지는 복수의 가닥(121)을 포함하며, 복수의 빔(122)이 튜브 층(110)의 위에 편조되어 보강 층(120)의 하나의 층을 형성한다. 일반적으로 말하자면, 짝수 개의 빔(122)이 편조 보강 층(120)의 하나의 층을 형성하는 데 사용되며, 이들 빔 중 절반은 시계 방향의 나선(helix)이며 빔 중 나머지 절반은 반시계 방향의 나선이다. 반시계 방향의 빔과 시계 방향의 빔이 쌍을 이루어 보강 층(120)의 하나의 층에 사용된 총 개수의 빔의 절반과 동일한 짝수 개의 나선을 형성한다.
당 업계에서 스트랜드(strand)라고도 지칭되는 가닥(121)은 일반적으로, 와이어 형태와 같은 세장형의 원통형 몸체 형상으로 형성된다. 가닥(121)은 이들이 편조되는 호스(110)의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 연속적인 가닥이다. 가닥(121)의 직경은 일반적으로 제한되지 않으며, 편조 압력 호스에 사용하기에 적합한 임의의 직경일 수 있다. 일부 실시예에서, 가닥(121)의 직경은 0.2 mm 내지 0.5 mm, 예를 들어, 0.25 mm 내지 0.33 mm의 범위이다. 아래에 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 일부 실시예에서는 보강 층(120)의 하나의 층의 모든 가닥(121)이 동일한 직경을 갖는 반면, 다른 실시예에서는 보강 층(120)의 하나의 층에 사용되는 가닥(121)의 직경이 균일하지 않다.
가닥(121)의 재료는 일반적으로 제한되지 않으며, 편조 압력 호스에 사용되는 가닥에 적합한 임의의 재료일 수 있다. 가닥(121)의 재료로서 사용하기에 적합한 일반적인 등급의 재료에는 금속, 직물, 및 플라스틱이 포함된다. 사용하기에 적합한 금속 재료의 구체적인 예에는, 황동 코팅 강철, 아연 도금 강철, 및 스테인리스 강이 포함된다. 사용하기에 적합한 직물 재료의 구체적인 예에는, 레이온 및 아라미드(파라(para) 및 메타(meta))가 포함된다. 사용하기에 적합한 플라스틱 재료의 구체적인 예에는 폴리에스터 및 나일론 실이 포함된다. 가닥(121)에 사용될 수 있는 그 외 다른 일반적인 등급의 재료에는 장력 지탱 섬유 및 필라멘트가 포함된다.
가닥(121)에 적합할 수도 있는 그 외 다른 재료에는 세라믹 섬유, 중합체 섬유, 비정질 또는 결정질 섬유(예를 들어, 유리 섬유), 및 탄소 섬유가 포함된다. 일부 실시예에서, 탄소 섬유는 가닥(121)용 재료로서 특히 유용하다.
복합 구조를 갖는 가닥(121)이 또한 사용될 수 있다. 가닥(121)용의 특정한 복합 구조는 제한되지 않으며, 예를 들어, 다층형 복합 구조 또는 매트릭스 복합 구조를 포함할 수 있다. 복합 구조가 사용되는 경우, 다층형 복합 구조에서와 같이, 동일한 가닥의 일부로서 상이한 재료가 사용될 수 있으며, 내측 코어가 제 1 재료일 수 있으며, 후속하여, 내측 코어의 위에 상이한 재료로 이루어진 하나 이상의 층이 동축으로 정렬될 수 있다. 위에서 논의된 임의의 가닥 재료가 임의의 조합으로 그리고 임의의 적합한 복합 구조로 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 가닥(121)이 코팅 또는 피복(cladding) 층을 추가로 포함할 수도 있다. 이러한 코팅 또는 피복은 가닥(121)의 일부 또는 전부 상에 제공될 수 있다. 코팅 및/또는 피복은 가닥(121)에 다양한 상이한 특성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 부식 방지 또는 응력 방지 코팅이 가닥 상에 제공될 수 있다. 일 예에서, 플라스틱 코팅과 같은 응력 방지 코팅이 탄소 섬유 가닥(121) 상에 제공될 수 있다. 탄소 섬유는 일반적으로 축 방향으로는 강하지만, 종방향 축선에 대해 횡방향으로 약하며, 탄소 섬유 가닥 상의 플라스틱 코팅이 가닥의 횡방향으로 가닥을 보강하는 데 도움이 될 수 있다.
보강 층(120)의 하나의 층에 사용되는 가닥(121)은 모두 인장 강도를 갖는다. 일부 실시예에서, 가닥(121)에 사용되는 재료는 초고도의 인장 강도의 와이어 재료이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "초고도의 인장 강도(ultra-high tensile strength)"는 3050 Mpa 내지 3350 MPa 범위의 인장 강도를 갖는 것을 의미한다. 2150 MPa 정도로 낮은 인장 강도를 갖는 강철 와이어 또는 훨씬 더 낮은 인장 강도를 갖는 직물 재료와 같은, 초고도의 인장 강도의 와이어 재료보다 낮은 인장 강도를 갖는 재료가 또한 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 보강 층(120)에 사용된 모든 가닥(121)이 동일한 인장 강도(인장 강도가 높든지 그 반대이든지 간에)를 갖는 재료로 제조된다. 대안의 실시예에서, 그리고 아래에 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 보강 층(120)의 하나의 층에 사용된 가닥(121)이 상이한 인장 강도를 가질 수도 있다
계속해서 도 2를 참조하면, 개별 가닥(121)의 그룹이 빔(122)의 형태로 제공된다. 빔(122) 당 가닥(121)의 개수는 일반적으로 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 빔(122) 당 가닥(121)의 개수는 2 개 이상 내지 100,000 개 이상의 범위에 있다. 일부 실시예에서, 빔(122) 당 가닥(121)의 개수는 10 개 내지 16 개의 범위이다. 빔(122) 당 가닥(121)의 개수가 보강 층(120)에 사용되는 각각의 빔(122) 내에서 서로 다를 수 있지만, 일부 바람직한 실시예에서는 그리고 아래에 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 빔(122) 당 가닥(121)의 개수가 보강 층(120)의 하나의 층에 사용되는 모든 빔(122)에 걸쳐 균일하다.
각각의 빔(122)의 가닥(121)은 동일한 재료로 제조될 수도 있으며, 빔 내에서 상이한 가닥 재료가 제공될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 빔(122)은 복수의 가닥(121)을 포함할 것이며, 이들 가닥 중 일부는 제 1 재료로 제조되며 일부는 제 1 재료와 상이한 제 2 재료로 제조된다. 빔(122) 내에서 두 가지의 상이한 가닥 재료, 세 가지의 상이한 가닥 재료, 또는 그 이상을 포함하는 임의의 조합의 가닥 재료가 사용될 수 있다. 비제한적인 일 예에서, 빔(122)은 강철 와이어로 제조된 가닥(121) 및 탄소 섬유로 제조된 가닥(121)을 포함한다.
빔(122)으로 함께 묶일 때 가닥(121)이 적층 및 배향되는 방식은 일반적으로, 제한되지 않는다. 도 3a에 도시된 가닥들의 배향과 같은 일부 이전에 알려진 가닥들의 배향에서는, 모든 가닥(121)이 잠재적으로는 하나 이상의 이웃한 가닥(121)의 사이에 간극을 갖는 상태로 단층으로 나란히 정렬된다. 그러나, 본 명세서에 설명된 보강 층(120)의 일부 바람직한 실시예에서는, 가닥(121)이 다층(2 개 이상의 층) 배향의 빔(122)으로 함께 묶인다. 도 3b 내지 도 3e에는 빔(122)에 사용될 수 있는 다양한 다층형 배향이 도시되어 있다. 예를 들어, 도 3b에서, 빔(122) 내에서의 가닥(121) 배향은 6 개의 나란한 가닥(121)으로 이루어진 제 1 층을 포함하며, 제 1 층의 상측 상으로 전체적으로 제 1 층의 중심에 위치한 3 개의 나란한 가닥(121)으로 이루어진 제 2 층이 제공된다. 도 3c에, 6 개의 나란한 가닥(121)으로 이루어진 제 1 층을 포함하며, 제 1 층의 상측 상에 3 개의 나란한 가닥(121)으로 이루어진 제 2 층이 제공되며, 제 2 층의 상측 상에 2 개의 나란한 가닥(121)으로 이루어진 제 3 층이 제공되는 3층형 가닥 배향이 도시되어 있다. 도 3d에, 가닥으로 이루어진 제 2 층이 제 2 층의 하나 이상의 이웃한 가닥(121)의 사이에 간극을 포함하는 2층형 가닥 배향이 도시되어 있다. 도 3e는, 도 3c의 가닥 배향과 유사하지만, 제 1 층 및 제 3 층의 가닥(121)의 개수가 상이한 가닥 배향을 보여준다. 도 3c 및 도 3e에 도시된 가닥 배향으로부터 재차 확인되는 바와 같이, 임의의 개수의 가닥이 임의의 개수의 층에 제공되어 임의의 개수의 상이한 기하학적 형상을 생성할 수 있다.
도 3b 내지 도 3e에 도시된 바와 같이, 모든 가닥(121)은 원형 단면을 갖는다. 그러나, 가닥이 다른 단면 형상을 가질 수 있음을 이해하여야 한다. 본 명세서에 설명된 실시예에서 사용하기에 적합한 다른 가닥 단면은 타원형, 삼각형, 장방형, 정방형, 다이아몬드, 육각형 등을 갖는다. 빔(122) 내에서의 가닥(121)의 단면 형상은 균일할 수도 있으며, 또는 빔(122)이 다수의 상이한 단면 형상을 갖는 가닥을 포함할 수도 있으며, 예를 들어, 빔(122)이 원형 가닥, 타원형 가닥, 및 다이아몬드형 가닥을 가질 수도 있다. 임의의 조합의 가닥의 단면 형상이 사용될 수 있다.
상이한 크기 및 형상을 가지며 상이한 배열의 가닥을 혼합함으로써, "슈퍼팩(superpack)" 편조의 표면적 대 체적의 비율을 최적화할 수 있는 능력이 제공된다. 전형적인 원형 단면의 저에너지 구성인 육각형의 밀착 팩(close pack) 배열은 원형 단면의 영역을 함께 적층하여 구성 요소 사이의 여유 공간의 크기를 최소화할 수 있는 능력이 제한적이다. 가닥 직경 크기, 형상, 및 배열의 분포를 도입함으로써, 동일한 편조 체적 내에 더 많은 양의 보강 재료를 허용할 수 있다. 또한, 단면 형상을 육각형 또는 다른 형상으로 변경함으로써, 동일 체적 내에 더 많은 양의 보강 재료가 배치될 수 있다.
도 3b 내지 도 3e의 각각에 도시된 바와 같이, 가닥(121)이 다층형 배향으로 제공되면, 이에 의해 보강 층(120)의 일부 가닥(121)의 전체 길이가 보강 층(120)의 나머지 가닥(121)의 전체 길이보다 더 긴 것이 보장된다. 예를 들어, 빔의 가닥으로 이루어진 적층체의 상부 층에 있는 가닥이 동일 적층체의 하부 층에 있는 가닥보다 총 거리가 더 길 것이다. 그 이유는 가닥이 튜브 층(110)의 주위에 권선될 때 상부 층의 가닥이 하부 층의 스트랜드보다 더 큰 직경의 나선형 경로를 따라 이동하며 하부 층의 스트랜드가 더 작은 직경의 나선형 경로를 따라 이동하기 때문이다.
일부 실시예에서, 빔(122) 내에서의 가닥(121)은 빔(122)의 길이를 따라 서로에 대해 직선 경로로 정렬된다. 대안으로서, 빔(122) 내에서의 가닥(121)은 연선(twist) 구성으로 제공될 수 있으며, 빔(122) 내에서의 모든 가닥(121)이 빔(122)의 길이를 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 연선 처리되어, 각각의 가닥이 빔(122)의 길이를 따라 나선형 경로로 연장된다. 이러한 나선형 경로는 빔(122)이 보강 층(120)을 형성하는 일부로서 튜브 층(110)의 주위에 편조될 때 이동할 수도 있는 나선형 경로와는 별개이며 독립적이다.
각각의 빔(122) 내에서의 가닥(121)의 배향은 빔마다 또는 빔 그룹 간에 상이할 수 있다. 그러나, 일부 바람직한 실시예에서, 그리고 아래에 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 가닥(121)의 배향은 보강 층(120)의 하나의 층에 사용된 모든 빔(122) 내에서 동일하다. 가닥 배향이 보강 층(120)의 하나의 층의 모든 빔(122)에 걸쳐 균일하면, 이에 의해, 모든 빔(122)이 보강 층의 길이에 걸쳐 동일한 길이를 갖는 것이 보장된다.
빔(122)은 튜브 층(110)의 위에 편조됨으로써 보강 층(120)의 하나의 층을 형성한다. 튜브 층(110)의 위에 보강 층(120)의 하나의 층을 형성하기 위해 임의의 편조 패턴이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 빔(122)이 2 개의 횡방향 빔 아래에서 연장된 다음 2 개의 횡방향 빔의 위에서 연장되는 패턴이 반복되는 2 x 2 편조물이 사용된다. 3 x 3 편조물 패턴이 또한 사용될 수 있다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 편조 기계가 튜브 층(110)의 위에서 빔(122)의 편조를 수행하여 보강 층의 하나의 층을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 말하자면, 편조 기계는 보강 층(120)에 포함된 각각의 빔(122)용의 캐리어(carrier)를 포함할 것이다. 이러한 방식으로, 보강 층의 나선의 개수가 수학식 1을 통해 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 압력 호스(100)에 사용되는 보강층(120)은 110% 이상의 보강 체적비(RVR)를 갖는다. 보강 층(120)이 단층 구성을 가지면, 보강 층(120)의 RVR은 보강 층의 단층의 RVR과 동일하다. 보강 층(120)이 2 개 이상의 층을 포함하면, 각각의 개별 층의 특정한 조성 및 평균 나선 직경에 기초하여 보강 층(120)의 각각의 개별 층에 대해 RVR 값이 산출된다. 보강 체적비(RVR)는 수학식 2를 통해 산출된다.
여기서, n가닥은 나선의 가닥의 개수이며, Φ는 평균 나선 직경이며, CSL(원통형 세그먼트 길이)은 수학식 3을 통해 산출된다.
여기서, 가닥 직경은 하나의 가닥의 직경이며, θ는 편조 각도이다.
도 4a 및 도 4b는 위의 산출에 사용된 다양한 치수의 예시를 제공한다. 도 4a에는 나선형 경로로 튜브 층(110)의 주위에 편조된 빔(122)의 간단한 측면도가 도시되어 있다. 중심선을 따른 종방향 축선(123)이 도 4a에 도시되어 있으며, 편조 각도(θ)가 빔(122)과 중심선을 따른 종방향 축선(123) 사이의 그 교차점에서의 각도로서 도시되어 있다. 도 4a는 또한, 편조 각도(θ)로 배향된 빔(122)의 가닥(121)의 확대 사시도를 제공한다. 원통형 세그먼트 길이(CSL)는 편조 각도(θ)로 배향된 가닥(121)을 관통하여 수직 단면을 취한 경우 형성된 타원의 장축의 길이이며, 위에서 논의된 바와 같이, 가닥 직경(d)을 편조 각도(θ)의 코사인으로 나누어 산출될 수 있다. 도 4b에는 나선의 빔(122)이 교차하는 곳에서 측정된 바와 같은 나선의 직경인 평균 나선 직경이 도시되어 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같은 "슈퍼팩" 가닥 및 빔 배향이 제공되는 경우 110% 이상의 RVR이 제공된다. 이러한 "슈퍼팩" 설계는 특히, 보강 층의 모든 빔의 전체 길이가 동일하도록 각각의 빔 내에서의 가닥 배향에 대하여 모든 빔이 동일한 보강 층의 제공과 조합하여, 빔 내에서의 모든 가닥이 동일한 전체 길이를 갖지는 않도록(즉, 외층의 가닥이 이동하는 나선형 경로의 직경이 더 크기 때문에 외층의 가닥의 전체 길이가 내층의 가닥의 전체 길이보다 길도록) 각각의 빔 내에서 층상(layered) 가닥 배향을 제공함으로써 달성된다. 도 5a 및 도 5b에는, 각각의 빔(122)이 가변적인 전체 가닥 길이를 갖는 가닥을 제공하도록 층상의 가닥 배향을 포함하며 보강 층의 모든 빔(122)이 균일한 전체 빔 길이를 제공하도록 동일한 가닥 배향(이 경우, 하나의 층은 하나의 가닥을 구비하며 하나의 층은 두 개의 가닥을 구비함)을 갖는, 이러한 구성을 갖는 보강 층의 간단한 단면도가 도시되어 있다.
도 5a 및 도 5b의 "슈퍼팩" 가닥 및 빔 배향은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 종래의 가닥 및 빔 배향과는 대조적이다. 종래의 설계에서는, 가닥(121)이 모두 각각의 빔(122) 내에서 단층으로 평평하게 놓여 있으며, 이에 의해 동일한 전체 가닥 길이를 갖는 가닥(121)이 제공된다. 또한, 모든 빔(122)이 이러한 단층의 평평한 가닥 배향을 가지며, 이에 의해 전체 빔 길이가 모두 동일한 빔(122)이 제공된다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 종래의 가닥 및 빔 배향은 99% 이하의 RVR을 제공한다.
도 5a 및 도 5b의 "슈퍼팩" 가닥 및 빔 배향은 또한, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같은 "데드 존(dead zone)" 가닥 및 빔 배향과는 대조적이다. "데드 존" 설계에서는, 빔(122) 내에서의 가닥(121)이 단층으로 평평하게 놓이거나, 층상의 가닥 배향을 갖는다. 이것은, 빔(122)의 적어도 일부가 층상의 가닥 배향을 갖추어 전체 가닥 길이가 서로 달라지기 때문에, 모든 가닥(121)이 동일한 전체 가닥 길이를 갖지는 않는다는 것을 의미한다. 또한, 빔(122) 간에 상이한 가닥 배향(단층형 또는 층상)이 사용됨으로 인해, 빔(122)은 서로 다른 전체 빔 길이를 갖는다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 "데드 존" 가닥 및 빔 배향은 99%보다 크지만 110%보다 작은 RVR을 제공한다.
위에서 주목한 바와 같이, 본 명세서에 설명된 압력 호스(100)의 보강층(120)은 110% 이상의 RVR을 가지며, 이러한 RVR 값은 도 5a 및 도 5b에 도시된 "슈퍼팩" 가닥 및 빔 배향을 사용함으로써 획득된다. 바람직한 "슈퍼팩" 설계는 동일한 빔을 필요로 하지만, 층상의 가닥 배향이 사용된다면, 각각의 빔 내에서 사용되는 특정한 가닥 배향은 일반적으로 제한되지 않는다. 도 3b 내지 도 3e는 "슈퍼팩" 설계에 사용될 수 있는 층상의 가닥 배향의 예를 제공한다.
층의 개수와 층 당 가닥의 개수 외에도, 변경될 수 있는 빔 내에서의 가닥 배향의 다른 특성에는 빔 내의 가닥의 직경 및 빔 내에서의 가닥의 인장 강도가 포함된다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, "슈퍼팩" 설계에 사용하기에 적합한 다층형 가닥 배향이 예시하는 바와 같이, 빔(122) 내에서의 가닥(121)들의 직경이 서로 다를 수도 있다. 구체적으로, 도 8a에는 빔(122)의 중간 부분에서의 가닥(121b)의 직경보다 빔(122)의 각각의 측면에서의 가닥(121a)의 직경이 더 작은 것으로 도시되어 있는 반면, 도 8b에는 빔(122)의 양측으로부터 빔(122)의 중간으로 갈수록 점차적으로 증가하는 직경을 갖는 가닥(121a, 121b, 121c)이 도시되어 있다. 도시하지는 않았지만, 빔의 양측에서의 가닥의 직경이 더 크며 빔의 중간에서의 빔의 직경이 더 작으며, 하부 층의 가닥의 직경이 작으며 상부 층의 가닥의 직경이 더 크며, 하부 층의 가닥의 직경이 크며 상부 층의 가닥의 직경이 더 작으며, 빔의 전체 가닥 배향에 걸쳐 큰 직경과 작은 직경의 가닥이 무작위로 선정되는 바와 같이, 그 외 다른 빔 내에서의 가닥 직경의 변형예가 또한 사용될 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, "슈퍼팩" 설계에 사용하기에 적합한 다층형 가닥 배향이 예시하는 바와 같이, 빔(122) 내에서의 가닥(121)의 인장 강도가 서로 다를 수도 있다. 구체적으로, 도 9a에는 빔(122)의 중간 부분에서의 가닥(121b)의 인장 강도보다 빔(122)의 각각의 측면에서의 가닥(121a)의 인장 강도가 더 낮은 것으로 도시되어 있는 반면, 도 9b에는 빔(122)의 양측으로부터 빔(122)의 중간으로 갈수록 점차적으로 높아지는 인장 강도를 갖는 가닥(121a, 121b, 121c)이 도시되어 있다. 도시하지는 않았지만, 빔의 양측에서의 가닥의 인장 강도가 더 높으며 빔의 중간에서의 빔의 인장 강도가 더 낮으며, 하부 층의 가닥의 인장 강도가 더 낮으며 상부 층의 가닥의 인장 강도가 더 높으며, 하부 층의 가닥의 인장 강도가 더 높으며 상부 층의 가닥의 인장 강도가 더 낮으며, 빔의 전체 가닥 배향에 걸쳐 서로 다른 인장 강도의 가닥이 무작위로 선정되는 바와 같이, 그 외 다른 빔 내에서의 가닥 인장 강도의 변형예가 또한 사용될 수 있다.
위에 논의된 가변 직경의 가닥 및 가변 인장 강도의 가닥의 임의의 조합이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 가닥 배향이 빔의 양측에 더 낮은 인장 강도를 갖는 더 작은 직경의 가닥을 포함하며 빔의 중간에 더 높은 인장 강도를 갖는 더 큰 직경의 가닥을 포함할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 단층의 보강 층(120)을 구비한 압력 호스(100)가 도시되어 있다. 그러나, 압력 호스(100)가 다수의 층으로 구성된 보강 층(120)을 포함할 수도 있음에 주목하여야 한다. 일부 실시예에서, 2 개 또는 3 개의 층이 서로 위 아래로 적층되는 상태로 보강 층(120)을 구성하지만, 3 개를 초과하는 개수의 보강 층이 또한 가능하다. 보강 층(120)에 다수의 층이 사용되는 경우, 개개의 층은 하중 인가를 최적화하는 방식으로 상호 작용하도록 특정한 기계적 규정을 준수하여 설계된다. 결과적으로, 이축 응력이 인장 강도에 큰 영향을 미치는 재료(예를 들어, 강선)에서는 마찰이 발생하는 것이 정상이다.
다층형 보강 층이 제공되면, 보강 층의 인접한 층의 사이에 중간 층으로서 중합체성 마찰 층이 제공될 수도 있지만, 이러한 중합체성 마찰 층이 반드시 필요한 것은 아니다. 중합체성 마찰 층의 재료는, 이러한 층이 사용되는 경우, 본 명세서에 설명된 바와 같은 튜브 층(110) 또는 덮개 층(130)에 사용되는 재료와 유사하거나 동일할 수 있으며, 중합체성 마찰 층의 두께는 0.1 mm 내지 2.5 mm의 범위일 수 있다.
일부 실시예에서, 압력 호스의 다층형 보강 층(120)의 각각의 층은 각각의 개별 층의 RVR이 110%를 초과하는 것을 보장하도록 "슈퍼팩" 설계를 사용한다. RVR 값은 앞서 설명한 바와 동일한 방법을 사용하여 각각의 층에 대해 산출될 수 있으며, 다수의 층을 포함하는 보강 층의 RVR은 보강 층을 구성하는 각각의 층의 RVR 값의 평균 값일 수 있다. 다층형 보강 층에 평균 RVR 값을 사용하면, 110%를 초과하는 RVR 값을 갖는(따라서, "슈퍼팩 설계"를 갖는 것으로 인정되는) 다층형 보강 층을 제공하면서도 단일 층이 110% 미만의 RVR 값을 가질 수 있다.
본 명세서에 개시된 압력 호스의 특정 실시예에서, 호스(100)의 보강 층(120)은 단층형 보강 층(120)의 특정한 특징을 가지며, 보강 층(120)의 RVR은 126%를 초과한다. 이러한 특정한 설계는, 예를 들어, 유사한 체적 내에 더 많은 양의 편조 재료를 제공함으로써 이전에 알려진 압력 호스의 성능 특성을 충족하거나 능가하는 성능 특성을 제공한다.
위에서 주목한 바와 같이, 보강 층(120)은 튜브 층(110)의 주위에 시계 방향 및 반시계 방향의 나선으로 편조된 단층의 빔으로 이루어진 단일 층으로 제조된다. 단층 구조는 제조를 단순화하며 압력 호스의 전체 크기를 줄일 수 있을뿐만 아니라 재료 비용을 절감하며 보강 층의 다수의 층들 사이의 상호 작용으로부터 발생할 수 있는 복잡성을 제거할 수 있다. 그러나, 단층형 보강 층의 RVR 값이 126%를 초과하기 때문에, 이러한 단순화된 설계에도 불구하고 호스의 성능이 저하되지 않는다.
위에 논의된 특정 실시예에서, 단층형 보강 층(120)의 RVR은 126%를 초과하며, 보다 바람직하게는 133%를 초과한다. 단층형 보강 층의 RVR 상한값은 일반적으로 제한되지 않지만, 일부 실시예에서, 약 160%의 범위일 수도 있다.
일부 실시예에서, 126%를 초과하는 RVR의 범위는 일반적으로, 이전에 알려진 호스와 유사한 체적에 더 많은 양의 편조 재료를 제공함으로써 달성될 수 있다. RVR이 126%를 초과하는 단층형 보강 층을 생성하기 위해 다수의 변수가 조정될 수 있지만, 일부 실시예에서, 주로 보강 층을 구성하는 빔의 가닥의 개수를 증가시키며 및/또는 가닥의 직경을 증가시키면 RVR 값이 증가한다. 앞서 제공된 수학식 2 및 수학식 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 가닥의 개수 및 가닥의 직경이 모두 수학식의 분자에서 볼 수 있는 값이므로, 이러한 값 중 한 개 또는 두 개가 모두 증가하면 RVR 값이 증가한다. 일부 실시예에서, 가닥들의 개수는 12 개보다 많으며, 보다 바람직하게는 14 개 이상이다. 일부 실시예에서, 가닥의 직경은 0.25 mm 내지 0.33 mm의 범위이다.
본 명세서에 개시된 압력 호스의 다른 특정 실시예에서, 호스(100)의 보강 층(120)은 2층형 보강 층(120)의 특정한 특징을 가지며, 두 개 층은 모두 순 음(net negative)의 길이 변화를 갖는다. 순 음의 길이 변화는 호스가 압력을 받으면 층의 길이가 짧아지는 방식을 일컬으며, 따라서, 본 특정 실시예에서, 보강 층의 두 개 층은 모두, 호스가 압력을 받으면, 층의 전체 길이가 감소하도록 구성된다.
보강 층(120)의 하나의 층이 압력 하에서 순 음의 길이 변화를 경험하는지 또는 순 양(net positive)의 길이 변화를 경험하는지 여부는 층에 사용된 빔의 편조 각도(θ)에 의해, 그리고 특히, 편조 각도(θ)가 호스의 중립 각도보다 큰지 또는 작은지의 여부에 의해 결정된다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 압력 호스와 관련하여, 중립 각도는 54°44'이며, 편조 각도(θ)가 54°44'보다 작으면 압력 하에서 층의 길이가 감소(이에 대응하여 층의 직경은 증가)하는 반면, 편조 각도(θ)가 54°44'보다 크면 압력 하에서 층의 길이가 증가(이에 대응하여 층의 직경은 감소)한다. 따라서, 본 명세서에 설명된 특정 실시예의 경우, 보강 층(120)의 두 개의 층은 압력 하에서의 양 층의 순 음의 길이 변화를 보장하기 위하여 54°44'보다 작은 편조 각도(θ)를 갖는다.
보강 층의 두 개의 층에 대한 편조 각도(θ)가 54°44'보다 작으면서, 내층의 편조 각도(θ)가 외부 각도의 편조 각도(θ)보다 작다. 일부 실시예에서, 내층의 편조 각도(θ)와 외층의 편조 각도(θ)는 내층의 편조 각도(θ)가 외층의 편조 각도(θ)의 약 94%가 되는 관계에 있다. 일부 실시예에서, 내층의 편조 각도(θ)는 약 49°내지 약 53°의 범위인 반면, 외층의 편조 각도(θ)는 약 52° 내지 약 54°44'이다. 예시적이지만 비제한적인 일 예에서, 내층의 편조 각도(θ)는 약 50°이며, 외층의 편조 각도(θ)는 약 54°이다.
다시 도 1을 참조하면, 압력 호스(100)는 보강 층(120)의 위에 적용된 덮개 층(130)을 포함한다. 덮개 층(130)은 보강 층(120) 상에 직접, 즉, 보강 층(120)과 덮개 층(130)의 사이에 임의의 중간 재료(들) 또는 층(들) 없이 형성될 수 있다. 대안으로서, 보강 층(120)에 대한 덮개 층(130)의 접착을 촉진하는 층 또는 재료와 같은 중간 재료(들) 또는 층(들)이 보강 층(120)과 덮개 층(130)의 사이에 제공될 수 있다.
덮개 층(130)의 내경, 덮개 층(130)의 외경, 및 덮개 층(130)의 두께(즉, 덮개 층의 내경과 외경 사이의 거리)는 일반적으로 제한되지 않으며, 압력 호스가 사용될 특정 용례에 따라 선택될 수도 있다. 보강 층(120)과 덮개 층(130)의 사이에 중간 층이 제공되지 않으면, 덮개 층(130)은 일반적으로, 보강 층(120)의 외경과 대략 동일한 내경을 가질 것이다. 일부 실시예에서, 덮개 층(130)의 내경은 6 mm 내지 153 mm, 예를 들어, 13 mm 내지 25 mm의 범위일 수도 있다. 덮개 층(130)의 두께는 0.125 mm 내지 6 mm, 예를 들어, 0.75 mm 내지 2 mm의 범위일 수도 있다.
덮개 층(130)의 재료도 일반적으로 제한되지 않으며, 압력 호스의 외부 덮개 층에 적합한 임의의 재료일 수도 있다. 덮개 층의 재료로서 사용하기에 적합한 일반적인 등급의 재료에는, 고무, 나일론, 및 플라스틱이 포함된다. 사용하기에 적합한 고무 재료의 구체적인 예에는, 천연 고무, 니트릴 고무(NBR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 니트릴 비닐 혼합물(예를 들어, NBR/PVC), 염소화 폴리에틸렌(CPE), 및 염소화 슬폰화 폴리에틸렌(CSM)이 포함된다. 사용하기에 적합한 플라스틱 재료의 구체적인 예에는, 폴리우레탄(PU), 폴리아미드(PA), 폴리 염화 비닐(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 및 폴리 프로필렌(PP)이 포함된다. 덮개 층(130)에 사용될 수 있는 그 외 다른 일반적인 등급의 재료에는, TPV, 얇은 금속 시트, 가요성 금속 구조, 및 편조 섬유(예를 들어, 유리, 중합체성, 또는 금속제)로 이루어진 추가 층과 같은 탄성 중합체가 포함된다.
덮개 층(130)의 재료가 고무인 경우와 같은 일부 실시예에서, 덮개 층(130)의 재료에는 "백색(white)" 충전제가 없거나 실질적으로 없다. 일반적으로 말하자면, 고무 재료는 "흑색(black)" 충전제 및/또는 "백색" 충전제로 충전될 수 있다. 흑색 충전제는 고무의 물리적 특성을 위한 구조를 제공하여 물리적 특성을 강화하는 충전제를 지칭한다. 예시적인 흑색 충전제로는 카본 블랙이 있다. 백색 충전제는 열경화성 공정에서 화학 반응의 균형을 맞추며 및/또는 체적을 증가시키는 데 사용되는 충전제를 지칭한다. 예시적인 백색 충전제에는 점토 및 활석이 포함된다. 덮개 층(130)에 사용되는 재료는 임의의 적절한 양의 흑색 충전제를 포함할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 덮개 층(130)의 재료에는 백색 충전제가 없거나 백색 충전제가 실질적으로 없다. 백색 충전제의 양과 관련하여 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "실질적으로 없는"은 덮개 층의 5 중량% 미만을 의미한다.
덮개 층(130)의 내부 표면 및/또는 외부 표면은, 다양한 원하는 특성을 내부 표면 및/또는 외부 표면에 부여하기 위하여, 선택적으로 처리 및/또는 코팅될 수 있다. 예를 들어, 내부 표면은 덮개 층(130)이 보강 층(120)에 더 잘 부착되도록 처리되거나 코팅될 수도 있다. 외부 표면은 덮개 층(130)이 사용되는 환경에 대해 보다 저항성 및/또는 불침투성을 갖도록 처리되거나 코팅될 수도 있다. 일부 실시예에서, 덮개 층(130)의 외부 표면에는 고무 또는 플라스틱으로 이루어진 베니어(veneer)(예를 들어, UHMWPE 베니어)가 제공된다. 일부 실시예에서, 굽힘 작용을 돕기 위해 나선형 만입부와 같은 기계적 처리가 외부 표면에 적용된다.
도 1에 단일 덮개 층(130)을 포함하는 압력 호스(100)가 도시되어 있긴 하지만, 압력 호스(100)가 하나 이상의 덮개 층(130)을 포함할 수도 있음을 이해하여야 한다. 다시 말해, 덮개 층(130)이 두 개 이상의 동심적으로 정렬된 층으로 제조된 복합 구조일 수 있다. 다층형 덮개 층(130)의 각각의 층은 동일한 재료, 상이한 충전제 함량, 표면 처리 등을 갖춘 동일한 기본 재료로 제조될 수 있으며, 또는 다층형 덮개 층(130)의 상이한 층이, 예를 들어, 하나 이상의 플라스틱 기반 층 및 하나 이상의 고무 기반 층을 제공함으로써 상이한 재료로 제조될 수 있다. 다층형 덮개 층(130)이 개선된 강도, 호스가 사용될 외부 환경에 대한 개선된 내부식성 등과 같은 압력 호스(100)에 대한 구체적인 의도한 용례에 기초하여 바람직할 수도 있는 다양한 특성을 덮개 층에 제공하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 "슈퍼팩" 편조 구성을 사용하면, 제품의 최종점에서 개선을 달성할 수 있다. 고객 사례로 들어가기 전에, 전형적으로, 압력 호스 내부에 포함된 가압 매체를 유지하도록 환경에 대한 밀봉부를 제공하기 위해 제품의 단부에 결합 조립체를 적용하여야 한다. 결합 조립체는 또한, 고객 시스템으로의 장착을 위한 기구를 제공한다. 결합 조립체는 압축에 대한 정규화된 응답을 제공하는 편조 보강재를 갖춘 호스 제품에 조립체를 압축함으로써 적용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 "슈퍼팩" 구조를 사용하면, 결합 조립체의 압축 조건을 최적화하여 압력 밀봉부의 기능을 개선함으로써 결합부 주변에서 튜브로부터 매체가 누출되는 등과 같은 오류를 제거할 수 있다. "슈퍼팩" 편조의 체적 밀도가 높아질수록, 임의의 이동 매체가 환경에 도달하기 위해 이동하는 경로를 보다 구불구불한 형태로 생성함으로써, 튜브로부터 보강재 및 덮개 층으로의 임의의 압력에 의해 야기되는 누출에 대한 추가의 개선이 제공된다.
보강 층을 제조하는 방법을 포함하여 본 명세서에서 설명된 호스를 제조하는 방법은 일반적으로 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 압력 호스의 제조는 압출에 의해 맨드릴 없이 형성될 수도 있는, 또는 압출, 라미네이션(lamination), 또는 랩핑(wrapping)에 의해 가요성 또는 강성의 맨드릴 상에서 형성될 수도 있는 내부 튜브로부터 시작된다. 보강 층에 의해 제공되는 지지체로 인해 더 얇은 튜브 층이 가능하다. 이것은 결국, 대체 튜브 재료가 압출, 액체 코팅, 또는 분사, 분말 코팅과 같은 덜 전형적인 방법에 의해 맨드릴 상에 코팅되거나 이미 형성된 보강 층의 내부에 직접 코팅될 수도 있음을 의미한다.
보강 층 용 빔은 적절한 개수의 가닥을 갖춘 사전 권선 보빈의 형태로 구매될 수도 있으며, 또는 다수의 공급 스풀을 사용하여 설계에 적합한 가닥 구성의 보빈을 생성하는 권선 기계를 사용하여 생성될 수도 있다. 보강 층의 편조물은 보통, 보빈이 각각의 기계 캐리어 상에 배치되는 2 x 2 및 3 x 3 구성의 회전식 및 메이 폴(maypole)과 같은 일반적인 편조 공정에 의해 생산된다. 편조 기계는 수직 또는 수평 구성으로 배열될 수도 있다. 슈퍼팩 설계의 특성으로 인해 본 명세서에 설명된 보강 층이 다양한 구성을 갖는 다수의 유형의 편조 기계에서 생산될 수 있다. 슈퍼팩 편조물은 또한, 라미네이트 또는 랩핑 처리 천, 중합체 시트, 금속제 시트, 또는 나선형 직물 또는 와이어와 조합될 수도 있다.
덮개 층(및 선택적인 마찰 층)이 크로스헤드(crosshead) 압출, 라미네이션, 또는 랩핑을 통해 적용될 수 있다. 액체 코팅, 분사, 또는 분말 코팅과 같은 다양한 그 외 다른 공정이 또한 사용될 수 있다.
제조 공정에 열경화성 또는 경화성 재료가 사용되는 경우, 호스는 덮개가 형성되지 않은 상태(선택적으로 윤활유로)로 또는 플라스틱 또는 직물로 덮개가 형성되는 상태로 처리될 수도 있다. 경화 공정은 흔히, 가압 증기를 적용하여 달성된다. 그러나, 열풍 대류, 염류 또는 그 외 다른 매체의 유동 층, 적외선 노출, 마이크로파 등과 같은 그 외 다른 가열 수단이 또한 사용될 수 있다. 필요에 따라, 맨드릴은 가압 유체에 의해 추출되거나, 다이를 통해 당겨지는 방식으로, 또는 그 외 다른 방법 및 이들의 조합에 의해 추출된다.
본 명세서에 설명된 압력 호스는 중량 감소(최대 40%), 최소 굽힘 반경 감소(최대 70%), 및/또는 가요성 증가(최대 30%까지 굽힘력 감소)와 같은 이점을 제품에 제공할 수 있다. 이러한 개선점 중 일부 또는 전부가 사용됨으로써 모든 재료의 기능을 개선할 수도 있다. 더 저렴한 비용의 더 일반적인 재료가 사용됨으로써 더 광범위한 용례를 포괄할 수도 있으며, 고성능 재료가 사용됨으로써 이전에는 서비스 불가능했던 새로운 영역까지 편조 제품의 응용 분야를 확장할 수도 있다. 이러한 장점 중 일부 또는 전부는 기존 제품과 비교하여 감소된 개수의 편조 보강 층을 사용하면서도 달성될 수 있다. 본 명세서에 설명된 압력 호스에 의해 나타나는 정수압 및 임펄스 압력 성능의 증가는, 이전에 알려진 제품과 달리, 최소 요구 사항을 능가하는 일관성 있는 제품 성능에 의해 달성된다.
호스 압력 성능의 개선은, 처리 결함을 줄이는 슈퍼팩의 기계적 특성 및 튜브 재료의 파열 실패 및 결합부 누출과 같은 적용 실패 모드를 줄이는 슈퍼팩 밀도와 함께, 기계적 얽힘 관계를 통한 향상된 접착을 위한 더 높은 표면적 대 체적의 비율을 제공하는 본 명세서에 설명된 슈퍼팩의 기하학적 형상에 의해 달성될 수 있다. 슈퍼팩의 기하학적 형상의 와이어 밀도가 더 높기 때문에, 호스 결합부 계면의 기능이 개선될 수 있어, 열의 순환 동안 누출 저항성이 증강되며 내화성이 향상된다. 더욱이, 본 명세서에 설명된 기술은 튜브 및 덮개 구성에 있어서의 설명된 변형예의 구현을 통해 유연한 유체 전달을 위한 거의 모든 적용 공간을 지원할 수 있다.
예
본 명세서에 설명된 바와 같은 슈퍼팩 기술에 의해 생성된 압력 호스는 추가적인 적용 이점을 제공하면서 호스가 성능 표준을 충족할 수 있도록 한다. 예를 들어, SAE J517 100R2 표준(2009년 이후)에는 제품이 2 개의 강철 와이어 편조물을 사용하여 표 1에 나열된 압력을 달성하는 것으로 명시되어 있다. 본 명세서에 설명된 슈퍼팩 기술을 사용하면, 1 개의 강철 와이어 편조물로 SAE J517 100R2 표준을 충족하는 것이 가능하다. 이러한 압력 요구 사항은 EN 857 2SC 및 ISO 11237과 같은 그 외 다른 글로벌 산업 표준에 공통적이다. 아래 표 1에서, 샘플 1은 본 명세서에 설명된 바와 같은 슈퍼팩 보강 층으로 구성된 압력 호스를 나타내는 반면, 샘플 2, 샘플 3, 및 샘플 4는 슈퍼팩 보강 층을 포함하지 않는 이전에 알려진 압력 호스를 나타낸다.
ID WP
(작동 압력)

MBR
(최소 굽힘 반경) 		임펄스 사이클
(133% WP에서)
공칭 샘플 1 샘플 2, 샘플 3,샘플 4 샘플 1 샘플 2 샘플 3 샘플 4 샘플 1 샘플 2,
샘플 3,
샘플 4
1/16" PSI PSI In in in in 사이클 사이클
4 5800 5800 2 4 3 2 600000 200000
6 4800 4785 2.5 5 3.5 2.5 600000 200000
8 4000 3990 3.5 7 5.1 3.5 600000 200000
10 3625 3625 4 8 6.75 4 600000 200000
12 3125 3125 4.75 9.5 8 4.75 600000 200000
16 2400 2400 6 11.8 10 6 600000 200000
이전에 알려진 압력 호스를 능가하는 위의 개선된 성능 향상에 추가하여, 본 명세서에 설명된 실시예에 따라 제조된 샘플 1의 호스는 표 2에 예시된 바와 같이 더 가벼운 중량과 더 낮은 굽힘력의 추가 이점을 제공한다. 표 2는 특히, 본 명세서에 설명된 실시예에 따라 제조된 샘플 1의 호스와 슈퍼팩 디자인을 사용하지 않는 이전에 알려진 샘플 5 및 샘플 6의 호스의 비교를 제공한다.
중량 감소 굽힘력
크기 샘플 5 대 샘플 1 샘플 6 대 샘플 1 샘플 6 대 샘플 1
8 -32.8% -17.8% -14%
슈퍼팩 보강 층을 포함하는 본 명세서에 설명된 압력 호스는 이전에 나선형 와이어와 같은 다른 보강 기술에 의해 주로 충족되었던 상당히 높은 압력 성능을 나타낼 수 있다. 그러나, 이러한 용례의 슈퍼팩 제품은, 이전에 알려진 편조 제품과 비교하여, 더 작은 최소 굽힘 반경, 더 큰 중량 절감, 및 가요성 향상과 같은 용례 상의 이점을 제공할 수 있다.
이상의 내용으로부터, 본 발명의 특정 실시예가 예시의 목적으로 본 명세서에 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수도 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위에 의한 제한을 제외하고는 제한되지 않는다.
전술한 기술이 특정 구조 및 재료에 특정된 표현으로 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 정의된 발명이 설명된 특정 구조 및 재료로 반드시 제한되는 것은 아님을 이해하여야 한다. 오히려, 특정 태양이 청구되고 있는 발명을 구현하는 형태로서 설명된다. 본 발명의 다수의 실시예가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있기 때문에, 본 발명은 아래에 첨부된 청구 범위에 속한다.
달리 명시되지 않는 한, 명세서(청구 범위 제외)에서 사용되는 치수, 물리적 특성 등을 표현하는 바와 같은 모든 숫자 또는 표현은 모든 경우에 "대략(approximately)"이라는 용어에 의해 수정된 것으로 이해된다. 청구 범위의 등가 원칙의 적용을 제한하려는 시도가 아니라 적어도, "대략"이라는 용어에 의해 수정되는 명세서 또는 청구 범위에 언급된 각각의 수치 매개 변수는 적어도, 인용된 유효 숫자 자릿수를 고려하여 그리고 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 모든 범위는 임의의 및 모든 하위 범위 또는 그 안에 포함된 임의의 및 모든 개별 값을 인용하는 청구 범위를 포함하며 이를 뒷받침하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 1에서 10까지의 명시된 범위는 최소값 1과 최대 값 10의 사이 및/또는 이를 포함하는 임의의 및 모든 하위 범위 또는 개별 값, 즉, 최소값 1 이상으로 시작하여 최대값 10 이하에서 끝나는 모든 하위 범위(예를 들어, 5.5 내지 10, 2.34 내지 3.56 등) 또는 1 내지 10의 임의의 값(예를 들어, 3, 5.8, 9.9994 등)을 인용하는 청구 범위를 포함하며 이를 뒷받침하는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (10)

  1. 중공의 원통형 몸체를 형성하도록 서로 편조된 복수의 빔(beam)을 포함하는 보강층에 있어서,
    상기 복수의 빔의 각각의 빔은 복수의 가닥(end)을 포함하고,
    각각의 빔 내의 복수의 가닥은 다층형 배향으로 배열되어, 각각의 빔 내의 가닥들이 상이한 전체 길이를 갖고,
    상기 복수의 빔의 각각의 빔은 동일한 다층형 배향으로 배열된 동일한 수의 가닥을 포함하여, 상기 보강층 내의 모든 빔이 동일한 전체 길이를 갖고,
    상기 보강층은
    상기 보강층은 126% 이상의 보강 체적비(RVR)를 갖는 것인, 보강층.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 빔 내의 가닥의 수는 14개 이상인 것인, 보강층.
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 빔 내의 가닥의 직경은 0.2mm 내지 0.5mm의 범위인 것인, 보강층.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 빔 내의 가닥은 원형 단면을 갖고, 상기 복수의 가닥은 제1 직경을 갖는 제1 그룹의 가닥, 및 제1 직경보다 큰 제2 직경을 갖는 제2 그룹의 가닥을 포함하는 것인, 보강층.
  5. 제4항에 있어서,
    제1 직경을 갖는 상기 제1 그룹의 가닥은 빔의 외부에 근접하여 위치되고, 제2 직경을 갖는 상기 제2 그룹의 가닥은 빔의 중심에 근접하여 위치되는 것인, 보강층.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가닥은 제1 단면 형상을 갖는 제1 그룹의 가닥, 및 제1 단면 형상과 상이한 제2 단면 형상을 갖는 제2 그룹의 가닥을 포함하는 것인, 보강층.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가닥은 제1 인장 강도를 갖는 제1 그룹의 가닥, 및 제1 인장 강도보다 큰 제2 인장 강도를 갖는 제2 그룹의 가닥을 포함하는 것인, 보강층.
  8. 제7항에 있어서,
    제1 인장 강도를 갖는 상기 제1 그룹의 가닥은 빔의 외부에 근접하여 위치되고, 제2 인장 강도를 갖는 상기 제2 그룹의 가닥은 빔의 중심에 근접하여 위치되는 것인, 보강층.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가닥은 복수의 탄소 섬유 가닥인 것인, 보강층.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가닥은 탄소 섬유 가닥인 제1 그룹의 가닥, 및 강철 가닥인 제2 그룹의 가닥을 포함하는 것인, 보강층.
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