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1. (KR1020090057109) FLUID TRANSFER HOSE REINFORCED WITH HYBRID YARN
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명 세 서
하이브리드 얀으로 보강된 유체 전달 호스{FLUID TRANSFER HOSE REINFORCED WITH HYBRID YARN}
기 술 분 야
본 발명은, 보강용 하이브리드 얀을 포함하는 전달 호스에 관한 것으로서, 보강용 하이브리드 얀은 함께 연사되는 메타-아라미드 얀 및 코-파라-아라미드 공중합체 얀을 포함하는 것인 전달 호스에 관한 것이다.
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
가요성 저압 호스는, 자동차 라디에이터 호스, 히터 호스 및 터빈 과급기를 과급 공기 냉각기("CAC")에 연결하기 위한 과급 공기 호스와 같은 다양한 유체 전달 용례에서 사용된다. "저압"이란, 해당 분야의 일반적인 용도에 따라 호스가 약 20 바아 이하 또는 약 350 psi 이하 정도의 최대 작동 압력 등급을 만족함을 의미한다. 호스는 가요성이 있기 때문에 이동, 진동, 장치 오정렬, 열팽창 및 열수축을 허용할 수 있다. 가요성은 호스의 대부분을 형성하기 위해 사용되는 고무, 엘라스토머, 및/또는 플라스틱 재료에 의해 제공된다. 내부 압력 및/또는 외력에 견디기 위해서는 보강이 필요하다. 방적 얀 또는 직물, 플라스틱, 및 금속이 호스에서의 보강재로서 일반적으로 사용된다. 보강재는 내측 튜브와 외측 커버 사이의 하나 이상의 층 내에 적용된다. 방적 얀 보강재는 하나 이상의 더미(pile) 또는 층에서 편조, 편직, 스파이럴링(spiraling), 또는 랩핑(wrapping)에 의해 내측 튜브에 적용된다. 편직 보강재는 얀이 끊어질 때 풀리는 경향이 있을 뿐 아니라 편조, 스파이럴링, 또는 랩핑에 비해 낮은 강도를 제공한다. 또한, 편직에 의해 굴곡부의 내측에 큰 압축력이 작용하는 매우 작은 굴곡 반경의 고리형 얀이 생성되고, 이는 킹크 밴드(kink band)를 유발하는 경향이 있으며 파라-아라미드와 같이 탄성계수가 큰 섬유에서 인장 강도를 저하시키는 경향이 있다. 편직은 또한 다른 얀 주위에서 고리로 형성된 얀을 수반하며, 얀이 서로 잘리거나 또는 마모되게 할 수 있는 마찰점을 형성한다. 편직 공정 중의 강도 손실은 상당하므로, 파라-아라미드 편직 보강식 호스는 이러한 보강으로부터 예상되는 초기 파열 강도를 갖지 못한다. 그러나, 편직에 의해 매우 가요성이 있는 유형의 편물 보강재가 마련되므로, 편직 보강재는 성형된 저압 호스 또는 만곡되는 저압 호스에 종종 바람직하다.
동적 피로 저항, 온도 저항, 및 내부 압력 지탱 능력에 대한 호스 성능 요건은 일부 용례에 있어서 급격하게 강화되고 있다. 또한, 비용 절감의 필요성은 언제나 존재한다. 예를 들면, 라디에이터 호스, 냉매 호스 및 CAC 호스와 같은 최신식 자동차 및 트럭 용례는 강화되는 요구사항에 직면해 있다. 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)(PBO), 파라-아라미드, 탄소, 또는 액정 폴리머(LCP)로 형성된 것을 비롯하여 강도 및 탄성계수가 더 큰 코드는 더 큰 압력 지탱 능력을 나타내는 것으로 알려져 있지만, 특히 편직 공정을 겪은 이후에 그리고 편직과 관련하여 전술한 바와 같이 마찰점에서 꽉 조이는 듯이 만곡되어 있을 때 비교적 불량한 동적 피로 저항을 나타내는 것으로 알려져 있다. 보통의 상업적인 CAC 호스는 충분한 파열 압력 등급을 달성하기 위해 여러 층의 랩핑된 편물 보장재 및/또는 보강용 금속 밴드를 이용한다. CAC 호스에 사용되는 공지된 직물 중에는 다층(multi-ply) 직조된 유리섬유 직물, 다층 NOMEX 174; 또는 폴리에스터, NOMEX 174; 메타-아라미드와 함께 혼합된 Twaron 174; 또는 KEVLAR 174;로 된 직물층이 있다. 히터 호스에서의 공지된 직물 중에는 나일론, KEVLAR 174; 및 NOMEX 174; 편조 보강재가 있다.
아라미드 얀은 호스에서의 보강을 위해 광범위하게 사용되고 있다. 예로서는, 높은 외부 압력에 견딜 수 있는 산업용 고압 전달 호스를 구성하기 위해 다수의 보강층 및 보호용 재킷을 조합하고 아라미드를 비롯하여 다양한 재료를 권장하는 미국 특허 제6,742,545호가 있다. 부가적인 보강층을 추가하지 않고 보다 간단한 아라미드-편직-보강형 저압 호스의 성능을 개선하는 방법에 관해서는 아무런 제시가 없다.
사용 후에 유지되는 강도를 개선하기 위해, 중심부 얀 및 이러한 중심부 둘레에 적층된 연사된 얀의 외피(sheath)로 이루어진 복합체 코드를 사용하는 것이 공지되어 있다. 예로서는 미국 특허 제4,912,902호가 있다. 이러한 외피는 바람직하게는 아라미드이며, 이는 코드에 높은 강도를 부여하지만, 편직 보강에서의 셀프 컷팅(self-cutting) 문제를 개선할 것으로 예상되지는 않는다. 중심부-외피 구조의 제작에 따라 보강에 있어서 비용 및/또는 복잡도가 증가한다.
이와 관계되지 않은 분야에 있어서는, 보호용 의복 또는 실내장식물(upholstery)에서의 내화성, 통기성 및 가요성을 위해, 편직물을 개선하도록 파라-아라미드 및 메타-아라미드와 같은 다양한 고성능 내화성 섬유를 조합하는 것이 공지되어 있다. 예로서는 미국 특허 제5,091,243호가 있으며, 이 특허에서는 유리, KEVLAR 174;, NOMEX 174;, 탄소, 폴리벤즈이미다졸, 금속 등이거나 또는 이들의 혼합물인 중심부 및 스테이플 면, 폴리에스테르, 레이온, 모직물 등으로 된 외피가 방화성 실내장식용 직물에 사용된다. 동적 성능을 개선하기 위해 유체 전달 호스에서 캡슐화된 보강재로서 방화성 직물을 사용하는 것은 공지되어 있지 않거나 또는 제안된 바 없다.
따라서, 종래 기술은, 편조 공정을 견디기에 충분한 강도 및 가요성을 갖는 보강용 얀을 개시하지 못하며, 저압 유체 전달 호스에 대한 최신의 자동차 요건을 충족하도록 양호한 충격 피로 저항 및 충분한 파열 강도를 편조 보강형 호스에 제공하지 못한다. 또한, 종래 기술은 코-파라-아라미드 및 메타-아라미드 섬유의 혼합물로 된 하이브리드 얀을 포함하는 편조 보강재로 보강된 저압 유체 전달 호스를 교시하지 못한다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 압력, 진동 및 가열 하의 동적 용례에서의 성능을 개선하기 위해 가요성 호스에서의 편조 보강재에 있어서 개선된 얀을 제공한다. 본 발명은 개선된 충격 피로 저항을 나타내는 저압 유체 전달 호스를 제공한다. 본 발명에 따른 가요성 호스는 튜브, 편직물 및 커버를 포함할 수 있으며, 이때 상기 편직물은 코-파라-아라미드 섬유로 된 제1 얀 및 메타-아라미드 섬유로 된 제2 얀을 포함하는 하이브리드 얀을 포함한다. 코-파라-아라미드 얀 및 메타-아라미드 얀을 함께 연사하거나, 적층하거나, 접거나 또는 혼합하여 호스를 위한 단일 하이브리드 보강용 얀을 형성할 수 있다. 약 5 TPI 이하인 연사 레벨을 하이브리드 얀에 적용할 수 있다. 코-파라-아라미드는 코-폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드/3,4'-옥시디페닐렌 테레프탈아미드) 또는 TECHNORA 174; 섬유일 수 있으며, 메타-아라미드는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드) 또는 NOMEX 174; 섬유일 수 있다. 하이브리드 얀은 코-파라-아라미드 섬유 및 메타-아라미드 섬유 양자 모두를 포함하는 표면을 구비할 수 있다. 편직물은 튜브와 커버 사이에 위치할 수 있으며/있거나 호스의 소정 층에 매립될 수 있다. 하이브리드 얀으로 된 편직물의 하나 이상의 층은 호스의 1차 보강 부재일 수 있다. 편직물 보강재는 1 ft당 약 50 내지 약 200 개의 고리(loop)를 포함할 수 있다.
본 발명의 유체 전달 시스템 또는 호스 조립체 실시예는 본 발명에 따른 호스의 하나 이상의 섹션, 하나 이상의 클램프, 피팅, 및/또는 커플링, 유체 처리 장치 및/또는 기타 등등을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 호스는 라디에이터 호스, 히터 호스, 또는 CAC 호스일 수 있다.
또한, 하이브리드 얀을 형성하기 위해 적어도 코-파라-아라미드를 포함하는 제1 베이스 얀 및 메타-아라미드를 포함하는 제2 베이스 얀을 조합하는 단계, 튜브를 형성하는 단계, 튜브 상에 보강용 직물층을 형성하기 위해 하이브리드 얀을 편조하는 단계, 및 튜브 및 직물층 주위에 커버를 형성하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 또한 제1 베이스 얀 및/또는 제2 베이스 얀 및/또는 하이브리드 얀을 점착성 있게 처리하는 단계, 약 5 TPI 이하로 하이브리드 얀을 연사하는 단계, 및/또는 1 ft당 약 50 내지 약 200 개의 고리로 편조하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 내용은, 후술하는 본 발명의 상세한 설명을 보다 잘 이해할 수 있도록 하기 위해 본 발명의 특징 및 기술적인 장점을 다소 광범위하게 개략적으로 설명한 것이다. 본 발명의 청구범위의 대상을 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 이후에 설명한다. 개시된 개념 및 특정 실시예가 본 발명과 동일한 목적을 구현하기 위해 다른 구조로 변형하거나 다른 구조를 구성하기 위한 기초로서 용이하게 사용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 이러한 동등한 구조를 구현할 수 있을 것이다. 추가적인 목적 및 장점과 함께 본 발명의 특징을 이룬다고 판단되는 새로운 특징, 즉 특징부의 구성 및 방법 양자에 관한 특징은 첨부 도면과 함께 고려하면 후술하는 설명으로부터 더 잘 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 각각의 특징은 단지 예시 및 설명의 목적을 위해 제시된 것이며 본 발명의 한계를 정의하려는 의도가 아님을 분명하게 이해해야 한다.
본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에 있어서, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용한다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명에 따라 구성된 호스의 부분 단면 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 이용하는 터빈과급기 흡기 시스템의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 얀을 나타낸 도면이다.
실 시 예
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 호스가 예시되어 있다. 호스(11)는 내측 튜브(12)와, 내측 튜브(12) 위에 편조된 보강용 편물 부재(14)와, 편조된 보강 부재(14) 및 내측 튜브(12) 위에 배치되는 외측 커버(16)를 포함한다. 튜브(12)는 엘라스토머 또는 플라스틱과 같은 하나 이상의 가요성 재료로 된 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 튜브의 내측 표면 재료는 호스 내의 예상되는 환경적인 조건 및 유체에 견디도록 선택될 수 있다. 커버(16)는 직면하는 외부 환경에 견디도록 구성된 하나 이상의 적절한 가요성 엘라스토머 재료 또는 플라스틱 재료로 제작될 수 있다. 튜브(12) 및 커버(16)는 동일한 재료로 제작될 수 있다. 호스(11)는 몰딩, 랩핑, 및/또는 사출과 같은 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 보강용 편물 부재(14)는 하이브리드 얀을 포함한다. 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 얀의 실시예를 예시하고 있다. 베이스 얀(32)은 코-파라-아라미드로 된 필라멘트 또는 섬유(34)를 포함하며, 도시된 바와 같이 메타-아라미드로 된 필라멘트 또는 섬유(38)를 포함하는 베이스 얀(36)과 함께 연사되어 하이브리드 얀(30)을 형성할 수 있다. 본 명세서의 내용상 "베이스 얀"은 베이스 얀 제작자로부터 수령한 대로의 형태인 필라멘트 또는 섬유 다발을 가리킨다. 베이스 얀은 연사되어 있거나 또는 연사되어 있지 않을 수 있다. "하이브리드 얀"은, 적어도 하나의 얀 조합 작업 또는 혼합 작업에 있어서 함께 조합되거나, 접히거나, 연사되거나, 적층되거나 또는 케이블링된 상이한 섬유 재료로 이루어진 적어도 2가지의 베이스 얀의 조합을 가리킨다. 만약 (연사가) 존재한다면 연사 정도는 인치당 회전수("TPI")로서 정의된다. 도 3에 예시된 바와 같이, 2가지 베이스 얀의 상대적인 크기는 대략 동일할 수 있지만, 다른 상대적인 크기도 후술하는 바와 같이 본 발명의 범위에 속한다. 보강용 편물 부재(14), 하이브리드 얀(30) 및/또는 베이스 얀(32 및/또는 36)은 접착 처리부를 포함할 수 있거나, 또는 보강 부재에 대해 어느 정도 엘라스토머 층 또는 플라스틱 층이 직접적으로 접합된다. 대안으로, 미처리된 보강 부재 및/또는 얀을 사용할 수 있고, 주로 엘라스토머 재료 혹은 플라스틱 재료의 관통의 결과로서 부착될 수 있다, 즉 기계적으로 부착될 수 있다. 따라서, 보강용 편물 부재(14)는 가요성 호스 재료로 된 소정 층에 매립될 수 있거나, 또는 호스 재료로 된 2개의 층 사이에, 예컨대 튜브(12)와 커버(16) 사이에 매립될 수 있다.
하이브리드 얀은 코-파라-아라미드 섬유로 된 적어도 하나의 베이스 얀 및 메타-아라미드 섬유로 된 적어도 하나의 베이스 얀이 다수의 적절한 방법 중 임의의 방법에 의해 단일 얀으로 결합되어 형성될 수 있으며, 이러한 얀은 이후에 편조되고 일반적으로 호스의 엘라스토머 부분 중 적어도 일부와 접촉하거나 또는 엘라스토머 부분에 매립되도록 배치된다.
아라미드는, 파라- 위치 또는 메타- 위치에서 2개의 방향족 링에 아미드 결합이 직접 부착되는 긴 사슬 합성 방향족 폴리아미드를 의미한다. 파라-아라미드는, 예컨대 폴리(파라-페닐렌 테레프탈아미드)("PPD-T"), 폴리(p-벤즈아미드) 등을 포함하며, 이러한 섬유는 예컨대 E.I. DuPont de Nemours and Company가 상표명 KEVLAR로 판매하고 있으며 Teijin Ltd.가 상표명 TWARON으로 판매하고 있다. 메타-아라미드는, 예컨대 E.I. DuPont de Nemours and Company가 상표명 NOMEX로 판매하고 Teijin Ltd.가 상표명 TEIJINCONEX로 판매하는 섬유와 같은 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드)("MPIA")를 포함한다. 코-파라-아라미드는, Teijin Ltd.가 상표명 TECHNORA로 판매하는 섬유와 같이 2 이상의 상이한 파라-아라미드 단량체의 공중합체, 예컨대 코-폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드 및 3,4'-옥시디페닐렌 테레프탈아미드)이다. 따라서, 본 명세서에서는 파라-아라미드와 코-파라-아라미드를 구분하고자 한다. 본 발명에 있어서, 적절한 코-파라-아마미드 얀은 TECHNORA 174; 섬유를 포함하고 적절한 메타-아라미드 얀은 NOMEX 174; 섬유를 포함한다. 임의의 메타-아라미드 섬유와 조합된 임의의 파라-아라미드 섬유로 된 하이브리드 얀으로부터 일부 유리한 용도를 얻는 것을 구상할 수 있다.
베이스 얀의 크기는 본 발명의 실시에 있어서 한정되지 않지만, 단지 제작자로부터의 베이스 얀의 가용성에 의해 한정된다. 최종적인 하이브리드 얀의 크기는 본 발명의 실시에 있어서 구체적으로 한정되지 않지만, 베이스 얀(들)의 적절한 선택에 의해 구체적인 용례에 대해 요구되는 바와 같이 제어될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 약 400 데니어 내지 약 3000 데니어인 베이스 얀을 사용할 수 있다. 하나 또는 두 가지의 베이스 얀이 여러 개 조합될 수 있다. 따라서, 하이브리드 얀의 크기는 약 800 내지 30,000 데니어의 범위일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 1500 데니어인 코-파라-아라미드 베이스 얀과 1200 데니어인 메타-아라미드 베이스 얀을 조합하여 약 3 TPI로 연사된 2700 데니어의 하이브리드 얀을 제공한다. 베이스 얀 및 하이브리드 얀의 연사 레벨은 구체적으로 한정되지 않는다. 바람직한 실시예에 있어서, 2가지 베이스 얀은 연사되지 않고 하이브리드 얀은 0 TPI 내지 약 5 TPI의 범위 또는 약 1 TPI 내지 약 5 TPI의 범위로 연사된다.
탄성계수가 작은 소정량의 메타-아라미드 얀이 연사 이후에 탄성계수가 높은 코-파라-아라미드 얀을 어느 정도 덮을 수 있도록 충분히 제공되는 한, 2가지 베이스 얀의 상대량은 중요하지 않은 것으로 판단된다. 전체 데니어에 기초하여 약 10 % 내지 약 90 % 또는 약 30 % 내지 약 70 % 범위인 메타-아라미드의 양은 본 발명의 유용한 하이브리드 얀을 제조하기에 충분하다고 판단된다. 도 3에 예시된 바와 같이, 하이브리드 코드의 표면 섬유의 일부분은 2가지 베이스 얀에서 사용되는 각각의 유형의 섬유를 포함한다. 따라서, 탄성계수가 작은 메타-아라미드 얀이 탄성계수가 큰 코-파라-아라미드를 적어도 부분적으로 덮거나, 랩핑하거나, 또는 보호하도록 소정량의 각각의 얀을 선택하는 경우, 메타-아라미드 얀은 반복되는 응력 또는 압력 사이클 중에 혹은 충격 및/또는 편조 혹은 공정 중에 코-파라-아마미드 얀이 자체로 마모되지 않도록 하는 것으로 판단된다. 본 발명에 따라 파열 압력이 개선되는 것은 편조 공정을 겪은 이후에도 얀의 인장 강도가 상당히 양호하게 유지됨을 나타낸다. 본 발명은 덮거나, 완전히 랩핑하거나, 또는 하나의 얀 유형으로 또 다른 얀 유형을 완전히 보호하는 단계에 기초한 대안적인 접근법과 대조될 수 있다. 본 발명의 한 가지 장점은 전술한 덮는 단계가 필요하지 않다는 점이다. 그러나, 보다 내구성이 큰 호스, 즉 파열 압력 및/또는 충격 피로 저항이 개선된 호스가 마련된다.
하이브리드 얀을 형성하기 위해 베이스 얀을 연사하고 적층하는 데 사용되는 방법 및 기계는 구체적으로 한정되지 않는다. 적절한 직물 연사 기계는 예컨대 링 연사기, 투 포 원(2-for-1) 연사기, 직접방식 케이블러, 및 당업계에 공지된 임의의 다른 연사기를 포함한다. 베이스 얀 또는 섬유는 얀 혹은 호스 제작 공정 중 임의의 편리한 단계에서 함께 섞이거나, 함께 적층되거나, 또는 함께 연사될 수 있다. 예를 들면, 하이브리드 얀은 연사될 수 있고, 호스의 보강층을 편조하기 위한 편조기에 배치되기 이전에 선택적으로 접착제로 처리될 수 있다. 대안으로, 보강층을 튜브 또는 호스 상에 편조할 때 2가지 베이스 얀으로부터 하이브리드 얀을 형성하는 편조기에 2가지 베이스 얀이 공급될 수 있다.
보강 부재(14)는 당업계에 공지된 바와 같은 다수의 편조 방법 중 임의의 방법을 사용하여 튜브(12) 주위에 편조될 수 있다. 편조하는 단계는, 예컨대 평뜨기(plain stitch) 혹은 박음질(lock stitch)을 포함한다. 임의의 적절한 개수의 단부, 바늘, 및/또는 편조용 헤드를 사용할 수 있다. 뜸(stitch) 또는 고리의 크기는 본 발명의 실시에 있어서 구체적으로 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예에 있어서, 편조는 1 ft 당 약 50 내지 약 200 개의 고리 또는 1 ft 당 약 80 내지 약 150 개의 고리를 이용하여 행해진다. 편조된 보강재가 바람직하지만, 대안으로 본 발명의 얀을 편조된 얀 혹은 스파이럴링된 얀의 형태 혹은 랩핑된 편물, 부직 편물, 또는 타이어 코드 편물 보강재 형태로 사용할 수 있는 것이 유리할 것으로 예상된다. 보강용 편물 부재(14)는 섬유 혹은 직물 보강재로 된 하나 이상의 층 및/또는 섬유 보강 재료 또는 섬유 보강 형태로 된 하나 이상의 유형을 포함할 수 있다.
베이스 얀 및/또는 하이브리드 얀은, 당업계에 널리 공지된 바와 같은 물품을 둘러싸는 엘라스토머 구성부에 대한 접합을 형성하거나 또는 접합을 개선하기 위해 임의의 적절하고/적절하거나 통상적인 재료 및 적용 공정을 이용하여 하나 이상의 프라이머 또는 접착제 조성물로 처리될 수 있다. 예를 들면, 필라멘트를 서로 접착시키고 호스의 엘라스토머 재료에 대한 얀의 접합을 촉진하기 위해 얀을 접착제(들)로 처리할 수 있다. 얀은 우선 프라이머로 처리될 수 있으며, 이때 프라이머는 수계(aqueous-based) 조성물 또는 폴리이소시아네이트 및 에폭시 조성물과 같은 용제계(solvent-based) 조성물일 수 있다. 이렇게 처리된 얀은 이후에 레조르시놀 포름알데히드 라텍스("RFL")와 같은 또 다른 적절한 접착제로 처리될 수 있다. 각각의 처리 이후에, 얀은 접착제의 건조 및 경화를 위해 보통 100 ℃ 내지 290 ℃의 온도로 오븐 또는 일련의 오븐을 통과할 수 있다. 대안으로, 처리된 얀은 공기식으로 건조되거나 또는 습식으로 권취될 수 있다. 추가적인 접착 개선을 위해, 얀은 선택적으로 이후에 추가적인 오버코트 접착제, 예컨대 수계 매질에서의 다량의 에멀젼, 안료 및 경화제의 혼합물, 또는 Lord Corporation이 상표명 CHEMLOK으로 판매 중인 용제 용액 혹은 다른 적절한 고무 시멘트와 같은 용제 용매에 용해된 폴리머와 안료 및 경화제의 혼합물로 처리될 수 있다. 미처리된 아라미드 얀은 동적으로 사용하는 동안 섬유 대 섬유 마모에 대체로 가장 취약하다는 점을 인식해야만 하며, 본 발명에 따른 호스의 한 가지 장점은 심지어 하이브리드 얀 상의 임의의 전술한 접착 처리를 행하지 않고도 엄청난 성능 개선을 얻는다는 점이다.
저압 유체 전달 호스의 실시예에 있어서, 1차 보강재는 하이브리드 얀으로 된 하나 이상의 편조된 층일 수 있다. 1차 보강재라 함은, 호스가 한 가지가 넘는 형태 또는 조성의 직물 보강재를 포함하는 경우에 호스의 파열 압력 등급의 절반 넘게가 1차 보강재에 기인하는 것임을 의미한다.
튜브(12) 및 커버(16)와 같은 호스 본체 부분은 임의의 적절한 경화된 엘라스토머 조성물로 형성될 수 있으며, 각각의 조성물은 서로 동일할 수 있거나 상이할 수 있다. 이러한 목적을 위해 사용될 수 있는 적절한 엘라스토머는, 예컨대 폴리우레탄 엘라스토머(또한 폴리우레탄/우레아 엘라스토머를 포함함)("PU"), 폴리클로로프렌 고무("CR"), 아크릴로니트릴 부타디엔 고무("NBR"), 수소화된 NBR("HNBR"), 스티렌-부타디엔 고무("SBR"), 알킬화된 클로로술포네이트 폴리에틸렌("ACSM"), 에피클로로히드린, 폴리부타디엔 고무("BR"), 천연 고무("NR"), 에틸렌 프로필렌 공중합체("EPM")와 같은 에틸렌 알파 올레핀 엘라스토머, 에틸렌 프로필렌 디엔 삼중합체("EPDM"), 에틸렌 옥텐 공중합체("EOM"), 에틸렌 부텐 공중합체("EBM"), 에틸렌 옥텐 삼중합체("EODM")와, 에틸렌 부텐 삼중합체("EBDM")와, 에틸렌 비닐아세테이트 엘라스토머("EVM")와, 에틸렌 메틸아크릴레이트("EAM"), 염소화 폴리에틸렌("CPE")과, 플루오로 엘라스토머와, 실리콘 고무와, 또는 전술한 재료 중 임의의 2 이상의 조합을 포함한다. 라디에이터 호스, 히터 호스 및 CAC 호스에 대한 적절한 엘라스토머는 EPDM 및 CPE를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라 튜브(12) 및/또는 커버(16)를 형성하기 위해, 통상적으로 사용되는 양만큼 충전제, 가소제, 안정제, 공가교제(coagent), 가황제, 경화제, 및 촉진제 등을 비롯한 통상적인 고무 조합용 성분과 엘라스토머(들)를 혼합할 수 있다. 예를 들면, 에틸렌 알파 올레핀 엘라스토머 및 SBR 또는 HNBR과 같은 디엔 엘라스토머와 함께 사용하기 위해, 결과적인 물품의 동적 성능을 개선하기에 유용한 양만큼 알파-베타 유기산의 하나 이상의 금속염을 사용할 수 있다. 따라서, 아연 디메타아크릴산 및/또는 아연 디아크릴산은 전술한 조성물에서 약 1 내지 약 50 phr의 양만큼 사용될 수 있거나, 대안으로 약 5 내지 약 30 phr의 양만큼 사용될 수 있거나, 또는 약 10 내지 약 25 phr의 양만큼 사용될 수 있다. 이들 재료는 추가로 조성물의 접착성에 기여하며, 이온 교차결합을 통해 과산화물 혹은 관련된 약품과 함께 경화시킬 때 폴리머의 전체적인 교차 결합 밀도를 증가시킨다.
당업자는 호스의 엘라스토머 부분에서 또는 호스의 엘라스토머 부분으로서 사용하기 위한 임의의 개수의 적절한 조성물을 쉽게 알 수 있을 것이다. 다수의 적절한 엘라스토머 조성물은 예컨대 알 티 반더빌트 고무 핸드북(The R. T. Vanderbilt Rubber Handbook)(1996년 제13판)에 설명되어 있으며, EPM 또는 EPDM, 매우 큰 인장 계수 특성을 갖는 조성물과 관련하여서는 미국 특허 제5,610,217호 및 제6,616,558호에 각각 추가적으로 기재되어 있고, 호스 부분의 형성에 있어서 사용하기에 적절할 수 있는 다양한 엘라스토머 조성물과 관련하여 이들 문헌의 내용은 인용함으로써 본 명세서에 상세하게 포함된다.
또한, 엘라스토머 호스 조성물은, 스테이플 섬유, 분쇄 섬유(milled fiber), 또는 단섬유(chopped fiber), 플록, 혹은 펄프와 같은 형태인 불연속적인 섬유로, 즉 한정하는 것은 아니지만 면, 폴리에스테르, 유리섬유, 탄소, 아라미드, 및 나일론을 포함하는 재료를 사용하여 일반적으로 사용되는 양만큼 충전될 수 있다. 섬유 충전은 사용되는 사출 공정 또는 다른 형성 공정의 결과로서 어느 정도 배향을 가질 수 있다.
하나의 호스 구조가 도 1에 예시되어 있다. 본 발명을 실시하기 위해 매우 다양한 다른 구조를 사용할 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들면, 호스는 유체에 대한 내성, 환경에 대한 내성, 또는 물리적인 특징 등과 같은 구체적인 목적을 위해 플라스틱 조성물 또는 엘라스토머 조성물을 포함하는 추가적인 내부층, 외부층, 또는 중간층을 구비할 수 있다. 또 다른 예로서, 필요에 따라 혹은 요구에 따라 추가적인 직물 보강재 또는 금속 보강재, 재킷, 커버 등을 사용할 수 있다. 접힘(collapse)에 대한 내성을 위해 호스 벽 내에 나선형 와이어를 제작할 수 있거나, 또는 호스 내부에 나선형 와이어를 사용할 수 있다.
호스는 작동할 때 호스 조립체 또는 유체 전달 시스템의 구성요소이다. 유체 전달 시스템은 일반적으로 호스를 포함하며, 호스의 하나 이상의 단부에 하나 이상의 클램프, 커플링, 커넥터 및/또는 부속물, 유체 처리 장치 등을 포함한다. 예로써, 도 2는 본 발명에 따른 호스의 실시예를 사용하는 CAC 터빈 과급기 호스 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2를 참고하면, 흡기 호스(57)는 관련 클램프(56)를 이용하여 시스템에 유입 공기를 공급하기 위한 과급 공기 냉각기(50)에 부착된다. 냉매는 냉매 호스(53 및 54)를 통해 과급 공기 냉각기(50)에 전달되고 과급 공기 냉각기로부터 전달되며, 냉매 호스는 클램프(51)를 이용하여 부착된다. CAC 호스(59)는 관련 클램프(58)를 이용하여 과급 공기 냉각기(50)로부터 터빈 과급기(21)까지의 유체 연결을 제공한다. 이러한 예시적인 도면에 있어서, 호스 커넥터는 관련 장치에 일체로 몰딩된다. 일부 CAC 용례에 있어서, 금속 튜브 및 호스 섹션은 공기를 전달하기 위해 함께 부착될 수 있다. 일부 CAC 용례에 있어서, 이러한 금속 튜브는 지지되지 않을 수 있거나 또는 호스 자체에 의해서만 지지될 수 있으며, 이에 따라 통상적인 호스의 비정상적으로 심한 진동 및 초기 파괴를 초래하게 된다. 다른 CAC 시스템 용례에 있어서, 냉매 호스는 매우 짧을 수 있고/있거나 소정 각도로 만곡되거나 형성될 수 있으며, 또한 이에 따라 통상적인 호스의 심한 진동 및 조기 파괴에 노출되는 결과를 초래한다. 본 발명에 따른 호스는 이러한 악조건 하에서 통상적인 호스보다 상당히 양호하게 작동한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 호스를 형성하기 위해 임의의 적절하고/적절하거나 통상적인 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 주조 불가능한 호스 엘라스토머를 사용하는 경우, 즉 밀링 가능한 고무를 사용하는 경우, 섬유 충전을 이용하거나 이용하지 않거나, 호스 제작 단계는 호스 내측 튜브를 사출하거나 랩핑하는 단계와, 내측 튜브 위에 보강용 직물층을 형성하기 위해 하이브리드 얀을 편조하는 단계와, 보강된 내측 튜브 위로 외측 커버를 사출하거나 랩핑하는 단계와, 엘라스토머 재료를 경화하거나 가황처리하기 위해 충분한 온도 및 압력을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 호스는 굴대 또는 틀 위에서 제작되고/제작되거나, 사출되고/사출되거나 경화될 수 있거나, 또는 사출 혹은 랩핑 이후에 호스를 둥글게 유지하도록 내부 공기 압력 또는 다른 압력을 사용하는 것을 비롯하여 당업계에 공지된 다른 적절한 방법에 의해 제작될 수 있다. 호스는 소정 길이로 절단될 수 있으며, 이후에 만곡된 굴대 상에서 성형되고/성형되거나 경화될 수 있다.
다른 유형의 호스 엘라스토머를 이용하는 경우, 예컨대 열가소성 호스 또는 열가소성 엘라스토머 호스를 제작하는 경우, 제작 단계에서 경화 단계 혹은 가황처리 단계를 생략할 수 있다. 호스는 원형일 수 있거나, 또는 임의의 적절한 형상, 단면 또는 곡률을 가질 수 있다.
후속하는 예시 및 예에 있어서, 호스에 오일 또는 다른 적절한 작동유를 채우고 호스가 파열될 때까지 압력을 가함으로써 파열 압력을 측정한다.
분당 8 사이클의 속도로 0 psig로부터 최고 시험 압력까지 16 인치 길이의 직선형 호스 내부에서 고온 공기 압력을 순환시킴으로써 충격 피로 저항을 시험한다. 충격 피로 저항은 호스를 파열시키거나 파괴시키기 위한 압력 펄스 사이클의 개수에 의해 측정된다. 압력 펄스를 가하는 것 이외에도, 트럭 또는 자동차 용례에서 엔진 진동 혹은 차량 진동을 모사하기 위해 원형 경로를 따라 호스 단부를 이동시키거나 변위시킴으로써 분당 120 사이클로 호스의 일단부에 진동을 가한다. 이러한 시험에서 호스 수명을 결정함에 있어서 가장 중요한 인자는 최고 압력이다. 통상적인 구조에서는 45 psi의 내부 압력에서 그리고 심한 경우 60 psi의 내부 압력에서 적절하게 행해졌다. 그러나, 본 발명에 따른 호스는 80 psi에서 급격하게 통상적인 호스의 성능보다 우수한 성능을 보인다.
예시 A
이하의 표 1에 표로 나타낸 예시 A는 일부 한정적인 실험실의 시험 데이터와 함께 직경이 4 인치인 CAC 호스의 3가지 구조에 대해 일반적인 현장 경험을 비교하며, 본 발명에 따른 호스의 개선된 성능을 나타내고 있다. 이러한 예시에서 3가지 호스는 각각 EPDM 고무 조성물로 커버를 제작하였고 CPE 또는 EPDM 조성물로 튜브를 제작하였다. (CPE는 약간의 오일 내성을 요구하는 용례에서 EPDM 대신에 사용되며 압력 등급 또는 피로 성능에 있어서의 인자는 아니다.) 비교예 1은 1980년대에 개발된 전형적인 구조이며, 터빈 과급기 시스템의 최대 시스템 압력이 45 psi를 초과하지 않는 경우에 오랫동안 성공적으로 사용되어 왔다. 이 비교예 1은 통상적인 편조 보강재로서 1500 데니어의 TECHNORA 174; 얀을 이용하였다. 비교예 2는 과도한 진동이 있는 경우에 저압 터빈 과급기 시스템에 대해 1990년대에 개발된 개선된 구조를 나타낸다. 비교예 2는 1200×2의 구조 또는 전체 2400 데니어인 NOMEX 174; 얀으로 된 통상적인 편조 보강재를 사용하였으며, 이는 이전의 TECHNORA 174; 얀 구조에 비해 우수한 피로 저항을 제공하였다. 그러나, 더 높은 최고 시스템 압력 및 증가된 진동을 비롯하여 최신식 터보 과급기의 요구 사항이 증가함에 따라, 두 가지 비교예는 모두 현장에서 너무 이른 시점에 파괴된다.
본 발명에 따른 예 3은 적층되고 3.0 TPI로 함께 연사되며 이후에 3°30′원추 상에 권취되는 1200 데니어의 NOMEX 174; 얀 및 1500 데이너의 TECHNORA 174; 얀으로 이루어진 하이브리드 얀을 이용한다. 3가지 호스 구조 모두에 대해, 보강재는 1 ft당 130 개의 고리를 이용하여 36개의 바늘을 구비하는 5 인치 편조기 헤드 상에서 평뜨기로 편조되었다. 표 1의 결과는 단지 예 3의 호스만이 현장 터빈 과급기 시험에서 현재의 요구조건을 충족함을 나타낸다. 본 발명에 따른 예 3의 호스는 또한 충격 피로 저항 시험에서 성능이 우수하였으며, 적어도 300,000 사이클의 수명을 나타내었다. 실온("RT") 및 200 ℉ 양자 모두에서 예 3의 호스 구조의 파열 압력은 또한 비교예 2보다 더 높다. 고온 파열 시험은 절대 압력값이 확실하지 않은 조건 하에서 단지 상대적인 비교로서 수행되었다. 예 3의 실온에서의 파열 압력은 비교예 1의 파열 압력 및 비교예 2의 파열 압력의 절반의 단순 합산으로부터 예상되는 것보다 상당히 크다는 점에 주의해야 할 필요가 있을 수 있다.
본 발명에 따른 호스에 대한 대안적인 제조 기법을 예시하기 위해, 1200 데니어의 NOMEX 174; 얀과 함께 편조기에 1500 데니어인 TECHNORA 174; 얀을 공급하고 두 가지 얀을 함께 편조하여 하이브리드 보강식 호스를 형성하는 하이브리드 편조 장치를 사용하여 또 다른 예시적인 4 인치 호스를 제작하였다.
표 1
1 분당 8 펄스 사이클, 분당 120 진동 사이클, 16 인치 직선형 호스, 45 psi 최고 압력
2 보다 신규이며 더 높은 압력의 터빈 과급기 CAC 시스템에 대한 현장 시험 결과
예시 B
아래의 표 2에 도표로 나타낸 예시 B는 라디에이터 호스의 실험실 시험에서 사용될 때의 본 발명의 장점을 설명한다. 내측 튜브 및 커버 양자 모두에 대해 EPDM 고무 조성물을 이용하여 3개의 2.5 인치 직경의 직선형 라디에이터 호스를 제작하였다. 비교예 4는 69 파운드의 시험 등급을 갖는 1500 데니어의 TWARON 174; 파라-아라미드 얀으로 된 통상적인 편조 보강재를 이용하였다. 비교예 5는 앞서의 비교예 1에서 사용된 바와 같이 78 파운드의 시험 등급을 갖는 1500 데니어의 TECHNORA 174; 코-파라-아라미드 얀으로 된 통상적인 편조 보강재를 사용하였다. 예 6은 앞서의 예 3에서와 같이 적층되거나 함께 연사되는 1500 데니어의 TECHNORA 174; 얀과 1200 데니어의 NOMEX 174; 얀으로 이루어진 예 3의 하이브리드 얀을 이용하였다. 라디에이터 호스 보강재는 1 ft 당 96 개의 고리에서 24 개의 바늘을 갖는 4 인치 편조기 헤드 상에서 박음질을 이용하여 편조되었다. 표 2의 3가지 호스의 예 모두는 초기 파열 압력이 유사하였으며(약 125 psi ± 10 psi), 최소 요구조건이 80 psi인 타입 20R4에 대한 SAE J20 표준을 만족하도록 구성되었고, 표 2의 결과는 80 psi 및 302 ℉에서 시험할 때 예 6의 호스가 비교예 4 또는 비교예 5보다는 충격 피로 저항이 훨씬 양호함을 보이고 있다. 따라서, 본 발명은 통상적인 호스보다 충격 피로 저항이 크게 향상된 하이브리드 얀으로 된 편조식 보강재를 호스에 제공한다. 덜 엄격한 다른 시험에 있어서, 즉 45 psi 및 60 psi이고 250 ℉일 때의 충격 피로 시험에서, 예 6은 비교예 4 또는 비교예 5보다는 약간 작은 직경 증가를 나타내었지만, 3가지 모두 300,000 펄스 사이클에 걸쳐 유지되었다.
표 2
1 80 psi, 302 ℉, 분당 8 펄스 사이클, 분당 120 진동 사이클, 16 인치 호스
2 예 6은 파괴되지 않았으나 시험 중단됨
앞서 제시된 예시는 튜브, 커버 및 편조식 보강 부재를 갖춘 저압 유체 전달 호스를 특정하여 설명하고 있지만, 당업자라면 본 발명이 이로써 한정되지 않으며 본 발명은 예컨대 유압 호스와, 라디에이터, 공기 흡기부, 브레이크, 또는 연료 호스 등과 같이 자동차/트럭 용례에서 사용되는 호스와, 공기, 스팀, 물, 화학물질 등을 위한 산업용 전달 호스 등과, 랩핑된 호스 등을 비롯하여 고도의 내구성(즉 파열 압력 성능의 유지) 및 피로 저항(예컨대, 압력 펄스 또는 가요성 변형에 대한 저항) 양자를 요구하는 임의의 용례에서도 이익을 얻을 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 호스를 위한 보강재의 얀을 코-파라-아라미드/메타-아라미드 하이브리드 얀으로 구성함으로써, 본 발명은 종래의 보강 기법에 따라 구성된 호스에 비해 호스의 내구성 및 휨 피로 저항 양자를 증가시키는 방법을 제공한다.
도면에 도시된 본 발명의 하이브리드 얀을 포함하는 물품의 실시예는 호스 및 호스 시스템이지만, 본 발명의 하이브리드 얀은 또한 타이어, 공기 스프링, 및 동적 하중에 노출되는 다른 복합 고무 물품을 위한 하중 지탱용 코드를 제공함에 있어서 유용할 수 있음을 이해해야 한다. 공기 스프링에서의 하중 지탱용 코드의 용도는 예컨대 미국 특허 제4,954,194호에 설명되어 있으며, 동일 대상에 대한 공개 문헌의 내용은 인용함으로써 본 명세서에 포함된다. 타이어에서의 뼈대 및/또는 접지면 보강을 위한 하중 지탱용 코드의 용도는, 예컨대 미국 특허 제3,616,832호에 설명되어 있으며, 동일 대상에 대한 공개 문헌의 내용은 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 예시를 목적으로 상세히 설명되어 있지만, 그러한 세부사항은 단지 예시 목적을 위한 것이며 청구범위에 의해 한정될 수 있는 것을 제외하고는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고도 당업자에 의해 변형이 가능할 수 있음을 이해해야 한다. 본 명세서에 개시된 발명은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 없이도 적절하게 실시될 수 있다.