KR100208504B1 - 기계식 면 씰링장치 - Google Patents

기계식 면 씰링장치 Download PDF

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러플 알렉
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Abstract

기계적 면봉합은 축에 관해 봉합되고 회전하지 않도록 장착된 제 1 봉합고리(12)와 하우징(11)에 관해 봉합되고 회전하지 않도록 장착된 제 2 봉합고리(20)을 포함하고 제 2 봉합고리(20)은 제 1 봉합고리(12)와 축정렬되도록 장착되고 스프링(10)이 봉합정합되도록 제 1 과 제 2 봉합고리(12, 20)의 봉합면(32, 33)을 강제하도록 갖춰진다. 제 1 봉합고리(12)의 봉합면(33)은 원주둘레에 각적으로 이격된 다수의 홈이난 지역(40)을 갖추고 홈이난 지역(40)과 봉합면(33)의 다른변부사이에 갖춰진다. 각 홈이난 지역(40)은 한방향으로의 회전에 관해 최소한 두 개의 뒷변부(AB, EF)와 반대방향으로의 회전에 관해 최소한 하나의 뒷변부(DC, EG)를 정의하고 뒷변부(AB, EF, DC, EG)는 회전의 반대방향까지 둔각(α, α')으로 면(33)의 평면안에 경사지고 각회전 방향에 관한 뒷변부(AB, EF, DC, EG)는 봉합면(33)의 원주적으로 뻗어가는 가로벽(BE, GF, EC)에 의해 끝난다.

Description

기계식 면 씰링장치
제1도는 본 발명을 따르는 씰링장치의 단면도.
제2도는 제1도에 도시된 씰링링(sealing ring)들중 한 개의 씰링링에 구성된 씰링면의 부분평면도.
제3도는 요홈영역들의 형태에 대한 수정예로서, 제2도와 유사한 도면.
제4도는 선택적인 요홈영역형상을 도시하고 제2도와 유사한 도면.
제5도는 또다른 선택적인 요홈영역형상을 도시하고, 제2도와 유사한 도면.
제6도는 요홈영역형상에 대한 수정예를 도시하고, 제2도와 유사한 도면.
제7도는 요홈영역형상에 대한 또다른 수정예를 도시하고, 제2도와 유사한 도면.
본 발명은 기계식 면 씰링장치(mechanical face seal)에 관련되며, 특히 한쪽 씰링면이 다른 씰링면에 대해 회전운동할 때, 씰링면들사이에서 가스(gas)의 완충작용을 형성하도록, 씰링면들중 한쪽 씰링면에 요홈들이 제공되는 가스용 씰링장치들뿐만 아니라 다른 유체들에도 이용가능한 씰링장치에 관련된다.
지금까지 상기 씰링장치내에서 씰링면의 회전방향에 대해 둔각을 형성하며 연장구성되는 나선형구조의 요홈들이 구성되었다. 나선형구조의 요홈들이 한쪽 변부로부터 씰링면을 가로질러 연장구성되고, 연속으로 구성되는 원형의 댐(dem)형성부가 씰링면의 다른 한쪽 변부에 제공된다.
상기 구조의 요홈들에 의하여, 씰링면이 회전하는 순간에, 유체가 요홈의 개방단부로 유입되어, 댐형성부에 의해 폐쇄되는 단부를 향하여 요홈을 따라 유체가 운동하려 한다. 또한 요홈의 폐쇄단부는 씰링면들사이의 유체유동을 방해하여 유체압력을 증가시키며, 동시에 씰링면들을 분리시켜서, 씰링면들사이에는 유체의 큐션(cushion)작용이 형성된다. 씰링면들이 서로 접촉하는 것을 방지하고, 유체가 심각하게 누출되는 것을 방지하기에 충분한 유체쿠션이 씰링면들사이에 형성되도록 요홈들이 구성된다. 그러나 상기 형태의 나선형 요홈들은 씰링면들이 단지 한쪽방향으로만 상대회전운동시 유효하며, 씰링면들이 다른 한쪽방향으로 회전할때는 수력학적 부유작용(lift)이 전혀 형성되지 못한다.
그러므로 씰링면들이 양쪽방향으로 상대회전운동을 할 때, 유효하게 작동하는 상기 형태의 유체씰링장치들이 필요하다.
회전방향이 상관없이, 씰링면의 회전방향으로 둔각을 이루며 요홈영역의 한쪽벽이 경사를 형성하는 심각형의 요홈영역들을 이용하는 것이 독일 공개실용신안 제 8915346호에 제안되며, 상기 문헌에 의하면 양쪽방향으로 상대운동을 하는 동안, 요홈영역들에 의해 씰링면들 사이에 부유작용이 형성된다. 그러나 삼각형의 요홈영역들의 벽들이 확대구조를 가짐에 따라, 씰링면의 원주부분에 구성되는 요홈영역들의 갯수는 구성가능한 나선형 요홈들의 갯수와 비교해볼 때 상당히 감소된다. 그결과 씰링면들사이에서 전체적으로 형성되는 부유작용의 효과는 상당히 감소된다.
본 발명은 개선된 부유특성을 가지고 양쪽방향상대운동에 적합한 요홈영역을 가지는 기계식 면 씰링장치(mechanical face seal)를 제공하는 것이다.
본 명세서에 있어서, 요홈영역들이 삼각형 또는 사다리꼴로 설명되더라도, 상기 요홈영역들은 직선 또는 곡선 변부들로 형성되는 삼각형 또는 사다리꼴의 형상들도 가능하다.
축(10) 및 하우징(11) 사이에서 가스가 새지 않는 씰링장치를 제공하기 위한 기계식 면 씰링장치는 공지기술에 따라 제 1 씰링링(sealing ring)(12)으로 구성되고, 상기 제 1 씰링링(12)은 축(10)에 고정된 칼라(13)상에 위치한다. 중합체재질의 0링(0-ring)(14) 또는 유사부품에 의해 상기 제 1 씰링링(12)이 칼라(13)에 대해 씰링상태를 이루며, 제 1 씰링링(12) 및 축(10)사이의 상대회전운동을 방지하기 위하여, 상기 칼라(13)내부에 형성된 구멍(16)내에 위치한 핀(pin)(15)이 제 1 씰링링(12)내부에 형성된 해당 구멍(17)내부로 연장구성된다. 적합한 방법으로 칼라(13)에 고정된 슬리브(sleeve)(18)에 의해 제 1 씰링링(12)의 축방향 운동이 방지된다.
적합한 방법에 의해 제 2 씰링링(20)이 지지링(21)내부에 위치하고, 상기 지지링(21)은 하우징(housing)(11)내부에서 요홈(22)내에 고정된다. 중합체재질의 0링(23)에 의해 상기 지지링(21)이 하우징(11)과 씰링상태를 이룬다. 지지링(21)은 원형의 요홈(25)을 형성하고, 제 2 씰링링(20)은 벽(26, 27)들사이에서 미끄럼운동이 가능하게 위치하며, 상기 지지링(21)은 상기 제 1 씰링링(12)과 마주보는 상태로 요홈(25)을 형성한다. 제 2 씰링링(20)과 결합되는 벽(27)의 결합면상에 복수개의 리브(rid)(28)들이 제공되고, 제 2 씰링링(20) 및 하우징(11)사이의 상대회전운동을 방지하기 위하여, 상기 리브(28)들은 제 2 씰링링(20)의 외측원주부분내에 위치한 해당요홈과 결합한다.
제 2 씰링링(20)에 구성된 씰링면(32)이 제 1 씰링링(12)에 구성된 반대쪽의 씰링면(33)과 씰링결합(sealing engagement)이 이루어지도록, 제 2 씰링링(20)의 배면에 작용하는 추력링(31)과, 요홈(25)의 폐쇄단부사이에서 각을 이루며 이격된 일련의 스프링(30)들이 작용한다. 중합체재질의 0링(34)에 의하여, 요홈(25)의 벽(26) 및 제 2 씰링링(20)에 대해 상기 추력링(31)이 씰링상태를 이룬다.
제2도 내지 제7도를 참고로 설명하면, 제 1 씰링링(12)에 구성된 씰링면(33)은 제 1 씰링링(12)의 외측주변부에 대해 개방되고 각을 이루며 이격된 복수개의 요홈영역(40)들을 가진다. 전형적으로 요홈영역들은 2미크론(micron)내지 20미크론의 깊이를 가진다. 연속구조의 댐형성부(dam formation)(41)가 제 1 씰링링(12)의 내측주변부와 인접하게 구성되고, 제 2 씰링링(20)의 씰링면(32)과 결합된다. (제1도에 도시된 것과 같이) 하우징(11)내부에서 씰링상태의 유체가 제 1 씰링링(12) 및 제 2 씰링링(20)의 우측에 포함된다.
제2도를 참고할 때, 요홈영역(40)은 서로 평행한 한쌍의 변부(AD, BC)를 가진 사다리꼴구조를 가지고, 변부(AD)로부터 요홈영역(40)에 대해 개구부를 제공하기 위하여, 제 1 씰링링(12)에 구성된 씰링면(33)의 외축원주부분에 의해 변부(AD)가 형성된다. (도시된 것처럼) 제 1 씰링링(12)이 시계방향으로 회전할 때, 씰링면(33)내부에서 요홈영역(40)의 트레일링변부(AB)를 형성하는 벽은 회전방향으로 160의 경사각()을 형성한다. 제 1 씰링링(12)이 반시계방향으로 회전할 때, 요홈영역(40)의 트레일링변부(CD)를 형성하는 벽은 회전방향으로 160의 경사각()을 형성한다. 일반적으로 삼각형(EFG)을 이루는 랜드(land)(50)가 변부(BC)의 중심에서 댐형성부(41)로부터 요홈영역(40)으로 연장구성된다. 랜드(50)의 모서리(F, G)가 각각의 트레일링변부(AB, CD)들로부터 이격된다. 상기 랜드(50)는 또다른 트레일링변부(EF, EG)들에 의해 형성된 두 개의 벽들을 형성하고, 제 1 씰링링(12)이 회전방향으로 회전할 때, 트레일링변부(EF)를 형성하는 벽은 씰링면(33)내부에서 회전방향으로 150의 경사각(')을 형성하고, 제 1 씰링링(12)이 반시계방향으로 회전할 때, 트레일링변부(EG)를 형성하는 벽은 씰링면(33)내부에서 회전방향으로 150의 경사각(')을 형성한다.
상기 씰링장치에 의하여, 제 1 씰링링(12)이 시계방향으로 회전할 때, 요홈영역(40)내부의 가스분자들은 제 2 씰링링(12)의 마주보는 씰링면(32)에 대해 운동저항을 받으며, 그 결과 가스분자들은 트레일링변부(trailing edge)(AB, EF)에 의해 형성되는 트레일링벽(trailing wall)을 향해 이동한다. 트레일링변부(AB, EF)에 의해 형성되는 벽들의 경사부에 의해, 가스는 내부로 이동하며, 개방된 변부(AD)를 통해 추가의 가스가 요홈영역(40)으로 유입된다. 변부(BE, EC)에 의해 형성된 횡방향 벽들에 의해 가스의 내향운동이 방해받으며, 그 결과 압력이 증가되고, 제 2 씰링링(20)은 제 1 씰링링(12)으로부터 부유(lift)되며, 씰링면(32, 33)들사이에서 가스의 쿠션(cushion)작용이 형성된다. 유사하게 제 1 씰링링(12)이 반시계방향으로 회전할 때, 변부(CD, EG)에 의해 형성된 벽들을 따라 요홈영역(40)내부의 가스가 내부로 이동하며, 또한 압력을 발생시키고, 씰링면(32, 33)들사이에서 가스의 쿠션작용이 형성된다.
제2도를 참고할 때, 씰링면(33)의 외측주변부에서 각을 이루며 이격된 사다리꼴의 요홈영역(40)들이 배치되고, 각각의 요홈영역(40)에 구성된 인접한 모서리(B, C)들은 인접한 요홈영역(40)의 모서리(B, C)들로부터 각을 이루며 이격되어 있다.
요홈영역(40)들의 확장구성되는 특징을 고려하여, 씰링면(33)의 외측주변부에서 요홈영역(40)들의 중간위치에는 비요홈영역(51)이 구성된다. 제3도를 참고할 때, 제 1 씰링링(12) 및 제 2 씰링링(20)사이의 부유작용을 개선하기 위하여, 크기가 더 작은 요홈영역(52)이 중간위치의 상기 비요홈영역(51)내에 형성된다 중간에 위치한 상기 요홈영역(52)들은 상기 요홈영역(40)과 모양이 유사하거나 다른 모양일 수 있다. 예를들어, 제3도에 도시된 것과 같이, 중간에 위치한 요홈영역(52)들은 기본적으로 사다리꼴(ABCD)구조이고, 각각의 요홈영역들은 각각의 방향으로 회전할 때, 부유작용을 방생시키는 단지 한 개의 트레일링변부(trailing edge)(AB) 또는 트레일링변부(CD)를 제공한다.
제4도의 실시예를 참고할 때, 일반적으로 사다리꼴로 형성되고 서로 연결된 두 개의 영역(ABCD, A'B'C'D')들에 의해 요홈영역(40)이 구성된다. 영역(ABCD)이 씰링면(33)의 외측주변부로부터 연장구성되고, 변부(AD)가 요홈영역(40)에 대해 개구부를 형성하며, 영역(A'B'C'D')이 변부(BC)의 중심으로부터 연장구성되고, 변부(A'D')가 영역(ABCD)으로부터 개구부를 형성한다. 각각의 시계방향 및 반시계방향으로 회전운동할 때, 요홈영역(40)의 상기 형상은 트레일링변부(AB, A'B') 및 트레일링변부(CD, C'D')에 의해 형성되는 두 개의 벽들을 제공한다.
제5도에 도시된 실시예에 있어서, 주어진 단위면적에 대하여 트레일링변부들 및 부유점들의 갯수를 증가시키기 위하여, 제2도 및 제4도를 참고로 설명된 모양의 영역을을 조합하여 요홈영역(40)들이 구성된다.
상기 실시예들에 의해, 각각의 방향으로 부유작용을 형성하는 두 개의 벽들이 대칭을 이루는 요홈영역에 제공되어, 회전방향에 상관없이, 동일한 부유작용이 형성된다.
일부 적용예들에 있어서, 한쪽 회전방향의 부유작용은 다른 한쪽 회전방향의 부유작용과 동일한 필요는 없다. 예를 들어, 압축기(compressor)에 있어서, 압축기가 제 1 회전방향으로 작동할 때, 씰링면(32)으로부터 떨어진 제 2 씰링링(20)의 단부상에 작용하고 씰링되는 유체에 의해 가해지는 하중 및 스프링(30)에 의해 가해지는 하중을 대항하는 충분한 부유작용이 씰링장치의 요홈영역들에 제공되어야 한다. 반면에 반대방향으로 회전시, 지속작용(duration) 및 속도는 더 작아져서, 부유작용이 작게 형성될 수 있다. 트레일링변부들에 의해 형성되는 벽의 회전방향에 대한 경사부 및 상기 벽의 갯수 및 길이에 따라, 요홈영역(40)에 의해 형성되는 부유크기가 변화한다.
제6도에 도시된 실시예에 있어서, 각각의 회전방향에 대하여 서로 다른 갯수의 트레일링변부들 및 부유점들을 가지고 비대칭적인 배열을 제공하도록, 제2도 및 제4도를 참고로 하는 영역들을 조합하여 요홈영역(40)들이 형성된다.
제2도에 도시된 실시예의 수정예를 나타내는 제7도에 있어서, 사다리꼴의 영역(ABCD)을 구성하는 벽들의 경사부 및 삼각형(EFG)의 랜드가 변화되고, 예를 들어 각각의 방향으로 회전시 얻어지는 부유작용을 조정하기 위하여, 트레일링변부(AB)로 형성된 벽은 시계방향의 회전운동에 대해 165의 경사를 이루며, 트레일링변부(CD)로 형성된 벽은 반시계방향의 회전운동에 대해 145의 경사를 이룬다.
본 발명의 범위내에서 다양한 수정예들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 실시예에 있어서, 축(10)과 함께 회전하는 제 2 씰링링(12)의 씰링면내에 요홈영역(40)들이 제공되는 반면에, 요홈영역(40)들은 선택적으로 정지된 씰링링내에 제공되어, 평평한 회전씰링링에 대한 가스분자들의 운동저항에 의하여, 가스분자들은 정지된 씰링링내에서 요홈영역들의 트레일링변부들을 따라 이동하게 된다. 선택적으로 씰링면의 외측주변부에 위치한 댐형성부가 씰링면의 내측주변부에서 요홈영역에 제공될 수 있고, 또한 내측주변부 및 외측주변사이에 위치한 연속적인 댐형성부가 씰링면의 내측주변부 및 외측주변부에서 요홈영역에 제공될 수 있다.
상기 실시예에 있어서, 삼각형 또는 사다리꼴의 요홈영역들이 공지된 반면에, 각각의 회전방향을 위한 소요 트레일링변부를 가진 벽들을 제공하는 다른 형상들 또는 형상들을 조합한 요홈영역들이 이용될 수 있다. 제3도를 참고로 설명된 것처럼, 본 발명을 따르는 요홈영역들은 각각의 회전방향으로 단지 한 개의 트레일링변부를 제공하는 다른 요홈영역들과 조합하여 이용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 상대회전운동이 가능한 한쌍의 축(10) 및 하우징(11)사이에 제공되고, 회전되지 않도록 장착되고 상기 축(10)에 대해 씰링상태가 이루어지는 제 1 씰링링(12)과, 회전되지 않도록 장착되고 상기 하우징(11)에 대해 씰링상태가 이루어지는 제 2 씰링링(20)으로 구성되며, 상기 제 2 씰링링(20)은 상기 제 1 씰링링(12)과 축방향배열을 이루며 장착되고, 제 1 씰링링(12)의 씰링면(33)에 탄성하중을 주어 씰링면(33)이 제 2 씰링링(20)의 씰링면(32)과 축방향씰링결합을 이루기 위한 스프링(30)이 제공되며, 제 1 씰링링(12)의 원주부분에서 각을 이루며 이격된 복수개의 요홈영역(40)들이 상기 제 1 씰링링(12)의 씰링면(33)에 구성되고, 요홈영역(40)은 씰링면(33)의 한쪽 변부에 대해 개방되며, 씰링면(33)의 다른한쪽 변부와 요홈영역(40)사이에 연속적인 원형의 댐형성부(41)가 제공되는 기계식 면 씰링장치에 있어서, 한쪽방향의 회전운동에 대한 두 개이상의 트레일링변부(AB, EF)가 각각의 요홈장착(40)에 구성되고, 상기 트레일링변부(AB, EF)들은 씰링면(33)내에서 상기 한쪽방향의 회전운동에 대해 둔각의 경사각(,')을 형성하는 벽으로 형성되며, 반대쪽방향의 회전운동에 대한 두 개이상의 트레일링변부(CD, EG)가 각각의 요홈영역(40)에 구성되고, 상기 트레일링변부(CD, EG)들은 씰링면(33)내에서 상기 반대쪽방향의 회전운동에 대해 둔각의 경사각을 형성하는 벽으로 형성되며, 각각의 회전방향에 대해 트레일링변부(AB, EF, CD, EG)가 씰링면(33)의 원주방향으로 연장구성된 횡방향의 변부(BE, GF, EC)들에 의해 구성이 끝나는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  2. 제1항에 있어서, 씰링면(33)의 내측원주부 및 외측원주부에 요홈영역(40)이 제공되고, 연속적인 댐 형성부(41)가 이들사이에 구성되는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  3. 제1항에 또는 제2항에 있어서, 요홈영역(40)들은 대칭구조를 형성하여, 양쪽방향의 회전운동에 대해 동일한 부유작용을 발생시키는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  4. 제3항에 있어서, 요홈영역(40)들에는 동일갯수의 트레일링변부(AB, EF, CD, EG)들이 제공되고, 회전방향에 대해서 씰링면(33)내부의 트레일링변부(AB, EF, CD, EG)들의 경사부가 짝을 이루는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  5. 제4항에 있어서, 요홈영역(40)들은 사다리꼴의 영역(ABCD)으로 구성되며, 길이가 더 작은 변부(AD)가 씰링면(33)의 변부에 의해 형성되고, 삼각형(EFG)의 랜드가 댐형성부(41)로부터 사다리꼴의 영역(ABCD)으로 대칭을 이루며 연장구성되며, 사다리꼴의 영역(ABCD)내부에 배치된 삼각형(EFG)의 모서리(F, G)들은 사다리꼴의 영역(ABCD)에 구성되고 경사진 트레일링변부(AB, CD)들로부터 이격된 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  6. 제4항에 있어서, 사다리꼴의 영역(ABCD) 및 영역(ABCD)과 대칭적으로 위치하는 사다리꼴의 영역(A'B'C'D')으로 요홈영역(40)이 구성되고, 상기 영역(ABCD)의 짧은 변부(AD)가 씰링면(33)의 변부에 의해 형성되며, 사다리꼴을 이루는 영역(A'B'C'D')의 짧은 변부(A'D')가 영역(ABCD)의 긴 변부(BC)와 일치하여 상기 영역들의 연결부가 제공되는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 요홈영역(40)은 비대칭적인 구조를 가져서, 각각의 방향으로 회전할 때 서로다른 부유작용을 형성하는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  8. 제7항에 있어서, 각 방향의 회전운동에 대한 트레일링변부(AB, EF, CD, EG)의 갯수, 각 방향의 회전운동에 대한 트레일링변부(AB, EF, CD, EG)의 길이 및 회전방향에 대한 트레일링변부(AB, EF, CD, EG)의 경사각이 다른 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  9. 제7항에 있어서, 요홈영역(40)은 사다리꼴의 영역(ABCD)으로 구성되고, 삼각형(EFG)의 랜드가 댐형성부(41)로 부터 영역(ABCD)으로 연장구성되며, 사다리꼴의 영역(ABCD)에 의해 트레일링변부(AB, EF, CD, EG)가 형성되고, 씰링면(33)내에서 각각의 회전방향들에 대하여 삼각형(EFG)의 랜드가 서로다른 각도의 경사를 형성하는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 요홈영역(40)들은 사다리꼴을 이루는 복수개의 영역들로 구성되고, 사다리꼴을 형성하는 한 개이상의 영역이 씰링면의 변부를 향해 개방되며, 각각의 영역들은 사다리꼴을 형성하는 한 개이상의 다른 영역들과 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  11. 제1항에 있어서, 씰링면(33)의 주변부주위에서 복수개의 요홈영역(40)들이 각을 이루며 이격되게 배치되고, 동일한 형상 또는 다른 형상을 가진 요홈영역(52)이 상기 요홈영역(40)들사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  12. 제1항에 있어서, 요홈영역(40)을 구성하는 트레일링변부(AB, EF, CD, EG)가 각각의 회전방향에 대하여 175내지 145의 경사각(,')으로 경사를 형성하는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
  13. 제1항에 있어서, 요홈영역(40)을 구성하는 트레일링변부(AB, EF, CD, EG)가 각각의 회전방향에 대하여 165내지 145의 경사각(,')으로 경사를 형성하는 것을 특징으로 하는 기계식 면 씰링장치.
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