KR100363865B1 - 폴리테트라플루오로에틸렌베어링라이너가삽입된폴리에테르에테르케톤베어링 - Google Patents

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Abstract

사실상 PTFE를 삐져나오게 하기에 충분한 작동압력을 받는 로터리 밸브 축들(14)에 사용하기 위한 슬리이브 베어링은 바람직하게는 PEEK로 이루어진 원통형 비금속 베어링 재킷(11)을 구비한다. 상기 베어링 재킷은 대응하는 링상의 공동 끝단 립들(22, 24) 사이에 한정된 원통형 내부 공동(20)을 가지며, 상기 공동에는 원통형 PTFE 라이너(12)가 배치된다. 원통형 비금속 베어링 재킷의 내주면상의 링상의 공동 ㄱ단 립들은 립 표면쪽으로 안쪽으로 뻗어 있고, 상기 끝단 립 표면의 직경은 조절밸브의 로터리 축(14)의 직경보다 약간 크다. 라이너(12)가 베어링 재킷(11)에 부착되도록 적당한 접착제가 사용된다. 공동 끝단 립들은 만약 접착제의 성능이 저하되면 라이너를 그 위치에 유지시킨다. 끝단 립의 구조와, 끝단 립들과 로터리 축과의 사이의 작은 간극은 PTFE가 삐져나오기 전에 다른 PTFE 베어링 구조에서 보다 더 큰 부하를 PTFE가 받도록 할 수 있다. 상기 PTFE 라이너가 PTFE가 삐져나오기 시작한 후, 상기 작은 간극에 의하여 어떠한 과부하를 받은 PTFE가 비금속 베어링 재킷의 공동(20) 내에서 유지될 수 있다.

Description

폴리테트라플루오로에틸렌 베어링 라이너가 삽입된 폴리에테르에테르케톤 베어링
금속 베어링 재킷들 또는 다른 금속 지지층들을 가진 베어링재로서 폴리테트라플루오로에틸렌(이하 "PTFE"라 한다)의 사용이 제안되어 있다. 예컨대, "플루오로카본 슬리이브 베어링"이란 명칭으로 된 미국 특허번호 3,033,623에는, 금속 하우징을 가진 PTFE 베어링이 개시되어 있는데, 이 금속 하우징은 베어링의 면적에 걸쳐 사실상 균일한 두께의 손쉽게 제거가능한 슬리이브가 내부에 배치되는 보어를 가지는 하우징 또는 본체로 이루어진다. 적층구조로 된 상기 슬리이브는 PTFE와 같은 저마찰계수를 가지는 내마모성 합성 플라스틱으로 된 표면을 가지고 있다. 이 내마모성 합성 플라스틱은 얇은 층을 형성하며, 원주방향으로 견고한 금속 지지층 또는 반경방향으로 충분히 유연성있는 시트에 견고하게 고정됨으로써, 베어링 보어 직경 및 진원도(roundness;眞圓度)는 상기 하우징 보어의 직경 및 형상에 의하여 좌우된다. 저마찰계수를 가진 내마모성 합성 플라스틱용 상기 금속 지지체(backing)는 실린더 내에 형성되어 하우징의 보어에 배치될 때 바로 그 두께에 의하여 원주방향으로 견고하게 됨으로써, 상기 적층 라이너 부분은 작동중 원주방향으로 주름이 잡히는 일이 없게 되며, 만약 그렇지 않을 경우에는 축과 하우징 사이에 삽입되었을 때 변형된다. 상기 금속 지지체는 보어 및 하우징의 표면과 정확하게 일치하도록 충분히 유연성이 있음으로써 내마모성 합성 플라스틱의 마찰면으로부터 발생하는 열의 발산이 좋아지고, 또한 정확한 치수의 하우징 보어가 획득된다.
그러나, 이러한 종래의 PTFE 베어링에 있어서는, 유체조절밸브용 로터리 축 슬리이브 베어링에 공통되는 실질적인 작동부하압력이 걸릴 때, 상기 PTFE 베어링 표면은 저온유동점(450 ℉ 또는 232℃의 시스템 온도에서 대략 500psi 또는 3448KPa)에서 파단되어 금속 베어링 재킷과 밸브 축과의 사이로부터 삐져나옴으로써 베어링의 손상이 야기된다.
게다가, 이러한 종래 PTFE 베어링의 구조에 있어서는, 유체조절밸브의 정상작동중 상기 PTFE 베어링의 금속 지지체 또는 하우징 부재들이 유체조절밸브의 로터리 축에 접촉함으로써 스코어링(scoring), 시이징(seizing) 또는 축의 다른 손상을 야기할 가능성이 컸었다. 이와 같은 일이 일어나면 그 결과 밸브의 성능이 저하되거나 작동이 불가능하게 될 것이다.
다른 선행기술로서는 완전히 폴리에테르에테르케톤("이하 PEEK"라 함)만으로 유체조절밸브들의 로터리 축용 슬리이브형 베어링을 제조하는 기술이 알려져 있다. 이 제조기술은 베어링이 높은 작동부하압력을 받을 때 일어나는 로터리 축 손상 문제를 피할 수는 있지만, 그러한 베어링들은 열등한 마찰계수 및 내마모 특성을 나타낸다.
따라서, 사용하기 쉽고, 저마찰력, 저비용, 양호한 화학적 안정성, 향상된 베어링 부하 용량 및 향상된 동작수명 특성을 가지는 유체조절밸브의 로터리 축용 베어링의 제공이 필요하다.
[발명의 요약]
본 발명에 따르면, 과부하로 PTFE가 삐져나오기에 충분하 로터리 축을 가지는 유체조절밸브에 사용하기 위한 베어링이 제공된다. 상기 베어링은 대응하는 링상(annular)의 공동 끝단 립(lip)들 사이에서 한정되는 원통형 내부 공동 가지는 원통형 비금속 베어링 재킷을 구비하고, 상기 공동에는 원통형 라이너가 배치된다. 상기 원통형 비금속 베어링 재킷은 바람직하게는 PEEK로 이루어진다.
상기 라이너는 저마찰계수를 가지는 내마모성 합성 플라스틱인 PTFE로 이루어진다. 이 PTFE 라이너는 또한 과부하로 PTFE가 삐져나오기에 충분한 작동압력하에서 라이너에 대하여 축이 회전가능하도록 유체조절밸브의 로터리 축을 감싸는 크기로 되어 있다. 상기 라이너는 또한 그 전체 길이에 걸쳐 균일한 두께로 이루어짐으로써 안착되었을 때 대응하는 링상의 공동 끝단 립들 사이의 비금속 베어링 재킷의 원통형 내부 공동에서 유지되고, 상기 라이너의 직경은 상기 공동 내에서 어떤 과부하를 받은 PTFE를 유지하기 위하여 상기 공동 끝단 립들의 내주면의 직경과 일치한다. PTFE 라이너 및 끝단 립들의 내경은 사실상 서로 동일하다.
적당한 접착제에 의하여 상기 라이너는 베어링 재킷에 부착된다. 공동 끝단 립들은 만약 상기 접착제가 성능을 잃으면 라이너를 그 위치를 유지시킨다.
PEEK로 비금속 베어링 재킷을 만드는 것이 바람직하지만, 다른 비금속 재료들도 적용될 수 있다.
본 발명은 로터리 축용 베어링에 관한 것으로서, 특히 유체조절밸브의 로터리 축용 슬리이브형 베어링에 관한 것이다.
도면에 있어서, 구성요소들 및 부분들과 대응하는 참조부호들을 모든 도면들을 통하여 동일하게 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따라 유체조절밸브의 로터리 축의 둘레에 설치된 삽입 PTFE 라이너를 가진 원통형 비금속 베어링을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 PTFE 라이너를 제외한 도 1의 원통형 베어링 재킷을 나타내는 종단면도이다.
도면에 나타나는 바와 같이, 베어링(10)은 본 발명의 실시예를 나타내는 것으로서, 비금속 베어링 재킷(11)과 유체조절밸브 로터리 축(14)의 둘레의 원통형 PTFE 라이너(12)를 구비한다.
상기 베어링 재킷(11)은 원통형 형상을 하고 있고, 내주면(16)과 외주면(18)을 포함한다. 상기 베어링 재킷(11)의 내주면(16)은 대응하는 링상의 공동 립들(22)(24)과 유체조절밸브 로터리 축(14)과의 사이로 한정되는 원통형 내부 공동(20)을 구비한다. 바람직한 실시예에 있어서 상기 베어링 재킷(11)은 전적으로 PEEK만으로 이루어진다.
상기 링상의 공동 립들(22)(24)은 베어링 재킷(11)의 내주면의 최상단 및 최하단에 배치된다. 상기 링상의 공동 립들(22)(24)은 베어링 재킷(11)의 내주면(16)으로부터 끝단 립 표면들(26)(28)쪽으로 안쪽으로 뻗어있다. 끝단 립 표면들(26)(28)은 유체조절밸브 로터리 축(14)에 가까이 근접해 있다. 즉, 각 끝단 립 표면들(26)(28)의 내경은 로터리 축(14)의 직경보다 단지 조금 더 클 뿐이다. 바람직한 실시예에 있어서, 각 끝단 립 표면(26)(28)의 직경과 로터리 축(14)의 직경과의 사이의 간극 또는 차이는 0.0075inch(0.019cm)와 같거나 이보다 더 작음으로써, 무간극조건이 제공된다.
상기 베어링 재킷(11)의 외주면(18)은 일반적으로 원통형 형상을 하고 있다. 그러나, 외주면(18)의 상단(30)에는 플랜지(32)가 외주면으로부터 뻗어있다.
원통형 PTFE 라이너(12)는 대응하는 링상의 공동 립들(22)(24)과 유체조절밸브 로터리 축(14)과의 사이에 한정되는 원통형 내부 공동(20)에 삽입되는 크기로 되어 있다. 상기 원통형 PTFE 라이너(12)는 PTFE가 삐져나오기에 충분한 작동부하 압력에서 원통형 PTFE 라이너(12)를 가진 유체조절밸브의 사용중 상기 라이너에 대하여 축을 회전시킬 수 있도록 유체조절밸브 로터리 축(14)의 둘레에 놓인다. 상기 라이너(12)를 베어링 재킷(11)에 부착하도록 적당한 접착제가 사용된다.
상기 원통형 PTFE 라이너(12)는 끝단 립들 표면(26)(28)의 직경과 같은 라이너(12)의 내경을 가진 공동 끝단들(22)(24) 사이의 공동(20)에 라이너(12)를 안착시키기에 충분한 두께를 가짐으로써, 유체조절밸브 로터리 축(14)에 PTFE를 삐져나오게 하기에 충분한 작동압력이 정상적으로 걸리면, 과부하를 받은 PTFE는 상기 공동(20), 상기 베어링 재킷(11)의 공동 끝단 립들(22)(24)과 유체조절밸브의 로터리 축(14)의 제한된 영역 내에서 유지된다. 그렇게 제한이 될 때, PTFE에 대한 부하한계는 사실상 상기한 정상적인 유출 저온 유동점 이상으로 증가됨을 알 수 있었다.
작동에 있어서, 유체조절밸브 로터리 축(14)은 베어링의 내주면의 거의 90도 표면 이상으로 원통형 PTFE 라이너(12)와 공동 끝단 립들(22)(24)의 끝단 립 표면들(26)(28)과 접촉하게 된다. 정상 작동하에서는, 공동 끝단 립들(22)(24)의 끝단 립 표면들(26)(28)의 비금속 또는 PEEK 재료 구성은 로터리 축(14)이 스코어링(scoring)되지 않도록 보호한다. 게다가, 공동 끝단 립들(22)(24)과 로터리 축(14)과의 사이에 삽입되었을 때 상기 PTFE 라이너(12)는 PTFE 라이너를 삐져나오게 하기 시작전에 다른 PTFE 베어링 구조들에서보다 더 큰 부하를 받게 된다. 상기 PTFE 라이너(12)가 과부하를 받은 다음에, 공동 끝단 립들(22)(24)의 끝단 립 표면들(26)(28)과, 로터리 축(14)과 원통형 PTFE 라이너(12)와의 사이에서 직접적으로 서로 대응하는 측부 고부하를 받는 지점에 놓인 로터리 축(14)과의 사이의 0.0075inch(0.019cm)의 최대 간극은 어떠한 과부하를 받은 PTFE가 공동(20) 내에서 유지되도록 하기에 충분하다.
본 발명의 베어링은 예컨대 500 ℉ 또는 260℃ 온도에서 600+ psi 또는 4137+ KPa 계(界)들에서 작동되도록 된 로터리 유체조절밸브들에 설치될 수 있다. 그러한 조건들하에서는, 베어링은 공동(20)으로부터의 PTFE의 삐져나옴없이 450 ℉ 또는 232℃ 온도에서 5000+ psi 또는 34475+ KPa의 압력들을 견딜 수 있다.
0.7500인치(1.91cm)의 직경을 가진 로터리 유체조절밸브에 대한 그러한 응용을 위하여, 장기 PEEK 베어링 재킷(11)은 1.25인치(3.18센티미터)의 길이와, 0.904및 0.908인치(2.30 및 2.31 센티미터) 사이의 외경을 가질 수 있다. 베어링 재킷(11)의 내주면(16)의 공동(20)은 1.12인치(2.84센티미터)의 길이와, 0.785 및 0.789인치(1.99 및 2.02센티미터) 사이의 내경을 가질 수 있다. 끝단 립 표면들(26)(28)은 0.752 및 0.756인치(1.91 및 1.92센티미터) 사이의 범위의 직경을 가질 수 있다.
그러한 응용을 위한 원통형 PTFE 라이너(12)는 1.12인치(2.84센티미터)의 길이와, 0.145 및 0.175인치 사이(0.0368 및 0.0445센티미터 사이)의 두께와, 그리고 끝단 립 표면들(26)(28)의 내경과 일치하는 0.752 및 0.756인치 사이(1.91 및 1.92 센티미터 사이)의 내경을 가진 공동(20)에 결합될 수 있다.
전술한 상세한 설명은 단지 명백한 이해를 위하여 이루어졌지만, 여기에만 제한되지 않고, 다른 변형들도 본 발명의 기술적 범위에 명백하게 포함되어야 한다.

Claims (5)

  1. PTFE의 저온 유동점 보다 더 큰 작동 부하 압력을 받는 로터리 축을 갖는 유체제어밸브용 베어링에 있어서,
    유체조절밸브를 사용하는 동안 축이 접하여 회전될 수 있도록 로터리 축 주위에 제공되는 PTFE의 저온 유동점 보다 더 큰 작동 부하 압력을 갖는 원통형 PTFE 라이너;
    내주면이 형성되고, 상기 라이너를 수용하기 위하여 상기 로터리 축의 직경보다 약간 큰 직경을 가지며, 내주면을 따라 안쪽으로 연장되어 마주하는 환형 중공 단부립들 사이에 형성되는 원통형 내부 중공부를 포함하는 원통형 비금속 베어링 재킷; 및,
    상기 PTFE의 저온 유동점 보다 더 큰 작동 압력 하에 상기 로터리 제어밸브에 대하여 과부하를 받는 PTFE가 상기 베어링 재킷의 중공 단부 립들 사이 중공부내에 수용되도록 상기 단부 립들 면의 직경에 상응하는 내경을 갖는 상기 중공 단부 립들 사이 상기 중공부에 수용되는 원통형 PTFE 라이너를 포함하는 폴리테트라플루오로에틸렌 베어링 라이너가 삽입된 폴리에테르에테르케톤 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 베어링 재킷은 플루오로카본으로 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리테트라플루오로에틸렌 베어링 라이너가 삽입된 폴리에테르에테르케톤 베어링.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 베어링 재킷은 PEEK로 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리테트라플루오로에틸렌 베어링 라이너가 삽입된 폴리에테르에테르케톤 베어링.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단부 립 표면과 로터리 축과의 사이의 간극은 0.0075인치보다 작거나 같음을 특징으로 하는 폴리테트라플루오로에틸렌 베어링 라이너가 삽입된 폴리에테르에테르케톤 베어링.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 끝단 립 표면과 로터리 축과의 사이에 간극이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 폴리테트라플루오로에틸렌 베어링 라이너가 삽입된 폴리에테르에테르케톤 베어링.
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