KR100472395B1 - 기계적씨일(seal) - Google Patents

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KR100472395B1
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존 크레인 유케이 리미티드
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Abstract

본 발명에 따른 기계적 씨일(seal)은, 하우징(11)에 대하여 밀봉되어지고 고정된 축방향 및 회전방향의 관계로 장착되어진 제 1 밀봉고리(12)와 샤프트(10)에 대하여 축방향으로 움직일 수는 있지만 회전할 수 없게 장착된 제 2 밀봉고리(20)를 포함한다. 상기 제 2 밀봉고리(20)는 벨로우즈 유닛(22)에 의해서 샤프트(10)에 대하여 밀봉되어진다. 벨로우즈 유닛(22)의 한쪽 단부(23)는, 벨로우즈 유닛(22)의 한쪽 단부(25)에 방사상의 하중을 가하여 벨로우즈 유닛의 단부가 구동되게 하고 샤프트(10)의 원주면과 밀봉 연결되게 하는 제 1 드라이브 밴드(30)에 의해 연결되어지고, 벨로우즈 유닛(22)의 다른쪽 단부(25)는 벨로우즈 유닛(22)의 단부(25)에 방사상의 하중을 가하여 벨로우즈 유닛의 단부가 구동되게 하고 제 2 밀봉고리(20)의 원주면과 밀봉 연결되게 하는 제 2 드라이브 밴드(31)에 의해 연결되어진다. 드라이브 밴드(30,31)의 내부 단부들(33)은 지름이 동일하게 구성되어지며, 축방향으로 연장된 축성형태의 요소(34)를 가지며, 한 드라이브 밴드(30)의 축성요소(34)는 다른 드라이브 밴드(31)의 축성요소(34)와 서로 맞물리게 되어서, 드라이브 밴드들(30,31)은 서로 텔레스코프(telescope)식으로 끼워넣어질 수 있고, 비틀링 하중은 벨로우즈 유닛(22)의 단부(23,25) 및 드라이브 밴드(30,31)에 의해서 샤프트(10)와 제 2 밀봉고리(20) 사이에서 작용하게 되어질 수 있다. 스프링(35)은 드라이브 밴드들(30,31) 사이에서 작동하여 상기 밴드들이 비스듬히 기울어져서 분리되게 하고 제 1 및 제 2 밀봉고리(12,20)의 마주보는 밀봉면(36,37)들이 서로 밀봉 연결되게 한다.

Description

기계적 씨일{SEAL}
본 발명은, 제 1 밀봉고리(sealing ring)가 제 1 성분(component)에 대하여 축방향 및 회전방향으로 고정된 관계로 장착되어지고 제 2 밀봉고리는 제 2 성분에 대해 축방향으로 움직일 수 있지만 회전방향으로 고정된 관계로 장착되어지는 기계적 씨일에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 탄성 중합체의 벨로우즈 유닛(elastomeric bellows unit)을 수단으로 제 2 밀봉고리가 제 2 성분에 대해 밀봉되어지는 상기에서 설명된 형태의 기계적 씨일에 관한 것이다.
본 발명의 첫 번째 실례에 따르면, 한 쌍의 상대 회전가능한 성분들 사이에서 유체가 누설되지 못하게 단단히 밀봉하기 위한 기계적 씨일은 제 1 성분에 대하여 축방향 및 회전방향으로 고정되게 장착되어지고 밀봉되어지는 제 1 밀봉고리와 제 2 성분에 대하여는 고정된 회전방향의 관계로 장착된 제 2 밀봉고리로 이루어지는데, 상기 제 2 밀봉고리는 탄성 중합체의 벨로우즈 유닛에 의해 상기 제 2 성분에 대해 밀봉되어지며, 따라서 제 2 밀봉고리는 축방향으로 움직일 수 있게 된다. 본 발명의 장치는 한 쌍의 관형 드라이브 밴드(tubular drive band)가 서로에 대해 축방향으로 이격되어지며 벨로우즈 유닛과 동축(coaxial)으로 장착되어지고, 한쪽 드라이브 밴드의 외측 단부는 벨로우즈 유닛의 한쪽 단부와 연결되고 거기에 방사상의 하중을 가하여 벨로우즈 유닛의 단부가 제 2 성분의 원주면과 밀봉 연결되고 구동되도록 하며, 다른쪽 드라이브 밴드의 외측단부는 벨로우즈 유닛의 다른쪽 단부와 연결되고 그 단부에 방사상의 하중을 가하여 벨로우즈 유닛의 단부가 제 2 밀봉고리의 원주면과 밀봉 연결되고 구동되도록 하고, 드라이브 밴드의 내부 단부들은 지름이 동일하게 구성되며 축방향으로 뻗어있는 축성요소(castellation)를 가지며, 한쪽 드라이브 밴드의 상기 축성요소는 다른쪽 드라이브 밴드의 축성요소와 서로 맞물려서, 드라이브 밴드들이 텔레스코프(telescope)식으로 되어질 수 있으며, 벨로우즈 유닛의 단부들과 드라이브 밴드들에 의해서 제 2 성분과 제 2 밀봉고리 사이에서 비틀림 하중(torsional load)이 가해질 수 있고, 드라이브 밴드들 사이에서 작용하는 탄성장치(resilient means)는 드라이브 밴드들이 비스듬히 기울어져서 분리되도록 하고 제 1 및 제 2 밀봉고리의 마주보는 밀봉 면들이 밀봉 연결되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 선호적인 실시예에 따르면, 벨로우즈 유닛의 단부들은 비교적 두꺼운 단면이고 상대적으로 얇고 유연성이 있는 중심부(central portion)에 의해 상호 연결되어진다. 축방향으로 이완된 상태(relaxed comdition)에서, 상기 중심부는 제 2 성분과 맞물린 인접한 지름부분으로부터 제 2 성분에 고정된 그 단부로부터 연장되고 제 2 밀봉고리에 고정된 면에 인접한 제 2 밀봉고리에 고정된 단부까지 연장되어지는 일반적인 원통형으로서, 따라서 그 작동길이(working length)로 축방향으로 압축되어질 때, 제 2 밀봉고리에 인접한 벨로우즈의 중심부는 밀봉고리의 배면과 맞물리게 되고 제 2 성분에 대하여 아래로 눌러지며 주름진 부분이 없게 평활한 면을 형성하도록 변형되어지게 된다.
따라서 제 2 성분으로부터 멀리 떨어진 벨로우즈 유닛의 측면 상에 가해지는 유압(fluid pressure)을 견딜 수 있도록, 벨로우즈의 중심부는 제 2 성분에 대하여 지지되어지게 된다. 나아가 만일 압력이 제 2 성분과 벨로우즈 유닛 사이에 가해진다면, 텔레스코프식으로 끼워넣어진 드라이브 밴드가 벨로우즈 유닛의 중심부를 지지하며, 중심부가 부풀지 못하게 하고 밀봉상태를 유지하도록 한다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면과 관련하여 예시로서 설명되어진다.
첨부도면에서 도시된 바와 같이, 샤프트(shaft, 10)와 하우징(housing, 11)사이에 유체가 누설되지 못하게 밀봉부를 만드는 기계적 씨일은, 하우징(11) 내의 환형 리세스(annular recess, 13) 내에 장착되어지고 탄성중합체 밀봉고리(elastomeric sealing ring, 14)에 의해 상기 리세스에 대해 밀봉되어지는 제 1 밀봉고리 또는 시트(seat) (12)를 포함한다. 상기 밀봉고리(14)는 하우징(11)에 대하여 회전가능하도록 시트(12)를 배치하는데도 사용되어진다.
제 2 밀봉고리(20)는 벨로우즈 조립체(bellows assembly, 21)에 의해서 샤프트(10)에 대해 밀봉되어진다. 상기 벨로우즈 조립체(21)는 제 1 단부(23), 비교적 얇고 유연한 중심부(27) 그리고 제 2 단부를 가지는 탄성중합 벨로우즈 유닛(22)을 포함한다. 상기 제 1 단부(23)는 샤프트(10)의 원주를 둘러싸는 내부 지름(24)을 가진다. 상기 제 2 단부(25)는 밀봉고리(20)의 외부지름과 관련되는 내부 지름(26)을 가진다. 상기 중심부(27)는, 단부(25)의 내부 지름(26)에서 단부(25)와 연결되도록, 다른 단부 부분(23)의 인접한 내부 지름(24)으로부터 연장되며 다른쪽 단부(25)를 향하여 바깥쪽으로 벌려지는 일반적으로 원통형 구조로 만들어진다.
한 쌍의 관형 드라이브 밴드(tubular drive band, 30,31) 각각은 지름이 긴 단부(32)와 지름이 더 작은 부분(33)으로 이루어진다. 상기 드라이브 밴드(30,31)의 더 작은 지름부분(33)은 지름이 동일하게 만들어지고 축방향으로 연장되는 축성 형태의 요소(castellation, 34)가 제공되어진다. 각각의 드라이브 밴드(30,31) 상의 축성 형태의 요소(34)는 동일한 너비(width)를 가지며, 각각의 드라이브 밴드(30,31) 상의 축성 요소(34)의 너비는 축성 요소들(34) 사이의 간격(35)들과 같거나 또는 약간 작게 된다.
드라이브 밴드들(30,31)은 벨로우즈 유닛(bellows unit,22)과 동축(coaxial)으로 장착되어진다. 상기 드라이브 밴드(30)의 더 큰 지름부분(32)은 벨로우즈 유닛(22)의 단부(23)의 외부 지름과 결속되고, 상기 단부부분(23)을 샤프트(10)와 밀봉 연결되게 방사상으로 누르며 또한 샤프트에 대해 회전가능하게 배치한다. 이와 유사하게, 드라이브 밴드(31)의 더 큰 지름부분(32)은 벨로우즈 유닛(22)의 단부부분(25)의 외부 지름과 결속되고, 상기 단부부분(25)을 밀봉고리(20)의 외부 지름과 밀봉 연결되게 방사상으로 누르며 또한 단부부분(25)에 대해 회전가능하게 밀봉고리(20)를 배치시킨다.
드라이브 밴드(30,31)의 더 작은 지름부분들(33)은 서로를 향하도록 배치되어지고, 텔레스코프(telescope) 식으로 어느 드라이브 밴드(30)의 축성요소(34)는 다른 드라이브 밴드(31)의 축성요소(34)와 맞물리게 된다. 따라서 밀봉고리(20)에 가해지는 비틀림 하중(torsional lead)은 샤프트(10)로부터 벨로우즈 유닛(22)의 단부(25), 드라이브 밴드(31), 다른 드라이브 밴드(30) 그리고 벨로우즈 유닛(22)의 다른 단부(23)를 경유하여 전달되어지게 된다.
나선형 압축 스프링(helical compression spring, 35)은 드라이브 밴드(30,31)의 더 큰 지름 부분들(32) 사이에서 작동하여, 드라이브 밴드들이 분리되게 하고 밀봉고리(20) 상의 밀봉면(sealing face, 36)이 시트(12) 상에서 다른 밀봉면(37)과 밀봉 결속되게 한다.
벨로우즈 조립체(21)는, 샤프트(10) 상의 원주 둘레의 그루브(groove, 41) 내에 결속되는 서클립(circlip, 40)과 스러스터 와셔(thrush washer, 42)에 의해 샤프트(10)에 대해 축방향으로 위치되어진다. 환형 리세스가 드라이브 고리(30)와 샤프트(10) 사이에서 방사적으로 압축되어짐에 따라, 단부부분(23)의 축방향 팽창을 허용하고 샤프트 상으로 벨로우즈의 균등한 방사상 하중을 가하도록, 환형 리세스(annular recess, 43)는 벨로우즈 유닛(22)의 단부부분(23)의 단부면 내에 제공되어진다.
벨로우즈 조립체(21)가 서클립(40)과 시트(12) 사이에서 그 작동 길이(working length)로 압축되어질 때, 벨로우브 유닛(22)의 중심부(27)가 밀봉 고리(20)의 배면(50)과 맞물리고 샤프트(10)에 대하여 아래로 눌러지도록 변형되어져서 도 1에서 도시된 바와 같이 구불구불한 주림이 없는 평활한 면을 형성하도록, 밀봉 고리(20)의 배면(50)이 형상화되어진다. 따라서 가압하의 유압(fluid)이 벨로우즈 유닛(22)의 외부 지름에 제공되어질 때, 벨로우즈 유닛(22)의 유연한 중심부(27)는 샤프트(10)에 대하여 지지되어지게 된다. 벨로우즈 유닛(22)의 변형을 유도하는 것 이외에도, 밀봉고리(20)의 형상화된 배면(50)은 벨로우즈 유닛을 절단하거나 파손시킬 수도 있는 뾰족한 모서리는 형성하지 않으며 또한 벨로우즈 유닛 내의 응력(stress)을 감소시킨다.
밀봉고리(20)와 시트(12)의 각각의 밀봉면(36,37)의 마모(wear)를 조절할 수 있도록 하기 위하여, 밀봉고리(20)의 배면(50)에 대하여 변형되어질 수 있는 벨로우즈 유닛(22)의 부분과 텔레스코프식으로 끼워넣어진 성질을 가지는 드라이브 밴드(30,31)들은 밀봉고리(20)가 샤프트(10)에 대하여 축방향으로 움직일 수 있도록 한다.
만일 벨로우즈 유닛(22)의 내부 지름에 유압(fluid pressure)이 가해진다면, 이때 드라이브 밴드(30,31)의 텔레스코프된 더 작은 지름부분(33)은 벨로우즈 유닛(22)의 중심부(27)를 지지하고, 그것이 바깥쪽으로 부풀려지는 것을 방지하고 밀봉 상태를 유지한다.
본 발명의 밀봉고리(12,20)는 예를 들어 탄소/흑연-금속, 세라믹 또는 세라믹 코팅된 물질 또는 금속-세라믹 또는 세라믹-세라믹 등과 같이 기계적 씨일에서 일반적으로 사용되어지는 종래의 결합물질로 만들어질 수도 있다. 적절한 탄성 중합체의 조성물이 벨로우즈 유닛에 사용되어질 수도 있다. 비록 바른 금속 또는 강성 플라스틱 물질이 사용되어질 수도 있지만, 드라이브 밴드들은 스테인레스 강(stainless steel)으로 만들어지는 것이 선호되어진다.
본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 다양한 변형이 만들어질 수도 있다. 예를 들어, 시트(seat, 12)는 'O' 링 또는 PTFE 링을 사용하는 다른 종래의 방법으로도 하우징(11)에 대하여 밀봉되어질 수도 있다. 또한, 하우징(11)에 대하여 회전적으로 시트(12)를 배치하는데 마찰을 이용하기 보다는, 시트(12)와 하우징(11) 사이에서의 회전을 방지하기 위하여 이들이 맞물리도록 하나 또는 그 이상의 핀들이 제공되어질 수도 있다.
상기의 실시예에 있어서 벨로우즈 조립체(21)는 서클립(41)에 의해 샤프트(10)의 축 방향으로 배치되어지지만, 벨로우즈 조립체(21)를 배치하는 다른 종래의 방법도 사용되어질 수도 있다. 예를 들어 벨로우즈 조립체(21)는 적절한 방법으로 샤프트에 고정되어진 칼라 또는 슬리브 형성부 또는 샤프트 상의 쇼울더 형성부에 인접하여 배치될 수도 있다.
상기 실시예에 있어서, 벨로우즈 조립체(21)는 샤프트(10) 상에 장착되어지고 시트(12)는 하우징(11)에 장착되어지나, 벨로우즈 조립체(21)가 하우징에 대하여 대안적으로 장착되어질 수도 있고 시트(12)는 샤프트에 대하여 장착되어질 수도 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 기계적 씨일의 부분 측단면도.
도 2 는 도 1에 도시된 기계적 씨일의 벨로우즈 조립체(bellows assembly)의 부분 측단면도.
도 3 은 이완 상태에 있는, 도 1에서 도시된 기계적 씨일의 벨로우즈 유닛의 단면도.
도 4 는 벨로우즈 유닛이 내부 가압되어있는 도 1과 유사한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 샤프트 11 : 하우징
12 : 제 1 밀봉고리 13,43 : 환형 리세스
14 : 탄성 밀봉고리 20 : 제 2 밀봉고리
21 : 벨로우즈 조립체 22 : 탄성 벨로우즈 유닛
23 : 벨로우즈 유닛의 제 1 단부 24 : 23의 내부 지름
25 : 벨로우즈 유닛의 제 2 단부 26 : 25의 내부 지름
27 : 벨로우즈 유닛의 중심부 30,31 : 드라이브 밴드
32,33 : 드라이브 밴드의 지름 34 : 축성 형태 요소
35 : 압축 스프링 36,37 : 밀봉면
41 : 그루브 42 : 와셔
50 : 20의 배면

Claims (11)

  1. 제 1 성분(11)에 대해 밀봉되어지며 축방향 및 회전방향으로 고정되어지게 장착된 제 1 밀봉고리(12)와 그리고 제 2 성분(10)에 대해 회전할 수 없게 장착되어진 제 2 밀봉고리(20)로 이루어지며, 상기 제 2 밀봉고리(20)는 탄성중합체 벨로우즈 유닛(22)에 의해 제 2 성분(10)에 대해 밀봉되어져서 제 2 밀봉고리(20)가 제 2 성분(10)에 대해서는 축방향으로 움직일 수 있는, 한 쌍의 상대 회전가능 성분들(10,11) 사이에서 유체가 누설되지 못하게 막는 밀봉부를 제공하기 위한 기계적 씨일에 있어서,
    한 쌍의 관형 드라이브 밴드(30,31)는 서로에 대해 축방향으로 이격되어지며 벨로우즈 유닛(22)과 동축으로 장착되어지고, 드라이브 밴드(30)의 외측단부(32)는 벨로우즈 유닛(22)의 한쪽 단부(23)와 맞물리며 거기에 방사상 하중을 가하여 그것을 구동시키고 제 2 성분(10)의 원주면과 밀봉 연결되게 하며, 다른 드라이브 밴드(31)의 외측단부(32)는 벨로우즈 유닛(22)의 다른 단부(25)와 연결되며 거기에 방사상 하중을 가하여 그것을 구동시키고 제 2 밀봉고리(20)의 원주면과 밀봉 연결되게 하고, 드라이브 밴드(30,31)의 내부 단부(33)들은 지름이 동일하게 구성되며 축방향으로 뻗어있는 축성 형태의 요소(34)들을 가지며, 드라이브 밴드(30)의 축성요소(34)는 다른 드라이브 밴드(31)의 축성요소(34)와 맞물려서, 드라이브 밴드(30,31)가 텔레스코프식으로 끼워넣어지고, 벨로우즈 유닛(22)의 단부(23,25)와 드라이브 밴드(30,31)에 의해서 비틀림 하중이 제 2 성분(10)과 제 2 밀봉고리(20) 사이에 작용되어질 수 있으며, 탄성장치(35)가 드라이브 밴드(30,31) 사이에 작용하여 그것들을 비스듬히 기울여 분리되게 하고 제 1 및 제 2 밀봉고리(12,20)의 마주보는 밀봉면(36,37)이 밀봉 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 벨로우즈 유닛(22)은 비교적 얇고, 유연성이 있는 중심부(27)에 의해 서로 연결되어진 한 쌍의 단부들(23, 25)로 구성되는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  3. 제 2 항에 있어서, 벨로우즈 유닛(22)이 그 작동 길이로 압축되어질 때, 상기 벨로우즈 유닛(22)의 중심부(27)는 제 2 밀봉 고리(20)의 배면(50)에 대하여 변형되어지고 2 성분(10)과 연결되어져서, 주름이 없게 평활하게 형성되는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 밀봉고리(20)의 배면(50)은 측면을 형성하는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 성분(11)은 하우징이며 제 2 성분(10)은 샤프트인 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  6. 제 5 항에 있어서, 벨로우즈 유닛(22)은, 샤프트(10)와 연결된 내부 지름부(24)를 가진 제 1 단부 부분(23)과, 제 2 밀봉고리(20)의 외부 지름부와 맞물린 내부 지름부를 가지는 제 2 단부(25)와 그리고 비교적 얇은 유연성이 있는 중심부(27)로 이루어지며, 상기 중심부(27)는 일반적으로 제 1 단부의 내부 지름부(24)와 인접한 제 1 단부 부분(23)로부터 연장되는 원통형이고, 제 2 단부 부분(25)과 인접한 중심부(27)의 단부는 바깥쪽을 향하여 벌려지고 제 2 단부의 내부 지름부에서 제 2 단부 부분(25)에 연결되어지는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  7. 제 6 항에 있어서, 드라이브 밴드들(30, 31)이 외부 단부들(32)은 벨로우즈 유닛(22)의 제 1 및 제 2 단부 부분들(23.25)의 외부 지름부와 맞물리는 확대된 지름을 가지는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  8. 제 7 항에 있어서, 나선형 압축 스프링(35)은 드라이브 밴드들(30, 31)의 확대된 지름을 가지는 단부 부분(33) 사이에 작용하여 그것들을 비스듬히 기울여 분리되게 하는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 샤프트(10) 상에서 원주 둘레의 그루브(41) 내에 결속되는 서클립(40)과 스러스터 와셔(42)에 의해서, 또는 샤프트 상의 쇼울더 형성부, 또는 샤프트에 결속된 칼라 또는 슬리브 부재에 의해서, 벨로우즈 유닛(22)은 샤프트(10) 상에서 축방향으로 배치되어지는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  10. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 유압이 벨로우즈 유닛(22)의 내부 지름부에 가해질 때, 벨로우즈 유닛(22)의 중심부(27)는 텔레스코프식으로 끼워넣어진 드라이브 밴드(30, 31)의 내부 지름과 맞물리는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제 2 성분(10)과 맞물리는 벨로우즈 유닛(22) 단부(23)의 단부면 내에 환형 리세스(43)가 제공되어지며, 제 2 성분(10)과 연결되게 벨로우즈 유닛이 방사상으로 압축됨에 따라 환형 리세스(43)는 벨로우즈 유닛(22) 상기 단부(23)의 축 방향 팽창을 허용하는 것을 특징으로 하는 기계적 씨일
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