KR100688250B1 - 다수(多數)의 C-형 부분환(部分環)(C-type partial ring)을열장이음(Dovetail join) 방식으로 연결하여 나선을 따라감긴 관 형태로 성형한 회전체 동적 밀봉 장치. - Google Patents

Abstract

본 고안은 회전식 가압장치(Rotary compressor)의 고정부 인 하우징(Housing)과 회전부 인 축(Shaft)사이의 밀봉장치 에 관 한 것으로 서 두께가 얇은 금속 판 을 C-형 부분환(C-type partial ring) 형태로 제작하되 부분환의 열린 부분의 양단(兩端)에 열장연결(Dovetail joint)을 할 수 있도록 끝 모양을 성형 하여 다수 의 C-형 부분환 을 연속적으로 열장연결 해 나갈 때 전체 형태가 저절로 나선형관(螺旋形管)(Helical-spring-type-cylinder)가 되도록 성형하여 금속 의 스프링 탄력을 이용하여 압축기의 하우징 과 축 사이의 동적 회전밀봉장치(動的回轉密封)(Dynamic rotary seal) 의 기능을 수행 하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 고안에 의하면 기존의 메카니칼 씰(시판중인 Dynamic rotary seal의 통칭) 과는 달리 어떤 종류의 합성수지도 사용하지 않고 오직 금속 만 으로 밀봉장치를 구성하기 때문에 어떤 고압 하 에서도 변형이 일어나지 않고 어떤 고온 하에서도 변질이 일어나지 않고 반영구적으로 완전무결한 밀봉기능을 수행할 수 있으며 필요에 따라서는 표면에 금도금 을 추가하여 어떤 부식성 물질에 대하여도 영향을 받지 않는 구조로 도 제작 할 수 있으며 또 본 밀봉장치의 주요 특성 가운데 하나로서 현존하는 모든 메카나칼 씰은 하우징에 장착되어 정적밀봉(靜的密封) 기능을 수행하는 정지부와 축에 장착되어 축과 함께 회전하면서 동적밀봉(動的密封) 기능을 수행하는 가동부 로 나뉘어 있는 반면 본 밀봉장치는 단일체(單一

)로 구성되어 하우징에 고정되어 있기 때문에 가동부 라고 부를 수 있는 부분이 없으며 따라 서 본 밀봉장치 는 기능은 동적 밀봉을 작업을 수행하고 있으나 실제로는 정적 밀봉장치와 동일한 구조가 되어있어 현재 이미 완전 무 누설밀봉(Zero leak seal)이 확실히 실시되고 있는 정적밀봉과 동일한 수준 의 무누설 동적밀봉(Zero leak dynamic seal) 이 가능한 밀봉장치라는 특성을 가지고 있다.

C-형 부분환(部分環)(C-type partial ring), 열장연결(Dovetail joint) 회전밀봉장치(Rotary seal), 동적밀봉장치(Dynamic seal), 정적밀봉장치(Static seal), 메카니칼씰(Mechanical seal), 나선형스프링(Helical spring), 탄성합성수지(Elastomer), 축접촉원(Shaft contact circle), 축불접촉원(Shaft free circle), 하우징접촉원(Housing contact circle), 하우징불접촉원(Housing free circle), 축밀봉환(Shaft seal ring), 하우징밀봉환(Housins seal ring), 고정링(Stop ring), 매립링(Insert ring), 팽창수축흡수환(Displacement absorption ring), 압축링(Compression ring), 축(Shaft), 하우징(Housing), 매립홈(Ring groove), 완성밀봉체(Sealing ring).

Description

다수(多數)의 C-형 부분환(部分環)(C-type partial ring)을 열장이음(Dovetail join) 방식으로 연결하여 나선을 따라 감긴 관 형태로 성형한 회전체 동적 밀봉 장치.{Helical spring cylinder type dynamic rotary seal constructed with C-type partial rings which joined by dovetail joint method.}

도-1 은 본 발명품의 제작 제 1 단계에서 엷은 금속판을 가공하여 C-형 부분환 을 제작한 모습이며 부분환 의 열린 양단 에는 열장연결이 가능 하도록 한쪽 끝은 수놈 형태로 성형하고 다른 쪽 끝은 암놈 형태로 성형하여 다수의 C-형 환을 연속적으로 연결 하였을 때 튼튼하게 연결 되도록 한 형태로 만든 것 을 나타 넨 도면.

도-2 는 두 개의 C-형 부분환 을 약간 비틀어 서로 꼬리와 머리의 암수 열장연결이 정확히 이루어지면서 전체적으로는 나선 형태를 성형하여 나가는 과정을 나타 넨 도면.

도-3 은 다수의 C-형 부분환을 열장 연결하여 전체적으로 나선 을 따라 스프링 형식으로 감긴 관 의 형태를 구성한 금속판 탄성 밀봉체 의 원형을 나타 넨 도면.

도-4 는 완성된 나선형 스프링 관 의 내경 과 외경 을 가공하여 완성한 밀봉체 의 부분 절개 도면.

도-5 는 본 발명품의 원리를 설명하기 위하여 단 하나의 축 밀봉환만 나타 넨 도면.

도-6 은 본 발명품 이 실제로 기계에 장착된 단면도.

(도면 의 각 주요 부분에 대한 부호 의 설명)

1-엷은 금속 판 으로 제작한 C-형 부분환.

2-C-형 부분환 의 열장연결용 수놈 형태 의 끝부분(Male).

3-C-형 부분환 의 열장연결용 암놈 형태 의 끝부분(Female).

4-C-형 부분환 의 열장연결 에 의하여 생기는 열장연결선.

5-다수의 C-형 부분환을 열장연결 하여 구축한 나선형 스프링 관.

6-축과 접촉을 할 수 없도록 크게 가공한 축불접촉원.

7-축 과 반드시 접촉 하도록 가공한 축접촉원.

8-하우징 과 반드시 접촉 하도록 가공한 하우징접촉원.

9-하우징 과 접촉 할 수 없도록 작게 가공한 하우징불접촉원.

10-하우징밀봉환.

11-팽창수축흡수환.

12-축밀봉환.

13-축.

14-축 회전방향 표시화살.

15-축밀봉환 이 확장 할 때 움직이는 방향 표시 화살.

16-축 밀봉환 회전방지 가상 멈춤 핀.

17-하우징.

18-하우징 내경.

19-밀봉장치 고정용 매립링.

20-밀봉장치 이동방지 보조 멈춤링.

21-밀봉장치 압축링.

22-밀봉장치 가압 스프링.

23-회전축 의 외경.

24-완성밀봉체.

25-매립홈

발명의 목적 은 제작이 용이하고 성능이 완벽하며 수명이 길며 가격이 저렴한 회전축 밀봉장치의 대량 생산 공급 이다.

회전하는 축 에 설치한 가압기구(加壓機構)의 기능에 의하여 압력을 발생하는 장치에서 축 이 회전 함 으로서 장치의 내부에 고압이 발생할 때 그에 따라 장치의 정지부 (停止都) 와 회전부(回轉部) 의 틈 사이로 필연적 으로 발생 하게 되는 누설(漏泄) 현상을 차단하는 기능을 수행하는 기술 분야이다.

나선형(螺旋形) 가압기구(加壓機構)에 사용하는 동적회전밀봉장치(Dynamic rotary seal)는 세계 공통으로 메카니컬 씰(Mechanical-seal) 이라 부른다.

메카니컬 씰(Mechanical-seal)은 정지부(停止部) 에 고정되어있는 스테이터 블록(Stator block), 회전부(回轉部) 에 부착되어있는 로터 블록(Rotor-block), 스테이터 디스크(Stator-disk), 로터 디스크(Rotor- disk), 로터 디스크 스프링(Rotor-disk-spring), 로터 블록 디스크 씰(Rotor-block-disk-seal) 등 최소한 6 종의 부속품 이 1 개 조를 형성 하며 이 가운데 단 1 가지라도 생략하면 밀봉 기능의 수행은 불가능 하다.

스테이터 디스크 와 로터 디스크 는 밀봉 기능을 직접 수행하는 부분으로서 두 면 이 높은 압력을 받는 상태에서 연속적으로 상대적 회전운동을 하면서 마찰을 일으키기 때문에 마모에 대한 높은 저항력 과 고도의 윤활성 을 유지하는 것이 필수 조건이며 아울러 열분산(Heat-dissipation) 능력이 높은 물질로 제작해야 하며 접촉면 의 연마 상태는 누설의 정도를 결정하는 요인이 된다.

밀봉면 의 접촉 면적 이 증가하면 밀봉기능이 향상 되는 반면 마찰발열 면적이 증가하여 수명단축 현상이 일어나는 반면 마찰면적을 감소시키면 마모가 촉진되어 수명이 단축된다.

마모에 강한 물질은 마찰열이 높으며 반면 윤활성 이 높고 마찰열이 적은 물질은 대부분 마모에 약한 단점을 갖고 있다.

마찰열이 높은 물질은 마찰열 누적에 의하여 접촉하는 피 가압 물질을 소손(燒損) 시키거나 발화 할 위험성이 있다.

두 개 의 마찰면 즉 밀봉면 은 스프링 에 의하여 압력을 받고 있으며 따라서 두 접촉면 은 사용에 따라 불가피하게 마모되기 때문에 회전 밀봉면은 마모에 따라 차츰 고정 밀봉면 쪽으로 이동하게 된다.

이것은 축에 고정된 로터 블록 과 마모 에 따라 이동해야 하는 회전 밀봉면 과 의 상대적 위치의 변화가 일어난다는 의미 이며 결국 로터 블록 위에 설치되어있는 회전 밀봉면 과 로터블록 사이의 누설을 차단하는 또 하나의 밀봉장치의 설치가 불가피 하게 된다.

회전 마찰면 과 로터블록 사이의 누설 차단 은 크게 나누면 합성수지제 의 씰 을사용 하거나 금속 벨로우즈(Metal bellows)를 사용 하고 있다.

기존 의 메카니컬 씰 의 최대 약점은 회전 축 밀봉이 아니라 회전 밀봉면 과 로터블록 사이 의 밀봉 에 있다.

즉 밀봉 접촉판 과 로터블록 의 밀봉을 생략 할 방법이 없다는 점이다.

합성수지 씰 은 고온 에서는 탄화 하여 탄성을 상실 하며, 고압 하 에서는 압출 현상에 의 하여 파단 되며 부식성이 강한 피압축 물질에 대하여는 스스로 도 변질될 뿐 아니라 피압축물 을 변질 오염 시킨다.

금속 벨로우즈 는 가격이 높아 벨로우즈 만 의 가격이 메카니컬 씰 가격 의 몇 배를 넘기는 것이 보통이기 때문에 경제적으로 불리하다.

또 메카니컬 씰 은 필수불가결한 부속품 의 종류 와 수가 많기 때문에 모든 기계 기구에서 차츰 세계 추세 화 하고 있는 컴펙트 디자인(Compact design)을 어렵게 만든다.

위에서 지적한 바와 같이 기존 의 회전축 밀봉장치의 대표 격인 메카니컬 씰 은 구조의 복잡성 과 성능 의 불확실 성 등 기능상 불합리한 점도 많으며 성능에 비하여 제작비는 높다.

메카니컬 씰에 있어서 이와 같은 문제들 즉 수많은 부속 품 들이 서로 불가결하게 연결된 기능을 가지는 복잡한 구조를 단 1 개의 부속 만 으로 모든 밀봉기능을 수행하도록 간단화 하며 자연히 제작비는 메카니컬 씰 과는 비교가 되지 않는 수준으로 저렴해 지면서도 성능은 완전무결하며 수명은 반영구적 인 것이 되도록 하여 사용자의 초기 투자도 줄어들며 유지보수비가 거의 들지 않도록 하는 것이 본 고안 의 특징 이다.

이하, 본 고안 의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면 을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도-1 은 본 고안품 의 제작 제 1 단계에서 엷은 금속 판 을 가공하여 C-형 부분환(1) 을 만든 것 이다.

C-형 부분환은 원주 전체 360 도 가운데 필요에 따라 45 도 또는 90 도 정도를 잘라 버린 형태 의 원 을 말하며 잘려 나간 끝 부분은 열장연결이 가능 하도록 성형 하는데 연속연결을 위하여 한쪽 끝 은 암놈 형태(2) 가 되고 다른 쪽 끝은 수놈 형태(3)가 되도록 성형한 것 이다.

도-2 는 두 개 의 C-형 부분환 을 약간 비틀어 첫 번째 C-형 부분환(1) 의 수놈(2)와 두 번째 C-형 부분환(1) 의 암놈(3) 을 열장연결 하는 위치에 가져간 상태가 나타나 있다.

도-3 은 다수의 C-형 부분환(1) 을 연속적으로 열장연결 되어 하나의 완성된 나선형 스프링 관(Helical spring cylinder)(5) 가 이룩된 모습 이며 열장연결 후 필요에 따라 용접 또는 브레이징(Brazing) 방법으로 영구 접착해야한다.

나선형 스프링 관(5) 의 시작점 은 수놈(2) 이 나타나 있고 마지막 점은 암놈(3) 이 나타나 있다.

나선형 스프링 관(5) 는 일부분이 잘라져 나간 부분 원 들의 집적체 이기 때문에 잘라져 나간 부분만큼 각도가 모자라는 원 의 끝 부분 인 수놈(2)과 암놈(3) 이 연결되면서 생기는 열장연결선(4) 는 원 으로부터 잘려 나간 각도만큼 회전한 후 다음 원 이 만들어 지므로 열장연결선(4) 는 다음원에서 연결부위가 겹쳐지는 가능성은 없다, 따라서 연결점 의 취약점이 같은 위치에 오는 일은 발생 할 수 없게 된다.

도-4 는 본 발명품 의 완성품 의 일부 절개 도면 이다.

나선형 스프링 관(5)는 내경 과 외경 을 가공하여 작은 내경, 큰내경 및 작은 외경 큰 외경, 즉 4 종 의 직경을 가진 완성밀봉체(24) 를 이룬다.

작은 내경은 완성밀봉체(24) 를 장착할 축 의 외경(23) 보다 0.5％ 정도 적게 가공하여 완성밀봉체(24) 가 축(13) 에 강제로 삽입 되었을 때 무조건 축(13) 과 접촉이 유지 되도록 한 축접촉원(7) 이며 큰 내경은 축(13) 의 외경(23) 보다 약간 크게 가공하여 완성밀봉체(24) 가 축(13)에 삽입 되었을 때 무조건 축(13) 과 접촉이 일어날 수 없도록 가공한 축불접촉원(6) 이다.

작은 외경은 완성밀봉체(24)를 장착할 하우징(17) 의 내경(18) 보다 적게 가 공하여 완성밀봉체(24)를 하우징 내부에 삽입 하였을 때 상황 여하에 관계없이 하우징내경(18) 과 접촉이 일어날 수 없도록 가공한 하우징불접촉원(9) 이며 큰 외경은 하우징내경(18) 보다 0.5％ 정도 크게 가공 하여 완성밀봉체(24)를 일단 하우징내경(18) 내에 강제로 압축 삽입 설치하고 나면 상황 여하에 관계없이 하우징 내경(18) 과 접촉을 유지하도록 가공한 하우징 접촉원(8) 이다.

이와 같이 작은 내경, 큰 내경, 작은 외경, 큰 외경 즉 4 종 의 다른 직경을 가지도록 가공하는 목적은 내경과 외경이 다른, 즉 각각 기능 이 다른 3 종의 기능환 을 만들기 위한 것 이다.

3 종의 기능환 들을 각각 표현하면 첫째는 하우징밀봉환(10)으로서 외경은 하우징접촉원(8)이며 내경은 축불접촉원(6)의 구조를 가지고 있어 완성밀봉체(24) 와 하우징내경(18) 사이의 정적밀봉기능을 수행하는 기능환 이며 도-4 에는 단지 3 겹만 표현되어 있으나 필요에 따라 더 여러 겹으로 하여 밀봉성능을 강화 할 수 있다.

둘째는 축밀봉환(12) 로서 내경은 축접촉원(7) 이며 외경은 하우징불접촉원(9) 의 구조를 가지고 있어 완성밀봉체(24) 와 축(13) 사이의 동적밀봉기능을 수행하는 기능환 이며 도-4 에는 단지 3 겹만 표현되어있으나 필요에 따라 더 여러 겹으로 하여 밀봉성능을 강화 할 수 있다.

마지막으로는 팽창수축흡수환(12) 로서 내경은 축불접촉원(6) 이며 외경은 하우징불접촉원(9) 의 구조를 가지고 있어 완성밀봉체(24)가 완전히 설치 된 후에는 하우징내경(18) 또는 축외경(23) 중 어느 쪽 에도 접촉이 일어나지 않고 또 완 성밀봉체(24)를 하우징내경(18) 과 축(13) 에 강제삽입 하는 과정에서 발생하는 외경 과 내경의 팽창과 수축 을 흡수하여 삽입 작업이 원활하게 진행될 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

도-5 는 본 발명의 원리를 설명하기위한 도면 이다.

회전하는 축(13) 에 밀착 하여 설치된 축밀봉환(12)은 별도의 장치를 사용하여 회전방지를 하지 않는 경우 축(13) 과 함께 회전하게 된다.

그러나 완성밀봉체(24) 가 하우징내경(18) 에 설치되고 나면 하우징밀봉환(10) 은 회전할 수 없게 되기 때문에 완성밀봉체(24) 의 동일 나선상에 성형된 축밀봉환(12) 는 가상멈춤핀(16) 에 의하여 고정되어있는 것 과 동일한 조건이 되어 축(13) 과 함께 회전 할 수 없게 된다.

축(13) 이 화살표(14) 방향으로 회전을 시작하면 축외경(23) 과 축접촉원(7) 의 접촉에 의한 마찰력으로 축밀봉환(12) 도 회전을 하려 하지만 가상멈춤핀(16) 이 축밀봉환(12) 을 회전할 수 없도록 하기 때문에 마찰력은 축밀봉환(12) 의 직경을 확장하는 화살표(15) 방향으로 작용하여 축접촉원(7) 이 확장되는 결과를 만들게 된다.

축접촉원(7) 이 확장되는 순간 축외경(23) 과 축접촉원(7) 의 접촉은 끊어지고 둘 사이의 마찰력의 발생 또한 없어진다, 따라서 축접촉원(7) 의 확장력 또한 없어지며 축접촉원(7) 은 원래 크기로 돌아가며 그 순간 축외경(23) 과 다시 접촉이 일어나며 그 순간 다시 축 접촉원(7) 은 확장 된다.

이와 같은 이유로 축외경(23) 과 축접촉원(7) 사이의 접촉 과 분리는 수만 분 의 일 초 사이에 일어나는 관계를 가지고 있다, 그 이유는 축외경(23) 과 축접촉원(7) 의 접촉에 의한 마찰력은 접촉이냐 비 접촉이냐 여부에 의하여 결정 되지만 접촉 여부는 수십만 분 의 1 mm 라도 간격이 발생하는 순간 접촉은 끊어지는 것 이며 이와 같이 극히 미세한 간격이 이루어지는데 소요되는 시간은 극히 짧으며 따라서 축접촉원(7) 이 되돌아 와 다시 접촉을 일으키기까지 소요되는 시간도 마찬가지로 수십만 분의 1 초를 넘을 수 없기 때문이다.

따라서 축(13) 이 회전을 계속 하는 동안에 축외경(23) 과 축접촉원(7)과 의 관계는 밀봉의 대상이 되는 내부매체의 입장에서 볼 때는 사실상 접촉을 계속 유지 하고 있는 정적밀봉과 거의 완전히 동일한 조건이 되기 때문에 정적밀봉형 동적밀봉이 수행 되는 것이며 이와 같은 기계적 상황은 원주형 막대에 나선형 스프링 을 감았을 때 일어나는 전형적인 상태로서 밀봉목적이 아닌 동력 전달 목적에 사용되는 동일한 원리 의 기계요소 로 서는 헬리칼 스프링 클럿치(Helical spring clutch) 가 전형적인 예가 된다.

도-6 은 대표도 로서 완성밀봉체(24)를 실린더내경(18) 에 설치한 완성품 의 예 이다.

실린더 내경(18) 에는 매립홈(25) 가 마련되어 있으며 매립링(19) 를 삽입하도록 되어있어 완성밀봉체(24)를 포함한 모든 연관 부속들이 자기 자리에 고정 될 수 있게 하였다.

압축링(21) 의 원주 에는 다수의 구멍을 마련하여 구멍마다 압력스프링(22) 를 삽입하여 완성밀봉체(24) 의 기능환 사이를 밀착시켜 기능환 사이의 누설을 방지 하도록 되어있다.

멈춤링(20) 은 매립링(19) 에 의하여 고정되며 완성밀봉체(24) 의 좌우 양쪽에 삽입하여 전체적인 움직임을 방지하고 고정시킨다.

현재 시판중인 메카니컬 씰 이 가진 모든 약점, 즉 불완전 한 밀봉능력, 짧은 수명, 불필요하게 차지하는 스페이스, 비산가격, 마찰열 발생에 따른 피압축체의 변질 과 오염 등을 모두 제거하여 기계공업에서 회전밀봉 설계자들 의 숙원인 완전 무결점 동적회전밀봉장치 제품을 대한민국 제품으로서 공급하여 전 세계 시장을 석권 하는 효과.

Claims (1)

1. 두께가 얇은 금속판을 C-형 부분환 형태로 만들되 부분환 의 양단을 열장연결 의 암수 형태로 만들어 다수의 C-형 부분환을 연속적으로 나선을 따라 연결하되 연결 후 에는 용접 또는 브레이징 방법으로 영구접착 시키며 전체적으로는 나선형스프링관 형태가 되게 하며 이 나선형스프링관 을 소제로 사용하여 회전축밀봉장치를 제작하되 나선형스프링관 의 내경 과 외경을 다시 가공하여 축밀봉환, 하우징밀봉환 그리고 팽창수축흡수환 의 3 종 독립기능 을 가진 기능환이 동일 나선형스프링관 위에 구축되게 하며 각 기능환 사이의 누설을 방지하기위한 압축링 을 추가한 회전체동적밀봉장치.

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