KR100954653B1

KR100954653B1 - 씰

Info

Publication number: KR100954653B1
Application number: KR1020030040912A
Authority: KR
Inventors: 폴 펠란; 니콜라스데렉 컴비
Original assignee: 존 크레인 유케이 리미티드
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2010-04-27
Also published as: EP1375984B1; KR20040000349A; NO20032886D0; ATE294345T1; ES2240916T3; US7001565B2; DE60300562D1; EP1375984A1; US20030234496A1; NO20032886L; NO20032661D0; NO329907B1; GB0214515D0; DE60300562T2

Abstract

복합 씰 페이스 링은 마찰특성이 좋은 재료로 된 내측 링(60)을 갖는데, 내측 링(60)은 인장 강도가 높고 내측 링(60)과 열팽창 계수가 같은 외측 링(64)에 의해 예비 압축된다. 씰 페이스 링은 내측 링(60)을 외측 링(64)에 삽입하기 전에 압력이 가해진 유체에 의해 외측 링(64)을 팽창시키거나 내측 링(60)을 압축시켜 조립된다.

Description

씰{SEALS}

도 1은 본 발명을 따른 씰의 측면에서 본 횡단면도.

도 2는 도 1에 도시된 씰에 사용되는 씰링 링 측면의 확대도.

도 3은 본 발명을 따른 씰 페이스 링을 형성하는 장치의 횡단면도.

도 4는 도 3에 도시된 장치의 변형에 대한 횡단면도.

도 5는 도 4에 도시된 장치의 변형에 대한 횡단면도.

* 부호 설명 *

10 : 샤프트 12 : 하우징

14,16,18,20 : 씰링 링 22 : 슬리브

24 : O-링 26,28 : 캐리어

30,32 : 브러쉬 34,36 : 씰 플레이트

50 : 핀 52 : 배리어 챔버

60 : 내측 링 62 : 씰 페이스

64 : 외측 링 100 : 지그

본 발명은 메카니칼 페이스 씰(mechanical face seal)은 씰 페이스 링(seal face ring)의 외경이 유체에 노출되어 유체 압력으로 인해 압축하중이 씰링(seal ring)에 가해지도록 되어 있다. 안전과 건강에 대한 필요성이 증대되면서 씰은 높은 내압을 견딜 수 있어야 한다. 현재 탄소/흑연 복합물 같이 좋은 마찰 특성을 갖는 씰 페이스 링에 사용되는 재료는 응력이 약하고 높은 내압을 견디기에 적합하지 않다. 통상적인 탄소/흑연 복합물은 인장강도가 25Mpa 내지 50Mpa가 되고, 규소 탄소/흑연 복합물은 인장강도가 60Mpa 내지 150Mpa가 된다.

지금까지 인장강도가 높은 재료에 대한 사용이 언급되었다. 하지만 나쁜 마모성과 씰 수명을 갖는 마찰특성에 의존해왔다.

GB 2,296,052와 같이 씰링의 압력을 균등하게 하기 위해 통기구멍을 갖는 쉬라우디드 탄소/흑연(shrouded carbon/graphite) 씰 페이스 링을 제공하는 해결책이 제시되었다. 그러나 상기 해결책은 씰의 크기가 많이 커진다는 단점을 갖는다.

또 다른 해결책으로써 씰 페이스 링의 외경에 금속 쉬라우드를 맞추는 것이 있다. 구성요소 간의 열팽창 차이가 매우 크기 때문에, 씰 페이스에 발생된 예비압축량은 온도가 증가함에 따라 현격히 감소되어서 내부 압축력을 제한한다. 또한 예비압축은 씰 페이스 링의 원형도(roundness)를 벗어나게 해서 합치되는 표면(mating surface)에 물결모양의 왜곡을 발생시킨다. 씰페이스가 랩핑(lapping) 됨에 따라 링의 온도가 변하여 이러한 물결모양은 점점 더 확실해진다.

본 발명을 따라, 마찰특성이 좋은 재료로 만들어진 내측 링으로 구성된 복합 씰 페이스 링을 제공하는데, 상기 내측 링은 내측 링과 동일한 열 팽창계수 및 높은 인장강도를 갖는 외측 링으로 예비 압축된다.

선호적으로 내측 및 외측 링은 열팽창 계수가 모두 10x10^-6/K 이하가 된다. 외측 링은 선호적으로 인장강도가 1000Mpa 이상될 것이다.

본 발명의 선호되는 실시예를 따라서, 외측링은 레진계 필라멘트 와인딩 재료(resin based filament wound material)로 만들어지며, 레진계 필라멘트 와인딩 재료는 보강섬유를 포함한다. 보강섬유는 인장 강도가 2000Mpa 단위로 된 탄소 섬유(carbon fiber)가 된다.

내측링에 높은 예비압축을 가하기 위해서, 외측링은 내측링에 대해서 0.1% 내지 1%의 내측링에 압축을 가해야 한다. 두 개의 링이 열팽창 계수가 낮기 때문에, 종래의 가열수축끼워맞춤(heat shrink fitting) 기술은 본 발명의 복합 링(composite ring)을 만들기에 적합하지 않다.

본 발명의 또 다른 관점을 따라서 복합 씰 페이스 링을 만들기 위한 방법은 내측 및 외측 링의 끝과 끝이 서로 동축이 되도록 장착하고, 외측링의 내경 및 내측링의 외경 사이에 틈새를 만들기에 충분한 정도로 외측링을 팽창시키거나 내측링을 압축시키기 위해 외측링의 내경 또는 내측링의 외경에 압력을 받고 있는 유체를 적용시키고, 내측링에 외측링을 미끄럼 운동시키고, 내측링이 팽창되어 외측링의 내경과 연결되도록 하거나 외측링이 내측링의 외경과 접촉하여 연결되도록 압력을 해제한다.

선택적으로 또는 추가적으로, 압력을 받고 있는 유체는 외측을 팽창시키기 위해 외측링의 내경에 적용될 수 있다 .

본 발명의 추가적인 관점을 따라서 복합 씰 페이스 링을 만들기 위한 장치는 외측 하우징으로 형성된 보어 내에 미끄럼 가능하게 장착된 제 1,2 플래튼(platen)으로 구성되는데, 상기 플래튼은 내측 씰링을 내경에 있는 틈새에 클램핑하기에 적합하며, 외부 하우징으로 밀봉 채널을 형성하기에 적합하며, 밀봉채널의 외측링을 내측링과 서로 끝과 끝이 동축으로 위치하도록 하는 수단이 제공되며, 내측링을 압축하거나 외측링을 팽창시키기 위해 밀봉챔버에 압력이 가해진 유체를 유입시키기 위한 수단이 제공되고, 내측링이 압축되거나 외측링이 밀봉채널의 유체로 인해 팽창될 때 내측링에 대해서 축방향으로 외측링을 이동시키기 위한 수단이 제공된다.

본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참고로 예를 들어 설명될 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 샤프트(10) 및 하우징(12) 사이에 있는 씰은 동축으로 이격된 샤프트(10)에 장착된 두 쌍의 씰링 링(14,16; 18,20)으로 구성되며, 씰링 링(14,16)은 씰링 링(18,20)의 내측에 설치된다.

씰링 링(16,18)은 슬리브(sleeve)(22)에 뒤를 맞댄 상태로 장착된다. 슬리브(22)는 축방향으로 고정되고 회전이 가능하도록 샤프트(10)에 장착되며, 씰링 링(16,18)은 축방향으로 고정되고 회전이 가능하도록 슬리브(22)에 장착되어서 씰링 링(16,18)이 샤프트(10)와 함께 회전하게 되도록 한다. 씰링 링(16,18)은 슬리브(22)에 대해서 씰링되고 슬리브(22)는 탄성 O-링(24)에 의해 샤프트(10)에 대해서 씰링된다.

씰링 링(14,20)은 고리모양 브러쉬(30,32)에 미끄럼 운동이 가능하게 위치한 캐리어(carrier)(26,28)에 각각 설치된다. 브러쉬(30,32)는 씰 플레이트(34,36) 및 볼트(38)로 하우징(12)에 고정된다. 씰링 링(14,20)은 서로를 향해 축방향으로 바이어스되며 이격된 나선형 압축스프링(40,42)에 의해 씰링링(16,18)과 씰링 연결된다. 씰링링(14,20)은 캐리어(26,28)에 대해서 씰링되며 브러쉬(30,32)는 탄성 O-링(24)에 의해 하우징(12)에 대해서 씰링된다. 캐리어 링(26,28)은 스프링 작용된 폴리머 씰(polymer seal)(44)에 의해 브러쉬(30,32)에 대해서 씰링된다.

핀(46,48)은 캐리어(26,28)에 설치되어 브러쉬(30,32)와 미끄럼 운동이 가능하게 연결되어서 캐리어(26,28)가 회전하지 못하도록 한다. 이와 유사하게 씰링 링(14,20)과 캐리어(26,28) 사이에 핀(50)이 구비되어 씰링 링(14,20)의 회전을 방지한다.

씰링 링(14,16;18,20)은 대기중으로 개방된 측면(56) 및 씰의 제품측면(54) 사이에 씰링된 배리어 챔버(barrier chamber)(52)를 형성한다. 압력을 받고 있는 배리어 유체는 챔버(52)를 통해 하우징(12)의 입력부 및 출력부(도시 안됨)를 거쳐 순환된다. 펌프 링(58)은 샤프트와 회전하도록 씰링 링(16,18) 사이에 있는 슬리브(22)에 설치되어 배리어 유체를 챔버(52)에 순환시킨다.

씰링 링(16,18)은 실리콘 카바이드(silicon carbide)로 만들어지며, 씰링 링(14,20)은 마찰특성이 좋은 탄소/흑연 또는 실리콘 탄소/흑연 복합재료로 만들어진다

도 2에 도시된 바와 같이, 내측 한 쌍의 씰링 링(14,16) 중 씰링 링(14)은 탄소/흑연 또는 실리콘 카바이드/흑연 복합재료로 만들어지고 씰링 페이스(62)를 형성하는 내측 링(60)으로 구성된다. 인장 강도가 높은 재료로 된 외측 링(64)은 내측 링(60)의 외경에 대해 설치되어 내측 링(60)을 예비 압축시킨다. 링(60,64)은 10x10^-6/K 이하의 열팽창 계수를 갖는 재료로 만들어진다. 외측 링은 통상적으로 레진계 필라멘트 와인딩 재료로 만들어진다. 2000Mpa 단위의 인장 강도를 갖는 탄소섬유 필라멘트가 사용될 수 있다. 그러나 역시 적절한 강도를 나타내는 다른 섬유로 대체될 수 있다.

내측 링(60)은 씰 페이스(62)에서 멀리 떨어진 단부에서 외경에 테이퍼부를 갖는다. 부분적으로 원형으로써 축방향으로 연장된 홈(66)이 핀(50)과 연결되기 위해 외경측에 링(60)의 단부에 제공된다.

외측 링(64)은 내측 링(60)에 설치되었을 때, 내측 링(60)을 예비 압축시켜 내측 링(60)의 외경을 0.1% 내지 1% 감소시킨다.

복합 씰링 링(16)을 조립하기 위해서 내측 및 외측 링(60,64)은 도 3에 도시된 바와 같이 지그(100)에 설치된다. 지그(100)는 외측 하우징(106)으로 형성된 보어(105)에 미끄럼 운동이 가능하게 위치한 한 쌍의 플래튼(102,104)으로 구성되며, 플래튼은 보어(105)에 대해서 씰링된다. 플래튼(102)은 계단모양이 되고 플래튼(104)은 플래튼(102)의 직경이 작은 부분(110)과 미끄럼 가능하게 연결되는 움푹한 부분(108)을 갖는다.

내측 씰링 링(60)은 플래튼(102)의 직경이 작은 부분(110)에 대해서 지그(100)에 설치되고 캐리어 링(112)에 동축으로 배치된다. 캐리어 링(112)은 탄성 O-링(114)에 의해 내측 씰링 링(60) 및 플래튼(102)에 씰링된다. 그런다음 플래튼(102,104)은 서로를 향하도록 되어 내측 링(60)의 씰링 페이스(62)가 내측 링(60)의 외경에 유체밀봉 챔버(116)를 형성하기 위해 플래튼(104)과 밀봉적으로 연결되도록 한다.

외측 링(64)은 내측링(60)의 축방향으로 놓이고 캐리어 링(112)의 외경에 미끄럼 가능하게 지지된다. 하우징(106)의 내측 플랜지(118)는 내측 링(60)으로부터 멀리 떨어진 외측링(64)의 방사상 페이스와 연결된다.

내측링(60)에 압축하중을 가하기 위해 유압유체가 챔버(116) 안으로 유입되는 외측 하우징(106)에 입력부(120)가 제공된다. 내측 링(60)이 충분한 만큼 압축될 때, 외측 하우징(106)은 플래튼(102,104)에 대해서 축방향으로 이동하여 내측 링(60)에 대해서 외측 링(64)이 미끄럼 운동하게 된다. 챔버(116) 내의 유압유체 압력은 감소하여 내측 링(60)이 외측 링(64)에 대해서 팽창할 수 있도록 한다.

배리어 유체 압력이 떨어지면 이러한 방식으로 내측 링(60)은 충분히 예비 압축되어 제품의 압력에 의해 씰링 링(14)의 내부 가압을 견디게 된다.

변형된 과정에서 지그(100)의 외측 하우징(106)은 두 부분(106a,106b)으로 구성된다. 부분(106a,106b)은 서로 클램핑되어 내측 고리모양의 홈(130)의 형성하는데, 원주표면의 직경은 외측 링(64)의 외경 보다 크다. 외측 링(64)은 홈(130)에 위치하고 O-링 씰(132)에 대해서 씰링된다.

플래튼(102)에 유압유체를 위한 입력부(134)가 제공되며, 상기 입력부는 내 측 링(60)의 내경에 개방되어 있다. 내측 링(60)의 내경에서 외경까지 캐리어 링(112)을 통해 경로(136)가 제공된다.

캐리어 링(112)을 통과하는 경로(136)에서, 내측링(60)의 씰링 페이스(62)에 의해 연결되는 플래튼(104)의 페이스에 방사상 홈이 제공되어 유체가 링(60)의 내경에서 외경으로 유동하도록 한다.

유압유체가 입력부(134)에 제공될 때, 내측 링(60)의 외경 및 내경에 압력이 작용하게 된다. 그러나 외측 링(64)은 내경에만 압력이 작용할 것이다. 결과적으로 유압유체는 외측 링(64)을 팽창시키게 된다. 외측 링(64)이 충분히 팽창될 때, 플레튼(102,104)은 외측 하우징(106a,106b)에 대해서 이동하여 내측 링(60)에 대해 외측 링(64)이 미끄럼 운동하게 된다. 유압을 해제함으로써 외측 링(64)은 내측링(60)과 접촉하여 예비 압축시키게 될 것이다.

도 5에 도시된 링(100)에서, 외측 링(64)은 도 4에 도시된 것과 비슷한 방식으로 외측 하우징(106a,106b)에 있는 고리모양의 홈(103)에 위치한다. 그러나 이러힌 실시예에서, 내측 링(60) 및 캐리어(112)는 플래튼(102,104)에 대해서 씰링되고, 압력을 받고 있는 유압유체는 내측링(60)의 외경에서 챔버(116)에만 적용된다. 이러한 방식으로 도 3에 도시된 실시예에서와 같이 링(60)을 압축하는 내측 링(60)의 외경에 유압이 작용하며, 동시에 도 4에 도시된 방법대로 링(64)을 팽창시키는 외측 링(64)의 내경이 작용한다.

Claims

마찰특성이 좋은 재료로 만들어진 내측 링으로 구성된 복합 씰 페이스 링에서, 내측 링은 인장 강도가 높고 열팽창계수가 내측 링과 동일한 외측 링에 의해 예비 압축되는 것을 특징으로 하는 복합 씰 페이스 링.
제 1 항에 있어서, 외측 및 내측 링은 10x10^-6/K 이하의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 씰 페이스 링.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 내측 링은 탄소/흑연 복합재료 또는 실리콘 카바이드/흑연 복합재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 복합 씰 페이스 링.
제 1 항에 있어서, 외측 링은 1000Mpa 이상의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 씰 페이스 링.
제 1 항에 있어서, 외측링은 레진계 필라멘트 와인딩 재료로 제조되며, 상기 레진계 필라멘트 와인딩 재료는 보강섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 씰 페이스 링.
제 5 항에 있어서, 보강섬유는 탄소 섬유로 만들어지는 것을 특징으로 하는 복합 씰 페이스 링.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 보강섬유는 인장 강도가 2000Mpa 단위인 것을 특징으로 하는 복합 씰 페이스 링.
복합 씰 페이스 링으로 만드는 방법은, 서로 끝과 끝이 종축으로 연결된 내측 및 외측 링을 설치하고, 외측 링의 내경 또는 내측 링의 외경에 압력이 가해진 유체를 적용시켜 내측 링을 압축하거나 외측 링을 충분히 팽창시킴으로써 외측 링의 내경과 외측 링의 외경 사이의 틈새를 만들고, 외측 링을 내측 링에 대해서 미끄럼 운동시키고 압력을 해제시켜 내측 링이 팽창하여 외측 링의 내경과 연결되도록 하거나 외측 링이 내측 링의 외경과 접촉하여 연결되도록 하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 8 항에 있어서, 외측링은 내측링을 충분히 압축시켜 내측링의 외경을 0.1 내지 1% 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
외측 하우징으로 형성된 보어 내에 미끄럼 운동하도록 설치된 제 1,2 플래튼으로 구성된 복합 씰 페이스 링을 만드는 장치에서, 플래튼은 내경의 틈새와 함께 내측 씰 링을 클램핑하고, 외측 하우징과 함께 씰링된 챔버를 형성하기에 적합하며, 씰링 방식으로 내측 링과 끝과 끝이 동축으로 되어 있는 외측 링을 배치시키기 위한 수단이 제공되며, 내측링을 압축시키거나 외측링을 팽창시키기 위해 씰링 챔버로 압력이 가해지고 있는 유체를 유입시키기 위한 수단이 제공되며, 씰링된 챔버의 유체에 의해 외측링이 팽창되거나 내측링이 압축될 때 내측링에 대해서 축방향으로 외측링을 이동시키기 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.