KR101059273B1 - 고열 발생 환경용 시일 및 그 시일을 구비하는 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내륜, 외륜, 전동체, 케이지 및 시일을 포함하여 구성되고, 상기 시일은 지지체와 지지체에 결합되는 실링부로 이루어지며, 상기 실링부는 하나 이상의 접촉립을 구비하며 아크릴고무 100 중량부에 대하여 카본블랙과 무기 필러의 합이 80∼120 중량부, 커플링제 2∼6 중량부를 포함하여 구성되고, 상기 실링부에 포함되는 카본블랙과 무기 필러의 80∼120 중량부 중 카본블랙은 8∼15중량%이고, 무기 필러는 85∼92중량%인 것을 특징으로 하는 고열 발생 환경용 베어링 및 시일에 관한 것으로; 고온 환경(고속, 고하중 환경)에서 사용하여 실링부의 접촉 부분에서 미끄럼 마찰이 발생하는 경우에도 접촉립에서 손상이 발생할 정도의 고열이 발생하지 않게 되며, 따라서 고열에 의하여 단시간에 시일의 밀봉 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

베어링, 시일, 고열

Description

고열 발생 환경용 시일 및 그 시일을 구비하는 베어링{Seal for heat generating environment and bearing comprising the seal}

본 발명은 고열이 발생할 수 있는 환경에 사용되는 시일 및 그 시일을 구비하는 베어링에 관한 것으로, 시일을 이루는 실링부의 성분을 조절함으로써 시일이 장착되어 고열이 발생할 수 있는 작동 환경에서 작동하는 경우에도 접촉립 온도가 적정 온도 이하로 유지되어 고열에 의하여 접촉립이 손상되지 않고 밀봉성이 유지되는 고열 발생 환경용 시일 및 그 시일을 구비하는 베어링에 관한 것이다.

도 1은 볼 베어링(100)의 단면을 도시한 것으로, 도 1에 도시한 바와 같이 볼 베어링(100)은 하우징(203)에 삽입되는 외륜(110)과, 축(201)이 삽입되는 내륜(120)과, 상기 외륜(110)과 내륜(120) 사이에서 외륜(110)과 내륜(120)을 회전 가능하게 지지하는 복수의 전동체인 볼(130)과, 상기 볼(130) 사이의 간격을 일정하게 유지시켜 주는 케이지(140)와, 상기 내륜(120)과 외륜(110) 사이에 설치되어 내륜(120)과 외륜(110) 사이로 이물질이 침입하는 것을 방지하고 내부에 충진되는 윤활제가 외부로 유출되는 것을 방지하는 작용을 하는 시일(150)을 포함하여 구성된다. 베어링을 축(201)과 하우징(203)에 설치함에 있어서 외륜(110)의 측면을 하 우징(203)에 구비되는 단턱(203a)에 접촉하도록 하고, 내륜(120)의 측면을 축(201)에 구비되는 턱부(201a)에 접촉하도록 하여 양측에서 축 방향으로 지지되도록 한다. 도 1에서 미설명 부호 110a는 외륜(110)에 형성된 궤도를 도시한 것이고, 120a는 내륜(120)에 형성된 궤도를 도시한 것이다. 구름 베어링은 도 1에 도시한 바와 같이 전동체로서 볼(130)을 사용하는 볼 베어링과, 롤러를 사용하는 롤러 베어링 등 다양한 종류가 있으며, 롤러 베어링은 롤러가 원통 형상으로 되는 원통 롤러 베어링과 롤러의 지름이 변하는 테이퍼 형태의 테이퍼 롤러 베어링으로 구분할 수 있다.

도 1과 같이 설치된 상태에서 축(201)이나 하우징(203)은 회전하게 되고, 하우징(203)이나 축(201)을 통하여 베어링에는 축방향 하중(Fa)이나 경방향 하중(Fr)이 작용(물론 일반적으로 축방향 하중(Fa)과 경방향 하중(Fr)이 모두 작용)하게 된다.

도 2는 도 1에 도시한 베어링(100)에 구비되는 시일(150)과 설치 상태를 확대 도시한 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이 시일(150)은 지지체(153)와, 지지체(153)에 일체로 결합되는 실링부(153)로 이루어진다. 상기 실링부(153)는 시일(150)의 형태를 유지하며 외력이 작용하는 경우 변형을 최소화하여 변형에 의한 윤활제 누설이나 이물 침입을 방지하는 작용을 하며 일반적으로 금속으로 제조된다. 상기 실링부(153)는 외륜(110)에 고정 삽입되는 머리부(155)와, 내륜(120)에 접촉하여 베어링(100)이 회전할 때 내륜(120)과 미끄럼 접촉을 하는 접촉립(157)으로 이루어지고, 천연고무 등 엘라스토머에 유기 필러, 무기 필러 등과 같은 여려가 지 성분을 혼합하여 제조된다.

고열 환경이란 베어링이 장착되어 작동할 때, 베어링이 고속으로 회전하며 회전할 때 베어링에 큰 하중이 작용하는 환경을 말한다. 축(201)과 하우징(203) 사이에 장착된 베어링(100)에 축방향 하중(Fa)과 경방향 하중(Fr)이 작용하면 도 1에 도시한 베어링(100)의 내륜(120)과 외륜(110)의 상대 위치가 변하게 되고, 도 2에 도시한 시일(150)의 접촉립(157)과 내륜(120) 사이의 간섭량이 변하게 된다. 예를 들면 도 1에 도시한 어느 일측의 접촉립(157)의 간섭량이 감소하면 다른 일측의 접촉립(157)의 간섭량은 증가하게 된다. 또는 내륜(120)의 형상에 따라서 양측의 접촉립(157)의 간섭량이 모두 증가할 수도 있다. 베어링에 작용하는 하중이 커지면 어느 일측 또는 양측의 접촉립(157)의 간섭량도 커지게 되며 접촉립(157)과 내륜(120) 사이의 마찰력도 증가하게 된다. 따라서 고속으로 회전하는 베어링에 고하중이 작용하는 경우 내륜(120)과 접촉립(157)이 접촉하는 접촉부(A)에서 발열량이 증가하여 접촉립(157)은 고온으로 된다. 이때 고온의 접촉립(157)은 탄성을 잃게 되거나 고온 손상에 의하여 접촉부(A)에서의 시일링은 유지되지 않고 내부의 윤활제가 누설되며, 외부의 이물이 베어링(100) 내부로 침입하여 베어링(100)의 수명이 단축되는 원인이 된다. 따라서 고열에 의하여 접촉립(157)이 손상하는 것을 방지하기 위하여 시일(150)의 디자인을 개선하거나, 시일 재료를 개발하는 등의 노력이 지속되고 있다. 그러나 고속 고하중 환경(고열 발생 환경)에서 접촉부(A)의 열 발생을 억제하여 접촉립(157)의 열손상이 발생하지 않은 온도로 유지할 수 있는 시일이 개발되지 않아 시일이나 베어링의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 고속 고하중 환경(고열 발생 환경)에서 시일 접촉립에서의 열 발생을 억제하고 접촉립이 열에 의하여 손상되는 것을 방지하여 시일과 베어링의 수명이 단축되는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고열 환경에서도 접촉부의 온도가 일정 온도 이하로 유지될 수 있는 고열 발생 환경용 시일 및 상기 시일을 구비하는 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 고열 발생 환경용 시일을 구비하는 베어링은 내륜, 외륜, 전동체, 케이지 및 시일을 포함하여 구성되며, 상기 시일은 지지체와 지지체에 결합되는 실링부로 이루어지고, 상기 실링부는 하나 이상의 접촉립을 구비하며 아크릴고무 100 중량부에 대하여 카본블랙과 무기 필러의 합이 80∼120 중량부, 커플링제 2∼6 중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,

상기 실링부에 포함되는 카본블랙과 무기 필러의 80∼120 중량부 중 카본블랙은 8∼15중량%이고, 무기 필러는 85∼92중량%인 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따르는 고열 발생 환경용 시일을 구비하는 베어링은 내륜, 외륜, 전동체, 케이지 및 시일을 포함하여 구성되며, 상기 시일은 지지체와 실링부로 이루어지며, 상기 실링부는 하나 이상의 접촉립을 구비하고, 아크릴고무 100 중량부에 대하여 카본블랙과 무기 필러의 합이 80∼120 중량부, 가교제 4∼7 중량부, 산화방지제 1∼3 중량부, 가소제 5∼7 중량부, 커플링제 2∼6 중량부, 가교 반응제 4∼6 중량부를 포함하여 구성되며; 상기 카본블랙과 무기 필러 80∼120 중량부 중 카본블랙은 8∼15중량％이고 무기 필러는 85∼92중량％인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따르는 실링부를 포함하는 고열 발생 환경용 시일에 있어서, 상기 실링부는 하나 이상의 접촉립을 구비하고, 아크릴고무 100 중량부에 대하여 카본블랙과 무기 필러의 합이 80∼120, 가교제 4∼7 중량부, 산화방지제 1∼3 중량부, 가소제 5∼7 중량부, 커플링제 2∼6 중량부, 가교 반응제 4∼6 중량부를 포함하여 구성되며; 상기 카본블랙과 무기 필러 80∼120 중량부 중 카본블랙은 8∼15중량％이고 무기 필러는 85∼92중량％인 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따르는 베어링 또는 시일은 유기 필러인 카본블랙과 무기 필러의 총량과 혼합 비율을 조정함으로써 고온 환경(고속, 고하중 환경)에서 사용하여 실링부의 접촉 부분에서 미끄럼 마찰이 발생하는 경우에도 접촉립에서 손상이 발생할 정도의 고열이 발생하지 않게 되며, 따라서 고열에 의하여 단시간에 시일(슬라이딩 부재)의 밀봉 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있었다.

이하, 본 발명에 따르는 고열 발생 환경용 시일 및 상기 시일을 구비하는 베어링에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 설명에 있어서 종래 기술의 구성과 동등한 구성에 대해서는 동일한 명칭을 사용하며, 반복적인 설명 은 생략한다.

본 발명에 따르는 고열 발생 환경용 시일은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 지지체(151)와 실링부(153)로 이루어진다. 그리고 상기 실링부(153)는 외륜(110)에 고정 설치되는 머리부(155)와, 내륜(120)과 접촉하는 하나 이상의 접촉립(157)을 포함하여 구성된다. 도 5에 도시한 표와 같이 상기 실링부(153)는 엘라스토머인 아크릴고무 100 중량부에 대하여, 실링부(153)의 경도, 탄성계수, 인장 강도 및 내열 강도 등을 향상시키는 카본블랙과 무기 필러(Inorganic filler)를 80∼120 중량부, 상기 카본블랙과 무기 필러에 대한 커플링제(Coupling agent, 친화제)를 2∼6 중량부, 가교반응제를 4∼6 중량부, 촉진제(Activator)를 4∼7 중량부를 포함하여 구성된다. 그리고 이에 더하여 용융 온도와 용융 점도를 낮추어 성형 가공을 용이하게 하고 제품의 사용 온도 범위에서 유연성과 내한성을 향상시키는 가소제(Plasticizer)를 4∼7 중량부를 더 포함한다.

고열 발생 환경용 시일에 있어서, 엘라스토머인 아크릴 고무 100 중량부에 대하여 상기에서와 같이 카본블랙과 무기 필러의 총량을 조절함으로써 접촉립(157)의 접촉부(A)에서 온도 상승을 억제하는 것이 가능하였다. 그리고 이에 더하여 고온 발생 환경에서는 카본블랙과 무기 필러의 총량 중 카본블랙의 함량과 무기 필러의 함량을 조절함으로써 접촉립(157)의 온도를 더욱더 효과적으로 억제할 수 있었다. 즉, 엘라스토머인 아크릴고무 100 중량부에 대하여 카본블랙과 무기 필러(Inorganic filler)를 80∼120 중량부로 유지하면서, 카본블랙과 무기 필러(Inorganic filler)를 80∼120 중량부 중 카본블랙을 8∼15중량％, 무기 필러를 85∼92중량％로 하는 것이 바람직하였다.

본 발명의 수지 조성물에서 첨가제의 종류는 일반적으로 사용되는 것이면 특별히 제한은 없으나, 상기에서 무기 필러는 탈크, 카오린, 실리카, 카오린과 같은 클레이 중에서 선택될 수 있으며, 가교제로서 황, 스테아린산 나트륨 등을 사용할 수 있으며, 산화방지제로서 아크릴 고무에 적합한 것으로 알려진 디페닐아민계 유도체 또는 페닐렌디아민계를 사용하는 것이 가능하다. 가소제로서 파라핀계 미네랄오일(광유)이나 폴리에스테르계 가소제를 사용하는 것이 가능하며, 커플링제는 실란계 커플링제로서 특별한 제한은 없으며 예를 들면 아민기가 함유된 N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리에톡시실란 등을 사용하는 것이 가능하다. 그리고 가교 반응제로서 테트라메틸티우람 모노설파이드(TMTM), 테트라메틸티우람 디설파이드(TMTD) 테트라에틸티우람 디설파이드, 테트라부틸티우람 디설파이드 및 디펜타메틸렌티우람 테트라설파이드(DPTT) 등과 같은 티우람계 화합물을 예로 들 수 있다.

도 3 및 도 4는 등록특허 제10-309430에 첨부된 도면으로서 도 3은 본원발명과 종래 기술을 비교하기 위하여 도시한 자동차 에어컨 압축기를 도시한 개략적인 사시도이며, 도 4는 도 3에서 마그네틱 클러치 부분을 확대 도시한 단면도이다. 베어링은 도 3 및 도 4에 도시한 압축기에 장착되어 고속으로 회전하고 또한 회전하는 동안 고하중의 외력을 받게 된다.

등록특허 제10-309430에 기재된 내용을 참조하여 자동차 에어컨 압축기의 마그네틱 클러치 작동에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 간단하게 설명한다. 압축기(300)는 전면의 그랜드(302)에 전자석 코일(305)이 설치된 요크(304)가 스테이터 로서 고정되고, 그랜드(302) 중앙으로 돌출되는 회전축(303)에는 마그네틱 클러치 조립체가 로터로서 고정된다. 전자석 코일(304)의 플러그 하우징(306)은 전원부(도시되지 않음)에 연결된다. 마그네틱 클러치 조립체는 회전축(303)에 볼트(308)로 고정 결합되는 보스(307)와, 베어링(310)을 통해 이 보스(307)의 외주면에 회전 가능하게 설치된 풀리(309), 판 스프링(312)을 통해 보스(307)의 외 측에 조립되어 풀리(309)와 접하여 풀리(309)로부터 회전력을 전달받는 아마추어(311)로 구성된다. 풀리(309)는 엔진 측의 구동원과 벨트로 연결되고 평상시 아마추어(311)는 판 스프링(312)에 의해 풀리(309)와 떨어져 있어, 엔진이 기동 된 상태에서 냉방 장치가 가동되지 않을 때에는 풀리(309) 만이 회전하고 압축기(300)는 작동하지 않는다. 이 상태에서 냉방장치를 가동시키면 요크(304)의 전자석 코일(305)에 전원이 인가됨으로써 자장이 형성되고 아마추어(311)를 풀리(309) 쪽으로 끌어당겨 밀착시키게 되고, 아마추어(311)는 풀리(309)와 일체로 된 상태에서 회전하여 구동력을 보스(307)와 결합된 압축기(300)의 회전축(303)에 전달하게 됨으로써 압축기(300)를 구동하게 된다. 그리고 냉방장치를 끄면 전자석 코일(305)에 공급되는 전원이 차단되면서 아마추어(311)는 판 스프링(312)의 탄성에 의해 풀리(309)로부터 떨어지게 되므로 압축기(300)는 정지하게 된다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같은 자동차 에어컨용 압축기에 도 5에 도시한 바와 같은 성분을 가지는 실링부로 이루어진 시일을 구비하며 도 1에 도시한 바와 같은 내륜, 외륜, 전동체(볼), 케이지로 이루어지는 본 발명에 따르는 베어링과, 도 6에 도시한 바와 같은 성분을 가지는 실링부로 이루어진 시일을 장착한 베어링 을 장착하고, 접촉부(A)에서의 온도를 측정하였다. 도 5 및 도 6에서 무기 필러는 실리카와 클레이를, 가교제로는 황을, 산화방지제로는 페닐렌디아민계 산화방지제를, 가소제로는 파라핀계 미네랄오일을, 커플링제로는 실란계 커플링제를, 가교 반응제로는 티우람계 가교 반응제를 사용하였다.

비교 측정을 명확하게 하기 위하여, 도 2에 도시한 형태로 동일하게 제조함으로써 내륜과의 간섭량도 서로 같도록 하였다.

실험 조건은 베어링의 회전 속도를 7,000rpm으로 하고, 베어링에 작용하는 경방향 하중의 크기를 140kg으로 하였으며, 20시간 작동하여 접촉부(A)의 온도를 측정하였다. 접촉부(A)의 온도는 상용되고 있는 비접촉식 적외선 온도기를 사용하여 측정하였다.

베어링에 적용되는 시일에 있어서 접촉립(157)의 접촉부(A) 온도가 155℃ 이상으로 상승하여 유지되면 접촉립(157)은 탄성을 잃게 되고 손상이 발생하여 베어링 내부에 충진되는 윤활제가 누설되므로 작동 중 접촉립(157)의 접촉부(A) 온도를 155℃로 제한하여야 한다.

측정 결과, 도 6에 도시한 성분으로 제조되는 실링부로 이루어지는 시일을 구비한 베어링의 접촉부(A)는 160℃ 이상으로 온도가 상승하고, 접촉립(157)에서 손상이 발견되었으며, 내부에 충진된 윤활제의 누설 위험이 있었다.

본 발명에 따르는 시일을 구비한 베어링의 경우에는 접촉부(A)의 온도가 140∼150℃ 범위로 유지되었으며, 150℃ 이상으로는 상승하지 않았고, 접촉립(157)에서의 열 손상은 발견되지 않았다.

즉, 접촉부(1A)의 온도 상승을 시일에 손상이 발생하지 않을 온도 이하로 억제하기 위해서는 엘라스토머인 아크릴고무에 포함되는 카본블랙과 무기 필러의 총량을 조정하여야 하며, 더 나아가서 카본블랙과 무기 필러의 총량을 유지하면서, 총량 중에 포함되는 카본블랙의 함량과 무기 필러의 함량을 조절하는 것이 중요하다.

일반적으로 발열이 적고, 열전도성이 우수한 카본 블랙을 충분하게 사용함으로서 발열을 억제하고 또한 일단 발생한 열을 빠르게 전도할 수 있으나, 고하중 상태에서 고속으로 회전하는 베어링과 같은 특별한 고온 발생환경에서는 위와 같은 카본 블랙의 특성에도 불구하고 이와 반대로 카본블랙과 무기 필러의 총량에서 카본블랙이 소량(8∼15％) 포함되도록 함으로써 마찰에 의한 열 발생을 효과적으로 제어할 수 있었다.

따라서 본 발명에 따르는 시일을 구비하는 베어링 및 시일을 사용하는 경우 상기와 같은 고온 발생 환경에서도 베어링을 장착하여 장시간 운전하는 것이 가능하였다.

이상에서 본 발명의 실시 예를 도면을 참조하여 설명하였지만 본 발명의 보호 범위는 이에 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예로부터 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 범위까지 본 발명의 보호 범위로 인정하여야 할 것이다.

도 1은 볼 베어링 및 그 설치 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2는 볼 베어링에 구비되는 시일을 도시한 확대 단면도이다.

도 3은 자동차 에어컨 압축기를 도시한 분해 사시도이다.

도 4는 자동차 에어컨 압축기에서 마그네틱 클러치 장치의 결합 구조를 도시한 개략적인 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따르는 시일의 실링부 성분을 나타낸 표이고,

도 6은 종래 기술에 따르는 시일의 실링부 성분을 나타낸 표이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 베어링 110 : 외륜

120 : 내륜 130 : 전동체

140 : 케이지 150 : 시일(Seal)

151 : 지지체 153 : 실링부

155 : 머리부 157 : 접촉립

Claims (3)

1. 내륜, 외륜, 전동체, 케이지 및 시일을 포함하여 구성되는 베어링에 있어서, 상기 시일은 지지체와 지지체에 결합되는 실링부로 이루어지고, 상기 실링부는 하나 이상의 접촉립을 구비하며 아크릴고무 100 중량부에 대하여 카본블랙과 무기 필러의 합이 80∼120 중량부, 실란계 커플링제 2∼6 중량부를 포함하여 구성되며; 상기 실링부에 포함되는 카본블랙과 무기 필러의 80∼120 중량부 중 카본블랙은 8∼15중량%이고, 무기 필러는 85∼92중량%인 것을 특징으로 하는 고열 발생 환경용 시일을 구비하는 베어링.
2. 내륜, 외륜, 전동체, 케이지 및 시일을 포함하여 구성되는 베어링에 있어서, 상기 시일은 지지체와 실링부로 이루어지며, 상기 실링부는 하나 이상의 접촉립을 구비하고, 아크릴고무 100 중량부에 대하여 카본블랙과 무기 필러의 합이 80∼120 중량부, 황이나 스테아린산 나트륨으로부터 선택되는 가교제 4∼7 중량부, 디페닐아민계 유도체 또는 페닐렌디아민계에서 선택되는 산화방지제 1∼3 중량부, 파라핀계 미네랄오일이나 폴리에스테르계 가소제 5∼7 중량부, 실란계 커플링제 2∼6 중량부, 테트라메틸티우람 모노설파이드(TMTM), 테트라메틸티우람 디설파이드(TMTD) 테트라에틸티우람 디설파이드, 테트라부틸티우람 디설파이드 및 디펜타메틸렌티우람 테트라설파이드(DPTT)에서 선택되는 가교 반응제 4∼6 중량부를 포함하여 구성되며; 상기 카본블랙과 무기 필러 80∼120 중량부 중 카본블랙은 8∼15중량％이고 무기 필러는 85∼92중량％인 것을 특징으로 하는 고열 발생 환경용 시일을 구비하는 베어링.
3. 실링부를 포함하는 고열 발생 환경에 사용되는 시일에 있어서, 상기 실링부는 하나 이상의 접촉립을 구비하고, 아크릴고무 100 중량부에 대하여 카본블랙과 무기 필러의 합이 80∼120, 황이나 스테아린산 나트륨으로부터 선택되는 가교제 4∼7 중량부, 디페닐아민계 유도체 또는 페닐렌디아민계에서 선택되는 산화방지제 1∼3 중량부, 파라핀계 미네랄오일이나 폴리에스테르계 가소제 5∼7 중량부, 실란계 커플링제 2∼6 중량부, 테트라메틸티우람 모노설파이드(TMTM), 테트라메틸티우람 디설파이드(TMTD) 테트라에틸티우람 디설파이드, 테트라부틸티우람 디설파이드 및 디펜타메틸렌티우람 테트라설파이드(DPTT)에서 선택되는 가교 반응제 4∼6 중량부를 포함하여 구성되며; 상기 카본블랙과 무기 필러 80∼120 중량부 중 카본블랙은 8∼15중량％이고 무기 필러는 85∼92중량％인 것을 특징으로 하는 고열 발생 환경용 시일.

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