KR101474044B1 - 고속 플라이휠 씰 - Google Patents

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KR101474044B1
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조나단 제임스 로버트 힐튼
더글라스 아이작 라셀스 크로스
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플라이브리드 오토모티브 리미티드
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Abstract

축(4)에 장착되고, 비어있는(evacuated) 코어를 포함하는 고속 플라이휠을 위한 씰로서, 상기 씰은 2개의 하우징 부분 (6, 8) 및 그 하우징 부분의 사이에 형성되어 있는 공동(30)을 가지고, 상기 공동의 양측에 립씰이 형성되어 있고, 상기 립씰은 상기 축과 접촉되어 둘러 쌓여져 있고, 오일계 유체를 필니플(fill nipple)을 개재하여 공동 내에 유입하고, 유체의 유입시에 블리드니플(bleed nipple)을 개재하여 상기 동공으로부터 공기를 뽑아낼 수 있어서, 상기 유체에 의해 상기 축에 대한 기밀성 씰을 형성할 수 있고, 상기 공동에 주입되는 유체는 상기 플라이휠의 비어있는 코어의 압력에서 증발되지 않는 것을 특징으로 한다.

Description

고속 플라이휠 씰{HIGH SPEED FLYWHEEL SEAL}
본 발명은 플라이휠에 관한 것으로, 특히 차량에 사용하는 고속 플라이휠에 관한 것이다.
플라이휠은, 일반적으로, 축 위에 장착되어 그 축과 함께 회전하도록 되어 있는 비교적 무거운 질량체(heavy mass)로 이루어져 있다. 차량에 있어서 플라이휠은, 예를 들면, 차량의 가속이나 감속을 위해 사용하는 보조기구로서 알려져 있다. 또한, 에너지 저장에 플라이휠을 사용함으로써, 상기 플라이휠의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 것도 알려져 있다. 플라이휠의 운동에너지는 회전관성과 각속도의 제곱에 정비례한다. 차량의 에너지저장에 사용되는 플라이휠은 질량, 관성, 및 회전속도의 최적의 균형을 이루고 있어야 한다. 플라이휠은 더 고속으로 회전이 가능할수록, 주어지는 저장용량에 대해서 한층 더 소형이며 경량이 될 것이다.
통상적으로, 고속 플라이휠은 드래그(drag)에 의해 발생 되는 에너지손실을 감소시키고, 주위공기와의 마찰에 의한 결과로서 플라이휠의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위해, 진공이 적용된 인클로저(enclosure) 내부에 내장되어 있다.
플라이휠이 진공처리된 하우징에 내장되어 있는 경우, 상기 하우징 내부에 진공이 유지될 수 있도록 상기 하우징과 축 사이에 씰이 형성될 필요가 있다. 현재 알려진, 플라이휠을 지지하는 축에 사용하는 씰은 20,000rpm 이하에서 회전하는 축과 함께 사용하기에만 적합하다.
현재 알려진, 플라이휠 축에 사용하는 씰의 예는, 유체자석 씰(ferrofluid seal)이 있고, 이 유체자석 씰에는 오일계 유체가 자성입자로 도프되어 있고, 축 주위에 환 형상 내의 위치에 유체를 유지하도록 자석이 구비되어 있다. 상기 유체는 플라이휠 내에서 진공을 유지하도록 기밀씰을 형성한다. 유체자석씰의 효율은 자성을 띤 입자를 가진 유체를 도프하는 것에 의해 제한된다. 또한, 상기 축은 특별한 등급의 스테인레스 스틸로 형성되어야 하고, 따라서 축의 강도에 제한이 있게 된다. 플라이휠의 동작에 의한 드래그 및 발열을 최소화하기 위해서 축의 직경을 최소화하는 것이 바람직하지만, 주어진 축의 재료에 대해서, 축이 플라이휠을 지지하는 것 및/또는 필요로 하는 토크를 전달하는 것에 충분한 강도를 가지도록 직경을 충분하게 해야만 한다.
플라이휠의 현재 알려진 다음의 문제점은, 발생된 열이 충분히 발산되지 못하기 때문에 ,플라이휠의 동작시에 자주 발생하는 과열이다.
본 발명의 목적은, 플라이휠 하우징 내에서 진공을 유지하기 위해, 예를 들면, 20,000rpm을 초과하는 고속도로 회전하는 플라이휠과 축 사이의 씰을 제공하는 데 있다.
본 발명에 의하면. 청구항 제1항에 기재된 고속 플라휠을 위한 씰을 제공한다.
본 발명의 이점은 씰유체가 효과적으로 냉각되고 과열을 감소시킬 수 있어서 상기 씰을 2000rpm을 초과하는 속도에서 동작하는 플라이휠에 사용할 수 있다.상기 씰은 저속에서도 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 토크전달축의 재료는 특별한 등급의 스테인레스 스틸에 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 고강도 재료를 사용할 수 있어서, 축의 직경을 최소화 할 수 있고, 따라서, 드래그 및 발열을 최소화함으로써, 플라이휠의 효율을 증대시키고, 씰의 과열에 대한 가능성을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 씰링유체는 자성입자로 도프되는 것을 필요로 하지 않으므로 현재 알려진 유체보다 점성이 더 낮은 유체를 사용하여도 된다.
상기 유체는 본래 장소, 즉 플라이휠이 필니플을 개재해서 축 상에 설치된 씰 공동(seal cavity)에 삽입된다. 상기 공동이 유체로 충전되는 동안, 블리드니플을 개재해서 공기가 상기 공동으로부터 추출될 수 있다.
바람직하게는, 상기 씰은 보어(bore)가 형성된 인서트를 포함하고, 상기 보어의 크기는 환형상의 공동의 체적을 결정하고, 이에 따라서 주입되어야 하는 오일의 양을 상기 공동에 충전한다. 상기 구멍은, 바람직하게는, 원형이고, 상기 인서트의 외경과 중심이 다르게 되도록 형성될 수 있으므로, 상기 플라이휠을 지지하는 의 축과 중심이 달라도 된다. 따라서, 유체 공동도 상기 축과 중심이 달라도 되고, 플라이휠의 작동중에 유체의 흐름을 유발하는데 유리하여, 유체와 하우징 간의 뜨거운 열의 전달을 향상시키고, 따라서 상기 씰의 과열의 가능성을 감소시킬 수 있다.
피스톤이 상기 씰의 제1하우징섹션 내에 설치되어도 된다. 상기 피스톤은 플라이휠의 작동에 대해서 유체가 과열될 때에 유체의 팽창에 따라서 이동가능하고, 따라서, 유체가 가열될 때 유체 내에서 과도한 압력이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 상기 피스톤은 씰의 내부 압력과 외기의 압력의 균형을 잡아주는 작용도 할 수 있어서, 제1립씰의 전체에 걸쳐서 압력강하를 제로로 유지할 수 있다. 따라서, 상기 씰 내의 압력이 주위의 공기의 압력과 동일해지므로 주위의 공기가 씰 공동으로의 누설이 발생하지 않는다.
본 발명에서 사용되는 유체는, 비어있는(evacuated) 플라이휠의 코어의 압력에서 증발되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 유체가 상기 비어있는 플라이휠 코어에 스며들어가는 경우에도, 상기 유체가 상기 비어있는 플라이휠 코어 내에서 증발되지 않기 때문에 진공의 손실이 발생되지 않는다.
상기 씰의 하우징은 열전도성이 우수한 알루미늄 등의 경합금으로 이루어진다. 중량이 중요하지 않은 곳에는. 구리 등의 열전도성이 우수한 다른 재료를 사용하여도 된다. 따라서, 상기 씰 유체의 냉각은, 현재 공지된, 자석과 강철로 둘러 쌓여지고, 경합금보다 열전도성이 낮은 유체자석 타입에 있어서 한층 더 효과적이다.
상기 립씰은 PTFE를 포함한 고분자화합물로 이루어진 씰링 립을 특징으로 하여도 된다.
본 발명의 실시형태를 다음의 첨부도면을 참조하면서, 예를 들어 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라이휠 씰의 측면도;
도 2는 도 1의 선(II)를 따른 플라이휠 씰의 단면도;
도 3은 도 2의 선(III)를 따른 플라이휠 씰의 단면도;
도 4는 본 발명에 따른 플라이휠 씰의 대체 실시형태의 단면도.
도 2를 참조하면, 씰(2)에는 토크 전달축(4)에 대해서 기밀씰이 형성되어 있다. 상기 씰은 제1하우징섹션(6)과 제2하우징섹션(8)으로 형성된 경합금 하우징으로 이루어져 있다. 상기 제1하우징섹션(6)과 제2하우징섹션(8)은 제1하우징섹션(6)을 제2하우징섹션(8)에 끼워 맞추도록 상보성의 단차 형상의 프로파일을 가진다.
조립된 플라이휠 상에 있어서, 상기 제1하우징섹션(6)은 상기 플라이휠로부터 외부로 대면하고 있어서, 접근가능하다. 상기 제2하우징섹션(8)은 비어있는 플라이휠코어의 내측으로 대면하고 있어서, 접근이 불가능하다.
하우징들 사이에 공간(14)을 형성하도록 제1하우징섹션(6)을 제2하우징섹션(8)에 끼워 맞춘다. 환형상의 쇼울더(shoulder)(16, 18)를 상기 제1하우징섹션(6)과 제2하우징섹션(8) 내에 형성해서 제1수정 PTFE 립씰(20) 및 제2수정 PTFE 립씰(22)을 각각 수용한다. 립씰(20, 22)이 상기 공간(14)를 침범하지 않도록, 일반적으로 각각의 환형상의 쇼울더(16, 18)의 깊이는 상기 립씰(20, 22)의 폭과 동일하다.
링 형상의 인서트(24a)를 상기 공간(14)에 형성한다. 인서트의 외경이, 제2하우징섹션(8)에 상기 인서트가 끼워지도록 되어 있다. 도 3을 참조하면, 축이 상 기 인서트(24a)의 중심을 지나간다.
환형상의 공동(30)이 상기 립씰(20, 22) 사이에 형성된다. 상기 공동은 상기립씰(20, 22)과, 제1 및 제2하우징섹션(6, 8)과, 상기 인서트(24a)의 중심과 접하고 있다. 상기 인서트(24a)는 체적 레듀서(volume reducer)로서 작용하고, 환형상의 공동의 체적은 하우징섹션(6, 8) 사이의 공간의 체적이며, 상기 인서트(24a)의 체적보다 작다.
상기 씰(2)은 축(4)이 하우징섹션(6, 8), 립씰(20, 22), 및 상기 인서트(24a)의 중심을 통과하도록 축(4) 상에 탑재된다.
립씰(20, 22)은 상기 립씰의 립(32, 34)이 상기 환형상의 공동(30)을 향하고, 상기 축(4)와 접촉하도록 배치된다.
상기 공동은 필니플(36)을 개재하여 오일계 유체(40)(도 3)로 충전된다. 상기 유체가 주입되는 동안, 블리드니플(38)을 개재해서 공기를 추출한다. 일단 상기 공동(30)이 유체로 충전되면, 상기 유체는 축(4)에 대해서 기밀성 씰을 형성한다. 제1립씰(20)에 의해 유체(40)를 주위 공기로부터 분리하고, 제2립씰(22)에 의해 상기 비어있는 플라이휠 코어로부터 분리한다.
필니플(36)과 블리드니플(38)이 플라이휠로부터 외부방향으로 향하고 있어서 접근가능하기 때문에, 상기 유체(40)는 원래 위치 즉 플라이휠이 축(4)에 탑재된 후의 공동(30)에 주입될 수 있다. 상기 씰은 상기 축(4)을 둘러싸고 있는 유체(40)에 의해 형성되고; 립씰(20, 22)에 의해 축(4)을 따라서 공동(30)으로부터 상기 유체(40)가 스며나오는 것을 방지한다.
플라이휠이 고속으로 작동할 때, 상기 유체(40)에 의해 윤활 및 냉각을 형성하여 립씰(20, 22)이 과열되는 것을 방지하기도 한다. 유체에 의해 흡수된 열은 하우징섹션(6, 8)에 의해 방열된다.
피스톤(42)는 제1하우징섹션(6) 내에 설치된다. 상기 피스톤(42)은 플라이휠의 동작중에 유체가 과열되었을 때, 유체(40)의 팽창에 따라서 이동가능하기 때문에, 유체가 가열되었을 때 과도한 압력이 유체(40) 내에 발생 되는 것을 방지할 수 있다. 상기 피스톤(42)은 씰 내부의 압력과 외부공기의 압력의 균형을 잡는 작용도 하여서, 제1립씰(20) 전체에 걸쳐서 압력강하를 제로로 유지할 수 있다. 따라서, 상기 공동(30) 내의 압력이 주위의 압력과 동일해서, 주위공기가 상기 공동으로 누설되는 것을 방지할 수 있다. 제2립씰(22)은 1바(bar)의 압력강하를 유지하는 작용을 한다. 그러나, 만일 상기 공동(30)으로부터 스며나오는 유체가 있으면, 상기 비어있는 코어의 압력에서 상기 유체가 증발되지 않기 때문에, 립씰(22)을 지나서, 비어있는 플라이휠 코어 내로, 진공의 손실이 발생 되지 않게 된다.
상기 씰(2)은 필요에 따라서 양자택일의 인서트를 결합하여도 된다. 상기 인서트(24)에 의해 상기 공동(30)의 체적을 감소시킬 수 있으므로, 인서트가 커질수록 상기 공동(30)을 더 큰비율로 점유하고, 이에 의해 상기 공동(30)을 충전하는데 필요한 유체(40)의 양을 저감할 수 있다.
도 4에 도시된 대안의 실시예에 있어서, 환형상의 인서트(24b)의 중심을 상기 인서트(24b)의 외경과 중심이 일치하지 않도록 형성할 수 있다. 따라서, 풀라이휠과 씰을 조립할 때, 인서트(24b)와 유체가 주입되는 공동(30)의 중심이 축과 중심이 일치하지 않는다. 따라서, 상기 플라이휠이 작동할 때에, 유체의 흐름이 상기 공동(30) 내로 유입되므로, 특정영역의 열이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 유체 전체의 온도의 변화도를 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 유체(40)와 상기 하우징섹션(6, 8) 사이의 뜨거운 열의 열전달을 향상시킨다.

Claims (10)

  1. 씰을 포함하고 있는 고속 플라이휠로서,
    상기 플라이휠이 축에 장착되고 비어있는(evacuated) 코어를 포함하며, 상기 씰은 하우징; 상기 하우징 내의, 유체를 충전할 수 있는 체적을 가진 공동(cavity); 상기 축과 접촉되어 상기 축을 둘러 싸는, 상기 공동의 양측에 형성된 립 씰; 상기 공동에 유체를 주입하는 수단; 및 상기 유체를 공동에 주입하는 동안 공동으로부터 공기를 추출할 수 있게 하는 수단으로 이루어지고, 이에 의해 상기 유체가 상기 축에 대하여 기밀성 씰을 형성할 수 있고, 상기 공동에 주입되는 유체는 상기 플라이휠의 비어있는 코어의 압력에서 증발되지 않는 것을 특징으로 하는 고속플라이휠.
  2. 제1항에 있어서,
    링 형상의 인서트를 형성해서 공동의 체적을 감소시키는 것을 특징으로 하는 고속 플라이휠.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인서트의 중심이 원형인 것을 특징으로 하는 고속 플라이휠.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인서트의 중심은 축과 중심이 다른 것을 특징으로 하는 고속 플라이휠.
  5. 제1항에 있어서,
    피스톤이 설치되어 있고, 상기 피스톤은 유체의 팽창에 따라서 이동가능한 것을 특징으로 하는 고속 플라이휠.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 적어도 일부가 경합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 고속 플라이휠.
  7. 제1항에 있어서
    상기 씰 수단은 수정 PTFE로 이루어진 립씰인 것을 특징으로 하는 고속 플라이휠.
  8. 축에 장착된 플라이휠을 위한 씰의 형성방법으로서,
    상기 플라이휠은 비어있는 코어와 씰을 포함하고, 상기 씰은 필니플(fill nipple), 블리드니플(bleed nipple) 및 상기 축과 접촉한 2개의 립 씰 사이의 공동으로 이루어지고,
    상기 방법은,
    필니플(fill nipple)과 블리드니플(bleed nipple)을 개방하는 단계;
    상기 축과 접촉하여 두개의 립씰 사이에 형성된 공동이 충전될 때까지, 상기 필니플에 유체를 주입하고, 유체를 상기 공동에 주입할 때 상기 블리드니플을 개재하여 상기 공동으로부터 공기를 추출하는 단계; 및
    상기 필니플과 상기 블리드니플을 폐쇄하는 단계
    를 포함하고,
    이에 의해 상기 유체는 상기 축에 대한 기밀성 씰을 형성하고, 상기 공동에 주입된 상기 유체는 상기 플라이휠의 비어있는 코어의 압력에서 증발되지 않는 것을 특징으로 하는 씰의 형성방법.
  9. 축에 장착된 고속 플라이휠로서,
    상기 플라이휠은 비어있는 코어와, 상기 플라이휠과 상기 축 사이의 씰을 포함하고,
    상기 씰은 하우징; 상기 하우징 내의, 유체를 충전할 수 있는 체적을 가진 공동; 상기 축과 접촉되어 상기 축을 둘러 싸는, 상기 공동의 양측에 형성된 립 씰; 상기 공동에 유체를 주입하는 수단; 및 상기 유체를 상기 공동에 주입하는 동안 공동으로부터 공기를 추출할 수 있게 하는 수단으로 이루어지고, 이에 의해 상기 유체가 상기 축에 대하여 기밀성 씰을 형성할 수 있고, 상기 공동에 주입되는 유체는 상기 플라이휠의 비어있는 코어의 압력에서 증발되지 않는 것을 특징으로 하는 고속 플라이휠.
  10. 축에 장착된 플라이휠의 씰링 방법으로서,
    상기 플라이휠은 비어있는 코어와 씰을 포함하고,
    상기 씰은, 필 니플, 블리드니플 및 상기 축과 접촉한 2개의 립 씰 사이에 형성된 공동으로 이루어지고,
    상기 방법은 필니플과 블리드니플을 개방하는 단계;
    상기 공동이 충전될 때까지, 상기 필니플에 유체를 주입하고, 유체를 상기 공동에 주입할 때 상기 블리드니플을 개재하여 상기 공동으로부터 공기를 추출하는 단계; 및
    상기 필니플과 상기 블리드니플을 폐쇄하는 단계
    를 포함하고,
    이에 의해서, 상기 유체는 상기 축에 대하여 기밀성 씰을 형성하고, 상기 공동에 주입된 상기 유체는 상기 플라이휠의 비어있는 코어의 압력에서 증발되지 않는 것을 특징으로 하는 플라이 휠의 씰링 방법.
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