KR101534380B1 - 응력 및 편향 수용 멤브레인을 구비한 브러시 시일 - Google Patents

응력 및 편향 수용 멤브레인을 구비한 브러시 시일 Download PDF

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라저 페리맨
패츠릭 피츠제럴드
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씨레제, 에이 유닛 오브 제이슨 인크.
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Abstract

고온 시일링 분야에서 사용 가능한 브러시 시일은, 응력, 스트레인 및/또는 변형이 가해질 때 종방향으로 연장될 수 있는 응력 및 편향 수용 구조의 시일링 멤브레인과 브러시 강모를 가진다. 시일링 멤브레인은 일 부분이 적어도 일 방향으로 다른 부분에 대해 활주 가능하게 중첩되고, 이는 제조, 사용 및 작동 동안 응력, 스트레인 및/또는 편향의 수용을 돕는 상대 운동을 가능하게 한다. 일 실시예에서, 멤브레인은 그 자체가 절첩되어 일 방향으로 활주 가능한 중첩을 제공하고, 멤브레인은 중첩하는 멤브레인 시트로 형성되어 다른 방향으로 활주 가능한 중첩을 제공한다. 다른 실시예에서, 멤브레인은 이격된 변형 구역을 가지며, 상기 변형 구역은 응력, 스트레인 및/또는 편향의 수용을 돕는 종방향 연장성을 제공한다. 멤브레인은 온도 저항 금속성 포일로 제조될 수 있고, 상기 포일은 브러시 시일의 폭 또는 직경보다 크지 않은 두께를 가지며 브러시 시일의 강모에 내장된다.

Description

응력 및 편향 수용 멤브레인을 구비한 브러시 시일{BRUSH SEAL WITH STRESS AND DEFLECTION ACCOMODATING MEMBRANE}
본 발명은 브러시-타입의 시일에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고온 용도에 적합한, 브러시의 강모에 위치된 내장형 응력 및 편향 수용 멤브레인을 갖는 브러시 시일에 관한 것이다.
과거에는, 인접한 구역에서 상이한 온도의 유체들 사이에 열 장벽을 제공하기 위해 다양한 타입 및 배열의 시일이 여러 환경에서 그리고 장비에 사용되어 왔다. 이런 시일의 예로서는 플레이트 시일, 멤브레인 시일, 금속 스트립 시일, 라비린스 시일(labyrinth seal) 및 리프 시일(leaf seal)을 포함한다.
열 장벽을 제공하기 위해 시일이 사용되는 장비의 일 타입은, 열 효율을 증가시키기 위해 고온의 배기 가스로부터 열을 회수하도록 사용되는 공기 예열기이다. 산업용 보일러와 함께 통상적으로 사용되는 공기 예열기의 일 타입은, 보일러로부터 배출되는 연도 가스로부터 회수된 열을 이용하여 보일러로 유입되는 공기를 예열하여 효율을 증가시키고 CO2 배출을 감소시키는 재생용 공기 가열기이다. 재생용 공기 가열기는 전세계에 걸쳐 화력 발전소의 보일러에 통상 이용된다. [또한, 유동층 보일러(fluidized bed boiler), 폐기물-에너지화 소각로(waste-to-energy incinerator), 그리고 탄화수소 공정분야, 제강 공장, 제지 공장, 화학 공장 및 다른 중공업 분야에 통상 사용된다.]
예열기라고도 공지된 재생용 공기 가열기는, 작동하는 동안 가열기 케이싱 내에서 비교적 저속(약 3 내지 5 rpm)으로 회전하는 원형 회전자를 가진다. 가장 일반적인 타입은, 회전자가 다수개의 섹터로 분할되고 각각의 섹터가 열 흡수 매체를 포함하는 Ljungstroem 디자인이다. 회전자가 회전하면, 각각의 섹터 내 열 흡수 매체는 보일러로부터 배출되는 고온의 연도 가스로부터 열을 교대로 회수하여, 공기를 예열하는 보일러로 유입되는 냉각 흡입 공기에 회수된 열을 전달한다.
과거에는, 제거 가능한 금속 스트립 시일이 연도 가스의 누출을 억제하기 위해 각각의 섹터와 예열기 케이싱 사이에 사용되어 왔다. 회전자가 회전하면, 금속 스트립 시일은 시일의 외측 에지와 시일이 밀봉하고자 의도하는 표면 사이의 마찰 접촉으로 인해 마모된다. 예열기 내 온도 변화로 인해, 열 팽창은 갭 크기의 변동을 유발한다. 시일은 가장 작은 크기의 갭에 대해서는 마모되고, 보다 큰 크기의 갭에 대해서는 밀봉하지 않는 상태로 남겨둔다. 또한, 이들 금속 스트립 시일은 부식을 일으키는 비교적 높은 온도와 시일이 작동하는 고온의 공기 유동 분위기로 인한 부식 작용 및 침식 작용에 의해 그 기능이 저하될 수 있다. 또한, 금속 스트립 시일이 부적절하게 설치되면, 예측된 갭에 대단히 큰 편차가 유발되어, 시일이 완전히 파손될 수 있고, 또는 회전자를 정지시켜 버릴 수 있으며, 이로 인해 계획되어 있지 않던 가동 중단이 발생된다. 예열기가 오프라인 상태일 때에만 시일의 교체가 가능하기 때문에, 보일러 서비스를 위한 계획된 정규 정지 시간 동안에만 교체가 이뤄질 수 있기 때문에 교체는 드물게 이루어진다.
보일러 정지 시간은 비용 측면에서 매우 큰 손실이기 때문에, 계획된 정지 시간은 일 년에 한 번 또는 두 번으로 제한되며, 일부의 경우에는 3년에 한 번으로 제한된다. 금속 스트립 시일은 보통 정상적인 작동 주기 동안 현저히 저하되고, 이는 계획된 정지 시간이 되기 매우 전에 허용 불가한 수준까지 시일 누출을 증가시킨다. 연도 가스 누출은 보일러로 유입되는 공기로의 열 전달을 감소시켜, 보일러 효율을 감소시킨다. 또한, 보일러로 유입되는 공기로의 연도 가스의 누출은 보일러 효율을 추가적으로 감소시킬 뿐만 아니라 증가된 연료 소비로 인해 보일러로부터 원치않는 CO2 배출을 증가시킨다. 공기 누출은 흡출-통풍(induced-draft) 및 압입 통풍(forced draft) 팬의 격한 작동을 유발하여, 많은 에너지 소비를 초래한다. 공기 가열기 누출은 또한 공기 유동의 일정하지 않은 온도와, 밀도, 촉매 반응 및 부식 다운스트림의 영향으로 인해 공기 오염 제어 장비의 성능에 영향을 미친다.
과거에는 금속 브러시 강모(bristle)를 채용한 브러시 시일이 또한 사용되어 왔다. 브러시 시일은 이들의 가요성 및 내마모성으로 인해 신뢰성 면에 있어 금속 스트립 시일에 비해 우수하다는 것이 증명되었지만, 이들의 투과 특성은 원치않는 누출을 여전히 허용함으로 인해 이런 타입의 시일이 재생용 공기 예열기에 적합한 것으로 여겨지지 않았다.
터빈 및 터보-장착 기계 제품에 흔히 사용되는 브러시 시일의 일 타입은, 브러시 시일에 대해 횡방향으로 또는 종방향으로 강모 내에 위치될 수 있는 플레이트-타입 멤브레인을 포함한다. 이런 멤브레인이 가요성을 갖는 것으로 공지되어 있지만, 이들은 브러시 시일이 작동하는 동안 강모를 지지하기 위해 브러시 강모의 직경보다 현저하게 두껍다. 이런 타입의 시일이, 샤프트, 축, 또는 회전자를 밀봉하거나 및/또는 이에 정합되도록 통상적으로 사용되며 시일의 평면과 평행한, 환형 또는 역전형 링 구조가 아니라면, 멤브레인은 응력하에서(특히, 멤브레인이 브러시 외부에 배치되는 경우) 영구적으로 변형되거나 파손되고 심하게 마모되는 경향이 있기 때문에 금속 스트립 시일과 마찬가지로 다수의 동일한 단점을 가질 수 있다.
따라서, 수회의 시설 관리 주기에 걸쳐 효율적이고 지속적인 밀봉을 제공하는 불투과성 플레이트 또는 멤브레인 장벽이 결합된 가요성 및 긴 사용수명 신뢰성을 제공하는 향상된 시일이 필요하다.
본 발명은 고온 브러시 시일 분야에 향상된 밀봉을 제공하는 강화된 응력 또는 편향 수용력을 갖는 시일링 멤브레인을 구비한 브러시 시일에 관한 것이다. 브러시 시일은 스파인(spine)에 의해 지지되는 복수개의 브러시 강모 세트를 포함하며, 스파인은 시일링 멤브레인을 지지할 수도 있다. 일 실시예에서, 강모 필라멘트는 코어 와이어 주위에서 절첩되어, 브러시 강모 세트들 사이에서 외향 연장되는 적어도 하나의 시일링 멤브레인 층을 갖는 한 쌍의 브러시 강모 세트를 형성한다. 시일링 멤브레인 및 강모는 고온 용도에서 화씨 700°에 견딜 수 있는 재료로 제조된다. 향상된 응력 및/또는 편향 수용력을 제공하기 위해, 시일링 멤브레인은 강모 폭 또는 직경보다 작은 두께를 갖는 재료와 같은 비교적 얇은 재료로 제조될 수 있다.
시일링 멤브레인은, 가령 제조 및 작동 동안 응력 및/또는 편향의 수용을 돕는 종방향으로 연장 가능한 구조이다. 또한, 브러시 시일에 응력 및/또는 편향 수용 능을 부여하는 것은, 시일링 멤브레인의 일 부분이 시일링 멤브레인의 다른 부분과 횡방향으로 중첩되는 중첩식 시일링 멤브레인 구조이다. 일 실시예에서, 두 개의 중첩하는 시일링 멤브레인 부분들은 접촉 배치되고 활주식으로 상대 운동할 수 있다.
바람직한 일 실시예에서 시일링 멤브레인은 적어도 복수개의 중첩하는 시트로 형성되며, 중첩하는 시트는 종방향을 따라 중첩되는 인접 부분을 가지며, 이는 시트들 사이의 상대 운동을 허용하여 응력 및/또는 편향을 수용한다. 또한, 시일링 멤브레인은 추가의 응력 및/또는 편향 수용력을 제공하기 위해 횡방향으로 중첩되도록 구성될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 시일링 멤브레인은 복수개의 이격된 변형 구역을 가지며, 상기 변형 구역은 적어도 약간은 멤브레인을 신장시키도록 신장성 응력 및/또는 변형을 가능하게 하는 방식으로 브러시 시일의 조립 전에 시일링 멤브레인을 선-변형시키도록 멤브레인을 횡방향 외향 변형시킨다. 시일링 멤브레인은 추가의 응력 및/또는 편향 수용력을 제공하기 위해 횡방향으로 중첩되도록 제공될 수도 있다. 이런 변형 구형은 멤브레인에 지그재그 형상, 파상 형상 또는 대체로 사인 곡선 형상을 부여할 수 있는 방식으로 교번될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 시일링 멤브레인은 실질적으로 이의 전체 길이를 따라 홈이 형성되어 멤브레인을 제조하기 위해 사용되는 시트 또는 포일 재료의 초기 길이로부터 이의 길이를 감소시킨다. 이런 길이의 감소는, 브러시 시일 작동 동안 일어날 수 있는 횡방향 강모 편향에 기인한 응력을 포함한, 응력에 반응하여 멤브레인 연장성을 허용한다. 이런 시일링 멤브레인은 추가의 응력 및/또는 편향 수용력을 제공하기 위해 횡방향으로 중첩되도록 구성될 수 있다.
브러시 시일의 일 실시예에서, 스파인, 코어 와이어, 강모 및 시일링 멤브레인은 브러시 시일 작동 동안 화씨 700°에 견딜 수 있는 내열성 재료로 제조된다. 멤브레인은 응력, 스트레인 및/또는 편향 수용을 용이하게 하는 단일 강모의 적어도 일부 주위에서 변형될 수 있는 비교적 얇은 금속성 포일로 제조된다. 일 실시예에서, 멤브레인은 강모 폭 또는 직경보다 크기 않은 비교적 얇은 두께를 가진다. 바람직한 일 실시예에서, 멤브레인 두께는 강모 폭 또는 직경보다 작다. 한 쌍의 강모 세트들 사이에 내장된 멤브레인은 브러시 시일 작동 동안 강모가 이런 비교적 얇고 가요성 및 변형성을 갖는 멤브레인을 지지할 수 있도록 한다.
브러시 시일은 제거 가능한 구조의 홀더에 장착될 수 있다. 이런 홀더는, 홀더가 브러시 시일을 밀봉 접촉하도록 바이어싱하면서 한 쌍의 레그들 사이에 홀더를 제거 가능하게 클램핑하도록 구성될 수 있다. 이런 홀더는 홀더와 홀더가 장착되는 구조부 사이에 상대 운동을 허용하는 바이어싱 장치를 포함할 수 있다. 이런 바이어싱 장치는, 브러시 시일을 밀봉 결합 위치로 연장토록 하기 위해 홀더를 가압하도록, 토션 코일과, 홀더의 일부와 접촉하는 적어도 하나의 바이어싱 리프(leaf)를 갖는 스프링을 포함할 수 있다. 이런 스프링은 홀더가 장착되는 표면으로부터 연장되는 부분에 의해 코일이 지지되면서 홀더의 이격된 부분과 접촉하는 복수개의 바이어싱 리프를 가질 수 있다.
홀더는 브러시 시일의 스파인 또는 이의 다른 부분에 의해 브러시 시일을 클램핑하도록 구성될 수 있다. 또한, 홀더는 브러시 시일 작동 동안 강모가 지지되는 표면에 대해 각도를 이루며, 가령 예각을 이루며 브러시 시일을 배향하도록 구성될 수 있다. 홀더는 제거 가능한 구조일 수 있지만, 브러시 시일은 필요한 경우 홀더에 용접되거나 심지어 접착식으로 부착될 수 있다.
홀더 장치 배열은 복수개의 브러시 시일을 동시에 유지할 수 있는 복수개의 홀더를 포함할 수 있고, 이는 중복 밀봉을 제공한다. 이런 홀더 장치 배열은 브러시 시일 사이에 사 공간(dead space)을 제공하도록 브러시 시일을 일정 간격으로 분리시킬 수 있고, 이는 밀봉을 추가로 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 브러시 시일은 고온 밀봉 분야에서 재생용 공기 가열기 또는 예열기용으로 매우 적합하다. 고온 밀봉 용도로 구성된 이런 브러시 시일은 또한 다른 열 교환기 밀봉 분야를 포함하여 다른 고온 밀봉 분야에 매우 적합하다.
하나 이상의 바람직한 본 발명의 예시적 실시예들이 첨부한 도면들에 도시되어 있으며, 도면에서 동일한 도면부호는 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 브러시 시일 및 홀더의 부분 확대 분해 사시도이다.
도 2는 홀더가 하나의 구조부에 장착되고 브러시 시일이 브러시 시일에 대해 이동 가능한 인접한 구조부에 대해 밀봉하는, 도 1의 브러시 시일 및 홀더 장치 배열의 정면도이다.
도 3a는 본 발명에 따라 구성된 브러시 시일의 단부도이며, 브러시 시일은 브러시 강모와 동일한 길이를 갖는 중첩하는 멤브레인 층들을 구비한 응력 및 편향 수용 멤브레인을 가지며, 멤브레인 층의 두께는 명료함을 위해 과장되어 도시되어 있다.
도 3b는 멤브레인 층 길이가 강모 길이보다 짧은 다른 브러시 시일의 단부도이다.
도 4a는 도 2의 선(4-4)을 따라 취한 본 발명에 따라 구성된 브러시 시일의 바람직한 일 실시예의 부분 평면 단면도이며, 복수개의 중첩하는 시트로 형성된 응력 및 편향 수용 멤브레인의 바람직한 일 실시예가 도시되어 있다.
도 4b는 도 2의 선(4-4)을 따라 취한 브러시 시일의 제2 부분 평면 단면도이며, 일부 응력 또는 강모 편향을 수용하는 멤브레인이 도시되어 있다.
도 4c는 곡률 반경을 중심으로 그리고 예각으로 굽혀진 후의 도 2에 브러시 시일의 제3 부분 평면 단면도이고, 브러시 시일의 응력 및 편향 수용 멤브레인 특성이 추가로 도시되어 있다.
도 5는 도 4a 내지 도 4c에 따른 브러시 시일의 실시예를 구성할 수 있는 구성요소들의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 구성요소들을 이용하여 브러시 시일을 제조하는 바람직한 일 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 7은 3-차원 외형 응력 및 편향 수용 구조를 갖는 제2 응력 및 편향 수용 멤브레인의 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 멤브레인을 제조하는 방법을 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 7의 멤브레인을 이용하여 다른 브러시 시일을 구성할 수 있는 구성요소들의 분해 사시도이다.
도 10은 도 9의 구성요소들을 이용하여 브러시 시일을 제조하는 바람직한 다른 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 11은 도 7의 멤브레인으로 구성된 브러시 시일의 부분 저면도이다.
도 12는 도 7의 멤브레인을 제조할 수 있는 시트의 측면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 시트로 형성된 후, 도 7의 멤브레인 층의 측면도이다.
도 14는 브러시 시일 조립 동안 발생된 응력 및 편향 수용을 도시하는, 브러시 시일 조립 후의 도 13의 멤브레인 층의 측면도이다.
도 15는 제거 가능하고 유동적인 구조의 브러시 시일 홀더의 실시예의 부분 단면도이다.
도 16은 도 15의 브러시 시일 홀더의 정면도이며, 연장 위치에 있는 홀더 및 브러시 시일이 도시되어 있다.
도 17은 도 15의 브러시 시일 홀더의 다른 정면도이며, 완전한 수축 위치에 있는 홀더 및 브러시 시일이 도시되어 있다.
도 18은 홀더 내 브러시 시일을 각도를 이루며 배향하도록 구성된 브러시 시일 홀더의 다른 실시예의 측면도이다.
도 19는 도 18의 홀더의 정면도이다.
도 20은 이중 브러시 시일 홀더 배열 장치를 도시하는 부분 단면도이다.
도 21은 내부 회전자를 구체적으로 도시하기 위해 가열기의 외부 하우징의 일부가 제공된 재생용 공기 가열기의 사시도이다.
도 22는 브러시 시일 용도를 나타내는 도 21의 예열기의 부분 도면이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들을 구체적으로 설명하기 전에, 본 발명은 도면에 예시되고 이하의 상세한 설명에 설명된 구성요소들의 구성 및 배열의 구체적인 내용으로 제한되지 않음을 알아야 한다. 본 발명은 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있는 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 어법 및 용어는 설명을 목적으로 하며 제한하는 것으로 간주돼서는 아니 된다는 것을 알아야 한다.
도 1 내지 도 4c에는 본 발명에 따라 구성된 브러시 시일(30)의 바람직한 일 실시예가 도시되어 있고, 브러시 시일은 하나의 구조부(34; 도 2)에 부착된 홀더(32)에 장착 가능하며, 상기 구조부는 브러시 시일이 인접한 구조부(36; 도 2)를, 가령 (도시되지 않은) 발전소에 사용된 재생용 공기 가열기(40)의 분할 벽(38)을 밀봉할 수 있는 방식으로, 브러시 시일(30)을 지지하도록 구성된다. 본 발명에 따라 구성된 브러시 시일(30)은 쌍을 이룬 복수개의 강모(46), 즉 적어도 3개의 강모를 각각 포함하는 복수개의 강모 세트(42, 44)와, 비교적 얇고 가요성을 가지며 강모(46)에 내장되는 응력 및 편향 수용 시일링 멤브레인(48)을 가진다. 이런 시일링 멤브레인(48)은 밀봉을 향상시키고, 브러시 시일의 제조, 설치, 사용 및/또는 작동 동안을 포함하며, 응력 및 편향을 수용하도록 구성된다. 또한, 브러시 시일의 사용수명이 유효하게 증가할 수 있다. 또한, 브러시 시일의 보존성이 개선될 수 있다. 또한, 브러시 시일의 보존성이 시간의 긴 주기 동안 유지될 수 있다.
이런 홀더(32)는 브러시 시일(30)의 강모(46)를 탄력적으로 바이어싱시켜 아래에 놓인 구조부(36)와 접촉시키는 바이어싱 부재(52)를 구비한 바이어싱 장치(biasing arrangement; 50)를 포함할 수 있고, 이는 작동 동안 강모 마모의 보상을 돕는다. 홀더(32)는 홀더가 구조부(34)로부터 제거될 수 있는 제거 가능한 구조일 수 있다. 홀더(32)는 브러시 시일(30)을 제거 가능하게 보유하도록 구성될 수 있다. 또한, 브러시 시일(30)은, 가령 홀더에 대해 용접됨으로써 구조부(34) 등에 고정될 수 있다.
홀더(32)는 브러시 시일(30)이 밀봉하는 구조부(36)의 밀봉 표면(60)에 대해 대체로 직교하는 방향으로 브러시 시일(30)의 강모(46)를 배향한 것으로 도시되어 있지만, 홀더(32)는 밀봉 표면(60)에 대해 소정 각도로 브러시 시일(30)을 배향하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 밀봉 표면(60)에 대해 소정 각도로 브러시 시일(30)의 강모(46)를 배향하는 굴곡부 또는 각도를 갖도록 구성된 홀더(32)가 고려되며, 상기 각도는 최적의 밀봉을 도울 수 있는 예각일 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 탄력 있는 응력 및 편향 수용 멤브레인이 내장된 브러시 시일(30)은, 재생용 공기 가열기 밀봉 용도 및 다른 예열기/열 교환기 밀봉 용도에 특히 적절하게 사용되지만, 이는 또한 다른 고온 가스 밀봉 용도에 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따라 구성된 브러시 시일(30)은, 브러시 시일(30)을 지나거나 통과하는 가스 유동이 대향하는 위치에서 브러시 시일(30)이 상대 운동하는 2개의 구조부 사이에, 예컨대 도 2의 구조부(34)와 구조부(36) 사이에 위치되는, 임의의 용도에 매우 적합하게 이용될 수 있다.
도 3a에 도시된 브러시 시일의 실시예에서, 브러시 시일(30)은, 브러시 강모(46)를 한정하고 강모(46)에 멤브레인(48a)을 내장하여 멤브레인(48a)을 지지하는 방식으로, 코어 와이어(66) 주위에 형성된 시일링 멤브레인(48a)과 기다란 브러시 필라멘트(56)를 유지하는 기다란 스파인(54)을 포함한다. 스파인(54)은 원형, 사각형 또는 확대형 헤드(68)를 갖도록 구성될 수 있으며, 상기 헤드로부터 한 쌍의 외향 연장되는 플랜지(70, 72)가 연장되어 강모(46) 및 멤브레인(48)이 외향 연장되는 채널(74)을 형성한다. 플랜지(70, 72)는 필라멘트(56)의 지지를 도우며, 또한 브러시 시일(30)에 대한 강도 및 구조적 강성의 부여를 돕는다. 또한, 플랜지(70, 72)는 필라멘트(56) 및 멤브레인(48)의 체결 및 고정을 돕는다. 이런 브러시 시일(30)은, 이의 브러시 강모(46)의 적어도 팁 또는 단부(58)가 구조부(36)의 밀봉 표면(60)에, 예컨대 재생용 공기 가열기의 분할 벽 또는 섹터 플레이트(38)에 결합되어 배치된 상태로, 통상적으로 이의 스파인(54)을 거쳐 홀더(32)와 같은 홀더에 장착될 수 있다. 이런 표면, 예컨대 밀봉 표면(60)은 수직으로, 수평으로, 또는 각도를 이루며 배치될 수 있고, 또한 직선 또는 평면으로부터 이탈될 수 있다.
브러시 시일(30)은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 강모의 길이와 대체로 동일한 길이를 갖는 비교적 얇고 가요성을 갖는 시일링 멤브레인(48a)을 갖도록 구성될 수 있지만, 브러시 시일(30')은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 강모의 길이보다 짧은 길이를 갖는 시일링 멤브레인(48a')을 갖도록 구성될 수 있다. 이런 일 실시예에서, 멤브레인(48a')은 강모 길이의 적어도 약 ⅔의 길이를 가지도록, 그리고 강모 길이보다 적어도 ¼ 인치 작도록 구성될 수 있다. 이런 다른 실시예에서, 멤브레인 길이는 강모 길이의 약 ⅔와 강모 길이의 ½ 인치 미만 사이의 길이를 가진다. 강모 길이보다 짧게 멤브레인을 제공하면, 짧은 시일링 멤브레인(48a')이 연마 접촉되기 전에 일부 희생형 강모 마모의 발생을 허용함으로써 브러시 시일의 사용 수명의 연장을 도울 수 있다. 이는 또한 브러시 시일이 최적인 상태인 시간의 길이를 증가시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4c, 도 5 및 도 6에는 본 발명에 따라 구성된 브러시 시일(30)에 사용되는 응력 및 편향 수용 시일링 멤브레인(48a)의 바람직한 일 실시예가 상세히 도시되어 있다. 멤브레인(48a)은 복수개의 가요성 멤브레인 시트(76a, 76b)로 구성되며, 각각의 시트는 종방향으로 연장되는 중첩 구역(R)을 따라 중첩되는 부분을 가지며, 중첩 구역은 시트(76a)와 시트(76b) 사이에서 예컨대 활주와 같은 상대적 운동의 발생을 가능하게 한다. 이는 브러시 시일의 제조 및/또는 작동 동안 브러시 시일의 국부적 구역에 예기치 않게 일어날 수 있는 신장 응력 및 스트레인에 반응하여 멤브레인(48a)에 연장성을 제공한다. 각각의 시트(76a, 76b)는 중첩 구역(R), 가령 도시된 바와 같은 구역에서 서로에 대해 접촉된 상태로 배치될 수 있다. 이는 브러시 시일 제조 동안 발생할 수 있으며 단일의 연속성 직선 시트로 형성된 멤브레인을 파열시킬 수 있는 종방향에 따른 응력 및/또는 스트레인, 예컨대 신장 응력을 수용할 수 있는데, 이는 이런 발생한 응력 및/또는 스트레인에 반응하여 시트(76a, 76b) 중 하나가 시트(76a, 76b) 중 다른 하나에 대해 단순히 변위 될 수 있기 때문에, 예컨대 활주할 수 있기 때문이다. 멤브레인 시트(76a)와 시트(76b) 사이에 중첩 구역(R)이 있기 때문에, 이런 응력 및 스트레인이 발생할 때 적어도 부분 중첩이 유지됨으로써, 멤브레인의 밀봉 보존성의 유지를 돕는다.
또한, 각각의 멤브레인 시트(76a, 76b)는 스파인(64)에 대해 횡방향으로 그 자체가 중첩되며, 이는 밀봉을 중복으로 제공하는 것을 도울 수 있다. 시트(76a, 76b) 각각의 자체적 중첩은 강모(46)에 내장된 외향 연장되는 한 쌍의 시일링 멤브레인 층(62, 64)을 갖는 멤브레인(48a)을 생성하며, 각각의 층(62, 64)은 개별적으로 밀봉의 향상을 도움과 동시에 밀봉을 개선하기 위해 함께 작용하기도 한다. 도시된 바와 같이, 각각의 시트(76a, 76b)는 그 자체가 횡방향으로 중첩되는 구역에서 자체적으로 활주 가능하게 접촉될 수 있다.
또한, 이런 이중으로 중첩하는 시일링 멤브레인 구조(48a)는, 일부 강모(46)를 스파인(54)에 대해 대체로 직교하는 방향으로 또는 이에 대해 횡방향으로 변위시키는 파편 조각과 같은 상향 돌출된 물체와 부딪친 강모(46)에 기인한 국부적 응력 및 스트레인을 본 발명에 따라 구성된 브러시 시일(30)이 우수하게 수용하는 것을 가능하게 한다. 이런 상황이 발생하면, 변위된 강모(46) 부근의 시일링 멤브레인(48a)의 일부는 이들 강모(46)가 변위 됨에 따라 변위된다. 중첩하는 시일링 멤브레인 시트 구조에 의해, 멤브레인 시트의 파열을 야기하지 않으면서 국부적인 브러시 시일의 편향으로 인해 야기된 응력 및/또는 스트레인을 수용하도록 멤브레인 시트(76a, 76b)는 중첩 구역(R)에서 서로에 대해, 예컨대 활주 이동할 수 있다. 또한, 시트(76a, 76b) 각각의 중첩된 층(62, 64) 각각은 이런 편향에 반응하여 서로에 대해 활주할 수 있고, 이에 의해 이런 편향의 구역에서 멤브레인(48a)에 축적되는 응력을 방지하거나 및/또는 최소화하는 것을 추가적으로 돕는다.
또한, 이런 중첩은, 예컨대 설치하는 동안, 곡률 반경(r)을 중심으로 시일링 멤브레인(48a)을 파열시키거나 분리시키지 않으면서, 도 4에 도시된 굽힘 방식과 같이, 브러시 시일(30)의 굽힘을 허용할 수 있으며, 이는 시트(76a)와 시트(76b) 사이의 중첩이 브러시 시일(30)의 편향 동안 이들이 서로에 대해 활주하는 것을 허용하기 때문이다. 브러시 시일(30)이 굽혀지면, 이는 굽힙부의 영역에 및/또는 이를 따라 시트(76a)와 시트(76b) 사이의 중첩 구역(R)을 간단히 감소시킨다.
각각의 시일링 멤브레인 시트(76a, 76b)는 무공성 구조일 수 있고, 따라서 중첩하는 시트(76a, 76b)로 형성된 최종 시일링 멤브레인 배열(48a) 또한 실질적으로 무공성이다. 도 4a 내지 도 4c, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예에서, 각각의 시일링 멤브레인 시트(76a, 76b)는 무공성이며 브러시 강모(46) 내에 내장되며, 따라서 강모(46)에 의해 제공되는 밀봉이 브러시 시일 작동 동안 시일링 멤브레인(48a)에 의해 강화된다.
멤브레인(48a)은, 멤브레인(48a)이 복수개의 강모(46) 중 일부 주위에서 변형될 수 있도록 가요성 및 변형성을 갖는 재료로 제조되거나 및/또는 이들을 갖도록 구성된다. 멤브레인(48a)은, 브러시 강모의 폭 또는 직경에 대해 얇은 각각의 멤브레인 층(62, 64)과, 이의 중첩 구조와, 멤브레인 재료로 인해, 비교적 얇고, 가요성 및 변형성을 갖는 탄성 구조가 바람직하다. 이런 얇은 구조로 인해, 멤브레인(48a)은 강모 세트(42, 44) 각각의 강모(46)들에 의해 양 측면에서 지지된다.
멤브레인(48a)은, 각각의 멤브레인 층(62, 64)이 강모(46)의 폭 또는 직경(d)보다 크지 않은 두께(t)를 가짐에 따라 브러시 강모(46)의 폭 또는 직경에 비해 얇을 수 있다. 강모 직경(d)은 0.003 인치 내지 0.020 인치(0.076 밀리미터 내지 0.508 밀리미터) 범위에 있을 수 있고, 각각의 멤브레인 층의 멤브레인 두께(t)는 0.002 내지 0.008 인치(0.051 내지 0.203 밀리미터) 범위에 있을 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예에서, 각각의 층(62, 64)은 강모 폭 또는 직경(d)보다 작은 두께를 가진다. 예를 들면, 바람직한 일 실시예에서, 각각의 강모(46)는 약 0.008 인치(0.203 밀리미터)의 직경(d)을 갖는 원형 단면을 가지며, 멤브레인(48a) 각각의 층(62, 64)은 약 0.002 인치(0.051 밀리미터)의 두께(t)를 가진다. 다른 실시예에서, 각각의 강모(46)는 멤브레인(48a)의 두께보다 작은 폭 또는 직경(d)을 가진다. 예를 들어, 각각의 멤브레인 층(62, 64)이 0.002 인치(0.051 밀리미터)의 두께(t)를 가지는 경우, 한 쌍의 층(62, 64)을 갖는 멤브레인(48a)은 약 0.004 인치(0.102 밀리미터) 보다 크지 않은 멤브레인 총 두께(2t)를 가지며, 총 두께는 약 0.008 인치(0.203 밀리미터)의 강모 직경(d)보다 작다.
일 실시예에서, 멤브레인(48a)은 멤브레인(48a)이 복수개의 강모(46)의 적어도 일부 주위에서 변형될 수 있도록 이런 비교적 얇은 단면 두께를 가진다. 예를 들면, 도 4b에 도면부호 80으로 도시된 바와 같이, 멤브레인(48a)은 단일 강모(46)의 일부 주위에서 변형되기에 충분할 정도로 얇을 수 있다. 이렇게 얇고 변형성이 있기 때문에, 멤브레인(48a)의 큰 표면적이 브러시 시일의 작동 동안 강모(46)와 접촉된 상태를 유지하며, 이는 환경에, 즉 브러시 시일(30)의 양측에 있는 가스에 노출되는 멤브레인 표면적 크기를 최소화한다. 이런 배열은 멤브레인(48a)에 대한 환경 및 열의 영향을 최소화함으로써 브러시 시일의 사용 수명을 유효하게 최대화하고, 이에 의해 멤브레인 산화를 최소화한다. 이는 시일링 멤브레인의 사용 수명을 유효하게 증가시키고, 결과적으로 브러시 시일의 사용 수명을 증가시킨다.
이런 시일링 멤브레인의 변형성은, 불균형을 갖거나, 파편을 수반하거나, 평탄 또는 균일하지 않은 표면, 가령 밀봉 표면(60)을 브러시 시일(30)이 우수하게 밀봉하는 것을 돕는다. 또한, 이런 변형성은 하나 이상의 강모(46)가 변위 또는 변형을 유발하여 결과적으로 멤브레인(48a)을 변형시키는 이런 표면 불균형 또는 편차에 대해 시일링 멤브레인(48a)이 견딜 수 있도록 돕는다. 또한, 멤브레인(48a)은 강모(46) 그룹과 함께, 또는 실질적으로 모든 강모(46)와 함께 변위될 수 있으므로, 강모(46)가 밀봉 접촉되는 표면에 대해 각도를 이루며 브러시 시일(30)이 배치되는 위치를 포함하여, 브러시 시일(30)에 힘이 인가되는 위치에서 밀봉을 최대화한다. 또한, 이런 시일링 멤브레인의 변형성은 밀봉의 향상을 도우며, 또한 밀봉 보존성의 강화를 돕는다.
이런 얇고 가요성 및 변형성을 갖는 멤브레인(48a)을 사용함에 따라, 브러시 시일(30)은 도 4c에 도시된 바와 같은 곡률 반경(r)으로 굽혀질 수 있다. 시일링 멤브레인(48a)의 중첩 구조는 브러시 시일(30)의 굽힘을 추가로 도우며, 굽힘부는 예각(θ)을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, θ는 90°보다는 작고 5°정도 사이의 범위일 수 있다. 멤브레인(48a)의 가요성 및 변형성이 인접한 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)의 중첩 부분으로부터 적어도 일부에 제공됨에 따라, 브러시 시일(30)은 설치를 위해 또는 설치하는 동안 파열 없이 이런 예각으로 굽혀질 수 있고 설치된 경우 이의 밀봉을 유지할 수 있다.
도 5에는 도 1 내지 도 4c에 도시된 방식으로 사용될 수 있는 바람직한 고온 브러시 시일의 실시예를 구현하기 위해 사용된 구성요소(82)가 도시되어 있다. 브러시 시일 구성요소는 대체로 직사각형 스트립 금속과 같은 성형 재료인 기다란 스트립(84)을 포함하며, 기다란 스트립은 브러시 시일을 구성하는 동안 브러시 시일 구조의 일부로서 스파인(spine; 54)에 형성된다. 이런 스트립(84)은 롤 등으로부터 전개되거나, 압출되거나, 또는 다른 형태로 제공될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 스트립(84)은 고온 브러시 시일 용도로 사용하기 적합한, 화씨 400°내지 1000°사이의 온도에 견디는 고온 저항성 재료로 제조된다. 바람직한 일 실시예에서, 스트립(84)은 이런 고온에 견딜 수 있는 스테인리스 스틸로 제조된다. 다른 적절한 재료는 의도된 고온 밀봉 용도로 사용되기에 적합한 고온 특성을 갖춘, 타이타늄, 알루미늄, 스틸 또는 이들의 합금, 예컨대 Cor-Ten, Haynes 또는 Inconel을 포함한다. 적절한 합금은 Haynes 25, Incoloy 800, Inconel 625 또는 Inconel 718을 포함한다.
코어 와이어(66)는 유사하게 적절한 고온 저항성 재료로 제조된 기다란 로드일 수 있다. 예를 들면, 바람직한 하나의 재료는 화씨 400°내지 1000°사이의 온도에 견딜 수 있는, 금속성 구조일 수 있는 금속 또는 합금이다. 바람직한 하나의 재료는 스테인리스 스틸, 타이타늄, 타이타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 고온 스틸 합금 등이다. 적절한 합금의 예는 Haynes 25, Incoloy 800, 및 Inconel 625 또는 718을 포함한다. 코어 와이어(66)는 제조되는 동안 세트(44, 46) 각각의 강모(46)가 멤브레인(48a)에 대해 놓이도록 또는 이와 접촉되도록 충분히 변형되는 방식으로 강모 필라멘트(56)가 코어(66) 주위에 형성되는 것을 돕도록 적절한 폭 또는 직경을 가지면서 구성될 수 있다. 이런 변형은 사실상 유연할 수 있고, 이에 의해 적어도 일부 필라멘트(56)가 코어(66) 주위에서 유연하게 변형된다.
또한, 강모 필라멘트(56)는 유사하게 적절한 고온 재료로 제조될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 브러시 시일을 조립하는 동안, 필라멘트(56)는 기다란 매트(86)에 배열되고, 매트(86)는 적어도 복수개의 쌍을 이룬 필라멘트 두께의 두께를 가진다. 도 4에 매트(86)로부터 분리하여 단일 필라멘트(56)로 명확하게 도시된 바와 같이, 각각의 필라멘트(56)는 길며, 비-선형 구조일 수 있다. 예를 들면, 각각의 필라멘트(56)는 이의 길이를 따라 대체로 사인 곡선 형상일 수 있고, 이는 멤브레인 접촉의 표면적을 증가시킴으로써 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 필라멘트(56)는 스테인리스 스틸, 또는 Haynes 25, Incoloy 800, Inconel 625 또는 Inconel 718과 같은 다른 적절한 고온 합금으로 제조될 수 있다.
멤브레인(48a)은 복수개의 얇고 가요성 및 변형성을 갖는 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)로 형성되고, 또한 유사한 적절한 고온 저항성 재료로 제조된다. 바람직한 일 실시예에서, 멤브레인(48a)은 적어도 복수개의 쌍을 이룬 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)로 형성된다. 각각의 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)는 전술된 바에 따라 비교적 얇은 단면 두께를 갖는 비교적 얇은 포일로 제조될 수 있다. 각각의 시트(76a, 76b, 76c)는 대체로 직사각형 구조일 수 있고, 필요에 따라 대체로 사각형일 수 있다.
각각의 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)는 적어도 화씨 400°내지 1000°의 온도에서 작동할 수 있는 재료로 제조될 수 있다. 바람직한 일 멤브레인 시트 재료는 스테인리스 스틸 포일이다. 적절히 얇고 고온용 포일을 생산할 수 있는 재료는 Haynes 25, Incoloy 800, 및 Inconel 625 또는 718을 포함한다.
조립시, 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)는 브러시 시일을 제조하는 동안 인접한 각각의 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)의 일부가 밀봉 중첩부(78)의 구역(R)을 형성하면서, 도 5에 도시된 바와 같이 종방향으로 중첩된다. 바람직한 일 실시예에서, 각각의 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)는 브러시 시일 작동 동안 브러시 강모(46)의 편향의 수용을 돕도록 적어도 1/16 인치의 중첩 구역(R)을 가진다. 바람직한 다른 실시예에서, 중첩 구역(R)은 적어도 ¼ 인치이다. 이는 멤브레인(48a)에 의해 제공되는 밀봉 보존성과 함께 적어도 일부의 중첩을 유지하면서, 응력, 스트레인 및/또는 편향의 부근에서 인접한 멤브레인 시트, 예컨대 시트(76a, 76b, 76c)들 간의 상대 이동을 유효하게 허용한다. 또한, 멤브레인(48a) 형성 시, 중첩하는 시트(76a, 76b 및/또는 76c)는, 제조, 설치, 사용 및 작동 동안 멤브레인(48a) 및/또는 브러시 시일(30)에 가해질 수 있는 신장 응력 및 스트레인을 포함한 응력에 대해 멤브레인(48a)이 견딜 수 있도록 한다.
브러시 시일(30)이 제조될 수 있는 방법은 도 6을 참조하여 이해될 수 있다. 먼저, 필라멘트(56)의 중앙이 스트립(84)을 대체로 양분하는 상태로 기다란 브러시 필라멘트(56)의 매트(86)가 스트립(84) 상에 놓인다. 평평한 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)는 필라멘트 매트(86) 상에 배치된다. 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)는 별개이며 전술한 바와 같이 중첩 형태로 놓인다. 다음, 연속 롤로부터 풀릴 수 있는 코어 와이어(66)가 금속 스트립(84)의 중간 또는 이등분선에서 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)의 상부에 배치된다. 이는 브러시 시일(30)로 형성될 준비가 된 브러시 시일 조립 배열(88)을 형성한다.
다음, 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c), 브러시 필라멘트(56), 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c) 및 코어 와이어(66) 주위에 스트립(84)을 크림핑함으로써 스트립(84)을 스파인(54)으로 형상화하도록 형성 작업이 수행된다. 이런 형성 작업은 홈형 외부 에지(79)를 구비한 (도 6에 가상선으로 도시된) 디스크(77) 또는 회전 형성 맨드릴을 이용하여 형성될 수 있으며, 상기 홈형 외부 에지는 코어 와이어(66)를 프레스 다운하여 (도 6에 가상선으로 역시 도시된) 홈형 또는 리세스형 크림핑 다이 또는 고정구(81)에 놓인 스트립(84)에 대해 스트립(84)을 변형시켜 스파인(54)으로 형성되도록 하기에 충분한 힘을 스트립(84)에 가한다. 스트립(84)이 크림핑되고 스파인(54)으로 형성되면, 스파인은 코어 와이어(66) 주위에서 브러시 필라멘트(56)를 따라 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)를 클램핑하여 형성한다. 형성하는 동안, 형성되지 않은 브러시 시일 조립 배열(88)은 디스크(77) 쪽으로 실질적으로 연속하여 진행됨으로써 대체로 연속하는 기다란 브러시 시일(30)이 형성되며, 이어서 기다란 브러시 시일은 브러시 시일(30)이 사용될 용도 또는 설치의 필요조건에 따라 소정 길이 또는 길이들로 절단될 수 있다.
제조하는 동안, 브러시 시일 조립 배열(88)은 형성 디스크(77) 쪽으로 진행한다. 회전 형성 디스크(77)는 코어 와이어(66)를 점차 프레스 다운하며, 이에 의해 스트립(84)을 스파인(54)으로 변형시키는 크림핑 다이 또는 고정구(81)의 리세스(83) 내로 상응하는 스트립(84)의 내재하는 부분을 가압한다. 스트립(84)이 크림핑 고정구 리세스(83)로 가압되면, 스트립이 크림핑됨에 따라 각각의 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c) 및 필라멘트(56)가 코어 와이어(66) 주위에서 절첩된다. 이는, 각각의 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)가 그 자체의 대략 반으로 절첩됨에 따라, 브러시 강모(46)의 일 세트(42)가 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)의 일 측면에 배치되고, 브러시 강모(46)의 다른 세트(44)가 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)의 타 측면에 배치되도록 한다. 크림핑 공정이 완료되면, 스파인(54)은 필라멘트/강모 및 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c) 주위에서 크림핑되어 이들을 코어 와이어(66) 주위에 고정한다. 다음, 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)뿐만 아니라 필라멘트(56)는 트리밍 작업에서 도 5에 도면부호 90으로 지시된 바와 같이 소정 길이로 트림될 수 있다.
이런 방식으로 브러시 시일(30)을 형성하면, 특히 멤브레인(48a)을 포함하는 기다란 부재에 상당한 신장 응력 및/또는 스트레인이 가해진다. 각각이 브러시 강모 직경보다 작은 두께를 갖는 층(62, 64)을 구비한 얇은 멤브레인(48a)을 사용함으로써, 비용이 절감되고 동시에 밀봉 보존성이 강화된다. 그러나, 이런 비교적 얇은 멤브레인에 응력 및 스트레인이 가해지면 브러시 시일을 제조하는 동안 파열 위험성이 증가하지만, 중첩하는 시트(76a, 76b, 76c)를 이용한 멤브레인(48a) 형성은 이런 파열 발생을 방지한다. 이는 제조하는 동안 스파인(54)에 대해 길이 방향 중첩의 구역에서 각각의 멤브레인 시트(76a, 76b, 76c)가 길이방향으로 슬립되거나 이동될 수 있기 때문이며, 이는 지나친 신장 응력의 축적 및 파열 발생을 방지하고, 멤브레인이 단일의 연속하는 평평하고 단속이 없는 시트로 형성된 경우보다 양호하거나 우수하게 작용하는 기다란 멤브레인(48a)을 생산한다.
도 7 내지 도 14에는 브러시 시일의 다른 바람직한 실시예의 다양한 태양들이 도시되어 있으며, 상기 태양들에는 고온 용도에 역시 적합하고 응력, 스트레인 및/또는 편향을 우수하게 수용하는 본 발명에 따라 구성된 브러시 시일(30")을 제조하는 방법도 포함되어 있다. 브러시 시일(30")은 시일링 멤브레인(48b)을 채용한다는 점을 제외하고는 브러시 시일(30)과 유사하며, 시일링 멤브레인(48b)은 적어도 소정의 탄성을 부여함으로써 최종 멤브레인(48b)이 응력, 스트레인 및 편향을 우수하게 수용할 수 있는 방식으로 브러시 시일 조립 전에 선-변형된다. 이런 선-변형된 탄성 시일링 멤브레인(48b)은 단일의 기다란 가요성 시트(92)로 제조될 수 있다는 점을 제외하고는, 멤브레인(48a)과 동일한 재료 또는 재료들로 제조될 수 있다. 이런 시트(92)는 최종 멤브레인(48b)이 대략 브러시 강모의 폭 또는 직경보다 크지 않거나, 심지어 브러시 시일의 폭 또는 직경보다 작은 단면 두께를 갖도록 선택될 수 있다.
도 7에는 멤브레인(48b) 제조시에 시트(92)에 형성된 적어도 쌍을 이루며 이격된 복수개의 응력 및 편향 수용 변형부(94), 예컨대 적어도 3개의 변형부를 갖는 3차원 외형 구조인 선-변형된 탄성 시일링 멤브레인(48b)의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 시트(92)에 형성된 이들 이격된 변형부(94)는, 탄성을 증가시켜 멤브레인(48b)이 파열 없이 신장 및/또는 휘어지는 것을 허용하는 소정 방식으로 시트(92)의 형상 기억을 변화시킴으로써, 응력, 변형 및 편향을 우수하게 수용하는 것을 가능하게 한다. 도 7에 도시된 시일링 멤브레인 실시예에서, 응력 및 편향 수용 변형부(94)는 생산된 최종 시일링 멤브레인(48b)의 전체 길이를 실질적으로 따르며 시트(92)의 대향 측면에 교번하며 시트(92)에 형성된다. 최종 3-차원 외형 시일링 멤브레인(48b)은 멤브레인(48b)을 지지하는 강모(46)에 내장된 후에도 시트(92)에 걸쳐 증가된 종방향 연장성을 제공한다.
도 7에서, 각각의 변형부(94)는 횡방향으로 연장되는 주름(96a, 96b)의 형상이며, 주름은 시트(92) 폭의 적어도 일부에서 대체로 횡방향으로 연장되는 적어도 하나의 변형 구역(98)에 의해 각각 형성된다. 도 7에 도시된 시일링 멤브레인 실시예에서, 횡방향으로 연장된 각각의 변형 구역(98)은 시트(92)의 폭을 따라 실질적으로 연장되는 절첩 구역이거나 절첩선의 형태일 수 있고, 이들은 상기 구역에서 이의 형상 기억으로 변화되는 방식으로 시트(92)가 변형되는 위치를 나타낸다. 도 7에 도시된 횡방향으로 연장된 변형 구역(98)이 절첩선(100)으로 나타나 있지만, 구역(98)은 선보다 통상적으로 넓을 수 있음을 알아야 한다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 변형 구역(98)은 교번하는 형태로 외향 연장되어 최종 시일링 멤브레인(48b)에 지그재그 형상 또는 웨이브 형상을 부여한다. 절첩선(100)에 의해 형성된 주름(96a, 96b)이 본 발명에 따라 구성된 선-변형된 응력 및 편향 수용 탄성 시일링 멤브레인(48b)을 생산하도록 형성되는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 하나의 주름(96a)이 상향 또는 외향으로 향하고 인접한 주름(96b)이 하향 또는 내향으로 향하면서 교대로 주름이 형성된다. 각각의 인접한 쌍을 이룬 접첩선(100)은 패널(102)을 형성하며, 패널은 도 7에 도시된 바와 같이 대체로 사각형 또는 직사각형일 수 있지만, 사용된 변형 공정의 특성에 따라 다소 차이가 있을 수 있다.
도 8에는 (도시되지 않은) 롤로부터 풀릴 수 있는 연속적이고 단속이 없는 대체로 평평한 시트(92)에 변형 구역(98)을 대체로 연속하여 형성할 수 있는 형성 장치(104)를 이용하여 선-변형된 응력 및 편향 수용 멤브레인(48b)을 제조하는 예시로서의 바람직한 방법이 도시되어 있다. 형성 장치(104)는 시트(92)에 주름(96a, 96b)을 형성하도록 특별히 구성되지만, 물결 형상, 웨이브 형상, 또는 일반적인 사인 곡선 형상을 최종 시일링 멤브레인(48b)에 부여할 수 있는 유사하게 구성된 변형 구역(98)을 생산하도록 구성될 수 있다. 형성 장치(104)는 치형부(110, 112)를 갖는 한 쌍의 주름 형성 기어(106, 108)를 포함하며, 치형부는 도 8에 도시된 방식으로 기어의 회전 동안 맞물려서 시트가 기어(106)와 기어(108) 사이로 진행될 때 시트(92)에 주름(96a, 96b)을 교대로 형성한다.
도 9 및 도 10에는 본 발명에 따른 브러시 시일(30')을 제조하는 방법이 도시되어 있다. 이 방법에서, 선-변형된 응력 및 편향 수용 탄성 멤브레인(48b)의 연속 길이가 사용되며, 그 이유는 이하에 보다 구체적으로 설명되는 바와 같이, 변형 구역(98)에 의해 비교적 얇은 시일링 멤브레인(48b)이 멤브레인(48b)의 파열 없이 연속하는 브러시 시일 조립 공정에 사용되는 것이 허용되기 때문이다. 이는 또한 변형 구역(98)이 제조하는 동안 멤브레인(48b)에 가해지는 응력의 수용을 돕는 탄성을 제공하는 비-선형 부분을 멤브레인(48b)에 형성하기 때문이다.
도 9에는 이런 선-변형된 응력 및 편향 수용 탄성 멤브레인(48b)으로 구성된 고온용 브러시 시일(30")의 구성요소(114)가 도시되어 있다. 이들 구성요소(114)는 강모 필라멘트(56)와, 코어 와이어(66)와, 스파인-형성 스트립(84)을 더 포함한다. 도 10에는 스트립(84), 필라멘트(56), 멤브레인(48b) 및 코어 와이어(66)는 조립체를 형성하고, 상기 조립체가 코어 와이어(66)를 중심으로 필라멘트(56)와 멤브레인(48b)을 구부려서 스트립(84)을 스파인(54)으로 크림핑하는 도 6에 도시된 맨드릴(77)과 같은 형성 맨드릴 등 쪽으로 진행됨으로써 멤브레인(48b) 그 자체가 중첩되고 강모(46)에 내장됨에 따라 코어 와이어(66)를 중심으로 필라멘트(56)와 멤브레인(48b)을 절첩 상태로 고정하는 브러시 시일 제조 방법이 도시되어 있다.
이런 제조 방법은, 스트립(84)이 롤 등으로부터 풀리고, 멤브레인(48b)이 필라멘트(56) 상에 연속하여 놓이면서 필라멘트(56)가 매트(86)에 연속하여 적층되고 실질적으로 스트립(84) 상의 중앙에 위치되며, 코어 와이어(66)가 롤 등으로부터 연속하여 풀려서 코어 와이어가 멤브레인(48b) 및 필라멘트(56) 상의 중앙에 대체에 놓임에 따라 연속적일 수 있다. 멤브레인(48b)은, 도 8에 도시된 방식과 같이, 길고 연속하며 평평하고 및/또는 단속이 없는(파손되지 않은) 얇은 시트(92)로부터 연속하여 3-차원으로 형성될 수 있고, 따라서 역시 길고 연속하며 및/또는 단속이 없는 3-차원 외형 응력 및 편향 수용 멤브레인(48b)을 생성할 수 있다. 이런 경우에, 멤브레인(48b)은 필라멘트 매트(86) 상에 연속하여 형성되어 배치된다.
다음, 코어 와이어(66)에 작용하는 형성 맨드릴(들)은 코어 와이어(66)를 중심으로 멤브레인(48b) 및 필라멘트(56)를 절첩시키면서 스트립(84)을 스파인(54)으로 변형시켜, 코어 와이어(66) 주위에 멤브레인(48b)을 제 위치에 고정한다. 강모(46) 및/또는 멤브레인(48b)을 원하는 길이로 절단하기 위한 트리밍 작업 또한 연속하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 강모(46) 및 멤브레인(48b) 모두가 실질적으로 동시에 트리밍되고, 따라서 이들 모두는 대체로 동일한 길이를 가진다.
도 11에는 브러시 강모(46)에 내장되어 강모(46)에 의해 지지되는 선-변형된 응력 및 편향 수용 탄성 멤브레인(48b)의 중첩하는 층(62, 64)을 나타내는 브러시 시일(30")이 부분 확대되어 도시되어 있다. 멤브레인(48b)은 브러시 강모 직경 또는 폭보다 작은 단면 두께를 갖는 각각의 층(62, 64)을 구비한, 가요성 및 변형성을 갖는 금속성 포일 또는 금속 포일로 제조된다. 멤브레인(48b)을 구성하는 포일은 재생용 공기 가열기에서 발견되는 비교적 높은 온도에 견딜 수 있는 온도 저항성을 가진다.
도 12 내지 도 14에는 멤브레인(48b) 형성시 이의 변형 이전의 단일 층 포일 시트(92)와, 형성된 이후이지만 브러시 시일 조립 이전의 멤브레인(48b)과, 브러시 시일 조립 이후의 멤브레인(48b)이 도시되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 시트(92)는 대체로 평면이고, 폭(W1)과 길이(L1)를 갖는 기다란 형상으로서 폭은 시트의 단면 두께와 동일하다. 도 13에 도시된 바와 같이, 변형되어 멤브레인(48b)이 형성된 후에, 멤브레인(48b)은 변형되지 않은 초기 길이(L1)보다 짧은, 적어도 10%만큼 감소된 변형 길이(L2)를 가진다. 변형에 의해, 이의 변형 폭(W2)은 시트 폭(W1)보다 적어도 복수의 배, 즉 시트 폭(W1)보다 적어도 3배 크게 된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 브러시 시일을 조립하는 동안, 선-변형된 멤브레인(48b)의 변형 크기가 감소됨에 따라 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 강모(46)의 세트(42)와 세트(44) 사이에 내장되면, 이의 최종 변형 길이(L3)는 L1과 L2 사이에서 마무리되고 이의 최종 변형 폭(W3)은 W1과 W2 사이에 있게 된다.
필라멘트 매트(86) 상에 풀려 배치됨에 따라 종방향으로 멤브레인(48b)에 가해지는 응력과, 강모 사이에 멤브레인(48b)이 개재된 강모 세트로부터 유발되는 힘으로 인해, 변형 길이(L3)는 변형 이후 바로 변형 길이(L2)로부터 증가되고, 변형 폭(W3)은 변형 이후 바로 변형 폭(W2)으로부터 감소된다. 응력 및/또는 스트레인에 반응하여 이의 변형 폭 및 길이를 물리적으로 변화시키는 멤브레인(48b)의 이런 능력은, 응력, 스트레인에 견디고 편향을 수용하는 이의 탄성 및 능력의 증거가 된다. 변형 폭(W3)은 브러시 시일의 조립 후에 초기 시트 두께(Wi)의 적어도 복수 배, 즉 적어도 3배이기 때문에, 내장된 브러시 시일(48b)은 추가의 응력 및/또는 편향을 여전히 수용할 수 있다. 바람직하게는, 이는 브러시 시일의 사용 수명을 증가시키고, 브러시 시일(30")의 내구성을 보다 향상시키며, 시간의 긴 주기 동안 브러시 시일의 보존성을 증가시킴으로써 효과적인 브러시 시일의 사용 수명을 증가시킨다.
도 15 내지 도 17에는 브러시 시일(30)을 해제 가능하게 보유하기 위해 사용될 수 있는 홀더(32)의 실시예가 도시되어 있다. 홀더(32)는 재생용 공기 가열기 등의 벽(34)과 같은 내재 부재에 시일을 부착하기 위해 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 홀더(32)는 브러시 시일(30)의 강모(46)가 접촉하는 표면에 대해 각도를 이루며 브러시 시일(30)을 배향하는 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 홀더(32)는 브러시 시일(30)이 직각으로 밀봉하는 표면에 대해 대체로 직교하는 범위의 각도로 브러시 시일(30)을 배향하도록 구성될 수 있다. 통상적으로, 홀더(32)는 브러시 시일(30)이 밀봉하는 표면에 대해, 예컨대 도 1의 밀봉 표면(60)에 대해 예각으로 브러시 시일(30)을 배향하도록 구성된다.
홀더(32)는 스테인리스 스틸과 같은 재료, 또는 굽힘에 의해 대체로 h-형상 프로파일을 구성하도록 형성될 수 있는 다른 적절한 재료의 단일 스트립으로 형성될 수 있으며, h-형상 프로파일은 제1 또는 내측 레그(116)와 제2 또는 외측 레그(118)를 가지며, 상기 외측 레그는 외향으로 연장되는 섹션(120)과 하향으로 연장되는 섹션(122)을 가지고, 이들 섹션은 브러시 시일(30)이 홀더(32)에 부착될 때 브러시 시일(30)의 스파인(54)을 해제 가능하게 수용하는 채널(124)을 형성한다. 홀더 레그(116, 118)의 최하단부는 채널(124)에 브러시 시일 스파인(54)의 보유를 돕도록 내곡형 플랜지(126, 128)를 각각 가질 수 있다. 홀더 레그(116, 118)는 힌지, 예컨대 리빙 힌지(living hinge)로서 작용하는 만곡부(130)에 의해 대향 단부에서 결합될 수 있고, 만곡부는 브러시 시일(30)을 홀더(32)에 부착할 때 스파인(54)의 클램핑 시 하나의 레그(118)가 다른 레그(116)에 대해 이동하는 것을 가능하게 한다. 이는 도 15에 도시된 클램핑 위치와 같은 클림핑 위치와, 레그(116, 118) 간의 공간이 증가된 클램핑 위치 사이에서 레그(118)가 레그(116)에 대해 이동할 수 있도록 하여, 브러시 시일(30)의 스파인(54)이 홀더(32)로부터 해제되는 것을 가능하게 한다.
홀더(32)는 도 15에 도시된 클램핑 위치에서 레그(116)에 대해 레그(118)를 해제 가능하게 유지하고 클램핑 위치로부터 레그(118)를 해제하여, 스파인(54)이 결과적으로는 브러시 시일(30)이 홀더(32)로부터 제거되는 것을 허용하도록 사용되는 클램핑 장치(132)를 포함한다. 클램핑 장치(132)는 클램핑 위치에서 레그(118)를 유지하도록 사용되는 종방향으로 이격된 복수개의 체결구(134, 140)를 포함할 수 있다. 도 16 및 도 17에 명확하게 도시된 바와 같이, 이런 하나의 체결구(134)는 하나의 레그(116)로부터 개구를 통해 다른 레그(118)로 연장되는 스템(136)을 가지며, 스템은 가령 나사 결합 방식으로 스템(136)과 결합되는 너트(138)를 수용한다. 체결구(140)는 또한 구조부(34)에 홀더(32)를 부착할 시에 사용된다. 체결구(140)는 스템(142)과, 스템(142)과 나사식으로 결합될 수 있는 너트(146)를 포함하며, 스템은 양쪽 레그(116, 118)의 기다란 슬롯(144)을 통해 구조부(34)로부터 외향 연장된다.
홀더(32)는 브러시 시일(30)을 완전한 연장 밀봉 위치 쪽으로 탄성 바이어싱시키거나 가압하는 바이어싱 장치(50)를 포함할 수 있고, 이는 브러시 시일이 시간의 긴 주기 동안 밀봉 구조부(36; 도 1)의 표면(40; 도 1)과 밀봉 접촉을 유지하면서 브러시 시일(30)이 브러시 시일 마모에 대해 조절되는 것을 허용한다. 단지 하나의 바이어싱 장치(50)가 도시되어 있지만, 브러시 시일(30)은 브러시 시일(30)의 길이를 따라 이격된 복수개의 바이어싱 장치(50)를 구비할 수 있다. 바이어싱 장치(50)는 슬롯(144)을 따라 이동하는 스템(142)에 의해 지지되는 바이어싱 부재(52)를 포함하고, 바이어싱 부재는 브러시 시일(30)이 구조부(36; 도 1) 상에 "부유"되는 것을 허용할 수 있는 방식으로, 브러시 시일(30)이 밀봉하는 구조부(36; 도 1) 쪽으로 홀더(32)를 외향 가압하기 위해 홀더(32)와 레그(118) 사이에서 상호 작용한다. 이는 시간의 긴 주기 동안 밀봉 보존성을 유지하면서 우수한 밀봉의 제공을 도울 수 있다. 또한, 이는 구조부(36) 상의 파편 및/또는 구조부(36)의 단속을 수용하기 위해 예열기 작동 동안 브러시 밀봉 위치 조절을 가능하게 한다. 또한, 바람직하게는 유효한 브러시 시일의 수명이 연장될 수 있다.
슬롯(144)은 홀더(32)에 대해 횡방향으로 연장되고 레그(118)의 견부(120)를 오버레이하며 기다란 형상으로 홀더가 장착되는 구조부(32)에 대해 구조부(36) 쪽으로 또는 구조부(36; 도 1)로부터 멀어지는 방향으로 홀더(32)가 구조부(34)에 대해 이동하는 것을 허용한다. 도 15 내지 도 17에 도시된 실시예에서, 바이어싱 부재(52)는 한 쌍의 대향 연장되는 바이어싱 아암(151)을 갖는 스프링(148)이며, 바이어싱 아암은 또한 대체로 하향으로 연장되어 홀더 견부(120)와 접촉한다. 각각의 스프링 아암(151)은 바이어싱 장치의 작동 동안에 홀더 견부(120)와 양호한 활주 접촉의 유지를 돕도록 스프링 아암 단부(153)에 또는 이에 인접하여 위로 향하거나 반경형 기부(152)를 가질 수 있다. 스프링(148)은 필요하거나 원하는 바이어싱 력에 따라 복수개의 와이어 코일로 형성될 수 있고 스템(142)에 의해 지지되는 토션 스프링 코일(150)을 포함하는 토션 스프링일 수 있다. 작동시, 스프링 아암(151)은 토션 스프링 코일(150)에 의해 홀더(32)의 견부(120)에 대해 지지되어 하향 력을 견부(120)에 가한다.
스템(142)이 홀더(32)의 슬롯(144)에 지지됨에 따라, 스프링 아암(151)에 의해 견부(120)에 가해지는 바이어싱 력은 브러시 시일(30)이 밀봉하는 구조부(36)와 접촉될 때까지 브러시 시일(30)의 강모(46)가 홀더(32)를 하향으로 가압한다. 강모 마모가 발생하면, 이런 바이어싱 력은 홀더(32)를 추가로 변위시키고, 이에 따라 브러시 시일(30)이 구조부(36) 쪽으로 추가 변위된다. 이는 마모를 수용하면서 브러시 시일(30)에 의해 제공되는 밀봉의 유지를 돕는다. 파편 또는 단속이 발생하면, 바이어싱 장치(50)는 브러시 시일(30)이 파편 또는 단속 위로 "부유"되는 것을 가능하게 한다. 이는 브러시 시일의 손상 방지를 도울 수 있다. 또한, 이는 브러시 시일(30)이 파편 또는 단속 위로 부유하기 때문에 밀봉 보존성을 우수하게 유지할 수 있다.
도 18 및 도 19에는 시일 작동 동안 브러시 시일의 강모(46)가 접촉하는 표면에 대해 각도를 이루며 브러시 시일(30)을 배향하는 방식으로 각진 홀더(32')의 바람직한 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 홀더(32')는 브러시 시일(30)이 사용되는 장치의 구조부에 홀더(32')를 장착하기 위해 사용되는 체결구의 스템, 가령 도 15의 체결구(140)의 스템(142)을 각각 수용할 수 있는 복수개의 이격된 슬롯(144)을 갖도록 구성된다. 또한, 이들 슬롯(144)은 브러시 시일(30)이 밀봉하는 구조부의 표면에 대해 연속하여 브러시 시일(30)을 가압하는 방식으로 홀더(32')가 바이어싱 장치, 가령 바이어싱 장치(50)와 함께 사용될 수 있도록 하며, 수동 조절을 허용한다.
도 18을 참조하면, 홀더(32')는 금속 같은 스테인리스 스틸 재료의 단일 시트(154)로 제조될 수 있으며, 홀더는 브러시 시일(30)의 스파인(54)이 제거 가능하게 보유될 수 있는 채널(156)을 제공하는 방식으로 형성된다. 홀더(32')는 슬롯(144)이 배치될 수 있는 장착부(158)를 가지며, 이는 브러시 시일(30)이 밀봉하는 구조부 쪽으로 바이어싱될 수 있는 방식으로 홀더(32')가 장착되는 것을 가능하게 한다. 장착부(158)는 각도를 이루며 브러시 시일 보유 채널(156)에 부착되고, 이에 의해 작동 동안 브러시 시일(30)의 강모(46)가 접촉하는 표면에 대해 각도를 이루며 브러시 시일(30)을 배향시킨다. 전술한 바와 같이, 이런 각도는 브러시 시일(30)이 밀봉하는 구조부의 표면에 대해 예각으로 각을 형성하도록 브러시 시일(30)을 배향시킬 수 있다.
브러시 시일 보유 채널(156)은 한 쌍의 채널 립(160, 162)에 의해 형성되고, 립(160) 중 하나는 하향으로 연장되는 스커트(164)를 가지며, 스커트는 강모(46)의 보호를 도울 수 있는 방식으로 브러시 시일 스파인(54)을 지나 립(162)보다 외향으로 연장된다. 예를 들면, 재생용 예열기에 사용되는 경우, 이런 하향으로 연장된 스커트(164)는 강모(46) 및/또는 멤브레인(48)의 내재하는 인접 부분을 고속으로 이동하는 미립자 물질 및/또는 수트-블로워 블레스트(soot-blower blast)로부터 보호하는 것을 돕는다. 스커트(164)는 추가적인 강모 보호가 필요하거나 요구되는 경우에, 스파인(54)을 지나 연장될 수 있다. 예를 들면, 필요 시, 추가적 보호가 필요한 경우에, 스커트(164)는 강모(46)의 길이의 절반 이상으로 연장될 수 있다. 필요시, 다른 채널 립(162)이 이런 보호용 스커트를 구비하여 구성될 수 있다.
도 20에는 구조부(163)에 부착된, 가령 재생용 공기 예열기의 분할 벽에 부착된 변형된 홀더 장치(161)가 도시되어 있고, 구조부는 각각이 표면(167), 가령 섹터 플레이트의 표면에 대해 브러시 하는 한 쌍의 브러시 시일(30)을 유지하도록 구성되어 길이(L)를 갖는 2개의 브러시 시일(30)들 사이에 사 공간(165)을 형성하고, 중복 또는 이중 밀봉 배열을 제공한다. 홀더 장치(161)는 도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같은, 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같은, 한 쌍의 홀더를 이용하여, 또는 다른 구조를 이용하여 구성될 수 있다.
홀더 장치(161)가 도 20에 도시되어 있으며, 브러시 시일(30)은 서로에 대해 평행하게 배열되지만, 하나의 브러시 시일(30)이 다른 브러시 시일(30)에 대해 각도를 이루며 배치되도록 구성될 수 있다. 필요 시, 홀더 장치(161)는 작동하는 동안 강모(46)와 접촉하는 표면, 예컨대 표면(164)에 대해 각각의 시일이 예각을 포함한 각도를 형성하도록 브러시 시일(30) 중 하나 또는 양자를 배향하도록 구성될 수도 있다. 재생용 공기 예열기와 함께 사용되는 경우, 브러시 시일(30) 사이의 사 공간(165)의 길이(L)는 브러시 시일(30) 횡방향으로의 임의 표면의 최소 치수, 가령 브러시 시일(30)에 의해 가로지르는 예열기 섹터 플레이트의 최소 폭보다 작아야만 한다.
도 21 및 도 22에는 본 발명에 따라 구성된, 멤브레인(48a 또는 48b)의 형태로 응력 및 편향 수용 멤브레인(48)을 구비한 브러시 시일(30)이 끼워진 예시적인 재생용 공기 가열기(40)가 보다 구체적으로 도시되어 있다. 예열기(40)는 회전 플레이트 구조, 예컨대 대체로 원통형인 고정식 케이싱 또는 하우징(172)에 배치된 중심 회전자(170)를 갖는 RAPH일 수 있다. 하부 하우징(172)의 상단부(174)는 상부 섹터 플레이트(176)를 포함하며, 상부 섹터 플레이트는 하우징(172)의 상측 개구를 대체로 2 등분하여 냉각 공기 입구(178)와 가스 출구(180)를 각각 형성한다. 하부 섹터 플레이트(182)는 상부 섹터 플레이트(176)에 평행하게 하우징(172)의 하단부(184)에 위치된다. 하부 섹터 플레이트(182)는 하우징(172)의 하측 개구를 2 등분하여 예열된 공기 출구(186)와 고온의 배기 가스 입구(188)를 각각 형성한다.
본 기술분야의 당업자는 열 교환 장치(40)의 입구 및 출구의 위치가 본 발명의 범주로부터 벗어남 없이 반대이거나 변경될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 예열기(40)의 축은 도 21에 도시된 수직 배향으로 제한되지 않으며, 수평 또는 다른 배향일 수 있다.
회전자(170)는 외부 하우징(172)의 축방향 중심선을 따라 정렬된 회전 가능한 중심 샤프트(190)를 포함한다. 다수의 반경방향 분할 벽(192)은 중심 샤프트(190)로부터 하우징(172) 쪽으로 반경방향 외측으로 연장된다. 반경방향 벽(192)은 열 교환 회전자(170) 내에 복수개의 파이(pie)-형 또는 궁형 섹터(194)를 형성한다. 각각의 섹터(194)는 열교환기(40)의 상단부(174)로부터 하단부(184)로 연장되어, 섹터(194)가 공기 입구(148) 및 출구(186), 또는 가스 입구(188) 및 출구(180) 중 어느 한쪽과 개방될 때 공기 또는 가스 도관을 형성한다.
도 22를 참조하면, 섹터(194a, 194b)는 분할 벽(192)들 사이에 위치되고 (도시되지 않은) 케이지에 지지되는 열 교환 코어 섹터를 가지며, 상기 케이지는 열 교환 바스켓을 형성하는 섹터(194a, 194b) 각각의 벽(192)에 연장된다. 각각의 바스켓은 적층된 플레이터형 부재로 통상 구성되는 대량의 흡열 재료를 포함한다. 단지 한 쌍의 열 교환 코어 섹터가 도시되어 있지만, 이런 열 교환 코어 섹터는 예열기(40)의 섹터(194) 각각에 위치된다는 것을 알아야 한다.
예열기(40)의 작동 동안에, 공기는 공기 입구(178)를 통해 공급되고, 배기 가스 입구(188)로 유입되어 공기 출구(186) 쪽으로 향하는 배기 가스에 의해서 회전자(170)의 회전 시 열 교환을 통해 가열되며, 발전소의 (도시되지 않은) 공기 흡입구로 전달된다. 다음, 발전소로부터의 고온 배기 가스는 배기 가스 입구(188)로 공급되고, 회전자(170)를 통해 배기 가스 출구(180)로 유동하며, 스크러버(scrubber)와 같은 후-처리 장비로 향한다.
하나의 예시적인 예열기에서, 이런 배기 가스는 통상적으로 화씨 약 700°의 비교적 고온 상태로 배기 가스 입구로 유입되는 연도 가스이며, 공기 입구로 유입되는 공기는 대기온도로부터 화씨 약 100°범위일 수 있다. 예열된 공기는 화씨 약 450°내지 620°의 온도 범위로 공기 출구로부터 배출되고, 이는 발전소의 적어도 하나의 보일러로 유입되는 연소 가스를 형성한다. 연도 가스는 화씨 약 270°내지 300°의 온도로 배기 출구로부터 배출되고, 이는 스택으로부터 방출될 수 있고, 또는 방출되기 전에 추가 처리될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 바람직한 실시예에서, 스파인(54), 강모(46) 및 멤브레인(48a 또는 48b)을 포함하여, 브러시 시일(30)의 재료는 적어도 화씨 700°의 온도에 견딜 수 있는 재료로 제조된다. 다른 바람직한 실시예에서, 브러시 시일 구성요소는 적어도 화씨 800°의 온도에서 작동 가능한 재료로 제조된다.
고온의 배기 가스가 배기 가스 입구(188)로 유입되면, 이들은 하나 이상의 섹터(194) 내 열 교환 바스켓(heat exchange basket)의 흡열 재료(heat absorbent material)를 통과하게 되고, 이에 의해 흡열 재료가 고온으로 가열된다. 회전자(170)가 회전하면, 이들 섹터(194)의 열 교환 바스켓 내 가열된 흡열 재료는 공기 입구(178) 앞에서 회전하는데, 이는 공기가 흡열 재료를 통과하는 것을 유도하여 공기가 공기 출구(186)로 배출되기 전에 고온으로 가열되도록 한다. 공기 출구(186)로부터 방출된 예열된 공기는 예열 단계가 없는 경우에 비해 고온 상태로 발전소로 유입되어 발전소 효율을 증가시킨다.
도 21에 명확하게 도시된 바와 같이, 반경방향으로 연장되는 브러시 시일(30)은 반경방향으로 연장되는 분할 벽(182) 각각의 상부 에지(186)를 따라 장착되며, 이때 각각의 브러시 시일(30)은 하우징(172)의 상부 벽(198)의 내부 표면과 접촉하여 이들 사이에 밀봉을 제공한다. 필요 시, 대체로 수직으로 연장되는 브러시 시일(30)은 각각의 분할 벽(192)의 외부 반경방향 에지(200)를 따라 장착될 수 있고, 하우징(172)의 외부 측벽(202)의 내부 표면과 접촉하여 이들 사이에 밀봉을 제공한다. 브러시 시일(30)에 의해 제공되는 밀봉은, 섹터 또는 도관(194a, 194b) 내 공기 또는 가스가 분할 벽(192)의 외부 에지(196, 200) 주위에서 인접한 섹터 또는 도관으로 유동하는 것을 방지함으로써 열 전달 효율을 최대화하여 발전소 배출량을 감소시킨다.
본 발명에 따라 구성된 이런 브러시 시일(30)은, 가령 회전자(170)의 외측 벽과 하우징 측벽(172)의 내부 표면 사이에 주연방향 시일을 제공함으로써, 예열기(40) 내에 주연방향 시일을 제공할 시에 사용될 수 있다. 브러시 시일(30)은 연속하여 연장될 수 있는 이런 원주방향 시일을 형성하도록 곡률 반경을 갖도록 형성되거나 및/또는 곡선형 세그먼트로 구성될 수 있다. 유사한 방식으로, 브러시 시일(30) 또는 이의 세그먼트는 환형 시일을 제공하도록 형성될 수 있다.
브러시 시일(30)은 밀봉하는 동안 강모(46)가 접촉하는 표면에 대해 원하는 배향으로, 가령 홀더에 용접될 수 있다. 또한, 브러시 시일(30)은 15°내지 90°사이의 원하는 각도로 브러시 시일(30)을 배향하도록 구성된 홀더(32, 32')와 같은 홀더에 배치될 수 있다. 홀더는 중복 밀봉을 제공하는 나란히 배열된 한 쌍의 브러시 시일(30)을 유지하도록 구성될 수 있고, 이들 사이에 사 공간(dead space)을 형성하도록 이격될 수 있다.
본 발명에 따른 구성된 이런 브러시 시일(30)은 다른 유형의 예열기 및 열교환기와 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 브러시 시일(30)은 3-섹터 열교환기 또는 4-섹터 열교환기에 사용될 수 있다. 또한, 브러시 시일(30)이 회전식 플레이트 열교환기에 사용되는 것으로 제한되지 않음은 자명하다. 예를 들면, 브러시 시일(30)은 고정식 플레이트 재생용 공기 예열기에 사용될 수도 있다.
브러시 시일(30)의 작동 시, 브러시 시일(30)의 강모(46)는 브러시 시일(30)이 밀봉하고자 의도하는 구조부의 표면에 대해 브러시 한다. 이렇게 되면, 강모(46)는 휘어지게 되고, 통상적으로는 강모의 단부에서 또는 이에 인접하여 적어도 약간 구부러짐으로써 휘어지게 된다. 단단히 다져진 강모(46)는 보다 효과적인 밀봉을 보장하는 것을 돕는 강모 편향에 의해 열 전달을 최소화하는 시일을 제공함으로써 이들을 통한 가스의 이동을 막는다.
내장된 시일링 멤브레인(48)은, 브러시 시일(30)을 가로지르는 가스 유동을 추가적으로 차단하는 무공성일 수 있는 장벽을 제공함으로써 밀봉을 향상시킨다. 응력 및 편향 수용 멤브레인(48a, 48b)의 실시예 모두는, 파열 또는 분리됨 없이 강모 편향을 수용함으로써 밀봉 작용을 향상시킨다. 따라서, 밀봉 성능은 브러시 시일의 수명과 함께 증가한다.
특히 본 발명으로서 간주되는 목적을 지시하고 명확하게 주장하는 이하의 청구범위의 범주 내에서 다양한 변형례가 고려된다. 또한, 전술한 설명 및 도면이 본 발명의 하나 이상의 바람직한 실시예들을 구체적으로 설명하고 예시하고 있지만, 본 발명과 관련이 있는 본 기술분야의 당업자는 본 개시 내용을 통해 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남 없이 많은 변형 및 구조와, 광범위한 다른 실시예 및 적용 분야들을 제안할 것이다.

Claims (29)

  1. 브러시 시일이며,
    기다란 스파인과,
    스파인으로부터 외향 연장되는 쌍을 이룬 복수개의 강모와,
    종방향으로 연장되는 기다란 가요성 시일링 멤브레인으로서, 가요성 시일링 멤브레인은 가요성 시일링 멤브레인의 대향 측면들에서 복수개의 강모와 접촉하여 배치되고, 가요성 시일링 멤브레인은 스파인으로부터 외향으로 연장하는 서로 중첩되는 복수개의 가요성 시일링 멤브레인 층을 포함하고, 각각의 가요성 시일링 멤브레인 층은 내부에 형성된 복수개의 이격된 변형 영역을 갖고, 변형 영역은 응력 및 편향 중 하나에 응답하여 변형 가능하여 응력 및 편향 중 하나를 수용하는 길이방향 범위를 따르는 연장성을 갖는, 가요성 시일링 멤브레인과,
    기다란 코어 와이어로서, 상기 코어 와이어로부터 강모 및 가요성 시일링 멤브레인 층이 외향으로 연장하는, 기다란 코어 와이어를 포함하고,
    스파인이 코어 와이어와 스파인 사이의 강모 및 가요성 시일링 멤브레인 층을 유지하는 상태로 코어 와이어가 스파인에 수용되는, 브러시 시일.
  2. 제1항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인의 대향 측면들에 배치된 복수개의 강모는 코어 와이어 주위에 감긴 쌍을 이룬 복수개의 기다란 필라멘트에 의해 형성되는, 브러시 시일.
  3. 제1항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인 층은 응력 및 편향 중 하나를 수용시 응력 및 편향 중 하나에 응답하여 다른 가요성 시일링 멤브레인 층에 대한 하나의 가요성 시일링 멤브레인 층의 상대적인 활주 이동을 가능하게 하도록 서로에 대해 활주식으로 중첩되는, 브러시 시일.
  4. 제3항에 있어서, 중첩되는 가요성 시일링 멤브레인의 대향 측면들의 복수개의 강모의 층은 실질적으로 브러시 시일의 길이를 따라 연장하고,
    가요성 시일링 멤브레인 및 강모는 적어도 화씨 700도의 온도에 견디는 고내열성 재료를 포함하는, 브러시 시일.
  5. 제4항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인은 쌍을 이룬 복수개의 브러시 강모 중 하나의 폭 또는 직경보다 크지 않은 두께를 갖는 무공성 재료로 구성되는, 브러시 시일.
  6. 제1항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인은 쌍을 이룬 복수개의 브러시 강모 중 하나의 폭 또는 직경보다 크지 않은 두께를 갖는 재료로 구성되어 가요성 시일링 멤브레인은 복수개의 브러시 강모 중 하나의 일부 주위에서 변형가능한, 브러시 시일.
  7. 제1항에 있어서, 강모 및 가요성 시일링 멤브레인은 적어도 화씨 700도의 온도에 견딜 수 있는 고내열성 재료로 구성되는, 브러시 시일.
  8. 제1항에 있어서, 복수개의 이격된 변형 영역은 가요성 시일링 멤브레인 층의 길이방향을 따라 3-차원 외형을 갖는 가요성 시일링 멤브레인을 형성하고, 이에 의해 길이방향을 따라 각각의 가요성 시일링 멤브레인 층의 연장성이 제공됨으로써 가요성 시일링 멤브레인 층 길이 변화를 통한 편향 및 응력 중 적어도 하나의 수용이 가능한, 브러시 시일.
  9. 제1항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인은 이격된 복수개의 변형 구역을 포함하는 단일 연속성 시트로 제조되며, 상기 변형 구역은 응력 및 편향 중 적어도 하나에 반응하여 가요성 시일링 멤브레인의 연장성을 허용하면서 시트의 길이를 감소시키는, 브러시 시일.
  10. 제1항에 있어서, 각각의 변형 구역은 대응하는 가요성 시일링 멤브레인 층의 일부를 가요성 시일링 멤브레인의 길이방향 범위에 대해 횡방향 외측으로 변형시키는, 브러시 시일.
  11. 제10항에 있어서, 각각의 가요성 시일링 멤브레인 층은 횡방향 외측으로 그리고 번갈아가며 연장되는 쌍을 이룬 복수개의 변형 구역을 가지는, 브러시 시일.
  12. 제11항에 있어서, 각각의 가요성 시일링 멤브레인 층의 각 변형 구역은 일체로 형성된 주름을 포함하는, 브러시 시일.
  13. 제11항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인은 쌍을 이룬 복수개의 브러시 강모 중 하나의 폭 또는 직경보다 크지 않은 두께를 갖는 금속성 포일로 제조되는, 브러시 시일.
  14. 제13항에 있어서, 금속성 포일은 복수개의 브러시 강모 중 하나의 일부 주위에서 변형 가능한, 브러시 시일.
  15. 제14항에 있어서, 강모 및 가요성 시일링 멤브레인은 적어도 화씨 700도의 온도에 견딜 수 있는 재료를 포함하는, 브러시 시일.
  16. 제11항에 있어서, 중첩된 시일링 멤브레인 층은 브러시 시일의 길이방향으로 연장하는 지그재그 형상 및 웨이브 형상의 3차원 외형 중 하나를 형성하는, 브러시 시일.
  17. 제11항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인 층은 쌍을 이룬 복수개의 강모의 길이의 적어도 ⅔ 거리로 스파인으로부터 외향 연장하는, 브러시 시일.
  18. 제17항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인 층은 쌍을 이룬 복수개의 강모의 길이와 실질적으로 동일한 거리로 스파인으로부터 외향 연장하는, 브러시 시일.
  19. 제1항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인 층은 무공성인, 브러시 시일.
  20. 제1항에 있어서, 중첩된 복수개의 가요성 시일링 멤브레인 층의 대향측과 접촉하는 복수개의 강모는 중첩된 복수개의 가요성 시일링 멤브레인 층에 대한 지지부를 제공하는, 브러시 시일.
  21. 제20항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인은 직사각형이고 스파인을 따라 연장하는 종축 주위에서 절첩되어 스파인으로부터 외향으로 연장하는 복수개의 가요성 시일링 멤브레인 층을 형성하고, 복수개의 가요성 시일링 멤브레인 층은 활주 가능하게 상대이동 할 수 있는 방식으로 서로에 대해 중첩되는, 브러시 시일.
  22. 직사각형의 기다란 가요성 시일링 멤브레인과,
    쌍을 이룬 복수개의 기다란 강모 필라멘트와,
    기다란 코어 와이어와,
    기다란 스파인
    을 포함하는 브러시 시일이며,
    상기 가요성 시일링 멤브레인은 길이방향으로 활주 가능하게 중첩되는 적어도 한 쌍의 가요성 시일링 멤브레인 시트를 포함하고, 가요성 시일링 멤브레인 시트 중 하나의 시트의 일부는 가요성 시일링 멤브레인 시트 중 인접한 시트의 일부와 길이방향으로 활주 가능하게 중첩되어 길이방향으로 활주 가능하게 중첩되는 영역을 형성하고, 직사각형의 가요성 시일링 멤브레인은 종축 주위에서 절첩되어 횡방향으로 활주 가능하게 중첩되는 복수개의 가요성 시일링 멤브레인 층을 형성하고, 이 층들은 그들 간에 횡방향으로 활주식 상대 이동이 가능하고, 길이방향으로 활주 가능하게 중첩되는 가요성 시일링 멤브레인 시트의 각 쌍은 그들 간에 길이방향으로 활주식 상대 이동이 가능하고,
    상기 강모 필라멘트는 가요성 시일링 멤브레인 층 주위에서 절첩되어 중첩되는 가요성 시일링 멤브레인 층이 매설된 복수개의 강모 세트를 형성하고,
    상기 코어 와이어는 가요성 시일링 멤브레인 시트 및 강모 필라멘트가 절첩되는 길이방향 절첩 축을 형성하고,
    상기 스파인은 코어 와이어 주위에서 절첩되는 강모 필라멘트 및 가요성 시일링 멤브레인 시트의 부분 근처에 형성되어 가요성 시일링 멤브레인 시트 및 기다란 강모 필라멘트를 실질적으로 정해진 위치에 고정하는, 브러시 시일.
  23. 제22항에 있어서, 시일링 멤브레인 시트는 강모 중 하나의 폭 또는 직경보다 작은 두께를 갖고 적어도 화씨 700도의 온도를 견딜수 있는 무공 금속성 포일을 각각 포함하는, 브러시 시일.
  24. 제22항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인 시트 각각은 무공성인, 브러시 시일.
  25. 제22항에 있어서, 가요성 시일링 멤브레인 시트 각각은 복수개의 강모 중 하나의 강모의 일부 주위에서 변형가능한, 브러시 시일.
  26. 브러시 시일이며,
    실질적으로 브러시 시일의 길이로 길이방향으로 연장하는 기다란 코어 와이어와,
    코어 와이어 주위로 절첩되는 기다란 시일링 멤브레인으로서, 가요성인 시일링 멤브레인은 그들 간에 활주식 상대 이동이 가능한 복수개의 중첩된 가요성 시일링 멤브레인 층들을 포함하고, 각 가요성 시일링 멤브레인 층은 이격된 복수개의 변형 구역을 포함하는, 시일링 멤브레인과,
    시일링 멤브레인 위로 코어 와이어 주위로 절첩되는 쌍을 이룬 복수개의 기다란 필라멘트로서, 쌍을 이룬 복수개의 기다란 필라멘트는 코어 와이어 주위에 절첩될 때 쌍을 이룬 복수개의 기다란 강모를 형성하고, 쌍을 이룬 복수개의 기다란 강모는 중첩된 가요성 시일링 멤브레인 층의 대향 측면들에 배치되고 강모 내에 중첩된 가요성 시일링 멤브레인 층이 매설되고 강모는 그 사이에 가요성 시일링 멤브레인 층을 지지하는, 기다란 필라멘트와,
    실질적으로 브러시 시일의 길이로 길이방향으로 연장하는 기다란 외부 스파인으로서, 외부 스파인은 코어 와이어와 중첩되어 쌍을 이룬 복수개의 필라멘트 및 시일링 멤브레인을 그 사이에 클램핑하는, 외부 스파인을 포함하고,
    가요성 시일링 멤브레인 층 각각은 브러시 강모의 직경 또는 폭보다 작은 두께를 갖고,
    시일링 멤브레인 층 및 강모는 적어도 화씨 700도의 온도를 견딜 수 있는 재료를 포함하는, 브러시 시일.
  27. 제26항에 있어서, 시일링 멤브레인은 직사각형이고 코어 와이어 둘레로 절첩되고, 코어 와이어는 종축을 형성하고, 이 종축 둘레로 직사각형의 가요성 시일링 멤브레인이 절첩되어 활주 가능하게 중첩되는 직사각형의 복수개의 기다란 가요성 시일링 멤브레인 층들을 형성하고,
    기다란 스파인은 a) 직사각형의 기다란 가요성 시일링 멤브레인 및 b) 기다란 코어 와이어 위로 절첩된 쌍을 이룬 복수개의 기다란 필라멘트의 부분 주위에 형성되어 쌍을 이룬 복수개의 기다란 필라멘트 및 직사각형의 가요성 시일링 멤브레인을 실질적으로 정해진 위치에 고정하는, 브러시 시일.
  28. 제26항에 있어서, 각각의 가요성 시일링 멤브레인 층은 내부에 일체로 형성된 복수개의 이격된 주름을 포함하고, 복수개의 이격된 주름 각각은 변형 구역들 중 대응하는 변형 구역을 형성하고,
    복수개의 이격된 주름은 가요성 시일링 멤브레인 층에 길이방향 연장성을 부여하는, 브러시 시일.
  29. 삭제
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