KR101819823B1 - Pfa 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물 - Google Patents

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Abstract

제조 효율을 개선시키고, 제조 비용을 감소시키고 항복 강도를 개선시키는 폴리플루오로알콕시(PFA) 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물, 더욱 특별하게는 샤프트 서포트의 강성도를 유지하고 펌프 케이싱의 항복을 개선한다. 부식성의 액체들을 다루기 위하여 사용되는 PFA 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱은, PFA 라이너를 구비하는 흡입 케이싱 및 임펠러를 수용하기 위한 PFA 라이너를 구비한 블루우트 케이싱을 포함한다. 블루우트 케이싱은 또한 방출을 통한 액체를 수집하고 그 이후 배출하기도 한다. PFA 라이너를 구비한 흡입 케이싱 및 PFA 라이너를 구비한 블루우트 케이싱은 사출 성형 처리에 의하여 두 개의 가공물들로서 별도로 형성되고 이후 PFA 라이너에서 가해진 잔여 응력을 감소시키도록 펌프 케이싱을 형성하기 위하여 조립된다.

Description

PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물{STRUCTURE IMPROVEMENT OF PUMP CASING WITH PFA LINER}
이 정규 출원은 2015년 6월 12일 대만에 출원된 특허출원번호 104119144, 2015년 9월 21일 대만에 출원된 특허출원번호 104131197, 2015년 6월 12일 중국에 출원된 특허출원번호 201510323478.2 및 2015년 9월 21일 중국에 출원된 특허출원번호 201510602455.5의 35 U.S.C 119조 (a)항 아래 우선권을 청구하고, 여기에 전체 내용이 참조에 의하여 포함된다.
본 개시는 폴리플루오로알콕시(polyfluoroalkoxy, PFA) 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물에 관한 것으로, 이는 제조 비용을 감소시키고, 흡입 크기를 구비한 대형의 펌프 케이스 상의 라이너의 항복(yield)을 개선하며, 상기 흡입 크기는 흡입 채널 내부 직경으로 불리며 200mm보다 크고 섭씨 200℃에 근접한 작동 온도에서 펌프의 구조적 신뢰도를 개선한다. 더욱 특별하게는, 본 개시는 PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물에 관한 것으로, 이는 제조 과정 이후에 PFA 라이너에서 잔여 응력을 감소시킬 뿐만 아니라 제조 과정 동안 PFA 라이너에서 인장 응력(tensile stress)을 감소시키고, 결국 PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 항복이 증가된다.
PFA 라이너(liner)를 구비한 일반적인 금속 펌프 케이싱은 화학적인 취급을 위하여 널리 사용된다. 구조적 디자인에서, 펌프는 고정 샤프트(stationary shaft) 또는 회전 샤프트 중 어느 하나를 포함한다. 고정 샤프트의 지지 방식은 더블-사이드-지지(double-side-supporting) 구조 또는 캔틸레버 지지 구조를 포함한다. 더불-사이드-지지 구조 또는 캔틸레버 지지 구조에서, 플라스틱으로 만들어진, 흡입 채널에 위치된 삼각형 전방 서포트 및 격납용기(containment shell)에서 후방 샤프트 서포트는 각각 고정 샤프트의 전단 및 말단을 지지하기 위하여 사용된다. 플라스틱의 강도는 작동 온도가 증가할 때 감소되고, 결국 삼각형 전방 서포트의 강도 및 공백의 후방 서포트의 강도는 이에 따라 감소되고, 이는 고정 샤프트로 하여금 구부러지고 이동(displace)되도록 한다. 게다가, 대형 펌프들을 위한 PFA 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱은 제조 비용 및 항복에 관하여 몇 가지 문제점들을 가진다. 제조 과정에서, 금속 펌프 케이싱은 주형(mold)에서 고정되고, 그 후 PFA는 주형으로 도입되고 단일 유닛으로 금속 펌프 케이싱과 함께 결합하며, 금속 펌프 케이싱은, PFA 라이너가 더브테일(dovetail) 그루브들에 의하여 금속 펌프 케이싱 위로 확고하게 고정될 수 있도록 복수의 더브테일 그루브들을 보통 포함한다.
금속 펌프 케이싱의 내부 면 상에 PFA 라이너를 형성하기 위하여 주조물을 전달하는 단계, 로토라이닝(rotolining) 하는 단계 및 사출 성형하는 단계인 세 가지의 일반적인 방법들이 있다. 주조물을 전달하는 과정에서, 플라스틱(PFA)은 예열하는 챔버로 옮겨지고, 가열되고, 예열하는 챔버로부터 채널들을 통하여 주형(mold)으로 도입되고, 그 후 주형에서 고체 구조로 냉각된다. 주조물을 전달하는 단계의 제조 사이클은, 공장들이 하루마다 산출량을 증가시키기 위하여 주형의 몇 가지 세트들을 준비하도록 8시간 내지 12시간이 걸린다. 그러나, 제조 사이클마다 긴 제조 시간 때문에 주조물을 전달하는 단계의 높은 제조 비용은 아직 극복될 수 없다. 로토라이닝하는 단계에서, PFA 파우더는 닫혀진 금속 케이싱의 내부 면 위에 흩뿌려진다. 그러나, 주형을 사용하지 않고, 라이너의 두께는 정확히 제어될 수 없고, 라이너의 더 낮은 밀도는 더 높은 투과성(permeability)을 허용한다. 게다가, 금속 케이싱의 내부 면 위의 라이너는 원심력에 의하여 형성되기 때문에, 펌프의 중심에 위치된, 전방 서포트는 케이싱의 라이너와 함께 일체로 형성될 수 없다. 게다가, 라이너는 원심의 펌프의 비대칭 볼류트(volute) 채널 위에 형성될 수 없다. 사출 성형 처리에서, 제조 속도는 라이너를 형성하는 다른 방식들보다 더 높고, 제조 사이클은 10분으로 일반적으로 행해질 수 있다. 그러나, 사출 성형 처리에 의하여 대형의 펌프 케이싱의 라이너를 제조하는 것은 부적절하고, 더욱 특별하게는 80mm보다 더 큰 흡입 크기 또는 200mm보다 더 큰 임펠러 크기를 구비한 대형의 펌프 케이스의 라이너를 제조하는 것은 부적절하다. 게다가, 원심의 펌프의 라이너에서 흡입 채널의 방향 및 방출 채널의 방향이 서로 수직이고, 상기 원심의 펌프의 라이너는 주조 과정 동안 축 방향의 수축 응력 및 반지름 방향의 수축 응력의 상호 작용으로 인하여 잔여 응력의 결과를 낳을 것이다. 그러한 잔여 응력은 라이너로 하여금 크랙(crack)이 발생하도록 하고 펌프 실패(failure)의 결과를 야기한다. 게다가, 라이너에서 잔여 응력은 높은 온도 아래에서 및/또는 상당히 부식성인 환경에서 풀어질 수 있고 그 후 크랙들은 라이너에서 발생된다. 그러므로, 사출 성형에 의하여 제조된 라이너를 구비한 펌프는 200℃에 근접한 온도에서 화학 물질을 운반하는 데 적절하지 않다.
다음의 종래 기술들은 PFA 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱에서 샤프트 지지 구조 및 PFA 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱의 제조에 관하여 문제점들 및 잠재적인 문제점들을 기재한다.
문서 1
문서 1은 WORLD PUMPS에서 2001년 10월에 공개된, "비밀은 라이닝에 있다: 부식성 펌핑을 위한 불소중합체의 사용(The secret is in the lining: the use of fluoropolymer materials for corrosive pumping)"이고, 이는 PFA 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱의 제조 문제점들에 관한 것으로, 주조물을 전달함으로써 라이너를 제조하는 것이 라이너의 물질을 가열하고 라이너를 천천히 냉각하는 것을 요구한다는 점을 지적한다. 게다가, 문서 1은 FTFE 물질이 주조물을 전달함으로써 라이너를 제조하는 데 적절하지 않다는 점을 또한 지적한다. 문서 1은 로토라이닝에 의하여 라이너를 제조하는 것은 라이너의 두께, 밀도 및 평면도(flatness)를 제어하는 데 몇 가지 어려움들이 있는데, 이는 이 과정이 압력 하에 일어나지 않고 주조 없이 행해지기 때문이라는 점을 또한 지적한다. 게다가, 문서 1은 사출 성형에 의하여 라이너를 제조하는 것은 주조 과정 동안 수축 응력 및 잔여 응력으로 인한 대형 펌프 케이싱을 제조하는 데 적절하지 않다는 점을 지적한다.
문서 2
문서 2는 2014년에 ITT Goulds Pumps라는 미국 회사에 의하여 공개된 3298 시리즈 제품(www.itt.com)의 카탈로그이다. 문서 2는 ETFE 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱에 관한 것으로, ETFE 라이너는 로토라이닝에 의하여 제조된다는 점을 지적한다. 카탈로그의 그림들은, 케이싱이 일체로 형성되는 방출 플랜지, 케이싱 채널, 흡입 채널 및 흡입 플랜지를 포함하는 것을 도시한다. 케이싱은 추가적으로 샤프트 서포트를 더 포함하는데, 상기 샤프트 서포트는 흡입 채널에 별도로 설치된다. 게다가, 가이드 북의 도면들에 도시된 바와 같이, 케이싱에서 케이싱 채널은 원심의 펌프의 케이싱에서 볼류트의 영역 변화량(area variation)의 특징을 도시하지 않는다.
문서 3
문서 3은 2010년에 INNOMAG라는 미국 회사에 의하여 공개된 U-mag 시리즈 제품(www.innomag.com)의 가이드 북이다. 문서 3은 ETFE 또는 PFA 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱에 관한 것으로, ETFE 라이너는 로토라이닝에 의하여 제조된다는 점을 지적한다. 샤프트 서포트는 캔틸레버 지지 구조로서 후방 샤프트 시트 위에 있다. 가이드 북의 그림들에 도시된 바와 같이, 케이싱의 케이싱 채널은 원심의 펌프의 케이싱에서 볼류트의 영역 변화량의 특징을 도시하지 않고, 펌프의 케이싱이 샤프트 서포트를 구비하지 않는다.
사례 1
사례 1은 1988년에 등록된, 미국 등록특허 4722664인 일직선의 저항의 펌프(Lined corrosion resistant pump)이다. 사례 1은 플루오로카본 폴리머로 만들어진 라이너를 구비한 펌프 케이싱이 부식성 액체들을 전달하는 데 적절하다는 점을 지적한다. PFA의 물질 특성은 PTFE와 유사하고, 일반적인 용해 처리 기법들에 의하여 처리될 수 있다. PFA로 만들어진 펌프 요소들은 150℃보다 더 높은 온도에서 작동될 수 있다. 그러나, 플루오로카본 폴리머로 만들어진 라이너는 두 개의 응력원들을 구비하는데, 상기 두 개의 응력원들은 주조 과정 동안 발생된 잔여 응력 및 PFA 라이너와 금속 케이싱 사이의 열 팽창 계수의 차이이고, PFA 라이너는 더 높은 열 팽창 계수를 갖는다. 이러한 사례에서, 주조 후 라이너의 수축에 의해 발생되는 크랙들에 대한 해결책이 마련된다. 해결책은 플루오로카본 폴리머가 라이너에서 크랙을 발생시키는 라이너의 수축을 제어하기 위하여 그루브들 및 메쉬(mesh)들에 파묻히는 것이다. 그러나, 이러한 사례에서 특징은 출원인 Duriron company에 의하여 제조된 PFA 라이터를 구비한 펌프 케이싱에서 사용되지 않는다. 결과적으로, 라이너를 고정하기 위한 상기 사례에서 사용되는 그루브들 및 메쉬들은 너무 비싸고 결과는 라이너가 더브테일 그루브들에 의하여 고정되는 일반적인 방법과 유사하고, 결국 고정을 위한 상기 사례에서 사용되는 그루브들 및 메쉬는 상업화되지 않는다. 게다가, 80mm보다 더 큰 흡입 크기 또는 200mm보다 더 큰 임펠러 크기를 구비한 대형의 펌프 케이싱의 라이너를 제조하는 데 사출 성형(injection molding)이 사용될 수 있는지 여부는 상기 사례에서 언급되지 않는다. 사출 성형에 의하여 발생되는 라이너에서의 잔여 응력에 관한 문제에 대한 해결책은 상기 사례에서도 마련되지 않는다.
사례 2
사례 2는 2002년 등록된, 중국 등록특허 2482597인 자기 구동 부식 저항의 플루오린 플라스틱 라이너 펌프(Magnetic drive corrosion resistant fluorine plastic liner pump)로, PFA 라이너의 구조를 개시하고 PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱이 부식성 액체를 운반하는 데 적절하다는 것을 개시한다. 샤프트 서포트 및 흡입 플랜지는 일체로 형성되고, 흡입 플랜지 뿐만 아니라 샤프트 서포트는 펌프 케이싱으로부터 탈착될 수 있다. 샤프트 서포트 및 흡입 플랜지가 제품들로 분리될지라도, 흡입 채널은 탈착 가능한 제품에 포함되지 않는다. 그러므로, 라이너에 의하여 덮인 펌프 케이싱의 내부 면의 영역은 여전히 크고, 흡입 채널 및 볼류트 채널 사이의 영역을 덮는 라이너에서의 인장 응력은 제거되지 않는다. 게다가, 샤프트 서포트의 강성도는 강화된 물질에 의하여 강화되지 않고, 200℃에서 작동되는 펌프 구조의 신뢰도는 상기 사례에서 개시되지 않는다.
사례 3
사례 3은 1999년에 등록된, 미국 등록특허 5895203인 분리 가능하고, 여러 부분으로 나뉜 임펠러 어셈블리를 구비한 원심의 펌프(Centrifugal pump having separable, multipartite impeller assembly)로, 자기 구동 펌프의 플라스틱 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱에 관한 것으로서, 삼각형 전방 샤프트 서포트는 탈착 가능한 제품을 개시하지만, 펌프 케이싱은 여전히 흡입 플랜지, 흡입 채널, 케이싱 채널 및 방출 플랜지를 포함한다. 샤프트 서포트 및 펌프 케이싱의 연결 면은 상기의 사례에서 높은 강성도를 구비한 어느 금속도 구비하지 않거나 직접적으로 연결된 강화된 물질을 구비하지 않고 플라스틱에 의하여 덮인다. 게다가, 200℃에서 작동되는 펌프 구조의 신뢰도는 상기의 사례에서 개시되지 않는다.
사례 4
사례 4는 2013년에 등록된, 유럽 등록특허 2589811인 자기 구동 펌프(Magnetic drive pump)이다. 사례 4에서, 발명자는 높은 온도에서 작동하기 위한 PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱에서 샤프트 서포트의 구조적 개선을 개시한다. 작동 온도가 상승할 때 플라스틱의 강성도가 감소될 뿐만 아니라, 플라스틱 샤프트 서포트의 강성도는 이에 따라 감소되고, 결국, PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱과 함께 일체로 형성되는 PFA 라이너는, 높은 온도에서 작동하는 샤프트 서포트의 높은 강성도 요구 조건을 충족시키도록 마련된다. 상기의 사례에서 금속 샤프트 서포트가, 플라스틱 샤프트 서포트의 강성도가 높은 작동 온도에서 감소되는 문제점을 해결할지라도, 펌프 케이싱과 함께 일체로 형성되는 금속 샤프트 서포트는, 부식성 화학 액체에 의하여 금속 샤프트 서포트 및 금속 펌프 케이싱 상의 부식을 피하면서 펌프 케이싱을 고립시키도록 완전히 캡슐에 들어간 PFA 라이너에 의하여 덮일 필요가 있다. 게다가, 흡입 채널의 방향 및 볼류트 채널 또는 방출 채널의 방향은, 축 방향의 수축 인장 및 반지름 방향의 수축 인장의 상호 작용에 의하여 발생되는, 주조 과정 동안 수축으로부터 기인하는 잔여 응력이 추력 고리 시트의 영역 위로 집중되도록, 서로 수직이다. 이러한 현상은 더 큰 크기의 펌프 케이싱들에서 특히 명백하다. 샤프트 서포트를 덮는 라이너에서 남아있는 수축 응력도 있고, 이는 추력 고리 시트(thrust ring seat)의 영역 위로 더 심각한 응력 집중을 유발한다. 상기의 사례에서, 작은 펌프 케이싱들에 대해, 펌프 케이싱 라이너의 항복 강도를 감소시키는 대형의 펌프 케이싱의 라이너, 특히 3인치 x 2인치 x 8인치(80mm x 50mm x 200mm)보다 더 큰 펌프 크기들에 대해, 상기 라이너 상에 크랙이 나타났을지라도, 주조 및 적절한 열 처리 이후 라이너의 응력이 집중된 영역 상에 나타나는 크랙은 없다. 대형 펌프 케이싱에서, 펌프 케이싱 상의 전체적인 라이너 영역에 비교되는 볼류트 채널 상의 라이너 영역은 더 크다. 그래서, 축 방향의 수축 인장 및 반지름 방향의 수축 인장의 상호 작용에 의하여 발생되는 잔여 응력은 상당히 증가되고 흡입 영역의 추력 고리 시트에서 집중된다. 그러므로, 대형 펌프 케이싱의 내부 면을 덮는 라이너의 항복 강도는, 적절한 열처리가 주조 후에 라이너 상에 가해질지라도, 감소된다.
종래 기술에서, 도 1a를 참조하면, 펌프 케이싱(4)은 단일의 제품이고 스테인리스 강 또는 PFA 라이너틀 구비한 주철(cast iron)로 보통 구성된다. PFA 라이너는 펌프 케이싱(4)의 내부 면을 덮는다. 펌프 케이싱(4)은 흡입 플랜지(411), 흡입 채널(412), 샤프트 서포트(413), 볼류트 채널(423), 방출 채널(422), 방출 플랜지(421) 및 볼류트 PFA 라이너(424)를 포함한다. 복수의 더브테일 그루브(47)들은 흡입 채널(412)의 내부 면 및 PFA 라이너(424)를 고정하기 위한 볼류트 채널(423)의 내부 면 상에 위치된다. 볼류트 PFA 라이너(424)는 흡입 플랜지 상승된 면(414a), 흡입 채널 라이너(414b), 샤프트 서포트 라이너(414c), 방출 플랜지 상승된 면(424a), 방출 채널 라이너(424b) 및 볼류트 채널 라이너(424c)를 포함하고, 이들은 부식성 액체들로부터 펌프 케이싱(4)의 금속 부분들을 고립시키기 위하여 모두 일체로 형성된다. 추력 고리(thrust ring, 46)는, 펌프가 작동 중일 때 (미도시된) 임펠러에 의하여 발생되는 축 방향의 추력에 저항하도록 펌프 케이싱(4)의 내부 면 위에 위치된 추력 고리 시트(461) 상에 설치된다.
PFA 라이너가 사출 성형에 의하여 제조된다면, 펌프 케이싱의 내부 면을 덮는 라이너의 수축은 주조 과정 동안 펌프 케이싱의 복잡한 구조에 의하여 제한된다. 특히, 추력 고리 시트(461)를 덮는 PFA 라이너는 축 방향의 수축 응력(Fa), 반지름 방향의 수축 응력(Fb) 및 수축 응력(Fc)에 의하여 당겨지고, 크랙들이 추력 고리 시트(461)를 덮는 PFA 라이너 상에 발생된다. 그러므로, PFA 라이너를 구비한 대형 펌프 케이싱의 항복은 PFA 라이너에서 대형의 잔여 응력 때문에 상기의 사례에서 감소된다.
도 1b를 참조하면, 펌프 케이싱의 볼류트 PFA 라이너가 주조물을 전달함으로써 제조된다면, 주조물 전달 처리의 사이클은 8 내지 12시간이 걸린다. 그러므로, 주조물을 전달함으로써 PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱을 제조하는 것은 비경제적이다. PFA 라이너가 로토라이닝에의하여 제조된다면, 점점 증가하는 채널 영역을 구비한 볼류트 채널 라이너(424c) 및 샤프트 서포트(414c)는 적절한 두께로 형성되는 것이 어려운데, 이는 채널 라이너(424c) 및 샤프트 서포트(414c)의 내부 면을 덮는 PFA 파우더가 원심력에 의하여 구동되기 때문이다. 특히, 볼류트 혀(volute tongue, 424d)는 로토라이닝에 의하여 제조될 수 없고, 볼류트 PFA 라이너(424)의 평면도 뿐만 아니라 두께도 제어하기 어렵다.
상기 언급된 문서들, 사례들 및 도면들에 따라, 금속 펌프 케이싱의 PFA 라이너를 제조하는 것은 하기의 문제점들을 갖는다.
문제 1
주조물을 전달함으로써 금속 펌프 케이싱의 PFA 라이너를 제조하는 것은 제조 비용이 높고 제조 사이클 당 오랜 시간이 걸린다.
문제 2
로토라이닝에 의하여 금속 펌프 케이싱의 PFA 라이너의 제조는, 펌프 케이싱과 함께 일체로 형성되는 샤프트 서포트의 면 및 볼류트 케이싱의 형상을 형성할 수 없다.
문제 3
로토라이닝에 의하여 제조된 금속 펌프 케이싱의 내부 면을 덮는 PFA 라이너는 낮은 밀도를 가지고, PFA 라이너의 두께는 정확히 제어되기가 어렵다.
문제 4
사출 성형은 PFA 라이너에서 잔여 응력이 남아있기 때문에 대형 펌프 케이싱의 PFA 라이너를 제조하는 데 적절하지 않다.
문제 5
사출 성형은 금속 펌프 케이싱과 함께 일체로 형성된 샤프트 서포트를 구비한 금속 펌프 케이싱의 PFA 라이너를 제조하는 데 적절하지 않은데, 이는 PFA 라이너에서 남아 있는 잔여 응력이 증가되기 때문으로, 사출 성형은 대형 금속 펌프 케이싱의 PFA 라이너를 제조하는 데 또한 적절하지 않다.
금속 펌프 케이싱의 PFA 라이너의 제조에서, 주조물을 전달하는 것은 제조 비용이 높고 제조 사이클마다 오랜 기간이 걸리고; 로토라이닝은 펌프 케이싱과 함께 일체로 형성되는 샤프트 서포트의 면 및 볼류트 케이싱의 내부 면 상의 PFA 라이너를 형성할 수 없고, PFA 라이너의 두께가 정확히 제어되기가 어렵다. 상술한 문제 4 및 문제 5와 같이 사출 성형에 의하여 PFA 라이너를 제조하는 것에 대한 문제들을 해결하는 것이 이하에서 제공된다.
폴리플루오로알콕시(PFA) 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물은 이러한 개시에서 마련되고, 특히 일반적인 사출 성형 방법에 적절하다. 구조 개선물은 특히 금속 펌프 케이싱에 관한 것으로, 금속 펌프 케이싱은 샤프트 서포트와 함께, PFA 라이너와 함께 일체로 형성되고, PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱은 200℃에 근접한 온도에서 작동하기에 적절하다. PFA 물질은 높은 부식 저항을 갖지만 주조 과정 동안 높은 수축 계수를 갖는 것으로 특징지어진다. 금속 요소가 파묻힌 펌프 케이싱을 덮는 PFA 라이너가 사출 성형에 의하여 제조될 때, PFA 라이너, 특히 80mm보다 더 큰 흡입 크기 또는 200mm보다 더 큰 임펠러 크기를 구비한 대형 펌프 케이싱의 PFA 라이너에서 큰 잔여 응력에 관한 문제가 해결될 필요가 있다. 즉, 사출 성형에 의한 대형의 단일 펌프 케이싱의 라이너 제조의 결함율을 감소시킬 필요가 있다. 원심의 펌프의 펌프 케이싱에서, 흡입 채널의 방향 및 볼류트 채널 또는 방출 채널의 방향은, 축 방향의 수축 인장 및 반지름 방향의 수축 인장의 상호작용에 의하여 발생되고 주조 과정 동안 수축으로부터 기인하는 잔여 응력이 PFA 라이너에 남아 있고 흡입 영역의 추력 고리 시트 상에 집중되도록, 서로 수직이다. 추력 고리 시트 상에 더 심각한 응력 집중을 야기하는 샤프트 서포트 라이너에서 남아 있는 수축 응력도 존재한다. 게다가, 볼류트 채널 상의 PFA 라이너 영역과 펌프 케이싱 상의 전체적인 PFA 라이너 영역을 비교하는 영역 비율은, 축 방향의 수축 응력 및 반지름 방향의 수축 응력의 상호 작용에 의하여 발생되는 잔여 응력이 상당히 증가되고 흡입 영역의 추력 고리 시트에서 집중하도록, 증가된다. 이러한 개시에서, 흡입 케이싱 및 볼류트 케이싱이 서로와 함께 조립될 때, 펌프 케이싱은, 추력 고리 시트가 위치되는 경계선을 따라, 두 개의 고립된 제품들인 흡입 케이싱 및 볼류트 케이싱으로 분리되고, 추력 고리 시트는 흡입 케이싱의 축 방향의 추력 면 및 볼류트 케이싱의 반지름 방향의 고정(fasten) 면에 의하여 함께 형성된다. 금속으로 만들어진 샤프트 서포트 및 흡입 케이싱은 일체로 형성되고, 볼류트 케이싱의 금속 장착 면 뿐만 아니라 흡입 케이싱의 금속 장착 면은 직접적으로 접촉하고 스크류에 의하여 서로 고정되어서, 흡입 케이싱 밀봉 면(sealing surface)이 볼류트 케이싱 밀봉 면에 맞서 눌리고 펌프 케이싱이 밀폐하여(hermetically) 밀봉되고, 게다가, 흡입 케이싱에 연결되고 볼류트 케이싱으로 연장하는 샤프트 서포트는 높은 구조적 강성도를 구비한다.
상세하게는, 흡입 케이싱은 흡입 플랜지, 흡입 채널, 샤프트 서포트 및 흡입 PFA 라이너를 포함한다. 흡입 플랜지는 입구 파이프라인의 로딩을 견딘다. 복수의 더브테일(dovetail) 그루브들은 흡입 채널의 내부 면 상에 위치되어서 흡입 채널에서 진공 상황을 견디기 위하여 흡입 PFA 라이너를 고정(clamp)한다. 흡입 PFA 라이너는 흡입 플랜지 상승된 면, 흡입 케이싱 밀봉 면, 흡입 채널을 덮는 흡입 채널 라이너, 및 샤프트 서포트를 덮는 샤프트 서포트 라이너를 포함한다. 높은 부식 저항을 구비하는 흡입 PFA 라이너는, 부식성 액체들로부터 흡입 케이싱의 금속 부분들을 격리하기 위하여 사용된다. 볼류트 케이싱은 볼류트 채널, 방출 채널, 방출 플랜지 및 볼류트 PFA 라이너를 포함한다. 볼류트 채널은 임펠러를 수용하고 임펠러가 작동하는 액체를 수집하는 데 적절하여서 방출 채널을 통해 액체를 방출한다. 방출 플랜지는 출구 파이플가인의 로딩을 견딘다. 복수의 더브테일 그루브들은 볼류트 채널의 내부 면 상에 위치되어서 볼류트 채널에서 진공 상황을 견디기 위하여 흡입 PFA 라이너를 고정한다. 볼류트 PFA 라이너는 방출 플랜지 상승된 면, 방출 채널 라이너, 볼류트 채널 라이너, 볼류트 혀 및 볼류트 케이싱 밀봉 면을 포함한다. 높은 부식 저항을 갖는 볼류트 PFA 라이너는 부식성 액체들로부터 볼류트 케이싱의 금속 부분들을 고립시키기 위하여 사용된다. 흡입 PFA 라이너 및 볼류트 PFA 라이너가 사출 성형에 의하여 각각 주조된 후에, 흡입 케이싱 및 볼류트 케이싱은, PFA 라이너가 구비된 금속 펌프 케이싱을 형성하기 위하여 조립되고 스크류에 의하여 고정된다.
다음은 본 개시의 효과들이다.
먼저, 영역 비율 문제를 해결하기 위하여, 펌프 케이싱은 흡입 PFA 라이너를 구비한 흡입 케이싱 및 볼류트 PFA 라이너를 구비한 볼류트 케이싱으로 나누어지고, 결국, 각각의 제품에 대하여, 더 작은 영역을 구비한, 펌프 케이싱은 주조 후에 흡입 PFA 라이너 및 볼류트 PFA 라이너의 수축 효과를 감소시킬 수 있다. 펌프 케이싱의 PFA 라이너가 사출 성형에 의하여 제조될 때, 제조 시간 및 제조 비용이 감소되고; PFA 라이너의 두께는 주조에 의하여 정확하게 제어되고, 볼류트 채널 라이너의 점진적인 영역 증가는 볼류트 채널의 내부 면 상에 형성되고 점진적인 영역 증가와 함께 형성될 수 있다.
두번재로, 흡입 케이싱에서 흡입 채널의 축 방향은 볼류트 케이싱에서 방출 채널 및 볼류트 채널의 반지름 방향들에 수직이다. 그러므로, 펌프 케이싱이 두 개의 제품들, 흡입 케이싱 및 볼류트 케이싱으로 나누어질 때, 수축 응력(Fc) 뿐만 아니라 축 방향의 수축 응력(Fa)이 흡입 PFA 라이너에서 발생되고, 반지름 방향의 수축 응력(Fb)이 반지름 방향으로 확장하는 볼류트 PFA 라이너에서 발생된다. 결과적으로, 사출 성형에 의하여 별도로 제조되는 흡입 PFA 라이너 및 볼류트 PFA 라이너 사이에 어떤 인장 응력도 없다.
세번째로, 금속으로 만들어진 샤프트 서포트의 구조적 강성도가 유지된다.
이러한 개시에서 PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물은 사출 성형에 의하여 80mm보다 더 큰 흡입 크기 또는 200mm보다 더 큰 임펠러 크기를 구비한 펌프 케이싱의 PFA 라이너의 제조에 적용되고, 이러한 개시에서 마련되는 샤프트 서포트는, 펌프가 200℃에 근접한 온도에서 작동될 때 높은 구조적 신뢰도를 가진다.
본 개시는 하기에서 주어진 상세한 설명과 예시로서만 주어지는 첨부된 도면들로부터 더 잘 이해될 것이고 본 발명을 제한하는 것은 아니고,
도 1a는 일반적인 기술에 따른 펌프 케이싱의 단면도이고;
도 1b는 일반적인 기술에 따른 펌프 케이싱의 배면도이고;
도 2는 본 개시의 제1 실시예에 따른 펌프 케이싱의 단면도이고;
도 3은 본 개시의 제1 실시예에 따른 펌프 케이싱의 분해도이고;
도 4a는 본 개시의 제1 실시예에 따른 흡입 케이싱의 개략도이고;
도 4b는 본 개시의 제1 실시예에 따른 흡입 케이싱의 단면도이고;
도 5a는 본 개시의 제1 실시예에 따른 볼류트 케이싱의 개략도이고; 및
도 5b는 본 개시의 제1 실시예에 따른 볼류트 케이싱의 단면도이다.
다음의 상세한 설명에서, 설명의 목적을 위하여, 수 많은 구체적인 세부사항들이 개시된 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 제시된다. 그러나, 하나 이상의 실시예들이 이러한 구체적인 세부 사항들 없이 실시될 수 있음은 명백할 것이다. 다른 예들에서, 잘 알려진 구조들과 장치들은 도면들을 단순화하기 위하여 개략적으로 도시된다.
본 개시에서, 금속으로 만들어지고 PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱이 제공된다. 펌프 케이싱은 흡입 플랜지, 흡입 채널, 샤프트 서포트, 볼류트 채널, 방출 채널, 방출 플랜지 및 PFA 라이너를 포함한다. 펌프 케이싱의 내부 용적은 (미도시된) 임펠러를 수용하기 위한 것이다. 흡입 플랜지는 입구 파이프라인을 연결하기 위하여 사용되고, 방출 플랜지는 출구 파이프라인을 연결하기 위하여 사용된다. 샤프트 서포트는 샤프트의 일 단을 지지한다. 액체는 흡입 채널로부터 펌프 케이싱으로 유동하고, (미도시된) 모터로부터 샤프트 동력이 임펠러에 의하여 액체의 수력(hydraulic power)으로 전환되고, 그 후 액체는 볼류트 채널을 따라 유동하고 방출 채널을 통해 펌프 케이싱 밖으로 유동한다. 흡입 플랜지의 흡입 플랜지 상승된 면(suction flange raised face), 방출 플랜지의 방출 플랜지 상승된 면 및 펌프 케이싱의 모든 젖은 측면들은 PFA 라이너에 의하여 덮이고 모든 금속 부분들은 부식성 액체로부터 고립된다.
본 개시의 일 실시예에서, 200℃에 근접한 작동 온도에 대하여 PFA 라이너를 구비한 펌프 케이싱이 제공된다. PFA 물질은 높은 부식 저항이 있지만 주조 과정 동안 높은 수축 계수를 가지는 것으로 특징지어진다. 금속 요소가 파묻힌 PFA가 사출 성형에 의하여 제조될 때, PFA 라이너, 특히 80mm보다 더 큰 흡입 크기 또는 200mm보다 더 큰 임펠러 크기를 구비한 대형 펌프 케이싱들의 PFA 라이너들에서 대형의 잔여 응력에 관한 문제가 해결될 필요가 있다.
도 2, 도 4b, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, PFA 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱에서 고정 샤프트(stationary shaft)의 지지 방법은 본 개시의 일 실시예에서 더블-사이드-지지(double-side-supporting) 구조이다. PFA 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱의 주 요소들은 흡입 케이싱(41) 및 볼류트 케이싱(42)을 포함한다. 주철 또는 스테인리스 강으로 만들어진 흡입 케이싱(41)은 PFA 라이너로 덮인 내부 면을 구비한다. 흡입 케이싱(41)은 흡입 플랜지(411), 흡입 채널(412), 샤프트 서포트(413) 및 흡입 PFA 라이너(414)를 포함한다. 복수의 더브테일 그루브(47)들은 흡입 채널(412)의 내부 면 상에 기계로 만들어진다(machined). 흡입 플랜지 상승된 면(414a), 흡입 채널 라이너(414b), 샤프트 서포트 라이너(414c) 및 흡입 케이싱 밀봉 면(416)을 포함하고, 흡입 케이싱(41)의 내부 면을 덮는 흡입 PFA 라이너(414)는 사출 성형에 의하여 형성되고, 흡입 PFA 라이너(414)는 부식성 액체들로부터 흡입 케이싱(41)을 고립시키기 위하여 사용된다. 주철 또는 스테인리스 강으로 만들어진 볼류트 케이싱(42)은 PFA 라이너에 의하여 덮인 내부 면을 구비한다. 볼류트 케이싱(42)은 방출 플랜지(421), 방출 채널(422), 볼류트 채널(423) 및 볼류트 PFA 라이너(424)를 포함한다. 복수의 더브테일 그루브(47)들은 볼류트 채널(423)의 내부 면 상에 기계로 만들어진다. 방출 플랜지 상승된 면(424a), 방출 채널 라이너(424b), 볼류트 채널 라이너(424c), 볼류트 혀(424d) 및 볼류트 케이싱 밀봉 면(428)을 포함하고, 볼류트 케이싱(42)의 내부 면을 덮는 볼류트 PFA 라이너(424)는 사출 성형에 의하여 형성되고, 볼류트 PFA 라이너(424)는 부식성 액체로부터 볼류트 케이싱(42)을 고립시키기 위하여 사용된다. 추력 고리(46)는 펌프 케이싱(4)의 내부 면 상에 위치된 추력 고리 시트(461) 상에 설치되어서 펌프가 작동 중일 때 (미도시된) 임펠러에 의하여 발생된 축 방향의 추력을 저항한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 흡입 PFA 라이너(414) 및 볼류트 PFA 라이너(424)는 사출 성형에 의하여 각각 흡입 케이싱(41) 및 볼류트 케이싱(42)의 내부 면 상에 형성된 후, PFA 라이너를 구비한 금속 펌프 케이싱(4)을 형성하기 위하여 흡입 케이싱(41) 및 볼류트 케이싱(42)은 조립되고, 흡입 케이싱(41)의 볼트 구멍(415b)들을 통과하는 스크류들에 의하여 고정되고, 볼류트 케이싱(42)의 스크류 구멍(426)들에서 나사로 고정된다.
도 2, 도 4a, 도 4b 및 도 5b를 참조하면, 도 4a는 본 개시의 일 실시예에 따른 흡입 케이싱(41)의 개략도이다. 흡입 플랜지(411), 흡입 채널(412), 샤프트 서포트(413) 및 흡입 PFA 라이너(414)는 흡입 케이싱(41)의 전방 일 측 상에 위치된다. 흡입 플랜지(411)는 일 세트의 볼트 구멍(415a)들을 구비하고, 상기 볼트 구멍들은 흡입 플랜지(411)에 연결된 (미도시된) 입구 파이프라인을 고정하기 위하여 사용된다. 흡입 플랜지(411)는 또 다른 일 세트의 볼트 구멍(415b)들을 또한 구비하고, 상기 볼트 구멍들은, 샤프트 서포트(413) 강성도를 강화하기 위하여 볼류트 케이싱(42)의 전방 일 단에서 금속 장착 면(429)에 흡입 케이싱(41)의 금속 장착 면(417)을 고정하기 위하여 사용되어서, 흡입 케이싱 밀봉 면(416)은 볼류트 케이싱 밀봉 면(428)에 맞서 눌리게 되고 펌프 케이싱(4)은 밀폐되게 밀봉된다. 흡입 PFA 라이너(414)는 흡입 플랜지 상승된 면(414a), 흡입 채널 라이너(414b), 샤프트 서포트 라이너(414c) 및 흡입 케이싱 밀봉 면(416)을 포함하고, 이들은 부식성 액체로부터 흡입 케이싱(41)의 금속 부분들을 고립시키기 위하여 일체로 형성된다.
도 2, 도 4b 및 도 5b를 참조하면, 축 방향의 추력 면(461a)은 추력 고리 시트(461)의 축 방향의 면을 형성하기 위하여 흡입 케이싱(41)의 후방 일 측 상에 위치된다. 흡입 케이싱 밀봉 면(416)은 축 방향의 추력 면(461a)의 외부 면 상에 위치되고, 흡입 케이싱 밀봉 면(416)은 볼류트 케이싱 밀봉 면(428)에 연결되어서 흡입 케이싱(41) 및 볼류트 케이싱(42)은, 밀폐된 밀봉 시스템을 형성하기 위하여 볼류트 케이싱 밀봉 면(428) 및 흡입 케이싱 밀봉 면(416)에 의하여 밀봉된다. 흡입 PFA 라이너(414)의 영역은 일반적인 펌프 케이싱에서 PFA 라이너의 영역의 1/3 내지 1/2이고, 수축 응력(Fc) 뿐만 아니라 오직 축 방향 수축 응력(Fa)이 일반적인 펌프 케이싱에서 PFA 라이너에 상대적으로(relative) 제1 실시예의 PFA 라이너에 가해진다. 결과적으로, 대형 펌프 케이싱에서 사출 성형에 의하여 PFA 라이너를 제조하는 경제적인 방법이 가능하다.
도 3, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 도 5a는 본 개시의 일 실시예에 따른 볼류트 케이싱(42)의 개략도이고, 이는 볼류트 채널(423), 방출 채널(422), 방출 플랜지(421) 및 볼류트 PFA 라이너(424)를 포함한다. 방출 플랜지(421)는 방출 플랜지(421)에 연결된 (미도시된) 출구 파이프라인을 고정하기 위하여 사용되는 복수의 볼트 구멍(425)들을 구비한다. 볼류트 케이싱(42)의 전방 일 단은 복수의 볼트 구멍(426)들을 구비하고, 상기 볼트 구멍들은 흡입 케이싱(41)을 고정시키기 위하여 사용된다. 볼류트 PFA 라이너(424)는 방출 플랜지 상승된 면(424a), 방출 채널 라이너(424b), 볼류트 채널 라이너(424c), 볼류트 혀(424d) 및 볼류트 케이싱 밀봉 면(428)을 포함하고, 이들은 부식성 액체들로부터 볼류트 케이싱(42)의 금속 부분들을 고립시키기 위하여 일체로 형성된다.
도 2, 도 4b 및 도 5b를 참조하면, 반지름 방향의 고정 면(461b)은, 추력 고리 시트(461)의 반지름 방향의 면을 형성하기 위하여 볼류트 케이싱(42)에서 전방 중앙 구멍(427)의 내부 면 상에 위치된다. 흡입 케이싱(41)을 마주하는 볼류트 케이싱 밀봉 면(428)은 반지름 방향의 고정 면(461b)에 연결되고, 볼류트 케이싱 밀봉 면(428)은 흡입 케이싱 밀봉 면(416)에 연결되어서 흡입 케이싱(41) 및 볼류트 케이싱(42)은, 밀폐된 밀봉 시스템을 형성하기 위하여 볼류트 케이싱 밀봉 면(428) 및 흡입 케이싱 밀봉 면(416)에 의하여 밀봉된다.
전방 중앙 구멍(427)으로부터 측정하여, 볼류트 PFA 라이너(424)의 영역은 일반적인 펌프 케이싱에서 PFA 라이너의 영역의 1/2 내지 2/3이고, 오직 반지름 방향의 수축 응력(Fb)이 일반적인 펌프 케이싱에서 PFA 라이너에 상대적으로 제1 실시예의 PFA 라이너에 가해진다. 결과적으로, 사출 성형에 의하여 대형 펌프 케이싱의 내부 면을 덮는 PFA 라이너를 제조하는 것은 더 경제적이고, 펌프 케이싱의 복잡한 구조에 의하여 유발되는 펌프 라이너에서 인장 응력의 문제들이 회피된다.
41 : 흡입 케이싱
411 : 흡입 플랜지
412 : 흡입 채널
413 : 샤프트 서포트
414 : 흡입 PFA 라이너
417 : 흡입 케이싱의 금속 장착 면
42 : 볼류트 케이싱
421 : 방출 플랜지
422 : 방출 채널
423 : 볼류트 채널
424 : 볼류트 PFA 라이너
429 : 볼류트 케이싱의 금속 장착 면
461 : 추력 고리 시트

Claims (3)

  1. 폴리플루오로알콕시(PFA) 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물에 있어서,
    PFA 라이너를 구비한 상기 펌프 케이싱은 별도로 형성되는 흡입 케이싱 및 볼류트 케이싱을 포함하고, 상기 흡입 케이싱의 흡입 PFA 라이너 및 상기 볼류트 케이싱의 볼류트 PFA 라이너 모두 사출 성형에 의하여 형성되고; 상기 흡입 PFA 라이너 및 상기 볼류트 PFA 라이너 사이의 인장 응력을 제거하고 사출 성형에 의한 대형의 단일 펌프 케이싱의 라이너 제조의 결함율을 감소시키도록, 상기 흡입 케이싱 및 상기 볼류트 케이싱은 사출 성형에 의하여 별도로 형성되고,
    상기 흡입 케이싱은 흡입 플랜지, 샤프트 서포트, 흡입 채널 및 상기 흡입 PFA 라이너를 포함하고 상기 흡입 플랜지, 상기 샤프트 서포트 및 상기 흡입 채널은 일체로 형성되고;
    상기 볼류트 케이싱은 볼류트 채널, 방출 채널, 방출 플랜지 및 상기 볼류트 PFA 라이너를 포함하고; 및
    상기 흡입 케이싱은, PFA 라이너를 구비한 상기 펌프 케이싱을 형성하도록 서로 연결되는 상기 흡입 케이싱의 금속 장착 면 및 상기 볼류트 케이싱의 금속 장착 면에 조립되고, 상기 샤프트 서포트는, 강성도를 증가시키도록 상기 흡입 플랜지 및 상기 흡입 채널과 함께 일체로 형성되고, 추력 고리 시트는 상기 흡입 케이싱 및 상기 볼류트 케이싱의 연결 영역에서 형성되는, 폴리플루오로알콕시 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샤프트 서포트 및 상기 흡입 채널은 주철 또는 스테인리스 강으로 만들어지는, 폴리플루오로알콕시 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡입 케이싱은 스크류에 의하여 상기 볼류트 케이싱에 조립되는, 폴리플루오로알콕시 라이너를 구비한 펌프 케이싱의 구조 개선물.
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