KR101933176B1 - 내압 벨로즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천공부를 중심으로, 제1 하향 경사부, 수평부 및 제2 하향 경사부가 순차로 형성된 고리형 금속 박판들을, 인접하는 다른 고리형 금속 박판과 대칭되며 제1 하향 경사부 끝단 또는 제2 하향 경사부 끝단이 서로 닿도록 적층시키고, 접점을 용접하여 형성된 주름부; 및
고리형태를 가지며, 상기 주름부의 내부측 골 또는 외부측 골에 삽입되는 내압강화용 지지체;를 포함하는 벨로즈를 제공한다. 상기 벨로즈는 현저히 향상된 내압특성을 제공하며, 탄성특성과 내압특성을 동시에 충족시키는 특징을 갖는다.

Description

내압 벨로즈{PRESSURE-RESISTANT BELLOWS}

본 발명은 내압 벨로즈에 관한 것이다.

벨로즈(Bellows)는 진공 및 압력차가 발생하는 환경에서 행정 및 체적 변화 등을 필요로 하는 분야에 폭넓게 사용되어, 밀봉을 유지하면서 진동 흡수나 체적 보상 등의 작용을 하는 장비로서, 반도체, 자동차, 우주항공 및 원자력 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있다.

특히, 대기상태의 외기와, 진공공간 등 상기 외기와는 다른 압력의 공간을 갖는 챔버의 특정공간에 대하여, 압력차이에 의한 기체분자의 이동을 차단하고, 기계부품의 동작이 원활하도록 하는 진공기술에서 널리 사용될 뿐만 아니라 회전축을 포함하며 유체의 밀봉이 요구되는 회전기계의 필수요소 부품인 Mechanical Seal에도 광범위하게 사용된다.

구체적 예를 들면, 벨로즈는 기계적 실(Mechanical seal) 부품으로서 펌프, 압축기 및 터빈 등에 사용된다. 상기 나열된 장비는 유체를 이송, 압축 및 팽창시키기 위한 장치로서 Mechanical Seal이 밀봉기능을 제대로 수행하지 못하면 장비성능 저하 및 작동유체의 외부누설로 인한 환경오염, 안전사고 발생 등 그 경제적 손실이 막대하다. 따라서 Mechanical Seal은 설계수명 동안 밀봉성능을 보장해야 하며 높은 신뢰도가 요구되는 기계요소이다. 이에 핵심 부품 중 하나로 벨로즈가 사용된다.

상기와 같은 용도에 따라 벨로즈는 내구성 및 기밀성 등의 물리적 특성이 충족되도록 제조되어야 하며, 압력차가 크게 발생하는 환경에서 사용되는 경우에는 특히 강한 내압성이 요구된다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 박판의 용접에 의해 주름부가 형성되는 벨로즈와 같이 내압특성이 우수하지 않은 벨로즈가 압력차가 크게 발생되는 환경에서 사용되는 경우, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 압력차에 의해 상기 박판이 변형되고 용접부가 파열되는 문제가 야기된다.

특히, Mechanical Seal의 부품으로 사용 시 압력차에 의한 벨로즈의 과도한 변형은 MED(Mean Effective Diameter) Shift현상을 유발한다. 이는 Mechanical Seal의 주요 설계요소인 Balance Ratio 가 압력에 따라 변화함을 의미하며 벨로즈를 고압의 환경에서 사용되는 Mechanical Seal에 적용할 수 없는 핵심적인 원인이 되고 있다.

그러므로, 상기와 같은 이유로 벨로즈는 20 Bar 이하의 압력조건에서만 사용되고 있는 실정이며, 그 이상의 압력조건에서는 도 11의 (a)에 도시된 바와 같은 스프링이 사용되고 있다.

그러나, 스프링을 사용하는 경우, 도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이, Face가 마모되면서 다이나믹 가스켓(Dynamic gasket) 이 Face 쪽으로 이동하게 된다(a-1). 또한, 이에 따라 다이나믹 가스켓 앞의 샤프트(Shaft)에 정상누수로 솔리드(Solid)가 발생하며, 상기 솔리드는 다이나믹 가스켓의 운동을 정체시키는 원인으로 작용하며(a-2), 다이나믹 가스켓의 헹업(hang-up)에 의해 클로징포스(closing force)를 저하시켜 누수를 가속화(a-3) 하는 문제를 야기한다.

도 11의 (b)에 나타낸 바와 같이, 벨로즈를 사용하는 경우 다이나믹 가스켓이 없으므로 Face 마모에 따르는 가스켓의 이동이 발생하지 않으며(b-1), 정상누수로 샤프트에 솔리드(Solid)가 쌓이지만 헹업(hang-up)이 발생하지 않으므로(b-2), 상기와 같이 스프링을 사용하는 경우의 문제는 해결될 수 있다.

그러나, 상술한 바와 같이, 종래의 기술로 개발된 벨로즈는 20 Bar 초과의 압력에서 사용할 수 없기 때문에, 고압에서 사용할 수 있는 벨로즈의 개발이 시급히 요구되고 있다.

대한민국 공개특허 제10-2017-0095267호

본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 안출된 것으로서,

압력차가 크게 발생하는 고압 환경에서 사용되는 경우에도 충분한 내압특성을 가지며, 내압강화용 지지체를 구비하면서도 축방향 압축 및 인장 운동이 원활하여 탄성 특성과 내압특성을 동시에 충족시킬 수 있는 벨로즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

천공부를 중심으로, 제1 하향 경사부, 수평부 및 제2 하향 경사부가 순차로 형성된 고리형 금속 박판들을, 인접하는 다른 고리형 금속 박판과 대칭되며 제1 하향 경사부 끝단 또는 제2 하향 경사부 끝단이 서로 닿도록 적층시키고, 접점을 용접하여 형성된 주름부; 및

고리형태를 가지며, 상기 주름부의 내부측 골 또는 외부측 골에 삽입되는 내압강화용 지지체;를 포함하는 벨로즈를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태로서, 상기 내압강화용 지지체는 상기 내부측 골에 삽입되는 경우, 내부측 골 공간 중 고리형 금속 박판의 제1 하향 경사부들에 의해서 형성된 공간으로 돌출되는 돌출부를 포함하고,

상기 외부측 골에 삽입되는 경우, 외부측 골 공간 중 고리형 금속 박판의 제2 하향 경사부들에 의해서 형성된 공간으로 돌출되는 돌출부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태로서, 상기 고리형 금속 박판의 제1 하향 경사부 끝단 및 제2 하향 경사부 끝단에는 수평 연장부가 더 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태로서, 상기 제1 하향 경사부 및 제2 하향 경사부는 직선형 경사부 또는 곡선형 경사부일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태로서, 상기 내압강화용 지지체의 돌출부는 내부측 골 또는 외부측 골에 삽입되는 삽입부보다 두께가 더 굵은 부분을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태로서, 상기 내압강화용 지지체의 돌출부는 역테이퍼 형태를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시형태로서, 상기 내압강화용 지지체는 주름부의 내부측 골 또는 외부측 골 전체에 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태로서, 상기 벨로즈는 20 Bar 초과~1,000 Bar의 압력에 대한 내압특성을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시형태로서, 상기 내압강화용 지지체는 탄성체로 형성될 수 있으며, 상기 탄성체의 연신율은 30 ~ 1,000%일 수 있다.

본 발명의 벨로즈는 압력차가 크게 발생하는 고압 환경에서 사용되는 경우에도 충분한 내압특성을 가지므로, 벨로즈의 신뢰성 및 내구성을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.

또한, 내압강화용 지지체를 구비하면서도 축방향 압축 및 인장 운동이 원활하여 탄성 특성과 내압특성을 동시에 충족시키므로, 다양한 산업분야에서 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 일반적인 벨로즈의 형태를 촬영한 사진이며,
도 2는 종래의 벨로즈의 형태를 도시한 단면 사시도이며,
도 3은 종래 벨로즈에 의한 기계적 실(Mechanical seal)의 일예를 도시한 도면이며,
도 4 및 도 5는 종래 벨로즈에 의한 기계적 실(Mechanical seal)의 일예로서 벨로즈의 내외부 사이의 압력차가 큰 상태에서의 사용예를 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명 벨로즈의 일형태를 도시한 단면 사시도이며,
도 7은 본 발명 벨로즈의 주름부를 구성하는 금속 박판의 형태 및 결합형태를 도시한 단면도 및 평면도이며,
도 8은 본 발명 벨로즈의 다른 일형태를 도시한 단면도이며,
도 9는 상기 도 8의 단면도와 동일한 형태를 사시도로 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명 벨로즈에 의한 기계적 실(Mechanical seal)의 일예를 도시한 도면이다.
도 11은 스프링에 의한 기계적 실(Mechanical seal) 및 벨로즈에 의한 기계적 실의 일예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

아래 설명과 도면은 당업자가 설명되는 장치와 방법을 용이하게 실시할 수 있도록 특정 실시예를 예시한다. 다른 실시예는 구조적, 논리적으로 다른 변형을 포함할 수 있다. 개별 구성 요소와 기능은 명확히 요구되지 않는 한, 일반적으로 선택될 수 있으며, 과정의 순서는 변할 수 있다. 몇몇 실시예의 부분과 특징은 다른 실시예에 포함되거나 다른 실시예로 대체될 수 있다.

도 1은 일반적인 벨로즈의 형태를 촬영한 사진이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 벨로즈는 장비의 축방향 및 반경방향 움직임을 보상하며 밀봉기능을 수행한다.

도 2는 종래 벨로즈의 형태를 도시한 단면 사시도이며, 도 2에 도시된 바와 같이, 벨로즈는 골(12)과 산(13)을 포함하는 주름부(11) 및 상부 및 하부 플랜지(15)를 포함하여 구성된다.

도 3은 종래 벨로즈에 의한 기계적 실(Mechanical seal)의 일예를 나타낸 것이며, 도 4 및 도 5는 종래 벨로즈에 의한 기계적 실(Mechanical seal)의 일예로서 벨로즈의 내외부 사이의 압력차가 큰 상태에서의 사용예를 나타낸다.

종래의 벨로즈를 사용한 기계적 실(Mechanical seal)을 벨로즈의 내외부의 압력차가 매우 큰 환경에 사용하면 도 4에 나타낸 바와 같이 박판의 변형이 발생되며, 도 5에 도시된 바와 같이, 압력차를 이기지 못하고 용접부가 파괴되는 문제가 발생된다. 이러한 문제가 발생하는 경우, 장치의 사용을 중단하고 벨로즈를 교체해 주어야 하므로 매우 큰 생산성 손실을 야기한다.

본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 예의 노력하였으며, 그 결과, 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같은 발전된 형태의 벨로즈를 완성하게 되었다.

도 6은 본 발명 벨로즈의 일형태를 도시한 단면도이며; 도 7은 본 발명 벨로즈의 주름부(110)를 구성하는 금속 박판(160)의 형태 및 결합형태를 도시한 단면도 및 평면도이며; 도 8은 본 발명 벨로즈의 다른 일형태를 도시한 단면도이며; 도 9는 상기 도 8의 단면도와 동일한 형태를 사시도로 나타낸 것이다.

상기 도 6및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명은 천공부(도 7, 160-1)를 중심으로, 제1 하향 경사부(도 7, 160-2), 수평부(도 7, 160-3) 및 제2 하향 경사부(도 7, 160-4)가 순차로 형성된 고리형 금속 박판들(160)을, 인접하는 다른 고리형 금속 박판과 대칭되며 제1 하향 경사부 끝단 또는 제2 하향 경사부 끝단이 서로 닿도록 적층시키고, 접점을 용접하여 형성된 주름부(110); 및

고리형태를 가지며, 상기 주름부의 내부측 골(120) 또는 외부측 골(120-1)에 삽입되는 내압강화용 지지체(120);를 포함하는 벨로즈(100)에 관한 것이다.

상기 본 발명의 벨로즈는 내압강화용 지지체(140)를 포함함으로써, 매우 높은 압력차가 존재하는 공간에서 사용하더라도 벨로즈의 파괴가 발생하지 않으며, 특별한 구조를 갖는 주름부(110)의 형태로 인하여 내압강화용 지지체(140)가 삽입되더라도 축방향 압축, 인장 운동이 원활하게 되는 특징을 갖는다.

상기 내압강화용 지지체(140)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 내부측 골(120)에 삽입되는 경우, 내부측 골 공간 중 고리형 금속 박판의 제1 하향 경사부(도 7, 160-2)들에 의해서 형성된 공간으로 돌출되는 돌출부(140-1)를 포함하고,

상기 외부측 골(120-1)에 삽입되는 경우, 외부측 골 공간 중 고리형 금속 박판의 제2 하향 경사부(도 7, 160-4)들에 의해서 형성된 공간으로 돌출되는 돌출부(미도시, 140-1)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 돌출부(140-1)는 돌출부 상하에 위치하는 고리형 금속 박판이 내부 또는 외부의 압력에 의해 알파벳 “V”자 유사형태에서 알파벳 “U”자 유사형태로 변형되는 것을 막아주는 기능을 수행한다.

여기서, 상기 내압강화용 지지체의 돌출부(140-1)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 내부측 골 또는 외부측 골에 삽입되는 삽입부(140-2)보다 두께가 더 굵은 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 돌출부(140-1)에는 상하의 고리형 금속 박판에 의해 형성되는 알파벳 “V”자 유사형태의 골에 근접하는 돌기가 상하로 더 형성될 수 있다. 이러한 경우, 고리형 금속 박판이 압력에 의해 알파벳 “V”자 유사형태에서 알파벳 “U”자 유사형태로 변형되는 것을 더 효과적으로 억제할 수 있어서 바람직하다.

또한, 상기 내압강화용 지지체의 돌출부(140-1)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 역테이퍼 형태를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 상기 역테이퍼 형태는 고리형 금속 박판에 의해 형성된 알파벳 “V”자 유사형태에 부합하는 형태로서 고리형 금속 박판이 압력에 의해 알파벳 “V”자 유사형태에서 알파벳 “U”자 유사형태로의 변형력을 받을 때, 더 더욱 효과적으로 변형을 억제할 수 있다.

본 발명의 벨로즈에 있어서, 상기 고리형 금속 박판의 제1 하향 경사부(160-2) 끝단 및 제2 하향 경사부(160-4) 끝단에는 수평 연장부(160-5)가 더 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 수평 연장부를 통하여 용접을 더 견고하게 수행할 수 있으므로 바람직하다.

본 발명의 벨로즈에 있어서, 상기 제1 하향 경사부(160-2) 및 제2 하향 경사부(160-4)는 직선형 경사부 또는 곡선형 경사부일 수 있다.

상기 제1 하향 경사부 및 제2 하향 경사부 중 내압강화용 지지체가 삽입되는 방향의 경사부는 경사도를 더 크게 형성할 수 있다. 예를 들어, 내압강화용 지지체가 삽입되는 방향의 경사부는 내압강화용 지지체가 삽입되지 않는 방향의 경사부보다 경사도가 1.5배 내지 5배일 수 있으며, 더욱 바람직하게는2배 내지 4배일 수 있다. 상기와 같은 범위로 경사도에 차이를 두는 경우, 내압강화용 지지체(140)를 구비하면서도 축방향 압축 및 인장 운동이 원활하여 탄성 특성과 내압특성을 동시에 충족시킬 수 있으므로 바람직하다.

도 10은 본 발명 벨로즈에 의한 기계적 실(Mechanical seal)의 일예를 나타낸다. 도 10에 예시된 바와 같이, 본 발명의 벨로즈는 벨로즈의 내부와 외부의 압력차가 클 경우, 압력이 낮은 공간의 골(120 또는 120-1)에 내압강화용 지지체(140)를 구비한다. 도 10의 경우는 벨로즈(100) 내부의 압력이 작은 경우를 나타낸다. 이 경우, 도 5에 도시된 종래의 벨로즈와 달리 압력이 큰 쪽에 위치하는 골이 외부 압력에 의해 알파벳 “V”자 유사형태에서 알파벳 “U”자 유사형태로 변형되는 것을 상기 내압강화용 지지체(140)의 돌출부(140-1)가 방지하므로, 박판의 과도한 변형 및 용접부의 파열이 효과적으로 방지된다.

본 발명의 벨로즈(100)는 금속 박판의 용접에 의해 주름부가 형성되는 벨로즈이므로, 금속 박판을 용접하면서 내압강화용 지지체(140)를 하나씩 골(120 또는 120-1) 내부에 위치시킬 수 있다.

상기 내압강화용 지지체(140)는 상기 주름부(110)의 내부측 골(120)에 구비되는 특징을 가질 수 있다. 상기 내압강화용 지지체(140)는 일반적으로 상기 주름부(110)의 내부측 골에 구비된다. 그러나 내부측 골에 구비되는 것으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 벨로즈(100)에 있어서, 상기 내압강화용 지지체는 주름부의 내부측 골 또는 외부측 골 전체에 구비되는 특징을 가질 수 있다. 왜냐하면 압력은 주름부(110)의 골 전체에 적용되므로 어느 하나의 골에라도 내압강화용 지지체(140)가 구비되지 않는 경우에는 그 골의 정점부분에서 금속 박판 의 과도한 변형 및 용접부의 파괴가 일어날 수 있기 때문이다.

본 발명의 벨로즈(100)는 20 Bar 초과의 압력에 대한 내압특성을 가질 수 있으며, 구체적으로 20 Bar 초과~1,000 Bar의 압력에 대한 내압특성을 가질 수 있으며, 바람직하게는 30~1,000 Bar, 더욱 바람직하게는 50~1,000 Bar의 압력에 대한 내압특성을 가질 수 있다. 상기에서 압력의 상한은 100 Bar, 300 Bar, 500 Bar로 한정될 수도 있다.

또한, 본 발명의 벨로즈가 압력차가 존재하지 않는 공간이나 압력차가 100 Bar이하로 존재하는 공간에서도 무리없이 사용될 수 있는 것은 당연하다.

상기 내압강화용 지지체(140)는 탄성체로 형성된 특징을 가질 수 있으며, 상기 탄성체의 연신율은 30 ~ 1,000%인 특징을 가질 수 있다. 구체적으로, 경도가 50~95 Shore A인 경우 30 ~ 510%인 특징을 가질 수 있으며, 경도가 45~85 ShoreD인 경우 100 ~ 450%인 특징을 가질 수 있다.

상기 내압강화용 지지체(140)의 경도가 너무 높으면 벨로즈(100) 박판의 손상을 야기할 수 있으며, 경도가 너무 낮으면 내압특성이 저하된다. 따라서 적당한 경도와 탄성을 갖는 것이 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 내압강화용 지지체(140)는 FKM, FFKM, EPDM, NBR, Silicone rubber, PTFE 등의 소재로 제조될 수 있다.

본 발명의 벨로즈(100)에 있어서, 주름부(110)의 양끝단에 결합되는 플랜지(150)의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 벨로즈(100)의 용도 및 사용형태에 따라 적당한 형태의 플랜지(150)가 장착될 수 있다.

본 발명의 벨로즈(100)에 있어서, 상기에서 특별히 한정되지 않은 구성에 대해서는 이 분야의 통상의 벨로즈의 구성이 제한 없이 채용될 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련되어 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10: 통상적인 벨로즈 11: 주름부
12: 골 13: 산
15: 플랜지
100: 본 발명의 벨로즈 110: 주름부
120: 내부측 골 120-1: 외부측 골
130: 내부측 산 130-1: 외부측 산
140: 내압강화용 지지체 140-1: 돌출부
140-2: 삽입부 150: 플랜지
160: 고리형 금속 박판 160-1: 천공부
160-2: 제1 경사부 160-3: 수평부
160-3: 제2 경사부

Claims (10)

1. 천공부를 중심으로, 제1 하향 경사부, 수평부 및 제2 하향 경사부가 순차로 형성된 고리형 금속 박판들을, 인접하는 다른 고리형 금속 박판과 대칭되며 제1 하향 경사부 끝단 또는 제2 하향 경사부 끝단이 서로 닿도록 적층시키고, 접점을 용접하여 형성된 주름부; 및
   고리형태를 가지며, 상기 주름부의 내부측 골 또는 외부측 골에 삽입되는 내압강화용 지지체;를 포함하며,
   상기 내압강화용 지지체는 상기 내부측 골에 삽입되는 경우, 내부측 골 공간 중 고리형 금속 박판의 제1 하향 경사부들에 의해서 형성된 공간으로 돌출되는 돌출부를 포함하고,
   상기 외부측 골에 삽입되는 경우, 외부측 골 공간 중 고리형 금속 박판의 제2 하향 경사부들에 의해서 형성된 공간으로 돌출되는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 벨로즈.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 고리형 금속 박판의 제1 하향 경사부 끝단 및 제2 하향 경사부 끝단에는 수평 연장부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 벨로즈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 하향 경사부 및 제2 하향 경사부는 직선형 경사부 또는 곡선형 경사부인 것을 특징으로 하는 벨로즈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 내압강화용 지지체의 돌출부는 내부측 골 또는 외부측 골에 삽입되는 삽입부보다 두께가 더 굵은 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 벨로즈.
6. 제5항에 있어서,
   상기 내압강화용 지지체의 돌출부는 역테이퍼 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 벨로즈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 내압강화용 지지체는 주름부의 내부측 골 또는 외부측 골 전체에 구비된 것을 특징으로 하는 벨로즈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 벨로즈는 20 Bar 초과~1,000 Bar의 압력에 대한 내압특성을 갖는 것을 특징으로 하는 벨로즈.
9. 제1항에 있어서,
   상기 내압강화용 지지체는 탄성체로 형성된 것을 특징으로 하는 벨로즈.
10. 제9항에 있어서,
    상기 탄성체의 연신율은 30 ~ 1,000%인 것을 특징으로 하는 벨로즈.
    

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