KR101947939B1 - 압력 완화 요소를 갖는 밀봉 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 운동축을 따라 서로에 대하여 병진 운동이 가능한 2개의 구성 요소(12, 14) 사이에서, 저압측(N)으로부터 고압측(H)을 밀봉하기 위한 밀봉 시스템(10)에 관한 것으로, 상기 밀봉 시스템은 압력 완화 요소를 포함하며, 이러한 밀봉 시스템을 사용하여 중간-공간 압력 캐스케이드를 생성한다.

Description

압력 완화 요소를 갖는 밀봉 시스템
본 발명은 운동축을 따라 서로에 대하여 병진운동이 가능한 2개의 구성 요소 사이에서, 저압측으로부터 고압측을 밀봉하기 위한 밀봉 시스템으로서, 외부 구성 요소가, 내부 구성 요소 쪽으로 개방되고 저압측(N)을 향하는 제 1 환형홈, 및 내부 구성 요소 쪽으로 개방되고 고압측(H)을 향하는 적어도 하나의 제 2 환형홈을 가지는 밀봉 시스템에 관한 것이다. 상기 제 1 환형홈 내부에는 밀봉장치가 마련되고, 상기 밀봉장치는 상기 내부 구성 요소를 지지하며 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 1 밀봉 링 및 상기 제 1 밀봉 링을 방사상으로 인장하며 이를 상기 제 1 환형홈으로부터 밀봉하는 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 1 프리텐션 링을 갖는다. 모든 제 2 환형홈 내부에는 압력 완화 요소가 마련되고, 상기 압력 완화 요소는, 상기 내부 구성 요소를 지지하며 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 2 밀봉 링, 및 상기 제 2 밀봉 링을 방사상으로 인장하며 이를 상기 제 2 환형홈으로부터 밀봉하는 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 2 프리텐션 링을 갖는다.
상기 제 2 밀봉 링은 고압측 접촉 표면 각도및 저압측 접촉 표면 각도를 갖는 밀봉 에지를 가지며, 각각의 압력 완화 요소에는 적어도 하나의 연결 채널이 할당되고, 이를 통하여, 상기 밀봉장치와 상기 제 1 압력 완화 요소사이의 중간 공간이 상기 고압측에 연결가능하거나, 또는 2개의 인접한 상기 압력 완화 요소 사이의 중간 공간이 상기 고압측에 연결가능하거나, 또는 2개의 인접한 상기 중간 공간이 상기 연결 채널을 통하여 서로 연결가능하다.
각각의 연결 채널은 PZN > PH 또는 PZN > PZH의 압력 상황에서 폐쇄되고, PZN ≥ PH+Pcrit 또는 PZN ≥ PZH+Pcrit의 압력 완화 상황에서 개방되며, 여기에서 PH는 상기 고압측 상의 유압이며, PZN는 상기 저압측 중간 공간 내에서의 유압이고, PZH은 상기 고압측 중간 공간 내에서의 유압이며, 그리고 Pcrit는 압력 증가치로서, 이 압력 증가치 및 그 이상에서 상기 연결 채널이 개방되며, Pcrit는 상기 제 2 프리텐션 링의 변형에 의하여 정의된다. 상기 연결 채널은 PZN > PH 또는 PZN > PZH의 압력 상황에서 상기 제 2 프리텐션 링에 의하여 폐쇄되고, 상기 제 2 밀봉 링의 밀봉 에지의 고압측 접촉 표면 각도는 상기 밀봉 에지의 저압측 접촉 표면 각도보다 작거나 같으므로, 가압된 상태에서 그리고 상기 외부 구성 요소 내부의 상기 내부 구성 요소의 전후이동에 따라서, 상기 제 2 밀봉 링에 대하여 특정 누설률이 설정되고, 이를 통하여 상기 저압측 중간 공간에서의 유압이 조정된다.
이러한 유형의 밀봉 시스템은 EP 1 991 800 B1로부터 주지되어 있다. 그러나, 상기 주지의 밀봉 시스템은 조립이 매우 복잡하고 생산 비용이 비싸다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 기술적 이점을 갖는 밀봉 시스템을 정의하는 것이며, 이는 모두 생산하기가 쉽고 저렴하다.
본 발명에 따른 목적은 특허 청구항 1에 정의된 특징을 갖는 밀봉 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명의 밀봉 시스템에 있어서, 적어도 하나의 압력 완화 요소의 상기 제 2 밀봉 링 및 상기 제 2 프리텐션 링은 서로 일체로 구성되며 폴리우레탄으로 이루어지고, 여기에서 Pcrit는 상기 운동축에 대하여 반경방향으로 상기 제 2 프리텐션 링의 적어도 부분적인 변형에 의하여 정의된다. 상기 제 2 밀봉 링 및 상기 제 2 프리텐션 요소는 그러므로 저렴한 재료로 전반적으로 보다 낮은 제작 허용 오차로 단일 구성 요소로서 공동 생산될 수 있다. 또한, 상기 밀봉 시스템의 조립은 이에 따라 단순화된다. 본 발명에 따른 상기 밀봉 시스템은 그러므로 전반적으로 보다 쉽고 저렴하게 생산될 수 있다.
본 발명에 따르면, 다수개의 압력 완화 요소의 경우에, 밀봉 시스템의 생산 및 조립의 복잡성은, 서로 일체로 구성되며 폴리우레탄으로 이루어진, 각각의 상기 압력 완화 요소의 제 2 밀봉 링 및 제 2 프리텐션 링에 의해 다시 한번 감소될 수 있다.
본 발명의 밀봉 시스템에 있어서, 상기 고압측의 압력은 상기 1 차 밀봉부에 직접적으로 지지되지 않는다. 이러한 장점은 특히 복수의 압력 완화 요소가 직렬로 연결되어 배열되는 임팔트(impalt)를 갖는다. 밀봉장치 및 하나 이상의 압력 완화 요소를 포함하는 밀봉 시스템의 구조에서, 상기 압력 완화 요소(들) 및 상기 밀봉장치 사이에는 하나 이상의 중간 공간이 마련된다. 유압 작동 중에, 압력 완화 요소에 의해 서로 분리된 개별 중간 공간에는 상이한 유압이 생성될 수 있다. 인접한 중간 공간 사이의 압력 차이는 해당 압력 완화 요소가 받는 압력을 결정한다. 각각의 압력 완화 요소에는 적어도 하나의 연결 채널이 할당되며, 이러한 연결 채널은 상기 저압측에서 상기 압력 완화 요소들 간의 경계를 이루는 저압측 중간 공간에서의 압력을 완화시킨다. 각각의 연결 채널은, 내부에서 유압(PZN)이 얻어지는 상기 저압측 중간 공간을 고압측 중간 공간에 연결하며, 상기 고압측 중간 공간은 상기 고압측에 대향되며 그 내부에서 유압(PZH)이 얻어진다. 또는, 각각의 연결 채널은, 내부에서 유압(PZN)이 얻어지는 상기 저압측 중간 공간을 높은-압력(PH)을 갖는 상기 고압측에 연결한다. 상기 밀봉 시스템의 기저 압력 상황(PZN ≤ PZH 또는 PZN ≤ PH)에서, 상기 저압측 중간 공간의 압력(PZN)이 상기 고압측 중간 공간의 압력(PZH) 또는 상기 고압측의 압력(PH) 보다 작거나 같은 상황에서, 상기 연결 채널은 폐쇄된다. 상기 기저 압력 상황에서, 상기 밀봉 링은 상기 저압측 중간 공간으로부터 상기 고압측 중간 공간 또는 상기 고압측을 밀봉한다. 본 발명에 의한 연결 채널은 또한 상기 밀봉 링이 상기 고압측 중간 공간으로부터 또는 상기 고압측으로부터 상기 저압측 중간 공간을 밀봉하는 반전된 압력상황(PZN > PZH 또는 PZN > PH)에서도 폐쇄된 채로 유지된다. 압력 증가치(Pcrit)에 도달하거나 이를 초과하게 되는 압력 완화 상황(PZN ≥ PZH + Pcrit 또는 PZN ≥ PH + Pcrit)이 달성될 때에만, 상기 연결 채널이 개방된다. 압력 증가치(Pcrit)는 상기 연결 채널에 대한 임계 개방 압력을 구성하며, 프리텐션 링의 변형에 의하여 정의된다.
단일 방향으로 효과적인 연결 채널을 통한 압력의 완화는 다수개의 압력 완화 요소가 일렬로 정렬되어 있는 경우에 특히 유리하다. 유압 작동 중에, 상기 중간 공간의 유압은 상이한 방식으로 상승될 수 있다. 중간 공간의 압력 완화는 다른 중간 공간, 즉 상기 고압측 옆의 중간 공간의 압력에만 의존한다. 상기 압력 완화 요소를 경계짓는 2개의 중간 공간 사이의 상기 압력 차이(PZN-PZH), 또는 상기 중간 공간과 상기 고압측 사이의 압력 차이(PZN-PH)가 각각의 압력 증가치(Pcrit, PZN PZH = Pcrit) 또는 (PZN-PH = Pcrit)에 도달하자마자, 해당 연결 채널이 개방되어, 상호 연결된 압력 영역 또는 중간 공간 사이에 압력 균등화가 발생된다. 이는, 본 발명의 밀봉 시스템에 있어서, 상기 고압측에서 얻어지는 유압 작동 압력 아래의 모든 압력(PZN PZH ≥ Pcrit), 특히 중간 공간 압력(PZN, PZH < PH)에서 중간 공간이 압력 완화되는 효과를 갖는다. 상기 제 2 밀봉 링의 밀봉 에지의 고압측 접촉 표면 각도는 각각 상기 밀봉 에지의 저압측 접촉 표면 각도보다 작거나 동일하므로, 가압된 상태에서 그리고 상기 외부 구성 요소 내에서 상기 내부 구성 요소의 전후이동에 따라서, 상기 밀봉 링에 대하여 특정 누설률이 설정되고, 이를 통하여 상기 저압측 중간 공간 내의 유압이 조정된다.
상기 밀봉 메카니즘에 있어서, 상기 다이내믹 실링의 프리텐션 및 접촉 압력 곡선은 근본적으로 중요하다. 상기 프리텐션 상기 내부 구성 요소를 상기 외부 구성 요소에 설치함에 따라 생성된다. 상기 접촉 압력 곡선은 밀봉 링의 압력-유체-부하 표면으로부터 밀봉 표면으로 전달되는 인장력에 대응한다. 드래그-아웃 윤활 필름에 대한 드래그-인 오일 필름의 균형은 누설률을 형성한다. 유체 역학 누설률은 상기 고압측의 방향으로 상기 접촉 영역에서의 압력 구배에 의하여 정의된다. 상기 압력 구배는 상기 밀봉 에지 및 밀폐되어야 할 상기 내부 구성 요소 사이의 접촉 표면 각도에 의존한다. 상기 고압측에서, 가파른 접촉 표면 각도는 가파른 압력 구배 및 낮은 누설률을 생성하는 반면, 고압측에서 얕은 접촉 표면 각도는 얕은 압력 구배 및 보다 높은 누설률을 초래한다.
밀봉 시스템의 재순환 용량이 배출되는 오일량보다 크거나 같은 한, 누설밀봉 시스템임을 증명할 수 있다. 따라서, 상기 제 1 환형홈 내에 배치되며 상기 1차 밀봉부의 역할을 수행하는 상기 밀봉장치의 제 1 밀봉 링은 가파른 압력 구배를 갖는다. 반대로, 상응하는 밀봉 링의 밀봉 에지가 대칭적인 접촉 표면 각도 또는 비대칭적인 접촉 표면 각도를 가지며, 상기 저압측 보다는 상기 고압측에서 보다 작은 접촉 표면 각도를 가지며, 결과적으로 얕은 압력 구배를 갖는다는 점에서, 상기 압력 완화 요소에서의 누설률은 통제된 방식으로 허용된다. 더욱이, 상기 밀봉 에지는 둥글려진다. 이는 생산 공학적 장점을 제공하며 상기 밀봉 시스템의 더욱 향상된 수명을 가능하게 한다. 상기 밀봉 에지의 라운딩을 통하여, 가압 상태에서 소정 누설률을 제공하기 위하여 밀봉 링 및 이동된 구성 요소 사이의 소위 드래그 각도(drag angle)를 변경할 수 있고 상기 시스템 요건에 적합하게 할 수 있다. 본 발명에 의하면, 각각의 제 2 밀봉 링의 반경 방향 내측지지를 위하여, 지지 링이 제공된다. 상기 지지 링은, 바람직하기로는, 상기 제 2 밀봉 링 또는 관련 압력 완화 요소의 가압과 동시에 상기 제 2 밀봉 링을 상기 저압측 중간 공간, 즉, 상기 내부 및 외부 구성 요소 사이의 저압측 밀봉 갭 내로의 불필요한 압출이 수행되도록 구성된다. 상기 내부 및 외부 구성 요소 사이의 낮은 마찰을 고려하여, 상기 지지 링은 상기 내부 구성 요소로부터 반경 방향으로 거리를 두고 - 즉, 비-접촉 방식으로 배치될 수 있다. 당연히, 상기 지지 링 또한 상기 내부 구성 요소 또는 전후로 움직이는 구성 요소를 지지할 수 있다. 특히 후자의 경우, 상기 지지 링은 유리하게도 제 2 구성 요소에 대향되고 반경을 갖는 내측을 갖는다. 상기 지지 링의 내측은 따라서 상기 내부 구성 요소의 방향으로 방사상으로 팽창하여 볼록한 디자인으로 된다. 상기 밀봉 시스템의 적어도 가압된 작동 상태에서 상기 내부 구성 요소를 지지하는 지지 링의 경우를 포함하여, 전체적으로 신뢰성있는 드래그 거동, 따라서, 밀봉 시스템의 최적화된 윤활이 보장 될 수 있다.
가압 상태에서 그리고 상기 외부 구성 요소 내 상기 내부 구성 요소의 전후이동에 따라서, 각각의 밀봉 링에 대해 각각 정의되는 누설률이 설정되도록, 그리고 이를 통하여 상기 저압측의 각각의 압력 완화 요소를 경계짓는 중간 공간 내의 유압이 조정되도록, 상기 고압측 및 저압측 접촉 표면 각도가 선택된다. 각각의 중간 공간에서 특정 유압이 얻어지도록, 상기 접촉 표면 각도를 통하여, 각각의 압력 완화 요소에 대한 유체 역학적 누출이 선택된다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 밀봉 시스템에 있어서, 정의된 중간 공간 압력이 설정되고, 이는 바람직한 일 실시 예에서 캐스케이드-형 방식으로 상기 고압측으로부터 상기 저압측으로 감소된다. 각각의 압력 완화 요소 및 밀봉 장치에서 압력 정격이 정의되며, 그의 레벨은 해당 요소에서 얻어지는 압력 차이에 해당된다. 본 발명에 따른 밀봉 시스템은, 상기 밀봉 링의 유체 역학적 재순환 용량 이외에도, 상기 압력 완화 요소에 제공된 연결 채널을 통하여 유체 정역학적 팽창 능력(hydrostatic expansion capability)을 갖는다. 상기 연결 채널의 밸브 기능은, 중간-공간 압력이 상기 고압측 다음의 중간 공간의 중간-공간 압력 플러스 해당 압력 증가치 이상으로 상승하는 경우, 중간 공간 압력을 완화시킨다.
본 발명에 따른 밀봉 시스템의 개별 요소의 최적 배치가 주어지면, 상기 밀봉 시스템의 기능 또는 작동 수명을 단축시키지 않으면서 유압 시스템의 시스템 압력 또는 작동 압력을 증가시킬 수 있다. 압력 완화 요소 후방에 정의된 압력의 결과로, 상기 압력 밀봉의 밀봉 갭에서의 윤활막 형성이 개선될 수 있으며, 이는 결국 전체 시스템의 마찰 및 작업 수명에 긍정적인 영향을 미친다. 이러한 최적화된 상태는 상기 압력 완화 요소에서의 압력 환기의 개방 압력, 즉 상응하는 압력 증가치의 조정 가능성에 의해 달성된다. 상기 저압측 입구 개방 또는 상기 연결 채널의 저압측 단부는, 상기 제 2 밀봉 링 또는 상기 제 2 프리텐션 링의 내경 또는 외경 상에서 또는 상기 제 2 환형홈 내에서 축 방향으로 상이하게 배치되어, 상기 압력 완화 요소의 압력-의존적 상호 변위에 의하여, 더 크거나 더 작은 개방 압력이 설정된다.
유체 역학 펌핑 용량 및 유체 정역학적 압력 완화의 상호 작용을 통하여, 바람직하지 않은 작동 조건 하에서도, 예를 들어, 압력 완화 채널을 갖는 압력 밀봉 및 다운스트림 2차 밀봉을 포함하는 밀봉 시스템을 사용하여, 외부로의 누출이 개선되거나 전혀 없이 긴 수명이 달성될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 밀봉장치의 제 1 밀봉 링 및 제 1 프리텐션 링 또한 서로 일체로 구성된다. 결과적으로, 상기 밀봉 시스템의 생산 복잡성을 더욱 경감시킬 수 있다. 이 경우, 비용 측면에서, 상기 밀봉장치는 마찬가지로 폴리우레탄으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 압력 완화 요소의 제 2 프리텐션 링은 다리부를 가지며, 상기 다리부는 밀봉 립 방식으로 구성되고 또한, 상기 밀봉 시스템의 PZN > PH 또는 PZN > PZH의 기저 압력 상황에서, 상기 제 2 환형홈의 홈 바닥부에 대하여 밀봉 에지를 밀봉식으로 지지하며, 상기 밀봉-립-형의 다리부는, 상기 압력 완화 상황에서 - 상기 밀봉 링에 대한 그의 방사상 방향 편향의 결과로 - 상기 홈 바닥부에 대하여 그의 밀봉 에지가 그의 밀봉 접촉으로부터 벗어나 이동된다. 이에 따라, 상기 제 2 프리텐션 링은 연결 채널을 통해, 압력 균등화를 위해, 작용하는 유체 흐름을 해제한다. 상기 제 2 프리텐션 링은, 특히, 제 1 및 제 2 다리부를 갖는 각지거나 또는 L-자형으로 된 단면을 가질 수 있다. 여기에서 상기 제 1 다리부는 반경 방향으로 상기 제 2 밀봉 링으로부터 멀리 연장되고, 밀봉 립의 방식으로 구성된 상기 제 2 다리부는 상기 밀봉 시스템의 고압 영역의 방향으로 축 방향으로 연장된다.
본 발명에 의하면, 적어도 하나의 상기 연결 채널은 상기 압력 완화 요소 내에 배치되는 관통 보어, 및/또는 상기 제 2 환형홈을 향하여 개방되고 상기 압력 완화 요소 상에 및/또는 상기 외부 구성 요소 내에 구성되는 홈부로 이루어질 수 있다.
상기 관통 보어 또는 상기 홈부가 상기 압력 완화 요소 상에 구성되는 한, 본 발명에 따른 상기 밀봉 시스템은 기존의 서브-어셈블리에 대해 큰 비용을 들이지 않으면서도 단순화되고 업그레이드 될 수 있다.
상기 홈부는, 특히, 상기 압력 완화 요소의 저압측 단부면 상에, 상기 제 2 프리텐션 링의 외측, 즉, 상기 제 2 환형홈의 홈 바닥부에 대향되는 상기 외측에, 및/또는 상기 압력 완화 요소의 제 2 밀봉 링의 단부면, 즉, 상기 고압측(H)에 대향되는 단부면 상에 배치될 수 있다. 상기 압력 완화 요소가 상기 제 2 환형홈의 저압측 홈 측면에 대하여 가압되더라도, 상기 프리텐션 요소의 밀봉-립-형의 다리부가, 상기 연결 채널의 홈부 또는 관통 보어에 의해, 상기 저압측에 배치된 중간 공간에서 지배적인 압력을 받을 수 있다는 것은 근본적으로 중요하다. 더욱이, 압력 완화 상황에서, 상기 압력 완화 요소가 상기 제 2 환형홈의 고압측 홈 측면에 대하여 가압되더라도, 상기 압력 완화 상황에서 상기 연결 채널의 결과로, 각 압력 매체의 고압측으로 향하는 유체 흐름이 보장되어야 한다.
본 발명에 의한 밀봉 시스템의 더욱 바람직한 일 실시예에서, 상기 외부 구성 요소는 하우징이며, 특히 실린더이고, 상기 내부 구성 요소는 상기 하우징 내에 안내되는 피스톤의 피스톤 로드이다. 자연히, 상기 환형홈 또한 상기 내부 구성 요소 내에 선택적으로 구성될 수 있다. 하우징-피스톤 유닛은 종종 높은 작동 압력을 갖는 유압 시스템이다. 본 발명의 장치 및 압력 완화 요소의 실시 예는 이러한 시스템에서 높은-압력 부하 하에 있는 1차 밀봉부를 완화시키고자 한다. 상기 밀봉장치는, 수축되는 상기 피스톤 로드를 세척하기 위하여, 또 다른 환형홈에 배치되는 스크레이핑 링으로 완성될 수 있다.
본 발명은, 각각의 모든 제 2 밀봉 링에서 동일한 압력 차이를 얻도록 중간 공간 내의 유압이 설정되는, 중간-공간 압력 캐스케이드를 생성하기 위한, 본 발명에 의한 밀봉 시스템의 용도로 더욱 이루어진다. 본 발명에 따른 밀봉 시스템의 이러한 용도의 장점은 모든 압력 완화 요소가 높은-압력 부하 하에 있는 상기 1차 밀봉부의 압력 완화에 동일한 방식으로 기여한다는 사실에 있다. 이러한 균등한(equal-stepped) 중간-공간 압력 캐스케이드의 개별적인 구성 요소에는 균등하게 압력이 가해지므로, 전체 밀봉 시스템의 작업 수명이 증가된다. 상기 압력 완화 요소는 상기 제 2 환형홈 내에 배치 될 수 있으므로, PZN > PZH 또는 PZN > PH의 반전된 압력 상황에서, 상기 밀봉 링 및 상기 프리텐션 링은 상기 고압측을 향하여 변위된다. 압력이 더욱 상승하는 경우, PZN ≥ PZH+Pcrit 또는 PZN ≥ PH+Pcrit의 압력 완화 상황에 도달 할 때, 아직 폐쇄된 연결 채널이 개방될 때까지, 상기 프리텐션 링은 변형되며, 따라서 상기 압력 매체는 상기 연결 채널을 통하여 상기 저압측 중간 공간으로부터 상기 고압측 중간 공간으로 흐를 수 있다. 상기 압력 증가치(Pcrit)는 상기 연결 채널의 개방을 위해 소비되는 단위 면적당 변형력에 대응한다. 상기 저압측 중간 공간에 존재하는 압력 매체는 PZN-PZH < Pcrit 또는 PZN-PH < Pcrit의 압력 상황이 성립될 때까지 상기 연결 채널을 통하여 상기 고압측 중간 공간으로 흐르고, 여기에서 상기 압력 완화 요소에서의 압력 차이(PZN-PZH) 획득은 상기 압력 증가치(Pcrit) 보다 아래이고, 상기 연결 채널은 상기 프리텐션 링 및/또는 상기 밀봉 링의 상응하는 완화, 변형 및/또는 변위에 의하여 다시 폐쇄된다. 압력 완화 이후, 상기 저압측 중간 공간에서는 압력(PZN
Figure 112017073877644-pct00001
(PZH+Pcrit)이 얻어지며, 상기 압력은 상기 고압측 압력 플러스 압력 증가치 보다 아래이다.
본 발명의 또 다른 장점은 상세한 설명 및 도면에 첨부된 각 도면으로부터 알 수 있다. 이하, 도면에 나타낸 예시적인 실시 예에 기초하여 본 발명을 설명한다, 도면 중:
도 1은 기저 압력 상황에서의 본 발명에 따른 밀봉 시스템을 나타낸 부분적인 단면도이다;
도 2는 압력 완화 상황에서의 도 1의 밀봉 시스템을 나타낸 부분적인 단면도이다.
도 1은 저압측(N)으로부터 고압측(H)을 밀봉하기 위하여 상호 이동 가능한 2개의 구성 요소 사이의 본 발명에 따른 밀봉 시스템(10)을 도시한다.
내부 구성 요소(12)는 운동축(16)을 따라 축 방향으로 병진 운동을 수행할 수 있도록 외부 구성 요소(14) 내에 배열된다. 상기 외부 구성 요소(14)는, 예를 들어, 원통형 하우징으로 구성될 수 있으며, 상기 내부 구성 요소(12)는 상기 하우징 내로 안내되는 피스톤의 피스톤 로드로 구성될 수 있다. 도 1에서, 상기 밀봉 시스템(10)의 상반부 공간은 부분적인 종단면으로 도시된다. 상기 외부 구성 요소(14)는 상기 외부 구성 요소(14)는 상기 내부 구성 요소(12)를 향하여 개방된 총 3개의 환형홈, 상기 저압측(N)에 대향되는 제 1 환형홈(18), 및 상기 고압측(H)에 배치되는 2개의 제 2 환형홈(20a) 및 (20b)을 갖는다. 제 1 환형 홈(18)에는 밀봉장치(22)가 제공된다. 당연히, 상기 환형홈 또한 상기 내부 구성 요소를 통하여 형성될 수 있다.
상기 밀봉장치(22)는 상기 내부 구성 요소(12)를 지지하며 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 1 밀봉 링(24) 및 상기 제 1 밀봉 링(24)을 방사상으로 인장하며 이를 상기 제 1 환형홈(18)으로부터 밀봉하는 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 1 프리텐션 링(26)으로 이루어진다. 상기 제 1 프리텐션 링(26)은, 예를 들면, O-링으로 구현될 수 있다. 상기 밀봉장치(22)는 1차 밀봉부로서의 역할을 하며, 그 이유 때문에 상기 제 1 밀봉 링(24)의 밀봉 에지(28)는 급격한 압력 구배를 갖는다. 상기 급격한 압력 구배 및 이와 관련된 낮은 누설률은 상기 제 1 밀봉 링(24)과 상기 내부 구성 요소(12) 사이의 고압측 접촉 표면 각도(α) 및 저압측 접촉 표면 각도(β)에 의존하며, 여기에서 상기 고압측 접촉 표면 각도(α)는 상기 저압측 접촉 표면 각도(β)를 초과한다.
상기 제 2 환형홈(20a) 내에는 제 1 압력 완화 요소(30a)가 배치되고, 또 다른 제 2 환형홈(20b) 내에는 또 다른 압력 완화 요소(30b)가 배치된다. 상기 압력 완화 요소(30a) 및 (30b)는 각각 제 2 밀봉 링(32a), (32b) 및 제 2 프리텐션 링(34a), (34b)을 포함한다. 상기 제 2 밀봉 링(32a), (32b)은 상기 내부 구성 요소(12)에 대해 반경 방향으로 상기 제 2 프리텐션 링(34a), (34b)에 의해 인장된다.
모든 압력 완화 요소(30a), (30b)의 상기 제 2 밀봉 링(32a), (32b) 및 상기 제 2 프리텐션 링(34a), (34b)은 각각 서로 일체로 구성되며 탄성적으로 변형가능한 폴리우레탄으로 이루어진다.
상기 제 2 밀봉 링(32a), (32b)은 상기 내부 구성 요소(12)에 대하여 그들의 밀봉 에지(36)가 각각의 경우에 밀봉되게 지지하며, 여기에서 해당하는 고압측 접촉 표면 각도(αa) 및 (αb)는 각각 대응하는 저압측 접촉 표면 각도(βa) 또는 (βb)보다 작다. 결과적인 얕은 압력 구배는 또한 밀봉 에지(36) 상의 대칭되게, 즉, 동일한 접촉 표면 각도로 달성 될 수 있다. 또한, 각각의 상기 밀봉 에지(36)를 둥글리는 것에 의하여 드래그 거동이 영향을 받을 수 있다.
상기 밀봉장치(22), 상기 제 1 압력 완화 요소(30a) 및 상기 제 1 압력 완화 요소(30a)의 후방에 위치되는 또 다른 상기 압력 완화 요소(30b)의 배열을 통하여, 상기 밀봉장치(22)와 상기 제 1 압력 완화 요소(30a) 사이에는 제 1 중간 공간(Z a )이, 그리고 상기 제 1 압력 완화 요소(30a)와 상기 또 다른 압력 완화 요소(30b) 사이에는 또 다른 중간 공간(Z b )이 구획된다.
상기 압력 완화 요소(30a), (30b)에는 지지 링(38)이 각각 마련된다. 상기 지지 링(38)은 상기 제 2 밀봉 링(32a), (32b)의 함몰부(상세히 설명하지 않음)에 맞물리고, 예를 들면, 금속 또는 적절한 점탄성 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 상기 지지 링(38)은 한 편으로는 반경방향으로 상기 제 2 밀봉 링(32a), (32b)을 지지하는 역할을 한다. 다른 한 편으로는, 상기 압력 완화 요소(30a), (30b)가 상기 고압측에 가압될 때, 상기 제 2 밀봉 링(32a), (32b)이 상기 중간 공간(Za) 및 (Zb) 내부로 각각 불필요하게 압출되는 것에 대하여 상기 지지 링(38)이 방지 또는 반작용을 하는 역할을 한다. 가능한 한, 상기 내부 및 외부 구성 요소(12), (14)의 저-마찰 상대 운동을 위하여, 상기 2개의 지지 링(38)은 상기 내부 구성 요소(12)에 대하여 각각 비접촉 방식으로 배치 될 수 있다. 하나 이상의 상기 제 2 지지 링(38)은 상기 내부 구성 요소(12)에 대향되는 내측부(39)를 가질 수 있고, 이러한 내측부(39)는 상기 제 1 압력 완화 요소(30a)의 상기 제 2 지지 링(38)에 관련하여 도 1에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 얕은 테이퍼각도를 갖거나 또는 반경을 가질 수 있는 내측부(39)를 가질 수 있다. 상기 지지 링(38)의 이러한 내측부(39) 설계는, 압력 균등화에 필요할 수도 있는 유체 통로의 마찰 감소뿐만 아니라 지지 링(38)의 수명 증가의 관점에서, 상기 내부 구성 요소에 대한 지지에 있어서 유리하다. 더욱이, 상기 연결 채널로 이어지는 유체의 통로가 완전히 방해받지 않도록(축방향)하기 위하여, 상기 지지 링(38) 또한 가압 유체를 위한 축 방향 관통 보어(또는 축 방향 홈)-도면에서 상세히 나타내지는 않음-를 구비할 수 있다.
상기 밀봉 에지(36)에서의 얕은 압력 구배는, 상기 가압 상태에서 및 상기 외부 구성 요소(14) 내에서의 상기 내부 구성 요소(12)의 병진 운동에 따라서, 정해진(소정의) 누설을 상기 압력 완화 요소(30a), (30b)에서 각각 허용한다. 상기 각각의 누설률은 상기 각각의 압력 완화 요소(30a), (30b)에 접하는 상기 저압측에서의 상기 중간 공간 내의 유압, 상기 제 1 압력 완화 요소(30a)의 경우에는 상기 제 1 중간 공간(Za) 내의 압력(PZa), 상기 또 다른 압력 완화 요소(30b)의 경우에는 상기 또 다른 중간 공간(Zb) 내의 압력(PZb)을 결정한다. 상기 중간-공간 압력(PZa) 및 (PZb)은 상기 밀봉 시스템(10)에서 상기 저압측 상의 압력(PN)으로부터 상기 고압측 상의 압력(PH)까지 단계적인 증가가 발생되도록 설정된다, PN < PZa < PZb < PH.
중간-공간 압력(PZa) 및 (PZb)의 선택은 동일한 수준의 압력 캐스케이드의 생성을 허용하며, 상기 밀봉장치(22)뿐만 아니라 모든 압력 완화 요소(30a), (30b), 특히, 상기 제 1 밀봉 링(24) 및 모든 제 2 밀봉 링(32a), (32b)이 동일한 압력 차이(PZa-PN = PZb-PZa = PH-PZb)로 부하를 받는다.
도 1에는 중간-공간 캐스케이드의 기저 압력 상황(PN < PZa < PZb < PH)가 도시된다. 상기 밀봉장치(22)는 상기 제 1 환형홈(18)에 대하여 저압 측에 지지되어 상기 저압측(N)으로부터 상기 제 1 중간 공간(Za)을 밀봉한다.
상기 제 1 및 제 2 압력 완화 요소(30a), (30b)의 제 2 프리텐션 링(34a), (34b)은 각각 밀봉 립으로서 구성된 제 1 다리부(40a), (40b) 및 제 2 다리부(42a), (42b)를 갖는 실질적으로 L-자형으로 된 단면을 갖는다. 상기 제 1 다리부(40a), (40b)는 상기 각각의 제 2 밀봉 링(32a), (32b) 상에 성형되고, 각각의 제 2 환형홈(20a), (20b)의 홈 바닥부(44) 방향에서 반경 방향으로 상기 제 2 밀봉 링(32a), (32b)으로부터 연장된다. 상기 제 2 다리부(42a), (42b)는 각각 상기 밀봉 시스템(10)의 고압측(H)의 방향에서 축 방향으로 연장된다. 상기 기저 압력 상황에서, 상기 제 2 프리텐션 링(34a), (34b)의 제 2 다리부(42a), (42b)는 각각 상기 제 2 환형홈(20a), (20b)의 홈 바닥부(44)에 대하여 탄성적으로 프리텐션된 방식으로 그들의 밀봉 에지(46)로 밀봉되게 지지된다. 상기 제 2 밀봉 링(32a), (32b)은, 상기 고압측(H)의 방향에서 축 방향으로, 상기 각각의 제 2 프리텐션 링(34a), (34b)의 제 2 다리부(42a), (42b)의 자유 단부(50) 이상으로, 상기 고압측(H)에 대향되는 자신의 단부면(48)이 돌출됨을 주지해야 한다. 본 실시예의 경우, 상기 압력 완화 요소(30a), (30b)는 축 방향 작용으로 상기 제 2 환형홈(20a), (20b) 내에 배치되지만, 그러한 축방향 작동 없이 상기 제 2 환형홈(20a), (20b) 내에 배열될 수도 있다.
연결 채널(52)은 상기 제 1 중간 공간(Za)과 상기 또 다른 중간 공간(Zb)의 사이, 또는 상기 제 2 중간 공간(Zb)과 상기 고압측(H)의 사이의 압력을 균등하게 하는 작용은 한다. 이 경우, 상기 연결 채널은 각각 상기 제 2 밀봉 링(32a), (32b) 또는 상기 압력 완화 요소(30a), (30b)의 제 2 프리텐션 링(34a), (34b) 내에 홈부(52a), (52b), (52c)를 포함한다.
상기 홈부(52a)는 상기 압력 완화 요소(30a), (30b)의 (단차진) 저압측 단부면(54) 상에 배치된다. 또한, 상기 홈부(52a)는 각각의 지지 링(38) 상에 부분적으로 형성될 수도 있다.
상기 홈부(52b)는 상기 압력 완화 요소(30a), (30b)의 제 2 프리텐션 링(34a), (34b)의 홈 바닥부(44)에 대향되는 외측부(56) 상에 배치되고, 상기 홈 바닥부(44)에 할당된 상기 밀봉 에지(46)의 방향에서 축방향으로 이어진다. 홈부(52c)는 상기 압력 완화 요소(30a), (30b)의 제 2 밀봉 링(32a), (32b)의 고압측 단부면(48) 상에 각각 배치된다.
상기 홈부(52c)는 상기 각각의 제 2 프리텐션 링(34a), (34b)의 밀봉 에지(46)의 저압측에 배치된다. 도시된 기저 압력 상황(PZa < PZb)에서, 상기 압력 완화 요소(30a), (30b)는 각각의 제 2 환형홈(20a), (20b)에 대하여 상기 저압측을 지지한다. 상기 홈부(52a), (52b)는 상기 제 2 프리텐션 링(34a), (34b)의 상기 홈부(52c)로부터 상기 홈 바닥부(44)에 대하여 지지되는 상기 밀봉 에지(46)에 의하여 밀봉되는데, 즉, 상기 2개의 압력 완화 요소(30a), (30b)에 할당된 연결 채널(52)은 기능적으로 유체-차단되는 방식으로 각각 폐쇄된다.
도 2에는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 밀봉 시스템(10)의 개별 요소들의 위치가, 압력 완화 상황(PZb ≥ PH+Pcrit)으로 진입에 따라, 어떻게 변화되는지를 나타낸다.
이러한 압력 완화 상황에서, 상기 또 다른 중간 공간(Zb)의 압력(PZb)은 상기 고압측(H)의 압력(PH) 이상으로 상승되고, 상기 또 다른 압력 완화 요소(30b)는 고압 측(H)으로 변위되어 결과적으로 그의 고압측 단부면(48)이 상기 제 2 환형홈(20b)의 고압측 측면(58)에 대하여 지지된다.
상기 중간-공간 압력(PZb)의 추가 상승의 결과로서, 상기 제 2 프리텐션 링(34b)은 화살표(60)로 도시된 바와 같이 상기 내부 구성 요소(12)의 방향에서 반경 방향으로 (부분적으로) 구동되어 변형된다. 상기 제 2 프리텐션 링(34b)의이러한 변형에 따라, 상기 압력 완화 상황(PZb ≥ PH+Pcrit)에서 상기 밀봉 에지(46)는 상기 홈 바닥부(44)에 대한 그의 밀봉 접촉으로부터 들어 올려지고, 이러한 방식으로, 상기 홈부(51a) 및 (52b)를 통하여 상기 홈부(52c) 및상기 고압측(H)에 대하여 이루어진 상기 중간 공간(Zb)의 유체 연결이 개방된다. 상기 중간 공간(Zb)에 존재하는 압력 매체는 상기 연결 채널(52)을 통해 흐름 방향(62)(점선으로 도시됨)을 따라 흘러서, 상기 고압측(H)으로 진행된다. 상기 또 다른 중간 공간(Zb) 내 압력의 이러한 완화는 저압측 초과 압력이 상기 압력 증가치(Pcrit, PZb-PH < Pcrit)를 더 이상 초과하지 않는 지점까지 발생되며, 상기 제 2 프리텐션 링(34b)은 그의 고유한 자연 탄성으로 인하여 상기 홈 바닥부(44)에 대하여 다시 밀봉 지지되고, 이러한 방식으로 상기 연결 채널(52)을 유체-밀봉 방식으로 폐쇄한다.
PN <PZa <PZb가 계속 적용되기 때문에, 상기 압력 상황(PZb > PH) 및 상기 압력 완화 상황(PZb ≥ PH+Pcrit) 모두에서, 상기 밀봉장치(22)의 상황 및 상기 제 1 압력 완화 요소(30a)의 위치는 변하지 않고 유지된다. 상기 또 다른 중간 공간(Zb)의 압력 완화는 그러므로 상기 밀봉장치(22)에 아무런 영향을 주지 않으며, 이는 1차 밀봉부의 압력을 완화시키는 다단계 압력 캐스케이드의 효과 및 장점을 설명한다.
상기 제 1 환형홈(18)에 배치된 상기 밀봉장치(22)의 제 1 밀봉 링 및 제 1 프리텐션 링은 상기 압력 완화 요소에 대응하는 방식으로 서로 일체로 구성되며 폴리 우레탄으로 이루어질 수 있음을 주지해야 한다.
당연히, 상기 홈부(52a), (52b) 및/또는 (52c)는 상기 제 2 환형홈(20a), (20b)을 형성하는 구성 요소(12), (14)에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다. 또한, 상기 연결 채널(52)은, 전술한 바의 홈부(52a), (52b), (52c) 중 하나 이상을 대신하여, 상기 압력 완화 요소(30a), (30b)를 통해 연장되는 하나 이상의 관통 보어를 포함 할 수도 있다.
10: 밀봉 시스템
12: 내부 구성 요소
14: 외부 구성 요소
16: 운동축
18: 제 1 환형홈
20a, 20b: 제 2 환형홈
22: 밀봉 장치
24: 제 1 밀봉 링
26: 제 1 프리텐션 링
32a, 32b: 제 2 밀봉 링
34a, 34b: 제 2 프리텐션 링

Claims (9)

  1. 외부 구성 요소(14)는, 내부 구성 요소(12) 쪽으로 개방되고 저압측(N)을 향하는 제 1 환형홈(18), 및 내부 구성 요소(12) 쪽으로 개방되고 고압측(H)을 향하는 두 개의 제 2 환형홈(20a, 20b)을 가지며,
    제 1 환형홈(18) 내부에는 밀봉장치(22)가 마련되고, 상기 밀봉장치(22)는 상기 내부 구성 요소(12)를 지지하며 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 1 밀봉 링(24) 및 상기 제 1 밀봉 링(24)을 방사상으로 인장하며 이를 상기 제 1 환형홈(18)으로부터 밀봉하는 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 1 프리텐션 링(26)을 가지며,
    각각의 제 2 환형홈(20a, 20b) 내부에는 압력 완화 요소(30a, 30b)가 마련되고, 상기 압력 완화 요소(30a, 30b)는, 상기 내부 구성 요소(12)를 지지하며 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 2 밀봉 링(32a, 32b), 및 상기 제 2 밀봉 링(32a, 32b)을 방사상으로 인장하며 이를 상기 제 2 환형홈(20a, 20b)으로부터 밀봉하는 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되는 제 2 프리텐션 링(34a, 34b)을 가지며,
    상기 제 2 밀봉 링(32a, 32b)은 고압측 접촉 표면 각도(αa, αb) 및 저압측 접촉 표면 각도(βa, βb)를 갖는 밀봉 에지(36)를 가지며,
    각각의 상기 압력 완화 요소(30a, 30b)에는 적어도 하나의 연결 채널(52)이 할당되고,
    이를 통하여, 상기 밀봉장치(22)와 상기 제 1 압력 완화 요소(30a) 사이의 중간 공간(Za)이 상기 고압측(H)에 연결가능하거나,
    또는 2개의 인접한 상기 압력 완화 요소(30a, 30b) 사이의 중간 공간(Zb)이 상기 고압측(H)에 연결가능하거나,
    또는 2개의 인접한 상기 중간 공간(Za, Zb)이 상기 연결 채널(52)을 통하여 서로 연결가능하며,
    각각의 상기 연결 채널(52)은 PZN > PH 또는 PZN > PZH의 압력 상황에서 폐쇄되고, PZN ≥ PH+Pcrit 또는 PZN ≥ PZH+Pcrit의 압력 완화 상황에서 개방되며,
    여기에서 PH는 상기 고압측(H) 상의 유압이며, PZN는 상기 저압측 중간 공간 내에서의 유압이고, PZH은 상기 고압측 중간 공간 내에서의 유압이며, 그리고 Pcrit는 압력 증가치로서, 이 압력 증가치 및 그 이상에서 상기 연결 채널(52)이 개방되며,
    Pcrit는 상기 제 2 프리텐션 링(34a, 34b)의 변형에 의하여 정의되고,
    상기 연결 채널(52)은 PZN > PH 또는 PZN > PZH의 압력 상황에서 상기 제 2 프리텐션 링(34a, 34b)에 의하여 폐쇄되며, 그리고
    상기 제 2 밀봉 링(32a, 32b)의 밀봉 에지(36)의 고압측 접촉 표면 각도(αa, αb)는 상기 밀봉 에지(36)의 저압측 접촉 표면 각도(βa, βb)보다 작거나 같으므로, 가압된 상태에서 그리고 상기 외부 구성 요소(14) 내부의 상기 내부 구성 요소(12)의 전후이동에 따라서, 상기 제 2 밀봉 링(32a, 32b)에 대하여 특정 누설률이 설정되고, 이를 통하여 상기 저압측 중간 공간(Za, (Zb) 내의 유압이 조정되는,
    운동축(16)을 따라 서로에 대하여 병진운동이 가능한 2개의 구성 요소(12, 14) 사이에서, 저압측(N)으로부터 고압측(H)을 밀봉하기 위한 밀봉 시스템(10)으로서,
    두 개의 압력 완화 요소(30a, 30b)의 상기 제 2 밀봉 링(32a, 32b) 및 상기 제 2 프리텐션 링(34a, 34b)은 각각 서로 일체로 구성되며 폴리우레탄으로 이루어지고, Pcrit는 상기 운동축에 대하여 반경방향으로 상기 제 2 프리텐션 링(34a, 34b)의 적어도 부분적인 변형에 의하여 정의되며, 각각의 압력 완화 요소(30a, 30b)의 밀봉 링(32a, 32b)의 밀봉 에지(36)는 둥글려지고, 두 개의 압력 완화 요소(30a, 30b)의 제 2 밀봉 링(32a, 32b)에는 각각 지지 링이 마련되며, 적어도 하나의 압력 완화 요소(30a, 30b)의 지지 링(38)은 상기 내부 구성 요소(12)를 향하는 그의 내측(39)에서만 반경을 가지는 것을 특징으로 하는, 압력 완화 요소를 갖는 밀봉 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉장치(22)의 제 1 밀봉링(24) 및 제 1 프리텐션 링(26)은 서로 일체로 구성되며 폴리우레탄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 완화 요소를 갖는 밀봉 시스템.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압력 완화 요소(30a, 30b)의 제 2 프리텐션 링(34a, 34b)은 다리부(40, 42)를 가지며, 상기 다리부(40, 42)는 밀봉 립 방식으로 구성되고, PZN > PH 또는 PZN > PZH의 압력 상황에서, 상기 제 2 환형홈(20a, 20b)의 홈 바닥부에 대하여 밀봉 에지(46)를 밀봉식으로 지지하며, 상기 밀봉-립-형의 다리부(40, 42)는, 상기 압력 완화 상황에서, 상기 홈 바닥부(44)에 대하여 그의 밀봉 접촉으로부터 벗어나 이동됨을 특징으로 하는 압력 완화 요소를 갖는 밀봉 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 상기 연결 채널(52)은 상기 압력 완화 요소 내에 배치되는 관통 보어 또는 상기 압력 완화 요소 내에 또는 상기 외부 구성요소(14) 내에 설정되고 상기 제 2 환형홈(20a, 20b)을 향하여 개방되는 홈부(52a, 52b, 52c)로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 완화 요소를 갖는 밀봉 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 홈부(52a, 52b, 52c) 중 하나는, 상기 압력 완화 요소(30a, 30b)의 저압측 단부면 상에, 또는 상기 제 2 프리텐션 링(34a, 34b)의 외측(56)으로서 상기 제 2 환형홈(20a, 20b)의 홈 바닥부(44)에 대향되는 상기 외측(56)에, 또는 상기 압력 완화 요소(30a, 30b)의 제 2 밀봉링(32a, 32b)의 단부면(48)으로서, 상기 고압측(H)에 대향되는 단부면(48) 상에 배치됨을 특징으로 하는 압력 완화 요소를 갖는 밀봉 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 외부 구성요소(14)는 실린더이고, 상기 내부 구성요소(12)는 상기 실린더 내에 안내되는 피스톤의 피스톤 로드인 것을 특징으로 하는 압력 완화 요소를 갖는 밀봉 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 상기 압력 완화 요소(30a, 30b)의 제 2 밀봉링(32a, 32b)에는 지지 링(38)이 마련되며, 상기 지지 링(38)은, 바람직하기로는, 상기 내부 구성요소(12)에 대향되며 얕은 테이퍼각을 갖거나 또는 반경을 갖는 내측(39)을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 완화 요소를 갖는 밀봉 시스템.
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