KR20000070354A - 정압형 비접촉 가스밀봉 - Google Patents

정압형 비접촉 가스밀봉 Download PDF

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KR20000070354A
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후세토시히코
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이와나미 기요히사
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
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Abstract

본 발명의 정압형 비접촉 가스밀봉에 있어서는, 제2 O링(62)이 접촉하는 정지밀봉고리(4)의 제2 외주부분(42)의 직경(d2)을, 제1 O링(61)이 접촉하는 정지밀봉고리(4)의 직경(d1) 보다 작게 한다. 제1 밀폐공간(71)에 공급된 밀봉가스(8)의 압력은, d1〉d2로 한 것에 의해, 정지밀봉고리(4)에 이것을 회전밀봉고리(2) 방향으로 압력을 가한다. 제2 밀폐공간(72)은 배압도입로(45)에 의해 기기내부영역(F)에 연결되어 있고, 제2 밀폐공간(72)에 있어서의 기기내부가스압력을 정지밀봉고리(4)에 배압으로서 작용시킨다. 정지측 밀봉단면(40)에 형성되는 정압발생홈(9)의 홈폭(b)은, 상기 정지측 밀봉단면(40)의 직경방향폭인 밀봉면폭(B)에 대한 홈폭비 b/B가 0.05 ≤b/B ≤0.3으로 되도록, 설정되어 있다. 정압발생홈(9)으로부터 정지측 밀봉단면(40)의 외주가장자리에 이르는 지름방향거리(Bo) 또는 상기 정지측 밀봉단면(40)의 내주가장자리에 이르는 지름방향거리(Bi)는, 홈폭(b) 및 밀봉면폭(B)의 사이에 B - b = Bo + Bi의 관계를 가지는 것을 전제로 하여, 0.3 ≤Bo ≤0.7B - b 또는 0.3B ≤Bi ≤0.7B - b로 되도록 설정되어 있다. 정압발생홈(9)의 홈깊이(L)는, 0.3 ~ 1.0㎜로 한다. 정압발생홈(9)에 도입된 밀봉가스(8)의 압력은, 기기내부영역(F)의 압력보다 0.5 ~ 1.5bar 크게 되도록 한다. 제3 O링(63)의 내주부가 접촉하는 케이스내부 원통부(31)의 직경(Dm)과 밀봉단면(20),(40)의 내외경(D1),(D2)에서 특정되는 균형비 K = ((D2)2-(Dm)2)/((D2)2-(D1)2)를, 0.8 ≤K ≤0.9로 되도록 설정한다.

Description

정압형 비접촉 가스밀봉 {Static Pressure Type Non-Contact Gas Seal}
종래의 정압형 비접촉 가스밀봉(101)으로는, 도 8에 나타내는 것과 같이 구성된 것(이하 '종래 밀봉'이라 한다)이 알려져 있다.
이러한 종래 밀봉(101)은, 도 8에 나타내는 것과 같고, 회전축(110)에 고정된 회전밀봉고리(102)와, 밀봉케이스(103)의 원형 내주부에 한쌍의 O링(106),(106)을 거쳐 축선 방향으로 이동가능하게 유지된 정지밀봉고리(104)와, 정지밀봉고리(104)의 배면부(背面部)와 밀봉케이스(103)의 사이에 형성되고, 정지밀봉고리(104)를 회전밀봉고리(102)로 향하여 압력을 가하는 스프링(105)을 구비하고, 양 밀봉고리(102),(104)의 대향단부에 형성된 밀봉단면(120),(140)을, 그 사이에 정압을 작용시키는 것에 의해 비접촉 상태로 유지하면서, 밀봉단면(120),(140) 사이의 고리형상 영역에 있어서, 그 외주측의 피밀봉유체영역인 기구내부영역(F)과 그 내주측의 비밀봉 유체영역인 기구외부영역(A:대기영역)을 밀봉하도록 구성되어 있다.
밀봉단면(120),(140) 사이의 고리형상 영역에는, 정지밀봉고리(104)의 밀봉단면(140)에 형성된 잔류 오목홈이 있는 정압발생홈(109)에 기기내부영역(F)의 압력(기기내부압력)보다 고압인 질소가스 등의 밀봉가스(108)를 동입하는 것에 의해, 밀봉단면(120),(140) 사이를 비접촉상태로 유지하는 정압이 생긴다. 즉, 정압발생홈에 도입된 밀봉가스(108)는 밀봉단면(120),(140) 사이에 정압의 유체막을 형성하고, 이 유체막의 존재에 의해, 밀봉단면(120),(140)을 비접촉상태로 유지하면서, 기구내부영역(F)과 기구외부영역(A)을 밀봉한다. 밀봉가스(108)가 기내압력보다 고압이므로, 밀봉가스(108)는 밀봉단면(120),(140) 사이에서 기구내부영역(F) 및 기구외부영역(A)으로 누설되지만, 기구내부영역(F)의 피밀봉유체인 기구내부가스는 밀봉단면(120),(140) 사이로 침입하지 않고, 또한 기구외부영역(A)으로 누설되는 것은 전혀 아니다.
밀봉가스(108)의 정압발생홈(109)으로의 공급은, 도 8에 나타내듯이, 밀봉케이스(103) 및 정지밀봉고리(104)에 형성된 일련의 밀봉가스공급로(180)를 거쳐 실시된다. 밀봉가스공급로(180)는, 밀봉케이스(103)의 내주부와 정지밀봉고리(104)의 외주부의 사이에 형성되어 있고, 축선방향에 병렬인 한쌍의 O링(106),(106)에 의해 밀봉된 고리형상의 밀폐공간(171)과, 밀봉케이스(103)에 형성되어 있고, 밀봉가스(108)를 밀폐공간(171)에 공급하는 제1통로(181)와, 정지밀봉고리(104)에 형성되어 있고, 밀폐공간(171)에 공급된 밀봉가스(108)를 오리피스(183)를 거쳐 정압발생홈(109)에 도입되는 제2통로(182)로 이루어진다. 정압발생홈(109)에 도입된 밀봉가스(108)은, 정압발생홈(109)으로부터 밀봉단면(120),(140) 사이를 통하여 기구내부영역(F) 및 기구외부영역(A)로 유출하고, 밀봉단면(120),(140) 사이를, 정압에 의한 유체막을 거친 비접촉상태로 유지한다. 밀봉단면(120),(140)사이는, 밀봉단면(120),(140) 사이를 여는 방향으로 작용하는 개방력(정압발생홈(109)에 도입된 밀봉가스(108)의 압력(정압)에 의한 것 및 정지밀봉고리(104)의 밀봉단면측 외주부분(148 : 밀봉단면(140)의 형성단부에 있어서의 밀봉단면(140)보다 외주측의 고리형상부분)에 작용하는 기구내부압력에 의한 것)과 밀봉단면(120),(140) 사이를 닫는 방향으로 작용하는 폐쇄력(정지밀봉고리(104)를 회전밀봉고리(102)로 향하여 압력을 가하는 스프링(105)에 의한 것)이 균형을 유지하는 비접촉상태로 유지된다. 정압발생홈(109)에 도입되는 밀봉가스(108)의 압력은 기구내부압력에 따라서 이것 보다 높게 설정되어 있고, 폐쇄력을 결정하는 스프링(105)의 탄성력(스프링하중)은, 밀봉단면(120),(140) 사이의 간격이 적정(일반적으로, 5~15㎛이다)하게 되도록, 밀봉가스(108)의 압력에 따라 설정된다. 밀봉가스(108)는 오리피스(183)에서 스로틀된 후에 정압발생홈(109)에 도입되므로, 밀봉단면(120),(140)의 간격이 변동한 경우에도, 그 간격이 자동적으로 조정되어 적정하게 유지된다. 즉, 상기 회전기기의 진동 등에 의해 밀봉단면(120),(140)의 간격이 크게 됐을 때는, 정압발생홈(109)으로부터 밀봉단면(120),(140) 사이로 유출하는 밀봉가스량과 오리피스(183)를 거쳐 정압발생홈(109)에 공급되는 밀봉가스량이 불균형하게 되고, 정압발생홈(109) 내의 압력이 저하하여, 개방력이 폐쇄력보다 작게 되므로, 밀봉단면(120),(140) 사이의 간격이 작게 되도록 변화하여, 그 간격이 적정하게 조정된다. 역으로, 밀봉단면(120),(140) 사이의 간격이 작게 된 때에는, 상기한 것과 동일한 오리피스기능에 의해 정압발생홈(109) 내의 압력이 상승하여, 개방력이 폐쇄력보다 크게 되고, 밀봉단면(120),(140) 사이의 간격이 크게 되도록 변화하여, 그 간격이 적정한 것으로 조정된다.
종래 밀봉(101)은, 동압형(動壓形) 비접촉 가스밀봉과 동일하게, 밀봉단면(120),(140) 사이를 비접촉상태로 유지시키고, 밀봉단면(120),(140)에 태운 흔적이 생기는 일없이 기구내부가스를 오랜기간 동안 항상 양호하게 밀봉할 수 있는 것이다. 게다가, 종래 밀봉(101)은, 동압형 비접촉 가스밀봉에 의하여는 밀봉할 수 없는 가스에 대하여도, 이것을 양호하게 밀봉할 수 있는 것이고, 동압형 비접촉 가스밀봉에 비하여 폭넓은 용도에 적용할 수 있다. 즉, 동압형 비접촉 가스밀봉은, 주지한 바와 같이, 상대회전하는 밀봉단면의 한 쪽에 동압발생홈을 형성하여, 이 동압발생홈의 작용에 의해 밀봉단면 사이에 기구내부가스에 의한 동압을 발생시키고, 밀봉단면 사이를 비접촉상태로 유지하는 것이며, 기본적으로는 기구내부가스가 밀봉단면 사이로부터 기구외부로 누설되는 것을 허용하는 것이다. 따라서, 기구내부가스가 독성가스, 가연성가스, 폭발성 가스 등과 같이 기구외부로 누설되는 것이 허용되지 않는 물질 및 상태인 경우에는, 동압형 비접촉 가스밀봉은 사용할 수 없다. 이것에 비하여, 정압형 비접촉 가스밀봉인 종래 밀봉(101)은, 밀봉단면(120),(140) 사이에 기구내부압력보다 큰 밀봉가스(108)를 공급하는 것에 의해, 상술한 것과 같이, 기구내부가스의 기구외부로의 누설을 완전하게 방지하는 구조로 된 것이므로, 독성가스, 가연성 가스, 폭발성 가스 등과 같은 가스를 다루는 회전기구에 있어서도 적정하게 사용할 수 있다.
그러나, 종래 밀봉(101)은, 이와 같이 동압형 비접촉 가스밀봉에 비하여 우수한 것이지만, 기구내부압력이 높은 고압조건 하에 있어서는, 다음과 같은 문제가 있고, 고압조건 하에서 운전되는 회전기기에는 적절하게 사용할 수 없는 것이었다.
즉, 종래 밀봉(101)은, 기구내부가스의 누설을 방지하기 위해 밀봉가스(108)의 압력을 기구내부압력보다 높게 설정하므로, 고압조건 하에서는 개방력이 매우 크게 된다. 그리고, 이 개방력을 스프링하중에 의한 폐쇄력과 균형을 맞추어 밀봉단면(120),(140) 사이의 간격을 적절하게 유지하기 위해서는, 스프링(105)의 탄성력을 저압조건 하에서 보다도 크게 설정하여 둘 필요가 있다. 한 편, 운전이 정지되어 밀봉가스(108)의 공급이 정지되면, 개방력과 폐쇄력의 균형이 붕괴되고, 스프링(105)에 의해 정지밀봉고리(104)가 회전밀봉고리 방향으로 이동되어져 밀봉단면(120),(140)이 닫혀진다. 따라서, 스프링(105)의 탄성력이 큰 경우에는, 밀봉가스(108)의 공급정지와 동시에, 정지밀봉고리(104)가 회전밀봉고리(102)에 심하게 충돌하여, 밀봉고리(102),(104) 내지 밀봉단면(120),(140)이 손상, 파손될 우려가 있다.
또한, 종래 밀봉(101)은, 개방력이 스프링하중만으로 부여되어, 일정하므로, 기구내부압력이 변동하는 조건하에서는 양호한 밀봉기능을 발휘시킬 수 없고, 이러한 조건하에서 운전되는 회전기기에는 적절하게 사용할 수 없다.
즉, 전술한 바와 같이, 스프링하중에 의한 폐쇄력과 정압발생홈(109)에 도입된 밀봉가스(108)의 압력에 의한 개방력 및 밀봉단면측 외주부분(148)에 작용하는 기구내부압력에 의한 개방력이 균형을 이루는 것에 의해 밀봉단면(120),(140)이 비접촉상태로 유지되지만, 스프링하중 및 밀봉가스(108)의 압력이 일정하므로, 기구내부압력의 변동에 따른 상기 기구내부압력에 의한 개방력이 변동하면, 개방력과 폐쇄력의 균형이 붕괴되어 밀봉단면(120),(140) 사이의 간격을 적정하게 유지할 수 없고, 기구내부가스의 밀봉을 양호하게 실시할 수 없다. 예컨대, 기구내부압력이, 밀봉가스의 압력 및 스프링하중을 설정한 후에 기준으로 한 설정압력보다 높으면, 폐쇄력이 부족하고, 밀봉단면(120),(140) 사이가 필요이상으로 열려, 기구내부가스가 기구외부영역(A)으로 누설될 우려가 있다. 역으로, 기구내부압력이 설정압력보다 저하하면, 개방력이 부족하여, 밀봉단면(120),(140)이 접촉할 우려가 있다.
또, 기구내부압력이 변동하는 경우, 밀봉가스(108)의 압력을 기구내부압력의 변동에 따라서 조정제어하는 것도 고려되지만, 종래 밀봉(101)은, 폐쇄력이 스프링하중만으로 확보되고 있고, 일정하므로, 이러한 수법을 채용할 수는 없다. 즉, 밀봉가스(108)의 압력제어에 의해 개방력을 변화시키면, 개방력과의 균형 상, 폐쇄력이 과대하게 되거나 과소하게 되거나 함으로, 상기와 같은 밀봉가스(108)의 압력이 일정한 경우와 동일한 문제가 생긴다.
이와 같이, 종래 밀봉(101)은, 고압조건 하에서나 압력변동조건 하에 있어서는 양호한 밀봉기능을 발휘할 수 없고, 그 용도가 매우 제한되어 있었다.
본 발명은, 독성가스, 가연성가스, 폭발성가스, 가루혼합가스 등의 각종 가스를 취급하는 터빈, 송풍기(blower), 컴프레서, 교반기(攪拌機), 로터리밸브 등의 회전기기에 있어서 적합하게 사용되는 정압형 비접촉 가스밀봉에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명에 관한 비접촉 가스밀봉의 일예를 나타내는 반절의 종단측면도이다.
도 2는, 원주방향에 있어서 도 1과 다른 개소에 있어서의 상기 비접촉 가스밀봉의 반절의 종단측면도이다.
도 3은, 도 1의 주요부를 확대하여 나타내는 상세도이다.
도 4는, 상기 비접촉 가스밀봉에 있어서의 정지밀봉고리의 밀봉단면을 나타내는 정면도이다.
도 5는, 본 발명에 관한 비접촉 가스밀봉의 변형예를 나타내는 도 3에 상당하는 종단측면도이다.
도 6은, 본 발명에 관한 비접촉 가스밀봉의 다른 변형예를 나타내는 도 3에 상당하는 종단측면도이다.
도 7은, 본 발명에 관한 비접촉 가스밀봉에 있어서의 균형비와 포켓압력(정압발생홈 내에 있어서의 밀봉가스의 압력) 및 기구내부압력(피밀봉유체영역의 압력)의 관계를 나타내는 블록도이다.
도 8은, 종래 밀봉을 나타내는 반절의 종단측면도이다.
본 발명의 목적은, 피밀봉유체영역의 압력조건에 구속되지 않고, 피밀봉유체를 양호하게 밀봉할 수 있는 정압형 비접촉 가스밀봉을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 필요로 하는 스프링하중을 가급적 감소시킬 수 있고, 운전정지 시에 있어서의 밀봉단면의 충돌에 의한 파손이나 손상이 발생하지 않는 정압형 비접촉 가스밀봉을 제공하는 것이다.
본 발명의 더욱 다른 목적은, 광범위한 압력범위에서 사용할 수 있는 정압형 비접촉 가스밀봉을 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 다음과 같이 구성된 정압형 비접촉 가스밀봉에 의해 달성된다.
즉, 본 발명의 정압형 비접촉 가스밀봉에 있어서는, 밀봉케이스가, 원통형상의 케이스 내부원통부와 이것을 동심형상으로 둘러싸는 원형의 케이스 내주부와 이들 양 부분 사이를 연결하는 고리형상의 케이스벽부를 가진다. 케이스 내부원통부를 동심형상으로 관통하는 회전축에는, 회전밀봉고리가 고정되어 있다. 밀봉케이스에는, 정지밀봉고리가, 제1 및 제2 O링을 거쳐, 회전밀봉고리에 대향하는 상태에서 축선방향으로 이동가능하게 유지되어 있다.
제1 및 제2 O링은, 축선방향에 있어서 소정간격을 두어 병렬로 된 상태이고, 정지밀봉고리의 외주부와 케이스내주부의 사이에 형성되어 있으며, 정지밀봉고리를 2차 밀봉시킨 상태에서 케이스내주부에 축선방향으로 이동가능하게 유지하고 있다. 또, 제1 O링은, 제2 O링보다 회전밀봉고리 가까이에 위치하고 있다.
제3 O링은, 정지밀봉고리의 내주부와 케이스내부원통부의 사이에 형성되어 있고, 정지밀봉고리를 2차 밀봉시킨 상태에서 케이스내부원통부에 축선방향으로 이동가능하게 유지하고 있다. 양 밀봉고리의 대향단부에는, 내외경을 동일하게 하는 회전측 밀봉단면 및 정지측 밀봉단면이 형성되어 있다.
정지밀봉고리와 케이스벽부의 사이에는, 정지밀봉고리를 회전밀봉고리에 압력을 가하는 스프링이 형성되어 있다. 케이스내주부와 정지밀봉고리의 외주부의 사이에 형성된 고리형상 공간은, 제1 및 제2 O링에 의해 밀봉된 제1밀폐공간으로 되어 있다. 케이스벽부와 정지밀봉고리의 배면부의 사이에 형성된 고리형상 공간은, 제2 및 제3 O링에 의해 밀봉된 제2 밀폐공간으로 되어 있다. 정지밀폐고리의 밀봉단면인 정지측 밀봉단면에는, 정지측 밀봉단면과 동심인 고리형상을 이루어 병렬하는 복수의 정압발생홈이 형성되어 있다. 밀봉케이스 및 정지밀봉고리에는, 정압발생홈에 연결되는 일련의 밀봉가스공급로가 형성되어 있다. 밀봉가스공급로는, 양 밀봉단면의 외주측의 피밀봉유체영역에 있어서의 압력보다도 고압인 밀봉가스를 제1 밀폐공간을 거쳐 정압발생홈으로 공급한다.
그리고, 정지밀봉고리에 있어서는, 제2 O링의 내주부가 접촉하는 제2외주부분의 직경을, 제1 O링의 내주부가 접촉하는 제1 외주부분의 직경보다 작게 하고 있다. 이러한 제1 및 제2 외주부분에 직경차가 있으므로, 제1 O링과 제2 O링의 사이의 제1밀폐공간에 공급된 밀봉가스의 압력에 의해, 정지밀봉고리에는 회전밀봉고리방향으로의 압력이 작용한다. 이 압력은, 밀봉단면을 닫는 방향으로 작용하는 폐쇄력으로서 기능한다. 그 결과, 개방력과 균형을 이루는 데 필요한 폐쇄력을, 스프링하중으로만 얻는 경우에 비하여, 스프링하중을 낮출 수 있다.
더욱이, 피밀봉유체영역과 제2 밀폐공간과는, 배압도입로에 의해 연결되어 있고, 피밀봉유체영역의 압력이 정지밀봉고리에 배압(背壓)으로서 작용하도록 되어 있다. 이 배압에 의해, 정지밀봉고리에는 회전밀봉고리 방향으로의 압력이 작용한다. 이 압력은 폐쇄력으로서 기능하고, 스프링하중을 더욱 낮춘다. 따라서, 피밀봉유체영역의 압력이 높은 고압조건 하에 있어서도, 스프링의 탄성력을 가급적으로 작게 설정하여 둘 수 있으므로, 밀봉가스의 공급이 정지된 운전정지 시에 있어서도, 스프링하중에 의해 밀봉단면이 급격히 충돌하여 파손, 손상될 우려가 없다. 게다가, 이 폐쇄력은 피밀봉유체영역의 압력변동에 비례하여 변화하므로, 피밀봉유체영역의 압력이 변동하는 조건하에 있어서도, 폐쇄력과 개방력이 균형을 이루어 양호한 밀봉기능을 발휘시킬 수 있다.
또한, 다음과 같은 구성으로 하는 것에 의해, 후술하는 것과 같이, 밀봉단면 사이에 밀봉가스에 의한 적정한 정압유체막을 형성시킬 수 있고, 양호한 밀봉기능을 발휘시킬 수 있다.
즉, 정지측 밀봉단면에 형성되는 정압발생홈의 홈폭(b)을, 상기 밀봉단면의 지름방향 폭인 밀봉면폭(B)에 대한 홈폭비b/B가 0.05 ≤b/B ≤0.3으로 되도록 설정한다. 또한, 정압발생홈으로부터 정지측 밀봉단면의 외주가장자리에 이르는 지름방향 거리(B0) 또는 상기 밀봉단면의 내주가장자리에 이르는 지름방향거리(Bi)를 홈폭(b) 및 밀봉면폭(B) 사이에 B - b = Bo+ Bi의 관계를 가지는 것을 전제로 하여, 0.3B ≤Bo≤0.7B - b 또는 0.3B ≤Bi ≤0.7B - b로 되도록 설정한다. 또한, 정압발생홈의 홈깊이(L)를 0.3 ~ 1.0㎜로 한다. 더욱이, 정지측 밀봉단면의 지름방향에 있어서의 정압발생홈 서로의 간격을, 정압발생홈의 홈폭에 상당하는 치수로 설정한다.
더욱이, 다음과 같이 구성하여 두는 것에 의해, 후술하는 것과 같이, 적용할 수 있는 압력범위를 대폭 확대할 수 있다.
즉, 정압발생홈에 도입되는 밀봉가스의 압력, 결국 정압발생홈 내에 있어서의 밀봉가스의 압력이, 피밀봉유체영역의 압력보다 0.5 ~ 1.5bar 높게 되도록 한다. 더욱이, 제3 O링끼워맞춤부를 정지밀봉고리에 형성한 경우에 있어서의 제3 O링의 내주부가 접촉하는 밀봉케이스부분의 직경 또는 상기 제3 O링끼워맞춤부를 케이스내부 원통부에 형성한 경우에 있어서의 제3 O링의 외주부가 접촉하는 정지밀봉고리부분의 직경(Dm)과 정지측 밀봉단면의 내경(D1) 및 외경(D2)으로 특정되는 균형비 K=((D2)2-(Dm)2)/((D2)2-(D1)2)를, 0.8 ≤ K ≤ 0.9로 되도록 설정한다. 여기에, 제3 O링끼워맞춤부는, 제2밀폐공간에 도입된 피밀봉유체의 압력에 의한 제3 O링의 회전밀봉고리방향으로의 이동을 방지하기 위한 것이다.
도 1 ~ 도 4는, 본 발명의 정압형 비접촉 가스밀봉의 바람직한 실시예를 나타내고 있다. 또, 이하의 설명에 있어서는, 편의상, 전후와는 도 1 또는 도 2에 있어서의 좌우를 말하는 것으로 한다.
도 1 ~ 도 4에 나타내는 정압형 비접촉 가스밀봉(1)은, 종래 밀봉(101)과 밀봉기능의 기본원리를 동일하게 하는 것에 있어서, 회전축(10)에 고정한 회전밀봉고리(2)와 밀봉케이스(3)에 유지한 정지밀봉고리(4)를, 정압에 의한 유체막을 개재시킨 비접촉 상태로 유지하면서, 양 밀봉고리(2),(4)의 대향고리형상영역의 외주측 영역인 피밀봉유체영역(F)과 그 내주측영역인 비밀봉유체영역(A)을 밀봉하도록 구성된 것이다. 이 예는, 피밀봉유체영역(F)은, 상기 비접촉 가스밀봉(1)이 장치된 회전기기의 기기 내에 연결되는 고압가스영역이고, 이하, 상기 영역(F)을 「기기내부영역」이라 하고, 상기 영역의 피밀봉유체를 「기기내부가스」라고 하고, 그 압력 P1을 「기기내부압력」이라 한다. 한편, 비밀봉유체영역(A)은, 상기 회전기기의 기기 외부에 연결하는 대기영역이고, 이하, 상기 영역(A)를 「기기외부영역」이라 한다. 또, 이하의 설명에 있어서의 압력은, 모두, 대기압에 대한 게이지압(bar)을 의미하는 것으로 한다.
밀봉케이스(3)는, 원통형상의 케이스내부 원통부(31)와 이것을 동심형상으로 에워싸는 원형의 케이스내주부(32)와 이들 양부분(31),(32)사이를 연결하는 고리형상의 케이스벽부(33)를 구비한다.
회전축(10)은, 케이스내부 원통부(31)를 동심형상으로 관통하여 전후방향으로 연장하여 두고, 회전밀봉고리(2)는, 케이스내부 원통부(31)의 전방에 위치하여, 슬리브형상의 고정부재(11)에 의해 회전축(10)에 고정되어 있다.
정지밀봉고리(4)는, 도 1 및 도 2에 나타내는 것과 같이, 케이스내부 원통부(31)와 케이스내주부(32) 사이에 형성된 고리형상공간에, 회전밀봉고리(2)의 후방위치에서 제1 및 제2 O링(61),(62) 나란히 제3 O링(63)을 거쳐 축선방향으로 이동가능하게 유지하고 있다. 즉, 정지밀봉고리(4)의 외주부는, 축선방향에 있어서 소정간격을 두고 병렬하는 전방 위치의 제1 O링(61) 및 후방 위치의 제2 O링(62)을 거쳐 케이스내주부(32)에 유지되어 있고, 정지밀봉고리(4)의 내주부는, 제3 O링(63)을 거쳐 케이스내부 원통부(31)의 외주부에 유지되어 있다. 또, 도시하지 않지만, 정지밀봉고리(4)는, 그 후단부에 형성되어 있던 끼워맞춤오목부에 케이스벽부(33)에 설치한 회전멈춤핀을 끼워 맞추는 것에 의해, 일정 범위에서의 축선방향이동을 허용한 상태에서, 밀봉케이스(3)에 대한 상대회전을 방지하고 있다.
양 밀봉고리(2),(4)의 대향단부에는, 각각, 내외경(D1),(D2)을 동일하게 하는 회전측 밀봉단면(20) 및 정지측 밀봉단면(40)이 형성되어 있다. 각 밀봉단면(20),(40)의 내외경(D1),(D2)은, 회전축(10)의 지름 등의 밀봉조건에 따라서 적당하게 설정되어 있다. 회전밀봉고리(2)의 밀봉단면인 회전측 밀봉단면(20) 및 정지밀봉고리(4)의 밀봉단면인 정지측 밀봉단면(40)은, 축선에 직교하는 평활한 고리형상평면으로 구성되어 있다. 각 밀봉고리(2),(4)의 구성재료는, 주지와 같이, 밀봉조건 등에 따라서 적당하게 선정된다. 이 예에서는, 정지밀봉고리(4)는 카본으로 구성되어 있다. 또한, 회전밀봉고리(2)는 SUS316으로 구성되어 있지만, 특히, 회전측 밀봉단면(20)은, 도 3에 나타내는 것과 같이, CrO2등의 세라믹코팅층(21)으로 구성되어 있다.
제1 및 제2 O링(61),(62)은, 도 1 ~ 도 3에 나타내는 것과 같이, 정지밀봉고리(4)의 외주부와 케이스내주부(32)의 사이에 적당하게 압축된 상태로 삽입되어 있고, 정지밀봉고리(4)의 전후방향이동(축선방향이동)을 허용하면서, 정지밀봉고리(4)의 외주부와 케이스내주부(32) 사이를 2차 밀봉하고 있다. 따라서, 정지밀봉고리(4)의 외주부와 케이스내주부(32) 사이에는, 제1 및 제2 O링(61),(62)에 의해 밀봉된 고리형상의 제1 밀폐공간(71)이 형성된다.
정지밀봉고리(4)의 외주부에는, 양 O링(61),(62) 사이에 위치하여 제1 O링(61)의 후방이동 및 제2 O링(62)의 전방이동을 규제하는 고리형상의 O링끼워맞춤부(43)가 형성되어 있다. 케이스내주부(32)에는, 제1 O링(61)의 전방이동을 규제하는 고리형상의 제1 O링끼워맞춤부(34) 및 제2 O링(62)의 후방이동을 규제하는 고리형상의 제2 O링끼워맞춤부(35)가 형성되어 있다. 이들의 끼워맞춤부(34),(35),(43)의 존재에 의해, 제1 밀폐공간(71)의 내외의 압력차에 의해 제1 및 제2 O링(61),(62)이 전후방향으로 이동되는 경우에도, 양 O링(61),(62)은 일정 이상으로 접근하거나 떨어지거나 하는 일없이 일정범위의 상호간격을 확보한다. 즉, 양 O링(61),(62)은, 그들이 제1 밀폐공간(71)의 내외의 압력차에 의해 축선방향으로 이동하는 것과 같은 경우에도, 후술하는 제1 및 제2 통로(81),(82)의 제1 밀폐공간(71)으로의 개구부를 막는 일없이, 상기 개구부의 전후양측에 위치할 수 있도록, 그 이동범위를 규제시킬 수 있는 것이다.
정지밀봉고리(4)의 외주부의 직경은 일정하지 않고, O링 끼워맞춤부(43)보다 후측(케이스벽부측)의 부분에 있어서 제2 O링(62)의 내주부가 접촉하는 제2 외주부분(42)의 직경(d2)을, O링 끼워맞춤부(43)보다 전방(회전밀봉고리측)의 부분에서 제1 O링(61)의 내주부가 접촉하는 제1 외주부분(41)의 직경(d1)보다 작게 설정하고 있다. 즉, d2〈 d1로 하여 두는 것에 의해, 제1 밀폐공간(71)에 후술하는 밀봉가스(8)가 공급된 경우에, 그 압력(이하, 「밀봉가스압력」라고 한다)(PS)에 의해 정지밀봉고리(4)에 회전밀봉고리방향(전방)으로의 스러스트력이 작용하도록 되어 있다. 이 스러스트력은 밀봉단면(20),(40)을 닫는 방향에 작용하는 폐쇄력(이하「밀봉가스폐쇄력」이라 한다)(T2)로서 기능하고, T2=(π/4)((d1)2-(d2)2)PS로 주어질 수 있다.
그런데, 양 외주부분(41),(42)의 반경차Δr(=d1/2-d2/2)는, 회전축(10)의 지름이나 밀봉단면(120),(140)의 지름(D1),(D2) 등의 구조 상의 조건을 배려하면서, 밀봉가스폐쇄력(T2) 및 후술하는 폐쇄력(T1),(T3)과 후술하는 개방력(U1),(U2)의 밸런스 내지 밀봉기능을 고려하여 적정하게 설정된다. 일반적으로는, 0mm〈 Δr〈 5mm의 범위에 있어서 결정하는 것이 바람직하다.
제3 O링(63)은, 도 1 ~ 도 3에 나타내는 것과 같이, 정지밀봉고리(4)의 내주부와 케이스내부 원통부(31)의 외주부의 사이에 적당하게 압축된 상태로 삽입하여 두고, 정지밀봉고리(4)의 전후방 이동(축선방향이동)을 허용하면서, 정지밀봉고리(4)의 내주부와 케이스내주부(32)의 외주부의 사이를 2차 밀봉하고 있다. 따라서, 정지밀봉고리(4)의 후단부인 배면부와 케이스벽부(33)의 사이에는, 이 제3 O링(63)과 상기한 제2 O링(62)에 의해 밀봉된 고리형상의 제2 밀폐공간(72)이 형성된다. 정지밀봉고리(4)의 내주부에는, 제3 O링(63)의 정지밀봉고리(4)에 대한 전방으로의 상대이동을 규제하는 고리형상의 제3 O링끼워맞춤부(44)가 형성되어 있고, 케이스내부 원통부(31)에는, 제3 O링(63)의 후방이동을 규제하는 고리형상의 끼워맞춤부(36)가 형성되어 있다.
정지밀봉고리(4)에는, 도 2에 나타내는 것과 같이, 기기내부영역(F)과 제2 밀폐공간(72)을 연결하는 배압도입로(45)가 형성되어 있다. 즉, 배압도입로(45)는, 일단부를 정지밀봉고리(4)의 밀봉단면측 외주부분(정지밀봉고리(4)의 전단부에 있어서의 밀봉단면(40)보다 외주측의 고리형상부분)(48)에 개구됨과 아울러 타단부를 정지밀봉고리(4)의 배면부에 개구시킨 것이고, 기기내부가스를 기기내부영역(F)으로부터 제2 밀폐공간(72)으로 도입시키고, 기기내부압력(P1)과 동일압력을 정지밀봉고리(4)에 배압(pf=Pf)으로서 작용시키도록 되어 있다. 이 배압(pf)에 의해, 정지밀봉고리(4)에는 이것을 전방(회전밀봉고리방향)으로 압력을 가하는 스러스트력이 작용한다. 이 스러스트력은 밀봉단면(20),(40)을 닫는 방향으로 작용하는 폐쇄력(이하, 「배압폐쇄력」이라 한다)(T1)으로서 기능한다. 그런데, 정지밀봉고리(4)에 대한 제3 O링(63)의 전방으로의 상대이동을 방지하는 제3 O링끼워맞춤부(44)가 정지밀봉고리(4)에 형성되어 있으므로, 배압폐쇄력(T1)을 발생시킬 수 있는 배압(pf)이 작용하는 고리형상 수압(受壓)영역의 내경은 제3 O링(63)의 내주부가 접촉하는 밀봉케이스부분 결국 케이스내부 원통부(31)의 외주부의 직경(Dm)으로 된다. 따라서, 상기 고리형상 수압영역의 외경이 제2 외주부분(42)의 직경(d2)이므로, 배압(pf)에 의해 생기는 배압폐쇄력(T1)은, T1=(π/4)((d2)2-(Dm)2)pf로 주어지고, 기기내부영역(F)의 압력변동에 따라 비례적으로 변화하는 것으로 된다. 또, 배압도입로(45)는, 이것과 동일하게 정지밀봉고리(4)로 형성되는 후술하는 제2 통로(82)와 교차하지 않도록, 그 형성위치를 고려하고 있다.
제2 밀폐공간(72)에는, 정지밀봉고리(4)를 회전밀봉고리방향으로 압력을 가하는 복수개의 스프링(5 …)(1개만 도시)이 설치되어 있다. 이들의 스프링(5 …)은, 회전축(10)을 중심으로 하는 고리형상영역에 소정간격을 두고 병렬시킨 상태에서, 정지밀봉고리(4)의 배면부와 케이스벽부(33)의 사이에 설치되어 있다. 각 스프링(5)의 탄성력은, 다음의 제1 및 제2의 조건을 만족하는 범위 내에서 필요최소한으로 설정되어 있다.
즉, 제1의 조건은, 모든 스프링(5 …)의 탄성력(스프링하중)에 의해 얻어지는 폐쇄력(이하 「스프링폐쇄력」이라 한다)(T3)이, 후술하는 개방력(U1),(U2)과 균형을 이루는데 필요한 폐쇄력을 확보한 후에, 상술한 폐쇄력(T1),(T2)에 의하여는 부족한 만큼을 보충하는데 필요하거나 충분하도록 되는 것이다. 또한, 제2의 조건은, 기기운전이 정지되고, 밀봉가스(8)의 공급이 정지됐을 때에 있어서, 스프링폐쇄력(T3)에 의해, 정지밀봉고리(4)를, 그것이 회전밀봉고리(2)에 접촉하는 상태(밀봉단면(20),(40) 사이를 기기내부가스가 누설되지 않도록 닫은 상태)로 되는 위치에, O링(61),(62),(63)의 미끄럼이동 저항력에 대하여 원활하고 또한 양호하게 이동시키고 또한 유지할 수 있는 것이다. 일반적으로는, 제1의 조건은, 폐쇄력(T1),(T2)과 관계에서 제2의 조건에 포함되는 것이므로, 스프링(5)의 탄성력은 제2의 조건을 만족하는 범위 내에서 필요최소한으로 설정하여 두면 좋다.
정지측 밀봉단면(40)에는, 도 3 및 도 4에 나타내는 것과 같이, 상기 정지측 밀봉단면(40)과 동심인 고리형상을 이루어 병렬하는 복수의 정압발생홈(9 …)이 형성되어 있다. 그리고, 밀봉케이스(3) 및 정지밀봉고리(4)에는, 기기내부압력(Pf)보다도 고압인 밀봉가스(8)를 정압발생홈(9 …)에 공급하는 일련의 밀봉가스공급로(80)가 형성되어 있어, 종래 밀봉(101)에 있어서와 동일하게, 정압발생홈(9 …)에 도입된 밀봉가스(8)에 의해 밀봉단면(20),(40) 사이를 비접촉상태로 유지하면서, 기기내부영역(F)과 대기영역(A)의 사이를 밀봉하도록 되어 있다.
밀봉가스공급로(80)는, 도 1, 도 3 및 도 4에 나타내는 것과 같이, 밀봉케이스(3)에 형성한 제1 통로(81)와 정지밀봉고리(4)에 형성한 제2 통로(82)를 제1 밀폐공간(71)에 의해 연결접속하여 이루어진 일련의 것이다. 제1 통로(81)는, 도시하지 않는 밀봉가스공급원에 접속됨과 아울러, 케이스내주부(32)에 있어서 제1 밀폐공간(71)에 개구되어 있다. 이 개구부는, 제1 및 제2 O링(61),(62)의 접근을 규제하는 O링 끼워맞춤부(43)에 바로 대향하는 위치에 배치되어 있다. 제2 통로(82)의 일단부는 O링 끼워맞춤부(43)를 관통하여 제1 밀폐공간(71)에 개구되어 있고, 그 타단부는 분기하여 각 정압발생홈(9)의 길이방향 중앙부에 개구되어 있다. 제2 통로(82)에는, 각 정압발생홈(9)으로의 분기부분보다 상류측의 적소에 배치하여, 서두에서 서술한 오리피스(183)과 동일한 기능을 발휘시키는 적당한 스로틀기기(이 예에서는, 오리피스)(83)가 설치되어 있다. 밀봉가스(8)로서는, 각 영역(F),(A)으로 유출하여도 무해한 것(예컨대, 기기내부가스의 물질 및 상태, 성분, 품질 등에 악영향을 미치지 않고, 인체에 무해한 것)을 밀봉조건(기기내부가스의 물질 및 상태 등)에 따라서 적당하게 선정한다. 일반적으로는, 각종 가스에 대하여 불활성이고 또한 인체에 무해한 질소가스가 사용된다. 또, 밀봉가스(8)는, 상기 정압형 비접촉 가스밀봉(1)이 장치된 회전기기의 운전 중에 있어서만 공급되고, 상기 기기의 운전정지 후에는 공급을 정지시킨다. 일반적으로는, 상기 기기의 운전(회전축(10)의 구동)은, 밀봉가스(8)의 공급이 개시된 후에 있어서, 밀봉단면(20),(40) 사이가 비접촉 상태로 유지된 후에 있어서 개시되고, 밀봉가스(8)의 공급정지는, 상기 기기의 운전정지 후에 있어서 회전축(10)이 완전히 정지한 후에 실시된다.
도시하지 않은 밀봉가스공급원으로부터 제1 통로(81)에 공급되는 밀봉가스압력(PS)은, 다음과 같은 이유로부터, 오리피스(83)를 거쳐 제2 통로(82)로부터 각 정압발생홈(9)으로 도입되는 밀봉가스(8)의 압력 결국 각 정압발생홈(9) 내에 있어서의 압력(이하 「포켓압력」이라 한다)(pS)이 기기내부압력(Pf)보다 0.5~1.5bar 높게 되도록, 제어되고 있다. 즉, 정지측 밀봉단면(40)에 형성되는 정압발생홈(9),(9) 상호간의 밀봉단면부분(이하, 「홈간랜드부분」이라 한다)(49)의 원주방향길이(R)는 후술하듯이 정압발생홈(9)의 홈폭(b)과 동일 또는 대략 동일한 치수로 설정하지만, pS〈 Pf+ 0.5bar이면, 밀봉단면(20),(40) 사이에 형성되는 밀봉가스(8)에 의한 유체막의 압력분포가 홈간랜드부분(49)에 대응하는 부분에서 크게 변동하여, 홈간랜드부분(49)에 대응하는 부분에 있어서의 유체막압력이 기기내부압력(Pf)보다 낮게 하고, 홈간랜드부분(49)과 회전측 밀봉단면(20)의 사이로부터 기기내부가스가 기기외부영역(A)으로 누설될 우려가 있다. 또한, pS〉Pf+ 1.5 bar라면, 밀봉단면(20),(40)으로부터 기기내부영역(F)으로의 밀봉가스 누설량이 필요이상으로 증대한다.
이 예는, 포켓압력(pS)을 상기한 것과 같이 Pf+ 0.5 bar ≤pS≤Pf+ 1.5 bar로 유지하기 때문에, 밀봉가스압력(PS)을 Pf+ 1.5 bar ≤PS≤Pf+ 2.5 bar로 되도록 제어하고 있다. 그런데, 밀봉가스압력(PS)은, 상기 기기의 운전중(회전축(10)의 회전중)에 있어서 기기내부압력(Pf)이 변동하지 않는 경우나 변동하여도 그 변동폭이 작은 경우(예컨대, 기기내부압력(Pf)의 변동폭이 0 ~ 0.3 bar인 경우)에는, 상기 조건(Pf+0.5 bar ≤pS≤Pf+ 1.5 bar 또는 Pf+ 1.5 bar ≤PS≤Pf+ 2.5 bar)을 만족하는 범위에서 일정하게 유지하고 있다. 한편, 운전 중에 있어서는 기기내부압력(Pf)의 변동폭이 큰 경우(예컨대, 기기내부압력(Pf)의 변동폭이 0.3 bar를 초과하는 경우)에는, 밀봉가스압력(PS)을 일정하게 유지하였던 것은 상기 조건을 만족하지 않는 사태가 발생하지 않으므로, 기기내부압력(P)을 기기내부압력(Pf)의 변동에 따라서 상기 조건을 만족하도록 조정제어하도록 하여 두는 것이 바람직하다. 이러한 조정제어는, 차압제어밸브 등을 사용하는 주지의 제어시스템에 의해 용이하게 실시할 수 있다. 물론, 기기내부압력(Pf)의 변동폭이 작은(예컨대, 0.3 bar 이하) 경우에도, 밀봉가스압력(PS)을 기기내부압력(Pf)의 변동에 따라서 조정제어하도록 하여도 좋다.
그러나, 각 정압발생홈(9)에 밀봉가스공급로(80)로부터 밀봉가스(8)를 도입시켜서, 상기 정압인 포켓압력(pS)를 작용시키면, 서두에서 서술한 종래 밀봉(101)에 있어서와 동일하게, 밀봉단면(20),(40) 사이에 이것을 이간시키는 개방력(이하 「밀봉가스 개방력」이라 한다) (U1)이 작용하고, 이 밀봉가스 개방력(U1)이 작용하고, 이 밀봉가스 개방력(U1) 및 밀봉단면측 외주부분(48)에 작용하는 기기내부압력(Pf)에 의해 정지밀봉고리(4)를 후방에 압력을 가하는 스러스트력에 의한 개구력(이하 「기기내부가스 개방력」이라 한다)(U2)과 상기 폐쇄력(T1),(T2),(T3)이 균형을 이루게 하여, 밀봉단면(20),(40) 사이가 비접촉상태로 유지되는 것으로 된다. 또, 기기내부가스 개방력(U2)은, U2= (π/4)((d1)2-(D2)2) Pf로 주어진다.
이와 같이, 폐쇄력으로 하여 스프링하중에 의한 스프링폐쇄력(T3) 외, 배압폐쇄력(T1)과 밀봉가스폐쇄력(T2)이 가중되므로, 전폐쇄력이 스프링하중에 의해서만 얻어지는 종래 밀봉(101)에 비하여, 개방력(U1),(U2)과 균형을 이루도록 하는 데 필요한 스프링하중을 대폭 감소시킬 수 있고, 각 스프링(5)의 탄성력을 상술한 것과 같이 최소한으로 설정할 수 있다.
그런데, 본 발명의 정압형 비접촉 가스밀봉(1)에 있어서는, 상술한 것과 같이, 정지밀봉고리(4)의 배면영역인 제1 밀폐공간(71)을 배압도입로(45)에 의해 기기내부영역(F)과 연결시키고, 기기내부압력(Pf)을 정지밀봉고리(4)에 배압(pf)으로서 작용시키도록 구성되어 있는 것이므로, 상기 가스밀봉(1)을 고압조건 하에서 사용하기에 적합한 밸런스형 밀봉으로 구성하는 것이 가능하게 된다. 즉, 상기 가스밀봉(1)에 있어서의 균형비(K)를 1이하로 하는 것이 가능하다. 여기에, 균형비(K)는, 주지의 밸런스형 밀봉에 있어서와 동일하게, 밀봉단면(20),(40)의 내외경(D1),(D2)과 정지밀봉고리(4)에 있어서 배압(pf)이 작용하는 고리형상 수압영역의 내경인 제3 O링(63)의 내주부접촉면의 직경(Dm)으로 특정할 수 있고, 설계상, K = ((D2)2-(Dm)2)/((D2)2-(D1)2)으로 할 수 있다.
한 편, 본 발명의 정압형 비접촉 가스밀봉(1)에 있어서, 포켓압력(pS)을 상술한 것과 같이 Pf+ 0.5 bar ≤pS≤Pf+ 1.5 bar로 유지할 경우에는, 도 7에 나타내는 바와 같이, K〈 0.8 또는 0.9〈 K ≤1로 하면, 적용 가능한 기기내부압력(Pf)의 범위가 협소하게 된다.
이러한 이유에서, Pf+ 0.5 bar ≤pS≤Pf+ 1.5 bar의 조건을 만족하면서, 넓은 압력범위에 대하여 적용하기 위해, 균형비(K = ((D2)2-(Dm)2)/((D2)2-(D1)2))은 0.8 ≤K ≤0.9로 설정되어 있다.
각 정압발생홈(9)은 정지밀봉고리(4)의 축심을 중심으로 하는 원호형상을 이루는 것이고, 모든 정압발생홈(9 …)은 동일 형상으로 되어 있다. 정압발생홈(9)의 형성수는, 일반적으로, 3 ~ 12 개의 범위에 있어서 밀봉조건(정지측 밀봉단면(40)의 내외경(D1),(D2) 등)에 따라 적정하게 설정된다. 이 예는, 4개의 정압발생홈(9 …)이 정지측 밀봉단면(40)의 원주방향에 등간격(R)을 두어 형성되어 있다.
정압발생홈(9)의 홈깊이(L)는 일정하고, 다음의 이유로부터, 0.3 ㎜ ≤L ≤1.0 ㎜로 설정하고 있다. 즉, L 〉1.0 ㎜이면, 정압발생홈(9) 내의 용적이 크게 되므로, 밀봉가스(8)의 압축성에 의존하는 불안정현상이 생기기 쉽게 된다. 예컨대, 포켓압력(pf)이 변동하여, 회전밀봉고리(2)가 진동할 우려가 있다. 이것은, 오리피스(83)에 의한 밀봉가스(8)의 스로틀기능(압력강하)이 일정한데 반하여, 밀봉단면(20),(40)에 의한 밀봉가스(8)의 스로틀기능이 밀봉단면(20),(40)의 간격변화에 의해 변동하기 때문이고, 오리피스(83)의 상류측 부분은 밀봉단면(20),(40)의 간격변화에 의한 밀봉가스(8)의 압력변동은 생기지 않지만, 오리피스(83)의 하류측 부분(정압발생홈(9)의 내부)은 상기 간격변화에 의한 밀봉가스(8)의 압력변동이 생기고, 일종의 자동진동현상이 생기기 때문이다. 또한, L〈 0.3 ㎜이면, 정압발생홈(9)의 길이방향에 있어서의 포켓압력(pS)의 압력분포가 불균일하게 되기 쉽다. 예컨대, 밀봉가스(8)가 제2 통로(82)로부터 정압발생홈(9)의 중앙부로 도입된 경우, 도입된 밀봉가스(8)가 정압발생홈(9 …)의 길이방향 양단부까지 충분히 이전되지 않고, 도중에서 정압발생홈(9) 외로 누설되버릴 우려가 있다.
정압발생홈(9)의 홈폭(b)은 일정하게 되어 있고, 특히, 다음과 같은 이유로부터, 밀봉단면(20),(40)의 지름방향폭인 밀봉면폭(B = (D2-D1)/2)에 대한 비율인 홈폭비(b/B)가 0.05 ≤b/B ≤0.3으로 되도록, 설정되어 있다. 즉, 홈폭(b)이 0.05B보다 작고, b/B〈 0.05이면, 포켓압력(pS)에 대응하여 충분한 밀봉가스 개방력(U1)을 얻을 수 없고, 밀봉가스 개방력(U1)이 매우 작게 된다. 그 결과, 개방력과 폐쇄력을 균형을 이루도록 하기 위해 포켓압력(pS)내지 밀봉가스압력(PS)을 필요 이상으로 높게 할 필요가 있다. 또한, 홈폭(b)이 0.3B 보다 크고 b/B 〉0.3이면, 밀봉가스 개방력(U1)이 과대하게 된다. 그 결과, 개방력과 폐쇄력이 균형을 이루도록 하기 위해, 스프링(5)의 탄성력을 크게 하는 등에 의해 개방력을 필요 이상으로 높게 할 필요가 있다.
또한, 정압발생홈(9 …)의 상호간격 결국 각 홈간랜드부분(49)의 원주방향길이(R)는, 홈간랜드부분(49)에 대응하는 부분인 밀봉가스(8)의 압력변동(압력저하)을 가급적으로 방지하고, 밀봉단면(20),(40) 사이에 있어서의 유체막의 원주방향 압력분포를 균일하게 유지하기 위해, 상기 홈폭(b)과 동일치수로 설정되어 있다. 구체적으로는, 밀봉단면(20),(40)의 내외경치수 등에도 따르지만, 일반적으로 R = 1 ~ 4 ㎜로 설정된다.
또한, 밀봉단면(40)의 지름방향에 있어서의 정압발생홈(9)의 형성위치는, 정지측 밀봉단면(40)의 외주가장자리로부터 정압발생홈(9)에 이르는 지름방향거리(이하 「외측랜드폭」이라 한다)(Bo)또는 정지측 밀봉단면(40)의 내주가장자리로부터 정압발생홈(9)에 이르는 지름방향거리(이하 「내측랜드폭」이라 한다)(Bi)에 의해 특정할 수 있지만, 이러한 외측랜드폭(Bo) 또는 내측랜드폭(Bi)은, 다음과 같은 이유로부터, 홈폭(b) 및 밀봉면폭(B) 사이에 B - b = Bo + Bi의 관계를 가지는 것을 전제로 하여, 0.3B ≤Bo ≤0.7B - b 또는 0.3B ≤Bi ≤0.7B - b로 되도록 설정되어 있다. 즉, Bo〈 0.3B 또는 Bi 〉0.7B - b로 하면, 다른 조건에 구속되지 않고, 기기내부영역(F)으로의 밀봉가스누설량이 증대함과 아울러, 밀봉단면(20),(40) 사이에 있어서의 유체막의 지름방향 압력분포가 불균일하게 되어, 밀봉단면(20),(40)의 평행도가 손상되고, 밀봉단면(20),(40)을 적정한 비접촉상태로 유지할 수 있기 때문이다. 또한, Bi〈 0.3B 또는 Bo 〉0.7B - b로 하면, 다른 조건에 구속되지 않고, 기기외부영역(A)으로의 밀봉가스누설량이 증대함과 아울러, 밀봉단면(20),(40) 사이에 있어서의 유체막의 지름방향 압력분포가 불균일하게 되어 밀봉단면(20),(40)의 평행도가 손상되고, 밀봉단면(20),(40)을 적정한 비접촉 상태로 유지할 수 없게 되기 때문이다. 또, 상기 범위에 있어서, 외측랜드폭(Bo) 또는 내측랜드폭(Bi)을 변경하는 것에 의해, 각 영역(F),(A)으로의 밀봉가스누설량을 임의로 조정할 수 있다. 예컨대, 기기내부영역(F)으로의 밀봉가스누설량을 적게 하려는 경우에는, 외측랜드폭(Bo)를 크게 하면 좋고, 기기외부영역(A)으로의 밀봉가스누설량을 적게 하려는 경우에는, 내측랜드폭(Bi)을 크게 하면 좋다.
따라서, 정압발생홈(9)의 홈폭(b), 홈깊이(L), 홈간랜드부분(49)의 원주방향길이(R), 외측랜드폭(Bo), 내측랜드폭(Bi)을 상기한 것과 같이 설정하여 두는 것에 의해, 각 영역(F),(A)으로의 밀봉가스누설량을 가급적으로 적게 하면서 밀봉단면(20),(40)을 적정한 비접촉상태로 유지시킬 수 있고, 양호한 밀봉기능을 발휘시킬 수 있다.
또, 본 발명에 관한 정압형 비접촉 가스밀봉(1)는, 상기 구성에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기본원리를 벗어나지 않는 범위에 있어서 적당하게 변경, 개량하는 것이 가능하다.
예컨대, 제3 O링끼워맞춤부(44)는, 케이스내부 원통부(31)에 형성하도록 하여도 좋다. 즉, 제3 O링(63)을, 도 5에 나타내는 것과 같이, 케이스내부 원통부(31)의 외주부에 형성한 고리형상홈(37)에 걸어 맞추어 유지시키는 것이고, 상기 고리형상홈(37)의 앞쪽단부를 제3 O링끼워맞춤부(44)로 하는 것이다. 이 경우, 배압폐쇄력(T1) 및 균형비(K)를 결정하는 Dm은, 제3 O링(63)의 외주부가 접촉하는 정지밀봉고리부분 결국 내주면의 직경이다.
또한, 제1 및 제2 O링(61),(62)의 축선방향이동을 규제하는 O링 끼워맞춤부(43)을, 도 6에 나타내는 것과 같이, 케이스내주부(32)에 형성하도록 하여도 좋다. 이 경우, 제1 통로(81)는 O링 끼워맞춤부(43)를 관통하여 제1 밀폐공간(71)으로 개방된다.
또한, 배압도입로(45)는, 도 6에 나타내는 것과 같이, 기기내부영역(F)에 대응하는 밀봉케이스부분에 형성한 관통구멍(45a)과 제2 밀폐공간(72)에 대응하는 밀봉케이스부분(케이스벽부(33))에 형성한 관통구멍(45b)을, 밀봉케이스(3) 밖에 배치한 적당한 외부배관(45c)으로 접속하는 것에 의해, 구성하도록 하여도 좋다.

Claims (7)

  1. 원통형상의 케이스내부 원통부와 이것을 동심형상으로 둘러싸는 원형의 케이스내주부와 이들 양부분 사이를 연결하는 고리형상의 케이스벽부를 가지는 밀봉케이스와,
    케이스내원통부를 동심형상으로 관통하는 회전축에 고정된 회전밀봉고리와, 외주부를 축선방향에서 소정간격을 두어 병렬하는 제1및 제2 O링을 거쳐 케이스내주부에 유지됨과 아울러 내주부를 제3 O링을 거쳐 케이스내 원통부에 유지시키는 것에 의해, 밀봉케이스에 회전밀봉고리에 대향하는 상태로 축선방향으로 이동가능하게 유지된 정지밀봉고리에서 제2 O링의 내주부가 접촉하는 제2 외주부분의 직경을, 제2 O링보다 회전밀봉고리 주위에 위치하는 제1 O링의 내주부가 접촉하는 제1 외주부분의 직경보다 작게하여 둔 정지밀봉고리와,
    정지밀봉고리와 케이스벽부의 사이에 장착되어 있고, 정지밀봉고리를 회전밀봉고리로 압력을 가하는 스프링과,
    양 밀봉고리의 대향단부에 각각 형성된, 내외경을 동일하게 하는 회전측 밀봉단면 및 정지측 밀봉단면과,
    정지밀봉고리의 밀봉단면인 정지측 밀봉단면에 형성되어 있고, 정지측 밀봉단면과 동심인 고리형상을 이루어 병렬하는 복수의 정압발생홈과,
    케이스내주부와 정지밀봉고리의 외주부의 사이에 형성된 고리형상공간에서 제1 및 제2 O링에 의해 밀봉된 제1 밀폐공간과,
    케이스벽부와 정지밀봉고리의 배면부의 사이에 형성된 고리형상 공간에서 제2 및 제3 O링에 의해 밀봉된 제2 밀폐공간과,
    밀봉케이스 및 정지밀봉고리에 형성되어 있고, 양 밀봉단면의 외주측의 피밀봉유체영역에 있어서의 압력보다도 고압인 밀봉가스를 제1 밀폐공간을 거쳐 정압발생홈으로 공급하는 일련의 밀봉가스공급로와,
    피밀봉유체영역과 제2 밀폐공간을 연결하는 배압도입로를 구비한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉 가스밀봉.
  2. 제1항에 있어서, 정지측 밀봉단면에 형성되는 정압발생홈의 홈폭(b)을, 상기 밀봉단면의 지름방향폭인 밀봉면폭(B)에 대한 홈폭비(b/B)가 0.05 ≤b/B ≤0.3으로 되도록 설정하여 두는 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉 가스밀봉.
  3. 제2항에 있어서, 정압발생홈으로부터 정지측 밀봉단면의 외주가장자리에 이르는 지름방향거리(Bo) 또는 상기 밀봉단면의 내주가장자리에 이르는 지름방향거리(Bi)를, 홈폭(b) 및 밀봉면폭(B)의 사이에 B - b = Bo + Bi의 관계를 가지는 것을 전제로 하여 0.3B ≤Bo ≤0.7B - b 또는 0.3B ≤Bi ≤0.7B - b로 되도록 설정하고 있는 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉 가스밀봉.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 정압발생홈의 홈깊이(L)를 0.3 ~ 1.0 ㎜로 하는 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉 가스밀봉.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 정지측 밀봉단면의 지름방향에 있어서의 정압발생홈 상호 간격을, 정압발생홈의 홈폭과 동일치수로 설정하여 두는 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉 가스밀봉.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 정압발생홈에 도입되는 밀봉가스의 압력이, 피밀봉유체영역의 압력보다 0.5 ~ 1.5 bar 높게 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 정압형 비접촉 가스밀봉.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 밀폐공간에 도입된 피밀봉유체의 압력에 의한 제3 O링의 회전밀봉고리 방향으로의 이동을 방지하는 제3 O링끼워맞춤부가 정지밀봉고리 또는 케이스내부 원통부에 형성되어 있고, 상기 제3 O링끼워맞춤부를 정지밀봉고리에 형성한 경우에 있어서의 제3 O링의 내주부가 접촉하는 밀봉케이스부분의 직경 또는 상기 제3 O링 끼워맞춤부를 케이스내 원통부에 형성한 경우에 있어서의 제3 O링의 외주부가 접촉하는 정지밀봉고리부분의 직경(Dm)과 밀봉단면의 내경(D1) 및 외경(D2)으로 특정되는 균형비(K =((D2)2-(Dm)2)/((D2)2-(D1)2))를, 0.8 ≤K ≤0.9가 되도록 설정하고 있는 것을 특징으로 하는, 정압형 비접촉 가스밀봉.
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