KR20010013276A - 건식 운전 시스템용 밀봉 부재 및 그 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건식 운전 시스템용 밀봉 부재에 관한 것이다. 상기 밀봉 부재는 자신의 원주 방향으로 인접하여 배열되는 적어도 두 개의 세그먼트(segment; 21)를 포함하는 밀봉 링(2)을 갖는다. 상기 밀봉 링(2)이 조립되어 있을 때, 두 개의 인접한 세그먼트(21)는 교차선(intersection; 22)을 따라 대면하고, 상기 교차선은 상기 밀봉 부재의 내측 커버면(inner cover surface; 24) 상의 접선(23)과 교차각(α)을 형성하며, 상기 교차각은 90°가 아니다. 상기 밀봉 링(2)은 최대 5.5 mm, 구체적으로는 2 mm 내지 4.5 mm 사이의 축상 높이(axial height; H1)를 갖는다.

Description

건식 운전 시스템용 밀봉 부재 및 그 용도 {SEALING ELEMENT FOR DRY-RUNNING SYSTEMS AND THE USE THEREOF}

현재, 건식 운전 피스톤식 압축기용 밀봉 링은 대체로 적어도 7 mm의 축상 높이를 갖는 링으로 제조된다. 상기 최소 높이는 한편으로, 보다 작은 링 높이에서는 상기 밀봉 링의 마찰면이 너무 작아져서 밀봉 작용이 지나치게 불량하게 되므로, 예를 들어 40 bar의 일반적인 압력차에서 상기 누출 비율이 상당히 큰 값을 나타내게 된다. 다른 한편으로는, 상기 최소 높이는, 상기 밀봉 링이 또한 커다란 변형―여기서 변형은 상기 밀봉 작용에 상당한 영향을 줌―없이 상기 응력을 견디기 위해 기계적으로 충분히 안정적이 되어야 한다는 사실에 의거한다. 특히 밀봉 링 소재로서 자주 사용되는 PTFE에서는, 명백한 크리프(creep) 경향 (높은 콜드 플로; high cold flow)을 갖는 것이 공지되어 있으므로 예를 들어 40 bar의 압력차에서 상기 밀봉 링의 변형을 방지하기 위해서는 추가의 보조 링이 필요하게 된다.

상기 마모를 확실하게 보상하기 위한 대부분의 상기 세그먼트로 분할된 밀봉 링은 방사상 방향으로 기밀(gas-tight)을 유지하는 세그먼트 형상을 갖지만, 상기 일반적인 절단 방향은 상기 축상 방향으로 개구되어 추가의 덮개 링(cover ring)에 의해 밀봉되어야 하는 틈새(gap) 및 접합부(joint)를 형성한다. 상기 덮개 링은 방사상으로 절단되는 세 부분으로 설계되며 한 쌍의 밀봉 링을 형성하기 위해 본래의 링(actual ring)과 함께 설치되어 관통된 틈새가 더 이상 존재하지 않도록 한다. 상기 두 링 사이의 고정 핀은 작동 중에 상기 두 링의 틈새가 정렬되어 관통 틈새가 형성되는 것을 방지하기 위함이다. 상기 덮개 링은 대개 상기 밀봉 링과 동일한 축상 높이를 갖는다. 상기 공지된 밀봉 링의 쌍들은 일반적으로 전체 축상 높이가 18 mm 이상이 된다. 상기 축상 높이는 소정의 구조적 길이로 패킹 내에 배열될 수 있는 밀봉 링의 쌍들에 대한 수를 제한한다.

밀봉 링이 보다 장시간에 걸쳐서 견딜 수 있는 최대 pv 값을 제한하는 주요 문제 중의 하나는 건식 운전 밀봉 부재에서 발생하는 마찰열이다. pv 값이 증가하면 마찰면에서 급격하게 고온이 발생하여 상기 밀봉 부재―여기서 밀봉 부재는 현재 대개 플라스틱으로 이루어짐―는 열에 의해 파손된다. 실질적으로 현재 공지되어 있는 건식 운전 시스템용 밀봉 부재는 대략 140 bar·m/s 이상의 pv 값에서 즉시 파손되거나 운전 수명이 쓸모없이 짧은 것을 볼 수 있다. 피스톤의 평균 속도가 3.5 m/s인 건식 운전 피스톤식 압축기에서는, 밀봉 부재에 의해 최대 40 bar의 압력차가 차단될 수 있게 된다.

본 발명은 첨부되는 특허청구범위 독립항인 제1항의 전제부에 따른 건식 운전 시스템(dry running system)용, 구체적으로는 건식 운전 피스톤식 압축기(dry running piston compressor)용 밀봉 부재(sealing element) 및 그 사용에 관한 것이다.

예를 들어, 기체를 무급유 압축(oil-free compression)하기 위한 건식 운전 피스톤식 압축기와 같은 건식 운전 시스템용 밀봉 부재는 상기 시스템의 고압 측과 저압 측 사이의 압력차(pressure difference)를 차단(seal off)하는 역할을 하며, 외부로부터 공급되는 오일 등에 의해 윤활된다. 상기 종류의 밀봉은 건식 마찰(dry friction)에 기초하므로, 건식 운전 시스템 내의 밀봉 부재들은 대개 그들의 수명―여기서 수명은 운전 수명(working life)이라고도 함―을 제한하는 자연적 마모가 되기 쉽다.

현재 건식 운전 시스템용 밀봉 부재는 주로 플라스틱으로 제조되며, 예를 들면 충전된 폴리머(filled polymer)이다. 흔히 사용되는 폴리머 소재는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 등이다. 상기 PTFE 매트릭스에 비결정질의 탄소(amorphous carbon), 흑연(graphite), 유리 섬유(glass fibres), 금속(metals), 세라믹(ceramics) 또는 고체 윤활제(solid lubricants)와 같은 충전물이 투입된다.

건식 운전 피스톤식 압축기에서는, 피스톤 로드(piston rod)의 밀봉용 및/또는 피스톤을 밀봉하기 위한 피스톤 링으로서 사용된다. 상기 밀봉 부재의 상대-작동부(counter-running partner)―여기서 상대-작동부는 상기 밀봉 부재에 대하여 이동되는 표면을 의미함―는 첫 번째 경우는 상기 피스톤 로드이고, 두 번째 경우는 상기 실린더의 벽, 이른바 실린더 작동 표면(cylinder running surface)이다.

건식 운전 시스템 내의 밀봉 부재 성능은 이른바 pv 값에 의해 일반적으로 특징지어진다. 상기 값은 상기 밀봉 부재가 상기 상대-작동부를 누르는 접촉 압력(p), 및 상기 밀봉 부재가 자신의 상대-작동부에 대하여 움직일 때의 마찰 속도(v)에 의해 산출되는 값이다. 건식 운전 피스톤식 압축기에 대하여, 다음과 같은 건식 운전 시스템의 대표적 예시가 참조되었고, 상기 pv 값은 차단될 평균 압력차(p) 및 피스톤의 평균 속도(v)에 의해 산출되는 것으로 이해하여야 한다.

실질적으로, 상기 건식 운전 피스톤식 압축기는 가급적 높은 pv 값을 가능한 장시간 견딜 수 있는 고성능의 밀봉 부재를 구비하여 작동하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 밀봉 부재에서의 누출 비율(leakage rate)은 아주 낮아야 한다. 또한, 상기 밀봉 부재는 최장의 가능한 운전 수명을 가져야 하며, 이것은 이들의 밀봉성(sealing properties)이 상기 최장의 가능한 운전 수명 내내 대체로 변함없는 고품질을 유지해야 하는 것을 의미한다.

특히 상기 운전 수명을 연장시키기 위해서, 상기 피스톤 로드의 밀봉 및 상기 피스톤의 밀봉 양자 모두에 대하여, 축상 방향으로 복수의 밀봉 부재들을 교번으로 배열하여, 밀봉 부재 세트를 형성하는 것이 일반적이다. 상기 종류의 밀봉 부재 세트를 포함하는 상기 피스톤 로드의 밀봉용 부품을 패킹(packing)이라 칭한다.

상기 운전 수명을 증가시키기 위한 상기 밀봉 부재의 특수한 단면 형상을 제공하는 것이 또한 공지되어 있다. 스위스특허 CH-439897에 예를 들어 각자 세그먼트로 분할된(segmented) 복수의 밀봉 링(sealing rings)을 갖는 상기 피스톤 로드의 밀봉용 패킹이 공지되어 있으며, 상기 밀봉 링에 대한 개별 세그먼트 사이의 세그먼트 선은 대체로 상기 밀봉 링의 내측 재킷 표면(inner jacket surface)에 대하여 접선을 이루며(tangentially) 연장된다. 상기 밀봉 링을 둘러싸는 호스 스프링(hose spring)은 사전응력(事前應力; prestress)을 제공하며 상기 피스톤 로드에 대하여 상기 개별 세그먼트를 가압한다. 소재의 마멸(abrasion)에 의한 마모(wear)는, 상기 개별 세그먼트가 상기 피스톤 로드 방향으로 자신에 작용하는 압축력에 의해서 내측으로 눌려지는 것에 의해 보상된다.

그러나, 상기 종류의 패킹이 연속 운전에서 견딜 수 있는 최대 pv 값의 중요한 요소는 패킹 내의 상기 밀봉 부재의 수가 아니라 개별 밀봉 부재의 성능이다. 상기 차단될 압력차의 분포는 대개 상기 밀봉 부재 세트의 상이한 밀봉 부재들에 걸쳐 균일하지 않다. 실제로, 전체 압력차가 대체로 단지 하나의 상기 밀봉 부재에 의해 차단되는 현실적으로 극단적인 경우도 있을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 밀봉 부재의 밀봉 링에 대한 예시적 실시예를 도시하는 평면도.

도 2는 도 1의 밀봉 부재에 대한 선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면도.

도 3은 베이스 링의 예시적 실시예에 대한 평면도.

도 4는 도 3의 베이스 링에 대한 선Ⅳ-Ⅳ에 따른 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 밀봉 부재를 갖는 피스톤 로드 밀봉용 패킹의 개략적인 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 밀봉 부재가 설치된 상태의 피스톤 밀봉에 대한 개략도(부분적으로 단면도).

본 발명의 목적은 보다 양호한 성능의 건식 운전 시스템, 구체적으로는 건식 운전 피스톤식 압축기용 밀봉 부재를 제공하는 것이다. 상기 밀봉 부재는 140 bar·m/s보다 훨씬 큰 pv 값에서 견딜 수 있어야 하고, 밀봉 작용을 하는 동안 대체로 동일한 품질을 유지하는 긴 작동 수명을 또한 가져야 한다. 또한 상기 밀봉 부재는 건식 운전 시스템에서 매우 낮은 누출 비율로 높은 압력차가 차단될 수 있어야 하며 단지 최소의 마모만 되어야 한다.

상기 목적을 만족하는 건식 운전 시스템용, 구체적으로 상기 건식 운전 피스톤식 압축기용 밀봉 부재는 첨부되는 특허청구범위 독립항인 제1항의 특징을 갖는다. 본 발명에 따른 상기 밀봉 부재는 외주 방향(peripheral direction)으로 인접하게 배열되는 적어도 두 개의 링 세그먼트(ring segment)를 포함하는 세그먼트로 분할된 밀봉 링을 가지며, 각 경우 두 개의 인접한 링 세그먼트는 조립 상태에서 상기 밀봉 링의 내측 재킷 표면의 접선과 90°가 아닌 교차각(intersection angle)을 형성하는 절단선을 따라 서로 접촉한다. 상기 밀봉 링은 최대 5.5 mm의 축상 높이를 가지며, 구체적으로는 2 mm 내지 4.5 mm 사이이다.

획기적인 사실은, 상기 밀봉 부재의 성능이 상기 링 세그먼트 사이의 절단에 의해 얻어지는 패스(path)와 협력하여 상기 밀봉 링의 축상 높이를 감소시킴으로써 매우 현저하게 증가될 수 있다는 것이다. 따라서 본 발명에 따른 상기 밀봉 부재가 800 bar·m/s를 초과하는 pv 값에서 문제없이 장시간 견디는 것을 실제로 확인할 수 있었다. 종래의 밀봉 부재와 비교할 때 이것은 예를 들어 본 발명에 따른 밀봉 부재에 의한 피스톤의 동일한 평균 속도에서 누출 비율의 커다란 증가없이 다섯 배 가량 큰 압력차가 차단될 수 있다는 것을 의미한다. 작동 상태에서 본 발명에 따른 상기 밀봉 부재의 마모는 공지된 밀봉 부재보다 훨씬 적어서, 상기 밀봉 작용이 대체로 동일한 품질을 유지하면서 상당히 보다 긴 운전 수명을 갖게된다는 것이 또한 확인되었다.

제조상의 기술적인 이유 때문에, 상기 밀봉 링은 세 개의 링 세그먼트로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 pv 값은, 상기 밀봉 링의 축상 높이가 대략 4 mm인 경우 특히 상기 누출 비율과 마찰면의 온도 사이의 상기 밀봉 결과에 유리한 함수관계에 의해 일정하게 유지되는 것이 또한 실험에서 확인되었다.

인접한 두 개의 링 세그먼트 사이의 절단선과 상기 밀봉 링의 내측 재킷 표면에 접하는 직선이 형성하는 상기 교차각은 최대 45°, 구체적으로는 최대 20°가 되는 것이 바람직하며, 이것은 한편으로 이렇게 함으로써 축상 및 방사상으로 매우 양호한 밀봉 작용이 이루어질 수 있기 때문이고, 다른 한편으로 상기 링 세그먼트들이 마모를 보상하도록 압력 부하를 받아 배치되기 때문이다.

상기 밀봉 링 내의 절단에 의해 얻어지는 상기 특별한 패스를 통해, 이제 신규 상태에서 상기 방사상 또는 축상 방향으로 관통 틈새는 존재하지 않는다. 이러한 상기 절단 패스로 인해, 상기 절단선 또는 상호 접촉면을 따르는 상기 링 부재의 상호 이동으로부터 상기 마모에 대한 보상을 얻게된다. 상기 평행 이동을 통해서, 마모가 진행된 상태라 하더라도 상기 링 세그먼트 사이에는 무시해도 좋을 정도의 작은 틈만이 발생한다. 이에 따른 장점은 본 발명에 따른 상기 밀봉 부재에 추가의 덮개 링이 필요하지 않다는 것이다.

특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 상기 밀봉 부재는 누출 비율을 감소시키기 위한 베이스 링(base ring)―여기서 베이스 링은 단일체(single piece)의, 구체적으로 틈새 또는 이음매가 없는(endless) 것으로 이루어지 것이 바람직함―을 추가로 포함한다. 상기 베이스 링은 작동 상태에서 상기 축상 방향으로 상기 밀봉 링에 인접하여 저압 측에 배열되고, 상기 상대-작동부에 대하여 비접촉식으로 가급적 최소의 간극(clearance)을 갖고 연장되도록 크기가 정해진다. 상기 베이스 링에 의해 상기 누출 비율은 더욱 현저히 감소될 수 있다.

그러나 상기 베이스 링 또한 복수의 부분, 즉 자신의 외주 방향으로 인접하여 배열되는 복수의 세그먼트를 포함하는 것으로 이루어질 수 있다. 이것은 예를 들어 상기 베이스 링이 피스톤 로드를 제거하지 않고 설치되어야 하는 경우 또는 상기 베이스 링이 피스톤 밀봉 부품으로서 상기 피스톤의 둘레에 놓여야 하는 경우에 유리하다. 상기 베이스 링이 복수의 부분으로 이루어지는 경우, 각 개별 세그먼트는 예를 들어 둘러싸는 호스 스프링에 의해 서로 결합된다. 또한, 상기 베이스 링의 개별 세그먼트 사이의 절단 패스는, 한편으로 마모에 대한 보상이 불가능하고, 다른 한편으로 상기 베이스 링이 방사상 방향으로 기밀된다. 이것은 상기 세그먼트 사이의 절단선이 방사상 방향으로 연장되고, 상기 세그먼트 사이에는 틈새 간극이 제공되지 않는 것이 바람직하다.

상기 베이스 링은, 상기 밀봉 부재가 축상 방향에서 가급적 소형이고 가급적 작은 공간을 차지하도록 최대 6 mm, 구체적으로 대략 4 mm의 축상 높이를 갖는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에서, 상기 밀봉 링 및/또는 상기 베이스 링은 대체로 폴리에테르에테르케톤(poly(ether ether ketone); PEEK), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리아미드이미드(polyamidimide; PAI), 폴리페닐렌설파이드 (poly(phenylene sulphide); PPS), 또는 에폭시 수지(epoxy resin; EP)과 같은 고온 폴리머로 제조되는 것이 바람직하며, 이것은 상기 종류의 고온 폴리머가 대체로 이들의 기계적 특성 때문에 변형되는 일없이 높은 압력차를 견디기 때문이고 또한 높은 고온 강도(hot strength)를 갖기 때문이다. 작동 상태에서, 상기 베이스 링은 대체로 자신의 상대-작동부와 비접촉식으로 작동하므로, 양호한 고온 강도 및 적어도 윤활되지 않는 작동에서 비상 가동 특성을 갖는 또 다른 소재, 예를 들어 청동(bronze), 소결된 철(sintered iron) 또는 흑연(graphite)으로 제조될 수도 있다.

그러나 이와는 달리, 상기 밀봉 링 및/또는 상기 베이스 링은 산화알루미늄(aluminium oxide), 산화지르코늄(zirconium oxide), 탄화규소(silicon carbide), 질화규소(silicon nitride)와 같은 공업용 세라믹(technical ceramic)으로 제조될 수도 있다. 이것은 상기와 같은 세라믹의 고내마모성(high abrasion resistance)을 통해 상기 운전 수명이 상당히 연장될 수 있으므로 특히 유리하다.

본 발명에 따른 상기 밀봉 부재는 이들의 높은 성능 및 낮은 마모의 결과로 인해, 건식 운전 피스톤 로드의 밀봉용 패킹 및 건식 운전 피스톤식 압축기용 피스톤 밀봉에 특히 적합하다.

본 발명에 따른 상기 밀봉 부재는 특히 140 bar·m/s 이상의 pv 값에서 작동될 수 있는 상기 피스톤 로드의 밀봉 및/또는 건식 운전 피스톤식 압축기 내의 피스톤에 사용될 수 있다. 상기와 같은 높은 pv 값에서도 긴 운전 수명을 가질 수 있다. 이것은 특히 이미 공지된 밀봉 부재가 상기와 같은 고성능 작동에는 적합하지 않으므로 유리하다.

본 발명의 또 다른 유리한 방법 및 바람직한 실시예는 첨부되는 특허청구범위의 종속항들에 따른다.

본 발명은 예시적 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 다음에 보다 상세하게 기술될 것이다. 도시되는 개략도에는 축척이 적용되지 않는다.

도 5는 건식 운전 피스톤식 압축기 내의 피스톤 로드 밀봉용 패킹의 단면을 개략적으로 도시한다. 패킹(10)은 그 전체가 참조부호(1)로 나타나는 본 발명에 따른 상기 밀봉 부재의 구체적으로 바람직한 예시적 실시예를 갖는다. 본 실시예에서 밀봉 부재(1)는 세그먼트로 분할되고 상기 축상 방향으로 인접하여 배열되는 밀봉 링(2) 및 베이스 링(3)을 포함한다. 도 1은 세그먼트로 분할된 밀봉 링(2)의 조립된 상태에 대한 예시적 실시예의 평면도를 도시한다. 상기 평면도는 상기 축상 방향에서 도시된 것이다. 도 2에는 상기 밀봉 링(2)이 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 단면으로 도시된다.

도 3은 밀봉 부재(1)의 베이스 링(3)에 대한 예시적 실시예를 마찬가지로 상기 축상 방향에서 도시하는 평면도이다. 상기 베이스 링(3)은 도 3의 선 Ⅳ-Ⅳ를 따라 단면으로 도 4에 도시된다.

본 발명에 따라, 세그먼트로 분할되는 밀봉 링(2)은 자신의 외주 방향으로 인접하여 배열되는 적어도 두 개의 링 세그먼트(21)를 포함한다. 도 1 및 도 2에 예시되는 예시적 실시예에는 세 개의 링 세그먼트(21)가 제공된다. 밀봉 링(2)이 조립된 상태에서, 각 쌍의 인접한 링 세그먼트(21)는 절단선 또는 접속선(22)을 따라 서로 접촉한다. 링 세그먼트(21)는 각 경우 인접한 링 세그먼트(21) 사이의 절단선(22)이 밀봉 링(2)의 내측 재킷 표면(24)에 대한 접선(23)과 90°가 아닌 교차각(α)을 형성하도록 이루어진다.

본 발명에 따라, 밀봉 링(2)의 축상 높이(H1)는 최대 5.5 mm이고 구체적으로는 2 mm 내지 4.5 mm 사이이다. 축상 높이(H1)는 밀봉 링(2)이 자신의 상기 축상 방향, 즉 자신의 실린더 축 방향을 따라 최대로 연장(maximal extension)되는 외주의 의미로 이해되어야 한다.

밀봉 링(2)이 피스톤 로드(6)의 밀봉용으로 사용되는 경우(도 5 참조), 밀봉 링(2)의 전체 외주를 따라 링 세그먼트(21)에 연장되는 자신의 외측 재킷 표면(27; 도 1 및 도 2 참조)에는 그루브(25)가 제공되는 것이 유리하다. 그루브(25)는 원형의 점선으로 도 1에 표시된다. 호스 스프링(28; 도 5 참조)이 그루브(25) 내부에 놓이고 밀봉 링(2)의 전체 외주를 덮어 둘러싼다. 호스 스프링(28)은 링 세그먼트(21) 상에 피스톤 로드(6)쪽 방향으로 작용하는 바이어스 힘(bias force)을 형성하여, 구체적으로 피스톤 로드(6)의 작동 초기 단계(start-up phase) 동안에 밀봉 링(2)이 충분히 높은 밀봉 작용을 하도록 보장한다.

밀봉 링(2)은 선택적으로 환류(還流; back-flow) 그루브(26)를 가질 수 있으며, 이를 통해 예를 들어 상기 패키징 내의 초과 압력은 흡기 스트로크 동안에 압축실 내부로 방출될 수 있다. 환류 그루브(26)는 각각 방사상 방향으로 내측 재킷 표면(24)으로부터 외측 재킷 표면(27)으로 연장되고, 상기 축상 방향의 깊이는 예를 들어 밀봉 링(2)의 축상 높이(H1)의 대략 4분의 1의 크기이다.

베이스 링(3; 도 3 및 도 4 참조)은 도 1 및 도 2에 따른 세그먼트로 분할된 밀봉 링(2)과 비교하여 단일체의, 이음매 없는, 즉 절단되지 않은 링으로서 이루어진다. 베이스 링(3)은 도 4에 도시되는 바와 같이 예를 들어 직각 단면(rectangular cross sectional surface)을 갖는다. 베이스 링(3)의 축상 높이는 최대 6 mm이고, 구체적으로 대략 4 mm이다. 베이스 링(3)은 조립 상태에서 가급적 작은 간극을 갖지만 비접촉식으로 자신의 상대-작동부에 연장되도록 크기를 갖는다.

도 5는 건식 운전 피스톤식 압축기의 피스톤 로드(6)의 밀봉용 패킹(10) 부분으로서의 본 발명에 따른 상기 밀봉 부재의 예시적 실시예를 도시한다. 작동 상태에서, 피스톤 로드(6)는 참조부호(v)로 제공되는 양방향 화살표에 의해 기호로 나타나는 바와 같이 평균 속도(v)로 전후 이동한다. 이러한 상태에서, 패킹(10)은 고압(p1)이 존재하는 고압 측(압축실; 13)과 저압(p2)이 존재하는 저압 측 사이에서 압력차(p = p1 - p2)를 차단하는 역할을 한다. 패킹(10)은 원래 공지된 방식으로, 연관되는 압축실(13)을 밀봉하도록―예를 들어 나사로 조여짐― 설치되는 두 체임버 링(cahamber ring; 12)에 의해 형성되는 적어도 하나의 밀봉실(sealing chamber; 11)을 포함한다. 밀봉실(11)에는 밀봉 링(2) 및 베이스 링(3)을 구비한 밀봉 부재(1)가 제공되고, 베이스 링(3)은 밀봉 링(2)의 저압 측에 배열된다. 패킹(10)이 직렬 결합(series connection)의 형태, 즉 축상 방향으로 교번하여 배열되는 복수의 밀봉 부재(1)를 또한 당연히 포함할 수 있다는 것은 명백하다. 상기 경우에, 복수의 체임버 링(12)이 또한 제공되어 각 밀봉 부재(1)가 자신의 밀봉실(11)을 가질 수 있다. 명백하게, 패킹(10)은 동압 피크(dynamic pressure peak)를 분산시키기 위해 트로틀(throttle) 또는 리스트릭터 링(restrictor ring)을 또한 포함할 수 있다.

호스 스프링(28)은 링 세그먼트(21)를 서로에 대하여 그리고 피스톤 로드(6)에 대하여 누르는 바이어스 힘을 형성한다. 상기 방법은 특히 상기 압축기의 작동 초기 단계 동안 또는 압력차(p1 - p2)가 없거나 조금만 존재하는 작동 상태에서 밀봉 링(2)의 내측 재킷 표면(24)과 자신의 상대-작동부, 즉 피스톤 로드(6) 사이를 충분히 밀봉 작용하는 것을 보장한다.

상기 단일체이고, 이음매가 없는 베이스 링(3)은 내부 재킷 표면(34; 도 3 및 도 4 참조)이 피스톤 로드(6)에서 약간 이격되도록 하는 크기를 갖는다. 이렇게 함으로써 상기 베이스 링은 가급적 작은 간극을 갖지만 비접촉식으로 피스톤 로드(6)를 에워싸 틈새 링 밀봉(gap ring seal) 원리에 따라 작동하게 된다.

유사한 실시예에서, 밀봉 부재(1)는 건식 운전 피스톤식 압축기의 피스톤(40; 도 6 참조) 밀봉용으로 또한 적합하다. 도 6은 상기 종류의 압축기에 대한 피스톤(40)용 피스톤 밀봉(piston seal)에 대한 예시를 개략적으로, 부분적 단면으로 도시하며, 본 발명에 따른 밀봉 부재(1)를 포함한다. 작동 상태에서, 피스톤(40)은 실린더(41)―여기서 실린더 벽은 실린더 작동 표면(42)을 형성함― 내에서 자신의 종 축(B) 방향으로 참조부호(v)와 함께 화살표에 의해 기호로 나타나는 바와 같이 평균 속도(v)로 전후 이동한다. 그 동안, 피스톤(40)은 고압(p1)이 존재하는 고압 측(압축실; 43)과 저압(p2)이 존재하는 저압 측 사이에서 압력차(p = p1 - p2)를 형성한다. 밀봉 부재(1)는 상기 압력차(p)를 차단하기 위한 피스톤 링으로서 제공된다. 대체로 밀봉 부재(1)는 전술된 것과 유사한 방식으로, 즉 밀봉 링(2) 및 베이스 링(3)과 유사하게 이루어진다. 그러나 피스톤 밀봉으로서 사용되는 경우에는, 밀봉 링(2) 또는 베이스 링(3) 각각의 외측 재킷 표면(27; 도 1 참조) 및 (37; 도 3 참조) 각각은 압력차(p)를 차단하기 위한 역할을 한다. 밀봉 링(2)이 피스톤 밀봉으로서 사용되는 경우, 당연히 그루브(25) 및 호스 스프링(28)을 갖지 않는다. 그러나 전술한 바와 같이 링 세그먼트를 서로에 대하여 그리고 상대-작동부―여기서 상대-작동부는 실린더 작동 표면(42)임―에 대하여 누르도록 바이어스 힘을 형성하기 위해 밀봉 링(2)의 내측 재킷 표면(24)에 예시되지 않은 텐션 스프링(tension spring)을 장치하는 장점을 가질 수 있다.

베이스 링(3)은 실린더 작동 표면(42)과 가급적 작은 간극을 갖지만 비접촉식으로 연장되도록 하는 크기를 갖는다. 피스톤(40)이 조립된 형태, 즉 피스톤(40)을 형성하기 위해 조립하는 동안 상기 피스톤 링과 함께 교번하여(in alternation) 고정되는 복수의 링 체임버를 포함하는 경우, 베이스 링(3; 도 3 및 도 4 참조)은 이 경우에도 단일체, 즉 이음매 없는 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그러나 종래의 그루브를 가진 피스톤에는 여러 부분으로 이루어지는, 즉 복수의 세그먼트를 포함하는 베이스 링이 사용되어야 한다. 이미 전술된 바에 따라, 상기 세그먼트 사이의 절단선은 방사상 방향으로 연장되고, 상기 세그먼트 사이에는 틈새 간극이 제공되지 않는 것이 바람직하다.

상기 피스톤 밀봉에서도 마찬가지로, 교번하여 배열되는 복수의 밀봉 부재(1)가 피스톤 링으로서, 그리고 필요한 경우 가이드 링으로서 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 밀봉 부재(1)가 밀봉 링(2)으로서 피스톤 로드(6)의 밀봉용으로 사용되거나 피스톤(40)의 밀봉용으로 사용되거나 작동 원리에는 차이가 없으므로, 다음 설명은 양자 모두에 대하여 유사하게 적용된다.

조립된 상태에서 인접한 두 링 세그먼트(21) 사이의 절단선(22)이 상기 내측 재킷 표면에 대한 접선(23)과 90°가 아닌 교차각(α)을 형성하도록 하는 링 세그먼트(21; 도 1 참조)의 특수한 형태로 인해, 밀봉 링(2)은 상기 방사상 방향으로 관통 틈새를 갖지 않는다. 상기 압축기가 작동하는 동안, 개별 링 세그먼트(21)는 압력차(p)에 의해 절단선(22)을 따라 함께 눌려지므로 밀봉 링(2)은 상기 방사상 방향 및 축상 방향 모두로 밀봉이 가능하도록 한다. 개별 링 세그먼트(21) 사이에서 가급적 양호한 밀봉을 얻기 위해서는 교차각(α)을 45°미만, 구체적으로 20°미만으로 하는 것이 유리하다. 특히 양호한 밀봉은 교차각(α)이 0°(접선 절단)일 때 얻어질 수 있다. 그러나, 이것은 링 세그먼트(21)의 끝 부분이 얇아져서 손상을 입을 수 있으므로, 대부분의 적용에서는 교차각(α)이 대략 15°가 되는 것이 특히 유리하다.

또한, 작동하는 동안 마모에 대한 보상은 링 세그먼트(21) 사이의 절단선(22) 패스로부터 이루어진다. 마찰면(24) 또는 (27) 각각에서 마멸에 의한 소재의 마모는 링 세그먼트(21)의 자가 조정(self adjustment)에 의해 보상되며, 이것은 상기 링 세그먼트가 이들에게 가해지는 압력을 받은 채 서로 교번하여 놓일 수 있어서 상기 상대-작동부―여기서 상대-작동부는 피스톤 로드(6) 또는 실린더 작동 표면(42)임― 상에 접촉 압력이 남아있도록 하기 때문이다. 상기 마모에 대한 보상을 통해서 밀봉 부재(1)의 운전 수명은 낮은 누출 비율을 유지하면서 상당히 연장될 수 있다.

밀봉 부재(1) 또는, 밀봉 링(2) 및 베이스 링(3) 각각은 대체로 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 또는 에폭시 수지(EP)과 같은 고온 폴리머로 제조되는 것이 바람직하다. 상기의 경우 "대체로"는 건식 운전에 적합하도록 변경하는데 사용되는 상기 고온 폴리머를 의미하고, 여기에 탄소, 흑연, 황화몰리브덴(MoS₂), PTFE 등과 같은 고체 윤활제가 혼합되는 것을 의미한다. 고온 폴리머는 통상의 건식 운전 상태의 온도에서도 기계적으로 높은 강도(고온 강도)를 갖는다. 또한, 상기 고온 폴리머는 실질적으로 콜드 플로가 일어나지 않으므로 예를 들어 보조 링을 필요로 하는 것과 같은 추가적인 방법 없이 고압에서 안정된 형태를 갖는다. 또한, 고온 폴리머는 예를 들어 PTFE보다 상당히 높은 탄성 계수(modulus of elasticity)를 가지므로 밀봉 부재(1)가 높은 강성(stiffness)을 갖는 것과 기계적으로 높은 부하에 견디는 것을 가능하게 한다.

밀봉 링(2) 및 베이스 링(3)은 예를 들어 칩-포밍(chip forming) 기계가공 기술에 의한 공지된 방식으로 플레이트(plate) 또는 바(bar) 형태의 반가공품으로부터 기계가공 될 수 있다. 또는, 사출 성형(injection moulding) 방법의 수단에 의해서도 제조될 수 있다. 특히 사출 성형은 각자 대응되는 모울드에 의해 서로 분리된 개별 링 세그먼트(21)를 또한 제조할 수 있다.

또는, 밀봉 링(2) 및/또는 베이스 링(3)은 예를 들어 산화알루미늄, 산화지르코늄, 탄화규소, 질화규소 등과 같은 공업용 세라믹으로 제조될 가능성도 마찬가지로 바람직하다. 상기 종류의 공업용 세라믹 소재는 매우 높은 내마모성을 가지며, 이를 통해 상기 밀봉 부재의 운전 수명이 한층 더욱 연장될 수 있다.

밀봉 링(2) 및 베이스 링(3)은 동일한 부재로 제조될 수 있으나, 반드시 그래야 할 필요는 없다.

본 발명에 따른 밀봉 부재(1)의 본질적 특징은 밀봉 링(2)의 축상 높이가 최대 5.5 mm의 크기이고, 구체적으로는 2 mm 내지 4.5 mm 사이이다. 링 세그먼트(21) 사이에 비방사상 절단 패스를 가지며 공지된 상기 밀봉 부재와 비교하여 감소된 축상 높이(H1)로 상기 밀봉 부재의 성능에 상당히 큰 증가가 얻어질 수 있다는 것은 놀라운 발견이다. 본 발명에 따른 밀봉 부재는 공지된 밀봉 부재보다 적어도 다섯 배 높은 pv 값에서 장시간 견딜 수 있다. 이것은 건식 운전 피스톤식 압축기에서 상기 피스톤의 평균 속도를 일정하게 유지하면서 200 bar 이상의 최종 압력이 얻어질 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 특히 성능이 크게 증가되었음에도 불구하고 본 발명에 따른 밀봉 부재(1) 상의 마모는 극히 낮으므로 매우 긴 운전 수명, 예를 들어 수천 시간의 작동 시간이 얻어질 수 있는 장점이 있다.

예를 들어 밀봉 링(2)의 축상 높이가 대략 4 mm의 크기를 갖는 경우 140 bar·m/s 이상의 pv 값에서 상기 마찰면에는 낮은 누출 비율과 낮은 온도 사이에 특히 유리한 함수 관계를 갖는 것이 공지되었다.

밀봉 비율이 가급적 낮아지는 것과 관련하여, 상기 기술된 바와 같이 밀봉 링(2) 외에 밀봉 부재(1)가 상기 상대-작동부에 대하여 비접촉식으로 배열되는 베이스 링(3)을 포함하는 경우, 특히 유리하다. 밀봉 링(2) 및 베이스 링(3)의 결합을 통해 밀봉 부재(1)의 누출 비율은 한층 더 감소될 수 있으므로 예를 들어 수소와 같은 매우 경량의 기체를 건식 운전 시스템 내에서 매우 높은 최종 압력으로 압축하는 동안에도, 종래의 밀봉 부재보다 월등한 밀봉 작용이 얻어질 수 있다.

비접촉식으로 작동하는 베이스 링(3)의 축상 높이는 원칙적으로 소정의 원하는 규격으로 제조될 수 있다. 그러나 공간을 절감하기 위해 축상 높이(H2)는 최대 6 mm의 크기이고 구체적으로는 4 mm인 경우가 유리하다. 상기 방법에서 베이스 링(3) 및 밀봉 링(2)이 결합된 전체 축상 높이(H1 + H2)는 특히 바람직한 실시예에서는 단지 대략 8 mm의 크기이다. 이렇게 낮은 전체 높이 덕분에, 표준의 피스톤 로드 밀봉 또는 표준의 피스톤 밀봉과 비교하여 미리 정해된 구조적 공간 내에 보다 많은 밀봉 부재가 수용될 수 있고, 이를 통해 상기 밀봉 부재의 전체 운전 수명이 비교적 크게 연장된다.

본 발명에 따른 상기 밀봉 부재는 건식 운전 시스템에서 매우 높은 pv 값에 장시간 견디고, 단지 매우 낮은 마모 및 낮은 누출 비율을 갖는 데에 있어서 탁월하다.

Claims (13)

1. 자신의 원주 방향으로 인접하여 배열되는 적어도 두 개의 세그먼트(segment; 21)―여기서 두 개의 인접한 세그먼트(21)는 경계선, 또는 밀봉 링(sealing ring; 2)의 내측 재킷 표면(inner jacket surface; 24)에 대한 접선(23)과 90°가 아닌 교차각(α)을 형성하는 절단선(22)을 따라 조립 상태에서 서로 접촉함―로 분할되는 밀봉 링(2)을 포함하는 건식 운전 시스템용, 구체적으로는 건식 운전 피스톤식 압축기(dry running piston compressor)용 밀봉 부재에 있어서,

   상기 밀봉 링(2)이 최대 5.5 mm, 구체적으로는 2 mm 내지 4.5 mm 사이 크기의 축상 높이(axial height; H1)를 갖는 밀봉 부재.
2. 제1항에 있어서,

   상기 밀봉 링(2)이 세 개의 링 세그먼트(21)로 이루어지는 밀봉 부재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 밀봉 링(2)의 축상 높이(H1)가 대략 4 mm의 크기인 밀봉 부재.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 교차각(α)이 최대 45°, 구체적으로는 최대 20°의 크기인 밀봉 부재.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   누출 비율(leakage rate)을 감소시키기 위해 베이스 링(base ring; 3)을 포함하는 밀봉 부재.
6. 제5항에 있어서,

   상기 베이스 링(3)이 단일체(single piece)로, 구체적으로는 이음매 없이(endless), 즉 간극 없이(gapless) 이루어지는 밀봉 부재.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,

   상기 베이스 링(3)이 최대 6 mm, 구체적으로는 대략 4 mm의 축상 높이(H2)를 갖는 밀봉 부재.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 밀봉 링(2) 및/또는 베이스 링(3)이 실질적으로 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 또는 에폭시 수지(EP)과 같은 고온 폴리머로 제조되는 밀봉 부재.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 밀봉 링(2) 및/또는 베이스 링(3)이 산화알루미늄, 산화지르코늄, 탄화규소, 또는 질화규소와 같은 공업용 세라믹으로 제조되는 밀봉 부재.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 밀봉 부재(1)를 포함하는 건식 운전 피스톤 로드의 밀봉용 패킹(10).
11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 밀봉 부재(1)를 포함하는 건식 운전 피스톤식 압축기용 피스톤 링.
12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 밀봉 부재(1)를 구비하는 피스톤식 압축기.
13. 140 bar·m/s 이상의 pv 값에서 작동될 수 있는 건식 운전 피스톤식 압축기 내의 피스톤 로드(6) 및/또는 피스톤(40)을 밀봉하기 위한 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 밀봉 부재의 용도.