KR20090023093A - 다중-리브형 키리스 커플링 - Google Patents

Abstract

밀봉 없는 펌프에 원심 샤프팅 부품을 연결하기 위한 키리스 커플링 조립체는 제1 샤프팅 부재, 제2 샤프팅 부재 및 복수의 토오크 스트립을 포함한다. 제1 샤프팅 부재는 환형 본체와, 환형 본체 내에 배치된 내부 표면을 포함한다. 제2 샤프팅 부재는 원통형 본체와 외부 표면을 포함한다. 원통형 본체는 제1 샤프팅 부재의 내부 표면 내에 배치된다. 외부 표면은 원통형 본체를 둘러싸고 내부 표면에 대면한다. 제1 샤프팅 부재와 제2 샤프팅 부재 사이의 상대적인 회전을 방지하기 위한 회전 방지 그루브를 형성하기 위하여 외부 표면과 내부 표면 사이에 복수의 토오크 스트립이 위치된다.

다중 리브, 키리스 커플링 조립체, 내부 구동 조립체, 부싱, 자기 구동 원심 펌프

Description

다중-리브형 키리스 커플링 {MULTI-RIBBED KEYLESS COUPLING}

본 발명은 샤프트 커플링에 관한 것이며, 특히 자기 구동 펌프(magnetic-drive pump)에 사용되는 커플링에 관한 것이다.

자기 구동 펌프는 파워 서플라이(power supply)에 연결되는 건조 부분과 작업 매질(working matter)의 공급원과 연결되는 습윤 부분을 포함한다. 건조 부분을 밀봉할 필요성을 방지하고 습윤 부분이 작업 매질과 직접 접촉하여 위치될 수 있도록, 건조 부분으로부터 습윤 부분을 격리시키는 밀봉된 쉘(shell) 내에 습윤 부분이 분리식으로 수용된다. 건조 부분은 전형적으로 자기 외부 구동부(magnetic outer drive)를 회전시키는 전기 구동 모터를 포함하는 반면, 습윤 부분은 전형적으로 자기 내부 구동부(magnetic inner drive)에 연결된 원심 임펠러(centrifugal impeller)를 포함한다. 내부 구동부가 습윤 부분의 밀봉된 쉘을 통해 외부 구동부에 자기적으로 결합되도록 내부 구동부는 외부 구동부 내에 동심적으로 배치된다. 따라서, 외부 구동부가 전기 모터에 의해 구동될 때, 작업 매질을 펌핑하도록 임펠러를 돌리기 위해 내부 구동부가 회전한다. 따라서, 내부 구동부를 포함하는 습윤 부분은 작업 매질에 직접적으로 노출된다. 또한, 작업 매질은 슬리브형 부 싱(sleeve-type bushing)과 함께 비회전 샤프트에 대한 임펠러의 회전을 용이하게 하기 위한 윤활로써 사용될 수 있다. 습윤 부분을 밀봉할 필요성을 감소시키고 부식성 재료와 함께 펌프의 사용을 가능케 하기 위하여, 임펠러, 비회전 샤프트 및 슬리브형 부싱을 포함한 습윤 부분의 작동 부품들은 중합체 또는 수지와 같은 내식성 재료 내에 수용되거나 내식성 재료로 구성된다.

전형적인 내부 구동 조립체에서, 샤프트는 회전하지 않도록 습윤 부분 하우징에 견고하게 장착되고, 부싱은 회전이 가능하도록 샤프트 위에 끼워진다. 그런 다음 내부 구동부가 외부 구동부에 의해 회전할 때, 가공 유체를 펌핑하기 위하여 임펠러가 구동되도록, 부싱은 내부 구동부와 임펠러에 견고하게 연결된다. 전형적으로, 부싱은 억지 끼워 맞춤(force fit) 또는 키 연결(keyed connection)을 통해 내부 구동부에 연결된다. 그러나, 키 연결은 조립 전에 부싱과 내부 구동부가 축방향 및 반경 방향으로 적절히 정렬되는 것을 필요로 한다. 또한, 키 연결은 키 연결의 미끄러짐(slippage)과 파손(failure)의 잠재성을 감소시키기 위하여 기밀한 공차를 필요로 한다. 또한 억지 끼워 맞춤 연결도 필요한 토오크를 내부 구동부로부터 부싱으로 전달하기 위하여 기밀한 공차를 필요로 하며, 이는 또한 억지 끼워 맞춤을 분해하기 어렵게 만든다. 키 연결 또는 억지 끼워 맞춤 연결을 포함하는 내부 구동 조립체는 연결에 필요한 기밀한 공차를 제작하기 위하여 상승된 제조 비용을 유발한다. 또한, 키 연결과 억지 끼워 맞춤 연결은 각각의 베어링과 각각의 내부 구동부가 각각의 특정 펌프에 대해 개별적으로 정합되는 것을 필요로 하며, 이는 표준화된 부품의 상호 교환 가능성을 불가능하게 한다. 추가적으로, 키 연결과 억지 끼워 맞춤 연결과 관련된 조립 및 분해 관계는 펌프의 보수 수행의 부담을 증가시킨다. 예컨대, 자석이 소자되는(demagnetized) 경우, 때때로 내부 구동부를 교체할 필요가 있다. 그러므로, 제조의 용이성, 반복 가능성 및 상호 교환성을 용 이하게 하면서, 또한 부식성 작업 매질 및 밀봉 없는 펌프 디자인과의 양립 가능성도 유지하는 커플링이 필요하다.

본 발명은 동심의 샤프팅 부품을 연결하기 위한 키리스 커플링 조립체에 관한 것이다. 일 실시예에서, 키리스 커플링 조립체는 제1 샤프팅 부재, 제2 샤프팅 부재 및 복수의 토오크 스트립을 포함한다. 제1 샤프팅 부재는 환형 본체와 환형 본체 내에 배치된 내부 표면을 포함한다. 제2 샤프팅 부재는 원통형 본체와 외부 표면을 포함한다. 원통형 본체는 제1 샤프팅 부재의 내부 표면 내에 배치된다. 외부 표면은 원통형 본체를 둘러싸고 내부 표면에 대면한다. 제1 샤프팅 부재와 제2 샤프팅 부재 사이의 상대적인 회전을 방지하기 위한 회전 방지 그루브를 형성하기 위하여 외부 표면과 내부 표면 사이에 토오크 스트립이 위치된다.

따라서 회전 방지 그립은 편리함, 낮은 비용, 그리고 동심의 샤프팅 부재의 결합 및 상대적인 회전을 제한하기 위한 효과적인 수단을 제공한다. 제조 비용을 상승시키는, 기밀한 공차를 구비한 키 슬롯(key slot)을 기계 가공할 필요없이 회전 방지 그립은 샤프팅 부재의 정합 표면 내에 쉽게 제조된다. 따라서, 부싱과 내부 구동부의 더 높은 상호 교환 가능성이 달성된다. 회전 방지 그립은 또한 두 부재를 정렬 또는 클로킹(clocking)할 필요없이 한 샤프팅 부재의 다른 샤프팅 부재 내로의 초기 삽입을 용이하게 한다. 회전 방지 그립은 원심 펌프 및 다른 샤프팅 용례에 공통적으로 관련된 토오크 부하를 전달할 수 있는 긴밀하고 견고한 연결을 제공한다. 회전 방지 그립은 또한 재조립을 가능케 하는 방식으로 샤프팅 부품의 빠르고 쉬운 재조립을 가능케 한다.

도1은 본 발명의 키리스 샤프팅 커플링이 사용된 자기 구동 원심 펌프(10)를 도시한다. 펌프(10)는 습윤 부분(12), 건조 부분(14) 및 자기 커플링 조립체(16)를 포함한다. 습윤 부분(12)은 임펠러 부분(20), 입구(22) 및 출구(24)를 포함한 습윤 하우징(18)을 포함한다. 건조 부분(14)은 자기 커플링 조립체(16) 내에 위치된 자기 구동 커플링을 통해 임펠러 부분(20) 내의 임펠러와 결합된 구동 모터(26)를 포함한다. 펌프(10)는 공정 유체 또는 어떤 다른 그러한 작업 매질을 빨아들여 입구(22)에서 습윤 하우징(18) 내로 견인되도록 구성되고, 이에 따라서 공정 유체가 다른 위치로 이송될 수 있도록 임펠러 부분(20) 내의 임펠러는 공정 유체를 출구(24) 내로 가속시킨다. 예컨대, 펌프(10)는 공정 유체를 펌프(10) 아래에 위치된 섬프(sump)로부터 펌프(10) 위에 위치된 저장 탱크로 이송하기 위해 이용될 수 있다.

자기 커플링 조립체(16)는 습윤 하우징(18)을 구동 모터(26)와 연결하는 커플링 하우징(28)을 포함한다. 자기 커플링 조립체(16) 내에, 모터(26)의 구동 샤프트에 연결된 외부 구동부는 습윤 하우징(18) 내의 고정식 샤프트에 대하여 회전하는 내부 구동부와 자기적으로 결합된다. 모터(26)로부터의 토오크가 임펠러로 전달되도록 내부 구동부가 임펠러에 연결된다. 하우징(18)을 통해 유동하는 공정 유체가 건조 부분(14)으로부터 격리되도록 외부 구동부는 습윤 하우징(18) 내의 차 단부에 의해 내부 구동부로부터 분리된다. 따라서, 건조 부분을 공정 유체로부터 밀봉할 필요성이 부족하기 때문에 펌프(10)는 또한 밀봉 없는 펌프(sealless pump)라고도 불린다. 따라서, 임펠러가 안전하고 위생적인 방식으로 공정 유체와 직접적으로 접촉하도록 위치될 수 있기 때문에, 펌프(10)는 산(acids)과 같은 유해하거나 위험한 공정 유체 또는 식품과 함께 자주 사용된다. 펌프(10)의 내식성과 위생적인 성질을 더 용이하게 하고 자기 커플링 간섭을 감소시키기 위하여, 습윤 부분(즉, 공정 유체와 접촉하기 위해 내부로 들어가는 부분)은 내식성, 비금속 재료로 만들어진다. 특히, 내부 구동부 내의 자석을 공정 유체로부터 격리시키기 위해 내부 구동부는 중합체 재료 내에 수납된다. 내부 구동부는 도2에 더 잘 도시된 바와 같이, 중합체 재료로 둘러싸인 부싱을 통해 고정식 샤프트에 장착된다.

도2는 자기 구동 조립체(16)에 의해 연결된 원심 펌프(10)의 습윤 부분(12)과 건조 부분(14)의 단면 개략도를 도시한다. 습윤 부분(12)은 습윤 하우징 내에 배치된 입구(22), 출구(24), 내부 구동 조립체(30), 그리고 쉘(32)을 포함한다. 습윤 부분(12)은 또한 그리고 습윤 하우징(18)의 임펠러 부분(20) 내에 배치된 임펠러(34), 드러스트 링(36) 및 드러스트 베어링(38)도 포함한다. 건조 부분(14)은 구동 모터(26), 커플링 하우징(28), 모터 샤프트(40), 외부 구동부(42) 및 외부 자석 조립체(44)를 포함한다. 내부 구동 조립체(30)는 샤프트(46), 부싱(48) 및 내부 구동부(50)를 포함한다. 작업 매질(W)이 한 위치에서 다른 위치로 이송될 수 있도록 펌프(10)는 축(A)에 대하여 작업 매질(W)을 원심적으로 가속시키기 위한 수단을 포함한다. 작업 매질(W)은 제조 또는 식품 가공 설비에 전형적으로 사용되는 유체 또는 어떤 그러한 다른 재료를 포함한다. 작업 매질(W)은 임펠러(34)가 작업 매질(W)에 접선 가속(tangential acceleration)을 가하는 입구(22)에서 습윤 하우징(18)으로 들어가고, 따라서 작업 매질(W)을 출구에서 하우징(18) 밖으로 구동시킨다. 임펠러(34)는 쉘(32)을 통해 외부 구동부(42)에 자기적으로 결합된 내부 구동 조립체(30)에 의해 구동된다. 외부 구동부(42)는 작업 매질(W)의 특정한 유체 성질에 기초하여 펌프(10)의 양호한 출력에 적당한 속도로 샤프트(40)를 회전시키는 구동 모터(26)에 의해 구동된다. 내부 구동 조립체(30)는 임펠러(34)에 연결되며 부싱(48) 상의 샤프트(46)에 대하여 회전하도록 구성된 내부 구동부(50)를 포함한다. 내부 구동부(50)는 본 발명의 키리스 커플링을 통해 부싱(48)에 장착된다.

일 실시예에서, 자전 모터(magneto-electric motor)를 포함하는 구동 모터(26)는 전력원에 연결되고 구동 샤프트(34)에서 전력 입력을 기계적인 샤프트 동력 출력으로 전환한다. 커플링 하우징(28)은 구동 모터(26)를 습윤 부분(12)의 습윤 하우징(18)에 연결한다. 커플링 하우징(28)은 구동 모터(26) 및 예컨대 나사 가공된 체결구들[threaded fasteners(52)]을 구비한 습윤 하우징(18)에 연결된다. 커플링 하우징(28)은 펌프(10)를 위한 구조재(structural frame)를 제공할 뿐만 아니라 자기 커플링 조립체(16)가 배치된 밀봉된 수납부를 또한 제공하는 원통형 쉘을 포함하며, 따라서 외부 구동부(42)와 구동 모터(26)의 작동 측을 잠재적으로 거친 작동 환경으로부터 격리시킨다. 일 실시예에서, 습윤 하우징(18)과 커플링 하우징(28)은 주철(cast iron), 스테인리스 스틸, 합금 또는 다른 금속들로 구성된다. 외부 구동부(42)는 예컨대 조인트[joint(51)]에서의 키 연결(키는 미도시)을 통해 모터 샤프트(40)와 연결된다. 외부 구동부(42)는 외부 자석(44)이 안으로 장착된 환형 실린더를 포함한다. 따라서, 구동 모터(26)가 출력 샤프트(40)를 구동시킬 때 외부 자석 조립체(44)는 펌프 중심선(A)에 대해 회전된다. 외부 구동부(42)는 또한 내부 구동 조립체(30)를 수용하기 위한 크기로 만들어진다. 내부 구동 조립체(30)의 내부 구동부(50)는 외부 구동부(42)의 외부 자석 조립체(44)와 자기 커플링을 형성하는 자석의 환형 링을 포함한다. 따라서, 구동 모터(26)가 내부 구동 조립체(30)에 대하여 외부 자석 조립체(44)를 회전시킬 때, 내부 구동부(50)는 습윤 하우징(18) 내의 중심선(A)에 대해 임펠러(34)를 회전시킨다.

습윤 하우징(18)은 내부 구동 조립체(50)가 외부 구동부(42)와 상호 작용하도록 배치된 환형 본체를 포함하고, 임펠러(34)는 입구(22)에서 작업 매질(W)을 수용하도록 배치된다. 내부 구동부(30)가 샤프트(46)에 대하여 임펠러(34)를 회전시킬 수 있도록 내부 구동 조립체(50)는 습윤 하우징(18) 내의 샤프트(46) 상의 중심선(A)에 대하여 배치된다. 임펠러(34)는 들어오는 작업 매질(W)과 반응하는 복수의 나선형 블레이드를 포함한 환형 디스크를 포함한다. 임펠러(34)는 입구(22)로부터 작업 매질(W)을 수용하기 위한 큰 축방향 개구(opening)와, 작업 매질(W)을 출구(24)로 분산시키기 위한 긴 환형 개구를 포함한다. 외부 구동부(42)가 내부 구동부(30)를 회전시킬 때, 임펠러(34)는 습윤 하우징(18)의 플랜지(56)에 연결된 파이프를 통해서와 같이 작업 매질(W)을 축방향 개구 내로 빨아들인다. 작업 매질(W)은 임펠러(34)를 통해 이어져 있으며 출구의 펌프(10)로부터 예컨대 습윤 하우징(18)의 플랜지(58)에 연결된 파이프 내로 방출된다.

샤프트(46)는 쉘(32)과 드러스트 링(36)에 의해 펌프(10) 내에 고정된다. 예컨대, 샤프트(46)는 쉘(32)과 드러스트 링(36) 내의 보어 내에 가압 끼워(press fit) 맞춤된다. 쉘(32)의 외주연은 습윤 하우징(18)과 커플링 하우징(28) 사이에 클램핑된다. 드러스트 링(36)은 입구(22) 내에 배치되고 환형 디스크를 포함하며 환형 디스크를 통해 작업 매질(W)이 펌프(10)로 들어가는 것을 가능케 한다. 드러스트 링(36)은 하우징(18) 내에 드러스트 베어링(38)을 지지하는 것을 돕는다. 드러스트 베어링(38)은 임펠러(34)가 회전하도록 허용된 축방향 주행 표면을 제공한다. 따라서 임펠러(34), 내부 구동부(50) 및 부싱(48)이 샤프트(46)에 대하여 회전하도록 쉘(32), 드러스트 링(36) 및 샤프트(46)는 펌프(10)의 작동 중에 습윤 하우징(18)에 의해 고정 상태로 유지된다. 외부 구동부(42)와 내부 구동 조립체(30) 사이에 차단부를 제공하기 위해, 쉘(32)은 또한 내부에 내부 구동 조립체(30)가 위치된 돔 같은(dome-like) 환형 본체를 포함한다. 마찬가지로, 내부 구동 조립체(30)와 임펠러(34)가 밀봉되고 위생적이며 내식성인 챔버(chamber) 내에 캡슐화되도록 습윤 하우징(18)의 내부는 라이닝[lining(54)]이 이어져 있다. 일 실시예에서, 쉘(32), 라이닝(54) 및 드러스트 링(36)은 강도를 위하여 탄소 섬유 충전재를 구비한 에틸렌-테트라-플루오로-에틸렌[ethylene-tetra-fluoro-ethlene(ETFE)]와 같은 비전도성 플라스틱 수지로 구성된다. 마찬가지로, 펌프(10)의 다른 습윤 부분은 내식성 재료 그 자체로 구성되거나 내식성 재료 내에 캡슐화된다. 샤프트(46)는 세라믹, 실리콘 카바이드(silicon carbide), 텅스텐 카바이드(tungsten carbide), 알루미나(alumina), 보크사이트(bauxite), 지르코니아(zirconia), 스테 인리스 스틸, 단조 알루미늄(forged aluminum) 또는 기타 등등과 같은 고강도이고 내식성이며 내구성이 있는 재료로 구성된다. 임펠러(34)는 폴리아크릴로니트릴[polyacrylonitrile(PAN)] 탄소 섬유와 ETFE의 혼합물과 같은 섬유 보강 플라스틱으로 구성된다. 따라서, 이물 부재가 작업 매질(W)의 유동에 들어갈 위험을 감소시키면서 파이프라인으로 직접적으로 통합될 수 있는 밀봉된 유동 경로가 작업 매질(W)에 제공된다. 또한 샤프트(46)에 대한 부싱(48)의 회전을 윤활시키고 용이하게 하기 위하여 작업 매질(W)은 임펠러(34)를 통해 순환된다. 예컨대, 작업 매질(W)은 샤프트(46) 상에 위치된 축방향 그루브(59)를 따라 부싱(48)의 내부 직경으로 들어가는 것이 허용된다.

세 개의 부품이 샤프트(46)에 대해 일치하게 회전하도록 임펠러(34)는 부싱(48)과 내부 구동 조립체(50) 모두에 연결된다. 부싱(48)은 샤프트(46)에 대한 부싱(48)의 회전을 용이하게 하는 마모성 표면(wear surface)을 갖는 베어링을 포함한다. 내부 구동부(50)는 토오크를 부싱(48)과 임펠러(34)로 전달하기 위한 자석 및 다른 수단을 포함한다. 내부 구동부(50)는 본 발명의 키리스 커플링을 통해 부싱(48)에 연결된다.

도3은 부싱(48)과 임펠러(34)에 장착되었을 때 내부 구동부(50)의 사시 단면도를 도시한다. 부싱(48)은 반경 베어링(60), 스페이서(62) 및 슬리브(64)를 포함한다. 내부 구동부(50)는 요크(66), 구동 링(68), 자석(70), 스페이서(72) 및 외부 쉘(74)을 포함한다. 임펠러(34)는 베인[vanes(76)]을 포함한다. 베인(76)은 임펠러(34) 내의 반경 개구를 통해 연장되는 나선형 유동 디버터(helical flow diverter)를 포함한다. 임펠러(34)는 펌프(10)를 통해 작업 매질(W)을 가속시키기 위하여 베인(76)을 이용한다. 작업 매질(W)은 또한 전형적으로 샤프트(46) 내의 축방향 그루브를 통해 부싱(48)의 내부 직경과 결합하는 것이 허용된다(도2).

부싱(48)은 작업 매질(W)을 윤활제로 이용하는 두 개의 저어널(journal) 또는 슬리브형 베어링을 포함한다. 일 실시예에서, 부싱(48)은 부분 유체 역학적 막 윤활을 이용하며, 유체 역학적 막 윤활에서 부싱(48)의 표면을 윤활시키기 위하여 샤프트(46)와 베어링(48) 사이에 작업 매질(W)의 박막이 제공된다. 반경 베어링(60)과 스페이서(62)는 전형적으로 반응 없이 작업 매질(W)과 접촉할 수 있도록 불활성 재료로 구성된다. 일 실시예에서, 반경 베어링(60)은 실리콘 카바이드(silicon carbide)를 포함하고, 스페이서(62)는 테프론(teflon)을 포함한다. 반경 베어링(60)은 고정식 샤프트(46)에 대하여 회전하는 내마모성 표면을 제공한다. 그러나, 부싱(48)이 샤프트(46) 위에 끼워질 때 반경 베어링(60) 사이에 포켓이 형성되도록 스페이서(62)는 반경 베어링(60)보다 약간 큰 내부 직경을 갖는다. 부싱(48)에 부분적인 지지를 제공하기 위한 박막 베어링이 형성되도록 작업 매질(W)은 스페이서(62)와 샤프트(46) 사이의 이러한 포켓 내에 갇힌다. 스페이서(62)는 작업 매질(W)이 순환하는 저저항 표면을 제공한다. 전형적으로, 샤프트(46)와 반경 베어링(60)의 내부 직경 표면 사이에 약 0.003 인치(inch)[~0.00762 센티미터(cm)]의 간극이 제공되도록 부싱(48)은 샤프트(46) 위에 끼워진다. 반경 베어링(60)과 스페이서(62)의 외부 직경은 슬리브(64) 내에 수용된다. 슬리브(64)는 또한 반응 없이 작업 매질(W)과 접촉할 수 있도록 불활성 재료로 구성된다. 그러 나, 슬리브(64)는 또한 내부 구동부(50)로부터 전달된 토오크를 수용하기에 적절한 재료로 구성되어야만 한다.

내부 구동부(50)는 외부 구동부(42)에 의해 가해지는 토오크를 임펠러(34)와 부싱(48)으로 전달하고, 요크(66), 구동 링(68), 자석(70), 스페이서(72) 및 외부 쉘(74)을 포함한다. 요크(66)는 내부 구동부(50)를 위한 구조상의 보강 부재를 제공한다. 요크(66)는 전형적으로 주철 또는 스틸과 같은 자성 금속을 포함한다. 구동 링(68)과 함께, 요크(66)는 또한 조인트(78)에서 임펠러(34)의 노치(notch) 내로 삽입되는 플랜지를 제공한다. 요크(66)의 바닥은 외부 쉘(74)과 서로 맞물린 연결(intermeshed connection)을 제공하기 위하여 리지(ridge)된다. 요크(66)는 상부에 자석(70)과 스페이서(72)를 장착하기 위한 플랫폼을 제공한다. 자석(70)은 외부 구동부(42)의 외부 자석 조립체(44)와 자기적으로 상호 작용할 수 있도록 외부 구동부(42)(도2) 내에 끼워지기 위해 크기 설정된 자석의 환형 어레이를 포함한다. 자석(70)과 외부 자석 조립체(44)는 전자석, 희토류 자석, 철계 금속 또는 기타 등등과 같은 적절한 임의의 자기 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 자석(70)은 외부 구동부(42)의 외부 자석 조립체(44)와 상호 작용하기 위한 금속을 포함하는 토오크 링을 포함한다. 작업 매질(W)로부터 요크(66), 토오크 링(68) 및 자석(70)을 격리시키기 위해 내부 구동부(50)는 외부 쉘(74)에 수용된다. 외부 쉘(74)은 샤프트(46)에 대하여 회전하도록 구성된 부싱(48)을 수용하기 위한 내부 직경을 갖는 환형 부재를 포함한다. 따라서, 구동부(50)의 외부 쉘(74)은 부싱(48)의 슬리브(64)와 견고하게 결합된다. 구체적으로, 부싱(48)과 내부 구동 조 립체(50) 사이의 상대적인 회전을 방지하기 위하여, 내부 구동부(50)는 내부 구동부(50) 내로 파고 들어간 복수의 파지 부재(gripping member)를 포함하는 부싱(48) 위에 가압 끼워 맞춤 된다.

도4는 본 발명의 키리스 커플링의 회전 방지 그립(80)이 도시된 펌프(10)의 부싱(48), 내부 구동부(50) 및 임펠러(34)의 분해도이다. 임펠러(34)는 전면 시라우드[front shroud(77A)]와 후면 시라우드(77B) 사이의 펌프(10)를 통해 작업 매질(W)을 가속시키기 위한 베인(76)을 포함한다. 임펠러(34)는 또한 내부 구동부(50) 상의 복수의 노치(84)와 연결하기 위한 복수의 돌기(82)를 포함한다. 돌기(82)와 노치(84)는 도3에 도시된 것처럼 조인트(78)를 형성하기 위해 함께 억지 끼워 맞춤된다. 내부 구동부(50)는 또한 내부 표면(88)을 포함하는 중심 보어(86)를 포함한다. 내부 구동부(50)가 일반적으로 환형의 형상을 갖는 일반적으로 매끄럽고 밀봉된 본체를 형성하도록 내부 구동부(50)는 외부 쉘(74)에 수용된다. 유사하게, 부싱(48)이 일반적으로 외부 표면(90)을 구비한 원통형 형상을 갖는 일반적으로 매끄러운 본체를 형성하도록 부싱(48)의 외부 직경은 외부 슬리브(64)로 둘러싸인다. 부싱(48)은 또한 샤프트(46)를 수용하도록 크기 설정된 내부 보어(92)를 포함한다.

외부 표면(90)은 표면(90)으로부터 반경 방향으로 연장되는 돌출부를 포함한 회전 방지 그립(80)을 포함한다. 내부 구동부(50)의 내부 보어(86) 내로의 부싱(48)의 완전한 삽입 중에, 회전 방지 그립(80)이 외부 표면(90)과 내부 표면(88) 사이에 배치되도록 외부 표면(90)은 내부 표면(88)에 인접한다. 슬리브(64)와 내 부 표면(88) 사이에 간극 끼움(clearance fit)이 생기도록 외부 슬리브(64)의 외부 직경이 크기 설정된다. 다른 실시예에서, 보어(86) 내로의 부싱(64)의 삽입 중에 느슨한 억지 끼워 맞춤이 생기도록 외부 슬리브의 외부 직경은 내부 보어(86)의 직경보다 약간 크다. 회전 방지 그립(80)이 내부 표면(88)과 결합하도록 부싱(48)이 보어(86) 내로 충분히 밀어질 때, 더 긴밀한 억지 끼워 맞춤 연결이 형성되도록 회전 방지 그립(80)의 높이가 정해진다. 회전 방지 그립(80)이 시작하기 전에 부싱(46)의 어느 단부에서든지 부싱(46)이 내부 보어(86) 내로 더 쉽게 삽입되기 위해서 회전 방지 그립(80)은 슬리브(64)의 단부 표면으로 연장되지 않는다. 예컨대, 일 실시예에서, 회전 방지 그립은 슬리브(64)의 약 60퍼센트에 걸쳐 연장된다. 추가적으로 부싱(46)이 임의의 반경 방위의 내부 보어(86) 내로 끼워지도록 외부 표면(90)과 내부 표면(88)은 원의 형태가 된다. 이는 부싱(48)을 내부 구동부(50)와 반경 방향으로 정렬할 필요를 제거함으로써 쉬운 조립을 용이하게 한다. 게다가, 내부 구동 조립체(30)의 유지 또는 보수가 쉽게 수행되도록 부싱(48)은 보어(88)로부터 반복적으로 제거될 수 있다.

도5는 도4의 한 회전 방지 그립(80)의 근접도를 도시한다. 회전 방지 그립(80)의 구체적인 형상, 개수 및 구조는 펌프에 사용된 구체적인 설계 파라미터들로 구성된다. 예컨대, 회전 방지 그립(80)의 설계는 마찰 계수와 같은, 슬리브(64)와 외부 쉘(74)의 물성에 따라 내부 구동부(50)로부터 부싱(48)으로 소정의 토오크를 전달하기 위해 선택된다. 회전 방지 그립(80)의 설계는 또한 부싱(46)이 내부 구동부(50) 내로 삽입되기 위해 필요한 소정의 힘을 달성하기 위해 선택될 수 있다. 도시된 실시예에서, 회전 방지 그립(80)은 부싱(48)의 길이를 따라 축방향으로 배치된 긴 스트립을 포함한다. 이러한 긴 스트립의 특정한 구조를 위하여, 여덟 개의 회전 방지 그립은 슬리브(64)의 외부 표면 영역을 중심으로 고르게 이격된다. 따라서, 부싱(46)이 보어(88) 내에 자기 정렬(self-align) 하거나 또는 자신을 중심에 두도록 슬리브(64)는 대칭 단면을 갖는다. 도3 및 도4의 실시예에 대하여, 긴 스트립은 약 0.015 인치(inches)[~0.0381 센티미터(cm)]의 높이와 약 0.075 인치(inches)[~0.1905 센티미터(cm)]의 폭을 갖는다. 전술된 바와 같이, 회전 방지 그립(80)은 슬리브(64)의 단부 표면으로 연장되지 않는다. 도시된 실시예에서, 회전 방지 그립(80)은 약 1/2 인치(inch)[~1.27 센티미터(cm)]만큼 슬리브(64)의 에지에 미치지 않는다. 슬리브(64)와 외부 쉘(74)은 20 퍼센트(%) 탄소 충전을 갖는 ETFE로 구성된다. 그러나, 다른 실시예에서, 외부 쉘(74)과 슬리브(64)는 폴리테트라플루오로에틸렌[polytetrafluoroethylene(PTFE)]과 같은 고강도, 내식성의 다른 중합체 재료로 구성된다. 부하 중에 회전 방지 그립(80)의 전단(shearing)을 방지하기 위한 강도를 증진하기 위하여 탄소 충전 또는 그러한 다른 유사한 첨가물이 슬리브(64) 및 쉘(74) 내에 포함된다. 회전 방지 그립(80)은 슬리브(64) 내로 성형되거나 기계 가공될 수 있는 반면 쉘(74)은 매끄러운 상태로 남겨지므로 회전 방지 그립(80)의 사용은 슬리브(64) 및 쉘(74) 모두의 내부로 정밀 키웨이(keyways)를 기계 가공할 필요성을 제거한다. 그러나, 다른 실시예에서 회전 방지 그립(80)은 쉘(74) 내에 만들어질 수 있는 반면 슬리브(64)는 매끄러운 상태로 남겨진다. 어느 실시예에서나, 회전 방지 그립(80)은 미끄러지지 않는 결 합을 만들기 위해 정합 매끄러운 표면(mating smooth surface)을 변형시킨다.

도6은 제2 본체(102)의 표면(100)과 결합하기 위하여 회전 방지 그립(94)이 제1 본체(98)의 표면(96)으로부터 연장되는 본 발명의 실시예를 도시한다. 제1 본체(96)와 제2 본체(102)는 동심 부분의 커플링에서 발견될 수 있는 임의의 전형적인 샤프팅 부품을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 본체(98)는 하나의 샤프트를 포함하고, 제2 본체(102)는 하나의 샤프트 소켓(socket)을 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 본체(98)는 쉘(74)을 포함하고, 제2 본체(102)는 슬리브(64)를 포함한다. 제1 본체(98)와 제2 본체(102)는 한 본체가 다른 본체 내에 동심적으로 배치되도록 함께 끼워진다. 따라서, 표면(96)은 표면(100)과 인접한다. 일 실시예에서, 제1 본체(98)과 제2 본체(102)는 두 본체 사이에 간극이 제공되지 않도록 함께 억지 끼워 맞춤된다. 다른 실시예에서, 도6과 같이, 표면(96)과 표면(100) 사이에 갭(gap)이 남겨지도록 간극 끼워 맞춤이 제공된다(도6에 도시된 갭은 예시의 목적으로 과장된 것이다). 아무튼, 제2 본체(102)에 제1 본체(96)를 끼우는 것은 회전 방지 그립(94)이 표면(100)을 변형시키게 한다. 구체적으로, 회전 방지 그립(94)은 그렇지 않았더라면 매끄러웠을 표면(100) 내에 주름 형성을 가한다. 제1 본체(98)와 제2 본체(102) 사이의 상대적인 회전을 억제하기 위해 주름들은 회전 방지 그립(94)과 결합한다. 마찬가지로, 억지 끼워 맞춤 연결은 표면(98)이 회전 방지 그립(94)을 압축하게 하면서, 그립(94)의 둥근 에지를 야기한다. 추가적으로, 그립(94)이 약간 압축되면서, 또한 슬리브(64)를 쉘(74)과 체결한다. 억지 끼워 맞춤 연결이 제거되는 대로, 표면(100)과 그립(94)이 대체로 변형 이전의 상태로 돌아오도록 이러한 변형은 주로 탄성적이다. 제1 본체(98)와 제2 본체(102)에 의해 유지된 몇몇의 잔류 소성 변형이 있다. 그러나, 소성 변형은 제1 본체(98)와 제2 본체(102)의 재조립을 막는다는 점에서 제한적이다. 예컨대, 그립(94)의 에지가 둥근 상태로 남을 수 있고, 표면(100)에 약간의 만곡부가 남을 수 있다. 그러나, 제1 본체(98)와 제2 본체(102)가 다시 커플링하는 대로 새로운 억지 끼워 맞춤이 형성되도록, 그립(94)의 높이는 표면(100) 내에 남아있는 소성 만곡부 보다 대체로 높다.

다양한 실시예에서, 회전 방지 그립(94)의 구조와 개수는 과속 상태의 경우에 제1 본체(98)와 제2 본체(102) 사이의 미끄러짐을 허용하도록 구성된다. 예컨대, 펌프(10)(도2)의 경우, 구동 모터(26)는 펌프가 작동되도록 설계된 속도를 넘어서서 돌아가도록 과도한 힘이 가해질 수 있고, 이는 임펠러(34)가 라이닝(54) 또는 쉘(32)과 바람직하지 않은 접촉을 하게 할 수 있다. 따라서, 회전 방지 그립(94)은 문턱 수준을 넘어서서 발생하는 미끄러짐과 함께, 최대 양의 토오크를 전달하도록 설계될 수 있다. 그러나, 회전 방지 그립(80)을 설계할 때, 슬리브(64)와 쉘(74)의 잠재적인 용융(fusing)과 체결(lock-up)을 피하기 위해 슬리브(64)와 쉘(74)의 재료의 온도 제한에 특히 주의해야만 한다. 따라서, 적절한 인장의 억지 끼워 맞춤을 구비한 바람직한 양의 토오크와 미끄러짐을 가능케 하는 억지 끼워 맞춤의 능력 사이의 균형이 달성되어야 한다.

따라서 회전 방지 그립(94)은 편리함, 낮은 비용, 그리고 동심의 샤프팅 부재의 결합 및 상대적인 회전을 제한하기 위한 효과적인 수단을 제공한다. 제조 비 용을 상승시키는, 기밀한 공차를 구비한 키 슬롯을 기계 가공할 필요없이 회전 방지 그립(94)은 샤프팅 부재의 정합 표면 내에 쉽게 제조된다. 따라서, 부싱(46)과 내부 구동부(50)의 더 높은 상호 교환 가능성이 달성된다. 회전 방지 그립(94)은 또한 두 부재를 정렬 또는 클로킹할 필요없이 한 샤프팅 부재의 다른 샤프팅 부재 내로의 초기 삽입을 용이하게 한다. 회전 방지 그립(94)은 원심 펌프 및 다른 샤프팅 용례에 공통적으로 관련된 토오크 부하를 전달할 수 있는 긴밀하고 견고한 연결을 제공한다. 회전 방지 그립(94)은 또한 재조립을 가능케 하는 방식으로 샤프팅 부품의 빠르고 쉬운 재조립을 가능케 한다.

본 발명이 양호한 실시예를 참조하여 기술되었더라도, 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 기술 사상과 범위를 벗어나지 않고 형태와 세부사항에 변화가 가해질 수 있음을 인식할 것이다.

도1은 본 발명의 키리스 샤프팅 커플링이 사용된 자기 구동 원심 펌프를 도시한다.

도2는 내부 구동 조립체를 도시한 도1의 원심 펌프의 단면 개략도이다.

도3은 도2의 원심 펌프의 내부 구동 조립체의 사시 단면도를 도시한다.

도4는 본 발명의 키리스 커플링의 회전 방지 그립이 도시된 도3의 내부 구동 조립체의 분해도를 도시한다.

도5는 도4로부터의 회전 방지 그립의 근접도를 도시한다.

도6은 본 발명의 회전 방지 그립과 함께 결합된 두 개의 샤프팅 부재를 도시한다.

Claims (24)

1. 밀봉 없는 펌프 내에 동심의 샤프팅 부품을 연결하기 위한 키리스 커플링 조립체이며,

   환형 본체와, 환형 본체 내에 배치된 내부 표면을 포함하는 제1 샤프팅 부재와,

   제1 샤프팅 부재의 내부 표면 내에 배치된 원통형 본체와, 원통형 본체를 둘러싸고 내부 표면에 대면한 외부 표면을 포함한 제2 샤프팅 부재와,

   제1 샤프팅 부재와 제2 샤프팅 부재 사이의 상대적인 회전을 방지하기 위한 회전 방지 그루브를 형성하도록 제2 샤프팅 부재의 외부 표면과 제1 샤프팅 부재의 내부 표면 사이에 위치된 복수의 토오크 스트립을 포함하는 키리스 커플링 조립체.
2. 제1항에 있어서, 복수의 토오크 스트립은 원통형 본체의 외부 표면 상에 위치되고 회전 방지 그루브는 환형 본체의 내부 표면 내에 형성되는 키리스 커플링 조립체.
3. 제1항에 있어서, 복수의 토오크 스트립은 환형 본체의 내부 표면 상에 위치되고 회전 방지 그루브는 원통형 본체의 외부 표면 내에 형성되는 키리스 커플링 조립체.
4. 제1항에 있어서, 제2 샤프팅 부재의 원통형 본체는 제1 샤프팅 부재의 내부 표면 내에 억지 끼워 맞춤되는 키리스 커플링 조립체.
5. 제4항에 있어서, 복수의 토오크 스트립은 억지 끼워 맞춤 내의 환형 본체와 원통형 본체 사이에 압축되는 키리스 커플링 조립체.
6. 제4항에 있어서, 환형 본체의 내부 표면과 원통형 본체의 외부 표면은 변형 가능하고 내식성인 중합체 재료로 코팅되는 키리스 커플링 조립체.
7. 제6항에 있어서, 중합체 재료 코팅은 억지 끼워 맞춤 내에서 소성적으로 및 탄성적으로 변형되는 키리스 커플링 조립체.
8. 제1항에 있어서, 복수의 토오크 스트립은 키리스 커플링의 중심 축을 따라 지향된 긴 리브들을 포함하는 키리스 커플링 조립체.
9. 제5항에 있어서, 긴 리브들은 외부 표면과 내부 표면 사이의 결합부의 전체 길이보다 적게 걸쳐서 연장된 키리스 커플링 조립체.
10. 자기 구동 펌프용 내부 구동 조립체이며,

    펌프의 임펠러와의 연결을 위한 구동 본체와, 구동 본체 내로 연장되는 내부 보어를 포함하는 내부 구동부와,

    펌프 내의 고정식 샤프트를 수용하기 위한 부싱 본체와, 내부 보어 내로 끼워지도록 크기가 정해진 외부 표면과, 외부 표면을 중심으로 위치된 복수의 그리퍼를 포함하는 부싱을 포함하며,

    내부 보어 내의 부싱 본체의 회전이 억제되도록 복수의 그리퍼가 내부 보어를 따라 구동 본체를 변형시키기 위하여 부싱의 부싱 본체가 구동 본체의 내부 보어 내로 삽입될 수 있는 자기 구동 펌프용 내부 구동 조립체.
11. 제10항에 있어서, 구동 본체는

    자기 중심부와,

    자기 중심부를 중심으로 형성된 변형 가능한 쉘을 포함하는 자기 구동 펌프용 내부 구동 조립체.
12. 제10항에 있어서, 부싱 본체는

    내부 보어 내로의 삽입을 위해 구성된 외부 변형 가능한 쉘과,

    고정식 샤프트에 대해 회전하도록 구성된 내부 베어링 재료를 포함하는 자기 구동 펌프용 내부 구동 조립체.
13. 제10항에 있어서, 부싱 본체가 임의의 상대적인 반경 방향 회전 위치를 가지면서 내부 구동부 내로 삽입될 수 있도록 내부 보어와 외부 표면이 원형인 자기 구 동 펌프용 내부 구동 조립체.
14. 제10항에 있어서, 복수의 그리퍼가 긴 리브들을 포함하는 자기 구동 펌프용 내부 구동 조립체.
15. 제14항에 있어서, 긴 리브들이 부싱 본체의 중심 축을 따라 지향되는 자기 구동 펌프용 내부 구동 조립체.
16. 제10항에 있어서, 그리퍼가 부싱 본체의 제1 축방향 단부 및 제2 축방향 단부로부터 축방향으로 변위되는 자기 구동 펌프용 내부 구동 조립체.
17. 제10항에 있어서, 억지 끼워 맞춤을 형성하기 위하여 복수의 그리퍼가 내부 보어 내로 압축되는, 자기 구동 펌프용 내부 구동 조립체.
18. 제10항에 있어서, 내부 구동부의 내부 보어는 변형되지 않은 상태에서 매끄러운 표면을 포함하는 자기 구동 펌프용 내부 구동 조립체.
19. 자기 구동 원심 펌프이며,

    입구, 출구 및 내부를 포함하는 하우징과,

    하우징의 내부 내에 배치된 고정식 샤프트와,

    고정식 샤프트에 대해 동심적으로 배치된 내부 베어링과, 내부 베어링을 덮는 외부 슬리브와, 외부 슬리브의 외부 표면 주위에 위치된 복수의 그리퍼를 포함하는 부싱 조립체와,

    부싱 조립체에 대해 동심적으로 배치된 내부 자석 조립체와, 내부 구동 자석 조립체를 덮는 외부 쉘을 포함하며, 부싱 조립체와 내부 구동부 사이의 상대적인 회전을 방지하기 위하여 외부 쉘을 따라서 존재하는 복수의 그리퍼가 외부 쉘을 변형시키도록 내부 자석 내에 내부 베어링이 동심적으로 배치되는 내부 구동부와,

    내부 구동부의 구동을 위한 외부 자석 조립체를 가지면서 내부 구동부에 대해 동심적으로 배치된 외부 구동부와,

    하우징 입구로부터 작업 매질을 수용하고 작업 매질을 하우징 출구로 안내하기 위해 내부 구동부에 연결된 임펠러를 포함하는 자기 구동 원심 펌프.
20. 제19항에 있어서, 외부 슬리브가 외부 쉘 내에 억지 끼워 맞춤 되는 자기 구동 원심 펌프.
21. 제20항에 있어서, 외부 쉘이 그리퍼를 압축하는 자기 구동 원심 펌프.
22. 제20항에 있어서, 외부 쉘 및 외부 슬리브가 억지 끼워 맞춤 내에서 소성적으로 그리고 탄성적으로 변형되는 자기 구동 원심 펌프.
23. 제20항에 있어서, 그리퍼는 외부 슬리브의 외부 표면을 따라 축방향으로 연장되는 긴 스트립을 포함하고, 긴 스트립은 외부 표면의 전체 길이보다 적게 걸쳐서 연장되는 자기 구동 원심 펌프.
24. 제20항에 있어서, 외부 쉘과 외부 슬리브는 변형 가능하고 내식성인 중합체 재료를 포함하는 자기 구동 원심 펌프.

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