KR20090127162A - 동적 샤프트 시일 및 동적 샤프트 시일의 설치방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축방향으로 뻗어 있는 환형 활주면을 따라서 동적 시일을 형성하는 샤프트 시일 및 이 샤프트 시일의 설치 방법을 제공한다. 상기 샤프트 시일은 고정 하우징에 연결되도록 구성된 장착 부분 및 오일측 단부와 공기측 단부 사이에서 뻗어 있는 환형 밀봉면을 가지고 있는 시일 립을 가지고 있다. 상기 밀봉면은 샤프트 활주면을 따라서 축방향으로 뻗어 있도록 구성되어 있다. 환형 브리지 부분이 상기 시일 립을 상기 장착 부분에 연결시킨다. 설치하는 동안 또는 사용시에 상기 시일 립이 예기치 않게 펼쳐지는 것을 방지하기 위해 복수개의 웨브가 상기 브리지 부분과 장착 부분 사이에서 대체로 반경방향으로 뻗어 있다. 부차적인 작업을 요하지 않고서 샤프트 시일을 하우징과 샤프트 둘레에 설치하기 위해서 고리가 사용될 수 있다.

환형 활주면, 동적 시일, 샤프트 시일, 고정 하우징, 오일측 단부, 공기측 단부, 환형 밀봉면, 시일 립, 환형 브리지 부분, 웨브

Description

동적 샤프트 시일 및 동적 샤프트 시일의 설치방법{DYNAMIC SHAFT SEAL AND METHOD OF INSTALLATION THEREOF}

본 발명은 대체로 오일 시일에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부 고정 하우징과 중심 회전 샤프트 사이에 시일을 형성하는 오일 시일에 관한 것이다.

고정 하우징과 회전 샤프트 사이에 유체밀봉 시일(fluid tight seal)을 형성하는 샤프트 시일은 잘 알려져 있다. 시일과 회전 샤프트 사이의 마찰의 영향을 최소화하면서 유체밀봉 시일을 얻기 위해 계속적인 노력이 행해지고 있다. 몇가지 샤프트 시일은 가터 스프링(garter spring)을 사용하여 시일의 시일 립이 샤프트와 밀봉 결합된 상태로 유지되는 것을 용이하게 한다. 비록 이러한 타입의 시일은 유용한 것으로 판명될 수 있지만, 대체로 이러한 타입의 시일은 관련된 제조 공정과 스프링의 재료 비용으로 인해 전체적인 비용의 증가를 초래한다. 또한, 이러한 타입의 시일은 스프링을 수용하기 위한 공간적인 요건의 증가를 초래할 수 있고, 부가적으로, 대체로 시일 조립체의 무게를 증가시킨다.

공지된 다른 샤프트 시일 구성에서는, 리버스 시일 립(reverse seal lip) 구성이 제공되는데, 이 경우에 시일 립은 샤프트와 맞닿는 밀봉면을 가지고 있고 역방향으로 되접힌 힌지 부분은 조립된 상태에서 시일 립과 겹치는 관계로 대체로 평 행하게 놓인다. 이 시일은 시일 립의 밀봉면을 샤프트와 밀봉 결합 상태로 유지하기 위해서 역방향으로 되접힌 구성의 힌지 부분에 크게 의존한다. 비록 이러한 구성은 사용시에 비교적 최소의 마찰을 가지는 밀봉 시일을 형성하는데 유용한 것으로 판명될 수 있지만, 조립하는 동안과 사용시에 있어서 잠재적인 문제점을 가지고 있다. 조립하는 동안, 시일 립의 밀봉면과 샤프트 사이에서 과도한 마찰이 발생하면 힌지 부분이 펼쳐질 수 있다. 이러한 문제가 발생하면, 시일을 제거하고 제거한 시일 대신에 새로운 시일을 설치할 것을 요한다. 이러한 문제점이 발견되지 않은 경우에는, 샤프트와 하우징 사이에 시일이 형성되지 않게 되어, 누출과 관련된 문제가 발생한다. 또한, 시일이 제대로 설치되어 있더라도, 사용시에 힌지 부분이 펼쳐질 수 있고, 이로 인해 누출 문제가 초래될 수 있다. 사용시에 힌지 부분이 펼쳐지는 것을 유발하는 한 가지 요인은 시일의 공기측에 비해 오일측에 작용하는 압력이 증가하는 것이다. 오일측에서 압력이 지나치게 커지면, 힌지 부분이 펼쳐질 때까지 시일의 공기측 방향으로 힌지 부분이 가압될 수 있다. 이와 같이, 이러한 타입의 시일은 조립시와 사용시에 잠재적인 문제점을 가지고 있다.

본 발명의 한 실시형태에 따르면, 축방향으로 뻗어 있는 환형 활주면(running surface)을 따라서 동적 시일을 형성하는 샤프트 시일이 제공된다. 상기 샤프트 시일은 고정 하우징에 연결되도록 구성된 장착 부분과 시일 립을 가지고 있고, 상기 시일 립은 시일 립의 오일측 단부와 공기측 단부 사이에 뻗어 있는 환형 밀봉면을 가지고 있다. 상기 밀봉면은 상기 활주면을 따라서 축방향으로 뻗어 있도록 구성되어 있다. 환형 브리지 부분이 상기 시일 립을 상기 장착 부분에 연결시킨다. 복수개의 웨브가 상기 브리지 부분과 장착 부분 사이에서 대체로 반경방향으로 뻗어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 고정 하우징에 연결되도록 구성된 장착 부분과 시일 립을 가지고 있고, 상기 시일 립은 시일 립의 오일측 단부와 공기측 단부 사이에 뻗어 있는 받침면(backing surface) 및 환형 밀봉면을 가지고 있으며, 상기 밀봉면은 회전 샤프트의 활주면을 따라서 축방향으로 뻗어 있도록 구성되어 있다. 환형 힌지 구역이 상기 시일 립 위에 역방향으로 되접힌 상태로 시일 립의 오일측으로부터 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있고, 환형 포켓이 상기 힌지 구역의 한쪽과 시일 립의 받침면 사이에 형성되어 있다. 환형 리세스가 상기 장착 부분과 마주 대하는 상기 힌지 구역의 반대쪽과 상기 장착 부분 사이에 형성되어 있다. 복수개의 보강 웨브가 상기 힌지 구역과 상기 장착 부분 사이의 상기 리세스 전체에 걸쳐서 뻗어 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 하우징의 보어 내부와 샤프트 둘레에 샤프트 시일을 설치하는 설치 방법이 제공된다. 상기 샤프트 시일은 장착 부분과 시일 립을 가지고 있고, 상기 시일 립은 시일 립의 오일측 단부와 시일 립의 공기측 단부 사이에서 뻗어 있는 받침면 및 이 받침면 반대쪽의 환형 밀봉면을 가지고 있다. 환형 힌지 구역이 상기 시일 립의 받침면 위에 역방향으로 되접힌 상태로 시일 립의 오일측으로부터 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있다. 환형 포켓이 상기 힌지 구역과 상기 시일 립의 받침면 사이에 형성되어 있고, 환형 리세스가 상기 힌지 구역과 상기 장착 부분 사이에 형성되어 있다. 상기 설치 방법은 소정의 외경을 가진 고리를 제공하는 단계와 샤프트 시일을 하우징의 보어와 대체로 동심상으로 정렬시키는 단계를 포함한다. 또한, 상기 고리를 상기 환형 포켓 속으로 들어가게 상기 시일에 대해 축방향으로 이동시켜서 시일 립의 오일측 단부가 반경방향 바깥쪽으로 이동되게 한다. 그리고 나서, 상기 고리가 환형 포켓 내에 있는 상태에서 시일의 장착 부분을 하우징의 보어 속으로 가압한다. 그 다음에, 상기 고리가 환형 포켓 내에 있는 상태에서 샤프트를 시일에 대해 축방향으로 밀봉면 아래로 이동시킨다. 마지막으로, 고리를 환형 포켓으로부터 빠져나오게 시일에 대해 축방향으로 이동시켜서 시일 립의 밀봉면이 샤프트의 활주면과 맞닿게 한다.

바람직한 실시예와 최적 모드의 상세한 설명, 첨부된 청구항 및 도면과 함께 고려하면 본 발명의 상기 실시형태, 특징 및 장점과 본 발명의 다른 실시형태, 특징 및 장점을 쉽게 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 한 실시형태에 따라 구성된 시일의 부분 사시도이고;

도 2는 설치되기 전의 상태로 도시된 도 1의 시일의 단면도이고;

도 3은 설치된 상태로 도시된 도 1의 시일의 단면도이고;

도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시형태에 따라 구성된 시일의 부분 사시도이고;

도 5 내지 도 7은 설치된 상태로 도시된 부가적인 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라 구성된 시일의 단면도이고;

도 8은 설치되기 전의 상태로 도시된 본 발명의 바람직한 다른 실시형태에 따라 구성된 시일의 단면도이고;

도 9는 설치된 상태로 도시된 도 8의 시일의 단면도이고; 그리고

도 10 내지 도 17은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 시일을 하우징 내부와 샤프트 상에 설치하는 방법을 나타내고 있다.

도면을 보다 상세하게 살펴보면, 도 1 내지 도 3은 도 1 내지 도 3에서 부재번호 10으로 표시된 샤프트 시일의 한 실시예를 나타내고 있다. 샤프트 시일(10)은 구조적으로 강성인 각을 이룬 장착 칼라부(12)를 포함하고 있고, 상기 장착 칼라부(12)는 샤프트 시일(10)을, 예를 들면, 엔진의 크랭크 케이스와 같은 고정 하우징(14)에, 상세하게는 크랭크 샤프트와 같은 회전가능한 샤프트(18)가 통과하는 고정 하우징(14)의 개구(16) 둘레에 장착하기에 적합하게 구성되어 있다. 기본 시일 립(20)은 중간에 놓인 브리지 부분(22)에 의해 장착 칼라부(12)에 연결되어 있다. 복수개의 보강 리브 즉 웨브(24)가 브리지 부분(22)과 장착 칼라부(12)의 사이에 놓여서 샤프트 시일(10) 둘레의 원주방향으로 이격된 위치에서 브리지 부분(22)을 장착 칼라부(12)에 연결시킨다. 상기 웨브(24)는 기본 시일 립(20)에 대해 반경방향의 양호한 유연성과 탄성을 제공하면서, 시일 조립체(10)에 축방향의 강성을 제공하는 보강 스포크(spoke)로서의 역할을 수행한다. 이러한 축방향의 강성은, 시일 조립체(10)가 샤프트(18) 위에 설치될 때 브리지 부분(22)이 뒤집혀질 가능성을 최소화하거나 완전히 배제시킴으로써 샤프트 시일(10)을 설치하는데 도움이 된다. 따라서, 샤프트 시일(10)은, 필요에 따라, 공구를 사용하지 않고서 샤프트(18) 둘레와 하우징(14) 내에 설치될 수 있다. 이와 달리, 샤프트 시일(10)은, 필요에 따라, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 독창적인 조립 방법을 이용하여 공구 메카니즘의 사용을 통해 설치될 수 있다.

장착 칼라부(12)는 구조적으로 견고한 강성 구성요소(26)를 포함하고 있다. 이 강성 구성요소(26)는 샤프트 시일(10)의 나머지 다른 부분보다 더 견고한 재료로 만들어져 있다. 상기 강성 구성요소(26)는 샤프트 시일(10)을 하우징(14) 내에 장착하는데 도움이 되고 장착 칼라부(12)의 전체적인 구조적 강성을 증가시킨다. 상기 강성 구성요소(26)는 장착 칼라부(12)에 충분한 강성을 부여하고 장착 칼라부(12)를 의도한 방식으로 하우징(14)에 장착될 수 있게 하기에 적합한 다수의 형상 중에서 임의의 형상을 취할 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서는, 강성 구성요소(26)가 축방향의 단면상으로 대체로 직사각형 형상을 하는 하나의 환형 링의 형태이다. 그러나, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 샤프트 시일(110, 210, 310, 410)은 각각 열쇠 고리와 같은 감긴 이중 원형 링(126)(도 4), 하나의 원형 링(226)(도 5), 스탬핑가공된 금속 링 구조체(326)(도 6) 또는 링과 유사한 구조체(426)(도 7)를 포함하는 것과 같은 대체 구조의 강성 구성요소를 가질 수 있고, 상기 대체 구조의 강성 구성요소는 연속적이거나 단절된 링으로 이루어 질 수 있고, 예를 들어, 튜브형 빌릿(tubular billet)에서 링을 잘라냄으로써 만들어질 수 있다. 강성 구성요소에 적합한 것으로서 다 수의 형상이 도시되어 있지만, 이들은 단지 예시일 뿐이며, 상기의 구성 또는 적절한 강도와 구조적인 강성을 시일(10)에 제공하기에 적합한 임의의 다른 구성을 포함할 수 있다.

강성 구성요소(26)는 원주방향으로 연속이며 엔드리스형의 재료로 만들어지거나, 환형 링으로 감긴 한 가닥의 재료로 만들어질 수 있는 금속 및/또는 비금속 강성 코어(28)로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 장착 칼라부(12)에 축방향 및 반경방향의 강성과 양호한 후프 강도(hoop strength)를 부여한다. 상기 강성 코어(28)는 고무 등과 같은 엘라스토머 재료로 된 환형 블록 또는 보디(30)에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 오버몰드될 수 있다. 엘라스토머로 된 보디(30)는 장착 칼라부(12)에 탄성을 제공하고, 상기 강성 코어(28)는 장착 칼라부(12)에 구조적인 강성을 제공한다.

장착 칼라부(12)는 하우징(14)의 보어(32)속으로 압입되도록 구성되어 있다. 상기 코어(28)는 장착 칼라부(12)의 외경(outer diameter)부에서 노출될 수 있고, 그 결과 보어(32)의 벽에 직접 맞닿을 수 있거나, 하우징(14)과 샤프트 시일(10) 사이에 유체밀봉 시일의 형성을 조장하고 강화하기 위해서 코어(28)가 엘라스토머로 된 얇은 층에 의해 덮혀질 수 있다. 안정적인 유체밀봉 시일의 형성을 보다 촉진시키기 위해서, 장착 칼라부(12)가 하나 이상의 환형 리브(34)와 같은 보어 유지부 및 시일 강화부를 더 포함할 수 있고, 상기 하나 이상의 환형 리브(34)는 엘라스토머 재료로 된 보디(30)와 동일한 엘라스토머 재료로 만들어질 수 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 두개 이상의 리브(34)가 포함되어 있는 경우에는, 인접하는 리브(34)들 사이에 환형 채널(36)이 형성되어 있다. 따라서, 반경방향의 압축을 받아서 리브(34)가 적어도 부분적으로 탄성 변형되는 경우에는, 시일 조립체(10)와 하우징(14)의 보어(32) 사이에 반경방향의 고정 유체밀봉 시일이 완성된다. 상기 유체밀봉 시일은 인접한 리브(34)들 사이에 형성된 완전히 폐쇄된 환형 밀봉 채널(36)을 가짐으로써 강화된다. 어떤 이유로, 유체 또는 오염물이 리브(34)들 중의 하나를 지나서 누출되면, 이 유체 또는 오염물은 각각의 채널(36) 내에 포획될 수 있으므로, 이웃한 리브(34)를 넘어서 시일 조립체(10)를 완전히 통과하는 것이 방지될 수 있다.

샤프트 시일(10)은 브리지 부분(22)에 의해 강성 구성요소(26)로부터 반경방향 안쪽으로 이격되어 있는 기본 시일 립(20)을 포함하고 있다. 설치된 상태에서, 샤프트 시일(10)은 도 3에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이 유체측 또는 오일측(O)과 축방향으로 반대쪽의 외기측 또는 공기측(A)을 가지고 있다. 기본 시일 립(20)은 샤프트(18)의 외경 활주면(40) 둘레를 밀봉하는 밀봉면(38)과 반대쪽의 받침면(42)을 가진 칼라와 유사한 형상을 하고 있다. 본 실시예에서는, 브리지 부분(22)이 시일 립(20)의 유체측 단부(44)에서 기본 시일 립(20)에 연결된다. 시일 립(20)은 유체측 단부(44)로부터 축방향으로 반대쪽의 공기측 단부(46)로 뻗어 있다. 유체측 단부(44)에서 시일 립(20)이 브리지 부분(22)에 연결되어 있는 것과는 별도로, 시일 립(20)은 받침면(42)이 임의의 지지부, 스프링 또는 장착 칼라부(12)에 대한 연결부가 없도록 시일 립의 길이를 따라서 지지되어 있지 않다. 도 2에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 칼라와 유사한 형상의 기본 시일 립(20)은, 이 완된 미설치 상태에서, 시일 립(20)이 공기측 단부(46)에서보다 유체측 단부(44)에서 더 큰 직경을 가지도록 약간 깔때기 형상 또는 절두체(frustum) 형상으로 형성될 수 있다. 이완된 상태에서의 기본 시일 립(20)의 이러한 절두체 형상은, 샤프트 시일(10)을 보어(32) 내부와 샤프트(18) 둘레에 설치할 초기에 샤프트(18)의 자유 단부(48)에 약간 폭이 넓은 입구(mouth)를 형성하도록 약간의 테이퍼(taper) 형상을 제공한다.

도 1 내지 도 3의 실시예에 도시되어 있는 바와 같이, 브리지 부분(22)은 힌지 구역(50)을 가지고 있고, 상기 힌지 구역(50)은 유체측 단부(44)로부터 뻗어나와, 시일 립(20)의 받침면(42) 위에 놓여 있지만 시일 립(20)의 받침면(42)에 대해 반경방향 바깥쪽으로 이격된 관계로 시일 립(20)의 공기측 단부(46)쪽으로 기본 시일 립(20) 위로 되접히게 뻗어 있다. 브리지 부분(22)은 또한 반경방향의 환형 레그(52)를 가지고 있고, 상기 반경방향의 환형 레그(52)는 힌지 구역(50)으로부터 변이하여 브리지 부분(22)의 힌지 구역(50)이 장착 칼라부(12)에 연결되도록 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있다. 역방향으로 뻗은 즉 역방향으로 되접힌 힌지 구역(50)은 기본 시일 립(20)을 지지하는 환형 힌지로서의 역할을 한다. 역방향으로 되접힌 힌지 구역(50)은 매우 부드럽고 반경방향으로 유연하기 때문에, 설치하는 동안 기본 시일 립(20)은 샤프트(18)와의 초기 정렬을 위해 반경방향으로 움직일 수 있고, 샤프트(18)가 보어(32)의 축에 대해 축방향으로 약간 오정렬될 수 있는 경우(예를 들면, 샤프트 런아웃(run out) 상태)에 있어서 설치후 사용시에 샤프트(18)와 함께 반경방향으로 이동하거나 움직일 수 있다.

힌지 구역(50)이 역방향으로 되접힌 것에 의해 2 개의 피벗 또는 힌지 포인트 즉 힌지 구역이 제공되는데, 제 1 힌지 구역(54)은 기본 시일 립(20)과 연결되는 만곡된 연결부에 있는 힌지 구역(50)의 선행 오일측(O)에 배치되어 있고, 제 2 힌지 구역(56)는 시일 조립체(10)의 공기측(A)을 향하여 제 1 힌지 구역(54)으로부터 축방향으로 이격되어 있다. 축방향으로 이격되어 있는 것에 더하여, 제 1 힌지 구역(54)과 제 2 힌지 구역(56)은 서로 반경방향으로 이격될 수도 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 힌지 구역(50)은, 시일 립(20)과 힌지 구역(50) 사이에 오목한 환형 포켓(57)을 형성하기 위해 힌지 구역(50)이 시일(10)의 공기측(A)의 방향으로 시일 립(20)으로부터 멀어지도록, 조립되었을 때 기본 시일 립(20)에 대하여 예각 α을 형성할 수 있다. 조립되었을 때 상기 예각 α은 90도보다 작고 바람직하게는 45도보다 작으며 약 5도 내지 30도의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다.

환형 포켓 또는 리세스(58)가 역방향으로 뻗은 힌지 구역(50)과 장착 칼라부(12)의 보디(30) 사이에 형성되어 있다. 역방향으로 뻗은 힌지 구역(50)은 장착 칼라부(12)와 반경방향으로 일치되어 있지만 리세스(58)에 의해 장착 칼라부(12)로부터 이격되어 있다. 복수개의 리브 또는 웨브(24)가 리세스(58)를 가로질러 뻗어서 힌지 구역(50)을 장착 칼라부(12)에 연결시킨다. 상기 웨브(24)는 브리지 부분(22)의 반경방향의 레그(52)에 연결될 수도 있다. 상기 웨브(24)는 역방향으로 뻗은 힌지 구역(50)의 외주부의 길이를 따라서 원주방향으로 이격된 위치에 형성되어 있다. 한 가지 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 웨브(24)는 각각 시일(10)의 외주부 둘레에서 서로 동일한 간격으로 이격되어 있다. 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 인접한 웨브(24)의 쌍이 시일(10)의 외주부 둘레에서 서로 동일한 간격으로 이격되어 있다. 따라서, 시일(10)의 외주부 둘레로 시일(10)을 반경방향으로 가압하는데 필요한 힘은 대체로 일정하거나 균일하다. 상기한 바와 같이, 웨브(24)는, 기본 시일 립(20)과 힌지 구역(50)의 반경방향의 양호한 유연성을 유지하면서, 역방향으로 뻗은 힌지 구역(50)의 부분에서 시일 조립체(10)에 축방향의 강성을 제공한다. 웨브(24)에 의해 부여된 축방향의 강성은 시일 조립체(10)가 샤프트(18) 위에 설치될 때 힌지 구역(50)이 뒤집혀질 가능성을 최소화하거나 완전히 배제시킨다. 도 2와 도 3를 대비시킴으로써 알 수 있는 바와 같이, 기본 시일 립(20)의 선행하는 유체 또는 오일측 단부(44)가 먼저 샤프트(18)의 모따기가공된 노우즈(nose)(60)로 가이드된 다음 외경 샤프트 활주면(40)상으로 가이드될 때, 축방향 힘이 시일 조립체(10)의 공기측(A)의 방향으로 기본 시일 립(20)에 가해진다. 상기 축방향의 힘은 기본 시일 립(20)을 공기측(A)의 방향으로 당기거나 미는 경향을 가지고 있다. 기본 시일 립(20)과 힌지 구역(50)에 의해 형성된 선회부(convolute)는, 힌지 구역(50)이 펼쳐져서 공기측(A)에 대하여 반대 방향으로 배치되거나 향해질 수 있을 정도로 충분히 멀리 축방향으로 당겨져서, 역방향으로 뻗은 힌지 구역(50)과 이 역방향으로 뻗은 힌지 구역(50)으로 인해 형성된 환형 리세스(58)를 제거할 수 있는 가능성이 있다. 그러나, 축방향의 설치하는 힘이 공기측 방향으로 시일 립(20)과 힌지 구역(50)에 작용할 때에는, 웨브(24)가 장력을 받게되어 시일 립(20)과 힌지 구역(50)을 각각 제위치에 유지시킨다. 따라서, 기본 시 일 립(20)은 힌지 구역(50)에 대하여 역방향으로 되접힌 형상으로 유지되므로, 설치하는 동안이나 사용하는 동안에 이러한 극심한 축방향의 변위가 발생하는 것이 방지된다.

도 1에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 웨브(24)는 힌지 구역(50)의 반경방향의 외측 표면(62)과 장착 칼라부(12) 사이에 뻗어 있다. 상기 웨브(24)는 본 명세서에서, 하나의 예시로서, 인접하는 웨브(24)가 서로에 대해 대체로 거울상의 관계로 구성되도록 대체로 Z자 형상 및/또는 S자 형상인 것으로 도시되어 있다. 웨브(24)는 반경방향의 내측 레그(64)와 반경방향의 외측 레그(66) 그리고 측방향으로 뻗은 중간 레그(68)를 가지고 있고, 상기 측방향으로 뻗은 중간 레그(68)는 반경방향의 내측 레그(64)와 반경방향의 외측 레그(66)에 각각 부착되어 있으며 반경방향의 내측 레그(64)와 반경방향의 외측 레그(66) 사이에 뻗어 있다. 부재명이 의미하는 바와 같이, 반경방향의 내측 레그(64)와 반경방향의 외측 레그(66)는 대체로 반경방향으로 뻗어 있고, 측방향으로 뻗은 중간 레그(68)는 반경방향의 내측 레그(64)와 반경방향의 외측 레그(66)를 서로 연결시키기 위해 대체로 원주방향으로 뻗어 있다. 반경방향의 내측 레그(64)와 반경방향의 외측 레그(66)는 힌지 구역(50)과 장착 칼라부(12) 사이에 소정량의 반경방향의 강도를 제공하고, 측방향으로 뻗은 중간 레그(68)는 설치하는 동안과 사용하는 동안에 힌지 구역(50)과 장착 칼라부(12) 사이에 약간의 상대적인 반경방향의 운동을 허용하기 위해 주로 힌지 구역(50)과 장착 칼라부(12) 사이에 소정량의 유연성 및 컴플라이언스(compliance)를 제공하는 역할을 담당한다. 상기 중간 레그(68)는 장착 칼라부(12) 및 힌지 구 역(50)으로부터 이격되어 있으며, 본 명세서에서는, 하나의 예시로서, 장착 칼라부(12)와 힌지 구역(50) 사이에서 동일한 간격으로 이격되어 있는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 힌지 구역(50) 및 장착 칼라부(12)는 시일 립 밀봉면(38)과 샤프트 활주면(40) 사이에 유체밀봉 시일을 유지하면서도, 샤프트(18)와 하우징(14) 및/또는 일그러진 원형(out-of-round)의 샤프트 활주면(40) 사이의 어느 정도의 반경방향의 오정렬을 조절할 수 있다.

장착 칼라부(12)의 엘라스토머 보디(30), 브리지 부분(22) 및 기본 시일 립(20) 모두는 동일한 엘라스토머 재료로 일체형으로 성형될 수 있다. 대체 실시형태로서, 기본 시일 립(20)은 밀봉면(38) 상에 PTFE 라이너(liner)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

기본 시일 립(20)은 밀봉면(38)에 형성된 다양한 형상부를 더 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 3은 밀봉면(38)에 성형된 일련의 유체역학적 형상부(70)를 나타내고 있고, 상기 유체역학적 형상부(70)는 기본 시일 립(20) 아래로 스며드는 오일을 시일(10)의 오일측(O)쪽으로 되돌아가게 펌핑함으로써 기본 시일 립(20)의 밀봉성을 향상시키도록 작용한다.

상기 유체역학적 형상부(70)는 하나 또는 복수개의 개시부를 가진 나선형 그루브 또는 리지(ridge); 즉, 연속적이거나 가변적인 단면을 가진 동심 그루브 또는 리지(여기서, 동심이란 서로 축방향으로 이격되어 있는 복수개의 원주방향으로 연속인 개별 그루브 또는 리지가 있는 것을 의미함); 단속적인 유체역학적 보조부를 가진 동심 그루브 또는 리지; 또는 오목하게 들어가거나 볼록하게 돌출된 단속적인 유체역학적 보조부, 그리고 바람직한 다른 구성으로 형성될 수 있다.

기본 시일 립(20)의 공기측 단부(46)로부터 뻗어 있는 것은 기본 시일 립(20)을 만들기 위해서 사용된 것과 동일한 엘라스토머로 만들어진 오염물 차단 립(72)이다. 이 오염물 차단 립(72)은 샤프트 활주면(40)과 맞닿은 상태로 놓여 있거나 일정한 간격만큼 샤프트 활주면(40)으로부터 약간 이격되어 놓여 있을 수 있다. 여하튼, 상기 오염물 차단 립(72)은 외부의 오염물이 기본 시일 립(20)의 밀봉면(38) 및 시일 조립체(10)의 오일측(O)에 있는 유체 함유 구역으로 진입하는 것을 방지하도록 작용한다.

도 3은 완전히 설치된 상태의 샤프트 시일(10)을 도시하고 있다. 작동하는 동안, 시일(10)의 브리지 부분(22)에 축방향 외측으로 향하는 힘을 작용시키기 위해서, 시일(10)의 오일측(O)의 밀봉된 오일(또는 다른 유체) 주변은 공기측(A)에 작용하는 대기압에 비하여 가압될 수 있다. 웨브(24)는 브리지 부분(22)을 축방향으로 강화시키고, 그 결과 브리지 부분(22)이 시일(10)의 공기측(A)쪽으로 축방향으로 휘는 것에 대해 적어도 약간의 저항력을 제공한다. 브리지 부분(22)의 어느 정도의 축방향의 변위는 오일 압력으로 인해 발생하고, 브리지 부분(22)의 힌지 구역(50)이 펼쳐지는 작용은, 힌지 구역(50)의 형상과 이에 상응하는 제 1 및 제 2 힌지 구역(54, 56)의 배치상태로 인해 힌지 구역(50)을 반경방향 안쪽으로 스윙(swing) 운동하게 한다. 이로 인해, 기본 시일 립(20)이 샤프트(18)에 대해 반경방향 안쪽으로 가압되게 되어 유체 압력의 작용하에서 샤프트 활주면(40)에 대한 기본 시일 립(20)의 밀봉력을 효과적으로 증가시킨다.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 위에서 설명한 유사한 부분을 식별하기 위해 상기 부재번호에 100을 더한 부재번호를 사용하는 다른 바람직한 실시예에서는, 샤프트 시일(110)이 대체로 Z자 형상 또는 S자 형상이 아니라, 힌지 구역(150)과 장착 칼라부(112) 사이에서 대체로 반경방향으로 직선으로 뻗어 있지만, 진정한 반경방향에 대해 경사지게 배치될 수 있는 웨브(124)를 가지고 있다. 위에서 설명한 실시예의 웨브(24)와 마찬가지로, 본 실시예의 인접한 웨브(124)는 대체로 서로 거울상의 관계로 배치되도록, 서로 비평행하게 반대방향으로 뻗어 있을 수 있다. 따라서, 격번째의, 즉, 하나 걸러 하나씩의 웨브(124)들은 서로 평행하게 대체로 동일한 반경방향을 따라서 뻗어 있다. 웨브(124)를 경사지게 배치하면, 샤프트에 설치하는 동안 기본 시일 립(120)과 힌지 부분(150)이 장착 칼라부(112)에 대해 극심한 축방향의 변위가 생기지 않게 저지하여 웨브(124)의 축방향의 강화 효과를 유지하면서, 기본 시일 립(120)의 반경방향의 운동에 대한 저항을 감소시키는 작용을 하여 설치하는 동안과 샤프트 런아웃(run out) 및/또는 오정렬(misalignment) 동안에 상기와 같은 기본 시일 립(120)의 반경방향의 운동을 수용할 수 있다. 웨브(124)는 필요에 따라 임의의 갯수 또는 임의의 디자인 구성으로 될 수 있으며 반경방향으로 배치될 수 있다.

본 발명에 따라 구성된 다른 실시예의 샤프트 시일(510)이 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 위에서 설명한 유사한 부분을 나타내기 위해 상기 부재번호에 500을 더한 부재번호가 사용되어 있다.

샤프트 시일(510)은 장착 칼라부를 가지고 있는데, 이 장착 칼라부는 대체로 금속 케이스(512)이지만, 필요에 따라, 상기한 것과 같은 임의의 적절한 구성으로 만들어질 수 있다. 브리지 부분(522), 기본 시일 립(520) 및 오염물 차단 립(572)은 일체형의 엘라스토머로 성형되어 금속 케이스(512)에 접착되어 있는데, 상기 브리지 부분(522)은 기본 시일 립(520)과 금속 케이스(512) 사이에 뻗어 있다. 본 실시예에서는, 기본 시일 립(520)이 오일측(O)쪽으로 뻗어 있지만, 반경방향 내측 밀봉면(538)는 이완된 상태에서 절두체 또는 깔때기의 형상으로 경사져 있고, 상기 절두체의 개방 단부는 샤프트(18)의 자유 단부(48)와 마주대하고 있어서, 시일 립(520)은, 시일 립(520)을 가이드하는 공구를 사용하지 않고서 상기 자유 단부(48) 위에 설치될 수 있다. 복수개의 웨브(524)는 브리지 부분(522)과 장착 부분(512) 사이에 뻗어 있는데, 본 실시예에서는 기본 시일 립(520)의 받침면(542)과 장착 부분(512) 사이에 뻗어 있는 것으로 도시되어 있다. 일단 설치되면, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 오일측(O)에 작용하는 압력은, 브리지 부분(522)에 대해 시일 립(520)이 역방향으로 되접혀 있기 때문에 샤프트(18)에 대한 시일 립(520)의 압력을 증가시킨다. 상기한 바와 같이, 웨브(524)는 조립하는 동안과 사용하는 동안에 텐션(tension)을 받은 상태로 배치될 수 있고, 기본 시일 립(520)을 샤프트(18)에 대해 원하는 밀봉 위치에 유지시키기 위해서 기본 시일 립(520)이 펼쳐지는 것을 방지하기에 충분한 강도를 가진다. 기본 시일 립(520)은 제 1 실시예에 대해서 상기한 것과 같은 대체 유체역학적 보조부(alternative hydrodynamic aid)를 가질 수 있고 선택적으로 PTFE 라이너(liner)를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 본 발명에 따라 구성된 샤프트 시일을 설치하는 방법이 제공된다. 도 10 내지 도 17에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 설치 방법은 각각의 샤프트 시일(10, 110)의 포켓(57, 157) 속으로 축방향의 미끄럼이동으로 수용될 수 있는 사이즈로 된 소정의 직경을 가진 고리(80)를 제공하는 것을 포함한다. 상기 설치 방법은 샤프트 시일(110)에 동일하게 적용될 수 있지만. 이하의 설명은 샤프트 시일(10)에 대한 것이다. 고리(80)의 외경은 대체로 힌지 구역(50)의 제 2 힌지 구역(56)에 의해 형성된 직경이다. 따라서, 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 고리(80)를 포켓(57) 속으로 적어도 일부분 축방향으로 삽입하는 작업을 개시하고 이 작업을 계속할 때, 힌지 구역(50)은 반경방향 바깥쪽으로 팽창하게 되고, 이로 인해 시일 립(20)이 반경방향으로 팽창되고 포켓(57)이 실질적으로 붕괴되고, 이로 인해 웨브(24)가 반경방향으로 압축된다. 고리(80)는, 고리(80)로부터 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있는 플랜지(82)가 장착 칼라부(12)의 단부면과 맞닿게될 때까지 포켓(57)속으로 축방향으로 이동된다.

도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 장착 칼라부(12)와 맞닿은 플랜지(82)는 시일(10)을 하우징(14)의 보어(32)속으로 이동시키기에 충분한 축방향의 힘을 발휘한다. 시일(10)이 보어(32)속으로 축방향으로 가이드될 때, 시일(10)을 하우징(14)에 억지끼워맞춤하기 위해서 리브(34)가 약간 압축된다. 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 플랜지(82)는, 부차적인 작업을 요하지 않고서 시일(10)이 완전히 삽입될 수 있도록 적어도 부분적으로 보어(32)에 수용될 수 있는 사이즈인 것이 바람직하다. 시일(10)이 완전히 보어(32)에 삽입되면, 상기한 바와 같이, 리브(34) 가 부분적으로 압축되지만, 채널(36)이 완전히 붕괴될 정도로 압축되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 채널(36)은 상기한 바와 같이 향상된 밀봉 보호를 제공하기 위해서 리브(34)들 사이에서 적어도 부분적으로 남아있다.

시일(10)이 보어(32)에 완전히 삽입된 상태로 도시된, 도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 샤프트(18)는 오일측(O)으로부터 공기측(A)쪽으로 축방향으로 이동되고, 샤프트(18)의 모따기가공된 노우즈(60)는 기본 시일 립(20)의 경사진 밀봉면(38)과 맞닿는다. 이 단계 동안, 고리(80)는, 시일(10) 전체를 샤프트(18)에 조립하는 것을 용이하게 하기 위해서 시일 립(20)을 경사진 상태로 유지하도록 힌지 구역(50)과 맞닿은 상태로 있는 것이 바람직하다. 도 15에 도시되어 있는 바와 같이, 샤프트(18)는, 샤프트의 활주면(40)이 시일(10)의 밀봉면(38) 아래로 완전히 수용될 때까지 고리(80) 쪽으로 축방향으로 이동된다. 그 후, 도 16에 도시되어 있는 바와 같이, 고리(80)는, 시일(10)이 하우징(14) 내부와 샤프트(18) 둘레에 완전히 조립된 위치에 있고, 또한 포켓(57) 및 웨브(24)는 붕괴되지 않은 상태로 거의 회복되어 있는 상태인 도 17에 도시된, 고리가 완전히 후퇴 상태로 될 때까지 시일(10)로부터 멀어지게 축방향으로 이동된다.

동일한 기능과 설치 방법을 수행하는 본 발명 다른 실시예도 최종적으로 허용된 특허 청구범위의 영역내에 포함된다. 예를 들어, 시일(10)이 보어(32)에 삽입됨과 동시에 샤프트(18)에 설치되도록 조립 방법이 상이하게 될 수 있다. 또한, 시일(10)이 샤프트(18)에 먼저 설치된 다음, 보어(32) 속으로 삽입될 수 있다. 따라서, 상기의 바람직한 실시예의 설명은 이러한 설명에만 제한되는 것을 의미하는 것이 아니라, 단지 본 발명의 청구범위의 영역 내에 속하는 여러 실시예의 예시일 뿐이다.

Claims (18)

1. 축방향으로 뻗어 있는 환형 활주면을 따라서 동적 시일을 형성하는 샤프트 시일로서,

   고정 하우징에 연결되도록 구성된 장착 부분;

   오일측 단부와 공기측 단부 사이에 뻗어 있으며, 상기 활주면을 따라 축방향으로 뻗어 있도록 구성되어 있는 환형 밀봉면을 가지고 있는 시일 립;

   상기 시일 립을 상기 장착 부분에 연결시키는 환형 브리지 부분; 그리고

   상기 브리지 부분과 상기 장착 부분 사이에서 대체로 반경방향으로 뻗어 있는 복수개의 웨브를 포함하는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 브리지 부분은 상기 시일 립 위에 역방향으로 되접힌 상태로 상기 시일 립의 상기 오일측으로부터 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있는 힌지 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 힌지 구역과 상기 시일 립 사이에는 환형 포켓이 형성되어 있고, 상기 힌지 구역과 상기 장착 부분 사이에는 환형 리세스가 형성되어 있으며, 상기 웨브는 상기 힌지 구역과 상기 장착 부분 사이에 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 웨브는 각각 중간의 측방향으로 뻗어 있는 레그에 의해 서로 연결된 한 쌍의 반경방향으로 뻗어 있는 레그를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 웨브는 상기 힌지 구역과 상기 장착 부분 사이에서 직선으로 뻗어 있고, 상기 웨브들 중에서 인접해 있는 웨브는 서로 비평행한 관계로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
6. 제 5 항에 있어서, 웨브들은 하나 걸러 하나씩 대체로 서로 평행하게 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 환형 리세스는 지지부가 없는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
8. 샤프트 시일로서,

   고정 하우징에 연결되도록 구성된 장착 부분; 그리고

   오일측 단부와 공기측 단부 사이에 뻗어 있는 받침면 및 상기 받침면의 반대쪽에 있으며 회전 샤프트의 활주면을 따라 축방향으로 뻗어 있도록 구성되어 있는 환형 밀봉면을 가지고 있는 시일 립을 포함하고 있고;

   상기 시일 립 위에 역방향으로 되접힌 상태로 상기 시일 립의 상기 오일측으 로부터 반경방향 바깥쪽으로 환형 힌지 구역이 뻗어 있고, 상기 시일 립과 마주 대하는 상기 힌지 구역의 한쪽과 상기 시일 립의 상기 받침면 사이에는 환형 포켓이 형성되어 있으며, 상기 장착 부분과 마주 대하는 상기 힌지 구역의 다른 한쪽과 상기 장착 부분 사이에는 환형 리세스가 형성되어 있고;

   상기 힌지 구역과 상기 장착 부분 사이의 상기 리세스 전체에 걸쳐서 복수개의 보강 웨브가 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 웨브가 상기 환형 힌지 구역의 원주방향 둘레로 동일한 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 장착 부분은 상기 고정 하우징의 보어에 억지끼워맞춤되는 크기의 외경을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 외경에는 환형 채널에 의해 서로 이격된 복수개의 원주방향으로 뻗어 있는 리브가 형성되어 있고, 상기 보어 속으로 압력끼워맞춤될 때 상기 리브는 부분적으로 압축될 수 있는 크기로 되어 있고 상기 환형 채널은 상기 리브들 사이에 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 웨브는 각각 측방향으로 뻗어 있는 중간 레그에 의해 서로 연결되어 있는 한 쌍의 반경방향으로 뻗어 있는 레그를 가지고 있고, 상기 중간 레그는 상기 시일 립의 상기 받침면과 상기 장착 부분으로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 웨브들 중에서 인접해 있는 웨브는 서로 거울상인 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
14. 제 8 항에 있어서, 상기 웨브는 상기 힌지 구역과 상기 장착 부분 사이에서 직선으로 뻗어 있고, 상기 웨브들 중에서 인접해 있는 웨브는 서로 비평행인 관계로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
15. 제 14 항에 있어서, 웨브들은 하나 걸러 하나씩 대체로 서로 평행하게 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 샤프트 시일.
16. 하우징의 보어 내부와 샤프트 둘레에 샤프트 시일을 설치하는 설치 방법으로서,

    상기 샤프트 시일은 장착 부분과 시일 립을 가지고 있고, 상기 시일 립은 시일 립의 오일측 단부와 시일 립의 공기측 단부 사이에 뻗어 있는 받침면 및 이 받침면 반대쪽의 환형 밀봉면을 가지고 있고, 상기 시일 립의 받침면 위에 역방향으로 되접힌 상태로 상기 시일 립의 오일측으로부터 반경방향 바깥쪽으로 환형 힌지 구역이 뻗어 있고, 상기 힌지 구역과 상기 시일 립의 받침면 사이에는 환형 포켓이 형성되어 있으며, 상기 힌지 구역과 상기 장착 부분 사이에는 환형 리세스가 형성되어 있는, 샤프트 시일이고;

    상기 설치 방법은,

    소정의 외경을 가진 고리를 제공하는 단계;

    상기 샤프트 시일을 상기 보어와 대체로 동심상으로 정렬시키는 단계;

    상기 고리를 상기 환형 포켓 속으로 들어가게 상기 시일에 대해 축방향으로 이동시켜서 상기 시일 립의 오일측 단부가 반경방향 바깥쪽으로 이동되게 하는 단계;

    상기 고리가 상기 환형 포켓 내에 있는 상태에서 상기 시일의 장착 부분을 상기 하우징의 보어 속으로 가압하는 단계;

    상기 고리가 상기 환형 포켓 내에 있는 상태에서 상기 샤프트를 상기 밀봉면 아래로 상기 시일에 대해 축방향으로 이동시키는 단계; 그리고

    상기 고리를 상기 환형 포켓으로부터 빠져나오게 상기 시일에 대해 축방향으로 이동시켜서 상기 시일 립의 밀봉면이 상기 샤프트의 활주면과 맞닿게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 설치 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 고리를 상기 환형 포켓 속으로 들어가게 이동시킬 때 상기 힌지 구역과 상기 장착 부분 사이의 상기 환형 리세스를 붕괴시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설치 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 고리를 상기 환형 포켓으로부터 빠져나오게 이동시킬 때 상기 환형 리세스를 비붕괴 상태로 회복시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설치 방법.

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