KR20160078374A - 실링재 및 이를 이용한 실링 구조 - Google Patents

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KR20160078374A
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야스지 카노
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미츠비시 덴센 고교 가부시키가이샤
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Abstract

실링재(sealing material)(10)는 수지 링(11)과 탄성체 링(12)을 갖는다. 수지 링(11)은 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함하며, 또한 JIS K7210에 준하여 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 멜트 플로 레이트(melt flow rate)가 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성된다.

Description

실링재 및 이를 이용한 실링 구조{SEALING MATERIAL AND SEALING STRUCTURE USING SAME}
본 발명은 실링재(sealing material) 및 이를 이용한 실링 구조에 관한 것이다.
파워셔블(power shovel) 등의 스위블 이음(swivel joint)에서는 원통 형상의 하우징에 축이 삽입 관통되며, 또한 이들 하우징 및 축 사이에 링 형상의 실링재가 배치되고, 실링재는 하우징의 내주(內周)에 형성된 패임부에 내측(內側)으로 끼워지도록 수용된다. 이 실링재는 패임부의 개구측(開口側)으로 돌출하도록 배치되는 수지 링과, 패임부의 바닥측에 배치되는 고무제의 탄성체 링을 가지며, 고무제의 탄성체 링이 측방(側方)으로부터 고압을 받으면 수지 링을 패임부로부터 압출하도록 탄성 변형하여 하우징 및 축 사이의 실링성(sealing performance)을 높이도록 구성된다.
특허문헌 1에는 이러한 실링재에 대해 내구성의 개선을 목적으로, 수지 링을 폴리아미드 수지에 유리 섬유 등의 충전재를 배합한 수지 조성물로 형성하는 것이 개시되어 있다.
특허문헌1: 일본 특허 제4790923호 공보
본 발명의 실링재는 수지 링과, 상기 수지 링에 대해 그 안지름을 확대 또는 축소시키도록 탄성 변형하는 탄성체 링을 가지고, 상기 수지 링은 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함하며, 또한 JIS K7210에 준하여, 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 멜트 플로 레이트(melt flow rate)(이하 ＂MFR＂이라 함.)가 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성된다.
본 발명의 실링 구조는 축과, 상기 축이 삽입 관통된 외장체와, 상기 축 및 상기 외장체 사이에 배치된 실링재를 구비하고, 상기 축의 외주(外周) 및／또는 상기 외장체의 내주(內周)에는 패임부가 형성되며, 또한 상기 패임부에는 상기 실링재가 수용되고, 상기 실링재는 상기 패임부의 개구로부터 돌출하도록 배치된 수지 링과, 상기 수지 링을 상기 패임부로부터 압출하도록 탄성 변형하는 탄성체 링을 가지고, 상기 수지 링은 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함하며, 또한 JIS K7210에 준하여, 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 MFR이 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성된다.
도 1은 제 1 실시형태의 실링재의 평면도이다.
도 2는 도 1의 II－II 단면도이다.
도 3은 도 2의 주요부 확대도이다.
도 4는 제 1 실시형태의 실링재를 이용한 실링 구조의 종단면도이다.
도 5는 제 1 실시형태의 실링재에 의한 실링동작의 설명도이다.
도 6a는 제 1 실시형태의 실링재 장착방법의 설명도이며, 도 6b는 도 6a의 VIB－VIB 단면도이다.
도 7a~도 7c는 제 1 실시형태의 실링재의 변형예를 나타내는 부분 단면도이다.
도 8은 제 2 실시형태의 실링재의 평면도이다.
도 9는 도 8의 IX－IX 단면도이다.
도 10은 도 9의 주요부 확대도이다.
도 11은 제 2 실시형태의 실링재를 이용한 실링 구조의 종단면도이다.
도 12는 제 2 실시형태의 실링재에 의한 실링동작의 설명도이다.
도 13a는 제 2 실시형태의 실링재 장착방법의 설명도이며, 도 13b는 도 13a의 XIIIB－XIIIB 단면도이다.
도 14a~도 14c는 제 2 실시형태의 실링재의 변형예를 나타내는 부분 단면도이다.
도 15a 및 도 15b는 각각 제 1 및 제 2 실시형태의 그 밖의 변형예의 실링 구조의 부분 단면도이다.
도 16은 내마모성 시험의 설명도이다.
이하, 실시형태에 대해 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
(제 1 실시형태)
도 1~도 3은 제 1 실시형태에 관한 실링재(10)를 나타낸다.
제 1 실시형태에 관한 실링재(10)는 내주측(內周側)의 수지 링(11)과 외주측(外周側)의 탄성체 링(12)으로 구성된다. 제 1 실시형태에 관한 실링재(10)는 수지 링(11)의 바깥지름(L1) 및 탄성체 링(12)의 안지름(L4)이 대체로 동일함과 동시에, 수지 링(11)의 외주면의 폭(W11)(지름 방향과 직교하는 방향의 치수)이 탄성체 링(12)의 폭(W2) 이상이고, 수지 링(11)의 외주면에 탄성체 링(12)의 내주면이 비접착(非接着)이며 면(面)접촉하도록 배치된다.
수지 링(11)의 단면(斷面) 형상은 외주측 부분(11a)이 직사각형으로 형성되고, 내주측 부분(11b)이 내주측으로 갈수록 폭 방향의 양 측이 테이퍼 형상으로 끝이 가는 등각사다리꼴을 옆으로 한 형상으로 형성된다. 즉, 수지 링(11)은 각(角)링의 내주측 부분(11b)에 테이퍼 가공을 행한 것이다. 이와 같은 각링의 내주측 부분(11b)에 테이퍼 가공을 행한 수지 링(11)은 피접촉물에 대해 면압(面壓)을 높이는 효과가 있어, 이로써 실링성이 좋아지며, 또한 저비용이 되는 이점이 있다.
수지 링(11)은 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함한 열가소성(熱可塑性) 수지 조성물로 형성된다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물에 포함되는 폴리아미드 수지로는 예를 들어, 나일론 6, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 66, 나일론 610, 나일론 612 등의 지방족 나일론, 나일론 6T나 나일론 9T의 반(半)방향족 나일론, 폴리아미드 엘라스토머(polyamide elastomer) 등을 들 수 있다. 폴리아미드 수지는 단일종이 포함되어도, 또 복수종이 포함되어도, 어느 쪽이라도 된다. 수지 링(11)의 성형 시에는, 수지 조성물을 이에 포함되는 폴리아미드 수지의 융점(融點) 이상으로 가열할 필요가 있으나, 이 때, 수지 조성물에 포함되는 폴리올레핀 수지가 열분해하여 기계적 특성이 저하되는 것을 억제하는 관점에서, 폴리아미드 수지의 융점은 230℃ 미만인 것이 바람직하다. 여기서, 융점은 JIS K7122에 준한 시차주사 열량측정(differential scanning calorimetry, DSC)에 의한 승온속도 10℃／분으로 한 때의 융해(融解) 피크 온도로 하여 측정된다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물에 포함되는 폴리올레핀 수지는 예를 들어, α-올레핀의 단독중합체 또는 공중합체이다. α-올레핀으로는 예를 들어, 에틸렌(분자 내 탄소 수：2), 프로필렌(분자 내 탄소 수：3), 1－부텐(1－butene)(분자 내 탄소 수：4), 1－펜텐(1－pentene)(분자 내 탄소 수：5), 1－헥센(1－hexene)(분자 내 탄소 수：6), 1－옥텐(1－octene)(분자 내 탄소 수：8), 1－데센(1－decene)(분자 내 탄소 수：10), 1－도데센(1－dodecene)(분자 내 탄소 수：12), 4－메틸－1－펜텐(4－methyl－1－pentene)(분자 내 탄소 수：6), 3－메틸－1－펜텐(3－methyl－1－pentene)(분자 내 탄소 수：6) 등을 들 수 있다. α-올레핀의 분자 내 탄소 수는 바람직하게는 2~20, 보다 바람직하게는 2~10이다.
구체적으로는, 폴리올레핀 수지로는 예를 들어, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 에틸렌 프로필렌 공중합체(ethylene-propylene copolymer), 말레산 변성 폴리프로필렌 등을 들 수 있다. 폴리올레핀 수지는 에틸렌의 단독중합체, 및／또는 에틸렌을 주성분으로 하는 공중합체를 포함하는 것이 바람직하다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물에 포함되는 폴리올레핀 수지는, 초고분자량 폴리올레핀(이하 ＂A 성분＂이라 함.)과 고분자량 내지 저분자량 폴리올레핀(이하 ＂B 성분＂이라 함.)을 포함하여도 된다.
A 성분의 점도(粘度) 평균 분자량은 수지 링(11)의 양호한 내마모성을 얻을 수 있는 관점에서 바람직하게는 30만 이상이며, 또한 양호한 성형성을 얻을 수 있는 관점에서 바람직하게는 700만 이하, 보다 바람직하게는 100만 이하이다. B 성분의 점도 평균 분자량은 수지 링(11) 표면으로의 블리딩(bleeding)을 억제하는 관점에서 바람직하게는 5000 이상, 보다 바람직하게는 1만 이상이고, 또한 양호한 성형성을 얻을 수 있는 관점에서 바람직하게는 30만 미만, 보다 바람직하게는 20만 이하이다. 여기서, 점도 평균 분자량은 JIS K7367에 준한 극한(極限) 점도수의 측정으로부터 구해진다.
A 성분과 B 성분의 함유질량비는 수지 링(11)의 양호한 내마모성을 얻을 수 있음과 동시에 양호한 성형성을 얻을 수 있는 관점에서 바람직하게는 A 성분／B 성분＝15／85~95／5, 보다 바람직하게는 30／70~80／20이다.
A 성분과 B 성분을 포함한 폴리올레핀은 다단 중합법에 의해 얻을 수 있다. 예를 들어, 일본 특허공개 소63－12606호 공보나 일본 특허공개 소63－10647호 공보에는 치글러(Ziegler)형 촉매의 존재 하에서 올레핀을 중합시켜 A 성분을 생성시키는 중합공정과, 수소의 존재 하에서 올레핀을 중합시켜 B 성분을 생성시키는 중합공정을 포함하는 다단 중합법이 개시되어 있다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물에 있어서 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지의 함유질량비는 바람직하게는 폴리아미드 수지／폴리올레핀 수지＝55／45~97／3, 보다 바람직하게는 70／30~90／10이다. 따라서, 폴리아미드 수지의 함유질량 쪽이 폴리올레핀 수지의 함유질량보다 많은 것이 바람직하다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물에는 필요에 따라 충전제나 첨가제가 배합되어도 된다. 충전제로는 예를 들어, 유리 섬유, 청동 미립자(微粒子), 카본 섬유, 카본 블랙 미립자, 흑연 미립자, 불소수지 미분말(微粉末), 이황화몰리브덴 미립자, 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide) 수지 미분말, 폴리이미드 수지 미분말 등을 들 수 있다. 충전제는 실링재(10)의 사용 조건이나 용도에 따라 배합되고, 예를 들어, 하중 변형률을 작게 하고자 하는 경우에는 유리 섬유, 청동 미립자, 카본 섬유 등이 이용되며, 또한 마찰 마모 특성을 높이고자 하는 경우에는 흑연 미립자, 불소수지 미분말, 이황화몰리브덴 미립자가 이용되고, 흑연 미립자가 바람직하게 이용된다. 흑연 미립자의 배합량은 기계 특성을 손상시키지 않으며 마찰 마모 특성을 높이는 관점에서 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지의 총량에 대해 바람직하게는 0.1~20질량%, 보다 바람직하게는 1~15질량%이다. 흑연 미립자의 입자 지름은 예를 들어 0.1~200㎛이다. 첨가제로는 예를 들어, 윤활제, 산화방지제, 가공조제(加工助劑), 착색제, 분산제 등을 들 수 있다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물은 JIS K7210에 준하여, 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 MFR이 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성된다. 이 수지 조성물의 MFR은 바람직하게는 2g／10min 이상, 보다 바람직하게는 5g／10min 이상이며, 또한 바람직하게는 30g／10min 이하, 보다 바람직하게는 20g／10min 이하이다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물은 ASTM D1505에 준하여 측정되는 밀도가 예를 들어 990~1250㎏／㎥이다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물은 수지 링(11)의 고압 하에 있어서 내변형성 및 내마모성을 높이는 관점에서 ASTM D695에 준하여 측정되는 25℃ 조건 하에서 10% 변형 시의 압축 강도가 바람직하게는 20㎫ 이상, 보다 바람직하게는 25㎫ 이상이며, 또한 고압 하에서도 탄성체 링(12)으로부터의 힘을 수지 링(11)에 전달하여 우수한 실링성을 얻는 관점에서 바람직하게는 200㎫ 이하, 보다 바람직하게는 180㎫ 이하이다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물은 수지 링(11)의 우수한 실링성을 얻는 관점에서 ASTM D621에 준하여 측정되는 하중 변형률이 바람직하게는 10% 이하, 보다 바람직하게는 8% 이하이다.
수지 링(11)을 형성하는 수지 조성물은 수지 링(11)의 고압 하에 있어서 내변형성을 높이는 관점에서 ASTM D790에 준하여 측정되는 굽힘 탄성률이 바람직하게는 1㎬ 이상, 보다 바람직하게는 2㎬ 이상이며, 또한 우수한 장착성을 얻는 관점에서 바람직하게는 3㎬ 이하, 보다 바람직하게는 2.5㎬ 이하이다.
수지 링(11)은 열압축 프레스, 압출 성형, 사출 성형 등의 성형 가공, 절삭 가공, 또는 이들의 조합에 의해 제조될 수 있다. 특히, 사출 성형으로는 수지 링(11)을 효율 좋게 제조할 수 있다.
수지 링(11)의 제조에 이용하는 수지 조성물은 폴리아미드 수지 및 폴리올레핀 수지 그리고 그 밖의 충전제를, 예를 들어, 이축압출기(twin-screw extruder), 니더(kneader), 리본혼합기(ribbon blender), 유동식 혼합기 등에 의해 혼련(混鍊)하여 제조하여도 되며, 또한 시판 재료를 그대로 사용하여도 된다. 이러한 시판 재료로는 예를 들어 Mitsui chemicals, inc.제 상품명 ＂LUBMER LS 4140＂ 등을 들 수 있다.
탄성체 링(12)의 단면 형상은 직사각형으로 형성된다. 탄성체 링(12)은 안지름(L4)이 수지 링(11)의 바깥지름(L1)과 대체로 동일하며, 또한 폭(W2)이 수지 링(11)의 외주면의 폭(W11) 이하이다.
탄성체 링(12)은 고무성분에 각종 배합제가 배합된 고무 조성물로 형성되는 것이 바람직하다. 탄성체 링을 형성하는 고무 조성물의 고무성분으로는 예를 들어, 니트릴 고무(아크릴로 니트릴－부타디엔 고무(acrylonitrile-butadiene rubber)), 수소화 니트릴 고무(hydrogenated nitrile rubber), 불소 고무(fluoro rubber), 실리콘 고무, 아크릴 고무, 에틸렌－프로필렌 고무(ethylene-propylene rubber) 등의 올레핀계 고무 등을 들 수 있다. 이들 중, 스위블 이음 용도인 경우, 내유성(oil resistance), 내마모성(wear resistance), 압축 영구 변형(compression set), 성형성 등의 관점에서, 니트릴 고무, 수소화 니트릴 고무, 불소 고무가 바람직하며, 니트릴 고무가 보다 바람직하다. 탄성체 링(12)은 프레스 성형 등에 의해 제조될 수 있다.
도 4는 제 1 실시형태에 관한 실링재(10)를 이용한 실링 구조(20)를 나타낸다. 이 실링 구조(20)는 고압유체의 존재 하, 예를 들어, 유압 기기의 스위블 이음에 있어서 축(21) 및 하우징인 외장체(22) 사이 등에 구성되는 것이다. 또한, 실링 대상의 고압유체로는 예를 들어, 광유(mineral oil), 터빈유(turbine oil), 가솔린유, 냉동기유, 생분해성유(biodegradable oil) 등의 각종 오일, 프레온 가스, 불화탄화수소 등의 냉매 등을 들 수 있다.
이 실링 구조(20)에서는 축(21)이 외장체(22)에 형성된 축공(shaft hole)(23)에 삽입 관통된다. 예를 들어, 스위블 이음인 경우에는 축(21) 및 하우징인 외장체(22)는 상대 이동함으로써, 즉 적어도 한 쪽이 운동함으로써, 이들의 위치 관계가 변화한다. 축(21)의 운동으로는 축 회전 및 축 방향 이동, 그리고 이들 조합의 복합 운동을 들 수 있다. 축 회전은 축선을 중심으로 하여 회전하는 운동이며, 이에는 일방향으로 180° 회전한 후에 역방향으로 180° 회전하는 운동이나 일방향으로 360° 회전한 후에 역방향으로 360° 회전하는 요동(搖動)도 포함된다. 축 방향 이동은 축 방향을 따르는 운동이며, 이에는 축 방향의 왕복 운동도 포함된다. 복합 운동은 축 회전 및 축 방향 이동을 동시에 행하는 운동이다.
그리고, 이 실링 구조(20)에서는 축(21) 및 외장체(22) 사이에 제 1 실시형태에 관한 링 형상의 실링재(10)가 배치된다.
외장체(22)의 축공(23)의 내주(內周)에는 둘레 방향으로 연장되는 단면이 ＂ㄷ＂자 형상의 환(環) 형상 홈인 패임부(24)가 축 방향으로 간격을 두어 복수 형성되고, 각 패임부(24)에 실링재(10)가 수용된다. 여기서, 실링재(10)로는 수지 링(11)의 안지름(L2)이 축(21)의 바깥지름보다 약간 크며, 또한 탄성체 링(12)의 바깥지름(L3)이 패임부(24)의 바닥면의 안지름 이상이고, 또한 수지 링(11) 및 탄성체 링(12)의 두께의 합(L3－L2)이 패임부(24)의 깊이보다 약간 큰 것이 선택된다.
실링재(10)는 수지 링(11)이 패임부(24)의 개구측(開口側)에 배치되며, 또한 패임부(24)의 개구로부터 그 일부분이 돌출하여 내주면(內周面)이 축(21)의 외주면에 접촉하도록 배치되는 한편, 탄성체 링(12)이 패임부(24)의 바닥측에 배치된다. 실링재(10)는 탄성체 링(12)이 고압유체로부터의 압력에 의해 폭 방향으로 압축되면 도 5에 나타내듯이, 탄성체 링(12)이 탄성 변형하여, 수지 링(11)에 대해 그 안지름을 확대시켜 패임부(24)로부터 압출하고, 이에 의해 수지 링(11) 내주면의 축(21) 외주면으로의 압접력(壓接力)을 높이고, 그 결과, 이 자기 실링성(self-sealing performance)에 의한 우수한 실링성을 발현한다.
또한, 수지 링(11)이 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함하며 또한 MFR이 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성되므로, 수지 링(11)이 축(21)에 장기에 걸쳐 반복 슬라이딩하여도 동적 피로열화가 매우 작아 마모나 변형이 일어나기 어렵고, 축(21)과 외장체(22)와의 사이의 틈새로 삐져나와 침입하기 어려워서 이 우수한 실링성을 장기간 지속할 수 있다. 게다가, 이러한 우수한 실링성의 장기간 지속성은 실온 하에서 작동시킨 경우뿐만 아니라, 80~100℃ 등 고온 하 또는 －30℃ 정도의 저온 하에서 작동시킨 경우에도 얻을 수 있다.
또한, 탄성체 링(12)의 단면 형상이 직사각형으로 형성되므로, 탄성체 링(12)으로부터 수지 링(11)에 균일한 면압으로 힘이 전달되어 수지 링(11)의 내주면도 균일한 면압으로 축(21)의 외주면에 접촉하게 되어서, 이들 사이의 마찰 저항을 낮게 억제할 수 있음과 동시에, 이에 의해 수지 링(11)의 마모를 억제할 수 있다.
이상 구성의 실링 구조(20)는 먼저, 탄성체 링(12)을 외장체(22)에 형성된 패임부(24)에 수용하여 장착한 후, 수지 링(11)을 패임부(24) 내(內)의 탄성체 링(12) 위에 놓도록 수용하여 장착함으로써 얻을 수 있다. 이 때, 수지 링(11)은 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함하며 또한 MFR이 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성되므로 충분히 유연하여, 수지 링(11)의 바깥지름은 축공(23)의 안지름보다 크나, 예를 들어 도 6a 및 도 6b에 나타내듯이 하트 형으로 변형시켜 지름을 축소시킴으로써 축공(23)을 통과하여 패임부(24)에 용이하게 수용하여 장착할 수 있다. 또한, 탄성체 링(12)에 대해서도 마찬가지 방법으로 패임부(24)로 수용 및 장착이 가능하다.
그리고, 실링재(10)는 도 7a에 나타내듯이, 탄성체 링(12)의 단면 형상이 원형으로 형성된 것, 즉 탄성체 링(12)이 O링(O-ring)인 것이어도 된다. 이 경우, 탄성체 링(12)으로부터 수지 링(11)에 피크를 갖는 면압으로 힘이 전달되어 수지 링(11)의 내주면도 피크를 갖는 면압으로 축(21)의 외주면에 접촉하므로, 이들 사이의 높은 실링성을 얻을 수 있다.
실링재(10)는 도 7b에 나타내듯이, 탄성체 링(12)이 O링이며, 수지 링(11)의 단면 형상이 바깥쪽 방향으로 개구한 ＂ㄷ＂자 형상으로 형성된 것이어도 된다. 이 경우, 수지 링(11)을 얇게 할 수 있으므로, 탄성체 링(12)으로부터의 힘을 수지 링(11)의 외주면(축(21)의 외주면과의 접촉면)에 양호하게 전달할 수 있으며, 또한 변형이 용이하게 되므로 외장체(22)의 패임부(24)로의 장착성이 우수하고, 또한 단면 형상이 ＂ㄷ＂자 형상으로 형성되므로, 탄성체 링(12)의 어긋남을 억제할 수 있다.
실링재(10)는 도 7c에 나타내듯이, 수지 링(11)의 내주에 둘레 방향으로 연장되어 환 형상으로 구성된 리브(rib)(11c)가 폭 방향으로 간격을 두어 복수 줄 형성되고(도 7c에서는 2줄), 외주에 이들 리브(11c)에 대응하도록 ＂ㄷ＂자 홈(11d)이 형성된 것이어도 된다. 이 경우, 수지 링(11)의 내주측 리브(11c)의 요철(凹凸)의 오목부에 오일을 유지함으로써, 수지 링(11)과 축(21)과의 사이의 마찰 저항을 낮게 억제하고, 이에 의해 수지 링(11)의 마모를 억제할 수 있다. 또한, 수지 링(11)의 외주측 ＂ㄷ＂자 홈(11d)의 요철에 의한 맞물림에 의해 수지 링(11)과 탄성체 링(12)과의 사이에서의 슬라이딩을 억제할 수 있다. 수지 링(11)에는 내주측의 요철만이 형성되어도 되며, 또한 외주측의 요철만이 형성되어도 된다.
실링재(10)는 수지 링(11)이 O링이어도 되며, 또한 저비용의 각링이어도 된다.
(제 2 실시형태)
도 8~도 10은 제 2 실시형태에 관한 실링재(10)를 나타낸다. 여기서, 제 1 실시형태와 동일 명칭 부분은 동일 부호로 나타낸다.
제 2 실시형태에 관한 실링재(10)는 외주측의 수지 링(11)과 내주측의 탄성체 링(12)으로 구성된다. 제 2 실시형태에 관한 실링재(10)는 수지 링(11)의 안지름 및 탄성체 링(12)의 바깥지름이 대체로 동일함과 동시에, 수지 링(11)의 내주면의 폭(W12)(지름 방향과 직교하는 방향의 치수)이 탄성체 링(12)의 폭(W2) 이상이고, 수지 링(11)의 내주면에 탄성체 링(12)의 외주면이 비접착이며 면접촉하도록 배치된다.
수지 링(11)의 단면 형상은 외주측 부분(11a)이 외주측으로 갈수록 폭 방향의 양 측이 테이퍼 형상으로 끝이 가는 등각사다리꼴을 옆으로 한 형상으로 형성되고, 내주측 부분(11b)이 직사각형으로 형성된다. 즉, 수지 링(11)은 각링의 외주측 부분(11a)에 테이퍼 가공을 행한 것이다. 이와 같은 각링의 외주측 부분(11a)에 테이퍼 가공을 행한 수지 링(11)은 피접촉물에 대해 면압을 높이는 효과가 있어서, 이에 의해 실링성이 좋아지며, 또한 저비용이 되는 이점이 있다.
탄성체 링(12)의 단면 형상은 직사각형으로 형성된다. 탄성체 링(12)은 바깥지름(L3)이 수지 링(11)의 안지름(L2)과 대체로 동일하며, 또한 폭(W2)이 수지 링(11)의 내주면의 폭(W12) 이하이다.
도 11은 제 2 실시형태에 관한 실링재(10)를 이용한 실링 구조(20)를 나타낸다. 이 실링 구조(20)는 고압유체의 존재 하, 예를 들어, 엔진 기구 등에 있어서 피스톤의 축(21) 및 실린더의 외장체(22) 사이, 냉장고, 냉동고, 에어 컨디셔너 등의 냉각 장치나 공조 장치의 압축기에 있어서 축(21) 및 하우징인 외장체(22) 사이 등에 구성되는 것이다. 또한, 실링 대상의 고압유체로는 예를 들어, 광유, 터빈유, 가솔린유, 냉동기유, 생분해성유 등의 각종 오일, 프레온 가스, 불화탄화수소 등의 냉매 등을 들 수 있다.
이 실링 구조(20)에서는 축(21)이 외장체(22)에 형성된 축공(23)에 삽입 관통된다. 예를 들어, 축(21) 및 외장체(22)는 상대 이동함으로써, 즉 적어도 한 쪽이 운동함으로써, 이들의 위치 관계가 변화한다. 축(21)의 운동으로는 축 회전 및 축 방향 이동, 그리고 이들 조합의 복합 운동을 들 수 있다. 축 회전은 축선을 중심으로 하여 회전하는 운동이며, 이에는 일방향으로 180° 회전한 후에 역방향으로 180° 회전하는 운동이나 일방향으로 360° 회전한 후에 역방향으로 360° 회전하는 요동도 포함된다. 축 방향 이동은 축 방향을 따르는 운동이며, 이에는 축 방향의 왕복 운동도 포함된다. 복합 운동은 축 회전 및 축 방향 이동을 동시에 행하는 운동이다.
그리고, 이 실링 구조(20)에서는 축(21) 및 외장체(22) 사이에 제 2 실시형태에 관한 링 형상의 실링재(10)가 배치된다.
축(21)의 외주에는 둘레 방향으로 연장되는 단면이 ＂ㄷ＂자 형상의 환 형상 홈인 패임부(24)가 축 방향으로 간격을 두어 복수 형성되고, 각 패임부(24)에 실링재(10)가 수용된다. 여기서, 실링재(10)로는 수지 링(11)의 바깥지름(L1)이 축공(23)의 안지름보다 약간 작으며, 또한 탄성체 링(12)의 안지름(L4)이 패임부(24)의 바닥면의 바깥지름과 동일하고, 또한 수지 링(11) 및 탄성체 링(12)의 두께의 합(L1－L4)이 패임부(24)의 깊이보다 약간 큰 것이 선택된다.
실링재(10)는 수지 링(11)이 패임부(24)의 개구측에 배치되며, 또한 패임부(24)의 개구로부터 그 일부분이 돌출하여 내주면이 축공(23)의 내주면에 접촉하도록 배치되는 한편, 탄성체 링(12)이 패임부(24)의 바닥측에 배치된다. 실링재(10)는 탄성체 링(12)이 고압유체로부터의 압력에 의해 폭 방향으로 압축되면 도 12에 나타내듯이, 탄성체 링(12)이 탄성 변형하여 수지 링(11)에 대해 그 바깥지름을 확대시켜 패임부(24)로부터 압출하고, 이에 의해 수지 링(11) 외주면의 축공(23) 내주면으로의 압접력을 높이고, 그 결과, 이 자기 실링성에 의한 우수한 실링성을 발현한다.
또한, 수지 링(11)이 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함하며 또한 MFR이 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성되므로, 수지 링(11)이 외장체(22)에 장기에 걸쳐 반복 슬라이딩하여도 동적 피로열화가 매우 작아서 마모나 변형이 일어나기 어렵고, 축(21)과 외장체(22)와의 사이의 틈새로 삐져나와 침입하기 어려워서 이 우수한 실링성을 장기간 지속할 수 있다. 게다가, 이러한 우수한 실링성의 장기간 지속성은 실온 하에서 작동시킨 경우뿐만 아니라, 80~100℃ 등 고온 하 또는 －30℃ 정도의 저온 하에서 작동시킨 경우에도 얻을 수 있다.
또한, 탄성체 링(12)의 단면 형상이 직사각형으로 형성되므로, 탄성체 링(12)으로부터 수지 링(11)에 균일한 면압으로 힘이 전달되어 수지 링(11)의 외주면도 균일한 면압으로 축공(23)의 내주면에 접촉하게 되어서, 이들 사이의 마찰 저항을 낮게 억제할 수 있음과 동시에, 이에 의해 수지 링(11)의 마모를 억제할 수 있다.
이상 구성의 실링 구조(20)는 먼저, 탄성체 링(12)을 축(21)에 형성된 패임부(24)에 수용하여 장착한 후, 수지 링(11)을 패임부(24) 내의 탄성체 링(12) 위에 놓도록 수용하여 장착함으로써 얻을 수 있다. 이 때, 수지 링(11)은 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함하며 또한 MFR이 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성되므로 충분히 유연하여 수지 링(11)의 안지름(L2)은 축(21)의 바깥지름보다 작으나, 예를 들어 도 13a 및 도 13b에 나타내듯이 잡아 당겨 안지름이 커지도록 변형시킴으로써 축(21)에 씌우도록 하여 패임부(24)에 용이하게 수용하여 장착할 수 있다. 또한, 탄성체 링(12)에 대해서도 마찬가지 방법으로 패임부(24)로 수용 및 장착이 가능하다.
그리고, 실링재(10)는 도 14a에 나타내듯이, 탄성체 링(12)의 단면 형상이 원형으로 형성된 것, 즉 탄성체 링(12)이 O링인 것이어도 된다. 이 경우, 탄성체 링(12)으로부터 수지 링(11)에 피크를 갖는 면압으로 힘이 전달되어 수지 링(11)의 외주면도 피크를 갖는 면압으로 축공(23)의 내주면에 접촉하므로, 이들 사이의 높은 실링성을 얻을 수 있다.
실링재(10)는 도 14b에 나타내듯이, 탄성체 링(12)이 O링이며, 수지 링(11)의 단면 형상이 안쪽 방향으로 개구한 ＂ㄷ＂자 형상으로 형성된 것이어도 된다. 이 경우, 수지 링(11)을 얇게 할 수 있으므로, 탄성체 링(12)으로부터의 힘을 수지 링(11)의 외주면(축공(23)의 내주면과의 접촉면)에 양호하게 전달할 수 있으며, 또한 변형이 용이하게 되므로 축(21)의 패임부(24)로의 장착성이 우수하고, 또한 단면 형상이 ＂ㄷ＂자 형상으로 형성되므로, 탄성체 링(12)의 어긋남을 억제할 수 있다.
실링재(10)는 도 14c에 나타내듯이, 수지 링(11)의 외주에 둘레 방향으로 연장되어 환 형상으로 구성된 리브(11c)가 폭 방향으로 간격을 두어 복수 줄 형성되고(도 14c에서는 2줄), 내주에 이들 리브(11c)에 대응하도록 ＂ㄷ＂자 홈(11d)이 형성된 것이어도 된다. 이 경우, 수지 링(11)의 외주측 리브(11c)의 요철의 오목부에 오일을 유지함으로써, 수지 링(11)의 외주면과 축공(23)의 내주면과의 사이의 마찰 저항을 낮게 억제하고, 이에 의해 수지 링(11)의 마모를 억제할 수 있다. 또한, 수지 링(11)의 내주측 ＂ㄷ＂자 홈(11d)의 요철에 의한 맞물림에 의해 수지 링(11)과 탄성체 링(12)과의 사이에서의 슬라이딩을 억제할 수 있다. 수지 링(11)에는 외주측의 요철만이 형성되어도 되며, 또한 내주측의 요철만이 형성되어도 된다.
실링재(10)는 수지 링(11)이 O링이어도 되며, 또한 저비용의 각링이어도 된다.
그 밖의 구성 및 작용 효과는 제 1 실시형태와 동일하다.
(그 밖의 실시형태)
제 1 및 제 2 실시형태에서는 축(21) 또는 외장체(22)에 형성된 패임부(24)에 실링재(10)만을 배치한 구성으로 하였으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 도 15a 및 도 15b에 나타내듯이, 탄성체 링(12)의 수지 링(11)에 접촉하는 측 부분이 리브(12a)로 형성되면, 수지 링(11)의 폭 방향의 고정도(固定度)가 낮아지나, 이와 같은 경우에 축(21) 및 외장체(22)가 축 방향의 상대 이동을 반복한 때라도 수지 링(11)이 패임부(24) 내에 고정되도록 패임부(24) 내의 수지 링(11)의 폭 방향의 양 측에 백업 링(back up ring)(30)을 배치하여도 된다. 이 백업 링(30)은 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지(polytetrafluoroethylene resin), 나일론 수지, 초고분자량 폴리에틸렌 수지(ultrahigh molecular weight polyethylene resin), 폴리에테르에테르케톤 수지(polyether ether ketone resin), 폴리아세탈 수지(polyacetal resin) 등의 수지 재료로 형성된다.
실시예
(수지 조성물)
＜실시예 1＞
실시예 1의 수지 조성물로서, 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함한 시판의 수지 조성물(Mitsui chemicals, inc.제, 상품명：LUBMER LS 4140)을 준비하였다. 실시예 1의 수지 조성물은 JIS K7210에 준하여 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 MFR이 14g／10min, ASTM D1505에 준하여 측정되는 밀도가 1099㎏／㎥, 및 ASTM D790에 준하여 측정되는 온도 25℃에서의 굽힘 탄성률이 2.2㎬이다.
사출성형기(Nissei plastic industrial co., ltd.제, 형체력(clamping force) 40t, 스크류 지름 Φ26㎜)를 이용하여, 실시예 1의 수지 조성물에 의해 도 1~도 3에 나타낸 것과 마찬가지 형태의 수지 링(L1：104.53㎜, L2：100.25㎜, W11：4.6㎜, W12：3.6㎜, 테이퍼 각도θ: 30°)을 사출 성형하여 제작하였다. 이 때, 노즐 온도를 245℃, 실린더 온도를 210~245℃, 금형 온도를 60℃, 그리고 건조 온도를 80℃ 및 건조 시간을 10시간으로 하여 진공 건조시켰다.
또, 간이 사출성형기(Imoto machinery co., ltd.제, 상품번호：1614／1615)를 이용하여, 실시예 1의 수지 조성물에 의해 압축 강도 측정용 지름 Φ8㎜ 및 길이 10㎜의 원주 형상 시험편, 하중 변형률 측정용 지름 Φ14.3㎜, 길이 12.7㎜의 원주 형상 시험편, 내마모성 시험용 지름 Φ4㎜ 및 길이 10㎜의 원주 형상 시험편을 사출 성형하여 제작하였다. 이 때, 실린더 온도를 250℃로 하였다.
＜실시예 2＞
실시예 2의 수지 조성물로서, 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함한 시판의 수지 조성물(Mitsui chemicals, inc.제, 상품명：LUBMER LS 4140) 95질량%에 흑연 미립자(Oriental industry co.ltd.제, 상품명：AT－No.20) 5질량%를 압출기에 의해 혼련 첨가한 수지 조성물을 준비하였다. 실시예 2의 수지 조성물은 JIS K7210에 준하여 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 MFR이 13g／10min, ASTM D1505에 준하여 측정되는 밀도가 1123㎏／㎥, 및 ASTM D790에 준하여 측정되는 온도 25℃에서의 굽힘 탄성률이 2.3㎬이다.
또한, 실시예 2의 수지 조성물을 이용하여, 실시예 1과 동일 조건에서 사출 성형에 의해 수지 링을 간이 사출성형기에 의해 원주 형상의 시험편을 각각 제작하였다.
＜비교예 1＞
비교예 1의 수지 조성물로서, 폴리올레핀 수지를 포함한 시판의 수지 조성물(Mitsui chemicals, inc.제, 상품명：LUBMER L3000)을 준비하였다. 비교예 1의 수지 조성물은 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 MFR이 0.3g／10min, 밀도가 969㎏／㎥, 및 온도 25℃에서의 굽힘 탄성률이 1.5㎬이다.
노즐 온도를 220℃ 및 실린더 온도를 200~220℃로 한 것을 제외하고, 비교예 1의 수지 조성물에 의해 실시예 1의 경우와 마찬가지의 수지 링을 사출 성형하여 제작하였다.
또, 실린더 온도를 230℃로 한 것을 제외하고, 비교예 1의 수지 조성물에 의해 실시예 1의 경우와 마찬가지의 원주 형상의 시험편을 사출 성형하여 제작하였다.
＜비교예 2＞
비교예 2의 수지 조성물로서, 나일론 11 수지를 포함한 시판의 수지 조성물(ARKEMA K.K.제, 상품명：Rilsan BESN TL)을 준비하였다. 비교예 2의 수지 조성물은 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 MFR이 1g／10min, 밀도가 1020㎏／㎥, 및 온도 25℃에서의 굽힘 탄성률이 1.0㎬이다.
노즐 온도를 210℃ 및 실린더 온도를 200~210℃로 한 것을 제외하고, 비교예 2의 수지 조성물에 의해 실시예 1의 경우와 마찬가지의 수지 링을 사출 성형하여 제작하였다.
또, 실린더 온도를 220℃로 한 것을 제외하고, 비교예 2의 수지 조성물에 의해 실시예 1의 경우와 마찬가지의 원주 형상의 시험편을 사출 성형하여 제작하였다.
(시험 평가 방법)
＜내구성 시험＞
니트릴 수지 조성물로 형성된 탄성체 링(L3：111.2㎜, L4：104.4㎜, W2：4.6㎜)을 준비하고, 실시예 1 및 2, 그리고 비교예 1 및 2의 각각의 수지 조성물로 형성한 수지 링과 조합하여 실링재를 구성하였다.
계속해서, 바깥지름이 Φ100㎜인 축이 하우징(외장체)에 형성된 축공에 삽입 관통된 스위블 이음에 있어서, 이 축공의 내주에 형성된 폭 5㎜ 및 깊이 5㎜의 패임부에 상기 실링재를 장착하였다.
그리고, 이 스위블 이음을 작동유：터빈＃56, 작동 온도：실온(24℃), 작동 압력의 변동 범위：0~35㎫, 작동 속도：30cpm, 작동 회전수：15rpm, 및 작동 횟수：70만회 조건에서 작동시켜서 오일 누출의 유무를 눈으로 확인하였다.
＜압축 강도＞
실시예 1 및 2 그리고 비교예 1 및 2의 각각의 수지 조성물을 사출 성형하여 제작한 지름 Φ8㎜ 및 길이 10㎜의 원주 형상 시험편에 대해 ASTM D695에 준하여 온도 25℃에서 측정 속도 1㎜／min으로 하여 10% 변형 시의 압축 강도를 측정하였다.
＜하중 변형률＞
실시예 1 및 2 그리고 비교예 1 및 2의 각각의 수지 조성물을 사출 성형하여 제작한 지름 Φ14.3㎜ 및 길이 12.7㎜의 원주 형상 시험편에 대해 ASTM D621에 준하여 온도 25℃에서 측정 개시 10초 후부터 24시간 후까지의 하중 변형률을 측정하였다.
＜내마모성 시험＞
도 16에 나타내듯이, 실시예 1 및 2, 그리고 비교예 1 및 2의 각각의 수지 조성물을 사출 성형하여 제작한 원주 형상의 시험편(41)에 대해 시료(試料) 홀더(42)에 유지한 후, 이를 시험편(41)의 하면(下面)이 주철(S45C)제의 상대재(counterpart)(43)에 접촉하도록 세팅하고, 계속해서 시험편(41)을 상대재(43)에 압접시키도록 785N의 하중을 부하한 상태에서 상온 하, 윤활유를 개재시키지 않고, 시험편(41)의 하면이 슬라이딩하도록 상대재(43)를 50rpm의 회전 수로 회전시키고, 그리고 24시간 경과 후의 질량 감량으로부터 하기식에 기초하여 마모 깊이를 산출하였다.
마모 깊이(㎛)＝［시험편의 질량 감량(㎎)×10］／슬라이딩부 면적(㎠)×시험편의 비중(g／㎤)
(시험 평가 결과)
표 1은 시험 평가 결과를 나타낸다.
실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
흑연 미립자의 배합량(질량%) 0 5 0 0
MFR(g/10mim) 14 13 0.3 1
밀도(kg/m3) 1099 1123 969 1020
굽힘 탄성률(GPa) 2.2 2.3 1.5 1.0
압축 강도(MPa) 35 36 24 41
하중 변형률(%) 6.8 6.6 30이상 5.5
내마모성 시험에서의 마모 깊이(μm) 206 51 163 468
내구성 시험에서의 오일 누출 유무 무 무 유 유
압축 강도는 실시예 1이 35㎫, 실시예 2가 36㎫, 비교예 1이 24㎫, 및 비교예 2가 41㎫이었다.
하중 변형률은 실시예 1이 6.8%, 실시예 2가 6.6%, 비교예 1이 30% 이상, 및 비교예 2가 5.5%이었다.
내마모성 시험에서의 마모 깊이는 실시예 1이 206㎛, 실시예 2가 51㎛, 비교예 1이 163㎛, 및 비교예 2가 468㎛이었다.
내구성 시험에 있어서는 실시예 1 및 2에서는 오일 누출 무(無), 비교예 1 및 2에서는 오일 누출 유(有)이었다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명은 실링재 및 이를 이용한 실링 구조에 대해 유용하다.
10: 실링재 11: 수지 링
11a: 외주측 부분 11b: 내주측 부분
11c, 12a: 리브 11d: "ㄷ"자 홈
12: 탄성체 링 20: 실링 구조
21: 축 22: 외장체
23: 축공 24: 패임부
30: 백업 링 41: 시험편
42: 시료 홀더 43: 상대재

Claims (14)

  1. 수지 링과, 상기 수지 링에 대해 그 안지름을 확대 또는 축소시키도록 탄성 변형하는 탄성체 링을 갖는 실링재(sealing material)에 있어서,
    상기 수지 링은 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함하며, 또한 JIS K7210에 준하여 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 멜트 플로 레이트(melt flow rate)가 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성되는 실링재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수지 링을 형성하는 수지 조성물에는 흑연 미립자(微粒子)가 배합되는 실링재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 흑연 미립자의 배합량이 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지의 총량에 대해 0.1~20질량%인 실링재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 링을 형성하는 수지 조성물은 ASTM D1505에 준하여 측정되는 밀도가 990~1250㎏／㎥인 실링재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 링을 형성하는 수지 조성물은 ASTM D695에 준하여 측정되는 압축 강도가 20㎫ 이상인 실링재.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 링을 형성하는 수지 조성물은 ASTM D621에 준하여 측정되는 하중 변형률이 10% 이하인 실링재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 링을 형성하는 수지 조성물은 ASTM D790에 준하여 측정되는 굽힘 탄성률이 1㎬ 이상인 실링재.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 링을 형성하는 수지 조성물은 폴리아미드 수지의 함유질량 쪽이 폴리올레핀 수지의 함유질량보다 많은 실링재.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 링을 형성하는 수지 조성물에 포함되는 폴리아미드 수지의 융점(融點)이 230℃ 미만인 실링재.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 링을 형성하는 수지 조성물에 포함되는 폴리올레핀 수지가 α-올레핀의 단독중합체 또는 공중합체인 실링재.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 α-올레핀의 분자 내 탄소 수가 2~20인 실링재.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 α-올레핀의 분자 내 탄소 수가 에틸렌인 실링재.
  13. 축과, 상기 축이 삽입 관통된 외장체와, 상기 축 및 상기 외장체 사이에 배치된 링 형상의 실링재를 구비한 실링 구조에 있어서,
    상기 축의 외주(外周) 및／또는 상기 외장체의 내주(內周)에는 패임부가 형성되며, 또한 상기 패임부에는 상기 실링재가 수용되고,
    상기 실링재는 상기 패임부의 개구(開口)로부터 돌출하도록 배치된 수지 링과, 상기 수지 링을 상기 패임부로부터 압출하도록 탄성 변형하는 탄성체 링을 가지며,
    상기 수지 링은 폴리아미드 수지와 폴리올레핀 수지를 포함하며, 또한 JIS K7210에 준하여 온도 230℃ 및 하중 21.18N의 조건에서 측정되는 멜트 플로 레이트가 1~50g／10min인 수지 조성물로 형성되는 실링 구조.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 실링 구조가 스위블 이음(swivel joint)에 구성되는 실링 구조.
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