KR20160083095A - 단일 밀봉 링 스터핑 박스 - Google Patents

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호우덴 토마쎈 컴프레셔스 비브이
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Abstract

왕복 피스톤 압축기에서 사용하기 위한 밀봉 장치는, 각 측면을 따라 맞물린 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46), 및 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)의 외경(OD5, OD6)이 각각 제1 및 제2 커버링(40, 42)의 내경(ID3, ID4)과 맞물리도록 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46) 주위에 배치된 제1 및 제2 커버 링(40, 42)을 포함한다. 지지 링(36)은 제1 밀봉 링(44) 및 제1 커버 링(40)과 맞물린다. 백업 링(38)은 제2 밀봉 링(46) 및 제2 커버 링(42)과 맞물린다. 일부 실시예들에서, 제1 밀봉 링(44)은 제2 밀봉 링(46)의 폭(W6)보다 작은 폭(W5)을 갖는다. 다른 실시예들에서, 제2 밀봉 링(146)은 제2 밀봉 링의 내면 상에 형성된 원주 홈(149)을 갖고, 원주 홈(149)은 제1 밀봉 링(144)에 바로 인접하여 배치된다. 추가 실시예들에서, 밀봉 링들(44, 46)은 나노 물질 첨가제와 함께 PEEK로 형성된다.

Description

단일 밀봉 링 스터핑 박스{SINGLE SEAL RING STUFFING BOX}
본 발명의 실시예들은, 일반적으로 가스 압축기를 위한 밀봉 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 왕복 가스 압축기를 위한 스터핑 박스 밀봉 장치에 관한 것이다.
스터핑 박스는, 압축기의 가압된 실린더로부터 대기 및/또는 압축기의 내부 공간으로의 공정 가스의 누출을 최소화하도록 왕복 압축기에 있어서 피스톤 로드 주위의 영역을 밀봉하는 밀봉 조립체이다. 피스톤 로드의 고속 왕복 운동 때문에, 스터핑 박스의 내부 부품들에는 시간 경과에 따라 고 마찰 마모가 발생할 수 있다. 예를 들어, 피스톤 로드 표면을 밀봉하는 데 사용되는 개별적인 밀봉 소자들은, 피스톤 로드의 외면과 내측 밀봉면 사이에서 발생하는 마찰 열과 마찰 마모로 인해 짧은 수명을 겪을 수 있다. 이해할 수 있듯이, 이러한 밀봉 소자들의 짧은 수명으로 인해, 연관된 압축기에 대한 유지보수 간격이 상당히 짧게 된다. 밀봉 소자들을 교체하기 위해 압축기를 더욱 빈번하게 작동 정지시킬수록, 전체 시스템의 동작 효율은 떨어진다.
기존에는 왕복 압축기에서의 밀봉 소자 마모에 대처하도록, 밀봉 소자를 형성하는 데 사용되는 물질을 조절하는 데 중점을 두었다. 예를 들어, 밀봉 소자는, 탄소, 흑연, 몰리브덴 이황화물(MoS2), 유리 섬유 등의 필러와 결합된 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르 에테르 크세톤(PEEK) 물질로 제조되었다. 다르게는, 마모를 제한하도록 스터핑 박스에서 다수의 밀봉 링과 압력 브레이커 링을 사용하고 및/또는 압력 보상 기술을 적용하는 것을 시도하였다.
또한, 이러한 시도들은, 적절히 증가된 유지보수 간격을 제공할 수 있는 원하는 긴 수명을 갖는 밀봉부를 제공하지 못했다. 따라서, 왕복 압축기와 함께 사용하기 위한 개선된 스터핑 박스 장치가 필요하다.
종래 기술의 전술한 단점들에 대처하도록, 특히 고압 및 비윤활 상태에서 현재 이용 가능한 밀봉 조립체들보다 더 작동 마모에 견딜 수 있는 스터핑 박스 밀봉 장치를 개시한다.
개시한 설계는 두 가지를 포함한다. 첫째, 압력 보상을 채택하여 밀봉 링 상의 방사상 힘을 감소시킨다. 둘째, 신규한 내마모 밀봉 링 라이닝을 제공한다. (압력 보상 덕분에) 밀봉 링 상의 작은 방사상 힘은 직접적으로 마찰을 덜 야기하며, 따라서, 마모와 열 발생을 덜 야기한다. 개선된 밀봉 링 라이닝에 더하여, 설계는(방사상 방향으로) 얇은 밀봉 링의 고 순응성 덕분에 가스 누출을 감소시킨다.
일부 실시예들에서, 밀봉 라이닝에 사용되는 물질은, 마찰 마모를 더욱 감소시키는 감소된 마찰 계수를 갖는다. 또한, 밀봉 물질은, 고압(예를 들어, >100 바)에서의 압력 보상에 의해 야기되는 고 내부 부하를 견딜 수 있다. 또한, 물질은 입자들에 의한 오염에 대하여 큰 저항을 갖는다.
종래의 스터핑 박스는, 일반적으로 다수의 링을 포함하는 다수의 포켓들 및 마모를 감소시키도록 빈번하게 요구되는 윤활제로 이루어진다. 개시한 밀봉 링 설계는, 비윤활 서비스 및/또는 고압(>100 바) 상태에서 피스톤 로드를 효율적으로 밀봉한다. 이에 따라 전체 스터핑 박스의 콤팩트한 설계를 얻는다.
또한, 개시한 설계는, 개별적인 밀봉 링들 내에 홈들을 포함하는 압력 보상 특징부를 포함할 수 있다. 이러한 홈들은 밀봉 링의 지지 링 부분의 스플릿을 통해 스터핑 박스의 고압측에 연결될 수 있다. 커버 밀봉 링은 종래의 PTFE 물질을 포함할 수 있는 한편, 라이닝 밀봉 링은 마찰 감소와 열 전도성 증가를 위해 나노 물질 첨가제를 갖는 PEEK를 포함하는 개선된 내마찰 물질로 제조될 수 있다. 이러한 라이닝 밀봉 링들은, 링 세트가 매우 높은 압력에서 사용될 수 있도록 고 강도를 갖는다. 이러한 라이닝 밀봉 링들의 높은 기계적 강도 때문에, 링들의 폭은 작을 수 있고, 이는, 압력 보상 특징부와 함께, 동작 동안 저 마찰력을 발생시킬 수 있다. 개시한 라이닝 밀봉 링을 하나 이상의 커버 밀봉 링과 조합하여 사용하는 것은 종래의 설계에 비해 개선된 점이다. 종래에 시도한 해결책들은 압력 보상을 채택하였지만, 이러한 해결책들에서는, 부분 압력 보상만을 가능하였으며, 라이닝 밀봉 링 없이 다수의 스플릿 링들을 사용하였다.
개시한 압력 보상과 저 마찰 라이닝 밀봉 링의 조합에 의해, 종래의 다수의 밀봉 링 세트 대신에 단일 링 구성을 갖는 밀봉 조립체를 얻을 수 있다. 그 결과, 스터핑 박스는, 종래의 밀봉부에 비해 개선된 수명을 가질 수 있고, 고압과 비윤활 상황에서 작동할 수 있다. 개시한 스터핑 박스는, 어려운 상황에서도 층 밀봉 물질을 덜 필요로 하면서 긴 수명, 콤팩트한 설계, 및 뛰어난 성능을 갖는다. 개시한 설계는, 결국, 밀봉 장치가 채택되는 압축기를 위한 더욱 긴 유지보수 간격을 얻게 한다.
왕복 압축기의 스터핑 박스에 사용하기 위한 밀봉 링을 개시한다. 밀봉 링은, 각 측면을 따라 맞물린 제1 및 제2 밀봉 링, 및 제1 및 제2 밀봉 링의 외경이 제1 및 제2 커버 링의 내경과 맞물리도록 제1 및 제2 밀봉 링 주위에 배치된 제1 및 제2 커버 링을 포함할 수 있다. 지지 링은, 제1 밀봉 링 및 제1 커버 링과 맞물릴 수 있는 한편, 백업 링은 제2 밀봉 링 및 제2 커버 링과 맞물릴 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 밀봉 링은 제2 밀봉 링의 폭보다 작은 폭을 갖는다. 다른 실시예들에서, 제2 밀봉 링은 제2 밀봉 링의 내면 상에 형성된 원주 홈을 갖고, 원주 홈은 제1 밀봉 링에 바로 인접하여 배치된다. 제1 및 제2 밀봉 링은 나노 물질 첨가제를 갖는 PEEK로 제조될 수 있다.
왕복 압축기의 스터핑 박스에서 사용하기 위한 밀봉 링을 개시한다. 밀봉 링은, 서로 맞물린 제1 및 제2 밀봉 링, 및 제1 및 제2 밀봉 링 주위에 배치된 제1 및 제2 커버 링을 포함할 수 있다. 지지 링은 제1 밀봉 링 및 제1 커버 링과 맞물릴 수 있고, 백업 링은 제2 밀봉 링 및 제2 커버 링과 맞물릴 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 밀봉 링은 제2 밀봉 링의 폭보다 작은 폭을 갖는다. 다른 실시예들에서, 제2 밀봉 링은 제2 밀봉 링의 내면 상에 형성된 홈을 갖는다. 제1 및 제2 밀봉 링은 나노 물질 첨가제를 갖는 PEEK로 제조될 수 있다.
첨부 도면은, 본 발명의 원리의 실제 적용을 위해 지금까지 고려한 개시한 방법의 바람직한 실시예들을 도시한다:
도 1은 예시적인 왕복 압축기의 단면도;
도 2는 도 1의 피스톤 압축기에서 사용하기 위한 예시적인 스터핑 박스 밀봉 링 조립체의 등측도;
도 3a는 도 2의 밀봉 링 조립체의 분해도;
도 3b는 도 2의 밀봉 링 조립체의 역 분해도;
도 4a와 도 4b는 도 2의 밀봉 링 조립체의 분해도 및 단면도;
도 5a는 도 1의 피스톤 압축기에서 사용하기 위한 대체 스터핑 박스 밀봉 링 조립체의 부분 단면도;
도 5b는 도 5a의 밀봉 링 조립체의 제1 및 제2 밀봉 링의 등측도;
도 6은 예시적인 스터핑 박스에 배치된 도 2의 밀봉 링 조립체의 단면도;
도 7a 내지 도 7c는 다양한 밀봉 구성을 위해 밀봉 링과 피스톤 로드 간의 예시적인 압력 분포를 도시하는 도;
도 8은 도 2의 복수의 밀봉 링 조립체를 포함하는 예시적인 스터핑 박스 밀봉 장치; 및
도 9는 개시된 도 2의 밀봉 링 조립체의 성능을 도시하는 그래프.
왕복 피스톤 압축기에서 사용하기 위한 개선된 밀봉 장치를 개시한다. 개선된 밀봉 장치는, 동작시 감소된 마모를 겪도록 구성된 다편(multi-piece) 밀봉 링을 포함한다. 마모를 감소시킴으로써, 개시한 다편 밀봉 링 설계는, 연관된 왕복 압축기가 종래의 설계에 비해 부품 정비 간의 더욱 긴 기간 동안 작동할 수 있게 한다. 또한, 개시한 설계는, 종래의 장치에 비해 비윤활 응용 분야에서 더욱 넓은 범위의 차분 압력(흡입 대 배출)을 수용한다.
도 1을 참조해 보면, 예시적인 피스톤 압축기(1)의 단면도가 도시되어 있다. 압축기는, 실린더(4)가 배치된 프레임(2)을 포함할 수 있다. 실린더(4)는, 실린더(4) 내에서 왕복 운동 가능한 피스톤(6)을 포함한다. 피스톤 로드(8)는, 일단에서 피스톤(6)에 고정되고 타단에서 크로스헤드(10)에 고정된다. 크로스헤드(10)는 크로스헤드 유도부(12)에 의해 압축기의 프레임(2)에서 수평 직선으로 왕복 유도된다. 크로스헤드(10)의 선형 운동은, 연결 로드(16)를 통해 크로스헤드(10)에 결합된 크랭크(14)에 의해 발생된다. 크랭크(14)의 회전 운동은 연결 로드(16)에 의해 크로스헤드(10)에 전달된다.
예시한 압축기는, 제1 및 제2 압축 챔버(20, 22)가 실린더(4)에서 피스톤(6)의 양측 상에 형성되는 복동형이다. 제1 및 제2 압축 챔버(20, 22)의 각각은, 크랭크 기구의 방향으로의 피스톤(6)의 이동(즉, 도 1의 좌측으로의 이동)에 의해, 흡입 압력에서의 가스가 연관된 흡입 밸브를 통해 제2 압축 챔버(22) 내에 도입되도록 적절한 흡입 및 배출 밸브를 구비한다. 동시에, 제1 압축 챔버(20) 내에 존재하는 가스는 압축되어 연관된 배출 밸브를 통해 배출 압력에서 배출된다. 도시하지는 않았지만, 가스 소스는 입구 밸브에 결합되는 한편, 출구 밸브는 적절한 배출 파이핑에 결합될 수 있다.
제1 압축 챔버(20)를 압축기 내부의 나머지로부터 밀봉하도록, 스터핑 박스(24)(도 7 참조)는 제1 압축 챔버에 바로 인접하는 피스톤 로드(6) 주위에 배치된다. 더욱 상세히 후술하는 바와 같이, 스터핑 박스(24)는, 특히, 압축 가스가 제1 압축 챔버(22)로부터 누출되는 것을 방지하도록 구성된 복수의 밀봉 링(25)(도 2 참조)을 포함할 수 있다. 도시한 실시예에서, 스터핑 박스(24)는 원통형 본체부(26)와 연결 플랜지부(28)를 포함한다. 원통형 본체부(26)는 프레임(2)에서 대응하는 크기의 원통형 오목부(30) 내에 미끄럼 가능하게 수용되는 한편, 연결 플랜지부(28)는 프레임의 밀봉면(32)에 접한다. 연결 플랜지부(28)는, 도시한 실시예에서 볼트를 포함하는 복수의 파스너(34)를 통해 프레임(2)에 고정될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 플랜지의 연결 플랜지부(28)와 밀봉면(32) 사이에 적절한 개스킷 또는 기타 밀봉 물질을 배치할 수 있다.
이렇게 배열됨으로써, 동작 동안, 피스톤 로드(6)는, 피스톤 로드(6)의 외면이 밀봉 링들(25)의 내면 상에서 미끄러지도록 양쪽 화살표 "A"로 표시한 바와 같이 왕복 운동하게 된다. 이에 따라 스터핑 박스(24) 내에 밀봉 링들을 배열함으로써, 제1 압축 챔버(20) 내의 압축 가스가 스터핑 박스를 통과하는 것을 방지한다.
도 2 내지 도 4b는 피스톤 로드(6)를 밀봉하도록 개시된 스터핑 박스(24)에서 사용되는 예시적인 밀봉 링(25)을 도시한다. 후술하는 바와 같이, 밀봉 링(25)은, 연관된 압축기(1)의 동작 동안 원하는 밀봉 특징을 제공하도록 함께 기능하는 복수의 개별적인 소자로 구성될 수 있다. 따라서, 예시한 밀봉 링(25)은 백업 링(36)과 심(shim)(38)을 포함하고, 이들 백업 링과 심 사이에는, 제1 및 제2 커버 링(40, 42)과 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)이 끼워진다.
심(38)은, 제1 압축 챔버(20)의 고압을 받는 밀봉 세트(25) 측에 위치할 수 있다. 동작시, 심(38)은, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46) 및 제1 및 제2 커버 링(40, 42)을 서로에 대하여 제 위치에서 유지하고 제1 및 제2 밀봉 링이 피스톤 로드(6)와 스터핑 박스 챔버 사이에서 미끄러지는 것을 방지하도록 기능한다. 심 링(38)은, 내경 ID1, 외경 OD1, 제1 및 제2 대향면(38a, 38b), 및 폭 W1을 갖는 대략 원통의 평평한 링 부재일 수 있다. 일부 실시예들에서, 심 링(38)은, 백업 링이 밀봉하는 스터핑 박스 챔버의 부분에서의 임의의 갭을 채우도록 PTFE로 제조될 수 있다. 심 링(38)은, 제1 압축 챔버(20)에 대면하는 밀봉 세트(25) 측에 위치할 수 있고, 이에 따라 동작 동안 제1 압축 챔버의 압력을 받을 수 있다. 일부 실시예들에서, 심 링(38)은 PTFE로 제조된다.
백업 링(36)은, 유사하게, 내경 ID2, 외경 OD2, 제1 및 제2 대향면(36a, 36b), 및 폭 W2를 갖는 대략 원통 링의 평평한 부재일 수 있다. 일부 실시예들에서, 백업 링(36)은, 밀봉 세트(25)가 압력을 받을 때 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)의 압출을 방지하도록 청동 또는 주철 등의 금속으로 제조된다.
제1 및 제2 커버링(40, 42) 은, 내경 ID3, ID4, 외경 OD3, OD4, 제1 및 제2 대향면(40a, 40b, 42a, 42b), 및 폭 W3, W4를 각각 갖는 원통형 링 부재들일 수 있다. 도시한 바와 같이, 제1 커버 링(40)은 제2 커버 링(42)의 폭 W4보다 작은 폭 W3을 가질 수 있다. 이러한 상대적 폭 구성은, 더욱 상세히 후술하는 바와 같이, 밀봉 링(25) 설계의 압력 보상 기능의 일부이다. 제1 및 제2 커버 링(40, 42)은, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)과 맞물린 제1 및 제2 커버 링(40, 42)을 유지하기 위한 제1 및 제2 스프링 소자(45, 47)를 각각 수용하도록 구성된 제1 및 제2 외주 오목부(41, 43)를 각각 포함할 수 있다.
제1 및 제2 밀봉링(44, 46)은, 내경 ID5, ID6, 외경 OD5, OD6, 제1 및 제2 대향면(44a, 44b, 46a, 46b), 및 폭 W5, W6을 각각 갖는 원통형 링 부재들일 수 있다. 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)의 각각의 외경 OD5, OD6은, 밀봉 링(25)이 조립되는 경우 제1 및 제2 밀봉 링이 제1 및 제2 커버 링에 의해 밀폐될 수 있도록 제1 및 제2 커버 링(40, 42)의 내경 ID3, ID4보다 작다.
도 4a에서 알 수 있듯이, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)은, 동작 동안 제1 및 제2 밀봉 링의 상대 회전을 방지하도록 연관된 커버 링(40, 42)에 형성된 각 방사상 오목부(53, 55) 내에 끼워지도록 구성된 방사상 연장되는 탭(49, 51)을 각각 더 포함할 수 있다.
도시한 실시예에서, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)은 실질적으로 동일한 내경 ID5, ID6 및 실질적으로 동일한 외경 OD5, OD6을 갖는다. 그러나 제2 밀봉 링(46)은 제1 밀봉 링(44)의 폭 W5보다 큰 폭 W6을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)의 폭 W5, W6은 이들의 각 커버 링(40, 42)의 폭 W3, W4에 대응할 수 있다.
제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)은, 또한, 제1 및 제2 밀봉 링이 약간 팽창 또는 수축하여 피스톤 로드 직경의 작은 차를 수용하고 이에 따라 피스톤 로드(6)와 일정하게 접촉하는 것을 확실하게 하는 개구(57, 59)를 각각 구비할 수 있다는 점에서, "스플릿" 링들일 수 있다. 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)의 개구(57, 59)는 밀봉 링(25)을 통한 누출 경로를 구성하지 않도록 서로 오프셋된다. 도시한 실시예에서, 개구(57, 59)는 약 180도만큼 오프셋되지만, 이는 필수 사항이 아니며 다른 크기의 오프셋을 사용할 수 있다.
제1 및 제2 커버 링(40, 42)은, 내부에 형성된 방사상 오목부들(53, 55) 때문에 "스플릿" 링들로서 기능할 수 있다. 이러한 오목부들은, 동작 동안 제1 및 제2 커버 링(40, 42)이 약간 팽창 또는 수축하여 연관된 제1 또는 제2 밀봉 링(44, 46)의 외경 OD5, OD6의 임의의 작은 조절값에 매칭될 수 있게 한다. 도시한 실시예에서, 제1 커버 링(40)은 오목부(53)로부터 떨어져 약 180도 이격된 제2 오목부(57)를 포함한다. 도 3b를 참조해 보면, 이러한 제2 오목부(57)는 제2 커버 링(42) 상에 형성된 돌출부(61)를 수용한다. 이러한 상호 끼움은 서로에 대한 링들의 회전을 방지한다. 이 돌출부/오목부 구성은 필수 사항이 아니며, 다른 특징부를 사용하여 소자들 간의 상대 회전을 방지할 수 있음을 이해할 것이다.
밀봉 링 세트(25)의 소자들의 밀접한 상호 끼움 구성은 도 4b에서 볼 수 있는데, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)은 제1 및 제2 커버 링(40, 42)의 각 내경 ID3, ID4에 의해 각자의 외경 OD5, OD6 주위로 커버된다. 이어서, 이러한 소자들의 그룹은 지지 링(36)과 백업 링(38) 사이에서 끼워져 있다. 챔버의 완전한 밀봉 링 세트(25)의 축방향 간극은, 심 링(38)의 폭 W1을 조절함으로써 조절될 수 있다. 밀봉 링 세트(25)의 개별적인 소자들 간의 간극은, 밀봉 링 세트의 소자들을 함께 유지할 정도로 충분히 작으면서 동작 동안 그 소자들의 열 팽창을 수용할 정도로 충분히 크다. 제1 및 제2 스프링 소자(45, 47)는, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46) 주위에 맞물린 제1 및 제2 커버 링(40, 42)을 함께 유지한다.
도 5a는, 심(136), 백업 링(138), 제1 및 제2 밀봉 링(144, 146), 및 단일 커버 밀봉 링(140)을 포함하는 밀봉 세트(125)의 대체 구성을 도시한다. 커버 밀봉 링(140)은, 제1 및 제2 밀봉 링(144, 146)과 맞물린 커버 링(140)을 유지하는 제1 및 제2 밀봉 소자들 스프링 소자들(145, 147)을 수용하기 위한 원주 오목부들을 포함한다.
본 실시예의 밀봉 세트(125)의 치수 및 동작 특징은 도 2 내지 도 4b에 관하여 전술한 밀봉 링(25)의 치수 및 동작 특징과 유사하거나 같을 수 있다. 예를 들어, 지지 링, 백업 링, 커버 링, 및 제1 및 제2 밀봉 링은, 이전 실시예에 관하여 설명한 바와 동일한 물질로 제조될 수 있다. 또한, 소자들의 상대적 치수는 이전 실시예에 관하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
알 수 있듯이, 본 실시예에서, 제1 및 제2 밀봉 링(144, 146)의 폭 W5와 W6은 실질적으로 동일하다. 그러나 제2 밀봉 링(146)은 제1 밀봉 링(144)에 인접하여 배치된 원주 홈(149)을 포함한다. 이 원주 홈은, 제2 밀봉 링(146)의 원주의 일부를 따라 이어지며, 폭 W6의 일부를 따른 제2 밀봉 링(146)의 두께를 감소시킨다. 더욱 상세히 후술하는 바와 같이, 홈(149)을 통해 압력 보상 특징을 제공한다. 구체적으로, 홈(149)은 제1 밀봉 링(144)의 개구(151)를 통해 고압 가스에 결합될 수 있다(도 5b 참조).
이제 도 6을 참조해 보면, 예시적인 피스톤 로드(6)와 스터핑 박스 챔버부(60)에 관하여 배치된 개시된 밀봉 세트(25)의 단면도가 도시되어 있다. 제1 및 제2 밀봉(40, 42)의 내경 ID5와 ID6은 피스톤 로드(6)의 외면(7)과 맞물린다. 오목부(9)는, 지지 링(36), 백업 링(38), 제1 및 제2 커버 링(40, 42)과 스터핑 박스 챔버부(60) 사이에 있는 것으로 도시되어 있다. 동작시, 이 오목부(9)는 가스로 가압될 수 있다. 심 링(5)은 고압측에 있으며, 백업 링(6)은 저압측에 있다. 심(5)과 케이싱 사이에 간극이 존재한다. 전술한 바와 같이, 밀봉 링(25, 125)은, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46; 144, 146)에 걸친 차분 압력을 감소시키기 위한 압력 보상 특징부를 포함한다. 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)에 걸친 차분 압력을 감소시킴으로써, 동작 중의 마찰력이 감소되어, 동작 중 열 발생과 마모가 감소된다.
도 5a의 밀봉 링(125)의 실시예에 관하여 전술한 바와 같이, 부분 원주 홈(149)이 제2 밀봉 링(146)에 제공된다. 홈(149)은, 고압측(즉, 제1 압축 챔버(20)에 인접한 측)으로부터의 가스로 가압되거나 채워질 수 있어서, 밀봉 링(125)과 피스톤(6) 사이의 유효 밀봉 영역은 홈(149)으로부터 백업 링(138)에 이르는 제2 밀봉 링(146)의 매우 작은 부분만 해당된다. 따라서, 개시한 설계에 의하면, 밀봉 링(146)의 작은 폭 "SW"는 피스톤 로드(6)에 대하여 밀봉하고, 제2 밀봉 링(146)의 외측(146a)과 내측(146b) 간에 압력 보상을 제공한다. 외경 OD6과 내경 ID6 상의 압력은, 홈(149)이 가압되므로, 같다.
이해할 수 있듯이, 순 밀봉력은 밀봉 링의 외경 상의 압력(OD 압력) 곱하기 공급 압력 빼기 밀봉 하의 평균 압력이다(도 7a 참조). 제1 및 제2 밀봉 링(144, 146) 사이에 갭(149)을 포함하는 도 5의 밀봉 구성에 의하면, 밀봉 링(125)과 피스톤 로드(6) 사이의 갭(149)의 압력 구배는 쌍곡선 함수를 따른다(도 7b 참조). 밀봉 링(125) 상의 순 방사상 힘은, 밀봉 링의 외경 상의 압력 빼기 밀봉 링 하의 평균 압력에 의해 야기된다. 따라서, 밀봉 링 하의 평균 압력이 높을수록, 방사상 힘이 작아진다.
제2 밀봉 링(146)에 홈(149)이 제공되면, 밀봉 하의 압력은 홈의 단부까지 일정하게 높은 값에서 유지된다. 이러한 식으로, 방사상 힘이 부분적으로 보상되며 마찰이 감소된다. 가스 압력은 제1 밀봉 링(144)의 개구(151)(도 5b)를 통해 홈(149)에 인입된다. 그러나 이해할 수 있듯이, 홈(149)은 기계적 손상에 취약할 수 있다. 또한, 홈은 동작 중에 잔해로 채워질 수 있다.
도 2 내지 도 4b에 관하여 설명한 실시예는, 밀봉 링에 홈을 포함하지 않는 압력 보상 특징부를 도시한다. 본 발명자들은, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)의 폭을 가변함으로써, 홈을 사용하지 않고서 원하는 압력 보상 결과를 얻을 수 있음을 발견하게 되었다. 따라서, 도 2 내지 도 4b의 실시예에서는, 비교적 좁은 제1 밀봉 링(44) 및 비교적 넓은 제2 밀봉 링(46)을 사용한다. 비교적 넓은 제2 밀봉 링(46)은, 홈을 포함하는 이전 실시예의 링의 폭과 동일한 폭을 갖는다(도 7c 참조). 그 결과, 압력 보상 효과는 홈이 있는 링 세트의 압력 보상 효과와 같다.
압력 보상 특징에 더하여, 제1 및 제2 밀봉 링(44, 46)의 물질은 작은 마찰 계수를 갖도록 선택될 수 있어서, 마찰을 더욱 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 밀봉 링(44, 46)은, 독일 Alsterufer 19, D-20354 Hamburg에 소재하는 Lehmann & Voss & Co.에 의해 LUVOCOM 1105-8160이라는 상품명으로 판매되는 개질된 PEEK 물질로 제조될 수 있다. 이 물질은, 고압에서의 압력 보상에 의해 야기되는 높은 내부 부하를 견딜 수 있다. 또한, 이 물질은, 이 물질의 높은 경도 때문에 (물) 입자들에 의한 오염에 대하여 고 저항을 갖고, 이는 밀봉 링이 매우 매끄러운 표면을 갖도록 기계 가공될 수 있게 한다.
도 8은 개시된 밀봉 링 세트(25)를 포함하는 예시적인 스터핑 박스 케이스(24)를 도시한다. 도시한 바와 같이, 스터핑 박스 케이스(24)는, 환기 링 세트(62), 밀봉 링의 3개 세트(25), 및 하나의 압력 브레이커 세트(64)를 포함한다. 가스 커플링 연결부(66, 68)는, 스터핑 박스 케이스(24) 내에 배치되며, 환기 링 세트(62), 밀봉 링(25), 및 압력 브레이커 세트(64) 중 하나 이상에 인접하는 선택된 위치에 가스를 제공하도록 경로설정될 수 있다.
도 9는, 질소 분위기에서, 개시된 밀봉 링(25)을 포함하는 링 세트와 종래의 링 세트 간의 마찰력 비교를 도시하는 그래프이다. 도시한 바와 같이, 종래의 링 세트에 연관된 마찰력은, 약 50 바의 정지 압력에서 최대 약 2550 와트까지 상승한다. 개시된 밀봉 링(25)을 포함하는 링 세트에 의하면, 약 50 바의 정지 압력에서, 마찰력이 약 1000 와트이다. 개시된 밀봉 링(25)을 포함하는 링 세트에 대한 마찰력은, 약 100 바의 정지 압력에서 최대 약 1200 와트이다. 따라서, 개시된 밀봉 링(25)에 의하면, 마찰력이 종래의 밀봉 구성보다 상당히 낮다. 그 결과, 동작 중에 발생하는 열이 상당히 감소되고, 밀봉 소자들이 상당히 덜 마모된다. 다른 비산화성 가스에 대해서는, 동일한 마찰력 강하가 예상된다.
소정의 실시예들을 참조하여 본 발명을 개시하였지만, 청구범위에서 정의한 바와 같이, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 전술한 실시예들에 대하여 수많은 수정, 변경, 변화가 가능하다. 이에 따라, 본 발명을 전술한 실시예들로 한정하려는 것이 아니라, 본 발명이 다음에 따르는 청구범위의 표현 및 그 균등 범위에 의해 정의되는 전체 범위를 가지려는 것이다.

Claims (19)

  1. 왕복 압축기의 스터핑 박스에서 사용하기 위한 밀봉 링으로서,
    각 측면을 따라 맞물린 제1 밀봉 링과 제2 밀봉 링;
    상기 제1 및 제2 밀봉 링 주위에 배치된 제1 커버 링과 제2 커버 링으로서, 상기 제1 및 제2 밀봉 링의 외경이 상기 제1 및 제2 커버 링의 내경과 각각 맞물리는, 상기 제1 및 제2 커버 링;
    상기 제1 밀봉 링 및 상기 제1 커버 링과 맞물리는 지지 링; 및
    상기 제2 밀봉 링 및 상기 제2 커버 링과 맞물리는 백업 링을 포함하는, 밀봉 링.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 밀봉 링은 상기 제2 밀봉 링의 폭보다 작은 폭을 갖는, 밀봉 링.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 밀봉 링은 상기 제2 밀봉 링의 내면 상에 형성된 원주 홈을 갖고, 상기 원주 홈은 상기 제1 밀봉 링에 바로 인접하여 배치된, 밀봉 링.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 밀봉 링은 상기 원주 홈으로 향하는 상기 밀봉 링의 외면과의 가스 경로를 제공하도록 상기 제1 밀봉 링의 폭을 가로지르는 개구를 갖는, 밀봉 링.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밀봉 링은 제1 탭과 제2 탭을 포함하고, 상기 제1 및 제2 커버 링은, 상기 제1 및 제2 밀봉 링의 상대 회전을 방지하도록 상기 제1 및 제2 탭이 내부에 수용되는 제1 홈과 제2 홈을 포함하는, 밀봉 링.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 밀봉 링은 상기 제1 밀봉 링이 팽창 및 수축할 수 있도록 상기 제1 밀봉 링의 폭을 가로지르는 개구를 갖고, 상기 제2 밀봉 링은 상기 제2 밀봉 링이 팽창 및 수축할 수 있도록 상기 제2 밀봉 링의 폭을 가로지르는 개구를 갖는, 밀봉 링.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 커버 링은 상기 제1 커버 링이 상기 제1 밀봉 링과 함께 팽창 및 수축할 수 있도록 상기 제1 커버 링의 폭을 가로지르는 개구를 갖고, 상기 제2 커버 링은 상기 제2 커버 링이 상기 제2 밀봉 링과 함께 팽창 및 수축할 수 있도록 상기 제2 커버 링의 폭을 가로지르는 개구를 갖는, 밀봉 링.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밀봉 링은 나노 물질이 함침된 PEEK를 포함하는, 밀봉 링.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 밀봉 링은 상기 제1 커버 링의 폭과 같은 폭을 갖고, 상기 제2 밀봉 링은 상기 제2 커버 링의 폭과 같은 폭을 갖는, 밀봉 링.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 커버 링의 폭은 상기 제2 커버 링의 폭보다 작은, 밀봉 링.
  11. 왕복 압축기의 스터핑 박스에서 사용하기 위한 밀봉 링으로서,
    서로 맞물린 제1 밀봉 링과 제2 밀봉 링;
    상기 제1 및 제2 밀봉 링 주위에 배치된 제1 커버 링과 제2 커버 링;
    상기 제1 밀봉 링 및 상기 제1 커버 링과 맞물린 지지 링; 및
    상기 제2 밀봉 링 및 상기 제2 커버 링과 맞물린 백업 링을 포함하는, 밀봉 링.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 밀봉 링은 상기 제2 밀봉 링의 폭보다 작은 밀봉 폭을 갖는, 밀봉 링.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제2 밀봉 링은 상기 제2 밀봉 링의 내면 상에 형성된 홈을 갖는, 밀봉 링.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 밀봉 링은 상기 홈으로 향하는 상기 밀봉 링의 외면과의 가스 경로를 제공하도록 상기 제1 밀봉 링의 폭을 가로지르는 개구를 갖는, 밀봉 링.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밀봉 링은 상기 제1 및 제2 커버 링의 제1 홈과 제2 홈 내에 수용되는 제1 탭과 제2 탭을 포함하는, 밀봉 링.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밀봉 링은, 동작 중에 상기 제1 및 제2 밀봉 링이 팽창 및 수축할 수 있도록 각 링의 폭을 가로지르는 개구를 갖는, 밀봉 링.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 커버 링은 각 원주 주위에 배치된 제1 스프링 소자와 제2 스프링 소자를 갖는, 밀봉 링.
  18. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밀봉 링은 나노 물질이 함침된 PEEK를 포함하는, 밀봉 링.
  19. 제11항에 있어서, 상기 제1 밀봉 링은 상기 제1 커버 링의 폭과 같은 폭을 갖고, 상기 제2 밀봉 링은 상기 제2 커버 링의 폭과 같은 폭을 갖는, 밀봉 링.


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