KR20160148522A - 고압 펌프용 시일 장치 및 이러한 시일 장치를 갖는 고압 펌프 - Google Patents

Abstract

고압 펌프 내의 압력실(2)을 시일링하기 위한 시일링 장치가 제공되는데, 압력실은 제 1 경계 요소(3)와 제 2 경계 요소(4)에 의해 경계져 있고, 시일링 장치는 별개의 시일링 요소(5)를 가지며, 이 별개의 시일링 요소는 제 1 경계 요소(3)와 상호 협력하는 제 1 시일링 표면(51) 및 제 2 경계 요소(4)와 상호 협력하는 제 2 시일링 표면(52)을 가지며, 두 시일링 표면(51, 52)은 서로에 대해 경사져 있고 또한 각기 시일링 링(55)을 수용하기 위한 홈(53, 54)을 가지며, 시일링 요소(5)는 압력이 가해지면 경계 요소(3, 4) 중의 하나를 따라 완전히 변위될 수 있도록 배치되고 구성되어 있다. 이러한 시일링 장치를 갖는 고압 펌프도 제안된다..

Description

고압 펌프용 시일 장치 및 이러한 시일 장치를 갖는 고압 펌프{SEAL ARRANGEMENT FOR A HIGH-PRESSURE PUMP AND HIGH-PRESSURE PUMP HAVING SUCH A ONE}

본 발명은 고압 펌프 내의 압력실을 시일링하기 위한 시일링 장치, 및 이러한 시일링 장치를 갖는 고압 펌프에 관한 것이다.

펌프 내의 압력실(펌프에 의해 전달되는 가압 유체가 존재함)은 주변 환경에 대해 시일링되어야 한다. 이와 관련하여, 압력실의 주변 환경은, 일반적으로 대기압으로 존재하는 펌프의 주변 환경일 수 있고, 또는 다단 펌프의 경우에는, 전달되는 유체가 더 높은 또는 더 낮은 압력으로 존재하는 펌프의 다른 압력실일 수 있다.

펌프에 의해 발생되는 압력이 클 수록, 효율적이고 신뢰적인 시일링 장치를 제공하는 것은 더 어렵게 된다. 예컨대 1000 bar의 전달 압력과 같은 고압의 경 우에, 펌프 하우징 또는 다른 부품의 신장 또는 변형과 관련된 압력이 종종 발생된다. 이 결과, 동일한 압력실의 경계를 이루는 부품들 사이에, 예컨대 펌프 하우징과 펌프 커버 사이에 틈이 생길 수 있다. 이러한 틈(특히, 부품들의 상이한 열 팽창 때문에 생김)을 통한 유체의 누출을 피하기 위해서는 그 틈을 신뢰적으로 시일링해야 한다.

매우 높은 압력에서도 시일링 장치의 기능을 위태롭게 하지 않는 작은 틈만이 생기도록 부품들(이들 사이에 틈이 생김)을 강성적으로 만듦으로써, 그러한 틈의 압력 유도 개방이 예컨대 회피되거나 적어도 위험하지 않은 정도로 제한될 수 있다. 그러나, 이와 관련하여, 두꺼운 벽의 설계를 위해서는 상당힌 더 많은 재료가 필요하고 또한 펌프는 상당히 증가된 중량을 갖게 된다는 단점이 있게 된다. 둘 모두 경제적인 관점에서 다소 불리하다.

이러한 이유로, 매우 높은 압력에서도 신뢰적으로 또한 효율적으로 시일링하는 시일링 장치를 만들고자 하고 있다. 많은 시일링 장치의 경우, 일반적으로 시일링 표면의 홈 안으로 삽입되는 O-링이 제공된다. 예컨대 국제(PCT) 특허 출원 PCT/EP2012/071654에서 제시된 시일링 장치에서는, 시일링이 이루어져야 할 부품들 중의 하나에 홈형 오목부가 제공되는데, 이 홈형 오목부는, 홈의 압력이 가해지면 그 부픔의 시일링 표면 상으로의 방향으로 힘이 가해지고, 이 힘에 의해 그 시일링 표면이 그에 인접한 부품의 시일링 표면에 가압된다. 이와 관련하여, 홈의 압력이 가해지면 그의 벽이 탄성적으로 또는 소성적으로 변형되고, 그리하여, 부품들 사이의 틈의 압력 유도 개방이 회피되거나 감소될 수 있다. O-링이 서로 접촉하는 두 시일링 표면 중의 하나에 제공되고, 그 O-링은 탄성중합체로 이루어지고 또한 이 시일링 표면에 제공되어 있는 홈에 배치된다. 이 O-링은 서로 접촉하는 두 시일링 표면 사이의 신뢰적인 시일로서 역할한다.

특히, O-링을 갖는 시일링 장치의 경우, 그 O-링의 압출에 대한 위험이 존재한다. 이와 관련하여, 압력이 가해지면 O-링이 변형되며, 그래서 그 O-링의 일 부분이 압착되어, 압력하에 개방되어 었는 틈 안으로 들어가게 되며, 그 결과, O-링이 손상되어 시일링 효과가 손실될 수 있다.

이러한 종래 기술의 상황에서 출발한 본 발명의 목적은, 고압 펌프 내의 압력실을 시일링하기 위한 시일링 장치로서, 매우 높은 압력에서도 여전히 신뢰성 있게 기능하고, 특히, 압력하에서 개방되어 있는 틈 안으로 시일링 링(보다 구체적으로는 O-링)이 압출되는 것을 방지할 수 있는 시일링 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은, 이러한 시일링 장치를 갖는 고압 펌프를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하는 본 발명의 주제는 각 카테고리의 독립 청구항의 기재 사항을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고압 펌프 내의 압력실을 시일링하기 위한 시일링 장치가 제안되는 바, 상기 압력실은 제 1 경계 요소와 제 2 경계 요소에 의해 경계져 있고, 상기 시일링 장치는 별개의 시일링 요소를 가지며, 별개의 시일링 요소는 상기 제 1 경계 요소와 상호 협력하는 제 1 시일링 표면 및 상기 제 2 경계 요소와 상호 협력하는 제 2 시일링 표면을 가지며, 상기 두 시일링 표면은 서로에 대해 경사져 있고 또한 각기 시일링 링을 수용하기 위한 홈을 가지며, 상기 시일링 요소는 압력이 가해지면 상기 경계 요소 중의 하나를 따라 완전히 변위될 수 있

도록 배치되고 구성되어 있다.

이 시일링 장치와 관련하여, 따라서 전체 시일링 요소는 압력이 가해지면 경계 요소들 중의 하나를 따라 변위될 수 있다. 그리하여, 압력이 가해지면 두 경계 요소 사이에서 개방되는 틈이, 시일링 요소의 변위를 통해 그 시일링 요소에 의해 신뢰적으로 덮히게 되며, 그래서, 시일링 링이 개방 틈 안으로 압출되는 일이 없게 된다. 이리하여, 예컨대 1000 bar 까지의 매우 높은 압력에 대해서도 효율적인 시일링 효과가 얻어진다.

시일링 링을 수용하기 위한 홈을 갖는 별개의 시일링 요소를 제공함으로써, 예컨대 경계 요소의 재료와는 다른 재료를 그 시일링 요소를 위해 선택할 수 있다는 이점이 얻어진다. 이러한 이유로, 압력이 가해질 때에는 예컨대 탄성 특성과 같은 기계적 특성이 가능한 한 이상적인 재료가 시일링 요소를 위해 선택될 수 있다.

바람직하게는, 상기 시일링 요소의 두 시일링 표면은 실질적으로 90°의 끼인 각을 형성한다. 이 방안은, 압력이 가해지면 시일링 요소가 변위될 수 있다는 점과 관련하여 특히 유리하다.

일 유리한 방안은, 특히 무압 상태에서 상기 시일링 요소를 위치시키기 위한 지지 링을 제공하는 것이다. 그리하여, 시일링 요소는 압력이 가해지면 바람직한 방식으로 작용하도록 해주는 규정된 출발 위치 및/또는 출발 배향을 가질 수 있다.

일 바람직한 실시 형태에서, 상기 지지 링은 무압 상태에서 상기 시일링 요소의 지지 표면과 접촉하고, 지지 표면은 시일링 요소의 두 시일링 표면과는 다르다. 그리하여, 압력이 가해지면 시일링 요소는 지지 링의 방해를 받음이 없이 변위될 수 있다.

실제로 입증된 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 시일링 요소는 상기 제 1 시일링 표면을 형성하는 긴 섕크와 상기 제 2 시일링 표면을 형성하는 짧은 섕크를 가지면서 실질적으로 L-형 단면을 갖는다.

바람직하게는, 시일링 요소는 상기 제 1 경계 요소와 제 2 경계 요소를 따라 변위가능하도록 배치되어 있다. 이는 실질적으로 L-형인 단면을 갖는 설계와 관련하여 특히 바람직하다. 압력이 가해지는 긴 섕크로 형성되는 시일링 요소의 표면은 압력이 가해지는 짧은 섕크로 형성되는 표면 보다 크다. 따라서, 긴 섕크로 형성되는 상기 제 1 표면에 가해지는 압력을 통해 더 큰 힘이 나타나게 되며, 그래서, 이 더 큰 힘에 의해 시일링 요소는 짧은 섕크로 형성되는 시일링 표면과 상호 협력하는 제 2 경계 요소를 따라 신뢰적으로 변위된다.

시일링 요소는 상기 제 1 경계 요소와 제 2 경계 요소를 따라 변위가능하도록 배치되는 것이 특히 바람직한데, 이렇게 되면, 시일링 요소는 제 1 및 2 경계 요소 모두의 압력 유도 변위 또는 부풀림(bulge)을 따를 수 있게 된다. 그리하여, 고압 펌프에서 반경 방향 및 축방향 모두로 신뢰적인 시일이 이루어질 수 있다.

다른 유리한 방안, 상기 제 1 시일링 표면은 제 1 시일링 표면에 제공되어 있는 홈과 상기 제 2 시일링 표면 쪽에 있는 단부 사이에서 원추형으로 형성되어 있는 것이다. 이와 관련하여, 제 1 시일링 표면은 그에 제공되어 있는 홈에서 시작하여 접촉선의 방향으로 두 시일링 표면 사이에서 경사져 있다. 이 결과, 제 1 시일링 표면은 홈으로부터 접촉선의 방향으로 멀어질 수록 제 1 경계 요소로부터 더 떨어져 있게 된다. 이 방안에 의해, 제 1 시일링 표면에 있는 홈의 경계를 이루고 접촉선에 더 가까이 있는 가장자리가 압력이 가해지면 가장 먼저 제 1 경계 요소와 접촉하게 되고, 또한 이 가장자리의 영역에서 최고의 표면 압력이 이 가장자리에 존재한다. 이 방안에 의해 추가적인 안전이 제공되어, 홈 안에 삽입되어 있는 시일링 링, 예컨대 O-링은 압력이 가해질 때 압출되지 않는다.

동일한 이유로, 상기 제 2 시일링 표면은 제 2 시일링 표면에 제공되어 있는 홈과 상기 제 1 시일링 표면 쪽에 있는 단부 사이에서 원추형으로 형성되어 있는 것이 유리하다.

이와 관련하여, 원추각은 각각 최대 2°, 바람직하게는 최대 1°인 것이 실용적인 것으로 입증되었다.

일 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 시일링 장치는 레이디얼 시일 장치이다.

또한, 본 발명에 따른 시일링 장치를 갖는 고압 펌프가 본 발명에 의해 제안된다. 이 시일링 장치에 의해, 고업 펌프는 예컨대 1000 bar의 매우 높은 압력에서도 안전하게 또한 확실하게 작동될 수 있다.

바람직한 실시 형태와 관련하여, 고압 펌프에는 펌프 커버와 펌프 하우징이 제공되고, 상기 시일링 장치는 상기 펌프 커버와 펌프 하우징 사이의 시일링을 위해 제공된다.

일 바람직한 용례에 따르면, 상기 고압 펌프는 다단 펌프이다.

고압 펌프의 일 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 시일링 장치는 압력실과 중간 압력실 사이의 시일링을 위해 제공된다.

고압 펌프의 다른 바람직한 설계에 따르면, 상기 시일링 장치는 분리 요소와 펌프 하우징 사이 또는 펌프 커버와 펌프 하우징 사이의 시일링을 위해 제공된다.

실시 형태의 다른 유리한 방안과 설계는 종속 청구항에서 알 수 있다.

이하, 실시 형태를 가지고 또한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 시일링 장치의 일 실시 형태를 개략적으로 도시한다.
도 2는 시일링 장치의 배치에 대한 제 1 변형예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 시일링 장치의 배치에 대한 제 2 변형예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 시일링 장치의 배치에 대한 제 3 변형예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 시일링 장치의 배치에 대한 제 4 변형예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 고압 펌프의 일 실시 형태를 개략적으로 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 시일링 장치를 개략적으로 나타내는데, 이 시일링 장치는 전체적으로 참조 번호 "1"로 표시되어 있고, 고압 펌프(100)(도 6 참조) 내의 압력실(2)을 시일링하는 역할을 한다. 압력실(2)은 제 1 시일링 요소(3)와 제 2 시일링 요소(4)에 의해 경계져 있다. 시일링 장치(1)는 별개의 시일링 요소(5)를 더 포함하는데, 이는 제 1 경계 요소(3)와 상호 협력하는 제 1 시일링 표면(51) 및 제 2 경계 요소(4)와 상호 협력하는 제 2 시일링 표면(52)을 갖는다. 이와 관련하여 "별개의 시일링 요소" 라는 용어는, 시일링 요소(5)가 예컨대 경계 요소(3, 4) 중의 하나의 일체적인 부품이 아니고 독자적인 부품으로 되어 있다는 것을 의미한다.

명확하게 알 수 있는 바와 같이, 도 1의 도시는, 시일링 장치(1)의 일 부분, 즉 예컨대 상측 절반부만 나타내고 있다. 고압 펌프(100)에서 시일링 장치(5)는 일반적으로 펌프축(도 1에서 회전 축선(A)으로 나타나 있음)에 대해 회전 대칭적으로 형성되어 있고, 펌프의 회전 부품들은 작동 상태에서 상기 회전 축선 둘레로 회전된다. 이는 시일링 장치(5)는 일반적으로 링형 설계로 되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 링형 시일링 장치(5)의 일 단면만 도 1에 도시되어 있다. 압력실(2)은 또한 일반적으로 펌프축을 둘러싸는 링 공간으로 되어 있다.

시일링 장치(5)의 두 시일링 표면(51, 52) 각각에 각각의 홈, 즉 제 1 홈(53) 및 제 2 홈(54)이 제공되어 있는데, 이들 홈 각각은 예컨대 O-링으로 되어 있는 시일링 링(55)을 수용하는 역할을 한다. 시일링 링(55)은 그 자체 알려져 있는 방식으로 각각의 시일링 표면(51 또는 52) 및 이들 시일링 표면과 상호 협력하는 경계 요소(3 또는 4) 사이의 시일로서 역할하며, 예컨대 탄성중합 재료로 만들어진다.

상기 시일링 링은 그 자체 알려져 있는 다른 시일링 수단일 수 있는데, 예컨대, 금속 링, 링 디스크 또는 PTFE 또는 PEEK와 같은 플라스틱으로 만들어진 시일링 수단일 수 있다.

도 1에 나타나 있는 바와 같이, 시일링 장치(5)의 두 시일링 표면(51, 52)은 서로에 대해 기울어져 있고, 접촉선(56)을 따라 서로 접촉하게 된다. 보다 구체적으로, 이 실시 형태의 두 시일링 표면(51, 52)은 실질적으로 90°의 끼인 각을 형성한다. 도 1에 따른 시일링 요소(5)는 제 1 시일링 표면(51)을 형성하는 긴 섕크(57)와 제 2 시일링 표면(52)을 형성하는 짧은 섕크(58)를 가지면서 실질적으로 L-형 단면을 가지며, 제 1 경계 요소(3)는 상기 긴 섕크와 상호 협력하고, 제 2 경계 요소(4)는 상기 짧은 섕크와 상호 협력한다.

본 발명에 따르면, 시일링 장치(5)는 압력이 가해지면 경계 요소(3, 4) 중의 적어도 하나를 따라 완전히 변위될 수 있도록 배치되고 구성되어 있다. 이에 대해서는 다음에 도 1을 참조하여 설명할 것이다.

무압 상태(즉, 압력실(2)의 주변 환경 보다 높은 압력이 그 압력실 안에 존재하지 않음)에서, 제 1 경계 요소(3)는 제 2 경계 요소(4)의 경계면(43)과 접촉한다. 이는 예컨대 펌프에서 실현될 수 있고, 그리하여, 제 1 경계 요소(3)를 형성하는 부품은 제 2 경계 요소(4)를 형성하는 부품에 나사 결합되어 고정된다. 이제 압력실(2) 안에서 압력이 증가하면, 제 1 경계 요소(3) 또는 제 2 경계 요소(4)의 압력 유도 변형(예컨대, 부풀림에 의해, 경계 요소(3, 4) 사이에 틈(8)이 생길 수 있다. 이러한 상태가 도 1에 도시되어 있다. 압력실(2) 내의 압력은 시일링 요소(5)에도 가해지고 시일링 요소는 제 2 경계 요소(4)를 따라 완전히 변위가능하므로, 전체 시일링 요소(5)는 도시에 따라 위쪽으로 움직이여 압력실(2)에 대해 상기 틈(6)을 폐쇄시키게 되며, 그래서, 유체가 상기 틈(6)을 통해 압력실(2)에서 빠져나가지 못하고, 또한 매우 높은 압력에 대해서도 시일링 효과가 유지된다.

압력실(2) 내의 압력의 영향으로 제 2 경계 요소(4)가 경계면(43)을 따라 도 2의 도시에 따라 좌측으로 제 1 경계 요소(3)에 대해 변위되면, 시일링 요소(5)는 이 이동을 따를 수 있는데, 즉, 시일링 요소(5)는 제 1 경계 요소(3)를 따라 완전히 변위 된다. 이러한 변위와 관련하여, 실질적으로 링형인 시일링 요소(5)가 팽창된다.

따라서, 회전 축선(A)에 대해 시일링 요소(5)는 반경 방향(즉, 도 1의 도시에 따르면 위쪽(또는 아래쪽) 방향) 및 축방향(즉, 도 1의 도시에 따르면 우측(또는 좌측) 방향) 모두로 완전히 변위될 수 있다. 그리고 축방향 변위는 상기 실질적으로 링형인 시일링 요소(5)의 팽창과 관련이 있다.

축방향과 반경 방향 모두로의 변위가 가능하기 때문에, 경계 요소(3, 4) 사이의 틈(6)이 폐쇄될 뿐만 아니라, 압력이 가해질 때 제 1 시일링 표면(51)과 제 1 경계 요소(3) 사이 또는 제 2 시일링 표면(52)과 제 2 경계 요소(4) 사이에 틈이 생기는 일이 유리하게도 없게 된다.

이렇게 시일링 요소(5)가 이동할 수 있기 때문에, 압력실(2) 내의 매우 높은 압력(예컨대, 최대 1000 bar)에 대해서도 그 압력실(2)의 신뢰적인 시일링이 실현된다.

특히, 시일링 요소(5)가 반경 방향으로 변위할 수 있기 때문에, 압력이 가해지면 열리게 되는 두 경계 요소(3, 4) 사이의 틈(6)이 시일링 요소(5)에 의해 신뢰적으로 폐쇄될 수 있다. 틈(6)이 시일링 요소(5)에 의해 폐쇄됨으로써, 시일링 링(55), 특히 0-링(55)이 틈(6) 안으로 압출되는 것이 효율적으로 방지된다.

시일링 요소(5)에 압력이 가해지는 것과 관련하여, 그 시일링 요소의 변위는 일반적으로 시일링 요소(5)의 변형과 함께 하는데, 즉, 시일링 요소(5)의 변위 외에 또는 시일링 요소의 변위 중에, 시일링 요소는 변형될 수 있다.

이 변형은 바람직하게는 탄성 변형인데, 즉 압력의 제거시 완전히 가역일 수 있는 변형인 것이다. 시일링 요소(5)는 별개의 부품으로 되어 있기 때문에(즉, 시일링 요소는 예컨대 경계 요소(3, 4)의 일체적인 부품이 아님), 시일링 요소(5)를 위한 재료의 선택에 있어 가능한 최대의 자유도가 있게 된다. 따라서, 탄성적인 특성에 대해 각 용례에 이상적인 재료를 시일링 재료(5)용으로 선택할 수 있다. 티타늄이 시일링 재료(5)를 위한 특히 바람직한 재료인 것으로 밝혀졌다.

압출에 대한 시일링 링(55)(O-링(55))의 더욱더 높은 보호 수준을 달성하기 위해, 이하에서 설명하는 조치가 유리하다.

제 1 시일링 표면(51)은 제 1 홈(53)과 두 시일링 표면(51, 52)이 서로 접촉하는 접촉선(56) 사이에서 원추형으로 되어 있고, 또한 사실, 무압 상태에서 제 1 시일링 표면(51)과 제 1 경계 요소(5) 사이의 간격이 경계선(56)에 더 가까운 제 1 홈(53)의 경계 가장자리(도 1의 도시에 따르면 좌측 경계 가장자리)에 대해 최소이고 접촉선(56)의 방향으로 증가하도록 구성되어 있다. 제 1 시일링 표면(51)의 이러한 경사가 도 1에 도시되어 있고, 관련 원추각은 α로 나타나 있다. 이리하여, 시일링 요소(5)에 압력이 가해지면, 도시에 따르면 긴 섕크(57)의 경계 가장자리에 있는 영역의 제 1 홈(53)의 이 좌측 경계 가장자리가 가장 먼저 제 1 경계 요소(3)와 접촉하게 되고, 또한 거기에 최고의 접촉 압력이 존재하게 된다(제 1 시일링 표면(51)에 대해). 이렇게 하여, 제 1 홈(53)으로부터의 시일링 링(55)의 압출이 제 1 시일링 표면(51)과 제 1 경계 요소(3) 사이에 일어나는 것이 개선된 방식으로 회피될 수 있다.

제 2 시일링 표면(52)은 제 2 홈(54)과 두 시일링 표면(51, 52)이 서로 접촉하는 접촉선(56) 사이에서 원추형으로 되어 있고, 또한 사실, 무압 상태에서 제 2 시일링 표면(52)과 제 2 경계 요소(4) 사이의 간격이 경계선(56)에 더 가까운 제 2 홈(543)의 경계 가장자리(도 1의 도시에 따르면 상측 경계 가장자리)에 대해 최소이고 접촉선(56)의 방향으로 증가하도록 구성되어 있다. 제 2 시일링 표면(52)의 이러한 경사가 도 1에 도시되어 있고, 관련 원추각은 β로 나타나 있다. 이리하여, 시일링 요소(5)에 압력이 가해지면, 도시에 따르면 짧은 섕크(58)의 이 경계 가장자리에 있는 영역의 제 2 홈(54)의 제 1 상측 경계 가장자리가 제 2 경계 요소(4)와 접촉하게 되고, 또한 거기에 최고의 접촉 압력이 존재하게 된다(제 2 시일링 표면(52)에 대해). 이렇게 하여, 제 2 홈(54)으로부터의 시일링 링(55)의 압출이 제 2 시일링 표면(52)과 제 2 경계 요소(4) 사이에 일어나는 것이 개선된 방식으로 회피될 수 있다.

상기 긴 섕크(57) 또는 짧은 섕크(58) 또는 바람직하게는 양 섕크(57, 58)가 각각 원통형으로 형성되고 또한 제 1 홈(53) 또는 제 2 홈(54)과 접촉선(56)으로부터 먼쪽의 단부 사이의 영역에서 컷백(cut back)되어 있는(즉, 원추형으로 되어 있지 않고 또한 경사져 있지도 않음) 경우에 추가의 선택적인 유리한 방안이 얻어진다. 도 1에서, 이는, 이들 영역이 각각 제 1 경계 요소(3) 및 제 2 경계 요소(4)에 평행하게 되어 있고 제 1 및 2 경계 요소(3, 4)로부터의 간격이 접촉선(56)에 더 가까이 있는 제 1 및 2 홈(53, 54)의 경계 가장자리 보다 크게 되어 있음으로 해서 실현될 수 있다. 또한, 이러한 방안으로, 접촉선(56)에 더 가까이 있는 제 1 및 2 홈(53, 54)의 경계 가장자리의 영역에 제 1 및 2 시일링 표면(51, 52)의 더 큰 접촉 압력이 존재하는 효과가 얻어진다.

제 1 시일링 표면(51) 및 제 2 시일링 표면(52)의 두 각도(α, β)는 같거나 서로 다를 수 있다. 실제로는, α 및 β는 각각 최대 2°, 바람직하게는 최대 1°이다. 특히, α 및 β의 값이 1.0°과 1.2°사이에 있는 경우가 성공적인 것으로 밝혀졌다.

압력 유도 틈 뿐만 아니라 열 유도 틈(예컨대, 서로의 경계를 이루는 부품들의 서로 다른 열팽창 계수 때문에 생길 수 있는 틈)은 상기 시일링 장치에 의해 시일링 요소(5)의 변위로 유사한 방식으로 폐쇄될 수 있음을 이해할 수 있다.

이와 관련하여 설명한 시일링 요소(5)의 L-형 단면 외에도, 다른 기하학적 형상도 시일링 요소의 단면으로서 물론 가능한데, 예컨대, 두 섕크(57, 58)는 또한 같은 길이를 가질 수 있어, 교대로 라운딩 오프된 이등변 형성을 갖는 앵귤러 섹션과 유사한 단면이 제공될 수 있다.

시일링 요소(5)의 구성에 대한 다른 예 및 본 발명에 따른 고압 펌프의 실시 형태에 대한 이하의 설명과 관련하여, 유사한 기능 또는 동등한 기능을 갖는 부품에는 도 1과 동일한 참조 번호가 부여되어 있고 이와 관련해서는 도 1과 관련하여 설명한 바와 동일한 의미를 갖는다. 더 양호한 명료성을 위해, 다른 상세에 대한 도시는 도 2 - 6에서 생략하였다. 따라서, 예컨대, 홈(53, 54)에 제공되고 바람직하게는 O-링으로 되어있는 상기 시일링 링(55)은 도시되어 있지 않다. 또한, 도 1과 관련하여 설명한 시일링 표면(51, 52)의 원추형 설계는 도 2 내지 6에 도시되어 있지 않다. 그러나, 도 1과 관련하여 설명한 모든 방안(예컨대, 제 1 및 2 홈(53, 54)과 접촉선(56)으로부터 먼쪽에 있는 단부 사이의 영역에서 시일링 표면(51, 52) 이 컷백되어 있고 원통형으로 되어 있는 것)이 도 2 - 6에 도시되어 있는 실시 형태에 대하여 단독으로 또는 서로와의 임의의 조합으로 유사한 방식으로 실현될 수 있음을 이해할 것이다. 반대로, 도 2 - 6과 관련한 설명은 도 1에 따른 실시 형태 및 도 2 - 6의 각각의 다른 실시 형태에 대해서도 유사하게 마찬가지로 적용된다.

도 2에는, 시일링 요소(5)의 배치에 대한 제 1 변형예가 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 이는 다단 펌프에 사용될 수 있는 레이디얼 시일에 대한 배치이다. 다단 펌프와 관련하여, 특히 소위 백-투-백(back-to-back) 배치를 갖는(도 6 참조) 다단 펌프와 관련하여, 펌프 입구의 압력(예컨대, 대기압)과 일반적으로 펌프의 출구에 연결되는 압력실 내의 최고 압력 사이에 적어도 하나의 중간 압력이 존재한다. 백-투-백 배치와 관련하여 입구 압력과 압력실(2) 내의 최고 압력 사이에 중간 압력이 존재하므로, 예컨대 입구 압력은 대기압일 수 있고, 압력실(2) 내의 압력은 예컨대 1000 bar에 달할 수 있으며 또한 중간 압력은 500 bar일 수 있다. 도 2에서 압력실(2) 외에도 2개의 중간 압력실(7, 8)이 제공되어 있고, 압력실(2)과 비교하여, 중간 압력실(7, 8)에서 전달되는 유체의 압력은 압력실(2)과 비교하여 대략 절반이다. 도 2에 나타나 있는 변형예와 관련하여, 제 1 경계 요소(3)는 펌프 하우징(3)으로 되어 있고, 제 2 하우징 요소(4)는 두 중간 압력실(7, 8)을 서로 분리하고 또한 중간 압력실(7, 8)을 압력실(2)로부터 분리하는 역할을 한다. 2개의 시일링 요소(5)가 제공되는데, 이 시일링 요소 각각은 레이디얼 시일 장치의 일 부분이고, 그 중의 한 시일링 요소(5)는 압력실(2)과 중간 압력실(7) 사이의 시일로서 역할하고, 다른 시일링 요소는 압력실(2)과 중간 압력실(8) 사이의 시일로서 역할한다. 도 1에서 설명한 부품 외에도, 이들 시일링 장치를 위해 지지 링(9)이 또한 제공되어 있는데, 이 지지 링의 기능은 무압 상태에서 각각의 시일링 요소(5)를 위치시키는 것이다. 지지 링(9)은 예컨대 분할 링으로 되어 있을 수 있는데, 즉, 지지 링은 2개 이상의 세그먼트로 구성될 수 있고, 이들 세그먼트는 예컨대 압력실(2) 안으로 삽입되어 그의 벽에 나사 결합된다. 이와 관련하여, 지지 링(9)은 틈새를 두고 시일링 요소(5)에 대해 나사 결합되고/결합되거나 부착되는데, 지지 링(9)은 시일링 요소(5)를 위치시키기만 하고 그 시일링 요소를 클램핑하거나 시일링 요소(5)의 원치 않은 변위를 방지하거나 그러한 변위에 영향을 주는 것은 아니기 때문이다. 지지 링(9)은 시일링 기능과 관련이 없고, 그 지지 링은 시일링 요소(5)가 무압 상태에서 정해진 위치에 있도록 해주기만 하면 된다.

이 실시예에 나타나 있는 설계와 관련하여, 지지 링(9)은 실질적으로 L-형 단면을 갖는다. L-형 지지 링의 섕크 중의 하나는 압력실(2)의 내벽에 지지되고, 다른 섕크는 무압 상태에서 시일링 요소(5)를 지지하는 표면을 형성한다. 무압 상태에서 지지 링과 접촉하는 시일링 요소(5)의 지지 표면은 이 실시예에서 시일링 요소(5)의 긴 섕크(57)의 끝면이다.

이제 압력실(2)이 가압되면, 펌프 하우징(3)의 부풀림 등이 일어날 수 있고, 그리하여, 펌프 하우징(3)과 제 2 경계 요소(4) 사이에 틈이 생길 수 있다. 이는, 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, 시일링 요소(5)의 변위를 통해 효과적으로 폐쇄된다.

또한 도 1에 나타나 있는 실시 형태 및 도 3 - 6에 따른 실시 형태와 관련해서도 지지 링(9)이 유사한 방식으로 제공될 수 있음을 이해할 것이다.

시일링 요소(5)의 배치에 대한 제 2 변형예가 도 3에 도시되어 있다. 이 변형예와 관련하여, 시일링 요소(5)는, 이 실시예에서는 펌프 하우징(제 1 경계 요소(3)를 나타냄)과 펌프 커버(이 실시예에서는 제 2 경계 요소(4)를 나타냄) 사이의 시일로서 역할한다. 일반적으로, 펌프 커버(4)는 복수의 스크류(41)(도 3에는 하나만 도시되어 있음)에 의해 펌프 하우징(3)에 나사 결합되어 고정된다. 일반적으로, 펌프 하우징(3)의 외부는 대기압이고, 압력실(2) 내부에는 증가된 압력이 존재한다. 압력실(2) 내의 매우 높은 압력과 관련하여, 펌프 커버(4)는 부풀게 되며, 그리하여, 펌프 하우징(3)과 펌프 커버(4) 사이에 틈이 생기게 된다. 시일링 요소(5)가 축방향(즉, 회전 축선(A)의 방향)으로 이동할 수 있으므로, 압력이 가해지면 시일링 요소는 본 도시에 따라 우측으로 이동하여 펌프 커버(4)와 펌프 하우징(3) 사이의 틈을 신뢰적으로 폐쇄시킨다. 또한 펌프 하우징(3)은 추가적으로 팽창될 수 있는데, 즉 사실상 부풀려질 수 있다. 또한, 시일링 요소(5)는 반경 방향에 대해 변위될 수 있으므로 시일링 요소가 이 운동을 따를 수 있다. 반경 방향에 대한 이 변위는 일반적으로 시일링 요소(5)의 팽창과 관련되어 있는데, 펌프 하우징(3)의 팽창시, 이 펌프 하우징의 내경이 또한 반경 방향으로 확장되기 때문이다.

따라서, 본 발명에서, 시일링 요소는 "변위가능하게 배치된다" 라는 말은, 환형 시일링 요소의 팽창 및/또는 확장을 의미하고/의미하거나 이것이 포함되는 것으로 이해해야 한다.

도 4에 도시되어 있는 제 3 변형예와 관련하여, 시일링 요소(5)는 펌프의 압력실(2)을 중간 압력실(7)에 대해 시일링하는 역할도 한다. 예컨대 1000 bar의 최대 압력이 압력실(2)에 존재하고, 중간 압력실(7)에는 임의의 중간 압력이 존재하고, 중간 압력은 대기압(주변 압력)과 압력실(2) 내의 압력의 사이에 있고, 중간 압력은 압력실(2) 내의 압력의 절반 크기이다. 이 변형예와 관련하여, 펌프 하우징은 제 1 경계 요소(3)를 형성한다. 제 2 경계 요소(4)는, 중간 압력실(7)과 압력실(2) 사이의 경계를 짓는 부품, 예컨대 분리 요소(4)이다.

시일링 요소(5)의 배치에 대한 도 5에 도시되어 있는 제 4 변형예는 도 2에 나타나 있는 것과 유사하다. 이 배치는 백-투-백 배치의 다단 펌프에 특히 적합하다. 이들 펌프와 관련하여, 실질적으로 2개의 동일한 블럭이 존재하는데, 각각의 블럭은 복수의 펌프 스테이지를 포함할 수 있다. 이들 두 블럭은 서로에 대해 거울 대칭형으로 배치되며(즉, 백-투-백 관계로), 그래서 압력실(2)(최고의 압력을 가지며 펌프의 출구에 연결됨)은 일반적으로 펌프의 중심부에서 환형 공간으로 배치된다. 이 변형예와 관련하여, 2개의 시일링 요소(5)가 제공된다. 제 1 경계 요소(3)는 펌프 하우징(3)으로 형성되고, 제 2 경계 요소(4)는 백-투-백 관계로 배치되는 상기 블럭들 사이를 분리하는 벽인 분리벽으로 배치된다. 중간 압력실(7)은 블럭들 중의 하나와 관련되어 있고, 중간 압력실(8)은 다른 블럭과 관련되어 있다. 펌프 하우징(3)의 외부에는 대기압 도는 주변 압력이 존재하고, 실질적으로 동일한 압력이 상기 두 중간 압력실(7 및/도는 8)에 존재하며, 중간 압력은 일반적으로 압력실(2) 내의 압력의 절반 크기이다.

본 발명에 따른 고압 펌프의 일 실시 형태가 도 6에 개략적으로 도시되어 있는데, 이 고압 펌프는 전체적으로 참조 번호 "100"으로 표시되어 있다. 고압 펌프(100)는 다단 고압 펌프(본 실시예에서는 4-단 고압 펌프)이고, 백-투-백 배치를 가지며 레이디얼 원심 펌프로 되어 있다. 고압 펌프(100)는 펌프 하우징(103), 펌프 하우징(103)을 폐쇄하기 위한 펌프 커버(112), 전달되는 유체(예컨대, 물 또는 원유와 같은 액체)가 고압 펌프(100)에 도달할 때 통과하는 입구(110), 및 가압된 유체가 고압 펌프(100)에서 나갈 때 통과하는 출구(111)를 갖는다. 고압 펌프(100)를 구동시키기 위해, 작동 상태에서 회전 축선(A) 둘레로 회전하는 펌프 축(113)이 제공되어 있고, 이 펌프 축은 구동 유닛(미도시)에 의해 구동된다.

고압 펌프(100)는 실질적으로 유사한 설계의 4개의 스테이지, 즉 제 1 스테이지(114), 제 2 스테이지(115), 제 3 스테이지(116) 및 제 4 스테이지(117)를 갖는다. 이들 스테이지(114 ∼ 117) 각각은 임펠러(120)를 갖는다. 각각의 임펠러(120)는 펌프 축(113)에 회전 고정적으로 연결된다. 제 1 및 제 2 스테이지(114, 115)는 제 1 블럭(130)에 속한다. 제 3 및 4 스테이지(116, 117)은 제 2 블럭(140)에 속한다. 두 블럭(130, 140)은, 펌프 하우징(103)에 대해 고정되는 분리 요소(104)에 의해 서로 분리되어 있다. 실질적으로 유사한 설계의 두 블럭(130, 140)은 분리 요소(104)에 대해 거울 대칭형으로 배치되는데, 즉 백-투-백 관계로 배치되며, 그 때문에 이 어셈블리를 백-투-백 배치라고도 한다.

고압 펌프(100)를 통과하는 유체 유동의 정도는 도 6에서 화살표로 나타나 있는데, 이중 제 1 화살표만 입구(110)에서 참조 번호 "150"으로 나타나 있다. 유체는 입구(110)로부터 축방향으로 제 1 스테이지(114)의 임필러(120)로 흐르고, 그 임펠러의 출구로부터 축방향으로 제 2 스테이지(115)의 임펠러로 안내된다. 제 2 스테이지(115)의 출구(동시에 제 1 블럭(130)의 출구도 형성함)로부터 유체는 유동 연결부(160)(분리 요소(104)에 제공되어 있음)를 통해 제 2 블럭(140)의 중간 압력실(108) 안으로 안내되며, 유체는 그 중간 압력실을 통과해 제 3 스테이지(116)의 입구에 도달하게 된다. 제 3 스테이지(116)의 출구로부터 유체는 축방향으로 제 4 스테이지(117)의 입구로 안내되며, 마지막으로 이는 유체를 고압으로 되게 하고, 그 고압은 고압 펌프(100)의 출구(111)에서 이용가능하다. 제 4 스테이지(117)의 출구로부터 고압 유동 연결부(170)는 압력실(102)에 이어져 있고, 이 압력실은 고압 펌프(100)의 출구(111)에 연결되어 있다. 압력실(102)은 실질적으로 링형 공간으로 되어 있고, 이 공간은 분리 요소(104) 주위에서 반경 방향으로 외측에 있다.

또한 제 1 블럭(130)에는 중간 압력실(107)이 제공되어 있는데, 이 중간 압력실은 실질적으로 링형 공간으로 되어 있고 펌프 하우징(103)에서 안쪽에 배치된다. 이 중간 압력실(107)은 유동 연결부(도 6에는 미도시)를 통해 제 2 스테이지(115)의 출구에 연결되며, 그래서, 2개의 중간 압력실(107, 108)에는 같은 압력이 존재하고, 그 압력은 네 스테이지(114 ∼ 117)의 실질적으로 유사한 설계 때문에 압력실(102) 내의 압력의 대략 절반에 상당한다.

도 6에서 화살표로 강조되어 있는 바와 같이, 유체는 제 1 블럭(130)의 경우와 비교하여 축방향에 대해 역방향으로 제 2 블럭(140)을 관류한다. 도시에 따르면, 유체는 제 1 블럭(130)을 우측에서 좌측으로 관류하고 제 2 블럭에서는 좌측에서 우측으로 관류한다.

분리 요소(104)는, 한편으로, 최고 압력이 작용하는 압력실(102)의 경계를 이루고, 다른 한편으로는, 압력실(102) 내의 압력의 대략 절반 크기의 압력이 작용하는 2개의 중간 압력실(107, 108)의 경계를 이룬다. 이는 일반적으로 도 2에 도시되어 있는 구성에 대응한다. 압력실(102)을 중간 압력실(107, 108)에 대해 시일링하기 위해, 인접하는 경계 요소를 갖는 본 발명에 따른 시일링 장치(1)의 일 실시 형태를 형성하는 시일링 요소(5)가 제공된다. 도 6에서, 펌프 하우징(103)은 제 1 경계 요소(3)를 형성하고 분리 요소는 제 2 경계 요소(4)를 형성한다. 이 시일링 장치(1)는 매우 높은 압력에 적합하다. 따라서, 압력실(1020 내의 압력은 예컨대 1000 bar 까지 될 수 있다. 그리고 중간 압력실(107, 108) 내의 압력은 각각 대략 500 bar 이다.

본 발명에 따른 시일링 장치(1)는 고압 펌프의 다른 위치에도 사용될 수 있다. 도 6에 도시되어 있는 실시 형태와 관련하여, 시일링 요소(5)는 예컨대 펌프 커버(112)와 펌프 하우징(103) 사이에 경계에 제공될 수도 있다.

Claims (15)

1. 고압 펌프 내의 압력실(2)을 시일링하기 위한 시일링 장치로서, 상기 압력실은 제 1 경계 요소(3)와 제 2 경계 요소(4)에 의해 경계져 있고, 상기 시일링 장치는 별개의 시일링 요소(5)를 가지며, 별개의 시일링 요소는 상기 제 1 경계 요소(3)와 상호 협력하는 제 1 시일링 표면(51) 및 상기 제 2 경계 요소(4)와 상호 협력하는 제 2 시일링 표면(52)을 가지며, 상기 두 시일링 표면(51, 52)은 서로에 대해 경사져 있고 또한 각기 시일링 링(55)을 수용하기 위한 홈(53, 54)을 가지며, 상기 시일링 요소(5)는 압력이 가해지면 상기 경계 요소(3, 4) 중의 하나를 따라 완전히 변위될 수 있도록 배치되고 구성되어 있는, 시일링 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 시일링 요소(5)의 두 시일링 표면(51, 52)은 실질적으로 90°의 끼인 각을 형성하는, 시일링 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   특히 무압 상태에서 상기 시일링 요소(5)를 위치시키기 위한 지지 링(9)이 제공되어 있는, 시일링 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 지지 링(9)은 무압 상태에서 상기 시일링 요소(5)의 지지 표면과 접촉하고, 지지 표면은 시일링 요소(5)의 두 시일링 표면(51, 52)과는 다른, 시일링 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 시일링 요소(5)는 상기 제 1 시일링 표면(51)을 형성하는 긴 섕크(shank)(57)와 상기 제 2 시일링 표면(52)을 형성하는 짧은 섕크(58)를 가지면서 실질적으로 L-형 단면을 갖는, 시일링 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 시일링 요소(5)는 상기 제 1 경계 요소(3)와 제 2 경계 요소(4)를 따라 변위가능하도록 배치되어 있는, 시일링 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 시일링 표면(51)은 제 1 시일링 표면에 제공되어 있는 홈(53)과 상기 제 2 시일링 표면(52) 쪽에 있는 단부 사이에서 원추형으로 형성되어 있는, 시일링 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 2 시일링 표면(52)은 제 2 시일링 표면에 제공되어 있는 홈(54)과 상기 제 1 시일링 표면(51) 쪽에 있는 단부 사이에서 원추형으로 형성되어 있는, 시일링 장치.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   원추각(α, β)은 각각 최대 2°, 바람직하게는 최대 1°인, 시일링 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시일링 장치는 레이디얼 시일 장치인, 시일링 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 시일링 장치를 갖는 고압 펌프.
12. 제 11 항에 있어서,
    펌프 커버(4)와 펌프 하우징(3)을 포함하고, 상기 시일링 장치(1)는 상기 펌프 커버와 펌프 하우징 사이의 시일링을 위해 제공되는, 고압 펌프.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 고압 펌프는 다단 펌프인, 고압 펌프.
14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시일링 장치(1)는 압력실(102)과 중간 압력실(107, 108) 사이의 시일링을 위해 제공되는, 고압 펌프.
15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시일링 장치(5)는 분리 요소(104)와 펌프 하우징(103) 사이 또는 펌프 커버(112)와 펌프 하우징(103) 사이의 시일링을 위해 제공되는, 고압 펌프.

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