KR20170047346A - 피스톤 장치 - Google Patents

Abstract

피스톤 장치는, 피스톤이 왕복 운동으로 이동할 때, 상기 피스톤과 실린더 보어 사이를 밀봉하기 위한 밀봉부를 수용할 수 있는 원주방향 피스톤 그루브를 포함한다. 상기 피스톤 장치는 상기 실린더 보어의 전방 측을, 상기 밀봉부 아래의 피스톤 그루브 내의 공간에 유체적으로 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 적어도 부분적으로 형성된 제1 유체 흐름 통로; 및 상기 실린더 보어의 후방 측을, 상기 밀봉부 아래의 상기 피스톤 그루브 내의 공간에 유체적으로 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 부분적으로 형성된 제2 유체 흐름 통로를 포함한다. 상기 2개의 유체 흐름 통로는 상기 피스톤 밀봉부 주위로 제어된 유체 흐름을 가능하게 하며, 상기 피스톤 그루브의 측벽에 제공된 채널을 포함하거나 또는 상기 피스톤 몸체에 제공된 오리피스를 포함한다.

Description

피스톤 장치{PISTON ARRANGEMENT}

본 발명은 밀봉부(seal) 주위로 제어된 유체 흐름을 허용하는 피스톤 장치에 관한 것이다.

실린더 보어 내에서 왕복 운동하는 피스톤은 이 기술 분야에서 널리 알려져 있으며, 유체를 압축하고 및/또는 증가된 압력에서 상이한 유체를 전달하는, 펌프, 유압 구동기, 엔진, 공압 구동기 및 기타 유압 또는 공압 기계에 오랫동안 사용되어 왔다. 피스톤이 실린더 내에서 이동하고 있을 때, 피스톤 밀봉부 또는 피스톤 밀봉부 조립체가 동적 밀봉을 위해 사용되어 피스톤과 실린더 벽 사이에서 유체가 누설되는 것을 방지하거나 막는다.

피스톤 밀봉부는 실린더 보어(bore) 내에서 피스톤이 운동하는 것으로 인해 상당한 마모를 겪게 되고, 때로는 과도한 마모 및/또는 압축되는 유체에 의해 밀봉부에 가해지는 압력에 의한 응력으로 인해 피스톤 밀봉부가 파손된다. 이러한 동작 조건은 고압 왕복 펌프의 경우 및/또는 극저온 유체를 취급하는 펌프의 경우 훨씬 더 문제될 수 있다.

이러한 왕복 운동 펌프의 예는 액화 가스 연료를 극저온 용기로부터 기체 연료 내연 엔진으로 전달하는데 사용되는 펌프이다. 이러한 펌프는 비교적 높은 압력, 약 4600 psi에서, 그리고 저온, 예를 들어, 약 섭씨 -130도 이하의 온도에서 유체를 취급할 수 있다. 특히 밀봉부의 재료가 펌핑되는 유체의 낮은 온도와 밀봉부에 작용하는 높은 압축 응력을 견뎌야 하기 때문에 이러한 펌프의 피스톤에 효과적인 밀봉을 제공하는 것은 어렵다. 또한, 펌프 구성 요소와 밀봉부를 제조하는 재료의 수축 계수가 상이한 것으로 인해 피스톤 밀봉부와 실린더 벽 사이에 갭이 형성되어, 유체가 압축 챔버로부터 피스톤 밀봉부를 지나 펌프의 저압 측으로 누설될 수 있다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 이러한 왕복 운동 펌프의 경우, 피스톤(130)이 왕복 운동하는 펌프 실린더의 보어(120)에 대해 피스톤(130)을 밀봉하기 위해 피스톤 그루브(groove)(190)에 일반적으로 밀봉부(160)가 제공된다. 밀봉부와 피스톤 그루브의 제조 공차에 의해 치수 변동이 도입되는 것으로 인해 그리고 압축 챔버 내의 유체에 의해 밀봉부에 압력이 가해지는 것으로 인해, 피스톤 그루브 내의 밀봉부(160)의 위치가 변동될 수 있다. 밀봉부(160)는 피스톤 그루브 내에서 화살표(A 및 B) 방향으로 축방향으로 각각 이동할 수 있다. 피스톤 그루브는 2개의 대향하는 측벽, 즉 압축 챔버(150)에 더 가까운 전방 측벽(140)과, 피스톤의 구동 샤프트에 더 가까운 후방 측벽(170), 및 이 2개의 측벽들 사이를 연결하는 바닥 표면(bottom surface)으로 형성된다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 피스톤(130)이 펌프의 흡기 행정 동안 "A" 방향으로 이동할 때, 밀봉부(160)는 피스톤 그루브의 전방 측벽(140)을 향해 가압되어 밀봉부와 피스톤 그루브의 후방 측벽(170) 사이에 갭(G1)이 형성되어 유체가 흐를 수 있다. 펌프 피스톤이 압축 행정을 위해 방향을 역전하여 피스톤(130)이 "B" 방향으로 움직일 때, 밀봉부(160)는 피스톤 그루브(190)의 후방 측벽(170)을 향해 가압되고, 유체는 압축 챔버(150)로부터 밀봉부(160)와 전방 측벽(140) 사이에 형성된 갭을 통해 누설되어 밀봉부(160) 아래의 공간(182)으로 흐르고, 이후 후방 측벽(170)과 밀봉부(160) 사이의 갭(G2)을 통해 흐를 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 실린더 보어 내에서 피스톤이 왕복 운동하는 동안 밀봉부(160)와 피스톤 그루브의 후방 측벽(170) 사이에 생성된 갭의 크기는 예를 들어 G1과 G2 사이에서 변할 수 있다. 유사하게, 피스톤 그루브의 전방 측벽(140)과 밀봉부(160) 사이에 생성된 공간도 또한 피스톤이 운동하는 동안 변할 수 있다. 피스톤 그루브 내에서 밀봉부 주위에 생성된 갭과 공간의 크기 변화는 밀봉부 아래의 공간(182) 내의 유체 압력에 약간의 변동을 일으키고, 이는 밀봉부를 가압하여 실린더 보어(120)와 접촉하게 하는 힘을 변화시킨다. 밀봉부를 가압하여 보어와 접촉하게 하는 힘이 이렇게 변하면 밀봉부의 마모에 영향을 미친다. 피스톤 그루브 내에서 밀봉부 주위에 생성된 공간과 갭의 크기 변화는 밀봉부에 걸친 압력 강하에도 영향을 미치고 이는 밀봉부의 마모에 영향을 미치는 또 다른 요인이 된다.

일반적으로 왕복 운동 펌프의 경우, 피스톤이 왕복 운동하는 것으로 인한 밀봉부의 마모는 해결되어야 할 문제이다. 과거에는 밀봉부 마모 문제를 해결하기 위해 분할된 밀봉부(split seal)가 사용되었다. 분할된 밀봉부는 밀봉부가 피스톤에 설치되는 것을 가능하게 하는 절단부(cut)를 가진 링(ring) 형상을 가지며, 더 중요한 것은 이에 의해 밀봉부가 확장되어 밀봉부의 마모를 보상할 수 있다는 것이다. 밀봉부와 펌프 실린더 벽 사이에 접촉을 유지하기 위해, 밀봉부를 지지하고 이 밀봉부를 실린더 벽을 향해 밀기 위해 밀봉부 에너자이저(seal energizer)가 제공된다. 밀봉부 에너자이저는 피스톤 그루브에 배치되는 밀봉부와 함께 피스톤 밀봉부 조립체를 형성하는 밀봉부 아래에 배치되는 금속 링일 수 있다. 밀봉부 에너자이저는 횡 방향으로 분할되어 있어 링의 자유 단부들 사이에 갭이 존재하여, 밀봉부 에너자이저가 피스톤 그루브에 보다 용이하게 설치될 수 있게 하고, 밀봉부 조립체가 피스톤 그루브에 설치될 때 밀봉부를 실린더 벽 쪽으로 미는 탄성력을 보다 많이 제공한다.

일반적으로, 밀봉부 조립체가 위치되는 피스톤 그루브의 측벽과 밀봉부 에너자이저 사이에는 간극 갭이 있다. 갭은 설치를 용이하게 하며 갭의 크기는 규정된 허용가능한 제조 공차에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에 이 갭의 치수가 0.15 mm를 초과하는 만큼 변할 수 있다. 밀봉부 에너자이저와 피스톤 그루브의 측벽 사이의 갭의 크기는 엄격한 제조 공차를 통해서만 제어될 수 있으며 이러한 갭은 밀봉부의 수명에 영향을 줄 수 있는 잠재적인 밀봉부 누설 경로를 나타낸다. 밀봉부(160)와 같이, 에너자이저는 또한 실린더 보어 내에서 피스톤이 왕복 운동하는 동안 축방향으로 피스톤 그루브 내에서 이동할 수 있어서, 밀봉부 에너자이저와 피스톤 그루브의 측벽 사이의 간극 갭의 크기가 변할 수 있다. 그루브 내의 밀봉부의 축방향 위치와 함께 피스톤 그루브 내의 밀봉부 에너자이저의 축방향 위치는 밀봉부를 통한 누설 영역의 크기에 영향을 주어 밀봉부에 걸친 압력 강하에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 분할된 밀봉부(160A)는 피스톤(130A)의 피스톤 그루브(190A) 내에서 에너자이저(180A)에 의해 지지되는 2개의 겹치는 단부 세그먼트(overlapping end segment)(112A 및 114A)를 포함한다. 밀봉부 에너자이저(180A)가 압축 챔버(150)에 더 가까운 측인 피스톤의 고압 측에 더 가까운 전방 측벽(140A)에 더 가깝게 위치되면, 피스톤의 저압측에 더 가까운 후방 측벽(170A)과 밀봉부 에너자이저 사이의 누설 경로는, 밀봉부 에너자이저(180A)가 그루브(190A)의 중심에 축방향으로 위치될 때 또는 밀봉부 에너자이저(180A)가 후방 측벽(170A)에 더 가까이 이동할 때 밀봉부 조립체를 통한 누설 경로에 비해 더 큰 갭(G3) 및 암시적으로 더 큰 누설 영역을 허용한다. 밀봉부 에너자이저(180A)와 후방 측벽(170A) 사이의 갭(G3) 및 밀봉부(160A)와 후방 측벽(170A) 사이의 갭(G4)이 동적으로 변하는 것이 조합된 결과, 펌프 동작 동안 에너자이저 아래 공간(182A) 내의 유체 압력과 밀봉부 조립체에 걸친 압력 강하가 변하게 되어 밀봉부(114A)의 마모가 시간에 걸쳐 일정하지 않게 된다.

나아가, 피스톤이 펌프 실린더 내에서 왕복 운동할 때 피스톤을 밀봉하기 위해 밀봉부와 밀봉부 에너자이저를 각각 포함하는 여러 밀봉부 조립체가 직렬로 장착되는 경우, 일부 밀봉부는 다른 밀봉부보다 상당히 더 많은 마모를 나타내어 일정 시간이 지나면 적어도 하나의 랜덤한 밀봉부가 고장나는 것으로 관찰되었다. 이것은 각 밀봉부에 걸친 압력 강하가 변하는 것으로 나타날 수 있다. 각 밀봉부에 걸친 압력 강하는 밀봉부를 통한 누설 경로 영역의 크기에 따라 달라지며, 가장 작은 누설 경로 영역을 가진 밀봉부는 유체 압력에 대한 최대 저항으로 인해 가장 큰 압력 강하를 겪어서 더 빨리 마모된다. 마모된 밀봉부를 교체하려면 장치의 사용을 중지하고 피스톤을 제거하고 밀봉부를 교체해야 한다.

따라서, 피스톤 밀봉부의 수명을 지속적으로 개선하여 수리 간격 사이의 시간을 증가시키고, 시간에 따라 밀봉부의 마모의 일관성을 개선하려는 요구가 존재한다.

피스톤 장치는 원통형 표면을 구비하는 피스톤 몸체, 및 상기 피스톤 몸체 내에 형성된 원주방향 피스톤 그루브를 포함하고, 상기 피스톤 그루브는 피스톤이 내부에서 왕복 운동하는 실린더와 상기 피스톤 사이를 밀봉하는 밀봉부를 수용한다. 상기 피스톤 몸체는, 상기 밀봉부가 상기 피스톤 그루브에 배치될 때, 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 전방 측을, 상기 피스톤 그루브의 바닥 표면과 상기 밀봉부에 의해 부분적으로 형성된 상기 피스톤 그루브 내의 공간에 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 적어도 부분적으로 형성된 제1 유체 흐름 통로를 포함한다. 상기 피스톤 몸체는 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 후방 측을, 상기 피스톤 그루브의 바닥 표면과 상기 밀봉부에 의해 형성된 공간에 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 적어도 부분적으로 형성된 제2 유체 흐름 통로를 더 포함한다. 상기 제1 및 제2 유체 흐름 통로는 미리 결정된 양의 유체 흐름을 허용하는 크기로 되어 있다.

상기 제1 유체 흐름 통로는 상기 피스톤 그루브의 전방 측벽에 제공된 채널에 의해 또는 상기 피스톤 몸체에 제공된 오리피스에 의해 형성될 수 있다. 상기 피스톤 몸체에 제공된 상기 제1 유체 흐름 통로를 형성하는 상기 오리피스의 길이방향 축은 상기 피스톤 그루브의 전방 측벽에 의해 형성된 평면으로부터 측정했을 때 0도 내지 90도로 경사져 있다. 상기 제1 유체 흐름 통로를 형성하는 채널은 일반적으로 상기 피스톤 몸체의 중심선으로부터 방사 방향으로 배향된다.

상기 제2 유체 흐름 통로는 상기 피스톤 그루브의 후방 측벽에 제공된 채널에 의해 또는 상기 피스톤 몸체에 제공된 오리피스에 의해 형성될 수 있다. 상기 피스톤 몸체에 제공된 상기 제2 유체 흐름 통로를 형성하는 상기 오리피스의 길이방향 축은 상기 피스톤 그루브의 후방 측벽에 의해 형성된 평면으로부터 측정했을 때 0도 내지 90도로 경사져 있다. 상기 제2 유체 흐름 통로를 형성하는 채널은 상기 피스톤 몸체의 중심선으로부터 방사 방향으로 배향된다.

상기 제1 또는 제2 유체 유로를 형성하는 상기 오리피스는 바람직하게는 원형 단면 흐름 영역을 갖는다.

상기 제1 또는 제2 유체 유로를 형성하는 상기 채널은 바람직하게는 반원형 단면 영역을 갖는다.

바람직한 실시 예에서, 상기 제2 유체 흐름 통로의 단면 흐름 영역은 상기 제1 유체 흐름 통로의 단면적보다 작다.

일부 실시 예에서, 상기 제1 유체 흐름 통로는 상기 제2 유체 흐름 통로와 동일한 단면 평면의 상기 피스톤 몸체에 위치하는 반면, 다른 실시 예에서는 상기 제1 유체 흐름 통로는 상기 제2 유체 흐름 통로와 다른 단면 평면의 상기 피스톤 몸체에 위치된다.

일부 실시 예에서, 상기 피스톤 장치는, 상기 밀봉부가 상기 피스톤 그루브에 배치될 때, 상기 피스톤 몸체의 원통형 표면의 전방 측을, 상기 피스톤 그루브의 하부 표면과 상기 밀봉부에 의해 부분적으로 형성된 공간에 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 적어도 부분적으로 형성된 적어도 하나의 다른 유체 흐름 통로, 및 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 후방 측을 상기 밀봉부 아래 공간에 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 적어도 부분적으로 형성된 적어도 하나의 다른 유체 흐름 통로를 더 포함한다.

이들 실시 예에서, 상기 피스톤 몸체의 원통형 표면의 전방 측을 상기 밀봉부 아래 공간에 연결하는 유체 흐름 통로의 수는 상기 피스톤 몸체의 원통형 표면의 후방 측을 상기 밀봉부 아래 공간에 연결하는 유체 흐름 통로의 수와는 다를 수 있다. 상기 피스톤 몸체의 원통형 표면의 전방 측을 상기 밀봉부 아래 공간에 연결하는 상기 유체 흐름 통로 각각은 상기 피스톤 그루브의 전방 측벽에 제공된 채널에 의해 또는 상기 피스톤 몸체에 제공된 오리피스에 의해 형성된다. 상기 피스톤 몸체의 원통형 표현의 후방 측을 상기 밀봉부 아래 공간에 연결하는 상기 유체 흐름 통로 각각은 상기 피스톤 그루브의 후방 측벽에 제공된 채널에 의해 또는 상기 피스톤 몸체에 제공된 오리피스에 의해 형성된다.

본 피스톤 장치는 원주방향 피스톤 그루브에 위치된 분할된 밀봉부(split seal)를 포함할 수 있으며, 상기 분할된 밀봉부는 두 개의 겹치는 단부를 구비한다.

일부 실시 예에서, 상기 밀봉부는 밀봉부 및 이 밀봉부를 지지하는 에너자이저를 포함하는 밀봉부 조립체이며, 상기 밀봉부 조립체는 원주방향 피스톤 그루브에 위치된다. 제안된 실시예에서, 상기 제1 및 제2 유체 흐름 통로가 상기 피스톤 밀봉부 조립체 주위로 유체 흐름을 제어하기 위해, 상기 밀봉부를 통한 대안적인 누설 경로는 보다 제한되게 만들어진다. 예를 들어, 일부 실시 예에서, 선택 맞춤(select fit) 제조 방법은 에너자이저와 피스톤 그루브 사이의 간극 갭을 감소시키는데 사용된다. "선택 맞춤"은 에너자이저의 직경이 수축하고 팽창하는 능력을 방지할 만큼 너무 엄격함이 없이 조립자가 간극 갭을 감소시키기 위해 가변 폭을 갖는 에너자이저를 선택할 수 있는 제조 공정을 나타낸다.

도 1a 및 도 1b(종래 기술)는 왕복 운동 펌프의 피스톤 그루브 내에 위치된 피스톤 밀봉부의 개략적인 단면도로서, 펌프 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하는 동안 피스톤 그루브 내 밀봉부의 상이한 축방향 위치들을 도시한다;
도 2(종래 기술)는 왕복 운동 펌프의 피스톤 그루브 내에 위치된 밀봉부 및 에너자이저를 포함하는 피스톤 밀봉부 조립체의 개략적인 단면도로서, 펌프 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하는 동안 피스톤 그루브 내에서 밀봉부 에너자이저의 상이한 축방향 위치들 중 하나를 도시한다;
도 3(종래 기술)은 일련의 피스톤 밀봉부 조립체를 포함하는 피스톤을 갖는 왕복 운동 펌프의 개략적인 단면도이다;
도 4(종래 기술)는 일련의 S자 형상으로 절단된 밀봉부를 보여주는 도 3에 도시된 피스톤을 도시하는 도면이다;
도 5a는 피스톤 그루브의 일 측벽에는 적어도 하나의 채널이 제공되고 피스톤 몸체는 밀봉부 조립체 주위로 유체 흐름을 제어하기 위해 적어도 하나의 오리피스를 포함하는 바람직한 실시 예에 따른 피스톤의 일부의 단면도이다;
도 5b 및 도 5c는 각각 피스톤 그루브 내에 위치된 밀봉부의 상면도를 도시하고 도 5a에 도시된 피스톤 장치를 위한 채널과 오리피스의 상이한 가능한 배열을 나타낸다;
도 6a는 밀봉부 조립체 주위로 유체 흐름을 제어하기 위해 피스톤 그루브의 각 측벽 상에 적어도 하나의 채널이 형성된, 측벽을 갖는 피스톤 그루브를 가진 피스톤 일부의 단면도이다;
도 6b 및 도 6c는 도 6a에 도시된 실시 예의 사시도를 도시한다.
도 7은 밀봉부 조립체 주위로 유체 흐름을 제어하기 위해, 피스톤 그루브 내 밀봉부 조립체 아래의 공간을 피스톤의 후방 측과 전방 측에 각각 연결하는 2개의 오리피스가 제공된 몸체를 갖는 피스톤의 일부의 단면도이다.
도 8은 피스톤의 전방 측을 피스톤 그루브 내 밀봉부 조립체 아래의 공간에 연결하는 오리피스가 제공된 몸체를 갖는 피스톤의 일부의 단면도이며, 여기서 피스톤 그루브의 측벽에는 밀봉부 조립체 주위로 유체 흐름을 제어하기 위해 채널이 제공된다.

본 발명의 피스톤 설계는 개선된 설계 특성을 요구하는 일부 특정 특성을 갖는 왕복 운동하는 극저온 피스톤 펌프를 위해 개발되었다. 개선된 피스톤 설계는 본 출원의 상황에서 본 명세서에 설명된다. 그럼에도 불구하고, 본 피스톤 설계의 양태는 왕복 운동에서 실린더 보어 내에서 움직이는 피스톤에 대한 많은 상이한 응용에서 밀봉부의 수명을 향상시키기 위해 적용될 수 있다.

본 피스톤 밀봉부는 분할된 밀봉부 및 이 밀봉부 아래에 위치된 밀봉부 에너자이저를 포함하는 밀봉부 조립체로 도시되어 있다. 그럼에도 불구하고, 본 피스톤 설계의 개시 내용은, 에너자이저에 의해 지지되지 않고 피스톤 그루브 내에 위치된 종래 기술에 알려진 종래 구성의 밀봉부에 대해 밀봉부의 수명을 향상시키는데 적용될 수 있다.

도 3은 종래 기술에서 일반적으로 알려진 유형의 왕복 운동 펌프(110)의 부분 단면도를 도시한다. 펌프 전체가 도시되지는 않았지만, 도 3은 피스톤 및 밀봉부 장치에 초점을 맞추고 있다. 펌프는 펌프의 몸체에 의해 형성된 실린더 보어(120), 및 구동 샤프트(133)를 통해 작동 메커니즘(도시되지 않음)에 의해 작동되어 실린더 보어(120) 내에서 왕복 운동을 하는 피스톤(130)을 포함한다. 피스톤(130)은 "A" 방향으로 이동할 때 피스톤은 흡기 행정 동안 펌프의 흡기 포트(미도시)를 통해 압축 챔버(150) 내로 유체를 유입하고, 그리고 피스톤(130)이 반대 방향인 B 방향으로 이동할 때 흡기 포트는 폐쇄되고 펌프는 펌프의 압축 행정 동안 압축 챔버(150) 내의 유체를 압축한다.

피스톤(130)은 일련의 밀봉부 조립체(100A, 100B 및 100C)를 포함한다. 각 밀봉부 조립체는 도 5a, 도 6a, 도 7 및 도 8에 더 잘 도시된 밀봉부 및 이 밀봉부를 지지하는 밀봉부 에너자이저를 포함한다. 밀봉부(160A, 160B 및/또는 160C)는 2개의 겹치는 자유 단부 세그먼트를 갖는 도 4에 도시된 바와 같은 분할된 형태를 가질 수 있다.

도 3, 도 5a, 도 6a, 도 7 및 도 8에 도시된 밀봉부 에너자이저의 유형은 종종 "S자 형상으로 절단된" 밀봉부로 알려진 분할된 밀봉부를 포함하는 밀봉부 조립체에 사용되는 것으로 알려진 유형으로서, 이에 의해 외부 원주방향 표면이 마모될 때에도 밀봉부는 실린더 벽에 매우 근접하게 유지될 수 있어, 피스톤과 실린더 벽 사이에 양호한 밀봉을 유지할 수 있다.

도 5a는 피스톤 몸체(230)를 포함하는 본 피스톤 장치의 바람직한 실시 예를 도시한다. 실린더 보어(220) 내에서 이동하는 피스톤은 전술한 바와 같이 피스톤 그루브(290A) 내에 모두 위치된 분할된 밀봉부(260A) 및 에너자이저(280A)를 더 포함한다. 피스톤 그루브(290A)의 전방 측벽(240A)은, 피스톤 그루브(290A)의 바닥 표면에 의해 부분적으로 형성된 에너자이저(280A) 아래의 공간(282A)을, 압축 챔버(250)를 향한 피스톤의 원통형 표면의 전방 측에 연결하는 채널(245A)을 포함하고, 그리고 피스톤 몸체(230)는 피스톤 구동 샤프트를 향한 피스톤의 원통형 표면의 후방 측을 공간(282A)에 연결하는 오리피스(275A)를 더 포함한다. 채널(245A)은 바람직하게는 피스톤 몸체의 중심선(CL)으로부터 방사 방향으로 배향된 길이방향 축을 갖는 반원형 단면의 채널로 형성된다. 채널(245A)은 다른 단면 형상을 가질 수 있으며, 바람직하게는 용이하게 제조되고 유체의 제어된 흐름을 위한 일정한 개방된 흐름 영역을 허용하는 형상을 갖는다. 오리피스(275A)는 피스톤의 원통형 표면으로부터 피스톤 그루브의 바닥 근처까지 연장되는 길이방향 축을 갖는다. 도시된 실시 예에서, 오리피스(275A)의 길이 방향 축은 후방 측벽(270)의 표면과 각도(α)를 형성한다. 오리피스(275A)는 쉽게 드릴링(drilled)될 수 있는 원형 단면을 가지거나 또는 용이하게 제조되고 유체의 제어된 흐름을 위한 일정한 흐름 영역을 허용하는 다른 형상을 가질 수 있다.

오리피스(275A)의 단면적은 바람직하게는 채널(245A)의 단면적보다 작아서, 피스톤 그루브 내의 밀봉부 아래 공간으로부터 피스톤 몸체(230)의 원통형 표면의 후방 측으로 유체의 흐름이 더 잘 제어된다. 각도(α)는 유체 흐름 통로의 길이를 결정하며, 이에 따라 밀봉부 조립체를 통해 원하는 유체 흐름량을 달성하도록 선택될 수 있는 하나의 파라미터이다. 둘 이상의 원주방향 피스톤 그루브가 제공된 피스톤의 경우, 각도(α)는 피스톤 그루브 각각에 대응하는 각 오리피스 세트마다 변할 수 있다.

도 5a에서, 예시적인 목적으로, 채널(245A)과 오리피스(275A)는 피스톤 몸체의 동일한 단면 평면에 위치한다. 도 5b에 더 도시된 바와 같이, 채널(245A)과 오리피스(275A)는 축(C)과 공통인 정렬을 공유한다. 다른 실시 예에서, 채널(245A)은 오리피스(275A)로부터 오프셋되어서, 각각이 피스톤 몸체의 상이한 단면 평면에 위치될 수 있다. 다른 실시 예에서, 피스톤 그루브의 각 측벽에는 둘 이상의 채널이 제공될 수 있으며, 피스톤 몸체에는 피스톤의 전방 측을 밀봉부 아래의 공간에 연결하는 둘 이상의 오리피스가 각각 제공될 수 있고, 여기서 이들 채널의 축과 이들 오리피스의 축은 정렬되거나 정렬되지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 5c에 도시된 바와 같이, 전방 측벽(240A)에 제공된 채널(245C)들 중 하나는 중심선(D)을 공유하는 오리피스(275C)들 중 하나와 정렬되는 반면, 다른 채널(245B 및 245D)은 오리피스(275B 또는 275C)와 정렬되지 않는다. 나아가, 일부 실시 예에서, 피스톤 그루브의 측벽에 제공된 채널의 수는 제어된 유체 흐름을 위해 제공된 오리피스의 수와 상이하다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 전방 측벽(240A)에는 3개의 채널(245B, 245C 및 245D)이 제공되고, 피스톤 몸체는 2개의 오리피스(275B 및 275C)만을 더 포함한다. 오리피스와 채널의 수, 그 배치 및 크기는 원하는 양의 유체가 밀봉부 조립체를 통해 흐르도록 설계될 수 있는 파라미터이다. 바람직한 실시 예에서, 오리피스와 채널은 피스톤 그루브의 각 측벽 상에 피스톤 몸체의 원주를 따라 균일하게 이격되어 있다.

나아가, 예를 들어 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 피스톤에 둘 이상의 밀봉부 조립체가 제공되는 경우, 오리피스와 채널의 수, 그 크기 및 배치는 각 밀봉부 조립체마다 변하여, 각 밀봉부 주위로 유체 흐름이 각 밀봉부 조립체에 걸쳐 동일한 압력 강하를 유지하도록 제어될 수 있다. 다른 응용에서, 각 밀봉부 조립체에 걸쳐 상이한 미리 결정된 압력 강하를 갖는 것이 요구될 수 있으며, 이것은 각 밀봉부 조립체와 관련된 오리피스 및/또는 채널의 크기를 조정함으로써 달성될 수 있다.

도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 피스톤 설계의 제2 실시 예를 도시한다. 밀봉부(360A)와 에너자이저(380A)로 구성된 밀봉부 조립체는 피스톤 그루브(290A) 내에 위치되어 피스톤 몸체(330)와 실린더 보어(320) 사이를 밀봉한다. 피스톤 그루브(390A)의 전방 측벽(340A)은 에너자이저(380A) 아래의 공간(382A)을, 압축 챔버(350) 쪽 피스톤 몸체의 원통형 표면의 전방 측에 연결하는 채널(345A)을 포함하고, 그리고 피스톤 그루브(390A)의 후방 측벽(370A)은 이 공간(382A)을, 피스톤의 구동 샤프트에 연결된 피스톤의 구동 부분 쪽 피스톤 몸체의 원통형 표면의 후방 측에 연결하는 채널(375A)을 더 포함한다. 각 채널(345A 및 375A)은 피스톤의 중심선(CL)으로부터 방사 방향으로 배향된 길이 방향 축을 갖는 반원형 단면을 갖는 세장형 채널(elongated channel)로 형성된 것으로 도시된다. 채널(245A)과 관련하여 전술한 실시 예에 설명된 바와 같이, 제조를 용이하게 하는 바람직한 기하학적 구조로 도시되어 있지만, 채널(345A 및 375A)은 또한 용이하게 제조되고 밀봉부 주위로 동일한 유체 흐름을 제공하는 다른 단면 형상을 가질 수 있다.

피스톤 그루브의 동일한 표면 상에 있는 채널(375A) 및 유사 채널들의 전체 단면적은 바람직하게는 그 각 표면 상에 있는 채널(345A) 및 유사한 채널들의 전체 단면적에 비해 더 작아서, 피스톤 그루브 내 밀봉부 에너자이저 아래의 공간으로부터 피스톤의 후방 측으로 유체의 흐름이 보다 제한된다.

도 6b 및 도 6c는 피스톤의 원주를 따라 미리 결정된 거리에 있는 채널의 위치를 보여주는 피스톤의 사시도를 도시한다. 도 6a에 도시된 밀봉부 조립체와 유사한 일련의 밀봉부 조립체를 위치시키기 위해 여러 개의 피스톤 그루브(390A, 390B 및 390C)가 피스톤에 제공된다. 각 피스톤 그루브에 대해, 하나의 측벽에는 여러 채널(예를 들어, 채널(345A, 345B 및 345C))이 제공되고, 대향하는 측벽에는 여러 개의 다른 채널(예를 들어, 채널(375A, 375B 및 375C))이 제공된다. 도시된 바와 같이 각 측벽에는 둘 이상의 채널이 제공될 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 이들 채널은 피스톤 그루브의 각 측벽 상에 피스톤 몸체의 원주를 따라 균일하게 이격되어 있다.

도 5a, 도 5b 및 도 5c에 도시된 실시 예와 관련하여 설명된 바와 같이, 피스톤 그루브의 일 측벽 상에 있는 채널의 수는 피스톤 그루브의 대향하는 측벽 상에 있는 채널의 수와 동일할 필요는 없고, 이들 채널의 수는 피스톤 그루브마다 다를 수 있다. 각 피스톤 그루브에 대해, 세장형 채널들은 각각 피스톤의 중심선으로부터 방사 방향으로 향하는 길이방향 축을 가질 수 있다. 도 5b 또는 도 5c에 도시된 오리피스와 채널의 배향과 유사하게, 채널(345A)은 도 6a에서 설명의 목적으로 도시된 바와 같이 채널(375A)과 동일할 필요는 없다.

도 7은 본 피스톤 설계의 제 3 실시 예를 도시한다. 피스톤 몸체(430)는 압축 챔버(450)를 향하는 피스톤의 원통형 표면의 전방 측을, 밀봉부(460A)와 협력하여 밀봉부 조립체를 형성하는 에너자이저(480A) 아래의 공간(482A)에 연결하는 제1 오리피스(445A)를 포함한다. 피스톤 몸체(430)는 에너자이저(480A) 아래의 공간(482A)을, 밀봉부(460A)의 다른 측에 있는 피스톤 몸체의 원통형 표면의 후방 측에 연결하는 제2 오리피스(475A)를 더 포함한다. 밀봉부(460A)는 피스톤과 실린더 보어(420) 사이에 밀봉부를 형성하고, 일정한 양의 유체가 제1 오리피스(445A), 공간(482A) 및 오리피스(475A)를 통해 밀봉부(460A) 주위로 흐르게 하여, 공간(482A) 내 유체 압력을 보다 일정하게 유지함으로써 밀봉부 조립체의 성능과 내구성을 향상시킨다. 바람직한 실시 예에서, 밀봉부(460A)는 분할된 밀봉부이다.

도시된 실시 예에서, 오리피스(445A)의 길이방향 축은 전방 측벽(440A)의 표면과 각도(λ)를 형성한다. 오리피스(475A)는 후방 측벽(470A)의 표면과 각도(β)를 형성하는 길이방향 축을 갖는다. 오리피스(445A 및 475A)는 유체 흐름을 원하는 미리 결정된 레벨로 제어하기 위해 정밀도 있게 용이하게 제조되는 원형 단면 또는 다른 형상을 갖는 것이 바람직하다.

오리피스(475A) 및 다른 후방 지향 오리피스의 전체 단면적은 바람직하게는 오리피스(445A) 및 다른 전방 대향 오리피스의 전체 단면적보다 작아서, 밀봉부 아래의 공간으로부터 피스톤의 후방 측으로 유체의 흐름이 보다 제한된다. 각도(β 및 λ)는 전체적으로 유체 통로의 길이에 영향을 미치므로, 밀봉부 조립체를 통해 원하는 유체 흐름량을 달성하도록 제어될 수 있는 파라미터이다. 둘 이상의 밀봉부 조립체가 제공된 피스톤의 경우 각도(β 및 λ)는 연관된 각 밀봉부 조립체마다 다를 수 있다.

도시된 실시 예에서, 오리피스(445A 및 475A)는 동일한 평면에 위치된다. 대안적으로, 이들 오리피스는 다른 평면에 위치되고 피스톤의 원주를 따라 다른 위치에 분배될 수 있다. 이전의 실시 예와 관련하여 설명된 것과 유사하게, 피스톤의 원통형 표면의 전방 측을 피스톤 그루브 내의 에너자이저 아래의 공간에 연결하는 오리피스의 수는 에너자이저 아래의 공간을 피스톤의 원통형 표면의 후방 측에 연결하는 오리피스(orifice)의 수와 반드시 같을 필요는 없다. 바람직한 실시 예에서, 이들 오리피스는 피스톤 몸체의 원주를 따라 균일하게 이격되어 있다.

나아가, 예를 들어 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 피스톤에 둘 이상의 밀봉부 조립체가 제공되는 경우, 오리피스의 수, 그 크기 및 그 배치는 각 밀봉부 조립체마다 변하여, 각 밀봉부 조립체 주위의 유체 흐름이 각 밀봉부 조립체에 걸쳐 동일한 압력 강하를 유지하도록 제어될 수 있다. 다른 응용에서, 각 밀봉부 조립체에 걸쳐 상이한 미리 결정된 압력 강하를 갖는 것이 요구될 수 있으며, 이것은 각 밀봉부 조립체마다 오리피스의 크기를 조정함으로써 달성될 수 있다.

도 8은 본 피스톤 설계의 제 4 실시 예를 도시한다. 피스톤(530)의 몸체는 압축 챔버(550)에 더 가까운 피스톤 몸체의 원통형 표면의 전방 측을, 밀봉부(560A)와 협력하여 밀봉부 조립체를 형성하는 에너자이저(580A) 아래의 공간(582A)에 연결하는 제1 오리피스(545A)를 포함한다. 피스톤 그루브(590A)의 후방 측벽(570A)은 에너자이저(580A) 아래의 공간(582A)을, 피스톤 몸체의 원통형 표면의 후방 측에 연결하는 채널(575A)을 갖게 형성된다.

오리피스(545A)는 피스톤 그루브(590A)의 전방 측벽(540A)과 각도(θ)를 형성하는 길이방향 축을 갖는다. 오리피스(545A)와 채널(575A)은 각각 원형 및 반원형 단면을 갖는 것이 바람직하지만, 이들은 용이하게 제조되고 유체 흐름을 조절하기 위해 정확한 단면 흐름 영역을 허용하는 다른 형상을 가질 수 있다.

전술한 실시 예에서와 같이, 각도(θ)는 밀봉부 조립체를 통한 유체 통로의 길이에 영향을 미치고, 이에 따라 원하는 유체 흐름량을 달성하도록 제어된다. 둘 이상의 밀봉부 조립체가 제공된 피스톤의 경우, 각도(θ)는 각 밀봉부 조립체에 대해 원하는 압력 강하에 따라 각 밀봉부 조립체마다 동일하거나 상이할 수 있다.

도 8에서, 오리피스(545A)와 채널(575A)은 설명의 목적으로 동일한 평면에 도시된다. 대안적으로, 다른 실시 예에서와 같이, 이들은 상이한 평면에 위치되고 피스톤의 원주를 따라 상이한 위치에 분배될 수 있다. 전술한 실시 예와 관련하여 설명된 것과 유사하게, 피스톤의 원통형 표면의 전방 측을, 피스톤 그루브 내의 에너자이저 아래의 공간에 연결하는 오리피스의 수는 에너자이저 아래의 공간을 피스톤의 원통형 표면의 후방 측에 연결하는 오리피스의 수와 동일할 필요는 없다. 바람직한 실시 예에서, 오리피스와 채널은 피스톤 그루브의 각 측벽에서 피스톤 몸체의 원주 주위에 균일하게 이격된다.

나아가, 다른 실시 예에서와 같이, 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 피스톤에 둘 이상의 밀봉부 조립체가 제공되는 경우, 오리피스와 채널의 수, 그 크기 및 배치는 각 밀봉부 조립체마다 변하여, 펌프가 동작하고 있을 때, 각 밀봉부 조립체 주위로 흐름이 각 밀봉부 조립체에 걸쳐 원하는 압력 강하를 유지하도록 제어된다. 예를 들어, 복수의 피스톤 그루브와 밀봉부가 있을 때 액상 형태의 가스 연료를 취급하는 왕복 운동 펌프의 경우, 피스톤의 구동 샤프트에 더 가까운 피스톤의 후방 측을 향해 배치된 피스톤 그루브와 관련된 유체 흐름 통로의 단면적은 압축 챔버에 더 가까운 피스톤의 전방 측을 향해 배치된 유체 흐름 통로의 단면적보다 더 커서, 유체가 증발하는 경우 유체의 밀도가 감소되는 것을 보상할 수 있다.

본 피스톤 설계의 실시 예에서 오리피스와 채널의 단면적과 길이는, 단 하나의 피스톤 그루브만이 제공된 피스톤의 경우에도, 펌프의 기하학적 구조, 유체의 유형, 및 펌프가 정상적으로 동작하고 있을 때 압축 챔버 내에 생성되는 압력을 포함하는, 펌프의 알려진 특성에 기초하여, 밀봉부 조립체에 걸쳐 미리 결정된 압력 강하가 달성되도록, 계산될 수 있다.

본 개시 내용에서 도면은 설명의 목적을 위한 것이며 실제 축척에 맞게 그려진 것이 아니다. 예를 들어, 피스톤 몸체에 있는 오리피스 및 피스톤 그루브의 벽에 있는 채널과 같은 일부 특징부는 그 기능 및 상대 치수를 더 잘 설명하기 위해 다른 구성 요소에 비해 확대되었을 수 있다. 또한, 본 도면은 왕복 운동 펌프의 모든 물리적 세부 사항과 그 여러 구성 요소를 나타내는 것은 아니다.

본 개시 내용의 도면에서, 상이한 실시 예들 사이에 동일한 구성 요소들은 동일한 참조 번호를 가지며, 만약 그런 경우, 상세히 설명되지 않았을 수 있다.

본 발명의 특정 요소, 실시 예 및 응용 예가 도시되고 기술되었지만, 특히 전술한 내용에 비추어 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 여러 변형이 이루어질 수 있기 때문에 본 발명은 이들 실시예로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 할 것이다.

Claims (19)

1. 피스톤 장치로서,
   (a) 원통형 표면을 갖는 피스톤 몸체;
   (b) 상기 피스톤 몸체가 내부에서 왕복 운동할 수 있는 실린더와 상기 피스톤 몸체 사이를 밀봉하는 밀봉부를 수용하기 위해 상기 피스톤 몸체 내에 형성된 원주방향 피스톤 그루브;
   (c) 상기 밀봉부가 상기 피스톤 그루브에 배치될 때, 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 전방 측을, 상기 피스톤 그루브의 바닥 표면과 상기 밀봉부에 의해 부분적으로 형성된 상기 피스톤 그루브 내의 공간에 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 적어도 부분적으로 형성된 제1 유체 흐름 통로; 및
   (d) 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 후방 측을 상기 공간에 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 적어도 부분적으로 형성된 제2 유체 흐름 통로를 포함하되;
   상기 제1 및 제2 유체 흐름 통로는 미리 결정된 양의 유체 흐름을 허용하는 크기로 되어 있는, 피스톤 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체 흐름 통로는 상기 피스톤 그루브의 전방 측벽에 제공된 채널에 의해 또는 상기 피스톤의 상기 몸체에 제공된 오리피스에 의해 형성되는, 피스톤 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 채널은 상기 피스톤 몸체의 중심선으로부터 방사 방향으로 배향되는, 피스톤 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 오리피스는 원형 단면 흐름 영역을 갖는, 피스톤 장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 채널은 반원형 단면 흐름 영역을 갖는, 피스톤 장치.
6. 제2항에 있어서, 상기 오리피스의 길이방향 축은 상기 피스톤 그루브의 상기 전방 측벽에 의해 형성된 평면으로부터 측정했을 때 0도 내지 90도로 경사지는, 피스톤 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2 유체 흐름 통로는 상기 피스톤 그루브의 후방 측벽에 제공된 채널에 의해 또는 상기 피스톤의 상기 몸체에 제공된 오리피스에 의해 형성되는, 피스톤 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 채널은 상기 피스톤 몸체의 중심선으로부터 방사 방향으로 배향되는, 피스톤 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 오리피스는 원형 단면 흐름 영역을 갖는, 피스톤 장치.
10. 제7항에 있어서, 상기 채널은 반원형 단면 흐름 영역을 갖는, 피스톤 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 제2 유체 흐름 통로의 상기 단면 흐름 영역은 상기 제1 유체 흐름 통로의 단면적보다 작은, 피스톤 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체 흐름 통로는 상기 제2 유체 흐름 통로와는 다른 단면 평면의 상기 피스톤 몸체에 위치되는, 피스톤 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 상기 전방 측을 상기 공간에 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 적어도 부분적으로 형성된 적어도 하나의 다른 유체 흐름 통로, 및 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 상기 후방 측을 상기 공간에 연결하는, 상기 피스톤 몸체에 의해 적어도 부분적으로 형성된 적어도 하나의 다른 유체 흐름 통로를 더 포함하는, 피스톤 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 상기 전방 측을 상기 공간에 연결하는 상기 유체 흐름 통로의 수는 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 상기 후방 측을 상기 공간에 연결하는 상기 유체 흐름 통로의 수와는 다른, 피스톤 장치.
15. 제13항에 있어서, 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 상기 전방 측을 상기 공간에 연결하는 상기 유체 흐름 통로 각각은 상기 피스톤 그루브의 전방 측벽에 제공된 채널에 의해 또는 상기 피스톤의 상기 몸체에 제공된 오리피스에 의해 형성되는, 피스톤 장치.
16. 제13항에 있어서, 상기 피스톤 몸체의 상기 원통형 표면의 상기 후방 측을 상기 공간에 연결하는 상기 유체 흐름 통로 각각은 상기 피스톤 그루브의 후방 측벽에 제공된 채널에 의해 또는 상기 피스톤의 상기 몸체에 제공된 오리피스에 의해 형성되는, 피스톤 장치.
17. 제1항에 있어서, 2개의 겹치는 단부(overlapping end)를 갖는 분할된 밀봉부를 더 포함하고, 상기 분할된 밀봉부는 상기 원주방향 피스톤 그루브 내에 위치되는, 피스톤 장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 밀봉부는, 밀봉부 및 상기 밀봉부를 지지하는 에너자이저(energizer)를 포함하는 밀봉부 조립체이고, 상기 밀봉부 조립체는 상기 원주방향 피스톤 그루브 내에 위치되는, 피스톤 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 에너자이저와 상기 피스톤 그루브 사이의 간극 갭을 감소시키기 위해 상기 에너자이저는 선택 맞춤(select fit) 제조 공정에 의해 선택되는 것을 더 포함하는, 피스톤 장치.

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