KR20200003672A - 고온, 고압 적용을 위한 정지 씰 - Google Patents

고온, 고압 적용을 위한 정지 씰 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온, 고압 적용을 위한 정지 씰에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자로 냉각재 펌프에 마련되는 1차 밀봉수단의 기능이 상실된 경우 고온·고압의 유체가 대기공간으로 유출되는 것을 방지하기 위하여 2차 밀봉수단으로 사용되는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰에 있어서, 상기 정지 실은, 기둥형상의 펌프축과, 상기 펌프축을 감싸고 있으며 상기 펌프축과 소정간격 이격되어 펌프축과 사이에 틈새를 가지는 하우징 사이에 설치되고, 형상기억합금소재로 이루어지고, 고온의 유체가 유입되는 경우 변형되면서 상기 펌프축과 근접한 방향으로 이동하는 제1시일부재; 및 일측은 상기 하우징에 고정되고, 타측은 상기 펌프축과 이격된 제1위치 및 상기 펌프축과 접촉되어 상기 틈새를 밀봉시키는 제2위치 사이를 이동가능하며, 합성수지소재로 이루어지는 제2시일부재를 포함하되, 고온의 유체가 유입되어 상기 제1시일부재가 펌프축과 근접하는 방향으로 이동하는 경우 상기 제1시일부재에 의하여 제2시일부재의 타측이 제1위치에서 제2위치로 이동함으로서 펌프측과 하우징 사이의 틈새를 막아 고온·고압의 유체가 대기공간으로 유출되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰에 대한 것이다.

Description

고온, 고압 적용을 위한 정지 씰{ONE-STOP SEAL FOR HIGH TEMPERATURE, HIGH PRESSURE APPLICATIONS}
본 발명은 고온, 고압 적용을 위한 정지 씰에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 기계적 밀봉장치의 기능이 상실되어도 고온 · 고압의 유체가 대기공간으로 유출되지 않도록 하는 고온, 고압 적용을 위한 정지 씰에 대한 것이다.
주지된 바와 같이, 원자로 냉각재 펌프는, 원자력 발전소의 1차 계통의 증기발생기 및 원자로 사이에 구비될 수 있다. 상기 원자로 냉각재 펌프는 상기 증기발생기에서 열교환된 냉각수 또는 냉각재(이하, '냉각재'라고 표기함)를 흡입하여 원자로로 토출하는 핵증기공급계통(NSSS: Nuclear Steam Supply System)의 핵심기기이다.
이러한 원자로 냉각재 펌프는 상하로 배치된 펌프축을 구비하여 하부에서 냉각재를 흡입하여 일 측방으로 토출하는 소위 수직형 펌프로 구성될 수 있다.
도 1은 종래의 원자로 냉각재 펌프의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 원자로 냉각재 펌프는, 냉각재를 흡입 및 토출하는 펌핑부(10)와, 상기 펌핑부(10)에 구동력을 제공하는 구동부(20)를 구비할 수 있다.
상기 펌핑부(10) 및 구동부(20)는 상하방향을 따라 배치될 수 있다. 상기 구동부(20)는 상기 펌핑부(10)의 상단에 상향 연장되게 설치되어 상기 펌핑부(10)에 의해 지지될 수 있다. 상기 구동부(20)는 통상 전동기를 포함하여 구성되고, 상기 전동기는 펌프축이 상하방향을 따라 배치될 수 있다.
상기 펌핑부(10)는, 내부에 냉각재의 이동경로가 형성되는 하우징(30)과, 상기 하우징(30)의 내부에 회전 가능하게 배치되는 임펠러(50)와, 일단은 상기 임펠러(50)에 연결되고 타 단은 상향 연장되는 펌프축(60)을 구비할 수 있다.
상기 하우징(30)의 하부에는 냉각재를 흡입할 수 있게 흡입부(31)가 형성될 수 있다. 상기 하우징(30)의 일 측부에는 상기 흡입부(31)를 통해 흡입된 냉각재가 토출되는 토출부(32)가 마련될 수 있다. 상기 하우징(30)의 내부 상부영역에는 임펠러(50)가 회전 가능하게 구비될 수 있다. 상기 임펠러(50)는 상하로 배치된 펌프축(60)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 상기 임펠러(50)의 일 측에는 상기 냉각재의 속도 에너지를 압력에너지로 변환해주는 디퓨저 또는 가이드베인(55)(이하, '가이드베인(55)'이라고 표기함)이 구비될 수 있다.
상기 하우징(30)은 상기 가이드베인(55)을 통과한 냉각재의 속도 및 압력의 저하가 억제될 수 있게 구형(球形))으로 구성될 수 있다. 상기 하우징(30)의 상측에는 커버(40)가 구비될 수 있다. 상기 커버(40)의 상부에는 냉각재의 누설을 억제할 수 있게 밀봉유닛(45)이 구비될 수 있다.
상기 밀봉유닛(45)은, 예를 들면, 상기 펌프축(60)의 둘레에 축방향을 따라 형성되는 3단 밀봉체(3 stage mechanical seals)(46)를 구비하여 구성될 수 있다. 상기 밀봉유닛(45)은 상기 3단 밀봉체(46)를 둘러싸는 씰하우징(47)을 구비할 수 있다. 축방향을 따라 상기 밀봉유닛(45)의 상측에는 상기 펌프축(60)을 축방향으로 회전 가능하게 지지하는 소위 축추력 베어링 조립체(thrust bearing assembly)(48)가 구비될 수 있다. 상기 축추력 베어링 조립체(48)의 상측에는 상기 구동부(20)를 지지하는 지지부(49)가 마련될 수 있다.
이러한 종래기술의 냉각재 펌프는 기계적 밀봉유닛(45)이 기능 상실시 고온·고압의 냉각재가 바로 대기공간으로 유출되어 버린다는 문제점이 있게 된다. 이와 같이 냉각재가 대기공간으로 유출되는 경우 주변환경에 큰 피해를 유발하게 된다.
한편, 미국등록특허 US 5171024에서는, 유체가 누설시 유입되는 유체 누설 유입공간을 외부와 구분시킬 수 있는 하우징(32)과, 적어도 일부가 상기 유체 누설유입공간 내에 배치되고 나머지 부분은 상기 하우징(32)을 관통하여 배치되는 펌프축(34) 사 이에 설치되는 정지 씰(72)을 포함하는 냉각펌프 씰 장치가 개시된다.
이때 상기 정지 씰(72)은 도 2에 도시된 바와 같이, 유체 유입공간 측에 배치되고 상기 펌프축(34)의 둘레를 고리형상으로 감싸고 있으며, 외주면이 상기 하우징에 의하여 지지되어 있고 내주면은 상기 펌프축의 외면에 대하여 소정간격 이격되어 있으며, 상기 정지 씰의 재료는 고온에서 작동하는 형상기억합금으로 구성되어 있게 된다.
고온상태에서 상기 정지 씰은 변형이 되면서 도 3에 도시된 바와 같이 유체 누설공간과 외부를 밀봉시키도록 구성되어 있게 된다.
이러한 종래기술은 고온의 유체가 내부에 유입되는 경우에는 형상 기억 합금으로 이루어지는 금속소재의 정지 씰(72)이 직접 펌프축(34)에 접촉되게 되는데, 이와 같이 금속소재가 직접 펌프축에 접촉하는 경우에는 펌프축(34)의 진동을 유발하여 원자력 발전소 전체를 정지시켜야 하는 상황을 유발할 수 있게 된다.
특히, 원자력 발전의 이상 상황시에서는 고온의 물이 아닌 고온의 공기만 유입되는 일이 있게 되는데, 이와 같이 고온의 공기만이 유입되는 상황은 위급상황 전단계의 상황인 경우도 있다. 고온의 공기가 유입된 후에 다시 정상상태로 복귀되는 경우도 있으며 고온의 공기가 유입된 후에 고온의 물도 유입되어 원자력 발전소 전체를 정지시켜야 하는 상황이 있을 수 있다.
그러나 종래기술은 고온의 공기만이 유입되는 상황에서도 금속소재로 이루어진 정지 실(72)이 펌프축에 접촉됨으로서 펌프축의 펌프진동을 유발시켜서 원자력 발전소를 정지시켜야 하는 상황에 놓이게 되어 원자력 가동에 있어서 매우 큰 손실을 야기하는 경우가 있게 된다.
1. 공개특허 제10-2013-0079250호 2. 미국 등록특허 US5171024호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 더욱 상세하게는 기계적 밀봉유닛의 기능이 상실되어도 유체가 대기공간으로 유출되지 않도록 하는 고온, 고압 적용을 위한 정지 씰을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고온, 고압 적용을 위한 정지 씰은 원자로 냉각재 펌프에 마련되는 1차 밀봉수단의 기능이 상실된 경우 고온·고압의 유체가 대기공간으로 유출되는 것을 방지하기 위하여 2차 밀봉수단으로 사용되는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰에 있어서,
상기 정지 실은,
기둥형상의 펌프축과, 상기 펌프축을 감싸고 있으며 상기 펌프축과 소정간격 이격되어 펌프축과 사이에 틈새를 가지는 하우징 사이에 설치되고,
고온 고압의 유체에 작동하는 조립체로, 형상기억합금소재로 이루어지고, 고온의 유체가 유입되는 경우 변형되면서 상기 펌프축과 근접한 방향으로 이동하는 제1시일부재; 및
일측은 상기 하우징에 고정되고, 타측은 상기 펌프축과 이격된 제1위치 및 상기 펌프축과 접촉되어 상기 틈새를 밀봉시키는 제2위치 사이를 이동가능하며, 합성수지소재로 이루어지는 제2시일부재를 포함하되,
고온·고압의 유체가 유입되어 상기 제1시일부재가 펌프축과 근접하는 방향으로 이동하는 경우 상기 제1시일부재에 의하여 제2시일부재의 타측이 제1위치에서 제2위치로 이동함으로서 펌프측과 하우징 사이의 틈새를 막아 고온·고압의 유체가 대기공간으로 유출되는 것을 방지한다.
상기 정지 씰에서, 상기 제2시일부재는 상기 펌프축보다 연질의 소재로 이루어질 수 있다.
상기 정지 씰에서, 상기 펌프축과 상기 제1시일부재 사이에는, 제2시일부재의 타단이 배치되고 상기 제1시일부재가 펌프축으로 근접하여 이동하는 경우 제2시일부재의 타단이 펌프축에 접촉할 수 있다.
상기 정지 씰에서, 상기 제2시일부재는,
일단이 하우징에 고정된 제1고정부와, 상기 제1고정부로부터 펌프축을 향하여 연장되는 제1연장부를 가지되, 상기 제1연장부에서 상기 펌프축과 마주보는 면의 반대면에는 상기 제1시일부재가 접촉될 수 있다.
상기 정지 씰에서, 상기 제1연장부의 단부에는 제1시일부재가 이탈하는 것을 방지하기 위하여 상기 펌프축으로부터 멀어지는 방향으로 절곡된 걸림턱이 마련될 수 있다.
상기 정지 씰에서,
일단은 하우징에 고정되고 타측은 상기 펌프축에 이격된 제3위치와, 상기 펌프축에 접촉하여 상기 틈새를 막는 제4위치 사이를 이동하며,
상기 제2시일부재가 상기 틈새를 막은 후에 시일부재 전후에 차압이 발생하는 경우 상기 차압에 의하여 탄성변형된 제2시일부재에 의하여 제3위치에서 제4위치로 이동하면서 틈새를 밀봉시키는 금속소재의 제3시일부재가 더 포함될 수 있다.
상기 정지 씰에서,
상기 제1시일부재와 제3시일부재의 사이에 제2시일부재가 마련될 수 있다.
상기 정지 씰에서,
상기 제3시일부재는,
일단이 하우징에 고정된 제2고정부와, 상기 제2고정부로부터 펌프축을 향하여 연장되는 제2연장부를 가지되,
상기 제2연장부에서 상기 펌프축과 마주보는 면의 반대면은 상기 제2시일부재와 마주볼 수 있다.
상기 정지 씰에서,
상기 제3시일부재는, 상기 제2시일부재보다 경질의 소재로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 고온, 고압 적용을 위한 정지 씰은 1차 밀봉수단의 기능이 상실되어도 정지 씰이 펌프축에 기밀성이 있도록 접촉하여 고온 · 고압의 유체가 대기공간으로 유출되는 것을 방지하는 것에 의하여 유체의 대량 손실을 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 고온, 고압 적용을 위한 정지 씰은 고온의 공기가 유입되는 경우 형상기억합금이 변형되어 직접적으로 펌프축에 접촉되는 것이 아니라 연질의 플라스틱 소재로 이루어진 제2시일부재가 펌프축에 접촉되는 것에 의하여 펌프축의 진동을 유발하지 않는 장점이 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 펌프를 나타내는 도면.
도 2는 종래기술에 따른 펌프 내 사용되는 정지씰을 나타내는 도면.ㄷ
도 3은 도 2의 작동모습을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지 씰의 일 부분을 도시한 도면.
도 5 및 도 6은 도 4의 정지 씰의 작동모습을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정지 씰을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정지 씰을 나타내는 도면.
이한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온, 고압 적용을 위한 정지 씰을 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 정지 씰(130)은 펌프(100)의 하우징(110), 펌프축(120)의 사이에 배치된다.
상기 하우징(110)은, 유체가 누설시 유입되는 유체 유입공간(200)을 외부(대기공간; 도 4에서 하우징 우측 부분)와 구분시킬 수 있는 것으로서, 대략 펌프축(120)을 둘러싸도록 펌프축(120) 주변에 배치되고 펌프축(120)을 감싸도록 고리형상을 가지게 된다.
이러한 하우징(110)은, 몸체부(111)와, 제1지지부(112) 및 제2지지부(113)를 포함하여 구성된다.
상기 몸체부(111)는, 소정의 내경을 가지면서 펌프축(120)을 감싸며 유체 유입공간(200)을 내부에 가지는 고리형상의 제1부분(1111)과, 상기 제1부분(1111)보다 작은 내경을 가지면서 펌프축(120)과 소정간격 이격되어 펌프축(120)과의 사이에 틈새(S)를 가지는 고리형상의 제2부분(1112)으로 이루어진다. 이러한 몸체부(111)는 펌프축(120)의 길이방향과 직각인 방향으로 잘랐을 때의 단면이 대략 "ㄱ"형상을 가지게 된다.
상기 제2부분(1112)에는 일측면에서 유체 유입공간(200) 측으로 관통된 볼트구멍(1113)이 마련되어 있으며 상기 볼트구멍(1113)을 통하여 볼트(220)가 삽입되도록 구성된다.
상기 제1지지부(112)는, 몸체부(111)의 내부에 삽입되어 제2지지부(113)와 협동하여 제2시일부재(150) 및 제3시일부재(160)의 위치를 고정하는 구성이다. 구체적으로 제1지지부(112)는 몸체부(111)의 제1부분(1111)의 내주면에 끼워져 삽입되는 링형상을 가지는 것으로서 제2부분(1112)의 볼트구멍(1113)을 통해서 돌출된 볼트(220)에 의하여 고정되도록 구성된다. 상기 제1지지부(112)와 상기 몸체부(111)의 제1부분(1111)의 접촉면에는 오링(1123)이 형성되어 있어서 기밀성을 가질 수 있도록 한다.
상기 제2지지부(113)는, 제1지지부(112)와 협동하여 그 사이에 사각 단면형태의 수용공간을 가지도록 구성된다. 이러한 제2지지부(113)는 펌프축(120)에 근접할수록 제2부분(1112)으로부터 멀어지는 지지면(1131)을 가지고 있으며, 상기 지지면(1131)에 의하여 제3시일부재(160)가 일정이상 변형되지 않도록 구속한다. 즉, 상기 지지면(1131)은 펌프축(120)에 이격된 제3시일부재(160)가 펌프축(120)의 표면에 접촉된 후에는 추가적인 변형이 되지 않도록 상기 제3시일부재(160)를 지지하는 기능을 수행한다.
이러한 제2지지부(113)는 몸체부(111)의 제2부분(1112)에 접촉되어 고정된다.
상기 펌프축(120)은 적어도 일부가 유체 유입공간(200) 내에 배치되고 나머지 부분은 상기 하우징(110)을 관통하여 상기 하우징(110)의 외부에 배치되는 것이다. 이러한 펌프축(120)은 임펠러에 결합되어 상기 임펠러와 함께 회전할 수 있는 것으로서 대략 기둥형상을 가지게 된다.
이러한 펌프축(120)은 금속소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 임펠러와 함께 고속으로 회전할 수 있도록 내구성이 우수한 금속소재가 사용되는 것이 좋다.
이러한 펌프축(120)은, 금속소재로 이루어지는 축본체(121)와, 상기 축본체(121)의 외면에 끼워지는 슬리브(122)를 포함한다. 이때 상기 슬리부의 외면에는 제2시일부재(150) 또는 제3시일부재(160)가 접촉되는 부분에 고경도 및 낮은 마찰계수를 가지는 슬리브 코팅층(123)이 형성되어 있게 된다. 제2시일부재가 상기 슬리브 코팅층에 접촉되는 경우에는 마찰력을 발생시키지 않고 펌프축의 회전을 방해하지 않게 된다.
상기 정지 씰(130)은, 기둥형상의 펌프축(120)과, 상기 펌프축(120)을 감싸고 있는 하우징(110) 사이에 설치되어 펌프축(120)과 하우징(110) 사이의 틈새를 밀봉할 수 있는 구성이다. 구체적으로 고온의 공기가 유입되거나 고온 또는 고압의 물이 유체 유입공간(200)에 유입되는 경우 이러한 유체가 대기공간으로 유출되는 것을 방지하기 위하여 사용되는 것이다.
이러한 정지 씰(130)은, 제1시일부재(140), 제2시일부재(150) 및 제3시일부재(160)를 포함한다.
상기 제1시일부재(140)는, 형상기억합금소재로 이루어지고, 고온·고압의 유체가 유입되는 경우 수축변형되면서 상기 펌프축(120)과 근접한 방향으로 이동하는 것이다. 이러한 제1시일부재(140)는 원형 단면을 가지는 링형상으로 이루어져 있으며 제2시일부재(140)에 안착된 상태에서 고온의 유체가 접촉하게 되는 경우에는 수축되면서 제2시일부재(150)가 상기 틈새(S)를 밀봉시키도록 한다.
구체적으로 제1시일부재(140)는 임의의 형상을 기억하고 있는 합금을 냉각하여 마르텐사이트로 만든후 형상을 변화시키고 가열하여 오스테나이트로 만들면 원래의 형상으로 복원되는 성질을 이용하는 것으로서, 고온의 유체와 접촉되기 전에는 펌프축(120)과 충분하게 이격되고, 고온의 유체가 접촉된 후에는 펌프축(120)과 근접하게 이동하도록 수축변형된다.
상기 제2시일부재(150)는, 일측은 상기 하우징(110)에 고정되고, 타측은 상기 펌프축(120)과 이격된 제1위치(도 4의 위치)에 배치되다가 제1시일부재에 의하여 외력이 가해지면 탄성변형되면서 상기 펌프축(120)과 접촉되어 상기 틈새를 밀봉시키는 제2위치(도 5의 위치)로 이동하는 것이다. 이러한 제2시일부재(150)는 합성수지소재로 이루어지는데, 구체적으로는 상기 펌프축(120)보다 연질인 엔지니어링 플라스틱 소재로 이루어져서 펌프축(120)에 접촉하는 경우에도 밀봉만 수행할 뿐 회전하는 펌프축(120)에 진동을 유발시키지 않도록 구성된다.
이러한 제2시일부재(150)는, 고온·고압의 유체가 유입되어 상기 제1시일부재(140)가 펌프축(120)과 근접하는 방향으로 이동하는 경우 상기 제1시일부재(140)에 의하여 제2시일부재(150)의 타측이 제1위치에서 제2위치로 이동함으로서 펌프축(120)과 하우징(110) 사이의 틈새(S)를 막아 고온·고압의 유체가 대기공간으로 유출되는 것을 방지하는 기능을 수행한다.
상기 제2시일부재(150)는, 일단이 하우징(110)에 고정된 제1고정부(151)와, 상기 제1고정부(151)로부터 펌프축(120)을 향하여 연장되는 제1연장부(152)를 포함하며, 상기 제1연장부(152)의 단부에는 제1시일부재(140)가 이탈하는 것을 방지하는 걸림턱(153)이 마련되어 있게 된다.
상기 제1고정부(151)는, 상기 하우징(110)에 고정되는 부분으로서, 하우징(110)에 끼워져서 위치고정된다.
상기 제1연장부(152)는 상기 제1고정부(151)로부터 상기 펌프축(120)을 향하도록 연장되는 부분으로서 평상시에는 하우징(110)과 펌프축(120) 사이의 틈새를 개방시키는 제1위치에 존재하다가 제1시일부재(140)가 수축변형되는 경우에는 펌프축(120)의 중심축을 향하도록 이동하면서 상기 펌프축(120)의 외면에 접촉하여 상기 틈새(S)를 밀봉시키는 기능을 수행한다.
구체적으로 제1연장부(152)는 펌프축(120)과 제2시일부재(140) 사이에 배치되고, 제1시일부재(140)가 펌프축(120)에 근접하는 방향으로 이동하는 경우 펌프축(120)에 접촉하도록 구성되어 있게 된다. 상기 제1연장부(152)에서 상기 펌프축(120)과 마주보는 면의 반대면에는 제1시일부재(140)가 안착되어 있게 된다.
상기 걸림턱(153)은, 상기 제1연장부(152)의 단부에 마련되어 있는 것으로서 제2시일부재(150)에 안착된 제1시일부재(140)가 축소변형되는 과정에서 제1시일부재(140)로부터 이탈하는 것을 방지하기 위하여 펌프축(120)으로부터 멀어지는 방향으로 절곡된 것이다. 제1연장부(152)에 안착된 제1시일부재(140)가 축소변형되는 과정에서 상기 걸림턱(153)에 걸림으로서 좌우방향으로 이탈되는 것이 방지되어 제2시일부재(150)가 펌프축(120)의 외면에 접촉하여 틈새를 밀봉할 수 있게 한다.
상기 제3시일부재(160)는, 일단은 하우징(110)에 고정되고 타측은 상기 펌프축(120)에 이격된 제3위치(도 4, 5의 위치)와, 상기 펌프축(120)에 접촉하여 상기 틈새를 막는 제4위치(도 6의 위치) 사이를 이동한다. 제1위치에 존재하는 제3시일부재(160)는 제2시일부재(150)에 의하여 외력이 작용하는 경우 변형되면서 제4위치로 이동하게 되는 것이다. 상기 제2시일부재(150)가 상기 틈새(S)를 막은 후에 제2시일부재(150) 전후에 차압이 발생하는 경우 상기 차압에 의하여 탄성변형된 제2시일부재(150)에 의하여 제3시일부재(160)이 제3위치에서 제4위치로 이동하면서 틈새를 밀봉시키게 된다. 이러한 제3시일부재(160)는 금속소재로 이루어진다.
이러한 제3시일부재(160)는, 일단이 하우징(110)에 고정된 제2고정부(161)와, 상기 제2고정부(161)로부터 펌프축(120)을 향하여 연장되는 제2연장부(162)를 가지되, 상기 제2연장부(162)에서 상기 펌프축(120)과 마주보는 면의 반대면은 상기 제2시일부재(150)와 마주보도록 배치된다. 상기 제2시일부재(150)는 제1시일부재(140)에 의하여 펌프축(120)의 외면에 접촉되어 1차적으로 밀봉작업을 수행하는데, 이 상태에서는 제3시일부재(160)는 펌프축(120)에 이격된 상태를 유지한다. 이후에 고온의 물 또는 추가적인 고온, 고압의 유체가 유입되어 유체 유입공간(200)과 대기공간 사이에 차압이 발생된 경우에는 압력에 의하여 제2시일부재(150)가 추가적으로 변형되면서 제3시일부재(160)를 탄성변형시키고 이 과정에서 제3시일부재(160)가 펌프축(120)의 외면에 접촉하면서 2차적으로 밀봉작업을 수행함으로서 확실한 밀봉을 가능하게 한다.
이러한 제3시일부재(160)는 제2시일부재(150)에 비하여 경질의 소재로 이루어져 있고 금속소재로 이루어져 있어서 고온의 물이 유입되는 경우에도 확실하게 밀봉기능을 수행할 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 정지 씰(130)에 대한 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 유체 유입공간(200)을 통하여 고온의 유체가 유입되면 제1시일부재(140)가 펌프축(120)의 중심방향으로 수축변형되고, 이러한 제1시일부재(140)의 수축변형에 의하여 엔지니어링 플라스틱 소재로 이루어진 제2시일부재(150)가 펌프축(120)의 외경에 접촉되면서 도 5에 도시된 바와 같이 초기 밀봉작업을 수행하게 된다. 이 상태에서는 연질의 플라스틱 소재의 제2시일부재(150)가 펌프축(120)에 접촉된 상태이므로 펌프축(120)의 회전을 방해하지 않고 밀봉기능만 수행함으로서 고온의 공기가 대기공간으로 유출되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 지속적으로 고온·고압의 유체가 유입되거나 고온, 고압의 물이 유입되는 경우에는 유체 유입공간(200)과 대기공간 사이에 차압이 발생하게 된다. 이때 발생되는 차압에 의하여 제2시일부재(150)는 밀봉을 유지한 상태에서 도 6에 도시된 바와 같이 제3시일부재(160)를 향하여 탄성변형되고 이에 따라서 제3시일부재(160)는 펌프축(120)을 향하여 탄성변형되면서 제3시일부재(160)의 단부가 펌프축(120)의 외면과 접촉됨으로서 더욱 견고한 이차 밀봉기능을 수행하게 된다. 특히 제3시일부재(160)는 금속소재로 이루어져 있기 때문에 고온의 물이 유체 유입공간(200)을 통하여 유입되는 경우에도 확실하게 밀봉기능을 수행할 수 있게 된다.
한편, 정지 씰(130)은 유체 유입공간(200)으로 저온의 냉각재가 누설되는 특이상황에서도 하우징(110)과 펌프축(120) 사이의 틈새를 통해서 흐르는 냉각재의 유속에 의한 베르누이 작용으로 차압이 발생될 수 있는데, 이때 제2시일부재(150)가 펌프축(120)에 접촉하는 것에 의하여 초기 밀봉을 수행할 수 있게 된다.
이러한 종래기술의 정지 씰은, 금속재질의 형상기억합금 부품이 펌프축에 직접 접촉하여 펌프축 진동을 유발하여 원자력 발전소를 정지 시켜야하는 이상 상황을 유발할 수 있었다.
그러나, 본 발명의 정지 씰은 오작동 또는 펌프축이 회전하는 조건에서 고온의 조건만 발생되는 경우에는 제1시일부재가 수축변형하여 플라스틱 소재로 이루어진 제2시일부재가 펌프축에 접촉하여 밀봉기능을 수행하게 되는데, 펌프축에 접촉된 제2시일부재는 펌프축의 진동을 유발시키지 않음으로서, 원자력 발전소를 정지시켜야 하는 이상상황을 유발시키지 않게 된다.
한편, 추가적인 고온, 고압의 유체가 유입되는 경우에는 제3시일부재가 접촉하게 되는데, 이 경우 확실한 밀봉기능을 달성할 수 있는 장점이 있다.
이러한 본 발명에 따른 정지 씰은 다음과 같이 변형되는 것도 가능하다.
상술한 실시예에서는 형상기억합금소재로 이루어지는 제1시일부재가 원형단면을 가지는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제1시일부재(140')가 도 7에 도시된 바와 같이 사각단면을 가지는 것도 가능하다.
상술한 실시예에서는 제1시일부재가 제2시일부재에서 펌프축과 마주보는 면의 반대면에 안착되는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도 8에 도시된 바와 같이 제1시일부재(140'')이 제2시일부재(150'')의 중간부분으로서 제3시일부재(160'')와 마주보는 면의 반대면에 형성되는 것도 가능하다. 구체적으로 제2시일부재(150'')의 중간에 마련된 요홈부분(151'')에 안착되도록 구성된다. 이러한 경우에는 제1시일부재(140'')가 수축되는 힘이 펌프축에 직접적으로 전달되는 것을 방지하게 되는 장점이 있게 된다.
이상에서 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.
100...펌프 110...하우징
111...몸체부 1111...제1부분
1112...제2부분 112...제1지지부
113...제2지지부 120...펌프축
121...축본체 122...슬리브
123...코팅층 130...정지 씰
140...제1시일부재 150...제2시일부재
151...제1고정부 152...제1연장부
153...걸림턱 160...제3시일부재
161...제2고정부 162...제2연장부
200...유체 유입공간 220...볼트

Claims (9)

  1. 원자로 냉각재 펌프에 마련되는 1차 밀봉수단의 기능이 상실된 경우 고온·고압의 유체가 대기공간으로 유출되는 것을 방지하기 위하여 2차 밀봉수단으로 사용되는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰에 있어서,
    상기 정지 실은,
    기둥형상의 펌프축과, 상기 펌프축을 감싸고 있으며 상기 펌프축과 소정간격 이격되어 펌프축과 사이에 틈새를 가지는 하우징 사이에 설치되고,
    고온·고압의 유체에 작동하는 조립체로, 형상기억합금소재로 이루어지고 고온의 유체가 유입되는 경우 변형되면서 상기 펌프축과 근접한 방향으로 이동하는 제1시일부재; 및
    일측은 상기 하우징에 고정되고, 타측은 상기 펌프축과 이격된 제1위치 및 상기 펌프축과 접촉되어 상기 틈새를 밀봉시키는 제2위치 사이를 이동가능하며, 합성수지소재로 이루어지는 제2시일부재를 포함하되,
    고온·고압의 유체가 유입되어 상기 제1시일부재가 펌프축과 근접하는 방향으로 이동하는 경우 상기 제1시일부재에 의하여 제2시일부재의 타측이 제1위치에서 제2위치로 이동함으로서 펌프측과 하우징 사이의 틈새를 막아 고온·고압의 유체가 대기공간으로 유출되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2시일부재는 상기 펌프축보다 연질의 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프축과 상기 제1시일부재 사이에는, 제2시일부재의 타단이 배치되고 상기 제1시일부재가 펌프축으로 근접하여 이동하는 경우 제2시일부재의 타단이 펌프축에 접촉하는 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2시일부재는,
    일단이 하우징에 고정된 제1고정부와, 상기 제1고정부로부터 펌프축을 향하여 연장되는 제1연장부를 가지되,
    상기 제1연장부에서 상기 펌프축과 마주보는 면의 반대면에는 상기 제1시일부재가 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1연장부의 단부에는 제1시일부재가 이탈하는 것을 방지하기 위하여 상기 펌프축으로부터 멀어지는 방향으로 절곡된 걸림턱이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰.
  6. 제1항에 있어서,
    일단은 하우징에 고정되고 타측은 상기 펌프축에 이격된 제3위치와, 상기 펌프축에 접촉하여 상기 틈새를 막는 제4위치 사이를 이동하며,
    상기 제2시일부재가 상기 틈새를 막은 후에 시일부재 전후에 차압이 발생하는 경우 상기 차압에 의하여 탄성변형된 제2시일부재에 의하여 제3위치에서 제4위치로 이동하면서 틈새를 밀봉시키는 금속소재의 제3시일부재가 더 포함된 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1시일부재와 제3시일부재의 사이에 제2시일부재가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3시일부재는,
    일단이 하우징에 고정된 제2고정부와, 상기 제2고정부로부터 펌프축을 향하여 연장되는 제2연장부를 가지되,
    상기 제2연장부에서 상기 펌프축과 마주보는 면의 반대면은 상기 제2시일부재와 마주보는 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제3시일부재는, 상기 제2시일부재보다 경질의 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온· 고압 적용을 위한 정지 씰.
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