KR20210082162A - 로터리 씨일 - Google Patents

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KR20210082162A
KR20210082162A KR1020217007295A KR20217007295A KR20210082162A KR 20210082162 A KR20210082162 A KR 20210082162A KR 1020217007295 A KR1020217007295 A KR 1020217007295A KR 20217007295 A KR20217007295 A KR 20217007295A KR 20210082162 A KR20210082162 A KR 20210082162A
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seal carrier
rotary union
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KR1020217007295A
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Inventor
리사 프리드
로렌 달케
Original Assignee
듀블린 캄파니, 엘엘씨
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Abstract

회전형 기계구성요소와 비회전형 기계구성요소 사이의 비압축성 유체의 유로에 사용하기 위한 로터리 유니언은 비회전형 씨일요소를 포함하는 비회전형 씨일 캐리어를 포함하고, 비회전형 씨일 캐리어와 함께 네측에 순수압면과 외측에 순공압면을 형성한다. 압력하에 비압축성 유체와 순수압면의 접촉이 폐쇄력을 생성하고 압력하에 압축성 유체와 순공압면의 접촉이 개방력을 생성한다.

Description

로터리 씨일
본 발명은 로터리 씨일(rotary seal)에 관한 것으로, 2018년 8월 31일자 출원된 미국특허출원 제62/725,766호 "로터리 유니언"을 우선권주장하여 출원한 것이다.
공작기계에서, 스핀들(spindle)은 전형적으로 절삭공구 또는 기타 다른 공구가 결합될 회전축대 또는 회전축을 포함하는 장치를 일컫는다. 기계의 형태에 따라서, 스핀들은 전기모터, 유압 또는 공압모터 등과 같은 다양한 형태의 원동력에 의하여 축을 회전시키도록 구동된다. 축을 구동시키기 위하여 공압동력을 이용하는 경우, 축은 이러한 축에 연결되고 소용돌이형 또는 기타 다른 형태의 스핀들 하우징 내에 수용되는 터빈 베인(turbine vanes)을 포함하며 이는 고압으로 공급되는 공기가 베인을 통과하면서 축을 회전시킨다. 전형적인 작동조건하에서, 예를 들어, 압축공기는 90 psi의 압력으로 공급되어, 예를 들어, 축을 65,000 RPM의 고속으로 회전시킨다. 소위 에어 터빈 샤프트(air turbine shaft)는 CNC 머신과 같이 어떠한 대상물을 가공하기 위한 머신에서 알려져 있다.
에어 터빈 샤프트가 기계가공을 수행할 수 있는 고속의 축을 제공하는데 유용하지만, 이들의 고속작동은 축공구와 공작물 사이에 열을 발생하므로 전형적으로 외부에서 유동성의 냉각제를 공급하여야 한다. 그러나, 특히 공작물의 협소한 공간내의 영역을 가동할 때, 공작물의 영역으로 냉각제가 유동할 수 있도록 배치하는 것이 항상 최적한 것이 아니거나 가능하지도 않다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결할 수 있는 것으로, 에어 스핀들을 통하여 냉각제통로가 연장된 로터리 씨일을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 한 관점에서, 본 발명은 회전형 기계구성요소와 비회전형 기계구성요소 사이의 비압축성 유체의 유로를 따라 배치되는 로터리 유니언에 관한 것이다. 로터리 유니언은 비회전형 기계구성요소에 형성된 통공내에 배치되어 활동가능하고 밀폐가능하게 배치되는 활동공(sliding bore)을 형성한다. 비회전형 씨일 캐리어는 비회전형 씨일요소를 포함하고, 이는 비회전형 씨일요소와 함께 내부측에 순수압면(net hydraulic surface)과 외부측에 순공압면(net pneumatic surface)을 형성한다. 회전형 씨일요소는 회전형 기계구성요소에 배치된다. 비회전형 씨일 캐리어는 회전 및 비회전형 씨일요소가 접촉하여 기계적인 페이스 씨일(mechanical face seal)을 형성하는 전진위치와, 회전 및 비회전형 씨일요소의 분리에 의하여 축방향으로 간극이 형성되는 후퇴위치 사이에서 축방향으로 이동가능하다. 작동중에, 비압축성 유체가 압력하에 순수압면에 접촉함으로써 폐쇄력이 폐쇄방향으로 생성되어 비회전형 씨일 캐리어가 후퇴위치로부터 전진위치로 가압될 수 있도록 한다. 또한, 작동중에, 압축성 유체가 압력하에 순공압면에 접촉함으로써 개방력이 개방방향으로 생성되어 비회전형 씨일 캐리어가 전진위치로부터 후퇴위치로 가압될 수 있도록 한다.
본 발명의 다른 관점에서, 본 발명은 로터리 유니언의 작동방법에 관한 것이고 비회전형 씨일요소를 포함하고 활동공내에 활동가능하고 밀폐가능하게 배치되는 비회전형 씨일 캐리어를 제공하는 단계, 비회전형 씨일요소와 비회전형 씨일 캐리어의 내측면에 순수압면을 한정하는 단계, 비회전형 씨일요소와 비회전형 씨일 캐리어의 외측면에 순공압면을 한정하는 단계, 회전형 기계요소에 배치되는 회전형 씨일요소를 제공하는 단계와, 회전 및 비회전형 씨일요소가 접촉하여 기계적인 페이스 씨일을 형성하는 전진위치와 회전 및 비회전형 씨일요소의 분리에 의하여 축방향으로 간극이 형성되는 후퇴위치 사이에서 축방향으로 이동시키는 단계를 포함한다. 한 실시형태에서, 후퇴위치로부터 전진위치로 이동하는 단계가 폐쇄방향으로 폐쇄력을 생성하기 위하여 비압축성 유체를 순수압면에 접촉시킴으로써 수행되고, 전진위치로부터 후퇴위치로 이동하는 단계가 개방방향으로 개방력을 생성하기 위하여 압축성 유체를 순공압면에 접촉시킴으로써 수행된다.
본 발명의 또 다른 관점에서, 본 발명은 회전형 기계구성요소와 비회전형 기계구성요소 사이의 비압축성 유체의 유로를 따라 배치되는 로터리 유니언에 관한 것이다. 로터리 유니언은 활동공을 형성하며 비회전형 기계구성요소에 형성된 통공내에 배치되는 취부슬리이브; 활동공내에 활동가능하고 밀폐가능하게 배치되는 비회전형 씨일 캐리어; 회전형 기계구성요소에 배치되는 회전형 씨일요소와; 취부슬리이브와 비회전형 씨일 캐리어 사이에 배치되어 비회전형 씨일 캐리어측으로 스프링 탄력을 가하는 스프링을 포함하고; 비회전형 씨일 캐리어가 비회전형 씨일요소를 포함하며, 비회전형 씨일요소와 비회전형 씨일 캐리어가 내부측에 순수압면을 형성하고 외부측에 순공압면을 형성하며; 비회전형 씨일 캐리어는 회전 및 비회전형 씨일요소가 접촉하여 기계적인 페이스 씨일을 형성하는 전진위치와, 회전 및 비회전형 씨일요소의 분리에 의하여 축방향으로 간극이 형성되는 후퇴위치 사이에서 축방향으로 이동가능하고; 작동중에, 비압축성 유체가 압력하에 순수압면에 접촉함으로써 폐쇄력이 폐쇄방향으로 생성되어 비회전형 씨일 캐리어가 후퇴위치로부터 전진위치로 가압될 수 있도록 하며, 작동중에, 압축성 유체가 압력하에 순공압면에 접촉함으로써 개방력이 개방방향으로 생성되어 비회전형 씨일 캐리어가 전진위치로부터 후퇴위치로 가압될 수 있도록 한다.
이와 같은 본 발명은 에어 스핀들을 통하여 냉각제통로가 연장된 로터리 씨일을 제공하는 것으로, 본 발명에 따른 에어 스핀들은 가공공정중에 냉각제 유동의 보다 신뢰가능하고 정확한 배치가 이루어질 수 있도록 스핀들을 통하여 유체상 냉각제가 통과할 수 있도록 구성된다.
도 1은 본 발명에 따라서 로터리 씨일이 폐쇄위치에 놓인 것을 보인 에어 스핀들(air spindle)의 단면도.
도 2는 도 1의 에어 스핀들에서 로터리 씨일이 개방위치에 놓여 있는 것을 보인 단면도.
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 에어 스핀들의 여러 작동조건에서 씨일 링에 작용하는 힘을 도식적으로 표현한 설명도.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따라서 폐쇄스프링을 갖는 에어 스핀들의 단면도.
본 발명은 에어 스핀들을 통하여 냉각제통로가 연장된 로터리 씨일에 관한 것이다. 본 발명에 따른 에어 스핀들은 가공공정중에 냉각제 유동의 보다 신뢰가능하고 정확한 배치가 이루어질 수 있도록 스핀들을 통하여 유체상 냉각제가 통과할 수 있도록 구성된다. 스핀들의 축의 회전속도가 비교적 고속인 경우, 로터리 씨일은 액체상 냉각제가 축을 통하여 공급될 때 씨일을 형성하고 냉각제의 유동이 중단되어 건식운전 및/또는 씨일 링의 가열에 의한 씨일의 손상이 방지될 수 있도록 로터리 씨일의 씨일 링 사이에 간극을 생성할 수 있도록 구성된다. 알려진 바와 같이, 기계적인 페이스 씨일을 구성하는 로터리 씨일은 종종 "로터리 유니언"으로 불리기도 하는데, 이는 냉각 및/또는 윤활매체없이 고속으로 작동시에 가열되어 손상되지 쉽다. 본 발명의 구성에서, 로터리 유니언의 공압 및 수압면은 냉각제의 유동, 즉, 보다 일반적으로는 유니언을 통한 비압축성 유체의 유동에 의한 수압이 유니언내에 가하여질 때 씨일 링이 서로 접촉하도록 한다. 접촉하는 씨일은 밀폐상태에서 냉각제의 유동이 비회전형 기계부분으로부터 스핀들의 회전축으로 이루어지도록 하는 기계적인 페이스 씨일을 형성한다. 냉각제 유동이 중단되었으나 예를 들어 작동간에 축이 계속 회전하거나 또는 축이 서서히 회전할 때, 스핀들 내에서 로터리 유니언에 대하여 외부에서 가하여지는 공압압력은 씨일 링이 서로 밀어내는 힘을 생성하여 씨일 링 사이에 에어 갭(air gap)이 형성되어 씨일 링의 건식운전이 이루어지는 것을 방지할 수 있도록 한다.
한 실시형태에서, 본 발명에 따른 밀폐구조는 냉각제 채널내에 가압된 냉각제가 가하여질 때 두 개의 씨일 링이 상대측에 대한 접촉상태를 유지할 수 있도록 구성된다. 냉각제 채널 내에 가하여진 가압된 냉각제는 활동가능한 비회전형 씨일 캐리어와 밀폐요소, 즉 씨일 링에 순수압의 힘을 가하여 비회전형 씨일 캐리어가 폐쇄방향(즉, 회전형 씨일 링을 향하는 방향)으로 강제이동할 수 있도록 한다. 이러한 순수압의 힘은 반대방향(개방방향)으로 씨일 캐리어에 외부로부터 작용하는 가압된 공기에 의하여 가하여지는 순공압(net pneumatic force) 보다 크다.
냉각제의 유동이 중단되었을 때, 수압(hydraulic force)이 나타나고 씨일 링이 분리되어 두 씨일 링 사이에 에어 갭이 형성되어 건식운전중에 씨일 링 사이의 마찰에 의한 과잉의 열이 발생되는 것이 방지된다. 씨일 캐리어는 공압에 의하여 강제로 이동되는데, 이는 수압에 의하여 더 이상 극복되지 않는다. 씨일 링이 분리되었을 때, 공기가 냉각제 채널에 유입되어 이러한 채널의 내부에 남아 있는 냉각제를 일소한다.
본 발명에 따른 에어 스핀들(100)의 일부가 두 작동위치에 있는 것으로 도 1 및 도 2에 단면으로 도시되어 있다. 도 1에서, 로터리 유니언(102)은 폐쇄 또는 밀폐위치에 있음을 보이고 있으며, 도 2에서, 로터리 유니언(102)은 팝-오프(popped-off) 위치 또는 개방위치에 있음을 보이고 있다. 에어 스핀들(100)은 축을 구동시키기 위한 가압공기의 공급원, 또는 축에 연결된 절삭공구(도시하지 않았음)가 작동중에 공작물(도시하지 않았음)을 절삭가공하는 영역을 냉각시키고 청소하는데 사용되는 액체 냉각제의 공급원을 제공하는 컴퓨터수치제어(CNC) 머신에 사용되는 에어 스핀들일 수 있다.
에어 스핀들(100)은 회전 및 비회전형 부분, 즉 기계구성요소를 포함한다. 특히, 비회전형 기계구성요소(104)는 비회전형 씨일 캐리어(106)를 활동가능하고 밀폐가능하게 수용한다. 비회전형 씨일 캐리어(106)는 이에 부착되거나 기타 다른 방식으로 구성된 비회전형 씨일 링(108)을 포함하며, 이는 비회전형 씨일 캐리어(106)와 함께 비회전형 기계구성요소(104)의 통공(110)내에 활동가능하게 배치된다. 도시된 실시형태에서, 활동공(114)을 형성하는 취부슬리이브(112)는 통공(110)내에 직접 취부되고 내부에 비회전형 씨일 캐리어(106)가 활동가능하고 밀폐가능하게 배치되는 활동공(114)을 형성한다.
취부슬리이브(112)와 통공(110) 사이의 밀폐와, 활동공(114)과 비회전형 씨일 캐리어(106) 사이의 밀폐는 각각 방사상 씨일(116, 118)에 의하여 이루어진다. 도시한 바와 같이, 씨일(116)은 상대측에 대하여 고정적인 구성요소 사이에 배치되는 반면에, 씨일(118)은 비회전형 씨일 캐리어(106)와 활동공(114) 사이의 활동운동, 즉, 미끄럼운동이 이루어질 수 있도록 한다. 이들 씨일(118, 116)을 O-링의 형태이나, 다른 형태의 씨일이 사용될 수 있다. 예를 들어 다른 형태의 씨일로서는 립 씨일(lip seal), u-컵형 씨일 등을 포함한다.
비회전형 기계구성요소(104)에 대한 비회전형 씨일 캐리어(106)의 회전을 방지하기 위하여, 비회전형 씨일 캐리어(106)에는 스핀들(100)의 종축선 "L"에 평행한 슬로트(120)가 부분적으로 연장되게 형성되어 있다. 핀(122)이 활동공(114)의 벽에 연결되고 방사상 내측으로 연장되어 있다. 이러한 핀(122)은 슬로트(120) 내에 삽입되어 슬로트(120) 내에서 축방향으로 활동할 수 있으나 주연방향으로는 활동할 수 없어 작동중에 종축선 "L"을 따라 축방향으로 이동하는 것은 방해받지 않고 비회전형 씨일 캐리어(106)의 상대적인 회전이 방지된다.
에어 스핀들(100)은 추가로 회전형 구성요소를 포함한다. 도면에서 보인 부분적인 단면에서, 에어 터빈 축의 부분이 도시되어 있다. 특히, 축(124)은 베어링(도시하지 않았음)에 의하여 회전가능하게 지지되고 비회전형 기계구성요소(104)에 형성된 공기유입구(126)와 공기통로(128)을 통하여 압축공기가 공급될 때 회전될 수 있게 구성되어 있다. 공기유입구(126)에서 공급되는 공기는 공기통로(128)를 통하여 이동하고 축(124)에 연결된 축방향 터빈 베인(128)을 통과함으로써 이러한 베인과 축이 회전될 수 있도록 한다.
축(124)은 기다란 체장동체(130)와 회전형 씨일 링(134)이 함께 회전할 수 있도록 착설되는 대구경 수용체(132)를 포함한다.다수의 정렬된 통공과 여러 기계구성요소에 형성된 개방부에 의하여 세그먼트형의 냉각제 채널(136)이 형성된다. 냉각제 채널(136)은, 활동공(114)의 개방단부(140)를 통하여, 일반적으로 관상의 구조를 갖는 비회전형 씨일 캐리어(106)의 내부통공(142)을 통하여, 회전 및 비회전형 씨일 링(134, 108)의 중앙 개방부를 통하여, 그리고 축(124)의 체장동체(130)를 통해 연장된 배럴 또는 통공(144)를 통하여, 통공(110)의 개방부이기도 한 비회전형 기계구성요소(104)의 냉각제 개방부(138)로부터 연장된다.
에어 스핀들이 작동될 때, 공기유입구(126)를 통하여 공급되는 압력하의 공기는 비회전형 씨일 캐리어에 대하여 외측에서 가하여진다. 압력하의 공기에 노출되는 비회전형 씨일 캐리어(106)의 여러 외면부분들은 집합적으로 순공압면을 제공하며 이에 특정구조에 대하여 공기유입구(126)에서 공급된 공기의 압력에 비례하는 공압 P-F 가 작용한다. 환상의 씨일 링 접속면 I에 대한 공압 P-F의 대략적인 형상 또는 분포를 보인 도식적인 도면이 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서 보인 바와 같이, 유니언의 외부에 가하여지는 공기압력 P1 과, 내부압력 P0 에 대하여, 공압 P-F는 도면에서 곡선 아래를 음영영역으로 표시한 바와 같이 포물선형 분포를 갖는다. 비회전형 씨일 캐리어에 작용하는 다른 동적인 힘(즉, 마찰력은 제외)이 없다면, 곡선 아래에 표시한 바와 같이 외부에서 접속면 I에 가하여지는 전체 공압 P-F는 비회전형 기계구성요소(104)를 향하는 방향, 즉, 도 2에서 화살표로 보인 바와 같이 도 1 및 도 2의 도면에서 좌측방향으로 비회전형 씨일 캐리어(106)를 밀려고 할 것이다. 따라서, 비회전형 씨일 링(108)과 함께 비회전형 씨일 캐리어(106)은 활동공(114) 측으로 깊게 후퇴하여 이동함으로써 도 2에서 보인 바와 같이 씨일 링(108, 134) 사이에 간극(146)이 형성된다. 비회전형 씨일 캐리어(106)의 후퇴과정은 핀(122)이 슬로트(120)의 단부에 닿을 때, 특히, 공기압력이 비회전형 씨일 캐리어(106)과 비회전형 씨일 링(108)을 회전형 씨일 링(134)으로부터 밀어낼 때 중단될 것이다.
압력하의 냉각제가 냉각제 개방부(138)에서 공급될 때, 집합적으로 압력하의 냉각제에 노출되는 비회전형 씨일 캐리어(106)의 여러 내측면은 순수압면이 되어 이에 특정구조에 대하여 냉각제 개방부(138)에 공급되는 냉각제의 압력에 비례하는 수압 H-F가 가하여진다. 도 3은 환상의 씨일 링 접속면 I에 대한 수압 P-F의 형상 또는 분포를 개략적으로 도시한 것이다. 도 3에서 보인 바와 같이, 유니언의 외부에 가하여지는 유체압력 P1 과 외부압력 P0(이 경우, 공기압력)에 대하여, 수압 H-F는 도면의 직선 아래에 음영으로 보인 바와 같이 일반적으로 선형분포를 보인다. 도면에서 선형분포를 보이고 있는 반면에, 전체적인 총합의 힘은 최상으로 공압 및 수압분포의 크기가 서로 근접할 때 곡선으로 나타낼 수 있다. 예를 들어 도시된 실시형태에서, 유니언의 내부에서 유체의 압력은 유니언의 외부에서 가하여지는 공기압력 보다 수 배의 크기가 되어 도 3 도면의 접속면 I에서 대개 선형인 힘의 분포를 보인다. 그러나, 유니언의 외부에서 가하여지는 높은 공기압력은 전체적으로 곡선이 보다 포물선의 형상이 되도록 할 것이다.
비회전형 씨일 링(108) 및 회전형 씨일 링(134)와 함께, 비회전형 씨일 캐리어(106)는 수압 H-F가 기계에 선택된 작동 공기 및 냉각제 압력에 대하여 공압 P-F 보다 크도록 구성되었다. 이와 같이 함으로써, 수압과 공압(P-H, P-F) 사이의 차이와 같고 마찰과 같은 정적인 힘을 배제한 합력(net force)은 비회전형 씨일 캐리어(106)을 축(124)을 향하는 방향, 즉, 도 2에서 보인 바와 같이 도 1 및 도 2의 도면에서 우측방향으로 밀어 보낼 것이다. 따라서, 비회전형 씨일 링(108)과 함께 비회전형 씨일 캐리어(106)은 활동공(114)으로부터 외측으로 이동하여 도 1에서 보인 바와 같이 간극(146)이 좁아지고 씨일 링(108, 134)이 상대측에 대하여 밀폐되게 결합되도록 할 것이다.
비회전형 씨일 캐리어(106)가 전진하는 과정은 씨일 링(108, 134)이 접촉하여 비회전형 씨일 링(108)을 회전형 씨일 링(134) 측으로 가압할 때에 중단된다. 이러한 가압은 씨일 링(108, 134) 사이의 접속면에서 기계적인 페이스 씨일이 형성되어 냉각제 채널(136)의 둘레에 씨일이 유지됨으로써 작동중에 압력하의 냉각제가 비회전형 기계구성요소(104)으로부터 축(124)의 통공(144)측으로 전달될 수 있도록 한다. 냉각제의 공급이 중지되면 수압의 힘인 수압 P-H 역시 중지된다.
공기압력이 계속하여 가하여지고 수압 H-F가 거의 제로로 감소되면, 공압 P-F는 비회전형 씨일 캐리어(106)에 작용하는 합력의 방향이 변화하여 상기 언급된 바와 같이 씨일 링이 분리되도록 한다. 이러한 조건하에서 냉각제 채널(136)에 유입되는 공기는 냉각제 채널(136)로부터 남아 있는 냉각제를 일소하는데 도움을 줄 것이다. 간극(146)으로부터 유출되는 냉각제는 수집되어 취부슬리이브(112)에 형성된 배출개방부(148)와 비회전형 기계구성요소(104)에 형성된 배출개방부(150)를 통하여 배출될 것이다. 따라서, 간극(146)의 개방과 폐쇄는 유니언(102)의 외부의 공기압력이 가하여지고 축(124)을 회전시키는 동안에 로터리 유니언(102)에 대하여 내부에서 압력하에 냉각제를 공급함으로써 선택적으로 제어될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 씨일 링이 연결되어 있는 동안에 씨일 링에 의하여 생성된 씨일 접속면의 냉각제에 의한 윤활과 냉각이 이루어질 수 있고, 씨일의 분리로 건식운전조건하에서 씨일 링을 보호할 수 있다.
본문에 기술된 구조는 본문에 예시적인 실시형태로 설명된 에어 터빈 스핀들 이외의 다른 분야에도 유용한 것임을 이해하여야 할 것이다. 일반적으로 본 발명에 따른 로터리 유니언은 비압축성 유체에 의한 로터리 유니언의 내부압력이 압축성 유체에 의한 로터리 유니언의 외부압력하에 가하여지는 경우에 작동될 수 있다. 이러한 조건하에서, 비압축성 유체에 의한 내부압력은 순수압으로 가하여져 씨일 링을 분리하는 공압과는 반대로 유니언의 씨일 링 사이의 씨일을 폐쇄할 것이다. 비압축성 유체의 공급이 중단되는 경우, 수압이 가하여지는 것이 중단되고 유니언의 외부에서 공압이 압축성 유체에 의하여 가하여져 씨일 링을 분리시킨다. 따라서, 유니언의 씨일 링의 작동위치는 비압축성 유체의 압력에 의하여 가하여지는 내부의 힘과 압축성 유체의 압력에 의하여 가하여지는 외부의 힘 사이의 압력차이에 따라 달라질 것이다. 이때에, 압력차이는 유니언의 씨일 링에 대한 순개방효과 또는 순폐쇄효과를 가질 것이다. 유니언의 순개방 수압 또는 공압영역에 대한 순폐쇄의 비율로서 정의되는 본 발명에 따른 로터리 유니언의 평형비는 100% 이상인 것을 포함하는 50% 이상일 수 있음을 예상할 수 있다.
에어 스핀들(200)의 다른 실시형태가 도 5에 단면으로 도시되어 있다. 이 실시형태에 있어서는 도 1 및 도 2에서 보인 에어 스핀들(100)의 구조 및 구성과 동일 또는 유사한 것에 대하여서는 설명을 간명히 하기 위하여 동일한 부호로 표시하였다. 따라서, 에어 스핀들(200)은 회전 및 비회전부분 또는 기계구성요소를 포함한다. 특히 비회전형 기계구성요소(104)는 비회전형 씨일 캐리어(106)를 활동가능하고 밀폐가능하게 수용한다. 비회전형 씨일 캐리어(106)는 이에 부착되거나 다른 방식으로 구성된 비회전형 씨일 링(108)을 포함하며, 이는 비회전형 씨일 캐리어(106)와 함께 비회전형 기계구성요소(104)의 통공(110)내에 활동가능하게 배치된다. 취부슬리이브(212)가 활동공(214)을 형성하고 통공(110)내에 직접 취부된다. 활동공(214)은 방사상 방향으로 활동공(214)에 대하여 적어도 부분적으로 내측으로 연장된 캐리어 플랜지(211)가 활동공을 제1 원통형 캐비티(202)와 제2 원통형 캐비티(204)로 분리하고 있는 점에서 활동공(114)(도 1)과 상이하다. 비회전형 씨일 캐리어(106)가 활동공(214)내에 활동가능하고 밀폐가능하게 배치된다.
비회전형 기계구성요소(104)에 대한 비회전형 씨일 캐리어(106)의 회전을 방지하기 위하여, 비회전형 씨일 캐리어(106)에는 스핀들(200)의 종축선 "L"에 평행한 슬로트(120)가 부분적으로 연장되게 형성되어 있다. 이 실시형태에서, 잠금너트(223)에 형성된 방사상 돌출부(222)가 슬로트(120) 측으로 연장되어 이 슬로트(120)내에 삽입된다. 돌출부(222)는 슬로트(120) 내에 삽입되어 축방향으로 활동할 수 있으나 주연방향으로는 활동할 수 없어 작동중에 종축선 "L"을 따라 축방향으로 이동하는 것은 방해받지 않고 비회전형 씨일 캐리어(106)의 상대적인 회전이 방지된다.
에어 스핀들(200)은 또한 폐쇄스프링(206)을 포함한다. 도시한 바와 같이, 스프링(206)은 축방향 압축스프링이지만, 다른 장치가 하나 이상의 요소로 만들어진 압축수단, 고무 등의 탄성물질로 만들어진 압축체로서 사용될 수 있다. 스프링(206)은 비회전형 씨일 링(108)을 폐쇄방향, 즉, 회전형 씨일 링(134) 측으로 향하는 방향으로 밀어내는 탄력을 비회전형 씨일 캐리어(106)에 가하도록 작용한다. 폐쇄스프링의 힘의 크기는 일정하거나 또는 비례하거나 또는 활동공(214) 내에서 비회전형 씨일 캐리어(106)의 축방향 위치에 관련이 있을 수 있다. 폐쇄스프링(206)은 비회전형 씨일 링(108)을 향하는 플랜지(211)의 환상면(213)과, 예를 들어 비회전형 씨일 링(108)의 외주연에 인접한 비회전형 씨일 캐리어(106)의 방사상 외측으로 연장된 면 사이에 축방향으로 구속되어 배치된다.
상기 언급된 바와 같이, 에어 스핀들이 작동할 때, 압력하에 공급되는 공기가 순공압면에 공급되어 특정구성에 대하여 공급되는 공기의 압력에 비례하는 공압 P-F가 작용한다. 스프링의 힘은 내부압력에 의하여 가하여지는 수압과 함께 공압에 대항하여 전체의 힘이 비회전형 씨일 캐리어(106)가 비회전형 기계구성요소(104)를 향하는 방향으로 밀려 이동할 수 있도록 한다. 이는 에어 스핀들 또는 유니언(100)에 비하여 수압이 가하여지지 않는 조건이라 하여도(물론 스프링 206의 선택된 상수 및 가하여진 공기압력의 값에 따라 달라진다) 유니언(200)내에 낮은 수압이 가하여지는 경우에도 씨일 링(108, 134) 사이의 씨일이 유지될 수 있도록 한다. 따라서, 로터리 유니언(200)의 평형비는 50% 이하로 선택될 수 있음을 이해할 수 있다.
본문에 인용된 간행물, 특허출원 및 특허를 포함한 모든 참고문헌은 각각의 참고문헌이 개별적으로 그리고 구체적으로 참고되고 본문에 전체적으로 제시된 것과 동일한 정도로 참고된다.
용어 "이것" 및 "그것" 및 "적어도 하나" 등을 의미하는 용어나 유사한 지시어의 사용은 본 발명을 설명하는 맥락에서 (특히 다음 청구 범위의 맥락에서) 해석되어야 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 의미하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "적어도 하나"와 그 뒤에 하나 이상의 항목(예를 들어, "A 및 B 중 적어도 하나")의 목록이 사용되는 것은 나열된 항목(A 또는 B)에서 선택된 하나의 항목을 의미하는 것으로 해석되어야 한다) 또는 여기에 다르게 명시되거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한, 열거된 항목(A 및 B) 중 둘 이상의 조합을 의미한다. 용어 "포함하는", "갖는" 등의 용어는 달리 언급되지 않는 한 개방형 용어로 해석되어야 한다(즉, "포함하지만 이에 제한되지 않는"을 의미 함). 본 명세서에서 값의 범위의 언급은 단지 다르게 지시되지 않는 한, 각각의 개별 값은 본문에서 개별적으로 인용된 것처럼 상기 범위내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 지칭하는 방법으로서 기능하기 위한 것이다. 본문에 기술된 모든 방법은 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥상 명백하게 모순되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행 될 수 있다. 본원에 제공된 임의의 모든 예 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것이며 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 본 명세서의 어떤 언어도 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 주장되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명을 수행하기 위해 본 발명자들에게 알려진 최상의 모드를 포함하여 본 발명의 바람직한 실시형태가 여기에 설명되었다. 이들 바람직한 실시형태의 변형은 상기 설명으로부터 당업자에게 명백해질 수 있다. 본 발명자들은 당업자가 이러한 변형을 적절히 채택할 것을 기대하며, 본 발명자들은 본 명세서에서 구체적으로 설명된 것과 다르게 본 발명을 실시할 것이다. 따라서, 본 발명은 적용 가능한 법률에 의해 허용되는 바와 같이 여기에 첨부된 청구범위에 인용된 주제의 모든 수정실시형태 및 이에 동등한 실시형태를 포함한다. 또한, 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥상 명백하게 모순되지 않는 한, 모든 가능한 변형실시형태에서 상기 기재된 요소의 임의의 조합은 본 발명에 포함된다.
100: 에어 스핀들, 102: 로터리 유니언, 104: 비회전형 기계구성요소, 106:비회전형 씨일 캐리어, 108: 비회전형 씨일 링, 110: 통공, 112: 취부슬리이브, 114: 활동공, 116, 118: 방사상 씨일, 120: 슬로트, 122: 핀, 124: 축, 126: 공기유입구, 128: 공기통로, 130: 체장동체, 132: 대구경 수용체, 134: 회전형 씨일 링, 136: 세그먼트형 냉각제 채널, 138: 냉각제 개방부, 140: 개방단부, 142: 내부통공, 144: 통공, 146: 간극, 148: 배출개방부, 150: 배출개방부, 200: 에어 스핀들, 202, 204: 원통형 캐비티, 206: 폐쇄스프링, 211: 캐리어 플랜지, 212: 취부슬리이브, 213: 환상면, 214: 활동공, 222: 방사상 돌출부, 223: 잠금너트.

Claims (20)

  1. 회전형 기계구성요소와 비회전형 기계구성요소 사이의 비압축성 유체의 유로를 따라 배치되는 로터리 유니언에 있어서, 로터리 유니언이
    활동공을 형성하며 비회전형 기계구성요소에 형성된 통공내에 배치되는 취부슬리이브;
    활동공내에 활동가능하고 밀폐가능하게 배치되는 비회전형 씨일 캐리어와;
    회전형 기계구성요소에 배치되는 회전형 씨일 요소를 포함하고;
    비회전형 씨일 캐리어가 비회전형 씨일요소를 포함하며, 비회전형 씨일요소와 비회전형 씨일 캐리어가 내부측에 순수압면을 형성하고 외부측에 순공압면을 형성하며;
    비회전형 씨일 캐리어는 회전 및 비회전형 씨일요소가 접촉하여 기계적인 페이스 씨일을 형성하는 전진위치와, 회전 및 비회전형 씨일요소의 분리에 의하여 축방향으로 간극이 형성되는 후퇴위치 사이에서 축방향으로 이동가능하고;
    작동중에, 비압축성 유체가 압력하에 순수압면에 접촉함으로써 폐쇄력이 폐쇄방향으로 생성되어 비회전형 씨일 캐리어가 후퇴위치로부터 전진위치로 가압될 수 있도록 하며,
    작동중에, 압축성 유체가 압력하에 순공압면에 접촉함으로써 개방력이 개방방향으로 생성되어 비회전형 씨일 캐리어가 전진위치로부터 후퇴위치로 가압될 수 있도록 함을
    특징으로 하는 로터리 유니언.
  2. 제1항에 있어서, 취부슬리이브와 비회전형 씨일 캐리어 사이에 배치되는 스프링을 더 포함하고, 스프링은 스프링의 힘을 폐쇄방향으로 가할 수 있도록 배치됨을 특징으로 하는 로터리 유니언.
  3. 제2항에 있어서, 폐쇄방향으로 가하여지는 총 폐쇄력이 개방방향으로 가하여지는 총 개방력 보다 클 때 기계적인 페이스 씨일이 형성됨을 특징으로 하는 로터리 유니언.
  4. 제3항에 있어서, 총 폐쇄력은 스프링의 힘과 순수압면에 작용하는 비압축성 유체로부터의 폐쇄력을 포함함을 특징으로 하는 로터리 유니언.
  5. 제3항에 있어서, 총 폐쇄력이 주로 스프링 폐쇄력에 의하여 제공되며, 순공압면에 작용하는 압축성 유체로부터의 개방력 보다 큼을 특징으로 하는 로터리 유니언.
  6. 제1항에 있어서, 폐쇄방향으로 가하여지는 총 폐쇄력이 개방방향으로 가하여지는 총 개방력 보다 클 때 기계적인 페이스 씨일이 형성됨을 특징으로 하는 로터리 유니언.
  7. 제6항에 있어서, 총 폐쇄력이 주로 순수압면에 작용하는 비압축성 유체에 의하여 제공됨을 특징으로 하는 로터리 유니언.
  8. 제6항에 있어서, 총 개방력이 주로 순공압면에 작용하는 압축성 유체에 의하여 제공됨을 특징으로 하는 로터리 유니언.
  9. 제1항에 있어서, 압축성 유체가 공기이고 비압축성 유체가 냉각제임을 특징으로 하는 로터리 유니언.
  10. 로터리 유니언의 작동방법에 있어서,
    비회전형 씨일요소를 포함하고 활동공내에 활동가능하고 밀폐가능하게 배치되는 비회전형 씨일 캐리어를 제공하는 단계,
    비회전형 씨일요소와 비회전형 씨일 캐리어의 내측면에 순수압면을 한정하는 단계,
    비회전형 씨일요소와 비회전형 씨일 캐리어의 외측면에 순공압면을 한정하는 단계,
    회전형 기계요소에 배치되는 회전형 씨일요소를 제공하는 단계와,
    회전 및 비회전형 씨일요소가 접촉하여 기계적인 페이스 씨일을 형성하는 전진위치와 회전 및 비회전형 씨일요소의 분리에 의하여 축방향으로 간극이 형성되는 후퇴위치 사이에서 축방향으로 이동시키는 단계를 포함하고,
    후퇴위치로부터 전진위치로 이동하는 단계가 폐쇄방향으로 폐쇄력을 생성하기 위하여 비압축성 유체를 순수압면에 접촉시킴으로써 수행되며,
    전진위치로부터 후퇴위치로 이동하는 단계가 개방방향으로 개방력을 생성하기 위하여 압축성 유체를 순공압면에 접촉시킴으로써 수행됨을
    특징으로 하는 로터리 유니언의 작동방법.
  11. 제10항에 있어서, 폐쇄방향으로 스프링의 힘을 가할 수 있도록 배치되는 스프링을 제공하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 로터리 유니언의 작동방법.
  12. 제11항에 있어서, 폐쇄방향으로 가하여지는 총 폐쇄력이 개방방향으로 가하여지는 총 개방력 보다 클 때 기계적인 페이스 씨일이 형성됨을 특징으로 하는 로터리 유니언의 작동방법.
  13. 제12항에 있어서, 총 폐쇄력은 스프링의 힘과 순수압면에 작용하는 비압축성 유체로부터의 폐쇄력을 포함함을 특징으로 하는 로터리 유니언의 작동방법.
  14. 제12항에 있어서, 총 폐쇄력이 주로 스프링 폐쇄력에 의하여 제공되며, 순공압면에 작용하는 압축성 유체로부터의 개방력 보다 큼을 특징으로 하는 로터리 유니언의 작동방법.
  15. 제10항에 있어서, 폐쇄방향으로 가하여지는 총 폐쇄력이 개방방향으로 가하여지는 총 개방력 보다 클 때 기계적인 페이스 씨일이 형성됨을 특징으로 하는 로터리 유니언이 작동방법.
  16. 제15항에 있어서, 총 폐쇄력이 주로 순수압면에 작용하는 비압축성 유체에 의하여 제공됨을 특징으로 하는 로터리 유니언의 작동방법.
  17. 제15항에 있어서, 총 개방력이 주로 순공압면에 작용하는 압축성 유체에 의하여 제공됨을 특징으로 하는 로터리 유니언의 작동방법.
  18. 제10항에 있어서, 압축성 유체가 공기이고 비압축성 유체가 냉각제임을 특징으로 하는 로터리 유니언의 작동방법.
  19. 회전형 기계구성요소와 비회전형 기계구성요소 사이의 비압축성 유체의 유로를 따라 배치되는 로터리 유니언에 있어서, 로터리 유니언이
    활동공을 형성하며 비회전형 기계구성요소에 형성된 통공내에 배치되는 취부슬리이브;
    활동공내에 활동가능하고 밀폐가능하게 배치되는 비회전형 씨일 캐리어;
    회전형 기계구성요소에 배치되는 회전형 씨일요소와;
    취부슬리이브와 비회전형 씨일 캐리어 사이에 배치되어 비회전형 씨일 캐리어측으로 스프링 탄력을 가하는 스프링을 포함하고;
    비회전형 씨일 캐리어가 비회전형 씨일요소를 포함하며, 비회전형 씨일요소와 비회전형 씨일 캐리어가 내부측에 순수압면을 형성하고 외부측에 순공압면을 형성하며;
    비회전형 씨일 캐리어는 회전 및 비회전형 씨일요소가 접촉하여 기계적인 페이스 씨일을 형성하는 전진위치와, 회전 및 비회전형 씨일요소의 분리에 의하여 축방향으로 간극이 형성되는 후퇴위치 사이에서 축방향으로 이동가능하고;
    작동중에, 비압축성 유체가 압력하에 순수압면에 접촉함으로써 폐쇄력이 폐쇄방향으로 생성되어 비회전형 씨일 캐리어가 후퇴위치로부터 전진위치로 가압될 수 있도록 하며,
    작동중에, 압축성 유체가 압력하에 순공압면에 접촉함으로써 개방력이 개방방향으로 생성되어 비회전형 씨일 캐리어가 전진위치로부터 후퇴위치로 가압될 수 있도록 함을
    특징으로 하는 로터리 유니언.
  20. 제19항에 있어서, 폐쇄방향으로 가하여지는 총 폐쇄력이 개방방향으로 가하여지는 총 개방력 보다 클 때 기계적인 페이스 씨일이 형성됨을 특징으로 하는 로터리 유니언.
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