KR20240004485A

KR20240004485A - 고압 밀봉 조립체

Info

Publication number: KR20240004485A
Application number: KR1020237038405A
Authority: KR
Inventors: 조단 제이. 홉킨스; 에단 이. 로마노프; 토마스 더블유. 사이즈모어; 마크 에프. 헌틀리
Original assignee: 쉐이프 테크놀로지스 그룹, 인크.
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2024-01-11
Also published as: US20220349476A1; CA3215370A1; WO2022232452A1; CN117280121A; EP4330550A1; BR112023021618A2

Abstract

밀봉 조립체는 밀봉 본체 및 에너자이저를 포함한다. 밀봉 조립체는 가압 동작 중에 에너자이저 뒤로 이동하는 가압된 유체의 역방향 분사와 같은 소정의 고장 모드의 가능성을 줄이기 위해 치수가 지정되었다. 에너자이저의 축방향 길이에 대한 밀봉 본체의 측방향 거리의 비율은 0.400 내지 1.7087이다. 밀봉 본체의 내부 반경에 대한 측방향 거리의 비율은 0.10 내지 0.401이다. 내부 반경에 대한 밀봉 본체의 웹 두께의 비율은 0.068 내지 0.0881이다. 반경방향 높이에 대한 에너자이저의 반경방향 높이와 밀봉 본체의 홈 높이 사이의 차의 비율은 0.050 내지 0.155이다. 내부 반경에 대한 반경방향 높이와 홈 높이 사이의 차의 비율은 0.015 내지 0.3486이다.

Description

고압 밀봉 조립체

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2021년 4월 30일 출원된 미국 임시 특허 출원 63/182,670의 우선권을 주장하며, 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다.

기술 분야

본 개시내용은 일반적으로 고압 유체 펌프 및 용기를 위한 밀봉에 관한 것이다.

현재 이용 가능한 고압 유체 펌프는 챔버 내의 유체를 가압하도록 고압 챔버 내에서 왕복 운동하는 플런저(plunger)를 포함할 수 있으며, 유체가 고압 챔버 안팎으로 들어오고 나갈 수 있도록 하는 체크 밸브(check valve)를 더 포함할 수 있다. 펌프는 고압 유체가 챔버 밖으로 누출되는 것을 방지하도록 일반적으로 플런저와 챔버의 내벽 사이에 그리고 체크 밸브와 챔버의 내벽 사이에 밀봉(seal)을 포함한다. 이러한 펌프에서, 밀봉은 고압 환경에서 동작할 수 있어야 하며, 10,000 psi를 초과하는 압력을 견딜 수 있어야 한다.

도 1 및 2를 참조하면, 고압 펌프(10)는 대향하는 면(opposite face)(23)을 갖는 압력 용기(pressure vessel)(20) 및 면(23) 사이에서 압력 용기(20)를 통해 연장하는 보어(bore)(22)를 포함한다. (플런저(30a) 및 체크 밸브 조립체(30b)로서 도시된) 2개의 인서트(30)는 대향하는 단부로부터 보어(22) 내로 연장한다. 플런저(30a)는 압력 용기(20) 내의 유체를 가압하도록 압력 용기(20) 내에서 왕복 운동한다. 플런저(30a)는 유압식 작동 피스톤(11)에 의해 또는 대안적으로 기계식 액추에이터에 의해 구동될 수 있다.

체크 밸브 조립체(30b)는 플런저(30a)의 흡입 스트로크(intake stroke) 동안 압력 용기(20) 내로 가압되지 않은 유체를 허용하고 플런저(30a)의 파워 스트로크 후에 가압된 유체가 압력 용기(20)에서 빠져나갈 수 있게 하는 체크 밸브(33)를 구비한다. 두 인서트(30)는 모두 단부 캡(13)을 압력 용기(20)를 향해 편향시키는 나사형 막대(15)로 고정된 단부 캡(13)을 포함하는 요크(yoke)(12)에 의해 압력 용기(20)에 대해 제자리에 유지된다.

(동적 밀봉 조립체(dynamic seal assembly)(40a) 및 정적 밀봉 조립체(static seal assembly)(40b)로서 도시된) 2개의 밀봉 조립체(40)는 유체가 압력 용기(20)로부터 누출되는 것을 방지하도록 인서트(30)와 보어(22)의 내벽(25) 사이의 간격(21)을 밀봉할 수 있다. 동적 밀봉(40a)은 왕복 플런저(30a)와 내벽(25) 사이의 간격(21)의 일부분을 밀봉하고, 정적 밀봉(40b)은 고정식 체크 밸브 본체(30b)와 내벽(25) 사이의 간격(21)의 일부분을 밀봉한다. 밀봉 조립체(40) 사이의 내벽(25)에 인접한 슬리브(sleeve)(14)는 간격(21)의 부피를 감소시킨다.

동적 밀봉 조립체(40a)는 환형 밀봉(41) 및 O-링(43)을 포함할 수 있으며, 둘 모두 플런저(30a)와 보어(22)의 내부 벽(25) 사이의 간격(21)에 위치된다. 밀봉(41)은 압력 용기(20)가 가압될 때 간격(21) 밖으로 압출되지 않고 간격(21)을 채우는 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 탄성 재료를 포함할 수 있다. 따라서, 밀봉(41)은 낮은 압력에서 비교적 경직성일 수 있다. O-링(43)은 예를 들어 플런저(30a)의 파워 스트로크의 시작 시에, 압력 용기(20) 내의 압력이 비교적 낮은 경우, 간격(21)을 밀봉하기 위해 낮은 압력에서 밀봉(41)보다 더 유연할 수 있다.

동적 밀봉 조립체(40a)는 밀봉(41)과 단부 캡(13) 사이에 제거 가능한 밀봉 시트(42)를 더 포함할 수 있다. 밀봉 시트(42)는 압력 용기(20)의 면(23)과 보어(22) 사이의 에지(24)로부터 밀봉(41)을 이격시키고 밀봉(41)과 결합하는 스페이서 부분(44)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스페이서 부분(44)의 축방향 치수는 간격(21)의 반경방향 치수와 대략 동일하다. 다른 실시예에서, 스페이서 부분(44)은 다른 치수를 가질 수 있다.

밀봉 시트(42)는 스페이서 부분(44)을 제 위치에 지지하고 압력 용기(20)가 가압될 때 밀봉(41)이 간격(21) 밖으로 이동하는 것을 방지하기 위해 스페이서 부분(44)에 연결된 지지 부분(45)을 더 포함할 수 있다. 밀봉 시트(42)는 플런저(30a)를 향하거나 그로부터 멀어지는 변형에 저항하기 위해 반경방향으로 비교적 경직성일 수 있거나, 또는 밀봉 시트(42)는 스페이서 부분(44)이 플런저(30a)를 향해 구부러질 수 있게 하고 밀봉 시트(42)가 축방향으로 압축되면 플런저(30a)와 내벽(25) 사이의 추가 밀봉을 제공하도록 반경방향으로 충분히 가요성일 수 있다.

동적 밀봉 조립체(40a)는 또한 밀봉(41) 둘레에 배치된 압출 방지 링(46)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 압출 방지 링(46)은 일반적으로 삼각형 단면 형상을 가지고 축방향 표면(35) 및 반경방향 표면(36)을 포함한다. 압출 방지 링(46)은 압력 용기(20)가 가압될 때 보어(22)의 내부 표면(25)에 대해 반경방향으로 팽창하도록 구성된다. 따라서, 압출 방지 링의 반경방향 표면(36)은 압력 용기(20)가 가압될 때 반경방향으로 팽창하는 경향이 없는 스페이서 부분(44)과 팽창 보어(22)의 내부 표면(25) 사이에서 전개할 수 있는 반경방향 간격을 메우기 위한 크기를 가질 수 있다.

밀봉 조립체를 지나 누출되는 유체는 고압 펌프(10)의 구성요소의 동작 및 기대 수명에 악영향을 미칠 수 있다.

본 개시내용은 고압 용기 조립체의 구성요소를 밀봉하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 가압 중에 밀봉 조립체의 에너자이저(energizer)를 지나가는(또는 뒤로 이동하는) 유체(예로서, 물)의 양에 관련된 문제를 해결하는 밀봉 조립체가 개시된다. 감압 중에, 에너자이저(예로서, O-링)는 이러한 유체를 밀봉하여 압력이 떨어질 때 압력 용기 조립체의 챔버로 복귀하는 것을 방지하는 역할을 한다. 이것은 결과적으로 에너자이저 양단의 압력차를 발생시키며, 이는 해제시에(예를 들어, 에너자이저가 증가하는 압력차에 대항하여 유체를 더 이상 유지할 수 없을 때) 밀봉과 에너자이저 중 하나 또는 둘 모두에 손상을 초래할 수 있다. 에너자이저 뒤에 들어가는 유체의 양을 감소시킴/제한함으로써, 에너자이저와 밀봉을 손상시키는데 사용 가능한 에너지가 감소하여 밀봉 조립체의 수명이 길어진다.

1차 밀봉과 에너자이저를 모두 포함하는 밀봉 조립체의 경우, 1차 밀봉에 대한 에너자이저의 위치는 궁극적으로 에너자이징 O-링 뒤로 이동할 수 있는 유체의 양에 영향을 미치는 하나의 요소이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 밀봉 조립체의 실시예는 에너자이저와 (에너자이저 "뒤에" 위치된) 1차 밀봉의 밀봉 영역 사이의 소정의 (최소화된) 측방향 정지 변위를 사용한다. 일 실시예에 따르면, 밀봉 본체는 에너자이저를 수용하는 홈(groove)을 포함하고, 홈은 알려진 밀봉 조립체보다 1차 밀봉의 밀봉 영역에 더 근접하게 위치된다.

일 실시예에 따르면, (UHP 밀봉 지점에서) 밀봉될 유체의 가장 멀리 도달하는 장소와 에너자이저 사이의 측방향 거리(lateral distance)는 에너자이저의 축방향 길이(axial length)의 0.400 내지 1.7087 일 수 있다.

추가로, 본 명세서에 개시된 밀봉 조립체의 실시예는 하나 이상의 고장 모드가 나타날 가능성을 감소시킨다. 밀봉 조립체의 일 실시예는 1차 밀봉 내부 직경과 밀봉될 샤프트 사이에 특정 간격을 유지하는 동시에 밀봉 조립체 내의 응력이 전단 파손을 방지하도록 충분히 낮음을 보장한다. 밀봉 조립체의 "웹(web)" 부분은 응력이 1차 밀봉 내에 분산되는 것을 보장하도록 충분히 유연할 수 있는 동시에, 밀봉 조립체가 밀봉될 샤프트와의 적절한 밀봉을 형성하는 것을 보장하도록 충분히 견고하게 유지될 수 있다. 또한, 에너자이저는 적절한 에너자이징을 가능하게 하도록 충분히 압축되어야만 한다.

도면에서, 동일한 참조번호는 유사한 요소 또는 작용을 식별한다. 도면에 있는 요소의 크기 및 상대적 위치가 반드시 실제 축척대로 도시된 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 요소의 형상 및 각도는 실제 축척대로 그려지지 않았으며, 이들 요소 중 일부는 도면의 가독성을 향상시키도록 임의로 확대되고 위치되었다. 또한, 도시된 바와 같은 요소의 특정 형상은 특정 요소의 실제 형상에 관한 정보를 전달하도록 의도된 것이 아니며, 단지 도면에서 쉽게 인식할 수 있도록 선택된 것이다.
도 1은 밀봉 조립체를 갖는 알려진 고압 펌프의 부분 단면의 입면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 고압 펌프 및 밀봉 조립체의 일부의 측면 입면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 밀봉 조립체의 정면 등각도이다.
도 4는 도 3에 도시된 밀봉 조립체의 후면 등각도이다.
도 5는 도 3에 도시된 밀봉 조립체의 위에서 본 평면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 밀봉 조립체의 측면 입면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 밀봉 조립체의 선 A-A을 따른 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 밀봉 조립체의 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 밀봉 조립체의 단면도이다.
도 10은 고압 펌프의 일부분 내에 위치된 도 8에 도시된 밀봉 조립체의 단면 입면도이다.

다음의 설명에서는, 다양한 개시된 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 소정의 특정 세부사항이 설명된다. 그러나 관련 기술분야의 당업자는 실시예가 이러한 하나 이상의 특정 세부사항 없이도, 또는 다른 방법, 구성요소, 재료 등을 이용하여 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

문맥상 달리 요구하지 않는 한, 이어지는 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐, "포함하다" 및 그의 변형어는 개방적이고 포괄적인 의미, 즉 "포함하지만 이에 국한되지는 않는다"의 의미로서 해석되어야만 한다.

본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는 실시예와 관련하여 기술된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에서 등장하는 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구가 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.

본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수형태 명사는 내용이 달리 명시하지 않는 한 복수형태 명사의 지칭을 포함한다. 또한, "또는"이라는 용어는 일반적으로 내용에서 달리 명시하지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 의미로 사용된다는 점에 유의해야 한다.

본 명세서에서 서로 "대면하는" 또는 서로를 "향해 대면하는" 2개의 요소에 대한 언급은 중간에 있는 고체 구조물과 접촉하지 않고 요소 중 하나로부터 다른 요소로 직선이 그려질 수 있음을 나타낸다. 한 방향을 따르는 2개의 요소와 관련하여 본 명세서에서 사용된 바와 같은 "정렬된"이라는 용어는 2개의 요소 중 하나를 통과하고 해당 방향에 평행한 직선이 2개의 요소 중 다른 요소도 통과할 것임을 의미한다. 한 방향에 대해 제2 요소와 제3 요소 사이에 있는 제1 요소와 관련하여 본 명세서에서 사용된 바와 같은 "사이의"라는 용어는 방향을 따라 측정했을 때 제2 요소에 대한 제3 요소의 거리보다 방향을 따라 측정했을 때 제2 요소에 대한 제1 요소의 거리가 더 가까움을 의미한다. "사이에"라는 용어는 제1, 제2 및 제3 요소가 방향을 따라 정렬되는 것을 포함하지만, 반드시 필요한 것은 아니다.

본 명세서에서 값의 범위를 개시하는 것은 달리 명시하지 않는 한, 단지 범위의 언급된 끝을 포함하여 범위 내에 속하는 각 개별 값을 개별적으로 지칭하는 약식 방법으로서의 역할을 하도록 의도되며, 각 개별 값은 본 명세서에 개별적으로 개시된 것과 같이 본 명세서에 포함된된다. 본 명세서에 기술된 모든 방법은 본 명세서에 달리 표시되거나 문맥상 명확하게 부인되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다.

본 명세서에 제공된 개시내용의 제목과 요약은 단지 편의를 위한 것이며 실시예의 범위 또는 의미를 해석하지 않는다.

도 3 내지 9를 참조하면, 밀봉 조립체(100)는 밀봉 본체(102) 및 에너자이저(104)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 밀봉 본체(102)는 관형, 고리형, 또는 환형일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 밀봉 본체(102)는 밀봉 본체(102)의 중심축(106)을 중심으로 방사상 대칭이다. 밀봉 조립체(100)는 밀봉 본체(102)를 통해 연장하는 (예를 들어, 중심축(106)에 평행) 보어(108)를 포함할 수 있다. 밀봉 본체(102)는 중심축(106)에 평행한 방향에 대해 서로 대향하는 제1 단부(110) 및 제2 단부(112)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 단부(110), 제2 단부(112), 또는 둘 모두는 밀봉 본체의 말단 단부일 수 있으며, 그에 따라 밀봉 본체(102)의 어느 부분도 중심축(106)에 평행한 방향에 대해 각각의 제1 단부(110) 및 제2 단부(112) 너머로 연장하지 않는다. 제1 단부(110)는 보어(108)의 제1 개구(114)를 형성할 수 있고 제2 단부(112)는 보어(108)의 제2 개구(116)를 형성할 수 있다. 밀봉 본체(102)는 중심축(106)을 향하고, 제1 단부(110)와 제2 단부(112) 사이에서 연장하며, 적어도 부분적으로 보어(108)를 정의하는 내부 표면(118)을 포함할 수 있다.

밀봉 본체(102)는 외부 표면(120)을 포함할 수 있고, 외부 표면(120)의 적어도 일부는 중심축(106)으로부터 수직으로 연장하는 반경방향 선(122)에 대해 내부 표면(118)의 반대편에 있다. 외부 표면(120)의 적어도 일부는 밀봉 조립체(100)가 위치되는 압력 용기의 내부 표면과 접촉하여 밀봉을 형성하는 밀봉 조립체(100)의 접합 표면(124)을 형성한다.

밀봉 본체(102)는 에너자이저(104)를 운반하는 홈(117)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 홈(117)의 적어도 일부는 밀봉 본체(102)의 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)에 의해 정해질 수 있다. 홈(117)의 형상은 홈(117) 내에서 운반될 에너자이저(104)에 기초하여 선택될 수 있다.

예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)은 곡선이다. 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)은 하나의 일정한 곡률 반경을 가질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)은 서로 다른 곡률 반경, 또는 연속적으로 변하는 곡률 반경을 갖는 부분들을 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 에너자이저(104)의 양 측면에 대한 압력이 동일할 때(즉, 에너자이저(104)가 편향되지 않은 상태에 있을 때 및/또는 밀봉 조립체(100)가 현재 가압 동작 하에 있지 않을 때), 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)의 적어도 일부의 곡률 반경은 에너자이저(104)의 외부 표면(128)의 곡률 반경에 대응(예를 들어, 일치)한다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)의 외주(perimeter)의 일부가 에너자이저(104)의 외주의 일부와 일치한다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)의 외주의 일부는 에너자이저(104)의 외주의 적어도 15%와 일치한다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)의 외주의 일부는 에너자이저(104)의 외주의 적어도 25%와 일치한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)은 중심 축(106)에 대해 각각 평행하지 않은 제1 숄더(130) 및 제2 숄더(132)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 숄더(130) 및 제2 숄더(132)는 중심축(106)에 평행한 방향을 따라 밀봉 본체(102)에 대한 에너자이저(104)의 이동을 억제한다. 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)은 제1 숄더(130)와 제2 숄더(132) 사이에서 연장하는 베이스 표면(134)을 포함할 수 있다. 베이스 표면(134)은 중심축(106)에 평행한 일부분을 포함할 수 있다.

도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 제1 숄더(130)의 적어도 일부는 중심축(106)에 수직일 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)은 V-형 노치를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 홈(117)과 에너자이저(104)의 단면 형상은 불일치할 수 있다(예를 들어, 홈(117)은 V-형 노치를 포함할 수 있고 에너자이저(104)는 원형일 수 있다).

(예를 들어, 에너자이저(104)가 밀봉 본체(102)에 의해 운반되고 밀봉 조립체(100)가 내부에 장착되는 압력 용기에 가압 동작이 진행될 때) 밀봉 본체(102)는 일 실시예에 따르면 에너자이저(104) "뒤의" 거리와 등가인 측방향 거리(L)를 최소화하도록 치수가 정해질 수 있다. 도시된 바와 같이, 에너자이저(104)가 밀봉 본체(102)에 의해 운반될 때, 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)의 적어도 일부가 에너자이저(104)와 마주할 수 있다(예를 들어, 직접 접촉할 수 있다). 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 밀봉될 유체가 가장 멀리 도달하는 장소(예로서, 제1 단부(110))부터 에너자이저(104)까지 측정된다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 밀봉될 유체가 가장 멀리 도달하는 장소(예로서, 제1 단부(110))로부터 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)(예로서, 제1 숄더(130))과 접합 표면(124)의 교차부(135)까지 측정된다.

일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 에너자이저(104)의 축방향 길이(W)의 0.400 내지 1.7087배이다. 다시 말하면 밀봉 조립체(100)는 0.400 내지 1.7087의 축방향 길이(W)에 대한 측방향 거리(L) 비율(L/W)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 축방향 길이(W)는 에너자이저(104)가 홈(117)에 안착될 때, 중심축(106)에 평행한 방향을 따라 에너자이저(104)의 최대 단면 치수를 따라서 측정될 수 있다. 예를 들어, (도 9에 도시된 바와 같이) 원형 단면 형상을 갖는 에너자이저(104)의 축방향 길이(W)는 에너자이저(104)의 직경이다.

일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 에너자이저(104)의 축방향 길이(W)의 0.400 내지 0.600배이다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 에너자이저(104)의 축방향 길이(W)의 0.600 내지 1.000배이다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 에너자이저(104)의 축방향 길이(W)의 1.000 내지 1.400배이다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 에너자이저(104)의 축방향 길이(W)의 1.400 내지 1.7087배이다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 에너자이저(104)의 축방향 길이(W)의 0.400 내지 1.000배이다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 에너자이저(104)의 축방향 길이(W)의 0.400 내지 1.400배이다.

일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 밀봉될 유체가 가장 멀리 도달하는 장소(예를 들어, 제1 단부(110))로부터 에너자이저(104)까지 측정된다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 밀봉될 유체가 가장 멀리 도달하는 장소(예를 들어, 제1 단부(110))로부터 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)(예로서, 제1 숄더(130))과 접합 표면(124)의 교차부까지 측정된다.

일 실시예에 따르면, 밀봉 본체(102)는 중심축(106)으로부터 내부 표면(118)까지 수직으로 측정된 내부 반경(R)을 포함한다. 보어(108)의 단면 형상이 원형인 실시예에서, 내부 반경(R)은 원의 지름의 절반이다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 내부 반경(R)의 0.100 내지 0.401배이다. 다시 말하면 밀봉 조립체(100)는 0.100 내지 0.401의 내부 반경(R)에 대한 측방향 거리(L) 비율(L/R)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 내부 반경(R)의 0.100 내지 0.200배이다. 일 실시예에 따르면, 측방향 거리(L)는 내부 반경(R)의 0.200 내지 0.401배이다.

홈(117)을 포함하고 에너자이저(104)를 운반하는 밀봉 본체(102)의 일부는 웹(136)으로 지칭될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 웹(136)은 적절한 보어 윤활을 보장하기 위해 충분히 경직성이어야 하고 파괴적인 전단력을 받지 않도록 충분히 유연해야 한다. 밀봉 조립체(100)의 수명을 증가시키는 웹(136)의 원하는 경직성은 웹 두께(T)의 치수 결정을 통해 획득될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 웹 두께(T)는 중심축(106)에 수직인 방향을 따라 내부 표면(118)으로부터 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)까지 측정된다. 도시된 바와 같이, 웹 두께(T)는 중심축(106)에 수직인 방향을 따라 내부 표면(118)과 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126) 사이의 최소 거리일 수 있다. 예를 들어, (도 9에 도시된 바와 같이) 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)이 V-형 노치를 포함하는 실시예에서, 웹 두께(T)는 중심축(106)에 수직인 방향을 따라 내부 표면(118)으로부터 V-형 노치의 바닥까지 측정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 밀봉 본체(102)의 웹 두께(T)는 0.030인치 내지 0.0385인치이다. 일 실시예에 따르면, 웹 두께(T)는 내부 반경(R)의 0.068 내지 0.0881배이다. 다시 말하면 밀봉 조립체(100)는 0.068 내지 0.0881인 내부 반경(R)에 대한 웹 두께(T)의 비율(T/R)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 밀봉 본체(102)는 에너자이저(104)의 반경방향 압축에 저항하기 위한 크기를 가질 수 있는 동시에 또한 에너자이저(104)의 적절한 저압 밀봉을 보장하고 보어(108)를 통해 이동하는 왕복 플런저와 내부 표면(118) 사이에 [[공칭 간격]]을 추가로 유지하기 위한 크기를 가질 수 있다.

도시된 바와 같이, 밀봉 본체(102)는 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126)(예를 들어, 중심축(106)에 가장 근접한 적어도 하나의 에너자이저 접합 표면(126) 상의 지점)으로부터 평면(P)까지 중심축(106)에 수직인 방향을 따라 측정된 홈 높이(H)를 포함할 수 있으며, 평면(P)은 접합 표면(124)에 접하고 중심축(106)에 수직인 방향에 수직이다.

일 실시예에 따르면, 밀봉 조립체(100)는 에너자이저 압축량(예로서, 반경방향 에너자이저 압축량)을 포함한다. 에너자이저 압축량은 반경방향 높이(J)에 대한 에너자이저(104)의 반경방향 높이(J)와 홈 높이(H) 사이의 차의 비율((J-H)/J)일 수 있다. 에너자이저(104)의 반경방향 높이(J)는 중심축(106)에 수직인 방향을 따라 측정될 수 있다. 반경방향 높이(J)는 축방향 길이(W)와 동일할 수 있다(예를 들어, 에너자이저(104)의 단면 형상이 원형인 경우, 또는 동일한 높이 및 길이를 갖는 다른 형상). 일 실시예에 따르면, 에너자이저 압축비는 0.050 내지 0.155이다.

일 실시예에 따르면, 에너자이저 압축량은 내부 반경(R)에 대한 에너자이저(104)의 반경방향 높이(J)와 홈 높이(H)의 사이의 차의 비율((J-H)/R)일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 에너자이저 압축비는 0.015 내지 0.3486이다.

도 10을 참조하면, 고압 펌프(150)(이하 "펌프")는 통과하여 연장하는 보어(154)를 갖는 압력 용기(152)를 포함한다. 플런저(156)는 보어(154) 내로 연장하고 압력 용기(152) 내에서 왕복 운동하여 압력 용기(152) 내의 유체를 가압한다. 플런저(156)는 예를 들어 유압식으로 작동되는 피스톤 또는 기계식 액추에이터에 의해 구동될 수 있다.

밀봉 조립체(100)는 유체가 압력 용기(152)로부터 누수되는 것을 막기 위해 보어(154)를 적어도 부분적으로 한정하는 압력 용기(152)의 내부 벽(160)과 플런저(156) 사이의 간격(158)을 밀봉할 수 있다. 도시된 바와 같이, 밀봉 조립체(100)는 이동 부재(moving member)(예로서, 왕복 플런저(156))와 내부 벽(160) 사이의 동적 밀봉으로서 기능할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 밀봉 조립체(100)(예로서, 제2 밀봉 조립체(100))는 고정 부재(예로서, 체크 밸브 본체)와 내부 벽(160) 사이의 간격(158)의 일부를 밀봉하는 정적 밀봉으로 기능할 수 있다. 펌프(150)는 간격(158)의 부피를 감소시키는 내부 벽(160)에 인접한 (예를 들어, 제1 및 제2 밀봉 조립체(100) 사이의) 슬리브(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

밀봉 본체(102)는 압력 용기(152)가 가압될 때 간격(158) 밖으로 돌출하지 않고 간격(158)을 채우는 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 탄성 재료를 포함할 수 있다. 따라서, 밀봉 본체(102)는 낮은 압력에서 비교적 강성일 수 있다. 에너자이저(104)는 압력 용기(152) 내의 압력이 예를 들어 플런저(156)의 파워 스트로크의 시작 시에 비교적 낮을 때, 간격(158)을 밀봉하기 위해 낮은 압력에서 밀봉 본체(102)보다 더 유연할 수 있다.

밀봉 조립체(100)는 밀봉 본체(102)와 맞물리고 밀봉 본체(102)를 압력 용기(152)의 면(163)으로부터 이격시키는, 제거 가능한 밀봉 시트(162)를 더 포함할 수 있다. 밀봉 시트(162)는 플런저(156)를 향하는 또는 플런저(156)로부터 멀어지는 변형에 저항하도록 반경방향에서 비교적 경직성일 수 있으며, 또는 밀봉 시트(162)는 밀봉 시트(162)의 적어도 일부가 플런저(156)를 향해 구부러지는 것을 허용하고 밀봉 시트(162)가 축방향으로 압축될 때 플런저(156)와 내부 벽(160) 사이에 추가의 밀봉을 제공하도록 반경방향으로 충분히 유연할 수 있다.

전술된 바와 같이, 밀봉 조립체(100)는 가압 동작 중에 에너자이저(104) 뒤에 이동하는 유체의 부피를 최소화하도록 크기가 정해질 수 있다. 도시된 실시예에 나타내어진 바와 같이, 에너자이저(104) "뒤의" 부피는 간격(164)으로 표시된다. 당업자는 인접 구성요소들 사이의 간격/공간이 도면의 명확성과 구성요소의 식별의 용이성을 향상시키기 위해 도면에서 확대된다는 것을 이해할 것이다.

일반적으로 유체는 가압 동작 중에 (예로서, 플런저의 파워 스트로크 중에) 에너자이저 뒤로 이동하여 그 결과 에너자이저 뒤로 이동하는 임의의 유체에 높은 압력이 가해지도록 한다. 파워 스트로크가 완료되면, 압력 챔버의 주요 부피(즉, 에너자이저 전방) 내의 압력이 떨어진다. 주요 부피의 압력이 떨어지면서, 갇힌 유체가 빠져나와(예로서, 에너자이저를 가로지르는 "분사") 주요 부피에 다시 들어갈 때까지 에너자이저의 전면과 후면에 압력 불균형을 형성한다. 이러한 분사는 에너자이저를 손상시킬 수 있고 밀봉 조립체의 예상 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

본 명세서에 기술된 바와 같은 밀봉 조립체(100)의 실시예는 에너자이저(104) 뒤로 밀려서 간격(164)으로 들어가는 유체의 부피를 제한하고, 따라서 임의의 그러한 유체가 압력 용기(152)의 주요 부피로 다시 들어갈 때 발생하는 잠재적인 손상을 제한한다.

일반적으로, 아래의 청구범위에서 사용되는 용어가 명세서 및 청구범위에 개시된 특정 구현예와 실시예로 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 이러한 청구범위가 권리를 가진 등가물의 전체 범위와 함께 가능한 모든 구현예 및 실시예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 청구범위는 본 개시내용에 의해서 제한되지 않는다.

Claims

밀봉 조립체(seal assembly)로서,
한 방향을 따라 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장하고, 에너자이저 접합 표면(energizer abutment surface)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 홈(groove)을 포함하고, 상기 방향을 따라 상기 에너자이저 접합 표면으로부터 상기 제1 단부까지 측정된 최소 치수인 측방향 거리(lateral distance)를 더 포함하는 밀봉 본체(seal body); 및
상기 에너자이저 접합 표면을 향하도록 상기 홈 내에 안착되고, 상기 방향을 따라 측정된 에너자이저의 최대 치수인 축방향 길이(axial length)를 포함하는 에너자이저를 포함하며,
상기 축방향 길이에 대한 상기 측방향 거리의 비율은 0.400 이상 1.7087 이하인, 밀봉 조립체.
제1항에 있어서,
상기 밀봉 조립체는 상기 밀봉 본체의 중심축을 따라 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 밀봉 본체를 통해 연장하는 보어(bore)를 포함하고, 상기 중심축은 상기 방향에 평행한, 밀봉 조립체.
제2항에 있어서,
상기 밀봉 본체는 상기 중심축을 중심으로 방사상 대칭인, 밀봉 조립체.
제3항에 있어서,
상기 밀봉 본체의 일부는 상기 중심축에 수직인 방향을 따라 측정된 최대 치수를 포함하고, 상기 일부는 상기 중심축에 평행한 방향에 대해 상기 홈과 상기 제1 단부 사이에 위치되는, 밀봉 조립체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너자이저 접합 표면의 적어도 일부는 상기 방향에 수직이고, 상기 측방향 거리는 상기 에너자이저 접합 표면의 일부로부터 측정되는, 밀봉 조립체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너자이저 접합 표면은 에너자이저의 외주(perimeter)의 일부의 곡률 반경과 일치하는 곡률 반경을 갖는 곡선 부분을 포함하는, 밀봉 조립체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너자이저는 원형 단면 형상을 갖는 O-링(O-ring)인, 밀봉 조립체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축방향 길이에 대한 측방향 거리의 비율은 0.400 이상 0.600 이하인, 밀봉 조립체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축방향 길이에 대한 측방향 거리의 비율은 0.600 이상 1.000 이하인, 밀봉 조립체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축방향 길이에 대한 측방향 거리의 비율은 1.000 이상 1.400 이하인, 밀봉 조립체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축방향 길이에 대한 측방향 거리의 비율은 1.400 이상 1.7087 이하인, 밀봉 조립체.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밀봉 본체는 상기 중심축으로부터 상기 보어의 적어도 일부를 형성하는 밀봉 본체의 내부 표면까지 수직으로 측정된 내부 반경을 포함하는, 밀봉 조립체.
제12항에 있어서,
상기 내부 반경에 대한 측방향 거리의 비율은 0.10 이상 0.401 이하인, 밀봉 조립체.
제13항에 있어서,
상기 내부 반경에 대한 측방향 거리의 비율은 0.10 이상 0.20 이하인, 밀봉 조립체.
제13항에 있어서,
상기 내부 반경에 대한 측방향 거리의 비율은 0.20 이상 0.401 이하인, 밀봉 조립체.
제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밀봉 본체는 상기 밀봉 본체의 내부 표면으로부터 상기 에너자이저 접합 표면까지 중심축에 대해 수직으로 측정된 최소 거리인 웹 두께(web thickness)를 포함하며, 상기 내부 반경에 대한 웹 두께의 비율은 0.068 이상 0.0881 이하인, 밀봉 조립체.
제16항에 있어서,
상기 웹 두께는 0.030인치 이상 0.0385인치 이하인, 밀봉 조립체.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밀봉 본체는 상기 중심축으로부터 상기 보어의 적어도 일부를 형성하는 밀봉 본체의 내부 표면까지 수직으로 측정된 내부 반경을 포함하고;
상기 밀봉 본체는 상기 밀봉 본체의 내부 표면으로부터 상기 에너자이저 접합 표면까지 중심축에 대해 수직으로 측정된 최소 거리인 웹 두께를 포함하며;
상기 내부 반경에 대한 웹 두께의 비율은 0.068 이상 0.0881 이하인, 밀봉 조립체.
제18항에 있어서,
상기 웹 두께는 0.030인치 이상 0.0385인치 이하인, 밀봉 조립체.
제2항 내지 제4항 및 제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밀봉 본체는 상기 에너자이저 접합 표면으로부터 밀봉 본체의 최외곽 부분 상의 한 지점에 접하는 평면까지 중심축에 수직으로 측정된 최대 거리인 홈 높이를 포함하고, 상기 평면은 상기 홈 높이에 수직이고;
상기 에너자이저는 중심축에 수직으로 측정된 에너자이저의 최대 단면 치수인 반경방향 높이를 포함하며;
상기 반경방향 높이에 대한 반경방향 높이와 홈 높이 사이의 차의 비율은 0.050 이상 0.155 이하인, 밀봉 조립체.
제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밀봉 본체는 상기 에너자이저 접합 표면으로부터 밀봉 본체의 최외곽 부분 상의 한 지점에 접하는 평면까지 중심축에 수직으로 측정된 최대 거리인 홈 높이를 포함하고, 상기 평면은 상기 홈 높이에 수직이고;
상기 에너자이저는 중심축에 수직으로 측정된 에너자이저의 최대 단면 치수인 반경방향 높이를 포함하며;
상기 내부 반경에 대한 반경방향 높이와 홈 높이 사이의 차의 비율은 0.015 이상 0.3486 이하인, 밀봉 조립체.
밀봉 조립체로서,
한 방향을 따라 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장하는 밀봉 본체를 포함하고, 상기 밀봉 본체는:
에너자이저 접합 표면에 의해 적어도 부분적으로 형성된 홈;
상기 방향을 따라 상기 에너자이저 접합 표면으로부터 상기 제1 단부까지 측정된 최소 치수인 측방향 거리;
상기 밀봉 본체의 중심축을 따라 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 상기 밀봉 본체를 통해 연장하는 보어로서, 여기서 상기 중심축은 상기 방향에 평행한 보어; 및
상기 중심축으로부터 상기 보어의 적어도 일부를 형성하는 밀봉 본체의 내부 표면까지 수직으로 측정된 내부 반경
을 포함하고,
상기 내부 반경에 대한 측방향 거리의 비율은 0.10 이상 0.401 이하인, 밀봉 조립체.
제22항에 있어서,
상기 에너자이저 접합 표면을 향하도록 상기 홈 내에 안착된 에너자이저를 더 포함하는, 밀봉 조립체.
제22항 또는 제23항에 있어서,
상기 내부 반경에 대한 측방향 거리의 비율은 0.10 이상 0.20 이하인, 밀봉 조립체.
제22항 또는 제23항에 있어서,
상기 내부 반경에 대한 측방향 거리의 비율은 0.20 이상 0.401 이하인, 밀봉 조립체.
밀봉 조립체로서,
한 방향을 따라 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장하는 밀봉 본체를 포함하고, 상기 밀봉 본체는:
에너자이저 접합 표면에 의해 적어도 부분적으로 형성된 홈;
상기 밀봉 본체의 중심축을 따라 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 상기 밀봉 본체를 통해 연장하는 보어로서, 여기서 상기 중심축은 상기 방향에 평행한 보어;
상기 중심축으로부터 상기 보어의 적어도 일부를 형성하는 밀봉 본체의 내부 표면까지 수직으로 측정된 내부 반경; 및
밀봉 본체의 내부 표면으로부터 상기 에너자이저 접합 표면까지 중심축에 대해 수직으로 측정된 최소 거리인 웹 두께(web thickness)
를 포함하고,
상기 내부 반경에 대한 웹 두께의 비율은 0.068 이상 0.0881 이하인, 밀봉 조립체.
제26항에 있어서,
상기 웹 두께는 0.030인치 이상 0.0385인치 이하인, 밀봉 조립체.
밀봉 조립체로서,
한 방향을 따라 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장하고 에너자이저 접합 표면에 의해 적어도 부분적으로 형성된 홈을 포함하는 밀봉 본체;
상기 밀봉 본체의 중심축을 따라 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 밀봉 본체를 통해 연장하는 보어로서, 상기 중심축은 상기 방향에 평행한 보어; 및
상기 에너자이저 접합 표면을 향하도록 상기 홈 내에 안착되고, 상기 중심축에 수직으로 측정된 에너자이저의 최대 단면 치수인 반경방향 높이를 포함하는 에너자이저를 포함하며;
상기 밀봉 본체는 상기 에너자이저 접합 표면으로부터 한 평면까지 중심축에 수직으로 측정된 최대 거리인 홈 높이를 포함하고, 상기 평면은: 1) 중심축에 대해 밀봉 본체의 최외곽 부분 상의 한 지점에 접하고 2) 상기 홈 높이에 수직이며,
상기 반경방향 높이에 대한 반경방향 높이와 홈 높이 사이의 차의 비율은 0.050 이상 0.155 이하인, 밀봉 조립체.
밀봉 조립체로서,
한 방향을 따라 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장하고 에너자이저 접합 표면에 의해 적어도 부분적으로 형성된 홈을 포함하는 밀봉 본체;
상기 밀봉 본체의 중심축을 따라 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 밀봉 본체를 통해 연장하는 보어로서, 여기서 상기 중심축은 상기 방향에 평행한 보어; 및
상기 에너자이저 접합 표면을 향하도록 상기 홈 내에 안착되고, 상기 중심축에 수직으로 측정된 에너자이저의 최대 단면 치수인 반경방향 높이를 포함하는 에너자이저를 포함하며;
상기 밀봉 본체는 상기 에너자이저 접합 표면으로부터 한 평면까지 중심축에 수직으로 측정된 최대 거리인 홈 높이를 포함하고, 상기 평면은: 1) 중심축에 대해 밀봉 본체의 최외곽 부분 상의 한 지점에 접하고 2) 상기 홈 높이에 수직이고,
상기 밀봉 본체는 상기 중심축으로부터 상기 보어의 적어도 일부를 형성하는 밀봉 본체의 내부 표면까지 수직으로 측정된 내부 반경을 포함하며,
상기 내부 반경에 대한 반경방향 높이와 홈 높이 사이의 차의 비율은 0.015 이상 0.3486 이하인, 밀봉 조립체.