KR20240115306A

KR20240115306A - 슬립 링 씰 어셈블리

Info

Publication number: KR20240115306A
Application number: KR1020247022146A
Authority: KR
Inventors: 페르디난드 베르데커; 안드레아스 페슬
Original assignee: 이글버그만 저머니 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2022-02-07
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2024-07-25
Also published as: WO2023147991A1; DE102022102776B3

Abstract

본 발명은 베어링 챔버(8)에 대하여 무독성의 기체 상태의 공정 매체로 채워진 공정 챔버(6)를 밀봉하기 위한 메카니컬 씰 장치에 관한 것으로서, 제1 슬라이딩 면(20a)을 갖는 회전 슬라이드 링(20) 및 제2 슬라이딩 면(21a)을 갖는 고정 슬라이드 링(21), 상기 회전 및 고정 슬라이드 링들은 상기 제1 및 제 2 슬라이딩 면들(20a, 21a) 사이에 제1 씰링 갭(sealing gap)(22)을 형성하고, 상기 회전 및 고정 슬라이드 링들을 갖는 제1 메카니컬 씰(2); 제3 슬라이딩 면(30a)을 갖는 회전 슬라이드 링(30) 및 제4 슬라이딩 면(31a)을 갖는 고정 슬라이드 링(31), 상기 회전 및 고정 슬라이드 링들은 상기 제3 및 제4 슬라이딩 면들(30a, 31a) 사이에 제2 씰링 갭(32)을 형성하고, 이 링들을 갖는 제2 메카니컬 씰(3); 상기 제1 메카니컬 씰(2)의 상기 고정 슬라이드 링(21)을 축 방향(X-X)으로 프리스트레스하는 제1 프리텐션 장치(4); 상기 제2 메카니컬 씰(3)의 상기 고정 슬라이드 링(31)을 축 방향(X-X)으로 프리스트레스하는 제2 프리텐션 장치(5); 및 상기 제1 메카니컬 씰과 상기 제2 메카니컬 씰 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2 씰링 갭과 유체적으로 연결되는 유체 챔버;를 포함하고, 상기 유체 챔버는, 작동 중에, 상기 제1 씰링 갭을 통해 상기 공정 챔버로부터 누출을 받고, 이로부터 리턴 라인이 인출되고, 이로부터 상기 유체 챔버로부터 공정 영역으로 공정 매체의 리턴을 위해 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

슬립 링 씰 어셈블리

본 발명은 베어링(bearing)이 샤프트(shaft)를 지지하도록 배치된 베어링 챔버 및 압축기 장치(compressor arrangement)와 관련하여, 무독성 기체 매체로 채워진 공정 챔버(process chamber)를 밀폐하기 위한 가스-윤활 메카니컬 씰 장치(mechanical seal arrangement)에 관한 것이다.

메카니컬 씰 장치(mechanical seal arrangement)는 선행 기술로부터 다양한 설계로 알려져 있다. 2개의 메카니컬 씰이 샤프트(shaft, 축) 상에 직렬로 배열되고 2개의 메카니컬 씰 사이의 중간 공간에 배리어(barrier) 가스가 공급되는 이른바 탠덤(tandem) 설계는 가스 매체를 밀폐(sealing, 씰링)하는 것에 대해 그 자체로 증명되었다. 배리어 가스는 배리어 가스 장치에 의해 제공되며, 추가적인 구조적 노력 외에도 소정의 압력으로 공급되어야 하는 배리어 가스 생성으로 인해 장치가 작동하는 중에는 지속적인 운영 비용이 발생한다. 예를 들어, DE 10 2018 2080 519 A1은 배리어 가스로서 질소를 사용하는 배리어 가스 장치를 갖는 가스-윤활 메카니컬 씰 장치를 보여준다. 그러나, 최근에는 이산화탄소나 질소와 같이 환경에 무독성인 매체를 밀폐해야 하는 애플리케이션에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히 온실 효과를 줄이기 위해 주변 공기에서 이산화탄소를 제거하여 저수지 등에 저장하기 위해 압축하는 데 중점을 두고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 간단한 구조와 간단하고 저비용의 제조가능성 및 압축기 장치로 환경에 무독성인 기체 매체, 특히 CO₂ 또는 질소의 밀폐를 가능하게 하는 메카니컬 씰 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 메카니컬 씰 장치 및 청구항 10의 특징을 갖는 압축기 장치에 의해 달성된다. 종속항들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 특정한다.

베어링 챔버에 대하여 기체 상태의 무독성 매체로 충전되고 청구항 1의 특징을 갖는 공정 챔버를 밀폐하기 위한 본 발명에 따른 가스 윤활 메카니컬 씰 장치는 주변 압력이 우세한 베어링 챔버에 대하여 공정 챔버의 특히 비용 효율적이고 신뢰성 있는 밀폐가 가능하다는 이점을 제공한다. 회전 부품, 특히 샤프트 상에 밀폐를 가능하게 하기 위해 비용이 많이 드는 별도의 배리어 가스 장치가 제공될 필요가 없다. 따라서 본 발명에 따른 메카니컬 씰 장치는 특히 낮은 비용으로 제공될 수 있다. 이는 메카니컬 씰 장치가 제1 메카니컬 씰 및 제2 메카니컬 씰을 포함하는 점에서 본 발명에 따라 달성된다. 제1 메카니컬 씰은 슬라이딩 면들 사이의 제1 씰링 갭을 정의하는 회전 및 고정 슬라이드 링을 포함한다. 제2 메카니컬 씰은 슬라이딩 면들 사이의 제2 씰링 갭을 정의하는 회전 및 고정 슬라이드 링을 포함한다. 또한, 메카니컬 씰 장치는 제1 및 제2 프리텐션 장치를 포함한다. 제1 프리텐션 장치는 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링을 프리스트레스(prestress)하고 제2 프리텐션 장치는 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링을 프리스트레스한다. 유체 챔버가 제1 및 제2 메카니컬 씰 사이에 배치되고, 하우징 내의 리턴 라인이 나와서 기체 상태의 무독성 매체를 공정(process) 영역으로 돌아오도록 구성된다. 유체 챔버는 제1 및 제2 씰링 갭과 유체로 연결되고 작동 중에 공정 챔버에서 누출이 발생하면 제1 씰링 갭을 통해 빠져나간다. 제1 및 제2 메카니컬 씰은 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 배면(rear side)과 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 배면이 서로 반대 방향으로 정렬되는 방식으로 직렬로 배치된다. 또한, 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 내부 원주에 제1 단차가 형성된다. 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 최소 제1 내경(D1)은 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 최대 내경(D2) 보다 작다. 메카니컬 씰의 비작동 상태에서, 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 제1 내경(D1)은 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 최대 제2 내경(D2) 보다 작다. 메카니컬 씰의 비작동 상태에서, 제1 메카니컬 씰의 제1 씰링 갭은 개방되어 공정 가스(process gas)가 개방된 씰링 갭을 통해 공정 챔버로부터 제1 및 제2 메카니컬 씰 사이의 유체 챔버로 흐를 수 있도록 한다. 또한, 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 외부 원주에 제2 단차가 형성된다. 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 최소 제1 외경(D3)은 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 최대 제2 외경(D4) 보다 작다. 메카니컬 씰의 비작동 상태에서, 제2 메카니컬 씰의 제2 씰링 갭은 닫혀 있거나 누출이 거의 없다. 또한, 제1 메카니컬 씰의 제1 씰링 갭의 제1 누설 방향은 공정 챔버의 외부에서 유체 챔버의 내부로 연장되고, 제2 메카니컬 씰의 씰링 갭의 제2 누설 방향은 유체 챔버의 내부에서 베어링 챔버의 외부로 연장된다.

따라서, 메카니컬 씰 장치가 비작동 상태, 즉 메카니컬 씰 장치가 밀폐하는 회전 부품이 회전하지 않는 상태일 때, 제1 메카니컬 씰의 제1 씰링 갭이 개방되고 제2 메카니컬 씰의 제2 씰링 갭이 닫힌다. 누출된 공정 매체는 유체 챔버에서 리턴 라인을 통해 공정 챔버로 반환된다. 메카니컬 씰 장치의 비회전 상태에서, 제2 메카니컬 씰이 베어링 챔버에 대해 유체 챔버를 밀폐한다. 밀폐하고자 하는 회전 가능한 부품이 회전하는 상태에서, 양쪽 메카니컬 씰은 활성화 상태에 있다. 제 1 씰링 갭을 통해 공정 챔버로부터 유체 챔버 내로의 제1 소규모 누설 및 제 2 메카니컬 씰의 제2 씰링 갭을 통해 유체 챔버로부터 베어링 챔버로의 제2 소규모 누설이 존재한다. 따라서, 2개의 메카니컬 씰의 작동을 위한 별도의 배리어 매체가 필요하지 않고, 대신에, 제1 및 제2 메카니컬 씰이 공정 매체에 의해 윤활된다. 제1 메카니컬 씰의 제1 씰링 갭을 통한 누설의 상당 부분은 리턴 라인을 통해 공정 영역으로 복귀하고, 따라서 손실되지 않는다. 본 발명에 따르면, 기체 상태의 비독성 매체란 기체 응집체 상태의 매체 또는 초임계 상태의 매체를 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명에 따른 메카니컬 씰 장치는 또한 예를 들어 압축기 샤프트에 사용되는 경우 고속에서도 매우 우수한 밀폐 성능을 나타낸다. 제1 메카니컬 씰과 제2 메카니컬 씰 사이에 위치하는 유체 쳄버로부터 공정 영역으로의 리턴 라인의 배치로 인해, 첫 번째 누출의 상당 부분도 제1 씰링 갭을 통해 회수되어 공정으로 리턴될 수 있다. 작동 중에 유일하게 남아있는 누출은 제2 메카니컬 씰의 제2 씰링 갭을 통한 두 번째 누출이지만, 이 누출은 상대적으로 작다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 메카니컬 씰의 회전 슬라이드 링은 슬라이딩 면 상에 복수의 제1 이송 홈을 포함한다. 제1 이송 홈은 제1 메카니컬 씰의 회전 슬라이드 링의 외부 원주에 배치되는 것이 바람직하며, 초승달 모양으로 안쪽으로 연장되는 것이 바람직하다.

더 바람직하게는, 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링은 제2 이송 홈들을 포함한다. 바람직하게는, 제2 이송 홈은 내부 원주에서 외측으로 연장되고, 특히 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 내부 원주에서 외측으로 초승달 형태로 연장되도록 배치된다.

이송 홈들은 바람직하게는 제1 및 제2 메카니컬 씰의 모든 슬라이드 링들 상에 제공된다.

바람직하게는, 공정 챔버와 유체 챔버 사이의 제1 차압은 유체 챔버와 베어링 챔버 사이의 제2 차압보다 적어도 3배 이상 높다. 바람직하게는, 제1 차압은 제2 메카니컬 씰에서 제2 차압보다 적어도 5배, 특히 적어도 10배 높다.

또한, 바람직하게는, 작동 중에, 제1 메카니컬 씰의 제1 씰링 갭을 통한 제1 누설량은 제2 메카니컬 씰의 제2 씰링 갭을 통한 제2 누설량보다 적어도 2배 크다.

바람직하게는, 제1 및 제2 메카니컬 씰이 공통 슬리브 상에 배치된다.

공정 매체는 바람직하게는 이산화탄소 또는 질소이다. 또는, 공정 매체는 냉매, 예를 들어 R134a 또는 R245fa이다.

더욱 바람직하게는, 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 제1 내경(D1)은 다음 부등식에 의해 정의된 범위 내에 있다.

0.8 x D2 ≤ D1 < D2, 여기서 D2는 최대 제 2 내경이다.

특히, D1은 0.9 x D2 ≤ D1 < D2의 범위에 있다.

즉, 제1 내경(D1)은 고정 슬라이드 링의 제2 내경(D2) 보다 최대 20% 작은 범위에 있다.

더욱 바람직하게는, 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 제1 외경(D3)은 다음 부등식에 의해 정의된 범위 내에 있다.

0.8 x D4 ≤ D3 < D4, 여기서 D4는 최대 제2 외경이다.

특히, D3는 0.9 x D4 ≤ D3 < D4의 범위에 있다.

이는 제1 외경(D3)이 제2 메카니컬 씰의 제2 외경(D4)의 80%에서 외경(D4)까지의 범위에 있음을 의미한다. 특히, 이를 통해 제2 메카니컬 씰에 작용하는 폐쇄력을 조정할 수 있다. 특히, 이는 제2 기계적 시일 상에 작용하는 폐쇄력이 적응될 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 기체 매체를 압축하기 위하여, 압축기와 본 발명에 따른 메카니컬 씰 장치를 포함하는 압축기 장치에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면은 다음과 같다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메카니컬 씰 장치의 개략적인 단면도이다.
도2는 제1 메카니컬 씰의 회전 슬라이드 링의 슬라이딩 면의 개략적인 평면도이다.
도3은 제 1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 슬라이딩 면의 개략적인 평면도이다.
도4는 제2 메카니컬 씰의 회전 슬라이드 링의 슬라이딩 면의 개략적인 평면도이다.
도5는 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 슬라이딩 면의 개략적인 평면도이다.

도1 내지 도5를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메카니컬 씰 장치(1)를 이하에서 상세히 설명한다.

메카니컬 씰 장치(1)는 베어링 챔버(8)에 대해 공정 챔버(6)를 밀봉한다. 샤프트(18)가 지지되는 베어링(80)이 베어링 챔버(8)에 배치된다.

메카니컬 씰 장치(1)는 2개의 메카니컬 씰, 즉 제1 메카니컬 씰(2) 및 제2 메카니컬 씰(3)을 포함한다. 2개의 메카니컬 씰(2, 3)은 베어링 챔버(8)에 대해 공정 챔버(6)를 밀봉하도록 직렬로 배치된다. 이것은 소위 이중 씰이다.

공정 챔버(6)에는 이산화탄소(CO₂) 또는 질소와 같이 환경에 무독성인 기체 매체가 존재한다.

제1 메카니컬 씰(2)은 제1 슬라이딩 면(20a)을 갖는 회전 슬라이드 링(20) 및 제2 슬라이딩 면(21a)을 갖는 고정 슬라이드 링(21)으로 구성된다. 제1 씰링 갭(22)은 두 슬라이딩면(20a, 21a) 사이에 형성된다. 회전 슬라이드 링(20)은 제1 드라이버 소자(23)에 의해 회전 설정된다.

제2 메카니컬 씰(3)은 제3 슬라이딩 면(30a)을 갖는 회전 슬라이드 링(30) 및 제4 슬라이딩 면(31a)을 갖는 고정 슬라이드 링(31)을 포함한다. 제2 씰링 갭(32)이 두 개의 슬라이드 면(30a, 31a) 사이에 형성된다. 제2 메카니컬 씰(3)의 회전 슬라이드 링(30)은 제2 드라이버 요소(33)에 의해 회전하도록 설정된다.

제1 메카니컬 씰(2)과 제2 메카니컬 씰(3)은 샤프트(18)에 고정되는 공통 슬리브(11)에 배치된다. 메카니컬 씰은 관통 구멍 없이 구성된다.

도1에서도 알 수 있듯이, 제1 메카니컬 씰(2)과 제2 메카니컬 씰(3)의 배치는 제1 메카니컬 씰(2)의 고정 슬라이드 링(21)의 배면(21b)이 제2 메카니컬 씰(3)의 고정 슬라이드 링(31)의 배면(31b)을 향하도록 되어 있다. 제1 메카니컬 씰(2)의 고정 슬라이드 링(21)과 제2 메카니컬 씰(3)의 고정 슬라이드 링(3)은 하우징(15)에 고정된다.

제1 메카니컬 씰(2)의 고정 슬라이드 링(21)은 제1 프리텐션 장치(4)에 의해 메카니컬 씰 장치(1)의 축 방향 X-X로 프리스트레스된다. 제2 메카니컬 씰(3)의 고정 슬라이드 링(31)은 제2 프리텐션 장치(5)에 의해 축 방향 X-X로 프리스트레스된다. 이 예시적인 실시예에서, 프리텐션 장치는 고정 슬라이드 링(21, 31)의 배면에 원주를 따라 배열된 여러 개의 실린더 스프링이다.

도1에서도 볼 수 있듯이, 유체 챔버(7)가 제1 메카니컬 씰(2)과 제2 메카니컬 씰(3) 사이에 형성된다. 리턴 라인(9)은 유체 챔버(7)로부터 다시 압축기(10)로 이어지며, 이는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 따라서 유체는 리턴 라인(9)을 통해 공정 영역의 방향으로 압축기(10)로 다시 공급될 수 있다.

도2 및 도3에서 볼 수 있듯이, 제1 메카니컬 씰(2)의 회전 슬라이드 링(20)에 다수의 제1 이송 홈(12)이 제공된다. 제1 이송 홈(12)은 회전 슬라이드 링(20)의 외주로부터 내측으로 초승달 형상으로 연장된다. 고정 슬라이드 링(21)의 슬라이딩 면(21a)에는 홈이 형성되지 않는다.

도4 및 도5에서도 알 수 있듯이, 제2 메카니컬 씰(3)의 회전 슬라이드 링(30)에는 이송 홈이 형성되어 있지 않다. 한편, 고정 슬라이드 링(31)에는 제2 이송 홈(13)이 형성되어 있다. 제2 이송 홈(13)은 고정 슬라이드 링(31)의 내부 원주로부터 초승달 모양으로 외측으로 연장된다.

따라서, 제1 메카니컬 씰(2)에서, 제1 씰링 갭(22)을 가로지르는 이송 방향은 반경 방향(radially) 바깥쪽에서 반경 방향 안쪽으로 향한다. 이는 도1에서 제1 누출 방향(16)으로 표시된다(화살표). 제2 메카니컬 씰(3)에서 제2 누출 방향(17)은 반경 방향 안쪽에서 반경 방향 바깥쪽으로 향하며, 반경 방향 바깥쪽으로의 이송 방향은 제2 이송 홈(13)에 의해 정의된다.

도1에서도 알 수 있듯이, 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링(21)은 내부 원주 상에 제1 단차(41)을 포함한다. 제1 메카니컬 씰(2)의 고정 슬라이드 링(21)의 최소 제1 내경(D1)은 제1 메카니컬 씰(2)의 고정 슬라이드 링(21)의 최대 제2 내경(D2)보다 작다. 이는 샤프트(18)가 회전하지 않을 때, 즉 압축기(10)가 작동하지 않을 때, 제1 씰링 갭(22)이 열린 상태로 유지되도록 보장한다.

제2 메카니컬 씰(3)에서, 제2 단차(42)는 제2 메카니컬 씰(3)의 고정 슬라이드 링(31)의 외부 원주에 형성된다. 고정 슬라이드 링(31)의 최소 제1 외경(D3)은 제2 메카니컬 씰(3)의 고정 슬라이드 링(31)의 최대 제2 외경(D4)보다 작다. 제2 프리텐션 장치(5)의 스프링 힘을 사용하여, 압축기(10)가 정지 상태일 때, 즉 샤프트(18)가 회전하지 않을 때 제2 씰링 갭(32)이 닫히거나 거의 닫히도록 보장된다. 즉, 두 슬라이딩 면(30a, 31a)이 서로 접촉하여 제2 메카니컬 씰(3)을 완전히 또는 거의 완전히 밀봉하여 유체 챔버(7)로부터 베어링 챔버(8) 방향으로 유체가 전혀 또는 거의 흘러나오지 않도록 한다.

따라서 샤프트(18)가 회전할 때 메카니컬 씰 장치(1)가 작동하는 동안 공정 챔버(6)에서 유체 챔버(7)로, 유체 챔버(7)에서 베어링 챔버(8)로 누출이 발생한다. 도1에서 볼 수 있듯이, 제1 씰링 갭(22)과 제2 씰링 갭(32)을 통한 유동 방향은 반경 방향(radial direction)으로 서로 반대이다. 즉, 제1 씰링 갭(22)을 통한 유동 방향은 반경 방향 내측(화살표 16)인 반면, 제2 씰링 갭(32)에서의 유동방향은 작동 중 반경 방향 외측(화살표 17)이다.

제1 메카니컬 씰(2) 및 제2 메카니컬 씰(3)은 압축기(10)의 작동 중에 일반적인 방식으로 밀봉되지만, 제1 메카니컬 씰(2) 및 제2 메카니컬 씰(3)의 씰립 갭을 통한 누출량은 서로 다르다. 제1 메카니컬 씰(2)의 제1 씰링 갭(22)을 통한 누설량은 제2 메카니컬 씰(3)의 제2 씰링 갭(32)을 통한 누설량보다 훨씬 더 많다. 또한, 제1 씰링 갭(22)을 통해 공정 챔버(6)에서 유체 챔버(7)로 유입되는 누출은 리턴 라인(9)을 통해 압축기(10)로 돌아온다. 도1의 화살표(19)는 유체 챔버(7)에서 공정 영역을 향하는 리턴 흐름의 방향을 압축기(10)로 나타낸다. 이는 많은 양의 누출이 제1 기계적 씰(2)을 통해 회수되어 반환된 기체 공정 매체의 압력 수준에 해당하는 적절한 지점에서 압축기(10)로 재유입될 수 있음을 의미한다. 유체 챔버(7)에서 제2 메카니컬 씰(3)의 제2 씰링 갭(32)을 통해 베어링 챔버(8)로 빠져나가는 누출은 공정 매체가 환경에 무독성 기체이므로 문제 없이 환경으로 방출될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 메카니컬 씰 장치(1)는 제1 메카니컬 씰(2) 및 제2 메카니컬 씰(3)의 배리어(barrier, 차단) 매체로서도 공정 매체를 사용한다. 이는 메카니컬 씰들을 위한 배리어 매체를 제공하기 위해 일반적으로 메카니컬 씰들 내에 존재하는 별도의 배리어 유체 장치가 제공될 필요가 없음을 의미한다. 이는 메카니컬 씰 장치(1)의 비용을 크게 감소시킨다.

따라서 본 발명은 베어링 챔버(8)로부터 공정 챔버(6)를 밀봉하는 자체 공급 베어링 씰을 제공한다. 메카니컬 씰 장치(1)가 작동하는 동안, 공정 매체는 두 메카니컬 씰(2, 3)에 베리어 유체를 제공한다. 메카니컬 씰 장치(1)가 작동하지 않을 때, 제1 메카니컬 씰(2)의 제1 씰링 갭(22)은 개방되고 제2 메카니컬 씰(3)의 제2 씰링 갭(32)은 제2 프리텐션 장치(5)의 스프링 힘과 고정 메카니컬 슬라이드 링(31) 상의 제1 외경(D3)과 제2 외경(D4) 사이의 직경 차이에 의해 폐쇄되거나 실직적으로 폐쇄된다. 이는 제1 씰링 갭(22)을 통해 누출로 유체 챔버(7)로 진입한 공정 매체가 베어링 챔버(8)로 빠져나가는 것을 방지하거나 유체 챔버(7)에서 베어링 챔버(8) 방향으로의 최소한의 누설만이 발생하도록 한다.

제2 메카니컬 씰(3)의 제2 누출 방향(17)이 방사상 안쪽에서 방사상 바깥쪽으로 향하는 것도 베어링(80)을 윤활하는 데 필요한 베어링 챔버(8)의 오일이 유체 챔버(7)로 유입되는 것을 방지한다.

따라서 본 발명은 베어링을 밀봉하기 위한 매우 비용 효율적인 메카니컬 씰 장치(1)를 제공하며, 배리어 매체를 공급하기 위한 공급 유닛이 완전히 생략될 수 있다. 밀봉할 공정 매체는 두 메카니컬 씰 모두에서 배리어 매체로 사용된다. 공정 매체는 이산화탄소 또는 질소와 같이 환경에 무독성인 가스 또는 R134a 또는 R245와 같은 냉매일 수 있으므로, 작동 중 제2 씰링 갭(32)을 통한 공정 매체의 누출은 중요하지 않다.

두 개의 고정 슬라이드 링(21, 31)의 두 배면(21b, 31b)이 연속적으로 배치되어 있어 특히 컴팩트한 설계를 실현할 수 있다. 리턴 라인(19)은 제1 및 제2 메카니컬 씰(2, 3) 사이로 연장된다 (도1 참조). 또한, 본 발명에 따른 메카니컬 씰 장치(1)는 추가적인 래버린스(labyrinth) 씰 또는 립(lip) 씰 등을 필요로 하지 않는다. 또한, 관통 보어(bore) 등 없이 제1 및 제2 메카니컬 실(2, 3)의 모든 슬라이드 링을 설계할 수도 있다. 이는 특히 메카니컬 씰들(2, 3)의 제조에서 큰 비용 이점을 얻을 수 있다.

본 발명에 대한 상기 서술에 더하여, 보충적인 개시를 위해 도1 내지 도5에 도시된 본 발명의 그래픽 표현을 명시적으로 참조한다.

1 메카니컬 씰 장치(mechanical seal arrangement)
2 제1 메카니컬 씰(first mechanical seal)
3 제2 메카니컬 씰(second mechanical seal)
4 제1 프리텐션 장치(first pretensioning device)
5 제2 프리텐션 장치(second pretensioning device)
6 공정 챔버(process chamber)
7 유체 챔버(fluid chamber)
8 베어링 챔버(bearing chamber)
9 리턴 라인(return line)
10 압축기(compressor)
11 슬리브(sleeve)
12 제1 이송 홈(first conveying grooves)
13 제2 이송 홈(second conveying grooves)
15 하우징(housing)
16 제1 누출 방향(first leakage direction)
17 제2 누출 방향(second leakage direction)
18 샤프트(shaft)
19 리턴 흐름 방향(return flow direction)
20 회전 슬라이드 링(rotating slide ring)
20a 제1 슬라이딩 면(first sliding surface)
21 고정 슬라이드 링(stationary slide ring)
21a 제2 슬라이딩 면(second sliding surface)
21b 고정 슬라이드 링(21)의 배면(rear side of the stationary slide ring 21)
22 제1 씰링 갭(first sealing gap)
23 제1 드라이버 요소(first driver element)
30 회전 슬라이드 링(rotating slide ring)
30a 추가적인 슬라이딩 면(additional sliding surface)
31 고정 슬라이드 링(stationary slide ring)
31a 고정 슬라이딩 면(stationary sliding surface)
31b 고정 슬라이드 링(31)의 배면(rear side of the stationary slide ring 31)
32 제2 씰링 갭(second sealing gap)
33 제2 드라이버 요소(second driver element)
41 제1 단차(first step)
42 제2 단차(second step)
80 베어링(bearing)
D1 고정 슬라이드 링(21)의 최소 제1 내경(minimum first inner diameter of the stationary slide ring 21)
D2 고정 슬라이드 링(21)의 최대 제2 내경(maximum second inner diameter of the stationary slide ring 21)
D3 고정 슬라이드 링(31)의 최소 제1 외경(minimum first outer diameter of the stationary slide ring 31)
D4 고정 슬라이드 링(31)의 최대 제2 외경(maximum second outer diameter of the stationary slide ring 31)
X-X 축 방향(axial direction)

Claims

베어링 챔버에 대하여 무독성 가스 공정 매체로 채워지고, 공정 챔버를 밀봉하기 위한 메카니컬 씰 장치에 있어서,
제1 슬라이딩 면을 갖는 회전 슬라이드 링 및 제2 슬라이딩 면을 갖는 고정 슬라이드 링을 갖고, 상기 제1 및 제2 슬라이딩 면들 사이에 제1 씰링 갭을 정의하는, 제1 메카니컬 씰;
제3 슬라이딩 면을 갖는 회전 슬라이드 링 및 제4 슬라이딩 면을 갖는 고정 슬라이드 링을 갖고, 상기 제3 및 제4 슬라이딩 면들 사이에 제2 씰링 갭을 정의하는, 제2 메카니컬 씰;
상기 제1 메카니컬 씰의 상기 고정 슬라이드 링을 축 방향(X-X)으로 프리스트레스(prestress)하는 제1 프리텐션 장치;
상기 제2 메카니컬 씰의 상기 고정 슬라이드 링을 축 방향(X-X)으로 프리스트레스 하는 제2 프리텐션 장치; 및
상기 제1 메카니컬 씰과 상기 제2 메카니컬 씰 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2 씰링 갭과 유체적으로 연결되는 유체 챔버;를 포함하고,
상기 유체 챔버는, 작동 중에, 상기 제1 씰링 갭을 통해 상기 공정 챔버로부터 누출을 받고, 이로부터 리턴 라인이 인출되고, 이로부터 상기 유체 챔버로부터 공정 영역으로 공정 매체의 리턴을 위해 구성되고,
상기 제1 메카니컬 씰과 상기 제2 메카니컬 씰은 상기 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 배면과 상기 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 배면이 서로 마주보도록 배치되고,
상기 제1 메카니컬 실의 고정 슬라이드 링은 상기 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 최소 제1 내경(D1)이 제1 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 최대 제2 내경(D2)보다 작도록 내부 원주에 제1 단차를 포함하고,
상기 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링은 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 최소 제1 외경(D3)이 제2 메카니컬 씰의 고정 슬라이드 링의 최대 제2 외경(D4)보다 작도록 외부 원주 상에 제2 단차를 포함하고,
상기 제1 메카니컬 씰의 제1 씰링 갭이 상기 메카니컬 씰 장치의 비작동 상태에서 개방되어, 공정 매체가 상기 개방된 제1 씰링 갭을 통해 상기 공정 챔버에서 상기 유체 챔버 내로 유동할 수 있고, 상기 제2 메카니컬 씰의 제2 씰링 갭은 폐쇄되고,
상기 제1 씰링 갭 내의 제1 누출 방향은 상기 공정 챔버의 외측으로부터 상기 유체 챔버의 내측으로 연장되고, 상기 제2 씰링 갭 내의 제2 누출 방향은 상기 유체 챔버 내측으로부터 상기 베어링 챔버의 외측으로 연장되는 것을 특징으로 하는,
메카니컬 씰 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 메카니컬 씰의 상기 회전 슬라이드 링은 제1 이송 홈들을 포함하는 것인, 메카니컬 씰 장치.
제2 항에 있어서,
상기 제1 이송 홈들은 상기 제1 메카니컬 씰의 상기 회전 슬라이드 링의 상기 외부 원주로부터 내측으로 연장되는 것인, 메카니컬 씰 장치.
전술한 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 메카니컬 씰의 상기 고정 슬라이드 링은 제2 이송 홈들을 포함하는 것인, 메카니컬 씰 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제2 이송 홈들은 상기 제2 메카니컬 씰의 상기 고정 슬라이드 링의 상기 내부 원주로부터 외측으로 연장되는 것인, 메카니컬 씰 장치.
전술한 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
상기 공정 챔버와 상기 유체 챔버 사이의 제1 차압은 상기 유체 챔버와 상기 베어링 챔버 사이의 제2 차압보다 적어도 3배 이상 높은 것인, 메카니컬 씰 장치.
전술한 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 메카니컬 씰의 상기 제1 씰링 갭을 통한 상기 공정 매체의 누출량은 상기 제2 메카니컬 씰의 상기 제2 씰링 갭을 통한 상기 유체 챔버에서 상기 베어링 챔버로의 상기 공정 매체의 누출량보다 적어도 2배 더 큰 것인, 메카니컬 씰 장치.
전술한 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 메카니컬 씰 및 상기 제2 메카니컬 씰은 공통 슬리브 상에 배치되는 것인, 메카니컬 씰 장치.
전술한 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
이산화탄소. 질소 또는 냉매는 상기 공정 챔버에 기체 상태의 공정 매체로 존재하고, 상기 메카니컬 씰 장치는 상기 베어링 챔버에 대해 상기 공정 챔버를 밀봉하도록 배치되는 것인, 메카니컬 씰 장치.
전술한 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 메카니컬 씰의 상기 고정 슬라이드 링의 상기 제1 내경은 0.8 x D2 ≤D1 ＜ D2 의 범위에 있고/있거나,
상기 제2 메카니컬 씰의 상기 고정 슬라이드 링의 상기 제1 외경은 0.8 x D4 ≤D3 < D4 의 범위에 있는 것인, 메카니컬 씰 장치.
압축기의 샤프트를 지지하는 베어링을 갖는 베어링 챔버에 대한 공정 챔버를 밀봉하기 위해, 압축기 및 전술한 청구항들 중 어느 하나에 따른 메카니컬 씰 장치를 포함하는, 기체 공정 매체를 압축하기 위한 압축기 장치.