KR920006628B1 - 자기단면 밀봉장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

자기단면 밀봉장치

제1도는 종래의 자기단면 밀봉장치를 결합시킨 것으로서, 축을 지지하고 있는 베어링 하우징을 도시한 단면도.

제2도는 본 발명의 자기단면 밀봉장치를 결합시킨 것으로서, 축을 지지하고 있는 베어링 하우징을 도시한 단면도.

제3도는 본 발명의 자기단면 밀봉장치의 확대 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 회전축 17 : 큰구멍

42 : 회전링 어셈블리 43 : 받침링

44 : 면링 45 : 밀봉면

46 : O-링 52 : 고정링

53 : 밀봉면 55 : 중간환상턱

58 : 환상플랜지 61 : 환상받침부재

62 : 외측환상면 63, 64 : 구멍

본 발명은 특히 베어링 보호장치로서 사용되는 자기단면 밀봉장치에 관한 것이다.

종래로부터 다종의 펌프에 있어 베어링 프레임을 외부의 오물로 부터 격리 밀봉하기 위하여 팁 파이프(tip-type), 또는 태비린드 타이프(tabyrinth-type)의 밀봉장치가 사용되었으나, 이리한 밀봉장치는 여러가지 문제점을 가지는 것으로 판명되었다.

즉, 베어링 프레임과 회전축간에 자기타이프(magnetic type)의 기계적 단면 밀봉장치를 사용하려는 시도로서, 제1도에 도시한 바와같은 장치가 제시되어 공기밀폐 특성을 개선한 바 있으나, 이리한 종래의 자기타이프 단면 밀봉장치는 그의 적용범위가 심각하게 제한되는 단점을 여전히 지니고 있으며, 이러한 단점으로서는, 예컨대 베어링 하우징의 구멍속으로 자석을 삽입 설치하기 위해서 별도의 격리물을 필요로 함으로써 장치의 구조가 복잡하고 제작비가 상승되고, 포 상기한 격리물로서 탄성 O-링을 사용하여 자석을 탄성O-링내에 삽입 밀봉하기 때문에, 삽입시에 탄성 O-링이 말리거나 뒤틀림으로써 탄성O-링이 기울어지거나 위치를 이탈하면 밀봉장치의 작동을 방해하게 되는 것등이 있다. 또한, 종래의 자기타이프 단면 밀봉장치는 대향한 밀봉링간에 환상의 공간을 형성하기 때문에 오일이 그 안으로 유입되며, 유입된 오일은 베어링의 기름받이등으로 배출되지 않아서 결국 밀봉면 사이로 누출된다(종래의 자기타이프 단면 밀봉장치에 관한 미합중국 특허 제2,843,403호, 제3,050,319호, 제3,080,170호 및 제3,788,650호 참조).

따라서, 본 발명은 상기한 종래장치의 문제점들을 해소시킬 수 있는 개선된 자기단면 밀봉장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 자기단면 밀봉장치를 다음과 같이 구성하였다. 즉, 본 자기단면 밀봉장치는 베어링 하우징의 구멍에 삽입하여 고정 설치되는 고정 밀봉링(일명, 고정자로서 자기흡인재로 된것임)과, 자성물질로 된 것으로서 축상에 결합 설치되어 고정 밀봉링의 단면과 자기적으로 밀봉 접속되고 밀봉면이 구비된 회전 밀봉링 등으로 구성하였고, 고정 밀봉링을 견고한 비자성 물질로 된 받침링상에 설치한 다음에 베어링 프레임의 구멍속으로 삽입함으로써 고정 밀봉링을 직접적이고 견고하게 베어링 프레임의 구멍내로 밀봉 삽입시키는 한편, 고정 밀봉링이 콕킹(cocking)되거나 직립이탈하는 것을 방지하였다.

이제부터 제1도와 제2도 및 제3도에 따라 설명하기로 한다.

먼저, 종래의 자기단면 밀봉장치를 부설한 축 지지용 베어링 하우징을 도시한 제1도에 따라 설명한다. 종래의 베어링 장치에는 축선(13)의 둘레를 회전하는 회전축(12)을 회전자재하게 지지하는 베어링 하우징(또는 베어링 프레임)(1l)을 포함한다. 종래의 감마찰 베어링(anit-friction bearing)(14) 및 (15)도 회전축(12)을 회전자재하게 지지한다. 베어링 하우징(11)에는 베어링에 윤활유를 공급하는 오일저장실(16)이 부설되었다. 베어링 하우징(11)의 단면(18)에는 큰구멍(17)이 외부쪽으로 뚫려져 있으므로, 이를 통하여 회전축(12)이 외부로 돌출된다. 종래의 자기타이프의 기계적 자기단면 밀봉장치(19)는 회전축(12)과 고정된 베어링 하우징(11) 사이에서 윤활작용을 하는 오일저장실(16)을 주위공기로 부터 격리되게 밀봉한다.

이러한 종래의 자기단면 밀봉장치(19)는 회전링(회전자) 어셈블리(21)를 포함하며, 회전링 어셈블리(21)는 베어링 하우징(11)의 외측에 배치되어 회전축(12)을 둘러싸는 받침링(22)을 포함한다. 이 받침링(22)은 종래의 탄성체 O-링(23)을 이용하여 회전축(12)과 밀착되어 구동된다. 받침링(22)에는 내부에 환상홈을 형성하여, 이 환상홈내에 통상 탄소로 형성한 면링(face ring)(24)을 내장하는 것이다. 이러한 면링(24)은 받침링(22)의 내측 축단면을 지나서 축상 내부로 돌출하며, 받침링(22)의 내부 축단부에는 환상의 밀봉면(25)을 형성하고, 이 밀봉면(25)은 통상 중심축(13)에 대하여 직각인 평면을 이룬다.

베어링 하우징(1l)의 외측 큰구멍(17)내에 고정되어 설치하므로써, 이 베어링 하우징(11)을 밀봉하는 고정링(고정자)(27)은 자기단면 밀봉장치(19)에 결합된다. 이러한 고정링(27)의 축상 외측 단면상에 형성되는 밀봉면(26)과, 이 밀봉면(26)과 대향하는 밀봉면(25)이 비교적 회전자재하게 서로 접촉됨과 동시에 서로 밀봉관계를 이룬다.

고정링(27)은 자석이어야 하므로 자화 가능한 재료로 만든다. 그러나, 받침링(22)은 자기흡인재(즉, 강과 같은 동상의 페라이트재)로 형성하였으므로, 이 받침링(22)이 영구자석인 고정링(27)쪽으로 축상의 내측으로 흡인되므로써 대향하는 밀봉면(26)과 밀봉면(26)이 서로 완전 밀착하게 된다.

통상 "삽입물"로 지칭되는 고정링(27)은, 이 고정링(27)을 둘러싸는 중간링(28)을 통하여 베어링 하우정(11)에 고정되게 큰구멍(17)의 내벽면에 밀착되는 것이다. 상기 중간링(28), 예컨대 주조철 또는 강과 같은 페라이트재로 된 베어링 하우징(11)으로 부터 고정링(27)을 격리시키는 격리소자로서의 역할로 수행한다.

고정링(27)과 베어링 하우징(11)사이를 밀봉시키기 위하여 통상적으로 탄성체로 된 O-링(29)을 설치한다. 그러나, 중간링(28)의 안쪽에 고정링(27)을 삽입함으로 인하여 O-링(29)이 압축 및 축상으로 이동되기 때문에, O-링(29)의 뒤틀림으로 인하여 "탄성반력"이 야기된다. 이러한 현상은 고정링(27)을 현저하게 콕킹(cocking)시키거나 기울어지게 함으로써, 고정링(27)의 밀봉면(26)이 회전축(12)의 중심축(13)에 대하여 바람직한 직각관계를 더이상 이루지 못하는 현상(소위 "직립이탈")을 빗게 되는 문제점이 있었다.

또한, 제1도의 종래장치에는 회전축(12)과 고정링(27)사이에 환상간극통로(31)가 마련되고, 이 환상간극통로(31)의 내측을 오일저장실(16)과 연통시켰으므로 오일이 환상간극통로(31)속으로 튕겨질 수 있게하되, 받침링(22)과 고정링(27)사이에 형성되어 방사상 외측으로 돌출된 환상홈(32)에서 환상간극통로(31)의 축상외측 단부에 끝나며, 이러한 환상홈(32)은 밀봉면(26)의 내경이 밀봉면(25)의 내경보다 작게 형성함으로써 면링(24)에 의해 둘러싸이기 때문에, 환상간극통로(31)속으로 튕겨진 오일이 환상홈(32)에 수집되면 오일이 오일저장실(16)로 다시 흘러들어가는 것이 어렵게 되므로, 이러한 오일중 일부는 필연적으로 밀봉면(25) 및 (26)사이로 새어나가는 심각한 문제점도 노출되었다.

이제부터 베어링 하우징(11)과 회전축(12)사이에 설치되어 작용하는 본 발명에 따른 개량된 자기단면 밀봉장치(41)를 제2도 및 제3도를 참조하여 설명하기로 한다.

자기단면 밀봉장치(41)는 회전축(12)을 둘러싸여 밀봉하는 회전링(회전자) 어셈블리(42)를 포함한다. 이 회전링 어셈블리(42)는 면링(44)과 받침링(43)을 포함하며, 면링(44)은 통상 탄소로 형성하는 것이다. 상기받침링(43)은 면링(44)을 지나서 축상 돌출하면, 면링(44)의 내측 축상 단면이 밀봉면(45)과 접한다. 이 밀봉면(45)은 종래의 것과 동일하게 축선(13)에 대하여 직각으로 연장된다. 또한, 탄성체로 된 O-링(46)(예, Viton 또는 Buna"N")은 면링(44)내의 홈에 내장되어 회전링 어셈블리(42)를 회전축(12)상에 밀착되게 한다.

받침링(43)과 면링(44)은 서로간의 간성부 또는 압착 고정부가 구비되어 있어서 서로 고정되게 결합된다. 받침링(43)은 자화 가능성 물질로서, 그 소재료는 예컨대 바륨 폐라이트(세라믹)와, 알니코(Alnico) 5, 알니코 8 및 플라스틱을 기본 재료로 하고, 네오디뮴(neodymium)을 함유시킨 것등이 있다. 본 실시예에서는 받침링(43)의 자성재료로서 알니코 5를 사용하였다.

회전링 어셈블리(42)는 베어링 하우징(11)의 큰구멍(17)중 개구부내에 밀착되게 설치된 고정링 어셈블리(51)와 상호 작용한다. 이 고정링 어셈블리(51)는 고정링(일명, 삽입물)(52)을 포함하며, 이 고정링(52)의 외측면상에 형성된 밀봉면(53)은 중심축(13)에 직각인 평면으로서, 대향하는 밀봉면(45)과 미끌어지면서 접촉하는 접속관계를 유지한다.

상기 고정링(52)은 자기흡인재로서 받침링(43)과 협동하며, 서로간에 강력한 축방향의 자기흡인력을 발휘하므로 대향하는 밀봉면(45)와 (53)이 서로 접속된체로 유지된다. 따라서, 고정링(52)은 통상적인 강으로 만들수도 있고, 이리한 강의 기본 소재에다가 표면보호처리, 예컨대 니켈-크롬 보호막 처리 또는 산화크롬보호막 처리를 하면 더욱 바람직하다.

고정링(52)의 외측 환상벽은 축상에서 돌출한 것같은 계단형으로 하였으며, 본 실시예에서 그러한 계단은 2개이다. 좀더 구체적으로 설명하면, 고정링(52)의 외측 환상벽(54)은 그 내측 단면으로 부터 축상 돌출하여 방사상 외측으로 돌출한 축상 중간 환상턱(55)에서 끝난다. 이 중간 환상턱(55)은 외측 환상벽(54)의 직경 보다는 크고 큰구멍(17)보다는 작은 또 하나의 환상벽(56)과 연결되고, 이 환상벽(56)은 축상에서 돌출하여 제2의 환상턱(57)과 연결되었으며, 제2의 환상턱(57)은 다시 방사상으로 돌출한다. 이리한 환상턱(57)은 결국 환상플랜지(58)를 형성하게 되고, 이 환상플랜지(58)는 베어링 하우징(1l)의 하우징 단부벽(18)에 방사상으로 겹쳐질 수 있는 정도까지 외측으로 돌출한다.

따라서, 환상턱(57)이 하우징 단부벽(18)에 지지되고, 이 환상턱(57)은 고정링(52)울 둘러싸는 환상받침부재(61)상에 고정되게 설치되었으며, 이 화상받침부재(61)는 단면이 블록형으로서 그 내측 관상벽은 고정링(52)의 외측 환상벽(54)에 고정적으로 밀착되어 있으며, 환상받침 부재(61)와 고정링(52) 사이에 간섭물이나 압착 접합물을 마련하여 서로 접속시키는 것이 바람직하다. 환상받침부재(61)의 외측 축상 단면은 중간 환상턱(55)에 밀착된다.

환상받침부재(61)의 외측 환상벽(62)은 축상의 내측에서 외측단부로 갈수록 직경이 증가한다. 즉, 이러한 외측 환상벽(62)중에서 환상받침부재(61)의 내측단부(제3도상 좌측단부)에 인접한 부분은 직경이 큰구멍(17)의 직경보다 작으나, 제3도상 좌측에서 우측으로 갈수록 외측 환상벽(62)의 직경은 외측 환상벽 자체의 축상 폭의 약 1/3에 도달할때까지 점진적으로 증가하여 최대직경에 도달했을때 환상받침부재(61)가 변형되지 않으면 큰구멍(17)의 직경보다 다소 크다. 상기 최대직경은 외측 환상벽(62)이 남은 폭으로 축상 연장되는 동안 동일하게 유지된다. 변형되지 않았을때 외측 환상벽(62)의 최대직경이 큰구멍(17)의 직경보다 큰것은 수치적으로 약 0.005 내지 약 0.011인치 정도이며, 이러한 차이의 크기가 환상받침부재(61)의 크기에 따라 가변할 것은 당연하다.

환상받침부재(61)의 소재로서는 극히 제한된 탄성도만을 갖도록 경도가 최소한 A95 이상인 견고한 플라스틱 또는 합성수지재를 선택적으로 사용한다. 따라서, 큰구멍(17)속으로 환상받침부재(61)를 삽입할때, 축상단부 인접 부위만이 극히 제한적으로 압축되고, 이 압축으로 인하여 고정링(52)에 밀착되어 베어링 하우징(11)과의 밀봉에만 기여하므로, 환상받침부재(61)가 불룩하게 튀어(축상으로 부풀어오로는 것)나오지 않기 때문에 고정링(52)과 이 고정링(52)의 밀봉면(53)이 중심축(13)에 대하여 정확히 직각을 유지할 수 있게 된다.

환상받침부재(61)의 소재는 마찰계수가 메우 낮아야만이 큰구멍(17)속으로 삽입하기 용이하고, 말리거나 불룩해지는 겻을 최소화 할 수 있다.

본 실시예에서는 환상받침부재(6l)의 소재로서, 테플론(Teflon), 예컨대 그라파이트(graphite)를 충전한 테플론, 포는 유리를 충전한 테플론을 사용하였다. 물론, 테플론과 유사한 특성을 갖는 다른 소재도 사용할수 있으며, 예를들면, 라이톤(Ryton)을 들 수 있으나, 소재는 쇼어(shore) A경도가 적어도 95이상이어야 하고, 확장구멍(11)에 압축삽입할때 축상으로 부풀어오로는 정도는 0.002인치 미만으로 작아야 한다.

고정링(52)은 그의 축상으로 연장된 구멍을 구비하는데, 이 구멍은 직경이 회전축(12)의 직경보다 크며, 또 이 구멍에는 실질적으로 직경이 단일하고 밀봉면(53)으로 부터 내측으로 뚫려져 있는 구멍(64)이 포함된다. 구멍(64)은 고정링(52)을 개재하여 구멍(63)과 연통되고, 이 구멍(63)의 안쪽 경사는 점차 안쪽으로 갈수록 방사상으로 넓어져서 고정링(52)의 내측단면과 연결된다. 면링(44)에는 또 다른 구멍(65)이 형성되어있으며, 이 구멍(65)은 밀봉면(45)의 내경을 형성하고 구멍(63) 및 (64)들과 연통한다. 이들 구멍(64),(65)은 밀봉면(45) 및 (53)의 내경을 형성하는 동시에 구경이 동일하다. 따라서, 구멍(63),(64),(65)속으로 튕겨진 윤활유는 구멍(63)의 경사면에 의해서 정체 하지 않고 윤활유 저장실로 용이하게 귀환된다.

자석으로 된 받침링(43)과 자기흡인재로 된 고정링(52)은 서로간에 작은 간극(66)을 둔체로 유지된다. 본 발명의 자기 밀봉장치의 작동 및 작용효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

회전축(12)이 회전하면 회전링 어셈블리(42)도 동시에 회전하게 되는데, 이때 받침링(43)과 고정링(52)사이에 작용하는 자기인력에 의하여 회전링 어셈블리(42)가 제3도의 좌측으로 인력되므로, 회전링 어셈블리(42)의 밀봉면(45)은 자력에 의하여 고정링(52)의 밀봉면(53)에 견고히 밀착된다. 회전축(12)이 회전함으로 인하여 밀봉면(45) 및 (53)이 상대적으로 미끌어지면서 회전하며, 이들 밀봉면(45) 및 (53)이 서로 효과적으로 미착됨으로써 윤활유가 외부로 누출되는 것이 방지됨과 동시에 물이나 습기를 함유한 공기등의 오물이 침입하는 것이 방지된다.

또한, 환상받침부재(61)를 설치하였으므로, 고정링(52)과 베어링 하우징(11) 사이에서 고정링(52)에 밀착되게 지지하는 한편, 환상플랜지(58)의 내측면상에 형성된 환상턱(57)을 하우징 단부벽(18)에 직립되게 밀착시켜 준다. 따라서, 밀봉면(53)이 바람직하지 못하게 기울어지는 것이 방지됨으로써, 대향되게 접촉하는 밀봉면(45)과 밀봉면(53)사이에 적절한 미끌어짐이 가능한 밀봉이 유지될 수 있게 된다.

자석으로 된 받침링(43)은 미합중국 특허 제2,843,403호에서 제시한 바와같이, 매개링의 둘레상의 다수의 단추형 자석을 서로 간격을 두고 설치한 것을 사용할 수도 있다.

Claims (7)

1. 베어링 하우징(11)의 내측에 뚫린 큰구멍(117)으로 부터 외측으로 돌출한 회전축(12)과 하우징(11)간의 밀봉관계를 형성시키기 위한 자기단면 밀봉장치에 있어서, 회전축(12)보다 직경이 큰구멍(63,64)을 마련하여 회전축(12)이 구멍(63,64)을 통해 고정링(52)과 접촉하게 하고, 조각으로 되어 있으며 그의 외측 축상단면에 평평한 환상의 밀봉면(53)이 형성된 고정링(52)과; 상기 고정링(52)을 외측에서 둘러싸게 설치되는한 조각으로 된 링으로서, 고정링(52)상에 고정되게 설치한 비원형인 단면형태를 가지며, 미소한 탄성도만을 갖는 견고한 합성수지재로 된 것으로서, 변형되지 않은 상태에서 최대직경이 상기 큰구멍(17)의 직경을 약간 초과하여 매우 미소한 방사상의 변형을 가하여 상기 큰구멍(17)속으로 삽입하면 큰구멍(17)을 형성하는 벽과 고정 밀봉 접속되는 환상받침부재(61)와; 상기 고정링(52)과 환상받침부재(61)를 포함하며, 상기큰구멍(17)내에 고정 설치되어 회전축(12)을 둘러싸는 고정링 어셈블리(51)와; 상기 회전축(12)을 둘러싸게 회전 불가능하게 결합 설치되어 회전축(12)과 함께 회전하며, 상기 고정링 어셈블리(51)와는 축상 인접하게 배치되는 회전링 어셈블리(42)와, 이 회전링 어셈블리(42)에 포함되는 것으로서, 회전축(12)의 중심축에 직각으로 배치되어 상기 밀봉면(53)과 직접 대향하여 서로 접속관계를 유지하는 평평한 밀봉면(45)을 구비하는 면링(44)과; 상기 회전링 어셈블리(42)에 포함되고 면링(44)상에 설치되고 회전축(12)으로 부터 방사상으로 이격되었으며, 고정링(52)에 인접되게 배치하되 미소하게 이격되었으며, 고정링(52)의 자기흡인력에 의하여 상기 회전링 어셈블리(42)와 고정링 어셈블리(51)의 인력으로 밀봉면(53)과 밀봉면(45)을 접속시키는 받침링(43)으로 구성되는 것을 특징으로 한는 자기단면 밀봉장치.
2. 제1항에 있어서, 환상받침부재(61)는 블록형의 단면을 가지며, 그 외측 환상벽(62)은 내측 위치에서 외측 위치로 연장됨에 따라 직경이 증가하여 환상받침부재(61)가 변형되지 않은 상태일때, 외측 환상벽(62)의 직경은 큰구멍(17)의 직경보다 작고, 외측 위치에 인접한 외측 환상벽(62)의 직경은 큰구멍(17)의 직경보다 다소 큰 것을 특징으로 하는 자기단면 밀봉장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 환상받침부재(61)와 고정링(52)은 서로간에 간섭물 또는 압축 접합물을 구비하여 서로 접속되고, 환상받침부재(61)는 고정링(52)상에 형성된 밀봉면(55)에 밀착되는 것을 특징으로하는 자기단면 밀봉장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고정링(52)은 외측 축상에 인접되게 배치되어 방사상 외측으로 돌출함으로써 베어링 하우징(11)의 단부벽에 밀착되게 접촉하여 큰구멍(17)을 둘러싸는 환상플랜지(58)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기단면 밀봉장치.
5. 제4항에 있어서, 면링(44)은 탄소로 된 것으로서, 회전축(12)이 관통하는 구멍을 구비하고, 내부에 상기 구멍쪽으로 개방된 홈이 형성되어 있으며, 이 홈은 면링(44)의 대향하는 축상 단면으로 부터 이격되고, 탄성체로 된 O-링(46)이 상기 홈에 삽입되어서 회전축(12)고 압축되게 접속함으로써 회전축(12)과 상기 회전링 어셈블리(42)사이를 밀봉되게 접속하면서도 회전 불가능하게 하는 것을 특징으로 하는 자기단면 밀봉장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 받침링(43)은 면링(44)을 외측에서 둘러싸면서 고정되게 결합되는 것을 특징으로 하는 자기단면 밀봉창치.
7. 제6항에 있어서, 상기 받침링(43)은 면링(43)을 둥글게 둘러싸는 링형의 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기단면 밀봉장치.

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