종래의 가스막을 만드는 다양한 그루브의 패턴 중에서 단일 방향 그루브가 한국특허출원번호 10-1994-0019124호(발명의 명칭 : 기계면 시일)에 기재되어 있다. 이 기술에 의하면, 기계면 시일 내의 나선형 홈들이, 방사상으로 배치되거나 또한 원주상에 떨어져 배치될 수도 있는 개별 압력 구역들 안으로 시일 갭 내에서 발생된 유체 압력을 보다 균일하게 배분하는 다수의 단부 구석들을 가진다.
그러나, 이 기술은 단일 방향으로의 회전에만 적용할 수 있다는 단점이 있다. 따라서, 회전 방향이 상이할 때 또는 더블 씰 등에서 배치에 따라 같은 사이즈와 형태라고 해도 회전 방향별로 서로 다른 제품을 사용해야 한다. 이는 호환성을 떨어뜨려 재고의 부담을 크게 증가시킨다. 또한, 잘못 장착이 되어 반대의 회전 방향으로 운전이 되었을 때 미케니컬 씰 전체에 심각한 손상을 입힐 수 있다.
한편, 기존의 가스 씰은 가스 소모량이 많다는 단점이 있었다. 예컨대, 한국출원번호 10-1992-0001981에서와 같이, 패턴의 특성상 가스의 흐름이 페이스 외경에서 내경으로만 이루어지게 되어 있는 구조에서는, 지속적인 페이스 사이의 비접촉을 유지하기 위해서 가스는 계속적으로 페이스 외경에서부터 내경쪽으로 흘러 들어가야 하며, 따라서 내경쪽의 가스는 대기측으로 빠져나가야만 하는 구조이다.
본 발명은 그루브는 이러한 단일 방향의 단점을 극복할 수 있는 양방향 그루브를 제공하고자 하는 것이다. 본 발명에 의하면, 회전 방향에 따른 구별이 필요 없으므로 부품과 어셈블리의 예비 수량 및 종류를 절반으로 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 회전 방향을 고려할 필요가 없으므로 씰 페이스를 조립, 설치함에 있어 매우 쉽고 단순하게 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 대량의 가스를 소모하는 단점을 극복하고자 원주 방향으로의 흐름을 이루게 하며, 동시에 다시 외경쪽으로 반환되어 나가는 가스의 흐름을 만들 수 있는 그루브를 제공하고자 하는 것이다.
원주 방향으로의 가스의 흐름은 원래의 가스 씰의 목적인 계속적인 페이스 사이의 비접촉을 유지시켜 주며, 외경쪽으로 반환되는 가스의 흐름은 가스가 페이스 내경쪽으로 새어나가 낭비되지 않도록 다시 외경쪽으로 반환시켜 가스의 소모량을 대폭 줄이는 역할을 한다. 이와 동시에 더블 씰에서 내부쪽에 장착된 씰(inboard seal)일 경우 혹시나 가스에 섞여 있을지 모르는 불순물 등이 그루브에 쌓이거나 혹은 펌핑 유체(product)쪽으로 섞여 들어가지 않도록 페이스 외경쪽으로 내보내는 역할도 한다.
본 발명에 의하면, 이 그루브에 의한 가스의 흐름 및 순환으로 인하여, 밀봉면 사이에 효과적인 윤활 작용을 하여 접촉면에서의 마찰, 마모를 최소화하고, 발생된 열을 최대한 발산시키는 냉각 기능에 의해 열에 의한 손상 및 밀봉 실패를 방지하며, 유입된 불순물 등이 밀봉면 사이에 남아 장애를 일으키는 것을 사전에 예방함으로써, 미케니컬 씰의 수명과 성능, 신뢰성, 안전성을 최대화할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 미캐니컬 페이스 씰의 구성을 보다 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 그루브 패턴을 사용하는 일반적인 씰의 구조를 나타내는 도면으로서, 도면에서 참조번호 11은 회전자를, 21은 고정자를 나타낸다.
도 1에서 회전자(rotor)(11)는 회전축에 결합된 슬리브 또는 칼라(13)에 핀(15)으로 연결된 슈라우드(shroud)(12)와 결합되어 축과 같이 회전을 하도록 구성되어 있다. 그에 반해, 고정자(stator)(21)는 하우징(housing)(24)에 고정되어 회전하지 않도록 구성되어 있다. 슈라우드(12)는 스프링(14)으로부터 누르는 힘을 받아 회전자(11)를 고정자(21)에 밀착시키도록 구성되어, 회전자(11)와 고정자(21) 사이에 밀봉면을 이룬다. 또한, 상기 회전자(11)와 고정자(21)에 의해 이루어지는 상기 밀봉면 외에 누설이 발생할 수 있는 경로를 O링(16, 17, 23)으로써 차단한다.
밀봉면은 2개의 매우 편평한 면을 겹쳐서 구현하는 바, 이 두 면이 축의 수직방향의 누설을 방지한다. 두 면 중 한 면은 소위 골링(galling) 현상이 발생하지 않도록 카본-그래파이트(carbon-graphite)와 같은 물질을 사용하고, 다른 하나 는 상대적으로 단단한 물질을 사용한다. 또한, 면 사이의 응착을 방지하기 위하여 고정자(21)와 회전자(11)는 서로 상이한 재질의 것을 사용한다.
본 발명의 그루브는 윤활성이 적은 환경에서도 미케니컬 씰의 성능, 신뢰성 및 안전성을 최대화하기 위해 개발되었다. 또한, 누설 수위의 조절과 함께 경계면에서의 윤활을 강화한다. 추가적인 냉각없이 낮은 비용으로 더욱 신뢰성 있는 운전을 구현하며, 씰의 성능 확대와 수명 연장을 위해 접촉면에서의 마찰을 대폭 감소시킨다. 따라서 증가된 평균 예방정비간 시간(MTBPM)을 위해 보통 산업 현장에서 인정하는 기준보다 씰 수명이 초과하여 사용할 수 있다. 점점 요구가 강해지는 친환경적 운전을 위해 매우 낮은 수준의 누설이 발생한다.
이 그루브는 양방향 운전을 모두 수행한다. 이것은 부품과 어셈블리의 예비 수량 및 종류의 감소를 의미한다. 치수 등의 조건이 맞는다면 이중흡입 펌프(double suction pump) 또는 빔 컴프레셔(beam compressor) 등에서 양 끝 모두에 동일한 씰을 사용할 수 있다. 역방향 회전을 허용하므로 여러 가지 상황에서의 역회전시 단일방향 그루브와 달리 씰과 기타 장비에 아무런 해를 입히지 않는다. 또한, 회전방향을 고려할 필요가 없으므로 씰 페이스를 조립, 설치함에 있어 매우 쉽고 단순하게 수행할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 그루브 패턴을 보다 상세히 설명한다.
도 2는, 본 발명에 의한 그루브를 적용하는 부분을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 그루브는 통상 회전자(11)에 적용되지만, 고정자(21)에 적용될 수도 있다. 이하, 회전자(11)에 적용되는 경우를 대표로 하여 설명한다.
도 3은, 도 2에 나타낸 본 발명에 의한 그루브를 보다 상세하게 나타내는 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 그루브 패턴구조는, Y자형 그루브(41)와, 일자형 그루브(42), 랜드 부분(47) 및 댐 부분(48)으로 이루어져 있다.
Y자형 그루브(41)는 회전자(11)의 반경 방향에 있어서, 외경방향 즉 바깥쪽에 입구부분(43)이 형성되어 있고, 입구부분(43)으로부터 내경방향 즉 안쪽방향으로 들어가는 도중에 분기되며, 도 3 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 랜드부분(47)과 댐부분(48)의 경계부에서 출구 부분(44)이 위치된다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, Y자형 그루브(41)의 깊이는 입구(43)쪽이 깊고 출구(44)쪽이 얕게 형성되도록 경사져 있다. 또한, Y자형 그루브(41)의 폭도 입구(43)쪽이 출구(44)쪽 보다 크게 형성되어 있다.
또한, 일자형 그루브(42)는, 외경방향 쪽이 더 길고, 내경방향 쪽이 더 짧은 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 상기 사다리꼴의 긴 변부분은, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 회전자(11)의 외경방향, 즉 바깥쪽을 향하여 오목하게 만곡되어 있다. 또한, 일자형 그루브(42)의 깊이는 중앙부분(45)이 끝부분(46)보다 더 크게 형성되어 있으며, 상기 끝부분(46)은 회전자(11)의 반경방향의 바깥쪽을 향하도록 형성되어 있다.
상술한 바와 같은, Y자형 그루브(41) 및 일자형 그루브(42)를 가지는 본 발 명의 미캐니컬 씰에 있어서의 가스의 흐름에 대하여 살펴본다.
회전자(11)가 회전하는 동안, 가스는 Y자형 그루브(41)의 상기 입구(43)로 들어간다. 상기 입구(43)로 들어간 가스는 회전자(11)의 회전 방향에 따라 Y자형 그루브(41)의 분기된 양끝의 어느 한 곳, 즉 출구(44)에 모이게 된다. Y자형 그루브(41)의 깊이는, 상술한 바와 같이, 입구(43)쪽이 깊고 출구(44)쪽이 얕게 형성되어 있고, 또한 Y자형 그루브(41)의 폭은 입구(43)쪽이 출구(44)쪽 보다 크게 형성되어 있기 때문에, 이 출구(44)쪽에서 가스가 압축되어 높은 압력 지대를 형성하게 된다. 따라서, 이 출구(44)쪽에서 강력한 유체역학적인 압력과 힘이 발생되어, 확실한 가스막으로 밀봉면들을 분리하고, 윤활 작용을 수행하며, 페이스의 마모를 감소시킬 수 있다.
그런 다음, 이 출구(44)쪽의 고압지역을 벗어난 가스는 랜드(47)를 지나 원주 방향으로 이동한다. 원주방향으로 이동한 가스는 일자형 그루브(42)를 통과한다. 이 일자형 그루브(42)를 통과하는 동안 가스의 일부는 다음 Y자형 그루브(41)로 이동하여 계속적인 가스의 흐름을 형성한다. 이 가스의 흐름이 연속적이고 안정적인 밀봉면의 비접촉을 유지시켜 준다.
한편, 일자형 그루브(42)를 통과하는 가스의 나머지는 이 일자형 그루브(42)의 끝부분(46)에 도달하면서 이 끝부분(46)의 상술한 바와 같은 외경쪽의 사다리꼴 형상의 긴 변에 해당하는 모양에 의해 외경쪽으로 이동해 밀봉면을 빠져나와 밀봉 영역의 가스(30)로 반환된다.
상기 일자형 그루브(42)에 의한 가스의 반환 작용은 내부 부품에서 발생되거 나 외부에서 유입된 찌꺼지, 불순물 등을 밀봉면 밖으로 배출시키는 작용을 한다. 이에 의해, 이 불순물들이 그루브에 쌓여 가스막을 형성하는데 방해가 되거나, 가스 흐름에 장애가 되거나, 밀봉면 또는 그루브 자체에 손상을 입히는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이 반환 작용에 의해, 밀봉면에서 발생되는 열을 밀봉 영역의 가스(30)로 발산시켜 페이스를 냉각시킬 수 있는 효과도 가진다.
이 반환 가스의 존재는 본 발명의 그루브 디자인의 가스 소모량이 극히 적다는 것을 의미한다. 단일방향의 나선형 그루브에서는 내측 방향으로의 펌핑 작용이 회전에 따라 더욱 강해지는 반면, 순환이나 반환 경로가 없으므로, 결국 많은 가스를 소모하게 된다. 하지만, 본 발명의 그루브에서는 내측 반경 방향의 흐름대신 원주방향으로의 흐름이 형성되고, 또 반환되는 경로가 있어 대기로의 누설을 대폭 감소시킬 수 있다.
이 페이스 내경쪽에는 댐부분(48)이 형성되어 있다. 이 댐부분(48)은, Y자형 그루브(41) 및 일자형 그루브(42)가 형성되어 있는 랜드부분(47)과는 달리, 그루브가 형성되어 있지 않다. 따라서, 이 댐부분(48)에 의해, 정지 상태에서도 밀봉면 사이로의 누설이 방지된다. 또한, 운전시에도 가스의 흐름이 내경쪽으로 흘러 들어가 누설이 발생하지 않도록 방지하는 역할을 하며, 압력 상태가 역전이 된 상태에서도 누설이 발생하지 않도록 한다.