KR101852212B1 - 고압 연결부 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기상 혹은/및 액상 매체를 전송하기 위한 고압 연결부(1)의 단순하고 안전한 구조에 관한 것으로, 특히 수소를 운송수단에 재급유하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 고압 연결부(1)는 매체 통로(P)를 가지는 하우징(2) 및 누출밀봉 피스톤(3)을 구비하고, 상기 피스톤의 앞쪽 끝단은 환상 시일에 있어서 시일링 방식으로 배치되어 있다. 시일(4)은 시일 서포트(4a)를 가지며, 여기에 시일링 인서트(4b)가 삽입되고, 시일링 서포트(4a)는 더욱 단단한 플라스틱으로 구성되고, 시일링 인서트(4b)는 더욱 부드러운 플라스틱으로 구성된다.

Description

고압 연결부{HIGH-PRESSURE CONNECTION}

본 발명은 특히 운송수단으로의 수소 공급과 같은 기상 및/혹은 액상 매체의 전송을 위한, 청구항 제1항에서 전제된 특징을 포함하는 고압 연결부에 관한 것이다.

고압 연결부는 예를 들어 충전 시스템과 같은 압력원(pressure source)로부터 액체를 안전하게 전송하기 위하여 제공된다. 이때 중요한 것은 특히 700바(bar) 이상의 고압에서 외부 환경으로 누출되는 것을 피하기 위한 누출 방지 설계이다.

특히 그러한 고압 연결부 내에서 체크 밸브의 누출 방지 시일(leak-free seal)이 중요하다. 하지만 압력을 700바 이상의 수치로 상승시키면 이러한 포트들이 점점 누출에 민감해지므로, 초저온 수소(cryogenic hydrogen)의 누출이 예상된다. 이는 사고를 유발할 수 있고, 특히 고압 라인에서의 누출은 상당한 손상을 일으킬 수 있다. 그 이유 중 한 가지는 주로 이용되는 PTFE시일(seal)이 저온에 견디기는 해도 지속적인 압력에서는 좋지 않은 충격 변형(이른바 '저온 흐름(cold flow)', 엘링사(Elring company)의 홈페이지 참조)을 가진다. 그래서 예컨대 탄소 섬유나 유리 섬유를 필터로 구비하여 월등한 내압성(pressure stability)을 가지는 PTFE 복합물의 사용이 제안되고 있다. 하지만 10% 보다 더 작은 변형을 달성하기가 어렵다. 또한 합성 시일(composite seal)들이 볼밸브(ball valve)로부터 이미 알려져 있으며 흑연층을 포함한다. 하지만 이들 시일은 대개 고온을 위해 설계된 것들이다.

그래서 본 발명의 목적은 위험이나 손상을 피하고, 단순한 구성을 가지는 고압 연결부의 안전도를 향상시키기 위함에 있다.

이러한 문제점은 청구항 제1항의 구성에 따른 고압 연결부에 의하여 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항에 기재된 구성들이다.

제안되는 고압 연결부는 특히 고안전성과 설계의 용이성에 의해 특징지어지는데, 이는 시일 캐리어(seal carrier)와 시일링 인서트(sealing insert)의 2구성 설계가 고압에서의 요구사항에 최적으로 맞추어지기 때문이다. 그래서, 시일 캐리어는 PEEK와 같은 더욱 단단한 플라스틱, 시일링 인서트는 PTFE와 같은 더욱 부드러운 플라스틱으로 이루어진다. 더욱 단단하다거나 더욱 부드럽다는 말은 탄성계수(E 혹은 영계수)에 의하여 명확히 정의될 수 있다. 폴리에스테르(PE)나 폴리프로필렌(PP)과 같은 평범한 플라스틱은 1∼2kN/㎟ 정도의 탄성계수를 가진다. 선호되는 폴리에텔케톤(PEEK, polyetherketones) 물질은 대략 4kN/㎟의 탄성계수를 갖고 PTFE는 대략 0.6kN/㎟의 탄성계수를 가진다.

이는 결과적으로 더블 혹은 2단계 시일이 되는 결과를 가져오며, 특히 2개의 시일링 엣지(sealing edge)가 시일링 링(sealing ring)에 구비되고, 특히 한 개는 더욱 부드러운 시일링 인서트 위에 있고, 한 개는 더욱 단단한 시일 캐리어 위에 있을 때 그러하다. 그래서 PTFE는 체크 밸브의 피스톤의 시일링을 감싸 안으며, 저온 흐름이 (노출 시간, 압력값과 온도에 따라) 증가하면서, 시일링은 더욱 PEEK 시일 캐리어의 시일링 엣지에 의하여 뒷받침된다. 이는 700바 이상의 고압에서도 매우 좋은 시일링을 가능케 하며, 저압 영역에서 한쪽은 더욱 부드러운 시일링 인서트를 향해서, 그리고 다른 한쪽은 고압 영역에서 시일 캐리어에 대하여 상당히 강력한, 다시 말해 체크 밸브 피스톤을 향해 더블 시일링이 되는 결과를 가져온다. 그래서 링 시일의 실패를 방지할 수 있고, 제안되는 고압 연결부는 장기간 안전하게 기체나 액체의 누출을 막을 수 있다. 이는 사고 방지 이유에서도 특히 중요하지만 환경에 있어서도 매우 중요하다.

제안되는 고압 연결부는 특히 운송수단에 있어서의 재급유 연결을 위한 커플링에도 적합하지만 산업 플랜트에서도 매우 적합할 수 있음에 주목해야 한다. 고압 연결부는 어떠한 장소에서도 조밀하게 설치될 수 있고, 체크 밸브로서 다른 밸브를 가질 수도 있다.

본 발명의 실시예는 아래 첨부된 도면들에 기초하여 설명될 것이다.
도 1은 선형 고압 연결부의 종단면도, 그리고,
도 2는 도 1의 링 시일(ring seal)의 확대도이다.

도 1은 2개의 부분으로 구성된 하우징(2)을 가지는 고압 연결부(1)의 실시예를 나타내며, 이는 오른쪽에 통로(P)로 통하는 주입구(inlet)를 형성하기 위하여 스레드(2')로 조여져 있다. 특히 가스와 같은 매체는 화살표 F를 따라서 왼쪽으로 흐르며, 여기에 도시되지 않은 압력 탱크 방향으로 향한다. 하우징(2)의 내부에는, 종래의 오링 시일(O-ring seal)(6)뿐만 아니라, 체크 밸브(3')가 구비되며, 이는 시일링 피스톤(3)이나 링 시일(4)로 향하는 그의 앞쪽 끝단과 접촉하며, 흐름 방향 F에 거슬러 단단하게 시일링된다. 시일링 피스톤(3)은 여기서 스프링(3a)에 의하여 바이어스(bias)되어 있고, 본 실시예에서는 오른쪽으로 압력을 가하고 있다.

새로운 시일(4)은 2개의 부분으로 이루어지는데, 먼저 시일 캐리어(4a)가 있고, 그 안에 시일링 인서트(4b)가 삽입된다. 시일 캐리어(4a)는 더욱 단단한 플라스틱으로 이루어지고, 시일링 인서트(4b)는 더욱 부드러운 플라스틱으로 이루어진다. 바람직하게는, 시일 캐리어(4a)는 PEEK로 형성되고, 시일링 인서트(4b)는 PTFE로 형성된다. 더욱 효과적인 실시예에서, 시일 캐리어(4a)는 스텝(step)(4c)(도 2 참조)을 가지는 단계적 링 형상을 구비하며, 여기서 시일링 인서트(4b)는 이 스텝(4c) 위에, 특히 돌려 끼워지는 방식으로 장착된다. 이는 틈을 안전하게 시일링할 수 있어 환경에도 안전하다.

도 2에서, 시일링 인서트(4b)는 시일 캐리어(4a)의 통로(d)(여기서는 통로(P)의 단면에 해당)보다 더 큰 내경(D)을 가지며, 바람직하게는 시일링 인서트(4b)의 내부 모양이 원뿔 형상을 가지며, 이는 시일링 피스톤(3) 쪽으로 향할수록 넓어진다. 그래서 매체의 유선형 전송을 이룰 뿐만 아니라 시일링 피스톤(3)의 앞쪽 끝단의 시일링이 확실해지며, 이는 둥근 모양이 될 수 있다(도 1 참조). 나아가 시일(4)은 단계적으로 떨어지는 2개의 시일링 엣지(5,5')를 가지며, 하나는 시일링 인서트(4b) 상에, 그리고 하나는 시일 캐리어(4a) 상에 있게 된다.

하우징(2)은 특히 요구되는 피드각(feed angle)에 있어서 전송될 액체에 잘 적응하며, 예를 들어 통로 단면(passage cross-sections) 등이 크랭크 방식(cranked way)이나 앵글 방식(angled way)으로 설계될 수 있다. 바람직하게는, 시일링 인서트(4b)와 그의 환상 시일링 엣지(5)가 PTFE로 만들어지고, 시일 캐리어(4a)와 그의 시일링 엣지(5')가 폴리에텔에텔케톤(PEEK, polyetheretherketone)으로 생성되며, 내구성 있는 이러한 재료가 초저온 및/혹은 고압에서도 높은 화학저항성(chemical resistance)과 불투과성을 제공한다.

1...............................................고압 연결부
2...............................................하우징
3...............................................시일링 피스톤
4...............................................시일
4a..............................................시일 캐리어
4b..............................................시일링 인서트
5, 5'...........................................시일링 엣지

Claims (7)

1. 기상 또는 액체 매체를 전송하기 위한 고압 연결부로서, 매체 통로(P)를 가지는 하우징(2) 및 앞쪽 끝단을 가지는 시일링 피스톤(3)을 포함하고, 상기 앞쪽 끝단은 링 시일(4)에 대하여 밀착하여 배치되며,
   상기 링 시일(4)은 시일 캐리어(4a)를 가지며, 그 안에 시일링 인서트(4b)가 삽입되며, 여기서 시일 캐리어(4a)는 단단한 플라스틱으로 이루어지고, 시일링 인서트(4b)는 부드러운 플라스틱으로 이루어지며,
   상기 링 시일(4)은 두 개의 시일링 엣지(5,5')를 가지며, 그 하나는 상기 시일링 인서트(4b) 상에 있고, 하나는 상기 시일 캐리어(4a) 상에 있고,
   상기 시일링 피스톤의 앞쪽 끝단이, 상기 두 개의 시일링 엣지(5,5')에 밀착 접촉하여, 2단계 시일링하는 것을 특징으로 하는 고압 연결부.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 시일 캐리어(4a)는 PEEK로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 연결부.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 시일링 인서트(4b)는 PTFE로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 연결부.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 시일 캐리어(4a)는 스텝(4c)을 구비하는 단계적 환상 형상을 가지고, 시일링 인서트(4b)는 상기 스텝(4c) 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 고압 연결부.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 시일링 인서트(4b)는 상기 시일 캐리어(4a)의 통로(d)보다 더 큰 내경(D)을 가지는 것을 특징으로 하는 고압 연결부.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 시일링 인서트(4b)는 내측 형상이 원뿔형이고, 상기 시일링 피스톤(3) 쪽으로 향할수록 넓어지는 것을 특징으로 하는 고압 연결부.
7. 삭제

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