KR102580752B1

KR102580752B1 - 유압 실린더용 피스톤 씰

Info

Publication number: KR102580752B1
Application number: KR1020230061468A
Authority: KR
Inventors: 김상돈
Original assignee: (주)원영씰
Priority date: 2023-05-12
Filing date: 2023-05-12
Publication date: 2023-09-20

Abstract

일실시예에 따른 피스톤 씰은, 오링; 상기 오링의 외주면을 둘러싸는 글라이드 링; 및 상기 글라이드 링의 양측면에 배치된 한쌍의 백업 링;을 포함하고, 상기 글라이드 링은 PTFE이 85중량%로 포함되고 카본 단섬유가 15[중량%]로 포함된 재료로 만들어지고, 상기 오링은 ASTM D2240 규격에 따라 측정한 쇼어 경도가 85[Hs A] 이상인 수소화 니트릴 고무로 만들어지고, 상기 백업 링은 PA46 나일론으로 만들어질 수 있다.

Description

유압 실린더용 피스톤 씰{piston seal for hydraulic cylinder}

아래 실시예들은 유압 실린더에 사용되는 피스톤 씰에 관한 것이다.

건설장비 등 중장비의 움직임을 위한 액추에이터로서 유압 실린더가 널리 사용되고 있다. 높은 압력과 높은 온도에 견디는 유압 실린더를 만들기 위해서는, 실링 부재의 성능이 중요하다. 실링부재는, 유압 실린더 내부에 들어가는 윤활유나 작동유를 외부로 새지 않게 하고, 외부로부터의 물이나 먼지 등의 이물질이 기계 내부로 유입되는 것을 방지하는 중요한 기능을 담당하고 있다.

유압 실린더는 실린더, 실린더 내에서 이송가능하게 배치된 피스톤 및 피스톤에서 연장하는 로드를 포함할 수 있다. 한 쪽 방향에서 유입된 유체를 실링 부재가 밀봉하며, 유입되는 유체의 압력에 의해 피스톤이 움직이고, 로드에 연결된 부품이 움직인다. 피스톤부가 유압 실린더의 작동과 연관된 것이라고 하면 로드는 실린더 외부로 누유 되는 것을 방지하고 실린더 내부로 먼지 및 이물질의 유입을 방지하여 실린더의 손상을 방지하는 역할을 하고 있다.

점차 고성능, 고사양을 요구하는 유압 실린더에서 피스톤 씰에 요구되는 성질은 여러 가지가 있다. 피스톤 씰의 사용 환경의 특성상 고온, 고압의 마찰열이 발생하게 되며 이는 피스톤 씰의 성능저하의 직접적인 원인이 된다.

한국 특허출원 제10-2013-0107668호

본 개시의 실시예들은 고온 고압의 환경에서도 우수한 성능을 가지는 피스톤 씰을 제공하는데 그 목적이 있다.

일 실시예에 따른 피스톤 씰은, 오링; 상기 오링의 외주면을 둘러싸는 글라이드 링; 및 상기 글라이드 링의 양측면에 배치된 한쌍의 백업 링;을 포함하고, 상기 글라이드 링은 PTFE이 85중량%로 포함되고 카본 단섬유가 15[중량%]로 포함된 재료로 만들어지고, 상기 오링은 ASTM D2240 규격에 따라 측정한 쇼어 경도가 85[Hs A] 이상인 수소화 니트릴 고무로 만들어지고, 상기 백업 링은 PA46 나일론으로 만들어질 수 있다.

일 실시 예에서 상기 글라이드 링은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면과 상기 제2 면의 외측을 잇는 외주면은 상기 제1 면과 상기 제2 면에 수직인 제1 외주면 및 상기 제1 외주면의 양측에서 상기 제1 면 및 상기 제2 면으로 연장하는 제2 외주면을 포함하고, 제2 외주면은 제1 외주면에 대해 경사질 수 있다.

일 실시 예에서 상기 글라이드 링은, 상기 제1 면에 원주방향으로 180도 간격으로 배열된 두개의 홈을 포함하고, 상기 제2 면에 제1 면의 홈과 원주방향으로 90도 간격으로 배열된 두개의 홈을 포함할 수 있다.

일 실시 예에서 상기 글라이드 링에 사용되는 상기 PTFE의 마찰계수는 ASTM D1893 규격으로 실험하였을 때 0.1 이하이고, 상기 PTFE의 쇼어 경도는 ASTM D2240-15 규격으로 실험하였을 때 64[Hs D]이상일 수 있다.

일 실시 예에서 상기 수소화 니트릴 고무는 ASTM D395 규격에 따라 측정한 고유 영구 압축 줄음율이 30[%]이하이고, 상기 PA46 나일론은 ASTM D2240 규격에 따라 측정한 쇼어 경도가 75[Hs D] 이상, ASTM D2240 규격에 따라 측정한 충격강도가 15[kJ/m²] 이상이고, ASTM D2240-15 규격에 따라 측정한 비카트 연화점이 250[℃] 이상일 수 있다.

본 개시의 실시예들에 따른 피스톤 씰은 고온 고압의 환경에서도 우수한 성능을 제공할 수 있다.

도 1은 실린더 내부를 움직이는 피스톤을 도시한 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 피스톤 씰이 장착된 피스톤의 단면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 피스톤 씰의 단면도이다.
도 4는 도 3의 피스톤 씰의 글라이드 링의 단면도이다.
도 5는 도 3의 피스톤 씰의 글라이드 링의 정면도이다.
도 6은 도 3의 피스톤 씰의 글라이드 링의 측면도이다.
도 7은 도 3의 피스톤 씰의 오링의 단면도이다.
도 8은 도 3의 피스톤 씰의 백업 링의 단면도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.

위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.

도 1은 실린더(20) 내부를 움직이는 피스톤(10)을 도시한 것이다. 도 2는 일 실시예에 따른 피스톤 씰(100)이 장착된 피스톤(10)의 단면이다. 도 3은 일 실시예에 따른 피스톤 씰(100)의 단면도이다. 도 4는 도 3의 피스톤 씰(100)의 글라이드 링(120)의 단면도이다. 도 5는 도 3의 피스톤 씰(100)의 글라이드 링(120)의 정면도이다. 도 6은 도 3의 피스톤 씰(100)의 글라이드 링(120)의 측면도이다. 도 7은 도 3의 피스톤 씰(100)의 오링의 단면도이다. 도 8은 도 3의 피스톤 씰(100)의 백업 링(130)의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 피스톤(10)은 실린더(20) 내부에 배치되어 왕복운동할 수 있다. 제1 공간(S1) 또는 제2 공간(S2)에 고압의 오일이 유입되어 피스톤(10)을 일방향으로 밀어낼 수 있다. 예를 들어 제2 공간(S2)에 고압의 오일이 들어가면 오일의 압력이 피스톤(10)을 좌측으로 밀어낸다. 오일이 피스톤(10)과 실린더(20)의 내벽 사이로 빠져나가면 오일이 피스톤(10)을 강한 힘으로 밀어줄 수 없기 때문에, 피스톤(10)의 외주면에는 피스톤 씰(100)이 장착되어 피스톤(10)과 실린더(20) 사이의 갭을 밀봉할 수 있다. 피스톤 씰(100)은 오일이 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2) 사이를 이동하는 것을 막으면서, 피스톤(10)이 실린더(20)의 내벽을 따라 부드럽게 움직일 수 있도록 구성된다. 피스톤(10)의 외주면에는 적어도 하나의 피스톤 씰(100)이 장착될 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 피스톤 씰(100)은 복수의 링으로 구성될 수 있다. 피스톤 씰(100)은 오링(O-ring)(110), 오링(110)의 외주면을 둘러싸는 글라이드(glyd) 링(120) 및 글라이드 링(120)의 양측에 배치된 한 쌍의 백업(back up) 링(130)을 포함할 수 있다. 피스톤(10)은 피스톤 씰(100)이 장착될 수 있도록 구성된 환형 그루브(groove)(11)를 포함할 수 있다. 그루브는 제1 바닥면(11a) 및 제1 바닥면(11a)의 양측에 배치되고 제1 바닥면(11a)보다 얕은 제2 바닥면(11b)에 의해 일부 정의된다. 제1 바닥면(11a)에는 오링(110)이 장착되고, 제2 바닥면(11b)에는 백업 링(130)이 장착된다. 오링(110)의 외측에는 글라이드 링(120)이 장착된다. 글라이드 링(120)의 내경은 제2 바닥면(11b)의 직경보다 작고, 글라이드 링(120)의 내주면(124)은 제1 바닥면(11a)과 제2 바닥면(11b) 사이의 레벨에 위치된다. 글라이드 링(120)의 외주면(123)은 실린더(20)의 내벽에 접촉한다.

도 4를 참조하면, 글라이드 링(120) 은 서로 대향하는 제1 면(121) 및 제2면을 포함한다. 제1 면(121)과 제2 면(122)의 외측을 잇는 외주면(123)은 제1 면(121)과 제2 면(122)에 수직인 제1 외주면(123a) 및 제1 외주면(123a)의 양측에서 제1 면(121) 및 제2 면(122)으로 연장하는 제2 외주면(123b)을 포함한다. 제2 외주면(123b)은 제1 외주면(123a)에 경사질 수 있다. 제1 외주면(123a)과 제2 외주면(123b)은 서로 제1 각도(θ1)를 이룰 수 있다. 제1 각도(θ1)는 예를 들어 10도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 글라이드 링(120)은 제1 면(121)에 원주방향으로 180도 간격으로 배열된 두개의 홈(125)을 포함할 수 있다. 글라이드 링(120)은 제2 면(122)에 제1 면(121)의 홈(125)과 원주방향으로 90도 간격으로 배열된 두개의 홈(125)을 포함할 수 있다. 홈(125)은 반원뿔 형태로 제공될 수 있다. 홈(125)은 내주면으로부터 소정의 거리 이격된 위치에서 바깥쪽으로 연장할 수 있다. 홈(125)의 가장 깊은 부분과 제2 면(122)은 제2 각도(θ2)를 이룰 수 있다. 제2 각도(θ2)는 예를 들어 10도이다.

글라이드 링(120)은 PTFE(polytetrafluoroethylene)로 만들어질 수 있다. PTFE는 뛰어난 내열성과 내부식성 및 내마찰성을 가지며, 마찰력이 낮은 물질이다. 슬라이딩성과 내마모성, 강도 향상을 위해 PTFE에 카본(carbon) 섬유가 첨가될 수 있다. 글라이드 링(120)을 구성하는 PTFE와 카본섬유의 중량비는 85:15 일 수 있다. 즉, 글라이드 링(120)은 PTFE이 85[중량%]로 포함되고, 카본 섬유가 15[중량%]로 포함된 재료로 만들어진다. 글라이드 링(120)에 첨가되는 카본 섬유는 단섬유(staple fiber 또는 short fiber)일 수 있다. 글라이드 링(120)에 사용되는 PTFE의 마찰계수는 ASTM D1893 규격으로 실험하였을 때 0.1 이하이다. 글라이드 링(120)에 사용되는 PTFE의 쇼어 경도는 ASTM D2240-15 규격으로 실험하였을 때 64[Hs D]이상이다.

백업 링(130)은 나일론(nylon)으로 만들어질 수 있다. 나일론은 넓은 온도 범위에서 기계적인 강도가 우수하며, 내약품성, 내후성, 장기 내열성 등이 우수하며 내환경성이 뛰어나고 전기적 특성이 우수하며, 난연성을 가진다. 이러한 특성으로 인해 나일론은 피스톤(10) 링의 구성요소로 사용되기에 적합하다. 백업 링(130)은 PA46 나일론으로 만들어질 수 있다. PA46는 ASTM D2240 규격에 따라 측정한 쇼어 경도가 75[Hs D] 이상이고, 충격강도가 15[kJ/m²] 이상이다. 또, PA46는 ASTM D2240-15 규격에 따라 측정한 비카트 연화점이 250[℃] 이상이다.

오링(110)은 고무로 만들어진다. 고무 (RUBBER)는 플라스틱, 금속소재와 달리 탄력성, 회복성 등의 톡특한 특성을 가지고 있으며, 밀봉성, 충격 흡수성 등이 다른 소재에 비해 우수한 기능을 가진 소재로써 현대 산업의 전반적인 분야에 걸쳐 없어서는 안 되는 중요한 소재이다. 오링(110)은 수소화 니트릴 고무(HNBR)로 만들어진다. 수소화 니트릴 고무는 사용 조건의 고온화와 수명 요청에 의해, NBR의 단점이었던 부타디엔 이중 결합을 고도로 수소화된 재료이다. 수소화 니트릴 고무는 내노화 및 내유성이 양호하고, 내후성, 내오존, 내마모성이 우수하여 피스톤(10) 링의 오링(110)에 사용되기에 적합하다. 오링(110)에 사용되는 수소화 니트릴 고무는 ASTM D2240 규격에 따라 측정한 쇼어(Shore) 경도가 85이상이다. 오링(110)에 사용되는 수소화 니트릴 고무는 ASTM D395 규격에 따라 측정한 고유 영구 압축 줄음율이 30%이하이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

100: 피스톤 씰
110: 오링
120: 글라이드 링
130: 백업 링

Claims

오링;
상기 오링의 외주면을 둘러싸는 글라이드 링; 및
상기 글라이드 링의 양측면에 배치된 한쌍의 백업 링;을 포함하고,
상기 글라이드 링은 PTFE이 85중량%로 포함되고 카본 단섬유가 15[중량%]로 포함된 재료로 만들어지고, 상기 오링은 ASTM D2240 규격에 따라 측정한 쇼어 경도가 85[Hs A] 이상인 수소화 니트릴 고무로 만들어지고, 상기 백업 링은 PA46 나일론으로 만들어지고,
상기 글라이드 링은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면에 원주방향으로 180도 간격으로 배열된 두개의 홈을 포함하고, 상기 제2 면에 제1 면의 홈과 원주방향으로 90도 간격으로 배열된 두개의 홈을 포함하는,
피스톤 씰.
제1항에서,
상기 제1 면과 상기 제2 면의 외측을 잇는 외주면은 상기 제1 면과 상기 제2 면에 수직인 제1 외주면 및 상기 제1 외주면의 양측에서 상기 제1 면 및 상기 제2 면으로 연장하는 제2 외주면을 포함하고, 제2 외주면은 제1 외주면에 대해 경사진,
피스톤 씰.
삭제