KR20040029069A - 볼 밸브용 환상형 씰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변형될 수 있는 재료로 만들어지고 방사상으로 내부로 향하는 내측 씰링(sealing) 면 및 방사상으로 외부로 향하는 외측 씰링 면을 구비한 씰링 링(sealing ring)에 관한 것이다. 본 발명에서, 씰링 링은 추가로 씰링 링 내에 공동의 벽으로서, 적어도 하나의 가압 면이 실질적으로 방사상 방향에 있는 적어도 하나의 씰링 면과 접하여 공동에서 가압 면에 대하여 압력을 가하는 유체가 압력 하에서 적어도 하나의 씰링 면을 외부로 압력을 가하게 된다. 본 발명은 구멍을 갖는 제 1 구성부, 상기 구멍 내부에 배열된 제 2 구성부 및 적어도 일시적으로 압력을 받는 유체에 대하여 제 1 및 제 2 구성부 간의 갭을 밀봉하기 위한 씰링 시스템에 관한 것이다.

Description

볼 밸브용 환상형 씰{Annular Seal, Especially for a Ball Valve}

환상형 갭(annular gap)을 밀봉하기 위한 씰(seal)은 이공기술, 특히 기계 공학 분야에서 다양한 기하학적 유형 및 적용 유형으로 요구된다. 이로 인하여 그러한 씰의 다양한 디자인 형태가 - 표준화된 형태로 이미 제조된 표준 구성부로도 - 당업계에 알려져 있다. 공지된 환상형 씰의 가장 단순한 형태 중 하나는 고무로 된 오링(O-ring)이다. 보다 구조가 복잡한 것으로는 예를 들면 소위 샤프트 씰링 링(shaft sealing ring)으로서, 이는 외부 시트(seat)로서 금속 링과 방사상으로 내부로 향하는 고무로 된 씰링 립(sealing lip)을 포함하는 씰링 요소(element)이다.

이와 같은 샤프트 씰링 링은 예를 들면, 회전 샤프트(rotating shaft)가 관통된 전동장치 하우징을 밀봉하는데 이용된다. 상기 목적을 위하여 금속 링은 샤프트가 관통한 하우징의 구멍(bore) 내에 부착되고, 씰링 립은 샤프트의 원형-원통형(circular-cylindrical) 둘레 면을 접하는데, 여기서 상기 면은 가능한 매끄러워야 한다. 씰링 립이 방사상으로 내부로 가늘어져 기하학적으로 날카로운 테두리를 형성함으로써 씰링 립과 샤프트 표면 간의 접촉면은 샤프트 둘레의 환상형 라인(line)으로 축소된다. 상기 구조가 샤프트의 고속 회전을 가능하게 하며, 이러한 경우에 예를 들면 하우징의 내부에 있고 씰에 의해 하우징으로부터 이탈하는 것을 방지되도록 한 트랜스미션 오일(transmission oil)은 씰링 립 아래에 윤활 필름을 형성한다. 공지된 바와 같이 이러한 상황에서 접촉면 부위에서의 역학적인 압력 조건이 오일이 씰링 립의 아래를 통하여 외부로 스며나오지 않도록 해준다.

전술한 씰의 구조와 관련된 추가의 문제점은 씰링되는 두 구성부들 간의 갭에 대하여 작용하는 유체가 규칙적으로 가압 또는 감압 상태에 놓이게 되며, 이러한 압력 조건의 결과로 상기 구성부들 중 적어도 어느 한 구성부에 힘이 가해지게 되는데 있다. 이러한 힘을 수용하기 위해, 제 1 및 제 2 구성부 사이에 부가적인 평 베어링(plain bearing)을 배열하는 것이 알려져 있다. 이러한 평 베어링은 유체의 압력에 의하여 가해진 힘을 수용하고 두 구성부를 이루는 재료가 서로 직접적으로 마찰되는 경우보다 두 구성부들 간의 유연한 유동성을 제공한다.

일반적으로 평 베어링은 구조적인 이유로 인하여 씰에 매우 근접하여 배치된다. 상기 평 베어링은 두 구성부들의 상호간의 상대적인 움직임으로 인하여 마모에 빈번하게 노출됨에 따라, 특정한 작동 기간 후에는 두 구성부들 간에 직접적인 접촉이 일어날 수 있으며, 이로 인하여 두 구성부의 상호간의 상대적인 움직임은 어려워지게 된다.

더 나아가 평 베어링으로부터 나온 마모 입자가 씰 부위로 유입될 수 있는 단점이 있다. 이는 씰의 증가된 마모를 유발하고 통상적으로 씰링(sealing) 작용의 저하를 유발한다. 추가로, 씰이 마모되지 않을 지라도 씰링 갭을 통한 마모 입자의 이동으로 인하여 씰의 변형이 유발될 수 있고 결과적으로 누수 현상이 발생할 수 있다.

또한 환상형 갭을 밀봉하기 위해 구멍을 통하여 회전할 뿐만 아니라 활주 운동을 하는 구성부 특히 펠트 링(felt ring)이 알려져 있다.

공지된 씰링 링의 효과는 특히 압력 하에 있는 유체에 대하여 종종 충분하지 않기에, 원하지 않는 누수 현상이 일어날 수 있다.

본 발명의 목적은 이와 비교해서 씰링 효과가 개선된 씰 및 씰링(sealing) 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면 상기 목적은 특허청구범위 제1항의 특징을 갖는 씰에 의해 달성된다. 본 발명의 보다 바람직한 구조는 종속항에 기재되어 있다.

본 발명은 방사상으로 내부로 향하는 내측 씰링(sealing) 면 및 방사상으로 외부로 향하는 외측 씰링 면을 갖는 변형될 수 있는 재료로 된 씰링 링(sealing ring) 및 구멍(bore)을 갖는 제 1 구성부, 상기 구멍 내에 배열된 제 2 구성부와 상기 특정된 종류의 씰링 링을 포함하는 씰링 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 씰링 시스템의 제 1 실시예의 부분적 측단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 씰링 시스템의 제 2 실시예의 부분적 정단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 씰링 시스템의 제 3 실시예의 부분적 정단면도이다.

두 구성부 간의 환상형 갭을 밀봉하기 위하여 변형될 수 있는, 바람직하게는 탄력적으로 변형될 수 있는 재료, 예를 들면 폴리머로 된 씰링 링(sealing ring)은 한 면은 방사상으로 내부로 향하고 다른 한 면은 방사상으로 외부로 향하는 두 개의 씰링(sealing) 면을 가지고 있다. 일반적으로 상기 씰링 면들은 예를 들면 갭 부위 내에 적합하게 형성된 씰링 그루브(sealing groove)에 대하여 상보적인 씰링 면을 갖는 구성부에 위치한다. 본 발명에 있어서 씰링 링은 적어도 하나의 가압면이 씰링 링 내에 있는 공동(cavity)의 벽 형태를 갖는 것을 특징으로 한다. 적어도 하나의 가압 면이 씰링 면의 적어도 하나와 실질적으로 대향되어 놓이게 되어 가압 면에 대한 압력 하에 있는 공동 내에 존재하는 유체가 적어도 하나의 씰링 면을 외부로 그리고 적합한 설치에 의해서 그 구성부의 상보적인 씰링 면에 대하여 압력을 가한다. 본 발명에 따른 씰링 링의 씰링 면의 압력에 의해 씰링 효과는 상당히 증진된다. 이는 특히 압력 하에 있는 유체에 대하여 씰링하는 환상형 갭에 있어서 유리하다. 본 발명의 씰링 링이 공동으로부터 외부로 이어지는 유체의 오프닝(opening)이 유체가 공동 내부로 침투하도록 하여 그곳의 압력을 가압면 및 이로 인하여 대향되어 배치된 씰링 면에 가하도록 함으로써 본 발명에 따른 씰링 링에 대한 그러한 설치 상태에서 유체의 압력을 이용할 수 있다.

공동은 씰링 링 내에서 씰링 링의 둘레에 있는 씰링 링의 축 외부 면에서 그루브 형태로 구비된다. 그리하여, 특히 씰링 링이 원형 원통 튜브의 형태일 때에, 그루브의 방사상 경계 면은 링의 (하나는 외부로 향하고 다른 하나는 내부로 향하는) 두 씰링 면과 대향으로 놓이게 되고 압력 하에 있는 유체에 의해 그루브에 작용할 때에 경계 면은 씰링 링의 단면으로부터 씰링 면을 외부로 즉, 방사상으로 외부로 또는 방사상으로 내부로 압력을 가한다.

본 발명에 따른 씰링 시스템은 구멍을 갖는 제 1 구성부, 상기 구멍 내에 배열된 제 2 구성부 및 적어도 일시적으로 압력 하에 놓이는 유체에 대하여 제 1 및 제 2 구성부 간의 갭을 밀봉하기 위한 씰링 링을 포함한다. 제 1 및 제 2 구성부 사이에는 두 구성부들 간의 축력(axial force)이 전달되어, 제 2 구성부에 작용하는 축력을 수용하도록 롤 베어링(roll bearing)을 추가로 구비한다.

이러한 경우에 롤 베어링은 두 구성부 간의 갭 부위에서 씰링되는 측면(sealed side)에 배치되거나 갭의 씰링되지 않은 측면(non-sealed side)에 배치될 수 있다. 후자의 경우에 롤 베어링 구성부의 재료는 유체에 대하여 안정성 있는 것으로 선택되어야 할 것이다.

롤 베어링은 당업계에 알려진 평 베어링에 의해 전달된 힘을 수용하여 평 베어링에 미치는 하중을 실질적으로 줄여주거나 심지어 없앨 수 있다. 이로 인하여 평 베어링의 마모는 상당히 줄어들거나 완전히 방지된다. 상기 롤 베어링 자체는 강도 높은 힘에 의한 과부하 하에서 그리고 두 구성부 간의 장기간에 걸쳐 발생하는 빠른 상대 속도에 의해서도 거의 마모되지 않는다.

특히 바람직한 씰링 시스템은 씰의 가압 면에 평 베어링, 특히 축-방사상(axial radial)의 평 베어링이 롤 베어링과 씰링되는 측면에서 조합하는 것이다. 이리하여 두 구성부 간의 힘을 수용한 특히 유리한 씰링이 달성된다.

씰링 시스템은 트러스트 그루브-형 볼 베어링(thrust groove-type ball bearing)을 롤 베어링으로서 선택함으로써 보다 바람직한 양태로 발전시킬 수 있다.

트러스트 그루브-형 볼 베어링은 매우 긴밀한(compact) 형태이므로 일반적으로 협소한(cramped) 조건에 특히 적합하다. 더 나아가 이는 제 1 및 제 2 구성부 사이에서 제 1 구성부에 있는 구멍의 장축 방향으로 종종 주로 발생하는 힘 즉, 축력(axial force)을 수용하기 위해 구성된다.

본 발명에 따른 씰링 시스템의 또 다른 바람직한 양태는 구멍을 갖는 제 1 구성부, 상기 구멍 내에 배열된 제 2 구성부 및 적어도 일시적으로 압력 하에 놓이는 유체에 대하여 두 구성부들 간의 갭을 밀봉하는 위에서 설명한 종류의 씰링 링을 포함하는 것이다.

특히 바람직한 방식으로 본 발명에 따른 씰링 링이 전술한 롤 베어링과 조합될 수 있다. 이리하여 제 1 및 제 2 구성부간의 갭을 특히 장기간 및 확실히 밀봉할 수 있다.

특히 씰링 갭이 밑면과 윗면을 제외한 원통 면 형태를 갖는 경우에, 본 발명에 따른 씰링 시스템에 의해 간단하고 효과적인 밀봉이 가능하다.

본 발명에 따른 씰링 링 및 씰링 시스템은 구체 밸브(globe valve)의 구동 스핀들 및 구체 밸브의 하우징(housing) 간의 갭을 밀봉하는데 사용하는 것이 특히 바람직하다.

구체 내에 형성된 흐름 채널(flow passage)의 내부 면에 대한 유체의 압력에 의해 구체에 힘이 가하여지고, 이는 구체에 고정된 구동 스핀들에 전달된다. 본 발명에 따른 씰링 시스템의 경우에, 상기 힘은 바람직하게 롤 베어링에 의하여 구동 스핀들로부터 구체 밸브의 하우징으로 전달된다. 그러므로 본 발명에 따른 씰링 시스템에 있어서, 주어진 경우 존재하는 평 베어링 및 씰 자체는 상기 힘에 의한 영향을 받지 않거나 단지 약하게 받게 되므로, 실질적으로 부하는 줄어든다. 따라서 씰 및 평 베어링의 마모는 일어나지 않거나 거의 일어나지 않는다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다:

도 1은 구멍 4를 가지고 그 구멍 내에 (도시되지 않은) 구체 밸브의 구동 스핀들이 배열된 하우징 2를 나타낸 것이다. 구동 스핀들 6과 하우징 2 간의 갭은 원형 원통 튜브 모양의 외형(contour)을 갖는 씰링 링 8에 의해 밀봉된다.

씰링 링 8은 내부로 향하는 내측 씰링 면 10 및 외부로 향하는 외측 씰링 면 12를 구비하고 있다. 방사상으로 내부로 향하는 씰링 면 10은 원형-원통형의 구동 스핀들 6의 방사상으로 외부로 향하는 면을 접하고 방사상으로 외부로 향하는 씰링 면 12는 하우징 2에 있는, 씰링 링 8이 도입되는 그루브 16의 방사상으로 내부로 향하는 면 14를 접한다.

공동 14가 씰링 링 8 내부에 구비된다. 공동 14는 씰링 링 8의 축 외부면 16에 있는 그루브이다. 그루브 14가 하우징 2에서 압력 하에 있는 유체 18의 방향으로 개방되어 유체가 구동 스핀들 6과 구멍 4의 벽 사이에 있는 갭 4를 통해 씰링 링 8에 침투하여 그곳에서 공동 14에 압력을 가하게 된다. 공동 14는 단면(cross-section)이 포물선 구조(parabolic configuration)를 갖는 벽 20을 구비한다. 포물선의 각 림브(limb)를 가진 벽 20은 씰링 면 10, 12의 각 면과 대향되게 놓여지며, 유체 18의 압력에 의해 작동되어, 하우징 2 및 구동 스핀들 6의 상보적인 씰링면에 대해 압력을 가한다.

도 2에 나타낸 실시예의 구동 스핀들 6은 제 1 부분 6a, 제 2 부분 6b 및 제 3 부분 6c를 가지고 있다. 하우징 2의 공동 30에 배열된 부분 6a는 구체 밸브의 (도시되지 않은) 구체에 단단하게 연결된다. 부분 6b는 씰 8의 씰링 면 10이 밀봉하는데 대하여 원통형의 면 7을 갖는다.

부분 6a에서 부분 6b로 넘어가는 부분에 구동 스핀들 6의 장축 방향에 대하여 수직인 면 40을 갖는 스텝(step)이 형성된다. 또한, 부분 6b에서 부분 6c로 넘어가는 부분에 상기 면 40과 평행한 면 41을 갖는 또 다른 스텝이 형성된다.

첫 번째 스텝의 면 40은 구멍 4 내에 배열된 환상형의 평 베어링 50과 접촉된다. 평 베어링 50은 트러스트-방사상 평 베어링(thrust-radial plain bearing)의 형태를 가지며 구멍 4에 있는 스텝의 부위에서 구멍 4에 있는 상기 스텝의 원통 외부면 및 환상형 말단 면(annular end face)을 지지한다. 트러스트-방사상 평 베어링은 유체 18을 포함하는 흐름 채널 19에서 방사상으로 외부로 배향하는 축력을 수용할 수 있도록 구성된다. 상기 목적을 위하여 구동 스핀들 상의 첫 번째 스텝의 면 40은 유체 18을 위한 흐름 채널 19를 등지고 구멍 4의 상기 스텝의 환상형 말단 면은 흐름 채널 19 쪽을 향한다.

구동 스핀들 6 상의 두 번째 스텝의 면 41 상에 트러스트 그루브-형 볼 베어링(thrust groove-type ball bearing) 60의 제 1 베어링 외피 61을 지지한다. 면 41은 흐름 채널 19를 등진다.

트러스트 그루브-형 볼 베이링의 제 2 베어링 외피 62는 하우징 2의 하우징부분 3을 지지한다.

그루브-형 볼 베어링 60의 볼은 제 1 및 제 2 베어링 외피 61, 62 사이에 배열된다.

구동 스핀들 6의 부분 6c의 상단 부분은 상술한 실시예의 경우처럼, 구동 스핀들 6의 장축에 대한 토오크(torque)를 구동 스핀들에 적용시키기 위해 예를 들면 사각형 면과 같은 형태 면(shaped surface)을 구비할 수 있다.

구동 스핀들의 면 40과 41 및 구멍 4의 스텝에 있는 환상형 지지 면 및 제 2 베어링 외피 62를 지지하는 하우징 부분 3의 지지 면의 공간배치는 축의 외부로 향하는 힘이 구동 스핀들 6으로부터 그루브-형 볼 베어링 60을 통하여 하우징 부분 3으로 전달되고 평 베어링 50에 의한 상기 힘의 전달은 실질적으로 또는 완전히 차단되도록 선택한다. 다시 말해서, 트러스트 그루브-형 볼 베어링 60 및 평 베어링 50은 상기 평 베어링 50이 축 유극(clearance)을 갖고 있으므로 한정된 베어링 배열을 나타내지 않는다.

도 3에 나타낸 실시예는 구동 스핀들 6의 부분 6a, 6b, 평 베어링 50 및 씰 8에 있어서 도 2에 나타낸 실시예와 동일하다.

도 3에 나타낸 실시예의 하우징 2는 흐름 채널 19를 등진 구멍 4의 말단에 편평한 부분 5를 갖는다. 상기 편평한 부분 5는 구멍 4의 장축에 대하여 수직이다.

구동 스핀들 6 상의 두 번째 스텝의 환상형 면 41은 하우징 2의 편평한 부분 5의 외부에 돌출되어 있다. 면 41 상에는 환상형 함요(recess) 71을 구비한 판 70이 배열된다. 제 1 베어링 외피 61이 상기 환상형 함요 71 내부에 배열된다.

그루브-형 볼 베어링 60은 환상형의 함요 71의 외부에서 축방향으로 돌출된다. 그루브-형 볼 베어링 60의 제 2 베어링 외피 62는 제 2 판 80 내에 있는 환상형의 함요 81에 배열되고 지지된다. 상기 제 2 판 80은 하우징 부분 3과 연결된다.

도 3에 나타낸 실시예에서 구동 스핀들 6의 작동에 요구되는 토오크는 상기 언급된 실시예와 같은 방식으로 부분 6c의 말단 부위에 구비된 형태 면(shaped surface)에 의하여 적용될 수 있다. 선택적으로 작동을 위해 요구되는 토오크는 만약 토오크의 전송과 관련하여 판 70이 구동 스핀들 6에 고정되게 연결되어 있다면 판 70에 의하여 적용될 수 있다.

Claims (13)

1. 방사상으로 내부로 향하는 내측 씰링 면 및 방사상으로 외부로 향하는 외측 씰링 면을 갖는 변형될 수 있는 재료로 이루어져 있는 씰링 링에 있어서, 씰링 링(8) 내부에 공동(14)의 벽으로서 씰링 면(10, 12)의 적어도 하나와 실질적으로 방사상으로 대향되게 놓여있어 공동(14)에서 가압 면(20)을 지지하는 압력 하에 있는 유체(18)가 적어도 하나의 씰링 면(10, 12)을 외부로 압력을 가하는 적어도 하나의 가압 면(20)을 갖는 것을 특징으로 하는 씰링 링.
2. 제 1항에 있어서, 공동(14)은 외부로 이어지는 유체의 오프닝을 구비한 것을 특징을 하는 씰링 링.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 공동은 씰링 링(8)의 축 외부 면(16)에 있는 그루브(14)인 것을 특징으로 씰링 링.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 씰링 링(8)은 탄력적으로 변형될 수 있는 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 씰링 링.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 씰링 링(8)은 원형 원통의 튜브 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 씰링 링.
6. 구멍(4)을 갖는 제 1 구성부(2), 상기 구멍(4) 내에 배열된 제 2 구성부(6) 및 적어도 일시적으로 압력 하에 있는 유체(18)에 대하여 제 1 및 제 2 구성부(6)간의 갭을 밀봉하기 위한 씰링 링에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 구성부간의 축력을 수용하는 것이 롤 베어링에 의한 것임을 특징으로 하는 씰링 시스템.
7. 제 6항에 있어서, 상기 롤 베어링은 트러스트 그루브-형 볼 베어링의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 씰링 시스템.
8. 제 6항 또는 제 6항의 상위 개념에 따른 씰링 시스템에 있어서, 씰링 링(8)은 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따라 설계된 것임을 특징으로 하는 씰링 시스템.
9. 제 8항에 있어서, 제 2 구성부(6) 및 구멍(4)이 원형-원통형인 것을 특징으로 하는 씰링 시스템.
10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 공동(14)이 압력 하에 있는 유체(18)의 오프닝을 갖는 것을 특징으로 하는 씰링 시스템.
11. 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 구성부는 구체 밸브의하우징(2)이고 제 2 구성부는 구체 밸브의 구동 스핀들(6)인 것을 특징으로 하는 씰링 시스템.
12. 제 6항 또는 제 7항에 따른 것을 전제로, 제 11항에 있어서, 롤 베어링은 구동 스핀들에 대하여 축방향으로 작용하고 구체 밸브의 구체를 통하여 흐르는 유체에 의해 구동 스핀들에 적용되는 힘을 수용할 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는 씰링 시스템.
13. 제 12항에 있어서, 롤 베어링의 제 1 베어링 외피는 구체에 구비된 흐름 채널을 등지고 구동 스핀들에 연결된 표면 상에서 지지되고 롤 베어링의 제 2 베어링 외피는 흐름 채널을 향하고 하우징에 연결된 표면 상에서 지지된 것을 특징으로 하는 씰링 시스템.