KR20120112490A

KR20120112490A - 밀봉 시스템의 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20120112490A
Application number: KR1020127016520A
Authority: KR
Inventors: 알란 로베르트 베그
Original assignee: 아크티에볼라게트 에스케이에프
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-10-11
Also published as: EP2516189B1; JP5816195B2; US20130001887A1; MX2012007207A; US9671024B2; WO2011079905A1; WO2011079905A8; CN102821989B; JP2013515216A; CN102821989A; EP2516189A1

Abstract

밀봉 시스템 및 이러한 밀봉 시스템을 제조하는 방법이 제공된다. 밀봉 시스템은 동시에 2가지의 상이한 재료와의 강력한 화학적 접합을 형성하는 중합체성 재료를 사용하여 서로 접합되는 2가지의 상이한 재료의 밀봉 립을 포함한다. 게다가, 접합이 단지 활성화 이후에만 수행되기 때문에, 활성화 이전에 정밀한 물리적 정렬이 가능하다.

Description

밀봉 시스템의 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE OF A SEALING SYSTEM}

본 발명은 밀봉 시스템, 특정 실시예에서, 듀얼 재료 립(dual material lip)을 포함하는 밀봉부 및 2가지의 립 재료의 접합에 관한 것이다.

립 밀봉부(lip seal)와 같은 밀봉 시스템은 누출 및 유입 오염이 가능한 최소화 또는 제거되어야 하는 자동차 및 산업상 회전식 응용에서 사용된다. 밀봉 시스템은 구름 요소 베어링 응용 또는 독립 시스템 내에서 사용된다. 경량 차량 및 트럭 응용에서, 밀봉 시스템은 크랭크샤프트 및 트랜스미션 응용 및 액슬 허브 유닛 내에서 사용된다. 산업에서, 밀봉 시스템은 트랜스미션 내에서 사용되거나 또는 오염을 방지하기 위하여 구름 요소 베어링 내에 포함된다.

립 밀봉부는 전형적으로 회전식 샤프트와 접촉하고 고무 또는 중합체성 립이 부착되는 반경방향 벽을 갖는 금속 케이싱을 포함한다. 작동 중에, 샤프트는 일반적으로 립에 의해 허용 또는 상쇄될 필요가 있는 일부 오정렬 정도를 나타낸다.

샤프트의 표면을 근접하게 따르기 위한 립의 능력은 임의의 누출 및 유입을 방지하는데 중요하다. 이는 팁에서 일부 접촉력을 여전히 유지시키면서 샤프트의 접촉 시에 립을 용이하게 이동시킴으로써 구현된다.

회전식 립 밀봉부는 기계적 부품의 효율 저하 및 에너지 손실에 대한 상당한 기여자이며, 구름 요소 베어링 내에서 최대 70%의 마찰 기여가 밀봉부 단독에 의해 야지된다. 자동차 응용에서, 1% 내지 2%의 CO₂ 감소가 우수한 밀봉 응용에 의해 수득될 수 있다.

일반적으로 밀봉 시스템 및 특히 밀봉 립 내에서 여전히 개선의 여지가 있다.

본 발명은 팁에서 적합한 접촉력을 유지시키는 동시에 샤프트의 용이한 접촉에 따라 립을 이동시킬 수 있는 밀봉 시스템을 개시하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 양태에서, 그리스 및 오일 윤활 회전식 응용의 경우, 정적 및 동적 작동 조건에서 누출 및 유입 오염을 방지하기 위해 저마찰 립 밀봉 시스템/밀봉 립이 제공된다. 듀얼 재료 립은 바람직하게는 마찰 감소를 최대화하고 밀봉 응용에 대한 긴 수명을 달성하기 위해 이용된다. 립의 2가지의 재료 사이의 접합은 제EP 1 900 759호에 기재된 바와 같이 UV 광, 열 및/또는 그 외의 다른 방사선의 적용에 의해 경화되는 특수하게 맞춤구성된 중합체성 재료를 사용하여 구현된다.

선호되는 실시예에서, 밀봉 시스템은 바람직하게는 고무 또는 중합체성 립이 부착되고 차례로 회전식 샤프트 또는 그 외의 다른 적합한 마주보는 표면과 접촉하는 반경방향 벽을 갖는 금속 케이싱을 포함한다. 작동 중에, 샤프트 및/또는 마주보는 표면은 통상적으로 립에 의해 허용되거나 또는 상쇄될 필요가 있는 일부 오정렬 정도를 나타낸다. 샤프트의 표면 또는 마주보는 표면을 따르는 립의 능력은 임의의 누출 및/또는 유입을 방지하는데 중요하다. 이는 립에서 적합한 접촉을 유지시키면서 샤프트의 접촉 싱에 립이 용이하게 이동시킴으로써 구현된다.

샤프트와 접촉한 상태로 유지시키는 립의 능력은 특정 정도의 탄성력 또는 탄력성이 선호됨에 따라 립의 재료 및 설계의 선택에 대해 중요하다. 회전식 립 밀봉부 응용에서, 립의 재료는 전형적으로 다양한 유형의 고무 중 하나이다. 일부 밀봉 응용에서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTEF)도 또한 사용된다. 이 경우에, 립은 극히 얇게 제조되고, 이는 재료의 더 높은 강도에 대해 보상된다.

립의 팁에서 발생되는 마찰 및 마모의 감소는 그러나, 팁에서 접촉력을 유지하기 위해 최적인 재료 기준 또는 특성과는 상이한 재료 기준 및 특성을 요한다. 그러나, 립에 대해 단일의 재료를 사용하는 밀봉 시스템의 개발은 정의하자면 절충안이다. 따라서, 팁에서 접촉력 및 마찰 감소/마모 저항은 단일 재료 립 기술을 사용하여 최대화될 수 없다.

이들 제한을 극복하기 위하여, 적어도 2가지의 상이한 재료, 예를 들어, 재료 A 및 재료 B로부터 립을 제조하는 것이 선호될 수 있다. 립의 팁 또는 스킨(예를 들어, 접촉 표면)과 재료 A로 바람직하게 제조된 립의 주요 부피 또는 벌크는 바람직하게는 재료 B로 제조된다. 재료 A는 샤프트의 주변 주위에서 우수한 접촉 상태 및 립의 우수한 유연성을 보장하도록 선택될 수 있다. 재료 B는 우수한 마모 저항 및 저 마찰 조건을 제공하도록 선택될 수 있다.

밀봉 시스템의 전체 수명에 걸쳐서 저-마찰 접촉이 유지되어야 하기 때문에, 2가지의 상이한 재료는 윤활제의 침입성(aggressiveness) 및 예상된 작동 온도에 따라 선택될 수 있다. 게다가, 재료 A 및 재료 B는 본 발명의 또 다른 양태에 따라서 바람직하게는 하기 재료의 조합일 수 있다: 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(NBR), 하이드로제너레이티드 니트릴 고무(HNBR), 카르복실레이트 니트릴 고무(XNBR), 폴리아크릴레이트 고무(ACM), 폴리우레탄 고무(PU), 비닐리덴 플루오라이드 기반 공중합체 및 헥사플루오로프로필렌(FKM).

이들 재료의 제형은 하나 이상의 충전제 또는 충전계 및 경화계의 적합한 선택에 의해 추가로 최적화될 수 있다.

회전식 립 밀봉 기술에서 규격 적합품인 엘라스토머 재료에 추가로, 본 발명은 또한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아미드(PA), 열가소성 가황물(TPV) 및 열가소성 엘라스토머(TPE)와 같은 재료의 신규한 조합을 이용할 수 있다. 밀봉부의 전체 수명에 걸쳐서 신뢰성 있고 효과적인 접합을 보장하기 위하여, 바람직하게는 재료 A와 재료 B 모두를 접합하는 효과적인 접착 촉진제(adhesion promoter)를 사용한다.

중합체성 재료, 더 구체적으로 다이엔 복합물을 기반으로 한 적합한 부류의 접착 촉진제는 제EP 1 900 759호에 기재된다. 이 개시에서, 접척제는 활성화되는 적어도 2개의 이중 접합을 포함하는 개시 물질로부터 제조되고, 이에 따라 이 접합은 중합 반응에서 생성되며, 이중 접합은 고리화중합이 일어나기에 서로 충분히 근접하다.

고리화중합은 방사선의 공급원, UV 또는 열 방사선을 적용함으로써 유발된다. 이 기술은 예컨대, 아크릴레이트와 같은 통상적인 UV 경화계와는 상이하고, 이들 중합체의 사용으로서 일부 경우에 메타크릴레이트는 최종 생성물 내에서 수득될 수 있는 특성을 제한할 수 있다. 중합체성 재료에 따라 예컨대, 금속 표면에 대한 접착, 저 비용, 유도의 용이성 및 공정 속도와 같이 아크릴레이트 및 메타크릴레이트에 비해 상당히 상이한 특성이 수득될 수 있다. 이들 요인으로 인해, 이는 예컨대, 회전식 립 밀봉부 내에서 통상적으로 사용되는 바와 같은 고무 및 중합체성 기술에 특히 적합하다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 밀봉 시스템 및 밀봉 시스템의 상이한 부분을 접합하는 방법이 예를 들어, UV 방사선에 의해 단지 활성화된 이후에만 접착제가 개시되기 때문에 비용이 많이 소요되는 기계적 정렬을 방지 또는 최소화하기 위해 제공된다.

종래의 접착제를 이용하여 밀봉 고무를 접합하는 시도는 곤란한 것으로 밝혀졌다. 일부 접합제가 제한된 강도를 가지며 그 외의 다른 것들은 저온에 노출 시에 취약해지거나 또는 심지어 파괴되기 쉽기 때문에 2가지의 상이한 재료를 접합하기가 극히 곤란할 수 있다.

본 명세서에 개시된 듀얼 재료 기술에 따라 립의 벌크에 대한 재료와는 독립적으로 립의 (접촉) 표면에 대한 최적의 재료를 선택함으로써 마찰 감소가 최대화될 수 있다. 재료는 립이 작동 중에 마주보는 표면을 근접하게 따를 수 있고 립의 팁에서 우수한 접촉 상태를 유지시키도록 선택될 수 있다.

접촉 표면에 대한 저마찰 재료의 선택은 작동 중에 립에서의 온도를 감소시키고, 밀봉 시스템의 더 긴 수명을 허용한다. 제EP 1 900 759호에 기재된 바와 같이 중합체성 재료를 사용할 수 있는 접착 촉진제를 사용하여 립의 벌크에 대해 사용한 재료와 접착 표면(팁)에 대해 사용한 재료 사이에 강력한 접합이 형성될 수 있다.

제EP 1 900 759호에 기재된 바와 같이 중합체성 재료의 사용에 따라 사용되는 립의 접촉 표면과 립에 대한 재료의 폭 넓은 조합이 허용된다. 고무 밀봉 재료의 경우, 이 기술에 따라 또한 립과 표면에 대해 상이한 경화계(curing system)의 사용이 허용될 수 있다. PTFE 밀봉부의 경우, 이러한 기술은 표면의 사전-처리 및 플라스마 식각의 필요성을 배제시킨다.

본 발명에 따라 접합된 상이한 밀봉 재료는 임의의 원하는 방식으로 조합될 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 밀봉 시스템을 도시한다.

하기 선호되는 실시예에 따르는 밀봉 시스템은 제한 없이 낮은 마찰이 요구되고 오일 누출 및 유입 오염이 최소화되거나 또는 가능한 배제되어야 하는 자동차 및 산업용 회전식 설비 내에서 사용될 수 있다. 이러한 밀봉 시스템은 독립 시스템 또는 구름 요소 베어링 응용에서 사용될 수 있다. 경량 차량 및 트럭 응용에서, 밀봉 시스템은 크랭크샤프트 및 트랜스미션 응용과 액슬 허브 유닛(axle hub unit) 내에서 사용될 수 있다. 산업상, 본 발명의 듀얼-재료 밀봉 시스템(dual-material sealing system)은 단일-재료 밀봉 립(single-material seal lip)에 비해 마찰을 감소시키고 베어링 내의 윤활제를 보유하며 오염물에 대해 보호하기 위하여 구름 요소 베어링 내에 포함되거나 또는 트랜스미션 내에서 사용될 수 있으며, 바람직하게는 가혹한 환경에서 사용될 수 있다.

이제, 대표적인 실시예가 도 1에 따라 기재될 것이다.

도 1에는 본 발명에 따르는 밀봉 시스템(100)의 본 발명의 선호되는 응용을 도시한다. 밀봉 시스템은 사용 중에 회전식 샤프트 또는 마주보는 표면(130)과 접촉하고 고무 또는 중합체성 립(lip, 120, 125)이 부착되는 반경방향 벽을 갖는 금속 케이싱(110)을 포함한다. 작동 중에, 샤프트 또는 마주보는 표면(130)은 립에 의해 수용되거나 또는 보상될 필요가 있는 일부 오정렬 정도를 나타낼 것이다. 샤프트의 표면을 따르는 립의 능력은 임의의 누출 및 유입을 방지하는 것이 중요하다. 이에 따라 립은 샤프트와 접촉 시에 용이하게 이동할 수 있는 동시에 팁(125)에서 일부 접촉력이 여전히 유지된다. 샤프트와 접촉한 상태로 유지되는 립의 능력은 종종 립의 설계 및 재료의 선택에 대해 종종 매우 중요하다. 회전식 립 밀봉 응용에서, 립의 재료는 일반적으로 상이한 유형의 고무이다.

립의 팁에서 발생되는 마찰 및 마모의 감소는 그러나 접촉을 유지시키기 위해 최적인 기준과는 상이한 재료 기준을 요한다. 따라서, 단일의 립 재료로 구성되는 밀봉 시스템의 사용을 통해 절충물이 형성된다. 그 결과 마찰 감소 및 마모 저항은 단일의 재료 립 기술을 사용하여 최대화될 수 없다.

이들 제한을 극복하기 위하여, 립은 바람직하게는 2가지의 재료 A와 B로 구성된다. 립의 주요 부피 또는 벌크(120)는 재료 A로 제조되고, 립의 스킨(접촉 표면) 또는 팁(125)은 재료 B로 제조된다. 재료 A는 샤프트의 주변 주위에서 우수한 접촉 조건 및 립의 우수한 유연성을 보장한다. 재료 B는 마주보는 표면(130)과 미끄럼 접촉 시에 낮은 마찰 계수 및 우수한 마모 저항을 제공하도록 선택된다.

벌크 및 표면 재료: 저-마찰 접촉이 바람직하게는 밀봉 시스템의 전체 수명에 걸쳐서 유지되기 때문에, 2가지의 상이한 재료(A 및 B)가 바람직하게는 윤활제의 침입성(aggressiveness) 및 예상된 작동 온도에 따라 선택된다. 게다가, 재료 A와 B는 하기 재료: 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(NBR), 하이드로제너레이티드 니트릴 고무(HNBR), 카르복실레이트 니트릴 고무(XNBR), 폴리아크릴레이트 고무(ACM), 폴리우레탄 고무(PU), 비닐리덴 플루오라이드 기반 공중합체 및 헥사플루오로프로필렌(FKM)으로부터 각각 선택될 수 있다.

이들 재료의 제형은 하나 이상의 충전제 또는 그 외의 다른 첨가제의 적합한 선택뿐만 아니라 경화계의 적합한 선택에 의해 추가로 최적화될 수 있다. 회전식 립 밀봉 기술에서 규격 적합품인 엘라스토머 재료에 추가로, 본 발명은 또한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아미드(PA), 열가소성 가황물(TPV) 및 열가소성 엘라스토머(TPE) 중 하나 이상과 같은 재료의 신규한 조합의 이용을 포함한다.

본 발명에 따르는 밀봉부 내에서 재료 B와 같은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 사용할 때, 극히 얇은 립 섹션을 제조할 필요가 없다. 대신에, 형상과 두께는 마찰 및 마모에 대해 최적화될 수 있으며, 심지어 재료의 더 큰 강성을 사용한다.

실시예(양(그램))

(1) 아크릴로니트릴-부타디엔 밀봉부

유로프렌(Europrene)® N 3330 GRN 100

ZnO 5

스테아르 산 1

N 330 40

DOP 5

미스트론 베이퍼(Mistron Vapor)® 25

그래파이트 10

쿠마론 수지(Coumarone resin) 2

벌카녹스(Vulkanox)® MB2 1.5

벌카녹스(Vulkanox)® HS 0.5

CBS 1.5

TMTD 2.5

황 0.4

170°C에서 10분 동안 압축 경화

(2) 플루오로엘라스토머 밀봉부

60K에 대한 테크노프론(Tecnoflon)® 100

마그네슘 옥사이드(고 활성도) 9

칼슘 하이드록사이드(Calcium Hydroxide) 6

바륨 설페이트 30

폴리미스트(Polymist)® L206 30

레드 아이언 옥사이드(Red Iron Oxide) 5

카누바 왁스(Carnuba Wax) 2

170 °C에서 10분 동안 압축 경화

230 °C에서 8 시간 + 16 시간 동안 후 경화

(3) 아크릴레이트 밀봉부

바막(Vamac)® G 100.0

스테아르산 1.0

아민(Armeen) 18D 0.5

반프레(VANFRE)® VAM 2.0

FEF Black (N-550) 60.0

그래파이트 20.0

다이옥틸 프탈레이트(Dioctyl Phthalate)(DOP) 10.0

바녹스(VANOX)® ZMTI 2.0

바녹스(VANOX)® AM 1.0

바녹스(VANAX)® DOTG 4.0

디악(DIAK)® No. 1 1.25

2개의 재료의 부착: 특히, 매우 가혹하고 곤란한 환경에서 긴 수명을 수득하기 위하여, 재료 A와 재료 B 사이의 우수한 접합이 밀봉 시스템의 성공적인 작동을 위해 필수적이다. 가황 동안에 교차 결합될 때, 그 외의 다른 재료에 대한 고무의 자연적인 접합은 불충분하다. 게다가, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아미드(PA), 열가소성 가황물(TPA) 및 열가소성 엘라스토머(TPE)가 재료 A와 재료 B에 대해 선택될 때, 이 해결 방법은 사용될 수 없다.

밀봉부의 전체 수명에 걸쳐서 효과적인 접합을 보장하기 위하여, EP 1 900 759호에 기재된 바와 같이 중합체성 재료를 기반으로 한 접착 조촉매가 재료 A와 재료 B를 서로 접합하기 위해 사용된다.

제EP 1 900 759호에 기재된 바와 같이, 2개의 접합부 사이의 중합체성 재료는 특정 기판과 접합되고 반응을 촉진시키는 특정 화학적 작용물(chemical function)을 첨가함으로써 맞춤구성될 수 있다. 따라서, 중합체성 재료의 제1 화학적 작용물은 재료 A와의 화학적 접합을 생성하기 위해 첨가될 수 있고, 반면 제2 화학적 작용물은 동일한 방식으로 재료 B와의 화학적 접합을 생성하기 위해 첨가될 수 있다. 이 방식으로, 강력하고 영구적인 접합이 재료 A와 재료 B의 표면 사이에서 구현될 수 있다. 이들 기술을 사용함에 따라 밀봉 시스템에 대한 재료의 다수의 조합을 사용하고 표면들 사이에 강력한 접합이 형성될 수 있다.

고리화중합(cyclopolymerisation)은 예를 들어, UV 또는 열 방사선과 같은 방사선 원을 적용함으로써 유발된다. 이 기술은 예컨대, 아크릴레이트 및 메타크릴레이트와 같은 통상적인 UV 경화계와는 상이한데, 이는 이들 중합체의 사용이 일부 환경에서 최종 생산물 내에서 수득될 수 있는 특성을 제한할 수 있기 때문이다. 제시된 기술에 따라 예컨대, 금속 표면에 대한 부착, 저 비용, 유도의 용이성 및 공정 속도와 같이 아크릴레이트 및 메타크릴레이트에 비해 상당히 상이한 특성이 수득될 수 있다. 이러한 요인으로, 이는 회전식 립 밀봉부 내에서 통상적으로 사용되는 바와 같이 고무 및 중합체성 기술에 특히 적합하다.

요약하면, 밀봉부 립은 바람직하게는 2가지의 상이한 재료와의 강력한 화학적 접합을 형성하는 중합체성 재료에 의해 서로 접합된 2가지의 상이한 재료로 구성된다. 게다가, 결합 또는 접착이 단지 활성화 이후에만 수행되기 때문에, 이에 따라 활성화 이후에 정밀한 물리적 정렬이 수행된다.

제EP 1 900 759호 및 이의 대응 참조 제US 6,559,261호의 내용은 본 명세서에서 참조로 전체적으로 인용된다. 제EP 1 900 759호의 단략 [0013]에서 개시된 광개시제 및 단략 [0007]에서 개시된 접착성 화합물은 본 명세서에서 참조로 인용되고, 그 내용은 제US 6,559,261호의 세로줄 1, 세로줄 2에 대한 라인 53, 세로줄 3에 대한 라인 38, 세로줄 4에 대한 라인 18, 라인 10에 대응한다.

본 발명은 전술된 실시예에 제한되지 않지만 하기 청구항의 범위 내에서 변화할 수 있다.

100 밀봉 시스템, 립 밀봉부
110 금속 케이싱
120 립의 벌크 부분
125 립의 팁 부분
130 샤프트 또는 베어링 부분과 같은 대항하는 부분

Claims

립을 포함하는 밀봉 시스템으로서,
립은 상이한 특성을 갖는 둘 이상의 재료를 포함하고, 2가지의 재료는 중합체성 작용물(polymeric agent)에 의해 접합되고, 중합체성 작용물은 각각의 재료에 대한 적어도 하나의 복수의 화학적 접합을 포함하는 밀봉 시스템.
제1항에 있어서, 복수의 접합은 활성화 시에 중합 반응에서 생성되며, 고리화중합이 일어나기에 서로 충분히 근접한 다수의 화학적 접합을 형성하고, 활성화는 UV 또는 열 방사선에 의해 유발되는 밀봉 시스템.
제1 재료는 제1 표면을 포함하고 제2 재료는 제2 표면을 포함하며, 밀봉 시스템의 립의 제2 재료에 제1 재료를 접합하는 방법으로서,
-접합되는 표면 중 하나의 표면 또는 양 표면에 중합체성 작용물을 적용하는 단계,
-접합되는 제1 및 제2 표면을 기계적으로 정렬시키는 단계,
-UV 또는 열 방사선에 의해 중합 반응을 활성화하는 단계를 포함하는 방법.
밀봉부로서,
접착제에 의해 제2 재료에 접합된 제1 재료를 포함하고, 제1 및 제2 재료는 상이한 특성을 가지며, 접착제는 고리화중합되는 밀봉부.
제4항에 있어서, 제1 재료는 밀봉부의 주요 부분을 형성하고, 제2 재료는 밀봉부의 접촉 표면을 형성하는 밀봉부.
밀봉부를 형성하기 위한 방법으로서,
-제1 재료와 제2 재료의 하나 이상의 표면에 접착제를 적용하는 단계,
-접합되는 제1 및 제2 재료를 기계적으로 정렬하는 단계,
-UV 및 열 방사선 중 하나 이상을 접착제에 적용함으로써 중합 반응을 활성화하는 단계를 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 접착제는 하나 이상의 다이엔 작용기를 포함하는 방법.