KR102384081B1 - 개선된 윤활 작용을 갖는 밀봉 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은
- 밀봉 갭(18)을 형성하여 서로 이격되어 배치되고, 이동 축(16) 주위로 서로에 대해 이동 가능한, 제 1 및 제 2 기계 부품(12, 14);
- 밀봉 유지 구조 상에, 특히 두 기계 부품(12, 14) 중 하나의, 유지 홈(26) 내에 유지되어 배치되는 베이스부(24) 및 밀봉 갭(18)의 저압측 N에 대하여 밀봉 갭(18)의, 가압된 유체로 충전될 수 있는 고압측 H를 밀봉하기 위해 각각 다른 기계 부품(12, 14)의 밀봉 표면(32)에 대항하여 다이내믹하게 밀봉 방식으로 밀봉부(30)를 지탱하는 밀봉 헤드(28)를 갖는 밀봉 요소(20);로 구성되는 밀봉 장치(10)에 관한 것이고, 밀봉 헤드(28) 및 베이스부(24)는 밀봉 요소(20)의 탄성적으로 변형 가능한 연결부(34)에 의해 서로 연결되고, 연결부는 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로, 차례로, 바람직하게는 균일하게 서로 이격되어 배치되는 적어도 특정 부분에 있어서 비-선형의 단면 프로파일 및 다수의 약화된 재료의 영역(48)을 갖는다. 본 발명은 또한 위에 언급한 밀봉 장치(10)용 밀봉 요소(20)에 관한 것이다.

Description

개선된 윤활 작용을 갖는 밀봉 장치

본 발명은 최적화된 윤활 작용을 갖는 밀봉 장치에 관한 것이다. 밀봉 장치는 제 1 및 제 2 기계 부품을 갖고, 이들은 밀봉 갭을 형성하면서 서로 이격되어 배치되고 이동 축 주위로 서로에 대해 이동 가능하도록 배치된다. 이 경우, 밀봉 장치는 베이스부를 갖는 밀봉 요소로 구성되고, 베이스부는 두 기계 부품 중 하나의 밀봉 유지 구조의 위 또는 안, 특히 유지 홈 내에 배치된다. 밀봉 요소는 밀봉 헤드를 갖고, 밀봉 헤드의 밀봉부는 밀봉 갭의 저압측에 대항하여 밀봉 갭의 고압측을 밀봉하기 위해 다이내믹 밀봉 방식으로 각각 다른 기계 부품의 밀봉 표면에 대항하여 접촉하고, 고압측은 유체로 가압될 수 있다.

그러한 다이내믹 밀봉 시스템은 차량 구조에서 뿐만 아니라 기계 공학에서도 필수적인 구성 요소로 여겨진다. 예를 들어, 밀봉 요소는 방사상 또는 축 방향 샤프트 밀봉 링으로서 또는 피스톤 씰(piston seal)로서, 특히 유압 밀봉 요소로서 사용된다. 동시에, 그러한 밀봉 요소는 특히 유닛의 기술적 진보로 인해, 실제로 계속 증가하는 작동 압력, 온도 및 미끄럼 속도에 노출된다. 밀봉 요소의 손상은 여기서 밀봉될 유체의 바람직하지 않은 누수를 유발하고, 이는 특히 중요한 적용에 있어서, 심각한 결과를 가져올 수 있다. 밀봉 요소는 따라서 그들의 밀봉 성능에 대해서 점점 더 높아지는 요구를 충족시켜야 하고 또한 개선된 사용 수명을 가져야 한다.

마찰에 의해 유발되는 밀봉 요소의 사용 수명의 감소는, 바람직하게는 최소의 미끄럼 마찰(sliding friction)을 갖는 재료 페어링(pairing)의 사용에 의해, 밀봉 표면에 대항하여 접촉하는 밀봉 요소의 밀봉부 영역에서 최적화된 윤활에 의해서 뿐만 아니라, 밀봉 구역 영역에서 최적화된 열 손실에 의해서, 실제로 상쇄된다. 이 점에서, 밀봉 요소의 이른바 드래그-백 성능(drag-back capability)을 더 개선시키기 위한 시도 또한 이루어지고 있다.

밀봉 장치의 작동 시, 밀봉 표면에 대항하여 접촉하는 밀봉 요소의 밀봉 구역 또는 밀봉부 영역에서, 윤활유의 열 과부하 및 결과적으로 이른바 오일 탄소 침적(deposit)의 형성이 윤활유가 사용될 때 발생할 수 있다. 이는 높은 온도 저항을 갖는 탄성중합체 물질로 만들어진 밀봉 요소를 사용할 때 특히 발생한다. 이들은 특히 이른바 불화탄성중합체(fluoroelastomer)를 포함하고, 이들은 현대의 밀봉 시스템에 설정되어 왔다. 오일 탄소 침적을 형성하는 두 유형을 식별하는 것이 공지되어 있다. 예를 들어, 검게 탄 오일은 씰 또는 밀봉 표면 상에 직접적으로 정착될 수 있고 거기에 축적된다. 축적된 오일 탄소층이 일정 두께를 초과할 경우, 밀봉 요소의 사용 수명이 단축된다. 게다가, 그러나, 윤활유는 또한 씰의 탄성중합체 내부로 관통하여 여기에 오일 탄소 침적의 형성을 초래할 수 있다. 이는 경우에 따라, 밀봉 요소를 그의 밀봉부 또는 그의 밀봉 에지 영역에서 탄력이 줄어들게 만든다. 마지막으로, 밀봉 요소는 기계 부품의 진동 또는 밀봉 표면의 불균일함에 대해 더 이상 충분히 보상할 수 없기 때문에, 오일은 새어 나온다. 오일 탄소 침적의 형태의 제 2 형태는 밀봉 요소의 수명에 중요한 영향을 미친다. 또, 침적된 탄소는 접착면(shaft under-cut)에 손상을 유발할 수 있고 이에 따라 밀봉 요소의 마모 및 정상 보다 이른 고장을 초래한다.

본 발명의 목적은 더 개선된 윤활 작용을 갖는 위에 언급된 밀봉 장치 및 밀봉 요소를 제공하기 위한 것이고, 밀봉 장치 및 밀봉 요소는 특히 밀봉 요소 및 밀봉 표면의 저압 적용 및 높은 상대적인 속도에 적합하고, 바람직하게는 작동 시 밀봉 구역 영역에서 위에 기술된 어떠한 오일 탄소 침적도 상쇄시킨다.

밀봉 장치에 관련된 과제는 청구항 1에 명시된 바와 같은 기술 특징을 갖는 밀봉 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 밀봉 요소는 청구항 24에 명시된다.

본 발명에 따른 밀봉 장치는 본질적으로 밀봉 요소의 원주 방향으로, 바람직하게는 계속하여 서로 균일하게 이격되어 배치되는 U 형상의 비-선형 단면 프로파일 및 다수의 재료-약화된 영역을 갖는 밀봉 요소의 탄성적으로 변형 가능한 연결부를 통해 밀봉 헤드 및 베이스부가 서로 연결된다는 사실에 의해 특징지어진다. 두 기계 부품의 이동 축에 대해서, 밀봉 요소가 방사상으로 밀봉 방식으로 설계되는 경우, 즉 이른바 방사상 샤프트 밀봉 링 또는 피스톤 씰 링으로서 설계되는 경우, 연결부는 비-선형, 즉 방사상 방향으로 만곡된 단면 프로파일을 갖는다. 밀봉 요소가 축 방향 밀봉 방식으로 형성되는 경우, 즉 이른바 축 방향 샤프트 밀봉 링으로서 형성되는 경우, 연결부는 따라서 비-선형, 즉 만곡된, 축 방향으로 단면 프로파일을 갖는다. 그러한 탄성의, 특히 고무-탄성의 단면 프로파일에 의해서, 우선 밀봉 유지 구조로 구성되는 기계 부품의 진동 뿐만 아니라, 밀봉 표면의 불균일함도 연결부에 의해 확실하게 흡수되거나 보상될 수 있다. 결과적으로, 밀봉부 또는 밀봉 헤드의 밀봉 에지의 국지적 과부하가 회피될 수 있고 밀봉 요소의 확실한 밀봉 성능이 달성될 수 있다. 또, 밀봉 요소의 특히 간편한 설계가 그럼으로써 실현될 수 있다. 이는 밀봉 장치의 사용의 가능한 범위에 대해 유리하다. 밀봉 헤드의 밀봉부는 하나 이상의 트레드(tread)로 구성되고, 이는 밀봉 헤드의 단부면으로부터 떨어져서 연장된다. 이러한 트레드는 이에 따라 밀봉 헤드의 단부면의 윤곽 너머로 돌출한다. 트레드는 무부하(unloaded)의 상태에서 원형일 수 있고, 즉 반경을 갖게 설계될 수 있고, 양 측에 밀봉 에지를 가질 수 있다. 본 발명에 따르면, 밀봉 스트립은 연속적인, 바람직하게는 육안으로 보이는 비구조적인, 트레드 표면이 제공된다. 트레드 표면은 밀봉 표면에 대항하여 접촉한다. 연결부가 고압측을 향해 간극 개구(clearance open)를 형성할 경우, 밀봉 요소는 밀봉 장치의 고압측 가압에 의해 압력-활성화될 수 있다. 다시 말하면, 밀봉 헤드는 고압측에 우세한 작동 압력에 비례하는 압력으로 밀봉 표면에 대항하여 가압된다. 유리하게, 연결부는 (적어도 부분적으로) 보우-형상(bow-shaped) 또는 굴곡진, 즉 U 또는 V 형상의, 단면 프로파일을 갖는다.

또, 밀봉 요소의 외주 방향으로 제공되는 탄성의, 바람직하게는 고무-탄성의 변형 가능한 연결부의 재료 약화에 의해, 특히 효율적인 윤활 및 이에 따라 밀봉 구역, 즉 밀봉부 및 밀봉 표면의 접촉 구역의 쿨링(cooling)이 달성될 수 있다. 이는 밀봉 장치의 다이내믹 밀봉 구역의 영역에서 탄소 침적의 형성을 상쇄시킨다. 연결부의 재료 약화는 연결부의 재료-약화되지 않은 영역 보다 밀봉 장치의 작동 시 밀봉 헤드에 더 낮은 토크 지지를 제공한다. 이들은 밀봉 요소의 원주 방향으로 재료 약화 사이에 끼어서 배치된다. 두 기계 부품의 상대적인 이동에서, 이는 원주 방향으로 밀봉 표면에서 밀봉부의 접촉 압력 프로파일을 유발하고, 프로파일은 연결부의 재료-약화된 영역 및 재료-약화되지 않은 영역의 공간 분산 패턴에 상응한다. 원주 방향으로 교대하거나 일정하지 않은 밀봉 헤드의 밀봉부의 접촉 (표면) 압력은 밀봉 갭 또는 밀봉 장치의 고압측에 위치된 유체로 인해 마모되기 쉬운 밀봉부의 개선된 윤활을 가능하게 한다. 이는 밀봉 요소의 밀봉 작용에 부정적인 영향 없이 발생한다.

본 발명에 따르면, 밀봉 요소의 밀봉 성능에 결정력이 있는, 밀봉 표면에 대항하여 밀봉 헤드의 프리-스트레스된 밀봉 시팅(seating)은 연결부에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 영향을 받을 수 있다. 두 경우 모두에서, 따라서, 밀봉 헤드는 밀봉 유지 구조로 구성되는 기계 부품 상의 베이스부에 의해 필연적으로 지지되는 연결부에 의해 밀봉 표면에 대항하여 가압된다. 이 경우, 베이스부는 정적인 밀봉 방식으로 축 방향 또는 방사상 방향으로 밀봉 유지 구조로 구성되는 기계 부품에 대항하여 접촉한다. 본 발명에 따른 연결부의 재료의 약화로 인해, 두 경우 모두에서 재료 약화의 공간 분산 패턴에 상응하는 밀봉 표면에서 밀봉부의 일정하지 않은/교대하는 접촉 압력 프로파일이 더 향상된다. 밀봉 헤드의 밀봉부는, 밀봉 표면에 직각인 방향으로 연결부의 재료-약화되지 않은 영역에 정렬되는 영역 보다 더 적은 접촉 (표면) 압력으로, 밀봉 표면에 대항하여 밀봉 표면에 직각인 방향으로 연결부의 재료 약화에 정렬되는 밀봉부 (표면) 영역에 접촉한다. 결과적으로, 밀봉 구역의 영역에서 밀봉 장치의 자기-윤활(self-lubrication), 즉 밀봉 헤드와 밀봉 표면 사이의 접촉 구역의 영역에서 충분한 윤활층 및 이에 따른 밀봉 요소의 사용 수명은, 훨씬 더 개선될 수 있다.

본 발명에 따르면, 재료-약화된 영역에서 연결부는 바람직하게는 각각 90% 보다 작은 두께, 특히 연결부의 최대 두께의 50% 보다 작은 두께를 갖는다. 재료-약화된 영역은 따라서 연결부의 보어가 아니지만, 저압측에 대한 유체의 통로에 대항하여 항상 고압측을 밀봉한다. 연결부는 중심에서 밀봉 헤드 상에 일체로 형성될 수 있거나, 대안적으로 에지에, 특히 밀봉 헤드의 저압측 에지에 형성될 수 있다. 전자의 경우, 따라서 축 방향으로 이동 축에 대해서 방사상-밀봉하는 밀봉 요소 및 방사상 방향으로 축 방향-밀봉하는 밀봉 요소의 경우, 밀봉 헤드는 연결부의 연결 영역을 지나 비스듬히 연장된다. 그럼으로써, 밀봉 헤드의 밀봉부는 밀봉 표면에 대항하여 밀봉 표면에 직각인 방향으로 원주형으로 간단한 방식으로 가압될 수 있다. 두 경우 모두에서, 밀봉 요소의 추가적인 성능 또는 추가 부품을 위해 공간이 생성된다.

이에 따라, 본 발명에 따른 밀봉 헤드는 하나 이상의 유지 구조로 구성될 수 있고, 그 내부 또는 위에 (고무) 탄성적으로 변형 가능한 바이어싱(biasing) 요소, 특히 웜 스프링 또는 탄성중합체 링이 유지되며, 그에 의해 밀봉 헤드는 밀봉 표면에 대항하여 클램프(clamp)된다. 그러한 바이어싱 요소는 본 발명에 따라 추가적으로 또는 대안적으로 연결부에 의해 영향을 받는 밀봉 표면에 대항하여 밀봉 헤드의 바이어싱에 제공될 수 있다. 본 발명에 따르면, 유지 구조는 바람직하게 베이스부를 마주하는 밀봉 헤드의 후면에 배치된다. 밀봉 요소의 간단하고 확실한 장착에 대해서 뿐만 아니라 생산 공학 관점 하에서, 유지 구조는 유리하게 환형 홈으로 설계된다. 밀봉 헤드가 오직 하나의 그러한 유지 구조를 가질 경우, 그것은 유리하게 밀봉 헤드의 고압측에 위치된다. 이는 밀봉 요소의 더욱 확실한 밀봉 성능을 보장할 수 있다.

본 발명의 바람직한 개선에 따르면, 밀봉 헤드는, 바람직하게는 베이스부를 마주하는 그의 후면에서, 연결부의 양 측, 즉 저압측 및 고압측에서 그러한 유지 구조를 갖는다.

제 1 대안적인 실시예에 따르면, 각각의 경우 밀봉 헤드에 대해 (고무) 탄성적으로 변형 가능한 바이어싱 요소, 특히 웜 스프링 또는 탄성중합체 링은 두 유지 구조의 안/위에 유지될 수 있다. 서로 이격되어 있는 바이어싱 요소들로, 밀봉 헤드의 밀봉부는 밀봉 표면에 대항하여 특히 확실하고 틸팅(tilting)에 대항하여 안정적으로 가압될 수 있다.

제 2 대안적인 실시예에 따르면, 지지 링은 저압측에 배치된 유지 구조 안/위에 유지될 수 있고, 탄성적으로 변형 가능한 바이어싱 요소, 특히 웜 스프링 또는 탄성중합체 링은 고압측 유지 구조 안/위에 유지될 수 있다. 지지 링은 그 자체로 밀봉 요소 또는 밀봉 헤드의 재료와 비교하여 단단하고, 즉 방사상 및 축 방향으로 치수 안정적이다. 밀봉 헤드의 탄성적으로 변형 가능한 재료로 인해, 지지 링은 밀봉 표면 상의 그의 밀봉 위치에서 밀봉 헤드를 고정시킬 수 있다. 밀봉 헤드의 탄성적으로 변형 가능한 재료를 고려하여, 지지 링은 또한 밀봉 헤드에 대한 바이어싱 요소의 면에서 상응하는 치수로 작용할 수 있다. 지지 링은 또한 저압측의 밀봉 요소의 밀봉 헤드 및/또는 연결부의 축 또는 방사상 지지를 제공할 수 있고, 이에 따라 유체의 높은 작동 압력에서도 밀봉 요소의 작동성을 보장한다. 고압측에 배치된 바이어싱 요소에 의해, 밀봉 표면에 대항하여 밀봉 헤드의 충분한 접촉 압력이 밀봉 장치의 가동 사용 시 가능하게 된다.

위에 언급한 바이어싱 요소(들) 또는 지지 링의 특별히 간단하고 영구적인 부착에 대해서, 본 발명에 따른 환형 홈은 바람직하게는 환형 홈의 내부 지름과 비교하여 더 작은 개구 단면을 갖는 개구를 갖는다. 위에 언급한 부착은 간단한 방법으로 밀봉 장치의 어셈블리에서 환형 홈 내부로 고정될 수 있고 밀봉 요소에 억류되어 고정될 수 있다.

본 발명의 다른 개선에 따르면, 지지 링은 필요할 경우, 밀봉 갭의 저압측에서 고압측까지 오염 물질의 출입을 상쇄시키기 위해 와이핑(wiping) 또는 밀봉 립이 제공될 수 있다. 결과적으로, 밀봉 장치는 심하게 오염된 환경에서의 사용에 더 적합하다. 와이핑 또는 밀봉 립은 바람직하게는 밀봉 표면을 갖는 기계 부품에 대항하여 주변으로 접촉한다.

밀봉 헤드는 상이한 단면 프로파일을 갖는 본 발명에 따라 실현될 수 있다. 이에 따라, 밀봉 헤드는 오발형, 타원형 또는 심지어 다각형의 단면 프로파일을 가질 수 있다. 바람직하게는, 밀봉 헤드는 단면에 있어서 볼록한 형상의 단부면을 갖고, 이는 밀봉 표면을 마주한다. 밀봉 헤드는 이에 따라 구형으로 밀봉 표면 측에 형성된다.

밀봉부의 영역에서 오일 탄소의 형성 또는 침적은 고압측, 특히 고압측을 마주하는 그의 전면 또는 측면에 하나 이상의 유동 발생기(flow generator) 또는 유동 요소(flow element)를 갖는 밀봉 요소를 제공함으로써, 본 발명에 따라 더 효과적으로 상쇄될 수 있다. 상기 밀봉 요소는 두 기계 부품의 상대적인 이동에서 밀봉 갭 내의 유체 흐름에 영향을 미치기 때문에 유체는 밀봉 헤드의 그의 밀봉부 영역에서 고압측의 밀봉 헤드에 접근한다. 따라서, 밀봉 장치의 작동 시, 고압측에 위치된 유체의 플러싱 흐름이 유동 요소에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 발생되고, 유체는 밀봉 장치의 밀봉 구역으로 향한다. 유동 요소는 유체의 압력 차이를 발생시킨다. 이러한 압력 차이의 결과로써, 유체는 밀봉 장치의 다이내믹 밀봉 구역을 향해 또는 밀봉 구역으로부터 떨어져서 직접적으로 촉진된다. 후자의 경우, 밀봉 구역으로 흐르는 유체는 밀봉 구역에 접근한다. 두 기계 부품의 회전식 상대적인 이동의 경우, 밀봉 유지 구조를 갖는 기계 부품과 함께한 밀봉 요소는 밀봉 표면에 대해 회전하거나, 밀봉 표면을 갖는 기계 부품은 밀봉 요소에 대해 회전한다. 후자의 경우, 밀봉 표면에 대항하는 그의 마찰 및 (소위 테일러 쿠에트 흐름(Taylor Couette flow)이라 불리는) 밀봉 표면의 회전 축 주위에 안내되는 흐름에 대한 그의 내재하는 점도에 의해, 유체가 유발된다. 두 기계 부품의 이동 축에 대해서, 밀봉 표면을 갖는 기계 부품이 방사상 방향으로 놓인 기계 부품이고 회전을 시작할 경우, 더 높은 회전 속도로, 밀봉 표면을 갖는 기계 부품에서 촉진된 유체는 원심력으로 인해 바깥쪽으로 추가적으로 밀려난다. 이는 이른바 테일러 와류(Taylor vortices)를 생성하고, 이는 두 기계 부품의 이동 축에 수직이고 유체의 혼합을 유발한다.

유체는 이동 축을 따라/이동 축 주위에 두 기계 부품의 상대적인 이동에서 유체 요소에 접근하고 유체 요소는, 축 방향으로 밀봉 요소를 방사상으로 밀봉하는 경우 및 방사상 방향으로 밀봉 요소를 축 방향으로 밀봉하는 경우 (각각의 경우 두 기계 부품의 이동 축에 대해서) 밀봉 헤드의 밀봉부를 향해 또는 밀봉부로부터 떨어져서 안내되는 유체에서 흐름을 발생시킨다. 전자의 경우, 밀봉부 또는 밀봉 구역은 유동 요소를 통해 밀봉부로 다시 안내되는 유체에 의해 접근된다. 후자의 경우, 밀봉부 또는 밀봉 구역은 유체 흐름에 의해 밀봉 구역으로 접근된다.

결국, 이는 더 개선된 윤활, 쿨링 및 추가적으로 밀봉 표면에 대항하여 접촉하는 밀봉 헤드 또는 밀봉 구역의 밀봉부 영역에서 활발한 플러싱을 가능하게 한다. 밀봉 요소의 밀봉부 상에 오일 탄소의 형성 및 침적 또는 밀봉 요소의 밀봉부 내에 오일 탄소의 매입이 그럼으로써 효과적으로 상쇄될 수 있다. 밀봉 요소의 밀봉부에 이미 형성되어 아마 축적된 임의의 오일 탄소 침적은 가능하게도 유체에 의해 밀봉 구역의 밖으로 플러시될 수 있다.

유동 요소는 본 발명에 따라 특히 밀봉 요소의 홈으로서 형성될 수 있다. 그러한 홈은 씰의 제조에 사용된 최초의 몰딩 방법의 경우, 특히 사출 성형으로, 간단하고 비용-효율적으로 생산될 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 유동 요소는 또한 밀봉 요소 또는 밀봉 헤드를 통과하는 관통홀로서 설계될 수 있고, 홀은 두 기계 부품의 이동 방향으로 적어도 영역에서 비스듬히 향하게 된다. 위에 언급된 홈 또는 관통홀은 바람직하게는 본 발명에 따라 양 단부에서 개구되도록 설계된다.

밀봉 구역의 영역에서 특히 효율적인 플러싱 효과에 있어서, 본 발명에 따른 홈 또는 관통홀은, 저압측 또는 밀봉 헤드의 밀봉부 방향으로 고압측으로부터 좁아질 수 있고, 적어도 부분적으로, 그의 단면에서 그를 통해 유체가 흐를 수 있다. 결과적으로, 홈은 노즐의 의미로 작용할 수 있고 밀봉부의 방향으로 훨씬 더 효율적으로 유체를 촉진시킬 수 있다. 유체는 그럼으로써 홈을 통해 이러한 방법으로 높은 흐름 속도에서 밀봉부에 공급될 수 있다. 결국, 유체의 바람직한 플러싱 효과는 그럼으로써 더욱 증가될 수 있기 때문에, 이미 형성된 오일 탄소는 밀봉부 또는 밀봉 표면으로부터 더 효과적으로 분리될 수 있고 밀봉 영역으로부터 제거될 수 있다.

홈은 또한 고압측으로 개구된 블라인드 채널(blind channel)로서 본 발명에 따라 설계될 수 있다. 이러한 특별한 경우에서, 유체는 밀봉 표면의 방향으로 다소 갑자기 저압측을 마주하는 홈의 단부에서 편향된다. 홈은 저압측을 마주하는 그의 단부에서 유체에 대해 램프(ramp) 형상의 경사진 표면을 가질 수 있고, 표면은 밀봉 표면에 대하여 비스듬히 배치된다.

홈 또는 관통홀은 밀봉부 측에서 밀봉 헤드의 환형 흐름 채널에 유체적으로 연결될 수 있고, 즉 홈은 밀봉 헤드의 이러한 환형의 흐름 채널 내부로 개구될 수 있다. 결과적으로, 밀봉부는 고압측의 원주 방향으로 유체에 의해 완전히 둘러싸일 수 있다. 이는 밀봉 구역의 영역에서 열 분산에 대해 유리하다. 이는 또한 밀봉 구역의 더 최적화된 플러싱을 달성한다. 환형의 흐름 채널은 유리하게 밀봉 표면에 대항하여 접촉하는 밀봉 헤드의 밀봉부에 의해 (저압측을 향한 방향으로) 측면으로 직접적으로 한정된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 밀봉 헤드의 유동 요소는 밀봉 헤드로부터 떨어져서 연장된다. 유동 요소는 이에 따라 밀봉 헤드의 프로파일 확장의 의미에서 설계된다. 유동 요소는 바람직하게는 밀봉 헤드 상의 생산 공학 측면 하에 직접적으로 형성된다. 결과적으로, 유동 요소는 밀봉 헤드 상에 동시에 억류되어 유지된다. 유동 요소는 밀봉 헤드의 블레이드 장치(블레이드)의 의미에서 영향을 미친다. 유동 요소는 오발형, 타원형, 다각형 또는 삼각형의 단면 프로파일을 가질 수 있다. 윙 프로파일의 의미에서 자유 형태의 단면 프로파일이 가능하다. 밀봉 요소의 프로파일 확장으로서 설계된 유동 요소의 (스러스트(thrust)) 효과는 유체에 의해 접근될 수 있거나 그럼으로써 작동 시 근접된 유동 요소의 표면(들)의 적절한 치수화 및 형상화에 의해 요구되는 바와 같이 조절될 수 있다. 이동 축에 대한 또는 밀봉 요소의 국지적 반경에 대한 유동 요소의 유입(inflow) 표면(들)의 슬로프의 적절한 선택 및 유동 요소의 유입 표면(들)의 가능한 경사로써, 유체의 촉진은 유동 요소에 의해 영향을 받을 수 있다. 유동 요소는 또한 특히 회전식으로 이동 가능한 기계 부품의 경우, 양방향으로 효과적일 수 있고, 즉 서로에 대한 기계 부품의 양 이동 방향 모두에서 밀봉 갭을 따라 안내되는 유체 흐름의 결과를 가져올 수 있다.

본 발명에 따르면, 유동 요소는 밀봉 헤드 상에 원주로 및/또는 밀봉 헤드의 측면에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 밀봉 요소의 밀봉부의 윤활 및 쿨링은 밀봉 요소에 다수의 유동 요소가 제공된다는 사실에 의해 더 개선될 수 있다. 결과적으로, 동시에 밀봉 요소의 밀봉부에서 탄소의 발생 및 침적/매입(embedment)이 훨씬 더 효과적으로 상쇄될 수 있다. 이에 따라, 특히 밀봉 요소로부터 떨어져서 연장되는 하나 이상의 홈 형상의 및/또는 하나 이상의 유동 요소는 서로 결합되어 밀봉 헤드 상에 배치될 수 있다. 홈 형상의 유동 요소(들)는, 예를 들어 밀봉 표면을 마주하는 밀봉 헤드의 단부면에 배치될 수 있고 밀봉 헤드로부터 떨어져서 연장되는 유동 요소(들)는 밀봉 요소 또는 밀봉 헤드의 측면에 배치될 수 있다. 특히, 밀봉 헤드로부터 떨어져서 연장되는 유동 요소들에 의해서, 열적 측면에서 유리한 유체의 혼합이 동시에 달성될 수 있다. 유체 내부의 난류 영역이 유동 요소에 의해 유발되는 정도까지, 더 큰 미립자의 불순물들이 (예를 들어, 오일 탄소 덩어리) 또한 유체 내에서 세분되고 슬러리될 수 있다. 밀봉 헤드 또는 밀봉 표면에 대한 손상의 위험(스코어링(scoring))은 이에 따라 더 최소화될 수 있다.

다수의 유동 요소는 밀봉 헤드 상에 일렬 또는 다중 열로 밀봉 요소의 원주 방향으로 배치될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 유동 요소는 적어도 부분적으로 밀봉 헤드 상에 차례로 배열되는 나선형 또는 스파이럴 라인을 따라 배치될 수 있다. 이러한 방법으로 배치된 밀봉 요소는 그럼으로써 특히 효과적으로 상호작용을 할 수 있다. 결과적으로, 밀봉 요소의 고압측에서 개별적인 유동 요소의 소형 치수로도, 기능적으로 충분히 큰 유체의 흐름이 달성될 수 있다.

밀봉 요소는 저압측 복귀 요소를 가질 수 있고, 이들은 밀봉 헤드 상에 배치되는 것을 주목해야 한다. 결과적으로, 고압측으로부터 저압측까지 통과한 유체는 밀봉 헤드의 밀봉부까지 뒤로 전달될 수 있고, 그럼으로써 윤활, 쿨링 및 또한 밀봉 요소의 드래그-백(drag-back) 성능을 더 개선시킨다. 복귀-전달(return-conveying) 요소는 홈 형상일 수 있고, 또는 밀봉 요소의 위에 언급한 유동 요소에 상응하는 방식으로 프로파일 확장으로써 또한 형성될 수 있다.

밀봉 요소는 본 발명에 따라 적어도 부분적으로, 바람직하게는, 완전히, 탄성중합체의 재료로 구성될 수 있다.

밀봉 유지 구조는 카트리지에 의해 밀봉 장치의 더 단순화된 어셈블리에 대해 형성될 수 있다. 카트리지는 금속 또는 기타 적합한 재료로 만들어질 수 있다.

본 발명에 따른 밀봉 요소는 개선된 자기 윤활(self-lubrication), 자기 쿨링(self-cooling)을 가능하게 하고 그의 밀봉부에 오일 탄소 침적의 형성 및 제거 또는 저장 동작을 상쇄시킨다. 결국, 밀봉 요소는 그럼으로써 더 긴 사용 수명, 특히 높은 속도 적용을 달성할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조하여 더 상세하게 설명될 수 있다.
도면에서:
도 1은 이동 축 주위로 서로에 대해 이동할 수 있는 두 기계 부품, 및 방사상 방향으로 다이내믹하게 밀봉 방식으로 두 기계 부품 중 하나의 밀봉 표면에 대항하여 접촉하는 밀봉 요소를 갖는 밀봉 장치를 도시하고, 밀봉 요소는 국지적으로 보우-형상(bow-shaped) 또는 단면에 있어서 U 형상의 탄성적으로 변형 가능한 연결부를 통해서 서로 연결되는 베이스부 및 밀봉 헤드를 가지며, 밀봉부는 다수의 재료 약화를 갖는 원주 방향으로 제공된다.
도 2는 다른 단면도에서 도 1의 밀봉 장치를 도시하고, 여기에서 밀봉 요소의 연결부는 재료-약화되지 않은 영역에서 부분적으로 도시된다.
도 3은 밀봉 요소의 가동 사용 시 밀봉 헤드의 밀봉부에 안내되는 유체를 유발하는 홈과 비슷한 유동 요소를 도시하는 노출 사시도에서, 도 1의 밀봉 장치의 밀봉 요소를 도시한다.
도 4는 도 3에 따른 밀봉 요소의 상세한 부분을 도시한다.
도 5는 도 1에 따른 밀봉 장치와 유사한 밀봉 장치를 도시하고, 여기에서 밀봉 요소는 두 기계 부품의 이동 축에 관하여 축 방향으로 다이내믹하게 밀봉되도록 설계된다.
도 6은 유동 요소가 밀봉 헤드의 관통홀로서 부분적으로 설계되는 밀봉 장치를 도시한다.
도 7은 밀봉 요소의 밀봉 헤드의 밀봉부에 주행 홈(running groove)이 제공되는 밀봉 장치를 도시한다.
도 8은 도 1의 밀봉 장치와 유사한 밀봉 장치를 도시하고, 여기에서 밀봉 헤드는 웜 스프링으로서 설계된 두 개의 탄성적으로 변형 가능한 바이어싱 요소에 의해 밀봉 표면에 대항하여 부분적으로 또는 전적으로 유지된다.
도 9는 도 8과 유사한 밀봉 장치를 도시하고, 여기에서 밀봉 요소의 밀봉 헤드는 웜 스프링으로서 설계된 바이어싱 요소에 의해 및 저압측의 지지 링에 의해 고압측의 밀봉 표면에 대항하여 유지된다.
도 10은 도 9의 밀봉 장치와 유사한 밀봉 장치를 도시하고, 여기에서 저압측에 배치된 밀봉 요소의 지지 링은 밀봉 표면에 대항하여 원주 방향으로 접촉하는 와이핑 또는 밀봉 립으로 추가적으로 구성된다.
도 11은 밀봉 요소의 대안적인 실시예를 도시하고, 이는 노출 사시도에서, 프로파일 확장으로서 형성된 홈 형상의 유동 요소를 갖는다.
도 12는 부분 상세도에서 도 11에 따른 밀봉 요소를 도시한다.
도 13은 도 11 및 도 12에 따른 밀봉 요소와 유사한 밀봉 요소를 도시하고, 여기에서 프로파일-확장과-비슷한 유동 요소가 사면체로서 설계된다.
도 14는 부분적인 상세 묘사에서 도 13에 따른 밀봉 요소를 도시한다.
도 15는 부분 상세도에서 사다리꼴의 유동 요소를 갖는 밀봉 요소를 도시한다.
도 16은 부분 상세도에서 도 15에 도시된 밀봉 요소와 유사한 밀봉 요소를 도시한다.
도 17은 부분 상세도에서 원통형의 제 2 유동 요소를 갖는 밀봉 요소를 도시한다.

도 1은 제 1 및 제 2 기계 부품(12, 14)을 갖는 밀봉 장치(10)를 도시하고, 이들은 이 경우 회전 가능하게, 서로에 대해 이동 가능하게 지정된 이동 축(16) 주위에 배치된다. 두 기계 부품(12, 14) 사이에, 밀봉 갭(18)이 형성된다. 밀봉 갭은 밀봉될 고압측 H를 갖고, 여기에서 압력 P에 의해 작용될 수 있는 유체, 특히 예를 들어 오일과 같은 윤활유가 위치된다. 고압측 H는 밀봉 요소(20)에 의해 밀봉 갭의 저압측 N에 대항하여 밀봉된다. 밀봉 요소(20)는 여기에서 이른바 방사상 샤프트 밀봉 링으로서 지정된다.

밀봉 요소(20)는 전반적으로 탄성적으로 변형 가능한 재료, 바람직하게는 탄성중합체로 구성될 수 있고, 바람직하게는 일체형으로 만들어진다. 밀봉 요소(20)의 중심 축은 도면 부호 22로 지정된다. 밀봉 요소의 중심 축은 여기서 두 기계 부품(12, 14)의 이동 축(16)과 일치한다. 밀봉 요소(20)의 재료에 있어서, 지지 또는 강화 부품(도시되지 않음)은 부분적으로 또는 완전히 매입될 수 있다는 것이 이해된다. 밀봉 요소(20)의 베이스부(24)는 밀봉 유지 구조 상에 유지되고, 여기서는 제 1 기계 부품(12)의 유지 홈(26)이다. 베이스부(24)는 정적 밀봉으로써 방사상 및/또는 축 방향으로 제 1 기계 부품(12)에 기초할 수 있다. 베이스부(24)는 여기서 밀봉 유지 구조 내에 클램프된다. 베이스부(24)는 또한, 통상의 기술자에게 공지된 기타 방식으로 밀봉 유지 구조를 갖는 기계 부품(12, 14)에 고정될 수 있고, 예를 들어 핀으로 고정되거나 접착제로 접착될 수 있다.

밀봉 요소(20)는 밀봉 헤드(28)로 더 구성되고, 그의 밀봉부(30)는 원주형 다이내믹 밀봉으로 제 2 기계 부품(14)의 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉한다. 도 1에 따른 방사상 샤프트 밀봉 링으로서 형성된 밀봉 요소(20)는 내부로 밀봉되거나 외부로 밀봉되도록 설계될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 밀봉 헤드는 이동 축에 대하여 방사상인 방향으로 밀봉 방식으로 제 2 기계 부품(14)의 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉한다. 밀봉 요소(20)는 또한 도 5와 관련하여 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 두 기계 부품(12, 14)의 이동 축(16)에 대하여 축 방향으로 밀봉되도록 설계될 수 있다는 것이 이해된다.

밀봉 헤드(28) 및 베이스부(24)는 고무-탄성적으로 변형 가능한 연결부(34)를 통해 서로 연결된다. 연결부(34)는 굴곡 또는 보우 형상으로써 설계될 수 있고 이에 따라 단면에 있어서 U 형상의 단면 프로파일을 갖는다. 연결부(34)의 제 1 및 제 2 레그(leg)(36, 38)는 각각 밀봉 표면(32)에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 연장되고 연결부(34)의 후방(40)을 통해 서로 연결된다. 두 레그(36, 38) 각각은 각이 있는 엔드 피스(42)를 갖고, 이는 여기서는 이동 축에 대해 방사상인 방향으로, 즉 밀봉 표면(32)에 대해 직각인 방향으로 연장되고, 베이스부(24) 상에 및 밀봉 헤드(28) 상에 형성된다. 후방(40)은 저압측을 마주하는 볼록한 외측(44)을 가질 수 있다. 여기 도시된 방사상으로 밀봉하는 밀봉 요소(20)의 경우, 연결부(34)는 이에 따라 이동 축(16)에 대해 방사상인 방향으로 비-선형 단면 프로파일을 갖는다. 축 방향으로 밀봉하는 밀봉 요소의 경우, 연결부는 따라서 축 방향으로 비-선형 단면 프로파일을 갖는다. 연결부(34)는 적어도 부분적으로, 또는 유일하게 여기서의 경우와 같이, 밀봉 표면(32) 상에 밀봉 헤드(28)의 바이어스된 밀봉 접촉을 생성할 수 있다. 이에 따라, 예시된 실시예에서, 밀봉 헤드(28)는 연결부(34)의 재료에 내재된 탄성 회복력에 의해 유일하게 밀봉 표면(32)에 대항하여 바이어스된다. 연결부(34)의 멤브레인과 비슷한 디자인으로 인해, 밀봉 헤드(28)는 이동 축에 대해 방사상 방향으로 플로트(float)하여 장착된다. 결과적으로, 밀봉 요소(20)는 밀봉부(30)의 국지적 과응력(overstressing)을 초래하지 않고 제 2 기계 부품(14)의 어떠한 편심(eccentricity)도 보상 가능하다. 연결부(34)의 레그들 간에 보우-형상의 또는 굴곡진 연결부로 인해, 환형의 간극(46)이 형성되는 것을 주목해야 한다. 간극은 밀봉 장치의 어떠한 요소도 배치되지 않은 공간의 부피를 의미하는 것으로 이해된다. 이러한 간극(46)은 밀봉 헤드를 원주 방향으로 둘러싼다. 간극(46)은 연결부(34)의 두 레그(36, 38)에 의해 유일하게 밀봉 표면(32)에 직각인 방향으로 직접적으로 한정되고 밀봉 장치(10)의 고압측 H에 유체적으로 연결된다. 고압측 H 및 이에 따라 간극(46) 또한 압력 P가 작용될 경우, 밀봉 헤드는 각각의 경우에서 고압측 H에 우세한 압력 P에 대하여 압력에 비례하는 방식으로 밀봉 표면(32)에 대항하여 가압될 수 있다. 밀봉 요소(20)는 이에 따라 대체로 압력에 민감하다.

연결부(34)는 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로 배치되는 다수의 재료-약화된 영역(48)을 갖고, 바람직하게는 계속하여 서로 이격되어 균일하게 배치된다. 도 1에서, 밀봉 요소(20)는 그러한 재료-약화된 영역(48)의 수준에서 단면도로 도시된다. 도 2는 다른 단면도에서 밀봉 요소(20)를 도시하고, 여기에서 연결부(34)의 어떠한 재료-약화된 영역(48)도 구분되지 않는다. 도 1에 따르면, 재료-약화된 영역(48)은 후방(40)의 수준에서 (여기서는 방사상 방향으로) 배치될 수 있고, 또는 밀봉 유지 구조 또는 밀봉 표면(32)을 향해 스위프트(swift)될 수 있다.

재료-약화된 영역에서, 각각의 경우 연결부(34)는 90% 보다 작은 두께 d를 갖고, 바람직하게는 그의 재료-약화되지 않은 영역에서 연결부(34)의 최대 두께 d_max의 50% 보다 작다. 연결부(34)는 관통 보어 또는 그 밖의 유사한 것으로부터 자유롭다는 것을 주목해야 한다. 연결부(34)는 따라서 일반적으로 유체 불투과성이다.

연결부(34)는 도 1 및 도 2에 따라 중심으로 밀봉 헤드(28) 상에 형성된다. 따라서, 밀봉 헤드(28)는 고압측에 배치된 헤드(28a)의 일 면 및 저압측에 배치된 헤드(28b)의 일 면을 갖는다. 밀봉 헤드(28)는 또한 연결부(34)의 양 측, 즉 저압측 및 고압측에서, 베이스부(24)를 마주하는 후면(50)에 지지 구조를 갖는다. 지지 구조는 기타 가능한 부착물을 수용하는 역할을 하는 원주의 환형 홈(52)으로서 각각의 경우 설계될 수 있고, 그에 대해서는 아래에서 더 상세히 논의될 것이다.

밀봉 헤드(28)는 여기서는 볼록한 형상의 단부면(54)을 갖는 전체적으로 구의 단면 프로파일을 갖는다. 밀봉부(30)는 여기서 트레드(56)로 구성된다. 트레드(56)는 밀봉 표면(32)의 방향으로 밀봉 헤드(28)의 단부면(54)으로부터 떨어져서 연장된다. 트레드는 도 1 및 도 2에 도시되는 바와 같이, 두 밀봉 에지(58)를 갖는 직사각형의 단면 프로파일을 가질 수 있다. 트레드는 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉하는 연속적인 환형의 트레드 표면(60)을 갖는다는 것을 주목해야 한다. 트레드 표면(60)은 바람직하게는 육안으로 보이게 비구조적이 되도록 설계된다.

도면 부호 62에 의해 설계된 밀봉 장치(10)의 밀봉 구역의 적극적인 쿨링, 윤활 및 플러싱에 대해서, 밀봉 요소의 단부면(54)은 프로파일 시스템(64)을 갖는 고압측에 제공된다. 프로파일 시스템은 여기서 다수의 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)로 구성된다. 이러한 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)의 결과로, 유체 흐름은 양방향으로 이동 축(16) 주위로 두 기계 부품의 상대적인 이동 시 밀봉 갭(18)의 고압측 H에서 유발되고, 상기 갭을 통해 밀봉 헤드(28)는 밀봉 구역(62)의 영역에서 고압측에 유체에 의해 접근된다.

도 3은 노출도에서 도 1 및 도 2에 따른 밀봉 장치의 밀봉 요소를 도시한다. 도 4는 밀봉 요소(20)의 상세한 단면을 도시한다. 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)는 예로써 밀봉 헤드(28)의 트레드 홈 또는 홈으로서 여기서 각각 실시된다. 여기서, 예를 들어 제 1 유동 요소(66)는 계속하여 밀봉 헤드(28) 상에 이격되어, 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로 배치된다. 공정에 있어서, 제 1 유동 요소(66)는 각각의 경우에서 각 유동 요소의 (국지적) 방사상 방향 R에 대하여 제 1 측을 향해 경사진다. 제 1 유동 요소는 각각 (국지적) 방사상 방향을 갖는 대략 20°의 각 α를 포함한다. 제 2 유동 요소(68) 또한 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로 이격되어, 밀봉 헤드(28) 상에 배치된다. 제 2 유동 요소는 이 경우 각각의 경우에서 각 제 2 유동 요소(68)의 (국지적) 방사상 방향 R에 대하여 제 2 측을 향해 경사진다. 제 2 유동 요소(68)는 각각 (국지적) 방사상 방향을 갖는 대략 20°의 각 β를 포함한다. 위에 언급한 각 α 및 β는 15°와 45° 사이, 특히 20°와 40° 사이가 될 수 있다. 제 1 유동 요소(66)는 국지적 방사상 방향 R에 대하여 다른 각 α로 적어도 부분적으로 경사질 수 있다는 것이 이해된다. 동일하게 제 2 유동 요소(68)에 적용된다.

제 1 및 제 2 홈 형상의 유동 요소(66, 68)는 각각 고압측 제 1 개구(70) 및 저압측을 마주하는 제 2 개구(72)를 갖는다. 홈 형상의 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)는 각각 여기서 저압측 N의 방향으로 이동 축(16)에 대하여 (도 1 및 도 2) 축 방향으로 또는 밀봉 요소(20)의 밀봉부(30)의 방향으로, 이에 따라 밀봉 구역(62)의 방향으로 연장된다. 홈은 밀봉 헤드(28)의 단부 측 원주 홈(74)의 형태로 환형 유동 채널 내부로 개구될 수 있다. 단부 측 원주 홈(74)은 여기서 트레드(56)에 의해 저압측 N을 향하는 방향으로 직접적으로 한정된다. 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)로 구성되는 그 영역에서 밀봉 헤드의 단부면(54)은 밀봉 표면(32)으로부터 떨어져서 배치된다는 것을 주목해야 한다.

홈 형상의 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)는 각각의 경우 그들의 단면에 있어서 좁아질 수 있고, 그를 통해 유체는 밀봉 헤드(28)의 밀봉부(30) 방향으로 흐를 수 있다. 이렇게 단면이 좁아지는 것은 밀봉 헤드(28)의 밀봉부(30)를 향하는 방향으로 그 코스를 따라 홈의 각각의 폭 및/또는 각각의 깊이를 축소시킴으로써 달성될 수 있다.

밀봉 장치(10)의 가동 사용에 있어서, 밀봉 요소(20) 및 기계 부품(12, 14)으로 구성되는 밀봉 유지 구조는 밀봉 표면(32)에 대해 회전하고, 또는 밀봉 표면(32)으로 구성되는 기계 부품(12, 14)은 밀봉 요소(20)에 대해 회전한다. 전자의 경우, 회전 방향에 따라, 유체는 제 1 또는 제 2 홈 형상의 유동 요소(66, 68)를 통해 축 방향으로 밀봉 구역(62)까지 및 이에 따라 밀봉부(30)까지 전달된다. 후자의 경우, 밀봉 표면(32)에서 그의 마찰로 인해 및 그의 내재된 점도에 의해, 유체는 이동 축(16) 주위로 흐름이 유발된다. (테일러 쿠에트 흐름(Taylor Couette flow))

제 1/제 2 유동 요소(66, 68)는 이에 따라 이동 축(16) 주위로 두 기계 부품(12, 14)의 상대적인 이동 시 유체에 의해 접근되고, 예시된 방사상으로 밀봉하는 밀봉 요소에서, 밀봉 헤드(28)의 밀봉부(30)를 향해 축 방향으로 - 이동 축에 관하여 - 안내되는 유체 내에 흐름을 발생시킨다. 유체의 밀봉부(30) 접근 및 밀봉 구역(62)의 플러싱에 의해, 그럼으로써 밀봉 구역(62)의 개선된 윤활, 쿨링 및 청소가 달성될 수 있다. 결과적으로, 밀봉 요소(20)의 밀봉부(30)에서 오일 탄소의 형성 및 침적 또는 탄소의 매입이 상쇄될 수 있다. 밀봉 요소의 밀봉부(30)에 이미 형성되어 아마 축적된 임의의 오일 탄소 침적도 유체에 의해 플러시될 수 있다.

밀봉 헤드는 저압측 N에 복귀 전달 프로파일(76)(return conveying profile)을 가질 수 있고, 그에 의해 한편으로는 밀봉 장치(10)의 드래그-백 성능 및 다른 한편으로는 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉하는 밀봉 헤드(28)의 밀봉부(30)의 추가적인 윤활이 저압측으로부터 달성될 수 있다. 공정에 있어서, 복귀 전달 프로파일(76)은 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)에 상응하는 방식으로 설계될 수 있고 밀봉 요소(20)의 고압측 H에 배치될 수 있다.

밀봉 장치(10)의 대안적인 실시예에 따르면, 밀봉 장치는 축 방향으로 밀봉하는 밀봉 요소(20), 즉 축 방향 샤프트 밀봉 링이 제공된다. 이 경우, 도 5에 도시된 밀봉 표면(32)은 환형의 디스크 형상일 수 있고 제 2 기계 부품(14)의 환형 칼라(collar)(78)에 의해 대략적으로 형성될 수 있다. 환형 칼라(78)는 제 2 기계 부품(14)에 일체로 형성되고, 용접되고 또는 접착제로 붙여질 수 있다.

밀봉 장치(10)의 그러한 구조에 있어서, 밀봉 헤드(28)의 밀봉부(30)는 이동 축(16)에 대하여 축 방향으로 바이어스된 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉한다. 연결부는 이에 따라 밀봉 헤드(28)에서 밀봉 요소(20)의 베이스부(24)까지 축 방향으로 연장되고 축 방향으로 비-선형 단면 프로파일을 갖는다. 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)는 밀봉 헤드(28)의 고압측에 배치된다.

위에 기술된 밀봉 장치(10)의 밀봉 헤드(28)의 제 1 및/또는 제 2 유동 요소(66, 68)는 또한 점선으로 도 6에 도시된 실시예에 보여지는 바와 같이, 밀봉 헤드(28)의 관통홀(79)로서 적어도 부분적으로 설계될 수 있다.

대안적인 실시예에 따르면, 밀봉 요소(20)는 또한 하나 이상의 주행 홈(running groove)이나 프로파일 홈(80) 또는 도 7의 트레드 대신에 그의 밀봉부(30)의 영역에 서로 평행한 다수의 환형의 프로파일 홈(80)을 가질 수 있다. 결과적으로, 각각의 경우 밀봉 헤드 상에 날카로운 에지 또는, 요구될 경우, 둥근 밀봉 에지가 프로파일 홈(80)의 양 측에 실시될 수 있다. 주행 홈 또는 프로파일 홈(80)은 밀봉 헤드의 단부면(54)의 함몰(depression)을 나타낸다. 도 7에 더 상세하게 지정되지 않은 프로파일 홈(80)의 홈 측면은 밀봉 에지(58)를 통해 단부면 (또는 그의 표면)에 연결된다.

도 8은 밀봉 헤드(28)가 두 개의 탄성적으로 변형 가능한 바이어싱 요소(82)로 제 2 기계 부품(14)의 밀봉 표면(32)에 대항하여 인장되는 밀봉 장치(10)를 도시한다. 이러한 바이어싱은 위에 기술된 연결부(34)의 바이어스 성능에 중첩될 수 있고, 또는 연결부(34)의 그러한 바이어스 성능을 완전히 대체할 수 있다. 두 개의 바이어싱 요소(82)는 밀봉 요소(20)에 대해 분리된 구성 요소로서 각각 설계되고, 밀봉 헤드(28)의 후면 환형 홈(52) 중 하나에 있어서, 연결부(34)의 양 측, 즉 저압측 및 고압측에 유지된다. 이러한 목적을 위해, 환형 홈(52) 각각은 각 환형 홈(52)의 내부 직경(86)과 비교하여 더 작은 개구 폭(88)을 갖는 개구(84)를 갖는다. 이러한 방법으로, 바이어싱 요소(82)는 밀봉 장치(10)의 작동 시 밀봉 요소(20)에 억류되어 유지된다. 바이어싱 요소(82)는 도 8에 따라, 특히 웜 스프링 형태로 설계될 수 있다. 재료-약화된 영역(48) 및 그의 재료-약화되지 않은 영역에서 연결부(34)의 토크 성능이 밀봉 요소의 원주 방향으로 상이하다는 사실로 인해, 밀봉부(30)의 접촉 압력 프로파일이 밀봉 장치(10)의 작동 시 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로 제 2 기계 부품(14)의 밀봉 표면(32)에서 발생한다. 이는 윤활 및 이에 따른 밀봉 요소(20)의 수명을 개선시킬 수 있다.

도 9는 지지 링(90)이 밀봉 헤드(28)의 저압측 환형 홈(52) 내에 배치된다는 점에서 도 8에 도시된 예시적인 실시예와 본질적으로 상이한 밀봉 장치(10)를 도시한다. 탄성적으로 변형 가능한 바이어싱 요소(82)는, 여기서 웜 스프링의 형태로, 고압측에 배치된 밀봉 헤드(28)의 환형 홈(52) 내에 배치된다.

지지 링(90)은 밀봉 요소(20)의 탄성중합체 재료 보다 더 큰 탄성 계수를 갖는 재료로 만들어진다. 지지 링(90)은 치수 안정적이고, 밀봉 장치(10)의 작동 시 발생하는 힘에 의해 변형될 수 없거나 오직 약간만 변형 가능하다. 지지 링(90)에 의하여, 밀봉 요소(20)의 밀봉 헤드(28)는 고압 영역 H가 압력을 받을 때 조차도, 균일한 거리에서 및 그의 모든 범위에 대해 저압측에서 균일하거나 실질적으로 균일한 접촉 압력으로 밀봉 표면(32)에 대항하여 유지될 수 있다. 다시 말하면, 밀봉 요소(20)의 탄성 변형성으로 인해, 지지 링(90)은 간접적으로 바이어싱 요소로서의 역할을 할 수 있다. 고압측 H가 가압될 때, 연결부(34) 뿐만 아니라 밀봉 헤드(28)도 이동 축(16)에 대해 축 방향으로 지지 링 상에 지지될 수 있다. 또, 연결부(34)는 밀봉 표면의 방향으로, 즉 여기서는 이동 축에 방사상인 방향으로, 그의 제 1 레그(36) 또는 그의 후방(40)을 갖는 지지 링(90) 상에 지지될 수 있다. 이러한 방법으로, 틸팅 모멘트(tilting moment)는 연결부를 통해 밀봉 헤드에 작용하고, 이에 따라 이동 축(16)에 대해 밀봉 헤드(28)의 바람직하지 않은 틸팅이 상쇄된다. 고압측 H의 가압이 발생할 때, 고압측 H로부터 저압측 N으로 유체의 바람직하지 않은 누수는, 다시 말해서 바람직하지 않은 블로바이(blowby)는, 회피될 수 있다.

위에서 설명한 밀봉 장치의 밀봉 요소(20)의 프로파일 시스템(64)은 또한 고압측에 하나 이상의 유동 요소를 가질 수 있고, 이는 각각 프로파일 돌출부의 형태로 밀봉 헤드(28)로부터 떨어져서 연장된다. 그러한 유동 요소는 대안적으로 또는 추가적으로 밀봉 헤드(28) 상에 배치될 수 있다. 이러한 유동 요소는 바람직하게는 도 11 내지 도 14와 관련하여 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 밀봉 표면(32)을 마주하는 밀봉 헤드(28)의 단부면(54) 및/또는 밀봉 헤드의 측면에 배치된다.

도 10에 도시된 밀봉 장치(10)에 따르면, 지지 링(90)은 제 2 기계 부품의 밀봉 표면(32)에 대항하여 원주형으로 접촉하는 (환형의) 밀봉 또는 와이핑 립(91)이 제공될 수 있다.

도 11 및 도 12에 도시된 밀봉 요소(20)는 위에 기술된 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68) 외에 제 3 및 제 4 유동 요소(92, 94)를 갖는다. 이러한 유동 요소(92, 94)는 각각 삼각형의 기본 형상 또는 단면 형상을 갖는다. 제 3 유동 요소가 밀봉 요소(22)의 중심 축(22)의 방향으로 그들의 팁(96)으로 향하는 반면, 제 4 유동 요소의 팁(96)은 중심 축(22)으로부터 떨어지도록 향한다.

제 3 및 제 4 유동 요소(92, 94)는 대안적으로 계속하여 일렬로 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로 배치된다. 유동 요소(92, 94)는 또한 각각 밀봉 헤드 상에 일부의 그룹으로 또는 다중열 배열로 배치될 수 있다.

프로파일 돌출부로서 설계된 제 3 및 제 4 유동 요소(92, 94)는, 유체에 대한 유입 표면을 형성하고, 이를 통해 유체는 밀봉 장치(10)의 밀봉 구역(62)(도 1)을 향해 또는 홈 형상의 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)의 측면과 비슷한 - 회전의 방향에 따라 - 밀봉 구역(62)으로부터 떨어져서 밀봉 갭(18)을 따라 이동할 수 있다. 그들의 형상, 크기 및 밀봉 요소(20) 상의 공간 분산 패턴의 면에서, 프로파일 돌출부는 밀봉 장치(10)의 작동 시 밀봉부 또는 밀봉 구역(62)에 단위 시간 당 유체의 충분히 큰 체적 유량을 제공하기 위해 밀봉 헤드(28)의 홈 형상의 제 1 및 제 2 유동 요소(66, 68)의 고압측 개구의 위치 및 공간 분산에 매치될 수 있다.

도 13 및 도 14에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 프로파일 돌출부로서 설계된 유동 요소(92, 94)는 또한 장사방형(rhomboid) 또는, 도 15 및 도 16에 도시된 예시적인 실시예에 따라, 사다리꼴 또는 대략 사다리꼴 형상을 가질 수 있다.

도 17에 도시된 예시적인 실시예에서, 프로파일 돌출부로서 설계된 유동 요소(92, 94)는 원형-원통형의 기본 형상 및 그 결과 원형의 단면 형상을 갖는다. 이러한 제 3 유동 요소(92)는 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로 및 각각의 갭에 복열(double-row)로 배치되기 때문에, 유동 요소(92, 94)의 원형의 단면 형상에 상관 없이, 밀봉 갭(18)(도 1)을 따라 안내된 유체 흐름이 발생될 수 있다.

작동에 있어서, 고압측 H에 위치된 유체는 프로파일 돌출부로서 형성된 유동 요소(92, 94)에 의해 효과적으로 혼합될 수 있고, 난류가 유체 내에 발생될 수 있으며, 그를 통해 유체 내에 함유된 미립자의 불순물이 더 세분되고 슬러리 된다. 이러한 방법으로, 밀봉 표면 또는 밀봉 요소(20) 상의 입자들의 손상 영향이 더 축소될 수 있다.

Claims (24)

1. - 제 1 및 제 2 기계 부품(12, 14), 이들은 밀봉 갭(18)을 형성하여 서로 이격되어 배치되고 이동 축(16) 주위로 서로에 대해 이동 가능하며;
   - 밀봉 유지 구조의 두 기계 부품(12, 14) 중 하나의 유지 홈(26) 내에 유지되는 베이스부(24), 및 밀봉 헤드(28)를 갖는, 방사상 샤프트 밀봉 링으로서 형성된 밀봉 요소(20)로 구성되고,
   밀봉 헤드(28)의 밀봉부(30)는 밀봉 갭(18)의 저압측 N에 대항하여 밀봉 갭(18)의 고압측 H를 밀봉하기 위해 다이내믹 밀봉 방식으로 각각 다른 기계 부품(12, 14)의 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉하고, 고압측은 유체로 가압될 수 있으며, 밀봉부(30)는 단면에 있어서 볼록하게 형성된 단부면(54) 및 단부면에서 밀봉 헤드(28)로부터 연장되는 트레드(56)를 갖고, 트레드(56)는 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉하는 연속적인 트레드 표면(60)을 갖는 밀봉 장치로서,
   밀봉 헤드(28) 및 베이스부(24)는 적어도 부분적으로 비-선형의 단면 프로파일을 갖는 밀봉 요소(20)의 탄성적으로 변형 가능한 연결부(34)를 통해 서로 연결되고,
   연결부(34)는 밀봉 표면(32)에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 연장되고 후방(40)을 통해 서로 연결되는 제 1 및 제 2 레그(36, 38)를 갖고, 두 레그(36, 38) 각각은 이동 축(16)에 대해 방사상 방향으로 연장되는 각이 있는 엔드 피스(42)를 가지며,
   한 레그(36)의 엔드 피스(42)는 밀봉 헤드(28) 상에 중심으로 형성되고 다른 레그(38)의 엔드 피스(42)는 베이스부(24) 상에 일체로 형성되며,
   간극(46)은 연결부(34)의 두 레그(36, 38) 사이에 형성되고, 상기 간극(46)은 밀봉 헤드(28)를 원주 방향으로 둘러싸고, 연결부(34)의 두 레그(36, 38)에 의해 유일하게 방사상 방향으로 직접적으로 한정되며,
   간극(46)은 밀봉 장치(10)의 고압측 H에 유체적으로 연결되고,
   연결부(34)는 후방(40)의 높이에서 방사상 방향으로 다수의 재료-약화된 영역(48)을 갖고, 재료-약화된 영역(48)은 계속하여 균일하게 이격되어, 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로 배치되는 밀봉 장치.
2. - 밀봉 갭(18)을 형성하기 위해 이격되고 서로에 대해 이동 축(16) 주위로 이동 가능한 제 1 및 제 2 기계 부품(12, 14);
   - 밀봉 유지 구조의 두 기계 부품(12, 14) 중 하나의 유지 홈(26) 내에 유지되어 배치되는 베이스부(24), 및 밀봉 헤드(28)를 갖는, 축 방향 샤프트 밀봉 링으로서 형성된 밀봉 요소(20)로 구성되고,
   밀봉 헤드(28)는 밀봉 갭(18)의 저압측 N에 대항하여 밀봉 갭(18)의 고압측 H를 밀봉하기 위해 밀봉부(30)를 갖는 각각의 다른 기계 부품(12, 14)의 밀봉 표면(32)에 대항하여, 다이내믹 밀봉 방식으로, 접촉하고, 고압측은 유체로 가압될 수 있으며, 밀봉부(30)는 단면에 있어서 볼록하게 형성된 단부면(54) 및 밀봉 헤드(28)로부터 정면으로 연장되는 트레드(56)로 구성되고, 트레드(56)는 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉하는 연속적인 트레드 표면(60)을 갖는 밀봉 장치로서,
   밀봉 헤드(28) 및 베이스부(24)는 적어도 부분적으로 비-선형의 단면 프로파일을 갖는 밀봉 요소(20)의 탄성적으로 변형 가능한 연결부(34)를 통해 서로 연결되고,
   연결부(34)는 밀봉 표면(32)에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 연장되고 후방(40)을 통해 서로 연결되는 제 1 및 제 2 레그(36, 38)를 갖고, 두 레그(36, 38) 각각은 이동 축(16)에 대해 축 방향으로 연장되는 각이 있는 엔드 피스(42)를 가지며,
   한 레그(36)의 엔드 피스(42)는 밀봉 헤드(28) 상에 일체로 형성되고 다른 레그(38)의 엔드 피스(42)는 베이스부(24) 상에 일체로 형성되며,
   연결부(34)의 두 레그(36, 38) 사이에 간극(46)이 형성되고, 이는 밀봉 헤드(28)를 원주 방향으로 둘러싸고, 연결부(34)의 두 레그(36, 38)에 의해 유일하게 축 방향으로 직접적으로 한정되며,
   간극(46)은 밀봉 장치의 고압측 H에 유체적으로 연결되고,
   연결부(34)는 후방(40)의 높이에서 축 방향으로 다수의 재료-약화된 영역(48)을 갖고, 재료-약화된 영역(48)은 계속하여 서로 균일하게 이격되어, 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로 배치되는 밀봉 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 연결부(34)는 밀봉 표면(32)에 대항하여 밀봉 헤드(28)의 바이어스된 밀봉 접촉을 유발하는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 재료-약화된 영역(48)의 연결부(34)는 각각 90% 보다 작은, 또는 연결부(34)의 최대 두께 d_max의 50% 보다 작은 두께 d를 갖는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 밀봉 헤드(28)는, 베이스부(24)를 마주하는 그의 후면(50)에, 하나 이상의 지지 구조를 갖고, 그 안 또는 위에 바이어싱 요소(82)로서 웜 스프링 또는 고무-탄성의 변형 가능한 클램핑 링이, 밀봉 표면(32)에 대항하여 밀봉 헤드(28)에 작용을 미치기 위해 유지되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 밀봉 헤드(28)는 연결부의 양 측, 즉 저압측 및 고압측에서, 각각의 경우에서 지지 구조를 갖고, 각각의 경우 탄성적으로 변형 가능한 바이어싱 요소(82)로서 웜 스프링이 양 지지 구조 안에 또는 위에 유지되고, 또는 지지 링(90)이 저압측에 배치된 지지 구조 안에 또는 위에 유지되고 탄성적으로 변형 가능한 바이어싱 요소(82)로서 웜 스프링이 고압측 지지 구조 안에 또는 위에 유지되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
7. 청구항 6에 있어서, 지지 링(90)은 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉하는 밀봉 또는 와이핑 립(91)을 갖는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 밀봉 요소(20)는 하나 이상의 유동 요소(66, 68, 92, 94)를 갖는 고압측에 제공되고 이를 통해 유체 흐름이 이동 축 주위로 두 기계 부품(12, 14)의 상대적인 이동에서 유발됨으로써, 밀봉 헤드(28)는 밀봉 헤드의 밀봉부(30) 영역의 고압측에서 유체에 의해 접근되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
9. 청구항 8에 있어서, 유동 요소(66, 68, 92, 94)는 적어도 부분적으로 밀봉 요소(20)의 홈 또는 관통홀로서 형성되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
10. 청구항 9에 있어서, 홈은 양 단부에서 개구되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
11. 청구항 9에 있어서, 홈은 U 형상이고 홈의 양 개구(70, 72)는 고압측 H를 향하는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
12. 청구항 9에 있어서, 홈은 좁아지고, 적어도 영역 내의 단면에 있어서 그를 통해 유체가 밀봉 헤드(28)의 밀봉부(30)의 방향으로 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
13. 청구항 10에 있어서, 밀봉부 측의 홈은 밀봉 헤드(28)의 원주 홈(74)에 유체적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
14. 청구항 13에 있어서, 원주 홈(74)은 밀봉 헤드(28)의 밀봉 표면(32)에 대항하여 접촉하는 밀봉부(30)에 의해 비스듬히 직접적으로 한정되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
15. 청구항 8에 있어서, 유동 요소(66, 68, 92, 94)는 밀봉 헤드(28)로부터 떨어져서 연장되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
16. 청구항 15에 있어서, 유동 요소(66, 68, 92, 94)는 밀봉 헤드(28) 상에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
17. 청구항 15에 있어서, 유동 요소(66, 68, 92, 94)는 오발형, 타원형, 원형, 다각형 또는 삼각형의 단면 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
18. 청구항 8에 있어서, 밀봉 요소(20)는 다수의 유동 요소(66, 68, 92, 94) 중 하나가 제공되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
19. 청구항 18에 있어서, 밀봉 요소(20)의 원주 방향으로의 유동 요소(66, 68, 92, 94)는 밀봉 헤드(28) 상에 차례로 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
20. 청구항 1 또는 2에 있어서, 밀봉 요소(20)는 적어도 부분적으로, 또는 완전히, 탄성중합체 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 밀봉 장치.
21. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 밀봉 장치(10)용 밀봉 요소(20).
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