KR102387050B1

KR102387050B1 - 초저온 및 고압용 씰

Info

Publication number: KR102387050B1
Application number: KR1020200146188A
Authority: KR
Inventors: 윤종찬; 임재훈; 박성호; 정지훈
Original assignee: 주식회사 비엠티
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2040-11-04

Abstract

본 발명은 견고한 밀봉의 기능을 가지는 초저온 및 고압용 씰을 제공하고자 하는 것으로서, 일측은 수직단면(115)의 형상을 가지고 있어, 씰링면에 밀착되고, 타측은 상,하로 벌어진 날개편(113)의 형상을 가지고 있는 씰(110), 원기둥 형상으로 구비되며, 씰(110)을 지지하는 구조로 설치된 씰 리테이너(120), 씰 리테이너(120)의 저면에 결합된 스프링(140)을 포함하는 것을 요지로 한다.

Description

초저온 및 고압용 씰 {Seals for ultra-low temperature and high pressure}

본 발명은 밸브의 밀봉용 씰에 관한 것이며, 구체적으로는 초저온의 LNG 와 수소가스 충전소용 밸브의 밀봉 분야에 적용이 가능하며, 기타 고압용으로 운용되는 해양 플랜트 및 OIL & GAS 등의 밸브 밀봉 분야에서 공통적으로 적용될 수 있는 초저온 및 고압용 씰에 관한 것이다.

일반적인 수소저장시스템의 최대허용압력은 105MPa 로, 수소가스는 액화수소와 같은 초저온 및 고압가스특성을 지니고 있으므로, 수소충전시스템에 적용된 밸브에서는 초고압상태의 수소가스가 누출되지 않도록 하는 밀봉구조가 필요하며, 특히 수소 충전소 밸브의 밀봉 불량은 사고로 이어질 가능성이 높아 105MPa 이상의 초고압에 견딜수 있는 밀봉구조의 개발이 필요하다.

도 1은 종래 립씰의 부분단면도이다.

도시된 바와 같이, 종래의 밀봉구조는, 씰링면인 회전축(S)의 외주면과 하우징(H)의 내벽면 사이를 밀봉하도록, 립씰(sealing device : 10)이 장착되어, 내부공간에 수용된 피밀봉유체(F)가 외부로 누출하는 것을 방지하고 있다.

상기 립씰(10)은, 씰 링(seal ring : 20)을 포함하고 있으며, 이 씰 링(20)에 매설된 보강환(30) 및 씰 링(20)의 내주에 삽입된 서포트링(support ring : 40)에 의해 기본적으로 구성되어 있고, 또한, 가터스프링(garter spring : 50)을 구비하고 있다.

상기 씰 링(20)은, 고무재질에 의해 형성되어 있으며, 삽입부(21), 환형부(22), 씰립부(seal lip part : 23), 더스트립부(dust lip part : 24) 등을 포함하고 있다.

이와 같은 립씰(10)을 이용하여, 회전축(S)과 하우징(H) 사이의 밀봉을 행하면, 피밀봉유체(F)의 압력이 높아졌을 때에는그 압력에 의하여 씰립부(23)는 회전축(S)을 향하여 크게 변형하고, 씰부(23e)와 회전축(S)의 축선방향(S1)에서의 접촉폭은 증대하므로, 밀봉의 효과를 향상시키는 구조가 공지되어 있다.

그러나 종래의 립씰의 경우 가터스프링이 원형으로 되어 있어 밀봉에 필요한 밀봉압력을 변경하기에 어려움이 있으며, 가터스프링의 압력 및 립씰의 압착량을 높일 경우 밸브의 조립이 힘들어지거나 씰에 손상이 발생되는 문제점이 있다.

또한, 고압 및 초저온에 견디기 위해서는 씰과 맞닿는 부위의 조도가 중요한데 씰의 압착량이 많을수록 밀봉 압력이 높아지지만 씰에 스크래치가 발생할 수 있어 이에 의한 누설이 발생되는 문제점이 있다.

또한, 원형의 가터스프링을 고압에 적용하고자 압착량이 높은 상태에서 조립하게 되면 가터스프링이 변형되어, 해당 밸브의 수정을 위한 씰을 해체 시 립씰을 재사용할 수 없는 문제점이 있다.

등록특허공보 제10-1188240호(2012.10.05. 공고)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 씰을 확장시켜 밀봉의 효율을 높이고, 씰 내부의 공기를 제거하여 씰의 가압력을 향상시키면서, 씰을 가압하는 스프링의 압축높이를 조절하여 탄성력을 조절하고, 밸브 내부의 유체 압력에 의해 씰을 외곽으로 더욱 더 확장시켜 견고한 밀봉의 기능을 가지는 초저온 및 고압용 씰을 제공하고자 함이다.

본 발명 초저온 및 고압용 씰은, 일측은 수직단면의 형상을 가지고 있어, 씰링면에 밀착되고, 타측은 상,하로 벌어진 날개편의 형상을 가지고 있는 씰, 원기둥 형상으로 구비되며, 씰을 지지하는 구조로 설치된 씰 리테이너, 씰 리테이너의 저면에 결합된 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 씰 리테이너의 외면에는 홈이 형성되고, 홈에는 가이드링이 끼움, 결합된 것을 특징으로 한다.

또한, 중공의 원통형상이며, 내부의 중공부에는 스프링이 삽입된 스프링 리테이너가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 씰 리테이너의 중앙에는 벤트홀이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 씰의 내면은 원호면의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 날개편의 일측 내면에는 씰링면을 향하여 경사진 제1경사면이 구비되고, 씰 리테이너의 일측 외면에는 제2경사면이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 제1경사면과 제2경사면의 경사각도는 동일한 것을 특징으로 한다.

밸브조립 시의 본 발명의 씰은, 씰 리테이너에 의해 확장되어지는 구조이므로, 밀봉의 효율을 극대화하는 효과가 있다.

또한, 씰 리테이너와 씰 사이의 공기압력이 원활히 제거될수 있도록 벤트홀이 구비되어 있어, 공기의 압력저항에 의하여 밀봉의 효율이 저하되는 것을 방지하는 효과가 있다.

또한, 씰 리테이너가 씰을 밀봉 가능하게 확장할 수 있도록 스프링으로 지지되는 구조이므로, 스프링의 가압력과 연동하는 씰 리테이너에 의하여 씰과 씰링면 사이의 접촉면적이 넓어져서, 밀봉의 효율이 더욱 극대화되는 효과가 있다.

또한, 씰 리테이너의 외면에 가이드링을 설치함으로서, 씰 리테이너가 씰링 공간에서 일정한 가이드가 가능하고, 하우징 내면과의 마찰에 의하여 씰 리테이너의 몸체 외면에 생길 수 있는 표면스크래치 방지할 수 있는 기능 및 효과가 있으므로, 결과적으로 스크래치가 없는 씰 리테이너와 씰이 접촉되는 것이어서, 씰에 스크래치가 생기는 것을 원천적으로 차단하는 효과가 있다.

또한, 스프링의 조립을 위한 스프링 리테이너가 설치되어 있어, 스프링이 좌굴되는 것을 방지하여 일정한 방향으로 탄성력을 유지시킬 수 있으면서, 스프링에 스크래치가 생기는 것을 방지하여, 스프링의 강도를 지속적으로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 스프링 리테이너는 스프링을 가이드하는 기능과 더불어, 스프링 리테이너의 높이를 조절함으로써, 스프링 리테이너와 씰 리테이너 사이인 변형구간의 간격이 조절되는 것이어서, 결과적으로 스프링의 압축 높이의 조절할 수 있는 기능 및 효과를 가진다.

또한, 밸브 내부에 유체가 흐르게 되면 유체의 압력에 의해 씰은 외곽으로 더욱 더 확장되어 견고한 밀봉의 효과를 가질 수 있다.

도 1은 종래 립씰의 부분단면도.
도 2는 밸브의 씰링면에 본 발명 초저온 및 고압용씰이 장착된 상태의 예시 단면도 및 부분 확대단면도.
도 3은 또 다른 밸브의 씰링면에 본 발명 초저온 및 고압용씰이 장착된 상태의 예시 단면도 및 부분 확대단면도.
도 4는 초저온 및 고압용씰의 결합 전 상태의 단면도.
도 5는 초저온 및 고압용씰의 결합 된 상태의 단면도.
도 6은 초저온 및 고압용씰의 작동상태 단면도.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다.

또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하다.

그리고 본 출원에서, '포함하다', '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특정의 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

그러므로, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예(態樣, aspect)(또는 실시 예)들을 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 본 명세서에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 주지 또는 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

이하에서 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참고하여 설명한다.

도 2는 밸브의 씰링면에 본 발명 초저온 및 고압용씰이 장착된 상태의 예시 단면도 및 부분 확대단면도, 도 3은 또다른 밸브의 씰링면에 본 발명 초저온 및 고압용씰이 장착된 상태의 예시 단면도 및 부분 확대단면도, 도 4는 초저온 및 고압용씰의 결합 전 상태의 단면도, 도 5는 초저온 및 고압용씰의 결합 된 상태의 단면도, 도 6은 초저온 및 고압용씰의 작동상태 단면도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명 초저온 및 고압용씰(100. 이하 '고압용씰' 이라 한다)은, 초저온의 LNG 와 수소가스 및 충전소용 밸브 밀봉 분야 또는 해양 플랜트 및 OIL & GAS 등에 적용될 수 있는 밸브 밀봉 분야에서 공통적으로 적용될 수 있는 초저온 및 고압용 씰에 관한 것으로서, 밸브 등의 구성은 일반적으로 상용되는 주지, 관용의 기술이므로, 여기에서는 구체적인 설명을 생략하고, 본 발명의 특징이 되는 구성만을 설명한다.

도 4, 도 5, 도 6에 도시된 바와 같이, 고압용씰(100)은, 씰(110), 씰 리테이너(120), 가이드링(130), 스프링(140), 스프링 리테이너(150)를 포함하고 있다.

씰(110)은, 관통공의 형상의 하우징의 일측 끝단에 삽입된 형태로 구비되며, 상기 씰(110)의 일측은 수직단면(115)의 형상을 가지고 있어, 씰링면에 밀착되고, 타측은 상,하로 벌어진 날개편(113)의 형상을 가지고 있다.

상기, 날개편(113)의 일측 내면에는 씰링면을 향하여 내측으로 경사진 제1경사면(111)이 구비되어 있고, 날개편(113)의 타측, 즉 상,하 양 날개편(113)이 맞나는 지점인, 씰(110)의 내면은 원호면(112)의 형상을 갖는 구조를 가지고 있다.

상기와 같은, 씰(110) 내면의 원호면(112) 형상은, 후술하는 바와 같이, 씰(110)이 유체의 압력을 받을 때, 압력이 특정부위에 집중되어 씰(110)이 파손되는 것을 방지하면서, 원호면(112) 전체면적에 걸쳐서 균일하게 압력이 가해지는 것이어서, 씰(110)의 외측으로의 확장이 원할하게 이루지게 하여, 밀봉의 효율을 극대화 하는 작용, 효과가 있다.(도 6. 참조)

또한 수소용 밸브인 경우의 씰(110)의 재질은, 고압용 엔지니어링 플라스틱 PEEK(Polyetheretherketone)를 적용하고 있으며, 위 재질은 강도, 내열성, 내약품성 등의 물성을 보유하는 효과를 가지고 있다.

또한, LNG 등의 초저온용 밸브인 경우의 씰(110)의 재질은, PCTFE(polychlorotrifluoroethylene, 폴리크로로 트리플루오로에틸렌)를 적용하고 있으며, 위 재질은 내약품성, 내열성, 윤활성이 등의 물성을 보유하는 효과가 있다.

씰 리테이너(120)는, 원기둥 형상으로 구비되며, 하우징에 삽입된 씰(110)을 지지하면서 가압하는 구조로, 설치되고, 일측 외면에는 제2경사면(121)이 형성되어 있어, 씰(110)의 제1경사면(111)과 면 접촉한다. 제1경사면(111)과 제2경사면(121)의 경사각도가 동일한 것은 물론이다.

상기 씰 리테이너(120)의 외면에는 홈(122)이 형성되어 있어, 후술하는 가이드링(130)이 결합된다. 그리고, 상기 씰 리테이너(120)의 중앙에는 벤트홀(123)이 형성되어 있다.

이와 같은 씰 리테이너(120)가 씰(110)을 가압하는 상태로 결합하면, 씰(110)의 원호면(112)에 존재하던 공기가 벤트홀(123)을 통하여 배출되는 것이므로, 씰 리테이너(120)가 씰(110)을 가압할 때, 씰(110) 내부의 공기저항에 의하여 가압의 효율이 떨어지는 것을 방지하는 작용, 효과가 있는 것이다.

또한, 씰 리테이너(120)가 씰(110)을 가압하는 상태로 결합하면, 씰 리테이너(120)의 제2경사면(121)이 씰(110) 날개편(113)의 제1경사면(111)과 면접촉을 하면서, 씰(110)의 날개편(113)을 외면방향으로 확장시키는 것이므로, 그 가압력과 확장력에 의하여 씰(110)은 씰링면에 가압된 상태로 밀봉되면서, 씰(110)과 씰링면 사이의 접촉면적이 넓어져서, 밀봉의 효율이 더욱 극대화되는 작용, 효과가 있는 것이다.

가이드링(130)은, 씰 리테이너(120)의 외면에 형성된 홈(122)에 끼움, 결합된 상태로 구비되어, 하우징의 내면과 면접촉 함으로써, 씰 리테이너(120)가 씰링 공간에서 일정하게 가이드된다.

따라서 가이드링(130)을 채택함으로서, 하우징 내면과의 마찰에 의하여 씰 리테이너(120)의 몸체 외면에 생길 수 있는 표면스크래치를 방지할 수 있는 기능 및 효과가 있는 것이므로, 결과적으로 스크래치가 없는 씰 리테이너(120)와 씰(110)이 접촉되는 것이어서, 씰(110)에 스크래치가 생기는 것을 원천적으로 차단하여 씰(110)이 스크래치에 의하여 파손되는 것을 방지하는 작용, 효과가 있다.

스프링(140)은, 일측은 씰 리테이너(120)의 저면에 결합되어 있고, 타측은 하우징의 내측 일면에 고정되어 있다.

위와 같은 스프링(140)은, 씰 리테이너(120)가 씰(110)을 밀봉 가능하게 확장될 수 있도록 탄성력으로 가압하여 지지하는 구조이므로, 스프링(140)의 가압력과 연동하는 씰 리테이너(120)의 가압에 의하여 씰(110)이 확장되는 것이다.

따라서 씰(110)과 씰링면 사이의 접촉면적이 넓어져서, 밀봉의 효율이 더욱 극대화되는 효과가 있다.

스프링 리테이너(150)는, 중공의 원형링에서 스프링을 삽입할 수 있는 홀을 가지고 있으며, 일측 끝단은 하우징의 내측 일면에 고정되어 있고, 내부의 중공부에는 스프링(140)이 삽입된 형상으로 구비된다.

이와 같은, 스프링 리테이너(150)는, 스프링(140)이 좌굴되는 것을 방지하여 일정한 방향으로 스프링(140)의 탄성력을 유지시킬 수 있으면서, 스프링(140)에 스크래치가 생기는 것을 방지하여, 스프링 강도를 지속적으로 유지시킬 수 있는 작용 및 효과가 있다.

또한, 스프링 리테이너(150)는 스프링(140)을 가이드하는 기능과 더불어, 스프링 리테이너(150)의 높이를 조절함으로써, 스프링 리테이너(150)와 씰 리테이너(120) 사이인 변형구간의 간격이 조절되는 것이어서, 결과적으로 스프링(140)의 압축높이의 조절할 수 있는 기능 및 효과를 가진다.

이상과 같은 고압용 씰의 작동관계를 살펴보면, 밸브가 작동되어 고압의 유체가 흐르게 되면, 고압의 유체는 하우징과 벤트홀(123)을 통과하면서, 유체의 압력이 씰(110)의 날개편(113)과 원호면(112)을 가압하는 것이어서, 유체의 압력에 의해 씰(110)은 외곽으로 균일하게 확장되어 씰링면에 밀착되는 것이므로, 더욱 더 견고한 밀봉의 작용, 효과를 가질 수 있는 것이다.

100: 초저온 및 고압용 씰 110:씰
111:제1경사면 112:원호면
113:날개편 115:수직단면
120:씰리테이너 121:제2경사면
122:홈 123:벤트홀
130:가이드링 140:스프링
150:스프링 리테이너

Claims

삭제
일측은 수직단면(115)의 형상을 가지고 있어 씰링면에 밀착되고, 타측은 상,하로 벌어진 날개편(113)의 형상을 가지고 있는 씰(110),
원기둥 형상으로 구비되며, 씰(110)을 지지하는 구조로 설치된 씰 리테이너(120),
씰 리테이너(120)의 저면에 결합된 스프링(140)을 포함하며,
씰 리테이너(120)의 외면에는 홈(122)이 형성되고,
홈(122)에는 가이드링(130)이 끼움, 결합된 것을 특징으로 하는 초저온 및 고압용 씰.
청구항 제2항에 있어서,
중공의 원통형상이며, 내부의 중공부에는 스프링(140)이 삽입된 스프링 리테이너(150)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 초저온 및 고압용 씰.
청구항 제3항에 있어서,
씰 리테이너(120)의 중앙에는 벤트홀(123)이 형성된 것을 특징으로 하는 초저온 및 고압용 씰.
삭제
삭제
삭제