KR20170036660A - 밀봉 표면 연장부를 가진 링 밀봉체 - Google Patents

Abstract

대향하는 유동 구성 요소 밀봉 표면들을 밀봉하기 위한 링 밀봉체는 반도체 제조 모듈 기체 전달 시스템과 같은 적용예에 적절한 유체 유동 경로를 형성한다. 링 밀봉체는 링 밀봉체의 하나 또는 양쪽 밀봉 표면들로부터 연장된 개량된 델타 형태의 고리형 연장부를 포함한다. 개량된 델타는 링 밀봉체의 밀봉 표면 위의 지점 또는 정점으로 연장된다. 제 1 및 제 2 연장 표면들은 정점으로부터 링 밀봉체의 밀봉 표면을 향하여 뒤로, 대향하는 방향들에서 연장된다. 하나의 양상에서, 제 1 연장 표면은 융기부를 형성하는데, 제 1 연장 표면의 경사는 링 밀봉체의 밀봉 표면으로 빠르게 기울어지도록 변화된다. 다른 양상에서, 정점은 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 인접하게 고리형 연장부내에 위치된다.

Description

밀봉 표면 연장부를 가진 링 밀봉체{Ring Seal With Sealing Surface Extension}

본 발명은 밀봉체에 관한 것으로서, 대향하는 평행 표면들 사이에서 유체 밀폐 밀봉 조인트를 만들기 위한, 종종 개스킷으로서 지칭되는 밀봉체에 관한 것이다.

링 밀봉체는 통상적으로 고리형으로 형상화되어, 유체(액체 또는 기체) 통로를 위한 축방향으로 정렬된 구멍, 2 개의 축방향으로 대향되는 단부 표면들, 방사상 내측 표면 및, 방사상 외측 표면을 형성한다. 가장 단순한 링 밀봉체는 평탄한 단부 표면들 및 매끄러운 원형 방사상 내측 및 외측 표면들을 가지며, 상기 내측 및 외측 표면들은 링 밀봉체의 내측 직경(ID) 및 외측 직경(OD)을 한정한다. 그러나 상이한 유체 유동 환경들에 대한 변화하는 밀봉 성능들을 얻기 위하여 상이한 방사상 단면들을 가진 밀봉체를 이용하는 것이 산업상 통상적인 관례이다.

통상적으로 이용되는 링 밀봉체는 원형이고 C 형상의 방사상 단면을 가진다. 이러한 "C 밀봉체"는 미국 특허 US 5,354,072 (072 특허)에서와 같이 C 구조의 개방측이 링의 중심을 향하도록 구성되거나, 또는 C 구조의 개방측이 중간에 있는 C 밀봉체와 함께 2 개의 짝을 이룬 표면들의 중심으로부터 이탈되게 향하면서 구성되는데, C 밀봉체가 압축 동안에 C 단면의 개방측을 폐쇄시키면서 압축된다. 밀봉체의 전성 특성(ductile properties)들은 짝을 이룬 표면들에 손상을 입히지 않으면서 소성 변형이 발생될 수 있게 한다. 밀봉체의 탄성 복원을 향상시키도록, 일부 C 밀봉체에는 밀봉체의 중심내에 동심으로 위치된 원형 탄성 헬리컬 스프링이 제공되며, 이러한 스프링은 특정의 밀봉 조립체들에 대하여 소망되는 것에 대한 탄성 특성 및 압축 저항을 변경시키기도 한다. 불행하게도, 내부 헬리컬 스프링을 가진 C 밀봉체를 제조하는 것은 상대적으로 복잡하여 통상적으로 반복 불가능한 수용 가능 밀봉체의 구조를 초래한다.

일부 C 밀봉체에는 당해 기술 분야에서 "델타(delta)"로 지칭되기도 하는 원형 융기부가 제공되는데, 이것은 밀봉되도록 의도된 대향하는 평행 표면들과 접촉하게 되는 표면들상에 형성된다. 이러한 융기부들은 평행한 대향 표면들과 밀봉체 사이의 초기 접촉 면적을 감소시킴으로써, 밀봉체를 소성 변형시키는데 부하를 덜 필요로 하며, 여기에서 변형은 밀봉체가 평행 표면들에서의 작은 왜곡을 수용하고 밀봉할 수 있게 한다. 불행하게도, 이러한 원형 융기부들을 가지는 C 밀봉체들은 밀봉체가 압축될 때 C 밀봉체의 외측 표면과 원형 융기부 사이에 종종 챔버를 형성한다. 비록 이러한 밀봉체가 누설 방지될 수 있거나 또는 허용 오차 이내인 충분히 낮은 값의 누설을 가질 수 있을지라도, 밀봉체의 내부 통로와 이러한 실린더형 챔버 사이에 누설이 있다면 "가상의 누설(virtual leak)"이 발생되며, 그에 의하여 기체 또는 액체는 그 사이로 느리게 유동할 수 있다. 비록 누설 방지 밀봉체가 유효하더라도, 밀봉체의 시험은 누설이 존재함을 잘못되게 그리고 소망스럽지 않게 반영할 수 있으며, 이러한 상태는 따라서 "가상의 누설(virtual leak)"로서 지칭된다.

밀봉체의 밀봉 표면 위로 연장된 연장부를 구비하는 개량된 C 밀봉체가 공지되어 있으며, 예를 들어 미국 특허 US 6,688,608 에 설명되어 있는데, 이것은 본원에 참고로서 포함된다. 그러한 연장부들은 유동 경로의 밀봉 표면들 사이에서 압축될 때 밀봉체의 소성 변형을 개시하는데 감소된 부하(load) 또는 압축력이 이용될 수 있게 한다. 그러한 공지된 밀봉체의 한가지 예는 도 1 및 도 2 에 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 이전의 링 밀봉체(1)는 고리형으로 형상화된 동체 요소(3)를 구비하며, 이것은 기체 또는 유체의 통과를 허용하기 위한 축방향 정렬 중심 구멍(4)을 가진다. 링 밀봉체(1)의 고리형 구성에 기인하여, 링 밀봉체(1)는 방사상 내측 표면(5), 방사상 외측 표면(6), 제 1 축방향 단부 표면(11) 및, 제 2 축방향 단부 표면(17)을 구비한다. 이러한 표면들 각각은 그 어떤 수의 구성이라도 취할 수 있다. 이들은 실질적으로 평평하고 평탄하거나, 또는 실질적으로 만곡된다. 예를 들어, 방사상 내측 표면(5)은 평탄 영역(7) 및 만곡 영역(9)을 구비한다. 마찬가지로, 외측 방사상 표면(6)은 평탄 표면 및 각도가 이루어진 맞닿음(angled abutment)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 표면들은 다른 형태를 취할 수 있다.

공지된 링 밀봉체(1)는 복수의 보어(25)들을 더 포함하는데, 이들은 링 밀봉체의 방사상 외측 표면(6)으로부터 링 밀봉체의 중심 구멍(4)을 향하여 내측으로 돌출된다. 보어(25)들의 형성은 복수의 측벽(27)들을 만들며, 측벽들은 링 밀봉체의 방사상 외측 표면(6)으로부터 방사상으로 연장되고 링 밀봉체의 축방향 단부 표면(11,17)들 사이에서 축방향으로 연장된다.

도시된 공지의 링 밀봉체(1)는 원형 가장자리 또는 연장부(23)를 구비하며, 이것은 축방향 단부 표면(11,17)으로부터 축방향으로 돌출된다. 연장부(23)는 제 1 축방향 단부 표면(11)을 제 1 내측 축방향 단부 표면(13) 및 제 2 외측 축방향 단부 표면(15)으로 분할한다. 마찬가지로, 연장부(23)는 제 2 축방향 단부 표면(17)으로부터 돌출되고, 축방향 단부 표면을 제 2 내측 축방향 단부 표면(19) 및 제 2 외측 축방향 단부 표면(21)으로 분할한다. 내측 축방향 단부 표면(13,19)들은 외측 축방향 단부 표면(15,21)들에 대하여 내측으로 오목하게 되어 오프셋을 발생시킨다. 내측 축방향 단부 표면(13,19)들에서 측정된 링 밀봉체(1)의 두께는 외측 축방향 단부 표면(15,21)들에서 측정된 링 밀봉체(1)의 두께보다 얇다. 그러한 링 밀봉체(1)의 문제점은 설치하는 동안 또는 취급하는 동안 융기부 또는 연장부(23)가 손상될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 연장부에는 흠 또는 자국(dent)이 생길 수 있다. 그러한 손상은 부적절한 밀봉을 초래한다.

산업 분야에서 공지된 링 밀봉체의 다른 유형은 W 밀봉체이다. 그러한 밀봉 시스템은 예를 들어 미국 특허 US 7,140,647 (647 특허)에 개시되어 있으며, 본원에 참고로서 포함된다. 상기 647 특허에 개시된 W 밀봉체는 유지 링의 내부상에 위치된 스냅 링(snap ring)을 사용하는데, 이것은 상기 특허에서 안내부로서 식별된 것으로서, W 밀봉체를 리테이너 안에 유지하고 W 밀봉체 또는 개스킷상의 밀봉 표면들이 긁힘으로부터 보호되게 유지한다. 상기 647 특허의 리테이너(retainer) 또는 안내부는 그것의 외측 직경상에 위치된 스냅 링(snap ring)을 가져서 리테이너가 카운터보어(counterbore)에 맞물려서 유지되게 하며, 이는 밀봉되어야 하는 대향의 평행 표면들을 형성한다.

추가적인 공지된 밀봉체는 V 밀봉체이며, 이것은 C 단면을 가지는 대신에 원형이며, V 밀봉체는 밀봉체의 중심을 향하여 내측으로 또는 외측으로 지향되도록 구성된 낮은 지점의 V 를 가지는 V 단면을 구비한다. 비록 이러한 구조가 통상적으로 충분한 변형을 제공할지라도, V 밀봉체는 통상적으로 특정의 우수한 탄성 복원 또는 반복 가능성을 제공하지 않는데, 왜냐하면 V 밀봉체의 지점은, 밀봉체의 반복적인 압축 및 변형시에 밀봉체가 고장을 일으키는 경향을 가지게 하고 압축 부하를 집중시키는 스트레스 상승부(stress raiser)를 형성하기 때문이다.

당해 기술 분야의 추가적인 밀봉체는 Z 밀봉체 및 단순한 O 링이다. 이들 각각의 밀봉체도 다양한 단점을 겪는다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 링 밀봉체를 제공하는 것이다.

상기의 다양한 접근 방식에 따라서, 반도체 제조 모듈 기체 전달 시스템과 같은 적용예에 적절하고 유체 유동 경로를 형성하는 대향하는 유동 구성 요소 밀봉 표면들을 밀봉하기 위한 예시적인 링 밀봉체가 설명된다. 예시적인 링 밀봉체는 링 밀봉체의 하나 또는 양쪽의 밀봉 표면들로부터 연장된 개량된 델타(delta) 형태의 고리형 연장부를 포함한다. 개량된 델타는 링 밀봉체의 밀봉 표면 위에 있는 정점(apex) 또는 지점(point)으로 연장되며, 그로부터 개량된 델타가 연장된다. 제 1 및 제 2 연장 표면들은 대향하는 방향들에서 정점으로부터 링 밀봉체의 밀봉 표면을 향하여 뒤로 연장된다. 하나의 양상에서, 제 1 연장 표면은 융기부를 형성하는데, 제 1 연장 표면의 경사는 링 밀봉체의 밀봉 표면으로 빠르게 기울어지도록 변화된다.

그렇게 구성됨으로써, 유동 구성 요소 밀봉 표면들 사이의 링 밀봉체의 압축 동안에, 제 1 부하(load) 또는 압축력은, 정점에 있으면서 고리형 연장부의 융기부로 연속되는 고리형 연장부 또는 개량된 델타를 소성적으로 변형시킨다. 이러한 변형 작용은 그렇게 변형된 링 밀봉체 재료를 경화시킨다. 제 1 부하보다 강한 제 2 부하 또는 압축력은 융기부를 지나서 링 밀봉체의 변형을 계속하는데 필요하다. 힘의 변화는 사용자가 링 밀봉체에 과부하(over loading)을 가하는 것을 방지하며, 그러한 과부하는 유동 구성 요소의 밀봉 표면을 손상시킬 수 있다.

다른 양상에서, 축방향 구멍을 형성하는 내측 표면의 직경에 방사상 대향하는, 외측 표면에 의해 형성된 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 인접하게 정점이 고리형 연장부내에 위치된다. 그러한 구성으로써, 취급하는 동안 고리형 연장부의 일부를 항상 연장부의 정점에서 손상시킬 수 있는 경우에도 밀봉을 제공하는 커다란 밀봉 면적이 정점과 융기부 사이의 변형에 의해 제공된다.

상기의 장점 및 다른 장점들은 도면과 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 명백해질 것이다. 첨부된 도면에서, 동일한 참조 번호는 도면을 통하여 동일한 부분을 표시한다.

도 1 은 종래 기술에 따른 밀봉체의 평면도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 종래 기술의 밀봉체의 선 2 를 따른 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 다양한 원리들에 따라서 구성된 예시적인 링 밀봉체의 평면도이다.
도 4 는 도 3 에 도시된 링 밀봉체의 선 A-A 를 따른 단면도이다.
도 5 는 선 B 로 표시된 도 3 의 링 밀봉체의 부분에 대한 확대도이다.
도 6 은 본 발명의 다양한 원리들에 따른 유동 경로의 예시적인 밀봉 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7 은 본 발명의 다양한 원리들에 따라서 압축 이전에 유체 유동 구성 요소들 사이에 설정된 도 3 내지 도 5 와 일치하는 예시적인 링 밀봉체를 도시하는 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 원리에 따른 압축 이후에 도 7 의 예시적인 링 밀봉체 및 유체 유동 구성 요소들을 나타내는 단면도이다.
도 9 는 압축 이전에 유체 유동 구성 요소들 사이에 설정된 종래 기술의 표준적인 델타 또는 연장부를 가진 예시적인 링 밀봉체를 도시하는 단면도이다.
도 10 은 압축 이후에 도 9 의 예시적인 링 밀봉체와 유체 유동 구성 요소들을 도시하는 단면도이다.
도 11 은 도 3 내지 도 5 에 따라서 만들어진 2 개의 밀봉체 및 도 9 에 따라서 만들어진 2 개의 밀봉체를 압축하는데 필요한 힘의 크기에 대한 실제 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12 는 압축 이전에 유체 유동 구성 요소들 사이에 설정된 종래 기술의 커다란 델타 또는 연장부를 가진 예시적인 링 밀봉체를 도시하는 단면도이다.
도 13 은 압축 이후에 도 12 의 유체 유동 구성 요소들 및 예시적인 링 밀봉체를 도시하는 단면도이다.
도 14 는 도 3 내지 도 5 에 따라서 만들어진 밀봉체를 가압하는데 필요한 힘의 크기에 대한 모델링 결과를 도시하는 그래프이다.
도 15 는 도 12 에 따라서 만들어진 밀봉체를 압축하는데 필요한 힘의 크기에 대한 모델링 결과를 도시하는 그래프이다.
당업자는 도면에 있는 요소들이 단순함과 명확함을 위하여 도시된 것이며 반드시 축척대로 도시된 것이 아니라는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면에 있는 요소들중 일부의 상대적인 위치 및/또는 치수들은 다른 요소들에 비하여 과장됨으로써 본 발명의 다양한 실시예들의 이해를 향상시키는데 도움을 준다. 또한, 상업적으로 타당한 실시예에서 유용하거나 또는 필요한, 통상적이지만 잘 이해되는 요소들은 다양한 실시예들에서 방해를 덜 받는 도면을 용이하게 하기 위하여 종종 도시되지 않는다. 특정의 작용들 및/또는 단계들은 특정의 발생 순서대로 설명되거나 도시될 수 있지만, 당업자는 그러한 시퀀스에 대한 세부 내용이 실제로 필요하지 않다는 점을 이해할 것이라는 점이 더 인식될 것이다. 또한 여기에서 사용된 용어 및 표현들은, 상이한 특정 의미들이 여기에서 다르게 기재되는 경우를 제외하고, 당해 기술 분야의 당업자가 그러한 용어들 및 표현들에 부여하는 바로서의 통상적인 기술적 의미를 가진다는 점이 이해될 것이다.

이제 도 3 내지 도 5 를 참조하면, 유체 유동 경로를 한정하는 대향의 유동 구성 요소 밀봉 표면 밀봉을 위한 예시적인 링 밀봉체(300)가 설명될 것이다. "하부" 및 "상부"라는 용어는 도면과 관련되어서만 사용될 것이며, 실제 설치에 있어서 밀봉 조립체의 방위를 반드시 나타내는 것은 아니다. 도시된 링 밀봉체(300)는 화살표(315)로 표시된 축방향에서 유체 통과를 위한 축방향 구멍(210)을 한정하는 고리형 밀봉 동체(305)를 구비한다. 밀봉 재료는 탄성 특성을 가짐으로써, 유동 경로를 형성하는 요소들 사이에서 압축될 때 축방향 유동 경로를 따라서 우수한 밀봉을 위하여 스프링 백(spring back) 성능 및 압축 성능을 허용해야 한다. 유동 경로를 통과하는 고순도의 기체가 필요한 웨이퍼 제조 환경에서 사용되는 밀봉에서, 316 더블 멜트 스테인레스 스틸(double melt stainless steel), 니켈, HASTELLOY(Central States Industrial Equipment & Service, Inc 에서 판매) 및, AL-6XN(Central States Industrial Equipment & Service, Inc. 에서 판매)이 예시적인 적절한 재료들이다.

대향하는 밀봉 표면(320,325)들은 고리형 밀봉 동체(305)의 대향하는 축방향 단부(330,335)상에 배치된다. 고리형 연장부(340,342)는 대향하는 밀봉 표면(320,325)들중 적어도 하나로부터 축방향으로 연장된다 (여기에서는 양쪽으로부터 연장되는 것으로 도시되어 있다). 링 밀봉체가 축방향(315)에 대하여 직각인 중심선(360) 둘레에서 대칭이도록 고리형 연장부(340,342)들은 동일한 구성을 가지거나 또는 상이한 구성을 가질 수 있다. 간략화를 위하여, 고리형 연장부(340,342)에 대한 설명은 제 1 고리형 연장부(340)와 관련하여 설명될 것이며, 그러한 양상들에 대한 설명이 2 개의 연장부(340,342) 사이에서 그 어떤 조합으로도 적용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.

보다 상세하게는, 고리형 연장부(340)는 정점(344)을 포함한다. 제 1 연장 표면(346) 및 제 2 연장 표면(348)은 각각 정점(344)으로부터 밀봉 표면(320)을 향하여 뒤로 반대 방향에서 연장되며, 밀봉 표면으로부터 고리형 연장부(340)가 연장된다. 제 1 연장 표면(346)은 축방향(315)에 대한 제 1 전체 각도를 가지며, 축방향(315)에 대한 제 2 전체 각도로 천이됨으로써 융기부(350)를 형성하는데, 이것은 가파른 전체 각도로 밀봉 표면(320)을 향하여 뒤로 연장되고, 즉, 제 1 연장 표면(346)보다 더 밀봉 표면(320)을 향해 경사진다. 제 1 전체 각도는 통상적으로 대략 91 도 내지 대략 125 도 범위이고, 더 바람직스럽게는 95 도 내지 110 도 범위이며, 가장 바람직스럽게는 대략 99 도이고, 제 2 전체 각도는 통상적으로 대략 110 도 내지 대략 175 도의 범위이고, 더 바람직스럽게는 대략 125 내지 대략 145 도 범위이고, 가장 바람직스럽게는 대략 135 도이다. 선택적으로는, 제 2 연장 표면(348)은 전체적인 제 1 연장 표면(346) 보다 가파른 전체 각도로 밀봉 표면(320)을 향하여 뒤로 연장되고, 바람직스럽게는 대략 110 도 내지 대략 175 도 사이의 각도로 연장되고, 보다 바람직스럽게는 대략 125 도 내지 대략 145 도 사이의 각도로 연장되고, 가장 바람직스럽게는 135 도의 각도로 연장된다. 다른 선택적인 양상에서, 정점(344)은 고리형 밀봉 동체(305)의 외측 방사상 직경(OD)보다 축방향 구멍(310)에 더 가깝게 위치하며, 외측 방사상 직경은 축방향 구멍(310)을 형성하는 내측 표면(364)에 방사상으로 대향하는 외측 표면(362)에 의해 한정된다. 바람직스럽게는, 정점이 연장부의 폭의 내측 절반에 위치하고, 보다 바람직스럽게는 내측 1/3 에 위치함으로써, 정점이 최종 압축된 밀봉 표면의 내측 절반에 위치하고, 보다 바람직스럽게는 내측 1/3 에 위치한다. 이러한 구성을 가지고, 정점에 대한 그 어떤 손상도 밀봉 표면의 대부분과 간섭되지 않으며, 보다 바람직스럽게는 밀봉 표면의 외측 2/3 상에서 간섭되지 않는다. 이전의 디자인에서, 정점의 양쪽 측부상에 동등한 밀봉 표면을 가진 델타(delta)의 중심에 정점이 있었으며, 이것은 정점에 대한 손상에 의해 야기되는 누설을 방지하기에 덜 연속적인 밀봉 표면을 남긴다.

비록 이러한 연장 표면들이 단면에서 직선 표면으로서 도시될지라도, 이러한 직선 표면들은 약간 만곡될 수 있으며, 그러한 경우에 상기 설명된 각도는 축방향에 대한 개별 표면 부분의 평균 각도로 적용될 것이다. 예를 들어, 정점(344)과 융기부(350) 사이의 제 1 연장 표면(346)의 부분(347)에 대한 평균 각도는 부분(347) 및 부분(349)의 양쪽 또는 하나가 만곡될 때 융기부(350)와 밀봉 표면(320) 사이의 제 1 연장 표면(346)의 부분(349)의 평균 각도보다 덜 가파르다.

결국, 제 1 연장 표면(346) 및 제 2 연장 표면(348)은 각각 밀봉 표면 부분(322,324)으로 천이되는데, 상기 부분(322,324)들이 그렇게 배치될 필요가 없을지라도 이들은 통상적으로 축방향(315)에 대략 직각이 될 것이다. 예를 들어, 링 시일(300)의 외측 가장자리에 대한 밀봉 표면 부분(322)은 직각으로 시작되어 부분(322)이 축방향 구멍(310)으로부터 멀어지게 연장되면서 중심선(360)을 향하여 만곡된다. 하나의 양상에서, 제 2 연장 표면(348)은, 제 1 연장 표면(346)이 그것의 개별적인 밀봉 표면 부분(322)으로 이행되는 것보다, 축방향(315)에 직각인 고리형 밀봉 동체(305)의 중심선(360)에 더 인접하게 개별의 밀봉 표면 부분(324)으로 천이된다. 즉, 링 밀봉체(300)의 양측상에 있는 밀봉 표면 부분(324)들에 의해 형성된 내측 축방향 단부 표면들은 링 밀봉체(300)의 양측상에 있는 밀봉 표면 부분(322)들에 의해 형성된 외측 축방향 단부 표면들에 대하여 요부(recess)화됨으로써, 내측 축방향 단부 표면들에서 측정된 링 밀봉체(300)의 두께는 외측 축방향 단부 표면들에서 측정된 링 밀봉체의 두께보다 얇다. 그렇게 구성됨으로써, 링 밀봉체(300)가 (축방향 구멍(310)으로부터 멀어지는) 외측 직경을 향하여 구부러지는 범위로, 밀봉 표면 부분(324)은 유동 구성 요소의 밀봉 표면과 덜 맞물릴 것 같은데, 왜냐하면 그러한 유동 구성 요소의 밀봉 표면으로부터 더 멀리에 있기 때문이다. 따라서, 유동 구성 요소의 밀봉 표면과 밀봉 표면 부분(324)의 맞물림에 의해 야기되는 실제 누설의 위험성은 감소된다.

더욱이, 축방향 구멍(310)을 형성하는 내측 표면(364)의 직경에 방사상으로 대향하는 외측 표면(362)에 의해 형성된 고리형 밀봉 동체(305)의 외측 방사상 직경(OD) 보다 축방향 구멍(310)에 더 가깝게 정점(344)이 고리형 연장부내에 위치되는 경우에, 누설을 야기하는 정점(344)의 흠(nick)의 가능성은 더 감소되는데, 왜냐하면 흠이 축방향 구멍(310)을 향하는 밀봉 표면의 내측 부분상에 위치될 것이기 때문이다. 이러한 내측 부분은 완전히 밀봉되어야 하는데, 왜냐하면 제 1 연장 표면(346)의 상대적으로 두껍거나 또는 긴, 제 1 부분(347)의 나머지는 변형되고 유체 구성 요소의 밀봉 표면과 맞물림으로써 정점에 있는 밀봉 결함(seal flaw)과 밀봉의 외측부 사이에 큰 밀봉 표면을 제공하기 때문이다.

다른 양상에서, 예시적인 링 밀봉체(300)는 복수개의 보어(bore, 380) 들을 더 구비하는데, 이들은 링 밀봉체의 방사상 외측 표면으로부터 링 밀봉체의 중심을 향하여 내측으로 돌출한다. 보어들의 형성은 복수의 측벽들을 형성하며, 이들은 보어의 길이로써 방사상으로 그리고 링 밀봉체의 축방향 단부 표면들 사이에서 축방향으로 연장된다. 복수의 보어들은 임의 개수의 구성을 취할 수 있다. 예를 들어, 바람직스럽게는 보어들이 링 밀봉체의 반경 방향 외측 표면으로부터 링 밀봉체의 중심을 향하여 방사상으로 드릴 가공됨으로써 구성되어 제조상의 비용 및 곤란성을 최소화시킨다. 이러한 방식으로 구성된 보어들은 원형 단면을 가진다. 보어들은 또한 실질적으로 사각형의 구성을 가질 수도 있으며, 이것은 링 밀봉체의 축방향 단부 표면들 사이에서 축방향으로 그리고 링 밀봉체의 내측 및 외측 방사상 표면들 사이에서 방사상으로 연장된 실질적으로 평탄한 측벽들을 형성한다. 다른 접근 방식에서, 상기 평탄한 측벽들은 링 밀봉체의 축에 대하여 각도를 가지고 구성됨으로써, 평행사변형 형태의 개구들을 링 밀봉체의 방사상 외측 표면상에 형성한다.

간략하게 하도록, 보어들이 본 발명의 사상 또는 범위로부터 이탈하지 않으면서 다른 형상의 단면을 가질 수 있을지라도 보어들은 원형 단면을 가지는 것으로서 도시된다. 보어들의 수 및 그들의 직경은 밀봉 조립체의 소망되는 기계적 특성들에 따라서 변화될 수 있다. 예를 들어, 보어(bore)들의 수의 증가 또는 보어들의 직경의 증가는 링 밀봉체의 내측 측벽들의 대응하는 두께 감소를 야기하는데, 이것은 밀봉체의 변형 성능 증가를 포함하는, 밀봉체의 기계적인 특성들을 변경시킬 것이다. 그러나, 보어들의 수의 증가 또는 보어들의 직경 증가는 압축 및 이완 이후에 밀봉체의 탄성 복원(반향)을 감소시킬 수 있다. 바람직한 실시예에서, 보어들은 실린더형이고, 링 밀봉체 두께의 25 % 내지 75 % 사이의 직경을 가진다. 25 % 미만의 직경은 탄성적으로 변형되는 링 밀봉체의 성능을 현저하게 감소시킬 것이다. 어쨌든, 링 밀봉체 두께의 75 % 를 넘어서 보어들의 직경을 증가시키면 밀봉체의 구조적 일체성을 약화시킬 것이며 밀봉체가 압축되는 동안 고장을 일으키는 경향이 있게 된다. 바람직한 접근 방식에서, 보어들은 링 밀봉체 직경의 대략 50 % 의 직경을 가진다.

위에서 설명된 링 밀봉체를 이용하여 2 개의 유체 유동 구성 요소(710,720)들 사이에서 연장되는 유체 유동 경로를 밀봉하는 방법이 도 6 내지 도 8 을 참조하여 설명될 것이다. 고리형 밀봉 동체(305)는 고리형 밀봉 동체(305)(보다 상세하게는 정점(340))가 2 개의 유체 유동 구성 요소들중 제 1 유체 유동 구성 요소(710)를 위한 유동 구성 요소의 밀봉 표면(715)과 접촉하도록 유동 구성 요소 밀봉 표면(715)상에 배치된다 (610). 2 개의 유체 유동 구성 요소(710,720)들은 (통상적으로 유동 경로의 양측에서 스크류를 이용하여) 서로 고정됨으로써(620) 유체 유동 경로를 따라서 2 개의 유체 유동 구성 요소(710,720)들의 유동 구성 요소 밀봉 표면(715,725)들이 정렬되고 유동 구성 요소 밀봉 표면(715,725)들을 가지고 고리형 밀봉 동체(305)의 대향하는 축방향 단부(330,335)들상의 대향하는 밀봉 표면(320,325)들을 압축한다. 이러한 압축은 고리형 밀봉체(305)의 변형을 초래한다.

압축 과정은 고리형 연장부(340)의 제 1 부분의 압축 동안의 제 1 압축력에서 고리형 연장부(340)의 제 1 압축(630)을 포함한다. 고리형 연장부(340)의 제 1 부분은 정점(344)과 융기부(350) 사이의 제 1 연장 표면(347)에 의해 형성되는데, 제 1 연장 표면(347)은 축방향(315)에 대하여 제 1 전체 각도를 가지고, 축방향(315)에 대하여 제 2 전체 각도로 천이됨으로써 융기부(350)를 형성하며, 융기부는 제 1 연장 표면(347) 보다 가파른 전체 각도로 밀봉 표면(322)을 향하여 뒤로 연장된다. 이러한 제 1 압축은 고리형 연장부(340)의 제 1 부분을 변형시킴으로써 고리형 연장부(340)의 제 1 부분과 유동 구성 요소 밀봉 표면(725) 사이의 밀봉 맞물림을 형성한다. 고리형 연장부(340)의 제 2 압축(640)은 고리형 연장부(340)의 제 2 부분의 압축 동안에 제 1 압축력보다 큰 제 2 압축력으로써 발생된다. 여기에서, 고리형 연장부(340)의 제 2 부분은 밀봉 표면(322)을 향하여 뒤로 연장되고 축방향(315)에 대하여 제 2 각도를 가진 제 1 연장 표면 부분(349)에 의해 형성된다. 압축 및 변형 과정의 이 지점에서, 압축 과정은 고리형 연장부(340)의 제 2 부분의 추가적인 재료를 변형시켜야 하며, 그에 의하여 (밀봉체와 맞물리는 부분들 외측의) 유체 유동 구성 요소가 함께 압축될 때까지 밀봉체를 압축시키는데 필요한 힘을 증가시킨다.

도 7 및 도 8 은 압축 과정 이전과 이후에 유체 유동 경로를 따른 2 개의 유체 유동 구성 요소(710,720) 및 고리형 밀봉 동체(305)의 상태를 각각 도시한다. 고리형 밀봉 동체(305)가 유동 구성 요소 밀봉 표면(715)상에 배치될 때(610), 저부 고리형 연장부의 정점은 도 7 에 도시된 바와 같이 밀봉 표면(715)과 맞물린다. 다른 밀봉 표면(725)은 마찬가지로 압축 이전에 상부 고리형 연장부의 정점과 맞물린다. 제 1 압축 과정 및 제 2 압축 과정이 도 8 에 도시된 바와 같이 완료될 때, 밀봉체는 다수의 방법으로 변형된다. 우선, 고리형 연장부들은 유동 구성 요소 밀봉 표면(715, 725)들을 따라서 변형됨으로써 밀봉체와 유동 구성 요소 밀봉 표면의 교차부에 유체 밀폐 밀봉(fluid-tight seal, 770)을 형성한다. 제 1 연장 표면(347)에 의해 형성되는 고리형 연장부(340)의 제 1 부분은 개별의 유동 구성 요소 밀봉 표면(715,725)과 고리형 밀봉 동체 사이의 유체 밀폐 밀봉(770)에 의하여 완전히 변형되고 포함되는데, 이러한 변형은 제 1 압축(630) 동안 발생된다. 제 1 연장 표면 부분(349)에 의해 형성된 고리형 연장부(340)의 제 2 부분의 일부는 유체 밀폐 밀봉(770)에 의해 변형되고 포함되는데, 이러한 변형은 제 2 압축(640) 동안에 발생된다. 정점(344)이 고리형 밀봉 동체(305)의 외측 반경 방향 직경보다 축방향 구멍(310)에 더 인접하게 위치될 때, 고리형 연장부의 정점 부분은 개별적인 유동 구성 요소 밀봉 표면(715, 725)과 밀봉체의 밀봉 표면 부분(324) 사이의 간극 다음에 위치하거나 또는 가까이에 위치함으로써 (바람직스럽게는 유체 밀폐 밀봉(770)의 내측 1/3에 위치함으로써), 유체 밀폐 밀봉(770)의 대부분(바람직스럽게는 적어도 2/3)이 개별적인 유동 구성 요소 밀봉 표면(715,725)과 밀봉체의 밀봉 표면 부분(322) 사이의 외측 간극과 정점 부분 사이에 배치된다. 그렇게 구성됨으로써, 유체 밀폐 밀봉(770)의 내측 부분상에 불량한 밀봉을 초래할 수 있는, 정점에 대한 그 어떤 손상 또는 흠(nick)이라도 유체 밀폐 밀봉(770)의 나머지에 의해 외부로부터 완전히 밀봉될 수 있다. 연장부들의 변형을 넘는 밀봉체의 다른 변형들은 밀봉체의 전체 높이가 압축되면서 밀봉체의 내측 부분이 두꺼워지는 것을 포함한다.

개시된 구성의 특정의 장점들은 상기 설명을 도 9, 도 10, 도 12 및 도 13과 비교함으로써 이해될 수 있으며, 이것은 2 개의 다른 밀봉 구성들의 압축 이전 및 압축 이후 상태를 도시한다. 보다 상세하게는, 도 9 및 도 10은 각각 압축 이전 및 이후에 표준적인 델타 또는 연장부를 가진 종래 기술 밀봉체의 단면도를 도시한다. 이러한 예로써, 델타의 팁(tip) 또는 정점은 대략 연장부의 중간에 있음으로써 압축 이후에 압축된 정점은 변형된 델타의 중간에 있다. 이것은 델타 또는 연장부에 있는 잠재적인 흠(nick) 또는 자국(dent) 둘레에서 완전한 밀봉을 형성하는 재료의 성능을 양측부상에서 감소시킨다. 더욱이, 도 8 에 도시된 유체 밀폐 밀봉(770)과 비교하면, 표준 델타의 경우에 유체 밀봉 표면(970)은 대략 2.5 배의 작은 단면을 가지며 이는 상기 유체 밀봉 표면(970)이 내측 진공과 외측 영역 사이에 작은 밀봉 표면을 제공함을 의미한다. 이것은 델타에 대한 손상 기회를 증가시켜서 밀봉체의 누설을 초래한다.

도 11 은 여기에 설명된 바와 같이 설계된 델타의 사용에 대한 예상하지 못한 다른 결과를 나타낸다. 도 11 은 도 9 및 도 10 의 표준적인 델타와 비교되는, 도 3 내지 도 5 의 설계를 가진 밀봉체를 압축한 시험 결과를 도시한다. 그래프는 Y 축상에 도시된 힘의 적용으로부터 결과된 밀봉체의 압축의 크기를 X 축을 따른 인치로 나타낸다. 그래프에 도시된 바와 같이, 도 3 내지 도 5 의 개량되거나 또는 경사진 델타는 전체 압축 범위에 걸쳐서 오직 약간 더해진 힘으로 안정되게 압축한다. 따라서, 표준적인 델타의 소형 유체 밀폐 밀봉 표면(970)을 형성하는데 필요한 힘보다 오직 최저한도로 더해진 힘을 가지고 (도 9 및 도 10 의 표준적인 델타의 유체 밀폐 밀봉 표면과 비교하여) 도 8 에 도시된 개량된 델타의 2.5 배로 큰 유체 밀폐 밀봉 표면(770)을 달성할 수 있다는 것은 놀라운 일이다. 따라서, 밀봉체에 대한 손상, 오염된 밀봉 표면, 손상된 밀봉 표면, 정렬되지 않은 밀봉 표면 또는 완전하게 압축되지 않은 밀봉체에 의해 야기되는 것을 포함하는 그 어떤 누설이라도 멈추게 하는 높은 가능성을 제공하는 훨씬 큰 밀봉 표면(770)에 오직 약간의 더 가해지는 힘이 제공된다.

도 12 및 도 13 은 각각 압축 이전 및 이후에 평균적인 델타 또는 연장부(1240)보다 큰 단면을 가진 종래 기술 밀봉체의 단면을 도시한다. 이러한 예에서, 도 9 및 도 10 의 예와 같이, 델타의 팁 또는 정점은 대략 연장부(1240)의 중간에 있어서, 압축 이후에, 압축된 정점은 변형된 델타 및 유체 밀봉 표면(1270)의 중간에 있다. 연장부 또는 델타의 대형 크기로써, 압축 이후에 유체 밀봉 표면(1270)은 도 8 에 도시된 유체 밀폐 밀봉 표면(770)과 거의 같은 단면을 가진다. 그러나, 도 8 의 밀봉체와 다르게, 도 12 및 도 13 의 밀봉체는 정점의 양 측부상에 동등한 양의 재료를 여전히 가짐으로써 델타 또는 연장부에서 잠재적인 흠 또는 자국 둘레에 완전한 밀봉을 형성한다. 이러한 접근 방식은, 유체 밀폐 밀봉체의 가장자리와 결함 사이에 있는 커다란 연속 밀봉 표면을 포함하는, 도 8 에 있는 것과는 반대인 결함 주변의 밀봉의 가능성을 감소시킨다. 더욱이, 도 14 및 도 15 에 도시된 바와 같이, 커다란 델타를 가지는 밀봉체의 압축은, 설명된 밀봉체(330)(도 14 참조)로써 유사한 크기의 밀봉 표면(770)을 달성하는데 필요한 압축력과 비교하여 현저하게 힘(도 15)을 더욱 필요로 한다. 상기 그래프들은 공지된 Solid Works 컴퓨터 프로그램 모델을 이용하여 계산된 것으로서 지시된 압축 거리(X 축)를 이루는데 필요한 힘(Y 축)을 도시한다.

본 발명은 다양한 특정 예들과 관련하여 설명되었지만, 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형들이 이루어질 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 상기 설명은 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니되며, 단지 바람직한 실시예들의 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명은 다음의 청구 범위내에서 다양하게 실시될 수 있다.

320.325. 밀봉 표면 330. 축방향 단부
340.342. 고리형 연장부 315. 축방향

Claims (17)

1. 유체 유동 경로를 형성하는 대향하는 유동 구성 요소의 밀봉 표면들을 밀봉하기 위한 링 밀봉체로서, 상기 링 밀봉체(ring seal)는,
   유체의 축방향 통과를 위한 축방향 구멍을 형성하는 고리형 밀봉 동체;
   고리형 밀봉 동체의 대향하는 축방향 단부들상의 대향하는 밀봉 표면들;
   축방향에서 대향하는 밀봉 표면들중 적어도 하나로부터 연장되는 고리형 연장부로서, 정점(apex)을 가지는 고리형 연장부;를 포함하고,
   고리형 연장부는 정점으로부터 밀봉 표면을 향하여 반대 방향들로 각각 연장되는 제 1 연장 표면 및 제 2 연장 표면을 포함하고 상기 밀봉 표면으로부터 고리형 연장부가 연장되고,
   제 1 연장 표면은 축방향에 대한 제 1 전체 각도를 가지고, 축방향에 대한 제 2 전체 각도로 천이됨으로써 제 1 연장 표면보다 더 가파른 전체 각도로 밀봉 표면을 향하여 뒤로 연장된 융기부(ridge)를 형성하는, 링 밀봉체.
2. 제 1 항에 있어서,
   제 1 연장 표면 및 제 2 연장 표면은 각각 축방향에 대략 직각으로 밀봉 표면 부분들로 천이되는, 링 밀봉체.
3. 제 2 항에 있어서,
   제 2 연장 표면은, 축방향에 직각인 고리형 밀봉 동체의 중심선에 대하여, 제 1 연장 표면이 개별적인 밀봉 표면 부분으로 천이되는 것보다 더 인접하게 개별적인 밀봉 표면으로 천이되는, 링 밀봉체.
4. 제 1 항에 있어서,
   정점은 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 인접하게 고리형 연장부내에 위치하며, 상기 외측 방사상 직경은 축방향 구멍을 형성하는 내측 표면의 직경에 방사상 대향하는 외측 표면에 의해 형성되는, 링 밀봉체.
5. 제 4 항에 있어서,
   정점은 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 인접하게 고리형 연장부의 내측 1/2 내에 위치하는, 링 밀봉체.
6. 제 5 항에 있어서,
   정점은 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 근접하게 고리형 연장부의 내측 1/3 이내에 위치하는, 링 밀봉체.
7. 제 4 항에 있어서,
   제 2 연장 표면은 제 1 연장 표면보다 가파른 전체 각도로 밀봉 표면을 향하여 뒤로 연장되는, 링 밀봉체.
8. 제 7 항에 있어서,
   제 1 연장 표면 및 제 2 연장 표면은 축방향에 대략 직각으로 밀봉 표면 부분들로 각각 천이되는, 링 밀봉체.
9. 제 8 항에 있어서,
   제 2 연장 표면은, 제 1 연장 표면이 개별의 밀봉 표면 부분으로 천이되는 것보다, 축방향에 직각인 고리형 밀봉 동체의 중심선에 더 인접하게 개별의 밀봉 표면 부분으로 천이되는, 링 밀봉체.
10. 2 개의 유체 유동 구성 요소들 사이에서 연장되는 유체 유동 경로를 고리형 밀봉 동체를 이용하여 밀봉하는 방법으로서, 유체 유동 구성 요소 각각은 유체 유동 경로를 둘러싸는 유동 구성 요소 밀봉 표면을 가지고, 고리형 밀봉 동체는 고리형 밀봉 동체의 대향하는 축방향 단부들상에 대향하는 밀봉 표면들 및 상기 대향하는 밀봉 표면들중 적어도 하나로부터 축방향으로 연장되는 고리형 연장부를 가지고, 상기 연장부는 정점을 가지며, 상기 고리형 밀봉 동체를 이용하여 밀봉하는 방법은:
    2 개의 유체 유동 구성 요소들중 제 1 유체 유동 구성 요소의 유동 구성 요소 밀봉 표면과, 축방향으로 유체 통과를 위한 축방향 구멍을 형성하는 고리형 밀봉 동체의 접촉 단계; 및,
    유체 유동 경로를 따라서 2 개의 유체 유동 구성 요소들의 유동 구성 요소 밀봉 표면들을 정렬시키고, 고리형 밀봉 동체의 대향하는 축방향 단부들상의 대향하는 밀봉 표면들을 유동 구성 요소 밀봉 표면들로써 압축시키도록, 2 개의 유체 유동 구성 요소들을 서로 고정시키는 단계;를 포함하고,
    상기 대향하는 밀봉 표면들의 압축은:
    고리형 연장부의 제 1 부분의 압축 동안에 제 1 압축력에서의 고리형 연장부의 제 1 압축으로서, 고리형 연장부의 제 1 부분은 정점과 융기부 사이의 제 1 연장 표면에 의하여 형성되고, 제 1 연장 표면은 축방향에 대하여 제 1 전체 각도를 가지고, 그리고 축방향에 대한 제 2 전체 각도로 천이됨으로써 융기부를 형성하여 상기 융기부가 제 1 연장 표면보다 가파른 전체 각도로 밀봉 표면을 향하여 뒤로 연장되는, 고리형 연장부의 제 1 압축 및,
    고리형 연장부의 제 2 부분의 압축 동안의 제 1 압축력보다 높은 제 2 압축력에서의 고리형 연장부의 제 2 압축으로서, 고리형 연장부의 제 2 부분은 축방향에 대하여 제 2 전체 각도를 가지는 제 1 연장 표면 부분에 의해 형성되고 제 1 연장 표면 부분은 밀봉 표면을 향하여 뒤로 연장되는, 고리형 연장부의 제 2 압축;을 포함하는, 고리형 밀봉 동체를 이용한 밀봉 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    정점은 축방향 구멍을 형성하는 내측 표면의 직경에 방사상으로 대향하는 외측 표면에 의해 형성되는 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 인접하게 위치되고,
    대향하는 밀봉 표면들의 압축은 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 인접하게 정점이 위치되도록 고리형 연장부의 제 1 부분을 변형시키는 것을 더 포함하는, 고리형 밀봉 동체를 이용한 밀봉 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    링 밀봉체와 개별의 대향하는 밀봉 표면 사이의 교차부의 적어도 내측 1/2 이내에 정점이 위치되도록 고리형 연장부의 제 1 부분을 변형시키는 것을 더 포함하는, 고리형 밀봉 동체를 이용한 밀봉 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    고리형 연장부의 제 1 부분의 변형은 링 밀봉체와 개별의 대향하는 밀봉 표면 사이의 교차부의 적어도 내측 1/3 이내에 정점이 위치되도록 고리형 연장부의 제 1 부분을 변형시키는 것을 더 포함하는, 고리형 밀봉 동체를 이용한 밀봉 방법.
14. 유체 유동 경로를 형성하는 대향하는 유동 구성 요소 밀봉 표면들을 밀봉하기 위한 링 밀봉체로서, 상기 링 밀봉체는:
    축방향에서의 유체 통과를 위한 축방향 구멍을 형성하는 고리형 밀봉 동체;
    고리형 밀봉 동체의 대향하는 축방향 단부들상의 대향하는 밀봉 표면들;
    대향하는 밀봉 표면들중 적어도 하나로부터 축방향으로 연장되고 정점을 가지는 고리형 연장부;를 포함하고,
    정점은, 축방향 구멍을 형성하는 내측 표면의 직경에 방사상 대향하는, 외측 표면에 의해 형성된 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 인접하게 고리형 연장부내에 위치되는, 링 밀봉체.
15. 제 14 항에 있어서,
    정점은 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 인접하게 고리형 연장부의 내측 1/2 이내에 위치되는, 링 밀봉체.
16. 제 15 항에 있어서,
    정점은 고리형 밀봉 동체의 외측 방사상 직경보다 축방향 구멍에 더 인접하게 고리형 연장부의 내측 1/3 이내에 위치되는, 링 밀봉체.
17. 제 14 항에 있어서,
    제 2 연장 표면은 제 1 연장 표면보다 더 가파른 전체 각도로 밀봉 표면을 향하여 뒤로 연장되는, 링 밀봉체.
    

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