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KR100884008B1 - 서로 다른 열팽창계수를 갖는 재료를 위한 시일 조립체 - Google Patents

서로 다른 열팽창계수를 갖는 재료를 위한 시일 조립체 Download PDF

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KR100884008B1
KR100884008B1 KR1020060113848A KR20060113848A KR100884008B1 KR 100884008 B1 KR100884008 B1 KR 100884008B1 KR 1020060113848 A KR1020060113848 A KR 1020060113848A KR 20060113848 A KR20060113848 A KR 20060113848A KR 100884008 B1 KR100884008 B1 KR 100884008B1
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seal
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thermal expansion
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에릭 민포드
Original Assignee
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은, (a) 각각 소정의 열팽창계수를 갖는 2개 이상의 시일 요소; 및 (b) 제1 세그먼트와, 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하는 클램핑 요소를 포함하고, 상기 2개 이상의 시일 요소는 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 제2 세그먼트 사이에 배치되는 것인 시일 조립체에 관한 것이다. 상기 연결 세그먼트는, 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트와의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 연결 세그먼트는 소정의 열팽창계수를 갖는 재료로 제조된다. 상기 연결 세그먼트의 재료의 열팽창계수는 상기 2개 이상의 시일 요소의 재료의 열팽창계수 중 최고값과 최저값의 사이에 있는 값이다.

Description

서로 다른 열팽창계수를 갖는 재료를 위한 시일 조립체{SEAL ASSEMBLY FOR MATERIALS WITH DIFFERENT COEFFICIENTS OF THERMAL EXPANSION}
도 1은 본 발명의 여러 실시예에 사용되는 일반적인 시일 조립체를 예시하는 개략도.
도 2는 도 1에 도시된 일반적인 시일 조립체를 본 발명의 일 실시예에 사용한 것을 예시하는 개략도.
도 3은 도 1에 도시된 일반적인 시일 조립체를 본 발명의 다른 실시예에 사용하는 것을 예시하는 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 예시하는 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 시일 조립체
3 : 제1 세그먼트
5 : 연결 세그먼트
7 : 제2 세그먼트
9 : 보상 스페이서 요소
11 : 제2 시일 요소
13, 15, 17, 21 : 계면 영역
고온 압축 가스를 신뢰 가능하게 수용하는 것은 다양한 산업의 배관 및 반응기 시스템의 설계 및 작동에 있어서 중요한 인자이다. 이러한 시스템에서 온도 사이클은 시동, 정지 및 공정 혼란 상태 동안에 발생하며, 또한 이러한 사이클은 정상 공정 상태 동안에도 발생할 수 있다. 이러한 시스템의 배관 및 공정 설비는 대개 여러 재료로 구성되며, 이들 재료의 대부분은 서로 다른 열팽창계수를 갖는다. 서로 다른 열팽창계수를 갖는 구성 요소 사이의 커플링 및 조인트는, 특히 큰 온도 사이클을 경험하게 될 때 문제가 발생한다. 가스 누출을 최소화하기 위하여, 상기 커플링 및 조인트의 세심한 설계가 요구된다.
세라믹 가스 분리 멤브레인 시스템, 세라믹 멤브레인 반응기 시스템, 및 고체 산소 연료셀 등과 같은 특정의 고온 시스템은, 고온에서 작동하는 세라믹 구성 요소를 이용한다. 이러한 세라믹 구성 요소를 향한 그리고 그로부터 나오는 가스 흐름은 금속 합금 배관 시스템에 의해 제공되므로, 세라믹 대 금속 조인트가 요구된다. 세라믹 재료와 금속은 대개 서로 다른 열팽창 특성을 갖기 때문에, 상기 세라믹 대 금속 조인트를 적절하게 밀봉하는 것은, 상기 시스템의 설계 및 작동에 있어서 큰 과제를 제공한다. 이러한 조인트에서의 시일은, 시스템의 예상 작동 수명 동안에 안정적인 성능을 확보하기 위하여, 높은 작동 온도에서 신뢰 가능하여야 하 고, 열 사이클을 견뎌내어야 한다. 또한, 이러한 시일의 성능은 장치를 구성하는 동안에는 실내 온도에서 검증될 수 있어야 하며, 이러한 시일은 경제적이고 조립하기 쉬워야 한다.
고온 가스 처리 분야에서는, 서로 다른 열팽창계수를 갖는 재료 사이의 커플링 및 조인트에 있어서 시일의 개량에 대한 요구가 있다. 이러한 요구는 후술되어있고 이하의 청구범위에서 한정되어 있는 본 발명의 실시예에 의해 해결된다.
본 발명의 실시예는, (a) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 각각 구비하는 2개 이상의 시일 요소로서, 이들 시일 요소는 인접 면이 평행하며 축들이 평행하거나 일치하도록 적층되고, 이들 시일 요소는 각각 소정의 열팽창계수를 갖는 재료로 제조되는 것인 2개 이상의 시일 요소와, (b) 제1 세그먼트와, 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하는 클램핑 요소로서, 상기 2개 이상의 시일 요소는 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 제2 세그먼트 사이에 배치되고, 상기 클램핑 요소는 상기 2개 이상의 시일 요소에 축방향 클램핑력을 인가하도록 되어 있으며, 상기 연결 세그먼트는, 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트에 인접한 시일 요소의 면으로 형성된 평면과 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트에 인접한 시일 요소의 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 연결 세그먼트는 소정의 열팽창계수를 갖는 재료로 제조되는 것인 클램핑 요소를 포함하는 시일 조립체에 관한 것이다. 상기 연결 세그먼트의 재료의 열팽창계수는 상기 2개 이상의 시일 요소의 재료의 열팽창계수 중 최고값과 최저값의 사이에 있는 값이다.
이 실시예에서, 시일 조립체는 인접 시일 요소들 사이에 그리고 클램핑 요소의 소정 세그먼트와 인접 시일 요소 사이에 있는 임의의 계면 영역에 배치되는 유연성 밀봉 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는,
(a) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 제1 시일 요소와,
(b) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하며 상기 제1 시일 요소의 축에 평행하거나 일치하는 축을 구비하고, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되며, 상기 제1 면은 상기 제1 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 시일 요소, 그리고
(c) 상기 제1 시일 요소를 상기 제2 시일 요소를 향하여 축방향으로 압박하도록 되어 있는 클램핑 요소로서, 이 클램핑 요소는 상기 제1 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 제1 세그먼트와, 상기 제2 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하며, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 시일 요소의 제1 면으로 형성된 평면과 상기 제2 시일 요소의 제2 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 제1 시일 요소 및 제2 시일 요 소의 축에 거의 평행하며, 제3 열팽창계수를 갖는 제3 재료로 제조되는 것인 클램핑 요소
를 포함하고, 상기 제3 열팽창계수는 상기 제1 열팽창계수와 제2 열팽창계수의 사이에 있는 값인 것인 시일 조립체에 관한 것이다.
이 실시예에서, 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트 중 어느 하나는 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트에 영구적으로 부착될 수 있다. 별법으로서, 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트 중 어느 하나는 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트에 분리가능하게 부착될 수 있다.
제1 재료는 Haynes 230, Haynes 188, Haynes 214, Incoloy 800H, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 693 및 400 시리즈 스테인레스강으로 이루어진 군에서 택일될 수 있다. 제2 재료는 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화세륨, 산화마그네슘, 탄화규소, 질화규소, 혼합 금속 페롭스카이트, (LaxSr1-x)yCoO3-z(여기서, 1.0 > x > 0.4, 1.02 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수이다), 및 (LaxCa1-x)yFeO3-z(여기서, 1.0 > x > 0.5, 1.1 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수이다)로 이루어진 군에서 택일될 수 있다. 제3 재료는 Haynes 230, Haynes 188, Haynes 214, Incoloy 800H, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 693 및 400 시리즈 스테인레스강으로 이루어진 군에서 택일될 수 있다.
상기 제2 시일 요소는 제1 서브 요소와 제2 서브 요소로 구성될 수 있고, 각 서브 요소는 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하며 상기 제1 시일 요소의 축에 평행하거나 일치하는 축을 구비하고, 상기 제1 서브 요소의 제1 면은 상기 제2 시일 요소의 제1 면이며, 상기 제2 서브 요소의 제2 면은 상기 제2 시일 요소의 제2 면이고 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트와 강제 접촉하는 것이다. 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트 중 어느 하나는 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트에 분리가능하게 부착될 수 있다.
이 실시예에서, 상기 시일 조립체는 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트와 상기 제2 시일 요소의 제2 면과의 사이에 배치되는 유연성 밀봉 부재를 더 포함할 수 있다. 별법으로서 또는 추가적으로, 상기 시일 조립체는 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 상기 제1 시일 요소의 제1 면과의 사이에 배치되는 유연성 밀봉 부재를 더 포함할 수 있다.
이 실시예의 시일 조립체에 있어서,
(1) 상기 제2 시일 요소는 소정 외경의 제1 원통형 파이프에 부착되는 소정 외경의 플랜지일 수 있고,
(2) 상기 클램핑 요소는 토로이드형 몸체를 포함할 수 있는데, 이 토로이드형 몸체는 클램핑 요소의 제1 세그먼트를 형성하며 소정의 내경 및 외경을 갖는 제1 링과, 클램핑 요소의 연결 세그먼트를 형성하며 소정의 내경 및 외경을 갖는 제2 링, 그리고 클램핑 요소의 제2 세그먼트를 형성하며 소정의 내경 및 외경을 갖는 제3 링을 구비하는 것이고,
(3) 상기 제1 시일 요소는 소정의 내경 및 외경을 갖는 보상 스페이서 링일 수 있으며,
(4) 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트를 형성하는 제1 링의 내경은 상기 제1 원통형 파이프의 외경보다 클 수 있고,
(5) 상기 보상 스페이서 링의 내경은 상기 제1 원통형 파이프의 외경보다 클수 있으며, 상기 보상 스페이서 링의 외경은 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트를 형성하는 제2 링의 내경보다 작을 수 있고,
(6) 상기 플랜지의 외경은 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트를 형성하는 제2 링의 내경보다 작을 수 있다.
상기 플랜지 및 제1 원통형 파이프는 세라믹 재료로 제조될 수 있고, 상기 클램핑 요소는 금속 재료로 이루어질 수 있으며, 상기 보상 스페이서 링은 금속 재료로 이루어질 수 있다. 제1 재료는 Haynes 230, Haynes 188, Haynes 214, Incoloy 800H, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 693 및 400 시리즈 스테인레스강으로 이루어진 군에서 택일될 수 있다. 제2 재료는 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화세륨, 산화마그네슘, 탄화규소, 질화규소, 혼합 금속 페롭스카이트, (LaxSr1-x)yCoO3-z(여기서, 1.0 > x > 0.4, 1.02 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수이다), 및 (LaxCa1-x)yFeO3-z(여기서, 1.0 > x > 0.5, 1.1 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수이다)로 이루어진 군에서 택일될 수 있다. 제3 재료는 Haynes 230, Haynes 188, Haynes 214, Incoloy 800H, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 693 및 400 시리즈 스테인레스강으로 이루어진 군에서 택일될 수 있다.
본 발명의 변형례는,
(a) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 소정의 기준 온도에 있어서 상기 제1 면과 제2 면 사이의 축방향 거리에 의해 정해지는 제1 기준 치수를 가지며, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 것인 제1 시일 요소,
(b) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하며 상기 제1 시일 요소의 축에 평행하거나 일치하는 축을 구비하고, 소정의 기준 온도에 있어서 상기 제1 면과 제2 면 사이의 축방향 거리에 의해 정해지는 제2 기준 치수를 가지며, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되고, 상기 제1 면이 상기 제1 시일 요소의 제2 면과 접촉하는 것인 제2 시일 요소, 그리고
(c) 상기 제1 시일 요소를 상기 제2 시일 요소를 향하여 축방향으로 압박하도록 되어 있는 클램핑 요소로서, 이 클램핑 요소는 상기 제1 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 제1 세그먼트와, 상기 제2 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하며, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 시일 요소의 제1 면으로 형성된 평면과 상기 제2 시일 요소의 제2 면으로 형성된 평면과 의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 시일 요소 및 제2 시일 요소의 축에 거의 평행하며, 상기 중앙 부분은 제3 열팽창계수를 갖는 제3 재료로 제조되는 것인 클램핑 요소
를 포함하고, 상기 제1 재료, 상기 제1 시일 요소의 기준 두께, 상기 제2 재료, 상기 제2 시일 요소의 기준 두께, 및 상기 제3 재료는, 임의의 선택 온도에서 다음 관계가 성립하도록 값을 갖는 것인 시일 조립체에 관한 것이다.
[AT=AR(αA)(T-TR), BT=BR(αB)(T-TR), 및 CT=CR(αC)(T-TR)인 경우,
│AT-(BT+CT)│≤ 0.002 인치
여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, AR은 제1 기준 치수이며, BR은 제2 기준 치수이고, AR은 BR과 CR의 합이며, αA는 제1 재료의 열팽창계수이고, αB는 제2 재료의 열팽창계수, 그리고 αC는 제3 재료의 열팽창계수임]
다른 변형례는,
(a) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면과, 소정의 내경 및 외경과, 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 금속으로 제조되는 것인 토로이드형 보상 스페이서 링과,
(b) 소정의 내경 및 외경를 갖고, 단부에 소정 외경의 세라믹 플랜지가 형성되어 있는 원통형 세라믹 관으로서,
(1) 상기 토로이드형 보상 스페이서 링은 내경이 상기 원통형 세라믹
관의 외경보다 크고, 상기 원통형 세라믹 관 둘레에 배치되며,
(2) 상기 세라믹 플랜지는, 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2
면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하고 상기 토로이드형 보상 스페
이서 링의 축에 평행하거나 일치하는 축을 구비하는 제2 시일 요소를 형성
하며,
(3) 상기 제2 시일 요소의 제1 면은 상기 토로이드형 보상 스페이서
링의 제2 면과 강제 접촉하고,
(4) 상기 세라믹 플랜지는 제2 열팽창계수를 갖는 세라믹 재료로 제조
되는 것인
원통형 세라믹 관, 그리고
(c) 상기 토로이드형 보상 스페이서 링을 상기 제2 시일 요소를 향하여 축방향으로 압박하도록 되어 있는 토로이드형 클램핑 요소로서, 이 토로이드형 클램핑 요소는 상기 토로이드형 보상 스페이서 링의 제1 면과 강제 접촉하는 제1 세그먼트와, 상기 제2 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하며, 상기 연결 세그먼트는 (1) 상기 토로이드형 보상 스페이서 링의 제1 면으로 형성된 평면과 상기 제2 시일 요소의 제2 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, (2) 상기 토로이드형 보상 스페이서 링과 상기 제2 시일 요소의 축에 거의 평행하며, (3) 제3 열팽창계수를 갖는 제2 금속으로 제조되는 것인 토로이드형 클램핑 요소
를 포함하고, 상기 제3 열팽창계수는 상기 제1 열팽창계수와 제2 열팽창계수의 사이에 있는 값인 것인 세라믹 대 금속 시일 조립체에 관한 것이다.
이 변형례에서, 제1 금속은 Haynes 230, Haynes 188, Haynes 214, Incoloy 800H, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 693 및 400 시리즈 스테인레스강으로 이루어진 군에서 택일될 수 있다. 제2 금속은 Haynes 230, Haynes 188, Haynes 214, Incoloy 800H, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 693 및 400 시리즈 스테인레스강으로 이루어진 군에서 택일될 수 있다. 세라믹 플랜지는 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화세륨, 산화마그네슘, 탄화규소, 질화규소, 혼합 금속 페롭스카이트, (LaxSr1-x)yCoO3-z(여기서, 1.0 > x > 0.4, 1.02 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수이다), 및 (LaxCa1-x)yFeO3-z(여기서, 1.0 > x > 0.5, 1.1 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수이다)로 이루어진 군에서 택일되는 재료로 제조될 수 있다. 상기 세라믹 관은 상기 세라믹 플랜지와 동일한 재료로 제조될 수 있고, 상기 세라믹 관과 상기 세라믹 플랜지는 플랜지 일체형 세라믹 관을 형성한다.
본 발명의 관련 실시예는,
(a) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 것인 시일 요소와,
(b) 상기 시일 요소의 제2 면에 근접해 있는 유연성 밀봉 부재, 그리고
(c) 상기 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 면을 갖는 제1 세그먼트와, 상기 유연성 밀봉 부재와 강제 접촉하는 면을 갖는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하는 클램핑 요소로서, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 세그먼트의 면으로 형성된 평면과 상기 제2 세그먼트의 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 시일 요소의 축에 거의 평행하며, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되는 것이고, 상기 클램핑 요소는 상기 시일 요소를 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트의 면을 향하여 축방항으로 압박하여 상기 유연성 밀봉 부재를 압축시키도록 되어 있는 것인 클램핑 요소
를 포함하고, 상기 제1 열팽창계수는 상기 제2 열팽창계수보다 큰 것인 시일 조립체에 관한 것이다.
본 발명의 다른 관련 실시예는,
(a) (1) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 제1 시일 요소와,
(2) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하며 상기 제1 시일 요소의 축에 평행하거나 일치하는 축을 구비하고, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되며, 상기 제1 면은 상기 제1 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 시일 요소, 그리고
(3) 상기 제1 시일 요소를 상기 제2 시일 요소를 향하여 축방향으로 압박하 도록 되어 있는 클램핑 요소로서, 이 클램핑 요소는 상기 제1 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 제1 세그먼트와, 상기 제2 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하며, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 시일 요소의 제1 면으로 형성된 평면과 상기 제2 시일 요소의 제2 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 제1 시일 요소 및 제2 시일 요소의 축에 거의 평행하며, 그리고 제3 열팽창계수를 갖는 제3 재료로 제조되는 것인 클램핑 요소
를 포함하는 시일 조립체를 소정 기준 온도와 동일한 소정 온도로 마련하는 단계와,
(b) 상기 시일 조립체의 온도를 상기 기준 온도와는 다른 선택 온도로 변경하는 단계, 그리고
(c) 상기 시일 조립체를 상기 선택 온도에서 다음 관계가 성립하도록 유지하는 단계
[온도 보상 치수 AT, BT, CT가 AT=AR(αA)(T-TR), BT=BR(αB)(T-TR), 및 CT=CR(αC)(T-TR)로 정의되는 경우,
│AT-(BT+CT)│≤ 0.002 인치
여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, BR은 상기 기준 온도에 있 어서 제1 시일 요소의 면들 사이의 축방향 거리이며, CR은 상기 기준 온도에 있어서 제2 시일 요소의 면들 사이의 축방향 거리이고, αA는 제1 재료의 열팽창계수이고, αB는 제2 재료의 열팽창계수이며, αC는 제3 재료의 열팽창계수, 그리고 AR=BR+CR임]
를 포함하는 시일 조립체 제조 및 작동 방법에 관한 것이다.
관련 변형례는,
(a) (1) 제1 면과, 상기 제1 면에 거의 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 시일 요소와,
(2) 상기 시일 요소의 제2 면에 근접해 있는 유연성 밀봉 부재, 그리고
(3) 상기 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 면을 갖는 제1 세그먼트와, 상기 유연성 밀봉 부재와 강제 접촉하는 면을 갖는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하는 클램핑 요소로서, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 세그먼트의 면으로 형성된 평면과 상기 제2 세그먼트의 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 시일 요소의 축에 거의 평행하며, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되는 것이고, 상기 클램핑 요소는 상기 시일 요소를 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트의 면을 향하여 축방항으로 압박하여 상기 유연성 밀봉 부재를 압축시키도록 되어 있는 것인 클램핑 요소
를 포함하는 시일 조립체를 소정 기준 온도와 동일한 소정 온도로 마련하는 단계와,
(b) 상기 시일 조립체의 온도를 상기 기준 온도와는 다른 선택 온도로 변경하는 단계, 그리고
(c) 상기 시일 조립체를 상기 선택 온도에서 다음 관계가 성립하도록 유지하는 단계
[온도 보상 치수 AT와 CT가 AT=AR(αA)(T-TR)와 CT=CR(αC)(T-TR)로 정의되는 경우,
│AT-CT│≤ 0.002 인치
여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, αA는 제1 재료의 열팽창계수이고, αC는 제2 재료의 열팽창계수이며, CR은 상기 기준 온도에 있어서 상기 시일 요소의 제1 면과 제2 면 사이의 축방향 거리이고, CR'은 상기 기준 온도에 있어서 상기 시일 요소의 제2 면과 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트의 면 사이의 축방향 거리이며, 그리고 AR=CR+CR'임]
를 포함하는 시일 조립체 제조 및 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명의 여러 실시예가 첨부 도면에 예시되어 있으며, 이들 도면이 축척에 맞게 도시된 것은 아니다.
본 발명의 실시예는 서로 다른 열팽창계수를 갖는 2개의 파이프 혹은 용기 사이에 시일을 형성하는 시일 조립체에 관한 것이다. 이러한 시일 조립체는 시일 요소에 대하여 축방향 클램핑력을 제공하는 클램핑 요소를 포함하는데, 상기 시일 요소 중 일부는 시일이 형성된 2개의 파이프 혹은 용기의 일부분이다. 시일을 설계하는 경우, 대기 조건에 있어서 상기 클램핑 요소 및 시일 요소의 축방향 치수와, 상기 클램핑 요소 및 시일 요소의 재료의 열팽창계수는, 조립된 시일 요소가 가열될 때, 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트의 길이와 시일 요소의 축방향 치수의 합 사이의 절대차가 0.002 인치 미만이도록 선택된다.
실시예 중 하나는, 제1 시일 요소와 이 제1 시일 요소에 인접한 제2 시일 요소에 클램핑력을 인가하는 강성 클램핑 요소를 구비한 시일 조립체를 이용한다. 상기 클램핑 요소의 제1 및 제2 세그먼트는 상기 제1 및 제2 시일 요소와 강제 접촉하고, 상기 제1 시일 요소는 상기 제2 시일 요소와 강제 접촉한다. 상기 클램핑 요소는 상기 제1 및 제2 시일 요소에 대향하는 연결 세그먼트를 구비하고, 이 연결 세그먼트의 열팽창계수는 상기 제1 시일 요소의 열팽창계수와 상기 제2 시일 요소의 열팽창계수의 사이에 있는 값이다.
후술하는 바와 같이, 제1 시일 요소는 보상 스페이서 요소이고, 제2 시일 요소는 제1 용기 혹은 배관 시스템의 일부분일 수 있으며, 상기 클램핑 요소의 세그먼트 중 어느 하나 또는 양자 모두는 상기 제1 용기 혹은 배관 시스템에 밀봉 연결되는 제2 용기 혹은 배관 시스템의 일부분일 수 있다. 시일 요소를 가로질러 형성되는 상대적인 차압과 시스템의 구조에 의존하여, 제1 시일 요소와 클램핑 요소의 제1 세그먼트와의 사이, 제1 시일 요소와 보상 스페이서 요소와의 사이, 및 보상 스페이서 요소와 클램핑 요소의 제2 세그먼트와의 사이에 있는 계면 영역 중 임의의 영역에 유연성 시일 또는 개스킷이 설치될 수 있다. 특히, 일부 실시예는 보상 스페이서 요소와 클램핑 요소의 제2 세그먼트와의 사이에 있는 계면 영역에는 유연성 시일 또는 개스킷을 이용하지 않고, 보상 스페이서 요소는 클램핑 요소의 제2 세그먼트와 직접 접촉한다.
시일 조립체가 가열되는 경우, 시일 요소들의 열팽창계수의 차이를 보상하기 위해, 특정의 설계 파라미터를 선택할 수 있다. 이러한 파라미터로는 제1 시일 요소의 재료, 보상 스페이서 요소의 재료, 클램핑 요소의 연결 세그먼트의 재료, 대기 온도에 있어서 제1 시일 요소 또는 보상 스페이서 요소의 초기 치수, 및 대기 온도에 있어서 제2 시일 요소의 초기 치수 등을 들 수 있다. 이러한 파라미터를 적절히 선택함으로써, (1) 클램핑 요소의 연결 세그먼트와 (2) 가열 중에 결합된 제1 시일 요소 및 보상 스페이서 요소와의 사이에 있어서 순 팽창 차이가 최소화되거나 또는 없어질 수 있고, 이로써 제1 시일 요소 및 보상 스페이서 요소에 걸린 초기 클램핑 부하가 유지된다.
전술한 시일 조립체는 도 1에 일반적으로 예시되어 있다. 시일 조립체(1)는 제1 세그먼트(3), 연결 세그먼트(5) 및 제2 세그먼트(7)를 구비하는 클램핑 요소와, 제1 시일 요소 또는 보상 스페이서 요소(9), 그리고 제2 시일 요소(11)를 포함한다. 클램핑 요소의 제1 세그먼트(3), 연결 세그먼트(5) 및 제2 세그먼트(7)는 동일한 재료로 이루어질 수 있고, 또는 서로 다른 재료로 이루어질 수 있다. 제1 세그먼트(3)는 계면 영역(13)에서 볼트 또는 그 밖의 체결 장치(도시 생략)에 의해 연결 세그먼트(5)에 분리가능하게 부착될 수 있다. 별법으로서, 제1 세그먼트(3)와 연결 세그먼트(5)는 공통 재료로 이루어진 단일 부재일 수 있다. 별법으로서 또는 추가적으로, 제2 세그먼트(7)는 계면 영역(15)에서 볼트 또는 그 밖의 체결 장치(도시 생략)에 의해 연결 세그먼트(5)에 분리가능하게 부착될 수 있다. 별법으로서, 제2 세그먼트(7)와 연결 세그먼트(5)는 공통 재료로 이루어진 단일 부재일 수 있다.
제1 시일 요소 또는 보상 스페이서 요소(9)는 대개 도시된 바와 같이 별개의 부재이다. 제2 시일 요소(11)는 제1 용기 또는 배관 시스템의 일부분으로서 그에 연결된 것일 수 있고, 클램핑 요소의 제1 세그먼트(3)와 제2 세그먼트(7) 중 어느 하나 또는 양자 모두는 제1 용기 또는 배관 시스템에 밀봉 연결되는 제2 용기 또는 배관 시스템의 일부분일 수 있다.
클램핑 요소는 제1 세그먼트(3)를 계면 영역(17)에서 보상 스페이서 요소(9)와 강제 접촉하도록 압박하고, 제2 세그먼트(7)를 계면 영역(19)에서 제2 시일 요소(11)와 강제 접촉하도록 압박한다. 그 결과, 보상 스페이서 요소(9)와 제2 시일 요소(11)는 계면 영역(21)에서 강제 접촉하도록 압박된다. 보상 스페이서 요소(9)는, 계면 영역(17)에 있는 보상 스페이서 요소의 표면으로 형성된 평면과 계면 영역(21)에 있는 보상 스페이서 요소의 표면으로 형성된 평면 사이의 수직 또는 축방향 거리인 치수(B)에 의해 특징 지워진다. 제2 시일 요소(11)는, 계면 영역(21)에 있는 제2 시일 요소(11)의 표면으로 형성된 평면과 계면 영역(19)에 있는 제2 시일 요소의 표면으로 형성된 평면 사이의 수직 또는 축방향 거리인 치수(C)에 의해 특 징 지워진다. 치수(A)는 치수(B)와 치수(C)의 합으로서 정의된다. 치수(A)는, 계면 영역(17)에 있는 보상 스페이서 요소(9)의 표면으로 형성된 평면과 계면 영역(19)에 있는 제2 시일 요소(11)의 표면으로 형성된 평면과의 사이에 위치하는 연결 세그먼트(5)의 부분에 상당한다. 연결 세그먼트(5)는, 계면 영역(17)에 있는 제1 세그먼트(3)의 표면으로 형성된 평면과 계면 영역(19)에 있는 제2 세그먼트(7)의 표면으로 형성된 평면과의 사이에 위치하는 치수(D)에 의해 특징 지워지며, 즉 치수(D)는 클램핑 요소의 면들 사이의 거리이다.
계면 영역(17)은 제1 세그먼트(3)의 평평한 표면과 보상 스페이서 요소(9)의 평평한 표면 사이의 접촉에 의해 형성되는 계면일 수 있다. 별법으로서, 계면 영역(17)은 후술하는 바와 같이 유연성 밀봉 부재 등과 같은 중간 부재(도시 생략)를 포함할 수 있다. 계면 영역(19)은 제2 세그먼트(7) 상의 평평한 표면과 제2 시일 요소(11) 상의 평평한 표면 사이의 접촉에 의해 형성되는 계면일 수 있다. 별법으로서, 계면 영역(19)은 후술하는 바와 같이 유연성 밀봉 부재 등과 같은 중간 부재(도시 생략)를 포함할 수 있다. 대개, 계면 영역(21)은 보상 스페이서 요소(9) 상의 평평한 표면과 제2 시일 요소(11) 상의 평평한 표면 사이의 직접 접촉에 의해 형성되는 계면이다. 별법으로서, 계면 영역(21)은 후술하는 바와 같이 유연성 밀봉 부재 등과 같은 중간 부재(도시 생략)를 포함할 수 있다.
두 부분의 계면 영역에 있어서 사용된 "강제 접촉"이란 용어는, 계면 영역의 양측에 있는 두 부분 모두가 클램핑 요소에 의해 인가되는 축방향 압축력에 의해 함께 압박되는 것을 의미한다. 예컨대, 계면 영역(17)에 있어서, 강제 접촉은 제1 세그먼트(3) 상의 평평한 표면과 보상 스페이서 요소(9) 상의 평평한 표면 사이의 실제 접촉에 의해 직접적으로 형성될 수 있다. 별법으로서, 계면 영역(17)이 전술한 바와 같이 중간 부재를 포함하는 경우, 제1 세그먼트(3)와 보상 스페이서 요소(9) 사이의 강제 접촉은 중간 부재를 매개로 하여 일어날 것이며, 즉 축방향 압축력은 제1 세그먼트(3)에서 중간 부재로, 그리고 중간 부재에서 보상 스페이서 요소(9)로 전달될 것이다. 다른 예의 경우, 계면 영역(19)에 있어서, 강제 접촉은 제2 세그먼트(7) 상의 평평한 표면과 제2 시일 요소(11) 상의 평평한 표면 사이의 실제 접촉에 의해 직접적으로 형성될 수 있다. 별법으로서, 계면 영역(19)이 전술한 바와 같이 중간 부재를 포함하는 경우, 제2 세그먼트(7)와 제2 시일 요소(11) 사이의 강제 접촉은 중간 부재를 매개로 하여 일어날 것이다. 또 다른 예의 경우, 계면 영역(21)에 있어서, 강제 접촉은 보상 스페이서 요소(9) 상의 평평한 표면과 제2 시일 요소(11) 상의 평평한 표면 사이의 실제 접촉에 의해 직접적으로 형성될 수 있다. 별법으로서, 계면 영역(21)이 전술한 바와 같이 중간 부재를 포함하는 경우, 보상 스페이서 요소(9)와 제2 시일 요소(11) 사이의 강제 접촉은 중간 부재를 매개로 하여 일어날 것이다. 따라서, 계면 영역에 있어서 "강제 접촉"이란 용어는, (1) 두 표면 사이의 실제 접촉, 또는 (2) 제1 표면의 중간 부재의 표면과의 접촉 및 제2 표면의 중간 부재의 다른 표면과의 접촉을 포함하는데, 여기서 모든 표면 및 (중간 부재가 있는 경우) 중간 부재의 표면은 클램핑 요소에 인가된 축방향 압축력에 의해 함께 압박된다.
"시일 요소"라는 용어는 클램핑 요소 내에 배치되는 시일 조립체의 강성 부 분으로서 정의된다. 시일 요소는 축방향 클램핑력의 인가에 의해 변형되지 않는다. "유연성 밀봉 부재"라는 용어는 축방향 클램핑력의 인가에 의해 변형되는 시일 조립체의 변형 가능한 부분으로서 정의된다. 축방향 클램핑력은 시일 요소의 축방향으로 시일 조립체에 가해지는 힘으로서, 시일 요소들 사이, 그리고 시일 요소들과 유연성 밀봉 부재 사이에서 강제 접촉을 일으키는 힘이다. 세라믹 재료는 무기 비금속 재료로서 정의된다. 금속 재료는 순금속, 금속 합금, 금속의 혼합물, 또는 순금속, 금속 합금, 혹은 금속의 혼합물을 함유하는 복합 재료이다.
본원에 사용된 부정관사 "a" 및 "an"는, 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 기술된 본 발명의 실시예에 있는 임의의 구성 요소에 적용되는 경우에 하나 이상을 의미한다. "a" 및 "an"의 사용은, 한계가 구체적으로 명시되어 있지 않으면, 그 의미를 단일의 구성 요소로 제한하지 않는다. 단수 혹은 복수 명사나 명사구 앞에 사용되는 정관사 "the"는 구체적으로 명시된 구성 요소(들)를 나타내고, 정관사가 사용되고 있는 문맥에 따라 단수 또는 복수의 의미를 내포할 수 있다. 형용사 "임의의"는 수량의 구분없이 하나, 일부, 또는 전부를 의미한다. 제1 실체와 제2 실체 사이에 위치하는 용어 "및/또는"은, (1) 제1 실체와, (2) 제2 실체, 그리고 (3) 제1 실체 및 제2 실체 중 어느 하나를 의미한다.
클램핑 요소의 제1 세그먼트(3), 연결 세그먼트(5) 및 제2 세그먼트(7)는 동일한 재료로 이루어질 수 있고, 또는 서로 다른 재료로 이루어질 수 있다. 보상 스페이서 요소(9)는 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되고, 제2 시일 요소(11)는 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되며, 연결 세그먼트(5)는 제3 열팽창계수를 갖는 제3 재료로 제조된다. 제3 열팽창계수는 제1 열팽창계수와 제2 열팽창계수의 사이에 있는 값이다.
제1 시일 요소 또는 보상 스페이서 요소(9)는 기준 온도에 있어서의 기준 치수 BR로 정의되는 기준 두께 또는 치수를 갖고, 제2 시일 요소(11)는 기준 온도에 있어서의 기준 치수 CR로 정의되는 기준 두께 또는 치수를 가지며, 기준 온도에서의 치수 AR은 기준 온도에서의 기준 치수 BR과 CR의 합이다. 기준 치수 AR, BR 및 BR의 기하학적 정의는 전술한 A, B 및 C의 기하학적 정의에 상응한다. 기준 온도는 임의의 온도일 수 있지만, 기준 온도는 약 15 내지 35 ℃의 대기 온도인 것이 유익하다. 시일 조립체가 기준 온도 상태인 경우, 클램핑 요소는 보상 스페이서 요소(9)와 제2 시일 요소(11)를 강제 접촉 상태로 함께 압박하는 초기 축방향 압축력을 인가한다.
보상 스페이서 요소(9)의 기준 치수(BR) 및 제2 시일 요소(11)의 기준 치수(CR)와, 보상 스페이서 요소(9)의 재료, 제2 시일 요소(11)의 재료 및 연결 세그먼트(5)의 재료는, 시일 조립체를 설계할 때 먼저 선택된다. 이들 세 가지 파라미터는, 임의의 선택 온도에 있어서의 온도 보상 치수 AT가 이 선택 온도에 있어서의 온도 보상 치수 BT 및 CT의 합과 절대값 약 0.002 인치 미만만큼 차이가 나도록, 적절히 선택된다. 대개, 이 차이는, 예컨대 C-링 및 O-링 등과 같은 시판중인 유연성 밀봉 부재에 의해 얻어질 수 있는 허용 공차의 범위 내에 있는 값이다.
임의의 선택 온도에 있어서의 온도 보상 치수 AT, BT 및 CT는 다음 식에 의해 정의된다.
AT=AR(αA)(T-TR) (1)
BT=BR(αB)(T-TR) (2)
CT=CR(αC)(T-TR) (3)
여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, αA는 클램핑 요소의 연결 세그먼트(5)의 재료의 열팽창계수이며, αB는 보상 스페이서 요소(9)의 재료의 열팽창계수이고, αC는 제2 시일 요소(11)의 재료의 열팽창계수이며, 그리고 AR=BR+CR이다.
보상 스페이서 요소(9)의 기준 치수(BR) 및 제2 시일 요소(11)의 기준 치수(CR)와, 보상 스페이서 요소(9)의 재료, 제2 시일 요소(11)의 재료 및 연결 세그먼트(5)의 재료는, 시일 조립체를 설계할 때, 소정 온도에 있어서 시일 조립체의 치수들이 다음 식으로 나타내어질 수 있도록 먼저 선택된다.
│AT-(BT+CT)│≤ 0.002 인치 (4)
시일 조립체의 구성 요소는 기준 온도(통상적으로 대기 온도)에서 조립되고, 초기 축방향 부하가 (클램핑 부재가 사용되는 경우) 클램핑 부재에 의해 보상 스페이서 요소(9), 제2 시일 요소(11) 및 유연성 밀봉 부재(들) 혹은 스프링 타입 부 재(들)에 걸린다. 이러한 초기 클램핑력은, 예컨대 제1 세그먼트(3) 및/또는 제2 세그먼트(7)를 연결 세그먼트(5)에 부착하기 위한 세트 스크류 또는 나사형 스터드 및 볼트에 의해 제공될 수 있다. 그 밖의 공지된 축방향 클램핑력 또는 압축력 발생 방법을 사용할 수 있다. 시일 조립체의 구성 요소의 열팽창계수 및 초기 치수를 전술한 바와 같이 적절하게 선택한 경우, 시일 조립체의 초기 축방향 부하는, 가열 이후에도 온도가 상승된 시일 조립체의 구성 요소에 의해 밀봉이 유지될 수 있을 정도로 충분할 것이다.
시일 조립체의 작동 시일(들)은 임의의 계면 영역(17, 19 및 21)에 마련될 수 있다. 작동 시일은, 2개의 인접 표면 사이에 실제 밀봉 접촉을 제공하여 시일 조립체를 가로지르는 가스의 누출을 최소화하거나 배제시키는 요소이다. 작동 시일은 세심하게 가공된 정합면들 사이의 계면, 또는 시판중인 예컨대 C-링 및 O-링 등과 같은 유연성 밀봉 부재에 의한 계면으로 형성될 수 있다. 작동 시일(들)의 위치는 시일 조립체의 실제 구조와, 시일 조립체를 가로지르는 상대적인 차압에 의존할 것이다. 시일 조립체는 후술하는 바와 같이 임의의 바람직한 구조로 밀봉 연결되는 배관 또는 용기 시스템에 부착될 수 있다. 도 1에서, 제1 세그먼트(3), 제2 세그먼트(7) 및 제2 시일 요소(11) 중 임의의 것은 시일 조립체에 의해 밀봉 연결되는 배관 또는 용기 시스템에 부착될 수 있다. 대개, 보상 스페이서 요소(9)는 상기 밀봉 연결되는 배관 또는 용기 시스템에 부착되지 않는 독립적인 것이다.
일반적인 시일 조립체는 도 2에 예시된 실시예에 이용될 수 있다. 시일 조립체(201)는, 제1 클램프 세그먼트 혹은 링(203), 클램프 연결 세그먼트(205), 및 제2 클램프 세그먼트(207)를 구비하는 클램핑 요소; 제1 시일 요소 혹은 보상 스페이서 요소(209); 및 중간 시일 요소(211)를 포함하는 토로이드형 조립체이다. 이 실시예에서, 클램프 연결 세그먼트(205)와 제2 클램프 세그먼트(207)는, 상기 클램핑 요소의 제2 링을 형성하는 재료로 이루어진 단일 부재를 구성한다. 중간 시일 요소(211)는 원통형 파이프 혹은 용기(213)의 플랜지 부분을 형성하고, 동일한 재료로 제조된다. 클램프 연결 세그먼트(205), 제1 시일 요소 혹은 보상 스페이서 요소(209), 및 중간 시일 요소(211)는 서로 다른 재료로 제조된다.
제1 클램프 세그먼트 혹은 링(203)은 클램프 연결 세그먼트(205)에 세트 스크류(215)에 의해 분리가능하게 부착된다. 세트 스크류는 대개 클램프 연결 세그먼트(205)와 동일한 재료로 제조되고, 링(203)은 세트 스크류(215) 및 클램프 연결 세그먼트(205)와 동일한 재료로 제조될 수 있다. 별법으로서, 임의의 다른 공지된 타입의 체결 장치가 사용될 수 있다. 예컨대, 나사형 스터드는 클램프 연결 세그먼트(205)에 나사 결합되고 제1 클램프 세그먼트 혹은 링(203)의 스터드 구멍을 통해 연장될 수 있으며, 볼트는 제1 클램프 세그먼트 혹은 링(203)을 클램프 연결 세그먼트(205)에 연결하고 시일 조립체에 축방향 클램핑력을 발생시키도록 스터드 상에 설치되어 죄어질 수 있다.
구멍(219)은 제2 클램프 세그먼트(207)를 통해 연장되고, 이 구멍은 시일 조립체(201)가 제2 파이프 혹은 용기(도시 생략)와 상기 원통형 파이프 혹은 용기(213) 사이에 작동 시일을 제공하도록 제2 파이프 혹은 용기를 나사형 또는 용접형 연결을 통해 연결하는데 사용될 수 있다. 별법으로서, 제2 클램프 세그먼 트(207)는 구멍을 갖지 않을 수 있고, 그에 따라 원통형 파이프 혹은 용기(213)를 밀봉하는 캡으로서의 역할을 할 것이다.
상기 클램핑 요소는 제1 클램프 세그먼트 혹은 링(203)을 유연성 밀봉 부재(221)와 강제 접촉하도록 압박하여, 유연성 밀봉 부재(221)를 계면 영역(217)에서 보상 스페이서 요소(209)와 강제 밀봉 접촉하도록, 그리고 제2 클램프 세그먼트(207)를 계면 영역(223)에서 중간 시일 요소(211)와 강제 밀봉 접촉하도록 압박한다. 유연성 밀봉 부재(211)는, 예컨대 시판중인 적절한 유연성 개스킷, O-링, C-링, 또는 그 밖의 밀봉 장치일 수 있다. 예컨대, 어드밴스드 프로덕츠 컴파니 인크(Advanced Products Company, Inc.,)에서 제조한 금속 C-링 또는 금속 O-링을 상기 용도에 사용할 수 있다. 보상 스페이서 요소(209)와 중간 시일 요소(211)는 계면 영역(225)에서 강제 접촉하도록 압박되어 유연성 밀봉 부재(221)에 축방향 부하를 건다.
클램프 연결 세그먼트(205)는 치수(D)에 의해 특징 지워지는데, 이 치수는 계면 영역(217)에 있는 제1 클램프 세그먼트 혹은 링(203)의 표면으로 형성된 평면과 계면 영역(223)에 있는 제2 클램프 세그먼트(207)의 표면으로 형성된 평면과의 사이에 위치한다. 보상 스페이서 요소(209)는 치수(B)에 의해 특징 지워지는데, 이 치수는 계면 영역(217)에 있는 보상 스페이서 요소의 표면으로 형성된 평면과 계면 영역(225)에 있는 보상 스페이서 요소의 표면으로 형성된 평면 사이의 수직 혹은 축방향 거리이다. 제2 시일 요소(211)는 치수(C)에 의해 특징 지워지는데, 이 치수는 계면 영역(225)에 있는 제2 시일 요소(211)의 표면으로 형성된 평면과 계면 영역(223)에 있는 제2 시일 요소의 표면으로 형성된 평면 사이의 수직 혹은 축방향 거리이다.
계면 영역(217)은 시일 조립체(201)에 밀봉력을 제공하는 유연성 밀봉 부재(221)를 포함한다. 별법으로서, 계면 영역(217)은 제1 세그먼트(203) 상의 평평한 표면과 보상 스페이서 요소(209) 상의 평평한 표면 사이의 접촉에 의해 형성되는 계면일 수 있다. 계면 영역(223)은 제2 세그먼트(207) 상의 평평한 표면과 제2 시일 요소(211) 상의 평평한 표면 사이의 접촉에 의해 형성되는 계면일 수 있다. 별법으로서, 계면 영역(223)은 유연성 밀봉 부재 등과 같은 중간 부재(도시 생략)를 포함할 수 있다. 계면 영역(225)은 보상 스페이서 요소(209) 상의 평평한 표면과 제2 시일 요소(211) 상의 평평한 표면 사이의 접촉에 의해 형성되는 계면이다.
전술한 바와 같이, 치수(A)는 치수(B)와 치수(C)의 합이다. 치수(A)는, 계면 영역(217)에 있는 보상 스페이서 요소(209)의 표면으로 형성된 평면과 계면 영역(223)에 있는 제2 시일 요소(211)의 표면으로 형성된 평면과의 사이에 위치하는 연결 세그먼트(205)의 부분에 상당한다. 치수(D)는 계면(217)에 있는 클램핑 요소의 면과 계면(223)에 있는 클램핑 요소의 면 사이의 거리이다. 이 실시예에서, 치수(D)는 유연성 밀봉 부재(221)의 높이만큼 치수(A)와 다르다.
시일 조립체(201)는 이 조립체의 구성 요소의 재료 및 기준 치수를 선택하는 것에 의해 설계된다. 구체적으로, 보상 스페이서 요소(209)의 기준 치수(BR) 및 제2 시일 요소(211)의 기준 치수(CR)와, 보상 스페이서 요소(29)의 재료, 제2 시일 요소(211)의 재료 및 연결 세그먼트(205)의 재료는 적절하게 선택된다. 연결 세그먼트(205)의 열팽창계수는 보상 스페이서 요소(209)의 열팽창계수와 제2 시일 요소(211)의 열팽창계수의 사이에 있는 값이다. 시일 조립체의 구성 요소는 대기 조건에서 조립되고, 초기 축방향 압축력이 클램핑 요소에 의해 인가된다. 그 후, 이렇게 완성된 시일 조립체가, 예컨대 가열에 의해서 선택 온도로 변화된다. 앞서 정의한 파라미터를 적절히 선택하였으므로, 상기 선택 온도에서 온도 보상 치수 AT는 상기 식 (4)에서 정의된 바와 같이 온도 보상 치수 BT 및 CT의 합과 절대값 약 0.002 인치 미만만큼 차이가 난다.
도 2의 변형례에서는, 평평한 유연성 시일 개스킷을 계면(223)에서 유연성 시일 부재(221) 대신에 사용할 수 있다. 또한, 시일 조립체에 있어서 축방향 부하를 유지시키고 시일 요소가 가열될 때 발생할 수 있는 시일 요소의 치수에 있어서의 작은 변화를 보상하기 위해, 스프링 타입의 압축 링(도시 생략)을 계면(217)에 설치할 수 있다. 계면(223)에 있는 제2 시일 요소 혹은 플랜지(211)의 면에 원형 홈을 절삭 가공하여 상기 압축 링을 수용할 수 있다.
도 2의 다른 변형례에서, 보상 스페이서 요소(209)는 배제될 수 있다. 클램프 연결 세그먼트(205)는 제1 재료로 제조된다. 제1 클램프 세그먼트 혹은 링(203), 클램프 연결 세그먼트(205) 및 제2 클램프 세그먼트(207)는 모두 동일한 제1 재료로 제조될 수 있다. 제2 시일 요소 혹은 플랜지(211)는 제2 재료로 제조된다. 이 변형례에서, 클램핑 연결 세그먼트(205)를 이루는 제1 재료의 열팽창계 수는 제2 시일 요소 혹은 플랜지(211)를 이루는 제2 재료의 열팽창계수보다 낮다.
이 변형례에서, 치수(C')는 제2 클램프 세그먼트(207)와 제2 시일 요소 혹은 플랜지(211) 사이의 계면(223)에 있어서의 거리로서 정의된다. 기준 온도에서, 그리고 시일 조립체가 조립되고 축방향 힘이 인가되어 유연성 밀봉 부재(221)를 압축시킨 이후에, 제2 클램프 세그먼트(207)와 제2 시일 요소 혹은 플랜지(211) 사이의 계면(223)에 있어서의 거리는 기준 거리(C'R)이다. 다른 파라미터(A')는 치수(C)와 치수(C')의 합으로서 정의된다. 이 변형례에서, 제1 재료와, 제2 재료와, 기준 온도에 있어서 제2 시일 요소 혹은 플랜지(211)의 치수(C)(즉, CR), 그리고 기준 온도에 있어서 치수(C')(즉, CR')는, 임의의 선택 온도에서 다음 식으로 나타내어지도록 시일 요소의 설계시에 선택된다.
│AT-CT│≤ 0.002 인치 (5)
여기서, 임의의 선택 온도에 있어서의 온도 보상 치수 AT와 CT는 다음 식으로 정의된다.
AT=AR(αA)(T-TR) (6)
CT=CR(αC)(T-TR) (7)
여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, αA는 제1 재료의 열팽창계수이고, αC는 제2 재료의 열팽창계수이며, αA < αC이고, 그리고 AR=CR+CR'이다.
이 변형례는 도 2에 도시된 전술한 실시예보다 적은 수의 설계 파라미터를 갖고 있으며, 재료의 선택에 있어서 더 제한을 받지만, 이 변형례의 시일 조립체의 설계 특징이 바람직한 시나리오도 존재할 수 있다.
도 1에 도시된 일반적인 시일 조립체는 도 3에 도시된 변형례에 적용될 수 있다. 이 실시예에서, 시일 조립체(301)는 플랜지가 형성되어 있는 원통형 파이프 혹은 용기들(303 및 305) 사이에 형성된다. 이 시일 조립체는, 제1 클램프 세그먼트(307), 제1 클램프 세그먼트에 대향하는 제2 클램프 세그먼트(309), 및 제1 클램프 세그먼트(307)와 제2 클램프 세그먼트(309) 사이에 있는 연결 세그먼트(311)를 포함하는 토로이드형 클램핑 요소를 이용한다. 이 클램핑 요소는 플랜지 주변에 설치할 수 있도록 분할 링으로서 제조될 수 있다. 축방향 클램핑력은 볼트(313)에 의해 인가될 수 있다.
보상 스페이서 링(315)은 파이프(303)의 플랜지(317)와 파이프(305)의 플랜지(319) 사이에 배치된다. 유연성 밀봉 링(321)은 보상 스페이서 링(315)과 플랜지(317) 사이에 배치되고, 유연성 밀봉 링(323)은 보상 스페이서 링(315)과 플랜지(319) 사이에 배치된다. 각 플랜지(317 및 319)는 플랜지가 형성된 파이프 혹은 용기(305 및 305)의 일체형 부분이다. 유연성 밀봉 링을 위치 설정하고 수용하기 위해, 홈(도시 생략)을 보상 스페이서 링(315)의 면에 절삭 가공할 수 있다. 별법으로서 또는 추가적으로, 유연성 밀봉 링을 위치 설정하고 수용하기 위해, 홈(도시 생략)을 플랜지(317) 및/또는 플랜지(319)의 면에 절삭 가공할 수 있다. 유연성 밀봉 링은, 예컨대 시판중인 적절한 유연성 개스킷, O-링, C-링, 또는 그 밖의 밀 봉 장치일 수 있다. 예컨대, 어드밴스드 프로덕츠 컴파니 인크에서 제조한 금속 C-링 또는 금속 O-링을 상기 용도에 사용할 수 있다.
플랜지(317)의 두께는 치수(C1)로 특징 지워지고, 플랜지(319)의 두께는 치수(C2)로 특징 지워지며, 보상 스페이서 링(315)의 치수는 치수(B)로 특징 지워진다. 대향하는 제1 클램프 세그먼트(307)와 제2 클램프 세그먼트(309) 사이의 거리는 도면 부호 D이다. C1, C2 및 B의 합은 보상 스페이서 링(315)과 플랜지(317 및 319) 사이의 거리의 합만큼 D와 차이가 난다.
플랜지가 형성된 원통형 파이프(303)[플랜지(321) 포함], 플랜지가 형성된 원통형 파이프(305)[플랜지(323) 포함], 및 보상 스페이서 링(315)은 서로 다른 재료로 제조된다. 제1 클램프 세그먼트(307), 제2 클램프 세그먼트(309) 및 연결 세그먼트(311)는 단일 부재(클램핑 요소)를 형성하고, 공통의 재료로 제조된다. 볼트(313)는 대개 클램핑 요소의 상기 부분들과 동일한 재료로 제조된다.
일 실시예에서, 플랜지가 형성된 원통형 파이프(303), 클램핑 요소의 구성 요소, 및 볼트(313)는 제1 재료로 제조되고, 보상 스페이서 링(315)은 제2 재료로 제조되며, 플랜지가 형성된 원통형 파이프(305)는 제3 재료로 제조된다. 이 실시예에서, 제1 재료와, 제2 재료와, 제3 재료와, 기준 온도에 있어서 보상 스페이서 링(315)의 치수(B)(즉, BR), 그리고 기준 온도에 있어서 플랜지(319)의 치수(C2)(즉, C2R)는, 임의의 선택 온도에서 다음 식으로 나타내어지도록 시일 요소의 설계시에 선택된다.
│AT-(BT+C2T)│≤ 0.002 인치 (8)
여기서, 임의의 선택 온도에 있어서의 온도 보상 치수 AT, BT 및 C2T는 다음 식으로 정의된다.
AT=AR(αA)(T-TR) (9)
BT=BR(αB)(T-TR) (10)
C2T=C2R(αC)(T-TR) (11)
여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, αA는 플랜지가 형성된 원통형 파이프(303)[플랜지(317) 포함]와 클램핑 요소[연결 세그먼트(311) 및 볼트(313) 포함]를 이루는 제1 재료의 열팽창계수이며, αB는 보상 스페이서 링(315)을 이루는 제2 재료의 열팽창계수이고, αC는 플랜지가 형성된 원통형 파이프(305)[플랜지(319) 포함]를 이루는 제3 재료의 열팽창계수이며, 그리고 AR=BR+C2R이다. 제1 재료의 열팽창계수는 대개 제2 재료의 열팽창계수와 제3 재료의 열팽창계수의 사이에 있는 값이다.
다른 실시예에서, 클램핑 요소의 구성 요소[연결 세그먼트(311) 및 볼트(313) 포함]는 제1 재료로 제조되고, 보상 스페이서 링(315)은 제2 재료로 제조되며, 플랜지가 형성된 원통형 파이프(303)[플랜지(317) 포함]는 제3 재료로 제조되고, 플랜지가 형성된 원통형 파이프(305)[플랜지(319) 포함]는 제4 재료로 제조 된다.
이 실시예에서, 제1 재료와, 제2 재료와, 제3 재료와, 제4 재료와, 기준 온도에 있어서 보상 스페이서 링(315)의 치수(B)(즉, BR)와, 기준 온도에 있어서 플랜지(317)의 치수(C1)(즉, C1R), 그리고 기준 온도에 있어서 플랜지(319)의 치수(C2)(즉, C2R)는, 임의의 선택 온도에서 다음 식으로 나타내어지도록 시일 요소의 설계시에 선택된다.
│AT-(BT+C1T+C2T)│≤ 0.002 인치 (12)
여기서, 임의의 선택 온도에 있어서의 온도 보상 치수 AT, BT, C1T 및 C2T는 다음 식으로 정의된다.
AT=AR(αA)(T-TR) (13)
BT=BR(αB)(T-TR) (14)
C1T=C1R(αC1)(T-TR) (15)
C2T=C2R(αC2)(T-TR) (16)
여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, αA는 클램핑 요소의 구성 요소 및 볼트(313)를 이루는 제1 재료의 열팽창계수이며, αB는 보상 스페이서 링(315)을 이루는 제2 재료의 열팽창계수이고, αC1은 플랜지가 형성된 원통형 파이프(303)를 이루는 제3 재료의 열팽창계수이며, αC2는 플랜지가 형성된 원통형 파이프(305)를 이루는 제4 재료의 열팽창계수이고, 그리고 AR=BR+C1R+C2R이다. 상기 제1 재료[연결 세그먼트(311) 및 볼트(313)를 포함하는 클램핑 요소]의 열팽창계수는, 상기 제2 재료[보상 스페이스 링(315)]의 열팽창계수, 상기 제3 재료[플랜지가 형성된 원통형 파이프(303), 플랜지(321) 포함]의 열팽창계수, 및 상기 제4 재료[플랜지가 형성된 원통형 파이프(305), 플랜지(323) 포함]의 열팽창계수 중 최고값과 최저값의 사이에 있는 값이다.
4가지 서로 다른 재료를 이용하는 이 실시예는 3가지 서로 다른 재료를 이용하는 이전 실시예보다 복잡한 설계 절차를 필요로 하지만, 이들 실시예의 설계는 도 1 및 도 2와 관련하여 전술한 것과 동일한 일반적인 원리를 사용한다. 도 3에 도시된 실시예의 임의의 변형례에서, 도 2의 클램핑 요소가 도 3에 도시된 클램핑 요소 대신에 사용될 수 있다.
시일 요소에 축방향 힘을 인가하는 데 다른 방법을 이용하는 다른 실시예가 도 4에 예시되어 있다. 이 실시예에서, 플랜지가 형성된 파이프 혹은 용기(401)는 나사형 클램프 조립체(405)에 의해 나사형 파이프 혹은 용기(403)에 대해 밀봉된다. 나사형 클램프 조립체는 토로이드 형상을 갖고, 제1 클램프 세그먼트(407), 나사형 클램프 세그먼트(409), 및 제1 클램프 세그먼트(407)와 나사형 클램프 세그먼트(409) 사이에 있는 연결 세그먼트(411)를 포함한다. 나사형 파이프 혹은 용기(403)는 나사형 클램프 세그먼트(409) 상의 나사부와 맞물리는 나사형 섹션(413) 과, 이 나사형 섹션을 넘어 연장되는 비(非)나사형 연장부(415)를 구비한다.
제1 클램프 세그먼트(407)의 내경은 상기 플랜지가 형성된 파이프 혹은 용기(401)의 몸체 섹션의 외경보다 크고, 연결 세그먼트(411)의 내경은 상기 플랜지가 형성된 파이프 혹은 용기(401)의 플랜지(417)의 외경보다 크다. 또한, 상기 나사형 클램프 세그먼트(409)의 나사형 섹션의 내경은 상기 플랜지가 형성된 파이프 혹은 용기(401)의 플랜지(417)의 외경보다 크다.
작동 시일은 비나사형 연장부(415)의 면과 플랜지(417)의 면 사이에 형성되며, 유연성 밀봉 링(419)에 의해 제공된다. 상기 유연성 밀봉 링을 위치 설정 및 수용하기 위해, 홈(도시 생략)을 비나사형 연장부(415)의 면 및/또는 플랜지(417)의 면에 절삭 가공할 수 있다. 상기 유연성 밀봉 링은, 예컨대 시판중인 적절한 유연성 개스킷, O-링, C-링, 또는 그 밖의 밀봉 장치일 수 있다. 예컨대, 어드밴스드 프로덕츠 컴파니 인크에서 제조한 금속 C-링 또는 금속 O-링을 상기 용도에 사용할 수 있다. 비나사형 연장부(415)의 면과 플랜지(417)의 면을 함께 유연성 밀봉 링(419)에 대하여 압박하기 위하여, 나사형 클램프 조립체를 회전시켜 나사형 파이프 혹은 용기(403) 상의 나사부와 나사형 클램프 세그먼트(409) 상의 나사부를 맞물리게 하고 이동시킴으로써, 축방향 클램핑력이 인가된다. 비나사형 연장부(415)의 길이는 치수(B)로 특징 지워지고, 플랜지(417)의 두께는 치수(C)로 특징 지워진다.
이 실시예에서, 나사형 클램프 조립체(405)[연결 세그먼트(411) 포함]는 제1 재료로 제조되고, 비나사형 연장부(415)는 제2 재료로 제조되며, 플랜지가 형성된 파이프 혹은 용기(401)와 플랜지(417)는 제3 재료로 제조된다. 제1 재료와, 제2 재료와, 제3 재료와, 기준 온도에 있어서 플랜지(417)의 치수(C)(즉, CR), 그리고 기준 온도에 있어서 비나사형 연장부(415)의 치수(B)(즉, BR)는, 임의의 선택 온도에서 다음 식으로 나타내어지도록 시일 요소의 설계시에 선택된다.
│AT-(BT+CT)│≤ 0.002 인치 (17)
여기서, 임의의 선택 온도에 있어서의 온도 보상 치수 AT, BT 및 CT는 다음 식으로 정의된다.
AT=AR(αA)(T-TR) (18)
BT=BR(αB)(T-TR) (19)
CT=CR(αC)(T-TR) (20)
여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, αA는 제1 재료의 열팽창계수이며, αC는 플랜지(417)를 이루는 제3 재료의 열팽창계수이고, 그리고 AR=BR+CR이다. 제1 재료의 열팽창계수는 제2 재료의 열팽창계수와 제3재료의 열팽창계수의 사이에 있는 값이다. 제1 재료의 열팽창계수는 제2 재료의 열팽창계수보다 낮을 수 있다.
이 실시예의 변형례에서, 나사형 클램프 조립체(405)[연결 세그먼트(411) 포함]와 비나사형 연장부(415)는 제1 재료로 제조되고, 플랜지가 형성된 파이프 혹은 용기(401)[플랜지(417) 포함]는 제2 재료로 제조된다. 나사형 섹션을 포함하는 파이프(403)는 나사형 클램프 조립체(405)[연결 세그먼트(411) 포함]와 동일한 재료로 이루어질 수 있고, 별법으로서 나사형 섹션을 포함하는 파이프(403)는 나사형 클램프 조립체(405)[연결 세그먼트(411) 포함]과 다른 재료로 이루어질 수 있다. 이 변형례에서, 제1 재료와, 제2 재료와, 기준 온도에 있어서 플랜지(417)의 치수(C)(즉, CR), 그리고 기준 온도에 있어서의 치수(C')(즉, C'R)는, 임의의 선택 온도에서 다음 식으로 나타내어지도록 시일 요소의 설계시에 선택된다.
│AT-CT│≤ 0.002 인치 (21)
여기서, 임의의 선택 온도에 있어서의 온도 보상 치수 AT 및 CT는 다음 식으로 정의된다.
AT=AR(αA)(T-TR) (22)
CT=CR(αC)(T-TR) (23)
여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, αA는 제1 재료의 열팽창계수이며, αC는 제2 재료의 열팽창계수이고, 그리고 AR=CR+C'R이다.
치수(C')는 비나사형 연장부(415)의 면과 플랜지(417)의 면 사이의 거리로서 정의된다. 시일 조립체가 기준 온도에서 조립될 때, 초기 축방향 부하가 유연성 밀봉 링(419)에 걸려 이 링을 약간 압축시킨다. 이러한 경우에, 기준 온도에 있어서 비나사형 연장부(415)의 면과 플랜지(417)의 면 사이의 거리가 치수(C'R)이다. 이 변형례에서, 제1 재료[나사형 클램프 조립체(405), 연결 세그먼트(411) 포함]의 열팽창계수는 제2 재료[플랜지(417)]의 열팽창계수보다 낮다.
전술한 임의의 실시예에 있어서, 시일 조립체의 구성 요소는 금속 및/또는 세라믹으로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 시일 조립체의 모든 구성 요소는 금속으로 이루어질 수 있고, 이 시일 조립체는 서로 다른 금속으로 제조된 2개의 파이프 혹은 용기를 밀봉하는 데 사용될 수 있다. 별법으로서, 시일 조립체의 구성 요소는 금속과 세라믹으로 이루어질 수 있고, 이 시일 조립체는 금속 파이프 혹은 용기를 세라믹 파이프 혹은 용기에 대하여 밀봉하는 데 사용될 수 있다. 다른 변형례에서, 시일 조립체의 구성 요소는 금속으로 이루어질 수 있고, 이 시일 조립체는 서로 다른 열팽창계수를 갖는 2개의 세라믹 파이프 혹은 용기를 밀봉하는 데 사용될 수 있다. 시일 요소 용으로 사용될 수 있는 예시적인 금속으로는, Haynes 230, Haynes 188, Haynes 214, Incoloy 800H, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 693 및 400 시리즈 스테인레스강 등이 있다. 시일 요소 용으로 사용될 수 있는 예시적인 세라믹 재료로는, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화세륨, 산화마그네슘, 탄화규소, 질화규소, 및 (LaxSr1 -x)yCoO3 -z(여기서, 1.0 > x > 0.4, 1.02 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수이다)와 (LaxCa1 -x)yFeO3 -z(여기서, 1.0 > x > 0.5, 1.1 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수이다)를 비롯한 혼합 금속 페롭스카이트 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예 1
금속 클램핑 요소가 Haynes 230으로 이루어지고 금속 보상 스페이서 요소가 Incoly 800H로 이루어지며 세라믹 재료로서 La0 .9Ca0 .1FeO3 -z를 사용한, 세라믹 대 금속 시일을 구현하였다. 이 시일은, 계면(223)에서는 유연성 개스킷이 사용되었고, 계면(217)에서는 제1 클램프 세그먼트 혹은 링(203)의 원형 홈에 유연성 압축 링이 설치되었다는 점을 제외하고는, 도 2에 도시된 것과 유사한 구조를 채용하였다. 표 1에서는 3가지 재료에 대해서 단위 길이에 기초한 열팽창 거동을 온도의 함수로서 보여준다.
구성 요소의 재료의 열팽창 거동
온도 ℃ 열팽창 (Δ길이/길이 ppm으로서 표현된 열 변형)
클램핑 요소 (Haynes 230) 보상 요소 (Incoloy 800H) 세라믹 요소 (La0 .9Ca0 .1FeO3 -z)
0 0 0 0
100 982.5 1152 671
200 2327.5 2862 1638
300 3740 4536 2720
400 5287.5 6270 3891
500 6935 8064 5031
600 8740 9918 6151
700 10665 11900 7298
이러한 팽창 특성을 사용하여, 온도 보상 치수가 전술한 식 (4)를 충족시키도록 기준 치수 AR, BR 및 CR을 선택하였다. 그 결과가 표 2에 주어져 있다.
구성 요소의 맞춤 길이에 대한 치수(도 2 참조)
온도 ℃ A 클램핑 요소의 길이 (인치) B 세라믹 요소의 길이 (인치) C 보상 요소의 길이 (인치) A-(B+C) 순 변위차 (인치)
대기온도 1.035 0.45 0.585 0
100 1.03598584 0.450302 0.58567392 9.97×10-6
200 1.03735463 0.450737 0.58667427 -5.7×10-5
300 1.03878551 0.451224 0.58765356 -9.2×10-5
400 1.04031731 0.451751 0.58866795 -1.0×10-4
500 1.04188275 0.452264 0.58971744 -9.9×10-5
600 1.0435698 0.452768 0.59080203 -1.8×10-7
700 1.04533965 0.453284 0.5919615 -9.4×10-5
표 2에서, 대기 온도에서의 A, B 및 C의 값은 각각 기준 치수(AR, BR 및 CR)이다. 대기 온도 이상에서의 A, B 및 C의 값은 각각 온도 보상 치수(AT, BT 및 CT)이다.
식 (4)에 정의된 바와 같이 순 변위차는 1/10000 인치를 결코 초과하지 않으며, 금속 C-링 또는 O-링 등과 같은 시판중인 유연성 요소의 치수 보상 성능 범위 내에 확실히 존재한다는 것을 확인할 수 있다.
예 2
금속 클램핑 요소가 Inconel 600으로 이루어지고 금속 보상 스페이서 요소가 Hayens 230으로 이루어지며 세라믹 재료로서 La0 .4Sr0 .6CoO3 -z를 사용한, 세라믹 대 금속 시일을 구현하였다. 이 시일 조립체의 구조는 예 1의 구조와 동일하다. 표 3에서는, 3가지 재료에 대해서 단위 길이에 기초한 열팽창 거동을 온도의 함수로서 보여준다.
구성 요소의 재료의 열팽창 거동
온도 ℃ 열팽창 (Δ길이/길이 ppm으로서 표현된 열 변형)
클램핑 요소 (Inconel 600) 보상 요소 (Haynes 230) 세라믹 요소 (La0 .4Sr0 .6CoO3 -z)
0 0 0 0
100 1064 982.5 1195
200 2484 2327.5 2818
300 3976 3740 4577
400 5510 5287.5 6453
500 7152 6935 8673
600 8874 8740 11351
700 10744 10665 14325
이러한 팽창 특성을 사용하여, 온도 보상 치수가 전술한 식 (4)를 충족시키도록 기준 치수 AR, BR 및 CR을 선택하였다. 그 결과가 표 4에 주어져 있다.
구성 요소의 맞춤 길이에 대한 치수(도 2 참조)
온도 ℃ A 클램핑 요소의 길이 (인치) B 세라믹 요소의 길이 (인치) C 보상 요소의 길이 (인치) A-(B+C) 순 변위차 (인치)
대기온도 0.585 0.4 0.185 0
100 0.58562244 0.400490531 0.185176213 -0.000044
200 0.58645314 0.401153411 0.185420875 -0.000121
300 0.58732596 0.401816291 0.185676638 -0.000167
400 0.58822335 0.402472501 0.185950438 -0.000200
500 0.58918392 0.403129174 0.18623025 -0.000176
600 0.59019129 0.403784558 0.18653180 -0.000125
700 0.59128524 0.404439112 0.18684815 -0.000002
표 4에서, 대기 온도에서의 A, B 및 C의 값은 각각 기준 치수(AR, BR 및 CR)이다. 대기 온도 이상에서의 A, B 및 C의 값은 각각 온도 보상 치수(AT, BT 및 CT)이다.
식 (4)에 정의된 바와 같이, 순 변위차는 2/10000 인치를 결코 초과하지 않으며, 금속 C-링 또는 O-링 등과 같은 시판중인 유연성 요소의 치수 보상 성능 범위 내에 확실히 존재한다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 열팽창계수를 갖는 재료 사이의 커플링 및 조인트에 있어서. 높은 작동 온도에서 신뢰 가능하고, 열 사이클을 견뎌낼 수 있으며, 경제적이고 조립하기 쉬운 시일 조립체가 제공된다.

Claims (22)

  1. (a) 제1 면과, 상기 제1 면에 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 각각 구비하는 2개 이상의 시일 요소로서, 이들 시일 요소는 인접 면이 평행하며 축들이 평행하거나 일치하도록 적층되고, 이들 시일 요소는 각각 소정의 열팽창계수를 갖는 재료로 제조되는 것인 2개 이상의 시일 요소; 및
    (b) 제1 세그먼트와, 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하는 클램핑 요소로서, 상기 2개 이상의 시일 요소는 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 제2 세그먼트 사이에 배치되고, 상기 클램핑 요소는 상기 2개 이상의 시일 요소에 축방향 클램핑력을 인가하도록 되어 있으며, 상기 연결 세그먼트는, 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트에 인접한 시일 요소의 면으로 형성된 평면과 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트에 인접한 시일 요소의 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 연결 세그먼트는 소정의 열팽창계수를 갖는 재료로 제조되는 것인 클램핑 요소
    를 포함하며, 상기 연결 세그먼트의 재료의 열팽창계수는 상기 2개 이상의 시일 요소의 재료의 열팽창계수 중 최고값과 최저값의 사이에 있는 값인 것인 시일 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 인접 시일 요소들 사이에 그리고 클램핑 요소의 소정 세그먼트와 인접 시일 요소 사이에 있는 계면 영역에 배치되는 유연성 밀봉 부재를 더 포함하는 것인 시일 조립체.
  3. (a) 제1 면과, 상기 제1 면에 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 제1 시일 요소;
    (b) 제1 면과, 상기 제1 면에 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하며 상기 제1 시일 요소의 축에 평행하거나 일치하는 축을 구비하고, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되며, 상기 제1 면은 상기 제1 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 시일 요소; 및
    (c) 상기 제1 시일 요소를 상기 제2 시일 요소를 향하여 축방향으로 압박하도록 되어 있는 클램핑 요소로서, 이 클램핑 요소는 상기 제1 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 제1 세그먼트와, 상기 제2 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하며, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 시일 요소의 제1 면으로 형성된 평면과 상기 제2 시일 요소의 제2 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 제1 시일 요소 및 제2 시일 요소의 축에 평행하며, 제3 열팽창계수를 갖는 제3 재료로 제조되는 것인 클램핑 요소
    를 포함하고, 상기 제3 열팽창계수는 상기 제1 열팽창계수와 제2 열팽창계수의 사이에 있는 값인 것인 시일 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트 중 어느 하나는 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트에 영구적으로 부착되는 것인 시일 조립체.
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서, 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트 중 어느 하나는 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트에 분리가능하게 부착되는 것인 시일 조립체.
  7. 제3항에 있어서, 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트와 상기 제2 시일 요소의 제2 면과의 사이에 배치되는 유연성 밀봉 부재를 더 포함하는 것인 시일 조립체.
  8. 제3항에 있어서, 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트와 상기 제1 시일 요소의 제1 면과의 사이에 배치되는 유연성 밀봉 부재를 더 포함하는 것인 시일 조립체.
  9. 제3항에 있어서,
    (1) 상기 제2 시일 요소는 소정 외경의 제1 원통형 파이프에 부착되는 소정 외경의 플랜지이고,
    (2) 상기 클램핑 요소는 토로이드형 몸체를 포함하는데, 이 토로이드형 몸체는 클램핑 요소의 제1 세그먼트를 형성하며 소정의 내경 및 외경을 갖는 제1 링과, 클램핑 요소의 연결 세그먼트를 형성하며 소정의 내경 및 외경을 갖는 제2 링, 그리고 클램핑 요소의 제2 세그먼트를 형성하며 소정의 내경 및 외경을 갖는 제3 링을 구비하는 것이고,
    (3) 상기 제1 시일 요소는 소정의 내경 및 외경을 갖는 보상 스페이서 링이며,
    (4) 상기 클램핑 요소의 제1 세그먼트를 형성하는 제1 링의 내경은 상기 제1 원통형 파이프의 외경보다 크고,
    (5) 상기 보상 스페이서 링의 내경은 상기 제1 원통형 파이프의 외경보다 크며, 상기 보상 스페이서 링의 외경은 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트를 형성하는 제2 링의 내경보다 작고,
    (6) 상기 플랜지의 외경은 상기 클램핑 요소의 연결 세그먼트를 형성하는 제2 링의 내경보다 작은 것인 시일 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 플랜지 및 제1 원통형 파이프는 세라믹 재료로 제조되고, 상기 클램핑 요소는 금속 재료로 이루어지며, 상기 보상 스페이서 링은 금속 재료로 이루어지는 것인 시일 조립체.
  11. 제3항 또는 제10항에 있어서, 제1 재료는 Haynes 230, Haynes 188, Haynes 214, Incoloy 800H, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 693 및 400 시리즈 스테인레스강으로 이루어진 군에서 택일되는 것인 시일 조립체.
  12. 제3항 또는 제10항에 있어서, 제2 재료는 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화세륨, 산화마그네슘, 탄화규소, 질화규소, 혼합 금속 페롭스카이트, (LaxSr1-x)yCoO3-z(여기서, 1.0 > x > 0.4, 1.02 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수), 및 (LaxCa1-x)yFeO3-z(여기서, 1.0 > x > 0.5, 1.1 ≥ y > 1.0, z는 이 조성물의 전하 상태를 중성으로 만드는 수)로 이루어진 군에서 택일되는 것인 시일 조립체.
  13. 제3항 또는 제10항에 있어서, 제3 재료는 Haynes 230, Haynes 188, Haynes 214, Incoloy 800H, Inconel 600, Inconel 625, Inconel 693 및 400 시리즈 스테인레스강으로 이루어진 군에서 택일되는 것인 시일 조립체.
  14. (a) 제1 면과, 상기 제1 면에 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 소정의 기준 온도에 있어서 상기 제1 면과 제2 면 사이의 축방향 거리에 의해 정해지는 제1 기준 치수를 가지며, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 것인 제1 시일 요소;
    (b) 제1 면과, 상기 제1 면에 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하며 상기 제1 시일 요소의 축에 평행하거나 일치하는 축을 구비하고, 소정의 기준 온도에 있어서 상기 제1 면과 제2 면 사이의 축방향 거리에 의해 정해지는 제2 기준 치수를 가지며, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되고, 상기 제1 면이 상기 제1 시일 요소의 제2 면과 접촉하는 것인 제2 시일 요소; 및
    (c) 상기 제1 시일 요소를 상기 제2 시일 요소를 향하여 축방향으로 압박하도록 되어 있는 클램핑 요소로서, 이 클램핑 요소는 상기 제1 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 제1 세그먼트와, 상기 제2 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하며, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 시일 요소의 제1 면으로 형성된 평면과 상기 제2 시일 요소의 제2 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 시일 요소 및 제2 시일 요소의 축에 평행하며, 상기 중앙 부분은 제3 열팽창계수를 갖는 제3 재료로 제조되는 것인 클램핑 요소
    를 포함하고, 상기 제1 재료, 상기 제1 시일 요소의 기준 두께, 상기 제2 재료, 상기 제2 시일 요소의 기준 두께, 및 상기 제3 재료는, 선택 온도에서 다음 식이 성립하도록 값을 갖는 것인 시일 조립체.
    [온도 보상 치수 AT, BT 및 CT가 AT=AR(αA)(T-TR), BT=BR(αB)(T-TR), 및 CT=CR(αC)(T-TR)인 경우,
    │AT-(BT+CT)│≤ 0.002 인치
    여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, AR은 제1 기준 치수(제1 시일 요소의 기준 두께)이며, BR은 제2 기준 치수(제2 시일 요소의 기준 두께)이고, AR은 BR과 CR의 합이며, αA는 제1 재료의 열팽창계수이고, αB는 제2 재료의 열팽창계수, 그리고 αC는 제3 재료의 열팽창계수임]
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. (a) 제1 면과, 상기 제1 면에 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 것인 시일 요소;
    (b) 상기 시일 요소의 제2 면에 근접해 있는 유연성 밀봉 부재; 및
    (c) 상기 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 면을 갖는 제1 세그먼트와, 상기 유연성 밀봉 부재와 강제 접촉하는 면을 갖는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하는 클램핑 요소로서, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 세그먼트의 면으로 형성된 평면과 상기 제2 세그먼트의 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 시일 요소의 축에 평행하며, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되는 것이고, 상기 클램핑 요소는 상기 시일 요소를 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트의 면을 향하여 축방항으로 압박하여 상기 유연성 밀봉 부재를 압축시키도록 되어 있는 것인 클램핑 요소
    를 포함하고, 상기 제1 열팽창계수는 상기 제2 열팽창계수보다 큰 것인 시일 조립체.
  21. (a) (1) 제1 면과, 상기 제1 면에 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 제1 시일 요소;
    (2) 제1 면과, 상기 제1 면에 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하며 상기 제1 시일 요소의 축에 평행하거나 일치하는 축을 구비하고, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되며, 상기 제1 면은 상기 제1 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 시일 요소; 및
    (3) 상기 제1 시일 요소를 상기 제2 시일 요소를 향하여 축방향으로 압박하도록 되어 있는 클램핑 요소로서, 이 클램핑 요소는 상기 제1 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 제1 세그먼트와, 상기 제2 시일 요소의 제2 면과 강제 접촉하는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하며, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 시일 요소의 제1 면으로 형성된 평면과 상기 제2 시일 요소의 제2 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 제1 시일 요소 및 제2 시일 요소의 축에 평행하며, 그리고 제3 열팽창계수를 갖는 제3 재료로 제조되는 것인 클램핑 요소
    를 포함하는 시일 조립체를 소정 기준 온도와 동일한 소정 온도로 마련하는 단계;
    (b) 상기 시일 조립체의 온도를 상기 기준 온도와는 다른 선택 온도로 변경하는 단계; 및
    (c) 상기 시일 조립체를 상기 선택 온도에서 다음 식이 성립하도록 유지하는 단계
    [온도 보상 치수 AT, BT, CT가 AT=AR(αA)(T-TR), BT=BR(αB)(T-TR), 및 CT=CR(αC)(T-TR)로 정의되는 경우,
    │AT-(BT+CT)│≤ 0.002 인치
    여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, BR은 상기 기준 온도에 있어서 제1 시일 요소의 면들 사이의 축방향 거리이며, CR은 상기 기준 온도에 있어서 제2 시일 요소의 면들 사이의 축방향 거리이고, αA는 제1 재료의 열팽창계수이고, αB는 제2 재료의 열팽창계수이며, αC는 제3 재료의 열팽창계수, 그리고 AR=BR+CR임]
    를 포함하는 시일 조립체 작동 방법.
  22. (a) (1) 제1 면과, 상기 제1 면에 평행한 제2 면, 그리고 상기 제1 면 및 제2 면에 직교하는 축을 구비하고, 제1 열팽창계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 시일 요소;
    (2) 상기 시일 요소의 제2 면에 근접해 있는 유연성 밀봉 부재; 및
    (3) 상기 시일 요소의 제1 면과 강제 접촉하는 면을 갖는 제1 세그먼트와, 상기 유연성 밀봉 부재와 강제 접촉하는 면을 갖는 제2 세그먼트, 그리고 상기 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 부착되고 이들 세그먼트 사이에 있는 연결 세그먼트를 구비하는 클램핑 요소로서, 상기 연결 세그먼트는 상기 제1 세그먼트의 면으로 형성된 평면과 상기 제2 세그먼트의 면으로 형성된 평면과의 사이에서 연장되는 중앙 부분을 구비하고, 상기 시일 요소의 축에 평행하며, 제2 열팽창계수를 갖는 제2 재료로 제조되는 것이고, 상기 클램핑 요소는 상기 시일 요소를 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트의 면을 향하여 축방항으로 압박하여 상기 유연성 밀봉 부재를 압축시키도록 되어 있는 것인 클램핑 요소
    를 포함하는 시일 조립체를 소정 기준 온도와 동일한 소정 온도로 마련하는 단계;
    (b) 상기 시일 조립체의 온도를 상기 기준 온도와는 다른 선택 온도로 변경하는 단계; 및
    (c) 상기 시일 조립체를 상기 선택 온도에서 다음 식이 성립하도록 유지하는 단계
    [온도 보상 치수 AT와 CT가 AT=AR(αA)(T-TR)와 CT=CR(αC)(T-TR)로 정의되는 경우,
    │AT-CT│≤ 0.002 인치
    여기서, T는 선택 온도이며, TR은 기준 온도이고, αA는 제1 재료의 열팽창계수이고, αC는 제2 재료의 열팽창계수이며, CR은 상기 기준 온도에 있어서 상기 시일 요소의 제1 면과 제2 면 사이의 축방향 거리이고, CR'은 상기 기준 온도에 있어서 상기 시일 요소의 제2 면과 상기 클램핑 요소의 제2 세그먼트의 면 사이의 축방향 거리이며, 그리고 AR=CR+CR'임]
    를 포함하는 시일 조립체 작동 방법.
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