Seal(밀봉) 개요

 

유체의 누수 또는 외부에서의 이물질의 침입을 방지하기 위하여 사용하는 장치의 총칭을 밀봉장치(Sealing device) 또는 간단하게 실(Seal)이라 한다. 

 

 

 

Seal(밀봉) 개요

 

밀봉장치는 증기나 기체나 각종 가스 등의 기체, 원유나 윤활유나 작동유나 액체연료나 물이나 화학약품 등의 액체, 그리스 등의 분체 및 진공 그 외의 광범위한 용도에 사용된다. 따라서 밀봉 대상물의 종류, 압력, 온도, 접촉상태 등에 따라서 어떤 형식, 재질 등의 실을 사용할 것인가 적절하게 선택하는 것 등이 매우 중요하다.

 

실의 종류

실의 종류는 크게 고정용 실(static seal)과 운동용 실(dymanic seal) 두 가지 종류로 구분된다.

배관이나 압력용기 등과 같이 정지부분의 밀봉에 사용하는 고정용 실은 개스킷(gasket)이라 한다.

회전이나 왕복운동과 같이 운동부분에 사용하는 운동용 실(dymanic seal)은 일반적으로 패킹(packing)이라 한다. 패킹은 운동부분과의 접촉상태에 따라서 접촉형과 비접촉형으로 분류한다.

 

실의 종류와 사용 범위는 다음 표와 같다.

 

<표 1> 실의 종류와 사용 범위

 

 

개스킷(gasket)

개스킷(gasket)은 그 재료에 따라서 목면이나 골조나 석면이나 고무나 합성수지(PTFE등) 등의 비금속 개스킷(non-metallic gasket)과 이런 것들을 금속의 얇은 판으로 피복한 세미메탈릭 개스킷(semi-metallie gasket)과 순철이나 극연강이나 동이나, 스테인리스 강이나 알루미늄 등의 금속 개스킷으로 분류하고 다양다종의 재료나 형상의 것이 있다.

고온 고압에서는 금속 개스킷이 적합하지만 세미 메탈릭도 상당한 고온, 고압에 견디는 것도 있다. 재료특성 및 구조를 이해하여 또한 사용조건을 정확하게 파악하면 대략 틀림없이 선정 설치할 수 있지만 가혹한 용도에서는 경험을 필요로 한다. 또 밀봉성, 내구성 및 장착시의 적정 설치력 등의 추정도 용도에 따라서는 전문적인 지식이 필요로 한다. 또 배관관계에서 개스킷을 사용하는 경우는 공업규격 등을 참조하는 것이 좋다.

또한 고분자물질을 주성분으로 하여 이것에 충전제나 가소제나 용제 등을 가하여 액상으로 한 것을 각종 기기류의 접합면에 도부하여 기체 및 유체의 누수 방지작용을 하는 액상(fluid)개스킷은 실랜트(sealant)라고도 한다. 사용시의 성상에 따라서 점착형(주성분이 불건성이며 점착성을 유지하는 것)과 점탄형(주성분이 점착성과 탄성을 함께 유지하는 것)으로 대별한다. 사용 후에 제거할 수 있으므로 널리 사용한다.

 

 

Dymanic seal

⊙ 립 패킹(lip packing)

립 패킹(lip packing)은 성형 패킹(형을 사용하여 성형가공으로서 만드는 패킹의 총칭)중, 립(lip)이 있는 패킹이다.

V패킹은 고무 V패킹(종류의 기호는 H)과 직포를 넣은 고무 V패킹(F)으로 대별하고 수압, 유압기기의 피스톤 패킹이나 로드 패킹으로서 사용하고 압력의 크기에 따라서 여러 개를 포개서 사용한다. 

이것에 비하여 U패킹은 단면이 U자 형태인 패킹으로 설치 스페이스가 적고 취급이 간단하다. 패킹이 홈의 안에서 안정하도록 서포트 링(support ring)을 사용하는 경우가 있다.

 

V packing	U packing

<그림 1> 립 패킹(lip packing) 종류

 

 

 

⊙ 오링(O-ring)

오링(O-ring)은 찌그러뜨리기 여유를 주어서 사용하는 스퀴즈 패킹(squeeze packing)의 성형패킹 중 단면이 원형의 링형상의 것이며 압력이 걸리면 홈의 축복에 밀어 붙여서 틈을 덮음으로 밀봉한다. 성능의 신뢰성이 높고 설치 스페이스도 적고 수많은 종류의 치수의 것이 규격화되어 구입하기 쉬우므로 고정용 실(seal)로서 또는 운동용 실로서도 사용한다. 단, 운동으로서는 왕복동용에 한정되어 있어 회전에는 적합하지 않다. 공업규격(오링)에는 운동용 오링, 고정용 오링 및 진공용 오링의 형상 및 치수가 규정되어 있다. 오링설치 홈부에는 모따기나 R(라운딩), 그리고 설치부의 예리한 각을 제거하여야 하고, 이런 상세 형상 및 치수는 규격으로 정하여져 있다. 

 

<그림 2> 오링(O-ring) 예시

 

 

 

⊙ 글랜드 패킹(gland packing)

글랜드 패킹(gland packing)은 다음 그림과 같은 스터핑 박스(stuffing box)에 각형단면이 정상 패킹을 여러개 삽입하여 패킹 누르개나 패킹 글랜드에서 축방향으로 압축하여 반지름 방향의 긴박력을 발생시킴으로써 누수를 방지한다. 패킹의 고정압력의 균일화하기 위하여 스페이서링(spacer ring)이나 윤활의 목적 때문에 랜턴 링(lantern ring) 등도 사용한다. 패킹을 윤활할 필요가 있으므로 누수량은 많고 또 마찰저항도 크다. 누수량을 너무 억제하면 발열, 마모, 시저 등이 생기므로 주의하여야 한다. 왕복부품이나 저속회전부분 등에 사용한다. 패킹재료로서는 석면이 널리 사용된다.

 

<그림 3> 글랜드 패킹(gland packing) 예시

 

 

 

⊙ 오일 실(oil seal)

오일 실(oil seal)은 다음 그림과 같이 소형이며 형상도 간단하고 스페이스를 취하지 않으며 밀봉성능이 우수하고 특히 고속회전용 실로서 적합하다. 내압능력은 일반용에서 0.03MPa이하, 특수용에서도 0.7MPa이하로 낮다. V패킹이나 U패킹 등의 셀프 실 패킹(self seal packing)(밀봉하는 유체의 압력으로서 밀봉하는 것)은 긴박력이 유체압에 크게 의존하는 데에 대하여 오일실의 긴박력은 립 및 스프링으로서 미리 주어지므로 장착시에 조정을 필요로 하지 않으므로 [셀프타이트닝 패킹(self tightening packing)이라 한다] 사용법이 매우 간편하다. 립과 축 사이의 윤활막이 끊어지면 시저나 마모가 생기므로 이물질이 외부에서 침입하기 쉬운 환경하에서나 한계를 초과하는 주속이나 온도 및 열악이나 윤활상태 등의 유막파단이 생기기 쉬운 조건하에서의 사용은 피하여야 한다. 오일 실은 금속링, 스프링, 먼지제거의 유무에 따라서 그 주요치수가 규정되어 있다. 

<그림 4> 오일 실(oil seal) 예시

 

 

 

⊙ 메커니컬실(Mechanical seal)

메커니컬실(Mechanical seal)이라 함은 기계적 구조를 갖춘 seal face를 일반적으로 칭하는 것이며, 회전부와 고정부가 접촉하여 sealing면을 형성한 후 완벽한 누설방지를 위해 마찰을 대신해주기 위한 장치이다. 고정부는 원래 고정되어 있는 바디와 한몸이 되고, 회전부는 원래 회전하던 샤프트와 한몸이 되어, 쉽게 보면 마찰의 부위만 바뀐 것이다.

고정부와 회전부의 마찰부위를 섭동면(seal face)이라고 하는데 아래 그림의 적색으로 표시된 Fluid Film을 말한다. 정지시에는 스프링의 힘으로 seal 면이 밀봉되어 있고, 운전시에는 펌프 압력 또는 실링수의 압력에 의해 seal 면이 윤활이 되고 동시에 그 유체는 섭동면에서 기화가 된다.

마찰면은 지속적인 마찰로 인해 조금씩 마모가 일어나고 그 만큼 스프링으로 보정이 된다.

 

Source : https://www.aesseal.com/en/resources/academy/what-is-a-mechanical-seal

<그림 5> 메커니컬실(Mechanical seal) 예시

 

 

따라서 메커니컬실은 고온, 저온, 고속, 고압에 적당하고, 윤활성이 나쁜 유체의 밀봉에도 사용할 수 있고, 누수량도 매우 적고 실용상 문제가 되지 않는 범위로 억제할 수 있다. 

또한 seal face 재질은 내부식성, 내마모성을 요구하기 때문에 텅스텐카바이드(WC), 실리콘카바이드(SiC), 카본등 재질이 사용 된다. 

gland packing에 비해 고가이지만 거의 완벽한 sealing(밀봉)이 가능하고, seal face의 마찰이 작아 동력 손실도 글랜드 패킹의 1/6 수준으로 적다.

 

메커니컬실 종류는 다양하고 다음 그림은 일부 예시이다.

 

<그림 6> 메커니컬실(Mechanical seal) 종류별 schematic diagram

 

또한 seal flushing diagram은 다음 그림을 참조하라.

 

 

<그림 7> Typical seal flush arrangement for double mechanical seals.

 

 

 

⊙ 라비린스 실(Labyrinth seal)

라비린스(labyrinth)는 미로를 뜻하는 영어 단어이고, 라비린스 실은 누출을 방지하기 위해 구불구불한 경로를 제공하는 일종의 기계적 실이다. 이러한 밀봉의 예는 차축(axle)의 베어링을 윤활하는 오일의 누출을 방지하는 데 사용된다.

라비린스 실은 다음 그림과 같이 다른 차축 내부 또는 구멍 내부를 단단히 누르는 많은 홈으로 구성될 수 있으므로 유체가 빠져나가기 위해 길고 어려운 경로를 통과해야 한다.

 

Source :&nbsp;https://en.wikipedia.org/wiki/Labyrinth_seal#/media/File:Labyrinth-seal.png

<그림 8> A simple labyrinth seal

회전 샤프트의 라비린스 실은 원심 운동과 제어된 유체 와류의 형성에 의해 다양한 챔버를 통한 유체의 통과를 제어함으로써 비접촉 밀봉 작용을 제공한다. 더 높은 속도에서 원심 운동은 액체를 바깥쪽으로 밀어서 모든 통로에서 멀어지게 하여, 모든 액체를 미로 챔버에 갇히게 하여 누유를 방지한다. 이 라비린스 실은 비접촉식이므로 마모되지 않는다.

회전 속도가 빠른 많은 가스터빈 엔진은 마찰이 적고 수명이 길기 때문에 라비린스 실을 사용합니다. 액체로 채워진 라비린스 실은 실 오일의 점도로 인해 여전히 열을 발생시키고 실 오일이 공정 유체를 오염시킬 수 있기 때문에 현대식 고성능 가스 터빈은 사이에 불활성 가스가 있는 스프링 장착 링을 사용하는 건식 가스 실을 사용한다. 

 

 

 

Reference : 1. https://m.blog.naver.com/PostView.naver?blogId=rokmc9378&logNo=221177016366&navType=by 

                2. https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/mechanical-seal