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씰 재료회전용 테프론 립 씰 - 테프론립 씰 적용 가이드라인, TEFLON LIP SEAL INSTALLATION DESIGN
회전용 테프론립씰(Rotary PTFE lip seals)은 테프론이 가진 우수한 내화학, 내열, 내구성 등의 장점과 얇은 립 형상을 가지고 있어, 극성을 포함한 다양한 매체에서 광범위한 스펙트럼의 압력.속도(PV value)와 진공(vacuum) 회전용으로 사용됩니다. 또한 매우 낮은 마찰계수와 자기윤활성으로 비 윤활성 매체 또는 무급유 운전(dry running)이 가능합니다.
태프론 립 씰의 작동 원리
1. 밀폐력(sealing force)은 테프론 립의 형상복구성(memory characteristic)과 매체 압력(system pressure)에 의해 결정 된다.
2. 형상복구성만으로는 압력이 거의 없으므로 정상적인 밀폐력을 발생하기 위하여는 시스템 압력이 작용해야 함. 따라서 저압에서는 밀폐력이 상대적으로 약함. 단 가터 스프링을 구비한 타입은 저압 시에도 플러스 압력(positive pressure)을 실현한다.
3. 시스템의 작동하면 압력(내압,외압)이 발생하고 이 시스텝 압력(system pressure)에 비례하여 밀봉력이 증가하므로 요구되는 밀폐력을 유지한다.
테프론립씰의 특성
1. PTFE의 탁월한 내마모, 내화학 및 내열성 등 우수한 재료적 장점에 필러를 첨가하여 더욱 향상된 성능을 가미할 수 있다.
2. PTFE는고무탄성체의 디컴프레션 파열(explosive decompression)과 스틱슬립(stick-slip) 등의 문제점이 거의 없다.
3. 무급유운전(dry running)이나 비윤활성 매체에서도 고속 회전 운동이 가능하므로 다양한 매체에 적용이 가능하다.
4. 하드웨어의 표면 조도 및 경도, 편심 및 런아웃, 및 용이한 장착을 위하여 삽입부 형상 가공 등 적합한 관리를 요한다.
테프론립씰 유형
테프론립씰은 메탈 케이스 타입(Metal case type)과 일체형(고무 오링 고정)(O-ring fix type) 타입 2종이 있으며 각각,
메탈 케이스 타입 은 보어에 압입 장착 될 수 있도록 하고 보다 고온에 더 잘 견디며 특히 고무 오링이 견디기 힘든 매체 등에 사용됩니다.
일체형 타입은 원형 소재를 가공 및 부분 성형(립 부)하여 제작 되며 회전을 방지하고 외경부를 밀봉하기 위하여 고무 오링을 사용합니다. 다양한 형상으로 가공이 가능하므로 소량의 고객 주문 사양에 대응이 용이합니다.
립 형상 분류
1립: 내부 매체 밀봉
1립 + 익스클루더 립: 내부 매체 밀봉 및 외부 이물질( 먼지 등) 차단
2립 : 내부 2중 밀봉; 극성 용매 등 밀봉 시
2립+ 익스클루더 립: 내부 2중 및 외부 이물질 차단
가공 립(machined lip): 고속 및 마찰 저항 최소화
일체형은 고온 시 씰의 처짐 등을 보강하기 위하여 메탈 삽입형이 있습니다.
가터 스프링(Garter spring)은 립부에 플러스 압력( positive pressure)을 가하여 주므로 특히 저압 시 밀봉력을 보강해 주며, 반면 마찰 저항을 상승 시킵니다.
각각의 타입 별 립 프로파일의 종류는 다음과 같습니다.
메탈케이스 타입(Metal case type)
- Profile
- Feature
- Application
-
- Formed Primary Lip
- General purpose rotary shaft seal.
-
- Formed Primary Lip w/ Excluder Lip
- Ideal to keep oil in and water & dirt out.
-
- FMachined Primary Lip
- General purpose rotary shaft seal w/ low breakaway torque.
-
- Machined Primary Lip w/ Excluder Lip
- Ideal to keep oil in and water & dirt out. Low Breakaway torque.
-
- Elf-Toe Primary Lip
- General purpose rotary shaft seal where shaft runout is 0.005" to 0.010" or abrasive media.
-
- Elf-Toe Primary Lip w/ Excluder Lip
- Ideal to keep oil in and water & dirt out where shaft runout is 0.005" to 0.010" or abrasive media.
-
- Dual Primary Lips
- Redundant sealing for aircraft or other low leakage systems.
- Profile
- Feature
- Application
-
- Dual Primary Lips w/ Excluder Lip
- Redundant sealing for aircraft or other low leakage systems. Keeps water & dirt out.
-
- Primary Lip Energized with Garter Spring
- Use when shaft runout is 0.010" to 0.020" or abrasive media.
-
- Primary Lip Energized with Garter Spring w/ Excluder Lip
- Use when shaft runout is 0.010" to 0.020" or abrasive media. Keeps water & dirt out.
-
- Dual Lip Seal w/ Primary Lip Energized with Garter Spring
- Use when redundant sealing is needed & shaft runout is 0.010" to 0.020" or abrasive media.
-
- Dual Lip Seal w/ Primary Lip Energized with Garter Spring w/ Excluder Lip
- Use when redundant sealing is needed & shaft runout is 0.010" to 0.020" or abrasive media. Keeps water & dirt out.
-
- High Pressure Dual- Lip Seal with Metal Backup Washer
- Redundant seal for high pressure aircraft or other low leakage systems.
-
- High Pressure Duallip Seal w/ Metal Backup Washer w/ Excluder Lip
- Redundant seal for high pressure aircraft or other low leakage systems. Keeps water & dirt out.
일체형 타입(Rubber O-ring fix type)
- Profile
- Feature
- Application
-
- Formed Primary Lip
- Multipurpose Seal
-
- Formed Primary Lip w/ Excluder Lip
- Multipurpose Seal
-
- Machined Primary Lip
- Low Friction
-
- Elf-Toe Primary Lip
- Abrasive Media
-
- Elf-Toe Primary Lip w/ Excluder Lip
- Abrasive Media
-
- Dual Primary Lips
- Oil Seal — Flooded, Severe Splash
-
- Dual Primary Lips w/ Excluder Lip
- Oil Seal — Flooded, Severe Splash
-
- Primary Lip;Energized with Garter Spring
- 0.020" > TIR > 0.005"
- Profile
- Feature
- Application
-
- Formed Primary Lip w/ Metal Band
- Multipurpose Seal
-
- Formed Primary Lip w/ Excluder Lip w/ Metal Band
- Multipurpose Seal
-
- Machined Primary Lip w/ Metal Band
- Low Friction
-
- Elf-Toe Primary Lip w/ Metal Band
- Abrasive Media
-
- Elf-Toe Primary Lip w/ Excluder Lip w/ Metal Band
- Abrasive Media
-
- Dual Primary Lips w/ Metal Band
- Oil Seal — Flooded, Severe Splash
-
- Dual Primary Lips w/ Excluder Lip w/ Metal Band
- Oil Seal — Flooded, Severe Splash
-
- Primary Lip Energized with Garter Spring w/ Metal Band
- 0.020" > TIR > 0.005"
사용 조건
메탈케이스 타입(Metal case type)
- Type
- Pressure
- Velocity
- Features
- CHE/CHN
- 500-750 psi
- 2000 sfpm
- duel lips;metal back-up washer
- CDE/CDN
- 75 - 500 psi
- 5000 sfpm
- duel lips
- CJE/CJN
- 75 - 500 psi
- 2000 sfpm
- garter spring; dual lips
- CEE/CEN
- 35 - 75 psi
- 5000 sfpm
- Abrasive; Elf-toe
- CFE/CFN
- 35 - 75 psi
- 5000 sfpm
- Non-abrasive
- CGE/CGN
- 35 - 75 psi
- 2000 sfpm
- Abrasive; Elf-toe
- CME/CMN
- <35 psi
- 6000 sfpm
- Machined lip
★ Temperature: -100 ℃ to 260 ℃
일체형 타입(Rubber O-ring fix type)
- Type
- Pressure
- Velocity
- Features
- LDE-N/CDN-N; LDE-S/LDN-S
- 60- 150 psi
- 5000 sfpm
- duel lips
- LEE-N/LEN-N; LEE-S/LEN-S
- 60 psi max
- 5000 sfpm
- Elf-toe lip;for abrasive media
- LFE-N/LFN-N; LFE-S/LFN-S
- 60 psi max
- 5000 sfpm
- LMN-N; LMN-S
- 60 psi max
- 6000 sfpm
- Machined lip; for low friction
- LGN-N/LGN-S
- 60 psi max
- 2000 sfpm
- w/Garter spring; high friction, low speed
★ Temperature:
***-N type: for temperature -17℃ to 121 ℃
***-S type: for temperature below -17 ℃, over 121 ℃; for shaft length over 4";메탈삽입형
★ **E-N, **E-S types : with Excluder lip
테프론립씰 재질립 재질(lip material)
재킷의 재료는 매체, 온도,압력,운동 속도, 하드웨어 재질 및 가공 상태 등의 조건에 적합하도록 여러 종류의 컴파운드가 있으며, virgin PTFE(Teflon)를 비롯하여 graphite,glass,moly,carbon 등이 함유된 blended PTFE 재료와 UHMW-PE, Acetal,PEEK 등의 고성능 엔지니어링 플라스틱 등이 주로 사용됩니다. 각각의 특성은 다음과 같습니다.
- Color: White
- FDA(미국식품의약청) 적합 재질로서, 저압용으로 적합함. 경중량의 개스(light gases)와 극저온(cryogenic) 용으로 적합함.
- Color:Black
- 비윤활 운동(dry running) 및 부식성(cosrrosive) 매체에 적합함.
- Color:Black
- 카본 파이버는 크리프(creep)를 낮추고, 신축성과 압축강도 및 경도를 강화하며, 열팽창 계수를 낮추고 열전도율을 증가시킵니다. 자동차용 shock absorber나 water pump용에 적합함.
- Color: Dark Gray
- 내마모성(wear resistance)이 탁월하여 열처리된 축의 운동용 씰로 적합함.
- Color: Dark Gray
- 고속 및 내열성이 요구되는 환경에 적합함.
- Color: Beige
- 상대물(hardware)에 대한 침식작용이 적은 재질로서(non-abrasive) 연한 금속(soft metal) 재질의 축이나 실린더에서 운동용으로 적합함.
- Color: Black
- 고온, 고속 및 고압이 동시에 작용하는 환경용으로서 고성능(heavy dusty)의 재질임.
- Color: Black
- 내화학 및 극저온 또는 고온 등의 이외의 가벼운 조건의 환경에서 강력한 밀봉력(tight sealing)을 위하여 적용 가능함.
- Color: Translucent White
- 내마모성이 강하고 FDA 적합 재질임.
- Color: Brown
- 높은 수밀성(low water absorption)과 내압성능(extrusion resistance)으로 백업 링 용으로 적합함.
- Color: Tan
- 내열 및 기계적 물성이 탁월한 고탄성(high-modulous)의 엔지니어링 플라스틱 재질임.
외경부 하우징 재질(housing material)
- 경제적이서 가장 많이 사용되는 재질로서 최대 315 ℃까지 사용 가능함.
- 극성의 미디어에서는 200 ℃까지 사용.
- 오일 등 철금속 비 부식성 매체에 적합함.
- 경제성 장점. 최고 232 ℃까지 사용 가능함.
- 오일 등 철금속 비 부식성 매체와 약한 부식성 매체에 적합함.
- 경제성 장점. 최고 232 ℃까지 사용 가능함.
- 경금속으로서 우수한 강성을 가지고 있으며 열 팽창 계수가 동일한 알루미늄 하드웨어에 적용이 권장됨.
- 고무오링픽스 타입에만 적용 가능
충진 가스켓(Elastomer Gasket)
- 적용 매체: Air, water, oils, greases
- 사용 온도: -30 to +110°C
- 적용 매체:Air,water, vapour,foodstuffs,alcohol
- 사용 온도: -60 to +150°C
- 적용매체:Air,water,oils,greases,solvents,acids,caustics
- 사용 온도: -20 to +200°C
DESIGN PARAMETERS 회전용 씰의 선정과 응용설계 시 고려 사항들:
- 시스템 온도
- 압력 및 축 회전 속도
- 매체; <
- 以上
환경 조건 >
- 립 형상(type)
- 윤활 방법
- 축편심 및 런아웃
- 축의 경도 및 표면 조도
- 축 가공 마크 리드
- 회전 마찰 저항(에너지 손실)
- 조립 편의성; <
- 以上
설계 목표 >
시스템온도(temperature)시스템의 최저 및 최고 허용 온도는 많은 경우 테프론 립보다 내열성이 약한 충진 가스켓의 재잴에 의해 결정됩니다. 그리고 최고 온도를 결정 시는 씰과 특히 테프론 립 주위의 국부적 열을 고려해 주어야 합니다.
축 회전 속도(velocity)한계 속도(speed limit)씰의 한계 속도는 씰 립의 재질 뿐 아니라 시스템 온도, 압력, 매체, 회전축의 재질, 접촉운동면의 경도 및 조도 등에 의해 결정됩니다. 동일한 조건에서 작은 직경보다는 큰 직경 축에서 더 높은 속도를 견딜 수 있습니다.
다음은 재질 별 한계 속도입니다.(B+S社)- ▷ Varilip(B+S사 PTFE 씰 브랜드)
- ▷ Fluoro elastomer
- ▷ Silicone
- ▷ Polyacrilic
- ▷ Nitrile
- 108 m/s
- 38 m/s
- 38 m/s
- 22 m/s
- 12 m/s
시스템 압력(Pressure)
회전운동용 씰의 허용 압력은 속도와 연계하여 관리됩니다. 즉, 씰의 선정과 설계 시는 반드시 압력.속도값(PV value)의 허용 범위를 고려해 주어야 합니다. PV값의 증가는 마찰열을 증가시킵니다.
우측의 PV차트는 회전용 씰의 연속적인 운동 조건에서의 PV 한계의 한 예를 나타내며 간헐적 운동, 왕복 운동이나 윤활 및 냉각 장치 등의 설치 등으로 한계치가 높아질 수 있습니다.
테프론립씰의 압력*속도 값(PV value)테프론립씰에 대한 일반적인 PV값 가이드라인은 다음과 같습니다.
- ▷양호한 윤활 조건: 1.5 Mpa*m/s
- ▷양호환 윤활 및 냉각 조건: 3 Mpa*m/s
- ▷우수한 윤활 및 냉각 및 우수한 내열성 매체 조건: 10 Mpa*m/s
에너지 소모(power consumption)마찰 저항에 의한 에너지 소모에 민감한 시스템을 위하여 테프론립씰이 적극권장되며, 립의 재질과 립의 형상이 영향을 줄 수 있습니다.
매체 적합성 및 영향(media)PTFE는 완전 포화상태의 carbon-carbon 체인 및 carbon-fluorine 본딩으로서 유기호합물 중 가장 강력한 결합을 자랑합니다. 광물성 산, 염기, 유기액체 및 솔벤트 등에 강하고 산소, 자외선, 오존 등에 영향을 받지 않습니다. 또한 오일 첨가제와 바이오 연료 등에도 강합니다.
윤활(lubrication)PTFE 는 비윤활 상태에서도 수명에 큰 영향을 받지 않고 성능을 발휘하므로 간헐적인 윤활 조건이나 먼지나 분말 등의 밀폐에도 유용합니다. 그러나 양호한 윤활 조건 하에서 씰의 수명이 더욱 깁니다.
그루브 설계 
표면경도(surface hardness)
-
축(shaft)
- ▷ 중저압의 유압용 오일: 40-58 HRc
- ▷ 고압 유압용 오일, 침식성 및 비윤활성 매체, 15 m/s 이상의 고속: 58-65 HRc
표면조도(surface roughness)
- 축(shaft) : 0.2 to 0.4 Ra
- 하우징(housing): 0.8 Ra Max
축편심.런아웃(shaft eccentricity.runout)
모든 회전축은 편심과 런아웃을 가집니다. 이 두 가지의 요인이 결합하여 밀림 틈새를 확대하며, 씰의 한 쪽으로 과도한 압축을 발생하고, 또한 런아웃은 압축과 인장 사이클을 유발하여 씰의 조기 마모와 파손의 원인이 되므로 편심과 런아웃을 허용 가능한 수준 이하에서 관리해 주어야 합니다. 우측은 P社의 테프론 립씰 용 편심.런아웃 한계치를 보여주는 그래프입니다.
우측 아래 표는 각각 재질, 회전속도에 따른 허용 가능한 런아웃과 직경-편심에 대한 가이드 라인(T社)입니다. 테프론립씰의 경우가 더 정밀한 관리를 요하며 또한 고속일수록, 낮은 직경일수록 정밀한 관리를 요합니다.
가공마크(shaft machine lead)
축 가공 시 발생하는 가공 마크는 매체 누설의 경로가 되므로 주의를 요합니다. 가공 마크를 없애기 위하여 플런지 연삭(plunge grinding) 처리를 권장합니다. 반면 가공 마크의 리드 방향을 의도적으로 주어서 회전 시 씰과 축 접촉면 상에서 매체의 펌핑 효과를 주어 누설을 적극적(positively)으로 예방하는 방법을 사용하기도 합니다. 리드의 각도는 0.05° 이하로 관리 요합니다.
밀림/삐짐 틈새(extrusion gap)
씰이 압력을 받는 배압부 측에 축과 보어 내경 간의 틈새로서 씰이 압력을 받게 되면 이 틈새로 씰의 살이 삐져 나가는 현상이 발생 할 수 있습니다. 이러한 밀림/삐짐(extrusion)을 예방하는 방법으로는 씰의 힐(heel)부를 두껍게하거나, 익스트루전갭(extrusion gap)을 줄이거나 가장 경제적인 방법으로서 백업링(backup ring)의 적용이 추천됩니다.
리드인챔퍼(lead-in chamfer)
씰의 삽입부에 해당하는 보어와 축의 단부 챔퍼량과 보어 코너부 R 등에 대하여 주의를 요하며, 특히 씰이 삽입 경로 상에 버(burr)나 돌기 들이 없도록 처리해 주어야 합니다.
