스프링 에너자이드씰(SES)은 우수한 내화학, 내열 및 극소한 파티클 생성 등의 장점을 가진 테프론(Teflon/PTFE)으로 구성되는 재킷(jacket)부와 금속 스프링 에너자이저(energizer)부로 구성되어 극저온/고온, 진공/고압, 내화학/내후성 등을 요구하는 반도체, 화학, 약품, 개스, 유공압 등 극한 환경의 조건에서 광범위하게 적용되고 있으며 특히 테프론의 저마찰계수 특성으로 일반 오링의 적용이 어려운 운동용 환경에 많이 활용됩니다.

재킷부 즉 씰 단면의 벌어진 쪽이 고압부로 향하게 설치하여 시스템 압력이 발생하면 이에 비례하여 밀봉력도 증가하는 원리로 인해 안정된 씰링을 보장 받을 수 있도록 되어 있습니다.

스프링에너자이드씰의 밀봉력 작동 원리

1. 밀봉력(sealing force)는 스프링의 압축력(compression force)과 매체(media)에 의한 시스템 압력(system pressure)에 의해 결정됨.

2. 시스템 압력이 작용하지 않는 조건 즉 단순 장착 상태에서는 스프링의 압축력으로 밀봉력이 발생함.

3. 시스템의 작동하면 압력(내압,외압)이 발생하고 이 시스템 압력(system pressure)에 비례하여 밀봉력이 증가하므로 요구되는 밀봉력을 유지할 수 있음.

* 밀봉력: 씰과 하드웨어 접촉.마찰면간 작용력

스프링에너자이드씰의 특성

1. PTFE의 내마모, 내화학 및 내열성 등 우수한 재료적 장점에 필러를 첨가하여 더욱 향상된 성능을 가미할 수 있음.

2. PTFE는 고무탄성체의 디컴프레션 파열(explosive decompression)과 스틱슬립(stick-slip) 등의 문제점에 훨씬 적게 노출됨.

3. 재킷은 가공 제작되며 기존의 탄성 고무 씰 용 캐비티(cavity)에 동일하게 장착 가능함.

4. 하드웨어의 표면 조도 및 경도, 편심 및 런아웃, 및 용이한 장착을 위하여 삽입부 형상 가공 등 적합한 관리를 요함.

5. 스프링은 탄성(resilience)은 저압 시, 마모,냉간 운전 및 저온 응축(thermal contraction) 등으로 인한 단면의 축소(jacket wall reduction) 등을 보상하고 포지티브 씰링을 유지할 뿐 아니라 온도 싸이클링(thermal cycling)에 의하여 영구압축(compression set)이나 경도 변화 등의 문제가 없음.

재킷 재질

스프링 재질

스프링 형상

테프론이나 폴리머 자켓은 탄성이 없으므로 스프링에 의한 힘이 가하여지지 않으면 시스템 압력이 없거나 미약한 상태에서는 밀봉력을 확보하기 어렵습니다.

스프링 선택에 있어서 고려할 두 가지 요소는 스프링 변위(deflection)와 스프링 하중(spring load)입니다. 스프링 하중이 증가하면 밀봉력이 증가하지만 마찰과 마모율도 증가합니다. 또한 스프링의 변위 범위는 수용 가능한 씰의 마모량, 냉간 운동 및 그루브의 높이 허용 오차 등의 결정에 영향을 줍니다. 씰의 수명이 커질수록 이 허용 변위는 증가합니다.

하중과 변위 간의 전형적인 관계 곡선은 위 <스프링 변위-하중 특성> 표와 같습니다.

<캔틸레버스프링>	<슬랜트코일스프링>
<헬리컬스프링>	<헤비캔틸레버스프링>

캔틸레버 스프링(Cantilever spring)

캔틸레버 스프링은 평판 형태의 금속을 펀칭 공정으로 지그 재그 형태의 프로파일을 만들고 V자 형태로 성형(formed)된 스프링입니다. 비교적 작은 단위 하중과 넓은 허용 변위를 가지며 주로 운동용으로 적합니다. 비운동용으로는 큰 그루부 치수 오차, 과도한 수축 및 압축, 또는 고압으로 인한 씰의 리프트 오프(lift-off) 등으로 큰 허용 변위를 요구하는 환경에 사용될 수 있습니다. 스프링 하중 별로 경, 중 2개 등급이 있으며 경 급은 밀봉성능보다는 저마찰 저항을 요구하는 환경에 사용하는 것이 좋습니다.

특징

• 변위량 대비 작은 하중 및 넓은 허용 변위량
• SUS304, 코발트크롬니켈합금강 (표준)
• SUS301, 302, 316, InconelX-740 (옵션)
• 코발트크롬니켈합금강 및 Inconel X750(NACE 인증 제품 가능)
• 스프링 하중 라이트, 헤비 2개 등급 제공
• 부식성이 강한 미디어의 와이퍼 립 설계 용
• 내압 및 외압용
• 경제적이며 큰 씰 단면을 요하는 깊은 그루부 형상에 적합

권장 환경

• 저마찰력을 요하는 왕복용 피스톤 및 로드 씰
• 회전 축 용
• 큰 치수 허용 오차와 편심의 그루브에 설치

슬랜트 코일 스프링(slant coil spring)

• 원형 선재를 코일링한 다음 원형의 코일 프로파일을 코일 진행 방향으로 눕힌 형태로 포밍하여 제작된 슬랜트 코일 스프링은 상당히 넓은 범위의 변위에서 하중 변화가 거의 일정하게 유지되는 특성을 가지고 있습니다.
• 이러한 하중-변위 특성은 특히 마찰저항에 민감한 환경이나 큰 치수 공차 또는 편심 등의 하드웨어 환경에서의 운동용으로 사용하기에 적합니다.
• 슬랜트 코일 스프링의 다른 특성의 하나는 매우 작은 직경의 씰을 제작할 수 있다는 점입니다.

특징

• 넓은 범위의 변위에서 거의 일정한 하중 특성(flat load)
• SUS 302 (표준)
• 코발트니켈크롬 합금강 및 Hastelloy 스프링(옵션)
• 경(light), 소(middle), 중(heavy) 3개 하중 등급
• 레이디얼 및 페이스 씰 용

권장 환경

• 마찰 저항에 민감한 환경
• 큰 치수 허용 오차와 편심의 하드웨어
• 씰 단면에 피로 하중이 작용하는 환경
• 소직경의 레이디얼 씰

헬리컬 리본스프링(Helical ribbon spring)

• 평판형의 리본 금속을 나선 모양으로 감은 형태의 헬리컬 스프링(helical spring)은 상대적으로 적은 변위에 높은 하중값이 특성입니다. 헬리컬 스프링의 주된 재료는 17/7 PH 스텐 강과 코발트크롬니켈강 등이며 3 등급의 하중이 있습니다.
• 비교적 큰 하중 값과 작은 범위의 변위로 인해 헬리컬 스프링은 비운동용이나 저속의 간헐적 회전 또는 왕복 운동용으로 사용될 수 있으나 공히 마모 문제보다는 정밀한 씰링이 우선 요구되는 환경에 적용합니다.
• 헬리컬 스프링은 밴드 형태의 판이 미세한 간극을 두고 감긴 형태이므로 씰 둘레에 걸쳐 고른 하중을 부여하며 단위 하중량도 상당히 커서 정밀한 밀봉력을 실현하므로 진공, 극저온 등의 극저압의 시스템에 특히 유용합니다.

특징

• 작은 변위 대비 고 하중 조건
• 인코넬 X-750 및 Hastelloy C-276 (옵션/ NACE 인증 제품 가)
• 라이트, 미디엄, 헤비 3등급
• 내부압, 외부압 용

권장 환경

• 비운동용 로드, 피스톤 및 페이스 씰 용
• 저속 회전 운동용
• 씰 단면에 피로 하중이 작용하는 환경
• 진공 및 극저온 용
• 기타 정밀한 밀봉력을 요구하는 환경
• 소형 씰 단면 가능

헤비 듀티 캔틸레버 스프링(heavy-duty cantilever spring)

헤비듀티 캔틸레버 스프링의 제작 방법은 일반 캔틸레버 스프링과 동일하며 극저온 미디어, 초진공 또는 헬륨 가스 밀봉 등의 극한 조건의 밀봉력을 요구하는 환경에 전형적으로 사용되는 비운동용입니다.

간단없는 스프링 접촉면(continuous spring contact) 및 큰 하중(heavy load)으로 대단면(large cross section) 대직경(large diameter)의 씰에 유용하며 단위 하중이 크므로 페이스/액셜 씰은 큰 체결토오크를 요구합니다.

가장 강력한 단위 하중과 강성(resilience)을 발휘하는 이 스프링은 극저온에서의 폴리머 재킷의 응축(shrinkage)을 보상하는데 효과적이며, 또한 큰 그루브 치수 오차나 급격한 압력 변화 등으로 인한 씰의 리프트-오프(lift-off)에서도 씰 밀봉력을 유지하는데 효과적입니다.

립 형상

챔퍼 립(Chamfer lip)

캔틸레버와 슬랜트 코일 스프링 타입에 적용하는 챔퍼 립은 장착이 용이하고 왕복용의 경우 씰립과 하드웨어 접촉면부에 미디어의 얇은 피막이 생기므로 윤활 작용을 돕는 결과를 가져옵니다. 접촉 부분은 챔퍼 끝의 점(선)에 집중하므로 효과적인 밀봉이 가하며 마찰 저항을 최소화 합니다.

<챔퍼 립>

<와이퍼 립>

<비드 립>

와이퍼 립(Wiper lip)

침식성이 강한 매체(media)의 경우에 씰 립과 하드웨어 접촉면 사이에 매체의 잔유물(피막)이 형성하는 것을 방지하기 위하여 와이퍼 립을 적용합니다. 효과적인 와이핑을 위해 씰 단면에서 씰-하드웨어 간 접촉점(contact point)은 스프링 하중 작용점에서 매우 가깝게 설계됩니다. 와이퍼 립은 내경용, 외경용, 내외경용 및 페이스 씰 용에 적용 가능합니다.

비드 립(Bead lip)

둥근 모양의 비드 립의 접촉 특성은 원형 오링에 유사하며 헬리컬 스프링과 함께 짝을 이룹니다. 왕복용의 경우 챔퍼 립보다는 다소 더 두꺼운 유막을 형성하므로 고속의 왕복용 환경에 유리합니다.

표면 조도(Surface roughness)

다른 탄성고무 씰과는 달리 테프론 씰은 윤활제의 도움 없이도 표면 상의 피크 점(high points)을 부드럽게 마찰(slip over) 운동하지만 너무 거친 표면은 씰의 조기 마모와 성능 저하의 원인이 됩니다. 적합한 표면 조도는 테프론 씰의 성능과 수명에 매우 중요합니다.

<하드웨어 표면 프로파일>

<하드웨어 표면조도>

<마모량-표면조도>

마찰이 발생하는 운동용은 비운동용 대비 더 정밀한 표면 조도를 요구합니다. 또한 분자량이 적은 매체일수록 정밀을 요구하며 특히 극저온의 경우 정밀한 표면 조도를 필요로 합니다.

동일한 Ra 값을 갖는 표면이라도 <하드웨어 표면 프로파일> 표에서 d의 경우처럼 산부가 편평한 프로파일(plateau profile)이 뾰족한 프로파일을 갖는 다른 경우에 비해 훨씬 좋습니다.

플레토우(plateau) 형태의 표면 프로파일을 얻기 위한 표면 조도 파라미터들이 <왕복운동씰하드웨어표면조도관리인자> 표에 제시됩니다.

표면 경도(Surface hardness)

하드웨어의 표면 경도 또한 씰과 하드웨어의 마모율을 결정하는 중요한 요소입니다. 어느 한 쪽의 마모율이 커지면 결국 성능과 수명에 영향을 주므로 씰의 재질과 하드웨어의 경도 간에 적합한 매칭이 필요합니다. 침식성이 강한 씰 재질의 경우 더 높은 하드웨어 경도를 요구하며, 낮은 하드웨어 경도의 경우 씰 자켓은 침식성이 약한 첨가제 성분을 가진 재질을 고려해야 합니다. 어떤 경우에도 하드웨어보다는 씰이 우선 마모되는 조합으로 이루어져야 합니다.

일반적으로 경도가 높을수록 씰과 하드웨어의 성능을 유지하는데 유리하며 운동용의 경우 록크웰 C 경도 50-60 수준이 이상적입니다.

내압 성능

<익스트루전 갭>

<두꺼운 힐 효과>

허용 익스트루전 갭(allowable extrusion gap) 결정

익스트루전 갭의 허용치는 다음의 순서로 결정합니다.

권장 치수 이하로 익스트루전의 관리가 어려운 경우는 대신 백업 링의 적용을 고려해야 합니다. 익스트루전 갭은 하드웨어 내외경 간의 공차와 축 편심(eccentricity) 및 축 런아웃(shaft run out)의 합으로 결정됩니다.

A.1 축 편심(eccentricity) 및 런아웃(runout)의 영향

<축편심, 런아웃 개념>

<타입/단면 크기 -편심/런아웃 허용한계>

A.2 회전 운동용 씰의 압력*속도(PV) 가이드 라인

마찰 저항(Friction force)

운동 에너지의 소실에 민감한 시스템에서는 씰과 하드웨어 간 마찰 저항(Friction)이 중요한 설계 검토 사항이 됩니다. 선형 마찰저항력(frictional linear force)(왕복용), 마찰저항토오크(frictional torque)(회전용)을 결정하는 인자들은,

• 운동면의 직경
• 하드웨어 표면과 씰 간의 마찰 저항 계수(시험으로 결정)
• 시스템 압력(media system pressure)
• 스프링 타입과 재질
• 씰의 재킷부 형상

마찰 저항은 재킷과 하드웨어 표면 사이에 발생하는 마찰 저항 계수와 씰에 작용하는 하중 값에 의해 결정됩니다. 마찰 저항 계수의 영향 인자들로서는, 윤활상태, 온도 및 하드웨어 표면 조도 및 경도 등이 있습니다. 하중은 스프링 하중과 시스템 압력 하중으로 구성됩니다.

아래는 비윤활 운동 조건 하에서 씰의 재료 별 마찰 저항 계수 값의 예입니다. [출처: S사 자료]

스프링 하중(Spring force)

다음은 스프링 타입 별 평균 단위 하중(specific load) 값의 예입니다. [출처:S사 자료]

시스템 압력 하중(System pressure force)

아래 시스템 압력 단위 하중 그래프를 참조(개략적 수치임)하여 시스템 압력 하중을 계산합니다.

마찰 저항 값(Friction resistance summed)

최종 마찰 저항 값은 다음의 식으로 구합니다.

시스템 압력 하중은 립의 형상과 사이즈의 함수이며 스프링 하중도 스프링 타입과 두께 및 사이즈의 함수이므로 제시된 그래프는 평균적 예시이므로 자세한 것은 당사에 문의 주시면 감사합니다.

장착 방법(Installation)

스플릿/오픈 그루브(Split/open groove)

<투피스 힐 방향 삽입>

<투피스 립 방향 삽입>

힐(heel) 방향 삽입 방식

힐 부 삽입은 장착방법 시 씰의 보호 측면에서 권장되는 방식입니다.

립(lip) 방향 삽입 방식

삽입 시 립 부의 내경 또는 외경과 축 경 또는 실린더 보어 경 간에 간섭이 있으므로 더욱 주의를 요하며 삽입 부의 챔퍼 량도 더 크게 해주고 필요 시는 장착 전용 툴을 사용해야 합니다. 익스트루전(extrusion)을 예방하기 위해 챔퍼 부를 덮어 주는 스텝 형의 압력 백업 플레이트를 설치합니다.

스텝 컷(step-cut) 그루브

<스텝컷 그루브>

<스텝컷 립 방향 삽입(불가)>

오픈 그루브 설계가 여의치 않을 경우의 대안으로 스텝 컷 형태의 그루부를 적용합니다. 로드 및 피스톤 타입에 모두 적용 가능하며, 장착 시 씰이 지나가는 모든 모서리는 뭉뚝하게 처리(blended)되고 표면이 부드럽게 처리 요합니다.

고압 부위가 반드시 씰의 개구부(open side)이어야 하며 우선 씰을 스텝 컷 그루부에 안착시킨 후 로드나 실린더를 조심스럽게 삽입하는 순서로 장착합니다.

로드 씰의 스텝 컷 그루브에 삽입

우선 씰의 일부를 눌러 타원형으로 한 다음 씰의 한 쪽을 그루부에 삽입한 후 반대 쪽 눌린 부분을 눌러 그루부에 삽입합니다.

피스톤 씰의 스텝 컷 그루브에 삽입

가이드 램프를 사용하여 삽입이 권장됩니다만 사용치 않을 경우는 씰을 당겨서 스텝을 빨리 통과하도록 합니다.

클로우즈드(closed) 그루브

클로우즈드 그루브는 가급적 피하는 것이 좋습니다. 장착 시 씰의 변형량이 심하므로 이 방식에서는 씰의 단면 크기(cross section), 직경 및 재질 등에 따라 사용 여부가 결정됩니다. 큰 직경과 작은 단면 및 연성이 좋은 재질이 이 방식에 유리합니다. 캔틸레버 스프링보다 헬리컬 스프링 타입이 뒤틀림 등의 변형에 더 내성이 있으며, 피스톤 씰 그루브보다는 로드 씰 그루부에 장착이 좀 더 용이합니다.

피스톤씰의 장착

스트레칭 가이드(stretching guide)와 리사이징 툴(resizing) 및 푸셔 툴(pusher tool)을 사용합니다. 씰의 내경이 단면 사이즈 대비 최소 15배 이상 되어야 사용 가능합니다. 이하의 경우 스트레칭 후 영구 변형(permanent deformation)이 발생할 수 있습니다.

스트레칭 가이드에 씰을 삽입합니다. 필요 시 씰을 오일, 에어 또는 수액 중에 약 150도까지 가열하면 씰의 스트레칭이 부드럽게 됩니다. 가열 시 씰이 연하여지므로 손상이나 버닝에 주의합니다.

푸셔 툴을 사용하여 가이드 램프 상의 씰을 밀어 주어 신속하게 그루브에 안착시켜 줍니다. 씰의 뒤틀림이 발생하지 않도록 주의합니다.

리사이징 툴을 사용하여 그루브에 안착된 씰에 수 분 간 압축력을 가하여 씰이 원래 사이즈로 수축할 수 있도록 합니다. 내경이 씰의 단면 대비 100배 이상의 씰은 상기의 툴을 이용하지 않고 손으로 삽입이 가능합니다. 우선 한 쪽을 그루부에 삽입한 후 차츰 다른 쪽을 삽입하여 삽입을 완성합니다.

로드(rod) 씰의 장착

스냅링 리테이너(snap-ring retainer) 그루브