CN100366959C - 用于压气机阀的密封元件 - Google Patents

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Abstract

在用于自动控制的压气机阀的、由填充有纤维增强物(11)的塑料(12)构成的密封元件(3、3’、3”)中，考虑到局部的不同的要求，所述纤维增强物(11)和/或周围的塑料(12)以不均质的分布和/或具有局部的不同的材料特性的方式存在于制成的密封元件(3、3’、3”)中。为了避免纤维断裂和由此而出现的裂纹危险，可以将表面附近的区域(14)设计成无纤维的，优选还利用与所述密封元件(3、3’、3”)其他部分不同的材料。

Description

用于压气机阀的密封元件
技术领域
本发明涉及用于自动控制的压气机阀的密封元件，特别是密封板、密封垫圈和密封片，所述密封元件由填充有纤维的增强物的塑料构成。
背景技术
这样的密封元件多年来作为原料应用于受高动负荷的自动控制的压气机阀的关闭机构中。对此可参见例如EP 40 930 A1、EP 933 566 A1或US 3 536 094 A。在短纤维增强物的情况下(纤维长度典型地在0.1至0.3mm的范围内)。塑料大多以压铸法制造，除有时由形状或生产决定的微小的不均质性外，这种方法得到沿构件厚度以及沿半径或长度的均质结构。这在长纤维增强的塑料中以织物或各个纤维束(粗纱)的形式填充的纤维增强物的情况下也是类似的，其同样显示出较均质的结构。
虽然纤维增强的塑料基本上是众所周知的，并且用于这样的密封元件其实际上也基本具有最适宜的特性。但使用至今已知的这样的密封元件常常产生不能令人满意的使用寿命问题。特别在高速运转的压气机中的高动负荷的情况下常常在较短时期以后就已出现损坏或断裂。其迄今阻碍了这种大有希望的材料的继续使用。
发明内容
本发明的目的是，克服已知的所述类型的密封元件的上述缺点并且特别是将这样的密封元件设计成使其用简单的方法可达到较高的使用寿命。
本发明为达到所设定的目的，从以下判断出发，在研究失效的(撕裂的，断裂的，...)现有技术的密封元件的样品时，出现这种判断，亦即材料应力及与其相关的对材料的要求强烈地取决于在构件中相应的局部位置。例如在密封元件的外表面上的冲击负荷(如在密封板撞到阀座上或密封片撞到开口边界上时)与纯弯曲(即使高动力弯曲)相比，对所用材料提出完全不同的要求。位于或紧贴在这样的受冲击负荷的元件的下面的纤维在反复的冲击下随时会断裂并且进一步可能引起从裂面开始向周围材料的裂纹增长或者甚至还导致阀座上的磨损。类似的判断在于例如，密封元件芯部的纤维几乎无助于弯曲刚度，但却强烈地降低其本身要求的阻尼性能。
从这些和在这个方向的各种其他的判断出发，现在按照本发明要达到所提出的目的在于，考虑到局部不同的要求，所述纤维增强物和/或周围的塑料在制成的密封元件中以不均质的分布和/或具有局部不同的材料特性的方式存在。也就是说，现在完全针对各个局部面临的要求最好地确定了塑料与纤维增强物的结合并且准确地适合这些要求或适合对它们的考虑。借此在例如要考虑脉冲式冲击或要延缓由此产生的损坏的地方，这样的结合系统因此可以要求配合以较坚韧的材料，例如其中设有不大坚硬的纤维增强物或者相应地更坚韧的塑料(或两者)。同样对于不要求阻碍阻尼的刚度的区域也是如此，在这里通过适当的材料组合或局部的要求，一项考虑还可以导致整个密封元件的显著改善。
在本发明的特别优选的实施形式中，设定为，面向制成的密封元件的支承面和/或止挡面的表面附近的区域，优选直到至少相当于纤维直径的两倍至三倍的深度内没有纤维增强物。借此在一方面可以避免上述的表面附近的纤维断裂和避免在某些情况下出自那里的裂纹而另一方面通过这样的无增强层还可以更好地缓和或分配冲击。
按照本发明的另一优选的实施形式，无纤维的表面附近的区域由与所述密封元件其他部分不同的材料构成，优选其具有较高的韧性和/或较高的阻尼和/或较高的耐疲劳裂纹性，这提供关于密封元件的坚固性的进一步优点。
由于通过这样的无纤维的覆盖层，特别是在其包括提高的韧性的材料的实施形式中，在某些情况下，可能妨碍了通过铣削等对从毛坯板制成的密封元件的形状进行的通用机加工，特别对于这些应用来说，利用高压水射流的切割已证明是特别有利的。
在最后所述的关系中在这里要指出，即使在至今已知的开头所述的密封元件中紧接最外面的表面层也常常是无纤维的，因为不仅在用短纤维增强的塑料的压铸制造中而且在用长纤维增强的塑料借助于连续的或间歇的挤压法进行的制造中，最外面的邻接模具的纤维直到其与塑料的实际接触线是垫底的。这样的“无纤维的”表面层尽多也仅仅是极薄的(在千分之几毫米的范围内)并且大部分在精加工密封元件时又被去掉。与其相反，按照本发明的无纤维的表面附近的区域很厚(典型地约0.05至0.2mm)并且已知在终加工时不会被去掉。此外，同样在与很不同的无纤维增强物的以前的低负荷塑料制品有关的所谓二组分压铸中已知仅仅在制造的产品的外表面区域采用高级的材料，在其凝固以前从内部几乎填满低质的材料，用这种方式在表面附近的区域得到另一种材料。但在该已知的制造方法中绝不是将使一受高负荷的构件的局部特性适合于各局部面临的负荷的要求放在重要地位而其努力仅仅是通过用高级的表面材料覆盖较低质的芯部材料以达到节省成本而已。
按照本发明的另一优选的实施形式设定为，一敷设在支承面与止挡面之间的中间层相对于邻接的层具有较少的纤维增强物，优选相对于邻接的区域具有减少的纤维体积部分。对此可以优先考虑这种情况，即，如上所述，该中间层远不如在其两侧敷设的表面附近的层对要求的元件刚度的贡献大，但其中在中间层对此以前没有有意义地使用的增强材料对整个元件本身符合要求的阻尼产生不利的影响。通过这种现在完成的匹配提供一种所谓“梯度材料”，其中例如沿密封板的厚度还可以实现多次发生变化的纤维体积部分。
在本发明的进一步的实施形式中，纤维增强物具有至少一层基本上平面的、在其平面内具有至少在相当大程度上与方向无关的纤维定向的未编织的非织造织物(杂乱纤维垫)，和/或至少一层基本上平面的纤维织物或针织织物。除了当然同样给出的可能性，即简单地以不同的相对间距在密封元件的厚度上分布设置的同种的平面的纤维增强物以外，对此可以组合较厚的长纤维的平面的织物或针织织物(包裹在薄层内的许多纤维增强物具有较大的增强效果)的优点和较松散的杂乱纤维垫(通过没有那么紧密包裹的长纤维的实际均匀地分布的定位得到改善的阻尼同时足够的刚度)的优点。此外，当然也可以通过各个长纤维束或绳在其中单独地或附加地提供纤维增强，这在要考虑局部不同的要求时是必需的。
在本发明的范围内，这样的“梯度材料”不仅可以用短纤维增强的塑料，例如以压铸法加工的，而且可以用长纤维增强的塑料来实现。加工在最后所述情况下可以例如在双带挤压机上通过连续挤压或用单个的挤压模具通过间歇的挤压来进行。在一热塑性基体的情况下将熔体或粉末涂覆在织物或增强纤维上并紧接着将两者共同挤压或者以厚度在0.02mm至2mm范围内的相应的塑料薄片与增强织物或垫堆叠在一起并在压力和提高的温度下挤压。在热固性树脂系的情况下，可将树脂涂覆在平面的增强件上并在常温和常压下时效硬化。
按照本发明的另一有利的实施形式，纤维增强物的不均质分布由一层或多层平面的纤维粘合织物的尺寸和/或形状和/或材料和/或空间的设置或分布决定。这能够以简单的方式考虑到在强度、刚度、阻尼方面或制成的密封元件的局部不同的要求。
按照本发明的一特别优选的实施形式，在平面的纤维粘合织物中的单纤维的长度至少大部分大于2mm，优选至少大部分大于4mm，不同于纤维长度在十分之几毫米范围内的短纤维增强材料，这能够在较少的纤维部分的情况下得到充分的增强效果并从而也得到足够高的保持的阻尼。
制成的密封元件中的中间的纤维体积部分优选处在5-30％的范围内，特别优选在10至20％的范围内，如以上所述，这并不妨碍对这样的密封元件及作用在其上的大部分高的动负荷的在密封元件本身内的有利的阻尼同时足够的刚度。
在本发明的另一优选的实施形式中，纤维增强物包括玻璃的、芳酰胺的、钢的、陶瓷的或碳的纤维或其混合物，优选包括碳纤维，以及由热固性的或热塑性的塑料组成的周围塑料，特别是环氧树脂，双马来酰亚胺树脂(Bismaleinimidharz)、聚氨酯树脂、硅树脂、PEEK、PA、PPA、PTFE、PFA、PPS、PBT、PET、PI或PAI，优选由PEEK、PFA或PPS组成。所有这些材料或由其可能的材料组合作为用于本发明目的的材料已证明是最适用的并且在密封元件的足够的强度和刚度的同时也提供足够的阻尼特性、韧性和耐疲劳裂纹性等。
附图说明
以下借助于局部示意的附图更详述地说明本发明。诸附图中：
图1示出具有按照本发明构成的密封板的局部剖的压气机阀的透视图；
图2示出一未再示出的具有按照本发明构成的密封片的压气机的作为压力阀的片式阀的局部剖面；
图3为按照图2的密封片的俯视图；
图4为具有按照本发明的各个密封垫圈的局部剖的压气机阀的透视图；
图5为图1中的横截面V的放大图；以及
图6为按照图5的横截面中的局部的或分层的不同的纤维增强的象征化图；
图7为作为纤维增强用于例如按照图1至4的密封元件中的一部分织物的示意图；
图8为图7中的细部VIII的放大图；
图9为作为纤维增强用于例如按照图1至4的密封元件中的一部分杂乱纤维垫的示意图；
图10为图9中的细部X的放大图；
图11为一示意的加工装置用来借助一单个挤压模具间歇地挤压以便制造本发明的密封元件的毛坯板；
图12和13为例如通过在双带挤压机上的连续挤压制造本发明的密封元件的毛坯带的加工装置。
具体实施方式
按照图1的自动控制的压气机阀基本上包括一阀座1，其基本上成环形同心设置的通孔2由一密封板3覆盖，该密封板3本身受来自一捕集器4借助于螺旋弹簧5向阀座1方向的负荷。一中间的螺钉9将各部件连接在一起；图中未示出周围的结构。在超过一由弹簧5预定的压力差以后密封板3由于从阀座1上的升起而打开通孔2，借此压力介质可以流过密封板3中的同心的开口6和在捕集器4中配置的流出孔7。
密封板3从阀座1上或从在那里制出的密封边8上的升起、在超过一由阀结构预定的上升间隙之后对捕集器4上的对应面的碰撞以及在阀开孔的端部再度发生密封板3对阀座1或密封边8的碰撞均根据未示出的压气机活塞的往复运动及由其决定的介质流动态地直到高动态地自动进行，这相应地造成了密封板3的动负荷，这对于所有参与的部件的足够高的使用寿命来说对结构和材料选择提出特别的要求。
在按照图2的片式阀中，阀座1只设有一个圆形的通孔2，其密封边8与一基本上纵向延伸的密封片3’协同操作，该密封片3’在一侧借助于螺钉9又与一同样纵向延伸的捕集器4一起固定在阀座1。密封片3’在这里不受单独的弹簧负荷并且在阀的关闭状态下必要时通过内部的预应力紧密地贴靠到阀座上，图2中所示的是在密封片3’在其可能的升程的终点完全贴紧到捕集器4上以前的一个已升起的中间位置。除所示的具有一唯一的为密封片3’配置的通孔2的结构形式以外，但无疑也可以由一共同的密封片3’覆盖或控制更多个相邻的这样的通孔。这里也由于一未再示出的压气机活塞的动力直到高动力的来回运动，密封片3’特别是在其面向通孔2的自由端发生动力运动和动负荷，另外在螺钉9与密封片3’的自由端之间的区域内还产生动力弯曲负荷，这因此产生与图1稍微不同的密封片的总负荷。
图4中的压气机阀在某种方式上又类似于图1中的，这里设有同心的通孔2的阀座1和相应的捕集器4也借助于中心螺钉9夹紧在一起。但这里不用单件的密封板3而是设有各个同心的密封垫圈3”，其受来自捕集器4借助于在套筒10中设置的弹簧5的单独的负荷，因此它们也可以在阀座1与捕集器4之间进行彼此分开的独立运动。再次根据未再示出的压气机的周期性活塞运动或由其决定的压力变化产生密封垫圈3”的动力运动和动负荷，但其中由于各个密封垫圈3”再次产生与图1阀中的情况不同的负荷特征。
在图1至4中示出全部的本发明密封元件的应用实例，由于在密封边缘或在捕集器上的碰撞时的表面冲击均受动态直到高动态负荷，其关于结构设计和材料选择，尤其关于由填充有纤维增强物的塑料制成的密封元件处于重要地位的设计，在全部情况下均导致了对要考虑的问题的类似的有利解决方案。
按照本发明，考虑到局部不同的要求以不均质的分布和/或具有局部不同的材料特性的方式将按照图5至13的纤维增强物11和/或周围的塑料预置于制成的密封元件3、3′和3″中。借此可以针对和适应各个局部面临的要求最好而准确地按这些要求或对其考虑地来确定塑料和纤维增强物的结合。由此可以例如按照图5设定为，制造的密封元件3的面向支承面和止挡面的表面附近的区域14，例如直到约相当于单纤维15的直径的三倍的深度内没有纤维增强物11。借此可以避免表面附近的纤维断裂，如其例如由于在密封元件3对密封边8的碰撞时的高的动负荷可能产生的，和避免在某些情况下出自那里的裂缝，而另一方面甚至还可以更好地缓和冲击或沿密封元件3的横截面更好地分布产生的负荷。这些无纤维的表面附近的区域14也可以由不同于在常用的密封元件3中所用的塑料之材料构成，例如具有较高的韧性或阻尼的材料，这提供进一步的优点。
同样，由图5和图6还可看出，其中在支承面和止挡面13之间敷设的中间层16相对于邻接的层具有较少的纤维增强物，其中通过相对于邻接的区域的减少的纤维体积部分来实现。对此考虑到该中间层远不如在其两侧敷设的表面附近的层对要求的密封元件3的刚度的贡献大，但其中在中间层对此以前没有有意义地来使用的增强材料对整个元件本身符合要求的阻尼产生不利的影响。
通过按照图5和6的纤维增强物11的设计和配置形成一“梯度材料”，其中沿密封板3的厚度实现了多次发生变化的纤维体积部分。其中在各个区域或层之间的过渡宁可是连续的，但除此以外也可以在各个层之间在特性上设定成多多少少明显的跃变。除了只沿密封元件的厚度可以例如考虑图2和3的密封片3′中的特殊负荷情况关于密封元件的局部特性的变化以外也可以设定纤维增强物和/或周围的塑料沿密封片3′的纵向方向的变化，以这样的方式可以更好地考虑到高的动态弯曲负荷以及冲击负荷。
按照图7和8作为纤维增强物11设置基本上平面的纤维织物或针织织物17，其由称为粗纱的具有大量单纤维15的纤维束构成。除此以外，按照图9至11的平面的纤维增强物11也可以至少一个基本上平面的、非纺织的非织造织物18(所谓杂乱纤维垫或英语称“非织造纤维织物”)构成，在其平面内具有至少在相当大程度上与方向无关的纤维定位(对此参见图9和10)。通过由此可能的对称的和均匀的结构防止在密封元件中产生内应力和出现弯曲。由于优选的至少大部分的长纤维长度大于2mm，在两种情况下得到高的增强效果，因此用不多的纤维部分(在制成的密封元件中优选的平均纤维体积部分在5至30％的范围内)就可实现要求的密封元件的刚度。另外借此得到密封元件沿厚度方向的有利的阻尼特性和由于较小的沿厚度方向的弹性模量还得到高的紧密度和在应用中的快速的独一密封。特别是单纤维15在非织造织物中的均匀的或与方向无关的分布防止在边界的脱层并且使其例如即使在粘性很高的聚合物熔体的情况下也能容易浸渍。
图11中象征性地示出一毛坯板的制造，然后可以由其通过水射流切割法(其即使在比较弹性的或坚韧的表面层的情况也可保证优异的加工性能)切割密封元件以便用于按照图1至4的用途中。其将塑料薄片12和非织造织物18的各交替的层相叠并且在一挤压模具19中在加热下借助于压头20挤压而成。通过各层的数量、厚度、顺序、材料选择等可以为毛坯板提供如此不同的特性，即制成的密封元件准确地得到适应于各个应用情况的特性。这样，例如通过较厚的无纤维覆盖层和相对于常用的密封元件横截面在中间减少的纤维体积部分可以得到按照图5和6的结构，其中一方面在足够的刚度情况下保证密封元件的优异的阻尼而另一方面可以使其不会由于在表面上的冲击负荷出现表面附近的纤维断裂及其随后的裂纹增长。为了能够提供局部的例如提高的刚度，还可以使用按照图7的织物17附加到各个非织造织物18上或其一部分上，这使其在较薄的层内能够有高的增强效果。此外，也可以单独地或附加地使用各个长纤维束(例如图8中所示)，以便还能更好地考虑到指定的局部要求。
按照图12，即便是成基本上带形的半成品的加工也可以通过连续的挤压在双带挤压机21上进行，其中由输送辊22供给交替的塑料薄片12和非织造织物18或织物17并且在双带挤压机的区域进行热挤压。
不同于图12，按照图13在一热塑性基体的熔体或粉末的情况下借助于在各非织造织物或织物17之间的输送装置23将其输入并紧接着将其全部共同在双带挤压机21中进行挤压。类似地对热固性树脂系也是如此，其中通过输送装置23将树脂涂覆到非织造织物18或织物17上并在常温和常压下使之时效硬化。

Claims (19)

1.密封元件，用于自动控制的压气机阀，所述密封元件由填充有纤维增强物(11)的塑料构成，其特征在于，考虑到局部不同的要求，所述纤维增强物(11)和/或周围的塑料(12)在制成的密封元件(3、3′、3″)中以不均质的分布和/或具有局部不同的材料特性的方式存在。
2.按照权利要求1所述的密封元件，其特征在于，面向制成的密封元件(3、3′、3″)的支承面和止挡面(13)的表面附近的区域(14)没有纤维增强物(11)。
3.按照权利要求2所述的密封元件，其特征在于，无纤维的表面附近的区域(14)由与所述密封元件(3、3′、3″)其他部分不同的材料构成。
4.按照权利要求1至3之一项所述的密封元件，其特征在于，一敷设在支承面和止挡面(13)之间的中间层(16)相对于邻接的层具有较少的纤维增强物(11)。
5.按照权利要求1所述的密封元件，其特征在于，纤维增强物(11)具有至少一层基本上平面的、在其平面内具有与方向无关的纤维定向的未织的非织造织物(18)和/或至少一层基本上平面的纤维织物或针织织物(17)。
6.按照权利要求5所述的密封元件，其特征在于，纤维增强物(11)的不均质分布由一层或多层平面的纤维粘合织物(17、18)的尺寸和形状和材料和空间的设置或分布决定。
7.按照权利要求5或6所述的密封元件，其特征在于，在平面的纤维粘合织物(17、18)中的单纤维(15)的长度至少大部分大于2mm。
8.按照权利要求1至3之一项所述的密封元件，其特征在于，制成的密封元件(3、3′、3″)中的中间的纤维体积部分处在5-30％的范围内。
9.按照权利要求1至3之一项所述的密封元件，其特征在于，纤维增强物(11)包括玻璃的、芳酰胺的、钢的、陶瓷的或碳的纤维或其混合物，而周围的塑料(12)由热固性的或热塑性的塑料组成。
10.按照权利要求1所述的密封元件，其特征在于，密封元件是密封板(3)、密封垫圈(3″)和密封片(3′)。
11.按照权利要求1所述的密封元件，其特征在于，面向制成的密封元件(3、3′、3″)的支承面或止挡面(13)的表面附近的区域(14)没有纤维增强物(11)。
12.按照权利要求5所述的密封元件，其特征在于，纤维增强物(11)的不均质分布由一层或多层平面的纤维粘合织物(17、18)的尺寸或形状或材料或空间的设置或分布决定。
13.按照权利要求2或11所述的密封元件，其特征在于，所述区域(14)直到至少相当于纤维直径的2倍至3倍的深度内没有纤维增强物(11)。
14.按照权利要求3所述的密封元件，其特征在于，所述区域(14)具有较高的韧性和/或较高的阻尼和/或较高的耐疲劳裂纹性。
15.按照权利要求4所述的密封元件，其特征在于，所述中间层(16)相对于邻接的区域具有减少的纤维体积部分。
16.按照权利要求7所述的密封元件，其特征在于，在平面的纤维粘合织物(17、18)中的单纤维(15)的长度至少大部分大于4mm。
17.按照权利要求8所述的密封元件，其特征在于，制成的密封元件(3、3′、3″)中的中间的纤维体积部分处在10至20％的范围内。
18.按照权利要求9所述的密封元件，其特征在于，纤维增强物(11)包括碳纤维，而周围的塑料(12)由环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚氨酯树脂、硅树脂、PEEK、PA、PPA、PTFE、PFA、PPS、PBT、PET、PI或PAI组成。
19.按照权利要求18所述的密封元件，其特征在于，周围的塑料(12)由PEEK、PA、PFA或PPS组成。
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