CN101223390B - 低温介质泵的活塞杆密封结构 - Google Patents

Abstract

活塞杆密封结构用于具有活塞杆(2)的低温介质泵。相对于气缸(18)的密封是由在气缸(18)中的至少一个管状迷宫密封件(23、24)来实现的，该活塞杆(2)能在该管状迷宫密封件中往复运动。在示例中示出的气缸(18)中的两个管状迷宫密封件(23，24)以串连方式彼此靠近设置，并且其径向各处均具有设定的间隙。管状迷宫密封件(23，24)的每个端面均借助环状密封件(27，28)与该气缸(18)密封。管状迷宫密封件(23，24)是由具有一定玻璃纤维成分的特氟纶族材料制成。

Description

低温介质泵的活塞杆密封结构

技术领域

本发明涉及一种低温介质泵的活塞杆密封结构(Kolbenstangendichtung)。低温介质是指低于约-10℃的如下深冷(tiefkalt)流体，例如以液态形式存在的空气成分：低于-196℃的氮气(N2)、低于-183℃的氧气(O2)、低于-186℃的氩气(Ar2)、低于-20℃的二氧化碳(CO2)以及处于-253℃的氢气(H2)，等等。在专业术语中，所提及的以液态形式存在的元素是以液氮(LiN)、液氧(LOx)、液氩(LAr)、液氢(LH2)和其它气体名称来命名的。

背景技术

这种深冷液体是以使用大型机器技术的规模来进行生产的，其通过冷却或提纯空气从而使其分离以得到组成成分，也可对水进行分解从而得到氢气。然后单一的纯的液态成分就可以贮存在特殊的低温罐中，并通过装备有特殊隔离低温罐的卡车进行转运。在一定程度上，由于存在着不可避免的环境热侵入，一部分处于近似沸腾状态的低温液体会受热连续蒸发。

在将低温液体灌装进高压瓶，或从低温罐中将低温液体灌装进高压瓶中时，如氩、氮、氧、二氧化碳、甲烷等的低温液体，在200bar左右的压力下先被泵送进大气蒸发器中，接着以气态装进要灌装的高压瓶中。这些高压瓶例如可以水平状态安装在卡车上，此后通过公路运输到指定的地点，并在那里对静止的压力罐或压力瓶进行灌装。灌装设备的薄弱环节总是出现在用于输送低温液体的泵上。

该泵通常设计成活塞泵，活塞泵的活塞可以在两个方向输送低温液体，这样可以免除吸取冲程。但是，通常对于活塞泵来说，必须设有连杆将转动转化成往返运动。由此，活塞完成理论上的纯粹平动，并且根据设计的情况，活塞在气缸中运行的距离也或长或短。活塞也可以设置在两段式活塞杆的端部，该活塞杆的一侧在气缸衬套(Zylinderrohr)中运动，该活塞杆密封在该气缸套中，以在低温使用时获得最大的热密封效果。该密封效果是通过活塞杆的后部区域来实现的。通常，活塞杆是用帽状皮碗密封组件或唇形密封组件(Lippendichtungpackung)相对气缸套进行密封的。这种组件由两个隔离环(Laternenring)或O形圈构成，在两个隔离环或O形圈之间设置有一定数目的支承环，其中，每个支承环支撑着一个帽状皮碗密封件或唇形密封件。在帽状皮碗密封组件的活塞侧还另设置有一组盘簧，通过由插入衬套给盘簧施加负载的方法，来使得盘簧在活塞侧压向支撑O形圈。除了帽状皮碗密封组件，目前还使用管状特氟纶(Teflon，聚四氟乙烯)密封件来进行密封，管状特氟纶密封件被固定在气缸套的凹槽中，并且活塞杆能在管状特氟纶密封件中运动。在后侧，活塞杆从活塞-气缸单元在后侧突出，并在突出的部位通过机械或液压方式对活塞-气缸单元进行操作。相比帽状皮碗密封组件，使用特氟纶密封件可以获得较好的密封效果，然而其寿命却差强人意。因为连杆的活塞杆不是精确地沿运动方向承受力的作用，并且只是通过引导被动地在气缸衬套中进行运动，所以经过一定时间后，在特氟纶密封件的两端就会观察到受损现象，由此，在密封件的两端都会出现明显的损坏痕迹。正因为这种情况，使得特氟纶密封件的寿命明显降低，对低温活塞泵来说，特氟纶密封件的寿命维持在1500小时左右，在最好情况下也就4000小时。经过这样长的时间段后，就必须拆开活塞泵更换密封件，这自然会产生费用，不仅因为要更换密封件，而且还因为要使泵停运。需要连续用泵的实际应用越来越多，对此，需要泵的寿命至少能够连续运行12个月，最好具备更长的寿命。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种制备低温介质泵的活塞杆密封结构，在具有良好热密封的同时，还具有实质上更长的寿命，这样既可以延长泵的维修间隔，还能使这种泵的运行经济效益有所增加。

本发明的目的能通过低温介质泵的活塞杆密封结构来实现，所述泵具有活塞杆，活塞杆与气缸之间的密封由在该气缸中的至少一个管状迷宫密封件来实现，活塞杆可在管状迷宫密封件中往复运动。由此，管状迷宫密封件应具有这样的特征，即，气缸中的管状迷宫密封件沿径向各处均具有设定的间隙，并且管状迷宫密封件的每个端面借助O形圈相对气缸进行密封。

附图说明

在下列图中举例示出了活塞杆密封结构，并随后对其进行了说明：

其中：

图1：示出了低温介质活塞泵的纵向剖视图，其配备有呈管状迷宫密封件形式的活塞杆密封结构；

图2：示出了配备有活塞杆密封结构的活塞泵的一部分；

图3：示出了没有密封环的管状迷宫密封件的透视图；

图4：示出了第二种结构形式的活塞杆密封结构，其只配备有一个迷宫密封件；

图5：示出了第三种结构形式的活塞杆密封结构，其在插入唇形密封件的情况下配备有两个迷宫密封件；

图6：示出了第四种结构形式的活塞杆密封结构，其示出了迷宫密封件的外部密封件是直接加工出来的。

具体实施方式

图1示出了在运行时注入低温液体的活塞泵的冷端。低温液体在下侧通过开口1流进泵内。活塞杆2的前端与增压活塞(Ladekolben)3连接在一起，在增压活塞3上设置有悬挂式阀瓣4，阀瓣4和阀盘5以及阀盘5上的孔6共同作用。当增压活塞3向下运动时，低温液体能通过向前移动的阀盘5上的孔6流进汲腔7。当增压活塞3向上运动时，悬挂式阀瓣4将阀盘5上的孔6闭合，并且被增压活塞3向上带动的阀盘5挤压汲腔7中充满的低温液体，先通过输送管8，并最终通过分流管(Zapfleitung)9从泵流出。可能会有沿增压活塞3向上泄漏的低温液体会通过泄漏管10流回到泵中。

在此，活塞杆2的、位于附图上侧的端部11，和在此没有示出的可由马达驱动的传动机构连接在一起。活塞杆2和增压活塞3借助多个活塞环与冷端密封。首先，在增压活塞3上可以看见一组活塞环12。每一个活塞环12放置在固定环13中，固定环13通过盘簧14彼此压紧并通过盘簧14支撑。盘簧14给增压活塞3上的活塞环12提供压紧力。即使沿着增压活塞3可能出现的些许漏液也可以通过泄漏管10流回泵内。在活塞杆2上还设有其它活塞环16，活塞环16相对气缸18内的气缸套17密封。紧跟活塞环16的是导环19。在气缸套17的上端装配有带多个径向孔的隔离环20，这些径向孔和气缸18上的泄漏孔31连通。在隔离环20上方紧接着装配有一组盘簧21，在盘簧21的上方安装有间隔环26。紧跟着安装的是至少一个新型的管状迷宫密封件23。

在这里示出的实例中，两个所述的管状迷宫密封件23、24是以串连方式彼此靠近布置的，并且有意地以一定的径向间隙安装在气缸18中，该间隙的大小例如为0.5mm到1mm之间。这里在安装管状迷宫密封件23、24的两个实例中，管状迷宫密封件23、24是由含玻璃纤维成分的特氟纶族材料制成的模制件，玻璃纤维成份可以提高模制件的抗拉强度。管状迷宫密封件23、24的外侧是光滑的，但其内侧设置有多个深槽25，以此形成迷宫并用来产生气体涡流。管状迷宫密封件23、24的上部外边缘处要进行倒棱加工，从而在倒棱处所形成的空间能接纳相匹配的O形圈27、28。另一带有径向孔的隔离环29装配在上方的O形圈28上。另外，隔离环29连通通向外部的泄漏管32。只要流动介质通过用作泄漏探测器(Leckagesonde)的泄漏管32流到外面，就说明活塞杆2的密封不再正常，泵必须要进行校正。盘簧30设置在隔离环29的上方，在盘簧30上设置有导套31。在此，导套可以是所谓的衬套固定器，即由特氟纶和铜(Bronze)制成的自润滑DU-套筒。在所述的导套31上装配有支撑环22，在支撑环22的内侧装配有唇形密封件33。最终安装盘34借助螺栓35夹紧，以此使得安装的盘簧21和30承受负载。通过拧紧安装盘34可使盘簧21相互挤压并相应使O形圈27，28压向活塞杆2。活塞杆2精确配合到管状迷宫密封件23、24的内部中，并且活塞杆2在管状迷宫密封件23、24中可以配合精确地来回滑动。由于活塞杆2受到由连杆施加的与运动轴线(Translatorischen Achse)偏离的力冲击作用，通常配合精确且无间隙地装配的管状密封件会随着时间的推移而损坏。现在，通过将迷宫密封件23、24特意地以一定径向间隙安装到气缸中，从而迷宫密封件可以以足够小的数值一起运行，因力冲击作用方向的变化而产生的不均匀导向力由此可以补偿。由此，密封件可以避免受到损坏。在此，导向力将只通过气缸18来承受，而不再由硬度和抵抗能力与气缸相比毫无疑问相差较大的管状密封件来承受了。试验表明，与无间隙装配在气缸18中的、寿命在最恶劣的情况下仅有1500小时且在最好的情况下也最多达4000小时的通常的密封件相比，以所述类型设计的密封件可提供8000小时的寿命。

图2示出的是配备有特殊活塞杆密封结构的活塞泵的部分放大截面图，其中，活塞杆密封结构由两个管状迷宫密封件23、24组成，两个管状迷宫密封件以一定间隙进行装配。在隔离环20上紧接着安装的是该组盘簧21，在该组盘簧21上设置的是间隔环26，紧接就是有意地以一定径向间隙安装在气缸中的新型管状迷宫密封件23、24。如人们所看到的，管状迷宫密封件23、24的上部外边缘被倒棱，这样获得了用于接纳在配合于此处的O形圈27、28的空间。在上方的O形圈28的上方装配的是带有径向孔36的另一个隔离环29，径向孔36和泄漏管32连通，由此构成泄露探测器。在隔离环29的上方设置有两个盘簧30，在盘簧上设置导套31。在导套31上设置支撑环22，在支撑环内侧装配有可以看到的唇形密封件33。借助螺栓35，安装盘34可以夹紧。

图3示出了具有光滑外侧的管状密封件23、24和在管状密封件内侧上的槽25。所述密封件在外径为44mm和壁厚为4.5mm时，可具有例如48mm的长度。槽25具有约0.5mm到3mm的深度，并且以1mm到5mm的间隔布置。这些值仅适用于示例，并能在特定的结构形式中有所不同。位于密封件23、24的两端的外边缘要被倒棱。倒棱37构成的凸台可以容纳紧邻装配的O形圈。迷宫密封件23、24的内径、长度和壁厚之间的比例例如可以这样设定：对于直径为35mm的活塞杆而言，管状迷宫密封件23、24的长度可设定为约50mm，壁厚为约4mm。不言而喻的是，这样的尺寸比例只是用于示例，可根据不同的情况作不同的调整。

图4是气缸18中的管状迷宫密封件23的放大图，在气缸18中仅装配了一个迷宫密封件23。在其两侧可以看到位于倒棱37上的O形圈27、28。O形圈27、28的、分别和迷宫密封件23接触侧相对的另两侧紧靠在间隔环26、39的端面38上。在上方的间隔环39上设置的是隔离环29，而在下方间隔环上设置的是盘簧组21。

图5示出的是所述活塞杆密封结构的另一种可能结构。其中，两个管状迷宫密封件23、24彼此间隔设置。在两个管状迷宫密封件之间设置有内径比管状迷宫密封件23、24稍大的间隔环40。替代倒棱，两个密封件23、24的外棱处各设置有一个环形凹槽41，这样每个凹槽可以构成一个凸台。朝向连杆的上方的迷宫密封件24借助凸台支承各唇形密封环42。唇形密封环42在横截面中形成两个卡腿(Schenkel)，所述卡腿朝向相邻间隔环39、40的端面43，并在唇形密封环上装配管状迷宫密封件24。具体地，在管状迷宫密封件24的两端外侧具有圆形环绕的、横截面呈矩形的凹槽41，在该凹槽41中以精确配合的方式填充有横截面呈U形轮廓的唇形密封环42，其中，U形轮廓的两个卡腿朝着气缸18中相邻间隔环39、40的端壁方向露出。唇形密封环42的外侧和管状迷宫密封件24的外侧齐平。在活塞杆平移贯穿滑动时，如果管状迷宫密封件24在气缸18中于其间隙范围内沿径向自由地来回运动，那么所述唇形密封环42的卡腿就处于相应的弹性屈服状态。对于第二个相邻装配的管状迷宫密封件23而言，唇形密封环42应设计成将迷宫密封件23和气缸18间的间隙沿径向完全塞满。在活塞杆运动时，所述的迷宫密封件23沿径向不会剧烈运动。然而，所述的迷宫密封件同样可以在其间隙范围内运动，此时，唇形密封环42可以通过弹性收缩来吸收这种运动。

图6示出的是另一种可能的结构形式。该活塞杆密封结构示出了，外部密封件可以小唇形件42的形式直接在迷宫密封件自身上加工出来。所述方案可以不使用其它密封件。圆唇形件42可直接在活塞杆密封结构上加工而成。此时，可以对一个或多个唇形件42进行加工，以便使摆动的活塞具有一定的柔韧性。在迷宫密封件的外侧和气缸之间具有一定间隙，以此，迷宫密封件能够与活塞的侧向摆动一起运动。

附图标记一览表

1泵的下开口                 2活塞杆

3增压活塞                   4阀瓣

5阀盘                       6阀盘中的孔

7汲腔                       8输送管

9分流管                     10泄漏管

11活塞杆的端部11            12增压活塞的活塞环

13增压活塞环的固定环        14增压活塞的盘簧

15增压活塞环的支承环        16活塞杆的活塞环

17气缸内的气缸套            18气缸

19导环                      20隔离环

21盘簧                      22隔离环中的泄漏孔

23下方的迷宫密封件          24上方的迷宫密封件

26间隔环                    27O形圈

28O形圈                     29带径向孔的隔离环

30盘簧                      31导套

32泄漏管                    33唇形密封件

34安装盘                    35螺栓

36径向孔                    37倒棱

38间隔环的端面              39间隔环

40间隔环                    41环形凹槽

42唇形密封环                43端面

Claims (8)

1.低温介质泵的活塞杆密封结构，该低温介质泵具有活塞杆(2)，该活塞杆与气缸(18)之间的密封是由在该气缸(18)中的至少一个管状迷宫密封件(23、24)实现的，所述管状迷宫密封件的内侧具有环槽(25)且具有光滑外表面，该活塞杆(2)能在所述的迷宫密封件中往复运动，其中在该气缸(18)中所述管状迷宫密封件(23、24)的径向各处均具有间隙，其特征在于，所述的管状迷宫密封件在偏压力的作用下沿轴向保持在盘簧之间，从而所述的管状迷宫密封件(23、24)的每个端面均借助O形圈(27、28；42)与该气缸(18)密封。

2.按照权利要求1所述的低温介质泵的活塞杆密封结构，其特征在于，两个所述的管状迷宫密封件(23，24)以串连方式设置。

3.按照权利要求1所述的低温介质泵的活塞杆密封结构，其特征在于，所述的管状迷宫密封件(23，24)是由含有一定玻璃纤维成分的PTFE族材料制成。

4.按照权利要求1所述的低温介质泵的活塞杆密封结构，其特征在于，所述的迷宫密封件(23，24)的内径、长度和壁厚之间的比例设置为：当活塞杆的直径是35mm时，所述的管状迷宫密封件(23、24)的长度约为50mm，壁厚约为4mm。

5.按照权利要求1所述的低温介质泵的活塞杆密封结构，其特征在于，所述的管状迷宫密封件(23、24)的外边缘(37)具有用于装配O形圈(27、28)的倒棱(37)。

6.按照权利要求1所述的低温介质泵的活塞杆密封结构，其特征在于，在所述的管状迷宫密封件(24)的两端外侧具有圆形环绕的、横截面呈矩形的凹槽(41)，在该凹槽(41)中以精确配合的方式填充有横截面呈U形轮廓的唇形密封环(42)，其中，所述U形轮廓的两个卡腿朝着该气缸(18)中相邻间隔环(39、40)的端壁方向露出。

7.按照权利要求6所述的低温介质泵的活塞杆密封结构，其特征在于，所述的唇形密封环(42)的卡腿比所述凹槽(41)的深度长。

8.按照权利要求1所述的低温介质泵的活塞杆密封结构，其特征在于，在所述的管状迷宫密封件(23、24)上直接加工有密封唇(42)，以避免使用附加的密封件。

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