CN101476623B - 密封装置和阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密封装置和阀。密封装置包括：形成有孔的第一部件和第二部件，第二部件装设于第一部件的孔中且形成有第一和第二轴肩，并在其外周面上形成有环槽；设置在环槽中的O形环；第一和第二导向环；以及第一和第二止挡件。第二部件利用第一和第二止挡件相对于第一部件轴向定位，第一导向环位于第一轴肩与第一止挡件之间，第二导向环位于第二轴肩与第二止挡件之间。第一轴肩的环形表面是截锥形表面，而第一导向环的与第一轴肩相对的轴向端面也形成为截锥形表面，使得第一导向环在承受轴向压力时倾向于径向向外滑动，第一导向环由具有弹性和密封功能的材料制成，且在组装状态下承受轴向压力并产生预定压缩量。

Description

密封装置和阀

技术领域

本发明涉及一种密封装置以及采用该密封装置的阀。

背景技术

在彼此之间存在相对运动，比如相对转动或相对线性移动或者同时存在相对转动和相对线性移动，的两个部件之间，实现可靠密封一直是一个难点。传统的设计是将静态密封和动态密封由一个密封部件，例如O形环，承担，图1示出了采用该种O形环的球阀100。

如图1和2所示，球阀100包括设置于阀腔中的、作为启闭件的球体10以及用以驱动球体转动的阀杆3，该阀杆3由黄铜或不锈钢制成。球体上形成有凹槽11和贯穿孔12，而阀杆3的一端形成有与凹槽11相适配并插装于该凹槽中的柄部32。

如图2所示，阀杆主体部31装设于自球阀主体延伸出的外伸套筒20所限定的孔21中，并借助于装设于阀杆主体部上形成的环形槽33中的O形环1实现阀杆主体部与外伸套筒内壁之间的密封。

此外，如图2所示，球阀还包括两个由RPTFE(即添加有碳纤维、玻璃纤维或二硫化钼等的聚四氟乙烯(特氟隆))制成的导向环2以及由不锈钢制成的垫片4，两个导向环2分别设置在阀杆主体部31的轴向两端，其中下部导向环2设置在阀杆主体部下部台肩35与环形凸缘40之间，该环形凸缘40形成在球阀阀腔与外伸套筒之间；而上部导向环2设置在阀杆主体部上部台肩36与垫片4之间。导向环2用以降低阀杆转动时的摩擦阻力并确保阀杆于外伸套筒的孔21中的对中，而垫片4用以将阀杆固定于外伸套筒中。如图2所示，外伸套筒于背离阀腔的一端形成有壁厚减薄的延伸部22，在组装状态下，延伸部向内弯折并压靠于垫片4，从而将阀杆连同导向环2固定就位。

另外，外伸套筒上形成有外螺纹，且球阀另外设置有由黄铜制成的阀帽5，而阀帽5上形成有内螺纹，从而借助于螺纹连接将阀帽5连接在外伸套筒上。如图2所示，阀帽密封件6设置在外伸套筒与阀帽5之间，用以实现两者之间的密封。从而借助于阀帽，实现球阀的附加密封保护。

在这种传统的用于制冷系统的球阀中，O形环由CR橡胶制成，因为CR橡胶可以与多种制冷剂和润滑油相兼容；且O形环被用来实现球阀的密封。

然而，在相对运动的阀杆3与外伸套筒20之间采用O形环并不能实现令人满意的密封效果，因为O形环磨损后，其磨损量不能得到补偿，导致密封效果下降。因此，O形环适于用作静态密封元件，而不宜作为动态密封元件。

此外，对于用于压力流体系统中的球阀而言，由于O形环两侧存在较大压差，容易造成O圈发生剪切。请参见图3A和3B，其分别示出了O形环两侧存在压差的情况下造成的O形环剪切以及O形环因剪切而造成的损坏。在O形环发生剪切损坏的情况下，会严重影响其密封效果。

因此，在相对运动的部件之间以及在用于传送压力流体的阀中，采用O形环作为密封元件存在有随着时间的推移密封效果逐渐下降的缺陷，从而可能导致流体的泄漏，而流体的外部泄漏量是衡量密封结构质量好坏的重要标准。此外，导向环2几乎没有弹性而不具有密封功能，且不能自动确保阀杆于外伸套筒的孔21中的对中。

发明内容

如上所述，在传统技术中，在诸如用于制冷系统的球阀中，静态、动态密封均由O形环来承担，这势必造成密封模式寿命减小、成本加大。因此，业内存在对成本低、密封寿命长、适用于静态和动态密封的密封结构的需求。

因此，本发明的目的是提供一种密封装置，其能够实现静态密封和动态密封双重效果。

本发明的另一目的是提供一种密封装置，其能够在确保两个相对运动部件之间的良好密封的同时，实现两个相对运动部件的自动对中。

为实现上述目的，根据本发明第一方面，提供了一种密封装置，包括：

第一部件，该第一部件形成有孔；

第二部件，该第二部件装设于第一部件的所述孔中并可相对于所述第一部件转动，且该第二部件形成有两个轴向彼此间隔开的第一轴肩和第二轴肩，并在其外周面上形成有位于所述第一轴肩和第二轴肩之间的至少一个环槽；

O形环，该O形环设置在所述第二部件的所述环槽中；

第一导向环以及第二导向环；以及

第一止挡件和第二止挡件，所述第一止挡件和第二止挡件或是与所述第一部件一体形成或是相对于所述第一部件保持固定；

其中，所述第二部件利用所述第一止挡件和第二止挡件相对于所述第一部件轴向定位，所述第一导向环位于所述第一轴肩与第一止挡件之间，而所述第二导向环位于所述第二轴肩与第二止挡件之间，

所述第一轴肩的环形表面是截锥形表面，而所述第一导向环的与所述第一轴肩相对的轴向端面形成为与所述第一轴肩的截锥形表面相适配的截锥形表面，使得所述第一导向环在承受轴向压力时倾向于径向向外滑动；

其中，所述第一导向环由具有弹性和密封功能的材料制成，在所述密封装置的组装状态下，所述第一导向环承受轴向压力并产生预定的压缩量。

优选地，所述第二轴肩的环形表面是截锥形表面，而所述第二导向环的与所述第二轴肩相对的轴向端面形成为与所述第二轴肩的截锥形表面相适配的截锥形表面，使得所述第二导向环在承受轴向压力时倾向于径向向外滑动。

优选地，所述第二导向环由具有弹性和密封功能的材料制成，在所述密封装置的组装状态下，所述第二导向环承受轴向压力并产生预定的压缩量。

优选地，所述第二部件在其外周面上形成有位于所述第一轴肩和第二轴肩之间的两个环槽，每个环槽设置有一个O形环。

优选地，所述O形环由CR橡胶制成。

优选地，所述第一导向环由PTFE制成。

优选地，所述第二导向环由PTFE制成。

优选地，所述第一止挡件和第二止挡件中的一个止挡件包括垫片，而所述第一部件包括壁厚减薄的轴向延伸部，在密封装置的组装状态下，该轴向延伸部径向向内弯折并压靠于所述垫片将所述垫片固定；所述第一止挡件和第二止挡件中的另一个止挡件由从所述第一部件径向向内伸出的突缘形成。

优选地，所述密封装置还包括帽，该帽上形成有内螺纹，而所述第一部件上形成有外螺纹，所述帽借助于螺纹连接连接于所述第一部件，且密封件设置在所述帽与所述第一部件之间。

优选地，所述第一导向环以及/或者述第二导向环在承受轴向压力时能够径向向外滑动。

根据本发明另一方面，提供了一种阀，包括：

阀体，该阀体限定一阀腔；

设置在所述阀腔中的启闭件；

阀杆，与所述启闭件操作连接并用以转动所述启闭件；以及

根据本发明第一方面的密封装置；

其中所述阀体包括自阀体延伸出的外伸套筒，该外伸套筒用作所述第一部件，而所述阀杆用作所述第二部件。

优选地，所述阀是球阀。

采用本发明的技术方案，以简单的结构实现了静态密封和动态密封的双重效果，且静态密封和动态密封彼此相对独立设计，延长了动态密封和静态密封的寿命且成本低。同时，采用本发明技术方案，在确保两个相对运动部件之间的良好密封的同时，实现了两个相对运动部件的自动对中。

此外，采用本发明的技术方案，实现了相对于流体压力的成比例的泄漏防护。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，其中

图1是透视剖视图，示出了传统的应用于制冷系统中的球阀；

图2是局部剖面视图，示出了图1中的球阀的密封结构；

图3A是局部放大轴向剖面视图，示出了O形环两侧存在压差的情况下造成的O形环剪切；图3B是O形环的截面视图，示出了O形环因剪切而造成的损坏；

图4是类似于图2的视图，以球阀为例示出了根据本发明的密封结构；

图5A是本发明阀杆的轴向剖面视图，其上装设有O形环和根据本发明的导向环；图5B是图5A中部分A的局部放大视图；

图6是本发明密封结构的局部剖面视图，其图示了本发明导向环的密封原理；以及

图7是轴向剖面视图，示出了根据本发明的导向环。

具体实施方式

下面以制冷球阀为例对本发明的密封结构进行详细的说明，该球阀可用于例如制冷和空调系统。在此，应当指出，本发明的实施例仅仅是例示性的，其仅只用于说明本发明的原理而非限制本发明。对本领域技术人员显而易见的是，本发明密封结构不限于用于球阀，也可以用于诸如蝶阀、旋塞阀等其他类型的阀中，而且还可以用于任何需要实现类似动态密封的场合。

在下面的描述中，与现有技术相类似的结构部件将赋予相同的附图标记，且其描述将予以简略。

首先参见图4，其示出了根据本发明的密封结构。如图4所示，本发明的与密封结构相关联的部件包括：由例如黄铜或不锈钢制成的阀杆3、装设于阀杆主体部31上形成的环形槽33中的、由例如CR橡胶制成的O形环1、由例如不锈钢制成的垫片4以及外伸套筒20等。

与附加密封保护相关联的部件包括由例如黄铜制成的阀帽5、设置在外伸套筒20与阀帽5之间的、由例如PTFE制成的阀帽密封件6。类似地，外伸套筒20上形成有外螺纹，而阀帽5上形成有内螺纹，阀帽5借助于螺纹连接在外伸套筒20上。

根据本发明的密封结构，还包括两个导向环2，两个导向环2分别设置在阀杆主体部31的轴向两端，其中下部导向环2设置在阀杆主体部下部台肩35与环形凸缘40之间，该环形凸缘40形成在球阀阀腔与外伸套筒20之间并用作止挡件；而上部导向环2设置在阀杆主体部上部台肩36与垫片4之间，该垫片4用作另一止挡件。

根据本发明，导向环2可实现下述功能：1)降低阀杆转动时的摩擦阻力；2)确保阀杆于外伸套筒的孔21中的自动对中；3)实现密封功能。因此，导向环2宜采用耐磨损、摩擦系数小、具有密封功能且在压力作用下产生弹性变形的材料制成。从而，导向环2可以降低阀杆转动时的摩擦阻力并实现动态密封。可用于制造导向环2的材料包括PTFE、橡胶、碳纤维、石棉、石墨、陶瓷纤维以及其他适于此目的的材料，其中PTFE是用于制造导向环2的较为优选的材料。

如图4-6详细所示，根据本发明，阀杆主体部形成有两个环形凹槽33，用以装设O形环。需要说明的是，阀杆主体部也可以只形成有一个环形凹槽，或形成有两个以上的环形凹槽。

阀杆主体部的上部台肩36的环形表面不与阀杆轴线相垂直，其为一截锥形表面，与和阀杆轴线相垂直的平面之间形成一锐角α1；换句话说，阀杆主体部的上部台肩36的环形表面在附图中自径向内侧到径向外侧向下倾斜。

类似地，阀杆主体部的下部台肩35的环形表面不与阀杆轴线相垂直，其为一截锥形表面，与和阀杆轴线相垂直的平面之间形成一锐角β1；换句话说，阀杆主体部的下部台肩35的环形表面在附图中自径向内侧到径向外侧向上倾斜。

请参见图7，其是导向环2的轴向剖面视图。如图7所示，导向环2的一轴向端面25不与导向环2的轴线相垂直，而是与和导向环2轴线相垂直的平面之间形成一锐角α2或β2。

优选地，α1与α2取值彼此基本相等，β1与β2取值彼此基本相等。考虑到加工误差等因素，也可以将角度α2设计为稍大于α1，例如α2＝α1+2°；以及类似地，可以将角度β2设计为稍大于β1，例如β2＝β1+2°。在一般情况下，可以将α(α1与α2)与β(β1与β2)设计为取值彼此基本相等；但也可以根据设计的不同要求，将α(α1与α2)与β(β1与β2)设计为：α(α1与α2)与β(β1与β2)取值彼此不等。

就确保阀杆于外伸套筒的孔21中的自动对中而言，角度α或β的取值范围并不受到特别的限制。但为了确保导向环在受到轴向压力作用时，能够沿阀杆主体部台肩的环形表面径向向外滑动进而实现可靠的动态密封效果，角度α或β的取值范围就要受到一定的限制，理论上α或β至少应大于摩擦角即自锁角，这一点是业内人士所熟知的，因此这里不做进一步详细的说明。

此外，如业内人士所熟知的，摩擦角或自锁角因摩擦副材料的摩擦系数的不同而不同。因此，当用以制造导向环和阀杆的材料不同时，摩擦角或自锁角也会不同；相应地，用于确保导向环在受到轴向压力作用时能够沿阀杆主体部台肩的环形表面径向向外滑动的角度α或β的取值范围也会不同。此外，角度α或β的取值可以根据导向环压缩空间的大小以及导向环的轴向初始压缩量进行选定。因此，就导向环能够径向向外滑动以实现可靠的动态密封效果而言，角度α或β的取值范围并没有特别的限制，但需大于摩擦角或自锁角。

请参见图4，在组装状态下，上部导向环2的倾斜端面25与阀杆主体部的上部台肩36的环形表面彼此贴合，而下部导向环2的倾斜端面25与阀杆主体部的下部台肩35的环形表面彼此贴合。在外伸套筒的延伸部22向内弯折并压靠于垫片4时，上部和下部导向环2受到轴向压缩，使得上部导向环2的倾斜端面靠压于阀杆主体部的上部台肩36的环形表面，并使得下部导向环2的倾斜端面靠压于阀杆主体部的下部台肩35的环形表面。

下面参照图6详细说明由导向环2实现的动态密封原理和效果。图6是本发明密封结构的局部剖面视图，其图示了本发明导向环的密封原理。

如图6详细所示，通过将外伸套筒的延伸部22向内弯折而压靠于垫片4，使得垫片4相对于外伸套筒保持固定；同时，在外伸套筒的延伸部22向内弯折并压靠于垫片4时，压力F1作用于垫片4上，而垫片4又将压力传递到上部导向环2使之承受轴向力F2；类似地，下部导向环2也承受轴向力的作用。由于该轴向力，一方面，上部和下部导向环2均受到轴向压缩，使得导向环2的倾斜端面分别压靠于阀杆主体部的上部和下部台肩36和35的环形表面；另一方面，上部和下部导向环2分别沿阀杆主体部的上部和下部台肩36和35的环形表面径向向外滑动，使得导向环2的径向外表面压靠于外伸套筒的内壁。于是，在导向环2的径向外表面与倾斜端面处形成两个密封表面(另请参见图5B)，实现了阀杆与外伸套筒内壁之间的密封。

在组装状态下，导向环2的初始压缩量H可根据实际应用场合确定，或者另外可通过实验加以确定。

在操作期间，当由于阀杆3在外伸套筒的孔中的旋转，导向环2的轴向表面或径向表面产生磨损时，磨损量由导向环的初始压缩量以及/或者导向环2相对于阀杆的径向外移来补偿，因此获得了可靠的动态密封效果。

此外，由于上部和下部导向环的密封作用，降低了O形环轴向两侧的压力差，由此避免或减小了O形环剪切的发生，进而提高了O形环的寿命并从而改善了静态密封效果。

如上所述，采用本发明的密封结构，通过利用轴肩以及导向环的斜面属性，一方面实现了良好的动态密封效果，另一方面确保了阀杆于外伸套筒的孔21中的自动对中。且根据本发明，可对导向环预压缩量进行可控调节，由此来调整动态密封的运作寿命。

此外，采用本发明的密封结构，密封效果可以随着压力流体系统中流体压力的变化而进行自适应调节。如图4所示，当流体压力变大时，上部导向环2进一步受到压缩。作为其结果，上部导向环2的倾斜端面更紧密地压靠于阀杆主体部的上部台肩36的环形表面，以及导向环2的径向外表面更紧密地压靠于外伸套筒的内壁，从而导向环2能够相对于流体压力提供成比例的泄漏防护。

此外，由于上部和下部导向环的密封作用，降低了O形环轴向两侧的压力差，由此辅助静态密封性能。因此，在不增加成本的情况下，可提高动态密封性能和静态密封性能两者，同时提高了密封的运作寿命。

以上结合附图和实施例对本发明进行了说明，但本领域技术人员应当理解，上述实施例仅是例示性的而非限制性的，在不背离本发明的精神和范围的条件下，可对上述实施例作出种种改进。

在上面的实施例中，具有本发明结构的导向环2设置在阀杆主体部的轴向两端处，作为一种可供选择的方案，也可仅在在阀杆主体部的一个轴向端处设置具有本发明结构的导向环2。

此外，在上面的实施例中，密封结构还包括阀帽5以及阀帽密封件6以提供附加密封保护。但该附加密封保护并非是必须的，其可以根据实际应用场合进行选用。

此外，阀杆主体部的上部和下部台肩35、36的环形表面相对于与阀杆轴线相垂直的平面所形成的角度α1与β1，以及类似地，导向环2的轴向端面相对于与导向环轴线相垂直的平面之间所形成的角度α2或β2，不局限于某一特定的数值，而是可以根据实际应用场合选用，只要能够实现如上所述的预期功能即可。

此外，虽然角度α1以及/或者α2与β1以及/或者β2设计成当导向环受到轴向压力时能够相对于阀杆径向向外移动是优选的方案，但这不是实现发明目的所必需的。

Claims (14)

1.一种密封装置，包括：

第一部件，该第一部件形成有孔；

第二部件，该第二部件装设于第一部件的所述孔中并可相对于所述第一部件转动，且该第二部件形成有两个轴向彼此间隔开的第一轴肩和第二轴肩，并在其外周面上形成有位于所述第一轴肩和第二轴肩之间的至少一个环槽；

O形环，该O形环设置在所述第二部件的所述环槽中；

第一导向环以及第二导向环；以及

第一止挡件和第二止挡件，所述第一止挡件和第二止挡件或是与所述第一部件一体形成或是相对于所述第一部件保持固定；

其中，所述第二部件利用所述第一止挡件和第二止挡件相对于所述第一部件轴向定位，所述第一导向环位于所述第一轴肩与第一止挡件之间，而所述第二导向环位于所述第二轴肩与第二止挡件之间，

其特征在于，

所述第一轴肩的环形表面是截锥形表面，而所述第一导向环的与所述第一轴肩相对的轴向端面形成为与所述第一轴肩的截锥形表面相适配的截锥形表面，使得所述第一导向环在承受轴向压力时倾向于径向向外滑动；

其中，所述第一导向环由具有弹性和密封功能的材料制成，在所述密封装置的组装状态下，所述第一导向环承受轴向压力并产生预定的压缩量。

2.如权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述第二轴肩的环形表面是截锥形表面，而所述第二导向环的与所述第二轴肩相对的轴向端面形成为与所述第二轴肩的截锥形表面相适配的截锥形表面，使得所述第二导向环在承受轴向压力时倾向于径向向外滑动。

3.如权利要求2所述的密封装置，其特征在于，所述第二导向环由具有弹性和密封功能的材料制成，在所述密封装置的组装状态下，所述第二导向环承受轴向压力并产生预定的压缩量。

4.如权利要求1-3中任何一项所述的密封装置，其特征在于，所述第二部件在其外周面上形成有位于所述第一轴肩和第二轴肩之间的两个环槽，每个环槽设置有一个O形环。

5.如权利要求4所述的密封装置，其特征在于，所述O形环由CR橡胶制成。

6.如权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述第一导向环由PTFE制成。

7.如权利要求3所述的密封装置，其特征在于，所述第二导向环由PTFE制成。

8.如权利要求1-3中任何一项所述的密封装置，其特征在于，所述第一止挡件和第二止挡件中的一个止挡件包括垫片，而所述第一部件包括壁厚减薄的轴向延伸部，在密封装置的组装状态下，该轴向延伸部径向向内弯折并压靠于所述垫片将所述垫片固定；所述第一止挡件和第二止挡件中的另一个止挡件由从所述第一部件径向向内伸出的突缘形成。

9.如权利要求1-3中任何一项所述的密封装置，其特征在于，还包括帽，该帽上形成有内螺纹，而所述第一部件上形成有外螺纹，所述帽借助于螺纹连接连接于所述第一部件，且密封件设置在所述帽与所述第一部件之间。

10.如权利要求1-3中任何一项所述的密封装置，其特征在于，所述第一导向环在承受轴向压力时能够径向向外滑动。

11.如权利要求3所述的密封装置，其特征在于，所述第二导向环在承受轴向压力时能够径向向外滑动。

12.如权利要求1或3所述的密封装置，其特征在于，所述第一导向环和所述第二导向环在承受轴向压力时能够径向向外滑动。

13.一种阀，包括：

阀体，该阀体限定一阀腔；

设置在所述阀腔中的启闭件；

阀杆，与所述启闭件操作连接并用以转动所述启闭件；以及

如权利要求1-12中任何一项所述的密封装置；

其中所述阀体包括自阀体延伸出的外伸套筒，该外伸套筒用作所述第一部件，而所述阀杆用作所述第二部件。

14.如权利要求13所述的阀，其特征在于，所述阀是球阀。

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