CN101799071A - 混杂密封件 - Google Patents

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Abstract

提供混杂耐热带(117),该带包含金属组分(127)和柔性非金属耐热组分(129)如石墨,这些组分在制成的密封件中完全整合,因此不发生分层。混杂密封件(117)可由混杂耐热带(107)通过以下方式制备:将耐热带卷绕成预制件(109),然后压缩模塑形成混杂密封件(117)。混杂带(107)具有芯(111),该芯包含柔性非金属的耐热材料和编织在该芯周围的金属网(113)。在形成预制件(109)之前,将芯和金属网一起皱缩,开始将该密封件的金属组分和非金属组分整合在一起。该压缩模塑完成了所述整合。

Description

混杂密封件
技术领域
本发明涉及混杂密封件和混杂垫圈(本文中统称为“混杂密封件”),该混杂密封件使用柔性非金属的耐热材料(如石墨或云母)与覆层编织的(overknitted)金属丝网的复合材料。
背景技术
本发明涉及混杂密封件,包括混杂滑动密封件,可用于高温应用,例如用于燃烧废气的管道。利用高温密封件的应用在以下文献中描述:US 4683010,US4951954,US 6286840,US 7012195,国际公开WO 2007/103327,这些文献的内容通过参考结合于本文。
数十年以来人们已经了解柔性石墨,例如在US 3404061(其内容通过参考结合于本文)中所描述的。以商标GRAFOIL销售(GIH公司(Graftech InternationalHoldings Inc.),俄亥俄州帕尔马(Parma,Ohio))。柔性石墨板是采用高质量石墨薄片微粒,通过使用无机强酸的夹层工艺进行加工制造的轧制板产品。然后加热所述薄片以使得所述酸蒸发,使薄片膨胀至其原体积的许多倍。该膨胀过程产生类似虫、树枝状的结构,这些结构可以很容易地通过模塑或压延成板。在该制造过程中一般不使用粘合剂。制成的垫圈片产品具有优异的抗张强度,并可用于工业应用,通常包含超过97重量%的元素碳。
由柔性石墨片制造密封件的常规方法是从板模冲或切割圆片(或所需几何形状的周边),这类方法由高成本的石墨材料产生显著量的废料。
根据使用石墨并探索减少柔性石墨材料产生的废料的要求,本发明提供一种使用柔性石墨片的高温密封件,该密封件在制造过程中石墨板的浪费量很小。作为石墨的备选品,本发明还提供使用其他柔性非金属的耐热材料如云母的高温密封件。
发明概述
根据第一方面,提供混杂耐热带(107),该带具有纵轴并包含:
(a)带形式的芯(111),所述芯包含柔性非金属的耐热性材料;和
(b)编织在芯(111)周围的金属网(113);其中,在芯(111)周围编织金属网(113)之后将所述芯(111)和所述金属网(113)一起皱缩,所述皱缩产生褶皱,褶皱的取向基本垂直于带(107)的纵轴。
根据第二方面,提供耐热密封件(117),该密封件包含柔性石墨带(111),该带上覆层编织有金属丝网(113),将石墨带卷曲并压制成环形。
根据第三方面,提供制造混杂耐热密封件(117)的方法,该方法包括:
(a)提供芯(111),该芯包含柔性非金属的耐热性材料;
(b)在芯(111)周围编织金属网(113),形成复合物(115);
(c)将该复合物(115)皱缩;
(d)由该皱缩的复合物(115)形成预制件(109);和
(e)将该预制件(109)压制形成密封件(117);
其中,步骤(e)之后,金属网(113)基本上分布在整个柔性非金属耐热性材料上。
在以上本发明各方面的概要描述中使用的标记数字仅仅是为了方便读者,并不意图和不应被认为限制本发明的范围。一般性,应理解前面的概要描述和以下的详细描述都仅仅是本发明的示例,用来提供对理解本发明的本质和特性的评述或框架。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点,对于本领域的技术人员而言,由所述内容或通过按照本文所述实施本发明而了解。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解,附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。应理解,在本说明书和附图中揭示的本发明的各种特征可以以任意和所有的组合形式使用。
附图简要描述
图1图示根据本发明一些方面形成混杂密封件的方法。
图2图示根据本发明的混杂密封件的四个代表性的截面。
图3是显示按照本发明的混杂密封体的整合结构的显微照片。
图4是显示现有技术的密封件的层状结构的显微照片。
在附图中所用的标记表示以下部件:
103:柔性非金属的耐热性材料片
105:切割线
107:混杂带
109:预制件(也称作轧制结构)
111:混杂带芯(也称作带)
113:混杂带的金属网
115:复合物,即皱缩之前的覆层编织的芯
117:混杂密封件
123:皱缩辊
125:突出物
127:混杂密封件的金属组分
129:混杂密封件的柔性非金属的耐热组分
优选实施方式的详细描述
如上所述,在本发明的各方面中,本发明涉及混杂耐热带107,该带可卷绕成卷状结构109(预制件),然后压缩模塑成混杂密封件117,如用于排气系统的混杂密封件。混杂带107包含:(1)芯111,其包含柔性非金属耐热性材料,和(2)编织在芯周围的金属网113,其中,在芯周围编织金属网之后将所述芯和所述金属网一起皱缩。进行所述皱缩以产生褶皱,褶皱的取向基本垂直于混杂带的纵轴(长度方向)。
构成芯的柔性非金属耐热性材料可以是柔性石墨,例如以GRAFOIL商标销售的石墨(参见上述内容)。或者,柔性非金属耐热性材料可以是云母。所述芯可以包含单一的材料或者材料的组合,例如,芯可包含一种或多种石墨带和一种或多种云母带。无论是使用何种材料或材料组合来形成芯,因为芯为带状形式,因此与采用耐热性材料片模冲或切割产生所需密封件构形的现有技术相比,材料浪费量明显减少。理想情况下,对许多应用,浪费可接近零。
形成芯111后,采用常规金属丝编织设备在芯上覆层编织金属网。该编织过程中使用的金属丝可以是铁素体金属丝或奥氏体金属丝,直径例如在0.004-0.008英寸范围。例如,可以使用由304,316或430不锈钢构成的金属丝,但是根据需要也可以使用其他类型的金属丝。编织的密度取决于具体应用。例如,使用6-18针的编织头形成的编织物能在芯周围形成令人满意的金属网。覆层编织的芯的端部可以90°或成一定角度切割,以形成在压缩工艺期间在最终密封件结构内用于结合端部的更大的表面积(参见下文)。
图1图示说明制造混杂密封件的过程。该过程从柔性非金属的耐热性材料(如石墨)板103开始。在步骤(a)中,沿平行于板的边缘的直线105切割所述板,产生芯111,其长度等于或小于板103的长度,宽度限定了顶侧和底侧,厚度是最小的尺寸。在步骤(b)中,芯111上覆层编织铁素体金属丝或奥氏体金属丝113,以形成复合物115。然后,在步骤(c),通过与辊123接触将该复合物115皱缩,其中的一个辊或者两个辊具有隆起(如图所示),用于提供皱缩图案,制备褶皱的混杂带107。
在步骤(d)中,将混杂带107卷(卷绕)成预制件109。可以采用各种方式进行预制件卷绕。例如,可以混杂带的宽度平行于绕轴或者与绕轴成一定角度的方向卷绕该混杂带。或者,该卷绕可在一个平面内进行,或者可以移动离开一个平面形成螺旋体,该螺旋体的后一圈通常叠加在前一圈上。褶皱的节距(频率)可根据缠绕带时所采用的半径进行选择,以避免不能接受的带中应力水平和/或不能接受的褶皱的压碎。一般而言,较短节距(单位长度上较高频率)会允许较小的卷绕半径。作为一般性规则,对直径4英寸的密封件,褶皱的节距可为3/16英寸至1/4英寸,而对直径为12英寸的密封件,节距为1/4英寸至5/16英寸,但是对这些直径或其他直径的密封件也可以采用其他的节距。一般而言,需要足够大的褶皱深度将金属网与柔性非金属的耐热性材料结合起来。发明人发现深度在1/16英寸至3/16英寸范围的褶皱适合于这一目的,但是对于一些用途,需要时也可以采用更大或更小的深度。
最后,在步骤(e)中,使用模塑工具或压缩模头对预制件109进行压缩模塑,制备所需的密封件。根据模具/模头的几何特性,制成的密封件可以具有各种横截面形状。图2显示代表性实例,即,从图的左侧至右侧为矩形横截面,V形横截面,具有环绕突出125的横截面和曲线形横截面。
重要的是,与采用的特定横截面无关,混杂密封件可具有分布在基本整个非金属组分中的金属组分,如在127(金属组分)和129(非金属组分)所示。这种分布结构在本文中称作“整合”结构。所述整合是开始整合的皱缩步骤(c)和压缩模塑步骤组合的结果,所述压缩模塑步骤将金属网与柔性非金属的耐热性材料完全整合。这种完全整合示于图3,图3是采用图1所示方法用石墨作为柔性非金属耐热性材料制成的密封件的截面的显微照片。由该图可知,金属网和石墨完全结合,产生牢固的不可分层的结构。
以前制造包含柔性非金属的耐热性材料片如柔性石墨片和金属组分的密封件的方式涉及将金属组分夹在耐热材料片之间。这种结构的模塑易于发生分层。图4是采用这种夹层方法制备的密封件的横截面的显微照片,而其中石墨是柔性非金属的耐热性材料。由该图可知,金属组分和石墨保持相互分离,因此导致使用期间可能发生分离。相反,采用以下方式制备的密封件不发生分层:将柔性材料带包封在金属网中,将制成的复合物皱缩,由该复合物形成预制件,然后压缩该预制件以制得密封件。
本发明的器件在引导管道中气流至处理装置(如,催化转化器)的应用(其中管道通过一者滑入另一者之内的方式或者类似的方式连接)中可用作密封件和/或垫圈。因此,密封件优选定义为在模塑后具有圆形或椭圆形几何形状的环,但是需要时可以制造任何曲线或多边形的几何形状(或它们的组合)。
总之,本发明提供一种高温密封件,该密封件包含柔性非金属耐热材料(如石墨)带和覆层编织物,皱缩和压缩(成形)为所需几何形状,如椭圆形或圆形。
由本文揭示的内容,在不偏离本发明的精神和范围下所做的各种其他修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。例如,虽然已经按由一种或多种柔性非金属的耐热材料构成的芯描述了本发明,但是除所述芯还可以包含一层或多层金属基材,如织造或编织的网状带或柔性金属网带。包含这类基材一般会使制成的密封件具有更高的刚性。所附的权利要求书的目的是覆盖本文中提出的具体实施方式以及这类修改、变化和等同项。

Claims (20)

1.一种混杂耐热带,其具有纵轴并包含:
(a)为带形式的芯,所述芯包含柔性非金属的耐热性材料;和
(b)在芯周围编织的金属网;
其中,在芯周围编织金属网之后将所述芯和所述金属网一起皱缩,所述皱缩产生褶皱,褶皱的取向基本垂直于带的纵轴。
2.如权利要求1所述的带,其特征在于,所述柔性非金属耐热性材料包括石墨。
3.如权利要求1所述的带,其特征在于,所述柔性非金属耐热性材料包括云母。
4.如权利要求1所述的带,其特征在于,所述芯包含柔性非金属的耐热性材料的第一层和柔性非金属耐热性材料的第二层。
5.如权利要求4所述的带,其特征在于,所述第一层和第二层具有相同的组成。
6.如权利要求4所述的带,其特征在于,所述第一层和第二层具有不同的组成。
7.如权利要求1所述的带,其特征在于,所述芯包含一层柔性金属材料。
8.一种包含如权利要求1所述的带的耐热密封件,其中,将所述带成形为预制件,并对该预制件压缩以形成密封件。
9.如权利要求8所述的密封件,其特征在于,所述密封件具有矩形横截面。
10.如权利要求8所述的密封件,其特征在于,所述密封件具有成角度的横截面。
11.如权利要求8所述的密封件,其特征在于,所述密封件的横截面包含至少一个环绕突出。
12.如权利要求8所述的密封件,其特征在于,所述密封件具有曲线形横截面。
13.如权利要求8所述的密封件,其特征在于,在制成的密封件中,所述带的金属网基本分布在整个带的柔性非金属耐热材料中。
14.一种耐热密封件,该密封件包含柔性石墨带,带上覆层编织有金属网,将其皱缩、压缩成环。
15.一种制造混杂耐热密封件的方法,该方法包括:
(a)提供芯,所述芯包含柔性非金属耐热性材料;
(b)在芯周围编织金属网,以形成复合物;
(c)皱缩该复合物;
(d)由该皱缩的复合物形成预制件;和
(e)压缩该预制件以形成密封件;
其中,在步骤(e)后金属网基本分布在整个柔性非金属耐热性材料中。
16.如权利要求15所述的方法,其特征在于,所述柔性非金属的耐热性材料是石墨。
17.如权利要求15所述的方法,其特征在于,所述柔性非金属的耐热性材料是云母。
18.如权利要求15所述的方法,所述芯包含一种以上的柔性非金属的耐热性材料。
19.如权利要求18所述的方法,其特征在于,所述芯包含石墨和云母。
20.如权利要求15所述的方法,其特征在于,所述芯包含金属材料。
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