CN104145144A - 密封环和具有至少一个这种密封环的压力传感器 - Google Patents

密封环和具有至少一个这种密封环的压力传感器 Download PDF

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CN104145144A CN201380012351.8A CN201380012351A CN104145144A CN 104145144 A CN104145144 A CN 104145144A CN 201380012351 A CN201380012351 A CN 201380012351A CN 104145144 A CN104145144 A CN 104145144A
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Abstract

用于在轴向夹持状态下密封的密封环(10)包括金属或陶瓷环形主体，其在横截面上具有第一弹性腿(11)和第二弹性腿(12)，该第一弹性腿包括在环形主体的第一端面上的至少一个第一密封表面(14,16)，该第二弹性腿包括在背离第一端面的环形主体的第二端面上的至少一个第二密封表面(15,17)，其中，对角线连接腿(13)延伸在第一弹性腿和第二弹性腿之间，所述连接腿在环形主体的内边缘区域中与第一弹性腿(11)连接并在环形主体的外边缘区域中与第二弹性腿(12)连接，其中，第一密封表面(4,16)具有塑性密封材料，以及其中，第二密封表面(15,17)具有塑性密封材料，其中密封环特别具有在至少一个端面上的两个密封表面(14,16,15,17)，该两个密封表面通过弹性腿(11,12)中的环形轴向凹陷(18,19)彼此径向隔开并彼此隔离。

Description

密封环和具有至少一个这种密封环的压力传感器
技术领域
本发明涉及一种密封环和具有至少一个这种密封环的压力传感器。
背景技术
在过程工业中，介质被加工处理，这形成仅有条件经受的弹性体。因此，通常在介质接触密封的情况下，不使用别的常见弹性体，以防会出现腐蚀性介质。替代地，应用了金属密封或惰性合成材料，特别是诸如例如PTFE、FEP或PFA的氟聚合物。于是，相对于彼此密封的部件的设计必须适于密封材料的具体特性。因此，例如，按照一般原则，金属密封需要大夹持力以施加所需的表面压力，以及氟聚合物密封必须是弹性预应力的，以能够适应通常金属密封部件之间的膨胀差和构造松弛螺丝中的密封热卷曲和在给出的实例中，与上述影响相关联的滞后现象以及密封材料的蠕变和制造公差。
这些考虑提出了工业过程测量技术的问题，由于测量设备在关注过程介质的最大变化的设计时必须适于尽可能小数量的变化。由于，最通常地，弹性体密封充足，因此不断定的是，给所有设备提供这种复杂构造，使得它们可充分弹性地对热塑性密封预加应力。
发明内容
因此，本发明的目的是提供密封环和具有这种密封环的压力测量传感器，其中密封环可用于代替弹性体密封并具有抗化学材料。
该目的通过如独立专利权利要求1定义的密封环和如独立专利权利要求11定义的压力测量传感器来实现。
用于在轴向夹持状态下密封的本发明的密封环包括金属或陶瓷环形主体，该环形主体在横截面上具有第一弹性腿和第二弹性腿，该第一弹性腿具有在环形主体的第一端上的至少第一密封表面，该第二弹性腿具有在背离第一端的环形主体的第二端上的至少第二密封表面，其中，对角线连接腿延伸在第一弹性腿和第二弹性腿之间，在环形主体的内边缘区域中与第一弹性腿连接并在环形主体的外边缘区域中与第二弹性腿连接，其中，第一密封表面具有塑性密封材料，以及其中，第二密封表面具有塑性密封材料。
在本发明的进一步发展中，密封环具有在至少一端上的两个密封表面，该两个密封表面通过弹性腿中的环形轴向凹陷彼此径向隔开并且彼此隔离，其中，在本发明的目前优选的进一步发展中，两个端面各自具有两个密封表面，该两个密封表面通过弹性腿中的环形轴向凹陷彼此径向隔开并且彼此隔离。
在本发明的进一步发展中，两个密封表面的内部分别延伸直到密封环的相应端部的内边缘区域，而两个密封表面的外部分别延伸直到相应端面的外边缘区域。
弹性腿中的轴向凹陷引起密封表面之间的弹性腿变软，使得弹性腿更容易变形而不会降低密封表面的完整性。因此，轴向凹陷去除弹性腿和连接腿之间的过渡区，从而在与弹性腿中没有这种凹陷的密封环相比的密封环的给定轴向压缩的情况下，该过渡区中的塑性变形量显著地减小。
在本发明的进一步发展中，在环形主体的松弛平衡状态中，至少一个轴向凹陷、优选地两个轴向凹陷在横截面上具有最小包络矩形，其面积为最小包络环形主体的横截面的矩形的面积的至少1％，优选地至少1.5％，且进一步优选地至少1.8％。
在环形主体的横截面上，连接腿通过相对于环形主体的外径处的轴向外部线和环形主体的内径处的轴向内部线的径向凹陷形成边界。
在本发明的进一步发展中，包络径向凹陷中的一个的至少一个最小三角形具有面积，该面积不小于最小包络环形主体的横截面的矩形的面积的10％，优选地不小于14％，且特别优选地不小于16％。
在本发明的进一步发展中，在环形主体的松弛平衡状态中，至少一个轴向凹陷，优选地两个轴向凹陷在横截面上具有最小包络矩形，其面积为包络对应的相邻径向凹陷的最小三角形的面积的8％至16％之间，特别是在10％至14％之间。
轴向凹陷的相邻径向凹陷是形成其中形成有该轴向凹陷弹性腿边界的径向凹陷。
密封环被特别实施成，使得其在由于轴向夹持而轴向压缩dz之后，其中dz不小于环形主体的两个端面之间的最大轴向距离的2％，特别不小于两个端面之间的最大轴向距离的3％，且优选地不小于两个端面之间的最大轴向距离的4％，在轴向夹持消失之后，具有至少0.2dz、优选地0.3dz的松弛。
在本发明的进一步发展中，环形主体的端面在横截面上具有倒圆角的边缘区域，其曲率半径不小于0.2mm，优选地不小于0.4mm。
根据本发明的进一步发展，在环形主体的平衡状态中，包络横截面的最小矩形具有高度，该高度不大于其宽度的90％，优选地不大于80％，且进一步优选地不大于75％，其中高度通过环形主体的端面之间的最大轴向平衡距离给定，且宽度对应于环形主体的外径和内径之间的差。
在进一步发展中，塑性密封材料包括氟聚合物，特别是PTFE、FEP或PFA，优选地具有不小于20μm且不大于100μm的平均厚度。
在目前优选的实施例中，平均厚度不小于例如30μm，且不大于例如50μm，特别是例如35μm至45μm。
特别在适当清洁且在给定的情况下，环形主体的表面的等离子处理之后，PTFE可作为悬浮液应用并通过烧结固化。
在本发明的进一步发展中，塑性密封材料包括可延展的金属，例如银、铜或金。
在本发明的进一步发展中，环形主体包括不锈钢、哈司特镍合金或另一弹性金属材料。
在本发明的更进一步发展中，环形主体包括弹性陶瓷材料，特别是氧化锆。
本发明的压力测量传感器包括液压测量机构，该液压测量机构具有测量机构主体，以及至少第一隔离膜片，该第一隔离膜片沿周界接合部与测量机构主体连接并可与介质接触，其中隔离膜片具有在其边缘区域中的环形隔离膜片密封表面；其中，压力测量传感器还具有至少一个过程连接主体，其中过程连接主体具有压力输出开口，隔离膜片通过该压力输出开口可与介质接触，其中压力输出开口被第一过程连接密封表面环形地包络；其中，压力测量传感器还具有至少一个本发明的密封环，其中密封环轴向地夹在第一隔离膜片密封表面和第一过程连接密封表面之间。
在本发明的进一步发展中，存在实施在测量机构主体和过程连接主体之间的轴向止挡件，特别是刚性轴向止挡件，该轴向止挡件特别地包络环状的密封环，使得密封环在轴向止挡件的帮助下通过限定的轴向压缩夹持。
根据本发明的进一步发展，本发明的压力测量传感器包括测量传感器，该测量传感器布置在测量机构主体中的传感器腔室中并经由液压路径可与作用在隔离膜片上的压力接触。
在本发明的进一步发展中，密封环由于轴向夹持具有轴向压缩dz，该轴向压缩dz不小于两个端面之间的最大轴向距离的2％，特别是不小于3％，且优选地不小于4％，其中轴向压缩dz不大于两个端面之间的最大轴向距离的10％，特别是不大于8％，且优选地不小于7％。
在本发明的进一步发展中，密封环以下述方式轴向地夹持，即使得塑性密封材料在-20℃至70℃、特别是-40℃至80℃的温度范围上经受随半径变化并覆盖至少0.4Mpa至40Mpa的范围的表面压力。
在本发明的进一步发展中，密封环借助这样的表面压力轴向地夹持，使得塑性密封材料在至少一个径向区域中被金属或陶瓷环形主体穿透，以便金属或陶瓷环形主体在该径向区域中直接位于隔离膜片密封表面上。
在本发明的进一步发展中，压力测量传感器是用于记录第一介质压力和第二介质压力之间的差的压差传感器，其中压差传感器具有除第一隔离膜片外的第二隔离膜片，该第二隔离膜片可与介质接触并具有第二环形隔离膜片密封表面；其中，压差传感器还具有第二过程连接主体、第二压力输出开口，第二隔离膜片通过该第二压力输出开口可与介质接触，其中第二压力输出表面被第二过程连接密封表面环形地包络；其中，压差传感器还具有本发明的第二密封环，其中第二密封环轴向地夹在第二隔离膜片密封表面和第二过程连接密封表面之间，其中压差传感器具有压差测量传感器，压差测量传感器还可与作用在两个隔离膜片上的介质压力接触以确定它们的差。
在本发明的进一步发展中，测量机构主体轴向地夹在第一过程连接主体和第二过程连接主体之间。
附图说明
现将根据附图所示的实施例的实例解释本发明，附图中的图示出如下：
图1a：本发明的密封环的实施例的实例的透视图；
图1b：在图1a的位置1b处的图1a的密封环的横截面；
图2：通过本发明的压差测量传感器的实施例的实例的示意性纵向截面；
图3：本发明的压差测量传感器的实施例的实例的详细横截面；其中密封环处于松弛状态中；
图4：本发明的压差测量传感器的实施例的实例的详细横截面；其中密封环处于夹持状态中；以及
图5：解释某些定义的简图。
具体实施方式
图1a和1b所示的本发明的密封环10的实施例的实例包括抗腐蚀不锈钢。密封环具有例如差不多5 cm的外径。内径例如是比外径小0.7cm。密封环10的高度，即在轴向中最大间隔，为例如四分之一厘米。
密封环10具有大致如图1b所示的横截面形状，其特征在于：两条例如大致平行的弹性腿11、12和连接两条弹性腿的对角线延伸的连接腿13。这种形状在本文中也会被称为Z字形状。
弹性腿(11、12)在密封环的两个端面上分别具有两个密封表面14、16、15、17，该两个密封表面14、16、15、17通过轴向凹陷18、19彼此径向隔开和隔离。凹陷分别可例如是通过上方最远的密封表面的高度测量的十分之几毫米。如图1b所示，在下弹性腿12上的密封表面15、17的高度和在上弹性腿的自由端上的密封表面16的高度稍微小于在与连接腿13相连的弹性腿12的端部上的密封表面14的高度。结果，借助抵靠平面的相对表面的在弹性腿的自由端处的密封表面16获得的表面压力稍微减小。在优选实施例中，该密封表面16应密封隔离膜片。减小的表面压力减小了密封环对隔离膜片的传送行为的干扰影响。
当然，密封表面14、15、16、17和轴向凹陷18、19是环状或环形的。
轴向凹陷特别用于一方面软化弹性腿，并且另一方面产生塑性密封材料的表面压力梯度，其中塑性密封材料特别包括具有例如40μm厚的PTFE层。具有PTFE的涂层可例如通过应用悬浮液并随后在高达300℃的温度下烧结发生。这种涂层的商业供应者例如是德国Kempen的Rhenoterm公司。
为了描述轴向凹陷的尺寸，简要参照图5。图5示出了套住环形主体的横截面并具有面积A的矩形。该矩形是可包络横截面的最小可能的矩形。具有最小面积dA3、dA4的类似包络矩形限定在密封表面之间的轴向凹陷。轴向凹陷的包络矩形从包络环形主体的矩形的边缘向内延伸并完全包络它们的凹陷。
在其中毗邻凹陷的密封表面具有不相等高度的情况下，诸如是凹陷具有面积dA3的情况，凹陷包络矩形径向延伸到毗邻密封表面的高度达到的半径，相应地在一系列强凹进和随后强凸出的曲率之后，实际上没有更多的曲率出现在凹陷的边缘处，或仅非常弱的曲率出现使得曲率的半径大于密封环的轴向高度。
借助这些定义，轴向凹陷18、19的包络矩形的面积dA3、dA4为例如包络矩形的面积A的五十分之一。
借助具有面积dA1、dA2的包络三角形的相应定义，该包络三角形包络径向凹陷、形成连接腿的边界并同样出现在图5中，界定连接腿的径向凹陷可通过最小包络三角形描述，其面积dA1、dA2分别为包络环形主体的矩形的面积A的例如六分之一到例如五分之一。
换言之，轴向凹陷的包络矩形的面积分别达到大于刚讨论过的三角形的面积的10％。由此，轴向凹陷显著地有利于环形主体的柔性，从而松弛在悬臂11、12和连接支撑杆13之间的相应过渡区。
根据图2至4，现将解释密封环10在本发明的压差测量传感器20的情况中的作用。图2示出了本发明的压差传感器，压差传感器具有轴向夹在两个所谓过程连接件法兰的过程连接件30之间的液压测量机构主体，以及在每一种情况下插入的密封环10，以能够经由两个前部的隔离膜片22将在每一种情况下通过过程连接件法兰30提供的介质压力提供给在测量机构主体的内部中的传感器腔室中的压差测量传感器元件26。
现将根据图3和4更精确地解释夹持密封环10的作用。首先，图3示出了密封环10，该密封环10是松弛的且没有应力并坐落在过程连接主体的边缘区域31的周界环形沟槽33中。液压测量机构主体21从上方叠置，其中用作隔离膜片密封表面23的隔离膜片22的边缘区域定位成直接面向密封环的上侧。首先，密封环10的密封表面、用作密封表面的环形沟槽32的基部及隔离膜片密封表面23基本上彼此平行延伸，特别是平面平行延伸。
通过夹持具有其轴向高度的刚好4％的轴向压缩的密封环10，密封环显著地变形，如图4所示，其中连接腿及弹性腿两者有变形。夹持的程度由在过程连接主体30和测量机构主体21之间的轴向止挡件24、34限定。
在每一种情况下，在面向轴向凹陷的密封表面的边缘区域中弹性腿的所示变形导致表面压力最大，以便穿透PTFE层。在每一种情况下，表面压力朝向环形主体的内外边缘稳定地减小，以便总是可靠地覆盖在40MPa至0.4MPa之间的表面压力范围。
环形主体中剩余的弹性足以适应过程连接主体和测量机构主体之间的应力变化。

Claims (16)

1.用于在轴向夹持状态下密封的密封环(10)，包括：
金属或陶瓷环形主体，所述金属或陶瓷环形主体在横截面上具有第一弹性腿(11)和第二弹性腿(12)，所述第一弹性腿具有在所述环形主体的第一端上的至少第一密封表面(14、16)，所述第二弹性腿具有在背向所述第一端的所述环形主体的第二端上的至少第二密封表面(15、17)，其中，在所述第一弹性腿和所述第二弹性腿之间对角线连接腿(13)延伸，所述对角线连接腿在所述环形主体的内边缘区域中与所述第一弹性腿(11)连接并且在所述环形主体的外边缘区域中与所述第二弹性腿连接，其中，所述第一密封表面(14、16)具有塑性密封材料，并且其中，所述第二密封表面(15、17)具有塑性密封材料。
2.如权利要求1所述的密封环，其中，所述密封环具有在至少一端上的两个密封表面(14、16、15、17)，所述两个密封表面通过所述弹性腿(11、12)中的环形轴向凹陷(18、19)彼此径向隔开并且彼此隔离。
3.如权利要求2所述的密封环，其中，所述两个端面各自具有两个密封表面，所述两个密封表面通过所述弹性腿中的环形轴向凹陷彼此径向隔开并且彼此隔离。
4.如权利要求2或3所述的密封环，其中，在所述环形主体的松弛平衡状态中，至少一个轴向凹陷(18、19)在横截面上具有最小包络矩形，所述最小包络矩形的面积(dA3、dA4)为最小包络所述环形主体的横截面的矩形的面积(A)的至少1％，优选地至少1.5％，并且更优选地至少1.8％。
5.如前述权利要求中的一项所述的密封环，其中，在所述环形主体的横截面上，所述连接腿通过相对于在所述环形主体的外径处的轴向外部线和在所述环形主体的内径处的轴向内部线的径向凹陷形成边界，其中，包络所述径向凹陷中的一个的至少一个最小三角形具有面积(dA1、dA2)，所述面积(dA1、dA2)不小于最小包络所述环形主体的横截面的矩形的面积(A)的10％，优选地不小于14％，并且特别优选地不小于16％。
6.如权利要求2以及如权利要求5所述的密封环，其中，在所述环形主体的松弛平衡状态中，至少一个轴向凹陷，优选地两个轴向凹陷在横截面上具有最小包络矩形，所述最小包络矩形的面积(dA3、dA4)为包络各自的相邻径向凹陷的所述最小三角形的面积(dA1、dA2)的8％至16％之间，特别地在10％至14％之间。
7.如前述权利要求中的一项所述的密封环，其中，所述密封环在由于轴向夹持而轴向压缩dz之后，其中dz不小于所述两个端面之间的最大轴向距离的2％，特别地不小于3％，并且优选地不小于4％，在所述轴向夹持消失之后，具有至少0.2dz、优选地0.3dz的松弛。
8.如前述权利要求中的一项所述的密封环，其中，所述环形主体的端面在横截面上具有倒圆角的边缘区域，所述倒圆角的边缘区域的曲率半径不小于0.2mm，优选地不小于0.4mm。
9.如前述权利要求中的一项所述的密封环，其中，在所述环形主体的平衡状态中，包络所述横截面的所述最小矩形具有高度，所述高度不大于其宽度的90％，优选地不大于80％，并且进一步优选地不大于75％，其中，所述高度通过所述环形主体的端面之间的最大轴向平衡距离给定，并且所述宽度对应于所述环形主体的外径和内径之间的差。
10.如前述权利要求中的一项所述的密封环，其中，所述塑性密封材料包括氟聚合物，特别是PTFE、FEP或PFA，优选地具有不小于20μm并且不大于100μm的平均厚度，其中，所述平均厚度不小于例如30μm，并且不大于例如50μm，特别是例如35μm至45μm。
11.一种压力测量传感器，包括：
液压测量机构(20)，所述液压测量机构具有测量机构主体(21)，以及至少第一隔离膜片(22)，所述第一隔离膜片沿周界接合部与所述测量机构主体(20)连接并且可与介质接触，其中，所述隔离膜片(22)具有在其边缘区域中的环形隔离膜片密封表面(23)；其中，所述压力测量传感器还具有至少一个过程连接主体(30)，其中，所述过程连接主体具有压力输出开口，所述隔离膜片(22)通过所述压力输出开口可与所述介质接触，其中，所述压力输出开口被第一过程连接密封表面(32)环形地包络；其中，所述压力测量传感器还具有至少一个如权利要求1至10之一所述的密封环(10)，其中，所述密封环(10)轴向地夹在所述第一隔离膜片密封表面和所述第一过程连接密封表面之间。
12.如权利要求11所述的压力测量传感器，其中，存在实施在所述测量机构主体和所述过程连接主体之间的轴向止挡件(24、34)，特别是刚性轴向止挡件，使得所述密封环(10)在所述轴向止挡件(24、34)的帮助下通过限定的轴向压缩夹持。
13.如权利要求11或12所述的压力测量传感器，其中，所述密封环(10)由于所述轴向夹持具有轴向压缩dz，所述轴向压缩dz不小于所述两个端面之间的所述最大轴向距离的2％，特别是不小于3％，并且优选地不小于4％，其中，所述轴向压缩dz不大于所述两个端面之间的所述最大轴向距离的10％，特别是不大于8％，并且优选地不小于7％。
14.如权利要求11至13中的一项所述的压力测量传感器，其中，所述密封环(10)以如下方式轴向地夹持，即使得所述塑性密封材料在-20℃至70℃、特别是-40℃至80℃的温度范围上经受随所述半径变化并且覆盖至少0.4Mpa至40Mpa的范围的表面压力。
15.如权利要求11至14中的一项所述的压力测量传感器，其中，在本发明的进一步发展中，所述密封环借助所述表面压力轴向地夹持，使得所述塑性密封材料在至少一个径向区域中被所述金属或陶瓷环形主体穿透，以便所述金属或陶瓷环形主体在所述径向区域中直接位于所述隔离膜片密封表面上。
16.如权利要求11至15中的一项所述的压力测量传感器，其中，所述压力测量传感器是用于记录第一介质压力和第二介质压力之间的差的压差传感器，其中，所述压力测量传感器还具有第二隔离膜片以及第二环形隔离膜片密封表面，所述第二隔离膜片可与介质接触；其中，所述压差传感器还具有第二过程连接主体和第二压力输出开口，所述第二隔离膜片通过所述第二压力输出开口可与介质接触，其中，所述第二压力输出表面被第二过程连接密封表面环形地包络；其中，所述压差传感器还具有如权利要求1至10中的一项所述的第二密封环，其中，所述第二密封环轴向地夹在所述第二隔离膜片密封表面和所述第二过程连接密封表面之间，其中，所述压差传感器具有压差测量传感器，所述压差测量传感器还可与作用在所述两个隔离膜片上的所述介质压力接触以便确定它们的差。
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