CN104204520B - 密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封装置，该密封装置用于在一种具有活动部件和固定部件的设备中，将第一种介质相对于周围或第二种介质密封起来，其中活动部件设置为可沿纵轴做直线往复运动，且固定部件构成该活动部件的接纳部。建议该密封装置包括由PTFE(聚四氟乙烯)材料制成的单层或多层波纹管，其中该波纹管至少部分容纳活动部件，并且其中以该波纹管的第一端部在固定部件上，以该波纹管的第二端部在活动部件上力配合地和密封地固定。

Description

密封装置

技术领域

本发明涉及一种密封装置，该密封装置用于在一种具有活动部件和固定部件的设备中，将第一种介质相对于周围或第二种介质密封起来，其中活动部件设置为可以沿纵轴做直线往复运动，且固定部件构成该活动部件的接纳部。

背景技术

需要这样的密封的相应设备特别为活塞泵，例如用于在内燃机中直接喷射汽油的高压泵，但也可以是各种种类的阀门，例如饮料或其他液体的灌装阀门。原则上在这种设备中，应当被泵吸、灌装或运输的介质必须既在活动部件的静止位置又在该活动部件的往复运动中，与周围或者与其他介质，特别是润滑剂，隔离开来。

出于此目的，由现有技术已知的密封装置包括唇形密封件，若活动部件容纳在固定部件内，则该唇形密封件设置在活动部件和固定部件之间的缝隙区域。该唇形密封件在此固定在固定部件或活动部件上，并且包括至少一个密封唇口，当活动部件往复运动时，该密封唇口以预应力抵靠在相应的另一部件上并沿着该另一部件的表面滑动。该唇形密封件通常设计为，依靠介质和周围环境之间或两种介质之间的压力差增强密封唇口表面上的挤压力和因此产生的密封作用。

然而这类密封装置普遍具有的缺点是，即使在最优配置的情况下，该密封装置也不可能保证百分之百的密封。视设备种类、运行条件和唇形密封件的磨损情况而定，随着运行时间的逐渐增加，在一定程度上始终会出现泄漏，即一种介质溢出到周围环境或相应的另一种介质中。特别是对具有较高压力的介质而言，活动部件的每一次运动都会在密封唇口下面拉过一条介质薄膜，随后反方向的运动又会蹭掉该介质薄膜的一部分，并使介质进入周围环境或其他介质中。

在用于直接喷射汽油或柴油燃料的高压泵中，这样的泄漏尤为危险，因为不论是燃料溢出进入机油中还是机油溢出进入燃料中都是非常有害的，为了内燃机的正常运转必须尽可能减少这种泄漏。在第一种情况下由于机油的稀释降低了机油的润滑效果，在后一种情况下溢出的机油不完全燃烧，可能导致特别是在阀门处的积碳。

唇形密封件的另一缺点是会发生磨损，特别是在极端的使用条件下，如介质间的高压力差和活动部件的高频率。正是在上述高压泵中会由于高挤压力产生巨大的摩擦热，以致于即使是由较为耐磨的材料如PTFE制成的密封唇口，随着运行时间的增加也会受到明显的磨损。这样又会导致密封装置的泄漏的增加并在极端情况下甚至导致彻底失灵。

发明内容

以此为基础，本发明的目的在于，提出一种密封装置，该密封装置能够完全或很大程度上避免这些缺点。

对于开头所述类型的密封装置，该目的根据本发明由此实现，即，密封装置包括由PTFE材料制成的单层或多层波纹管，其中该波纹管至少部分容纳活动部件，并且以该波纹管的第一端部在固定部件上，以该波纹管的第二端部在活动部件上力配合地和密封地固定。

通过在根据本发明所述的密封装置中设置波纹管，实现了第一种介质相对于周围或相对于第二种介质的气密的密封。由此能够排除系统造成的泄漏并保障装置的基本彻底的密封性，尤其是能够顺利并确实地通过相应的附着力将波纹管的端部密封地固定在固定和活动部件上。与唇形密封件相反，本发明完全不会导致密封部件，即波纹管，沿活动或固定部件的表面的滑动。

由现有技术已知，这两个部件相对于彼此的往复运动通过波纹管的特殊结构得以平衡。在本发明的框架下，波纹管指的是任一基本成中空圆柱体的部件，由于一种褶皱、卷曲或其他相似的管壁结构，该部件能够沿其纵轴灵活改变长度。原则上该波纹管可以具有任意横截面形状，其中优选圆形横截面，即该波纹管为关于该波纹管的纵轴旋转对称的构造。

在本发明的一个优选的实施方案中，所述设备为泵或阀门，活动部件为活塞或连杆。固定部件中的接纳部通常设计为空心圆柱体，因此在活塞或连杆与接纳部内壁之间形成环状间隙。

根据本发明所述的密封装置特别适用于活塞泵，在该活塞泵中，两种介质之间存在高压力差，并且活塞在该活塞泵中作高频率、短冲程的往复运动，例如用于直接喷射汽油或柴油的高压泵。

根据本发明所述的密封装置可以特别有利地安装在阀门内，该阀门特别指的是灌装设备的灌装阀门、无菌阀或电磁阀。

根据本发明，波纹管包括由PTFE材料制成的一层或多层管层。PTFE具有高耐热和耐化学作用性，并因此适用于最多种用途的密封装置，也特别适用于接触腐蚀性介质或反应介质。此外通过选择合适的PTFE种类，能够实现高交变弯曲强度，这对于波纹管的耐磨性和使用寿命具有特殊意义。

制成波纹管管层的PTFE材料优选包括均聚合PTFE或共聚单体含量为0.1％重量或更少的改性PTFE。PTFE或者仅由四氟乙烯单元构成，或者包含少量同样氟化的共聚单体。改性PTFE具有同均聚合PTFE基本相同的性质，特别是该改性PTFE(与具有较高共聚单体含量的PTFE的共聚物相反)同样不可熔炼并具有高交变弯曲强度。该共聚单体优选为全氟烷基乙烯基醚，特别是全氟丙基乙烯基醚(PPVE)。

特别有利的是，PTFE为按照乳化方法制成的PTFE乳液(E-PTFE)。这既适用于均聚合PTFE又适用于改性PTFE。PTFE乳液能够通过糊状挤出以软管或管道的形式挤出，随后能够由该软管或管道通过吹塑成型制成波纹管。这种制造方式是特别有利的，因为由此能够制造多种规格和几何形状的波纹管。

在本发明的框架下，PTFE材料可以完全由PTFE构成，即不包含其他添加物。然而也可替代性地设置为，PTFE材料包含填充剂，特别是黑色颜料，例如炭黑。而鉴于交变弯曲强度可能会被减弱，不应选择过高的填充剂份额，尤其是不应高于5％重量。在本发明框架下，用于提高PTFE的耐磨强度的填充剂不是必需的，因为在波纹管和其他部件之间不存在摩擦。

波纹管优选通过吹塑成型制造。鉴于已经提到过的波纹管成型过程中的改型可能性，也鉴于波纹管的性能，尤其是交变弯曲强度，该制造方法都是特别有利的。吹塑成型优选从糊状挤出PTFE乳液形成坯件开始。为了制造多层波纹管，可以将由PTFE材料制成的两个或多个软管或管道重叠，随后一起通过吹塑成型改型成波纹管。

由现有技术已知用于其他应用领域的，通过切削加工方法制造的，特别是由PTFE悬浮液(S-PTFE)制成的波纹管，并不适用于或仅有限地适用于根据本发明所述的密封装置，因为这种波纹管一般不具备足够高的交变弯曲强度。通过吹塑成型PTFE悬浮液制造的波纹管也同样是有问题的，在本发明的框架下不太优选。

当根据本发明所述的密封装置具有波纹管，且该波纹管仅具有由PTFE材料制成的单层管层时，只要波纹管未受损伤，该密封装置原则上就是有效的，并能实现气密的密封。而双层或多层波纹管能够提高密封装置的操作稳定性，就这点而言是优选的。在一层管层撕裂或断裂的情况下，还有另一层管层来防止泄露。

在本发明的一个有利的实施方案中，波纹管包括两层管层，该两层管层的端部焊接在一起。这种焊接可以在波纹管的制造过程中通过吹塑成型进行，即，通过固定工具压合重叠在一起的两层软管或管道的端部，随后将这两个端部加热以进行吹塑成型。

双层或多层波纹管在设备中(即例如在泵或阀门中)设置为，相比周围或第二种介质具有较高压力的第一种介质处于波纹管内部，确切的说是处于活动部件和波纹管之间的间隙内。在这种情况下，波纹管的两层管层可以为相同厚度，或内层可具有较大厚度，因为该内层直接暴露于第一介质中。

在双层波纹管中，可以在两管层之间设置压力传感器。通过这种传感器可立即检测到内层的损伤并作出相应警告，因为当第一种介质穿透内层的裂缝或破裂处时，两管层之间的压力会剧烈升高。这对于用于直接喷射燃料的高压泵尤为重要，因为在此若不借助这种传感器，就无法直接发现泄漏，而会在之后的运行中产生严重后果。

为了实现波纹管的端部在固定和活动部件上的力配合的和密封的固定，优选夹紧、束紧或螺栓固定该端部。在此可以对该端部施加关于活动部件和波纹管的纵轴成径向和/或轴向的力。

在本发明的另一个有利的实施方案中，密封装置包括金属加强环，这些加强环从外部环绕波纹管，并设置在波纹管的每道褶皱中。通过这种加强环能够抵抗第一种介质从内部施加给波纹管的压力。通过吹塑成型制造波纹管时，这些金属加强环在坯件改型成波纹管之前就事先设置在该坯件上。

作为加强环的替代或补充，也可以这样实现相似的加强功能，即，密封装置包括从外部围绕波纹管的支撑软管。这种支撑软管优选由特别耐撕裂的材料制成，例如由玻璃纤维网制成。

上述的用于抵抗从内部施加的压力负载的强化波纹管的可选方案对于本发明的这样的实施方案尤为重要，即，在这些实施方案中，第一种介质既处于固定部件中的接纳部内，又处于活动部件和波纹管之间的间隙内。在这种情况下，波纹管是根据本发明所述的密封装置的唯一的密封部件。

而当第一种介质与周围或第二种介质之间存在较高压力差时，至少部分减轻第一种介质施加给波纹管的压力可以是有利的。因此，根据本发明的另一个优选的实施方案，密封装置设置为还包括唇形密封件，该唇形密封件用于将第一种介质相对于活动部件和波纹管之间的间隙密封起来。这样的唇形密封件能防止处于固定部件中的接纳部内的第一种介质以全压充满波纹管内部并从内部高压冲击该波纹管。鉴于开头所述的唇形密封件的缺点，虽然会有一定量的第一种介质泄漏到波纹管内，但这并不是危险的，因为通过波纹管，在任何情况下都能确保相对于周围或第二种介质的气密的密封。

唇形密封件优选固定在固定部件或活动部件上，并包括至少一个密封唇口，该密封唇口通过预应力抵靠在相应的另一部件上。至少一个的密封唇口优选由PTFE、由可熔炼的含氟聚合物，或由这种聚合物的加入了一种或多种填充剂的复合物制成。预应力可以通过密封唇口的材料本身，特别是基于PTFE的记忆效果实现，和/或通过钢制弹簧部件实现。

若根据本发明所述的密封装置包括这种唇形密封件，那么该密封装置还优选包括流体管路，该流体管路用于将第一种介质从活动部件和波纹管之间的间隙中清除。通过该流体管路能够将第一种介质特别引回相应的贮液器中，在喷油泵的情况下例如引回燃油箱中。由此能够避免在一定的运行时间之后，活动部件和波纹管之间的间隙完全由第一种介质充满并形成相应的压力。

此外，本发明还涉及一种用于在内燃机中直接喷射燃料的高压泵，该高压泵包括根据本发明所述的密封装置，其中第一种介质为燃料(特别是汽油或柴油燃料)且第二种介质为润滑剂(特别是机油)，并且其中活动部件为由凸轮轴驱动的活塞。这类高压泵通常以250赫兹以内的活塞频率和2至10毫米的活塞冲程运转，其中燃料的压力通常约为6巴(压力峰值为40巴)，润滑剂的压力最高为1巴。燃料的温度在110摄氏度以内，润滑剂的温度在130摄氏度以内。

根据本发明所述的高压泵的特殊优点，即特别是燃料与润滑剂之间气密的隔离和波纹管相较于唇形密封件的较高的耐磨性，都已结合本发明所述的密封装置进行了详细的说明。用于根据本发明所述的高压泵的波纹管优选具有10至30毫米的长度、5至12毫米的最小内径和0.1至1.0毫米的壁厚。

此外，本发明也涉及一种用于饮料灌装设备的灌装阀门，该灌装阀门包括根据本发明所述的密封装置，其中第一种介质为待灌装的饮料。在这类设备中会部分地在高压力和高温度的条件下罐装饮料，因此在此也对密封装置具有高要求。典型的运行条件为例如阀门升程为12毫米，频率为20赫兹，压力为8巴以内并且温度为120摄氏度以内。密封装置在此也必须足以耐受所使用的清洁剂和杀菌剂。

附图说明

凭借以下实施例并参照附图对本发明的上述和其他优点做出详细说明。附图单独示出了：

图1示出了根据本发明所述的密封装置的第一实施例的横截面示意图；以及

图2示出了根据本发明所述的密封装置的第二实施例的横截面示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明所述的密封装置10的第一实施例的横截面，该密封装置为仅部分示出的设备12的组成部分。设备12在此指的是活塞泵，该活塞泵具有活塞形式的活动部件14和固定部件16，该固定部件构成活塞14的接纳部18。

在活塞泵12的运转过程中，活塞14沿其纵轴20作直线往复运动。在此活塞14分别在接纳部18的方向由在图示中未示出的驱动部件(例如凸轮轴)，在相反方向则通过弹簧22驱动。弹簧22在一边由固定部件16支撑，在另一边由对面的托盘24支撑。

此外，在活塞泵12中，待抽取的第一种介质26处于固定部件16的接纳部18中，而第二种介质28，特别指润滑剂，则处于固定部件16下方的区域内。第一种介质26具有比第二种介质28高的压力。

为了隔离第一种介质和第二种介质，根据本发明所述的密封装置10包括PTFE材料制成的波纹管30，该波纹管部分容纳活塞14。图1示出的波纹管30为单层，而其也可替代性地设计为多层，特别是双层。

制成波纹管30的PTFE材料优选包括均聚合PTFE或共聚单体含量为0.1％重量或更少的改性PTFE，其中特指乳液PTFE。

波纹管30以其第一端部32在固定部件16上，以其第二端部34在活塞14上力配合地和密封地固定。在此通过分别对波纹管30的端部32和34施加关于纵轴20成径向的力，借助夹具36实现在固定部件16上的固定并借助锁紧环38实现在活塞14上的固定。

在活塞14的往复运动过程中，波纹管30能够由于其褶皱的和卷曲的管壁结构灵活改变其长度。这样能够通过根据本发明所述的密封装置10实现第一种介质26和第二种介质28之间气密的和防漏的密封。

活塞泵12特别可以指用于在内燃机中直接喷射燃料的高压泵。而具有相同或相似构造的密封装置也可以使用在其他泵或阀门上。

图2示出了根据本发明所述的密封装置40的第二实施例的横截面，该密封装置为设备42的组成部分。该实施例除下述不同点之外与根据图1的第一实施例相符，其中相同或相对应的部件分别用相同标号表示。

密封装置40附加包括设置在接纳部18的内壁和活塞14之间的环状间隙内的唇形密封件44。该唇形密封件44用于将处于接纳部18中的第一种介质26相对于活塞14和波纹管30之间的间隙46密封起来。由此防止第一种介质26从内部高压冲击波纹管30。

唇形密封件44固定在固定部件16上，并包括密封唇口48，该密封唇口通过预应力抵靠在活塞14上。该预应力通过安装在唇形密封件44内的侧面为U形的钢弹簧50施加。随着第一种介质26作用于密封唇口48上的压力逐渐增强，对活塞14的挤压力和因此产生的密封作用也进一步增强。

图2所示的唇形密封件44的实施方案可以由许多其他构造方案替代，例如具有两个关于纵轴20成相反朝向的密封唇口的唇形密封件。当使用一个或多个密封唇口时也可不需使用弹簧部件，而是通过密封唇口的材料的记忆效果产生预应力。在此特别指PTFE制材料或可熔炼的含氟聚合物制材料，或者指相应的复合物。

由于唇形密封件44的不严密性，特别是由于随着设备42运行时间的增加而产生的磨损，可能仍有微量第一种介质26进入间隙46中。为了避免在间隙46中形成压力，可以设置流体管路(图中未示出)，用于将第一种介质26从间隙46中清除并引入相应的贮液器(例如在喷油泵的情况下为燃油箱)中。

Claims (17)

1.一种密封装置(10；40)，该密封装置用于在一种具有活动部件(14)和固定部件(16)的设备(12；42)中，将第一种介质(26)相对于周围或第二种介质(28)密封起来，其中所述活动部件(14)设置为可沿纵轴(20)做直线往复运动，且所述固定部件(16)构成所述活动部件(14)的接纳部(18)，

其特征在于，所述密封装置(10；40)包括由PTFE材料制成的单层或多层波纹管(30)，其中所述波纹管(30)至少部分容纳所述活动部件(14)，并且其中以所述波纹管(30)的第一端部(32)在所述固定部件(16)上，以所述波纹管(30)的第二端部(34)在所述活动部件(14)上力配合地和密封地固定,

其中所述密封装置(10；40)包括从外部围绕所述波纹管(30)的支撑软管。

2.根据权利要求1所述的密封装置(10；40)，其中所述设备(12；42)为泵或阀门，并且其中所述活动部件(14)为活塞或连杆。

3.根据权利要求1或2所述的密封装置(10；40)，其中PTFE材料包括均聚合PTFE或共聚单体含量为0.1％重量或更少的改性PTFE。

4.根据权利要求3所述的密封装置(10；40)，其中所述PTFE为PTFE乳液。

5.根据权利要求1或2或4所述的密封装置(10；40)，其中所述PTFE材料包含填充剂。

6.根据权利要求1或2或4所述的密封装置(10；40)，其中所述PTFE材料包含黑色颜料。

7.根据权利要求1或2或4所述的密封装置(10；40)，其中所述波纹管(30)通过吹塑成型制造。

8.根据权利要求1或2或4所述的密封装置(10；40)，其中所述波纹管(30)包括两层管层，所述两层管层的第一端部(32)、第二端部(34)焊接在一起。

9.根据权利要求8所述的密封装置(10；40)，其中在两层管层之间设置压力传感器。

10.根据权利要求1或2或4或9所述的密封装置(10；40)，其中夹紧、束紧或螺栓固定所述波纹管(30)的第一端部(32)、第二端部(34)，以实现在所述固定和活动部件(16、14)上的力配合的和密封的固定。

11.根据权利要求1或2或4或9所述的密封装置(10；40)，其中所述密封装置(10；40)包括金属加强环，所述金属加强环从外部环绕所述波纹管(30)，并设置在所述波纹管(30)的每道褶皱中。

12.根据权利要求1或2或4或9所述的密封装置(10；40)，其中所述第一种介质(26)既处于所述固定部件(16)中的所述接纳部(18)内，又处于所述活动部件(14)和所述波纹管(30)之间的间隙(46)内。

13.根据权利要求12所述的密封装置(10；40)，其中所述密封装置(10；40)还包括唇形密封件(44)，所述唇形密封件用于将所述第一种介质(26)相对于所述活动部件(14)和所述波纹管(30)之间的间隙(46)密封起来。

14.根据权利要求13所述的密封装置(10；40)，其中所述唇形密封件(44)固定在所述固定部件(16)或所述活动部件(14)上，并包括至少一个密封唇口(48)，所述密封唇口通过预应力抵靠在相应的活动部件(14)、固定部件(16)上。

15.根据权利要求14所述的密封装置(10；40)，其中所述密封装置(40)包括流体管路，所述流体管路用于将所述第一种介质(26)从所述活动部件(14)和所述波纹管(30)之间的间隙(46)中清除。

16.一种用于在内燃机中直接喷射燃料的高压泵，所述高压泵包括根据上述权利要求中任意一项所述的密封装置(10；40)，其中所述第一种介质(26)为燃料，且所述第二种介质(28)为润滑剂，并且其中所述活动部件(14)为由凸轮轴驱动的活塞。

17.一种用于饮料灌装设备的灌装阀门，所述灌装阀门包括根据权利要求1至15中任意一项所述的密封装置(10；40)，其中所述第一种介质(26)为待灌装的饮料。