CN104455415A - 密封机构和密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封机构和基于该密封机构的方法，在这里，对密封件施力的夹紧环补偿因操作所引起的可供密封件使用的体积的变化，由此，即使在高的工作压力下也能可靠地保持该密封件的密封作用。

Description

密封机构和密封方法

技术领域

本发明涉及一种用于密封可施加高内压的内腔的密封机构和密封方法。

背景技术

尤其在利用很高的压力进行工作的HPLC方法(高效液相色谱法)中对密封提出了严格要求。例如泵就属于这种情况，在这里出现超过100兆帕的压力。虽然在现有技术中曾尝试通过尽量小的加工公差来支持良好密封，但所出现的高压造成迄今没有令人满意的解决方案。以下实施方式是已知的，其中环形密封件在轴向上被预紧以获得期望的密封作用。但在工作中出现的增大的内压导致了相对密封的部件被压迫分离，从而还减少被引入密封中的预紧压力进而削弱密封作用。相应地，必须提前调节出高于预期的工作压力的足够高的预紧压力。

通常，用于液体清洁或混合的零部件也用在这样的高压系统内。这些零部件必须是可以置换的，因此需要对容纳它们但可相互分开的部件进行良好密封。同时，系统内的过滤器或混合器也必须被密封，从而使得没有介质能在其旁边绕过，而是只能流经该过滤器或者混合器。此外，HPLC技术所采用的过滤器或混合器通常具有在密封时所要考虑的加工公差。因此，略微烧结的金属玻璃料是已知的，其具有特殊的孔隙度和孔径。该金属玻璃料可以呈盘状，其直径直至厘米范围内且厚度为几毫米。

由DE3838692A1公开了用于密封来回运动的杆的装置，其中，密封圈位于槽内并且利用边缘对杆围绕施力以便密封。可变形的夹紧环径向施力于密封圈。

发明内容

因此本发明的任务是提供一种密封方法和一种执行该方法的装置，以便即使在非常高的工作压力下也能简单获得可靠密封。

所述任务将通过根据第一方面的方法和根据另一方面的密封机构来完成。

本发明基于以下认识，即，被引入密封件的预紧力在内压增大时也应该尽量保持不变以便能保证密封作用不变。根据本发明，这通过使用夹紧环来实现，该夹紧环在径向上与密封件相邻，并且根据内压进行径向扩张或者收缩。相对于夹紧环径向布置的密封件因此经受取决于内压的夹紧环施压，这种施压补偿因增大的内压而导致的预紧力下降。为此，在内压增高时也可以保持密封件的密封作用。

本发明的方法用于密封可施加高内压的内腔，其中，内腔基本由壳体和能与壳体相连的压紧件构成，并且绕假想轴线Z以大致旋转对称的方式延伸。尤其是，它可以是HPLC部件内的腔室，例如可设置用于容纳盘状玻璃料的腔室。压紧件可与壳体连接(尤其通过螺纹连接机构)，由此在压紧件和壳体之间形成该内腔。在壳体或压紧件上的承座中，可以放置优选呈环形的与Z轴同轴的密封件，该密封件在壳体与压紧件连接或螺纹连接时被施加预紧力。根据本发明，该预紧力被选择成高达使该密封件此时变形。

本发明的夹紧环优选设置在密封件的径向内侧，且与该密封件同轴、紧贴地设置，夹紧环在径向上有一定弹性，且例如可以由含钛材料构成。该密封件由壳体、压紧件和夹紧环尽可能紧密且完全地包围。在压紧件被压入壳体中时，密封件在轴向上被施加预紧力，该预紧力导致密封件径向变形。由此，夹紧环在其外表面被施加如此大的载荷，使得它在径向上朝向Z轴线被压缩一定程度，并且由此接受由变形引起的夹紧力。安装之后，在优选在内腔中仍存在环境压力的情况下，密封件在壳体、压紧件和夹紧环之间被如此强地预紧，即在其内部存在这样的压力，该压力显著高于内腔中的预期工作压力，并且沿径向内侧邻接该密封件的夹紧环根据其弹性被径向压缩。

如果内腔随后被施加工作压力，则它迫使该壳体和压紧件根据材料性能和加工公差轴向分开一定程度。在由现有技术所公开的、主要在轴向上作用的密封中，当常见的密封件不能独自补偿该轴向运动时，这导致不密封性。而根据本发明的通过所加入的工作压力而在内侧施加载荷且由此又径向扩张一定程度的夹紧环，现在对沿径向与其周面邻接的密封件施加附加压力，密封件因该压力而径向变形，同时尽量最佳匹配改变的承座横截面并保持密封作用不变。

当密封件在其安置就位时被如此大的施加预紧力，使得其塑性流动时，则特别好地出现了密封作用。对于由PEEK构成的密封环，大于300Mpa的压力是合适的。通过塑性流动，其在壳体、压紧件和夹紧环之间的安置就位通过窄公差和很小缝隙来界定的密封圈可以良好地占据并可靠密封该缝隙。该密封件即使在内腔施加工作压力时也保持塑性，从而随时保持其由可变形能力所导致的密封性能。

根据本发明的另一个有利的实施方式，通过因受力的密封件而径向朝内变形的夹紧环，设在夹紧环内的盘形玻璃料被夹紧。玻璃料优选可以保持塑性变形(直径缩小)并且总是被夹紧环保持，从而可靠排除在玻璃料和夹紧环之间的漏流。此时，内压增大时所出现的夹紧环径向扩张过小，使得该玻璃料此时可能会在夹紧环内松动。

玻璃料在密封机构安装时允许变形带来另一个优点，即，它减轻了像这样的安装负担。密封环、夹紧环的加工公差和所出现的密封缝隙带来以下要求，即，与公差无关地可靠且可反复地获得设置用于安装的预紧力。为此，装在壳体内的夹紧环被用作用于压紧件的止挡，其在安装时总是被压入至壳体中直到它轴向抵靠夹紧环的程度。同时，随着压紧件的插入运动，也通过压紧件对沿径向设置在夹紧环外侧的密封件施力，必要时通过在压紧件上的尤其突入该承座的凸起来施力。所述夹紧环、密封件以及壳体和压紧件的形状此时如此选择，即，在压紧件在移入或拧入时直到抵靠到夹紧环的时刻，所述密封件已经被施加如此高的预紧力，使得它通过径向朝内变形对夹紧环施力。

保持在夹紧环内且可以基于加工公差而进行外径改变的玻璃料此时在径向上被施加如此大的压力，即，玻璃料通过塑性变形而适应夹紧环内径。玻璃料可以通过单纯的弹性变形来引起夹紧环稍后在工作压力下预期的径向扩张，并且因此在所有工作状态下保持夹紧在该夹紧环内。

因为玻璃料具有可塑性变形性，因此通过该方式在组件初次拧装时获得公差补偿。玻璃料此时塑性变形成直至压紧件与公差无关地总是贴靠夹紧环(而夹紧环又支承在壳体上)的程度。与通常必须根据感觉来调节引入密封件中的预紧力的现有技术不同的是，夹紧环作为用于压紧件的限定的止挡来提供简单的安装辅助，借此在任何情况下都将带有公差的玻璃料可靠保持在被预紧的夹紧环中，夹紧环通过由操作所决定的扩张能同时对密封件施力以实现持续可靠的密封。

借助径向作用的夹紧环的前述原理可以用于截然不同的密封任务。尤其是对于出现很高压力的HPLC技术，该原理胜过由现有技术已知的利用主要轴向作用的密封件的常见的密封方法。此时要注意，密封件沿径向布置在夹紧环外侧虽然是一个优选实施方式，但为了实现有创造性的基础构想而不一定如此。取而代之，原则上也可以想到将通过密封件而径向变形的夹紧环布置在密封件外侧，即围绕密封件。这例如在要使用呈例如由陶瓷构成的刚性盘形式的玻璃料时是很有可能的。

在此变型中，夹紧环用作围绕密封件且径向朝内施力的构件。在安装时首先轴向受力的密封件则不仅朝内对紧邻的玻璃料，而且朝外对夹紧环施以径向夹紧力。这导致玻璃料在密封件内牢固夹紧以及夹紧环扩张。此时，密封件的横截面略微变化，其中，它充满因夹紧环扩张而空出的体积。此时相应地将密封间隙的尺寸设定成使得塑性流动的密封件只能转移到为此而设的区域中。在内压随后增大时(其中压紧件在轴向上略微抬离壳体)，密封件占据此时出现的缝隙的容积。夹紧环此时在其直径缩小的情况下提供从外侧作用于密封件的反力，密封件以塑性流动的方式适应新出现的其承座形状，因而在压紧件略微轴向抬离壳体时保持其密封功能。

附图说明

以下，将结合附图例子来详述本发明的一个有利的实施方式，其中：

图1是本发明的密封机构的示意剖视图，

图2是玻璃料连同夹紧环和密封件的简化剖视图，

图3示出了带有围绕密封件的夹紧环的密封机构。

具体实施方式

图1示出了来自HPLC技术的连接件，该连接件允许容纳可更换的玻璃料6，并且设计用于高于100Mpa的工作压力。所示的密封机构10包括壳体2，该壳体以基本绕Z轴线旋转对称的方式构成。压紧件3可沿Z轴线通过壳体2的开口端进入壳体。从后侧向压紧件3施力的拧入件12可以为此在Z方向上沿螺纹拧入壳体2中，由此，压紧件3可被插入壳体2(在图1中从右向左)或紧固地夹紧在其中。壳体2或压紧件3具有连通通道20或30，介质可在高压下被引导到由壳体2或压紧件3构成的内腔1中或可从该内腔被排出。介质此时会被引导穿过盘形的、与Z轴线同轴地设置在内腔1中的玻璃料6。内腔1的最大直径大致与玻璃料6的外径一致。应当避免围绕玻璃料6的漏流。

由钛化合物构成的夹紧环5围绕玻璃料6并且以一端面贴靠壳体2。压紧件3可以插入壳体2直至它抵靠夹紧环5的另一端面，该夹紧环由此限定了压紧件3相对于壳体2的最终位置(但在图1中在压紧件3和夹紧环5之间示出了还要说明的小缝隙)。

此外，由PEEK材料构成的密封件4设置在夹紧环5的径向外侧。在壳体内的阶梯状缩进部和夹紧环5的外表面构成用于密封件4的承座。压紧件3上的呈环形构成的轴向凸起11在压紧件3抵靠夹紧环5之前作用于密封件4上。密封件4在其承座中被壳体2、夹紧环5和压紧件3尽量完全包围，在这些单独的零部件之间有小间隙。

图2是被夹紧环5围绕的玻璃料6以及又被密封件4围绕的夹紧环5的剖视图。

密封机构10如此起作用：在拆除拧入件12和压紧件3的情况下，将能被准确装入夹紧环5中的玻璃料6装入壳体2中。密封件4也被装入其承座。随后，压紧件3利用拧入件12在轴向上移向由玻璃料6、夹紧环5和密封件4构成的组件。在拧入件12和压紧件3之间的O形圈7或滑片9使上述过程变得简单。O形圈7和滑片9是任选的。该滑片用于减小拧入件12和压紧件3之间的摩擦并保持小的所需转矩。O形圈7又用于保护例如由黄铜构成的滑片9免受流入的液体影响(腐蚀)。

当压紧件3进一步前移时(在图1中从右向左)，环形凸起11接触密封件4并对其施加预紧力。此时包围密封件4的所有零部件的形状如此选择，即，在压紧件3最后抵靠夹紧环5且由此压紧件3的前移运动结束之前，可利用凸起11对密封件4施力，直到密封件开始塑性流动。在这种情况下通过被引入密封件4的在径向R上向内作用于夹紧环5的高的预紧力，在接纳夹紧力的情况下夹紧环的直径弹性缩小。与此同时，塑性流动的密封件4可靠地密封存在于压紧件、壳体和夹紧环之间的窄缝。

夹紧环5的径向向内变形作用于保持在夹紧环5内的玻璃料6，玻璃料通过塑性变形来适应夹紧环5的更小的内径，并由此被夹紧环很牢固地保持。可由此避免在玻璃料和夹紧环之间透过的漏流。

在安装之后，密封机构已经准备好投入使用，此时，流入的介质对内腔1施加高压。该内压导致压紧件3被略微压离壳体2(在图1中从左向右)，由此也在压紧件3和夹紧环5朝向该压紧件的端面之间出现小间隙(图1示出了该状态)。随着内压增大，夹紧环5也在径向上额外受力，由此一来，夹紧环在径向上又扩张一定程度。由此，密封件4经受从内到外作用的径向载荷。虽然环形凸起11也在施加的压力范围内轴向略微离开密封件4，从而也可能在那里出现缝隙。但因为夹紧环5在其扩张时径向挤开塑性流动的密封件4的体积，故密封件4直接适应略有变化的承座，由此保证密封件周围间隙的保持不变的良好密封。由此获得本发明的效果，即，当壳体2和压紧件3完成轻微的彼此相对运动并且可供密封件使用的体积增大时，通过弹性的夹紧环5也保持密封件4的材料内的压力。

图3示出了基本与图1所示一致的密封机构，因而可以放弃几乎所有附图标记的重复说明。在此实施方式中，密封件4和夹紧环5的径向布置方式被置换。夹紧环5围绕密封件4，密封件又围绕设置在中心处的玻璃料6。在未进行螺纹连接状态下，该夹紧环通过其在壳体内的承座的几何布置来保持就位。

安装时，拧入件12在压紧件3上施加轴向力。例如由PEEK构成的密封件4此时受力，从而进行变形并且开始流动。围绕密封件4的夹紧环5接受径向出现的力。在夹紧环5径向外侧相对于壳体设有间隙，用于允许夹紧环5进行扩张。密封件4可以向内直接抵靠在玻璃料或者例如由陶瓷构成的盘件6上。此时玻璃料6必须足够坚硬，以接受预紧的密封件4引起的压力。

在工作压力下，密封件4可以填满因增大的压力而在壳体2和压紧件3之间出现的缝隙。向内弹动的夹紧环5此时沿径向从外侧作用于密封件4，并且可以通过径向缩小来补偿密封件4的体积在轴向上的变化。

Claims (17)

1.一种用于密封能施加高内压的内腔(1)的方法，其中该内腔(1)基本上由壳体(2)和能与所述壳体连接的压紧件(3)构成，并且其中围绕假想中心轴线(Z)构成的密封件(4)能夹紧在所述压紧件(3)与所述壳体(2)之间，

其特征在于以下方法步骤：

a)将所述压紧件(3)插入所述壳体中以使所述密封件(4)变形，由此所述密封件(4)被施加可选的预紧力并且被压入就位；

b)利用自身变形的密封件(4)对与所述密封件(4)径向相邻的夹紧环(5)施力，以由此将用于使所述夹紧环(5)变形的径向夹紧力引入所述夹紧环。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，在方法步骤a)中在Z方向上对所述密封件(4)施力。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述夹紧环(5)利用所述密封件(4)的施力而经受至少部分可逆的变形。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，通过增大所述内压而使该变形至少部分地逆转。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征是，由内压变化引起的所述夹紧环(5)的径向弹性变形通过作用于所述密封件(4)而基本稳定地或如此高地保持所述密封件(4)中的预紧力，使得所述密封件(4)能塑性流动以保持其密封作用。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征是，在所述夹紧环(5)内安置有玻璃料(6)，用于过滤或混合可透过所述内腔(1)被引入的介质。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征是，当所述密封件(4)压入就位时，设置在所述压紧件(3)与所述壳体(2)之间的夹紧环(5)在轴向上在两侧被用作用于所述压紧件(3)或用于所述壳体(2)的止挡。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征是，当所述密封件(4)压入就位时，所述夹紧环(5)直接地或者通过位于其间的密封件(4)来夹紧设于其内部的玻璃料(6)，优选在所述玻璃料(6)进行至少部分可逆的塑性变形的情况下。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征是，所述内腔(1)是高效液相色谱法(HPLC)系统的一部分。

10.一种用于执行根据前述方法权利要求中的任一项所述的方法的密封机构(10)。

11.根据权利要求10所述的密封机构(10)，该密封机构包括能施加高内压的内腔(1)，所述内腔基本由壳体(2)和能与所述壳体连接的压紧件(3)构成，其中设有能在所述压紧件(3)和所述壳体(2)之间被压入就位的密封件(4)，该密封件围绕假想中心轴线(Z)延伸，其特征是，在所述压紧件(3)和壳体(2)之间设置有围绕所述轴线(Z)构成的弹性夹紧环(5)，该夹紧环能借助所述密封件(4)和/或根据该内压径向变形设置。

12.根据权利要求11所述的密封机构(10)，其特征是，在所述夹紧环(5)内和/或在所述密封件(4)内设有玻璃料(6)，该玻璃料将所述内腔(1)分成两个区域，其中进入所述第一区域的介质能穿过所述玻璃料(6)转入所述第二区域。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的密封机构(10)，其特征是，所述密封件(4)作为环件围绕所述夹紧环(5)的外侧，而所述夹紧环(5)在径向预紧力下保持设于其内的玻璃料(6)。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的密封机构(10)，其特征是，所述压紧件(3)能如此与所述壳体(2)连接，优选为螺纹连接，即所述密封件(4)能在轴向(Z)上被施加压力直到塑性流动，以便由此利用所述密封件(4)在径向(R)上对所述夹紧环(5)施以夹紧力。

15.根据权利要求10至14中的任一项所述的密封机构(10)，其特征是，所述夹紧环(5)在所述压紧件(3)与所述壳体(2)连接时构成用于所述压紧件(3)的轴向止挡。

16.根据权利要求10至15中的任一项所述的密封机构(10)，其特征是，所述壳体(2)构成用于关于所述轴线(Z)呈环形的密封件(4)的承座，并且在外侧围绕所述密封件，其中所述密封件(4)在内侧贴靠围绕所述轴线(Z)构成而又围绕玻璃料(6)的夹紧环(5)，并且其中所述压紧件(3)的一部分在与所述壳体(2)连接时变形而作用于所述密封件(4)，其中所述压紧件(3)的另一部分能一直运动到作为轴向止挡起作用的夹紧环(5)。

17.根据权利要求10至16中的任一项所述的密封机构(10)，其特征是，所述密封机构设置成用于高效液相色谱法(HPLC)构件。