CN104797867A - 密封环和具有至少一个此密封环的压力测量换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封环装置(1)，其在外部径向导向环(2)与内部径向导向环(4)间具有合成材料密封环(3)，其中外部导向环(2)比内部导向环(4)具有更大的热膨胀系数，使得在导向环间的环状间隙的有效体积膨胀系数比合成材料密封环(3)的合成材料的体积膨胀系数大。通过环状间隙体积的大的有效热膨胀系数，其如通过外部和内部导向环的不同膨胀系数实现，能够对合成材料密封环的轴向夹紧力的波动加以限制。

Description

密封环和具有至少一个此密封环的压力测量换能器

技术领域

本发明涉及密封环和具有至少一个此密封环的压力测量换能器。

背景技术

制造工业有时在具有如下介质的情况下工作，已有的弹性体仅能在一定条件下耐受该介质。因此在可以期望到这种介质的情况下，在接触介质的密封件的情况中通常不使用另外的通常弹性体。反而是应用金属密封件或惰性合成材料，尤其为含氟聚合物如PTFE、FEP或PFA。然后，要相对于彼此密封的部件的设计必须与密封材料的特殊性质相适应。因此，例如，为了产生需要的压缩压力，金属密封件通常需要大的夹紧力，为了能够克服通常在金属密封配件与密封件本身间的热膨胀差值、结构中的热应力、螺纹接头的松动和在给定的情况下与前述效果相关的滞后现象以及密封材料的流动和制造公差，必须对含氟聚合物密封件弹性地预加应力。

由这一情况造成的工业过程测量技术的问题在于，测量装置应使用尽可能小数量的关于结构的变体来适合于大多数不同的工艺介质。由于通常来说弹性密封件足够了，所以为全部装置提供这种复杂的结构使他们能够充分地对热塑密封件弹性地预加应力是不合理的。

发明内容

尚未公开的专利申请DE 10 2012 004 406公开了具有Z形横截面的金属密封环，其中在密封环的端面上的密封表面涂布有聚合物，尤其为PTFE。该Z形横截面产生密封环的轴向弹性，利用该轴向弹性可以对密封表面轴向地预加应力。然而，所述金属密封环导致轴向夹紧力的温度依赖性波动。另外，金属密封环的制造是昂贵的。

因此，本发明的目的为提供新的密封环和具有此密封环的压力测量换能器，其具有耐化学性材料和减轻有机材料的大的热膨胀效果。

通过如在独立权利要求1中限定的密封环和如在独立权利要求11中限定的压力测量换能器实现所述目的。

本发明的在轴向地夹紧状态下用于密封的密封环包括：具有第一线性热膨胀系数α₁的第一材料的环状密封元件；环状导向装置，其对由密封元件可消耗的体积的赤道环状表面限定至少一个径向屏障，其中赤道环状表面具有有效区域热膨胀系数β，其达到大于第一线性热膨胀系数的两倍，尤其不小于二点五倍，使得环状密封元件的有效轴向热膨胀系数小于第一线性热膨胀系数，尤其达到不大于第一线性热膨胀系数的一半，优选不大于30ppm/K，以及尤其优选不大于20ppm/K。

在发明进一步的改进中，导向装置包括内部径向导向环，其中内部径向导向环对于密封元件具有内部径向边界面，其中内部导向环包括具有第二线性热膨胀系数α₂的第二材料，其中导向装置还包括外部径向导向环，其中外部导向环对于密封元件具有外部径向边界面，其中外部导向环包括具有第三线性热膨胀系数α₃的第三材料，其中第二热膨胀系数α₂小于第三热膨胀系数α₃。

在发明进一步的改进中，第三热膨胀系数α₃小于第一热膨胀系数α₁，其中对外部边界面的有效外径R_a和内部边界面的有效内径R_i进行选择，使得在期望的使用温度范围内尽可能满足以下关系：

[(R_a·F₃)²-(R_i·F₂)²]·F₃＝[R_a ²-R_i ²]·F₁ ³   (I)

在这种情况下，F_i等于(1+α₁·ΔT)，其中ΔT为与基准温度T₀例如T₀＝300K的偏差。考虑到热膨胀项α₁·ΔT显著小于1这一事实，因此对于半径比适用以下等式：

$\frac{R_a}{R_i}-1=K\·[\sqrt{\frac{{\mathrm{\α}}_1-\frac{2}{3}{\mathrm{\α}}_2-\frac{1}{3}{\mathrm{\α}}_3}{{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_3}}-1]---\left(\mathrm{II}\right)$

其中0.67<K<1.5，尤其0.8<K<1.25，优选0.9<K<1.1，以及尤其优选0.95<K<1.05。

在发明进一步的改进中，第二材料包括陶瓷材料或玻璃，其中第二热膨胀系数α₂达到例如不大于8ppm/K，尤其不大于5ppm/K，以及优选不大于3.5ppm/K。

在发明进一步的改进中，第三材料包括金属材料，尤其为不锈钢，其中第三热膨胀系数α₃达到例如不小于14ppm/K，尤其不小于15ppm/K，以及优选不小于16ppm/K。

在发明进一步的改进中，第一材料包括聚合物，其中第一热膨胀系数α₁达到例如不小于80ppm/K且不大于200ppm/K，尤其不大于150ppm/K。在实施方式中，第一材料包括含氟聚合物，尤其为PTFE或PFA。

在发明进一步的改进中，第一材料包括弹性体，其中导向装置包括内部径向导向环，其中内部导向环对于密封元件具有内部径向边界面，其中内部导向环包括具有小于第一线性热膨胀系数α₁的第二线性热膨胀系数α₂的第二材料，其中对密封环指定高达最高温度T_最大(T_max)的温度范围，其中内部导向环对密封元件径向地预加应力，使得在至少高达温度T_最大-20K、优选高达T_最大的温度下密封元件抵靠在密封表面上。

本发明的压力测量换能器包括：

压力传感器，其具有压力传感器主体，所述压力传感器主体包括与第一压力可接触的至少第一压力接收表面，其中压力传感器主体还包括环状地包围第一压力接收表面的至少第一密封表面，以及用于提供信号的换能器，所述信号取决于在压力接收表面上存在的第一压力与基准压力间的差值；

至少第一连接体，其包括第一压力开口和第一相对密封表面，其中第一相对密封表面环状地包围第一压力开口；和

至少本发明的第一密封环，其中在第一密封表面与第一相对密封表面间将第一密封环轴向地密封地夹紧，使得第一压力接收表面通过第一压力开口与第一压力是可接触的。

在本发明进一步的改进中，工艺连接体和传感器主体各自包括金属材料，尤其是热膨胀系数偏离本发明的密封环的第三材料的热膨胀系数不大于4ppm/K、优选不大于2ppm/K的材料。

在本发明进一步的改进中，在第一密封表面与具有有效线性热膨胀系数的第一相对密封表面间提供轴向分离，所述有效线性热膨胀系数偏离环状密封元件的有效轴向热膨胀系数不大于8ppm/K，优选不大于4ppm/K，以及尤其优选不大于2ppm/K。

在本发明进一步的改进中，压力测量换能器为绝对压力测量换能器或相对压力测量换能器，其中基准压力包括真空压力或者是大气压。

在本发明另外的进一步改进中，压力测量换能器为压力差换能器，其中压力传感器主体另外具有与第二压力可接触的第二压力接收表面，其中压力传感器主体还具有环状包围第二压力接收表面的第二密封表面，其中换能器用于提供信号，该信号取决于在第一压力接收表面上存在的第一压力与在第二压力表面上存在的基准压力间的差值；

其中压力差换能器还包括在连接体中的第二压力开口和第二相对密封表面，其中第二相对密封表面环状包围第二压力开口；以及

其中压力差换能器还包括本发明的第二密封环，其中在第二密封表面与第二相对密封表面间将第二密封环轴向地密封地夹紧，使得第二压力接收表面通过第二压力开口与作为基准压力的第二压力是可接触的。

根据本发明的进一步改进将第二压力开口和第二相对密封表面布置在与第一压力开口和第一相对密封表面共平面的第一连接体上。

在本发明另外的进一步改进中，压力差换能器包括具有第二压力开口和第二相对密封表面的第二连接体，其中在第一连接体与第二传感器主体间将传感器主体轴向地夹紧。

附图说明

现在将基于附图中呈现的实施方式的实例对本发明进行说明，所述附图的图如下所示：

图1为通过本发明的密封环的实施方式的实例的纵切面；

图2为通过本发明的绝对压力换能器的实施方式的实例的纵切面；以及

图3为通过本发明的压力差测量换能器的实施方式的实例的示意性纵切面。

具体实施方式

在图1中示出的在轴向加紧状态下用于密封的密封环1包括外部导向环2、环状密封元件3和内部导向环4，其中外部导向环2和内部导向环4形成密封元件3的导向装置。密封元件包括聚合物，尤其是含氟聚合物，所述含氟聚合物确实具有优异的耐介质性，但机械方面和热机械方面不足。因此，一方面，它在强压缩载荷下会流动或蠕变，另一方面，它具有例如在100ppm/K附近的大的第一热膨胀系数α₁。

然而，导向装置通过两个导向环提供两个环状径向屏障，含氟聚合物的流动性和抗挠性在两个环状径向屏障之间变为优势。内部导向环4由具有第二线性热膨胀系数α₂的材料构成，第二线性热膨胀系数α₂小于构成外部导向环2的第三材料的第三线性热膨胀系数α₃。实践中，可以将1.4435型不锈钢用于外部导向环2，然后使得第三线性热膨胀系数α₃达到例如17.5ppm/K。用于内部导向环4的材料可以例如为硼硅酸盐玻璃(Borofloat)，使得第二线性热膨胀系数α₂达到例如3.25ppm/K。

然后给出A＝pi*(R_a ²–R_i ²)作为在密封环1的中心平面中的密封元件3的横截面积A，其中R_a为以外部导向环2为界的密封元件3的外径，其中R_i为以内部导向环4为界的密封元件3的内径。

在以上材料的情况下，然后根据以上等式(II)和以K＝1作为在基准温度下的尺寸规格，结果R_a/R_i＝1.056。此时，例如由内部导向环4的外径给出的密封元件3的内径R_i具有例如15mm的值，那么由外部导向环2的内径限定的密封元件3的外径R_a达到15.84mm。密封元件3因此填充0.8mm的环状间隙。

在这种情况下，然后密封元件3的有效轴向膨胀系数与外部导向环2的第三线性膨胀系数α₃相当。于是很大程度上避免了密封元件3相对于外部导向环2的轴向膨胀。

优选地，本发明的密封环能够应用在压力测量换能器中。

图2中示出的绝对压力测量换能器10在金属圆柱外壳20中包括陶瓷压力测量单元21，该压力测量单元21例如形成本发明意义上的传感器主体。压力测量单元21包括测量膜22和平台23，其中使测量膜22和平台在端部连接。压力测量单元包括用于记录测量膜的压力依赖性变形的电容换能器，其中所述电容换能器包括在测量膜22上的至少第一电极25和在平台23上的至少第二电极26，其中两个电极彼此面对。在外壳20中，用端部支撑的压圈28和面对连接体30的测量膜22将压力测量单元21轴向地夹紧，所述连接体30用螺丝拧紧在外壳20上。连接体30包括形成压力入口开口的中心轴向孔32，测量膜22通过该压力入口开口与压力是可接触的。在由此形成压力接收表面的测量膜22与连接体30间，将本发明的密封环1轴向地夹紧，其中密封环1抵靠在由测量膜22与平台23间的接合部支撑的测量膜22的边缘区域上，所述边缘区域形成密封表面，其中位于密封表面对面的连接体30的环状表面区域形成相对密封表面。包括含氟聚合物的密封环1的密封元件3具有与不锈钢的外部导向环2相同的有效轴向热膨胀。这很大程度上防止了密封元件3相对于外部导向环2的热膨胀或收缩，从而长期保持密封环1的密封作用。

图3中示出的压力差测量换能器40的实施方式的实例包括具有第一末端52和第二末端54的圆柱形传感器主体50，其中使传感器主体50在两个工艺连接法兰60、62间轴向地夹紧。在各个情况下，在工艺连接法兰与两个端面52、54间轴向地夹紧的为本发明的密封环1。在各个情况下，由密封环1包围的端面区域包括形成压力接收表面的隔离膜片(未示出)，其中将作用在隔离膜片上的在传感器主体内部的压力通过液压传输至压力差测量换能器(未示出)，压力差测量换能器的信号取决于在第一末端52上的第一压力与在第二末端54上的第二压力间的差值。在各个情况下，两个工艺连接法兰60、62具有压力开口(未示出)，在各个情况下，通过所述开口可以将压力供应到在密封环1、工艺连接法兰和传感器主体间形成的空间中。

Claims (15)

1.在轴向地夹紧状态下用于密封的密封环，包括：

具有第一线性热膨胀系数α₁的第一材料的环状密封元件；

环状导向装置，其对由所述密封元件可消耗的体积的赤道环状表面限定至少一个径向屏障，其中所述赤道环状表面具有有效的区域热膨胀系数β，所述区域热膨胀系数β达到大于所述第一线性热膨胀系数的两倍，尤其不小于二点五倍，

使得所述环状密封元件的有效轴向热膨胀系数小于所述第一线性热膨胀系数，尤其不大于所述第一线性膨胀系数的一半，优选达到不大于30ppm/K，以及尤其优选不大于20ppm/K。

2.如权利要求1的密封环，

其中所述导向装置具有内部径向导向环，

其中所述内部径向导向环对于所述密封元件具有内部径向边界面，

其中所述内部导向环包括具有第二线性热膨胀系数α₂的第二材料，

其中所述导向装置还包括外部径向导向环，

其中所述外部导向环具有对于所述密封元件具有外部径向边界面，

其中所述外部导向环包括具有第三线性热膨胀系数α₃的第三材料，其中

所述第二热膨胀系数α₂小于所述第三热膨胀系数α₃。

3.如权利要求2的密封环，

其中所述第三热膨胀系数α₃小于所述第一热膨胀系数α₁，

其中外部边界面的有效外径R_a与内部边界面的有效内径R_i间适用以下关系：

$\frac{R_a}{R_i}-=K\&CenterDot;[\sqrt{\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_1-\frac{2}{3}{\mathrm{\&alpha;}}_2-\frac{1}{3}{\mathrm{\&alpha;}}_3}{{\mathrm{\&alpha;}}_1-{\mathrm{\&alpha;}}_3}}-1]$

其中0.67<K<1.5，尤其0.8<K<1.25，优选0.9<K<1.1，以及尤其优选0.95<K<1.05。

4.如权利要求2或3的密封环，其中所述第二材料包括陶瓷材料或玻璃，和/或其中所述第二热膨胀系数α₂达到不大于8ppm/K，尤其不大于5ppm/K，以及优选不大于3.5ppm/K。

5.如权利要求2、3或4的密封环，其中所述第三材料包括金属材料，尤其为不锈钢，和/或其中所述第三热膨胀系数α₃达到不小于14ppm/K，尤其不小于15ppm/K，以及优选不小于16ppm/K。

6.如前述权利要求中一项的密封环，其中所述第一材料包括聚合物，和/或其中所述第一热膨胀系数α₁达到不小于80ppm/K且不大于200ppm/K，尤其不大于150ppm/K。

7.如权利要求6的密封环，其中所述第一材料包括含氟聚合物，尤其为PTFE或PFA。

8.如权利要求1的密封环，其中所述第一材料包括弹性体，

其中所述导向装置包括内部径向导向环，

其中所述内部导向环对于所述密封元件具有内部径向边界面，

其中所述内部导向环包括具有小于所述第一线性热膨胀系数α₁的第二线性热膨胀系数α₂的第二材料，

其中对所述密封环指定高达最高温度T_最大的温度范围，

其中所述内部导向环对所述密封元件径向地预加应力，使得在至少高达T_最大-20K、优选高达T_最大的温度下密封元件抵靠在密封表面上。

9.压力测量换能器，包括：

压力传感器，其具有

压力传感器主体，所述压力传感器主体包括与第一压力可接触的至少第一压力接收表面，其中所述压力传感器主体还包括环状地包围所述第一压力接收表面的至少第一密封表面，以及

用于提供信号的换能器，所述信号取决于在所述压力接收表面上存在的所述第一压力与基准压力间的差值；

至少第一连接体，所述至少第一连接体包括第一压力开口和第一相对密封表面，其中所述第一相对密封表面环状地包围所述第一压力开口；和

至少如权利要求1-8中的一项的第一密封环，其中在所述第一密封表面与所述第一相对密封表面间将所述第一密封环轴向地密封地夹紧，使得所述第一压力接收表面通过所述第一压力开口与第一压力是可接触的。

10.如权利要求9的压力测量换能器，其中所述连接体和所述传感器主体各自包括金属材料，尤其是其热膨胀系数偏离本发明的所述密封环的第三材料的热膨胀系数不大于4ppm/K、优选不大于2ppm/K的材料。

11.如权利要求9或10的压力测量换能器，其中在所述第一密封表面与具有有效线性热膨胀系数的所述第一相对密封表面间提供轴向分离，所述有效线性热膨胀系数偏离所述环状密封元件的有效轴向热膨胀系数不大于8ppm/K，优选不大于4ppm/K，以及尤其优选不大于2ppm/K。

12.如权利要求9-11中一项的压力测量换能器，其为绝对压力测量换能器或相对压力测量换能器，其中所述基准压力包括真空压力或者是大气压。

13.如权利要求9-11中一项的压力测量换能器，其为压力差测量换能器，其中所述压力传感器主体另外具有与第二压力可接触的第二压力接收表面，其中所述压力传感器主体还具有环状地包围第二压力接收表面的第二密封表面，其中所述换能器用于提供信号，所述信号取决于在所述第一压力接收表面上存在的所述第一压力与在所述第二压力表面上存在的基准压力间的差值；

其中所述压力差换能器还包括在所述连接体中的第二压力开口和第二相对密封表面，其中所述第二相对密封表面环状地包围所述第二压力开口；以及

其中所述压力差换能器还包括如权利要求1-8中的一项的第二密封环，其中在所述第二密封表面与所述第二相对密封表面间将所述第二密封环轴向地密封地夹紧，使得所述第二压力接收表面通过所述第二压力开口与作为基准压力的第二压力是可接触的。

14.如权利要求13的压力差测量换能器，其中将所述第二压力开口和所述第二相对密封表面布置在与所述第一压力开口和所述第一相对密封表面共平面的所述第一连接体上。

15.如权利要求13的压力差测量换能器，其还包括具有所述第二压力开口和所述第二相对密封表面的第二连接体，其中在所述第一连接体与所述第二传感器主体间将所述传感器主体轴向地夹紧。