CN106287042B - 具有用于减轻套圈挤压的特征的套圈及有关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有用于减轻套圈挤压的特征的套圈及有关方法。套圈包括包围孔的主体，该孔沿中心轴线在套圈的第一端与第二端之间提供流路。主体包括构造用于与可插入套圈的配合件形成密封界面并与可插入到套圈孔中的管件形成密封界面的圆锥部分。圆锥部分包括响应于套圈抵靠配合件的轴向压缩而在沿中心轴线的方向上压叠的压叠区。压叠区缓和套圈抵靠管件的挤压。压叠区可以由位于套圈的鼻部处的密封区域以及套圈上的环形槽来提供。

Description

具有用于减轻套圈挤压的特征的套圈及有关方法
技术领域
本发明一般涉及用于在两个导管之间形成液密流体连接的套圈，并且尤其涉及构造为减轻套圈挤压从而防止使由这种套圈接合的管件损坏的套圈。
背景技术
套圈用于在两个管道间形成免于泄漏的流体连接。套圈可以用在需要小规模流体流量的应用(例如，分析仪器和微流控设备)中，因此可以尺寸化为联接小孔管道(例如毛细管材)或流体配合件。作为一个示例，套圈可以用于将毛细管级的色谱柱的端部联接到配合件，该配合件是分析检测器或含有诸如如质谱仪等的检测器的分析测量装置的样本入口的一部分，或者与分析检测器或该样本入口相连通。套圈通常为由金属、石墨或诸如石墨-聚酰亚胺等的复合材料制成的单件制品。由套圈接合的毛细管往往由具有聚酰亚胺涂层的熔融石英构成。典型的套圈的主体是轴对称的，并且限定有内孔，待密封的管件插入通过该内孔。至少套圈的一部分，或“鼻”部，通常为圆锥形。
在典型的应用中，形成流体密封需要将毛细管插入通过套圈，并且然后将套圈和管件插入到流体配合件的孔中。或者，套圈可首先插入到配合孔中并且然后导管插入到套圈中。套圈被插入得足够深使得套圈的圆锥鼻部的外表面上的密封区域接触配合件的圆锥形内壁。然后，套圈典型地通过将套圈的与鼻部相反的轴端与螺母相接合而抵靠配合件的圆锥内壁轴向平移。螺母具有与形成在配合件上的相应螺纹相匹配的内螺纹或外螺纹，使得螺母的旋转引起套圈轴向平移。因此，套圈在其密封区域处压靠配合件的圆锥内壁，并且限定套圈的内孔的内壁抵靠管件被压缩并被型压(swage)。
在制备流体密封时，易于对管件施加太大的挤压(crushing)力，从而引起管件破裂或压叠。特别地，当管件由诸如熔融石英等的易受到断裂影响的材料构成时，套圈的末端趋向于通过过大的力咬入到毛细管中，从而使其断裂或破裂，并且造成相反看起来制作精良且无泄漏的流体密封过早失效。
在某些气相色谱应用中，期望以较高的速率升高配合件和其它部件的温度。这需要低热质量配合件和套圈。随着套圈变得较小，不仅难以感测套圈过度压缩，而且由于有限的加工能力，还增大了添加特征以防止过度型压的难度。类似地，对于低热质量配合件，压缩螺母和配合件的螺纹部可以通过被套圈和配合件上的压配合功能替换而消除。虽然这降低了配合件的热质量，但是由于压配合力掩盖了来自套圈的压缩力，这还增大了过度型压套圈的可能性。最后，反复热循环能够使套圈随着时间变得松动，因此需要防止这种情况发生的特征。
因此，有必要提供构造成消除或至少显著降低以下趋势的套圈：在流体密封形成期间引起套圈末端抵靠毛细管急剧挤压。
发明内容
为了全部或部分解决前述问题，和/或本领域技术人员已经观察到的其它问题，本公开提供通过示例方式在下面阐述的实施方案中所描述的方法、处理、系统、装置、仪器和/或设备。
根据一个实施例，套圈包括：第一端表面；第二端表面，其沿中心轴线与第一端表面隔开；侧外表面，其围绕中心轴线并从第一端表面延伸至第二端表面，侧外表面限定沿与中心轴线正交的径向方向套圈的外径；以及内表面，其围绕中心轴线并从第一端表面延伸至第二端表面，内表面限定沿中心轴线延伸并在第一端表面和第二端表面开口的孔，其中，套圈包括从第一端表面向第二端表面延伸的圆锥部分，使得外径在远离第一端表面的方向上增大；侧外表面包括在第一端表面处或附近的密封区域，密封区域构造用于响应于套圈的轴向压缩与配合件形成密封界面；并且圆锥部分包括在密封区域与第二端表面之间的两个或更多个压叠区，压叠区沿轴向彼此隔开并与密封区域隔开，其中，密封区域和压叠区构造为响应于套圈的轴向压缩从密封区域开始并且后跟每个连续的压叠区按顺序压叠。
根据另一个实施例，流体密封组件包括：根据本文所公开的任意实施例的套圈；管件，其布置在套圈的孔中；以及流体配合件，其包括围绕中心轴线并限定配合孔的内配合壁，其中，套圈布置在配合孔中并且密封区域以压力接触的方式位于内配合壁与管件之间。
根据另一个实施例，用于形成流体密封的方法包括以下步骤：将管件插入套圈的孔中，其中，套圈根据本文所公开的任意实施例来构造；在将管件插入套圈的孔中之前或之后，将套圈插入配合件的配合孔中，其中，套圈的密封区域接触配合件的内配合壁；以及使套圈在沿中心轴线的方向上轴向压靠内配合壁，其中，密封区域压叠，并形成与内配合壁以及与管件的密封；以及使套圈进一步轴向压靠内配合壁，其中，至少最接近密封区域的压叠区轴向压叠。
根据另一个实施例，提供了用于设计套圈的方法。套圈包括第一端、第二端、从第一端延伸至第二端延伸的外表面以及限定沿着中心轴线从第一端延伸至第二端的孔的内表面。方法包括以下步骤：为套圈的圆锥部分选择轴向长度和锥角，圆锥部分从第一端向第二端延伸；选择套圈的鼻厚，其中，鼻厚沿与中心轴线正交的径向方向被限定在内表面与外表面的密封区域之间，密封区域位于或靠近第一端；选择在圆锥部分的外表面上形成的若干环形槽，其中，数量为两个或更多个；选择套圈的位于各个凹槽处的多个槽厚，其中，每个槽厚沿与中心轴线正交的径向方向在相应的凹槽处被限定在内表面与外表面之间；使圆锥部分形成为使得圆锥部分具有选定的轴向长度和选定的锥角，并且套圈具有选定的鼻厚；以及在圆锥部分形成选定数量的凹槽，使得套圈具有为各个凹槽选择的槽厚。
在审阅以下附图和具体实施方式时，本发明的其它设备、装置、系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或将变得明显。旨在所有这些另外的系统、方法、特征和优点包括在此描述内、本发明的范围内，并且受所附权利要求的保护。
附图说明
通过参照以下附图，可以更好地理解本发明。附图中的组成部分并不一定成比例，而是重点置于示出本发明的原理。在附图中，相同的附图标记在不同附图中指示对应的部分。
图1A是根据一些实施例的套圈的示例的前侧立体图。
图1B是图1A中所示的套圈的后侧立体图。
图1C是图1A和1B所示的套圈的侧视图。
图1D是图1A至1C所示的套圈的侧剖视图。
图1E是图1A至1C所示的套圈的另一侧剖视图。
图2A是根据一些实施例的流体密封组件的示例的侧剖视图，在该流体密封组件中，诸如图1A至1E所示的套圈和管件插入到流体配合件中，并且套圈处于未型压或预型压状态。
图2B是当使套圈压靠流体配合件和管件之后图2A所示的流体密封组件的侧剖视图。
图2C是当使套圈进一步压靠流体配合件和管件之后图2A和2B所示的流体密封组件的侧剖视图。
图2D是与图2A相似、但具有通过压配合而非通过后螺母保持的套圈的流体密封组件的另一个示例的侧剖视图。
图3是图示出根据一些实施例的用于设计或制造套圈的方法的示例的流程图。
图4是根据另一个实施例的套圈的示例的侧视图。
图5是根据另一个实施例的套圈的示例的侧视图。
具体实施方式
如在此所使用的，术语“套圈”通常涵盖构造用于在与套圈相接合的管件与流体配合件之间形成流体连接的任何类型的流体连接器。流体连接通常在目标操作压力的指定范围内是液密的。在一些应用中，套圈及可与其连接的管件具有毫米或μm级的直径(例如，毛细管，小孔色谱柱等)，在这种情况下，套圈可被认为是微流体连接器。在一些小型的示例中，套圈可以具有从1至10mm范围内的长度，从1至10mm范围内的最大外径和从0.1至5mm范围内的孔径(内径)。在一些示例中，套圈可以具有贯穿其长度的至少一个孔。套圈可以构造用于联接由相似或不相似的材料(例如，熔融石英玻璃和金属)和/或不同直径构成的管件。作为一个非限制性示例，套圈可以结合分析仪器(诸如基于色谱和/或基于光谱的系统等)来使用。套圈可以被设计为用作压接配合件。在这种情况下，管件可被插入到套圈的内孔中，或者两个管件可被插入到内孔的相对端，并且继而实施合适的技术，以诸如通过采用压接螺母或其它工具等将套圈压接或钳夹到一个(或多个)管件上，从而形成流体密封。
如在此所使用的，术语“配合件”通常涵盖用于容纳套圈并在套圈的外表面形成流体密封的任何类型的流体组件。形成流体密封使得在套圈的内孔(或插入到套圈的管件)与配合件的内孔之间建立流路。在一些应用中，配合件可以是构造用于在两个管件之间形成密封接口的接头。在一些应用中，套圈可以构造为容纳两个套圈并建立从一个套圈中的管件至其它套圈中的管件的流路。
图1A和图1B分别是根据一些实施例的套圈100的示例的前侧立体图和后侧立视图。图1C是套圈100的侧视图，并且图1D和图1E是套圈100的侧剖视图。套圈100通常包括套圈主体104。典型地但非排它性地，套圈主体104具有整体式(单件式)构造。因此，术语“套圈”和“套圈主体”在本公开中可互换使用，除非上下文另有明确规定。在典型的实施例中，套圈主体104是不锈钢。然而，也可以采用其它金属，诸如铝或金属合金等。在其它实施例中，套圈主体104可以是聚合物复合材料，诸如石墨或玻璃和一种或多种聚合物(例如，聚酰亚胺、聚四氟乙烯(PTFE)等)的复合物。
典型地，套圈100(套圈主体104)关于中心轴线108轴对称(图1C)。套圈主体104一般具有确定套圈100的总尺寸的长度和外径。沿中心轴线108从套圈主体104的第一(前)端至轴向相反的第二(后)端测量测量长度。前端部也可被称为套圈100的鼻部或末端。外径是沿与中心轴线108正交的径向方向测量的，并且沿套圈主体104的长度方向根据套圈主体104的形状变化。套圈主体104一般包括外表面和内表面。外表面包括位于第一端的第一端表面112、位于第二端的轴向相反的第二端表面116以及沿外径定位并从第一端表面112延伸到第二端表面116的外侧面120。内表面通常是圆柱形的并且限定了沿中心轴线108从第一端表面112延伸到第二端表面116从而在第一端和第二端处提供了开口的内孔124。如图1D和图1E所示，在一些实施例中，内孔124可包括提供从大径部分至小径部分的过渡的一个或多个圆锥(锥形)部分126，从而在第一端的开口的内径可以不同于(例如小于)在第二端的开口的内径，以有助于将待联接的管件插入到套圈100中。
如所图示的，套圈100包括圆锥(锥形)部分128(图1C)。沿着圆锥部分128的长度，套圈主体104的外径在朝向第一端的方向上逐渐减小。圆锥部分128占据锥形的外包线或轮廓，如部分由图1C中的虚线132所绘出。在圆锥部分128的整个长度上，外包线132与中心轴线108的夹角(圆锥部分128的圆锥角或锥角)是恒定或非恒定的。在一些实施例中以及所图示的，与外包线132相对应的外径的逐步减小由两个或多个环形槽134，136和138中断，将在下文描述。圆锥部分128从第一端开始并沿第二端的方向连续经过套圈100的长度的至少一部分。在一些实施例中以及所图示的，圆锥部分128可过渡到(邻接)套圈100的继续到达第二端的平直部分142。在一些实施例中，该平直部分的尺寸可以设计为当套圈100在使用时，通过配合件形成压配合。在其它实施例中，圆锥部分128可延伸经过套圈的整个长度100。圆锥部分128的位于前端的部分限定密封区域144(图1C)。密封区域144对应于套圈100的外侧表面120的与流体配合件的圆锥内壁相接触的一部分，即，形成流体密封的区域形成在套圈100与流体配合件之间。
在一些实施例中，套圈100在锥形部分128具有两个或更多个凹槽区域。凹槽区域包括为外侧表面120的一部分的各个环形槽134，136和138。在具体图示的实施例中，套圈100包括第一凹槽134，第二凹槽136和第三凹槽138，而在其它实施例可以具有多于或少于三个凹槽。外侧表面120的邻近环形槽134，136和138的且位于圆锥部分128中的部分可被称为环带。在所图示的实施例中，套圈100包括在第一端与第一凹槽134之间的第一环带152、在第一凹槽134与第二凹槽136之间的第二环带154、在第二凹槽136与第三凹槽138之间的第三环带156以及在第三凹槽138之后的第四环带158。环形槽134，136和138以及环带152，154，156和158共同构成外侧表面120的位于圆锥部分128中的部分。环带152，154和156中的一者或多者的外径可以限定由圆锥部分128占据的外包线132的外径。密封区域144可以对应于第一环带152的全部或一部分。在一些实施例中，环带152，154和156的宽度在第二端的方向上连续变小，至少直到遇到最后的环形槽。在所图示的实施例中，例如，第二环带154比第一环带152小，并且第三环带156比第二环带154小。
环形槽134，136和138的形状可以通过它们的轮廓的形状或曲率来表征。在上下文中，给定的凹槽的轮廓取为从套圈100的侧视图的视角所观察到的轮廓，例如，如在图1C，图1D和图1E所示。每个凹槽轮廓因而位于套圈100的横向平面或r-z平面，其中z是中心轴线108的坐标并且r是与套圈100的中心轴线(图1C)正交的径向轴线的坐标。因此，每个凹槽轮廓能够通过可由(r，z)坐标定义的曲线包含点(curve containing point)来定义。环形槽134，136和138(在环形槽134，136和138的最小半径附近)的底部(最里面的)部分或根部可以是所图示出的大致圆形和相对平缓(blunt)，或者可以比所图示的那些相对倾斜(shaper)，这由所采用的制造技术的能力所限制。每个凹槽轮廓也可被认为是凹部并一般沿径向向外的方向远离中心轴线108开口。
参照图1D，环形槽134，136和138的各者的轮廓或曲率一般由三个主要部分组成：朝套圈100的第一(前)端成角度或倾斜的第一(前)凹槽部分或侧面164、朝套圈100的第二(后)端成角度或倾斜的第二(后)凹槽部分或侧面166、以及底槽或根部168。底槽部分168位于第一凹槽部分164与第二凹槽部分166之间且与第一凹槽部分164和第二凹槽部分166相邻接，并且具有环形槽134，136或138的最小半径。如图1D中的交叉虚线138对大致对应于每个环形槽134，136和138的第一凹槽部分164和第二凹槽部分166。根据给定凹槽的曲率，虚线可以直接位于第一凹槽部分164和第二凹槽部分166的全部或大部分上，或者可以与第一凹槽部分164和第二凹槽部分166上的各个点相切。每个环形槽134，136和138具有槽角，该槽角为从侧轮廓看环形槽134，136和138(或凹槽轮廓)从中心轴线108向外分开的角度，或者为在第一凹槽部分164与第二凹槽部分166之间的角度。在图1D中，槽角为与每个环形槽134，136和138相关联的虚线对之间的角度。因此，第一凹槽134具有第一槽角A，第二凹槽136具有第二槽角B，并且第三凹槽138具有第三槽角。在所示的实施例中，槽角A，B和C是相等的，具体地在图示的示例中为60°。在其它的实施例中，一个或多个槽角可以与其它槽角不同。在一些实施例中，槽角可以在从30至90度的范围内。
应当理解，图1D所示的凹槽轮廓和凹槽角A，B和C是初始的或标称的轮廓和角度，即，在套圈100已经被型压或安装在流体配合件中之前。使用时，在形成流体密封的过程中施加的套圈100的轴向压缩可以使一个或多个凹槽轮廓或槽角以下面描述的方式改变。
套圈100(套圈主体104)的几何形状或结构构造为(尺寸和大小设计为)包括轴向可压叠区，其在本文中也称为轴向压叠区或简单压叠区。通常，存在与套圈100的鼻部(末端)相关联且与套圈100的一个或多个其它的几何形状或结构相关联的压叠区。在图示出的实施例中，压叠区通过除密封区域144之外的多个凹槽区域来实现，多个凹槽区域分别位于距套圈100的第一端连续更大的轴向距离处。在该“三个凹槽”的实施例中，凹槽区域可被认为对应于环形槽134，136和138以及套圈100的环形槽134，136和138与内孔124之间的实心部。因此，本实施例提供四种不同的压叠区：与密封区域144相关联的第一压叠区、与第一环形槽134相关联的第二压叠区、与第二环形槽136相关联的第三压叠区、以及与第三环形槽138相关联的第四压叠区。其它实施例可提供多于或少于四个压叠区。每个压叠区具有关联厚度，即，套圈100的在其内表面和外表面之间的实心材料的径向上的厚度。参照图1E，各个压叠区的厚度大体上在T1，T2，T3和T4处被示出。内表面与密封区域144之间的厚度T1在本文中也被称为鼻厚。内表面与相应的凹槽134，136和138之间厚度T2，T3和T4在本文中也被称为槽厚。
压叠区的厚度T1，T2，T3和T4构造为当套圈100在被安装到配合件期间压靠流体配合件时，允许压叠区(从密封区域144处的第一压叠区开始，后跟在第一环形槽134处的第二压叠区等)连续(时间和空间上随之)轴向压叠，以形成流体密封。“轴向”压叠指套圈100的区域大致在轴向方向上(即，在大致沿中心轴线108定向的方向上)变形。各压叠区的厚度可以与另一压叠区的厚度不同。例如，在示出的实施例中，压叠区的厚度T1，T2，T3和T4在远离密封区域144的方向上连续增大。因此，T1＜T2＜T3＜T4。在一些实施例中，每个压叠区的厚度为比先前的压叠区的厚度大10％至50％，例如T2比T1大10％至50％，T3比T2大10％至50％，依此类推。
图2A至2C随后示出根据一些实施例的用于形成流体密封组件(或套圈/配合件系统)200的方法的示例，其利用根据本公开的套圈，诸如上述以及图1A至1E所示的套圈100等。通常，流体密封组件200通过在套圈100与管件262之间以及套圈100与合适构造的流体配合件264之间形成的流体密封来形成。
图2A是根据一些实施例的流体密封组件200的示例的侧剖视图。该流体密封组件200包括套圈100、管件262和流体配合件264。管件262可由熔融石英或诸如各种金属和聚合物等的其它合适的材料构成。在一些实施例中，管件262为毛细级或微流体级的大小。流体配合件264通常可以包括配合件主体。配合件主体包括围绕中心轴线208的外配合面220和内配合壁222。内配合壁222限定内配合孔224，该内配合孔沿着中心轴线208从第一(前)配合开口230延伸到第二(后)配合开口240。内配合壁222通常包括用于与套圈100的密封区域144形成密封界面(interface)的至少一个圆锥(锥形)部分226，并且可以包括一个以上圆锥部分。在一些实施例中，套圈100的密封区域144的锥角(圆锥角)在从20至90度的范围内，并且配合件264的圆锥部分的锥角(圆锥角)在从30至120度范围内。锥角包括围绕中心轴线208的角度，即，锥角相对于中心轴线208测量。内配合壁222还可以包括一个或多个台阶型过渡。在所有这些情况下，第一配合开口230和第二配合开口240可以具有不同的内径。
图2A示出了形成流体密封的初始分段，其中，管件262插入套圈100的内孔中并且套圈100和管件262经由第二配合开口240插入流体配合件264的内配合孔224中。或者，套圈100可首先被插入到内部配合孔224中，并且管件262然后被插入到内配合孔224和套圈100的内孔中。套圈100插入通过配合孔224，直到其密封区域144接触圆锥部分226的内配合壁222的相应密封区域。图2A绘出仍处于未型压状态的套圈100。在这个分段中，环形槽134，136和138的槽角处于它们的初始值。在本示例中，初始槽角相同并且每个均为60度。或者，套圈100可在插入到内配合孔224之前预先型压至管件262，在这种情况下，槽角可以不再为它们的初始值。
图2B是当还使套圈100压靠导管262的流体密封组件200使套圈100压靠流体配合件264的内配合壁222之后流体密封组件200的侧剖视图。压缩可以通过沿中心轴向108平移100来实现，该平移可以通过任何合适的装置(诸如通过利用螺母或本领域技术人员能够想到的工具等)来完成。螺母可以使套圈100在被型压之后保持到位，或者如果压配件形成在套圈100的背部直径(back diameter)与配合件264的内背部直径之间则螺母可以随后被移除。由于轴向压缩，密封区域144将位于最低点并且进入至压靠内配合壁222的相应密封区域，并且使套圈100抵靠管件262被型压。套圈100构造为使得套圈100抵靠内配合壁262的初始移动发生在套圈100的鼻部，其中，流体密封将通过抵靠内配合件222并且还通过抵靠管件262形成。当施加适量的力时，套圈100的轴向压缩在其各个密封区域处在套圈100与内配合壁222之间形成液密密封界面，并且在套圈与管件262的外表面之间形成液密密封界面，而未使管件262损坏或破裂。
传统上，在此分段，随后的轴向压缩将趋向于过度压缩密封区域144，从而如果管件262由诸如熔融石英等的材料的管件262构成，则会使管件262损坏或破裂。然而，在现在所公开的套圈100的实施例中，设置在密封区域144的后面的附加压叠区域(对应于环形槽134，136和138)构造为允许套圈100以可预测的、预定的和受控的方式轴向地压叠，从而防止过度压缩密封区域144(即，第一压叠区)。套圈100构造为具有分段压叠区，该压叠区至少部分由于其连续增大的厚度T1，T2，T3和T4(图1E)而对轴向压叠提供连续更强的阻力。通过该构造，轴向压缩的初始量将使套圈100在密封区域144(第一压叠区)处压叠，以足以在密封区域144与内配合壁222以及在套圈100的内表面与管件262的外表面之间形成可靠、有效的密封界面。凹槽区域(附加压叠区)构造成在密封区域144由于过度压缩而发生进一步任意压缩之前，通过优先(并随后)压叠来保护密封区域144(第一压叠区)免受过度压缩的影响。因此，附加的轴向压缩将导致第一凹槽134(第二压叠区)压叠，从而避免了密封区域144的进一步压叠(第一压叠区)。进一步的轴向压缩将随之导致第二凹槽136(第三压叠区)压叠，从而再次避免了密封区域144(第一压叠区)的进一步压叠。更进一步的轴向压缩将随之使第三凹槽138(第四压叠区)压叠，从而再次避免了密封区域144(第一压叠区)的进一步压叠，根据所提供的凹槽区域的数量依此类推。由于每个压叠区压叠，套圈材料将在凹槽区域加工硬化并且压叠先前的压叠区域的能力越来越小。可以看出，与没有凹槽区域的情况相比，凹槽区域和相关联的分段压叠区使由轴向压缩引起的变形分布在压缩套圈100的更大的区域上。凹槽区域对套圈100的轴向压缩赋予了抵消可能出现的任何过度压缩的公差，从而缓和了套圈100抵靠管件262的型压或挤压并防止管件262损坏或破裂。凹槽区域对所施加的压缩的响应可以以分段或渐进的“手风琴效应”来表征。
进一步参照图2C，该图是当套圈100进一步压缩超出图2B所示的压缩之后流体密封组件200的侧剖视图。通过比较图2A，2B和2C可以使凹槽区域对所施加的套圈100的轴向压缩的响应可视化。在图2A中，作为一个非限制性的示例，初始槽角的每一者为60度，如上所述。在图2B中，在压缩后，由于相关联的第二压叠区中的变形，第一凹槽134的槽角已经减少到51度，同时在此分段，第二凹槽136和第三凹槽138的槽角保持为或约为60度。在图2C中，在进一步压缩后，由于在相关联的第三压叠区中的变形，第二凹槽136的槽角已经减小至57度，同时在此分段，第三凹槽138的槽角保持为或约为60度。在图2C中所示的分段，由于第一凹槽134的区域中的加工硬化以及压缩力转移至第二凹槽136，所以第一凹槽134的槽角可保持为或约为51度的减小值。
本领域的技术人员可以理解，一旦流体密封的形成完成，则套圈100可以通过任何合适的装置(诸如如后螺母等)保持就位。或者，如图2D中所示，套圈100可以构造为(即，大小和形状设计为)使得其抵靠内配合壁222压配合，即与内配合壁干涉配合。可以采用保持套圈100的其它装置，诸如压配合保持器、集成把握特征等。
在用于形成流体密封的方法的又一个示例中，管件插入到本文所公开的套圈(例如，所述和图1A至图2C所示的套圈100)的孔中。在将管件插入到套圈的孔中之前或之后，套圈插入到配合件的孔中，使得套圈的密封区域(位于套圈的在或靠近其前端的外表面)接触配合件的内配合壁。套圈然后轴向压靠内配合壁，即，在沿中心轴线的方向上被压缩。由于轴向压缩，在密封区域处的套圈材料压叠并形成与内配合壁以及与管件的密封。具体而言，在密封表面与内配合壁之间形成密封，并且在套圈的内表面(限定内套圈孔)与管件的外表面之间形成密封。如上所述，套圈构造成除了由密封区域提供的压叠区之外还包括彼此轴向隔开并与密封区域轴向隔开的两个或两个以上压叠区。密封区域和压叠区构造为响应于套圈的轴向压缩从密封区域开始并后跟每个连续的压叠区按顺序压叠。因此，当套圈与内配合壁初始接触并且被轴向压缩以形成流体密封之后，套圈进一步轴向压靠(例如，过度压缩)内配合壁引起至少最靠近密封区域的轴向压叠区轴向压叠，其可以后跟所提供的一个或多个其它压叠区的连续压叠。在优选的实施例中，除了密封区域之外，所提供的压叠区的压叠优先于密封区域的进一步压叠。换句话说，如果施加足够的力以引起最接近密封区域的压叠区压叠，压叠区的压叠将发生，而密封区域并没有任何进一步明显的压叠。套圈可以构造为使得在密封区域之后设置的压叠区将只在过度压缩的情况下压叠。即，如果施加理想量的密封力，套圈可以形成有效的套圈-配合件与套圈-管件密封界面，而无需在密封区域后发生压叠。然而，如果施加过大的力，附加压叠区可以以本文所述的方式有效地防止密封区域处的过度压缩。
现在将描述可用于设计和制造有效地防止过度压缩的套圈(诸如上述套圈100等)的一些考虑的示例。一般地，套圈100基于套圈/配合件系统的约束来设计。约束包括配合件(例如，图2A所示的配合件264)的尺寸以及由套圈/配合件系统联接的管件或柱(例如，图2A所示的管件262)的外径。配合件264的总尺寸由管262的大小以及系统的流体和热性能要求并由组装和其它用户处理方法来决定。例如，需要较高的温度变化率的接口要求较小的质量以及充分暴露于散热体或介质。当小的精密部件(诸如熔融石英毛细管)在要求较高的温度变化率的应用中被联接时，套圈/配合件系统的尺寸朝小特征的可加工性的极限移动。管件262(诸如熔融石英毛细管等)的内径可以为从约50μm至约500μm的范围内，并且管件的壁厚可以为从约50μm至80μm的范围内，从而导致外径为150μm至620μm。另一方面，较大的配合系统适用于期望更多的用户访问和维护的等温设置。
如上所述，基于套圈的配合件形成了两个液密密封。第一密封在套圈鼻部(末端)的内侧与管件262的外侧之间。第二密封在套圈鼻部(密封区域144)与配合件264的圆锥部分226的与密封区域144(例如，见图2A)接触的部分之间。当推动套圈100轴向平移、其到达配合件262的圆锥部分226的底部并且其鼻部塑性变形时，形成这些密封。套圈100(至少在密封区域144处)的圆锥部分的锥角(也称为套圈前角)以及配合件264的圆锥部分226(具体为接触密封区域144的部分)的相应锥角(也被称为配合角)被选择，以便确保两个液密密封的有效性和完整性。套圈前角和配合角也可以被选择，以便控制两个液密密封的位置。如上所述，在一些实施例中，套圈前角可以在从20至90度的范围内，并且配合角可以在从30至120度的范围内。优选地，配合角比套圈前角大，使得套圈100与配合件264之间的接触只发生在前密封区域144。较小的套圈前角和较小的配合角对套圈鼻部提供更有效的挤压以形成密封，并且来自较小的套圈前角的增大的轴向平移为其运动提供了更多的反馈。然而，由于较大的法向型压力产生较大的摩擦力，所以具有小前角的套圈更易于楔入或卡在配合孔内。在选择套圈前角时，也要考虑所用的材料和应用。具有高强度和较小的摩擦系数的金属套圈适于具有小的前角。在一些实施例中，套圈表面涂有润滑剂(诸如金或银等)以减小套圈的摩擦系数。另一方面，由石墨或者石墨和聚合物的复合材料制成的套圈更易于被楔入或被卡住，使得可以当利用这样的材料时，优选较大的锥角。可替换/可重复使用的套圈通常将使用较大的前角，以使楔入或卡住的问题最小化。在特定的应用中如果锥角不能较大，可利用使被楔入或卡入的套圈松开的其它装置。
套圈100的在其鼻部(图1E所示的厚度T1)的厚度的选择可以基于配合件264的内径(ID)、管件262的外径(OD)、套圈前角和套圈材料。对于金属套圈，由于金属的强度允许有效地提供套圈的夹持功能的塑性变形，所以厚度T1可以相对较小。通过比较，由于相对较薄的材料可能放松和松开压缩密封，所以诸如石墨-聚酰亚胺(例如，
Figure BDA0001029432270000141
材料)等较软的材料将需要较厚，以在较宽的面上传播变形，从而允许材料在管件262周围以稳定的方式压缩。因此，较大的套圈鼻部直径可能由于由弱、软和/或多孔材料(例如，石墨/石墨-
Figure BDA0001029432270000142
材料)制成的部件中所需的材料较厚。
根据上述的设计考虑制造的套圈可有效地用于形成各种用途的流体密封。然而，这种效果可能假设理想或接近理想量的力被施加以形成密封，使得在不损害密封件的可靠性或完整性以及不损坏管件262的情况下形成密封。即，上述设计考虑可能独自不足以防止如上所示的实际中经常出现的过度压缩的有害影响。如本文所述，多个压叠区可以被集成到套圈100的设计中，以抵消施加给套圈100的过大的力。如本文所述，压叠区可以通过在套圈100的外表面上的、套圈主体具有各自的厚度(例如，图1E所示的厚度T2，T3和T4)的各个轴向位置处设置环形槽(例如，图1E和图2A所示的凹槽134，136和138)来实现。
套圈100的设计可能需要确定凹槽的一个(或多个)角度(例如，图1D中所示的槽角A，B和C)、凹槽的轴向位置(例如，凹槽之间的间距以及凹槽与套圈100的前端或密封区域144的距离)和所提供的凹槽的数量。如上所述，在一些实施例中，槽角可以在从30至90度的范围内。可能的槽角的范围一般由可用于形成凹槽的切削工具的能力来限定。槽角的选择可以至少优先基于由容易获得的切削工具所制造的角度，这能够降低套圈100的制造成本。例如，60度的切削工具是常见的，并且因此选择的槽角可以是60度。然而，对于由配合件264的尺寸所决定的固定可用空间，能够容纳在该空间中的凹槽的数量取决于槽角的大小。因此，较大的槽角限制了可提供的凹槽的数量。因此，确定在套圈构造中所包括的凹槽的数量可以从选择初始槽角(例如，60度)开始，并且然后根据需要增大或减小槽角，该槽角可以基于槽厚(例如，T2，T3，T4等)以及能够使最小数量的凹槽(例如，至少两个凹槽)容纳在套圈100中所需的相邻凹槽之间的间距。
此外，如同槽角，在实践中，可能的槽根半径的范围一般由可用的切割工具的能力来限定。槽根半径的大小也可被选择，以减少由切削刀具磨损所引起的功能偏差。在本上下文中，槽根半径对应于与凹槽的最里点相切的圆的半径(例如，图1E中所示的根部168)，并且确定槽的平缓或倾斜的程度。作为一个非限制性的示例，槽根半径可以在从0.1mm至0.5mm的范围内。
将凹槽设计用作压叠特征还可能涉及使套圈主体的压叠最大化(即，剩余套圈主体超出前密封区域144所在的套圈鼻部)，而不损害内部套圈孔。换句话说，另一种设计考虑可以涉及将套圈100构造为使得过度压缩不只压叠套圈100的鼻部。在给定套圈100的尺寸以及套圈100和配合件264的锥角的情况下，可以构造凹槽组，以提供可预测的分段压缩/压叠。在套圈100的轴向压缩期间，套圈鼻部受到由套圈100相对于配合件主体的夹角所赋予的以及直接形成套圈-配合件/套圈-管件密封的法向力。该法向力高度集中在期望形成密封的区域，即，在鼻部处。当法向力使套圈材料变形时，形成密封。由于套圈鼻部抵靠管件262型压，所以在套圈100与管件262之间形成密封。套圈100接触并压靠管件262所沿的轴向长度可被称为鼻部密封形成区。在一些实施例中，鼻部密封形成区延伸所沿的轴向距离至少为约20％的套圈100的内径(或者管件262的外径)。除了形成液密密封之外，套圈-管件接触界面抵抗侧向运动并抵抗轴向力稳定套圈/管件。将鼻部密封变形区的轴向长度设置为至少约20％可有助于使套圈-管件接触界面稳定化的功能。导致密封的形成的变形改变套圈材料沿其长度硬化并强化拉紧量的特性。该增加的强度具有两个作用：首先，其变得越来越难以使硬化/强化的材料变形；以及其次，由于更靠近管件262并且缺乏足够的延展性，因此该变形更有可能挤压管件262。
可以通过提供分段压缩/压叠来防止管件262挤压，从而促使在套圈100的凹槽处而非在鼻部处或在内壁上压叠或褶皱。为了提供分段压缩/压叠，套圈主体的在最接近密封区域144的第一凹槽134处的套圈主体的厚度T2(并且因此强度)在压缩前大于密封区域144的原始厚度T1(并且因此强度)。类似地，所提供的额外的凹槽的厚度(例如，T3，T4等)可以比先前的凹槽逐渐增大。在一些实施例中，在第一凹槽134处的套圈主体的厚度T2在压缩之前比密封区域144的原始厚度T1大(并且因此强)10％至50％。此外，第一凹槽134(例如，第一凹槽134的第一侧面开始的点)距密封区域144(例如，距密封区域144结束的点)的轴向距离(间距)可以被设定，以实现压叠特征的独立性，并且从而确保在不同的压叠区分段压缩/压叠。如上所述，除了形成液密密封之外，套圈-管件接触界面抵抗侧向运动并抵抗轴向力稳定套圈/管件。因此，密封区域144与第一凹槽134之间的轴向距离应该足够大，以使得第一凹槽134的存在不与套圈-管件接触界面的稳定化功能相干扰。此外，如前面所描述的，槽角和根部半径鉴于可用的工具技术被选择并且以便使期望数量的凹槽容纳在套圈100的圆锥部分上可用的空间内。
类似地，在第二凹槽136(图1E)的套圈主体的厚度T3可以制造得比第一凹槽134的原始厚度T2大(即，强)10％至50％。此外，与第二凹槽136相关联的压叠区应独立于先前的压叠区(S)并提供可预测的褶皱。因此，在一些实施例中，第一凹槽134与第二凹槽136之间的轴向间距足够大，使得凹槽134和136不重叠，从而确保压叠区是独立的。必要时，只要一个凹槽的根部附近的应变区域不与其它凹槽的应变区域重叠，凹槽的顶部可以稍微重叠。槽间距取决于套圈100的锥角。在给定上述考虑的情况下，添加凹槽的实践方面可能趋向于朝套圈100的鼻部塞满整组凹槽。然而，在给定的应用中，凹槽可以被提供足够空间的更大的距离分开。
凹槽的数量主要取决于可用空间。凹槽越多，套圈100所提供的压叠越多，并且将会出现的过度型压越少。然而，凹槽越多，制造成本越高。在套圈100和配合件264非常小以减少其热质量的应用中，凹槽的可用空间也同样非常小。因此，在一些小规模的应用中，仅两个或三个凹槽能够容纳在可用空间中。在其它应用中，随着套圈100变长，多个凹槽是实用的。当可利用更多的空间时，制造技术和工具磨损寿命可决定凹槽的大小和数量。
一旦根据上述考虑完成粗糙或初步设计，可以通过使用合适的技术来验证该设计。例如，可以通过使用适当的建模工具(诸如如有限元分析(FEA)软件等)来对设计进行建模。然后可以制造基于设计的物理原型，并且实际流体密封随后可以利用原型进行并且在静态和动态应力下被测试。通过使用建模和实验结果，一个或多个设计参数(例如，凹槽数量、凹槽的轴向位置和间距、槽角等)可以按需被调节，以提供防止过度压缩的期望水平的保护。例如，如果发现凹槽压叠得不够并且管件262在所施加的力的作用下正在经历损坏，则可以减小槽厚(T2，T3等)、和/或可以添加更多的槽、和/或可以进行其它调整。
现在将参照图3，描述用于设计(或制造)套圈(诸如上述套圈100等)的方法的示例，该图为示出该方法的步骤的示例的流程图300。一般而言，根据该方法设计的套圈包括第一端、第二端、从第一端延伸至第二端的外表面以及限定沿中心轴线从第一端延伸至第二端的孔的内表面。套圈还包括从第一端朝第二端延伸的圆锥部分。即，圆锥部分延伸套圈的总轴向长度的至少一部分，并且可以过渡到平直圆柱形部分，如上所述。圆锥部分中的前端或前端附近的一部分外表面用作上述密封区域。根据该方法，与套圈的构造相关的一个或多个参数被选择。在图3所示的示例中，为圆锥部分选择轴向长度和锥角(步骤302)。还选择套圈的鼻厚(即，沿与套圈的中心轴线正交的径向方向的内表面与密封区域之间的厚度)(步骤304)。还选择在位于圆锥部分中的一部分外表面上形成的环形槽的数量(通常为两个或更多个)(步骤306)。另外，选择套圈的在各个凹槽处的多个槽厚(即，内表面与各槽的根部之间的厚度)(步骤308)。然后，使圆锥部分形成为使得具有选定的轴向长度和选定的锥角，并且使得套圈具有选定的鼻厚(步骤310)。在圆锥部分形成选定数量的凹槽，使得套圈具有为各个凹槽选定的槽厚(步骤312)。应当理解，除了或替代图3所示的一个或多个参数，也可以选择如上所述的诸如槽角和槽间距等的一个或多个其它参数。同样如上所述，各种参数可基于一个或多个因素选择。还应理解，图3中所呈现的步骤顺序(诸如选择步骤302至308的顺序等)仅是一个示例并且步骤顺序可以被重新排列。
应当理解，以上描述和图中所示的套圈100的构造(几何形状、形状等)仅是分段压叠区或凹槽区域如何可以在套圈中实施的一个示例。提供相同或相似的效果的其它变化与不同的几何形状由本公开所涵盖。此外，可以设置多于或少于三个凹槽区域，如上所述。作为非限制性示例，图4是根据另一个实施例的具有两个凹槽构造的套圈400的示例的侧视图。图5是具有两个凹槽构造的套圈500的另一个示例的侧视图。
应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节。此外，前面的描述仅是为了说明的目的，而并非限制的目的-本发明由权利要求限定。

Claims (11)

1.一种套圈，其包括：
第一端表面；
第二端表面，其沿中心轴线与所述第一端表面隔开；
侧外表面，其围绕所述中心轴线并从所述第一端表面延伸至所述第二端表面，所述侧外表面沿与所述中心轴线正交的径向方向限定所述套圈的外径；以及
内表面，其围绕所述中心轴线并从所述第一端表面延伸至所述第二端表面，所述内表面限定沿所述中心轴线延伸并在所述第一端表面和所述第二端表面开口的孔，其中：
所述套圈包括从所述第一端表面向所述第二端表面延伸的圆锥部分，使得所述外径在远离所述第一端表面的方向上增大；
所述侧外表面包括在所述第一端表面处或附近的密封区域，所述密封区域构造为响应于所述套圈的轴向压缩与配合件形成密封界面；
所述圆锥部分包括在所述密封区域与所述第二端表面之间的两个或更多个压叠区，所述压叠区沿轴向彼此隔开并与所述密封区域隔开；
所述套圈具有沿所述径向方向位于所述内表面与所述侧外表面之间的厚度，并且在一个或多个压叠区处的所述厚度大于在所述密封区域处的所述厚度；以及
所述密封区域和所述压叠区构造为响应于所述套圈的轴向压缩从所述密封区域开始并且后跟每个连续的压叠区按顺序轴向压叠。
2.如权利要求1所述的套圈，还包括下列各项中的至少一者：
所述厚度在远离所述第一端表面的方向上在每个压叠区处连续增大；以及
每个压叠区处的厚度比先前压叠区处的厚度大10％至50％。
3.如权利要求1或2所述的套圈，其中，所述侧外表面包括多个环形槽，每个环形槽位于各个压叠区处，并且其中所述环形槽具有与在各个压叠区处的所述套圈的厚度对应的槽厚。
4.如权利要求3所述的套圈，其中，每个环形槽具有选自下列各项组成的群组的槽角：
每个环形槽具有从30至90度的范围内的槽角；
每个环形槽的槽角与其它环形槽的槽角相同；以及
所述环形槽中的至少一者的槽角与所述其它环形槽的槽角不同。
5.一种流体密封组件，其包括：
如权利要求1所述的套圈；
管件，其布置在所述套圈的孔中；以及
流体配合件，其包括围绕所述中心轴线并限定配合孔的内配合壁，其中，所述套圈布置在所述配合孔中并且所述密封区域以压力接触的方式位于所述内配合壁与所述管件之间。
6.一种用于形成流体密封的方法，所述方法包括以下步骤：
将管件插入如权利要求1所述的套圈的孔中；
将所述套圈插入配合件的配合孔中，其中，所述套圈的密封区域接触所述配合件的内配合壁；以及
使所述套圈在沿中心轴线的方向上轴向压靠所述内配合壁，其中，所述密封区域压叠，并形成与所述内配合壁以及与所述管件的密封；以及
使所述套圈进一步轴向压靠所述内配合壁，其中，至少最接近所述密封区域的压叠区轴向压叠。
7.如权利要求6所述的方法，其包括以下步骤中的至少一者：
其中，使所述套圈进一步轴向压缩的步骤使最靠近所述密封区域的压叠区压叠，而未使所述密封区域进一步压叠；以及
其中，使所述套圈进一步轴向压缩的步骤从最接近所述密封区域的压叠区开始使至少两个压叠区按顺序压叠。
8.一种用于设计套圈的方法，所述套圈包括第一端、第二端、从所述第一端延伸至所述第二端的外表面以及限定沿着中心轴线从所述第一端延伸至所述第二端的孔的内表面，所述方法包括以下步骤：
为所述套圈的圆锥部分选择轴向长度和锥角，所述圆锥部分从所述第一端向所述第二端延伸；
选择所述套圈的鼻厚，其中，所述鼻厚沿与所述中心轴线正交的径向方向被限定在所述内表面与所述外表面的密封区域之间，所述密封区域位于或靠近所述第一端；
选择在所述圆锥部分的外表面上形成的一定数量的环形槽，其中，所述数量为两个或更多个；
选择所述套圈的位于各个凹槽处的多个槽厚，其中，每个槽厚沿与所述中心轴线正交的径向方向在相应的所述凹槽处被限定在所述内表面与所述外表面之间，并且所述槽厚的一个或多个大于所述鼻厚；
使所述圆锥部分形成为使得所述圆锥部分具有选定的轴向长度和选定的锥角，并且所述套圈具有选定的鼻厚，其中所述圆锥部分包括在所述密封区域与所述第二端之间的两个或更多个压叠区；以及
在所述圆锥部分形成选定数量的凹槽，使得所述套圈具有为所述各个凹槽选择的槽厚，
其中，所述密封区域和所述压叠区构造为响应于所述套圈的轴向压缩按顺序轴向压叠。
9.如权利要求8所述的方法，其包括下列各项中的至少一者：
其中，选择鼻厚的步骤基于选自由下列各项组成的群组的参数：构成所述套圈的材料；所述锥角；与所述密封区域形成密封的配合件的内径；与所述内表面形成密封的管件的外径；以及前述各项中的两个或更多个的组合；
其中，选择一定数量的环形槽的步骤基于选自由下列各项组成的群组的参数：所述圆锥部分的轴向长度，所述凹槽之间的轴向间距；所述密封区域与最靠近所述密封区域的凹槽之间的轴向间距；前述各项中的两个或更多个的组合；
包括选择每个凹槽之间的轴向间距以及所述密封区域与最接近所述密封区域的凹槽之间的轴向间距，使得所述密封区域和所述凹槽响应于所述套圈的轴向压缩从所述密封区域开始并且后跟每个连续的凹槽按顺序压叠的步骤；
包括选择所述槽厚使得所述槽厚在远离所述密封区域的方向上连续增大的步骤。
10.如权利要求8或9所述的方法，其包括下列步骤：
选择所述凹槽的各个槽角，其中，选择所述槽角基于选自由下列各项组成的群组的参数：所述槽厚；所述凹槽之间的轴向间距；所述密封区域与最靠近所述密封区域的凹槽之间的轴向间距；前述各项中的两个或更多个的组合。
11.一种套圈，其包括：
第一端表面；
第二端表面，其沿中心轴线与所述第一端表面隔开；
侧外表面，其围绕所述中心轴线并从所述第一端表面延伸至所述第二端表面，所述侧外表面沿与所述中心轴线正交的径向方向限定所述套圈的外径；以及
内表面，其围绕所述中心轴线并从所述第一端表面延伸至所述第二端表面，所述内表面限定沿所述中心轴线延伸并在所述第一端表面和所述第二端表面开口的孔，其中：
所述套圈包括从所述第一端表面向所述第二端表面延伸的圆锥部分，使得所述外径在远离所述第一端表面的方向上增大；
所述侧外表面包括在所述第一端表面处或附近的密封区域，所述密封区域构造为响应于所述套圈的轴向压缩与配合件形成密封界面；
所述圆锥部分包括在所述密封区域与所述第二端表面之间的两个或更多个压叠区，所述压叠区沿轴向彼此隔开并与所述密封区域隔开；
所述套圈具有沿所述径向方向位于所述内表面与所述侧外表面之间的厚度，并且所述厚度在各个压叠区处沿远离所述第一端表面的方向连续增大；以及
所述密封区域和所述压叠区构造为响应于所述套圈的轴向压缩从所述密封区域开始并且后跟每个连续的压叠区按顺序轴向压叠。
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