CN107850214A - 环形密封件 - Google Patents

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Abstract

由弹性体芯部(1)和包围该芯部的外壳构成的O形环密封件，该外壳较佳地由壳层状的、热塑性地涂覆的PTFE膜(3、4)构成。在各膜的重叠区域(3a、3b、4a、4b)中，膜以密封的方式相互连接，其中，它们的热塑性涂布层在激光透射焊接过程中焊接在一起。外壳不与弹性体芯部(2)连接。

Description

环形密封件
本发明涉及具有包围环形弹性体芯部的外壳的环形密封件，特别是O形环密封件。
O形环有很多应用场合，在这些应用场合中使用常见的弹性体是不可能的。腐蚀性化学物质或极端温度可能损坏常规的O形环并且导致故障或泄漏。在这种负载的情况下，弹性体O形环也由聚四氟乙烯(PTFE)包覆或完全由PTFE制成，PTFE是耐化学药品并且耐热的。然而PTFE O形环比弹性体O形环硬，而且不是弹性的。与此相应地，PTFE O形环不会回弹，并且因此要求更高的压紧力，这可在一定程度上通过开槽的环形结构来抵消。替代地也可使用全氟弹性体(FFKM)，其组合了PTEE的积极的性质与氟橡胶(FKM)的弹性特性。然而，全氟弹性体的价格是相对来说高的，只有当其它材料不再能胜任要求，并且安全技术方面表明更高的成本时，才使用完全由全氟弹性体制造的O形环。典型的全氟弹性体使用领域是例如化工、石油和半导体行业、高真空技术以及航空的航天(德克迈特德氏封(Dichtomatik)的“O形环”产品目录，3.6.3版)。
对于相对来说不弹性的PTFE密封圈另一替代是其弹性芯部借助FEP或PFA包覆的O形环。FEP是四氟乙烯-六氟丙烯(氟化乙烯丙烯共聚物)的缩写，并且具有与PTFE类似的性质，特别是高耐化学性和良好的摩擦特性。与PTFE相反，FEP是热塑性可成形的。PFA是全氟烷氧基烷烃的缩写，其同样具有与PTFE非常相似的性质。它同样可热塑性加工。作为用于环形芯部的材料，在此通常考虑氟橡胶(FKM)、硅橡胶(VMQ)、三元乙丙橡胶(乙烯-丙烯-二烯-橡胶)或其它常见的弹性体。芯部的FEP外壳或PFA外壳在注塑过程中无缝地产生，即，弹性体内圈作为插入件插入到注塑模具中，并且接着由FEP或PFA压力注塑包封。典型的由FEP或PFA包覆的O形环的使用领域是化学工业、石油化工、医疗技术、食品工业、水和污水处理技术以及类似的工业领域，例如用于密封阀门心轴或作为用于滑环密封的次级密封元件。它主要用作静态的密封件或作为用于缓慢的开关运动或旋转运动的密封元件(特瑞堡密封系统(Trelleborg Sealing Solutions)公司的产品目录“O形环和支承环”，出版于2012年4月)。
PTFE包覆的O形环作为其替代，该O形环或是具有PTFE涂布层或是具有PTFE包封(件)而是可用的，该涂布层由溶解的PTFE的化合物制成，该包封大部分由剥离片制成。PTFE涂覆的O形环具有外套很快被磨蚀的缺点，外壳因此不提供足够的对于腐蚀性化学药品的防护。PTFE包覆的O形环相反具有外壳的结构允许化学药品渗透的缺点，因为PTFE壳作为开放的外壳构造为要么具有接合缝要么具有相互重叠的边缘区域。在使用中，接合缝或重叠区域端部因此要么布置在要分离的介质的相对的侧上，要么至少与介质的作用方向相反地定向。与FEP和PFA相反，PTFE不涉及热塑性材料而涉及烧结的粉末，无法由该烧结的粉末制成套管材料，因为在制造过程中的温度是如此高，使得其会损坏O形环芯部的弹性体材料，使得与借助FEP和PFA不同，借助PTFE无缝的外壳是不可能的(科德宝工艺密封件(Freudenberg Process Seals)的产品目录“FEP/PFA包覆的O形环/技术.应用.产品”，在www.freudenberg-process-seals.com可下载)。
本发明的任务是提出用于前述的包覆的环形密封件的替代环形密封件，其可在所提到的应用领域中使用。
该任务通过具有权利要求1的特征的环形密封件解决。在其从属权利要求中说明本发明的有利的变型和设计构造。
与此相应地，环形密封件包括环形的弹性体芯部和包围该芯部的外壳，该外壳具有由含氟聚合物、较佳的是聚四氟乙烯制成的至少一张膜。膜的边缘区域这样相互连接，即，芯部相对于环境密封，即，外壳保护弹性体芯部防止待密封的介质渗入。在最简单的情况下，边缘区域相互粘合，但较佳地焊接在一起。因此，与借助FEP或PFA的无缝包覆的O形环不同，存在一根或多根接缝线。较佳地，外壳不与芯部连接。
大体上，对于用由PTFE制成的膜来密封地包围弹性体芯部的到目前为止的尝试清楚地针对的是，以任何方式将PTFE膜与弹性体芯部连接。现在已证实了，仅将包封芯部的膜的边缘区域彼此连接的环形密封件导致弹性体芯部相对于环境可靠的隔离并且同时导致具有突出性质的环形密封件。如果外壳不与芯部连接，则可最小化在改变的温度下环形密封件内的压力升高，压力升高否则会由于一方面弹性体芯部和另一方面包封的膜的不同的热膨胀系数而出现。
较佳地，外壳由两张膜构成，一张膜的边缘区域以密封的方式与另一张膜的边缘区域连接，使得结果产生两条环形接缝线。已从制造技术的角度证明这相对于仅使用一张膜是有利的，特别是就防止褶皱产生而言。
对于防止褶皱产生，特别较佳的是，膜作为预成型的、环形的壳层提供，在较佳的实施形式中因此以两个半壳层的形式提供。由于预成型，壳层是形状稳定的，并且在(一个或多个)壳层的边缘区域相互连接前，环形的弹性体芯部可以相对简单的方式插入到壳层中。
只要外壳由两张膜或壳层形成，则其较佳地这样设计尺寸，使得在边缘区域连接时产生的接缝线在环形密封件的直径上彼此相对的两侧上延伸。应力由于该对称很大程度上得到平衡，在生产该外壳时在环形密封件中感应出这些应力。两条接缝线可根据使用情形有利地例如相对于环形密封件的中心轴线以相同的间隔(在12点和6点上)、以45°角度(在4:30和10:30上或在7:30和1:30上)或集中在一个平面中(在3点和9点上)地布置。然而，如果需要，接缝线也可布置为偏离的。PTFE包覆的环形密封件较佳地用于静态的密封，特别是用于轴向密封。为此情况，通常有利的是集中地设置接缝线，即在弹性体芯部的径向上内部和径向上外部设置。
尽管其原则上膜的边缘区域在接口上接合(拼合)和在接合缝的区域中例如通过对接焊缝密封地彼此连接是可能的，但本发明的较佳实施方式规定，边缘区域相互重叠并且在重叠区域中进行连接。只要外壳由两个预成型的壳层制造，则两个壳层中的每一个围绕超过芯部横截面的一半，使得两个壳层的边缘区域对应地重叠。
对于作为用于弹性体芯部的材料没有限制，而是可使用所有本领域技术人员已知的材料、型式、横截面几何形状和大小。
制成包封的膜的含氟聚合物如所述的较佳地由聚四氟乙烯(PTFE)构成。PTFE的特点在于良好的耐化学药品性和从近-273℃到260℃的较宽的温度使用范围。较佳地使用拉伸的聚四氟乙烯(ePTFE)、特别是双轴向拉伸的ePTFE，其被附加地致密。因为拉伸的PTFE是多孔的，致密的ePTFE作为膜材料使用，其可生产为非常紧密并且具有非常低的膜厚度。含氟聚合物膜可由热塑性含氟聚合物代替PTFE构成，特别是由FEP或PFA构成。
较佳地，膜的边缘区域相互连接而不使用单独的胶粘剂。这在热塑性的含氟聚合物膜的情况下通过局部融化没问题地是可能的。在PTFE膜的情况下，PTFE膜较佳地先用热塑性材料涂覆。接着，涂覆了的膜较佳地具有在从仅15μm至100μm的范围中的总厚度。在此，膜和涂布层较佳地有大致相同的厚度。可能有利的是，对于环形芯部增加的厚度选择更厚的膜。然而膜应选择为尽可能地薄的，因为密封件的肖氏硬度随着增加的膜厚度对应地增大。借助在要相互连接的边缘区域中涂布层的融化，边缘区域、即边缘区域的热塑性涂布层进入到相互物质流动的连接中，这种连接在热塑性材料的冷却和相应的到固相的过渡之后是稳定和密封的。作为用于热塑性涂布层的材料，优选地考虑含氟热塑性塑料，特别是四氟乙烯-六氟丙烯(氟化乙烯丙烯共聚物)(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)或四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物(TFP；也已知为泰良(Dyneon)的)。较佳地，使该膜层压有该热塑性涂布层材料。在WO 2005/105434 A2中描述了借助这种热塑性材料对PTFE特别有利的、无胶粘剂的层压。为此，PTFE膜被加热到PTFE的结晶熔化温度上，例如370℃之上，并且在该温度下，由热塑性涂布层材料构成的膜被层压到PTFE膜上。根据使用情形，可能有利的是，PTFE膜两侧用含氟热塑性塑料涂覆。
仅在一侧上对膜进行热塑性地涂布在许多情况下是足够的，并且出于成本原因是较佳的。对于外壳由两张膜或两个预成型的壳层构成的情况，在一个膜或壳层处，涂布层材料较佳地位于内侧上，并且在另一膜或壳层处，涂布层材料较佳地位于外侧上，使得膜或壳层的边缘区域能以对应的涂布层材料重叠，而不必折叠边缘区域或不必采取其它措施。
边缘区域的连接与此相应地以热的方式通过在接逢区域中热塑性涂布层的局部融化来实现。为了在相应的加热过程中将所需的能量输入集中到热塑性涂布层上，本发明的有利的改型规定了，至少一张膜的热塑性材料装备有合适的添加剂。例如，可选择这样的添加剂，其可感应地、即无接触地被加热。在这种情况下，对于两张或更多张膜或壳层的连接，所有膜或壳层的涂布层材料含有相应的添加剂。根据其具有或不具有合适的添加剂，其它焊接方法是电阻焊接、借助热空气的焊接、激光束焊接和类似物。
特别较佳的因此是使用所谓的激光添加剂。这是吸收一个或多个波长或波长范围的辐射的添加剂。添加剂这样选择，使得它吸收这种辐射，外壳、特别是PTFE膜对于这种辐射是透明(透过)的。那么，在借助合适波长的激光辐射的所谓的激光透射过程中，穿过膜针对性地融化仅仅位于其后的热塑性的材料、特别是热塑性涂布层材料是可能的。作为添加剂考虑例如颜料、特别是炭黑颗粒。因为不同的热塑性塑料具有不同的吸收性质，并且因为此外不同的激光器(二极管激光器、CO2激光器等)发射具有不同波长的激光辐射，在一方面激光器和另一方面外壳的材料的合适的组合的情况下，如有需要则也可放弃加入特别的激光添加剂。在使用例如两张膜时，对于激光透射焊接，仅仅一张膜的涂布层材料包含激光添加剂足够了，因为一张膜的边缘区域的融化了的涂布层材料的熔化热量一起融化了另一张膜的相对的边缘区域的涂布层材料。然而也可使用其它激光焊接方法用于连接边缘区域，像例如针对如下情况的激光对焊，即，包封(件)的边缘区域位于接口(接合点)上，并且借助激光产生对焊焊缝。
特别较佳的是，膜构造为预成型的壳层，其横截面是多边形形状的，并且其简洁地遵循弹性体环的外轮廓。因为弹性体的芯部材料通常在温度升高时比含氟聚合物外壳膨胀(伸展)得更厉害，其可在多边形的壳层之内膨胀。因此，壳层和芯部逐渐呈现圆形横截面。在此情况下，外壳不与弹性体芯部连接又是有利的。特别较佳的是，多边形的侧面的过渡部至少在面向弹性体芯部的内侧上倒圆，并且特别是没有棱角的。弹性体芯部在它的角区域处拥有与之相应的类似的形状。其较佳地紧靠外壳。在温度升高时由膨胀的弹性体芯部施加到包封(件)上的应力由此特别在壳层的多边形表面之间的过渡区域中保持得较低。
本发明此外涉及用于生产上述环形密封件的方法。
在下文中将借助附图示例性阐述本发明。附图中示出：
图1以俯视图示出根据第一实施例的O形环，
图2以放大图示出图1的O形环的轴向横截面，
图3示出根据第二实施例的O形环的横截面，
图4示出图3的横截面的角区域的放大图，
图5A和5B示出O形环横截面的各种变型，
图6A至6C示出在生产图1和2的O形环时彼此相继的步骤。
图1以俯视图示出根据第一实施例的O形环1。图2以放大图示出图1的O形环根据剖切线II-II的横截面。O形环1主要由环形弹性体芯部2构成，该弹性体芯部由第一膜3和第二膜4包封，它们共同形成芯部2的外壳。弹性体芯部可以是圆形横截面的或具有不同的其它横截面几何形状。在此，外膜4以它的边缘区域4a和4b与内护套3的相应的边缘区域重叠。在重叠区域中，两张膜3、4沿着两条接缝线5a和5b以密封的方式相互连接，例如粘合或较佳地焊接。接缝线5a和5b与之相应地沿着O形环的整个周缘围绕延伸。环较佳地用作轴向、静态的密封圈，其与之相应地沿箭头方向P从上方和下方被加载压缩力。在使用情况中，对于膜4的褶皱形成这样的使用是不太敏感的。然而，在此描述的密封件原则上也可用作动态的密封件，例如借助其它接缝位置用作活塞或连杆密封件。
考虑将每个合适的弹性体材料作为用于芯部2的材料。对于用于芯部2的外壳的膜3和4的材料，较佳地选择含氟聚合物，例如热塑性的含氟聚合物或较佳地以一种或另一种表达(特征)的聚四氟乙烯(PTFE)。特别较佳的是拉伸的尤其是双轴向拉伸的和致密的PTFE。例如在US 5,374,473(Knocks等人)中描述了致密的ePTFE的生产。致密的、双轴向拉伸的PTFE膜已经证明是特别合适的，如在WO 2005/105434 A1中描述的，特别是根据在其中描述的生产示例。就此而言，明确地参照WO 2005/105434 A1的内容。为了能在重叠区域中通过热效应使膜沿着接缝线5a和5b焊在一起，膜可设有特别是设有热塑性涂布层，就像例如同样在WO 2005/105434中借助PFA涂布层膜描述的那样(“示例2”)。就此而言，也清楚地参照其中的公开内容。
图3涉及根据第二实施例的O形环，其与第一实施例特别通过横截面形状区分，其横截面是矩形的，特别是正方形的。与之相应地，在图3中仅示意示出环横截面。环1又包括弹性体芯部2和两个包封芯部2的膜3和4，膜3和4形成围绕芯部2四周的密封的外壳。与示意视图有偏差的是，实际上较佳的是，外壳紧靠在芯部处。在膜4以它的边缘区域4a和4b重叠膜3的相应的边缘区域的重叠区域中，各膜沿着接缝线5a、5b密封地并且环绕地相互连接。借助附图标记30和40示出，膜3和4在面向彼此的表面上设有热塑性涂布层30或40。在膜3处，涂布层30位于外部，而在膜4处，涂布层40位于内部，使得涂布层30和40在重叠区域中相互叠置。膜较佳地涉及PTFE，而热塑性涂布层较佳地涉及FEP、PFA或TFP。涂布层30和40沿着接缝线5a、5b焊在一起。
在根据图2和3的实施例中的膜3和4作为预成型的和与之相应相对形状稳定的壳层(Schale)来提供，壳层从它的角度可通过在热效应的作用下相应的膜的拉深和接着的切割来生产。弹性体芯部2和壳层状的膜拥有相同的横截面形状。其它多边形横截面也是可能的，例如三角形、六边形或八边形的横截面。具有多边形或椭圆形的横截面的壳层相对于具有圆形横截面的壳层提供这样的优点，即，在芯部不成比例热膨胀的情况下，其由此变形为圆形横截面，并且这样可提供给芯部变大的体积空间。由此在外壳中的应力保持得较低。在形成外壳的壳层的多边形横截面的情况下，有利的是，在多边形表面之间的过渡部至少在壳层或膜3的面向弹性体芯部2的侧上，像芯部2自身一样，是倒圆的。这在图4中更详细地示出。芯部2以与之相应的方式倒圆。以这种方式，在温度升高时由于相对于较少膨胀的包封材料3、30较多膨胀的弹性体芯部2而产生的应力被保持得较低。当芯部2不与包封(件)连接时，彼此邻接的表面可在热膨胀过程期间沿着彼此滑动。通过所选的几何形状的应力补偿特别在较高的使用温度大约在200℃之上开始起作用。作为对于这种较高的温度合适的材料组合考虑例如具有带有PFA涂布层的PTFE包封(件)的、由耐高温硅酮制成的芯部。
然而，如图5A所示，弹性体芯部的轮廓不一定必须适应壳层的轮廓。图5B示出数个变型，在这些变型中，弹性体芯部2具有与多边形外壳不同的横截面形状。例如，芯部可以以常规的方式拥有圆形横截面，而外壳是三角形的、正方形的、六边形的或以其它方式是多边形的。替代地，壳层可具有褶皱。在芯部2热膨胀的情况下，褶皱可在外壳中伸开并且充填自由空间，由此在外壳中的应力又保持得较低。随着芯部2膨胀增加，外壳逐渐形成圆形横截面。
图6示出在环形密封件1的生产中主要的三个阶段。首先提供弹性体芯部2和预成型的、环形的两个壳层。在第一步A中，芯部2插入到下壳层3中，并且在第二步B中，上壳层4倒扣到芯部2上，使得壳层3和4包封芯部2。如图6B所示，在此下壳层3的边缘区域3a、3b与上壳层4的边缘区域4a、4b在芯部2的子午线(经线)的高度上重叠。在接下来的步骤C中，在激光透射焊接过程中，壳层3和4沿着它们的重叠区域焊在一起。由此产生两条接缝线5a和5b，它们最终形成完全闭合的和密封的圆形接缝。膜4的材料对于所选的激光辐射50a和50b是透明的，而膜3和4的热塑性涂布层对于该辐射或自然地或通过相应地添加有添加剂是能吸收的。膜3的涂布层吸收该辐射足够了，因为热能通过热传导而传递到另一张膜的相应的邻接的热塑性涂布层上。

Claims (20)

1.环形密封件(1)，包括环形的弹性体芯部(2)和包围所述芯部的外壳，所述外壳具有由含氟聚合物制成的至少一张膜(3、4)，所述至少一张膜的边缘区域(3a、3b、4a、4b)相互连接。
2.如权利要求1所述的环形密封件，其特征在于，所述外壳不与所述芯部(2)连接。
3.如权利要求1或2所述的环形密封件，其特征在于，所述外壳具有两张所述膜(3、4)，并且一张所述膜(3)的所述边缘区域(3a、3b)与另一张所述膜(4)的所述边缘区域(4a、4b)连接。
4.如权利要求3所述的环形密封件，其特征在于，所述边缘区域(3a、3b、4a、4b)的连接沿着两条接缝线(5a、5b)在所述环形密封件(1)的互相位于直径上相对的两侧上延伸。
5.如权利要求4所述的环形密封件，其特征在于，所述两条接缝线中的一条(5a)径向上在内部延伸，而所述两条接缝线中的另一条(5b)径向上在外部延伸。
6.如权利要求1至5中一项所述的环形密封件，其特征在于，所述边缘区域(3a、3b、4a、4b)彼此重叠。
7.如权利要求1至6中一项所述的环形密封件，其特征在于，所述膜(3、4)由聚四氟乙烯(PTFE)构成，较佳地由致密的、拉伸的聚四氟乙烯构成。
8.如权利要求1至7中一项所述的环形密封件，其特征在于，所述膜(3、4)涂覆有、较佳地层压有热塑性材料(30、40)、特别较佳地无粘合剂地涂覆有热塑性材料。
9.如权利要求8所述的环形密封件，其特征在于，涂布层材料(30、40)是热塑性塑料。
10.如权利要求8或9所述的环形密封件，其特征在于，所述涂布层材料(30、40)是热塑性的含氟聚合物，FEP、PFA或TFP。
11.如权利要求8至10中一项所述的环形密封件，其特征在于，仅在所述膜(3、4)的一侧上设有所述涂布层材料(30、40)。
12.如权利要求8至11中一项所述的环形密封件，其特征在于，所述边缘区域(3a、3b、4a、4b)这样彼此重叠，使得所述涂布层材料(30、40)在重叠区域中彼此交叠。
13.如权利要求8至12中一项所述的环形密封件，其特征在于，所述至少一张膜(3、4)中的至少一张的所述涂布层材料(30、40)包含添加剂，所述添加剂促进热塑性涂布层的无接触的融化。
14.如权利要求13所述的环形密封件，其特征在于，所述添加剂吸收辐射，其余所述外壳对于所述辐射是透明的。
15.如权利要求1至14中一项所述的环形密封件，其特征在于，所述边缘区域(3a、3b、4a、4b)的密封的连接是焊接连接、较佳的是激光焊接连接，特别较佳地是激光透射焊接连接。
16.如权利要求1至15中一项所述的环形密封件，其特征在于，所述至少一张膜(3、4)构造为形状稳定的、环形的壳层。
17.如权利要求16所述的环形密封件，其特征在于，所述壳层的横截面是多边形形状的。
18.如权利要求17所述的环形密封件，其特征在于所述壳层的多边形表面之间的过渡部至少在所述壳层的面向所述弹性体芯部(2)的侧上是倒圆的。
19.用于生产环形密封件(1)的方法，包括以下步骤：
-提供弹性体环(2)，
-提供至少一张含氟聚合物膜(3、4)，
-用所述膜(3、4)包封所述弹性体环(1)以及
-将所述至少一张膜(3、4)的边缘区域(3a、3b、4a、4b)相互连接，而不产生外壳与所述弹性体环(2)的连接。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述至少一张膜(3、4)以由致密的、拉伸的PTFE制成的预成型的、环形的两个壳层的形式提供，其中，一个所述壳层至少在其内侧上并且另一个所述壳层至少在其外侧上涂覆有热塑性材料(30、40)，并且所述两个壳层的所述边缘区域(3a、3b、4a、4b)这样彼此重叠，使得它们的热塑性涂布层(30、40)相互接触，其中，所述边缘区域(3a、3b、4a、4b)的连接在激光透射焊接过程中进行。
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