CN110168259B - 用于活塞压缩机的活塞环和活塞压缩机 - Google Patents

Abstract

活塞环包括环形的基环(5)和密封环(3)，其中基环(5)具有径向向外指的基环端面(5a)，密封环(3)具有径向向外指的密封端面(3e)和径向向内指的圆形密封环内侧面(3f)，密封环(3)具有三个沿密封环内侧面(3f)的切向延伸的切向切口(3d)，从而密封环(3)包括沿周向(U)前后相继布置且由切向切口(3d)分开的三个密封环部段(3a，3b，3c)，其中环形基环(5)和密封环(3)沿垂直于周向(U)延伸的纵向(L)前后相继布置，顶环(2)在纵向(L)上邻接密封环(3)布置，顶环(2)具有径向向外指的顶环外侧(2c)和径向向内指的顶环内侧(2d)，顶环(2)在背离密封环(3)的一侧具有至少一个径向延伸的回流通道(2a)，该回流通道沿顶环(2)的整个宽度在径向上延伸，其中密封端面(3e)在径向上突出超过顶环外侧(2c)和所述基环端面(5a)，且基环(5)和顶环(2)的抗拉强度大于密封环(3)的抗拉强度。

Description

用于活塞压缩机的活塞环和活塞压缩机

说明

本发明涉及根据本申请请求保护的用于活塞压缩机的活塞环。本发明还涉及活塞压缩机。

背景技术

包括气缸和可在其中线性运动的活塞的活塞压缩机是已知的。在一种可能的实施例中，活塞环安置在活塞上，其中活塞环沿着气缸壁滑动，确保活塞环密封由气缸和运动的活塞限定出的压缩腔。文献WO98/55783A1公开一种干式运转活塞压缩机，其具有布置在活塞上且摩擦气缸壁的活塞环。干式运转活塞压缩机很适用于将氢气压缩至例如高达200巴的最终压力。但是，人们对于将流体压缩至更高的最终压力存在越来越多的需求。但是已知的活塞环对于高压力差仅能有条件地适用，因为其在负载下呈现明显的冷流动，导致活塞环快速磨损。已知的活塞环因此仅能有条件地适用于对于具有超过200巴的最终高压的压缩机。

发明内容

本发明的目的是设计具有更有利的操作特性的活塞环和活塞压缩机。

该目的通过具有本申请请求保护的特征的活塞环实现。本申请请求进一步保护的涉及本发明的其它有利实施例。该目的还通过具有本申请请求保护的特征的活塞压缩机来实现。本申请请求进一步保护的涉及其它有利实施例。该目的还通过在活塞压缩机中使用根据本发明的活塞环来将流体压缩至超过500巴的压力。

该目的尤其借助包括环形基环和密封环的活塞环实现，其中基环具有径向向外指的基环端面，该密封环具有径向向外指的密封端面和径向向内指的环绕的密封环内侧面，其中密封环具有沿密封环内侧面的切向延伸的三个切向切口，由此密封环包括沿周向相继布置且被切向切口分开的三个密封环部段，其中环形基环和密封环沿着垂直于周向的纵向相继布置，其中顶环沿纵向紧邻密封环布置，其中顶环具有径向向外指的顶环外侧和径向向内指的顶环内侧，其中顶环在其背离密封环的一侧具有沿着顶环的整个宽度在径向上延伸的至少一个径向延伸的回流通道，其中密封端面在径向上突出超过顶环外侧和基环端面，且基环和顶环的抗拉强度大于密封环的抗拉强度。

在优选实施例中，基环和顶环的抗拉强度至少是密封环抗拉强度的1.5倍。

根据本发明的活塞环被实施为“夹心式”活塞环并且包括密封环和沿着轴向布置在两侧的支撑环，即贴靠密封环的基环和顶环，其中支撑环优选板状设计。相比于基环和顶环，密封环由具有优选良好的适形能力、尤其是沿径向的良好适形能力的较软的材料构成。相比于基环和顶环，密封环因此具有较低的抗拉强度。在轴向上，活塞环包括在一侧上的基环和在另一侧上的顶环，其中基环和顶环形成两个支撑环，并且因此密封环在每侧贴靠提及的其中一个环并且由它们支承。基环及优选的还有顶环是环形构造并且由相对强的材料即具有比密封环更大的抗拉强度的材料构成。由相对软的材料或具有较低抗拉强度的材料构成的密封环良好且稳定地保持在基环和顶环之间并且在径向具有良好的适形能力，确保其以良好的密封贴靠于活塞内壁，从而防止或减少任何可能发生的泄漏。

在根据本发明的活塞的例子下，密封环被构造为摩擦密封件，其中密封环沿着气缸内壁滑动，其中活塞环可以干运转方式运行或通过润滑运行。根据本发明的活塞环优选适于与活塞压缩机结合，其压缩腔具有优选大于500巴的高压负载和/或高温负载。

作为特别的优选，密封环沿轴向具有较小的总高度，优选在1至6毫米范围内的总高度。根据本发明的活塞安装在活塞压缩机中以至少在冷态在基环和顶环在径向向外指的一侧和气缸内侧面之间留下较小的间隙，例如十分之几毫米或百分之几毫米的间隙。另一方面，密封环在径向上突出超过基环和顶环并且接触气缸内侧面。在有利的实施例中，基环和顶环在操作期间不与气缸内侧面接触，并且因此不会形成摩擦环。在实施例中，基环和顶环都不必具有干运转特性。

相比于布置在背离压缩腔一侧的基环，顶环还在其朝向压缩腔一侧具有至少一个回流槽，所述槽允许在再膨胀期间将压力传导至压缩腔中。布置在密封环两侧面上的基环和顶环因此防止密封环被作用在活塞在密封环两侧面的两个运动方向上的动态作用压力损坏。再膨胀如下所述发生。由于密封系统的个别密封件之间的泄漏，具有随时间变化的压力特性的负载也会产生朝向压缩腔的压力差。因此，在压缩阶段期间，密封件腔中的压力直接随着压缩腔上升到高于抽吸压力水平的值，并且取决于密封件的磨损状态，可以几乎达到最终压缩压力。如果气缸中的压力接下来在膨胀阶段期间回落向抽吸压力，则存在压力释放回到压缩腔，即压缩腔附近密封件的负载方向被反向。

根据本发明的活塞环因此有以下优势，通过切向切口切割的密封环一方面在压缩过程期间由基环支撑且在膨胀过程期间由顶环支撑，由此切割的密封环免受严重作用力，因此在压缩过程期间尤其在膨胀过程期间免受损坏。

根据本发明，活塞环的夹心式设计实现了可以由塑料材料制成密封环，该塑料材料本身不适于在“自支撑”实施例中即没有支撑环的情况下密封高压差。取决于其实施例，本发明的活塞环能以干式运转方式运行或润滑运行。在干运转活塞环的例子下，至少密封环必须具有干运转特性。如果基环和/或顶环在操作期间类似地沿气缸内壁滑动，这些支撑环也应该具有干式运转特性。密封环优选由聚四氟乙烯(PTFE)材料或共混聚合物形成，其中高温聚合物也用在非常高压力差的情况下。干式运转密封环还填充有无机填料，比如碳、石墨、玻璃纤维、二硫化钼或青铜。如果基环和顶环由高温聚合物、纤维复合材料并且在非常高的压力差情况下由金属例如青铜构成，则是有利的。

以下给出基环、密封环和顶环的示例材料组合。如已经提到的，一个先决条件是基环和顶环具有比密封环高的抗拉强度。根据要达到的最终压力，以下材料组合将是合适的，例如，其中所用材料的细节在表格后给出：

表1.用于活塞环的材料组合实例

表1使用的材料细节如下，其中下列提及的填充材料在干运转环的例子中尤其需要。

纯的或填充的PEEK(聚醚醚酮)、纯的或填充的聚酰亚胺、纯的或填充的PPS(聚苯硫醚)或者纯的或填充的环氧树脂例如作为高温聚合物是合适的。

改性PTFE、也称为“Mod.PTFE“或填充有无机填料比如碳、石墨、玻璃纤维、二硫化钼和/或青铜的填充PTFE适于作为PTFE。

有机塑料比如PTFE、PEEK、PPS的至少两种的混合物适于作为共混聚合物，其中共混聚合物也可以填充无机填料，比如碳、石墨、玻璃纤维、二硫化钼和/或青铜。

PEEK或环氧树脂基体中的碳纤维例如适于作为纤维复合材料。

比如铝、铅或锡青铜的青铜材料或比如黄铜的材料例如适于作为铜合金。

非常适用于密封环的塑料是聚四氟乙烯(PTFE)，为了改善其物理、机械和/或摩擦特性、尤其是赋予其干运转特性向其中添加填料，该填料仍优选通用的无机物，比如碳、石墨、玻璃纤维等。除了这些填料，先前已知的由PTFE制成的密封环的用途由于PTFE的冷流动的显著趋势而限于低压力差。根据本发明的活塞环具有使由PTFE构成的密封环即使在相当高压力差的情况下也能可靠运转的优点。这可参照以下干运行“活塞1塞实例来解释。示例活塞环1包括由填充的PTFE构成的密封环，其中PTFE填充有碳或石墨。在20有的温度下，这种密封环具有10兆帕的抗拉强度。基环和顶环由填充的PEEK构成。在250在的温度下，这种基环和顶环具有18兆帕的抗拉强度。在该实施例中，根据本发明的活塞环可以干运转模式在250转下没有问题地运行，尽管密封环在该温度下具有相当低的抗拉强度，因为密封环在轴向上保持在支撑环之间，即保持在基环和顶环之间，并且对于密封环而言无法在径向上脱离，因为其在径向上抵靠气缸的内壁。基环和顶环之间的距离以及气缸内壁优选为十分之几毫米或百分之几毫米。

示例“活塞环1塞也可用于密封油润滑活塞压缩机中的压缩腔。在这种情况下，密封环可例如由改性PTFE构成，基环和顶环可例如由纯PEEK构成。基环和顶环例如还可例如由填充的PEEK构成，其中PEEK填充有碳纤维(10％重量)、PTFE(10％重量)和石墨(10％重量)。

对于承受高压和/或温度负载的活塞，可能如上文所述借助包括“活塞3塞和“活塞4塞的示例使用包括密封环、顶环和基环的活塞环，密封环由高温聚合物，比如聚醚醚酮(PEEK)或聚亚胺(PI)构成，顶环和基环由纤维复合材料比如在PEEK基体中的碳纤维或环氧树脂基体中的碳纤维构成。

尤其是在油润滑活塞压缩机的情况下，压力差也可采用高于1000巴的非常高的值，并且因此，如上文“活塞4塞所示，也可以尤其在这样的活塞压缩机的情况下使用包括由单件金属环制成的基环和顶环的活塞环。

借助实施例来进一步详细描述本发明。

附图说明

用于阐明实施例的附图中：

图1示出布置在活塞上的密封装置的纵向截面；

图2示出顶环的平面图；

图3示出具有夹紧环的密封环的平面图；

图4示出基环的平面图；

图5示出密封装置的第二实施例的纵向截面；

图6示出具有多个密封装置的活塞的侧视图；

图7示出密封装置的第三实施例的纵向截面；

图8示出顶环的平面图。

在附图中，相同的部件基本设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1以纵向剖视图示出了活塞压缩机，活塞压缩机包括气缸10、活塞12和布置在活塞12中的至少一个活塞环1。活塞12被构造为组装式活塞并且包括沿纵向L相继布置的多个活塞体11，其中每个活塞体11具有腔盘11a，其形成内部空间11b。活塞环1布置在内部空间11b中。在图1中，活塞压缩机的压缩腔13布置在顶部，曲轴箱或低压部分14布置在底部。活塞环1包括密封环3、夹紧环4、顶环2和基环5。活塞环1与腔盘11a相对于纵轴线L在径向上间隔开，从而形成内间隙8。内间隙8经由布置在顶部的径向回流通道2a和外间隙6流体连通至在视图中更上方且未示出的空间。

图2示出从压缩腔13方向观察的顶环2的平面视图。顶环2包括径向向外指的顶环外侧2c和环形的径向向内指的顶环内侧2d。顶环被构造为环形环并且包括以沿周向分配布置的且在顶环2的整个宽度上沿径向延伸的多个径向回流通道2a。

图3示出从压缩腔13方向观察的密封环3的平面视图。密封环3包括径向向外指的密封端面3e和径向向内指的环绕的密封环内侧面3f，其中密封环3具有相对于密封环内侧面3f切向延伸的三个切向切口3d，因此，密封环3包括三个密封环部段3a、3b、3c，它们沿周向U前后相继布置且被切向切口3d分开。具有夹紧环间隙4a的夹紧环4有利地贴靠密封环内侧面3f布置。沿密封环内侧面3f接触的夹紧环4在密封环内侧面3f上产生径向向外指的力。也可省去夹紧环4，其中内部空间11b中的流体可在密封环内侧面3f上产生径向向外指的力。

图4示出具有径向向外指的基环端面5a的基环5的平面视图。

环形的基环5和密封环3沿着垂直于周向U的纵向L相继布置，其中环形的顶环2布置成在纵向L紧邻密封环3，因此，如图1所示，形成的活塞环1包括基环5、密封环3和顶环2。

在新的情况下，即在密封环3已经运行一段时间之前，密封环3被构造成使得其密封端面3e沿着径向突出超过顶环外侧2c和基环端面5a，如图1所示。为了确保顶环2和基环5对密封环3尽可能大的支撑和保护效果，顶环2和/或基环5与气缸10的内壁或缸孔10a之间的间隙优选保持在最小。在示出在图1中的实施例中，至少顶环2和/或基环5的外径只比缸孔10a的内径小百分之几毫米或十分之几毫米。由于活塞环1在运行期间生热，其经历了热膨胀。在有利的实施例中，顶环2和/或基环5的外径增加至等于或大于缸孔的直径。如果基环5和/或顶环2的外径试图扩大至大于缸孔的直径，则结果是顶环2和/或基环5在运行阶段贴靠在气缸内壁10a上，在该过程期间，顶环2和/或基环5的外面材料磨损，结果，顶环2和/或基环5在由于操作而出现的热状态下在气缸10膛中无间隙地配合。为了确保在这个运行过程期间顶环2和/或基环5不会卡住，朝向气缸内壁10取向的面优选设计成至少部分加宽、优选锥形地加宽，确保只有突出超过气缸内壁10的区域才不得不被磨损，而不是顶环2和/或基环5的整个宽度被磨损。在运行阶段期间，密封环3在其密封端面3e处进一步磨损，结果，在优选的实施例中并且在热态下，密封环3、顶环2和基环5无间隙地布置在气缸10膛中。

但如图5所示，可省去顶环外侧2c和/或基环端面5a的锥形构造。图5示出处于运行状态并且在操作期间例如在热态下的活塞环1。顶环2和基环5已经配合于气缸内壁10a，使得在由于操作处于热状态时，它们沿着纵轴线L延伸的方向无间隙地前后运动。此外，密封环3如此配合，其布置在顶环2和基环5之间，布置方式为其允许密封环以基本由夹紧环4确定的预加载力沿着径向向外运动并且与气缸内壁10a摩擦接触。

图6示出活塞12的一个实施例的侧视图，其从高压侧13起具有沿纵向L间隔开的多个密封件，即左侧的四个限位活塞环15和沿纵向L连续排列的五个活塞环1。此外，导向环15布置在右侧。

图7示出密封装置1的第三实施例的纵向截面。图8示出用在图7中的顶环2的平面视图。相比于图1和图2所示的实施例，顶环2具有径向切口2e并因此在该位置处具有接缝或间隙。顶环2因此不再构造为环形顶环2，而是带切口的顶环2。此外，相比于图1和图2所示的实施例，顶环2具有L形横截面，其具有相对于纵轴线L径向延伸的第一腿2f和沿着纵轴线L的方向延伸的第二腿2g。密封件3沿径向布置在第二腿2g的前方，其中第二腿2g优选贴靠密封件3的密封环内侧面3f。沿径向布置在密封件3后方的第二腿2g还具有夹紧环或弹簧的特性，因此执行夹紧环或弹簧的功能。沿径向向外作用在密封件3上的力由顶环2的弹簧特性和/或由主要位于内间隙8中并作用在顶环2上的内部压力产生。具有径向切口2e的顶环2由于径向切口2e尤其具有特别明显的摩擦环的特性，其中顶环2借助第二腿2g同时产生沿径向向外作用在密封件3上的力，使得能够省去单独的比如图1和图5示出的夹紧环4。

Claims (13)

1.一种活塞环，包括环形基环(5)和密封环(3)，其中所述基环(5)具有径向向外指的基环端面(5a)，其中所述密封环(3)具有径向向外指的密封端面(3e)和径向向内指的环绕的密封环内侧面(3f)，其中所述密封环(3)具有三个切向切口(3d)，这些切口沿所述密封环内侧面(3f)的切向延伸，由此所述密封环(3)包括沿周向(U)相继布置并由切向切口(3d)分开的三个密封环部段(3a，3b，3c)，其中所述环形基环(5)和所述密封环(3)沿垂直于所述周向(U)的纵向前后相继布置，其特征在于，顶环(2)在纵向邻接所述密封环(3)布置，所述顶环(2)具有径向向外指的顶环外侧(2c)和径向向内指的顶环内侧(2d)，其中所述顶环(2)在背离所述密封环(3)的一侧具有至少一个径向延伸的回流通道(2a)，该回流通道沿所述顶环(2)的整个宽度在径向上延伸，其中所述密封端面(3e)在径向上突出超过所述顶环外侧(2c)和所述基环端面(5a)，且所述基环(5)和所述顶环(2)的抗拉强度大于所述密封环(3)的抗拉强度。

2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述顶环(2)被设计为环形顶环(2)。

3.根据权利要求1或2所述的活塞环，其特征在于，夹紧环(4)沿所述密封环内侧面(3f)贴靠且所述夹紧环(4)产生作用于所述密封环内侧面(3f)的径向向外指的力。

4.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述顶环(2)具有径向切口(2e)，所述顶环(2)具有L形横截面，该横截面具有沿纵轴线的径向延伸的第一腿(2f)和沿纵轴线方向延伸的第二腿(2g)，其中所述密封环(3)的所述密封环内侧面(3f)朝向所述第二腿(2g)取向。

5.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述基环(5)的和所述顶环(2)的抗拉强度至少是所述密封环(3)的抗拉强度的1.5倍。

6.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述密封环(3)沿纵向具有在1至6毫米范围内的高度。

7.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述基环端面(5a)和/或所述顶环外侧(2c)从所述密封环(3)起沿轴向渐缩。

8.根据权利要求7所述的活塞环，其特征在于，所述基环端面(5a)和/或所述顶环外侧(2c)沿轴向呈锥形渐缩。

9.一种活塞压缩机，包括根据权利要求1所述的活塞环(1)。

10.根据权利要求9所述的活塞压缩机，包括活塞(12)和具有缸孔(10a)的气缸(10)，其特征在于，所述基环(5)和/或所述顶环(2)具有外径，所述外径比所述缸孔(10a)的内径小了不到十分之一毫米。

11.根据权利要求10所述的活塞压缩机，其特征在于，所述基环(5)和/或所述顶环(2)在冷态下的外径使得所述基环(5)和所述顶环(2)在热态下无间隙地安置在所述气缸(10)。

12.根据权利要求9所述的活塞压缩机，包括具有活塞体(11)和多个活塞环(1)的活塞(12)，其中所述活塞体(11)具有多个周向槽(11b)，所述周向槽(11b)沿轴向前后相继布置，在每个所述周向槽中均布置有活塞环(1)，其中所述周向槽(11b)的轴向宽度大于所述活塞环(1)的总轴向宽度，其中所述活塞环(1)在径向向内指的一侧与所述活塞体(11)径向间隔布置。

13.将根据权利要求1所述的活塞环用于将流体压缩至500巴和1000巴之间的压力的用途。

Images