CN112888883A - 密封装置以及用于监测密封装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封装置(10)、一种用于监测密封装置的方法以及这样的密封装置作为瓣阀中的瓣密封件的应用。根据本发明，已认识到有利的是，间接测量密封元件的接触应力，即，通过测量在密封元件(1)与待密封构件(2)之间的距离(a)。为此，密封装置具有特殊的结构，所述结构包括测量装置(4)。提供一种密封装置，所述密封装置具有简单的结构，就制造技术而言可简单且低成有利地制造并且也能够检测密封装置的很小的变化。通过用于监测密封装置的方法能够以有利的方式可靠地说明密封元件的老化特性和尤其是收缩性。

Description

密封装置以及用于监测密封装置的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的密封装置、一种根据权利要求10的用于监测密封装置的方法以及一种根据权利要求16的密封装置的应用。

背景技术

由现有技术已知各种由塑料和弹性体材料制成的密封件。例如由平面密封件、O形环、瓣密封件或其它成形密封件形成的静态密封件。

在DE 102010042340 A1中描述了一种用于瓣阀(Klappenventil)的瓣密封件(Klappendichtung)，该瓣阀也可被称为圆盘阀。为了了解密封装置的状态或避免密封件失效，希望监测密封装置的状态。为此由现有技术中已知不同的测量方法。特别希望将为此所需的测量装置集成到密封装置中，因为这可实现特别紧凑的结构和低成本的制造。

US 2012/0119448 A1描述了一种具有集成测量装置的O形环。通过所述测量装置应能够监测密封件的磨损、热变化、物理损坏和结构损坏。为此，将两个导电层集成到所述密封元件中并且能够评估测得的电容。

这样的测量装置的困难在于：由于导电层之间的距离只有很小的变化，因而也只能测量很小的电容变化。由此，需要测量装置的非常高的精度，这于是伴随着因失真产生的测量不准确的风险。

发明内容

技术任务

本发明的任务在于提供一种密封装置，所述密封装置具有简单的结构，就制造技术而言可简单且成本有利地制造并且也能够检测密封装置的很小的变化。

另一任务在于描述一种用于监测密封装置的方法，该方法能够可靠地说明密封元件的老化特性和尤其是收缩性(Setzverhalten)。

解决方案

所述任务通过具有权利要求1的特征的密封装置来解决。

根据本发明，已认识到有利的是，间接地测量密封元件的接触应力，即，通过测量在密封元件与待密封构件之间的距离。为此，密封装置具有特殊的结构。

根据本发明的密封装置具有密封元件和待密封构件。密封元件例如可以是密封环。密封元件尤其是可由弹性体制成。待密封构件例如可以是壳体或机器元件。密封元件这样接纳在构件上，使得在密封元件和构件之间存在接触应力并且密封元件具有接触表面，密封元件以该接触表面贴靠在构件上。密封装置还具有用于监测密封元件老化的测量装置。“老化”在此尤其是包括密封元件的收缩性，但也可包括由磨损引起的损耗。

有利的是，在密封元件和构件中分别集成有测量装置的至少一个测量部件。由此实现测量装置的简单、紧凑和不敏感的结构。密封元件的接触表面有利地具有带有多个凹部的表面几何结构。密封元件的测量元件可位于凹部本身中或甚至更深地集成到密封元件中，从而在测量元件和接触表面之间存在另一层密封元件。接触表面在此特别优选位于密封元件与待密封构件之间的高接触应力区域中，即，在那里存在高压紧力。接触表面因此直接位于压紧力的力流中。接触表面优选位于主力锁合(Hauptkraftschluss)中。作为替代方案，它位于副力锁合(Nebenkraftschluss)中。压紧表面位于密封元件的与接触表面相对置的一侧上，压紧力施加到密封元件的该压紧表面上。

在根据本发明的密封装置的有利进一步改进方案中，构件的测量部件以邻接于密封元件接触表面的方式集成在构件中。测量部件例如可以是导电表面或霍尔传感器。如果构件是壳体，则该壳体也可由导电材料制成并且整个壳体可形成测量部件。如果通过电容测量实现距离测量，则可相对于壳体的接地线来测量电容，这有利地简化了测量链的构造。

在密封装置的有利进一步改进方案中，密封元件的测量部件构造为集成在密封元件体积中的结构。该结构尤其是可构造为平面、网格、线或带或体。集成结构可以是导电的或磁性的。如果集成结构是导电的，则能实现电容测量。如果集成结构是磁性的，则借助霍尔传感器在利用霍尔效应的情况下能实现测量。

在根据本发明的密封装置的特别有利且因此优选的进一步改进方案中，集成结构由密封元件的材料在添加添加剂的情况下制成。换句话说，通过局部有限地添加例如导电颗粒或磁性颗粒或磁化颗粒，由密封材料形成导电或磁性结构。

在根据本发明的密封装置中，在集成结构与密封元件的接触表面之间可以存在隔离层，该隔离层尤其是由密封元件的材料、即由密封材料制成。

在一种替代实施方式中，在表面几何结构的凹部中可以存在由密封材料制成的接片、即突起，并且可在接片的端面上施加集成结构。通过这样的设计实现用于距离测量的集成结构更靠近构件的测量部件，并且因此可借助无噪声的测量信号实现更高的测量精度和信号质量。

在密封装置的一种特殊实施方式中，集成结构被引入到表面几何结构的凹部中。这样的密封装置在生产技术方面特别有利，因为可在第一生产步骤中由密封材料制造密封装置并且可在第二生产步骤中通过涂层、喷涂或印刷将所述结构施加到密封装置的凹部中。

在上述密封装置中，表面几何结构可以以其凹部形成凸起、蜂窝、网格、凹槽或切口。凹部尤其是可位于0.5至2mm的量级。

本发明还涉及一种尤其是如上所述的用于监测密封装置的方法，其中，确定密封元件的测量部件与构件的测量部件之间的距离。然后可从测得的距离推断密封元件的老化和尤其是收缩性以及磨损。作为测量方法例如可利用电容测量或利用霍尔传感器中的电流变化。

在根据本发明的用于监测密封装置的方法中，间接检测不同负荷状态下、尤其是两种不同负荷状态下的距离并计算所述距离之间的差。间接测量可通过电容测量或在使用霍尔传感器的情况下进行。如果密封装置构造为阀密封件，则负荷状态可以为“阀打开”和“阀关闭”。当构造为瓣阀的瓣密封件时，负荷状态为“阀瓣打开”和“阀瓣关闭”。已令人惊讶地表明，与测量距离的绝对值相反，评估距离之差能实现更好地说明密封装置的状态。距离的绝对值随着时间的推移仅略微变化并且因此几乎无法评估，但距离的差是更大且可更好评估的值。换句话说，在静态中通过密封元件的松弛引起的几何变化非常小。因此，利用两种负荷状态之间的更大差异。“松弛”在此理解为密封元件的去应力并返回到其未压紧的状态中，或者是塑料或弹性体对作用力的响应特性随时间的变化。一旦作用力移除，这提供时间相关的响应特性并达到最终值或绝对值。该最终值通过老化而改变。

在根据本发明的用于监测密封装置的方法的进一步改进方案中，也可附加地检测密封元件在不同负荷状态之间松弛所需的时间。如果例如使用“阀关闭”和“阀打开”这两种负荷状态，则可检测在阀打开之后密封元件松弛所需的时间。也就是说，检测阀打开并且因此阀瓣不再向密封元件施加压紧力之后密封元件进行去应力的时间。

特别有利的是，将所述距离的/或所述差的/或所述时间的在密封装置投入运行时确定的值存储在测量装置的数据存储器中。也就是说，存储初始值，其适用于新的且完好无损且没有老化现象的密封装置。如果在后来的某个时间点检测所述距离和/或差和/或时间，则可将这些当前值与存储的初始值进行比较。所述距离在负荷状态“阀关闭”中的值也可附加地用于探测在阀瓣和密封元件之间的密封表面的磨损，因为所述距离的值会随着磨损的增加而增加。损耗导致密封元件的尺寸减小，这又导致在阀瓣关闭时产生较小的作用力。

在用于监测密封装置的方法的进一步改进方案中，在存在高于定义和存储的阈值的偏差时或在距离和/或差和/或时间的值的偏移强烈增加时，输出信号。该信号例如可以是报警信号或更换密封元件的请求或自动订购备件等。

本发明还涉及如上所述的密封装置作为瓣阀中的瓣密封件的应用。在此，阀瓣或者说阀片可枢转地设置在密封环内并且密封环在其内径上具有密封表面并且在其外径上接纳在壳体中。接触表面位于密封环的外径和壳体之间，从而在此存在具有凹部的特殊表面几何结构并且测量装置定位于此。

所描述的发明和所描述的本发明的有利进一步改进方案也可在彼此的组合中形成本发明的有利进一步改进方案，只要这在技术上是有意义的。

关于本发明的其它优点和在构造和功能方面有利的实施方式，参见从属权利要求以及参考附图的实施例说明。实施例

应以瓣密封件为例更详细地阐述本发明。当接触应力减小并且低于所施加介质压力的压紧力时，瓣密封件将泄漏。因此，希望在预测性维护的意义上预测密封件什么时候将泄漏，以便客户在发生泄漏之前及时更换密封件。

因此，问题在于：如何尽可能连续地检测接触应力的损失？本发明所基于的思想是，检测可作为长度变化来测量的几何变化。

为了实现足够大的、可通过测量技术检测的长度变化，通过凹部将密封装置结构化，这带来令人惊讶的改进。

模拟表明，在静态中通过物理松弛引起的几何变化非常小。在此，难以分辨仅在这种负荷情况下测量的几何差异。如果考虑阀瓣打开和关闭的负荷情况之间的差异，则会测量到明显更大的差异。在没有老化效应的情况下，这些差异应始终保持不变。

已表明，当凹部较大时，在瓣关闭或打开时发生的长度变化更大。

由于老化、即材料松弛能力(即恢复力)的损失，密封材料在阀瓣打开时将回弹得更慢，其中，这可在变慢的距离变化中测量到(每单位时间t的Δa)。在老化的密封材料中，Δa的绝对水平也将越来越低，因为恢复力由于物理和化学老化而损失。

已认识到有利的是，距离的变化要么在阀瓣的打开状态中能(作为Δa的绝对值)被测量，要么在阀瓣打开时能作为随时间变化的曲线被测量。也就是说，测量密封体在去应力后恢复到其未被加载的形状的速度。

附图说明

本发明应参考附图更详细地阐述。相应的元件和构件在附图中设有相同的附图标记。为了使附图更清楚，省去了按比例的显示。在此，以示意图示出：

图1示出密封元件的剖视图；

图2示出密封元件接触表面的表面几何结构的不同设计可能性；

图3a-b示出具有两种不同测量装置的密封装置；

图4a-e示出密封元件的测量部件的集成结构设计的可能变型方案；

图5示出密封元件的压缩、松弛和老化；

图6以曲线图示出密封元件随时间变化的松弛特性。

具体实施方式

图1示出密封元件1的剖视图，即瓣密封件的密封环。在上方和下方的两个通孔8设置用于在此未示出的阀瓣9的转动轴。阀瓣9位于密封元件1内并且密封元件1在其内径上具有密封表面，该密封表面引起相对于阀瓣9的密封。密封元件1在其外径上接纳在构件2上、如集成在壳体的凹槽中。壳体2未在图1中示出，而仅示出其位置。密封元件1在其外径上具有接触表面3，密封元件1以该接触表面贴靠在构件2上。在该接触表面3的区域中在密封元件1和构件2之间存在很高的接触应力。在图4a-4e中更详细地示出在箭头所示的位置处密封元件1的局部截面。

图2示出密封元件1接触表面3的表面几何结构5的不同设计可能性。凹部5.1例如可位于圆形、蜂窝形或正方形的凸部之间。作为替代方案，凹部5.1由线形凹槽形成。

图3a-b示出具有两种不同测量装置4的密封装置10。

图3a以横剖视图示出具有根据本发明的表面几何结构5的密封装置10：作为密封元件1的测量部件4.1的集成结构使用导电层，该导电层依循表面几何结构5。另外，在此也绘出电容器的电路图，其应表明将电容测量设备用作测量装置4。导电层4.1相对于构件2的测量部件4.2的相对运动引起电容的可测量的变化。从电容的这种变化可推断测量部件4.1、4.2之间的距离变化。

图3b也示出一种密封装置10，其中，在此绘出霍尔传感器的电路图，其应表明将霍尔传感器用作测量装置4。代替导电层，将磁性层用作测量部件4.1。磁性层相对于霍尔传感器的场的相对运动引起可测量的电流变化。从电流的这种变化可推断测量部件4.1、4.2之间的距离变化。

图4a-e示出将密封元件1的测量部件4.1设计为集成结构的可能变型。

在图4a中，集成结构4.1作为平面层平铺地设置在表面几何结构5的后面。由此简化了制造过程。

在图4b中，与图4a不同，仅设置非常小的凹部5.1。

图4c示出一种装置，在所述装置中所述集成结构4.1作为线事后被引入到凹部5.1中，即，被引入到表面几何结构5的通道中。所述线例如可通过涂层或印刷形成。

图4d以横剖视图示出密封装置10，在所述密封装置中在凹部5.1中设有凸起的接片6。也就是说，接片6相对于凹部5.1增高，但接片端面仍与构件2相距一定距离。在接片6的端面上设置有集成结构4.1。该集成结构4.1不与壳体2接触，并且因此不承受任何接触应力。基于阀瓣9在打开和关闭时的变形，集成结构4.1与壳体2之间的距离a发生改变，位于那里的空气用作接片6上的集成结构4.1与壳体2之间的隔离体。当测量装置4的设计仅允许测量部件4.1、4.2之间的小距离时，使用密封装置10的这种结构。

图4e示出密封装置10的另一种实施方式。

在此，密封元件1的主体本身用作为密封元件1的测量部件4.1。对于电容测量方法，密封元件1由导电密封材料制成。在使用霍尔传感器的情况下，密封元件1由磁性密封材料制成。在接触表面3上密封元件1设有隔离涂层7。

密封元件1的测量元件4.1是采用导电材料还是磁性材料，取决于待使用的测量方法。对于电容测量方法采用导电材料，在使用霍尔传感器的情况下则采用磁性材料。

如果密封元件的测量部件构造为集成结构，则所述测量部件也由密封元件1的密封材料制成，但要添加导电颗粒或磁性颗粒。

在图5中示出密封元件1的压缩、松弛和老化，即到壳体2表面的距离(a)的变化，或更确切地说，密封元件1和构件2的测量部件4.1、4.2之间的距离(a)的变化。以瓣阀的瓣密封件为例示出这点：

在最上面的图示中，阀打开并且密封元件1没有被压缩而是处于松弛状态。示出在新的密封装置10中、即初装时或初装后不久的状态。

在中间的图示中，阀关闭并且密封元件1通过所施加的压紧力F被压缩。这导致较小的距离a1。

在下面的图示中，阀也打开，但由于在使用一定时间后接触应力降低，密封元件1不再恢复到初始状态并且a2小于a。

图6以曲线图示出密封元件1随时间变化的松弛特性。上面的曲线示出新密封装置10中的特性。下面的曲线示出使用一定时间后的密封装置10中的特性。示出在密封元件1的松弛期间、即在阀打开之后在密封元件1和构件2的测量部件4.1、4.2之间测得的距离a随时间变化的两条曲线。在上面的曲线中可以看出，密封元件1在阀打开后不久就快速且良好地恢复。下面的曲线示出当恢复特性显著减小时密封元件1的特性。恢复特性明显更慢并且密封元件1不能再这样好地恢复。

对曲线图的评估如下：基于老化、即密封元件材料的松弛能力及其恢复力的损失，当阀瓣打开时，密封材料回弹更慢，这可在更慢的距离变化(每时间单位t的Δa)中测得。在老化的密封材料中，Δa的绝对水平也将越来越低，因为恢复力由于物理和化学老化而损失。

附图标记列表

1 密封元件

2 待密封构件

3 接触表面

4 测量装置

4.1 密封元件的测量部件(如集成结构)

4.2 构件的测量部件

5 表面几何结构

5.1 凹部

6 接片

7 涂层

8 通孔

9 阀瓣的位置

10 密封装置

a 距离

F 压紧力

Claims (16)

1.一种密封装置(10)，所述密封装置包括密封元件(1)和待密封的构件(2)，其中，所述密封元件(1)接纳在构件(2)上，使得在密封元件(1)与构件(2)之间存在接触应力，并且密封元件(1)具有接触表面(3)，所述密封元件以所述接触表面贴靠在构件(2)上，并且所述密封装置还包括测量装置(4)，以用于监测密封元件(1)的老化，其特征在于，在密封元件(1)和构件(2)中分别集成有测量装置(4)的至少一个测量部件(4.1、4.2)，并且密封元件(1)的接触表面(3)具有带有多个凹部(5.1)的表面几何结构(5)。

2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述构件(2)的测量部件(4.2)以邻接于密封元件(1)的接触表面(3)的方式被集成到构件(2)中。

3.根据权利要求1或2所述的密封装置，其特征在于，所述密封元件(1)的测量部件(4.1)构造为集成在密封元件(1)的体积中的结构。

4.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述集成的结构是导电的或磁性的。

5.根据权利要求3或4所述的密封装置，其特征在于，所述集成的结构由密封元件(1)的材料在添加添加剂的情况下制成。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的密封装置，其特征在于，在所述集成的结构与密封元件(1)的接触表面(3)之间存在隔离层，所述隔离层尤其是由密封元件(1)的材料制成。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述集成的结构被引入到表面几何结构(5)的凹部(5.1)中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述密封元件(1)的接触表面(3)位于高接触应力区域中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述表面几何结构(5)以其凹部(5.1)形成凸起、蜂窝、网格、凹槽或切口。

10.一种用于监测密封装置、尤其是根据前述权利要求中任一项所述的密封装置的方法，其中，确定在密封元件(1)的测量部件(4.1)与构件(2)的测量部件(4.2)之间的距离(a)。

11.根据权利要求10所述的用于监测密封装置的方法，其特征在于，检测不同负荷状态下的距离(a)，并且计算所述距离之差(Δa)。

12.根据权利要求11所述的用于监测密封装置的方法，其特征在于，检测所述密封元件(1)在不同负荷状态之间到松弛所需的时间(t)。

13.根据权利要求10或11或12所述的用于监测密封装置的方法，其特征在于，将所述距离(a)的和/或所述差(Δa)的和/或所述时间(t)的在密封装置(10)投入运行时所确定的值存储在测量装置(4)的数据存储器中。

14.根据权利要求13所述的用于监测密封装置的方法，其特征在于，将所述距离(a)的和/或所述差(Δa)的和/或所述时间(t)的当前确定的值与所存储的值进行比较。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的用于监测密封装置的方法，其特征在于，当存在高于阈值的偏差时，输出信号。

16.一种根据权利要求1至9中任一项所述的密封装置作为瓣阀中的瓣密封件的应用。

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