CN113195948A - 包括有纹理的外部密封层的金属密封件 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种包括外部密封层的静态金属密封件(1)，其中，外部密封层包括有纹理的表面(3)，有纹理的表面被构造成与待密封表面发生接触，所述有纹理的表面(3)包括在有纹理的表面(3)上彼此间隔开的凹陷(4)的网络，其中凹陷(4)是盲式的，不完全穿过外部密封层，并且彼此不连通。

Description

包括有纹理的外部密封层的金属密封件

技术领域

本发明涉及静态金属密封件领域。

本发明适用于各种工业领域，典型地适用于在两个凸缘之间形成密封。

因此，本发明涉及一种静态金属密封件，该静态金属密封件包括具有有纹理的表面的外部密封层。

背景技术

金属密封件是一种广泛应用于许多关键密封应用中的技术，通常用在以下四种情况中的一种或多种的情景下：超高真空、高压、化学侵蚀性液体、高温。

对于任何的密封件，都希望同时获得：高水平的密封；尽可能低的压缩力；尽可能大的密封道(piste)。

解决这个问题目前是可行的，条件是具有与凸缘接触的高延展性的密封材料，例如银。

因此，在法国专利申请FR 2151186A1中描述了金属密封的示例。根据该示例，在密封件压碎(écrasement)的过程中外部涂层被塑化，并且被插入到接触的凸缘的粗糙部中。径向受挤压的弹簧确保了初始刚性(为了使涂层塑化)和挤压后的弹性恢复。这个概念有很多优点；宽的密封道，高水平的密封，适配于大的沟槽深度公差。然而，压缩密封件所需的力是很大的，对于某些密封涂层更是如此。例如，如果将银涂层改变为镍涂层，则线性作用力可能是两倍以上。

欧洲专利申请EP 0148088A2通过在其上增加机械操作以形成与面接触的突出部分呈现了对这一概念的改变。因此，通过在较窄的线上施加涂层的塑化应力，可以减小密封件的总压缩力。然而，这有许多的缺点。首先，密封道宽度显著减小。密封面上的径向缺陷，即使尺寸很小，有强烈地导致泄漏的风险。此外，突出的线上的力的集中，特别是如果密封材料延展性不是很好，可能在凸缘的面上产生局部表面凹陷，通常称为“嵌缝部”。

作为对此的替代方案，专利申请FR 2 823 826 A1提出增加外围突起。与单一突起的解决方案相比，在有径向缺陷的情况下泄漏风险是有限的。就其本身而言，嵌缝部问题没有得到解决。

还可以注意到存在美国专利US 8146924B2，其描述了一种低压缩力的金属密封件，该金属密封件包括在密封件的密封表面上的涂层，该涂层设置有聚合物材料。

例如针对化学相容性问题，存在需要使用延展性不是很好的涂层的工业应用。在这种情况下，应注意的是，已知的现有技术不可能用这种类型的材料有效地作用：在同样地不增加压缩力或损坏凸缘的情况下在宽密封道内正确地密封是不能实现的。

因此，需要提出一种解决方案，使得对于给定的作用力，能够增加有利于堵塞泄露路径的局部接触压力，同时保持宽的密封道，以使得能够适应面的几何缺陷。

发明内容

本发明的目的是至少部分地弥补如上所述需求和关于现有技术的实施例的缺点。

因此，根据本发明的一个方面，本发明的一个目的是一种包括外部密封层的静态金属密封件，其特征在于，外部密封层包括有纹理的表面，有纹理的表面被构造成与待密封表面发生接触，所述有纹理的表面包括在有纹理的表面上彼此间隔开的凹陷的网络，所述凹陷是盲式的，不完全穿过外部密封层，并且彼此不连通。

有利地，静态金属密封件在横向截面上可以具有至少一个中空部分，特别是多个中空部分，所述中空部分被构造成限制挤压密封件所需的力。此外，静态金属密封件可以是所谓的“中空”密封件，与所谓的“实心”密封件相反。特别地，密封件的构成层中的至少一个层可以在横截面上具有所述至少一个中空部分。此外，有利地，所述至少一个中空部分可以围绕相应的一个或多个层的整个圆周延伸。

有利地，根据本发明的密封件中的中空部分的存在可以使得能够改进因为有纹理的表面的存在而获得的效果。实际上，与实心的密封件相反，中空的密封件能够更好地控制挤压力，并且这种对挤压的控制有利于有纹理的表面的正确操作。

“外部密封层”是指其表面变形以确保堵塞面的表面缺陷从而进行密封的层。

以非穷尽的方式，外部密封层可以包括：涂层(例如条状物)，形成覆盖密封件的芯的密封阻挡件；沉积物(例如电解的沉积物)，形成覆盖密封道的接触密封层；密封件的芯的最后一层的实际材料经过处理或者不经过处理，旨在降低其表面机械性能。

由于本发明，使用具有有纹理的表面的金属密封件一方面通过减小承载面积比以及另一方面通过促进材料的塑性流动使得能够具有如下优点：有利于密封件的密封表面渗透进入到相对表面的弯曲处，同时保持宽的密封道。因此，本发明使得能够限制为获得密封所必要的作用力，或者改善在给定作用力下的密封。

根据使用条件和使用的密封材料，可以设想各种的凹陷几何形状。

根据本发明的金属密封件还可以包括单独采用或者根据任何技术上可能的组合采用的以下特征中的一个或多个。

有纹理的表面可以部分地形成在外部密封层上，特别是在外部密封层的旨在与待密封的表面发生接触的部分处。

根据第一变型，外部密封层单独形成金属密封件。因此，金属密封件没有芯。

根据第二变型，金属密封件包括被包围在外部密封层中的金属芯。在这种情况下，外部密封层可以应用在金属芯上，以便获得关于金属芯的密封的界面，特别是通过借助于金属芯上的材料沉积物来产生外部密封层而获得关于金属芯的密封的界面。外部密封层也可以由如下材料形成：该材料通过与金属芯形成非密封界面而附接到金属芯上。

金属芯可以由弹簧构成，特别是由螺旋弹簧构成，所述螺旋弹簧具有自身闭合的连续线圈，并且在静止状态下具有圆环面的形状。芯被嵌入在外部密封层中，所述外部密封层在静止状态下可以具有环曲面的形状，环曲面的母线圆本身不闭合。更具体地说，有纹理的表面可以在旨在与待密封的面接触的部分处应用在金属弹簧芯密封件(例如在法国专利申请FR 2 151 186A1中所述的)的外部密封层的表面上。

外部密封层可以包括密封阻挡件和可能的在密封阻挡件上的接触密封层。特别地，该接触密封层可以是密封表面处理部，特别是例如镍的电解沉积物的层，和/或附加密封阻挡件，所述附加密封阻挡件独立于密封阻挡件。

凹陷可以仅存在于没有接触密封层的密封阻挡件上，这些凹陷是盲式的。

凹陷也可以存在于接触密封层上。

特别地，凹陷可以以电解沉积物的层的形式盲式地或非盲式地存在于接触密封层上。

凹陷也可以以附加密封阻挡件的形式盲式式地存在于接触密封层上。在这种情况下，呈附加密封阻挡件的形式的接触密封层与其上设置有该接触密封层的密封阻挡件独立。因此，这两个元件之间没有紧密接触。因此，凹陷不能完全穿过接触密封层，否则会产生泄漏。

凹陷的深度小于外部密封层的厚度。凹陷的深度也可以小于接触密封层的厚度。可选地，凹陷的深度可以大于接触密封层的厚度并且小于接触密封层的厚度和密封阻挡件的厚度之和。

此外，每个凹陷的深度轴线可以基本上垂直于有纹理的表面。

每个凹陷可以由至少一个壁限定，所述壁被挖空进入所述有纹理的表面，所述壁基本上垂直于所述有纹理的表面。

此外，优选地，承载面积比优选地可以小于40％，该承载面积比在有纹理的表面中被限定为没有凹陷的表面与有纹理的表面的总表面之比。

有纹理的表面可以包括凹陷的网络，所述凹陷呈圆孔形式，特别地，所述凹陷的轴线基本上垂直于有纹理的表面。圆孔的节距与圆孔的半径之比可以小于或等于3，圆孔的节距为两个相邻的圆孔的中心之间的距离，圆孔的半径对应于圆孔的直径的一半。

替代地，有纹理的表面可以包括凹陷的网络，所述凹陷呈细长形的孔，特别是长圆形、椭圆形和/或矩形。然后，每个细长形的孔的长轴线基本上平行于密封件的密封线，并且在密封件的任何位点上都是这样。

此外，金属密封件可以是截面为O形环的密封件，或者截面为C形环的密封件，或者截面为横卧U形的密封件。

此外，例如，可以通过激光去除材料的方式来产生有纹理的表面。

根据本发明的金属密封件可以包括本描述中所述的特征中的任何一个，这些特征被单独地采用或者采用根据任何技术上可能的与其它特征组合采用。

附图说明

通过阅读下面的详细描述、本发明的实施方式的非限制性示例以及查看所附的示意图与局部图，可以更好地理解本发明，其中：

-图1示出了根据本发明的以弹簧弹性金属密封件形式的静态金属密封件的示例的剖视图，

-图2示出了图1中密封件的示例(弹簧未示出)的局部透视图，密封件的表面被构造，

-图3示出了图2的根据A的详细视图，以示出具有圆形凹陷的有纹理的表面的第一实施例，

-图4是根据图3的C-C的局部剖视图；

-图5示出了图2的根据A的详细视图，以示出具有长圆形凹陷的有纹理的表面的第二实施例，

-图6是通过提供对于各种表面纹理的密封G(单位为Pa.m³/s)根据就位压力PrA(单位为MPa)的演变的曲线图，该曲线图示出了纹理的益处，以及

-图7至图19示出了根据本发明的金属密封件的各种示例的局部剖面图，图11、图15、图16和图19示出了凹陷的详细剖面图。

在所有的这些附图中，相同的附图标记可以表示相同或相似的元件。

此外，为了使图更易读，图中所示的各个部分不一定按照统一的比例绘制。

具体实施方式

现在将参照图1至图19描述本发明的实施例的示例。

应当注意的是，有利地，本发明提出了对在已知区域中的密封件的将与待密封的面接触的表面进行改造的不同方法。这种方法适用于所有类型的金属密封件。

因此，如图1所示，根据本发明的呈弹簧弹性金属密封件的形式的静态金属密封件1包括：由弹簧组成的金属芯6；和外部密封层8，外部密封层8包括密封阻挡件2和接触密封层5，密封阻挡件2包括围绕密封阻挡件2的整个圆周的中空部分9以使得能够限制挤压密封件1所需的力。外部密封层8包括在接触密封层5上的有纹理的表面3，有纹理的表面3被构造成与待密封表面发生接触。

如图3和图4所示，该有纹理的表面3包括在有纹理表面3上彼此间隔开的凹陷4的网络，凹陷4是盲式的，不完全穿过接触密封层5，并且彼此不连通。

因此，本发明实现了外部密封层8的表面的纹理化。外部密封层8与金属芯6不同，金属芯6嵌入外部密封层8中。特别地，密封阻挡件2可以由附接在金属芯6上的材料组成。密封阻挡件2和接触密封层5形成密封式界面(流体不能在界面处扩散)。

在该有纹理的表面3上，如从图3、图4和图5能最佳看到的，设置凹陷4的网络，凹陷的轴线与密封件的压缩方向平行。这些凹陷4是在密封件的整个接触表面上的不连续图案的网络。需要注意的是，凹陷4的这种不连续网络积极地留下了表面的连续的网格(maillage)。

延展性不是很好的材料易于迅速加工硬化。因此，给它们留有自由度以使它们在轴向的压缩过程中更好地流动是很重要的。由凹陷4留下的自由空间使得材料能够更容易地在垂直于压缩方向的平面中扩展。

这些凹陷4还使得能够减少密封件1的支承表面：在相同的作用力下，在材料上的局部接触压力更大，并且材料在接触的凸缘的粗糙部中的渗透增加。由于这样有纹理的接触面3没有明显的突出的几何形状，因此也降低了嵌缝部(matage)风险；因此，接触压力的增加是在没有异常点的情况下均匀地进行的。

密封道宽度保持足够宽，以防止由于局部表面缺陷(例如凸缘上的划痕)而导致的泄漏。还需要注意的是，凹陷4的网络的不连续性，具有自然地构成容纳泄漏物的容纳部的优点；后者可以证明是有用的，例如，如果凸缘的密封表面劣化，或者在密封件和凸缘的加工划痕之间的同心度缺陷的情况下是有用的。

此外，由于其更大的承载面积比和其非突出的几何形状，所提出的表面改变与突出的表面加工相比更不脆弱，这从法国专利申请FR 2 557 662A1的公开中脱颖而出。

此外，重要的是，凹陷4的几何形状可被控制，另外明智地，凹陷的形成不会产生不利的局部改变，以便获得在凹陷附近的材料的特征的密封。因此，关于这些点，形成凹陷的过程是重要的。例如，通过激光去除材料可以使得能够共同控制凹陷4的几何形状以及凹陷对其附近区域的影响。

优选的纹理几何结构使得能够优化密封件1的性能。如图3所示的第一个示例包括生成圆孔4，圆孔4的轴线垂直于密封件的表面。

优选地，每个孔4被制造成使得其圆柱形表面尽可能垂直于密封件1的表面。凹陷4的深度将足以使材料能够流动，例如约为40μm。直径D约为40μm，节距E(相邻圆孔的中心之间的距离)约为54μm。

此外，为了显著减小承载面积比(优选地但不唯一地约为40％)，优选地2E/D比小于3。因此，保留有足够的承载面积来覆盖凸缘的潜在微缺陷，但是，具有接触压力和力的非常有利的改进。

纹理化的第二个有利的示例包括产生细长的孔4，优选地大体为长圆形或椭圆形，如图5所示。长度L可以约为120μm，宽度可以约为40μm，以及深度可以约为40μm。

优选地，那么这种形状的长轴线将平行于密封线，并且在密封件的任何一位点上都是这样。

在优选实施例中，所选择的纹理可以应用在例如法国专利申请FR 2 151 186 A1中所描述的金属弹簧芯密封件的密封层的表面上。

此外，所选择的纹理可以应用在O形环型密封件、O形密封件的密封层的表面上，或者也可以在C形环型密封件、C形密封件的密封层的表面上，该列举不是限制性的。

在图6中示出了密封的改进，比较了泄漏流量G根据就位压力PrA的演变，其中曲线R1表示参考曲线(无纹理的表面)，曲线R2表示60％的承载面积(有纹理的表面图案1)，以及曲线R3表示40％的承载面积(有纹理的表面图案2)。在这个示例中，在200MPa以上纹理化的优势是非常明显的。

图7至19以部分截面示出了根据本发明的金属密封件1的示例。

图7至图10示出了包括外部密封层8的金属密封件1，外部密封层8由单个密封阻挡件2形成，该外部密封层包括如图11(密封阻挡件2的部分剖视图)所示的非贯穿凹陷4。

图7示出了包括金属芯6的弹簧弹性金属密封件1，金属芯6呈弹簧形式。图8示出了两个弹性金属密封件1，弹性金属密封件的截面为O形环或C形环。图9示出了圆形截面或基本矩形截面的两个金属密封件1。图10示出了具有横卧U形截面的机械加工的金属密封件1。

图12至14示出了具有外部密封层8的金属密封件1，外部密封层8包括密封阻挡件2和接触密封层5a，接触密封层是呈电解沉积物类型的表面处理部形式，外部密封层8包括如图15(外部密封层8的部分剖面图)所示的在层5a中的非贯穿凹陷4，或者如图16(外部密封层8的部分剖面图)所示的在层5a和层2中的非贯穿凹陷。

图12示出了包括金属芯6的弹簧弹性金属密封件1，金属芯6呈弹簧形式。图13示出了两个弹性金属密封件1，弹性金属密封件的截面为O形环或C形环。图14示出了具有横卧U形截面的机械加工的金属密封件1。

图17和图18示出了具有密封阻挡件2的金属密封件1，密封阻挡件2在图18中的情况下是实心的，金属密封件1包括呈附加阻挡件5b形式的表面处理部，附加密封阻挡件5b包括如图19所示的非贯通凹陷4，图19是附加密封阻挡件5b的局部剖视图。

图17示出了包括金属芯6的弹簧弹性金属密封件1，金属芯6呈弹簧形式。图18示出了具有基本矩形截面的金属密封件1。

当然，本发明不限于刚才所述的实施例的示例。本领域技术人员可以进行各种修改。

此外，应当注意，即使仅在前面参照图1所述的示例中示出了在密封件1中存在中空部分9，有利地，前面所述的密封件1的所有示例都可以包括一个或多个用于限制压碎所需的力的中空部分9。

Claims (15)

1.静态金属密封件(1)，其特征在于，所述静态金属密封件在横向截面上具有至少一个中空部分(9)，所述中空部分被构造成限制挤压所述密封件(1)所需的力，并且所述静态金属密封件包括外部密封层(8)，所述外部密封层包括有纹理的表面(3)，所述有纹理的表面被构造成与待被密封的表面发生接触，所述有纹理的表面(3)包括在所述有纹理的表面(3)上彼此间隔开的凹陷(4)的网络，所述凹陷(4)是盲式的，不完全穿过所述外部密封层(8)，并且彼此不连通。

2.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述外部密封层(8)单独形成所述金属密封件(1)。

3.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述密封件包括被包围在所述外部密封层(8)中的金属芯(6)。

4.根据权利要求3所述的密封件，其特征在于，所述金属芯(6)由弹簧、特别是螺旋弹簧组成，所述螺旋弹簧具有自身闭合的连续线圈，并且在静止状态下具有圆环面的形状。

5.根据权利要求4所述的密封件，其特征在于，所述芯(6)被嵌在所述外部密封层(8)中，所述外部密封层在静止状态下具有环曲面的形状，所述环曲面的母线圆本身不闭合。

6.根据前述权利要求中任一项所述的密封件，其特征在于，所述外部密封层(8)包括密封阻挡件(2)和接触密封层(5，5a，5b)，所述接触密封层特别是电解沉积物的层(5a)和/或附加密封阻挡件(5b)。

7.根据权利要求6所述的密封件，其特征在于，所述凹陷(4)盲式地或非盲式地存在于所述接触密封层(5，5a，5b)上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的密封件，其特征在于，每个凹陷(4)的深度轴线基本上垂直于所述有纹理的表面(3)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的密封件，其特征在于，每个凹陷(4)由至少一个壁限定，所述壁被挖空进入所述有纹理的表面(3)，所述壁基本上垂直于所述有纹理的表面(3)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的密封件，其特征在于，承载面积比小于40％，所述承载面积比在所述有纹理的表面(3)中被定义为没有凹陷(4)的表面与所述有纹理的表面(3)的总表面之比。

11.根据前述权利要求中任一项所述的密封件，其特征在于，所述有纹理的表面(3)包括凹陷(4)的网络，所述凹陷呈圆孔形式，特别地，所述凹陷的轴线基本上垂直于所述有纹理的表面(3)。

12.根据权利要求11所述的密封件，其特征在于，所述圆孔(4)的节距(E)与圆孔(4)的半径之间的比小于或等于3，所述圆孔的节距为两个相邻的圆孔(4)的中心之间的距离，所述圆孔的半径对应于圆孔(4)的直径(D)的一半。

13.根据权利要求1至10中任一项所述的密封件，其特征在于，所述有纹理的表面(3)包括凹陷(4)的网络，所述凹陷呈细长形的孔，特别是呈长圆形、椭圆形和/或矩形的孔。

14.根据权利要求13所述的密封件，其特征在于，每个细长形的孔(4)的长轴线基本上平行于所述密封件的密封线，并且在所述密封件(1)的任何位点上都是这样。

15.根据前述权利要求中任一项所述的密封件，其特征在于，所述金属密封件(1)是截面为O形环的密封件，或者截面为C形环的密封件，或者截面为横卧U形的密封件。

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