CN1254405A - 干式运行系统的密封件和这种密封件的应用 - Google Patents

Abstract

干式运行系统的密封件具有一个分段的密封环(2),该密封环至少包括两个沿其周向相邻设置的环段(21),其中,在密封环(2)的组装好的状态,每两个相邻的环段(21)沿着交截线(22)接触,该交截线与密封环(2)内周面(24)上的切线(23)形成一不是90°的交角(α)。密封环(2)具有最高为5.5mm,尤其为2—4.5mm之间的轴向高度(H1)。

Description

干式运行系统的密封件和 这种密封件的应用

本发明涉及一种干式运行系统，尤其是干式运行的活塞式压气机的如独立权利要求1前述部分所述的密封件，以及其在干式运行的活塞式压气机上的应用。

干式运行系统，例如干式运行的活塞式压气机的用来无油密封气体的密封件用来密封系统的高压侧和低压侧之间的压力差，其中去除了例如借助于油的外部润滑。由于这类密封是基于干式摩擦，因此，干式运行系统中的密封件在运行状态一般要受到自然磨损，从而限制了它的寿命，也称为服务期限。

今天，干式运行系统的密封件主要由塑料例如由填充的聚合物制成。经常使用的一种聚合物材料例如是聚四氟乙烯(PTFE)。在聚四氟乙烯基中引入填料，例如非晶态的碳、石墨、玻璃纤维、金属，陶瓷或固体润滑剂。

在干式运行的活塞式压气机中使用密封件来密封活塞杆和/或作为活塞环用来密封活塞。密封件的相对件，即相对于密封件移动的面，在第一种情况中为活塞杆，在第二种情况中为缸体的内壁，该内壁被称为缸体的滑动表面。

在干式运行系统中密封件的效率经常用所谓的PV值来表示。该值是密封件压向相对件的压力(P)和密封件相对于其相对件移动的摩擦速度(V)的乘积。对于下面作为干式运行系统的代表性例子的干式运行的活塞式压气机而言，该PV值是指平均的待密封的压力差(P)和平均的活塞速度(V)的乘积。

实际上，对于干式运行的活塞式压气机希望具有高效率的密封件，该密封件可以尽可能长时间地承受尽可能大的PV值。此外，密封件应具有尽可能长的使用寿命，即其密封性能在尽可能长的运行期间大体保持不变。

尤其为了提高使用寿命一般沿轴向前后设置几个密封件来密封活塞杆和活塞，这些密封件构成一密封件组。用于活塞杆密封的是被称为填料的包括一个这种密封件组的构件。

通过密封件的专门的切割形状而设置磨损补偿以提高使用寿命也是已知的。例如，在CH 439 897中公开了一种用于活塞杆密封的具有几个分别分段的密封环的填料，其中，密封环的各个环段之间的交截线大致沿密封环的内周面的切向延伸。围住密封环的管状弹簧产生初应力并将各个环段压向活塞杆。由材料磨损所引起的磨损通过各个环段在沿活塞杆方向作用在其上的压力下的后移而被补偿。

但是，对于这种填料在长期运行中所能承受的最大PV值起决定作用的首先不是填料中密封件的数目，而是各个密封件的效率。因为已知待密封的压力差在密封件组的不同密封件上的分布一般是不均匀的。实际上甚至从实际的极端情况可以看出，整个压力差主要只由一个密封件密封。

今天，一般生产具有轴向环的高度至少为7mm的干式运行的活塞式压气机用的密封环。这一最小高度一方面是基于这一考虑，即在较小环高时，密封环的磨擦面积太小，因而其密封效果变坏，这样在典型的压力差例如为40巴时泄漏率具有不正常的大值。另一方面这一最小厚度的理由是，密封环也必须是足够机械稳定的，以便承受负荷而没有明显的形变，即不会明显影响密封效果。尤其是经常作为密封环材料使用的聚四氟乙烯具有明显的蠕变倾向(高的延伸)，这样，例如在40巴的压力差时需要一个附加的支撑环来避免密封环的形变。

通常为了补偿磨损而分段的密封环虽然沿径向方向具有气密的交截线，但是一般的交截线会沿轴向方向产生敞开的间隙和切口，这一间隙和切口必须用一附加的盖环来密封，该盖环经常被作成沿径向剖开的三体，并设置一个真正的密封环而形成一密封环对，这样就不再存在贯穿的间隙。这两个环之间的固定销应在运行中阻止切口与贯穿的间隙对准。盖环一般具有与密封环相同的轴向高度。这种已知的密封环对一般有18mm以上的轴向总高度。这一总高度限制了可以设置在具有预定结构长度的填料中的密封环对的数目。

限制密封环可以长期承受最大PV值的主要问题之一是在干式运行的密封件中产生摩擦热。随着PV值的升高，摩擦面上迅速产生很高的温度，这样，今天经常由塑料制成的密封件就产生热破坏。实践表明，今天已知的用于干式运行系统的密封件在PV值超过约140巴·米/秒时立即破坏或具有不可使用的短的使用寿命。因此，在干式运行的活塞式压气机中的平均活塞速度为3.5米/秒时，密封件的最大可密封的压力差为40巴。

基于这一现有技术，本发明旨在提出一种用于干式运行系统，尤其用于干式运行的活塞式压气机的高效率的密封件。该密封件应能承受明显高于140巴·米/秒的PV值，并具有很长的使用寿命，在使用寿命期间密封效果大体保持一样的良好。为此，干式运行系统中的密封件在很小的泄漏率时也应实现对高压力差的密封，并且只具有最小的摩损。

用于干式运行系统尤其用于干式运行的活塞式压气机的实现了上述目的的密封件具有独立权利要求1的特征。本发明的密封件具有一分段的密封环，后者至少具有两个沿其周向相邻设置的环段，其中，在密封环的组装状态，每两个相邻的环段沿着交截线接触。该交截线与密封环内周面上的切线形成一不是90°的交角。该密封环具有最高为5.5mm尤其为2-4.5mm之间的轴向高度。

这里完全出乎意料的是，通过减小密封环的轴向高度并结合环段之间的交截线而明显提高了密封环的效率。因此，实践表明，本发明的密封件能毫无问题地长期承受超过800巴·米/秒的PV值。与传统的密封件相比，这意味着，例如在相同的平均活塞速度时用本发明的密封件可以密封至少五倍那么高的压力差，而泄漏率没有明显提高。也表明，本发明密封件在运行状态的磨损要明显小于已知的密封件，由此带来明显很长的使用寿命，并在期间具有大体相同良好的密封效果。

出于加工技术上的原因，密封环最好由三个环段组成。

此外，在保持恒定的PV值的试验中表明，当密封环的轴向高度约为4mm时可实现泄漏率和密封的摩擦面中的温度之间的特别合理的妥协。

两个相邻环段之间的交截线与密封环内周面上的切线形成的交角最好最高为45°，尤其最高为20°，因为，一方面可以由此获得沿轴向和径向的非常良好的密封效果，另一方面在压力作用下环段移动而补偿了磨损。

通过密封环专门的交截线而在新的状态时就没有沿径向和沿轴向的贯穿的间隙式切口。这种交截线通过环段沿交截线或公共的接触面相对移动环段而实现磨损补偿。通过这种平行移动在继续的磨损状态中也会在环段之间出现最大的、但忽略的很小的间隙。由此带来的优点是，本发明的密封件不需要附加的盖环。

此外，在一个特别优选的结构中，本发明的密封环包括一个最好设计成整体的尤其是连续的基环，来减小泄漏率。该基环在运行状态最好沿轴向在低压侧与密封环相邻地设置，并作成这一尺寸，即它相对于相对件是非接触的，但具有尽可能小的间隙。通过这一基环还可明显进一步减小泄漏率。

然而，基环也可以设计成分体的，即包括几个沿其周向相邻设置的环段。这是有利的，例如如果要安装基环而为此不能拆卸活塞杆时，或者如果基环作为活塞密封的一部分必须围绕着活塞安装。如果基环是分体的，则各个环段例如借助于一个围绕的管状弹簧固定在一起。此外，基环的各个环段之间的交截线是这样的，即一方面没有磨损补偿，另一方面基环沿径向是气密的。这一点最好这样实现，即环段之间的交截线沿着径向方向延伸，其中在环段之间没有切口间隙。

基环最好具有最高为6mm尤其约为4mm的轴向高度，这样，密封件沿轴向就尽可能的紧凑并要求很小的空间。

在一个优选实施例中，密封环和/或基环主要由一种耐高温的聚合物例如聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺亚胺、聚苯撑硫或环氧树脂制成，因为这种耐高温聚合物由于其机械性能而能承受很高的压力差，大体没有形变，因此而具有很高的热强度。由于基环在运行状态相对于相对件是无接触工作的，因此，它也可以由其它的具有良好热机械强度和对于无润滑的运行至少具有自润滑性能的材料制成，例如由青铜、烧结铁或石墨制成。

也可以是由一种工业陶瓷例如氧化铝，氧化锆，碳化硅、氮化硅制成密封件的密封环和/或基环。这样尤其有利，因为由于这种陶瓷很高的耐磨强度还可明显提高密封件的使用寿命。

本发明的密封件由于其很高的效率和很小的磨损而尤其适用于密封干式运行的活塞杆的填料和用于干式运行的活塞式压气机的活塞密封。

本发明的密封件尤其可用来密封在高于140巴·米/秒的PV值运行的干式活塞式压气机中的活塞杆和/或活塞。即使在这样高的PV值时也可实现很长的使用寿命。这是尤其有利的，因为迄今已知的密封件均不适于这种高效的运行。

本发明其它有利的措施和优选结构由从属权利要求给出。

下面借助于实施例和附图进一步说明本发明。在示意的、非比例的图中表示：

图1本发明的密封件的密封环一个实施例的俯视图；

图2图1中的密封环沿剖面线II-II的剖面图；

图3基环的一个实施例的俯视图；

图4图3中的基环沿剖面线IV-IV的剖面图；

图5具有本发明密封件的用于活塞杆密封的填料的、局部示意剖面图；

图6具有本发明密封件的活塞密封处于安装好状态的示意图(部分为剖面图)。

图5用示意剖面图表示用于在干式运行的活塞式压气机中密封活塞杆的填料10的局部。填料10具有本发明密封件的特别优选的实施例，该密封件总体用标号1表示。在这一实施例中，密封件1具有一分段的密封环2和一轴向相邻设置的基环3。图1表示组装好状态的分段密封环2的实施例的俯视图。该俯视图是从轴向看去。图2表示密封环2沿图1的线II-II的剖面。

图3表示密封件1的基环3的实施例，同样是用轴向看去的俯视图表示。图4表示基环3沿着图3中的线IV-IV的剖面。

按照本发明，分段的密封环2至少包括两个沿其圆周方向相邻设置的环段21。在图1和2所示的实施例中设有三个环段21。在密封环2的组装好状态，每两个相邻的环段21沿着交截线22接触。环段21设计成，相邻环段21之间的交截线22分别与密封环2内圆周面上的切线23形成不是90°的交角α。

按照本发明，密封环2具有最高为5.5mm尤其为2-4.5mm之间的轴向高度H1。该轴向高度H1被认为是密封环2沿着其圆周沿轴向具有的最大延伸，即沿其圆柱的轴线。

如果应用密封环2来密封活塞杆6(见图5)，则有利的是在其外圆周面27(图1、图2)中设置一个槽25，该槽在环段21中沿着密封环2的整个圆周延伸。槽25在图1中用虚线图表示。在槽25中插入完全围绕密封环2的管状弹簧28(图5)。管状弹簧28对环段21施加一个对着活塞杆6作用的初应力。该初应力特别在活塞杆6的起动阶段保证密封环2的足够大的密封效果。

密封环2可以有选择地具有回流槽26。通过该回流槽例如在抽吸行程期间可以减少填料中密封空间内的超压。回流槽26分别沿径向从内周面24向外周面27延伸，并沿轴向具有例如约为密封环2轴向高度H1的四分之一的深度。

基环3(图3，图4)与图1和图2的分段的密封环2不同，被设计成整体的连续的、即不切断的环。基环3例如具有如图4所示的矩形横截面。基环3具有最高为6mm尤其为约4mm的轴向高度。基环3做成这一尺寸，即它在安装好的状态与它的相对件以尽可能小的间隙、但不接触地延伸。

图5表示本发明密封件的实施例，该密封件是干式运行的活塞式压气机的活塞杆6密封用的填料10的一部分。在运行状态，活塞杆6以平均的活塞速度V沿着用标号V表示的双箭头方向沿纵轴A的方向来回运动。其中，填料10用于密封高压侧(压缩空间13)和低压侧之间的压力差P＝P₁-P₂。高压侧具有较高的压力P1，低压侧具有较低的压力P2。填料10按已知的方式至少具有一个密封腔11，该腔由两个腔环12构成。腔环12朝着相应的压缩腔13密封地固定，例如用螺钉拧紧。在密封腔11中设有具有密封环2和基环3的密封件1，其中，环基3设置在密封环2的低压侧。可以理解，填料10当然也可以包括几个密封件1，它们按串接的形式即沿轴向前后设置。然后也可以设置几个腔环12，这样对于每个密封件1就提供一个自己的密封腔11。当然填料10可以附加具有节流环，用来减小动态压力峰值。

管状弹簧28产生一初应力，用来使环段21相互压紧和压向活塞杆6。这样，尤其在压气机的起动阶段或者在没有压力差或只有很小压力差的那些运行状态也保证密封环2的内周面24和其相对件(活塞杆6)之间足够的密封效果。上述压力差将密封环2压向活塞杆6。

整体的连续基环3做成这样的尺寸，即它的内周面34(图3，图4)刚好不与活塞杆6接触。它以尽可能小的间隙无接触地围绕着活塞杆6，因此，它按间隙环密封的原理工作。

在一个类似的结构型式中，密封件1也适用于密封干式运行的活塞式压气机的活塞40(图6)。图6以示意的局部剖面图表示这种压气机的活塞40的具有本发明密封件1的活塞密封。活塞40在运行状态以平均的活塞速度V在缸41中沿其纵轴B的方向来回运动，如用标号V表示的双箭头所示。缸41的内壁构成缸的滑动表面42。其中，活塞40产生在高压侧(压缩腔43)和低压侧之间的压力差P＝P1-P2。高压侧的压力为P1，低压侧的压力为P2。为了密封压力差P设置了作为活塞环的密封件1。原则上密封件1按如前所述的方式设计，即具有密封环2和基环3。然而在用作活塞密封时，密封环2或基环3的外周面27(图1)或37(图3)用于密封压力差P。当然，密封环2在用于活塞密封时没有槽25和管状弹簧28。当然在密封环2的内周面24上后设一个未示出的张紧弹簧也是有利的，以便按如前所述的类似方式产生一个使环段相互压紧和压向相应件(缸的滑动表面42)的初应力。

基环3的尺寸做成，它以尽可能小的间隙但不接触地相对于缸的滑动表面42延伸。如果活塞40按建造的形状设计，即包括几个各自的环腔，这些环腔在安装时交替地与活塞40的活塞环组合，则基环3(图3，图4)优选设计成整体连续的。然而对于传统的槽式活塞必须使用分成几个的、即包括几段的基环。由于上述的原因，这些环段最好设计成，环段之间的交截线沿径向方向延伸，其中在环段之间没有接缝间隙。

应当理解，在活塞密封时也可以设置几个沿轴向前后设置的密封件1作为活塞环，以及必要时的导向环。

由于具有分段的密封环2的本发明的密封件1用于密封活塞杆6或用于密封活塞40对于原则上的功能是一样的，因此，下面的说明按相同的方式适用于这两种情况。

通过环段21的特殊结构，即在组装好的状态在两个相邻的环段21之间的交截线22与内周面上的切线23形成不是90°的交角α，这样密封环2就没有沿径向方向的贯通的间隙。在压缩和运行时，各个环段21通过压力差P沿着交截线22相互压紧，因此，密封环2实现了径向和轴向的密封。为了实现各个环段21之间的尽可能良好的密封，有利的是交角α小于45°，尤其是小于20°。交角α＝0°(切向剖面)可以实现特别好的密封。然而，由于环段21薄的尖部可能损坏的危险，因此，对于许多用途交角α特别有利的是约为15°。

此外，通过环段21之间的交截线22实现了在运行状态的磨损补偿。由于磨耗引起的在摩擦面24或27上的材料磨损通过环段21的自调整而加以补偿，因为这些环段在作用在其上的压力差P作用下可相对移动，因此保持相对件(活塞杆6或缸的滑动表面42)上的压紧力不变。通过这一磨损补偿在长期的低泄漏情况下明显延长了密封件1的寿命。

密封件1或密封环2和基环3主要最好由一种耐高温的聚合物，如聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺亚胺(PAI)、聚苯撑硫(PPS)或环氧树脂制成。这里“主要”是指在适合于干式运行的改良中使用耐高温的聚合物，即，其附加有固定润滑剂，如碳、石墨、硫化钼(MOS₂)、PTFE等等。耐高温聚合物即使在干式运行的一般温度时也具有很高的机械强度(高的热强度)。为此，实际上它没有伸延，因此即使在高压时它也是形状稳定的，而毋需为此采取附加的措施，例如支撑环。此外，耐高温聚合物具有明显较高的弹性模量，例如PTFE，因此可以实现密封件1的高的刚度和高的机械承载能力。

密封环2和基环3例如可以按已知的方式借助于切削加工技术由板状或棒状半成品制成，也可以借助于注塑工艺制成。尤其在注塑时通过注模的相应结构也可以分别分开制作各个环段21。

另一个同样优选的可能性在于，密封环2和/或基环3由工业陶瓷例如氧化铝、锆氧化物、碳化硅、氮化硅等等制成。这种工业陶瓷材料具有极高的耐磨性，从而明显提高了密封件的使用寿命。

密封环2和基环3可以，但不是必须由相同的材料制成。

本发明密封件1的一个主要特征是，密封环2的轴向高度H1最高为5.5mm，尤其在2-4.5mm之间。这里令人惊异地确定，由于与已知密封件相比减小了轴向高度H1，并结合环段21之间的非径向的切割实现了整体效率的明显提高。本发明的密封件可以长时间承受其大小至少为用已知的密封件可达到的值五倍的PV值。在恒定的平均活塞速度时这意味着在干式运行的活塞式压气机中可达到超过200巴的终压。此外，尤其有利的是，尽管明显提高了效率，但本发明密封件1的磨损在运行状态下极低，因此，实现了很长的使用寿命，例如几千小时的运行时间。

尤其在高的PV值例如大于140巴·米/秒时，在密封环2的轴向高度约为4mm时表明在低泄漏率和摩擦面低温之间有特别合理的妥协。

考虑到尽可能低的泄漏率，当密封件1如上所述除了密封环2外还包括基环3时是特别合理的。该基环相对于相对件非接触地设置。通过密封环2和基环3的组合还可进一步减小密封件1的泄漏率，因此，即使在密封很轻的气体，例如氢气时，在干式运行系统中即使终压很高也可实现超过传统密封件的密封效果。

无接触工作的基环3的轴向高度原则上可以任意设计。然而，出于节约场地的原因，有利的是该轴向高度H2最高为6mm，尤其为约4mm，因此，基环3和密封环2的联合整体轴向高度H1+H2在这一尤其优选的结构中仅约为8mm。由于窄的整体高度，与标准的活塞杆密封或活塞密封比较在预定的结构空间时允许安装更多的密封件，从而超比例地提高了密封件组件的总的寿命。

本发明的密封件的特征在于，在干式运行中能长时间承受很高的PV值，并只具有很小的磨损和很低的泄漏率。

Claims (13)

1.干式运行系统，尤其是干式运行的活塞式压气机用的密封件，具有一个分段的密封环(2)，该密封环至少具有两个沿其周向相邻设置的环段(21)，其中，在密封环(2)的组装好状态，每两个相邻的环段(21)沿着交截线(22)接触，该交截线与密封环(2)内周面(24)上的切线(23)构成一不是90°的交角(α)，其特征为，密封环(2)具有最高为5.5mm，尤其为2-4.5mm之间的轴向高度(H1)。

2.按照权利要求1的密封件，其特征为，密封环(2)由三个环段(21)组成。

3.按照前述权利要求之一的密封件，其特征为，密封件(2)的轴向高度(H1)约为4mm。

4.按照前述权利要求之一的密封件，其特征为，交角(α)最高为45°，尤其最高为20°。

5.按照前述权利要求之一的密封件，其特征为，设有一基环(3)，用来减小泄漏率。

6.按照权利要求5的密封件，其特征为，基环(3)设计成整体的，尤其是连续的。

7.按照权利要求5或6的密封件，其特征为，基环(3)具有最高为6mm尤其约为4mm的轴向高度(H2)。

8.按照前述权利要求之一的密封件，其特征为，密封环(2)和/或基环(3)主要由耐高温的聚合物如聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺亚胺、聚苯撑硫或环氧树脂制成。

9.按照前述权利要求之一的密封件，其特征为，密封环(2)和/或基环(3)由工业陶瓷例氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅制成。

10.用于密封干式运行的活塞杆(6)的填料(10)，具有一按照前述权利要求之一的密封件(1)。

11.用于干式运行的活塞式压气机的活塞密封具有一按照权利要求1-9中之一的密封件。

12.活塞式压气机，具有一按照权利要求1-9中之一的密封件(1)。

13.按照权利要求1-9中之一的密封件的用途，是用来密封干式运行的活塞式压气机中的活塞杆(6)和/或活塞(40)，该压气机可以在PV值大于140巴·米/秒时运行。

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