CN1312419C - 活塞环 - Google Patents

Abstract

用于干式运行的活塞式压缩机的活塞环(10)，其包括带有接合部位(10e，10f)的一个第一和一个第二分环(10a，10b)，其中这两个分环(10a，10b)关于一条轴线(c)相互同心分布地设置，并且该第一分环(10a)具有一个大致成L形的横截面，并带有一个沿轴线(c)方向伸展的第一臂(10h)以及一个基本上沿轴线(c)径向向外伸展的第二臂(10g)，其中该第二臂(10g)具有一个第一贴合面(10l)；该第二分环(10b)具有一个第二贴合面(10k)；其中该第一和第二贴合面(10k，10l)的结构相互匹配，以使它们相互贴合，并且该第一和第二贴合面(10k，10l)具有一转折点(U₁，U₂)。

Description

活塞环

技术领域

本发明涉及一种用于干式运行的活塞式压缩机的活塞环。

背景技术

文献WO97/19280公布了一种用于干式运行的活塞式压缩机的活塞环，其中该活塞环包括两个分环，该分环由塑料，例如PTFE(聚四氟乙烯)制成。这种活塞环具有这样的缺点，即在压力波动时，和特别是在活塞环区域内出现逆向流动时，该活塞环产生一种沿径向的运动，也称为颤振运动。这会造成活塞环更快的磨损，这导致活塞式压缩机过短的使用寿命。特别是在压缩很轻的气体如氢气时要求活塞环具有良好的和在长时间内保持不变的密封效果。

发明内容

本发明的目的是为干式运行的活塞式压缩机形成一种特别是用于压缩非常轻的气体的、经济性比较好的、特别是磨损小的活塞环。

这个目的用根据本发明的活塞环来实现。本发明还包括具有其它有利结构的活塞环。

本发明特别地用包括带有接合部位的第一和第二分环的活塞环实现，其中这两个分环关于一条轴线相互同心分布地设置，并且该第一分环具有成L形的横截面，并带有一个沿轴线方向伸展的第一臂以及一个沿轴线的径向向外伸展的第二臂，其中该第二臂具有一个第一贴合面；该第二分环具有一个第二贴合面；其中该第一和第二贴合面的结构相互匹配，以使它们相互贴合，并且该第一和第二贴合面具有一个转折点。

这两个分环的第一和第二贴合面分别具有一个转折点，其中该转折点的结构为转弯部位或台阶。这些转折点最好关于所述轴线同心分布。该转折点最好这样设置，使得两个相互贴合的分环的转折点相互叠靠。这些转折点导致这两个分环在沿径向的运动，不管是向内还是向外，都相互机械连接，使得一个分环的径向运动不可能再与另一个分环的运动无关。通过这种机械连接阻止了两个分环相互的颤振运动，因此按本发明的活塞环磨损很小。

在干式运行的活塞式压缩机中不提供用来润滑和附加密封活塞的活塞环的润滑剂。因此金属活塞环不适于这种干式运行的应用场合。干式运行的摩擦副通过包含在一个摩擦件内的固体润滑剂起作用。因此按本发明的活塞环包含一种专门用于干式运行的、用固体润滑剂，如PTFE、石墨或二硫化钼改良的塑料。

尤其是在将非常轻的气体压缩到非常高的压力时，例如为氢气时，需要具有极高密封效果的密封件，以使泄漏尽可能的少。良好的密封效果例如可以通过将两个活塞环这样地组合成一个双环，使得不造成穿透的缝隙或接缝的方法达到。

干式运行的摩擦密封件的自润滑效应导致供应润滑材料的活塞环逐渐磨损。由现有技术已知的活塞环具有这样的缺点，即在气流反向时两个分环沿径向可相互移动，并由此出现颤振运动。因此在两个活塞环表面的朝向气缸壁的密封接合面内的压力分布不是恒定的，故径向的可移动性导致两个分环中的一个比另一个磨损得快。这种不均匀的磨损使得两个分环不再完全叠靠，从而形成缝隙，其中特别是在非常轻的气体情况中，在很高的压力下流出很多泄漏气体，这使干式运行的压缩机的输送量显著恶化。按本发明的活塞环特别适用于将非常轻的气体干式压缩到一高的压缩终了压力。这种活塞环具有这样的优点，即通过包括两个分环的结构和通过在贴合面上形成转折点而形成相互连接，使得在运行期间在两个分环上产生均匀和谐的磨损。通过待压缩流体的压力使两个分环相互压紧，和在压力反向时两个分环通过转折点相互咬合，使得在运行期间在两个分环间没有或者只有很小的相对运动，因此例如两个分环的朝向气缸壁的密封接合面得到均匀的材料损耗。用这种方法不会造成或者只造成很小的局部泄漏部位，由此在干式运行的活塞式压缩机中活塞环的密封作用在一个长的运行时间内几乎保持不变。

按本发明的活塞环的另一个优点是这样的事实，即通过两个分环的相互连接在相互贴合的表面之间形成的隙缝不受或几乎不受污染。

附图说明

下面借助于几个实施例对本发明进一步进行说明。附图所示为：

图1是通过一干式运行的带有活塞、活塞环和气缸的活塞式压缩机的纵剖视图；

图2a是第一个分环的俯视图；

图2b是第二个分环的俯视图；

图3a表示了通过第一个分环的沿剖分线A-A的横截面；

图3b表示了通过第二个分环的沿剖分线B-B的横截面；

图4a表示了第一个分环的第二种实施例的横截面；

图4b表示了第二个分环的第二种实施例的横截面；

图5a表示了第一个分环的第三种实施例的横截面；

图5b表示了第二个分环的第三种实施例的横截面；

图6a表示了第一个分环的第四种实施例的横截面；

图6b表示了第二个分环的第四种实施例的横截面；

具体实施方式

图1表示通过一个带有一个气缸1的干式运行活塞式压缩机的纵剖视图，在该气缸里设有一个部分画出的可上下运动的活塞2。该活塞2的下端转变成一活塞杆，它以已知的未画出的方法与一曲柄传动机构连接。在活塞2上方有一压缩腔，在压缩腔内以已知的未画出的方法在活塞2的向下冲程中吸入待压缩气体，在随后的向上冲程中该气体受压缩，并从该压缩腔中排出。该活塞2包括一个套筒6，它与活塞杆连接。沿该套筒6相互重叠和相互隔开一定距离地设置例如七个活塞环10。该活塞2的结构为一装配式活塞，其中该活塞2的各个零件以及活塞环10通过一个拧在该活塞2上端上的螺母固定在一起。活塞2具有中心轴线C。

所示的装配式活塞2由单个零件制成，并包括沿轴向分布的套筒6，围绕该套筒6设置的槽形圆环8a，8b以及装在槽内的活塞环10，其中该活塞环10分别包括一个第一分环10a和一个第二分环10b。这两个分环10a，10b的结构得这样相互匹配，以使得相互接触的接合面形状配合地相互贴合。这两个分环10a，10b分别具有朝向气缸壁1的表面10c，10d，在活塞2运行期间它们在气缸壁1上上下滑动。

第一分环10a设在气缸1内，朝向压力侧，在这里气体压力9在第一分环10a上不仅施加沿轴向9a的而且施加沿径向9b的作用力，使得整个活塞环10首先沿径向压紧在气缸1的内壁1a上。其次沿轴向压紧在活塞环槽的背向压力侧的接触面上。由此提高活塞环10在运行期间的密封作用，并使两个分环10a，10b相互形状配合地固定在槽内，没有相对运动。在活塞膨胀运动期间可能出现压力反向，其中压力侧的气体压力9小于例如内腔9c内的压力。这导致活塞环10的区域内的气流反向，这时剩余气体在按图1的结构中从内腔9c向上流动。即使在这种气流反向时两个分环10a，10b在沿径向运动的方面上也相互牢固地接合，使得两个分环10a，10b进行同样的运动，从而不出现相互的相对运动。这种相互形状配合的连接导致两个分环10a，10b在气缸壁1a上滑动和摩擦的接合面10c，10d均匀地磨损，因此不会形成局部泄漏部位，并且两个分环10a，10b在长的运行时间内均衡地贴合在气缸壁1a上。

在图1中所示的包括分环10a，10b的活塞环10在图2a，2b中用俯视图表示，并在图3a，3b中用横截面表示。两个分环10a，10b圆形地并同心地绕中心轴线c分布。图2a表示活塞环10的第一个分环10a，即一个结构为L形或近似于L形的环形体，带有一个接合部位10e。该分环10a具有两个壁10g，10h，即一个沿平行于轴线c的方向伸展的第一臂10h和一个相对于轴线c径向或大致径向向外伸展的第二臂10g。接合部位10e的宽度设计成这样，使得第一个分环10a沿圆周方向可以做一定的弹性运动。

图3a表示第一个分环10a沿按图2a剖分线A-A的横截面。结构为L形的第一个分环10a具有一平行于轴线c伸展的第一臂10h，它具有一外表面10o和内表面10n。沿轴线c径向伸展的第二臂10g具有一垂直于轴线c伸展的外表面10p。内表面10l具有一个台阶10s，它平行于轴线c伸展，因此在部位U₁和U₃形成一个转折点。该转折点U₁，U₃可理解为这样的特性，即表面曲线具有一拐点。可由图2a所见，该内表面10l由于台阶10s而具有一个沿第一臂10h的环形槽。

图3b表示第二个分环10b沿按图2b剖分线B-B的横截面。该第二分环10b的结构关于按第一分环10a两个内表面10l，10n的走向相互匹配。环形体10i具有四个表面，即朝向气缸壁的表面10c、朝向槽形圆环8的表面10q以及两个朝向第一分环10a的表面10m，10k，后述两个贴合面10m，10k的结构相对于第一分环10a，10b这样相互匹配，使得在分环10a，10b相互装在一起时这两个贴合面10m，10k形状配合地贴合在两个贴合面10l，10n上。

图2b表示第二个分环10b的俯视图，它具有一个接合部位10f和位于对面的朝轴线c方向突起的凸台10k。装配状态下的活塞环10中的第二分环10b放在第一分环10a上，在保持图2a，2b中所示位置的情况下，该凸台10k位于第一分环10a的接合部位10e之间，使得这两个分环10a，10b相互固定，防止了相对转动。该凸台10k在圆周方向的结构最好地接合部位10e的宽度窄，使得第二分环10b在接合部位10e处在圆周方向保持一定的运动可能性。

在图2a，2b，3a和3b中所示的活塞环10具有这样的优点，即可以特别经济地制造，因为在第一分环10a中的台阶10s容易加工，并且两个分环10a，10b没有倾斜伸展的表面，而只有相互平行或垂直伸展的表面，这使得可以经济地制造并易于控制尺寸精密性及加工的分环10a，10b的误差。

图1表示一个装配式活塞2，其中设有活塞环10。但是代替该装配式活塞2的活塞2也可以具有由一环形槽构成的槽形圆环，在该槽形圆环内设有活塞环10，例如在图2a，2b，3a，3b中所示的活塞环10。因此按本发明的活塞环10不是仅适用于装配式活塞2。

图4a和4b以横截面表示包含第一分环10a以及第二分环10b的活塞环10的另一种实施例。该第一分环10a的第一个贴合面10l具有一不转折点U₁。该不连续性U₁关于轴线c同心分布。第一贴合面10l从转折点U₁出发垂直于轴线c向外伸展，或者平行于表面10p和向内以一恒定的升角或者锥形伸展。第二分环10b的第二个贴合面10k的结构关于第一个贴合面10l是互补的，并具有一转折点U₂。

图5a，5b以横截面表示包含第一分环10a以及第二分环10b的活塞环10的又一个实施例。该第一分环10a的第一贴合面10l具有两个转折点U₁和U₃。转折点U₁，U₃关于轴线c同心分布。第二分环10b的第二贴合面10k的结构与第一贴合面10l相匹配地互补，并具有两个转折点U₂和U₄。

图6a和6b以横截面表示包含第一分环10a和第二分环10b的活塞环10的再一种实施例。第一分环10a的第一贴合面10l具有一个转折点U₁。该转折点U₁关于轴线c同心分布。第一贴合面10c从转折点U₁关于轴线c同心分布。第一贴合面10l从转折点U₁出发垂直于轴线c向外伸展，或者平行于表面10p和向内成圆方形分布。第二分环10b的第二贴合面10k的结构与第一贴合面10l相匹配地互补，并具有一转折点U₂。

按本发明的活塞环10的优点是，两个分环10a，10b的贴合面10l，10n，10k，10m即使在活塞环10运行期间在长时间内相互仍形状配合地连接。这两个分环10a，10b的结构是这样的，使得尽可能防止处于压力作用下的气体9直接作用在接合面10l，10n，10k，10m上。作用在分环10a，10b上的气体压力9通常作用在接合位10f上，并产生一个沿第二分环10b圆周方向作用的力。通过将该第二分环10b嵌入第一分环10a中，尽管有这个力也不会将该第二分环10b从第一分环10a中抬起，因此气体压力不会直接作用在接合面10l，10n，10k，10m上。气体压力直接作用在第二分环10b的接合面10m，10k上将导致第二分环10b的较快磨损。为了防止这种效应，按本发明的活塞环10具有带转折点U₁，U₂的分环10a，10b，它们防止第二分环10b从第一分环10a上抬起。按图1，活塞环10由作用的气体9a沿轴向压紧在槽形圆环8b上，并沿径向由作用的气体9b压紧在气缸1的壁1a上。用这种压力加载的第一分环10a在第二分环10b上施加相应的力。通过贴合面10k，10l相互嵌合的结构由气体压力作用的力促使两个分环10a，10b更牢固地相互固定，使得贴合面10k，10l，10m，10n更牢固地相互配合。由此防止气体压力直接作用在贴合面10k，10l，10m，10n上。

有许多设计接合面10k，10l，10m，10n的可能性，使得贴合面10k，10l的曲线具有一转折点U₁，U₂。在图3a至6b中所示的经向横截面示出了转折点U₁，U₂，U₃，U₄，它们包括三角形、矩形或弧形段。当然也可以有结构不同的段，它们具有这样的特性，即它在第一和第二分环10a，10b中形成至少一个转折点U₁，U₂。

分环10a，10b包括塑料，特别是包含如聚四氟乙烯(PTFE)这样的塑料、像聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯并咪唑(PBI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)这样的改性高温聚合物或改性的环氧树脂。该高温聚合物是在纯净状态不能干式运行的塑料，因此上述塑料通常添加固体润滑剂，例如碳、石墨、二硫化钼或PTFE。

Claims (10)

1.用于干式运行的活塞式压缩机的活塞环(10)，其包括一个带接合部位(10e，10f)的第一和第二分环(10a，10b)，其中这两个分环(10a，10b)关于轴线(c)相互同心分布地设置，并且该第一分环(10a)具有一个成L形的横截面，并带有一个沿轴线(c)方向伸展的第一臂(10h)以及一个沿轴线(c)径向向外伸展的第二臂(10g)，其中该第二臂(10g)具有一个第一贴合面(10l)；该第二分环(10b)具有一个第二贴合面(10k)；并且该第一和第二贴合面(10l，10k)的结构相互匹配，以使它们相互贴合，其特征在于：该第一和第二贴合面(10k，10l)具有一转折点(U₁，U₂)。

2.按权利要求1所述的活塞环(10)，其特征在于：两个分环一起形成具有矩形横截面的活塞环。

3.按权利要求1或2所述的活塞环(10)，其特征在于：该转折点(U₁，U₂)相互叠靠设置。

4.按权利要求1或2所述的活塞环(10)，其特征在于：该转折点(U₁，U₂)关于轴线(c)同心分布。

5.按权利要求1或2所述的活塞环(10)，其特特为：第二分环(10b)贴合在第一分环(10a)的第一臂(10h)上。

6.按权利要求1或2所述的活塞环(10)，其特特在于：该贴合面(10k，101)从转折点(U₁，U₂)出发，垂直于轴线(c)向外伸展。

7.按权利要求1或2所述的活塞环(10)，其特特在于：该第一和第二分环(10a，10b)的径向横截面具有从转折点(U₁，U₂)出发向内的三角形、矩形或弧形段。

8.按权利要求1或2所述的活塞环(10)，其特特在于：该贴合面(10k，10l)在转折点(U₁，U₂)区域内具有一个台阶，它平行于轴线(c)伸展。

9.按权利要求1或2所述的活塞环(10)，其特特在于：该第一和/或第二分环(10a，10b)包含下述材料组：聚四氟乙烯(PTFE)、改性的高温聚合物，如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯并咪唑(PBI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)或改性的环氧树脂中的一种材料，其中这些材料可以包含附加的固体润滑剂，如碳、石墨、二硫化钼或聚四氟乙烯(PTFE)。

10.带有按上述权利要求中任一项所述的活塞环的干式运行活塞式压缩机。

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