CN1922422B - 用于可相对移动部件的密封装置及包含该密封装置的设备 - Google Patents

Abstract

可相对移动的第一和第二部件所用的一种密封装置，包括一个密封环，密封环位于其中一个部件上的凹槽内，用于与另一个部件密封接触，以便将密封环的第一侧与密封环的第二侧分开，其中密封环位于其中一个部件的圆周上的形式为凹槽的密封环座内，还包括：用于将高压液体供应至密封环第二侧的液体供应装置和用于平衡密封环区域内所供应的液体的压力的装置，因此，由作用于密封环第一侧上的压力引起的密封环上的力以如下方式被抵消和平衡，即在操作中，密封环基本上自由漂浮在凹槽中。本发明还涉及包含这种密封装置的往复运动的活塞设备。

Description

用于可相对移动部件的密封装置及包含该密封装置的设备

技术领域

本发明涉及一种密封装置。它还涉及一种具有可相对移动的部件且包含这种密封装置的设备。

背景技术

在这篇说明书中，“可相对移动的部件”还涉及具有通过相对线性或相对旋转运动或通过两者的结合可以相对移动的部件的设备。“往复活塞设备”包括压缩机和其他压力设备以及具有可相对移动的活塞和气缸的发动机，无论哪个元件是固定的，哪个元件是可移动的。

在已知的具有可相对移动的部件的设备中，尤其是在往复运动的活塞设备中，诸如活塞压缩机，通常有一个密封装置，其中至少有一个密封环被定位在一个位于活塞外侧的环形凹槽中或定位在气缸中，以便在可移动的活塞和气缸壁之间提供一个密封件。尤其是对以中压或高压工作的活塞压缩机而言，密封装置在更换或维修之前的工作寿命高度依赖于密封环的磨损情况以及气缸壁或活塞杆的配合表面的磨损情况。这在无油润滑压缩机中尤其要注意。

密封环过度磨损以及随之而来的密封装置故障都需要更换和/或维修。因此，这导致包含密封装置的设备(诸如压缩机及其相关机械)在更换期间有一个停机期。总而言之，这导致成本增加以及生产或操作中断。在这篇说明书将要提及的其他的往复运动的活塞设备和轴中也会出现相应的问题。

作为背景技术的一个例子，可以提一下FR1543403。其中，作用在许多活塞环内侧的压力由一个阀装置限制。

在可相对旋转的部件的密封装置(诸如旋转轴密封装置)中，也会出现相应的问题，尤其是当密封装置两侧之间的压力差较大时，问题更严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种密封装置，它是对已知的密封装置的改进。目的尤其是要增加密封环的工作寿命，以便避免上述缺陷。

提供一种往复运动的活塞设备也是本发明的目的，该设备包括一个工作寿命得以延长的密封装置。

这样，作用在密封环上由密封环一侧上的压力引起的力被所供给的液体抵消，即后者在该密封件的另一侧提供一个平衡力。因此，密封环的轴向和径向力以及扭曲(twisting)和扭转(wringing)都得以避免，至少得以减小。由紧靠相对移动表面的密封环提供的压力基本上可以减小到该密封件固有的预定压力。

在已知的具有可相对移动的部件的设备(诸如活塞压缩机)中，这些力往往会挤压紧靠配合表面(通常是气缸壁)的密封环(通常是活塞环)，从而引起活塞环以及气缸壁表面的磨损。相比之下，根据本发明，这一磨损大大减小。

平衡装置可以包括密封环本身，或者可以与密封环分开，例如作为一个分开的阀装置。特别的是，平衡装置是动态平衡装置，用于动态平衡所供应的液体的压力，以便在用到它的设备的冲程/操作过程中，与密封环另一侧的压力连续配合。另外，特别的是，密封环不是固定在密封环凹槽内的，相反它具有活动间隙，以便允许密封环在密封环凹槽内可以有一定的活动，从而实现基本上漂浮的状态。

当预先调节好阀装置以平衡液体压力时，可以这么做，以便在分别在两侧起主导作用的压力之间获得所需的关系。特别有用的是，调节阀装置以将该压力限制到约为压力腔内侧压力的80-100％。其他范围也可以考虑，从例如50％甚至直到有点超压，例如110％，即使这么做通常不太有利。

关于密封装置，其中，在操作过程中，一股供应的液流通过密封环，密封环或多或少地飘浮在液流上，因此在密封环和密封环凹槽之间就不会存在摩擦，或者摩擦很小。因此，密封环可以更加独立于密封环凹槽移动，而没有任何值得一提的摩擦。因此，密封环上的通常因活塞移动或倾斜引起的负载也可以减小。否则，当活塞向侧面移动/倾斜时，随着活塞的倾斜，密封环和位于低压侧的密封环凹槽之间的摩擦迫使该密封件紧靠活动的气缸表面。

在计算密封环的寿命时，要考虑紧靠活动表面的密封环上的压力以及运行距离，在多数情况下，还要考虑温度。

一般来说，在构成现有技术的往复运动的活塞设备中，高压侧和低压侧之间的压力差迫使密封环不仅紧靠活动的径向表面，而且紧靠位于低压侧的密封环凹槽的底部。紧靠活动表面的密封环的径向压力随压力的增大而增大，从而在整个活塞循环中，在密封环上产生脉冲压力负载。这一径向压力通常约为高压值和低压值之间的差压的平均值乘以径向的表面积。

此外，由于活塞和气缸壁之间有必要的间隙，因此来自低压侧的轴向支撑件没有盖住整个密封环，因此，密封环会因脉冲压力而扭曲。这导致密封环和相对的活动表面之间的接触角不断变化，从而改变密封环和相对壁面之间的接触表面，进而改变单位面积上的负载。

磨损增加不仅是摩擦增大的结果，间接上也是温度因摩擦而升高和经常的泵送介质温度升高的结果。这改变了密封件中的材料的磨损特性，并且这对合成密封件尤其重要。此外，根据本发明的一个方面，安排一股液流通过密封环，温度由密封装置区域内的液流控制。

本发明的优点在于消除或者至少减小/降低了：密封环两侧的压差；密封环的扭曲；密封环和密封环凹槽之间的摩擦；密封环的温度。

液体供应可以由内部或外部的供源提供。

在一个典型实施方式中，在泵或压缩机中，液体供应设备与往复运动的活塞设备结合成一个整体，由于它包括与气缸增大部分配合工作的活塞增大部分，其中气缸增大部分在轴向上处于离压力腔比离活塞环更远的位置。这一实施方式提供了一个紧凑的解决方案，它用简化的沟通(channeling)装置在整个冲程中在密封件的两侧产生同时匹配的压力。

在发动机领域，希望在下冲程中为密封环减压。气缸和活塞在这种情况下没有增大部分。

另一方面，提供用于供应液体的外部泵可以根据需要改善液体供应操作，从而消除或至少减小脉冲。

控制液体流动的简单方法是通过密封环本身。关于通过密封环凹槽的整体的液体供应和流出，在整个泵送冲程中因活塞速度增加而增加的流量会把密封环凹槽中的密封环挤得更高，以便逐渐打开更大的出口面积。这样，密封环就会漂浮在正在泵送的液流上，并且同时与增压腔的压力匹配。

用于所供应液体的压力控制阀装置可以根据需要精确调节和控制液体压力和/或液体流量。此外，设计单独的压力平衡阀也可以简化密封件的设计，并能实现低流速，从而避免因直接位于密封件下方的液体流速高而可能出现的气蚀问题。

这样一个阀门可以定位在活塞中，但也可以定位在一个或多个出口通道中，这个/这些通道开端于气缸壁上。

通过对下面的实施方式的描述可以更清楚地看出本发明的更多的特点和优点。

附图说明

下面将以典型的实施方式为背景并参照附图来描述本发明，其中：

图1以轴向截面图的形式展示了作为如本发明所述的往复运动的活塞设备的压缩机的一个典型实施方式，其中活塞处于第一位置；

图2展示了图1的实施方式，其中活塞处于第二位置；

图3展示了图1和2中的处于上部位置的活塞密封件所在区域的放大的局部截面图；

图4展示了图3中的处于下部位置的所述区域；

图5概略展示了如本发明所述的往复运动的活塞设备的典型的第二实施方式；

图6展示了活塞环配置的第二实施例；

图6a和b展示了图6的实施方式的两个备选细节；

图7展示了本发明的另一个典型方面；

图8展示了本发明的另一个实施方式；

图9展示了本发明的一个备选的实施方式；

图10展示了用在两个可相对旋转的部件之间的发明。

具体实施方式

图1展示了一台往复运动的活塞设备，其形式为活塞压缩机1，它有一个活塞2、一个活塞杆23和一个气缸4。活塞2可以在气缸壁3内侧往复运动，气缸壁3由气缸4限定，气缸4有一个气缸头12，有用的阀装置(这里看不到但用14标记)即位于气缸头内。

其他种类的本身已知的往复运动的活塞设备(例如，它有一根整体的活塞和活塞杆和一个摆动气缸)当然也在本发明的范围内。

活塞2靠近顶部的地方带有一个形式为活塞环5的密封环。此外，活塞上有一个增大部分6，所述的增大部分6在轴向上离由气缸4和气缸头12形成的压力腔比离活塞环5更远，在这个例子中，压力腔为压缩腔24。

活塞的增大部分6与气缸的增大部分7配合，因此它们一起形成一个工作腔8，工作腔8在操作中充当液体泵，用于增加工作腔8和形成于活塞和气缸之间尤其是位于活塞环5下方的狭槽25(图3)中存在的介质的压力。因为通过本发明完成了密封装置所在区域的冷却，所以可以取消外部的循环泵。

在气缸套的外部但在气缸壳的内部有一个冷却液供应腔9，该腔经至少一个液体孔10与工作腔8相通，因此打算在气缸套外部流动的冷却介质也是工作腔8中的介质。液流经一个单向阀被导入腔9内，以便设备在操作时，不在工作腔8内保持所需的压力。优选经孔10进入工作腔的液体有点超压。(图9所示的实施方式也是如此，其中，孔10中应该有一定的压力)。

图2展示了已经到达顶部位置的活塞2，此时，压缩腔空间24最小，且气缸和活塞的增大部分之间的工作腔8也最小。

应该指出的是，为了清楚起见，放大了工作腔8的尺寸。实际上，工作腔要小得多。作为一个例子，在用二氧化碳和水作平衡介质的压缩机中，工作腔8的容积只须为压缩腔容积的约1％到约百分之几(约1-4％)。然而，不排除在某些用途中，工作腔8与压缩腔相比需要更大。

图3更清晰地展示了图1和2中的活塞环区域。这个位置是气缸内的活塞正在向上移动的位置。因为液体压力产生于工作腔8中并出现在活塞和气缸之间的环形狭槽25内，所以在活塞环5的底侧和活塞环凹槽16的底面之间的径向狭槽26内会形成液流。因此，在这些条件下，活塞环会漂浮在所述径向狭槽26内的液体上。在这个位置，狭槽25内的压力等于压缩腔24内的压力。为了在该狭槽内提供压力以进入径向狭槽26内，可以在活塞环的配合表面或活塞环凹槽的底面上安排一些径向的浅凹槽或类似的东西。

液体随后会经出口通道17、18进入活塞2的内部，在该典型实施方式中，出口通道17、18包括多个径向钻孔18和一个轴向钻孔17。然后液体可能会通过这里未给出的装置被传送到远离活塞的一个闭合回路中。

从这幅图中可以理解，因为有液流通过，所以活塞环5所在区域的冷却得以加强。本发明的这一特点进一步导致设备的工作寿命延长，这是由于避免了各部件的过热。

40表示从环5向内延伸的密封边缘，用于密封压缩腔，防止(压缩腔中的东西)经出口通道17、18排出。在这个位置，O形环也可以起同样的作用。

在图4中，活塞处于这样一个位置，此时活塞环5的底侧抵靠在凹槽16的底面上，以便限制并且在某些情况下防止液体流过图3所示的并且在谈及图3时已经描述过的通路。在这个位置，压缩腔内的压力超过了狭槽25内的压力。

通常，在活塞向下的抽吸冲程中，狭槽25内的压力会低于压缩腔24内的压力。活塞环5也将充当单向阀，用于阻止图1中的液体工作腔8的液体泵送作用。对于发动机领域，恰恰相反。

在图5中，整体的液体供应设备用外压液体源20代替，它经通道21与气缸3’相通，通道21的出口位置低于活塞环5’，活塞环5’本身的工作与图3和4中所示的活塞环相似，以便提供平衡的液体压力。这能够实现恒定的无脉冲的液体流动。在该实施方式中，在活塞的底部提供另一个成对的密封装置22、22’，以便随活塞移动，从而在活塞2’的外表面、气缸3’、活塞密封件5’和密封装置22、22’之间形成一个环形的用于增压的狭槽形空间25’。

密封装置22、22’可以由一个简单的密封环22或多个密封环22与一个狭槽密封装置22’一起组成。作为一个例子，这样一个狭槽密封装置可以由活塞的密封衬套部分组成，后者与气缸的配合部分一起形成一个狭槽，例如，宽度为15μm。在压缩机的操作过程中，密封衬套也充当活塞的导向件。如果必要，也可以在元件22和22’之间安排一个如在图9中所示的液体出口。许多类型的液体泵都可以用作外部泵，例如：齿轮泵，活塞泵，叶轮泵，螺杆泵等。

图6展示了一个备选的标准活塞密封件，它有一个低矮的(shallow)基本为V形的截面，用于和本发明一起使用。像大多数其他密封件一样，这个活塞密封件也将充当阀门，但区别在于环56的径向内边缘与凹槽16的侧面上的开口28配合，凹槽16的开口面积随到凹槽16的底部的距离的增加而增加。

与其他实施方式一样，这个实施方式也有如下优点：液体流动和漂浮效果可以精确调节，因为在活塞的循环过程中，环26会相对凹槽沿轴向移动，以便允许在循环的不同阶段有适量的液体泄漏。一般来说，在下部位置处，正在供应的液体的泄漏路径以与上述实施方式相应的方式被关闭或者受到限制。随着环在凹槽16中向上移动，通道27逐渐打开。

为了确保液体压力也能出现在V形密封件下边缘41内侧的空间42中，优选在边缘41上提供多个供液体通过的径向凹槽(未示)。

图6a和b展示了图6的实施方式的备选细节，其中密封环充当阀装置，它的沿径向向内指的边缘部分(用虚线和参考标记43表示)与出口通道的开口28配合。在最下方的位置处，正在供应的液体的通路被关闭。在最上方的位置处，该通路被完全打开。

因为活塞环上的力是平衡的，所以，作为一个例子，也可以用O形环作密封环。然而，应该关注的是将液体出口安置在低于环中心的位置，以便避免气体和液体在两个腔室之间泄漏。

图7展示了一个实施方式，其中活塞密封件下方的压力经阀装置29与压缩腔内部的压力相联系，从而允许更自由地选择从活塞密封件下方泄漏的压力和特征。然而，可以通过调节阀装置适当限制液体的泄漏量。例如，可以减小液体压力，以便只达到最大压缩压力的一小部分。

本发明还可应用于交互式活塞设备，它有一个密封环，密封环位于气缸壁上的一道凹槽内，并且作用在由往复运动的配合活塞形成的配合壁面上。这一点在图8中仅仅是示意性的，与图1中所示的相似，在图8中，密封环也与整体的工作腔8相关。

本发明的重点是用于保持密封环下方压力而又不引起平衡介质不必要地泄漏的装置。

在图9中，来自活塞环5所在区域的液体经通道18’、17’和34被导送到在导向/密封衬套32和下方的低压密封件35之间形成的空间44内，衬套32的作用原则上与图5中的密封/导向衬套22’相同。从工作腔8中泄漏的液体经密封衬套32也进入空间44中。33表示从空间44到储罐或环路的流体出口，储罐或环路接下来可以连接到工作腔8的孔10上。通过让出口33的排出面积大于由活塞环凹槽内的活塞环5限定的阀门面积和由衬套32周围的狭槽密封装置限定的泄漏面积之和，就会消除空间44内逐步形成的不想要的压力。

这样，空间44就暴露给比压力腔3内的压力低得多的压力。空间44中的压力通常在大气压和5巴之间。在高压用途中，可以用泵来保持空间44内的低压。这样，低压密封件35就只暴露给低压差，因此它还可以是简单的方案。总而言之，设备的泄漏可以减至最小。

综上所述，尽管本发明以普通密封件、尤其是以紧靠在气缸壁上的活塞环为背景作了说明，但本发明还可应用于诸如普通的可相对移动的部件和可相对旋转的部件的密封装置(诸如轴密封装置)。既可旋转又可往复运动的部件也可以用本发明的密封装置密封。在图10中，密封装置60用于在第一部件和第二部件之间起密封作用，第一部件是穿过外壳62上的开口的可以旋转的轴61，外壳62形成第二部件。在这个位置也可能包括一个孤立的轴承。一个漂浮的压力平衡密封环密封在第一侧65和第二侧70之间。液体通过通道64被供应到所述的第二侧。一个衬套66即可提供狭槽密封装置，以便限制住在图中向右侧的泄漏。允许泄漏的液体从具有大气压的中间空间68通过通道67排到储罐中，以便有可能再利用。在开口的最外面提供一个密封元件，例如O形环69。第二侧70的空间内的压力可以通过图3和4中的漂浮密封环或通过与图7所示的阀门相当的阀门来调节。

除了别的以外，本发明可以提供不用润滑油且寿命较长的压缩机，尤其是100巴以上的高压压缩机。已知的压缩机的活塞密封件的寿命取决于压缩压力和运行距离。本发明可以用如下方式平衡压力，即减小密封环作用在配合表面上的力以及扭曲和脉动力，从而可以增加密封环的寿命以及维修和更换之间的时间间隔。

这一效果通过活塞和密封环的连续冷却得以加强，这由本发明的一个方面提供。这样就能让气缸、活塞和密封环保持基本相等的温度。因此，至少在某些用途中，可以不需要外部冷却装置。

还可以通过一根旋转轴供应液体或者将液体供应到一个往复运动的活塞内，以便确保密封环的平衡。

也可以通过活塞引导液体，尤其是将液体引导到活塞销轴承所在的区域内，以便确保活塞销和轴承以及活塞周围部件的冷却。

密封装置通常被预先加载到打算密封的表面上。在增压设备中，诸如压缩机中，因为摩擦和磨损的增加导致压力增大，因此这一负载也增加。根据本发明，气缸表面上的负载可以被限制在预定的水平上并保持相对恒定，从而导致磨损和摩擦减小。

因此，与已知的设备相比，本发明的压缩机对气缸衬套的表面光滑度和质量都不太敏感。

本发明可以用于众多用途中。尤其是下述市场需求对不用润滑的压缩机非常有吸引力：

驾驶员、消防队、医院等所用的呼吸空气；

氧气，其中最小的油污染都意味着爆炸和有其他气体的危险，这里不允许有油和润滑油；

用于制造PET瓶和其他产品的压缩机，在这里，最小的油污染都会使产品报废；

需要绝对纯净的空气的工业过程，例如电子工业；

用液体CO2作清洁剂的新一代商用清洗机所用的CO2；

用于分装饮料的后混合装置；

充装食品业所用的气体，例如各种吧、餐馆、酒厂所用的CO2，食品生产、食品保鲜等所用的保护性气体；

与食品业和制药业有关的各种用途。

可以使用无油润滑的压缩机。对于用油润滑的压缩机，密封环的数目可以减小到只有一个；但在背景技术的设备中，这一数目可以很大。对于上述用途中的几个，用净水做所述液体，由于这在压缩的气体中是可以容忍的。在压缩机之后增加干燥步骤以便获得液体/水含量减小的气体已经众所周知。例如，正常的空气大多含有水，当空气在压缩之后被冷却时，水被冷凝，随后被分离。

在其他用途中，在特定的领域，可以根据需要使用任何其他合适的液体。本发明的优点在于液体大多充当能量传递源，用于平衡密封件上的压力，从而减少对高级润滑油的需要。因此，可以使用不会与泵送介质起化学反应或者不会被泵送介质吸收的液体。

另一个备选实施方式是用处于液态的压缩介质作支撑介质，它被供应到密封环的第二侧。这一点可以应用于各种介质，例如CO2、水蒸汽、丁烷、丙烷、天然液化气等。在这些情况下，不会发生污染。

关于如本发明所述的具有沿轴向延伸的外表面的密封环，它的外表面作用在配合壁面上，与已知的设备相比，会有相同的压力作用在从配合壁面延伸的密封环的整个侧面上，在增压腔压力和沿密封环外表面的轴向延长线的更低的压力之间有一个压力梯度。这将确保作用在密封环上的径向压力之间有更好的压力平衡。

尽管是以压缩机为背景对本发明作了特别说明，但本发明也可以应用到具有可相对移动(例如旋转)的部件的各种设备上。就往复运动的活塞设备而言，其他的活塞增压机、活塞发动机(例如蒸汽发动机)、其他类型的活塞汽缸式发动机、涡流泵等也在本发明的范围内。

Claims (21)

1.可相对移动的第一和第二部件间的密封装置，包括一个密封环，它位于其中一个部件上的凹槽内，用于与另一个部件密封接触，以便将密封环的第一侧与密封环的第二侧分开，其中密封环位于该其中一个部件的圆周上的形式为凹槽的密封环座内，其特征在于它包括：

用于将高压液体供应至密封环第二侧的液体供应装置，和

用于平衡密封环区域内所供应的液体的压力的装置，

因此，由作用于密封环第一侧上的压力引起的密封环上的力以如下方式被抵消和平衡，即在操作中，密封环基本上自由漂浮在凹槽中。

2.如权利要求1所述的装置，还包括一个阀装置，它被设定，以平衡密封环区域内的所供应的液体的压力。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于阀装置被预先设定，以限制所供应的液体的压力。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于阀装置被设定，以将所述压力限制到约为密封环的第一侧的压力的80-100％。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于阀装置由与密封环座配合的密封环的一部分构成。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于密封环的所述部分是从第一侧伸出的环形表面，它被安排用来与所述密封环座的一个表面配合。

7.如权利要求3所述的装置，其特征在于阀装置是与密封环分开的压力控制阀。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于从液体供应装置的位置看，用于在可相对移动的所述部件之间密封的密封设备处于与密封环相对的位置。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于第一和第二部件作相对的往复运动。

10.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于第一和第二部件是形成压力腔的一个气缸和一个活塞。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于第一和第二部件可以相对旋转。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于至少一个部件包括至少一个供所供应的液体通过的出口通道。

13.往复运动的活塞设备，包括：一个气缸、一个可相对移动的活塞和一个密封环，其中密封环位于活塞或气缸的圆周上的形式为凹槽的座内，用于在活塞和气缸之间形成密封接触，以便将密封环的第一侧与密封环的第二侧分开，所述活塞和气缸形成一个压力腔，其特征在于该往复运动的活塞设备包括：

用于将高压液体供应至密封环第二侧的液体供应装置，和

用于平衡密封环区域内所供应的液体的压力的装置，

因此，由作用于密封环第一侧上的压力引起的密封环上的力以如下方式被抵消和平衡，即在操作中，密封环基本上自由漂浮在凹槽中。

14.如权利要求13所述的设备，其特征在于液体供应装置包括活塞的增大部分，用于与气缸的增大部分配合。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于由所述活塞和气缸部分形成的工作腔是环形的。

16.如权利要求13所述的设备，其特征在于液体供应装置包括一台外部泵，它具有出口在下述任一元件内的管道：气缸壁、曲柄箱、活塞壁。

17.如权利要求13所述的设备，其特征在于活塞包括一个阀装置，它被预先设定，以平衡密封环区域内的所供应的液体的压力。

18.如权利要求17所述的设备，其特征在于阀装置被设定，以将所述压力限制到约为压力腔内的压力的80-100％。

19.如权利要求13所述的设备，其特征在于活塞包括至少一个液体出口通道。

20.如权利要求17或18所述的设备，其特征在于阀装置是与密封环分开的压力控制阀。

21.如权利要求13所述的设备，其特征在于从液体供应装置的位置看，用于在活塞和气缸之间密封的密封装置处于与密封环相对的位置。

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