用于热膨胀系数不同的材料的密封组件的制作方法

专利名称：用于热膨胀系数不同的材料的密封组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种密封组件，更具体而言，本发明涉及一种用于高温气体加工领域的密封组件。
背景技术：
在许多不同行业中，对高温压缩气体的可靠封存都是管道和反应器系统的设计和操作中的重要因素。这些系统在启动、切断和工艺倒置条件下出现温度循环，在正常工艺操作过程中也可能出现这些循环。这些系统中的管道和工艺设备通常由各种材料构建而成，许多材料的热膨胀系数不同。热膨胀系数不同的部件之间的联结和连接存在着问题，尤其在承受高温循环时。为了使气体泄漏降到最低，需要谨慎地设计这些联结和连接。
一些高温系统比如陶瓷气体隔离膜件系统、陶瓷膜件反应器系统和固体氧化物燃料电池，采用陶瓷部件在高温下操作。通常通过金属合金管道系统实现气体从这些陶瓷部件的流入和流出，因而需要陶瓷-金属接头。由于陶瓷材料和金属通常具有不同的热膨胀性质，所以在这些陶瓷-金属接头处的正确密封就成了设计和运行这些系统的重大挑战。这些接头处的密封在高运行温度下必须可靠，而且必须能容忍热循环，以便在该系统的预期运行寿命内获得稳定的性能。另外，在装置构建过程中，这些密封的性能在室温下应该可靠，而且这些密封应该便宜、容易组装。
在高温气体加工领域内，在热膨胀系数不同的材料之间的联结和连接中需要有经过改进的密封。通过下面描述并由后续权利要求限定的本发明实施方案，满足了这种需要。

发明内容
本发明的一个实施方案涉及包括下列元件的密封组件(a)两个或多个密封元件，每个元件具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述密封元件的堆叠使得相邻面互相平行并且轴互相平行或重合，其中每个密封元件由具有某热膨胀系数的材料制备；和(b)夹持元件，具有第一段、第二段、和位于第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中在夹持元件的第一和第二段之间设置有两个或多个密封元件，所述夹持元件用于在所述两个或多个密封元件上施加轴向夹持力，其中所述连接段具有在两个平面之间延伸的中心部分，所述两个平面一个是由与夹持元件第一段相邻的密封元件的面形成的平面，另一个是由与夹持元件第二段相邻的密封元件的面形成的平面，以及其中所述连接段由具有某种热膨胀系数的材料制成。连接段材料的热膨胀系数在所述两个或多个密封元件的材料热膨胀系数的最大值和最小值中间。
在本实施方案中，密封组件可以进一步包括设置在相邻密封元件之间、夹持元件的段和相邻密封元件之间的任何界面区域处的柔性密封件。
本发明的另一实施方案包括含有下列的密封组件(a)第一密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(b)第二密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，所述轴和第一密封元件的轴平行或者重合，其中所述第二密封元件由具有第二热膨胀系数的第二材料制备，和其中所述第二密封元件的第一面与所述第一密封元件的第二面成受迫性接触；和(c)夹持元件，用于将第一密封元件沿轴向推向第二密封元件，其中所述夹持元件具有与所述第一密封元件的第一面成受迫性接触的第一段、与所述第二密封元件的第二面成受迫性接触的第二段、以及位于所述第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一密封元件的第一面和第二密封元件的第二面形成的平面之间延伸的中心部分，通常与第一和第二密封元件的轴平行，并且由具有第三热膨胀系数的第三材料制备；其中所述第三热膨胀系数在第一和第二热膨胀系数中间。
在本实施方案中，夹持元件的第一段和夹持元件的第二段中的任一个可以永久性连接到夹持元件的连接段上。或者，夹持元件的第一段和夹持元件的第二段中的任一个可以可拆卸地连接到夹持元件的连接段上。
第一材料可以选自Haynes 230、Haynes 188、Haynes 214、Incoloy800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢(SeriesStainless Steel)。第二材料可以选自氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化镁、碳化硅、氮化硅、混合金属钙钛矿、(LaxSr1-x)yCoO3-z(其中1.0＞x＞0.4，1.02≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数)、和(LaxCa1-x)yFeO3-z(其中1.0＞x＞0.5，1.1≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数)。第三材料可以选自Haynes 230、Haynes 188、Haynes214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。
第二密封元件可以由第一子部件和第二子部件构成，每种子部件具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于第一和第二面并和第一密封元件的轴平行或者重合的轴，其中第一子部件的第一面是第二密封元件的第一面，其中第二子部件的第二面是与夹持元件的第二段受迫性接触的第二密封元件的第二面。夹持元件的第一段和夹持元件的第二段中的任一可以可拆卸地连接到夹持元件的连接段上。
在本实施方案中，密封组件可以进一步包括设置在夹持元件的第二段和第二密封元件的第二面之间的柔性密封件。可替换地或者另外地，密封组件可以进一步包括设置在夹持元件第一段和第一密封元件第一面之间的柔性密封件。
本实施方案的密封组件中，(1)第二密封元件可以是连接到具有外径的第一柱形管上的凸缘，其中所述凸缘具有外径；(2)夹持元件可以包括环形主体，所述主体具有形成夹持元件的第一段并具有内径和外径的第一环、形成夹持元件的连接段并具有内径和外径的第二环、以及形成夹持元件的第二段并具有内径和外径的第三环；(3)第一密封元件可以是具有内径和外径的补偿性分隔环(compensating spacer ring)；(4)形成夹持元件第一段的第一环的内径可以大于第一柱形管的外径；(5)补偿性分隔环的内径可以大于第一柱形管的外径，补偿性分隔环的外径可以小于形成夹持元件连接段的第二环的内径；和(6)凸缘的外径可以小于形成夹持元件连接段的第二环的内径。
凸缘和第一柱形管可以由陶瓷材料制备，夹持元件可以是金属材料，补偿性分隔环可以是金属材料。第一材料可以选自Haynes 230、Haynes 188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。第二材料可以选自氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化镁、碳化硅、氮化硅、混合金属钙钛矿、(LaxSr1-x)yCoO3-z(其中1.0＞x＞0.4，1.02≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数)、和(LaxCa1-x)yFeO3-z(其中1.0＞x＞0.5，1.1≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数)。第三材料可以选自Haynes 230、Haynes 188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。
本发明的替换实施方案涉及密封组件，包括(a)第一密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一密封元件具有由参比温度下的第一和第二面之间的轴向距离限定的第一参比尺寸(reference dimension)，和其中第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(b)第二密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，所述轴和第一密封元件的轴平行或者重合，其中所述第二密封元件具有由参比温度下第一和第二面之间的轴向距离限定的第二参比尺寸，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备，和其中所述第二密封元件的第一面与所述第一密封元件的第二面接触；和
(c)夹持元件，用于将第一密封元件沿轴向推向第二密封元件，其中所述夹持元件具有与所述第一密封元件的第一面成受迫性接触的第一段、与所述第二密封元件的第二面成受迫性接触的第二段、和位于所述第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一密封元件的第一面和第二密封元件的第二面形成的平面之间延伸的中心部分，并且通常与第一密封元件以及第二密封元件的轴平行，和其中所述中心部分由具有第三热膨胀系数的第三材料制备；其中第一材料、第一密封元件的参比厚度、第二材料、第二密封元件的参比厚度、以及第三材料的值使得在任何选定温度下，|AT-(BT+CT)|≤0.002英寸其中AT＝AR(αA)(T-TR)，BT＝BR(αB)(T-TR)，和CT＝CR(αC)(T-TR)，其中T是选定的温度，TR是参比温度，AR是第一参比尺寸，BR是第二参比尺寸，AR是BR和CR的和，αA是第一材料的热膨胀系数，αB是第二材料的热膨胀系数，αC是第三材料的热膨胀系数。
另一替换实施方案包括陶瓷-金属密封组件，包括(a)环形补偿性分隔环，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、内径、外径和垂直于第一、第二面的轴，其中所述环形补偿性分隔环由具有第一热膨胀系数的第一金属制备；(b)柱形陶瓷管，具有内径、外径和在所述柱形陶瓷管端部形成的陶瓷凸缘，所述陶瓷凸缘具有外径，其中(1)环形补偿性分隔环的内径大于柱形陶瓷管的外径，并设置在陶瓷管周围，
(2)陶瓷凸缘形成第二密封元件，所述第二密封元件具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于第一和第二面的轴，所述轴与环形补偿性分隔环的轴平行或者重合，(3)第二密封元件的第一面与环形补偿性分隔环的第二面成受迫性接触，和(4)陶瓷凸缘由具有第二热膨胀系数的陶瓷材料制成，和(c)环形夹持元件，用于将环形补偿性分隔环沿轴向推向第二密封元件，其中夹持元件具有与环形补偿性分隔环的第一面成受迫性接触的第一段、与第二密封元件的第二面成受迫性接触的第二段、以及位于第一和第二段之间并和第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段(1)具有在由环形补偿性分隔环的第一面和第二密封元件的第二面形成的平面之间延伸的中心部分，(2)通常平行于环形补偿性分隔环和第二密封元件的轴，和(3)由具有第三热膨胀系数的第二金属制备；其中第三热膨胀系数在第一和第二热膨胀系数之间。
在该替换实施方案中，第一金属可以选自Haynes 230、Haynes188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。第二金属可以选自Haynes 230、Haynes 188、Haynes214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。陶瓷凸缘可以由选自下列的材料制备氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化镁、碳化硅、氮化硅、混合金属钙钛矿、(LaxSr1-x)yCoO3-z(其中1.0＞x＞0.4，1.02≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数)、和(LaxCa1-x)yFeO3-z(其中1.0＞x＞0.5，1.1≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数)。所述陶瓷管可以由与陶瓷凸缘相同的材料制备，其中所述陶瓷管和陶瓷凸缘形成整体式带凸缘的陶瓷管。
本发明的相关实施方案包括密封组件，包括(a)密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(b)柔性密封件，其与密封元件的第二面相邻；(c)夹持元件，具有与所述第一密封元件的第一面成受迫性接触的第一段、与所述柔性密封件成受迫性接触的第二段、以及位于所述第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一段的面和第二段的面形成的平面之间延伸的中心部分，通常和密封元件的轴平行，并由具有第二热膨胀系数的第二材料制备，和其中夹持元件用于将密封元件沿轴向推向夹持元件的第二段的面用以压缩柔性密封件；其中第一热膨胀系数大于第二热膨胀系数。
本发明的另一相关实施方案包括制备和操作密封组件的方法，包括(a)在等于参比温度的温度提供包括下列的密封组件(1)第一密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(2)第二密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，所述轴与第一密封元件的轴平行或者重合，其中所述第二密封元件由具有第二热膨胀系数的第二材料制备，和其中所述第二密封元件的第一面与所述第一密封元件的第二面成受迫性接触；和(3)夹持元件，用于将第一密封元件沿轴向推向第二密封元件，其中所述夹持元件具有与所述第一密封元件的第一面成受迫性接触的第一段、与所述第二密封元件的第二面成受迫性接触的第二段、以及位于所述第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一密封元件的第一面和第二密封元件的第二面形成的平面之间延伸的中心部分，并且通常与第一密封元件以及第二密封元件的轴平行，和由具有第三热膨胀系数的第三材料制备；(b)改变密封组件的温度至不同于参比温度的选定温度；和(c)维持密封组件在选定温度以使|AT-(BT+CT)|≤0.002英寸其中AT、BT和CT是由下式限定的温度补偿性尺寸
AT＝AR(αA)(T-TR)，BT＝BR(αB)(T-TR)，和CT＝CR(αC)(T-TR)，其中T是选定的温度，TR是参比温度，BR是在参比温度下第一密封元件的面之间的轴向距离，CR是在参比温度下第二密封元件的面之间的轴向距离，αA是第一材料的热膨胀系数，αB是第二材料的热膨胀系数，αC是第三材料的热膨胀系数，和AR＝BR+CR。
可替换的相关实施方案包括制备和操作密封组件的方法，包括(a)在等于参比温度的温度提供包括下列的密封组件(1)第一密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(2)与密封元件的第二面相邻的柔性密封件；(3)夹持元件，具有第一段、第二段和连接段，所述第一段具有与所述密封元件的第一面成受迫性接触的面、所述第二段具有与所述柔性密封件成受迫性接触的面、和位于所述第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一段的所述面和第二段的所述面形成的平面之间延伸的中心部分，通常与所述密封元件的轴平行，并且由具有第二热膨胀系数的第二材料制备，和其中采用夹持元件将密封元件沿轴向推向夹持元件的第二段的所述面以压缩所述柔性密封件；(b)改变密封组件的温度至不同于参比温度的选定温度；和(c)维持密封组件在选定温度以使|AT-CT)|≤0.002英寸其中AT和CT是由下式限定的温度补偿性尺寸
AT＝AR(αA)(T-TR)CT＝CR(αC)(T-TR)其中T是选定的温度，TR是参比温度，αA是第一材料的热膨胀系数，αC是第二材料的热膨胀系数，CR是在参比温度下密封元件的第一面和第二面之间的轴向距离，C′R是参比温度下密封元件的第二面和夹持元件的第二段的所述面之间的轴向距离，和AR＝CR+C′R。


本发明的各种实施方案通过下图进行了举例说明，其中附图不一定按比例绘制。
图1是对在本发明各种实施方案中使用的一般性密封组件进行举例说明的示意图。
图2是对图1的一般性密封组件在本发明一个实施方案中的使用进行举例说明的示意图。
图3是对图1的一般性密封组件在本发明另一实施方案中的使用进行举例说明的示意图。
图4是对本发明的另一实施方案进行举例说明的示意图。
具体实施例方式
本发明的实施方案涉及用于在热膨胀系数不同的两个管或容器之间形成密封的密封组件。该密封组件包括夹持元件，该夹持元件提供了对密封元件的轴向夹持力，其中一些密封元件是被密封的两个管或容器的部分。在设计密封时，选择夹持元件和密封元件在环境条件下的轴向尺寸以及夹持元件和密封元件材料的热膨胀系数，以使当加热组装的密封元件时，夹持元件连接段长度和密封元件轴向尺寸和的绝对差值小于0.002英寸。
实施方案之一采用了具有刚性夹持元件的密封组件，所述刚性夹持元件在第一密封元件以及与第一密封元件相邻的第二密封元件上施加夹持力。夹持元件的第一和第二段与第一及第二密封元件成受迫性接触，并且第一密封元件与第二密封元件成受迫性接触。夹持元件具有与第一及第二密封元件相对的连接段，该连接段的热膨胀系数在第一和第二密封元件热膨胀系数之间。
如下所述，第一密封元件是补偿性分隔元件，第二密封元件可以是第一容器或管道系统的一部分，夹持元件的任一段或两段都可以是第二容器或管道系统的一部分，其中所述第二容器或管道系统可以密封性地连接到第一容器或管道系统上。取决于系统构造以及横跨密封元件的相对压差，可以将柔性密封或者垫圈放置在第一密封元件和夹持元件第一段之间、第一密封元件和补偿性分隔元件之间、以及补偿性分隔元件和夹持元件第二段之间的任何界面区域，特别地，有些实施方案不在补偿性分隔元件和夹持元件第二段之间的界面区域处采用柔性密封或垫圈，而是让补偿性分隔元件与夹持元件第二段直接接触。
可以选择一些设计参数来补偿当密封组件加热时密封部件的热膨胀差。这些参数包括第一密封元件的材料、补偿性分隔元件的材料、夹持元件连接段的材料、第一密封元件或者补偿性分隔元件在环境温度下的初始尺寸、以及第二密封元件在环境温度下的初始尺寸。通过适当选择这些参数，在(1)夹持元件连接段与(2)第一密封元件和补偿性分隔元件的组合之间的在加热过程中的净膨胀差值可以最小化或者消除，从而维持在第一密封元件和补偿性分隔元件上的初始夹持载荷。
图1对上述密封组件进行了一般性地举例说明。密封组件1包括具有第一段3、连接段5和第二段7的夹持元件，第一密封元件或者补偿性分隔元件9，以及第二密封元件11。夹持元件的第一段3、连接段5和第二段7可以是相同材料或者不同材料。第一段3可以通过在界面区13处的螺栓或者其它紧固设备(未示出)可拆卸地连接到连接段5上。可替换地，第一段3和连接段5可以是单块同一材料。可替换地或者另外地，第二段7可以通过界面区15处的螺栓或者其它紧固设备(未示出)可拆卸地连接到连接段5上。可替换地，第二段7和连接段5可以是单块同一材料。
第一密封元件或者补偿性分隔元件9通常为独立的块，如图所示。第二密封元件11可以是第一容器或管道系统的一部分并和所述第一容器或者管道系统连接，夹持元件的段3和7的任一或者全部可以是第二容器或者管道系统的一部分，所述第二容器或者系统可以密封性地连接到第一容器或者管道系统上。
夹持元件迫使第一段3与补偿性分隔元件9在界面区17处成受迫性接触，并迫使第二段7与第二密封元件11在界面区19处成受迫性接触。因此，补偿性分隔元件9和第二密封元件11被迫在界面区21处成受迫性接触。补偿性分隔元件9的特征在于尺寸B，即补偿性分隔元件在界面区17处的表面所形成的平面与补偿性分隔元件在界面区21处的表面所形成的平面之间的垂直或者轴向距离。第二密封元件11的特征在于尺寸C，即第二密封元件11在界面区21处的表面所形成的平面与第二密封元件在界面区19处的表面所形成的平面之间的垂直或者轴向距离。尺寸A定义为尺寸B和C的和。尺寸A等同于连接段5位于补偿性分隔元件9在界面区17处的表面所形成的平面和第二密封元件11在界面区19处的表面所形成的平面之间的那部分。连接段5的特征在于尺寸D，其位于第一段3在界面区17处的表面所形成的平面和第二段7在界面区19处的表面所形成的平面之间，即，D是夹持元件面之间的距离。
界面区17可以是通过第一段3的平整表面和补偿性分隔元件9的平整表面之间的接触形成的界面。可替换地，界面区17可以包括中间件(未示出)，比如下面讨论的柔性密封件。界面区19可以是通过第二段7的平整表面和第二密封元件11的平整表面之间的接触形成的界面。可替换地，界面区19可以包括中间件(未示出)，比如后面讨论的柔性密封件。通常，界面区21是通过补偿性分隔元件9的平整表面和第二密封元件11的平整表面之间的直接接触形成的界面。可替换地，界面区21可以包括中间件(未示出)，比如下面讨论的柔性密封件。
用于在两个部分的界面区处的术语“受迫性接触”是指通过夹持元件施加的轴向压缩力将位于该界面区每一侧上的两个部分挤压到一起。例如，在界面区17处，可以通过第一段3的平整表面和补偿性分隔元件9的平整表面之间的实际接触直接形成受迫性接触。可替换地，如果界面区17包括上述中间密封件，则在第一段3和补偿性分隔元件9之间通过所述中间件发生受迫性接触，即，轴向压缩力从第一段3传递到所述中间件，并从所述中间件传递到补偿性分隔元件9。在另一实施例中，在界面区19处，可以通过第二段7的平整表面和第二密封元件11的平整表面之间的实际接触直接形成受迫性接触。可替换地，如果界面区19包括上述中间件，则通过所述中间件在第二段7和第二密封元件11之间形成受迫性接触。在另一实施例中，在界面区21处，可以通过补偿性分隔元件9的平整表面和第二密封元件11的平整表面之间的实际接触直接形成受迫性接触。可替换地，如果界面区21包括上述中间件，则经由所述中间件在补偿性分隔元件9和第二密封元件11之间直接形成受迫性接触。因此，在界面区处的术语“受迫性接触”包括(1)两个表面之间的实际接触或者(2)第一表面与中间件表面的接触以及第二表面与所述中间件另一表面的接触，其中所有表面以及所述中间件的表面(如果存在)通过夹持元件施加的压缩轴向力而被挤压到一起。
术语“密封元件”定义为设置在夹持元件内部的密封组件的刚性部分。密封元件并不因为施加的轴向夹持力而变形。术语“柔性密封件”定义为由于施加轴向夹持力而发生变形的密封组件的可变形部分。轴向夹持力是施加在密封组件上导致密封元件之间以及密封元件与柔性密封件之间沿着密封件轴向受迫性接触的力。陶瓷材料定义为无机非金属材料。金属材料是纯金属、金属合金或者金属混合物，或者含有纯金属、金属合金或者金属混合物的复合材料。
本文使用的“一”当用在说明书和权利要求书中描述的本发明实施方案的任何特征上时，是指一个或者多个。采用“一”并不将意思限定为单一特征，除非特别声明了这种限定。单数或者复数名词或者名词性短语前面的“该”代表某个或者某些特别指定的特征，可以具有单数或者复数意义，具体取决于所用的上下文。“任何”是指无论什么数量中的、无法区分的一个、一些或者全部。位于第一实体和第二实体之间的术语“和/或”是指(1)第一实体、(2)第二实体以及(3)第一实体与第二实体中的一种。
夹持元件的第一段3、连接段5和第二段7可以是相同材料或者不同材料。补偿性分隔元件9由具有第一热膨胀系数的第一材料制备，第二密封元件11由具有第二热膨胀系数的第二材料制备，连接段5由具有第三热膨胀系数的第三材料制备。第三热膨胀系数在第一和第二热膨胀系数之间。
第一密封元件或者补偿性分隔元件9具有由参比温度下的参比尺寸BR限定的参比厚度或者尺寸，第二密封元件11具有由参比温度下的参比尺寸CR限定的参比厚度或者尺寸，参比温度下的尺寸AR是参比温度下的参比尺寸BR和尺寸CR的总和。参比尺寸AR、BR和CR的几何定义分别和上述的几何定义A、B和C相一致。参比温度可以是任何温度，但有利的情况是参比温度是大约15-35℃之间的环境温度。当密封组件处于参比温度下时，夹持元件施加初始的轴向压缩力，其将补偿性分隔元件9和第二密封元件11压在一起成受迫性接触。
在设计密封组件时，首先选择补偿性分隔元件9(BR)和密封元件11(CR)的参比尺寸、补偿性分隔元件9、第二密封元件和连接段5的材料。正确选择这些参数，以使在任何选定温度下，温度补偿的尺寸(temperature-compensated dimension)AT与所选温度下的温度补偿尺寸BT和CT之和的差值绝对值小于大约0.002英寸。通常，这个差值落在商业可得的柔性密封元件比如例如C形环和O形环能够实现的柔性公差(compliance tolerance)之内。
在任何选定温度下的温度补偿尺寸AT、BT和CT由下式定义AT＝AR(αA)(T-TR)(1)BT＝BR(αB)(T-TR)(2)CT＝CR(αC)(T-TR)(3)其中T是选择的温度，TR是参比温度，αA是夹持元件连接段5的材料的热膨胀系数，αB是补偿性分隔元件9的材料的热膨胀系数，αC是第二密封元件11的热膨胀系数，并且AR＝BR+CR。
在设计密封组件时，首先选择补偿性分隔元件9(BR)和密封元件11(CR)的参比尺寸、以及补偿性分隔元件9、第二密封元件11和连接段5的材料，使得在任何选择的温度下，密封组件的尺寸用下列式子描述|AT-(BT+CT)|≤0.002英寸 (4)
在参比温度(通常为环境温度)下组装密封组件部件，通过夹持元件在补偿性分隔元件9、第二密封元件11和柔性密封件或者弹簧型件(如果采用)上加载初始轴向载荷。例如，所述初始夹持力可以通过固定螺丝或者双头螺栓和螺栓提供，用以将段3和/或第二段7连接到连接段5上。可以采用其它公知方法来产生轴向夹持力或者压缩力。当如上所述正确选择了密封部件的系数和初始尺寸时，密封组件的初始轴向载荷在加热后将足以使得密封组件的部件在升高的温度下保持密封。
可以在界面区17、19和21的任一中提供密封组件的一个或多个工作密封件。工作密封件是在两个相邻表面之间提供有效的密封接触从而使整个密封组件的气体泄漏最小或者消除。工作密封件可以通过仔细加工的配合表面之间的界面形成，或者通过市售柔性密封元件比如例如C形环和O形环在界面区处形成。一个或多个工作密封件的位置取决于密封组件的实际构造和横跨密封组件的相对压差。密封组件可以连接到可以以下面举例说明的任何所需构造进行密封连接的管道系统或者容器系统上。在图1中，第一段3、第二段7和第二密封元件11的任一个可以连接到可以通过该密封组件进行密封连接的管道系统或者容器系统上。通常，补偿性分隔元件9与能够进行密封性连接的管道系统或者容器系统保持独立，不与其连接。
所述一般性密封组件可用于图2所示的实施方案中。密封组件201是环形组件，包括具有第一夹持段或者环203、夹持连接段205和第二夹持连接段207的夹持元件，第一密封元件或者补偿性分隔元件209，和中间密封元件211。在本实施方案中，夹持连接段205和第二夹持段207构成单块材料，从而形成夹持元件的第二环。中间密封元件21形成圆柱形管或者容器213的凸缘部分，由相同材料制备。夹持连接段205、第一密封元件或者补偿性分隔元件209、和中间密封元件211由不同材料制备。
第一夹持段或者环203通过固定螺丝可拆卸地连接到夹持连接段205上。固定螺丝通常用和夹持连接段205相同的材料制备，环203可以由与固定螺丝215和夹持连接段205相同的材料制备。可替换地，可以采用任何已知类型的固定装置。例如，双头螺栓可以旋入夹持连接段205中并延伸穿过第一夹持段或者环203中的螺栓孔，可以在双头螺柱上设置螺栓并将其紧固从而将第一夹持段或者环203连接到夹持连接段205上，在密封组件上产生轴向夹持力。
孔209延伸通过第二夹持段207，可用于通过螺纹连接或者焊接连接来连接第二管或者容器(未示出)，从而使得密封元件201在第二管或容器和管或容器213之间提供操作密封。可替换地，第二夹持段207可以没有孔，因而充当密封圆柱形管或者容器213的帽子。
夹持元件迫使第一夹持段或者环203与柔性密封件221形成受迫性接触，由此迫使柔性密封件221与补偿性分隔元件209在界面区217处成受迫性密封接触，以及迫使第二夹持元件207与中间密封元件211在界面区223处形成受迫性密封接触。柔性密封件221可以例如是合适的市售柔性垫圈、O形环、C形环或者其它密封装置。例如，AdvancedProducts Company，Inc。生产的金属C-环或者金属O-环可以用于这种场合。补偿性分隔元件209和中间密封元件211被迫在界面区223处发生受迫性接触，从而向柔性密封件221上施加轴向载荷。
夹持连接段205的特征在于尺寸D，该尺寸位于由第一夹持段或者环203在界面区217处的表面形成的平面和由第二夹持段207在界面区223处的表面形成的平面之间。补偿性分隔元件209的特征在于尺寸B，该尺寸是由补偿性分隔元件在界面区217处的表面形成的平面和补偿性分隔元件在界面区225处的表面形成的平面之间的垂直或者轴向距离。第二密封件211的特征在于尺寸C，该尺寸是由第二密封元件211在界面区225处的表面形成的平面和由第二密封元件在界面区223处的表面形成的平面之间的垂直或者轴向距离。
界面区217包括柔性密封件221，以提供针对密封组件201的密封力。可替换地，界面区217可以是通过第一段203和补偿性分隔元件209上的平整表面之间的接触形成的界面。界面区223可以是通过第二段207和第二密封元件211上的平整表面之间的接触形成的界面。可替换地，界面区223可以包含中间件(未示出)，比如柔性密封件。界面区225是通过补偿性分隔元件209和第二密封元件211上的平整表面之间的接触形成的界面。
如上所述，尺寸A是尺寸B和C的和。尺寸A等于连接段205位于以下两个平面之间的部分由补偿性分隔元件209在界面区217处的表面所形成的平面，和由第二密封元件211在界面区223处的表面所形成的平面。尺寸D是夹持元件在界面217和223处的面之间的距离。在该实施方案中，尺寸D和尺寸A的区别在于柔性密封件221的高度。
通过选择密封组件201的部件的材料和参比尺寸，对该组件进行设计。具体而言，正确选择补偿性分隔元件209(BR)和密封元件211(CR)的参比尺寸、补偿性分隔元件209、第二密封元件211和连接段205的材料。连接段205的热膨胀系数在补偿性分隔元件209和第二密封元件211的热膨胀系数之间。密封部件在环境条件下组装，通过夹持元件施加初始轴向压缩力。随后，例如通过加热到选定温度T改变所完成的密封组件。由于正确选定了上面定义的参数，在选定温度下温度补偿的尺寸AT不同于温度补偿的尺寸BT与CT的和，绝对差值小于大约0.002英寸，如上述式子(4)所定义的那样。
在图2的可替换实施方案中，可以在界面223处采用平整的柔性密封垫圈来代替柔性密封件221。另外，在界面217处可以安装弹簧型压缩环(未示出)，用以保持对密封组件的轴向载荷以及补偿在密封元件被加热时可能出现的密封元件尺寸之间的小差别。可以在第二密封元件或者凸缘211的界面区223处的平面中切割环形沟槽，以容纳所述压缩环。
在图2的另一可替换实施方案中，取消了补偿性分隔元件209。夹持连接段205由第一材料制备。第一夹持段或者环203、夹持连接段205和第二夹持段207都可以由相同的第一材料制备。第二密封元件或者凸缘211由第二材料制备。在本替换方案中，夹持连接段205的第一材料的热膨胀系数小于第二密封元件或者凸缘211的第二材料的热膨胀系数。
在该替换性实施方案中，尺寸C′定义为在第二夹持段207和第二密封元件或者凸缘211之间界面223处的距离。当处于参比温度下、组装了密封组件并且施加了轴向力以压缩柔性密封件221之后，第二夹持段207和第二密封元件或者凸缘211在界面223处的距离是参比距离C′R。另一参数A′定义为尺寸C和C′的和。在该替换方案中，在设计密封元件时选择第一材料、第二材料、第二密封元件或者凸缘211在参比温度的尺寸C(即CR)和参比温度的尺寸C′(即C′R)，以使在任何选定温度下
|AT-CT)|≤0.002英寸 (5)其中在任何选定温度下的温度补偿性尺寸AT和CT由如下式子定义AT＝AR(αA)(T-TR) (6)CT＝CR(αC)(T-TR) (7)其中T是选定温度，TR是参比温度，αA是第一材料的热膨胀系数，αC是第二材料的热膨胀系数，αA＜αC，和AR＝CR+C′R。
尽管和前述图2的实施方案相比，本替换性实施方案的设计参数更少，材料选择方法更加受限，但是可能有些情况下需要这种替换性密封组件的实际特征。
图1的一般性密封组件可用于图3所示的替换性实施方案中。在该实施方案中，密封组件301在带凸缘的柱状管或者容器303和305之间形成。密封组件采用环形夹持元件，包括第一夹持段307、与第一夹持段307相对的第二夹持段309、以及位于夹持段307及309之间的连接段311。夹持元件可以制成开口环的形式，以便安装在凸缘周围。可以通过螺栓313施加轴向夹持力。
在管303的凸缘317和管305的凸缘319之间设置了补偿性分隔环315。在补偿性分隔环315和凸缘317之间设置了柔性密封环321，在补偿性分隔环315和凸缘319之间设置了柔性密封环323。凸缘317和319分别是带凸缘的管或者容器303和305的整体部件。可以在补偿性分隔环315的面内切出沟槽(未示出)，用以定位和容纳柔性密封环。可替换地或者另外地，可以在凸缘317和/或凸缘319的面里切出沟槽(未示出)，用以定位和容纳弹性密封环。柔性密封环可以例如是合适的市售柔性垫圈、O形环、C形环或者其它密封装置。例如，AdvancedProducts Company，Inc。生产的金属C-环或者金属O-环可用于这种场合。
凸缘317厚度的特征在于尺寸C1，凸缘319厚度的特征在于尺寸C2，补偿性分隔环315尺寸的特征在于尺寸B。夹特元件307和夹持元件309的相对面之间的距离是D。C1、C2与B的和与D之间的差值即为补偿性分隔环315与凸缘317和319之间的距离之和。
带凸缘的柱形管303(包括凸缘321)、带凸缘的柱形管305(包括凸缘323)和补偿性分隔环315由不同的材料制备。第一夹持元件307、第二夹持元件309和连接元件311形成了单一件(夹持元件)，其由共同的材料制备。螺栓313通常是由与夹持元件部件相同的材料制备而成。
在一个实施方案中，带凸缘的柱形管303、夹持元件的部件和螺栓313由第一材料制备；补偿性分隔环315由第二材料制备；带凸缘的柱形管305由第三材料制备。在这个实施方案中，在设计密封元件时，对第一材料、第二材料、第三材料、补偿性分隔环315在参比温度下的尺寸B(即，BR)和凸缘319在参比温度下的尺寸C2(即，C2R)进行选择，以使在任何选定温度下|AT-(BT+C2T)|≤0.002英寸 (8)其中在任何选定温度下的温度补偿性尺寸AT、BT和C2T由以下式子定义AT＝AR(αA)(T-TR) (9)BT＝BR(αB)(T-TR) (10)C2T＝C2R(αC)(T-TR) (11)其中T是所选温度，TR是参比温度，αA是带凸缘的柱形管305(包括凸缘321)和夹持元件(包括连接元件311和螺栓313)的第一材料的热膨胀系数，αB是补偿性分隔环315的第二材料的热膨胀系数，αC是带凸缘的柱形管305(包括凸缘309)的第三材料的热膨胀系数，和AR＝BR+C2R。第一材料的热膨胀系数通常在第二和第三材料的热膨胀系数之间。
在另一实施方案中，带凸缘的柱形管(包括凸缘321)由第一材料制备，夹持元件的部件(包括连接元件311和螺栓313)由第二材料制备；带凸缘的柱形管305(包括凸缘323)由第三材料制备，以及补偿性分隔环315由第四材料制备。
在该实施方案中，在设计密封元件时，选择第一材料、第二材料、第三材料、第四材料、补偿性分隔环315在参比温度下的尺寸B(即，BR)、凸缘317在参比温度下的尺寸C1(即，C1R)和凸缘319在参比温度下的尺寸C2(即，C2R)，以使在任何选定温度下|AT-(BT+C1T+C2T)|≤0.002英寸(12)其中在任何选定温度下的温度补偿性尺寸AT、BT和C2T由下式定义AT＝AR(αA)(T-TR) (13)BT＝BR(αB)(T-TR) (14)C1T＝C1R(αC1)(T-TR)(15)C2T＝C2R(αC2)(T-TR)(16)其中T是所选温度，TR是参比温度，αA是带凸缘的柱形管303、夹持元件的部件、和螺栓313的第一材料的热膨胀系数，αB是补偿性分隔环315的第二材料的热膨胀系数，αC1是带凸缘的柱形管303的第三材料的热膨胀系数，αC2是带凸缘的柱形管305的第四材料的热膨胀系数，和AR＝BR+C1R+C2R。第一材料(夹持元件包括连接元件311和螺栓313)的热膨胀系数在第二材料(补偿性分隔环315)、第三材料(带凸缘的柱形管303，包括凸缘321)和第四材料(带凸缘的柱形管305，包括凸缘323)的热膨胀系数的最大值和最小值之间。
尽管具有四种不同材料的这种实施方案和前述具有三种不同材料的实施方案相比，要求更复杂的设计程序，但是这些实施方案的设计采用了和上面参考图1和2所述相同的一般性原理。在图3实施方案的任一替换方案中，可以采用图2的夹持元件来替换图3所示的夹持元件。
在图4中示出了另一种实施方案，采用替换方法向密封元件施加轴向力。在该实施方案中，采用带螺纹的夹持组件405将带凸缘的管或者容器401密封到带螺纹的管或者容器403上。带螺纹的夹持组件为环形，包括第一夹持元件407、带螺纹的夹持元件409、和位于第一夹持元件407和带螺纹的夹持元件409之间的连接元件411。带螺纹的管或者容器403具有带螺纹的并且使螺纹和带螺纹的夹持元件409相啮合的螺纹部分413以及不带螺纹的并且延伸到带螺纹部分以外的延展部分415。
第一夹持元件407的内径大于带凸缘的管或者容器401的主体部分的外径，连接元件411的内径大于带凸缘的管或者容器401的凸缘417的外径。带螺纹的夹持元件409的螺纹部分的内径也大于带凸缘的管或者容器401的凸缘417的外径。
在非螺纹延展部分415的面和凸缘417的面之间形成了工作密封，该密封由柔性密封环419提供。可以在非螺纹延展部分415的面和/或凸缘面中切出沟槽(未示出)，以定位和容纳柔性密封环。柔性密封环可以是例如合适的市售柔性垫圈、O形环、C形环或者其它密封装置。例如，Advanced Products Company，Inc.生产的金属C-环或者金属O-环可用于这种场合。通过旋转带螺纹的夹持组件来啮合并移动螺纹管或者容器403和带螺纹的夹持元件409上的螺纹，来施加轴向夹持力以使非螺纹延展部分415和凸缘417的面一起压靠在柔性密封环419上。非螺纹延展部分415的长度的特征在于尺寸B，凸缘417的厚度特征在于尺寸C。
在本实施方案中，带螺纹的夹持组件405(包括连接元件411)由第一材料制备，非螺纹延展部分415由第二材料制备，带凸缘的管或者容器401和凸缘417由第三材料制备。在设计密封元件时，选择第一材料、第二材料、第三材料、凸缘417在参比温度下的尺寸C(即，CR)、和非螺纹延展部分415在参比温度下的尺寸B(即，BR)，以使在任何选定温度下|AT-(BT+CT)|≤0.002英寸(17)其中在任何选定温度下的温度补偿性尺寸AT、BT和CT由下式定义
AT＝AR(αA)(T-TR)(18)BT＝BR(αB)(T-TR)(19)CT＝CR(αC)(T-Tx) (20)其中T是所选温度，TR是参比温度，αA是第一材料的热膨胀系数，αB是凸缘417的第二材料的热膨胀系数，和AR＝BR+CR。第一材料的热膨胀系数在第二材料和第三材料的热膨胀系数之间。第一材料的热膨胀系数可以小于第二材料的热膨胀系数。
在本实施方案的替换方案中，带螺纹的夹持组件405(包括连接元件411)和非螺纹延展部分415由第一材料制备，带凸缘的管或者容器401(包括凸缘417)由第二材料制备。包括螺纹部分的管403可以与螺纹夹持组件405(包括连接元件411)的材料相同；可替换地，包括螺纹部分的管403可以与螺纹夹持组件405(包括连接元件411)的材料不同。在该替换方案中，在设计密封元件时，选择第一材料、第二材料、凸缘417在参比温度下的尺寸C(即，CR)，和在参比温度下的尺寸C′(即，C′R)，以使在任何选定温度下|AT-CT)|≤0.002英寸 (21)其中在任何选定温度下的温度补偿性尺寸AT和CT由下式定义AT＝AR(αA)(T-TR) (22)CT＝CR(αC)(T-TR) (23)其中T是所选温度，TR是参比温度，αA是第一材料的热膨胀系数，αC是第二材料的热膨胀系数，和AR＝CR+C′R。
尺寸C′定义为界面418处非螺纹延展部分415的面和凸缘417的面之间的距离。当密封组件在参比温度下组装时，在柔性密封环419上加载初始轴向载荷，以便轻微压缩该环。那么，在参比温度下，界面418处，非螺纹延展部分415的面和凸缘417的面之间的距离就是尺寸C′R。在该替换实施方案中，第一材料(螺纹夹持组件405，包括连接元件411)的热膨胀系数小于第二材料(凸缘417)的热膨胀系数。
在上述任一实施方案中，密封组件的部件可以是金属和/或陶瓷。在一个实施方案中，密封组件的所有部件都可以是金属，密封组件可用于密封由不同材料制成的两个管或者容器。可替换的，密封组件的部件可以是金属和陶瓷，密封组件可用于将金属管或者容器密封到陶瓷管或容器上。在另一替换方案中，密封组件的部件可以是陶瓷，密封组件可用于密封具有不同热膨胀系数的两个陶瓷管或者容器。可用于密封元件的示例性金属包括Haynes 230、Haynes 188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693、和400-系列不锈钢。可用于密封元件的示例性陶瓷材料包括但不限于氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化镁、碳化硅、氮化硅和混合金属钙钛矿，包括(LaxSr1-x)yCoO3-z(其中1.0＞x＞0.4，1.02≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数)、和(LaxCa1-x)yFeO3-z(其中1.0＞x＞0.5，1.1≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数)。
实施例1为陶瓷材料La0.9Ca0.1FeO3-z研制了陶瓷-金属密封，其中金属夹持元件是Haynes 230，补偿性金属分隔元件是Incoloy 800H。密封采用的构造和图2的相似，除了在界面223处采用的是柔性垫圈以及在界面217处在第一夹持段或者环203的环形凹槽中安装了压缩性柔性环以外。表1给出了这三种材料的单位长度热膨胀行为和温度的函数关系。
表1部件材料的热膨胀行为

根据这些膨胀性质，选择参比尺寸AR、BR和CR，使得温度补偿性尺寸满足上述式子(4)。这些结果如表2所示。
表2部件匹配的长度尺寸(参见图2)

在表2中，环境温度下的A、B和C值分别是参比尺寸AR、BR和CR。在上述环境温度下的A、B和C值分别是温度补偿性尺寸AT、BT和CT。
可以发现，由式子(4)确定的净偏差绝不会超过千分之十英寸，这显然落在市售柔性元件比如金属C形环或者O形环的尺寸补偿能力之内。
实施例2为陶瓷材料La0.4Sr0.6CoO3-z研制了陶瓷-金属密封，其中金属夹持元件是Inconel 600，补偿性金属分隔元件是Haynes 230。密封组件的构造和实施例的相同。表3给出了这三种材料的单位长度热膨胀行为和温度的函数关系。
表3部件材料的热膨胀行为

根据这些膨胀性质，选择参比尺寸AR、BR和CR，使得温度补偿性尺寸满足上述式子(4)。这些结果如表4所示。
表4部件匹配的长度尺寸(参见图2)

在表4中，环境温度下的A、B和C值分别是参比尺寸AR、BR和CR。在上述环境温度下的A、B和C值分别是温度补偿性尺寸AT、BT和CT。
可以发现，由式子(4)确定的净偏差绝不会超过千分之二十英寸，这显然落在市售柔性元件比如金属C形环或者O形环的尺寸补偿能力之内。
权利要求
1.密封组件，包括(a)两个或多个密封元件，每个元件具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述密封元件的堆叠使得相邻面互相平行并且轴互相平行或重合，并且其中每个密封元件由具有热膨胀系数的材料制备；和(b)夹持元件，具有第一段、第二段、和位于第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中在夹持元件的第一和第二段之间设置有两个或多个密封元件，所述夹持元件用于在所述两个或多个密封元件上施加轴向夹持力，其中所述连接段具有在两个平面之间延伸的中心部分，所述两个平面一个是由与夹持元件第一段相邻的密封元件的面形成的平面，另一个是由与夹持元件第二段相邻的密封元件的面形成的平面，以及其中所述连接段由具有热膨胀系数的材料制成；其中，连接段材料的热膨胀系数在所述两个或多个密封元件的材料的热膨胀系数的最大值和最小值中间。
2.权利要求1的密封组件，进一步包括设置在相邻密封元件之间、夹持元件的段与相邻密封元件之间的任何界面区域处的柔性密封件。
3.密封组件，包括(a)第一密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(b)第二密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，所述轴与第一密封元件的轴平行或者重合，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备，和其中所述第二密封元件的第一面与所述第一密封元件的第二面成受迫性接触；和(c)夹持元件，用于将第一密封元件沿轴向推向第二密封元件，其中所述夹持元件具有与所述第一密封元件的第一面成受迫性接触的第一段、与所述第二密封元件的第二面成受迫性接触的第二段、以及位于所述第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一密封元件的第一面和第二密封元件的第二面形成的平面之间延伸的中心部分，通常与第一和第二密封元件的轴平行，并且由具有第三热膨胀系数的第三材料制备；其中第三热膨胀系数在第一和第二热膨胀系数之间。
4.权利要求3的密封组件，其中夹持元件的第一段和夹持元件的第二段的任一个永久性连接到夹持元件的连接段上。
5.权利要求3的密封组件，其中夹持元件的第一段和夹持元件的第二段的任一个可拆卸地连接到夹持元件的连接段上。
6.权利要求3的密封组件，其中第一材料选自Haynes 230、Haynes188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。
7.权利要求3的密封组件，其中第二材料选自氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化镁、碳化硅、氮化硅、混合金属钙钛矿、(LaxSr1-x)yCoO3-z，其中1.0＞x＞0.4，1.02≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数、和(LaxCa1-x)yFeO3-z，其中1.0＞x＞0.5，1.1≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数。
8.权利要求3的密封组件，其中第三材料选自Haynes 230、Haynes188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。
9.权利要求3的密封组件，其中第二密封元件由第一子部件和第二子部件构成，每种子部件各具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于第一和第二面并与第一密封元件的轴平行或者重合的轴，其中第一子部件的第一面是第二密封元件的第一面，其中第二子部件的第二面是与夹持元件的第二段受迫性接触的第二密封元件的第二面。
10.权利要求9的密封组件，其中所述夹持元件的第一段和夹持元件的第二段中的任一可拆卸地连接到夹持元件的连接段上。
11.权利要求3的密封组件，进一步包括设置在夹持元件的第二段和第二密封元件的第二面之间的柔性密封件。
12.权利要求3的密封组件，进一步包括设置在夹持元件的第一段和第一密封元件的第一面之间的柔性密封件。
13.权利要求3的密封组件，其中(1)第二密封元件是连接到具有外径的第一柱形管上的凸缘，其中所述凸缘具有外径；(2)夹持元件包括环形主体，所述主体具有形成夹持元件的第一段并具有内径和外径的第一环、形成夹持元件的连接段并具有内径和外径的第二环、以及形成夹持元件的第二段并具有内径和外径的第三环；(3)第一密封元件是具有内径和外径的补偿性分隔环；(4)形成夹持元件第一段的第一环的内径大于第一柱形管的外径；(5)补偿性分隔环的内径大于第一柱形管的外径，补偿性分隔环的外径小于形成夹持元件连接段的第二环的内径；和(6)凸缘的外径小于形成夹持元件连接段的第二环的内径。
14.权利要求13的密封组件，其中凸缘和第一柱形管由陶瓷材料制备，夹持元件是金属材料，补偿性分隔环是金属材料。
15.权利要求14的密封组件，其中所述第一材料选自Haynes 230、Haynes 188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。
16.权利要求14的密封组件，其中第二材料选自氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化镁、碳化硅、氮化硅、混合金属钙钛矿、(LaxSr1-x)yCoO3-z，其中1.0＞x＞0.4，1.02≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数、和(LaxCa1-x)yFeO3-z，其中1.0＞x＞0.5，1.1≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数。
17.权利要求14的密封组件，其中第三材料选自Haynes 230、Haynes 188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。
18.密封组件，包括(a)第一密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一密封元件具有由参比温度下的第一和第二面之间的轴向距离限定的第一参比尺寸，和其中第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(b)第二密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，所述轴与第一密封元件的轴平行或者重合，其中所述第二密封元件具有由参比温度下第一和第二面之间的轴向距离限定的第二参比尺寸，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备，和其中所述第二密封元件的第一面与所述第一密封元件的第二面接触；和(c)夹持元件，用于将第一密封元件沿轴向推向第二密封元件，其中所述夹持元件具有与所述第一密封元件的第一面成受迫性接触的第一段、与所述第二密封元件的第二面成受迫性接触的第二段、以及位于所述第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一密封元件的第一面和第二密封元件的第二面形成的平面之间延伸的中心部分，并且通常与第一密封元件以及第二密封元件的轴平行，和其中所述中心部分由具有第三热膨胀系数的第三材料制备；其中第一材料、第一密封元件的参比厚度、第二材料、第二密封元件的参比厚度、以及第三材料的值使得在任何选定温度下，|AT-(BT+CT)|≤0.002英寸其中AT＝AR(αA)(T-TR)，BT＝BR(αB)(T-TR)，和CT＝CR(αC)(T-TR)，其中T是选定的温度，TR是参比温度，AR是第一参比尺寸，BR是第二参比尺寸，AR是BR和CR的和，αA是第一材料的热膨胀系数，αB是第二材料的热膨胀系数，αC是第三材料的热膨胀系数。
19.陶瓷-金属密封组件，包括(a)环形补偿性分隔环，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、内径、外径和垂直于第一、第二面的轴，其中所述环形补偿性分隔环由具有第一热膨胀系数的第一金属制备；(b)柱形陶瓷管，具有内径、外径和在所述柱形陶瓷管端部形成的陶瓷凸缘，所述陶瓷凸缘具有外径，其中(1)环形补偿性分隔环的内径大于柱形陶瓷管的外径，并设置在陶瓷管周围，(2)陶瓷凸缘形成第二密封元件，所述第二密封元件具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于第一和第二面的轴，所述轴与环形补偿性分隔环的轴平行或者重合，(3)第二密封元件的第一面与环形补偿性分隔环的第二面成受迫性接触，和(4)陶瓷凸缘由具有第二热膨胀系数的陶瓷材料形成，和(c)环形夹持元件，用于将环形补偿性分隔环轴向推向第二密封元件，其中夹持元件具有与环形补偿性分隔环的第一面成受迫性接触的第一段、与第二密封元件的第二面成受迫性接触的第二段、以及位于第一和第二段之间并与第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段(1)具有在由环形补偿性分隔环的第一面和第二密封元件的第二面形成的平面之间延伸的中心部分，(2)通常平行于环形补偿性分隔环和第二密封元件的轴，和(3)由具有第三热膨胀系数的第二金属制备；其中第三热膨胀系数在第一和第二热膨胀系数之间。
20.权利要求19的陶瓷-金属密封组件，其中第一金属选自Haynes 230、Haynes 188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。
21.权利要求19的陶瓷-金属密封组件，其中第二金属选自Haynes 230、Haynes 188、Haynes 214、Incoloy 800H、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 693和400-系列不锈钢。
22.权利要求19的陶瓷-金属密封组件，其中陶瓷凸缘由选自下列的材料制备氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化镁、碳化硅、氮化硅、混合金属钙钛矿、(LaxSr1-x)yCoO3-z，其中1.0＞x＞0.4，1.02≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数、和(LaxCa1-x)yFeO3-z，其中1.0＞x＞0.5，1.1≥y＞1.0，z是使物质组成达到电荷平衡的数。
23.权利要求19的陶瓷-金属密封组件，其中所述陶瓷管由与陶瓷凸缘相同的材料制备，其中所述陶瓷管和陶瓷凸缘形成整体式带凸缘的陶瓷管。
24.密封组件，包括(a)密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(b)柔性密封件，与密封元件的第二面相邻；(c)夹持元件，具有其一面与所述密封元件的第一面成受迫性接触的第一段、其一面与所述柔性密封件成受迫性接触的第二段、以及位于所述第一和第二段之间并其面与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一段的面和第二段的面形成的平面之间延伸的中心部分，通常与密封元件的轴平行，并由具有第二热膨胀系数的第二材料制备，和其中夹持元件用于将密封元件沿轴向推向夹持元件的第二段的面用以压缩柔性密封件；其中第一热膨胀系数大于第二热膨胀系数。
25.制备和操作密封组件的方法，包括(a)在等于参比温度的温度下提供包括下列的密封组件(1)第一密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(2)第二密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，所述轴与第一密封元件的轴平行或者重合，其中所述第二密封元件由具有第二热膨胀系数的第二材料制备，和其中所述第二密封元件的第一面与所述第一密封元件的第二面成受迫性接触；和(3)夹持元件，用于将第一密封元件沿轴向推向第二密封元件，其中所述夹持元件具有与所述第一密封元件的第一面成受迫性接触的第一段、与所述第二密封元件的第二面成受迫性接触的第二段、以及位于所述第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一密封元件的第一面和第二密封元件的第二面形成的平面之间延伸的中心部分，并且通常与第一密封元件以及第二密封元件的轴平行，和由具有第三热膨胀系数的第三材料制备；(b)改变密封组件的温度至不同于参比温度的选定温度；和(c)维持密封组件在选定温度以使|AT-(BT+CT)|≤0.002英寸其中AT、BT和CT是由下式限定的温度补偿性尺寸AT＝AR(αA)(T-TR)，BT＝BR(αB)(T-TR)，和CT＝CR(αC)(T-TR)，其中T是选定的温度，TR是参比温度，BR是在参比温度下第一密封元件的面之间的轴向距离，CR是在参比温度下第二密封元件的面之间的轴向距离，αA是第一材料的热膨胀系数，αB是第二材料的热膨胀系数，αC是第三材料的热膨胀系数，和AR＝BR+CR。
26.制备和操作密封组件的方法，包括(a)在等于参比温度的温度下提供包括下列的密封组件(1)第一密封元件，具有第一面、通常与第一面平行的第二面、以及垂直于所述第一和第二面的轴，其中所述第一密封元件由具有第一热膨胀系数的第一材料制备；(2)与密封元件的第二面相邻的柔性密封件；(3)夹持元件，具有第一段、第二段和连接段，所述第一段具有与所述密封元件的第一面成受迫性接触的面、所述第二段具有与所述柔性密封件成受迫性接触的面、以及位于所述第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中所述连接段具有在由第一段的所述面和第二段的所述面形成的平面之间延伸的中心部分，通常与所述密封元件的轴平行，并且由具有第二热膨胀系数的第二材料制备，和其中采用夹持元件将密封元件沿轴向推向夹持元件的第二段的所述面以压缩所述柔性密封件；(b)改变密封组件的温度至不同于参比温度的选定温度；和(c)维持密封组件在选定温度以使|AT-CT)|≤0.002英寸其中AT和CT是由下式限定的温度补偿性尺寸AT＝AR(αA)(T-TR)CT＝CR(αC)(T-TR)其中T是选定的温度，TR是参比温度，αA是第一材料的热膨胀系数，αC是第二材料的热膨胀系数，CR是在参比温度下密封元件的第一面和第二面之间的轴向距离，C′R是参比温度下密封元件的第二面和夹持元件的第二段的所述面之间的轴向距离，和AR＝CR+C′R。
全文摘要
密封组件，包括(a)两个或多个密封元件，每个元件具有热膨胀系数；和(b)夹持元件，具有第一段、第二段、以及位于第一和第二段之间并与所述第一和第二段连接的连接段，其中在夹持元件的第一和第二段之间设置有两个或多个密封元件。所述连接段具有在夹持元件的第一段和夹持元件第二段之间延伸的中心部分，和所述连接段由具有热膨胀系数的材料制备。连接段材料的热膨胀系数在所述两个或多个密封元件的材料热膨胀系数的最大值和最小值中间。
文档编号F16L23/16GK1967020SQ20061014922
公开日2007年5月23日 申请日期2006年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者E·明福特 申请人:气体产品与化学公司