专利名称：用于高压泵送系统的密封件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新颖和改进的凸缘密封件。特别是，本发明涉及一种适用于高压装置例如色层(chromatography)泵的凸缘密封件。
背景技术：
高压液体色层法(HPLC)通常需要使得要分离或分析的试样组分溶解于流动相液体称为洗提剂中，并通过该液体传送至固定相也就是色层柱。HPLC洗提剂输送系统用于供给液体，并将具有溶解试样的液体输送至色层柱。从基本大气压至大约每平方英寸几千磅压力的范围内选定的压力共同将液体压入柱中。专门设计的HPLC泵用于承受极大压力，并在平稳和均匀的方式下以精确控制流量输送该液体。
HPLC泵通常是活塞泵。HPLC泵的泵头部常常利用专用高压密封件，往复运动活塞穿过该密封件延伸。例如，如图2所示，泵包括泵头部31和往复运动活塞32，该往复运动活塞32穿过泵头部31延伸。活塞32还穿过由标号36表示的常规的密封件延伸并沿活塞32中心线的方向往复运动。该常规的密封件通常包括密封件本体37，活塞32穿过该密封件本体37延伸。O形环38用于密封抵靠泵头部31的内部空腔壁41，如图2所示。
缺点是常规密封件的结构可能导致O形环38的磨损和颗粒化。特别是，当HPLC工作时，活塞32往复运动并使得泵内的工作流体增压和减压，这可能使得O形环38前后运动或横向运动，如图2所示。O形环38的这种运动使得该O形环与内部腔壁41产生摩擦，从而引起O形环的磨损、颗粒化和/或其它损耗，这依次可能导致流过泵的工作流体和/或流动相的污染。特别是，O形环38可以由含氟聚合物材料形成，且将这种颗粒引入流过泵的流体流能够导致使用该常规密封件的色层系统产生氟污染。此外，O形环可能包含离子或有机污染物，这些离子或有机污染物能够浸出至流体流内。
其它常规泵密封件由惰性聚合物环构成，该惰性聚合物环包含增能内部部件，该内部部件向泵头部和泵活塞传递压缩力。这样的常规泵密封件的实例如美国专利No.4453898、4260342和4173437中所述，它们表示出了双活塞往复运动泵组件。
多种材料用于聚合物环和增能内部部件，但是通常，用于HPLC用途的惰性聚合物环利用含氟聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)或TEFLON，而增能内部部件典型的是不锈钢弹簧或弹性体O形环。其缺点是，在正常工作条件下，泵送流体可能直接或间接地与增能内部部件接触。
因此，必须根据流过HPLC泵的泵送流体来选择增能密封部件的具体材料。例如，不锈钢增能弹簧适用于非极性泵送流体，例如二氯甲烷或己烷。但是，不锈钢并不适用于酸性泵送流体，因为该流体可能腐蚀弹簧和污染下游的色层组分。同样，对于腐蚀性的酸性泵送流体可以选择的弹性体材料与相对非极性溶剂例如二氯甲烷、四氢呋喃(THF)或己烷大不相容。这些溶剂吸取杂质，这可能导致色层装置的性能明显降低，这又可能导致均等状态下的较高背景水平和在倾斜状态下的虚假峰值。最清洁和问题最少的O形环材料典型是非常昂贵的、基于O形环的流动聚合物。因此，泵送系统需要各种不同的泵密封件，当从一种溶剂转换成另一种溶剂时必须更换该泵密封件，从而大大增加了复杂性，这就可能损害泵的维护和/或相对大的附加成本。
因此需要一种改进的高压密封件，它克服了已知密封件的上述和其它缺点。
发明内容
概括地说，本发明的一个方面涉及一种用于高压泵送系统的密封件，它包括增能(energizing)密封部件，该密封部件有穿过延伸的小孔；以及密封套部件，该密封套部件有基座和从该基座延伸的喇叭形隔膜。该喇叭形隔膜穿过小孔延伸，并围绕增能密封部件。
优选的是，增能密封部件为圆环形，且在一个实施例中是O形环。增能密封部件可以由弹性体材料形成。也可选择为增能密封部件可以是由不锈钢和/或其它合适材料形成的弹簧。
优选的是，喇叭形隔膜从本体轴向延伸，并围绕增能密封部件。优选的是，喇叭形隔膜围绕增能密封部件，并与基座的一部分交叠。在一个实施例中，密封套部件环绕增能密封部件形成。密封套部件可包括从基座径向向外延伸的凸缘。
优选的是，密封套部件由惰性聚合物密封材料形成。密封套部件可以由含氟聚合物形成。优选的是，本体和喇叭形隔膜整体形成。优选的是，喇叭形隔膜的结构和尺寸设置成使得增能密封部件与泵送系统的流体隔离。
本发明的另一方面涉及一种用于高压泵送系统的密封件，它包括增能密封部件，该密封部件由弹性体材料形成，并有穿过延伸的小孔；以及密封套部件，该密封套部件有基座和从该基座延伸的圆环喇叭形隔膜。本体和喇叭形隔膜由惰性聚合物密封材料整体形成。喇叭形隔膜穿过小孔延伸，并围绕增能密封部件，以便使增能密封部件与泵送系统的流体隔离。
优选的是，喇叭形隔膜从本体轴向延伸，并围绕增能密封部件。优选的是，喇叭形隔膜围绕增能密封部件，并与基座的一部分交叠。在一个实施例中，密封套部件环绕增能密封部件形成。在一个实施例中，密封套部件包括从基座径向向外延伸的凸缘。
本发明的一个目的是提供一种改进的、用于高压泵送系统的密封件。
本发明的另一目的是提供一种改进的密封件，该密封件设计和设置成减少和减小和/或防止O形环磨损。
本发明的还一目的是提供一种改进的、用于HPLC泵的高压密封件，该密封件能够减小对流过泵的流体的污染。
用于高压泵送系统的本发明密封件具有其它特征和优点，这些特征和优点通过附图和随后对发明的详细说明可得知，或者结合附图和随后对发明的详细说明中详细介绍，附图包含在说明书中并形成说明书的一部分，且附图与详细说明一起用于解释本发明的原理。
图1是利用根据本发明的、用于高压泵送系统的密封件的HPLC泵的分解透视图；图2是安装在高压泵的泵头部中的现有技术密封件的侧剖视图；图3是根据本发明的、安装在高压泵的泵头部中的密封件的侧剖视图；图4是图3的凸缘密封件的放大侧剖视图；图5是根据本发明的、用于高压泵送系统的具有变型密封套的另一密封件的侧剖视图；
图6是具有在初始位置的喇叭形隔膜的图3凸缘密封件的透视图；图7是具有在中间位置的喇叭形隔膜的图3凸缘密封件的透视图；图8是具有在最终位置的喇叭形隔膜的图4凸缘密封件的透视图；图9是用于形成图3的本发明凸缘密封件的凸缘形成装置的透视图；图10是图9的装置的一部分的放大侧剖视图；图11是变型的、用于形成图3的本发明凸缘密封件的凸缘形成装置的剖视图，该装置表示为处于中间位置；图12是图11的表示处于最终位置的凸缘形成装置的剖视图；图13是根据本发明的、用于高压泵送系统并安装在变型的泵头部内的另一密封件的侧剖视图，该凸缘密封件包括两个O形环和变型的密封套；图14是根据本发明的、用于高压泵送系统的带有变型密封套的另一密封件的侧剖视图。
具体实施例方式
下面将详细介绍本发明的优选实施例，附图中表示了优选实施例的实例。尽管将结合优选实施例介绍本发明，但是应当理解，本发明并不局限于这些实施例。相反，本发明将覆盖可能包含在由附加权利要求确定的本发明构思和范围内的替换、变型和等同形式。
下面参考附图，在这些附图中，相同部件以相同附图标记表示，注意图3，该图3表示了HPLC泵30，根据本发明的、形成为圆环形的环绕密封件50能够用于该HPLC泵30。应当理解，密封件50适于用作根据本发明的所有高压泵送系统的泵密封件。
参考图1，HPLC泵30是活塞泵，该活塞泵沿形成流动相的洗提剂供给管路42泵送色层洗提剂，以便以公知方式将洗提剂输送给色层柱。HPLC泵30包括往复运动的柱塞或活塞32，它们可操作地延伸入由HPLC泵30的泵头部31形成的高压腔或头部腔中。活塞32由蓝宝石、锆、陶瓷或其它已知的合适材料形成。高压腔31通过一个或多个高压密封件50而局部流体密封，柱塞32穿过该高压密封件50。
如图1所示，高压密封件50的后侧可跟随有较小的支承环52和密封环53。洗涤腔54可用于减少和/或防止由于色层洗提剂穿过密封件50泄漏而在高压密封件的后侧生成盐结晶。
在图3所示的一个实施例中，形成圆环形或环绕的密封件50包括密封套57，该密封套57有孔58，活塞32往复运动地穿过该孔58延伸。密封件50还包括增能密封部件59。增能密封部件59首先提供压缩力，以便使得密封套与活塞32和空腔壁41密封啮合。另外，增能密封部件59还可以限定密封件50的端部形状，例如限定密封件的前部增压部分的形式或形状。增能密封部件59具有穿过的小孔，且在一个实施例中，该增能密封部件59为O形环的形式。优选的是，密封套57由聚合物材料形成，用于密封件本体的合适材料包括但不局限于聚四氟乙烯(PTFE)或TEFLON、超高分子量的聚乙烯、未填充聚丙烯、填充TFE的聚丙烯、聚酰亚胺和PEEK。另外，密封套可以由混合有其它性能增强剂例如TEFLON的一种或多种这些材料而形成。
优选的是，增能密封部件59由聚合物O形环或金属弹簧形成。用于O形环的合适材料包括但不局限于氟硅酮(FVMQ)、聚丙烯(ACM、ANM)、聚硫化物(T)、硅酮(Q)、碳氟化合物(FKM)、全氟化碳(FFKM)、氟磷酸腈(FZ)、全氟聚酯(FFKM)、氯丁磷聚乙烯cholrosulfonated polyethylene(CSM)、乙烯/丙烯/二烯烃或三元乙丙橡胶(EPDM)、乙烯/丙烯或乙烯丙烯共聚物(EPM)、异丁烯/异戊二烯或丁基橡胶(IIR)、氯丁橡胶(CR)、尿烷、聚醚型聚氨酯(EU)、表氯醇(CO、ECO)、聚氧化丙烯(GPO)、丁二烯/丙烯腈或丁纳橡胶(NBR)、丁二烯/苯乙烯或丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、顺式1，4聚异戊二烯橡胶(NR、IR)、聚酯型聚氨酯(AU)、乙烯-丙烯(EPR)、合成橡胶和橡胶料例如VITON(由DuPont Dow Elastomers L.L.C of Wilmington Delaware制造)、以及腈(丁腈橡胶)。
也可选择为增能密封部件由其它材料形成，以便提供用于将喇叭形隔膜压靠在泵的内部空腔壁上、以及将基座压靠在泵的活塞上的压缩力。例如，增能密封部件可以是由不锈钢、钛或其它合适材料形成的弹簧。另外，弹簧可以涂覆有TEFLON、蓝宝石、碳和/或其它合适的涂层材料。
参考图3，密封套57包括大致呈柱形的基座63，活塞32往复运动地穿过该基座63延伸。环形凸缘60从柱形基座63的一端径向向外延伸。尽管所示密封套57为柱形，但是应当理解，也可以根据本发明使用其它形状。例如，高压密封件可以有椭圆形密封件本体或其它几何形状本体。
喇叭形的隔膜64从柱形基座63的另一端轴向延伸，并有圆环形状构形，这样，喇叭形隔膜64通过O形环59延伸，并环绕O形环折回，且与密封套的柱形基座63的一部分交叠，如图3所示。喇叭形隔膜64的这种交叠结构提供了惰性聚合物密封件，该惰性聚合物密封件实际上环绕基于O形环的增能密封部件59，并使它与泵30的流体通路隔离，从而减少和/或防止污染物从O形环中析出。因为O形环59通过凸缘隔膜64而隔离，因此单个O形环材料能够用于多种泵送流体。
喇叭形的隔膜可以环绕O形环模制或形成。优选的是，密封套57的喇叭形隔膜64环绕O形环59形成，以便与O形环交叠，这时，密封表面64能够很容易形成为使得在密封点的接触面积最大的形状，如图3所示。喇叭形隔膜从孔58开始环绕O形环59延伸至少大约180°，并经过增能器部件的中心线CL，也如图3所示。在形成环绕的喇叭形隔膜64之前，密封套57可以机械加工和/或以其它方式形成为预定几何形状。
优选的是，密封套57单独形成。喇叭形隔膜64和柱形基座63由相同的基材形成。
密封件50可以利用顺序冲模技术或其它方法形成。例如，密封套57可以机械加工成预定的未成形或初始几何形状，其中，在第一位置喇叭形隔膜64从柱形基座63径向向外延伸，如图6所示。当增能部件59就位后，喇叭形隔膜64可压制或以其它加工通过中间位置；如图7所示；至扣装或最终位置，这时它使得增能部件隔离，如图8所示。
在图9的实施例中，凸缘形成装置80可以用于形成本发明的密封件50的最终要求的几何形状。在本实施例中，凸缘心轴82在形成过程中以竖直方位支承密封件50，如图10中更清楚所示。心轴可以是特殊形状，以便使得它所接触的密封件表面形成最终要求的几何形状。
心轴82朝着密封件形成台板83向下运动。密封件形成台板可以进行温度控制。密封件形成台板83包括凸缘形成腔85，该凸缘形成腔85形成凸缘的细节或喇叭形隔膜64的最终形状。应当理解，凸缘形成腔的形状可以变化，以便形成不同最终几何形状或所要求的凸缘形状。该过程可以通过进行一次或多次的顺序冲模，以便获得喇叭形隔膜64的最终形成的几何形状或要求的形状。
一个或多个弹簧负载的套筒87、88可以布置在凸缘形成腔85中，以便帮助定位和使得喇叭形隔膜64运动至它的最终或成形位置。另外，弹簧负载套筒87、88可以用于帮助密封件50从空腔85中排出。
密封件形成台板83可以包括一个或多个气动排出凸缘形成腔89，用于形成密封件50的喇叭形隔膜。各气动推出腔89包括空气入口86，以便能够通过已知的气动装置将密封件50从凸缘形成腔89中排出。应当理解，根据本发明，机械或其它合适装置也可以用于将密封件50从凸缘形成腔89中排出。
在图11所示的另一实施例中，凸缘形成装置90可以用于形成喇叭形隔膜64的密封表面的最终要求的几何形状。在本实施例中，密封件50由凸缘心轴92支承，该凸缘心轴使得密封套57和增能部件59保持在竖直方位，如图11所示。在形成处理过程中，心轴92以与上述心轴82类似的方式支承密封件。
心轴92朝着密封件形成台板93向下运动，该台板也可以进行温度控制。密封件形成台板93包括凸缘形成腔95，该凸缘形成腔95形成凸缘的细节或喇叭形隔膜64的最终形状。
密封件形成台板93可以包括空气入口96，以便于通过已知的气动装置将密封件50从凸缘形成腔95中排出。应当理解，根据本发明，机械或其它合适装置也可以用于将密封件50从凸缘形成腔中排出。
优选的是，本发明的结构提供了一种密封件，该密封件具有完全由密封套包围的O形环或其它增能器，从而完全消除了O形环或其它增能器与泵的空腔壁的接触，因此减少和/或防止O形环或其它增能器的磨损。通过在O形环或其它增能器上面形成聚合物外套的圆环凸缘，密封件的结构使得O形环或其它增能器脱离与流体接触。因此，也防止了由O形环或其它增能器微粒引起的流体污染的可能性。
优选的是，本发明的高压密封件提供了用于使弹性体增能器；也就是O形环或其它增能器；与流过流体系统的泵的泵送流体隔离的装置。特别是，本发明的高压密封件减少了被从弹性体增能器中浸出的泵送流体的污染，同时减少和/或防止对增能器部件的腐蚀。通过防止弹性体增能器部件和磨损表面例如泵的空腔壁表面之间的直接接触，密封件的寿命将增至最大。
密封件的增能密封部件的较低腐蚀水平和浸出性促使基线(baseline)更清洁，并提高了对于各种色层用途的性能。
本发明的高压密封件也使得密封件的寿命更长，因为将保护密封件的增能元件；例如O形环或其它增能器；防止了泵送流体的损害。而且，该高压密封件有利于使得泵的起动性能等于或优于常规的泵密封件。这通过消除在常规密封件设计中产生的捕获空气而实现。
应当理解，本发明的高压密封件的结构可以根据本发明而变化。参考图5，可选择的高压密封件50a与上述高压密封件50类似，但是包括改型的密封套57a。相同附图标记用于描述本发明的高压密封件的相同部件。
如图5所示，密封套57a包括喇叭形隔膜64a，该喇叭形隔膜64a从柱形基座63a的端部轴向延伸。喇叭形隔膜64a为圆环形结构，这样，喇叭形隔膜64a以与上述相同的方式通过O形弹簧59a延伸并环绕该弹簧回折。但是，密封套57a并没有上述实施例的环形凸缘。实际上，柱形基座63a的最外表面69的外径基本等于喇叭形隔膜64a的外径。该结构使得本发明的高压密封件50a能够用于没有设置成接收环形安装凸缘的泵和其它高压装置。
应当理解，本发明的高压密封件可以包括多个包围各O形环的喇叭形隔膜，相同附图标记用于高压密封件50和50a的相同部件。如图13所示，除去包括两个喇叭形隔膜外，高压密封件50b类似于上述的高压密封件50和50a，密封套57b包括第一喇叭形隔膜64b，该第一喇叭形隔膜64b从柱形基座63b的端部轴向延伸。第一喇叭形隔膜64b具有圆环形结构，这样，第一喇叭形隔膜64b以与上述类似的方式经过第一O形环59b延伸并环绕该第一O形环回折。
密封套57b还包括第二喇叭形隔膜70，该第二喇叭形隔膜70以与上述第一喇叭形隔膜64b相同的方式从放大直径部分71的端部延伸。特别是，第二喇叭形隔膜70为圆环形结构，这样，第二喇叭形隔膜70经过第二O形环74延伸并环绕该O形环回折，如图13所示。尽管所示实施例的第二喇叭形隔膜和相应的第二O形环的直径大于第一喇叭形隔膜和O形环，但是应当理解，根据本发明，第二隔膜和相应O形环的尺寸可以与第一隔膜和O形环相同或更小。而且，应当理解，本发明的高压密封件能够有一个、两个、三个或更多相同和/或变化尺寸的O形环、以及相应数目的定尺寸的包围各O形环的喇叭形隔膜。
尽管所示密封套57b有向外延伸的环形凸缘60b，但是应当理解，根据本发明，并不必须提供径向向外延伸的凸缘。
下面参考图14，另一可选择的高压密封件50c与上述高压密封件类似，但是其包括变型的较大直径的密封套57c，也就是，与上述密封套相比，该密封套具有更大的直径-纵向长度比。如图14所示，密封套57c包括喇叭形隔膜64c，该喇叭形隔膜64c从柱形基座63c的端部径向向内延伸。喇叭形隔膜64c具有圆环形结构，这样，喇叭形隔膜64c以与上述类似的方式经过O形环59c延伸并环绕该O形环回折。与前述实施例相比，在本实施例中，喇叭形隔膜64c还进一步周向环绕O形环59c延伸，并环绕O形环超过180°。应当理解，喇叭形隔膜并不需要环绕O形环延伸180°，而是只需要延伸至使得喇叭形隔膜64c的末端边缘76与柱形基座63c的至少一部分交叠，从而使得喇叭形隔膜实际上包围O形环59c。
尽管所示密封套57c并没有向外延伸的环形凸缘，但是应当理解，根据本发明，也可以提供与前述实施例类似的向外径向延伸凸缘。
为了便于解释和准确定义附加权利要求，术语“内部”、“外部”、向上、向下以及类似术语是用于参考附图中所示的该特征位置来介绍本发明的特征。
在很多方面，各附图的变型形式与前述变型形式类似，在后面跟有后缀a、b和c的相同附图标记表示相同部件。
本发明特定实施例的上述说明是用于表示和说明的目的。它们并不是意旨或将本发明局限于所述的确切形式，显然，根据上述教导，可能有很多变型和改变。所选择和介绍的实施例是为了更好地解释本发明的原理和它的实践应用，从而使得本领域的其它技术人员能够更好地利用本发明，且不同实施例以及不同变型形式适用于特殊的用途。本发明的范围将由下面的权利要求和它们的等同物来确定。
权利要求
1.一种用于高压泵送系统的密封件，包括一具有穿过延伸的小孔的增能密封部件；以及一具有基座和从所述基座延伸的喇叭形隔膜的密封套部件，所述喇叭形隔膜穿过所述小孔延伸，并围绕所述增能密封部件，以便使得所述增能密封部件与泵送系统的流体隔离。
2.根据权利要求1所述的密封件，其中所述增能密封部件为圆环形。
3.根据权利要求1所述的密封件，其中所述增能密封部件是O形环。
4.根据权利要求1所述的密封件，其中所述增能密封部件由弹性体材料形成。
5.根据权利要求1所述的密封件，其中所述增能密封部件是弹簧。
6.根据权利要求5所述的密封件，其中所述弹簧由不锈钢形成。
7.根据权利要求1所述的密封件，其中所述喇叭形隔膜围绕所述增能密封部件，并与所述基座的一部分交叠。
8.根据权利要求1所述的密封件，其中所述密封套部件环绕所述增能密封部件形成。
9.根据权利要求1所述的密封件，其中所述密封套部件包括从所述基座径向向外延伸的凸缘。
10.根据权利要求1所述的密封件，其中所述密封套部件由惰性聚合物材料形成。
11.根据权利要求1所述的密封件，其中所述密封套部件由聚合物形成。
12.根据权利要求1所述的密封件，其中所述本体和所述喇叭形隔膜整体形成。
13.根据权利要求1所述的密封件，其中所述喇叭形隔膜的结构和尺寸设置成使得所述增能密封部件与泵送系统的流体隔离。
14.根据权利要求1所述的密封件，其中所述喇叭形隔膜从所述本体轴向延伸并围绕所述增能密封部件。
15.一种用于高压泵送系统的密封件，包括一由弹性体材料形成并具有穿过延伸的小孔的增能密封部件；以及一具有基座和从所述基座延伸的圆环喇叭形隔膜的密封套部件，所述本体和所述喇叭形隔膜由惰性聚合物密封材料整体形成，所述喇叭形隔膜穿过所述小孔延伸，并围绕所述增能密封部件，以便使所述增能密封部件与泵送系统的流体隔离。
16.根据权利要求15所述的密封件，其中所述喇叭形隔膜围绕所述增能密封部件，并与所述基座的一部分交叠。
17.根据权利要求15所述的密封件，其中所述密封套部件环绕所述增能密封部件形成。
18.根据权利要求15所述的密封件，其中所述密封套部件包括从所述基座径向向外延伸的凸缘。
19.根据权利要求15所述的密封件，其中所述喇叭形隔膜从所述本体轴向延伸，并围绕所述增能密封部件。
全文摘要
一种高压泵送系统，包括增能密封部件，其具有穿过延伸的小孔；以及密封套部件，其具有基座和从该基座延伸的、圆环喇叭形隔膜。本体和喇叭形隔膜由惰性聚合物密封材料整体形成。喇叭形隔膜穿过小孔延伸并围绕增能密封部件，以便使增能密封部件与泵送系统的流体隔离。喇叭形隔膜从本体轴向延伸并围绕增能密封部件。喇叭形隔膜可以围绕增能密封部件并与基座的一部分交叠。密封套部件可以环绕增能密封部件形成。密封套部件可包括从基座径向向外延伸的凸缘。
文档编号F04B53/00GK1732348SQ200380107502
公开日2006年2月8日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年11月22日
发明者乔治·N·普罗珀 申请人:迪奥尼克斯公司