专利名称：无润滑运行的活塞杆密封装置和通过无润滑运行的活塞杆密封装置密封活塞杆的方法
技术领域：
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的无润滑运行的活塞杆密封装置。本发明还涉及如权利要求12前序部分所述的通过无润滑运行的活塞杆密封装置密封活塞杆的方法由文献EP 0933566 A1已知用于具有纵向移动活塞杆的无润滑运行的活塞压缩机的无润滑运行的活塞杆密封装置。这种无润滑运行的密封装置包括由无润滑运行的材料例如碳、石墨或塑料制成的密封部件。该密封部件具有密封面，它顶靠在活塞杆上，并且由此构成相对于活塞杆摩擦的接触密封。这种摩擦增加密封部件的磨损，其中密封部件的密封效果在超过最大允许磨损时剧烈减小，并且相对较快地更换密封部件。密封部件在活塞杆上的摩擦还产生难以排出的摩擦热，其后果是，必需限制要被密封的最大压力差或者平均活塞速度。已知的用于无油密封气体的活塞杆密封系统(也称为填料或无润滑运行的密封装置)处于高的机械和热负荷下，这导致不利的后果，即限制了密封部件的使用寿命、要被密封的最大压力差以及平均活塞速度。
本发明的目的是，提供一种更有利的无润滑运行的密封装置以及一种更有利的通过无润滑运行的密封密封活塞杆的方法。
这个目的通过具有权利要求1特征的无润滑运行的密封装置得以实现。从属权利要求2至11还涉及其它有利的无润滑运行的密封装置。这个目的还通过具有权利要求12特征的方法得以实现。从属权利要求13至16涉及其它有利的方法步骤。
这个目的尤其通过用于密封可纵向移动支承的活塞杆的无润滑运行的活塞杆密封装置得以实现，它包括至少一个具有密封面的密封部件、促动器、传感器以及空腔环，在其内部设置密封环，其中促动器相对于密封部件具有功能连接，使密封面可以径向相对于活塞杆移动，并且根据传感器获得的测量值控制促动器。
按照本发明的无润滑运行的密封装置的优点是，借助于促动器可以控制密封部件或其密封面相对于活塞杆表面的位置并因此是变化的，由此一方面有利地避免，密封面顶靠在活塞杆上，另一方面可以再调节密封面与活塞杆之间的间隙宽度，最好使缝隙宽度保持尽可能地小。
因此在按照本发明的用于密封可纵向移动支承的活塞杆的方法中可以根据可测量的无润滑运行的活塞杆密封装置的数值、也称为控制值受控地改变密封部件的位置。适合作为控制值的例如是密封面与活塞杆表面之间的间隔、活塞杆温度、泄漏量、密封部件在活塞杆上的顶压力或者两个密封部件之间的压力差，其中借助于传感器获得这个控制值，将这个控制值输送到一个调节装置，并且调节装置控制促动器并由此控制密封部件的位置或者其密封面的位置，直到控制值对应于给定的理论值。例如控制密封面的位置，使密封环上的压力降位于给定数值范围以内或者位于给定的数值上。例如也可以控制密封面的位置，在每个可控的密封环上产生基本相同的压力降。
最好调节密封部件的位置，使得在密封面与活塞杆之间保持无接触的间隙密封，该间隙密封具有小于毫米的微小间隙宽度，例如在0至0.3mm范围的间隙宽度。也可以控制密封部件，使得通过密封部件的密封面没有或具有可忽略的小顶压力地顶靠在活塞杆上，使间隙宽度为零。因为密封部件不接触或几乎不接触活塞杆，密封部件没有或只有极其微小的磨损，由此只需极少地更换密封部件并且可以使无润滑运行的密封装置在长时间期间无维护地运行。按照本发明的无润滑运行的密封装置的优点是，最好在每个密封部件上的压力差都是可控的。由此尤其可以避免，在一个或几个密封部件上产生过高压力差和相应高磨损。已经证实，对于不可控的密封部件一定的密封部件经常过度磨损并由此使功能削弱，由此使其它密封部件处于过度磨损，因此通过这种链式反应相对较快地使整个无润滑运行的密封装置失效。按照本发明的装置当密封部件沿着活塞杆相互衔接设置时防止这种不可控的链式反应。
按照本发明的无润滑运行的密封装置的另一优点是，所述密封部件的密封面不接触或几乎不接触运动的活塞杆表面，由此不产生或只产生微少的摩擦热。
因此按照本发明的活塞杆密封装置以微少的泄漏具有长使用寿命，并且尤其也适用于高压力差和/或高平均活塞杆速度或活塞速度。因此按照本发明的活塞杆密封装置能够形成具有高输送能力的无润滑运行的压缩机。此外按照本发明的无润滑运行的密封装置也适用于密封具有低分子重量的气体如氢气。
下面借助于附图描述本发明。附图中图1示出无润滑运行的活塞压缩机的活塞杆密封，图2示出无润滑运行的密封装置局部纵向截面图，图2a示出由C向看去的分段密封环的正视图，图2b示出由C向看去的被动盖环的正视图，图2c示出无润滑运行的密封装置的另一实施例的局部纵向截面图，图2d示出由C向看去的支承环的正视图，图2e示出由C向看去的分段密封环另一实施例的正视图，图3示出无润滑运行的密封装置的另一局部纵向截面图，图3a示出由D向看去的分段密封环的正视图，图4a示出另一分段密封环的正视图，图4b示出另一分段密封环的正视图，图5a示出另一分段密封环的正视图，图5b示出按照图5a的密封环的搭接位置的细节图，图5c示出按照图5a具有弹性盖环的密封环，图5d示出按照图5c从C向看去的密封环，图6示出无润滑运行的密封装置的另一局部纵向截面图，图7示出一体的密封环的视图，图7a示出按照图7的密封环的搭接位置的细节图。
图1示出具有活塞杆2的无润滑运行的活塞压缩机的无润滑运行的活塞杆密封装置1，该活塞杆在运动方向K上可纵向移动地被支承，其中在安装状态下缸体位于A侧而活塞杆驱动装置位于B侧。无润滑运行的密封装置1由具有填料的活塞杆密封1构成，其中填料包括许多前后设置的空腔环3，在其中设置密封环5。所述无润滑运行的密封装置1包括一个节流环4以及多个密封环5。在有利的扩展装置中如同通过上面的三个空腔环3所示的那样，在活塞杆2的移动方向上依次地设置盖环14、密封环5以及支承环17。但是也可以如同在一个空腔环3中所示的那样在空腔环3内部只设置唯一的密封环5。该活塞杆2在方向K上往复运动。该活塞杆密封1最好还包括泄漏气体排气装置6。
图2以纵向截面图示出按照本发明的无润滑运行的密封装置1的两个空腔环3以及一个密封环5。整个无润滑运行的密封装置1如图1所示那样最好包括许多在活塞杆2移动方向上前后设置的含有密封环5的空腔环3。在图2中所示的空腔环3具有突出的、环形的空腔环部件3a，在其上固定压电促动器7。该空腔环3还包括两个垂直于活塞杆2纵向延伸的顶靠面3b，3c。在图2a中以C向视图示出密封环5。该密封环5由三个一致构成的密封环段5b，5c，5d组成，它们以缝隙5g略微间隔。间隙5g宽度例如为0.1mm至0.5mm。在图2a中以虚线示出附属于密封环段5b的促动器7。该促动器7从C向看去位于密封环段5b的后面。类似地促动器7也附属于密封环段5c，5d，但是未示出。因此每个密封环段5b，5c，5d具有各自的促动器7，其中设计间隙5g的宽度，使密封环段5b，5c，5d至少可在相对于活塞杆2的径向R上移动。图2示出沿着线A-A的密封环段5b截面图。该密封环5或其密封环段5b，5c，5d具有指向活塞杆2的密封面5a。在图2中所示的密封环5由弹簧9包围，由此使密封环段5b，5c，5d在形成整个密封环5的情况下固定到一起。在空腔环部件3a上在圆周方向均匀间隔地固定三个促动器7，其中每个密封环段5b，5c，5d分别与一个促动器7连接，由此每个密封环段5b，5c，5d可以由各促动器7受控地在径向R上移动地支承。在所示实施例中在至少一个密封环段5b内部设置一个传感器8，它获得与活塞杆2表面的间距。该传感器8以及促动器7通过电导线10a与调节装置10连接。在所示实施例中调节装置10借助于传感器8确定活塞杆2表面与最好密封面5a之间的间距，其中调节装置10控制促动器7并且控制与促动器连接的密封环段5b，5c，5d，使缝隙宽度S占据由调节装置10给定的理论值。每个密封环元件5b，5c，5d最好与独立的促动器7连接，因此调节装置10控制每个密封环5的三个促动器7。
在图2中所示的密封环段5b截面图还示出，最好每个密封环段5b，5c，5d都具有端面5k，它最好如图所示在活塞杆2纵向上突出并且还具有相对于定位面3b配合的走向。在所示实施例中端面5k以及定位面3b垂直于活塞杆2纵向延伸。该定位面3b以及端面5k也可以相对于活塞杆2纵向倾斜地延伸。在活塞杆或未示出的活塞压缩运动期间在以A表示的一侧上存在高压。所述定位面3b和端面5k具有优点，所有密封环段5b，5c，5d都至少通过其端面5k顶靠在定位面3b上并因此被侧面地支承，并且在径向延伸的间隙5g大部分通过定位面3b覆盖，这减少在活塞杆2延伸方向上的泄漏。侧面支承尤其重要的是使密封环5保持在确定的位置，因为在活塞压缩机运行期间在活塞杆密封装置内部存在振动的、动态的压力过程，它具有明显的压力变化，这种变化作用于密封环5。
该密封环5可以设置和构成，使在密封环5与空腔环3之间产生间隙18，它在活塞压缩机抽吸状态期间允许流体在方向A上回流。
在有利的扩展装置中在压缩状态期间通过密封环5上的压力在50至75bar之间。如果两个空腔环3与设置在其中的密封环5在活塞杆2纵轴线的延伸方向上前后地设置，则这个示例的活塞杆密封装置1的最大压力在100至150bar之间，例如整个最大压力在使用四个分别具有密封环5的空腔环3时为200至300bar。
图2b示出被动的、即不可主动操纵的盖环14。如图1所示，该盖环14设置在密封环5旁边。在按照图2的示例中盖环14在右侧设置在密封环5旁边，其中空腔环3的内室当然必需相应较大地构成。该盖环14遮盖径向间隙5g并且由此防止气体在活塞杆2的延伸方向K上穿过。为了避免这种被动密封环14的磨损使其内径这样大地构成，从而不存在与活塞杆2的接触。该盖环14在优选的扩展装置中可以具有回流槽14a，其中设置盖环14，使回流槽14a对准A侧。
图2c以纵向截面图示出无润滑运行的密封装置的另一实施例，它与按照图2的实施例不同包括一个盖环14和一个支承环17。该支承环17用于在活塞杆2纵轴线方向上支承密封环5，其中支承环17如同在按照图2d的视图所示的那样具有断口17a，突出的空腔环部件3a穿过断口延伸。
也可以构造所述承环17，使支承环只包括在图2c中以17b表示的圆片，它通过其圆周面部分地顶靠在突出的空腔环部件3a上。
该密封环5也可以如同在图2e中所示的视图那样只由两个密封环段5b，5c组成，它们分别通过促动器7在径向R上可移动地支承。
图3以局部视图示出具有密封环5的空腔环3实施例的另一纵向截面图，其中未示出传感器8与调节装置10。在空腔环3的内室中设置环形固定体12，压电促动器7以及弹簧11与固定体连接。构成密封环5，使这个密封环不仅顶靠在促动器7上而且顶靠在弹簧11上。仍然可以操纵促动器7，使密封环5并由此使密封面5a在活塞杆2的径向R上可移动地支承。在图3中所示的密封环5实施例向着活塞杆2具有密封层5e，它具有迷宫槽，因此产生具有迷宫槽的密封面5a。最好控制促动器7，使得在活塞杆2表面与密封面5a之间总是存在小的间隙，由此产生间隙密封，其中迷宫槽附加地提高密封效果。这个密封环5可以由相同的材料制成。该密封环5也可以如图3所示由基环5f以及密封层5e组成，其中密封层可以由与基环5f不同的材料制成。该基环5f例如可以由金属制成而密封层5e由能够无润滑运行的的材料如塑料或陶瓷制成。
图3a示出在图3中所示的密封环5的D向正视图。该密封环5由具有径向间隙5g的分段密封环构成并且包括三个密封环段5b，5c，5d。图3示出按照图3a沿着线B-B的密封环截面图。对于密封环段5b示意示出促动器7。每个密封环段5b，5c，5d最好具有一个这样设置的促动器7。在另一实施例中可以对每个密封环段附设两个促动器7a，7b，如同在密封环段5d中所示的那样，促动器共同地作用于密封环段5d，使得密封环段可以在方向R上移动。
与按照本发明的无润滑运行的密封装置1组合能够使用不同构成的密封环5。图4a，4b和5a分别示出不同构成的密封环5的正视图，其中促动器7的作用点也如同图2a所示那样位于密封环段5b，5c，5d的背面上并因此在所示视图中不能直接看到。
按照图4a的密封环5具有截面5h，沿着它们密封环段5b，5c，5d可移动地支承，用于使它们在方向R上移动。
按照图4b的密封环具有相对于活塞杆2切向延伸的截面5h。密封环段5b，5c，5d最好平行于截面5h的走向在方向R上移动。在图4a和4b中所示的两个密封环5最好与盖环14组合地使用。
按照图5a的密封环5由三个密封环段5b，5c，5d组成，它们如同在图5b中所示的那样分别具有在圆周方向上搭接的连接位置S1。每个密封环段5b，5c，5d例如如同在图2或图3中所示的那样通过促动器7与各空腔环3连接并且可以在径向R上移动。可以有利地证实使密封环5如同在图5c中所示的那样配有环绕的弹性密封环15，它在径向上密封连接位置。对于这个装置如同在图1中通过单独设置在空腔环3中的密封环4那样无需附加的设置在其旁边的盖环14。该密封环15可以如图所示由弹性弹簧16包围。该密封环可以如图5c和5d所示具有在径向上延伸的回流槽5i，其中设置密封环5，使回流槽5i指向在图2中所示的A侧。
图6以局部视图示出空腔环3实施例的另一纵向截面图，它具有密封环5和设置在空腔环3里面的传感器8，它获得在空腔环3内部的压力。在空腔环3中设置由电磁铁与线圈构成的促动器7。该密封环5与图2a所示类似地通过由三个密封环段5b，5c，5d组成的分段环构成。每个密封环段5b，5c，5d与金属的、可磁化的固定体13连接。通过操纵促动器7使每个密封环段单独地在径向R上移动，由此可以调节缝隙宽度S。图6在左侧示出另一传感器8，它设置在左侧只示意示出的空腔环3里面。两个传感器8以及促动器7通过导线10a，10b与调节装置10连接。在所示实施例中借助于传感器8获得空腔环3中的压力作为控制值，并且例如控制密封环段5b，5c，5d的位置，使得在相邻空腔环3中调节给定的理论压力差或者不超过给定的压力差。
图7示出具有搭接接头5i，5k的一体密封环5。图7a以F向侧视图示出这个接头5i，5k以及缝隙S1。该密封环5由环形或管形促动器7包围，其圆周长度可控地例如压电地延长或缩短，由此使密封环5的密封面5a仍然在活塞杆2的径向R上移动，由此也可控制及改变缝隙宽度S。电导线10b用于控制压电促动器7。
所述无润滑运行的密封装置1的所有密封环5最好分别具有至少一个促动器7。若密封环5由密封环段5b，5c，5d组成，每个密封环5最好对于每个密封环段5b，5c，5d具有各自的促动器7。调节装置10最好控制无润滑运行的密封装置1的所有促动器7，其中调节装置10获得许多设置在无润滑运行的密封装置1中的传感器8的数值。
所述促动器7除了所示的那样的通过电能驱动的实施例外也可这样构成，即它们以流体能例如气动或液动地驱动，用于产生行程运动。调整行程或者由促动器7在径向R引起的移动运动一般在十分之几毫米至约1毫米。
许多传感器适合作为传感器8。例如感应行程接收器适合测量活塞杆2与密封环段5b，5c，5d之间的距离。
活塞杆温度作为由密封系统产生的摩擦热的指示。在可能的调节方法中在活塞杆温度升高时使密封环5与活塞杆2之间的距离略微增加，直到温度再下降。活塞杆温度的测量例如可以通过滑靴的接触测量、但是最好无接触地、例如通过红外传感器或者通过设置在活塞杆2上的传感器无接触地传递其数值。也可以有利地证实在泄漏气体排气装置6上测量物质流，例如通过热物质流传感器。例如可以控制促动器7，使得在泄漏气体排气装置上不低于气体最小量。
与在图2b中所示的被动盖环14不同可以使盖环14由主动控制的盖环14构成，例如与在图3a中所示的密封环5相同。因此密封环5和可控的盖环14可以共同地依次设置在空腔环3里面，方式是例如在图2和图3中所示的用于控制各密封环5的装置共同设置在空腔环3内部，其中在图3中所示的密封环5施加盖环14的功能，方式是使这个密封环这样设置，使得遮盖密封环5的接头5g，由此使密封环和盖环5，14依次设置并且单独地通过各促动器7控制。
在有利的运行方法中可以在第一运行状态控制密封环5，使密封面5a顶靠在活塞杆2上，由此使密封面5a在活塞杆2上磨损并由此接受活塞杆2的形状。在第二运行状态中可以控制密封环5，使得在密封面5a与活塞杆2之间存在预给定的间隙。因为在第二运行状态中密封面5a的走向适配于活塞杆2的走向，可以使预给定的间隙保持非常微小，由此在活塞杆2的纵轴线中产生微少的泄漏。
权利要求
1.用于密封可纵向移动支承的活塞杆(2)的无润滑运行的活塞杆密封装置(1)，包括至少一个具有密封面(5a)的密封环(5)、促动器(7)、传感器(8)以及空腔环(3)，在空腔环内部设置密封环(5)，其中促动器(7)相对于密封环(5)具有功能连接，使密封面(5a)可以径向相对于活塞杆(2)移动，并且根据传感器(8)获得的测量值控制促动器(7)。
2.如权利要求1所述的活塞杆密封装置，其特征在于，在活塞杆(2)的纵向上设置多个空腔环(3)，其中在至少两个空腔环(3)内部设置密封环(5)和促动器(7)。
3.如权利要求1或2所述的活塞杆密封装置，其特征在于，所述空腔环(3)具有垂直于活塞杆(2)纵向延伸的定位面(3b，3c)。
4.如上述权利要求中任一项所述的活塞杆密封装置，其特征在于，所述密封环(5)由包括多个密封环段(5b，5c，5d)的分段密封环(5)构成。
5.如权利要求4所述的活塞杆密封装置，其特征在于，对每个密封环段(5b，5c，5d)附设至少一个独立的促动器(7)。
6.如权利要求1至3中任一项所述的活塞杆密封装置，其特征在于，所述密封环(5)一体地构成。
7.如权利要求6所述的活塞杆密封装置，其特征在于，环形或管形促动器(7)在圆周方向上包围密封环(5)。
8.如上述权利要求中任一项所述的活塞杆密封装置，其特征在于，所述促动器(7)由压电或磁致伸缩的部件构成。
9.如权利要求1至7中任一项所述的活塞杆密封装置，其特征在于，所述促动器(7)可以通过流体驱动。
10.如上述权利要求中任一项所述的活塞杆密封装置，其特征在于，所述传感器(8)固定在密封环(5)上。
11.如上述权利要求中任一项所述的活塞杆密封装置，其特征在于，所述密封面(5a)具有迷宫槽。
12.用于通过无润滑运行的活塞杆密封装置(1)密封可纵向移动支承的活塞杆(2)的方法，该密封装置包括具有密封面(5a)的密封环(5)，其中可以根据控制值受控地改变密封面(5a)相对于活塞杆(2)的位置。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，控制至少两个且最好所有密封环(5)，使得可以改变密封环的密封面(5a)相对于活塞杆(2)的位置。
14.如权利要求12至13中任一项所述的方法，其特征在于，使用密封环(5)与活塞杆(2)的距离和/或活塞杆(2)的温度和/或两个密封环(5)之间的压力差作为控制值。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，控制两个在活塞杆(2)纵向上间隔设置的密封环(5)的密封面(5a)的位置，使得在密封环(5)上的压力降位于给定的数值范围以内。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，控制密封面(5a)的位置，使得在每个可控的密封环(5)上产生基本相同的压力降。
17.无润滑运行的压缩机，包括如权利要求1至11中任一项所述的活塞杆密封装置或者以如权利要求12至16中任一项所述的方法运行。
全文摘要
用于密封可纵向移动支承的活塞杆(2)的无润滑运行的活塞杆密封装置(1)包括至少一个具有密封面(5a)的密封环(5)、一个促动器(7)、一个传感器(8)以及一个空腔环(3)，在其内部设置密封环(5)，其中促动器(7)相对于密封环(5)具有功能连接，使密封面(5a)可以径向相对于活塞杆(2)移动，并且根据传感器(8)获得的测量值控制促动器(7)。
文档编号F04B39/04GK101044345SQ200580036248
公开日2007年9月26日 申请日期2005年10月24日 优先权日2004年10月22日
发明者N·费斯特尔, G·桑兰德 申请人:伯克哈特压缩机股份公司