高压泵的密封装置及具有此类密封装置的高压泵的制作方法

本发明涉及一种用于密封高压泵中的压力室的密封装置以及一种具有此类密封装置的高压泵。

背景技术：

泵中的压力室必须相对于其环境是密封的，所述压力室中存在待由泵输送的加压流体。就此而言，压力室的环境能够是通常存在于大气压力下的泵的环境，或在多级泵的情况下可以是泵的不同压力室，在所述压力室中，待输送的流体处于更高或更低的压力下。

由泵产生的压力越大，就越难以提供有效且可靠的密封装置。考虑到（例如）高达100巴的输送压力的高压，经常引起泵壳体或其它部件的与压力有关的伸长或变形。这些会造成以下后果：在限定同一个压力室的边界的部件之间（例如，在泵壳体与泵盖之间）的间隙打开。此类间隙（除上述外，其也会由于部件的不同热膨胀系数而产生）于是必须加以可靠地密封，以便避免流体通过间隙发生泄漏。

能够（例如）避免此类间隙由压力引起的打开或至少将其限制到不严重的程度，在于其间出现间隙的部件配置成如此硬（且这通常意指具有如此厚的壁），使得对于极高压力也只是出现此类小间隙，从而使得没有危及密封装置的功能性。然而，这具有以下缺点：就厚壁设计而言需要明显更多的材料，且泵具有明显增加的重量。从经济性角度看，两者都是相当不利的效应。

出于此原因，人们力图创造在极高压力下同样可靠且有效地进行密封的密封装置。考虑到许多密封装置，提供通常被插入到密封表面的凹槽中的O形环。在国际（PCT）专利申请PCT/EP2012/071654中，例如，提出一种密封装置，关于所述密封装置，在其间应进行密封的部件中之一内设有凹槽状凹部，所述凹槽状凹部以此方式配置，使得对凹槽施加压力时，则在所述方向上将力施加到此部件的密封表面上，所述力按压此密封表面抵靠邻近所述部件的部件的密封表面。就此而言，对凹槽施加压力能够引起其壁的弹性形变或塑性形变，以便由此避免或减小部件之间的间隙由压力引起的打开。在彼此接触的两个密封表面之一中提供O形环，所述O形环包括弹性体且布置于设在此密封表面中的凹槽内。此O形环用于彼此接触的两个密封表面之间的可靠密封。

具体地，对于具有O形环的密封装置而言，存在关于O形环的挤出的风险。就此而言，其意指：在施加压力时，O形环以此方式变形，使得其一部分在压力下被按压至间隙开口中，从而会造成以下后果：O形环损坏，并且因此失去密封效果。

技术实现要素：

从此现有技术状态出发，因此，本发明的目标是提出一种用于密封高压泵中的压力室的密封装置，其针对极高压力也仍然可靠地运行，并且其中特别地防止密封环（更具体地，O形环）在压力下被挤入间隙开口中。此外，本发明的目标是提出一种具有此类密封装置的高压泵。

满足此目标的本发明的主题的特征在于相应类别的独立专利权利要求中的特征。

根据本发明，因此提出一种用于密封高压泵中的压力室的密封装置，所述压力室由第一边界元件和第二边界元件限定边界，所述密封装置具有单独的密封元件，所述密封元件具有与第一边界元件协作的第一密封表面，以及具有与第二边界元件协作的第二密封表面；其中，所述两个密封表面相对于彼此倾斜且各自具有用于接收密封环的凹槽；并且其中，所述密封元件以此方式布置和配置，使得在施加压力时其能够沿边界元件中的一个整体移位。

考虑到此密封装置，因此，在施加压力时，整个密封元件能够沿边界元件中的一个移位。在此，实现以下效果：在施加压力时，两个边界元件之间的间隙开口通过密封元件的移位由密封元件可靠地覆盖，使得避免密封环被挤入开口间隙中。就（例如）高达1000巴的极高压力而言，这同样确保了有效的密封效果。

此外，提供具有用于接收密封环的凹槽的单独的密封元件具有以下优点：能够选择与（例如）制成边界元件的材料不同的材料用于此密封元件。出于此原因，能够将这样的材料选择用于密封元件，在施加压力时，这种材料的机械性质（例如，弹性性质）是尽可能理想的。

优选地，密封元件的两个密封表面包括大致90°的角度。特别地，关于密封元件在施加压力时的移位能力而言，这一措施是有利的。

有利的措施是提供用于定位密封元件的支撑环，特别地，在无压状态下。由此，能够认识到，密封元件具有限定的起始位置和/或起始定向使得在施加压力时其以所期望的方式作出反应。

在优选实施例中，支撑环在无压状态下接触密封元件的支撑表面，其中，所述支撑表面不同于密封元件的两个密封表面。在此，确保了在施加压力时密封元件能够移位，而不受支撑环的阻碍。

根据在实践中其本身已证明了的特别优选的实施例，密封元件具有大致L形截面，其具有形成第一密封表面的长柄部且具有形成第二密封表面的短柄部。

优选地，沿第二边界元件以可移位的方式布置密封元件。考虑到具有大致L形截面的设计，这是特别优选的。由长柄部形成的密封元件的表面（此处施加有压力）大于由短柄部形成的表面（此处施加有压力）。因此，通过施加于由长柄部形成的所述第一表面上的压力产生了更大的力，使得密封元件借助于此更大的力沿第二边界元件可靠地进行移位，所述第二边界元件与由较短柄部形成的密封表面协作。

当沿第一和第二边界元件以可移位的方式布置密封元件时，这是特别优选的，因为由此密封元件能够遵循第一以及第二边界元件两者的由压力引起的移位或凸起。在此，能够在高压泵中实现径向方向以及轴向方向两者上的可靠的密封。

另外的有利措施存在于：第一密封表面呈锥形地配置成在设于其中的凹槽与其面向第二密封表面的端部之间。就此而言，这意指第一密封表面在接触线的方向上从设在其中的凹槽开始倾斜地配置在两个密封表面之间。这具有以下效果：第一密封元件在接触线的方向上自凹槽甚至更远地移离第一边界元件。通过这一措施确保：在施加压力时，限定第一密封表面中的凹槽的边界且更接近接触线的边缘首先接触到第一边界元件；以及相应地在此边缘的区域中，最高表面压力存在于此边缘处。这一措施表示额外的安全性，使得插入到凹槽中的密封环（例如，O形环）在施加压力时并不经历挤出。

出于相同的原因，当第二密封表面在设于其中的凹槽与其面向第一密封表面的端部之间具有锥形设计时，这是有利的。

就此而言，当锥角相应地达到至多2°，优选地达到至多1°时，这已在实践中得到证明。

根据优选的实施例，密封装置配置为径向的密封装置。

此外，本发明提出一种高压泵，其包括根据本发明的密封装置。借助于此密封装置，在极高压力（例如，高达1000巴）下同样能够安全且稳固地操作高压泵。

考虑到优选实施例，高压泵具有泵盖和泵壳体，其中，提供所述密封装置用于泵盖与泵壳体之间的密封。

根据优选应用，高压泵配置为多级泵。

在高压泵的优选实施例中，提供所述密封装置用于压力室与中间压力室之间的密封。

高压泵的另外的优选设计是当提供所述密封装置用于分隔元件与泵壳体之间或泵盖与泵壳体之间的密封时。

实施例的另外的有利措施和设计由从属权利要求产生。

附图说明

在下文中，将借助于实施例参考附图来详细描述本发明。在示意图中，示出了（部分是剖面图）：

图1是根据本发明的密封装置的实施例的剖面图；

图2是密封元件的装置的第一变型的示意图；

图3是密封元件的装置的第二变型的示意图；

图4是密封元件的装置的第三变型的示意图；

图5是密封元件的装置的第四变型的示意图；以及

图6是根据本发明的高压泵的实施例的示意图。

具体实施方式

在示意性剖面图中，图1示出了根据本发明的密封装置的实施例，所述密封装置整体上以附图标记1来表示并且用于密封高压泵100（见图6）中的压力室2。压力室2由第一密封元件3和第二密封元件4限定边界。密封装置1进一步包括单独的密封元件5，所述密封元件具有用于与第一边界元件3协作的第一密封表面51以及用于与第二边界元件4协作的第二密封表面52。就此而言，术语“单独的密封元件”意指密封元件5并不是（例如）边界元件3、4中的一个的整体的部件，而是配置为其自己的部件。

如所能够清楚认识到的，图1的图示仅示出密封装置1的一部分（即，例如，上半部）。在高压泵100中，密封元件5一般配置成相对于泵轴是旋转对称的，所述泵轴在图1中由旋转轴线A表示，泵的旋转部分在操作状态下绕所述旋转轴线A旋转。这意指密封元件5通常具有环状设计。因此，图1中仅图示了穿过环状密封元件5的一个截面。并且，压力室2通常配置为围绕泵轴的环状空间。

在密封元件5的两个密封表面51、52中的每一个中提供相应的凹槽，即，第一凹槽53和第二凹槽54，所述凹槽各自用于接收密封环55，例如，其配置为O形环。密封环55以本身已知的方式用于在相应的密封表面51或52和与其协作的边界元件3或4之间的密封，且（例如）由弹性体材料所制造。

应理解到，密封环也能够是本身已知的其它密封构件（例如，金属环或环盘）或塑料（例如，PTFE或PEEK）的密封构件。

如图1中所示，密封元件5的两个密封表面51、52相对于彼此倾斜并沿接触线56彼此接触。更具体地，此实施例的两个密封表面51、52包括大致90°的角度。根据图1的密封元件5具有大致L形截面，其具有长柄部57和短柄部58，所述长柄部形成第一密封表面51且第一边界3与其协作，所述短柄部形成第二密封表面52且第二边界元件4与其协作。

根据本发明，密封元件5以此方式布置和配置，使得在施加压力时其能够沿边界元件3、4中的至少一个整体移位。这将在下文参考图1进行解释。

在无压状态下，这意指当压力室2中相对于其环境不存在过压时，第一边界元件3接触第二边界元件4的边界表面43。这能够在泵中实现，例如，由此形成第一边界元件3的那个部件被固定地拧紧至形成第二边界元件4的那个部件。当现在在压力室2中产生不断增大的压力时，于是会发生边界元件3、4之间的间隙6由于第一或第二边界元件3、4的压力引起的形变（例如，凸起）而打开。这种状态图示于图1中。当在密封元件5处同样施加压力室2中的压力且其可沿第二边界元件4整体移位时，整个密封元件5根据此图示向上移动并且由此相对于压力室2来闭合间隙6，使得没有流体能够穿过间隙6从压力室2逃逸，而且相对于极高压力同样维持了密封效果。

如果第二边界元件4在压力室2中的压力影响下沿边界表面43相对于第一边界元件3移位，例如，根据图2的图示，移位到左边，则密封元件5也能够遵循这种运动，即密封元件5沿第一边界元件3整体移位。考虑到这种移位，大致环状的密封元件5扩展。

密封元件5因此能够相对于旋转轴线A在径向方向（这意指根据图1的图示向上（或向下））以及轴向方向（这意指根据图1的图示向右（或向左））两者上整体移位。轴向方向上的移位于是自然地与大致环状的密封元件5的膨胀相关联。

通过在轴向方向以及径向方向两者上移位的这种能力，不仅闭合了边界元件3、4之间的间隙6，而且相当有利地进一步避免了在施加压力时第一密封表面51与第一边界元件3之间或第二密封表面52与第二边界元件4之间的间隙打开或形成所述间隙。

通过密封元件5的这种移位的能力，由此确保了对于压力室2中的（例如）高达1000巴的极高压力而言同样实现了压力室2的可靠密封。

特别地，确保了密封元件5径向移位能力，使得在施加压力时这两个边界元件3、4之间打开的间隙6通过密封元件5可靠地闭合。通过借助于密封元件5来闭合间隙6，有效地防止密封环55（特别地，O形环55）被挤入间隙6中。

考虑到对密封元件5在施加压力时其移位能力通常结合有密封元件5的形变，这意指除了密封元件5的移位之外或在密封元件移位期间，密封元件也能够变形。这种变形优选地为弹性形变，这意指在压力移除时完全可逆的形变。当密封元件5配置为单独的部件时（这意指其（例如）并不是边界元件3、4之一的整体的部件），则针对密封元件5具有关于材料选择的最大可能的自由度。因此，对于密封元件5能够选择针对各种应用情况而言在其弹性性质方面理想的材料。已发现，钛是用于密封元件5的特别优选的材料。

为了实现密封环55（相应地说，O形环55）的防挤出的甚至更高的保护水平，下文中描述的措施是有利的。

第一密封表面51在第一凹槽53与接触线56（两个密封表面51、52在所述接触线处彼此接触）之间具有锥形设计，且实际上如此配置，使得在无压状态下第一密封表面51与第一边界元件3之间的间距相对于第一凹槽53的更接近接触线56的边界边缘（在图1中，根据图示为左边界边缘）是最小的，且然后在接触线56的方向上增大。图1中图示了第一密封表面51的这种倾斜，且用α来表示相关联的锥角。通过这一措施，确保：在密封元件5处施加压力时，第一凹槽53（相应地，根据图示是长柄部57的边界边缘处的区域）的此左边界边缘就首先接触到第一边界元件3，且这里还存在最高接触压力（相对于第一密封表面51）。由此，能够以改进的方式来避免在第一密封表面51与第一边界元件3之间造成密封环55从第一凹槽53挤出。

同样有利的是，第二密封表面52在第二凹槽54与接触线56（两个密封表面51、52在所述接触线处彼此接触）之间具有锥形设计，且实际上如此配置，使得在无压状态下第二密封表面52与第二边界元件4之间的间距在第二凹槽54的更接近接触线56的边界边缘（根据图1的图示为上边界边缘）处是最小的，且然后在接触线56的方向上增大。图1中图示了第二密封表面52的这种倾斜，且以β来表示相关联的锥角。通过这一措施，确保：在密封元件5处施加压力时，第二凹槽54（相应地，根据图示为短柄部58的此边界边缘处的区域）的此第一上边界边缘接触到第二边界元件4，且此处还存在最高接触压力（相对于第二密封表面52）。由此，能够甚至更可靠地避免在第二密封表面52与第二边界元件4之间引起密封环55从第二凹槽54挤出。

当长柄部57或短柄部58或优选地两个柄部57、58相应地配置成圆柱形并在第一或第二凹槽53、54与安置成远离接触线56的端部之间的区域中进行剪切（cut back）（这意指并不呈锥形且不倾斜）时，产生另外的可选的有利措施。在图1中，能够认识到这，因为这些区域相应地平行于第一和第二边界元件3、4延伸，并且这些区域与第一和第二边界元件3、4的间距相应地大于第一和第二凹槽53、54的更接近接触线56的相应边界边缘与第一和第二边界元件3、4的间距。并且，通过这一措施，支持以下效果：在第一和第二凹槽53、54的更接近接触线56的那个边界边缘的区域中，存在第一和第二密封表面51、52的相应地更大的接触压力。

第一和第二密封表面51、52的相应的椎体的两个角度α和β能够是相同的或不同的。在实践中已证明，当α和β相应地达到至多2°且优选地达到至多1°时。特别地，在1.0°与1.2°之间的α和β值已证明是成功的。

应理解到，借助于密封装置通过密封元件5的移位，不仅能够闭合压力引起的间隙，而且也能够以类似的方式闭合由热引起的间隙，例如，那些会由限定彼此的边界的部件的不同的热膨胀系数所引起的间隙。

除在此背景下描述的密封元件5的L形截面外，其它几何形状自然也有可能作为密封元件的截面；例如，两个柄部57和58也能够具有相等长度，使得截面表面类似具有等腰形状的斜剖面的截面表面，可替代地，能够提供倒圆。

考虑到对密封元件5的装置的不同变型以及根据本发明的高压泵的实施例的后续描述，具有相似功能或等效功能的部分用如图1中的相同附图标记来表示，并且就此而言具有与结合图1所描述的相同的含义。为了更好的清晰性的原因，已从图2到图6省略了对不同详情的图示。因此，例如，未图示设在凹槽53和54中并且优选地配置为O形环的密封环55。并且，在图2到图6中并未图示出结合图1描述的密封表面51、52的所描述的锥形设计。然而，应理解到，就图2到图6中所图示的实施例而言，结合图1所描述的所有措施（例如，相应地密封表面51、52的在第一和第二凹槽53、54与安置成远离接触线56的其端部之间的区域中的剪切和圆柱形设计）因此也能够以类似的方式来实现，其分别以独立的方式或以彼此任意组合的方式。反之亦然，在考虑根据图1的实施例以及考虑图2到图6的各个其它实施例时，结合图2到图6所作的解释也以类似的方式同样适用。

在图2中，图示了密封元件5的装置的第一变型。更具体地，这是径向密封的装置，使得其能够用在多级泵中。考虑到多级泵，特别地考虑到具有所谓的背靠背布置的此类泵（也见图6），在泵入口处的压力（例如，大气压力）与通常连接到泵的出口的压力室中的最高压力之间存在至少一个中间压力。关于背靠背布置，中间压力通常存在于入口处的压力与压力室2中的最高压力之间的中间，因此，例如，入口处的压力能够是大气压力，压力室2中的压力能够达到（例如）1000巴，且中间压力能够处于500巴。在图2中，两个中间压力室7和8设在压力室2的旁边。与压力室2相比，待输送的流体的压力相应地接近中间压力室7和8中的压力的一半。考虑到图2中所示的变型，第一边界元件3配置为泵壳体3，且第二壳体元件4用于在两个中间压力室7、8之间进行分隔以及用于相应地使中间压力室7、8中的每一个与压力室2分隔。提供两个密封元件5，其分别是径向密封装置的一部分且其中一个密封元件5用于在压力室2与中间压力室7之间的密封，且另一个密封元件用于在压力室2与中间压力室8之间的密封。除图1中所描述的部件之外，还相应地为这些密封装置提供支撑环9，所述支撑环的功能是在无压状态下定位相应的密封元件5。支撑环9能够（例如）配置为分体式环，这意指其能够包括（例如）插入到压力室2中并拧紧至其壁上的两个或更多个区段。就此而言，支撑环9相对于密封元件5以一间隙被拧紧和/或附接，因为支撑环9应只是定位密封元件5，而非夹紧其或以非期望的方式阻止或影响密封元件5的移位能力。支撑环9与密封功能无关联，其应只是确保密封元件5在无压状态下存在于限定的位置中。

考虑到此示例中所示的设计，支撑环9相应地具有大致L形截面。L状支撑环的其中一个柄部将自身支撑在压力室2的内壁处，另一个柄部形成在无压状态下支撑密封元件5的表面。在此示例中，密封元件5的支撑表面相应地为密封元件5的长柄部57的端面，所述支撑表面在无压状态下接触支撑环。

如果现在对压力室2加压，则会引起泵壳体3凸起或其它延展，由此泵壳体3与第二边界元件4之间的间隙能够打开。这通过密封元件5的移位被有效地闭合，如结合图1所解释地。

应理解到，同样就图1中所示的实施例而言以及就根据图3到图6的实施例而言，能够以类似的方式来提供支撑环9。

图3中图示了密封元件5的装置的第二变型。考虑到此变型，密封元件5用于泵壳体（在此示例中，其表示第一边界元件3）与泵盖（在此示例中，其表示第二边界元件4）之间的密封。通常，借助于多个螺钉41（图3中仅说明了其中一个）将泵盖4固定地拧紧至泵壳体3。通常，在泵壳体3的外部存在大气压力，而在压力室2中存在增大的压力。考虑到压力室2中的极高压力，泵盖4凸起，由此泵壳体3与泵盖4之间的间隙打开。由于密封元件5能够在轴向方向上（这意指在旋转轴线A的方向上）移动，所以根据图示在施加压力时密封元件就被移位到右边，且因此可靠地闭合泵盖4与泵壳体3之间的间隙。泵壳体3也能够额外地扩展，这意指其实际上能够膨胀。密封元件5也能够遵循这种运动，因为就径向方向而言其也能够移位。关于径向方向上的这种移位通常与在泵壳体3扩展时密封元件5的扩展相关联，其内部直径在径向方向上也扩大。

因此，应在本发明的框架下理解密封元件“可移位地布置”所根据的术语，使得其意指和/或包括环形密封元件的膨胀和/或延伸。

考虑图4中所图示的第三变型，密封元件5也用于关于中间压力室7来密封泵的压力室2。在压力室2中存在（例如）1000巴的最大压力，且在中间压力室7中存在任意的中间压力，所述中间压力位于大气压力（相应地，环境压力）与压力室2中的压力之间，例如，中间压力是压力室2中的压力的一半。关于此变型，泵壳体形成第一边界元件3。第二边界元件4是限定中间压力室7与压力室2的边界的部件，例如，分隔元件4。

图5中所图示的密封元件5的装置的第四变型图示为类似于图2中所示的变型。此装置特别适合于呈背靠背布置的多级泵。考虑这些泵，大致存在两个相同的模块（block），其中每个模块能够包括多个泵级。这两个模块相对于彼此布置成镜面对称（这意指背靠背），使得其中存在最高压力并且连接到泵出口的压力室2通常布置为在泵中心中的环状空间。关于此变型，提供两个密封元件5。第一边界元件3由泵壳体3形成，而第二边界元件4布置为分隔元件，所述分隔元件是背靠背布置的模块之间的分隔壁。中间压力室7与所述模块中的一个相关联，且中间压力室8与另一个模块相关联。在泵壳体3的外部存在大气压力或环境压力，且在两个中间压力室7和/或8中存在大致相同的压力，中间压力相应地通常为压力室2中的压力的一半。

图6中以剖视图示意性地图示了根据本发明的高压泵的实施例，所述高压泵整体上以附图标记100来表示。高压泵100是多级高压泵（在此示例中为四级高压泵），其具有配置为径向离心泵的背靠背布置。高压泵100具有：泵壳体103；泵盖112，其用于闭合泵壳体103；入口110，待输送的流体（例如液体，例如水或原油）能够通过所述入口到达高压泵100中；以及出口111，然后加压流体经由所述出口离开高压泵100。为了驱动高压泵100，提供泵轴113，其在操作状态下绕旋转轴线A旋转并且通过未示出的驱动单元进行驱动。

高压泵100具有大致呈相似设计的四个级，即第一级114、第二级115、第三级116和第四级117。这些级114-117中的每个相应地具有叶轮120。每个叶轮120可旋转地固定连接到泵轴113。第一和第二级114、115属于第一模块130。第三和第四级116、117输入第二模块140。两个模块130、140通过分隔元件104彼此分隔开，所述分隔元件关于泵壳体103是固定的。大致呈相似设计的两个模块130、140关于分隔元件104布置成镜面对称的，这意指这些是背靠背布置的，这正是此组件也被称为背靠背布置的原因。

图6中借助于箭头图示了流体通过高压泵100的流动范围，其中使用附图标记150仅表示出了入口110处的第一个箭头。流体在轴向方向上从入口110流到第一级114的叶轮120，并在轴向方向上从其出口被引导至第二级115的叶轮。流体从第二级115的出口（其同时也形成第一模块130的出口）被引导穿过设在分隔元件104中的流连接件160进入到第二模块140的中间压力室108中，流体穿过所述中间压力室108到达至第三级116的入口处。流体在轴向方向上从第三级116的出口被引导到第四级117的入口，从而最终使流体增加到在高压泵100的出口111处可用的高压。高压流连接件170从第四级117的出口通向压力室102，所述压力室102连接到高压泵100的出口111。压力室102大致配置为围绕分隔元件104径向向外进行引导的环状空间。

中间压力室107也设在第一模块130中，所述中间压力室大致配置为环状空间并且在泵壳体103处布置成向内地。此中间压力室107经由图6中未图示的流连接件连接到第二级115的出口，使得在两个中间压力室107和108中存在相同的压力，由于四个级114-117呈大致相似的设计，所述压力近似对应于压力室102中的压力的一半压力。

如图6中的箭头所强调地，与第一模块130相比，流体是在关于轴向方向的相反方向上流经第二模块140。根据图示，从右到左流经第一模块130，而从左到右流经第二模块。

分隔元件104一方面限定压力室102（最高压力作用于所述压力室102中）的边界，且另一方面限定两个中间压力室107和108（近似压力室102中的压力的一半的压力作用于所述中间压力室中）的边界。这通常对应于图2中所图示的构型。为了相对于中间压力室107和108来密封压力室102，相应地提供密封元件5，其形成根据本发明的具有相邻边界元件的密封装置1的实施例。在图6中，泵壳体103形成第一边界元件3，且分隔元件形成第二边界元件4。此密封装置1适合于极高压力。因此，压力室102中的压力能够（例如）达到1000巴。中间压力室107和108中的压力于是相应地近似为500巴。

应理解到，根据本发明的密封装置1也能够用在高压泵的其它位置处。考虑到图6中所图示的实施例，密封装置5也能够（例如）设在泵盖112与泵壳体103之间的边界处。