专利名称：密封组件、带有该密封组件的装置及密封方法
技术领域：
本发明涉及一种用于密封活塞或柱塞的密封组件。更特别地，根据本发明的密封组件涉及一种能够在高达2000巴的压力下可靠工作的高压密封件。这样的压力会在诸如处理油水混合物时遇到。
背景技术：
已知的密封件通常由聚氨酯制成，并且本身适用于使用油的情况。但是，在处理水或油水混合物时，性能通常大幅度下降，尤其是在通常达到2000巴的相对高压下。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于密封活塞或柱塞的密封组件，其与已知的密封件相比具有改进的性能。将根据本发明的密封组件用于密封活塞或柱塞能够实现上述目的，该密封组件包括-可以放置在腔室内的密封芯部，其中在使用时活塞或柱塞相对于腔室运动；-前密封装置；和-后密封装置，其中在使用时密封芯部相对于腔室运动，从而获得密封力。例如，根据本发明的密封组件可以用于活塞或柱塞。通常柱塞泵由内置有往复运动的柱塞的缸体构成。吸入阀和排出阀通常安装在该缸体的头部中。在吸入冲程中，柱塞后退而吸入阀打开，以使流体进入缸体。在向前冲程中，柱塞通过排出阀将流体推出缸体。本申请的目的是，对于活塞来说，作用在密封组件上的力与柱塞的情况相比是相反的。根据本发明的密封组件带有密封芯部、前密封装置和后密封装置。密封芯部可以放置在类似泵的装置的腔室内。在使用时，腔室相对于活塞或柱塞运动。根据本发明，密封芯部在使用时相对于腔室运动，从而获得所需的密封力。以这种方法，密封力适于作用在密封组件上的力。例如，在进入冲程中以及在静止状态中，密封装置应该能够像水龙头一样在低压源供给装置的情况下保持负压或者接近真空。需要密封组件在一侧密封抵靠装置的腔室并在另一侧密封抵靠柱塞。前密封装置在密封芯部和腔室之间进行密封。后密封装置在芯部和柱塞之间进行密封。在排出或压缩冲程中，密封组件将面临更高的压力。同样地，前密封装置在芯部和腔室之间进行密封，后密封装置在芯部和柱塞之间进行密封。前密封装置被缸体中的压力推靠于密封芯部和腔室，以使前密封装置的力向外引导，藉此只为密封芯部抵靠芯部柱塞提供最小的协助。当沿远离缸体容积的方向推动密封组件而且被压缩的流体抵靠支撑区域时，芯部抵靠柱塞的密封力随着缸体内压力的增大而增大。这为密封芯部密封抵靠柱塞提供了作用力。
通过根据缸体中的压力自动地增加密封力，密封组件能够正常地运行直至相对较高的压力。例如，已经图示根据本发明的密封组件在压力高于10巴、高于500巴、高于1000 巴、高于1500巴并直至2000巴的油水混合物中使用时可以正常运行。优选地，前密封装置包括设置在密封芯部的凹部凹口中的0形圈。同样优选地，后密封装置包括设置在密封芯部的凹槽内的0形圈。密封芯部优选地设置在流体中或类似泵的装置中。为了能够调节密封力，密封芯部能够根据沿柱塞或活塞的实际方向作用在密封组件上的作用力相对于腔室轻微地运动。优选地，前密封装置和/或后密封装置包括肖氏硬度为70的丁晴胶(NBR)。优选地，密封芯部包括聚合物材料，最优选地是1000等级的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。这种特殊材料相对容易获取，并且可以利用常规工具进行精加工，同时具有耐磨性，并且可以与水和/或化学品一起应用。作为根据本发明的一个附加优点，组件相对容易安装。此外，在安装密封装置时破坏密封件的风险是最小的，藉此增加了根据本发明的密封组件的效率。根据本发明的密封组件的又一个附加优点是，可以使用通常可获取的材料而不需要困难且昂贵的精加工。这致使根据本发明的密封组件成本有效降低。在根据本发明的一个优选实施例中，密封芯部设有带孔的开口，其中在使用使柱塞设置在开口内，并且其中孔的尺寸比柱塞的尺寸小。通过提供具有与芯部柱塞的外尺寸相比更小的孔的密封芯部，密封芯部的材料被拉伸藉此获得低压密封的效果，密封芯部的外尺寸也略微地增大。与已知的密封件不同，该密封芯部只能拉伸不能压缩。这能够获得所需的密封力。在图示的示例中，柱塞设有8mm的直径。芯部孔设有7. 5mm的直径。当柱塞插入芯部孔内时，芯部被拉伸以获得预张力，达到低压密封的效果。另外，拉伸考虑了长期运行不降低低压密封效果时的磨损。这提升了根据本发明的密封组件的效率。密封芯部的外径略小于装置的腔室尺寸。例如，密封芯部的外径是15. 76mm，而腔室的孔径为16mm。根据上述的柱塞和芯部孔的尺寸，芯部被拉伸，并且芯部的外径将在安装后达到16mm，藉此精确地与腔室的尺寸相匹配。所以，在这个优选实施例中，密封芯部的外尺寸小于流体缸头的腔室的尺寸。优选地，柱塞、腔室、芯部孔的尺寸与密封芯部外尺寸是匹配的，致使在将柱塞安装到芯部内之后，密封芯部符合腔室的尺寸。在使用时，其优选地拉伸了密封芯部的材料。优选地，在将柱塞和密封组件安装在腔室内之前和之后，密封芯部的尺寸呈下述关系芯部的区域最终外径-芯部的最终内径=安装前的区域外径-安装前的内径。在上述示例中，安装前的外径为15. 76mm、内径为7.5mm。安装后的芯部内径为 8mm、芯部外径为16mm。在该示例中，安装前的密封芯部的外尺寸小于腔室的尺寸。这能够拉伸芯部的材料。在根据本发明的一个可替代优选实施例中，密封芯部的外尺寸大于腔室的尺寸， 孔的尺寸大于活塞或柱塞的尺寸。通过提供尺寸大于腔室的密封芯部以及尺寸也大于活塞或柱塞的孔，以上密封原理被逆转，致使根据本申请中使用的用语，密封组件可以用作活塞密封件。诸尺寸以如上所述的类似方式相互关联。
在根据本发明的一个优选实施例中，在使用时后密封装置密封抵靠主体的支撑区域。通过抵靠主体的支撑区域，密封力随着缸体内部所遇到的压力增大而增大。优选地，主体是密封套(gland)或类似部件。优选地，后密封装置设置在密封芯部的凹槽内。同样优选地，该凹槽被构造成几乎容纳被完全压缩的类似0形圈的后密封装置。当缸体容积被加压时，密封组件的整个前方区域受到作用力。受压缩的后密封装置提供反作用力并支撑抵靠主体的密封组件。由于后密封装置的抵靠主体的支撑区域小于密封组件的前方区域，密封芯部的凹槽中产生的压力大于作用在密封组件上的前方压力。这使得密封力大于配合的前方压力，藉此形成适于密封组件的作用力的紧密密封。较大的作用力产生稍大一点的反作用力，而相对较小的作用力产生较小的反作用力。这减少了根据本发明的密封组件的磨损。本发明还涉及一种设有上述密封组件的装置。这种装置提供与密封组件相同的效果和优点。例如，这种装置是活塞泵、柱塞泵或发动机。本发明又涉及一种密封方法，该方法包括提供上述密封组件的步骤。
这种方法提供与密封组件相同的效果和优点。
本发明的更进一步的优点、特征和细节将基于其优选实施例结合附图进行阐述， 其中-图1示出了根据本发明的高压泵的柱塞密封件；-图2示出了图1的密封芯部；-图3A和B示出了图1的密封组件；-图4A和B分别示出了吸入冲程和压缩冲程中的密封组件；和-图5示出了根据本发明的密封组件的可替代实施例。
具体实施例方式密封组件2 (图1)可以使用在高压泵4中。泵4包括流体缸头6、密封件支撑盘8 和密封套10。此外，泵4设有进口 12和进口止回阀14，以及出口 16和出口止回阀18。柱塞20可以沿其轴向在与吸入冲程对应的方向A中运动，以及在与排出或压缩冲程对应的方向B中运动。密封组件2包括放置在泵4的腔室23内的芯部22、前0形圈M和后0形圈 26。在图示的实施例中，0形圈22和M由肖氏硬度为70的NBR制成。密封芯部22在标准车床上用简单的锐利刀具进行切削。密封芯部22的基础材料为1000等级的UHMWPE。芯部22 (图2)具有用于柱塞20的孔观、用于0形圈M的凹部30和用于0形圈 26的凹槽32。在图示的实施例中，孔观的直径为7. 5mm，凹槽32相对其中心线的直径为
11.5mm,且凹槽32进入芯部22的深度为1. 5mm,凹槽32的最大宽度为2mm。芯部22沿其轴向的长度为6. 5mm，对于凹部30为2. 5mm。芯部22的外径为15. 76mm,凹部30的外径为
12.4mm。密封组件2包括安装在一起的芯部22和0形圈M、26 (图3A和B)。在图示的实施例中，柱塞直径为8mm，为密封组件2提供的泵4的流体缸头6内的凹部或腔室的直径为 16mm。对于给定的尺寸，芯部22在安装柱塞20之前的表面积为150. 8mm2,以致在装配后， 芯部22的内径被拉伸至8mm，外径被拉伸至16mm，以恰好装配在设于流体缸头6中的腔室 23内。密封组件2装配在腔室23内而无需压缩组件2。因此，组件2不需要预加应力。 当插入柱塞20时，组件2被拉伸并密封抵靠腔室23的壁。因此，腔室23和芯部22的(径向)尺寸基本相同。在图示的实施例中，0形圈沈在芯部22之后延伸约0.5mm。可以发现在根据本发明的组件2中，0形圈沈的体积与芯部22中相应的凹槽相比大约大15%。在使用时，0形圈沈被推靠于腔室23的壁38 (如下文所述)，组件具有约0. 5mm的冲程。芯部22的内表面相对平坦或平滑，以阻止例如通过凹槽的渗透。抵靠柱塞20的密封发生在基本上遍及芯部20的整个内表面。优选地，柱塞20的相应表面也设置为相对平坦或平滑。在相对低压下，组件2在基本上遍及芯部22的整个内表面密封抵靠柱塞20，并且基本上在0形圈M处抵靠腔室23。随着压力的增加，组件2推靠于腔室23的壁38，0形圈26与该壁接触以获得基本上作用在组件2后侧的附加密封力，这将在后文中详述。密封组件2的一个优点是使用杆式材料以使芯部22和两个0形圈M、26的生产相对直接和迅速。又一个优点是与传统的密封件相比不仅减少了组件2的磨损，同时在使用时主要是内表面抵靠柱塞20也证明了这一点。由于这种磨损是逐渐产生的，因此其允许相对简单的更换。在柱塞泵4中，在吸入冲程中或在静止时，密封组件2与流体缸头6的表面区域34 配合。前0形圈M沿表面区域36密封芯部22抵靠流体缸头6。后0形圈沈与密封支撑盘8的表面区域38轻微接触，并密封芯部22抵靠柱塞20的表面区域40芯部。在进入或吸入冲程期间或在静止时(图4A)，密封组件2使泵4中保持负压。通过0形圈M密封抵靠表面36，并通过芯部22的拉伸弹性密封抵靠表面40，可以实现上述负压。在排出或压缩冲程中(图4B)，作用力作用在表面34上。从缸体的方向看，沿柱塞 20的轴向向后推动芯部22。芯部22和流体缸头6之间的密封通过0形圈M在表面36上获得。随着芯部22被向后推动，0形圈沈在凹槽32中被表面区域38推动或压缩。凹槽 32被构造成几乎完全容纳被压缩的0形圈沈。由于表面区域38比表面区域34小，芯部22 的凹槽32内产生的压力比抵靠表面区域34的前方压力更大。这导致密封力作用在柱塞20 上的表面区域40上，从而实现紧固密封。通过将排出或压缩冲程中的力轮廓42(图4B)与吸入冲程中或静止位置时的力轮廓44(图4A)进行比较，就可以图示这一点。这也使得在泵4的内侧形成了与施加的压力相关的密封力。施加的密封力的这种自动改适使磨损降到最低。另外，在图示的实施例中，使用标准材料。实验显示在压力上升到2000巴时，密封组件运作正常。在可替代实施例46中，提供了一种密封芯部48(图5)。密封芯部48设有前0形圈50和后0形圈52。如前文所述，在活塞实施例46中，芯部48使用设置在芯部48的活塞侧的0形圈50密封到活塞M。对于后0形圈52，其功能与上文所述类似。需要理解的是，上述实施例中给出的尺寸仅出于图示目的，可以类似的方法使用其它尺寸。各部件所使用的材料类型也是如此。
本发明并不局限于上述描述的优选实施例。后附的权利要求限定了本发明所要求的各项权利，在本发明的权利要求范围内，可以对本发明实施各种修改。
权利要求
1.一种用于密封活塞或柱塞的密封组件，包括-可以放置在腔室内的密封芯部，其中在使用时所述活塞或柱塞相对于所述腔室运动；-前密封装置；和-后密封装置，其中在使用时所述密封芯部相对于所述腔室运动，从而获得密封力。
2.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封芯部设置在流体缸头的腔室内。
3.如权利要求1或2所述的密封组件，其特征在于，所述密封芯部包括聚合物材料，较佳的是超高分子量聚乙烯。
4.如权利要求1、2或3所述的密封组件，其特征在于，所述密封芯部设有带孔的开口， 其中在使用时柱塞设置在所述开口内，并且其中所述孔的尺寸比所述柱塞或活塞的尺寸
5.如权利要求1-4中任一项所述的密封组件，其特征在于，所述密封芯部的外尺寸小于所述腔室的尺寸。
6.如权利要求1-4中任一项所述的密封组件，其特征在于，所述密封芯部的外尺寸大于所述腔室的尺寸，并且所述孔的尺寸大于所述柱塞或活塞的尺寸。
7.如权利要求1-6中任一项所述的密封组件，其特征在于，在使用使所述密封芯部的材料受到应力。
8.如权利要求1-7中任一项所述的密封组件，其特征在于，在使用时所述后密封装置密封抵靠主体的支撑区域。
9.如权利要求8所述的密封组件，其特征在于，在使用时所述前密封装置和后密封装置设置在所述密封芯部的凹槽内，所述凹槽略小于被压缩的后密封装置。
10.如权利要求8或9所述的密封组件，其特征在于，支撑区域小于所述密封芯部的前方区域。
11.一种设有如权利要求1-10中任一项所述的密封组件的装置。
12.—种密封方法，包括提供如权利要求1-10中任一项所述的密封组件的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种密封组件、带有该密封组件的装置及密封方法。根据本发明的密封组件包括可以放置在腔室内的密封芯部，其中在使用时活塞或柱塞相对于腔室运动；前密封装置；和后密封装置，其中在使用时密封芯部相对于腔室运动，从而获得密封力。
文档编号F16J15/16GK102374292SQ20111025952
公开日2012年3月14日 申请日期2011年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者简·诺德 申请人:简·诺德