專利名稱：自動(dòng)對(duì)齊動(dòng)態(tài)間隙密封和利用該密封的流體移動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種往復(fù)構(gòu)件與其外殼之間的流體密封的動(dòng)態(tài)密封。更具體 地，本發(fā)明涉及一種自動(dòng)對(duì)齊動(dòng)態(tài)間隙密封和利用該密封的流體移動(dòng)設(shè)備，諸如活塞泵。
背景技術(shù)：
在多種流體移動(dòng)設(shè)備，比如液泵、泥漿泵、干式攪拌機(jī)和許多其他裝置中，滑 動(dòng)柱塞、桿、活塞或者其他類似構(gòu)件在固定支座中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。典型地，通過利用密封結(jié) 構(gòu)防止移動(dòng)構(gòu)件周圍的流體滲漏。密封結(jié)構(gòu)的材料要求具有允許移動(dòng)構(gòu)件通過密封結(jié)構(gòu) 的軸向開口來回滑動(dòng)的一些彈性和一定程度的硬度，并且足夠緊，以防止移動(dòng)構(gòu)件周圍 的流體滲漏或者至少使得移動(dòng)構(gòu)件周圍的流體滲漏最小化。一種常規(guī)的密封結(jié)構(gòu)是機(jī)械面密封。典型地，機(jī)械面密封包括一個(gè)隨驅(qū)動(dòng)軸旋 轉(zhuǎn)的密封環(huán)和附接于周圍的外殼上的靜止密封環(huán)。兩個(gè)密封環(huán)被偏壓力被朝向彼此按 壓，用這種方法防止流體經(jīng)過它們之間。例如，美國(guó)專利No.3,282,235 ； No.4,754,981和 No.5,772,217描述了具有提供偏壓力的彈簧的密封。通常，附加的彈性體組件被要求相應(yīng) 地從軸或者外殼密封每個(gè)環(huán)。典型地，密封表面之間需要薄的潤(rùn)滑膜，以防止由于干摩 擦而導(dǎo)致它們的損壞。然而，隨著時(shí)間的推移，磨損和振動(dòng)引起密封環(huán)的接合面變得有 劃痕，導(dǎo)致工作流體的滲漏。工作流體會(huì)造成磨蝕或者包含凝結(jié)劑的環(huán)境尤其會(huì)破壞常 規(guī)的密封并且需要頻繁地更換它們。類似地，美國(guó)專利No.3,348,849揭示了一種往復(fù)柱塞填密(plunger packing)，
包括多個(gè)環(huán)繞柱塞且在環(huán)與柱塞之間設(shè)置具有預(yù)定空隙的金屬環(huán)。環(huán)用于在柱塞的操作 過程中，在壓力的作用下縮小到幾乎關(guān)閉的其空隙的程度。當(dāng)流體壓力被施加于每個(gè)環(huán) 時(shí)，環(huán)封閉或者在柱塞上縮小，因此減少環(huán)和柱塞之間的初始空隙。有效減少流體通過 組件的通道所需的壓力導(dǎo)致金屬環(huán)和柱塞之間的高摩擦，損壞環(huán)和柱塞。封裝的密封箱(stuffingbox)是用于移動(dòng)構(gòu)件的常規(guī)密封的另一個(gè)示例。例如在 美國(guó)專利No.3,659,862和No.5,333,883中已經(jīng)公開了這類密封。一般地，該封裝被充分 地壓縮以限制流體通過封裝的通道，但不是被壓縮以形成封裝和移動(dòng)構(gòu)件之間的過度摩 擦。通過手動(dòng)緊固密封箱上的密封墊(gland)直到達(dá)到通過封裝的滲漏的最小化的點(diǎn)為 止，但在封裝和軸之間的摩擦使封裝過熱的點(diǎn)之前，壓力主要保持在封裝上。這樣的構(gòu) 造根據(jù)對(duì)向大氣的滲漏進(jìn)行控制，而不是零滲漏的原則進(jìn)行操作。然而，這需要頻繁的 調(diào)節(jié)，并且過度的緊固導(dǎo)致封裝產(chǎn)生過量的摩擦、熱量積累以及過度磨損，并且甚至可 能破壞移動(dòng)構(gòu)件。即使當(dāng)封裝上的壓力被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，使得流體通過封裝的通道最小化所需的壓力導(dǎo)致封裝和軸之間比較高的摩擦。結(jié)果，封裝很快磨損并且需要頻繁更換。美國(guó)專利No.6,843,481描述了一個(gè)封裝密封的可能替換方案，其揭示了一種間隙 密封組件，包括安裝在圓柱形外殼結(jié)構(gòu)中并且環(huán)繞布置在外殼結(jié)構(gòu)和移動(dòng)活塞之間的密 封構(gòu)件。參照?qǐng)D1，密封構(gòu)件4與固定外殼3和殼體構(gòu)件(housing member) 5具有流體密 封關(guān)系。這個(gè)流體密封的關(guān)系通過具有安裝在密封構(gòu)件的頂部上的彈性O(shè)形環(huán)1實(shí)現(xiàn)， 以防止跨過密封構(gòu)件和固定外殼之間的頂部的流體滲漏。當(dāng)O形環(huán)被壓縮時(shí)，密封構(gòu)件 被鎖定到殼體構(gòu)件的表面，因此防止流體流動(dòng)。由于密封構(gòu)件和活塞2之間非常緊的空 隙，密封構(gòu)件和活塞的軸向位置必須彼此嚴(yán)密地對(duì)齊。然而，活塞必須還與作為活塞的 引導(dǎo)件的殼體孔對(duì)齊。如果這兩個(gè)軸沒有對(duì)齊，活塞運(yùn)動(dòng)的卡滯會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn) 動(dòng)的傳動(dòng)皮帶。因?yàn)樾枰浅５偷墓钜韵钊麑?duì)于密封構(gòu)件的卡滯，這些密封組件 的大部分傾向于難于控制質(zhì)量，因此以大的商業(yè)規(guī)模制造它們是不切實(shí)際的。因此，現(xiàn)有技術(shù)的密封結(jié)構(gòu)并沒有在移動(dòng)構(gòu)件和它們的殼體之間提供可靠和持 久的密封。在正常運(yùn)行期間，常規(guī)的密封受到大量磨損并且必需頻繁更換，使得設(shè)備的 預(yù)防性維護(hù)更加繁重，并且增加了它的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。間隙密封經(jīng)常需要很高的制造標(biāo)準(zhǔn)， 使得大量生產(chǎn)很昂貴且難于實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供改善的動(dòng)態(tài)密封，該改善的動(dòng)態(tài)密封能夠避免現(xiàn)有 技術(shù)的密封的不希望的缺陷。具體地，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種動(dòng)態(tài)密封，該動(dòng)態(tài)密封 具有低磨損，可以相對(duì)低的成本制造，并且在使用中提供優(yōu)越的性能。本發(fā)明的另一個(gè) 目的是提供一種利用這種密封的便利的流體移動(dòng)裝置，其具有相對(duì)低的維護(hù)保養(yǎng)成本并 且具有高可靠性。 這些及其他目標(biāo)由本發(fā)明的自動(dòng)對(duì)齊動(dòng)態(tài)間隙密封組件實(shí)現(xiàn)。該組件包含固定 外殼，該固定外殼限定第一側(cè)、第二側(cè)以及連接第一和第二側(cè)的開口；移動(dòng)構(gòu)件，該移 動(dòng)構(gòu)件具有外壁且布置為可移動(dòng)通過開口；殼體構(gòu)件，該殼體構(gòu)件具有內(nèi)壁和在殼體構(gòu) 件中形成凹陷的脊，該殼體構(gòu)件環(huán)繞布置在固定外殼和移動(dòng)構(gòu)件之間；密封構(gòu)件，該密 封構(gòu)件具有內(nèi)壁、外壁、頂面和底面，該密封構(gòu)件環(huán)繞布置在所述殼體構(gòu)件和移動(dòng)構(gòu)件 之間；第一彈力密封，該第一彈力密封布置在固定外殼和密封構(gòu)件的頂面之間；和第二 彈力密封，該第二彈力密封布置在殼體構(gòu)件和密封構(gòu)件的底面之間的凹陷中。第一彈力 密封防止流體流入密封構(gòu)件和殼體構(gòu)件之間的間隙。當(dāng)壓縮時(shí)，第二彈力密封防止殼體 構(gòu)件的脊偏壓在密封構(gòu)件的底面上。密封構(gòu)件和移動(dòng)構(gòu)件限定連續(xù)且均勻的間隙，該間 隙的尺寸允許流體充滿該間隙，但防止流體在第一和第二側(cè)之間的工作壓力差的作用下 從開口的第一側(cè)流過該間隙到達(dá)開口的第二側(cè)。這個(gè)間隙的尺寸在工作壓力差的作用下 本質(zhì)上不會(huì)改變。 在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種利用該間隙密封組件的泵。該泵包含固定外 殼，該固定外殼具有限定用于儲(chǔ)存流體的壓力室的內(nèi)壁；具有外壁的活塞，該活塞可移 動(dòng)地布置在壓力室內(nèi)；殼體構(gòu)件，該殼體構(gòu)件具有內(nèi)壁和在殼體構(gòu)件中形成凹陷的脊， 該殼體構(gòu)件環(huán)繞布置在固定外殼和活塞之間；密封構(gòu)件，該密封構(gòu)件具有內(nèi)壁、外壁、 頂面和底面，該密封構(gòu)件環(huán)繞布置在殼體構(gòu)件和活塞之間；第一彈力密封，該第一彈力密封布置在固定外殼和密封構(gòu)件的頂面之間；和第二彈力密封，該第二彈力密封布置在 殼體構(gòu)件和密封構(gòu)件的底面之間的凹陷中。第一彈力密封防止流體流入密封構(gòu)件和殼體 構(gòu)件之間的間隙。當(dāng)壓縮時(shí)，第二彈力密封防止殼體構(gòu)件的脊偏壓在密封構(gòu)件的底面 上。密封構(gòu)件和活塞限定連續(xù)且均勻的間隙，該間隙的尺寸允許流體充滿該間隙，但防 止流體在工作壓力差的作用下從壓力室流到該室的外部。這個(gè)間隙的尺寸在工作壓力差 下本質(zhì)上不會(huì)改變。通過排除密封構(gòu)件和移動(dòng)構(gòu)件之間的直接接觸，該間隙密封組件減少了很多上 面討論到的與常規(guī)密封相關(guān)聯(lián)的問題。具體地，該手段的優(yōu)點(diǎn)包括使得部件的磨損最小 化，使得裝配和維修簡(jiǎn)單化，顯著地改善可靠性，以及降低維護(hù)費(fèi)用。本發(fā)明的間隙密 封可以被用于任何需要汲取、移動(dòng)和分配流體的裝置或者系統(tǒng)。本發(fā)明可以尤其有利地 用于分析測(cè)試設(shè)備中使用的高精度泵。例如，具有根據(jù)本發(fā)明制造的間隙密封的活塞泵 可以被有利地用于Nexgen存取系統(tǒng)(貝克曼儀器(Beckman Instruments)，加利福尼亞) 中的樣本抽吸及分配，該儀器在美國(guó)專利No.6,825,041中被揭示，該專利已經(jīng)被轉(zhuǎn)讓給本 發(fā)明的受讓人，并且其相關(guān)內(nèi)容通過引用結(jié)合在本文中。本發(fā)明通過在密封構(gòu)件的底面上附加的彈力密封的創(chuàng)新使用，克服了美國(guó)專 利No.6,843,481中揭示的早先的間隙密封設(shè)計(jì)的問題。該附加的彈力密封的目的不在 于密封流體，而作為對(duì)第一彈力密封的平衡，允許兩個(gè)密封作為用于密封構(gòu)件的懸掛 (suspension)而協(xié)調(diào)一致。這允許密封構(gòu)件充分浮動(dòng)以調(diào)節(jié)殼體和密封構(gòu)件的軸線之間 的未對(duì)齊，且在第一彈性環(huán)上保持足夠的壓力，以允許其完成防止密封構(gòu)件和固定外殼 之間流體流動(dòng)的功能。密封構(gòu)件能夠浮動(dòng)的距離有限制，因?yàn)槊芊鈽?gòu)件離開正常位置越 遠(yuǎn)，越大的約束力被施加于密封構(gòu)件上。因?yàn)檫^多的移動(dòng)將導(dǎo)致分配結(jié)果的不一致，這 就非常重要。該自動(dòng)對(duì)齊間隙密封設(shè)計(jì)的試驗(yàn)顯示其在功能性和可靠性上相比于美國(guó)專 利No.6,843,481揭示的初始的間隙密封設(shè)計(jì)做出了巨大的改善。例如，使用本自動(dòng)對(duì)齊 間隙密封設(shè)計(jì)，困難的體積分配上的第一經(jīng)過率從28%提高到88%。


接下來，將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，根據(jù)參照附圖的描述，本發(fā)明的以上 及其他特征和獲得它們的方式將變得更加明顯，其中圖IA是美國(guó)專利No.6,843,481中揭示的間隙密封的截面圖。圖IB是密封構(gòu)件 的側(cè)視圖，以及移動(dòng)構(gòu)件和殼體構(gòu)件的截面圖。圖IC是密封構(gòu)件的俯視圖，以及移動(dòng)構(gòu) 件的截面圖。圖2A為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的間隙密封的截面圖。圖2B是密封構(gòu)件的放 大側(cè)視圖，以及移動(dòng)構(gòu)件和殼體構(gòu)件的截面圖。圖2C是密封構(gòu)件的俯視圖，以及移動(dòng)構(gòu) 件的截面圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的密封構(gòu)件和殼體構(gòu)件之間的凹陷的放大截面 圖。
具體實(shí)施例方式除非另外限定，這里使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)的含義與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的本領(lǐng)域技術(shù)人員所普遍理解的含義相同。在此引用的所有專利、專利申請(qǐng)(公布或 者未公布的)以及其他公開物的全部?jī)?nèi)容在這里通過引用而被結(jié)合。如果在本節(jié)中闡明 的定義與通過引用而被結(jié)合的專利、申請(qǐng)、公布的申請(qǐng)以及其他公開物闡明的定義相反 或不一致，采用在本節(jié)中闡明的定義，而不是那些通過引用結(jié)合在本文中的定義。引用的公開物或者文件不作為承認(rèn)任何這樣的公開物或者文件是適當(dāng)?shù)默F(xiàn)有技 術(shù)，也不構(gòu)成任何對(duì)有關(guān)這些公開物或者文件的內(nèi)容或者日期的任可。這里使用的“a”或“an”意味著“至少一個(gè)”或者“一個(gè)或更多”。在這里使用的術(shù)語(yǔ)“自動(dòng)對(duì)齊”指裝配特征，其中兩個(gè)或更多部分能夠互相連 接而不需要任何實(shí)現(xiàn)想要的接合所需的由人操作的對(duì)齊操作。這里使用的術(shù)語(yǔ)“流動(dòng)”指的是由高壓區(qū)和低壓區(qū)之間的壓差所引起的流體的 定向運(yùn)動(dòng)(例如，泵內(nèi)部的工作流體壓力和泵外部的大氣壓力之間的差)。在這里使用的 術(shù)語(yǔ)“泄漏”指的是由移動(dòng)構(gòu)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和流體因靜電、毛細(xì)作用和/或范德瓦耳斯 力(vanderWaalsforces)而附著到實(shí)心結(jié)構(gòu)元件的壁上所引起的流體運(yùn)動(dòng)。這里使用的術(shù)語(yǔ)“粘性”指的是對(duì)通過剪切應(yīng)力或者拉伸應(yīng)力而變形的流體的 阻力的程度。粘性描述了一種流體對(duì)流動(dòng)的內(nèi)在阻力，并且有時(shí)被認(rèn)為是流體摩擦的程 度。因此，水和乙醇被認(rèn)為具有相對(duì)低的粘度，而甘油和槭糖漿(maplesyrap)被認(rèn)為具 有比較高的粘性。流體的粘性通常獨(dú)立于壓力(除非在超高壓下)并且傾向于隨著溫度升 高而降低。例如，隨著水溫從0°C升高到100°C，水的粘度從1.79厘泊(centipoise，cP)降 到0.28cP。作為溫度T(K)的函數(shù)，水的粘性可以如下這樣確定μ (Pa · s) =AXIOB7 (T_C),其中 A = 2.414X ICT5Pa · s ； B = 247.8K ；并且 C = 140K[lcP = ICT3Pa · s]。在 室溫下(20°C )，水的粘性為1.003cP。這里使用的術(shù)語(yǔ)“兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間的流體密封關(guān)系”的意思是沒有流體能夠 經(jīng)過這些元件之間。可以理解的是，任何密封方法可能用來實(shí)現(xiàn)流體密封關(guān)系，只要其 提供可靠的密封即可。這里使用的術(shù)語(yǔ)“防止流體流動(dòng)”意思是流經(jīng)密封的流體體積足夠小，從而不 會(huì)對(duì)由包含該密封的泵的分配精確性產(chǎn)生任何明顯的副作用。替代地，這里使用的術(shù)語(yǔ)
“防止流體流動(dòng)”指的是流經(jīng)密封的流體數(shù)量非常小，以致于不能由肉眼察覺。這里使用的術(shù)語(yǔ)“兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間的連續(xù)間隙”指的是這些元件之間沒有直 接接觸的點(diǎn)。術(shù)語(yǔ)“兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間的均勻間隙”指的是這些元件之間的距離沒有危 及它們之間形成的液體密封的顯著變化。因此，這里使用的術(shù)語(yǔ)“連續(xù)且均勻的間隙” 指的是兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間的空間關(guān)系，其中這些元件之間沒有直接接觸點(diǎn)，并且元件之 間的距離沒有危及形成在它們之間的液體密封的顯著差異。這里使用的術(shù)語(yǔ)“本質(zhì)上沒有改變”指的是所討論的特性具有的改變小于大約 50%,優(yōu)選小于大約40%，更優(yōu)選小于大約30%，再優(yōu)選小于大約20%，并且最好小于 大約10%。因此，短語(yǔ)“在工作壓力的作用下，第二間隙的尺寸實(shí)質(zhì)上保持不變”通常 指操作過程中第二間隙的尺寸沒有從操作之前的第二間隙的尺寸偏離超過大約50%。這里使用的術(shù)語(yǔ)“實(shí)質(zhì)上圓形形狀”，在理想的圓之外，還包括接近于理想的 圓的形狀、但由于制造過程等等的精確度的變化而從理想的圓變形得到的形狀。在更定 量化的術(shù)語(yǔ)中，術(shù)語(yǔ)“實(shí)質(zhì)上圓形形狀”指的是短軸長(zhǎng)度A與長(zhǎng)軸長(zhǎng)度B的比值等于或者小于大約1.0，并且等于或者大于約0.8 (即，0.8SA/BS1.0)。圖1顯示前面所揭示的采用單個(gè)彈性O(shè)形環(huán)的間隙密封組件(參見美國(guó)專利 Νο.6,843,481)。參照?qǐng)D1Α，具有間隙密封組件10的活塞泵包括具有內(nèi)壁8的固定外殼 3，內(nèi)壁8限定用于包含被抽取的流體的壓力室9。活塞2可移動(dòng)地布置在壓力室9內(nèi)， 并且圓柱形殼體構(gòu)件5環(huán)繞布置在固定外殼3和活塞2之間，以支撐活塞。密封構(gòu)件4環(huán) 繞布置在殼體構(gòu)件5和活塞2之間，并且與固定外殼3具有流體密封的關(guān)系。參照?qǐng)DIA 和1Β，密封構(gòu)件4和固定外殼3之間的流體密封關(guān)系典型地通過利用環(huán)形的彈力密封， 諸如O形環(huán)1實(shí)現(xiàn)，該彈力密封可移除地安裝在外殼和密封構(gòu)件之間。當(dāng)O形環(huán)1被壓 縮時(shí)，它與固定外殼3形成密封點(diǎn)11Α，且與密封構(gòu)件4形成密封點(diǎn)11Β，因此防止流體 在外殼和密封構(gòu)件之間流動(dòng)。參照?qǐng)DIA和1C，密封構(gòu)件4的內(nèi)壁7和活塞2的外壁6 限定連續(xù)且均勻的間隙12。間隙12的尺寸允許流體充滿該間隙，并且防止流體在工作流 體的壓力作用下通過間隙從壓力室流到該室的外部。然而，如上所述，由于密封構(gòu)件4和活塞2之間非常緊的空隙，殼體和密封構(gòu) 件的縱軸之間的未對(duì)齊經(jīng)常導(dǎo)致活塞2接合到密封構(gòu)件4，引起使活塞動(dòng)作的傳動(dòng)皮帶損 壞。因?yàn)樾枰浅５偷墓钜员苊饣钊?與密封構(gòu)件4的頻繁接合，該密封組件的相當(dāng) 一部分傾向于難于控制質(zhì)量，因此使大的商業(yè)規(guī)模制造這種密封不可實(shí)施。本發(fā)明通過提供浮動(dòng)(floating)、自動(dòng)對(duì)齊間隙密封有效地克服這些問題，該自 動(dòng)對(duì)齊間隙密封利用密封構(gòu)件的底面上的可移動(dòng)的附加彈力密封。該第二彈力密封的目 的不在于密封流體，而是作為對(duì)主要彈力密封的平衡，允許兩個(gè)密封作為用于密封構(gòu)件 的懸掛(suspension)而協(xié)調(diào)一致。這允許密封構(gòu)件能夠充分地浮動(dòng)，以調(diào)節(jié)殼體和密封 構(gòu)件的軸線之間的任何未對(duì)齊，且在相對(duì)的彈力密封上保持足夠的壓力，以允許其完成 防止流體在密封構(gòu)件和固定外殼之間流動(dòng)的功能。注意的是，本發(fā)明的間隙密封組件可以用于與具有開口和通過該開口往復(fù)運(yùn)動(dòng) 的移動(dòng)構(gòu)件的固定構(gòu)件的任何裝置聯(lián)合使用。這樣的裝置的示例包括，但不局限于在很 大范圍內(nèi)使用的分配泵、泥漿泵和葉輪泵。移動(dòng)構(gòu)件可以是，例如，滑動(dòng)柱塞、桿或者 活塞。本發(fā)明的特定的構(gòu)造可以采用不同的或者改進(jìn)的形式，活塞泵將被用于進(jìn)一步詳 細(xì)地說明本發(fā)明。參照?qǐng)D2A，具有間隙密封組件20的活塞泵包括具有內(nèi)壁32的固定外殼23，內(nèi) 壁32限定用于包含被抽取的流體的壓力室30?；钊?4可移動(dòng)地布置在壓力室30內(nèi)，并 且圓柱形殼體構(gòu)件26環(huán)繞布置在固定外殼23和活塞24之間，以支撐活塞。如前所述， 密封構(gòu)件25環(huán)繞布置在殼體構(gòu)件26和活塞24之間。如前所述，密封構(gòu)件25與固定外 殼23具有流體密封的關(guān)系，密封構(gòu)件25還具有第一環(huán)形彈力密封，諸如O形環(huán)21，該 第一環(huán)形彈力密封可移除地安裝在密封構(gòu)件25和外殼23之間。當(dāng)?shù)谝幻芊?1被壓縮 時(shí)，它與外殼23形成密封點(diǎn)35A，且與密封構(gòu)件25形成密封點(diǎn)35B，因此防止流體在外 殼和密封構(gòu)件之間流動(dòng)。第一密封21的精確位置不重要，只要它防止流體在固定的外殼 23和密封構(gòu)件25之間流動(dòng)即可。參照?qǐng)D2A和2C，密封構(gòu)件25的內(nèi)壁34和活塞24的 外壁31限定連續(xù)且均勻的間隙33。間隙33具有允許流體充滿該間隙的尺寸，但防止流 體在工作流體的壓力作用下通過間隙從壓力室流到該室的外部。參照?qǐng)D2A和2B，本發(fā) 明的殼體構(gòu)件26具有脊27，該脊27在殼體構(gòu)件和密封構(gòu)件25之間形成凹陷36。第二環(huán)形彈力密封，諸如O形環(huán)22，可移除地安裝在殼體構(gòu)件26和密封構(gòu)件25之間的凹陷 36中，以防止脊27與密封構(gòu)件25接觸并偏壓密封構(gòu)件25。通過具有安裝在密封構(gòu)件25 和殼體構(gòu)件26之間的凹陷36的第二 O形環(huán)22，密封構(gòu)件被給予附加的自由度，因此提 升了其自身和可移動(dòng)的活塞24之間的更有效的對(duì)準(zhǔn)，并且防止這兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件之間的卡滯。參照?qǐng)D3，使得本發(fā)明與美國(guó)專利Νο.6,843,481所揭示的間隙密封相區(qū)分的關(guān)鍵 要素是諸如O形環(huán)22的第二彈力密封和脊27，第二彈力密封安裝在密封構(gòu)件25和殼體 構(gòu)件26之間，脊27在殼體構(gòu)件26中形成凹陷36，所述凹陷能夠調(diào)節(jié)第二 O形環(huán)22以 防止脊27偏壓密封構(gòu)件25。第二 O形環(huán)22可以用任何合適的彈性材料制成，例如，合 成橡膠、熱塑性塑料等等。脊27的高度必須被小心地關(guān)于第二 O形環(huán)22的主體部分的 直徑進(jìn)行校準(zhǔn)，從而當(dāng)?shù)诙?O形環(huán)22被壓縮時(shí)，密封構(gòu)件25沒有和脊27接觸，并且繼 續(xù)浮在第二 O形環(huán)22的頂部上。對(duì)所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，需要注意的是，脊 27的高度h及第二 O形環(huán)22的本體部分的未壓縮直徑d之間的期望比值將通常取決于制 造第二 O形環(huán)22的材料的硬度。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，第二 O形環(huán)22具有壓縮的本 體部分直徑d'，且壓縮的直徑d'與未壓縮的直徑d的比值處于大約0.60和大約0.90之 間的范圍內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選在大約0.65和大約0.85之間，且最好在大約0.68和大約0.78之 間。因此，脊27優(yōu)選具有的高度在第二 O形環(huán)22的本體部分的未壓縮直徑的大約0.40 和0.75之間的范圍內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選在第二 O形環(huán)22的本體部分的未壓縮直徑的大約0.50 和0.70之間，且最好在第二 O形環(huán)22的本體部分的未壓縮直徑的0.55和0.65之間。然 而，應(yīng)該注意，諸如脊的高度和第二 O形環(huán)22的未壓縮直徑之間的比值(h/d)及第二 O 形環(huán)22的本體部分的壓縮的直徑與未壓縮的直徑之間的比值(d' /d)的其他比值也可以 根據(jù)本發(fā)明被使用。本發(fā)明的間隙密封組件的一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是殼體構(gòu)件26、密封構(gòu)件25、第一彈 力密封21和第二彈力密封22的組合獨(dú)立模塊的事實(shí)，該模塊能夠被容易地從固定的外殼 23去除以在必要時(shí)進(jìn)行清潔和/或維護(hù)。如美國(guó)專利Νο.6,843,481揭示的，流體密封能夠形成在移動(dòng)和固定構(gòu)件之間，且 它們之間沒有直接接觸。間隙33的尺寸可以被選擇成允許流體充滿密封和活塞之間的間 隙，因此避免了干摩擦，但是能夠防止流體流過該間隙。當(dāng)間隙足夠小時(shí)，流體向活塞 和密封的附著力大于由于工作壓力通過流體施加的力，因此防止流體流過該間隙。間隙33的合適的尺寸范圍取決于被抽吸的流體的物理性能，諸如粘性、表面張 力、附著力、溫度和工作壓力差。低粘度流體將典型地需要比更高粘性的流體更小的間 隙33。一般地，流體的粘性越高，間隙33可以使用的范圍越寬。在一個(gè)實(shí)施例中，間 隙33具有在大約0.5微米和大約3.0微米之間的范圍內(nèi)的尺寸，進(jìn)一步優(yōu)選在大約0.75微 米和大約2.0微米之間，最好位于大約1.0微米和大約1.5微米之間。還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到間隙 的尺寸大大取決于應(yīng)用的類型。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠考慮當(dāng)前公開來選擇間隙的尺 寸，以調(diào)節(jié)被用于特定應(yīng)用的流體和工作壓力，而用不著不適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，被抽吸的流體包含水或者含水的緩沖溶液，例如諸如，磷 酸鹽緩沖鹽水溶液(phosphate-buffered saline)，磷酸鹽緩沖液(phosphate buffer)，硼酸 鹽緩沖液(borate buffer)，檸檬酸鹽緩沖液(citrate buffer)，三羥甲基氨基甲烷緩沖液(Tris buffer)，MOPS 緩沖液(MOPS buffer)，PIPES 緩沖液(PIPES buffer)或者 HEPES 緩沖液(HEPESbuffer)。含水的緩沖溶液的粘性優(yōu)選在大約0.3CP(3X10_4Pa · s)和大 約20cP(2xl0_2Pa · s)之間的范圍內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選在大約0.5cP(5xlO_4Pa · s)和大約 5cP(5xlO 3Pa · s)之間，并且最好在大約0.9cP(9xl(T4Pa · s)和大約 1.5cP(1.5xl(T3Pa · s)
之間。然而，需要理解，其他合適的流體也可以被用于本發(fā)明。
被抽吸的流體的溫度優(yōu)選在大約10°C和大約90°C之間的范圍，進(jìn)一步優(yōu)選在大 約15°C和大約60°C之間，最好在大約20°C和大約30°C之間。工作壓力差優(yōu)選小于大約 IOOOkPa,進(jìn)一步優(yōu)選小于大約500kPa，并且最好小于大約350kPa。然而，需要理解， 其他合適的溫度和工作壓力也可以被用于本發(fā)明。在活塞24和密封構(gòu)件25之間保持均勻間隙需要精密地控制活塞的外壁31和密 封構(gòu)件內(nèi)壁34的徑向尺寸，以及高的組裝精確性。因此，為了簡(jiǎn)化臨界間隙33的控制， 在優(yōu)選實(shí)施例中，內(nèi)壁34和外壁31的截面實(shí)質(zhì)上具有圓形。具有高硬度且能夠被加工成想要的較高精度的材料可以被用來制造密封構(gòu)件和 活塞，并且對(duì)于本發(fā)明所在領(lǐng)域的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這是已知的。在一個(gè)實(shí)施例 中，密封構(gòu)件采用與殼體構(gòu)件不同的材料制成。例如，活塞可以用陶瓷材料制成，而密 封構(gòu)件可以用聚合物，例如諸如，丙烯酸類聚合物(acrylic polymer)制成。在另一個(gè)實(shí) 施例中，密封構(gòu)件采用與殼體構(gòu)件相同的材料制成。例如，該密封構(gòu)件和活塞可以都用 陶瓷材料制成。雖然通過特別參照活塞泵進(jìn)行描述了本發(fā)明，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，該間隙密封的主要 特征可以用于任何具有諸如外殼23的固定構(gòu)件和諸如活塞24的移動(dòng)構(gòu)件的任何裝置，外 殼23具有諸如壓力室30的開口，活塞24被通過該開口可移動(dòng)地設(shè)置。一般而言，固定 構(gòu)件可以具有任何形狀，只要其限定諸如泵的內(nèi)側(cè)與外側(cè)的兩個(gè)體積，所述內(nèi)側(cè)和外側(cè) 被稱為固定構(gòu)件的兩側(cè)并且通過開口連接諸如。兩個(gè)體積可以包括不同的流體和/或處 于不同的壓力下(例如，在泵內(nèi)部為工作流體壓力而在泵外部為大氣壓力)。本發(fā)明可以體現(xiàn)為其他特定的形式而沒有脫離它的基本特征。在這里描述的實(shí) 施例在各個(gè)方面均僅僅作為示例，而非限制。包含在后附權(quán)利要求中或其等效替代的范 圍和意思內(nèi)的各種變化被包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)對(duì)齊間隙密封組件，包含(a)固定外殼，該固定外殼限定第一側(cè)、第二側(cè)和連接所述第一側(cè)和第二側(cè)的開Π ；(b)具有外壁的移動(dòng)構(gòu)件，所述移動(dòng)構(gòu)件布置為可移動(dòng)通過所述開口；(c)殼體構(gòu)件，所述殼體構(gòu)件具有內(nèi)壁和在所述殼體構(gòu)件中形成凹陷的脊，所述殼體 構(gòu)件環(huán)繞布置在所述固定外殼和所述移動(dòng)構(gòu)件之間；(d)密封構(gòu)件，所述密封構(gòu)件具有內(nèi)壁、外壁、頂面和底面，所述密封構(gòu)件環(huán)繞布置 在所述殼體構(gòu)件和所述移動(dòng)構(gòu)件之間；(e)第一彈力密封，所述第一彈力密封布置在所述固定外殼和所述密封構(gòu)件的頂面之 間；和(f)第二彈力密封，所述第二彈力密封布置在所述殼體構(gòu)件和所述密封構(gòu)件的底面之 間的凹陷中；其中所述殼體構(gòu)件的內(nèi)壁和所述密封構(gòu)件的外壁限定第一間隙，且所述第一彈力密 封防止流體流入所述第一間隙；被壓縮時(shí)的所述第二彈力密封防止所述殼體構(gòu)件的脊偏壓所述密封構(gòu)件的底面。
2.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)齊間隙密封組件，其特征在于，所述密封構(gòu)件在所述第 一彈力密封和第二彈力密封之間浮動(dòng)，且與所述移動(dòng)構(gòu)件自動(dòng)對(duì)齊。
3.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)齊間隙密封組件，其特征在于，當(dāng)組裝時(shí)，所述密封構(gòu) 件的內(nèi)壁和所述移動(dòng)構(gòu)件的外壁限定連續(xù)并且均勻的第二間隙；所述第二間隙具有的尺寸允許所述流體充滿所述第二間隙但防止所述流體在所述第 一側(cè)和第二側(cè)之間的工作壓力差的作用下經(jīng)過所述第二間隙從所述開口的第一側(cè)流到第 二側(cè)；并且所述第二間隙的尺寸在所述工作壓力差的作用下基本不變。
4.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)齊間隙密封組件，其特征在于，其中所述第二間隙的尺 寸在從大約0.75微米到大約2.0微米的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)齊間隙密封組件，其特征在于，其中所述工作壓力差小 于大約350kPa。
6.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)齊間隙密封組件，其特征在于，其中所述第二彈力密封 具有未壓縮本體部分直徑和壓縮本體部分直徑，并且所述壓縮直徑與所述未壓縮直徑的 比值范圍為從大約0.65到大約0.85。
7.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)齊間隙密封組件，其特征在于，其中所述殼體構(gòu)件的脊 具有高度，并且所述第二彈力密封具有未壓縮本體部分直徑，并且所述高度與所述未壓 縮直徑的比值范圍為從大約0.50到大約0.70。
8.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)對(duì)齊間隙密封組件包括在泵內(nèi)。
9.一種泵，包含(a)固定外殼，所述固定外殼具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁限定用于儲(chǔ)存流體的壓力室；(b)具有外壁的活塞，所述活塞可移動(dòng)地布置在所述室內(nèi)；(C)殼體構(gòu)件，所述殼體構(gòu)件具有在所述殼體構(gòu)件中形成凹陷的脊，所述殼體構(gòu)件環(huán) 繞布置在所述固定外殼和所述活塞之間；(d)密封構(gòu)件，所述密封構(gòu)件具有內(nèi)壁、外壁、頂面和底面，所述密封構(gòu)件環(huán)繞布置 在所述殼體構(gòu)件和所述活塞之間；(e)第一彈力密封，所述第一彈力密封布置在所述固定外殼和密封構(gòu)件的頂面之間；和(f)第二彈力密封，所述第二彈力密封布置在所述殼體構(gòu)件和所述密封構(gòu)件的底面之 間的凹陷中；其中，所述密封構(gòu)件在所述第一彈力密封和第二彈力密封之間浮動(dòng)，且與所述活塞 自動(dòng)對(duì)齊。
10.如權(quán)利要求9所述的泵，其特征在于，其中所述密封構(gòu)件用陶瓷材料制成。
11.如權(quán)利要求9所述的泵，其特征在于，其中所述流體包含水或者含水的緩沖溶液。
12.如權(quán)利要求9所述的泵，其特征在于，其中所述第一和第二彈力密封中的每個(gè)是 環(huán)形的彈力密封(O形環(huán))。
13.—種泵，包含殼體，所述殼體包括其大小能夠接收移動(dòng)構(gòu)件的內(nèi)壁和布置在所述殼體的內(nèi)壁中的 槽，所述槽具有上表面和下表面；密封構(gòu)件，所述密封構(gòu)件包括頂面和底面，所述密封構(gòu)件布置在所述槽內(nèi)； 第一彈力密封，所述第一彈力密封布置在所述槽的上表面和所述密封構(gòu)件的頂面 之間，所述第一彈力密封構(gòu)造為在所述槽的上表面和所述密封構(gòu)件的頂面之間形成上間 隙；和第二彈力密封，所述第二彈力密封布置在所述槽的下表面和所述密封構(gòu)件的底面 之間，所述第二彈力密封構(gòu)造為在所述槽的下表面和所述密封構(gòu)件的底面之間形成下間 隙；其中，所述密封構(gòu)件在所述第一彈力密封和第二彈力密封之間浮動(dòng)，且與所述移動(dòng) 構(gòu)件自動(dòng)對(duì)齊。
14.如權(quán)利要求13所述的泵，其特征在于，所述槽進(jìn)一步具有環(huán)繞布置在所述殼體中 的后壁，所述密封構(gòu)件進(jìn)一步包括外壁，其中，所述槽的后壁和所述密封構(gòu)件的外壁限 定外間隙，并且所述第一彈力密封防止流體流入所述外間隙。
15.如權(quán)利要求13所述的泵，其特征在于，其中所述移動(dòng)構(gòu)件是活塞，所述活塞包括 外壁，所述活塞可移動(dòng)地布置在所述殼體的內(nèi)壁內(nèi)，所述密封構(gòu)件進(jìn)一步包括內(nèi)壁，當(dāng) 組裝時(shí)，所述密封構(gòu)件的內(nèi)壁和所述活塞的外壁限定內(nèi)間隙，所述內(nèi)間隙具有的尺寸允 許流體充滿所述內(nèi)間隙但防止所述流體在工作壓力差的作用下經(jīng)過所述內(nèi)間隙從所述殼 體的一端流到另一端。
16.如權(quán)利要求15所述的泵，其特征在于，其中所述內(nèi)間隙的尺寸在從大約0.75微米 到大約2.0微米的范圍內(nèi)。
17.如權(quán)利要求15所述的泵，其特征在于，其中所述工作壓力差小于大約350kPa。
18.如權(quán)利要求13所述的泵，其特征在于，所述殼體包括固定外殼和殼體構(gòu)件，所述 殼體構(gòu)件環(huán)繞布置在所述固定外殼內(nèi)部，其中所述第一彈力密封被安裝在所述密封構(gòu)件 的頂面和所述固定外殼之間，且所述第二彈力密封安裝在所述密封構(gòu)件的底面和所述殼體構(gòu)件之間。
19.如權(quán)利要求18所述的泵，其特征在于，所述殼體構(gòu)件具有在所述殼體構(gòu)件中形成 凹陷的脊，其中所述殼體構(gòu)件的脊的高度與所述第二彈力密封的未壓縮本體部分直徑的 比值在大約0.50到大約0.70的范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求13所述的泵，其特征在于，其中所述第二彈力密封的壓縮本體部分 直徑和所述第二彈力密封的未壓縮本體部分直徑的比值在從大約0.65到大約0.85的范圍 內(nèi)。
全文摘要
揭示一種自動(dòng)對(duì)齊動(dòng)態(tài)間隙密封組件(20)。該組件包含固定外殼(23)、移動(dòng)構(gòu)件(24)、環(huán)繞布置在固定外殼和移動(dòng)構(gòu)件之間的殼體構(gòu)件(26)、環(huán)繞布置在殼體構(gòu)件和移動(dòng)構(gòu)件之間的密封構(gòu)件(25)和兩個(gè)彈力密封(21，22)。第一彈力密封防止流體流入密封構(gòu)件和固定外殼之間的間隙。當(dāng)壓縮時(shí)，第二彈力密封防止殼體構(gòu)件的脊偏壓密封構(gòu)件的底面。密封構(gòu)件和移動(dòng)構(gòu)件限定連續(xù)且均勻的間隙，該間隙具有的尺寸允許流體充滿該間隙但防止流體在第一和第二側(cè)之間的工作壓力差的作用下經(jīng)過該間隙從開口的第一側(cè)流到開口的第二側(cè)。還提供一種利用該自動(dòng)對(duì)齊密封組件的泵。
文檔編號(hào)F04B53/16GK102016368SQ200980115910
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者克瑞格·湯普森 申請(qǐng)人:貝克曼考爾特公司