气动静止轴密封件

相关申请的交叉引用

本申请要求2022年5月12日提交的、申请号为17/742,851的美国非临时申请的优先权，出于所有目的，通过引用将其全部并入本文。

技术领域

本发明涉及静止密封件，并且更具体地涉及适用于针对高压差进行密封的压力驱动静止密封件。

背景技术

已知许多旋转轴密封方式用于限制过程流体通过被旋转轴穿透的壳体的逸出。一个示例是旋转面机械密封件，即使在高压气体过程流体的情况下，其提供了具有最小过程流体泄漏的非接触密封。在一些情况下，凹槽或其他特征被包括在旋转面机械密封件的至少一个面上，凹槽或其他特征用于当轴旋转时从密封件排斥过程流体。

在许多情况下，例如当密封对人员和环境有毒或有其他危险的气体时，即使在轴不旋转时，也期望与该轴形成紧密密封。许多旋转轴密封件对于在这些“静止”条件下形成密封的效果很差。相反，可设置分离的静止密封件，当该轴旋转时，该密封件从该轴退出，并且当该轴不旋转时，压靠该轴以形成密封。由此，通过防止过程流体到达旋转轴密封件，或者如果过程流体泄漏经过旋转轴密封件，则防止过程流体到达外部环境，来防止过程流体在静止条件下到达环境。通常，控制器被实施为既控制轴旋转的启动和停止又控制静止轴密封件的打开和关闭。

参考图1A，一种方式是提供一种实心刚性密封环100，该密封环100围绕轴102并可被轴向地挤压成与径向结构104相接触，该径向结构104经由支撑结构106被密封至轴102。在图1A的示例中，当轴102不旋转时，密封环100被抵靠径向结构104气动地驱动，而当轴旋转时，通过弹簧108从轴102中退出。在类似示例中，密封环100由双向气动活塞或由机械机构(诸如螺线管)驱动。通常，该静止轴密封件是由控制器(未示出)来启动和解除启动的，该控制器可以是但不必须是同样控制该轴的旋转启动和停止的同一控制器。

虽然这种方式是耐用的，并且能够密封高压过程流体(诸如高压气体)，然而这种方式本质上是复杂且制造昂贵的。

参考图1B和1C，另一种方式是用中空的弹性管110围绕轴102，该中空的弹性管110被壳体112约束，并经由充气入口116与充气源(未示出，例如加压氮气源)流体连通。管110的截面被成形为使得其通常不延伸超出壳体112至轴102。然而，当管110的内部114被充气源加压时，管110径向地向内膨胀超出壳体112，并与壳体112和轴102形成密封。图1B示出了管110打开时的静止轴密封件，图1C示出了管110关闭时的密封件。

图1B和图1C的方式简单，并且相对易于制造。然而，可能难以为管110提供复杂的截面成形，因为其通常是挤压的而不是铸造的。

参考图1D和1E，在类似的方式中，成形的弹性带118扣合在支撑模板120上，并安装在壳体112内。支撑模板120被充气入口116穿透，充气入口116被引导至带118的后表面。参考图1D，当没有经由充气入口116施加压力时，弹性带118保持平坦而抵靠支撑模板120，并不延伸超出壳体112。然而，参考图1E，当经由充气入口116施加压力时，流体的囊袋形成在带118和支撑模板120之间，使得带118径向地向内延伸至壳体112之外并压靠轴102，形成密封。

虽然这些方式在一些情况下可以是有效的，但是当试图针对高压流体(诸如加压至70巴或90巴的气体)形成密封时，它们倾向于失效。参考图1F，如果密封件关闭，并且密封件上游的过程流体施加非常高的压力，而密封件下游没有对应的压力，则弹性密封件118可被扭曲并且甚至被挤压122到轴102和壳体112之间的间隙中，使得当经由充气入口116施加的压力撤出时，带118可能不会完全从轴102退出。在这种情况下，可能需要采取如图1A所示的刚性、机械的方式。

因此，所需要的是一种静止轴密封件，该轴密封件在设计上是简单的、生产成本相对较低的、并且能够形成可靠地承受高压过程流体的密封件。

发明内容

本发明是流体压力驱动的静止轴密封件，该静止轴密封件设计简单、生产成本相对较低、并且能够形成可靠地承受高压过程流体(诸如加压至70巴或更高的过程气体)的密封件。

所公开的密封件包括柔性带，该柔性带被安装在环形壳体内，并围绕可旋转的轴。该柔性带包括厚的、基本上呈矩形的中心区域，该中心区域在其两侧上侧接较薄的侧部区域。该柔性带的较薄的侧部区域向中心区域提供径向或轴向的柔性，使得厚的中心区域能够延伸穿过该壳体中的环形开口，然后从该环形开口缩回。该中心区域的厚度使得其能够在其被压靠该轴并经受高流体压力差时抵抗扭曲或挤压。加压控制流体通过控制流体入口施加在该中心区域的后面以关闭该静止密封件。

施加在该柔性带后面的加压控制流体由控制器控制，该控制器在实施例中还控制该轴的旋转。当该轴旋转时，在该柔性带的中心区域后面不施加压力，使得其部分或完全地保持在该环形壳体内，且不接触该轴。当该轴不旋转(即，处于静止状态)时，通过该控制器经由该控制流体入口在该柔性带的中心区域后面施加流体压力。因此，该柔性带的中心区域被推动穿过该壳体中的环形开口，并被压靠在该轴上，或者压靠在密封至该轴上的中间结构，从而与其形成静止密封件。在径向实施例中，该中心区域的直径变化仅为该柔性带的全部直径的小百分比，使得该中心区域能够容易地适应当该中心区域被朝向该轴径向地向内挤压时所需的周向压缩。

在一些实施例中，该控制流体的源独立于该过程，并且可以是例如加压氮气、加压空气或加压液体的源。在其他实施例中，该控制流体是过程流体。在这些实施例的一些中，使用增压装置来增加施加在该柔性带后面的过程流体的压力。

在不同的实施例中，该柔性带是由一种材料制成的，诸如弹性体，该弹性体具有足够的弹性，以便当该柔性带不再通过施加的流体压力而扭曲时，可靠地弹回到其初始形状，使得当移除所施加的流体压力时，由于该弹性体的弹性，该中心区域从该轴完全退出。在其他实施例中，该柔性带由柔性且耐用的、但具有较小弹性的材料制成(诸如PTFE)，使得当控制流体压力撤出时，该柔性带可能不具有足够的弹性而使该中心区域可靠地从该轴退出。这些实施例中的一些包括一对环形的、齿形弹簧，每个弹簧均具有在该壳体内夹紧到位的实心环形区域，以及在该柔性带的侧部区域的至少一部分下方的带齿的环形区域。该齿形弹簧提供附加的回复力，以确保该中心区域从该轴的完全退出。

多个实施例还包括一对刚性环形环，该刚性环形环在厚的中心区域的任一侧上，该刚性环形环完全消除了当静止密封件被接合时任何厚的区域都可能被挤入该壳体与该轴之间的间隙中的可能性。该环形环可被附接至该柔性带的中心区域，或者该环形环可被固定至该壳体并延伸进入该轴与该壳体之间的间隙中。

本发明的静止密封件可与至少一个旋转轴密封件(诸如旋转面机械密封件)一起实施。该静止密封件可在该旋转轴密封件的上游或下游实施。或者，如果包括多个旋转轴密封件，该静止密封件则可在这些旋转轴密封件之间实施。在一些实施例中，多个所公开的静止密封件被展开，例如一个在旋转轴密封件的上游，而一个在旋转轴密封件的下游。

虽然所公开的静止密封件在此有时被描述为径向地向内作用，但本领域技术人员将清楚的是，在其他实施例中，该静止密封件是轴向的。例如，在实施例中，该柔性带的中心区域轴向地压靠径向延伸的面，该径向延伸的面通过中间支撑结构固定和密封至旋转轴。

本发明是一种静止密封件，该静止密封件被配置为与可转动的轴形成密封，以便防止过程流体在该轴不转动时通过该静止密封件的泄漏。该静止密封件包括围绕该轴的柔性带，该柔性带包括相对较厚的中心区域，相对较薄的侧部区域从该中心区域纵向延伸，该中心区域的截面基本上是矩形的；壳体，该壳体被配置为容纳该柔性带；一对盖板，该盖板位于该柔性带的侧部区域下方并被配置为防止该侧部区域偏斜通过该盖板；间隙，该间隙设置在盖板之间，该柔性带的中心区域可延伸穿过该间隙；控制流体入口，该控制流体入口被配置为提供加压控制流体的源与该柔性带的后表面之间的流体连通；以及控制器。

当该控制器将加压控制流体施加至该控制流体入口时，该静止密封件被配置为使该柔性带的中心区域延伸穿过该间隙，从而使得该柔性带与该轴或与被密封至该轴的中间结构接触并形成密封。当该控制器停止将加压控制流体施加至该柔性带时，该静止密封件还被配置为从该轴或该中间结构退出该柔性带的中心区域。

在实施例中，该静止密封件被配置为径向地向内施加该柔性带的中心区域而抵靠该轴或抵靠该中间结构。

在以上实施例中的任何实施例中，该静止密封件可被配置为轴向地施加该柔性带的中心区域而抵靠该中间结构。

以上实施例中的任何实施例可还包括一对刚性环形支撑环，该刚性环形支撑环被配置为当该中心区域延伸穿过盖板之间的间隙时，支撑该柔性带的中心区域的侧部。

在以上实施例中的任何实施例中，该静止密封件可被配置为径向地向内施加该柔性带的中心区域而抵靠该轴或该中间结构，并且该环形支撑环可包括多个环间隙，该环间隙使得该环形支撑环能够在该中心区域抵靠该轴或该中间结构径向地向内延伸时径向地压缩。在这些实施例中的一些中，该环形支撑环被固定至该柔性带的中心区域。并且在这些实施例的任一实施例中，该环形支撑环可从该壳体延伸。

在以上实施例中的任何实施例中，该柔性带可包括足够的弹性，以便当该控制器停止将加压控制流体施加柔性带时，使该中心区域从该轴或中间结构中退出。

任何以上实施例可还包括弹簧，该弹簧被配置为在该控制器停止将加压控制流体施加至该柔性带时，辅助该柔性带的中心区域从该轴或中间结构退出。

在这些实施例中的一些中，该静止密封件被配置为径向地向内施加该柔性带的中心区域而抵靠该轴或该中间结构。

在这些实施例中的一些中，该弹簧包括一对间隔开的环形带，该环形带具有实心环形部分，齿从该实心环形部分在该柔性带的侧部区域下方轴向地朝向彼此延伸，在齿之间提供了轴向间隙，该柔性带的中心区域可穿过该轴向间隙延伸以接触该轴或该中间结构，当该柔性带的中心区域被推向该轴时，该齿被径向地向内弯曲。在这些实施例的一些中，该静止密封件还包括从该弹簧径向地向内延伸的一对刚性环形支撑环，该刚性环形支撑环被配置为当该中心区域被径向地向内抵靠该轴或该中间结构施加时，支撑该柔性带的中心区域的多个侧部。

在这些实施例的其他实施例中，该静止密封件包括一对刚性环形支撑环，当该中心区域延伸穿过盖板之间的间隙时，该刚性环形支撑环支撑该柔性带的中心区域的相反侧，该支撑环包括周向间隙，该周向间隙使得该支撑环能够径向地向内压缩，并且该弹簧是施加至该支撑环中的间隙上的压缩弹簧。

在包括弹簧的其他实施例中，该弹簧被配置为在该控制器停止将加压控制流体施加至该柔性带时，辅助该柔性带的中心区域从该轴或中间结构退出；该静止密封件被配置为轴向地施加该柔性带的中心区域而抵靠该中间结构；并且该弹簧包括一对径向同心的环形盘，该环形盘具有实心环形部分，从该实心环形部分在该柔性带的侧部区域下方径向地向内和向外朝向彼此延伸；径向间隙设置在径向地向内和向外的齿之间，该柔性带的中心区域可通过该径向间隙延伸以接触该中间结构，当该柔性带的中心区域被推向该轴时，该齿轴向地弯曲。

在以上实施例中的任何实施例中，该柔性带的侧部区域可包括在纵向截面上弯曲的部分，从而当该中心区域延伸穿过该间隙时，使该侧部区域能够延伸。

在任何以上实施例中，该静止密封件可与旋转轴密封件成一体，该旋转轴密封件被配置为在该轴旋转时与该轴形成密封。在这些实施例中的一些中，该静止密封件被配置为在该旋转轴密封件的上游与该轴或中间结构形成密封，而在其他这些实施例中，该静止密封件被配置为在该旋转轴密封件的下游与该轴或中间结构形成密封。

在以上实施例中的任何实施例中，控制流体可以是气体，或者控制流体可以是过程流体。

并且在任何以上实施例中，该控制器可被配置为用于启动和停止该轴的旋转、以及控制将加压控制流体施加至该柔性带。

本文描述的特征和优点不是包括全部的，并且具体地，鉴于附图、说明书和权利要求书，许多附加特征和优点对本领域的普通技术人员而言将是清楚的。此外，应当注意的是，本说明书中使用的语句主要是出于可读性和指导性目的而选择的，而不是为了限制本发明主题的范围。

附图说明

图1A是现有技术的静止密封件的剖视图，该静止密封件将刚性密封元件压靠在中间结构上；

图1B是现有技术的静止密封件的剖视图，该静止密封件通过使中空管膨胀以压靠轴或中间结构来形成密封，该密封件被示出为处于其打开配置中；

图1C是图1B的现有技术密封件的剖视图，示出了其关闭配置；

图1D是现有技术的静止密封件的剖视图，该静止密封件包括被扣合在支撑模板上的薄的、成形的弹性带，该密封件被示出为处于其打开配置中；

图1E是图1D的现有技术密封件的剖视图，示出了其关闭配置；

图1F是图1E的现有技术密封件的剖视图，其中弹性带由于压差已经被挤压到轴与密封件壳体之间的间隙中；

图2A是本发明的实施例的轴向剖视图，其中通过完全由于柔性带的弹性而将该柔性带的中心区域从轴径向地退出来打开密封件，该密封件被示出为处于其打开配置中；

图2B是图2A的实施例的轴向剖视图，示出了其关闭配置；

图3A是本发明的实施例的轴向剖视图，其中中心区域从轴的径向退出是由包括柔性指状物的弹簧辅助的，密封件被示出为处于其打开配置中；

图3B是图3A的实施例的轴向剖视图，示出了其关闭配置；

图3C是图3A的弹簧之一的立体图；

图4是本发明的实施例的轴向剖视图，其中中心区域从轴的径向退出是由弹性可压缩管辅助的，密封件被示出为处于其打开配置中；

图5A是类似于图3A的实施例的轴向剖视图，但还包括一对刚性支撑环，该刚性支撑环被附接至柔性带的中心区域并被配置为用于支撑该柔性带的中心区域的侧部；

图5B是图5A的支撑环之一的径向截面图，示出了该支撑环的打开配置；

图5C是图5B的支撑环的径向截面图，示出了该支撑环的关闭配置；

图5D是类似于图5B的径向截面图，但还包括柔性带的中心区域；

图5E是类似于图5A的实施例的轴向剖视图，但其中支撑环与弹簧是一体的；

图5F是类似于图2A的实施例的轴向剖视图，其中多个压缩弹簧用于通过对间隙支撑环施加周向地扩张力，由此帮助打开静止密封件；

图5G是图5F的实施例中的支撑环之一的径向剖视图，示出了压缩弹簧，该压缩弹簧将周向地扩张力施加至该支撑环中的间隙，由此帮助打开静止密封件；

图5H是类似于图5A的实施例的轴向剖视图，但刚性支撑环被固定至盖板上；

图6是在端面机械旋转轴密封件的上游结合了图2A的实施例的整体式双密封件的轴向剖视图；

图7A是本发明的实施例的轴向剖视图，其中通过将柔性带的中心区域轴向地压靠中间结构来关闭密封件；以及

图7B是包括在图7A的实施例中的弹簧的径向截面图。

具体实施方式

本发明是流体压力驱动的静止轴密封件，该静止轴密封件在设计上简单、生产成本相对较低、并且能够形成可靠地承受高压过程流体(诸如加压至70巴或更高的过程气体)的密封件。

参考图2A的剖视图示，所公开的静止密封件包括柔性带200，该柔性带安装在环形壳体112内并被一对环形盖板206覆盖。柔性带200、壳体112和盖板206均围绕可旋转的轴102。柔性带200包括厚的、基本上呈矩形的中心区域202，中心区域202在其任一侧上侧接较薄的侧部区域204。在图2A的实施例中，柔性带200的较薄侧部区域204为中心区域202提供径向的柔性，使得厚的中心区域202能够径向地向内延伸穿过盖板206之间的轴向间隙208，并且然后从该盖板缩回。中心区域202的厚度使得其能够在压靠轴102时承受高轴向压力差，使得其在静止密封件关闭时不扭曲或挤压。

经由控制流体入口116将加压控制流体(诸如加压氮气、加压液体、或加压过程流体)施加在中心区域202后面以关闭静止密封件。加压控制流体可由控制器(未示出)控制，该控制器在实施例中也控制轴102的旋转。当轴102旋转时，如图2A所示，在柔性带200的中心区域后面不施加压力，使得其部分或完全地保持在环形壳体112和盖板206内，并且不接触轴102。

参考图2B，当轴102不转动时(即，在静止状态下)，由控制器经由控制流体入口116将加压控制流体施加至柔性带200的中心区域202后面。因此，在所示出的实施例中，充满加压控制流体的间隙210形成在柔性带200的中心区域202后面，使得柔性带200的中心区域202被径向地向内推动穿过环形盖板之间的轴向间隙208并压靠轴102，从而与其形成静止密封件。在其他实施例中，厚的中心区域202轴向地压靠中间结构，该中间结构被密封至轴102，如下文参考图7A更详细讨论的。

在图2A和2B的径向实施例中，中心区域202的直径变化在被展开时仅是柔性带200的全部直径的小百分比，使得中心区域202能够容易地适应当中心区域202被朝向轴102径向地向内挤压时所需的周向压缩。

在图2A和2B的实施例中，柔性带200由弹性件或其他材料制成，该弹性件或其他材料具有足够的弹性，以便当柔性带不再通过施加的流体压力扭曲时，可靠地弹回至其初始形状。在图3A至3C的实施例中，柔性带200由柔性且耐用的，但具有较小弹性的材料制成(诸如PTFE)，并且当控制流体压力被撤出时，其本身可能无法使中心区域202从轴102可靠地退出。

因此，图3A和图3B的实施例包括一对相反的环形齿形弹簧300，该环形带齿弹簧300向柔性带200的侧部区域204提供附加的径向回复力，从而确保在柔性带200后面的控制流体压力被撤出时，中心区域202从轴102的完全退出。在示出的实施例中，柔性带200的侧部204被配置为在没有施加控制流体压力时基本上是轴向的，使得侧部204可搁置在弹簧300的轴向定向的齿306上。柔性带通过两个O形环302固定在壳体116内。

图3A的实施例中柔性带200的侧部区域204的弯曲成形提供了当静止密封件关闭时所需的额外长度，如图3B中所示。图3C是从图3A和3B的弹簧300之一的侧面看到的立体图。可见，弹簧300包括实心环形部分304和轴向齿环306，当柔性带200的中心区域202被推向轴102时，轴向齿环306可径向地向内弯曲。

图4示出了与图3A相似的实施例，除了“弹簧”400是在柔性带200的侧部204下方的壳体112内围绕轴102的弹性管。当中心区域202被展开时，中空管400变平，并且当控制流体压力被释放时，中空管400的弹性帮助中心区域202返回到其在壳体112内的先前位置。

参考图5A，实施例还包括一对刚性、环形支撑环500，环形支撑环500被压靠在厚的中心区域202的任一侧上，以便进一步支撑中心区域202，并完全消除当接合静止密封件时厚的中心区域202中的任何厚的中心区域可能在环形盖板206与轴102之间被挤压122的可能性。当然，在这些实施例中，两个盖板206之间的空间被制成足够大以容纳支撑环500的厚度以及柔性带200的中心区域202的厚度。

参考图5B至图5D，在所示出的实施例中，环形支撑环500包括多个间隙506，使得环形支撑环500不围绕轴102延伸完整的360度。间隙506使得支撑环500能够与柔性带200的中心区域202一起径向地向内压缩。在图5B中，以截面示出了处于其未被压缩状态的支撑环500，而在图5B中，示出了处于其压缩状态的支撑环500。图5D示出了图5B的支撑环500和柔性带200的中心区域202之间的关系。

参考图5E，在类似的实施例中，支撑环500与弹簧300是一体的，该弹簧300在控制流体被减压时帮助重新打开该静止密封件。

在图5F和5G的实施例中，当控制流体被减压时，使用可压缩弹簧508而不是齿形弹簧300来辅助该静止密封件的打开。图5F是类似于图2A的剖视图，而图5G是支撑环500的间隙区域的特写视图，示出了弹簧508的位置和动作。代替将“提升”力施加至柔性带200的侧部区域204，图5G的压缩弹簧508将周向扩张力施加至支撑环500，由此帮助柔性带200的中心区域202从轴102缩回。

参考图5H，在其他实施例中，支撑环502被固定至盖板206上，并延伸至轴102与盖板206之间的间隙504中。

参考图6，本发明的静止密封件可与至少一个旋转轴密封件一起实施。在图6的实施例中，在端面机械密封件的上游实施静止密封件，该端面机械密封件包括通过中间支撑结构602密封至轴的旋转密封面600和密封至壳体610并通过弹簧606朝向旋转密封面600推动的静态密封面604。在所示出的实施例中，柔性带200的中心区域202被配置为在轴102不旋转时，抵靠中间支撑结构602形成密封，而不是直接与轴102形成密封。需要注意的是，所示出的实施例将静止密封件与端面机械密封件整合成单个单元。

在一些实施例中，该控制流体的源独立于该过程，并且可以是例如加压氮气、加压空气或加压液体的源。在图6的实施例中，控制流体是过程流体。在所示出的实施例中，过程流体从密封件的加压侧608抽出，并且经过增压装置610，该增压装置610在过程流体被施加至柔性带200的后部之前增加过程流体的压力。控制过程流体流入增压装置610的阀612由控制器614致动，控制器614在实施例中还控制轴102的旋转的停止和启动。

在类似实施例中，该静止密封件在该旋转轴密封件的下游实施。或者，当包括多个旋转轴密封件时，该静止密封件可在旋转轴密封件之间实施。在一些实施例中，多个所公开的静止密封件被展开，例如一个在旋转轴密封件的上游，而一个在旋转轴密封件的下游。

虽然所公开的固定密封件在此有时被描述为径向地向内作用，但本领域技术人员将清楚的是，在其他实施例中，该固定密封件是轴向的而不是径向的。例如，参考图7A，在实施例中，柔性带200的中心区域202被轴向地压靠径向延伸的面700，该径向延伸的面700被中间支撑结构602密封至旋转轴102。在所示出的实施例中，柔性带200的侧部区域204径向地而不是轴向地延伸，并且参考图7B，弹簧300a、300b是同心的而不是相对的，其中外部弹簧300a的齿被径向地向内定向，而内部弹簧300b的齿被径向地向外定向，弹簧300a、300b具有设置在其间的间隙800，柔性带200的中心区域202可穿过该间隙800展开。

本发明的实施例的前述描述是为了说明和描述的目的而提出的。本申请书的每页及其所有内容，无论其特征、标识或编号如何，出于任何目的，无论其形式或在申请中的位置如何，均视为本申请的实质性部分。本说明书并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于本公开内容，许多修改和变化是可能的。

尽管本申请是以有限数量的形式示出的，但本发明的范围不仅限于这些形式，而是可服从不同改变和修改。在此呈现的公开未明确公开落入本发明的范围之内的特征的所有可能的组合。在不脱离本发明的范围的情况下，本文公开的用于各种实施例的特征通常可以互换和组合成不是自矛盾的任何组合。具体地，除非从属权利要求在逻辑上彼此不兼容，否则在不背离本公开的范围的情况下，以下从属权利要求中给出的限制可以以任何数量和任何顺序与它们对应的独立权利要求组合。