用于活塞压缩机的节流装置的制作方法

本发明涉及用于活塞压缩机的节流装置。本发明还涉及包括此节流装置的活塞压缩机以及将此节流装置用在活塞压缩机中的用途。

背景技术：

1、压缩机、尤其是活塞压缩机通常用作压缩液体或气体的标准件。为了防止待压缩的介质不期望地或不受控地外流，或者至少将外流降到最低，必须将压缩腔室与其周围环境尽可能良好地密封。由活塞杆穿过而进入气缸内部的区域通常由所谓的活塞杆密封组件密封，该活塞杆密封组件包括沿活塞杆的轴向相继排列的多个密封元件。

2、节流环表示此种活塞杆密封元件，其布置在活塞杆密封组件的朝向压缩腔室的末端，以减少动态压力峰值。动态压力分量(即在曲柄的一个绕轴旋转期间在零和最大值之间变化的压缩压力和吸气压力之差)要保持远离实际的密封元件，以保护它们免受断裂破坏。

3、现有技术中已知的节流环通常从一开始就被设计成无摩擦的密封元件，或者也被设计成具有低磨合磨损的无摩擦密封元件。例如，这种节流环在专利ch 439897中是已知的。

4、但是，常见的无摩擦节流环有这样的缺点，即它们对密封动态压力分量的作用很小，这导致了布置在下游的实际密封元件快速磨损。此外，在运行过程中，节流环与其配合部件之间的任何接触都会导致节流环与配合部件之间的最小间隙因磨损而增加，结果导致节流环的密封功能进一步降低并最终丧失。

技术实现思路

1、基于上述现有技术，本发明的目的是至少减少现有技术中的上述缺点以及其它缺点，并且尤其是详细说明在开始部分提及类型的节流装置，其相较于已知的节流环设计具有改善的密封效果并且能够实现更长的使用寿命。

2、该目的通过节流装置、包括此节流装置的活塞压缩机以及此节流装置在活塞压缩机中的应用来实现，此节流装置尤其用于密封动态压力部件，具有独立权利要求中描述的特征。有利的设计以及其它改进为从属权利要求的主题。

3、该目的尤其通过用于密封能够沿轴向运动的活塞压缩机的主体的滑动面的节流装置来实现，在使用时，节流装置具有位于压缩腔室侧的高压侧和位于曲柄传动侧的低压侧。根据本发明的节流装置包括多个环形密封盘和一个密封盘容座。该密封盘容座具有l形径向截面，其由沿轴向延伸的第一支臂和横向于轴向延伸的第二支臂形成。第二支臂呈圆形并且具有朝向高压侧方向的支承表面，多个密封盘在该支承表面上沿轴向彼此上下堆叠。第一支臂呈柱形并且从支承表面起朝向高压侧沿着第二支臂的外周或内周延伸。第一支臂的轴向高度被选取为使得堆叠在支承表面上的多个密封盘在使用时具有一定的轴向间隙。由此，密封盘在轴向上并未被夹紧，由此能够横向于轴向地移动。第一支臂还具有多个气体通道开口以及朝向多个密封盘的限界面。当多个密封盘与第一支臂和待密封的主体同轴对齐时，在限界面和多个密封盘之间分别形成了第一环形间隙，其通过气体通道开口与高压侧流体连通。在待密封的主体的滑动面和多个密封盘之间分别形成了第二环形间隙，第一环形间隙的径向宽度基本上限制了第二环形间隙的尺寸由于磨损而增大。

4、因此，根据本发明的节流装置的密封盘容座是一个密封盘库，其中的多个密封盘以串联的方式将其座面置于彼此之上并形成一个密封盘组。通常情况下，在节流装置的非运行状态下，第二环形间隙的径向宽度小于第一环形间隙的径向宽度。因此，在运行过程中，在多个密封盘的朝向滑动面的表面上允许具有由在操作时在多个密封盘和待密封的主体之间的接触而引起的一些磨损，之后通过限界面防止密封盘产生进一步的磨损。换句话说，密封盘容座确保各个密封盘在运行状态下不能相对于彼此移动超过第一环形间隙规定的径向距离，从而防止或至少明显减少第二环形间隙的进一步增大。根据本发明的节流装置特别适用于密封干运转活塞压缩机的活塞杆或活塞，也可用于压缩非常轻的气体如氢气，其中要求密封元件具有良好的密封效果，并在很长一段时间内保持不变。

5、由于密封效果是由多个密封盘相对于彼此的不同位置形成，因此与现有技术中已知的节流环相比，在单个密封盘上可能形成有限磨损，这不会直接导致密封效果的劣化。然而，限制径向磨损是绝对必要的，因为单个密封盘上的过度磨损会导致形成更多的具有直线流道的结构，而这些结构并不具有足够的流动阻力。

6、出于此原因，在根据本发明的节流装置的优选实施例中，第一环形间隙的径向宽度以及由此密封盘容座中多个密封盘的基本最大允许径向间隙在每种情况下都不超过1毫米。

7、密封盘容座的气体通道开口的数量、位置和几何形状可以根据各自的要求而变化。

8、在根据本发明的节流装置的优选实施例中，气体通道开口延伸经过密封盘容座的第一支臂的整个轴向高度，这确保了高压侧的气压沿着密封盘组的整个轴向高度起作用，即在密封盘容座中的每个密封盘上均起作用。

9、替代地或附加地，在根据本发明的节流装置中，多个气体通道开口沿密封盘容座的第一支臂的周向均匀分布。这确保了高压侧的气压沿着密封盘的整个外周起作用，并且密封盘不会有不均匀的负载。

10、在根据本发明的节流装置的另一个优选实施例中，多个气体通道开口的总面积与限界面积(即包括多个气体通道开口的面积)的比值在1：2和1：4之间。优选地，多个气体通道开口的总面积与限界面积的比值在1：2.8和1：3之间。明确的数值范围代表了密封环支架的机械稳定性(特别是限制多个密封盘在密封盘容座中的径向间隙)和来自高压侧的气压对多个密封盘的效用之间特别有利的平衡。对多个密封盘径向间隙的最佳限制在使用过程中减少了多个密封盘和移动活塞杆之间的接触，并使多个密封盘的由摩擦造成的磨损降到最低。

11、在根据本发明的节流装置的另一个优选实施例中，密封盘容座的第一支臂具有八个气体通道开口。这八个气体通道开口优选在第一支臂的整个轴向高度上延伸，并沿第一支臂的周向均匀分布。由此形成的对称性意味着压力特别均匀地作用在节流装置上，这延长了其使用寿命。

12、根据节流装置在其中应用的活塞压缩机的设计，根据本发明的节流装置可为干运行或油润滑运行。在干运行的节流装置的情况下，至少密封盘必须具有干运行性能。如果密封盘容座在运行过程中也与待密封的主体的滑动面接触，那么优选至少密封盘容座的第二支臂具有干运行性能。

13、在根据本发明的节流装置的另一个优选实施例中，密封盘容座为一体件，即由一个部件构成。优选地，密封盘容座由在节流装置的干运行模式下具有自润滑特性的材料制成。这样的密封盘容座具有特别高的稳定性，并且能够使根据本发明的节流装置具有特别长的使用寿命。

14、优选地，密封盘容座由纯的或填充的高温聚合物、纯的或填充的纤维复合材料或在非常高的温差下由金属(比如青铜)制成。

15、适用的高温聚合物包括纯的或填充的聚醚醚酮(peek)、纯的或填充的聚酰亚胺(pi)、纯的或填充的聚苯硫醚(pps)或纯的或填充的环氧树脂。

16、适用的纤维复合材料例如为碳纤维增强塑料(cfrp)。cfrp是一种复合材料，其中碳纤维被嵌在塑料基体(例如peek或环氧树脂)中。基体材料用于结合纤维以及填充间隙。其它热固性材料或热塑料也适合作为基体材料。

17、无机填料，如碳、石墨、玻璃纤维、mos2(二硫化钼)和/或玻璃纤维可以添加到所使用的塑料中，以改善其物理、机械和/或摩擦学性能，尤其是赋予干式运行性能。

18、适用金属包括青铜材料，如铝、铅或锡青铜，以及如黄铜这样的材料。

19、在各个密封盘的径向间隙的框架内，它们可以相对于所有密封盘与容置空间内的限界面的同轴对准而移动。每个密封盘都会发生不同的位移，因此作用在多个密封盘上的动态压力分量会导致相对于活塞杆的间隙宽度发生变化。因此，所有密封盘的组合形成了一种动态迷宫式密封，它增加了流动阻力，从而使得节流装置特别相对于动态压力分量具有提升的密封效果。

20、由于流动阻力来自于多个密封盘相对于彼此的随机方向，其与同轴方向不同，所以根据本发明的节流装置中多个密封盘的数量应该至少是三个。优选地，根据本发明的节流装置中的多个密封盘的数量正好是五个。这些数量的密封盘确保了特别有效的流量分流，同时保持节流装置的轴向高度紧凑。

21、由于在根据本发明的节流装置中的多个密封盘为串联连接，因此单个密封盘不一定必须具有最好的密封效果，因为如前所述，节流装置的密封效果是基于若干密封盘的组合以及由于多个密封盘在节流装置中连续排列而导致的流动阻力的增加。

22、然而，有利的是根据本发明的节流装置的密封盘成型为单件并且为无缝环圈，因为这允许多个密封盘关于具有动态压力差的负载以尤其坚固的方式制造。

23、在根据本发明的节流装置的一个优选的实施例中，密封盘的轴向高度在1毫米和5毫米之间。优选地，密封盘的轴向高度在2.4毫米和2.6毫米之间，这使得节流装置沿轴向特别紧凑。

24、在节流装置内，压力从高压侧向低压侧递减，即从在密封盘容座中位于最上方的密封盘朝向支撑在容置腔室的基面上的密封盘递减。当密封间隙中(即第二环形间隙中)的压力朝向低压侧递减时，作用在多个密封盘的外周面上的压力(即第一环形间隙中的压力)保持不变。因此，同样的压力作用于布置在节流装置顶部的密封盘的外周面和内周面上，而布置在节流装置底部的密封盘的外周面和内周面之间则存在最大的压力差。因此，由压力差引起的密封盘沿径向的弹塑性变形形成了较小的密封间隙，并且由此导致位于最下方的密封盘与其它密封盘相比出现磨损可能性更大。

25、考虑到多个密封盘上的这种不同负载情况，在根据本发明的节流装置的一个优选实施例中多个密封盘由不同材料制成。弹性模量(或杨氏模量)是材料工程中的一个材料参数，它描述了在线弹性行为的情况下固体变形过程中应力和应变之间的比例关系。弹性模量随着材料对弹性变形的阻力而增加。通常在拉伸试验中测定塑料材料样品的弹性模量，即把具有已知初始横截面的样品夹在拉伸试验机中并加载拉伸力f。然后在一段时间内增大拉伸力。随着力的增加，将其与引起的长度变化δl作对比。例如在en iso 527-1/-2中规定了拉伸试验的测试方法。

26、由于布置在根据本发明的节流装置的底部的密封盘承受最大压力差，因此用于多个密封盘的材料的弹性模量优先朝向低压侧增加。这一措施使节流装置的流动阻力和使用寿命得到进一步提高。例如，根据本发明，可以想到位于顶部的一个或多个密封盘使用相对较软的材料，如填充的ptfe，然后在中间区域使用由高温聚合物如peek、pps或pi制成的一个或多个密封盘，最后在底部区域使用由高强度材料如青铜或陶瓷制成的一个或多个密封盘。当然，根据本发明还可行的是在一个密封盘中使用不同聚合物的混合物和/或使用多种填充物，例如以改善干运行的性能。

27、为了确保具有较高弹性模量的较硬盘在这种组合中仍然能够产生足够的弹塑性变形，根据本发明优选的是，在密封盘容座中至少一个密封盘的轴向高度与其它密封盘不同、优选所有密封盘的轴向高度不同。

28、在根据本发明的节流装置的优选实施例中，多个密封盘的轴向高度朝向低压侧递增。多个密封盘的轴向尺寸的递增导致对应密封盘的外周面积的递增，并且由此导致气压的效用提高，从而达到提升密封的效果。

29、上述目的进一步通过活塞压缩机、尤其是干运转活塞压缩机来实现，其具有至少一个本文所述的节流装置。

30、上述目的进一步通过本文所述的节流装置尤其在动态压力差方面在密封活塞杆或活塞中的应用来实现。