专利名称：自动对齐动态间隙密封和利用该密封的流体移动装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种往复构件与其外壳之间的流体密封的动态密封。更具体 地，本发明涉及一种自动对齐动态间隙密封和利用该密封的流体移动设备，诸如活塞泵。
背景技术：
在多种流体移动设备，比如液泵、泥浆泵、干式搅拌机和许多其他装置中，滑 动柱塞、杆、活塞或者其他类似构件在固定支座中往复运动。典型地，通过利用密封结 构防止移动构件周围的流体渗漏。密封结构的材料要求具有允许移动构件通过密封结构 的轴向开口来回滑动的一些弹性和一定程度的硬度，并且足够紧，以防止移动构件周围 的流体渗漏或者至少使得移动构件周围的流体渗漏最小化。一种常规的密封结构是机械面密封。典型地，机械面密封包括一个随驱动轴旋 转的密封环和附接于周围的外壳上的静止密封环。两个密封环被偏压力被朝向彼此按 压，用这种方法防止流体经过它们之间。例如，美国专利No.3,282,235 ； No.4,754,981和 No.5,772,217描述了具有提供偏压力的弹簧的密封。通常，附加的弹性体组件被要求相应 地从轴或者外壳密封每个环。典型地，密封表面之间需要薄的润滑膜，以防止由于干摩 擦而导致它们的损坏。然而，随着时间的推移，磨损和振动引起密封环的接合面变得有 划痕，导致工作流体的渗漏。工作流体会造成磨蚀或者包含凝结剂的环境尤其会破坏常 规的密封并且需要频繁地更换它们。类似地，美国专利No.3,348,849揭示了一种往复柱塞填密(plunger packing)，
包括多个环绕柱塞且在环与柱塞之间设置具有预定空隙的金属环。环用于在柱塞的操作 过程中，在压力的作用下缩小到几乎关闭的其空隙的程度。当流体压力被施加于每个环 时，环封闭或者在柱塞上缩小，因此减少环和柱塞之间的初始空隙。有效减少流体通过 组件的通道所需的压力导致金属环和柱塞之间的高摩擦，损坏环和柱塞。封装的密封箱(stuffingbox)是用于移动构件的常规密封的另一个示例。例如在 美国专利No.3,659,862和No.5,333,883中已经公开了这类密封。一般地，该封装被充分 地压缩以限制流体通过封装的通道，但不是被压缩以形成封装和移动构件之间的过度摩 擦。通过手动紧固密封箱上的密封垫(gland)直到达到通过封装的渗漏的最小化的点为 止，但在封装和轴之间的摩擦使封装过热的点之前，压力主要保持在封装上。这样的构 造根据对向大气的渗漏进行控制，而不是零渗漏的原则进行操作。然而，这需要频繁的 调节，并且过度的紧固导致封装产生过量的摩擦、热量积累以及过度磨损，并且甚至可 能破坏移动构件。即使当封装上的压力被适当地调节，使得流体通过封装的通道最小化所需的压力导致封装和轴之间比较高的摩擦。结果，封装很快磨损并且需要频繁更换。美国专利No.6,843,481描述了一个封装密封的可能替换方案，其揭示了一种间隙 密封组件，包括安装在圆柱形外壳结构中并且环绕布置在外壳结构和移动活塞之间的密 封构件。参照图1，密封构件4与固定外壳3和壳体构件(housing member) 5具有流体密 封关系。这个流体密封的关系通过具有安装在密封构件的顶部上的弹性O形环1实现， 以防止跨过密封构件和固定外壳之间的顶部的流体渗漏。当O形环被压缩时，密封构件 被锁定到壳体构件的表面，因此防止流体流动。由于密封构件和活塞2之间非常紧的空 隙，密封构件和活塞的轴向位置必须彼此严密地对齐。然而，活塞必须还与作为活塞的 引导件的壳体孔对齐。如果这两个轴没有对齐，活塞运动的卡滞会导致损坏驱动活塞运 动的传动皮带。因为需要非常低的公差以消除活塞对于密封构件的卡滞，这些密封组件 的大部分倾向于难于控制质量，因此以大的商业规模制造它们是不切实际的。因此，现有技术的密封结构并没有在移动构件和它们的壳体之间提供可靠和持 久的密封。在正常运行期间，常规的密封受到大量磨损并且必需频繁更换，使得设备的 预防性维护更加繁重，并且增加了它的养护费用。间隙密封经常需要很高的制造标准， 使得大量生产很昂贵且难于实现。
发明内容
因此，本发明的目标是提供改善的动态密封，该改善的动态密封能够避免现有 技术的密封的不希望的缺陷。具体地，本发明的目标是提供一种动态密封，该动态密封 具有低磨损，可以相对低的成本制造，并且在使用中提供优越的性能。本发明的另一个 目的是提供一种利用这种密封的便利的流体移动装置，其具有相对低的维护保养成本并 且具有高可靠性。 这些及其他目标由本发明的自动对齐动态间隙密封组件实现。该组件包含固定 外壳，该固定外壳限定第一侧、第二侧以及连接第一和第二侧的开口；移动构件，该移 动构件具有外壁且布置为可移动通过开口；壳体构件，该壳体构件具有内壁和在壳体构 件中形成凹陷的脊，该壳体构件环绕布置在固定外壳和移动构件之间；密封构件，该密 封构件具有内壁、外壁、顶面和底面，该密封构件环绕布置在所述壳体构件和移动构件 之间；第一弹力密封，该第一弹力密封布置在固定外壳和密封构件的顶面之间；和第二 弹力密封，该第二弹力密封布置在壳体构件和密封构件的底面之间的凹陷中。第一弹力 密封防止流体流入密封构件和壳体构件之间的间隙。当压缩时，第二弹力密封防止壳体 构件的脊偏压在密封构件的底面上。密封构件和移动构件限定连续且均勻的间隙，该间 隙的尺寸允许流体充满该间隙，但防止流体在第一和第二侧之间的工作压力差的作用下 从开口的第一侧流过该间隙到达开口的第二侧。这个间隙的尺寸在工作压力差的作用下 本质上不会改变。 在另一个方面中，本发明提供一种利用该间隙密封组件的泵。该泵包含固定外 壳，该固定外壳具有限定用于储存流体的压力室的内壁；具有外壁的活塞，该活塞可移 动地布置在压力室内；壳体构件，该壳体构件具有内壁和在壳体构件中形成凹陷的脊， 该壳体构件环绕布置在固定外壳和活塞之间；密封构件，该密封构件具有内壁、外壁、 顶面和底面，该密封构件环绕布置在壳体构件和活塞之间；第一弹力密封，该第一弹力密封布置在固定外壳和密封构件的顶面之间；和第二弹力密封，该第二弹力密封布置在 壳体构件和密封构件的底面之间的凹陷中。第一弹力密封防止流体流入密封构件和壳体 构件之间的间隙。当压缩时，第二弹力密封防止壳体构件的脊偏压在密封构件的底面 上。密封构件和活塞限定连续且均勻的间隙，该间隙的尺寸允许流体充满该间隙，但防 止流体在工作压力差的作用下从压力室流到该室的外部。这个间隙的尺寸在工作压力差 下本质上不会改变。通过排除密封构件和移动构件之间的直接接触，该间隙密封组件减少了很多上 面讨论到的与常规密封相关联的问题。具体地，该手段的优点包括使得部件的磨损最小 化，使得装配和维修简单化，显著地改善可靠性，以及降低维护费用。本发明的间隙密 封可以被用于任何需要汲取、移动和分配流体的装置或者系统。本发明可以尤其有利地 用于分析测试设备中使用的高精度泵。例如，具有根据本发明制造的间隙密封的活塞泵 可以被有利地用于Nexgen存取系统(贝克曼仪器(Beckman Instruments)，加利福尼亚) 中的样本抽吸及分配，该仪器在美国专利No.6,825,041中被揭示，该专利已经被转让给本 发明的受让人，并且其相关内容通过引用结合在本文中。本发明通过在密封构件的底面上附加的弹力密封的创新使用，克服了美国专 利No.6,843,481中揭示的早先的间隙密封设计的问题。该附加的弹力密封的目的不在 于密封流体，而作为对第一弹力密封的平衡，允许两个密封作为用于密封构件的悬挂 (suspension)而协调一致。这允许密封构件充分浮动以调节壳体和密封构件的轴线之间 的未对齐，且在第一弹性环上保持足够的压力，以允许其完成防止密封构件和固定外壳 之间流体流动的功能。密封构件能够浮动的距离有限制，因为密封构件离开正常位置越 远，越大的约束力被施加于密封构件上。因为过多的移动将导致分配结果的不一致，这 就非常重要。该自动对齐间隙密封设计的试验显示其在功能性和可靠性上相比于美国专 利No.6,843,481揭示的初始的间隙密封设计做出了巨大的改善。例如，使用本自动对齐 间隙密封设计，困难的体积分配上的第一经过率从28%提高到88%。
接下来，将参照附图对本发明进行说明，根据参照附图的描述，本发明的以上 及其他特征和获得它们的方式将变得更加明显，其中图IA是美国专利No.6,843,481中揭示的间隙密封的截面图。图IB是密封构件 的侧视图，以及移动构件和壳体构件的截面图。图IC是密封构件的俯视图，以及移动构 件的截面图。图2A为根据本发明的一个实施例的间隙密封的截面图。图2B是密封构件的放 大侧视图，以及移动构件和壳体构件的截面图。图2C是密封构件的俯视图，以及移动构 件的截面图。图3是根据本发明的一个实施例的密封构件和壳体构件之间的凹陷的放大截面 图。
具体实施例方式除非另外限定，这里使用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属技术领域中的本领域技术人员所普遍理解的含义相同。在此引用的所有专利、专利申请(公布或 者未公布的)以及其他公开物的全部内容在这里通过引用而被结合。如果在本节中阐明 的定义与通过引用而被结合的专利、申请、公布的申请以及其他公开物阐明的定义相反 或不一致，采用在本节中阐明的定义，而不是那些通过引用结合在本文中的定义。引用的公开物或者文件不作为承认任何这样的公开物或者文件是适当的现有技 术，也不构成任何对有关这些公开物或者文件的内容或者日期的任可。这里使用的“a”或“an”意味着“至少一个”或者“一个或更多”。在这里使用的术语“自动对齐”指装配特征，其中两个或更多部分能够互相连 接而不需要任何实现想要的接合所需的由人操作的对齐操作。这里使用的术语“流动”指的是由高压区和低压区之间的压差所引起的流体的 定向运动(例如，泵内部的工作流体压力和泵外部的大气压力之间的差)。在这里使用的 术语“泄漏”指的是由移动构件的往复运动和流体因静电、毛细作用和/或范德瓦耳斯 力(vanderWaalsforces)而附着到实心结构元件的壁上所引起的流体运动。这里使用的术语“粘性”指的是对通过剪切应力或者拉伸应力而变形的流体的 阻力的程度。粘性描述了一种流体对流动的内在阻力，并且有时被认为是流体摩擦的程 度。因此，水和乙醇被认为具有相对低的粘度，而甘油和槭糖浆(maplesyrap)被认为具 有比较高的粘性。流体的粘性通常独立于压力(除非在超高压下)并且倾向于随着温度升 高而降低。例如，随着水温从0°C升高到100°C，水的粘度从1.79厘泊(centipoise，cP)降 到0.28cP。作为温度T(K)的函数，水的粘性可以如下这样确定μ (Pa · s) =AXIOB7 (T_C),其中 A = 2.414X ICT5Pa · s ； B = 247.8K ；并且 C = 140K[lcP = ICT3Pa · s]。在 室温下(20°C )，水的粘性为1.003cP。这里使用的术语“两个结构元件之间的流体密封关系”的意思是没有流体能够 经过这些元件之间。可以理解的是，任何密封方法可能用来实现流体密封关系，只要其 提供可靠的密封即可。这里使用的术语“防止流体流动”意思是流经密封的流体体积足够小，从而不 会对由包含该密封的泵的分配精确性产生任何明显的副作用。替代地，这里使用的术语
“防止流体流动”指的是流经密封的流体数量非常小，以致于不能由肉眼察觉。这里使用的术语“两个结构元件之间的连续间隙”指的是这些元件之间没有直 接接触的点。术语“两个结构元件之间的均勻间隙”指的是这些元件之间的距离没有危 及它们之间形成的液体密封的显著变化。因此，这里使用的术语“连续且均勻的间隙” 指的是两个结构元件之间的空间关系，其中这些元件之间没有直接接触点，并且元件之 间的距离没有危及形成在它们之间的液体密封的显著差异。这里使用的术语“本质上没有改变”指的是所讨论的特性具有的改变小于大约 50%,优选小于大约40%，更优选小于大约30%，再优选小于大约20%，并且最好小于 大约10%。因此，短语“在工作压力的作用下，第二间隙的尺寸实质上保持不变”通常 指操作过程中第二间隙的尺寸没有从操作之前的第二间隙的尺寸偏离超过大约50%。这里使用的术语“实质上圆形形状”，在理想的圆之外，还包括接近于理想的 圆的形状、但由于制造过程等等的精确度的变化而从理想的圆变形得到的形状。在更定 量化的术语中，术语“实质上圆形形状”指的是短轴长度A与长轴长度B的比值等于或者小于大约1.0，并且等于或者大于约0.8 (即，0.8SA/BS1.0)。图1显示前面所揭示的采用单个弹性O形环的间隙密封组件(参见美国专利 Νο.6,843,481)。参照图1Α，具有间隙密封组件10的活塞泵包括具有内壁8的固定外壳 3，内壁8限定用于包含被抽取的流体的压力室9。活塞2可移动地布置在压力室9内， 并且圆柱形壳体构件5环绕布置在固定外壳3和活塞2之间，以支撑活塞。密封构件4环 绕布置在壳体构件5和活塞2之间，并且与固定外壳3具有流体密封的关系。参照图IA 和1Β，密封构件4和固定外壳3之间的流体密封关系典型地通过利用环形的弹力密封， 诸如O形环1实现，该弹力密封可移除地安装在外壳和密封构件之间。当O形环1被压 缩时，它与固定外壳3形成密封点11Α，且与密封构件4形成密封点11Β，因此防止流体 在外壳和密封构件之间流动。参照图IA和1C，密封构件4的内壁7和活塞2的外壁6 限定连续且均勻的间隙12。间隙12的尺寸允许流体充满该间隙，并且防止流体在工作流 体的压力作用下通过间隙从压力室流到该室的外部。然而，如上所述，由于密封构件4和活塞2之间非常紧的空隙，壳体和密封构 件的纵轴之间的未对齐经常导致活塞2接合到密封构件4，引起使活塞动作的传动皮带损 坏。因为需要非常低的公差以避免活塞2与密封构件4的频繁接合，该密封组件的相当 一部分倾向于难于控制质量，因此使大的商业规模制造这种密封不可实施。本发明通过提供浮动(floating)、自动对齐间隙密封有效地克服这些问题，该自 动对齐间隙密封利用密封构件的底面上的可移动的附加弹力密封。该第二弹力密封的目 的不在于密封流体，而是作为对主要弹力密封的平衡，允许两个密封作为用于密封构件 的悬挂(suspension)而协调一致。这允许密封构件能够充分地浮动，以调节壳体和密封 构件的轴线之间的任何未对齐，且在相对的弹力密封上保持足够的压力，以允许其完成 防止流体在密封构件和固定外壳之间流动的功能。注意的是，本发明的间隙密封组件可以用于与具有开口和通过该开口往复运动 的移动构件的固定构件的任何装置联合使用。这样的装置的示例包括，但不局限于在很 大范围内使用的分配泵、泥浆泵和叶轮泵。移动构件可以是，例如，滑动柱塞、杆或者 活塞。本发明的特定的构造可以采用不同的或者改进的形式，活塞泵将被用于进一步详 细地说明本发明。参照图2A，具有间隙密封组件20的活塞泵包括具有内壁32的固定外壳23，内 壁32限定用于包含被抽取的流体的压力室30。活塞24可移动地布置在压力室30内，并 且圆柱形壳体构件26环绕布置在固定外壳23和活塞24之间，以支撑活塞。如前所述， 密封构件25环绕布置在壳体构件26和活塞24之间。如前所述，密封构件25与固定外 壳23具有流体密封的关系，密封构件25还具有第一环形弹力密封，诸如O形环21，该 第一环形弹力密封可移除地安装在密封构件25和外壳23之间。当第一密封21被压缩 时，它与外壳23形成密封点35A，且与密封构件25形成密封点35B，因此防止流体在外 壳和密封构件之间流动。第一密封21的精确位置不重要，只要它防止流体在固定的外壳 23和密封构件25之间流动即可。参照图2A和2C，密封构件25的内壁34和活塞24的 外壁31限定连续且均勻的间隙33。间隙33具有允许流体充满该间隙的尺寸，但防止流 体在工作流体的压力作用下通过间隙从压力室流到该室的外部。参照图2A和2B，本发 明的壳体构件26具有脊27，该脊27在壳体构件和密封构件25之间形成凹陷36。第二环形弹力密封，诸如O形环22，可移除地安装在壳体构件26和密封构件25之间的凹陷 36中，以防止脊27与密封构件25接触并偏压密封构件25。通过具有安装在密封构件25 和壳体构件26之间的凹陷36的第二 O形环22，密封构件被给予附加的自由度，因此提 升了其自身和可移动的活塞24之间的更有效的对准，并且防止这两个结构元件之间的卡滞。参照图3，使得本发明与美国专利Νο.6,843,481所揭示的间隙密封相区分的关键 要素是诸如O形环22的第二弹力密封和脊27，第二弹力密封安装在密封构件25和壳体 构件26之间，脊27在壳体构件26中形成凹陷36，所述凹陷能够调节第二 O形环22以 防止脊27偏压密封构件25。第二 O形环22可以用任何合适的弹性材料制成，例如，合 成橡胶、热塑性塑料等等。脊27的高度必须被小心地关于第二 O形环22的主体部分的 直径进行校准，从而当第二 O形环22被压缩时，密封构件25没有和脊27接触，并且继 续浮在第二 O形环22的顶部上。对所属技术领域的专业人员来说，需要注意的是，脊 27的高度h及第二 O形环22的本体部分的未压缩直径d之间的期望比值将通常取决于制 造第二 O形环22的材料的硬度。因此，在一个实施例中，第二 O形环22具有压缩的本 体部分直径d'，且压缩的直径d'与未压缩的直径d的比值处于大约0.60和大约0.90之 间的范围内，进一步优选在大约0.65和大约0.85之间，且最好在大约0.68和大约0.78之 间。因此，脊27优选具有的高度在第二 O形环22的本体部分的未压缩直径的大约0.40 和0.75之间的范围内，进一步优选在第二 O形环22的本体部分的未压缩直径的大约0.50 和0.70之间，且最好在第二 O形环22的本体部分的未压缩直径的0.55和0.65之间。然 而，应该注意，诸如脊的高度和第二 O形环22的未压缩直径之间的比值(h/d)及第二 O 形环22的本体部分的压缩的直径与未压缩的直径之间的比值(d' /d)的其他比值也可以 根据本发明被使用。本发明的间隙密封组件的一个明显的优点是壳体构件26、密封构件25、第一弹 力密封21和第二弹力密封22的组合独立模块的事实，该模块能够被容易地从固定的外壳 23去除以在必要时进行清洁和/或维护。如美国专利Νο.6,843,481揭示的，流体密封能够形成在移动和固定构件之间，且 它们之间没有直接接触。间隙33的尺寸可以被选择成允许流体充满密封和活塞之间的间 隙，因此避免了干摩擦，但是能够防止流体流过该间隙。当间隙足够小时，流体向活塞 和密封的附着力大于由于工作压力通过流体施加的力，因此防止流体流过该间隙。间隙33的合适的尺寸范围取决于被抽吸的流体的物理性能，诸如粘性、表面张 力、附着力、温度和工作压力差。低粘度流体将典型地需要比更高粘性的流体更小的间 隙33。一般地，流体的粘性越高，间隙33可以使用的范围越宽。在一个实施例中，间 隙33具有在大约0.5微米和大约3.0微米之间的范围内的尺寸，进一步优选在大约0.75微 米和大约2.0微米之间，最好位于大约1.0微米和大约1.5微米之间。还应该认识到间隙 的尺寸大大取决于应用的类型。那些本领域技术人员能够考虑当前公开来选择间隙的尺 寸，以调节被用于特定应用的流体和工作压力，而用不着不适当的实验。在一个实施例中，被抽吸的流体包含水或者含水的缓冲溶液，例如诸如，磷 酸盐缓冲盐水溶液(phosphate-buffered saline)，磷酸盐缓冲液(phosphate buffer)，硼酸 盐缓冲液(borate buffer)，柠檬酸盐缓冲液(citrate buffer)，三羟甲基氨基甲烷缓冲液(Tris buffer)，MOPS 缓冲液(MOPS buffer)，PIPES 缓冲液(PIPES buffer)或者 HEPES 缓冲液(HEPESbuffer)。含水的缓冲溶液的粘性优选在大约0.3CP(3X10_4Pa · s)和大 约20cP(2xl0_2Pa · s)之间的范围内，进一步优选在大约0.5cP(5xlO_4Pa · s)和大约 5cP(5xlO 3Pa · s)之间，并且最好在大约0.9cP(9xl(T4Pa · s)和大约 1.5cP(1.5xl(T3Pa · s)
之间。然而，需要理解，其他合适的流体也可以被用于本发明。
被抽吸的流体的温度优选在大约10°C和大约90°C之间的范围，进一步优选在大 约15°C和大约60°C之间，最好在大约20°C和大约30°C之间。工作压力差优选小于大约 IOOOkPa,进一步优选小于大约500kPa，并且最好小于大约350kPa。然而，需要理解， 其他合适的温度和工作压力也可以被用于本发明。在活塞24和密封构件25之间保持均勻间隙需要精密地控制活塞的外壁31和密 封构件内壁34的径向尺寸，以及高的组装精确性。因此，为了简化临界间隙33的控制， 在优选实施例中，内壁34和外壁31的截面实质上具有圆形。具有高硬度且能够被加工成想要的较高精度的材料可以被用来制造密封构件和 活塞，并且对于本发明所在领域的本领域技术人员来说，这是已知的。在一个实施例 中，密封构件采用与壳体构件不同的材料制成。例如，活塞可以用陶瓷材料制成，而密 封构件可以用聚合物，例如诸如，丙烯酸类聚合物(acrylic polymer)制成。在另一个实 施例中，密封构件采用与壳体构件相同的材料制成。例如，该密封构件和活塞可以都用 陶瓷材料制成。虽然通过特别参照活塞泵进行描述了本发明，应该认识到，该间隙密封的主要 特征可以用于任何具有诸如外壳23的固定构件和诸如活塞24的移动构件的任何装置，外 壳23具有诸如压力室30的开口，活塞24被通过该开口可移动地设置。一般而言，固定 构件可以具有任何形状，只要其限定诸如泵的内侧与外侧的两个体积，所述内侧和外侧 被称为固定构件的两侧并且通过开口连接诸如。两个体积可以包括不同的流体和/或处 于不同的压力下(例如，在泵内部为工作流体压力而在泵外部为大气压力)。本发明可以体现为其他特定的形式而没有脱离它的基本特征。在这里描述的实 施例在各个方面均仅仅作为示例，而非限制。包含在后附权利要求中或其等效替代的范 围和意思内的各种变化被包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种自动对齐间隙密封组件，包含(a)固定外壳，该固定外壳限定第一侧、第二侧和连接所述第一侧和第二侧的开Π ；(b)具有外壁的移动构件，所述移动构件布置为可移动通过所述开口；(c)壳体构件，所述壳体构件具有内壁和在所述壳体构件中形成凹陷的脊，所述壳体 构件环绕布置在所述固定外壳和所述移动构件之间；(d)密封构件，所述密封构件具有内壁、外壁、顶面和底面，所述密封构件环绕布置 在所述壳体构件和所述移动构件之间；(e)第一弹力密封，所述第一弹力密封布置在所述固定外壳和所述密封构件的顶面之 间；和(f)第二弹力密封，所述第二弹力密封布置在所述壳体构件和所述密封构件的底面之 间的凹陷中；其中所述壳体构件的内壁和所述密封构件的外壁限定第一间隙，且所述第一弹力密 封防止流体流入所述第一间隙；被压缩时的所述第二弹力密封防止所述壳体构件的脊偏压所述密封构件的底面。
2.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，所述密封构件在所述第 一弹力密封和第二弹力密封之间浮动，且与所述移动构件自动对齐。
3.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，当组装时，所述密封构 件的内壁和所述移动构件的外壁限定连续并且均勻的第二间隙；所述第二间隙具有的尺寸允许所述流体充满所述第二间隙但防止所述流体在所述第 一侧和第二侧之间的工作压力差的作用下经过所述第二间隙从所述开口的第一侧流到第 二侧；并且所述第二间隙的尺寸在所述工作压力差的作用下基本不变。
4.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，其中所述第二间隙的尺 寸在从大约0.75微米到大约2.0微米的范围内。
5.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，其中所述工作压力差小 于大约350kPa。
6.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，其中所述第二弹力密封 具有未压缩本体部分直径和压缩本体部分直径，并且所述压缩直径与所述未压缩直径的 比值范围为从大约0.65到大约0.85。
7.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，其中所述壳体构件的脊 具有高度，并且所述第二弹力密封具有未压缩本体部分直径，并且所述高度与所述未压 缩直径的比值范围为从大约0.50到大约0.70。
8.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件包括在泵内。
9.一种泵，包含(a)固定外壳，所述固定外壳具有内壁，所述内壁限定用于储存流体的压力室；(b)具有外壁的活塞，所述活塞可移动地布置在所述室内；(C)壳体构件，所述壳体构件具有在所述壳体构件中形成凹陷的脊，所述壳体构件环 绕布置在所述固定外壳和所述活塞之间；(d)密封构件，所述密封构件具有内壁、外壁、顶面和底面，所述密封构件环绕布置 在所述壳体构件和所述活塞之间；(e)第一弹力密封，所述第一弹力密封布置在所述固定外壳和密封构件的顶面之间；和(f)第二弹力密封，所述第二弹力密封布置在所述壳体构件和所述密封构件的底面之 间的凹陷中；其中，所述密封构件在所述第一弹力密封和第二弹力密封之间浮动，且与所述活塞 自动对齐。
10.如权利要求9所述的泵，其特征在于，其中所述密封构件用陶瓷材料制成。
11.如权利要求9所述的泵，其特征在于，其中所述流体包含水或者含水的缓冲溶液。
12.如权利要求9所述的泵，其特征在于，其中所述第一和第二弹力密封中的每个是 环形的弹力密封(O形环)。
13.—种泵，包含壳体，所述壳体包括其大小能够接收移动构件的内壁和布置在所述壳体的内壁中的 槽，所述槽具有上表面和下表面；密封构件，所述密封构件包括顶面和底面，所述密封构件布置在所述槽内； 第一弹力密封，所述第一弹力密封布置在所述槽的上表面和所述密封构件的顶面 之间，所述第一弹力密封构造为在所述槽的上表面和所述密封构件的顶面之间形成上间 隙；和第二弹力密封，所述第二弹力密封布置在所述槽的下表面和所述密封构件的底面 之间，所述第二弹力密封构造为在所述槽的下表面和所述密封构件的底面之间形成下间 隙；其中，所述密封构件在所述第一弹力密封和第二弹力密封之间浮动，且与所述移动 构件自动对齐。
14.如权利要求13所述的泵，其特征在于，所述槽进一步具有环绕布置在所述壳体中 的后壁，所述密封构件进一步包括外壁，其中，所述槽的后壁和所述密封构件的外壁限 定外间隙，并且所述第一弹力密封防止流体流入所述外间隙。
15.如权利要求13所述的泵，其特征在于，其中所述移动构件是活塞，所述活塞包括 外壁，所述活塞可移动地布置在所述壳体的内壁内，所述密封构件进一步包括内壁，当 组装时，所述密封构件的内壁和所述活塞的外壁限定内间隙，所述内间隙具有的尺寸允 许流体充满所述内间隙但防止所述流体在工作压力差的作用下经过所述内间隙从所述壳 体的一端流到另一端。
16.如权利要求15所述的泵，其特征在于，其中所述内间隙的尺寸在从大约0.75微米 到大约2.0微米的范围内。
17.如权利要求15所述的泵，其特征在于，其中所述工作压力差小于大约350kPa。
18.如权利要求13所述的泵，其特征在于，所述壳体包括固定外壳和壳体构件，所述 壳体构件环绕布置在所述固定外壳内部，其中所述第一弹力密封被安装在所述密封构件 的顶面和所述固定外壳之间，且所述第二弹力密封安装在所述密封构件的底面和所述壳体构件之间。
19.如权利要求18所述的泵，其特征在于，所述壳体构件具有在所述壳体构件中形成 凹陷的脊，其中所述壳体构件的脊的高度与所述第二弹力密封的未压缩本体部分直径的 比值在大约0.50到大约0.70的范围内。
20.如权利要求13所述的泵，其特征在于，其中所述第二弹力密封的压缩本体部分 直径和所述第二弹力密封的未压缩本体部分直径的比值在从大约0.65到大约0.85的范围 内。
全文摘要
揭示一种自动对齐动态间隙密封组件(20)。该组件包含固定外壳(23)、移动构件(24)、环绕布置在固定外壳和移动构件之间的壳体构件(26)、环绕布置在壳体构件和移动构件之间的密封构件(25)和两个弹力密封(21，22)。第一弹力密封防止流体流入密封构件和固定外壳之间的间隙。当压缩时，第二弹力密封防止壳体构件的脊偏压密封构件的底面。密封构件和移动构件限定连续且均匀的间隙，该间隙具有的尺寸允许流体充满该间隙但防止流体在第一和第二侧之间的工作压力差的作用下经过该间隙从开口的第一侧流到开口的第二侧。还提供一种利用该自动对齐密封组件的泵。
文档编号F04B53/16GK102016368SQ200980115910
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者克瑞格·汤普森 申请人:贝克曼考尔特公司
技术领域：
本发明主要涉及一种往复构件与其外壳之间的流体密封的动态密封。更具体 地，本发明涉及一种自动对齐动态间隙密封和利用该密封的流体移动设备，诸如活塞泵。
背景技术：
在多种流体移动设备，比如液泵、泥浆泵、干式搅拌机和许多其他装置中，滑 动柱塞、杆、活塞或者其他类似构件在固定支座中往复运动。典型地，通过利用密封结 构防止移动构件周围的流体渗漏。密封结构的材料要求具有允许移动构件通过密封结构 的轴向开口来回滑动的一些弹性和一定程度的硬度，并且足够紧，以防止移动构件周围 的流体渗漏或者至少使得移动构件周围的流体渗漏最小化。一种常规的密封结构是机械面密封。典型地，机械面密封包括一个随驱动轴旋 转的密封环和附接于周围的外壳上的静止密封环。两个密封环被偏压力被朝向彼此按 压，用这种方法防止流体经过它们之间。例如，美国专利No.3,282,235 ； No.4,754,981和 No.5,772,217描述了具有提供偏压力的弹簧的密封。通常，附加的弹性体组件被要求相应 地从轴或者外壳密封每个环。典型地，密封表面之间需要薄的润滑膜，以防止由于干摩 擦而导致它们的损坏。然而，随着时间的推移，磨损和振动引起密封环的接合面变得有 划痕，导致工作流体的渗漏。工作流体会造成磨蚀或者包含凝结剂的环境尤其会破坏常 规的密封并且需要频繁地更换它们。类似地，美国专利No.3,348,849揭示了一种往复柱塞填密(plunger packing)，
包括多个环绕柱塞且在环与柱塞之间设置具有预定空隙的金属环。环用于在柱塞的操作 过程中，在压力的作用下缩小到几乎关闭的其空隙的程度。当流体压力被施加于每个环 时，环封闭或者在柱塞上缩小，因此减少环和柱塞之间的初始空隙。有效减少流体通过 组件的通道所需的压力导致金属环和柱塞之间的高摩擦，损坏环和柱塞。封装的密封箱(stuffingbox)是用于移动构件的常规密封的另一个示例。例如在 美国专利No.3,659,862和No.5,333,883中已经公开了这类密封。一般地，该封装被充分 地压缩以限制流体通过封装的通道，但不是被压缩以形成封装和移动构件之间的过度摩 擦。通过手动紧固密封箱上的密封垫(gland)直到达到通过封装的渗漏的最小化的点为 止，但在封装和轴之间的摩擦使封装过热的点之前，压力主要保持在封装上。这样的构 造根据对向大气的渗漏进行控制，而不是零渗漏的原则进行操作。然而，这需要频繁的 调节，并且过度的紧固导致封装产生过量的摩擦、热量积累以及过度磨损，并且甚至可 能破坏移动构件。即使当封装上的压力被适当地调节，使得流体通过封装的通道最小化所需的压力导致封装和轴之间比较高的摩擦。结果，封装很快磨损并且需要频繁更换。美国专利No.6,843,481描述了一个封装密封的可能替换方案，其揭示了一种间隙 密封组件，包括安装在圆柱形外壳结构中并且环绕布置在外壳结构和移动活塞之间的密 封构件。参照图1，密封构件4与固定外壳3和壳体构件(housing member) 5具有流体密 封关系。这个流体密封的关系通过具有安装在密封构件的顶部上的弹性O形环1实现， 以防止跨过密封构件和固定外壳之间的顶部的流体渗漏。当O形环被压缩时，密封构件 被锁定到壳体构件的表面，因此防止流体流动。由于密封构件和活塞2之间非常紧的空 隙，密封构件和活塞的轴向位置必须彼此严密地对齐。然而，活塞必须还与作为活塞的 引导件的壳体孔对齐。如果这两个轴没有对齐，活塞运动的卡滞会导致损坏驱动活塞运 动的传动皮带。因为需要非常低的公差以消除活塞对于密封构件的卡滞，这些密封组件 的大部分倾向于难于控制质量，因此以大的商业规模制造它们是不切实际的。因此，现有技术的密封结构并没有在移动构件和它们的壳体之间提供可靠和持 久的密封。在正常运行期间，常规的密封受到大量磨损并且必需频繁更换，使得设备的 预防性维护更加繁重，并且增加了它的养护费用。间隙密封经常需要很高的制造标准， 使得大量生产很昂贵且难于实现。
发明内容
因此，本发明的目标是提供改善的动态密封，该改善的动态密封能够避免现有 技术的密封的不希望的缺陷。具体地，本发明的目标是提供一种动态密封，该动态密封 具有低磨损，可以相对低的成本制造，并且在使用中提供优越的性能。本发明的另一个 目的是提供一种利用这种密封的便利的流体移动装置，其具有相对低的维护保养成本并 且具有高可靠性。 这些及其他目标由本发明的自动对齐动态间隙密封组件实现。该组件包含固定 外壳，该固定外壳限定第一侧、第二侧以及连接第一和第二侧的开口；移动构件，该移 动构件具有外壁且布置为可移动通过开口；壳体构件，该壳体构件具有内壁和在壳体构 件中形成凹陷的脊，该壳体构件环绕布置在固定外壳和移动构件之间；密封构件，该密 封构件具有内壁、外壁、顶面和底面，该密封构件环绕布置在所述壳体构件和移动构件 之间；第一弹力密封，该第一弹力密封布置在固定外壳和密封构件的顶面之间；和第二 弹力密封，该第二弹力密封布置在壳体构件和密封构件的底面之间的凹陷中。第一弹力 密封防止流体流入密封构件和壳体构件之间的间隙。当压缩时，第二弹力密封防止壳体 构件的脊偏压在密封构件的底面上。密封构件和移动构件限定连续且均勻的间隙，该间 隙的尺寸允许流体充满该间隙，但防止流体在第一和第二侧之间的工作压力差的作用下 从开口的第一侧流过该间隙到达开口的第二侧。这个间隙的尺寸在工作压力差的作用下 本质上不会改变。 在另一个方面中，本发明提供一种利用该间隙密封组件的泵。该泵包含固定外 壳，该固定外壳具有限定用于储存流体的压力室的内壁；具有外壁的活塞，该活塞可移 动地布置在压力室内；壳体构件，该壳体构件具有内壁和在壳体构件中形成凹陷的脊， 该壳体构件环绕布置在固定外壳和活塞之间；密封构件，该密封构件具有内壁、外壁、 顶面和底面，该密封构件环绕布置在壳体构件和活塞之间；第一弹力密封，该第一弹力密封布置在固定外壳和密封构件的顶面之间；和第二弹力密封，该第二弹力密封布置在 壳体构件和密封构件的底面之间的凹陷中。第一弹力密封防止流体流入密封构件和壳体 构件之间的间隙。当压缩时，第二弹力密封防止壳体构件的脊偏压在密封构件的底面 上。密封构件和活塞限定连续且均勻的间隙，该间隙的尺寸允许流体充满该间隙，但防 止流体在工作压力差的作用下从压力室流到该室的外部。这个间隙的尺寸在工作压力差 下本质上不会改变。通过排除密封构件和移动构件之间的直接接触，该间隙密封组件减少了很多上 面讨论到的与常规密封相关联的问题。具体地，该手段的优点包括使得部件的磨损最小 化，使得装配和维修简单化，显著地改善可靠性，以及降低维护费用。本发明的间隙密 封可以被用于任何需要汲取、移动和分配流体的装置或者系统。本发明可以尤其有利地 用于分析测试设备中使用的高精度泵。例如，具有根据本发明制造的间隙密封的活塞泵 可以被有利地用于Nexgen存取系统(贝克曼仪器(Beckman Instruments)，加利福尼亚) 中的样本抽吸及分配，该仪器在美国专利No.6,825,041中被揭示，该专利已经被转让给本 发明的受让人，并且其相关内容通过引用结合在本文中。本发明通过在密封构件的底面上附加的弹力密封的创新使用，克服了美国专 利No.6,843,481中揭示的早先的间隙密封设计的问题。该附加的弹力密封的目的不在 于密封流体，而作为对第一弹力密封的平衡，允许两个密封作为用于密封构件的悬挂 (suspension)而协调一致。这允许密封构件充分浮动以调节壳体和密封构件的轴线之间 的未对齐，且在第一弹性环上保持足够的压力，以允许其完成防止密封构件和固定外壳 之间流体流动的功能。密封构件能够浮动的距离有限制，因为密封构件离开正常位置越 远，越大的约束力被施加于密封构件上。因为过多的移动将导致分配结果的不一致，这 就非常重要。该自动对齐间隙密封设计的试验显示其在功能性和可靠性上相比于美国专 利No.6,843,481揭示的初始的间隙密封设计做出了巨大的改善。例如，使用本自动对齐 间隙密封设计，困难的体积分配上的第一经过率从28%提高到88%。
接下来，将参照附图对本发明进行说明，根据参照附图的描述，本发明的以上 及其他特征和获得它们的方式将变得更加明显，其中图IA是美国专利No.6,843,481中揭示的间隙密封的截面图。图IB是密封构件 的侧视图，以及移动构件和壳体构件的截面图。图IC是密封构件的俯视图，以及移动构 件的截面图。图2A为根据本发明的一个实施例的间隙密封的截面图。图2B是密封构件的放 大侧视图，以及移动构件和壳体构件的截面图。图2C是密封构件的俯视图，以及移动构 件的截面图。图3是根据本发明的一个实施例的密封构件和壳体构件之间的凹陷的放大截面 图。
具体实施例方式除非另外限定，这里使用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属技术领域中的本领域技术人员所普遍理解的含义相同。在此引用的所有专利、专利申请(公布或 者未公布的)以及其他公开物的全部内容在这里通过引用而被结合。如果在本节中阐明 的定义与通过引用而被结合的专利、申请、公布的申请以及其他公开物阐明的定义相反 或不一致，采用在本节中阐明的定义，而不是那些通过引用结合在本文中的定义。引用的公开物或者文件不作为承认任何这样的公开物或者文件是适当的现有技 术，也不构成任何对有关这些公开物或者文件的内容或者日期的任可。这里使用的“a”或“an”意味着“至少一个”或者“一个或更多”。在这里使用的术语“自动对齐”指装配特征，其中两个或更多部分能够互相连 接而不需要任何实现想要的接合所需的由人操作的对齐操作。这里使用的术语“流动”指的是由高压区和低压区之间的压差所引起的流体的 定向运动(例如，泵内部的工作流体压力和泵外部的大气压力之间的差)。在这里使用的 术语“泄漏”指的是由移动构件的往复运动和流体因静电、毛细作用和/或范德瓦耳斯 力(vanderWaalsforces)而附着到实心结构元件的壁上所引起的流体运动。这里使用的术语“粘性”指的是对通过剪切应力或者拉伸应力而变形的流体的 阻力的程度。粘性描述了一种流体对流动的内在阻力，并且有时被认为是流体摩擦的程 度。因此，水和乙醇被认为具有相对低的粘度，而甘油和槭糖浆(maplesyrap)被认为具 有比较高的粘性。流体的粘性通常独立于压力(除非在超高压下)并且倾向于随着温度升 高而降低。例如，随着水温从0°C升高到100°C，水的粘度从1.79厘泊(centipoise，cP)降 到0.28cP。作为温度T(K)的函数，水的粘性可以如下这样确定μ (Pa · s) =AXIOB7 (T_C),其中 A = 2.414X ICT5Pa · s ； B = 247.8K ；并且 C = 140K[lcP = ICT3Pa · s]。在 室温下(20°C )，水的粘性为1.003cP。这里使用的术语“两个结构元件之间的流体密封关系”的意思是没有流体能够 经过这些元件之间。可以理解的是，任何密封方法可能用来实现流体密封关系，只要其 提供可靠的密封即可。这里使用的术语“防止流体流动”意思是流经密封的流体体积足够小，从而不 会对由包含该密封的泵的分配精确性产生任何明显的副作用。替代地，这里使用的术语
“防止流体流动”指的是流经密封的流体数量非常小，以致于不能由肉眼察觉。这里使用的术语“两个结构元件之间的连续间隙”指的是这些元件之间没有直 接接触的点。术语“两个结构元件之间的均勻间隙”指的是这些元件之间的距离没有危 及它们之间形成的液体密封的显著变化。因此，这里使用的术语“连续且均勻的间隙” 指的是两个结构元件之间的空间关系，其中这些元件之间没有直接接触点，并且元件之 间的距离没有危及形成在它们之间的液体密封的显著差异。这里使用的术语“本质上没有改变”指的是所讨论的特性具有的改变小于大约 50%,优选小于大约40%，更优选小于大约30%，再优选小于大约20%，并且最好小于 大约10%。因此，短语“在工作压力的作用下，第二间隙的尺寸实质上保持不变”通常 指操作过程中第二间隙的尺寸没有从操作之前的第二间隙的尺寸偏离超过大约50%。这里使用的术语“实质上圆形形状”，在理想的圆之外，还包括接近于理想的 圆的形状、但由于制造过程等等的精确度的变化而从理想的圆变形得到的形状。在更定 量化的术语中，术语“实质上圆形形状”指的是短轴长度A与长轴长度B的比值等于或者小于大约1.0，并且等于或者大于约0.8 (即，0.8SA/BS1.0)。图1显示前面所揭示的采用单个弹性O形环的间隙密封组件(参见美国专利 Νο.6,843,481)。参照图1Α，具有间隙密封组件10的活塞泵包括具有内壁8的固定外壳 3，内壁8限定用于包含被抽取的流体的压力室9。活塞2可移动地布置在压力室9内， 并且圆柱形壳体构件5环绕布置在固定外壳3和活塞2之间，以支撑活塞。密封构件4环 绕布置在壳体构件5和活塞2之间，并且与固定外壳3具有流体密封的关系。参照图IA 和1Β，密封构件4和固定外壳3之间的流体密封关系典型地通过利用环形的弹力密封， 诸如O形环1实现，该弹力密封可移除地安装在外壳和密封构件之间。当O形环1被压 缩时，它与固定外壳3形成密封点11Α，且与密封构件4形成密封点11Β，因此防止流体 在外壳和密封构件之间流动。参照图IA和1C，密封构件4的内壁7和活塞2的外壁6 限定连续且均勻的间隙12。间隙12的尺寸允许流体充满该间隙，并且防止流体在工作流 体的压力作用下通过间隙从压力室流到该室的外部。然而，如上所述，由于密封构件4和活塞2之间非常紧的空隙，壳体和密封构 件的纵轴之间的未对齐经常导致活塞2接合到密封构件4，引起使活塞动作的传动皮带损 坏。因为需要非常低的公差以避免活塞2与密封构件4的频繁接合，该密封组件的相当 一部分倾向于难于控制质量，因此使大的商业规模制造这种密封不可实施。本发明通过提供浮动(floating)、自动对齐间隙密封有效地克服这些问题，该自 动对齐间隙密封利用密封构件的底面上的可移动的附加弹力密封。该第二弹力密封的目 的不在于密封流体，而是作为对主要弹力密封的平衡，允许两个密封作为用于密封构件 的悬挂(suspension)而协调一致。这允许密封构件能够充分地浮动，以调节壳体和密封 构件的轴线之间的任何未对齐，且在相对的弹力密封上保持足够的压力，以允许其完成 防止流体在密封构件和固定外壳之间流动的功能。注意的是，本发明的间隙密封组件可以用于与具有开口和通过该开口往复运动 的移动构件的固定构件的任何装置联合使用。这样的装置的示例包括，但不局限于在很 大范围内使用的分配泵、泥浆泵和叶轮泵。移动构件可以是，例如，滑动柱塞、杆或者 活塞。本发明的特定的构造可以采用不同的或者改进的形式，活塞泵将被用于进一步详 细地说明本发明。参照图2A，具有间隙密封组件20的活塞泵包括具有内壁32的固定外壳23，内 壁32限定用于包含被抽取的流体的压力室30。活塞24可移动地布置在压力室30内，并 且圆柱形壳体构件26环绕布置在固定外壳23和活塞24之间，以支撑活塞。如前所述， 密封构件25环绕布置在壳体构件26和活塞24之间。如前所述，密封构件25与固定外 壳23具有流体密封的关系，密封构件25还具有第一环形弹力密封，诸如O形环21，该 第一环形弹力密封可移除地安装在密封构件25和外壳23之间。当第一密封21被压缩 时，它与外壳23形成密封点35A，且与密封构件25形成密封点35B，因此防止流体在外 壳和密封构件之间流动。第一密封21的精确位置不重要，只要它防止流体在固定的外壳 23和密封构件25之间流动即可。参照图2A和2C，密封构件25的内壁34和活塞24的 外壁31限定连续且均勻的间隙33。间隙33具有允许流体充满该间隙的尺寸，但防止流 体在工作流体的压力作用下通过间隙从压力室流到该室的外部。参照图2A和2B，本发 明的壳体构件26具有脊27，该脊27在壳体构件和密封构件25之间形成凹陷36。第二环形弹力密封，诸如O形环22，可移除地安装在壳体构件26和密封构件25之间的凹陷 36中，以防止脊27与密封构件25接触并偏压密封构件25。通过具有安装在密封构件25 和壳体构件26之间的凹陷36的第二 O形环22，密封构件被给予附加的自由度，因此提 升了其自身和可移动的活塞24之间的更有效的对准，并且防止这两个结构元件之间的卡滞。参照图3，使得本发明与美国专利Νο.6,843,481所揭示的间隙密封相区分的关键 要素是诸如O形环22的第二弹力密封和脊27，第二弹力密封安装在密封构件25和壳体 构件26之间，脊27在壳体构件26中形成凹陷36，所述凹陷能够调节第二 O形环22以 防止脊27偏压密封构件25。第二 O形环22可以用任何合适的弹性材料制成，例如，合 成橡胶、热塑性塑料等等。脊27的高度必须被小心地关于第二 O形环22的主体部分的 直径进行校准，从而当第二 O形环22被压缩时，密封构件25没有和脊27接触，并且继 续浮在第二 O形环22的顶部上。对所属技术领域的专业人员来说，需要注意的是，脊 27的高度h及第二 O形环22的本体部分的未压缩直径d之间的期望比值将通常取决于制 造第二 O形环22的材料的硬度。因此，在一个实施例中，第二 O形环22具有压缩的本 体部分直径d'，且压缩的直径d'与未压缩的直径d的比值处于大约0.60和大约0.90之 间的范围内，进一步优选在大约0.65和大约0.85之间，且最好在大约0.68和大约0.78之 间。因此，脊27优选具有的高度在第二 O形环22的本体部分的未压缩直径的大约0.40 和0.75之间的范围内，进一步优选在第二 O形环22的本体部分的未压缩直径的大约0.50 和0.70之间，且最好在第二 O形环22的本体部分的未压缩直径的0.55和0.65之间。然 而，应该注意，诸如脊的高度和第二 O形环22的未压缩直径之间的比值(h/d)及第二 O 形环22的本体部分的压缩的直径与未压缩的直径之间的比值(d' /d)的其他比值也可以 根据本发明被使用。本发明的间隙密封组件的一个明显的优点是壳体构件26、密封构件25、第一弹 力密封21和第二弹力密封22的组合独立模块的事实，该模块能够被容易地从固定的外壳 23去除以在必要时进行清洁和/或维护。如美国专利Νο.6,843,481揭示的，流体密封能够形成在移动和固定构件之间，且 它们之间没有直接接触。间隙33的尺寸可以被选择成允许流体充满密封和活塞之间的间 隙，因此避免了干摩擦，但是能够防止流体流过该间隙。当间隙足够小时，流体向活塞 和密封的附着力大于由于工作压力通过流体施加的力，因此防止流体流过该间隙。间隙33的合适的尺寸范围取决于被抽吸的流体的物理性能，诸如粘性、表面张 力、附着力、温度和工作压力差。低粘度流体将典型地需要比更高粘性的流体更小的间 隙33。一般地，流体的粘性越高，间隙33可以使用的范围越宽。在一个实施例中，间 隙33具有在大约0.5微米和大约3.0微米之间的范围内的尺寸，进一步优选在大约0.75微 米和大约2.0微米之间，最好位于大约1.0微米和大约1.5微米之间。还应该认识到间隙 的尺寸大大取决于应用的类型。那些本领域技术人员能够考虑当前公开来选择间隙的尺 寸，以调节被用于特定应用的流体和工作压力，而用不着不适当的实验。在一个实施例中，被抽吸的流体包含水或者含水的缓冲溶液，例如诸如，磷 酸盐缓冲盐水溶液(phosphate-buffered saline)，磷酸盐缓冲液(phosphate buffer)，硼酸 盐缓冲液(borate buffer)，柠檬酸盐缓冲液(citrate buffer)，三羟甲基氨基甲烷缓冲液(Tris buffer)，MOPS 缓冲液(MOPS buffer)，PIPES 缓冲液(PIPES buffer)或者 HEPES 缓冲液(HEPESbuffer)。含水的缓冲溶液的粘性优选在大约0.3CP(3X10_4Pa · s)和大 约20cP(2xl0_2Pa · s)之间的范围内，进一步优选在大约0.5cP(5xlO_4Pa · s)和大约 5cP(5xlO 3Pa · s)之间，并且最好在大约0.9cP(9xl(T4Pa · s)和大约 1.5cP(1.5xl(T3Pa · s)
之间。然而，需要理解，其他合适的流体也可以被用于本发明。
被抽吸的流体的温度优选在大约10°C和大约90°C之间的范围，进一步优选在大 约15°C和大约60°C之间，最好在大约20°C和大约30°C之间。工作压力差优选小于大约 IOOOkPa,进一步优选小于大约500kPa，并且最好小于大约350kPa。然而，需要理解， 其他合适的温度和工作压力也可以被用于本发明。在活塞24和密封构件25之间保持均勻间隙需要精密地控制活塞的外壁31和密 封构件内壁34的径向尺寸，以及高的组装精确性。因此，为了简化临界间隙33的控制， 在优选实施例中，内壁34和外壁31的截面实质上具有圆形。具有高硬度且能够被加工成想要的较高精度的材料可以被用来制造密封构件和 活塞，并且对于本发明所在领域的本领域技术人员来说，这是已知的。在一个实施例 中，密封构件采用与壳体构件不同的材料制成。例如，活塞可以用陶瓷材料制成，而密 封构件可以用聚合物，例如诸如，丙烯酸类聚合物(acrylic polymer)制成。在另一个实 施例中，密封构件采用与壳体构件相同的材料制成。例如，该密封构件和活塞可以都用 陶瓷材料制成。虽然通过特别参照活塞泵进行描述了本发明，应该认识到，该间隙密封的主要 特征可以用于任何具有诸如外壳23的固定构件和诸如活塞24的移动构件的任何装置，外 壳23具有诸如压力室30的开口，活塞24被通过该开口可移动地设置。一般而言，固定 构件可以具有任何形状，只要其限定诸如泵的内侧与外侧的两个体积，所述内侧和外侧 被称为固定构件的两侧并且通过开口连接诸如。两个体积可以包括不同的流体和/或处 于不同的压力下(例如，在泵内部为工作流体压力而在泵外部为大气压力)。本发明可以体现为其他特定的形式而没有脱离它的基本特征。在这里描述的实 施例在各个方面均仅仅作为示例，而非限制。包含在后附权利要求中或其等效替代的范 围和意思内的各种变化被包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种自动对齐间隙密封组件，包含(a)固定外壳，该固定外壳限定第一侧、第二侧和连接所述第一侧和第二侧的开Π ；(b)具有外壁的移动构件，所述移动构件布置为可移动通过所述开口；(c)壳体构件，所述壳体构件具有内壁和在所述壳体构件中形成凹陷的脊，所述壳体 构件环绕布置在所述固定外壳和所述移动构件之间；(d)密封构件，所述密封构件具有内壁、外壁、顶面和底面，所述密封构件环绕布置 在所述壳体构件和所述移动构件之间；(e)第一弹力密封，所述第一弹力密封布置在所述固定外壳和所述密封构件的顶面之 间；和(f)第二弹力密封，所述第二弹力密封布置在所述壳体构件和所述密封构件的底面之 间的凹陷中；其中所述壳体构件的内壁和所述密封构件的外壁限定第一间隙，且所述第一弹力密 封防止流体流入所述第一间隙；被压缩时的所述第二弹力密封防止所述壳体构件的脊偏压所述密封构件的底面。
2.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，所述密封构件在所述第 一弹力密封和第二弹力密封之间浮动，且与所述移动构件自动对齐。
3.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，当组装时，所述密封构 件的内壁和所述移动构件的外壁限定连续并且均勻的第二间隙；所述第二间隙具有的尺寸允许所述流体充满所述第二间隙但防止所述流体在所述第 一侧和第二侧之间的工作压力差的作用下经过所述第二间隙从所述开口的第一侧流到第 二侧；并且所述第二间隙的尺寸在所述工作压力差的作用下基本不变。
4.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，其中所述第二间隙的尺 寸在从大约0.75微米到大约2.0微米的范围内。
5.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，其中所述工作压力差小 于大约350kPa。
6.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，其中所述第二弹力密封 具有未压缩本体部分直径和压缩本体部分直径，并且所述压缩直径与所述未压缩直径的 比值范围为从大约0.65到大约0.85。
7.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件，其特征在于，其中所述壳体构件的脊 具有高度，并且所述第二弹力密封具有未压缩本体部分直径，并且所述高度与所述未压 缩直径的比值范围为从大约0.50到大约0.70。
8.如权利要求1所述的自动对齐间隙密封组件包括在泵内。
9.一种泵，包含(a)固定外壳，所述固定外壳具有内壁，所述内壁限定用于储存流体的压力室；(b)具有外壁的活塞，所述活塞可移动地布置在所述室内；(C)壳体构件，所述壳体构件具有在所述壳体构件中形成凹陷的脊，所述壳体构件环 绕布置在所述固定外壳和所述活塞之间；(d)密封构件，所述密封构件具有内壁、外壁、顶面和底面，所述密封构件环绕布置 在所述壳体构件和所述活塞之间；(e)第一弹力密封，所述第一弹力密封布置在所述固定外壳和密封构件的顶面之间；和(f)第二弹力密封，所述第二弹力密封布置在所述壳体构件和所述密封构件的底面之 间的凹陷中；其中，所述密封构件在所述第一弹力密封和第二弹力密封之间浮动，且与所述活塞 自动对齐。
10.如权利要求9所述的泵，其特征在于，其中所述密封构件用陶瓷材料制成。
11.如权利要求9所述的泵，其特征在于，其中所述流体包含水或者含水的缓冲溶液。
12.如权利要求9所述的泵，其特征在于，其中所述第一和第二弹力密封中的每个是 环形的弹力密封(O形环)。
13.—种泵，包含壳体，所述壳体包括其大小能够接收移动构件的内壁和布置在所述壳体的内壁中的 槽，所述槽具有上表面和下表面；密封构件，所述密封构件包括顶面和底面，所述密封构件布置在所述槽内； 第一弹力密封，所述第一弹力密封布置在所述槽的上表面和所述密封构件的顶面 之间，所述第一弹力密封构造为在所述槽的上表面和所述密封构件的顶面之间形成上间 隙；和第二弹力密封，所述第二弹力密封布置在所述槽的下表面和所述密封构件的底面 之间，所述第二弹力密封构造为在所述槽的下表面和所述密封构件的底面之间形成下间 隙；其中，所述密封构件在所述第一弹力密封和第二弹力密封之间浮动，且与所述移动 构件自动对齐。
14.如权利要求13所述的泵，其特征在于，所述槽进一步具有环绕布置在所述壳体中 的后壁，所述密封构件进一步包括外壁，其中，所述槽的后壁和所述密封构件的外壁限 定外间隙，并且所述第一弹力密封防止流体流入所述外间隙。
15.如权利要求13所述的泵，其特征在于，其中所述移动构件是活塞，所述活塞包括 外壁，所述活塞可移动地布置在所述壳体的内壁内，所述密封构件进一步包括内壁，当 组装时，所述密封构件的内壁和所述活塞的外壁限定内间隙，所述内间隙具有的尺寸允 许流体充满所述内间隙但防止所述流体在工作压力差的作用下经过所述内间隙从所述壳 体的一端流到另一端。
16.如权利要求15所述的泵，其特征在于，其中所述内间隙的尺寸在从大约0.75微米 到大约2.0微米的范围内。
17.如权利要求15所述的泵，其特征在于，其中所述工作压力差小于大约350kPa。
18.如权利要求13所述的泵，其特征在于，所述壳体包括固定外壳和壳体构件，所述 壳体构件环绕布置在所述固定外壳内部，其中所述第一弹力密封被安装在所述密封构件 的顶面和所述固定外壳之间，且所述第二弹力密封安装在所述密封构件的底面和所述壳体构件之间。
19.如权利要求18所述的泵，其特征在于，所述壳体构件具有在所述壳体构件中形成 凹陷的脊，其中所述壳体构件的脊的高度与所述第二弹力密封的未压缩本体部分直径的 比值在大约0.50到大约0.70的范围内。
20.如权利要求13所述的泵，其特征在于，其中所述第二弹力密封的压缩本体部分 直径和所述第二弹力密封的未压缩本体部分直径的比值在从大约0.65到大约0.85的范围 内。
全文摘要
揭示一种自动对齐动态间隙密封组件(20)。该组件包含固定外壳(23)、移动构件(24)、环绕布置在固定外壳和移动构件之间的壳体构件(26)、环绕布置在壳体构件和移动构件之间的密封构件(25)和两个弹力密封(21，22)。第一弹力密封防止流体流入密封构件和固定外壳之间的间隙。当压缩时，第二弹力密封防止壳体构件的脊偏压密封构件的底面。密封构件和移动构件限定连续且均匀的间隙，该间隙具有的尺寸允许流体充满该间隙但防止流体在第一和第二侧之间的工作压力差的作用下经过该间隙从开口的第一侧流到开口的第二侧。还提供一种利用该自动对齐密封组件的泵。
文档编号F04B53/16GK102016368SQ200980115910
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者克瑞格·汤普森 申请人:贝克曼考尔特公司
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