高压泵构造的制作方法

高压泵构造
1.优先权要求
2.本技术要求享有于2019年12月20日提交的美国临时申请第62/951,867号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本技术一般性涉及高压流体系统。更具体地，本技术涉及防止高压密封件因气体自燃而燃烧。


背景技术：

4.高压流体系统，例如高压流体混合器、高压/高剪切力流体处理器、高压冲击器射流反应器和高压均化器，均会使用高压泵。这些机器包括来自microfluidics international(这是位于westwood,ma的idex corporation的一家单位)的各种系统，例如实验室机器/台式机器、中试规模机器(pilot scale machine)、及生产规模机器(production scale machine)。例如，实验室机器/台式机器可包括来自microfluidics international的供应品(product offering)lm10、lm20、m110p、lv1低体积、m110y、以及hc 5000/8000。中试规模机器例如可包括来自microfluidics international的供应品pilot scale m110eh和pilot scale m815。生产规模机器例如可包括来自microfluidics international的m700和m710系列供应品。
5.上述的泵包括在通道内将加压流体移位的柱塞。一旦流体被移位，流体即可在极高的压力条件下例如通过狭窄的微通道，在这样的微通道中流体受到高剪切力，和/或进入冲击射流反应器内。泵系统可包括高压密封件，例如杯式密封件，其包含密封腔。密封腔内的空的空间(empty space)可被称为密封腔体积。气体可能积聚在密封腔体积中，并且可能随着柱塞将流体移位而被截留。在某些情况下，举例来说，气体可能因流体灌注不足和/或进入流体内的气体过多而积聚。如果足够体积的气体积聚在密封腔中并在足够量的压力下被压缩，那么气体可能会加热到足以引发自燃而损坏密封件，例如导致密封件燃烧。
6.即使在实验室、中试、及大生产量机器中能够获得相同的操作压力，上述密封件燃烧在大生产量机器中也会成为较大的问题，在大生产量机器中，进入或被截留的气体量较大，导致更可能发生自燃。当气体自燃时，气体会燃烧处于自燃气体附近的各种系统部件，例如被用来防止流体泄漏的密封件。密封件燃烧会产生负面后果。例如，密封件燃烧会导致正在被处理的流体受污染，而这在制备药物或其他高纯度流体的情况下尤其有害。密封件燃烧也可能导致密封件过早失效。低压流体系统通常不会产生足够高的压力来引发气体自燃。因此，需要能较好地防止密封件因气体自燃而燃烧的高压流体系统设计。


技术实现要素：

7.本技术提供新式和创新型的高压流体系统，用于防止因气体自燃导致的密封件燃烧。所提供的系统包括插入件，例如o形环，该插入件被设置在杯式密封件的密封腔内，用以
减小密封腔体积。通过减少密封腔体积，插入件减少了能够积聚的气体的体积，且由此有助于防止气体随气体被压缩而自燃。通过防止气体自燃，所提供的系统有助于防止密封件燃烧，这有助于防止杯式密封件过早失效并防止流体污染。
8.鉴于本技术的公开且在不以任何方式限制本发明范围的内容的情况下，除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第一方案中，高压流体系统包括泵体，该泵体包括适于接纳流体和柱塞的通道。该通道被构造成包括唇部，通道的内径在该唇部处增大。该系统还包括杯式密封件，该杯式密封件包括密封腔。杯式密封件被设置在通道的唇部处。在本示例中，该系统还包括被定位在杯式密封件的密封腔内的插入件。
9.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第二方案中，泵体被构造成承受等于或大于5000psi的流体压力。
10.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第三方案中，泵体被构造成承受介于5000psi与50000psi之间的流体压力。
11.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第四方案中，通道被构成为在唇部处包括九十度角。
12.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第五方案中，柱塞的外径介于约7/16英寸(1.11cm)至约3英寸(7.62cm)之间。
13.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第六方案中，插入件是o形环。
14.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第七方案中，杯式密封件被构成为，使得在插入件没有定位在密封腔内的情况下，密封腔的空体积等于或大于约0.5立方英寸(8.19立方厘米)。
15.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第八方案中，杯式密封件和插入件被构造成，使得在插入件定位在密封腔内的情况下，密封腔的空体积不足以使气体积聚足够的体积以自燃。
16.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第九方案中，杯式密封件和插入件被构造成，使得在插入件定位在密封腔内的情况下，密封腔的空体积等于或小于0.04立方英寸(0.65立方厘米)。
17.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第十方案中，通道的直径介于约7/16英寸(1.11cm)至约3英寸(7.62cm)之间，通道内的流体体积介于约0.1立方英寸(1.64立方厘米)与70立方英寸(1147立方厘米)之间，而且在插入件定位在密封腔内的情况下，密封腔的空体积等于或小于0.04立方英寸(0.65立方厘米)。
18.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第十一方案中，插入件由弹性体、塑料、或金属构成。
19.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第十二方案中，插入件由丁腈橡胶(nitrile)、epdm、含氟弹性体(fluoroelastomers，氟橡胶)、氯丁橡胶(neoprene)、超高分子量聚乙烯(uhmwpe)、聚醚醚酮(peek)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)、全氟弹性体(perfluoroelastomer，全氟橡胶)、或硅酮(silicon)、或它们的组合构成。
20.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第十三方案
中，高压流体系统包括泵体，该泵体包括适于接纳流体和柱塞的通道。该通道被构造成包括唇部，通道的内径在该唇部处增大。该系统还包括杯式密封件，该杯式密封件包括密封腔。杯式密封件被设置在通道的唇部处，且泵体被构造成包括在唇部处延伸至杯式密封件的密封腔内的突起。
21.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第十四方案中，突起被构造成，使得在突起延伸至密封腔内的情况下，密封腔的空体积不足以使气体积聚足够的体积以自燃。
22.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第十五方案中，突起被构造成，使得在突起延伸至密封腔内的情况下，密封腔的空体积等于或小于0.04立方英寸(0.65立方厘米)。
23.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第十六方案中，柱塞具有介于约7/16英寸(1.11cm)至约3英寸(7.62cm)之间的直径，通道内的流体体积介于约0.1立方英寸(1.64立方厘米)与70立方英寸(1147立方厘米)之间，且在插入件定位在密封腔内的情况下，密封腔的空体积等于或小于0.04立方英寸(0.65立方厘米)。
24.除非另有说明，否则在可以与此处所列本技术的任何其他方案组合的第十七方案中，泵体被构造成承受介于5000psi与50000psi之间的流体压力，且在插入件定位在密封腔内的情况下，密封腔的空体积等于或小于0.04立方英寸(0.65立方厘米)。
附图说明
25.图1a示出根据本技术一方案的泵的一部分的横剖视图。
26.图1b示出根据本技术一方案的高压流体系统的横剖视图。
27.图2a示出根据本技术一方案的杯式密封件的视图(看到该杯式密封件的密封腔之内)。
28.图2b示出图2a的杯式密封件(其包括根据本技术一方案被设置在密封腔内的插入件)。
29.图2c示出根据本技术一方案的构造在图2b所示平面a-a处的密封件横剖视图。
30.图3a是照片，其示出带有烧伤的杯式密封件的立体图。
31.图3b是照片，其示出与防止气体自燃发生的插入件一起使用的杯式密封件的立体图。
32.图4示出根据本公开一方案的高压流体系统的横剖视图。
具体实施方式
33.本技术提供新式和创新型的用于防止因气体自燃而导致密封件燃烧的系统。所提供的系统可包括带有密封腔的杯式密封件、位于密封腔内的插入件、及泵通道唇部，所有这些部件均有助于降低为自燃所需的临界压缩比。所提供的系统通过将插入件包含在杯式密封件的密封腔内来最小化用于积聚气体的可用空间。例如，插入件可以是o形环或另一装配在杯式密封件的密封腔内的合适部件。在没有插入件的情况下，密封腔体积就会大至足以让足够的气体体积得以积聚而自燃。插入件有助于消除杯式密封件的至少一些密封腔体积。例如，插入件可以消除大部分密封腔体积。虽然与典型系统的杯式密封腔体积相比，所
提供的系统减小了系统的杯式密封件的密封腔中的体积，但所提供的系统保持了杯式密封件的性能。例如，所提供的系统允许杯式密封件在高压循环下起作用(例如允许压力进入密封杯的密封腔的内部)。将用于积聚气体的可用空间最小化有助于防止气体在高压下压燃，且相应地有助于防止产生密封件燃烧。通过有助于防止密封件燃烧，所提供的系统有助于防止过早的密封件失效并有助于防止流体污染。
34.第一系统实施例
35.图1a示出包括示例性泵体102的示例性泵的一部分的横剖视图。泵体102包括延伸穿过泵体102的至少一部分的通道120。通道120的一部分包括直径(例如介于约7/16英寸(1.11cm)至约3英寸(7.62cm)之间)，该直径与柱塞(例如柱塞104)的外径大体一致，同时使柱塞104能够在柱塞104与通道120的壁之间以足够的流体进行平移。
36.通道120包括唇部122，通道120的直径在该唇部处改变，如图所示。例如，在唇部122处，通道120的直径从上述的与柱塞104大体一致的直径增加到更大的直径。通道120的具有较大直径的部分可以与通道120的具有较小直径的部分同心。在一些示例中，唇部122可如图所示被构造成90度角，以实现通道120内的直径增加。在其他示例中，唇部122可被构造成其他合适的角度，以实现在通道120直径方面的改变。
37.在至少一些方案中，盖帽106可被固定至泵体102。例如，一个或多个螺栓124a、124b可将盖帽106固定至泵体102。在多个方案中，垫圈108可如图所示定位在盖帽106与泵体102之间。
38.图1b示出根据本技术一方案的示例性高压流体系统100、例如高压增压泵的横剖视图。系统100可包括泵体102和位于泵体102的通道120内的柱塞104。柱塞104可使通道120内的流体112移位。在一些示例中，柱塞104的外径可处在约1/8英寸(0.318cm)至约6英寸(15.24cm)的范围内。在一些示例中，柱塞104的外径可处在约7/16英寸(1.11cm)至约3英寸(7.62cm)的范围内。在其他示例中，柱塞104可具有另一合适的外径。
39.系统100被构造成，使得柱塞104具有合适的冲程长度，以使通道120内的流体112移位。在一些示例中，柱塞104的冲程长度等于处在约2.5英寸(6.35cm)至约18英寸(45.72cm)的范围内的长度。在一些示例中，柱塞104的冲程长度等于处在约2.5英寸(6.35cm)至约10英寸(25.4cm)的范围内的长度。系统100还可包括轴承118。应理解的是，泵体102、盖帽106、垫圈108、及轴承118中的每一个仅有一侧在图中被示出，这是因为此图是横剖视图，且每个部件均延续至图的另一侧。
40.在各示例中，系统100还可包括插入件116，该插入件被设置在杯式密封件114的密封腔200(图2a)内。在这些示例中，杯式密封件114和插入件116位于泵体102的通道120的唇部122处。插入件116消除了杯式密封件114的密封腔200的一部分体积，且因此消除了用于积聚气体的体积。
41.例如，具有八英寸(20.32cm)冲程的一英寸(2.54cm)直径柱塞104(且因此略大于一英寸(2.54cm)直径通道120)对应于约6.28立方英寸(102.9立方厘米)的通道120中的流体体积。在本示例中，杯式密封件114可用于使得在没有插入件116的条件下，位于通道120中的杯式密封件114内的密封腔200的空体积可以等于约0.5立方英寸(8.19立方厘米)。发明人已经表明，对于包括一英寸(2.54cm)直径柱塞和相应尺寸的杯式密封件114的典型高压流体系统，等于或大于约0.5立方英寸(8.19立方厘米)的空的密封腔200的体积足以使气
体积聚到可能引发气体自燃的体积。相反，所提供的系统100带有被定位在杯式密封件114的密封腔200中的插入件116，减小了空密封腔200体积。在至少一个示例中，插入件116将空密封腔200体积减小到0.04立方英寸(0.65立方厘米)。发明人已表明，在所提供的系统100包括一英寸(2.54cm)直径柱塞以及相应尺寸的杯式密封件114的示例中，等于或小于0.04立方英寸(0.65立方厘米)的空密封腔200体积可防止气体积聚到足以使气体自燃的体积。因此，具有插入件116的系统100有助于防止自燃。
42.应理解的是，上述示例中的数量仅仅是一个示例，用以展示所提供的系统100的插入件116如何减少空密封腔体积从而有助于防止自燃。在所提供的系统100的其他示例中，柱塞104可具有其他合适的直径，其对应于与上述示例不同的相应尺寸的杯式密封件114。不同尺寸的杯式密封件114带有和不带有插入件可具有不同的空密封腔体积200。然而，在这些示例中的任何一个中，在杯式密封件114的密封腔200内采用插入件116均减小了空密封腔200体积以有助于防止自燃。
43.系统100可在高流体压力条件下运行。例如，系统100可在等于或大于5000psi的流体压力运行。运行范围还可包括10000-40000psi、20000-40000psi、及30000-40000psi。在一些示例中，系统100可在等于或大于40000psi的流体压力运行，例如在40000至50000psi的附加范围内运行。
44.图2a以看到示例性杯式密封件114的密封腔200之内的视图示出示例性杯式密封件114。在至少一些方案中，杯式密封件114包括外壁202和内壁204，外壁与内壁在杯式密封件114的一端处彼此成一体。在杯式密封件114的对置端处，外壁202与内壁彼此分离，从而在杯式密封件114内形成密封腔200。图2b示出图2a的杯式密封件114，其具有被设置在密封腔200内的插入件116(例如o形环)。图2c示出杯式密封件114在图2b中所示的平面a-a处的横剖视图，杯式密封件具有被设置在其密封腔200内的插入件116。
45.在一些方案中，杯式密封件114的高度w可等于约0.1英寸(0.254cm)至约0.5英寸(1.27cm)的范围内的量。在一示例中，杯式密封件114的高度w可等于0.25英寸(0.635cm)。在其他方案中，杯式密封件114可具有另一合适的高度w。在一些方案中，杯式密封件114的宽度z可等于约0.187英寸(0.475cm)至约0.75英寸(1.91cm)的范围内的量。在一些方案中，杯式密封件114的宽度z可等于约0.187英寸(0.475cm)至约0.469英寸(1.19cm)的范围内的量。在其他方案中，杯式密封件114可具有另一合适的宽度z。
46.在各方案中，杯式密封件114可具有圆形横截面，如图2a和图2b所示。在这类方案中，杯式密封件114的内径可略大于与其一起使用的柱塞104的外径，如本领域技术人员将理解的那样。在这类方案中，插入件116也可以是圆形的并可具有内径和外径，以使得插入件116如图2b中所示那样装配在密封腔200内。在其他方案中，杯式密封件114可具有另一合适的形状，例如正方形、八边形、十边形，等等。在这类其他方案中，插入件116可具有与杯式密封件114的形状相对应的形状。
47.在各方案中，杯式密封件114和/或插入件116可由弹性体或塑料中的一种或多种制成，例如丁腈橡胶、epdm、含氟弹性体-fkm(例如)、氯丁橡胶、超高分子量聚乙烯(uhmwpe)、聚醚醚酮(peek)、聚四氟乙烯-ptfe(例如)、全氟弹性体-ffkm(例如)、硅酮、或其他合适的弹性体或塑料。在其他方案中，杯式密封件和/或插入件116可由用于高压应用的其他合适材料制成。例如在一些方案中，插入件116可由金属制成，例
如由钢、不锈钢、金属合金、或其他合适的金属制成。在一些方案中，插入件116可由弹性体、塑料、和/或金属的组合制成。在一些方案中，杯式密封件114和插入件116由相同的材料制成。在其他方案中，杯式密封件114和插入件116可由不同的材料制成。
48.第一系统实施例的示例性验证
49.发明人已证明，被构造成如上所述的系统(例如系统100)有助于防止导致密封件燃烧的自燃。为证明这一有利效果，microfluidics international的m7250-30高压流体处理器机器被用在30kpsi的流体压力下，采用由高分子量聚乙烯(uhmwpe)构成的杯式密封件。该机器在两种不同的情况下运行：(1)采用没有插入件的杯式密封件300(图3a)；以及(2)采用具有作为插入件的o形环314(图3b)的杯式密封件312(图3b)。o形环314由全氟弹性体-ffkm(例如)构成。
50.图3a是照片，其示出杯式密封件300在运行之后的立体图。如图所示，杯式密封件300包括烧伤302。烧伤302是机器运行期间发生的积聚气体自燃的结果。图3b是照片，其示出机器运行之后杯式密封件312的立体图，该杯式密封件包括被设置在杯式密封件312的密封腔内的o形环314。带有插入的o形环314的杯式密封件312替代了机器中的杯式密封件300，并防止系统中的气体自燃。如图所示，杯式密封件312和o形环314两者均没有烧伤损坏。发明人还测试了由聚四氟乙烯-ptfe(例如)构成的o形环来替代o形环314，并获得了类似的结果，即ptfe o形环也没有烧伤损坏。
51.第二系统实施例
52.图4示出示例性高压流体系统400、例如高压增压泵的横剖视图。高压流体系统400是本技术对于高压流体系统100的备选实施例。在高压流体系统400中，泵体102被构造成包括在唇部122处从泵体102向外延伸的突起402。当杯式密封件(例如杯式密封件114)定位在唇部处时，突起402延伸至杯式密封件114的密封腔200内。在高压流体系统100的该示例性实施例中，突起402通过以类似于插入件116防止气体自燃的方式减少空密封腔200体积，来替代高压流体系统100中所用的插入件116。还应该理解的是，在突起402与杯式密封件114之间示出间隙仅仅是为了表示出这两个部件，而典型地这两个部件彼此接触以减少用于气体积聚的体积。
53.如本文所用，“约”、“大约”和“大体”应被理解为指处于一定的数字范围、例如参考数字的-10％至 10％(优选地参考数字的-5％至 5％、更优选地参考数字的-1％至 1％、最优选地参考数字的-0.1％至 0.1％)的范围内的数字。
54.无需进一步详述，相信本领域技术人员可以使用前面的描述，来将要求保护的本发明利用到其最大限度。本文所公开的示例和实施例应被解释为仅仅是说明性的，而绝非以任何方式限制本技术的范围。对本领域技术人员来说显而易见的是，可对上述实施例的细节进行改变而不背离所讨论的基本原理。换言之，对以上描述中所具体公开的实施例的各种修改和改进均处在所附权利要求的范围内。例如，已设想了所描述的各种实施例的特征的任何合适组合。