CN1875211A - 引导至少两种流动介质的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置，其用于借助轴或类似的力传输元件(10)和诸如围绕轴或类似物的外壳之类的压力隔离元件，引导至少两种具有不同压力的流动介质的装置。沿轴方向彼此邻接的区域(90a；96；98)通过密封元件(70)而限定在力传输部件(10)和压力隔离元件之间；至少一个优选为此流体密封元件(70)是无泄漏的，并且用于具有不同压力的流体(A，B)的两个区域(90，90a；98)在用于辅助液体(H)的区域(96)的侧面，进而所述区域通过装置(100)被划分为用于两个不同压力区域的两个局部区域(96a，96b)。传输介质被分配到高压下的区域(90a)并且环境空气被分配到低压下的区域(98)。辅助液体(H)是分配到密封元件(70)的磁流体的载体油，可选硅油。

Description

引导至少两种流动介质的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种引导至少两种具有不同压力的流动介质的装置和方法，如在权利要求1的前序部分中所述。

背景技术

通过在具有不同压力的两个流体***如气体和液体之间的压力保持边界壁的运动和力的传输常规基本上通过轴密封和杆密封如汽封、密封环和滑环密封来实现。在环境压力下的环境空气通常存在于低压侧。在真空***中，环境空气在高压侧。为了以无故障方式作用，上述类型的密封需要某种从较高压力侧至低压侧的漏流，这是由于这些是需要润滑剂以便在操作期间不受到损坏的接触密封。

然而，在许多应用中，这种泄漏是不希望的或者甚至是禁止的，因为这种流体例如是有毒的，具有有害的气味或是***性的，或者因为必须保持高真空。利用阻塞介质的双重***，例如双重作用的滑环密封，使减少泄漏或用有害性较小的阻塞流体的泄漏替代加压流体的泄漏成为可能。

无泄漏***目前基本上根据三个技术原理实现：密封式电动机，磁耦合和磁流体密封。

在密封式电动机的情况下，电动机是机器、设备或装置的一部分，例如通常用于泵中。定子定位在泵的低压侧上并通过不可磁化外壳与高压侧隔离。转子定位在泵的高压侧内。转矩以非接触方式经由通过外壳的电磁力从定子传送到转子。

在泵技术中也是常用的磁耦合根据相似原理操作，但是代替在泵的低压侧上的定子线圈，存在具有永久磁体配置的外部转子，与其相对，在转子侧上存在相应的永久磁体配置或感应壳体或环。外部转子连接到产生转矩的常规电动机，所述转矩再次以非接触方式经由磁场线被传送到转子。两个耦合元件通过杯形容纳元件、容器遮板在压力条件下相互分离。

在基于磁流体的设计中，通常利用辅助材料使非常精细的铁磁微粒分散在载体油内的可磁化液体形成非常柔软和适用的不透水的密封元件，例如，以轴和外壳之间的“液态O形环”的形式，该环固定在通过适当构造的磁场密封的间隙位置处。这种类型的密封利用表面技术在商业上用于例如硬驱动机和真空***内。

所述无泄漏类型的密封，特别是在泵技术方面具有许多缺点；密封式电动机与磁耦合都需要用于转子轴承的轴承元件，该轴承元件必须由泵本身的传输介质润滑并进而易受故障影响。磁耦合的优点，即使用标准电动机的能力在密封式电动机的情况下不能得到。相反，磁耦合具有以下缺点：如果必须传送不同的功率，不仅必须使用不同的电动机，而且还必须使用不同型号的耦合器，以使其不必考虑小功率时的任何价格不利条件。在高功率时，由于过大比例增长的成本，使得转矩传输和轴承***根据其传送功率的能力按其类型限定了两种原理。常规类型的由非磁性金属合金所制成的容器和容器遮板内所产生的高涡流损耗是极其不利的。

磁流体密封的可用性限于小的压力差。根据实例，为了密封相对于真空的1巴，需要彼此顺连的6个密封件。可是，单级离心泵的常规压力范围扩展至25巴，并根据特殊应用和其它泵***而超过这个范围。此外，必须考虑所包含的流体与磁流体之间的化学兼容性和混合工艺。

发明内容

了解了这些情况，发明人设定了自己的目的，即提供一种用于上述类型装置中的无泄漏***，其消除了上述缺陷并允许在具有高压差、优选为至少25巴的区域之间进行非常高功率的传输，而不需要所含的任一流体对轴承的任何润滑。此外，本发明相比于现有技术的装置，更加效能成本合算且更易使用。

根据独立权利要求的教导实现上述目的；独立权利要求提供进一步研发的优点。此外，说明书、附图和/或权利要求中所披露的至少两个特征的所有组合都落入本发明的范围内。在说明的数字范围处，处于说明限定的范围内的数值也倾向于披露为限定值以及根据意愿进行使用。

根据本发明，将密封装置或密封元件设置在例如轴的力传输部件和诸如外壳之类的压力隔离元件之间，以该方式沿轴方向特定地形成彼此邻接的三个区域，所述三个区域为：具有一定压力的第一流体(例如在25巴下的传输介质)的一个区域，具有不同于第一流体的压力的第二流体(例如在1巴绝对压力下的环境空气)的一个区域，以及设置在辅助介质或辅助液体的所述区域之间的第三区域。通过一个装置将第三区域分成不同压力区的两个局部区域(partial area)。

辅助液体例如可以是硅油，其也用作磁流体的载体油；这是因为硅油对于使用磁流体密封装置，特别是划定辅助液体区域被证明是有利的。这种磁流体密封对上述区域进行气密封。

包含辅助液体或辅助流体的区域内置有在上述区域内产生压力差的装置，其中在朝向具有更高压力的流体一侧产生更高的压力，反之亦然。可以产生的压力差至少必须相应于第一和第二流体之间产生的最大压力差。

有利地，传输介质应当被分配到较高的压力区域，而环境空气应当被分配到低压区域。辅助液体应当是分配到密封元件的磁流体的载体油，可选硅油。

根据本发明，辅助液体的区域具有两个连接机构，一个被设定为产生真空而另一个被设定为辅助液体的通路。此外，较高压力的辅助液体的局部区域被分配到具有较高压力的流体的区域。

本发明的主题的特征还在于可以相对于彼此移动并被分配到压力隔离元件和力传输部件的几何部件(geometric parts)，所述部件形成辅助液体的传输装置以便产生压力差。分隔辅助液体区域的装置优选为传输装置。

辅助液体内的压力差有利地由静态分配到力传输部件和压力隔离元件(外壳)的几何部件的相对移动所产生，并形成辅助液体的传输装置，例如泵。适当的措施，例如提供不返回阀，在此情况下确保***空闲时在辅助液体的高压区域和低压区域之间没有压力补偿产生。

根据本发明的另一特征，可以产生的压力差至少相应于流体之间产生的最大压力差。

根据本发明，还提供一部件，其与具有高压的流体和最大压力的辅助液体之间的压力差相作用。根据本发明，上述作用用于通过适当的部件将所述压力差调至接近零的数值。这可例如通过调节所述产生压力差的部件的功率，或调节从辅助液体的高压区域到低压区域的回流来实现。存在一些用于调节所述产生压力差的部件的功率的部件，或调节从辅助液体的高压局部区域到低压局部区域的回流的部件。

有利地，具有阀式过流装置的管道设置在辅助液体的局部区域之间。

根据本发明，如果至少辅助液体的区域体积被设计成可变的，则特别是辅助液体的低压区的局部区域可被构造具有可变体积。改变辅助液体区域体积的能力补偿了密度变化以及由于温度或甚至压力变化引起的辅助流体的体积。

通过构造分配给辅助液体的区域而使其具有可变体积，则根据本发明能够确保辅助液体的最小压力和具有较低压力的流体压力之间的压力差也几乎为零。例如，这可借助于在辅助液体的区域一侧和具有相应压力的流体之间的柔性膜，或以特别有利的方式，借助于设置至少一个磁流体密封而使其能够移动的方式实现上述目的。在低压一侧具有正常压力(1巴)的环境空气的配置中，最大优势是在该侧边上构造具有可变体积的区域。

所述装置确保磁流体密封甚至在第一和第二流体之间高压差的情况下也仅承受低压差，进而确保了其气密封效果。经由力传输元件例如轴机械地产生力的传递，以便高地传输功率是可能的。

高压侧的磁流体密封优选地由三个密封元件构成，所述元件由沿着轴方向磁化的具有相关的铁磁极靴的三个永久磁体所示出，所述每个极靴产生同心磁场，其将铁磁流体固定为密封介质。这些密封元件设置在非磁垫圈中。根据本发明，垫圈经由优选金属的波纹管固定在外壳上。所述波纹管倾向于抵靠垫圈或锁环并且在另一侧抵靠压力承载元件。装置的简易装配通过将波纹管固定在衬套上来实现，该装配关于外壳由O环密封并通过螺纹环固定在外壳衬套上。

在本发明的正文中，锁环或垫圈还包括一密封盘(有利地由碳化硅模制而成)，所述密封盘形成由两个类似SiC盘构成的机械密封***。一个盘在接触面内具有凹陷，所述凹陷具有几μm的深度并以与轴向螺旋槽轴承对应的方式从外部向盘的中心以螺旋方式形成，所述轴向螺旋槽轴承从外部向内部作用；这些凹陷有利地从盘的边缘开始并在远离环形密封盘中心开口的一定距离处结束。所述波纹管的一个作用是以分配到外壳衬套的方式可移动地装配密封盘，以及从而限制由压力差引起的其传输作用。

在操作期间，如果密封盘产生比在泵内密封的压力更高的压力，则具有相关密封盘的垫圈还沿着压力密封的方向移动；密封盘之间的距离变大并由此降低了传输作用。另一方面，由密封盘产生的过低压力导致密封盘之间的间隙减小以及传输作用增加。

在本发明的范围内，即意指在分配到轴套和外壳衬套上的情况下实现密封作用。轴套和外壳衬套以及所有与泵的传输流体相接触的部件，由足够强并对传输流体有化学抵抗力的非磁性材料制成。O环提供轴套相对于轴的静态密封以及外壳衬套相对于外壳的静态密封。外壳衬套可以通过螺钉固定在外壳上。气密封件在此情况下以它可以作为组件被安装和移除的方式形成。

根据本发明的另一特征，以限定的轴向间距保持轴套和外壳衬套并使其通过滚子轴承，例如通过双角度接触球轴承而相对于彼此同心旋转。如果必要，轴承还适于吸收作用在轴上的轴向力。为此，例如通过固定环或轴螺母必须将轴套固定在轴上。

已经证实了将滚子轴承固定在由轴套和外壳衬套划定的环形空间内是有利的。该滚子轴承应当通过外壳衬套或轴衬的固定环和/或通过凸缘状径向外环固定在所述环形空间内。

根据本发明的另一特征，滚子轴承抵靠轴套的外环，由碳化硅制成的一个密封盘被分配至其另一侧。有利地，一个密封盘配置在环形空间的沿远离外环的径向方向逐渐加宽的部分内，其中包含另一密封盘的锁环设置在该部分的前方。

根据本发明，径向间隙形成在密封盘的外表面和相邻锁环之间，所述径向间隙可选地在一侧与轴和密封元件之间的轴向环形间隙相邻接，并在另一侧与在相邻密封盘下方通过的另一轴向环形间隙相邻接。

为了更好地进行固定，密封盘应当通过至少一个轴向平行驱动销与锁环的中心壁相连。

对于本发明同样重要的是部分填充有气体例如空气或惰性气体的室，可以设置在装置侧边的前面，其中用作流体的液体作用于所述装置，例如垫圈或锁环上的磁流体密封元件的前面，所述室还通过大约0.1mm的密封间隙从面向远离装置的一侧上的轴被密封；选定所述密封间隙的直径大于垫圈上磁流体密封元件的密封间隙的直径，但小于外部室壁的直径。

根据本发明，构造所述室的体积和密封间隙的宽度，使得在配置水平并且***闲置时，以及在室内为环境气压的情况下，在室的密封间隙上方的室的上方区域内总是存在一定的残余气体体积。在操作过程中，该气体体积在轴的最小直径的区域内，在此情况中为在磁流体密封的密封间隙的区域内同心集中在轴周围，并通过工作压力被压缩为更小的体积。即使两个体积具有相同的大小，通过适当地选择后者的宽度，没有气体从室的密封间隙逸出。另一方面，第二体积应该足够的大以便在操作过程中甚至在最大压力的情况下能够完全覆盖磁流体密封的密封间隙。根据本发明的另一特征，磁流体密封的密封间隙、室的密封间隙以及后者内外直径之间的有利宽度或直径的比例为1∶1.2∶1.5。

上述设置确保在操作过程中，磁流体密封总是仅与气体相接触。进而有效地防止了磁流体与将被密封的液体的混合。

关于将被密封的液体，不期望与空气发生化学反应，或者说任何的反应是有害，在泵的充气过程中可以使用室内的残余体积的空气。否则，需要所述室的辅助连接，以便在泵开始工作之前填充惰性气体。

因此，本发明包含许多彼此相关联的功能复合体，即首先为具有气密封件和辅助流体的区域，还有用于产生压力差的装置，随后通过高压进行压力差调节。本发明还包括辅助流体以及用于引入气体的所述附加装置中的压力补偿，即相对于低压的压力差。

同样，在本发明的范围内提供一种方法，其中特别是在力传输部件和压力隔离元件之间使用了上述装置，具有不同压力的流体保持在密封元件所划定的每种情况内的区域内，并在所述区域之间，辅助液体或辅助流体保持在一个区域内；在后者中建立两个不同压力的区域，而且所述较高压力的辅助液体的局部区域倾向于被分配到具有较高压力的流体的区域。辅助液体的区域倾向于通过相对于流体区域的任一侧的磁流体密封元件被气密封。

其它的方法步骤提供在引入所述液体之前真空作用于辅助液体的区域；进而辅助液体可以填充装置内所有的空间。

此外，调节从辅助液体的高压局部区域到低压局部区域的回流。

根据本发明的方法还包括通过一方面分配到轴而另一方面分配到压力隔离元件上的几何元件的相对移动产生辅助液体内的压力差，所述几何元件形成传输装置。

根据本方法的另一特征，辅助液体的传输作用通过密封盘产生，所述密封盘在它们之间确定螺旋槽或凹陷。密封盘的传输作用应当随增加密封盘的压力和相互之间的距离而增加。

根据本发明的方法的另一特征提供，在设置在密封元件前并包含气体的室内，在操作过程中气体体积在密封元件和所述轴之间的密封间隙的区域内同心集中在轴周围，并通过工作压力而被压缩。

特别地，以下细节可被认为是根据本发明的***的优势：

·能以低成本生产；

·无涡流损耗；

·可像弹药一样进行安装；

·能够进行简单的置换；

·占用少量空间；

·在泵内不需要滑动轴承；

·集成的滚子轴承可以吸收径向力；

·能够使用效能成本合算的铁氧体磁铁；

·甚至可适用于高功率泵；

·能够很容易地集成在现有泵模型中。

附图说明

本发明的进一步优点、特征和详细说明将从实施例的优选例子的下述说明以及参考附图显而易见，在附图中：

图1示出了装配前根据本发明的具有密封件的沿纵向部分的泵轴的密封区域；

图2示出了装配状态下的图1的密封区域；

图3示出了没有泵轴并且与图2相比，比例稍微扩大的密封区域；

图4示出了图2、3的扩大细节；

图5示出了在不同的实施例中的图4的扩大细节；

图6示出了沿纵向部分的密封区域的外壳衬套；

图7示出了沿纵向部分的密封区域的轴套；

图8至10示出了通过围绕轴衬的密封区域的不同部件的径向部分；

图11示出了图10的扩大细节；

图12示出了打算用于密封区域的环形密封盘的平面图；

图13和14示出了沿图12的线D通过一对密封盘的径向部分；

图15示出了通过一部分装置的示意横截面；

图16示出了磁流体密封的示意图；

图17示出了在不同的方法阶段具有附加装置的示意分配的横截面；

图18至20示出了泵轴上三种不同的密封情况，该泵轴以侧视图示出。

具体实施方式

离心泵(没有详细示出)的泵轴10的密封区域Q包括长度为60mm和内径d在该情况下为30mm的轴套12，相对于轴套10的纵轴M，所述轴套与其纵轴M₁共轴；轴套12的壁厚b为5mm。在离轴套12的前缘14约25mm的中心距离a₁处，从轴套12伸出整体形成的外环16，如图7所示，所述外环具有相同的壁厚b以及约7mm的环长度e。对于O环20的外部槽18可以看出接近于外环16；另一O环20安装在接近于前缘14的内部槽19中。将第二外部槽22定位接近于轴套12的所示后缘15，作为用于将在下文描述的固定环的凹口。

轴套12被同轴外壳衬套26所围绕，该衬套26具有所述长度a，其内径d₁在该情况下为68mm，并且具有5mm的壁厚b₁。O环20提供轴套12相对于泵轴10的静态密封以及外壳衬套26相对于泵外壳的静态密封。此外，外壳衬套26可以通过螺钉固定到外壳。

在离外壳衬套26的前缘28的某个距离a₂处，在该情况下为大约20mm，从其壁30伸出整体形成的凸缘环32，其具有100mm的直径f和10mm的宽度g，并且包含(例如两个)对于螺塞35的径向螺纹孔34以及也包含对于连接螺钉38的四个轴向平行开孔36。

在离所述前缘28的轴向距离i(大约10mm)处，外壳衬套36的壁30具有沿向内且轴向方向的两个台阶。这两个台阶40、40_a是必要的，其中每个具有小的径向高度，因为前缘28的73mm的内径d₂大于另一侧的68mm的直径d₁；前缘28由邻接所述凸缘环32的壁部分30_a提供。在该凸缘环32的区域中，具有小径向高度和10mm宽度i₂的内部模制环42由壁30塑造制成(见图6)。

内部槽23接近外壳衬套26的后缘44，所述内部槽与轴套12的上述外部槽22相对并共同保持一对固定环46、46_i，其形成在轴套12和外壳衬套26形成的圆柱环形空间50中；如图1所示，所述圆柱环形空间在模制环42处合并入轴外壳12和外壳衬套26之间的中间空间的阶梯状部分51中。

在固定环46、46_i和轴外壳12的外部环16之间，滚子轴承52位于圆柱环形空间50中，例如双角度接触球轴承，其将轴套12和外壳衬套26保持在限定的轴向和径向空间处，以便它们可以同心旋转。为此，轴套12必须例如通过内部固定环46_i或轴螺母固定在轴10上。

图1、4、5特别示出了上述台阶40、40_a作为横截面为L形的保持环56的止块，以及O环20由所述保持环保持；这些环被轴向推入阶梯状部分51中，如图1所示。另一台阶40，其具有整体形成的高度n3大约为5mm的外部环57，位于与保持环56相对的某个距离处，所述保持环通过由前缘28围绕的前环54施压于台阶40a并具有64mm的内径n，74mm的外径n₁和7mm的宽度k。

具有15mm的轴向宽度k1并沿径向方向具有两个台阶的垫圈或锁环60被装配在前环54和保持环56中，所述垫圈或锁环具有轴向平行外部壁61，其内径z为65mm，从图8中可以清楚看出。大约在该外部壁61的外缘62和锁环60的径向环形前壁65之间的中心处，所述锁环通过(同样环形)径向中心壁63形成阶梯状；整体形成在所述中心壁上是具有51mm外径z₁的轴向平行壁环64，以及所述前壁65整体形成在所述轴向平行壁环上。前壁65的中心开口66的直径z₂为35mm。保持环56的横截面从而由两个角形部分，包含外壁61的外部部分和中心壁63构成；该中心壁邻接于内部角形部分的壁环64，其也包括前壁65和在中心开口66处的端部。

在非磁性垫圈或锁环60的中心壁63和上述前环54之间，可以看见环形、优选金属的波纹管(bellow)68，其连接到外部环57并在垫圈60的中心壁63的内侧上。后者固定在外壳衬套26中。布置在壁环64或垫圈60中的是三个各自环形的磁性密封70，其结构可以特别从图10、11中看出。它们的宽度q大约为3mm，环开口72的内径y是大约35mm以及外径y1在该情况下是50mm。附图标记74表示对于铁磁流体的永久磁体，其包含两个极靴N、S，如图16所示，例如横截面为U形的环，在图11中以76示出，并由至少两个部分构成，作为具有间隙78的铁限制器(iron limiter)，该间隙具有大约0.1mm的宽度q₁并向环开口72敞开。

三个密封元件70形成相对于高压侧的磁流体密封，并且是沿轴方向磁化的具有相关的铁磁极靴N、S的三个永久磁体，每个极靴产生将铁磁流体固定为密封介质的集中磁场。为了使器件更易于装配，波纹管68抵靠前环54，并借助保持环56通过O环20相对于外壳衬套26密封，所述O环通过设有外部螺纹的前环54固定到外壳衬套26。

上述类型的另外两个磁性密封70布置在固定环46的后侧处。这些磁性密封件70由不同直径的两个相应磁性密封件70a围绕，隔离环79布置在其间。

所述锁环或垫圈60还包含由碳化硅制成的盘80，其在图12、13中示意性示出，所述盘形成由两个相似的SiC盘80、80_a构成的机械密封***的一部分，所述盘具有大约7mm的宽度g₁，以及具有大约39mm的直径t的中心开口82。盘80、80_a的外径t₁假定为大约65mm。这里，十六个螺旋槽86，其从盘边缘81开始并以平面图看时以圆的一段的形状弯曲，被刻蚀或研磨成在图1至5和13中示出的右手盘80_a的正面或接触面84，根据轴向螺旋槽轴承从外侧向内侧作用，所述槽86具有10μm至20μm的深度。这些螺旋槽86在离中心开口66的径向距离处结束，并通过相应弯曲的隔离肋88分离。泵方向和螺旋槽86从外侧向图12中的中心限定在盘80_a上。

螺旋槽86可以在固定的和在移动的盘80、80_a中形成。重要的是另一盘80、80_a的已加工的正面84直接相对，以至于传输作用在操作期间产生。

密封元件70和垫圈60中的盘80相对于后者密封，例如被紧密地热套。第二盘80_a与轴套12上的第一盘相对布置。图5清楚地示出了盘80和轴套12之间的环形间隙13。在实施例的选定例子中，SiC盘80_a通过作为侧面止块的外部环16和通过O环20固定，该O环同时形成相对于轴套12的密封件并使其驱动旋转。如果必要，旋转可以例如通过止块16和SiC盘80_a之间的驱动销进行辅助。盘80、80_a的相对面被机械加工成在微米范围内的平面以及具有适当精细深度的表面粗糙度。垫圈60的波纹管68确保盘80、80_a的接触面相对于彼此在轴向方向的以从零至毫米的十分之几的距离的移动性。当***空闲时，盘80、80_a通过密封的压力差被压在一起，从而该装置的高压侧通过盘80、80_a从低压侧被密封。如上所述，密封元件70和垫圈60上的密封盘80通过环形间隙13(图5)保持在离轴套12的大约0.1mm的限定同心距离处。

图14说明由于两个盘80、80_a之间的传输作用引起的压力的建立。最高的图示出了当仅左手的盘80受到力以及在盘的外侧和内侧上的压力级相同(起螺旋槽轴向轴承的作用)时压力的建立。下面的两个图示出了当力通过左手盘80上的中间压力和该盘的内侧上的相应较高的压力级产生时可能的压力梯度，如根据本发明的情况。取决于压力梯度，如图5所示的对于压力调节的附加措施可以是必要的，如下文将解释的。

朝向环境侧的磁流体密封由四个上述密封元件70、70_a构成，这些元件已经如上所述，以两个元件70向轴套12引导以及两个元件70_a向外壳衬套26引导的方式布置在固定环46处。在该情况下，磁流体不仅具有密封作用而且具有定心作用，因此具有密封元件的盘80可沿轴向方向在轴套12和外壳衬套26之间自由移动，在该区域中密封元件相对于彼此同心且圆柱定位。结果，在磁流体密封之间的区域中的体积在低压侧如所需的那样是可变的，从而确保压力差在辅助流体的低压侧和环境之间朝向零。

图15示出了在磁流体密封元件70之间的空间怎样通过两个连接机构33或两个螺纹孔35有利地充满辅助流体。当一个连接机构33用于充满辅助液体的操作时，另一个用于使该装置预先达到真空，因此辅助液体充满装置Q中的所有空的空间。通过适当布置连接机构33在外壳衬套26中的环形空间27的相对侧，该环形空间围绕分配给轴套12的密封盘80_a，有可能在连接机构33之间产生压力差，这可以用于使该装置在操作期间使来自外部容器的辅助液体流过，例如用于冷却目的。这可以实现，例如，因为环形空间27具有两个不同的侧面，环形空间27的侧面之一在离盘80的非常小的径向距离在该情况下为0.1mm处，而另一侧在离盘80的大约1mm的较大距离处。

在操作期间，具有螺旋槽86的SiC密封盘80、80_a在辅助液体上提供相对于彼此的传输作用，这在装置Q的低压侧和高压侧之间产生相应于传输作用的压力差。辅助液体以下述方式进行选择：一方面，滚子轴承52的良好的润滑作用被确保，最高的可能压力差可以经由密封盘80、80_a产生(有利地：高粘度)，另一方面，辅助液体的加热保持在可控范围内(最大大约80℃，有利地：低粘度)。辅助液体此外以下述方式进行选择：它与密封件70、70_a的磁流体可兼容；使用磁流体的载体油(例如硅油)是有利的。

为了防止由于超压而在高压侧上磁流体密封的“漏出(breakthrough)”(三个环承受住最大约0.5巴的压力差)，密封盘80、80_a的传输作用必须通过抵靠高压侧上密封件的压力差来限制。这通过借助于波纹管68分配给外壳衬套26的密封盘80的上述可移动性来实现。如果在操作期间，密封盘80、80_a产生的压力大于在泵内被密封的压力，具有相关密封盘80的承载盘60沿将被密封的压力方向移动：密封盘80、80_a之间的距离变大，因此降低传输作用。另一方面，由密封盘80、80_a产生的压力太低导致密封盘80、80_a之间的间隙减小，从而导致传输作用增加。

在上述密封盘80、80_a之间的自调节作用不足的情况下，调节可以得到辅助液体的高压和低压区域之间的过电流功能(overcurrent function)的帮助。在该情况下，在高压侧上的密封盘80可以在垫圈60中轴向移动，并布置具有朝向外部的径向空气-图5中在垫圈60和密封盘80之间的0.1mm的径向间隙17。为了将其固定并随垫圈60旋转驱动，使用至少两个驱动销67，如图5所示。在密封盘80的外端部处，径向止块表面(stop face)69确定密封间隙。止块表面69的布置以下述方式进行选择：当密封盘80和垫圈60之间的压力高于在高压侧将被密封的流体的压力时，密封盘80上升远离垫圈60，从而打开密封间隙。环形间隙21自止块表面69以轴向平行方式形成，所述环形间隙在一侧由垫圈60的外壁61确定，在另一侧由分配给外壳衬套26的密封盘80的圆周确定。

特别在没有化学腐蚀性介质将被密封的应用中，存在多种用于减小设计成本的可能性。例如，轴套12的功能以及外壳衬套26的功能可以通过轴10和外壳进行。如果轴10由铁磁性材料制成，磁流体密封可以以效能成本合算的方式制造，因此磁场线通过轴10引导。结果，其中单个永久磁体的磁场横跨许多密封间隙引导的布置是可能的。然而，在低压侧上需要的定心效果然后不再提供。相反，不稳定性存在，因此对于辅助液体的区域体积的适配必须以不同于所述的一些方式来实现。对于简单的应用，由SiC制成的所述密封盘80、80_a可以由更效能成本合算的材料制造并集成在其它元件中。

通过具有螺旋槽86的密封盘80、80_a产生压力差的所述原理仅是一个可能的实施例。其它原理例如传输螺纹是可以想象的且可能的。

磁流体密封的基本结构可以在图16中看出。具有轴向磁化的环形永久磁体74的磁场通过两个极靴73在轴10周围集中在环形间隙77上。集中的场保持磁流体75固定在所述环形间隙77中，从而这引起在该结构的两侧之间的密封作用。

为了防止将被密封的液体和密封件70的磁流体之间的任何混合，对上述装置做如下补充，如图17所示。

范围，区域或室90布置在垫圈60上的磁流体密封70之前，所述室部分充满气体G，例如空气或惰性气体。在面向远离装置的一侧上，室90通过环形间隙或密封间隙92被相对于轴10密封，该间隙具有大约0.1mm的宽度q₃，以及直径f₁，其大于在垫圈60上的磁流体密封70的密封间隙78的直径但小于外部室壁94的直径f₂。

室90的体积和密封间隙的直径被构造以便，当配置水平并且***空闲，以及室90内部为环境压力时，某个残留气体体积V0总是存在于在其密封间隙92之上的室90的上部区域中。在操作期间，该气体体积在转子的最小直径的区域中同心集中在轴10附近，在当前情况下该区域是磁流体密封70的密封间隙77，并通过工作压力压缩到体积V1。即使V1等于V0，通过适当选择所述密封间隙92的直径f₁，应当没有气体从室90的密封间隙92中选出。另一方面，V1应当足够大以在操作期间甚至在最大压力时完全覆盖磁流体密封70的密封间隙77。在磁流体密封70的密封间隙77，室90的密封间隙92和室的内外直径的有利的直径比是1∶1.2∶1.5。在图17中，V1*表示最大压力下的气体体积。

如已经所述，上述结构确保操作期间的磁流体密封总是仅与气体接触。因此，磁流体与将被密封的液体的混合被有效地防止。

图18至20以概括的方式示出了关于两个磁流体密封70的本发明的一个原理，该密封件彼此远离轴向距离s运行，所述密封件布置在轴10上以及在平行于轴运行的外壳壁24(作为压力隔离元件)上，以便三个范围或区域形成：具有将被密封的某个压力的流体A(例如在25巴下的传输介质)的一个区域90a，在密封件70之间具有辅助液体H的一个区域96，以及具有不同于流体A压力的流体B(例如在1巴绝对压力下的环境空气)的区域98。中间区域96由传输装置100划分为两半或两部分96_a、96_b，该装置100示意性示出为以具有内部三角形的圆的形式的泵符号，适合于产生传输作用从而产生压力差的部件。圆与外壳侧的连接71和三角形与轴侧的连接71_a代表了传输装置的元件到该装置的移动和固定部件的分配。

由点所示出的区域90_a、96_a说明了高压力区域；所述区域之间的压力差通过适当的装置检测(用“测量线”95和符号“ΔP＝0！”代表)，以及信号(用箭头线95_a代表)作为压力差的函数产生，用于调节传输装置100。低压力存在于无点区域96_b、98中。

在图18中，压力调节单独通过经由压力差(优选溶液)调节传输装置而进行。除此之外，可以参考图4。图19示出了通过过电流装置97(通过箭头线95_b连接到所述测量线95并通过过电流阀表示)的压力调节，该装置通过压力差激活并位于连接区域96_b和98的管道(line)99中。图20说明了根据图5的具体实施例的两个调整变形的组合。

位于包含辅助液体H的区域96中的是在该区域96中产生压力差的装置，其中较高压力在具有较高压力的流体A的一侧产生，反之亦然。可以产生的压力差必须至少相应于在流体A和流体B之间产生的最大压力差。也存在对具有较高压力的流体A和辅助液体H的最大压力之间的压力差起反应的装置。利用适当的装置，该反应用于将所述压力差调节到接近于零的值。这可以例如通过调节产生压力差的装置的功率，或通过从辅助液体H的高压区域90_a至低压区域96_b的回流来实现。

通过构造分配给辅助液体H以便具有可变体积的区域，有可能确保辅助液体H的最小压力和具有较低压力的流体B的压力之间的压力差也几乎为零。这可以例如通过在辅助液体H的区域的一侧和具有相应压力的流体之间的柔性膜，或通过布置磁流体密封70之一以便它可以移动来实现。在低压侧具有在正常压力(1bar)下的环境空气的配置中，在该侧构造具有可变体积的区域96是最有利的。

所述装置确保磁流体密封70甚至在流体A，B之间高压力差的情况下也仅受到低压力差，从而确保它们的气密封功能。力传送经由力传输元件例如轴10机械产生，使得高的传送功率是可能的。

在辅助液体H中的压力差例如通过几何元件的相对移动产生，该元件被静态分配给轴10和外壳并形成对于辅助液体H的传输装置。适当的措施，例如提供所述不返回阀，在该情况下确保当***空闲时在辅助液体H的高压区域和低压区域96_a和96_b之间没有压力补偿产生。

Claims (46)

1.一种引导至少两种具有不同压力的流动介质的装置，包括轴或类似的力传输部件和诸如围绕所述轴或类似物的外壳之类的压力隔离元件，其特征在于沿轴线方向彼此邻接的区域(90，90_a；96；98)借助于密封元件(70，70_a)而限定在力传输部件(10)和压力隔离元件之间，其中将至少一个所述密封元件(70，70_a)设计成无泄漏，用于具有不同压力的流体(A，B)的两个区域(90，90_a；98)在用于辅助液体(H)的区域(96)的侧面，所述用于辅助液体(H)的区域通过一装置(100)被划分为用于两个不同压力区域的两个局部区域(96_a，96_b)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述磁流体密封元件(70，70_a)用于确定所述辅助液体(H)的区域(96)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于将传输介质分配给所述高压区域(90_a)，以及将环境空气分配给所述低压区域(98)。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述辅助液体(H)是分配到所述密封元件(70，70_a)的磁流体的载体油，可选硅油。

5.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于用于所述辅助液体(H)的区域(96)具有两个连接机构(33)，其中一个被设定为产生真空而另一个被设定作为所述辅助液体(H)的通路。

6.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于较高压力的所述辅助液体(H)的局部区域(96_a)被分配到具有较高压力的所述流体(A)的区域(90_a)(图18至20)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于在所述局部区域(96_a，96_b)之间产生压力差的部件，其中该部件优选布置在所述局部区域(96_a，96_b)中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于可以相对于彼此移动并被分配到压力隔离元件以及力传输部件(10)的几何部件，所述几何部件形成所述辅助液体(H)的传输装置以便产生压力差。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于分隔所述辅助液体(H)的区域(96)的装置为传输装置(100)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于可以产生的压力差至少相应于所述流体(A，B)之间产生的最大压力差。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，提供一部件，经由该部件所述辅助液体的最大压力和所述具有较高压力的流体的压力之间的压力差可以调节到零，优选用于调节产生所述压力差的所述部件的功率的部件。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于调节从所述辅助液体(H)的高压局部区域(96_a)到低压局部区域(96_b)的回流的部件(97，99)，其中具有阀式过流装置(97)的管道(99)可选地设置在所述辅助液体(H)的局部区域(96_a，96_b)之间。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于至少所述辅助液体(H)的区域(96)的体积被设计成可变的。

14.根据权利要求6至13中任一项所述的装置，其特征在于至少所述辅助液体(H)的低压区的局部区域(96_b)被构造具有可变体积。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于用于确定所述辅助液体(H)的区域(96)的膜式密封元件。

16.根据权利要求2至15中任一项的装置，其特征在于所述磁流体密封元件(70，70_a)在所述力传输部件(12)和所述压力隔离元件(24)之间的辅助液体(H)的区域(96)的任一侧上延伸。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的装置，其特征在于所述密封元件(70，70_a)包含在环(76)中的至少一个永久磁体(74)，以及还包含在环形间隙(77)处分配给所述力传输部件或轴(10)的磁流体(75)。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于所述永久磁体(74)形成所述磁性密封(70)的部分，该磁性密封形成所述密封元件，所述磁性密封围绕具有所述环(76)的轴(10)，其中环形永久磁体(70)的磁场通过相关的极靴(73)可选地集中在所述环形间隙(77)上。

19.根据权利要求17或18所述的装置，其特征在于在由非磁性材料制成的垫圈或锁环(60)中在高压侧沿轴方向磁化的永久磁体(70)，或至少两个同心磁性密封(70，70_a)，所述磁性密封(70，70_a)的横截面通过至少一个轴向平行间隔环(79)分离。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于一波纹管(68)抵靠所述锁环(60)，所述波纹管在另一侧抵靠压力承载元件。

21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于所述波纹管(68)由金属材料制成并且优选在其径向外侧由保持环(56)围绕，和/或抵靠被固定到外壳衬套(26)的前环(54)。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的装置，其特征在于所述锁环(60)包含作为机械密封***的部分的至少一个密封盘(80)，该机械密封***包括至少两个具有中心开口(82)的密封盘(80，80_a)，其中所述密封盘(80，80_a)可选地由碳化硅模制形成。

23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于所述密封盘(80，80_a)在接触面(84)彼此抵靠，其中可选地至少一个密封盘(80_a)具有小深度(c)的螺旋槽或凹陷(86)，其在所述接触面(84)中从盘边缘(81)向盘中心以弯曲方式形成，所述槽或凹陷在远离所述中心开口(82)的一定距离处结束并由另一密封盘(80)的接触面覆盖。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的装置，其特征在于至少一个围绕所述轴(10)的轴套(12)和与其同轴的外壳衬套(26)在每个情况下由非磁性材料制成，以及至少两个围绕所述轴的磁流体密封元件(70，70_a)设置在所述轴套和所述外壳衬套之间。

25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于O环(20)提供所述轴套(12)相对于所述轴(12)的静态密封以及外壳衬套(26)相对于所述外壳的静态密封。

26.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于以限定的轴向间距保持所述力传输部件或所述轴套(12)以及所述压力隔离元件或所述外壳衬套(26)，使得它们可以通过相对于所述轴套的纵轴(M₁)径向布置的滚子轴承(52)，特别是通过双角度接触球轴承而同心旋转。

27.根据权利要求22和26所述的装置，其特征在于所述滚子轴承(52)抵靠所述轴套(12)的外环(16)，由碳化硅制成的所述密封盘(80_a)之一分配给其另一侧。

28.根据权利要求22或27所述的装置，其特征在于一个密封盘(80_a)安装在所述环形空间(50)的沿远离外环(16)的轴向方向逐渐加宽的部分(51)内，所述部分分配给包含另一密封盘(80)的所述锁环(60)。

29.根据权利要求2至23中任一项所述的装置，其特征在于由铁磁性材料制成的轴(10)。

30.根据权利要求22至23中任一项所述的装置，其特征在于，所述径向间隙(17)形成在所述密封盘(80)的外表面和相邻的锁环(60)之间。

31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于所述径向间隙(17)在一侧与在所述轴(10)和所述密封元件(70)之间的轴向环形间隙(77)邻接，并在另一侧与在相邻的密封盘(80)下方通过的轴向环形间隙(13)邻接，和/或止块表面(69)设置在所述径向间隙(17)的径向外端部处，所述止块表面与以轴向平行方式形成的外环形间隙(21)邻接(图5)。

32.根据权利要求28至31中任一项所述的装置，其特征在于所述密封盘(80)通过至少一个轴向平行驱动销(67)而与所述锁环(60)的中心壁(63)相连。

33.根据权利要求1至32中任一项所述的装置，其特征在于部分填充有气体(G)并设有密封间隙(92)的室(90)被设置在流体作用于其上的侧面之前。

34.根据权利要求33所述的装置，其特征在于所述部分填充有气体(G)并设有密封间隙(92)的室(90)被设置在所述垫圈或锁环(60)上的所述磁流体密封元件(70)之前(图17)。

35.根据权利要求33或34所述的装置，其特征在于所述密封间隙(92)的宽度(q₃)大于关于所述轴(10)的所述垫圈或锁环(60)上密封间隙(77)的密封元件(70)的宽度(q₂)，其中可选地所述密封间隙(77)的宽度(q₂)、所述室(90)的密封间隙(77)的宽度(q₃)以及所述室(90)或外室壁(94)的内外直径(f₂)之间的比例为1∶1.2∶1.5。

36.根据权利要求33至35中任一项所述的装置，其特征在于所述室(90)的横截面向外部扩宽(图17)。

37.根据权利要求33至36中任一项所述的装置，其特征在于用于惰性气体的辅助连接机构分配给所述室(90)。

38.一种引导至少两种具有不同压力的流动介质的方法，包括轴或类似的力传输部件和诸如围绕所述轴或类似物的外壳之类的压力隔离元件，特别是利用如在之前权利要求中至少一个权利要求所述的装置，其特征在于在所述力传输部件(10)和所述压力隔离元件之间，具有不同压力的流体(A，B)每种情况下保持在由密封元件(70，70_a)所确定的的区域(90，90_a；98)内；并在所述区域之间，至少一种辅助液体(H)保持在一区域(96)内，其中在后者中建立两个不同压力的区域，而且所述辅助液体(H)的较高压力的局部区域被分配给具有较高压力的流体(A)的区域。

39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于所述辅助液体(H)的区域(96)借助于在相对于所述流体(A，B)的区域(90，90_a；98)的任一侧的磁流体密封元件(70，70_a)而被气密封。

40.根据权利要求38或39所述的方法，其特征在于在所述液体之前真空作用于所述辅助液体(H)的区域(96)。

41.根据权利要求38至40中任一项所述的方法，其特征在于传输介质分配到所述高压区域(90，90_a)，环境空气分配到所述低压区域(98)。

42.根据权利要求38至41中任一项所述的方法，其特征在于可以产生的压力差至少相应于在所述流体(A，B)之间产生的最大压力差，或对产生压力差的部件的功率进行调节。

43.根据权利要求38至42中任一项所述的方法，其特征在于调节从所述辅助液体(H)的高压局部区域(90_a)至低压局部区域(96_b)的回流。

44.根据权利要求38至43中任一项所述的方法，其特征在于通过一方面分配到所述轴(10)而另一方面分配到所述压力隔离元件并形成传输装置(100)的几何元件的相对移动而产生所述辅助液体(H)中的压力差。

45.根据权利要求38至44中任一项所述的方法，其特征在于所述辅助液体(H)的传输作用借助于密封盘(80，80_a)而产生，在所述密封盘(80，80_a)之间确定螺旋槽或凹陷(86)，其中可选地密封盘(80，80_a)的传输作用通过增加所述密封盘的压力和相互之间的距离而增加。

46.根据权利要求38至45中任一项所述的方法，其特征在于，在设置于所述密封元件(70)前并包含气体的室(90)内，在操作过程中气体体积在所述密封元件和所述轴之间的密封间隙(77)的区域内同心地集中在所述轴(10)周围，并通过工作压力而被压缩。

Images