在各种广泛的环境和背景，例如机械设备中采用了传统的机械密 封组件，以提供不透流体的密封。这些密封组件通常定位在旋转轴或 旋转杆周围，其安装在固定的机械外壳中，并从中突出来。
传统的密封组件通常包括由一个金属弹簧或多个并联的金属弹 簧组成的密封元件，所述弹簧用于偏压密封面元件。偏压元件偏压密 封面元件，使其与轴形成密封接合，从而形成不透流体的密封。
图1显示了现有技术的机械密封件的一个示例。如图所示，这个 示例性的现有技术的机械密封件1需要一个或多个弹簧2，用于对密 封面施加加载力，其通过使旋转的密封面4和固定的密封面5，以及 多个外壳构件3a-d配合而形成。多个外壳构件包括弹簧支架3a、旋 转的密封面固定器3b、旋转的弹性体波纹管(bellow)3c和驱动带3d。 现有技术的密封1还包括用于固定密封面5的O形圈6。
然而，这种密封组件受到许多的缺陷和缺点的困扰。现有技术密 封(例如图1中所示密封)的缺点包括不均匀的密封面负荷、弹簧暴露 于工艺流体中、以及弹簧中的碎屑阻塞。例如，弹簧通常暴露于被密 封的机械设备的内部流体或工艺流体中，其可能潜在地侵蚀弹簧，潜 在地导致弹簧的故障。另外，弹簧和其它可移动的偏压元件会随着时 间的流逝而失去其弹性偏压特征，损害密封的效率。
从以下附图和描述中将部分地明晰且部分地明白本发明的其它 和更具体的目的。

本发明提供了一种改进的机械密封组件，其用于对构件，例如泵 或任何旋转设备进行密封。本发明的机械密封组件采用一种整体的外 壳件来提供密封面上的增强的负荷，并防止该密封的阻塞。外壳件将 旋转密封元件安装在协作槽中。固定密封元件与旋转密封元件对接， 以提供密封。外壳件可包括波纹管区域，其用于将可潜水构件的轴向 和径向压力传递给密封面。可提供夹具将外壳件夹紧在轴上。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于绕轴提供密封的机械密 封组件。这种机械密封组件包括用于接收密封元件，并对密封元件施 加加载力的密封支架，以及安装在密封支架中的第一环形密封元件。 密封支架包括基本环形的套管，其包括环形的前面和与前面间隔开的 径向延伸的环形凹槽，用于安置密封元件的一部分。第一环形密封元 件包括具有基本L形截面的环形圈。第一环形密封元件的第一部分配 置成可容纳在径向延伸的环形凹槽中，并且第一环形密封元件的第二 部分延伸超过支架的前面。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于机械密封组件中用于密 封元件的支架，其包括基本圆柱形的套管，其具有前面区段、中间 区段和后面区段。前面区段配置成可安装旋转密封元件，并且包括 环形圈，其具有成形于其前面的基本L形的凹槽。后面区段包括环 形圈。中间区段将前面区段和后面区段连接起来，并包括在前面区 段和后面区段之间延伸的弯曲的壁。弯曲的壁在径向方向和轴向方 向上弯曲，以便将系统压力转换成轴向力和径向力，其作用在安装 于支架中的旋转密封元件上。
根据本发明的另一方面，提供了一种组装机械密封组件的方法。 该方法包括如下步骤：提供一种密封支架，其包括基本圆柱形的套管， 所述套管具有前面区段、中间区段和后面区段，所述前面区段限定了 环形的前面和与前面间隔开的径向延伸的环形凹槽，提供旋转的密封 圈，其包括构造成可容纳在所述径向延伸的环形凹槽中的环形突出 部，并通过将环形突出部插入到径向延伸的环形凹槽中而使旋转的密 封圈安装在支架中，从而使旋转的密封圈的一部分延伸超过环形的前 面。
根据本发明的另一方面，机械密封件包括支架和密封元件，所述 支架具有形成凹槽的前面区段、形成波纹管区域用于转换压力的中间 区段、以及后面区段，所述密封元件构造成可用于安装在凹槽中。密 封元件适合于以过盈配合坐落在凹槽中，以形成密封区域，从而免去 了密封区域中的辅助密封元件。
根据本发明的另一方面，一种机械密封件包括具有密封面的第一 密封元件、具有密封面的第二密封元件、以及由单个整体构件形成的 密封支架，其具有弹性的中间区段，用于将作用于其上的压力转换成 密封力，以便将密封面偏压在一起。

通过参照以下详细说明并结合附图将更完整地理解本发明的这 些以及其它特征和优势，其中在不同的视图中，相似的标号表示相似 的元件。这些图纸显示了本发明的原理，但其不按比例地显示了相对 尺寸。
图1显示了一种现有技术的可浸没的机械密封件。
图2A-2C显示了本发明的一个示例性实施例的机械密封件，其安 装在可浸没的系统上。
图3是本发明的一个示例性实施例的机械密封件的分解图。
图4是组装后的机械密封件的截面图。
图5是图4组装后的机械密封件的透视图。
图6是本发明的示例性实施例的机械密封件的密封支架的截面 图。
图7是图6密封支架的正视图。
图8是沿着图7轴线A-A的密封支架的截面图。
图9是在施加流体压力期间，根据本发明的示例性实施例的密封 支架和旋转的密封圈的截面图。
图10是根据本发明的一个示例性实施例的密封支架的后面区段 的内表面上的突出部的详图。
图11是本发明的示例性实施例的机械密封件的旋转的密封圈的 截面图。

本发明提供了一种复合式密封组件，其用于提供旋转轴或其它合 适装置上的密封。以下将参照所示实施例描述本发明。本领域中的技 术人员应该明白，本发明可在许多不同的应用和实施例中实现，而并 非在其应用方面特别局限于这里所描述的特殊的实施例中。
这里使用的术语“密封组件”和“密封用组件”意图包括各种类 型的密封组件，包括单一密封、对开密封、同心密封、螺旋密封以及 其它己知的密封和密封组件的类型和构造。
术语“轴”意图指机械系统中任何合适的装置，其上面可安装密 封件，并且包括轴、杆以及其它己知的装置。
这里使用的术语“轴向的”和“轴向地”指与轴的轴线大致平行 的方向。这里使用的术语“径向的”和“径向地”指与轴的轴线大致 垂直的方向。术语“流体”指液体、气体和其组合。
这里使用的术语“轴向向内的”指靠近机械系统的固定设备和密 封组件的部分，这种机械系统采用该密封组件。相反，这里使用的术 语“轴向向外的”指远离机械系统的固定设备和密封组件的部分。
这里使用的术语“径向向内的”指靠近轴的密封组件的部分。相 反，这里使用的术语“径向向外的”指远离轴的密封组件的部分。
这里使用的术语“固定设备”、“静止表面”和“压盖”(“gland”) 意图包括任何合适的包含轴或杆的固定结构，密封件固定在轴或杆 上。
图2A-11显示了根据本发明的所授知识的密封组件10的一个典 型的实施例。如图2A-2C中所示，密封组件10优选围绕从系统2延 伸出来的旋转轴18或杆进行同心设置，系统2可以是用于例如污水 和废水应用的潜水泵，如图2A-2C中所示。虽然密封组件10和相应 的系统2可浸没，并且适合于在污水和废水应用或其它水下环境中使 用，但是本领域中的技术人员应该认识到该密封组件可用于在任何合 适的环境中提供密封。轴18沿着轴线30而延伸，并且部分地安装在 系统2的外壳中。在采用所示密封组件10的机械系统2的操作期间， 轴18在该设备的固定部分内旋转或沿着轴线30相对于该设备的固定 部分而往复移动。
参看图3-11，密封组件10包括多个密封构件20，12和14，其构 造成可相互协作，以便在固定设备2和轴18之间提供流体密封和防 漏路径，从而防止流体从机械系统中泄漏出来。
如图3-9中所示，密封组件10包括密封支架20、安装在密封支 架20中的第一环形密封元件12和轴向与第一环形密封元件12相邻 的第二环形密封元件14，其用于对图2A-2C中所显示的系统的轴18 提供动态密封。第二环形密封元件14设置在系统2中，或与系统2 相邻，并且第一环形密封元件12和支架20从系统中延伸出来，如图 2A-2C中所示。第一环形密封元件12限定了旋转密封面122，其构造 成可与第二环形密封元件14的固定密封面142相配合，以提供密封 元件之间的不透流体的界面。根据这个示例性实施例，第一环形密封 元件卡扣配合在密封支架20中，或者通过过盈配合而保持在密封支 架20中，以形成密封区域，其消除了对单独的辅助密封元件例如O 形圈的需求，以确保在支架20和第一环形密封圈12之间的密封。在 密封支架20的轴向外端可提供夹具40，用于将密封组件夹紧到轴18 上。O形圈146可设置在第二环形密封元件14的外表面周围，以便 在第二环形密封元件和固定系统2之间提供密封。以下提供各种密封 构件的细节。
根据一个优选实施例，密封构件由热固性和热塑性材料形成，但 是本领域中的技术人员应该认识到，还可使用任何适应流体的合适的 材料。所示密封支架20由聚合物弹性体材料，例如聚氨酯形成，其 提供最佳的负荷能力和增强的耐磨性。旋转的密封圈12和固定的密 封圈14由合适的耐磨材料形成，其具有合适的摩擦特征，但是本领 域中的技术人员应该认识到，任何合适的材料都可用于形成密封构 件。典型的密封面材料包括，但不局限于碳、碳化钨、双碳化物、碳 化硅、氧化铝、硬化金属、PTFE基材料和其混合物。
密封支架20提供了一种整体的密封外壳，其减少了阻塞，并容 许在轴向和径向方向上将系统压力双方向转换至密封面122，142上， 以促进密封。整体外壳的使用消除了对额外的密封构件的需求，并且 还便于密封系统10的安装、组装和制造。
在组装时，密封组件10的密封构件协作，从而在密封元件和轴 18之间，在密封元件和其它密封构件之间，并且在密封组件和图 2A-2C的机械系统2之间提供密封。密封组件10的密封构件优选通 过过盈配合而保持在一起，但是本领域中的技术人员应该认识到，可 使用任何合适的方法来组装、装配、固定和保持密封构件或密封组件 的构件。
如图6-10中详细所示，将密封支架20特别构造成可促进密封、 负载平衡和密封构件的对准。所示密封支架20包括基本圆柱形的套 管21，其形成了三个分开的但仍整体成形的区段：用于安装第一环形 密封元件12的前面区段22，用于容纳夹具40的后面区段24，以及 在前面区段22和后面区段24之间延伸并将其连接起来的中间区段 26。中间区段26优选形成波纹管区域，以便于在操作期间将系统压 力转换至密封面122，142上。
如图所示，密封支架20的前面区段22包括基本环形的弯成钩状 的环，其构造成可容纳第一环形密封元件12的一部分。前面区段22 优选便于与第一环形密封元件12形成卡扣配合或过盈连接，其消除 了对围绕第一环形密封元件的单独的O形圈或其它密封构件的需求。 前面区段22限定前面221和径向延伸的凹槽223，径向延伸的凹槽 223在轴向上与前面221间隔开，用于容纳第一环形密封元件12的环 形突出部。前面区段22优选由第一径向延伸的壁222形成，该壁限 定了前面221，并通过凹槽223而与第二径向延伸的壁224间隔开。 轴向延伸的壁226将第一和第二径向延伸的壁的径向外端连接起来， 以限定凹槽223。
第二径向延伸的壁224比第一径向延伸的壁222更长。第一径向 延伸的壁222具有径向内端，其比第二径向延伸的壁的径向内端离密 封件的纵轴线更远，从而适应第一环形密封元件。如图所示，第二径 向延伸的壁224从轴向延伸的基本平坦的表面232所限定的内径Di1 延伸至与轴向延伸的壁226的外表面对准的外径Do1，基本平坦的表 面232与密封支架20的中间区段26相交。第二径向延伸的壁224具 有大约4mm至大约10mm之间的厚度T1，并优选大约为5mm，但是 本领域中的技术人员应该认识到，壁224可具有任何合适的厚度。第 二径向延伸的壁224还在壁224与密封支架20的中间区段26相交处 限定了弯曲的凹入的外表面236。相对于90度的角度，相交表面236 的曲率在大约1.5mm至大约3.5mm之间，并优选大约为2.5mm，但 是本领域中的技术人员应该认识到，在中间区段26和前面区段22之 间的相交部分可具有任何合适的构造，包括以直角相交的壁。
第一径向延伸的壁222从内径Di2延伸至相同的外径Do1，内径 Di2大于第二径向延伸的壁224的内径Di1。在内径Di2处轴向延伸的 表面227，其构造成可与第一环形密封元件12的外表面对接，如图4 中所示。因而凹槽223在密封支架20的前面区段22中形成了基本L 形凹槽223b的一个边，已经在表面227和轴18之间形成了第二边。 所示第一径向延伸的壁222具有大约4mm的厚度T2，其小于第二径 向延伸的壁224的厚度T1，但是本领域中的技术人员应该认识到，该 壁可具有任何合适的尺寸和厚度。
轴向延伸的壁226具有大约厚度T3，限定了具有径向内径Diy的 凹槽223，其在第一径向延伸的壁的内径Di2和第一及第二径向延伸 的壁222及224的外径Do1之间。
前面区段22因而构造成可通过过盈配合而安装第一密封元件， 使得第一环形密封元件的一部分延伸超过密封支架的前面221，如图 4和图5中所示。
密封支架20的中间或中间区段26形成了波纹管区域，其用于将 系统压力转换至密封面122，142上，以便将密封面偏压在一起。这个 区段是弹性的，并具有一定的柔韧度。中间区段优选包括弯曲的壁 260，其从前面区段22的第二轴向延伸的壁224延伸至支架的后面区 段24。弯曲的壁260优选在轴向和径向方向上弯曲，以限定一种形状， 其基本上是环面形物体(即，圈饼)的径向外半部。弯曲的壁260因而 在密封支架20的中间区域限定了包围轴18的环形间隙261。如图所 示，弯曲的壁260的轴向最靠近前面区段22的向前部分，其具有比 弯曲的壁260的轴向向后部分的内径Di3更大的内径，其等于内径Di1， 其与后面区段的内径相匹配。弯曲的壁260优选具有基本恒定的厚度 T4，其比前后区段的壁更薄。
由密封支架20的中间区段26形成的波纹管区域，其在轴向和径 向方向上将系统压力转换至密封面122，142上。由中间区段26形成的 波纹管区域在零(0psig)压力状态下，在设备中以预压缩的姿态提供了 对环形密封元件12的负荷。如图9中所示，作用于区域Z上的流体 压力，其在环形密封元件12和14的界面之间施加了额外的密封力。 外表面260还提供表面区域A，在其之上系统压力叠加了作用于12 和14的密封界面之间的力。然而，随着系统压力的增加，只有一部 分力作用于该面上。实现的作用力的百分比受到图9中所示区域Y和 Z的控制。系统压力作用于区域Z上，然而，在界面处只实现了一部 分作用力。一部分作用力通过相同的系统压力来取消，其以相同但相 反的方式沿着区域Y起作用。因而弯曲的波纹管26容许压力在轴向 和径向方向上沿着弯曲的波纹管表面260而作用在区域A上，其增强 了密封。
密封支架20的后面区段24具有基本矩形的截面，并且构造成可 将密封支架20安装在轴18上。后面区段的径向外表面248优选限定 了凹部242，其用于安装夹具40，以便将密封支架20安装到轴18上。 内部突出部244从后面区段24的径向内表面246中突出来，用于对 轴18进行密封。在该示例性实施例中，后面区段24的径向内表面246 具有比由壁232限定的前面区段的径向内表面更小的内径Di3，以促 进对轴18的紧密密封。
图10是根据本发明的一个示例性实施例的密封支架20的后面区 段的径向内表面上的突出部244的详图。这种示例性突出部244包括 轴向向后的圆形边缘2441、从边缘2441中平行于内表面246而延伸 的轴向延伸的平坦表面2442、以及在平坦表面2442和内表面246之 间延伸的角度表面2443。在这示例性的实施例中，角度表面2443以 相对内表面246成大约28度的角度而延伸，但是本领域中的技术人 员应该认识到，角度表面2443可以任何合适的角度延伸。根据这示 例性的实施例，突出部244的轴向向前的边缘与凹部242的轴向前端 对准，在所述轴向向前的边缘处，角度表面2443与内表面246相交。 本领域中的技术人员应该认识到，突出部244可具有任何合适的尺寸 和形状，用于与轴相接触，并对轴进行密封。
因而示例性的密封10提供了一种整体单一的密封外壳20，其用 于保持密封圈，将密封圈安装在轴上，使密封构件对准，并使用系统 压力加载密封面，且将密封面偏压在一起。
参看图11，安装在密封支架20中的第一环形密封元件12优选包 括旋转的密封圈，其具有基本L形的截面。旋转的密封圈12的轴向 向后的部分形成了环形突出部127，其形成了L形截面的一边，其尺 寸和构造适合于容纳在密封支架20的凹槽223中。第一环形密封元 件12具有从内径Di6延伸至外径Do6的厚度，从而在组装密封组件时， 内径Di6大于密封支架和相应的固定密封圈14的内径，如图4中所示。 在密封支架的前面区段中，外径Do6与第一径向延伸的壁222的内径 相匹配，从而在组装时，密封元件12的外表面125与密封支架20的 前壁的轴向延伸的表面227相毗邻。
根据这示例性的实施例，第一环形密封元件12的环形突出部127 具有倾斜的顶面124，其以轴向向外的方向向下倾斜。这个角度表面 提供了前缘，以便于将第一密封元件安装到密封支架20中。
示例性的固定密封圈14在长度和厚度上优选大于旋转的密封圈 12。固定密封圈从内径Di7延伸至外径Do7，内径Di7基本上与支架 20的后面区段的内表面246的内径相匹配。外表面145包括用于容纳 O形圈146的外部凹槽144，O形圈146用于对有待密封的系统2的 构件进行密封。
夹具40可包括任何用于将密封支架20固定在轴上的合适装置。 在示例性的实施例中，夹具40包括两个弓形构件40a，40b，其构造 成可在组装时形成环件。提供盘头螺钉42a，42b用于将夹具压在后面 区段24周围，并将夹具锁定就位，从而将密封支架锁定在轴18上。
本领域中的技术人员应该认识到，密封元件12，14可具有任何合 适的尺寸和构造，以建立一种或多种对轴18的动态流体密封。
这种示例性的机械密封件提供了超越现有机械密封件的优势。这 种密封利用外壳构件，其便于制造、组装和操作。具体地说，这种密 封提供了加载力而不需要弹簧，弹簧可能遇到阻塞和老化。提供这种 构造的机械密封件的成本极大地小于缺乏这些优势的机械密封件。虽 然上面结合泵系统描述了本发明的复合式密封组件10的示例性实施 例，但是本领域中的技术人员应该认识到，复合式密封组件10可用 于许多不同的环境和应用中。
因而应该看到，本发明有效地达到了上面陈述的目的，尤其从前 面细节描述中明晰的那些目的。因为在没有脱离本发明范围的条件 下，可在上面的结构中做出某些变化，所以包含在上面细节描述中或 附图中所显示的所有内容都应该被理解为是示例性的，而非限制性 的。
还应该懂得，以下权利要求将覆盖这里所述的本发明的所有普遍 性的和特定的特征，并且本发明范围的所有陈述就语言方面而言都可 能落在权利要求之间。
相关申请
本申请要求享有于2005年10月21日提交的美国专利申请序列 第11/255,322号的优先权，其内容通过引用而结合在本文中。