具体实施方式

本公开涉及用于具有十字头11和密封振荡活塞杆10的机器10(图6)的具有杆密封件101的活塞杆密封组件1。该机器通常是热气机器，例如包括压缩汽缸12和膨胀汽缸13的斯特林发动机。压缩汽缸12设置有根据本文公开的任何实施方式的杆密封组件1。杆密封组件1将汽缸中的高压HP区域与低压区域LP密封隔开。低压LP区域通常具有环境压力。杆密封组件1还密封和限制润滑剂进入汽缸的高压HP区域中。由于杆密封件101及其支撑部件例如杆密封基部200、衬套400、弹簧500的改进的横向跟随，本文公开的杆密封组件1导致在活塞杆100的横向移动期间杆密封组件1的磨损减少，杆密封组件1的部件上的磨损减少。由此，附加的效果是减少了高压HP区域与低压区域之间以及干区域与湿区域之间的泄漏，这基本上对应于高压区域和低压区域。

图1公开了根据本公开的活塞杆密封组件1的示例性实施方式。杆密封组件1设置在汽缸2中，并且包括围绕活塞杆100布置的环形杆密封件101。杆密封件101具有下部局部锥形部分103。也就是说，杆密封件101的下部部分具有朝向其中心并由此朝向活塞杆100向内渐缩的渐缩外表面。下部锥形部分103被布置成接触单独的环形杆密封基部200。杆密封件基部200和杆密封件101设置在密封壳体300内。杆密封件基部200在密封壳体300和杆密封件101之间进行密封。密封壳体300具有通路301，活塞杆100可被布置成穿过该通路并且在该通路中振荡。密封壳体300还可以形成用于杆密封组件1的外壳或局部外壳。密封壳体300也可以称为密封板300。

杆密封件101的示例性实施方式具有朝向其上部部分102向外渐缩的内径，使得该杆密封件具有稍大于活塞杆100在其上部部分102处的外径Dp的内径。例如，杆密封件101的上部部分102处的上内径Du大于杆密封件101的下部锥形部分103的下内径D1，并且上内径Du由此大于活塞杆100的外径Dp，该外径基本上等于下内径D1。

密封环200也可以被称为杆密封座200或杆密封基部200。

在一个示例性实施方式中，杆密封件101和杆密封件基部200形成一个整体部件。杆密封基部200由此形成杆密封件101的下部部分，如图3a至图3c中示例性地公开的。其一个示例性效果是杆密封组件1中需要更少的单独部件。

在图1、图2和图3至图5和图6至图9所公开的实施方式中，杆密封件基部200和杆密封件101是单独的部件，并且杆密封件基部200具有锥形座201。公开了单独的杆密封件101和杆密封件底座200的实施方式可与一体的杆密封件101和杆密封件底座200互换。

现在，在图1中公开的实施方式中，杆密封基部200的锥形座201形成用于杆密封件101的锥形座。活塞杆100、杆密封件101和杆密封件底座200可全部相对于密封壳体300横向移动。杆密封件基部200相对于活塞杆100横向固定。与现有的解决方案相比，设置杆密封基部200使得活塞杆100和杆密封件101能够横向移动并且维持密封性能。这是因为杆密封件101并未相对于密封壳体300而被保持，而是随着活塞杆100的横向移动至少稍微地自由地横向移动。

为了将杆密封件101的下部锥形部分103维持在杆密封件基部200内，朝向密封环200向杆密封件101施加力。该力是轴向力，即，其作用在杆密封件101的纵向延伸的方向上。该力可以由弹簧500提供。弹簧500可向围绕杆密封件101布置的衬套400施加力。衬套400可至少向杆密封件101施加轴向力。衬套400具有用于接触杆密封件101的部分402。衬套400可以是在其下部部分处设置有外部肩部401的环形衬套。外部肩部401形成用于弹簧500的下部部分的座。弹簧500可以围绕衬套400布置。弹簧500可以在衬套400的径向外侧。即，杆密封件101可在衬套400内，弹簧500可在衬套400的外侧。替代地，轴向力可由衬套400中的固有弹性能力提供。

如在杆密封组件1的所有公开的实施方式中所公开的，杆密封基部200和衬套400具有轴向重叠250，在该轴向重叠处它们具有径向接触，使得衬套400由杆密封基部200引导，即衬套400与杆密封基部200横向对齐。其示例性效果是衬套400总是跟随杆密封基部200的横向移动。

尽管在图中未示出，但是锥形座201和杆密封件101的下部锥形部分103可以替代地是形成一对配合表面的平坦的、横向延伸的部分。也就是说，该对配合表面以与杆密封件101和/或活塞杆100的纵向轴线成90°的角度延伸。在这种布置中，没有由密封环200施加到杆密封件101的径向力，反之亦然。密封环200和杆密封件101仅将与杆密封件101的纵向轴线一致地将轴向力施加到彼此。

图3a至图3c中公开了杆密封件101和杆密封件基部200为一体的实施方式。杆密封件101包括为密封环200的下部部分。

图1的杆密封组件1的局部放大图在图2中公开。衬套400的内壁可设置有内部肩部部分402，该内部肩部部分可被布置成与杆密封件101的下部部分的对应的肩部部分104相互作用。杆密封件101的下部部分的肩部部分104可以是径向向外即远离活塞杆100渐缩的锥形部分。如果杆密封件101的下部部分的肩部部分104是锥形渐缩部分，则衬套400的内部肩部部分402是对应的锥形部分，使得表面匹配。也就是说，衬套400的内部锥形部分402可被布置成与杆密封件101的下部部分的上部锥形部分104邻接。对应的锥形部分导致轴向力朝向活塞杆100被施加到杆密封件101。内部肩部部分402和肩部部分104也可以是平坦的，即不是渐缩的。平坦表面从杆密封件101的纵向轴线横向向外延伸。没有上述锥形渐缩部的平坦表面不向杆密封件101施加任何横向/径向力。由弹簧施加到衬套400的力将力施加到杆密封件101，以将该衬套维持在杆密封件基部200内的适当位置。衬套400的下部部分可设置有唇缘403，该唇缘延伸超过杆密封件101的下部部分的上部肩部部分104，使得杆密封件基本上被封闭在衬套400内。唇缘403的内径可以大于衬套400上部部分的内径。唇缘可在第一轴向方向AD1上延伸，使得其形成到杆密封基部200的重叠250。唇缘403的圆柱形外表面413可在杆密封壳体300的圆柱形孔306中被引导，以确保螺旋弹簧500限制弹簧500的屈曲，该屈曲将使衬套400倾斜并将横向径向力施加到杆密封件101。然而，如果杆密封组件1横向移位，则如图1和图2所示的压缩弹簧500在一些情况下仍然可能屈曲，并且唇缘403由于其引导功能而不允许衬套的横向移动。由于衬套400不能横向移动多于唇缘403和杆密封壳体之间允许的间隙，杆密封件的横向移动被限制。然而，唇缘403在重叠250处确实紧密地配合到杆密封基部200，使得衬套400由此被引导。

副密封环105可设置在杆密封件101的上部锥形部分104和下部锥形部分103之间。副密封环105可以是例如O形环或类似的垫圈。副密封环105可在杆密封件101、衬套400和/或密封座200之间密封。

杆密封基部200被布置在密封壳体300的内部基部302上。杆密封基部200设置有环形槽202。环形槽202可设置有柔性密封环密封件203，例如O形环或类似的垫圈。环形槽可容纳密封环密封件203。密封环密封件203可至少部分地形成将汽缸的名义上的干燥部分与汽缸的名义上的润滑部分分开的密封件。环形槽202被公开为形成在杆密封基部200中，但可等效地形成在密封壳体300的基部302中。

密封壳体300抵靠汽缸2的壁密封。密封壳体300的径向周边303可以设置有环形槽304。环形槽304可容纳密封件305，例如O形环或类似的垫圈，该密封件将使密封壳体相对于汽缸2的壁密封。

覆盖件600可设置在杆密封件101上方，以密封防止颗粒进入活塞杆100上的润滑剂。覆盖件600被布置在杆密封基部200的远侧。也就是说，覆盖件600在杆密封组件1的与杆密封基部200相对的端部处。覆盖件600封闭至少包括杆密封件101的区域。覆盖件600可以是可透气的，使得其不形成气密密封。覆盖件600可以是被布置在衬套400和垫片601之间的环形构件，该垫片被布置在覆盖件600的顶部上。垫片601被固定在密封壳体300中，使得覆盖件600在杆密封件101上方被保持就位。覆盖件600例如可以是具有用于活塞杆100的中心孔的环形覆盖件。覆盖件可以包括诸如毡或类似物的非织造织物，诸如由该非织造织物组成。非织造织物具有的优点是，它是透气的并且吸收可能进入润滑剂的颗粒物质。非织造织物也可部分地吸收润滑剂。存在的颗粒物质可以是从斯特林发动机中的活塞、活塞环和其它部件磨损的金属。

为了进一步减小密封壳体300和杆密封基部200之间的摩擦，杆密封基部200的槽202可以在其外径处开口，如图4和图5中所公开的。也就是说，槽202可以延伸到杆密封基部200的径向外壁。开口槽202导致杆密封件基部200具有围绕其基部部分的环形凹部。环形凹部在杆密封基部200的基部处形成外径减小的区域。使杆密封基部200和密封壳体300之间的摩擦最小化导致杆密封件101、密封壳体300和活塞杆100上的磨损减少。开口环形槽202导致密封壳体300和杆密封基部200之间仅在杆密封组件1的润滑部分处具有表面接触。在汽缸的名义上的干燥部分处没有接触，这减少了磨损。

为了进一步减小密封壳体300和杆密封基部200之间的摩擦，杆密封基部200可以涂覆有低摩擦涂层，例如类金刚石碳(DLC)或聚四氟乙烯(PTFE)或类似涂层。低摩擦涂层可以与上述开口槽202或本文所述的任何其它摩擦减小措施结合。替代地，或者壳体300的结合的内部基部302可以覆盖有相同或类似的低摩擦涂层。

为了进一步改进杆密封组件1的横向移动性，并且因此减少杆密封组件1的部件上的摩擦和磨损，杆密封基部200可包括具有圆柱形对准壁206的上部部分，如在例如图3c、图4、图5、图7、图8和图9中公开的实施方式中所示。

图4公开了杆密封基部200，该杆密封基部具有从杆密封基部200的底部部分的周边在第二轴向方向AD2上纵向延伸的圆柱形壁206。圆柱形壁206与杆密封件101和活塞杆100同轴地延伸。在图4中公开的实施方式中，杆密封基部200包括锥形座201。锥形座201形成用于杆密封件101的座。如上所述，锥形座201和杆密封件101也可以是平坦的，使得它们形成一对横向延伸的配合表面。圆柱形壁206形成部分地围绕衬套400的对准壁，并且由此形成重叠250，确保衬套400可以跟随杆密封件101和杆密封件基部200的横向移动。圆柱形对准壁206可以围绕衬套400的底部部分或在第二轴向方向上进一步向上延伸。圆柱形对准壁206可围绕杆密封件101的底部部分。如前所述，为了将杆密封件101保持在适当位置，杆密封件101通过轴向力Fs被推向杆密封件基部200。衬套400被布置成围绕杆密封件101的上部部分。轴向力Fs可以通过衬套400的固有弹性能力被引入，或者如图4中所公开的由弹簧500引入。

如上所述，在一些示例性实施方式中，杆密封件基部200和杆密封件101可为一体的。在这种布置中，衬套400的下部部分径向地被布置在杆密封件101的上部部分与圆柱形壁206的至少一部分之间。

杆密封件基部200的基部部分210可设置有如上所述的开口环形槽202。密封件203，例如O形环，可以设置在开口环形槽202处。密封件203将密封组件1的润滑侧相对于非润滑侧或干燥侧密封。如上所述，杆密封基部200可坐落在密封壳体300的内部基部302上。

如上所述，覆盖件600可设置在杆密封件上方。覆盖件可以是透气的。它可以包括，例如由能够防止颗粒进入润滑剂的非织造材料构成。覆盖件600可被布置成由衬套400和/或杆密封件101保持就位。覆盖件600可与活塞杆100、杆密封件101、衬套400和/或杆密封件基部200一起横向移动。覆盖件600公开在图1、图7、图8和图9中公开的实施方式中。

所公开的杆密封组件1的所有实施方式包括至少一个弹簧500，该至少一个弹簧被设置成将力施加到衬套400，该至少一个弹簧在杆密封件101处朝向杆密封基部200施加力。在弹簧500的一些示例性实施方式中，至少一个弹簧500可以是如图4、图5、图7和图9所示的拉伸弹簧。该至少一个弹簧可以在第一端501处连接到设置在衬套400的上部部分上的凸缘404。凸缘404是围绕衬套400的上部部分延伸的环形横向凸缘。至少一个弹簧500可在第二端502处连接到密封壳体300。拉伸弹簧的一个示例性效果是它不屈曲，并且因此不需要被保持在衬套内以防止屈曲。此外，拉伸弹簧不限制杆密封组件1的横向移动，因此减少对于密封组件1的磨损。至少一个弹簧可以是多个弹簧，或者可以是围绕衬套400和杆密封基部200布置的一个单个弹簧。单个弹簧例如可以由弯曲的金属片制成。图8公开了设置有压缩弹簧500的杆密封组件1的实施方式，该压缩弹簧包括两个环形波形弹簧500。环形波形弹簧还具有不屈曲的益处。波形弹簧被作用在壳体300和弹簧500之间的套筒向下压向衬套400的肩部。

由于覆盖件600可以是透气的，在发动机的工作循环期间，可以有气体流入和流出由覆盖件密封的区域。这是由于整个工作循环期间的压力差与透气覆盖件600的阻力的结合。该气流可导致润滑剂作为气溶胶被传递穿过覆盖件600。这导致润滑剂处于汽缸的名义上的干燥区域中和降低的性能。当使用如图8中的拉伸弹簧500或波形弹簧时，弹簧500可径向地被布置在杆密封件101、衬套400和杆密封基部200的外侧。在杆密封件101、衬套400和杆密封件基部200的外侧设置弹簧导致在由覆盖件600密封的区域内部的较小容积。通过减小由覆盖件600密封的容积，该气流减小，因为在容积内存在较少的质量，并且因此存在较少的或没有润滑剂作为气溶胶的传递。因此，即使设置有覆盖件600的杆密封组件1的实施方式和具有拉伸弹簧500的实施方式不必组合，其组合也给予了附加的示例性效果，例如，更少或没有润滑剂的传递。

图5的杆密封组件1的示例性实施方式设置有构件700，该构件具有大于其轴向柔量的横向柔量，其可设置在杆密封基部200和密封壳体300之间。图l0a至图10c公开了根据700的不同实施方式。图10a中公开了作为层叠轴承710的构件700的实施方式。层叠轴承710可设置在杆密封基部200和密封壳体300之间。层叠轴承710包括多个刚性板层711，该多个刚性板层被柔性层712间隔开。层叠轴承710的柔性层712能够实现径向和横向柔量，同时提供基本上刚性的轴向平台。也就是说，轴承710在活塞杆100的轴向方向上基本上是刚性的，而在垂直于活塞杆100的轴向方向的方向上是柔性的。层叠轴承710有效地将横向力与纵向轴向力(即与活塞杆100的轴线一致的力)分离。

杆密封基部200可被布置成位于层叠轴承710上。杆密封基部200可以设置有支承凸缘205，该支承凸缘在其上部部分处邻接层叠轴承710。层叠轴承710邻接在密封壳体300的内部基部302上。层叠轴承710可以径向地设置在密封件203的外侧。在一些情况下，可以不包括密封件203，在这种情况下，层叠轴承701可以在杆密封基部200的下部部分处形成密封件。

在构件700的一个实施方式中，代替或除了层叠轴承710之外，杆密封基部200可设置有球面滚子轴承(未公开)，该球面滚子轴承能够实现杆密封基部200的横向移动。由此，球面滚子轴承被布置在杆密封基部200的基部处，与密封壳体300的内部基部302接触。球面滚子轴承可以被布置在密封件203的径向外侧。球面轴承能够实现杆密封组件1的被引导的横向移动。

在图10b中公开的构件700的一个示例性实施方式中，构件700包括多个横向可移位的、纵向悬垂杆720，杆密封基部200被布置成被支撑在该纵向悬垂杆处。在这种布置中，密封壳体300设置有在第二轴向方向AD2上从内部基部302纵向向上延伸的构件721，该构件具有朝向活塞杆密封件101径向向内延伸的凸缘722。凸缘722具有用于接收每个悬垂杆720的凹部723。杆密封基部200设置有用于接收每个悬垂杆720的凹部724。杆密封基部200由多个悬垂杆720纵向地保持，同时杆密封基部可以至少部分地横向移动。悬垂杆720在壳体300的凸缘722和杆密封基部200之间延伸。

在图10c所公开的构件700的一个示例性实施方式中，构件700是杆轴承730，该杆轴承包括被布置在两个片材732、733之间的多个杆731。多个杆731是轴向刚性的，但提供横向柔性以允许杆密封基部200的横向移动。杆轴承730被设置成轴向地布置在杆密封基部200和壳体的内部基部302之间。

所公开的构件700的不同实施方式可以互换和组合。

如图5所示，迷宫式密封件405可设置在衬套400中。迷宫式密封件405可设置在覆盖件600的外部，即，在覆盖件600的与杆密封件101相对的一侧，即高压侧HP。迷宫式密封件405进一步密封汽缸的名义上的干燥部分以防止润滑剂进入。迷宫式密封件405可包括在衬套400的杆开口中的一个或多个凹部。

图5示出了活塞杆密封组件1的实施方式，该活塞杆密封组件包括活塞杆100、围绕活塞杆100布置的环形杆密封件101。杆密封件101具有下部局部锥形部分103。也就是说，杆密封件101的下部部分具有朝向其中心向内渐缩并且在其中朝向活塞杆100渐缩的渐缩外表面。下部锥形部分103被布置成接触单独的杆密封基部200。杆密封件基部200和杆密封件101设置在密封壳体300内。杆密封件基部200在密封壳体300和杆密封件101之间密封。密封壳体300具有通路301，活塞杆100可被布置成穿过该通道并且在该通道中振荡。密封壳体300还可形成用于杆密封组件1的外壳或局部外壳。密封壳体300也可被称为密封板或杆密封板300。

在图1中，杆密封件101的示例性实施方式设置有内径，该内径朝向其上部部分102向外渐缩，使得该杆密封件具有比活塞杆100的在其上部部分102处的外径Dp稍大的内径Du。例如，杆密封件101的上部部分102处的上内径Du大于杆密封件101的下部锥形部分103的下内径D1，并且上内径Du由此大于活塞杆100的外径Dp，该外径基本上等于下内径D1。在此公开的所有实施方式都可以设置有这种杆密封件101。

在图1、图2、图4、图5、图7、图8、图9中公开的杆密封件101的示例性实施方式中，杆密封基部200形成用于杆密封件101的锥形座201。杆密封基部200和衬套400形成重叠250，以使衬套与杆密封基部200的、以及由此杆密封件101和活塞杆100的横向移动对准。

为了将杆密封件101的下部锥形部分103维持在杆密封件基部200内，力Fs朝向杆密封座200被施加到杆密封件101。力Fs是轴向力，即，其作用在杆密封件101的纵向延伸的方向上。力Fs可以由多个弹簧500提供。弹簧500可向围绕杆密封件101布置的衬套400施加力Fs。

衬套400径向地被布置在杆密封座200的圆柱形壁206内，或者衬套400在第一轴向方向AD1上延伸以与杆密封基部200在其基部部分200处对准。衬套400具有用于接触杆密封件101的部分401。弹簧500可以围绕衬套400以基本相等的周向距离布置。弹簧500可以在衬套400的径向外侧。也就是说，杆密封件101被设置在衬套400内，弹簧500被设置在衬套400的径向外侧。弹簧500可以被设置成与设置在衬套400的上部区域处的凸缘404连接。弹簧可以在其第一端处连接到衬套400的凸缘404，或者连接到在操作期间固定到衬套400的元件。弹簧的第二端连接到壳体300。

在图7中公开的示例性实施方式中，压力盘110被布置在壳体处，轴向上位于杆密封基部200上方。压力盘110在其基部中设置有第一环形槽和第二环形槽。环形槽设置有柔性密封环111、112。

第一环形槽具有直径D3，该直径限定了区域A3。

杆密封件基部200在其基部中具有凹部202。凹部202由从杆密封基部200在第一轴向方向AD1上延伸的一对壁限定，该对壁垂直于杆密封基部200的下表面的面。

凹部202具有设置在凹部202的最内壁处的第一密封件203。第一密封件203具有直径D1。直径D1限定和界定区域A1，该区域是径向上在第一密封件203内的区域。区域A1名义上是湿的，因此在该区域的摩擦通常低于在工作循环期间经受润滑的区域。

凹部202具有设置在凹部202的最外壁处的第二密封件204。也就是说，在第一密封件203的径向外侧。第二密封件204具有直径D2。

在热气发动机的曲轴箱中的压力(即低压区域LP)与热气发动机的汽缸中的工作气体(即高压区域HP)之间存在压力差ΔR。这个ΔR朝向杆密封座200在杆密封件101处向区域A1施加法向力。由于ΔR可为100巴的量级，该力可能是巨大的，并且在杆密封基部200的邻接壳体300的表面处引起磨损。

第二密封件204的直径大于设置上密封件111的环形槽的直径。

压力释放通道205设置在杆密封基部200中，从压力盘110上方的高压HP区域到槽202。压力释放通道205使高压工作气体能够进入槽202，从而使杆密封基部300的两个轴向侧上的压力相等。

通过以上述关系设置第二密封件204和上密封件111，杆密封基部200的相应轴向侧上的压力变得相同，由此杆密封基部200邻接壳体300处的法向力被最小化以基本等于由衬套400施加在杆密封件101上的力Fs。也就是说，在工作循环期间，仅多个弹簧500的力施加法向力并且可在杆密封座200处引起摩擦。

压力补偿根据以下关系发生，其中Dl、D2、D3如上文所定义，且Dp为活塞杆的直径。

D2²–D3²＝D1²-Dp²

在图7所公开的示例性实施方式中，凹部202的最内壁具有相对于凹部202的外壁减小的高度，从而可以消除凹部202的最内壁与密封壳体300之间的接触。密封壳体300设置有从热气发动机的润滑曲轴箱区域到凹部202的外壁的通道302。这导致区域A2可用来自活塞杆的润滑剂润滑，从而减少了摩擦和磨损。因此，弹簧500的力Fs仅作用在槽202的最外壁上，该最外壁被润滑，因此杆密封组件1的部件的摩擦和磨损被减小。

如前所述，密封壳体300可以抵靠汽缸2的壁密封。密封壳体300的径向周边303可以设置有环形槽304。环形槽304可容纳密封件305，例如O形环或类似的垫圈，该密封件将密封壳体相对于汽缸的壁密封。

图8和图9公开了杆密封组件1的两个实施方式，该杆密封组件设置有如图7中公开的实施方式的压力释放通道205和润滑通道302。图8和图9中的实施方式与图7中的实施方式之间的主要区别在于，在图8和图9中的实施方式中，压力板110被布置在壳体300的低压侧LP上的壳体板310代替。壳体板310可以被拧紧到或以类似的方式附接到壳体300。

图8中的实施方式与图9中的实施方式之间的差异在于，它们设置有不同类型的弹簧500，这两者都已经在前面描述过。

正如图7中公开的实施方式，在图8和图9中公开的实施方式中，通过压力释放通道205将内密封环203和外密封环204之间的空间202与来自高压区域HP的压力连接，并且暴露于来自高压区域HP的压力的杆密封基部200的上部轴向区域和下部轴向区域基本相等，使得它们的最终压力彼此抵消，从而实现压力平衡。还预见到，上部轴向区域和下部轴向区域之间的关系使得最终压力也至少部分地抵消弹簧力Fs，以便甚至更多地减小杆密封基部200和壳体之间的法向力。

本公开中使用的术语“轴向”和“纵向”意味着与活塞杆100的振荡轴线一致。即图1至图4中的上下方向。术语横向和径向通常是指垂直于活塞杆的振荡轴线。这些限定不是为了限制本公开，而仅仅是为了阐明与所提供的附图和本文描述的方面相关的术语。

尽管上面已经参考特定实施方式描述了本发明，但是本发明并不限于本文阐述的特定形式。相反，本发明仅由所附权利要求限定。

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