干气密封技术专利现状分析

＊李雷雷 韩婷

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 江苏 215000）

干气密封技术专利现状分析

＊李雷雷 韩婷

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 江苏 215000）

从专利角度对干气密封技术进行分析，主要研究该领域国内外的专利申请发展趋势、主要申请人分布以及关键技术的发展脉络，为干气密封技术的进一步发展提供专利信息。

干气密封；型槽；专利

密封技术关系到应用设备的使用寿命、节能效果、环保性能等方面，因而其往往是设备研发的关键点。干气密封(dry gas seal, DGS)的概念是20世纪60年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的，是一种非接触式机械密封，以螺旋槽密封最为典型，是目前一种先进的旋转轴用动密封，其性能可靠，使用寿命长，功耗低，且能适应高温、高压、高速以及各种强腐蚀性介质等苛刻工况，因而在石油、化工、冶金、航空等行业中大量使用。本文从专利角度对干气密封技术进行分析，主要研究该领域内国内外的专利申请发展趋势、主要申请人分布以及关键技术的发展脉络等信息，以期使相关人员了解干气密封技术的发展状况，把握研发关键。

1.干气密封的结构及工作原理

干气密封的结构与普通机械密封相似，所不同的是：动、静环密封端面较宽，在动环或静环的端面上加工出特殊形状的型槽，如螺旋槽，其基本结构如图1(a)所示，主要由静环、动环、加载弹簧和O形圈组成，静环和加载弹簧被安装在静环座中，并依靠O形圈进行二次密封，静环在弹簧等载荷的作用下，可沿轴向自由移动，动环依靠轴套固定在旋转轴上并随轴旋转。

以螺旋槽干气密封为例，其工作原理如图1（b）所示。动环或静环端面上开有螺旋槽，整个端面分为槽区、堰区和坝区。槽区主要提供必需的流体动压力，坝区主要阻挡气体向内侧流动以实现气体被压缩形成动压效应，增大气膜刚度，还可在密封停车时起密封作用。具体为：当动环按顺时针方向旋转时，螺旋槽将高压侧气体向下泵入密封端面，气体由外径向中心流动，而坝区节制气体流向中心，于是气体被压缩引起压力升高，在槽根处形成一个高压区，密封端面的气膜压力形成开启力，在密封稳定运行时，该开启力与作用在补偿环背面的气体压力和弹簧力形成的闭合力平衡，从而实现非接触运转，密封端面间形成的气膜厚度很薄，通常是微米级。

图1 干气密封的基本结构和工作原理

2.干气密封专利申请整体状况分析

(1)国内外专利申请发展现状

图2示出了1972-至今干气密封领域国内外专利申请量趋势，其中对于国外申请，其发展过程大致可以分为四个时期：

①萌芽期（1972-1987）：从1972年到1987年，属于干气密封技术的萌芽期，这一时期，每年的专利申请量只有1-2件。期间，主要是从事密封相关技术的企业开始了对干气密封进行研究，最早为美国约翰.克兰公司申请的螺旋槽端面密封专利。同时，干气密封已经产业化应用到相关设备上，并取得了较好的密封效果。

②快速增长期（1988-1999）：该时期内，关于干气密封的专利每年的申请量明显增长，而且申请人数量相较之前也有大幅度增多，专利申请量和申请人数量的发展总体趋势呈快速增长。究其原因，干气密封技术的产业化应用以及较好的密封效果促使更多企业关注到干气密封的研究上。

③平稳发展期（2000-2007）：该时期内，申请量相对于快速增长期的峰值稍有回落，但每年申请量依然保持在一定高值稳定发展，主要由于相关技术已经相对成熟。

④再次发展期（2008-至今）：这一时期，该领域的申请量呈现再次激增的态势，可能是由于随着相关技术的发展，研发者找到了新的技术突破点，并成为了很多企业或科研院所的研发热点。

而对于中国国内的专利申请，总体发展滞后于国外，其发展过程大致可以分为两个阶段：第一阶段为1992-2007年，从1992年国内第一个干气密封相关的专利申请产生，在十五年左右的时间内，整体发展缓慢，属于平缓发展期，并且在前十年时间内，以个人申请为主，其占据了该时期总体申请量的64%左右。究其原因，干气密封技术起源于国外，但前期主要以期刊或者会议的形式发表，因此关注该领域的科研人员能够最快接触到相关技术；并且就干气密封的特点而言，非常适合科研院所和个人作为科研课题进行研究。第二阶段为2008-至今，在该时期内，中国专利申请总体呈现快速发展趋势，并且在2008-2010年之间突飞猛进，随后呈现平稳发展态势。在这一时期内，开始有大量企业开始采用干气密封技术，并将相关专利技术产业化，因此企业的专利申请量占有了一定比例。同时，浙江工业大学形成了以干气密封为主要研究课题的团队，在此期间申请了大量的相关专利，占据了第二时期申请量的26%左右。

图2 干气密封领域国内外历年专利申请量趋势

(2)国内外主要申请人分布

从表1可以看出，国外专利申请量排名靠前的申请人主要集中在美国、日本和德国三个国家，依次为美国的约翰.克兰(CRAP)、日本的伊格尔(EAGL)、日本的三菱重工(MITO)、德国的博格曼(BURG)、美国的希洛尔(FLOW)、瑞士的苏舍(SULZ)、日本的皮拉(NPPN)，其都为该领域著名的公司，说明这些公司在干气密封领域技术水平较为先进。

从表2可以看出国内专利申请量排名前十位的申请人依次是：浙江工业大学、成都一通密封有限公司、西华大学、王玉明、大连华阳密封股份有限公司、昆明理工大学、天津鼎名密封有限公司、丹东克隆集团有限责任公司、江苏大学、四川日机密封件有限公司。其中，高校占据了四席，表明干气密封领域备受科研院所关注，其具有一定理论研究价值，从另一方面也说明了从理论方面研究不同结构形式的干气密封的工作机理是实际应用的关键。对于其他申请人，主要为涉及密封件生产研发的企业，由此可以看出，这些企业已经开始注重自主知识产权产品的研发。

表1 国外申请人、国别及申请量统计

表2 国内申请人及申请量统计

3.核心技术发展路线分析

通过在密封端面设计不同形式型槽来改善端面流体流动状况，增强气体动压效应，促进端面热循环，保证密封动力学稳定性及挠性安装环具有良好追随性，是获得性能优越并能适应特殊工况的干气密封结构的关键。通过对干气密封的端面型槽的全球专利进行分析，发现与端面型槽相关的专利申请量占据了总体申请量的52%左右，因此端面型槽的设计和优化一直是干气密封研究的重点和热点，受到了国内外企业和科研院所的广泛关注。通过对端面型槽相关的专利申请进行总结，其技术发展脉络主要包括以下三个方面：从端面型槽适用的旋转工况角度来看，其发展过程为由单向旋转到双向旋转；从端面型槽的槽深角度来看，其发展过程为由等深槽到变深槽；从端面型槽适用的旋转速度角度来看，其发展过程为由高速旋转到低速旋转。

(1)由单向旋转到双向旋转

1 9 7 2年约翰.克兰公司提出的申请号为US19720246823[3]的专利申请在密封端面的设置多个螺旋槽，该螺旋槽从外径向内径逆时针方向延伸，1987年该公司提出的申请号为US19870060215[4]的专利申请在密封端面的设置多个螺旋槽，该螺旋槽从外径向内径顺时针方向延伸，这两种结构形式的干气密封都只能适用于单向旋转工况。为了扩大干气密封的适用范围，端面型槽由只适用于单向旋转的工况逐渐发展为适用于双向旋转的工况，例如，1992年约翰.克兰公司提出的申请号为US19920830195[5]的专利申请，其密封端面为具有尖角的圆周槽，可以为三角形槽或梯形槽等槽型，1994年博格曼公司提出的申请号为DE4409021[6]的专利申请在密封端面成型T型槽，其中润滑槽比供给槽大，这两种结构形式的干气密封可以适用于双向旋转的密封形式。

(2)由等深槽到变深槽

早期的干气密封都属于等深槽的槽型，即在密封端面成型深度相等的槽，例如，申请号为US19720246823[3]和申请号为US19870060215[4]的专利申请，其中密封端面上的螺旋槽的深度相等。为了进一步提高螺旋槽干气密封的密封性能，使其在减少密封泄漏量和功耗的同时，保持气膜相当的刚度，并获得特殊的密封效果，端面型槽由相等深度的型槽逐渐演变为深度不等的型槽，例如，1993年约翰.克兰公司提出的申请号为US19930076542[7]的专利申请，其密封端面具有深浅间隔分布的型槽，其中浅槽在低速运行时提供更大的开启力，而深槽在高速运行时提供更稳定的流体膜；1997年该公司提出的申请号为US19970791413[8]的专利申请，在密封端面具有不等深度的螺旋槽。

(3)由高速旋转到低速旋转

对于经典螺旋槽干气密封其适用于高速旋转工况，例如，申请号为US19720246823[3]的专利申请，其在高速旋转设备中气膜刚度大、运行稳定，但在低速低压工况下存在动压开启力不足、端面开启困难的问题，密封端面在未开启状态下停留时间过长会产生严重磨损，从而导致密封失效。随着对干气密封的研究和应用不断深入，为了逐渐扩大干气密封的应用范围，20世纪90年代国外开始在中低转速旋转机械中应用干气密封，例如，1998年约翰.克兰公司提出的申请号为US19980020493[9]的专利申请，其在密封端面设置多个螺旋槽，每个螺旋槽由深度不同的两部分槽构成，其中外径处槽的深度大于内径处槽的深度，2000年表面技术公司提出的申请号为US20000518237[10]的专利申请，其在密封端面设置多个规则排列的对称微凹孔。

4.结论

首先，基于干气密封领域国内外的相关专利申请，研究了该领域国内外的专利申请发展趋势、主要申请人分布情况；再者，总结出干气密封研发设计的关键点—端面型槽的技术发展脉络，主要包括以下三个方面：从端面型槽适用的旋转工况角度来看，其发展过程为由单向旋转到双向旋转；从端面型槽的槽深角度来看，其发展过程为由等深槽到变深槽；从端面型槽适用的旋转速度角度来看，其发展过程为由高速旋转到低速旋转，使研发人员把握研发关键。

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[6]BURGMANN DICHTUNGSWERK FEODOR． Gas Lubricated Contact-free Rotating Mechanical Seal:DE4409021 [P]．Sep．21-1994．

[7]CRANE JOHN UK LTD． Mechanical Seal Containing a S-ealing Face with Grooved Regions which Generate Hydrodynamic Lift between the Sealing Faces:US19930076542 [P]．Mar．5-1994．

[8]CRANE JOHN INC．Spiral Groove Face Seal: US199707-91413[P]．Mar．3-1998．

[9]CRANE JOHN INC． Gas Lubricated Slow Speed Seal: US19980020493[P]．Nov．7-2000．

[10]SURFACE TECHNOLOGIES LTD． Lubricated Seals Having Micropores:US20000518237[P]．Jan．29-2002．

(责任编辑 李田田)

Analysis of Patent Current Situation of Dry Gas Seal Technique

Li Leilei, Hanting
（Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of the Patent Of fice, Sipo, Jiangsu, 215000）

The paper analyzes the dry gas seal technique from the aspect of patent ,mostly studies the developing trend of domestic and overseas patents of the field，distributing of main applicants, and development grain of the key technology, which provides patent information for further development of the field of the dry gas seal.

dry gas seal；grooved surface；patent

T

A

李雷雷（1987～），男，国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心；研究方向：流体机械及密封。