干氣密封技術專利現狀分析

＊李雷雷 韓婷

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心 江蘇 215000）

干氣密封技術專利現狀分析

＊李雷雷 韓婷

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心 江蘇 215000）

從專利角度對干氣密封技術進行分析，主要研究該領域國內外的專利申請發展趨勢、主要申請人分布以及關鍵技術的發展脈絡，為干氣密封技術的進一步發展提供專利信息。

干氣密封；型槽；專利

密封技術關系到應用設備的使用壽命、節能效果、環保性能等方面，因而其往往是設備研發的關鍵點。干氣密封(dry gas seal, DGS)的概念是20世紀60年代末在氣體潤滑軸承的基礎上發展起來的，是一種非接觸式機械密封，以螺旋槽密封最為典型，是目前一種先進的旋轉軸用動密封，其性能可靠，使用壽命長，功耗低，且能適應高溫、高壓、高速以及各種強腐蝕性介質等苛刻工況，因而在石油、化工、冶金、航空等行業中大量使用。本文從專利角度對干氣密封技術進行分析，主要研究該領域內國內外的專利申請發展趨勢、主要申請人分布以及關鍵技術的發展脈絡等信息，以期使相關人員了解干氣密封技術的發展狀況，把握研發關鍵。

1.干氣密封的結構及工作原理

干氣密封的結構與普通機械密封相似，所不同的是：動、靜環密封端面較寬，在動環或靜環的端面上加工出特殊形狀的型槽，如螺旋槽，其基本結構如圖1(a)所示，主要由靜環、動環、加載彈簧和O形圈組成，靜環和加載彈簧被安裝在靜環座中，并依靠O形圈進行二次密封，靜環在彈簧等載荷的作用下，可沿軸向自由移動，動環依靠軸套固定在旋轉軸上并隨軸旋轉。

以螺旋槽干氣密封為例，其工作原理如圖1（b）所示。動環或靜環端面上開有螺旋槽，整個端面分為槽區、堰區和壩區。槽區主要提供必需的流體動壓力，壩區主要阻擋氣體向內側流動以實現氣體被壓縮形成動壓效應，增大氣膜剛度，還可在密封停車時起密封作用。具體為：當動環按順時針方向旋轉時，螺旋槽將高壓側氣體向下泵入密封端面，氣體由外徑向中心流動，而壩區節制氣體流向中心，于是氣體被壓縮引起壓力升高，在槽根處形成一個高壓區，密封端面的氣膜壓力形成開啟力，在密封穩定運行時，該開啟力與作用在補償環背面的氣體壓力和彈簧力形成的閉合力平衡，從而實現非接觸運轉，密封端面間形成的氣膜厚度很薄，通常是微米級。

圖1 干氣密封的基本結構和工作原理

2.干氣密封專利申請整體狀況分析

(1)國內外專利申請發展現狀

圖2示出了1972-至今干氣密封領域國內外專利申請量趨勢，其中對于國外申請，其發展過程大致可以分為四個時期：

①萌芽期（1972-1987）：從1972年到1987年，屬于干氣密封技術的萌芽期，這一時期，每年的專利申請量只有1-2件。期間，主要是從事密封相關技術的企業開始了對干氣密封進行研究，最早為美國約翰.克蘭公司申請的螺旋槽端面密封專利。同時，干氣密封已經產業化應用到相關設備上，并取得了較好的密封效果。

②快速增長期（1988-1999）：該時期內，關于干氣密封的專利每年的申請量明顯增長，而且申請人數量相較之前也有大幅度增多，專利申請量和申請人數量的發展總體趨勢呈快速增長。究其原因，干氣密封技術的產業化應用以及較好的密封效果促使更多企業關注到干氣密封的研究上。

③平穩發展期（2000-2007）：該時期內，申請量相對于快速增長期的峰值稍有回落，但每年申請量依然保持在一定高值穩定發展，主要由于相關技術已經相對成熟。

④再次發展期（2008-至今）：這一時期，該領域的申請量呈現再次激增的態勢，可能是由于隨著相關技術的發展，研發者找到了新的技術突破點，并成為了很多企業或科研院所的研發熱點。

而對于中國國內的專利申請，總體發展滯后于國外，其發展過程大致可以分為兩個階段：第一階段為1992-2007年，從1992年國內第一個干氣密封相關的專利申請產生，在十五年左右的時間內，整體發展緩慢，屬于平緩發展期，并且在前十年時間內，以個人申請為主，其占據了該時期總體申請量的64%左右。究其原因，干氣密封技術起源于國外，但前期主要以期刊或者會議的形式發表，因此關注該領域的科研人員能夠最快接觸到相關技術；并且就干氣密封的特點而言，非常適合科研院所和個人作為科研課題進行研究。第二階段為2008-至今，在該時期內，中國專利申請總體呈現快速發展趨勢，并且在2008-2010年之間突飛猛進，隨后呈現平穩發展態勢。在這一時期內，開始有大量企業開始采用干氣密封技術，并將相關專利技術產業化，因此企業的專利申請量占有了一定比例。同時，浙江工業大學形成了以干氣密封為主要研究課題的團隊，在此期間申請了大量的相關專利，占據了第二時期申請量的26%左右。

圖2 干氣密封領域國內外歷年專利申請量趨勢

(2)國內外主要申請人分布

從表1可以看出，國外專利申請量排名靠前的申請人主要集中在美國、日本和德國三個國家，依次為美國的約翰.克蘭(CRAP)、日本的伊格爾(EAGL)、日本的三菱重工(MITO)、德國的博格曼(BURG)、美國的希洛爾(FLOW)、瑞士的蘇舍(SULZ)、日本的皮拉(NPPN)，其都為該領域著名的公司，說明這些公司在干氣密封領域技術水平較為先進。

從表2可以看出國內專利申請量排名前十位的申請人依次是：浙江工業大學、成都一通密封有限公司、西華大學、王玉明、大連華陽密封股份有限公司、昆明理工大學、天津鼎名密封有限公司、丹東克隆集團有限責任公司、江蘇大學、四川日機密封件有限公司。其中，高校占據了四席，表明干氣密封領域備受科研院所關注，其具有一定理論研究價值，從另一方面也說明了從理論方面研究不同結構形式的干氣密封的工作機理是實際應用的關鍵。對于其他申請人，主要為涉及密封件生產研發的企業，由此可以看出，這些企業已經開始注重自主知識產權產品的研發。

表1 國外申請人、國別及申請量統計

表2 國內申請人及申請量統計

3.核心技術發展路線分析

通過在密封端面設計不同形式型槽來改善端面流體流動狀況，增強氣體動壓效應，促進端面熱循環，保證密封動力學穩定性及撓性安裝環具有良好追隨性，是獲得性能優越并能適應特殊工況的干氣密封結構的關鍵。通過對干氣密封的端面型槽的全球專利進行分析，發現與端面型槽相關的專利申請量占據了總體申請量的52%左右，因此端面型槽的設計和優化一直是干氣密封研究的重點和熱點，受到了國內外企業和科研院所的廣泛關注。通過對端面型槽相關的專利申請進行總結，其技術發展脈絡主要包括以下三個方面：從端面型槽適用的旋轉工況角度來看，其發展過程為由單向旋轉到雙向旋轉；從端面型槽的槽深角度來看，其發展過程為由等深槽到變深槽；從端面型槽適用的旋轉速度角度來看，其發展過程為由高速旋轉到低速旋轉。

(1)由單向旋轉到雙向旋轉

1 9 7 2年約翰.克蘭公司提出的申請號為US19720246823[3]的專利申請在密封端面的設置多個螺旋槽，該螺旋槽從外徑向內徑逆時針方向延伸，1987年該公司提出的申請號為US19870060215[4]的專利申請在密封端面的設置多個螺旋槽，該螺旋槽從外徑向內徑順時針方向延伸，這兩種結構形式的干氣密封都只能適用于單向旋轉工況。為了擴大干氣密封的適用范圍，端面型槽由只適用于單向旋轉的工況逐漸發展為適用于雙向旋轉的工況，例如，1992年約翰.克蘭公司提出的申請號為US19920830195[5]的專利申請，其密封端面為具有尖角的圓周槽，可以為三角形槽或梯形槽等槽型，1994年博格曼公司提出的申請號為DE4409021[6]的專利申請在密封端面成型T型槽，其中潤滑槽比供給槽大，這兩種結構形式的干氣密封可以適用于雙向旋轉的密封形式。

(2)由等深槽到變深槽

早期的干氣密封都屬于等深槽的槽型，即在密封端面成型深度相等的槽，例如，申請號為US19720246823[3]和申請號為US19870060215[4]的專利申請，其中密封端面上的螺旋槽的深度相等。為了進一步提高螺旋槽干氣密封的密封性能，使其在減少密封泄漏量和功耗的同時，保持氣膜相當的剛度，并獲得特殊的密封效果，端面型槽由相等深度的型槽逐漸演變為深度不等的型槽，例如，1993年約翰.克蘭公司提出的申請號為US19930076542[7]的專利申請，其密封端面具有深淺間隔分布的型槽，其中淺槽在低速運行時提供更大的開啟力，而深槽在高速運行時提供更穩定的流體膜；1997年該公司提出的申請號為US19970791413[8]的專利申請，在密封端面具有不等深度的螺旋槽。

(3)由高速旋轉到低速旋轉

對于經典螺旋槽干氣密封其適用于高速旋轉工況，例如，申請號為US19720246823[3]的專利申請，其在高速旋轉設備中氣膜剛度大、運行穩定，但在低速低壓工況下存在動壓開啟力不足、端面開啟困難的問題，密封端面在未開啟狀態下停留時間過長會產生嚴重磨損，從而導致密封失效。隨著對干氣密封的研究和應用不斷深入，為了逐漸擴大干氣密封的應用范圍，20世紀90年代國外開始在中低轉速旋轉機械中應用干氣密封，例如，1998年約翰.克蘭公司提出的申請號為US19980020493[9]的專利申請，其在密封端面設置多個螺旋槽，每個螺旋槽由深度不同的兩部分槽構成，其中外徑處槽的深度大于內徑處槽的深度，2000年表面技術公司提出的申請號為US20000518237[10]的專利申請，其在密封端面設置多個規則排列的對稱微凹孔。

4.結論

首先，基于干氣密封領域國內外的相關專利申請，研究了該領域國內外的專利申請發展趨勢、主要申請人分布情況；再者，總結出干氣密封研發設計的關鍵點—端面型槽的技術發展脈絡，主要包括以下三個方面：從端面型槽適用的旋轉工況角度來看，其發展過程為由單向旋轉到雙向旋轉；從端面型槽的槽深角度來看，其發展過程為由等深槽到變深槽；從端面型槽適用的旋轉速度角度來看，其發展過程為由高速旋轉到低速旋轉，使研發人員把握研發關鍵。

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[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．

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

(責任編輯 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，國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心；研究方向：流體機械及密封。