CN107208618A - 流体缓冲密封装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在气缸(102)中移动并与所述气缸(102)一起限定有待密封的腔室(104)的活塞(101)的流体缓冲密封装置(100)包括：连续穿孔环(105)，校准开口(111)穿过所述连续穿孔环(105)的径向厚度，并且所述连续穿孔环(105)密封地容纳在设置在所述活塞(101)中的环形凹槽(109)中以便与所述凹槽(109)一起限定连接到加压流体源(112)的压力分布腔室(119)，同时轴向封闭反压凹部(115)设置成凹陷在面向所述气缸(102)并且所述连续穿孔环(105)所包括的外圆柱环表面(107)上，所述校准开口(111)通向所述凹部(115)。

Description

流体缓冲密封装置

本发明涉及流体缓冲密封装置。

存在用于在活塞与气缸之间产生密封的许多技术，以便防止压缩气体在所述活塞与所述气缸之间泄漏。

几个活塞在没有密封段、环或装置的情况下工作，因为没有此类装置导致相当大的泄漏流量。因此，在大多数情况下，有必要提供用于所述活塞的密封装置。

在没有油的情况下工作的用于活塞的密封装置(被称为“干”)和被设计成由插入在构成所述装置的段或环与和它们协作的气缸之间的油进行润滑来运行的用于活塞的密封装置之间存在差别。

用于活塞的密封装置的设计由所述装置获得的密封程度、由于所述装置引起的摩擦导致的能量损耗以及所述装置的使用寿命之间的折中。

主要区分在于用于交替活塞的密封装置的两个使用领域：压缩机和电动机。

通常使用干空气压缩机，因为许多应用不容忍它们使用的压缩空气中的任何润滑剂。配备干空气压缩机的活塞主要配备有由“Teflon”制成的密封环，“Teflon”是由美国公司“Dupont de Nemours”为聚四氟乙烯(也称为“PTFE”)登记的商标。这种聚合物是热稳定的，它具有高度的化学惰性和高的抗粘着力。然而，PTFE的缺点是其摩擦系数明显高于在其大部分的行进中在流体动力状态下确保润滑的切断段的摩擦系数。为了给予聚合物可接受的耐磨性和可接受的使用寿命，在PTFE中使用填料是可能的，所述填料由硬颗粒和固体抗磨颗粒(例如像陶瓷或焦炭)组成。不管这些改进如何，由铸铁或钢制成的润滑切断段通常具有比由PTFE制成的装置更好的耐用性。

在交替内燃热力发动机领域，很少使用由PTFE和填料制成的环，因为用油润滑所述发动机的气缸是可能的而对所述发动机的操作没有不利影响。因此，优选的是，选择由铸铁制成的润滑切断段，所述润滑切断段由于摩擦产生较少的能量损耗，并且比由PTFE制成的环具有更好的耐用性。

因此，根据应用，必须在在干燥情况下操作但由于摩擦产生高损耗并且耐用性较差的密封环与由于摩擦而耗散较少的能量并且使用寿命更长的用油润滑的金属切断段之间做出选择。在实践中，并且在大多数情况下，只需要保持空气干燥和无油就可证明选择在干燥情况下操作的密封环是正确的。

还应当注意到，除了需要保持压缩空气或气体摆脱润滑剂的存在之外，一些高温应用与润滑本身不兼容。实际上，超过一定温度时，油变得焦化并且失去其与压缩机的内壁，并且具体是其气缸和/或其段的接触时的润滑性能。常规矿物油的极限焦化温度在一百六十与二百摄氏度之间。在这个标准方面具有最佳性能的合成油在最好的情况下具有约三百摄氏度的极限焦化温度。

如果在操作期间达到的温度更高，例如，大约四百五十至五百摄氏度，那么存在如发生在柴油发动机中的空气中所含有的油自燃的风险。

然而，将有利的是，能够生产配备有在大约一千摄氏度并且以上的更高温度下工作的压力释放气缸、气缸盖和活塞顶的热力发动机是有利的。在这种情况下，可使用容积活塞机来实现按照常规由压缩机和离心轮机实现的布雷顿循环再生式发动机。这种发动机的产量可显着高于具有奥托(Otto)或Beau de Rochas循环控制点火或狄塞尔循环压缩点火的常规交替内燃热力发动机的产量。

然而，在这种情况下，常规内燃机的活塞段的润滑是不可能的，因为没有油可抵抗大约一千摄氏度或更高的温度，而不立即燃烧或焦化。因此，使用由铸铁或钢制成的切断段是不可能的，因为所述段需要润滑以进行操作。类似地，提供其熔点在大约仅三百三十摄氏度的温度下的PTFE段或类似段是不可能的。

除了高的操作温度之外，还将有利的是，能够设计、生产并出售非润滑活塞式压缩机，所述非润滑活塞式压缩机产生干空气，并且与常规PTFE环允许的对比，所述非润滑活塞式压缩机的由于在其活塞密封装置的位置处的摩擦而导致的能量损耗受到限制。

为了克服具体用于压缩机和交替发动机的活塞的密封装置的限制的目的，根据本发明的流体缓冲密封装置允许以下操作：

●具体特别紧密的密封；

●不需要润滑；

●由于摩擦而产生的损耗最小；

●与加热到大约一千摄氏度并且以上的非常高的温度的活塞和/或气缸兼容；

●不与气缸接触，并且因此坚固且耐用。

应当注意到，根据本发明的流体缓冲密封装置的应用领域可以延伸到任何其他线性和/或交替的机器，并且具体地延伸到任何气体千斤顶、压力放大器或蓄压器，这些实例是在非限制性的基础上给出的，并且通常延伸到其能量性能和/或效率可由所述装置提高或其应用领域可由所述装置延伸的任何设备。

在大多数应用中，根据本发明的流体缓冲密封装置旨在提供气密密封。然而，在一些应用中，所述装置可用于提供液密密封，并且因此成为以相同的方式操作并产生相同的结果的流体缓冲密封装置。通过根据本发明的流体缓冲密封装置密封液体可能例如对于特别是在工业中使用的某些活塞泵来说是真正的优点。

本发明的其他特征在说明书和直接或间接从属于主权利要求的从属权利要求中进行描述。

根据本发明的流体缓冲密封装置被设计用于活塞，所述活塞可在气缸中并且沿与所述气缸相同的轴线以纵向平移的方式移动，所述活塞和所述气缸与至少一个气缸盖一起限定有待密封的腔室，所述密封装置包括：

●至少一个连续穿孔环，所述连续穿孔环包括内圆柱环表面、外圆柱环表面以及两个轴向环表面，所述环容纳在设置在所述活塞中或所述气缸中的至少一个环形凹槽，同时所述环能够在所述环形凹槽中径向移动，而不会离开所述环形凹槽；

●环形密封构件，所述环形密封构件在每个轴向环表面与环形凹槽之间产生密封，以使得所述环形凹槽与所述连续穿孔环一起限定通过传递电路连接到加压流体源的压力分布腔室；

●至少一个校准开口，所述至少一个校准开口彻底穿过所述连续穿孔环的径向厚度；

●所述连续穿孔环所包括的至少一个流体缓冲承载表面，所述承载表面布置在与所述压力分布腔室相对的侧面上。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括在环形凹槽设置在活塞中的情况下设置成凹陷在外圆柱环表面上的轴向封闭反压凹部，以使得不由接收所述凹部的外圆柱环表面的反压凹部占用的表面构成流体缓冲承载表面。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括在所述环形凹槽设置在所述气缸中的情况下设置成凹陷在所述内圆柱环表面上的轴向封闭反压凹部，以使得不由接收所述凹部的所述内圆柱环表面的所述反压凹部占用的表面构成所述流体缓冲承载表面。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括反压凹部，所述反压凹部由几乎在接收所述凹部的所述外圆柱环表面或所述内圆柱环表面的轴向长度上居中的具有小深度的反压凹槽组成，所述反压凹槽在所述外圆柱环表面或所述内圆柱环表面的整个圆周上产生。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括校准开口，所述校准开口通往所述反压凹部。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括校准开口，所述校准开口通过设置成凹陷在所述反压凹部的底部处的压力分布凹部通往所述反压凹部。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括压力分布凹部，所述压力分布凹部由几乎在接收所述反压凹部的所述外圆柱环表面或所述内圆柱环表面的所述轴向长度上居中的压力分布凹槽组成，所述压力分布凹槽在所述外圆柱环表面或所述内圆柱环表面的整个圆周上产生。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括其上设置有所述反压凹部的所述外圆柱环表面或所述内圆柱环表面的两个轴向边缘中的至少一个，所述两个轴向边缘中的至少一个终止于边缘电镀余隙。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括环形密封构件，所述环形密封构件由环形密封唇缘组成，所述环形密封唇缘一方面固定到所述连续穿孔环，并且另一方面形成与所述环形凹槽的内部或轮缘的密封接触。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括环形密封构件，所述环形密封构件由设置在所述连续穿孔环的轴向端部中的至少一个附近的轴向薄部分组成，所述部分密封地固定到所述环形凹槽并且具有足够的柔性以允许所述连续穿孔环的直径相对于所述凹槽的直径增大或减小。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括连续穿孔环，所述连续穿孔环由柔性材料组成并且包括至少一个周向环形弹簧，如果所述环形凹槽设置在所述活塞中，那么所述圆周环形弹簧倾向于减小所述环的所述直径，或者如果所述环形凹槽设置在所述气缸中，那么所述圆周环形弹簧倾向于增大所述环的所述直径。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括压力分布腔室，所述压力分布腔室容纳环形流体分散构件，所述环形流体分散构件迫使源自所述压力传递电路的所述环形流体在通过所述校准开口逸出之前，在所述环形凹槽设置在所述活塞中的情况下扫过所述内圆柱环表面的可能最大的区域，或者在所述环形凹槽设置在所述气缸中的情况下扫过所述外圆柱环表面的可能最大的区域。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括环形流体分散构件，所述环形流体分散构件由容纳在所述环形凹槽的底部处的分散板组成，所述板的轴向端部中的至少一个设置有至少一个横向分散板开口或凹槽，所述至少一个横向分散板开口或凹槽迫使源自所述压力传递电路的所述环形流体通过其轴向端部中的至少一个通向所述压力分布腔室。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括环形凹槽，所述环形凹槽具有径向环形邻接件，所述径向环形邻接件限制所述连续穿孔环贯穿到所述凹槽中。

如果所述环形凹槽设置在所述活塞中，那么根据本发明的流体缓冲密封装置包括压力传递电路，所述压力传递电路由与所述气缸平行并固定到所述活塞的压力进气管组成，所述管的第一端部通向所述活塞的内部，同时所述管的第二端部通过它可在其中通过纵向且密封地平移而移动的压力腔室钻孔通向连接到所述加压流体源的压力腔室。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括压力进气管，所述压力进气管通过至少一个径向压力进气管道连接到所述压力分布腔室。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括压力腔室，所述压力腔室通过比例压力单向阀连接到所述加压流体源，所述比例压力单向阀允许所述环形流体从所述源流到所述腔室而不是从所述腔室流到所述源。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括环形凹槽，所述环形凹槽容纳膨胀弹簧，所述膨胀弹簧抵靠在所述凹槽上，以便在所述环形凹槽设置在所述活塞中的情况下对所述内圆柱环表面施加径向力，或者在所述环形凹槽设置在所述气缸中的情况下对所述外圆柱环表面施加径向力。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括膨胀弹簧，所述膨胀弹簧通过接触在所述环形凹槽与所述连续穿孔环之间产生密封。

根据本发明的流体缓冲密封装置包括膨胀弹簧，所述膨胀弹簧设置有至少一个流体分散开口和/或至少一个流体分散凹槽，以便与所述开口和/或所述凹槽一起构成所述环形流体分散构件。

以下参考仅作为非限制性实例给出的附图的描述将使得可能更好地理解本发明、其特征以及其能够获得的优点：

图1是根据本发明的流体缓冲密封装置的图解剖视图，环形密封构件由O形环密封件组成。

图2是根据本发明的流体缓冲密封装置的图解剖视图，环形凹槽具有限制连续穿孔环贯穿所述凹槽的径向环形邻接件，同时所述环由柔性材料组成并且包括周向环形弹簧。

图3和图4分别是根据本发明的流体缓冲密封装置的图解剖视图和分解三维视图，环形凹槽容纳通过接触在环形凹槽与连续穿孔环之间产生密封的膨胀弹簧，所述弹簧还设置有流体分散开口，以便构成环形流体分散构件。

图5和图6分别是根据本发明的流体缓冲密封装置的图解剖视图和分解三维视图，分散板设置有容纳在环形凹槽的底部处的横向分散板凹槽，同时固定到连续穿孔环的环形密封唇缘构成环形密封构件，并且连续穿孔环包括边缘电镀余隙。

图7和图8分别是根据本发明的流体缓冲密封装置的图解剖视图和分解三维视图，环形凹槽容纳设置有流体分散开口和流体分散凹槽的膨胀环以便构成环形流体分散构件，同时环形密封构件由设置在连续穿孔环的轴向端部附近的轴向薄部分组成。

图9和图10是示出根据本发明的流体缓冲密封装置的操作的图解剖视图，环形密封构件由O形环密封件组成。

图11是再生热力发动机的一部分的三维剖面图，所述再生热力发动机的活塞设置有根据本发明的流体缓冲密封装置。

图12是再生热力发动机的一部分的分解三维视图，所述再生热力发动机的活塞配备有根据本发明的流体缓冲密封装置。

具体实施方式

图1至图12示出流体缓冲密封装置100、其部件的各种细节、其变型以及其附件，其中流体可以是空气或液体。

根据本发明的流体缓冲密封装置100被设计用于活塞101，所述活塞101可通过在气缸102中并且沿与所述气缸102相同的轴线纵向平移来移动，所述活塞101和所述气缸102与至少一个气缸盖103一起限定有待密封的腔室104。

如图1至图12所示，根据本发明的流体缓冲密封装置100包括至少一个连续穿孔环105，所述至少一个连续穿孔环105包括内圆柱环表面106、外圆柱环表面107以及两个轴向环表面108。

环105容纳在设置在活塞101中或气缸102中的至少一个环形凹槽109中，同时所述环105可在环形凹槽109中径向移动而不会离开环形凹槽109。

应当注意到，如果环形凹槽109设置在气缸102中，那么活塞101是柱塞。

可以观察到，在所有情况下，如果所述凹槽109设置在活塞101中或轴向固定到气缸102，如果所述凹槽109设置在气缸102中，则环形凹槽109直接地或间接地将连续穿孔环105轴向固定到活塞101。

具体地在图1至图10中，可以看出，根据本发明的流体缓冲密封装置100包括在每个轴向环表面108与环形凹槽109之间产生密封的环形密封构件110，以使得环形凹槽109与连续穿孔环105一起限定通过传递电路114连接到加压流体源112的压力分布腔室119。

还将注意到，环形密封构件110可由O形环密封件132、唇形密封件、复合密封件或本身已知而不管材料或几何形状可能是什么的任何其他密封件或密封段组成。

还应注意到，面向环形凹槽109的内圆柱环表面106或外圆柱环表面107可以是非圆柱形的旋转对称形状，以使得连续穿孔环105的任何厚度变化在其轴向长度上是可能的，所述环105可能是通过抛光或冲压而变形的简单的圆形金属片，或者是使用任何切削或磨削工具通过轧制或本领域的技术人员已知的任何其他电化学方法或其他生产方法产生的零件。

图1至图10使得人员能够观察到，根据本发明的流体缓冲密封装置100包括彻底穿过连续穿孔环105的径向厚度的至少一个校准开口111。应当注意到，开口111的第一端部在内圆柱环表面106上开放，同时所述开口111的第二端部在外圆柱环表面107上开放。

在图1至图3、图5、图7和图9至图11中，还可以看出，根据本发明的流体缓冲密封装置100包括至少一个加压流体源112，加压环形流体113从所述加压流体源112中流出，所述流体源112的出口通过压力传递电路114连接到压力分布腔室119，以使得环形流体113对内圆柱环表面106(如果环形凹槽109设置在活塞中)或对外圆柱环表面107(如果所述环形凹槽109在气缸102中产生)施加压力。

应当注意到，环形流体113同样可以是气体或液体，并且其所受到的压力总是大于在有待密封的腔室104中存在的压力。作为上述的结果，连续穿孔环105的直径由于所述环105的弹性在环形流体113的压力作用下增大，以使得外圆柱环表面107倾向于接近气缸102(如果环形凹槽109设置在活塞101中)，或者连续穿孔环105的直径由于其弹性和环形流体113的压力的组合效应而减小，以使得内圆柱环表面106倾向于接近活塞101(如果环形凹槽109设置在气缸102中)。

还应当注意到，鉴于源自加压流体源112的环形流体113的流速来计算校准开口111的直径，以使得所述环形流体113根据情况对内圆柱环表面106或外圆柱环表面107施加的压力总是保持大于有待密封的腔室104中存在的压力。

可以看出，加压流体源112可以是活塞、叶片、螺钉或离心式气动流体压缩机120或本领域的技术人员已知的任何其他类型的气动流体压缩机、或活塞、齿轮或叶片式液压泵或本身已知的任何其他类型的液压泵。可以是液压泵的气动流体压缩机120可与或可不与本身已知的蓄压器协作。应当注意，细网状环形流体过滤器138可安装在气动流体压缩机120的上游或下游，以便从环形流体113除去超过一定大小的所有颗粒，之后将所述流体113引入到压力分布腔室119中。

图1至图10示出根据本发明的流体缓冲密封装置100包括连续穿孔环105，所述连续穿孔环105包括布置在与压力分布腔室119相对的侧面上的至少一个流体缓冲承载表面116。

流体缓冲密封装置100包括在环形凹槽106设置在活塞101中的情况下设置成凹陷在外圆柱环表面107上的轴向封闭反压凹部115，以使得不由接收所述凹部115的外圆柱环表面107的反压凹部115占用的表面构成流体缓冲承载表面116。

根据一种变型，流体缓冲密封装置100可包括在环形凹槽设置在活塞102中的情况下设置成凹陷在内圆柱环表面107上的轴向封闭反压凹部115，以使得不由接收所述凹部115的内圆柱环表面106的反压凹部115占用的表面构成流体缓冲承载表面116。

应当注意到，反压凹部115的程度可以具有从最小尺寸(即相当于校准开口111的口部的非零半径)到最大尺寸(即仅仅可感知地小于接收所述凹部115的外圆柱环表面107或内圆柱环表面106的尺寸)的任何尺寸。指定活塞101可在环形凹槽109的附近包括减压凹槽或狭槽或任何其他内部沟道或具有将所述附近部位连接到有待密封的腔室104的任何类型的表面的沟道。

在图1至图10所示的根据本发明的流体缓冲密封装置100的实施方案变型中，反压凹部115可由几乎在接收所述凹部115的外圆柱环表面107或内圆柱环表面106的轴向长度上居中的具有小深度的反压凹槽117组成，所述反压凹槽117在所述外圆柱环表面107或所述内圆柱环表面106的整个圆周上产生，界定所述反压凹槽117的环形表面各自构成流体缓冲承载表面116。

在图3至图10所示的另一个变型中，校准开口111可通过设置成凹陷在所述反压凹部115的底部处的压力分布凹部125通向反压凹部115。

此外，图3至图10示出压力分布凹部125可由几乎在接收反压凹部115的外圆柱环表面107或内圆柱环表面106的轴向长度上居中的压力分布凹槽126组成，所述压力分布凹槽126在所述外圆柱环表面107或所述内圆柱环表面106的整个圆周上产生。

另外，图5和图6示出接收反压凹部115的外圆柱环表面107或内圆柱环表面106的两个轴向边缘中的至少一个可以终止于边缘电镀余隙118，所述边缘电镀余隙118允许压力分布腔室119所含有的环形流体113的压力对与所述边缘电镀余隙118并列的流体缓冲承载表面116施加局部更大的力。

图5和图6还示出环形密封构件110可由环形密封唇缘121组成，所述环形密封唇缘121一方面固定到连续穿孔环105，并且另一方面形成与环形凹槽109的内部或轮缘的密封接触，其中所述密封唇缘121可作为添加件安装在连续穿孔环105上，或由与所述环105同一块材料制造。应当注意到，可替代地，环形密封唇缘121一方面可固定到环形凹槽109，并且另一方面形成与连续穿孔环105的密封接触。在这种情况下，所述唇缘121可作为添加件安装在环形凹槽109上或环形凹槽109的轮缘上，或者它可由与所述凹槽109同一块材料制造。

图7和图8示出根据本发明的流体缓冲密封装置100的另一个实施方案变型，根据所述另一个实施方案变型，环形密封构件110可由设置在连续穿孔环105的轴向端部中的至少一个附近的轴向薄部分139组成，所述部分139密封地固定到环形凹槽109并且具有足够的柔性以允许连续穿孔环105的直径相对于所述凹槽109的直径增大或减小。应当注意到，轴向薄部分139被设计成使得构成它的材料在任何情况下都不会由于环形流体113的压力的影响或由于与所述材料的耐疲劳极限不相容的反复应力而冒屈服的风险。

关于图2，其示出连续穿孔环105可由柔性材料组成并且包括至少一个周向环形弹簧123，如果环形凹槽106在活塞101中产生，那么所述周向环形弹簧123倾向于减小所述环105的直径，或者如果环形凹槽106在气缸102中产生，那么所述周向环形弹簧123倾向于增大所述环105的直径。应当注意到，所述柔性材料可以是可具有或可不具有抗磨损或抗摩擦颗粒的填料的弹性体或聚合物，同时周向环形弹簧123可包括在所述材料中或通过凹槽、外壳或邻接件保持在所述材料的表面上。周向环形弹簧123可以是类似螺旋形的阀杆密封弹簧，可以是狭缝装置，或者可以是能够实现所期望的功能的任何其他类型的弹簧。

从图3至图8可以得知，压力分布腔室119可容纳环形流体分散构件124，所述环形流体分散构件124迫使源自压力传递电路114的环形流体113在通过校准开口111逸出之前，在环形凹槽106设置在活塞101中的情况下扫过内圆柱环表面106的可能最大的区域，或者在环形凹槽106设置在气缸102中的情况下扫过外圆柱环表面107的可能最大的区域。这种布置允许环形流体113冷却连续穿孔环105，所述连续穿孔环105将其热量中的一些释放到流体113。

根据本发明的流体缓冲密封装置100的图5和图6所示的另一个变型在于，环形流体分散构件124可由容纳在环形凹槽106的底部处的分散板136组成，所述板136的所述轴向端部中的至少一个设置有至少一个横向分布板开口或凹槽137，所述横向分布板开口或凹槽137迫使源自压力传递电路114的环形流体113通过其轴向端部中的至少一个流入压力分布腔室119中。

在图2中，还可以看出，环形凹槽109可具有限制连续穿孔环105贯穿到所述凹槽109中的径向环形邻接件127，所述邻接件127可能是(以非限制性方式)构成环形凹槽109的底部的圆柱表面、或者是布置在所述凹槽109的底部处的至少一个圆形脊或凸起部分，或者是设置在所述凹槽109的两个边缘中的至少一个上的至少一个斜面或轮缘。

此外，图11和图12示出如果环形凹槽109设置在活塞101中，那么压力传递电路114可由与气缸102平行并固定到活塞101的压力进气管128组成，所述管128的第一端部通向所述活塞101的内部，同时所述管128的第二端部通过它可在其中通过纵向且密封地平移而移动的压力腔室钻孔130通向连接到加压流体源112的压力腔室129。应当注意到，压力进气管128的通过在压力腔室钻孔130中平移而移动的第二端部可包括在所述钻孔130中滑动以产生密封的密封件。可替代地，压力腔室钻孔130可包括围绕压力进气管128的所述第二端部滑动以产生密封的密封件。

图11示出压力进气管128可通过至少一个径向压力进气管道131连接到压力分布腔室119，所述径向压力进气管道131可在大多数的活塞101中产生，或者可例如通过对可包括或可不包括密封垫圈和/或膨胀接头的管进行电镀来添加到活塞101。

还将注意到，压力腔室129可通过比例压力单向阀连接到加压流体源112，所述比例压力单向阀允许环形流体113从所述源112流到所述腔室129而不是从所述腔室129流到所述源112。这种特定布置使得可能使用压力进气管128的第二端部的往复运动产生的压力腔室129的容积的变化，以便在活塞101处于其上止点附近时增加压力分布腔室119中存在的压力。

在根据本发明的流体缓冲密封装置100的另一个实施方案变型中，图3、图4、图7、图8和图12示出环形凹槽109可容纳膨胀弹簧133，所述膨胀弹簧133抵靠在所述凹槽109上，以便在环形凹槽106设置在活塞101中的情况下对内圆柱环表面106施加径向力，或者在环形凹槽106设置在气缸102中的情况下对外圆柱环表面107施加径向力，所述弹簧133可能是螺旋弹簧、片弹簧、波形弹簧或本领域的技术人员已知的某类型的弹簧。

具体地在图3、图4、图7和图8中，应当注意到，膨胀弹簧133可通过接触在环形凹槽109与连续穿孔环105之间产生密封。

所述图还示出膨胀弹簧133可设置有至少一个流体分散开口134和/或至少一个流体分散凹槽135，以便与所述开口134和/或所述凹槽135一起形成环形流体分散构件124。

发明操作：

考虑到具体地示出由O形环密封件132组成的环形密封构件110的图9和图10，根据本发明的流体缓冲密封装置100的操作是可以理解的。

根据图9和图10所示的密封装置100的非限制性实施方案实例，环形凹槽109设置在活塞101中而不是在气缸102中。因此，压力分布腔室119位于内圆柱环表面的106侧面上。

应当注意到，在所述图9和图10中，已添加由圈封闭的符号“+”和“-”，以说明一方面在压力分布腔室119中存在的压力与另一方面在压力分布凹槽126、反压凹槽117和有待密封的腔室104中存在的压力之间的差异。

我们将假设有待密封的腔室104中存在的最大压力为二十巴，同时加压流体源112产生环形流体113的其最大压力为四十巴的流量。

图9示出在加压流体源112刚刚开始递送环形流体113并且压力分布腔室119刚刚开始增加压力时的根据本发明的流体缓冲密封装置100。我们将假设在这个阶段，有待密封的腔室104中存在的压力仍然只是一巴绝对压力。

可以观察到，已具体地通过O形环132来密封压力分布腔室119，环形流体113除了通过校准开口111之外没有出口来从所述腔室119逸出。在图9所示的根据本发明的流体缓冲密封装置100的操作阶段，尚未建立源自加压流体源112的环形流体113的完全流动，以使得压力分布腔室119中存在的压力只是十巴。

尽管加压流体源112尚未产生四十巴的压力，但是可以观察到，尽管环形流体113通过校准开口111逸出，但是连续穿孔环105开始膨胀，因为压力分布腔室119中存在的压力高于压力分布凹槽126、反压凹槽117和有待密封的腔室104中存在的压力。

连续穿孔环105的膨胀由虚线箭头表示。通过校准开口111逸出的环形流体113的流动分别经由压力分布凹槽126、反压凹槽和由在活塞101与气缸102之间留下的余隙形成的空隙与有待密封的腔室104汇合。

还将注意到，校准开口111的横截面和环形流体113的由加压流体源112产生的流动被计算，以使得当流动确实由所述源112产生时，四十巴的压力可维持在压力分布腔室119中，尽管环形流体113通过校准开口111逸出。这相当于说，如果没有障碍限制连续穿孔环105的膨胀，连续穿孔环105接收来自加压流体源112的环形流体113的足够的流量，以便像在连续穿孔环105被完全密封的情况下膨胀地那样多，即像在连续穿孔环105不具有校准开口111的情况下膨胀地那样多。

关于连续穿孔环105的径向厚度，将构成所述环105的材料的弹性考虑在内来计算所述径向厚度，当四十巴的压力施加到内圆柱环表面106时，连续穿孔环105的外径至少等于乃至大于气缸102的内径。

随着压力在压力分布腔室119中逐渐升高，连续穿孔环105的直径增加，直到流体缓冲承载表面116是距气缸102的壁非常短的距离。这是图10所表示的。

在根据本发明的流体缓冲密封装置100的这个操作阶段，在流体缓冲承载表面116与气缸102之间产生显着的压力损失，所述损失抵抗环形流体113的通过。因此，压力分布凹槽126和反压凹槽117中存在的压力增加到接近于压力分布腔室119中存在的压力的点。由此，结果是所述腔室119中存在的压力不再对连续穿孔环105施加径向力，除了在液体缓冲承载表面116处之外。在这之后，由于弹簧的特性赋予连续穿孔环105使其抵抗膨胀的弹性，连续穿孔环105缩回，这具有以下影响：一方面减少流体缓冲承载表面116与气缸102之间的负荷损失，并且另一方面，降低压力分布凹槽126和反压凹槽117中存在的压力，这再次引起连续穿孔环105膨胀。

如可以观察到的，一方面由连续穿孔环105的刚度产生的抵抗连续穿孔环105的膨胀的收缩力以及另一方面流体缓冲承载表面116与气缸102之间产生的负荷损失导致连续穿孔环105的相对不稳定的情况。实际上，当所述环105的直径增加时，导致所述直径增加的条件消失，而当所述环105的直径减小时，导致所述增加的条件再次全部存在。

由此，结果是流体缓冲承载表面116不得不在距气缸102非常短的距离处找到相对稳定的中间位置。所述距离起因于活塞101与气缸102之间的初始余隙、压力分布腔室119中存在的压力、连续穿孔环105的刚度、以及相对于暴露于环形流体113的压力的内圆柱环表面106的总轴向长度的流体缓冲承载表面116的总轴向长度。所述距离还起因于反压凹槽117的深度，其本身表示附加的负荷损失。

根据这里考虑的操作实例，一旦在压力分布腔室119中建立了四十巴的压力，液体缓冲承载表面116与气缸102之间的距离就为大约几微米或大约一微米乃至一微米的分数。正是这个短距离，其结合总是从反压凹槽115朝向有待密封的腔室104而不是在相反方向上流动的环形流体113的流量，在活塞101与气缸102之间产生非常紧密的密封。

可以观察到，考虑到根据本发明的流体缓冲密封装置100的具体操作模式，连续穿孔环105自然地倾向于在气缸102中居中，并且调整所述气缸102的圆形度或圆柱度中的任何缺陷。实际上，连续穿孔环105的位置由第一，由所述环105的刚度给出的所述环105的一般收缩力与第二，施加在连续穿孔环105的周边和轴向长度处的每个点处的局部径向力之间的均衡产生，所述力由流体缓冲承载表面116与气缸102之间的气动交互作用产生。

还应当注意到，根据本发明的流体缓冲密封装置100的设计为适应于每种应用留下许多可能性。例如，在所有条件都相同的情况下，在其他方面，校准开口111的横截面使得可能调节在流体缓冲承载表面116与气缸102之间留下的距离，所述距离也可能由连续穿孔环105的具体取决于其厚度的刚度调节。

从刚刚所描述的操作容易得出结论，由加压流体源112产生的压力总是大于有待密封的腔室104中存在的压力是绝对必要的。这并不排除在足够长的时间标度上将由加压流体源112产生的压力适配成有待密封的腔室104中存在的最大压力的可能性。然而，应当注意到，如果压力腔室129具有比例压力单向阀，那么压力分布腔室119中存在的压力类似于有待密封的腔室104中存在的压力可在短时间标度上变化。例如，如果其中使用根据本发明的流体缓冲密封装置100的应用是气动压缩机，则可保持这个策略。

因此，可以看出，根据本发明的流体缓冲密封装置100提供了接近不可访问用于活塞的常规密封装置的新可能性。

具体地，通过容积活塞机设计再生式发动机成为可能，所述再生式发动机的一般原理和组织类似于通常由压缩机和离心轮机实现的布雷顿循环再生式发动机的那些。还将注意到，所述再生式发动机在其实施方案方面以及在它使用的创新方面与具有压缩机和离心轮机的发动机非常不同，以使得它既可生产又高效。这种活塞再生式发动机要求气缸102和活塞101的工作温度为大约一千摄氏度并且更高。在这样的温度下，无论是对段还是对环排除使用油进行任何润滑。此外，无论使用何种材料(例如基于氧化铝、锆或碳化硅的陶瓷或任何其他材料)来生产所述气缸102和所述活塞101，在这样的温度下，所述气缸102与密封段或密封垫圈之间的任何接触是不可能的。

然而，根据本发明的流体缓冲密封装置100与此类操作条件兼容。实际上，连续穿孔环105从不与气缸102接触，因为它通过环形流体113的薄膜与气缸102分离，所述环形流体113作为非限制性实例可以是制造大气的空气。此外，连续穿孔环105通过环形流体113的流动不断地冷却，所述环形流体113经过连续穿孔环105并且扫过内圆柱环表面106和外圆柱环表面107。在这方面，必须回顾的是，为了促进这种冷却，压力分布腔室119可容纳诸如图3至8所示的那些的环形流体分散构件124。具体地，所述冷却使得可能使用由具有期望的机械阻力的钢制成的连续穿孔环105，而不超过所述钢的仅仅几百摄氏度的回火温度。此外，在由加热到超出一千摄氏度的陶瓷制成的气缸102中使用由加热到几百度的钢制成的连续穿孔环105使得可能在良好的条件下控制所述环105与所述气缸102之间的操作余隙，这容易通过计算证明。这具体是因为钢的膨胀系数高于陶瓷的膨胀系数，无论所述钢是否涂有保护其防氧化的保护层。

还应当注意到，作为推论，连续穿孔环105的冷却具有环形流体113的局部加热，这使得可能增加所述流体113的容积。这有利地使得可能减少环形流体113的由加压流体源112产生的流动，同时允许根据本发明的可伸展的连续流体缓冲密封装置100在期望的条件下操作。还应当注意到，在将环形流体113引入到压力腔室129中之前调节环形流体113的温度是可能的，这使得可能调节连续穿孔环105的操作温度，并且从而调节所述环105与气缸102之间的操作余隙。

还观察到，在流体缓冲承载表面116与气缸102之间流动的环形流体113的流动确保流体缓冲承载表面116与气缸102之间的连续清洁。因此，任何类型的固体颗粒和残留物都不能粘附到气缸102上。另外，源自有待密封的腔室104的颗粒不能通过流体缓冲承载表面116与气缸102之间，因为所述腔室104中的气体的压力低于压力分布腔室119中存在的压力。还将注意到，为了保证流体缓冲承载表面116的最佳操作，提供环形流体过滤器138是可能的，在环形流体113引入到压力分布腔室119中之前，所述环形流体过滤器138除去其直径例如大于距所述流体113的一微米的任何颗粒。

作为刚刚所述的结果，具体地，根据本发明的流体缓冲密封装置100使得可能制造出高产量的再生式热力发动机，所述再生式热力发动机的暴露于高温的气缸102在图11和图12中示出。在所有附图中可以观察到，所述热力发动机具体包括两个气缸盖103和通过机械传动构件18连接到动力输出轴17的活塞101。活塞101、气缸102和气缸盖103限定两个有待密封的腔室104，两个有待密封的腔室104中的每一个可通过进气计量阀24与热气体进气管道19连接或通过排气阀31与低压排气管道26连接。

在图11和图12中，应当注意到与气缸102平行取向并固定到活塞101的压力进气管128的存在，所述管128的第一端部通向活塞101的内部，同时所述管128的第二端部通过它可在其中通过纵向且密封地平移而移动的压力腔室钻孔130通向通过压力传递电路114连接到加压流体源112的压力腔室129。特别是在图11中还观察到，压力进气管128通过添加在活塞101中的径向压力进气管道131连接到压力分布腔室119。

根据本发明的流体缓冲密封装置100的可能性不限于刚刚已描述的应用，并且此外，必须理解，以上描述仅作为实例给出，并且它决不限制通过替换由任何其他等效物描述的执行的细节而不超过的所述发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于活塞(101)的流体缓冲密封装置(100)，所述活塞(101)能够在气缸(102)中并且沿与所述气缸(102)相同的轴线以纵向平移的方式移动，所述活塞(101)和所述气缸(102)与至少一个气缸盖(103)一起限定有待密封的腔室(104)，所述流体缓冲密封装置(100)的特征在于其包括：

●至少一个连续穿孔环(105)，所述至少一个连续穿孔环(105)包括内圆柱环表面(106)、外圆柱环表面(107)以及两个轴向环表面(108)，所述环(105)容纳在设置在所述活塞(101)中或所述气缸(102)中的至少一个环形凹槽(109)，同时所述环(105)能够在所述环形凹槽(109)中径向移动，而不会离开所述环形凹槽(109)；

●环形密封构件(110)，所述环形密封构件(110)在每个轴向环表面(108)与环形凹槽(109)之间产生密封，以使得所述环形凹槽(109)与所述连续穿孔环(105)一起限定通过传递电路(114)连接到加压流体源(112)的压力分布腔室(119)；

●至少一个校准开口(111)，所述至少一个校准开口(111)彻底穿过所述连续穿孔环(105)的径向厚度；

●所述连续穿孔环(105)所包括的至少一个流体缓冲承载表面(116)，所述承载表面(116)布置在与所述压力分布腔室(119)相对的侧面上。

2.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于其包括轴向封闭反压凹部(115)，所述轴向封闭反压凹部(115)在所述环形凹槽(106)设置在所述活塞(101)中的情况下设置成凹陷在所述外圆柱环表面(107)上，以使得不由接收所述凹部(115)的所述外圆柱环表面(107)的所述反压凹部(115)占用的表面构成所述流体缓冲承载表面(116)。

3.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于其包括轴向封闭反压凹部(115)，所述轴向封闭反压凹部(115)在所述环形凹槽设置在所述气缸(102)中的情况下设置成凹陷在所述内圆柱环表面(106)上，以使得不由接收所述凹部(115)的所述内圆柱环表面(106)的所述反压凹部(115)占用的表面构成所述流体缓冲承载表面(116)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述反压凹部(115)由几乎在接收所述凹部(115)的所述外圆柱环表面(107)或所述内圆柱环表面(106)的轴向长度上居中的具有小深度的反压凹槽(117)组成，所述反压凹槽(117)在所述外圆柱环表面(107)或所述内圆柱环表面(106)的整个圆周上产生。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的流体缓冲密封装置，其特征在于其包括校准开口(111)，所述校准开口(111)通往所述反压凹部(115)。

6.根据权利要求5所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述校准开口(111)通过设置成凹陷在所述反压凹部(115)的底部处的压力分布凹部(125)通往所述反压凹部(115)。

7.根据权利要求6所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述压力分布

凹部(125)由几乎在接收所述反压凹部(115)的所述外圆柱环表面(107)或所述内圆柱环表面(106)的所述轴向长度上居中的压力分布凹槽(126)组成，所述压力分布凹槽(126)在所述外圆柱环表面(107)或所述内圆柱环表面(106)的整个圆周上产生。

8.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于接收所述反压凹部(115)的所述外圆柱环表面(107)或所述内圆柱环表面(106)的两个轴向边缘中的至少一个终止于边缘电镀余隙(118)。

9.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述环形密封构件(110)由环形密封唇缘(121)组成，所述环形密封唇缘(121)一方面固定到所述连续穿孔环(105)，并且另一方面形成与所述环形凹槽(109)的内部或轮缘的密封接触。

10.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述环形密封构件(110)由设置在所述连续穿孔环(105)的轴向端部中的至少一个附近的轴向薄部分(139)组成，所述部分(139)密封地固定到所述环形凹槽(109)并且具有足够的柔性以允许所述连续穿孔环(105)的直径相对于所述凹槽(109)的直径增大或减小。

11.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述连续穿孔环(105)由柔性材料组成并且包括至少一个周向环形弹簧(123)，如果所述环形凹槽(106)设置在所述活塞(101)中，那么所述周向环形弹簧(123)倾向于减小所述环(105)的所述直径，或者如果所述环形凹槽(106)设置在所述气缸(102)中，那么所述周向环形弹簧(123)倾向于增大所述环(105)的所述直径。

12.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述压力分布腔室(119)容纳环形流体分散构件(124)，所述环形流体分散构件(124)迫使源自所述压力传递电路(114)的所述环形流体(113)在通过所述校准开口(111)逸出之前，在所述环形凹槽(106)设置在所述活塞(101)中的情况下扫过所述内圆柱环表面(106)的可能最大的区域，或者在所述环形凹槽(106)设置在所述气缸(102)中的情况下扫过所述外圆柱环表面(107)的可能最大的区域。

13.根据权利要求12所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述环形流体分散构件(124)由容纳在所述环形凹槽(106)的底部处的分散板(136)组成，所述板(136)的轴向端部中的至少一个设置有至少一个横向分散板开口或凹槽(137)，所述至少一个横向分散板开口或凹槽(137)迫使源自所述压力传递电路(114)的所述环形流体(113)通过其轴向端部中的至少一个通向所述压力分布腔室(119)。

14.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述环形凹槽(109)具有径向环形邻接件(127)，所述径向环形邻接件(127)限制所述连续穿孔环(105)贯穿到所述凹槽(109)中。

15.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于，如果所述环形凹槽(109)设置在所述活塞(101)中，那么所述压力传递电路(114)由与所述气缸(102)平行并固定到所述活塞(101)的压力进气管(128)组成，所述管(128)的第一端部通向所述活塞(101)的内部，同时所述管(128)的第二端部通过它可在其中通过纵向且密封地平移而移动的压力腔室钻孔(130)通往连接到所述加压流体源(112)的压力腔室(129)。

16.根据权利要求15所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述压力进气管(128)通过至少一个径向压力进气管道(131)连接到所述压力分布腔室(119)。

17.根据权利要求15所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述压力腔室(129)通过比例压力单向阀连接到所述加压流体源(112)，所述比例压力单向阀允许所述环形流体(113)从所述源(112)流到所述腔室(129)而不是从所述腔室(129)流到所述源(112)。

18.根据权利要求1所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述环形凹槽(109)容纳膨胀弹簧(133)，所述膨胀弹簧(133)抵靠在所述凹槽(109)上，以便在所述环形凹槽(106)设置在所述活塞(101)中的情况下对所述内圆柱环表面(106)施加径向力，或者在所述环形凹槽(106)设置在所述气缸(102)中的情况下对所述外圆柱环表面(107)施加径向力。

19.根据权利要求18所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述膨胀弹簧(133)通过接触在所述环形凹槽(109)与所述连续穿孔环(105)之间产生密封。

20.根据权利要求12和18所述的流体缓冲密封装置，其特征在于所述膨胀弹簧(133)设置有至少一个流体分散开口(134)和/或至少一个流体分散凹槽(135)，以便与所述开口(134)和/或所述凹槽(135)一起构成所述环形流体分散构件(124)。