CN110099726B - 非接触式液体密封致动器系统 - Google Patents

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Abstract

一种能够以非接触或低摩擦方式使用的液体密封致动器系统。该系统包括:具有第一端的内轴；具有一第一端的空心外轴，该第一端收容内轴的第一端；至少一个靠近空心外轴的内表面的密封环，该至少一个密封环的外径小于空心外轴的内径，由此形成一环形密封间隙；连接至内轴或空心外轴的末端的物件；和压力源，该压力源将受压流体注入空心外轴中，由此对内轴的该第一端和该至少一个密封环施加一压力，以协助举起该物件；且该系统至少部分浸没在其外部的液体中，从而使得该至少一个密封环浸没在该外部液体中，该至少一个密封环上方的外部液体的顶部在该环形密封间隙中形成一反压，该反压抵抗该压力源所施加的压力。

Description

非接触式液体密封致动器系统
背景技术
公开号为WO 2015/188219，发明名称为冲浪波生成器的国际专利申请中写到，已有各种用于建造波浪池和人工冲浪设施的方法和系统被提出。然而，要以一致且可靠的方式生成大波浪需要巨大的作用力，这给波浪生成系统构架，能量效率和机械磨损方面带来了极大的技术挑战。
用于克服上述技术挑战的方案也可用于其它利用到波浪和/或有效传输大量液体的应用中。
因此，需要一种改进的非接触式液体密封致动器系统。
发明内容
一方面，本发明为一种液体密封致动器系统，包括:
具有一第一端的内轴；
具有一第一端的空心外轴，该第一端收容内轴的第一端；
至少一个靠近空心外轴的内表面的密封环，该至少一个密封环的外径小于外轴的内径，由此形成一环形密封间隙；
连接至内轴或外轴的末端的物件；和
压力源，该压力源将受压流体注入空心外轴中，由此对内轴的该第一端和该至少一个密封环施加一压力，该压力帮助举起该物件；
且该系统至少部分浸没在其外部的液体中，从而使得该至少一个密封环浸没在该外部液体中，该至少一个密封环上方的外部液体的顶部在该环形密封间隙中形成一反压，该反压抵抗该压力源所施加的压力。
优选地，该物件设有一中心波浪装置，该中心波浪装置在该外部液体中垂直地摆动。
优选地，该中心波浪装置在该外部液体中生成波浪。
优选地，该系统还包括:
密封子系统，该至少一个密封环连接至该密封子系统；和
连接至该密封子系统的多个壁间隔装置，其中部分该壁间隔装置位于该至少一个密封环上方，另一部分该壁间隔装置位于该至少一个密封环下方。
优选地，该中心波浪装置的质量大于500公吨。
优选地，该中心波浪装置的质量小于100公吨。
优选地，该受压流体和外部液体都为水。优选地，该受压流体为空气，外部液体为水。
优选地，该至少一个密封环包括多个密封环，这些密封环沿着内轴的纵轴同心设置。
优选地，该多个密封环被多个分隔毂间隔开，该多个分隔毂沿着该内轴的纵轴同心设置。
优选地，该多个密封环包括2至30个密封环。
优选地，该多个密封环中的每个密封环包括多个相同的互连段。
优选地，该多个密封环可调节地连接到内轴上。
优选地，该多个密封环可调节地螺栓连接至一固定于该内轴的活塞环上。
优选地，该外轴的末端的垂直操作范围在外部液体的水平面以上延伸，并且该内轴的末端连接到一地面支撑件。
优选地，该内轴的末端的垂直操作范围在外部液体的水平面以上延伸，并且该外轴的末端连接到一地面支撑件。
优选地，该内轴和该外轴为圆柱体。
优选地，在使用过程中，内轴以非接触方式摆动进出外轴，且该至少一个密封环不接触该外轴的内表面。
优选地，该内轴和该外轴可以绕其纵轴独立地旋转。
优选地，该环形密封间隙除以该至少一个密封环的外径的比率小于0.01(或1％)，且该受压流体和该外部液体都为水。
优选地，该环形密封间隙除以该至少一个密封环的外径的比率小于0.0005(或0.05％)，且该受压流体和该外部液体都为水。
优选地，该环形密封间隙除以该至少一个密封环的外径的比率小于0.01(或1％)，且该受压流体为空气，该外部液体为水。
优选地，该内轴位于该物件中心的下方。
优选地，多个内轴和外轴系统支撑该物件。
附图说明
为了帮助理解本发明并使本领域技术人员能够实施该发明，下面将结合附图以示例的方式描述本发明的优选实施例，其中:
图1是根据本发明一个实施例的非接触式液体密封致动器系统的侧视透视图；
图2是图1的致动器系统的密封子系统的放大侧视透视图；
图3是非接触式液体密封致动器系统的侧视图，该系统类似于图1的系统，但是为了清楚起见，没有示出连接到该系统的物件；
图4是图3所示的致动器系统的密封子系统的更详细的侧视图；
图5是根据本发明一可选实施例的非接触式液体密封致动器系统的侧视图；
图6是图5的致动器系统的俯视图；
图7是根据本发明另一实施例的非接触式液体密封致动器系统的截面图；
图8是图7的实施例的密封子系统的透视图；
图9是图7实施例的密封子系统的局部剖面图；
图10是图9中B的放大图；
图11是图9沿A线的截面图；
图12是图11中C的放大图。
优选的实施例
本发明涉及一种非接触式液体密封致动器系统。在附图中以简洁的轮廓形式示出了本发明的元件，仅为了示出理解本发明的实施例所必需的那些具体细节，而不是为了混淆本公开与根据本说明书对于本领域普通技术人员来说显而易见的过多细节。
在本专利说明书中，形容词如第一和第二、左和右、顶和底、上和下、后、前和侧等，仅用于定义一个元件或者方法步骤以区别于另一个元件或方法步骤，而不一定需要该形容词描述的特定相对位置或顺序。诸如“包括”或“包含”之类的词定义的一组元件或方法步骤不排他。相反，这样的词语仅仅定义了包括在本发明的特定实施例中的元件或方法步骤的最小集合。
一方面，本发明为一种液体密封致动器系统，包括：具有一第一端的内轴；具有一第一端的空心外轴，其第一端可伸缩地收容内轴的第一端；至少一个靠近内轴的外表面的密封环，该至少一个密封环的外径小于空心外轴的内径，由此形成一环形密封间隙；连接至内轴或空心外轴的末端的物件；和一压力源，该压力源将受压流体注入空心外轴中，从而对内轴的该第一端和该至少一个密封环施加一向外的压力，以协助举起该物件；且该系统至少部分浸没在其外部的液体中，从而使得该至少一个密封环浸没在该外部液体中，该至少一个密封环上方的外部液体的顶部在该环形密封间隙中形成一反压，该反压抵抗该压力源所施加的向外的压力。
本发明的一些实施例的优势包括坚固且有效的液体密封致动器系统，该系统能够以非接触或低摩擦的方式使用。本发明的各实施例可采用不同的尺寸以用于各种应用，包括例如:用于冲浪和/或玩水的冲浪生成器；用于快速灌溉和/或大量送达平原或河道的波浪生成器；海啸情景的海洋测试；用于电影制作的波浪生成器；模拟自然海洋环境的大型水族馆的波浪生成器；和在软泥土和/或海洋环境中以低噪音水平打桩大桩/螺旋桩。
图1是根据本发明一个实施例的非接触式液体密封致动器系统100的侧视透视图。该系统100包括一内轴105，该内轴105部分容纳在空心外轴110中。该空心外轴110延伸穿过一物件，并与该物件连接，该物件为中心波浪装置115。密封子系统120连接到内轴105，并在内轴105的外壁和空心外轴的内壁之间提供非接触密封。内轴105的基座125固定于一地面支撑件，例如固定于波浪池的底部。
2015年6月9日提交的申请号为PCT/AU2015/000344,公开号为WO 2015/188219的国际专利申请的全部内容通过引用结合在本申请中，与其中描述的柱塞12、22相似，在本发明的一个实施例中，在使用过程中，中心波浪装置115垂直摆动到流体中，在该流体中产生多个同心波，该同心波从中心波浪装置115向外辐射。按顺序向空心外轴110内的空腔加压，向空心外轴110的末端施加向上的力，并举起中心波浪装置115。当压力释放时，中心波浪装置115在重力作用下落入流体中，并在流体中生成多个同心波。
图2是密封子系统的放大侧视透视图。密封子系统120包括可调节地连接到内轴105的多个密封环200。如图所示，每个密封环200包括六个相同的互连段，且每段设置为60度的弧形。使用螺栓205将每个密封环200的分段螺栓连接在一起并螺栓连接到相邻的密封环200，螺栓205沿内轴105的外表面纵向延伸。可方便地调节螺栓205，维护和/或更换密封环200。
每个密封环200的外径小于空心外轴110的内径，由此形成了环形密封间隙。通过平衡内轴105上方的中心波浪装置115使得该中心波浪装置115能够上下摆动，且密封环200不接触空心外轴110的内表面，从而使得内轴105能够可伸缩地摆动进出空心外轴110而不与其接触并因此不产生磨损。
例如，在大型冲浪波公园中，中心波浪装置115的质量可以很大，为500公吨至1500公吨之间。因此，顺畅地，相对无摩擦地操作致动器系统100可以显著提高效率、降低操作成本、减少不良噪音并增加公园使用者的乐趣。
空心外筒110内部的压力可以由例如供应管提供，该供应管向上延伸穿过内轴105的基座并将空气或液体注入外筒110。在一些实施例中，致动器系统100部分浸入其中的水也用作给外圆筒110加压的液体。例如，冲浪公园使用的致动器中采用的典型压力可以在100千帕至1000千帕表压的范围内。这种压力可以来自例如塔中顶部的水和/或另一加压水源。
图3是非接触式液体密封致动器系统300的侧视图，该系统类似于系统100，但是为了清楚起见，没有示出连接至该系统300的物件；系统300显示为部分浸入外部液体305，例如水。外部液体300的顶部310，位于密封子系统120下端和外部液体300的液面315之间，其在环形密封间隙中形成反压，该反压抵抗压力源施加的向外的压力，提高了密封的有效性，并使得环形密封间隙变得更大，这有助于提供内轴105和空心外轴110之间的非接触式相对运动。
如箭头320所示，空心外轴110和诸如中心波浪装置115(图3中未示出)的物件可以独立于内轴105旋转。例如，这种旋转能力可与中心波浪装置的形状定制结合，以使得由中心波浪装置生成的波的形状和性质的多种多样。
空心外轴110的远端325可包括用于维护进入空心外轴110内部的盖子或入口。
图4是致动器系统300的密封子系统120的详细侧视图；活塞环400可以永久地焊接或以其他方式连接到内轴105上。然后使用螺栓205将形成密封环200的分段螺栓连接到活塞环400上。活塞环400因此也起到附加的密封作用。
附加的柔性密封件405，例如聚合物密封件，显示为在密封子系统120的下端连接到活塞环400上。这种附加的柔性密封件405可以进一步提高密封子系统120的有效性，并且可以被设计成易于更换。
应当理解，在一些应用中，例如波浪池和冲浪公园，从致动器系统100、300发出的声音可以大大增加环境的刺激。因此，系统100、300因此可以被调节，特别是通过改变密封子系统120和环形密封间隙的相对宽度，以在中心波浪装置115上下摆动时使得湍急的水和/或空气发出令人兴奋的声音。
图5是根据本发明一可选实施例的非接触式液体密封致动器系统500的侧视图。系统500包括一物件，该物件为由多个内外轴系统510支撑的中心波浪装置505。每个系统510包括伸缩式内轴515和空心外轴520，根据本文描述的非接触方法对内轴515和空心外轴520密封。一排水平支撑件525在中心波浪装置505和每个轴系统510之间延伸。
图6是致动器系统500的俯视图；中心波浪装置505的负载在六个轴系统510之间分配，并且所有的轴系统510同步并一起将中心波浪装置505举起和放下，使得中心波浪装置505能够在液体介质(例如波浪池的水)中平稳地上下垂直摆动。
图7是根据本发明另一实施例的非接触式液体密封致动器系统700的截面图；该系统700包括一内轴705，该内轴105部分容纳在空心外轴710中。空心外轴710延伸穿过一物件的中心孔，该物件为环形中心波浪装置715。
本领域技术人员将理解，环形中心波浪装置715可以根据应用场合为各种形状并且包括各种材料，以更有效地生成同心波。
内轴705的顶端连接至帽盖720，帽盖720具有容纳空心外轴710的圆柱形壁725。包括活塞环737的密封子系统735与内轴705的下末端在枢轴点738处连接，并在筒腔739和空心外轴710的内壁之间提供非接触密封。环形中心波浪装置715、帽盖720、内轴705和密封子系统735都同时相对于空心外轴710上下摆动。空心外轴710的基座740固定到一地面支撑件，例如波浪池的底部。
管道745将高压液体导入筒腔739。筒腔739中产生的压力在活塞环737上施加一个向上的力，从而举起密封子系统735、内轴705、帽盖720和中心波浪装置715。
图8是密封子系统735的透视图；以辊子800为壁间隔装置的多个壁间隔装置连接到密封子系统735，并抵靠空心外轴710的内壁滚动，从而引导密封子系统735沿空心外轴710上下垂直运动。
本领域技术人员将会理解，根据本发明的各实施例，辊子800可为各种尺寸和构造的棍子，或者可由滑动垫或其他类型的壁间隔装置代替，用于防止密封子系统735的其他部件撞击空心外轴710的内壁。
图9是密封子系统720的局部剖面图，图中示出了横截面线A和指定放大区域的圆圈B。
图10是图9中B的放大图如图所示，密封子系统735包括多个密封环组件1025。每个密封环组件1025包括柔性密封环1030，该柔性密封环1030被夹紧在分隔毂1040的上侧凸缘1035上。多个密封环组件1025通过垂直杆1045连接在一起。
图11是密封子系统735的截面图，也即图9沿A线的横截面，并示出了指定放大区域的圆圈C。圆柱形芯1100延伸穿过密封子系统735的中心，并作为内轴705的一部分和以及内轴705的延伸。活塞环737连接到圆柱形芯1100的外壁，并支撑延伸穿过密封环组件1025的垂直杆1045。
图12是图11中C的放大图。如图所示，在每个密封环组件1025中，柔性密封环1030被夹在夹环1205和螺母1210之间。螺母1210拧到螺栓1215上，螺栓1215固定到夹环1205上。因此，每个分隔毂1040的上侧凸缘1035被夹紧在相邻分隔毂1040的下侧凸缘1220上。
虚线1225表示空心外轴710内壁的位置。在每个柔性密封环1030的外边缘和空心外轴710的内壁之间存在环形密封间隙1230(出于说明目的以大于实际尺寸示出)。当非接触式液体密封致动器系统700至少部分浸没在外部液体中，使得所述的至少一个柔性密封环1030浸没在外部液体中时，该至少一个柔性密封环1030上方的外部液体的顶部在环形密封间隙1230中形成一个反压，该反压抵抗压力源施加到筒腔739的压力。
本领域技术人员将理解，本发明的各种实施例可以由各种材料制成，或者由各种材料的组合材料制成，包括钢、金属合金或高强度塑料或复合材料。
本发明各种实施例的上述描述是为了对相关领域的普通技术人员进行说明。它并不旨在穷举或将本发明限制到单个公开的实施例。许多对本发明的替换和变化对上述教导的技术领域的技术人员来说是显而易见的。因此，虽然本文已经具体讨论了一些替代实施例，但是其他实施例对于本领域普通技术人员来说是显而易见的或者相对容易获得的。因此，本专利说明书旨在涵盖这里已经讨论的本发明的所有替换、修改和变化，以及落入上述发明的精神和范围内的其他实施例。

Claims (20)

1.一种液体密封致动器系统，包括:
一内轴，所述内轴具有一第一端；
一空心外轴，所述空心外轴具有一第一端，该第一端收容所述内轴的第一端；
至少一个密封环，所述至少一个密封环不接触所述空心外轴的内表面，且所述至少一个密封环的外径小于所述空心外轴的内径，由此形成一环形密封间隙；
一连接至所述内轴或所述空心外轴的末端的物件；和
一压力源，所述压力源将受压流体注入所述空心外轴中，从而对所述内轴的所述第一端和所述至少一个密封环施加一压力，以协助举起所述物件；
其中，所述系统至少部分浸没在外部液体中，从而使得所述至少一个密封环浸没在所述外部液体中，该至少一个密封环上方的所述外部液体的顶部在所述环形密封间隙中形成一反压，该反压抵抗所述压力源施加的所述压力。
2.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，其中，所述物件设有一中心波浪装置，所述中心波浪装置在所述外部液体中垂直地摆动。
3.根据权利要求2所述的液体密封致动器系统，其中，所述中心波浪装置在所述的外部液体中生成波浪。
4.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，进一步包括:
一密封子系统，所述至少一个密封环连接至所述密封子系统；和
连接至该密封子系统的多个壁间隔装置，其中部分所述壁间隔装置位于所述至少一个密封环上方，另一部分所述壁间隔装置位于所述至少一个密封环下方。
5.根据权利要求2所述的液体密封致动器系统，其中，所述中心波浪装置的质量大于500公吨。
6.根据权利要求2所述的液体密封致动器系统，其中，所述中心波浪装置的质量小于100公吨。
7.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，其中，所述环形密封间隙由多个壁间隔装置保持，所述多个壁间隔装置连接至所述至少一个密封环并位于所述至少一个密封环的上方和下方。
8.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，其中，所述至少一个密封环包括多个密封环，所述多个密封环沿所述内轴的纵轴同心设置。
9.根据权利要求8所述的液体密封致动器系统，其中，所述多个密封环被多个分隔毂间隔开，所述的多个分隔毂沿着所述内轴的纵轴同心设置。
10.根据权利要求8所述的液体密封致动器系统，其中，所述多个密封环包括2至30个密封环。
11.根据权利要求8所述的液体密封致动器系统，其中，所述多个密封环中的每个密封环包括多个相同的互连段。
12.根据权利要求8所述的液体密封致动器系统，其中，所述多个密封环可调整地连接到所述内轴。
13.根据权利要求8所述的液体密封致动器系统，其中，所述多个密封环可调整地螺栓连接至一活塞环上，所述活塞环固定于所述内轴。
14.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，其中，所述空心外轴的末端的垂直操作范围在所述外部液体的水平面以上延伸，并且所述内轴的末端连接至一地面支撑件。
15.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，其中，所述内轴的末端的垂直操作范围在所述外部液体的水平面以上延伸，并且所述空心外轴的末端连接至一地面支撑件。
16.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，其中，所述内轴和所述空心外轴均为圆柱体。
17.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，其中，在使用过程中，所述内轴以非接触方式摆动进出所述空心外轴，且所述至少一个密封环不接触所述空心外轴的内表面。
18.根据权利要求16所述的液体密封致动器系统，其中，所述内轴围绕所述内轴的纵轴旋转和所述空心外轴围绕所述空心外轴的纵轴旋转，其中所述内轴配置为独立地于所述空心外轴而旋转。
19.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，其中，所述环形密封间隙除以所述至少一个密封环的外径所得比率小于0.0005，且该受压流体和该外部液体都为水。
20.根据权利要求1所述的液体密封致动器系统，其中多个内轴系统和外轴系统支撑所述物件。
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