CN113939674A - 形成金属对金属的密封部的金属密封环和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种金属密封环(1)，所述金属密封环用于在两个相对的金属表面之间形成金属对金属的密封部。所述金属密封环(1)包括管状金属本体(3)和入口管(7)，所述入口管从所述本体(3)延伸，用于向所述本体(3)引入内部压力。所述本体适于在所述内部压力下变形以抵靠所述相对的金属表面中的每个金属表面从而形成所述密封部(1)。

Description

形成金属对金属的密封部的金属密封环和方法
技术领域
本发明涉及形成金属对金属的密封部的金属密封环和方法。特别地但不排他地，本发明涉及一种用于密封真空室或活塞发动机的金属密封环，该真空室例如是托卡马克聚变反应器中的真空室。
背景技术
金属密封环通常用于在两个金属表面之间提供气密的或液密的密封部，例如在结合在一起的两个真空室的法兰端口之间提供气密的或液密的密封部。在一些应用中，金属密封环是由相对软的金属(例如，铜或铝)制成的平坦的圆形金属垫片，其在金属表面之间会被压碎，该金属表面通常由较硬的金属(例如，不锈钢)制成。金属表面或“斜楔(conflat)法兰”均设置有咬入垫片的相应面中的圆形的脊或“刀刃”，从而使得围绕刀刃挤压垫片的金属，并且由此在两个金属表面之间形成密封部。
虽然可以使用斜楔法兰和金属垫片来形成非常好的密封部，例如在超高真空系统中，但它们有许多缺点，这些缺点包括需要将法兰与金属垫片仔细对齐(“配合”)以及高夹持力。如果垫片上的压缩载荷不均匀或过高，则密封部的质量也可能会严重下降。
另一种类型的金属密封环是所谓的威尔斯(Wills)环，其是由金属管形成的O形环。在使用中，威尔斯环被压缩在两个法兰之间，使得该威尔斯环的横截面变形以抵靠法兰的表面，从而形成密封部。一些版本的威尔斯环会被加压以增加其弹性。另一种类型的以Helicoflex(RTM)名称销售的密封环包括具有C形横截面的管状金属环和被插入在金属环内侧以增加其弹性的螺旋弹簧。然而，这些类型的金属密封环也需要相对精确的配合和对夹持力的仔细控制以便获得均匀的密封部并且避免损坏该密封环。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决或至少减轻上述问题的金属密封环。
根据本发明的第一方面，提供了一种金属密封环，所述金属密封环用于在两个相对的金属表面之间形成金属对金属的密封部。所述金属密封环包括管状金属本体和入口管，所述入口管从所述本体延伸，用于向所述本体中引入内部压力。所述本体适于在所述内部压力下变形以抵靠所述相对的金属表面中的每个金属表面从而形成所述密封部。
所述本体可以具有包括两个或更多个部分的横截面(例如，径向横截面)，所述两个或更多个部分由不同的相应金属制成，每种金属具有不同的延展性和/或屈服强度。
所述本体可以具有包括具有不同的相应厚度的两个或更多个部分的横截面(例如，径向横截面)。
所述两个或更多个部分可以被布置成用于在向所述本体中引入所述内部压力时使所述本体的所述横截面优先沿轴向方向扩大。
所述本体可以包括围绕所述环延伸的一个或多个脊，所述一个或多个脊用于在向所述本体中引入所述内部压力时与所述金属表面中的一个或多个金属表面形成刀刃式密封部。
所述本体可以包括延展性金属的外层，所述延展性金属例如是铟。
所述本体可以完全地或部分地填充有液压介质。所述液压介质可以是硅橡胶。
所述本体可以包括具有从0.1mm至10mm的厚度的壁，或优选地包括具有从0.2mm至2mm的厚度的壁。
所述本体可以适于在引入超过环境压力不多于300MPa的内部压力时(，优选地在引入超过环境压力不多于150MPa的内部压力时)，使体积增加至少5％。
所述本体可以适于在引入所述内部压力时通过塑性变形而使体积增加。塑性变形允许在不破坏所述密封部的情况下释放所述本体中的所述内部压力。
所述入口管可以被密封，使得所述本体和所述入口管一起形成封闭的系统，从而减小所述入口管的内部体积以向所述本体中引入内部压力。所述金属密封环可以包括活塞表面，所述活塞表面能够在所述入口管的所述内部体积内移动，以便向所述本体中引入内部压力。可以由螺钉提供所述活塞表面，或使用螺钉使所述活塞表面能够移动。
金属密封环可以包括活塞室，所述活塞室用于维持所述本体中的所述内部压力，所述活塞室与所述本体和/或所述入口管流体连通，并且所述活塞室包括被构造用于压缩所述本体内的液压介质的活塞。
所述管状金属本体可以是环形的。
所述本体的内部可以通过分隔壁被分隔成第一室和第二室，所述分隔壁被构造成响应于使用所述入口管而被引入到所述第一室中的内部压力而朝向所述第二室移动，并且引起所述本体扩大以抵靠所述相对的金属表面中的每个金属表面。所述第二室可以包括支柱，所述支柱被构造用于抵抗所述分隔壁的移动，优选地，所述支柱是能够被弹性压缩的，以便在所述分隔壁上提供弹性恢复力。
所述入口管可以从所述管状金属本体的外周壁延伸，所述外周壁即是限定由管状金属本体形成的环的外周的壁。例如，如果管状金属本体具有旋转轴线(例如，如果管状金属本体是环形的)，则入口管可以从管状本体的外周壁延伸，使得管状本体比入口管更靠近该轴线。特别地，入口管可以从管状本体向外延伸并且沿着径向方向远离轴线延伸，所述径向方向即是垂直于轴线并且垂直于管状本体的外周壁的方向。
根据本发明的第二方面，提供一种位于两个相对的金属表面之间的密封部。所述密封部包括如上所述的金属密封环。所述金属密封环至少部分地位于形成在所述金属表面中的至少一个金属表面中的通道内。
根据本发明的第三方面，提供一种真空室，所述真空室包括两个相对的金属表面，使用如上所述的金属密封环(或如上在第二方面中所述的密封部)使所述两个相对的金属表面彼此密封。所述金属密封环的所述入口管可以通过所述相对的金属表面中的至少一个金属表面中的通道延伸到所述真空室的外部。
根据本发明的第四方面，提供一种活塞发动机，所述活塞发动机包括发动机缸体和缸盖，使用缸盖垫片将所述缸盖密封到所述发动机缸体，所述缸盖垫片包括如上所述的金属密封环(或如上在第二方面中所述的密封部)。
根据本发明的第五方面，提供一种套件，所述套件包括如上所述的金属密封环、液压泵和连接器，所述液压泵优选地为手动液压泵，所述连接器用于将所述金属密封环的所述入口管连接到所述液压泵。
根据本发明的第六方面，提供一种托卡马克设备，所述托卡马克设备包括具有环形内部体积的真空室。所述真空室包括多个区段，每个区段提供所述环形内部体积的一个扇区，并且每个区段包括围绕该区段缠绕的一个或多个环形场线圈，所述环形场线圈用于在所述扇区内生成环形磁场。所述真空室进一步包括形成在所述区段中的至少两个区段之间的密封部，所述密封部使用如上所述的金属密封环(或如上在第二方面中所述的密封部)。
每个区段可以单独地被从所述真空室移除，即，每个区段可以从真空室移除而无需移除或移动其它区段。所述多个区段包括12个或更多个区段，优选地包括16个区段。
根据本发明的第七方面，提供了一种真空系统，所述真空系统包括外部真空室，所述外部真空室封闭如上所述的托卡马克设备。所述外部真空室连接到另一真空室，所述托卡马克设备的所述真空室的所述区段中的一个或多个区段能够移动到所述另一真空室中。
根据本发明的第八方面，提供了一种使用如上所述的金属密封环在两个相对的金属表面之间形成金属对金属的密封部的方法。所述方法包括将所述金属密封环的本体定位在所述金属表面之间，以及使用入口管以向所述本体中引入内部压力，以便使所述本体变形以抵靠所述金属表面，从而形成所述密封部。
可以通过迫使流体从所述入口管进入所述本体中而向所述本体中引入所述内部压力，所述流体例如是液压流体。迫使所述流体从所述入口管进入所述本体中可以包括卷曲所述入口管。所述本体可以是能够塑性变形的，使得能够在不破坏所述密封部的情况下释放所述本体中的所述内部压力。
根据本发明的另一方面，提供一种活塞，所述活塞包括根据上述方面中的任一方面的金属密封环。
根据本发明的又一方面，提供一种等离子体压缩装置，所述等离子体压缩装置包括室和一个或多个根据上述另一方面的活塞。所述活塞与所述室流体连通，并且所述装置能够被构造用于使用一个或多个所述活塞来压缩在所述室内的等离子体。
附图说明
图1是用于在两个法兰之间提供密封部的金属密封环的示意性透视截面图；
图2是图1的金属密封环在形成密封部之前的示意性透视截面图；
图3A和图3B是金属密封环的本体在膨胀之前和之后的示意性截面图；
图4A和图4B是金属密封环的本体在膨胀之前和之后的示意性截面图；和
图5A和图5B是金属密封环的本体在膨胀之前和之后的示意性截面图；
图6A和图6B是金属密封环的本体在膨胀之前和之后的示意性截面图；和
图7和图8是包括托卡马克聚变反应器的真空系统的示意性截面图。
具体实施方式
图1示出了金属密封环1的截面，该金属密封环1包括由具有横截面5的中空金属管形成的本体3。虽然该图仅示出了环1的一区段，但是本体3围绕圆形延伸以形成圆环。金属密封环1还包括入口管7，该入口管7从本体3的外部壁径向向外延伸并且通过“T”形接头9结合到本体。在该示例中，入口管7的端部11没有被密封，然而如下面所描述的，在一些情况下，该端部11可以被密封以维持金属密封环1内的内部压力。
金属密封环1位于一对配对的圆形金属法兰13A、13B之间。在该示例中，法兰13A-13B中的每个法兰都具有一对互补的周向凹槽或通道15A-15B中的一个，该一对互补的周向凹槽或通道15A-15B一起容纳金属密封环1的本体3。如下所述，金属密封环1的本体3的横截面5适于在很大程度上符合由通道15A-15B形成的横截面17，以便在法兰13A-13B的相邻的内面之间形成密封部。在该示例中，通道横截面17和本体3的横截面5是正方形或矩形的，但也可以使用其它形状。在一些应用中，有益的的是，仅在两个金属法兰中的一个金属法兰中设置凹槽或通道15A-15B，这是因为这可以允许法兰相对于彼此滑动到适当位置(同时密封环设置在通道中)。当存在阻碍或阻止法兰在轴向方向上(即，沿密封环的轴线)聚在一起的几何约束时，这种方法特别有用。下面结合图6和图7讨论此类约束的示例。
由从周向通道15A、15B径向延伸穿过法兰13A-13B的一对互补的通道容纳金属密封环1的入口管7，以允许该入口管7的端部11突出穿过法兰13A-13B的径向最靠外的边缘。径向通道19A-19B的横截面可以是任何形状，但优选地该形状符合入口管11以便将该入口管11牢固地保持在适当位置，这有助于避免在接头9上施加应力，并且防止入口管7变形。
图2示出了在法兰13A-13B之间形成密封部之前的金属密封环1的一区段。金属密封环1的本体3的横截面5最初是圆形的，如图2所示，并且小于通道横截面17，从而允许在法兰13A-13B配对之前将本体3容易地插入到通道15A-15B中的一个通道中。通过以下方式形成密封部，使用入口管7向金属密封环1的本体3中引入内部压力，这使本体3的横截面5变形(例如，膨胀)以抵靠通道15A-15B的壁，即，本体3的外表面被迫自始至终围绕密封环1的周向与通道15A-15B的壁进行接触。
取决于用于形成本体3的金属和合金的性质以及变形的程度，本体3可以经历塑性变形，即，一旦释放本体3中的内部压力，变形可能是基本上不可逆的。该过程与被称为液压成型(hydroforming)的制造方法共享一些相似之处，在液压成型中，将管插入一对模具(模子)之间并且使用高压水将该管膨胀以产生与模具的相对面相符的形状。在这种情况下，在本体3中维持内部压力可能是不必要的。然而，在许多情况下，可能是优选的是至少在一定程度上保持本体3“被膨胀”，因为这提高了密封强度并且防止机械力(例如，振动)使本体3进一步变形。有利地，可以以相对宽的制造公差制成金属密封环1，因为与一些常规的密封环不同，金属密封环1能够在膨胀期间适应通道15A-15B的形状，即，不需要在密封之前精确地符合通道15A-15B。
或者，本体3可以弹性变形，使得一旦释放本体3中的内部压力，金属密封环1基本上恢复其初始形式。在一些情况下，这允许金属密封环1被重新使用，和/或用于调整密封部的泄漏率，例如允许将气体受控地引入到真空室中(例如，在排气期间发生)。
金属密封环1优选地由诸如铜或铝之类的延展性金属制成，这降低了使本体3的横截面5变形所需的内部压力。出于同样的原因，还优选的是本体3的壁相对薄。然而，壁的厚度通常取决于密封部的尺寸。例如，在一些应用中，例如可能需要大型密封环的大型托卡马克设备(参见下文)，本体3的壁的厚度可以为从1mm至10mm、或从2mm至5mm。在其它应用中，例如涉及相对小的真空室的那些应用中，本体3的壁可以从0.1mm到1mm、或从0.2mm到0.5mm。金属密封环1的部分外表面或全部外表面可以涂覆有较软的金属(例如，铟)的层，以便形成金属密封环1的密封表面，从而更好地符合法兰13A-13B的表面。
可以以多种方式将内部压力引入到本体3中。例如，可以使用气动泵来迫使压缩气体通过入口管7进入本体3中。或者，可以使用液压机或泵(例如，手动液压泵)来迫使液压介质(例如，水、油或硅橡胶)进入本体3中。入口管7的端部11可以适于连接到泵和/或压机，例如通过在其外表面或内表面上设置螺纹来连接到泵和/或压机。入口管7还可以装配有活塞，该活塞可以用于压缩金属密封环1内的流体。在一个示例中，活塞由拧入到入口管7的端部11中的螺钉(例如，平头螺钉)形成，使得将螺钉前进到入口管7中会升高环1中的内部压力。
替代性地或附加地，也可以通过密封入口管7的端部11并且压缩该入口管7的至少一部分，例如卷曲入口管7以迫使流体(例如，空气)进入本体3，来创建内部压力。也可以通过将液体或固体(例如，液氮或固体二氧化碳)引入到入口管7中，密封该入口管7，并且然后允许或引起该液体或固体蒸发(或升华)，来创建内部压力。
在一些示例中，可以设置密封的辅助室，该密封的辅助室与密封环1和/或入口管7流体连通，并且用作用于维持环1中的内部压力的液压蓄压器。例如，辅助室可以是容置被构造用于压缩本体3内的流体(液压介质)的活塞的活塞室，使用诸如弹簧之类的弹性构件来推动活塞。
通常，通过使本体3膨胀而形成的密封部能够防止流体(例如，气体或液体)沿径向方向在法兰15A、15B之间通过，但是也可以使用其它几何结构。例如，类似于金属密封环1的密封环可以用于在一对嵌套的缸或管之间形成密封部。在这种情况下，金属密封环设置在形成于所述缸中的一个缸的端部中的通道中，并且在缸被嵌套之后该金属密封环膨胀以抵靠另一个缸，即，密封环径向地膨胀。例如，这种几何结构允许将两个管密封地结合在一起。
为了便于解释，上述示例已经涉及使用具有圆形横截面的密封环。在一些情况下，其它横截面可以对所获得的密封部的完整性具有额外的益处。图3A示出了膨胀之前的金属密封环21的本体的横截面19。该图中的竖直箭头(标记为“z”)指示金属密封环21的轴线的方向。横截面19包括布置在环21的相反轴向面上的两个尖锐的(即，尖的)脊23A-23B。如图1和图2所示，金属密封环21的本体被封闭在由待被密封的金属表面中的通道所形成的腔25内(在图3A和图3B中，由虚线指示)。图3B与图3A相同，不同之处在于已经通过使用金属密封环21的入口管向本体中引入内部压力而使该金属密封环21的本体膨胀和变形。横截面25变形成与腔25相符，并且脊23A-23B中的每个脊的顶点被驱动到腔的相对金属表面中以形成刀刃式密封部。
在另一示例中(未示出)，被密封的金属表面(法兰)分别包括一个或多个尖锐的刀刃。当金属密封环膨胀时，该刀刃咬入到金属密封环的外表面中以形成密封部。在一些情况下，金属密封环的外表面包括用于接收(一个或多个)刀刃的一个或多个凹口，从而提供更强的密封部。在一些示例中，刀刃的特征尺寸远小于环的厚度(即，小半径)，从而提供用于咬入环的外表面中的纹理化的(即，粗糙的)表面。
图4A和图4B类似于图3A和图3B，不同之处在于金属密封环21被金属密封环27所代替，该金属密封环27具有总体上呈圆形或椭圆形的本体横截面，并且包括由不同的金属(或合金)制成的部分29A-29B、31A-31B。在该示例中，一对部分29A-29B由相对较强延展性的金属(例如，铜)制成、并且沿着密封环27的半径布置，而另一对部分31A-31B由相对较低延展性的金属(例如，钢)制成、并且相对于密封环27轴向地布置。部分29A-29B、部分31A-31B例如通过焊接而被结合在一起，但是也可以使用将这些部分结合在一起的其它方式，例如硬钎焊或软钎焊。在膨胀之后，较低延展性的部分31A-31B保持基本上相同的形状，而较强延展性的部分29A-29B沿轴向方向拉伸，从而迫使较低延展性的部分31A-31B与腔25的金属表面进行接触，并且从而形成它们之间的密封部。可以通过改变较低延展性的部分29A-29B的厚度来控制使密封环27膨胀所需的内部压力，其中较薄的部分用于需要相对低的内部压力的应用，例如当密封环27具有大的直径时或当仅可以产生低内部压力时。
图5A和图5B再次类似于图3A和图3B，不同之处在于金属密封环33具有带有中空圆形横截面34的本体，该中空圆形横截面具有尖头35，该尖头35形成在环33的一个面上延伸的尖锐的脊。在该示例中，尖头35由钢制成(尽管也可以使用其它相对硬的金属)，而本体的其余部分34由铜制成(尽管可以使用其它相对软的金属)。典型地，尖头35通过焊接而附接到本体，但也可以使用其它附接方法，例如硬钎焊、软钎焊、或通过例如共挤压或模锻将尖头机械地固定在适当位置。在该示例中，封闭金属环33的腔36具有与图3A和图3B中的腔不同的形状：封闭金属环33的腔36具有用于在金属密封环33膨胀/扩大之后容纳尖头35的较小部分。尖头35“咬入”相邻的金属表面中以形成“刀刃”式密封部，而圆形横截面34也通过扩大以符合该腔36的较大部分以形成密封部。
图6A和图6B再次类似于图3A和图3B，不同之处在于金属密封环37包括内部壁38，该内部壁38将本体的内部分隔成两个室39A、39B。分隔壁38最初朝向第一室39A屈曲(弯曲)。在使用入口管7向第一室39A中引入内部压力时，分隔壁38朝向第二室39B移动并且变得更直。该移动导致密封环37的本体的外部壁被迫分开，从而引起本体变形以抵靠金属表面40A、40B以形成密封部(参见图6B)。在该示例中，第二室39B包括支柱41，该支柱41在分隔壁38被伸直之后抵抗分隔壁38的进一步移动，从而避免分隔壁38沿相反的方向(即，进入第二室39B的方向)屈曲(弯曲)。
支柱38可以是能够被弹性压缩的，以便维持第一室39A中的内部压力，并因此维持由本体的外部壁施加在金属表面40A、40B上的密封压力。第二室39B可以被加压，从而增加必须被引入到第一室39A中以使分隔壁38移动的压力，并由此增加密封压力。
替代性地或附加地，可以通过降低第二室39B中的压力(例如，使用真空泵)以在室39A、39B之间创建压力差来移动分隔壁38。相反，可以通过向第二室39B中引入内部压力以创建沿相反方向的压力差来使分隔壁38朝向第二室39B的移动逆转。这允许通过“收缩”金属密封环37来释放密封。
可以释放密封的另一方式是，溶解或化学反应去除所述金属密封环1、21、27、33、37中的一些(或全部)。例如，金属密封环的本体可以由(在外侧)镀覆有金的铜制成。可以使用溶剂(例如，氯化铁III)将铜溶解，通过(例如)入口管7将溶解的铜引入到密封环中，留下一层金，这允许密封部可以被容易地去除，并且相配合的部分彼此分离开。当然，也可以使用其它材料组合和/或溶剂。
上述金属密封环1、21、27、33、37可以用于多种不同的应用。例如，上述金属密封环中的一个或多个可以用于缸盖垫片中以将缸盖密封至活塞发动机中的发动机缸体。作为另一示例，上述金属密封环中的一个或多个可以被包括在活塞装置中，该活塞装置包括活塞头，该活塞头抵抗(或响应于)作用在该活塞头上的流体压力而在缸内滑动。在这种情况下，金属密封环可以用于在活塞头与缸之间形成密封部，或者在缸与附接到活塞头或与活塞头成一体的连接杆之间形成密封部。一个或多个这样的活塞可以用于等离子体压缩装置中。等离子体压缩装置可以是例如包括含有注入等离子体的液态金属涡流的室的聚变反应器。活塞被构造用于将液态金属朝向室的中央驱动，从而使涡流坍塌并且压缩该等离子体以开始聚变反应。图7和图8示出了真空系统42，该真空系统42包括外部真空室43、托卡马克设备45(即，用于控制磁约束的热等离子体中的聚变反应的环形聚变反应器)和维持真空室47。外部真空室43封闭托卡马克设备45并且连接到维持真空室47，如下面所描述的。在一个具体实施例中，托卡马克设备45具有大约5m至15m的高度，并且外部真空室具有大约20m至30m的高度，尽管一般地外部真空室的高度是托卡马克设备45的高度的大约2倍至2.5倍。外部真空室43和维持真空室45一起封闭托卡马克设备45的部件，以防止氚和其它放射性同位素逸出。
托卡马克设备45包括具有环形内部体积51的内部真空室49，在该环形内部体积51中约束等离子体。从图8中可以最清楚地看出，内部真空室49由多个独立可移除的区段53形成，其中每个区段53提供内部真空室49的扇区(即，渐缩的角状件)。例如，每个区段可以跨越22.5度的角度，使得由16个区段形成内部真空室49(尽管每个区段跨越相同大小的角度不是必要的，并且可以使用任意数量的区段)。每个区段53包括环绕该区段的内部体积的环形场(TF)线圈55，使得当内部真空室完全组装好并且向线圈55供应电流时，在内部真空室49内生成环形磁场。在这种情况下，环形场线圈55安装到区段53的内侧壁并且遵循区段53的大致椭圆形的横截面。
每个区段53容置托卡马克设备45的“第一壁”57(即，在使用托卡马克设备45时直接邻近等离子体的壁)的一区段。虽然第一壁区段57的大部分被定位成朝向内部真空室区段53的径向最靠外的壁，但是该第一壁区段57的内部部分59位于内部真空室区段53的径向最靠内的壁上。一对偏滤器(divertor)61、63设置在第一壁区段57的径向外部部分与径向内部部分之间，以便捕获在托卡马克设备45的操作期间从该托卡马克设备45的磁场轴向逸出的等离子体。一个偏滤器61设置在区段53的底壁上，并且另一个偏滤器63设置在区段53的顶壁上(此处参考图7使用顶和底，其中区段53的轴线，即环形内部体积的轴线是竖直的)。通过屏蔽件65将第一壁区段57和偏滤器61、63包围在区段53内，从而限制离开托卡马克设备45的中子的通量。
每个区段53安装在平面内支撑结构67(或“承载件”)内，当区段53被组装以形成内部真空室49时，该平面内支撑结构67支撑该区段53。该框架包括中央支撑部69和支撑柱71，该中央支撑部69用于支撑平面内支撑结构67的靠近托卡马克设备45的轴线的下侧，支撑柱71被布置成围绕托卡马克设备45的外侧以用于分别沿平面内支撑结构67的径向边缘支撑该平面内支撑结构67。平面内支撑结构67包括位于该平面内支撑结构的基底的联接器73，该联接器73用于将低温冷却剂(通常在大约20K至30K的温度)供应至区段53，将电流供应至TF线圈55，将冷却剂供应至屏蔽件65，以及冷却第一壁区段57。当托卡马克设备45组装好时，联接器连接到设置在外部真空室43的基底中的互补的馈送通路75，以便向每个区段53供应冷却剂和电力。
在图8中，区段53中的一个区段已经从外部真空室43移动到维持室47中(如托卡马克设备45右侧的较暗的线所指示的)，例如，使用位于外部真空室42内部的机器人处理系统(未示出)将该区段从外部真空室43移动到维持室47中。在该示例中，维持室47的尺寸被选择成使得可以容纳单个区段53，从而允许接近区段53的面以用于检查和/或维护，例如使用另一机器人系统来进行检查和/或维护。在一些示例中，设置隔离阀，例如闸阀(未示出)，以允许维持室47和外部真空室43彼此隔离，例如使得维持室47可以升至大气压力以允许移除和更换该区段53的部分(或甚至整个区段53)。
为了重新组装内部真空室49，例如一旦区段53已经被修复，需要在区段53与位于该区段53的任一侧的相邻区段之间形成真空密封。然而，区段53需要紧密配合在一起以形成内部真空室49，并且通常通过框架69、70将区段53牢固地夹持在适当位置，这意味着依赖于密封环的压缩的密封(例如，斜楔(conflat)密封)可能是不适合的。由上述金属密封环1、21、27、33提供该问题的解决方案，上述金属密封环1、21、27、33可以位于区段53之间并且膨胀以形成所需的密封部。为了防止氚从托卡马克设备45泄漏，在区段53之间使用金属对金属的密封部是特别重要的。
每个区段可以包括其中密封有密封环1、21、27、33的凹槽或通道，使得在膨胀之前密封环1、21、27、33与区段53的面齐平(或凹入到区段53中)。这种布置允许区段53在被组装之后彼此紧密配合(例如，分开小于5mm)，这使被容置在每个区段53中的相应的第一壁区段57、偏滤器61、63和屏蔽件65之间的间隙的尺寸最小化。
附加地或替代性地，屏蔽件65可以固定到柔性安装件(未示出)，当在组装期间区段53径向移动到真空室53中时，该柔性安装件为屏蔽件提供一定的移动自由度。该自由度允许在不妨碍区段53的插入的情况下使屏蔽件65紧密地配合在适当位置。
或者，金属密封环1、21、27、33可以安装在可移除承载件(未示出)上，该可移除承载件被插入在相邻的区段53之间，并且然后在密封环已经膨胀以形成密封部之后移除该可移除承载件。这种方法的优点是，区段53都不需要凹槽，这意味着密封环和区段53都可以在形成密封部之前滑动到适当位置，例如，从托卡马克设备45上方竖直地(轴向地)滑动到适当位置。因此，该配置允许在不需要移动相邻的区段53的情况下单独地移除和更换区段53。
极向场(PF)线圈(未示出)设置在内部真空室49的上方和下方，以在托卡马克设备45操作时在内部真空室49内提供极向磁场。与TF线圈55不同，PF线圈不需要呈区段的，因为可以从托卡马克设备45抬升上部PF线圈以允许移除区段53，而下部PF线圈可以保留在内部真空室49下方在平面内支撑结构67与中央支撑部69之间的适当位置。
当组装内部真空室49时(参见图7)，平面内支撑结构67被帽结构77夹持在适当位置，该帽结构77位于托卡马克设备45的轴线(中心柱)上，并且可以被升高到外部真空室43的顶部以允许区段53被移除或更换。

Claims (34)

1.一种金属密封环，所述金属密封环用于在两个相对的金属表面之间形成金属对金属的密封部，所述金属密封环包括管状金属本体和入口管，所述入口管从所述本体延伸，用于向所述本体中引入内部压力，所述本体适于在所述内部压力下变形以抵靠所述相对的金属表面中的每个金属表面从而形成所述密封部。
2.根据权利要求1所述的金属密封环，其中，所述本体具有包括两个或更多个部分的横截面，所述两个或更多个部分由不同的相应金属制成，每种金属具有不同的延展性和/或屈服强度。
3.根据权利要求1或2所述的金属密封环，其中，所述本体具有包括具有不同的相应厚度的两个或更多个部分的横截面。
4.根据权利要求2或3所述的金属密封环，其中，所述两个或更多个部分被布置成用于在向所述本体中引入所述内部压力时使所述本体的所述横截面优先沿轴向方向扩大。
5.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述本体包括围绕所述环延伸的一个或多个脊，所述一个或多个脊用于在向所述本体中引入所述内部压力时与所述金属表面中的一个或多个金属表面形成刀刃式密封部。
6.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述本体包括延展性金属的外层，所述延展性金属例如是铟。
7.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述本体完全地或部分地填充有液压介质。
8.根据权利要求7所述的金属密封环，其中，所述液压介质是硅橡胶。
9.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述本体包括具有从0.1mm至10mm的厚度的壁，或优选地包括具有从0.2mm至2mm的厚度的壁。
10.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述本体适于：在引入超过环境压力不多于300MPa的内部压力时，优选地在引入超过环境压力不多于150MPa的内部压力时，使体积增加至少5％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述本体适于在引入所述内部压力时通过塑性变形而使体积增加，从而能够在不破坏所述密封部的情况下释放所述本体中的所述内部压力。
12.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述入口管被密封，使得所述本体和所述入口管一起形成封闭的系统，从而减小所述入口管的内部体积以向所述本体中引入内部压力。
13.根据权利要求12所述的金属密封环，包括活塞表面，所述活塞表面能够在所述入口管的所述内部体积内移动，以便向所述本体中引入内部压力。
14.根据权利要求13所述的金属密封环，其中，由螺钉提供所述活塞表面，或使用螺钉使所述活塞表面能够移动。
15.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，包括活塞室，所述活塞室用于维持所述本体中的所述内部压力，所述活塞室与所述本体和/或所述入口管流体连通，并且所述活塞室包括被构造用于压缩所述本体内的液压介质的活塞。
16.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述管状金属本体是环形的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述本体的内部通过分隔壁被分隔成第一室和第二室，
所述分隔壁被构造成响应于使用所述入口管而被引入到所述第一室中的内部压力而朝向所述第二室移动，并且引起所述本体扩大以抵靠所述相对的金属表面中的每个金属表面。
18.根据权利要求17所述的金属密封环，其中，所述第二室包括支柱，所述支柱被构造用于抵抗所述分隔壁的移动，优选地，所述支柱是能够被弹性压缩的，以便在所述分隔壁上提供弹性恢复力。
19.根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，其中，所述入口管从所述管状金属本体的外周壁延伸。
20.一种位于两个相对的金属表面之间的密封部，所述密封部包括根据前述权利要求中任一项所述的金属密封环，所述金属密封环至少部分地位于形成在所述金属表面中的至少一个金属表面中的通道内。
21.一种真空室，所述真空室包括两个相对的金属表面，使用根据权利要求1至19中任一项所述的金属密封环或使用根据权利要求18所述的密封部使所述两个相对的金属表面彼此密封。
22.根据权利要求21所述的真空室，其中，所述金属密封环的所述入口管通过所述相对的金属表面中的至少一个金属表面中的通道延伸到所述真空室的外部。
23.一种活塞发动机，所述活塞发动机包括发动机缸体和缸盖，使用缸盖垫片将所述缸盖密封到所述发动机缸体，所述缸盖垫片包括根据权利要求1至19中任一项所述的金属密封环。
24.一种套件，所述套件包括根据权利要求1至17中任一项所述的金属密封环、液压泵和连接器，所述液压泵优选地为手动液压泵，所述连接器用于将所述金属密封环的所述入口管连接到所述液压泵。
25.一种活塞，所述活塞包括根据权利要求1至19中任一项所述的金属密封环。
26.一种等离子体压缩装置，所述等离子体压缩装置包括室和与所述室流体连通的一个或多个根据权利要求25所述的活塞，所述装置能够被构造用于使用一个或多个所述活塞来压缩在所述室内的等离子体。
27.一种托卡马克设备，所述托卡马克设备包括具有环形内部体积的真空室，所述真空室包括多个区段，每个区段提供所述环形内部体积的一个扇区，并且每个区段包括围绕该区段缠绕的一个或多个环形场线圈，所述环形场线圈用于在所述扇区内生成环形磁场，所述真空室进一步包括形成在所述区段中的至少两个区段之间的密封部，所述密封部使用根据权利要求1至19中任一项所述的金属密封环或根据权利要求20所述的密封部。
28.根据权利要求27所述的托卡马克设备，其中，每个区段能够单独地被从所述真空室移除。
29.根据权利要求27或28所述的托卡马克设备，其中，所述多个区段包括12个或更多个区段，优选地包括16个区段。
30.一种真空系统，所述真空系统包括外部真空室，所述外部真空室封闭根据权利要求27至29中任一项所述的托卡马克设备，所述外部真空室连接到另一真空室，所述托卡马克设备的所述真空室的所述区段中的一个或多个区段能够移动到所述另一真空室中。
31.一种使用金属密封环在两个相对的金属表面之间形成金属对金属的密封部的方法，所述金属密封环是根据权利要求1至19中任一项所述的金属密封环，所述方法包括将所述金属密封环的所述本体定位在所述金属表面之间，以及使用所述入口管向所述本体中引入内部压力，以便使所述本体变形以抵靠所述金属表面，从而形成所述密封部。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，通过迫使流体从所述入口管进入所述本体中而向所述本体中引入所述内部压力，所述流体例如是液压流体。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，迫使所述流体从所述入口管进入所述本体中包括卷曲所述入口管。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的方法，其中，所述本体是能够塑性变形的，使得能够在不破坏所述密封部的情况下释放所述本体中的所述内部压力。
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