KR102576271B1

KR102576271B1 - 유체 쿠션을 구비한 밀봉 디바이스

Info

Publication number: KR102576271B1
Application number: KR1020177021076A
Authority: KR
Inventors: 비아니 라비
Original assignee: 비아니 라비
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2023-09-07
Also published as: AU2016211103B2; CA2974402C; JP6918696B2; JP2018512541A; CA2974402A1; EP3303885A1; WO2016120556A1; FR3032252A1; CN107208618B; KR20170109230A; AU2016211103A1; FR3032252B1; EP3303885B1; CN107208618A

Abstract

본 발명은 실린더(102)에서 움직이고 실린더와 함께 밀봉될 챔버(104)를 획정하는 피스톤(101)을 위한 유체 쿠션(100)을 구비한 밀봉 디바이스에 관한 것이며, 밀봉 디바이스는, 그 반경 방향 두께를 통과하는 교정식 개구(111)를 구비하고 피스톤(101)에 배열된 링 그루브(109)에 밀봉적으로 삽입되어서, 상기 링 그루브(109)와 함께, 가압 유체 공급원(112)에 연결된 압력 분배 챔버(119)를 획정하는 연속 천공 링(105)을 포함하는 한편, 축방향으로 막힌 역압 오목부(115)는, 실린더(102)를 대면하고 연속 천공 링(105)을 포함하는 링(107)의 외부 원통형 표면에 형성되며, 교정식 개구(111)는 상기 오목부(115) 내로 이어진다.

Description

유체 쿠션을 구비한 밀봉 디바이스

본 발명은 유체 쿠션 밀봉 디바이스에 관한 것이다.

피스톤과 실린더 사이에서 가압 가스가 누설되는 것을 방지하도록, 상기 피스톤과 상기 실린더 사이에 밀봉을 생성하기 위한 많은 기술이 존재한다.

이러한 디바이스들의 부재가 상당한 누설 유동으로 이어지기 때문에, 몇몇 피스톤들이 밀봉 세그먼트, 링 또는 디바이스 없이 작업한다. 그러므로, 대부분의 경우에, 상기 피스톤들을 위한 밀봉 디바이스를 제공하는 것이 필요하다.

"건식"으로서 지칭되는 오일없이 작업하는 피스톤들 및 밀봉 디바이스들을 구성하는 세그먼트(들) 또는 링(들) 사이에 삽입된 오일에 의해 윤활되어 작동하도록 설계된 피스톤들을 위한 상기 디바이스들과, 밀봉 디바이스들이 협력하는 실린더 사이에는 차이가 있다.

피스톤을 위한 밀봉 디바이스의 설계는, 상기 디바이스가 확보하는 밀봉 정도와, 피스톤이 유발하는 마찰로 인한 에너지 손실, 및 그 유효 수명 사이의 절충(compromise)으로부터 기인한다.

주로 피스톤을 교번시키기 위한 밀봉 디바이스의 2개의 사용 분야(즉 압축기와 모터)를 구분한다.

건식-공기 압축기(dry-air compressor)는 많은 적용 분야에서 압축기들이 사용하는 압축 공기에서 어떠한 윤활유도 용인하지 않기 때문에 통상적으로 사용된다. 건식-공기 압축기를 장착한 피스톤은 또한 "PTFE"로 지칭되는 폴리테트라플루오르에틸렌에 대해, 미국 기업인 "듀퐁사(Dupont de Nemours)"에 의해 등록된 상표인 "테플론(Teflon)"으로 만든 밀봉 링이 장비된다. 이러한 폴리머는 열 안정성이며, 고도의 화학적 안정성(chemical inertness) 및 높은 항부착력(anti-adhesive power)을 가진다. 그러나, PTFE는 마찰 계수가 그 대부분의 진행 전체에 걸쳐서 유체 역학 상태(hydrodynamic regime)에서 그 윤활이 보장되는 컷오프 세그먼트(cut-off segment)의 마찰 계수보다 명확히 높다는 결점을 가진다. 중합체에 용인 가능한 내마모성 및 허용 수명을 주도록, 예를 들어 세라믹 또는 코크스와 같은 경질 그레인 및 감마재 그레인(anti-friction grain)들로 이루어진 충전제를 PTFE에서 사용하는 것이 가능하다. 이러한 개선에도 불구하고, 일반적으로 주철 또는 강으로 만들어진 윤활 컷오프 세그먼트는 PTFE로 만들어진 디바이스보다 우수한 내구성을 가진다.

교번하는 내부 연소 열 엔진의 분야에서, 엔진의 작동에 해로운 영향을 주지 않으면서 상기 엔진의 실린더를 오일로 윤활시키는 것이 가능하기 때문에, 충전제가 PTFE로 만들어진 링들이 드물게 사용된다. 결과적으로, 마찰로 인한 에너지 손실을 적게 발생시키고 PTFE로 만들어진 링보다 우수한 내구성을 가지는 주철로 만들어진 윤활 컷오프 세그먼트를 선택하는 것이 바람직하다.

그러므로, 적용 분야에 따라서, 건식으로 작동하지만 마찰로 인하여 많은 손실을 발생시키고 덜 내구성인 밀봉 링과, 마찰로 인하여 보다 적은 에너지를 소비하고 그 유효 수명이 더욱 긴 금속 컷오프 세그먼트 사이의 선택이 이루어져야만 한다. 실제로, 그리고 대부분의 경우에, 공기를 건조하게 그리고 오일이 없이 유지할 필요성만이 건식으로 작동하는 밀봉 링의 선택을 정당화한다.

또한, 압축 공기 또는 어떠한 윤활제도 없이 가스를 유지하는 필요성 외에, 일부 고온 적용 분야는 윤활 자체와 양립하지 않는다. 실제로, 오일은 특정 온도를 넘어서 코크화되고, 압축기의 내벽, 특히 그 실린더 및/또는 그 세그먼트와의 접촉 시에 그 윤활 특성을 상실한다. 종래의 광유(mineral oil)의 한계 코킹(coking) 온도는 160℃ 내지 200℃이다. 이러한 기준의 관점에서 최상의 성능을 가지는 합성유는 그 최상의 경우에 대략 300℃의 한계 코킹 온도를 가진다.

작동 동안 도달된 온도가 예를 들어 450 내지 500℃와 같이 더욱 높으면, 디젤 엔진에서 발생하는 바와 같이 공기 중에 포함된 오일의 자가 점화의 위험이 존재한다.

그러나, 대략 1000℃ 이상의 더욱 높은 온도에서 작동하는 압력 방출 실린더, 실린더 헤드, 및 피스톤 크라운(piston crown)이 장비된 열 엔진들을 생산할 수 있는 것이 유익할 것이다. 이러한 경우에, 압축기들 및 원심 터빈들로 통상적으로 구현되는 브레이턴 사이클 열 재생 엔진(Brayton cycle regenerative engine)은 용적식 피스톤 기계(volumetric piston machine)를 사용하여 구현될 수 있다. 이러한 엔진의 수율은 오토 또는 보 드 로샤(Beau de Rochas) 사이클 제어 점화 또는 디젤 사이클 압축 점화를 가지는 종래의 교번 내부 연소 열 엔진의 수율보다 상당히 높을 수 있다.

그러나, 이와 같은 상황에서, 종래의 내연기관의 피스톤 세그먼트의 윤활은 오일이 순간적으로 연소 또는 코킹화하지 않고 대략 1000℃ 이상의 상기된 온도를 견딜 수 없기 때문에 불가능하다. 그러므로, 컷오프 세그먼트가 작동하는데 윤활될 필요가 있기 때문에, 주철이나 강철로 만들어진 컷오프 세그먼트를 사용하는 것은 가능하지 않다. 유사하게, 용융점이 단지 대략 330℃ 정도의 온도인 PTFE 세그먼트 또는 이와 유사한 세그먼트를 제공하는 것은 불가능하다.

높은 작동 온도에 더하여, 종래의 PTFE 링이 허용하는 것과는 대조적으로, 건조 공기를 생산하고 피스톤 밀봉 디바이스의 현장에서의 마찰로 인한 그 에너지 손실이 제한된 비-윤활 피스톤 압축기를 설계, 생산 및 판매할 수 있다는 것이 또한 유익하다.

본 발명은 특히 압축기 및 교번 엔진(alternating engine)의 피스톤들에 대한 밀봉 디바이스들의 한계를 넓히기 위한 목적을 위한 것이며, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는,

특히 기밀한 밀봉을 가지며;

윤활을 요구하지 않으며;

마찰로 인한 최소의 손실을 발생시키며;

대략 1000℃ 이상의 매우 높은 온도로 가열된 피스톤 및/또는 실린더와 양립할 수 있으며;

실린더와 접촉하지 않고, 그 결과, 견고하고 내구성이 있는 작동을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스의 적용 분야는 임의의 다른 선형 및/또는 교번 기계, 특히 임의의 가스 잭, 압력 증폭기 또는 축압기로 확장될 수 있으며, 이러한 예들은 비제한적인 기초에서 주어지며, 대체로 그 에너지 성능 및/또는 효율이 상기 디바이스에 의해 개선될 수 있거나 또는 그 적용 분야가 상기 디바이스에 의해 확장될 수 있다는 것에 유의하여야 한다.

대부분의 적용 분야에서, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는 기밀성 밀봉(gas-tight seal)을 제공하도록 의도된다. 그러나, 일부 적용예에서, 상기 디바이스는 액밀성 밀봉(liquid-tight seal)을 제공하도록 사용될 수 있으며, 그러므로, 동일한 방식으로 작동하고 동일한 결과를 생성하는 유체 쿠션 밀봉 디바이스가 된다. 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스에 의해 액체를 밀봉하는 것은, 예를 들어, 특히 산업계에서 사용되는 특정 피스톤 펌프들에 대해 실제 유익할 수 있다.

본 발명의 다른 특징들은 상세한 설명 및 독립항에 직접적으로 또는 간접적으로 종속되는 종속항들에서 설명된다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 실린더 내에서 길이 방향 병진으로 상기 실린더와 동일한 축에서 움직일 수 있는 피스톤을 위해 설계되고, 상기 피스톤과 상기 실린더는 적어도 하나의 실린더 헤드와 함께, 밀봉될 챔버를 획정하며, 상기 밀봉 디바이스는,

ㆍ 내부 원통형 링 표면, 외부 원통형 링 표면, 및 2개의 축방향 링 표면을 포함하는 적어도 하나의 연속 천공 링(at least one continuous perforated ring)으로서, 상기 링은 상기 피스톤 또는 상기 실린더에 제공되는 적어도 하나의 링 그루브(ring groove)에 수용되는 한편, 상기 링은 상기 링 그루브를 떠나지 않고 상기 링 그루브 내에서 반경 방향으로 움직일 수 있는, 상기 적어도 하나의 연속 천공 링;

ㆍ 상기 링 그루브가 상기 연속 천공 링과 함께, 압력 전달 회로에 의해 가압 유체 공급원에 연결된 압력 분배 챔버를 획정하도록 각각의 축방향 링 표면과 상기 링 그루브 사이에 밀봉을 생성하는 링 밀봉 수단;

ㆍ 그 반경 방향 두께에서 상기 연속 천공 링을 완전히 통과하는 적어도 하나의 교정식 개구(calibrated opening);

ㆍ 상기 연속 천공 링에 포함되고 상기 압력 분배 챔버의 반대측에 배열되는 적어도 하나의 유체 쿠션 지지 표면(fluid-cushion carrying surface)을 포함한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 상기 링 그루브가 피스톤에 제공되는 경우에, 상기 외부 원통형 링 표면 상에 오목하게 제공되는 축방향으로 막힌 역압 오목부(axially blind counter-pressure recess)를 포함하여서, 상기 오목부를 수용하는 상기 외부 원통형 링 표면 중 상기 역압 오목부에 의해 점유되지 않은 표면은 상기 유체 쿠션 지지 표면을 구성한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 상기 링 그루브가 상기 실린더에 제공되는 경우에, 상기 내부 원통형 링 표면 상에서 오목하게 제공되는 축방향으로 막힌 역압 오목부를 포함하여서, 상기 오목부를 수용하는 상기 내부 원통형 링 표면 중 상기 역압 오목부에 의해 점유되지 않은 표면은 상기 유체 쿠션 지지 표면을 구성한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는 상기 외부 원통형 링 표면 또는 상기 오목부를 수용하는 상기 내부 원통형 링 표면의 축방향 길이에 거의 집중되는 작은 깊이의 역압 그루브로 이루어진 역압 오목부를 포함하며, 상기 역압 그루브는 상기 외부 원통형 링 표면 또는 상기 내부 원통형 링 표면의 전체 원주에 걸쳐서 생성된다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 링은 상기 역압 오목부 내로 개방된 교정식 개구를 포함한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는 상기 역압 오목부의 저부에 오목하게 제공된 압력 분배 오목부(pressure distribution recess)를 통해 상기 역압 오목부 내로 개방되는 교정식 개구를 포함한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 상기 외부 원통형 링 표면 또는 상기 역압 오목부를 수용하는 상기 내부 원통형 링 표면의 축방향 길이에 거의 집중되는 압력 분배 그루브로 이루어진 압력 분배 오목부를 포함하며, 상기 압력 분배 그루브는 상기 외부 원통형 링 표면 또는 상기 내부 원통형 링 표면의 전체 원주에 걸쳐서 생성된다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는 상기 외부 원통형 링 표면 또는 상기 역압 오목부가 제공되는 상기 내부 원통형 링 표면의 2개의 축방향 가장자리 중 적어도 하나의 가장자리를 포함하며, 상기 적어도 하나의 가장자리는 가장자리 판금 틈새(edge plating clearance)에서 종료한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 한편으로 상기 연속 천공 링에 고정되고 다른 한편으로 상기 링 그루브의 내부 또는 림과 밀봉 접촉을 확립하는 링 밀봉 립(ring sealing lip)으로 이루어지는 링 밀봉 수단을 포함한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 상기 연속 천공 링의 축방향 단부들 중 적어도 하나의 부근에 제공되는 얇은 축방향 부분으로 이루어진 링 밀봉 수단을 포함하고, 상기 부분은 상기 링 그루브에 밀봉적으로 고정되고, 상기 연속 천공 링의 지름이 상기 링 그루브의 지름에 대해 증가 또는 감소하는 것을 허용하도록 충분히 가요성이다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는 연속 천공 링을 포함하며, 상기 연속 천공 링은 가요성 재료로 이루어지고, 상기 링 그루브가 상기 피스톤에 제공되면 상기 링의 지름을 감소시키는 경향이 있거나, 또는 상기 링 그루브가 실린더에 제공되면 상기 링의 지름을 증가시키는 경향이 있는 적어도 하나의 원주 방향 링 스프링(circumferential ring spring)을 포함한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 상기 링 그루브가 상기 피스톤에 제공되는 경우에 상기 내부 원통형 링 표면의 가장 큰 가능한 영역, 또는 상기 링 그루브가 상기 실린더에 제공되는 경우에 상기 외부 원통형 링 표면의 가장 큰 가능한 영역을 스위핑(sweep)하도록, 상기 교정식 개구를 통해 빠져나가기 전에, 상기 압력 전달 회로로부터 기원하는 링 유체(ring fluid)를 강제하는 링 유체 분배 수단을 수용하는 압력 분배 챔버를 포함한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 상기 링 그루브의 저부에 수용된 분배 플레이트로 이루어진 링 유체 분배 수단을 포함하고, 상기 플레이트의 축방향 단부들 중 적어도 하나는 그 측방향 단부들 중 적어도 하나를 통해 상기 압력 분배 챔버로 이어지도록 상기 압력 전달 회로로부터 기원하는 링 유체를 강제하는 적어도 하나의 측면 분배 플레이트 개구 또는 그루브를 구비한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는 상기 링 그루브 내로 상기 연속 천공 링의 침입을 제한하는 반경 방향 링 접합부(radial ring abutment)를 가지는 링 그루브를 포함한다.

상기 링 그루브가 상기 피스톤에 제공되면, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 상기 실린더에 평행하고 상기 피스톤에 고정된 압력 흡입 튜브(pressure intake tube)로 이루어진 압력 전달 회로를 포함하며, 상기 튜브의 제1 단부는 상기 피스톤의 내부로 이어지는 한편, 상기 튜브의 제2 단부는, 길이 방향으로 및 밀봉적으로 병진에 의해 상기 튜브가 그 안에서 움직일 수 있는 압력 챔버 보어 홀(pressure chamber borehole)을 통해, 상기 가압 유체 공급원에 연결된 압력 챔버 내로 개방한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 적어도 하나의 반경 방향 압력 흡입 덕트에 의해 압력 분배 챔버에 연결된 압력 흡입 튜브를 포함한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 링 유체가 상기 공급원으로부터 상기 챔버로 가도록 허용하지만 상기 챔버로부터 상기 공급원으로 가는 것을 허용하지 않는 비례식 압력 역류 방지 밸브(proportional pressure non-return valve)에 의해 상기 가압 유체 공급원에 연결되는 압력 챔버를 포함한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는 링 그루브를 포함하며, 상기 링 그루브가 상기 피스톤에 제공되는 경우에 상기 내부 링 원통 표면 또는 상기 링 그루브가 상기 실린더에 제공되는 경우에 상기 외부 링 원통 표면에 반경 방향 힘을 발휘하기 위하여 상기 링 그루브를 가압하는 확장 스프링(expanding spring)을 수용한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는 접촉에 의해 상기 링 그루브와 상기 연속 천공 링 사이에 밀봉을 생성하는 확장 스프링을 포함한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스는, 적어도 하나의 유체 분배 개구 및/또는 적어도 하나의 유체 분배 그루브를 구비하는 확장 스프링을 포함하여, 상기 개구 및/또는 상기 링 그루브와 함께 링 유체 분배 수단을 구성한다.

단지 비제한적인 예로서만 주어지는 첨부된 도면을 참조하는 다음의 설명은 본 발명, 그 특징 및 그것이 조달할 수 있는 이점을 더욱 잘 이해하는 것을 가능하게할 것이다:
도 1은 링 밀봉 수단이 O-링 밀봉구(O-ring seal)로 이루어지는 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스의 개략 단면도.
도 2는 링 그루브가 상기 링 그루브 내로 연속 천공 링의 침입을 제한하는 반경 방향 링 접합부를 가지는 한편, 상기 링이 가요성 재료로 이루어지며 원주 방향 링 스프링을 포함하는, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스의 개략 단면도.
도 3 및 도 4는 각각, 링 그루브가 접촉에 의해 링 그루브와 연속 천공 링 사이에 밀봉을 생성하는 확장 스프링을 수용하고, 상기 스프링이 링 유체 분배 수단을 구성하기 위하여 유체 분배 개구를 또한 구비하는, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스의 개략 단면도 및 분해 사시도.
도 5 및 도 6은 각각, 측면 분배 플레이트 그루브들을 구비하는 분배 플레이트가 링 그루브의 저부에 수용되는 한편, 연속 천공 링에 고정된 링 밀봉 립이 링 밀봉 수단을 구성하고, 연속 천공 링이 가장자리 판금 틈새들을 포함하는, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스의 개략 단면도 및 분해 사시도.
도 7 및 도 8은 각각, 확장 링을 수용하는 링 그루브가 링 유체 분배 수단를 구성하기 위하여 유체 분배 개구들과 유체 분배 그루브들을 구비하는 한편, 링 밀봉 수단이 연속 천공 링의 축방향 단부들의 부근에 제공된 얇은 축방향 부분들로 이루어지는, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스의 개략 단면도 및 분해 사시도.
도 9 및 도 10은 링 밀봉 수단이 O-링 밀봉구로 이루어지는, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스의 작동을 예시하는 개략 단면도.
도 11은 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스를 구비하는 피스톤을 가지는 재생식 열 엔진(regenerative heat engine)의 일부를 절단 사시도.
도 12는 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스가 장착된 피스톤을 가지는 재생식 열 엔진의 일부의 분해 사시도.

도 1 내지 도 12는 유체가 공기 또는 액체일 수 있는 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100), 그 구성 요소의 다양한 세부 사항, 그 변형 및 그 부속품을 도시한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)는, 실린더(102) 내에서 실린더와 동일한 축방향으로 길이 방향 병진에 의해 움직일 수 있는 피스톤(101)을 위해 설계되고, 상기 피스톤(101)과 상기 실린더(102)는 적어도 하나의 실린더 헤드(103)와 함께, 밀봉될 챔버(104)를 획정한다.

도 1 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유체 분배 디바이스(100)는, 내부 원통형 링 표면(106), 외부 원통형 링 표면(107), 및 2개의 축방향 링 표면(108)을 포함하는 적어도 하나의 연속 천공 링(105)을 포함한다.

링(105)은 피스톤(101) 또는 실린더(102)에 제공된 적어도 하나의 링 그루브(109)에 수용되는 한편, 상기 링(105)은 링 그루브(109)를 떠날 수 없이 링 그루브(109)에서 반경 방향으로 움직일 수 있다.

링 그루브(109)가 실린더(102)에 제공되면, 피스톤(101)은 플런저 피스톤이라는 것을 유의하여야 한다.

모든 경우에, 링 그루브(109)는, 상기 링 그루브(109)가 피스톤(101)에 제공되면 피스톤(101)에 축방향으로 고정되거나 또는 상기 링 그루브(109)가 실린더(102)에 제공되면 실린더(102)에 축방향으로 고정된 연속 천공 링(105)을 직접 또는 간접적으로 유지한다.

특히, 도 1 내지 도 10에서, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)는 각각의 축방향 링 표면(108)과 링 그루브(109) 사이에 밀봉을 생성하는 링 밀봉 수단(110)을 포함하여서, 링 그루브는 연속 천공 링(105)과 함께, 압력 전달 회로(114)에 의해 가압 유체 공급원(112)에 연결된 압력 분배 챔버(119)를 획정한다.

또한, 링 밀봉 수단(110)이 O-링 밀봉구(132), 립 밀봉구, 복합 밀봉구 또는 재료 또는 기하학적 구조가 무엇인지에 관계없이 그 자체로 공지된 임의의 다른 밀봉 구 또는 밀봉 세그먼트로 이루어지는 것을 유의해야 할 것이다.

또한, 내부 원통형 링 표면(106) 또는 링 그루브(109)에 대면하는 외부 원통형 링 표면(107)이 비원통형 회전 대칭 형상일 수 있어서, 연속 천공 링(105)의 임의의 두께 변화가 그 축방향 길이 전체에 걸쳐서 가능하고, 상기 링(105)은 버니싱(burnishing) 또는 스탬핑에 의해 변형된 단순 원형 금속 시트이거나, 또는 압연에 의해, 임의의 절단 또는 연속 공구를 사용하여, 또는 당업자에게 공지된 임의의 다른 전기 화학적 또는 다른 제조 방법을 사용하여 제조된 부품일 수 있다는 것을 유의하여야 한다.

도 1 내지 도 10은 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)가 그 반경 방향 두께에서 연속 천공 링(105)을 완전히 통과하는 적어도 하나의 교정식 개구(111)를 포함하는 것을 알 수 있다. 개구(111)의 제1 단부는 내부 원통형 링 표면(106) 상에서 개방되는 한편, 상기 개구(111)의 제2 단부는 외부 원통형 링 표면(107)상에서 개방된다는 것을 유의해야 한다.

도 1 내지 도 3, 도 5, 도 7 및 도 9 내지 도 11에서, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)는 가압 링 유체(113)가 배출되는 적어도 하나의 가압 유체 공급원(112)을 포함하고, 상기 유체 공급원(112)의 출구는, 링 그루브(109)가 피스톤에 제공되면 내부 원통형 링 표면(106)에, 또는 상기 링 그루브(109)가 실린더(102)에서 만들어지면 외부 원통형 링 표면(107)에 링 유체(113)가 압력을 발휘하도록, 압력 전달 회로(114)에 의해 압력 분배 챔버(119)에 연결되는 것을 또한 알 수 있다.

링 유체(113)는 동일하게 가스 또는 액체일 수 있고, 유체가 받는 압력은 밀봉될 챔버(104)에서 지배적인 압력보다 항상 크다는 것을 유의하여야 한다. 상기 결과로서, 연속적인 천공 링(105)의 지름은 상기 링(105)의 탄성으로 인하여 링 유체(113)의 압력의 작용 하에서 증가하여서, 링 그루브(109)가 피스톤(101)에 제공되면 외부 원통형 링 표면(107)이 실린더(102)에 접근하는 경향이 있거나, 또는 연속 천공 링(105)의 지름은 그 탄성 또는 링 유체(113)의 압력의 조합된 효과로 인하여 감소하여서, 링 그루브(109)가 실린더(102)에 제공되면 내부 원통형 링 표면(106)이 피스톤(101)에 접근하는 경향이 있다.

또한, 교정식 개구(111)의 지름은, 가압 유체 공급원(112)으로부터 기원하는 링 유체(113)의 유량을 고려하여, 상기 링 유체(113)가 (경우에 따라서, 내부 원통형 링 표면(106) 또는 외부 원통형 링 표면(107)에) 발휘하는 압력은 밀봉될 챔버(104)에서 지배적인 압력보다 항상 크게 유지되도록 계산된다는 것을 유의하여야 한다.

가압 유체 공급원(112)이 피스톤, 베인, 스크루 또는 원심 압축 공압 유체 압축기(120) 또는 당업자에게 공지된 임의의 다른 형태의 공압 유체 압축기, 또는 그 자체로 공지된 피스톤, 기어 또는 베인형 유압 펌프 또는 임의의 다른 형태의 유압 디바이스일 수 있다는 것을 알 수 있다. 유압 펌프일 수 있는 공압 유체 압축기(120)는 그 자체로 공지된 축압기와 협력할 수 있거나 또는 협력하지 않을 수 있다. 링 유체(113)가 상기 압력 분배 챔버(119) 내로 도입되기 전에, 소정 크기를 초과하는 모든 입자를 상기 링 유체(113)로부터 제거하도록 미세 망상 조직의 링 유체 필터(138)가 공압 유체 압축기(120)의 상류 또는 하류에 장착될 수 있다는 것을 유의하여야 한다.

도 1 내지 도 10은 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)가 압력 분배 챔버(119)로부터 반대측에 배열된 적어도 하나의 유체 쿠션 지지 표면(116)을 포함하는 연속 천공 링(105)을 포함하는 것을 도시한다.

유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)는, 링 그루브(109)가 피스톤(101)에 제공되는 경우에 외부 원통형 링 표면(107) 상에 오목하게 제공되는 축방향으로 막힌 역압 오목부(115)를 포함하여서, 역압 오목부(115)를 수용하는 외부 원통형 링 표면(107) 중 역압 오목부(115)에 의해 점유되지 않은 표면은 유체 쿠션 지지 표면(116)을 구성한다.

변형예에 따라서, 상기 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)는 링 그루브가 실린더(102)에 제공되는 경우에 내부 원통형 링 표면(107) 상에 오목하게 제공된 축방향으로 막힌 역압 오목부(115)를 포함할 수 있어서, 상기 오목부(115)를 수용하는 내부 원통형 링 표면(106) 중 상기 오목부(115)에 의해 점유되지 않는 표면은 유체 쿠션 지지 표면(116)을 구성한다.

역압 오목부(115)의 범위가 교정식 개구(111)의 입구의 넌제로 반지름과 등가인 가장 작은 것으로부터, 상기 오목부(115)를 수용하는 외부 원통형 링 표면(107) 또는 내부 원통형 링 표면(106)의 반지름보다 겨우 인지할 수 있을 정도로 작은 가장 큰 것까지의 임의의 치수일 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 단지 피스톤(101)이 링 그루브(109)의 부근에서 감압 그루브 또는 슬롯 또는 임의의 다른 내부 채널 또는 밀봉될 챔버(104)에 상기 부근을 연결하는 것이 무엇이던간에 임의의 형태의 표면을 구비한 표면을 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 10에 도시된 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)의 변형 실시예에서, 역압 오목부(115)는 외부 원통형 링 표면(107) 또는 상기 오목부(115)를 수용하는 내부 원통형 링 표면(106)의 축방향 길이에 거의 집중되는 작은 깊이의 역압 그루브(117)로 이루어질 수 있으며, 상기 역압 그루브(117)는 상기 외부 원통형 링 표면(107) 또는 상기 내부 원통형 링 표면(106)의 전체 원주에 걸쳐서 생성되며, 상기 역압 그루브(117)와 경계를 이루는 환형 표면은 각각의 유체 쿠션 지지 표면(116)을 구성한다.

도 3 내지 도 10에 도시된 또 다른 변형예에서, 교정식 개구(111)는 상기 역압 오목부(115)의 저부에 오목하게 제공된 압력 분배 오목부(125)를 통해 역압 오목부(115) 내로 이어질 수 있다.

또한, 도 3 내지 도 10은 압력 분배 오목부(125)가 외부 원통형 링 표면(107) 또는 역압 오목부(115)를 수용하는 내부 원통형 링 표면(106)의 축방향 길이에 거의 집중된 압력 분배 그루브(126)로 이루어질 수 있다는 것을 도시하며, 상기 압력 분배 그루브(126)는 상기 외부 원통형 링 표면(107) 또는 상기 내부 원통형 링 표면(106)의 전체 원주에 걸쳐서 생성된다.

또한, 도 5 및 도 6은 외부 원통형 링 표면(107) 또는 역압 오목부(115)를 수용하는 내부 원통형 링 표면(106)의 2개의 축방향 가장자리 중 적어도 하나가 가장자리 판금 틈새(118)에서 종료할 수 있는 것을 도시하며, 이러한 것은 압력 분배 챔버(119)가 수용하는 링 유체(113)의 압력이 상기 가장자리 판금 틈새(118)에 병치되는 유체 쿠션 지지 표면(116) 상에 국부적으로 더욱 높은 힘을 발휘하는 것을 가능하게 한다.

도 5 및 도 6은 또한, 한편으로는 연속 천공 링(105)에 고정되고 다른 한편으로는 링 그루브(109)의 내부 또는 림과 밀봉 접촉을 확립하는 링 밀봉 립(121)으로 링 밀봉 수단(110)이 이루어질 수 있다는 것을 도시하며, 상기 밀봉 립(121)은 연속 천공 링(105) 상에 추가 부분으로서 장착되거나 또는 상기 링(105)과 동일한 재료 부분으로부터 제조될 수 있다. 대안적으로, 링 밀봉 립 121)은 한편으로는 링 그루브(109)에 고정될 수 있고, 다른 한편으로는 연속 천공 링(105)과 밀봉 접촉을 확립할 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 이러한 경우에, 상기 립(121)은 링 그루브(109) 또는 링 그루브의 림 상에 추가된 부분으로서 장착될 수 있거나, 또는 상기 링 그루브(109)와 동일한 재료로 만들어질 수 있다.

본 발명에 따른 유체 분배 밀봉 디바이스(100)의 또 다른 실시예가 도 7 및 도 8에 도시되어 있으며, 이에 따라서 링 밀봉 수단(110)은 연속 천공 링(105)의 축방향 단부들 중 적어도 하나의 부근에 제공된 얇은 축방향 부분(139)으로 이루어질 수 있으며, 상기 부분(139)은 링 그루브(109)에 밀봉적으로 고정되며, 상기 링 그루브(109)의 지름에 대하여 연속 천공 링(105)의 지름이 증가하거나 감소하는 것을 허용하도록 충분히 가요성이다. 얇은 축방향 부분(139)은 이를 구성하는 재료가 어떠한 경우에도 링 유체(113)의 압력의 효과로 인하여 또는 상기 재료의 내피로성의 제한과 양립할 수 없는 반복된 응력으로 인하여 항복할 위험이 없도록 설계된다는 것을 유의하여야 한다.

도 2와 관련하여, 이 도면은 연속 천공 링(105)이 가요성 재료로 이루어질 수 있고, 링 그루브(109)가 피스톤(101)에서 만들어지면 상기 링(105)의 지름을 감소시키는 경향이 있거나, 또는 링 그루브(109)가 실린더(102)에서 만들어지면 상기 링(105)의 지름을 증가시키는 경향이 있는 적어도 하나의 원주 방향 링 스프링(123)을 포함하는 것을 도시한다. 상기 가요성 재료는 내마모성 또는 내마찰성 입자의 충전제를 가질 수 있거나 또는 가지지 않을 수 있는 엘라스토머 또는 중합체일 수 있는 한편, 원주 방향 링 스프링(123)은 상기 재료에 포함되거나 또는 그루브, 하우징 또는 접합부에 의해 원주 방향 링 스프링의 표면 상에서 유지될 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 원주 방향 링 스프링(123)은 나선형 밸브 로드 밀봉 스프링일 수 있거나, 슬릿 디바이스일 수 있거나, 또는 필요한 기능을 수행할 수 있는 임의의 다른 형태의 스프링일 수 있다.

도 3 내지 도 8로부터, 링 그루브(109)가 피스톤(101)에 제공되는 경우에 내부 원통형 링 표면(106)의 가장 큰 가능한 영역을, 또는 링 그루브(109)가 실린더(102)에 제공되는 경우에 외부 원통형 링 표면(107)의 가장 큰 가능한 영역을 스위핑하도록, 교정식 개구(111)를 통해 빠져나가기 전에, 압력 분배 챔버(119)가 압력 전달 회로(114)로부터 기원하는 링 유체(113)를 강제하는 링 유체 분배 수단(124)을 수용할 수 있는 것을 알 수 있다. 이러한 배열 링 유체(113)가 연속 천공 링(105)을 냉각하고, 연속 천공 링은 그 열의 일부를 유체(113)에 준다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)의 도 5 및 도 6에 도시된 또 다른 변형예는, 링 유체 분배 수단(124)이 링 그루브(109)의 저부에 수용된 분배 플레이트(136)로 이루어질 수 있는 것으로 이루어지며, 상기 플레이트(136)의 상기 축방향 단부들 중 적어도 하나는 그 축방향 단부들 중 적어도 하나에 의해 압력 분배 챔버(119) 내로 유동하도록 압력 전달 회로(114)로부터 기원하는 링 유체(113)를 강제하는 적어도 하나의 측면 분배 플레이트 개구 또는 그루브(137)를 구비하는 것으로 이루어진다.

도 2에서, 링 그루브(109) 내로 연속 천공 링(105)의 침입을 제한하는 반경 방향 링 접합부(127)를 상기 링 그루브(109)가 가질 수 있고, 상기 접합부(127)가 가능하게 (비 제한적인 방식으로) 링 그루브(109)의 저부, 또는 상기 링 그루브(109)의 저부에 배열된 적어도 하나의 원형 융기 또는 상승부, 또는 상기 링 그루브(109)의 2개의 가장자리 중 적어도 하나에 제공된 적어도 하나의 사각면(chamfer) 또는 림을 구성하는 원통형 표면인 것을 또한 알 수 있다.

또한, 도 11 및 도 12는, 링 그루브(109)가 피스톤(101)에 제공되면, 압력 전달 회로(114)가 실린더(102)에 평행하고 피스톤(101)에 고정된 압력 흡입 튜브(128)로 이루어질 수 있으며, 상기 튜브(128)의 제1 단부는 상기 피스톤(101)의 내부로 이어지는 한편, 상기 튜브(128)의 제2 단부는, 길이 방향으로 그리고 밀봉적으로 병진에 의해 튜브가 그 안에서 움직일 수 있는 압력 챔버 보어 홀(130)을 통해, 가압 유체 공급원(112)에 연결된 압력 챔버(129) 내로 이어지는 것을 도시한다. 압력 챔버 보어 홀(130) 내 병진에 의해 움직이는 압력 흡입 튜브(128)의 제2 단부가 밀봉을 생성하도록 상기 보어 홀(130)에서 슬라이딩하는 밀봉구를 포함할 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 대안적으로, 압력 챔버 보어 홀(130)은 밀봉을 생성하도록 압력 흡입 튜브(128)의 상기 제2 단부 주위에서 슬라이딩하는 밀봉구를 포함할 수 있다.

도 11은 압력 흡입 튜브(128)가, 밀봉 가스킷 및/또는 확장 조인트를 포함할 수 있거나 또는 포함하지 않을 수 있는 튜브의 판금에 의해 피스톤(101)의 질량에서 생성될 수 있거나 또는 상기 피스톤에 추가될 수 있는 적어도 하나의 반경 방향 흡기 덕트(131)에 의해 압력 분배 챔버(119)에 연결될 수 있다는 것을 도시한다.

링 유체(113)가 가압 유체 공급원(112)으로부터 상기 챔버(129)로 가지만 상기 챔버(129)로부터 상기 공급원(112)으로 가지 못하게 하는 비례식 압력 역류 방지 밸브를 통해 압력 챔버(129)가 상기 공급원(112)에 연결될 수 있다는 것을 또한 유의하여야 한다. 이러한 특정 배열은 피스톤(101)이 그 상사점 부근에 있을 때 압력 분배 챔버(119)에서 지배적인 압력을 증가시키기 위하여, 압력 흡입 튜브(128)의 제2 단부의 전후 움직임이 생성되는 압력 챔버(129)의 체적 변화를 사용하는 것을 또한 가능하게 한다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)의 다른 실시 변형예에서, 도 3, 도 4, 도 7, 도 8 및 도 12는, 링 그루브(109)가 피스톤(101)에 제공되는 경우에 내부 원통형 링 표면(106) 상에, 또는 링 그루브(109)가 실린더(102)에 제공되는 경우에 외부 원통형 링 표면(107) 상에 반경 방향 힘을 발휘하기 위하여, 상기 링 그루브(109)를 가압하는 확장 스프링(133)을 링 그루브(109)가 수용할 수 있다는 것을 도시하며, 상기 스프링(133)은 가능하게 나선형 스프링, 판 스프링, 웨이브 스프링 또는 당업자에게 공지된 형태의 스프링이다.

특히, 도 3, 도 4, 도 7 및 도 8에서, 확장 스프링(133)은 접촉에 의해 링 그루브(109)과 연속 천공 링(105) 사이에 밀봉을 생성할 수 있다는 것을 유의하여야 한다.

상기 도면들은 확장 스프링(133)이 적어도 하나의 유체 분배 개구(134) 및/또는 적어도 하나의 유체 분배 그루브(135)를 구비하여, 상기 개구(134) 및/또는 상기 유체 분배 그루브(135)와 함께 링 유체 분배 수단(124)을 형성한다는 것을 또한 도시한다.

본 발명의 작동:

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)의 작동은 특히 O-링 밀봉구(132)로 이루어진 링 밀봉 수단(110)을 도시하는 도 9 및 도 10으로 이해할 수 있다.

도 9 및 도 10에 도시된 밀봉 디바이스(100)의 비제한적인 실시예에 따라서, 링 그루브(109)는 피스톤(101)에 제공되고 실린더(102)에 제공되지 않는다. 결과적으로, 압력 분배 챔버(119)는 내부 원통형 링 표면의 106 측에 위치된다.

도 9 및 도 10에서, 한편으로 압력 분배 챔버(119)에서 지배적인 압력과 다른 한편으로 압력 분배 그루브(126), 역압 그루브(117), 및 밀봉될 챔버(104)에서 지배적인 압력 사이의 차이를 예시하는, 원으로 둘러싸인 부호 "+" 및 "-"가 추가되었다는 것을 유의하여야 한다.

밀봉될 챔버(104)에서 지배적인 최대 압력은 20 bar인 한편, 그 최대 압력이 40 bar인 링 유체(113)의 유동을 가압 유체 공급원(112)이 생성하는 것으로 가정한다.

도 9는 가압 유체 공급원(112)이 링 유체(113)를 바로 전달하기 시작하고 압력 분배 챔버(119)가 압력을 바로 증가시키기 시작할 때의 본 발명에 따른 유체 분해 디바이스(100)를 도시한다. 이러한 단계에서, 밀봉될 챔버(104)에서 지배적인 압력이 여전히 단지 1 절대 bar라는 것을 가정한다.

압력 분배 챔버(119)가 특히 O-링(132)에 의해 밀봉되었으며, 링 유체(113)는 상기 챔버(119)로부터 빠져나가는 교정식 개구(111)를 통하는 것 외의 어떠한 출구도 가지지 않는다는 것을 알 수 있다. 도 9에 도시된 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)의 작동 단계에서, 가압 유체 공급원(112)으로부터 기원하는 링 유체(113)의 전체 유동은 아직 확립되지 않아서, 압력 분배 챔버(119)에서 지배적인 압력은 단지 10 bar이다.

40 bar의 압력이 가압 유체 공급원(112)에 의해 아직 발생되지 않았음에도 불구하고, 압력 분배 챔버(119)에서 지배적인 압력이 압력 분배 그루브(126), 역압 그루브(117), 및 밀봉될 챔버(104)에서 지배적인 압력보다 높기 때문에, 교정식 개구(111)를 통한 링 유체(113)의 빠져나감에도 불구하고, 연속 천공 링(105)이 확장하기 시작하는 것을 알 수 있다.

연속 천공 링(105)의 확장은 점선 화살표로 표시된다. 교정식 개구(111)를 통해 빠져나가는 링 유체(113)의 유동은 압력 분배 그루브(126), 역압 그루브, 및 피스톤(101)과 실린더(102) 사이에 남겨진 틈새에 의해 형성된 틈새를 통해 밀봉될 챔버(104)와 각각 접합한다.

또한, 교정식 개구(111)의 단면 및 가압 유체 공급원(112)에 의해 발생된 링 유체(113)의 유동이 계산되어서, 40 bar의 압력(상기 공급원(112)에 의해 실제로 생성되었을 때)은 링 유체(113)가 교정식 개구(111)를 통해 빠져나감에도 불구하고 압력 분배 챔버(119)에서 유지될 수 있다는 것을 또한 유의하여야 한다. 이러한 것은 어떠한 장애물도 연속 천공 링(105)의 확장을 제한하지 않으면, 연속 천공 링이 가압 유체 공급원(112)으로부터의 링 유체 (113)의 충분한 유동을 수용하여, 가압 유체 공급원이 완전히 밀봉되는 것처럼, 즉 교정식 개구(111)를 가지지 않는 것처럼 확장한다는 것을 의미한다.

연속 천공 링(105)의 반경 방향 두께에 관하여, 이는 상기 링(105)을 구성하는 재료의 반발력을 고려하여, 40 bar의 압력이 내부 원통형 링 표면(106)에 인가될 때, 연속 천공 링(105)의 외경이 실린더(102)의 내경과 적어도 동일하거나 이보다 훨씬 크도록 계산된다.

압력 분배 챔버(119)에서 점진적으로 압력이 상승함에 따라서, 연속 천공 링(105)의 지름은 유체 쿠션 지지 표면(116)들이 실린더(102)의 벽으로부터 매우 짧은 거리일 때까지 증가한다. 이러한 것은 도 10에 도시되어 있다.

본 발명에 따른 유체 분해 디바이스(100)의 이러한 작동 단계에서, 유체 쿠션 지지 표면(116)들과 실린더(102) 사이에서 상당한 압력 손실이 생성되고, 상기 손실은 링 유체(113)의 통행에 대립한다. 결과적으로, 압력 분배 그루브(126) 및 역압 그루브(117)에서 지배적인 압력은 압력 분배 챔버(119)에서 지배적인 압력에 근접하는 지점까지 증가한다. 이로부터, 상기 챔버(119)에서 지배적인 압력이 유체 쿠션 지지 표면(116)들 외에 연속 천공 링(105)에서 반경 방향 힘을 더 이상 발휘하지 않게 된다. 이러한 것에 계속해서, 확장에 저항하는 스프링의 성질에 의해 연속 천공 링에 부여되는 탄성으로 인하여, 연속 천공 링(105)은 후퇴하고, 이러한 것은 한편으로는 유체 쿠션 지지 표면(116)과 실린더(102) 사이의 부하 손실을 감소시키는 효과를 가지며, 다른 한편으로는 압력 분배 그루브(126) 및 역압 그루브(117)에서 지배적인 압력을 낮추며, 이러한 것은 연속 천공 링(105)을 다시 확장시킨다.

관측될 수 있는 바와 같이, 한편으로는 연속 천공 링(105)의 확장에 대립하는 연속 천공 링의 강성으로부터 기인하는 수축력(constrictive force), 다른 한편으로는 유체 쿠션 지지 표면(116)과 실린더(102) 사이에서 생성된 부하 손실은 연속 천공 링(105)의 비교적 불안정한 상황으로 이어진다. 실제로, 상기 링(105)의 지름이 증가할 때, 상기 지름의 증가로 이어지는 조건들은 사라지고, 상기 링(105)의 지름이 감소할 때, 상기 증가로 이어지는 조건들은 모두 다시 존재한다.

이로부터, 유체 쿠션 지지 표면(116)들이 실린더(102)로부터 매우 짧은 거리에서 비교적 안정한 중간 위치를 찾는 것 외에는 선택이 없도록 한다. 상기 거리는 피스톤(101)과 실린더(102) 사이의 초기 틈새로부터, 압력 분배 챔버(119)에서 지배적인 압력, 연속 천공 링(105)의 강성, 및 링 유체(113)의 압력에 노출된 내부 원통형 링 표면(106)의 전체 축방향 길이에 대한 유체 쿠션 지지 표면(116)의 전체 축방향 길이로부터 기인한다. 상기 거리는 역압 그루브(117)의 깊이로부터 또한 기인하며, 이 자체는 추가의 부하 손실을 나타낸다.

여기에서 고려되는 작동 예에 따라서, 40 bar의 압력이 압력 분배 챔버(119)에서 확립되면, 유체 쿠션 지지 표면(116)과 실린더(102) 사이의 거리는 대략 수 미크론 또는 대략 1 미크론 또는 심지어 미크론의 분율이다. 항상 역압 오목부(115)로부터 반대 방향이 아닌 밀봉될 챔버(104)를 향해 가는 링 유체(113)의 유동과 조합된 이러한 짧은 거리는 피스톤(101)과 실린더(102) 사이에 매우 긴밀한 밀봉을 생성하는 것이다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)의 특정 작동 모드를 고려하여, 연속 천공 링(105)은 자연적으로 실린더(102)에 집중되고, 상기 실린더(102)의 진원도 또는 원통도에서 어떠한 결함도 조정하는 경향이 있다는 것을 알 수 있다. 실제로, 연속 천공 링(105)의 위치는 첫째 상기 링(105)의 강성에 의해 주어진 상기 링의 일반적인 수축력과, 둘째로 연속 천공 링(105)의 주변 및 축방향 길이의 각각의 지점에서 인가된 국부적인 반경 방향 힘 사이의 평형에 기인하며, 상기 힘들은 유체 쿠션 지지 표면(116)과 실린더(102) 사이의 공기 역학적 상호 작용에 기인한다.

또한, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)의 설계는 각각의 적용에 대한 적응을 위한 다양한 가능성을 남긴다는 것을 또한 유의하여야 한다. 예를 들어, 그 외에는 모든 것이 동일하며, 교정식 개구(111)의 단면은 유체 쿠션 지지 표면(116)들과 실린더(102) 사이에 남겨진 거리를 조절하는 것을 가능하게 하며, 상기 거리는 가능하게 특히 그 두께에 의존하는 연속 천공 링(105)의 강성에 의해 또한 조절된다.

가압 유체 공급원(112)에 의해 발생된 압력이 밀봉될 챔버(104)에서 지배적인 압력보다 항상 크다는 것이 절대적으로 필요하다는 것을 상기된 작동으로부터 결론내리는 것은 쉽다. 이러한 것은 가압 유체 공급원(112)에 의해 발생된 압력을 밀봉될 챔버(104)에서 일어나는 최대 압력으로 맞출 가능성을 배제하지 않는다(충분히 긴 시간에 걸쳐서). 그러나, 압력 챔버(129)가 비례식 압력 역류 방지 밸브를 가지면, 압력 분배 챔버(119)에서 지배적인 압력은 밀봉될 챔버(104)에서 지배적인 압력처럼 짧은 시간에 걸쳐서 변할 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 이러한 전략은 예를 들어, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)가 사용되는 적용이 공압 압축기로서 사용되면 유지될 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)가 피스톤을 위한 종래의 밀봉 장치로는 접근할 수 없는 새로운 가능성에 대한 접근을 제공한다는 것을 알 수 있다.

특히, 그 원리 및 구성이 일반적으로 압축기들 및 원심 터빈들에 의해 구현되는 브레이턴 사이클 재생 엔진의 일반적인 원리 및 구성과 유사한 용적식 피스톤 기계에 의해 재생 엔진을 설계하는 것이 가능하게 된다. 상기 재생 엔진이 그 실시예에 관해서뿐만 아니라 그것이 생산적이고 효율적이도록 사용하는 혁신에 관하여, 압축기들과 원심 터빈들을 모두 가지는 엔진들과 매우 다르다는 것을 또한 유의하여야 할 것이다. 이러한 피스톤 재생 엔진은 실린더(102) 및 피스톤(101)의 작동 온도가 대략 1000℃ 이상일 것을 요구한다. 이러한 온도에서, 세그먼트 또는 링의 여부에 상관없이 오일에 의한 어떠한 윤활의 사용도 배제된다. 또한, 상기 실린더(102) 및 상기 피스톤(101)을 생산하도록 사용되는 재료가 무엇이든, 예를 들어 알루미나, 지르코늄 또는 실리콘 카바이드 또는 임의의 다른 재료에 기초한 세라믹이든, 이러한 온도에서, 상기 실린더(102)와 밀봉 세그먼트 또는 개스킷 사이의 어떠한 접촉도 불가능하다.

그러나, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)는 이러한 작동 조건과 양립할 수 있다. 실제로, 비제한적인 예로서, 연속 천공 링(105)이 대기를 만드는 공기일 수 있는 링 유체(113)의 막에 의해 실린더로부터 분리되기 때문에, 연속 천공 링은 결코 실린더(102)와 접촉하지 않는다. 더욱이, 연속 천공 링(105)은 링 유체(113)의 유동에 의해 항상 냉각되며, 링 유체의 유동은 연속 천공 링을 통과하고 내부 원통형 링 표면(106) 및 외부 원통형 링 표면(107)을 스위핑한다. 이와 관련하여, 이러한 냉각을 지원하기 위하여, 압력 분배 챔버(119)는 도 3 내지 도 8에 도시된 것과 같은 링 유체 분배 수단(124)을 수용할 수 있다는 것을 상기하여야만 한다. 특히, 상기 냉각은 단지 수 백℃인 강의 탬퍼링 온도를 초과함이 없이, 필요한 기계적 내성을 가지는 상기 강으로 만들어진 연속 천공 링(105)을 사용하는 것을 가능하게 한다. 또한 1000℃ 이상으로 가열되는 세라믹으로 만들어진 실린더(102)에서 수백℃로 가열되는 강으로 만들어진 연속 천공 링(105)의 사용은 계산에 의해 용이하게 설명되는 양호한 조건 하에서 상기 링(105)과 상기 실린더(102) 사이의 작동 틈새를 제어하는 것을 가능하게 한다. 이러한 것은 특히 상기 강이 산화로부터 강을 보호하는 보호층이 코팅되어 있는지에 관계없이 세라믹보다 높은 강의 팽창계수에 기인한다.

연속 천공 링(105)의 냉각이 결과적으로 링 유체(113)의 국부적인 가열을 가지며, 이러한 것은 상기 유체(113)의 체적을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 것은 유익하게 가압 유체 공급원(112)에 의해 생성된 링 유체(113)의 유동을 감소시키는 한편, 동시에 본 발명에 따른 확장 가능한 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)가 필요한 조건 하에서 작동하는 것을 가능하게 한다. 또한, 압력 챔버(129) 내로 링 유체를 도입하기 전에 링 유체(113)의 온도를 조절하는 것이 가능하며, 이러한 것이 연속 천공 링(105)의 작동 온도, 그러므로 상기 링(105)과 실린더(102) 사이의 작동 틈새를 조절하는 것을 가능하게 한다는 것을 유의하여야 한다.

또한, 유체 쿠션 지지 표면(116)들과 실린더(102) 사이에서 유동하는 링 유체(113)의 유동이 실린더의 연속적인 세정을 보장한다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 어떠한 형태의 고체 입자 및 잔류물도 실린더(102)에 접착될 수 없다. 또한, 밀봉될 챔버(104)에서의 가스의 압력이 압력 분배 챔버(119)에서 지배적인 압력보다 낮기 때문에, 상기 챔버(104)로부터 기원하는 입자가 유체 쿠션 지지 표면(116)들과 실린더(102) 사이를 통과하는 것이 가능하지 않다. 또한, 유체 쿠션 지지 표면(116)들의 최적의 작동을 보장하기 위하여, 링 유체(113)가 압력 분배 챔버(119) 내로 도입되기 전에, 그 지름이 예를 들어 1 미크론보다 큰 어떠한 입자도 링 유체(113)로부터 제거하는 링 유체 필터(138)를 제공하는 것이 가능하다.

상기된 결과로서, 본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)는 고온에 노출되는 그 실린더(102)가 도 11 및 도 12에 도시된 고 수율 재생식 열 엔진을 생산하는 것을 가능하게 한다. 상기 도면에서, 상기 열 엔진은, 특히 2개의 실린더 헤드(103), 및 기계식 전달 수단(18)에 의해 동력 출력 샤프트(17)에 연결된 피스톤(101)을 포함하는 것을 알 수 있다. 피스톤(101), 실린더(102) 및 실린더 헤드(103)들은 흡기 계량 밸브(24)들에 의해 고온 가스 흡기 덕트(19), 또는 배기 밸브(31)에 의해 저압 가스 배출 덕트(26)와 각각 연결될 수 있는 2개의 밀봉될 챔버(104)를 획정한다.

도 11 및 도 12에서, 실린더(102)에 평행하게 배향되고 피스톤(101)에 고정된 압력 흡입 튜브(128)의 존재를 유의하여야 하며, 상기 튜브(128)의 제1 단부는 피스톤(101)의 내부로 이어지는 한편, 상기 튜브(128)의 제2 단부는, 길이 방향으로 및 밀봉적으로 병진에 의해 상기 튜브가 그 안에서 움직일 수 있는 압력 챔버 보어 홀(130)을 통해, 압력 전달 회로(114)에 의해 가압 유체 공급원(112)에 연결된 압력 챔버(129) 내로 이어진다. 또한, 특히 도 11에 도시된 바와 같이, 압력 흡입 튜브(128)는 피스톤(101) 내에 부가된 반경 방향의 압력 흡기 덕트(131)에 의해 압력 분배 챔버(119)에 연결된다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)의 가능성은 상기된 적용으로 제한되지 않으며, 또한 상기 설명은 단지 예로서 주어졌으며, 임의의 다른 등가물에 의해 기술된 실행의 세부 사항을 대체함으로써 초과하지 않는 상기 발명의 범위를 결코 제한하지 않는다는 것을 이해하여야 한다.

Claims

실린더(102) 내에서 길이 방향 병진으로 상기 실린더와 동일한 축에서 움직일 수 있는 피스톤(101)을 위한 것으로, 상기 피스톤(101)과 상기 실린더(102)는 적어도 하나의 실린더 헤드(103)와 함께, 밀봉될 챔버(104)를 획정하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스(100)로서,
상기 피스톤(101) 또는 상기 실린더(102)에 수용된 적어도 하나의 링 그루브(ring groove)(109);
내부 원통형 링 표면(106), 외부 원통형 링 표면(107), 2개의 축방향 링 표면(108)을 포함하는 적어도 하나의 연속 천공 링(105)으로서, 상기 연속 천공 링(105)은 상기 피스톤(101) 또는 상기 실린더(102)에 제공되는 적어도 하나의 상기 링 그루브(109)에 수용되는 한편, 상기 연속 천공 링(105)은 상기 링 그루브(109)를 떠나지 않고 상기 링 그루브(109) 내에서 반경 방향으로 움직일 수 있고, 가압 유체 공급원(112)의 압력의 영향 하에 상기 연속 천공 링(105)의 지름이 상기 링 그루브(109)의 지름에 대해 증가 또는 감소하는 것을 허용하도록 충분히 가요성인, 적어도 하나의 상기 연속 천공 링(105);
상기 링 그루브가 상기 연속 천공 링(105)과 함께, 압력 전달 회로(114)에 의해 상기 가압 유체 공급원(112)에 연결된 압력 분배 챔버(119)를 획정하도록 각각의 축방향 링 표면(108)과 상기 링 그루브(109) 사이에 밀봉을 생성하는 링 밀봉 수단(110);
그 반경 방향 두께에서 상기 연속 천공 링(105)을 완전히 통과하는 적어도 하나의 교정식 개구(calibrated opening)(111);
상기 연속 천공 링(105)에 포함되며 상기 압력 분배 챔버(119)로부터 반대측에 배열되는 적어도 하나의 유체 쿠션 지지 표면(116)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 링 그루브(109)가 상기 피스톤(101)에 제공되는 경우에, 상기 외부 원통형 링 표면(107) 상에 오목하게 제공된 축방향으로 막힌 역압 오목부(115)를 포함하여서, 상기 역압 오목부(115)를 수용하는 상기 외부 원통형 링 표면(107) 중 상기 역압 오목부(115)에 의해 점유되지 않은 표면은 상기 유체 쿠션 지지 표면(116)을 구성하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 링 그루브가 상기 실린더(102)에 제공되는 경우에, 상기 내부 원통형 링 표면(106) 상에서 오목하게 제공된 축방향으로 막힌 역압 오목부(115)를 포함하여서, 상기 역압 오목부(115)를 수용하는 상기 내부 원통형 링 표면(106) 중 상기 역압 오목부(115)에 의해 점유되지 않은 표면은 상기 유체 쿠션 지지 표면(116)을 구성하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 역압 오목부(115)는 상기 외부 원통형 링 표면(107) 또는 상기 역압 오목부(115)를 수용하는 상기 내부 원통형 링 표면(106)에 역압 그루브(117)로 이루어지며, 상기 역압 그루브(117)는 상기 외부 원통형 링 표면(107) 또는 상기 내부 원통형 링 표면(106)의 전체 원주에 걸쳐서 생성되는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 역압 오목부(115) 내로 개방된 교정식 개구(111)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 교정식 개구(111)는 상기 역압 오목부(115)의 저부에 오목하게 제공된 압력 분배 오목부(125)를 통해 상기 역압 오목부(115) 내로 개방되는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제6항에 있어서, 상기 압력 분배 오목부(125)는 상기 외부 원통형 링 표면(107) 또는 역압 오목부(115)를 수용하는 상기 내부 원통형 링 표면(106)에 압력 분배 그루브(126)로 이루어지며, 상기 압력 분배 그루브(126)는 상기 외부 원통형 링 표면(107) 또는 상기 내부 원통형 링 표면(106)의 전체 원주에 걸쳐서 생성되는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 외부 원통형 링 표면(107) 또는 상기 역압 오목부(115)를 수용하는 상기 내부 원통형 링 표면(106)의 2개의 축방향 가장자리 중 적어도 하나의 가장자리는 가장자리 판금 틈새(edge plating clearance)(118)에서 종료되는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 링 밀봉 수단(110)은, 한편으로는 상기 연속 천공 링(105)에 고정되고 다른 한편으로는 상기 링 그루브(109)의 내부 또는 림과 밀봉 접촉을 확립하는 링 밀봉 립(121)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 링 밀봉 수단(110)은 상기 연속 천공 링(105)의 축방향 단부들 중 적어도 하나의 부근에 제공되는 얇은 축방향 부분(139)으로 이루어지며, 상기 부분(139)은 상기 링 그루브(109)에 밀봉적으로 고정되고, 상기 연속 천공 링(105)의 지름이 상기 링 그루브(109)에 대해 증가 또는 감소하는 것을 허용하도록 충분히 가요성인 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 연속 천공 링(105)은 가요성 재료로 이루어지고, 상기 링 그루브(109)가 상기 피스톤(101)에 제공되면 상기 링(105)의 지름을 감소시키는 경향이 있거나, 또는 상기 링 그루브(109)가 상기 실린더(102)에 제공되면 상기 링(105)의 지름을 증가시키는 경향이 있는 적어도 하나의 원주 방향 링 스프링(123)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 압력 분배 챔버(119)는, 상기 링 그루브(109)가 상기 피스톤(101)에 제공되는 경우에 상기 내부 원통형 링 표면(106)의 가장 큰 가능한 영역, 또는 상기 링 그루브(109)가 상기 실린더(102)에 제공되는 경우에 상기 외부 원통형 링 표면(107)의 가장 큰 가능한 영역을 스위핑하도록, 상기 교정식 개구(111)를 통해 빠져나가기 전에, 상기 압력 전달 회로(114)로부터 기원하는 링 유체(113)를 강제하는 링 유체 분배 수단(124)을 수용하는 하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제12항에 있어서, 상기 링 유체 분배 수단(124)은 상기 링 그루브(109)의 저부에 수용된 분배 플레이트(136)로 이루어지며, 상기 플레이트(136)의 축방향 단부들 중 적어도 하나는, 그 측방향 단부들 중 적어도 하나를 통해 상기 압력 분배 챔버(119)로 이어지도록 상기 압력 전달 회로(114)로부터 기원하는 상기 링 유체(113)를 강제하는 적어도 하나의 측면 분배 플레이트 개구 또는 그루브(137)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 링 그루브(109)는 상기 링 그루브(109) 내로 상기 연속 천공 링(105)의 침입을 제한하는 반경 방향 링 접합부(127)를 가지는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 링 그루브(109)가 상기 피스톤(101)에 제공되면, 상기 압력 전달 회로(114)는, 상기 실린더(102)에 평행하고 상기 피스톤(101)에 고정된 압력 흡입 튜브(128)로 이루어지며, 상기 압력 흡입 튜브(128)의 제1 단부는 상기 피스톤(101)의 내부로 이어지는 한편, 상기 압력 흡입 튜브(128)의 제2 단부는, 길이 방향으로 및 밀봉적으로 병진에 의해 상기 압력 흡입 튜브가 그 안에서 움직일 수 있는 압력 챔버 보어 홀(pressure chamber borehole)(130)을 통해, 상기 가압 유체 공급원(112)에 연결된 압력 챔버(129) 내로 개방하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 압력 흡입 튜브(128)는 적어도 하나의 반경 방향 압력 흡입 덕트(131)에 의해 상기 압력 분배 챔버(119)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 압력 챔버(129)는, 링 유체(113)가 상기 공급원(112)으로부터 상기 압력 챔버(129)로 가도록 허용하지만 상기 압력 챔버(129)로부터 상기 공급원(112)으로 가는 것을 허용하지 않는 비례식 압력 역류 방지 밸브에 의해 상기 가압 유체 공급원(112)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 링 그루브(109)는, 상기 링 그루브(109)가 상기 피스톤(101)에 제공되는 경우에 상기 내부 원통형 링 표면(106)에 또는 상기 링 그루브(109)가 상기 실린더(102)에 제공되는 경우에 상기 외부 원통형 링 표면(107)에 반경 방향 힘을 발휘하기 위하여 상기 링 그루브(109)를 가압하는 확장 스프링(133)을 수용하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제18항에 있어서, 상기 확장 스프링(133)은 접촉에 의해 상기 링 그루브(109)와 상기 연속 천공 링(105) 사이에 밀봉을 생성하는 하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.
제18항에 있어서, 상기 확장 스프링(133)은 적어도 하나의 유체 분배 개구(134) 또는 적어도 하나의 유체 분배 그루브(135)를 구비하여, 상기 유체 분배 개구(134) 또는 상기 유체 분배 그루브(135)와 함께 링 유체 분배 수단(124)을 구성하는 것을 특징으로 하는, 유체 쿠션 밀봉 디바이스.