KR20190131098A - 피스톤 밀봉 시스템 - Google Patents

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KR20190131098A
KR20190131098A KR1020197031579A KR20197031579A KR20190131098A KR 20190131098 A KR20190131098 A KR 20190131098A KR 1020197031579 A KR1020197031579 A KR 1020197031579A KR 20197031579 A KR20197031579 A KR 20197031579A KR 20190131098 A KR20190131098 A KR 20190131098A
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엘라리오 디노 달마스
로이 에이. 블롬
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퀘스트 엔진스, 엘엘씨
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Abstract

이격된 포켓의 필드가 피스톤과 실린더 사이에 시일 균등물을 생성하기 위해 피스톤 스커트 및/또는 실린더의 벽 상에 제공되는 피스톤 및 실린더 장치가 개시된다. 포켓은 복수의 수직 이격된 행을 갖는 패턴으로 제공될 수 있다.

Description

피스톤 밀봉 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 5월 4일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/501,295호; 2017년 3월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/479,013호; 2017년 4월 28일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/491,629호; 2018년 2월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/903,636호; 2018년 3월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/934,625호; 2018년 3월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/934,742호; 2018년 3월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/936,713호; 2018년 3월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/937,293호; 2018년 3월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/938,130호; 2018년 3월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/938,427호; 및 2018년 3월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/941,397호에 관한 것이고 그 우선권을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 전반적으로 왕복 피스톤과 같은 블로킹 요소와 피스톤 실린더의 벽과 같은 블로킹 요소에 인접한 표면 사이에 시일을 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
내연 기관, 펌프 등에서의 왕복 피스톤 및 실린더 장치는 피스톤의 양 단부 사이에 압력차가 존재할 수 있도록 피스톤과 실린더 사이에 시일을 필요로 한다. 이러한 압력차는 피스톤이 펌프 및 내연 기관을 비롯하여 많은 것에서 유용한 유체 펌핑 작용을 제공하게 한다. 충분히 밀봉된 피스톤 및 실린더 장치는, 예를 들어 2, 4 또는 다중-사이클 내연 기관, 자유-피스톤 엔진, 칼로리 엔진, 터보차저, 과급기, 압축기, 펌프 및 진공에서 사용될 수 있다.
본 명세서에서 "실린더"에 대한 언급은 원통형 형상 또는 원형 단면을 갖는 챔버로 제한되지 않음을 이해해야 한다. 대신에, 실린더라는 용어는, 피스톤이 실린더의 측벽에 대해 밀봉되게 하지만, 동시에 피스톤이 펌핑 운동으로 실린더 내에서 전후로 왕복 활주하게 하도록 된 외부 형상을 갖는 피스톤을 수용하는 임의의 챔버 또는 공동을 지칭한다.
엔진 실린더는, 집합적으로 가스가 엔진 실린더 내로 그리고 엔진 실린더 밖으로 각각 유동하게 하는 하나 이상의 흡기 포트 및 하나 이상의 배기 포트를 포함할 수 있다. 포핏 밸브(poppet valve)와 같은 엔진 밸브가 사용되어 흡기 및 배기 포트를 선택적으로 개방 및 폐쇄할 수 있다. 엔진 피스톤의 펌핑 운동 및 연료의 도입과 관련하여 흡기 및 배기 밸브의 선택적으로 타이밍된 개방 및 폐쇄는, 연소를 위해 엔진 실린더에 대해 공기/연료 차지를 제공하고 연소 후에 실린더로부터 소비된 차지 배기 가스를 제거할 수 있다.
오토 사이클 또는 디젤 사이클 작동에 사용되는 기존의 내연 기관 피스톤은, 예를 들어 통상적으로 대체로 원통형 형상을 갖는다. 보다 구체적으로, 통상적인 오토 또는 디젤 사이클 엔진 피스톤은, 하나 이상의 밀봉 피스톤 링을 수용하는 원주방향 리세스를 포함하는 원형 단면을 갖는 대체로 매끄러운 원통형 스커트를 가질 수 있다. 피스톤 및 피스톤 링 조립체는 상사점과 하사점 사이에서 실린더 내에서 왕복 활주할 수 있다. 피스톤 링과 실린더 벽의 계면은, 예를 들어 엔진 오일로 윤활될 수 있다.
내연 기관은, 피스톤과 피스톤이 내부에서 왕복 운동으로 전후로 이동하는 실린더 사이의 계면을 윤활하기 위해 엔진 오일과 같은 액체 윤활유를 거의 보편적으로 필요로 한다. 윤활 시스템은 일반적으로 미션 크리티컬(mission critical)이며 윤활 시스템의 고장은 치명적일 수 있다. 피스톤 윤활유에 대한 필요성은 많은 단점을 가져온다. 윤활유는 시간이 지남에 따라 닳아 없어지고 오염되므로, 교체를 필요로 하여, 엔진 작동에 비용 및 불편을 가중시킨다. 많은 윤활유는 윤활유를 엔진 피스톤과 같은 이동 부품에 다시 적용하기 위해 펌프 및 통로를 필요로 한다. 펌프와 통로, 및 능동 윤활 시스템의 기타 요소는 정확하게 작동해야 하며 상호 연결된 요소들 사이에 시일을 필요로 한다. 윤활 시스템의 누설은, 시간이 지남에 따라 시일이 열화되고 펌프가 누설되며 마모되기 때문에 자연스럽게 발생하여, 엔진 작동에 추가의 유지 보수 비용 및 불편을 여전히 가중시킨다. 누설은 또한 윤활유가 연소 챔버에 진입하게 하여, 연소를 방해하고, 인젝터와 스파크 또는 예열 플러그를 오염시킬 수 있다. 연소 챔버 내의 윤활유는 또한 원치 않는 배기 배출물을 초래할 수 있다. 누설은 또한 연소 부산물로 윤활유를 오염시킬 수 있다. 앞서 설명한 모든 문제는 윤활식 피스톤의 사용에 수반되며, 모두 고장 모드 및 유지 보수 비용을 추가시킨다. 따라서, 피스톤 윤활에 덜 의존하거나 전혀 의존하지 않는 내연 기관에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 실시예는 내연 기관에 사용하는 것으로 제한되지 않지만, 그러한 엔진은 피스톤이 피스톤 스커트의 외부 표면 둘레에 배치된 하나 이상의 수직 이격된 밀봉 피스톤 링을 사용하여 실린더에 대해 밀봉되는 피스톤 및 실린더 장치를 일상적으로 사용하기 때문에 본 발명으로부터 이점을 얻을 수 있다. 내연 기관 및 펌프 이외의 많은 다른 디바이스는, 사이에 시일이 형성되는 것을 필요로 하는 이동 요소들을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예는 이들 용례에도 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 반드시 모든 실시예가 아닌 일부 실시예의 목적은 블로킹 요소와 인접 표면 사이에 무접촉 또는 반무접촉(semi contact-less) 밀봉 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 반드시 모든 실시예가 아닌 일부 실시예의 목적은 피스톤(피스톤 링이 있거나 없는)과 주변 실린더 사이에 무접촉 또는 반무접촉 밀봉 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 반드시 모든 실시예가 아닌 일부 실시예의 목적은 피스톤 링의 사용을 감소시키거나 제거함으로써 피스톤 링과 주변 실린더 사이의 접촉으로 인한 마찰 손실을 감소시키는 밀봉 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 반드시 모든 실시예가 아닌 일부 실시예의 목적은 윤활유의 사용을 필요로 하지 않거나 윤활유의 교환을 덜 필요로 하는 밀봉 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 반드시 모든 실시예가 아닌 일부 실시예의 목적은 마모가 적은 밀봉 시스템 및 시스템 내의 구성요소에 마모를 덜 유도하여 유지 보수 요건을 감소시키고 시스템의 신뢰성을 증가시키는 밀봉 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 반드시 모든 실시예가 아닌 일부 실시예의 목적은 시스템의 비용 및 교체 부품 재고 요건을 감소시키도록 밀봉에 필요한 부품의 수를 감소시키는 것이다.
또한, 본 발명의 반드시 모든 실시예가 아닌 일부 실시예의 목적은 피스톤과 실린더 표면 사이에 개선된 열 전달을 제공하여 냉각 시스템의 복잡성을 감소시키고 시스템 효율을 증가시키는 것이다.
또한, 본 발명의 반드시 모든 실시예가 아닌 일부 실시예의 목적은 실린더 내에서 왕복 피스톤과 같은 이동 부재의 복원적 자체 교정 센터링 동작을 제공하는 것이다.
본 발명의 반드시 모든 실시예가 아닌 일부 실시예의 이들 및 다른 장점은 내연 기관 분야의 숙련자에게 명백할 것이다.
앞서 설명한 과제에 응답하여, 출원인은 혁신적인 밀봉 시스템을 개발하였는데, 밀봉 시스템은, 제1 구조 표면; 제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 블로킹 요소 표면을 갖는 블로킹 요소; 복수의 행으로 배열되어, 제1 구조 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 제1 구조 표면 및 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드를 형성하는 복수의 측방향 이격된 포켓; 및 블로킹 요소의 제2 단부에서의 작동 유체 압력에 비해 상승된 압력으로 블로킹 요소의 제1 단부에 제공되는 작동 유체를 포함하고, 제1 구조 표면은 블로킹 요소 표면에 근접하여 실질적으로 균일한 거리를 두고 배치되며, 포켓의 필드와 작동 유체의 상호 작용으로부터 시일 등가물이 생성된다.
출원인은 또한 혁신적인 밀봉 시스템을 개발하였는데, 밀봉 시스템은, 제1 구조 표면; 제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 블로킹 요소 표면을 갖는 블로킹 요소; 제1 구조 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 제1 구조 표면 및 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드로서 배열되는 복수의 이격된 포켓을 포함하고, 제1 구조 표면은 블로킹 요소 표면에 근접하여 실질적으로 균일한 거리를 두고 배치된다.
출원인은 또한 혁신적인 내연 기관을 개발하였는데, 내연 기관은, 실린더 벽을 갖는 엔진 실린더; 엔진 실린더 내에 배치되고, 스커트 및 헤드를 갖는 피스톤; 및 피스톤 스커트 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 엔진 실린더 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 피스톤 스커트 및 엔진 실린더 상에(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드로서 배열되는 복수의 이격된 포켓을 포함한다.
출원인은 또한 블로킹 요소의 제1 단부와 블로킹 요소의 제2 단부 사이에서 블로킹 요소 표면에 대해 제1 구조 표면을 밀봉하는 혁신적인 방법을 개발하였으며, 제1 구조 표면은 블로킹 요소 표면에 근접하여 실질적으로 균일한 거리를 두고 배치되며, 상기 방법은, 복수의 행으로 배열되어, 제1 구조 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 제1 구조 표면 및 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드를 형성하는 복수의 측방향 이격된 포켓을 제공하는 단계; 블로킹 요소의 제1 단부에 작동 유체를 제공하는 단계; 및 제1 구조 표면에 대해 블로킹 요소 표면을 이동시켜 포켓의 필드에 의해 유도되는 작동 유체 난류로 인한 시일 등가물을 생성하는 단계를 포함한다.
앞서의 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 본 발명을 제한하는 것이 아님을 이해해야 한다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 이제, 동일한 참조 부호가 동일한 요소를 가리키는 첨부 도면을 참조할 것이다. 도면은 단지 예시적인 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 내연 기관 실린더의 종단 부분 단면도 및 그 내부에 배치된 피스톤의 측면도로서, 피스톤은 비안내식 연결 로드에 부착되고 본 발명의 제1 실시예에 따라 형성된 외부 밀봉 구조를 포함한다.
도 2는 내연 기관 실린더의 종단 부분 단면도 및 그 내부에 배치된 피스톤의 측면도로서, 피스톤은 안내식 연결 로드에 부착되고 본 발명의 제2 실시예에 따라 형성된 외부 밀봉 구조를 포함한다.
도 3은 절단선 3-3을 통해 취한 도 1의 피스톤 및 실린더의 단면도로서, 피스톤은 본 발명의 제1 실시예에 따라 형성된 외부 밀봉 구조를 포함한다.
도 4는 도 2의 절단선 4-4에 의해 획정된 피스톤 벽의 일부의 등각 확대도로서, 피스톤 벽 부분은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따라 형성된 외부 밀봉 구조를 포함한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따라 형성된 피스톤의 직사각형 변형예의 등각도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따라 형성된 피스톤의 직사각형 변형예의 등각도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따라 형성된 외부 밀봉 구조를 포함하는 로터리 엔진 실린더 및 로터의 평면도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 참조할 것이며, 그 예는 첨부 도면에 예시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에서, 협력적으로 형상화된 피스톤(36)과 주변 실린더(38)가 예시되어 있다. 실린더(38)는, 이 실시예에서 약간 라운딩되거나 돔형인 상부 단부벽, 및 연속적인 측벽을 갖는 연소 챔버(21)를 가질 수 있다. 하나 이상의 스파크 또는 예열 플러그, 흡기 및 배기 밸브, 및 관련 포트가 연소 챔버(21)와 연통할 수 있다. 엔진 크랭크 케이스는 엔진 실린더(38) 아래에 배치될 수 있다.
피스톤(36)은 상부 단부(50) 또는 헤드, 상부 단부로부터 먼 쪽의 하부 단부(51), 및 피스톤 헤드와 피스톤의 하부 단부 사이에서 연장되는 측벽 또는 스커트(35)를 포함할 수 있다. 피스톤(36)은 비안내식 커넥터 로드(42)에 부착될 수 있고, 커넥터 로드는 다시 크랭크(46)에 연결될 수 있으며, 크랭크는 크랭크케이스 내의 크랭크 샤프트(44)에 연결된다.
피스톤 스커트(35)는 위에서 피스톤 헤드(50) 상으로 실린더(38) 내로 내려다 볼 때 원형 단면을 가질 수 있다. 피스톤 헤드(50)는 연소 챔버(21)의 상부 단부벽과 협력적으로 돔형일 수 있다. 위에서 보았을 때, 실린더(38) 내로 내려다 보면, 실린더는 또한 원형 형상을 가질 수 있다. 대안 실시예에서, 위에서 보았을 때, 실린더(38), 피스톤 스커트(35) 및 피스톤 헤드(50)는 직사각형 형상과 같은 비원형 단면 형상을 가질 수 있다는 것이 이해된다.
피스톤(36)은, 피스톤 스커트(35)가 연소 챔버(21) 측벽과 밀접하게 정렬되지만, 측벽으로부터 균일하게 이격되고 측벽과 평행하도록 실린더(38)의 연소 챔버(21) 내에 배치될 수 있다. 연소 챔버(21)의 상부 단부벽 및 측벽은 피스톤 헤드(50)와 함께 작동 유체를 수용할 수 있는 작동 공간 또는 압축 영역(24)을 형성할 수 있다. 피스톤(36)은 연소 챔버(21) 내에서 상부 단부벽을 향해 그리고 그로부터 멀어지게 왕복 활주하도록 구성될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 피스톤 스커트(35)의 외부 표면 또는 면은 내부에 형성된 랜드(23)에 의해 분리되어 집합적으로 포켓 필드(25)를 형성하는 복수의 리세스 또는 포켓(22)을 가질 수 있다. 출원인은 피스톤 스커트(35) "상"에 형성된 포켓(22)을 피스톤 스커트 "내"에 형성된 것과 동일한 것을 의미하도록 간주한다. 두 경우 모두, 포켓(22)은 포켓을 둘러싸는 피스톤 스커트(35)의 최외측 표면으로부터 내측으로 연장된다. 바람직하게는, 필수는 아니지만, 포켓(22)은 입구에서의 형상, 베이스에서의 형상, 높이, 폭, 직경, 깊이, 및/또는 체적의 측면에서 동일한 형상 및 치수일 수 있다. 바람직하게는, 피스톤 스커트(35)는 중공 벽 구조(즉, 대향하는 외부 지점 사이에서 중실형이 아님)이고 포켓(22)은 피스톤 스커트 내에 형성되지만 피스톤 스커트를 통해 피스톤(36)의 중공 내부로 연장되지는 않는다. 필드(25)의 포켓(22)은 적어도 하나의 원주방향 행으로, 또는 보다 바람직하게는 포켓의 2개 이상의 이격된 열 및 행으로 이루어지는 그리드 또는 어레이 패턴으로 배열될 수 있다. 도면에 도시된 필드(25)에서의 랜드 및 포켓의 수, 형상, 크기 및 배열은 설명 및 예시의 용이성을 위해 선택되었으며 제한적인 것으로 고려되지 않는다.
포켓(22)의 필드(25)는 평면형 표면 상에서 2차원(x 및 y)으로 연장되거나, 공간에서 만곡된 물체(예를 들어, 원형 단면을 갖는 피스톤(35))의 표면 상에서 2차원으로 연장될 수 있다. 각각의 포켓(22)은 인접한 행 및/또는 열에서의 포켓과 정렬되거나, 하나 이상의 개재 행 및/또는 열이 멀어지게 설정된 행 및/또는 열에 배치된 포켓과 정렬되거나, 서로 정렬되지 않을 수 있다. 바람직하게는, 포켓(22)의 필드(25)는 x 방향으로 서로 이격된 2개 이상의 포켓 및 y 방향으로 서로 이격된 2개 이상의 포켓을 포함한다. 또한, 바람직하게는 입구에서 각각의 포켓(22)의 치수 또는 크기는 x 또는 y 방향으로 측정될 때 포켓이 배치되는 표면의 치수(즉, 필드(25) 치수)보다 상당히 작다. 더욱 바람직하게는, 입구에서 각각의 포켓(22)의 치수 또는 크기는 x 및 y 방향 모두에서 측정될 때 포켓이 배치되는 표면의 치수보다 상당히 작다. 상당히 작다라고 함은, 입구에서 각각의 포켓의 치수 또는 크기가 x 및/또는 y 방향에서 측정될 때 포켓이 배치되는 표면의 치수의 절반 미만, 보다 바람직하게는 1/4 미만인 것을 의미한다. 또한, 랜드(23)가 점유하는 필드(25)의 총 표면적(예를 들어, 피스톤 스커트(35)의 표면적)은 바람직하게는 필드에서 포켓(22)의 입구에 기인하는 총 표면적을 초과한다.
도 3을 참조하면, 피스톤 스커트의 면 상에서 적절한 밀봉 시스템 필드(25)에 배열된 포켓(22) 및 랜드(23)의 존재로 인해, 상단에서 바닥까지 피스톤 스커트(35)의 확장부에 걸쳐 시일 또는 시일 등가물이 생성될 수 있다. 피스톤 헤드(50)와 피스톤 하부 단부(51) 사이에서 작동 유체의 압력차의 결과로서 시일 또는 그 등가물이 생성될 수 있다. 피스톤(36)이 챔버(21) 내에서 상향으로 이동함에 따라, 작동 공간(24) 내에서 작동 유체(26)의 압력 및 온도는 상승하여 피스톤(36)의 헤드(50)와 피스톤 하부 단부(51) 사이에 작동 유체 차압을 생성할 수 있다. 이 차압은 작동 유체가 피스톤 스커트(35) 측벽과 연소 챔버(21) 측벽 사이의 공간 내로 유동하게, 즉 피스톤(36)의 하부 단부(51)를 향해 시일 간극 내로 유동하게 할 수 있다. 시일 간극을 통한 작동 유체(26)의 유동은 각각의 포켓(22)에서 국소적인 벤투리 효과를 유발할 수 있으며, 이는 작동 유체(26)의 속도를 증가시키고 그 압력을 감소시킬 수 있다. 작동 유체(26)의 속도 및 압력 변화는 피스톤 스커트(35) 측벽과 연소 챔버(21) 측벽 사이의 실질적인 작은 이격 거리의 함수일 뿐만 아니라 포켓(22)의 기하형상 및 배열의 함수일 수 있다.
계속해서 도 3을 참조하면, 포켓(22)은 바람직하게는 피스톤 스커트(35)의 면과 포켓 입구의 연결부, 즉 랜드(23)와의 연결부에서 비교적 날카로운 에지를 가질 수 있다. 작동 유체(26)가 포켓(22)의 날카로운 에지 위로 유동할 때, 난류로 인해 국소 압력이 감소할 수 있다. 결과적으로, 작동 유체(26)는 팽창하여 순간적인 압력 감소 및 국소화된 난류의 증가를 생성할 수 있다. 각각의 연속적인 포켓(22) 위로 그리고 내부로 유동하는 추가의 작동 유체(26)가 사이클을 시작할 수 있는데, 각각의 포켓(22)은 공진기(예를 들어, 헬름홀츠형 공진기)의 역할을 하며, 이로 인해 작동 유체가 정의 가능한 주파수로 포켓(22) 내로 흡인되고 포켓으로부터 배출되어 추가의 국소화된 난류를 생성하게 할 수 있다.
결과적인 난류는 시스템에서 작동 유체(26)의 물리적 특성 및 필드(25)에서 각 개별 포켓(22)의 직경(또는 높이 및 폭), 내부 기하형상, 관계 위치 및 깊이의 함수일 수 있다. 결과적인 난류는 또한 각각의 포켓(22) 위 및 내부의 공간 체적에 대한 각 랜드(23) 위의 공간 체적의 비로 인한 실질적인 작은 이격 거리 또는 시일 간극의 함수일 수 있다. 이 국소화된 난류는 유동하는 작동 유체(26)와 상호 작용하여 작동 유체(26)의 추가 유동을 방해하는 와류 운동을 발생시킬 수 있다. 작동 유체의 유동 감소는 공진 효과를 일시적으로 감소시킬 수 있고, 다시 국소화된 난류를 일시적으로 감소시킬 수 있으며, 이어서 작동 유체(26)의 유량이 다시 일시적으로 증가하게 할 수 있다.
피스톤(36)이 상향 행정에 있을 때, 최상부 행(피스톤(36) 상부 단부에 가장 가까운)의 포켓(22) 위를 통과한 작동 유체(26)는 설명된 난류 현상이 반복되지만 시작 압력이 더 낮은 포켓 필드(25)의 인접한 행의 포켓과 다음에 마주칠 수 있다. 이 프로세스는, 시일 간극 내의 국소 압력이 (바람직하게는, 필수는 아니지만, 피스톤(36) 아래의 실린더(38) 내에 수용된 작동 유체의 압력 레벨로) 충분히 감소될 때까지, 작동 유체(26)가 밀봉 시스템 포켓 필드(25)의 연속적인 행의 위를 연속적으로 비교적 감소된 시장 압력으로 통과함에 따라 반복될 수 있다. 필드(25)에서 포켓(22)으로부터 포켓으로의 압력 감소의 반복 사이클은, 단지 허용 가능한 작동 유체(26)만이 시일 간극의 국소 압력이 피스톤(36) 아래의 공간에서 작동 유체의 압력 이하인 지점을 지나서 유동할 것이기 때문에(또는 바람직하게는, 작동 유체가 유동하지 못할 것이기 때문에), 시일 또는 시일의 효과적인 등가물을 생성할 수 있다. 피스톤 스커트(35)의 면을 가로질러 충분히 감소된 압력으로부터 생기는 허용 가능한 누설 레벨을 갖는 "시일 등가물"은, 작동 유체의 누설량이 시일 등가물이 이용되는 엔진의 작동을 허용할 때 초래되는 것으로 이해된다.
각각의 연속 포켓(22)에서의 국소화된 난류는 포켓의 공진 작용에 의해 허용되는 점진적인 누설로 인해 시간이 지남에 따라 감소될 수 있다. 따라서, 국소화된 난류는 또한 챔버(21) 측벽에 대한 피스톤(36)의 운동 속도의 함수일 수 있는데, 피스톤의 운동은 챔버 내에서 피스톤(36) 둘레의 압력 변화의 원인이 될 수 있기 때문이다. 밀봉 시스템의 효과는 포켓(22) 내외로 일관된 유동을 제공하여 밀봉 시스템의 효과를 유지함으로써, 밀봉 시스템 필드(25)로 활동적인 유동을 제공하도록 변동되는 작동 유체(26) 압력을 필요로 할 수 있다.
밀봉 시스템의 누설 속도는 밀봉 시스템 패턴(25) 내에서 상이한 랜드(23) 간격 패턴 및 포켓(22) 기하형상을 사용함으로써 수정될 수 있다. 랜드(23) 간격은, 작동 유체(26) 유동이 밀봉 시스템 필드(25) 내에서 내부 붕괴 자체 보강 진동(internal decaying self-reinforcing oscillation)을 유발하는 것을 전방(하부) 포켓이 방지할 수 있으면서, 포켓(22)이 이전(상부) 포켓에 역류를 제공하게 하도록 선택될 수 있다.
특정 용례를 위한 밀봉 시스템 패턴(25)의 효과는 개별 포켓(22)의 설계 파라미터 외에 밀봉 시스템 필드(25)의 외부 치수의 함수일 수 있다. 도 3을 재차 참조하면, 시일 효율은, 포켓의 내부 베이스에 수렴 영역(39) 및 포켓의 입구에 발산 영역을 포함하도록 포켓(22)의 일부 또는 전체의 기하형상을 수정함으로써 개선될 수 있다. 포켓의 바닥에 공진 공동을 형성하기 위해 수렴 영역(39) 및 더 큰 발산 영역을 사용하여 포켓에서 드 라발 노즐 효과(de Laval nozzle effect)가 생성될 수 있으며, 이는 국소화된 초음속 작동 유체(26) 운동으로 인해 더 큰 국소화된 난류를 발생시킬 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 피스톤(36)은 피스톤 스커트(35) 상의 임의의 주어진 수직 지점에서 피스톤 주위의 압력이 정규화되는 경향으로 인해 실린더(38) 내에서 자가 센터링될 수 있다. 예를 들어, 피스톤(36)과 실린더(38) 사이의 실질적인 작은 이격 거리, 즉 시일 간극이 중심축에 관해 일시적으로 동일하지 않을 때, 피스톤의 양 측면의 표면적에 작용하는 압력에 의해 총 정규화 힘이 발생될 수 있다. 이러한 총 정규화 힘은 피스톤(36)이 중심축 주위의 진동이 감쇠된 상태에서 실린더(38) 내의 중심에 위치되게 할 수 있다. 정규화 힘이 피스톤을 실린더의 중심으로 복귀시키는 데에 필요한 시간은 하나 이상의 균등화 홈(40)을 추가함으로써 감소될 수 있다. 균등화 홈(40)은, 랜드(23) 영역 상에, 또는 포켓(22) 사이에, 또는 랜드 영역 상 및 포켓 사이 모두에, 또는 포켓에 대향하는 챔버(21)의 측벽에 배치되어 밀봉 시스템을 채용하는 표면 상에 힘의 보다 균일한 분포를 보다 신속하게 허용한다.
본 발명의 대안 실시예가 도 2 및 도 4에 예시되어 있다. 도 2를 참조하면, 피스톤(36)은 실린더(38) 내에 배치되며, 포켓(22)의 필드(25)를 갖는 피스톤 스커트(35) 및 피스톤 헤드(46)를 포함한다. 포켓(22)의 필드(25)는 임의의 균등화 홈이 없이 제공된다. 피스톤(36)은 크랭크(46), 커넥터 로드(42), 및 크로스 헤드(34)에 의해 크랭크 샤프트(44)에 연결된다. 크로스 헤드(34)는, 피스톤(36)을 연소 챔버(21)에 대해 센터링된 위치에 유지하면서 크로스 헤드(34)와 피스톤(36)이 수직 방향으로 이동하게 하는 크로스 헤드 가이드(33) 내에 활주 가능하게 수용된다. 포켓 필드(25)의 섹션 4-4는 도 4에 상세히 도시되어 있으며, 포켓(22) 및 랜드(23)는 포켓 입구에서 비교적 날카로운 연결 에지를 갖는다.
피스톤 스커트(35)는 본 발명의 대안 실시예에서 외주 원형 형상을 가질 수 없지만, 대신에 형상의 임의의 에지가 라운딩되는 한, 난형, 직사각형 등과 같은 임의의 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 제3 및 제4 실시예가, 피스톤이 원형 단면을 갖지 않는 도 5 및 도 6에 예시되어 있다. 도 5는 피스톤 헤드(50)와 피스톤 하부 단부(51) 사이에서 피스톤 스커트 상에 배치된 포켓의 필드(25) 및 균등화 홈(40)을 포함하는, 도 1의 원형 피스톤 실시예와 유사한 직사각형 피스톤(37)을 예시한다. 균등화 홈(40)은 피스톤 스커트(35)의 원주 둘레로 연장되어, 피스톤 스커트를 둘러싸는 작동 유체의 압력이 모든 지점에서 동일하도록 그 압력을 밸런싱하거나 균등화하게 하는 연속 폐루프 구조를 형성할 수 있다. 도 6은 피스톤 헤드(50)와 피스톤 하부 단부(51) 사이에서 피스톤 스커트 상에 배치된 포켓의 필드(25)를 포함하지만 균등화 홈은 없는, 도 2의 원형 피스톤 실시예와 유사한 직사각형 피스톤(37)을 예시한다.
본 발명의 제5 실시예는 로터리 엔진 하우징 및 내부 로터리 엔진 구성요소의 부분 단면도를 도시하는 도 7에 예시되어 있다. 로터리 엔진 하우징은 제1 회전 가능 베인(64), 제2 회전 가능 베인(74), 제3 회전 가능 베인(84), 및 함께 연결된(예를 들어, 힌지 연결된) 제4 회전 가능 베인(92) 뿐만 아니라 말굽형 과급기 보스(100)를 수용할 수 있다. 각각의 베인(64, 74, 84, 92) 및 돌기(100)는 로터리 엔진 하우징의 평탄한 측벽(제거됨)에 대해 중심축을 중심으로 회전하는 외부 표면 상에 형성된 랜드(23)에 의해 분리되는 포켓(22)의 필드(25)를 가질 수 있다. 베인(64, 74, 84, 92) 및 보스(100)는 로터리 엔진 하우징의 평탄한 측벽으로부터 이격되고 평행할 수 있으며, 이에 따라 연소 챔버(21)를 집합적으로 획정하는 각각의 베인의 내부면과, 베인과 보스가 회전할 때 내부면으로부터 먼 쪽인 각각의 베인의 외부면 사이에 시일 등가물이 제공된다.
챔버 벽과 같은 표면과 시일 등가물을 형성하도록 구성되는 설명된 피스톤, 베인 및 다른 구조(집합적으로, "블로킹 요소"로 지칭됨)는 출력 생성 엔진 뿐만 아니라 시일 또는 시일 등가물이 요구되는 펌프 및 기타 디바이스에서 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 블로킹 요소의 표면 상에 또는 표면 내에 형성되는 것으로 설명된 포켓(22)의 필드(25) 및/또는 균등화 홈(40)은 대신에 대안 실시예에서 블로킹 요소에 대향하는 표면 상에 또는 표면 내에 형성될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 블로킹 요소의 표면 상에 또는 표면 내에 형성되는 것으로 설명된 포켓(22)의 필드(25)는 블로킹 요소의 표면 상에 또는 표면 내에 형성되는 것에 추가하여 블로킹 요소에 대향하는 표면 상에 또는 표면 내에도 형성될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 앞서 설명한 구조는 압축성 유체, 기체, 액체, 현탁액, 플라즈마, 및 보스-아인슈타인 응축물(Bose-Einstein condensate)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 유체용 밀봉 시스템을 제공하는 데에 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 포켓(22)은, 입구에서, 바닥에서, 그리고 입구와 바닥 사이에서 연장되는 포켓 내벽을 따라, 원하는 감압 효과를 생성하는 데에 효과적인 임의의 형상을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 그러한 형상은, 예를 들어 둥근형, 원형, 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 마름모꼴, 난형, 타원형, 삼각형 및 다각형일 수 있다. 균등화 홈(40)의 단면은 또한 원하는 압력 밸런싱 효과를 생성하는 한 또는 전술한 형상 또는 다른 형상 중 임의의 형상을 가질 수 있다. 또한, 포켓(22)은 포켓 입구로부터 먼 쪽에 평탄한, 라운딩된, 또는 윤곽이 있는 바닥을 가질 수 있다는 것이 이해된다. 평탄한 포켓(22) 바닥은 포켓을 둘러싸는 랜드(23)가 연장되는 평면에 평행한 평면으로 연장될 수 있다. 대안적으로, 그러한 평탄한 포켓 바닥은 경사지고 주변 랜드가 연장되는 평면과 평행하지 않은 평면으로 연장될 수 있다.
또한, 포켓(22)은, 일부 실시예에서, 포켓 입구와 주변 랜드와의 연결부에서 필렛 가공된, 모따기 가공된, 또는 다른 파괴된/날카롭지 않은 에지를 가질 수 있음을 이해해야 한다.
본 기술 분야의 숙련자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 앞서 설명한 요소는 본 발명을 구현하기 위한 하나의 기술의 예시적인 예로서 제공된다. 본 기술 분야의 숙련자는 청구범위에 기재된 본 발명으로부터 벗어나지 않고 많은 다른 구현이 가능하다는 것을 인지할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 의도된 범위를 벗어나는 일 없이, 포켓 및/또는 포켓의 패턴은 균일할 필요가 없고 및/또는 랜드가 평탄할 필요는 없다. 또한, 포켓의 패턴은 피스톤 스커트 대신에 및/또는 피스톤 스커트에 추가하여 실린더 벽에 제공될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 개시는 본 발명의 범위를 예시하는 것이고 제한하려는 의도는 없다. 본 발명은, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있다면, 본 발명의 모든 그러한 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (31)

  1. 밀봉 시스템이며,
    제1 구조 표면;
    제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 블로킹 요소 표면을 갖는 블로킹 요소;
    복수의 측방향 이격된 포켓으로서, 제1 구조 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 제1 구조 표면 및 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드를 형성하도록 복수의 행으로 배열되는, 복수의 측방향 이격된 포켓; 및
    블로킹 요소의 제2 단부에서의 작동 유체 압력에 비해 상승된 압력으로 블로킹 요소의 제1 단부에 제공되는 작동 유체를 포함하고,
    제1 구조 표면은 블로킹 요소 표면에 근접하여 실질적으로 균일한 거리를 두고 배치되며;
    포켓의 필드와 작동 유체의 상호 작용으로부터 시일 등가물이 생성되는, 밀봉 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 구조 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 블로킹 요소 표면 상에서(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드에 형성되는 균등화 홈을 더 포함하고, 상기 균등화 홈은 제1 구조 또는 블로킹 요소의 원주 둘레로 연장되는 연속 폐루프 구조인, 밀봉 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 측방향 이격된 포켓은 동일한 크기 및 형상을 갖는, 밀봉 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 측방향 이격된 포켓은 상이한 크기 및 형상을 갖는, 밀봉 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 측방향 이격된 포켓은 복수의 포켓 행 및 복수의 포켓 열을 갖는 패턴으로 배열되는, 밀봉 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 측방향 이격된 포켓 각각은 상기 제1 구조 표면 또는 블로킹 요소 표면과 포켓의 연결부에 형성된 날카로운 에지를 갖는 포켓 입구를 구비하는, 밀봉 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 구조 표면은 실린더 벽에 의해 제공되고, 상기 블로킹 요소 표면은 피스톤의 스커트에 의해 제공되는, 밀봉 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 실린더 벽은 내연 기관의 실린더에 제공되며, 피스톤은 내연 기관 피스톤인, 밀봉 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 측방향 이격된 포켓 각각은 제1 구조 표면 또는 블로킹 요소 표면과 포켓의 연결부에 형성된 원형 포켓 입구를 구비하는, 밀봉 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 측방향 이격된 포켓 각각은 제1 구조 표면 또는 블로킹 요소 표면과 포켓의 연결부에 형성된 직사각형 포켓 입구를 구비하는, 밀봉 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 측방향 이격된 포켓 중 하나 이상은 수렴 부분 및 발산 부분을 갖는, 밀봉 시스템.
  12. 밀봉 시스템이며,
    제1 구조 표면;
    제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 블로킹 요소 표면을 갖는 블로킹 요소; 및
    복수의 이격된 포켓으로서, 제1 구조 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 제1 구조 표면 및 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드로서 배열되는, 복수의 이격된 포켓을 포함하고,
    상기 제1 구조 표면은 블로킹 요소 표면에 근접하여 실질적으로 균일한 거리를 두고 배치되는, 밀봉 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    제1 구조 표면 상에서(단, 관통 연장되지 않음), 또는 블로킹 요소 표면 상에서(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드에 형성되는 균등화 홈을 더 포함하고, 상기 균등화 홈은 제1 구조 또는 블로킹 요소의 원주 둘레로 연장되는 연속 폐루프 구조인, 밀봉 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓은 동일한 크기 및 형상을 갖는, 밀봉 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓은 상이한 크기 및 형상을 갖는, 밀봉 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓은 복수의 포켓 행 및 복수의 포켓 열을 갖는 패턴으로 배열되는, 밀봉 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓 각각은 상기 제1 구조 표면 또는 블로킹 요소 표면과 포켓의 연결부에 형성된 날카로운 에지를 갖는 포켓 입구를 구비하는, 밀봉 시스템.
  18. 제12항에 있어서, 상기 제1 구조 표면은 실린더 벽에 의해 제공되고, 상기 블로킹 요소 표면은 피스톤의 스커트에 의해 제공되는, 밀봉 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 실린더 벽은 내연 기관의 실린더에 제공되며, 피스톤은 내연 기관 피스톤인, 밀봉 시스템.
  20. 제12항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓 각각은 제1 구조 표면 또는 블로킹 요소 표면과 포켓의 연결부에 형성된 원형 포켓 입구를 갖는, 밀봉 시스템.
  21. 제12항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓 각각은 제1 구조 표면 또는 블로킹 요소 표면과 포켓의 연결부에 형성된 직사각형 포켓 입구를 갖는, 밀봉 시스템.
  22. 제12항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓 중 하나 이상은 수렴 부분 및 발산 부분을 갖는, 밀봉 시스템.
  23. 내연 기관이며,
    실린더 벽을 갖는 엔진 실린더;
    엔진 실린더 내에 배치되고, 스커트 및 헤드를 갖는 피스톤; 및
    복수의 이격된 포켓으로서, 피스톤 스커트 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 엔진 실린더 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 피스톤 스커트 및 엔진 실린더 상에(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드로서 배열되는, 복수의 이격된 포켓을 포함하는, 내연 기관.
  24. 제23항에 있어서,
    제1 구조 표면 상에서(단, 관통 연장되지 않음), 또는 블로킹 요소 표면 상에서(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드에 형성되는 균등화 홈을 더 포함하고, 상기 균등화 홈은 제1 구조 또는 블로킹 요소의 원주 둘레로 연장되는 연속 폐루프 구조인, 내연 기관.
  25. 제23항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓은 동일한 크기 및 형상을 갖는, 내연 기관.
  26. 제23항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓은 상이한 크기 및 형상을 갖는, 내연 기관.
  27. 제23항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓은 복수의 포켓 행 및 복수의 포켓 열을 갖는 패턴으로 배열되는, 내연 기관.
  28. 제23항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓 각각은 상기 제1 구조 표면 또는 블로킹 요소 표면과 포켓의 연결부에 형성된 날카로운 에지를 갖는 포켓 입구를 구비하는, 내연 기관.
  29. 제23항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓 각각은 제1 구조 표면 또는 블로킹 요소 표면과 포켓의 연결부에 형성된 원형 포켓 입구를 구비하는, 내연 기관.
  30. 제23항에 있어서, 상기 복수의 이격된 포켓 각각은 제1 구조 표면 또는 블로킹 요소 표면과 포켓의 연결부에 형성된 직사각형 포켓 입구를 구비하는, 내연 기관.
  31. 블로킹 요소의 제1 단부와 블로킹 요소의 제2 단부 사이에서 블로킹 요소 표면에 대해 제1 구조 표면을 밀봉하는 방법이며, 제1 구조 표면은 블로킹 요소 표면에 근접하여 실질적으로 균일한 거리를 두고 배치되고, 상기 방법은,
    복수의 측방향 이격된 포켓을 제공하는 단계로서, 복수의 측방향 이격된 포켓은 제1 구조 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음), 또는 제1 구조 표면 및 블로킹 요소 표면 상에(단, 관통 연장되지 않음) 포켓의 필드를 형성하도록 복수의 행으로 배열되는, 단계;
    블로킹 요소의 제1 단부에 작동 유체를 제공하는 단계; 및
    제1 구조 표면에 대해 블로킹 요소 표면을 이동시켜 포켓의 필드에 의해 유도되는 작동 유체 난류로 인한 시일 등가물을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
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