具有流體回流系統的往復活塞以及流體回流方法

2023-09-09 22:23:45

專利名稱：具有流體回流系統的往復活塞以及流體回流方法
技術領域：
本發明涉及一種具有流體回流系統的活塞和流體回流的方法。活塞在缸體之內是可以往復的，同時起到流體屏障的作用。所提供的流體回流系統和方法用於使通過活塞各密環洩漏的流體回流。
背景技術：
活塞與缸體之間形成良好的密封在所謂「自由浮動」活塞壓縮機中尤其重要。在自由浮動活塞壓縮機中沒有活塞杆而活塞運動是由在活塞對置兩側上壓縮機缸體之內腔室之間的壓差來控制的。一個腔室起到驅動腔的作用而對置的腔室起到壓縮腔的作用。在壓縮衝程期間，液壓流體被供向驅動腔從而對壓縮腔中的流體進行壓縮。在吸入衝程期間，液壓流體從驅動腔被排除而新的流體流進壓縮腔。
雖然實際的壓差可能很小，但絕對流體壓力可能非常高。比如，自由浮動活塞壓縮機可能具有超過5000psi(大約34.5MPa)的排放壓力。
活塞密封環的失效可能具有損害性後果。在封閉環路液壓系統的情況下，重要的是防止液壓流體洩漏到液壓系統以外。液壓流體洩漏到壓縮腔裡面也會汙染壓縮流體。作為實例，如果壓縮液體是一種用作引擎燃料的氣體，而液壓流體洩漏到燃料裡面，則燃料中液壓流體的存在可能導致在引擎排發之中較高的汙染程度。如果活塞密封環不能形成可靠而有效的密封，則在壓縮機下遊可能需要一種流體分離器。除了由於添加流體分離器而加大了複雜性和成本之外，經過這種裝置而產生的壓力下降會減少壓縮機系統的效率。因此，一種可將液壓流體進入到壓縮流體中的洩漏減至最小的活塞是優選的。
此外，必須防範壓縮流體進入到液壓系統的洩漏。比如，如果壓縮流體是一種氣體，氣體進入液壓系統可能導致損害液壓泵或可能另外導致液壓系統停止執行功能。
因此，需要一種用於高壓往復活塞和缸體結構的方法和裝置，可使通過活塞各密封環洩漏的流體回流並使回流流體返回到它初始的活塞腔室。

發明內容
可往復活塞是可在空心缸體之中往復運動的圓柱體。可往復活塞把空心缸體分割成為第一缸腔和第二缸腔。至少兩個間隔開來的密封環設置在圓柱體的圓周的周圍以形成可往復圓柱體與空心缸體內壁之間的密封。回流系統設置在圓柱體之內。該回流系統包括內腔，其與所述間隔開來的密封環之間的空間流體連通；以及單向流體通路，其允許從內腔到第一缸腔的單向流體流動。在一優先實施例中，單向流體通路包括止回閥，其確保流體只能在一個方向上從內腔流動到第一缸腔。
通過一個密封環洩漏的源自於第一缸腔的流體從間隔開來的密封環之間的空間被收集起來並被引向內腔。當內腔中的流體壓力大出第一缸腔中的流體壓力的大小足以克服與流出內腔相關的流出損失時，流體流回到它起始的第一缸腔。
回流系統還可以包括環形空穴，其設置在間隔開來的密封環之間圓柱體的圓周的周圍從而便於收集回流的流體。一流體通路可以用於讓環形空穴與內腔流體連通。
由回流系統收回的流體可以是一種氣體或一種液體。當流體是一種液體時，回流系統還優選地包括一種裝置用來促進從內腔排出液體。
在一實施例中，一可壓縮的元件用於實現此目的。可壓縮元件的體積可以縮小從而容納被收集在內腔中的回流流體。當內腔中液體的壓力高於缸腔內的液體壓力時，可壓縮的元件在體積上可以膨脹從而協助從內腔排出液體。這種可壓縮元件的實例是一軟殼(Bladder)，其充有諸如空氣或氮氣的可壓縮氣體。適合的可壓縮元件的另一實例是封閉小室泡沫元件，每個小室起到微小軟殼的作用。
當活塞是自由浮動活塞以及流體被包容在第一和第二缸腔二者之中時，可以採用兩個回流系統從而使相應的流體返回到它們各自最初的缸腔。這兩個回流系統可以是獨立的系統或彼此協同工作，稍後將會作出說明。
例如，自由浮動活塞裝置可以用來壓縮一種氣體，其中第一缸腔充有一種氣體而第二缸腔充有一種驅動流體，諸如液壓油。在另一實例中，在一種採用氣體壓力來驅動液泵的配置中，氣體可以是驅動流體。
在兩個回流系統協同工作的一個實例中，組合式回流系統可以利用回流氣體的壓力來協助回流液體返回到充滿液體的缸腔。在此實施例中，可移位的元件設置在內腔中，把內腔分割成為兩個子腔。這個元件在充滿氣體的子腔中的氣體壓力影響下可以移位，從而將回流液體從充滿液體的子腔中排出，因此回流液體經由單向流體通路返回到充滿液體的缸腔。
與這種組合式回流系統相關的結構包括第一對密封環，用於密封與充滿液體的缸腔相關的活塞主體一側；以及第二對密封環，用於密封與充滿氣體的缸腔相關的活塞主體一側。第一對密封環之間的空間流體連通於充滿液體的子腔，以使從充滿液體的缸腔洩漏的液體被收集在充滿液體的子腔中。第二對密封環之間的空間流體連通於充滿氣體的子腔，以使從充滿氣體的缸腔洩漏的氣體被收集在充滿氣體的子腔中。
在所述設備是氣體壓縮機的實例中，在運作期間，充液缸腔之內的液體壓力在液體正在從作為充液缸腔的驅動腔中被排出時的氣體吸入衝程期間是最低的。在活塞主體之內，充氣和充液兩個子腔可以在相應充氣和充液兩個缸腔內的流體壓力最高時的壓縮衝程期間充以洩漏到回流系統裡面的回流流體。因此，在氣體吸入衝程期間，各子腔內的流體壓力可以處在中間壓力，低於在壓縮衝程期間相應各缸腔之中的壓力，而高於在吸入衝程期間相應各缸腔之中的流體壓力。由於流體洩漏速率可以因各缸腔而不同，這一點可歸因於兩個子腔之間的壓差。在吸入衝程中，由於壓縮腔內的氣體壓力高於驅動腔內的液體壓力，所以存在一種趨勢，即充氣子腔之內的氣體壓力高於充液子腔之內的液體壓力，高出至少是相應氣體與液體壓力之間壓差的數量。因此，導致活塞主體運動的同一壓差也至少可以施加於內腔中的元件以使其被移位，從而便於液體從充液子腔排出並且使回流液體返回到充液缸腔。
吸入衝程期間氣體缸腔之內的氣體壓力取決於設備及其應用。例如，如果設備是一種可把氣體壓縮到4000psi(大約27.6MPa)壓力的壓縮機，如壓縮比是10∶1的話，則吸入衝程期間的氣體壓力可以是400psi(大約2.76MPa)，或者，如壓縮比是2∶1的話，氣體壓力可以是2000psi(大約13.8MPa)。在任何情況下，壓差形成在壓縮與吸入衝程之間，而當被捕集的回流氣體在壓縮衝程期間從源出腔室洩漏時，回流流體的中間壓力可以顯著地高於吸入壓力。中間壓力與相應吸入壓力之間的差別可以導致子腔與相應缸腔之間的壓力差足以克服流出損失，造成回流流體的收回。通過實例，參照圖3A和3B的實施例，如果只是少量液體已經洩漏到子腔320b中，在子腔320b內被捕集的回流氣體的壓力可以高至足以使可動元件(326、328)移位，以致子腔320a的容積基本上匹配回流流體的容積。雖然正是各子腔與相應各缸腔之間的壓差使得可以收回回流流體，但與具有固定容積的子腔相比，可移位元件的移位有助於回流液體的流體收回。
在所述設備是液泵的實例中，回流系統基本上以同一方式運作，但當液體正在被供向泵腔時以及當氣體正在被逐出驅動腔時，在各缸腔之中產生最低壓力。在液體吸入衝程期間，各子腔內的流體壓力可以高於相應各缸腔中的流體壓力，在此情況下，充氣子腔之內的氣體壓力可以推移內腔中的元件以協助從充液子腔排出液體，從而使回流流體從充液子腔返回到充液缸腔。在液體吸入衝程期間，充液缸腔內的液體壓力高於充氣缸腔內的氣體壓力，所以對用於使氣體返回到充氣缸腔的止回閥的選擇要求開啟力量可使足夠的氣體壓力被維持在充氣子腔中以從回流系統排出液體。可以另外採用其它公知的手段來獲得同樣的效果。作為實例，用於使氣體返回到充氣缸腔的單向氣體通路的橫截面積可以減小或可以是小孔以限制氣體流動並導致較大的流出損失。但是，對於所有的實施例，如果存在充分的壓差，回流液體和回流氣體可以同時返回到它們相應的缸腔。
作為實例，設置在內腔中的可移位元件可以是撓性、不滲透流體的膜片(membrane)或可往復的活塞。
用於防範流體洩漏的另一特點是端面密封裝置，在圓柱形活塞主體的端面與對置的端部平板表面之間形成密封。活塞端面當活塞在各活塞衝程之間改變方向時或當設備停止時接觸端部平板表面。在優選裝置中，活塞密封表面和端面表面二者之一是彈性元件。為了防範從設置在端部平板上的各流體孔口圍繞活塞各密封環的洩漏，端面密封表面和相應的端部平面表面可以是環繞各流體孔口的連續圓環。相似的是，各密封區域優選設置在圍繞設置於活塞端面上用作單向流體通路離開回流系統的出口的開孔。
在可往復活塞的一種優選結構中，所述活塞包括(a)包括第一端面和第二端面的圓柱體；(b)圍繞靠近第一端面的圓柱體周邊設置的第一密封環；
(c)圍繞靠近第二端面的圓柱體周邊設置的第二密封環；(d)圍繞處於第一與第二密封環之間並與二者間隔開來的圓柱體周邊設置的至少一個中間密封環；(e)設置在圓柱體中的回流系統，該回流系統包括第一內腔，與第一密封環和中間密封之間的空間流體連通；第一單向流體通路，當第一內腔中的流體壓力大於第一缸腔中的流體壓力時，源自第一缸腔的第一流體經過此通路可以從第一內腔流向第一缸腔；第二內腔，與第二密封環與中間密封之間的空間流體連通；第二單向流體通路，當第二內腔中的流體壓力大於第二缸腔中的流體壓力時，源自第一缸腔的第二流體經過此通路可以從第二內腔流向第二缸腔。
提供一種使源自缸腔和由與往復活塞主體關聯的活塞密封洩漏的流體回流的方法。該方法包括從設置在圍繞活塞主體周邊的一對間隔開來的密封環之間收集回流流體；當保持在活塞主體中的回流流體的流體壓力小於缸腔中的流體壓力時把回流流體保持在活塞主體中；以及當活塞主體中的回流流體的壓力大於缸腔中的流體壓力時，使回流液體返回到回流流體最初出自的缸腔。
當回流流體是一種液體時，在一實施例中，此方法還包括把回流流體保持在活塞主體中的內腔中，以及當內腔中的壓力小於缸腔中的壓力時壓縮設置在內腔中的可壓縮元件。所述可壓縮元件是可以膨脹的，從而在內腔中的壓力大於缸腔中的流體壓力時，從內腔排出流體。作為實例，可壓縮元件可以包括充以一種氣體、不滲透流體的軟殼，或者一塊封閉小室泡沫材料。
在另一實施例中，設置在活塞主體中的內腔由可移位的元件分割為兩個子腔，而每個子腔與其它子腔是流體隔絕的，用於把回流氣體和回流液體保持在各相應子腔中。源自第一缸腔的回流液體，從設置在圍繞活塞主體周邊的第一對間隔開來的密封環之間予以收集，而源自第二缸腔的回流氣體，從設置在圍繞活塞主體周邊的第二對間隔開來的密封環之間予以收集。該方法還包括當回流液體的流體壓力小於第一缸腔中的流體壓力時，把回流液體保持在相應子腔之內，當回流氣體的流體壓力小於第二缸腔中的流體壓力時，把回流氣體保持在相應子腔之內，以及利用回流氣體的壓力來推移可移位的元件以協助從其相應的子腔逐出回流液體。在各優選實施例中，可移位元件是撓性、不滲透流體的膜片或設置在內腔空心圓柱部分中的內活塞。
在各優選實施例中，此方法還包括當活塞停止或在完成吸入衝程時使活塞返回到靠近端部平板的位置，因此活塞的密封表面接觸和密封端部平板的表面。


各附圖示出本發明的具體實施例，但不應當認為是以任何方式限制本發明的精神或範疇圖1是設置在缸體中的可往復活塞的局部剖面示意圖。在此實施例中，活塞包括回流系統，其設置在活塞主體中，用於使通過各密封環洩漏的氣體回流並使回流的氣體返回它最初出自的缸腔。
圖2A和2B是設置在缸體中的可往復活塞實施例的局部剖面視圖。在這些實施例中，所述活塞包括一回流系統，該回流系統包括設置在活塞主體中內腔裡的可壓縮元件。該可壓縮元件充滿不為回流流體充滿的內腔容積並當回流流體返回它最初出自的缸腔時膨脹開來，從而協助從內腔排出回流流體。
圖3A和3B是設置在缸體中的可往復活塞實施例的局部剖面視圖。在這些實施例中，所述活塞包括一組合式回流系統，其功能是使兩個回流流體返回到每一回流流體最初出自的相應缸腔。這兩個回流系統利用一股回流流體的流體壓力來推移活塞主體中的一個元件以使另一股回流流體返回到它最初出自的缸腔。
圖4是設置在缸體中的可往復活塞實施例的局部剖面視圖。在此實施例中，活塞包括兩個獨立的回流系統。第一回流系統可發揮作用以使從第一缸腔洩漏的流體回流並使回流流體返回到第一缸腔。第二回流系統可發揮作用以使從第二缸腔洩漏的流體回流並使回流流體返回到第二缸腔。圖4還示出一種端面密封結構，其也可以用於任何其它的實施例。
具體實施例方式
參照附圖，圖1是往復活塞組件100的局部剖面示意圖，組件100包括缸體102和活塞，後者設置在缸體102中將其分割成為處於活塞一側的缸腔104和處於活塞另一側的缸腔106。
活塞包括圓柱體110，其與缸體102的內孔相匹配。對於所有的實施例來說，活塞主體優選是圓柱形的，而且內孔優選是圓形的，但其他形狀也是可能的，只要柱體的形狀匹配於缸孔的形狀即可。
在圖1的實施例中，兩個間隔開來的密封環112、114在活塞主體110與靠近面對壓縮腔104的活塞一側的缸體102之間形成密封。
回流系統設置在圓柱體110之內用於捕集通過密封環112從缸腔104洩漏的流體。回流系統包括流體通路113，流體連通兩個密封環112與114之間的空間於活塞主體110之內的內腔120。
單向流動控制器136位於流體通路138之中以形成從內腔120到缸腔104經過活塞端頭140的單向流體流動。單向流動控制器在此被定義為一種允許經過流體通路的單向流動的裝置。這些作為止回閥的裝置對本領域技術人員來說是公知的並存在許多適合類型的止回閥，例如作為實例來說的球止回閥、彈簧助力球止回閥、膜片止回閥和圓盤止回閥。當缸腔104之內的壓力小於內腔120中的壓力而壓差足以打開單向流動控制器136時，流體流經單向流動控制器。
作為實例，活塞組件100可以用作氣體壓縮機的一部分，以缸腔104充作壓縮腔。活塞主體110可以經由連杆(未示出)由驅動裝置或由缸腔106之內的液體流體壓力予以致動。還是參照圖1，在壓縮衝程中，活塞主體110移動到左邊以壓縮缸腔104之中的氣體。在壓縮衝程期間，如果受壓氣體通過密封環112洩漏出去，其會被捕集在間隔開來的密封環112與114之間的空間中並經過流體通路113流進內腔120。如圖1之中所示，流體通路113可以包括製成在活塞主體110外部表面中的一條環形溝槽以便於收集洩漏氣體。
洩漏氣體在壓力下保持在活塞主體110之內，直至內腔中的氣體壓力大於缸腔104中的氣體壓力為止。通常，洩漏氣體在壓縮衝程期間保留在活塞主體110之內，並當缸腔104中的氣體壓力低得多時在吸入衝程期間經由流體通路138和單向流動控制器136返回缸腔104。
雖然示於圖1中的結構可以用於使所有類型的流體回流，但它最適合用於使一種諸如受壓氣體的可壓縮流體回流，這是因為它自身的流體壓力可以使它返回到缸腔104。不過，當往復活塞組件和回流裝置用在收回不可壓縮的流體諸如液體時，優選的是設置一種機構以協助推動回流液體回到缸腔中(例如，諸如那些以參照圖2A和2B或圖3A和3B所述的各實施例)。
圖2A和2B示出活塞組件的兩個實施例，每個實施例具有一回流系統，可以用來使回流液體返回到它最初出自的缸腔。在這些附圖中，相同的附圖標記在相應各圖中指示相同的零件，而同樣的零件，如果它們基本上相同，則不對每一實施例作出說明。在這些實施例中，可壓縮元件用於促進從回流系統的內腔220排出回流液體。
雖然圖2A和2B示出一種可壓縮元件的兩個優選實施例，但應當理解的是，其他可壓縮元件也可用同樣方式發揮作用以基本上達到同樣的效果。例如，可壓縮元件可以是固體，在分子水平上可壓縮時，其基本上不可滲透。在另一實例中，可壓縮元件可以包括一密封在不透流體的封皮或敷層之內的開放結構。
本質上，參照圖2A和2B，可壓縮元件的作用一如下述。當回流流體是液體時，因此是不可壓縮時，可壓縮元件在回流液體的壓力下體積收縮而在內腔220之內騰出空間以容納回流液體。當缸腔204內的流體壓力小於內腔220中的回流液體壓力時，回流流體返回到缸腔204。隨著回流流體流出內腔220，作用在可壓縮元件上的流體壓力降低並且可壓縮元件的體積膨脹，從而有助於從內腔220排出回流流體。
參照圖2A和2B，活塞主體210在缸體202之內是可往復的，從而活塞組件200可以運用於許多公知的應用場合。作為實例，活塞組件200可以利用缸腔204中的液壓流體壓力以壓縮缸腔206中的氣體，或者在某一不同的應用場合下，活塞組件200可以用來泵送缸腔204中的液體。
密封環212和214在可移動的活塞主體210與空心缸體202內壁之間形成動力密封。通過密封環212洩漏的液體從驅動腔204經由流體通路213流進內腔220。
參照示於圖2A中的特定實施例，可壓縮元件以軟殼222的形式設置在內腔220中。軟殼222充滿一種可壓縮的氣體，從而由軟殼222佔據的容積自動擴大以充滿未充以回流流體的內腔120的容積。作為實例，軟殼222可以充以一種氣體，諸如氮氣或空氣。回流液體是不可壓縮的，因此為了容納流向內腔220的回流液體，軟殼的容積通過壓縮其中的氣體而收縮。
當內腔220中的壓力大於缸腔204中的壓力時，藉助於軟殼壓力和有助於把回流液體推出內腔220的膨脹的軟殼容積，回流液體經過流體通路238和單向流動控制器236返回到缸腔204。
示於圖2B中的實施例基本上以和圖2A的實施例相同的方式運作，例外的是代替了軟殼222，此實施例採用可壓縮的密閉小室泡沫元件223。泡沫元件223的每一小室起到細小軟殼的作用，從而泡沫元件可以膨脹和收縮以充滿未充以回流液體的內腔220的容積。如同軟殼220，當內腔220之內的流體壓力大於缸腔204之內的流體壓力時(如果活塞組件200是氣體壓縮機，典型是在氣體吸入衝程期間，如果活塞組件200是液泵，則在液體吸入衝程期間)，泡沫元件223體積膨脹以協助推動回流液體回到缸腔204中。
當活塞是據稱的一種自由浮動活塞時，活塞由活塞主體對置兩側上的流體壓差予以致動。在自由浮動活塞壓縮機中，活塞把缸體分割成為壓縮腔和驅動腔，以活塞密封環防止液壓流體流進壓縮腔和壓縮流體流進驅動腔。對於自由浮動活塞結構來說，重要的是防止流體從一個缸腔洩漏到另一缸腔，所以自由浮動活塞壓縮機可以採用兩個回流系統。例如，在液壓驅動的自由浮動活塞中，採用一個回流系統來收回通過活塞密封環洩漏的液壓流體並使回流液壓流體返回到驅動腔。採用一個第二回流系統來收回通過活塞密封環洩漏的壓縮流體並使回流壓縮流體返回到壓縮腔。
圖3A和3B示出帶有組合回流系統的活塞，利用回流氣體的流體壓力來推移活塞主體之內的元件以使回流液體返回到液體最初出自的缸腔。用在圖3A和3B中相同的附圖標記指示基本上以相同方式運作的特徵。在這些實施例中，裝置300是作為液壓驅動自由活塞氣體壓縮機予以說明的，但是，本領域技術人員將會理解，這一實施例也可以用於其他一些自由浮動式往復活塞的應用場合，諸如一種作為實例的氣動液泵。
在圖3A的實施例中，自由浮動活塞主體310設置在缸體302之內，因此活塞主體310把缸體302的內部容積分割成為壓縮腔306(充以氣體)和驅動腔304(充以液壓流體)。
密封環312和314間隔開來並接近驅動腔304以防止液體流體從那裡洩漏。密封環316和318間隔開來並接近壓縮腔306以防止壓縮流體從那裡洩漏。
活塞主體310包括設置在其中的內腔。一可移位的元件設置在內腔之內而將其分割成為子腔320a，其關聯於液壓流體的回流系統，子腔320b，其關聯於壓縮流體的回流系統。
如果液壓流體通過密封環312洩漏，則與密封環312間隔開來的密封環314可防止液壓流體在活塞主體310與缸體302之間進一步洩漏。相反，回流系統可提供流體通路313和子腔320a以保持回流液壓流體直至其可以返回驅動腔304。如同在其他實施例中那樣，當子腔320a中的壓力高於驅動腔304中的流體壓力而經過單向流動控制器3 36的流體壓差足以使之打開時，回流系統可使回流液壓流體經由單向流動控制器336和流體通路338返回到驅動腔304，當液壓流體正在從驅動腔304被逐出時，這一般出現在氣體吸入衝程期間。
相似的是，如果壓縮流體通過密封環316洩漏，與密封環316間隔開來的密封環318可防止壓縮流體在活塞主體310與缸體302之間進一步洩漏。相反，回流系統可提供流體通路317和子腔320b以保持回流壓縮流體直至其可以返回到壓縮腔306。如同在其他實施例之中那樣，回流系統可使回流流體返回到它最初出自的缸腔。即，回流壓縮流體，當子腔320b中的壓力高於壓縮腔306中的流體壓力時，經過單向流動控制器337和流體通路339返回到壓縮腔306，當壓縮流體壓力下降到壓縮流體供給壓力而在壓縮衝程期間大大低於壓縮腔306中的壓力時，這一般出現在氣體吸入衝程期間。
圖3A實施例的一個特徵是設置在活塞主體310中內腔裡的可移位元件。在示出的實施例中，可移位元件是活塞326，在內腔中是可往復的。密封環327密封在活塞326與活塞主體310的內部表面之間以防止子腔320a與320b之間的流體洩漏。活塞326在子腔320b中氣體壓力和子腔320a中流體容積的作用下移動到一平衡位置。在氣體吸入衝程期間，當液壓流體返回到驅動腔304時，子腔32 0b中回流氣體的壓力施力於活塞326以協助從子腔320a排出液壓流體。
活塞主體310包括可拆除的活塞端頭340，活塞端頭340的拆除允許安裝和拆除內活塞326。
在圖3B的實施例中，把內腔分割成為子腔320a和320b可移位的元件是撓性、流體不可透過的膜片328。膜片328和間隔器342被夾緊在活塞主體310與封蓋340之間。間隔器342可以包括一銷槽(未示出)，其協同活塞主體310的各特徵以確保穿過間隔器的那部分流體通路調準於穿過活塞主體310的那部分流體通路313。單向流動控制器336示出位於間隔器342中，但它也可以位於封蓋340中。
如同圖3A中實施例那樣，在圖3B的實施例中，回流液壓流體流向子腔320a而回流壓縮流體則流向子腔320b。子腔320b中壓縮流體的壓力可使膜片328撓曲，從而在當驅動腔304中的壓力低於子腔320a中的壓力時，促進從子腔320b排出液壓流體。
一如在所有實施例中那樣，參照圖3A和3B，子腔(320a、320b)與相關兩缸腔(分別是304和306)之間的壓力差是使回流流體從各子腔返回到各自相關缸腔的主要手段。諸如示出在圖3A和3B中的那些可移位的元件可以用於促進收回回流流體，以下各段落將對此進行說明。
參照圖3A，當壓縮腔306充以氣體和驅動腔304充以液壓流體時，在壓縮衝程期間，在子腔320b與320a之間可能存在很高的壓力差。如果液體從驅動腔304洩漏，實際上在子腔320a之內沒有任何壓力，除非子腔320a的容積等於回流液壓流體的容積。在子腔320b中，由於氣體是一種可膨脹的流體，所以在壓縮衝程期間，回流氣體膨脹而充滿子腔320b，以及壓差作用於可移位的元件326上。這一壓差可使內活塞326移動，直至子腔320a的容積等於回流液壓流體的容積為止。這樣，內活塞326可以在壓縮衝程期間由於壓差而被移動。
仍然參照圖3A，在吸入衝程期間，液壓流體將流出驅動腔304，活塞310將從左向右移動，而進入壓縮腔306的氣體的壓力高於驅動腔304之中液壓流體的壓力。在壓縮衝程期間被捕集在子腔320b之中的回流氣體可以具有高於壓縮腔306中的氣體壓力。因此，在吸入衝程的起始處，一些回流體氣體可被收回並返回到壓縮腔306。不過，由於存在著與氣體流經單向閥337和流體通路339相關的流出損失，所以留在子腔320b中的氣體的壓力可以保持高於壓縮腔306中的氣體的壓力。同時，如果子腔320a中液壓流體的壓力高於驅動腔304中的壓力，則在吸入衝程的起始處，一些液壓流體可被收回並返回到驅動腔304。在吸入衝程期間，由於壓縮腔306中氣體的壓力高於驅動腔304中液壓液體的壓力，所以子腔320b中回流氣體的壓力可以高於子腔320a中回流液壓流體的壓力。克服活塞310與缸體302之間摩擦的同一壓差也可以出現在子腔320a和320b中以克服內活塞326與活塞310之間的摩擦。因此，在吸入衝程期間，子腔320b中回流氣體的壓力可以把內活塞326推移到右邊從而隨著回流液壓流體的容積按照被收回的液壓流體多少而減小來減少子腔320a的容積。
如果只出現少量洩漏，會在回流系統之中流體的壓力增高到某一足以使回流流體返回到最初出自腔室的壓力之前發生一定數量的循環。如果流體是一種液體，子腔具有固定的容積，如示出在圖1中的實施例那樣，回流系統的流體容留部分必須在壓力能夠在回流系統中建立之前充以液體，以使它可以在吸入衝程期間返回到相關的源自腔室。在圖3A和3B實施例的情況下，各子腔容積是可變的(在圖3A中藉助於可移位的活塞，在圖3B中藉助於可移位的膜片)。因此，子腔320b中的氣體壓力可以推移可動的元件(326、328)以協助從子腔320a中排出液體。
圖4示出可往復活塞的一個實施例，如同圖3A和3B的實施例那樣，裝置400可以例如是帶有可往復自由浮動活塞的氣體壓縮機。在此實例中，活塞主體410設置在缸體402之內，從而活塞主體410把缸體402的內部容積分割成為驅動腔404(充以一種液壓流體)和壓縮腔(充以一種壓縮流體，諸如天然氣)。
密封環412和414間隔開來並接近於驅動腔404以防止液壓流體從那裡洩漏。密封環416和418是間隔開來的並接近於壓縮腔406以防止壓縮流體從那裡洩漏。在此實例中，壓縮流體是一種氣體，其由壓縮機裝置400予以壓縮。
活塞主體410包括設置在其中的兩個分離的內腔。示出在此實施例中的液壓流體回流系統類似於示出在圖2A中的回流系統，而壓縮流體回流系統類似於示出在圖1中的回流系統。本領域技術人員將會理解的是回流系統的不同實施例可以代替圖4中所示的那些實施例以基本上獲得相同的效果，以及示出在圖4中的實施例是包括兩個獨立系統的回流系統的範例。
回流液壓流體經由流體通路413流向內腔420a。軟殼422設置在腔室420a中並充以一種可壓縮的流體。當內腔420a中液壓流體的壓力充分高於驅動腔404中的流體壓力時，藉助於可膨脹的軟殼422，液壓流體從內腔420a排出並經由單向流動控制器436和流體通路438返回到驅動腔404。
回流壓縮流體流過流體通路417並被保持在內腔420b之中直至內腔420b中的壓力高於壓縮腔406中的壓力(一般在氣體吸入衝程中)為止，此時回流氣體經由單向流動控制器437和流體通路439返回壓縮腔406。
圖4還示出一端面密封裝置，其可以結合任一回流裝置實施例子以應用。此端面密封是另一用於防止流體從一缸腔向另一缸腔洩漏的特徵。
端蓋450密封驅動腔404的端部並包括液壓流體進出驅動腔404而經過的流體通路452。活塞主體410包括凸起的密封表面456和457，協同相應的彈性密封元件458和459在活塞主體410挨著端蓋450定位時形成流體密封。此端面密封結構在壓縮機運作期間和當壓縮機關機時發揮作用。當典型的往復壓縮機運作時，通常在諸如吸入衝程和壓縮衝程之間變換活塞方向時存在一定的延遲。該封閉的端面密封結構有助於防止在當活塞挨著端蓋450定位期間驅動與壓縮兩腔之間的洩漏。當壓縮機停機時，根據系統和入口氣體壓力，壓縮腔內的壓縮流體壓力可仍然高達600psi(大約4.1MPa)。壓縮流體壓力朝向端蓋450推動活塞主體410，通過把密封表面456和457壓進相應的彈性密封元件458和459而加強端面密封。
密封表面456和彈性元件458可防止壓縮流體通過密封環416、418、414和412在活塞主體410與缸體402之間洩漏。密封表面457和彈性元件459可防止壓縮流體通過密封環416、418、414在活塞主體410與缸體402之間洩漏，然後經由流體通路413、內腔420a和流體通路438經過液壓流體回流裝置。代替為密封表面456和457設置凸起表面，彈性元件458和459可以從端蓋450的表面突出而基本上具有相同的效果。
鑑於前述，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，在本發明的實踐中可能有許多改變和修改而不偏離其精神和範圍。因此，本發明的範圍應當按照以下各項權利要求確定的內容來予以解釋。
權利要求
1.一種可往復的活塞包括(a)圓柱體，其可在空心缸體之內往復，所述可往復的活塞把所述空心缸體分割成為第一缸腔和第二缸腔；(b)至少兩個間隔開來的密封環，設置在所述圓柱體圓周的周圍；以及(c)回流系統，其設置在所述圓柱體之內，所述回流系統包括內腔，其流體連通於所述間隔開來的密封環之間的空間；以及單向流體通路，當所述內腔中的流體壓力大於所述第一缸腔中的流體壓力時，源自於所述第一缸腔的流體可以經過此通路從所述內腔流動到所述第一缸腔。
2.按照權利要求1所述的可往復活塞，其中所述回流系統還包括環形空腔，其設置在所述間隔開來的密封環之間的所述圓柱體圓周的周圍。
3.按照權利要求2所述的可往復活塞，還包括流體通路，其將所述環形空穴流體連通於所述內腔。
4.按照權利要求1所述的可往復活塞，其中所述流體是一種氣體。
5.按照權利要求1所述的可往復活塞，還包括設置在所述內腔中的可壓縮元件。
6.按照權利要求5所述的可往復活塞，其中所述流體是一種液體。
7.按照權利要求5所述的可往復活塞，其中所述可壓縮元件是充以可壓縮氣體的軟殼。
8.按照權利要求5所述的可往復活塞，其中所述可壓縮元件是封閉小室泡沫元件。
9.按照權利要求1所述的可往復活塞，其中所述回流系統還包括分開的流體通路用於回流源自每個所述第一和第二缸腔的流體，所述回流系統還包括可移位的元件，其設置在所述內腔中，從而所述元件在源自所述第二缸腔中的回流氣體的壓力作用下是可以移位的，因此所述元件是可以移位的，以從所述內腔中排出源自所述第一缸腔中的回流液體。
10.按照權利要求9所述的可往復活塞，還包括第一對間隔開來的密封環，其設置在所述圓柱體圓周的周圍用於密封防止流體從所述第一缸腔洩漏，以及第二對間隔開來的密封環，其設置在所述圓柱體圓周的周圍用於密封防止流體從所述第二缸腔洩漏，其中所述可移位元件把所述內腔分割成為第一子腔和第二子腔，而所述第一子腔經由所述單向流體通路流體連通於所述第一對密封環之間的空間和所述第一缸腔，以及所述第二子腔經由第二單向流體通路連通於所述第二對密封環之間的空間和所述第二缸腔。
11.按照權利要求10所述的可往復活塞，其中所述內腔包括圓柱形空腔而所述可移位元件是可在所述圓柱形空腔中活動的活塞。
12.按照權利要求10所述的可往復活塞，其中所述可移位元件是撓性、不透過流體的膜片。
13.按照權利要求10所述的可往復活塞，其中所述第一缸腔是充以一種液壓流體的驅動腔以及所述第二缸腔是充以一種氣體的壓縮腔。
14.按照權利要求1所述的可往復活塞，還包括設置在所述單向流體通路中的止回閥。
15.按照權利要求1所述的可往復活塞，還包括密封表面，其設置在所述圓柱體的至少一個端面上從而在所述密封表面和對置的端部平板表面之間在這些表面彼此接觸時形成密封。
16.按照權利要求15所述的可往復活塞，其中所述密封表面和所述端部平板表面其中之一包括一彈性元件。
17.按照權利要求16所述的可往復活塞，其中所述彈性元件為一圓環形狀和所述端部平板中的流體孔口設置在所述圓環的邊界內。
18.按照權利要求16所述的可往復活塞，其中所述單向流體通路具有通過所述端面的出口以及所述密封表面包括環繞所述出口的連續密封表面，所述出口貼靠對置的端部平板表面是可密封的。
19.一種可在空心缸體中往復的活塞，所述活塞包括(a)圓柱體，包括部分限定第一缸腔的第一端面和部分限定第二缸腔的第二端面；(b)第一密封環，其設置在接近所述第一端面的所述圓柱體圓周的周圍；(c)第二密封環，其設置在接近所述第二端面的所述圓柱體圓周的周圍；以及(d)至少一個中間密封環，其設置在所述第一與第二密封環之間並與此兩個密封環間隔開來的所述圓柱體圓周的周圍；(e)回流系統，其設置在所述圓柱體之內，所述回流系統包括第一內腔，其流體連通於所述第一密封環與所述中間密封環之間的空間；第一單向流體通路，源自所述第一缸腔的第一回流流體當所述第一內腔中的流體壓力大於所述第一缸腔中的流體壓力時經過該通路可以從所述第一內腔流向所述第一缸腔；第二內腔，其流體連通於所述第二密封環與所述中間密封環之間的空間；以及第二單向流體通路，源自所述第二缸腔的第二回流流體當所述第二內腔中的流體壓力大於所述第二缸腔中的流體壓力時經過該通路可以從所述第二內腔流向所述第二缸腔。
20.按照權利要求19所述的活塞，其中所述活塞是一種用於往復式活塞壓縮機的自由浮動活塞，以及所述第一回流流體是一種液壓流體。
21.按照權利要求20所述的活塞，其中所述第二回流流體是一種氣體。
22.按照權利要求19所述的活塞，其中所述回流系統還包括設置在所述圓柱體之內的可移位元件，所述可移位元件把內腔分割成為所述第一內腔和所述第二內腔，而所述可移位元件在所述第一內腔與所述第二內腔之間的壓差作用下是可移位的。
23.按照權利要求22所述的活塞，其中所述內腔包括圓柱形空腔而所述可移位元件是在所述圓柱形空腔中可移動的活塞。
24.按照權利要求22所述的活塞，其中所述可移位元件是撓性、不透過流體的膜片。
25.按照權利要求19所述的活塞，還包括第一止回閥，其設置在所述第一單向流體通路之內；以及第二止回閥，其設置在所述第二單向流體通路之內。
26.按照權利要求19所述的活塞，還包括密封表面，其設置在所述活塞的所述第一和第二端面至少其中之一上，從而在所述密封表面與對置的端部平面表面之間在這兩個表面彼此接觸時形成密封。
27.按照權利要求26所述的活塞，其中所述密封表面和所述對置的端部平板表面其中之一包括一彈性可壓縮元件。
28.按照權利要求27所述的活塞，其中所述彈性可壓縮元件為圓環形狀，以及所述端部平板中的各流體孔口設置在所述圓環的邊界內。
29.一種使源自缸腔並通過與可往復活塞主體相關的活塞密封而洩漏的流體回流的方法，所述方法包括從一對設置在所述活塞主體圓周的周圍間隔開來的密封環之間收集回流流體；當保持在所述活塞主體中的所述回流流體的流體壓力小於所述缸腔中的流體壓力時把所述回流流體保持在所述活塞主體中；以及當所述活塞主體中所述回流流體的壓力大於所述缸腔中的流體壓力時，使所述回流流體返回到所述回流流體源自的所述缸腔。
30.按照權利要求29所述的方法，其中所述活塞主體是往復活塞壓縮機的一部分，所述缸腔是壓縮腔，而所述流體在所述壓縮機正在運作而同時新的流體被引入所述壓縮缸的吸入衝程期間是可以返回到所述壓縮腔的。
31.按照權利要求29所述的方法，還包括把所述回流流體保持在所述活塞主體裡的內腔中，並當所述內腔中的壓力小於所述缸腔中的壓力時，在所述內腔之內設置可壓縮元件，而其中所述可壓縮元件當所述內腔中的流體壓力大於所述缸腔中的流體壓力時是可以膨脹的，從而可從所述內腔排出流體。
32.按照權利要求31所述的方法，其中所述可壓縮元件是充以一種氣體的不透過流體的軟殼。
33.按照權利要求31所述的方法，其中所述可壓縮元件是一塊封閉小室泡沫材料。
34.按照權利要求29所述的方法，還包括當所述內腔中的流體壓力小於所述缸腔中的流體壓力時使所述回流流體保持在所述活塞主體裡的內腔中。
35.按照權利要求34所述的方法，其中可移位的元件把所述內腔分割成為兩個子腔，它們彼此是流體隔絕的，並且所述方法還包括當所述內腔中的流體壓力小於所述缸腔中的壓力時移動所述可移位元件從而在第一子腔中形成空間以接收所述回流流體；以及當所述第一子腔中的流體壓力大於所述缸腔中的壓力時移動所述可移位元件以從所述第一子腔排出流體。
36.按照權利要求35所述的方法，其中所述可移位元件是撓性、不透過流體的膜片。
37.按照權利要求35所述的方法，其中所述可移位元件是內活塞以及所述內腔包括一圓柱體。
38.按照權利要求35所述的方法，其中所述活塞主體是液壓驅動式自由浮動活塞，用於壓縮相關於所述自由浮動活塞第一側的壓縮腔中的氣體，而所述流體是液壓流體，可返回到相關於所述自由浮動活塞第二側的驅動腔。
39.按照權利要求38所述的方法，其中所述第一子腔經由單向流體通路流體連通於所述驅動腔，此通路可使液壓流體從所述第一子腔返回到所述驅動腔。
40.按照權利要求29所述的方法，還包括當所述活塞停下或完成吸入衝程時使所述活塞返回到接近端部平板的位置，從而所述活塞的密封表面接觸和密封所述端部平板的一個表面。
41.一種使活塞組件中的流體回流的方法，此活塞組件包括自由浮動活塞，其把空心缸體分隔成為充以一種液體的第一缸腔和充以一種氣體的第二缸腔，所述方法包括從設置在所述活塞主體圓周周圍的第一對間隔開來的密封環之間收集源自所述第一缸腔的回流液體；當所述回流液體的流體壓力小於所述第一缸腔內的流體壓力時把所述回流液體保持在所述活塞主體的內腔中；從設置在所述活塞主體圓周周圍的第二對間隔開來的密封環之間收集源自所述第二缸腔的回流氣體；當所述回流氣體的流體壓力小於所述第二缸腔內的流動壓力時把所述回流氣體保持在所述活塞主體的所述內腔中；採用所述內腔中的可移位元件，使所述回流液體流體隔絕於所述回流氣體；當所述回流氣體的壓力大於所述第一缸腔內的流體壓力時利用所述回流氣體的壓力來移動所述可移位膜片以從所述內腔排出所述回流液體；以及當所述回流氣體的壓力大於所述第二缸腔內的流體壓力時使所述回流氣體返回到所述第二缸腔。
42.按照權利要求41所述的方法，還包括在利用所述回流氣體的壓力從所述內腔排出所述回流液體並且進入所述第一缸腔之後，使所述回流氣體返回到所述第二缸腔。
全文摘要
本發明公開一種可往復活塞，包括可在空心缸體中往復的圓柱體和至少兩個間隔開來的圍繞圓柱體圓周設置的密封環。在圓柱體中有一回流系統，包括內腔，其流體連通於間隔開來的兩個密封環之間的空間；以及單向流體通路，當內腔中的流體壓力大於缸腔中的流體壓力時可形成從內腔到缸腔的單向流體流動。一種流體回流方法，包括收集通過某一活塞密封洩漏的流體並將收集到的流體經由設置在活塞中的回流系統返回到它源自的缸腔。
文檔編號F04B53/00GK1643252SQ03807256
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月26日 優先權日2002年3月28日
發明者米海·厄桑, 安克·格拉姆, 蘭德爾·馬克 申請人:韋斯特波特研究公司