TWI659170B - 用於減少氣體滲入真空腔之滑脂通道 - Google Patents

用於減少氣體滲入真空腔之滑脂通道 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種飛輪器件，其包含：一圍封殼；一頂板，其緊固至該圍封殼，其中該頂板包含一第一開口；及一罩蓋，其中該罩蓋具有一頂側及一底側，該罩蓋在緊固至該第一開口時形成該底側與該第一開口之間的一密封，該底側包含：一o形環凹槽，其經構形以固持一o形環；一滑脂通道，其與該o形環凹槽同心；及一進口埠，其經構形以使滑脂能夠流入該滑脂通道。

Description

用於減少氣體滲入真空腔之滑脂通道
本發明大體上係關於使用飛輪之能量儲存。然而，本發明可應用於其中期望最小化氣體滲入一真空腔之其他應用。
許多能源、尤其是清潔能源(諸如風力渦輪機及太陽能面板)產生在時間上與所經歷之負載不匹配之能量。在許多發達國家中，能量產生遵循所經歷之負載，使得視需要提供能量。在高負載情況下，諸如使用尖波器發電機及熱發電機上之備轉容量及非備轉容量的技術容許匹配高及可變負載之發電。然而，儘管可用此等技術，然常常存在其中能量儲存對於滿足能量負載很重要之例項。
現有能量儲存系統全部具有一種形式或另一形式之缺點。在設計一能量儲存系統時，大小、價格、儲存效率、功效及安全性皆為關注問題。一般而言，較小大小、較低價格、輸入能量以進行儲存及提取能量以進行分配兩者時之減少的損耗、連續操作之減少的損耗及安全處置皆為能量儲存系統之較佳特性。
一飛輪係將能量儲存為旋轉動能之一種類型的能量儲存系統。一飛輪轉子係在直接地或間接地實體耦合至一馬達/交流發電機時自旋之一加重的旋轉對稱塊體，該馬達/交流發電機擴張電耦合至構成一AC-AC轉換子系統之一轉換器(諸如一背對背變流器系統)。在接收電力以進行儲存時，轉子受驅動而增加飛輪轉子之旋轉速度。在將提取電力時，飛輪轉子驅動馬達/交流發電機。一飛輪轉子自旋愈快，則其儲存之能量愈多，但其自旋愈快，歸因於氣動阻力之旋轉損耗愈高。為減小氣動阻力，在抽空至相當於一大氣壓之小分率之操作壓力的一腔(亦稱為一真空腔)中操作飛輪。例如，在某些實施例中，操作壓力範圍係.0001托至.100托(1 ATM = 760托)。
彈性密封件(諸如o形環)通常用於密封真空腔上之凸緣。使用一彈性材料之一個缺點在於彈性體之氣體滲入率高於金屬密封件。在較小凸緣上使用金屬密封件係十分常見的，但隨著密封件之直徑或總長度變大，使用金屬密封件變得更加困難且昂貴。此等密封件具有其等通常為單次使用之進一步缺點。
通常應用滑脂來改良彈性密封件之密封特性且幫助保護其等免受歸因於之氧化及硬化之劣化。通常，將滑脂塗覆為彈性密封件周圍之一輕薄塗層以提供補償微觀表面光潔度瑕疵之一薄層。此一滑脂層相對於密封件剖面通常較薄，且因此對減緩滲入沒有顯著貢獻。
使用不鏽鋼製造金屬真空腔有助於防止密封件表面之腐蝕。然而，不鏽鋼與普通鋼合金相比相對昂貴。因此，將期望具有一種防止跨密封件表面之腐蝕且容許將較便宜鋼用於真空腔之技術。
本發明使用一滑脂通道結合一o形環來改良兩個相鄰平坦表面之間的密封。使用一滑脂通道可減少氣體(尤其水蒸氣)之滲入且因此減少腐蝕。通常在該兩個平坦表面之至少一者係金屬且因此經受腐蝕時使用本發明。然而，其亦可用於其他內容背景中。
在某些實施例中，本發明用於改良一飛輪器件中之相鄰元件之間的一密封。其藉由減少氣體透過密封件滲入而改良該密封。明確言之，在某些實施例中，本發明用於減少跨該密封件之氣體滲入，該密封件：(1)在一頂板與一真空罩蓋之間，及/或(2)在該頂板與一圍封殼之間。
實施例係關於一種飛輪器件，其包含：一圍封殼；一頂板，其緊固至該圍封殼，其中該頂板包含一第一開口；及一罩蓋，其中該罩蓋具有一頂側及一底側，該罩蓋在緊固至該第一開口時形成該底側與該第一開口之間的一密封，該底側包含：一o形環凹槽，其經構形以固持一o形環；一滑脂通道，其與該o形環凹槽同心；及一進口埠，其經構形以使滑脂能夠流入該滑脂通道。
實施例進一步係關於一種器件，其包含：一板或物件，其具有一平坦表面；及一圍封殼，其包括緊固至該板之一頂側，其中該頂側包含：一o形環凹槽，其經構形以固持一o形環；及一滑脂通道，其與該o形環凹槽同心。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張於2017年7月6日申請之美國臨時申請案第62/529,407號之優先權利。全部前述案之全文為全部目的以引用的方式併入本文中。
現將在下文參考隨附圖式更充分描述本發明，該等隨附圖式形成本發明之一部分且以繪示之方式展示可藉由其實踐本發明之特定例示性實施例。然而，本發明可依許多不同形式體現且不應被解釋為限於本文中闡述之實施例；實情係，提供此等實施例使得本發明將為周延且完整的，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明之範疇。本發明可尤其體現為方法、程序、系統或器件。因此，以下[實施方式]不應被視為限制意義。
如本文中所使用，以下術語具有下文給出之含義：
真空腔或簡稱腔(如本文中所使用)指代一密封容器圍封殼或經完全或部分抽空氣體之器皿。本質上，腔內部維持在低於腔外部存在之大氣壓力之一大氣壓力。
滑脂(一油基半固體或固體材料)，其通常用於使機械設備之零件潤滑。通常使用一滑脂槍來將滑脂施覆至所潤滑之零件。如本文中所使用，滑脂指代油基滑脂，包含真空油以及可注入、模製或以其他方式***一滑脂通道之任何其他腐蝕抑制物質。 I.飛輪能量儲存系統
圖1A係根據一項實施例之包含一真空腔之一例示性飛輪能量儲存系統100之一方塊圖。該能量儲存系統包含一飛輪轉子130、一馬達/交流發電機140、一第一變流器150、一電容器160、一第二變流器170及一AC線180。能量係自一AC線180 (諸如一個三相60 Hz線)汲取或輸送至AC線180。第一變流器150及第二變流器170以及電容器160繪示用於將輸入交流電轉換成馬達/交流發電機140可接受之一交流電的一例示性背對背轉換器系統。馬達/交流發電機140在電能與機械能之間轉換，使得可將能量儲存於飛輪轉子130中或自飛輪轉子130汲取能量。馬達/交流發電機140使用一軸件直接地或間接地實體耦合至飛輪轉子130。馬達/交流發電機140經由電線或其他電耦合件耦合至系統100之其餘部分。一般而言，儘管展示各組件之僅一者，然實務上一飛輪能量儲存系統100可包含各個別組件之多者。圖1係一種例示性類型之ac轉ac轉換系統。一般而言，本文中描述之本發明係關於一廣泛範圍之ac轉ac轉換拓撲，以及與一直流電(dc)線直接介接之系統。後者與dc微電網及太陽能光伏打應用尤其相關。
飛輪能量儲存系統100包含圖1B中繪示之一飛輪器件110，飛輪器件110具有經完全或部分抽空氣體或空氣之一真空腔112 (亦被稱為腔112)。飛輪器件110包含飛輪轉子130且可包含系統100之其他元件。腔112係由一飛輪圍封殼114、一頂板116及一真空罩蓋120形成。頂板116緊固至圍封殼114，且真空罩蓋120緊固至頂板116之一中心部分。通常，該中心部分係與飛輪器件110之一中心垂直軸118圓形對稱之一切口圓形區域。
在某些實施例中，飛輪器件110亦具有一底板及一底部真空罩蓋。一般而言，本發明可用於以與用於密封頂板及頂部真空罩蓋相同或類似之一方式密封底板及底部真空罩蓋，如下文中描述。
為在腔112之內部維持一真空或低於腔112外部之大氣壓力之一大氣壓力，期望飛輪器件110之相鄰元件之間的密封儘可能地阻止氣體自腔112之外部流至其內部。因此，在各種實施例中，頂板116與圍封殼114之間的密封件經構形以鑒於各種限制(諸如材料性質、成本、製造效率及類似者)儘可能地阻止氣體滲入。類似地，真空罩蓋120與頂板116之間的密封件經構形以鑒於該等限制儘可能地阻止氣體滲入。在某些實施例中，真空罩蓋120具有下文在圖2B中繪示之一頂部開口；在此情況中，真空罩蓋120之頂部開口與真空罩蓋120之頂部之間的密封件亦經構形以形成鑒於該等限制儘可能地阻止氣體滲入之一密封件。 II.滑脂通道
本發明減少氣體(通常為環境空氣)自外部滲入至可經完全或部分抽空氣體之一真空腔之內部。此係藉由引入充滿或實質上充滿滑脂之一滑脂通道(即，一通道、凹槽、導管或管道)而完成。當使用一滑脂通道形成一密封件時，外部氣體必須滲入該滑脂通道以及一o形環以到達腔。
雖然以下論述集中於包含由一彈性材料製成之一圓形o形環之實施例，但本發明不限於此。例如，本發明可應用於其中不存在o形環或o形環由金屬或塑膠製成之實施例。此外，本發明可應用於其中o形環並非圓形之實施例。例如，o形環可為方形、矩形或另一形狀。此外，本發明可應用於其中腔維持低於標準大氣壓力之一大氣壓力(即，腔經完全抽空(即，一真空)或經部分抽空)之情況。
此外，可在其中期望阻止氣體流動之任何相鄰零件之間使用本發明。因此，本發明可廣泛適用於維持經完全或部分抽空之一腔的引擎、電子總成及機器。
圖2A係根據一項實施例之包含一o形環凹槽210但不包含一滑脂通道的一真空罩蓋200之一底部等角視圖。圖2B繪示包含一o形環凹槽210及一滑脂通道220的真空罩蓋120之一底部等角視圖。在此實施例中，滑脂通道220在o形環凹槽210外部。雖然將滑脂通道220定位於o形環凹槽210外部具有防止o形環凹槽中之生鏽及腐蝕之優點，但在某些實施例中，可有利地將滑脂通道220定位於o形環凹槽210之內側上。一般而言，滑脂通道220與o形環凹槽210同心、緊密接近o形環凹槽210且鄰近於o形環凹槽210，但此並非必要。
滑脂通道220係加工至真空罩蓋120之底部圓形部分中之一通道或凹槽。在某些實施例中，滑脂通道220實質上不如o形環凹槽210深。例如，滑脂通道220可具有在自o形環凹槽210之深度之10%至50%之一範圍內(其中20%為一較佳值)的一深度。在一項實施例中，o形環凹槽210具有.206英寸之一深度及.31英寸之一寬度。此大小容納.25英寸高乘.25英寸寬之一o形環。一o形環凹槽通常略短於且略寬於o形環擴張，使得在真空罩蓋120緊固至頂板116時，存在o形環歸因於施加於其之壓縮力而稍微變平(即，在垂直方向上壓縮且在水平方向上擴張)之空間。o形環之壓縮迫使o形環抵靠o形環凹槽210之側而產生一密封。在此實施例中，滑脂通道220係.35英寸寬及.05英寸深。
為確保整個通道(實質上通道之全部)可充滿滑脂，提供兩個埠230、235以容許滑脂自飛輪器件110之外部流入滑脂通道220且返回。在此實施例中，埠230及235定位成彼此隔開180度。一個埠(被稱為進口埠230)用作滑脂進口，而出口埠235用作容許任何溢出滑脂逸出之一出口。
在操作中，真空罩蓋120一經適配至頂板116上且緊固至頂板116，便可將來自例如一滑脂槍之加壓滑脂注入進口埠230。滑脂透過進口埠230進入滑脂通道220且在滑脂通道220內部在兩個方向上大致上均勻地流動。通常，注入滑脂直至其流出出口埠235且自出口埠235出現，此表示滑脂通道220完全充滿。
真空罩蓋120具有一內壁240。在某些實施例中，真空罩蓋120亦具有可例如用於維修設施用通道(service access)或感測器電路之一頂部開口245。
圖3A係真空罩蓋120之頂部(被稱為真空罩蓋頂部300)之一頂部等角視圖。在所展示之實施例中，使用成圈的螺栓305將真空罩蓋120緊固至頂板116。出口埠235在此視圖中可見。
圖3B係真空罩蓋120之底部(被稱為真空罩蓋底部310)之一視圖。在所展示之實施例中，真空罩蓋底部310包含o形環凹槽210、滑脂通道220、入口埠230及出口埠235。埠230之各者在真空罩蓋頂部300中具有一開口或孔且在真空罩蓋底部310中具有一開口或孔，滑脂可流動通過該等開口或孔。
圖3C係繪示適配至o形環凹槽210中之一o形環320及一滑脂通道220的真空罩蓋120之一剖面。在所展示之實施例中，o形環凹槽210之左側係一微小間隙，且微小間隙之左側係真空腔112之內壁240。o形環320之右側係滑脂通道220，滑脂通道220在正常操作中將充滿滑脂以阻止氣體跨o形環320滲入且進入腔112。
圖4A至圖4B係描繪在滑脂通道220填充時滑脂之進程的繪示。在此實例中，描繪真空罩蓋120之底部以展示滑脂通道220之填充。
圖4A繪示在已注入相對少量的滑脂時之滑脂通道220。由於滑脂透過進口埠230流入滑脂通道220，故該埠由滑脂覆蓋且不可見。滑脂在進入滑脂通道220時自進口埠230在兩個方向上均勻地流動(在給予足夠壓力之情況下)。
接著，圖4B繪示在幾乎充滿滑脂時之滑脂通道220。此時，僅出口埠235可見，即，滑脂覆蓋滑脂通道220之全部其他部分。通常，滑脂通道220繼續填充直至滑脂開始自出口埠235擠出，此時將停止注入滑脂。
一般而言，一滑脂通道用作腐蝕之一屏障。在此屏障處於適當位置之情況下，容許製造商用低成本鋼製作一真空腔。滑脂通道220在很大程度上限制滑脂通道之內側(包含滑脂通道220之內側上之頂板116之表面)上之腐蝕。滑脂通道220亦減少可具有一損壞效應之氣體(包含水蒸氣)之流動。
圖5繪示其中使用本發明來改良頂板116與圍封殼114之間的密封之一實施例500之一剖面。在實施例500中，將一o形環凹槽520及一滑脂通道510加工至圍封殼114之頂部中，在該處，o形環凹槽520及滑脂通道510接觸頂板116之底側。一o形環530安置於o形環凹槽520之內部。可明白，實施例500可或不可包含一進口埠或一出口埠。在此實施例中，可在放置且緊固頂板116之前將滑脂施覆至滑脂通道510。在某些實施例中，可添加一進口埠及/或一出口埠。
實施例500繪示本發明之靈活性。滑脂通道及o形環凹槽可形成於兩個相鄰平坦或扁平表面之間的一水平接面之頂部或底部中。兩個平坦表面之各者可屬於一板、一棒、一軌、一圍封殼或另一物件。一般而言，預期歸因於藉由本發明形成之密封件之防腐蝕價值，兩個表面之一者係金屬的且因此經受腐蝕或生鏽。此外，本發明亦可在兩個相鄰表面具有一垂直或傾斜接面或接觸時應用。
在閱讀本發明之後，熟習此項技術者將透過本文中之所揭示原理瞭解額外替代結構及功能設計。因此，雖然已繪示且描述特定實施例及應用，但應瞭解，該等所揭示實施例不限於本文中揭示之精確構造及組件。熟習此項技術者將明白，可在不脫離隨附發明申請專利範圍中定義之精神及範疇之情況下在本文中揭示之方法及裝置之配置、操作及細節方面進行各種修改、改變及變動。
100 飛輪能量儲存系統 110 飛輪器件 112 真空腔/腔 114 飛輪圍封殼 116 頂板 118 中心垂直軸 120 真空罩蓋 130 飛輪轉子 135 出口埠 140 馬達/交流發電機 150 第一變流器 160 電容器 170 第二變流器 180 AC線 200 真空罩蓋 210 o形環凹槽 220 滑脂通道 230 埠/進口埠 235 埠/出口埠 240 內壁 245 頂部開口 300 真空罩蓋頂部 305 螺栓 310 真空罩蓋底部 320 o形環 400 滑脂 500 實施例 510 滑脂通道 520 o形環凹槽 530 o形環
參考以下圖式描述本發明之非限制性及非詳盡性實施例。在圖式中，除非另有指定，否則貫穿各個圖相同元件符號指代相同部分。
圖1A係根據一項實施例之一例示性飛輪能量儲存系統之一方塊圖。
圖1B係根據一項實施例之包含一真空腔之一例示性飛輪器件之一方塊圖。
圖2A係根據一項實施例之包含一o形環凹槽但不包含一滑脂通道的一真空罩蓋之一底部等角視圖。
圖2B繪示根據一項實施例之包含一o形環凹槽及至o形環凹槽之一滑脂通道的真空罩蓋之一底部等角視圖。
圖3A係根據一項實施例之真空罩蓋之頂部之一頂部等角視圖。
圖3B係根據一項實施例之真空罩蓋之底部之一視圖。
圖3C係根據一項實施例之繪示適配至o形環凹槽中之一o形環及滑脂通道的真空罩蓋之一剖面。
圖4A繪示根據一項實施例之在已注入相對少量的滑脂時之滑脂通道。
圖4B繪示根據一項實施例之在幾乎充滿滑脂時之滑脂通道。
圖5繪示其中使用本發明來改良一頂板與一圍封殼之間的密封之一實施例之一剖面。
該等圖僅為繪示之目的描繪本發明之實施例。熟習此項技術者自以下論述將容易認知，可在不脫離本文中描述之本發明之原理之情況下採用本文中繪示之結構及方法之替代實施例。

Claims (19)

  1. 一種飛輪器件，用於儲存能量，其包括：一轉子；一圍封殼；一板，其緊固至該圍封殼，其中該板包含一第一開口；及一罩蓋，其包括一頂側及一底側，該罩蓋在緊固至該第一開口時形成該底側與該第一開口之間的一密封，該底側包括：一o形環凹槽，其經構形以固持一o形環；及一滑脂通道，其與該o形環凹槽同心且經構形以保持滑脂而減少氣體滲入該圍封殼。
  2. 如請求項1之器件，其進一步包括經構形以使滑脂能夠流入該滑脂通道之一進口埠。
  3. 如請求項2之器件，其中該進口埠係一通道，該通道經構形以使滑脂能夠注入該罩蓋之該頂側上的一開口且透過一開口流入該罩蓋之該底側上的該滑脂通道。
  4. 如請求項1之器件，其中該滑脂通道進一步包括經構形以使滑脂能夠自該滑脂通道逸出之一出口埠。
  5. 如請求項4之器件，其中該出口埠係一通道，該通道經構形以使滑脂能夠自該罩蓋之該底側上之該滑脂通道中的一開口流動離開該罩蓋之該頂側上的一開口。
  6. 如請求項1之器件，其中該o形環凹槽及該滑脂通道係圓形的。
  7. 如請求項1之器件，其中該滑脂通道在o形環凹槽外部。
  8. 如請求項1之器件，其中該滑脂通道在該o形環凹槽內部。
  9. 如請求項1之器件，其中該o形環係彈性的。
  10. 如請求項1之器件，其中該o形環係鋼。
  11. 如請求項1之器件，其中滑脂通道深度在o形環凹槽深度之10%至50%之一範圍內。
  12. 如請求項1之器件，其中該板係由鋼製成。
  13. 如請求項1之器件，其中該圍封殼、板及罩蓋在緊固在一起時形成一真空腔，該真空腔經構形以維持小於外部大氣壓力之一內部大氣壓力。
  14. 一種飛輪器件，用於儲存能量，其包括：一轉子；一板；及一圍封殼，其包括緊固至該板之一表面，其中該表面包括：一o形環凹槽，其經構形以固持一o形環，及一滑脂通道，其與該o形環凹槽同心。
  15. 如請求項14之器件，其中在緊固在一起時，該圍封殼及該板形成一真空腔，該真空腔經構形以維持小於外部大氣壓力之一內部大氣壓力。
  16. 如請求項14之器件，其中該圍封殼進一步包括經構形以使滑脂能夠注入該滑脂通道之一進口埠。
  17. 如請求項14之器件，其中該圍封殼進一步包括經構形以使滑脂能夠自該滑脂通道逸出之一出口埠。
  18. 如請求項14之器件，其中該o形環凹槽及該滑脂通道係圓形的。
  19. 如請求項14之器件，其中該滑脂通道在o形環凹槽外部。
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