具有流体回流系统的往复活塞以及流体回流方法

专利名称：具有流体回流系统的往复活塞以及流体回流方法
技术领域：
本发明涉及一种具有流体回流系统的活塞和流体回流的方法。活塞在缸体之内是可以往复的，同时起到流体屏障的作用。所提供的流体回流系统和方法用于使通过活塞各密环泄漏的流体回流。
背景技术：
活塞与缸体之间形成良好的密封在所谓“自由浮动”活塞压缩机中尤其重要。在自由浮动活塞压缩机中没有活塞杆而活塞运动是由在活塞对置两侧上压缩机缸体之内腔室之间的压差来控制的。一个腔室起到驱动腔的作用而对置的腔室起到压缩腔的作用。在压缩冲程期间，液压流体被供向驱动腔从而对压缩腔中的流体进行压缩。在吸入冲程期间，液压流体从驱动腔被排除而新的流体流进压缩腔。
虽然实际的压差可能很小，但绝对流体压力可能非常高。比如，自由浮动活塞压缩机可能具有超过5000psi(大约34.5MPa)的排放压力。
活塞密封环的失效可能具有损害性后果。在封闭环路液压系统的情况下，重要的是防止液压流体泄漏到液压系统以外。液压流体泄漏到压缩腔里面也会污染压缩流体。作为实例，如果压缩液体是一种用作引擎燃料的气体，而液压流体泄漏到燃料里面，则燃料中液压流体的存在可能导致在引擎排发之中较高的污染程度。如果活塞密封环不能形成可靠而有效的密封，则在压缩机下游可能需要一种流体分离器。除了由于添加流体分离器而加大了复杂性和成本之外，经过这种装置而产生的压力下降会减少压缩机系统的效率。因此，一种可将液压流体进入到压缩流体中的泄漏减至最小的活塞是优选的。
此外，必须防范压缩流体进入到液压系统的泄漏。比如，如果压缩流体是一种气体，气体进入液压系统可能导致损害液压泵或可能另外导致液压系统停止执行功能。
因此，需要一种用于高压往复活塞和缸体结构的方法和装置，可使通过活塞各密封环泄漏的流体回流并使回流流体返回到它初始的活塞腔室。

发明内容
可往复活塞是可在空心缸体之中往复运动的圆柱体。可往复活塞把空心缸体分割成为第一缸腔和第二缸腔。至少两个间隔开来的密封环设置在圆柱体的圆周的周围以形成可往复圆柱体与空心缸体内壁之间的密封。回流系统设置在圆柱体之内。该回流系统包括内腔，其与所述间隔开来的密封环之间的空间流体连通；以及单向流体通路，其允许从内腔到第一缸腔的单向流体流动。在一优先实施例中，单向流体通路包括止回阀，其确保流体只能在一个方向上从内腔流动到第一缸腔。
通过一个密封环泄漏的源自于第一缸腔的流体从间隔开来的密封环之间的空间被收集起来并被引向内腔。当内腔中的流体压力大出第一缸腔中的流体压力的大小足以克服与流出内腔相关的流出损失时，流体流回到它起始的第一缸腔。
回流系统还可以包括环形空穴，其设置在间隔开来的密封环之间圆柱体的圆周的周围从而便于收集回流的流体。一流体通路可以用于让环形空穴与内腔流体连通。
由回流系统收回的流体可以是一种气体或一种液体。当流体是一种液体时，回流系统还优选地包括一种装置用来促进从内腔排出液体。
在一实施例中，一可压缩的元件用于实现此目的。可压缩元件的体积可以缩小从而容纳被收集在内腔中的回流流体。当内腔中液体的压力高于缸腔内的液体压力时，可压缩的元件在体积上可以膨胀从而协助从内腔排出液体。这种可压缩元件的实例是一软壳(Bladder)，其充有诸如空气或氮气的可压缩气体。适合的可压缩元件的另一实例是封闭小室泡沫元件，每个小室起到微小软壳的作用。
当活塞是自由浮动活塞以及流体被包容在第一和第二缸腔二者之中时，可以采用两个回流系统从而使相应的流体返回到它们各自最初的缸腔。这两个回流系统可以是独立的系统或彼此协同工作，稍后将会作出说明。
例如，自由浮动活塞装置可以用来压缩一种气体，其中第一缸腔充有一种气体而第二缸腔充有一种驱动流体，诸如液压油。在另一实例中，在一种采用气体压力来驱动液泵的配置中，气体可以是驱动流体。
在两个回流系统协同工作的一个实例中，组合式回流系统可以利用回流气体的压力来协助回流液体返回到充满液体的缸腔。在此实施例中，可移位的元件设置在内腔中，把内腔分割成为两个子腔。这个元件在充满气体的子腔中的气体压力影响下可以移位，从而将回流液体从充满液体的子腔中排出，因此回流液体经由单向流体通路返回到充满液体的缸腔。
与这种组合式回流系统相关的结构包括第一对密封环，用于密封与充满液体的缸腔相关的活塞主体一侧；以及第二对密封环，用于密封与充满气体的缸腔相关的活塞主体一侧。第一对密封环之间的空间流体连通于充满液体的子腔，以使从充满液体的缸腔泄漏的液体被收集在充满液体的子腔中。第二对密封环之间的空间流体连通于充满气体的子腔，以使从充满气体的缸腔泄漏的气体被收集在充满气体的子腔中。
在所述设备是气体压缩机的实例中，在运作期间，充液缸腔之内的液体压力在液体正在从作为充液缸腔的驱动腔中被排出时的气体吸入冲程期间是最低的。在活塞主体之内，充气和充液两个子腔可以在相应充气和充液两个缸腔内的流体压力最高时的压缩冲程期间充以泄漏到回流系统里面的回流流体。因此，在气体吸入冲程期间，各子腔内的流体压力可以处在中间压力，低于在压缩冲程期间相应各缸腔之中的压力，而高于在吸入冲程期间相应各缸腔之中的流体压力。由于流体泄漏速率可以因各缸腔而不同，这一点可归因于两个子腔之间的压差。在吸入冲程中，由于压缩腔内的气体压力高于驱动腔内的液体压力，所以存在一种趋势，即充气子腔之内的气体压力高于充液子腔之内的液体压力，高出至少是相应气体与液体压力之间压差的数量。因此，导致活塞主体运动的同一压差也至少可以施加于内腔中的元件以使其被移位，从而便于液体从充液子腔排出并且使回流液体返回到充液缸腔。
吸入冲程期间气体缸腔之内的气体压力取决于设备及其应用。例如，如果设备是一种可把气体压缩到4000psi(大约27.6MPa)压力的压缩机，如压缩比是10∶1的话，则吸入冲程期间的气体压力可以是400psi(大约2.76MPa)，或者，如压缩比是2∶1的话，气体压力可以是2000psi(大约13.8MPa)。在任何情况下，压差形成在压缩与吸入冲程之间，而当被捕集的回流气体在压缩冲程期间从源出腔室泄漏时，回流流体的中间压力可以显著地高于吸入压力。中间压力与相应吸入压力之间的差别可以导致子腔与相应缸腔之间的压力差足以克服流出损失，造成回流流体的收回。通过实例，参照图3A和3B的实施例，如果只是少量液体已经泄漏到子腔320b中，在子腔320b内被捕集的回流气体的压力可以高至足以使可动元件(326、328)移位，以致子腔320a的容积基本上匹配回流流体的容积。虽然正是各子腔与相应各缸腔之间的压差使得可以收回回流流体，但与具有固定容积的子腔相比，可移位元件的移位有助于回流液体的流体收回。
在所述设备是液泵的实例中，回流系统基本上以同一方式运作，但当液体正在被供向泵腔时以及当气体正在被逐出驱动腔时，在各缸腔之中产生最低压力。在液体吸入冲程期间，各子腔内的流体压力可以高于相应各缸腔中的流体压力，在此情况下，充气子腔之内的气体压力可以推移内腔中的元件以协助从充液子腔排出液体，从而使回流流体从充液子腔返回到充液缸腔。在液体吸入冲程期间，充液缸腔内的液体压力高于充气缸腔内的气体压力，所以对用于使气体返回到充气缸腔的止回阀的选择要求开启力量可使足够的气体压力被维持在充气子腔中以从回流系统排出液体。可以另外采用其它公知的手段来获得同样的效果。作为实例，用于使气体返回到充气缸腔的单向气体通路的横截面积可以减小或可以是小孔以限制气体流动并导致较大的流出损失。但是，对于所有的实施例，如果存在充分的压差，回流液体和回流气体可以同时返回到它们相应的缸腔。
作为实例，设置在内腔中的可移位元件可以是挠性、不渗透流体的膜片(membrane)或可往复的活塞。
用于防范流体泄漏的另一特点是端面密封装置，在圆柱形活塞主体的端面与对置的端部平板表面之间形成密封。活塞端面当活塞在各活塞冲程之间改变方向时或当设备停止时接触端部平板表面。在优选装置中，活塞密封表面和端面表面二者之一是弹性元件。为了防范从设置在端部平板上的各流体孔口围绕活塞各密封环的泄漏，端面密封表面和相应的端部平面表面可以是环绕各流体孔口的连续圆环。相似的是，各密封区域优选设置在围绕设置于活塞端面上用作单向流体通路离开回流系统的出口的开孔。
在可往复活塞的一种优选结构中，所述活塞包括(a)包括第一端面和第二端面的圆柱体；(b)围绕靠近第一端面的圆柱体周边设置的第一密封环；
(c)围绕靠近第二端面的圆柱体周边设置的第二密封环；(d)围绕处于第一与第二密封环之间并与二者间隔开来的圆柱体周边设置的至少一个中间密封环；(e)设置在圆柱体中的回流系统，该回流系统包括第一内腔，与第一密封环和中间密封之间的空间流体连通；第一单向流体通路，当第一内腔中的流体压力大于第一缸腔中的流体压力时，源自第一缸腔的第一流体经过此通路可以从第一内腔流向第一缸腔；第二内腔，与第二密封环与中间密封之间的空间流体连通；第二单向流体通路，当第二内腔中的流体压力大于第二缸腔中的流体压力时，源自第一缸腔的第二流体经过此通路可以从第二内腔流向第二缸腔。
提供一种使源自缸腔和由与往复活塞主体关联的活塞密封泄漏的流体回流的方法。该方法包括从设置在围绕活塞主体周边的一对间隔开来的密封环之间收集回流流体；当保持在活塞主体中的回流流体的流体压力小于缸腔中的流体压力时把回流流体保持在活塞主体中；以及当活塞主体中的回流流体的压力大于缸腔中的流体压力时，使回流液体返回到回流流体最初出自的缸腔。
当回流流体是一种液体时，在一实施例中，此方法还包括把回流流体保持在活塞主体中的内腔中，以及当内腔中的压力小于缸腔中的压力时压缩设置在内腔中的可压缩元件。所述可压缩元件是可以膨胀的，从而在内腔中的压力大于缸腔中的流体压力时，从内腔排出流体。作为实例，可压缩元件可以包括充以一种气体、不渗透流体的软壳，或者一块封闭小室泡沫材料。
在另一实施例中，设置在活塞主体中的内腔由可移位的元件分割为两个子腔，而每个子腔与其它子腔是流体隔绝的，用于把回流气体和回流液体保持在各相应子腔中。源自第一缸腔的回流液体，从设置在围绕活塞主体周边的第一对间隔开来的密封环之间予以收集，而源自第二缸腔的回流气体，从设置在围绕活塞主体周边的第二对间隔开来的密封环之间予以收集。该方法还包括当回流液体的流体压力小于第一缸腔中的流体压力时，把回流液体保持在相应子腔之内，当回流气体的流体压力小于第二缸腔中的流体压力时，把回流气体保持在相应子腔之内，以及利用回流气体的压力来推移可移位的元件以协助从其相应的子腔逐出回流液体。在各优选实施例中，可移位元件是挠性、不渗透流体的膜片或设置在内腔空心圆柱部分中的内活塞。
在各优选实施例中，此方法还包括当活塞停止或在完成吸入冲程时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触和密封端部平板的表面。


各附图示出本发明的具体实施例，但不应当认为是以任何方式限制本发明的精神或范畴图1是设置在缸体中的可往复活塞的局部剖面示意图。在此实施例中，活塞包括回流系统，其设置在活塞主体中，用于使通过各密封环泄漏的气体回流并使回流的气体返回它最初出自的缸腔。
图2A和2B是设置在缸体中的可往复活塞实施例的局部剖面视图。在这些实施例中，所述活塞包括一回流系统，该回流系统包括设置在活塞主体中内腔里的可压缩元件。该可压缩元件充满不为回流流体充满的内腔容积并当回流流体返回它最初出自的缸腔时膨胀开来，从而协助从内腔排出回流流体。
图3A和3B是设置在缸体中的可往复活塞实施例的局部剖面视图。在这些实施例中，所述活塞包括一组合式回流系统，其功能是使两个回流流体返回到每一回流流体最初出自的相应缸腔。这两个回流系统利用一股回流流体的流体压力来推移活塞主体中的一个元件以使另一股回流流体返回到它最初出自的缸腔。
图4是设置在缸体中的可往复活塞实施例的局部剖面视图。在此实施例中，活塞包括两个独立的回流系统。第一回流系统可发挥作用以使从第一缸腔泄漏的流体回流并使回流流体返回到第一缸腔。第二回流系统可发挥作用以使从第二缸腔泄漏的流体回流并使回流流体返回到第二缸腔。图4还示出一种端面密封结构，其也可以用于任何其它的实施例。
具体实施例方式
参照附图，图1是往复活塞组件100的局部剖面示意图，组件100包括缸体102和活塞，后者设置在缸体102中将其分割成为处于活塞一侧的缸腔104和处于活塞另一侧的缸腔106。
活塞包括圆柱体110，其与缸体102的内孔相匹配。对于所有的实施例来说，活塞主体优选是圆柱形的，而且内孔优选是圆形的，但其他形状也是可能的，只要柱体的形状匹配于缸孔的形状即可。
在图1的实施例中，两个间隔开来的密封环112、114在活塞主体110与靠近面对压缩腔104的活塞一侧的缸体102之间形成密封。
回流系统设置在圆柱体110之内用于捕集通过密封环112从缸腔104泄漏的流体。回流系统包括流体通路113，流体连通两个密封环112与114之间的空间于活塞主体110之内的内腔120。
单向流动控制器136位于流体通路138之中以形成从内腔120到缸腔104经过活塞端头140的单向流体流动。单向流动控制器在此被定义为一种允许经过流体通路的单向流动的装置。这些作为止回阀的装置对本领域技术人员来说是公知的并存在许多适合类型的止回阀，例如作为实例来说的球止回阀、弹簧助力球止回阀、膜片止回阀和圆盘止回阀。当缸腔104之内的压力小于内腔120中的压力而压差足以打开单向流动控制器136时，流体流经单向流动控制器。
作为实例，活塞组件100可以用作气体压缩机的一部分，以缸腔104充作压缩腔。活塞主体110可以经由连杆(未示出)由驱动装置或由缸腔106之内的液体流体压力予以致动。还是参照图1，在压缩冲程中，活塞主体110移动到左边以压缩缸腔104之中的气体。在压缩冲程期间，如果受压气体通过密封环112泄漏出去，其会被捕集在间隔开来的密封环112与114之间的空间中并经过流体通路113流进内腔120。如图1之中所示，流体通路113可以包括制成在活塞主体110外部表面中的一条环形沟槽以便于收集泄漏气体。
泄漏气体在压力下保持在活塞主体110之内，直至内腔中的气体压力大于缸腔104中的气体压力为止。通常，泄漏气体在压缩冲程期间保留在活塞主体110之内，并当缸腔104中的气体压力低得多时在吸入冲程期间经由流体通路138和单向流动控制器136返回缸腔104。
虽然示于图1中的结构可以用于使所有类型的流体回流，但它最适合用于使一种诸如受压气体的可压缩流体回流，这是因为它自身的流体压力可以使它返回到缸腔104。不过，当往复活塞组件和回流装置用在收回不可压缩的流体诸如液体时，优选的是设置一种机构以协助推动回流液体回到缸腔中(例如，诸如那些以参照图2A和2B或图3A和3B所述的各实施例)。
图2A和2B示出活塞组件的两个实施例，每个实施例具有一回流系统，可以用来使回流液体返回到它最初出自的缸腔。在这些附图中，相同的附图标记在相应各图中指示相同的零件，而同样的零件，如果它们基本上相同，则不对每一实施例作出说明。在这些实施例中，可压缩元件用于促进从回流系统的内腔220排出回流液体。
虽然图2A和2B示出一种可压缩元件的两个优选实施例，但应当理解的是，其他可压缩元件也可用同样方式发挥作用以基本上达到同样的效果。例如，可压缩元件可以是固体，在分子水平上可压缩时，其基本上不可渗透。在另一实例中，可压缩元件可以包括一密封在不透流体的封皮或敷层之内的开放结构。
本质上，参照图2A和2B，可压缩元件的作用一如下述。当回流流体是液体时，因此是不可压缩时，可压缩元件在回流液体的压力下体积收缩而在内腔220之内腾出空间以容纳回流液体。当缸腔204内的流体压力小于内腔220中的回流液体压力时，回流流体返回到缸腔204。随着回流流体流出内腔220，作用在可压缩元件上的流体压力降低并且可压缩元件的体积膨胀，从而有助于从内腔220排出回流流体。
参照图2A和2B，活塞主体210在缸体202之内是可往复的，从而活塞组件200可以运用于许多公知的应用场合。作为实例，活塞组件200可以利用缸腔204中的液压流体压力以压缩缸腔206中的气体，或者在某一不同的应用场合下，活塞组件200可以用来泵送缸腔204中的液体。
密封环212和214在可移动的活塞主体210与空心缸体202内壁之间形成动力密封。通过密封环212泄漏的液体从驱动腔204经由流体通路213流进内腔220。
参照示于图2A中的特定实施例，可压缩元件以软壳222的形式设置在内腔220中。软壳222充满一种可压缩的气体，从而由软壳222占据的容积自动扩大以充满未充以回流流体的内腔120的容积。作为实例，软壳222可以充以一种气体，诸如氮气或空气。回流液体是不可压缩的，因此为了容纳流向内腔220的回流液体，软壳的容积通过压缩其中的气体而收缩。
当内腔220中的压力大于缸腔204中的压力时，借助于软壳压力和有助于把回流液体推出内腔220的膨胀的软壳容积，回流液体经过流体通路238和单向流动控制器236返回到缸腔204。
示于图2B中的实施例基本上以和图2A的实施例相同的方式运作，例外的是代替了软壳222，此实施例采用可压缩的密闭小室泡沫元件223。泡沫元件223的每一小室起到细小软壳的作用，从而泡沫元件可以膨胀和收缩以充满未充以回流液体的内腔220的容积。如同软壳220，当内腔220之内的流体压力大于缸腔204之内的流体压力时(如果活塞组件200是气体压缩机，典型是在气体吸入冲程期间，如果活塞组件200是液泵，则在液体吸入冲程期间)，泡沫元件223体积膨胀以协助推动回流液体回到缸腔204中。
当活塞是据称的一种自由浮动活塞时，活塞由活塞主体对置两侧上的流体压差予以致动。在自由浮动活塞压缩机中，活塞把缸体分割成为压缩腔和驱动腔，以活塞密封环防止液压流体流进压缩腔和压缩流体流进驱动腔。对于自由浮动活塞结构来说，重要的是防止流体从一个缸腔泄漏到另一缸腔，所以自由浮动活塞压缩机可以采用两个回流系统。例如，在液压驱动的自由浮动活塞中，采用一个回流系统来收回通过活塞密封环泄漏的液压流体并使回流液压流体返回到驱动腔。采用一个第二回流系统来收回通过活塞密封环泄漏的压缩流体并使回流压缩流体返回到压缩腔。
图3A和3B示出带有组合回流系统的活塞，利用回流气体的流体压力来推移活塞主体之内的元件以使回流液体返回到液体最初出自的缸腔。用在图3A和3B中相同的附图标记指示基本上以相同方式运作的特征。在这些实施例中，装置300是作为液压驱动自由活塞气体压缩机予以说明的，但是，本领域技术人员将会理解，这一实施例也可以用于其他一些自由浮动式往复活塞的应用场合，诸如一种作为实例的气动液泵。
在图3A的实施例中，自由浮动活塞主体310设置在缸体302之内，因此活塞主体310把缸体302的内部容积分割成为压缩腔306(充以气体)和驱动腔304(充以液压流体)。
密封环312和314间隔开来并接近驱动腔304以防止液体流体从那里泄漏。密封环316和318间隔开来并接近压缩腔306以防止压缩流体从那里泄漏。
活塞主体310包括设置在其中的内腔。一可移位的元件设置在内腔之内而将其分割成为子腔320a，其关联于液压流体的回流系统，子腔320b，其关联于压缩流体的回流系统。
如果液压流体通过密封环312泄漏，则与密封环312间隔开来的密封环314可防止液压流体在活塞主体310与缸体302之间进一步泄漏。相反，回流系统可提供流体通路313和子腔320a以保持回流液压流体直至其可以返回驱动腔304。如同在其他实施例中那样，当子腔320a中的压力高于驱动腔304中的流体压力而经过单向流动控制器3 36的流体压差足以使之打开时，回流系统可使回流液压流体经由单向流动控制器336和流体通路338返回到驱动腔304，当液压流体正在从驱动腔304被逐出时，这一般出现在气体吸入冲程期间。
相似的是，如果压缩流体通过密封环316泄漏，与密封环316间隔开来的密封环318可防止压缩流体在活塞主体310与缸体302之间进一步泄漏。相反，回流系统可提供流体通路317和子腔320b以保持回流压缩流体直至其可以返回到压缩腔306。如同在其他实施例之中那样，回流系统可使回流流体返回到它最初出自的缸腔。即，回流压缩流体，当子腔320b中的压力高于压缩腔306中的流体压力时，经过单向流动控制器337和流体通路339返回到压缩腔306，当压缩流体压力下降到压缩流体供给压力而在压缩冲程期间大大低于压缩腔306中的压力时，这一般出现在气体吸入冲程期间。
图3A实施例的一个特征是设置在活塞主体310中内腔里的可移位元件。在示出的实施例中，可移位元件是活塞326，在内腔中是可往复的。密封环327密封在活塞326与活塞主体310的内部表面之间以防止子腔320a与320b之间的流体泄漏。活塞326在子腔320b中气体压力和子腔320a中流体容积的作用下移动到一平衡位置。在气体吸入冲程期间，当液压流体返回到驱动腔304时，子腔32 0b中回流气体的压力施力于活塞326以协助从子腔320a排出液压流体。
活塞主体310包括可拆除的活塞端头340，活塞端头340的拆除允许安装和拆除内活塞326。
在图3B的实施例中，把内腔分割成为子腔320a和320b可移位的元件是挠性、流体不可透过的膜片328。膜片328和间隔器342被夹紧在活塞主体310与封盖340之间。间隔器342可以包括一销槽(未示出)，其协同活塞主体310的各特征以确保穿过间隔器的那部分流体通路调准于穿过活塞主体310的那部分流体通路313。单向流动控制器336示出位于间隔器342中，但它也可以位于封盖340中。
如同图3A中实施例那样，在图3B的实施例中，回流液压流体流向子腔320a而回流压缩流体则流向子腔320b。子腔320b中压缩流体的压力可使膜片328挠曲，从而在当驱动腔304中的压力低于子腔320a中的压力时，促进从子腔320b排出液压流体。
一如在所有实施例中那样，参照图3A和3B，子腔(320a、320b)与相关两缸腔(分别是304和306)之间的压力差是使回流流体从各子腔返回到各自相关缸腔的主要手段。诸如示出在图3A和3B中的那些可移位的元件可以用于促进收回回流流体，以下各段落将对此进行说明。
参照图3A，当压缩腔306充以气体和驱动腔304充以液压流体时，在压缩冲程期间，在子腔320b与320a之间可能存在很高的压力差。如果液体从驱动腔304泄漏，实际上在子腔320a之内没有任何压力，除非子腔320a的容积等于回流液压流体的容积。在子腔320b中，由于气体是一种可膨胀的流体，所以在压缩冲程期间，回流气体膨胀而充满子腔320b，以及压差作用于可移位的元件326上。这一压差可使内活塞326移动，直至子腔320a的容积等于回流液压流体的容积为止。这样，内活塞326可以在压缩冲程期间由于压差而被移动。
仍然参照图3A，在吸入冲程期间，液压流体将流出驱动腔304，活塞310将从左向右移动，而进入压缩腔306的气体的压力高于驱动腔304之中液压流体的压力。在压缩冲程期间被捕集在子腔320b之中的回流气体可以具有高于压缩腔306中的气体压力。因此，在吸入冲程的起始处，一些回流体气体可被收回并返回到压缩腔306。不过，由于存在着与气体流经单向阀337和流体通路339相关的流出损失，所以留在子腔320b中的气体的压力可以保持高于压缩腔306中的气体的压力。同时，如果子腔320a中液压流体的压力高于驱动腔304中的压力，则在吸入冲程的起始处，一些液压流体可被收回并返回到驱动腔304。在吸入冲程期间，由于压缩腔306中气体的压力高于驱动腔304中液压液体的压力，所以子腔320b中回流气体的压力可以高于子腔320a中回流液压流体的压力。克服活塞310与缸体302之间摩擦的同一压差也可以出现在子腔320a和320b中以克服内活塞326与活塞310之间的摩擦。因此，在吸入冲程期间，子腔320b中回流气体的压力可以把内活塞326推移到右边从而随着回流液压流体的容积按照被收回的液压流体多少而减小来减少子腔320a的容积。
如果只出现少量泄漏，会在回流系统之中流体的压力增高到某一足以使回流流体返回到最初出自腔室的压力之前发生一定数量的循环。如果流体是一种液体，子腔具有固定的容积，如示出在图1中的实施例那样，回流系统的流体容留部分必须在压力能够在回流系统中建立之前充以液体，以使它可以在吸入冲程期间返回到相关的源自腔室。在图3A和3B实施例的情况下，各子腔容积是可变的(在图3A中借助于可移位的活塞，在图3B中借助于可移位的膜片)。因此，子腔320b中的气体压力可以推移可动的元件(326、328)以协助从子腔320a中排出液体。
图4示出可往复活塞的一个实施例，如同图3A和3B的实施例那样，装置400可以例如是带有可往复自由浮动活塞的气体压缩机。在此实例中，活塞主体410设置在缸体402之内，从而活塞主体410把缸体402的内部容积分割成为驱动腔404(充以一种液压流体)和压缩腔(充以一种压缩流体，诸如天然气)。
密封环412和414间隔开来并接近于驱动腔404以防止液压流体从那里泄漏。密封环416和418是间隔开来的并接近于压缩腔406以防止压缩流体从那里泄漏。在此实例中，压缩流体是一种气体，其由压缩机装置400予以压缩。
活塞主体410包括设置在其中的两个分离的内腔。示出在此实施例中的液压流体回流系统类似于示出在图2A中的回流系统，而压缩流体回流系统类似于示出在图1中的回流系统。本领域技术人员将会理解的是回流系统的不同实施例可以代替图4中所示的那些实施例以基本上获得相同的效果，以及示出在图4中的实施例是包括两个独立系统的回流系统的范例。
回流液压流体经由流体通路413流向内腔420a。软壳422设置在腔室420a中并充以一种可压缩的流体。当内腔420a中液压流体的压力充分高于驱动腔404中的流体压力时，借助于可膨胀的软壳422，液压流体从内腔420a排出并经由单向流动控制器436和流体通路438返回到驱动腔404。
回流压缩流体流过流体通路417并被保持在内腔420b之中直至内腔420b中的压力高于压缩腔406中的压力(一般在气体吸入冲程中)为止，此时回流气体经由单向流动控制器437和流体通路439返回压缩腔406。
图4还示出一端面密封装置，其可以结合任一回流装置实施例子以应用。此端面密封是另一用于防止流体从一缸腔向另一缸腔泄漏的特征。
端盖450密封驱动腔404的端部并包括液压流体进出驱动腔404而经过的流体通路452。活塞主体410包括凸起的密封表面456和457，协同相应的弹性密封元件458和459在活塞主体410挨着端盖450定位时形成流体密封。此端面密封结构在压缩机运作期间和当压缩机关机时发挥作用。当典型的往复压缩机运作时，通常在诸如吸入冲程和压缩冲程之间变换活塞方向时存在一定的延迟。该封闭的端面密封结构有助于防止在当活塞挨着端盖450定位期间驱动与压缩两腔之间的泄漏。当压缩机停机时，根据系统和入口气体压力，压缩腔内的压缩流体压力可仍然高达600psi(大约4.1MPa)。压缩流体压力朝向端盖450推动活塞主体410，通过把密封表面456和457压进相应的弹性密封元件458和459而加强端面密封。
密封表面456和弹性元件458可防止压缩流体通过密封环416、418、414和412在活塞主体410与缸体402之间泄漏。密封表面457和弹性元件459可防止压缩流体通过密封环416、418、414在活塞主体410与缸体402之间泄漏，然后经由流体通路413、内腔420a和流体通路438经过液压流体回流装置。代替为密封表面456和457设置凸起表面，弹性元件458和459可以从端盖450的表面突出而基本上具有相同的效果。
鉴于前述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在本发明的实践中可能有许多改变和修改而不偏离其精神和范围。因此，本发明的范围应当按照以下各项权利要求确定的内容来予以解释。
权利要求
1.一种可往复的活塞包括(a)圆柱体，其可在空心缸体之内往复，所述可往复的活塞把所述空心缸体分割成为第一缸腔和第二缸腔；(b)至少两个间隔开来的密封环，设置在所述圆柱体圆周的周围；以及(c)回流系统，其设置在所述圆柱体之内，所述回流系统包括内腔，其流体连通于所述间隔开来的密封环之间的空间；以及单向流体通路，当所述内腔中的流体压力大于所述第一缸腔中的流体压力时，源自于所述第一缸腔的流体可以经过此通路从所述内腔流动到所述第一缸腔。
2.按照权利要求1所述的可往复活塞，其中所述回流系统还包括环形空腔，其设置在所述间隔开来的密封环之间的所述圆柱体圆周的周围。
3.按照权利要求2所述的可往复活塞，还包括流体通路，其将所述环形空穴流体连通于所述内腔。
4.按照权利要求1所述的可往复活塞，其中所述流体是一种气体。
5.按照权利要求1所述的可往复活塞，还包括设置在所述内腔中的可压缩元件。
6.按照权利要求5所述的可往复活塞，其中所述流体是一种液体。
7.按照权利要求5所述的可往复活塞，其中所述可压缩元件是充以可压缩气体的软壳。
8.按照权利要求5所述的可往复活塞，其中所述可压缩元件是封闭小室泡沫元件。
9.按照权利要求1所述的可往复活塞，其中所述回流系统还包括分开的流体通路用于回流源自每个所述第一和第二缸腔的流体，所述回流系统还包括可移位的元件，其设置在所述内腔中，从而所述元件在源自所述第二缸腔中的回流气体的压力作用下是可以移位的，因此所述元件是可以移位的，以从所述内腔中排出源自所述第一缸腔中的回流液体。
10.按照权利要求9所述的可往复活塞，还包括第一对间隔开来的密封环，其设置在所述圆柱体圆周的周围用于密封防止流体从所述第一缸腔泄漏，以及第二对间隔开来的密封环，其设置在所述圆柱体圆周的周围用于密封防止流体从所述第二缸腔泄漏，其中所述可移位元件把所述内腔分割成为第一子腔和第二子腔，而所述第一子腔经由所述单向流体通路流体连通于所述第一对密封环之间的空间和所述第一缸腔，以及所述第二子腔经由第二单向流体通路连通于所述第二对密封环之间的空间和所述第二缸腔。
11.按照权利要求10所述的可往复活塞，其中所述内腔包括圆柱形空腔而所述可移位元件是可在所述圆柱形空腔中活动的活塞。
12.按照权利要求10所述的可往复活塞，其中所述可移位元件是挠性、不透过流体的膜片。
13.按照权利要求10所述的可往复活塞，其中所述第一缸腔是充以一种液压流体的驱动腔以及所述第二缸腔是充以一种气体的压缩腔。
14.按照权利要求1所述的可往复活塞，还包括设置在所述单向流体通路中的止回阀。
15.按照权利要求1所述的可往复活塞，还包括密封表面，其设置在所述圆柱体的至少一个端面上从而在所述密封表面和对置的端部平板表面之间在这些表面彼此接触时形成密封。
16.按照权利要求15所述的可往复活塞，其中所述密封表面和所述端部平板表面其中之一包括一弹性元件。
17.按照权利要求16所述的可往复活塞，其中所述弹性元件为一圆环形状和所述端部平板中的流体孔口设置在所述圆环的边界内。
18.按照权利要求16所述的可往复活塞，其中所述单向流体通路具有通过所述端面的出口以及所述密封表面包括环绕所述出口的连续密封表面，所述出口贴靠对置的端部平板表面是可密封的。
19.一种可在空心缸体中往复的活塞，所述活塞包括(a)圆柱体，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)第一密封环，其设置在接近所述第一端面的所述圆柱体圆周的周围；(c)第二密封环，其设置在接近所述第二端面的所述圆柱体圆周的周围；以及(d)至少一个中间密封环，其设置在所述第一与第二密封环之间并与此两个密封环间隔开来的所述圆柱体圆周的周围；(e)回流系统，其设置在所述圆柱体之内，所述回流系统包括第一内腔，其流体连通于所述第一密封环与所述中间密封环之间的空间；第一单向流体通路，源自所述第一缸腔的第一回流流体当所述第一内腔中的流体压力大于所述第一缸腔中的流体压力时经过该通路可以从所述第一内腔流向所述第一缸腔；第二内腔，其流体连通于所述第二密封环与所述中间密封环之间的空间；以及第二单向流体通路，源自所述第二缸腔的第二回流流体当所述第二内腔中的流体压力大于所述第二缸腔中的流体压力时经过该通路可以从所述第二内腔流向所述第二缸腔。
20.按照权利要求19所述的活塞，其中所述活塞是一种用于往复式活塞压缩机的自由浮动活塞，以及所述第一回流流体是一种液压流体。
21.按照权利要求20所述的活塞，其中所述第二回流流体是一种气体。
22.按照权利要求19所述的活塞，其中所述回流系统还包括设置在所述圆柱体之内的可移位元件，所述可移位元件把内腔分割成为所述第一内腔和所述第二内腔，而所述可移位元件在所述第一内腔与所述第二内腔之间的压差作用下是可移位的。
23.按照权利要求22所述的活塞，其中所述内腔包括圆柱形空腔而所述可移位元件是在所述圆柱形空腔中可移动的活塞。
24.按照权利要求22所述的活塞，其中所述可移位元件是挠性、不透过流体的膜片。
25.按照权利要求19所述的活塞，还包括第一止回阀，其设置在所述第一单向流体通路之内；以及第二止回阀，其设置在所述第二单向流体通路之内。
26.按照权利要求19所述的活塞，还包括密封表面，其设置在所述活塞的所述第一和第二端面至少其中之一上，从而在所述密封表面与对置的端部平面表面之间在这两个表面彼此接触时形成密封。
27.按照权利要求26所述的活塞，其中所述密封表面和所述对置的端部平板表面其中之一包括一弹性可压缩元件。
28.按照权利要求27所述的活塞，其中所述弹性可压缩元件为圆环形状，以及所述端部平板中的各流体孔口设置在所述圆环的边界内。
29.一种使源自缸腔并通过与可往复活塞主体相关的活塞密封而泄漏的流体回流的方法，所述方法包括从一对设置在所述活塞主体圆周的周围间隔开来的密封环之间收集回流流体；当保持在所述活塞主体中的所述回流流体的流体压力小于所述缸腔中的流体压力时把所述回流流体保持在所述活塞主体中；以及当所述活塞主体中所述回流流体的压力大于所述缸腔中的流体压力时，使所述回流流体返回到所述回流流体源自的所述缸腔。
30.按照权利要求29所述的方法，其中所述活塞主体是往复活塞压缩机的一部分，所述缸腔是压缩腔，而所述流体在所述压缩机正在运作而同时新的流体被引入所述压缩缸的吸入冲程期间是可以返回到所述压缩腔的。
31.按照权利要求29所述的方法，还包括把所述回流流体保持在所述活塞主体里的内腔中，并当所述内腔中的压力小于所述缸腔中的压力时，在所述内腔之内设置可压缩元件，而其中所述可压缩元件当所述内腔中的流体压力大于所述缸腔中的流体压力时是可以膨胀的，从而可从所述内腔排出流体。
32.按照权利要求31所述的方法，其中所述可压缩元件是充以一种气体的不透过流体的软壳。
33.按照权利要求31所述的方法，其中所述可压缩元件是一块封闭小室泡沫材料。
34.按照权利要求29所述的方法，还包括当所述内腔中的流体压力小于所述缸腔中的流体压力时使所述回流流体保持在所述活塞主体里的内腔中。
35.按照权利要求34所述的方法，其中可移位的元件把所述内腔分割成为两个子腔，它们彼此是流体隔绝的，并且所述方法还包括当所述内腔中的流体压力小于所述缸腔中的压力时移动所述可移位元件从而在第一子腔中形成空间以接收所述回流流体；以及当所述第一子腔中的流体压力大于所述缸腔中的压力时移动所述可移位元件以从所述第一子腔排出流体。
36.按照权利要求35所述的方法，其中所述可移位元件是挠性、不透过流体的膜片。
37.按照权利要求35所述的方法，其中所述可移位元件是内活塞以及所述内腔包括一圆柱体。
38.按照权利要求35所述的方法，其中所述活塞主体是液压驱动式自由浮动活塞，用于压缩相关于所述自由浮动活塞第一侧的压缩腔中的气体，而所述流体是液压流体，可返回到相关于所述自由浮动活塞第二侧的驱动腔。
39.按照权利要求38所述的方法，其中所述第一子腔经由单向流体通路流体连通于所述驱动腔，此通路可使液压流体从所述第一子腔返回到所述驱动腔。
40.按照权利要求29所述的方法，还包括当所述活塞停下或完成吸入冲程时使所述活塞返回到接近端部平板的位置，从而所述活塞的密封表面接触和密封所述端部平板的一个表面。
41.一种使活塞组件中的流体回流的方法，此活塞组件包括自由浮动活塞，其把空心缸体分隔成为充以一种液体的第一缸腔和充以一种气体的第二缸腔，所述方法包括从设置在所述活塞主体圆周周围的第一对间隔开来的密封环之间收集源自所述第一缸腔的回流液体；当所述回流液体的流体压力小于所述第一缸腔内的流体压力时把所述回流液体保持在所述活塞主体的内腔中；从设置在所述活塞主体圆周周围的第二对间隔开来的密封环之间收集源自所述第二缸腔的回流气体；当所述回流气体的流体压力小于所述第二缸腔内的流动压力时把所述回流气体保持在所述活塞主体的所述内腔中；采用所述内腔中的可移位元件，使所述回流液体流体隔绝于所述回流气体；当所述回流气体的压力大于所述第一缸腔内的流体压力时利用所述回流气体的压力来移动所述可移位膜片以从所述内腔排出所述回流液体；以及当所述回流气体的压力大于所述第二缸腔内的流体压力时使所述回流气体返回到所述第二缸腔。
42.按照权利要求41所述的方法，还包括在利用所述回流气体的压力从所述内腔排出所述回流液体并且进入所述第一缸腔之后，使所述回流气体返回到所述第二缸腔。
全文摘要
本发明公开一种可往复活塞，包括可在空心缸体中往复的圆柱体和至少两个间隔开来的围绕圆柱体圆周设置的密封环。在圆柱体中有一回流系统，包括内腔，其流体连通于间隔开来的两个密封环之间的空间；以及单向流体通路，当内腔中的流体压力大于缸腔中的流体压力时可形成从内腔到缸腔的单向流体流动。一种流体回流方法，包括收集通过某一活塞密封泄漏的流体并将收集到的流体经由设置在活塞中的回流系统返回到它源自的缸腔。
文档编号F04B53/00GK1643252SQ03807256
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月26日 优先权日2002年3月28日
发明者米海·厄桑, 安克·格拉姆, 兰德尔·马克 申请人:韦斯特波特研究公司