用于减少气体渗透到真空腔室中的油脂通道的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月6日提交的美国临时申请第62/529,407号；以及于2018年6月25日提交的美国申请第16/017,115号的优先权权益。出于所有目的，所有上述内容通过引用整体并入本文。

背景

1.技术领域

本说明总体上涉及使用飞轮的能量存储。但是，本发明可以应用至期望使渗透到真空腔室的气体尽可能少的其它应用场合。

2.

背景技术：

许多能源、特别是诸如风力涡轮机以及太阳能面板的清洁能源产生的能量会暂时地与经受的负荷不匹配。在许多发达国家中，能量产生遵循经受的负荷，使得能量根据需要提供。在高负荷的情况下，诸如在热发电机上使用峰值发电机和旋转及非旋转储备(reserves)的技术允许发电机匹配较高的和可变的负荷。然而，尽管这种技术存在，但通常存在能量存储对于满足能量负荷很重要的情况。

现存的能量存储系统具有一种形式或另一种形式的缺点。在设计能量存储系统时，尺寸、价格、储存效率、效能和安全性都是关注的问题。通常，更小的尺寸、更低的价格、减少用于存储的输入能量和用于分配的提取能量的损失、减少连续运行的损失，以及安全处置都是能量存储系统的优选特征。

飞轮是一种将能量存储为旋转动能的能量存储系统。飞轮转子是一种配重的、旋转对称的质量块，在直接或间接地物理联接到电动机/交流发电机时旋转，电动机/交流发电机本身电气地联接到诸如背对背逆变器系统的转换器，构成ac-ac转换子系统。当接收了用于存储的电力时，转子被驱动增加飞轮的旋转速度。当提取电力时，飞轮转子驱动电动机/交流发电机。飞轮转子旋转得越快，其存储的能量就越多，但是旋转得越快，由于气动阻力而导致的旋转损失就越大。为了减少气动阻力，飞轮在排空的腔室(也称为真空腔室)中运行，该腔室被排空至相当于大气压的一小部分的工作压力。例如，在某些实施例中，工作压力范围是0.0001托至0.100托。(1atm＝760托)。

弹性密封件(例如o形环)通常用于密封真空腔室上的凸缘。使用弹性体材料的一个缺点是，弹性体的气体渗透率高于金属密封件。在较小的凸缘上使用金属密封件非常普遍，但随着密封件的直径或总长度变大而变得更加困难和昂贵。这种密封件的另一个缺点是它们通常是一次性使用的。

通常施加(应用)油脂以改善弹性体密封件的密封特性，并有助于防止它们因氧化和硬化而劣化。通常，将油脂作为轻涂层围绕弹性体密封件施加，以提供补偿微观的表面光洁度缺陷的薄的层。这种油脂层相对于密封件横截面通常较薄，并且因此不会显著有助于减缓渗透。

使用不锈钢制造金属真空腔室有助于防止密封表面腐蚀。但是，与普通的钢合金相比，不锈钢相对昂贵。因此，期望有一种用于防止整个(横跨)密封表面腐蚀的技术，该技术允许将较便宜的钢用于真空腔室。

技术实现要素：

本发明使用与o形环结合的油脂通道来改善两个相邻平面表面之间的密封。使用油脂通道可以减少气体(尤其是水蒸汽)的渗透，并且因此减少腐蚀。当两个平面中的至少一个是金属的并因此受到腐蚀时，通常使用本发明。但是，它也可以在其它情况下使用。

在某些实施例中，本发明用于改善飞轮装置中的相邻元件之间的密封件。通过减少气体通过密封件的渗透，可以改善密封件。具体地，在某些实施例中，本发明用于减少横跨密封件的气体渗透，该密封件(1)在顶板(盘)与真空盖之间，和/或(2)在顶板与封壳之间。

实施例涉及一种飞轮装置，其包括：封壳；顶板(盘)，该顶板(盘)紧固至封壳，其中，顶板包括第一开口；以及盖，其中该盖具有顶侧和底侧，当被紧固到第一开口时在底侧与第一开口之间形成密封(密封部)，该底侧包括：o形环沟槽，该o形环沟槽构造成保持o形环，油脂通道，该油脂通道与o形环沟槽同心；以及入口端口，该入口端口构造成能使油脂流入到油脂通道中。

实施例还涉及一种设备，该设备包括：具有平面表面的板或物体，以及封壳，封壳包括紧固至板的顶侧，其中顶侧包括：o形环沟槽，o形环沟槽构造成保持o形环，以及油脂通道，该油脂通道与o形环沟槽同心。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举的实施例。在附图中，除非另外指明，否则在整个各个附图中，相同的附图标记表示相同的部分

图1a是根据一个实施例的示例性飞轮能量存储系统的框图。

图1b是根据一个实施例的包括真空腔室的示例性飞轮能量存储系统的框图。

图2a是根据一个实施例的包括o形环沟槽但不包括油脂通道的真空盖的底部轴测视图。

图2b示出了根据一个实施例的包括o形环沟槽和通至o形环沟槽的油脂通道的真空盖的底部轴测视图。

图3a是根据一个实施例的真空盖的顶部的俯视立体图。

图3b是根据一个实施例的真空盖的底部的视图

图3c是根据一个实施例的真空盖的剖面图，其示出了装配到o形环沟槽和油脂通道中的o形环。

图4a示出了根据一个实施例，当已经注入相对少量的油脂时的油脂通道。

图4b示出了根据一个实施例，当油脂通道几乎充满油脂时的油脂通道。

图5示出了实施例的剖面图，其中本发明用于改善顶板与封壳之间的密件。

附图仅出于说明的目的示出本发明的实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到，可采用本文所示的结构和方法的替代实施例而不脱离本文所述的本发明的原理。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，这些附图构成本发明的一部分，并且通过图示示出了可以通过其实践本发明的具体示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。除此之外，本发明可以实施为方法、过程、系统或设备。因此，以下详细描述不应被认为是限制性的。

如本文使用的，以下术语具有以下给出的含义：

真空腔室或简称为腔室–如本文所用的，是指完全或部分地排空气体的密封容器封壳或容器。本质上，腔室内部保持在比存在于腔室外部的大气压更低的大气压下。

油脂-一种油基的半固体或固体材料，通常用于润滑机械设备的部件。通常使用油脂枪将油脂施加到被润滑的零件。如本文所用，油脂指的是油基的油脂，包括真空油以及可以被注入、模制或以其它方式插入到油脂通道中的任何其它腐蚀抑制物质。

i.飞轮能量存储系统

图1a是根据一个实施例的示例性飞轮能量存储系统100的框图，其包括真空腔室。能量存储系统包括飞轮转子130、电动机/交流发电机140、第一逆变器150、电容器160、第二逆变器170和ac线180。能量从诸如三相60hz线之类的ac线180中抽取或传递至ac线180。第一逆变器150和第二逆变器170以及电容器160示出了示例性的背对背转换器系统，背对背转换器系统用于将输入的交流电流转换为电动机/交流发电机140可接受的交流电流。电动机/交流发电机140在电能和机械能之间转换，使得能量可以存储在飞轮转子130中或从飞轮转子130抽取。电动机/交流发电机140直接或间接地使用轴而物理地联接至飞轮转子130。电动机/交流发电机140经由电线或其它电气联接件联接到系统100的其余部分。通常，尽管仅示出了每种部件中的一个，但是在实践中，飞轮能量存储系统100可以每种单独部件包括多个。图1是ac至ac转换系统的一种示例性类型。通常，本文描述的发明涉及广泛的ac至ac转换拓扑(结构)，以及直接与直流(dc)线对接的系统。后者与dc微电网和太阳能光伏应用特别相关联。

飞轮能量存储系统100包括图1b中所示的飞轮装置110，其具有真空腔室112，也称为腔室112，该真空腔室112完全或部分地排空了气体或空气。飞轮装置110包括飞轮转子130，并且可包括系统100的其它元件。腔室112由飞轮封壳114、顶板116和真空盖120形成。顶板116紧固到封壳114，并且真空盖120紧固到顶板116的中间部分。通常，中间部分是切出的圆形区域，该区域与飞轮装置110的中间竖直轴线118圆形对称。

在某些实施例中，飞轮装置110还具有底板和底部真空盖。通常，如以下文中所述的，本发明可以以与用于密封顶板和顶部真空盖的相同或相似的方式用于密封底板和底部真空盖。

为了在腔室112的内部维持真空或比其外部的更低的大气压力，期望飞轮装置110的相邻元件之间的密封尽可能地阻挡从腔室112的外部到其内部的气体流。因此，在各种实施例中，鉴于各种限制、诸如材料特性、成本、制造效率等，顶板116与封壳114之间的密封部被构造成尽可能地阻止气体渗透。类似地，鉴于这些限制，真空盖120与顶板116之间的密封部构造成尽可能地阻止气体渗透。在某些实施例中，如图2b中所示的，真空盖120具有顶部开口；在这种情况下，在真空盖120的顶部开口与真空盖120的顶部之间的密封部还被构造成形成，该密封件鉴于这些限制而尽可能地阻止气体渗透。

ii.油脂通道

本发明降低了气体(通常是环境空气)从真空腔室的外部至内部的渗透，该真空腔室可以完全或部分地排空气体。这是通过引入油脂通道，即填充、或基本上充满油脂的通道、沟槽、管道或通道来实现的。当使用油脂通道来形成密封部时，外部气体必须能渗透到油脂通道以及o形环而到达腔室。

尽管随后的讨论集中于包括由弹性体材料制成的圆形o形环的实施例，但是本发明不限于此。例如，本发明可以应用于没有o形环或者o形环由金属制作的实施例中。此外，本发明可以应用于o形环不是圆形的实施例中。例如，o形环可以是正方形、矩形或其它形状。此外，本发明可以应用于腔室维持比标准大气压低的大气压力的情况下，即腔室被完全排空、即真空，或部分排空。

此外，本发明可以在期望阻隔气体流的任何相邻部件之间使用。因此，本发明广泛地应用于的发动机、电子组件和保持腔室内被完全或部分抽空的机械。

图2a是根据一个实施例的包括o形环沟槽210但不包括油脂通道的真空盖200的底部等轴测视图。图2b示出了真空盖120的底部等轴测视图，其包括o形环沟槽210和油脂通道220。在该实施例中，油脂通道220在o形环沟槽210的外部。尽管将油脂通道220放置在o形环沟槽210的外部具有防止生锈和腐蚀的优点，但是在某些实施例中，可能有利的是将油脂通道220放置在o形环沟槽210的内部。通常，油脂通道220与o形环槽210同心、紧紧靠近并且邻接o形环槽210，但这不是必需的。

油脂通道220是机加工到真空盖120的底部圆形部分中的通道或沟槽。在某些实施例中，油脂通道220的深度明显小于o形环沟槽210的深度。例如，油脂通道220所具有的深度可以在o形环沟槽210的深度的10％至50％的范围内，其中20％是优选值。在一实施例中，o形环沟槽210具有0.206英寸的深度和0.31英寸的宽度。此尺寸可容纳高0.25英寸、宽0.25英寸的o形环。o形环的沟槽通常比o形环本身略微短和宽，使得当真空盖120紧固到顶板116时，有一个使o形环由于施加在其上的压缩力而在一定程度上变平(即，沿竖直方向压缩并且在水平方向扩展)的空间。o形环的压缩迫使o形环抵靠o形环沟槽210的侧部，形成(产生)密封。在该实施例中，油脂通道220为0.35英寸宽和0.05英寸深。

为了确保整个通道(基本上是所有通道)可以填充有油脂，提供了两个端口230、235，这些端口允许油脂从飞轮装置110的外部流入油脂通道220并返回。在该实施例中，端口230和235定位成彼此间隔180度。一个端口，称为入口端口230，被用作油脂入口，而出口端口235被用作出口，以允许任何溢出的油脂逸出。

在操作中，一旦将真空盖120装配并紧固到顶板116，则来自油脂枪的加压油脂被注入到入口端口230中。油脂通过入口端口230进入油脂通道220，并在油脂通道220内部沿两个方向基本均匀地流动。通常，油脂被注入，直到流出出口端口235并从出口端口235露出，这表明油脂通道220完全充满。

真空盖120具有内壁240。在某些实施例中，真空盖120还具有顶部开口245，顶部开口245例如可以用于维修通路或传感器电路。

图3a是真空盖120的顶部，称为真空盖顶部300的顶部轴测视图。在所示的实施例中，螺栓环305用于将真空盖120紧固到顶板116。出口端口235在此视图中可见。

图3b是真空盖120的底部，称为真空盖底部310的视图。在所示的实施例中，真空盖底部310包括o形环沟槽210、油脂通道220、入口端口230和出口端口235。每个端口230在真空盖顶部300中具有一个开口或孔，并且在真空盖底部310中具有一个开口或孔，油脂可以流动通过这些开口或孔。

图3c是真空盖120的剖面图，其示出了装配到o形环沟槽210和油脂通道220中的o形环320。在所示实施例中，o形环沟槽230的左侧是一个微小的间隙，在其左侧是真空腔室112的内壁240。o形环320的右侧是油脂通道220，油脂通道220在正常操作中会充满油脂以阻止气体渗透横跨o形环320并进入到腔室112中。

图4a至图4b是描绘当油脂通道220填充时油脂的行进的图示。在该示例中，真空盖120的底部被描绘来示出油脂通道220的填充。

图4a示出了当已经注入相对少量的油脂时的油脂通道220。因为油脂通过入口端口230流入油脂通道220，所以该端口被油脂覆盖并且不可见。油脂在进入油脂通道220后，在给予足够压力的情况下，从入口端口230沿两个方向均匀地流动。

接下来，图4b示出了当其几乎充满油脂时的油脂通道220。此时，仅出口端口235是可见的，即油脂覆盖了油脂通道220的所有其它部分。通常，油脂通道220继续填充，直到油脂开始从出口端口235挤出为止，此时将停止油脂的注入。

通常，油脂通道起到对抗腐蚀的屏障的作用。有了此屏障，制造商便可以用低成本的钢制造真空腔室。油脂通道220极大地限制了油脂通道内侧上的腐蚀，包括在油脂通道220内侧上的顶板116的表面上的腐蚀。油脂通道220还减少了包括可能具有破坏作用的水蒸汽在内的气体的流(流动)。

图5示出了实施例500的剖面图，其中本发明用于改善顶板116与封壳114之间的密封。在实施例500中，将o形环沟槽520和油脂通道510机加工到封壳114的顶部中，在该处，封壳114与顶板116的底侧接触。o形环530配置在o形环沟槽520内部。应当理解，实施例500可以包括或可以不包括入口端口或出口端口。在该实施例中，可以在放置和紧固顶板116之前将油脂施加到油脂通道510。在某些实施例中可以附加入口端口和/或出口端口。

实施例500示出了本发明的灵活性。油脂通道和o形环沟槽可以在两个相邻的平面或偏平表面之间的水平接合部的顶部或底部中形成。两个平面表面中的每一个可以属于板、条、轨道、封壳或另一个物体。通常，考虑到由于本发明形成的密封(部)的抗腐蚀作用，两个表面之一是金属的并且因此容易受到腐蚀或生锈。此外，当两个相邻表面具有竖直或倾斜的接合或接触时，也可以应用(施加)本发明。

在阅读本公开后，本领域技术人员将通过本文公开的原理理解另外的替代的结构和功能设计。因此，虽然已经说明和描述了特定实施例和应用，但是应该理解，所公开的实施例不限于本文公开的精确的构造和部件。在不脱离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在本文公开的方法以及设备的布置、运行以及细节中进行对本领域技术人员显而易见的各种修改、改变和变化。