可变支承环以及具有该可变支承环的密封结构的制作方法

可变支承环以及具有该可变支承环的密封结构
1.相关申请的交叉引证
2.本技术基于2020年12月1日提交到韩国知识产权局的第10-2020-0165648号韩国专利申请并且要求该专利申请的权益，该申请的全部内容通过引证并入本文。
技术领域
3.本公开涉及一种可变支承环，具体地，涉及一种根据流体压力(即，作用在o形环和/或支承环上的力的总量(大小))而可在径向方向上变形的可变支承环，本公开还涉及具有该可变支承环的密封结构。


背景技术：

4.燃料电池是这样的电化学电池，其将燃料(氢)和氧化剂(氧)的化学能通过氧化还原反应转换成电能。
5.由于对环境危机的认识以及石油资源的消耗的增加，对例如电动汽车(ev)和燃料电池电动汽车(fcev)的环境友好型汽车进行了积极的研发。
6.燃料电池系统由以下项组成：燃料电池堆，产生电能；燃料供应系统，向燃料电池堆供应燃料(氢)；空气供应系统，向燃料电池堆供应空气中的作为电化学反应所需的氧化剂的氧；以及温度管理系统(tms)，从系统中移除来自燃料电池堆的反应热并且控制燃料电池堆的操作温度。该燃料电池系统通过在燃料(氢)和空气中的氧之间的电化学反应产生电力并且移除热和作为反应副产物的水。
7.氢供应系统构造成将作为相对高压流体的氢供应至燃料电池堆。在氢供应系统中，在两个相互匹配的连接器主体(例如，阀壳体以及阀配件)之间可以设置有包括o形环和用于保持o形环的支承环的密封结构，从而防止高压流体的泄露。o形环可以在两个连接器主体之间形成密封，并且支承环可以使两个连接器主体之间的间隙最小化，以防止o形环进入两个连接器主体之间的间隙。
8.当700bar的高压氢在这样的高压流体系统(氢供应系统)中流动时，在尺寸较小的氢分子渗透到橡胶(聚合物)材质的o形环中时，可能发生渗透泄露。在o形环中由于加压/减压而产生裂纹时，也可能发生渗漏。具体地，在高压氢环境下，在氢分子渗透到橡胶(聚合物)材质的o形环中时，o形环可能鼓起。因此，在o形环陷入间隙中时，o形环可能产生外部裂纹(挤压缺陷)。此外，随着氢由于o形环鼓起之后迅速的降压而汽化，氢的体积增加，此时，o形环可能产生内部裂纹(气泡)。
9.两个连接器主体之间可能由于制造公差、组装公差等而产生间隙。为了防止对高压流体系统中的密封结构的损坏，支承环可使两个连接器主体之间的间隙最小化，从而防止o形环的损坏。
10.然而，由于支承环主要由例如合成树脂材料的刚性材料制成，所以支承环难以使两个连接器主体之间的间隙最小化。
11.提供在此背景部分中描述的以上信息以帮助理解本发明构思的背景。背景技术部
分可包括任何不被视作本技术领域技术人员已知的现有技术的技术构思。


技术实现要素：

12.本公开致力于在完整地保持由现有技术实现的优点的同时解决以上提及的在现有技术中出现的问题，。
13.本公开的一方面提供了一种可变支承环，该可变支承环具有可以在径向方向上改变或变形的形状，本公开还提供了一种具有该可变支承环的密封结构。
14.根据本公开的一方面，可变支承环可包括：第一半壳；第二半壳，具有与第一半壳对称的形状；以及内腔，由第一半壳和第二半壳限定。第一半壳和第二半壳可以是能够根据作用在第一半壳和第二半壳上的流体压力的大小而变形的。
15.当流体压力低于基准压力时，第一半壳和第二半壳可具有基准形状。
16.当流体压力高于基准压力时，第一半壳和第二半壳可具有膨胀形状。
17.第一半壳和第二半壳的形状可以由于流体压力的大小的变化而在基准形状和膨胀形状之间变化。基准形状可以是第一半壳和第二半壳径向地向内收缩的形状。膨胀形状可以是第一半壳和第二半壳径向地向外膨胀的形状。
18.根据本公开另一方面，密封结构可包括：第一连接器主体，具有凹槽；第二连接器主体，围绕第一连接器主体；o形环，部分地接收在第一连接器主体的凹槽中；以及可变支承环，部分地接收在第一连接器主体的凹槽中，以保持o形环。可变支承环可以是能够根据施加在第一连接器主体和第二连接器主体之间的流体压力的大小而在径向方向上变形的。
19.可变支承环可包括：内周表面，该内周表面接触第一连接器主体的凹槽；以及外周表面，该外周表面面向第二连接器主体的内周部。可变支承环的外周表面的位置可以是能够根据流体压力的大小而在可变支承环的径向方向上变化或变形的。
20.可变支承环的形状可以是能够变化或变形的，使得当流体压力的大小高于基准压力时，可变支承环的外周表面可以与第二连接器主体的内周部接触。
21.第一连接器主体的凹槽可包括：底表面，从第一连接器主体的外周部径向地向内凹陷；第一侧，相对靠近流体压力的来源；以及第二侧，与第一侧相对。o形环可相对靠近第一侧，并且可变支承环可相对靠近第二侧。
附图说明
22.结合以下附图通过具体实施方式，本公开的上述以及其他的目标、特征和优点将更加显而易见：
23.图1示出了根据本公开的实施例的密封结构的截面图；
24.图2示出了图1中部分a的放大图，其为密封结构的其中支承环在低流体压力条件下收缩的状态；
25.图3示出了图1中部分a的放大图，其为密封结构的其中支承环在高流体压力条件下膨胀的状态；
26.图4示出了根据本公开的实施例的可变支承环的截面图；
27.图5示出了根据本公开的实施例的可变支承环的分解立体图；
28.图6示出了根据本公开的另一实施例的可变支承环的截面图；以及
29.图7示出了图6中示出的可变支承环的立体图。
30.可以结合附图使用以下元件来描述本公开的实施例。
31.1：第一连接器主体
32.2：第二连接器主体
33.5：o形环
34.6：支承环
35.6a：第一半壳
36.6b：第二半壳
37.6c：内腔
38.9a：内周表面
39.9b：外周表面
40.12：凹槽
41.31：第一外表面
42.32：第一内表面
43.33：第二外表面
44.34：第二内表面
具体实施方式
45.下文中，参考附图详细的描述了本公开的实施例。在附图中，相同的附图标记始终用于指示相同或等效的元件。另外，为了不使本公开的主旨不必要的模糊，省略了与本公开相关的众所周知的技术的详细描述。
46.例如第一、第二、a、b、(a)和(b)的术语可以用于描述本公开的实施例中的元件。这些术语仅用于将与一个元件与另一个元件区分开来，并且相应元件的固有特征、序列或顺序等不会被术语限制。除非另有限定，否则在文中使用的所有术语(包括技术或科学的术语在内)具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。在通常使用的词典中限定的此类术语被解释为具有与相关技术领域中的文本含义一致的含义。此类术语不应被理解为作为具有理想的或过于正式的含义，除非在本技术中明确地限定。
47.本公开涉及一种密封结构，以用于防止高压流体从高压流体系统(例如燃料电池的氢供应系统)泄露，本公开还涉及在该密封结构中保持o形环的支承环。具体地，根据本公开的实施例，支承环的外直径能够根据作用在o形环和支承环上的力或流体压力的大小而可以在径向方向上发生变化或变形。
48.参考图1和图2，根据本公开的实施例的密封结构8可包括：第一连接器主体1；第二连接器主体2，围绕第一连接器主体1；o形环5，接收在第一连接器主体1的凹槽12中；以及支承环6，用于保持o形环5。
49.第一连接器主体1可具有外周部11。环形凹槽12可以限定在外周部11中，并且第一连接器主体1可具有柱状形状。凹槽12可具有：底表面15，从第一连接器主体1的外周部11径向地向内凹陷；第一侧13，相对靠近流体压力的来源；以及第二侧14，与第一侧13相对。底表面15可位于第一侧13和第二侧14之间。凹槽12可具有预定的深度d。凹槽12的深度d可以是底表面15与外周部11之间的距离。
50.第二连接器主体2可具有内周部21，该内周部紧密地围绕第一连接器主体1的外周部11，并且第二连接器主体2可具有柱状形状。第一连接器主体1的外周部11和第二连接器主体2的内周部21可面向彼此。第二连接器主体2的内周部21与第一连接器主体1的外周部11可通过间隙cg间隔开。换言之，间隙cg可以限定在第一连接器主体1的外周部11与第二连接器主体2的内周部21之间。
51.例如，第一连接器主体1可以是具有柱状形状的高压氢阀的阀配件。第二连接器主体2可以是具有开口的高压氢阀的阀主体，阀配件紧密地装配到该开口。
52.可替代地，第一连接器主体1和第二连接器主体2可以是压力调节器、切断阀，、单向阀、流量阀或管配件的一部分。
53.o形环5可以是至少部分地接收在第一连接器主体1的凹槽12中的环形密封件。o形环5可以相对靠近凹槽12的第一侧13。o形环5可以由以下材料中的至少一种材料或者两种或更多种材料的组合制成：例如丁腈橡胶(nbr)、氢化丁腈橡胶(hnbr)、碳氟化合物(fpm、fkm、氟橡胶
tm
)、三元乙丙橡胶(epdm)、氯丁橡胶(cr)、硅树脂(vmq、pvmq)、丙烯酸脂(acm)以及聚氨酯(au)。
54.支承环6可以是至少部分地接收在第一连接器主体1的凹槽12中的环形环。支承环6可以相对靠近凹槽12的第二侧14。参考图1至图3，支承环6可以介于在第一连接器主体1的凹槽12内的o形环5和第二侧14之间，并且支承环6可以保持o形环5。例如，支承环6可以由能够容易地变形的弹性材料(诸如工程塑料或橡胶)制成。
55.支承环6的外直径能够根据作用在支承环6上的力或流体压力的大小而可以在支承环6的径向方向上发生变化或变形。具体地，当施加在第一连接器主体1的外周部11与第二连接器主体2的内周部21之间的流体压力作用在o形环5和支承环6上时，根据流体压力的大小，支承环6可以在支承环6的宽度方向上膨胀或伸缩，同时在支承环6的径向方向上的收缩或膨胀。
56.支承环6可包括面向支承环6的中心的内周表面9a和背离支承环6的中心定位的外周表面9b。内周表面9a可以接触位于第一连接器主体1的凹槽12中的底表面15，并且外周表面9b可以面向第二连接器主体2。当支承环6根据流体压力的大小而在支承环6的径向方向上收缩或膨胀时，支承环6的内周表面9a可以由凹槽12的底表面15支撑。因此，支承环6的内周表面9a的位置不可改变，并且支承环6的外周表面9b的位置可以变化。具体地，支承环6的外周表面9b可以与第二连接器主体2的内周部21间隔开(见图2)或与第二连接器主体2的内周部21接触(见图3)。
57.参考图2，当流体压力是低于基准压力的相对低的压力时，支承环6可以具有基准形状。基准形状是指支承环6在宽度方向膨胀并径向地向内收缩的形状。在此，基准压力可以是允许支承环6径向地向外膨胀的最小压力。例如，基准压力可以是100bar到700bar。由于支承环6的内周表面9a由凹槽12的底表面15支撑，支承环6的内周表面9a的位置不可改变，并且支承环6的外周表面9b可以与第二连接器主体2的内周部21间隔开。随着支承环6径向地向内收缩，支承环6的外直径可以减小直至最小。因此，支承环6的厚度可以是最小厚度h1，并且支承环6的宽度可以膨胀至最大宽度w1。在此，当支承环6的宽度膨胀至最大宽度w1时，支承环6可以朝向第一侧13推动o形环5。因此，o形环5外周表面与第二连接器主体2的内周部21之间的接触区域可以增加。因此，即使在流体压力小的情况下，也能使o形环5的密封
性能达到最大化。可以根据支承环6的形状变化(变形)的程度来适当地选择o形环5的宽度、厚度等，以调整压缩率/凹槽填充率。
58.参考图3，当流体压力是高于基准压力的相对高的压力时，支承环6可以具有膨胀形状。膨胀形状是指支承环6在宽度方向上收缩并且径向地向外膨胀的形状。由于支承环6的内周表面9a由凹槽12的底表面15支撑，支承环6的内周表面9a的位置不可改变，并且支承环6的外周表面9b可以与第二连接器主体2的内周部21紧密地接触。随着支承环6膨胀，支承环6的外直径可以增加直至最大。因此，支承环6的厚度(内周表面9a和外周表面9b之间的距离)可以为最大厚度h2，并且支承环6的宽度可以收缩至最小宽度w2。支承环6的最大厚度h2可以设置为大于凹槽12的深度d和间隙cg的和(h2＞d cg)。当支承环6的外周表面9b紧密地接触第二连接器主体2的内周部21时，支承环6可以完全阻塞第一连接器主体1和第二连接器主体2之间的间隙cg。
59.参考图4，支承环6可包括：第一半壳6a，该第一半壳以环形形状延伸；第二半壳6b，该第二半壳对称地连接到第一半壳6a；以及内腔6c，该内腔由第一半壳6a和第二半壳6b限定。
60.第一半壳6a可面向第一侧13，以及第二半壳6b可面向第二侧14。换言之，第一半壳6a和第二半壳6b可彼此相对。第一半壳6a可接触o形环5，以及第二半壳6b可接触凹槽12的第二侧14。由于内腔6c由第一半壳6a和第二半壳6b限定，所以内腔6c可以是封闭的腔。
61.当作用在第一半壳6a和第二半壳6b上的力或流体压力低于基准压力时，第一半壳6a和第二半壳6b可以具有基准形状(见图2)。当第一半壳6a和第二半壳6b维持基准形状时，第一半壳6a和第二半壳6b可以朝向内腔6c的外部在相反的方向上凸出。第一半壳6a和第二半壳6b可以具有预定的曲率半径。第一半壳6a的曲率半径可以与第二半壳6b的曲率半径相同或者不同。换言之，当作用在第一半壳6a和第二半壳6b上的力或流体压力低于基准压力时，第一半壳6a和第二半壳6b可以在支承环6的宽度方向上膨胀。因此，第一半壳6a和第二半壳6b可以在支承环6的径向方向上向内收缩。简而言之，基准形状可以是第一半壳6a和第二半壳6b在支承环6的宽度方向上膨胀同时在支承环6的径向方向上向内收缩的形状。
62.当作用在第一半壳6a和第二半壳6b上的力或流体压力高于基准压力时，第一半壳6a和第二半壳6b可以具有膨胀形状(见图3)。当第一半壳6a和第二半壳6b维持膨胀形状时，第一半壳6a和第二半壳6b可以相对变平。因此，第一半壳6a和第二半壳6b可在支承环6的宽度方向上收缩。因此，第一半壳6a和第二半壳6b可在支承环6的径向方向上向外膨胀。简而言之，膨胀形状可以是第一半壳6a和第二半壳6b在支承环6的宽度方向上收缩同时在支承环6的径向方向上向外膨胀的形状。
63.如上所述，第一半壳6a和第二半壳6b的形状可以随着力或流体压力的大小的变化而在基准形状和膨胀形状之间变化。
64.参考图2，当没有流体压力或低流体压力作用在支承环6上时，第一半壳6a和第二半壳6b可以维持基准形状，并且内腔6c可以具有最大体积。参考图3，当高流体压力作用在支承环6上时，第一半壳6a和第二半壳6b可在支承环6的径向方向上向外膨胀，并且内腔6c可以具有最小体积。
65.第一半壳6a可包括面向支承环6的外部的第一外表面31以及面向内腔6c的第一内表面32。第一外表面31可部分地接触o形环5，并且第一内表面32可限定内腔6c的至少一部
分。
66.在没有流体压力或低流体压力作用在支承环6上的初始状态下，第一半壳6a可具有朝向内腔6c的外部凸出的基准形状。参考图4，在第一半壳6a的基准形状中，第一外表面31可包括：顶部31a；弯曲表面31b，该弯曲表面从顶部31a朝向支承环6的内周表面9a延伸；以及弯曲表面31c，该弯曲表面从顶部31a朝向支承环6的外周表面9b延伸。第一内表面32可包括：顶部32a；弯曲表面32b，该弯曲表面从顶部32a朝向支承环6的内周表面9a延伸；以及弯曲表面32c，该弯曲表面从顶部32a朝向支承环6的外周表面9b延伸。
67.第二半壳6b可包括面向支承环6的外部的第二外表面33以及面向内腔6c的第二内表面34。第二外表面33可部分地接触凹槽12的第二侧14，并且第二内表面34可限定内腔6c的至少一部分。
68.在没有流体压力或低流体压力作用在支承环6上的初始状态下，第二半壳6b可具有朝向内腔6c的外部凸出的基准形状。参考图4，在第二半壳6b的基准形状中，第二外表面33可包括：顶部33a；弯曲表面33b，该弯曲表面从顶部33a朝向支承环6的内周表面9a延伸；以及弯曲表面33c，该弯曲表面从顶部33a朝向支承环6的外周表面9b延伸。第二内表面34可包括：顶部34a；弯曲表面34b，该弯曲表面从顶部34a朝向支承环6的内周表面9a延伸；以及弯曲表面34c，该弯曲表面从顶部34a朝向支承环6的外周表面9b延伸。
69.参考图4和图5，第一半壳6a的内周边缘以及第二半壳6b的内周边缘可以通过粘合剂和/或类似物结合。第一半壳6a的外周边缘以及第二半壳6b的外周边缘可以通过粘合剂和/或类似物结合。
70.图6示出了根据本公开的另一实施例的支承环。参考图6，支承环16可包括面向支承环16的中心的内周表面19a以及背离支承环16的中心定位的外周表面19b。内周表面19a可接触第一连接器主体1的凹槽12的底表面15，并且外周表面19b可面向第二连接器主体2。当支承环16根据流体压力的大小而在径向方向上收缩或膨胀时，支承环16的内周表面19a可以由凹槽12的底表面15支撑。因此，支承环16的内周表面19a的位置不可改变，并且支承环16的外周表面19b的位置可以变化。
71.支承环16可包括；第一半壳16a，该第一半壳面向第一侧13；第二半壳16b，该第二半壳面向第二侧14；以及内腔16c，该内腔由第一半壳16a和第二半壳16b限定。
72.第一半壳16a可接触o形环5，并且第二半壳16b可接触凹槽12的第二侧14。由于了内腔16c由第一半壳16a和第二半壳16b限定，所以内腔16c可以是封闭的腔。
73.第一半壳16a可包括面向支承环16的外部的第一外表面41以及面向内腔16c的第一内表面42。第一外表面41可部分地接触o形环5，并且第一内表面42可限定内腔16c的至少一部分。
74.在没有流体压力或低流体压力作用在支承环16上的初始状态下，第一半壳16a可具有朝向支承环16的外部凸出的基准形状。参考图6，在第一半壳16a的基准形状中，第一外表面41可包括：顶部41a；倾斜表面41b，该倾斜表面从顶部41a朝向支承环16的内周表面19a倾斜地延伸；以及倾斜表面41c，该倾斜表面从顶部41a朝向支承环16的外周表面19b倾斜地延伸。第一内表面42可包括：顶部42a；倾斜表面42b，该倾斜表面从顶部42a朝向支承环16内周表面19a倾斜地延伸；倾斜表面42c，该倾斜表面从顶部42a朝向支承环16的外周表面19b倾斜地延伸。
75.第二半壳16b可包括面向支承环16的外部的第二外表面43以及面向内腔16c的第二内表面44。第二外表面43可部分地接触凹槽12的第二侧14，并且第二内表面44可限定内腔16c的至少一部分。
76.在没有流体压力或低流体压力作用在支承环16上的初始状态下，第二半壳16b可具有朝向支承环16的外部凸出的基准形状。参考图6，在第二半壳16b的基准形状中，第二外表面43可包括：顶部43a；倾斜表面43b，该倾斜表面从顶部43a朝向支承环16的内周表面19a倾斜地延伸；以及倾斜表面43c，该倾斜表面从顶部43a朝向支承环16的外周表面19b倾斜地延伸。第二内表面44可包括：顶部44a；倾斜表面44b，该倾斜表面从顶部44a朝向支承环16的内周表面19a倾斜地延伸；倾斜表面44c，该倾斜表面从顶部44a朝向支承环16的外周表面19b倾斜地延伸。
77.如上所述，由于第一半壳6a或16a和第二半壳6b或16b在相反的方向上凸出，所以支承环6或16的形状在径向方向上可以容易地改变。
78.如上所述，根据本公开的实施例，支承环的形状能够根据作用在支承环和/或o形环上的流体压力的大小而可以在径向方向上变化或变形。可变支承环可以在流体压力高于基准压力的条件下径向地向外膨胀，从而完全地阻塞或最小化位于第一连接器主体和第二连接器主体之间的间隙。因此，第一连接器主体和第二连接器主体之间的密封性能可以最大化。
79.在上文中，尽管本公开参考了几个实施例和附图来进行描述，但是本公开不限于此。在不背离本公开的所附权利要求的精神和范围的情况下，本公开所属领域技术人员可以对本公开和实施例进行各种修改和改变。