一种气封装置及空压机的制作方法

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1.本发明涉及空压机技术领域，尤其是涉及一种气封装置及空压机。

背景技术：

2.众所周知的燃油汽车的非甲烷有机物和一氧化碳的排放是大气的主要污染源，同时汽车也是化石能源的重要消耗者。为了彻底解决汽车废气排放问题以及寻新型能源来替代传统能源，世界各国都在不停努力探索。
3.我们国家是一个能源消费大国，经济发展速度强劲，工业现代化进程不断加快，对能源的需求也在飞速增长，汽车的拥有量也已前所未有的速度增长，随之产生的结果就是能源需求持续增加、环境污染不断加深。为了解决当前面临的严重问题，选择燃料电池技术作为突破口，研究和开发燃料电池汽车已经成为国家的重点战略项目。
4.在新能源燃料电池领域内，空压机通常采用高速电机直驱透平机械将电机功能与齿轮增速传动的结构融为一体，并且采用空气悬浮轴承支撑转子。由高速电机主轴直接带动透平叶轮工作产生高压气体为电堆反应供氧，同时主轴上布置回收涡轮，回收电堆反应后的尾气，进一步减少电机的耗工，提高系统效率，这种高速直驱离心空压机在行业内被命名为“燃料电池涡轮回收空压机”为当前行燃料电池空压机领域内最先进的产品。
5.新能源燃料电池离心空压机应用于新能源汽车，所以对产品的结构、性能、体积、重量、稳定性、抗冲击能力均有着严格的要求。燃料电池的空压机必须尽可能的小型化，受限于汽车的空间限制，过大的体积会占用较大的车内使用空间，而较大的质量又增加了汽车的自重，均会影响整车的性能。而且空压机必须高效率化，不同于传统内燃机，燃料电池的尾气能量相对较低，燃料电池堆输出的功率中有较大的压缩机寄生功率，因此空气压缩机需要在高效率下运行。
6.目前常用的燃料电池涡轮回收空压机的工作过程：
7.第一阶段，由压气端进气，经过一级压缩后达到电堆反应所需的高压气体，然后压气端排出，通过排气管送至系统电堆反应。
8.第二阶段，电堆反应后的废气，输送到涡轮排气端，具有残余内能和动能的废气，吹动涡轮转动，完成整个能量回收的过程。
9.在工作过程中，需要外置冷却水冷却电机定子，外置气源将冷却气通入电机内腔，冷却气体流经转子表面，带走热量，然后从电机壳体的另一侧流出，从而冷却电机转子和支撑轴承。
10.但是，对于此种燃料电池涡轮回收空压机，因为需要外置气源冷却电机内腔和支撑气浮轴承所需的气源，所以需要另外布置冷却风机等冷却装置，导致整个系统结构复杂、体积偏大以及质量偏重。
11.而且，电堆反应后的废气含有大量水蒸气甚至含有液态水滴，废气进入涡轮，如果不能阻隔密封，水蒸气或是液态水就会进入电机内腔。而且，由于高速电机转子与定子之间的间隙非常小，外置气源流通的冷却气的气量有限，冷却效果不明显，而且电机定子和转子
间小间隙导致流通阻力很大，整体冷却效果不好。
12.因此，如何解决现有技术中空压机需要外置冷却装置，易导致系统结构复杂体积偏大且水汽易进入电机内腔的技术问题，已成为本领域人员需要解决的重要技术问题。

技术实现要素：

13.本发明的目的在于提供一种气封装置及空压机，解决了现有技术中空压机需要外置冷却装置，易导致系统结构复杂体积偏大且水汽易进入电机内腔的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
14.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
15.本发明提供的气封装置，包括压气端、机体和排气端，所述压气端设置于所述机体的第一端，且所述机体的第一端设置有进气通道，所述进气通道与所述压气端相连通，所述排气端设置于所述机体的第二端，且所述机体的第二端设置有排气通道，其中，所述压气端的高压气体经所述进气通道进入所述机体的内腔内进行冷却，且所述高压气体从所述排气通道处排出，并在所述机体第二端的间隙处形成气封隔离层。
16.进一步地，所述压气端包括离心叶轮和第一蜗壳，所述第一蜗壳罩设在离心叶轮的外侧，在所述离心叶轮的周向边缘位置处，所述第一蜗壳的侧壁贴近所述机体的第一端的端面设置，以形成扩压段，所述进气通道位于所述扩压段的位置处。
17.进一步地，所述机体包括外壳和轴承座，所述轴承座设置于所述外壳的第一端，所述外壳的第一端为靠近所述压气端的端部，所述进气通道设置于所述轴承座上。
18.进一步地，所述机体还包括定子和转子，所述转子与所述外壳相转动连接，且所述转子与所述压气端和所述排气端同轴设置，所述定子套设在所述转子的外侧周向，且所述定子与所述外壳相连接，所述定子和所述转子之间设置有间隙，以形成冷却通道。
19.进一步地，还包括轴向密封件，所述轴向密封件设置于所述外壳的第二端的端部，所述轴向密封件为环型结构，所述轴向密封件套设在所述转子上，且所述轴向密封件与所述转子的侧壁之间设置有活动间隙，所述排气通道沿所述轴向密封件的径向设置于所述轴向密封件内，所述机体的内腔与所述活动间隙相连通，所述活动间隙与所述排气通道相连通。
20.进一步地，所述排气端包括涡轮和第二蜗壳，所述第二蜗壳罩设在所述涡轮的外侧，所述涡轮连接在所述机体的第二端。
21.进一步地，所述第二蜗壳设置有容纳槽，所述轴向密封件设置于所述容纳槽内，所述第二蜗壳的侧壁上设置有排气孔，所述轴向密封件夹设在所述外壳的第二端和所述第二蜗壳之间，且所述轴向密封件上的排气通道与所述排气孔相连通。
22.进一步地，所述外壳的第二端设置有端壁，所述端壁位于所述轴向密封件的内侧，所述端壁为环型结构，所述端壁的内侧端靠近所述转子进行设置。
23.进一步地，所述端壁和所述轴向密封件之间设置有容纳空腔，所述转子的周向设置有凸缘，所述凸缘伸入设置于所述容纳空腔中，以对所述活动间隙形成挡设。
24.本发明提供的空压机，包括电堆反应腔和上述的气封装置，所述压气端与所述电堆反应腔相连通，且所述排气端与所述电堆反应腔相连通。
25.本发明相较于现有技术具有以下有益效果：
26.本发明提供的气封装置，将压气端和排气端分别设置在机体的两端部，并在机体的第一端设置进气通道，在机体的第二端设置排气通道，本发明直接将压气端加压后的高压气体引入至机体的内腔，通过更高压力更大气体密度的气体对机体的内腔进行散热冷却，具有极佳的冷却效果，高压冷却气体在压气端、机体的内腔以及排气端这三组部件间自循环冷却，无需外部冷却气源，从而减少了外置冷却装置的布设，极大地减少了系统结构的复杂性，结构更加简单且美观，在机体型号相同的情况下，减小了空压机整体的体积及减轻了空压机整体的质量，而且，高压气体进入相对封闭的机体的内腔后能够使机体的内腔也具有一定程度的高压，并且冷却后的高压气体汇集到机体的第二端的排气通道处进行排出，机体的第二端与排气端之间因运动连接需要会不可避免留有一定的间隙，在此类间隙处，因机体内的压强明显大于排气端的压强，能够利用压强差的原理形成气封隔离层，能够极大的避免排气端的湿气反向进入机体的内腔，具有极佳的气封效果，并且本发明的机体的内腔所需的冷却气体是经过压气端压缩后的高压气体，密度大且换热效果好，因而只需非常少的量就能实现机体内腔的冷却以及实现气封效果，所需的冷却气体流量占整个压气端排气的流量的比例非常小，而且经过机体内腔冷却后的气体压力降低不大。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例提供的空压机的压气端与机体的位置关系示意图；
29.图2是本发明实施例提供的空压机的排气端与机体的位置关系示意图；
30.图3是本发明实施例提供的气封装置的内部结构以及气体流向示意图；
31.图4是图3中a视图位置处的放大图；
32.图5是本发明实施例提供的轴向密封件的示意图。
33.图中1-压气端；2-机体；3-排气端；4-进气通道；5-排气通道；6-气封隔离层；7-离心叶轮；8-第一蜗壳；9-外壳；10-轴承座；11-定子；12-转子；13-冷却通道；14-轴向密封件；15-活动间隙；16-涡轮；17-第二蜗壳；18-容纳槽；19-排气孔；20-端壁；21-容纳空腔；22-凸缘；23-电堆反应腔。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
35.本发明的目的在于提供一种气封装置及空压机，解决了现有技术中空压机需要外置冷却装置，易导致系统结构复杂体积偏大且水汽易进入电机内腔的技术问题。
36.以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利
要求所记载的发明的解决方案所必需的。
37.下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
38.实施例1：
39.参照图1-4，本实施例提供的气封装置包括压气端1、机体2和排气端3，压气端1设置于机体2的第一端，且机体2的第一端设置有进气通道4，进气通道4与压气端1相连通，以便于进气通道4能够将压气端1加压后的高压气体引入至机体2的内腔中。排气端3设置于机体2的第二端，且机体2的第二端设置有排气通道5，以便于将对机体2的内腔冷却后的高压气体引出至机体2的外部。其中，压气端1的高压气体经进气通道4进入机体2的内腔内进行冷却，且高压气体从排气通道5处排出，并在机体2第二端的间隙处形成气封隔离层6，即高压气体在压气端1、机体2的内腔以及排气端3方向上的循环流动，参照图3，高压气体由a口进入，b口流出，如此设置，本发明直接将压气端1加压后的高压气体引入至机体2的内腔，通过更高压力更大气体密度的气体对机体2的内腔进行散热冷却，具有极佳的冷却效果，高压冷却气体在压气端1、机体2的内腔以及排气端3这三组部件间自循环冷却，无需外部冷却气源，从而减少了外置冷却装置的布设，极大地减少了系统结构的复杂性，结构更加简单且美观，在机体2型号相同的情况下，减小了空压机整体的体积及减轻了空压机整体的质量，而且，高压气体进入相对封闭的机体2的内腔后能够使机体2的内腔也具有一定程度的高压，并且冷却后的高压气体汇集到机体2的第二端的排气通道5处进行排出，机体2的第二端与排气端3之间因运动连接需要会不可避免留有一定的间隙，在此类间隙处，因机体2内的压强明显大于排气端3的压强，能够利用压强差的原理形成气封隔离层，能够极大的避免排气端3的湿气反向进入机体2的内腔，具有极佳的气封效果，并且本发明的机体2的内腔所需的冷却气体是经过压气端1压缩后的高压气体，密度大且换热效果好，因而只需非常少的量就能实现机体2内腔的冷却以及实现气封效果，所需的冷却气体流量占整个压气端1排气的流量的比例非常小，而且经过机体2内腔冷却后的气体压力降低不大且还可通过循环导流管能进行循环利用，因此对应的冷却耗能很小，解决了现有技术中空压机需要外置冷却装置，易导致系统结构复杂体积偏大且水汽易进入电机内腔的技术问题。
40.实施例2：
41.参照图1-4，本实施例在实施例1的基础上，对气封装置的结构进行了进一步地限定。压气端1包括离心叶轮7和第一蜗壳8，第一蜗壳8罩设在离心叶轮7的外侧，以便于对气流形成导向。在离心叶轮7的周向边缘位置处，第一蜗壳8的侧壁贴近机体2的第一端的端面设置，以形成扩压段，扩压段围设在离心叶轮7的外侧周向，进气通道4位于扩压段的位置处，如此设置，外界的气体经离心叶轮7高速转动进行压缩后，能够通过扩压段的窄平间隙将气流的动能转变成压力能，并通过进气通道4传输至机体2的内腔中，能够减少离心叶轮7处的能量损失。
42.作为本发明实施例可选地实施方式，机体2包括外壳9和轴承座10，轴承座10设置于外壳9的第一端，外壳9的第一端为靠近压气端1的端部，进气通道4设置于轴承座10上，如此设置，轴承座10与外壳9的第一端相固定连接，轴承座10的内侧可设置有轴承以对转子12进行转动支撑，进气通道4直接开设在轴承座10上，能够减少其他部件的另外设置，减少了机体2的整体体积和重量。
43.进一步地，机体2还包括定子11和转子12，转子12与外壳9相转动连接，且转子12与
压气端1和排气端3同轴设置，即转子12的两端可外伸出外壳9，转子12的第一端可与离心叶轮7相连接，转子12的第二端可与涡轮16相连接，转子12可与离心叶轮7以及涡轮16同轴同步转动，不但简化了空压机的动力传递结构，能够极大地增强机械运动传递的稳定性，而且能够提高空压机的运行效率。定子11套设在转子12的外侧周向，且定子11与外壳9相连接，定子11和转子12之间设置有间隙，以形成冷却通道13，以便于高压气体由进气通道4进入外壳9的内腔后能够通过冷却通道13的导流作用，使高压气体能够在转子12和定子11之间大量顺畅通过，以对定子11和转子12进行更加高效地冷却，提高了对定子11和转子12的冷却效果。
44.进一步地，参照图3-5，气封装置还包括轴向密封件14，轴向密封件14设置于外壳9的第二端的端部，轴向密封件14为环型结构，轴向密封件14套设在转子12上，且轴向密封件14与转子12的侧壁之间设置有活动间隙15，以便于使轴向密封件14与转子12相分离，避免使轴向密封件14与转子12接触，增加转子12的转动阻尼，从而使转子12的转动更加顺畅。排气通道5沿轴向密封件14的径向设置于轴向密封件14内，机体2的内腔与活动间隙15相连通，活动间隙15与排气通道5相连通，即排气通道5的进气端与活动间隙15相连通，进而与机体2的内腔相连通，排气通道5的出气端可连通至外界，或者也可与排气端3的边缘相连通，以便于外壳9的内腔内的高压气体能够顺畅排出。外壳9内腔中的高压气体具有较高的压力和一定的温度，高压气体依次通过活动间隙15和排气通道5后进行排出，高压气体能够在活动间隙15处形成高压气封层，从而能够使排气端3的还有水蒸气或是液态水滴的废气无法进入至机体2的内腔中，即本发明通过自循环的高压气体建立气封隔离层6，阻止了水蒸气进入机体2的内腔，从而解决了空压机的机体2内腔的密封问题。
45.进一步地，排气端3包括涡轮16和第二蜗壳17，第二蜗壳17罩设在涡轮16的外侧，涡轮16连接在机体2的第二端，如此设置，涡轮16能够在第二蜗壳17内进行高速转动，将第二蜗壳17内的气体加压排出至外界，更加便于反应后的气体顺畅排出。
46.进一步地，第二蜗壳17设置有容纳槽18，轴向密封件14设置于容纳槽18内，第二蜗壳17的侧壁上设置有排气孔19，轴向密封件14夹设在外壳9的第二端和第二蜗壳17之间，且轴向密封件14上的排气通道5与排气孔19相连通，以便于排气通道5内的高压气体顺利排出至外界，如此设置，第二蜗壳17能够罩设在轴向密封件14的外侧，能够对轴向密封件14起罩设防护作用，并且轴向密封件14位于容纳槽18内，并通过外壳9和第二蜗壳17相夹设固定，其固定更加牢固，稳定性更好。
47.作为本发明实施例可选地实施方式，外壳9的第二端设置有端壁20，端壁20位于轴向密封件14的内侧，端壁20为环型结构，端壁20的内侧端靠近转子12进行设置，如此设置，端壁20和轴承座10能够分别在外壳9的两端进行封堵围设，以使端壁20、轴承座10和外壳9能够共同围设为一个相对密闭空腔，转子12和定子11位于此相对密闭空腔内，能够使高压气体对定子11和转子12进行充分冷却且能减少高压气体的压力损失，并且端壁20能够对定子11和转子12进行遮挡防护，减少外物损伤。
48.进一步地，端壁20和轴向密封件14之间设置有容纳空腔21，转子12的周向设置有凸缘22，凸缘22伸入设置于容纳空腔21中，以对活动间隙15形成挡设，如此设置，凸缘22能够对转子12起一定的限位固定作用，而且凸缘22能够对端壁20与转子12之间的间隙以及轴向密封件14与转子12之间的活动间隙15进行轴向方向的遮挡防护，形成迷宫式遮挡，能够
减少外界粉尘或杂物径直进入外壳9的内腔，对定子11和转子12造成损伤，并且凸缘22能够对高压气体进行导流，使高压气体能够充盈在端壁20和轴向密封件14之间的容纳空腔21中，以减少高压气体的压力损失，使轴向密封件14与转子12之间的活动间隙15处能够保持足够的压力值，提高气封隔离层6的气封效果。
49.作为本发明实施例可选地实施方式，本发明还包括电堆反应腔23，压气端1与电堆反应腔23相连通，且排气端3与电堆反应腔23相连通，如此设置，压气端1的第一蜗壳8能够将高压气体供入电堆反应腔23，
50.实施例3：
51.参照图1-5，本实施例提供的空压机，包括电堆反应腔23和上述的气封装置，压气端1与电堆反应腔23相连通，且排气端3与电堆反应腔23相连通，如此设置，机体2的内腔可为相对封闭的空间，压气端1将气体经过一级压缩后，通过进气通道4将高压高密度的气体送入电堆反应腔23内参与化学反应，消耗气体中的氧气，然后电堆反应腔23化学反应后的废气通过系统分离除水后，还具有很大的动能和内能的废气送达至排气端3，吹动排气端3的涡轮16转动进行排气。压气端1通过进气通道4向机体2内腔中通入高压高密度的气体，既能够满足机体2内腔自身的散热冷却需要，也可在机体2内腔的第二端与排气端3的湿气交汇处形成气封隔离层6的气封效果，机体2内腔中的高压气体的压力要高于排气端3的湿气的压力，从而能够对排气端3的湿气进行阻挡，避免湿气进入机体2的内腔。
52.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
53.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
54.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种气封装置，其特征在于，包括压气端(1)、机体(2)和排气端(3)，所述压气端(1)设置于所述机体(2)的第一端，且所述机体(2)的第一端设置有进气通道(4)，所述进气通道(4)与所述压气端(1)相连通，所述排气端(3)设置于所述机体(2)的第二端，且所述机体(2)的第二端设置有排气通道(5)，其中，所述压气端(1)的高压气体经所述进气通道(4)进入所述机体(2)的内腔内进行冷却，且所述高压气体从所述排气通道(5)处排出，并在所述机体(2)第二端的间隙处形成气封隔离层(6)。2.根据权利要求1所述的气封装置，其特征在于，所述压气端(1)包括离心叶轮(7)和第一蜗壳(8)，所述第一蜗壳(8)罩设在所述离心叶轮(7)的外侧，在所述离心叶轮(7)的周向边缘位置处，所述第一蜗壳(8)的侧壁贴近所述机体(2)的第一端的端面设置，以形成扩压段，所述进气通道(4)位于所述扩压段的位置处。3.根据权利要求1所述的气封装置，其特征在于，所述机体(2)包括外壳(9)和轴承座(10)，所述轴承座(10)设置于所述外壳(9)的第一端，所述外壳(9)的第一端为靠近所述压气端(1)的端部，所述进气通道(4)设置于所述轴承座(10)上。4.根据权利要求3所述的气封装置，其特征在于，所述机体(2)还包括定子(11)和转子(12)，所述转子(12)与所述外壳(9)相转动连接，且所述转子(12)与所述压气端(1)和所述排气端(3)同轴设置，所述定子(11)套设在所述转子(12)的外侧周向，且所述定子(11)与所述外壳(9)相连接，所述定子(11)和所述转子(12)之间设置有间隙，以形成冷却通道(13)。5.根据权利要求4所述的气封装置，其特征在于，还包括轴向密封件(14)，所述轴向密封件(14)设置于所述外壳(9)的第二端的端部，所述轴向密封件(14)为环型结构，所述轴向密封件(14)套设在所述转子(12)上，且所述轴向密封件(14)与所述转子(12)的侧壁之间设置有活动间隙(15)，所述排气通道(5)沿所述轴向密封件(14)的径向设置于所述轴向密封件(14)内，所述机体(2)的内腔与所述活动间隙(15)相连通，所述活动间隙(15)与所述排气通道(5)相连通。6.根据权利要求5所述的气封装置，其特征在于，所述排气端(3)包括涡轮(16)和第二蜗壳(17)，所述第二蜗壳(17)罩设在所述涡轮(16)的外侧，所述涡轮(16)连接在所述机体(2)的第二端。7.根据权利要求6所述的气封装置，其特征在于，所述第二蜗壳(17)设置有容纳槽(18)，所述轴向密封件(14)设置于所述容纳槽(18)内，所述第二蜗壳(17)的侧壁上设置有排气孔(19)，所述轴向密封件(14)夹设在所述外壳(9)的第二端和所述第二蜗壳(17)之间，且所述轴向密封件(14)上的排气通道(5)与所述排气孔(19)相连通。8.根据权利要求5所述的气封装置，其特征在于，所述外壳(9)的第二端设置有端壁(20)，所述端壁(20)位于所述轴向密封件(14)的内侧，所述端壁(20)为环型结构，所述端壁(20)的内侧端靠近所述转子(12)进行设置。9.根据权利要求8所述的气封装置，其特征在于，所述端壁(20)和所述轴向密封件(14)之间设置有容纳空腔(21)，所述转子(12)的周向设置有凸缘(22)，所述凸缘(22)伸入设置于所述容纳空腔(21)中，以对所述活动间隙(15)形成挡设。10.一种空压机，其特征在于，包括电堆反应腔(23)和如权利要求1-9任一项所述的气封装置，所述压气端(1)与所述电堆反应腔(23)相连通，且所述排气端(3)与所述电堆反应腔(23)相连通。

技术总结

本发明提供了一种气封装置及空压机，涉及空压机技术领域，解决了现有技术中空压机需要外置冷却装置，易导致系统结构复杂体积偏大且水汽易进入电机内腔的技术问题。该气封装置包括压气端、机体和排气端，机体第一端设有进气通道，进气通道与压气端相连通，机体第二端设有排气通道，压气端的高压气体经进气通道进入机体的内腔内，且高压气体从排气通道处排出，并在机体第二端的间隙处形成气封隔离层，本发明直接将压气端加压后的高压气体引入至机体内腔，通过更高压力更大气体密度的气体对机体内腔进行散热冷却，冷却效果极佳，而且利用压强差的原理形成气封隔离层，能避免排气端湿气反向进入机体内腔，具有极佳的气封效果。具有极佳的气封效果。具有极佳的气封效果。