CN106246598B - Pfa内衬泵壳的结构 - Google Patents

Abstract

一种PFA(Polyfluoroalkoxy)内衬泵的泵壳结构，其目的在提高生产效率，降低制造成本及生产不良率，尤其针对金属内衬PFA的泵壳结构做改良，降低泵壳生产成本，提升制造良率。金属外壳内衬PFA泵用于高腐蚀性化学液体输送，金属外壳用以抵抗泵压力及配管负荷，PFA内衬作为接液材质以抵抗化学药液腐蚀。本泵壳结构改良重点在以结构改变来降低射出成型的生产不良因素，特点包含有：一入口外壳内衬PFA作为泵吸入口；一涡卷外壳内衬PFA用以容纳叶轮并收集叶轮做功后的液体经由出口排出，入口外壳及涡卷外壳分别生产后组合成一完整的泵壳以降低射出成型的残留应力。

Description

PFA内衬泵壳的结构

技术领域

本发明有关于一种PFA(Polyfluoroalkoxy，四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物，过氟烷基化物，可溶性聚四氟乙烯)内衬的泵壳结构改良，为使生产成本降低并且提升泵入口口径在80毫米(mm)以上或者叶轮直径在200毫米(mm)以上的大型泵壳成型良率，并使泵能在温度200℃时还能有高可靠度。本发明是改良泵壳结构，以减少PFA成型过程的结构性拉伸，降低残留应力，使射出成型方式生产的泵壳内衬PFA良率提升。

背景技术

按，一般金属内衬PFA(Polyfluoroalkoxy，四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物，过氟烷基化物，可溶性聚四氟乙烯)泵壳已广泛应用于许多化工用途泵，在结构设计上有固定轴与转动轴两种，其中固定轴的支撑方式又有两端支撑及悬臂支撑等设计，两端支撑或悬臂支撑都是使用塑胶材质的入口轴心支撑三角架与密封后盖轴孔座来支撑固定轴，但塑胶的强度随操作温度升高而下降，这时支撑三角架与轴孔座的强度也随着降低，造成泵固定轴的歪斜与位移；同时对于大型金属内衬PFA泵壳也存在制造成本与良率的问题，为了能使PFA成型尺寸稳定及抗负压能力，金属内衬PFA泵壳制造过程是先将金属外壳置入模具中，再将PFA塑料注入后与金属结合成为一体不可分离的泵壳，其中金属外壳一般包含有若干鸠尾槽用以将PFA嵌住防止分离。

PFA成型工艺一般使用转移成型(transfer molding)，回转成型(rotolining)或射出成型(injection molding)三种。转移成型是先将塑料在分离室中加热熔融，继而压入另一封闭的模腔中硬化定型，其整个成型过程需时8至12小时，故一般厂家均准备多组模具，但生产速度慢导致制造成本过高是转移成型尚无法克服的问题。回转成型仅利用离心力将PFA粉末黏附在封闭金属外壳上，由于并未使用模具，故其成型厚度无法精确控制，密度较低易被渗透，且因为利用离心力成型，故无法将位于泵壳中央的轴心支撑架一体成型，也无法形成离心泵所需的非对称形状涡卷流道。射出成型的生产速度较快，一般在10分钟内可成型完成，但不适用于大型工件，例如入口口径在80毫米(mm)以上或者叶轮直径在200毫米(mm)以上，并且离心泵壳的入口流道与涡卷流道及出口相互成90度垂直，其内衬在成型后收缩的轴向拉伸及径向拉伸互相作用下形成残留应力，该残留应力容易造成内衬材料发生应力龟裂导致生产失败，残留应力也会在高温高腐蚀的严苛环境下释放出来，造成内衬材料在使用中发生龟裂，使泵无法使用于200℃的化学品输送。

以下的引证文献及引证案将用来进一步说明金属内衬PFA泵壳在轴心支撑结构与制造上的问题及可能相关的潜在问题。

引证文献1

引证文献1为2001年10月WORLD PUMPS期刊刊载的一篇关于金属内衬PFA泵壳制造问题的文章The secret is in the lining:the use of fluoropolymer materials forcorrosive pumping。本引证文献中指出转移成型需缓慢加热及冷却，且不适用于ETFE材料，回转成型因为没有使用模具及加压成型，故难以控制成型厚度，密度及平面度，射出成型因为收缩变形及残留应力不适合生产大型泵壳。

引证文献2

引证文献2为2014年美国ITT Goulds Pumps公司产品型录3298系列(www.itt.com)。本引证文献为ETFE内衬金属外壳的磁驱动泵，其内文指出ETFE内衬使用回转成型技术，型录中的图示显示其轴支撑为可分离工件，但泵壳为单一工件，包含入口法兰、入口流道、泵壳流道及出口法兰，其中泵壳流道并无离心式泵的涡卷面积变化。

引证文献3

引证文献3为2010年美国INNOMAG公司产品使用手册U-mag系列(www.innomag.com)。本引证文献为ETFE或PFA内衬金属外壳的磁驱动泵，其内文指出ETFE内衬使用回转成型技术，其轴支撑为悬臂支撑结构，手册中的图示显示其泵壳并未包含轴心支撑架，其中泵壳流道也并无离心式泵的涡卷面积变化。

引证案1

引证案1为1988年美国专利4722664号，专利名称为Lined corrosion resistantpump。本引证案说明氟素材料泵是适合应用于腐蚀性液体，其中PFA材料性质类似于PTFE，且能以熔融方式生产泵元件，使用温度也能高于150℃，但氟塑材料内衬会有两个应力来源，分别是成型过程产生的内应力及PFA内衬相较于金属外壳的高热膨胀系数。本引证案针对氟塑材料在成型后收缩产生的应力龟裂问题提出对策，文中以锯齿沟及多孔网嵌住氟素胶，阻止其收缩来防止应力裂痕产生，但检视Duriron公司产品并未有使用本项专利的PFA泵产品，显见本引证案所提出的锯齿沟及多孔网方法成本过高且效果等同于现有技术鸠尾槽的固定方法而难以商业化生产，本引证案也未对大型泵壳，特别是入口口径在80mm以上或者叶轮直径在200mm以上的大型泵壳使用射出成型的可行性提出说明及在射出成型过程中产生的残留应力提出对策。

引证案2

引证案2为2002年中国专利2482597号，专利名称为Magnetic drive corrosionresistant fluorine plastic liner pump。本引证案为具PFA内衬金属外壳的磁驱动泵，目的在说明PFA内衬的结构及耐腐蚀用途，前轴心支撑架与入口法兰为一体成型，与泵壳为可分离结构，本引证案虽然将入口法兰及轴心支撑架分离出来成一独立工件，但并未包含入口流道，因此泵壳内衬的总披覆面积仍然相当大，入口流道与涡卷流道的拉伸应力仍未消除，且本引证案轴心支撑架并无强化材料提高刚性，内文中也未进一步说明200℃高温用途的结构强度与可靠度是否适用。

引证案3

引证案3为1999年美国专利5895203号，专利名称为Centrifugal pump havingseparable multipartite impeller assembly。本引证案为具塑胶内衬金属外壳的磁驱动泵，轴心支撑三脚架为可分离的元件，但泵壳仍然包含入口法兰、入口流道、泵壳流道及出口法兰，文中轴心支撑架与泵壳接合面仅以塑胶披覆安装，未有高刚性的金属或其他强化材料连接，内文中也未进一步说明200℃高温用途的结构强度与可靠度是否适用。

引证案4

引证4为2013年欧洲专利2589811号，专利名称为Magnetic drive pump。本引证案是发明人针对PFA内衬泵使用于高温度时的轴心支撑结构做一改良，文中说明塑胶强度随操作温度升高而下降，故必须使用与泵壳一体的金属轴心支撑内衬PFA以满足高刚性的要求，本引证案的轴支撑结构确实解决了PFA塑胶在高温环境下强度减弱的问题，然而由于金属轴心支撑是与泵壳一体，故金属轴心支撑内衬必须与泵壳内衬一体成型PFA，方能完全密封金属以确保腐蚀性化学药液不会侵蚀金属外壳，离心泵壳的入口流道与涡卷流道及出口相互成90度垂直，其内衬在成型后收缩的轴向拉伸及径向拉伸互相作用下形成残留应力，该残留应力会集中在泵壳入口的止推环安装部，加上轴心支撑内衬也会有收缩的残留应力，会使得止推环安装部的残留应力集中更为严重，本引证案在小型泵壳的成型案例当中，该应力集中处并没有明显的龟裂问题，包含成型后的适当热处理，但如应用于大型泵壳特别是3”(吋)×2”(吋)×8”(吋)(80mm×50mm×200mm)以上的大型泵壳，因为其泵壳内衬的总披覆面积在涡卷流道部分的面积相对增大，导致径向收缩拉伸与入口轴向收缩拉伸造成的残留应力会大幅提高而集中在泵壳入口的止推环安装部，包含成型后的适当热处理，仍会造成生产良率降低。

请参阅图1(A)所示，现有技术的泵壳4为单一元件，通常为不锈钢或铸铁内衬PFA，包含入口法兰411、入口流道412、轴心支撑架413、涡卷流道423、出口流道422、出口法兰421及涡卷PFA内衬424。入口流道412内侧与涡卷流道423内侧均设有若干鸠尾槽47。其中，涡卷PFA内衬424为一体成型PFA内衬，包含入口法兰RF凸起面(入口法兰突面凸起面)414a、入口流道内衬414b、轴心支撑架内衬414c、出口法兰RF凸起面(出口法兰突面凸起面)424a、出口流道内衬424b及涡卷流道内衬424c，用以隔绝腐蚀液；泵壳4内缘于止推环安装部461设有一止推环46用以抵抗叶轮(未图示)运转时的轴向推力。

使用射出成型方式，其射出后的材料收缩会受到外壳复杂形状的嵌制，止推环安装部461会受轴向收缩应力Fa、径向收缩应力Fb及收缩应力Fc拉伸，使残留应力过大而降低大型泵壳生产良率。

请参阅图1(B)所示，涡卷PFA内衬424若以转移成型方式生产，生产周期在8至12小时，不合乎经济生产条件；回转成型方式因为利用离心力生产，无法形成轴心支撑架内衬414c及涡卷流道内衬424c的渐扩型流道面积变化，尤其在出口喉部的舌端部424d无法回转成型，涡卷PFA内衬424厚度及平面度也难以控制。

综合以上引证案及图示说明，金属内衬PFA材料的泵壳生产所面临的问题可分为下列：

(1)转移成型的制造成本过高及生产时间过长；

(2)回转成型无法生产涡卷形状泵壳及与泵壳一体的轴心支撑架；

(3)回转成型泵壳PFA内衬密度较低且厚度无法准确控制；

(4)PFA内衬使用射出成型因收缩应力问题不适合生产大型泵壳；

(5)包含轴心支撑架的射出成型会加重残留应力，也不适合生产大型泵壳。

使用转移成型方式生产制造成本过高及生产时间过长；若使用回转成型无法生产涡卷形状泵壳及与泵壳一体的轴心支撑架且厚度无法准确控制；以下将针对射出成型问题来提出解决手段，包含上述第4点及第5点问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种PFA内衬泵壳的结构改良，尤指一种包含轴心支撑架的金属外壳并以PFA作为内衬的泵壳，适用于200℃高温，PFA为高耐腐蚀性塑胶，但其成型收缩率相当高，当使用射出成型技术且含金属嵌入件时，必须防止残留应力过大，特别是大型泵壳，泵入口口径在80mm以上或者叶轮直径在200mm以上时，离心泵壳的入口流道与涡卷流道及出口相互成90度垂直，其内衬在成型后收缩的轴向拉伸及径向拉伸互相作用下形成残留应力，该残留应力会集中在泵壳入口的止推环安装部，加上轴心支撑内衬也会有收缩的残留应力，会使得止推环安装部的残留应力集中更为严重，其泵壳内衬的总披覆面积在涡卷流道部分的面积相对增大，导致径向应力、入口轴向收缩应力及收缩应力造成的残留应力会大幅提高而集中在泵壳入口的止推环安装部。本发明是以结构分离方式将泵壳以止推环安装部为界线分为入口外壳及涡卷外壳两个独立工件，且两个工件组立后其组合界面共同形成所需要的止推环安装部；金属轴心支撑架与入口外壳为一体结构，且组合入口外壳与涡卷外壳时，入口外壳的金属安装面及涡卷外壳的金属安装面彼此直接接触并以螺丝锁紧固定，使入口外壳密封面与涡卷外壳密封面紧密压合，形成一完整前盖，并且维持原有金属支撑架的结构刚性。

其中，入口外壳包含入口法兰、入口流道、轴心支撑架及入口PFA内衬，入口法兰承载入口配管负荷，入口流道内侧具有若干鸠尾槽用以嵌住内衬PFA抵抗负压状态；入口PFA内衬提供高耐腐蚀PFA于入口法兰密封面，入口流道内衬及轴心支撑架内衬用以隔绝腐蚀液；涡卷外壳包含涡卷流道、出口流道、出口法兰及涡卷PFA内衬，涡卷流道用以容纳叶轮并且收集叶轮做功后的液体经由出口流道排出，出口法兰承载出口配管负荷，涡卷外壳内侧具有若干鸠尾槽用以嵌住内衬PFA抵抗负压状态，涡卷PFA内衬提供高耐腐蚀PFA于涡卷流道接液侧及出口法兰密封面用以隔绝腐蚀液，入口外壳及涡卷外壳完成内衬射出成型后，以螺丝锁紧组合即完成金属内衬PFA泵壳。

以下为本发明达成的效果说明如下：

(1)将泵壳分为入口外壳及涡卷外壳分别内衬PFA，可使工件尺寸大幅缩小，降低PFA成型收缩尺寸与金属外壳尺寸的差异比例，使用射出成型方式生产可缩短生产时间及降低制造成本，并且PFA内衬厚度可精确使用模具控制，也可生产出具有渐扩面积变化的涡卷流道；

(2)泵壳的入口外壳及涡卷外壳为垂直结构，分为二个工件后，轴向属于入口外壳工件，且轴向收缩应力Fa及收缩应力Fc只会产生在入口外壳，径向属于涡卷外壳工件，其径向收缩应力Fb只会产生在涡卷外壳，彼此独立射出成型生产，PFA不会有互相拉伸应力存在；

(3)维持原有金属轴心支撑架的结构刚性。

本发明的结构改良使射出成型技术能应用于入口口径在80mm以上或者叶轮直径在200mm以上的大型PFA内衬泵壳的生产，且轴心支撑结构使泵能在200℃时还能有高可靠度的运转能力。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1(A)为现有技术泵壳的剖视示意图；

图1(B)为现有技术泵壳的后视示意图；

图2为本发明第一实施例泵壳的剖视示意图；

图3为本发明第一实施例泵壳的立体分解图；

图4(A)为本发明第一实施例入口外壳的立体示意图；

图4(B)为本发明第一实施例入口外壳的剖视示意图；

图5(A)为本发明第一实施例涡卷外壳的立体示意图；

图5(B)为本发明第一实施例涡卷外壳的剖视示意图。

其中，附图标记

4 泵壳

41 入口外壳

411 入口法兰

412 入口流道

413 轴心支撑架

414 入口PFA内衬

414a 入口法兰RF凸起面

414b 入口流道内衬

414c 轴心支撑架内衬

415a 螺孔

415b 螺孔

416 入口外壳密封面

417 金属安装面

42 涡卷外壳

421 出口法兰

422 出口流道

423 涡卷流道

424 涡卷PFA内衬

424a 出口法兰RF凸起面

424b 出口流道内衬

424c 涡卷流道内衬

424d 出口喉部的舌端部

425 螺孔

426 螺牙孔

427 前端中心孔

428 涡卷外壳密封面

429 金属安装面

46 止推环

461 止推环安装部

461a 止推面

461b 径向固定面

47 鸠尾槽

Fa 轴向收缩应力

Fb 径向收缩应力

Fc 收缩应力

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟习相关技艺者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求范围及附图，任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

本发明是一种具有金属外壳及PFA内衬的泵壳，设有一入口法兰、入口流道、轴心支撑架、涡卷流道、出口流道、出口法兰及PFA内衬，泵壳空间用来容纳叶轮(未图示)，入口法兰用以连接入口配管，出口法兰用以连接出口配管，轴心支撑架用以支撑轴心的一端，流体由入口流道进入泵壳并经由叶轮叶片把轴功转换成施加在流体的水功率后，流体进入涡卷流道并由出口流道流出，入口法兰RF凸起面，出口法兰RF凸起面及流道接液面均设有PFA内衬用以隔绝腐蚀液体。

第一实施例：

适用于200℃高温，PFA为高耐腐蚀性塑胶，但其成型收缩率相当高，当使用射出成型技术且含金属嵌入件时，必须防止残留应力过大，特别是大型泵壳，泵入口口径在80mm以上或者叶轮直径在200mm以上时。

参阅图2、图4(B)、图5(A)及图5(B)，本实施例的金属内衬PFA泵壳4为双边支撑的固定轴结构，主要零件包含有：入口外壳41及涡卷外壳42，其中：入口外壳41为铸铁或不锈钢内衬PFA，设有一入口法兰411、入口流道412、轴心支撑架413及入口PFA内衬414，入口流道412内侧设有若干鸠尾槽47，入口PFA内衬414是使用射出成型方式披覆包胶，包含入口法兰RF凸起面414a，入口流道内衬414b及轴心支撑架内衬414c，用以隔绝腐蚀液；涡卷外壳42为铸铁或不锈钢内衬PFA，设有一出口法兰421、出口流道422、涡卷流道423及涡卷PFA内衬424，涡卷流道423内侧设有若干鸠尾槽47，涡卷PFA内衬424是使用射出成型方式披覆，包含出口法兰RF凸起面424a、出口流道内衬424b及涡卷流道内衬424c，用以隔绝腐蚀液；止推环安装部461设有一止推环46用以抵抗叶轮(未图示)运转时的轴向推力。

参阅图2及图3，入口外壳41与涡卷外壳42分别完成内衬射出成型后，以螺丝穿过入口外壳41的螺孔415b锁紧于涡卷外壳42的螺牙孔426，即完成金属内衬PFA泵壳4。

请参阅图2、图4(A)、图4(B)及图5(B)所示，图4(A)为第一实施例的入口外壳41立体图，入口外壳41的一侧设有一入口法兰411、入口流道412、轴心支撑架413及入口PFA内衬414，入口法兰411装设有多个螺孔415a用以连接泵入口配管(未图示)。另有一组多个螺孔415b位于涡卷外壳42的前端，其是用以锁固入口外壳41与涡卷外壳42。当组合入口外壳41与涡卷外壳42时，入口外壳41的金属安装面417与涡卷外壳42的金属安装面429彼此直接接触，并且通过多个螺丝与多个螺孔415a锁固入口外壳41与涡卷外壳42，藉此强化轴心支撑架413刚性并且使入口外壳密封面416与涡卷外壳密封面428紧密结合，形成一完整前盖。入口法兰RF凸起面414a、入口流道内侧414b、轴心支撑架内衬414c及入口外壳密封面416为一体成型的入口PFA内衬414，用以隔绝腐蚀液体。

请参阅图2、图4(B)及图5(B)所示，入口外壳41的一侧设有止推面461a，用来构成止推环密封部461的轴向面，止推面461a外侧设有入口外壳密封面416，用来与涡卷外壳密封面428结合防止泄漏；其中，入口PFA内衬414的面积为现有技术的泵壳PFA内衬披覆总面积的1/3至1/2，PFA应力集中仅剩下轴向收缩应力Fa及收缩应力Fc，故适合使用较经济的射出成型方式生产大型泵壳。

请参阅图3、图5(A)及图5(B)所示，图5(A)为第一实施例的涡卷外壳42立体图，涡卷外壳42设有一涡卷流道423、出口流道422、出口法兰421及涡卷PFA内衬424，出口法兰421装设有多个螺孔425用以连接泵出口配管(未图示)，涡卷外壳42前端装设有多个螺牙孔426用以锁固泵入口外壳41，出口法兰RF凸起面424a、出口流道内衬424b、涡卷流道内衬424c、出口喉部的舌端部424d及涡卷外壳密封面428为一体成型的涡卷PFA内衬424，用以隔绝腐蚀液体。

请参阅图2、图4(B)及图5(B)所示，涡卷外壳42前端中心孔427的内径设有径向固定面461b，用来构成止推环安装部461的径向面，径向固定面461b的前端外侧设有涡卷外壳密封面428，用来与入口外壳密封面416结合防止泄漏；其中，由中心孔427算起，使得涡卷PFA内衬424的披覆面积为现有技术泵壳披覆的总面积的1/2至2/3，且PFA应力集中仅剩下径向收缩应力Fb，故可使用较经济的射出成型方式生产大型泵壳，并不会因复杂形状的泵壳内衬而发生严重的应力拉伸问题。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种PFA内衬泵壳的结构，其特征在于，PFA内衬泵壳包含入口外壳及涡卷外壳两个独立工件，入口外壳及涡卷外壳分别以射出成型方式完成PFA内衬，完全免除入口流道内衬与涡卷流道内衬的相互应力拉伸，并且降低单一大型泵壳射出成型的不良率：

该入口外壳包含入口法兰、轴心支撑架、入口流道及入口PFA内衬，入口法兰、轴心支撑架与入口流道为一体结构；

该涡卷外壳包含涡卷流道、出口流道、出口法兰及涡卷PFA内衬；

入口外壳与涡卷外壳以金属安装面接触安装并固定组合成一完整的PFA内衬泵壳，提供轴心支撑架高刚性结构，入口外壳与涡卷外壳组合后，入口外壳与涡卷外壳的组合界面共同形成所需要的止推环安装部。

2.根据权利要求1所述的PFA内衬泵壳的结构，其特征在于，轴心支撑架与入口流道为铸铁或不锈钢。

3.根据权利要求1所述的PFA内衬泵壳的结构，其特征在于，入口外壳与涡卷外壳的组合是以螺丝紧锁。