CN1342246A - 用于振动泵的组合活塞 - Google Patents
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Abstract
一种用于振动泵的组合活塞(30),包括驱动活塞的芯部(32),及一活塞(34),该活塞(34)由塑料制成,并通过模塑在由芯部(32)形成的一插塞上而得到。这样获得的组合活塞(30)以低成本实现了高精度的目的,而这是完全由铁磁材料制成的、传统的简单活塞所不能实现的。
Description
本发明涉及一种用于振动泵的组合活塞，该振动泵包括一驱动部件和一泵压部件，该驱动部件由铁磁性材料制成，该泵压部件由塑料材料制成并通过模塑于形成其驱动部件的金属插塞上而获得。
振动泵是广泛用于多种用途和不同方面的基础元件。特别是，这些泵被广泛用来给家用电子设备的汽锅供料，特别是用来给通过下面方法制备热饮料的机器供料：灌注含有制剂所需要成分的粉末，例如制备咖啡和相似饮料的机器。这些振动泵的应用不断增加伴随有这样的需要：以不断降低的成本获得整体可靠性。
限制这些泵的价格的最早努力指向构成泵体结构和电磁装置的材料选择，以及它们的形状和尺寸的最优化，从而获得可靠性增加且经济的部件。通过第二种努力，目的在于获得生产厂的更大程度自动化的研究也有助于降低生产成本。
在这点上，为了进一步降低生产成本，改进某些元件是必要的，这些元件在通常情况下从不被考虑，因为它们“显然”已经很简单，但尽管如此仍会成为最终产品的缺陷来源，即使是非常小的程度。
这些元件中的一种是活塞泵，这种活塞泵至今通过机械加工而完全由金属材料制成。
至今，为了简单起见，认为将振动泵的活塞制造成一单独的金属部件是特别经济的和合理的。
但是，当分析用于制造完全金属活塞的方法以及这种活塞必须满足的要求时，出现了几个显然不为众人所知的事实：
1.在传统的振动泵中，活塞浸入将被泵送的液体中，因此需要高的磁场效率和高的抗腐蚀性能。不幸的是，这两个特性是直接相反的，金属材料具有良好的抗腐蚀性能，但缺乏铁磁特性，而另一方面，具有良好铁磁特性并因此具有高磁场效率的材料，抗腐蚀性能又较低。总之，必须采取折衷方法，但却严重偏向于抗腐蚀性能高而铁磁特性较低，或者铁磁特性高而抗腐蚀性能较低。近来的研究的确产生了特殊的材料，这种材料提供了一种极好的平衡，以确保高的抗腐蚀性能和良好的铁磁特性，即使这种材料也不能够消除问题，在这种情况下是机械性质的问题的发生。
2.作为浸入泵压液体中的机械活塞的替换物，考虑提供泵，其中电磁部分与泵压部分开。但这种方法暗示需要制造包含大量铜丝的螺线管，其成本相当高，或者可替换地制造特别是在高压下性能较差的、不总令人满意的泵。
3.传统的振动泵包括一个活塞，该活塞必须完成各种功能：
-由于螺线管的磁场，它必须将力转换为运动；
-它在冲程中必须向泵体缸提供一个液压密封；
-它必须确保吸入阀的动态密封；
-它必须允许流出的液体进入压力腔之前的一个腔。
为了正确实现所有这些功能，活塞必须根据工业上可以接受的标准制造，该标准在光洁度、尺寸和几何形状上公差非常小。因此在较大公差导致较大数量达不到标准的次品，而较小公差只有在增加生产成本的进一步机加工操作的情况下才可能，在这个意义上，尺寸公差对于生产成本极其重要并有负面影响。但这样制造的部件不能完全确保整体质量，因为临界点是通过在每年生产数百万部件所需的自动机床上去除修边而获得的。在这种情况下，任何加工不精确或者存在毛刺或者光洁度不好都会使确保100％质量变得困难，100％的质量只有在在预-组装阶段中通过昂贵的和严格的检验过程才能获得。
本发明的一个目的是提供用于振动泵的活塞，这种活塞没有上述现有技术中传统活塞的缺点。
本发明的另一个目的是用一种不用对已经加工过的部件进行研磨的简单的直接加工工艺，以一种直接和低成本的方式生产这些活塞。
上述目的是通过根据本发明的活塞来实现的，该活塞包括一由铁磁性金属材料制成、并限定在活塞区域以实现磁性移动功能的部件，及一由非金属和非铁磁性材料制成并完成相同活塞的泵压功能的部件。
特别是，实现磁驱动功能的部件是由一种具有良好铁磁特性的特殊不锈钢制成的，而实现泵压功能的部件由塑料材料制成，并通过模塑和插入金属部件中而成形。
很显然，在现有技术中不鼓励使用除金属之外的材料，因为在高工作压力下径向密封件的机械运动在不锈钢情况下也导致很大的磨损，因此引起了合理的怀疑，即任何塑料材料都将受到更大的磨损，另外，金属磁性驱动部件与塑料部件的机械组装昂贵地要求系统纠正任何偏差，并确保精确度和质量控制。
但已经发现，如果被泵压的水的温度保持接近室温(15到25℃)，而活塞的最大温度保持在50至60℃之间，那么在使用热塑料材料时将不会有特别的困难，可能包括一种加强填料，例如用玻璃纤维、石英粉、煅制二氧化硅、硅藻土等加强的聚酰胺(尼龙)，活塞通过将热塑材料模塑在铁磁性类型的不锈钢插塞上而获得。适当的低成本和可自由购得的热塑材料的实际例子可能是包含30％玻璃纤维的尼龙6.6。
很显然，由于尼龙6.6吸收水(即使是很小量)的某种趋势，这将限制活塞的寿命，虽然限定于如其中安装有包括上述活塞的振动泵的设备报废的时间段内。
此外，如果绝对需要用没有上述尼龙6.6缺点的热塑材料实现泵的整体可靠性，有可能在市场上找到这种热塑材料，如在英国ThortonCleveleys，Lancashire由Vitrex Plc生产和销售的商标为Peek TM的氧-1，4-次苯基-氧-1，4-次苯基-碳-1，4-次苯基，这些材料能够耐受的温度远远高于尼纶6.6耐受的温度，且吸水基本为零。
根据本发明的组合活塞的特点如下所示：
如上所述，活塞由一个金属部件和一个塑料部件构成。
金属部件是一个简单、低成本、中空的圆柱体，基本上没有在泵运行过程中会起负作用的缺陷。它的几何形状和它的尺寸适于提供磁驱动力。内部部件的形状确定为形成一部分，该部分确保牢固机械紧固到随后模塑在其顶部的热塑材料上，特别是：
如在传统模式中一样，在这种模式中，外部直径公差通过拉制棒材而确定，因此不必用任何种类的机床进行加工；
必须保留在公差数值范围内的唯一尺寸是部件的长度，以便确保用于注塑热塑材料的模型的气密密封，但这种尺寸很容易获得并控制；
孔内部部件的光洁度不再有什么重要性，因为后面可以衬以热塑树脂；相反，较差的内部光洁度会将树脂固定到上述壁上。在全部由不锈钢制成的传统活塞中，除了内部孔之外，用于使液体外流到压力腔之前的腔的横向孔要求一个最佳的无毛边的光洁度，因为：
-光洁度不足会导致表面氧化以及氧化物在泵压液体中的扩散(应该记住铁氧化物，尽管对健康绝对不会造成危险，但从美学角度是令人不愉悦的，因为它们略显黑色和较浓的颜色，并会给饮料带来一种不愉悦的品尝后的感觉)；
-可能的对毛边的加工会在操作过程中分离，并与密封阀件接触，对其操作产生负面影响。
形成活塞功能结构的塑料部件，代替了其更关键和易损的部件，在完全是金属活塞的情况下，通过机加工操作而获得，会有以下缺陷：
a)在吸入阀件基座中：
-几何缺陷，例如椭圆形或偏心度；
-没有足够的光洁度；
-毛边；
-金属加工灰尘残留物；
这些缺陷导致了不完全密封、不规则操作及不适当性能的缺点。
在操作过程中，还会由于钙质沉积物和去污剂而导致阀件不正确安装的风险，当泵已经左侧半排空且很久不使用而导致阀件粘结和泵不正常工作时使用去污剂。
所有上述缺陷都通过一塑料阀座克服了。
b)在压力元件的直径中，光洁度和尺寸的缺陷以及直径的公差导致不完全密封，不规则操作以及较差的性能。
c)在用于液体外流的压力腔之前的腔中，缺陷包括横向孔和纵向孔之间的毛边，不充足的光洁度导致上述毛边可能分离和成楔形或夹在阀座内部，从而导致其密封性能的损失，同时较差的光洁度导致潜在的暴露于氧化物中。
所有上述缺陷都通过一由塑料制成的部件克服了。
应该指出的是，即使氧-1，4-次苯基-氧-1，4-次苯基-碳-1，4-次苯基(PeekTM)被用作塑料，在相同重量下这些材料的成本是不锈钢的约38倍，实现了对全部由不锈钢制成的活塞成本的等于40至60％的相当大的节省，因为，如果传统活塞全部由不锈钢制成，考虑到必须首先具有一长度等于活塞(即磁驱动部件加压缩部件)全长的半成品钢材，为了用多轴机床获得机械机加工部件，必须有75克不锈钢以及高的机加工成本。另一方面，如果要制造根据本发明的组合活塞，不仅使用不锈钢半成品的一半重量，而且可忽略需要所使用钢的加工部分，其余的塑料活塞将通过简单的模塑操作而获得，不必进一步加工，因为一旦模塑后，塑料部件就全部完成了。与传统活塞相比，根据本发明的组合活塞的成本至少在其40至60％。
如果我们考虑上述积极方面，向振动泵的活塞提供由不锈钢制成的磁驱动部件和由塑料制成的压缩部件的优点是很明显的。
本发明的特点将特别在形成本说明书的结论部分的权利要求中总结。但其它的特点和优点将从参照附图对本发明优选实施例的详细描述中体现出来，其中：
图1是根据现有技术完全由金属材料制成的传统振动泵活塞的剖视侧视图；
图2是根据本发明用于振动泵的组合活塞的第一实施例的剖视图；
图3是图2中所示根据本发明的组合活塞的顶视图；
图4是根据本发明的组合活塞的分解剖视图，该视图特别描述了上述活塞的金属元件和塑料元件；及
图5是根据本发明用于振动泵的组合活塞的第二简化实施例的剖视侧视图。
如果我们考虑图1，图1中描述了完全由不锈钢制成的现有技术传统活塞，可以看到，传统活塞10包括一个较宽的磁驱动部件12和一个用作实际泵活塞的较窄的轴颈14。磁驱动部件12有一个通孔16，该通孔16具有当活塞为了驱动泵而吸入到螺线管内部时，允许液体在活塞内部升起的功能。每当活塞每次通过由振动泵螺线管产生的磁场释放时，较窄的轴颈14用作压缩元件。为此，轴颈14具有一个在具有一阀座20的顶部加工的开口18。磁驱动部件12的孔16的顶部有一个从中贯穿的横向孔22，用于补偿上述活塞滑动时腔内部的压力。这是具有上述缺陷的现有技术中的传统活塞。
现在考虑图2至4，它们示出了根据本发明活塞第一实施例的剖视图和端面视图。
根据图2至4，根据本发明的活塞30包括一个用耐腐蚀铁磁性材料，如铁磁不锈钢制成的芯部32，在其上方安装有一由热塑材料制成的活塞34，该活塞34可注塑，并在芯部32内部形成一由热塑材料模制成的圆柱形毛坯36(特别见图4)。
仍考虑图2至4，可以看到，由热塑材料制成的毛坯36由一底部部件36形成，该底部部件36在穿过芯部42的轴向孔40内部延伸，并设有一翻转的底部边缘41和一个突出的轴环42，轴环42放在环绕着轴孔40的圆周腔44内部。在轴环42之外，毛坯36延伸为一圆柱部分46，该圆柱部分46占据了与上述芯部32的孔40轴向对齐的通孔48。圆柱部分46继而延伸为一个或多个将底部部分38联接到活塞34上的台肩50。
底部部件38和活塞34分别具有从中贯穿的、轴向对齐的圆柱孔52和54，孔52和54相互联接，孔54终止于阀座56中。台肩50与开口58互相交替，从而确保与根据图1的传统活塞的横向孔22具有相同的功能。
从图3至图4可以明白，模制在芯部32内部的由热塑材料制成的毛坯36，永远不能移动或者在任何情况下不能与上述芯部分离，因此组合活塞30将总是用作一单一工件。
现在考虑图5，图5中显示了根据本发明的活塞30a的第二(显然更简单)实施例。根据该实施例，活塞30a包括一芯部32a，该芯部32a由不锈钢和铁磁性材料制成，并且活塞30a具有安装在其顶部的活塞34a，该活塞34a由热塑材料制成并可注塑，且在芯部32a内部形成一由热塑材料制成的毛坯36a。
毛坯36a由一底部部件38a形成，底部部件38a在贯穿芯部32a的轴向孔40a的顶部内延伸并设有一突出轴环42a，该突出轴环42a在一对应的开槽腔中配合在轴向孔40a的壁上。除轴环42a之外，底部部件38a终止于将底部部分38a联接到活塞34a上的一个或更多台肩50a。
底部部件38a和活塞34a分别具有从中贯穿且轴向对齐的圆柱孔52a和54a，孔52a和54a相互联接，孔54a终止于阀座56a中。台肩50a与开口58a互相交替，从而确保与根据图1的传统活塞的横向孔22具有相同的功能。
从图5可以明白，由热塑材料制成的毛坯36a模塑在芯部32a中，通过突出轴环42a保持固定并与上述芯部32a精确对齐，由于芯部32a和活塞34a在精确对齐的圆柱腔中，毛坯36a永远不能移动或者在任何情况下不能与上述芯部32a分离，因此组合活塞30a将总是用作一单一工件。
上面的描述表示了根据本发明的用于振动泵的组合活塞的两个实施例，这些实施例不应视作任何形式的限制。实际上，对于本领域技术人员来讲，可以进行合理的和等同的改变这些改变被认为由附属权利要求所覆盖。
Claims (17)
1.一种用于振动泵的组合活塞(30)，其特征在于一部件(32)，该部件(32)由铁磁性金属材料制成，并限制在用于完成磁驱动功能的活塞区域，及一部件(36)，该部件(36)由非金属和非铁磁性材料制成，并完成所述活塞的泵压功能。
2.根据权利要求1所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，完成磁驱动功能的金属部件(32)是具有良好铁磁特性的不锈钢，而完成泵压功能的部件(36)是通过模塑制成并插入金属部件(32)中的塑料材料。
3.根据权利要求2所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，部件(36)用热塑树脂制成。
4.根据权利要求3所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，部件(36)用聚酰胺树脂制成。
5.根据权利要求4所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，聚酰胺树脂是尼龙6.6。
6.根据权利要求5所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，尼龙6.6包含加强填料。
7.根据权利要求6所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，该加强填料包含玻璃纤维。
8.根据权利要求6所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，该加强填料包含石英粉。
9.根据权利要求6所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，该加强填料包含煅制二氧化硅。
10.根据权利要求6所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，该加强填料包含硅藻土。
11.根据权利要求6所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，该加强填料包含30％玻璃纤维。
12.根据权利要求3所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，由塑料制成的部件(36)用氧-1，4-次苯基-氧-1，4-次苯基-碳-1，4-次苯基树脂制成。
13.根据前述权利要求所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，金属部件(32)包含一圆柱件，该圆柱件具有贯穿其中的一第一轴向孔(40)，该第一轴向孔(40)设有一圆周腔(44)并与一第二通孔(48)相连。
14.根据权利要求13所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，由塑料制成的部件(36)是一由底部部件(38)形成的圆柱毛坯，该底部部件(38)模塑在金属部件(32)的轴向孔(40)中，并设有一压靠在金属部件(32)底侧的翻转底部边缘(41)，一个突出的轴环(42)，该轴环(42)放在所述金属部件(32)的圆周腔(32)中，及至少一个将底部部分(38)联接到活塞(34)上的台肩(50)。
15.如权利要求14所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，由塑料制成的部件(36)具有一底部部件(38)，该底部部件(38)具有从中贯穿的轴向孔(52)，该轴向孔(52)向外通到与台肩(50)交替的侧部孔(58)中，该活塞(34)具有从中贯穿的一轴向孔(54)，该轴向孔(54)与底部部件(38)中的轴向孔(52)对齐，并终止于一阀座(56)中。
16.根据权利要求1至12所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，由塑料制成的部件(36a)是一由底部部件(38a)形成的圆柱形毛坯，该底部部件(38a)模塑在金属部件(32a)的轴向孔(40a)中，并设有一突出轴环(42a)，该突出轴环(42a)放在所述金属部件(32a)中的对应圆周腔(32a)中，并具有至少一个将底部部分(38a)联接到活塞(34a)上的台肩(50a)。
17.根据权利要求16所述的用于振动泵的组合活塞，其特征在于，由塑料制成的部件(36a)具有一底部部件(38a)，该底部部件(38a)具有从中贯穿的轴向孔(52a)，该轴向孔(52a)向外通到与台肩(50a)交替的侧部孔(58a)中，该活塞(34a)具有从中贯穿的一轴向孔(54a)，该轴向孔(54a)与底部部件(38a)中的轴向孔(52a)对齐，并终止于一阀座(56a)中。
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