CN1921949B - 射流构件的夹紧装置 - Google Patents
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Abstract
如果处于流体压力下的构件用硬且脆的材料制成以及遭受局部高应力时可能破坏，则夹紧此构件要求采取特别的措施。按照本发明，一个这种例如用硅/玻璃制成的射流构件安装在例如用硅酮橡胶制成的弹料成型件内，它的轮廓与所述构件的外轮廓和夹具的内轮廓相配。弹料成型件在其压力侧面朝射流构件的方向斜切。在夹紧装置组装时，弹料成型件通过存在于相配件上的凸起变形并受均匀分布的内应力作用，此后，弹料成型件沿射流构件的整个高度围绕此射流构件。采用这种“浮动式夹紧装置”避免产生不能接受的局部应力峰值以及不会引起构件变形。即使在流体压力从很小的值直到几百bar重复波动时，所述夹紧装置对流体也是密封的。
Description
技术领域
本发明涉及一种夹紧特别是处于高压范围内的射流构件、尤其喷嘴的装置。特别感兴趣的是微型结构的构件、尤其是通过微型结构化制成的微型结构喷嘴的夹紧装置。这些喷嘴例如应用在喷雾器中，用来制造用于吸入的无动力气体的医疗气雾剂。
背景技术
本发明的目的是，进一步改进用耐磨、硬质并因而通常脆性的材料制成的射流构件的夹紧装置，以及提高夹紧装置的可靠度。
例如在WO94/07607和WO99/16530中介绍了例如喷口小于10μm的微型结构喷嘴。当要雾化的液体压力为5MPa(50bar)至40MPa(400bar)时，它们借此制成的可吸入的飞沫平均直径约为5μm。这些喷嘴可例如用薄的硅板和玻璃板制成。喷嘴的外尺寸处于毫米范围内。一种典型的喷嘴例如设计为棱边长1.1mm、1.5mm和2.0mm由两块板组成的长方六面体。由WO91/14468或WO97/12678已知用于造成无动力气体的气雾剂的喷雾器，其中可以采用按照本发明的用于夹紧射流构件的装置。
下列构件称为射流构件：它遭遇处于压力状态下的流体，以及压力也作用在构件内部，例如作用在喷嘴孔内。如果这样一种构件的材料能承受机械力的话，则可以将该构件例如通过压入到用硬质材料制成的夹紧装置内而被压力密封地固定，而不会破碎或变形到不可接受的程度。在高压范围使用由可变形材料、例如铜或硬质材料制成的可用大力将它们压入的密封器件。对于用脆性材料制的构件，这种已知的压力密封地夹紧构件的方法，需要很高的代价和非常小心从事。不太可能可靠地预测有关如此固定的射流构件的寿命。
在US3997111中介绍了一种流体射流切割设备，借助它产生高速的用于材料切割、钻孔或切除的流体射流。喷嘴体是圆柱形的以及例如用蓝宝石或刚玉制成。喷嘴体镶嵌在一个用适度弹性的塑料制成的圆柱形环内。此镶嵌环压入喷嘴座的环形槽中以及使喷嘴体相对于喷嘴座密封。
在US-4313570中公开了一种射水切割设备的喷嘴夹紧装置，其中，喷嘴体被一个用弹性材料的环围绕，环本身装在该夹紧装置的凹槽内。凹槽有直圆柱体的形状。环的横截面是矩形。凹槽的表面以及环的内和外表面同心于喷嘴体的轴线地设置，以及它们互相和相对于喷嘴体的轴线平行地延伸。
由WO97/12683已知一种遭受流体压力的射流构件的夹紧装置，它适用于由耐磨、硬并因而通常脆性的材料制成的构件，以及它在构件内不造成不允许地大的点状材料应力。此射流构件装在一个夹具内，夹具与射流构件在其低压侧接触。此射流构件被一弹性材料成型件围绕，后者的外轮廓与夹具的内轮廓相配以及其内轮廓与射流构件的外轮廓相配。弹性材料成型件在射流构件的整个圆周围绕该射流构件。弹性材料成型件的至少一个自由面遭遇处于压力状态下的流体。夹具在其内侧可以有一凸起，弹性材料成型件被推移到该凸起的下方。业已表明困难的是，在弹性材料成型件内产生即使在低的流体压力时也足够大并在弹性材料成型件内近似在空间均匀分布的内应力。
这种已知的装置当承受近似恒定的中等和更高流体压力负荷时业已证明是压力密封的。当承受在高的峰值与很小值之间波动的流体压力造成的交变负荷时，此已知的装置为了长期使用需要改进。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于夹紧射流构件的装置，它即使在承受流体压力剧烈波动造成的交变负荷下，也能在长期使用中可靠密封。所需要的构件应能经济地生产和能用合理的费用装配。
按照本发明上述技术问题通过一种用于夹紧承受交变流体压力的射流构件的装置得以解决，该装置包括夹具，所述射流构件安装在该夹具内部。所述夹具在射流构件的低压侧与射流构件接触。该装置包括在射流构件整个圆周围绕该射流构件的弹性材料成型件，该弹性材料成型件的外轮廓与夹具的内轮廓相适配以及弹性材料成型件的内轮廓与射流构件的外轮廓相适配。此弹性材料成型件至少具有一个遭遇压力流体的自由表面。所述夹具在高压侧固定在一个相配件上，以及，
-所述弹性材料成型件在所述装置组装前，在其面朝流体压力的那一侧朝射流构件的方向斜切，以及
-所述相配件设有环形凸起，相配件的外轮廓与夹具的内轮廓相适配，以及在夹具与相配件组装后，所述凸起伸入到夹具内以及使所述弹性材料成型件变形，由此在弹性材料成型件内产生均匀分布的内应力，以及
-在所述相配件上的凸起的体积与所述弹性材料成型件上在斜切区域缺失的体积相适配，以及
-在所述夹具与相配件组装后已变形的弹性材料成型件几乎完全充填直至所述相配件的容积。
此弹性材料成型件在其高压侧的端部朝凹槽方向斜切。斜切面在弹性材料成型件的高压侧的罩面内从一条闭合线开始，此闭合线可例如是圆形、椭圆形或矩形。斜切面可以有恒定的斜角，或者此斜角可以沿方位角方向有不同的大小。在后一种情况下，斜角朝长方六面体形射流构件的较大侧方向、优选地小于朝长方六面体形射流构件较小侧方向。斜切面与弹性材料成型件内凹槽的交截曲线可以在一恒定的水平面上延伸，或此交截曲线可以是弯曲的。
在相配件上的凸起优选地可以是环形以及有恒定的宽度。凸起的外轮廓优选地与夹具的内轮廓相适配。此外，凸起的内轮廓优选地与射流构件的外轮廓相适配。在相配件上的凸起可以有恒定的宽度和沿其圆周有恒定的高度，或者此凸起可以有不同的宽度和/或高度，它例如可以在两个对置地处于长方六面体形射流构件的两个较大侧面的区域内，比在两个对置地处于长方六面体形射流构件的两个较小侧面的区域内高。因此当夹具与相配件组装时，弹性材料成型件按区域发生不同程度的变形以及影响在弹性材料成型件中内应力的空间分布。在弹性材料成型件中的内应力主要通过弹性材料成型件的变形产生，而不是通过其压缩。弹性材料成型件的变形和在弹性材料成型件中内应力的分布，可以按有限元法(FEM)确定。
弹性材料成型件优选地制成压铸件。将预合成橡胶无气孔地充填到模具内，该模具与夹具和射流构件的轮廓相适配。这种弹性材料成型件具有与不可压缩流体大体相同的特性。它与夹具和射流构件准确配合。弹性材料成型件只在压力侧遭受流体压力，而在贴靠在夹具和射流构件上的那些侧面不承受流体压力。弹性材料成型件可以在射流构件上实施压力补偿。弹性材料成型件朝低压侧没有自由表面。此弹性材料成型件可例如用天然橡胶或合成橡胶如硅酮橡胶、聚氨酯、乙烯-丙烯橡胶(EPDM)、氟橡胶(FKM)或腈-丁二烯橡胶(NBR)或用相应的树胶制成。
射流构件可以用耐磨、硬质并因而通常脆性的材料(如硅、玻璃、陶瓷、宝石，例如蓝宝石、红宝石、金刚石)或用具有耐磨硬质表面的延性材料(如塑料、化学法镀金属的塑料、铜、镀硬铬的铜、黄铜、铝、钢、有硬化表面的钢、在金属和/或塑料上通过汽相物理沉积(PVD)或汽相化学沉积(CVD)例如氮化钛(TiN)或多晶金刚石制成的耐磨表面)制成。射流构件可以加工成整体式的或由多个部分组成，这些部分可以用不同的材料制成。此射流构件可以含有空腔、凹槽或通道结构。在空腔内可以设置例如用于过滤或防止蒸发的微型结构。这些通道可以是喷雾器喷嘴的喷嘴通道。喷雾器喷嘴可以含有一个或更多个喷嘴通道，它们的轴线可以互相平行或彼此相对倾斜地延伸。若例如存在两个其轴线处于一个平面内以及在喷嘴外部相交的喷嘴通道，则排出的流体射流在轴线的交会点彼此相遇以及使流体雾化。
夹具可以用几乎任意的材料制成，优选地采用金属或塑料，以及可以是一个旋转体或其他任何形状的机体。夹具可例如是罐状旋转体，它含有一个从其罩面出发旋转对称的凹槽，凹槽的轴线与旋转体的轴线重合。凹槽可以是圆柱形，或者可以是截锥形，其中，截锥体有较大直径的端部处于夹具的罩面。凹槽的外表面构成夹具的内轮廓。夹具可以设计为成形件、铸件或通过去除材料的加工(例如通过切削加工、酸洗、腐蚀、电解成形)制成。
相配件可以用金属或塑料制造。
含弹性材料成型件和射流构件的夹具与相配件组合。在这里，弹性材料成型件的具有有斜切面的那一侧面面朝相配件。夹具的边缘支承在相配件上。射流构件优选地可以在将弹性材料成型件装入到夹具的凹槽内之前被插入到弹性材料成型件内。夹具可以与相配件用螺钉连接、粘结、焊接、缩紧、浇注或借助压紧配合或卡锁封闭固定在相配件上。夹具优选地可以借助锁紧螺母固定在相配件上。
按优选的实施形式，相配件在它与夹具的连接区内设计为旋转体。通过在相配件内的一个例如同轴的通道，将处于高压状态的液体导向夹具。此液体进入到射流构件中的通道结构内，以及在射流构件处于夹具底部区内的低压侧从该射流构件中排出。流体压力在死容积内部作用在弹性材料成型件上。
按本发明的装置有下列优点：
-通过在夹具内侧上的环形凸起(组装好时弹性材料成型件被推移到该凸起的下方)，可以造成在弹性材料成型件内部的应力比在已知设计结构的夹具中的应力在空间上更加均匀地分布。
-除了通过成形件本身的材料特性外，在弹性材料成型件内部的应力还可以通过在相配件上的凸起体积与在无应力状态下的弹性材料成型件由于斜切缺少的容积之比来调整。
-射流构件沿其整个高度均被处于应力状态下的弹性材料成型件围绕。
-按照本发明的装置在长期使用时，在最大压力(40MPa和更高)与最小压力(约0.1MPa)之间巨大压差的交变压力负荷下均能压力密封。
-在已变形而处于内应力状态下的弹性材料成型件与相配件的面朝夹具那一侧之间的死容积可以保持得很小。此死容积同时还用于在夹具与相配件组装时的误差补偿。
-在夹具与相配件组装期间通过弹性材料成型件有控制地变形，避免弹性材料成型件通过射流构件中的口过度膨出。
按照本发明的射流构件夹紧装置例如应用于微型高压喷雾器中(例如按照WO91/12687)、无针注射器中(例如按照WO01/64268)或眼科药剂的给药器中(例如按照WO03/002045)。用这种器具给予的医疗液体可以含有溶解在溶剂内的药剂。例如水、乙醇或它们的混合物适用作为溶剂。用作药剂的例如是酚间羟异丙肾上腺素(Berotec、Fenoterol-Hydrobromid)、异丙托溴铵(Atrovent、Ipratropiumbromid)、酚间羟异丙肾上腺素与异丙托溴铵组合而成的异丙托溴铵-氢溴酸非诺特罗(Berodual)、沙丁胺醇(Salbutamol)或硫酸沙丁胺醇(Albuterol)、1-(3、5-dihydroxy-phenyl)-2-〔〔1-(4-hydroxy-benzyl)-ethyl〕-amino〕-ethanol-hydrobromid)、Combivent、Oxivent(Oxitropium-bromid)、Ba 679(Tiotropiumbromid)、BEA 2180(Di-(2-thienyl)tropenolester)、9-去氟肤轻松(Flunisolid)、布地缩松皮质激素(Budesonid)等。例如可参见WO 97/01329或WO 98/27959。
附图说明
下面借助附图进一步说明所述按照本发明的装置。
图1a表示设有凹槽的罐状夹具的截面斜视图；
图1b表示弹性材料成型件和长方六面体状射流构件的截面斜视图；
图1c表示相配件的截面斜视图；
图2表示相配件上的凸起的另一种设计形式的斜视图；
图3a、4a和5a表示弹性材料成型件的垂直视图；
图3b、4b和5b表示弹性材料成型件的截面；
图6表示所述组装好的夹紧装置的截面图；
图7a、7b和7c表示按照本发明的夹紧装置的正交截面；
图8a、8b和8c用正交的截面表示按照现有技术的设计。
具体实施方式
图1a表示设有凹槽(2)的罐状夹具(1)的截面斜视图。在夹具底部有一孔(3)。
图1b表示弹性材料成型件(4)和长方六面体状射流构件(5)的截面斜视图，射流构件(5)由两部分组成，以及它插入到弹性材料成型件中。在所述两部分的接触面内存在一直达到喷嘴口(6)的喷嘴结构。弹性材料成型件(4)的高压侧罩面在环形区(7)内垂直于该弹性材料成型件的轴线。弹性材料成型件的斜面(8)在弹性材料成型件的此罩面开始，一直延伸到射流构件的外表面。
图1c表示相配件(9)的截面斜视图，它有一个孔(10)以及在其面朝弹性材料成型件那一侧有一个环形凸起(11)。
图2表示相配件(21)上的凸起(11)的另一种设计形式的斜视图。在沿直径对置的两个区域(22a、22b)中的凸起(11)，比沿直径对置的两个区域(23a、23b)中的高。当夹具与相配件组装时，凸起(11)的较高区域(22a、22b)使弹性材料成型件的变形比较低区域(23a、23b)使弹性材料成型件的变形大。
图3a、4a和5a表示弹性材料成型件的垂直视图。图3b、4b和5b表示弹性材料成型件的截面。针对长方六面体状的射流构件，弹性材料成型件含有一个长方六面体形状的凹槽(31)。图3b所示的截面沿图3a中的线A-A延伸；线A-A垂直于凹槽(31)的较长侧面地延伸。图4b中的截面沿图4a中的线B-B延伸；线B-B垂直于凹槽(31)的较短侧面地延伸。图5b中的截面沿图5a中的线C-C延伸；线C-C沿凹槽(31)的对角线延伸。斜面(8)与凹槽(31)的交截线(32)在一个恒定的水平面上延伸。斜面(8)的斜角(从构件的主轴线测量)在图3b中最大以及在图5b中最小，在图4b中的斜角处于中间值。
图6表示所述组装好的夹紧装置的截面图，它安装在一个流体容器上。夹具(1)在其凹槽中含有一个带射流构件(5)的弹性材料成型件(4)。相配件(9)装在夹具的边缘上。在相配件(9)上的凸起(11)伸入到夹具(1)的凹槽内并使弹性材料成型件(4)变形。弹性材料成型件遭遇流体的那一侧(61)呈曲拱形，不过已变形的合成橡胶并没有一直到达射流构件内的喷嘴结构处。用点线(64a)和(64b)表示出有斜面的成形件(4)在夹紧装置组装前的轮廓。死容积(63)用于在夹紧装置组装时的误差补偿；它被减小到最小值。此夹紧装置用锁紧螺母(62)固定在相配件(9)和用于流体的外壳(65)上。
流体的流动方向用箭头表示。夹具的低压侧处于含有喷嘴口(6)的表面内。流体内的高压作用在射流构件(5)内部、死容积(63)内部、相配件(9)的孔(10)内部以及包容液体的外壳内部的通道结构中。
图7a、7b和7c表示按照本发明的夹紧装置的正交截面，以及作为对比，图8a、8b和8c用正交的截面表示按照现有技术的设计。
图7a表示按照本发明的夹紧装置组装前带有斜面的弹性材料成型件(4a)和一个已插入的射流构件(5)。弹性材料成型件在其外边缘处几乎与射流构件一样高，然而在凹槽内与射流构件的接触区较低。此弹性材料成型件尚未变形以及尚未处于内应力作用下。图7b表示插入环(71)后的状况，因此使弹性材料成型件变形以及在此弹性材料成型件内产生内应力。变形后的弹性材料成型件在射流构件旁大体到达其上棱边。弹性材料成型件的隆起几乎不超过射流构件的高度地伸出。图7c表示夹紧装置组装后已变形的弹性材料成型件。插入的凸起(11)使弹性材料成型件变形。在已变形的弹性材料成型件与相配件底部之间存在一个小的死容积(63)。
图8a表示所述按照现有技术的夹紧装置在组装前一个(没有斜面的)弹性材料成型件(74a)和一个插入的射流构件(5)。此弹性材料成型件低于射流构件。弹性材料成型件不变形和末处于内应力作用下。图8b表示装上一个环(71)后的状态，该环防止弹性材料成型件从夹具脱落或在夹具内部移动，然而它并不使弹性材料成型件变形。图8c表示在使用有一环形凸起(11)的相配件(9)组装夹紧装置后所述不变形的弹性材料成型件。在图8c中的死容积(75)大于图7c中的死容积(63)。
举例：按微型结构设计的喷雾器喷嘴的夹紧装置
此装置包括钢制的圆柱形夹具，它的外径为6.0mm和高度为2.6mm。它含有一个截锥形凹槽，在截锥形底部，凹槽的内径为4.0mm。夹具的底部有一个直径0.8mm的孔。夹具的底部在孔的周围厚0.4mm。
用硅酮橡胶制成的弹性材料成型件是圆柱形。此圆柱体在置入到夹具内之前直径为4.2mm以及其外表面高为2.1mm。它含有一个对称设置的凹槽，凹槽宽1.3mm和长2.8mm，它沿轴向穿过弹性材料成型件。
弹性材料成型件在其高压侧的端部朝凹槽的方向斜切。斜面从圆柱体的罩面内一个直径为3.2mm的圆开始。所述的斜面以不同的斜度朝矩形凹槽的方向一直延伸到与凹槽的交截线处的一恒定的0.7mm深度。
射流构件设计为喷雾器喷嘴。该喷嘴是一个由两块硅板组成的长方六面体，六面体宽1.4mm、长2.7mm和高2.1mm。在板的接触面内，喷嘴有一凹槽，它设有微型结构的过滤器和微型结构的蒸发装置。在喷嘴的流体在这里从喷嘴排出的那一侧，凹槽过渡到两个通道，通道分别宽8μm、深6μm和长约200μm。这两个通道的轴线处于一个平面内和彼此倾斜约90度。在喷雾器喷嘴的外侧上的两个喷嘴口彼此相隔约100μm的距离。
基本上圆柱形的相配件在其面朝夹具的那一侧设有环形凸起。凸起有外径为3.15mm、内径为2.9mm和有恒定的高度为0.6mm。此相配件具有一个直径0.4mm的轴向孔。
此装置借助锁紧螺母固定在相配件上。相配件是包容有要雾化的液体的容器的一个组成部分。液体借助微型高压活塞泵每次将约15微升的分量从容器向喷雾器喷嘴输送。
在喷雾器喷嘴内部的液体压力峰值约为65MPa(650bar)，以及在雾化结束后实际上降至正常的空气压力(约0.1MPa)。
Claims (10)
1.一种用于夹紧承受交变流体压力的射流构件的装置，其包括夹具(1)，所述射流构件(5)安装在该夹具内部以及所述夹具在射流构件(5)的低压侧与该射流构件接触，以及包括在射流构件整个圆周围绕该射流构件(5)的弹性材料成型件(4)，该弹性材料成型件(4)的外轮廓与夹具(1)的内轮廓相适配以及弹性材料成型件(4)的内轮廓与射流构件(5)的外轮廓相适配，并且此弹性材料成型件至少具有一个遭遇压力流体的自由表面，其特征在于，所述夹具在高压侧固定在一个相配件(9)上，其中，
-所述弹性材料成型件(4)在所述装置组装前，在其面朝流体压力的那一侧朝射流构件(5)的方向斜切，以及
-所述相配件(9)设有环形凸起(11)，相配件的外轮廓与夹具(1)的内轮廓相适配，以及在夹具(1)与相配件(9)组装后，所述凸起伸入到夹具(1)内以及使所述弹性材料成型件(4)变形，以及
-在所述相配件(9)上的凸起(11)的体积与所述弹性材料成型件(4)上在斜切区域缺失的体积相适配，以及
-在所述夹具(1)与相配件(9)组装后已变形的弹性材料成型件(4)几乎完全充填直至所述相配件(9)的容积。
2.按照权利要求1所述的装置，其中，
-所述弹性材料成型件(4)的斜切面与在该弹性材料成型件内的凹槽的交截曲线在一恒定的水平面上延伸。
3.按照权利要求1所述的装置，其中，
-所述相配件(9)上凸起(11)的轮廓与所述夹具的内轮廓相适配。
4.按照权利要求1所述的装置，其中，
-所述相配件(9)上的凸起(11)是环形的以及具有恒定的宽度和恒定的高度。
5.按照权利要求1所述的装置，其中，
-所述相配件(9)上的凸起(11)是环形的以及沿其圆周具有变换的宽度。
6.按照权利要求1所述的装置，其中，
-所述相配件(9)上的凸起(11)是环形的以及沿其圆周具有变换的高度。
7.一种按照权利要求1至6中任一项所述的用于夹紧射流构件(5)的装置的用途，用于雾化含医学活性物质的流体，所述射流构件(5)设计为微型高压喷雾器的喷雾嘴。
8.按照权利要求7所述装置的用途，用于将液体雾化为可引入肺内的气雾剂。
9.一种按照权利要求1至6中任一项所述的用于夹紧射流构件(5)的装置的用途，用于无针皮下注射含医学活性物质的流体，所述射流构件设计为微型无针注射器的注射喷嘴。
10.一种按照权利要求1至6中任一项所述的用于夹紧射流构件(5)的装置的用途，用于施加眼科药剂，所述射流构件设计为微型喷雾器的喷雾嘴。
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