ES2234572T3 - Piston compuesto para una bomba de vibracion. - Google Patents

Abstract

Pistón compuesto (30, 30a) para una bomba de vibración que comprende: una parte (32, 32a) que está hecha de material metálico ferromagnético limitada en extensión a la zona del pistón prevista para realizar la función motriz magnética, una parte (34, 34a) que está hecha de material no metálico y no ferromagnético y realiza la función de bombeo de dicho pistón, estando hecha la parte metálica (32, 32a) que realiza la función móvil magnética de acero inoxidable con buenas propiedades ferromagnéticas, caracterizado porque: la parte (34, 34a) que realiza la función de bombeo está hecha de un material plástico moldeado sobre la parte metálica (32, 32a) e introducida con una parte de ésta, que consiste en un hueco cilíndrico (36, 36a), en un taladro axial (40, 40a).

Description

Pistón compuesto para una bomba de vibración.

La presente invención se refiere a un pistón compuesto para bombas de vibración que comprende una parte motriz hecha de material ferromagnético y una parte de bombeo hecha de plástico y obtenida por medio de moldeo sobre una pieza intercalada de metal que forma la parte motriz de ésta.

Las bombas de vibración son componentes fundamentales que están muy extendidos en muchas aplicaciones y en diferentes sectores. En concreto, estas bombas son ampliamente usadas para alimentar las calderas de los aparatos electrodomésticos y, especialmente, las máquinas para preparar bebidas calientes por medio de infusión con polvos que contienen los ingredientes necesarios para la preparación de éstas, como por ejemplo, las máquinas para la preparación de café exprés y bebidas similares. El uso creciente de estas bombas de vibración está acompañado de la necesidad de una fiabilidad total obtenida a un coste cada vez menor.

Los esfuerzos iniciales para limitar el precio de estas bombas fueron dirigidos hacia la elección de los materiales que forman la estructura del cuerpo de bombeo y el aparato del electroimán y la optimización de su forma y tamaño para obtener partes cada vez más fiables y económicas. Por medio de un esfuerzo secundario, la investigación dirigida a obtener un mayor grado de automatización de las plantas de producción también ayudó a reducir los costes de producción.

En este punto, para reducir más los costes de producción, fue necesario modificar ciertos componentes que normalmente nunca son tomados en consideración porque ya son "al parecer" simples pero que, sin embargo, pueden ser todavía fuente de defectos en el producto terminal, aunque en un grado pequeño.

Uno de estos componentes es la bomba de pistón, que hasta ahora se ha hecho enteramente de material metálico por medio de mecanizado mecánico.

Hasta ahora, por sencillez, se consideraba que era concretamente económico y lógico construir el pistón de una bomba de vibración como una parte metálica única.

No obstante, al analizar los procedimientos usados para la fabricación de un pistón enteramente metálico y los requisitos que este pistón debe satisfacer, surgieron varios hechos que, al parecer, no habían salido a la luz:

1. En una bomba de vibración tradicional el pistón está sumergido en el líquido que se ha de bombear, de ahí la necesidad de una eficiencia magnética elevada y una elevada resistencia a la corrosión. Desgraciadamente, estas dos características son directamente opuestas, ya que los materiales metálicos, que tienen una resistencia a la corrosión excelente, están desprovistos de propiedades ferromagnéticas mientras que, por otro lado, los materiales que tienen excelentes propiedades ferromagnéticas y, por lo tanto, una eficiencia magnética elevada, tienen una resistencia a la corrosión reducida. En resumen, ha sido necesario adoptar soluciones de compromiso que, no obstante, están fuertemente sesgadas bien hacia una resistencia a la corrosión elevada, con malas propiedades ferromagnéticas, o bien hacia buenas propiedades ferromagnéticas, con una resistencia a la corrosión reducida. Recientes investigaciones han producido, en efecto, materiales concretos que proporcionan un equilibrio excelente, asegurando una elevada resistencia a la corrosión y buenas propiedades ferromagnéticas, aun cuando este material no ha podido eliminar la aparición de problemas que, en este caso, son de carácter mecánico.

2. Como una alternativa al pistón mecánico sumergido en el líquido bombeado, se pensó en proporcionar bombas en las que la porción electromagnética está separada de la porción de bombeo. No obstante, una solución de este tipo implica la necesidad de construir bobinas que contienen una gran cantidad de alambre de cobre, cuyo coste es extremadamente elevado o, de forma alternativa, construir bombas con un rendimiento inferior, en concreto con presiones de funcionamiento elevadas, que puede que no siempre sea satisfactorio.

3. La bomba de vibración tradicional comprende un pistón que debe realizar varias funciones:

-

tiene que convertir la fuerza, debida al campo magnético de la bobina, en movimiento;

-

debe proporcionar un cierre hermético hidráulico, durante la carrera, con el cilindro del cuerpo de la bomba;

-

debe asegurar el cierre hermético dinámico de la válvula de admisión; y

-

debe permitir la salida de líquido a la cámara que precede a la cámara de presión.

Para realizar correctamente todas estas funciones, el pistón debe estar fabricado según un estándar aceptable industrialmente con tolerancias muy pequeñas en términos de acabado, tamaño y forma geométrica. Las tolerancias dimensionales son, por consiguiente, extremadamente importantes e influyen negativamente en el coste de producción, en el sentido de que tolerancias mayores producen un número mayor de componentes de rechazo que no son perfectamente válidos y tolerancias menores son sólo posibles con el coste de más operaciones de mecanizado, que aumentan los costes de producción. No obstante, las partes así fabricadas no pueden garantizar totalmente la calidad global porque los puntos críticos se obtienen por medio de la retirada de rasurados en máquinas herramientas automáticas a las que se requiere que produzcan millones de partes al año. En este caso, cualquier imprecisión de mecanizado o la presencia de rebabas o acabados imperfectos hacen que sea difícil garantizar una calidad del 100%, que sólo se puede obtener por medio de costosos y rigurosos procedimientos de verificación durante la etapa de preensamblaje.

En la técnica anterior, el documento EP-A-0288216 describe y reivindica una bomba de fluido eléctrica que usa una parte ancha, que consiste en una pieza ferromagnética que funciona como porción de la bomba movida por el campo magnético de una bobina de solenoide, y una parte reducida, que consiste en un material no magnético (como, por ejemplo, plástico o un metal no magnético) que funciona como un pistón de bomba e introducida en un taladro central de la parte ancha y sujeta allí doblando hacia dentro un borde provisto en un extremo de la parte ancha.

Un objeto de la presente invención es el de producir este pistón de una manera directa y económica usando un simple procedimiento de mecanizado directo que excluya las operaciones de acabado para las partes que ya han sido mecanizadas.

Los objetos mencionados anteriormente se logran mediante un pistón según la presente invención que comprende una parte que está hecha de material metálico ferromagnético, limitada en extensión a la zona del pistón prevista para realizar la función motriz magnética, y una parte que está hecha de material no metálico y no ferromagnético y realiza la función de bombeo del mismo pistón,

estando hecha la parte metálica que realiza la función móvil magnética de acero inoxidable con buenas propiedades ferromagnéticas, caracterizado porque:

la parte que realiza la función de bombeo está hecha de un material plástico moldeado sobre la parte metálica e introducida con una parte de ésta, que consiste en un hueco cilíndrico, en un taladro axial.

Al parecer, en la técnica anterior, el uso de materiales distintos al metal fue rechazado porque la acción mecánica de un cierre hermético radial con presiones de funcionamiento elevadas causaba un desgaste significativo en el caso del acero inoxidable, de modo que surgió la duda lógica de que cualquier material plástico habría sido sometido a desgaste incluso mayor y, además, el conjunto mecánico de la parte motriz magnética metálica con la parte plástica, como se describe en el documento EP-A-0288216, al parecer requería sistemas costosos para corregir cualquier holgura y asegurar la precisión y el necesario control de calidad.

No obstante, se descubrió que, si la temperatura del agua que se había de bombear permanecía próxima a la temperatura ambiente (de 15 a 25ºC), permaneciendo las temperaturas máximas del pistón entre 50 y 60ºC, no habría una dificultad concreta para usar materiales termoplásticos, que contengan posiblemente una carga de refuerzo, como, por ejemplo, poliamidas (nailon) reforzadas con fibras de vidrio, cuarzo molido, sílice ahumada, tierra diatomácea o similares, obteniéndose el pistón por medio de moldeo del material termoplástico sobre una pieza intercalada de acero inoxidable del tipo ferromagnético. Un ejemplo práctico de un material termoplástico económico adecuado y comercializado libremente podría ser el nailon 6,6 que contiene el 30% de fibras de vidrio.

Obviamente, debido a una cierta tendencia del nailon 6,6 a absorber agua -aunque en pequeñas cantidades-, esto limitaría la vida útil del pistón, aunque a periodos temporales de una duración tal que dejaría obsoleto el dispositivo en el que se instaló una bomba de vibración que contenga dicho pistón.

Además, si hubiera una necesidad absoluta de fiabilidad total de la bomba que se ha a obtener usando materiales termoplásticos que no están sometidos a los inconvenientes del nailon 6,6 mencionado, es posible encontrar en el mercado materiales termoplásticos, como, por ejemplo, oxi-1,4-fenileno-oxi-1,4-fenileno-carbonilo-1,4-fenileno, producido y comercializado por Vitrex Plc en Thorton Cleveleys, Lancashire, Reino Unido, con la marca Peek®, material que es resistente a temperaturas mucho mayores que las que pueden ser resistidas por el nailon 6,6 y no tiene sustancialmente nada de absorción de agua.

Las características del pistón compuesto según la presente invención se ilustran a continuación.

El pistón, como ya se ha mencionado, está formado por una parte metálica y por una parte plástica.

La parte metálica es un cilindro hueco simple y económico que está desprovisto esencialmente de defectos que puedan afectar negativamente al funcionamiento de la bomba. Su forma geométrica y su tamaño son adecuados para proporcionar la fuerza motriz magnética. La parte interna está conformada para formar una porción que asegure una sujeción mecánica segura al material termoplástico que es moldeado posteriormente encima de ésta. En concreto:

- como en la versión tradicional, también en esta versión las tolerancias del diámetro externo están aseguradas mediante el estirado de barras de acero que, por consiguiente, no tienen que ser mecanizadas usando una máquina herramienta de ningún tipo;

- la única dimensión que debe permanecer dentro de los valores de tolerancia es la longitud de la parte para asegurar el cierre hermético del molde usado para la inyección del material termoplástico, siendo esta dimensión, no obstante, fácil de obtener y de controlar;

- el grado de acabado de la parte interna del orificio ya no tiene ninguna importancia porque este último se puede recubrir con resina termoplástica; por el contrario, un acabado inferior puede favorecer la fijación de la resina a dicha pared. En los pistones tradicionales que están hechos enteramente de acero inoxidable, además del orificio interno, el orificio transversal para la salida de líquido a la cámara que precede a la cámara de presión requiere un acabado óptimo sin rebabas, porque:

- un acabado inadecuado favorece la oxidación superficial y la dispersión de los óxidos en el líquido de bombeo (se debe recordar que los óxidos de hierro, aun cuando no representan ningún daño para la salud, son desagradables estéticamente debido a su color algo oscuro e intenso y pueden proporcionar a las bebidas un resabio desagradable);

- las posibles rebabas del mecanizado podrían soltarse durante la operación, entrando en contacto con las válvulas de sellado y afectando negativamente al funcionamiento de éstas.

La parte plástica forma la estructura funcional del pistón, sustituyendo las partes más críticas y delicadas de éste que, en el caso de un pistón enteramente metálico, siendo obtenido por medio de operaciones de mecanizado mecánico, pueden tener los defectos siguientes:

a) En el asiento de la válvula de admisión:

-

defectos geométricos, como, por ejemplo, ovalización o excentricidad;

-

grado de acabado insuficiente;

-

rebabas;

-

residuo de polvo metálico del mecanizado.

Estos defectos producen los inconvenientes de un cierre hermético imperfecto, funcionamiento irregular y rendimiento inadecuado.

Durante el funcionamiento, puede haber también el riesgo de un asiento imperfecto de la válvula causado por depósitos calcáreos o detergentes que son usados cuando la bomba ha sido dejada medio vacía e inactiva durante periodos largos, produciendo el agarrotamiento de la válvula y el funcionamiento defectuoso de la bomba.

Todos los defectos mencionados son eliminados mediante un asiento de la válvula plástico.

b) En el diámetro del miembro de presión, los defectos en el acabado y tamaño y tolerancia del diámetro producen un cierre hermético imperfecto, funcionamiento irregular y rendimiento inferior.

c) En la cámara que precede a la cámara de presión para la salida del líquido, los defectos que consisten en rebabas entre el orificio transversal y el orificio longitudinal y un acabado inadecuado producen la posibilidad de que dichas rebabas se suelten y se agarroten o queden atrapadas dentro del asiento de la válvula, la cual, por consiguiente, pierde su capacidad de sellado, mientras que un acabado inferior produce la exposición potencial a la oxidación.

Todos los defectos mencionados son eliminados mediante una porción hecha de plástico.

Se debe señalar que, incluso si se usara oxi-1,4-fenileno-oxi-1,4-fenileno-carbonilo-1,4-fenileno (Peek®) como plástico, material que tiene un coste, para el mismo peso, aproximadamente 38 veces mayor que el del acero inoxidable, se logra un ahorro considerable igual a entre el 40 y el 60% del coste de un pistón que esté hecho enteramente de acero inoxidable, ya que, si se hiciera un pistón tradicional enteramente de acero inoxidable, considerando que es necesario tener inicialmente un producto de acero semiacabado con una longitud igual a la del pistón entero (es decir, parte motriz magnética más parte de compresión), serían necesarios 75 g de acero inoxidable y costes de mecanizado elevados para obtener la parte mecanizada usando una máquina herramienta de husillos múltiples. Por otro lado, si se hiciera un pistón compuesto según la presente invención, no se usaría ni la mitad del producto semiacabado de acero inoxidable en peso, sería necesaria una fracción mecanizada despreciable del acero usado y el resto del pistón de plástico se obtendría por medio de una operación de moldeo simple sin más mecanizado, ya que la parte plástica, una vez moldeada, está completamente acabada. Al menos, el coste de un pistón compuesto según la presente invención, comparado con un pistón tradicional, sería del orden de entre el 40 y el 60% de éste.

Si consideramos los aspectos positivos mencionados, la ventaja de proporcionar pistones para bombas de vibración con una parte motriz magnética hecha de acero inoxidable y una parte de compresión hecha de plástico es obvia.

Las características de la presente invención se resumirán en concreto en las reivindicaciones que forman la parte concluyente de la presente descripción. Otras características y ventajas surgirán, no obstante, a partir de la descripción detallada de una forma de realización de la invención, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

Figura 1 es una vista lateral en sección transversal de un pistón de bomba de vibración tradicional hecho enteramente de material metálico según la técnica anterior;

Figura 2 es una vista lateral en sección transversal de una primera forma de realización de un pistón compuesto para una bomba de vibración, según la presente invención;

Figura 3 es una vista en planta desde arriba de un pistón compuesto según la presente invención ilustrado en la Figura 2;

Figura 4 es una vista en sección en despiece ordenado del pistón compuesto según la presente invención, que ilustra en concreto el componente metálico y el componente plástico de dicho pistón; y

Figura 5 es una vista lateral en sección transversal de una segunda forma de realización simplificada de un pistón compuesto para una bomba de vibración según la presente invención.

Si consideramos la Figura 1 que ilustra el pistón tradicional de la técnica anterior, que está hecho enteramente de acero inoxidable, se puede ver que un pistón tradicional 10 comprende una parte motriz magnética ancha 12 y un cuello estrecho 14 que actúa como el verdadero pistón de bomba. La parte motriz magnética 12 tiene un orificio pasante 16 con la función de permitir que un líquido se eleve dentro del pistón cuando es aspirado dentro del solenoide para accionar la bomba. El cuello estrecho 14 actúa como miembro de compresión cada vez que el pistón es liberado por el campo magnético producido por el solenoide de la bomba de vibración. Para este fin, el cuello 14 tiene una abertura 18 acabada en la parte superior en un asiento de la válvula 20. La parte superior de la abertura 16 de la parte móvil magnética 12 tiene, pasando a través de ésta, un orificio transversal 22 para permitir la compensación de la presión dentro de una cámara para el deslizamiento de dicho pistón. Este es el pistón tradicional de la técnica anterior con los inconvenientes descritos anteriormente.

Consideremos ahora las Figuras 2 a 4 que muestran una vista en sección transversal y desde un extremo de una primera forma de realización de un pistón según la presente invención.

Según las Figuras 2 a 4, un pistón 30 según la presente invención consiste en un núcleo 32 de material ferromagnético resistente a la corrosión, como, por ejemplo, acero inoxidable ferromagnético, encima del cual está montado un pistón 34 hecho de material termoplástico que puede estar moldeado por inyección y que está formado dentro del núcleo 32 como un hueco cilíndrico 36 de material termoplástico moldeado (véase en concreto la Figura 4).

Considerando todavía las Figuras 2 a 4, se puede ver que el hueco 36 de material termoplástico está formado por una parte inferior 36 que se extiende dentro de un orificio axial 40 que pasa a través del núcleo 32 y está provisto de un borde inferior 41 vuelto del revés y un cuello saliente 42 que está alojado dentro de una cavidad circunferencial 44 que rodea al orificio axial 40. Más allá del cuello 42, el hueco 36 continúa como una porción cilíndrica 46 que ocupa un orificio pasante 48 alineado axialmente con el orificio 40 de dicho núcleo 32. La porción cilíndrica 46 continúa, a su vez, con uno o más resaltos 50 que conectan la parte inferior 38 con el pistón 34.

La parte inferior 38 y el pistón 34 tienen, respectivamente, pasando a través de ellos, los orificios cilíndricos alineados axialmente 52 y 54 que están conectados entre sí, terminando el orificio 54 en un asiento de válvula 56. Los resaltos 50 se alternan con las aberturas 58 para asegurar la misma función que el orificio transversal 22 del pistón tradicional según la Figura 1.

Es obvio, a partir de las Figuras 3 y 4, que el hueco 36 de material termoplástico, estando moldeado dentro del núcleo 32, nunca podrá moverse o, en cualquier caso, soltarse de dicho núcleo, de modo que el pistón compuesto 30 actuará siempre como una pieza única.

Consideremos ahora la Figura 5, que muestra una segunda forma de realización -decididamente más simple- de un pistón 30a según la presente invención. Según esta forma de realización, el pistón 30a consiste en un núcleo 32a de material inoxidable y ferromagnético que tiene, montado encima de éste, un pistón 34a que está hecho de material termoplástico y puede estar moldeado por inyección y que está formado dentro del núcleo 32a como un hueco 36a de material termoplástico.

El hueco 36a está formado por una parte inferior 38a que se extiende dentro de la parte superior de un orificio axial 40a que pasa a través del orificio 32a y está provisto de un cuello saliente 42a que se acopla dentro de una cavidad rebajada correspondiente presente en las paredes del orificio axial 40a. Además del cuello 42a, la parte inferior 38a termina en uno o más resaltos 50a que conectan la parte inferior 38a con el pistón 34a.

La parte inferior 38a y el pistón 34a tienen, respectivamente, pasando a través de ellos, los orificios cilíndricos alineados axialmente 52a y 54a, que están conectados entre sí, terminando el orificio 54a en un asiento de la válvula 56a. Los resaltos 50a se alternan con las aberturas 58a para asegurar la misma función que el orificio transversal 22 del pistón tradicional según la Figura 1.

Es obvio, a partir de la Figura 5, que el hueco 36a de material termoplástico, estando moldeado dentro del núcleo 32a y mantenido fijo mediante el cuello saliente 42a y alienado precisamente con dicho núcleo 32a, nunca podrá moverse o, en cualquier caso, soltarse de dicho núcleo 32a, ya que el núcleo 32a y el pistón 34a se mueven en cavidades cilíndricas alineadas precisamente, de modo que el pistón compuesto 30a actuará siempre como una pieza única.

La descripción anterior ilustra dos formas de realización de un pistón compuesto para una bomba de vibración según la presente invención, que no se han de considerar como limitantes en modo alguno. En efecto, a las personas expertas en esta materia concreta se les pueden ocurrir variaciones lógicas y equivalentes y se han de considerar comprendidas aquí, como se define mediante las reivindicaciones adjuntas.

Claims (16)

1. Pistón compuesto (30, 30a) para una bomba de vibración que comprende:

una parte (32, 32a) que está hecha de material metálico ferromagnético limitada en extensión a la zona del pistón prevista para realizar la función motriz magnética,

una parte (34, 34a) que está hecha de material no metálico y no ferromagnético y realiza la función de bombeo de dicho pistón,

estando hecha la parte metálica (32, 32a) que realiza la función móvil magnética de acero inoxidable con buenas propiedades ferromagnéticas, caracterizado porque:

la parte (34, 34a) que realiza la función de bombeo está hecha de un material plástico moldeado sobre la parte metálica (32, 32a) e introducida con una parte de ésta, que consiste en un hueco cilíndrico (36, 36a), en un taladro axial (40, 40a).

2. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 1, caracterizado porque la parte (36) está hecha usando una resina termoplástica.

3. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 2, caracterizado porque la parte (36) está hecha usando una resina poliamídica.

4. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 3, caracterizado porque la resina poliamídica es Nylon 6,6.

5. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 4, caracterizado porque el Nylon 6,6 contiene una carga de refuerzo.

6. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 5, caracterizado porque la carga de refuerzo consiste en fibra de vidrio.

7. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 5, caracterizado porque la carga de refuerzo consiste en cuarzo molido.

8. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 5, caracterizado porque la carga de refuerzo consiste en sílice ahumada.

9. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 5, caracterizado porque la carga de refuerzo consiste en tierra diatomácea.

10. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 5, caracterizado porque la carga de refuerzo consiste en 30% de fibras de vidrio.

11. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 2, caracterizado porque la parte (36) hecha de plástico está hecha usando una resina de oxi-1,4-fenileno-oxi-1,4-fenileno-carbonilo-1,4-fenileno.

12. Pistón compuesto para una bomba de vibración según las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la parte metálica (32) consiste en una pieza cilíndrica que tiene, pasando a través de ésta, un primer orificio axial (40) provisto de una cavidad circunferencial (44) y que continúa con un segundo orificio pasante (48).

13. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 12, caracterizado porque la parte (36) hecha de plástico es un hueco cilíndrico formado por una parte inferior (38) que está moldeada dentro del orificio axial (40) de la parte metálica (32) y está provista de un borde inferior (41) vuelto del revés que descansa contra un lado inferior de la parte metálica (32), un cuello saliente (42) que está alojado dentro de una cavidad circunferencial (44) de dicha parte metálica (32) y al menos un resalto (50) que conecta la parte inferior (38) con un pistón (34).

14. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 13, caracterizado porque la parte (36) hecha de plástico tiene una parte inferior (38) con, pasando a través de ésta, un orificio axial (52) que se abre en aberturas laterales (58) que se alternan con los resaltos (50) y el pistón (34) tiene, pasando a través de éste, un orificio axial (54) alineado con el orificio axial (52) en la parte inferior (38) y que termina en un asiento de válvula (56).

15. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 1, caracterizado porque la parte (36a) hecha de plástico es un hueco cilíndrico formado por una parte inferior (38a) que está moldeada dentro del orificio axial (40a) de la parte metálica (32a) y está provista de un cuello saliente (42a) que está alojado en una cavidad circunferencial correspondiente en dicha parte metálica (32a) y con al menos un resalto (50a) que conecta la parte inferior (38a) con un pistón (34a).

16. Pistón compuesto para una bomba de vibración según la Reivindicación 15, caracterizado porque la parte (36a) hecha de plástico tiene una parte inferior (38a) con, pasando a través de ésta, un orificio axial (52a) que se abre en aberturas laterales (58a) que se alternan con los resaltos (50a) y el pistón (54a) tiene, pasando a través de éste, un orificio axial (54a) alineado con el orificio axial (52a) de la parte inferior (38a) y que termina en un asiento de válvula (56a).