ES2246807T3 - Bomba con orificio conico. - Google Patents
Bomba con orificio conico.Info
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Abstract
Bomba de gas o vapor que comprende un pistón (4) alojado por deslizamiento en un orificio (2) de una carcasa (1), caracterizada en que el pistón es compresible y el área en sección transversal del orificio (2) disminuye hacia una salida (3) de la bomba, quedando dispuesto el pistón (4) para permanecer en contacto estanco con la superficie del orificio (2) por toda la carrera del pistón.
Description
Bomba con orificio cónico.
La invención se refiere a bombas para gases o
vapores de accionamiento manual o mecánico. Un ejemplo particular
de una bomba de accionamiento manual es un inflador de
bicicleta.
Las bombas para gases o vapores son bien
conocidas en una gran variedad de aplicaciones. Comprenden, en
esencia, una carcasa cilíndrica que aloja un pistón. El pistón se
dispone estanco con la superficie interior del cilindro. El avance
del pistón desde un extremo del cilindro hacia el otro comprime el
gas o vapor delante del pistón hasta que, cuando se alcanza una
determinada presión, el gas o el vapor sale a través de una salida
de la bomba, hacia el receptáculo deseado, por ejemplo el neumático
de la bicicleta. A medida que la presión en el otro lado de la
salida aumenta, la fuerza requerida para desplazar el pistón
aumenta.
Esto es evidente cuando se utiliza un inflador de
bicicleta, ya que el esfuerzo requerido para accionar la bomba
aumenta significativamente a medida que se alcanza el nivel de
presión deseada del neumático.
Si la bomba es un componente de un dispositivo
mecánico, y el pistón es de accionamiento mecánico, por ejemplo, en
motores o maquinaria pesada, las implicaciones en el diseño de la
máquina son importantes. La fuerza aplicada, y por consiguiente la
resistencia del mecanismo de accionamiento, debe ser, en conjunto,
suficiente para proporcionar y resistir la máxima fuerza requerida
para mover el pistón.
En la solicitud de patente británica 2070731 se
describen bombas de suministro de líquidos que tienen un cuerpo de
plástico rígido con un orificio interior cónico. Sin embargo, en
este caso, la conicidad está destinada a ayudar en el proceso de
moldeo utilizado para producir la bomba y se mantiene en un
mínimo.
La patente británica 1452867 describe un
dispositivo para la transferencia de fluido que está destinado a
ser funcionar a altas temperaturas. El orificio del cilindro, en
ese caso, se va modificando progresivamente a lo largo de la
carcasa para así compensar las deformaciones de la carcasa o del
pistón en las elevadas presiones que se dan. De este modo, en
funcionamiento, la sección transversal del cilindro permanece
constante en toda su longi-
tud.
tud.
La Patente americana 4.997.420 describe unos
dispositivos de suministro de fármacos que funcionan de manera
automática bajo la influencia de un muelle. El orificio del
dispositivo se va estrechando hacia el exterior hacia el extremo de
la salida para reducir el rozamiento del pistón contra las paredes
laterales del dispositivo para compensar la fuerza de reducción
ejercida por el muelle.
La Patente americana 4524877 describe un aparato
de presurización y cierre para recipientes de bebidas carbonatadas
que incluye un pistón en el interior de un cilindro con un orificio
inclinado que forma una zona con relieve, permitiendo que el aire
entre en el cilindro cuando el pistón se encuentra en esa parte de
la zona con relieve.
La patente GB 997.662 describe unos
infladores.
Ninguna de las bombas afronta el problema del
nivel de fuerza requerido para mover el pistón.
De acuerdo con la presente invención, se dispone
una bomba de gas o vapor que comprende un pistón alojado por
deslizamiento en un orificio de una carcasa caracterizada en que el
pistón es compresible y el área en sección transversal del orificio
disminuye hacia una salida de la bomba, quedando dispuesto el
pistón para permanecer en contacto estanco con la superficie del
orificio por toda la carrera del pistón.
La fuerza necesaria para mover el pistón no es
sólo directamente proporcional a la presión que ha de superarse,
sino también al área sobre la cual actúa la presión. Reduciendo el
área sobre la cual tiene que trabajar el pistón, la fuerza
requerida disminuirá a medida que el pistón podrá vencer mejor la
presión.
Adecuadamente, la disminución del área en sección
transversal del orificio y el pistón es tal que reduce la fuerza
requerida para mover el pistón en comparación con una bomba
cilíndrica de volumen y longitud similar en una magnitud
significativa, por ejemplo por lo menos un 30%, y preferiblemente
por lo menos un 50%.
La relación entre área en sección transversal del
orificio en la zona de la salida del carcasa y el área en sección
transversal en el extremo opuesto de la carcasa se encontraría
adecuadamente en el intervalo entre 1 : 1,2 y 1 : 25,
preferiblemente entre 1 : 2,5 y 1 : 5, y más preferiblemente de
aproximadamente 1 : 3. Por ejemplo, si el orificio es de sección
transversal circular, la relación entre el diámetro del orificio a
la salida y el diámetro en el extremo opuesto de la carcasa se
encuentra en el intervalo entre 1 : 1,1 y 1 : 5, preferiblemente
entre 1 : 1,5 y 1 : 3.
Sin embargo, el orificio, y de manera similar la
carcasa, puede presentar una sección transversal de distintas
formas incluyendo formas poligonales, tales como cuadrada,
triangular, hexagonal u octagonal.
Adecuadamente, el orificio de la carcasa se
estrecha hacia abajo hacia la salida, formando así una forma
substancialmente troncocónica en la que el orificio presenta una
sección transversal circular en toda su longitud. Sin embargo,
pueden emplearse también otras formas tales como superficies curvas
o perfiladas.
La carcasa puede fabricarse en metal, tal como
acero o aluminio, o de plástico en función de la finalidad para la
cual se emplee la bomba.
El pistón compresible comprende una estructura
deformable, adecuadamente de material elastómero o caucho. El
elastómero puede ser una espuma impermeable sintética tal como
poliuretano, neopreno o EPDM. Un material particularmente preferido
se comercializa bajo el nombre comercial de Dynathane®, por
Hyperblast, Brich Vale, Stockport UK, o Polyurethane Products
Limited (PPL), UK. Los materiales con tales propiedades y que
pueden comprimirse en la magnitud necesaria para permitir el
funcionamiento de la bomba de la invención son conocidos, o pueden
producirse empleando procedimientos convencionales en la técnica de
ciencia de materiales.
El pistón puede presentar una forma apropiada
para facilitar la compresión. Una forma particularmente preferida
es en forma de copa, en la que el reborde de la copa se encuentra en
contacto estanco con el orificio. Adecuadamente, el émbolo se
encuentra unido a la base de la copa de manera que el reborde
avanza primero a través del orificio.
En otra realización, el pistón puede ir provisto
de una arandela anular compresible dispuesta para quedar en
contacto con la superficie interior de la carcasa y deformarse a
medida que el pistón avanza a través del orificio, permitiendo que
permanezca en contacto estanco con la superficie del orificio en
toda la carrera del pistón.
Otras estructuras deformables que pueden
utilizarse como pistón incluyen unas bolsas llenas de fluido que
contienen fluido suficiente para asegurar que el pistón permanezca
en contacto estanco en el punto más ancho del orificio, pero que
puedan alargarse durante la carrera del pistón.
En una realización preferida, se disponen medios
para asegurar que el pistón permanezca centrado axialmente en el
interior de la carcasa en toda su carrera. Estos medios pueden
tener forma de guía dispuesta detrás del pistón en el émbolo. Las
guías adecuadas tendrán por lo menos dos elementos semirígidos, por
ejemplo de material plástico o metal, acoplados o montados en el
émbolo de manera que sobresalgan hacia afuera hacia la superficie
interior del orificio. Los elementos tienen la misma longitud y
están inclinados adecuadamente de modo que sobresalen fuera de la
salida de la carcasa. Podrán girar alrededor del extremo que es
adyacente al émbolo para permitir que se desvíen a medida que se
desplace el émbolo a lo largo de la carcasa para así dar cabida al
área en sección transversal decreciente del orificio. La desviación
de cada elemento será similar y, de este modo, el émbolo se
mantendrá en una posición central en toda la carrera.
Preferiblemente, se dispondrán por lo menos
cuatro de dichos elementos y preferiblemente 8 elementos. Éstos
quedan separados apropiadamente a distancias iguales alrededor del
émbolo.
Alternativamente o adicionalmente, la carcasa
puede ir provista de un casquillo rígido, en la zona en la que el
émbolo entra en la carcasa. El casquillo puede sobresalir hacia
adentro o hacia afuera de la carcasa, preferiblemente hacia
adentro, y se dispone para alojar por deslizamiento al émbolo a lo
largo de parte de su longitud de modo que mantenga una trayectoria
axial a través de la carcasa.
La invención resulta particularmente apropiada
para su uso en bombas de gas tales como infladores de bicicleta de
accionamiento manual, si bien otras bombas de gas o vapor, tal como
se comprenden en la técnica, pueden hacer uso de la invención. En
particular, la invención puede utilizarse para bombas que sean de
accionamiento mecánico, tal como las que se encuentran en motores o
en maquinaria industrial.
El grado de reducción en la fuerza que se puede
conseguir utilizando la bomba de la invención en comparación con
una bomba cilíndrica depende de la reducción del área en sección
transversal y las demás dimensiones de la bomba. Puede calcularse
matemáticamente.
Por ejemplo, el cilindro de un inflador de
bicicleta típico tiene una carrera de 35 cm y el volumen de gas o
vapor que se desplaza durante una carrera es del orden de 110 cc.
Las reducciones esperadas en la fuerza requerida pueden calcularse
en comparación con una bomba cilíndrica convencional en función del
área en sección transversal final. Éstas se exponen en la Tabla
1.
| Relación | Fuerza | Área final | Radio final | Área inicial | Radio inicial | Semi-ángulo | Fig | Relación |
| entre el | del | del pistón | del pistón | del pistón | del pistón | de conicidad | entre | |
| área del | pistón | (cm^{2}) | (cm) | (cm) | (cm) | (grados) | diámetro | |
| pistón | final | inicial y | ||||||
| inicial y | como | final | ||||||
| el área | fracción | |||||||
| del | de | |||||||
| pistón | bomba | |||||||
| final | de | |||||||
| orificios | ||||||||
| paralelos | ||||||||
| de radio | ||||||||
| = 1 | ||||||||
| 1 | 1 | 3,142 | 1 | 3,142 | 1 | 0 | 1 | |
| 1,906 | 0,7 | 2,199 | 0,837 | 4,192 | 1,155 | 0,521 | 1,38 | |
| 2,437 | 0,6 | 1,885 | 0,775 | 4,593 | 1,209 | 0,71 | 1,56 | |
| 3,211 | 0,5 | 1,571 | 0,707 | 5,044 | 1,267 | 0,917 | 1 | 1,792 |
| 4,402 | 0,4 | 1,257 | 0,633 | 5,533 | 1,327 | 1,136 | 4a | 2,096 |
| 6,456 | 0,3 | 0,943 | 0,548 | 6,088 | 1,392 | 1,381 | 4b | 2,54 |
| 10,737 | 0,2 | 0,628 | 0,447 | 6,743 | 1,465 | 1,666 | 4c | 3,277 |
| 24,102 | 0,1 | 0,314 | 0,316 | 7,568 | 1,552 | 2,023 | 4d | 4,911 |
Puede apreciarse que incluso un grado de
conicidad moderado puede llevar a una reducción importante de la
fuerza máxima. Adecuadamente, las bombas de la invención se
diseñarán de manera que la reducción de la fuerza sea de por lo
menos un 30%, preferiblemente de por lo menos un 40% y más
preferiblemente del orden de un 50%, en comparación con una bomba
de orificios paralelos de tamaño similar.
Otro aspecto de la invención lo forman
procedimientos de suministro de gas o vapor utilizando la bomba
descrita.
La invención se describirá ahora particularmente
a modo de ejemplo con referencia a los dibujos esquemáticos que se
acompañan, en los cuales:
La figura 1 es una sección a través de una bomba
de la invención;
La figura 2 es una vista frontal ampliada de un
pistón para su uso en la bomba de la invención;
La figura 3 es una vista frontal ampliada de una
guía que puede utilizarse en la bomba de la invención; y
La figura 4 muestra esquemáticamente las
proporciones de una carcasa que requeriría, en un inflador de
bicicleta típico, una fracción de sólo 0,4 (figura 4a), 0,3 (figura
4b), 0,2 (figura 4c) y 0,1 (figura 4d) de la fuerza requerida en
una bomba cilíndrica convencional.
En la figura 1, una carcasa 1 está dotada de un
orificio interior 2 que se estrecha hacia abajo hacia una salida 3.
En el interior del orificio 2 se aloja un pistón compresible 4. En
líneas generales, el pistón 4, que puede estar fabricado en un
elastómero deformable o en un material de caucho tiene forma de
copa con una base circular plana 5 y una pared lateral anular
inclinada 6 (figura 2). Una parte del borde de la pared lateral 6 se
encuentra en contacto estanco con la superficie interior del
orificio 2 (figura 1).
Un émbolo 7 queda acoplado a la base 5 del pistón
4. El émbolo entra en la carcasa 1 a través de una abertura en una
pared frontal 8 de la carcasa 1. En el émbolo 7 se dispone una guía
9, por detrás del pistón 2. La guía comprende una serie elementos o
garras que se proyectan hacia afuera 10 los cuales presentan la
misma longitud y están montados a distancias iguales alrededor de
un anillo 11 que rodea el émbolo 7 (figura 3). Las garras 10 son
empujadas de manera que sus zonas extremas hacen contacto con la
superficie interior del orificio 2.
En la abertura 8 se dispone un casquillo 12 el
cual sobresale axialmente. El émbolo 7 atraviesa el casquillo 12.
En el extremo del émbolo 7 se dispone un mango 13, para accionar la
bomba.
La aplicación de fuerza al émbolo 7 desplaza el
pistón 4 debajo del orificio 2, obligando al gas o al vapor a pasar
bajo presión a través de la salida 3. A medida que el pistón 4
avanza en su carrera, éste llega a comprimirse como resultado del
tamaño decreciente de la sección transversal del orificio 2. La
pared lateral 6 del pistón 4 se deforma interiormente como resultado
de la acción de estrangulamiento del orificio 2.
La garras 10 de la guía giran respecto al anillo
11, de manera que no evitan el movimiento del pistón 4 sino que lo
mantienen en disposición axial en la carcasa 1.
La menor área en sección transversal que presenta
el pistón 4 a medida que avanza a través de la carcasa hace que el
pistón 4 sea cada vez más eficaz en superar la presión y de este
modo se reduce la cantidad de fuerza necesaria para mover el pistón
en comparación con una bomba cilíndrica convencional.
Se esperaría que la bomba ilustrada en la figura
1 solamente necesitase la mitad de la fuerza que requeriría una
bomba cilíndrica (véase Tabla 1 anterior). En la figura 4 se
ilustran las dimensiones relativas de la carcasa de la bomba que se
espera que proporcionen reducciones aun mayores en requerimientos
de fuerza.
Claims (20)
1. Bomba de gas o vapor que comprende un pistón
(4) alojado por deslizamiento en un orificio (2) de una carcasa
(1), caracterizada en que el pistón es compresible y el área
en sección transversal del orificio (2) disminuye hacia una salida
(3) de la bomba, quedando dispuesto el pistón (4) para permanecer
en contacto estanco con la superficie del orificio (2) por toda la
carrera del pistón.
2. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
1, caracterizada en que la relación entre el área en sección
transversal del orificio (2) en la zona de la salida de la carcasa
y el área en sección transversal en el extremo opuesto de la
carcasa se encuentra comprendida entre 1 : 1,2 y 1 : 25.
3. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
2, caracterizada en que dicha relación se encuentra
comprendida entre 1 : 2,5 y 1 : 5.
4. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
3, caracterizada en que dicha relación es de aproximadamente
1 : 3.
5. Bomba de gas o vapor según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada en que el
orificio (2) de la carcasa (1) es circular.
6. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
5, caracterizada en que el orificio (2) de la carcasa (1)
presenta una forma substancialmente troncocónica.
7. Bomba de gas o vapor según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada en que el pistón
compresible (4) comprende un elastómero o material de caucho.
8. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
7, caracterizada en que el pistón compresible (4) comprende
un elastómero que es una espuma sintética.
9. Bomba de gas o vapor según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada en que el pistón
(4) está conformado para facilitar la compresión del mismo en el
interior de la carcasa (1).
10. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
9, caracterizada en que el pistón (4) tiene forma de copa en
la que el reborde de la copa se encuentra en contacto estanco con
la superficie interior del orificio (2).
11. Bomba de gas o vapor según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizada en que el pistón (4)
comprende un bolsa llena de fluido.
12. Bomba de gas o vapor según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada en que comprende,
además, medios (9) para asegurar que el pistón (4) permanece
centrado axialmente en el interior de la carcasa (1) en toda su
carrera.
13. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
12, caracterizada en que dichos medios comprenden una guía
(9) apoyada en un émbolo (7) del pistón (4) y dispuesta para quedar
en contacto con la superficie interior del orificio en toda la
carrera del pistón.
14. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
13, caracterizada en que la guía (9) comprende una
pluralidad de elementos rígidos (10) que sobresalen hacia afuera de
la zona del émbolo (7).
15. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
14, caracterizada en que comprende de 2 a 8 de dichos
elementos (10).
16. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
14 o la reivindicación 15, caracterizada en que los
elementos (10) se encuentran separados a distancias iguales
alrededor del émbolo (7).
17. Bomba de gas o vapor según la reivindicación
12, caracterizada en que dichos medios comprenden un
casquillo axial rígido (12), dispuesto para alojar por
deslizamiento el émbolo a lo largo de una parte de su longitud.
18. Bomba de gas o vapor según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada en que es un
inflador de bicicleta.
19. Bomba de gas o vapor según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 17, caracterizada en que es de
accionamiento mecánico.
20. Procedimiento para el suministro de vapor gas
bajo presión, comprendiendo dicho procedimiento el uso de una bomba
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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