ES2861423T3 - Bomba con sello elástico - Google Patents

Abstract

Una bomba que comprende una carcasa (10), la carcasa (10) tiene una superficie interior que define una trayectoria del rotor, una entrada (11) formada en la carcasa (10) en una primera posición en dicha trayectoria del rotor, una salida (12) formada en la carcasa (10) en una segunda posición en dicha trayectoria del rotor separada de dicha primera posición, un rotor (15) giratorio en dicha carcasa, al menos una primera superficie formada en el rotor (15) y que se sella contra dicha trayectoria del rotor de la carcasa (10), al menos una segunda superficie que es una superficie rebajada formada en dicho rotor (15) separada circunferencialmente de dicha primera superficie y que forman una cámara con la trayectoria del rotor que se desplaza alrededor de dicha trayectoria del rotor al girar el rotor (15) para transportar el fluido alrededor de la carcasa (10) desde la entrada (11) hasta la salida (12), caracterizada por un sello elástico (14, 114) formado en una sola pieza unitaria con la carcasa (10), ubicado en dicha trayectoria del rotor y que se extiende entre la salida (12) y la entrada (11) en la dirección de rotación de dicho rotor (15), que la primera superficie del rotor sella y deforma elásticamente el sello (14, 114), cuando el rotor (15) gira alrededor de la trayectoria del rotor dentro de la carcasa para evitar el flujo de fluido desde dicha salida (12) a dicha entrada (11) más allá el sello.

Description

DESCRIPCIÓN

Bomba con sello elástico

La invención se refiere a bombas.

Una forma conocida de bomba comprende una carcasa con una entrada para la conexión a una fuente de fluido y una salida para el fluido bombeado con la entrada y la salida separadas alrededor de la trayectoria de un rotor dentro de la carcasa. El rotor incluye al menos una superficie que forma, con la carcasa, una cámara cerrada que se desplaza alrededor de la carcasa para transportar fluido alrededor de la carcasa. En esta descripción, el término "fluido" incluye tanto gases como líquidos.

El documento JPS54139103 divulga una instalación de bombeo que comprende un rotor que tiene una pluralidad de proyecciones de rotor y un estator que comprende una proyección de estator flexible que puede ser contactada por una proyección de rotor, y está ubicada cerca de un puerto de descarga. La proyección del estator encierra una cavidad que contiene un fluido. El documento JP49024486 describe una bomba que comprende un rotor que está montado excéntricamente dentro de una carcasa, en el que un saliente flexible está empujado por un resorte para hacer contacto con el rotor, y se desplazará radialmente a medida que el rotor gira en uso. El documento US 5660 536 describe una bomba para un sistema de propulsión marino, que comprende un impulsor giratorio de múltiples paletas dentro de una cámara de carcasa cilíndrica. Los puertos de entrada y descarga se comunican cada uno con la cámara a través de dos ramas, de modo que el agua bombeada fluirá tanto radial como axialmente. El documento US 4836759 describe una bomba rotativa que comprende un rotor montado dentro de un estator que tiene puertos de entrada y salida. El rotor tiene un lóbulo y comprende un material elastomérico de diferente dureza a un material elastomérico incluido en el estator, de modo que el rotor, el lóbulo y el estator se comprimen a medida que el rotor se mueve en una trayectoria orbital dentro del estator para formar dos cámaras de bombeo. de capacidad variable. Una bomba de este tipo se describe en WO 2006/027548 en la que se proporciona un sello en la carcasa entre la entrada y la salida para un sellado contra el rotor. Un primer problema con las bombas de este tipo es que la carcasa y el sello se forman por separado y luego se ensamblan. Como se describe en el documento WO 2006/027548, la carcasa se puede moldear por inyección y el sello se fija en la carcasa usando un adhesivo. Alternativamente, el sello puede moldearse con la carcasa en un proceso de moldeo por inyección de 2 disparos. Esto es un problema cuando hay dos o más cámaras porque cualquier desajuste en la unión entre la carcasa y el sello puede causar una fuga entre las cámaras adyacentes, particularmente con diferencias de presión más altas entre la presión de entrada y la presión de salida y donde los vértices del rotor se colocan presionando en el sello. Esta fuga causa inexactitud en la tasa de flujo de la bomba y puede permitir un reflujo no deseado a través de la bomba cuando se detiene o con tasas de flujo bajas.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona una bomba que comprende las características definidas en la reivindicación 1 independiente.

Un problema adicional con una bomba de este tipo es que la fuerza de sellado entre el rotor y el sello debe coincidir con la presión del fluido en la entrada o en la salida. A presiones más altas, se requiere una fuerza de sellado mayor pero, si se usa una fuerza mayor a presiones más bajas, las fuerzas de fricción aumentan innecesariamente y el torque requerido para accionar el rotor es innecesariamente alto. Si se usa una fuerza de sellado menor a presiones más altas, entonces puede haber una fuga entre el sello y el rotor.

De acuerdo con un segundo aspecto opcional de la invención, se proporciona una bomba de acuerdo con la reivindicación 1 y que comprende además un paso para suministrar fluido a una superficie inferior para presionar el sello como se define en la reivindicación 1 contra el rotor.

La siguiente es una descripción más detallada de algunas modalidades de la invención, a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 es una sección transversal esquemática a través de una bomba conocida como se describe en el documento WO 2006/027548 que incluye una carcasa provista con una entrada y salida y un rotor que puede girar dentro de la carcasa y que se sella contra un sello provisto por la carcasa, el rotor se muestra en una primera posición angular,

La Figura 2 es una vista similar a la Figura 1 pero que muestra el rotor de la bomba conocida girado unos 30° desde la posición mostrada en la Figura 1,

La Figura 3 es una vista similar a la Figura 1 pero que muestra el rotor de la bomba conocida girado aproximadamente 60° desde la posición mostrada en la Figura 1,

La Figura 4 es una sección transversal esquemática de una bomba de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones la invención que incluye una carcasa provista de una entrada y una salida y un rotor que puede girar dentro de la carcasa y sellarse contra un sello formado en una pieza con la carcasa,

La Figura 5 es una vista similar a la Figura 4 pero que muestra una forma modificada de la bomba en la que se proporciona un puerto que va desde un punto adyacente a la salida hasta detrás del sello,

Con referencia en primer lugar a las Figuras 1 a 3, la bomba conocida del documento WO 2006/027548 está formada por una carcasa indicada generalmente con 10 que puede estar formada por una moldura de plástico de, por ejemplo, polietileno o polipropileno. La carcasa 10 está formada con una entrada 11 para la conexión a una fuente de fluido y una salida 12 para el fluido bombeado. El interior de la carcasa 10 es cilíndrico. La parte del interior de la carcasa 10 entre la salida 12 y la entrada 11, de nuevo en el sentido de las agujas del reloj, como se ve en las Figuras 1 a 3, lleva un sello 14 que se describirá con más detalle a continuación.

La carcasa 10 contiene un rotor 15. El rotor 15 puede estar formado de acero inoxidable o como una pieza de plástico moldeada por inyección de precisión formada a partir de una resina tal como acetal. Como se ve en las Figuras, el rotor 15 es generalmente de sección transversal circular e incluye cuatro superficies rebajadas 16a, 16b, 16c y 16d de igual longitud separadas equiangularmente alrededor del rotor e interconectadas por los vértices 17a, 17b, 17c y 17d formados por porciones del rotor 15. Por consiguiente, cada vértice está redondeado con una curvatura que coincide con la curvatura de la superficie 13 de la carcasa cilíndrica, de modo que el rotor 15 se ajusta a presión dentro de la superficie 13 de la carcasa cilíndrica. Como resultado, cada superficie rebajada 16a, 16b, 16c y 16d forma una cámara respectiva 18a, 18b, 18c y 18d con la superficie cilíndrica 13 de la carcasa cuando cada superficie 16a, 16b, 16c, 16d se desplaza alrededor de esa superficie 13 de la carcasa. Si la carcasa 10 está formada por un material plástico elástico que se deforma bajo carga, el rotor 15 puede estar dispuesto para dilatar ligeramente la carcasa 10, asegurando así un sello hermético a los fluidos alrededor de cada superficie 16a, 16b.

16c. 16d.

El rotor 15 gira en el sentido de las agujas del reloj en las Figuras 1 a 3 mediante un accionamiento (no mostrado en las Figuras).

El sello 14 está formado por un bloque de material elastomérico que es compatible, flexible y elástico, como el que se vende con la marca comercial Hytrel. El sello 14 está conectado a la carcasa 10 para evitar que el fluido pase entre el sello 14 y la carcasa 10. Esto puede ser mediante el uso de un adhesivo. Alternativamente, el sello 14 podría moldearse con la carcasa 10 en un proceso de moldeo por inyección de 2 disparos. En este último caso, el material de el sello 14 debe ser tal que se suelde a la carcasa para evitar fugas. El sello 14 tiene un primer borde axial 19 adyacente a la entrada 11 y un segundo borde axial 20 adyacente a la salida 12. El sello 14 tiene una superficie de acoplamiento 21 del rotor que tiene una longitud entre el primer y el segundo borde 19, 20 que es generalmente igual a la longitud de cada una de las superficies rebajadas 16a, 16b, 16c y 16d entre los vértices asociados 17a, 17b, 17c, 17d y tiene una forma que se adapta a la forma de cada superficie rebajada 16a, 16b, 16c, 16d. La extensión axial del sello 14 es al menos la misma que la extensión axial de las superficies rebajadas 16a, 16b, 16c, 16d. El sello 14 se proyecta en el espacio definido por un cilindro imaginario descrito por una continuación de la superficie cilíndrica 13 entre la entrada 11 y la salida 12. El sello 14 puede flexionarse entre el primer y segundo bordes axiales 19, 20 de modo que se arquee hacia afuera con relación al sello 14 hacia el eje del rotor 15 donde las superficies rebajadas 16a, 16b, 16c, 16d son cóncavas.

La elasticidad natural del material tenderá a devolver el sello 14 a la disposición no distorsionada después de la distorsión por el rotor 15 y esto puede ser asistido por un resorte (no mostrado) que actúa sobre el extremo radialmente exterior del sello 14.

A continuación se describirá el funcionamiento de la bomba conocida descrita anteriormente con referencia a las Figuras 1 a 3. La entrada 11 está conectada a una fuente de fluido a bombear y la salida 12 está conectada a un destino para el fluido bombeado. El rotor 15 gira en el sentido de las agujas del reloj, como se ve en las Figuras 1 a 3. En la posición mostrada en la Figura 1, la superficie del rotor 16a se acopla elásticamente a la superficie de sellado 21. De esta forma, el espacio entre la carcasa 10 y el rotor 15 se cierra en esta zona y se evita el paso de fluido desde la salida 12 a la entrada 11. En esta posición, el vértice 17a está alineado con la entrada 11 mientras que las superficies del rotor 16b, 16c, 16d forman respectivas cámaras selladas 18b, 18c, 18d con la superficie cilíndrica 13 de la carcasa. Como resultado de las primeras revoluciones del rotor 15, estas cámaras 18b, 18c y 18d se llenan de fluido de la manera que se describe a continuación.

Con referencia a continuación a la Figura 2, al girar el rotor 15 en aproximadamente 30 °, la cámara 18d está ahora conectada a la salida 12. El vértice asociado 17d contacta con la superficie de sellado 21 y se sella contra esa superficie. En consecuencia, el rotor giratorio 15 expulsa el fluido de la cámara 18d por la salida 12. Además, el vértice 17a previamente alineado con la entrada 11, se aleja de la entrada 11 y permite que la superficie del rotor 16a se separe de la superficie sellada 21 para comenzar a formar una cámara 18a (Figura 3) con la superficie cilíndrica 13 y con el vértice 17d contra la superficie de sellado 21.

Haciendo referencia a continuación a la Figura 3, una rotación adicional del rotor 15 en aproximadamente 60° desde la posición mostrada en la Figura 1, da como resultado que la superficie del rotor 16d que previamente formaba la cámara 18d adyacente a la salida 12 comience a contactar con la superficie de sellado 21 y sellar contra esa superficie 21. Por tanto, la cámara 18d reduce su volumen hasta que ya no existe y el fluido de esa cámara es forzado a través de la salida 12. Al mismo tiempo, la superficie del rotor 16a que antes estaba en contacto con la superficie de sellado 21 ahora está libre de esa superficie 21 y forma una cámara 18a con la superficie cilíndrica 13 de la carcasa y la cámara 18a recibe fluido de la entrada 11. El vértice 17d entre las superficies 16a y 16d se desengancha de la superficie de sellado 21 y comienza a alinearse con la entrada 11.

El rotor 15 se mueve luego a una posición equivalente a la posición mostrada en la Figura 1 y el bombeo continúa. De esta forma, se bombea fluido entre la entrada 11 y la salida 12.

Se apreciará que la velocidad de flujo de líquido es proporcional a la velocidad de rotación del rotor 15 y los volúmenes de las cámaras 18a, 18b, 18c y 18d. Aunque se muestra que el rotor 15 tiene cuatro superficies 16a, 16b, 16c, 16d, podría tener cualquier número de superficies tales como una o dos o tres superficies o más de cuatro superficies. Las superficies 16a, 16b, 16c, 16d pueden ser planas o pueden ser, por ejemplo, curvadas de forma convexa o cóncava. Pueden tener forma de muescas formadas por la intersección con el rotor 15 de un cilindro imaginario que tiene su eje a 90° con respecto al eje del rotor y desplazado a un lado del eje del rotor. Como se describió anteriormente, la superficie de acoplamiento 21 del rotor del sello 14 puede tener una forma que se adapte a la forma de las superficies 16a, 16b, 16c, 16d.

En todo momento, el sello 14 actúa para evitar la formación de una cámara entre la salida 12 y la entrada 11 en la dirección del rotor 15. La elasticidad del sello 14 le permite siempre llenar el espacio entre la entrada 11 y la salida 12 y la porción del rotor 15 en esta región. A medida que aumenta la diferencia de presión entre la entrada 11 o la salida 12, existe una mayor tendencia a que el fluido pase entre el sello 14 y el rotor 15. El uso de un resorte que actúa sobre el sello 14, como se describió anteriormente, disminuirá esa tendencia y así permitirá que la bomba funcione a presiones más altas. Por lo tanto, la fuerza aplicada por el resorte determina la presión máxima de la bomba. Se conocen bombas en las que la salida y la entrada están separadas por una paleta delgada que se extiende desde la carcasa y contacta con el rotor. En tales bombas, hay un volumen de fluido entre la salida y la entrada y un gran gradiente de presión a través de la paleta que aumentará a medida que la velocidad de rotación del rotor si está impulsando el fluido a través de una salida fija y la viscosidad del fluido conduce a una contrapresión que aumenta con el caudal. Como resultado, existe una mayor probabilidad de fugas a través de la paleta. En la bomba descrita anteriormente con referencia a los dibujos, aunque hay una diferencia de presión entre la entrada y la salida, existe un gradiente de presión más pequeño a través de la barrera entre la entrada 11 y la salida 12 a medida que el fluido se exprime gradualmente fuera de las cámaras 18a, 18b, 18c y 18d en la salida 12 y luego, después de una rotación adicional del rotor 15, se introducen gradualmente en una cámara 18a, 18b, 18c y 18d en el lado de entrada. Esto reduce la posibilidad de fugas y permite que la bomba proporcione un flujo medido preciso. El sello 14 actúa como un desplazador que desplaza el fluido entre la entrada 11 y la salida 12.

Todo lo que se describe anteriormente con referencia a las Figuras 1 a 3 se describe en el documento WO 2006/027548.

Con referencia a continuación a la Figura 4, las partes comunes en las Figuras 1 a 3 y en la Figura 4 recibirán los mismos números de referencia y no se describirán en detalle.

En la realización de la Figura 4, se omite el sello separado 14. Se forma un sello 114 en una sola pieza con la carcasa 10. Estas piezas pueden formarse a partir de un material plástico mediante un único proceso de moldeo por inyección. El sello 114 es una pared de plástico delgada que se extiende circunferencialmente desde la entrada 11 hasta la salida 12. El espesor de la pared puede ser, por ejemplo, de 0,15 mm. El material de la carcasa 10 y el grosor de la pared se eligen de manera que la pared pueda deformarse cuando entran en contacto con los vértices 17a, 17b, 17c, 17d del rotor 15. Los materiales adecuados pueden ser polietileno o polipropileno.

Para que el sello 114 sea lo suficientemente flexible para seguir el contorno del rotor 15 a medida que gira, se requiere que el sello 114 esté moldeado con una sección de pared muy delgada. Este requisito de una sección de pared delgada en un área grande no se encuentra normalmente en piezas típicas moldeadas por inyección. Mediante un procesamiento cuidadoso con altas presiones de inyección, herramientas localmente calientes alrededor del área de sellado y ventilación local para eliminar la formación de gases, es posible lograr sellos 114 con un grosor de pared entre 0,1 mm y 0,3 mm.

En un proceso preferido, la parte deslizante de la herramienta que crea la superficie exterior del sello 114 se controla hidráulicamente. El plástico fundido se inyecta en la herramienta mediante el tornillo de inyección de manera convencional, donde el grosor de la pared del sello es aproximadamente el doble del grosor del diseño, lo que permite que el material fundido fluya fácilmente a través del sello. En lugar de usar el tornillo de inyección para proporcionar la presión de empaque mientras el molde se enfría y solidifica, la parte deslizante de la herramienta avanza hidráulicamente para crear el espesor de pared de sellado deseado y crear la presión de empaque al mismo tiempo.

El uso de un material flexible adecuado para el sello 114 puede requerir el moldeado de elementos de refuerzo tales como bridas en la carcasa 10 para proporcionarle suficiente rigidez.

En uso, la presencia del sello 114 formado unitariamente asegura que no haya fugas entre las cámaras adyacentes 18a, 18b, 18c y 18d en la unión entre la carcasa 10 y el sello 114 cuando un vértice 17a, 17b, 17c, 17d pasa por la unión, como puede ocurrir en la realización conocida de las Figuras 1 a 3, particularmente a presiones más altas. Esto le da una vida operativa más larga. El uso de un moldeo de un solo disparo en comparación con los procesos de doble disparo o co-moldeo, reduce el número de procesos, tiene un tiempo de ciclo más rápido, requiere herramientas de molde y maquinaria de molde más simples y conduce a un mayor rendimiento de fabricación y menores costos.

Con referencia a continuación a la Figura 5, las partes comunes en las Figuras 1 a 4 y en la Figura 5 recibirán los mismos números de referencia y no se describirán en detalle.

En la realización de la Figura 5, el sello 114 está formado en una sola pieza con la carcasa 10, como en la Figura 4. En esta realización, sin embargo, se proporciona una almohadilla de desplazamiento elástica 141 que se apoya contra el lado inferior del sello 114 para empujar el sello contra el rotor 15.

Esto permite que la bomba se utilice a presiones más altas ya que la presión adicional de la almohadilla 141 resiste el paso forzado de fluido entre el rotor 15 y el sello 114. La fuerza aplicada por la almohadilla 141 se elige para permitir que la bomba funcione en un extremo inferior de un rango de presiones operativas para las que está diseñada la bomba, por ejemplo hasta 0,5 bar.

Además, se proporciona un puerto 101 en la salida 12 para permitir la comunicación entre la salida 12 y el espacio detrás del sello 114. El efecto de esto es permitir que el fluido fluya a través del puerto 101 en funcionamiento y aplicar presión de fluido a una cámara 147 formada por la superficie inferior del sello 114, una torreta 145 que se proyecta hacia afuera del resto de la carcasa 10 y una tapa 146 que cierra la torreta 145. La fuerza aplicada por el sello 114 al rotor es, por tanto, la suma de la fuerza aplicada por la almohadilla 141 y la fuerza aplicada por el fluido. De esta manera, la fuerza aplicada varía con la presión de salida y un aumento en la presión de salida da como resultado un aumento correspondiente en la fuerza aplicada al sello 114 evitando así fugas entre el sello 114 y el rotor 15 como resultado del aumento de presión.

Se ha descubierto que las bombas que tienen una presión de funcionamiento máxima de 1 bar sin el puerto 101 pueden funcionar a presiones de hasta 6 bar y superiores con el puerto 101. Se puede utilizar un diseño único de bomba para aplicaciones que requieran una variedad de presiones únicas. No es necesario diseñar la bomba con un solo rango limitado de presiones operativas en mente. Además, la bomba siempre funciona con el requisito de torque mínimo dado que la fuerza entre el sello 114 y el rotor 15 nunca es innecesariamente alta.

Dado que la almohadilla 141 se apoya contra la superficie inferior del sello 114, es aconsejable hacer que la almohadilla 141 sea lo suficientemente elástica para que la presión de la salida 12 se transmita al sello 114.

El fluido podría suministrarse a la superficie inferior desde la entrada 11 o desde cualquier otro punto adecuado dentro de la carcasa 10 o suministrarse a través de un tubo desde una ubicación remota en el sistema de fluido, permitiendo así la fabricación de una bomba con alta presión de entrada o de salida.

En las realizaciones descritas anteriormente con referencia a las Figuras 1 a 5, el interior de la carcasa 10 y el exterior del rotor 15 tienen superficies cilíndricas complementarias. El par de funcionamiento y la presión máxima de bombeo se ven afectados por la proximidad del ajuste entre estas piezas y pequeñas variaciones de fabricación pueden tener un efecto adverso al aumentar el par requerido y al reducir la presión máxima de bombeo por fugas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Una bomba que comprende una carcasa (10), la carcasa (10) tiene una superficie interior que define una trayectoria del rotor, una entrada (11) formada en la carcasa (10) en una primera posición en dicha trayectoria del rotor, una salida (12) formada en la carcasa (10) en una segunda posición en dicha trayectoria del rotor separada de dicha primera posición, un rotor (15) giratorio en dicha carcasa, al menos una primera superficie formada en el rotor (15) y que se sella contra dicha trayectoria del rotor de la carcasa (10), al menos una segunda superficie que es una superficie rebajada formada en dicho rotor (15) separada circunferencialmente de dicha primera superficie y que forman una cámara con la trayectoria del rotor que se desplaza alrededor de dicha trayectoria del rotor al girar el rotor (15) para transportar el fluido alrededor de la carcasa (10) desde la entrada (11) hasta la salida (12), caracterizada por un sello elástico (14, 114) formado en una sola pieza unitaria con la carcasa (10), ubicado en dicha trayectoria del rotor y que se extiende entre la salida (12) y la entrada (11) en la dirección de rotación de dicho rotor (15), que la primera superficie del rotor sella y deforma elásticamente el sello (14, 114), cuando el rotor (15) gira alrededor de la trayectoria del rotor dentro de la carcasa para evitar el flujo de fluido desde dicha salida (12) a dicha entrada (11) más allá el sello.

2. Una bomba de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la carcasa (10) y el sello (14, 114) se forman a partir de un material plástico mediante un único proceso de moldeo por inyección.

3. Una bomba de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el sello (14, 114) está formado por una pared de plástico flexible.

4. Una bomba de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, en donde la pared tiene un grosor de 0,1 mm a 0,3 mm, preferiblemente 0,15 mm.

5. Una bomba de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un paso (101) para suministrar un fluido a una superficie inferior para empujar el sello (114) contra el rotor (15).

6. Una bomba de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el fluido suministrado a la superficie inferior es el fluido que se bombea.

7. Una bomba de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la carcasa (10) está provista de un paso (101) que se extiende desde la salida (12) hasta la superficie inferior para pasar fluido desde la salida (12) a la superficie inferior.

8. Una bomba de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en donde la carcasa (10) está formada con una cámara, el sello (114) que forma una pared de la cámara, y el fluido se suministra a la cámara.

9. Una bomba de acuerdo con la reivindicación 8 cuando depende de la reivindicación 7, en donde el paso (101) se extiende desde la salida (12) a la cámara.

10. Una bomba de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la carcasa (10) está provista de un paso que se extiende desde la entrada (11) a la superficie inferior para pasar fluido desde la entrada (11) a la superficie inferior.

11. Una bomba de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 10, en donde se proporciona un miembro elástico (141) que se apoya en la superficie inferior del sello (114).