ES2878024T3 - Diafragma con sello de borde - Google Patents

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David Poindexter
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Abstract

Un conjunto de diafragma que comprende: un miembro de diafragma (18) que comprende: una parte en forma de disco (40) que tiene una primera cara y una segunda cara opuesta; un primer labio (42) que se extiende sustancialmente transversal a la primera cara de la parte en forma de disco (40); un segundo labio (44) que se extiende sustancialmente transversal a la segunda cara de la parte en forma de disco (40); un alojamiento (14) configurado para soportar y sellar una periferia del miembro de diafragma, teniendo el alojamiento (14) caras de sujeción primera y segunda que se acoplan a las caras primera y segunda del miembro de diafragma (18); dicho conjunto se caracteriza además por comprender: un primer elemento de sellado (46) que se acopla a la primera cara de la parte en forma de disco (40), una parte radialmente interior del primer labio (42) y el alojamiento (14); y un segundo elemento de sellado (48) que se acopla a la segunda cara de la parte en forma de disco (40), una parte radialmente interior del segundo labio (44) y el alojamiento (14); y en que el alojamiento (14) define una cavidad que recibe el primer labio (42) y el primer elemento de sellado (46) y el segundo labio (44) y el segundo elemento de sellado (48).

Description

DESCRIPCIÓN
Diafragma con sello de borde
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención está dirigida a un conjunto de diafragma y a una bomba de diafragma con un sistema de sellado de diafragma mejorado.
Técnica anterior
Las bombas de diafragma son bombas en las que el fluido bombeado es desplazado por un diafragma. En las bombas accionadas hidráulicamente, el diafragma se desvía por la presión de fluido hidráulico forzada contra el diafragma. Estas bombas han demostrado proporcionar una combinación superior de valor, eficiencia y fiabilidad. Sin embargo, mantener un sello adecuado y extender la vida útil del diafragma son desafíos con las bombas de diafragma.
Otro desafío con el uso de diafragmas surge cuando se deben bombear fluidos agresivos que pueden ser corrosivos, cáusticos o ácidos. Los materiales de fluoropolímeros, incluido el politetrafluoretileno (PTFE), comúnmente vendidos bajo los nombres TEFLON®, y GYLON®, se utilizan a menudo para diafragmas en bombas de diafragma dosificadoras debido a su resistencia química. Dichos materiales pueden resistir fluidos agresivos, pero pueden no tener la flexibilidad y/o resiliencia de muchos materiales elastoméricos. Uno de los desafíos del uso de PTFE es su tendencia a deslizarse o fluir en frío con el tiempo. Esta característica dificulta el sellado de la periferia exterior del diafragma. El planteamiento más común para sellar es sujetar una gran área del diafragma de modo que la presión de sujeción sea lo suficientemente baja como para limitar la fluencia. Un inconveniente de este método es que requiere que el diafragma tenga una gran área inactiva en el perímetro que finalmente aumenta el tamaño de la bomba.
Estos problemas de sujeción o deformación del perímetro se agravan con las bombas que utilizan diafragmas de múltiples capas para la detección de fugas. En estas configuraciones, se deben tomar medidas para limitar el aplastamiento de las capas de separación. Un ejemplo de una ruta de vacío compleja en capas se describe en la patente de EE. UU. 6.094.970.
Otro planteamiento que se ha utilizado para reducir la fuerza y el área de deformación es la aplicación de sellos autoenergizante. Un ejemplo de un sello autoenergizante se muestra en el documento US 6.582.206. Estos sellos incluyen juntas tóricas elastoméricas o sellos de copa que ejercen presión sobre la superficie a sellar cuando se aplica presión de fluido. Estos sellos se basan en cierta cantidad de precarga inicial que proviene de la desviación del compuesto elástico del que están hechos. En el caso de las bombas que utilizan diafragmas de PTFE, los fluidos que se bombean a menudo no son compatibles con los compuestos elastoméricos, por lo que los sellos también deben estar hechos de PTFE. Nuevamente, el flujo frío de los sellos de PTFE con el tiempo relaja la fuerza de sellado inicial del sello, por lo que a menudo pueden ocurrir fugas, especialmente en el arranque.
Un enfoque que utiliza un anillo formado en el diafragma se muestra en la patente de EE. UU. 4.781.535. Sin embargo, la pestaña formada en el diafragma no está energizada por presión y la patente no describe la presurización para formar un sello adicional.
El documento EP 2639 455 A1 describe una bomba de diafragma vibratorio electromagnético que permite la mejora de la eficiencia de trabajo al ajustar las placas centrales a un diafragma, la reducción del coste de producción y la estabilización del rendimiento entre productos. La segunda placa en forma de disco comprende la parte ascendente cruciforme que tiene las partes cóncavas en el centro de la superficie de la segunda placa que entran en contacto con el diafragma, y la segunda nervadura anular formada en el lado externo de la parte ascendente. La primera nervadura anular se forma en el centro de la superficie de la primera placa en forma de disco que entra en contacto con el diafragma, y esta primera nervadura anular forma una ranura de ajuste provista de partes convexas para encajar a presión en las partes cóncavas. El diafragma tiene las protuberancias para evitar que el diafragma sea presionado hacia fuera en la periferia del orificio pasante en su centro, y las protuberancias sobresalen de ambas superficies del diafragma 4 y se enganchan con las nervaduras anulares de la circunferencia de la protuberancia.
El documento CA 2445585 A1 describe un cartucho desechable para su uso con una bomba de infusión médica. Una membrana elastomérica se captura entre un miembro de revestimiento y una base del cartucho y se desplaza adentro de una cámara de bombeo. La membrana elastomérica incluye un labio generalmente en forma de T, y se proporcionan ranuras correspondientes en el miembro de revestimiento y la base. A medida que se ensambla el cartucho, un encaje por interferencia entre el labio y las ranuras hace que la membrana se estire tensa y se ancle de forma segura, eliminando un período de asentamiento cuando se usa inicialmente el cartucho. Los "lóbulos" de mayor grosor provistos en la superficie inferior de una parte de la membrana elastomérica que recubre la cámara de bombeo reducen el volumen residual de la cámara de bombeo, reduciendo así el volumen de aire retenido dentro de la cámara y aumentando la precisión del cartucho. Los lóbulos también barren las burbujas de aire de los lados de la cámara de bombeo durante el funcionamiento, lo que reduce aún más las burbujas de aire retenidas en la cámara de bombeo. Un soporte de tubo distal retiene una línea de fluido distal entre sensores de aire o de presión incluidos en un mecanismo de accionamiento de bomba, lo que reduce la probabilidad de errores de detección. Aletas de válvulas de entrada y salida y las superficies de asiento correspondientes incluidas en la base se configuran para proporcionar un funcionamiento más silencioso, reducir aún más el volumen residual de la cámara de bombeo, aumentar la velocidad de fluido a través de la válvula de salida para barrer las burbujas de aire de la cámara de bombeo y proteger contra una válvula de entrada "fundida".
El documento US 3093 086 A describe un conjunto de diafragma flotante.
Puede verse entonces que se requiere una bomba de diafragma nueva y mejorada que incluya un diafragma con una disposición de sellado mejorada en su borde. Una disposición de sellado mejorada de este tipo debería ser resistente a los productos químicos agresivos y, al mismo tiempo, proporcionar un sellado fiable, incluso en el arranque, y una vida útil prolongada del elemento de diafragma. Además, dicho sistema debería ser simple de fabricar e instalar sin aumentar el tamaño de la bomba. La presente invención aborda estos, así como a otros asociados con bombas de diafragma y disposiciones de sellado de diafragma.
Compendio de la invención
La presente invención se dirige a un conjunto de diafragma para una bomba de diafragma y en particular a un conjunto de diafragma según la reivindicación 1 con elementos de labio en una periferia del diafragma para sellar alrededor del borde del diafragma.
En una realización, un conjunto de diafragma incluye un elemento de diafragma monolítico que tiene una parte en forma de disco que tiene una primera cara y una segunda cara opuesta. Una primera parte de borde se extiende sustancialmente transversal a la primera cara de la parte en forma de disco y una segunda parte de borde se extiende sustancialmente transversal a una segunda cara opuesta de la parte en forma de disco. Un bastidor de bomba se configura para soportar y sellar una periferia del miembro de diafragma. El bastidor incluye caras de sujeción primera y segunda que se acoplan a las caras primera y segunda del miembro de diafragma y definen una cavidad configurada para recibir la primera parte de borde y la segunda parte de borde. Un primer elemento de sellado, tal como una junta tórica, se acopla a la primera cara de la parte en forma de disco, una parte radialmente interior de la primera parte de borde y una pared del bastidor. Un segundo elemento de sellado de junta tórica se acopla a la segunda cara de la parte en forma de disco, una parte radialmente interior de la segunda parte de borde y una pared del bastidor. El miembro de diafragma puede ser un elemento de fluoropolímero monolítico y, en particular, hecho de politetrafluoretileno.
En funcionamiento, en cada carrera de presión de la bomba, la presión aumenta tanto en la cámara hidráulica como en la cámara de bombeo. La presión creciente fuerza a las juntas tóricas y hacia fuera para empujar los labios para que se extiendan desde cada cara del diafragma. A medida que se aplica fuerza a los labios de sellado, los labios se fuerzan contra las respectivas paredes de ranura primera y segunda. Este sellado ocurre incluso si hay alguna fuga más allá de una junta tórica respectiva. Cuando los labios primero y segundo se fuerzan contra las paredes de ranura, se genera una alta presión de contacto que resiste las fugas más allá de las superficies de contacto hacia una trayectoria de fuga atmosférica. Además, a medida que aumenta la presión en las cámaras de bombeo e hidráulica, también aumenta la presión de contacto de cada uno de los labios de sellado contra la pared de ranura respectiva. Esto crea un sello "autoenergizante" para proporcionar una fuerza de sellado. Además, al forzar los labios apretadamente contra las paredes respectivas, se cierra cualquier potencial holgura a través de la que podría extruirse la junta tórica, lo que tiene el mismo efecto que un anillo de respaldo antiextrusión.
En una realización adicional, en bombas de diafragma se usa una disposición de doble diafragma para la detección de fugas. En tales bombas, un primer diafragma y un segundo diafragma separados por un material de malla porosa y unidos a este. El primer diafragma mira hacia la cámara hidráulica y tiene un solo labio que se extiende desde la cara del diafragma y sella contra una pared de ranura. El segundo diafragma está en el lado de cámara de bombeo y tiene un labio que se extiende desde la cara opuesta del diafragma y sella contra una pared de ranura. La disposición de doble diafragma también incluye juntas tóricas primera y segunda que proporcionan un sello secundario. Los diafragmas se pueden hacer del mismo o de diferentes materiales. Sin embargo, es posible que el segundo diafragma que mira hacia la cámara de bombeo deba estar hecho de PTFE, ya que puede entrar en contacto con fluidos agresivos que se bombean.
Estas características de novedad y otras diversas ventajas que caracterizan la invención se señalan con particularidad en las reivindicaciones adjuntas y que forman parte de la misma. No obstante, para una mejor comprensión de la invención, sus ventajas y los objetos que se obtienen con su uso, conviene remitirse a los dibujos que forman una parte adicional de la misma y al material descriptivo adjunto, en el que se ilustra y describe una realización preferida de la invención.
Breve descripción de los dibujos
Haciendo referencia ahora a los dibujos, en donde números y letras de referencia iguales indican la estructura correspondiente en las distintas vistas:
la Figura 1 es una vista en sección lateral de una bomba de diafragma según los principios de la presente invención; la Figura 2 es una vista en perspectiva frontal de un diafragma para la bomba de diafragma mostrada en la Figura 1;
la Figura 3 es una vista en perspectiva trasera del diafragma mostrado en la Figura 2;
la Figura 4 es una vista en alzado frontal de un diafragma para el diafragma mostrado en la Figura 2;
la Figura 5 es una vista en sección lateral del diafragma tomada a lo largo de la línea 5-5 de la Figura 4;
la Figura 6 es una vista en sección detallada de la parte de montaje de pistón del diafragma mostrado en la Figura 5;
la Figura 7 es una vista detallada de un borde del diafragma mostrado en la Figura 5;
la Figura 8 es una vista en sección del borde del diafragma montado en la bomba de diafragma; y
la Figura 9 es una vista en sección del borde de una realización alternativa del diafragma montado en la bomba de diafragma.
Descripción detallada de la realización preferida
Con referencia ahora a los dibujos y en particular a la Figura 1, se muestra una bomba de diafragma, generalmente designada (10).
La bomba (10) incluye un alojamiento (12) que también funciona como cárter, un alojamiento de pistón (14) y un colector (16). El alojamiento de pistón (14) define una cámara de transferencia o hidráulica (20) y una cámara de émbolo (22). El colector (16) define una cámara de bombeo (24) e incluye válvulas de entrada (80) y válvulas de salida (82).
Un cigüeñal (26), una biela (28) y una deslizadera (30) están colocados dentro del cárter (12). La deslizadora (30) se acopla a un émbolo (32) colocado dentro de la cámara de émbolo (22). Las cámaras de transferencia y de émbolo (20), (22) están en comunicación de fluidos entre sí, de modo que el fluido que entra o sale forzado de la cámara del émbolo (22) arrastra el diafragma (18) a una posición de retracción o fuerza al diafragma a una posición de extensión para lograr una acción de bombeo.
Una varilla de diafragma (34) se extiende desde el diafragma (18) a través de la cámara de transferencia (20). Un resorte (36) se coloca coaxialmente con la varilla (34) para ejercer una fuerza de predisposición sobre el diafragma (18) en dirección hacia atrás para ayudar a mantener una condición de presión más alta en la cámara de transferencia (20) que en la cámara de bombeo. (24).
Haciendo referencia a las Figuras 2-7, en una primera realización, el diafragma (18) es un elemento monolítico e incluye una parte plana central en forma de disco (40) y un primer labio (42) y un segundo labio (44) en el borde más exterior de la parte en forma de disco (40) y que se extiende transversalmente a la parte de disco plano (40). El primer labio (42) está en el lado de cámara hidráulica del diafragma (18) y el segundo labio (44) está en el lado de cámara de bombeo del diafragma (18). Una parte de montaje (38) se extiende hacia fuera desde el centro de la cara de la parte plana (40) en el lado de cámara hidráulica del diafragma (18). Para aplicaciones de bombas dosificadoras que bombean fluidos agresivos, el diafragma (18) se hace típicamente de un fluoropolímero y en particular se puede hacer de politetrafluoroetileno (PTFE), comúnmente comercializado como TEFLON®, o se puede hacer de GYLON®. El material utilizado depende de si el fluido que se bombea es agresivo y requiere materiales especiales que no se degraden si entran en contacto con el fluido.
Como se muestra en la Figura 8, junto a los labios hay dos juntas tóricas asociadas. Una primera junta tórica (46) en el lado de cámara hidráulica se hace preferiblemente de un elastómero compatible con el fluido hidráulico. Una segunda junta tórica (48) está en el lado de cámara de bombeo y se expone al mismo fluido que el lado de fluido del diafragma (18). Por lo tanto, para usos de fluidos agresivos, la segunda junta tórica (48) generalmente se hace de PTFE, como TEFLON® o GYLON®, o se recubre de PTFE. Dos secciones del alojamiento (14) se sujetan contra las caras opuestas de la parte plana (40). El alojamiento (14) define un primer rebaje o cavidad (56) configurados para recibir el primer labio (42) y la primera junta tórica (46) y un segundo rebaje o cavidad configurados para recibir el segundo labio (44) y la segunda junta tórica (48). La primera cavidad (56) incluye una pared de ranura (50) acoplada por el primer labio (42) y la segunda cavidad (58) incluye una pared de ranura (52) acoplada por el segundo labio (44).
Con referencia ahora a la Figura 9, en una segunda realización, en bombas de diafragma se usa una disposición de doble diafragma (60) para la detección de fugas. En esta realización, la bomba (10) usa un primer diafragma (62) y un segundo diafragma (64) unidos y separados por un material de malla porosa (66). El primer diafragma (62) mira a la cámara hidráulica (20) y tiene un solo labio (70) que sella contra la pared de ranura (50). El segundo diafragma (64) está en el lado de cámara de bombeo y tiene un solo labio (72) que se sella contra la pared de ranura (52). La disposición de doble diafragma también incluye la primera junta tórica (46) y la segunda junta tórica (48) como con el diafragma (10). Los diafragmas (62), (64) se pueden hacer del mismo o de diferentes materiales. Sin embargo, es posible que sea necesario fabricar el diafragma (64) de PTFE ya que el diafragma (64) puede entrar en contacto con los fluidos agresivos que se bombean.
En funcionamiento, en cada carrera de presión de la bomba (10), la presión aumenta tanto en la cámara hidráulica (20) como en la cámara de bombeo (24). El aumento de presión fuerza a las juntas tóricas (46) y (48) hacia fuera para empujar los labios (42) y (44) respectivamente. A medida que se aplica fuerza a los labios de sellado (42) y (44), los labios (42) y (44) se fuerzan contra la respectiva primera pared de ranura (50) y la segunda pared de ranura 52. Esta deformación se producirá incluso si hay alguna fuga más allá de una junta tórica (46) o (48). Cuando los labios primero y segundo (42) y (44) se fuerzan contra las paredes de ranura (50) y (52) se genera alta presión de contacto que resiste las fugas más allá de las superficies de contacto hacia la trayectoria de fuga atmosférica (54). A medida que aumenta la presión en las cámaras de bombeo e hidráulicas (24, 20), también aumenta la presión de contacto de cada uno de los labios (42) y (44) contra las respectivas paredes (50) y (52). Esto crea un sello "autoenergizante". Además, al forzar los labios (42) y (44) apretadamente contra las paredes respectivas (50) y 52, se cierra cualquier holgura por la que pueda extruirse una junta tórica, lo que tiene el mismo efecto que un anillo de respaldo antiextrusión.
Debe entenderse, sin embargo, que aunque se han establecido numerosas características y ventajas de la presente invención en la descripción anterior, junto con detalles de la estructura y función de la invención, la divulgación es solo ilustrativa y se pueden realizar cambios en detalle, especialmente en cuestiones de forma, tamaño y disposición de las piezas dentro de los principios de la invención en toda la extensión indicada por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un conjunto de diafragma que comprende:
un miembro de diafragma (18) que comprende:
una parte en forma de disco (40) que tiene una primera cara y una segunda cara opuesta;
un primer labio (42) que se extiende sustancialmente transversal a la primera cara de la parte en forma de disco (40);
un segundo labio (44) que se extiende sustancialmente transversal a la segunda cara de la parte en forma de disco (40);
un alojamiento (14) configurado para soportar y sellar una periferia del miembro de diafragma, teniendo el alojamiento (14) caras de sujeción primera y segunda que se acoplan a las caras primera y segunda del miembro de diafragma (18);
dicho conjunto se caracteriza además por comprender:
un primer elemento de sellado (46) que se acopla a la primera cara de la parte en forma de disco (40), una parte radialmente interior del primer labio (42) y el alojamiento (14); y
un segundo elemento de sellado (48) que se acopla a la segunda cara de la parte en forma de disco (40), una parte radialmente interior del segundo labio (44) y el alojamiento (14); y
en que el alojamiento (14) define una cavidad que recibe el primer labio (42) y el primer elemento de sellado (46) y el segundo labio (44) y el segundo elemento de sellado (48).
2. Un conjunto de diafragma según la reivindicación 1, en donde cada uno del primer elemento de sellado (46) y el segundo elemento de sellado (48) comprende una junta tórica.
3. Un conjunto de diafragma según la reivindicación 1, en donde el miembro de diafragma (18) comprende una primera capa (62) y una segunda capa (64), formando la primera capa (62) y la segunda capa (64) la parte en forma de disco (40), la primera capa forma el primer labio (42) y la segunda capa forma el segundo labio (44).
4. Un conjunto de diafragma según la reivindicación 1, en donde el miembro de diafragma (18) comprende un elemento de fluoropolímero monolítico.
5. Una bomba de diafragma (10) que comprende:
un alojamiento (14) que tiene una cámara de bombeo (24) que contiene el fluido a bombear;
una cámara de émbolo (22);
un émbolo (32) que se desliza con un movimiento en vaivén en la cámara del émbolo (22); y
un conjunto de diafragma según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que se acopla al émbolo (32) y en donde dicho miembro de diafragma (18) está en comunicación de fluidos con la cámara de bombeo (24).
6. Una bomba de diafragma (10) según la reivindicación 5, en donde el miembro de diafragma (18) comprende politetrafluoroetileno.
7. Una bomba de diafragma (10) según la reivindicación 5, en donde el miembro de diafragma (18) comprende un elemento monolítico.
8. Una bomba de diafragma (10) según la reivindicación 5, en donde el miembro de diafragma (18) comprende un elemento de politetrafluoroetileno monolítico.
9. Una bomba de diafragma (10) según la reivindicación 5, en donde el miembro de diafragma (18) comprende una primera capa (62) y una segunda capa (64), formando la primera capa (62) y la segunda capa (64) la parte en forma de disco (40), la primera capa (62) forma el primer labio (42) y la segunda capa forma el segundo labio (44).
10. Una bomba de diafragma (10) según la reivindicación 5, en donde cada uno del primer elemento de sellado (46) y el segundo elemento de sellado (48) comprende una junta tórica.
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