ITMI990201U1 - Pistone composito per pompa a vibrazione - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE del modello industriale di utilità
Il presente trovato riguarda un pistone composito per pompe a vibrazione comprendente una parte motrice in metallo ferromagnetico ed una parte pompante in materiale plastico ottenuto per stampaggio su un inserto metallico costituente la sua parte motrice.
Le pompe a vibrazione sono componenti fondamentali molto diffusi in molteplici applicazioni ed in diversi settori. In particolare queste pompe sono largamente impiegate per lalimentazione di caldaie di apparecchi elettrodomestici e specialmente di macchine per la preparazione di bevande calde per infusione da polveri contenenti gli ingredienti necessari alla loro preparazione, come macchine per la preparazione di caffè espresso e simili bevande. La crescente diffusione di queste pompe a vibrazione è accompagnata dall’esigenza di una totale affidabilità da ottenersi ad un prezzo sempre più basso.
Primi sforzi per contenere il prezzo di queste pompe sono stati rivolti alla scelta dei materiali costituenti la struttura del corpo pompante, degli apparati elettromagnetici e al’ottimizzazione delle loro forme e dimensioni per ottenere parti sempre più fidate ed economiche. Come secondi sforzi, ricerche per ottenere un’approfondita automatizzazione degli impianti di produzione hanno pure contribuito a ridurre i costi di produzione.
A questo punto per spingere ulteriormente la riduzione dei costi di produzione si è stati costretti ad intervenire su qualche elemento normalmente mai messo in discussione perché “apparentemente” già semplice, ma che tuttavia può ancora costituire una fonte di difetti del prodotto finale, sia pure in minuscole percentuali.
Uno di questi elementi è il pistone della pompa, finora realizzato completamente in materiale metallico mediante lavorazione meccanica.
Fino ad oggi si riteneva che per ragioni di semplicità fosse particolarmente economico e razionale realizzare un pistone di pompa a vibrazione in un solo pezzo metallico.
Tuttavia, analizzando i modi di fabbricazione di un pistone interamente metallico e le esigenze che questo pistone deve soddisfare, ci si accorse di parecchi fatti che apparentemente non venivano alla luce.
1 . Nella tradizionale pompa a vibrazione il pistone si trova immerso nel liquido da pompare, per cui necessita di alto rendimento magnetico e di alta resistenza alla corrosione. Purtroppo, queste due caratteristiche sono antitetiche, perché i materiali metallici, aventi ottima resistenza alla corrosione, sono privi di elementi ferromagnetici e, al contrario, i materiali, che mostrano eccellente ferromagneticità e quindi alto rendimento magnetico, sono scarsamente resistenti alla corrosione. In pratica, si è costretti a ricorrere a soluzioni di compromesso che tuttavia sono eccessivamente sbilanciate o verso la resistenza alla corrosione, con scarsa ferromagneticità, oppure verso la ferromagneticità con scarsa resistenza alla corrosione. Recenti studi hanno invero ottenuto particolari materiali mostranti un eccellente compromesso assicurante buona resistenza alla corrosione e buona ferromagneticità, tuttavia anche questo materiale non ha impedito che possano sorgere dei problemi, questa volta di tipo meccanico.
2. Come alternativa al pistone meccanico immerso nel liquido pompato, si è pensato a pompe la cui porzione elettromagnetica fosse disgiunta da quella pompante. Tuttavia, una simile soluzione implica la necessità di realizzare bobine contenenti una grande quantità di filo di rame, il cui costo è molto alto, o, in alternativa, realizzare pompe dalle prestazioni inferiori, soprattutto ad alte pressioni di lavoro, che non sempre possono essere soddisfacenti.
3. La tradizionale pompa a vibrazione prevede un pistone che deve svolgere svariate funzioni:
- deve trasformare la forza, dovuta al campo magnetico della bobina, in movimento,
- deve fare tenuta idraulica durante la corsa con il cilindro del corpo di pompa,
- deve garantire la tenuta dinamica della valvola di aspirazione, e
- deve consentire l’efflusso di liquido nella camera antecedente quella di pressione.
Per svolgere correttamente tutte queste funzioni, il pistone deve essere realizzato a regola d’arte con strette tolleranze del grado di finitura, delle dimensioni e delle forme geometriche. Le tolleranze di dimensioni hanno quindi grande importanza ed influenzano negativamente il costo di produzione , nel senso che più alte tolleranze producono più alti scarti di pezzi non a norma e più basse tolleranze sono possibili solo a costo di ulteriori lavorazioni elevanti il costo di produzione. Tuttavia, i pezzi cosi realizzati non sono in grado di garantire in modo assoluto la qualità totale perché i punti critici sono ottenuti per asportazione di truciolo su macchine utensili automatiche obbligate a produrre milioni di pezzi all' anno. In questo caso, ogni imprecisione di lavorazione, presenza di bave o finiture imperfette o insufficienti rendono problematica la garanzia di qualità totale del 100% che si è obbligati ad ottenere con controlli dispendiosi ed impegnativi in fase di preassemblaggio.
Uno scopo del presente trovato è quello di realizzare dei pistoni per pompe a vibrazione che non presentino gli inconvenienti dei sopraddetti pistoni tradizionali di tecnica anteriore.
Un altro scopo del presente trovato è di realizzare in modo diretto ed economico questi pistoni con una semplice lavorazione diretta che escluda fasi di rifinitura di pezzi già lavorati.
I sopraddetti scopi sono raggiunti da un pistone secondo il presente trovato comprendente una parte di materiale metallico ferromagnetico, limitata alla zona del pistone preposta all’espletamento della funzione magneto-motrice, ed una parte di materiale non metallico e non ferromagnetico realizzante la funzione di pompaggio del medesimo pistone.
In particolare, la parte espletante la funzione magneto-motrice è in un particolare acciaio inossidabile avente buone proprietà ferromagnetiche, mentre la parte espletante la funzione di pompaggio è in un materiale plastico, realizzato per stampaggio, inserito nella parte metallica.
Apparentemente, nella tecnica anteriore si era stati scoraggiati ad impiegare materiali diversi dai metalli perché l’azione meccanica di una guarnizione di tenuta radiale ad alte pressioni di lavoro provocava usure significative anche sull’acciaio inossidabile, per cui sorgeva il dubbio logico che un qualsiasi materiale plastico avrebbe subito usure anche più vistose e, in aggiunta, l’accoppiamento meccanico tra parte metallica magneto-motrice e parte in plastica sembrava richiedere sistemi costosi per le riprese da praticare, la precisione ed i necessari collaudi.
Tuttavia, si è scoperto che, se la temperatura dell’acqua da pompare rimanesse dell’ordine di quella ambientale (da 15 a 25 °C), potendosi prevedere temperature massime del pistone comprese tra 50 e 60 °C, non si dovrebbero incontrare particolari difficoltà nell’impiego di materiali termoplastici eventualmente addizionati di una carica di rinforzo, come, per esempio poliammidi (Nylon) caricate con fibre di vetro, quarzo macinato, silice esalata, farina fossile, o simili, il pistone essendo ottenuto per stampaggio del materiale termoplastico su un inserto di acciaio inossidabile di tipo ferromagnetico. Un esempio pratico di un adatto materiale termoplastico di basso costo e facile reperibilità in commercio potrebbe essere Nylon 6,6 caricato con un 30% di fibre di vetro.
Ovviamente, data una certa possibilità del Nylon 6,6 di assorbire, sia pure modestamente, acqua, ciò limiterebbe la durata del pistone, tuttavia a tempi cosi lunghi da rendere obsoleto il dispositivo in cui fosse installa una pompa a vibrazione contenente un tale pistone.
Inoltre, se proprio si desiderasse un’affidabilità assoluta della pompa da ottenersi con materiali termoplastici non esposti agli inconvenienti del sopraddetto Nylon 6,6, è possibile trovare sul mercato materiali termoplastici, come l’ossi- 1 ,4-fenilene-ossi- 1,4- fenilene-carbonil- 1,4-fenilene, prodotto e commerciato dalla Vitrex Pic a Thorton Cleveleys, Lancashire Regno Unito, sotto il marchio Peek , che per l’appunto resiste a temperatura ben più alte del Nylon 6,6 ed esibisce un assorbimento di acqua sostanzialmente nullo.
Le caratteristiche del pistone composito secondo il presente trovato sono illustrate qui sotto:
il pistone, come già detto, è formato da una parte metallica e da una parte in plastica.
La parte metallica è un semplice cilindro cavo, di basso costo ed esente da difetti che possano compromettere il funzionamento della pompa. La sua forma geometrica e le sue dimensioni sono adatte all’espletamento della forza magneto-motrice. La parte interna è sagomata per creare una fascia di sicuro aggancio meccanico con il materiale termoplastico successivamente sovrastampato. In particolare:
come nella versione tradizionale, anche in questa versione le tolleranze del diametro esterno sono garantite dalla trafilatura di barre d’acciaio che quindi non devono essere lavorate da alcuna macchina utensile;
l’unica quota che richiede rispetto della tolleranza è la lunghezza del pezzo per assicurare la tenuta in chiusura dello stampo previsto per iniettare il materiale termoplastico, essendo tuttavia questa quota facile da ottenere e da controllare;
non ha più alcuna importanza il grado di finitura della parete interna del foro perché questa può essere ricoperta di resina termoplastica, e anzi un basso grado di finitura può favorire l’ancoraggio della resina alla medesima parete. Nel tradizionale pistone completamente in acciaio inossidabile, oltre al foro interno, anche quello trasversale per l’efflusso di liquido nella camera antecedente quella di pressione necessita di finitura ottima e assenza di bave, perché:
- un insufficiente grado di finitura favorisce l’ossidazione superficiale e la dispersione dei medesimi ossidi nel liquido pompato (si ricordi che gli ossidi di ferro, anche se assolutamente non pericolosi per la salute, sono sgradevoli da vedere per il loro colore piuttosto scuro e intenso conferiscono eventuali sapori sgradevoli alle bevande);
- eventuali bave di lavorazione potrebbero staccarsi durante il funzionamento, portandosi contro le valvole di tenuta e compromettendo la loro funzionalità.
La parte in plastica costituisce la struttura funzionale del pistone, sostituendo le parti più critiche e delicate del medesimo, le quali, nel caso di pistone completamente metallico, essendo ottenute per mezzo di lavorazioni meccaniche, possono presentare i seguenti difetti:
a) nella sede di valvola di aspirazione:
- difetti di geometria, come ovalizzazioni o eccentricità,
- insufficiente grado di finitura,
- bave,
- residui di polvere metallica di lavorazione.
Questi difetti portano, come inconvenienti, a tenuta imperfetta, funzionamento irregolare e prestazioni insufficienti.
Durante il servizio possono anche comparire difetti di adesione della valvola alla sua sede provocata da incrostazioni calcaree o di detersivi utilizzati in condizioni di pompa semivuota per lunghi periodi di inutilizzazione,
che portano a blocco di valvola e mancato funzionamento della pompa.
Tutti i sopraddetti difetti sono eliminati da una sede di valvola in plastica.
b) nel diametro dell’elemento premente difetti di finitura e di dimensioni e tolleranza del diametro portano a tenuta imperfetta, funzionamento irregolare e prestazioni inferiori.
c) nella camera antecedente a quella di pressione per l’efflusso del liquido difetti di bave tra il foro trasversale ed il foro longitudinale e di insufficiente finitura portano a possibilità di distacco delle medesime bave con incastro o imprigionamento nella sede di valvola che perde la capacità di tenuta, mentre un’insufficiente finitura porta a potenziale esposizione all’ossidazione.
Tutti i sopraddetti difetti sono eliminati da una zona realizzata in plastica.
Si dovrebbe osservare che, se anche si usasse come plastica Tossi-1 ,4- fenilene-ossi- 1,4-fenilene-carbonil-1,4-fenilene (Peek ) che ha un costo, a pari peso, circa 38 volte maggiore di quello dell’acciaio inossidabile, si realizza sempre un risparmio interessante tra il 40 ed il 60% del costo dì un pistone completamente realizzato in acciaio inossidabile perché, se si dovesse fare un pistone tradizionale completamente in acciaio inossidabile, considerando che si deve partire da un semilavorato di acciaio di lunghezza pari a quella di tutto il pistone (cioè parte magneto-motrice più parte di compressione), occorrerebbero 75 g di acciaio inossidabile ed una grande spesa di lavorazione per ottenere il pezzo lavorato mediante una macchina utensile a mandrini multipli. Al contrario, se si facesse un pistone composito secondo il presente trovato, si impiegherebbe nemmeno la metà in peso di semilavorato di acciaio inossidabile, occorrerebbe una frazione trascurabile di lavorazione dell’acciaio impiegato e si otterrebbe il resto del pistone in plastica per semplice azione di stampaggio senza ulteriori lavorazioni, perché la parte in plastica, una volta stampata, è completamente finita. In conclusione il costo di un pistone composito secondo il presente trovato, rispetto ad un pistone tradizionale, sarebbe dell’ordine tra il 40 ed il 60 %.
Considerando i pregi qui sopra esposti, risulta ovvio il vantaggio di realizzare pistoni per pompe a vibrazione con parte magneto-motrice in acciaio inossidabile e parte di compressione in plastica.
Le caratteristiche del presente trovato saranno particolarmente puntualizzate nelle rivendicazioni costituenti la parte conclusiva della presente descrizione. Altre caratteristiche e pregi risulteranno tuttavia dalla descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione del trovato, corredata dagli allegati disegni, nei quali:
- la figura 1 è una vista laterale in sezione di un tradizionale pistone di pompa a vibrazione interamente in materiale metallico secondo la tecnica anteriore;
- la figura 2 è una vista laterale in sezione di una prima realizzazione di pistone composito per pompa a vibrazione, secondo il presente trovato; - la figura 3 è una vista dall’alto del pistone composito secondo il presente trovato illustrato in figura 2;
- la figura 4 è una vista sezionata esplosa del pistone composito secondo il presente trovato che illustra in particolare il componente metallico ed il componente plastico del medesimo pistone; e
-la figura 5 è una vista laterale in sezione di una seconda realizzazione semplificata di pistone composito per pompa a vibrazione, secondo il presente trovato.
Considerando dapprima la figura 1 che rappresenta il tradizionale pistone di tecnica anteriore, completamente in acciaio inossidabile, si vede che un tradizionale pistone 10 comprende una parte magneto-motrice allargata 12 ed un collo ristretto 14 funzionante da vero e proprio pistone di pompa. La parte magneto-motrice 12 è attraversata da una luce 16 avente il compito di consentire ad un liquido di risalire allinterno del pistone quando questi viene risucchiato entro il solenoide di azionamento della pompa. 11 collo ristretto 14 funziona da elemento di compressione ogni volta che il pistone viene rilasciato dal campo magnetico prodotto dal solenoide di pompa a vibrazione. A questo scopo, il collo 14 è attraversato da una luce 18 finita superiormente con una sede di valvola 20. La sommità della luce 16 della parte magneto-motrice 12 è attraversata da una foratura trasversale 22 per consentire compensazioni di pressione entro una camera di scorrimento del medesimo pistone. Questo è il tradizionale pistone di tecnica anteriore con gli inconvenienti qui sopra descritti.
Si considerino ora le figure da 2 a 4 che mostrano in sezione e di testa una prima realizzazione di pistone secondo il presente trovato.
Secondo le figure da 2 a 4, un pistone 30 secondo il presente trovato consiste di un nucleo 32 di materiale ferromagnetico, resistente alla corrosione, come acciaio inossidabile ferromagnetico, sormontato da un pistone 34 di materiale termoplastico, stampabile per iniezione, che viene formato inserito dentro il nucleo 32 come una candela 36 di materiale termoplastico stampato (vedere in particolare la figura 4).
Tenendo sempre in considerazione le figure da 2 a 4, si vede che la candela 36 di materiale termoplastico è formata da una parte inferiore 38, sviluppata entro un foro assiale 40 passante attraverso il nucleo 32, munita di un orlo inferiore ribattuto 41 e di un collare sporgente 42 che si alloggia in una cava circonferenziale 44 circondante il foro assiale 40. Oltre il collare 42, la candela 36 prosegue con una zona cilindrica 46 che occupa un foro passante 48 allineato assialmente con il foro 40 del medesimo nucleo 32. La zona cilindrica 46 prosegue, a sua volta, con uno o più spallamenti 50 che mettono in collegamento la parte inferiore 38 con il pistone 34.
La parte inferiore 38 ed il pistone 34 sono rispettivamente attraversati da fori cilindrici assialmente allineati, 52 e 54 rispettivamente, tra loro collegati, dove il foro 54 termina con una sede di valvola 56. Gli spallamenti 50 si alternano con finestre 58 per assicurare la medesima funzione della foratura trasversale 22 del pistone tradizionale della figura 1.
É evidente dalle figure 3 e 4 che la candela 36 di materiale termoplastico, essendo stampata inserita nel nucleo 32, non potrà mai muoversi o comunque distaccarsi dal medesimo nucleo, per cui il pistone composito 30 si comporterà sempre come un pezzo unico.
Si consideri ora la figura 5 che illustra una seconda realizzazione, decisamente più semplice, di un pistone 30a secondo il presente trovato. Secondo questa realizzazione, il pistone 30a consiste di un nucleo 32a di materiale inossidabile e ferromagnetico sormontato da un pistone 34a di materiale termoplastico, stampabile per iniezione, che viene formato entro il nucleo 32a come una candela 36a di materiale termoplastico.
La candela 36a è formata da una parte inferiore 38a sviluppata nella parte superiore di un foro assiale 40a passante attraverso il nucleo 32a e munita di un collare sporgente 42a che si impegna in una corrispondente cava rientrante presente sulle pareti del foro assiale 40a. Oltre il collare 42a, la parte inferiore 38a finisce con uno o più spallamenti 50a che mettono in collegamento la parte inferiore 38a con il pistone 34a.
La parte inferiore 38a ed il pistone 34a sono rispettivamente attraversati da fori cilindrici assialmente allineati, 52a e 54a rispettivamente, tra loro collegati, dove il foro 54a termina con una sede di valvola 56a. Gli spallamenti 50a si alternano con finestre 58a per assicurare la medesima funzione della foratura trasversale 22 del pistone tradizionale della figura 1.
É evidente dalla figura 5 che la candela 36a di materiale termoplastico, essendo stampata inserita nel nucleo 32a, tenuta ancorata da! collare sporgente 42a e rigorosamente allineata con il medesimo nucleo 32a, perché nucleo 32a e pistone 34a si muovono in cavità cilindriche rigorosamente allineate, non potrà mai muoversi o comunque distaccarsi dal medesimo nucleo 32a, per cui il pistone composito 30a si comporterà sempre come un pezzo unico.
Quanto è stato qui sopra esposto descrive due esempi di realizzazione di pistone composito per pompa a vibrazione secondo il presente trovato, da non considerarsi assolutamente a titolo limitativo. Infatti, agli esperti in questo particolare ramo tecnico potranno venire in mente varianti logiche ed equivalenti da considerarsi qui protette, come definite dalle allegate rivendicazioni

Claims (17)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Pistone composito (30) per pompa a vibrazione caratterizzato da una parte (32) di materiale metallico ferromagnetico, limitata alla zona del pistone preposta all’espletamento della funzione magneto-motrice, ed una parte (36) di materiale non metallico e non ferromagnetico realizzante la funzione di pompaggio del medesimo pistone.
  2. 2. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la parte metallica (32) espletante la funzione magneto-motrice è in un acciaio inossidabile avente buone proprietà ferromagnetiche, mentre la parte (36) espletante la funzione di pompaggio è in un materiale plastico, realizzato per stampaggio, inserito nella parte metallica (32).
  3. 3. Pistone composito per pompa a vibrazione come alia rivendicazione 2, caratterizzato da! fatto che la parte (36) è fatta in resina termoplastica.
  4. 4. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la parte (36) è fatta in resina poliammidica.
  5. 5. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la resina poliammidica è Nylon 6,6.
  6. 6. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il Nylon 6,6 è caricato con carica rinforzante.
  7. 7. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la carica rinforzante consiste di fibre di vetro.
  8. 8. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la carica rinforzante consiste di quarzo macinato.
  9. 9. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la carica rinforzante consiste di silice esalata.
  10. 10. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la carica rinforzante consiste di farina fossile.
  11. 11. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la carica rinforzante consiste di un 30% di fibre di vetro.
  12. 12. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la parte (36) in materiale plastico è fatta in resina ossi-l,4-fenilene-ossi-l,4-fenilene-carbonil-l,4-fenilene.
  13. 13. Pistone composito per pompa a vibrazione come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la parte metallica (32) è un pezzo cilindrico attraversato da un primo foro assiale (40) munito di cava circonferenziale (44) e proseguente con un secondo foro passante (48).
  14. 14. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che la parte (36) in materiale plastico è un pezzo a candela formato da una parte inferiore (38) che viene stampata entro il foro assiale (40) della parte metallica (32) ed è munita di un orlo inferiore ribattuto (41) che si appoggia contro una faccia inferiore della parte metallica (32), di un collare sporgente (42) che si alloggia nella cava circonferenziale (44) della medesima parte metallica (32), e di almeno uno spallamento (50) che collega la parte inferiore (38) ad un pistone (34).
  15. 15. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che la parte (36) in materiale plastico ha la parte inferiore (38) attraversata da un foro assiale (52) che si apre su finestre laterali (58), alternate tra gli spallamenti (50), ed il pistone (34) è attraversato da un foro assiale (54) allineato con il foro assiale (52) della parte inferiore (38) e terminato con una sede di valvola (56).
  16. 16. Pistone composito per pompa a vibrazione come alle rivendicazioni da 1 a 12, caratterizzato dal fatto che la parte (36a) in materiale plastico è un pezzo a candela formato da una parte inferiore (38a) che viene stampata entro il foro assiale (40a) della parte metallica (32a) ed è munita di un collare sporgente (42a) che si alloggia in una corrispondente cava circonferenziale della medesima parte metallica (32a), e di almeno uno spallamento (50a) che collega la parte inferiore (38a) ad un pistone (34a).
  17. 17. Pistone composito per pompa a vibrazione come alla rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che la parte (36a) in materiale plastico ha la parte inferiore (38a) attraversata da un foro assiale (52a) che si apre su finestre laterali (5Sa), alternate tra gli spallamenti (50a), ed il pistone (34a) è attraversato da un foro assiale (54a) allineato con il foro assiale (52a) della parte inferiore (38a) e terminato con una sede di valvola (56a).
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