CN105121847A - 具有高循环寿命的蜡马达 - Google Patents

Abstract

一种用于蜡马达等的密封组件，其提供了相对于可滑动穿过弹性体密封件的驱动器轴配合的弹性体密封件，其中该弹性体密封件具有从轴和弹性体密封件之间的接触区域转移的模具溢料飞边区，由此显著地增加了弹性体密封件的寿命。

Description

具有高循环寿命的蜡马达

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2013年4月29日提交的美国临时申请序列号为61/816,892的权益，兹以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于提供响应于加热的机械驱动的蜡马达，尤其涉及具有延长寿命的蜡马达。

背景技术

蜡马达提供了用于包括家用电器在内的各种应用的简单和可靠的线性驱动器。蜡马达通常提供容纳蜡的金属外壳和活塞，从而蜡的膨胀驱动活塞向外。当外壳被加热，例如被电阻(例如正温度系数热敏电阻)加热时，蜡会发生膨胀。通常，回程弹簧存在于与蜡马达相关的机械装置中，当蜡冷却时使活塞返回外壳中。这种蜡马达在例如四分之一英寸的短行程距离上产生大的力，可以用于许多加热和冷却循环。

在转让给本发明的受让人的美国专利号5,572,869中描述了蜡马达的设计和构造，兹以引用方式并入本文中。

蜡马达活塞可以是经过密封件穿出外壳的光滑圆柱形杆，该密封件将蜡保持在外壳中。常见的密封件包括弹性体O型环，该O型环在其外表面处被一个或多个垫圈支撑，例如聚四氟乙烯垫圈紧接着黄铜垫圈。外垫圈可以通过外壳在外垫圈周围的卷边保持在位置上。

O型环可以配合在外壳中的沉头孔中，并且允许其以液压密封方式浮动，从而有效防止热膨胀蜡的溢出。

由O型环形成的密封件用来可靠地防止在初始操作期间蜡马达的渗漏。随着使用时间延长，O型环开始在其与活塞轴的交界处磨损，最终导致蜡马达的渗漏和失效。

发明内容

本发明人已确信在蜡马达大量使用后产生的密封件渗漏强烈地取决于用于生产密封件的O型环的模塑工艺。特别地，被模塑成使移溢料飞边移离O型环的正常情况下接触活塞的内径的O型环提供普遍更长的寿命，该O型环。尽管事实上这些特别模塑的O型环和标准的O型环都可接受地密封了成千上万的初始循环，并且任何飞边确实增加了磨损区域的材料。可能伴随着设计而来的飞边的转移通过提供更加均匀的内径，从而减少了接触区的峰值压力。

然后特别地，本发明提供了具有外壳的热响应驱动器，该外壳具有沿着轴线延伸并且在外壳第一端开启的孔。活塞可以沿着轴线滑动，并且具有能穿过外壳开口随着活塞移动延伸的轴，并且热膨胀材料被放置于与活塞接触的孔中。密封组件附接至外壳的第一端以覆盖开口和围绕轴的一部分，从而允许该轴穿过密封件滑动同时防止热膨胀材料的泄漏。重要的是，该密封组件包括围绕轴的一部分并且在接触区域接触该轴的这一部分的弹性体密封件，该弹性体密封件具有从接触区中心转移的模具溢料飞边区。

因此本发明的至少一个实施例的特征是，通过调节在模具溢料飞边区域可能的结构弱区和将这些弱区从接触区的中心转移并且轴受制于O型环最高接触压力来增加蜡马达或者类似装置的使用寿命。现有技术的标准模塑工艺产生了在O型环和轴之间接触的中心处的飞边，该飞边由O型环模具的型芯段和型腔段相遇处的接缝引起。该飞边通常可以通过抛光或二次操作或处理而去除。尽管发明者不愿意被特殊的理论所局限，但相信这种飞边去除的结果是一块区域，该区域具有位于O型环密封区域中央的负和/或正的表面缺陷。

处于松弛状态的弹性体密封件的接触区可具有大体上恒定的横截面。

因此本发明的至少一个实施例的特征是，增加弹性体密封件和轴之间的接触区域而不增加弹性体密封件的膨胀、接触峰值压力和磨损力，从而减少磨损率。

弹性体密封件可以配合在外壳中的沉头孔内，该沉头孔具有大于弹性体密封件松弛直径的直径。

因此本发明的至少一个实施例的特征是，在浮动密封件设计中提供增加的密封件寿命。

该沉头孔可同轴地围绕一个孔，该孔具有在安装于沉头孔时大体上在弹性体密封件的外缘直径和內缘直径之间延伸到半途的直径。

因此本发明的至少一个实施例的特征是，通过最小化的轴向弹性体密封件挤压来增加设计中的密封件寿命。

该弹性体密封件进一步包括从接触区移除的浇口痕。

因此本发明的至少一个实施例的特征是，调节弹性体密封件中靠近将弹性体引入弹性体密封件模具处的可能的结构弱区。

该弹性体密封件可包括从接触区移除的模具飞边区中的示位痕。

因此本发明的至少一个实施例的特征是增加弹性体密封件的磨损寿命，即使在没有可察觉的飞边的区域也是如此。

该松弛状态中的弹性体密封是一个环面，该环面具有处于沿着包括轴线的平面的圆环内部的横截面，并且其中溢料飞边区以一个相对于轴线的角度径对着越过圆环。

因此本发明的至少一个实施例的特征是，将模具溢料飞边区移离接触区，同时保持模具中的对称性。

可替代地，松弛状态中的该弹性体密封件是一个环面，该环面可具有包括轴线的平面中的矩形横截面，并且其中模具溢料飞边区位于矩形横截面的拐角处。

因此本发明的至少一个实施例的特征是，使模具溢料飞边区移离接触区，并且提供具有均匀压力的大接触区。

可替代地，松弛状态下的弹性体密封件包括截头圆锥部分。

因此本发明的至少一个实施例的特征是，提供锥形密封件，在那里轴向挤压可用于控制径向密封件挤压。

参考以下具体描述、权利要求和附图，本发明的其他特征和优点对于本领域的技术人员是显而易见的，附图中类似标号用于标注类似的特征。

附图说明

图1是适用于本发明的蜡马达的立体图，该立体图显示了外壳具有在开口周围卷边的一端，蜡马达活塞可以穿过该开口延伸；

图2是沿着图1线2-2所取的横截面图，该图显示了活塞接纳在外壳内部容纳蜡的腔中，位于腔中的活塞后端由O型环紧随着一个或多个垫圈而保持，尾端由外壳的卷边保持；

图3是活塞、O型环、垫圈的分解图，其显示了具有偏移模具溢料飞边的O型环的横截面细节；

图4是用于制造图3中O型环的示例模具的断面图；

图5是图3中O型环的分解横截面图，和在另外提供了更扁的O型环内直径的可替代实施例中的蜡马达外壳和活塞轴的一部分的分解横截面图；

图6是类似于图3的图，其显示了模具溢料飞边仅从内径区移除的可替代的设计；

图7是类似于图2的断续横截面图，其显示了提供从内径区转移的模具溢料飞边的圆柱形密封件设计；

图8是图7中圆柱形密封件设计的立体图；

图9是类似于图4的图，其显示了用于模塑图7中的圆柱形密封件的型腔设计；

图10是类似于图7的图，其显示了模具溢料飞边同样从内径区转移的截头圆锥密封件设计；

图11是类似于图8的图，其显示了图10中的截头圆锥密封件；

图12是类似于图9的图，其显示了用于模塑图10中截头圆锥密封件的型腔设计；

图13是类似于图7的图，其显示了模具溢料飞边从内径区转移的带凸缘的截头圆锥密封件；

图14是类似于图8的图，其显示图13中的带凸缘的截头圆锥密封件；和

图15是类似于图9的图，其显示了用于铸造图13中带凸缘的截头圆锥密封件的型腔设计；

在具体解释本发明的实施例之前，应当理解的是本发明不仅仅将其应用局限于后面描述中阐述或者附图中展示的结构细节和组件布置。本发明适用于其他实施例，也可以以多种方法实施。而且，应当理解的是，本文所用的措辞和术语是为了解说的目的，而不应该将此视为限制。“包含”、“包括”和其变型的使用意味着包含了其后列出的事项与其等效物，以及额外的事项与其等效物。

具体实施方式

现参考图1，蜡马达10可提供金属外壳12，例如，该外壳12具有矩形主体13和在一端穿过机器圆柱形颈部19的开口14。抛光的圆柱形轴16可以沿着轴线15穿过密封组件17滑动地延伸。例如，轴16可以是硬化的不锈钢材料。

再参考图2，金属外壳12提供了沿着轴线15的盲孔18,轴16在盲孔18内延伸。在盲孔18靠近开口14的一端的第一沉头孔20可托住O型环22，该O型环22围绕轴16同轴地放置并且由耐高温弹性体制成。直径大于第一沉头孔20并且更加靠近开口14的第二沉头孔24可托住围绕轴16同心堆叠的聚四氟乙烯垫圈26和黄铜垫圈28，从而使得聚四氟乙烯垫圈26毗邻于O型环22，并且使得黄铜垫圈28被放置于聚四氟乙烯垫圈26的外边之上。聚四氟乙烯垫圈26和轴16具有过盈配合，而且黄铜垫圈28的尺寸被设计成在蜡马达10的预期操作温度范围之内能够与轴具有滑动配合。

在第二沉头孔周围的圆柱形颈部19的唇缘在黄铜垫圈28的外表面周围径向地向内卷曲，从而将黄铜垫圈28保持在位，使得聚四氟乙烯垫圈26相对于第二沉头孔24的基底具有轻微挤压，并使得聚四氟乙烯垫圈26和第一沉头孔20之间的O型环22具有最小挤压或没有挤压。

例如蜡或另一种合适材料的热膨胀材料30被容纳在围绕轴16的孔18中。

现参考图3，该O型环22可近似于环面，并用具有与轴线15径向对称的弹性体材料制成。模具溢料飞边区32，即弹性体材料渗漏进模具部分之间的接缝的位置，可能位于O型环22的横截面33的径向相反方向与轴线15垂直的平面上。特别地，O型环22的每个横截面33中的模具溢料飞边区32通过横截面33限定直径线34，直径线34与轴线15在横截面33以一个角度相交，例如45度。当溢料飞边区32沿着这些倾斜的直径线34转移时，溢料飞边区32会从O型环22的内半径36被移除，并因此远离与穿过O型环22的轴16的接触点。本发明考虑到或者因为模具精度或者因为后模塑/移除步骤，可能不会有实际的模具/在模具溢料飞边区32。独立于模具溢料飞边的存在，O型环22可能展现出由模具分模线处的轻微不规则性引起的“示位线”。此示位线表现了模具各部分之间或其它间断点之间的轻微不对准。

具有这种特性的O型环22，相比于其中模具溢料飞边区和轴16接触的传统O型环，已经被决定在更多的驱动循环中为蜡马达10中的热膨胀材料30提供密封。这种现象并不看上去与模具溢料飞边的存在有关，所述模具溢料飞边的存在按理说增加了磨损区域内的材料，并因此可能被预期为延缓磨损和渗漏。尽管发明者们不愿意被局限于特定的理论，然而相信模具溢料飞边区的转移可能与任意模具溢料飞边无关，但是取而代之地反映了在模具接缝附近的O型环22的微观结构。因此，本发明不局限于实际展现了模具溢料飞边的O型环。

该O型环22可进一步具有浇口痕38，其成为在模塑工艺中从O型环22附接到进料浇口的材料的过量弹性体材料。该浇口痕38也被从磨损区转移到例如O型环22的外直径，远离与轴16的接触点。

现参考图4，这种类型的O型环可以用具有底板42的模具40来生产，该底板42具有向上延伸的随高度而变窄的截头圆锥凸台44。该凸台44可具有以一个角度形成的侧壁，例如通常与要求的直径线34相符的相对于板42表面的45度角。沿着截头圆锥凸台44的向上延伸段居中的环形槽46可外接截头锥体从而限定具有环形的截面的模具型腔的半部。上板48可具有与向上的截头圆锥凸台44相同的总外部尺寸的截头圆锥型腔50，从而在模塑工艺中与此配对。另外一个凹槽52被加工在该型腔50的表面中，当上板48和底板42处于图4中封闭固定的关系时，该凹槽52与凸台44的凹槽46配合。

弹性体材料被强制为融化状态，并在高压下进入由凹槽46和凹槽52(穿过浇口通道57)形成的型腔，从腔外侧沿径向横越过型腔。美国专利4,043,727和1945年8月2日发表的美国机械师中的引用概括地描述了模塑适用于本发明的O型环的方法，兹以全篇引入方式并入本文中。

现参考图5，在安装在轴16上之前处于松弛状态的O型环22的横截面33可具有扁的内半径36，该内半径36相比具有半径62的完美圆形橫截面60有差异。这种形状可以通过对前面结合图4所描述的型腔的适当的塑形来产生。具体地，与轴线15垂直的O型环22的横截面33的内半径64可小于圆形横截面60的半径62，因此更小的半径64制造了更大的曲率半径。

在松弛状态下，O型环22具有稍小于轴16外直径68的内直径66，从而严实地密封在轴上。然而，松弛状态中的O型环22的外直径70稍小于沉头孔20的内直径72，从而O型环22可以本质上相对于外壳12浮动。当O型环22被放置在轴16上时，沉头孔20和盲孔18之间的径向壁76向内延伸至点65，该点65大约是O型环22的径向外缘69和其內缘71之间的中点，从而限制O型环在外壳12中朝着远离开口14的方向上的轴向移动且使得O型环22在轴向上有最小的挤压。

现参考图6，可以理解，当O型环22被安装在轴16上时，其会在接触区80上接触轴16，该接触区被如图5所示的扁平设计增加了，而不需要增加O型环22和轴16之间的接触力以使得O型环22弹性地变扁。该接触区80主要关注内模具溢料飞边区32的位移，模具溢料飞边区被沿着相对于轴线15成角度的直径线34转移，从而从接触区80和其与轴16相对的密封界面中被移除。与此相反，外模具溢料飞边区32’可沿着与轴线15垂直的横截面的赤道直径线安置，从内半径36的密封界面被移除。因为O型环22材料的弹性，这种不规则的分模线是可能的，该弹性可以允许其从模具中被移除而不需要典型模具离隙。

现参考图7和图8，蜡马达10的O型环22可被圆柱形弹性体密封件90取代，当圆柱形弹性体密封件90处于松弛状态时，其通常是具有大体上恒定圆形截面的中央轴向孔92的圆柱体。圆柱形弹性密封件90可以用和O型环22相同的材料制成，并可配合于第一沉头孔20，后者在轴向长度上稍稍延伸，从而使其适应弹性体密封件90的更大轴向长度。在此种情况下，聚四氟乙烯垫圈26可以被省略，黄铜垫圈28的内表面抵接到圆柱形弹性体密封件90的外部圆形底座。锥形过渡94被设置在第一沉头孔20和盲孔18之间，从而通过黄铜垫圈28来实现弹性体密封件90的向内的轴向挤压，比如增加弹性体密封件90和轴16之间的密封力。

对于O型环22，在模塑期间由于融化的弹性体材料迁移进入模具分模线引起的示位线会从轴向孔92的中央转移到其边缘。参考图9，对于O型环22，模具底板42和模具顶板48之间的分模线移离接触区中心，该接触区由大体上圆柱形的中央模具销100限定，该中央模具销100形成轴向孔92。浇口通道57在密封件90(成型时)远离与轴16的接触区的一个圆形表面进入模具型腔(当圆柱形弹性体密封件90组装在轴16上时)。

现参考图10、图11和图12，另外一个可选的设计提供了配合在相应的截头圆锥形第一沉头孔20中的截头圆锥密封件102，该截头圆锥形第一沉头孔20朝向其与盲孔18的连接锥变。黄铜垫圈28相对截头圆锥密封件102的更大的底部所产生的挤压提供了截头圆锥密封件102在轴向孔92和轴16之间的接触区上增加的挤压。与图9的描述类似的模具40，但是其中中央模具销100包括一个一体的外部特征，并在轴16周围的密封件102的邻近黄铜垫圈28一边的面内形成了凹的埋头孔104。正如之前的设计，轴16和截头圆锥密封件102之间的接触区扩散到更大的恒定横截面中央孔92上(当截头圆锥密封件102处于松弛状态时被界定)。

现参考图13和图14，截头圆锥密封件102具有整体塑模的凸缘106，该凸缘106当抵接在黄铜垫圈28时附接于其外表面。该模塑凸缘106的后表面与分离第一沉头孔20和第二沉头孔24的径向壁抵接，从而使得模塑凸缘106可在该壁与黄铜垫片98的后表面之间被挤压。截头圆锥部分102和圆锥形第一沉头孔20之间的互相作用造成了轴向挤压再次倾向于将截头圆锥部分102围绕轴16紧绷。参考图15，通过引进径向延伸边缘108来形成模塑凸缘106，可使用类似于图12中示出和描述的模具来模塑具有一体模塑的凸缘106的截头圆锥形密封件102。

本发明的各种特征阐在如下权利要求中阐述。应当理解的是，本发明的应用不局限于本文所阐述的组件的构造和配置细节。本发明能够具有其他实施例，并能够以各种方式来实践或实施。上文的各种变化和修改落在本发明的范围内。还应当理解的是，本文公开和限定的发明延展至文本和/或附图中提及或显而易见的各个特征中的两个或更多个的所有可供选择的组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种可替代的方面。本文描述的实施例解释了已知用于实践本公开的最佳模式，且能够使得本领域的其它技术人员利用本发明。

Claims (19)

1. 权利要求如下：

   1.一种热响应驱动器，包含：

   外壳，其具有沿着轴线延伸并且在所述外壳的第一端开口的孔；

   活塞，其沿着所述轴线可滑动并具有穿过所述外壳的开口随着活塞移动可延伸的轴；

   热膨胀材料，其放置于与所述活塞接触的孔中；和

   密封组件，其附接于所述外壳的第一端以覆盖所述开口并围绕所述轴的一部分，从而允许所述轴穿过所述密封组件滑动同时防止热膨胀材料的泄漏；

   其中所述密封组件包括围绕所述轴的一部分并且在整个接触区域接触所述轴的一部分的弹性体密封件，所述弹性体密封件具有移离所述接触区中心的模具溢料飞边区。
2. 2.根据权利要求1所述的热响应驱动器，其中处于松弛状态下的所述弹性体密封件的接触区具有大体上恒定的横截面。
3. 3.根据权利要求2所述的热响应驱动器，其中所述弹性体密封件配合在所述外壳中的沉头孔内，所述沉头孔具有大于所述弹性体密封件的松弛直径的直径。
4. 4.根据权利要求3所述的热响应驱动器，其中所述沉头孔同轴地围绕一个孔，所述孔具有在安装在沉头孔时大体上在所述弹性体密封件的外缘直径和所述弹性体密封件的内缘直径之间中途延伸的直径。
5. 5.根据权利要求4所述的热响应驱动器，其中所述弹性体密封件还包括从所述接触区移除的浇口痕。
6. 6.根据权利要求5所述的热响应驱动器，其中所述弹性体密封件包括从所述接触区移除的模具溢料飞边区中的示位痕。
7. 7.根据权利要求6所述的热响应驱动器，其中处于松弛状态下的所述弹性体密封件是一个环面，所述环面在包括所述轴线的平面内具有圆形横截面，并且其中所述模具溢料飞边区以一个相对于所述轴线的角度径对着越过圆环。
8. 8.根据权利要求6所述的热响应驱动器，其中处于松弛状态下的所述弹性体密封件是一个环面，所述环面在包括所述轴线的平面内具有矩形横截面，并且其中所述模具溢料飞边区位于所述矩形横截面的拐角处。
9. 9.根据权利要求6所述的热响应驱动器，其中处于松弛状态下的所述弹性体密封件包括截头圆锥部分。
10. 10.根据权利要求6所述的热响应驱动器，其中处于松弛状态下的所述弹性体密封件是一个环面，所述环面沿包括所述轴线的平面具有圆形横截面，并且其中所述模具溢料飞边区越过所述圆形横截面从径向相反方向移离。
11. 11.一种制造热响应驱动器的方法，所述驱动器具有：

    外壳，其具有沿着轴线延伸并且在所述外壳的第一端开口的孔；

    活塞，其沿着轴线可滑动并具有穿过所述外壳的开口随着所述活塞移动的可延伸的轴；

    放置于与所述活塞接触的孔中的热膨胀材料；和

    附接于所述外壳第一端的密封组件，其覆盖所述开口并围绕所述轴的一部分，从而允许所述轴穿过所述密封件滑动同时防止所述热膨胀材料的泄漏；

    其中所述密封件包括围绕所述轴的一部分并且在接触区域接触所述轴的一部分的弹性体密封件，所述方法包含步骤：

    (a)用在模具部件之间具有分模线的模具从弹性体材料中模塑出弹性体密封件，所述分模线限定了从所述弹性体密封件的內缘转移的弹性体密封件上的模具溢料飞边区；

    (b)将所述弹性体密封件安装于所述轴上，从而使得所述模具溢料飞边区从所述接触区的中心转移；和

    (c)将所述外壳围绕所述弹性体密封件密封。
12. 12.根据权利要求11所述的方法，其中步骤(a)模塑弹性体密封件，从而使得所述弹性体密封件的所述接触区在松弛状态下具有大体上恒定的横截面。
13. 13.根据权利要求12所述的方法，其中所述弹性体密封件配合在所述外壳中的沉头孔内，所述沉头孔具有大于所述弹性体密封件松弛直径的直径。
14. 14.根据权利要求13所述的方法，其中所述沉头孔同轴地围绕一个孔，所述孔具有在安装在所述沉头孔内时大体上在所述弹性体密封件的外缘直径和所述弹性体密封件的内缘直径之间中途延伸的直径。
15. 15.根据权利要求14所述的方法，其中所述弹性体密封件进一步包括从所述接触区移除的浇口痕。
16. 16.根据权利要求15所述的方法，其中处于松弛状态下的所述弹性体密封件是一个环面，所述环面在包括所述轴线的平面内具有圆形横截面，并且其中所述模具溢料飞边区以一个相对于所述轴线的角度径对着越过所述圆形横截面。
17. 17.根据权利要求15所述的方法，其中处于松弛状态下的所述弹性体密封件是一个环面，所述环面在包括所述轴线的平面内具有圆形横截面，并且其中所述模具溢料飞边区越过所述圆形横截面从径向相反方向转移。
18. 18.根据权利要求15所述的方法，其中处于松弛状态下的所述弹性体密封件是一个环面，所述环面在包括所述轴线的平面内具有矩形横截面，并且其中所述模具溢料飞边区位于所述矩形横截面的拐角处。
19. 19.根据权利要求15所述的方法，其中处于松弛状态下的所述弹性体密封件包括截头圆锥部分。