专利名称：用于制造金属泡沫的密封的推进器及其系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及浸入式推进器，更具体地说，本发明涉及用于形成金属泡沫的推进器。
背景技术：
目前特别需要用于制造各种制品的具有高强度和低重量特性的材料。这种材料在汽车和建筑业尤其需要。为满足这种需要，已经提出了金属泡沫。金属泡沫通常通过将气体引入到熔化金属池内，以在其表面上形成泡沫而制成。由于具有较高的强度重量比，铝是用于形成泡沫的较佳金属，尽管也可采用其他金属。该泡沫然后被去除并成型或者铸成需形状。已经提出各种方法来将气体引入到该熔化金属池内。这种方法包括利用造气添加剂、吹气等等。在后者方法中，已知多种设备和系统用于将气体吹入到熔化金属内。这样的设备包括喷嘴、推进器以及其他这样的装置。
在第5,334,236号美国专利中，描述了一种金属泡沫生成系统，其中借助于位于供应管末端的喷气嘴或者具有多个气体从中穿过的开口的中空回转推进器将空气引入。在这两种情况中，该管子或者推进器穿过一个开口以一个角度安装在熔化金属池内。在该专利中没有教导如何对这样的开口进行密封以阻止熔融金属泄漏。此外，由于用于形成该管子或者推进器的轴浸入到熔化金属内，因此它们由不锈钢制成。尽管如此，已经知道这种轴在长时间浸没在熔融金属中后会降低品质，必须经常更换。在这些已知的气体导入系统中另一个不足是，由于这些轴以倾斜方式设置在熔化金属池内，因此如果熔池深度增加，则必须调节这些轴的长度。且不说这种方案对驱动机构的要求，很清楚每个轴的成本也会更大。该情况以及这些轴需要定期更换导致了操作的高成本。
在与本申请相同发明人的第60/312,757号美国专利申请中，提供了一种改进的金属泡沫形成以及铸塑系统。在该系统中，通过将气体引入到熔化金属池底部以形成气泡来生成金属泡沫。然后使这些气泡经过与模腔连接的升液管上升。然后这些气泡在该空腔内部形成泡沫。模腔在充满气泡后，使它冷却，并取出形成的金属泡沫制品。在这种情况下，需要在特定地点生成气泡。该参考文献中提供了一个位于熔化金属池底部的多孔喷嘴，其中多孔喷嘴大致位于该升液管正下方。虽然这种多孔喷嘴导致所需的泡沫生成，但相信旋转式喷嘴能够改进泡沫特征。然而，在本领域中已知的旋转式喷嘴轴具有如上所述的各种缺陷。在该具体应用中，一个另外的缺陷是，由于是倾斜的推进器轴，经常不能保证形成的气泡被引入到该升液管内。此外，上述的系统包括对泡沫室进行加压。在此情况下，需要在推进器周围有足够的密封以防止渗漏。在该推进器经过熔化金属池侧面引入的情况下，这种密封难以形成。
因此，需要一种生成金属泡沫的改进的推进器系统。
发明内容
因此，在一个实施例中，本发明提供了一种用于将气体供应到容器内液体中的浸没气体排放推进器，所述推进器包括一个空心轴，该空心轴具有至少一个孔，一个连接到气体供应装置的第一端部，和一个穿过所述容器底部开口延伸到所述液体内的第二端部；所述轴的第二端包括一个与所述孔流体连通的排气喷嘴；该轴包括一个用于阻止所述流体渗漏的密封件；一个用于使该轴围绕它的纵向轴线旋转的驱动装置。
在另一个实施例中，本发明提供了一种用于将气体经过液体排放的系统，该系统包括一个用于所述液体的容器，所述容器具有一个带开口的基部；一个空心轴，该空心轴具有一个连接到气体供应装置的第一端部，和一个穿过所述容器内所述开口延伸到所述液体内的第二端部；一个连接到所述轴的所述第二端部的排气喷嘴；一个设置在所述容器的所述开口附近用于阻止所述液体渗漏的密封件；一个连接到所述轴上用于使所述轴围绕其纵向轴线旋转的电机。
在又一个实施例中，本发明提供了一种由熔化金属制造金属泡沫的系统，包括一个装有所述熔化金属的池子，所述池子包括一个在其基部带开口的容器；一个穿过所述开口大致垂直地延伸到所述熔化金属内的中空的、可旋转轴，所述轴包括一个延伸到所述熔化金属内的第一端部和一个连接到气体供应装置的第二端部；所述轴的第一端部包括一个浸没在所述熔化金属中的排气喷嘴；一个位于所述轴和所述开口之间用于阻止所述熔化金属通过的密封件；一个连接到所述轴用于使所述轴围绕其纵向轴线旋转的驱动机构。
在下面参照附图所作的详细说明中，本发明优选实施例的这些及其他特征将变得更加明显，这些附图中图1为金属泡沫铸塑设备的剖面图；图2为熔化金属池细节剖面图，其中示出了根据本发明实施例的推进器。
图3为用于发明推进器的气体供应机构的侧视图。
具体实施例方式
图1示出了如上所述第60/312,757号美国专利申请中教导的金属泡沫铸塑系统，其中可采用本发明。如图所示，该铸塑系统包括一个具有模腔38的模具36，该模具36与一个升液管39流体连接。该升液管39延伸到装有熔化金属34的池子32内。该池子32在其基部还包括一个多孔塞或者喷嘴44。一根连接到该喷嘴44上的气体供应管线42将气体穿过该喷嘴44引入到熔化金属34内。这种气体导致气泡46形成，由于气泡具有浮力，这些气泡优先地在箭头C所示方向上升。可以看到，通过将升液管39基本上定位在该喷嘴44正上面，气泡就能进入到该管子内，并上升而形成金属泡沫。可以理解的是，管子39的开口可设置一个漏斗状端部，以有助于收集形成的气泡。从而使泡沫进入并充满该模腔38。所属领域的技术人员可知，一旦模腔充满金属泡沫，可冷却模具而固化该泡沫，随后取出形成的泡沫制品。
图2示出了一个旋转气体供应推进器，在一个实例中，该推进器用作如上所述以及图1中所示金属泡沫铸塑系统的固定多孔喷嘴的替代品。
在图2中用100示出了根据本发明一个实施例的旋转推进器。该推进器包括一个空心轴102，该空心轴102大致垂直地延伸到熔化金属池(未示出)的基部104内。本领域中公知的是，包括基部104的池子设有能够承受熔化金属温度的耐火材料或者绝缘材料105。轴102的一个第一底端106将暴露开口108设置在该轴102的空心孔110内。通过将一个气体供应管线(在下面进一步讨论)连接到该开口108，空气被引入到轴102的孔110内。
参见图3，该图示出了气体供应方案的一个实例。如图所示，该轴102在孔110的内壁上包括一个螺纹部分(未示出)。一个旋转联接件160包括具有螺纹的螺纹接头162，该螺纹与孔110的螺纹互补。该旋转联接件160通过将连接器162旋入到该孔110内而紧固到该轴102上。该旋转联接件160包括一个旋转段164和一个固定段166。将区段164和166连接在一起的装置是公知的，实际上，旋转联接件160本身在市场上可买到。一个气体供应端口168设置在固定段166上。一个气体供应管线170则固定到供应端口168上。尽管已经描述了优选的气体供应系统，然而将气体供应装置设置到轴102的各种其他方法对所属领域的技术人员是显而易见的。
回到图2，在轴102的第二、顶端112，连接着一个气体出口喷嘴114。该轴102的顶端112穿过开口116延伸到熔化金属池内，该开口116贯穿该基部104和耐火材料105。具有中心孔120的支撑件118设置在基部104的开口116内。该轴102贯穿支撑件118的中心孔120，该中心孔120的尺寸确定为允许轴102自由转动。该支撑件118包括一个大致圆锥的上部122，该上部122包括一个环形肩部124，该肩部124抵靠在基部104的部分内表面126上，该部分靠近开口116。该支撑件118也包括一个大致圆筒状的主体117，孔120穿过该主体117，该主体117优选的是穿过该开口116延伸。优选的是，该主体117的外径尺寸确定为紧密配合在该开口116内。如上所述，该支撑件118的上部120具有大致圆锥形的结构。这种结构有助于导引熔化金属离开轴102。尽管就优选结构描述了支撑件118和开口116，但本领域技术人员可以理解的是，在这里描述的本发明范围内，各种其他几何形状也是可以的。还可以理解的是，该支撑件118优选的是由能承受熔化金属温度的材料制成。例如，适当的材料包括硅酸铝、石墨或者陶瓷。
支撑件118的中心孔120包括一个位于支撑件118顶端的上部区域121，该上部区域121具有大于孔120的直径。这种扩大的直径提供了支撑密封件或者套管130的台肩128。该套管130具有一个大致圆筒状的外壁132，该外壁132大致对应于支撑件118的上部区域121的外径。在该优选实施例中，该套筒130通过它的外壁132与上部区域121内壁之间的摩擦接触而保持在上部区域121内的位置。此外，这种方案确保了在套管130和支撑件118之间的密封。在该优选实施例中，套管130由石墨制成，以承受暴露于它的熔化金属的温度。然而，如陶瓷、金属或者合成物这样的其他材料对于本领域技术人员也是显而易见的。用于套管130的一些可能材料的实例特别包括石墨、二硼化钛、钨、氧化铝、氧化锆(ZrO2)、碳化硅、硝酸硅、硝酸硼、碳化钛和碳化钨。
在另一个实施例中，该支撑件118可与密封件或者套管130整体地形成。然而，可以理解的是，最好有单独的密封件，从而当该密封件130磨损后便于替换。还可以理解的是，为了形成最佳的密封，喷嘴114的下面应该与该密封件或者套管130的上接触面相一致。
在一个优选实施例中，为密封件或者套管130选择的材料是与熔化金属不浸润的。同样地，该推进器或者其部件也由不浸润材料制成。在另一个实施例中，与熔化金属接触的元件，即密封套管130、支撑件118、喷嘴114以及推进器的任何其它部分可涂覆防护材料，这种防护材料可抵抗熔化金属浸润和/或密封设备以阻止渗漏。
该套管130还包括一个中心孔134，该中心孔134容纳该轴102的上端并允许轴在其中旋转。优选的是，在轴102的外径和套管130的孔134之间的间隙尽可能最小，以便在其间提供密封。通过这种方式，并利用在套管130和支撑件118之间的密封，阻止了在池子内熔化金属的渗漏。
优选的是，气体排放喷嘴114包括一个紧固到轴顶端的大致圆筒形的主体。在该优选实施例中，该喷嘴114的主体包括从主体中心轴线径向延伸的多个翅片115。该喷嘴114还包括一个与该轴102的中心孔108流体连通的中心开口136。在该优选实施例中，该开口136没有贯穿该喷嘴114的整个主体，相反，该喷嘴114的主体具有一个或多个以及更好的是大量贯穿该翅片115的气体排放口138。该排放口138从喷嘴114的开口136向四周辐射并与该开口流体连通。该排风口138通向该熔化金属池，以便将穿过该轴102供应的气体排放到该熔化金属内。通过将该喷嘴114紧固到该轴102上，可以理解的是，该轴102的旋转也导致该喷嘴的旋转。在该优选实施例中，该喷嘴114的底面压靠套管130的顶面，以便在两者之间建立密封结构。
该轴102贯穿位于池子下面固定支撑件140内的开口。优选的是，该支撑件140包括一个轴承142，该轴承142具有一个中心孔144，该中心孔144的直径大于该轴102。优选的是，孔144设有一个轴102从中穿过的套管146。可以理解的是，该轴102可旋转地容纳在该套管146之内。可以理解的是，该轴承142的一个作用是当该轴102旋转时支撑并稳定轴102。优选的是，孔142还在其底部设有一个轴102从中穿过的垫圈148。该垫圈148的用途描述如下。
在该轴102的底端106，设有一个紧固到该轴上的轴环150。在轴环150和垫圈148之间，设有一个弹簧152，该弹簧处于压缩状态。可以理解的是，以这样方式设置的弹簧施加一个抵靠垫圈148和轴环150的力，使该垫圈和该轴环彼此强制远离。该力将沿着该轴102的长度延伸，从而使该喷嘴114的底面抵靠在该套管130的顶面上，从而用来强化喷嘴和套管之间的密封，以阻止熔化金属从该池子渗漏。还可以理解的是，这种力还保证该支撑件118压在池子的内表面上，同样确保两者之间的密封。然而，可以理解的是，借助于该弹簧152施加力的主要原因是将喷嘴密封在套管上。尽管利用弹簧152是实现所需密封的优选的方法，然而可以理解的是，还可采用任何其他手段。例如，该轴102可连接到任何其它力施加装置上，以实现想要的结果。作为选择的是，该轴以及相关元件的重量可足以提供必要的密封力。
本发明设计出使该轴102旋转的各种装置。在一个实施例中，该轴102设有一个滑轮154，该滑轮154在沿着轴102长度的位置上固定到该轴上。该滑轮154将施加到其上的驱动力转换成该轴102的轴向旋转。在本领域已知的是，该滑轮154适合于与连接到驱动电机(未示出)上的传动带配合。在另一个实施例中，该滑轮154可替换为一个链轮，该链轮与在电机驱动轴上的配合链轮配合。对于轴向旋转轴102的驱动装置的选择将取决于被使用的驱动机构。还应该理解的是，优选的是，将驱动装置(例如该滑轮154)远离轴102的底端106定位，从而不与送进孔108的气体供应管线发生干涉。
在该优选实施例中，在池子基部104的下面设有另一个轴承156。例如，该轴承156可具有与如上所述轴承142同样的结构。可以理解的是，该轴承156的用途是当该轴102旋转时支撑它并使其稳定。还可以理解的是，在发明的其它实施例中，如果该轴102能支撑其自身的话，则可以不需要该轴承156。如图所示，在发明的该优选实施例中，该轴承156还设有一个与套管146类似的套管157。还可以知道的是，根据设备的需要，可采用任何数量的轴承或者套管。
如上所述，根据本发明的推进器改进了在熔化金属内所排放气体的扩散。另外，通过减少或消除暴露于该熔化金属的轴长度，本发明的推进器避免了如上所述的对其造成的破坏以及使转动轴在该流体熔化金属内的其它有害效应。另外，通过设置一个直接从池子底部提供排放气体的装置，实现了气泡的所需的垂直上升。
在上述实施例中，已经描述了具有单个推进器轴和排气喷嘴的系统。然而，该发明还设想了其中采用几个推进器和喷嘴的其他系统。对于本领域技术人员显而易见的是，当使用较大直径的升液管39时，多于一个的推进器和喷嘴组合会更有效。
本发明在其用于金属泡沫铸塑系统方面已经进行了描述。然而，可以理解的是，这只是发明的一种可能利用，各种其他利用属于发明范围内。尽管大约4500转每分的推进器速度在金属泡沫生产领域中是已知的，然而任何其它需要的速度也是可行的。
虽然参考某些具体的实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员显而易见的是，在没有脱离如附属权利要求限定的本发明精神和范围的情况下，可进行各种修改。
权利要求
1.一种用于将气体供应到容器内液体中的浸没气体排放推进器，所述推进器包括一个空心轴，该空心轴具有至少一个孔，一个连接到气体供应装置的第一端部，和一个穿过所述容器底部开口延伸到所述液体内的第二端部；所述轴的第二端包括一个与所述孔流体连通的排气喷嘴；该轴包括一个用于阻止所述流体渗漏的密封件；一个用于使该轴围绕它的纵向轴线旋转的驱动装置。
2.如权利要求1所述的推进器，其中所述液体为一种熔化金属。
3.如权利要求1所述的推进器，其中所述推进器偏压在所述密封件上。
4.一种用于将气体经过液体排放的系统，该系统包括一个用于所述液体的容器，所述容器具有一个带开口的基部；一个空心轴，该空心轴具有一个连接到气体供应装置的第一端部，和一个穿过所述容器内所述开口延伸到所述液体内的第二端部；一个连接到所述轴的所述第二端部的排气喷嘴；一个设置在所述容器的所述开口附近用于阻止所述液体渗漏的密封件；一个连接到所述轴上用于使所述轴围绕其纵向轴线旋转的电机。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述液体为一种熔化金属。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述推进器偏压在所述密封件上。
7.一种由熔化金属制造金属泡沫的系统，包括一个装有所述熔化金属的池子，所述池子包括一个在其基部带开口的容器；一个穿过所述开口大致垂直地延伸到所述熔化金属内的中空的、可旋转轴，所述轴包括一个延伸到所述熔化金属内的第一端部和一个连接到气体供应装置的第二端部；所述轴的第一端部包括一个浸没在所述熔化金属中的排气喷嘴；一个位于所述轴和所述开口之间用于阻止所述熔化金属通过的密封件；一个连接到所述轴用于使所述轴围绕其纵向轴线旋转的驱动机构。
8.如权利要求4所述的系统，其中所述推进器偏压在所述密封件上。
9.如权利要求所述8的系统，其中所述推进器设有一个弹簧，用于将所述推进器偏压在所述密封件上。
10.如权利要求7所述的系统，其中所述系统上与所述熔化金属接触的部分由抗御所述熔化金属的材料制成。
11.如权利要求7所述的系统，其中所述系统上与所述熔化金属接触的部分涂覆有抗御所述熔化金属的材料。
全文摘要
一种用于制造金属泡沫的系统包括一个装有熔化金属的池子，一个贯穿池子基部延伸并浸入到该熔化金属中的转动轴或者推进器，以及一个设置在该轴的浸没端部上的排气喷嘴。该轴的相对端部连接到气体供应管线上，同时该轴通过一个电机旋转。一个密封件设置在池子基部的开口内，用于阻止熔化金属从其中渗漏。
文档编号F04D7/06GK1638853SQ03805192
公开日2005年7月13日 申请日期2003年3月3日 优先权日2002年3月4日
发明者斯克特·尼科尔, 理查德·G·曼利 申请人:西玛特公司