CPC防溢連接器的小型化
文章來源：弗戈工業(yè)在線 發(fā)布時間：2015-04-02
從工業(yè)應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，準確的流體處理都具有至關(guān)重要的意義，任何類型的滲漏都可能產(chǎn)生重大影響。例如，在大幅面印刷領(lǐng)域，油墨從供墨管道和墨盒漏出可能會損壞昂貴的設(shè)備，并可能會破壞全部印刷品。而在醫(yī)院，風(fēng)險則更高，檢測設(shè)備的滲漏可能造成有害化學(xué)品進入環(huán)境中，這不僅會影響分析結(jié)果，還會危害操作人員或患者的安全。盡管操作人員可能并不總了解背后起作用的技術(shù)，但目前有各種不同產(chǎn)品可以用于管理流體輸送并降低發(fā)生溢漏的可能性，例如魯爾接頭、軟管倒鉤配件等傳統(tǒng)產(chǎn)品，以及更先進的創(chuàng)新防溢連接器。
數(shù)十年來，CPC等行業(yè)引領(lǐng)者開發(fā)的防溢連接器是流量管理應(yīng)用場合的一個組成部分。用戶借助CPC的防溢連接器連接和斷開管道，不會有任意一滴液體從流體系統(tǒng)中漏出。對于需要經(jīng)常連接和斷開管道或配件的系統(tǒng)而言，該產(chǎn)品適合用于構(gòu)建密閉系統(tǒng)，以防出現(xiàn)流體泄漏或流動中斷，這對確保準確的性能而言具有重要意義。
然而，行業(yè)的需求在不斷發(fā)生變化，以更小、更緊湊的產(chǎn)品為趨勢。2011年，CPC的設(shè)計師們面臨著設(shè)計出一種尺寸僅為現(xiàn)有小產(chǎn)品四分之一的新型防溢連接器的需求。使用尺寸只有1/16”部件，對工程師們而言是獨特的挑戰(zhàn)，需要將CPC在連接器設(shè)計、材料創(chuàng)新和加工方面的專長結(jié)合起來，以此來創(chuàng)造出迄今為止小的塑料防溢連接器—NS1。
NS1 Series Couplings
防溢連接器的演變
防溢解決方案，例如CPC的 NS 連接器系列，在插頭和連接器本體上都有固定件和運動件，連接器本體內(nèi)部的剛性芯柱將一個閥門壓在插頭上，該插頭保持連接器本體上的外部套筒打開。而只有這兩個條件均得以滿足時，流動通道方才打開 — 否則，流動通道將默認保持關(guān)閉且無滲漏，因此此類連接器非常適合用于輸送有毒、生物、昂貴或者僅僅是骯臟的流體。
CPC在十多年前就開始研發(fā)防溢連接器產(chǎn)品系列，并推出 3/8” 流量連接器，命名為 NS6(表示內(nèi)孔徑為 6/16”)。之后不久，CPC又于 2003 年推出 NS4(1/4”流量)連接器，該產(chǎn)品已經(jīng)被證明是CPC的標志性技術(shù)之一。該連接器以直觀的接口為特點，可以發(fā)出“咔嗒”聲，便于操作者們確認連接是否穩(wěn)妥，并且還配有一個簡單的按鎖，可輕松斷開。從先進的低溫治療儀到化學(xué)系統(tǒng)的清潔和流體收集，NS4 在對可靠插拔有所要求的各種應(yīng)用場合廣泛應(yīng)用。2007 年，CPC又推出NS2 1/8” 流量連接器。與以往的產(chǎn)品類型不同，這款連接器上沒有按鎖，代之以旋接式機構(gòu)，以滿足對更小、更具成本效益的工業(yè)接頭的需求。
隨著 NS2 被廣泛接受，人們對小型、可靠防溢接頭能夠為設(shè)備或機器帶來的好處認識更加深刻�？蛻魧π聭�(yīng)用的反饋以及對更小尺寸產(chǎn)品的要求，說明需要進一步縮小產(chǎn)品尺寸。同樣明顯的是，某些行業(yè)和應(yīng)用正在尋求采用小尺寸的防溢連接器來降低操作風(fēng)險。在某些情況下，現(xiàn)有技術(shù)的尺寸縮小使得該需求應(yīng)運而生，需要有新一代的連接器，而在其他的情況下，則是由于新的目標應(yīng)用場合尺寸較小，導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)無法與之配套。
工業(yè)印刷
大型工業(yè)打印機的油墨管理就是現(xiàn)有的此類市場。傳統(tǒng)工業(yè)印刷采用水性或溶劑油墨。在具體材料上應(yīng)用時，對印刷品進行操作之前，必須首先進行干燥處理 — 即，將水分或溶劑蒸發(fā)掉，而這就降低了整個工藝的處理效率。
如今，工業(yè)打印機主要采用紫外光固化油墨，使用高強度紫外線瞬間固化或“干燥”油墨。盡管這種方法大大提高了印刷工藝的效率，但卻仍然存在有一個難題，也就是說，溢出的油墨暴露在空氣中時不會蒸發(fā)，反而長時間地保持“潮濕”。如果有油墨從連接器或管道漏進設(shè)備中或者在印刷的過程中發(fā)生油墨滲漏，則可能會造成全部印刷品浪費掉，并且耗費較高的清理成本。在這些高性能、高成本打印機里，防溢連接器是一個重要組成部分。但是由于設(shè)計不斷規(guī)定縮小形狀系數(shù)，尺寸更小的連接器成為一項必要要求。
在許多印刷應(yīng)用中，保持空氣在墨路外與保持油墨在系統(tǒng)內(nèi)具有同等的重要性。有空氣混入(墨道內(nèi)有氣泡)可能需要往系統(tǒng)內(nèi)注液，或者引起打印頭故障。防溢連接器在防止空氣進入密閉系統(tǒng)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
醫(yī)學(xué)實驗室
不光是現(xiàn)存市場對較小的防溢連接器有需求，公司還發(fā)現(xiàn)了向新的應(yīng)用場合進軍的機遇。在這些應(yīng)用場合中，原先的 NS 系列及其姊妹產(chǎn)品 — PMC 系列并非佳適用產(chǎn)品。
醫(yī)院實驗室內(nèi)的大容量檢測需要在有限的空間內(nèi)頻繁地連接和斷開試驗設(shè)備、試劑容器和化學(xué)品包裝瓶。這種設(shè)備經(jīng)常采用半剛性微孔管道，接在魯爾接頭或者直接固定在包裝瓶上，通常一個容器上連接有多根管路。設(shè)計工程師們發(fā)現(xiàn)，防溢連接器可以為這些應(yīng)用場合帶來益處，能夠防止化學(xué)品蒸發(fā)，以免化學(xué)品濃度降低而導(dǎo)致終試驗結(jié)果受影響。同時，公司的現(xiàn)有連接器產(chǎn)品(例如PMC12)體積過大，無法在一個容器蓋上并接4至5個連接器，而且具體應(yīng)用要求采用占地面積明顯更小的解決方案。
為了解某個解決方案的使用細節(jié)，CPC和工業(yè)及醫(yī)療行業(yè)的客戶展開的初步討論，據(jù)此確定需要設(shè)計出一種全新的連接器，其流量尺寸僅為NS2的一半，但仍然配有用戶熟知的使NS4和NS6易于操作的按鎖。
這個想法表面上挺簡單 — 也就是將NS4設(shè)計微型化處理成1/16”的流量連接器，命名為NS1。
克服微型化道路上的挑戰(zhàn)
目前，市場上很少有 1/16” 流量規(guī)格的防溢連接器，而且即便有，也是用銅或不銹鋼材料制成的。不銹鋼的價格較高，銅的化學(xué)相容性較低，因此這類防溢連接器不適合在許多場合使用。而塑料呢，更具成本效益且耐化學(xué)腐蝕，因此是新連接器設(shè)計可采用的理想材料。
在著手進行 NS1 產(chǎn)品設(shè)計的過程中，CPC的工程師們已經(jīng)擁有縮小 NS 系列產(chǎn)品方面的經(jīng)驗。然而，盡管 NS2 以不同的連接件為特征，該產(chǎn)品本質(zhì)上其實是一個尺寸縮小了的 NS4。對于NS1，人們很快意識到這種規(guī)模的小型化要求將更加苛刻。
NS2 的設(shè)計在很大程度上就是將各個組件的尺寸縮小，問題集中在產(chǎn)品內(nèi)部及其本身，而對于 NS1，由于有一個重要障礙存在，設(shè)計者們無法使用類似的方法：盡管連接器單個部件的尺寸基本上等于NS4各對應(yīng)部件尺寸的四分之一，但還必須保證容差和性能仍然和大尺寸連接器保持一致。
CPC發(fā)現(xiàn)有些配件很容易縮小，但是在其他某些配件上，當縮小超過某個點時，卻無法再使用同樣的方法進行處理。例如，塑料的厚度越小，意味著配件能夠承受的應(yīng)力更小，并且可能會開始出現(xiàn)彎曲。在有些情況下，防溢閥門本身也是個問題 — 閥體上的閥桿太薄以至于無法在重復(fù)使用中保持堅硬，在壓力作用下，會出現(xiàn)縱向彎曲，導(dǎo)致無法推開閥門。即便是再簡單不過的按鎖同樣也被證明是個難題。有試驗用戶抱怨說他們無法輕松地斷開連接器，因為按鎖太小了，致使他們不能舒服地按下。
顯然，要想在 NS1 上獲得成功，唯一途徑就是對 NS4 的各個配件以及制造商用于加工的各個工藝逐一進行審查 — 從而了解需要調(diào)整的部位，并對替代方法進行評估。
終確定，連接器的視覺和功能設(shè)計將保持不變，但按鎖除外。因為CPC發(fā)現(xiàn)，各方面尺寸只有 NS4 四分之一大小的連接器無法在手掌心輕松操作。而且，在用戶嘗試使用對應(yīng)的小按鎖時發(fā)現(xiàn)，要想將按鎖推到位以將它打開，這個動作很別扭。與直覺相反，CPC決定轉(zhuǎn)而設(shè)計出一個在比例上“過大”的按鎖 — 相比連接器的其他部分而言，這個按鎖顯得相對較大。這樣，用戶就能輕松而又直觀地使用按鎖了。根據(jù)無數(shù)次的試驗以及多次客戶反饋，終確定約為 NS4 按鎖一半大小的新按鎖還是能讓用戶舒服地按住的，無需顯著增大連接器的形狀系數(shù)。
材料選擇同樣重要。NS4 系列主要采用聚丙烯材料，但是CPC發(fā)現(xiàn)，隨著厚度減小，這種材料會變得太軟且太容易彎曲，導(dǎo)致早期的模型快速變形和彎曲。相反，工程師們回歸到 NS1 的原型，該原型原本被考慮用于軍事應(yīng)用，而堅固性和高耐化學(xué)性正是軍事應(yīng)用的關(guān)鍵考慮要素。原設(shè)計者曾建議使用一種替換材料 — 聚醚醚酮或PEEK 。這種材料能提供所需的機械和化學(xué)性能，滿足在較小的形狀系數(shù)下仍然具備較高的設(shè)計公差的要求。盡管完全采用PEEK 制造NS1成本高昂，CPC認識到，更結(jié)實更堅硬的塑料是按鎖和閥桿的不二之選，因為這兩樣容易發(fā)生變形。
不過，光是采用新材料是無法解決所有難題的。盡管可以用 PEEK 代替連接器的某些部件，但連接器的其他部位，尤其是連接器本體用于安裝配件的兩半部分，將仍然采用聚丙烯材料。之后，需要通過旋轉(zhuǎn)焊接的方法這兩半部分粘合在一起，也就是保持其中一半固定不動，將另一半通過焊接粘上，然后再高速旋轉(zhuǎn)以形成摩擦力，使塑料充分熔化，從而將各部分粘在一起。目前所用的設(shè)備并不適合 NS1，因為 NS1 的部件比較小，機器無法握緊，導(dǎo)致有自由轉(zhuǎn)動，無法使連接器本體的兩半部分旋轉(zhuǎn)。這就需要對工藝進行完整的重新設(shè)計。
就拿再簡單不過的 O 型密封圈來說。在連接過程中，O 型密封圈被放在凹槽中并壓緊，目的是在接口處形成嚴密的封口，因此需要對 O 型密封圈進行檢查和處理�？s小 O 型密封圈就需要縮小橫截面，而這有意味著，材料更加苛刻。在 NS4 上，O 型密封圈可伸展覆蓋住插件邊緣，然后與凹槽的尺寸對齊。但是當工程師們嘗試在 NS1 照此模仿時，墊片要么由于過度拉伸而折斷，要么在經(jīng)過邊緣時無法縮回原來的大小。終，通過對設(shè)備做相應(yīng)調(diào)整解決了這個難題。現(xiàn)在，連接器采用新的制造工藝和新的設(shè)備組裝，可以減小作用在小尺寸 O型密封圈上的作用力。
NS1 簡介
從早期的構(gòu)思到復(fù)雜的創(chuàng)造過程，在2013年夏天正式推出之前，NS1 的設(shè)計和開發(fā)經(jīng)歷了數(shù)次根本性轉(zhuǎn)變。
終端用戶體驗具有關(guān)鍵性的意義。終設(shè)計采用放大的按鎖，配有一個彈簧，能夠發(fā)出直觀的“咔嗒”聲，向工作人員再次確定連接有效完成 — 這也是 CPC 可靠連接的標志。NS1 采用標準和玻璃填充聚丙烯材料，包括一個 PEEK 按鎖和一個 EPDM O 型密封圈，具有嚴格的連接器內(nèi)徑公差，而且作為CPC的一項標準，已通過相關(guān)檢測可運行多年、完成成千上萬次插拔操作。
同時，NS1 繼續(xù)滿足CPC要求全部防溢連接器與客戶要求響應(yīng)的高標準。旋轉(zhuǎn)式設(shè)計可以實現(xiàn)自由移動或松開管道，不會產(chǎn)生扭折或滲漏，從而形成了一個無滴漏插拔且空氣進入量超低的密閉系統(tǒng)，把污染物降到低，并且不需要將氣泡從系統(tǒng)排出。目前有軟管倒鉤和 1/4-28 螺紋端接兩種方式可供選擇，NS1 是對性能要求較高的各種苛刻應(yīng)用場合的理想選擇，包括分析實驗室的儀器、印刷、油墨管理等。
經(jīng)過兩年半時間的改進和完善，CPC公司的 NS1 產(chǎn)品是目前市場上先進且小的塑料防溢連接器。
在 NS1 的開發(fā)過程中，材料考慮因素一直是一個關(guān)鍵問題。這種連接器初是設(shè)想用于軍事應(yīng)用場合的，特別是燃料電池的新興市場，這種電池預(yù)期將取代較大的電池作為電源使用。很快，人們便發(fā)現(xiàn)諸如聚丙烯之類的傳統(tǒng)塑料并不適合這種應(yīng)用場合，因為主要的使用化學(xué)品可能是腐蝕性極強的硝酸。
聚醚醚酮(PEEK )通常被稱作為金屬替代塑料，以其較高的強度和對腐蝕性極強的化學(xué)品(如硝酸)的杰出耐受性而受到推崇。NS1 初是全部采用 PEEK 制成的，但即便應(yīng)用焦點轉(zhuǎn)向了化學(xué)和醫(yī)療市場，它仍然是幫助連接器滿足規(guī)定機械和設(shè)計公差的一項關(guān)鍵因素。
如今，NS1 是一種混合型產(chǎn)品 — 大多數(shù)配件采用聚丙烯材料制成，但有些配件(主要是按鎖和閥桿)要求采用性能優(yōu)越的PEEK。
側(cè)2 – 魯爾連接器、螺母和套圈
在CPC開始新解決方案的開發(fā)過程時，工程師們需要考察的一個關(guān)鍵領(lǐng)域就是已經(jīng)在使用的技術(shù)，以及設(shè)計師們能如何對這些技術(shù)進行改進。對于醫(yī)院實驗室中的大容量檢測，CPC發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的解決方案都不是理想的選擇。
在很多情況下，實驗室仍然依靠魯爾接頭連接容器和微孔管道，但這些不大可靠的設(shè)備卻造成了問題，其主要原因是由于連接器本身容易發(fā)生滲漏和溢出。因此，工程師們要么發(fā)現(xiàn)有化學(xué)品從設(shè)備中漏出 — 這對操作人員造成潛在威脅 — 要么發(fā)現(xiàn)有氣泡進入系統(tǒng)，而這就需要隨后采取措施將氣泡從系統(tǒng)中排出，即費時又費料。一個有效的防溢連接器即可解決這兩大問題。
在其他情況下，實驗室優(yōu)先選擇螺母和套圈組合。這種組合能夠通過加壓的方式有效地固定住管道，但卻不是斷開連接的理想選擇。所以，每次更換容器時，操作人員都需要手動擰下接頭，然后再重新擰上接頭。這不僅費時，而且經(jīng)常擰上擰下意味著接頭容易過度緊縮，隨著時間的推移，可能會對管道造成壓迫，并對流量形成限制。
CPC的解決方案是轉(zhuǎn)而采用一種較小的防溢連接器，這種連接器的一端可以接到容器上，另一端接到螺母和套圈上(永久連到微孔管道上)。這樣，當需要更換化學(xué)品時，操作人員只需對管路和化學(xué)品包裝瓶進行快速插拔操作，更換容器，然后聽到一聲“咔嗒聲”之后即可確認管路已快速接好。
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