BRPI0918369B1 - Conjunto de válvula para regular o fluxo de fluido e máquina para processamento de fluidos - Google Patents

Abstract

conjunto de válvula para regular o fluxo de fluido e máquina para processamento de fluidos é descrito um conjunto de válvula (1, 200, 400) para regular o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho (104, 414) de uma máquina para processamento de fluidos (100) e uma tubulação distribuidora de fluido. o conjunto de válvula (1, 200, 400) compreende um corpo de válvula (2, 302) compreendendo um assento de válvula (4, 212, 312), uma passagem de fluido (6) estendendo-se através do corpo da válvula, e um membro móvel compreendendo um membro de válvula que é operável entre uma posição aberta, na qual o membro de válvula fica espaçado do assento de válvula (4, 212, 312) e um fluido pode escoar através da passagem de fluido (6), e uma posição fechada, na qual o membro de válvula fica em contato vedado com o assento de válvula (4, 212, 312), impedindo que o fluido escoe através da passagem de fluido (6). o conjunto de válvula (1, 200, 400) define um caminho de fluxo de passagem, em um primeiro modo de fluxo de fluido, entre o membro de válvula e o assento de válvula (4, 212, 312), e pela passagem de fluido (6). o conjunto de válvula (1, 200, 400) caracteriza uma barreira (220, 308) a montante do membro de válvula, tal barreira (220, 308) reduzindo uma ou mais forças que, caso contrário, agiriam sobre o membro de válvula como resultado do fluxo de fluido, para forçar o membro de válvula em direção ao assento de válvula (4, 212, 312). assim, uma ou mais forças que, caso contrário, agiriam sobre o membro de válvula para forçar o membro de válvula para a posição fechada, devido ao fluxo do fluido passando pelo membro de válvula no primeiro modo de fluxo, são reduzidas ou eliminadas. é também descrito um conjunto de válvula (1, 200, 400) no qual um fluido que flui ao longo do referido caminho de fluxo de fluido é incidente sobre a superfície a jusante do membro de válvula em um ângulo de pelo menos 80°, em relação à direção na qual o membro de válvula é operável para mover-se entre a posição aberta e a posição fechada.

Description

CONJUNTO DE VÁLVULA PARA REGULAR O FLUXO DE FLUIDO E MÁQUINA PARA PROCESSAMENTO DE FLUIDOS

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção se refere ao campo de conjuntos de válvula adequados para regular o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho de uma máquina para processamento de fluidos e uma tubulação distribuidora de fluido, incluindo, mas não estando limitados a, conjuntos de válvulas eletronicamente controlados.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Máquinas para processamento de fluidos incluem máquinas movidas por fluido e/ou máquinas que movem fluidos, tais como bombas, motores e máquinas que podem funcionar tanto como uma bomba ou como um motor, em diferentes modos de operação. Embora a invenção seja ilustrada com referência a aplicações em que o fluido é um líquido, tal como um líquido hidráulico incompressível em geral, o líquido podería ser, alternativamente, um gás.

[003] Quando uma máquina para processamento de fluidos funciona como uma bomba, uma tubulação distribuidora de baixa pressão normalmente atua como uma fonte de fluido, e uma tubulação distribuidora de alta pressão normalmente atua como um coletor de fluido. Quando uma máquina para processamento de fluidos funciona como um motor, uma tubulação distribuidora de alta pressão normalmente atua como uma fonte de fluidos, e uma tubulação distribuidora de baixa pressão normalmente atua como um coletor de fluido. Dentro desta descrição e das reivindicações anexas, os termos "tubulação distribuidora de alta pressão" e "tubulação distribuidora de baixa pressão" referem-se a tubulações distribuidoras com pressões alta e baixa, uma em relação à outra. A diferença de pressão entre as tubulações distribuidoras de alta e de baixa pressão, e os valores absolutos da pressão nas tubulações distribuidoras de alta e de baixa pressão, vão depender da aplicação. Uma máquina para processamento de fluidos pode ter mais de uma tubulação distribuidora de baixa pressão, e pode ter mais de uma tubulação distribuidora de alta pressão.

[004] A invenção se refere a conjuntos de válvula adequados para utilização na regulação do fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho de uma máquina para processamento de fluidos e uma tubulação distribuidora. Os conjuntos de válvula incluem um membro de válvula e um assento de válvula que, consequentemente, assentam-se. Os conjuntos de válvula de acordo com a invenção podem ser úteis para uma ampla gama de tipos de máquinas para processamento de fluido. No entanto, as questões relativas à invenção serão agora discutidas com referência ao exemplo específico de conjuntos de válvula adequados para uso com máquinas para processamento de fluido já conhecidas, compreendendo uma pluralidade de câmaras de trabalho cujo volume varia conforme o ciclo, onde o deslocamento de fluido através das câmaras de trabalho é regulado por válvulas eletronicamente controladas, em uma base ciclo a ciclo, e em relação de fase com os ciclos de volume da câmara de trabalho, para determinar o rendimento líquido de fluido através da máquina.

[005] Por exemplo, a patente EP 0 361 927 revela um método para controlar a vazão de fluido através de uma bomba multi-câmaras, por meio da abertura e/ou fechamento de válvulas de assento eletronicamente controladas, em relação de fase com os ciclos de volume da câmara de trabalho, para regular a comunicação de fluido entre as câmaras de trabalho individuais da bomba e a tubulação distribuidora de baixa pressão. Como resultado, as câmaras individuais são selecionáveis por um controlador, em uma base ciclo a ciclo, tanto para deslocar um pré-determinado volume fixo de fluido como para cumprir um ciclo inativo sem nenhum deslocamento de fluido, permitindo assim que a vazão da bomba seja ajustada dinamicamente conforme a demanda. A patente EP 0.494.236 mostra o desenvolvimento deste princípio, e inclui válvulas de assento eletronicamente controladas que regulam a comunicação de fluido entre as câmaras de trabalho individuais e uma tubulação distribuidora de alta pressão, facilitando assim a provisão de uma máquina para processamento de fluidos funcionando como uma bomba ou como um motor, em modos de operação alternativos. A patente EP 1.537.333 introduziu a possibilidade de ciclos partilhados, permitindo que os ciclos individuais de cada câmara de trabalho desloquem qualquer volume de fluido, dentre uma pluralidade de diferentes volumes, para melhor atender à demanda.

[006] As máquinas para processamento de fluido deste tipo exigem rapidez de abertura e fechamento de válvulas eletronicamente controladas, capazes de regular o fluxo de fluido que sai de, e que entra em, uma câmara de trabalho, vindo da tubulação distribuidora de baixa pressão, e em algumas formas de incorporação, vindo da tubulação distribuidora de alta pressão. A válvula eletronicamente controlada, que regula o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho e a tubulação distribuidora de baixa pressão, é normalmente orientada de tal modo que o membro de válvula (por exemplo, um cabeçote de válvula de assento) se move no mesmo sentido que a direção do fluxo de fluido através do assento de válvula durante um curso de exaustão, no qual o fluido é evacuado para a tubulação distribuidora de baixa pressão. Durante um curso de exaustão em vazio, onde o fluido que foi recebido da tubulação distribuidora de baixa pressão no curso de admissão anterior foi devolvido à tubulação distribuidora de baixa pressão, a taxa de pico de fluxo de fluido é muito alta. Nestas circunstâncias, as forças resultantes de pelo menos quatro fenômenos diferentes, que serão agora descritos, forçam o cabeçote da válvula de assento na direção do assento de válvula. 1. A fim de facilitar o rápido fluxo de fluido com perdas mínimas de energia, minimizando a distância na qual o cabeçote da válvula de assento deve se deslocar, é vantajoso maximizar a área transversal do caminho de fluxo de fluido, minimizar a distância entre o assento de válvula e o cabeçote de assento, e maximizar o volume de fluido em volta do restante do cabeçote de assento. Isso significa que o fluido flui mais rápido no espaço entre o cabeçote de assento e o assento de válvula. Como resultado, há uma queda de pressão relacionada com a energia cinética que está no seu auge (levando a uma pressão de fluido mínima) entre o cabeçote da válvula de assento e o assento da válvula, tal força agindo para fechar a válvula. As forças relacionadas com a energia cinética são proporcionais ao quadrado da velocidade do fluido e da densidade do fluido, e esta força se aplica em ambos os cursos de admissão e exaustão. 2. O arrasto de viscosidade decorrente do fluxo de fluido através da superfície do cabeçote da válvula de assento atua em uma tangente à superfície do cabeçote de assento. Há sempre um componente da tangente da superfície do cabeçote de assento na direção de fechamento, de modo que o arrasto de viscosidade age para fazer a válvula de assento se fechar durante os cursos de exaustão. O arrasto de viscosidade é proporcional ao produto da velocidade do fluido com a viscosidade do fluido, e é particularmente importante em baixas temperaturas. 3. À medida que o fluido se divide e se desvia passando em frente ao cabeçote da válvula de assento, ele deve sofrer cisalhamento internamente enquanto muda sua forma. Isto leva a uma região de alta pressão na superfície a montante do cabeçote da válvula de assento, e a uma região de baixa pressão na superfície interior (onde o fluxo desviado se reencontra). A pressão diferencial resultante atua para fechar a válvula de assento. As forças de cisalhamento são proporcionais ao produto da velocidade do fluido com a viscosidade do fluido, e são também particularmente importantes em baixas temperaturas. 4. A massa de fluido também deve ser acelerada perpendicularmente ao eixo do fluxo, de modo que ele se desvia em torno do cabeçote da válvula de assento. A aceleração aumenta a pressão dentro do fluido no assento e, portanto, também aplica forças normais à face em torno da qual ocorre o desvio (o assim chamado “efeito de jato”). Essas forças são sentidas pelo cabeçote da válvula de assento e, porque o cabeçote da válvula de assento normalmente possui faces a montante com formato de cone ou de projétil, a fim de reduzir as forças de cisalhamento, as forças resultantes têm um componente na direção de fechamento do assento. Estas forças relacionadas com a aceleração são proporcionais ao produto da densidade do fluido com a viscosidade do fluido.

[007] A magnitude das forças resultantes varia, dependendo da temperatura, da viscosidade do fluido, da vazão instantânea e da configuração da válvula. Por exemplo, em algumas válvulas, o fluido colide com a lateral do membro de válvula antes de fluir entre o membro de válvula e o assento da válvula, ao invés da superfície a montante, afetando a magnitude relativa dessas forças.

[008] Como resultado dessas forças, pode haver risco de ocorrerem cursos involuntários de bombeamento, em que o fluido é deslocado sem isto ter sido pedido pelo controlador. Isto pode afetar significativamente o desempenho de uma máquina para processamento de fluidos, especialmente a baixas temperaturas, e pode ser perigoso. Não é prático superar essas forças simplesmente fornecendo campos magnéticos mais fortes para manter a válvula aberta, uma vez que isto iria aumentar o consumo de energia da válvula e retardar a liberação da válvula.

[009] Questões semelhantes podem surgir em outros tipos de máquina para processamento de fluidos, onde o fluido flui através do assento de válvula durante pelo menos algumas circunstâncias de operação de modo a que o membro de válvula se mova em direção ao assento de válvula para fechar a válvula.

[0010] O objetivo da invenção é fornecer um conjunto de válvula adequado para regular o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho de uma máquina para processamento de fluidos e uma tubulação distribuidora de fluido, em que os efeitos de algumas ou de todas essas quatro forças são mitigados ou evitados. Isto é conseguido, em algumas formas de incorporação, reduzindo-se ou eliminando-se uma ou mais dessas forças e, assim, mitigando-se ou eliminando-se os efeitos de algumas ou de todas estas quatro forças. [0011] Ao mitigar os efeitos de algumas ou de todas essas quatro forças, a probabilidade de fechamento de válvula no momento errado é reduzida, e o consumo de energia do conjunto de válvula pode, em certas circunstâncias, ser reduzido. A válvula também pode ter uma vida ativa mais longa do que em outros casos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0012] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é provido um conjunto de válvula para regular o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho de uma máquina para processamento de fluidos e uma tubulação distribuidora de fluido, em que o conjunto de válvula compreende um corpo de válvula compreendendo um assento de válvula, uma passagem de fluido estendendo-se através do corpo da válvula, e um membro móvel compreendendo um membro de válvula, tal membro de válvula sendo operável entre uma posição aberta, na qual o membro de válvula fica espaçado do assento de válvula e um fluido pode escoar através da passagem de fluido, e uma posição fechada, em que o membro da válvula fica em contato vedado com o assento de válvula, impedindo que o fluido flua através da passagem de fluido, com o conjunto de válvula definindo ainda a passagem por um caminho de fluxo, em um primeiro modo de fluxo de fluido, entre o membro da válvula e o assento de válvula, e pela passagem de fluido, caracterizando o fato de que o conjunto de válvula inclui ainda uma barreira a montante do membro de válvula, para reduzir uma ou mais forças que, caso contrário, agiríam sobre o membro de válvula como resultado do fluxo de fluido, para forçar o membro de válvula em direção ao assento de válvula.

[0013] A barreira deve ser operável para reduzir uma ou mais forças que, caso contrário, agiríam sobre o membro de válvula como resultado do fluxo de fluido, para forçar o membro de válvula em direção ao assento da válvula. Assim, a barreira deve ser formada e disposta de maneira a reduzir uma ou mais forças que, caso contrário, atuariam sobre o membro de válvula como resultado do fluxo de fluido, para forçar o membro de válvula em direção ao assento da válvula. Por uma ou mais forças que, de outro modo, agiríam sobre o membro de válvula como resultado do fluxo de fluido, para forçar o membro de válvula em direção ao assento da válvula, é feita referência às forças cinéticas que atuariam no membro de válvula, se a barreira não estivesse presente, tais forças cinéticas surgindo a partir do movimento do fluido adjacente ao membro de válvula, como por exemplo, algumas ou todas as quatro forças acima mencionadas. Isto contrasta com as forças resultantes da pressão estática. A barreira pode ser formada e disposta para reduzir as ditas forças, por ter a forma de uma proteção situada diretamente a montante do membro de válvula, quando a válvula está na posição aberta. Aqui o termo “a montante” refere-se ao primeiro modo de fluxo de fluido. Assim, a barreira tipicamente protege uma superfície do membro de válvula (normalmente a totalidade ou parte da superfície a montante do membro de válvula) contra o fluxo de fluido que, de outro modo, exercería uma força para empurrar o membro de válvula em direção ao assento da válvula, no primeiro modo de fluxo.

[0014] Preferivelmente, a barreira é operável (por exemplo, formada e disposta) de modo a reduzir ou eliminar as forças de arrasto de viscosidade através da superfície do membro de válvula em uma tangente a uma superfície do membro de válvula que, caso contrário, agiríam sobre o membro de válvula, como resultado do fluxo de fluido forçando o membro de válvula em direção ao assento da válvula, no modo primeiro fluxo de fluido. [0015] Preferivelmente, a barreira é operável (por exemplo, formada e disposta) de maneira a reduzir ou eliminar as forças resultantes de uma diferença de pressão criada pelo cisalhamento de fluido a montante do membro de válvula que, caso contrário, agiríam sobre o membro de válvula como resultado do fluxo de fluido, para forçar o membro da válvula na direção do assento de válvula, no modo primeiro fluxo de fluido. [0016] Preferivelmente, a barreira é operável (por exemplo, formada e disposta) de modo a reduzir ou eliminar as forças relacionadas com a aceleração, decorrentes da aceleração do fluido com uma componente perpendicular ao eixo do fluxo, de maneira a desviar o fluido em torno do membro de válvula, onde tais forças agiríam, caso contrário, sobre o membro de válvula, como resultado do fluxo de fluido, para forçar o membro de válvula em direção ao assento da válvula, no modo primeiro fluxo de fluido.

[0017] Preferivelmente, a barreira fica disposta (por exemplo, localizada) diretamente a montante do membro da válvula, quando o membro da válvula está na posição aberta. Assim, pelo menos algumas dessas ditas forças podem ser exercidas sobre a barreira ao invés de sobre o membro de válvula. Preferivelmente, a barreira fica fixamente montada ao conjunto de válvula. Normalmente, a barreira fica fixamente montada no corpo da válvula.

[0018] Preferivelmente, a barreira está disposta (por exemplo, localizada) de maneira a proteger uma superfície do membro de válvula (normalmente a totalidade ou parte da superfície a montante do membro de válvula) contra o fluxo de fluido que, de outro modo, exercería forças para empurrar o membro de válvula em direção ao assento da válvula, no primeiro modo de fluxo de fluido. Assim, uma região de nenhum, ou de um mínimo de, fluxo de fluido, é formada tipicamente no lado a montante do membro de válvula, como resultado da presença da barreira. A barreira pode ser formada e disposta de forma a que o caminho de fluxo de fluido não se estenda por uma parte da superfície a montante do membro de válvula.

[0019] O conjunto de válvula pode ser arranjado de maneira a que, no primeiro modo de fluxo, o fluxo de fluido recebido na barreira seja desviado pela mesma, em torno da periferia do membro de válvula.

[0020] Normalmente, a barreira se estende por toda a, e em frente à, área da superfície a montante do membro de válvula. No entanto, uma redução nas forças devido ao fluxo de fluido pode ser obtida empregando-se uma barreira que se estende por uma parte em frente à superfície a montante do membro de válvula.

[0021] A barreira pode compreender um aro de barreira, que se estende pelo menos parcialmente em torno da periferia do membro de válvula.

[0022] A barreira normalmente desvia o fluido que flui em direção a barreira, no primeiro modo de fluxo, em torno da periferia do membro de válvula. O membro de válvula pode não ser perfurado, e a barreira pode se estender por uma parte ou por toda a superfície do membro de válvula que está a montante, no primeiro modo de fluxo. O membro de válvula pode incluir uma ou mais aberturas. Por exemplo, o membro da válvula pode ser uma válvula anelar compreendendo uma ou mais aberturas. Nestes casos, a barreira normalmente desvia o fluido que flui em direção à barreira, em torno da periferia externa da barreira e através de uma ou mais aberturas.

[0023] É vantajoso desviar o fluido em torno do membro de válvula em um conjunto de válvula, para regular o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho de uma máquina para processamento de fluidos e uma tubulação distribuidora de fluido, e para não reduzir a pressão do fluido a montante (no primeiro modo de fluxo de fluido) do membro de válvula, facilitando o rápido fluxo de fluido requerido em uma máquina para processamento de fluidos.

[0024] Normalmente, o conjunto de válvula define o caminho de fluxo de fluido para que, no primeiro modo de fluxo, o fluido colida com a barreira de maneira geralmente paralela (por exemplo, paralelo) ao movimento do membro de válvula, entre a posição aberta e a posição fechada. A eficácia da barreira é especialmente alta nesta configuração. A barreira e o membro de válvula podem ser coaxiais.

[0025] O membro móvel pode compreender uma haste de válvula. Normalmente, a força é transmitida para o membro da válvula através da haste de válvula, por exemplo, por meio de um atuador, tal como um pólo magnético integrado ou acoplado ao membro móvel, acionado por um eletroímã. A haste de válvula pode, por exemplo, estender-se a montante ou a jusante do membro de válvula (no primeiro modo de fluxo de fluido). A barreira pode incluir uma abertura, por exemplo, onde a haste de válvula se estende a montante do membro de válvula, e a haste de válvula pode estender-se através da abertura.

[0026] No entanto, pode ser necessário que a barreira seja assimétrica. Por exemplo, a haste de válvula pode estender-se através de uma abertura, na barreira, que não está no centro da barreira. A barreira pode ter uma pluralidade de bordas e, neste caso, o caminho de fluxo de fluido pode passar por apenas algumas bordas da barreira (por exemplo, por uma borda externa ou interna, ou não por todas as bordas). Por exemplo, quando a barreira é uma barreira anelar, o caminho do fluxo de fluido pode estender-se somente pela borda externa ou pela borda interna do anel. Pode ser que a haste de válvula separe pelo menos parte do caminho de fluxo de fluido da barreira, encostando-se a pelo menos uma borda da barreira, por exemplo, à borda interna de uma barreira anelar.

[0027] Normalmente, o conjunto de válvula define o caminho de fluxo de fluido para que, no primeiro modo de fluxo, o fluido colida na barreira geralmente em uma única direção, por exemplo, através de uma única porta.

[0028] Assim, a invenção se estende a um conjunto de válvula para regular o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho de uma máquina para processamento de fluidos e uma tubulação distribuidora de fluido, com o conjunto de válvula compreendendo um corpo de válvula compreendendo um assento de válvula, uma passagem de fluido estendendo-se através do corpo da válvula, e um membro móvel compreendendo um membro de válvula, tal membro de válvula sendo operável entre uma posição aberta, na qual o membro de válvula fica espaçado do assento de válvula e um fluido pode escoar através da passagem de fluido, e uma posição fechada, na qual o membro da válvula está em contato vedado com o assento de válvula, impedindo o fluido de fluir através da passagem de fluido, onde o conjunto da válvula define ainda um caminho de fluxo de fluido passante, em um primeiro modo de fluxo, entre o membro de válvula e o assento de válvula, e pela passagem de fluido, caracterizando o fato de que o conjunto de válvula compreende uma barreira localizada diretamente a montante do membro de válvula, para desviar o fluido em torno da periferia do membro de válvula, no primeiro modo de fluxo de fluido. Neste arranjo, a barreira desvia o fluido em torno da periferia do membro de válvula, operando no primeiro modo de fluxo de fluido.

[0029] Preferencialmente, o membro de válvula e a barreira são formados e dispostos para definir, entre eles, um volume contendo fluido, quando o membro de válvula está na posição aberta, e normalmente também quando o membro de válvula está na posição fechada. Preferencialmente, o membro de válvula e a barreira são formados e dispostos para evitar a formação de um filme espremido entre as faces cooperantes do membro de válvula e da barreira, quando o membro de válvula está na posição aberta, o que de outra forma restringiría a abertura do conjunto de válvula.

[0030] O conjunto de válvula compreende tipicamente uma entrada através da qual o fluido é recebido, no primeiro modo de fluxo de fluido. A barreira pode estar localizada entre a entrada e o membro de válvula. No entanto, em algumas formas de incorporação, a barreira se estende a montante da entrada.

[0031] A barreira pode ser constituída por uma chapa de metal estampado.

[0032] A barreira pode incluir uma formação de guia do membro móvel (tal como uma abertura), disposta de maneira a cooperar com, e guiar, o membro móvel (de preferência, o membro de válvula).

[0033] O membro de válvula normalmente compreende uma superfície a jusante onde pelo menos parte dela é operável para manter contato com o assento de válvula, quando a válvula está na posição fechada. A barreira, o membro de válvula e o corpo da válvula podem ser formados e dispostos de modo a que o fluido que flui ao longo do caminho de fluxo de fluido flua pela superfície a jusante, em um ângulo de pelo menos 80°, ou de pelo menos 85°, de preferência de pelo menos 90°, e mais preferivelmente de mais de 90°, em relação à direção na qual o membro de válvula é operável para mover-se da posição aberta para a posição fechada. Assim, as componentes das forças de cisalhamento exercidas sobre o membro de válvula pelo fluxo de fluido passando pela superfície a jusante do membro de válvula, atuando paralelamente à direção na qual o membro de válvula se move da posição aberta para a posição fechada, são reduzidas ou removidas ou, quando o dito ângulo for maior do que 90°, agem no sentido de forçar o membro de válvula para a posição aberta.

[0034] Pode ser que o caminho de fluxo de fluido compreenda uma região de fluxo restrito, com o conjunto de válvula incluindo ainda uma câmara de pressão reduzida, em comunicação tanto com uma primeira superfície do membro móvel como com a região de fluxo restrito, disposta de modo a exercer uma força sobre o membro móvel por meio de uma redução de pressão na câmara de pressão reduzida, quando o fluido está fluindo ao longo do caminho de fluxo de fluido, através da região de fluxo restrito, cuja força atua para resistir ao fechamento da válvula.

[0035] Uma região de fluxo restrito é referida como uma região de um conduto através da qual o fluido flui, tendo uma área transversal por onde o fluido flui que é menor do que o caminho de fluxo de fluido a montante da região de fluxo restrito, sendo também normalmente uma área com seção transversal através da qual o fluido flui que é menor do que o caminho de fluxo de fluido a jusante da região de fluxo restrito. Assim, a pressão do fluido na região de fluxo restrito será reduzida em relação à do fluido que está a montante e, normalmente, também a jusante da região de fluxo restrito, em virtude do efeito Venturi. A "área transversal através da qual fluido flui" exclui a área transversal de qualquer membro ao redor do qual o fluido flui, mas não através dele. Por exemplo, em algumas formas de incorporação, uma haste de válvula ou outro membro que é impermeável ao fluido, e em torno do qual o fluido flui, pode estar localizada dentro de um conduto, tal como a passagem de fluido, restringindo assim o fluxo. Como a câmara de pressão reduzida está em comunicação com a região de fluxo restrito, a pressão dentro da câmara de pressão reduzida também será reduzida para um valor abaixo da pressão do fluido recebido a montante da região de fluxo restrito e, geralmente, também a jusante da região de fluxo restrito, quando o fluido está fluindo através do caminho de fluxo de fluido.

[0036] Normalmente, o conjunto de válvula também terá um segundo modo de fluxo de fluido, em que o sentido do fluxo de fluido é invertido. Os termos “a montante” e “a jusante” são aqui utilizados para referirem-se às direções geralmente no mesmo sentido do, e respectivamente, no sentido oposto ao, caminho de fluxo de fluido, no primeiro modo de fluxo de fluido. O conjunto de válvula compreende, de preferência, uma entrada de fluido através da qual o fluido é recebido, no primeiro modo de fluxo de fluido. De preferência, o conjunto de válvula compreende uma saída de fluido através da qual fluido deixa o conjunto de válvula, no modo primeiro fluxo de fluido. A entrada e a saída podem compreender, cada uma, uma ou mais aberturas. A(s) abertura(s) de entrada e/ou de saída normalmente estendem-se através da parede exterior do conjunto de válvula, em paralelo com a direção na qual o membro de válvula se move da posição aberta para a posição fechada.

[0037] A região de fluxo restrito pode, por exemplo, ter uma área de seção transversal não superior a 60%, e de preferência não superior a 25%, da área transversal de uma entrada para a válvula a partir da qual o caminho do fluxo de fluido se estende. Assim, a pressão dentro da câmara de pressão reduzida é geralmente menor do que a pressão do líquido recebido pelo conjunto de válvula, quando o fluido está fluindo através do caminho de fluxo de fluido.

[0038] Geralmente, a diferença de pressão entre a câmara de pressão reduzida e o fluido recebido pelo conjunto de válvula vai aumentar com o aumento da taxa de fluxo de fluido. Assim, a força que age na primeira superfície do membro móvel, decorrente da redução da pressão na câmara de pressão reduzida, tenderá a aumentar à medida que aumenta a taxa de fluxo de fluido, quando as forças acima listadas na introdução a invenção forem maiores. Assim, é gerada uma força que se opõe às forças no assento de válvula geradas pelo fluxo de fluido passando pelo membro de válvula, atenuando ou eliminando os efeitos das forças acima listadas.

[0039] O conjunto de válvula é especialmente útil nos casos em que, em pelo menos uma condição de funcionamento, a válvula será orientada de tal modo que a direção na qual o membro de válvula se move, da posição aberta para a posição fechada, está na mesma direção do fluxo de fluido através do assento de válvula (o primeiro modo de fluxo de fluido). Neste contexto, "na mesma direção" significa que o fluxo do fluido através da válvula de assento deve ter uma componente paralela, ao invés de anti-paralela, à direção do movimento do membro de válvula da posição aberta para a posição fechada, para fechar o membro de válvula. Em muitas formas de incorporação o fluxo de fluido através do assento de válvula será paralelo à direção do movimento do membro de válvula da posição aberta para a posição fechada, para fechar o membro de válvula. [0040] Em alguns conjuntos de válvula de assento de face a direção geral do fluxo de fluido através da válvula geralmente é a mesma direção na qual o fluido flui através do assento de válvula. No entanto, não precisa ser este o caso. Por exemplo, podem ser empregados conjuntos de válvula onde o fluido entra ou sai radialmente do conjunto de válvula. Em conjuntos de válvula anelares, o fluido recebido através da entrada pode fluir através de um ou mais assentos de válvulas, em uma direção que geralmente é oposta à direção na qual o fluido foi recebido no conjunto de válvula.

[0041] Normalmente, a primeira superfície do membro móvel está localizada em uma face cuja normal está dirigida geralmente na direção do, e normalmente paralelamente ao, sentido no qual o membro de válvula se move da posição fechada para a posição aberta. A câmara de pressão reduzida é geralmente definida, em parte, pela primeira superfície do membro móvel. Tipicamente, a primeira superfície do membro móvel fica defronte à direção a montante, em relação à direção na qual o fluido que entrou na passagem do fluido através do assento de válvula flui pela passagem de fluido, no primeiro modo de fluxo de fluido.

[0042] O membro móvel pode incluir uma haste de válvula na qual o membro de válvula está montado. A primeira superfície do membro móvel pode ser uma superfície de um membro lateral que se estende a partir da haste da válvula. A primeira superfície do membro móvel pode ficar rigidamente conectada ao membro de válvula. Por exemplo, o membro móvel pode compreender um dito membro lateral, incluindo a primeira superfície, uma haste de válvula e o membro de válvula formados como uma unidade integrada, por exemplo, como um corpo rígido e contínuo feito de metal.

[0043] No entanto, o membro móvel pode incluir uma primeira porção compreendendo o membro de válvula, e uma segunda porção com a primeira superfície, onde as primeira e segunda porções são móveis uma em relação à outra, porém estão conectadas ou engatadas, pelo menos quando o membro de válvula está na posição aberta, de tal modo que a força que age na primeira superfície da segunda porção age no membro de válvula, pelo menos quando a válvula está na posição aberta. Uma superfície da segunda porção pode ficar contra uma superfície cooperante da primeira porção, quando a válvula estiver na posição aberta, transmitindo assim uma força entre a primeira superfície e o membro de válvula. Vantajosamente, a segunda porção pode incluir uma armadura acionada por um eletroímã, de modo que o conjunto de válvula seja uma válvula acionada eletromagneticamente (como um exemplo de uma válvula acionada eletronicamente).

[0044] O conjunto de válvula pode definir um caminho de fluxo de fluido que se estende em torno do membro de válvula quando a válvula está na posição aberta. Esta é uma configuração na qual as forças que atuam sobre o membro de válvula devido ao fluxo de fluido podem ser especialmente altas. O conjunto de válvula pode ser configurado de modo que, no primeiro modo de fluxo de fluido, uma parte do caminho de fluxo de fluido estenda-se ao longo da periferia do membro de válvula quando a válvula está na posição aberta, da mesma maneira que o membro de válvula se move na direção do assento de válvula para fechar o membro de válvula.

[0045] Pode ser que a passagem de fluido compreenda uma região de fluxo restrito, e a câmara de pressão reduzida fique em comunicação com a dita região de fluxo restrito da passagem de fluido. Neste caso, o fluxo de fluido através da região de fluxo restrito é normalmente e substancialmente paralela à direção do movimento do membro móvel entre as posições aberta e fechada.

[0046] No entanto, a região de fluxo restrito pode estar a montante do membro de válvula. O conjunto de válvula pode incluir uma barreira, fixamente ligada ao conjunto de válvula (por exemplo, ao corpo da válvula), e disposta de maneira a definir a câmara de pressão reduzida entre a barreira e o membro móvel. Neste caso, a câmara de pressão reduzida pode ser definida entre a barreira e o membro de válvula. A barreira geralmente fica localizada a montante do membro móvel (preferivelmente o membro de válvula), e neste caso a câmara de pressão reduzida normalmente é formada a montante do membro móvel (de preferência, o membro de válvula). Quando uma barreira é provida, o conjunto de válvula preferencialmente define um caminho de fluxo de fluido que se estende entre o membro de válvula e o corpo de válvula adjacente ao assento de válvula, onde pelo menos uma parte da região entre o membro de válvula e o corpo de válvula adjacente ao assento de válvula funciona como uma região de fluxo restrito em comunicação com a câmara de pressão reduzida entre a barreira e o membro de válvula. O caminho de fluxo de fluido pode estender-se entre a barreira e o corpo da válvula, e a região de fluxo restrito podem estar localizada entre a barreira e o corpo da válvula.

[0047] Tipicamente, a câmara de pressão reduzida está em comunicação com pelo menos uma região de fluxo restrito, por meio de uma passagem com uma área transversal tendo não mais de 10% da área transversal da primeira superfície em comunicação com a câmara de pressão reduzida. Isto aumenta a força máxima que pode ser exercida na primeira superfície do membro móvel, em virtude da pressão na câmara de pressão reduzida, para uma determinada taxa de fluxo de fluido.

[0048] Normalmente, o caminho de fluxo de fluido inclui ainda uma região de fluxo de alta pressão com uma área transversal maior do que a da região de fluxo restrito, e o conjunto de válvula inclui ainda uma câmara de pressão elevada em comunicação tanto com uma segunda superfície do membro móvel como com a dita região de fluxo de alta pressão. [0049] Preferivelmente, o conjunto de válvula é acionado eletronicamente. A atuação eletrônica inclui conjuntos de válvula que são abertos ou fechados passivamente durante o uso, por exemplo, por meio de uma pressão diferencial, mas que podem ser abertos ativamente, fechados ativamente, travados ativamente em aberto, ou travados ativamente na posição fechada.

[0050] Normalmente, o conjunto de válvula é uma válvula de assento e o membro de válvula é um cabeçote de válvula de assento. No entanto, o conjunto de válvula pode, por exemplo, ser uma válvula anelar.

[0051] Quando o conjunto de válvula compreende uma haste de válvula, a haste de válvula pode incluir uma haste de conexão oca através da qual o caminho do fluxo de fluido se estende. A haste de conexão oca pode incluir uma abertura pela qual a câmara de pressão reduzida se comunica com uma porção do interior da haste de conexão oca, que funciona como a região de fluxo restrito. Pode ser que a haste de conexão oca seja montada de maneira deslizante dentro de um furo no corpo da válvula.

[0052] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é provido um conjunto de válvula para regular o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho de uma máquina para processamento de fluidos e uma tubulação distribuidora de fluido, onde o conjunto de válvula compreende um corpo de válvula compreendendo um assento de válvula, uma passagem de fluido estendendo-se através do corpo da válvula, e um membro móvel compreendendo um membro de válvula tendo uma superfície a jusante, sendo operável entre uma posição aberta, na qual o membro de válvula fica espaçado do assento de válvula e um fluido pode escoar através da passagem de fluido, e uma posição fechada, em que uma parte da superfície a jusante do membro de válvula fica em contato vedado com o assento de válvula, impedindo que o fluido flua através da passagem de fluido, com o conjunto da válvula definindo um caminho de fluxo de fluido, em um primeiro modo de fluxo, entre o membro de válvula e o assento de válvula, e pela passagem de fluido, caracterizando o fato de que o fluido que flui ao longo do referido caminho de fluxo de fluido é incidente sobre a superfície a jusante do membro de válvula em um ângulo de pelo menos 80°, em relação à direção na qual o membro da válvula é operável para mover-se entre a posição aberta e posição fechada.

[0053] O conjunto de válvula é formado e disposto de forma que o fluido que flui ao longo do dito caminho de fluxo de fluido é incidente, no citado ângulo, sobre a superfície a jusante do membro de válvula. Isto é conseguido selecionando-se o formato de uma ou mais portas ou condutos de fluido, e a posição relativa adequada da superfície a jusante do membro de válvula.

[0054] De preferência, o conjunto de válvula é formado de tal maneira que o fluido que flui ao longo do referido caminho de fluxo é incidente sobre a superfície a jusante do membro de válvula em um ângulo de pelo menos 85°, e mais preferivelmente de pelo menos 90° em relação à direção na qual o membro de válvula é operável para mover-se entre a posição aberta e a posição fechada. Em algumas formas de incorporação, o conjunto de válvula é formado de tal modo que o fluido que flui ao longo do referido caminho de fluxo é incidente sobre a superfície a jusante do membro de válvula em um ângulo maior que 90°, em relação à direção na qual o membro de válvula é operável para mover-se entre a posição aberta e a posição fechada.

[0055] Assim, as forças de cisalhamento que agem sobre a superfície a jusante do membro de válvula tem apenas uma pequena, nenhuma, ou uma componente negativa, que é paralela à direção na qual o membro de válvula é operável para mover-se entre a posição aberta e a posição fechada, reduzindo ou eliminando as forças resultantes do cisalhamento de fluido que forçam o membro de válvula para a posição fechada.

[0056] O corpo da válvula adjacente ao assento de válvula pode ser adaptado para fazer o fluido que flui ao longo do caminho de fluxo ser incidente na superfície a jusante do membro de válvula em um ângulo de pelo menos 80°, de pelo menos 85°, de pelo menos 90°, ou superior a 90°, em relação à direção na qual o membro de válvula é operável para mover-se entre a posição aberta e a posição fechada.

[0057] Uma barreira pode ser provida a montante do membro de válvula, adaptada para fazer o fluido flui ao longo do caminho de fluxo ser incidente na superfície a jusante do membro de válvula em um ângulo de pelo menos 80°, de pelo menos 85°, de pelo menos 90°, ou superior a 90°, em relação à direção na qual o membro de válvula é operável para mover-se entre a posição aberta e a posição fechada.

[0058] A superfície a jusante do membro de válvula na qual um fluido que flui ao longo do caminho de fluxo é incidente em primeiro lugar pode ficar orientada em um ângulo de pelo menos 80°, de pelo menos 85°, de pelo menos 90°, ou superior a 90°, em relação à direção na qual o membro de válvula é operável para mover-se entre a posição aberta e a posição fechada.

[0059] Outras características preferenciais e opcionais do segundo aspecto da invenção correspondem àquelas discutidas acima, em relação ao primeiro aspecto da invenção. [0060] A invenção estende-se em um terceiro aspecto, a uma máquina para processamento de fluidos compreendendo uma câmara de trabalho cujo volume varia ciclicamente, uma tubulação distribuidora de alta pressão e uma tubulação distribuidora de baixa pressão, e um conjunto de válvula de acordo com o primeiro ou com o segundo aspecto da invenção, que regula o fornecimento de fluido da ou para a tubulação distribuidora de alta pressão ou de baixa pressão, indo até a câmara de trabalho, onde o fluido é operável para fluir a partir da câmara de trabalho através do assento de válvula, da mesma forma que o membro de válvula do referido conjunto de válvula se move em direção ao assento da válvula para fechar a válvula, durante pelo menos uma parte de pelo menos alguns ciclos de volume da câmara de trabalho.

[0061] Uma pluralidade das ditas câmaras de trabalho pode ser provida. A máquina para processamento de fluidos pode ainda compreender um controlador que é operável para controlar ativamente o citado conjunto de válvula, e opcionalmente uma ou mais válvulas, em relação de fase com os ciclos de volume da câmara de trabalho, para determinar o deslocamento do fluido pela, ou por cada, câmara de trabalho, em uma base ciclo a ciclo, para assim determinar o tempo médio de deslocamento de fluido pela máquina de processamento ou de um dos mais grupos de ditas câmaras de trabalho. A máquina para processamento de fluidos pode ainda incluir um sensor de volume ou de fase de câmara de trabalho, que lhe permita controlar ativamente o referido conjunto de válvula em relação de fase com os ciclos de volume da câmara de trabalho.

[0062] De preferência, a diferença de pressão entre a tubulação distribuidora de alta pressão e a tubulação distribuidora de baixa pressão e a vazão de fluido através do conjunto de válvula são tais que a máquina para processamento de fluidos não funcionaria corretamente se, em pelo menos algumas condições operacionais, não houvesse a presença da câmara de pressão reduzida em comunicação com a primeira superfície e/ou a presença da barreira, conforme a situação, uma vez que a válvula primária fecharia muito cedo devido às forças decorrentes do fluxo de fluido entre o cabeçote da válvula e o assento da válvula.

[0063] Preferencialmente, o volume da câmara de trabalho tem ciclos com uma freqüência de pelo menos 20 Hertz. De preferência, o conjunto de válvula é operável para abrir ou fechar em menos de 10 ms, ou em menos de 5 ms. Preferencialmente, o diferencial de pressão entre as tubulações distribuidoras de baixa e de alta pressão é de pelo menos 20 bar. De preferência, o volume da câmara de trabalho é maior do que 1 centímetro cúbico, superior a 5 cc, ou mais preferivelmente superior a 10 cc.

[0064] A máquina para processamento de fluidos pode funcionar apenas como um motor, ou apenas como uma bomba. Alternativamente, a máquina para processamento de fluidos pode funcionar como um motor ou como uma bomba, em modos de funcionamento alternativos.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0065] Um exemplo de forma de incorporação da presente invenção será agora ilustrado com referência às seguintes figuras, em que: A figura 1 é uma vista em corte transversal de um conjunto de válvula de acordo com a presente invenção; A figura 2 é um diagrama esquemático de uma máquina para processamento de fluidos que incorpora o conjunto de válvula; A figura 3 é uma vista em corte transversal de um conjunto de válvula alternativo, de acordo com a presente invenção; A figura 4 é uma vista em corte transversal de um conjunto de válvula alternativo, de acordo com a presente invenção; A figura 5 é uma vista em corte transversal da entrada e do membro de válvula de um conjunto de válvula alternativo; A figura 6 é uma vista em corte transversal da entrada e do membro de válvula de um conjunto de válvula alternativo; e A figura 7 é um corte transversal através de um conjunto de válvula de acordo com um exemplo adicional. DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA FORMA DE INCORPORAÇÃO EXEMPLIFICATIVA [0066] Com referência à figura 1, um conjunto de válvula 1 compreende um corpo de válvula 2 feito de aço, que define um assento de válvula 4 e uma passagem de fluido 6 que, quando a válvula está aberta, estende-se a partir de uma entrada 8 através da qual o fluido é recebido de uma câmara de trabalho (não mostrada), indo para uma saída 10. Um cabeçote de válvula de assento 12 (funcionando como o membro de válvula) é operável entre uma posição aberta, na qual ele fica espaçado do assento de válvula para permitir a passagem de fluido entre a entrada e a saída através da passagem de fluido, e uma posição fechada, na qual ele fica em contato vedado com o assento de válvula, impedindo assim o fluxo de fluido para dentro ou para fora da passagem de fluido através do assento de válvula.

[0067] Os termos entrada e saída referem-se a aberturas em lados opostos de um caminho de fluxo através do conjunto de válvula onde o fluido está fluindo, passando pelo assento de válvula e pela passagem de fluido, da mesma maneira que o cabeçote da válvula de assento se move da posição aberta para a posição fechada (primeiro modo de fluxo de fluido). Em muitas aplicações práticas, o fluido flui através da passagem de fluido no sentido oposto (segundo modo de fluxo de fluido), em momentos diferentes. Neste exemplo de forma de incorporação, o conjunto de válvula incluído em uma máquina para processamento de fluidos do tipo divulgado nas patentes EP 0.361.927, EP 0.494.236 e EP 1.537.333 é orientado de modo a que o fluido que sai de uma câmara de trabalho para uma tubulação distribuidora de baixa pressão passe pelo conjunto de válvula, no primeiro modo de fluxo de fluido. No entanto, haverá outras aplicações práticas do conjunto de válvula em que o fluido flui no primeiro modo de fluxo para regular o fluxo de fluido em uma câmara de trabalho, ou indo para ou vindo de outros condutos ou câmaras diferentes das câmaras de trabalho.

[0068] O cabeçote de válvula reguladora está conectado a uma armação anelar 14 por meio de uma haste de conexão tubular 16. O cabeçote de válvula de assento, a armadura e a haste de conexão tubular oca (funcionando como uma haste de válvula) formam juntos um membro móvel que é rígido e se move como uma única unidade. Arranjos de válvula alternativos são possíveis, nos quais as partes componentes do membro móvel nem sempre se movem como uma única unidade. Por exemplo, a armadura pode ser montada de maneira resiliente na haste de conexão. No entanto, as forças em uma direção oposta ao fechamento da válvula são transferidas da armadura, através da haste de conexão, para o cabeçote da válvula de assento.

[0069] O conjunto de válvula inclui ainda um eletroímã 18. Um circuito magnético é formado pelo corpo da válvula, por uma ponte de fluxo 20, pela armadura e por um plugue ferromagnético 22. Quando uma corrente passa através do eletroímã, uma força atua sobre a armadura para puxar a haste de conexão tubular e, portanto, forçar o cabeçote da válvula de assento na direção do assento da válvula. Quando nenhuma corrente está presente, a armadura é puxada na direção de, e mantida contra, um batente 24, por meio de um imã permanente anelar 26, ou por uma mola (não mostrada). O eletroímã, a corrente de pico através do eletroímã, a configuração do circuito magnético e a força e localização do ímã permanente são selecionados de modo a que a força resultante agindo sobre a armadura, quando a corrente passa através do eletroímã, excede substancialmente a força do ímã permanente.

[0070] O corpo da válvula define ainda uma primeira câmara 28 (funcionando como câmara de pressão reduzida), que está em comunicação fluida com a passagem de fluido através de uma abertura 30 na haste de conexão. A primeira câmara está em contato direto com uma superfície voltada para a entrada 32 da armadura (funcionando como uma primeira superfície do membro móvel). A superfície oposta voltada para a saída 34 da armadura está em contato direto com uma segunda câmara 36, que está em comunicação fluida com a saída do conjunto de válvula por meio de uma passagem 38 através do plugue.

[0071] A figura 2 é um diagrama esquemático de uma máquina para processamento de fluidos, indicada geralmente como 100, que incorpora o conjunto de válvula 1 do exemplo como uma válvula de baixa pressão, que regula o fluxo de fluido hidráulico de baixa pressão entre uma tubulação distribuidora 102 e uma câmara de trabalho 104. A válvula de baixa pressão é orientada de modo a que o fluido que sai da câmara de trabalho para a tubulação distribuidora de baixa pressão flua através do assento de válvula, da mesma maneira que o cabeçote da válvula de assento se move da posição aberta para a posição fechada, ou seja, no primeiro modo de fluxo de fluido, durante cada curso de exaustão, quando a máquina para processamento de fluidos funciona como um motor, e durante os cursos de exaustão ociosos, quando a máquina para processamento de fluidos funciona como uma bomba.

[0072] A câmara de trabalho é definida pelo interior de um cilindro 106 e por um pistão 108, que está ligado mecanicamente à rotação de um eixo de manivela 110 por meio de uma articulação mecânica adequada 112, movendo-se reciprocamente dentro do cilindro para variar ciclicamente o volume da câmara de trabalho. Uma válvula de alta pressão 114 regula o fluxo de fluido hidráulico entre uma tubulação distribuidora de alta pressão 116 e a câmara de trabalho. A máquina para processamento de fluidos exemplificativa inclui uma pluralidade de câmaras de trabalho ligadas mecanicamente à rotação do eixo de manivela, com diferenças de fase apropriadas. Um sensor de velocidade e de posição do eixo 118 determina a posição angular instantânea e a velocidade de rotação do eixo, e transmite sinais de velocidade e de posição do eixo para um controlador 120, que permite que um controlador determine a fase instantânea dos ciclos de cada câmara de trabalho individual. O controlador é tipicamente um microprocessador ou um microcontrolador que executa um programa armazenado. A válvula de baixa pressão pode ser acionada eletronicamente, e a abertura e/ou o fechamento das válvulas de alta e/ou de baixa pressão está sob o controle ativo do controlador.

[0073] A máquina para processamento de fluidos exemplificativa é operável para funcionar tanto como uma bomba ou como um motor, em modos de funcionamento alternativos. Quando operando como uma bomba, o fluido de baixa pressão é recebido da tubulação distribuidora de baixa pressão, e sai através da válvula de alta pressão indo para a tubulação distribuidora de alta pressão. A força do eixo é, portanto, convertida na energia do fluido. Ao funcionar como um motor, o fluido de alta pressão é recebido da tubulação distribuidora de alta pressão, e sai através da válvula de baixa pressão indo para a tubulação distribuidora de baixa pressão. A energia do fluido é, portanto, convertida na força do eixo.

[0074] O controlador regula a abertura e/ou o fechamento das válvulas de baixa e alta pressão para determinar o deslocamento do fluido através de cada câmara de trabalho, numa base ciclo a ciclo, em relação de fase com os ciclos de volume da câmara de trabalho, para determinar o rendimento líquido de fluido através da máquina. Assim, a máquina para processamento de fluidos funciona de acordo com os princípios divulgados nas patentes EP 0.361.927, EP 0.494.236 e EP 1.537.333, seus conteúdos estando aqui incorporados como referência.

[0075] Durante um curso de exaustão ocioso, o fluido dentro da câmara de trabalho é liberado através da válvula de baixa pressão para a tubulação distribuidora de baixa pressão. Isto normalmente ocorre dentro de poucos milésimos de segundo, e assim a taxa de pico do fluxo de fluido que passa pelo cabeçote da válvula de assento, através do assento de válvula e da passagem de fluido é, portanto, muito elevada. Como resultado, as forças (1) a (4) descritas na introdução acima atuam no cabeçote da válvula de assento, forçando o cabeçote da válvula de assento na direção do assento da válvula. [0076] Referindo-se à figura 1, o fluido passa pelo membro de válvula e entra na passagem do fluido, ao longo do caminho 40. O canal interior do conector tubular tem uma área transversal significativamente menor do que a da saída da câmara de trabalho, ou da tubulação distribuidora de baixa pressão adjacente ao conjunto de válvula. Assim, o canal interior do conector tubular funciona como uma região de fluxo restrito. Assim, a pressão dentro do canal interior do conector tubular cai abaixo da pressão dentro da câmara de trabalho ou da tubulação distribuidora de baixa pressão, por meio do efeito Venturi. Como a primeira câmara está em comunicação fluida com o canal interior do conector tubular, a pressão dentro da primeira câmara também cai abaixo da pressão dentro da câmara de trabalho ou da tubulação distribuidora de baixa pressão. O diferencial de pressão entre a primeira câmara e a câmara de trabalho e a tubulação distribuidora de baixa pressão aumenta com a taxa de fluxo de fluido. Ao mesmo tempo, a pressão dentro da segunda câmara, no lado oposto da armadura, permanece substancialmente igual à pressão na tubulação distribuidora de baixa pressão. Como resultado do diferencial de pressão entre a primeira câmara e a segunda câmara, uma força resultante atua sobre a armadura, em uma direção geralmente paralela à direção na qual o membro de válvula se move da posição fechada para a posição aberta, opondo assim as forças decorrentes do fluxo de fluido que passa pelo membro de válvula e agem para fechar a válvula, retendo a armadura contra o assento e mantendo a válvula na posição aberta. Tanto a ponte do fluxo como o batente 24 funcionam como uma vedação, para pelo menos vedar substancialmente a primeira e segunda câmaras uma da outra. [0077] As forças que atuam sobre a armadura como resultado do diferencial de pressão agem, assim, para resistir ao fechamento da válvula. Esta força contrária que atua sobre a armadura aumenta com a taxa de fluxo de fluido, e é maior, aproximadamente ao mesmo tempo, que as forças decorrentes do fluxo de fluido que passa pelo membro de válvula quando elas estão na sua maior magnitude.

[0078] Em máquinas para processamento de fluido do tipo divulgado nas patentes EP 0.361.927 e EP 0.494.236, os conjuntos de válvula normalmente abrem ou fecham no, ou próximo do, centro do ponto morto superior ou do ponto morto inferior, quando a diferença de pressão através da válvula que abre ou fecha é mínima, e a taxa de fluxo de fluido é zero (onde uma válvula fechada deve ser aberta), ou aproximadamente zero (onde uma válvula aberta deve ser fechada). Embora possa haver alguma flexibilidade no momento da abertura e fechamento das válvulas, por exemplo, para implementar a parte dos cursos de bombeamento do cilindro divulgada na patente EP 1.537.333, continua a ser geralmente preferível abrir ou fechar as válvulas nos momentos em que a diferença de pressão através da válvula for mínima, e (se a válvula está aberta) a taxa de fluxo de fluido for mínima. Válvulas que se abrem ou que são mantidas abertas contra diferenciais de pressão substanciais podem ser projetadas e construídas por um técnico no assunto, pois elas tipicamente consomem uma quantidade substancial de energia tanto no curso do movimento da válvula como no curso de manter a válvula estacionária contra a força devido ao fluxo. Assim, é vantajoso que este mecanismo tenha um efeito mínimo ou nulo sobre a abertura ou fechamento da válvula quando há pouco ou nenhum fluxo de fluido através da válvula.

[0079] Em uma forma de incorporação alternativa de um conjunto de válvula, ilustrado na figura 3, o membro móvel anelar inclui uma haste de válvula que se estende axialmente ao longo de parte do comprimento da passagem de fluido. Como antes, o conjunto de válvula é adequado para uso com uma máquina para processamento de fluidos conforme ilustrada com referência à figura 2, e é usado para regular o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho e a tubulação distribuidora de baixa pressão, orientado de tal modo que o caminho do fluxo de fluido 42 através do assento de válvula, quando o fluido é expelido da câmara de trabalho para a tubulação distribuidora de baixa pressão, ocorre da mesma maneira que o membro de válvula se move da posição aberta para a posição fechada. A armadura é parte de um braço lateral que se estende a partir da haste da válvula. Uma primeira câmara e uma segunda câmara são providas em lados opostos da armação, como antes. A primeira câmara, localizada no lado da entrada da armadura, se comunica com uma região de fluxo restrito da passagem de fluido 42, por meio de uma passagem de conexão 44. A região de fluxo restrito é restrita em virtude de suas circunferências interna e externa serem restritas. A haste da válvula pode ser parcialmente cortada para aumentar a área de fluxo e reduzir o arrasto na haste da válvula quando um fluido passa por ela. A segunda câmara, localizada no lado de saída da armadura, se comunica com uma seção adicional da passagem de fluido 46 que tem uma área transversal maior do que a região de fluxo restrito, em virtude de ter uma maior circunferência externa (e/ou interna). Nesta forma de incorporação exemplificativa, uma mola 48 é provida para compensar a armadura e, portanto, o membro móvel inteiro na direção da entrada. Novamente, quando o fluido flui através da passagem de fluido, a pressão na região de fluxo restrito é menor do que a pressão na entrada, a pressão na primeira câmara é menor do que a da segunda câmara e, portanto, forças atuam no membro móvel para forçar o membro de válvula para a posição aberta.

[0080] A figura 4 ilustra uma forma de incorporação alternativa de um conjunto de válvula adequado para uso com uma máquina para processamento de fluidos, tal como a máquina para processamento de fluidos descrita com referência à figura 2. Como antes, o conjunto de válvula 200 inclui uma entrada 202 para receber o fluido vindo de uma câmara de trabalho, conforme for apropriado, e uma saída 204 (levando, neste caso, a uma pluralidade de aberturas que se estendem radialmente). Um membro móvel inclui uma armadura 206, que é formada integralmente com uma haste da válvula 208 e um cabeçote de válvula de assento 210. O cabeçote de válvula de assento é operável entre a posição aberta, ilustrada na figura 4, e uma posição fechada, na qual ele fica vedado contra um assento de válvula 212. Um eletroímã 214 pode ser usado para fechar a válvula sob controle ativo do controlador, e uma mola de retorno 216 é provida para compensar o membro móvel para longe do eletroímã e, portanto, compensar o cabeçote da válvula de assento para a posição aberta. Em um primeiro modo de fluxo de fluido, por exemplo, durante um curso de exaustão ocioso, o fluido flui ao longo do caminho 218. Assim, as quatro forças estabelecidas acima na introdução da invenção atuam para forçar o cabeçote da válvula de assento na direção da sede da válvula. Se estas forças ultrapassarem a força exercida sobre o membro móvel pela mola de retorno, um curso de bombeamento involuntário pode ocorrer, fora do controle do controlador.

[0081] No entanto, o conjunto de válvula inclui ainda uma barreira 220 no lado a montante do cabeçote da válvula, longe do assento da válvula, fixada ao conjunto de válvula por meio de braços de conexão radiais 222, entre os quais um fluido pode escoar. A barreira define uma câmara de pressão reduzida 224 que se comunica com uma região de fluxo restrito 226 em torno da periferia do membro de válvula. Assim, quando o líquido flui através do conjunto de válvula, ao longo do caminho de fluxo 218, a pressão cai na região de fluxo restrito e, portanto, também na câmara de pressão reduzida. A pressão que atua na superfície de vedação oposta 228 do cabeçote da válvula de assento é maior, à medida que a seção transversal do caminho de fluxo de fluido for maior. Assim, o cabeçote da válvula de assento (funcionando aqui como o membro móvel) sente, portanto, uma força que empurra o membro de válvula para longe do assento de válvula. Esta força aumenta com a taxa de fluxo de fluido, provendo uma força que está no seu auge aproximadamente ao mesmo tempo em que as forças que empurram o membro de válvula até o assento de válvula também estão no seu auge.

[0082] O membro móvel estende-se além do cabeçote da válvula de assento, através de uma abertura 230 na barreira, e inclui um flange 232 que coopera com a periferia da abertura para limitar o movimento do cabeçote da válvula de assento para longe do assento de válvula, de modo a que haja sempre pelo menos algum fluido na câmara entre a barreira e o cabeçote da válvula de assento. Isso evita a formação de um filme espremido que proporcionaria uma resistência desnecessariamente forte ao fechamento, aumentaria o consumo de energia do conjunto de válvula e reduziría a velocidade de operação.

[0083] Além disso, a barreira se estende por toda a área da superfície no lado a montante do membro de válvula, e também funciona para proteger o cabeçote da válvula de assento contra as segunda, terceira e quarta forças acima mencionadas nos antecedentes da invenção. A barreira vai encontrar pelo menos as forças de cisalhamento e as forças relacionadas com a aceleração atuando longe do cabeçote da válvula de assento, mas como a barreira está montada fixamente no corpo da válvula estas forças serão transmitidas para o corpo da válvula e não terão efeito sobre o cabeçote da válvula de assento.

[0084] A barreira inclui um lábio 324 que se estende a partir da barreira em uma direção a jusante, em torno da periferia do cabeçote da válvula de assento, assim reduzindo pelo menos as forças de arrasto de viscosidade. Em algumas formas de incorporação, a barreira pode cobrir apenas uma parte da área da superfície do cabeçote da válvula de assento, caso em que as forças que empurram a válvula para fechar ainda serão reduzidas por esse mecanismo, mas em menor grau.

[0085] Com referência à figura 5, um conjunto de válvula alternativo inclui um corpo de válvula 302 e um membro móvel acionado que inclui uma haste de válvula 304 e um cabeçote de válvula de assento 306, como antes. Uma barreira 308 fica disposta a montante do cabeçote da válvula de assento, mas a barreira, o corpo de válvula adjacente ao assento de válvula 312, e a superfície 314 a jusante do cabeçote da válvula de assento são formados e dispostos de modo a que o caminho do fluxo de fluido 310 seja incidente sobre superfície a jusante do cabeçote da válvula de assento em aproximadamente 90°, em relação à direção na qual o cabeçote da válvula de assento movería da posição aberta para a posição fechada. Assim, as forças de cisalhamento atuando sobre a superfície a jusante do cabeçote da válvula de assento são dirigidas radialmente para dentro e não fornecem nenhuma contribuição, ou apenas uma contribuição mínima, às forças que atuam para forçar o cabeçote da válvula de assento para a posição fechada. Em uma forma de incorporação alternativa ilustrada na figura 6, o corpo de válvula adjacente ao assento da válvula é configurado de modo a que o fluido que flui ao longo do caminho de fluxo de fluido seja incidente sobre a superfície a jusante do cabeçote da válvula de assento em um ângulo maior que 90°, em relação à direção na qual o cabeçote da válvula de assento se movería da posição aberta para a posição fechada. Nesses exemplos, a superfície a jusante do cabeçote da válvula de assento tem uma normal que é paralela à direção na qual o cabeçote da válvula de assento se movería. No entanto, o cabeçote da válvula de assento pode ter um perfil alternativo. Por exemplo, a superfície a jusante do cabeçote da válvula de assento pode ser côncava ou ligeiramente convexa.

[0086] Em uma forma de incorporação adicional de um conjunto de válvula 400, ilustrado na figura 7, o membro de válvula é formado por um membro de válvula anelar 402 acoplado por meio de uma haste de válvula oca 404 a um poste móvel (armadura) 406, acionável pelo eletroímã 408. Uma mola de retorno 410 compensa a válvula na direção da posição fechada. No primeiro modo de fluxo, ilustrado na figura 7, o fluido flui radialmente para dentro, através das portas 412, conectadas a uma tubulação distribuidora de alta pressão, e para fora, para uma câmara de trabalho 414. Uma barreira é formada por um flange circular 416 estendendo-se radialmente para dentro do corpo 418 do membro de válvula. A barreira se sobrepõe à borda externa do membro de válvula anelar e desvia o fluido ao redor da borda interna do membro de válvula anelar, através da abertura do membro central da válvula 420 na haste da válvula, reduzindo assim a força cinética que normalmente atuaria sobre o membro de válvula anelar, forçando-o para a posição fechada. Além disso, uma região de fluxo restrito 422 é formada onde o fluxo do fluido através das portas imediatamente adjacentes ao membro de válvula é restrito, e uma região de baixa pressão 424 está em comunicação fluida com a região de fluxo restrito. Assim, o consumo de corrente do eletroímã, necessário para manter a válvula aberta contra o fluxo do fluido, é reduzido, em contraste com uma válvula que não tem a barreira.

[0087] Esta válvula é particularmente útil como uma válvula de alta pressão em uma máquina para processamento de fluidos, para regular o fluxo de fluido vindo de uma tubulação distribuidora de alta pressão e indo para uma câmara de trabalho cujo ciclo varia conforme o volume, sob o controle ativo de um controlador da máquina para processamento de fluidos.

[0088] Outras variações e modificações podem ser feitas no escopo da invenção conforme reivindicada.

Reivindicações

Claims (13)

1. Conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), para regular o fluxo de fluido entre uma câmara de trabalho (104, 414) de uma máquina para processamento de fluidos (100) e uma tubulação distribuidora de fluido (102, 116), o conjunto de válvula compreendendo um corpo de válvula compreendendo um assento de válvula, uma passagem de fluido (6) que se estende através do corpo da válvula, e um membro móvel (12, 14, 16) (206, 208, 210) (304, 306) (402, 404, 406) compreendendo um membro de válvula (12, 210, 306, 402), tal membro de válvula sendo operável entre uma posição aberta, na qual o membro de válvula fica espaçado do assento de válvula e um fluido pode escoar através da passagem de fluido, e uma posição fechada, na qual o membro de válvula está em contato vedado com o assento de válvula, impedindo que o fluido flua através da passagem de fluido, com o conjunto de válvula definindo ainda um caminho de fluxo de fluido (40, 218, 310), em um primeiro modo de fluxo de fluido, entre o membro de válvula e o assento de válvula, e pela passagem de fluido, caracterizado pelo fato de que o conjunto de válvula inclui ainda uma barreira (220, 308, 416) a montante do membro de válvula arranjado de modo a que, no primeiro modo de fluxo de fluido, receba fluxo de fluido em direção à barreira e seja desviado em torno de uma periferia do membro de válvula pela barreira para reduzir uma ou mais forças que, caso contrário, agiríam sobre o membro de válvula como resultado do fluxo de fluido, para forçar o membro de válvula em direção ao assento de válvula.

2. Conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a barreira (220, 308, 416) é operável para reduzir ou eliminar as forças relacionadas com a aceleração do fluido com uma componente perpendicular ao eixo do fluxo de modo a desviá-lo em torno do membro de válvula, que, caso contrário, atuariam sobre o membro de válvula como resultado do fluxo de fluido, para forçarem o membro de válvula em direção ao assento de válvula no primeiro modo de fluxo de fluido.

3. Conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a barreira (220, 308, 416) está situada diretamente a montante do membro de válvula, quando o membro de válvula está na posição aberta.

4. Conjunto de válvula (1, 200, 300, 400) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a barreira (220, 308, 416) está montada fixamente ao conjunto de válvula.

5. Conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a barreira (220, 308, 416) se estende por toda a área da superfície a montante do membro de válvula (12, 210, 306, 402).

6. Conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a barreira (220, 308, 416) compreende um aro de barreira, que se estende pelo menos parcialmente em torno da periferia do membro de válvula (12, 210, 306, 402).

7. Conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o membro de válvula (12, 210, 306, 402) e a barreira (220, 308, 416) são formados e dispostos de maneira a definir, entre eles, um volume contendo fluido (224), quando o membro de válvula está na posição aberta, e normalmente também quando o membro da válvula está na posição fechada.

8. Conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o caminho do fluxo de fluido (40, 218, 310) inclui uma região de fluxo restrito (40, 42, 226, 422), e o conjunto de válvula inclui ainda uma câmara de pressão reduzida em comunicação tanto com uma primeira superfície (32) do membro móvel (12, 14, 16) (206, 208, 210) (304, 306) (402, 404, 406) como com a região de fluxo restrito, disposta de maneira a exercer uma força sobre o membro móvel por meio de uma redução de pressão na câmara de pressão reduzida quando o fluido está fluindo ao longo do caminho de fluxo de fluido, através da região de fluxo restrito, tal força agindo para resistir ao fechamento da válvula.

9. Máquina para processamento de fluidos (100) compreendendo uma câmara de trabalho (104, 414) cujo ciclo varia conforme o volume, uma tubulação distribuidora de alta pressão (116) e uma tubulação distribuidora de baixa pressão (102), e um conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, que regula o fornecimento de fluido vindo da, ou indo para a, tubulação distribuidora de alta pressão ou de baixa pressão, até a câmara de trabalho caracterizada pelo fato de que o fluido é operável para fluir da câmara de trabalho através do assento de válvula (4, 212, 312), da mesma maneira que o membro de válvula (12, 210, 306) do referido conjunto de válvula se move em direção ao assento de válvula para fechar o conjunto de válvula durante pelo menos parte de pelo menos alguns ciclos de volume da câmara de trabalho.

10. Máquina para processamento de fluidos (100), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a dita máquina inclui ainda um controlador (120) que é operável para controlar ativamente o referido conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), e opcionalmente uma ou mais válvulas, em relação de fase com os ciclos de volume da câmara de trabalho, para determinar o deslocamento de fluido pela, ou por cada, câmara de trabalho (104, 414), em uma base ciclo a ciclo, para assim determinar o tempo médio de deslocamento de fluido pela máquina de processamento ou por um ou mais grupos de ditas câmaras de trabalho.

11. Máquina para processamento de fluidos (100), de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que a diferença de pressão entre a tubulação distribuidora de alta pressão (116) e a tubulação distribuidora de baixa pressão (102) e a vazão de fluido através do conjunto de válvula (1, 200, 300, 400) são tais que a máquina para processamento de fluidos não funcionaria corretamente se, em pelo menos algumas condições operacionais, não houvesse a presença da barreira (220, 308, 416).

12. Conjunto de válvula (1, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o fluido que flui ao longo do referido caminho de fluxo de fluido (40, 218, 310) é incidente sobre a superfície a jusante do membro de válvula (228, 314) em um ângulo de pelo menos 80°, em relação à direção em que o membro de válvula é operável para mover-se entre a posição aberta e a posição fechada.

13. Máquina para processamento de fluidos (100) compreendendo uma câmara de trabalho cujo volume varia conforme os ciclos, uma tubulação distribuidora de alta pressão e uma tubulação distribuidora de baixa pressão, e um conjunto de válvula, de acordo com a reivindicação 12, que regula o fornecimento de fluido de ou para a tubulação distribuidora de alta pressão (116) ou de baixa pressão (102), indo para a câmara de trabalho (104, 414), caracterizada pelo fato de que o fluido é operável para fluir da câmara de trabalho através do assento de válvula, da mesma maneira que o membro de válvula (12, 210, 306) do dito conjunto de válvula (1, 200, 300, 400) se move na direção do assento de válvula para fechar a válvula, durante pelo menos uma parte de pelo menos alguns ciclos de volume da câmara de trabalho.