CH618250A5 - - Google Patents

Description

L'invenzione riguarda un dispositivo per il controllo, a mezzo otturatore, di fluido in pressione, comprendente un involucro nel quale si trovano l'otturatore assialmente spostabile ed almeno un organo di tenuta nella cavità delimitata all'esterno dall'involucro e all'interno dall'otturatore, tale cavità avente una entrata e una uscita per il fluido, tale organo di tenuta essendo spostabile relativamente all'otturatore.

Tale dispositivo può venire impiegato qualora si voglia realizzare il bloccaggio di un fluido in pressione o il suo passaggio attraverso un orifizio, oppure realizzare un controllo direzionale del fluido in pressione stesso mediante l'impiego di più dispositivi in serie. È questo il caso di tutta quella serie di apparecchiatura di controllo dell'energia a fluido quali valvole di chiusura oppure di distributori a tre, quattro o cinque vie. Tali apparecchiature vengono comunemente realizzate servendosi di sistemi a spola (con tenuta cioè di tipo strisciante) o ad otturatore dei più svariati tipi. In tutte queste ultime apparecchiature la chiusura si effettua mediante una forza contro l'organo di tenuta per creare prima le condizioni idonee alla tenuta stessa, essendo richiesta una certa compenetrazione cioè tra otturatore e organo di tenuta, e poi il mantenimento della tenuta ed il bloccaggio del fluido in pressione. Tale forza risulta quindi pari alla somma di una forza atta a creare lungo la superficie di tenuta una pressione di contatto superiore alla pressione del fluido da contenere e di una forza proporzionale alla pressione stessa e all'area contro la quale la pressione agisce.

Questa compenetrazione porta alla rapida usura dell'organo di tenuta ed anche dell'otturatore a cui si aggiunge la presenza di un solco permanente che provoca spesso difficoltà di tenuta perché l'azione del bordino dell'otturatore sull'organo di tenuta può avvenire eccentricamente rispetto ad un solco preesistente, creando così delle condizioni assai precarie per la tenuta completa.

L'invenzione ha quindi l'oggetto di eliminare tali problemi derivanti dall'usura del bordino e del solco nonché di creare un dispositivo per il controllo nel quale la forza necessaria per la chiusura e per il bloccaggio del fluido viene ridotta sostanzialmente, rendendo tali dispositivi atti ad essere usati nel campo di miniaturizzazione dei sistemi a fluido in pressione, in particolare sistemi logici.

Il dispositivo, oggetto dell'invenzione, si caratterizza da ciò che l'organo di tenuta è composto da una prima parte cilindrica concentrica all'asse longitudinale dell'otturatore e da una seconda parte angolare alla parte cilindrica e che l'involucro e l'otturatore presentano ciascuno una superfìcie che sono allineabili tra di esse mediante uno spostamento assiale dell'otturatore, la superficie esterna delle seconda parte appoggiandosi mediante uno spigolo su una di tale superficie sotto l'azione del fluido in pressione dopo lo spostamento assiale del organo di tenuta, tutto l'organo di tenuta ruotando, dopo il contatto con la detta superficie, attorno al proprio asse di torsione fino a che lo spigolo della parte cilindrica andrà a contatto con l'involucro o l'otturatore, bloccando così il passaggio del fluido attraverso la cavità.

Il trovato verrà ora spiegato con riferimento ai disegni allegati nei quali:

le figg. 1 e 2 illustrano schematicamente due tipi noti di dispositivi di controllo,

le figg. 3 e 4 illustrano, pure schematicamente, due forme diverse di un tipo semplice di dispositivo di controllo, oggetto dell'invenzione, con un solo organo di tenuta,

le figg. 5a e b illustrano una forma del dispositivo con due organi di tenuta, a differenti posizioni dell'otturatore,

la fig. 6 illustra una altra forma con due organi di tenuta, e le figg. 7 e 8 illustrano delle modifiche del dispositivo secondo le figg. 3 e 4.

Riferendosi alla fig. 1, si vede un dispositivo otturatore di tipo noto la cui parte sinistra illustra la posizione di chiusura mentre la parte destra mostra la posizione aperta. Con 1 è rappresentato un'involucro entro il quale si desidera controllare lo stato del fluido in pressione, con 2 un otturatore che ingloba, nella sua faccia superiore, un organo elastico di tenuta 3. Quando l'otturatore 2 è compresso (mediante mezzi non illustrati) contro l'involucro 1, il fluido rimane catturato entro una cavità 4 allorché l'otturatore viene allontanato si verifica un passaggio 5 anulare tra l'otturatore 2 e una sede avente la forma di un bordino 6 al lato inferiore dello spazio 4, con una portata funzione delle dimensioni dell'apertura, il fluido passando attraverso questo passaggio 5 e scaricandosi alle spalle dell'otturatore 2. Abbinando a quest'ultimo descritto uno o più

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altri congegni simili si realizza un completo controllo direzionale del fluido che sarà costretto a fermarsi o a muoversi là dove desiderato.

Si esamina ora più in dettaglio cosa si verifica nell'esempio descritto. Si suppone che il fluido abbia una pressione p. Al fine di fermare il passaggio anulare 5 occorrerà esercitare una forza F sull'otturatore muovendolo dalla sua posizione aperta verso il bordino 6. Tale forza creerà prima le condizioni idonee alla tenuta sull'organo 3 lungo una corona di diametro A ed inoltre sarà in grado di ostacolare la forza F2 agente in senso opposto, originata dalla pressione p del fluido che tende ad allontanare l'otturatore 2 dal bordino 6. Tale forza F2 è proporzionale all'area determinata dal diametro A e quindi ha il ir • A2

valore • p. In pratica la forza F può quindi essere im-

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maginata quale scomposta in due forze Fj e F2 dove F2 è quella appena determinata mentre Fx, che è la forza necessaria per creare le condizioni per le quali si verifica la tenuta, è generalmente dipendente dalle condizioni di elasticità delle parti a contatto, ma sempre funzione diretta dell'estensione dell'area di contatto attorno al diametro A e della pressione p.

In pratica la forza Fx deve esercitare in tutti i punti dell'area di contatto anulare attorno al diametro A una pressione maggiore di p, condizione questa indispensabile perché il fluido con pressione p possa essere catturato nella cavità 4.

Ora quest'area anulare di contatto attorno alla quale si esercita la tenuta, ha dimensioni molto variabili, dipendenti dal diametro A, ma generalmente, per motivi pratici di realizzabilità industriale, il bordino 6 che poi determina detta area non può essere costruito di dimensioni più piccole di un minimo ragionevole; si verifica cioè il fatto che con il diminuire di A non diminuisce proporzionalmente l'area anulare, portando di conseguenza al fatto che con la miniaturizzazione, proprio mentre diminuisce F2 e là dove si desidererebbe che le forze in gioco fossero le più piccole possibili, Fx viene ad avere rispetto ad F2 un valore proporzionale sempre più grande. Inoltre mentre l'esigenza di contenere Fj^ porterebbe alla costruzione di profili del bordino 6 sempre più critici e quindi costosi, all'opposto questi bordini diventando sempre più taglienti e penetrando sempre più nel organo di tenuta 3, generalmente elastico per favorire la tenuta stessa, portano ad usura del organo 3. In pratica occorre sempre trovare la condizione ottimale tra l'esigenza di contenimento di Fx e l'esigenza di realizzare il bordino 6 il più economico possibile e con la forma più adatta per evitare i danni della sua compenetrazione nell'organo 3. Questa compenetrazione, alla dannosa usura di cui s'è detto, aggiunge la presenza di un solco permanente che provoca spesso difficoltà di tenuta perché, qualora (per cause dovute o ai giochi o alle usure tra le parti dell'apparecchiatura utilizzante l'otturazione) il bordino 6 si trovasse ad agire in una zona vicina ma diversa da quella dove s'è creato il solco, si verificherebbe la condizione assai precaria, per la tenuta completa, data dall'accavallamento eccentrico del bordino di diametro A su un solco sempre di diametro A preesistente.

Chi ha dimestichezza con tali problemi sa che nei due punti ove queste due circonferenze si accavallano, la tenuta è molto precaria per non dire inesistente.

L'esigenza di superare i problemi derivanti dall'usura dei pezzi a contatto, della precisione nella realizzazione del bordino 6, dell'influenza della forza Fx sempre maggiore proporzionalmente con il diminuire di A ha portato alla ricerca di altri tipi di otturazione che solo in parte comunque hanno risolto il problema.

Nella fig. 2 è illustrato ad esempio un'altro dispositivo otturatore di tipo comune. Qui vengono eliminati i problemi connessi con l'usura generata dal bordino, e con la presenza del solco di cui si è parlato sopra; rimane comunque sempre presente la forza Fx che in questo caso nasce dalla deformazione elastica dell'organo di tenuta 3, deformazione elastica necessaria per dare prontezza di risposta alla tenuta e che sarà tale da creare in tutti i punti dell'area di contatto tra 2 e 3 una 5 pressione maggiore della pressione p da contenere nella cavità 4.

Si diceva precedentemente che il presente trovato si ripropone di superare tutti questi ostacoli, per realizzare una apparecchiatura di controllo di un fluido in pressione che non pre-10 senti esigenze critiche di precisione nelle lavorazioni, di scelta di materiali costosi, di affidabilità funzionale, di grande prontezza di risposta e di vita ragionevolmente illimitata soprattutto nell'organo di tenuta.

A tale proposto si vedano le figure seguenti nelle quali so-15 no rappresentate varie forme d'esecuzione del dispositivo oggetto dell'invenzione, aventi un analogo funzionamento come verrà poi descritto. Tali forme d'esecuzione possono essere indifferentemente utilizzate quando si voglia realizzare una semplice otturazione (caso di valvole a due vie) con i due stati 2o di passaggio e di blocco del fluido in pressione; dispositivi di otturazione altresì che devono essere utilizzati accoppiati (fig. 5) quando con lo stesso movimento si desidera aprire una via e chiuderne un'altra (o viceversa) contemporaneamente (caso di valvole a tre vie o a cinque vie quando vengano abbinati 25 uno o due dipsositivi secondo la fig. 3 con uno o due secondo la fig. 4).

Vedansi ora le figure 3 e 4. Come nelle figure precedenti, 1 rappresenta l'involucro entro il quale catturare il fluido in pressione, 2 l'otturatore, 3 l'organo di tenuta. L'organo di te-30 nuta o la guarnizione 3 anulare presenta in sezione, come segue dalle figure, una parte 3a che è cilindrica e quindi concentrica all'asse longitudinale del dispositivo, nonché una parte 3b che, per queste forme d'esecuzione è conica e quindi inclinata a tale asse. Tali parti sono riunite formanti un angolo 35 maggiore di 90°. La parte cilindrica 3a agisce nella fig. 3, sulla parete interna della cavità 4, quindi sull'otturatore 2, mentre che nella fig. 4 agisce sulla parete esterna. Quando l'otturatore 2 si trova nella posizione tale per cui la sua superficie radiale 15 è allineata con la superficie radiale 17 dell'involucro 1, la 40 guarnizione anulare si trovà nelle seguenti condizioni: il suo diametro interno D è preferibilmente un po' maggiore o almeno uguale al diametro d dell'otturatore mentre il suo diametro esterno A è al massimo uguale, ma preferibilmente un po' inferiore al diametro interno B della cavità 4 nell'involucro, di 45 modo che la guarnizione 3 stessa sarà libera di muoversi, in assenza di pressione, nella sua sede, quindi sull'otturatore 2. Inoltre la guarnizione 3 presenta, all'esterno della sua parte conica 3b, una superficie 18 che forma, sempre a riposo della guarnizione, un angolo con la superficie radiale 17 dell'involucro so stesso (fig. 3) o di una protuberanza sporgente da esso (fig. 4). Quando la guarnizione 3 verrà investita dalla pressione p proveniente dalla direzione della freccia indicata nelle figure, si sposterà fino a quando lo spigolo 16 della parte conica 3b andrà a contatto con la superficie 17 dell'involucro 1 (nella fig. 3) 55 o rispettivamente con la superficie radiale 15 dell'otturatore (nella fig. 4), in dipendenza dalla forma della guarnizione 3. A questo punto la guarnizione si troverà soggetta ad un insieme di forze esterne e di reazioni interne che avranno come risultante un momento torcente M attorno all'asse di torsione 20 60 della sezione della guarnizione medesima. Tale momento M provocherà una rotazione della sezione della guarnizione attorno a tale asse fino a che uno spigolo 21 della parte cilindrica 3a andrà a contatto con la superficie cilindrica dell'otturatore (fig. 3) o rispettivamente con la parete esterna della cavità ss 4 (fig. 4). Da questo momento la tenuta è realizzata e la guarnizione proseguirà il suo movimento con una seconda deformazione elastica che porterà la superficie 18, tutta, a contatto con le superfici 17 e 15 allineate. La guarnizione dunque è ar-

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rivata alla tenuta per Fautocaricamento generato dalla pressione senza che alcuna forza Fx (vedi precedentemente) abbia dovuto essere spesa da parte dell'otturatore 2 per deformare la guarnizione stessa o per creare lungo le superfici di contatto la pressione reciproca superiore a p necessaria a garantire la tenuta. L'autocaricamento si sarà dunque realizzato a spese della pressione stessa p che deve essere catturata. In queste condizioni per mantenere la tenuta occorrerà agire sull'otturatore p ' v con una forza F2 all'incirca uguale a (A2-d2),

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Ovviamente per realizzare la rotazione attorno all'asse circolare 20 e le deformazioni elastiche occorrerà vincere la resistenza elastica e torsionale interna propria della guarnizione e delle caratteristiche del materiale che lacompone. Ottenendosi tutto ciò a spese della pressione p stessa, ne deriva che dispositivi del tipo ora descritto realizzeranno la tenuta per pressione maggiore di 0 di una certa entità. Potendosi però disegnare la guarnizione in oggetto con ampi gradi di lebertà, anche nella scelta dei materiali, è possibile con assoluta sicurezza affermare che la pressione minima di funzionamento potrà essere contenuta a pochi decimi di atmosfera permettando l'impiego di tali dispositivi nella stragrande maggioranza delle applicazioni industriali.

A questo punto muovendo l'otturatore nella direzione della freccia doppia 22 nel senso di costringere la guarnizione 3 ad allontanarsi dalla superficie 17 nella fig. 3, o nel senso di allontanare l'otturatore dalla guarnizione nella fig. 4, una volta realizzato il distacco tra otturatore e guarnizione si permetterà la fuoriuscita del fluido in pressione.

Muovendo nuovamente l'otturatore fino ad allineare le superfici 17 e 15 si saranno ripristinate le condizioni per realizzare la tenuta, tenuta che avverrà con estrema prontezza e nello stesso tempo delicatezza nei riguardi dell'organo più delicato del dispositivo in oggetto che è la guarnizione 3.

Paragonando un dispositivo come quello descritto ed indicato nelle figg. 3 e 4 appaiono subito evidenti i grandi vantaggi di questa soluzione rispetto a quelle tipiche dello stato della tecnica raffigurate nelle figg. 1 e 2.

Ê completamente eliminato ogni bordino di tenuta, evitan-g do così tutte le costose e critiche lavorazioni ad esso connesse, manca di conseguenza ogni possibilità di deformazione permanente dell'organo elastico, con conseguente illimitato aumento della possibilità di durata della guarnizione stessa. Scompare anche la forza Fx il che facilita e semplifica l'impie-ìo go di dispositivi ad otturazione anche in miniaturizzazioni molto spinte.

Dall'impiego separato o combinato dei due dispositivi secondo le figg. 3 e 4 ne deriva una larga possibilità di applicazione. Vedasi ad esempio la fig. 5 dove vengono accumunati 15 entrambi questi due dispositivi. L'otturatore in questo caso con il suo spostamento realizzerà contemporaneamente sia la tenuta a sinistra che il passaggio a destra (e viceversa). In presenza di un orifizio di entrata 5 è evidente che in tal caso lo si metterà in collegamento alternativamente con il condotto 7 o 20 con quello 8. Di conseguenza se il condotto 7 fosse l'entrata, 5 l'utilizzo e 8 lo scarico si sarebbe realizzata una valvola a tre vie.

Nella fig. 6 si sono abbinati viceversa due dispositivi del tipo secondo la fig. 3 con gli orifizi 5,7, 8. Alimentando l'appa-25 recchio schematizzato o da 7 o da 8 o da 7 ed 8 contemporaneamente si otterrà nell'orifizio 5 un'uscita secondo la funzione logica AND.

La parte 3b dell'organo di tenuta non deve essere necessariamente inclinata alla parte 3a; come si vede dalle figg. 7 e 8, so la sua superficie 18 può pure formare un angolo di 90° con essa. Bisogna solamente che questa superficie formi, al momento di contatto, un angolo con le superfici allineate 15, 17 che, in queste forme d'esecuzione, vengono disposte inclinate. È pure possibile che le superfici allineate nonché la superfìcie ss esterna 18 sono tutte inclinate all'asse longitudinale del dispositivo, mantenendo l'angolo menzionato tra di loro.

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2 fogli disegni

Claims (7)

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1. Dispositivo per il controllo, a mezzo otturatore, di fluido pressione, comprendente un involucro nel quale si trovano l'otturatore assialmente spostabile ed almeno un organo di tenuta nella cavità delimitata all'esterno dall'involucro e all'interno dall'otturatore, tale cavità avente una entrata e una uscita per il fluido, tale organo di tenuta essendo spostabile relativamente all'otturatore, caratterizzato da ciò che l'organo di tenuta (3) è composto da una prima parte cilindrica (3 a) concentrica all'asse longitudinale dell'otturatore e da una seconda parte (3b) angolare alla parte cilindrica (3a) e che l'involucro (1) e l'otturatore (2) presentano ciascuno una superficie (15, 17) che sono allineabili tra di esse mediante uno spostamento assiale dell'otturatore (2), la superficie esterna (18) della seconda parte (3b) appoggiandosi mediante uno spigolo (16) su una di tali superfici sotto l'azione del fluido in pressione dopo lo spostamento assiale dell'organo di tenuta, tutto l'organo di tenuta (3) ruotando dopo il contatto con la detta superficie attorno al proprio asse di torsione (20) fino a che lo spigolo (21) della parte cilindrica (3a) andrà a contatto con l'involucro o l'otturatore, bloccando così il passaggio del fluido attraverso la cavità (4).

2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che la superficie esterna (18) della seconda parte (3b) forma un angolo con le superfici allineate (15, 17) dell'involucro (1) e dell'otturatore.

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RIVENDICAZIONI

3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato da ciò che le superfici allineate sono disposte ortogonalmente all'asse longitudinale del dispositivo, mentre che la superficie esterna è inclinata a tale asse (figg. 3-6).

4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato da ciò che la superficie esterna è disposta ortogonalmente all'asse longitudinale del dispositivo mentre che le superfici allineate sono inclinate a tale asse (figg. 7, 8).

5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 1-3, caratterizzato da ciò che la parte cilindrica (3 a) avvicina la superficie interna dell'involucro, andando a contatto con essa dopo la detta rotazione.

6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 1-3, caratterizzato da ciò che la parte cilindrica (3 a) avvicina l'otturatore (2), andando a contatto con esso dopo la detta rotazione.

7. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, con due organi di tenuta e almeno tre condotti da cui uno costituisce l'entrata per il fluido e gli altri costituiscono le uscite, caratterizzato da ciò che l'involucro e l'otturatore presentano un paio di superfici radiali a un lato dell'entrata (5) ed un paio di superfici radiali all'altro lato dell'entrata, le superfici di uno o l'altro paio essendo allineabili mediante uno spostamento assiale dell'otturatore in modo di permettere all'organo di tenuta avvicinante tali superfici allineati di effettuare il bloccaggio del passaggio dall'entrata (5) all'uscita rispettiva (7 o 8) mentre che l'altro organo di tenuta rimane nella posizione aperta.