IT201900006680A1 - Pistone in materiale ceramico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del Brevetto Italiano per Invenzione Industriale dal titolo:

“PISTONE IN MATERIALE CERAMICO”

CAMPO TECNICO

La presente invenzione riguarda il settore della meccanica. In dettaglio, soluzioni in accordo con forme di realizzazione della presente invenzione si riferiscono a un pistone, in particolare, comprendente almeno una porzione in materiale ceramico. Inoltre, la presente invenzione riguarda una macchina operatrice comprendente tale pistone.

TECNICA PREESISTENTE

Come è noto i pistoni sono una parte fondamentale per macchine operatrici, ad esempio pompe o motori.

In uso, ad esempio nelle pompe volumetriche a pistone, la temperatura e la pressione di esercizio della pompa, la temperatura del fluido pompato e/o le variazioni delle stesse possono sottoporre un pistone, specialmente se in materiale metallico, a un notevole stress meccanico e a cicli di espansione e contrazione termica – talvolta con intensità asimmetrica lungo un asse longitudinale del pistone – i quali possono portare a una riduzione delle prestazioni della pompa e/o ad accelerare un’usura del pistone, se non direttamente a un danneggiamento dello stesso.

Nella tecnica tali problemi sono stati affrontati fornendo pistoni comprendenti un mantello almeno parzialmente formato in materiale ceramico. Infatti, i materiali ceramici (come ad esempio l’allumina) sono materiali termicamente refrattari e resistenti a pressioni elevate, i quali sono anche lavorabili in superfici dotate di un coefficiente di attrito estremamente contenuto. Un tipico pistone con una parte in materiale ceramico comprende un corpo in materiale metallico, il quale è dotato di un’estremità connessa a un organo attuatore – ad esempio un cinematismo biella-manovella – per muovere il pistone con moto alternativo, e un’estremità opposta comprendente uno stelo. Questo stelo si infila in modo passante all’interno di un manicotto in materiale ceramico, per sporgere dalla parte opposta dove un elemento di fissaggio, come un dado o una spina, è accoppiato a un’estremità libera dello stelo per bloccare in posizione il manicotto ceramico. Tipicamente, tra stelo e manicotto sono posti elementi di tenuta, come uno o più O-ring, per impedire un trasferimento di fluido attraverso un’intercapedine tra stelo e manicotto.

Tuttavia, durante la vita del pistone, lo stelo, l’elemento di fissaggio e/o gli elementi di tenuta possono deteriorarsi e/o deformarsi, con ciò permettendo perdite del fluido attraverso il gioco tra lo stelo e il manicotto ceramico. Questo gioco riduce in generale le prestazioni della pompa e può essere causa di sollecitazioni sul manicotto di entità tale da provocare la formazione di crepe, scheggiature e, al limite, la rottura dello stesso.

Inoltre, durante l’assemblaggio del pistone può accadere che il manicotto in ceramica si sottoposto a una compressione dovuta a serraggio eccessivo dell’elemento di fissaggio – ad esempio, per via di avvitamento troppo stretto del dado. Infatti, un serraggio eccessivo può provocare crepe, scheggiature o rotture del manicotto.

Gli svantaggi sopra accennati possono risultare accentuati nel caso di fluidi pompati aventi una composizione chimica tale da ‘attaccare’ (ad esempio, corrodere e/o ossidare) il materiale dello stelo e, eventualmente, dell’elemento di fissaggio e/o degli elementi di tenuta.

Uno scopo della presente invenzione è quello di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota, nell’ambito di una soluzione semplice, razionale e dal costo contenuto.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un pistone comprendente una coppia di porzioni, di cui una in materiale ceramico, associabili in modo semplice ed efficacie.

Tali scopi sono raggiunti dalle caratteristiche dell’invenzione riportate nella rivendicazione indipendente. Le rivendicazioni dipendenti delineano aspetti preferiti e/o particolarmente vantaggiosi dell’invenzione.

ESPOSIZIONE DELL’INVENZIONE

Una forma di attuazione della presente invenzione rende disponibile un pistone comprendente una prima porzione adatta ad accoppiarsi con un organo attuatore e una seconda porzione in materiale ceramico adatta a scorrere in un cilindro. La prima porzione e la seconda porzione sono assialmente connesse lungo un asse longitudinale del pistone. La seconda porzione ha una forma allungata lungo l’asse longitudinale del pistone con una base di interfaccia prossimale alla prima porzione e una base libera distale dalla prima porzione. La base libera di questa seconda porzione in materiale ceramico è chiusa e definisce interamente un cielo del pistone.

Grazie a tale soluzione, il pistone è in grado di operare in modo affidabile e duraturo anche se sottoposto a elevate temperature e pressioni di esercizio, nonché a variazioni sostanziali delle stesse durante l’esercizio. Inoltre, il pistone risulta sostanzialmente inattaccabile da un’ampia gamma di elementi chimici e quindi adatto in applicazioni in cui siano utilizzati fluidi corrosivi e/o ossidanti, anche in considerazione del fatto che tali fluidi non possono trafilare attraverso la base libera chiusa della porzione in ceramica. In aggiunta, tale soluzione elimina l’utilizzo di mezzi di fissaggio in grado di comprimere la seconda porzione, rimuovendo il rischio di una compromissione della stessa.

In una forma di realizzazione, la seconda porzione ha una conformazione a bicchiere e comprende una cavità allungata lungo l’asse longitudinale del pistone accessibile tramite un’apertura sulla base di interfaccia. In aggiunta, la prima porzione comprende uno stelo allungato lungo l’asse longitudinale del pistone infilato assialmente nella cavità della seconda porzione.

In tal modo, le due porzioni del pistone possono essere associate in modo semplice e immediato ma allo stesso tempo stabile e sicuro.

In una forma di realizzazione, un’estensione longitudinale della cavità della seconda porzione è maggiore di un’estensione longitudinale dello stelo della prima porzione.

Grazie a tale soluzione, eventuali sollecitazioni cui è sottoposta la base libera lungo l’asse longitudinale del pistone non si trasmettono direttamente allo stelo. Inoltre, la seconda porzione in materiale ceramico può essere associata a prime porzioni aventi steli con lunghezze differenti senza richiedere adattamenti.

In una forma di realizzazione, la prima porzione e la seconda porzione sono vincolate tra loro da un elemento adesivo disposto a contatto di una superficie dello stelo della prima porzione e di una superficie interna della seconda porzione che delimita la cavità.

In tale modo la prima porzione può essere saldamente fissata alla seconda porzione in modo efficacie. In particolare, l’elemento adesivo deve garantire l’accoppiamento tra le due porzioni del pistone in uso in una pompa durante le fasi di aspirazione della pompa, in cui una depressione della camera tende ad allontanare le due porzioni del pistone in senso assiale.

In una forma di realizzazione della presente invenzione, lo stelo della prima porzione comprende un primo foro passante con un asse traversale all’asse longitudinale del pistone. In aggiunta, la seconda porzione comprende un secondo foro passante formato affacciato sulla cavità e coassiale al primo foro passante. Vantaggiosamente, una spina è infilata assialmente nel primo foro passante e nel secondo foro passante

In tale modo la prima porzione e la seconda porzione del pistone sono saldamente fissate tra loro, in particolare, rispetto a un movimento lungo l’asse longitudinale del pistone. Inoltre, la disposizione dei fori passanti, e della spina consente di disimpegnare la prima porzione dalla seconda porzione, ad esempio per eseguire un intervento di sostituzione.

In una forma di realizzazione, la prima porzione comprende un ricettacolo estendentesi lungo l’asse longitudinale del pistone. Inoltre, la seconda porzione comprende un codolo di innesto aggettantesi dalla base di interfaccia lungo l’asse longitudinale del pistone inserito assialmente nel ricettacolo.

In tal modo, le due porzioni del pistone possono essere associate in modo semplice e immediato. In particolare, la seconda porzione del pistone dotata del codolo di innesto non richiede lavorazioni di rettifica del foro passante formato nelle soluzioni note che potrebbero causare cricche nel materiale ceramico e, quindi, ridurre una qualità della prima porzione del pistone e/o incrementare gli scarti di produzione.

In una forma di realizzazione, il codolo di innesto e il ricettacolo sono dimensionati per accoppiarsi reciprocamente con interferenza meccanica.

Grazie a tale soluzione il codolo di innesto e il ricettacolo sono realizzabili in modo semplice ed economico, ma al contempo garantiscono un vincolo assiale efficacie tra le due porzioni del pistone, in particolare per resistere alle sollecitazioni cui dette porzioni sono sottoposte nelle fasi di aspirazione di una pompa sopra descritte.

In una forma di realizzazione, una superficie laterale del codolo di innesto e una superficie laterale interna della prima porzione, delimitante il ricettacolo, sono filettate in modo da avvitarsi l’una all’altra.

In tale modo il codolo di innesto e il ricettacolo sono accoppiati con particolare efficacia, mantenendo così saldamente accoppiate le due porzioni del pistone anche contro sollecitazioni assiali di elevata intensità.

Un ulteriore aspetto dell’invenzione rende disponibile una pompa comprendente un cilindro, un organo attuatore, e il pistone di cui sopra. In dettaglio, la prima porzione è connessa all’organo attuatore per movimentare il pistone e la seconda porzione del pistone è infilata assialmente in modo scorrevole nel cilindro. Vantaggiosamente, la base libera della seconda porzione delimita una camera di pompaggio nel cilindro.

Grazie a tale soluzione si ottiene una pompa affidabile e duratura, nonché adatta al pompaggio di fluidi corrosivi e/o ossidanti.

In una forma di realizzazione, l’estensione longitudinale della seconda porzione è maggiore di, o uguale a, una corsa del pistone all’interno del cilindro.

In tale modo la sola seconda porzione in materiale ceramico scorre nel cilindro. Ciò assicura un coefficiente di attrito sostanzialmente costante e di basso valore tra il pistone e il cilindro in qualsiasi condizione di operazione della pompa che si riflettono in prestazioni elevate e uniformi della stessa. Inoltre, ciò assicura che i fluidi pompati non possano mai raggiungere alcuna intercapedine tra le due porzioni del pistone.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti dalla lettura della descrizione seguente fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle figure illustrate nelle tavole allegate.

La Figura 1 è una vista laterale di un pistone secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

La Figura 2 è una vista schematica di una pompa comprendente il pistone di Figura 1.

Le Figure 3A – 6B sono viste laterali del pistone, con parti in spaccato e/o in sezione, e di una porzione dello stesso secondo differenti forme di realizzazione della presente invenzione.

MODO MIGLIORE PER ATTUARE L’INVENZIONE

Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato globalmente con 1 un pistone.

Il pistone comprendente una prima porzione 10 e una seconda porzione 20 connesse assialmente tra loro lungo un asse longitudinale L del pistone 1.

La prima porzione 10 può essere realizzata in materiale metallico, ad esempio in acciaio.

La seconda porzione 20 può essere realizzata, ad esempio interamente realizzata, in materiale ceramico o, equivalentemente, in materiale composto comprendente un materiale ceramico – ad esempio allumina.

la prima porzione 10 ha una forma allungata lungo l’asse longitudinale L del pistone e comprende una estremità di connessione 11 e un’opposta estremità di interfaccia 13. In dettaglio, la estremità di connessione 11 è adatta all’accoppiamento con un organo attuatore (rotativo o lineare) che può consentire di muovere il pistone 1 con moto alternativo lungo il proprio asse longitudinale L. Ad esempio, l’estremità di connessione 11 può comprendere un foro passante 111. L’estremità di interfaccia 13 è adatta all’accoppiamento con la prima porzione 20.

La seconda porzione 20 ha una forma allungata lungo l’asse longitudinale L del pistone 1, con una base di interfaccia 21 prossimale alla prima porzione 10 e una base libera 23 distale dalla prima porzione 10. Ad esempio, la seconda porzione ha una forma cilindrica o prismatica, con la base libera 23 e la base di interfaccia separate da un mantello 24 comprendente la superficie laterale del cilindro o le facce laterali del prisma. Vantaggiosamente, il mantello è levigato in modo da minimizzare un rispettivo coefficiente di attrito durante l’uso.

Nelle forme di realizzazione della presente invenzione la base libera 23 è chiusa. In questo modo, la base libera 23 definisce interamente un cielo del pistone 1. Vantaggiosamente, la base libera 23 della seconda porzione 20 è una superficie sostanzialmente trasversale all’asse longitudinale L e priva di aperture nella direzione dell’asse longitudinale L, con ciò formando una barriera per un fluido in contatto con la stessa. In altre parole, la conformazione della base libera 23 impedisce un passaggio di fluido in direzione dell’asse longitudinale verso la base di interfaccia 21.

Preferibilmente, sebbene non limitativamente, il mantello 24 e la base libera 23 della seconda porzione 20 sono formati in corpo unico, ossia integrali, come un unico pezzo di materiale ceramico, ad esempio tramite una singola operazione di colaggio.

In una prima e una seconda forma di realizzazione (illustrate nelle Figure 3A e 3B, e nelle Figure 4A e 4B, rispettivamente), la seconda porzione 20 ha una conformazione a bicchiere. Preferibilmente, la seconda porzione 20 comprende una cavità 25 allungata lungo l’asse longitudinale L. Preferibilmente, la cavità 25 ha sezione circolare. Negli esempi considerati, la cavità 25 è accessibile tramite un’apertura 211 formata sulla base di interfaccia 21. Inoltre, la cavità 25 è delimitata da una superficie interna 251 della seconda porzione 20.

Diversamente, l’estremità di interfaccia 13 della prima porzione 10 comprende uno stelo 15, il quale è allungato lungo l’asse longitudinale L del pistone 1. Vantaggiosamente, lo stelo 15 è adatto a essere infilato assialmente nella cavità 25 della seconda porzione 20. Preferibilmente, dimensioni trasversali dello stelo 15 e dimensioni trasversali della cavità 25 – ossia, i rispettivi diametri in sezione trasversale nel caso di stelo 15 e cavità 25 cilindrici – sono formate sostanzialmente corrispondenti in modo che lo stelo 15 si infili nella cavità 25 con un gioco estremamente ridotto.

Vantaggiosamente, un’estensione longitudinale della cavità 25 della seconda porzione 20 è maggiore di un’estensione longitudinale dello stelo 15 della prima porzione 10.

Nella prima forma di realizzazione, la prima porzione 10 e la seconda porzione 20 sono vincolate tra loro da un elemento adesivo 30, ad esempio una pasta adesiva. L’elemento adesivo 30 è disposto a contatto di un superficie (esterna) dello stelo 15 della prima porzione 10 e della superficie interna 251 della seconda porzione 20 che delimita la cavità 25. In questo modo, è possibile fissare stabilmente tra loro la prima porzione 10 e la seconda porzione 20.

Preferibilmente, la superficie dello stelo 15 e la superficie interna 251 della seconda porzione 20 sono formate con rispettivi valori di rugosità predeterminati – ad esempio molto maggiori di una rugosità del mantello 24 –, tali da garantire un aggrappamento affidabile dell’elemento adesivo alle stesse.

Nella seconda forma di realizzazione (illustrata nelle Figure 4A e 4B), lo stelo 15 della prima porzione 10 comprende un primo foro passante 17. Preferibilmente, il primo for passante 17 è formato con un asse traversale all’asse longitudinale L. In aggiunta, la seconda porzione 20 comprende almeno un secondo foro passante formato affacciato sulla cavità 25 e allineato a un rispettivo asse traversale all’asse longitudinale L. Nell’esempio considerato, la seconda porzione 20 comprende due fori passanti 27 formati coassiali.

Vantaggiosamente, il primo foro passante 17 e i secondi fori passanti 27 vengono disposti coassiali, quando lo stelo 15 viene infilato nella cavità 25. In aggiunta, il pistone 10 comprende una spina 40, la quale è adatta a essere infilata assialmente nel primo foro passante 17 e nei secondi fori passanti 27, in modo da bloccare assialmente al prima e la seconda porzione 10 e 20 del pistone 1.

In una terza e in una quarta forma di realizzazione (illustrate nelle Figure 5A e 5B, e nelle figure 6A e 6B, rispettivamente), la prima porzione 10 comprende un ricettacolo 19, il quale si estendente lungo l’asse longitudinale L (all’interno della prima porzione 10). Diversamente, la seconda porzione 20 comprende un codolo di innesto 29, il quale si aggetta dalla base di interfaccia 21 lungo l’asse longitudinale L. Il codolo di innesto 29 può essere formato in corpo unico con il resto della seconda porzione 20. Alternativamente, il codolo di innesto 29 può essere realizzato indipendentemente – ad esempio in un materiale differente, come acciaio o alluminio – e quindi accoppiato alla base di interfaccia 23 della seconda porzione 20.

Vantaggiosamente, il codolo di innesto 29 è adatto ad essere inserito assialmente nel ricettacolo 19.

Preferibilmente, le dimensioni trasversali del ricettacolo 19 e le dimensioni trasversali del codolo di innesto 29 – ossia, i rispettivi diametri in sezione trasversale nel caso di ricettacolo 19 e codolo di innesto 29 cilindrici – sono formate sostanzialmente corrispondenti.

In particolare, nella terza forma di realizzazione, il codolo di innesto 29 e il ricettacolo 19 sono dimensionati per accoppiarsi reciprocamente con interferenza meccanica. In questo modo si ottiene un accoppiamento stabile tra la prima porzione 10 e la seconda porzione 20 del pistone 1.

Diversamente, nella quarta forma di realizzazione, una superficie laterale esterna 291 del codolo di innesto 29 e una superficie laterale interna 191 della prima porzione 20 delimitante il ricettacolo 19 sono filettate in modo da avvitarsi l’una all’altra.

Il pistone 1 secondo le forme di realizzazione sopra esposte è adatto all’uso in una macchina operatrice, come una pompa 50 (volumetrica) mostrata nell’esempio schematico di Figura 2.

Nel caso considerato, la pompa 50 comprende un cilindro 51, un organo attuatore 53, e il pistone 1.

La seconda porzione 20 del pistone 1 è coassialmente infilata all’interno del cilindro 51, ad esempio attraverso una corrispondente apertura 515, in modo tale che la base libera 23 delimiti, all’interno del cilindro 51, una camera di pompaggio 517.

In dettaglio, la camera di pompaggio 517 è delimitata dalla base libera 23 e dalla superficie interna del cilindro 51. Vantaggiosamente, la base libera 23 definisce dunque una parete mobile, realizzata uniformemente e unicamente in materiale ceramico, della camera di pompaggio 517.

Il cilindro 51 comprende una bocca di aspirazione 511, una bocca di mandata 513, le quali sono in comunicazione con la camera di pompaggio 517 del cilindro 51. La bocca di aspirazione 511 comprende una prima valvola 61 configurata per consentire unicamente un flusso di fluido con verso entrante nella camera di pompaggio 517. Analogamente, la bocca di mandata 513 comprende una seconda valvola 63 configurata per consentire unicamente un flusso di fluido con verso uscente dalla camera di pompaggio 517.

La prima porzione 10 del pistone 1 sporge all’esterno del cilindro 51 ed è connessa all’organo attuatore 53, il quale è configurato per movimentare il pistone 1 in modo che scorra lungo l’asse longitudinale L coincidente con l’asse nel cilindro. Nell’esempio considerato, l’organo attuatore 53 può comprendere una manovella 531 ed una biella 533, in cui la biella 533 presenta una prima estremità imperniata alla manovella 531 ed una seconda estremità (opposta alla prima estremità) imperniata all’estremità di connessione 11 della prima porzione 10 del pistone 1. Ad esempio, la seconda estremità della biella 533 può essere imperniata alla prima porzione 10 del pistone 1 per mezzo di un perno infilato nel foro passante 111 dell’estremità di connessione 11.

Nella forma di realizzazione preferita, l’estensione longitudinale X della seconda porzione 20 del pistone 1 è maggiore di, o uguale a, una corsa C del pistone all’interno del cilindro 51.

In uso, l’attivazione dell’organo attuatore 53 provoca un movimento assiale alternato del pistone 1 all’interno del cilindro 51 che provoca alternativamente fasi di aspirazione e fasi di espulsione di un fluido nel/dal cilindro 51. In dettaglio, un movimento di allontanamento della seconda porzione 20 del pistone 1 da un’estremità chiusa del cilindro 51 provoca una depressione nella camera di pompaggio 517, l’apertura della prima valvola 61 e l’aspirazione del fluido da una prima porzione di circuito idraulico (non illustrata) connesso alla bocca di aspirazione 511. Diversamente, un movimento di avvicinamento della seconda porzione 20 del pistone 1 dall’estremità chiusa del cilindro 51 provoca un aumento di pressione nella camera di pompaggio 517, l’apertura della seconda valvola 63 e l’espulsione del fluido in una seconda porzione di circuito idraulico (non illustrata) connessa alla bocca di mandata 513.

L’invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo. Ad esempio, sebbene la base libera sia illustrata con una conformazione bombata, nulla vieta di formare la stessa con un differente profilo – come piatta, troncoconica, inclinata, concava, ecc. – in modo da ottenere un pistone avente un cielo rispondente a requisiti contingenti.

Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze senza per questo uscire dall’ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pistone (1) comprendente una prima porzione (10) adatta ad accoppiarsi con un organo attuatore (53) e una seconda porzione (20) in materiale ceramico adatta a scorrere in un cilindro (51), la prima porzione (10) e la seconda porzione (20) essendo assialmente connesse lungo un asse longitudinale (L) del pistone (1), in cui la seconda porzione (20) ha una forma allungata lungo l’asse longitudinale (L) del pistone (1) con una base di interfaccia (21) prossimale alla prima porzione (10) e una base libera (23) distale dalla prima porzione (10), caratterizzato dal fatto che la base libera (23) è chiusa e definisce interamente un cielo del pistone, in cui la prima porzione (10) comprende un ricettacolo (19) estendentesi lungo l’asse longitudinale (L) del pistone (1), e in cui la seconda porzione (20) comprende un codolo di innesto (29) formato in corpo unico con la seconda porzione (20) e aggettantesi dalla base di interfaccia (21) lungo l’asse longitudinale (L) del pistone (1), in cui detto codolo di innesto (29) è inserito assialmente nel ricettacolo (19), caratterizzato dal fatto che una superficie laterale (291) del codolo di innesto (29) e una superficie laterale interna (191) della prima porzione (10) delimitante il ricettacolo (19) sono filettate in modo da avvitarsi l’una all’altra.
2. 2. Pompa (50) comprendente: - un cilindro (51), - un organo attuatore (53), e - il pistone (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima porzione (10) è connessa all’organo attuatore (53) per movimentare il pistone (1), e in cui la seconda porzione (20) del pistone (1) è infilata assialmente in modo scorrevole nel cilindro (51), con la base libera (23) della seconda porzione (20) che delimita una camera di pompaggio (517) nel cilindro (51).
3. 3. Pompa (50) secondo la rivendicazione 2, in cui l’estensione longitudinale della seconda porzione (20) è maggiore di, o uguale a, una corsa del pistone (1) all’interno del cilindro (51).