IT202000016633A1 - Valvola anodo per un impianto di autotrazione a celle combustibile - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione si colloca nel settore dei componenti per impianti per autotrazione a celle combustibile a idrogeno; in particolare, forma oggetto della presente invenzione una valvola anodo, ossia una valvola che intercetta il ramo a bassa pressione dell?impianto che alimenta l?idrogeno alle celle combustibile.
In un impianto per autotrazione a celle combustibile, l?idrogeno ? stipato ad alta pressione in un serbatoio e alimentato tramite una linea ad alta pressione ad un regolatore di pressione, a valle del quale parte una linea a bassa pressione che alimenta le celle combustibile. Come prodotti delle reazioni chimiche che portano alla produzione di energia elettrica, utilizzata per l?azionamento di un motore elettrico, le celle combustibile scaricano una miscela formata da idrogeno, azoto, vapore acqueo e acqua liquida. La miscela ? trattata da un separatore (Anode Water Separator, AWS), che separa l?idrogeno, destinato ad essere rimesso in circolo, dagli altri componenti. La miscela formata da azoto, vapore acqueo e acqua liquida ? indirizzata ad una o pi? valvole anodo, che assumono denominazioni diverse secondo la miscela trattata. Solitamente, una valvola che tratta una miscela a prevalente componente liquida ? denominata Anode Drain Valve (valvola ADV); una valvola che tratta una miscela a prevalente componente gassosa ? denominata Anode Purge Valve (valvola APV); una valvola che tratta una miscela a prevalente componente gassosa, posta a monte della valvola ADV, ? denominata Anode Drain Valve Header (ADVH).
Le valvole anodo hanno l?esigenza di assicurare una elevata affidabilit?, messa a dura prova dalla vita utile richiesta e dal tempo trascorso a contatto con la miscela di gas e liquido trattata. Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare una valvola anodo avente una elevata affidabilit?.
Tale scopo ? raggiunto da una valvola anodo secondo la rivendicazione 1. Le rivendicazioni da questa dipendenti individuano ulteriori vantaggiose forme di realizzazione dell?invenzione.
Le caratteristiche e i vantaggi della valvola anodo secondo la presente invenzione saranno evidenti dalla descrizione di seguito riportata, data a titolo esemplificativo e non limitativo, in accordo con le figure delle tavole allegate, in cui:
- la figura 1 rappresenta una valvola anodo secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, a parti separate; e
- la figura 2 raffigura una sezione trasversale della valvola anodo della figura 1.
Con riferimento alla figura della tavola allegata, con 1 si ? complessivamente indicata una valvola anodo operativa lungo una linea a valle di celle combustibile, alimentata con un fluido che, secondo gli utilizzi della valvola, ? principalmente composto da componenti gassosi, quali idrogeno, azoto e vapore acqueo, oppure da acqua.
La valvola anodo 1 comprende un corpo valvola 2, solitamente realizzato in un unico pezzo in alluminio, ad esempio ottenuto da barra tramite lavorazioni d?utensile. Il corpo valvola 2 presenta un condotto ingresso 4 per l?ingresso del fluido nella valvola anodo 1 e un condotto uscita 6 per lo scarico del fluido, collegabile al condotto ingresso 4.
Il corpo valvola 2 presenta inoltre un vano corpo 5 per il contenimento di alcuni componenti; detto vano corpo 5 presenta sul fondo, in corrispondenza del passaggio fra il condotto ingresso 4 ed il condotto uscita 6, una superficie di appoggio 16, di cui si dir? in seguito. Fra il condotto ingresso 4 e il condotto uscita 6 ? operativo un otturatore 8, almeno parzialmente deformabile elasticamente; in una configurazione di chiusura, l?otturatore 8 chiude a tenuta il passaggio del fluido dal condotto ingresso 4 al condotto uscita 6, mentre in una configurazione di apertura, l?otturatore 8 libera almeno parzialmente il passaggio ed il fluido pu? transitare dal condotto ingresso 4 al condotto uscita 6.
L?otturatore 8 comprende un corpo otturatore 10, che presenta almeno una superficie di contatto con una superficie di tenuta del corpo valvola 2 per chiudere il passaggio fra condotto ingresso 4 e condotto uscita 6, e una membrana otturatore 12, deformabile elasticamente, unita al corpo otturatore 10. Il corpo otturatore e la membrana otturatore sono preferibilmente realizzati in un unico pezzo, ad esempio in gomma sintetica, ad esempio in EPDM (Ethylene-Propylene Diene Monomer).
Ad esempio, il corpo otturatore 10 ha forma cilindrica e la membrana otturatore 12 si estende anularmente radialmente dal corpo otturatore 10.
Perifericamente, di preferenza, la membrana otturatore 12 presenta un ingrossamento 14 anulare per migliorare le caratteristiche di tenuta.
La membrana otturatore 12 poggia sulla superficie di appoggio 16.
La valvola anodo 1 comprende inoltre un elemento di pressione 18, ad esempio anulare, solitamente realizzato in materiale metallico, alloggiato nel vano corpo 5 del corpo valvola 2 e adatto a premere sulla membrana otturatore 12 in modo da realizzare una tenuta al fluido fra l?elemento di pressione 18 e la membrana otturatore 12 e fra la membrana otturatore 12 e la superficie di appoggio 16 del corpo valvola 2.
Conseguentemente, il vano corpo 5 ? chiuso ermeticamente rispetto al condotto ingresso 4 e al condotto uscita 6. La valvola anodo 1 comprende inoltre un involucro interno 20, ad esempio tubolare, alloggiato nel vano corpo 5 almeno parzialmente.
In particolare, l?involucro interno 20 comprende una prima porzione 22, alloggiata nel vano corpo 5, a contatto con l?elemento di pressione 18, comprendente una prima parete 24 tubolare che circonda una prima camera 26.
Sulla prima porzione 22, esternamente, opera un dado 28 che, avvitato al corpo valvola 2 all?imboccatura del vano corpo 5, opera in spinta sulla prima porzione 22, cos? che l?azione di spinta ? trasmessa all?elemento di pressione 18.
L?involucro interno 20 comprende inoltre una seconda porzione 30, che si estende assialmente dalla prima porzione 22 fino ad uscire dal vano corpo 5 attraversando il dado 28; la seconda porzione 30 comprende una seconda parete 32 tubolare che circonda una seconda camera 34. La seconda parete 32, terminante con una estremit? parete 32a, ? realizzata in un materiale metallico ferromagnetico, ad esempio in acciaio al carbonio, quale un 11SMn37.
Infine, l?involucro interno 20 comprende una terza porzione 36, unita alla seconda porzione 30, all?esterno del vano corpo 5, che chiude la seconda camera 34. Secondo una forma di realizzazione, detta terza porzione 36 costituisce altres? un nucleo fisso 36? di dispositivo solenoide adatto a movimentare il corpo otturatore 10 dell?otturatore 8 per azionamento elettromagnetico.
La terza porzione 36 ? realizzata in un materiale metallico ferromagnetico, ad esempio in acciaio al carbonio, quale un 11SMn37.
L?involucro interno 20 comprende inoltre una fascia 38 anulare, realizzata in un materiale amagnetico, ad esempio una lega di rame, quale CuAl8 o genericamente in bronzo, applicata all?estremit? parete 32a, interrompendo la continuit? magnetica con la terza porzione 36 o nucleo fisso 36?. Ad esempio, la fascia 38 costituisce la parte residua di una saldatura realizzata fra la seconda parete 32 e la terza porzione 36 o nucleo fisso 36?.
La valvola anodo 1 comprende inoltre una guida 40 fissa accolta nella seconda camera 34; la guida 40 comprende un piede 42, fissato alla terza porzione 36, uno stelo 44 che si estende lungo un asse principale X a partire dal piede 42, e una testa 46, unita all?estremit? dello stelo 44 opposta al piede 42.
La valvola anodo 1 comprende inoltre un nucleo mobile 48 del dispositivo solenoide, in materiale metallico ferromagnetico, alloggiato nella seconda camera 34 e montato scorrevole sullo stelo 44 della guida 40. Il nucleo mobile 48 si estende lungo l?asse principale X fra una prima estremit? 50, affacciata al terza porzione 36 (nucleo fisso), ed una opposta estremit? 52, affacciata alla testa 46, che costituisce un riscontro. La valvola anodo 1 comprende inoltre una bussola 54 solidale al nucleo mobile 48, ad esempio applicata a detto nucleo mobile 48 alla seconda estremit? 52; la bussola 54 comprende una parete bussola 56 anulare e una base bussola 58 che delimitano, insieme al nucleo mobile 48, un vano bussola 60, nel quale si trova la testa 46 della guida 40.
La valvola anodo 1 comprende inoltre mezzi di ritorno elastici adatti ad operare permanentemente sulla bussola 54 per portarla verso la configurazione di chiusura. Ad esempio, detti mezzi di ritorno comprendono una molla 62 alloggiata nel vano bussola 60, in compressione fra la guida 40, ed in particolare applicata alla testa 46, e la base bussola 58.
La bussola 54 ? collegata all?otturatore 8, cos? che la traslazione della bussola 54 comporta uno spostamento del corpo otturatore 10 fra la configurazione di chiusura e la configurazione di apertura.
Ad esempio, l?otturatore 8 comprende un piolo 64 solidale al corpo otturatore 10, ad esempio realizzato per costampaggio o co-iniezione con il corpo otturatore 10; il piolo 64, che si estende lungo detto asse principale X, ? impegnato, ad esempio avvitato, alla base bussola 58. Preferibilmente, il dispositivo solenoide comprende inoltre un telaio 68 fisso che supporta la bobina 70, alimentabile elettricamente per generare un campo magnetico; nella bobina ? accolto almeno in parte il nucleo fisso 36 e almeno in parte il nucleo mobile 48. La fascia 38 in materiale metallico amagnetico ? disposta fra la bobina 70 e la seconda camera 34, per deviare il campo magnetico e convogliarlo nel nucleo mobile 48. Il dispositivo solenoide comprende infine, preferibilmente, un involucro esterno 72, che racchiude il telaio 68 con la bobina 70 ed il nucleo fisso 36. Secondo una forma di realizzazione, inoltre, la valvola anodo 1 comprende almeno un riscaldatore 74, alimentabile elettricamente, per riscaldare il corpo valvola 2 e sciogliere eventuali depositi di ghiaccio formatisi alle basse temperature.
Nel normale funzionamento della valvola anodo 1, detta valvola anodo ? inizialmente nella configurazione di chiusura in cui il dispositivo solenoide ? in uno stato di disattivazione in cui la bobina 70 non ? alimentata elettricamente; conseguentemente, non ci sono azioni magnetiche di attrazione fra il nucleo fisso 36 ed il nucleo mobile 48 e l?azione dei mezzi di ritorno, in particolare della molla 62, fa s? che il corpo otturatore ostruisce il passaggio del fluido dal condotto ingresso 4 al condotto uscita 6. In tale configurazione, il nucleo mobile 48 ? in una posizione di chiusura in cui la prima estremit? 50 forma un gap G con il nucleo fisso 36.
Quando la valvola anodo 1 ? nella configurazione di chiusura, il fluido si accumula nel condotto ingresso 4 ed esercita sull?otturatore una pressione che tende a sollevarlo, portandolo nella configurazione di apertura. L?azione dei mezzi di ritorno deve pertanto essere particolarmente energica, in modo da mantenere l?otturatore nella configurazione di chiusura.
Quando l?impianto richiede di scaricare il fluido, la bobina 70 viene alimentata elettricamente, cos? da far passare il dispositivo solenoide in uno stato di attivazione. L?azione di attrazione fra nucleo mobile e nucleo fisso generata dal campo magnetico attira il nucleo mobile 48 verso il nucleo fisso 36; il nucleo mobile 48 si porta quindi in una posizione di apertura in cui il gap G ? ridotto al minimo. Conseguentemente, il corpo otturatore 10 libera il passaggio fra il condotto ingresso 4 ed il condotto uscita 6. La valvola 1 assume cos? la configurazione di apertura ed il fluido pu? essere scaricato a valle.
Poich? l?azione della molla 62, come si ? detto sopra, deve essere molto energica per assicurare la chiusura nella configurazione di chiusura, altrettanto energica deve essere l?azione di attrazione fra nucleo mobile e nucleo fisso per passare nella configurazione di apertura. A tale scopo, la fascia 38 consente di incanalare adeguatamente il flusso magnetico dalla bobina verso il nucleo mobile, evitando che sia incanalato nell?involucro interno e aumentando cos? l?azione attrattiva fra nucleo fisso e nucleo mobile. Vantaggiosamente, l?otturatore provvisto di membrana consente di isolare il vano corpo 5 dal condotto ingresso 4, in modo che l?idrogeno o ulteriori componenti del fluido in pressione nel condotto ingresso non possano risalire l?involucro interno fino ad arrivare alla fascia 38, il cui materiale ? particolarmente deteriorabile a contatto con tali gas. Infatti, in virt? della membrana dell?otturatore, il condotto ingresso 4 ed il condotto uscita 6 sono ermeticamente separati dal vano corpo e dalla seconda camera, sula quale si affaccia la fascia 38 in materiale amagnetico.
Innovativamente, pertanto, la valvola anodo secondo la presente invenzione consente di soddisfare le esigenze di affidabilit? di cui si ? detto.
E? chiaro che un tecnico del ramo, al fine di soddisfare esigenze contingenti, potrebbe apportare modifiche alla valvola anodo sopra descritta, tutte contenute nell?ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni seguenti.
Claims (10)
1. Valvola anodo (1) per un circuito a valle di celle combustibile di un pianto per autotrazione, comprendente:
- un corpo valvola (2) avente un condotto ingresso (4) per l?ingresso di un fluido, un condotto uscita (6) per lo scarico del fluido, collegabile al condotto ingresso (4), e un vano corpo (5);
- un otturatore (8) adatto a passare da una configurazione di chiusura ad una configurazione di apertura, in cui l?otturatore (8) comprende un corpo otturatore (10) e una membrana otturatore (12), deformabile elasticamente, unita al corpo otturatore (10);
- un dispositivo solenoide alimentabile elettricamente per movimentare il corpo otturatore (10) dalla configurazione di chiusura alla configurazione di apertura, comprendente un nucleo fisso (36?), un nucleo mobile (48) traslabile, solidale al corpo otturatore (10), e una bobina (70);
- un involucro interno (20) provvisto di una seconda camera (34) in cui ? disposto il nucleo mobile (48); - in cui l?involucro interno (20) comprende una fascia (38) anulare, in materiale metallico amagnetico, disposta fra la bobina (70) e la seconda camera (34) per deviare il campo magnetico e convogliarlo nel nucleo mobile (48), e
- in cui la membrana otturatore (12) ? permanentemente premuta contro una superficie di appoggio (16) del corpo valvola (2) per realizzare una tenuta al fluido e separare ermeticamente il condotto ingresso (4) ed il condotto uscita (6) dal vano corpo (5) e dalla seconda camera (34).
2. Valvola anodo secondo la rivendicazione 1, in cui il vano corpo (5) presenta una superficie di appoggio (16), sulla quale poggia detta membrana otturatore (12) e la valvola anodo (1) comprende un elemento di pressione (18), alloggiato nel vano corpo (5), adatto a premere sulla membrana otturatore (12) per realizzare una tenuta al fluido fra l?elemento di pressione (18) e la membrana otturatore (12) e fra la membrana otturatore (12) e la superficie di appoggio (16).
3. Valvola anodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l?involucro interno (20) comprende una seconda parete (32) tubolare che circonda la seconda camera (34), realizzata in un materiale metallico ferromagnetico, terminante ad un?estremit? parete (32a), detta fascia (38) essendo applicata all?estremit? parete (32a).
4. Valvola anodo secondo la rivendicazione 3, in cui il nucleo fisso (36?) costituisce una terza porzione (36) dell?involucro interno (20), che chiude la seconda camera (34).
5. Valvola anodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fascia (38) ? in lega di rame, ad esempio in bronzo.
6. Valvola anodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una guida (40) fissa accolta nella seconda camera (34), comprendente un piede (42), fissato al nucleo fisso (36?), uno stelo (44) che si estende lungo un asse principale (X) a partire dal piede (42), e una testa (46), unita all?estremit? dello stelo (44) opposta al piede (42), detto nucleo mobile (48) essendo scorrevole sullo stelo (44).
7. Valvola anodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di ritorno elastici adatti ad operare permanentemente sulla bussola (54) per portarla verso la configurazione di chiusura.
8. Valvola anodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti, comprendente una bussola (54) solidale al nucleo mobile (48), provvista di una parete bussola (56) anulare e una base bussola (58) che delimitano, insieme al nucleo mobile (48), un vano bussola (60).
9. Valvola anodo secondo la rivendicazione 8 quando dipendente dalla rivendicazione 7, in cui detti mezzi di ritorno elastici sono accolti nel vano bussola (60).
10. Valvola anodo secondo la rivendicazione 8, in cui l?otturatore (8) comprende un piolo (64) solidale al corpo otturatore (10) collegato alla base bussola (58).
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