IT202100023450A1 - Valvola di non-ritorno per un sistema per autotrazione a celle combustibile - Google Patents

Valvola di non-ritorno per un sistema per autotrazione a celle combustibile Download PDF

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IT202100023450A1
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IT
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return valve
stem
tank
damper ring
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IT102021000023450A
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Inventor
Mario Berardi
Nicola Bernardi
Francesco Mondinelli
Federico Liò
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Omb Saleri S P A Soc Benefit
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Description

DESCRIZIONE
La presente invenzione si colloca nel settore delle valvole per sistemi per autotrazione a celle combustibile, ed in particolare nel settore delle valvole per la gestione del flusso di idrogeno fra un serbatoio in cui il gas ? stipato ad alta pressione e le celle combustibile. In particolare, forma oggetto della presente invenzione una valvola di non ritorno.
In un sistema per autotrazione a celle combustibile, l?idrogeno ? stipato in un serbatoio ad alta pressione, tipicamente 700 o 350 bar. Per il rifornimento, una pistola viene applicata ad una bocca principale, dalla quale si alimenta il serbatoio. Lungo la linea di alimentazione fra la bocca principale ed il serbatoio, ? abitualmente posta una valvola di non ritorno, necessaria per evitare la fuoriuscita dell?idrogeno al distacco della pistola.
Ad una flangia del serbatoio ? applicata una valvola multifunzione (OTV) che, collegata alla linea di alimentazione, consente l?immissione di idrogeno nel serbatoio (funzione di refilling) e l?invio dell?idrogeno verso i dispositivi utilizzatori a valle (funzione di fueling). La valvola OTV contiene spesso numerosi gruppi funzionali, adatti a svolgere funzioni di sicurezza o migliorative dell?operativit? della valvola stessa. Fra questi gruppi funzionali, vi ? anche una valvola di non ritorno.
Esempi di realizzazione di una valvola OTV con valvola di non ritorno ? illustrato nella domanda di brevetto italiano per invenzione No. 102021000016742 a nome della Richiedente.
Durante le operazioni di rifornimento, il flusso di idrogeno subisce delle fluttuazioni, dovute ad esempio ai mezzi di pompaggio della stazione di rifornimento; tali fluttuazioni sono particolarmente intense durante le prime fasi del rifornimento, quando il serbatoio ? praticamente vuoto, e durante le fasi finali, quando il serbatoio ? praticamente pieno. Tali fluttuazioni sono alla base di indesiderati fenomeni vibratori delle valvole.
Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare una valvola di non ritorno munita di un dispositivo di smorzamento adatto a evitare o limitare tali fenomeni vibratori.
Tale scopo ? raggiunto da una valvola di non ritorno realizzata secondo la rivendicazione 1. Le rivendicazioni dipendenti descrivono ulteriori vantaggiose forme di realizzazione dell?invenzione.
Le caratteristiche e i vantaggi della valvola di non ritorno secondo la presente invenzione sono 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 mostra uno schema di una porzione di un apparato di gestione del flusso di gas per un sistema di trazione a celle combustibile, munito di una valvola di non-ritorno secondo la presente invenzione;
- la figura 2 rappresenta una valvola di non-ritorno secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 3 illustra un otturatore della valvola di non-ritorno secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- le figure 4 e 5 raffigurano rispettivamente una vista in pianta e una vista in sezione longitudinale di un anello smorzatore della valvola di non-ritorno secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; - la figura 6 rappresenta la valvola di non-ritorno della figura 3, in una configurazione di chiusura;
- la figura 7 mostra un ingrandimento del riquadro VII della figura 6;
- la figura 8 rappresenta la valvola di non-ritorno della figura 3, in una configurazione di apertura;
- la figura 9 mostra un ingrandimento del riquadro IX della figura 8;
- la figura 10 rappresenta una valvola di non-ritorno secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;
- le figure 11 e 12 raffigurano rispettivamente una vista in pianta e una vista in sezione longitudinale di un anello smorzatore della valvola di non-ritorno della figura 10.
La figura 1 raffigura schematicamente una porzione di un apparato di gestione del flusso di gas per un sistema di trazione a celle combustibile. L?apparato comprende un serbatoio 1 in cui l?idrogeno ? stipato ad alta pressione, ad esempio a 350 o a 700 bar.
Alla flangia del serbatoio 1 ? applicata una valvola multifunzione 2 (valvola OTV) adatta a gestire il flusso di gas in ingresso verso il serbatoio durante il rifornimento (fase di filling) e in uscita dal serbatoio verso i dispositivi utilizzatori a valle durante l?utilizzo del veicolo (fase di fueling).
Per il rifornimento, una pistola 4 di una stazione di rifornimento ? applicata ad una bocca principale 6 dell?apparato, dalla quale parte una linea di alimentazione 8 collegata fluidicamente ad una porta ingresso 10 della valvola OTV 2.
L?apparato comprende una prima valvola di non ritorno 12 (valvola NRV1), operativa lungo la linea di alimentazione 8, a monte della valvola OTV 2.
La valvola OTV 2 comprende un corpo valvola 2a, solitamente in un unico pezzo, ad esempio in alluminio, nel quale sono ricavati condotti e vani che costituiscono le linee di transito del gas e la sede di componenti della valvola.
La valvola OTV 2 presenta una linea ingresso/uscita 14 che si estende dalla bocca ingresso 10 ad un punto diramazione 16, da dove parte una linea ingresso 18 che si estende fino alla bocca rifornimento 20 attraverso la quale il gas ? inviato all?interno del serbatoio 1.
Preferibilmente, lungo la linea ingresso/uscita 14 ? operativo un primo filtro 22 e, preferibilmente a valle di questo, tenendo conto del verso del gas durante il filling, una prima valvola di apertura/chiusura 24 (valvola MV), azionabile manualmente, che durante il normale funzionamento dell?apparato ? aperta per consentire il transito del flusso di gas.
Preferibilmente, inoltre, la valvola OTV 2 comprende una valvola limitatrice di flusso 26 (valvola FLV), aperta durante le normali operazioni di filling del serbatoio 1, operativa lungo la linea ingresso 18, preferibilmente a valle della valvola MV 24.
Dal punto diramazione 16 parte inoltre una linea uscita 24 che termina in una bocca uscita 27 attraverso la quale il gas presente nel serbatoio 2 ? inviato ai dispositivi utilizzatori.
La valvola OTV 2 comprende una valvola solenoide 29 (valvola SOV), azionabile magneticamente, operativa lungo la linea uscita 24, chiusa durante le operazioni di filling e aperta durante l?utilizzo dell?apparato. Preferibilmente, la valvola OTV 2 comprende un secondo filtro 28, operativo lungo la linea uscita 24, preferibilmente a valle della valvola SOV 29.
La valvola OTV 2 comprende inoltre una seconda valvola di non-ritorno 30 (valvola NRV2), operativa lungo la linea uscita 24, a valle della valvola SOV 29, adatta a impedire il flusso di gas verso la bocca uscita 27. Durante le operazioni di filling, la valvola NRV2 ? chiusa; durante le operazioni di fueling, la valvola NRV2 ? aperta.
Preferibilmente, la valvola NRV2 30 ? posta a monte del secondo filtro 28, considerando il verso del flusso di gas durante le operazioni di fueling.
Preferibilmente, la valvola OTV 2 comprende una valvola eccesso di flusso 32 (valvola EFV), operativa lungo la linea uscita 24, preferibilmente a monte della valvola NRV2 considerando il verso del flusso di gas durante le operazioni di fueling, adatta a impedire o limitare il flusso di gas dal serbatoio 1 quando il flusso supera un predefinito valore soglia.
Preferibilmente, inoltre, la valvola OTV 2 comprende un sensore temperatura 34 (T-sensor) configurato per rilevare la temperatura nel serbatoio 1, collegato ad una linea segnale temperatura 36 per portare il segnale generato dal sensore T-sensor 34 all?esterno della valvola OTV 2.
Preferibilmente, inoltre, la valvola OTV 2 prevede una linea di evacuazione 38, configurata per porre in comunicazione il vano interno al serbatoio 1 con l?ambiente esterno, nel quale sfocia tramite una bocca evacuazione 40. In tale forma di realizzazione, la valvola OTV 2 comprende un dispositivo di sicurezza termica 42 (dispositivo TPRD), operativo lungo la linea di evacuazione 38, che impedisce il transito del gas verso la bocca evacuazione 40 nel normale funzionamento dell?apparato (configurazione di chiusura). Detto dispositivo TPRD 42 comprende un elemento sensibile alla temperatura che va incontro a rottura quando la temperatura percepita supera un predefinito valore soglia; la rottura dell?elemento sensibile provoca il passaggio in una configurazione di apertura, nella quale il dispositivo TPRD 42 consente il transito del gas, che viene cos? repentinamente scaricato tramite la bocca evacuazione 40.
Preferibilmente, inoltre, la valvola OTV 2 comprende un sensore pressione 44 configurato per rilevare la pressione del gas, ad esempio subito a monte della valvola SOV 29, considerando il verso del flusso di gas durante le operazioni di fueling.
Preferibilmente, inoltre, la valvola OTV 2 ? munita di una linea di by-pass 46 che collega la linea ingresso/uscita 14, a monte della valvola MV 24, e la linea evacuazione 38; in tale forma di realizzazione, la valvola OTV 2 comprende una seconda valvola di apertura/chiusura 48 (valvola BV), azionabile manualmente, che durante il normale funzionamento dell?apparato ? chiusa per impedire il transito del flusso di gas.
La presente invenzione si riferisce ad una valvola di non-ritorno 100 che, secondo l?esempio illustrato, pu? coincidere con la valvola NRV112 oppure con la valvola NRV2 30 o con entrambe.
Secondo una prima forma di realizzazione (figure da 2 a 9), una valvola di non-ritorno 100 comprende un corpo 102, ad esempio coincidente con una porzione del corpo valvola 2a della valvola OTV 2, e una uscita 104, ad esempio ricavata attraverso un fondo 106 del corpo 102.
La valvola di non-ritorno 100 comprende inoltre un vano 108, ad esempio ricavato nel corpo 102, preferibilmente delimitato anularmente da una parete corpo 110 anulare e dal fondo 106.
La valvola di non-ritorno 100 comprende inoltre un ingresso 112, ad esempio ricavato attraverso una boccola 114 applicata al corpo 102.
L?ingresso 112 e l?uscita 104 sono configurati per essere in comunicazione fluidica tramite il vano 108.
La valvola di non-ritorno 100 comprende inoltre una sede 116 in corrispondenza dell?ingresso 112, svasata verso l?uscita 104. Preferibilmente, detta sede 116 ? ricavata nella boccola 114, a valle dell?ingresso 112, tenendo conto del verso del flusso del gas durante le operazioni di filling.
Preferibilmente, la sede 116 ? delimitata da una parete sede 118, costituita in un materiale polimerico, per realizzare una tenuta. Preferibilmente, l?intera boccola 114 ? realizzata in detto materiale polimerico e costituisce una guarnizione di tenuta.
La valvola di non-ritorno 100 comprende inoltre un otturatore 120, preferibilmente in un unico pezzo, ad esempio in alluminio o in acciaio inossidabile, adatto a chiudere il collegamento fluidico fra l?ingresso 112 e l?uscita 104. In particolare, l?otturatore 120 ? traslabile lungo un asse otturatore X fra una posizione chiusura, in cui si impegna con la sede 116 e chiude il collegamento fluidico fra l?ingresso 112 e l?uscita 104, e una posizione apertura in cui ? disimpegnato dalla sede 106, cos? che l?ingresso 112 e l?uscita 104 sono in comunicazione.
L?otturatore 120 comprende una testa 122 comprendente una porzione otturatore 124, preferibilmente di forma troncoconica, adatta ad andare in battuta a tenuta con la parete sede 118 per chiudere la valvola di non-ritorno 100.
La testa 122 comprende inoltre almeno un passaggio testa 126 che pone in comunicazione l?esterno della testa 122 con l?interno; ad esempio, ? prevista una pluralit? di passaggi testa 126, aventi andamento inclinato rispetto all?asse otturatore X.
Preferibilmente, la testa 122 comprende inoltre una parete battuta 128, sporgente radialmente, di cui si dir? in seguito.
L?otturatore 120 comprende inoltre un gambo 130 che si estende prevalentemente lungo l?asse otturatore X e presenta internamente un passaggio gambo 132, aperto verso l?uscita 104, nel quale confluiscono i passaggi testa 126.
Esternamente, dal lato ingresso 112 verso il lato uscita 104, il gambo 130 presenta una conformazione a gradini che realizza un tratto di guida 134, avente un diametro guida D*, un primo tratto funzionale 136, avente un primo diametro D1, ed un secondo tratto funzionale 138, avente un secondo diametro D2, in cui D* > D1 > D2. Preferibilmente, il primo tratto funzionale 136 ? raccordato al secondo tratto funzionale 138 tramite un tratto intermedio 140 svasato, ad esempio troncoconico. La valvola 100 comprende inoltre un anello smorzatore 150 deformabile elasticamente, ad esempio realizzato in PTFE, poggiato sul fondo 106 del corpo 102 e attraversato almeno parzialmente dal primo tratto funzionale 138 del gambo 130 dell?otturatore 120.
Preferibilmente, l?anello smorzatore 150 presenta un taglio 152 che ne interrompe la continuit? circonferenziale, incrementando l?elasticit? strutturale del componente.
Preferibilmente, l?anello smorzatore 150 presenta esternamente una conformazione a gradini che realizza una porzione appoggio 154, avente diametro maggiore e direttamente poggiata al fondo 106 del corpo 102, e una porzione secondaria 156, avente diametro minore e sporgente assialmente dalla porzione appoggio 154.
La valvola 100 comprende inoltre una molla 160 ad elica, preferibilmente in acciaio inossidabile, infilata sul gambo 130 dell?otturatore 120, precompressa in modo da influenzare permanentemente l?otturatore 120 verso la configurazione di chiusura.
In particolare, la molla 160 ? a riscontro della parete battura 128 e calzata senza interferenza sul tratto di guida 134 del gambo 130, nonch? a riscontro della porzione appoggio 154 dell?anello smorzatore 150 e calzata con interferenza sulla porzione secondaria 156 di questo. La molla 160 ? cio? configurata per stringere radialmente l?anello smorzatore 150.
In una configurazione di chiusura della valvola di nonritorno (figura 6), che si raggiunge quando la pressione del gas ? maggiore all?uscita 104 che non all?ingresso 112, la molla 160 spinge l?otturatore 120 in modo che la porzione otturatore 124 ? in battuta a tenuta contro la parete sede 118, chiudendo il collegamento fra uscita 104 e ingresso 112. Nel contempo, la molla 160 tiene l?anello smorzatore 150 fermo in posizione, poggiato sul fondo 106.
In tale configurazione, l?otturatore ? nella posizione di chiusura tale che il gambo 130 non impegna l?anello smorzatore 150. In particolare, fra l?anello smorzatore 150, ed in particolare la porzione secondaria 154, e il primo tratto funzionale 136 del gambo 130 vi ? un gioco G, nonostante la molla stringa radialmente l?anello smorzatore.
In una configurazione di apertura della valvola di nonritorno (figura 8), che si raggiunge quando la pressione del gas ? maggiore all?ingresso 112 che non all?uscita 104, l?azione della molla 160 ? vinta dal gas, che spinge l?otturatore 120 indietro in modo che la porzione otturatore 124 si separa dalla parete sede 118, aprendo il collegamento fra uscita 104 e ingresso 112. In particolare, il gas fluisce dall?ingresso 112, entra nei passaggi testa 126, poi nel passaggio gambo 132 ed esce dall?uscita 104. L?anello smorzatore 150 ? fermo in posizione, poggiato sul fondo 106, spinto dalla molla 160.
In tale configurazione, l?otturatore ? nella posizione di apertura tale che il gambo 130 impegna con interferenza l?anello smorzatore 150. In particolare, fra l?anello smorzatore 150, ed in particolare la porzione secondaria 154, e il primo tratto funzionale 136 del gambo 130 vi ? un?interferenza I.
Durante le operazioni di filling, come si ? detto, si assiste a notevoli oscillazioni delle pressioni del gas in ingresso, soprattutto nelle fasi iniziali e terminali. Ci? provoca un continuo e repentino passaggio della valvola di non-ritorno dalla configurazione di chiusura a quella di apertura e viceversa.
Tale comportamento sarebbe alla base di fenomeni vibratori della valvola, come avviene nelle soluzioni dell?arte nota, se non vi fosse la presenza dell?anello smorzatore e della continua alternanza di gioco e interferenza fra l?otturatore e l?anello smorzatore. Secondo una ulteriore forma di realizzazione (figura da 10 a 12), il corpo 102? ? un involucro inserito in una sede prevista nel corpo valvola.
Preferibilmente, inoltre, i passaggi testa 126? si estendono solo radialmente.
Preferibilmente, inoltre, il gambo 130? comprende un tratto di guida 134? dell?otturatore 120, sul quale ? calzata la molla e un tratto funzionale 136 a diametro costante che si estende fino all?estremit? del gambo 130?.
Il fondo 106? del corpo 102? presenta una superficie di appoggio 103? svasata, convergente verso l?uscita, sulla quale poggia l?anello smorzatore 150?. In altre parole, il vano 108 ? almeno parzialmente delimitato dalla superficie di appoggio 103?.
Detto anello smorzatore 150? presenta una superficie di fondo 151?, svasata, corrispondente alla superficie di appoggio 103? del corpo 102?, con la quale ? a riscontro. La molla 160? opera fra la parete battuta 128 e l?anello smorzatore 150?, spingendo assialmente detto anello smorzatore. In virt? della conformazione svasata della superficie di appoggio 103?, l?anello smorzatore 150? si stringe radialmente (ossia, si contrae) sul tratto funzionale 136? del gambo 130.
Fra la configurazione di chiusura e la configurazione di apertura, varia l?entit? dell?azione assiale con cui la molla agisce sull?anello smorzatore; in particolare, l?azione ? meno intensa nella configurazione di chiusura, in cui la molla ? meno compressa, e pi? intensa nella configurazione di apertura, in cui la molla ? pi? compressa.
Conseguentemente, preferibilmente, nella configurazione di chiusura, l?anello smorzatore (che si dilata) impegna il tratto funzionale 136? con meno interferenza, mentre nella configurazione di apertura, l?anello smorzatore (che si contrae) impegna con attrito massimo il tratto funzionale 136?, svolgendo un?azione ammortizzante.
Innovativamente, la valvola di non-ritorno secondo la presente invenzione supera gli inconvenienti di cui si ? detto con riferimento all?arte nota, in quanto consente di evitare o limitare i fenomeni vibratori che si generano durante la fase di rifornimento del serbatoio. E? chiaro che un tecnico del ramo, al fine di soddisfare esigenze contingenti, potrebbe apportare modifiche alla valvola di non-ritorno sopra descritta, tutte contenute nell?ambito di tutela come definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (7)

RIVENDICAZIONI
1. Valvola di non-ritorno (100;100?) per la gestione di un flusso di idrogeno ad alta pressione in un sistema per autotrazione a celle combustibile, comprendente: - una uscita (104), un vano (108) e un ingresso (112), in cui l?ingresso (112) e l?uscita (104) sono configurati per essere in comunicazione fluidica tramite il vano (108);
- un otturatore (120), comprendente una testa (122) e un gambo (130;130?), traslabile nel vano (108) fra una posizione di chiusura in cui chiude il collegamento tra l?ingresso (112) e l?uscita (104), e una posizione di apertura in cui apre il collegamento tra l?ingresso (112) e l?uscita (104);
- una molla (160;160?) infilata sul gambo (130;130?) dell?otturatore (120), precompressa per influenzare permanentemente l?otturatore (120) verso la posizione di chiusura;
- un anello smorzatore (150;150?), deformabile elasticamente, disposto nel vano (108), coassialmente al gambo (130;130?), influenzato permanentemente dalla molla (160);
in cui
- in detta posizione di apertura, l?anello smorzatore (150;150?), sotto l?influenza di detta molla (160;160?) stringe il gambo (130;130?) dell?otturatore (120) con un?azione di smorzamento di apertura; e
- in detta posizione di chiusura, l?anello smorzatore (150;150?) disimpegna il gambo (130) oppure stringe il gambo (130?) con un?azione di smorzamento di chiusura, minore dell?azione di smorzamento di apertura.
2. Valvola di non-ritorno secondo la rivendicazione 1, in cui il gambo (130) comprende un primo tratto funzionale (136), avente un primo diametro (D1), ed un secondo tratto funzionale (138), avente un secondo diametro (D2), in cui D1 > D2, e nella posizione di apertura, l?anello smorzatore stringe detto primo tratto funzionale (136).
3. Valvola di non-ritorno secondo la rivendicazione 2, in cui nella posizione di chiusura, l?anello smorzatore ? disimpegnato dal secondo tratto funzionale (138).
4. Valvola di non-ritorno secondo la rivendicazione 1, in cui il vano (108) ? parzialmente delimitato da una superficie di appoggio (103?) svasata, sulla quale poggia scorrevolmente l?anello smorzatore (150?) fra la posizione di apertura e la posizione di chiusura.
5. Apparato di gestione del flusso di idrogeno per un sistema di trazione a celle combustibile, comprendente una valvola di non-ritorno (30;12;100;100?) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
6. Apparato secondo la rivendicazione 5, comprendente: - una valvola multifunzione (2) applicabile ad un serbatoio e adatta a gestire il flusso di gas in ingresso verso il serbatoio durante il rifornimento (fase di filling) e in uscita dal serbatoio verso dispositivi utilizzatori a valle durante l?utilizzo del veicolo (fase di fueling), detta valvola multifunzione essendo provvista di una bocca ingresso (10);
- in cui detta valvola di non-ritorno (12;100;100?) ? disposta esternamente alla valvola multifunzione (2) e operativa a monte della bocca ingresso (10).
7. Apparato secondo la rivendicazione 5, comprendente: - una valvola multifunzione (2) applicabile ad un serbatoio e adatta a gestire il flusso di gas in ingresso verso il serbatoio durante il rifornimento (fase di filling) e in uscita dal serbatoio verso dispositivi utilizzatori a valle durante l?utilizzo del veicolo (fase di fueling), detta valvola multifunzione essendo provvista di una bocca ingresso (10);
- in cui la valvola multifunzione (2) comprende una valvola solenoide (29), azionabile magneticamente, aperta durante la fase di fueling;
- e in cui detta valvola di non-ritorno (30;100;100?) ? disposta internamente alla valvola multifunzione (2) e operativa a valle di detta valvola solenoide (29), tenendo conto del verso del gas durante la fase di filling.
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