ITBO20090386A1 - Pompa a cilindrata fissa - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“POMPA A CILINDRATA FISSA”

La presente invenzione è relativa ad una pompa a cilindrata fissa e ad una relativa apparecchiatura di pompaggio che comprende almeno una siffatta pompa.

Gli insegnamenti della presente invenzione trovano vantaggiosa, ma non esclusiva, applicazione nelle pompe gerotor, ma nulla osta che tali insegnamenti siano applicati ad altri tipi di pompa, come le pompe a palette, oppure le pompe ad ingranaggi o a pistoni.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, con riferimento alle figure 1, 2, verranno descritte adesso due forme di attuazione di due apparecchiature di pompaggio che utilizzano delle pompe a cilindrata fissa appartenenti all’arte anteriore; in cui:

- la figura 1 illustra una prima forma di attuazione di una apparecchiatura di pompaggio comprendente una pompa a cilindrata fissa di tipo tradizionale; e

- la figura 2 mostra una seconda forma di attuazione di una apparecchiatura di pompaggio comprendente anch’essa una pompa a cilindrata fissa di tipo tradizionale.

In figura 1, con 10 è stata indicata, nel suo complesso, una apparecchiatura di pompaggio comprendente una pompa a cilindrata fissa (PP) di tipo tradizionale.

Tale pompa (PP) può essere una pompa gerotor.

Il condotto di aspirazione 11 della pompa gerotor (PP) è collegato idraulicamente con un serbatoio (TK) dal quale la pompa gerotor (PP) aspira l’olio da inviare ad una utenza (UT), per esempio un impianto di lubrificazione di un motore endotermico (non illustrato); si ricordi che il motore endotermico, a sua volta, pone in rotazione il rotore interno (non mostrato) della pompa (PP) stessa.

L’apparecchiatura di pompaggio 10 comprende, inoltre, un condotto di mandata 12 che, in un punto 13, si dirama in un primo condotto di alimentazione 14A verso l’utenza (UT) ed in un secondo condotto di scarico 14B in direzione del serbatoio (TK). Nel secondo condotto di scarico 14B si trova una valvola monodirezionale (VL) la cui molla è tarata ad una certa pressione, per esempio 10 bar.

Chiude il circuito un condotto di scarico 15 dall’utenza (UT) al serbatoio (TK).

L’utenza (UT) è di tipo dissipativo e variabile nel tempo.

La pompa (PP) è a cilindrata fissa ed è tarata per inviare sempre una certa portata di olio ad un certo numero di giri predeterminato. Ovviamente la portata massima della pompa (PP) deve essere calcolata in base al numero, alle tipologie ed alle esigenze dei diversi dispositivi compresi nell’utenza (UT).

Se, per qualche ragione, alcuni dispositivi compresi nell’utenza (UT) sono disattivati, oppure non vi è richiesta di olio da parte di essi, ecco che nell’apparecchiatura di pompaggio 10 la portata di olio generata dalla pompa (PP) eccede quella richiesta dall’utenza (UT). La portata in eccesso provocherebbe un aumento di pressione nel punto 13. Tuttavia, nel momento in cui la pressione dell’olio nel punto 13 supera la pressione di taratura (per esempio, come abbiamo detto, 10 bar) della valvola unidirezionale (VL), tale valvola unidirezionale (VL) si apre e manda a scarico l’olio in eccesso verso il serbatoio (TK) mantenendo costante il valore della pressione nel punto 13.

Come è facile verificare questo tipo di lay-out è particolarmente svantaggioso perché, quasi sempre, almeno una porzione dell’olio pompato dalla pompa (PP) viene inviata nel condotto 14 senza però essere utilizzata effettivamente dall’utenza (UT). Ciò si traduce in una perdita netta in termini di energia dissipata per pompare dell’olio il quale viene inviato nuovamente al serbatoio (TP) senza che esso sia stato prima utilizzato da qualche dispositivo facente parte dell’utenza (UT).

Per ovviare a questo problema si potrebbe adottare un lay-out come mostrato nella seconda forma di attuazione appartenente anch’essa all’arte anteriore mostrata in figura 2.

In tale figura 2 si sono mantenuti, dove è stato possibile, gli stessi riferimenti di figura 1.

Se dovesse variare il carico dell’utenza (UT) il flusso di olio percorrerebbe il condotto 14B verso un motore oleodinamico (MM) il cui albero di uscita è collegato meccanicamente al rotore interno (non mostrato) della pompa (PP).

In altre parole, possiamo affermare che nella seconda forma di attuazione presente nell’arte anteriore l’elemento passivo rappresentato dalla valvola unidirezionale (VL) è stata sostituito da un elemento attivo costituito dal motore oleodinamico (MM), che, nel caso, manda l’olio in scarico verso il serbatoio (TK) attraverso un condotto 16.

In questa situazione una parte dell’energia idraulica che andrebbe altrimenti persa viene recuperata sotto forma di energia meccanica trasferita verso la pompa (PP).

E’ evidente per l’uomo dell’arte che il sistema mostrato in figura 2 non rappresenta una forma di moto perpetuo perché solo una parte dell’energia atta a far ruotare il rotore interno della pompa gerotor (PP) viene prodotta dal motore (MM) a sua volta azionato dall’olio pompato dalla pompa (PP).

Tuttavia, anche se il sistema illustrato in figura 2 rappresenta un notevole miglioramento nel campo delle apparecchiature di pompaggio che utilizzano pompe a cilindrata fissa, tale sistema presenta lo svantaggio di dover disporre di un motore oleodinamico (MM) a cilindrata variabile, ingombrante e costoso, separato dalla pompa (PP).

Scopo della presente invenzione è, quindi, quello di realizzare una pompa a cilindrata fissa, ed una apparecchiatura di pompaggio che utilizza tale pompa, le quali siano esenti dagli inconvenienti sopra descritti e, nello stesso tempo, siano di facile ed economica realizzazione.

Pertanto, secondo la presente invenzione viene realizzata una pompa a cilindrata fissa, ed una apparecchiatura di pompaggio, secondo quanto rivendicato nella rivendicazione 1 o in una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti direttamente o indirettamente dalla rivendicazione 1.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano due esempi di attuazione non limitativi, in cui:

- la figura 3 illustra uno schema idraulico di una apparecchiatura di pompaggio che incorpora una pompa a cilindrata fissa secondo la presente invenzione;

- la figura 4 mostra una vista frontale di una prima forma di attuazione di una pompa secondo la presente invenzione;

- la figura 5 fa vedere la pompa di cui alla figura 4 senza i rotori;

- la figura 6 illustra una sezione tridimensionale di una pompa innovativa di cui alle figure 4, 5;

- la figura 7 mostra un esploso della pompa illustrata nelle figure 4, 5, 6;

- la figura 8 fa vedere uno schema che esemplifica la variazione di pressione in una pompa di tipo tradizione;

- la figura 9 illustra uno schema che esemplifica la variazione di pressione nella pompa innovativa mostrata nelle figure 4, 5, 6, 7;

- la figura 10 mostra una vista frontale di una seconda forma di attuazione di una pompa innovativa compresa nell’apparecchiatura di pompaggio di cui alla figura 3; e

- la figura 11 fa vedere una sezione trasversale della pompa di figura 10.

Nelle figure 4, 5, 6, 7 con 100 si è indicata, nel suo complesso, una pompa gerotor innovativa utilizzata in una prima forma di attuazione di una apparecchiatura di pompaggio 10* (figura 3).

Difatti, la figura 3 è una rappresentazione schematica di una apparecchiatura di pompaggio 10*, che come sarà visto meglio in seguito, presenta un recupero interno di energia.

Come mostrato in figura 7, la pompa gerotor 100 comprende un corpo pompa 101 chiuso da due coperchi (CV1), (CV2).

Inoltre, il corpo pompa 101 prevede, a sua volta, una cavità 102 predisposta a ricevere almeno parzialmente:

- un rotore esterno 103 provvisto, a sua volta, di una superficie esterna atta a strisciare sulla superficie della cavità 102, e di una superficie interna provvista di lobi (LB1) che aggettano verso un asse (X) di rotazione del rotore esterno 103 stesso (figura 4); ed

- un rotore interno 104, calettato su un albero di trascinamento (non illustrato) di asse di rotazione (Y), provvisto di lobi (LB2) che si ingranano con i lobi (LB1) del rotore esterno 103 (figura 4).

Come è noto, tra il numero di lobi (LB1) ed il numero di lobi (LB2) vi è sempre la differenza di uno.

Il rotore interno 104 è eccentrico rispetto al rotore esterno 103 di un valore fisso della eccentricità (E) data dalla distanza tra gli assi (X), (Y) (figura 4).

In altre parole, poiché la eccentricità (E) rimane sempre la stessa, la pompa gerotor 100 è a cilindrata fissa.

Inoltre, i lobi (LB2) del rotore interno 104 si ingranano con i lobi (LB1) del rotore esterno 103 per formare ciclicamente una pluralità di camere 105-112 (figura 4) tra i lobi (LB1), (LB2) nelle quali l’olio, aspirato da una luce di aspirazione 200 (collegata idraulicamente con un condotto 11; vedi figure 3, 5) viene compresso ed inviato ad una luce di mandata 300 (collegata idraulicamente con un condotto 12; vedi figure 3, 5). Come è noto, per realizzare il pompaggio dell’olio il rotore interno 104, messo in rotazione intorno all’asse (Y), per esempio dallo stesso motore endotermico (non mostrato) verso cui si deve inviare l’olio di lubrificazione, tramite un albero trascina in rotazione anche il rotore esterno 103 (grazie all’ingranamento fra i lobi (LB1) e (LB2)), il quale, a sua volta, ruota intorno all’asse (X). Grazie alla eccentricità (E) si formano ciclicamente le camere 105-112 adibite al pompaggio dell’olio.

Come mostrato in particolare nelle figure 6, 7 la pompa gerotor 100, nella sua prima forma di attuazione, comprende un dispositivo di recupero di energia 1000 interno alla pompa gerotor 100 stessa.

Inoltre, come illustrato anche in figura 3, il dispositivo di recupero di energia 1000 è regolabile ed è comandato dalla pressione dell’olio esistente nel condotto 14B. Il feed-back di regolazione del dispositivo di recupero di energia 1000 è stato schematizzato in figura 3 utilizzando una linea tratteggiata (LC). Altri particolari su tale feed-back di regolazione verranno dati nel prosieguo.

Almeno una porzione di tale dispositivo di recupero di energia 1000 è alloggiato in un foro passante 400 realizzato nel coperchio (CV2) e decentrato rispetto agli assi (X) e (Y).

Il foro passante 400 può essere cilindrico e presenta un asse di simmetria longitudinale (Z) (figura 6) parallelo ai suddetti assi (X) e (Y).

Inoltre, il foro passante 400 sbocca interamente nella camera 109 e, parzialmente, nelle adiacenti camere 108, 110.

Il dispositivo di recupero di energia 1000 comprende un pistone 1001 (figura 6) avente un diametro sostanzialmente uguale a quello del foro passante 400 ed è quindi atto ad accoppiarsi (con scorrimento lungo l’asse (Z) secondo direzioni e versi individuati da una freccia a doppia punta (F1); figura 6) con il foro passante 400 stesso.

La faccia frontale 1001A del pistone 1001 ha una superficie maggiore della superficie della camera 109. In modo che una prima porzione 1001A* della faccia frontale 1001A si trovi tutta all’interno della camera 109, una seconda porzione 1001A** stessa si prolunghi verso la camera 108, ed una terza porzione 1001A*** si prolunghi verso la camera 110 (figura 4).

Inoltre, come mostrato in figura 6 il pistone 1001 presenta uno scasso 1001B atto a contenere, almeno parzialmente, una molla elicoidale 1002. Il resto della molla elicoidale 1002 è contenuto in una sede 1003A realizzata in una bussola 1003 chiusa sul fondo da un coperchio 1004. In altre parole, in uso, mentre una prima estremità 1002A della molla 1002 si appoggia sul fondo dello scasso 1001B, una seconda estremità 1002B della molla 1002 spinge la superficie interna del coperchio 1004. Poiché, come abbiamo detto, la faccia frontale 1001A del pistone 1001 ha una superficie maggiore della superficie della camera 109, non esiste il rischio che il pistone 1001 possa incastrarsi nella camera 109 stessa.

La molla 1002 è tarata in modo che se vengono rispettate a regime la pressione nominale di aspirazione (intorno a 0 bar) e fino alla pressione nominale di mandata (per esempio 10 bar) non si ha alcun spostamento del pistone 1001 (vedi oltre).

Nel caso la rigidezza della molla 1002 può essere variata nel tempo con metodi noti.

Per stringere a pacco il pistone 1001, la molla 1002, la bussola 1003 ed il coperchio 1004 sono previste delle viti (non illustrate) che, in uso vengono inserite in fori passanti realizzati nella bussola 1003, ed in fori passanti che si trovano sul coperchio 1004.

Le viti (non illustrate) servono anche a fissare il dispositivo di recupero di energia 1000 al coperchio (CV2).

Nelle camere 105-108 la pressione P0 dell’olio è praticamente uguale a quella atmosferica del serbatoio (TB), mentre la pressione delle camere 110, 111, 112 è praticamente uguale alla pressione di esercizio.

Per quanto riguarda la pressione dell’olio nella camera 109 essa passa ciclicamente dalla pressione P0 alla pressione di esercizio. Pertanto, il valore medio nel tempo della pressione dell’olio esistente nella camera 109 si colloca ad un intermedio tra P0 e la pressione di esercizio.

Se la pressione dell’olio nel condotto 14B (figura 3) dovesse aumentare per una qualche ragione si avrebbe anche un aumento della pressione nella camera 110.

Tale aumento di pressione verrebbe a scaricarsi sulla porzione 1001A*** della faccia frontale 1001A che si trova nella camera 110, generando una forza che spinge verso sinistra (figura 6) il pistone 1001 secondo la freccia (F1).

Quindi tra la faccia frontale 1001A, da una parte, e le superfici frontali dei rotori 103, 104 viene a formarsi un interstizio (INT) di passaggio (figura 6) dell’onda di contro-pressione dalla camera 110 alla camera 108, passando, ovviamente, per la camera 109.

Per esemplificare il fenomeno possiamo adesso ricorrere a quanto rappresentato nelle figure 8 e 9.

In figura 8 è stato schematizzato il caso di una pompa gerotor tradizionale del tipo utilizzato in una delle apparecchiature di pompaggio 10 illustrate in una delle figure 1, 2.

Nella camera 109 sussiste la pressione di aspirazione di circa 0 Bar, mentre nella camera 110 (la prima in comunicazione con la luce di mandata 300) vi è già una pressione di 10 bar. Quindi se con (AM) viene schematizzata l’area media della superficie di passaggio (dei lobi (LB1), (LB2)) tra la camera 109 e la camera 110, e (RM) è il raggio medio di tale area (AM) rispetto all’asse (Y) di rotazione del rotore interno 104, tra le due camere 110, 111, si viene a creare un (㥀P) di pressione di 10 bar. In questo caso la coppia (T1) sul rotore interno 104 rispetta la seguente relazione:

(T1) = (㥀P) (AM) (RM)

Se (㥀P), come abbiamo detto, è uguale a 10 bar si ha:

(T1) = 10 (AM) (RM)

Se invece nel condotto 12 vi sono delle contropressioni superiori a 10 bar si forma il suddetto interstizio (INT) di passaggio (figura 6) tra la camera 110 e la camera 108, passando per la camera 109.

La situazione è quella mostrata in figura 9.

Se, per esempio, nella camera 110 vi sono 12 bar, tale pressione è sufficiente per creare il suddetto interstizio (INT) di passaggio in quanto il (㥀P) di pressione moltiplicato per l’ampiezza della porzione 1001A*** della faccia frontale 1001A che si trova nella camera 110 genera una forza che spinge verso sinistra il pistone 1001. Si realizza in tal modo l’interstizio (INT) di passaggio dell’olio di riflusso dalla camera 110 alla camera 108 attraverso la camera 109.

In tal caso all’interno della camera 109 si crea un gradiente di pressione che va, per esempio, dagli 8 bar nella zona adiacente alla camera 110, ai 3 bar nella parte contigua alla camera 108

In questo caso, per la coppia (T2) vale la seguente relazione:

(T2) = (ΔP1) (A1) (RM) (ΔP2) (A2) (RM)

considerando che (A1) e (A2) sono praticamente uguali ad un valore medio (AM) e sostituendo i valori di (ΔP1) = 4 bar, e di (ΔP2) = 3 bar si ha:

(T2) = (4) (AM) (RM) (3) (AM) (RM) = 7 (AM) (RM)

Quindi nel secondo caso, relativo all’uso innovativo di un dispositivo di recupero di energia 1000 interno alla pompa gerotor 100 stessa, la coppia (T2) si è ridotta di un 30% rispetto alla coppia (T1).

In altre parole, all’aumentare della pressione di mandata nel condotto 12 il reflusso di olio dovuto all’inserimento del dispositivo di recupero di energia 1000 permette di abbassare il valore della coppia sul rotore interno 104 rispetto al caso in cui non vi sia il dispositivo di recupero di energia 1000.

Se il valore della pressione del condotto di mandata 12 si riporta al valore nominale di 10 bar (perché per esempio, tutti i dispositivi dell’utenza (UT) sono di nuovo in funzione) il pistone 1001 si sposta verso destra (figura 6) seguendo la freccia (F1) annullando in tal modo l’interstizio (INT) ed interrompendo il collegamento idraulico tra le camere 110, 109, 108.

Una seconda forma di attuazione della presente invenzione è illustrata nelle figure 10, 11, in cui gli elementi corrispondenti sono indicati con gli stessi numeri e sigle delle figure 1-7.

Questa seconda forma di attuazione prevede l’esistenza di una pluralità di ugelli di riflusso 500 il cui getto è diretto contro i lobi (LB2) del rotore interno 104.

I getti degli ugelli di riflusso 500 sono diretti in modo da favorire la rotazione del rotore interno 104.

Gli ugelli di riflusso sono ospitati in una sede 550 posta al di sotto dei rotori 103, 104.

In quest’ultimo il recupero di energia si sfrutta l’energia cinetica dell’olio nel condotto 14B per spingere il rotore nella direzione voluta.

In altre parole, nella seconda forma di attuazione mostrata nelle figure 10, 11 in un certo senso si è recuperata l’energia cinetica contenuta nell’olio presente nel condotto 14B (figura 3) sia per aiutare il riempimento della sede 550, sia per spingere il rotore interno della pompa, realizzando una sorta di turbina.

In entrambe le forme di attuazione della presente invenzione si ha un recupero di energia sfruttando il flusso di olio (per esempio l’olio che sarebbe fluito normalmente nel condotto 14B), energia che altrimenti sarebbe andata persa. Inoltre, in entrambe le forme di attuazione il recupero di energia è stato attuato creando un flusso appropriato di olio dalla luce di mandata 300 della pompa 100 alla luce di aspirazione 200 della pompa 100 stessa.

La principale caratteristica della presente apparecchiatura di pompaggio consiste nel fatto che per cambiare la portata della pompa gerotor si è scelto di cambiare il rendimento volumetrico della pompa stessa; questo permette, però, di aumentare il rendimento energetico complessivo.

Il principale vantaggio della pompa a cilindrata fissa oggetto dell’invenzione consiste nel fatto che non vi una porzione di olio pompata nel condotto di mandata senza essere usato effettivamente dall’utenza. Ciò si traduce in un guadagno in termini di risparmio energetico.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pompa a cilindrata fissa (100) comprendente: - uno corpo pompa (101) che prevede almeno una luce di aspirazione ed almeno una luce di mandata; - almeno un rotore (103; 104) alloggiato all’interno di detto corpo pompa (101); ed - organi ((CV1), (CV2)) di contenimento e chiusura; pompa (100) caratterizzata dal fatto di essere attrezzata con mezzi di recupero di energia (1000; 500) interni a detta pompa (100) stessa atti ad agire direttamente su detto almeno un rotore (103; 104).
2. 2. Pompa (100), come rivendicato alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di recupero di energia (1000) consentono di creare un interstizio (INT) di passaggio di olio da una camera (110), al cui interno l’olio ha la pressione di mandata, ad una camera (108), al cui interno l’olio ha la pressione di aspirazione, passando per una camera (109) intermedia in cui si crea un gradiente di pressione.
3. 3. Pompa (100), come rivendicato alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di recupero di energia (500) comprendono una pluralità di ugelli di riflusso (500) il cui getto è diretto contro almeno uno di detti rotori (103, 104), per spingere almeno uno di detti rotori (103, 104) in una direzione desiderata.
4. 4. Pompa (100), come rivendicato alla rivendicazione 1 o alla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che almeno una porzione di tali mezzi di recupero di energia (1000) è alloggiata in un foro passante (400), realizzato in un coperchio (CV1), e decentrato rispetto ad un asse ((X), (Y)), di detto almeno un rotore (103, 104).
5. 5. Pompa (100), come rivendicato alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che il foro passante (400) è cilindrico e presenta un asse di simmetria longitudinale (Z) parallelo ai suddetti assi (X) e (Y).
6. 6. Pompa (100), come rivendicato alla rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che il foro passante (400) sbocca interamente in una camera (109) e, parzialmente, in due adiacenti camere (108, 110) realizzate tra due elementi (LB1, LB2) dei rotori (103, 104).
7. 7. Pompa (100), come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni 6, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di recupero di energia (1000) comprendono un pistone (1001), sottoposto all’azione di mezzi elastici (1002), avente un diametro sostanzialmente uguale a quello del foro passante (400) ed è quindi atto ad accoppiarsi con il foro passante (400) stesso e spostarsi secondo direzioni e versi individuati da una freccia a doppia punta (F1); i detti mezzi elastici (1002) essendo tarati in modo da portare il pistone (1001) in una posizione atta a realizzare la voluta pressione di mandata.
8. 8. Pompa (100), come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di essere una pompa gerotor (100).
9. 9. Pompa (100), come rivendicato alla rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che una faccia frontale (1001A) del pistone (1001) ha una superficie maggiore della superficie della camera (109), in modo che una prima porzione (1001A*) della faccia frontale (1001A) si trovi tutta all’interno della camera (109) stessa, una seconda porzione (1001A**) si prolunghi verso la camera (108), ed una terza porzione (1001A***) si prolunghi verso la camera (110).
10. 10. Apparecchiatura di pompaggio (10*) caratterizzata dal fatto di comprendere almeno una pompa a cilindrata fissa (100) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9.