ITGE20120112A1 - "materiale per la fabbricazione di otturatori di valvole per i cilindri dei compressori alternativi, e valvole così ottenute" - Google Patents
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Description
Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: “Materiale per la fabbricazione di otturatori di valvole per i cilindri dei compressori alternativi, e valvole così ottenuteâ€
Testo della descrizione
La presente invenzione ha per oggetto le valvole installate sui cilindri dei compressori alternativi. Più particolarmente, l’invenzione ha per oggetto un materiale per la fabbricazione di tali valvole.
Allo stato dell’arte le valvole installate sui cilindri dei compressori alternativi sono di norma valvole automatiche, formate da un corpo di valvola (denominato sede) costituito da una piastra in cui sono ricavati una pluralità di canali di flusso che possono essere concentrici o non concentrici.
L’apertura e la chiusura di detti canali à ̈ effettuata da uno o più elementi, denominati otturatori. La forma di detti otturatori à ̈ variabile e normalmente identifica la valvola. Nelle valvole a disco per esempio l’otturatore à ̈ costituito da un singolo elemento a forma di disco, mentre nelle valvole ad anelli da uno o più anelli concentrici, nelle valvole a poppet da elementi a forma di poppet.
Con l’avvento della plastica le forme di questi otturatori nel corso degli anni si sono evolute per rispondere meglio alla richiesta di ridurre i consumi energetici. Negli anni ’70 si sono diffusi in maniera prepotente sul mercato otturatori in materia plastica a profilo convesso in grado di migliorare la fluidodinamica del fluido compresso (Si veda brevetto U.S. N°3,536,094).
Inoltre, sempre grazie all’introduzione della materia plastica, si sono ottenuti benefici di affidabilità e sicurezza non raggiungibili dalle soluzioni in acciaio.
Per comprendere appieno la problematica a cui gli otturatori di valvola dei compressori alternativi sono soggetti basta pensare al numero di cicli che essi devono supportare. Se consideriamo un compressore che gira a 1000 giri al minuto (rpm), gli otturatori chiudono 16,6 volte al secondo, ed altrettante volte devono aprire. Se consideriamo una garanzia richiesta dal mercato minima di 8000 ore di lavoro (un anno di funzionamento), si arriva ad almeno un minimo di 480 milioni di cicli di apertura ed altrettanti di chiusura. Inoltre occorre considerare che la soglia di rotazione dei compressori alternativi à ̈ in continua crescita, e mentre negli anni ’70 si assestava intorno ai 600 rpm, oggi ha già oltrepassato i 1000 rpm, raggiungendo in specifiche applicazioni 1800 rpm e per alcuni casi addirittura i 3000 rpm.
Se aggiungiamo le nuove aspettative richieste dal mercato, di almeno tre anni di funzionamento ininterrotto, ci si rende conto della criticità a cui detti elementi devono far fronte.
Infine non vanno dimenticate le condizioni a cui queste valvole sono soggette, quali alte pressioni (fino ed in alcuni casi oltre i 500 bar), alte temperature (normalmente devono essere in grado di garantire una resistenza fino a 200°C), ambiente di gas leggeri (H2, etc) e pesanti (CO2, C2H6 etc), aggressivi (H2S,HCl, etc) e inerti (Ar, He, etc).
Nonostante i continui miglioramenti tecnologici apportati alle valvole, la valvola continua a rimanere uno degli elementi più critici del compressore alternativo. Le statistiche aggiornate imputano al malfunzionamento delle valvole la maggior parte delle fermate non programmate dei compressori alternativi, e la maggior parte dei loro malfunzionamenti à ̈ associabile a rotture premature degli otturatori di valvola.
Tra le matrici termoplastiche utilizzate per la produzione di otturatori valvola riportiamo le principali: poliammide PA66, polietereterchetone (PEEK), polietere immide PEI, etc.
Normalmente tutte le matrici comunemente usate prevedono rinforzi in fibra di vetro o carbonio.
Mentre le matrici termoplastiche amorfe, come PES e PEI sono caratterizzate da alta deformabilità e tenacità , le matrici semicristalline (PEEK, PPS) sono caratterizzate da una migliore resistenza al creep, resistenza ai solventi ma minore tenacità .
Allo stato dell’arte per cercare di aumentare l’affidabilità degli otturatori valvola sono state proposte anche soluzioni che prevedono l’utilizzo di elastomeri (Si veda ad esempio la domanda di brevetto WO 03/006826), che se da un lato assicurano una migliore tenuta iniziale dall’altro risultano notevolmente più critici agli urti, perdendo precocemente i vantaggi iniziali.
Sempre allo stato dell’arte per cercare di migliorare l’affidabilità degli otturatori sono stati sviluppati e brevettati otturatori ottenuti da strati di fibre di carbonio impregnati in matrici di resina in PEEK, resina epossidica, resina fenolica, etc, (Si veda ad esempio il brevetto EP 1 221 554). Questi otturatori hanno caratteristiche meccaniche elevate ma richiedono, per garantire le tenute delle valvole, processi di produzione molto complicati. Come à ̈ ben noto la qualità e l’efficienza di una valvola à ̈ legata al grado di tenuta del suo otturatore, caratteristica imprescindibile dalle caratteristiche meccaniche e termiche.
Proprio per assicurare la tenuta delle valvole degli otturatori in fibra sono stati previsti anche riporti di materiale plastico o termoplastico non caricati, soluzioni che non sono in grado di garantire nel tempo affidabilità richiesta. Tra l’altro un otturatore così costituito presenta grosse criticità legate alla connessione di due materiali (l’elastomero esterno, e il termoplastico interno) le cui caratteristiche termiche e meccaniche sono completamente differenti.
Analisi eseguite sugli otturatori rotti in PEEK dimostrano che il meccanismo di frattura risulta essere una combinazione di innesco di natura plastica seguita da una propagazione di natura fragile.
Scopo della presente invenzione à ̈ un otturatore valvola, caratterizzato da una matrice termoplastica caricata con fibre di vetro o carbonio con l’aggiunta di una o più nanocariche inorganiche, in grado di conferirgli un guadagno significativo nella deformazione a rottura mantenendo inalterati i valori di rottura.
In maniera del tutto sorprendente si à ̈ infatti scoperto che à ̈ possibile ovviare agli inconvenienti della tecnica nota, ottenendo degli otturatori di valvola aventi delle caratteristiche di resistenza meccanica e di durata superiori, partendo da una matrice termoplastica caricata con fibre di vetro o carbonio, mediante aggiunta alla stessa di una o più nanocariche inorganiche, intendendosi con tale termine un materiale solido multifase, dove una delle fasi ha una, due o tre dimensioni minori di 100 nanometri (nm).
Costituisce pertanto lo scopo della presente invenzione un materiale per la fabbricazione di otturatori di valvole per i cilindri dei compressori alternativi comprendente una matrice termoplastica caricata con fibre di vetro e/o carbonio comprendente dal 4 al 30% di una o più nanoparticelle inorganiche.
Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ una valvola per i cilindri dei compressori alternativi i cui otturatori sono fabbricati mediante una composizione a matrice termoplastica caricata con fibre di vetro (GF) e/o carbonio (CF) rinforzata con dal 4 al 30% di una o più nanoparticelle inorganiche.
Quali matrici termoplastiche si sono dimostrate adatti i seguenti composti: poliammide PA66; polietereterchetone (PEEK), polietere immide (PEI), politertrafloroetilene (PTFE), e simili.
Sperimentalmente sono stati evidenziati i contributi particolarmente positivi di alcune nanocariche, quali la wollastonite, ossidi metallici, nano fibre di carbonio (CNF), Sepiolite, miscele di silice e allumina e fluoromica su una matrice semi-cristallina di PEEK caricata con fibre di carbonio e/o di vetro.
L’aggiunta di queste nanoparticelle (il cui contenuto ottimale si aggira intorno al 10%) implica un guadagno significativo nella deformazione a rottura degli otturatori di valvola, conservando inalterati i valori di rottura.
Riportiamo di seguito i risultati di confronto ad una temperatura di 200°C tra una formulazione base PEEK+30%CF e le nuove formulazioni con aggiunta di apposite nanocariche.
ESEMPIO 1
In un estrusore o pressa a iniezione con un profilo di temperatura che raggiunge un massimo di 400°Csi introducono 60 parti % in peso di PEEK 30 parti % in peso di un filler di CF 10 parti % in peso di un nano filler di wollastonite.
La miscela così ottenuta viene iniettata in uno stampo ad una temperatura compresa fra 175°C e 205°C. Il prodotto ottenuto presenta le seguenti caratteristiche:
Modulo di Young, 6% in più della formulazione di base Carico di rottura alla trazione, pressoché invariato.
Deformazione a rottura 50% in più della formulazione base ESEMPIO 2
Utilizzando la medesima apparecchiatura dell’esempio 1, nell’estrusore o pressa ad iniezione si introducono 60 parti % in peso di PEEK 30 parti % in peso di un filler di CF 10 parti % in peso di un nanofiller di fluoro-mica. La miscela così ottenuta viene iniettata in uno stampo mantenuto ad una temperatura compresa tra 175°C e 205°C. Il prodotto ottenuto presenta le seguenti caratteristiche:
Modulo di Young, pressoché invariato
Carico di rottura alla trazione, pressoché invariato.
Deformazione a rottura 60% in più della formulazione base L’aggiunta delle suddette nanocariche porta ad un guadagno di deformazione a rottura conservando i valori di stress di rottura e dando leggeri miglioramenti nel modulo. L’aggiunta delle suddette nanocariche porta sempre ad un aumento del modulo di Young.
Gli effetti positivi delle nanocariche si hanno normalmente mantenendo inalterata la percentuale di fibra e riducendo la percentuale di matrice polimerica con la stessa percentuale delle nanocariche introdotte.
Per quanto negli esempi di cui sopra si sia utilizzata di preferenza una matrice polimerica in PEEK, resta inteso che l’invenzione non à ̈ limitata a tale tipo di matrice, ma può comprendere, a titolo di esempio, poliammide PA66; polietereterchetone (PEEK), polietere immide (PEI), politertrafloroetilene (PTFE), poliammide imide (PAI), polifenifensolfuro (PPS), poliammide (PA, PPA) e simili.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1) Materiale per la fabbricazione di otturatori di valvole per i cilindri dei compressori alternativi comprendente una matrice termoplastica caricata con fibre di vetro e/o carbonio, caratterizzata dal fatto che comprende, in percentuali in peso, almeno una delle seguenti nanoparticelle inorganiche, od una miscela delle stesse: dal 4 al 30% di Wollastonite, dal 4 al 30% di ossidi metallici, dal 4 al 30% di nano fibre di carbonio, dal 4 al 30% di sepiolite, dal 4 al 30% di miscele di silice e allumina, dal 4 al 30% di fluoro-mica per un quantitativo totale di nanoparticelle dal 4 al 30%.
- 2) Materiale secondo la rivendicazione 1 in cui detta matrice termoplastica à ̈ scelta fra i seguenti composti: Poliammide PA66; polietereterchetone (PEEK), polietere immide (PEI), politertrafloroetilene (PTFE), e simili.
- 3) Materiale secondo la rivendicazione 2, in cui detta matrice à ̈ scelta di preferenza fra le matrici termoplastiche semicristalline, quali il PEEK.
- 4) Materiale secondo la rivendicazione 1, in cui detti ossidi metallici sono scelti fra gli ossidi di Ba; Ca; Mg; Cr; Mn; Fe; Ti.
- 5) Valvola per i cilindri dei compressori alternativi comprendente una sede di valvola costituita da una piastra in cui sono ricavati una pluralità di canali di flusso, cooperante con degli elementi otturatori che aprono o chiudono detti canali, caratterizzata dal fatto che detti otturatori sono fabbricati mediante un materialea matrice termoplastica caricato con fibre di vetro e/o carbonio rinforzato con dal 4 al 30% di nanoparticelle secondo quanto rivendicato nella rivendicazione 1.
- 6) Valvola per i cilindri dei compressori alternativi secondo la rivendicazione 5, in cui detti otturatori sono realizzati con una matrice termoplastica semicristallina, caricata con fibre di vetro o carbonio e rinforzata con nanocarica di wollastonite in percentuali in peso dal 4 al 30% .
- 7) Valvola per i cilindri dei compressori alternativi secondo la rivendicazione 5, in cui detti otturatori sono realizzati con una matrice termoplastica semicristallina, caricata con fibre di vetro o carbonio e rinforzata con nanocarica di ossidi metallici in percentuali in peso dal 4 al 30% .
- 8) Valvola per i cilindri dei compressori alternativi secondo la rivendicazione 5, in cui detti otturatori sono realizzati con una matrice termoplastica semicristallina, caricata con fibre di vetro o carbonio e rinforzata con nanocarica di nano fibre di carbonio (CNF) in percentuali in peso dal 4 al 30% .
- 9) Valvola per i cilindri dei compressori alternativi secondo la rivendicazione 5, in cui detti otturatori sono realizzati con una matrice termoplastica semicristallina, caricata con fibre di vetro o carbonio e rinforzata con nanocarica di sepiolite in percentuali in peso dal 4 al 30% .
- 10) Valvola per i cilindri dei compressori alternativi secondo la rivendicazione 5, in cui detti otturatori sono realizzati con una matrice termoplastica semicristallina, caricata con fibre di vetro o carbonio e rinforzata con nanocarica di silice e allumina in percentuali in peso dal 4 al 30% .
- 11) Valvola per i cilindri dei compressori alternativi secondo la rivendicazione 5, in cui detti otturatori sono realizzati con una matrice termoplastica semicristallina, caricata con fibre di vetro o carbonio e rinforzata con nanocarica di fluoro-mica in percentuali in peso dal 4 al 30% .
- 12) Valvola per i cilindri dei compressori alternativi secondo una qualsivoglia delle rivendicazioni 6 a 11 in cui detta matrice termoplastica à ̈ scelta fra poliammide PA66; polietereterchetone (PEEK), polietere immide (PEI), politertrafloroetilene (PTFE), poliammide imide (PAI), polifenifensolfuro (PPS), poliammide (PA, PPA) e simili.
- 13) Valvola per i cilindri dei compressori alternativi secondo la rivendicazione 7, in cui detti ossidi metallici sono ossidi di Ba; Ca; Mg; Cr; Mn; Fe; Ti.
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