ITMI20060740A1

ITMI20060740A1 - Sfera per valvole e relativo metodo di produzione

Info

Publication number: ITMI20060740A1
Application number: IT000740A
Authority: IT
Inventors: Marco Braga
Original assignee: Vir Valvoindustria Ing Rizzio
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2007-10-14
Also published as: US20090302259A1; HK1129917A1; DE602007002800D1; EP2005044A1; EP2005044B1; WO2007118666A1; CN101421548B; CN101421548A; US8166994B2; ATE445799T1

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo:

“SFERA PER VALVOLE E RELATIVO METODO DI PRODUZIONE”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad una sfera per valvole e a un metodo di produzione della stessa.

Le valvole note generalmente comprendono un otturatore sferico provvisto di un foro cilindrico passante. Ruotando la sfera, si apre e si chiude la luce di apertura della valvola e quindi si regola il flusso di fluido che attraversa la valvola.

Tali valvole secondo la tecnica nota presentano degli inconvenienti dal punto di vista della regolazione del flusso. Infatti, con riferimento a Fig. 1, la sfera della valvola deve essere ruotata di un angolo Θ che va da θ0a 90° per passare dalla sua posizione completamente chiusa in cui il flusso Φ è pari a zero, alla sua posizione completamente aperta in cui il flusso Φ coincide con il flusso massimo ®max■Come si vede dal grafico di Fig. 11, la curva del flusso ha una forma di flesso e la variazione di flusso è minima sia nella zona vicino all’apertura della valvola (Θ < 0j) che nella zona vicino alla chiusura della valvola (θ > θ2). Invece si riscontra una brusca variazione di flusso nell’intervallo centrale (01< 0 < 02), in cui 0! «30° e θ2 «60°. Quindi la vera zona di regolazione di flusso è limitata ad un intervallo di circa 30°, cioè da 0ja 02con il risultato di una limitata zona di manovra.

Bisogna considerare inoltre, ad esempio, che gli scambiatori di calore utilizzati negli impianti di riscaldamento dell’acqua, generalmente, forniscono un flusso con una caratteristica esponenziale con concavità rivolta verso il basso. Come risultato, per bilanciare la caratteristica di flusso degli scambiatori di calore, è richiesto che le valvole forniscano un flusso con una caratteristica equipercentuale, vale a dire un’esponenziale con concavità verso l’alto, come quella illustrata in Fig. 12. In questo caso il flusso cresce gradualmente per una rotazione della sfera che va dalla sua posizione di chiusura alla sua posizione di apertura. Quindi per la regolazione di flusso si ottiene un ampio angolo di manovra Θ compreso da 0Oa 90°.

Per risolvere almeno in parte gli inconvenienti summenzionati, sono noti inserti sagomati in plastica che vengono inseriti nel foro cilindrico delle sfere. La sagomatura degli inserti è tale da consentire di ottenere un flusso con caratteristica sostanzialmente equipercentuale.

Tuttavia anche questo tipo di valvole presenta diversi inconvenienti. Infatti bisogna considerare che il corpo della sfera è in metallo, generalmente ottone, invece l’inserto sagomato è in plastica. Pertanto l’inserto ha una resistenza meccanica inferiore ed è sottoposto ad una dilatazione termica diversa rispetto alla sfera. Come risultato spesso si verificano rotture e cedimenti strutturali dell’inserto.

Inoltre l’assemblaggio dell’inserto entro la sfera risulta essere alquanto complesso, con il risultato di possibili errori di allineamento che vengono aggravati dalla differente dilatazione termica dell’inserto rispetto alla sfera.

Per risolvere almeno in parte tali inconvenienti dovuti all’inserto sagomato in plastica, sono altresì note valvole con sfera realizzata in più parti metalliche in modo da presentare una luce sagomata. Tuttavia, anche tali valvole presentano degli inconvenienti dovuti principalmente al loro processo produttivo eccessivamente lungo e costoso che richiede un intervento manuale per la rimozione delle bave che si formano lungo il perimetro della luce sagomata.

Inoltre i bordi perimetrali che definiscono la luce sagomata della sfera sono sullo stesso livello della superficie di tenuta della sfera ed interferiscono con le guarnizioni del corpo valvola che racchiudono la sfera durante la rotazione della sfera. Come risultato le guarnizioni si rovinano inficiando la tenuta della valvola.

Infatti, per avere tenuta tra sfera e guarnizioni, la sfera deve avere una minima interferenza col materiale delle guarnizioni. Durante la rotazione, la superficie di tenuta della sfera incontra il materiale delle guarnizioni e lo deforma comprimendolo. In questo caso i bordi della luce della sfera non hanno una opportuna geometria, accuratamente arrotondata, come quella della transizione foro di passaggio/superficie sferica di una tradizionale sfera on-off. Come risultato, i bordi della luce della sfera tendono ad arpionare/intagliare il materiale delle guarnizioni.

Scopo della presente invenzione è di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota fornendo una sfera per valvole che sia in grado di massimizzare la zona di regolazione di flusso e nello stesso tempo sia affidabile e versatile.

Altro scopo della presente invenzione è di fornire una tale sfera per valvole che sia economica e di semplice realizzazione.

Questi scopi sono raggiunti in accordo all’invenzione con la sfera e il relativo metodo di produzione le cui caratteristiche sono elencate rispettivamente nelle annesse rivendicazioni indipendenti 1 e 9.

Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.

La sfera per valvole secondo l’invenzione comprende:

- un corpo sostanzialmente sferico,

- un foro ricavato nel corpo per il passaggio del flusso di fluido dall’ingresso all’uscita della valvola, e

- una fessura ricavata nel corpo per accogliere un perno per la rotazione della sfera.

La sfera è realizzata in corpo unico, e il foro per il passaggio del fluido termina in una parete nella quale è ricavata un’apertura sagomata atta a regolare la quantità di flusso di fluido dall’ingresso all’uscita della valvola.

L’apertura sagomata è realizzata per tranciatura, in modo che il suo perimetro sia definito con estrema precisione, senza richiedere ulteriori passi di lavorazione a mano per rimuovere le sbavature.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a una sua forma di realizzazione puramente esemplificativa e quindi non limitativa, illustrata nei disegni annessi, in cui:

le Figg. 1 e 2 sono due viste in prospettiva da angolazioni diverse del semilavorato di una sfera per valvola secondo l’invenzione;

la Fig. 3 è una vista in pianta, parzialmente in sezione della sfera di Fig. 1; le Figg. 3 A e 3B sono due viste ingrandite dei particolari racchiusi nei cerchi A e B di Fig. 3;

la Fig. 4 è una vista in sezione assiale presa lungo il piano di sezione IV-IV di Fig. 3;

la Fig. 5 è una vista in sezione trasversale presa secondo il piano di sezione V-V di Fig. 4;

le Figg. 6 e 7 sono due viste in prospettiva da angolazioni diverse della sfera per valvola secondo l’invenzione;

la Fig. 8 è una vista in pianta della sfera di Fig. 6;

la Fig. 9 è una vista in sezione assiale presa lungo il piano di sezione IX-IX di Fig. 8;

la Fig. 10 è una vista in sezione trasversale presa secondo il piano di sezione X-X di Fig. 9;

la Fig. 11 è un grafico rappresentante l’andamento del flusso in funzione dell’angolo di rotazione della sfera, per una sfera con foro cilindrico secondo la tecnica nota; e

la Fig. 12 è un grafico rappresentante l’andamento del flusso in funzione dell’angolo di rotazione della sfera, per una sfera con foro sagomato secondo l’invenzione.

Con l’ausilio delle figure viene descritta la sfera per valvole secondo l’invenzione, indicata nel suo complesso con il numero di riferimento 1 ed illustrata nelle Figg. 6 - 8.

Per ora con riferimento alle Figg. 1 - 5, viene descritto il processo di produzione di un semilavorato 100 utilizzato per realizzare la sfera 1.

Si parte da una barra metallica che viene lavorata mediante un tornio multimandrino o monomandrino a controllo numerico per ottenere un corpo 2 perfettamente sferico. Una calotta sferica del corpo 2 viene asportata secondo un piano di taglio 3.

Sul piano di taglio 3 viene ricavato un foro cilindrico cieco 4 destinato al passaggio del fluido. Il foro cilindrico 4 ha un asse ortogonale al piano di taglio 3 e prosegue con un foro cieco d’estremità 5 avente un profilo a calotta sferica in modo da lasciare una parete sottile 6 a forma di cupola in posizione diametralmente opposta al piano di taglio 3.

La parete 6 viene ulteriormente assottigliata mediante lavorazione meccanica della sua superficie esterna con asportazione di materiale. In questo modo la parete 6 è definita da un bordo perimetrale circolare 7, è sempre concentrica rispetto al corpo sferico 2, ma risulta incassata rispetto alla superficie esterna del corpo 2.

Un’altra calotta sferica del corpo 2 viene asportata secondo un piano di taglio 8. Il piano di taglio 8 è ortogonale al piano di taglio 3 e parallelo all’asse del foro 4. Sul piano 8 viene ricavato un foro cieco cilindrico 9 che definisce uno scarico di centratura della sfera 1 come sarà descritto in seguito. L’asse dello scarico 9 è ortogonale all’asse del foro 4 e i due assi si incontrano esattamente nel centro del corpo sferico 2.

In posizione diametralmente opposta allo scarico di centraggio 9 è ricavata una fessura 10 per accogliere un perno che collega la sfera 1 all’albero di un motore o a una maniglia di azionamento manuale. La fessura 10 è tagliata secondo un piano ortogonale all’asse del foro 4 ed ha una conformazione sostanzialmente circonferenziale definita da un profilo arcuato 11 (Fig. 5).

Il semilavorato 100 viene portato ad uno stampo di tranciatura provvisto di un punzone o coltello femmina e un punzone o coltello maschio. Il punzone femmina ha una testa a calotta sferica con una luce sostanzialmente triangolare, mentre il punzone maschio presenta una sporgenza con un perimetro sostanzialmente triangolare complementare alla luce del punzone femmina.

Il semilavorato viene centrato nello stampo di tranciatura tramite lo scarico di centraggio 8 e quindi il punzone femmina viene inserito entro il foro 4, finché la sua testa si dispone in battuta contro la parete 6. A questo punto il punzone maschio viene portato verso il punzone femmina, in modo da tranciare la parete 6 secondo una sagoma sostanzialmente triangolare predefmita.

La porzione di parete tranciata cade entro il punzone femmina e viene espulsa attraverso il foro 4. In questo modo si ottiene la sfera finita 1, come quella illustrata nelle Figg. 6 - 10, che presenta un’apertura o luce sostanzialmente triangolare 12, ricavata nella parete 6 per regolare il flusso di fluido che attraversa la sfera 1, durante la rotazione della sfera.

Con riferimento in particolare a Fig. 10, l’apertura 12 presenta tre vertici 13, 14, 15 disposti come i vertici di un triangolo isoscele o equilatero inscritto nella circonferenza definita dal bordo 7 della parete 6. I profili dei lati 16, 17 e 18 del triangolo che uniscono i tre vertici 13, 14 e 15 sono sostanzialmente arcuati.

Per l’esattezza il profilo della base 16 è concavo rispetto al centro del triangolo è ha un raggio di curvatura leggermente inferiore rispetto al raggio di curvatura del perimetro 7 della parete 6. Invece i profili dei due cateti 17 e 18 sono convessi rispetto al centro del triangolo.

Inoltre, bisogna considerare che la sfera 1 è montata ruotabile a tenuta entro una guarnizione del corpo-valvola, tra l’ingresso e l’uscita della valvola. Pertanto ruotando la sfera 1 lungo l’asse dello sfogo cilindrico di centraggio 9 si provoca l’apertura/chiusura del flusso dall’ingresso all’uscita della valvola. È da notare che la superficie esterna della parte 6 è leggermente incassata rispetto alla superficie esterna del corpo 2. In questo modo durante la rotazione della valvola 1 le parti sporgenti del bordo dell’apertura 12 non interferiscono e non si impuntano contro la superficie della guarnizione.

Inoltre la particolare configurazione dell’ apertura 12 consente di regolare il flusso, attraverso la valvola, con maggiore accuratezza, in modo da ottenere un flusso con un andamento equipercentuale, sostanzialmente simile a quello illustrato in Fig. 12.

Preferibilmente la sfera sagomata 1 è realizzata in ottone. Tuttavia si possono utilizzare anche altri materiali metallici quali acciaio inox, bronzo e leghe simili, oppure resine termoplastiche o termoindurenti.

Preferibilmente il taglio della parete 6 viene realizzato per tranciatura con una coppia di punzoni. Tuttavia potrebbe essere effettuato con altri metodi che non lasciano sbavature nel profilo, quali ad esempio taglio laser o con getto d’acqua ad alta pressione.

Inoltre anche se nella descrizione dettagliata e nei disegni si è fatto specifico riferimento ad una luce 12 di forma sostanzialmente triangolare, per ottenere una caratteristica di flusso equipercentuale, appare evidente che la luce 12 può essere sagomata con un’altra forma, di per sé nota nella tecnica, per ottenere una caratteristica di flusso diversa, quale ad esempio caratteristiche ad apertura rapida, con curva a radice quadrata, lineare, a parabola modificata, oppure ad iperbole.

Alla presente forma di realizzazione dell’invenzione possono essere apportate numerose variazioni e modifiche di dettaglio, alla portata di un tecnico del ramo, rientranti comunque entro l’ambito dell’invenzione espresso dalle rivendicazioni annesse.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sfera (1) per valvole comprendente: - un corpo (2) sostanzialmente sferico, - un foro (4, 5) ricavato nel corpo (2) per il passaggio del flusso di fluido dall’ingresso all’uscita della valvola, e - una fessura (10) ricavata nel corpo (2) per accogliere un perno per la rotazione della sfera (1), caratterizzata dal fatto che - detta sfera (1) è realizzata in corpo unico, e - detto foro (4, 5) termina in una parete (6) nella quale è ricavata un’apertura sagomata (12) atta a regolare la quantità di flusso di fluido dall’ingresso all’uscita della valvola.
2. Sfera (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto foro (4, 5) ha una forma cilindrica (4) terminante in un foro a forma di calotta sferica (5), in modo che detta parete (6) in cui è ricavata l’apertura sagomata abbia una forma sostanzialmente a calotta sferica con spessore sottile ed un bordo perimetrale circolare (7).
3. Sfera (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detta apertura sagomata (12) ha una forma sostanzialmente di triangolo equilatero inscritto nel perimetro (7) della parete (6).
4. Sfera (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che i profili dei lati (16, 17, 18) del triangolo formante detta apertura sagomata (12) sono sostanzialmente arcuati.
5. Sfera (1) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detto triangolo isoscele o equilatero che definisce l’apertura (12) presenta una base (16) e due cateti (17, 18), in cui il profilo della base (16) è concavo rispetto al centro del triangolo è ha un raggio di curvatura leggermente inferiore rispetto al raggio di curvatura del perimetro (7) della parete (6) e i profili dei due cateti (17, 18) sono convessi rispetto al centro del triangolo.
6. Sfera (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta parete (7) della sfera in cui è ricavata l’apertura sagomata è incassata rispetto alla superficie esterna della sfera.
7. Sfera (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere uno scarico sostanzialmente cilindrico (9) disposto in direzione diametralmente opposta alla fessura (10) del perno di rotazione della sfera, avente un’asse passante per il centro della sfera (1) ed ortogonale all’asse del foro (4) di passaggio del flusso di fluido, detto scarico cilindrico (9) fungente da riferimento per la centratura della sfera nella formazione dell’apertura sagomata (12).
8. Sfera (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di essere realizzata in ottone.
9. Procedimento per la produzione di una sfera (1) per valvole secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente i seguenti passi: - lavorazione meccanica di una barra metallica in modo da ottenere un corpo (2) sostanzialmente sferico, - formazione di una fessura (10) sulla superficie esterna del corpo per accogliere un perno di rotazione della sfera, - formazione di un foro cieco (4, 5) terminante in una parete (6), - tranciatura o taglio della parete (6) in modo da ottenere un’apertura sagomata (12) atta a regolare la quantità di flusso di fluido dall’ingresso all’uscita della valvola.
10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che la tranciatura della parete (6) viene effettuata mediante una coppia di punzoni maschio e femmina.
11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che il punzone femmina viene disposto entro detto foro (4, 5) a contatto con la superficie interna della parete (6) e il punzone maschio agisce sulla superficie esterna della parete (6).
12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, caratterizzato dal fatto che prima di detto passo di tranciatura è previsto un passo di formazione, mediante lavorazione meccanica, di un uno scarico di centraggio (9) in direzione diametralmente opposta alla fessura (10) del perno di rotazione della sfera, avente un’asse passante per il centro della sfera (1) ed ortogonale all’asse del foro (4) di passaggio del flusso di fluido, detto scarico di centraggio (9) essendo utilizzato per centrare i punzoni maschio e femmina.
13. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 o 11, caratterizzato dal fatto di comprendere un passo di lavorazione meccanica sulla superficie esterna di detta parete (6) in cui si deve ricavare l’apertura sagomata (12), in modo da ridurre il diametro di detta parete (6) rispetto alla superficie esterna della sfera (1).