ITMI20120504A1 - Pompa rotativa a membrana rotante - Google Patents

Description

POMPA ROTATIVA A MEMBRANA ROTANTE

La presente invenzione si riferisce in generale a una pompa volumetrica e, più in particolare, a una pompa volumetrica rotativa di tipo a membrana.

Come è noto, una pompa volumetrica è un particolare tipo di pompa che sfrutta la variazione di volume in una camera per provocare un'aspirazione o una spinta su un fluido incomprimibile. Tra le pompe volumetriche si annoverano le pompe rotative, il cui impiego è abbastanza diffuso. Nelle pompe rotative la variazione del volume della camera di lavoro è ottenuta tramite la rotazione di elementi in grado di delimitare camere rotanti a volume variabile. La rotazione di tali elementi permette di eliminare le valvole di aspirazione e di mandata, affidando la distribuzione a luci che permettono il collegamento tra le camere e i condotti di aspirazione e di mandata nel momento opportuno. E' da notare che, a causa dell'incomprimibilità del fluido, il collegamento con la mandata avviene durante tutta la fase di riduzione del volume della camera, mentre il collegamento con l'aspirazione avviene durante tutta la fase di aumento del volume della camera.

Le pompe rotative sono di tipo reversibile, permettendo l'inversione della mandata e dell'aspirazione. Inoltre, essendo tali pompe prive di un sistema di comando a biella o di movimenti assiali/oscillatori, esse sono in grado di operare a velocità particolarmente elevate.

Le pompe rotative si presentano in svariate forme: a ingranaggi, a lobi, a palette, a vite, a pistoni o a membrana. In particolare, in una pompa rotativa di tipo a membrana la variazione di volume si ottiene a seguito dell'oscillazione di una membrana che chiude un lato della camera. Il movimento di oscillazione può essere impresso alla membrana per via meccanica, oppure mediante sistemi pneumatici. Ad esempio, la pompa può essere provvista di un motore elettrico il cui albero motore aziona un disco o piattello, montato in maniera eccentrica, che deforma alternativamente le parti della membrana per "tirarle" o "spingerle", aspirando o spingendo di conseguenza il fluido (solitamente acqua).

Un vantaggio delle pompe a membrana consiste nell'assoluta impermeabilità, ottenuta con l'eliminazione dello scorrimento tra i componenti della pompa. Uno svantaggio di tali pompe risiede invece nella velocità massima di funzionamento, normalmente inferiore rispetto a quella di tutti gli altri tipi di pompe rotative.

Un altro svantaggio di tali pompe risiede nella pressione massima di lavoro, necessariamente limitata dalla resistenza del materiale che costituisce la membrana. Risulta quindi evidente che, per ottenere pressioni di lavoro particolarmente elevate e ridurre al minimo gli interventi di manutenzione, la membrana deve essere fabbricata con un materiale particolarmente robusto e resistente e, di conseguenza, anche costoso.

Un ulteriore svantaggio delle pompe a membrana è la non reversibilità, che costringe a complicazioni impiantistiche per poter ottenere il funzionamento invertito dell'apparato in cui la pompa è inserita. Infatti, per ottenere la possibilità di far fluire il liquido pompato in verso opposto a quello normale, è generalmente necessario aggiungere delle tubazioni e delle valvole sul circuito così che si possa, con la pompa che funziona sempre allo stesso modo, ottenere il fluire inverso del fluido nell'impianto agendo su dette valvole e tubazioni.

Ancora un altro svantaggio delle normali pompe a membrana è la difficoltà di regolazione. Le prestazioni delle pompe a membrana tradizionali sono infatti pesantemente dipendenti dalla velocità e dalla precisione di apertura e chiusura delle valvole di non ritorno. Queste caratteristiche delle valvole di non ritorno sono a loro volta dipendenti dalla velocità del fluido che in esse scorre. E' quindi spiegato il motivo della disomogeneità di prestazioni delle pompe a membrana tradizionali al variare della velocità.

Scopo generale della presente invenzione è pertanto quello di realizzare una pompa rotativa di tipo a membrana che sia in grado di risolvere gli inconvenienti sopra citati della tecnica nota in una maniera estremamente semplice, economica e particolarmente funzionale.

Nel dettaglio, è uno scopo della presente invenzione quello di realizzare una pompa rotativa di tipo a membrana che sia in grado di risolvere, o quantomeno di minimizzare, il problema della resistenza a fatica della membrana.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare una pompa rotativa di tipo a membrana che sia in grado di operare a velocità particolarmente elevate con riferimento alle pompe a membrana di tipo noto.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare una pompa rotativa di tipo a membrana che sia in grado di operare con le stesse prestazioni in entrambi i sensi di marcia o, in altre parole, che sia reversibile.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare una pompa rotativa di tipo a membrana che sia facile da pilotare, fornendo una gamma molto ampia di portate, dalla minima alla massima, senza improvvisi diminuzioni o aumenti di prestazioni.

Ancora un altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare una pompa rotativa di tipo a membrana che sia in grado di mantenere invariate le proprie caratteristiche di impermeabilità rispetto alle pompe a membrana di tipo noto.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando una pompa rotativa di tipo a membrana come esposto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni dipendenti, che sono parte integrante della presente descrizione.

Le caratteristiche e i vantaggi di una pompa rotativa di tipo a membrana secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

le figure 1A e 1B sono viste esplose dei componenti principali di una pompa rotativa di tipo a membrana secondo la presente invenzione, mostrata rispettivamente senza e con motore elettrico di azionamento;

le figure 2A-2D sono viste in sezione della pompa di figura 1A, che illustrano in sequenza le fasi di compressione della membrana durante mezzo giro dell'albero e, se osservate nella sequenza inversa, illustrano invece le fasi di decompressione della membrana stessa;

le figure 3A-3D sono viste in pianta e in alzata laterale che mostrano la pompa di figura 1A (priva di motore elettrico di azionamento);

le figure 4A e 4B sono viste in sezione della struttura rotativa della pompa di figura 1A, che mostrano rispettivamente in dettaglio la modalità di fissaggio della membrana ai dischi e la modalità di incastro della membrana stessa al telaio mobile;

le figure 5A e 5B sono viste in sezione della cassa fissa della pompa di figura 1A, rispettivamente dal lato frontale e dal lato destro, che mostrano in dettaglio il perno con asse inclinato;

le figure 6A e 6B sono viste in sezione della pompa di figura 1A, rispettivamente dal lato frontale e dal lato destro;

la figura 7 mostra le luci di mandata e di aspirazione ricavate nel coperchio della pompa delle figure 1A-1B; e

la figura 8 è una vista in sezione parziale della pompa di figura 1B, mostrata con il motore elettrico di azionamento.

Con riferimento alle figure, viene mostrata una pompa rotativa di tipo a membrana secondo la presente invenzione, indicata complessivamente con il numero di riferimento 10. La pompa 10 comprende sostanzialmente una cassa fissa 12 che racchiude una struttura rotativa 14 (figure 4A-4B).

Nel dettaglio, la cassa fissa 12 è costituita da un corpo principale fissato a una ghiera 16, ad esempio mediante un accoppiamento vite-madrevite. La ghiera 16 trattiene un coperchio 18. Sul coperchio 18 sono ricavati i condotti di aspirazione 20 e di mandata 22 per il fluido.

All'interno del corpo principale 12 della pompa 10, ricavati nel coperchio 18, si trovano le luci di aspirazione 24 e di mandata 26, un canalino di compensazione 28 (figura 7), la cui funzione verrà illustrata nel seguito, e un alloggiamento 30 per un particolare tipo di guarnizione 32. La guarnizione 32 si compone di due parti distinte, una avente lo scopo di contenere il liquido pompato, l'altra avente lo scopo di impedire l'aspirazione di aria. Una o entrambe di queste parti, realizzate con materiale uguale o differente, possono a loro volta essere costituite da uno o più sottocomponenti aventi la funzione di elemento di tenuta o di elemento elastico energizzante.

Fissato internamente alla cassa fissa 12 si trova inoltre un perno cavo 34 attorno al quale è innestato un cuscinetto 36 ed entro il quale ruota l'albero 50 collegato a un motore 52, preferibilmente di tipo elettrico, tramite giunto esterno alla pompa 10 o facente parte esso stesso del motore 52 (figura 8). L'albero 50 consente alla struttura rotativa 14 di ruotare.

La struttura rotativa 14 è costituita da una membrana 38 fabbricata con un materiale resiliente, preferibilmente un elastomero, fissata a compressione tra due dischi o piattelli fabbricati con un materiale rigido, vale a dire un disco anteriore 40 e un disco posteriore 42. La membrana 38 è ancorata, tramite una pluralità di protuberanze 46, a un telaio mobile 44 solidale al cuscinetto 36.

Sul disco posteriore 42 è inoltre ricavato un alloggiamento 48 atto ad accogliere un sistema elastico di spinta che permette all'albero 50 del motore elettrico 52 di imprimere una determinata pressione sul disco anteriore 40 verso il coperchio 18. Si realizza così un sistema di sfogo/bypass della pressione dalla camera di pompaggio verso la camera di aspirazione nei momenti in cui tale pressione dovesse superare il valore definito dal carico del sistema elastico di spinta. Il sistema elastico di spinta può essere costituito da un piattello 70 che, spinto dall'albero 50, comprime una molla a spirale 72 contro il disco anteriore 40. Tale disco anteriore 40, dal lato opposto a quello su cui si trova la membrana 38, è provvisto di un alloggiamento 54 per un anello di tenuta 56, fabbricato con un materiale resistente all'usura, configurato per contrapporsi alla guarnizione 32 alloggiata sul fondo del coperchio 18 della cassa fissa 12.

La membrana 38 è convenientemente di forma circolare. Le relative protuberanze 46, anch'esse preferibilmente di forma circolare, sono configurate sia per l'inserimento entro corrispondenti fori 58 ricavati nel disco posteriore 42, sia per il fissaggio a incastro, grazie ad apposite spinette 60 inserite al loro interno, entro ulteriori fori 62 ricavati nel telaio mobile 44. Al centro della membrana 38 è ricavato un ulteriore foro passante 64 per il passaggio del sistema elastico di spinta sopra citato.

Il fissaggio tra il disco posteriore 42 e il disco anteriore 40 garantisce la tenuta stagna tra le camere di lavoro. Il perno cavo 34 è inclinato secondo un angolo predefinito rispetto all'asse di rotazione dell'albero 50 collegato tramite giunto oppure facente parte del motore elettrico 52, così da rendere inclinati sia il telaio mobile 44, sia le posizioni delle protuberanze 46 durante la rotazione della membrana 38, costringendo le porzioni 66 di membrana poste in corrispondenza di tali protuberanze 46 a subire ciclicamente una diversa contrazione o una diversa distensione per aspirare e comprimere alternativamente il fluido.

Il disco anteriore 40 contiene una pluralità di passaggi e di cave 68 che, unitamente alle porzioni circolari 66 della membrana 38, formano le camere di lavoro della pompa 10. In questo modo si ottiene una pluralità di camere di lavoro a volume variabile, che ruotano e che permettono di evitare l'utilizzo di valvole di aspirazione e di mandata. I passaggi 68 ricavati nel disco anteriore 40 permettono il collegamento selettivo, vale a dire durante intervalli di tempo predefiniti in base al moto di rotazione della membrana 38, tra le camere e i condotti di aspirazione 20 e di mandata 22.

II funzionamento della pompa 10 secondo l'invenzione avviene nel modo seguente. Il moto di rotazione viene trasmesso dal motore 52, in maniera diretta o tramite un giunto di collegamento, al disco posteriore 42. Tale disco posteriore 42, come precedentemente menzionato, trascina nel moto di rotazione anche il disco anteriore 40 e la membrana 38, la quale è ancorata al telaio mobile 44.

Una volta che l'intera struttura rotativa 14 viene messa in rotazione, il cuscinetto 36 interposto tra il perno inclinato 34 e il telaio mobile 44 permette a quest'ultimo di ruotare su se stesso, tramite trascinamento da parte della membrana 38, mantenendo costante l'inclinazione e facendo in modo che ogni singola protuberanza 46 compia un ciclo di distensione durante un mezzo giro, e un ciclo di contrazione durante il rimanente mezzo giro. In altre parole, l'accoppiamento delle protuberanze 46 con il telaio mobile 44 obbliga tali protuberanze 46 a muoversi di moto alterno, in maniera simile a stantuffi assiali.

Il funzionamento della pompa 10 secondo l'invenzione può anche essere sintetizzato come segue: - durante il ciclo di distensione di ciascuna protuberanza 46 della membrana 38, compiuto durante un mezzo giro, la relativa camera aumenta il suo volume rimanendo in collegamento con la luce di aspirazione 24 e quindi aspirando fluido;

- successivamente, per un brevissimo tratto, la camera viene isolata sia dalla luce di aspirazione 24, sia dalla luce di mandata 26. Tale camera, tramite il piccolo canalino di compensazione 28, viene invece messa in collegamento di fluido con la camera che si trova in posizione diametralmente opposta sul disco anteriore 40. Queste due camere contrapposte si trovano entrambe isolate dalle luci di aspirazione 24 e di mandata 26 mentre stanno completando la rispettiva fase di estensione o di contrazione. In pratica, il canalino di compensazione 28 compensa l'eccesso di pressione di una camera con l'eccesso di depressione della camera contrapposta nei punti di massima estensione/contrazione e nell'istante temporale in cui tali camere contrapposte risultano scollegate dalle luci di aspirazione 24 e di mandata 26;

- nel successivo mezzo giro la camera inizia il ciclo di compressione, entrando in collegamento con la luce di mandata 26 e spingendo il fluido verso il condotto di mandata 22 e l'esterno della pompa 10.

Si è così visto che la pompa rotativa a membrana rotante secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati. In particolare, tale pompa è stata progettata similarmente a una pompa pluricilindrica a stantuffi assiali, con la differenza che, al posto dei cilindri ricavati nel rotore cilindrico e dei relativi stantuffi, è presente una membrana fissata a un telaio mobile che ruota su un perno inclinato. La distribuzione avviene tramite un disco fissato alla membrana che, ruotando con essa, collega le camere di lavoro alle luci di aspirazione e di mandata ricavate nel coperchio della cassa fissa.

Una tale pompa mantiene quindi le caratteristiche di impermeabilità tipiche delle pompe a membrana tradizionali, ma consente anche di operare con velocità e pressioni particolarmente elevate. In aggiunta, al contrario delle normali pompe a membrana, la pompa secondo l'invenzione è reversibile e le relative prestazioni sono finemente regolabili, perché non legate alle prestazioni delle valvole di non ritorno che, nella pompa secondo l'invenzione, sono assenti.

La pompa rotativa a membrana rotante della presente invenzione così concepita è suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le forme e le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

L'ambito di tutela dell'invenzione è pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pompa volumetrica (10) del tipo comprendente una cassa fissa (12) che racchiude una struttura rotativa (14), la cassa fissa (12) essendo chiusa a tenuta da un coperchio (18) su cui sono ricavati i condotti di aspirazione (20) e di mandata (22) per il fluido, internamente alla cassa fissa (12) essendo fissato un perno cavo (34) attorno al quale è innestato un cuscinetto (36) ed entro il quale ruota un albero (50) azionato da un motore (52) per consentire alla struttura rotativa (14) di ruotare, caratterizzata dal fatto che detta struttura rotativa (14) è costituita da una membrana (38) fabbricata con un materiale resiliente, fissata a compressione tra un disco anteriore (40) e un disco posteriore (42) fabbricati con un materiale rigido, detta membrana (38) essendo ancorata, tramite una pluralità di protuberanze (46), a un telaio mobile (44) solidale a detto cuscinetto (36), e che il perno cavo (34) è inclinato secondo un angolo predefinito rispetto all'asse di rotazione di detto albero (50), così da rendere inclinati sia il telaio mobile (44), sia le posizioni delle protuberanze (46) durante la rotazione della membrana (38), costringendo le porzioni (66) di membrana poste in corrispondenza di dette protuberanze (46) a subire ciclicamente una diversa contrazione o una diversa distensione per aspirare e comprimere alternativamente il fluido.
2. 2. Pompa volumetrica (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il disco anteriore (40) contiene una pluralità di passaggi e di cave (68) che, unitamente a dette porzioni (66) di membrana, formano una pluralità di camere di lavoro rotanti a volume variabile, detta pluralità di passaggi e di cave (68) permettendo il collegamento selettivo, vale a dire durante intervalli di tempo predefiniti in base al moto di rotazione della membrana (38), tra dette camere di lavoro e i condotti di aspirazione (20) e di mandata (22).
3. 3. Pompa volumetrica (10) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che all'interno della cassa fissa (12), ricavati nel coperchio (18), si trovano le luci di aspirazione (24) e di mandata (26) e un canalino di compensazione (28), detto canalino di compensazione (28) mettendo in collegamento di fluido le due camere che si trovano in posizione diametralmente opposta sul disco anteriore (40) mentre stanno completando la rispettiva fase di estensione o di contrazione, detto canalino di compensazione (28) compensando l'eccesso di pressione di una camera con l'eccesso di depressione della camera contrapposta nei punti di massima estensione/contrazione e nell'istante temporale in cui dette camere contrapposte risultano scollegate dalle luci di aspirazione (24) e di mandata (26).
4. 4. Pompa volumetrica (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzata dal fatto che sul disco posteriore (42) è ricavato un alloggiamento (48) atto ad accogliere un sistema elastico di spinta che permette a detto albero (50) di imprimere una determinata pressione sul disco anteriore (40) verso il coperchio (18), realizzando un sistema di sfogo/bypass della pressione dalla camera di pompaggio verso la camera di aspirazione nei momenti in cui detta pressione dovesse superare il valore definito dal carico di detto sistema elastico di spinta.
5. 5. Pompa volumetrica (10) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che il sistema elastico di spinta è costituito da un piattello (70) che, spinto da detto albero (50), comprime una molla a spirale (72) contro il disco anteriore (40).
6. 6. Pompa volumetrica (10) secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzata dal fatto che al centro della membrana (38) è ricavato un foro passante (64) per il passaggio del sistema elastico di spinta.
7. 7. Pompa volumetrica (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzata dal fatto che il disco anteriore (40) è provvisto, dal lato opposto a quello su cui si trova la membrana (38), di un alloggiamento (54) per un anello di tenuta (56) configurato per contrapporsi a una guarnizione (32) alloggiata sul fondo del coperchio (18).
8. 8. Pompa volumetrica (10) secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che detta guarnizione (32) è inserita in un alloggiamento (30) ricavato nel coperchio (18) e si compone di due parti distinte, una prima parte avente lo scopo di contenere il liquido pompato e una seconda parte avente lo scopo di impedire l'aspirazione di aria.
9. 9. Pompa volumetrica (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzata dal fatto che la membrana (38) è di forma circolare.
10. 10. Pompa volumetrica (10) secondo la rivendicazione 9. caratterizzata dal fatto che dette protuberanze (46) sono configurate sia per l'inserimento entro corrispondenti fori (58) ricavati nel disco posteriore (42), sia per il fissaggio a incastro, grazie ad apposite spinette (60) inserite al loro interno, entro ulteriori fori (62) ricavati nel telaio mobile (44).
11. 11. Pompa volumetrica (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la cassa fissa (12) è fissata a una ghiera (16) mediante un accoppiamento vite-madrevite, detta ghiera (16) trattenendo il coperchio (18) che chiude detta cassa fissa (12).
12. 12. Pompa volumetrica (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il materiale resiliente con cui è fabbricata la membrana è un elastomero.