ITMI20130894A1 - Valvola anti-vuoto per circuiti idraulici contenenti un fluido bifasico - Google Patents

Description

VALVOLA ANTI-VUOTO PER CIRCUITI IDRAULICI CONTENENTI UN

FLUIDO BIFASICO

La presente invenzione si riferisce in generale a una valvola anti-vuoto e, più in particolare, a una valvola anti-vuoto per un circuito idraulico contenente un fluido bifasico, applicabile in particolare ma non esclusivamente a una macchina per la produzione di caffà ̈ espresso.

Per valvola anti-vuoto si intende comunemente un dispositivo in grado di ripristinare la pressione atmosferica all’interno di un circuito idraulico e/o di un particolare recipiente in pressione contenente un fluido bifasico. Nel caso specifico, il recipiente in pressione potrebbe essere costituito dalla caldaia di una macchina professionale per la produzione di caffà ̈ espresso, mentre per fluido bifasico si intende in particolare una miscela composta da acqua e da vapore acqueo.

Come à ̈ noto, una macchina per la produzione di caffà ̈ espresso à ̈ normalmente provvista di almeno una caldaia in grado sia di riscaldare l’acqua, sia di produrre vapore a seguito dell’ebollizione dell’acqua stessa. La caldaia opera quindi come una sorgente di calore per alimentare con acqua calda e vapore i vari servizi della macchina da caffà ̈. Grazie al calore immagazzinato l’utilizzatore può disporre immediatamente di una determinata quantità di acqua calda e di vapore per la preparazione espressa di un corrispondente numero di bevande calde quali caffà ̈, tà ̈ e cappuccino.

Lo stato fisico all’interno di una caldaia a regime à ̈ quello di un’atmosfera di vapore saturo dove il liquido, in questo caso l’acqua, à ̈ in presenza solo del proprio vapore. La temperatura e la pressione sono quindi legate tra loro da un rapporto univoco rappresentato nel cosiddetto “diagramma di Mollier†.

E’ nota sin dalla fine degli anni †̃70 del secolo scorso l’applicazione di valvole anti-vuoto sulle macchine per la produzione di caffà ̈ espresso. La funzione primaria di una valvola anti-vuoto, denominata anche valvola antidepressione, à ̈ quella di evitare che la pressione all’interno della caldaia scenda al di sotto della pressione atmosferica quando, per una qualsiasi ragione, l’acqua viene raffreddata al di sotto della temperatura di ebollizione in condizioni di recipiente chiuso.

Ad esempio, in assenza della valvola anti-vuoto, se si tentasse di riscaldare del latte con una lancia vapore mentre la pressione della caldaia à ̈ più bassa di quella atmosferica, il latte verrebbe “risucchiato†all’interno della macchina. Di conseguenza, all’epoca in cui il riscaldamento e la ricarica della caldaia di una macchina da caffà ̈ erano operazioni esclusivamente manuali, affidate alla cura e alla perizia del barista, poteva bastare un momento di distrazione per provocare il risucchio del latte in caldaia, con conseguenti problemi e malfunzionamenti. Per questa ragione la valvola anti-vuoto o antidepressione viene anche denominata “valvola anti-risucchio†.

Un altro inconveniente dovuto al verificarsi di una depressione all’interno di una macchina da caffà ̈ à ̈ rappresentato dal possibile danneggiamento dei rispettivi manometri meccanici. Poiché a una temperatura di 23°C la pressione di vapore saturo à ̈ di soli 0,03 bar assoluti, se tutte le valvole di comunicazione verso l’esterno rimanessero chiuse la pressione atmosferica solleciterebbe il meccanismo dei manometri in senso inverso, con una spinta di circa 1 bar.

In una macchina da caffà ̈ la valvola anti-vuoto svolge altresì la funzione di espulsione dell’aria durante le operazioni di riscaldamento, evitando che si formi un’atmosfera mista di aria e vapore con temperature che non corrispondono al diagramma di Mollier. Di conseguenza, la presa per la valvola antivuoto deve essere collocata non solo nel condotto del vapore, ma anche nella parte alta della caldaia, in modo tale da impedire di intrappolare significative sacche di aria.

Allo stato attuale, le soluzioni costruttive che vengono adottate per svolgere le suddette funzioni, in particolare ma non esclusivamente nelle macchine da caffà ̈, sono costituite da una valvola di tipo meccanico oppure una da una valvola comandata elettricamente.

Una valvola anti-vuoto di tipo meccanico à ̈ tipicamente una semplice valvola provvista di un elemento di tenuta, fabbricato con un materiale elastomerico, e di un attuatore che si muove sotto la spinta della stessa forza provocata dalla pressione che si genera all’interno della caldaia. Tale spinta, contrastando la forza peso dell’attuatore, consente di mantenere chiusa la valvola. Nel momento in cui la spinta viene meno, la valvola si riapre per effetto della forza peso del relativo attuatore.

Le valvole anti-vuoto di tipo meccanico, essendo di tipo “passivo†, sono quindi economiche e di estrema semplicità costruttiva. Tuttavia, a seguito di un utilizzo prolungato, possono presentare problemi di affidabilità per il fatto che le forze in gioco sono dello stesso ordine di grandezza delle forze di attrito che si generano nel tempo sull’attuatore. In altre parole, fenomeni di usura o, ad esempio, di incrostazioni calcaree che si possono verificare sui componenti della valvola, in particolare sull’attuatore, possono pregiudicare il buon funzionamento della valvola stessa.

Una valvola anti-vuoto comandata elettricamente à ̈ costituita da un’elettrovalvola normalmente chiusa, di tipo a due vie oppure a tre vie, con corpo filettato. Nelle macchine da caffà ̈ più evolute, dotate di sensore di pressione elettronico, il funzionamento di tale valvola à ̈ direttamente gestito dal software della macchina stessa.

Le valvole anti-vuoto comandate elettricamente sono quindi più affidabili rispetto alle corrispondenti valvole meccaniche, essendo meno soggette a fenomeni di usura rispetto a queste ultime. Per contro, le valvole anti-vuoto comandate elettricamente sono di gran lunga più costose rispetto alle corrispondenti valvole meccaniche e necessitano di un sistema elettronico di gestione particolarmente complesso. Infatti, essendo di tipo “attivo†, tali valvole non possono funzionare in caso di assenza, oppure di guasto, del relativo sistema elettronico di gestione.

Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di realizzare una valvola anti-vuoto, in particolare ma non esclusivamente per macchine da caffà ̈, che sia in grado di risolvere gli inconvenienti sopra citati della tecnica nota in una maniera estremamente semplice, economica e particolarmente funzionale.

Nel dettaglio, à ̈ uno scopo della presente invenzione quello di realizzare una valvola anti-vuoto che, pur essendo di tipo meccanico, abbia un alto grado di affidabilità e di durata nel tempo.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una valvola anti-vuoto che garantisca forze di attivazione ben superiori alle forze di attrito che si generano tra i relativi componenti, che aumentano inevitabilmente con l’invecchiamento della valvola stessa a causa dei depositi di impurità e calcare.

Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una valvola anti-vuoto che possa essere installata secondo qualsiasi inclinazione (verticale, orizzontale o obliqua), essendo il relativo funzionamento indipendente dalla forza peso dell’attuatore.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando una valvola anti-vuoto, in particolare ma non esclusivamente per macchine da caffà ̈, 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 valvola anti-vuoto secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 Ã ̈ una vista in sezione di un esempio di realizzazione preferito della valvola anti-vuoto secondo la presente invenzione, mostrata in una prima configurazione operativa;

la figura 2 à ̈ un’altra vista in sezione della valvola anti-vuoto di figura 1, mostrata in una seconda configurazione operativa;

la figura 3 Ã ̈ una vista esplosa che mostra i principali componenti costitutivi della valvola antivuoto di figura 1;

la figura 4 mostra le condizioni di carico e di spostamento per i due punti di lavoro del meccanismo attuatore della valvola anti-vuoto di figura 1;

la figura 5 Ã ̈ un grafico che illustra, in funzione della temperatura T, lo spostamento del meccanismo attuatore della valvola anti-vuoto di figura 1 in una prima configurazione operativa; e

la figura 6 Ã ̈ un altro grafico che illustra, in funzione della temperatura T, lo spostamento del meccanismo attuatore della valvola anti-vuoto di figura 1 in una seconda configurazione operativa.

Con riferimento alle figure, viene mostrato un esempio di realizzazione preferito della valvola antivuoto secondo la presente invenzione, indicata complessivamente con il numero di riferimento 10. La valvola anti-vuoto 10 à ̈ configurata per essere utilizzata all’interno di un generico circuito idraulico contenente un fluido bifasico, che può essere tipicamente ma non esclusivamente costituito da una miscela composta da acqua e da vapore acqueo.

La valvola anti-vuoto 10 comprende innanzitutto un corpo principale 12 munito di mezzi 14 di interfaccia con il circuito idraulico. Tale circuito idraulico può comprendere, ad esempio, la caldaia di una macchina per la produzione di caffà ̈ espresso e/o di bevande calde in genere, mentre i relativi mezzi 14 di interfaccia potrebbero essere costituiti da un innesto filettato, come mostrato in maniera esemplificativa in figura 3.

All’interno del corpo principale 12 à ̈ ricavato almeno un condotto (non mostrato) per il passaggio selettivo del fluido bifasico. All’interno di tale condotto à ̈ inserito ed à ̈ mobile di moto alternato un rispettivo pistone 16 provvisto di un piattello 18 di apertura/chiusura del condotto stesso. Il pistone 16 à ̈ quindi operativamente collegato a un meccanismo attuatore 20.

Il meccanismo attuatore 20 à ̈ racchiuso da un involucro 22 solidale al corpo principale 12 e provvisto di almeno un foro 24 per il passaggio del fluido bifasico. A puro titolo di esempio, l’involucro 22 potrebbe essere reso solidale al corpo principale 12 mediante un accoppiamento vite-madrevite, oppure mediante un innesto a baionetta, con eventuale termosaldatura successiva per rendere irreversibile l’accoppiamento.

Secondo l’invenzione, il meccanismo attuatore 20 comprende almeno un elemento elastico attuatore 26 fabbricato con un materiale a memoria di forma (“shapememory alloy†o “SMA†). In questo modo, il valore FAdella forza elastica esercitata dall’elemento elastico attuatore 26, che à ̈ funzione del valore TTRdella temperatura di transizione di fase del materiale a memoria di forma di cui à ̈ composto tale elemento elastico attuatore 26, può variare in funzione del valore T di temperatura del fluido bifasico.

Nel dettaglio, l’elemento elastico attuatore 26 à ̈ preferibilmente costituito da una molla di torsione a elica operante per compressione, avvolta attorno allo stelo 28 del pistone 16. La molla attuatrice 26 à ̈ provvista di un primo punto di vincolo ottenuto su una parete interna 30 del corpo principale 12 e di un secondo punto di vincolo ottenuto su un primo lato di un piattello 32 calettato sullo stelo 28 del pistone 16.

Il meccanismo attuatore 20 comprende inoltre almeno un elemento elastico di contrasto 34, configurato per contrastare la forza elastica dell’elemento elastico attuatore 26. Nel dettaglio, in base all’esempio di realizzazione preferito della valvola anti-vuoto 10 mostrata nelle figure allegate, anche l’elemento elastico di contrasto 34 à ̈ preferibilmente costituito da una molla di torsione a elica operante per compressione, avvolta attorno allo stelo 28 del pistone 16 in maniera coassiale rispetto all’elemento elastico attuatore 26. La molla di contrasto 34 à ̈ in ogni caso fabbricata con un generico materiale metallico. La molla di contrasto 34 à ̈ quindi provvista di un primo punto di vincolo ottenuto su una parete interna 36 dell’involucro 22 e di un secondo punto di vincolo ottenuto su un secondo lato del piattello 32 opposto al primo lato di tale piattello 32 su cui à ̈ realizzato il secondo punto di vincolo dell’elemento elastico attuatore 26.

La valvola anti-vuoto 10 sin qui descritta opera pertanto nel seguente modo. Al di sotto di un primo valore di temperatura T1prefissato del fluido bifasico, inferiore ad esempio alla soglia di temperatura di generazione del vapore in una caldaia di una macchina per la produzione di caffà ̈ espresso e/o di bevande calde in genere, il valore FCdella forza elastica esercitata dall’elemento elastico di contrasto 34, che peraltro rimane costante, à ̈ superiore al valore FAdella forza elastica esercitata dall’elemento elastico attuatore 26, mantenendo il pistone 16 e il relativo piattello 18 in configurazione di apertura. Questa configurazione à ̈ mostrata in figura 1.

Viceversa, al di sopra di un secondo valore di temperatura T2prefissato del fluido bifasico, che può essere superiore o anche uguale al primo valore di temperatura T1prefissato, l’elemento elastico attuatore 26 cambia le proprie caratteristiche meccaniche, avendo raggiunto e superato il valore TTRdella temperatura di transizione di fase tipica del materiale a memoria di forma di cui à ̈ composto. Di conseguenza, in queste condizioni di temperatura, il valore FAdella forza elastica esercitata dall’elemento elastico attuatore 26 aumenta e supera il valore FCdella forza elastica esercitata dall’elemento elastico di contrasto 34, garantendo la chiusura del pistone 16 e del relativo piattello 18.

La configurazione di chiusura del pistone 16 e del relativo piattello 18 à ̈ mostrata in figura 2. Questa configurazione può essere ottenuta, ad esempio, per valori di temperatura T2del fluido bifasico superiori alla soglia di temperatura di generazione del vapore in una caldaia di una macchina per la produzione di caffà ̈ espresso e/o di bevande calde in genere.

A puro titolo di esempio, nell’applicazione della valvola anti-vuoto 10 all’interno di una generica macchina da caffà ̈, il primo valore di temperatura T1del fluido bifasico può essere pari a circa 95°C, mentre il secondo valore di temperatura T2del fluido bifasico può essere pari a circa 105°C. Si precisa inoltre che il pistone 16 può anche essere dotato di una o più guarnizioni (non mostrate) per migliorare le condizioni di tenuta nella configurazione di chiusura della valvola anti-vuoto 10.

Il materiale a memoria di forma dell’elemento elastico attuatore 26 può essere costituito ad esempio da una lega di nichel/titanio o di rame/alluminio/nichel, mentre il corpo principale 12 della valvola anti-vuoto 10 può essere fabbricato con un materiale scelto nel gruppo costituito da un tecnopolimero, l’alluminio e un acciaio opportunamente trattato. Nell’applicazione della valvola anti-vuoto 10 all’interno di una generica caldaia per una macchina da caffà ̈, al primo valore di temperatura T1(95°C) corrisponde una pressione satura massima di transizione pari a circa 0,85 bar assoluti, associato alla valvola anti-vuoto 10 completamente aperta, mentre al secondo valore di temperatura T2prefissato (105°C) corrisponde una pressione satura massima di transizione pari a circa 1,12 bar assoluti, associato alla valvola antivuoto 10 completamente chiusa. In una tipica applicazione, la sezione equivalente di passaggio della valvola anti-vuoto 10 nella configurazione di apertura può essere impostata a circa 5 mm<2>.

In figura 4 vengono mostrate le condizioni di carico e di spostamento per i due punti di lavoro, corrispondenti alle due posizioni relative del piattello 32 rispetto all’involucro 22, del meccanismo attuatore 20. Nell’esempio di realizzazione illustrato il valore FCdella forza elastica esercitata dall’elemento elastico di contrasto 34 può variare tra 4,1 N e 5 N. In tale esempio di realizzazione, i valori delle forze elastiche FAe/o FCsono circa un ordine di grandezza superiori rispetto alla forza peso del generico attuatore di una tradizionale valvola antivuoto di tipo meccanico.

Nelle figure 5 e 6 vengono riportati i grafici relativi alle temperature e allo spostamento (in millimetri) misurati sull’esempio di realizzazione della valvola anti-vuoto 10 sin qui descritto. E’ quindi possibile notare che i valori TTRdella temperatura di transizione di fase del materiale a memoria di forma di cui à ̈ composto l’elemento elastico attuatore 26, pari a circa 80°C in fase di riscaldamento (figura 5) e a circa 65°C in fase di raffreddamento (figura 6) corrispondono rispettivamente ai valori di temperatura T2=105°C e T1=95°C del fluido bifasico contenuto all’interno della caldaia di una generica macchina da caffà ̈.

Si à ̈ così visto che la valvola anti-vuoto secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati.

La valvola anti-vuoto della presente invenzione così concepita à ̈ 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 à ̈ pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Valvola anti-vuoto (10) configurata per essere utilizzata all’interno di un circuito idraulico contenente un fluido bifasico, comprendente un corpo principale (12) munito di mezzi (14) di interfaccia con il circuito idraulico, all’interno del corpo principale (12) essendo ricavato almeno un condotto per il passaggio selettivo del fluido bifasico, all’interno di detto condotto essendo inserito ed essendo mobile di moto alternato un rispettivo pistone (16) provvisto di un piattello (18) di apertura/chiusura di detto condotto, detto pistone (16) essendo operativamente collegato a un meccanismo attuatore (20) racchiuso da un involucro (22) solidale al corpo principale (12) e provvisto di almeno un foro (24) per il passaggio del fluido bifasico, la valvola anti-vuoto (10) essendo caratterizzata dal fatto che il meccanismo attuatore (20) comprende almeno un elemento elastico attuatore (26) fabbricato con un materiale a memoria di forma, in maniera tale che il valore (FA) della forza elastica esercitata da detto elemento elastico attuatore (26), che à ̈ funzione del valore (TTR) della temperatura di transizione di fase del materiale a memoria di forma di cui à ̈ composto detto elemento elastico attuatore (26), possa variare in funzione del valore (T) di temperatura del fluido bifasico.
2. 2. Valvola anti-vuoto (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il meccanismo attuatore (20) comprende inoltre almeno un elemento elastico di contrasto (34) configurato per contrastare la forza elastica dell’elemento elastico attuatore (26).
3. 3. Valvola anti-vuoto (10) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che l’elemento elastico attuatore (26) à ̈ costituito da una molla di torsione a elica operante per compressione, avvolta attorno allo stelo (28) del pistone (16).
4. 4. Valvola anti-vuoto (10) secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detta molla attuatrice (26) Ã ̈ provvista di un primo punto di vincolo ottenuto su una parete interna (30) del corpo principale (12) e di un secondo punto di vincolo ottenuto su un primo lato di un piattello (32) calettato sullo stelo (28) del pistone (16).
5. 5. Valvola anti-vuoto (10) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che l’elemento elastico di contrasto (34) à ̈ costituito da una molla di torsione a elica operante per compressione, avvolta attorno allo stelo (28) del pistone (16) in maniera coassiale rispetto all’elemento elastico attuatore (26).
6. 6. Valvola anti-vuoto (10) secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detta molla di contrasto (34) à ̈ provvista di un primo punto di vincolo ottenuto su una parete interna (36) dell’involucro (22) e di un secondo punto di vincolo ottenuto su un secondo lato del piattello (32) opposto al primo lato di detto piattello (32) su cui à ̈ realizzato il secondo punto di vincolo dell’elemento elastico attuatore (26).
7. 7. Valvola anti-vuoto (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzata dal fatto che il materiale a memoria di forma dell’elemento elastico attuatore (26) à ̈ costituito da una lega di nichel/titanio o di rame/alluminio/nichel.
8. 8. Valvola anti-vuoto (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzata dal fatto che il corpo principale (12) à ̈ fabbricato con un materiale scelto nel gruppo costituito da un tecnopolimero, l’alluminio e un acciaio opportunamente trattato.
9. 9. Valvola anti-vuoto (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzata dal fatto che i mezzi (14) di interfaccia con il circuito idraulico sono costituiti da un innesto filettato.
10. 10. Valvola anti-vuoto (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzata dal fatto che il pistone (16) à ̈ dotato di una o più guarnizioni per migliorare le condizioni di tenuta nella configurazione di chiusura di detta valvola anti-vuoto (10).