ITPI20070006A1 - Stantuffo per compressori volumetrici alternativi, in particolare per gas idrogeno, e compressori volumetrici relativi - Google Patents

Description

Descrizione annessa alla domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: STANTUFFO PER COMPRESSORI VOLUMETRICI ALTERNATIVI, IN PARTICOLARE PER GAS IDROGENO, E COMPRESSORI VOLUMETRICI RELATIVI.

SETTORE TECNICO

La presente invenzione si riferisce ad uno stantuffo per compressori e ai compressori includenti detto stantuffo.

In modo specifico, ma non esclusivo, Γ invenzione concerne un stantuffo per compressori volumetrici alternativi di gas idrogeno.

STATO DELL’ARTE

I compressori volumetrici alternativi sono, come noto, macchine per la compressione di gas, o vapori, in cui si ha almeno un cilindro nel quale scorre a tenuta uno stantuffo, o un pistone, dotato di moto alternativo. Apposite luci aperte al momento opportuno da un meccanismo di distribuzione pongono il cilindro in comunicazione con Γ ambiente di mandata o con quello di aspirazione. Il gas è aspirato durante la corsa di aspirazione mentre lo stantuffo si allontana della testa del cilindro, quindi, nella corsa successiva, il gas è dapprima compresso e poi scaricato all’ esterno del cilindro.

Tali compressori possono essere monocilindrici oppure composti da più cilindri disposti secondo le geometrie più disparate ed essere monostadio o multistadio in funzione, principalmente, del rapporto di compressione da ottenere.

Essi sono utilizzati a livello industriale allorché sia necessario ottenere elevati rapporti di compressione e pressioni finali molto elevate, anche se a discapito della portata che, per la geometria e il principio stesso di funzionamento di questa tipologia di compressori, è inevitabilmente molto limitata rispetto a quella ottenibile con compressori rotativi.

In particolare i compressori volumetrici alternativi sono ampiamente utilizzati per la produzione di aria compressa, per la compressione di gas per auto-trazione come il gas naturale o il metano, per la compressione di idrogeno o sue miscele e per molte altre applicazioni nelle quali si devono ottenere pressioni estremamente elevate, dell’ordine delle centinaia di bar. Proprio a causa delle elevate pressioni dei gas presenti nella camera di compressione, in questa tipologia di compressori riveste particolare importanza il problema della tenuta tra stantuffo e cilindro.

Se si considera, inoltre, che per questi compressori vengono adottati generalmente cilindri non lubrificati a causa delle elevate temperature raggiunte in prossimità della camera di compressione, che potrebbero compromettere le caratteristiche del lubrificante, si ottiene in definitiva che attualmente, nei compressori volumetrici alternativi, la tenuta tra stantuffo e cilindro è ricercata mediante labirinti ricavati nel mantello dello stantuffo e sulla superficie interna del cilindro, oppure rivestendo internamente il cilindro con un manicotto in materiale autolubrificante / ceramico sul quale strisciano le fasce elastiche montate nello stantuffo, oppure infine con anelli di tenuta in materiale autolubrificante nello stantuffo, scorrenti sul cilindro metallico.

Tuttavia, specialmente nel caso della compressione di gas a basso peso molecolare, quale in particolare l’idrogeno, né con Γ utilizzo di più fasce elastiche, né con l’adozione del sistema a labirinti si riesce a contenere le perdite di gas, le quali, già a pressioni di poche decine di bar, raggiungono valori talmente elevati da richiedere l’adozione di misure per il recupero del gas stesso dal vano dell’albero motore o da altre possibili vie di fuga.

Risulta pertanto fondamentale ricercare soluzioni che assicurino, per questa categoria di compressori, una tenuta pressoché stagna dell’accoppiamento tra stantuffo e cilindro.

SINTESI DELL’INVENZIONE

Scopo principale della presente invenzione è quello di proporre uno stantuffo per compressori volumetrici alternativi, in particolare per la compressione di gas idrogeno, in grado di eliminare i problemi di tenuta tra stantuffo e cilindro.

Ulteriore scopo dell’invenzione è quello di proporre un compressore volumetrico alternativo per la compressione di gas o vapori con perfezionamenti costruttivi atti a garantire la tenuta tra stantuffo e cilindro. Gli scopi suddetti ed altri ancora vengono raggiunti mediante uno stantuffo per compressori volumetrici alternativi comprendenti almeno un cilindro all’ interno del quale scorre con moto alternativo detto stantuffo destinato alla compressione di fluidi gassosi, in particolare gas idrogeno o sue miscele, contenuti in una camera di compressione ricavata tra detto cilindro, detto stantuffo e la testata del compressore volumetrico, detto stantuffo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere, nel proprio mantello esterno, almeno una prima cavità anulare atta ad essere riempita con un fluido idraulico che si interpone tra detto stantuffo e detto cilindro in modo utile a garantire la tenuta del gas contenuto in detta camera di compressione.

Il fluido idraulico impiegato può vantaggiosamente essere costituito da olio ionico o fluido equivalente che, in particolare, non reagisca con l’idrogeno o con altri gas da comprimere.

Ancora nel mantello esterno dello stantuffo, in posizione inferiore alla prima cavità anulare rispetto alla testa dello stantuffo, è preferibilmente realizzata una seconda cavità anulare atta a raccogliere il fluido idraulico eventualmente trafilato da detta prima cavità anulare.

Nel mantello esterno dello stantuffo sono realizzate ulteriori cave per fasce elastiche di tenuta e/o raschia-olio. In particolare, almeno una cava di alloggiamento di una fascia elastica di tenuta è vantaggiosamente realizzata superiormente a detta prima cavità anulare.

Un compressore volumetrico alternativo comprendente uno stantuffo secondo le caratteristiche di cui sopra comprende altresì un circuito per l’adduzione di fluido idraulico a detta prima cavità anulare. Ciò può aver luogo per mezzo anche di un’apertura ricavata in detto cilindro. Detto circuito, inoltre, è vantaggiosamente posto in comunicazione, durante la corsa dello stantuffo, con detta seconda cavità anulare, cosicché il fluido idraulico eventualmente trafilato dalla prima cavità anulare, e recuperato nella seconda, viene reimmesso nel circuito stesso.

I vantaggi connessi allo stantuffo, e ai compressori volumetrici alternativi, di cui sopra sono chiaramente individuabili in merito all’aumento dell’efficienza di detti compressori conseguente all’eliminazione delle perdite tra stantuffo e cilindro.

Altro notevole vantaggio, ancora dovuto all’ eliminazione del trafilamento di gas, è rappresentato dal fatto che non si rende più necessaria alcuna operazione di recupero dei gas dalla parte inferiore del cilindro o dal vano dell’albero motore o da altre sezioni del motore stesso.

L’utilizzo di fluido idraulico all’ interno di compressori volumetrici alternativi a stantuffo consente, inoltre, maggiori velocità di lavoro di detti compressori, e quindi, portate di gas compresso impensabili in altri apparati di compressione di gas utilizzanti fluidi idraulici.

Ulteriori vantaggi discendono infine dalla affidabilità complessiva dei compressori proposti nonché dalla silenziosità derivante dalla diminuzione degli attriti presenti negli stessi.

DESCRIZIONE DEU.F. FORME REAI.I7.7.ATIVE PREFERITE

Per una migliore comprensione, comunque, delle caratteristiche della presente invenzione e dei vantaggi ad essa associati, questa verrà di seguito descritta tramite alcuni esempi realizzativi illustrati con l'ausilio delle tavole di disegno allegate, nelle quali:

- la figura 1 rappresenta schematicamente una vista in sezione di una parte di un compressore secondo l’invenzione, inerente lo stantuffo e relativo cilindro;

- le figure 2 e 3 rappresentano viste in sezione analoghe alla vista di fig.l ma relative a forme realizzative diverse sia dello stantuffo che del cilindro.

Con riferimento alla figura 1, è ivi rappresentata una porzione di un compressore volumetrico alternativo 10 comprendente uno stantuffo, 11, scorrevole all’ interno di un cilindro, 12, con moto alternato grazie al movimento di una biella, 13, connessa ad una sua estremità allo stantuffo 11 per mezzo di uno spinotto, 14, ed, alla sua estremità opposta, ad un albero motore non rappresentato in figura.

Tramite un condotto di aspirazione, 15, e la relativa valvola di aspirazione, 16, il gas da comprimere entra nella camera di compressione, 18, quindi, al termine della corsa di compressione dello stantuffo, 11, in seguito all’apertura della valvola di mandata, 19, esce dalla camera di compressione, 18, attraverso il condotto di mandata, 20, ricavato, analogamente al condotto di aspirazione, 15, nella testata, 21, del cilindro 12. Da qui il gas compresso viene inviato o all’ esterno del compressore, per esempio verso serbatoi di accumulo, o ad un successivo stadio di compressione del compressore stesso, dopo aver eventualmente attraversato uno stadio di refrigerazione.

Lo stantuffo, 11, è provvisto di una prima cavità anulare, 22, realizzata nel mantello esterno, 23, in prossimità della testa dello stantuffo 11 stesso. Superiormente a detta prima cavità anulare, 22, si trovano ulteriori cave per Γ alloggiamento di fasce elastiche, 24, di tenuta e/o raschia-olio, realizzate secondo la tecnica nota.

Nella parte inferiore dello stantuffo 11, ancora nel mantello esterno 23, è realizzata una seconda cavità anulare, 25, al di sotto della quale, nella relativa cava, è alloggiata una ulteriore fascia elastica, 24, anch’essa di tecnica nota.

Un primo condotto, 26, di un circuito di adduzione e ricircolo di fluido idraulico è connesso, mediante un raccordo, 27, ad una apertura, 28, ricavata nella superficie laterale del cilindro, 12. Un secondo condotto, 29, di detto circuito idraulico è connesso ad una ulteriore apertura, 30, della superficie del cilindro, detto secondo condotto essendo in posizione inferiore rispetto a detto primo condotto 26.

Al termine della corsa di aspirazione, in cui la valvola 16 è aperta e il gas da comprimere passa dal condotto di aspirazione 15 alla camera di compressione 18, la prima cavità anulare, 22, viene a trovarsi in comunicazione, tramite Γ apertura 28, con il condotto 26 del circuito di adduzione e ricircolo del fluido idraulico il quale, essendo in pressione all’ interno del condotto 26 stesso, riempie detta cavità anulare 22.

In seguito, nella corsa di compressione dello stantuffo, verso la testata 21, all’ aumentare della pressione del gas, quest’ultimo, pur in presenza delle fasce elastiche 24, tenderebbe a trafilare, dalla camera di compressione 18 verso la parte inferiore del cilindro, 12. La presenza di fluido idraulico in pressione nella prima cavità anulare 22 forma però una barriera a tenuta stagna contro il passaggio del gas che rimane quindi trattenuto completamente nella camera di compressione 18 fino alla apertura della valvola 19 del condotto di mandata 20.

Durante la corsa di compressione il fluido idraulico in pressione presente in detta prima cavità anulare, 22, tende a trafilare verso il basso, sia per l’effetto della pressione del gas sovrastante, sia in virtù del moto relativo tra stantuffo Il e cilindro, 21. Il fluido stesso, raggiungendo la seconda cavità anulare, 25, tende a raccogliersi all’ interno di quest’ ultima, grazie anche alla presenza della fascia elastica 24 posizionata inferiormente, e ciò fino al temine della successiva corsa di aspirazione quando, trovandosi detta seconda cavità anulare 25 in comunicazione con il condotto 29, il fluido passa in quest’ultimo per tornare nel circuito esterno di ricircolo. Contemporaneamente, il condotto 26, toma in comunicazione con la prima cavità, 22, e ne permette di nuovo il riempimento.

Si noti che la geometria dello stantuffo 11 e la disposizione delle aperture di adduzione, 28, e di ricircolo, 30, presenti nel cilindro 12, sono tali che la cavità anulare inferiore 25 non può giungere in comunicazione con il condotto di adduzione 26, come infatti si dimostra in fig.l, ove lo stantuffo 1 1 è rappresentato nella posizione di punto morto superiore della sua corsa. Relativamente alla natura del fluido idraulico impiegato, è utile sottolineare che le proprietà e caratteristiche di detto fluido sono compatibili con le proprietà e caratteristiche del gas oggetto della compressione, in modo da evitare la contaminazione di questo per contatto con il fluido. In particolare, nel caso che il gas da comprimere sia costituito da idrogeno o sue miscele, come fluido idraulico può vantaggiosamente essere utilizzato olio ionico, mentre, nel caso si debba comprimere un diverso tipo di gas incompatibile con l’utilizzo di olio ionico, si adotterà un diverso tipo di fluido idraulico che non reagisca con il gas stesso e non lo contamini.

I notevoli vantaggi di tenuta del gas compresso associati al compressore volumetrico alternativo dell’invenzione rimangono salvaguardati anche in presenza di varianti o modifiche a quanto sopra descritto.

In figura 2 è rappresentato, ad esempio, uno stantuffo, 1Γ, nel cui mantello esterno sono ricavate, in prossimità della testa, due cavità anulari, 22’, pur rimanendo un’unica cavità anulare, 25’, di recupero del fluido idraulico. Anche le fasce elastiche, 24’, sono in numero diverso in questo esempio realizzativo; per motivi di ingombro è stata infatti adottata una sola fascia elastica superiormente alle due cavità 22’ ed è stata eliminata la fascia elastica posizionata inferiormente alla cavità 25’.

In un ulteriore esempio realizzativo dell’ invenzione, illustrato in figura 3, lo stantuffo, 11”, è accoppiato, per mezzo di una filettatura 31, ad una barra di connessione 32, vincolata all’altra sua estremità ad una biella, non rappresentata in figura. In questo caso lo stantuffo 11” prevede la presenza della sola cavità anulare 22”, alimentata dal condotto 26”; quindi, la parte di fluido idraulico che trafila verso la parte inferiore dello stantuffo termina nella camera inferiore del cilindro, 12”, e da questo viene recuperata mediante apposita canalizzazione e reimmessa nel circuito di adduzione e ricircolo, oppure potrà mescolarsi, se compatibile, con l’olio di lubrificazione presente nel vano dell’albero motore.

Ulteriori modifiche possono certamente riguardare il circuito di adduzione e ricircolo del fluido idraulico il quale, oltre ad essere alloggiato in una qualsiasi zona del compressore e contenere varie tipologie di componenti quali pompe, filtri o valvole, può anche essere portato in comunicazione con detta prima cavità anulare, 22, e con detta seconda cavità anulare, 25, per vie diverse rispetto alle aperture 28, 30, del cilindro 12.

Potrebbero, ad esempio, essere previsti canali di alimentazione del fluido alloggiati internamente al biellismo di movimentazione dello stantuffo 11, connessi poi alla cavità 22 per mezzo di ulteriori fori presenti nello stantuffo stesso e atti a porre in comunicazione la cavità 22 con il vano di alloggiamento della biella 13.

In questo modo si avrebbe l’ulteriore vantaggio di non dover limitare l’adduzione del fluido idraulico in detta prima cavità, 22, alle sole sezioni della corsa dello stantuffo in cui detta cavità 22 si presenta davanti alla apertura 28. L’alimentazione del fluido potrebbe infatti essere comandata, per via meccanica od elettronica, per ottenere la mandata di fluido in pressione nella cavità 22 per qualunque tratto della corsa dello stantuffo, garantendo così in modo ancor più sicuro la tenuta stagna dell’accoppiamento tra lo stantuffo stesso ed il cilindro. Certamente la mandata di fluido nella cavità 22, 22’, potrebbe aver luogo con valori di pressione diversi e adeguati a seconda delle applicazioni e del tipo di fluido. Anche i condotti di aspirazione e di mandata 15 e 20 e le relative valvole 16 e 19 potrebbero differire da quelli schematicamente rappresentati nelle figure 1 e 3.

In particolare le valvole potrebbero essere a lamelle o di altre tipologie della tecnica nota o di nuova concezione.

Altre modifiche o varianti possono essere apportate al trovato pur rimanendo nell'ambito di protezione definito dalle rivendicazioni seguenti.

Claims (1)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1 - Stantuffo per compressori volumetrici alternativi comprendenti almeno un cilindro all’ interno del quale scorre con moto alternativo detto stantuffo, destinato alla compressione di fluidi gassosi, in particolare gas idrogeno o sue miscele, contenuti in una camera di compressione ricavata tra detto cilindro, detto stantuffo e la testata di detto compressore, caratterizzato dal fatto di comprendere, nel proprio mantello esterno, almeno una prima cavità anulare atta ad essere riempita con un fluido idraulico, detto fluido interponendosi tra detto stantuffo e detto cilindro in modo utile a garantire la tenuta del gas contenuto in detta camera di compressione. 2 - Stantuffo (11) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto fluido idraulico è costituito da olio ionico o fluido equio valente. 3 - Stantuffo (11) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto di comprendere, nel proprio mantello esterno (23), almeno una seconda cavità anulare (25), detta seconda cavità anulare essendo atta a raccogliere il fluido idraulico eventualmente trafilato da detta prima cavità anulare (22). 4 - Stantuffo (11) secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere, nel proprio mantello esterno (23), ulteriori cave di alloggiamento di fasce elastiche (24) di tenuta e/o raschia- olio. 5 - Stantuffo (11) secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto di comprendere, nel proprio mantello esterno (23), almeno una cava di alloggiamento di un segmento elastico (24) di tenuta superiormente a detta prima cavità anulare (22). 6 - Compressore volumetrico alternativo (10) di gas o vapori caratterizzato dal fatto di comprendere almeno uno stantuffo (11) secondo una delle rivendicazioni precedenti ed almeno un circuito atto all’adduzione di fluido idraulico verso detta almeno una prima cavità anulare (22) di detto stantuffo (11). 7 - Compressore volumetrico alternativo (10) secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detto cilindro (12) è provvisto di un’apertura (28) atta a porre in comunicazione detta prima cavità anulare (22) di detto stantuffo (11) con detto circuito di adduzione di fluido idraulico. 8 - Compressore volumetrico alternativo (10) secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detta almeno una prima cavità anulare (22) è posta in comunicazione con detto circuito di adduzione di fluido idraulico per mezzo di canali alloggiati nel biellismo di movimentazione di detto stantuffo (11) e nello stantuffo (11) medesimo. 9 - Compressore volumetrico alternativo (10) secondo la rivendicazione 6, 7 o 8 caratterizzato dal fatto che detta seconda cavità anulare (25) è portata in comunicazione, dalla corsa di detto stantuffo (11), con un circuito (29) atto al ricircolo di detto fluido idraulico. 10 - Compressore volumetrico alternativo e relativo stantuffo sostanzialmente come descritti ed illustrati nelle tavole di disegno allegate e per gli scopi specificati.