ITVI20040005U1 - Azionamento meccanico con camma a raggio vettore proporzionale al carico per la trasformazione di un moto rotatorio alternativo uniforme in un moto rettilineo alternativo vario con il piu' basso possibile consumo di energia - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per modello di utilità avente per titolo:

" Azionamento meccanico con camma a raggio vettore proporzionale al carico per la trasformazione di un moto rotatorio alternativo uniforme in un rhoto rettilineo alternativo vario con il più basso possibile consumo di energia”

Il presente modello di utilità concerne un azionamento meccanico per valvola a spillo regolatrice della portata di fluido termico attraverso il circuito e/o radiatore di un impianto di climatizzazione, dove il moto rotatorio uniforme alternativo fornito da un motoriduttore elettrico viene trasformato, con il più basso possibile consumo di energia, tramite una camma ed un pulitone di spinta con cuscinetto antiattrito, in un moto rettilineo vario ritàrdato proporzionale al carico crescente nel ciclo di chiusura della valvola e vario accelerato nel ciclo di apertura.

Negli impianti di climatizzazione, quando si voglia regolare la temperatura ambiente in singoli locali a livelli variabili secondo una prestabilita programmazione oraria e non si voglia utilizzare apparecchiature che richiedono collegamenti elettrici esterni, l’unica soluzione possibile è quella di utilizzare servocomandi autonomi, alimentati da batterie in corrente continua, che vengono direttamente installati sui circuiti e/o sulle valvole dei radiatori termici e possono essere comandati da regolatori compatti ( integrati nello stesso involucro del servocomando ) oppure da regolatori remoti dotati di trasmettitori senza fili. In detto contesto, uno dei principali problemi che si presenta è quello di assicurare la più lunga autonomia possibile delle batterie che alimentano il servocomando, al fine di evitare frequenti ed onerosi interventi di sostituzione e/o ricarica.

Per raggiungere lo scopo è indispensabile disporre di un azionamento in grado di ottimizzare l'utilizzo di motoriduttori elettrici che, compatibilmente cbn la forza necessaria per far aprire e chiudere la valvola secondo le necessità di regolazione, presentino il più basso possibile consumo di energia.

Nei servocomandi di tipo tradizionale alimentati da rete, e quindi non condizionati dalla necessità di bassi consumi elettrici, la conversione del moto rotatorio in moto rettilineo viene realizzata utilizzando :

- l’azionamento a “pignone e cremagliera”, meccanicamente caratterizzato dal fatto di fornire un moto rettilineo dotato di velocità e forza costanti dall'inizio alla fine della corsa e quindi, dalla derivante necessità di dover disporre di un motoriduttore elettrico dimensionato per la massima forza che è effettivamente necessaria solo nella fase di completa chiusura della valvola e, di fatto, assolutamente esuberante nelle àltre condizioni d’impiego;

- l’azionamento a Vite” che, oltre a quanto già detto per il precedente azionamento, presenta una maggiore perdita di energia per attrito; - gli azionamenti cbn “biella e manovella” , con “eccentrico a collare” , con “camma eccentrica tradizionale”, che convertono meccanicamente il moto rotatorio in moto rettilineo con forza variabile e moto accelerato e ritardato non proporzionali al carico.

Da quanto anzidetto risulta evidente che questi azionamenti noti non sono idonei allo scopo e che, se si vuole ridurre al minimo indispensabile il consumo di energia elettrica del motoriduttore, necessita disporre di uno specifico azionamento meccanico in grado di assicurare una forza crescente proporzionalmente alla crescita del carico nella corsa di chiusura della valvola e, per converso, in grado di sfruttare positivamente, durante la corsa di apertura, la forza accumulata dalla molla antagonista.

Scopo del presente trovato è quindi quello di realizzare un ideale azionamento meccanico che, assicurando le necessarie prestazioni, consenta al motoriduttore elettrico di funzionare in modo ottimizzato, con una coppia di uscita ideale, per avere il più basso possibile consumo di energia.

Il presente trovato viene qui di seguito ulteriormente chiarito in una sua preferita forma di calcolo e di pratica realizzazione, riportata a scopo puramenté esemplificativo e non limitativo, dove, con riferimento alle tavole di disegno allegate :

la figura 1 della tavola 1 rappresenta, con simbologia mista e schematicamente, una valvola a spillo, dotata di controllo e servocomando, con l’azionamento e l’otturatore nella posizione di tutta apertura;

la figura 2 della tavola 1 rappresenta la stessa valvola a spillo con l’azionamento e l’otturatore nella posizione di tutta chiusura;

la tavola 2 rappresenta lo schema grafico con corrispondente relazione di proporzionalità utilizzabile per il calcolo della forza richiesta al motoriduttore elettrico e per il calcolo del raggio vettore della camma;

la tavola 3 rappresenta lo schema grafico dell’andamento dei carichi rilevati per ogni frazione di corsa dello stelo/otturatore dalla condizione di valvola tutta aperta alla condizione di valvola tutta chiusa, con indicata la corsa, determinata dalla camma, per ogni settore angolare di azionamento ;

la tavola 4 rappresenta il disegno meccanico della camma con raggio vettore proporzionale, suddivisa in settori di 15°, ottenuta sulla base dei calcoli che verranno successivamente descritti.

Con riferimento alla tavola 1, una “valvola a spillo” per l’intercettazione dell flusso idraulico, è sostanzialmente composta da : un corpo valvola (101), uno stelo (102), scorrevole in apposita sede, alla cui estremità è solidalmente fissato l’otturatore di flusso (103), una molla antagonista (104) che viene compressa, accumulando energia, nella corsa di chiusura e decompressa, cedendo energia, nella corsa di apertura.

Su qualsiasi tipo di dette “valvole a spillo”, può essere montato un qualsiasi servocomando elettrico (111), genericamente delimitato dal riquadro tratteggiatp, dove possono essere alloggiati :

- l’azionamento meccanico, sostanzialmente composto da un motoriduttore elettrico bidirezionale (121) avente in uscita un alberino (122) che fornisce il moto rotatorio alternativo ad una camma (131), la quale, tramite un puntone di spinta (132) scorrevole in apposita sede (134) e dotato di cuscinetto antiattrito (133), trasforma il moto rotatorio alternativo della ca mma in un moto rettilineo, di tipo vario ritardato con forza proporzionale al carico crescente nella corsa di chiusura della valvola e, vario accelerato, nella corsa di apertura;

- un regolatore elettronico (141), dotato o meno di programmazione autonoma, che comanda il motoriduttore (121), essendo dotato o meno di quanto necessario per la ricetrasmissione a distanza dei dati e dei comandi;

- una o più batterie (151), ricaricabili o meno, che forniscono l’alimentazione in corrente continua al regolatore (141) e al motoriduttore (121).

Con riferimento alla tavola 2, la camma con raggio vettore proporzionale al carico, oggetto del presente trovato, può essere considerata alla stregua di un piano inclinato dove la forza vettoriale “F” agisce parallelamente alla base “b”.

In equilibrio, la folta vettoriale “F" si comporta, rispetto al carico “Q”, come l’altezza “h" del piano inclinato rispetto alla sua linea di base “b”. Quanto detto viene espresso dalla seguente relazione di proporzionalità :

L’obiettivo dei calcoli che di seguito andremo a sviluppare è principalmente quello di determinare l’esatto dimensionamento della camma (131) con raggio vettore proporzionale al carico, oggetto del presente trovato, è di calcolare la forza strettamente necessaria al motoriduttore elettrico (121) per assicurare l’azionamento nei tempi di escursione previsti con il più basso possibile consumo di energia.

Per ottenere questo dichiarato scopo, si procede seguendo un prestabilito metodo, come di seguito dettagliatamente esposto . a) Si individua la “valvola a spillo”, di produzione specifica e/o disponibile in commercio, sulla quale si intende montare il generico servocomando (111).

b) Si installa detta valvola a spillo su uno specifico circuito idraulico di prova, in grado di simulare le reali condizioni idrodinamiche di esercizio e, con l'ausilio di un apposito sistema di spinta e di misura, si rileva il carico gravante sullo stelo (102) per ogni frazione di 0,1 mm di corsa, dalla posizione di valvola tutta aperta a valvola tutta chiusa. c) Dalle rilevazioni effettuate, risultano subito evidenti il valore della corsa rettilinea “Sht” dello stelo (102), che risulta essere di 2,5 mm ed il carico rilevato, dà Q1 a Q26, per ciascuna frazione di corsa. I dati così rilevati vengono anche utilizzati per produrre il grafico dei carichi e della corsa (tavole 3) che verrà progressivamente aggiornato ed utilizzato secondo i calcoli di volta in volta sviluppati.

d) Da dati rilevati ài ricava il valore del carico medio “Qm” :

e) Con riferimento ai dati disponibili, si decide che la camma dovrà svolgere tutta la sua azione con una corsa angolare “a” di 210° e che il raggio vettore “rv” verrà calcolato per ogni singolo settore di 15° angolari, ovvero per 14 settori.

f) Da una valutazione meccanica di progetto, si decide di assegnare alla camma un valore del raggio vettore di origine “rvO” di 4,0 mm (corrispondente a valvola tutta aperta) .

g) Si calcola il raggio vettore medio della camma “rvm” :

h) Si calcola la circonferenza media della camma “bm” :

i) Applicando la relazione di proporzionalità, di cui alla tavola 2, si calcola la forza media vettoriale di equilibrio “Fm” :

j) Si calcola la coppia vettoriale media di equilibrio “d” :

k) Alla coppia C1 vengono sommate la coppia “C2” persa per attrito dall’azionamento (Sperimentalmente rilevata in 0,2 Kgmm) e la coppia “C3” utile all’azionamento (10% di C1 e quindi 0,27 Kgmm), per ottenere la coppia “C4” che deve essere effettivamente disponibile in uscita sull’alberino (122) del riduttore.

l) A questo puntai note le modalità di regolazione (numero giornaliero e durata degli impulsi On/Off di comando) è possibile scientemente identificare il motoriduttore elettrico con coppia e velocità di uscita ideali allo scopo, ovvero, quello che, con un leggero margine operativo di sicurezza, potrà avere i più bassi possibili consumi di energia. m) Per poter progettare meccanicamente la camma (131) è necessario calcolare il raggio vettore “ rv “ corrispondente a ciascuno dei 14 settori angolari previsti, per cui, noto il valore dei carichi da Q1 a Q26, applicando la relazione di proporzionalità di cui alla tavola 2, utilizzando il grafibo di tavola 3 e le regole riportate nella tabella riassuntiva di cui al successivo paragrafo m9), è possibile calcolare progressivamente tutti gli elementi necessari allo scopo, che verranno di volta in volta riportarli nel grafico della tavola 3 e nella tabella riassuntiva m9) in modo da renderli disponibili per i successivi calcoli. A titolo di esempio e per meglio chiarire, procediamo al calcolo degli elementi riferiti al settore angolare numero 1 :

m1) dal grafico di tavola 3 rileviamo i due valori di carico “Q” successivi a “Sh0” ied eseguiamo il calcolo del carico medio “QS1” :

m2) noti il valore del raggio vettore di origine “rvO” (paragrafo T) e di “CI” (paragrafo “j"), eseguiamo il calcolo della forza vettoriale “F1" operativa sulla camma :

m3) noto il valore di “rvO”, eseguiamo il calcolo della circonferenza “b1" del primo settore dì 15° :

m4) applicando la relazione di proporzionalità della tavola 2 , eseguiamo il calcolo dell’ alzata “hi” del raggio vettore :

m5) calcoliamo il vàlore progressivo della corsa lineare “Sh1” :

m6) calcoliamo infine il valore ricercato del raggio vettore “rv1” da assegnare alla camma :

m7) Similmente a quanto operato per il settore numero 1, si opererà per tutti gli altri settori fino al numero 14.

m8) Con riferimento al grafico di tavola 3 ed alla tabella riassuntiva di cui al successivo paragrafo m9), dai calcoli ultimi effettuati risulta che il valore “Sh14” non è ancora sufficiente ad assicurare la completa chiusura della valvola che si ottiene con “Sht” (paragrafo“c”) pari a 2,5 mm. Per ottenere quanto necessario è pertanto sufficiente aggiungere alla camma un aitilo settore di 15° (settore numero 15) e completare i calcoli, come precedentemente fatto per tutti gli altri settori.

m9) Tabella riassuntiva :

n) Noti tutti i valori settoriali del raggio vettore “rv” della camma è possibile procedere alla realizzazione del corrispondente disegno meccanico raccorciato, così come riprodotto nella tavola 4.

Con le stesse regole e modalità suesposte, nelle mutevoli condizioni di impiego, sarà possibile progettare azionamenti, con camma a raggio vettore proporzionale al carico, aventi specifiche caratteristiche nella trasformazione di un moto rotatorio uniforme in un moto rettilineo vario ritardato e vario accelerato allo scopo finale di ottenere la forza strettamente necessaria con il massimo possibile risparmio di energia.

Il presente trovato è stato illustrato e descritto in una sua preferita forma di realizzazione, ma si intende che varianti esecutive potranno ad esso in pratica apportarsi, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione del pregente brevetto per modello di utilità.

Claims (7)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Azionamento meccanico per valvola a spillo regolatrice della portata di fluido termico attraverso il circuito e/o radiatore di un impianto di climatizzazione, dove il moto rotatorio uniforme alternativo fornito da un motoriduttore elettrico (121) viene trasformato, con il più basso possibile consumo di energia, tramite una camma (131) ed un puntone di spinta (132) con cuscinetto antiattrito (133), in un moto rettilineo vario ritardato proporzionale al carico crescente, nel ciclo di chiusura della valvola, e vario accelerato nel Ciclo di apertura .
2. 2. Azionamento secondo la rivendicazione 1 principalmente caratterizzato dal fatto di comprendere una camma (131) con raggio vettore matematicamente predeterminabile per ottenere, durante la corsa di chiusura della valvola, sul puntone (132) e sullo stelo della valvola (102), un moto rettilineo vario ritardato con forza crescente proporzionale al carico crescente per effetto della progressiva compressione della molla antagonista (104) e del progressivo aumento della spinta idrodinamica che si manifesta sull’otturatore (103).
3. 3. Azionamento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere un puntone (132) dotato di cuscinetto antiattrito (133) che, durante la corsa di apertura della valvola e in conseguenza del carico gravante sullo stelo (102), è in grado di sfruttare l’energia accumulata dalla molla antagonista (104), esercitando sulla camma (131) una forza rettilinea, parzialmente convertita in forza vettoriale, che contribuisce alla riduzione dell’assorbim ento elettrico del motoriduttore (121).
4. 4. Azionamento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il puntone di spinta (132) è preferibilmente dotato di un rullo o cuscinetto antiattrito (133), ma potrebbe anche esserne sprovvisto oppure potrebbe essere dotato di un qualsivoglia altro meccanismo antiattrito.
5. 5. Azionamento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che lo stess o può essere dotato o meno di controllo integrato meccanico e o elettronico di fine corsa e/o inversione di corsa del motoriduttore (121)
6. 6. Azionamento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il servoc amando (111) che lo ricomprende può essere dotato o meno di un apparato integrato di regolazione (141) in grado di comandare in modo programmabile e/o automatico l’apertura e chiusura della valvola a spillo.
7. 7. Azionamento meccanico per valvole a spillo regolatrici della portata di fluido termico attraverso il circuito e/o radiatori di un impianto di climatizzazione, secondo le rivendicazioni da 1 a 6 e sostanziai me nte come illustrato e descritto.