VÁLVULA DE GLOBO CON MODULACIÓN DE PRECISIÓN Campo de la invención La presente Invención se refiere a una válvula de globo para control volumétrico de flujo de fluido a través de un conducto. Más específicamente, la presente invención se refiere a una válvula de globo, que tiene un tapón de válvula único que proporciona modulación esencialmente sin ráfagas del flujo de fluido desde el inicio del flujo hasta una carrera máxima. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las válvulas de globo típicamente incluyen un macho de válvula que es móvil hacia y lejos de un asiento de válvula formado en la compuerta de válvula, entre una entrada de fluido y una salida de fluido. El movimiento del macho de válvula típicamente se controla por un accionador, tal como una manija o algún otro tipo de sistema de accionamiento controlado en forma remota. Con una válvula de globo típica, el flujo de fluido a través de la válvula se modula al variar el espaciamiento entre el diámetro exterior del macho de válvula y el diámetro interior de la compuerta de válvula. El área de espaciamiento entre el diámetro exterior del macho de válvula y el diámetro interior de la compuerta de válvula está en el rango desde un valor mínimo a un valor máximo. Aunque una válvula de globo es capaz de proporcionar control de flujo de precisión sobre casi todo el rango de la carrera o recorrido del macho, existen limitaciones cerca del extremo inferior de la válvula de flujo. Las limitaciones de una válvula de globo a bajos valores de flujo, primordialmente se deben al hecho de que el flujo inicial a través de una válvula de globo ante movimiento del macho de la válvula lejos de la compuerta de válvula, ocurre alrededor de toda la superficie circunferencial entre el macho de válvula y la compuerta de la válvula. Ya que tanto la compuerta de la válvula como el macho de la válvula tienen tolerancias diametrales, conforme el macho de la válvula recorre alejándose de la compuerta de válvula, el flujo de líquido inmediatamente topa con un cierto valor controlable mínimo, determinado por la tolerancia combinada del macho de la válvula y la compuerta de la válvula. Por lo tanto, válvulas de globo actualmente disponibles no pueden proporcionar la precisión deseada, a bajos valores de flujo y de esta manera no califican para este uso. La proporción del flujo totalmente especificada de una válvula al flujo controlado inicial, se refiere como el "rango de control o controlabílidad de la válvula". Entre más alto sea el valor de rango de control, mejor será el sistema de control en operar para proporcionar el gasto de flujo deseado. Típicamente, válvulas en una familia diseñadas para bajos gastos de flujo tienen el más bajo rango de control. Cuando se utiliza esta válvula, el sistema de control tiene dificultad en lograr requerimientos de estabilidad y precisión sobre los gastos de flujo requeridos, especialmente a bajos gastos de flujo. De acuerdo con esto, actualmente hay necesidad por una válvula de globo que proporciona control volumétrico preciso a bajos gastos de flujo y superior rango de control. Adicionalmente, hay necesidad por una válvula de globo que substancialmente elimina la "ráfaga" al inicio del flujo de fluido a través de la válvula para incrementar el rango de control efectivo de la válvula. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La presente invención a una válvula de globo con modulación de precisión, que esencialmente crea modulación sin ráfagas de flujo de fluido desde el inicio del flujo a través de un recorrido máximo. La válvula de globo de la presente invención, de esta manera incrementa ei "rango de control" de la válvula al proporcionar un control más preciso a bajos gastos de flujo. La válvula de globo con modulación de precisión de la presente invención, incluye un macho de válvula que es móvil sobre el eje de flujo longitudinal de la compuerta de válvula colocada entre un pasaje de entrada y un pasaje de salida. El movimiento del macho de válvula dentro de la compuerta de válvula controla el flujo de fluido a través de la compuerta de válvula desde la entrada de la válvula de globo a la salida de la válvula de globo. La compuerta de la válvula de globo incluye un miembro de sello, tal como un anillo tórico elastomérico, colocado sobre la pared interior de la compuerta de válvula. El miembro de sello se proyecta desde la pared interior de la compuerta de válvula y acopla la superficie exterior del macho, cuando el macho de válvula se coloca dentro de la compuerta de válvula. Específicamente, el miembro de sello proporciona un sello hermético a fluido entre la superficie exterior del macho de válvula y la compuerta de válvula, para evitar el flujo de fluido sobre la superficie exterior del macho de válvula. El macho de válvula en general incluye una superficie exterior cilindrica dimensionada para ser recibida dentro de la compuerta de válvula. El macho de válvula incluye cuando menos un canal para modulación de flujo rebajado desde la superficie exterior del macho de válvula. El canal para modulación de flujo proporciona una trayectoria de flujo para que el fluido pase entre el miembro de sello a la compuerta de válvula y el macho de válvula. El canal para modulación de flujo se extiende desde un extremo de flujo mínimo a un extremo de flujo máximo. El canal para modulación de flujo se construye de manera tal que el área en sección transversal del canal para modulación de flujo rebajada desde la superficie exterior de otra forma cilindrica del macho de válvula, se incrementa desde el extremo de flujo mínimo del canal al extremo de flujo máximo del canal. De esta manera, conforme el macho de válvula se mueve respecto al miembro de sello estacionario colocado en la compuerta de válvula desde una posición cerrada a una posición totalmente abierta, el flujo de fluido desde el pasaje de entrada al pasaje de salida, se incrementa. En una primer modalidad de la invención, el canal para modulación de flujo incluye una superficie de cara plana, rebajada desde la superficie exterior del macho de válvula. La superficie de cara plana está en ángulo hacia adentro, de manera tal que el canal de modulación de flujo se incrementa tanto en profundidad como en ancho desde el extremo de flujo mínimo al extremo de flujo máximo. En forma alterna, el canal para modulación de flujo puede incrementarse solo en ancho o solo en profundidad respecto a la superficie exterior del macho de válvula desde el extremo de flujo mínimo al extremo de flujo máximo. En cada caso, el área en sección transversal radial rebajada del canal para modulación de flujo se incrementa desde el extremo de flujo mínimo al extremo de flujo máximo de canal. El macho de válvula además incluye un anillo de sello que contacta un asiento formado en la compuerta de válvula para ayudar adicionalmente en evitar flujo de fluido cuando el macho de válvula está en la posición totalmente cerrada. El anillo de sello formado en el macho de válvula no se requiere, pero además ayuda para evitar flujo de fluido cuando el macho de válvula está en la posición completamente cerrada. Diversas otras características, objetivos y ventajas de la invención serán aparentes de la siguiente descripción, que se toma en conjunto con los dibujos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos ilustran el mejor modo actualmente contemplado para llevar a cabo la invención. En los dibujos: La Figura 1 es una vista en sección parcial de la válvula de globo con modulación de precisión de la presente invención, que utiliza un macho de válvula que tiene cuando menos un canal para modulación de flujo; La Figura 2 es una vista en sección amplificada que ¡lustra la compuerta de válvula entre la entrada y la salida de la válvula de globo con modulación de precisión; La Figura 3 es una vista adicional amplificada que se toma sobre la línea 3-3 de la Figura 2, que ilustra la compuerta de válvula y el miembro de sello insertado; La Figura 4 es una vista frontal del macho de válvula y el vástago de válvula conectado que se utiliza para mover el macho de válvula entre una posición abierta y una posición cerrada; La Figura 5 es una vista amplificada que se toma sobre la línea 5-5 de la Figura 4, que ilustra uno de los canales de modulación de flujo formados en la superficie exterior del macho de válvula; La Figura 6 es una vista lateral del macho de válvula que ilustra el canal para modulación de flujo rebajado; La Figura 7 es una vista en sección que se toma sobre la línea 7-7 de la Figura 6; La Figura 8 es una vista en perspectiva que ilustra un macho de válvula que tiene un canal para modulación de flujo sencillo;
La Figura 9 es una vista en perspectiva de un macho de válvula que tiene dos canales para modulación de flujo; La Figura 10 es una vista en perspectiva de un macho de válvula que tiene cuatro canales para modulación de flujo; La Figura 11 es una vista en perspectiva que ilustra un macho de válvula que tiene 8 canales para modular flujo; La Figura 12 es una vista en perspectiva de una modalidad alterna del macho de válvula de la presente invención; La Figura 13 es una vista en sección que se toma sobre la línea 13-13 de la Figura 12; La Figura 14a es una vista en sección parcial, que ilustra el macho de válvula en una posición parcialmente abierta en donde puede circular fluido más allá del miembro de sello a través del canal de modulación de flujo en el macho de válvula; La Figura 14b es una vista en sección parcial que ilustra el macho de válvula en una posición totalmente abierta; y La Figura 15 es una ilustración gráfica de las características de flujo de la válvula de flujo con modulación de precisión de la presente invención y una válvula de globo de la técnica previa. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Una válvula de control de tipo macho modulante, o válvula de globo 10, de la presente invención, en general se ilustra en la Figura 1. La válvula de globo 10 incluye un cuerpo de válvula 12 que define una abertura de entrada 14 para recibir un flujo de fluido. La abertura de entrada 14 suministra un flujo de fluido a un pasaje de entrada 16 que está en comunicación fluida con una compuerta de válvula 18. La compuerta de válvula 18 se extiende sobre un eje de flujo longitudinal y proporciona comunicación fluida entre el pasaje de entrada 16 y un pasaje de salida 20. El pasaje de salida 20 permite que el fluido circule afuera de una abertura de salida 22. Aunque no se ilustra en ia Figura 1, se contempla que la válvula de globo 10 también puede ser una válvula de mezclado de tres vías. La válvula de globo 10 incluye un montaje de valvulaje 24, que controla el flujo de fluido a través de la compuerta de válvula 18, desde el pasaje de entrada 16 al pasaje de salida 20. Específicamente, el montaje de valvulaje 24 incluye un macho de válvula 26 acoplado a un vástago de válvula 28, de manera tal que el macho de válvula 26 que es móvil sobre el eje longitudinal de la compuerta de válvula 18 entre una posición totalmente abierta (Figura 14b) y una posición totalmente cerrada (Figura 1), como se describirá con mayor detalle a continuación. El cuerpo de válvula 15 y la válvula de globo. 10 de la presente invención son particularmente convenientes para controlar el flujo de un fluido, tal como vapor, agua o aire, en un sistema HVAC electromagnético subacuático o hidrónico (no mostrado) aunque se contemplan otro usos dentro del alcance de la presente invención. Ahora con referencia a la Figura 3, la compuerta de válvula 18 incluye un asiento de válvula 30 que varía en diámetro radialmente hacia adentro desde un borde exterior hasta un borde interior 34. El asiento de válvula 30 define la superficie que recibe una porción del macho de válvula, como se describirá con mayor detalle a continuación. La compuerta de válvula 18 además incluye un canal 36 que está rebajado desde la pared interior de otra forma cilindrica 38. El canal 36 se extiende alrededor de toda la pared interior cilindrica 38 y se dimensiona para recibir un miembro de sello 40. En la modalidad preferida de la invención, el miembro de sello 40 es un anillo tórico elastomerico que tiene un espesor ligeramente más grande que el ancho del canal 36. Como puede verse en la Figura 3, el miembro de sello 40 se proyecta radialmente hacia adentro desde la pared interior cilindrica 38, de manera tal que cuando el macho de válvula se mueve a través de la compuerta de válvula 18, el miembro de sello 40 contacta la superficie exterior del macho de válvula y se comprime entre el macho de válvula y la compuerta de válvula 18 para proporcionar un sello entre ellos. Ahora con referencia a la Figura 4, se ilustra el montaje de valvulaje 24 de la presente invención. Como se discutió, el montaje de valvulaje 24 incluye un macho de válvula 26 sujeto a un vástago de válvula 28. Como se ilustra en la Figura 1 , el macho de válvula 26 se coloca dentro de la compuerta de válvula 18 para controlar el flujo de fluido a través de la compuerta de válvula 18. Ahora con referencia a la Figura 5, el macho de válvula 26 es un miembro generalmente cilindrico que tiene un cuerpo principal 42, que se extiende sobre un eje longitudinal entre un primer extremo 44 y un segundo extremo 46. Específicamente, el cuerpo principal 42 se define por una superficie exterior cilindrica 48 que tiene diámetro constante desde el primer extremo 44 al segundo extremo 46. El segundo extremo de cuerpo de válvula 46 incluye una superficie de borde ahusado 50. El primer extremo 44 del cuerpo de válvula se coloca adyacente a un canal rebajado 52. El canal rebajado 52 como puede verse claramente en la Figura 7, se dimensiona para recibir un anillo de sello 54 como se ¡lustra instalado en la Figura 4.
De nuevo con referencia a la Figura 5, el canal rebajado 52 se coloca entre el primer extremo 44 y una tapa de extremo con diámetro expandido 56. La tapa de extremo 56 tiene un diámetro ligeramente más grande que el diámetro de la compuerta de válvula 18, para evitar el paso del macho de la válvula a través de la compuerta de válvula 18. En la modalidad preferida de la invención, todo el macho de válvula 16 se forma de metal, aunque se contempla otros materiales. Como puede verse en la Figura 1 , el miembro de sello 40, cuando se coloca en el canal 36 de la compuerta de válvula 18, contacta la superficie exterior 48 del macho de válvula 26 para evitar el flujo de fluido más allá del macho de válvula 26. Las propiedades flexibles del miembro de sello 40 compensan variaciones en tolerancia entre la compuerta de válvula 18 y la superficie exterior del macho de válvula 26. De nuevo con referencia a la Figura 5, el macho de válvula 26 incluye cuando menos un canal de modulación de flujo 58 formado sobre la superficie exterior 48 del macho de válvula 26. El canal para modulación de flujo 58 se rebaja radialmente desde la superficie exterior de otra forma cilindrica 48, de manera tal que el canal para modulación de flujo 58 permite que pase fluido entre el miembro de sello 40 y la superficie exterior 48 del macho de válvula, cuando el macho de válvula 26 se mueve desde la posición totalmente cerrada (Figura 1) a una posición parcialmente abierta, como se ilustra en la Figura 14a. De acuerdo con la modalidad preferida mostrada, el único flujo desde el pasaje de entrada 16 al pasaje de salida 20 a través de la compuerta de válvula 18 es a través del canal para modulación de flujo 58. El canal para modulación de flujo 58 proporciona un gasto de flujo controlado y preciso, en comparación con una válvula de globo típica en donde el flujo de fluido se controla por el flujo diametral alrededor de la superficie exterior del macho de válvula. Como puede verse en las Figuras 5 y 6, el canal para modulación de flujo 58 se extiende desde un extremo de fluido mínimo 60 a un extremo de flujo máximo 62. Como se ilustra en las Figuras 5 y 6, la distancia A entre el extremo de flujo mínimo 60 del canal 58 y el primer extremo 44 del cuerpo principal 42, define un área de sello 65. El ancho A del área de sello 85 se elige de manera tal que el miembro de sello 40 pueda acoplar toda la superficie superior 58 del macho de válvula 26 en la posición totalmente cerrada. Cuando el macho de válvula 26 está en la posición totalmente cerrada, como se ¡lustra en la Figura 1, el miembro de sello 40 evita el flujo de fluido sobre la superficie exterior 48 del macho de válvula 26. En la modalidad de la invención ¡lustrada en las Figuras 5 y 6, el canal para modulación de flujo 58 incluye una superficie de cara plana 64 que incrementa en ancho desde el extremo de flujo mínimo 70 al extremo de flujo máximo 72. Como se ilustra, el extremo de flujo máximo 62 tiene un ancho B. En la modalidad de la invención ilustrada, el ancho del canal B es 6.400 mm (0.252"), mientras que el diámetro del macho de válvula es 17.78 mm (0.70"). Como se ilustra en la Figura 6, la superficie de cara posterior 64 forma ángulo radialmente hacia adentro respecto a la superficie exterior 48 a un ángulo alfa. En la modalidad preferida de la invención, el ángulo alfa es 3o, aunque se contemplan otros ángulos dependiendo del rango de gastos de flujo requeridos. De esta manera, tanto el ancho B como la profundidad del canal para modulación de flujo 68 se incrementa desde el extremo de flujo mínimo 80 al extremo de flujo máximo 62.
Aunque el canal para modulación de flujo 58 mostrado en las Figuras 5 y 6, se incrementa tanto en ancho como en profundidad, es significante que el área en sección transversal radial del canal para modulación de flujo que se rebaja desde la superficie exterior 48 se incrementa desde el extremo de flujo mínimo 60 al extremo de flujo máximo 62. El incremento en el área en sección transversal radial del canal para modulación de flujo 58 puede crearse al incrementar el ancho del canal de modulación de flujo, incrementar la profundidad del canal para modulación de flujo o una combinación de los dos. En cada caso, el área en sección transversal radial del canal para modulación de flujo 52 que se rebaja desde la superficie exterior 48, controla la cantidad de fluido que puede circular más allá del miembro de sello 40 en la compuerta de válvula. Conforme el macho de válvula 26 se mueve de la posición cerrada mostrada en la Figura 1 a una posición abierta mostrada en la Figura 14b, el macho de válvula 26 se mueve hacia abajo sobre el eje longitudinal de la compuerta de válvula 18 respecto al miembro de sello estacionario 40. Conforme el macho de válvula 26 se mueve en esta dirección, el extremo de flujo mínimo 60 del cana] para modulación de flujo 58 pasa por debajo del miembro de sello 40. Conforme el macho de válvula 26 continua moviéndose, el canal para modulación de flujo 38 crea un espacio incrementado entre el miembro de sello 40 y la superficie exterior 48 del macho de válvula 26. El área abierta incrementada entre el canal para modulación de flujo 58 y el miembro de sello 40 desde el extremo de flujo mínimo 70 al extremo de flujo máximo 62, permite que el gasto de flujo del fluido se incremente conforme el macho de válvula 26 se mueve desde la posición cerrada a la posición totalmente abierta.
De nuevo con referencia a la Figura 1, cuando el macho de válvula 16 está en su posición cerrada, el anillo de sello 54 colocado en el macho de válvula 56 contacta el asiento de válvula 30 para evitar adicionalmente el flujo de fluido más allá del macho de válvula 26. Sin embargo, habrá de entenderse que el anillo de sello 54 no se requiere de acuerdo con la presente invención, ya que el miembro de sello 40 proporciona el sello requerido alrededor de la superficie exterior del macho de válvula 26, para evitar el flujo de fluido cuando el macho de válvula 26 está en su posición cerrada. Ahora con referencia a las Figuras 8 a 11, se ilustran varios machos de válvula 26 empleados para proporcionar diferentes gastos de flujo entre el pasaje de flujo de entrada y el pasaje de flujo de salida. En la modalidad ¡lustrada en la Figura 8, un solo canal de modulación de flujo 58 se forma sobre la superficie exterior 48. Para propósitos ilustrativos y comparativos solamente, una válvula de globo que utiliza este macho de válvula puede ser capaz de un gasto de flujo cerca de 0.10 Cv. La Figura 9 ilustra un macho de válvula 26a que tiene un par de canales para modulación de flujo 58 colocados a 180° entre sí sobre la superficie exterior 48. El macho de válvula 26 ilustrado en la Figura 9 es capaz de gastos de flujo cerca de 0.20 Cv, doble el gasto de flujo posible con el macho de válvula 26. La Figura 10 ilustra un macho de válvula 26c que tiene cuatro canales para modulación de flujo 58, cada uno colocado 90° entre sí. El macho de válvula 26c ilustrado en la Figura 10 permite gastos de flujo cerca de 0.40 Cv, cuatro veces el gasto de flujo del diseño ilustrado en la Figura 8. La Figura 11 ilustra un macho de válvula 26d que tiene 8 canales para modulación de flujo 58. Los canales para modulación de flujo 58 mostrados en la Figura 11 permiten que el macho de válvula 26d produzca un valor nominal de 0.80 Cv, que es cinco veces el gasto de flujo del macho de válvula 26 ilustrado en la Figura 8. Como puede entenderse por la descripción anterior, el incrementar el número de canales para modulación de flujo 58 sobre la superficie exterior 48 del macho de válvula 26 incrementa ei gasto de flujo del macho de válvula 26. El número de canales para modulación de flujo 58 está dictado por el tamaño de los canales de modulación de flujo y ei diámetro del macho de válvula, como puede entenderse. Ahora con referencia a la Figura 12, se ilustra una configuración alterna para el macho de válvula, como se refiere por el número 66. El macho de válvula 66 mostrado en la Figura 12 incluye al menos cuatro canales para modulación de flujo 58 formados en la superficie exterior de otra forma cilindrica 48. En la modalidad de la invención ilustrada en la Figura 12, los canales para modulación de flujo 58 cada uno son una ranura que tiene un ancho constante que se extiende desde el extremo de flujo mínimo 60 al extremo de flujo máximo 62. Como la modalidad ilustrada en las Figuras 5 y 6, el área en sección transversal radial rebajada del canal para modulación de flujo 58 se incrementa desde el extremo de flujo mínimo 60 al extremo de flujo máximo 62. En la modalidad de la Figura 12, la profundidad de los canales para modulación de flujo 58 se define por una superficie posterior rebajada 63 y se incrementa desde ei extremo de flujo mínimo 60 al extremo de flujo máximo 62. Ahora con referencia a la Figura 13, la profundidad del canal para modulación de flujo 58, como se define por la superficie posterior 63, se incrementan desde el extremo de flujo mínimo 60 al extremo de flujo máximo 62. En la modalidad de la Figura 12, el canal para modulación de flujo 58 se maquina en la superficie exterior 48. La profundidad incrementada del canal para modulación de flujo 58 proporciona gastos de flujo similares a la modalidad de la Figura 5, ya que el área rebajada del canal para modulación de flujo 58 se incrementa casi a la misma velocidad que el incremento en el área rebajada de la modalidad ilustrada en la Figura 5. Además de las modalidades discutidas y mostradas en las figuras, se contempla por los inventores que otra modalidad alterna puede construirse en donde el canal para modulación de flujo 58 tiene una profundidad constante y un ancho creciente desde el extremo de flujo mínimo al extremo de flujo máximo. En este caso, el área en sección transversal del canal para modulación de flujo de nuevo se incrementará desde el extremo de flujo mínimo al extremo de flujo máximo. La Figura 15 ilustra las características de flujo de una válvula de flujo de la técnica previa y la válvula de flujo con modulación de precisión de la presente invención. Como se ilustra, la válvula de globo de la técnica previa, representada por las líneas punteadas 70, tiene una ráfaga distinta en gasto de flujo a una distancia de recorrido o de carrera muy baja, como se ilustra por la línea punteada entre cero y el número de referencia 72. En la válvula de globo de la técnica previa, la válvula típicamente se diseña para gastos de flujo ubicados por el punto 72. De esta manera, el rango de control de la válvula de la técnica previa, se determina por la característica de flujo mínima de aproximadamente 0.5 Cv a un gasto de flujo máximo de 4.4 Cv. La línea sólida 76 ilustra las características de flujo de la válvula de globo con modulación de precisión de la presente invención. Como se ilustra en la Figura 15, las características de flujo se extienden bien más allá de 0.2 Cv, de manera tal que rango de controi de la válvula se ha incrementado efectivamente. El rango de control incrementado proporciona una modulación de flujo más precisa a bajos gastos Cv. Diversas alternativas y modalidades se contemplan dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones, señalando particularmente y reclamando distintivamente la materia considerada como la invención.