ES2909118T3 - Válvula reductora de presión con cierre - Google Patents

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Abstract

Una válvula reductora de presión (100) que comprende: (a) un conjunto de válvula que define una trayectoria de flujo desde una entrada (11) hasta una salida (45); (b) una disposición de estrangulación que forma parte de dicha trayectoria de flujo, dicha disposición de estrangulación que comprende un tubo desplazable (51) que tiene un reborde, dicho tubo desplazable que puede desplazarse con respecto a una superficie de cierre de un tapón (2) entre una posición totalmente abierta en la que dicho reborde está separado de dicha superficie de cierre de modo que dicha trayectoria de flujo esté abierta, dicha trayectoria de flujo que pasa entre dicho reborde y dicha superficie de cierre y a través de dicho tubo desplazable, y una posición cerrada en la que dicho reborde se cierra contra dicha superficie de cierre de modo que dicha trayectoria de flujo esté sustancialmente bloqueada; (c) un resorte (6) que actúa para desplazar dicho tubo desplazable a dicha posición totalmente abierta; (d) una cámara de control (54) que incluye al menos una superficie de pistón accionada por presión (5) integrada y que circunscribe dicho tubo (51) de manera que la presión dentro de dicha cámara de control (54) actúa para desplazar dicho tubo desplazable (51) contra dicho resorte (6) hacia dicha posición cerrada; caracterizada porque la válvula reductora de presión comprende además (e) un circuito de control hidráulico conmutable en conexión de fluidos con dicha entrada, dicha salida y dicha cámara de control, dicho circuito de control hidráulico conmutable que se configura para asumir: (i) un primer estado en el que una presión dentro de dicha cámara de control (Pc) se iguala con una presión de salida (P2), de manera que un equilibrio entre la presión de la cámara de control y la fuerza de dicho resorte logra la regulación de la presión de salida, y (ii) un segundo estado en el que la presión dentro de dicha cámara de control (PC) se iguala con una presión de entrada (P1), lo que supera de esta manera la fuerza de dicho resorte para cerrar la válvula.

Description

DESCRIPCIÓN
Válvula reductora de presión con cierre
Campo y antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a una válvula reductora de presión y, en particular, se refiere a una válvula reductora de presión con función de cierre.
Se conoce proporcionar válvulas reductoras de presión para regular la presión proporcionada a un dispositivo, en particular para dispositivos que tienen requisitos específicos de suministro de presión para un funcionamiento adecuado. Un ejemplo de un dispositivo de este tipo es un sistema de rociadores. En varios casos, también es necesario proporcionar una funcionalidad de encendido/apagado controlable eléctricamente. El documento US2012/0285557 A1 describe una válvula reductora de presión con una funcionalidad de cierre de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Resumen de la invención
La presente invención se refiere a una válvula reductora de presión con función de cierre de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
La invención se describe en la presente descripción, solo a manera de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en donde:
La Figura 1 es una representación esquemática de una primera implementación de una válvula reductora de presión, construida y operativa de acuerdo con una modalidad de la presente invención, que emplea una válvula piloto de tres vías;
La Figura 2 es una representación esquemática de una variante de implementación de una válvula reductora de presión, construida y operativa de acuerdo con una modalidad de la presente invención, que emplea una válvula piloto de dos vías;
La Figura 3 es una vista isométrica de una válvula reductora de presión, construida y operativa de acuerdo con una modalidad de la presente invención, que emplea una válvula piloto de tres vías;
La Figura 4 es una vista en sección transversal axial tomada a lo largo de un eje central de la válvula de la Figura 3 desde la entrada hasta la salida;
La Figura 5 es una vista axial de la válvula de la Figura 3 tomada a lo largo del eje de entrada, con vistas parciales de la sección transversal en las regiones etiquetadas como 'A' y 'B' tomadas a lo largo de las líneas 'A' y 'B' de la Figura 4;
La Figura 6 es una vista isométrica en corte de la válvula de la Figura 3 cortada a lo largo de un plano axial central entre la entrada y la salida ya lo largo de la línea indicada como 'A' en la Figura 4; y
La Figura 7 es una vista isométrica de un soporte de laberinto de la válvula de la Figura 3, visto desde un lado aguas abajo del soporte.
Descripción de las modalidades preferidas
La presente invención es una válvula reductora de presión con función de cierre.
Los principios y el funcionamiento de las válvulas de acuerdo con la presente invención pueden comprenderse mejor con referencia a los dibujos y la descripción adjunta.
Con referencia colectiva a los dibujos, una válvula reductora de presión 100 incluye un conjunto de válvula que define una trayectoria de flujo desde una entrada 11 hasta una salida 45. Una disposición de estrangulamiento forma parte de la trayectoria del flujo. La disposición de estrangulación incluye un elemento de estrangulación desplazable (tubo del pistón 51) desplazable entre una posición totalmente abierta (hacia la derecha como se muestra) en la que la trayectoria de flujo está abierta y una posición cerrada (desplazada hacia la izquierda) en la que la trayectoria de flujo está sustancialmente bloqueada por el cierre del elemento de estrangulamiento desplazable contra un tapón de sellado 2. La frase "sustancialmente bloqueado" en este contexto típicamente se refiere al bloqueo suficiente para reducir cualquier flujo residual en al menos dos órdenes de magnitud en relación con el régimen de flujo cuando la válvula está completamente abierta. Un resorte 6 actúa para desviar el elemento de estrangulación desplazable a la posición totalmente abierta. Una cámara de control 54 incluye al menos una superficie accionada por presión (lado derecho de un pistón 5) asociada mecánicamente con el elemento de estrangulación desplazable de manera que la presión dentro de la cámara de control 54 actúa para desplazar el elemento de estrangulación desplazable contra la desviación del resorte 6 hacia la posición cerrada.
La válvula es preferentemente conmutable de manera remota al cambiar el estado de un circuito de control hidráulico conmutable que está en conexión fluida con la entrada 11, la salida 45 y la cámara de control 54. El circuito de control hidráulico conmutable asume:
(i) un primer estado en el que una presión Pe dentro de la cámara de control se iguala con una presión de salida P2 , y
(ii) un segundo estado en el que la presión dentro de la cámara de control Pc se iguala con una presión de entrada P1.
Cuando Pc = P2 , el estrangulamiento ocurre de una manera conocida para las válvulas reductoras de presión de acción directa, lo que equilibra la presión de salida contra la fuerza del resorte para mantener la presión de salida alrededor de un valor predeterminado y sin requerir control externo o accionamiento.
Cuando Pc = P1, se aplica toda la presión de entrada para desplazar el elemento de estrangulamiento desplazable hacia su posición completamente cerrada, lo que supera la desviación del resorte 6 y bloquea de esta manera el flujo y apaga la válvula. Cuando se requiera un sellado completo, se puede proporcionar un sello de elastómero 22 para asegurar un sellado completo en el cierre. En aplicaciones donde la fuga lenta a través de la válvula es aceptable para el estado "apagado", el cierre de los elementos rígidos entre sí puede ser suficiente.
El uso de una sola cámara de control 54 tanto para la regulación de reducción de presión como para la función de cierre de la válvula hace que las estructuras de válvula propuestas sean particularmente compactas y estructuralmente simples.
Lo más preferible, es la conmutación del circuito de control hidráulico accionado eléctricamente, típicamente mediante el uso de una válvula piloto controlada por solenoide, para conmutar entre el primer y el segundo estado. De acuerdo con una primera opción, ilustrada esquemáticamente en la Figura 1, la conmutación se realiza directamente mediante el uso de una válvula piloto de tres puertos 7 que conecta alternativamente la cámara de control 54 a la presión de salida o a la presión de entrada. La conmutación es accionada por un circuito de control adecuado, que forma parte de un sistema de control (no mostrado), como se conoce bien en la técnica, y puede incluir un controlador local o cableado de cualquier otra manera que incluye un circuito y/o uno o más procesadores configurados para implementar un programa de conmutación preestablecido, o trabajar junto con otros sensores o componentes de control como parte de un sistema de control más complejo. Adicional o alternativamente, el sistema de control puede incluir componentes de comunicación para vincular el controlador a una red de área local y/o una red de área amplia para implementar el control remoto de la válvula desde otra ubicación en la red, ya sea de manera automática o manual. El sistema de control de la presente invención es esencialmente similar al que se usa en los sistemas convencionales y, por lo tanto, no se describirá en la presente descripción con más detalle.
De acuerdo con otra opción particularmente preferida ilustrada esquemáticamente en la Figura 2, y en una modalidad ilustrativa más detallada en las Figuras 3-5B, la conmutación del circuito de control hidráulico entre el primer y el segundo estado se logra a través de una válvula piloto de encendido/apagado de dos puertos 71, lo que hace que la válvula piloto y el actuador de la válvula piloto sean particularmente simples, confiables y de bajo costo. El principio operativo del circuito de control hidráulico de acuerdo con este enfoque se comprende mejor con referencia a la Figura 2.
Específicamente, el circuito de control hidráulico como se muestra aquí incluye una restricción de flujo 42 desplegada dentro de una trayectoria de flujo del circuito de control que se interconecta entre la conexión de fluido a la entrada 11 y la cámara de control 54, mientras que la válvula de encendido/apagado 7 controla una interconexión de fluido entre la cámara de control 54 y la conexión de fluido a la salida 45. Como un resultado, cuando la válvula está abierta, el bucle de control hidráulico define un flujo de bucle abierto desde una región de presión de entrada a una región de presión de salida. Dado que la restricción de flujo 42 está diseñada para ser la impedancia de flujo principal en ese bucle, el flujo a través del bucle de control se estabiliza en un régimen de flujo (muy pequeño) cuando la caída de presión a través de la restricción de flujo es sustancialmente igual a la diferencia de presión entre la entrada y la salida. ("Sustancialmente igual" en este contexto se refiere al seguimiento de la diferencia de presión suficiente para proporcionar el efecto de regulación de presión mencionado, pero no excluye la posibilidad de algún grado de retraso en la aproximación a la igualación de presión y/o alguna diferencia de presión residual en una escala de hasta aproximadamente el 5 % de la diferencia de presión entre las presiones de entrada y salida). Como un resultado, la cámara de control 54, ubicada aguas abajo de la restricción de flujo, se mantiene efectivamente a la presión de salida P2, lo que proporciona de esta manera la función de regulación de reducción de presión deseada. Cuando la válvula piloto 7 se conmuta a su estado de interrupción del flujo, lo que evita el flujo hacia la región de salida, la presión dentro del circuito de bucle de control hidráulico ahora sin salida se iguala rápidamente a través de la restricción del flujo, lo que lleva de esta manera la presión Pc dentro del volumen de control 54 a la presión de entrada P1, lo que da como resultado el corte del flujo, como se describió anteriormente.
Sería posible lograr un resultado similar mediante el uso de una disposición inversa donde la restricción de flujo 42 estaría ubicada en la trayectoria de flujo entre el volumen de control 54 y la salida, y la válvula piloto de dos puertos se desplegaría en la trayectoria de flujo entre la entrada y el volumen de control. En esta disposición inversa, sería el estado abierto de la válvula de control el que correspondería al estado "apagado" de la válvula, y el bucle de control generaría una fuga lenta a través de la válvula a través de la restricción de flujo 42. Por esta razón, generalmente se considera preferible tener la configuración que se ilustra aquí, donde la restricción de flujo está aguas arriba del volumen de control y la válvula está aguas abajo.
Aunque se ilustra aquí en un ejemplo no limitante de una válvula piloto accionada por solenoide de tres o dos puertos, quedará claro que pueden usarse otras modalidades de control de válvula piloto para implementar la invención, tal como, por ejemplo, una válvula piloto accionada hidráulicamente o una válvula de control conmutable manualmente.
Modalidad preferida ilustrativa
Otros detalles de una implementación ilustrativa particularmente preferida de una válvula de acuerdo con los principios de funcionamiento de la Figura 2 se ilustran en las Figuras 3-7. En este caso, la restricción de flujo se implementa como un laberinto 42, y la trayectoria de flujo del circuito de control incluye, secuencialmente, una configuración de filtro proporcionada por un conjunto de ranuras 24, una cámara de amortiguación 25 para reducir la turbulencia en el agua que ha pasado por el filtro y para permitir la sedimentación de cualquier sólido antes de llegar al laberinto, y el laberinto 42.
Con referencia particularmente a la Figura 4, la carcasa exterior de la válvula 100 aquí se forma principalmente a partir de un cierre de válvula 1, que proporciona una entrada roscada 11, que está en acoplamiento roscado con una base de la válvula 4, que proporciona una salida roscada 45. La regulación de la presión se logra mediante un movimiento deslizante de un pistón 5 que se desliza en contacto de sellado con un cilindro 41 de la base 4, sellado por una junta tórica 91. El movimiento del pistón 5 está gobernado por el equilibrio de fuerzas entre la presión en una cámara de control 54 que actúa contra la fuerza en un elemento de resorte 6, preferentemente un resorte de compresión helicoidal.
La estrangulación del flujo a través de la válvula 100 se logra mediante el movimiento deslizante de un borde de cierre (reborde) 52 de un tubo del pistón 51 integrado con el pistón 5, a medida que el reborde se mueve hacia y desde una superficie de cierre 22 (opcionalmente un sello elástico) del tapón de sellado 2. El tapón de sellado 2 se mantiene en su lugar mediante una serie de nervaduras 23 que suspenden el tapón de sellado en relación con un anillo de guía de flujo 21 que forma parte de las vías de flujo 12 desde la entrada 11 hasta el cilindro del pistón 41. Para alimentar la presión de entrada al bucle de control, varias ranuras de filtro 24 formadas en el anillo de guía de flujo 21 permiten la salida de una pequeña parte filtrada del flujo a una cámara anular de amortiguación 25, donde se reduce la turbulencia y cualquier pequeña partícula sólida arrastrada tiende a depositarse. El agua se alimenta desde la cámara de amortiguación 25 a través de un paso de flujo 32 a la entrada de un laberinto 42. El laberinto se muestra aquí formado por una serie de deflectores 39 soportados por un soporte de laberinto 3 para apoyar superficies adyacentes de la base de la válvula 4, como se ve mejor en las Figuras 5 (región 'A'), 6 y 7, a fin de definir una trayectoria de flujo serpenteante larga y delgada que se extiende anularmente alrededor de la estructura de la válvula. La Figura 7 muestra el soporte de laberinto 3 desde el lado de aguas abajo. Un pasaje alargado 43 a través del cuerpo de la válvula 4 define una salida del laberinto 42 que se conecta a través de la cámara de la válvula de solenoide 72 y un pasaje de conexión 44 a la cámara de control 54. La cámara de la válvula de solenoide 72 también se conecta a través del orificio de la válvula de solenoide 8 y el paso de drenaje 81 a la trayectoria de flujo de salida cerca de la salida 45. El émbolo del solenoide 71 es desplazado selectivamente por el solenoide para abrir o sellar el orificio 8.
Un conjunto de juntas tóricas 91, 92, 93, 94, 95 y 96 proporcionan sellos entre los diversos componentes, donde los sellos 91, 92 y 93 son sellos deslizantes y los sellos 94, 95 y 96 son sellos estáticos. Un orificio de ventilación (no mostrado) permite preferentemente la ventilación del volumen que contiene el resorte 6 a la atmósfera.
Funcionamiento de la modalidad preferida
El flujo de agua ingresa a la entrada de la válvula 11, fluye a través del tubo del pistón 51 y sale de la válvula a través de la salida 45. Durante la operación normal de flujo abierto, la presión aguas arriba P1 se reduce a una presión de salida deseada a medida que el agua fluye a través del pasaje entre el sello del tapón 22 y el cierre del pistón 52 (reborde). Una fuerza preestablecida del resorte 6 acciona el pistón 5 para abrir la válvula, que se equilibra con la presión aguas abajo P2 que actúa sobre el pistón 5 para cerrar la válvula.
La regulación de la presión se logra cuando la fuerza del resorte 6 y la fuerza del pistón 5 alcanzan el equilibrio. Si la presión aguas abajo P2 aumenta, la fuerza del pistón 5 prevalece sobre la carga del resorte 6 y la válvula reduce la presión aguas abajo P2, y viceversa.
Funcionamiento del bucle de flujo de control:
El flujo del bucle de control comienza cuando el agua entra en las ranuras estrechas y ventiladas hacia afuera 24 que actúan como un filtro grueso. Desde las ranuras de filtro 24, el agua ingresa a la cámara de amortiguación 25, luego pasa a través del pasaje 32 al laberinto 42, a través del cual la presión cae desde la presión aguas arriba P1 a la presión aguas abajo P2 (preestablecida).
El laberinto 42 define una trayectoria de flujo larga y turbulenta F que logra la reducción de presión requerida mediante el uso de un canal relativamente grande (en comparación con una impedancia de flujo equivalente lograda mediante el uso de una restricción de flujo capilar), lo que minimiza así los riesgos de obstrucción. Desde el laberinto 42, el agua fluye a través del pasaje alargado 43 hacia la cámara de solenoide 72 y hacia la cámara de control 54 a través del pasaje 44. Las nervaduras de tope del pistón 53 aseguran que la cámara de control 54 nunca se vacíe por completo.
Siempre que el émbolo del solenoide 71 permanezca en su posición abierta, retirada, lejos del orificio 8, el agua sangrará hacia el conducto de salida aguas abajo 45 a través del paso de drenaje del orificio 81, de modo que la presión en la cámara del solenoide 72 y la cámara de control 54 caiga a la presión aguas abajo P2. La válvula 100 regula entonces la presión P2 como se describió anteriormente.
Cuando se acciona el émbolo del solenoide 71 para cerrar el orificio 8, el flujo de agua a través del bucle de control se detiene y la presión en la cámara del solenoide 72 y la cámara de control 54 aumenta desde la presión dinámica aguas abajo P2 a la presión estática aguas arriba P1. Por lo tanto, la fuerza sobre el pistón 5 aumenta más allá del modo de regulación, y la válvula es accionada a su posición cerrada, cuando el cierre 52 es presionado contra el tapón de sellado 22.
Lista de nomenclatura:
1 Cierre de válvula
2 Tapón de sellado
3 Soporte de laberinto
4 Cuerpo de la válvula
5 Pistón
6 Resorte
7 Válvula piloto de solenoide
8 Orificio de la válvula de solenoide
11 Conducto de entrada de la válvula
12 Vías de entrada de la válvula
21 Anillo de guía de flujo
22 Tapón de sellado, opcionalmente con tapón de sellado elástico (no se muestra)
23 Nervadura
24 Ranura de filtro
25 Cámara de amortiguación
31 Guía de pistón
32 Paso de flujo
39 Deflectores
41 Cilindro del pistón
42 Laberinto
43 Pasaje alargado
44 Pasaje de conexión
45 Conducto de salida de la válvula
51 Tubo del pistón
52 Cierre (reborde del tubo del pistón)
53 Nervaduras de tope del pistón
54 Cámara de control
71 Émbolo de solenoide
72 Cámara de la válvula de solenoide
81 Paso de drenaje del orificio del solenoide
91, 92, 93, 94, 95, 96 Sellos de junta tórica
P1 Presión aguas arriba (entrada)
P2 Presión aguas abajo (salida)
Aunque se describió e ilustró anteriormente en el contexto de una implementación basada en un pistón, quedará inmediatamente claro para una persona con experiencia ordinaria en la técnica que la cámara de control 54 puede implementarse alternativamente mediante el uso de una estructura basada en un diafragma, donde la presión de control Pc actúa sobre un diafragma que se une mecánicamente con el elemento de estrangulación desplazable. Los principios de funcionamiento y los detalles del bucle de control hidráulico siguen siendo los descritos anteriormente.
Se apreciará que las descripciones anteriores están destinadas solo a servir como ejemplos, y que muchas otras modalidades son posibles dentro del alcance de la presente invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Una válvula reductora de presión (100) que comprende:
(a) un conjunto de válvula que define una trayectoria de flujo desde una entrada (11) hasta una salida (45); (b) una disposición de estrangulación que forma parte de dicha trayectoria de flujo, dicha disposición de estrangulación que comprende un tubo desplazable (51) que tiene un reborde, dicho tubo desplazable que puede desplazarse con respecto a una superficie de cierre de un tapón (2) entre una posición totalmente abierta en la que dicho reborde está separado de dicha superficie de cierre de modo que dicha trayectoria de flujo esté abierta, dicha trayectoria de flujo que pasa entre dicho reborde y dicha superficie de cierre y a través de dicho tubo desplazable, y una posición cerrada en la que dicho reborde se cierra contra dicha superficie de cierre de modo que dicha trayectoria de flujo esté sustancialmente bloqueada;
(c) un resorte (6) que actúa para desplazar dicho tubo desplazable a dicha posición totalmente abierta;
(d) una cámara de control (54) que incluye al menos una superficie de pistón accionada por presión (5) integrada y que circunscribe dicho tubo (51) de manera que la presión dentro de dicha cámara de control (54) actúa para desplazar dicho tubo desplazable (51) contra dicho resorte (6) hacia dicha posición cerrada; caracterizada porque la válvula reductora de presión comprende además
(e) un circuito de control hidráulico conmutable en conexión de fluidos con dicha entrada, dicha salida y dicha cámara de control, dicho circuito de control hidráulico conmutable que se configura para asumir:
(i) un primer estado en el que una presión dentro de dicha cámara de control (Pc) se iguala con una presión de salida (P2), de manera que un equilibrio entre la presión de la cámara de control y la fuerza de dicho resorte logra la regulación de la presión de salida, y
(ii) un segundo estado en el que la presión dentro de dicha cámara de control (Pc) se iguala con una presión de entrada (P1), lo que supera de esta manera la fuerza de dicho resorte para cerrar la válvula.
2. La válvula reductora de presión (100) de la reivindicación 1, en donde dicho circuito de control hidráulico se configura para ser accionado eléctricamente para conmutar entre dicho primer y segundo estado.
3. La válvula reductora de presión (100) de la reivindicación 1, en donde la conmutación de dicho circuito de control hidráulico entre dicho primer y segundo estado se logra a través de una válvula piloto de tres puertos (7).
4. La válvula reductora de presión (100) de la reivindicación 1, en donde la conmutación de dicho circuito de control hidráulico entre dicho primer y segundo estado se logra a través de una válvula piloto de encendido/apagado de dos puertos (71).
5. La válvula reductora de presión (100) de la reivindicación 4, en donde dicho circuito de control hidráulico comprende una restricción de flujo (42) desplegada dentro de una trayectoria de flujo del circuito de control que se interconecta entre dicha conexión de fluidos a dicha entrada (11) y dicha cámara de control (54), y en donde dicha válvula de apertura/cierre controla una interconexión de fluidos entre dicha cámara de control (54) y dicha conexión de fluidos a dicha salida (45).
6. La válvula reductora de presión (100) de la reivindicación 5, en donde dicha restricción de flujo se implementa como un laberinto.
7. La válvula reductora de presión (100) de la reivindicación 6, en donde dicha trayectoria de flujo del circuito de control incluye, secuencialmente, una configuración de filtro (24), una cámara de amortiguación (25) y dicho laberinto (42).
8. La válvula reductora de presión (100) de la reivindicación 6 o 7, en donde dicho laberinto define una trayectoria de flujo serpenteante que se extiende anularmente alrededor de la válvula.
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