IT201900012552A1

IT201900012552A1 - Valvola per fluidi a due zone a pressioni uguali con elemento di controllo in lega a memoria di forma

Info

Publication number: IT201900012552A1
Application number: IT102019000012552A
Authority: IT
Inventors: Marco Citro; Stefano Alacqua; Stefano Mattia Franceschinis
Original assignee: Getters Spa
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2021-01-22
Also published as: KR102633586B1; EP3788285A1; EP3788285B1; WO2021013836A1; KR20220035909A; CN113966445A; US11754057B2; US20220205434A1; JP7480273B2; JP2022542873A

Description

VALVOLA PER FLUIDI A DUE ZONE A PRESSIONI UGUALI CON ELEMENTO DI CONTROLLO IN LEGA A MEMORIA DI FORMA

La presente invenzione in un primo aspetto è inerente ad una valvola fluidica con elemento di controllo in lega a memoria di forma (SMA).

I gruppi attuatori e i sistemi di azionamento che impiegano fili in lega a memoria di forma sono conosciuti da tempo e si stanno diffondendo sempre più grazie ai recenti sviluppi che ne migliorano l’affidabilità e la robustezza che permettono di sfruttare appieno i loro vantaggi intrinseci, come la compattezza, la facilità di integrazione. Ad esempio, la domanda di brevetto internazionale WO 2016/156283 a nome della richiedente si riferisce ad una serratura con attuatore di emergenza, il brevetto europeo numero 2615951 a nome della richiedente descrive un sistema di azionamento per una valvola installata in un distributore automatico multi-bevande, il brevetto europeo 2171183 a nome della richiedente descrive un attuatore con una gamma ampliata di temperature di esercizio, la domanda di brevetto internazionale WO 2015/150377 descrive un elemento di azionamento in un elettrodomestico.

In tutti questi dispositivi vengono sfruttate le caratteristiche di una lega a memoria di forma (SMA), in particolare la proprietà del materiale SMA di essere caratterizzato da una transizione strutturale tra due fasi, vale a dire la cosiddetta fase Martensite, stabile a una temperatura inferiore, e la cosiddetta fase Austenite, stabile a una temperatura superiore. Una lega a memoria di forma è caratterizzata da quattro temperature Mf, Ms, As, Af dove Mf è la temperatura al di sotto della quale la lega a memoria di forma è completamente nella fase Martensite, cioè ha una struttura martensitica, mentre Af è la temperatura al di sopra della quale la lega a memoria di forma è completamente nella fase Austenite, cioè ha una struttura austenitica, e Ms, As sono le temperature alle quali inizia la transizione nelle due direzioni.

I fili fatti di una lega a memoria di forma, noti anche come fili SMA, possono essere addestrati a cambiare forma quando la temperatura cambia da sotto Mf a sopra Af, e viceversa. La lavorazione e l’addestramento dei fili SMA sono procedure ampiamente conosciute nel settore, come esemplificato dal documento "Shape Memory Alloy Training Tutorial" che risale alla sezione di addestramento "ME559 - Smart Materials and Structures" dell’autunno 2004.

È inoltre noto che i fili SMA iniziano ad accorciarsi ad una temperatura pari o superiore alla temperatura di Austenite iniziale As e raggiungono la loro lunghezza finale quando vengono riscaldati ad una temperatura pari o superiore alla temperatura di Austenite finale Af. L’accorciamento controllato del filo in lega a memoria di forma, solitamente mediante riscaldamento attraverso il passaggio di corrente (effetto Joule), viene utilizzato per spostare uno o più elementi nell’attuatore.

Uno dei campi di utilizzo più interessanti dei fili SMA è il controllo delle luci delle valvole nelle valvole fluidiche, come esemplificato nel brevetto US 4068820 che mostra un filo SMA che agisce su un diaframma per muovere uno stelo di apertura/chiusura. Sviluppi più recenti di valvole per fluidi sono riportati in EP 2239486 e in EP 3078890, entrambi documenti che affrontano il problema dell’equilibrio di pressione derivante dall’apertura o dalla commutazione della luce della valvola.

Come accennato, uno dei problemi più impegnativi nelle valvole azionate da SMA è la gestione della transizione di pressione quando la valvola cambia stato, in quanto questo può portare a forze di trazione o spinta (a seconda del posizionamento della luce della valvola) del pistone della valvola, portando così a variazioni incontrollate del flusso di uscita, specialmente nelle valvole proporzionali.

Lo scopo della presente invenzione è quello di fornire una soluzione diversa e migliore a tale problema tecnico, e in un primo aspetto consiste in una valvola fluidica comprendente una prima zona e una seconda zona separate da un’apertura sigillata da un elemento deformabile, dove nella prima zona vi è un filo di lega a memoria di forma fissato ad una superficie stazionaria e che agisce su una prima superficie dell’elemento deformabile direttamente o attraverso un pistone, e nella seconda zona vi sono almeno due luci e un otturatore, adatto a chiudere una di tali luci, che è collegato ad una seconda superficie dell’elemento deformabile opposta alla prima superficie, un bypass di fluido collegando la prima e la seconda zona.

L’invenzione sarà ulteriormente illustrata con l’aiuto delle seguenti figure, dove: - La figura 1 mostra una rappresentazione schematica in sezione trasversale di una prima realizzazione di una valvola fluidica secondo la presente invenzione,

- La figura 2 mostra una rappresentazione schematica in sezione trasversale di una seconda realizzazione di una valvola fluidica secondo la presente invenzione,

- La figura 3 mostra una vista in sezione trasversale schematica di una terza realizzazione di una valvola fluidica secondo la presente invenzione, e

- La figura 4 mostra una vista in sezione trasversale schematica di una quarta realizzazione di una valvola fluidica secondo la presente invenzione.

Per chiarezza, le dimensioni e i rapporti dimensionali delle varie parti indicate nei disegni possono essere stati alterati, con particolare e non esclusivo riferimento al diametro dei fili in lega a memoria di forma; inoltre, anche alcuni elementi non essenziali per la comprensione della presente invenzione non sono stati rappresentati nelle viste schematiche, ad esempio le crimpature dei fili in lega a memoria di forma, contatti elettrici, ecc.

La figura 1 mostra la sezione trasversale di una valvola 10 secondo una prima realizzazione. La valvola 10 ha un corpo valvola con due luci 11, 12, quest’ultima essendo chiudibile dalla parte terminale 161 di un otturatore 16 collegato ad un elemento deformabile 14 che lo aziona attraverso la propria deformazione. Quando l’otturatore 16 è in contatto con la luce 12 la valvola è chiusa, quando l’otturatore 16 sale la valvola viene aperta, inizialmente parzialmente e poi completamente una volta che l’otturatore 16 viene completamente allontanato dalla luce 12. Il posizionamento preciso dell’otturatore 16 consente il controllo proporzionale della valvola.

Il posizionamento verticale dell’otturatore 16 è controllato da un filo in lega a memoria di forma 15 collegato tra una superficie stazionaria 17 e l’elemento deformabile 14 in configurazione a V, cioè le sue estremità sono entrambe fissate alla superficie stazionaria 17 e la sua porzione mediana è collegata all’elemento deformabile 14.

La posizione dell’elemento deformabile 14 definisce due zone della valvola, e cioè una prima (I) sopra di esso comprendente la superficie stazionaria 17, il filo SMA 15 e la superficie superiore dell’elemento deformabile 14, e una seconda (II) sotto di esso comprendente le due luci della valvola 11, 12, l’otturatore 16 e la superficie inferiore dell’elemento deformabile 14. Una configurazione preferita per il rilevamento della posizione dell’otturatore 16 è costituita da un magnete 19 fissato all’otturatore 16 e da un sensore ad effetto Hall 18 montato sulla superficie stazionaria 17 (il feedback della posizione dell’otturatore è un aspetto di fondamentale importanza nel controllo proporzionale della valvola).

Per bilanciare la pressione durante l’azionamento della valvola 10, un canale di bypass 13 collega le due zone, il bypass 13 avendo una prima apertura 131 nella zona superiore I e una seconda apertura 132 nella zona inferiore II. La presenza del bypass 13 assicura che non ci sia pressione differenziale o più precisamente che la pressione sia rapidamente bilanciata tra la zona I e la zona II.

Se nella valvola mostrata in figura 1 non è presente alcun bypass, al momento dell’azionamento del filo SMA 15 l’otturatore 16 sale aprendo la luce 12 e di conseguenza si verifica una variazione di pressione nella zona II, che a seconda delle dimensioni della valvola e della portata può essere notevole. Ad esempio, se la luce 12 viene utilizzata come uscita e l’apertura della valvola provoca una caduta di pressione nella zona II, ciò comporterebbe una forza antagonista contro la trazione esercitata dal filo SMA 15, con lo svantaggio che sarebbe necessario applicare una maggiore potenza al filo SMA 15 per mantenere l’otturatore 16 sollevato nella posizione desiderata o, se viene applicata una potenza costante, con un abbassamento dell’otturatore 16 che potrebbe portare ad una diminuzione involontaria del flusso della valvola, che nei casi più gravi può anche portare alla chiusura involontaria della valvola.

È importante notare che nessun elemento di intercettazione è presente nel canale di bypass 13 o in corrispondenza di una delle sue aperture 131, 132, in quanto questa configurazione consente un bilanciamento automatico del differenziale di pressione tra le zone I e II.

La figura 2 mostra una rappresentazione schematica della sezione trasversale di una seconda realizzazione di una valvola 20 secondo la presente invenzione, in cui un filo SMA 25 è collegato tra una superficie stazionaria 27 e un punto centrale della superficie superiore di un elemento deformabile 24, che chiude un’apertura che separa una zona superiore I da una zona inferiore II.

In questa realizzazione un magnete 29 è montato sull’elemento deformabile 24 in modo da fornire, attraverso un sensore ad effetto Hall 28 montato sulla superficie stazionaria 27, un appropriato feedback sulla posizione di un otturatore 26 fissato alla superficie inferiore dell’elemento deformabile 24, che è una caratteristica importante nelle valvole proporzionali.

La figura 2 mostra una valvola normalmente chiusa, cioè il filo SMA 25 non è azionato e la parte terminale 261 dell’otturatore 26 sigilla una luce 22 della valvola, preferibilmente con l’uso di una guarnizione ad anello 220, impedendo così un flusso di fluido tra le due luci 21, 22. È da sottolineare che tale guarnizione 220 è opzionale e potrebbe essere assente in caso di "perfetto" accoppiamento dimensionale tra la luce 22 e il terminale 261, come ad esempio nella realizzazione della Figura 1. In alcuni casi, l’elemento 220 può essere un elemento che assolve anche una funzione di controllo del flusso, come un orificio calibrato. Il canale di bypass 23, con una prima apertura 231 nella prima zona della valvola e una seconda apertura 232 nella seconda zona della valvola, assicura il bilanciamento della pressione al momento dell’azionamento della valvola 20.

La figura 3 mostra una rappresentazione schematica della sezione trasversale di una terza realizzazione di una valvola 30 secondo la presente invenzione che è molto simile alla prima realizzazione ad eccezione del modo in cui il filo SMA agisce sull’elemento deformabile in modo tale che si tratta di una valvola normalmente aperta. Infatti, mentre il filo SMA 35 ha ancora una configurazione a V, con le estremità collegate ad una superficie stazionaria 37, la sua porzione mediana entra in contatto con una prima estremità di un pistone 36’ che si estende attraverso la superficie stazionaria 37 sostanzialmente perpendicolarmente alla superficie superiore dell’elemento deformabile 34, con la seconda estremità del pistone 36’ ad esso collegata e la sua prima estremità posta sul lato opposto della superficie stazionaria 37 rispetto all’elemento deformabile 34 (cioè verso l’alto in Fig.3). L’azionamento (e quindi l’accorciamento) del filo SMA 35 provoca la deformazione dell’elemento deformabile 34 attraverso l’abbassamento del pistone 36’, provocando l’abbassamento dell’otturatore 36 per chiudere, con la sua parte terminale 361, la luce 32 in modo da chiudere la valvola 30 a fine corsa.

Come nelle prime due realizzazioni, un canale di bypass 33 con due aperture terminali 331, 332 mette in comunicazione la zona II della valvola, contenente l’otturatore 36 e le luci 31 e 32, con la zona I della valvola, contenente il filo SMA 35 e il pistone 36’. Inoltre, un sensore ad effetto Hall 38 e un magnete 39 consentono il feedback di posizione dell’otturatore e quindi il controllo proporzionale della valvola. La figura 4 mostra una vista in sezione trasversale schematica di una quarta realizzazione di una valvola 40 secondo la presente invenzione che differisce dalla valvola 30 della terza realizzazione in quanto ha tre luci 41, 42, 42’ ricavate su lati opposti del corpo valvola e in quanto comprende un soffietto 44 come elemento deformabile che divide la valvola nelle due zone I, II. A differenza delle membrane (elementi deformabili delle figure 1-3) che sotto trazione o tiro cambiano la loro curvatura, il soffietto 44 sotto trazione o tiro si estende verticalmente all’interno della zona II.

Come nella terza realizzazione, un filo SMA 45 a V montato su una superficie stazionaria 47 impegna la parte superiore di un pistone 46’ che si estende attraverso la superficie stazionaria 47 sostanzialmente perpendicolarmente alla superficie superiore dell’elemento deformabile 44, con la parte inferiore del pistone 46’ ad essa collegato e la sua sommità situata sul lato opposto della superficie stazionaria 47 rispetto all’elemento deformabile 44. Si noti che in questo caso le superfici superiore ed inferiore dell’elemento deformabile sono considerate quelle della base del soffietto 44, in modo da mantenere concettualmente la disposizione orizzontale dell’elemento deformabile.

Sulla superficie inferiore del soffietto 44 è fissato un otturatore 46 che si estende orizzontalmente in modo da chiudere una luce della valvola ricavata in una parete laterale della valvola. Nella forma realizzativa raffigurata, il posizionamento verticale dell’otturatore 46 mette in comunicazione selettivamente e alternativamente una delle luci 42, 42’ della valvola con la luce 41, pertanto la valvola 40 è un esempio di valvola a tre vie.

La posizione verticale dell’otturatore 46 è determinata dallo stato azionato o non azionato del filo SMA 45, il vantaggio dell’uso di un soffietto è che con la propria struttura fornisce la forza di ritorno/richiamo in modo elastico una volta che il filo SMA 45 è disattivato (non riscaldato).

Il bypass 43 con le sue aperture 431 e 432 assicura il bilanciamento della pressione tra le zone I e II all’azionamento del filo SMA 45 e quindi la commutazione tra le luci 42 e 42’ della valvola. Anche in questo caso, un sensore ad effetto Hall 48 montato sulla superficie stazionaria 47 e un magnete 49 montato sul terminale 461 consentono un feedback sulla posizione dell’otturatore 46 per il controllo proporzionale, configurazione particolarmente utile nel caso di valvole miscelatrici.

Le valvole secondo la presente invenzione possono essere realizzate con diverse varianti, alcune delle quali sono già state illustrate con riferimento alle figure descritte, in particolare:

- Configurazioni dei fili SMA: tra le configurazioni più utili si utilizza un unico filo SMA, preferibilmente in forma diritta, con una delle sue estremità fissata alla superficie stazionaria e l’altra all’elemento deformabile, oppure alternativamente nelle configurazioni cosiddette a V/U, con entrambe le estremità del filo fissate alla superficie stazionaria e una porzione mediana fissata/collegata all’elemento deformabile;

- tipi di valvole: la valvola stessa può essere una semplice valvola on/off o una valvola proporzionale;

- luci della valvola: la valvola può essere una semplice valvola a 2 vie, con due luci corrispondenti all’ingresso e all’uscita (Figg.1-3), oppure può avere una configurazione più complessa con tre luci per formare una valvola a 3 vie (Fig.4) o anche più luci (a 4 vie, ...);

- elemento deformabile: l’invenzione non si limita ad uno specifico tipo di elemento deformabile, anche se quelli preferiti sono i soffietti e le membrane, in particolare le membrane ondulate;

- materiale dell’elemento deformabile: i materiali preferiti sono i metalli flessibili, anche se possono essere utilizzati anche plastica o silicone;

- feedback di posizione: anche se si preferisce l’uso di un sensore ad effetto Hall e di un magnete, si possono utilizzare altri mezzi come ad esempio il controllo della resistenza SMA;

- pistone e otturatore: in alcuni casi questi due elementi possono essere incorporati in uno solo e nel caso delle membrane la parte centrale di questo elemento comune è trattenuta dall’elemento deformabile per alterarne la curvatura;

- canale di bypass: il rapporto preferibile tra la sezione trasversale del canale di bypass e la sezione trasversale delle luci della valvola è compresa tra 0,1 e 1, questo assicura la migliore portata di bilanciamento del bypass rispetto alla portata complessiva della valvola.

Esempi di leghe a memoria di forma idonee ad essere utilizzate nelle valvole fluidiche secondo la presente invenzione sono le leghe a base di Ni-Ti come il Nitinol, con o senza elementi aggiuntivi scelti tra Hf, Nb, Pt, Cu. Il diametro dei fili SMA è compreso tra 25 µm e 500 µm.

Va notato che la descrizione delle forme di realizzazione sopra illustrate fa specifico riferimento ai disegni esemplari utilizzati per spiegarne la struttura e il funzionamento, ma è chiaro che la valvola può essere fatta funzionare con qualsiasi orientamento, cioè può essere ruotata sui 360°. Di conseguenza, tutti i termini relativi come "superiore", "inferiore", "verso l’alto", "abbassamento", ecc. potrebbero essere sostituiti dai termini opportuni a seconda dell’effettivo orientamento della valvola.

In un secondo aspetto, l’invenzione è inerente all’uso di una valvola come sopra descritto per il controllo del flusso di un fluido mediante un filo in lega a memoria di forma.

Le valvole della presente invenzione, pur essendo applicabili al controllo di qualsiasi flusso idoneo, sono per lo più vantaggiose quando applicate a fluidi quali acqua, olio o fluido refrigerante (ad esempio il cosiddetto R410a) o più in generale con tutti i fluidi che possono cambiare il proprio stato nelle valvole di evaporazione/condensazione, in quanto la zona di evaporazione/condensazione è limitata alla zona II mentre il filo SMA risiede nella zona I.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Una valvola fluidica (10; 20; 30; 40) comprendente una prima zona (I) e una seconda zona (II) separate da un’apertura sigillata da un elemento deformabile (14; 24; 34; 44), in cui in detta prima zona (I) è presente un filo in lega a memoria di forma (15; 25; 35; 45) fissato ad una superficie stazionaria (17; 27; 37; 47) e agente su una prima superficie di detto elemento deformabile (14; 24; 34; 44) direttamente o attraverso un pistone (36’; 46’), in detta seconda zona (II) vi sono almeno due luci (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42, 42’) ed un otturatore (16, 26, 36, 46) collegato ad una seconda superficie dell’elemento deformabile (14; 24; 34; 44), opposta a detta prima superficie, ed idoneo a chiudere una di dette porte (12; 22, 32; 42, 42’), caratterizzata dal fatto che un canale di bypass (13; 23; 33; 43) collega permanentemente la prima zona (I) alla seconda zona (II) attraverso una prima apertura di estremità (131; 231; 331; 431) posizionata nella prima zona (I) e una seconda apertura di estremità (132; 232; 332; 432) posizionata nella seconda zona (II).
2. Una valvola fluidica (10; 20) secondo la rivendicazione 1, in cui il filo in lega a memoria di forma (15; 25) è direttamente collegato alla prima superficie dell’elemento deformabile (14; 24) o nella sua porzione mediana in configurazione a V o ad un’estremità.
3. Una valvola fluidica (30; 40) secondo la rivendicazione 1, in cui il filo in lega a memoria di forma (35; 45) è disposto in una configurazione a V tale che la sua parte mediana impegna una prima estremità di un pistone (36’; 46’) che si estende attraverso la superficie stazionaria (37; 47) sostanzialmente perpendicolarmente alla prima superficie dell’elemento deformabile (34; 44), con la seconda estremità del pistone (36’; 46’) collegata ad essa e la sua prima estremità situata sul lato opposto della superficie stazionaria (37; 47) rispetto all’elemento deformabile (34; 44).
4. Una valvola fluidica (10; 20; 30; 40) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elemento deformabile è scelto tra soffietti (44) e membrane (14; 24; 34), preferibilmente membrane ondulate.
5. Una valvola fluidica (10; 20; 30; 40) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elemento deformabile (14; 24; 34; 44) è in metallo.
6. Una valvola fluidica (10; 20; 30; 40) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra la sezione trasversale del canale di bypass (13; 23; 33; 43) e la sezione trasversale delle luci (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42, 42’) è compresa tra 0,1 e 1.
7. Una valvola fluidica (10; 20; 30; 40) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il diametro del filo in lega a memoria di forma (15; 25; 35; 45) è compreso tra 25 µm e 500 µm.
8. Uso di una valvola fluidica secondo una delle rivendicazioni precedenti per controllare un flusso di fluido, nel quale tale flusso è scelto tra acqua, olio o fluido refrigerante.
9. Uso secondo la rivendicazione 8, in cui la valvola fluidica è una valvola di evaporazione o una valvola di condensazione.