ITRE20130017A1 - Valvola elettromagnetica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“ VALVOLA ELETTROMAGNETICA “

Il presente trovato riguarda una valvola elettromagnetica comprendente:

- un cannotto tubolare sostanzialmente interamente di materiale ferromagnetico, che definisce una camera interna di sezione circolare, contenente fluido in pressione, - un nucleo fisso di materiale ferromagnetico, posto internamente al cannotto, solidale a questo,

- un nucleo mobile di materiale ferromagnetico, atto ad azionare un elemento di valvola, scorrevole assialmente entro la camera interna del cannotto, con moto di avvicinamento ed allontanamento rispetto al nucleo fisso,

- un solenoide induttore collegato ad una sorgente di corrente elettrica, che si avvolge attorno al cannotto nella zona ove sono poste le due porzioni reciprocamente affacciate dei nuclei fisso e mobile,

- il solenoide, quando percorso da corrente elettrica, crea un campo magnetico capace di produrre una sufficiente forza di attrazione reciproca tra i due nuclei fisso e mobile, tale da azionare la valvola.

Come à ̈ noto, per una ottimale distribuzione delle linee di campo magnetico prodotto dalla corrente che attraversa il solenoide, al fine di massimizzare la forza di attrazione indotta, à ̈ importante che la quantità massima di linee di flusso magnetico si distribuiscano assialmente attraverso i due nuclei fisso e mobile.

La presenza del cannotto à ̈ indispensabile in quanto definisce la camera in cui il nucleo mobile si muove, la quale camera contiene un fluido in pressione, il cui valore varia, nella grande maggioranza dei casi, da 30 a 500 bar.

Il cannotto à ̈ realizzato in materiale ferromagnetico in modo da non ostacolare il passaggio, in direzione sostanzialmente radiale, delle linee di flusso magnetiche dirette dal solenoide ai nuclei mobile e fisso e viceversa.

Tuttavia la presenza del cannotto induce una parte del flusso magnetico a scorrere assialmente all’interno della parete del cannotto stesso. A titolo di esempio, in Fig. 1A sono mostrate schematicamente due percorsi diversi di linee di flusso: un percorso di linee F1 che corrono assialmente attraversi i due nuclei fisso e mobile, e un percorso di due linee F2 che corrono assialmente attraverso la parete del cannotto. Ebbene, come à ̈ noto, à ̈ importante che sia massima la quantità di linee di flusso di tipo F1, in modo che sia massima la forza di attrazione tra il nucleo fisso ed il nucleo mobile; di conseguenza occorre che sia minima la quantità minima di linee di flusso del tipo F2.

A questo scopo, una soluzione nota prevede il realizzare il cannotto in materiale non interamente ferromagnetico; il cannotto viene cioà ̈ fabbricato con una porzione anulare intermedia, prevista generalmente nella zona ove sono poste le due estremità reciprocamente affacciate dei nuclei fisso e mobile, in materiale non ferromagnetico, che crea quindi un ostacolo al passaggio del campo magnetico. Questa soluzione richiede che detta porzione anulare intermedia del cannotto venga saldata alle altre porzioni, con conseguenti maggiori tempi e costi di fabbricazione, peggioramento delle proprietà ferromagnetiche e della resistenza meccanica del cannotto stesso.

Un’altra soluzione, più recente (ad esempio descritta nel brevetto EP 1343993B1) prevede la realizzazione di una gola toroidale sulla superficie esterna del cannotto che si sviluppa in un piano radiale, la quale gola ha, in una sezione nel piano assiale, profilo a forma di trapezio, con due fianchi inclinati rettilinei aventi angolo di inclinazione di 30-60 gradi ed una base minore rettilinea ed assiale.

Si à ̈ trovato che questa soluzione à ̈ in grado di creare un rilevante ostacolo al passaggio delle linee di flusso lungo attraverso lo spessore della parete del cannotto, come appunto si vuole. Inoltre questa soluzione, non richiede elevati oneri di fabbricazione, e lascia inalterate le proprietà ferromagnetiche del cannotto.

Tuttavia, questa gola toroidale indebolisce in modo sensibile la capacità di resistenza alle sollecitazioni meccaniche del cannotto. Inconveniente che, in pratica, richiede che la gola non abbia una profondità relativamente elevata, cosa questa che limita la sua efficacia nell’ostacolare il passaggio delle linee di flusso attraverso la parete del cannotto.

Uno scopo della presente invenzione à ̈ di realizzare una valvola elettromagnetica in grado di superare gli inconvenienti descritti.

Detto ed altri scopi sono raggiunti dall’invenzione in oggetto, cosi come si caratterizza nelle rivendicazioni.

L’invenzione viene esposta in dettaglio nel seguito con l'aiuto delle allegate figure che ne illustrano una forma, a titolo di esempio e non esclusiva, di attuazione.

La FIG. 1 Ã ̈ una sezione secondo un piano assiale della valvola in oggetto, in condizione diseccitata.

La Fig.1A Ã ̈ un particolare ingrandito di Fig.1.

La FIG.2 Ã ̈ un particolare ingrandito di Fig.1, con la valvola in condizione eccitata. La FIG.3 Ã ̈ un particolare ulteriormente ingrandito del cannotto di Fig.1.

La FIG.4 à ̈ lo stesso particolare di Fig.3, secondo una seconda forma di attuazione dell’invenzione.

La valvola illustrata nelle figure comprende sostanzialmente una parte-otturatore atta a chiudere/aprire meccanicamente passaggi di fluido in pressione, indicata globalmente con B, ed una parte ad azionamento elettromagnetico, indicata globalmente con A, atto a muovere dietro comando l’otturatore della parte B.

La parte-otturatore B, può essere qualsiasi, purchà ̈ idonea a venire azionato dalla parte A; l’esempio illustrato della parte B non ha nessun valore vincolante, e viene sommariamente descritto unicamente per agevolare la comprensione dell’invenzione.

Nella parte di azionamento elettromagnetico A, risiedono le caratteristiche nuove ed inventive della presente invenzione.

Nella parte A Ã ̈ compreso un cannotto tubolare 10 sostanzialmente interamente di materiale ferromagnetico, che definisce, al proprio interno, una camera interna 11 di sezione circolare, contenente fluido in pressione.

All’interno del cannotto 10 à ̈ posto un nucleo fisso 22 di materiale ferromagnetico, solidale al cannotto stesso, che vantaggiosamente occupa l’intera sezione della camera 11, e ne definisce una prima estremità assiale.

All’interno della camera 11 à ̈ inoltre posto un nucleo mobile 21 di materiale ferromagnetico atto ad azionare un elemento di valvola, scorrevole assialmente entro la camera interna 11 del cannotto, con moto di avvicinamento ed allontanamento rispetto al nucleo fisso 22.

La seconda estremità assiale della camera 11 à ̈ chiusa da un primo corpo di estremità 15 che definisce anche una delle estremità del cannotto 10.

La camera interna 11 à ̈ quindi delimitata, da un lato (a sinistra nelle figure), dalla faccia interna 15’ del corpo 15 e, dall’altro lato (a destra), dalla faccia interna 22’ del nucleo fisso 22; il movimento assiale del nucleo mobile 21 à ̈ quindi delimitato dalla presenza del corpo 15 e del nucleo 22 con i quali viene in contatto.

La camera 11 Ã ̈ inoltre delimitata lateralmente da una parete tubolare cilindrica 12 del cannotto 10.

Un solenoide induttore 30 collegato ad una sorgente di corrente elettrica, si avvolge attorno al cannotto 10 nella zona ove sono poste le due estremità reciprocamente affacciate dei nuclei fisso 22 e mobile 21.

Quando viene percorso da corrente elettrica, il solenoide crea un campo magnetico indotto capace di produrre una sufficiente forza di reciproca attrazione tra i due nuclei fisso e mobile, tale da azionare la valvola.

Il solenoide 30 à ̈ di tipo noto; più in dettaglio, il solenoide 30 illustrato comprende un nucleo centrale 31, toroidale, formato da numerose spire di cavo elettrico avvolte attorno al cannotto 10, ed un’armatura 32, in materiale ferromagnetico, che circonda, del tutto o in parte, il nucleo centrale 31 sui due lati radiali e sulla superficie cilindrica esterna.

Al di là del nucleo fisso 22, da parte opposta rispetto alla camera 11 (sulla parte destra delle figure), il cannotto 10 comprende un secondo corpo di estremità 16 al quale à ̈ associata la parte otturatore B.

La parte B illustrata nelle figure comprende un otturatore 41, contenuto entro un corpo valvolare 42, vincolato solidalmente e coassialmente al secondo corpo di estremità 16, in posizione coassiale con il cannotto 10.

Il corpo 42 comprende una camera centrale 43 coassiale con la camera interna 11 in cui scorre, con tenuta, l’otturatore 41.

Il corpo valvolare 42 comprende inoltre una bocca assiale di passaggio 42a, posta alla sua estremità più lontana dal nucleo fisso 22, e un passaggio radiale intermedio 42b. Mediante la propria estremità esterna 41’’, l’otturatore 41 realizza la chiusura o alternativamente l’apertura della bocca assiale 42a in funzione della sua posizione assiale rispetto al corpo valvolare 42. Una molla compressa 45, mantiene normalmente (con solenoide non eccitato) l’otturatore 41 spinto verso il nucleo fisso 22 conciò chiudendo la bocca assiale 42a (si veda la Fig.1).

L’estremità più interna 41’ dell’otturatore 41 à ̈ affacciata e posta normalmente (ossia con solenoide non eccitato) a breve distanza dalla faccia esterna 22’’ del nucleo fisso 22 (si veda la Fig.1).

Attraverso il nucleo fisso 22 à ̈ ricavato un foro assiale passante 23 cahe pone in comunicazione la camera interna 11 con la camera delimitata tra il nucleo fisso 22 e l’otturatore 41.

Il nucleo mobile 21 agisce sull’otturatore 41 mediante un sottile puntone assiale 25 disposto attraverso il foro assiale 23, le cui estremità sporgono in fuori da un lato e dall’altro del nucleo 22.

Quando il nucleo mobile 21 viene attratto, a seguito dell’azione elettromagnetica prodotta dal solenoide 30, contro la faccia interna del nucleo fisso 22, spinge il puntone 25 contro la estremità interna 41’ dell’otturatore 41 provocando lo spostamento di questo verso l’esterno (verso destra nelle figure) e quindi provocando l’apertura della bocca assiale 42a (si veda la Fig.2).

Viceversa, quando il solenoide non à ̈ eccitato, l’azione della molla 45, spinge l’otturatore 41 verso l’interno della parte di azionamento A (verso sinistra nelle figure) e di conseguenza spinge il nucleo mobile 21, tramite il puntone 25, verso il primo corpo di estremità 15 ((si veda la Fig.1).

Le zone interne della camera 11, in cui si muove il nucleo mobile, sia sul lato destro che su quello sinistro, sono in costante comunicazione tra loro così che sul nucleo mobile 20 non agiscono spinte prodotte dal fluido in cui il nucleo stesso si muove. Lo stesso vale per l’otturatore 41 che si trova costantemente in equilibrio assiale rispetto al fluido in cui à ̈ immerso.

I due elementi, il nucleo mobile 21 e l’otturatore 41, inoltre, sono in costante collegamento di fluido tra loro. Pertanto su questi elementi agisce solamente la spinta della molla 45 e dell’azione elettromagnetica del solenoide 30.

Nel funzionamento, quando il solenoide 30 à ̈ inattivo, la molla 45 spinge e sposta l’otturatore 41 nella posizione di chiusura, ossia verso il nucleo fisso 22 (verso sinistra nelle figure); a sua volta, l’otturatore 41, spingendo sul puntone 25, sposta il nucleo mobile 21 verso il primo corpo di estremità 15, in posizione a distanza dal nucleo fisso 22. Questa posizione à ̈ mostrata in Fig.1, Fig.1A e in Fig.3.

Quando invece il solenoide 30 viene percorso da corrente elettrica, lo stesso attiva un campo magnetico che causa l’attrazione del nucleo mobile 21 da parte del nucleo fisso 22, di forza tale da superare la spinta della molla 45. Il nucleo mobile 21 viene quindi attratto contro la faccia interna 22’ del nucleo fisso 22 e, tramite il puntone 25, sposta l’otturatore 41 verso l’esterno (verso destra nelle figure) allontanando l’estremità esterna 41’’ di questo dalla bocca 42a (che quindi viene aperta, come appunto si vuole). Questa posizione à ̈ mostrata in Fig.2.

Il cannotto 10, Ã ̈ in materiale ferromagnetico per favorire il passaggio in direzione radiale delle linee di flusso del campo magnetico, indotte dalla corrente elettrica che scorre nelle spire del solenoide 30, dal solenoide ai nuclei 22 e 21 posti entro la camera interna 11 e viceversa; in Fig. 1A Ã ̈ schematicamente illustrata una di tali linee di flusso, indicata con F1.

Per ostacolare invece, come detto nel preambolo, il passaggio in direzione assiale delle linee di flusso F2 all’interno dello spessore della parete 12 del cannotto 10 (esemplificate dalle linee F2 in Fig. 1A), à ̈ prevista una gola 18 avente uno sviluppo toroidale in un piano radiale, ricavata sulla superficie esterna della parete 12.

Questa gola 18, grazie al restringimento della sezione trasversale che comporta nello spessore della parete 12, à ̈ in grado di ostacolare il passaggio delle linee di flusso del tipo F2, in modo tanto maggiore quanto minore à ̈ lo spessore minimo M della parete tubolare in corrispondenza della gola toroidale. Naturalmente, lo spessore M deve tenere conto delle sollecitazioni meccaniche cui à ̈ sottoposta la parete tubolare 12, soprattutto la pressione all’interno del cannotto 10, e quindi non può essere minore di un valore critico.

Nelle valvole note cui fa riferimento la presente invenzione, la pressione all’interno del cannotto varia tra 30 e 500 bar, e nella pratica, lo spessore dei cannotti che attualmente vengono realizzati, varia da 1 a 3 mm; e il valore di spessore minimo M che si utilizza varia tra 0,1 e 0,5 volte lo spessore normale S della parete stessa. Gli stessi valori dimensionali vengono utilizzati anche nella valvola secondo la presente invenzione.

Tuttavia, secondo l’invenzione si à ̈ trovato che si hanno rilevanti ed inaspettati vantaggi tecnici realizzando la detta gola 18 con una conformazione che presenta, in una sezione nel piano assiale, un profilo ad arco di cerchio o di ellisse o simile, avente la concavità rivolta verso l’esterno.

In particolare il profilo della gola 18 à ̈ privo di angoli più o meno vivi.

Nell’esempio illustrato in Fig. 3, la gola 18 presenta un profilo ad arco di cerchio; nell’esempio illustrato in Fig.4, la gola 18 presenta un profilo ad arco di ellisse.

Si à ̈ sperimentalmente constatato che dette conformazioni, o conformazioni equivalenti della gola 18, producono gli stessi vantaggiosi effetti riguardo al comportamento del campo magnetico, che sono prodotti da gole toroidali di tipo noto, che essenzialmente hanno forma di trapezio (come ad esempio mostrato nel brevetto) o forma rettangolare, in sostanza: solamente una parte minore, relativamente piccola di flusso magnetico, corre assialmente attraverso la parete tubolare 12, con ciò creando una forza di attrazione tra i nuclei 21 e 22 relativamente elevata.

In più si à ̈ constatato sperimentalmente che dette conformazioni, o conformazioni equivalenti della gola 18 secondo l'invenzione, aumentano sensibilmente, a parità di tutte le altre condizioni, la resistenza meccanica a rottura ed a fatica del cannotto 12, rispetto ai cannotti che attualmente presentano gole con conformazione di tipo noto (trapezoidale o rettangolare).

La conformazione che ha fornito i migliori risultati prevede che la larghezza assiale L della gola toroidale 18 varia tra 2 e 7 volte la profondità massima H della gola.

Da calcoli teorici, à ̈ risultato che cannotti 12 realizzati secondo la presente invenzione presentano una resistenza alla fatica maggiore di 1,3 - 3 volte un cannotto di uguali dimensioni uguale avente tuttavia una gola con profondità massima uguale di tipo noto (a sezione trapezoidale o rettangolare)

Inoltre abbiamo sperimentalmente sottoposto a test di fatica:

-A- un cannotto 12 avente spessore di 1,5 mm, ed avente una gola toroidale 18 secondo l'invenzione, ove H=1 mm e L =2 mm

-B- un cannotto di tipo noto avente lo stesso spessore (1,5 mm) ed avente una gola a sezione trapezoidale con la stessa profondità: H =1 mm.

I due cannotti A e B sono stati sottoposti a test di fatica, ossia assoggettati a pressione variabile ciclicamente tra i valori: 0 e 350 bar, con periodo di 1 secondo, ovvero 3600 cicli /ora. Entrambi i cannotti sono stati posti sotto test per 12 ore consecutive ogni giorno (nei primi 7 giorni) e successivamente per 24 ore ogni giorno. Sono stati sottoposti al test due esemplari uguali di cannotto B.

Il risultato à ̈ che i due esemplari di cannotto B (tradizionale) si sono rotti rispettivamente dopo 680.000 e 520.000 cicli di pressione; al contrario il cannotto A secondo l'invenzione ha resistito fino a 1.200.000 cicli; dopo tale prova il test à ̈ stato terminato ed il cannotto era tuttavia ancora integro.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Valvola elettromagnetica comprendente: - un cannotto tubolare (10) sostanzialmente interamente di materiale ferromagnetico, che definisce una camera interna (11) di sezione circolare, contenente fluido in pressione, - un nucleo fisso (22) di materiale ferromagnetico, posto internamente al cannotto (10), solidale a questo, - un nucleo mobile (21) di materiale ferromagnetico, atto ad azionare un elemento di valvola (41), scorrevole assialmente entro la camera interna (11) del cannotto (10), con moto di avvicinamento ed allontanamento rispetto al nucleo fisso (22), - un solenoide induttore (30) collegato ad una sorgente di corrente elettrica, che si avvolge attorno al cannotto (10) nella zona ove sono poste le due porzioni reciprocamente affacciate dei nuclei fisso (22) e mobile (21), - il solenoide (30), quando percorso da corrente elettrica, crea un campo magnetico capace di produrre una sufficiente forza di reciproca attrazione tra i due nuclei fisso (22) e mobile (20), tale da azionare l’elemento di valvola (41), - il cannotto (10) comprende una parete tubolare (12) che, nella zona ove sono poste le due estremità reciprocamente affacciate dei nuclei fisso (22) e mobile (21), presenta una gola (18) a sviluppo toroidale in un piano radiale, ricavata sulla superficie esterna, caratterizzato dal fatto che detta gola (18) presenta una conformazione che, in una sezione nel piano assiale, ha profilo ad arco di cerchio o di ellisse o simile, avente la concavità rivolta verso l’esterno.
2. 2. Valvola elettromagnetica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che lo spessore minimo M della parete tubolare (12) in corrispondenza della gola toroidale (18) varia tra 0,1 e 0,5 volte lo spessore normale S della parete (12) stessa.
3. 3. Valvola elettromagnetica secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la larghezza assiale L della gola toroidale (18) varia tra 2 e 7 volte la profondità massima H della gola (18) stessa.
4. 4. Valvola elettromagnetica secondo la rivendicazione 1, in cui la pressione nella camera interna (11) del cannotto (10) à ̈ di 30 – 500 bar e lo spessore S del cannotto (10) à ̈ di1 – 3 mm.