TRANSDUCTOR INSTANTANEO NEUMATICO.

Transductor instantáneo neumático que contiene válvula neumática de acción rápida concebida para transformación de energía potencial de diversos fluidos gaseosos de trabajo a presión en energía cinética y diferentes formas de energía,

en el que un interior de transductor instantáneo neumático tiene una forma básica de una tubería o alojamiento autointersecante, que presenta al menos dos autointersecciones, con una abertura a la zona de baja presión ambiental y con al menos tres puertos de entrada. Dicho interior interactúa con un cuerpo de una pieza de estructura de pistón compuesto que es móvil de manera alternativa dentro de dicho interior que mantiene al menos tres juntas deslizantes con algunas de las superficies interiores de dichos alojamientos autointersecantes

Transductor instantáneo neumático.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a una válvula de cierre de alto flujo, de acción rápida, que interactúa con el sistema de tres cámaras mediante un cuerpo de una pieza de estructura de pistón compuesto móvil de manera alternativa. Dicha válvula de cierre de alto flujo, de acción rápida, combinada con el sistema de tres cámaras de esfuerzo y un cuerpo de una pieza de estructura de pistón compuesto móvil de manera alternativa, que en conjunto constituyen un transductor instantáneo neumático (Pneumatic Instant Transducer, en lo sucesivo P.I.T.). Cuando las cámaras de P.I.T. se llenan con la presión de manera secuencial y uniforme, el P.I.T. puede producir transformaciones instantáneas repetitivas de energía potencial de partes de fluido a presión en su energía cinética en forma de descargas de impulso similares a detonaciones y puede crear una región de densidad de energía alta en la zona de baja presión ambiental. Según la invención dicho P.I.T. puede proporcionar descargas de impulso similares a detonaciones repetitivas de fluido a presión dentro de intervalos de tiempo fundamentalmente cortos bajo velocidad y con la energía igual a la energía y velocidad de interacciones moleculares de fluido a presión suministrado y bloqueado en dichas cámaras de esfuerzo. Estas propiedades de P.I.T. son útiles para una gran variedad de fines y aplicaciones incluyendo producción de hidrógeno y su uso inmediato y dichas propiedades también son aplicables para proporcionar condiciones para sostener reacciones de fusión.

Los campos de aplicación de tecnología P.I.T son deseables en muchas aplicaciones incluyendo entornos que no consumen combustible de hidrocarburo y no contaminantes y que funcionan de manera independiente: sistemas de sustento de la vida, motores de automóviles, sistemas de motor de vehículos espaciales y aeronaves, motores de pulsorreactor, sistemas hidráulicos y neumáticos autopropulsados, ingeniería paso a paso, robótica, plantas de producción de energía eléctrica que no necesitan reservas de combustible in situ, arquitectura naval, arma, antiterrorismo, extinción de incendios, procesos farmacológicos y químicos, reparación de prótesis, juguetes, limpieza de ascensores y graneros de polvo de detonación, etc.

Antecedentes de la invención

Características deseables de una buena válvula de acción rápida incluyen: fuga mínima en el estado cerrado, conmutación rápida entre el estado cerrado y el estado completamente abierto, definición precisa de los estados cerrado y abierto, tiempo de ciclo corto para aplicaciones repetitivas, flujo de fluido grande a través de de la válvula en el estado abierto, capacidad de retener una gran cantidad de presión en el estado cerrado con fuga mínima, mínimo consumo de energía para apertura de orificio grande de válvula y conmutación rápida entre el estado cerrado y el estado completamente abierto.

En la técnica anterior, es posible encontrar diferentes documentos que se refieren a una configuración de válvula de acción rápida. Por ejemplo, Meyer describe una válvula de acción rápida en la patente estadounidense número 4.344.449. En esta válvula, un vástago de válvula especialmente conformado actúa como una compuerta deslizante para el fluido a presión. Un actuador electromagnético acciona el vástago de válvula de manera axial, lo que abre la válvula. Una cámara de aire sellada actúa conjuntamente con el vástago de válvula especialmente conformado para formar un resorte de fluido no lineal que ayuda a devolver a la válvula a su estado cerrado. Este enfoque da como resultado una liberación rápida de una inyección corta de fluido a presión. Sin embargo, para reducir la fricción, las válvulas de compuerta deslizante normalmente tienen presiones de contacto pequeñas, lo que conduce a fuga cuando la presión de fluido diferencial a través de de la válvula es grande.

Una válvula de acción rápida y muchas salidas se da a conocer por Jaw et al en la patente estadounidense número 5.485.868. Esta válvula comprende una serie de piezas que están separadas por barreras de movimiento y que están dispuestas de modo que todas las piezas se unen en una ubicación central común. Los bordes y la periferia radial de cada pieza se sellan contra un asiento de válvula cuando la válvula está cerrada. Se prevé una bisagra para cada pieza de modo que una fuerza que actúa hacia abajo en la ubicación central común provoca que la periferia de cada pieza se mueva hacia arriba, proporcionando de ese modo una abertura para que el fluido fluya lo que conduce a la posibilidad de fuga sustancial con este diseño de válvula.

Una válvula de acción rápida se da a conocer por Wojciechowski et al en la patente estadounidense número 6.619.322. Esta válvula comprende un asiento de válvula anular, que define un orificio de válvula anular y una válvula de cierre de plano anular (membrana elástica), donde el uso de un orificio anular reduce la distancia característica entre los bordes del asiento de válvula. La distancia reducida reduce el hueco necesario entre la el cierre de válvula anular y el asiento de válvula anular para que la válvula se abra completamente, reduciendo de ese modo el carrera, velocidad y aceleración de la válvula de cierre anular. La válvula también comprende un actuador y un impactador que impacta en el actuador para iniciar un movimiento que cambia el estado de la válvula y, en la que dicho impactador está propulsado por una explosión o por otros medios.

Un problema que se trata de resolver es la posibilidad de fuga sustancial después de una cantidad apropiada de carreras debido a que la membrana elástica y el asiento de válvula, durante las carreras, siempre impactan entre sí por las mismas superficies de tope lo que conducirá a su destrucción después de una cantidad apropiada de carreras. En general, las válvulas de cierre de acción rápida convencionales propuestas para un flujo grande a través de un orificio grande están sujetas a inicio mecánico de alto consumo de energía necesario para producir desplazamiento axial del cierre de válvula desde el asiento de válvula o viceversa. Un desplazamiento de este tipo consume una cantidad de energía equivalente a la energía de la presión que va a liberarse a través de una válvula de este tipo que reduce en gran medida la eficacia de trabajo de las válvulas de acción rápida convencionales que presentan un orificio grande y motivó una búsqueda continuada de un diseño de una válvula de acción rápida apropiado y un nuevo principio implicado en este funcionamiento.

Un repaso de los diferentes diseños de válvula explicados por Burmeister, Loser y Sneegas en el documento "NASA Contributions to Advanced Válvula Technology" (NASA SP-5019) no reveló diseños que consiguieran satisfactoriamente todas las características deseables de una válvula de acción rápida.

Una válvula de cierre de acción rápida bien diseñada, que utiliza un nuevo principio de funcionamiento podría eliminar y reducir significativamente las siguientes deficiencias de las válvulas de acción rápida convencionales:

- problema general de fuga;

- problema general de conmutación rápida entre el estado cerrado y el estado completamente abierto;

- problema de flujo de fluido grande a través del orificio grande;

- problema de soportar gran cantidad de presión en el estado cerrado con fuga mínima;

- problema de consumo de gran cantidad de energía para la apertura del orificio grande en grandes cantidades de presiones aplicadas;

- combinación del problema de soportar gran cantidad de presión en el estado cerrado con fuga mínima y un problema general de consumo de gran energía para apertura rápida de un orificio grande;

- problema de propiedades aerodinámicas de la válvula para proporcionar gran caudal durante la descarga de impulso a través de de la válvula en el estado abierto;

- problema de turbulencia y deceleración de flujo durante la descarga de impulso;

- problema de necesidad de uso de un microprocesador u ordenador sofisticado para el control permanente de conmutación rápida entre el estado cerrado y el estado completamente abierto;

- problema de definición precisa de los estados cerrado y abierto;

- problema de tiempo...

1. Transductor instantáneo neumático, caracterizado porque comprende, al menos:

una fuente [P] de presión;

una estructura [8b] de pistón compuesto, que comprende al menos:

un pistón [54] de impulsión;

un pistón [50] auxiliar;

un pistón [49] hueco;

un asiento [19] de válvula P.I. circular móvil de manera alternativa;

un brazo [60];

un cierre [19] de válvula P.I. libre 3D;

una pluralidad de válvulas [118] de igualación;

una pluralidad de válvulas [172] de escape;

una pluralidad de válvulas [15] de inicio;

una cámara [62] de pistón hueco;

una cámara [66] de impulsión;

una cámara [63] auxiliar;

una pluralidad de válvulas [12, 13, 14] unidireccional que comprende, al menos:

una primera válvula [12] unidireccional,

una segunda válvula [13] unidireccional, y

una tercera válvula [14] unidireccional;

una pluralidad de puertos [9, 10, 11] de entrada de suministro, que comprende, al menos:

un primer puerto [9] de entrada de suministro,

un segundo puerto [10] de entrada de suministro,

un tercer puerto [11] de entrada de suministro;

en el que las cámaras de esfuerzo de PIT representan una combinación de interior de PIT y una estructura de pistón compuesto.

2. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente P de presión está conectada neumáticamente con:

el tercer puerto [11] de entrada de suministro que está directamente conectado con la cámara [66] de impulsión, a través de la tercera válvula [14] unidireccional de la cámara [66] de impulsión, y

el segundo puerto [10] de entrada de suministro que está directamente conectado con la cámara [63] auxiliar, a través de la segunda válvula [13] unidireccional de la cámara [63] auxiliar, y

el primer puerto [9] de entrada de suministro que está directamente conectado con la cámara [62] de pistón hueco, a través de la primera válvula [12] unidireccional de la cámara [62] de pistón hueco.

3. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 1, caracterizado porque las salidas de las válvulas primera y segunda unidireccionales están conectadas a través de la válvula [15] de inicio.

4. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara de pistón hueco y la cámara auxiliar están conectadas a través de la válvula de inicio.

5. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara de pistón hueco y la cámara auxiliar están conectadas a través de una pluralidad de válvulas de inicio montadas en el bastidor reticulado móvil de manera alternativa.

6. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara [62] de pistón hueco y la cámara [63] auxiliar están conectadas a través de la válvula [118] de igualación montada en el pistón auxiliar.

7. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara de pistón hueco y la cámara auxiliar están conectadas a través de una pluralidad de válvulas de igualación montadas en el pistón auxiliar anular.

8. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 1, caracterizado porque el brazo [60] de estructura de pistón compuesto conecta:

el pistón auxiliar [50] con el pistón [54] de impulsión, y

el grupo formado por el pistón auxiliar [50] y el pistón [54] de impulsión con el pistón [49] hueco.

9. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 1, caracterizado por la cámara [66] de impulsión conectada con la cámara [62] de pistón hueco por medio de la válvula [172] de escape que se abre al final de la carrera de descarga de impulso de C.P.S. En algunas realizaciones más preferidas múltiples válvulas de escape (pluralidad de válvulas de escape montadas circunferencialmente en el pistón de impulsión anular) conectan la cámara [66] de impulsión anular con el puerto de salida de P.I.T., o con la cámara [62] de pistón hueco al final de la carrera de descarga de impulso de C.P.S.

10. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende:

un interior de P.I.T. que tiene una forma básica de tubería o alojamiento autointersecante que tiene al menos dos autointersecciones que definen tres puertos de entrada de suministro, un puerto de salida y una vía de paso entre dichos puertos de entrada de suministro y dicho puerto de salida, y

una válvula instantánea neumática, en lo sucesivo válvula P.I. que representa una parte integral de P.I.T. y que bloquea un medio de trabajo a presión dentro del P.I.T. y libera dicho medio de trabajo a presión desde el P.I.T. a una zona ambiental,

un asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa que se mueve desde un contacto de sellado con el cierre de válvula P.I. para poner dicha válvula P.I. en un estado abierto y que se mueve hacia un contacto de sellado con un cierre de válvula P.I. para poner dicha válvula P.I. en un estado cerrado,

un cierre de válvula P.I. libre 3D libremente situado dentro de un interior de P.I.T.,

un tapón de cierre de válvula reticulado que representa una parte integral del recipiente rígido donde está asentado un interior de P.I.T. que limita el movimiento paralelo y lateral libre de dicho cierre de válvula P.I. libre 3D (que es móvil entre dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa y dicho tapón de cierre de válvula reticulado) y que garantiza un contacto de sellado y alineamiento axial de dicho cierre de válvula P.I. libre 3D con dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa cuando dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa presiona dicho cierre de válvula P.I. libre 3D hacia dicho tapón de cierre de válvula reticulado para poner dicha válvula P.I. en un estado cerrado y que también proporciona una vía de paso sin obstáculos para flujo de fluido a la zona ambiental cuando la válvula P.I. está en un estado abierto;

en el que dicho tapón de cierre de válvula reticulado comprende además un cuerpo reticulado con una concavidad reticulada de una forma que responde a una forma de dicho cierre de válvula P.I. libre 3D que proporciona alineamiento axial de dicho cierre de válvula P.I. libre 3D con dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa y proporciona un contacto de superficie mínimo entre dicho cierre de válvula P.I. libre 3D y dicha concavidad reticulada en un estado cerrado de dicha válvula P.I. y, en el que dicho tapón de cierre de válvula reticulado es una parte integral de dicho interior de válvula P.I. montado en el puerto de salida de la válvula P.I.

11. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 10, caracterizado porque además comprende una estructura de pistón compuesto que es móvil de manera alternativa en dicho interior de P.I.T., en el que se genera y se traslada mecánicamente energía de interacción intermolecular de fluido a presión suministrado en dicho interior de P.I.T. a dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa y que presiona dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa hacia el contacto de sellado con dicho cierre de válvula P.I. libre 3D y de ese modo presiona dicho cierre de válvula P.I. libre 3D hacia la concavidad de dicho tapón de cierre de válvula reticulado para poner dicha válvula P.I. en un estado cerrado y, que en estados adecuados de P.I.T. también genera y traslada mecánicamente energía de interacción intermolecular de fluido a presión para retirar dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa desde un contacto de sellado con dicho cierre de válvula P.I. libre 3D para poner dicha válvula P.I. en un estado abierto y en el que un movimiento de retorno de dicha estructura de pistón compuesto hacia la válvula P.I. en estado cerrado se impulsa por un resorte de retorno o por otros medios.

12. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicación 10, caracterizado porque dicha estructura de pistón compuesto comprende un cuerpo de una pieza ensamblado a partir de al menos tres pistones, en el que dos pistones se ensamblan entre sí y se montan con un tercer pistón por medio de un brazo y, en el que dicho tercer pistón comprende un cuerpo tubular ensamblado con dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa y;

en el que cada uno de dichos tres pistones tiene diferentes áreas de sección transversal y cada uno mantiene una junta deslizante en dicho interior de P.I.T.

13. Transductor instantáneo neumático, según las reivindicaciones 11 y 12, caracterizado porque además comprende un pistón de impulsión que genera energía de fluido a presión suministrado en dicho interior de P.I.T., traslada dicha energía a dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa a través de dicho brazo y retira de manera instantánea dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa desde un contacto de sellado con dicho cierre de válvula P.I. libre 3D para poner dicha válvula P.I. en un estado completamente abierto; y

en el que además dicho pistón de impulsión comprende un pistón alternativo de dicha estructura de pistón compuesto en el que una posición de dicho pistón de impulsión mantiene una cámara de impulsión de esfuerzo en dicho interior de P.I.T. que tiene un volumen variable en un movimiento alternativo de C.P.S.

14. Transductor instantáneo neumático, según las reivindicaciones 11 y 12, caracterizado porque además comprende un pistón auxiliar que genera energía de fluido a presión, traslada dicha energía a dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa a través de dicho brazo y ejerce un esfuerzo estático sobre la junta de conexión entre dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa y dicho cierre de válvula P.I. libre 3D para garantizar un estado cerrado de la válvula P.I.; y

en el que además dicho pistón auxiliar comprende un pistón alternativo de dicha estructura de pistón compuesto en el que dicho pistón auxiliar mantiene una cámara de pistón auxiliar de esfuerzo en dicho interior de P.I.T. que tiene volumen variable en un movimiento alternativo de C.P.S.

15. Transductor instantáneo neumático, según las reivindicaciones 11 y 12, caracterizado porque comprende además un pistón hueco que proporciona una vía de paso de fluido desde dicho interior de P.I.T. a un orificio de válvula P.I. cuando dicha válvula P.I. está en un estado abierto y en el que dicho pistón hueco produce a dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa una fuerza resultante generada por dicha estructura de pistón compuesto en todos los estados de dicha válvula P.I. para poner dicha válvula P.I. en un estado cerrado y en un estado abierto; y

en el que dicho pistón hueco además comprende un cuerpo tubular móvil de manera alternativa con un puerto de entrada y un puerto de salida en el que dicho puerto de salida comprende dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa y dicho puerto de entrada orientado hacia alojamientos internos del interior de dicha válvula P.I., en el que dicho pistón hueco comprende un pistón alternativo de dicha estructura de pistón compuesto en el que una posición de dicho pistón hueco en dicho interior de P.I.T. mantiene cerrada la cámara de pistón hueco de esfuerzo cuando dicha válvula P.I. está en un estado cerrado.

16. Transductor instantáneo neumático, según las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque además comprende:

una válvula de inicio que está controlada de manera independiente mediante una fuerza externa y que en su estado abierto inicialmente mantiene un canal de agregación inicial entre dicha cámara de pistón auxiliar y dicha cámara de pistón hueco que de manera instantánea cambia un estado de dicha válvula P.I. y que origina un movimiento instantáneo paralelo de dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa desde un contacto de sellado con dicho cierre de válvula P.I. libre 3D y; en el que una apertura inicial de dicha válvula de inicio se impulsa mediante una fuerza externa insignificante;

un iniciador que se controla de manera independiente mediante fuerza externa de cualquier naturaleza o por medios electromagnéticos y que proporciona un movimiento inicial insignificante de asiento de válvula de inicio para poner dicha válvula de inicio en un estado abierto y para poner dicha válvula P.I. en un estado abierto, por el que un iniciador que comprende un bastidor reticulado móvil de manera alternativa que mantiene una junta deslizante con dicho interior de P.I.T. estacionario tiene dicho asiento de válvula de inicio montado en dicho bastidor reticulado móvil de manera alternativa; en el que dicho movimiento de dicho iniciador se impulsa mediante una fuerza externa insignificante y en el que el movimiento de dicha válvula de inicio hacia su estado cerrado se impulsa mediante el resorte de retorno de iniciador, o por cualesquiera otros medios;

una válvula de igualación que de manera simultánea con la aparición de dicho canal de agregación inicial entre dicha cámara de pistón auxiliar y dicha cámara de pistón hueco iguala automáticamente la cantidad de presión en dichas dos cámaras manteniendo automáticamente una vía de paso de flujo entre dichas dos cámaras que es simultáneo e igual a una vía de paso de flujo a través de una holgura entre dicho cierre de válvula de P.I. libre 3D y dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa en todas las fases de apertura de la válvula P.I. y, que garantiza un movimiento sin obstáculos de dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa desde un contacto de sellado con dicho cierre de válvula P.I. libre 3D y; en el que dicha válvula de igualación se activa hasta su estado abierto de manera simultánea con y por medio de la aparición de la apertura inicial de dicha válvula de inicio y en el que la apertura de dicha válvula de igualación se impulsa por interacción intermolecular de fluido a presión suministrado en dicho interior de P.I.T. (en particular, por presión suministrada a dicha cámara de impulsión ) y en el que el cierre de dicha válvula de igualación se impulsa por medios de resorte y; en el que dicha válvula de igualación está montada en dicho pistón auxiliar de dicha estructura de pistón compuesto.

17. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque comprende además una boquilla de aceleración de flujo móvil de manera alternativa (en lo sucesivo denominada como la R.M.F.A.N.) que tiene Índice de Mach variable automáticamente durante la apertura de un orificio de válvula P.I. que proporciona una aceleración de flujo de fluido sobre velocidad supersónica antes de pasar a través de un orificio de válvula P.I. y que es móvil contra un flujo de fluido que pasa desde dicho interior de P.I.T. con la velocidad igual a la velocidad de dicho flujo de fluido;

en el que dicha R.M.F.A.N. genera dos ondas de choque que se mueven en una dirección que tienen significativamente diferentes velocidades que originan una colisión de dichas ondas de choque y un calentamiento instantáneo de una parte de fluido situado entre dichas ondas de choque durante la colisión.

18. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicaciones 11 a 17, caracterizado porque además comprende unas proporciones básicas de áreas de sección transversal de dicha estructura de pistón compuesto:

a. en el que un área de sección transversal total de dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa y dicha área de sección transversal de dicho pistón de impulsión es inferior a dicha área transversal de sección transversal de dicho pistón auxiliar para garantizar un contacto de sellado entre dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa y dicho cierre de válvula de P.I. libre 3D, y

b. en el que un área transversal de sección transversal total de dicho asiento de válvula de igualación es inferior a dicha área transversal de sección transversal de dicho pistón de impulsión para proporcionar movimiento sin obstáculos de estructura de pistón compuesto y dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa desde un contacto de sellado con dicho cierre de válvula de P.I. libre 3D para poner dicha válvula P.I. en un estado abierto, y

c. en el que dicha área transversal de sección transversal de dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa es inferior a un área transversal de sección transversal de dicho asiento de válvula de igualación para mantener un flujo de fluido igual a través de un orificio de válvula P.I. y dicho orificio de válvula de igualación

d. en el que dicha área transversal de sección transversal de dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa es inferior a dicha área transversal de sección transversal de dicho pistón de impulsión.

19. Transductor instantáneo neumático, según la reivindicaciones 11 a 18, caracterizado porque además comprende una válvula de escape que proporciona un escape de impulso automático de fluido a presión desde dicha cámara de impulsión al final de la descarga de impulso antes del final de una carrera de dicha estructura de pistón compuesto y dicho iniciador para mantener una caída de presión en dicha cámara de impulsión para garantizar un movimiento de retorno de dicha estructura de pistón compuesto y movimiento de retorno de dicho asiento de válvula P.I. móvil de manera alternativa hacia dicho cierre de válvula de P.I. libre 3D para mantener un estado cerrado de dicha válvula P.I. después de la descarga de impulso.