Válvula.

Un pistón (1) con una válvula (5) que comprende una primera parte (10) que define una primera serie de aberturas (20) y una segunda parte (2) que define una segunda serie de aberturas (60),

siendo la primera parte móvil lateralmente con respecto a la segunda parte entre una configuración cerrada en la que la primera y la segunda serie de aberturas no coinciden y se evita sustancialmente el paso de un fluido a través de la válvula y una configuración abierta en la que la primera y segunda serie de aberturas coinciden y en la que se permite el paso de fluido; en donde la primera parte está restringida a moverse sustancialmente en forma paralela a una superficie definida por la cara de cierre hermético de la segunda parte por medio de una placa de retención (3); caracterizado porque la primera parte comprende un elemento flexible en forma de placa (10), y porque se proporciona la válvula en el pistón de tal manera que la segunda parte comprende un medio de la cara del pistón (2).

Válvula.

La presente invención se refiere generalmente a pistones con válvulas para controlar el flujo de gases y/o líquidos entre 5 dos espacios discretos. En particular, la presente invención se refriere a válvulas para uso en aplicaciones en las que la presión en cada uno de los espacios discretos puede variar de manera que en alguna etapa no haya diferencia de presión entre los espacios y en otras etapas exista diferencia. Una aplicación de tales válvulas está en la compresión y/o expansión de gases. Sin embargo, la válvula de la presente invención puede ser adecuada para uso en cualquier aplicación que necesite una alta eficiencia, gran área de válvula, respuesta rápida de la válvula y bajas pérdidas de 10 presión. Esto cubre, pero no se limita a, motores, bombas de vacío, compresores, expansores, otras bombas, situaciones de flujo de ductos y tuberías.

Las válvulas de la maquinaria de compresión actuales normalmente son del tipo de no retorno. Esto significa que pueden ser válvulas de lengüeta, válvulas de placa, válvulas de bola, válvulas accionadas por leva u otros dispositivos 15 similares. Por ejemplo, en funcionamiento normal en un compresor de aire de pistón que comprende un pistón configurado para moverse en un espacio cilíndrico, el pistón se movería desde un punto muerto superior (TDC) hacia el punto muerto inferior (BDC) lo que conduce a una caída en la presión dentro del espacio del cilindro. Cuando la presión ha caído lo suficiente como para superar la sujeción por parte de un muelle de una o más válvulas de entrada cerradas, las una o más válvulas de entrada se abrirían y una carga de aire es introducida en el espacio del cilindro. A medida que 20 el pistón se aproxima al BDC, el flujo de aire se desacelerará y Ia diferencia de presión disminuirá permitiendo que las una o más válvulas de entrada se cierren. El pistón se moverá ahora nuevamente hacia el TDC comprimiendo la carga de aire fresco en el espacio del cilindro. Cuando la presión de aire en el espacio del cilindro es suficientemente alta como para superara la sujeción por parte de un muelle, se cierran una o más válvulas de desfogue, las una o más válvulas de desfogue se abrirán permitiendo que Ia carga de aire comprimido pase a un espacio presurizado. A medida 25 que el pistón se aproxima al TDC esta diferencia de presión y flujo disminuyen permitiendo que las una o más válvulas de desfogue se cierren.

En el caso de una sola válvula descrita anteriormente, existen una cierta cantidad de problemas asociados con el funcionamiento de la válvula que limitan su efectividad. En primer lugar, se necesita que haya una fuerza que actué para 30 cerrar la válvula y esto significa que debe haber una cierta cantidad de diferencia de presión aplicada para superar esta fuerza y abrir la válvula. Esto inevitablemente significa que habrá algunas pérdidas de presión a través de la válvula y que debe haber un retraso en la apertura de la válvula mientras aumenta la diferencia de presión. Existe un problema adicional con este tipo de válvula, que es que puede dejar de funcionar correctamente si se alcanzan ciertas frecuencias de resonancia que conducen posiblemente a que se produzca una vibración de la válvula. Pueden utilizarse una válvula 35 rígida y un muelle firme para limitar tal comportamiento indeseable, pero cuanto más firme es el muelle de cierre, mayores son las fuerzas requeridas para abrir la válvula, lo que conduce a un trabajo innecesario y a una baja eficiencia.

Si se requiere que una máquina se mueva a altas velocidades, las válvulas deben abrirse y cerrarse de forma más 40 rápida que las que se requerirían a bajas velocidades lo que conduce a unas cargas de impacto mayores cuando las válvulas se cierran. La solución normal es limitar la elevación de la válvula de manera que tenga que recorrer una distancia mínima. Aunque tal solución puede reducir las cargas de impacto experimentadas en el funcionamiento a alta velocidad, también reduce de manera indeseable el área efectiva de la válvula.

En general, las válvulas de expansión son mucho más complicadas que las válvulas de comprensión ya que deben ser mantenidas abiertas contra el flujo que normalmente está moviéndose en una dirección que induce fuerzas de cierre sobre la válvula. Esto significa que las válvulas de expansión deben ser controladas de manera activa. Este control activo normalmente se lleva a cabo con una disposición de leva y válvula accionada por leva, en la que la válvula se abre y se cierra en un punto preestablecido en cada ciclo independientemente de la diferencia de presión entre los dos 50 espacios discretos separados por Ia válvula. Este método de funcionamiento de las válvulas de expansión conduce a unas pérdidas significativas ya que es extremadamente difícil configurar tal válvula para que se abra en o cerca de la igualación de la presión (es decir, cuando la diferencia de presión a través de la válvula sea sustancialmente cero) .

Las válvulas de expansión descritas anteriormente normalmente requieren una fuerte estructura de soporte para permitir 55 que las válvulas se abran en contra de la diferencia de presión. Esto significa que tales válvulas de expansión normalmente son componentes grandes y pesados que deben ser lo suficientemente rígidos para no bloquear el cierre cuando haya una diferencia de presión entre los dos espacios discretos. Tales válvulas normalmente son normalmente ineficientes ya que sufren pérdidas significativas de presión cuando se abren sin igualación de la presión.

El cierre hermético puede convertirse en un problema cuando una válvula rígida está asentada contra una cara de la válvula rígida ya que cualquier contaminación por partículas puede conducir a que las válvulas no cierren herméticamente y se produzcan fugas a través de las válvulas cuando están cerradas. Obtener un buen cierre hermético entre una válvula y una cara de la válvula puede requerir rectificación de la precisión y/o el recorrido de Ia válvula durante un período prolongado. 65

Las válvulas del estado del arte normalmente también incluyen una protección para limitar la elevación de la válvula e incorporan el muelle de cierre. En el ejemplo de una válvula de entrada con compresor de pistón, tal protección forma un espacio integral más allá del alcance de la carrera del pistón para que el fluido pase y este espacio se denomina como espacio muerto o espacio libre.

Además de los problemas expuestos anteriormente, los diseños convencionales de válvulas adolecen todos de un área de válvula significativamente limitada. En una disposición de pistón/cilindro de compresión normal en donde las válvulas de entrada y salida están ambas dispuestas dentro de una cabeza del cilindro, no es rara un área de válvula del 5% o del 6% del área del pistón. Esta área de válvula limitada tiene un segundo problema que consistente en que los flujos de fluido a través del área de la válvula tienen a menudo velocidades muy elevadas si el compresor esta funcionando a una 10 velocidad razonable y las pérdidas de presión a través de estas válvulas pueden llegar a ser significativas. Duplicar el área de la válvula disminuirá la velocidad del flujo a través de la válvula por un factor de 2 y disminuirá las pérdidas de presión por un factor de aproximadamente 4.

Incrementar el área de la válvula es una práctica común en el diseño de compresores para disponer múltiples válvulas 15 alrededor del cilindro. Esto tiene el efecto de incrementar el área de la válvula, pero también tiene el efecto de incrementar la cantidad de espacio muerto o espacio libre ya que los anillos del pistón debe mantenerse por debajo del nivel de los puertos de entrada/salida.

El espacio muerto en las válvulas, su conexión al cilindro principal y el espacio alrededor del pistón en el TDC todo se 20 combina para producir un volumen total de espacio libre. EI espacio libre total está normalmente definido como Ia relación entre el volumen del espacio libre y el volumen máximo (volumen desplazado + volumen del espacio libre) :

Volumen del espacio libre = Volumen del Espacio libre (%)

Volumen desplazado + Volumen del espacio libre 25

y para un compresor de pistón está normalmente en el intervalo comprendido entre 5% - 15%. El espacio libre tiene un impacto muy fuerte en la eficiencia volumétrica, que está definida como:

Eficiencia volumétrica = Gas realmente ingerido por la carrera del pistón (%) 30

Volumen desplazado

Despreciando las pérdidas de presión esto se aproxima a:

Eficiencia volumétrica = Volumen total - Volumen en la abertura de la válvula de succión... [Seguir leyendo]

1. Un pistón (1) con una válvula (5) que comprende una primera parte (10) que define una primera serie de aberturas (20) y una segunda parte (2) que define una segunda serie de aberturas (60) , siendo la primera parte móvil lateralmente 5 con respecto a la segunda parte entre una configuración cerrada en la que la primera y la segunda serie de aberturas no coinciden y se evita sustancialmente el paso de un fluido a través de la válvula y una configuración abierta en la que la primera y segunda serie de aberturas coinciden y en la que se permite el paso de fluido; en donde la primera parte está restringida a moverse sustancialmente en forma paralela a una superficie definida por la cara de cierre hermético de la segunda parte por medio de una placa de retención (3) ; caracterizado porque la primera parte comprende un elemento 10 flexible en forma de placa (10) , y porque se proporciona la válvula en el pistón de tal manera que la segunda parte comprende un medio de la cara del pistón (2) .

2. Un pistón de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el elemento flexible en forma de placa (10) está configurado para acoplarse a una cara de cierre hermético de la segunda parte (2) cuando está en la configuración cerrada y se 15 bloque en la configuración cerrada en respuesta a un diferencial de presión a través de la válvula (5) .

3. Un pistón de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el elemento flexible en forma de placa (10) es suficientemente flexible para adaptarse a un perfil de la cara de cierre hermético en respuesta a un diferencial de presión a través de la válvula (5) . 20

4. Un pistón de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la placa de retención (3) comprende una pantalla perforada configurada para cubrir sustancialmente el elemento flexible en forma de placa (10) .

5. Un pistón de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en donde la placa de retención (3) comprende un 25 cuerpo sustancialmente plano.

6. Un pistón de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en donde la placa de retención (3) comprende un material relativamente delgado.

7. Un pistón de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la placa de retención (3) comprende uno de lo siguiente:

(i) Una serie de alambres en tensión;

(ii) Una serie de pernos con las tapas; 35

(iii) Una lámina metálica de corte delgado; o,

(iv) Un cinchado metálico.