CH702936A2 - Valvola di alta sensibilita' per differenze di pressione minime. - Google Patents

Abstract

L’invenzione concerne una valvola di alta sensibilità applicabile per eliminare sovrapressioni uguali o superiori a 4 millibar, nel caso di massima sensibilità, in un senso tra due volumi isolati da una parete, mantenendo tenuta stagna nel senso opposto. La valvola inventata è composta da due elementi. 1- Un elemento elastico (1-5-6) con un corpo sferico centrale (1), due bracci (6) con due cilindri (5) alle estremità. 2- Un corpo valvola (2) con un foro centrale a bordo conico. L’elemento (1) è montato nel corpo valvola (2) in modo che la sua sfera formi una tenuta stagna sul bordo del foro (8). In caso di pressione pari o superiore a 4 millibar dal lato (F) l’elemento elastico, con deformazione dei suoi due bracci (6), permette alla sua parte sferica (1) di sollevarsi dal foro (8) e aprire la valvola per ridurre la pressione in eccesso. In caso di pressione entro 4 millibar dal lato F verso G, o pressioni di qualsiasi valore dal lato (G),la valvola rimane con il foro (8) chiuso dalla sfera (1). La valvola di alta sensibilità inventata si presta ad essere prodotta con dimensioni e costi adatti all’applicazione su contenitori di prodotti alimentari sui quali ad oggi vengono montate valvole con affidabilità nettamente inferiori a causa del loro comune principio di funzionamento. La valvola di alta sensibilità inventata si presta ad una varietà di applicazioni comprendenti la funzione di non ritorno in circuiti pneumatici e idraulici.

Description

[0001] La presente invenzione concerne una valvola di alta sensibilità applicabile per riequilibrare differenze di pressione di pochi millesimi di BAR da un volume a un altro separato da una parete rigida o flessibile, garantendo la perfetta tenuta in senso inverso.

[0002] L’uso più comune di valvole con queste caratteristiche avviene su contenitori di alimenti che possono sviluppare gas dopo la chiusura della confezione. Si rende necessario evitare che i contenitori si rigonfino con pressione interna che può provocarne la rottura, nello stesso tempo si deve escludere l’entrata di aria che potrebbe deteriorare il prodotto.

[0003] La valvola di alta sensibilità, a differenza di quelle di caratteristiche simili note fino ad oggi, può essere applicata sia nella separazione tra gas che nella separazione tra liquidi, oppure tra un gas e un liquido.

Stato della tecnica.

[0004] Sono attualmente usate valvole per preservare confezioni di alimentari dagli effetti dell’aria.

[0005] L’ossigeno presente nell’aria genera la reazione di ossidazione che può causare la perdita di aroma, di colore, e di consistenza di generi alimentari. Diversi tipi di cibo possono rilasciare gas dopo essere stati sigillati in confezioni: allo scopo di eliminare il rischio di scoppio della confezione è in uso l’applicazione di valvole sulle confezioni. La maggioranza dei differenti modelli di valvole in uso ha in comune il principio di funzionamento consistente in un disco di gomma o plastica, con superfici piane, disposto in una sede piana circolare perforata con un solo foro centrale o con diversi fori dentro la sua area. Il disco di materiale elastico si trova appoggiato al foro, o ai fori, della sede determinando così lo stato normalmente chiuso della valvola. Se si crea una pressione maggiore all’esterno della confezione questa preme il disco elastico contro il foro e la valvola resta chiusa impedendo l’entrata di aria. Se si crea una pressione all’interno questa preme sul disco attraverso il foro e lo sposta aprendo la valvola. Trattandosi sempre di valvole normalmente chiuse (quando non vi sono differenze di pressione tra un lato e l’altro) il disco elastico viene tenuto aderente al bordo del foro mediante un fluido viscoso, generalmente olio di silicone, che crea la tenuta stagna e permette l’apertura della valvola con pressioni molto basse, dell’ordine di 5 millibar. Lo stesso fluido provvede, per mezzo della sua proprietà fisica di tensione superficiale, al ritorno in posizione chiusa del disco dopo l’apertura.

[0006] Tuttavia questa soluzione tecnica ha i seguenti gravi inconvenienti: (a) in caso di rilevante corrente attraverso la valvola aperta il fluido può essere spostato via, facendo di conseguenza mancare la richiusura, (b) per evitare questo inconveniente (a) alcuni modelli di valvole hanno fori molto piccoli per limitare la corrente di gas, così non sono adatti a lasciare uscire improvvise sovrapressioni possibili durante il maneggio delle confezioni, (c) Il gas che defluisce può trasportare particelle molto fini che vengono catturate dal fluido nell’area di chiusura impedendo l’azione di richiusura, (d) L’azione di richiusura basata sull’attitudine del fluido di incollare nuovamente due superfici si basa su una forza molto debole, per questo l’affidabilità mostrata nelle prove è molto bassa, infatti si trova un gran numero di pezzi aperti in permanenza, (e) La percentuale di mancati funzionamenti aumenta quando le valvole sono provate capovolte, dimostrando che la forza fornita dal fluido può essere inferiore a quella di gravità nel corpo valvola.

[0007] La scarsa funzionalità dei modelli di valvole attuali è ben conosciuta come si può leggere nel documento di United States Patent N. US 6 662 827 B1 in data 16 dicembre 2003. Nel capitolo n.1 «BACKGROUND OF INVENTION» al paragrafo 10 viene indicato che le valvole a membrana che affidano l’azione di chiusura alla sola forza di attrazione dell’olio non sempre chiudono dopo avere scaricato sovrapressione. Lo stesso brevetto americano presenta un modello di valvola in cui la forza di chiusura è fornita da una membrana elastica sagomata con un rilievo circolare con sezione a campana (pagina 2, Fig. 7, 8, 9, 10). Questa membrana tiene pressato un disco contro il foro di passaggio del gas in posizione chiusa, mentre permette il sollevamento del disco quando la pressione esercitata nell’area del foro supera la resistenza elastica della membrana. La richiusura è azionata dalla forza di ritorno elastico della membrana sagomata e dalla tendenza dell’olio disposto intorno al foro a riunire la superficie del disco e la periferia del foro stesso. La valvola descritta in questo documento è certamente affidabile nella richiusura ma è caratterizzata da valori di pressione di apertura troppo elevati per le specifiche richieste dalle confezioni alimentari: infatti la pressione viene ad esercitarsi solo nell’area interna al bordo di chiusura, come nelle altre valvole a membrana, e quindi il punto di apertura sarebbe ad una pressione minima di circa 8 millibar se la membrana fosse trattenuta solo dall’olio, tuttavia la membrana elastica sagomata, saldata in posizione precompressa, aumenta notevolmente la resistenza all’apertura. La pressione minima di apertura di questa valvola non è indicata nel documento di brevetto ma si può presumere di almeno 50 millibar. Inoltre si osserva che la membrana sagomata non ha un alloggiamento rigido e dovrebbe essere montata sulla parete di contenitori flessibili, quindi sarebbe esposta a deformazioni che causerebbero l’apertura permanente della valvola.

[0008] Il modello di valvola più diffuso è descritto nel documento U.S. Patent n. 3 595 467 del 1971, titolare Goglio. Questa valvola viene ancora prodotta dalla ditta Goglio ed è possibile conoscerne le caratteristiche attuali da un documento commerciale del produttore. Ha un contenitore in due componenti di plastica che contiene un disco di gomma appoggiato al bordo piano di un foro. Il foro è attraversato dal gas durante la fase di apertura della valvola, mentre viene tenuto normalmente chiuso dal disco di gomma che vi è appoggiato sul bordo. Nel disegno in sezione è rappresentato un rilievo a punta sul piano interno del coperchio della valvola, rivolto verso il disco di gomma per tenerlo contro al bordo del foro, in posizione di chiusura. Si legge nella descrizione che tra la gomma e il bordo del foro è disposto olio di silicone come sigillante, e che quando viene raggiunta la pressione di apertura questa vince la coesione dell’olio e il disco di gomma flette aprendo lo sfogo del gas. La richiusura verrebbe garantita dal raddrizzamento elastico del disco di gomma e dalla proprietà dell’olio di riunire le superfici che ne sono bagnate.

[0009] Provando esemplari di questo modello di valvola si nota che il rilievo che dovrebbe tenere il disco in chiusura è corto e lo sfiora solamente. La funzione di chiusura è affidata esclusivamente all’olio che con la sua tensione superficiale tiene incollato il disco al foro. L’elasticità della gomma ha la funzione di facilitare l’apertura poiché il distacco dal bordo del foro può partire da un punto del disco che si solleva per poi aprire il resto del perimetro: se il disco fosse rigido la pressione di apertura dovrebbe essere molto superiore per attuare il distacco completo in un solo passo.

[0010] L’affidabilità di questa valvola è scarsa perché la richiusura avviene solo se la corrente in uscita non ha causato il distacco completo del disco dal bordo del foro, perché solo da un punto ancora incollato si può esercitare la proprietà fisica dell’olio di riunire le superfici. Se si prova questa valvola con il disco verso l’alto rispetto al foro si ottiene un numero di richiusure più alto che nella prova con il disco verso il basso: ciò dimostra che basta la forza di gravità ad influenzare il funzionamento. Inoltre al passaggio di una rilevante corrente di gas un numero elevato di valvole resta aperto a causa dello spostamento di tracce di olio sulla superficie opposta del disco di gomma, che tende così a restare incollato alla parete interna opposta a quella del foro, lasciando aperta la valvola. Nelle prove di sfogo rapido si nota anche che il disco di gomma sollevato dal flusso di gas va a chiudere parzialmente il foro di uscita limitando ulteriormente la già scarsa portata della valvola.

[0011] Un altro esempio dell’attuale stato della tecnica è ben rappresentato nel documento United States Patent 4,444,219 del 24 aprile 1984, titolare Wipf. La valvola qui descritta si trova ancora attualmente applicata su confezioni di caffè e presenta caratteristiche migliori del modello Goglio per l’affidabilità di richiusura ma una capacità di corrente di sfogo del gas estremamente ridotta.

[0012] In questa valvola si trova un disco di plastica sottile molto flessibile che copre diversi piccoli fori su un piano in cui una serie di canali circonda i fori stessi. I canali hanno la funzione di trattenere l’olio di silicone che copre tutta la superficie tra il piano rigido con i fori e il disco flessibile. Un terzo componente è una staffa di plastica che ha la funzione di tenere il disco in posizione sopra i fori, lasciandone libere zone che possono rialzarsi per aprire la valvola. Anche in questo modello di valvola la richiusura è affidata quasi esclusivamente alla proprietà fisica di coesione dell’olio, infatti il disco di plastica esercita debolissima resistenza all’apertura e altrettanto debole tendenza a richiudere. Nelle prove si può notare che qualsiasi micro impurità si trovi nell’olio è spesso sufficiente a formare un canale di passaggio di aria e causare la mancata chiusura della valvola nonostante il disco sia in posizione corretta.

Descrizione dell’invenzione

[0013] La valvola di alta sensibilità qui presentata è in grado di aprirsi con pressioni di circa 4 millibar (oppure pressioni più elevate) e di richiudersi dopo avere ridotto la pressione tra 1 e 3 millibar. La chiusura dopo l’apertura avviene mediante un sistema dotato di forza sufficiente a renderlo altamente affidabile e capace di sfogare forti correnti di gas o di liquido.

[0014] La capacità di sfogo rapido è una caratteristica molto importante perché riduce il rischio di scoppio del contenitore che durante la manipolazione e il trasporto sia sottoposto ad improvvisa compressione da altre merci sovrapposte. La stessa capacità è necessaria nelle applicazioni su confezioni di alimenti che vengono aperte solo dopo la cottura in forni a microonde: in questo impiego la valvola è in grado di sfogare il vapore che si forma rapidamente nella cottura.

[0015] La valvola di alta sensibilità, di cui è rappresentato un esempio realizzativo nella Tavola 1, fig. 1e 2, è costituita da due componenti, un elemento elastico (1-5-6) fatto di polimero elastico, un corpo (2) fatto di materiale termoplastico rigido.

[0016] L’elemento elastico è costituito da un corpo centrale a profilo sferico (1) con due prolungamenti radiali (6) opposti a forma di placca sottile che si raccordano alle estremità con cilindri (5) i cui assi sono ortogonali al loro piano.

[0017] Il corpo (2) è costituito da una parete cilindrica raccordata ad un disco piano forato nella zona (8) e ad una flangia circolare (11).

[0018] Il corpo (2) nella zona forata (8) presenta verso l’elemento elastico (1) una apertura a bordo conico (9).

[0019] Il corpo (2) è provvisto di una parete con quattro estremità (10) che servono a trattenere i due cilindri (5) dell’elemento elastico (1) nella corretta posizione in sede.

[0020] Il montaggio avviene lubrificando prima il bordo conico (9) e poi inserendo l’elemento elastico (1) nel corpo (2) in modo che le estremità cilindriche (5) siano trattenute dalle pareti (10) e di conseguenza la sfera centrale (1) appoggi sul bordo conico (9).

[0021] Si realizza così una tenuta stagna sull’apertura A del corpo della valvola che si apre solo in caso di pressione maggiore nel volume (F) rispetto al volume (G), resta invece chiusa negli stati di pressioni equivalenti tra (F) e (G) e di sovrapressioni in (G) rispetto a (F).

[0022] La valvola di alta sensibilità è adatta ad ogni tipo di contenitore a parete rigida o flessibile che richieda difesa da sovrapressioni estremamente basse interne o esterne. È inoltre impiegabile in sistemi a gas o a liquido dove siano necessarie una pressione di apertura e una resistenza di flusso estremamente ridotte. Il principio di funzionamento della valvola di alta sensibilità permette una pressione minima di apertura di circa 4 millibar. Nell’esempio di applicazione a un contenitore flessibile la valvola può essere termosaldata nella zona (4) dell’involucro, sul lato interno della parete plastica del contenitore (3). All’interno del perimetro della termosaldatura ( 4 ) viene punzonato un foro (B) sul foglio plastico, parete del contenitore. In questo esempio di applicazione la valvola di alta sensibilità permette di limitare la sovrapressione interna (volume F) ad un massimo di 4 millibar rispetto alla pressione esterna (volume G).

Funzionamento della valvola di alta sensibilità.

[0023] Con riferimento alla Tavola 1, fig. 1e 2, la valvola è montata sulla parete (3) del contenitore mediante una termo saldatura sul profilo ( 4), il foro (B) è aperto attraverso la parete (3), il volume (F) rappresenta l’interno del contenitore, il volume (G) l’esterno. Una sovrapressione nel volume(F) causa l’ingresso di aria, gas, o liquido attraverso il foro (A) del corpo valvola (2) e di conseguenza l’aumento della pressione sulla superficie della zona sferica (1). La zona sferica tende a sollevarsi deformando i due bracci (6) fino a staccarsi dal bordo conico (9) aprendo la valvola nell’area centrale (A). L’aria, il gas o il liquido, defluirà dal foro (A) e infine attraverso il foro (B) della parete del contenitore. Il flusso aperto riduce la differenza di pressione tra i volumi (F) e (G) fino a raggiungere un valore che permette alla sfera (1) di essere riportata dal ritorno elastico dei bracci (6) ad appoggiarsi al bordo conico (9), richiudendo così la valvola.

[0024] Il carattere fortemente innovativo della valvola di alta sensibilità è contenuto nella chiusura realizzata con una sfera dentro una cavità conica e nella applicazione di bracci elastici opposti per il ritorno e il mantenimento della sfera nella sede conica.

[0025] Il profilo sferico crea una zona circolare di tangenza sul profilo conico fornendo una tenuta perfetta e affidabile principalmente per due motivi: 1) la superficie di contatto tra la sfera elastica (1) e il bordo conico (9) è molto ridotta permettendo così di esercitare una pressione rilevante anche con una forza molto piccola esercitata dai bracci (6) nel mantenere la sfera contro il bordo conico. 2) il profilo sferico della zona (1) garantisce una aderenza perfetta al bordo conico (9) anche se, dopo una apertura, la sfera (1) ritorna sul bordo conico (9) ruotata rispetto alla posizione precedente l’apertura. La lubrificazione con olio serve a mantenere la tenuta anche in presenza di piccole impurità che accidentalmente possono trovarsi sulla zona di tangenza. Si deve inoltre notare che l’olio tende a migrare a causa della sua tipica tensione superficiale concentrandosi nella zona di contatto tra la sfera e il cono, e contribuendo così a garantire la tenuta della valvola.

[0026] Nelle valvole simili fino ad oggi note la forza di apertura è determinata dalla pressione applicata sulla membrana all’interno dell’area di apertura-chiusura: così si dispone di forza di apertura molto debole e per avere alta sensibilità (bassi livelli di pressione di apertura) è necessario che la forza di chiusura sia altrettanto debole. Proprio questo ha determinato che lo stato della tecnica fino ad oggi veda applicata in prevalenza la forza di coesione dell’olio per ottenere la chiusura delle valvole.

[0027] La forza di coesione dell’olio nei modelli in uso fino ad oggi viene fatta esercitare tra due pareti piane parallele, quella del corpo valvola e quella dell’elemento mobile che ha funzione di apertura e chiusura. Questa superficie di chiusura è molto più grande della sezione del foro di passaggio del gas: proprio questa caratteristica genera un rapporto sfavorevole tra la forza necessaria all’apertura della valvola e la forza disponibile per la chiusura. Per l’apertura la pressione deve essere tale da scollare le due pareti tenute insieme dall’olio su una rilevante superficie, mentre per la richiusura è disponibile solo la forza di coesione dell’olio esercitata nella zona ridotta in cui le due superfici sono rimaste incollate. Qui viene evidente che nello sfogo rapido di gas le attuali valvole sono scarsamente efficienti non solo perché hanno fori di scarico molto piccoli ma anche perché la corrente di gas può provocare il distacco completo tra le superfici di tenuta impedendo così all’olio di esercitare la sua azione di richiusura. La valvola di alta sensibilità con il suo principio innovativo è in grado di aprire con pressioni inferiori del 30% in media, e di permettere una corrente in uscita più grande di 6-15 ordini di grandezza rispetto alle valvole note fino ad oggi. La valvola di alta sensibilità è inoltre producibile a costo inferiore perché composta da due parti stampate in materiale termoplastico mentre tutte le valvole note fino ad oggi sono composte di due parti in materiale termoplastico e una terza tagliata con fustellatura in lastra di gomma o di plastica. Anche l’olio siliconico necessario in ogni pezzo è in quantità molto inferiore, data la superficie di tenuta molto più piccola.

NUMERAZIONE DELLA TAVOLA 1

[0028] <tb><sep>Fig. 1 e 2 <tb>1-<sep>sfera dell’elemento elastico <tb>2-<sep>corpo valvola <tb>3-<sep>parete del contenitore <tb>4-<sep>zona di saldatura <tb>5-<sep>cilindri <tb>6-<sep>bracci <tb>7-<sep>sede del filtro dell’aria <tb>8-<sep>foro di entrata <tb>9-<sep>bordo conico del foro di entrata <tb>10-<sep>pareti del corpo valvola con sedi dei cilindri <tb>11-<sep>flangia del corpo valvola <tb>A-<sep>Foro del corpo valvola <tb>B-<sep>Foro nella parete del contenitore <tb>F<sep>volume interno al contenitore <tb>G<sep>volume esterno al contenitore

Claims (5)

1. Valvola di alta sensibilità per riequilibrare differenze di pressione minime tra interno ed esterno di contenitori rigidi o flessibili (3), e per funzioni di non ritorno in circuiti pneumatici o idraulici, caratterizzata da un corpo rigido contenente un elemento elastico ed attraversata da un foro di entrata di passaggio per il gas o il liquido in sovrapressione, in grado di richiudere dopo avere ridotto la sovrapressione, composta da un corpo con superficie piana (2) con un foro (8), e da un elemento elastico (1-5-6) con una sfera centrale (1), due bracci (6) e due cilindri (5) alle estremità dei bracci, dove poi la sfera (1) si appoggia al foro (8) e lo chiude appoggiandosi al bordo conico (9) del foro stesso, cosicché la sovrapressione nel volume (F) si trasmette attraverso il foro (8) alla sfera (1) che viene spostata in direzione del volume (G) deformando leggermente i bracci (6) in senso conico e distaccandosi dal bordo conico (9) del foro (8).

2. Valvola di alta sensibilità secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la superficie piana (2) è protetta da un filtro, inserito in una sede (7), che impedisce l’entrata di particelle di polvere nella valvola.

3. Valvola di alta sensibilità secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che può essere adattata a diverse pressioni di apertura richieste dalle diverse applicazioni cambiando le dimensioni, lo spessore e il materiale dell’elemento elastico (1-5-6), e cambiando, in aggiunta o in alternativa, il livello del bordo conico (9) rispetto alla superficie piana (2) o, in alternativa, variando l’angolo di conicità del bordo conico.

4. Valvola di alta sensibilità secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di essere costruita con materiali resistenti alle alte temperature per usi specifici come nel caso di alimenti da cuocere in forno a microonde ancora chiusi nel loro contenitore dotato di detta valvola per lo sfogo di vapore.

5. Valvola di alta sensibilità secondo la rivendicazione 1, caratterizzata da una forma rettangolare che include solo la zona funzionale delimitata dalle pareti (10) e dai segmenti di flangia (11 A) tra esse compresi, così da adattarsi ad applicazioni in spazi particolarmente limitati.