ES2197967T3 - Diafragma de resorte mejorado para valvulas de cierre y reguladores. - Google Patents

Abstract

SE TRATA DE UN DIAFRAGMA PARA REGULADORES Y VALVULAS DE CIERRE QUE CONSTA DE UNA PRIMERA PARTE INFERIOR (2) EN FORMA DE DISCO ELASTICO FLEXIBLE QUE REALIZA UNA FUNCION DE SELLADO HERMETICO, SEPARANDO LAS CAMARAS DE ENTRADA Y SALIDA DE LA VALVULA, Y DE UNA SEGUNDA PARTE SUPERIOR (3) DE MENOR TAMAÑO QUE FORMA PARTE DE LA REFERIDA PRIMERA PARTE O ESTA CONECTADA A LA MENCIONADA PRIMERA PARTE Y QUE REALIZA LA FUNCION DE UN MUELLE.

Description

Diafragma de resorte mejorado para válvulas de cierre y reguladores.

La presente invención se refiere al diafragma utilizado en las válvulas de cierre y en los reguladores, y más particularmente a un diafragma de resorte mejorado para válvulas de cierre y reguladores, para la separación hermética de cámaras adyacentes de válvulas bajo presión, así como a la posibilidad de regular la magnitud del caudal que pasa por una tubería.

El diafragma de resorte según la invención es de una fabricación única, y al cual se hará referencia en lo sucesivo como ``diafragma de dos pisos'' puede ser utilizado en los dispositivos utilizados en los sistemas de distribución de agua y en tuberías que transporten petróleo, gas, diversos tipos de ácidos y bases y otras mezclas y soluciones de líquidos.

Se conoce un diafragma proyectado para fines similares y que puede ser utilizado en dispositivos similares (ver ``Fluid Controlling Diaphragm Valve'', Inglaterra, Clases: 135, F16k7/16, nº 34131).

Este diafragma tiene la forma de un disco con la forma moldeada, fabricado de goma y está provisto en su centro de un perno para unir el diafragma a un servomotor.

La forma exterior del diafragma reproduce la forma de la superficie interior del cuerpo de válvula y la superficie interior del diafragma se corresponde a la superficie exterior del servomotor.

La parte superior del servomotor está conectada a un tornillo que está roscado a un manguito al cual está unido de forma fija un volante manual.

El ascenso del diafragma hasta su posición superior y su descenso hasta la posición inferior, se efectúan girando el volante en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario a las mismas.

El cierre hermético de la válvula (separación de las cámaras de entrada y de salida) se efectúa comprimiendo fuertemente el diafragma contra la superficie del cuerpo de la válvula con la ayuda del servomotor.

Una deficiencia de este diafragma es el hecho de que solamente puede ser accionado (la válvula puede ser abierta y cerrada) por control manual y solamente puede ser utilizado en válvulas de cierre.

El diseño de un diafragma de este tipo no puede ser utilizado en válvulas de regulación, es decir, en dispositivos que regulen automáticamente el valor de la presión o de la caída de presión.

Otro defecto del diseño de este diafragma es el hecho de que su funcionamiento requiere un mecanismo de accionamiento manual que se compone de varias piezas (servomotor, tornillo, manguito y volante) que aumentan el peso de la válvula y la cantidad de trabajo invertido en su fabricación y reduce la duración de la válvula y su fiabilidad durante el funcionamiento.

Es también conocido el diseño del diafragma descrito en la patente U.S. nº 2.302.830 que puede ser utilizado en dispositivos similares para objetivos similares. El diseño de este diafragma es en forma de un disco elástico que se transforma en una superficie esférica. En el lado convexo de la superficie esférica, que entra en contacto con la superficie del cuerpo de la válvula, existen unas bandas de cierre hermético dispuestas a lo largo del perímetro del disco elástico, las cuales están unidas una a la otra por una banda de cierre hermético situada sobre el eje de simetría del diafragma.

Este diafragma facilita el funcionamiento de la válvula (apertura y cierre) utilizando un mecanismo de accionamiento hidráulico y un resorte metálico de restablecimiento situado sobre el diafragma. Una válvula con un diafragma de una construcción de este tipo, se abre (el diafragma asciende a su posición superior) cuando existe una presión positiva por debajo del diafragma. La válvula se cierra (el diafragma desciende a la posición inferior hasta que hace contacto con el cuerpo de la válvula) tanto por la acción del resorte de restablecimiento (a falta de presión en el sistema de tuberías) como cuando se suministra una presión a la cámara de encima del diafragma. Cuando las presiones por encima y por debajo del diafragma son iguales, este último desciende bajo la acción de la fuerza del resorte metálico de restablecimiento.

Una deficiencia de este diafragma es el hecho de que con bajas caídas de presión y con caudales pequeños, la presencia del resorte metálico crea vibraciones que destruyen rápidamente el diafragma y hacen ineficaz la válvula.

Otra deficiencia de este diseño es el hecho de que debe vencerse la fuerza de restablecimiento del resorte para abrir completamente la válvula, y como resultado se produce un incremento del valor de la presión mínima necesaria para abrir completamente la válvula.

Una tercera deficiencia de este diseño es la presencia del resorte y de su asiento, lo cual complica el diseño de la válvula como conjunto y su montaje y acorta la duración tanto del diafragma como de la válvula como conjunto.

También es conocido el diafragma descrito en la solicitud de patente nº 62.466 (Diafragma mejorado para válvulas, 30 de abril de 1993). Su aspecto se parece al del diafragma descrito en la patente U.S. nº 2.302.930; sin embargo, este diafragma se distingue por la presencia de nervios radiales y anulares en su superficie cóncava, los cuales realizan el papel de un resorte metálico y sustituyen a este último.

Este diafragma elimina todas las deficiencias descritas anteriormente y tiene diversas ventajas significativas sobre ellos.

Este diseño de diafragma es muy eficiente cuando es utilizado en válvulas con aberturas pasantes de diámetros nominales relativamente pequeños (desde ½'' hasta 8'').

En las válvulas con aberturas nominales más grandes (mayores de 8''), se produce un brusco incremento de la zona activa del diafragma, la cual a su vez requiere un aumento de las dimensiones geométricas (anchura y altura) de los nervios dispuestos sobre la superficie cóncava del diafragma.

Una deficiencia de esta solución técnica es la necesidad de incrementar la presión mínima requerida para abrir la válvula, es decir, que se empeoran las características hidráulicas de la válvula.

El objetivo de la presente invención, es por consiguiente proporcionar un diafragma para válvulas de gran abertura nominal que no tenga dichas deficiencias.

El objetivo de la invención se consigue fabricando un diafragma en forma de un disco flexible y elástico compuesto por dos pisos conectados uno al otro. La parte inferior, que lleva a cabo la función de un cierre hermético que separa las cámaras de entrada y de salida de la válvula, realiza una interacción con las superficies interiores del cuerpo de válvula y el sombrerete, y la parte superior que realiza la función de un resorte, realiza una interacción con la superficie interior del sombrerete y la superficie cóncava de la parte inferior del disco.

Con el fin de incrementar la duración, se dispone de unos nervios elásticos, que crean la fuerza y la presión unitaria, necesaria para garantizar un cierre hermético entre el diafragma y el cuerpo de la válvula sobre la superficie cóncava curvilínea de la parte inferior del disco elástico flexible, y otros nervios que crean la fuerza necesaria para devolver el diafragma desde la posición más elevada (la situación de una válvula abierta) hasta la posición inferior (la situación de una válvula cerrada) y que están dispuestos sobre la parte superior del disco elástico flexible.

A continuación se describirá la presente invención, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 ilustra el diseño en una sección del diafragma según la invención.

La figura 2 es una vista en alzado de la figura 1.

La figura 3 presenta una variante del diseño del diafragma, en la cual el disco elástico flexible está fabricado de dos partes separadas unidas una a la otra mediante elementos de unión.

La figura 4 es una vista por debajo de la figura 3.

La figura 5 presenta el diafragma instalado en un montaje de una válvula de cierre en su posición más baja (la válvula está cerrada).

La figura 6 ilustra el diafragma en una posición en la cual la parte más elevada del disco elástico flexible está en contacto con la superficie interior del sombrerete de la válvula.

La figura 7 presenta el diafragma en la posición más elevada (la válvula está completamente abierta).

El diafragma que se aprecia en la figura 1 se compone de un disco elástico flexible 1 que está fabricado en dos partes unidas una a la otra, o sea, la parte inferior 2 y la parte superior 3.

En el interior de la parte inferior existe una lámina elástica, delgada y rígida 4, escasamente deformable, por ejemplo de algodón o de nilón que proporciona la rigidez necesaria al diafragma, al trabajar bajo presión.

Sobre la superficie convexa de la parte inferior 2, está dispuesto un reborde central de cierre 5 que está unido a unos rebordes anulares de cierre hermético 6, con la ayuda de los cuales se garantiza un cierre hermético entre el diafragma y el cuerpo de la válvula.

En ambos lados del reborde de cierre hermético 5, están dispuestos los nervios 7 que están previstos para amortiguar el ruido y las vibraciones que se producen durante el funcionamiento de la válvula.

En la parte central de la superficie cóncava de la parte inferior 2 hay un disco macizo 8 desde el cual se ramifican los nervios elásticos 9 en sentido radial a distancias iguales uno de otro.

Los nervios elásticos 9 dispuestos radialmente, crean la fuerza y la presión unitaria necesaria para garantizar un cierre hermético entre el diafragma y la superficie interior del cuerpo de válvula.

Más allá de los nervios radiales 9 hay unos nervios anulares de cierre hermético 10, que sirven para garantizar un sellado hermético entre el diafragma y el sombrerete de la válvula.

La parte convexa de la parte superior 3 está unida al disco macizo 8, el cual está situado sobre la parte inferior del disco elástico flexible.

En la sección central de la superficie cóncava de la parte superior del disco elástico flexible hay un anillo 11 que está fabricado como una pieza separada junto con la superficie cóncava de la parte superior, desde la cual los nervios elásticos 12 se ramifican en sentido radial. Estos últimos crean solamente la fuerza para devolver el diafragma desde la posición más elevada hasta la posición más baja.

Sobre la superficie plana de la capa inferior del diafragma están previstos unos orificios 13 a través de los cuales pasan los pernos que unen el sombrerete y el diafragma al cuerpo de la válvula.

Las zonas de soporte 14 (figura 5) que entran en contacto con los nervios situados en el cuerpo de la válvula están dispuestas sobre la superficie convexa de la parte inferior, a ambos lados de la banda de cierre hermético, perpendicularmente a su eje.

La diferencia significativa fundamental entre el diseño del diafragma propuesto y el de todas las válvulas conocidas, es que las funciones de los nervios elásticos están claramente delimitadas. Más concretamente:

-

los nervios elásticos situados sobre la parte inferior crean la fuerza necesaria para garantizar el cierre hermético de la válvula;

-

los nervios elásticos situados sobre la parte superior crean la fuerza necesaria para hacer volver el diafragma elevado a la posición inferior.

Con esta forma de realización del diseño se consigue un efecto positivo mayor que la suma de las partes componentes, dado que crea la posibilidad de mantener la presión mínima necesaria para elevar el diafragma hasta la posición más elevada y para incrementar al máximo el área de la sección de apertura sin aumentar su peso, aumentando en cambio la duración del diafragma.

Con el fin de simplificar la tecnología de fabricación, el diafragma puede estar fabricado en forma de piezas separables (figura 3).

En este caso, la parte inferior 2 y la parte superior 3 están fabricadas por separado y luego han sido unidas para formar una sola pieza con la ayuda de elementos de sujeción; un perno roscado 15 y un disco 16. Para hacer posible esta unión, en el centro de la parte inferior está previsto un manguito metálico 17 al cual se atornilla el perno roscado 15.

Dicha forma de realización de un diafragma en secciones compuestas de dos partes separadas, no altera la esencia de la invención ni el principio operativo del diafragma.

El diafragma funciona de la siguiente manera (en el caso ejemplificado de una válvula de cierre que realiza una función de apertura y cierre).

El diafragma 1 de dos pisos (figura 5) está situado encima de la valona 18 del cuerpo de la válvula y está recubierto por la parte superior por el sombrerete 19.

El diafragma está fuertemente comprimido entre el sombrerete y el cuerpo de la válvula con la ayuda del perno 20 para garantizar un cierre hermético de la unión.

La válvula de tres vías 21, con la ayuda de la cual se consigue el funcionamiento del diafragma está situada sobre el sombrerete.

La idea es que en la abertura pasante del cuerpo de la válvula existe constantemente una presión P_{1} en el lado de entrada y una presión P_{2} en el lado de salida y el diafragma está en la posición más baja (la válvula está cerrada).

En este caso, la palanca de la válvula de tres vías está situada en la posición A, en cuya posición la presión P_{1} llega al compartimento situado por encima del diafragma, a través de la tubería 22.

En este caso, el reborde 5 de cierre hermético está fuertemente comprimido contra la superficie de soporte 23 del cuerpo de la válvula por la fuerza creada por la presión P_{3} y la fuerza T_{9} creada por los nervios elásticos 9.

Es muy importante que en este momento los nervios elásticos 12 situados en la parte superior del diafragma no participen en el proceso de cierre hermético de la válvula, dado que está en estado libre y ello es necesario por lo que queda claro por la igualdad: P_{1} \cdot F_{1}/2 < P_{3} \cdot F_{1}+ T_{9}\eqnum{(1)} en la que P_{1} actúa sobre la mitad del área activa del diafragma cuando la válvula está cerrada.

Se supone que las áreas efectivas del diafragma F_{1} por encima y por debajo son iguales. De la desigualdad (1) se deduce que la fuerza total que se opone a la acción de la presión P_{3} sobre el área F_{1} (P_{3} \cdot F_{1}) por la acción de los nervios elásticos 9 (T_{9}) es significativamente mayor que la fuerza que actúa sobre el diafragma desde debajo (P_{1} \cdot F/2), debido a lo cual se produce la separación entre los compartimentos de entrada y de salida de la válvula, es decir, en esta situación la válvula está siempre cerrada, dado que el reborde de cierre hermético 5 está fuertemente comprimido contra la superficie de soporte 23 en el cuerpo de la válvula, en esta situación.

En el caso en que la presión P_{3} = P_{1} actúa sobre el diafragma desde encima, la presión en la salida es P_{2} = 0, y el diafragma tiende a retornar a una posición en la cual la parte del área del lado de salida es menor que la parte de área del lado de entrada.

Con el fin de eliminar la posibilidad de este retorno, se han dispuesto partes de soporte 14 sobre el diafragma (figura 4). Cuando el diafragma desciende, descansa sobre la superficie de soporte 24 en el cuerpo de la válvula (figura 5).

Además, las partes de soporte 14 aumentan la sección del diafragma y le comunican una mayor resistencia en estos puntos.

Con el fin de abrir la válvula, la palanca de la válvula de tres vías 21 debe ser vuelta a la posición B (está indicada mediante la línea de trazos de la figura 5).

En esta posición, el flujo desde el lado de entrada (la presión P_{1}) queda bloqueado (la presión P_{1} no alcanza la cámara de encima del diafragma) y la cámara situada encima del diafragma está abierta a la atmósfera, es decir que P_{3} = 0.

Bajo la acción de la presión P_{1} aparece una fuerza sobre la mitad del área de la parte convexa del diafragma (P_{1} \cdot \frac{F}{2}) que empieza a mover el diafragma hacia arriba hasta que la abertura pasante de la válvula queda completamente abierta.

Cuando el diafragma sube, los nervios elásticos 9 se tensan y aparecen esfuerzos de tensión en ellos, los cuales tienden a volver el diafragma a su posición original (inferior), pero esta fuerza no necesita proporcionar el retorno del diafragma a la posición inferior, dado que según el esquema del diseño propuesto en la presente solicitud (y éste es el punto principal de la invención), esta fuerza solamente debería garantizar básicamente el cierre hermético de la válvula en la posición cerrada.

Tan pronto como el diafragma asciende a la posición en la cual la parte superior toca la superficie interior del sombrerete, los nervios elásticos 12 entran en funcionamiento (ver figura 6).

Cuando el diafragma sube todavía más (figura 7), los nervios elásticos 12 empiezan a tensarse y aparecen esfuerzos de tensión en los mismos, los cuales crean asimismo la fuerza principal que devuelve el diafragma a su posición inicial. Los nervios elásticos 9 crean también una fuerza adicional que tiende a devolver el diafragma a su posición inicial.

Para cerrar la válvula (para bajar el diafragma), debe moverse la palanca de la válvula de tres vías 21 a la posición A_{1} en la cual la presión P_{1} llega a la cámara situada encima del diafragma, y el canal que conecta esta cámara con la atmósfera está bloqueado.

La relación entre las fuerzas que actúan en esta situación queda expresada por la siguiente desigualdad: P_{3} \cdot F + T_{9} + T_{12} > (P_{1} + P_{2}) F\eqnum{(2)}

Dado que P_{3} = P_{1} y que P_{1} \geq P_{2}, queda claro por la desigualdad (2) que la fuerza que actúa sobre el diafragma desde arriba será siempre mayor que la fuerza que actúa sobre el diafragma desde abajo.

La fuerza T_{12} creada por los nervios elásticos 12, seguirá actuando mientras sigan estando en contacto con la superficie interior del sombrerete.

Cuando el diafragma desciende todavía más, los nervios elásticos 12 de la capa superior dejan de realizar contacto con la superficie interior del sombrerete, T_{12} = 0 y se produce el descenso del diafragma a su posición inicial bajo la acción de la fuerza creada por la presión P_{3} y la fuerza de los nervios elásticos 9.

Por la descripción puede verse que en cuanto el diafragma sube a la posición más elevada, las fuerzas creadas por los nervios elásticos de ambas partes se suman en un momento determinado, y que en cuanto el diafragma desciende a la posición más baja, en un momento determinado la fuerza creada por los nervios elásticos 12 de la parte superior se hace igual a cero.

Esta forma de realización hace posible mantener la presión mínima necesaria para abrir la válvula y al mismo tiempo crear la fuerza necesaria para devolver el diafragma a su posición más baja.

Puede desarrollarse un diseño de válvula con una mínima presión para abrir la válvula y una máxima sección de apertura sin aumentar el peso, variando las dimensiones geométricas de la superficie de la parte superior y los nervios elásticos situados sobre ella, dejando sin modificar las dimensiones geométricas de la parte inferior del diafragma.

Al mismo tiempo, se incrementa la duración del diafragma dado que, en primer lugar las fuerzas creadas por los nervios elásticos de la parte superior y de la parte inferior del diafragma están definidas, y en segundo lugar existe la posibilidad de sustituir solamente una parte del diafragma (la superior o la inferior) en caso de un diseño con secciones separables.

En el caso de que las características técnicas mencionadas en cualquiera de las reivindicaciones estén seguidas de números de referencia, tales números de referencia han sido incluidos con el único objeto de aumentar la inteligibilidad de las reivindicaciones y, en consecuencia, tales números de referencia no tienen ningún efecto limitativo en el alcance de cada uno de los elementos identificados a título de ejemplo por los mismos.

Claims (8)

1. Diafragma elástico para válvulas de cierre y para reguladores, que comprende una primera parte (2) inferior en forma de un disco elástico y flexible que realiza la función de un cierre hermético que separa las cámaras de entrada y de salida de la válvula, y una segunda parte superior (3) de menor tamaño que realiza la función de un resorte, estando dicha segunda parte superior (3) integrada en dicha primera parte o conectada a dicha primera parte.

2. Diafragma elástico para válvulas de cierre y para reguladores, según la reivindicación 1, construido en forma de un disco flexible y elástico que de una forma suave se transforma en una superficie esférica, en el que en el interior del disco elástico y flexible está prevista una lámina (4) elástica, delgada y rígida, escasamente deformable, por ejemplo de algodón, nilón u otro material rígido y escasamente deformable.

3. Diafragma elástico para válvulas de cierre y para reguladores, según la reivindicación 1, en el que sobre la superficie del disco elástico y flexible se han previsto unos rebordes para un cierre hermético (5, 6) realizados en una sola pieza junto con la superficie larga y curvilínea.

4. Diafragma elástico para válvulas de cierre y para reguladores, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende unos nervios elásticos (9) previstos en la superficie cóncava de la parte inferior (2) del disco flexible y elástico y que crean la fuerza y la presión unitaria necesaria para garantizar un cierre hermético entre el diafragma y el cuerpo de la válvula, y unos nervios (12) que crean solamente la fuerza necesaria para devolver el diafragma desde la posición superior (el estado de una válvula abierta) hasta la posición inferior (el estado de una válvula cerrada) dispuestos en la parte superior (3) del disco flexible y elástico.

5. Diafragma elástico para válvulas de cierre y para reguladores, según la reivindicación 1, caracterizado porque la parte superior (3) del disco flexible y elástico está construida de tal manera que la fuerza necesaria para devolver el diafragma a la posición inferior aparece únicamente en el momento en que la parte superior realiza una interacción (entra en contacto) con la superficie interior del sombrerete de la válvula.

6. Diafragma elástico para válvulas de cierre y para reguladores, según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque las partes superior e inferior pueden estar fabricadas tanto como una pieza única o como piezas separadas unidas una a la otra por medio de elementos de fijación (15, 16, 17).

7. Diafragma elástico para válvulas de cierre y para reguladores, según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dispone de nervios elásticos (9, 12) en las partes superior e inferior del disco elástico y flexible, para crear una fuerza uniformemente distribuida sobre toda la superficie activa del diafragma.

8. Diafragma elástico para válvulas de cierre y para reguladores, según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende unas partes de soporte (14) adaptadas a la superficie convexa de la capa inferior (2), qque interactúan con nervios d soporte en el cuerpo de la válvula en el momento en que la válvula está cerrada, y existe una presión en la cámara situada por encima del diafragma.