ES2913793T3 - Válvula compacta de ultra alta presión con capacidad de regulación - Google Patents

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Abstract

Una válvula de alta presión (100, 200, 300) que comprende: una carcasa (40, 50, 30) que tiene una cámara (41), un primer puerto (42) configurado para permitir que el fluido fluya a través del mismo, un segundo puerto (54) configurado para permitir que el fluido fluya a través del mismo, la cámara que proporciona comunicación de fluidos entre el primer puerto y el segundo puerto; un pasador (20) que puede moverse dentro de la cámara entre una posición abierta en la que el primer puerto y el segundo puerto están en comunicación de fluidos y una posición cerrada en la que el primer puerto y el segundo puerto no están en comunicación de fluidos; un anillo de respaldo (14) que guía el pasador, el anillo de respaldo que tiene una geometría cóncava en su cara inferior; un sello (16) que tiene un diámetro interior a través del cual pasa el pasador y una superficie de extremo con una geometría esférica configurada para coincidir con la superficie cóncava del anillo de respaldo, en donde la alta presión en la cámara hace que el sello se deforme hacia adentro contra el pasador y se ensanche una pared de diámetro exterior del anillo de respaldo hacia fuera; una palanca (2) que tiene un primer extremo (110) acoplado al pasador y un segundo extremo (112), la palanca que tiene un punto de pivote (114) que está asegurado de manera giratoria a la carcasa; un generador de fuerza variable conectado al segundo extremo de la palanca y configurado para mover el pasador entre la posición abierta y la posición cerrada; y un controlador (400) acoplado al generador de fuerza variable, el controlador que se configura para ajustar una fuerza aplicada al segundo extremo de la palanca por el generador de fuerza variable para controlar el movimiento del pasador entre la posición abierta y la posición cerrada, en donde la válvula de alta presión se configura para operar a una presión de al menos 137,90 MPa (20.000 psi) medida en la cámara.

Description

DESCRIPCIÓN
Válvula compacta de ultra alta presión con capacidad de regulación
Referencia cruzada a la solicitud relacionada
Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente provisional de Estados Unidos 62/217,634, titulada ULTRAHIGH PRESSURE COMPACT VALVE WITH THROTTLING CAPABILITY, presentada el 11 de septiembre de 2015.
Campo de la descripción
La presente descripción está relacionada con el control del flujo de líquido a alta presión en una válvula compacta de alta presión en la que es necesario detener, iniciar o ajustar el flujo de fluido.
Antecedentes de la descripción
Las aplicaciones de alta presión (por ejemplo, superiores a 137,90 MPa o 20 000 psi) están creciendo en muchas áreas de la ciencia y la industria. La necesidad de detener e iniciar el flujo es un requisito de control esencial para muchas aplicaciones. Estas aplicaciones pueden implicar un flujo de ml/min o gal por segundo. Las válvulas de encendido y apagado de alta presión típicamente son dispositivos que fuerzan un pasador en un orificio para detener el flujo. Un ejemplo de una válvula simple sería una válvula 1000 operada manualmente en la que se hace girar un tornillo 1010 para introducir un pasador 1020 en un orificio (asiento) 1030 para detener el flujo, como se muestra en la Figura 1.
Para operar una válvula de manera remota, la fuerza sobre el pasador típicamente se genera mediante un actuador en línea con el pasador. Varias válvulas comerciales de alta presión usan combinaciones de generadores de fuerza de resorte, aire e hidráulicos. El resorte mecánico y el control neumático (de aire) de la presión de la válvula son comunes. Una válvula típica puede usar un resorte para cerrar la válvula y presión de aire para contrarrestar la fuerza del resorte para abrir la válvula.
La fuerza necesaria para cerrar una válvula es directamente proporcional a la sección transversal del pasador en el asiento. Por ejemplo, un diámetro de contacto asiento/pasador de 2,54 mm a 689,50 MPa (0,100 pulgadas a 100000 psi) requeriría una fuerza de cierre de al menos 356,07 kg (785 libras). Al trabajar con un suministro de presión de aire común de 0,62 MPa (90 psi), se necesitaría un pistón de aire con un diámetro interior de al menos 88,9 mm (3,5 pulgadas). Teniendo en cuenta la fricción y un factor de seguridad, se puede seleccionar un pistón de aire de al menos 101,6 a 127 mm (4 a 5 pulgadas) de diámetro. Para muchos procesos, tales válvulas físicamente grandes no son prácticas. Además, algunas aplicaciones robóticas requieren el uso de válvulas compactas debido a limitaciones de espacio. El equipo de sobremesa requiere válvulas compactas que puedan caber dentro de los gabinetes de instrumentos.
Para superar el problema de tamaño de los pistones de aire, pueden usarse fluidos hidráulicos de mayor presión (por ejemplo, 13,8 MPa o 2000 psi). Sin embargo, esto agrega un equipo más complejo (una bomba hidráulica y válvulas de control hidráulicas) e involucra un fluido hidráulico desordenado. Este enfoque tampoco es adecuado para aplicaciones de sobremesa a pequeña escala, ya que la energía hidráulica es típicamente un inconveniente.
Existe la necesidad de un sistema compacto de válvulas de alta presión que sea físicamente pequeño y accionado por actuadores a fuerzas bajas, y preferentemente por pequeños actuadores de control eléctrico directo.
Además, se están desarrollando nuevas aplicaciones de alta presión que requieren más que una función de encendido y apagado. Estas aplicaciones requieren el control preciso del flujo en condiciones de régimen de flujo constante o presión constante.
Por ejemplo, una bomba de cárter de rpm fijas como la que se usa en un sistema de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) representaría una bomba de desplazamiento constante que proporciona un régimen de flujo constante. Esta bomba suministrará un flujo constante desde presión cero hasta el límite de presión de diseño de la bomba. La presión alcanzada depende de los lugares de restricción en la trayectoria de flujo de la bomba. Otras bombas de régimen de flujo constante incluyen homogeneizadores de desplazamiento positivo impulsados por manivela mecánica. Algunas de estas bombas son capaces de impulsar el flujo a presiones de hasta 275,80 MPa (40 000 psi).
Un tipo de bomba diferente es la bomba intensificadora de presión. La bomba intensificadora genera una presión constante en lugar de un régimen de flujo. Suministrará una presión constante desde la falta de flujo hasta el límite de flujo de diseño de la bomba. Por ejemplo, un homogeneizador basado en un intensificador accionado neumáticamente es una bomba de presión constante.
El documento US 2052246 A describe una válvula de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Breve descripción de la invención
La presente descripción está dirigida a una válvula de alta presión de acuerdo con la reivindicación 1.
En algunas modalidades, el pasador está desviado a la posición abierta, y el generador de fuerza variable se configura para hacer que la fuerza en el primer extremo de la palanca sea suficiente para mover el pasador a la posición cerrada. En algunas modalidades, el pasador está desviado a la posición abierta por una presión de aire y un resorte.
En algunas modalidades, un primer sensor configurado para detectar una primera presión en el primer puerto, y un segundo sensor configurado para detectar una segunda presión en el segundo puerto, el controlador se configura para ajustar la fuerza con base en una diferencia entre la primera presión y la segunda presión.
En algunas modalidades, la válvula de alta presión comprende además un asiento asegurado a la carcasa, en donde el pasador se configura para acoplarse al asiento para ajustar la comunicación de fluidos entre el primer puerto y el segundo puerto, el asiento se configura para acoplarse de manera hermética al pasador cuando el pasador está en la posición cerrada.
En algunas modalidades, el generador de fuerza variable es un pistón de aire sobre el que actúa una presión de aire controlada externa.
En algunas modalidades, el generador de fuerza variable es un dispositivo electromecánico.
En algunas modalidades, el dispositivo electromecánico es un actuador de bobina de voz y un motor paso a paso. En algunas modalidades, el pasador se acopla con una bola cerámica que se configura para acoplarse de manera hermética con un asiento asegurado a la carcasa cuando el pasador está en la posición cerrada.
La válvula de alta presión se configura para operar a una presión de al menos 137,90 MPa (20000 psi) medida en la cámara.
En algunas modalidades, el punto de pivote está ubicado más cerca del primer extremo de la palanca que del segundo extremo de la palanca.
En algunas modalidades, la palanca se configura de manera que una fuerza en el primer extremo de la palanca es al menos cinco veces la fuerza aplicada al segundo extremo de la palanca por el generador de fuerza variable.
En algunas modalidades, la válvula de alta presión comprende un primer elemento de carcasa que tiene una cámara y un primer puerto configurado para permitir que el fluido fluya del mismo; un segundo elemento de carcasa que tiene un segundo puerto configurado para permitir que el fluido fluya a través del mismo; el pasador móvil dentro de la cámara del primer elemento de carcasa entre una posición abierta en la que el primer puerto y el segundo puerto están en comunicación de fluidos y una posición cerrada en la que el primer puerto y el segundo puerto no están en comunicación de fluidos; un tercer elemento de carcasa que tiene una palanca, la palanca que tiene un primer extremo acoplado al pasador y un segundo extremo, la palanca que tiene un punto de pivote que está asegurado de manera giratoria al tercer elemento de carcasa, el primer elemento de carcasa, el segundo elemento de carcasa y el tercer elemento de carcasa pueden asegurarse entre sí.
En algunas modalidades, el pasador está desviado a la posición abierta, y el generador de fuerza variable se configura para hacer que la fuerza en el primer extremo de la palanca sea suficiente para mover el pasador a la posición cerrada. En algunas modalidades, el pasador está desviado a la posición abierta por una presión de aire y un resorte.
En algunas modalidades, la válvula de alta presión comprende además un primer sensor configurado para detectar una primera presión en el primer puerto, y un segundo sensor configurado para detectar una segunda presión en el segundo puerto, el controlador se configura para ajustar la fuerza con base en una diferencia entre la primera presión y la segunda presión.
En algunas modalidades, la válvula de alta presión comprende además un asiento asegurado a la segunda carcasa, en donde el pasador se configura para acoplarse al asiento para ajustar la comunicación de fluidos entre el primer puerto y el segundo puerto, el asiento se configura para acoplarse de manera hermética con el pasador cuando el pasador está en la posición cerrada.
En algunas modalidades, el generador de fuerza variable es un pistón de aire sobre el que actúa una presión de aire controlada externa.
En algunas modalidades, el generador de fuerza variable es un dispositivo electromecánico.
En algunas modalidades, el dispositivo electromecánico es uno de: un actuador de bobina de voz y un motor paso a paso.
En algunas modalidades, el pasador se acopla con una bola cerámica que se configura para acoplarse de manera hermética con un asiento asegurado a la segunda carcasa cuando el pasador está en la posición cerrada.
En algunas modalidades, el punto de pivote está ubicado más cerca del primer extremo de la palanca que del segundo extremo de la palanca.
En algunas modalidades, la palanca se configura de manera que una fuerza en el primer extremo de la palanca es al menos cinco veces la fuerza aplicada al segundo extremo de la palanca por el generador de fuerza variable.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos no están destinados a ser dibujados a escala. En los dibujos, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en varias figuras se representa por un número similar. Para mayor claridad, no todos los componentes se etiquetan en todos los dibujos. En los dibujos:
La Figura 1 es una vista en sección transversal de una válvula operada manualmente;
La Figura 2 es una vista en perspectiva de una válvula compacta de ultra alta presión de una modalidad de la presente descripción que muestra un diseño de válvula modular;
La Figura 3 es una vista en sección transversal de la válvula mostrada en la Figura 2;
La Figura 4 es una vista en perspectiva de una válvula compacta de ultra alta presión de otra modalidad de la presente descripción, que opera con un actuador de bobina de voz;
La Figura 5 es una vista en sección transversal de la válvula mostrada en la Figura 4;
La Figura 6 es una vista en perspectiva de una válvula compacta de ultra alta presión de otra modalidad de la presente descripción, la cual es operada con un motor paso a paso y monitoreada con un sensor de desplazamiento;
La Figura 7 es una vista en perspectiva despiezada de la válvula mostrada en la Figura 2;
La Figura 8 es un diagrama de bloques de un sistema de control;
La Figura 9 es otra vista en sección transversal de una modalidad de un conjunto de regulación;
La Figura 10 es otra vista en sección transversal de otra modalidad de un conjunto de regulación;
La Figura 11 es una vista en sección transversal de otra modalidad de un conjunto de regulación;
La Figura 12A es una vista en sección transversal de una modalidad de un inserto de un conjunto de regulación; y La Figura 12B es una vista en sección transversal de la modalidad de la Figura 12A.
Descripción detallada
La presente descripción se relaciona con el diseño de una válvula compacta de ultra alta presión en la que la presión operativa es superior a 137,90 MPa (20000 psi) y en la que es necesario detener, iniciar o controlar el flujo de líquido a una presión diferencial definida para generar un alto esfuerzo cortante del líquido. El alto esfuerzo cortante del líquido se usa típicamente para disipar la energía de la presión, homogeneizar, mezclar, fracturar materiales suspendidos líquidos o generar aumentos rápidos de temperatura en el líquido.
Más particularmente, la presente descripción se refiere a un diseño de válvula compacto que usa una palanca para reducir el generador de fuerza necesario para operar la válvula.
La presente descripción comprende una válvula de alta presión que incorpora un generador de fuerza de palanca amplificada con un efecto multiplicador de fuerza de al menos cinco a uno. La fuerza amplificada permite que una válvula opere a una presión de válvula más alta con menos fuerza de accionamiento. Esto significa que para una válvula operada neumáticamente, se necesitaría un pistón de aire de menor diámetro. Dado que el pistón de aire es el componente físico más grande, esta es una reducción importante en el tamaño de la válvula.
La construcción modular de la válvula de la presente descripción permite que se instalen diferentes combinaciones de componentes para lograr diferentes funciones de la válvula. Por ejemplo, los componentes de la válvula se pueden instalar estrictamente para aplicaciones de encendido y apagado o para operación de flujo controlado.
Tanto para los tipos de bombas de régimen de flujo constante como de presión constante, la presente descripción proporciona una válvula que puede establecer un flujo abierto, detener el flujo, así como también controlar el flujo dinámicamente a una presión diferencial definida. En un sistema de bomba de presión constante, esta válvula permite el régimen de flujo máximo posible antes de que se alcance la potencia máxima de la bomba. En un sistema de bombeo de régimen de flujo constante, esta válvula permite la máxima presión posible antes de alcanzar la máxima potencia.
La Figura 2 muestra un conjunto de válvula de alta presión, generalmente indicado en 100, de una modalidad de la presente descripción. El conjunto de válvula 100 incluye una primera carcasa 40, una segunda carcasa 50 y una tercera carcasa 30. La tercera carcasa 30 incorpora un cilindro de aire interno y posiciones de montaje, que incluyen un soporte de pivote, para una palanca 2. La tercera carcasa 30 está conectada a las carcasas que contienen alta presión (la primera carcasa 40 y la segunda carcasa 50). La primera carcasa 40 y la segunda carcasa 50 también pueden denominarse porción de alta presión del conjunto de válvula 100. La primera carcasa 40, la segunda carcasa 50 y la tercera carcasa 30 están aseguradas juntas, como se explica con más detalle en la presente descripción, para formar el conjunto de válvula de alta presión 100.
La Figura 3 muestra que la primera carcasa 40 tiene una cámara 41 y un primer puerto (o primer prensaestopas) 42 que está en comunicación de fluidos con la cámara 41 de modo que permite que el fluido fluya a través del primer puerto 42 hacia la cámara 41. La segunda carcasa 50 tiene un segundo puerto (o segundo prensaestopas) 54 configurado para permitir que el fluido fluya desde la cámara 41 y a través del segundo puerto 54 cuando el conjunto de válvula 100 está abierto. Para abrir y cerrar selectivamente el conjunto de válvula 100, un pasador 20 se puede mover dentro de la cámara 41 de la primera carcasa 40 entre una posición abierta en la que el primer puerto 42 y el segundo puerto 54 están en comunicación de fluidos y una posición cerrada en la que el primer puerto 42 y el segundo puerto 54 no están en comunicación de fluidos. La Figura 3 muestra el pasador 20 en la posición cerrada.
El primer puerto 42 y el segundo puerto 54 pueden conectar el conjunto de válvula 100 a tuberías o dispositivos externos para almacenar o recoger un fluido antes de haber procesado el fluido o después de haber procesado el fluido. Se puede proporcionar un material a procesar desde una fuente (no mostrada) al primer prensaestopas 42.
El conjunto de válvula de alta presión 100 incluye un asiento 45 asegurado a la segunda carcasa 40. El pasador 20 se configura para acoplar selectivamente el asiento 45 para ajustar la comunicación de fluidos entre el primer puerto 42 y el segundo puerto 54. Con la modalidad del conjunto de válvula 100, el asiento 45 se configura para acoplarse de manera hermética con el pasador 20 cuando el pasador 20 está en la posición cerrada. Se define un espacio entre el pasador 20 y el asiento 45 cuando el pasador 20 está en una posición abierta.
El pasador 20 es guiado por un anillo de respaldo (BUR) 14, que está soportado por un soporte de anillo de respaldo 12. Debajo del anillo de respaldo 14, el pasador 20 también pasa a través del diámetro interior de un sello de alta presión 16 que incorpora una junta tórica elastomérica 17. Debajo del sello de alta presión 16 y hacia el extremo inferior del pasador 20, el pasador 20 se desplaza a través del diámetro interior de un buje guía de metal 18 a medida que el pasador se mueve hacia arriba y hacia abajo al girar la palanca 2.
El asiento 45 se mantiene en su lugar al asegurar la segunda carcasa 50 a la primera carcasa 40 mediante el uso del tornillo de máquina 52 y asegurar la segunda carcasa 50 a la tercera carcasa 30 mediante el uso de los tornillos de máquina 53. El asiento 45 está sellado contra el bloque superior (primera carcasa) 40 en un punto de contacto circunferencial 44 por un esfuerzo de contacto de metal a metal alta como resultado de una pequeña diferencia angular entre el asiento cónico 45 y el receptáculo cónico 47 en el bloque 40 y la fuerza de los tornillos 52. En un ejemplo, el ángulo del cono de la porción central troncocónica del asiento 45 es de 36 grados cuando se mide desde el eje vertical del asiento 45, y el ángulo del cono del receptáculo cónico 47 en la primera carcasa 40 es de 40 grados cuando se mide desde el eje vertical de la primera carcasa 40. Los tornillos 52, 53 están apretados entre 7 y 10 libras-pie para generar suficiente esfuerzo de contacto para sellar la cámara 41 del conjunto de válvula 100 en el punto de contacto circunferencial 44.
A altas presiones en la cámara 41, el fluido a alta presión puede filtrarse a través de la holgura entre el pasador 20 y el buje guía metálico 18. Estas altas presiones hacen que el sello de alta presión 16 relativamente blando empuje contra el anillo de respaldo 14. Para formar un sello alrededor del pasador 20 para evitar fugas en la carcasa, el sello de alta presión 16 tiene una geometría de extremo esférico en su extremo superior en la Figura 3. El extremo esférico del sello de alta presión 16 está soportado por el anillo de respaldo 14 con una geometría cóncava coincidente en su cara inferior en la Figura 3 y un ajuste con holgura bajo (<0,0254 mm o <0,001 pulgadas) entre el diámetro interior del anillo de respaldo y el pasador 20. La geometría del extremo esférico del sello de alta presión 16 y la geometría cóncava del anillo de respaldo 14 permiten la expansión del borde del diámetro exterior del anillo de respaldo 14 para reducir el espacio de extrusión en el diámetro exterior del anillo de respaldo 14 La forma curva también enfoca el sello de alta presión 16 en la interfaz entre el pasador 20 y el anillo de respaldo 14 para sellar el área alrededor del extremo superior del pasador 20 cuando el sello de alta presión 16 está expuesto a alta presión. La forma convexa del sello de alta presión 16 y la forma cóncava del anillo de respaldo 14 hacen que las paredes del diámetro exterior de la porción cóncava del anillo de respaldo 14 se ensanchen hacia afuera, mientras que el sello de alta presión 16 se deforma simultáneamente hacia adentro en su extremo superior para sellar cualquier espacio libre entre el pasador 20 y el anillo de respaldo 14.
En algunas modalidades, la geometría final del sello de alta presión 16 puede ser ahusada o curvada, en lugar de perfectamente esférica.
En algunas modalidades, el extremo superior del sello de alta presión 16 tiene una forma convexa que no es esférica.
En la modalidad de las Figuras 2 y 3, el pasador 20 se hace de acero inoxidable de alta resistencia, típicamente 440C. El asiento 45 se hace de acero inoxidable 17-4 ph, el sello se hace de UHMWPE combinado con una junta tórica elastomérica y el anillo de respaldo es de bronce de níquel para cojinetes. Se usa un soporte de anillo de respaldo 12 de acero inoxidable 17-4 ph para transferir la carga alta al cuerpo de accionamiento. Las carcasas que contienen presión (la primera carcasa 40 y la segunda carcasa 50) se hacen de acero inoxidable 17-5ph. La tercera carcasa 30 se hace de aluminio 6061-T6. El material de soporte del anillo de respaldo 12 se selecciona para evitar la deformación del aluminio relativamente débil de la tercera carcasa 30 bajo una carga alta del anillo de respaldo 14.
La palanca 2 y los pasadores de conexión 115 también se hacen de acero inoxidable de alta resistencia. Un pasador de conexión 115 une la palanca 2 con la tercera carcasa 30 en el punto de pivote 114. Otro pasador de conexión 115 une la palanca 2 con el soporte del pasador 10. Otro pasador de conexión 115 une la palanca 2 al vástago 4.
Para mover el pasador 20, la tercera carcasa 30 dispone de una palanca 2, la cual tiene un primer extremo 110 acoplado al pasador 20 y un segundo extremo 112 acoplado al generador de fuerza variable (por ejemplo al acoplar el segundo extremo 112 al vástago 4). La palanca 2 tiene un punto de pivote 114 que está asegurado de manera giratoria a la tercera carcasa 30. En las Figuras 2 y 3, el punto de pivote 114 está ubicado más cerca del primer extremo 110 de la palanca 2 que del segundo extremo 112 de la palanca 2. Esto proporciona una ventaja mecánica de modo que la fuerza aplicada por el primer extremo 110 de la palanca 2 al pasador 20 es mayor que la fuerza aplicada por el pistón 6 y el vástago del pistón 4 al segundo extremo 112 de la palanca 2.
En algunas modalidades, el conjunto de válvula de alta presión 100 se configura para que una fuerza en el primer extremo 110 de la palanca 2 sea al menos cinco veces la fuerza aplicada al segundo extremo 112 de la palanca 2 por el generador de fuerza variable.
El conjunto de válvula de alta presión 100 puede configurarse para operar a una presión de al menos 137,90 MPa (20 000 psi) medida en la cámara 41.
Un generador de fuerza variable está conectado al segundo extremo 112 de la palanca 2 y se configura para mover el pasador 20 entre la posición abierta y la posición cerrada. Es posible usar varios tipos de generadores de fuerza, tal como los que se describen en la presente descripción.
En la modalidad de la Figura 3 se usa un cilindro de aire 21 con un pistón 6 como generador de fuerza variable. Para mover el pasador 20 a la posición cerrada, se aplica presión de aire al cilindro de aire interno 21 a través del puerto 8 y actúa sobre el pistón 6 y hace que el pistón 6 se mueva con relación a la base 9 en el extremo inferior del cilindro de aire 21. El vástago del pistón 4 empuja hacia arriba el segundo extremo 112 de la palanca 2, que gira sobre el punto de pivote 114, de modo que el primer extremo 110 de la palanca 2 actúa sobre un soporte del pasador 10 que está acoplado al pasador 20, lo que mueve de esta manera el pasador finalmente a la posición cerrada.
En algunas modalidades del conjunto de válvula de alta presión 100, el pasador 20 está desviado a la posición abierta por presión de aire y/o un resorte 5. La Figura 3 muestra el conjunto de válvula de alta presión 100 en el que el pasador 20 está desviado a la posición abierta por el resorte 5. El generador de fuerza variable se configura para hacer que la fuerza en el primer extremo 110 de la palanca 2 sea suficiente para mover el pasador 20 a la posición cerrada. Cuando se elimina la presión de aire del puerto 8, el resorte interno 5 tirará del segundo extremo 112 de la palanca 2 hacia abajo y abrirá la válvula al hacer que el primer extremo 110 de la palanca tire del pasador 20 del asiento de la válvula 45.
En algunas modalidades, alternativamente o además de una desviación por resorte, se puede aplicar presión de aire directa a través del puerto 7 a la parte superior del pistón para desviar el conjunto de válvula 100 a una posición abierta o para abrir selectivamente el conjunto de válvula al hacer que el pistón 6 se mueva hacia abajo, y para tirar del segundo extremo 112 de la palanca 2 hacia abajo.
En varias modalidades de la presente descripción, la fuente de la fuerza de accionamiento se puede cambiar a fuentes alternativas. En la Figura 3, el generador de fuerza variable es un pistón de aire accionado por una presión de aire controlada externa. En las Figuras 4-6, el generador de fuerza variable es un dispositivo electromecánico.
La presente descripción permite el uso de generadores de fuerza con alta capacidad de control. Los cilindros de aire convencionales tienen una capacidad limitada para controlar con precisión la fuerza debido a la fricción del sello del pistón. La fricción del sello del pistón limita la capacidad del cilindro de aire para controlar las fuerzas. El límite de control lo establece la fricción estática del sello. Un generador de fuerza de fricción baja o nula permite un control de la válvula de mayor resolución. Por ejemplo, el uso de un actuador de bobina de voz (VCA), por ejemplo, como se describe en la presente descripción, permite un control más preciso. Dado que un VCA no tiene sello interno, se puede lograr una fricción muy baja. El VCA también puede permitir variaciones más rápidas en la fuerza de control. Esto puede usarse para impulsar rápidamente la válvula para ciertas aplicaciones, tales como pruebas de fatiga de componentes a alta presión. El uso de la palanca permite el uso de un VCA de menor potencia. Sin la palanca de amplificación de fuerza 2, se necesitaría un VCA mucho más grande, lo que aumenta el costo y el tamaño.
Alternativamente, pueden usarse otros dispositivos que produzcan poca fuerza para operar el conjunto de válvula; por ejemplo, puede usarse un motor paso a paso y un tornillo de avance con o sin retroalimentación para operar una válvula simple de encendido y apagado. Además, cuando se usa con monitoreo de posición de precisión, se pueden lograr regímenes de flujo de control al ajustar con precisión la posición del pasador. En la Figura 6, el generador de fuerza variable es un motor paso a paso.
Las Figuras 4 y 5 muestran un conjunto de válvula, generalmente indicado en 200, de otra modalidad de la presente descripción en la que el generador de fuerza variable es un actuador de bobina de voz (VCA) 60. La tercera carcasa 30 y la palanca 2 son las mismas que la tercera carcasa 30 y la palanca 2 en la modalidad 100 de la Figura 3, excepto en la modalidad 200, la tercera carcasa 30 se configura para soportar el VCA en lugar de un cilindro de aire 21. En la modalidad 200, el VCA 60 se mantiene en su lugar en la tercera carcasa 30 simplemente mediante una abrazadera ajustable 61 que tiene un perno roscado 62. El VCA 60 que tiene una fricción cercana a cero permite que una fuerza controlada con precisión actúe sobre el pasador 20. La fuerza aplicada en el segundo extremo 112 de la palanca 2 por el VCA 60 está controlada por circuitos digitales o analógicos y software basado en datos de sensores de presión tanto delante como detrás de la válvula. Esto permite un control de bucle cerrado muy rápido de la presión diferencial. Dichos sensores se analizan con mayor detalle en relación con la Figura 8.
Para reducir el ciclo de trabajo del actuador electromecánico como el VCA 60, puede usarse un resorte de desviación 63 para suministrar una fuerza constante a la palanca 2. El resorte de desviación 63 reduce el consumo de energía del VCA 60.
En algunas modalidades, por ejemplo, el conjunto de válvula 200 que se muestra en la Figura 5, un pasador 20a incluye un extremo 66 para acoplar una bola cerámica 22 que se configura para acoplarse de manera hermética en un asiento 65, que está asegurado entre la primera carcasa 40 y la segunda carcasa 50, cuando el pasador 20a y la bola 22 están en la posición cerrada. En tales modalidades, el pasador 20 y el asiento 45 anteriores de las Figuras 2 y 3 se reemplazan por otra forma de cierre, tal como un pasador 20a que se acopla a una bola 22 en un hueco en el extremo superior del asiento de la válvula 65. Al controlar la fuerza sobre la bola 22 mediante el extremo inferior 66 del pasador 20a, se puede producir una caída de presión controlada en la válvula, medida por la presión en el primer prensaestopas 42 en relación con la presión en el segundo prensaestopas 54. Una caída de presión produciría un esfuerzo cortante del líquido y un calentamiento del líquido. Por ejemplo, el esfuerzo cortante del líquido se usaría para romper (fragmentar) el material celular, tal como tejido, células sanguíneas o ADN suspendido en el líquido. Con el fin de reducir la erosión, la bola 22 puede hacerse de una cerámica resistente tal como Zirconia endurecida por transformación (TTZ). Una bola cerámica 22 tiene mejor resistencia que un pasador de metal a las fuerzas de erosión constantes.
A caídas de presión relativamente más altas, el aumento de la temperatura del líquido podría ser significativo para lograr efectos específicos. Por ejemplo, a una presión suficientemente alta, se puede producir un calentamiento de líquido muy rápido para fines tales como la inactivación microbiológica y la esterilización de alimentos líquidos.
En la Figura 5, el asiento 65 se mantiene en su lugar al asegurar la segunda carcasa 50 a la primera carcasa 40 mediante el uso del tornillo 52, y al asegurar la segunda carcasa 50 a la tercera carcasa 30 mediante el uso de los tornillos 53. El asiento 65 está sellado contra el bloque superior (primera carcasa) 40 en un punto de contacto circunferencial 64 por un alto esfuerzo de contacto de metal a metal como resultado de una pequeña diferencia angular entre el asiento cónico y el receptáculo cónico en el bloque 40 y la fuerza de los tornillos 52, 53. En un ejemplo, el ángulo del cono de la porción central troncocónica del asiento 65 es de 36 grados cuando se mide desde el eje vertical del asiento 65, y el ángulo del cono del receptáculo cónico 67 en la primera carcasa 40 es de 40 grados cuando se mide desde el eje vertical de la primera carcasa 40. Los tornillos 52 están apretados entre 7 y 10 libras-pie para generar suficiente esfuerzo de contacto para sellar la cámara 41 de la válvula en el punto de contacto circunferencial 64.
A altas presiones en la cámara 41, el fluido a alta presión puede filtrarse a través de la holgura entre el pasador 20a y el buje guía metálico 18. Estas altas presiones pueden hacer que el sello de alta presión 16 relativamente blando empuje contra el anillo de respaldo 14. Para formar un sello alrededor del pasador 20a para evitar fugas en la carcasa, el sello de alta presión 16 tiene una geometría de extremo esférico en su extremo superior en la Figura 5. El extremo esférico del sello de alta presión 16 está soportado por el anillo de respaldo 14 con una geometría cóncava coincidente en su cara inferior en la Figura 5 y un ajuste con holgura bajo (<0,0254 mm o <0,001 pulgadas) entre el diámetro interior del anillo de respaldo y el pasador 20a. La geometría del extremo esférico del sello de alta presión 16 permite la expansión del borde del diámetro exterior del anillo de respaldo 14 para reducir el espacio de extrusión en el diámetro exterior del anillo de respaldo 14. La forma curva enfoca el sello de alta presión 16 en la interfaz entre el pasador 20a y el anillo de respaldo 14 para sellar el área alrededor del extremo superior del pasador 20a.
La forma convexa del sello de alta presión 16 y la forma cóncava del anillo de respaldo 14 hacen que las paredes del diámetro exterior de la porción cóncava del anillo de respaldo 14 se ensanchen hacia afuera, mientras que el sello de alta presión 16 se deforma simultáneamente hacia adentro en su extremo superior para sellar cualquier espacio libre entre el pasador 20a y el anillo de respaldo 14.
En algunas modalidades, la geometría final del sello de alta presión 16 puede ser ahusada o curvada, en lugar de perfectamente esférica.
En algunas modalidades, el extremo superior del sello de alta presión 16 tiene una forma convexa que no es esférica.
En otra modalidad, un conjunto de válvula, generalmente indicado en 300, que se muestra en la Figura 6, incluye un actuador de motor paso a paso 70 con un tornillo de avance 72 que puede usarse como generador de fuerza variable para generar la fuerza necesaria para operar la válvula al hacer girar la palanca 2. El uso de la palanca 2 aumenta la precisión posicional del actuador 70.
En la modalidad del conjunto de válvula 300 que se muestra en la Figura 6, se muestra un sensor de posición externo sensible 74. El sensor de posición externo sensible 74 se usa para medir la posición exacta del pasador 20 para el control de realimentación. Por ejemplo, el sensor de posición 74 puede usarse para detectar la posición del propio pasador, el primer extremo 110 de la palanca 2 o el soporte del pasador 10. El sensor 74 está asegurado a una carcasa de sensor 75, que está asegurada a la tercera carcasa 30. También se entiende que la información de posición también puede obtenerse de sensores incorporados integrados en el motor paso a paso 70 en la modalidad de la Figura 6 o integrados en el VCA 60 en la modalidad de las Figuras 4 y 5.
En cada una de las modalidades del conjunto de válvula mostrado en las Figuras 2-7, la primera carcasa 40, la segunda carcasa 50 y la tercera carcasa 30 se pueden asegurar juntas. La Figura 3 muestra que los tornillos 53 aseguran la tercera carcasa 30 a la segunda carcasa 50. Otro tornillo 52 asegura la primera carcasa 40 a la segunda carcasa 50. La Figura 7 muestra una vista despiezada de la válvula de alta presión de las Figuras 2 y 3. Los tornillos 52 se extienden a través de la primera carcasa 40 y la segunda carcasa 50, y se reciben en la tercera carcasa 30 para asegurar la primera carcasa 40, la segunda carcasa 50 y la tercera carcasa 30 en una relación espacial fija.
Para controlar el generador de fuerza variable, un controlador (un sistema de control) 400 está acoplado al generador de fuerza variable. La Figura 8 muestra un controlador 400 acoplado al VCA 60 de la modalidad 200 de válvula de acción VCA. El controlador 400 se configura para ajustar una fuerza aplicada al segundo extremo 112 de la palanca 2 por el generador de fuerza variable, que es el VCA 60 en la modalidad de la válvula 200, para controlar el movimiento del pasador 20a entre la posición abierta y la posición cerrada. El controlador 400 opera con base en la información de presión proporcionada por un primer sensor 402 y un segundo sensor 404. En una modalidad, el primer sensor 402 se configura para detectar una primera presión en el primer puerto 42 y el segundo sensor 404 se configura para detectar una segunda presión en el segundo puerto 54. El controlador 400 se configura para ajustar la fuerza aplicada al segundo extremo 112 de la palanca 2 con base en una diferencia entre la primera presión y la segunda presión.
Para controlar el flujo de un producto entre el primer prensaestopas 42 y el segundo prensaestopas 54, la cantidad de fuerza aplicada a la palanca 2 se puede variar al ajustar la presión del aire o ajustar la energía eléctrica al actuador (tal como el ACV). Pueden usarse transductores de presión en los lados de entrada y salida de la válvula para medir la presión diferencial. La Figura 8 muestra que el primer sensor de presión 402 está aguas arriba del segundo sensor de presión 404. Si la presión aguas abajo es esencialmente atmosférica, solo se necesitará un transductor de presión. De manera similar, los sensores de temperatura pueden usarse tanto en la entrada (por ejemplo, en el primer puerto 42) como en la salida (por ejemplo, en el segundo puerto 54) de la válvula para medir la temperatura diferencial, que es un indicador de disipación de energía.
De manera similar, los sensores de presión pueden usarse tanto en la entrada (por ejemplo, en el primer puerto 42) como en la salida (por ejemplo, en el segundo puerto 54) de la válvula para medir la presión diferencial, que es un indicador de la disipación de energía.
El sistema de control 400 puede usarse para controlar la modalidad 100 de las Figuras 2 y 3, el conjunto de válvula 200 de las Figuras 4 y 5, o el conjunto de válvula 300 de la Figura 6.
El sistema de control 400 puede configurarse para hacer que el generador de fuerza variable permita, evite o varíe el flujo entre el primer puerto 42 y el segundo puerto 54. El sistema de control 400 puede configurarse para hacer que el generador de fuerza variable produzca una holgura constante entre el pasador 20 y el asiento de la válvula 45. El sistema de control 400 también puede o alternativamente configurarse para hacer que el generador de fuerza variable efectúe una presión diferencial constante entre el primer puerto 42 y el segundo puerto 54.
En la Figura 8, el sistema de control 400 incluye un procesador, un componente de memoria, una fuente de alimentación e instrucciones almacenadas en el componente de memoria que instruyen al procesador del sistema de control 400 para que proporcione una señal de accionamiento al actuador de bobina de voz 60 del conjunto de válvula de accionamiento de bobina de voz 400.
En algunas modalidades, la tercera carcasa 30 se puede proporcionar de manera independiente a un usuario de la primera carcasa 40 y la segunda carcasa 50. Debido a la construcción modular, la tercera carcasa 30 puede usarse con varios componentes que incluyen una válvula que se puede sellar con un pasador.
Aunque los dibujos ilustran una primera carcasa 40, una segunda carcasa 50 y una tercera carcasa 30 que se forman por separado, en otras modalidades es posible proporcionar una carcasa que no tenga esta estructura modular. Por ejemplo, la segunda carcasa 50 y la tercera carcasa 30 podrían formarse integralmente en algunas modalidades.
Como se usa en la presente descripción, un generador de fuerza variable puede ser un pistón, un actuador de bobina de voz, un tornillo de avance u otro dispositivo para aplicar una carga.
Pueden usarse métodos adicionales para controlar con precisión el flujo de líquido a regímenes de flujo muy bajos y alta presión en las modalidades de conjuntos de válvula de alta presión de la presente descripción.
Dada una fuente de presión constante (tal como una bomba intensificadora de presión), la capacidad de controlar el régimen de flujo depende de la capacidad de ajustar la abertura por la que pasa el fluido. Mediante el uso de una abertura fija como una abertura circular (un orificio), a una presión específica, se fija el régimen de flujo. Mediante el uso de un pasador en un orificio, en un caso ideal, a medida que se ajusta la holgura de la abertura, se ajusta el régimen de flujo. Cuanto menor sea la abertura, menor será el régimen de flujo.
Dada una fuente de flujo constante (tal como una bomba de desplazamiento constante, como una bomba de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC)), la capacidad de controlar la presión depende de la capacidad de ajustar la abertura a través de la cual pasa el fluido. En un caso ideal, cuanto menor sea la abertura, mayor será la presión.
Los métodos para ajustar la abertura a través de la cual fluye el fluido pueden variar desde presionar un simple pasador de metal en un orificio de metal hasta sujetar una bola cerámica contra un orificio de metal. Son posibles métodos adicionales. Los materiales más duros, como la cerámica, pueden tener una mejor resistencia al desgaste que el metal cuando se someten a un flujo de fluido de muy alta energía asociado con bombas de alta presión. El flujo de alta energía típicamente genera cavitación y otras fuerzas erosivas que pueden desgastar rápidamente materiales más blandos, tal como el acero. Cuanto mayor sea el diferencial de presión a través de la abertura, mayores serán las fuerzas de erosión. La capacidad de controlar el flujo o la presión típicamente se conoce como regulación.
El conjunto de regulación 500 de la Figura 9, el conjunto de regulación 600 de la Figura 10, y el conjunto de regulación 700 de la Figura 11 pueden usarse en lugar del asiento 45 y el pasador 20 de la Figura 3 y el asiento 65, el pasador 20a y la bola 22 de la Figura 5.
En una modalidad de un conjunto de regulación 500, que se muestra en la Figura 9, una bola cerámica 510 se coloca en la cámara 541 y se acopla selectivamente a un inserto cerámico 530 para sellar una abertura circular de cerámica en el inserto cerámico 530 al ajustar una holgura 520 entre la bola cerámica 510 y el inserto cerámico 530. En una implementación del conjunto de regulación 500, el asiento de metal 45 de la Figura 3 se reemplaza con un soporte del inserto de metal 540 que contiene el inserto cerámico 530, y el pasador 20 de la Figura 3 se reemplaza con un pasador 505 para acoplarse con una bola cerámica 510. Las superficies de contacto entre el inserto cerámico 530 y la bola 510 son ambas de material cerámico y, por lo tanto, se puede evitar o reducir la erosión por fluidos del inserto cerámico 530 y la bola 510. Para asegurar el inserto cerámico 530 en el soporte del inserto de metal 540, el inserto cerámico 530 se instala con un ajuste a presión entre el diámetro interior de un receptor del inserto definido en el asiento de metal y un diámetro exterior del inserto cerámico 530 creado por ajuste a presión (o termorretráctil). El esfuerzo de contacto entre el diámetro exterior del inserto cerámico 530 y el soporte del inserto metálico 540 es preferentemente al menos 1,5 veces la magnitud de la presión máxima del fluido anticipada. Esta alta fuerza de compresión imparte un alto esfuerzo de compresión en el diámetro interior del inserto cerámico 530 que reduce aún más el daño por erosión del inserto cerámico 530.
En otra modalidad de un conjunto de regulación 600, que se muestra en la Figura 10, la bola cerámica 515 se coloca dentro de un inserto de tubo cerámico 550 que tiene una superficie interior ahusada. Generalmente, para un control muy fino de la abertura del paso de fluido, se requiere una holgura precisa entre la bola cerámica 515 (u otra obstrucción) y una superficie en el asiento. Para la aproximación de la bola en el asiento, el movimiento de la bola a una distancia muy pequeña del asiento aumentará en gran medida el espacio entre la bola y el asiento. Para un control muy fino del flujo, en el conjunto de regulación 600, la bola cerámica 515 se puede mover axialmente dentro de un inserto de tubo cerámico ahusado 550. Si la conicidad de la superficie interna del inserto de tubo cerámico ahusado 550 es un ángulo pequeño, el movimiento de la bola cerámica 515 a lo largo del eje longitudinal del inserto de tubo cerámico ahusado 550 solo aumentará gradualmente la holgura entre la superficie exterior de la bola cerámica 515 y la superficie interior del inserto de tubo cerámico ahusado 550. Esto mejora el control fino del flujo de fluido ya que se necesita un mayor movimiento de la bola cerámica 515 para cambiar la holgura en una cantidad determinada. El inserto de tubo cerámico ahusado 550 se mantiene dentro de un soporte del inserto de metal 560 mediante un ajuste a presión. El ajuste a presión crea un esfuerzo residual de compresión que evita aún más el daño por erosión en la superficie interior del inserto de tubo cerámico ahusado 550. El soporte del inserto 560 se usa para establecer un sello con la primera carcasa 40. Cuando no se aplican cargas al inserto de tubo cerámico 550, el inserto de tubo cerámico 550 puede tener una geometría que no tiene una superficie interior ahusada. En tal ejemplo, se crea un ahusamiento de la superficie interna del inserto de tubo cerámico ahusado 550 mediante una compresión no uniforme del soporte del inserto 560 en el inserto de tubo cerámico 550. Al proporcionar un esfuerzo de compresión en el inserto de tubo cerámico 550, se puede proporcionar una disminución gradual en la superficie interior del inserto de tubo cerámico 550 que, de cualquier otra manera, sería difícil de formar mediante mecanizado. Por ejemplo, se puede producir un ahusamiento controlado de 0,000254 mm por mm (0,00001 pulgadas por pulgada) o mayor al ajustar el esfuerzo de compresión que rodea el inserto de tubo cerámico 550. Por ejemplo, la compresión de un tubo recto en su sección media puede hacer que la superficie interior del tubo tenga forma de "reloj de arena". El movimiento lineal de la bola cerámica 515 dentro de este inserto de tubo cerámico ahusado 550 regulará el flujo hasta un nivel preciso. Por ejemplo, puede usarse un pasador 525 para hacer que la bola cerámica 515 se acerque a la región estrechada de la forma de "reloj de arena" desde una dirección para regular el flujo.
En otra modalidad de un conjunto de regulación 700, que se muestra en la Figura 11, una varilla cerámica 570 se puede mover axialmente dentro de un tubo cerámico ahusado 580 que tiene una superficie interior ahusada. El tubo cerámico ahusado 580 se mantiene dentro de un soporte del inserto de metal 590 mediante un ajuste a presión. En ciertas situaciones, cuando la caída de presión deseada en una válvula no debe ser instantánea, puede usarse una varilla cerámica 570 en lugar de una bola cerámica como obstrucción dentro del tubo cerámico ahusado 580. La abertura creada es la de un espacio libre anular con una longitud muchas veces mayor que el espacio libre anular. Esto crea un flujo que permanece laminar dentro del espacio libre anular y evita la cavitación dentro de este espacio libre anular. Esto es especialmente importante cuando se intenta fragmentar sustancias con cadenas moleculares largas, tal como el ácido desoxirribonucleico (ADN). En otras situaciones, el uso de la varilla cerámica 570, en comparación con una bola, puede producir simplemente una vida útil más larga de la válvula ya que la energía del fluido se disipa en una zona más grande y provoca menos erosión.
Con referencia a las Figuras 12Ay 12B, en otra modalidad de un conjunto de regulación, una varilla cerámica 810 se puede mover axialmente dentro de un tubo cerámico 820 que tiene un diámetro interior constante. Para la varilla 810 que tiene un diámetro exterior de 1,985 mm y el tubo cerámico 820 que tiene un diámetro interior de 2,000 mm, se puede proporcionar un espacio libre 830 de 7,5 pm entre la varilla cerámica 810 y el tubo cerámico 820. En ciertas situaciones, puede usarse una longitud de la varilla cerámica dentro del tubo cerámico para controlar el flujo. A medida que la longitud del espacio libre se acorta de L1 a L2 entre las Figuras 12Ay 12B, hay menos obstrucción y por tanto el flujo puede controlarse. Este concepto también se puede combinar con el conjunto de regulación 700 de la Figura 11.
Pueden usarse diferentes métodos para generar una compresión axialmente no uniforme en el inserto cerámico 530 de la Figura 9, el inserto de tubo cerámico 550 de la Figura 10, y el inserto de tubo cerámico 580 de la Figura 11. Estos incluyen un ajuste a presión directo entre el inserto de tubo cerámico y el soporte del inserto respectivo. En un ejemplo, el diámetro exterior del inserto de tubo cerámico es 0,0508 mm (0,002 pulgadas) mayor que el diámetro interior del receptor del inserto definido en el soporte del inserto. Cuando el inserto de tubo cerámico se baja en el receptor del inserto definido en el soporte del inserto, el ajuste a presión hará que el diámetro interior del inserto de tubo cerámico insertado se contraiga 0,02032 mm (0,0008 pulgadas) en el extremo inferior del inserto de tubo cerámico. Los métodos alternativos incluyen la aplicación de esfuerzo de compresión en el soporte del inserto durante la instalación en la válvula. Por ejemplo, debido a la diferencia de ahusamiento entre una superficie troncocónica exterior del soporte del inserto 540 y un receptáculo 47 en la primera carcasa 40, hacer avanzar el soporte del inserto 540 en el receptáculo 47 o retraer el soporte del inserto 540 del receptáculo puede ajustar la fuerza de compresión del contacto entre esas superficies ahusadas en el punto de contacto circunferencial 44. De manera similar, debido a la diferencia de ahusamiento entre una superficie troncocónica exterior del soporte del inserto 560 y un receptáculo 47 en la primera carcasa 40, hacer avanzar el soporte del inserto 560 en el receptáculo 47 o retraer el soporte del inserto 560 del receptáculo puede ajustar la fuerza de compresión del contacto entre esas superficies ahusadas en el punto de contacto circunferencial 44. De manera similar, debido a la diferencia de ahusamiento entre una superficie troncocónica exterior de un soporte del inserto 590 y un receptáculo 47 en la primera carcasa 40, hacer avanzar el soporte del inserto 590 en el receptáculo 47 o retraer el soporte del inserto 590 del receptáculo puede ajustar la fuerza de compresión del contacto entre esas superficies ahusadas en el punto de contacto circunferencial 44. La fuerza de compresión en la superficie exterior del soporte del inserto se transfiere al inserto de tubo cerámico montado dentro del soporte del inserto, lo que provoca la deformación de la superficie interna del inserto de tubo cerámico de modo que la superficie interna se ahúsa a lo largo del inserto de tubo cerámico.
Las modalidades no se limitan en su aplicación a los detalles de construcción y la disposición de los componentes expuestos en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos. Además, la fraseología y terminología usada en la presente descripción es para el propósito de la descripción y no debe verse como limitante. El uso de “que incluye,” “que comprende,” o “que tiene”, “que contiene”, “que involucra”, y variaciones de estos en la presente descripción pretende abarcar los elementos enumerados después de estos y equivalentes de estos así como también elementos adicionales.
Habiéndose descrito de esta manera los diversos aspectos de al menos una modalidad, se puede apreciar que varias alteraciones, modificaciones y mejoras ocurrirán fácilmente para los expertos en la técnica. Dichas alteraciones, modificaciones y mejoras pretenden ser parte de esta descripción, solo si caen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. En consecuencia, la descripción y los dibujos anteriores son solo a manera de ejemplo.

Claims (22)

REIVINDICACIONES
1. Una válvula de alta presión (100, 200, 300) que comprende:
una carcasa (40, 50, 30) que tiene una cámara (41), un primer puerto (42) configurado para permitir que el fluido fluya a través del mismo, un segundo puerto (54) configurado para permitir que el fluido fluya a través del mismo, la cámara que proporciona comunicación de fluidos entre el primer puerto y el segundo puerto; un pasador (20) que puede moverse dentro de la cámara entre una posición abierta en la que el primer puerto y el segundo puerto están en comunicación de fluidos y una posición cerrada en la que el primer puerto y el segundo puerto no están en comunicación de fluidos;
un anillo de respaldo (14) que guía el pasador, el anillo de respaldo que tiene una geometría cóncava en su cara inferior;
un sello (16) que tiene un diámetro interior a través del cual pasa el pasador y una superficie de extremo con una geometría esférica configurada para coincidir con la superficie cóncava del anillo de respaldo, en donde la alta presión en la cámara hace que el sello se deforme hacia adentro contra el pasador y se ensanche una pared de diámetro exterior del anillo de respaldo hacia fuera;
una palanca (2) que tiene un primer extremo (110) acoplado al pasador y un segundo extremo (112), la palanca que tiene un punto de pivote (114) que está asegurado de manera giratoria a la carcasa;
un generador de fuerza variable conectado al segundo extremo de la palanca y configurado para mover el pasador entre la posición abierta y la posición cerrada; y
un controlador (400) acoplado al generador de fuerza variable, el controlador que se configura para ajustar una fuerza aplicada al segundo extremo de la palanca por el generador de fuerza variable para controlar el movimiento del pasador entre la posición abierta y la posición cerrada,
en donde la válvula de alta presión se configura para operar a una presión de al menos 137,90 MPa (20.000 psi) medida en la cámara.
2. La válvula de alta presión de la reivindicación 1, en donde el pasador está desviado a la posición abierta, y el generador de fuerza variable se configura para generar una fuerza en el primer extremo de la palanca que sea suficiente para mover el pasador a la posición cerrada.
3. La válvula de alta presión de la reivindicación 2, en donde el pasador está desviado a la posición abierta por una presión de aire y un resorte (5).
4. La válvula de alta presión de la reivindicación 2, que comprende además
un primer sensor (402) configurado para detectar una primera presión en el primer puerto, y
un segundo sensor (404) configurado para detectar una segunda presión en el segundo puerto,
el controlador que se configura para ajustar la fuerza con base en una diferencia entre la primera presión y la segunda presión.
5. La válvula de alta presión de la reivindicación 1, que comprende además un asiento (45) asegurado a la carcasa, en donde el pasador se configura para acoplarse en el asiento para ajustar la comunicación de fluidos entre el primer puerto y el segundo puerto, el asiento que se configura para acoplarse de manera hermética en el pasador cuando el pasador está en la posición cerrada.
6. La válvula de alta presión de la reivindicación 1, en donde el generador de fuerza variable es un pistón de aire sobre el que actúa una presión de aire controlada externa.
7. La válvula de alta presión de la reivindicación 1, en donde el generador de fuerza variable es un dispositivo electromecánico.
8. La válvula de alta presión de la reivindicación 1, en donde
(i) el pasador se acopla con una bola cerámica (22, 515) que se configura para acoplarse de manera hermética con un asiento (65) asegurado a la carcasa cuando el pasador está en la posición cerrada;
y/o
(ii) el punto de pivote está ubicado más cerca del primer extremo de la palanca que del segundo extremo de la palanca;
y/o
(iii) la palanca se configura de manera que una fuerza en el primer extremo de la palanca es al menos cinco veces la fuerza aplicada al segundo extremo de la palanca por el generador de fuerza variable.
9. La válvula de alta presión de la reivindicación 1 que comprende:
un primer elemento de carcasa (40) que tiene la cámara y el primer puerto (42);
un segundo elemento de carcasa (50) que tiene el segundo puerto (54);
el pasador móvil dentro de la cámara del primer elemento de carcasa entre una posición abierta en la que el primer puerto y el segundo puerto están en comunicación de fluidos y una posición cerrada en la que el primer puerto y el segundo puerto no están en comunicación de fluidos; y
un tercer elemento de carcasa (30) que tiene la palanca (2), en donde el punto de pivote (114) está asegurado de manera giratoria al tercer elemento de carcasa;
el primer elemento de carcasa, el segundo elemento de carcasa y el tercer elemento de carcasa pueden asegurarse entre sí.
10. La válvula de alta presión de la reivindicación 9, en donde el pasador está desviado a la posición abierta, y el generador de fuerza variable se configura para generar una fuerza en el primer extremo de la palanca que sea suficiente para mover el pasador a la posición cerrada.
11. La válvula de alta presión de la reivindicación 10, en donde el pasador está desviado a la posición abierta por una presión de aire y un resorte (5).
12. La válvula de alta presión de la reivindicación 9, que comprende además
un primer sensor (402) configurado para detectar una primera presión en el primer puerto, y
un segundo sensor (404) configurado para detectar una segunda presión en el segundo puerto,
el controlador que se configura para ajustar la fuerza con base en una diferencia entre la primera presión y la segunda presión.
13. La válvula de alta presión de la reivindicación 9, que comprende además un asiento (45) asegurado a la segunda carcasa, en donde el pasador se configura para acoplarse en el asiento para ajustar la comunicación de fluidos entre el primer puerto y el segundo puerto, el asiento que se configura para acoplarse de manera hermética el pasador cuando el pasador está en la posición cerrada.
14. La válvula de alta presión de la reivindicación 9, en donde el generador de fuerza variable es un dispositivo electromecánico.
15. La válvula de alta presión de la reivindicación 9,
(i) en donde el pasador se acopla con una bola cerámica (22, 515) que se configura para acoplarse de manera hermética con un asiento (65) asegurado a la segunda carcasa cuando el pasador está en la posición cerrada; y/o
(ii) en donde el punto de pivote está ubicado más cerca del primer extremo de la palanca que del segundo extremo de la palanca;
y/o
(iii) en donde la palanca se configura de manera que una fuerza en el primer extremo de la palanca es al menos cinco veces la fuerza aplicada al segundo extremo de la palanca por el generador de fuerza variable; y/o
(iv) en donde el generador de fuerza variable es un pistón de aire sobre el que actúa una presión de aire controlada externa.
16. La válvula de alta presión de la reivindicación 7 o la reivindicación 14, en donde el dispositivo electromecánico es uno de: un actuador de bobina de voz (60) y un motor paso a paso.
17. La válvula de alta presión de la reivindicación 5 o la reivindicación 13, en donde el asiento es un asiento de metal.
18. La válvula de alta presión de la reivindicación 8 o la reivindicación 15, en donde el asiento de acuerdo con (i) es un soporte del inserto de metal que contiene un inserto cerámico.
19. La válvula de alta presión de la reivindicación 8 o la reivindicación 15, en donde la bola cerámica de acuerdo con (i) se coloca dentro de un inserto de tubo cerámico (550) que tiene una superficie interior ahusada, en donde la bola cerámica puede moverse axialmente dentro del inserto de tubo cerámico.
20. La válvula de alta presión de la reivindicación 8, en donde el pasador se acopla con una varilla cerámica (570) que se configura para acoplarse de manera hermética con un asiento asegurado a la segunda carcasa cuando el pasador está en la posición cerrada, en donde la varilla cerámica puede moverse axialmente dentro de un tubo cerámico (580) que tiene una superficie interior ahusada o un tubo cerámico (820) que tiene un diámetro interior constante.
21. La válvula de alta presión de la reivindicación 1 o la reivindicación 9, en donde el anillo de respaldo está soportado por un soporte del anillo de respaldo (12), y en donde el sello incorpora una junta tórica elastomérica (17).
22. La válvula de la reivindicación 1 o la reivindicación 9, en donde el generador de fuerza variable comprende un tomillo.
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