INTERFERENCIA

Campo técnico La presente invención se relaciona con los dispositivos que se utilizan para realizar presión sobre los objetos.

Estado de la Técnica

Cuando se echa un fluido a presión al interior de una cámara o de un cilindro de paredes gruesas, el esfuerzo de reacción al interior de la pared es mayor hacia el lado central y va perdiendo intensidad hacia la periferia. Si se lograra que la tensión, sea uniforme cuando está a la máxima presión, el cilindro soportaría mayor presión.

Dos tubos cilindricos, que se unen con interferencia, porque no cabe el menor dentro del cilindro mayor, a menos que se haga un artilugio; hace que quede la pared pretensada hacia afuera y precomprimida hacia adentro, estando el cilindro grueso sin presión. Los cilindros unidos con interferencia resisten más presión que los cilindros unidos sin interferencia.

Hoy día se hacen tubos cilindricos unidos por interferencia que se logra eliminar cuando se calienta el cilindro mayor para que se dilate o expanda, y/o se enfría el menor para que se contraiga; de modo que desaparece la interferencia y se pueden montar o unir ensamblándolos como un solo tubo. Después recupera la temperatura normal, tienden a recuperar sus dimensiones y no pueden, quedando “unidos por la interferencia”. La interferencia que se logra hacer desaparecer momentáneamente por efecto de variación de la temperatura es muy poca, debiendo los cilindros a unir tener un diámetro interno del cilindro exterior, levemente inferior al diámetro externo del cilindro interior. Además, tiene dificultad con mantener las diferencias de temperatura por unos minutos para montarlos o para montar un nuevo cilindro sobre otro ya montado. Esto se usó en la confección de cañones Blakely, hace más de 150 años atrás.

La interferencia que se logra hacer desaparecer momentáneamente por efecto de variación de la temperatura se puede hacer mayor, para unir secciones cortas y solo una vez, como un engranaje o una rueda de ferrocarril a un eje. Pero no es posible unir un conjunto de cilindros delgados unidos fuertemente por interferencia lograda por variaciones de la temperatura.

El primer mecanismo de hacer alta presión isostática, es la cámara cilindrica de pared gruesa, medida el ancho de la pared como porcentaje del diámetro del cilindro; obviamente entre más gruesa soporta más presión. Pero cuando se hace más gruesa, mayor diferencia en el esfuerzo de reacción entre el borde interno y externo que hace la pared de la cámara; como se puede apreciar en la Figura 2 y su descripción.

La manera de hacer mayor presión que un cilindro de pared gruesa, es la “cámara bobinada”; que a un cilindro se le enrolla en torno al eje axial, kilómetros de pletina con tensión calculada; que hace presión hasta los 600 MPa, dos y tres veces más alta presión, que una cámara de simple pared gruesa, de un 30% del diámetro del cilindro.

La cámara bobinada tiene el serio inconveniente que no acepta esfuerzo de reacción en sentido axial, de modo que se le debe poner grandes “yugos” por fuera, de soporte externo, afirmando las tapas que pueden ser una en cada extremo del cilindro; que se debe desplazar completamente cada vez que se carga o descarga una cámara.

Es conocida la tecnología HPP, procesado por altas presiones para preparar alimentos pasteurizados por presión, o la tecnología HIP, prensado isostático en caliente; usado en metalurgia para hacer piezas fundidas o eliminar imperfecciones.

La tecnología HIP, no se hace a tan alta presión, solo hasta los 300 MPa de presión, porque lo hace comprimiendo un gas que suele ser argón, que se calienta. Además, el mecanismo de cierre de la cámara, que necesita de yugos y de cilindros hidráulicos que hacen más difícil el trabajo en caliente. La tecnología de unión por interferencia por temperatura se usó en la ejecución del cañón Blakely; “fue el primero que construyó cañones formados de tubos concéntricos con diversos grados de elasticidad, teniendo el tubo interior mayor elasticidad por tener que soportar mayor esfuerzo. Los zunchos o anillos, se colocaban en el tubo ligeramente cónico al rojo vivo, de tal manera que cuando se enfriaban, se contraían y lo comprimían, dejando al cañón en tensión inicial. Esto le permitió construir cañones, muy resistentes, de gran calibre y de poco peso”.

Se hace presión más alta aun, de 10 o 100 GPa y más, para experimentar solamente, en dimensiones microscópicas en la Celda del Yunque de Diamante. Se han hecho miles de investigaciones básicas solamente, porque no se puede hacer en tamaño natural, deseable para seguir con investigación aplicada en nuevos materiales, livianos, súper duros y resistentes; materiales eléctricos, superconducción, etc.

La cámara de pared múltiple, es otra manera de generar alta de presión, pero podríamos decir que son intentos de otras invenciones, que se hicieron con el mismo propósito; solicitud de patente CL 201902913 y solicitud de patente CL 201902988. Sin embargo se ha encontrado una nueva solución técnica que supera los inconvenientes de las solicitudes mencionadas previamente y que se basa en una nueva unión por interferencia de presión isostática.

El nuevo método de unión por interferencia de presión isostática, que es posible hacer, sirve para ensamblar dos o diez y más tubos cilindricos por interferencia, de cualquier dimensión, lo que permite hacer cámaras o multicámaras de ultra alta presión.

Breve descripción de las Figuras

Figura 1. Muestra dos cámaras tubulares, dentro de una cámara de ensamble 301 , donde al echar presión dentro de la cámara de ensamble, cambian los diámetros de las cámaras tubulares, porque nunca le entra presión dentro de cada cámara tubular.

Detalles: Viendo el detalle A (izquierda); sin presión entre las dos cámaras tubulares, no deja que se unan los cilindros por la interferencia. Viendo el detalle B (derecha); al aumentar la presión en la cámara de ensamble, aumenta el diámetro interno de la cámara tubular mayor y disminuye el diámetro externo de la cámara tubular menor; cuestión que ahora permite que se introduzca una cámara tubular dentro de la otra.

Figura 2. Muestra un corte de un cilindro de pared gruesa con las tensiones desarrolladas por la presión PA que soporta; al lado está un cilindro montado por unión con interferencia de presión isostática, formado por seis cilindros delgados, del mismo espesor de pared y del mismo material, que soporta PB, mayor que PA, que tiene la misma tensión todos los cilindros, producto de que está precomprimido y pretensado cuando está sin presión.

Figura 3. Muestra un tubo cilindrico que se va a ensamblar 101 , el que se arma preliminarmente con un tubo auxiliar mayor 201 , formando una cámara tubular con tapas anilladas 211 y 212. Se deben armar otra cámara tubular con un tubo cilindrico menor 102, con otro tubo auxiliar menor 202, que el tubo cilindrico menor.

Figura 4. Muestra una cámara de varios cilindros unidos con interferencia, de modo que están precomprimidos los de menor diámetro y pretensado los de mayor diámetro, estando la cámara sin presión. Cuando esta con presión máxima la cámara los cilindros precomprimidos y los pretensados al inicio, quedan todos pretensados a la máxima presión.

Descripción de la Invención

La invención se refiere a un método de unir dos o más cilindros concéntricos (101 , 102), con interferencia de presión isostática, los cuales tienen cierta rugosidad o ranuras finas, lo que permite que estos no se deslicen una vez montados.

Para ello, se deben preparar dos cámaras tubulares o cámaras auxiliares, como se observa en la Figura 1 , formadas por uno de los cilindros a unir (101 ) con un cilindro auxiliar (201 ), que se ponen concéntricos unidos por dos tapas anilladas (111 y 112). Uno (101 ) dentro de otro (201 ); están no más de un 15% del radio separados, como se observa en la Figura 3. Se construye una segunda cámara tubular un poco más pequeña en comparación con la nterior; con el cilindro a unir por interferencia (102), que puede tener rugosidad o ranuras por el exterior que va por fuera, y el cilindro auxiliar menor (202) por dentro; unidos con dos tapas (113 y 114) como en el caso anterior. La cámara tubular menor no entra en el cilindro interno de la cámara tubular mayor en circunstancias normales, hacen interferencia una con la otra.

Se someten a alta presión las cámaras tubulares una a continuación de la otra, al interior de una cámara de ensamble (301 ); manteniendo el interior de cada cámara tubular entre las tapas, sin presión; de manera qué de la cámara tubular mayor, el diámetro interno del cilindro menor aumenta en 51 , y en la cámara tubular menor el diámetro externo del cilindro mayor, disminuye en 52; por el aumento de presión en la cámara de ensamble.

Si las dimensiones de las cámaras tubulares cuando están sometidas a alta presión son de manera que el diámetro interno de la cámara tubular más grande; sea igual o mayor al diámetro externo del cilindro mayor de la cámara tubular más pequeña; entonces ha desaparecido la interferencia producto de la presión y se pueden montar.

Si las cámaras tubulares, son sometidas a una fuerza que las obligue a desplazar la menor dentro de la mayor, cuando se den las condiciones de presión y hagan variar los diámetros; entonces la cámara tubular menor entrará dentro de la cámara tubular mayor. Puede ser por gravedad o una banda elástica dispuesta, que esté forzando para que ingrese una cámara tubular dentro de la otra cuando desaparezca la interferencia; y se acomodan suavemente.

Cuando se baja la presión de la cámara de ensamble, se traban las cámaras tubulares fuertemente porque tienden a retomar sus diámetros. Se extraen las cámaras tubulares pegadas y se desarman, dejando solo los dos cilindros unidos por interferencia. Luego se le pone otro cilindro por interferencia y se unen de igual manera y otro, hasta que tenemos un cilindro formado por varios cilindros concéntricos. Se le pones sendas tapas y se logra una cámara de unión por interferencia de presión isostática. Notar que el cilindro unido con interferencia, queda pretensado por fuera y precomprimido por dentro cuando está sin fluido, pero que cambia el lado precomprimido a comprimido y se uniforma el esfuerzo en la medida que le ingresa fluido a presión.

Este cilindro, resiste más alta presión, que uno de simple pared gruesa del mismo material y dimensiones; porque cuando está a presión máxima, hace el mismo esfuerzo independiente de que se mida o calcule en un punto más al centro o más externo de la pared, como se muestra en la Figura 2.

Existen alternativas de hacer la nueva unión por interferencia de presión isostática, que son variaciones de las cámaras tubulares, que se arman con uno, dos o ningún cilindro auxiliar, tapas que en algunos casos son circulares y un otros anilladas.

Notar que la cámara (301), no necesita tanta presión para producir la unión por interferencia de tubos que pueden ser para fabricar otra cámara, que sí es para resistir alta presión. Basta que la cámara (301 ) haga una presión suficiente para lograr que uno de los cilindros a unir sea de pared delgada y esté al máximo esfuerzo al momento de ensamblar.

Alternativamente, se puede usar solo un cilindro a unir se haga cámara tubular y el otro cilindro a unir no se contraiga ni expanda con la presión, pero se logra hacer desaparecer la interferencia con la expansión del cilindro menor de la cámara tubular.

Para evitar el pandeo por la presión externa que tienen los cilindros a unir por interferencia, al estar con mucha presión externa, se le instalan soportes internos adecuados.

Ejemplo 1. Usos del cilindro o cámara de unión por interferencia de presión isostática.

Construido un cilindro grueso de unión por interferencia, se pueden hacer cámaras fácilmente, como la que se muestra en la Figura 4, agregándole tapas macizas. Se puede usar con los mismos propósitos de hacer alimentos pasteurizados por presión, pero mucho más simple que el sistema HHP, que necesita de gran bobinadora con tensión; o aplicarlo para metalurgia haciendo un sistema que reemplace al sistema HIP.

Como cilindro para hacer cañones precomprimidos por dentro y pretensados por fuera, mucho mejor que un cañón con interferencia por temperatura, para cañones delgados de f 0,5 centímetros o gruesos de f 50 centímetros.

En una multicámara donde es mucha la ventaja de hacer ultra alta presión y no es posible aplicar las cámaras bobinadas, por los yugos de soporte externo que tienen. Para hacer tanques de almacenamiento de hidrógeno, construido de cilindros unidos por interferencia de presión isostática, que resultan mejores a los nuevos tanques bobinados, sin yugos. Hay que hacer distintos modelos para la función específica, para la presión, para el tamaño, la temperatura, etc.

PIEZAS QUE SE MUESTRAN EN LOS DIBUJOS