BRPI0503019B1 - Conjunto de pistão e cilindro com folga diametral variável e cilindro para uso em conjuntos de pistão e cilindro com folga diametral variável - Google Patents

Conjunto de pistão e cilindro com folga diametral variável e cilindro para uso em conjuntos de pistão e cilindro com folga diametral variável Download PDF

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Abstract

"conjunto de pistão e cilindro com folga diametral variável e cilindro para uso em conjuntos de pistão e cilindro com folga diametral variável". a presente invenção refere-se a um conjunto de pistão e um cilindro, bem como a um pistão (10) e um cilindro (11) para uso em cilindro de compressão particularmente aplicáveis em compressores (1) alternativos utilizados em sistemas de refrigeração que podem incluir por exemplo refrigeradores, sistemas de ar condicionado e afins. de modo a resolver os problemas de perda volumétrica (ou de capacidade de refrigeração) de compressores em geral, de acordo com a presente invenção, é previsto configurar o cilindro (11) da câmara de compressão de tal forma que o atrito seja o menor possível na fase onde o gás sendo comprimido ainda não exerce força significativa no topo de pistão (10), e só tenha efeito significativo durante a fase em que o gás a ser comprimido exerce uma força maior sobre o pistão (10), momento em que a perda volumétrica prejudica a eficiência do compressor. tais objetivos são alcançados através de um conjunto de pistão e cilindro, o pistão (10) sendo deslocavelmente posicionado dentro do cilindro (11), o cilindro (11) possuindo uma câmara de compressão (c), o pistão (10) deslocando-se entre um ponto morto superior (pms) e um ponto morto inferior (pmi), uma folga diametral (f) separando uma superfície de deslizamento (9) do pistão (10) e uma superfície de guia (12) do cilindro (11), a superfície de deslizamento (9) do cilindro (11) sendo configurada para que a folga diametral (f) varie de forma não linear ao longo do deslocamento do pistão (10) entre o ponto morto superior (pms) e um ponto morto inferior (pmi).

Description

(54) Título: CONJUNTO DE PISTÃO E CILINDRO COM FOLGA DIAMETRAL VARIÁVEL E CILINDRO PARA USO EM CONJUNTOS DE PISTÃO E CILINDRO COM FOLGA DIAMETRAL VARIÁVEL (51) Int.CI.: F04B 39/12 (73) Titular(es): WHIRLPOOL S.A.
(72) Inventor(es): EGERHARDT GRAF; RODRIGO LINK; FÁBIO HENRIQUE KLEIN; CRISTIANO RAFAEL SCHRAMM
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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para CONJUNTO DE PISTÃO E CILINDRO COM FOLGA DIAMETRAL VARIÁVEL E CILINDRO PARA USO EM CONJUNTOS DE PISTÃO E CILINDRO COM FOLGA DIAMETRAL VARIÁVEL.
A presente invenção refere-se a um conjunto de pistão e cilindro, bem como a um cilindro de compressão particularmente aplicáveis em compressores alternativos utilizados em sistemas de refrigeração que podem incluir por exemplo refrigeradores, sistemas de ar condicionado e afins. Os ensinamentos da presente invenção também são aplicáveis a motores em geral que façam uso de pistões alternativos, por exemplo, incluir compressores lineares e motores de combustão interna.
Descrição do Estado da Técnica com Base nas Figuras
Conforme é conhecido do estado da técnica e, conforme pode ser visto da figura 1, em compressores 1 alternativos a pistão utilizados em refrigeração, a compressão do gás refrigerante é obtida através do movimento alternativo de um pistão 10 dentro de um cilindro 11 (que configura uma câmara de compressão C de tamanho variável) entre limites mínimo e máximo de deslocamento fornecido pelo mecanismo de acionamento, chamados respectivamente de ponto morto inferior e ponto morto superior. A câmara de compressão é aberta em uma de suas extremidades e fechada em outra por uma dita placa de válvulas 5. Para que o movimento do pistão 10 se dê de maneira adequada é necessário que exista uma diferença entre os diâmetros do pistão e da câmara de compressão. Da forma como os compressores 1 são concebidos atualmente, os diâmetros do pistão e da câmara de compressão são mantidos constantes, caracterizando uma folga diametral F constante, ou constante mente variável.
Durante o funcionamento do compressor, a folga existente entre o pistão e a câmara de compressão fica preenchida com óleo de lubrificação, de forma a mancalizar o pistão 10, evitando assim que o mesmo entre em contato com as paredes da câmara de compressão, o que resultaria em desgaste do pistão 10 e/ou da câmara de compressão. Disto decorre uma dissipação de energia mecânica para vencer o atrito viscoso proporcionado
Figure BRPI0503019B1_D0001
pelo óleo e pela movimentação relativa do pistão em relação à câmara de compressão.
Quando o pistão 10 desloca-se do ponto morto inferior para o ponto morto superior, comprime-se o gás existente na câmara de compressão, aumentando sua pressão em relação à pressão do gás existente na carcaça do compressor. Isto cria um diferencial de pressão que tende a expulsar para o interior da carcaça parte do gás a ser comprimido, que então vaza através da folga diametral F. Este fenômeno caracteriza uma perda volumétrica (ou de capacidade de refrigeração) do compressor, pois foi realizado trabalho de compressão sobre o gás perdido pelo vazamento. Esta perda diminui diretamente a eficiência energética do compressor.
Tanto a dissipação de energia mecânica quanto o vazamento de gás pela folga existente entre o pistão e a câmara de compressão são fortemente influenciados pelo valor desta folga, de forma que quanto menor for o seu valor maior será a dissipação de energia mecânica e menor será o vazamento de gás. Por outro lado, quanto maior for o seu valor, menor será a dissipação de energia mecânica e maior será o vazamento de gás. Por este motivo, compressores de alta eficiência procuram chegar em um valor de folga considerado ótimo, em que o vazamento de gás e a dissipação de energia mecânica sejam tais que a eficiência energética do compressor seja maximizada.
Além da folga diametral F entre pistão e câmara de compressão, os seguintes fatores são influentes na dissipação de energia mecânica e vazamento de gás:
i)
ü) üi) iv)
v) vi) vii) viii) diâmetro do pistão 10, comprimentos da câmara de compressão e do pistão 10, distância percorrida pelo pistão 10, velocidade de rotação do eixo acionador, geometria do mecanismo acionador, tipo de gás refrigerante utilizado, tipo de óleo lubrificante, e condições de funcionamento do compressor (pressões e tempe·
Figure BRPI0503019B1_D0002
~ V raturas).
Um compressor apresenta um momento onde a perda volumétrica é máxima. Isso pode ser observado a partir da figura 2, que ilustra a posição do pistão deslocando-se entre ponto morto inferior (PMI) e o ponto morto superior (PMS).
Conforme pode-se observar, entre o deslocamento a partir do ponto morto inferior até o ponto morto superior, a perda volumétrica é desprezível entre o ângulo da manivela 0°° e 125°. O mesmo ocorrendo na trajetória em sentido oposto, quando o pistão se desloca do ponto morto superior PMS para o ponto morto inferior PMI, onde perda volumétrica é desprezível a partir de 210° até os 360° e iniciar-se um novo cicío de revolução da manivela. Entre os ângulos de 125° e 210° (ou região de vazamento RV), no entanto, a perda volumétrica cresce significativamente devendo-se tomar medidas no sentido de evitar essa baixa eficiência nesse trecho do pistão 10.
Uma das formas conhecidas do estado da técnica para superar esses problemas, é descrita no documento DE 236 148 que descreve o uso de um conjunto de pistão e cilindro com folga diametral variável. De acordo com os ensinamentos desse documento, é previsto um cilindro que apresenta metade do curso do pistão com folga diametral constante e a outra metade com uma folga diametral que diminui constantemente até o PMS. Apesar de melhorar o problema de vazamento de gás na região de vazamento RV, é necessário que a porção superior do pistão seja especialmente configurada para que junto ao ponto morto superior PMS, a folga diametral não diminua excessivamente, o que resultaria em atrito elevado e consequente perda de eficiência do compressor e fadiga do pistão. Assim, a despeito do fato de a solução descrita nesse documento diminuir a perda de gás na região de vazamento RV, torna-se necessário que o pistão seja fabricado com características diferenciadas elevando assim os custos de produção do conjunto de pistão e cilindro.
Ainda uma outra solução do estado da técnica, é conhecida do documento WO 94/24436. De acordo com os ensinamentos desse documento, é previsto um perfil de cilindro que é configurado em formato tronco4
HS. .
RubussCU....,™ ' ' cônico, sendo que o diâmetro do cilindro no ponto morto superior PMS deve ser menor que o diâmetro do cilindro 11 no ponto morto inferior PMI para que a folga diametral acompanhe a elevação da pressão na câmara de compressão. Esta solução, apesar de vir ao encontro das expectativas de se ter uma vedação mais precisa do cilindro, não apresenta elevada eficiência, pois somente em região mais próxima ao PMS, é que a pressão da câmara de compressão se eleva significativamente.
Sumário e Objetivos da Invenção
De modo a resolver os problemas de perda volumétrica (ou de capacidade de refrigeração) do compressor (ou de dispositivos similares), de acordo com a presente invenção, é previsto configurar o cilindro da câmara de compressão de tal forma que o atrito seja o menor possível na fase onde o gás sendo comprimido ainda não exerce força significativa no topo de pistão, e só tenha efeito significativo durante a fase em que o gás a ser comprimido exerce uma força maior sobre o pistão, momento em que a perda volumétrica prejudica a eficiência do compressor.
Assim, a presente invenção baseia-se no fato do vazamento de gás pela folga existente entre o pistão e a câmara de compressão ser uma função da diferença entre as pressões do gás no interior da câmara de compressão e na carcaça (não mostrada). Como o grande aumento de pressão no interior da câmara de compressão acontece apenas quando o pistão se encontra bastante próximo do ponto morto superior, o vazamento de gás ocorre apenas nos instantes finais da compressão. Com isto, conclui-se que a folga diametral existente entre o pistão e a câmara de compressão deve ser pequena apenas quando o pistão se aproxima do ponto morto superior. Desta forma, o vazamento de gás pela folga existente entre o pistão e a câmara de compressão será mantido pequeno, em virtude da folga diametral ser reduzida na região onde a diferença entre a pressão no interior da câmara de compressão e na carcaça for significativa e a dissipação de energia mecânica será pequena, visto que na maior parte do comprimento da câmara de compressão a folga diametral existente entre o pistão θ a câmara de compressão será grande e, conseqüentemente o atrito será baixo.
1'
Os objetivos da presente invenção são alcançados através de um conjunto de pistão e cilindro, o pistão sendo deslocavelmente posicionado dentro do cilindro, o cilindro possuindo uma câmara de compressão, o pistão deslocando-se entre um ponto morto superior e um ponto morto inferior, uma folga diametral separando uma superfície de deslizamento do pistão e uma superfície de guia do cilindro, a superfície de guia do cilindro sendo configurada para que a folga diametral seja variável ao longo do deslocamento do pistão desde o ponto morto inferior até o ponto morto superior e pelo fato de que a variação da folga diametral ao longo do deslocamento do pistão é não linear, sendo que em uma das formas de realização, a superfície de guia do cilindro possui um primeiro trecho de deslocamento em perfil cilíndrico e um segundo trecho de deslocamento em perfil tronco-cônico, o primeiro trecho de deslocamento sendo posicionado próximo ao ponto morto superior; e em outra concretização, que o cilindro possui um primeiro trecho de deslocamento em perfil tronco-cônico e um segundo trecho de deslocamento em perfil tronco-cônico, o primeiro trecho de deslocamento sendo posicionado mais próximo ao ponto morto superior, o diâmetro do cilindro no ponto morto superior sendo menor que o diâmetro do cilindro no ponto morto inferior, e a relação entre o diâmetro do cilindro para o lado do ponto morto superior e para o lado do ponto morto inferior no primeiro trecho de deslocamento sendo diferente da relação entre o diâmetro do cilindro para o lado do ponto morto superior e para o lado do ponto morto inferior no segundo trecho de deslocamento.
Ainda os objetivos da presente invenção são alcançados através de um cilindro para uso em conjuntos de pistão e cilindro, o cilindro possuindo um perfil com diâmetro variável e menor junto ao final de curso, a variação do diâmetro sendo não linear. O cilindro podendo possuir um primeiro trecho de deslocamento em perfil cilíndrico e um segundo trecho de deslocamento em perfil tronco-cônico, ou ainda um primeiro trecho de deslocamento em perfil tronco-cônico e um segundo trecho de deslocamento em perfil tronco-cônico, o ângulo do segundo trecho de deslocamento sendo mais aberto que o ângulo do primeiro trecho de deslocamento.
.. ό
Figure BRPI0503019B1_D0003
Dentre as possibilidades para se ter essa variação diametral de maneira proporcional à força que o gás a ser comprimido exerce sobre o pistão, pode ser prever desde uma combinação de um trecho em perfil tronco-cônico (durante a fase que o gás exerce menor pressão sobre o pistão) e um perfil cilíndrico na fase onde o pistão está próximo do mínimo no ponto morto superior e assim evitando que ocorra perda volumétrica; uma combinação de dois perfis cônicos, tendo o cone mais próximo do ponto morto superior uma angulação mais fechada, de modo a diminuir a folga diametral e assim a perda volumétrica; ou uma solução onde o perfil do cilindro é não linear e configurado de modo a diminuir a folga diametral de maneira inversamente proporcional à pressão exercida pelo gás sobre o pistão.
Descrição Resumida dos Desenhos
A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:
Figura 1 - é uma vista esquematizada de uma câmara de compressão de um compressor alternativo construído de acordo com os ensinamentos da técnica anterior;
Figura 2 - é um gráfico mostrando a relação entre a posição do pistão e vazamento de gás pela folga existente entre o pistão e a câmara de compressão em função do ângulo de manivela;
Figura 3 - é uma vista esquematizada da câmara de compressão em forma de dois troncos de cone conforme os ensinamentos da presente invenção;
Figura 4 - é uma vista esquematizada da câmara de compressão contendo uma parte em forma cilíndrica em uma outra concretização da forma de tronco de cone conforme os ensinamentos da presente invenção onde o trecho próximo ao ponto morto superior (PMS) é cilíndrico;
Descrição Detalhada das Figuras
Conforme ilustrado nas figuras 3 e 4, um conjunto de pistão e cilindro é arranjado de tal maneira que o pistão 10 seja deslocavelmente po7 sicionado dentro do cilindro 11.0 cilindro 11 possuindo uma câmara de compressão C. A câmara de compressão C varia entre um volume mínimo quando o pistão 10 encontra-se deslocado para o ponto morto superior (PMS) e um volume máximo, quando o pistão encontra-se em um ponto morto inferior (PMl). A folga diametral F separa uma superfície de deslizamento 9 do pistão 10 (superfície externa do pistão) e uma superfície de guia 12 do cilindro 11 (superfície interna do cilindro).
Para que se possa atingir os objetivos da presente invenção, a superfície de guia 12 do cilindro 11 é configurada de tal maneira para que a folga diametral F varie ao longo do deslocamento do pistão 10 entre o ponto morto superior PMS e o ponto morto inferior PMl, podendo tal variação ser linear ou não linear.
Uma das modalidades de concretização da presente invenção, pode ser observada a partir da figura 4, que visa aproximar a folga diametral F ao comportamento da perda volumétrica ilustrada na figura 2. De acordo com essa concretização, a câmara de compressão será configurada para ter a superfície de guia 12 do cilindro 11 possuindo um primeiro trecho de deslocamento LR em perfil cilíndrico e um segundo trecho de deslocamento LC em perfil tronco-cônico, o primeiro trecho de deslocamento LR sendo posicionado próximo ao ponto morto superior PMS. Conforme pode-se observar da figura 4, o diâmetro do perfil tronco-cônico é mínimo próximo ao ponto morto superior PMS, e mais especificamente no início do trecho de deslocamento LR em perfil cilíndrico, e máximo no ponto morto inferior PMl.
Com isto, haverá uma região próxima ao ponto morto superior PMS em que a folga diametral F existente entre o pistão e a câmara de compressão será mínima e constante e uma região em que a folga será variável em cada posição do pistão 10, sendo máxima no ponto morto inferior PMl.
De acordo com uma outra modalidade da presente invenção mostrada na figura 3, o cilindro 11 pode ser configurado para ter o primeiro trecho de deslocamento LR em perfil tronco-cônico e o segundo trecho de deslocamento LC também em perfil tronco-cônico, o primeiro trecho de des8
Figure BRPI0503019B1_D0004
locamento LR sendo posicionado próximo ao ponto morto superior PMS. Nessa modalidade, o diâmetro do cilindro 11 no ponto morto superior PMS é menor que o diâmetro do cilindro 11 no ponto morto inferior PMI. Preferencialmente, o ângulo do tronco de cone no segundo trecho de deslocamento LC é mais aberto que o ângulo do primeiro trecho de deslocamento LR, o que resulta que a relação entre o diâmetro do cilindro 11 no ponto morto superior PMS e no ponto morto inferior PMI no primeiro trecho de deslocamento LR é diferente da relação entre o diâmetro do cilindro 11 no ponto morto superior PMS e no ponto morto inferior PMI no segundo trecho de deslocamento LC.
Em outras palavras, a relação entre o diâmetro do cilindro no ponto morto superior PMS e para o lado do ponto morto inferior PMI no primeiro trecho de deslocamento LR é maior do que a relação entre o diâmetro do cilindro 11 para o lado do ponto morto superior PMS e no ponto morto inferior PMI no segundo trecho de deslocamento LC.
A versão onde o perfil do cilindro 11 é não linear, e é configurado de modo a diminuir a folga diametral de maneira inversamente proporcional à pressão exercida pelo gás sobre o pistão, não é ilustrada nas figuras, mas deverá ter uma superfície de guia ajustada conforme o comportamento da pressão do gás/vazamento do gás conforme ilustrado na figura 2, devendose fazer as adequações cabíveis para cada solução particular de conjunto de pistão e cilindro onde se quer aplicar os ensinamentos da presente invenção.
Em todas as concretizações descritas, é possível alcançar os objetivos da presente invenção, isto é, de se ter uma resistência mínima de deslocamento e ao mesmo tempo ter a prevenção do vazamento do gás comprimido, tendo-se uma folga diametral ajustada de maneira a acompanhar o comportamento do gás dentro da câmara de compressão C, superando-se os problemas do estado da técnica.
Tendo sido descritos exemplos de concretização preferidos, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Conjunto de pistão e cilindro, o pistão (10) sendo deslocavelmente posicionado dentro do cilindro (11), o cilindro (11) possuindo uma câmara de compressão (C), o pistão (10) deslocando-se entre um ponto morto superior (PMS) e um ponto morto inferior (PMI), uma folga diametral (F) separando uma superfície de deslizamento (9) do pistão (10) e uma superfície de guia (12) do cilindro (11), a superfície de guia (12) do cilindro (11) sendo configurada para que a folga diametral (F) seja variável ao longo do deslocamento do pistão (10), o conjunto sendo caracterizado pelo fato de que, a folga diametral (F) é variável desde o ponto morto inferior (PMI) até o ponto morto superior (PMS) e pelo fato de que a superfície de guia (9) do cilindro (11) possui um primeiro trecho de deslocamento (LR) posicionado próximo ao ponto morto superior (PMS) e um segundo trecho de deslocamento (LC), o segundo trecho de deslocamento (LC) tendo um perfil tronco-cônico, o diâmetro do perfil tronco-cônico sendo maior e mais próximo ao ponto morto inferior (PMI) do que o diâmetro mais próximo ao ponto morto superior (PMS).
  2. 2. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro trecho de deslocamento (LR) tem um perfil cilíndrico.
  3. 3. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a folga diametral (F) no primeiro trecho de deslocamento (LR) em perfil cilíndrico é mínima.
  4. 4. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o diâmetro do perfil tronco-cônico é mínimo próximo ao ponto morto superior (PMS) e máximo no ponto morto inferior (PMI).
  5. 5. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cilindro (11) possui um primeiro trecho de · ·-·· deslocamento (LR) em perfil tronco-cônico e um segundo trecho de deslocamento (LC) em perfil tronco-cônico, o primeiro trecho de deslocamento (LR) sendo posicionado mais próximo ao ponto morto superior (PMS), o diâmetro do cilindro (11) no ponto morto superior (PMS) sendo menor que o diâmetro do cilindro (11) no ponto morto inferior (PMI), e a relação entre o diâmetro do cilindro (11) do lado do ponto morto superior (PMS) e do lado do ponto morto inferior (PMI) no primeiro trecho de deslocamento (LR) sendo diferente da relação entre o diâmetro do cilindro (11) do lado do ponto morto superior (PMS) e do lado do ponto morto inferior (PMI) no segundo trecho de deslocamento (LC).
  6. 6. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a relação entre o diâmetro do cilindro do lado do ponto mo rio superior (PMS) e do lado do ponto morto inferior (PMI) no primeiro trecho de deslocamento (LR) é maior do que a relação entre o diâmetro do cilindro (11) do lado do ponto morto superior (PMS) e do lado do ponto morto inferior (PMI) no segundo trecho de deslocamento (LC).
  7. 7. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo tato de que a folga diametral (F) é proporcional à força que um gás a ser comprimido na câmara de compressão (C) exerce sobre o pistão (10).
  8. 8. Cilindro para uso em conjuntos de pistão e cilindro tendo um perfil com diâmetro variável e menor junto ao final de curso, a variação do diâmetro sendo não linear, o cilindro sendo caracterizado pelo fato de que compreende um primeiro trecho de deslocamento (LR) e um segundo trecho de deslocamento (LC), o segundo trecho de deslocamento (LC) tendo um perfil tronco-cônico.
  9. 9. Cilindro de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o primeiro trecho de deslocamento (LR) tem um perfil cilíndrico.
  10. 10. Cilindro de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o primeiro trecho de deslocamento (LR) tem um perfil troncocônico, o ângulo do segundo trecho de deslocamento (LC) sendo mais aberto que o ângulo do primeiro trecho de deslocamento (LR).
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