BRPI1000598B1 - reciprocating compressor and compression cylinder - Google Patents
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Abstract
compressor alternativo e cilindro de compressão a presente invenção refere-se a um compressor do tipo alternativo, e, mais especificamente, a um compressor alternativo que apresenta uma redução das perdas mecânicas associadas ao atrito e ao movimento relativo entre o pistão (10) e o cilindro de compressao (3). assim, a presente invenção compreende um cilindro de compressão para um compressor alternativo que compreende uma extremidade aberta para recepção de um pistão reciprocante e uma superfície interna com pelo menos duas áreas rebaixadas espaçadas (4)formadas próximas à extremidade aberta.reciprocating compressor and compression cylinder the present invention relates to an reciprocating compressor, and, more specifically, to an reciprocating compressor that presents a reduction in the mechanical losses associated with friction and the relative movement between the piston (10) and the compression cylinder (3). thus, the present invention comprises a compression cylinder for an reciprocating compressor comprising an open end for receiving a reciprocating piston and an internal surface with at least two spaced recessed areas (4) formed close to the open end.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para COMPRESSOR ALTERNATIVO E CILINDRO DE COMPRESSÃO.Invention Patent Descriptive Report for ALTERNATIVE COMPRESSOR AND COMPRESSION CYLINDER.
Campo da InvençãoField of the Invention
A presente invenção refere-se a um compressor do tipo alternativo, e, mais especificamente, a um compressor alternativo que apresenta uma redução das perdas mecânicas associadas ao atrito e ao movimento relativo entre p pistão e o cilindro de compressão.The present invention relates to a reciprocating compressor, and, more specifically, to an reciprocating compressor which presents a reduction in the mechanical losses associated with friction and the relative movement between the piston and the compression cylinder.
Fundamentos da InvençãoFundamentals of the Invention
Um compressor tem como função elevar a pressão de determinado volume de fluido a uma pressão necessária à realização de um ciclo de refrigeração. Para a indústria de refrigeração, é comum o uso de compressores herméticos que compreendem geralmente uma carcaça selada onde são montadas as peças do compressor: um conjunto motorcompressor compreendendo um bloco de cilindro com um extremo fechado por um cabeçote que define uma câmara de descarga em comúnicação com uma câmara de compressão definida no interior do cilindro, a câmara de compressão sendo fechada por uma placa de válvulas provida entre o extremo do cilindro e o cabeçote.A compressor has the function of raising the pressure of a given volume of fluid to a pressure necessary to carry out a refrigeration cycle. For the refrigeration industry, it is common to use hermetic compressors that generally comprise a sealed housing on which the compressor parts are mounted: a motor-compressor assembly comprising a cylinder block with an end closed by a head that defines a discharge chamber in communication. with a compression chamber defined inside the cylinder, the compression chamber being closed by a valve plate provided between the end of the cylinder and the head.
A indústria de refrigeração tem grande preocupação com a performance dos compressores de refrigeração. De fato, diversos trabalhos e estudos foram realizados com vistas a melhorar tal performance, destacando-se aqueles visando a redução das perdas mecânicas dos componentes móveis, entre elas aquela gerada entre o pistão e o cilindro do compressor.The refrigeration industry is very concerned with the performance of refrigeration compressors. In fact, several studies and studies have been carried out with a view to improving such performance, with emphasis on those aimed at reducing the mechanical losses of moving components, including that generated between the piston and the compressor cylinder.
A perda mecânica entre pistão e cilindro é gerada pelo contato entre as superfícies das peças e pelo atrito viscoso resultante da presença do óleo de lubrificação.The mechanical loss between piston and cylinder is generated by the contact between the surfaces of the parts and by the viscous friction resulting from the presence of the lubricating oil.
As perdas por contato das superfícies do pistão e cilindro seguem a seguinte equação:The contact losses of the piston and cylinder surfaces follow the following equation:
Pot = Fa x U, onde Fa = μ x N sendoPot = Fa x U, where Fa = μ x N being
Pot = potência gerada pelo atrito;Pot = power generated by friction;
Fa = força de atrito;Fa = frictional force;
U = velocidade relativa entre as superfícies;U = relative speed between surfaces;
μ = coeficiente de atrito dinâmico; eμ = dynamic friction coefficient; and
N = força normal.N = normal force.
As perdas por atrito viscoso (decorrentes da movimentação relativa entre o pistão e o cilindro na presença de um filme espesso de óleo lubrificante) seguem a seguinte equação:Losses due to viscous friction (due to the relative movement between the piston and the cylinder in the presence of a thick film of lubricating oil) follow the following equation:
Pot = cte x f(e) x (η x U2 x A) / c sendoPot = cte xf (e) x (η x U 2 x A) / c being
Pot = potência gerada pelo atrito;Pot = power generated by friction;
U = velocidade relativa entre as superfícies;U = relative speed between surfaces;
η = viscosidade absoluta do óleo;η = absolute oil viscosity;
A = área de contato;A = contact area;
c = folga radial entre as superfícies; e □ = relação de excentricidade entre pistão e cilindro.c = radial clearance between surfaces; and □ = ratio of eccentricity between piston and cylinder.
Para reduzir essas perdas mecânicas, são conhecidas da técnica soluções que envolvem manufaturar os componentes ou recobrir as superfícies do pistão ou cilindro com materiais de baixo coeficiente de atrito.To reduce these mechanical losses, solutions are known in the art that involve manufacturing the components or covering the piston or cylinder surfaces with materials with a low friction coefficient.
Embora tais soluções possam resultar em melhoria na redução das perdás mecânicas, seu impacto no processo de fabricação, no custo do produto final e no desempenho operacional podem tornar tais soluções pouco atrativas.Although such solutions can result in an improvement in the reduction of mechanical losses, their impact on the manufacturing process, on the cost of the final product and on operational performance can make such solutions unattractive.
Outras soluções já desenvolvidas envolvem a alteração da geometria das peças componentes para alcançar a diminuição do atrito.Other solutions already developed involve changing the geometry of the component parts to achieve reduced friction.
Esse tipo de solução é conhecido, por exemplo, dos documentos US 6,928,921 e PI 0503019-6.This type of solution is known, for example, from US 6,928,921 and PI 0503019-6.
O documento US 6,928,921 descreve um pistão com duas guias laterais axiais que substituem o mancal da saia do pistão, reduzindo, assim, a área lateral do pistão. A redução da área lateral, por sua vez, reduz a perda mecânica decorrente do atrito viscoso.US 6,928,921 describes a piston with two axial side guides that replace the piston skirt bearing, thereby reducing the piston side area. The reduction of the lateral area, in turn, reduces the mechanical loss due to viscous friction.
A solução do documento US 6,928,921 possui, entretanto, um inconveniente associado com sua fabricação, onde existe a necessidade de usinagem do pistão em operação de “mergulho” da ferramenta com giro parcial do pistão (ou seja, para formar as guias axiais é necessário usinar o rebaixo enquanto promove-se um giro parcial do pistão), por exemplo. Essa operação, que pode ser realizada com uma retifica cilíndrica, além de onerar o custo do pistão, acaba tornando mais complexa e, consequentemente, menos produtiva, sua fabricação.The solution in document US 6,928,921, however, has a drawback associated with its manufacture, where there is a need for machining the piston in “plunge” operation of the tool with partial piston rotation (that is, to form the axial guides it is necessary to machine the recess while performing a partial piston turn), for example. This operation, which can be carried out with a cylindrical grinder, in addition to increasing the cost of the piston, ends up making its manufacture more complex and, consequently, less productive.
O documento PI 0503019-6 descreve uma solução baseada no aumento gradativo da folga radial entre pistão e cilindro, através da introdução de uma região cônica em parte do comprimento total do cilindro. Com esse aumento gradativo da folga radial entre pistão e cilindro, a perda mecânica viscosa é reduzida.PI 0503019-6 describes a solution based on the gradual increase of the radial clearance between piston and cylinder, through the introduction of a conical region in part of the total length of the cylinder. With this gradual increase in the radial clearance between piston and cylinder, the viscous mechanical loss is reduced.
Embora a solução do PI 0503019-6 tenha se mostrado eficiente em reduzir a perda mecânica viscosa, ainda permanece a necessidade por uma solução que permita uma melhoria dessa redução, e uma conseqüente melhora da performance do compressor.Although the PI 0503019-6 solution has been shown to be efficient in reducing viscous mechanical loss, there is still a need for a solution that allows an improvement in this reduction, and a consequent improvement in compressor performance.
Objetivos da InvençãoObjectives of the Invention
Assim, é um dos objetivos da presente invenção prover uma solução capaz de reduzir as perdas mecânicas associadas aos componentes móveis de um compressor, e, especialmente, uma solução capaz de reduzir as perdas mecânicas geradas pelo atrito e movimento relativo entre o pistão e o cilindro do compressor.Thus, it is one of the objectives of the present invention to provide a solution capable of reducing the mechanical losses associated with the moving components of a compressor, and, especially, a solution capable of reducing the mechanical losses generated by the friction and relative movement between the piston and the cylinder. of the compressor.
Sumário da InvençãoSummary of the Invention
A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de um cilindro de compressão para um compressor alternativo que compreende uma extremidade aberta para recepção de um pistão reciprocante e uma superfície interna com pelo menos duas áreas rebaixadas espaçadas formadas próximas à extremidade aberta.The present invention achieves the above objectives by means of a compression cylinder for an reciprocating compressor comprising an open end for receiving a reciprocating piston and an internal surface with at least two spaced recessed areas formed close to the open end.
Preferencialmente, as áreas rebaixadas espaçadas são diametralmente opostas, de modo a formar guias axiais para o pistão.Preferably, the spaced recessed areas are diametrically opposed, so as to form axial guides for the piston.
Em uma concretização alternativa da presente invenção, a parede lateral do cilindro possui um rasgo que se estende a partir da extremidade aberta, e a superfície interna do cilindro compreende ainda pelo menos uma área rebaixada espaçada do rasgo e formada próxima à extremidade aberta do cilindro.In an alternative embodiment of the present invention, the side wall of the cylinder has a groove extending from the open end, and the inner surface of the cylinder further comprises at least a recessed area spaced from the groove and formed close to the open end of the cylinder.
Preferencialmente, o rasgo e a área rebaixada espaçada são diametralmente opostos, de modo a formar guias axiais para o pistão.Preferably, the groove and the spaced recessed area are diametrically opposed, so as to form axial guides for the piston.
Descrição Resumida dos DesenhosBrief Description of Drawings
As figuras mostram:The figures show:
Figura 1 - A figura 1 ilustra uma vista esquemática em corte mostrando um compressor de refrigeração alternativo convencional;Figure 1 - Figure 1 shows a schematic sectional view showing a conventional reciprocating refrigeration compressor;
Figura 2 - A figura 2 ilustra uma vista frontal de uma concretização preferencial do cilindro de compressão de acordo com a presente invenção;Figure 2 - Figure 2 shows a front view of a preferred embodiment of the compression cylinder according to the present invention;
Figura 3 - A figura 3 ilustra uma vista do corte transversal A-A ilustrado na figura 2;Figure 3 - Figure 3 shows a cross-sectional view A-A illustrated in figure 2;
Figura 4 - A figura 4 ilustra uma vista esquemática de regiões de alivio formadas em um cilindro de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção;Figure 4 - Figure 4 shows a schematic view of relief regions formed in a cylinder according to a preferred embodiment of the present invention;
Figura 5 - A figura 5 ilustra uma vista em corte de uma concretização alternativa de cilindro de compressão de acordo com a presente invenção;Figure 5 - Figure 5 shows a sectional view of an alternative compression cylinder embodiment according to the present invention;
Figura 6 - Afigura 6 ilustra uma vista do corte transversal T-T ilustrado na figura 5;Figure 6 - Figure 6 shows a cross-sectional view T-T illustrated in figure 5;
Figura 7 - A figura 7 ilustra uma vista em corte de uma outra concretização alternativa de cilindro de compressão de acordo com a presente invenção;Figure 7 - Figure 7 shows a sectional view of another alternative compression cylinder embodiment according to the present invention;
Figura 8 - A figura 8 ilustra uma vista do corte transversal C-C ilustrado na figura 7.Figure 8 - Figure 8 shows a cross-sectional view C-C illustrated in figure 7.
Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention
A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nos exemplos de execução representados nos desenhos. Embora a descrição detalhada utilize como exemplo um compressor alternativo para a refrigeração, deve se entendido que os princípios da presente invenção podem ser aplicados a qualquer tipo, tamanho ou configuração de compressor alternativo.The present invention will now be described in more detail on the basis of the execution examples shown in the drawings. Although the detailed description uses an alternative compressor for refrigeration as an example, it should be understood that the principles of the present invention can be applied to any type, size or configuration of alternative compressor.
A figura 1 mostra um compressor de refrigeração alternativo convencional. Esse compressor compreende uma carcaça hermética 1, um conjunto motor-compressor tendo um bloco de cilindro 2 onde é definido um cilindro 3 tendo um pistão 10 reciprocante no inte rior do cilindro 3. O cilindro 3 apresenta uma extremidade 3a fechada por um cabeçote de cilindro 20. Conforme sabido por aqueles versados na técnica, nos compressores alternativos dos tipos usados em refrigeradores, condicionadores de ar e demais sistemas de refrigeração, o pistão 10 realiza um movimento alternativo dentro do cilindro 3 gerando uma câmara de compressão 3b definida pela superfície interna do cilindro de compressão 3, pela face superior 11 do pistão 10 e pela face inferior 3a da placa de válvulas 8.Figure 1 shows a conventional reciprocating refrigeration compressor. This compressor comprises an airtight housing 1, a motor-compressor assembly having a cylinder block 2 where a cylinder 3 is defined having a reciprocating piston 10 inside the cylinder 3. The cylinder 3 has an end 3a closed by a cylinder head 20. As known to those skilled in the art, in reciprocating compressors of the types used in refrigerators, air conditioners and other refrigeration systems, piston 10 performs an alternate movement inside cylinder 3, generating a compression chamber 3b defined by the internal surface of the compression cylinder 3, the upper face 11 of the piston 10 and the lower face 3a of the valve plate 8.
Os demais componentes e funcionamento do compressor ilustrado na figura 1 são bem conhecidos daqueles versados da técnica e, portanto, não serão aqui detalhados.The other components and operation of the compressor illustrated in figure 1 are well known to those skilled in the art and, therefore, will not be detailed here.
De modo a diminuir as perdas mecânicas associadas com o atrito entre o cilindro 3 e o pistão 10, a presente invenção propõe a criação de áreas de alívio na superfície interna do cilindro 3.In order to reduce the mechanical losses associated with the friction between the cylinder 3 and the piston 10, the present invention proposes the creation of relief areas on the internal surface of the cylinder 3.
Assim, as figuras 2 e 3 mostram uma primeira concretização do cilindro 3 da presente invenção, onde áreas de alívio 4 são proporcionadas na superfície interna do cilindro 3, próximo a extremidade aberta desse cilindro.Thus, figures 2 and 3 show a first embodiment of the cylinder 3 of the present invention, where relief areas 4 are provided on the internal surface of the cylinder 3, close to the open end of that cylinder.
As áreas de alivio 4 compreendem, preferencialmente rebaixos 4 usinados na superfície interna do cilindro 3. Conforme pode ser melhor observado na figura 3, os rebaixos 4 acabam formando guias axiais 7 para o pistão, sendo tais guias resultantes das porções “não rebaixadas” da superfície interna do cilindro.The relief areas 4 comprise, preferably recesses 4 machined on the internal surface of the cylinder 3. As can be better seen in figure 3, the recesses 4 end up forming axial guides 7 for the piston, such guides resulting from the “not recessed” portions of the inner surface of the cylinder.
Preferencialmente, os rebaixos 4 podem ser usinados pelo deslocamento de uma ferramenta de usinagem (por exemplo, uma fresa, alargador ou brunidor) em uma direção transversal ao eixo geométrico do cilindro, preferencialmente em uma etapa anterior ao acabamento final do cilindro. A ferramenta pode ter, por exemplo, um formato cilíndrico ou cônico, e um diâmetro levemente inferior ao diâmetro do cilindro, bastando um pequeno deslocamento transversal ao eixo para realizar a usinagem.Preferably, the recesses 4 can be machined by moving a machining tool (for example, a cutter, reamer or honing machine) in a direction transverse to the geometric axis of the cylinder, preferably in a step prior to the final finishing of the cylinder. The tool can have, for example, a cylindrical or tapered shape, and a diameter slightly smaller than the diameter of the cylinder, with only a small transversal displacement to the axis to perform the machining.
Nesse sentido, para evitar a formação de degraus e ou cantos vivos na região de transição entre a superfície do cilindro e as áreas de alivio 4, o deslocamento transversal da ferramenta de usinagem pode ser realizado em combinação com um movimento angular, gerando áreas de alivio como aquelas mostradas na figura 4, onde as regiões tracejadas mostradas na figura representam áreas removidas da superfície interna do cilindro 3 para a formação das áreas de alivio.In this sense, to avoid the formation of steps and or sharp edges in the transition region between the surface of the cylinder and the relief areas 4, the transversal displacement of the machining tool can be carried out in combination with an angular movement, generating relief areas such as those shown in figure 4, where the dashed regions shown in the figure represent areas removed from the inner surface of cylinder 3 for the formation of relief areas.
Deve ser ressaltado que as áreas de alívio 4 podem ser geradas já no processo primário de obtenção do bloco de cilindro (normalmente referenciado com bloco bruto), como o processo de fundição, podendo ser executados por usinagem apenas os processos de acabamento superficial.It should be emphasized that the relief areas 4 can be generated already in the primary process of obtaining the cylinder block (usually referred to as raw block), such as the casting process, and only the surface finishing processes can be executed by machining.
Conforme sabido por aqueles versados na técnica, algumas soluções de construção de compressores envolvem a montagem de bielas inteiriças sobre a porção excêntrica do eixo de manivela. Para essas construções, é conhecida da técnica a provisão de um ras go axial em parte da superfície lateral do cilindro destinado a viabilizar a montagem desta biela inteiriça. Esse tipo de solução é descrita, por exemplo, no documento US 4,406,590.As known to those skilled in the art, some compressor construction solutions involve the assembly of solid connecting rods on the eccentric portion of the crankshaft. For these constructions, it is known in the art to provide an axial groove in part of the lateral surface of the cylinder intended to enable the assembly of this one-piece connecting rod. This type of solution is described, for example, in US 4,406,590.
Assim, em uma concretização alternativa da presente invenção, mostrada nas figuras 5 e 6, uma área de alivio 6 é formada em uma região diametralmente oposta ao rasgo 5 de montagem da biela. A área de alivio 6 compreende preferencialmente um rebaixo com as mesmas características dos rebaixos que formam as áreas de alivio 4 da concretização mostrada nas figuras 2 e 3.Thus, in an alternative embodiment of the present invention, shown in figures 5 and 6, a relief area 6 is formed in a region diametrically opposite the connecting rod 5. The relief area 6 preferably comprises a recess with the same characteristics as the recesses that form the relief areas 4 of the embodiment shown in figures 2 and 3.
As figuras 7 e 8 mostram ainda outra concretização da presente invenção, onde o rasgo 5 da concretização das figuras 5 e 6 foi combinado com um rebaixo usinado na superfície interna do cilindro, formando uma guia axial de menor largura na superfície interna do cilindro (vide figura 8).Figures 7 and 8 show yet another embodiment of the present invention, where the slot 5 of the embodiment of figures 5 and 6 was combined with a recess machined on the inner surface of the cylinder, forming a smaller axial guide on the inner surface of the cylinder (see figure 8).
O alívio 6, mostrado nas concretizações das figuras 6, 7 e 8, também possui a função de aumentar a estabilidade no processo de usinagem. Assim, mesmo que a solução de montagem do compressor não envolva uma biela inteiriça, a concretização da presente invenção que compreende um rasgo e um rebaixo pode ser utilizada com a intenção de facilitar o processo de usinagem, principalmente naqueles processos envolvendo operações de acabamento superficial.The relief 6, shown in the embodiments of figures 6, 7 and 8, also has the function of increasing the stability in the machining process. Thus, even if the compressor assembly solution does not involve a solid connecting rod, the embodiment of the present invention which comprises a groove and a recess can be used with the intention of facilitating the machining process, especially in those processes involving surface finishing operations.
Finalmente deve ser ressaltado que a solução proporcionada pela presente invenção pode ser combinada com as demais soluções conhecidas da técnica, obtendo uma redução ótima de perdas mecânicas. Nesse sentido, as áreas de alivio previstas pela presente invenção poderíam ser aplicadas em um cilindro com conicidade como aquele descrito no documento PI 0503019-6.Finally, it should be noted that the solution provided by the present invention can be combined with the other solutions known in the art, obtaining an optimal reduction of mechanical losses. In this sense, the relief areas provided by the present invention could be applied to a cylinder with a taper like that described in PI 0503019-6.
Deve ser entendido que á descrição fornecida com base nas figuras acima se refere apenas a concretizações possíveis pará o cilindro compressor e compressor hermético da presente invenção, sendo que o real escopo do objeto da invenção encontra-se definido nas reivindicações apensas.It should be understood that the description provided based on the figures above refers only to possible embodiments for the air cylinder and hermetic compressor of the present invention, the real scope of the object of the invention being defined in the appended claims.
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Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 20 (VINTE) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 02/03/2010, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS. |
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