BRPI1101436A2

BRPI1101436A2 - compressor alternativo acionado por motor linear de imç permanente operando em alta frequÊncia

Info

Publication number: BRPI1101436A2
Authority: BR
Inventors: Alisson Luiz Roman; Celso Kenzo Takemori; Paulo Rogerio Carrara Couto
Original assignee: Whirlpool Sa
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2013-06-11
Also published as: WO2012135929A1; TW201303156A; AR085859A1

Abstract

COMPRESSOR ALTERNATIVO ACIONADO POR MOTOR LINEAR DE IMç PERMANENTE OPERANDO EM ALTA FREQUÊNCIA. A presente invenção refere-se a um compressor linear que opera em alta frequência e foi desenvolvido para proporcionar uma otimização de desempenho tal que permita reduzir o porte dos compressores, além de possibilitar a operação sem a necessidade de utilização de óleo lubrificante. É compreendida por um pistão (1); um elemento resiliente (2) fixo a um elemento resiliente axial (6) do compressor através de um ponto neutro (3) e cooperante com o pistão (1) por meio de elementos de fixação (41) posicionados em uma de suas extremidades (21); e um imã de motor (5) cooperante com o pistão (1) por meio do elemento resiliente (2), sendo o imã de motor (5) solidário ao elemento resiliente (2) por meio de elementos de fixação (42) posicionados na extremidade oposta (22) do eemento resiliente (2), sendo que a freqúência de operação do conjunto pistão (1)/elemento resiliente (2)/imã de motor (5) situa-se no intervalo compreendido entre 200 e 500 Hz, mais especificamente entre 340 e 360 Hz.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPRESSOR ALTER- NATIVO ACIONADO POR MOTOR LINEAR DE IMÃ PERMANENTE OPERANDO EMALTA FREQÜÊNCIA".

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um compressor linear opérante em alta freqüên-

cia, o qual foi desenvolvido para proporcionar uma otimização de desempenho tal que permita reduzir o porte dos aparelhos, além de possibilitar a operação sem a necessidade de utilização de óleo lubrificante.

Fundamentos da Invenção Conforme é do conhecimento da técnica, os compressores são equipamentos des-

tinados a elevar a pressão de fluidos em estado gasoso muito utilizados em sistemas de refrigeração, sendo basicamente constituídos por um pistão, um elemento resiliente e um motor.

De modo geral, os compressores em uso no atual estado da técnica operam com o motor cooperando diretamente com o pistão, sendo que o elemento resiliente é fixo por uma de suas extremidades laterais enquanto a extremidade oposta suporta os esforços de tração e compressão envolvidos.

Um problema normalmente associado a tais equipamentos diz respeito às suas ca- racterísticas de funcionamento - normalmente envolvendo baixa freqüência de operação - que fazem com que suas dimensões dos compressores sejam, relativamente grandes pre- judicandoyassim, novas soluções estéticas para os aparelhos com os quais são utilizados.

Pode-se citar, por exemplo, o documento US2010/0223936 que descreve um compressor linear que opera em uma faixa de freqüência variando entre 20 e 200 Hz, po- rém preferencialmente entre 40 e 60 Hz. Já o compressor descrito no documento US7185431 opera a uma freqüência de 99 Hz, enquanto o documento PI0419019 cita uma faixa de operação de baixa freqüência situada entre 30 e 55 Hz.

O documento US2006/0110259 revela um sistema para ajuste da freqüência res- sonante do compressor Iinearem função da condição de operação detectada, da massa do dispositivo ressonante e/ou da freqüência média do pistão, porém sem mencionar valores de operação nem eventuais freqüências máximas que podem ser atingidas.

Nota-se, portanto, que a técnica atual carece de soluções que permitam a opera- ção de compressores em freqüências elevadas como forma de otimização de desempenho e de dimensionamento e, ademais, nos similares conhecidos geralmente ocorrem perdas elétricas significativas que comprometem o total aproveitamento da energia envolvida em sua operação.

Objetivos da Invenção

Tendo em vista tais inconvenientes e no propósito de solucioná-los, é um dos obje- tivos da presente invenção apresentar um compressor alternativo acionado por motor linear de imã capaz de operar a alta freqüência.

Outro dentre os objetivos da presente invenção é prover um compressor eficiente e com tamanho reduzido quando em comparação com os similares conhecidos, uma vez que freqüências de operação mais altas possibilitam a redução do tamanho do compressor.

É também um objetivo da presente invenção revelar um compressor que trabalhe com forças de atrito reduzidas e, portanto, possa operar sem a necessidade de utilização de óleo como lubrificante.

É também um objetivo da presente invenção revelar um compressor com curso e freqüências tais que o bombeamento de fluido refrigerante é maximizado, enquanto as perdas elétricas são minimizadas.

Sumário da Invenção

A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de um compressor alter- nativo acionado por motor linear de imã permanente operando em alta freqüência, sendo que tal compressor compreende: um pistão; um elemento resiliente fixo ao elemento resili- ente axial do compressor através de um ponto neutro, e cooperante com o pistão por meio de elementos de fixação posicionados em uma de suas extremidades; e um imã de motor cooperante com o pistão por meio do referido elemento resiliente, sendo o imã de motor solidário ao elemento resiliente por meio de elementos de fixação posicionados na extremi- dade oposta do elemento resiliente.

A presente invenção compreende ainda meios para permitir que a freqüência de operação do conjunto pistão + elemento resiliente + imã de motor permaneça no intervalo compreendido entre 200 e 500 Hz, preferencialmente entre 300 e 400 Hz, e ainda mais especificamente entre 340 e 360 Hz. Segundo uma concretização preferencial da presente invenção, a soma da massa

do pistão com os elementos de fixação solidários a uma das extremidades do referido ele- mento resiliente fica compreendida dentro do intervalo de 32 a 50 g.

Ainda segundo a concretização preferencial da presente invenção, a soma da massa do pistão com os elementos de fixação solidários a uma das extremidades do ele- mento resiliente é equivalente à soma da massa do imã de motor com os elementos de fixação solidários à extremidade oposta do elemento resiliente, com uma diferença aceitá- vel de mais ou menos 2 g.

Dependendo da condição de operação (temperaturas de evaporação e condensa- ção), a soma da massa do pistão com os elementos de fixação solidários a uma das ex- tremidades do elemento resiliente pode totalizar um valor entre 5 e 20 g maior que a soma da massa do imã de motor com os elementos de fixação solidários à extremidade oposta do elemento resiliente. Preferencialmente a referida mola será construída com material metálico, em es- pecial selecionado do grupo formado por aço, titânio e suas ligas.

Descrição Resumida dos Desenhos

Figura 1 - mostra uma vista em perspectiva explodida dos componentes do com- pressor construído segundo uma concretização preferencial da presente invenção.

Figura 2 - mostra uma vista em seção longitudinal do compressor ilustrado na Fi- gura 1, devidamente montado e pronto para a utilização.

Figuras 3.1 e 3.2 - mostram, respectivamente em perspectiva e em elevação, uma concretização possível para o elemento resiliente utilizado com o compressor apresentado na Figura 1.

Figuras 4.1 e 4.2 - mostram, em perspectiva e em elevação, uma concretização possível para o elemento de fixação do ponto neutro do elemento resiliente à carcaça.

Figuras 5.1 e 5.2 - mostram, em perspectiva e em elevação, mais uma possibili- dade construtiva possível para o elemento de fixação do ponto neutro do elemento resilien- te à carcaça.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nos exemplos de execução representados nos desenhos apensos.

Conforme é possível observar pelos desenhos apresentados nas Figuras 1 e 2, o compressor alternativo acionado por motor linear de imã permanente operando em alta freqüência objeto da presente invenção compreende basicamente um pistão 1, um elemen- to resiliente 2 e um imã de motor 5, sendo que o pistão é fixado à extremidade 21 do ele- mento resiliente por meio de elementos de fixação 41 enquanto o imã de motor 5 é fixado na extremidade 22 do elemento resiliente 2 com o auxílio de elementos de fixação 42 - portanto, na modalidade apresentada o elemento resiliente não é fixo por uma de suas ex- tremidades laterais como ocorre na técnica atual.

Na concretização preferencial da presente invenção, o elemento resiliente 2 fixa- se ao elemento resiliente axial (6) do compressor através de um ponto neutro 3 que resulta em valores de vibração mais baixos do que a configuração usual onde tanto o pistão 1 quanto o motor são montados na mesma extremidade do elemento resiliente 2.

Na modalidade apresentada, o imã do motor 5 é acoplado ao pistão 1 através do elemento resiliente 2 que, quando acionado por uma corrente periódica na freqüência natu- ral desse conjunto, opera em uma condição tal que a transferência de energia do motor (não mostrado) para o pistão 1 é máxima, sendo que dependendo das condições de ope- ração (temperaturas de evaporação e condensação) a freqüência de acionamento pode e deve ser aumentada de modo a garantir essa máxima transferência de energia.

Segundo a concretização preferida da invenção, o elemento resiliente 2 (detalha- da mente ilustrado na Figura 3) é uma mola construída com material metálico - mais especi- ficamente em aço, titânio ou suas ligas - que, quando apoiada em uma das extremidades e sofrendo um deslocamento axial de 1mm na outra extremidade, apresenta uma força de reação entre 160 e 240 N, particularmente entre 190 e 210 N.

Tal mola ou elemento resiliente 2 apresenta uma freqüência natural entre 400 e

600 Hz, particularmente entre 475 e 525 Hz no modo compressão-tração, ou seja, a defor- mação desse modo de vibração ocorre principalmente na direção axial, sendo que as ex- tremidades apresentam sentido oposto.

Ademais, o elemento resiliente 2 resiste a um deslocamento axial total de 3,4 mm. Durante o funcionamento do compressor, metade desse deslocamento é aplicado sobre a extremidade 21 do elemento resiliente 2 enquanto o mesmo valor é aplicado sobre a ex- tremidade oposta 22, sendo que os sentidos dos deslocamentos também são opostos. Sendo esse deslocamento aplicado na citada freqüência de operação, o mínimo número de ciclos suportado pelo elemento resiliente 2 é de no mínimo 10 milhões de ciclos - por essa razão tal elemento resiliente 2 deve ser preferencialmente fabricado com aço, titânio ou suas ligas com o objetivo de apresentar a característica de vida infinita à fadiga.

A presente invenção compreende, também, meios para permitir que a freqüência de operação do conjunto pistão 1 + elemento resiliente 2 + imã de motor 5 permaneça no intervalo compreendido entre 200 e 500 Hz1 mais especificamente entre 300 e 400 Hz e, preferencialmente, entre 340 e 360 Hz.

Ainda segundo a concretização preferencial da presente invenção, a soma da massa do pistão 1 com os elementos de fixação 41 solidários à extremidade 21 do elemen- to resiliente 2 fica compreendida dentro do intervalo de 32 a 50 g, sendo que a soma da massa do imã de motor 5 com os elementos de fixação 42 solidários à extremidade 22 do elemento resiliente 2 deve eqüivaler à massa do pistão 1 + elementos de fixação 41 solidá- rios à extremidade 21 do elemento resiliente 2, com uma tolerância aceitável de mais 2 g ou menos 2 g.

Dependendo da condição de operação (temperaturas de evaporação e condensa- ção), a soma da massa do pistão 1 com os elementos de fixação 41 solidários à extremi- dade 21 do elemento resiliente 2 poderá totalizar um valor entre 5 e 20 g superior à soma da massa do imã de motor 5 com os elementos de fixação 42 solidários à extremidade 22

do elemento resiliente 2.

Cabe lembrar que o pistão 1 e o imã do motor 5 são montados em extremidades axiais opostas 21, 22 do elemento resiliente 2 - que pode ser uma mola helicoidal. Quando em operação, o conjunto imã do motor 5 + pistão 1 + elemento resiliente 2

funciona no modo natural de vibração onde os movimentos axiais periódicos do motor e do pistão 1 apresentam uma diferença de fase entre 170 e 190 graus, preferencialmente entre 175 e 185 graus. A freqüência natural de vibração nessas condições está entre 200 e 500Hz, particularmente entre 300 e 400Hz - essa freqüência é chamada de freqüência de operação, e dela dependem o desempenho e as dimensões finais do compressor. Afaixa ideal atingida pelo compressor construído segundo a concretização preferencial da presen- te invenção situa-se entre 340 e 360 Hz, que configura o ponto de otimização para uma capacidade de 200 W com um menor volume de equipamento possível.

Em suma, são as propriedades de massa e rigidez do conjunto que caracterizam um .compressor com curso e freqüências tais que o bombeamento de fluido refrigerante é maximizado e, com ele, o desempenho do compressor.

Portanto, os diferenciais da presente invenção são:

- Operação em alta freqüência, que resulta em compressor de dimensões e massa reduzidos;

- Sendo a usinagem um dos últimos processos de fabricação, a precisão geométri- ca é consideravelmente elevada e as variações de rigidez são reduzidas; ademais o au-

mento da resistência à fadiga é obtido através de tratamento térmico e 'shot peening';

- A montagem do pistão 1 + componentes de fixação 41 em uma extremidade 21 do elemento resiliente 2, e do imã do motor 5 + componentes de fixação 42 na outra ex- tremidade 22, além da fixação do elemento resiliente 2 no elemento resiliente axial (6) atra- vés do 'ponto neutro', resulta em valores de vibração mais baixos do que a configuração

usual onde tanto o pistão quanto o motor são montados na mesma extremidade do éle- mento elástico; e

-A configuração onde a massa do pistão+fixação é semelhante à massa do imã do motor+fixação possui a maior freqüência natural e, consequentemente, de operação possí- vel. Dependendo da condição de operação (temperaturas de evaporação e condensação)

é necessária a redução da massa no lado do imã e/ou aumento da massa no lado do pis- tão para manter a freqüência natural como sendo a máxima possível.

É também expressamente previsto que todas as combinações dos elementos que desempenham a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados estão dentro do escopo da invenção. Substituições de elementos de

uma modalidade descrita por outros são também totalmente pretendidos é contemplados.

Deve, no entanto, ser entendido que a descrição fornecida com base nas figuras acima se refere apenas a uma das concretizações possíveis para o sistema da presente ' invenção, sendo que o real escopo do objeto da invenção encontra-se definido nas reivin- dicações apensas.

Claims

1. Compressor alternativo acionado por motor linear de imã permanente operando em alta freqüência, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um pistão (1); um elemento resiliente (2) fixo a um elemento resiliente axial (6) do compressor a- través de um ponto neutro (3), sendo tal elemento resiliente (2) cooperante com o pistão (1) por meio de elementos de fixação (41) posicionados em uma de suas extremidades (21); um imã de motor (5) cooperante com o pistão (1) por meio do elemento resiliente (2), sendo o imã de motor (5) solidário ao elemento resiliente (2) por meio de elementos de fixação (42) posicionados na extremidade oposta (22) do elemento resiliente (2); e meios para permitir que a freqüência de operação do conjunto pistão (1)/elemento resiliente (2)/imã de motor (5) permaneça no intervalo compreendido entre 200 e 500 Hz.

2. Compressor de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a freqüência de operação do conjunto pistão (1)/elemento resiliente (2)/imã de motor (5) fica compreendida entre 300 e 400 Hz.

3. Compressor de acordo com as reivindicaçãões 1 e 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a freqüência de operação do conjunto pistão (1)/elemento resiliente (2)/imã de motor (5) fica compreendida entre 340 e 360 Hz.

4. Compressor de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a soma da massa do pistão (1) com os elementos de fixação (41) solidários à extremi- dade (21) do elemento resiliente (2) fica compreendida dentro do intervalo de 32 a 50 g.

5. Compressor de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a soma da massa do pistão (1) com os elementos de fixação (41) solidários à extremi- dade (21) do elemento resiliente (2) é equivalente à soma da massa do imã de motor (5) com os elementos de fixação (42) solidários à extremidade (22) do elemento resiliente (2), com tolerância de mais ou menos 2 g.

6. Compressor de acordo com as reivindicações 4 e 5, CARACTERIZADO pelo fa- to de que a soma da massa do pistão (1) com os elementos de fixação (41) solidários à extremidade (21) do elemento resiliente (2) totaliza um valor entre 5 e 20 g maior que a soma da massa do imã de.motor (5) com os elementos de fixação (42) solidários à extre- midade (22) do elemento resiliente (2).

7. Compressor de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento resiliente (2) é uma mola construída com material metálico.

8. Compressor de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o material de construção do elemento resiliente (2) é selecionado do grupo formado por aço, titânio e suas ligas.