ES2217525T3 - Extension mejorada de una pelicula de aceite para reducir los esfuerzos sobre una valvula de aspiracion de un compresor. - Google Patents

Abstract

EL ASIENTO (30-1) DE UNA VALVULA DE SUCCION (20) DE UN COMPRESOR DE VAIVEN (10) SE MODIFICA PARA LIMITAR EL AREA EN LA CUAL PUEDE ESTABLECERSE UNA PELICULA DE ACEITE ANULAR ENTRE LA VALVULA (20) Y EL ASIENTO DE LA VALVULA (30-1). EL ASIENTO SE CONFIGURA PARA LIMITAR LA PELICULA DE ACEITE ENTRE UN 3 Y 33% DE LA ABERTURA TOTAL DEL PUERTO DE ENTRADA. EN UNA REALIZACION MODIFICADA, EL GAS A LA PRESION DE DESCARGA EJERCE UN EMPUJE DE ABERTURA EN LA VALVULA DE SUCCION EN EL EXTREMO DE LA CARRERA DE DESCARGA.

Description

Extensión mejorada de una película de aceite para reducir los esfuerzos sobre una válvula de aspiración de un compresor.

En los compresores de desplazamiento positivo que emplean válvulas de aspiración y de descarga, existen tanto similaridades como diferencias entre los dos tipos de válvulas. Normalmente, las válvulas serían del mismo tipo general. Cada válvula estaría normalmente cerrada y se abriría debido a una diferencia de presión a través de la válvula en la dirección de apertura. La válvula podría ser de un material de muelle y proporcionar su propia carga de asiento, o podrían emplearse muelles separados. Como la válvula (o válvulas) de aspiración se abre a la cámara/cilindro de compresión, en general no tienen reforzadores de válvula con el fin de minimizar el volumen de holgura, y por ello no está limitada físicamente la desviación de la válvula. Las válvulas de descarga normalmente tienen alguna clase de reforzador con el fin de evitar el exceso de movimiento/flexión de la válvula de descarga. Sin tener en cuenta los efectos del volumen de holgura, de las fugas, etc., se aspira una masa igual de gas a la cámara de compresión y se descarga de la misma. Sin embargo, la carrera de aspiración tiene lugar sobre, nominalmente, medio ciclo, mientras que las carreras de compresión y de descarga abarcan juntas, nominalmente, el otro medio ciclo. En el caso de la carrera de aspiración, la válvula de aspiración se abre en cuanto la diferencia de presión a través de la válvula de aspiración pueda causar que ésta se despegue de su asiento. Típicamente, la diferencia de presión requerida para abrir la válvula de aspiración es del orden del 15-35% de la presión nominal de aspiración. En el caso de la carrera de compresión, la compresión continúa con la correspondiente reducción en volumen/aumento de densidad del gas que se está comprimiendo, hasta que la presión del gas comprimido es suficiente para vencer a la presión combinada del sistema que actúa sobre la válvula de descarga junto con la carga de muelle del miembro de válvula y/o de muelles separados. Típicamente, la diferencia de presión requerida para abrir la válvula de descarga es del orden del 20-40% de la presión nominal de descarga. De acuerdo con ello, el caudal másico es mucho mayor durante la carrera de descarga.

Por diseño, las válvulas de aspiración tienen una carga de asiento mucho menor que las válvulas de descarga. La carga pequeña de asiento es esencial, debido al hecho de que la actuación de la válvula se inicia por la acción de la fuerza resultante de la diferencia de presión a través de la válvula. En el caso de las válvulas de aspiración, la apertura se produce generalmente a presiones que son mucho menores que para las válvulas de descarga.

Por tanto, solamente se pueden crear diferencias pequeñas de presión, y por ello fuerzas de apertura de poca intensidad, con respecto a las potenciales diferencias de presión y fuerzas de apertura para válvulas de descarga. Aún un pequeño aumento en la diferencia de presión a través de la válvula de aspiración resulta en un gran aumento de porcentaje en la diferencia de presión a través de la válvula. En contraste con ello, un aumento igual en la diferencia de presión a través de la válvula de descarga resulta en un aumento mucho menor de porcentaje en la diferencia de presión, debido a que la presión nominal de funcionamiento es sustancialmente más alta.

La fuerza de apertura, F, sobre una válvula viene dada por la ecuación

F = P . A

donde P es la diferencia de presión a través de la válvula, y A es el área de la válvula sobre la que actúa P. Debe hacerse notar que el sentido en que actúa la diferencia de presión cambia durante un ciclo completo, con lo que durante una parte del ciclo la diferencia de presión proporciona una carga de asiento de válvula. Cuando A se mantiene constante, es evidente que un cambio en F es proporcional a un cambio en P, o, más específicamente, el cambio de porcentaje en F es proporcional al cambio de porcentaje en P. Por ejemplo, suponiendo una condición de funcionamiento en la que la presión de aspiración es de 137,88 kPa (20 psia) y la presión de descarga es de 2,068 MPa (300 psia) a un valor típico de sobrepresión del 35%, el cilindro aumentaría de presión hasta 2,792 MPa (405 psia) antes de que se abra la válvula de descarga. Por el contrario, a un valor típico de subpresión del 30%, la presión del cilindro caerá hasta 96,5 kPa (14 psia) antes de que se abra la válvula de aspiración. Si la diferencia de presión requerida para abrir ambas válvulas se aumenta en 68,9 kPa (10 psia), el valor de la sobrepresión de descarga aumenta hasta el 38% desde el 35%, mientras que el valor de la subpresión de aspiración aumenta hasta el 80% desde el 30%. De ese modo, se puede esperar que la fuerza de apertura sobre la válvula de aspiración aumente un 167%.

Particularmente debido a los efectos del volumen de holgura, el cambio en la diferencia de presión a través de la válvula de aspiración no aumentaría muy rápidamente, puesto que el dispositivo está cargado inicialmente debido al gas comprimido del volumen de holgura, y entonces actúa como una bomba de vacío hasta que se abre la válvula de aspiración. Específicamente, el flujo de entrada de gas al cilindro se diseña típicamente para que ocurra durante el último 95% de la carrera combinada de expansión y aspiración. En contraste, la presión de la cámara de compresión sube rápidamente cuando está terminando la carrera de compresión, y la presión puede continuar subiendo durante la carrera de descarga si el caudal volumétrico que sale del cilindro no se corresponde con la velocidad de reducción en el volumen de la cámara de compresión. Típicamente, el caudal de salida de gas del cilindro se produce durante el último 40% de la carrera combinada de compresión y descarga. Cualquier variación sustancial en una o más relaciones puede resultar en problemas operativos en relación con las válvulas.

Otro factor de complicación surge del hecho de que, en condiciones típicas de funcionamiento, un fluido lubricante (aceite) recubre todas las superficies internas de un compresor, incluyendo las válvulas de aspiración y de descarga y los asientos de las válvulas. Los problemas asociados en cuanto a mejorar el rendimiento de la descarga relacionado con la válvula de descarga se han discutido en la patente de EE.UU. Nº 4.580.604. En el caso de una válvula de descarga, la presión del cilindro debe vencer a la presión del sistema que actúa sobre la válvula de descarga, a la carga de muelle sobre la válvula y a cualquier adherencia de la válvula al asiento. De acuerdo con ello, la adherencia de la válvula de descarga al asiento representa una sobrepresión, y por tanto una pérdida de rendimiento,

Un típico compresor de movimiento alternativo tendrá un plato de válvula con una lumbrera integral de aspiración y un asiento de válvula de aspiración. Cuando se está en la posición cerrada, la película de aceite presente entre la válvula de aspiración y su asiento es muy delgada, del orden de unos pocos diámetros moleculares. Esto se debe en parte al hecho de que la presión de la cámara de compresión actúa sobre la válvula de aspiración y proporciona una carga de asiento para dicha válvula. En funcionamiento normal, la fuerza de apertura aplicada a la válvula de aspiración la proporciona una diferencia de presión a través de la válvula que se crea a medida que el pistón se desplaza separándose de la válvula durante la carrera de aspiración. Típicamente, la fuerza de apertura necesita ser de una intensidad suficiente para vencer la resistencia a la apertura causada por la masa (inercia) de la válvula y cualesquiera cargas de muelle u otras cargas. La fuerza necesita también ser sustancialmente intensa para dilatar y desgarrar la película de aceite atrapada entre la válvula y su asiento. Los factores que influyen en la fuerza necesaria para dilatar y desgarrar la película de lubricante incluyen: la viscosidad de la película de lubricante, el espesor de la película de aceite, las fuerzas intermoleculares de atracción entre las moléculas de lubricante, los materiales de construcción de la válvula de aspiración y/o del asiento de válvula, y la velocidad de desgasificación del refrigerante.

En las aplicaciones tradicionales de compresor de refrigerante que usan lubricantes basados en mineral (en adelante MO) o de alquilbenceno (en adelante AB) la resistencia a la apertura ocasionada por los lubricantes es despreciable, según lo indica la diferencia de presión relativamente pequeña que se requiere para iniciar la apertura de la válvula. Esto se debe, en gran parte, al hecho de que los lubricantes MO y AB presentan una viscosidad relativamente baja, fuerzas intramoleculares de poca intensidad, y buena solubilidad con refrigerante sobre todo el intervalo de condiciones operativas.

Las aplicaciones más recientes de compresores de refrigerante que no es afectado por el ozono, utilizan lubricantes de poliol éster (en adelante POE). Cuando se comparan con los lubricantes MO y AB, los lubricantes POE pueden presentar una viscosidad de lubricante extremadamente alta y una solubilidad deficiente con los refrigerantes HFC tales como R134a, R404A, y R507, particularmente en condiciones de bajas presiones y/o temperaturas operativas. La viscosidad relativamente alta de los lubricantes POE puede causar un aumento sustancial en la fuerza necesaria para dilatar y desgarrar la película de aceite atrapada entre la válvula y el asiento. Adicionalmente, los lubricantes POE son materiales muy polares, y por ello tienen una intensa atracción molecular hacia los materiales polares basados en hierro que se usan típicamente para fabricar válvulas y asientos de válvula. La atracción mutua de los materiales de construcción y de los lubricantes POE aumenta adicionalmente la fuerza necesaria para separar la válvula del asiento de válvula.

Con el fin de generar el aumento en la intensidad de la fuerza necesario para separar la válvula de aspiración de su asiento, se debe aumentar la diferencia de presión a través de la válvula con un retardo correspondiente en el tiempo de apertura de la válvula. Cuando finalmente se abre la válvula de aspiración, lo hace a gran velocidad. Además, esta condición se agrava por el aumento en el caudal volumétrico del gas de aspiración que entra al cilindro como resultado del retardo en la apertura de la válvula de aspiración. El aumento en el caudal volumétrico del gas de aspiración causa un aumento en la velocidad del gas de aspiración que, a su vez, aumenta la intensidad de la fuerza de apertura aplicada a la válvula de aspiración y, por ello, la velocidad a la que se abre la válvula. El aumento de la velocidad de apertura de la válvula de aspiración, que resulta de los efectos combinados de una mayor diferencia de presión sobre la válvula debida a la apertura retardada y al mayor caudal volumétrico del flujo que choca sobre la válvula de aspiración, hace que la válvula de aspiración se desvíe más de lo previsto en el interior del cilindro. Sin el beneficio de un reforzador de válvula, como lo estaría en una válvula de descarga, debe aumentar el esfuerzo operativo de la válvula como consecuencia del aumento en la desviación de la válvula. Si el esfuerzo operativo excede de la resistencia aparente a la fatiga de la válvula, entonces se producirá el fallo de la válvula. En el documento US-A-4580604 se describe un compresor que tiene las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Un objeto de este invento es reducir la adherencia de la válvula de aspiración al asiento de la válvula.

Un objeto adicional de este invento es reducir el esfuerzo operativo sobre una válvula de aspiración.

Otro objeto de este invento es facilitar la apertura de una válvula de aspiración. Estos objetos, y otros que resultarán aparentes a continuación en la presente memoria, se cumplen mediante el presente invento.

El presente invento reduce la fuerza de presión requerida para abrir la válvula de aspiración promoviendo la dilación de la película de aceite atrapada entre la válvula de aspiración y el asiento de la válvula. De esta manera, se evitan los problemas subsiguientes asociados con alta velocidad de la válvula, alto caudal volumétrico, alta velocidad del gas de aspiración, y alto esfuerzo de la válvula. En efecto, mediante la reducción del área de contacto entre la válvula y el asiento de la válvula, se puede alcanzar una reducción beneficiosa en la fuerza de presión requerida para abrir la válvula, junto con una reducción subsiguiente en el esfuerzo operativo.

El presente invento proporciona un compresor según se ha reivindicado en la reivindicación 1.

La experimentación ha demostrado que es crítico mantener la relación entre el área del asiento de la válvula y el área de la lumbrera de la válvula en el intervalo de 3% a 33%, constituyendo un valor límite inferior una dimensión física de 0,0762 mm (0,003 pulgadas). Se considera que el área del asiento de válvula es el área del contacto real más el área donde los miembros están tan próximos que entre ellos hay una película de aceite. De acuerdo con ello, se consideraría que un contacto lineal entre un miembro plano de válvula y un asiento redondeado tiene un área debida a la presencia de la película de aceite adyacente al contacto lineal. El mínimo valor es necesario para proporcionar un área de obturación suficiente, manteniendo de ese modo el rendimiento de la compresión por impedir las fugas de gas pasada la válvula de aspiración durante la carrera de compresión. El límite inferior de la relación entre el área del asiento y el área de la lumbrera es necesario también para impedir el desgaste excesivo en la interfaz válvula/asiento. De este modo se establece una fuerza máxima por unidad de área en el asiento de válvula para el intervalo de condiciones operativas previsto para un compresor típico. El límite superior de la relación entre la anchura del asiento y el área de la lumbrera es necesario para limitar el área de contacto de la interfaz válvula/asiento. De nuevo en este caso, la experimentación ha revelado que, para relaciones mayores de 33%, la fuerza de presión requerida para abrir la válvula resulta en una velocidad de válvula y en un esfuerzo subsiguiente que exceden de la resistencia aparente a la fatiga del material de la válvula. Así, el fallo de la válvula puede resultar de relaciones en exceso del valor límite superior para la relación área de asiento/área de lumbrera.

La geometría de borde de los diámetros interior y exterior tiene un efecto mínimo en la fuerza de presión requerida para abrir la válvula. Dicho de otro modo, importa poco si la geometría de borde consiste en un resalte redondeado, biselado o cuadrado. Sin embargo, la experimentación ha demostrado que es conveniente proporcionar una geometría de borde o bien redondeada o bien biselada tanto para el diámetro interior como para el diámetro exterior del asiento de válvula. Estas configuraciones geométricas particulares tienden a proporcionar un área mayor de contacto efectivo para la válvula cuando se cierra, reduciendo de ese modo la fuerza de impacto por unidad de área y disminuyendo el desgaste en la interfaz válvula/asiento. Por tanto, es preferible suavizar la transición desde la superficie (plana) de obturación mediante la utilización de un radio o bisel de borde.

Básicamente, el asiento de válvula de una válvula de aspiración se configura mediante un redondeado o un biselado para reducir el área de contacto y la película asociada de aceite entre la válvula y el asiento de válvula. Una cavidad de fluido se comunica con la cámara de compresión a través de un paso restringido, de tal manera que el gas comprimido nominalmente a la presión de descarga se encuentre en la cavidad de fluido al comienzo de la carrera de aspiración, y proporcione una carga de apertura a la válvula.

La Figura 1 es una vista en corte de un compresor de movimiento alternativo que ilustra las características del presente invento;

La Figura 2 es una vista parcialmente recortada tomada a lo largo del corte 2-2 de la Figura 1;

La Figura 3 es una vista en corte de una parte de la Figura 1 que muestra la estructura de la válvula de aspiración;

La Figura 4 es una vista en corte de una primera estructura modificada de válvula de aspiración;

La Figura 5 es una vista en corte de una estructura de válvula de aspiración de acuerdo con el invento, y

La Figura 6 es una vista axial de la estructura de asiento de la Figura 5.

En las Figuras 1 y 2, el número 10 designa en general a un compresor de movimiento alternativo. Como es convencional, el compresor 10 tiene una válvula 20 de aspiración y una válvula 50 de descarga, que se han ilustrado como válvulas de lengüeta, así como un pistón 42 que está situado en el orificio 40-3. La válvula 50 de descarga tiene un reforzador 51 que limita el movimiento de la válvula 50 y que normalmente está configurado para disipar la fuerza de apertura aplicada a la válvula 50 sobre la totalidad de su movimiento de apertura. En el caso de la válvula 20 de aspiración, sus extremidades 20-1 se aplican a los topes de válvula definidos por rebordes 40-1 en rebajos 40-2 practicados en el cárter 40. Los rebordes 40-1 se aplican tras un movimiento de apertura del orden de 2,5 mm (0,1 pulgadas), con el fin de minimizar el volumen de holgura, con un movimiento adicional de apertura por flexión de la válvula 20 como se indica con líneas fantasma en la Figura 1. Específicamente, el movimiento inicial de la válvula 20 es como el de una viga en voladizo hasta que las extremidades 20-1 se aplican a los rebordes 40-1, y luego la flexión se realiza en la forma de una viga soportada en los dos extremos. Como se muestra con líneas fantasma en la figura 1, la válvula 20 se desplaza en el orificio 40-3.

Como se ha expuesto anteriormente, los lubricantes de POE tienden a causar adherencia entre la válvula 20 y el asiento 30-1 formado en el plato 30 de válvula. Si no fuese por la reducción de adherencia del presente invento, la válvula 20 se abriría a una diferencia de presión más alta, y tendería a chocar con los rebordes o topes 40-1 a una velocidad mayor, de tal manera que facilitaría la flexión en el orificio 40-3 lo cual, unido a la acción del flujo incidente procedente del conducto de paso 30-2 de aspiración, podría causar la flexión de la válvula 20 más allá de su límite elástico y/o impulsar a la válvula tan lejos en el interior del orificio 40-3 que las extremidades 20-1 se deslizarían y se zafarían de los rebordes o topes 40-1.

Volviendo ahora a la Figura 3, se observará que el asiento 30-1 está configurado de tal manera que está liberado en el área en que no se establece contacto. Como se ha ilustrado en la Figura, el asiento 30-1 es de una superficie esférica, pero podría tener un área pequeña aplanada, o bien una sección transversal trapezoidal. La principal consideración es limitar la localización y por tanto la anchura de la película 60 de aceite. Específicamente, la parte de asiento 30-1 que toca o se encuentra en estrecha proximidad con la válvula 20 con el fin de mantener una película 60 de aceite entre los mismos, debe tener un área de sección transversal que sea del 3% al 33% del área definida por el borde interior o límite de la película 60 de aceite cuya punta, 30-4, puede corresponder al borde de una cara plana. La relación comprendida entre el 3% y el 33% constituye los límites del compromiso entre desgaste y fuerza de adherencia, con un intervalo preferido entre 13% y 25%. Como debería ser obvio, cuanto más pequeña sea la película de aceite, con mayor facilidad se romperá, con la consecuencia de abrir más pronto en la carrera de aspiración a una presión diferencial más baja, con una apertura menos violenta y un caudal más lento.

La Figura 4 muestra un asiento modificado 130-1 de válvula que tiene una película de aceite mayor, porque la parte curva del asiento 130-1 se extiende solamente durante 90º con una cara plana que forma una parte del asiento. Cuando la relación entre el área de la película 160 de aceite y el área donde el paso 130-2 de aspiración se encuentra con la película 160 de aceite, punto 130-4, está en un intervalo comprendido entre 3% y 33%, la válvula 120 funcionará como se ha descrito anteriormente.

Las disposiciones mostradas en las Figuras 1 a 4 no entran en el alcance del invento, pero se han incluido a título explicativo de ciertos aspectos del invento.

Refiriéndose ahora a las Figuras 5 y 6, se observará que el asiento de válvula de acuerdo con el invento es de la forma de dos asientos anulares 230-1a y 230-1b separados en dirección radial. De ese modo se define una cámara anular 232 mediante los asientos 230-1a y 230-1b y la válvula 220. Es posible la comunicación restringida entre la cámara 232 y el orificio 230-3 durante la carrera de compresión y durante la carrera de descarga por medio de uno o más pasos radiales 233. Los pasos radiales 233 se han dimensionado de manera que no se deriven ni bloqueen por la película de aceite, sino que restrinjan el flujo en la transición entre la carrera de descarga y la carrera de aspiración, de tal manera que la presión del fluido contenido en la cámara 232 actúe sobre la válvula 220 y tienda a causar que ésta se despegue de su asiento al comienzo de la carrera de aspiración.

Claims (5)

1. Un compresor de movimiento alternativo (10) que tiene un cilindro (40-3) con un pistón (42) dentro del mismo, una válvula (220) de aspiración y un plato (30) de válvula con un asiento integral (230-1a) de válvula de aspiración y lubricado por aceite de POE que forma una película (260) de aceite entre dicha válvula de aspiración y dicho asiento de válvula, teniendo al menos una parte de dicha película de aceite un espesor no mayor de unos pocos diámetros moleculares;

cuyo asiento forma una pared circundante que es una extensión de un paso de aspiración y que disminuye en espesor de sección transversal en la dirección del flujo de aspiración, de tal manera que dicha pared tiene su espesor mínimo en un lugar al que se aplica dicha válvula;

caracterizado porque:

dicha parte de dicha película de aceite formada entre el citado asiento y la mencionada válvula tiene un área máxima de sección transversal comprendida entre 3% y 33% del área de sección transversal dentro de dicha película de aceite; y porque dicho compresor comprende además:

un segundo asiento (230-1b) que rodea y está espaciado en dirección radial de dicho asiento, formando una extensión de dicho paso de aspiración, de tal manera que, cuando dicha válvula está asentada sobre dicho asiento que forma una extensión de dicho paso de aspiración y de dicho segundo asiento, se forma una cámara (232) entre los mismos; y

medios (233) de paso de fluido formados en dicho segundo asiento y que proporcionan comunicación restringida de fluido entre dicho cilindro y la citada cámara anular durante una carrera de compresión y una carrera de descarga de dicho compresor, por lo que la presión del fluido contenido en dicha cámara proporciona una carga de apertura a dicha válvula en el comienzo de una carrera de aspiración.

2. El perfeccionamiento de la reivindicación 1, en el que dicho compresor comprime refrigerante de HFC.

3. El perfeccionamiento de la reivindicación 2, en el que el refrigerante de HFC es uno de entre R134a, R404A y R507.

4. El perfeccionamiento de las reivindicaciones 2 ó 3, en el que dicho asiento tiene una superficie redondeada a la que se aplica dicha válvula.

5. El perfeccionamiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos uno de dichos asientos tiene una superficie redondeada a la que se aplica dicha válvula.