ES2314141T3 - Cojinete para compresor de refrigerante de co2. - Google Patents

Cojinete para compresor de refrigerante de co2. Download PDF

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Noboru Baba
Shouichi Nakashima
Tadashi Iizuka
Toshiaki Yamanaka
Hiroaki Ogura
Toshiomi Fukuda
Shinichi Ozaki
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Hitachi Appliances Inc
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Abstract

Un cojinete (5, 14c, 16c) para un compresor de refrigerante de CO2, que comprende un miembro conformado con forma cilíndrica cuyo material de base, carbonoso, contiene del 20% al 50% en peso de grafito y tiene poros impregnados con uno de entre estaño; cobre; plata; una aleación de cobre que contiene entre el 80% y el 90% en peso de cobre, entre el 5% y el 11% en peso de estaño, hasta el 3% en peso de zinc y hasta el 1,0% en peso de plomo; y una aleación de estaño que contiene del 0,5% al 5,0% en peso de cobre y del 25% al 35% en peso de zinc, de tal modo que dicho material de base carbonoso tiene una forma final formada por conformación prácticamente definitiva.

Description

Cojinete para compresor de refrigerante de CO_{2}.
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a nuevos tipos de cojinetes para uso en compresores de refrigerante de CO_{2}, mejorados en su resistencia al desgaste, a un compresor que emplea estos cojinetes, así como a un acondicionador de aire, un refrigerador y una máquina de suministro de agua caliente tales, que emplean, cada uno, los cojinetes.
2. Descripción de la técnica anterior
Se han venido empleado el hierro colado, materiales basados en el bronce, materiales de aleación de aluminio u otros materiales metálicos, o bien materiales que contienen resina o materiales compuestos consistentes en resina y metal, como materiales de cojinete para compresores de refrigerante convencionales. Los materiales basados en el bronce han venido conteniendo una gran cantidad de plomo. Se han venido utilizando también, de la forma más habitual, en otras máquinas numerosos tipos de materiales deslizantes enriquecidos con plomo. En estas circunstancias, se ha venido proporcionando a los árboles que se insertaban en los cojinetes un tratamiento superficial para evitar la excoriación superficial por ablación. Cuando se había de utilizar un material de cojinete distinto del hierro colado, se evitaba la aparición de la excoriación superficial por ablación y un desgaste inusual al adoptar un material disimilar al material del árbol.
Los materiales de cojinete formados por la impregnación con aluminio de materiales de carbono con contenido de grafito se describen en la Publicación de Solicitud de Patente japonesa divulgada con el Nº Hei 02-248676 y
Hei 02-275114.
En los compresores convencionales, los incrementos en las cargas del cojinete como consecuencia de la mejora de su comportamiento han conducido a una rotura parcial de la película lubricante formada por un aceite, y este suceso ha venido induciendo la denominada "lubricación limítrofe", estado en el cual se produce un contacto directo local entre el cojinete y el árbol. La lubricación limítrofe se ve también inducida al comienzo del funcionamiento del compresor o por una entrada excesiva de refrigerante. En tal estado de lubricación limítrofe, los cojinetes con material de base de metal, los cojinetes basados en resina, árboles con tratamiento superficial y otros elementos convencionales similares han venido siendo propensos a sufrir excoriación superficial por ablación o gripado térmico. Si bien las cargas en los cojinetes pueden reducirse incrementado los diámetros internos de los cojinetes o aumentando la longitud de la sección o tramo de cojinete, estos métodos tenían sus límites puesto que el espacio requerido para los cojinetes es limitado en los compresores que contienen un motor del tipo encerrado o enclaustrado.
Se conocen las aleaciones de plomo, bronce y antimonio en las que el plomo o el antimonio, que tienen propiedades lubricantes, están contenidos como uno de los componentes respectivos, y los materiales compuestos consistentes en plomo o antimonio y carbono, así como otros materiales, no provocan fácilmente gripado térmico o excoriación superficial por ablación. Al mismo tiempo, sin embargo, existe también el temor de que el plomo y el antimonio afecten al medioambiente y al cuerpo humano. Estos elementos se incluyen también en la categoría de las sustancias cuyo uso está regulado por la ley de registro de liberación y transferencia de contaminantes (PRTR -"pollutants release and transfer registration"). Para las aleaciones de plomo, bronce y antimonio, así como para materiales compuestos consistentes en plomo o antimonio y carbono, sin embargo, las mejoras en las respectivas características contra el desgaste en un estado de ausencia de aceite o en condiciones rigurosas se consiguen haciendo uso de la propiedad de que el punto de fusión de cada uno de dichos metales es bajo. Aun así, se produce un desgaste significativo de las partes al utilizarlas a una temperatura elevada o al hacer un uso continuado de ellas en un estado de deslizamiento riguroso.
No se ha descrito ningún cojinete convencional hecho de materiales de carbono impregnados con aluminio que emplee un metal distinto del aluminio o en el que se muestre un cierto contenido de grafito o la proporción o grado de porosidad obtenido una vez proporcionada la impregnación.
El documento DE 196 42 506 C describe un sustrato de material carbónico, en particular el material C+SiC+Cu+
Si_{3}N_{4}+BN, con una porosidad de entre el 15% y el 50%, que se infiltra con Si, B, Cu y al menos un material seleccionado de entre el grupo consistente en Mo, Zr, Hf, W y Ta. No se mencionan, sin embargo, ni la importancia de que el material de base tenga un contenido específico de grafito ni una etapa de impregnación como en la presente invención. Por otra parte, el documento no proporciona ninguna descripción o sugerencia de aplicaciones como cojinetes hechos del material propuesto en compresores de refrigerante de CO_{2}, ni de su comportamiento en el estado de lubricación limítrofe.
Además, el documento no explica los efectos de contenidos concretos de grafito en el material de base en relación con una posible reducción del coeficiente de rozamiento en su uso como miembro deslizante.
Sumario de la invención
Es un propósito de la presente invención proporcionar: cojinetes para uso en compresores de refrigerante de CO_{2} que tengan una elevada resistencia tanto al desgaste como al agarrotamiento o gripado térmico, y que estén destinados a evitar la aparición de un desgaste inusual y de gripado térmico en la sección o tramo de cojinete de un compresor de refrigerante de CO_{2} al que es probable que no se suministre temporalmente un aceite lubricante; un compresor que emplea estos cojinetes, y un acondicionador de aire, un refrigerador y una máquina de suministro de agua caliente tales, que emplean, cada uno, los cojinetes.
El propósito se consigue gracias a la invención según se define en las reivindicaciones independientes que se acompañan.
De acuerdo con la presente invención, es posible obtener cojinetes para uso en compresores de refrigerante de CO_{2}, en los cuales: el contenido de gráfico en un material de base carbonoso que no provoca fácilmente gripado térmico incluso en un estado de lubricación limítrofe, se optimiza para lograr un coeficiente de rozamiento reducido y una resistencia al desgaste mejorada; los poros del material de base carbonoso están impregnados con un metal de tal modo que se facilite la formación de una película de aceite en un aceite lubricante; y la composición, la estructura y el contenido de un metal de impregnación distinto del plomo o del antimonio se preajustan para un coeficiente de rozamiento reducido y una resistencia al desgaste mejorada.
Es también posible obtener excelentes características de deslizamiento y conseguir, con ello, una compresor de refrigerante de CO_{2} de alta fiabilidad.
En un compresor de refrigerante de CO_{2} expuesto a un estado de ausencia de aceite o a condiciones rigurosas de deslizamiento en el cojinete, con el fin de evitar que se haga difícil la formación de una película de aceite, mediante la descarga del aceite lubricante a través de los poros dejados en un material de base carbonoso, dando como resultado un coeficiente de rozamiento pequeño y una alta resistencia al desgaste, incluso en el estado de ausencia de aceite o en condiciones de deslizamiento en el cojinete rigurosas, y en un material de base carbonoso con contenido de grafito, cuando el cojinete se utiliza en el seno del aceite lubricante, se proporciona un cojinete para uso en un compresor de refrigerante de CO_{2}, que comprende un miembro cuyo material de base carbonoso tiene poros impregnados con estaño o con un tipo de metal seleccionado del grupo IB o del grupo VIII, a excepción del hierro, o con una aleación basada en estos metales, en un estado fundido. Las reivindicaciones dependientes se refieren a realizaciones preferidas.
Es preferible que el contenido de al menos uno de entre plomo o antimonio en cada uno de los metales o aleaciones anteriormente mencionadas, sea el 1 por ciento en peso o inferior, y que la dureza Shore del miembro correspondiente se encuentre entre 65 y 120. Mediante el incremento de la dureza Shore por encima de 65, es posible mantener un coeficiente de rozamiento pequeño, en tanto que también se minimiza, al mismo tiempo, el desgaste, en un estado de ausencia de aceite o en condiciones rigurosas de deslizamiento en el cojinete, y proporcionar, con ello, un compresor de refrigerante de CO_{2} altamente fiable y de larga vida. Además, con vistas a la producción a gran escala, puesto que una dureza Shore por encima de 90 deteriora la susceptibilidad de mecanizado, puede proporcionarse un cojinete para uso en un compresor de refrigerante de CO_{2} tanto con una resistencia al desgaste como con una productividad elevadas, mediante el control de la dureza Shore en 90 ó menos.
El contenido de plomo o de antimonio ha de ser controlado para que sea un 0,5 por ciento en peso o menor, preferiblemente un 0 por ciento en peso, y es también preferible de cara a la productividad que se utilicen materiales especificados por la JIS. Además, es preferible que la resistencia a la compresión del miembro sea de entre 200 y 500 MPa. Si se aumenta la resistencia a la compresión por encima de 200 MPa, es posible mantener un pequeño coeficiente de rozamiento, en tanto que se minimiza también, al mismo tiempo, el desgaste, en un estado de ausencia de aceite o en condiciones rigurosas de deslizamiento en el cojinete, y proporcionar, con ello, un cojinete altamente fiable y de larga vida para uso en un compresor de refrigerante. Por otra parte, puesto que una resistencia a la compresión mayor que 500 MPa deteriora la susceptibilidad de mecanización, es preferible, de cara a la producción a gran escala, que la resistencia a la compresión no supere los 500 MPa.
Los poros del material del cojinete se controlan de modo que se encuentren en su mínimo incluso cuando la lubricación se está produciendo suavemente en el estado de funcionamiento estacionario del compresor de refrigerante. Más concretamente, es posible formar establemente una película de aceite de lubricación y eliminar el desgaste mediante el control, entre un porcentaje volumétrico de entre 0,05 y 2,00, preferiblemente entre el 0,5 y el 1,5 por ciento en volumen, de la proporción o grado de porosidad del material de base carbonoso impregnado con metal o aleación y con contenido de grafito que se utiliza como material para el cojinete, y obtener, por tanto, un cojinete de vida prolongada para uso en un compresor de refrigerante de CO_{2}. Es también preferible que el material de base carbonoso sea impregnado con un metal, de tal modo que se obtenga un grado de porosidad de entre el 0,05 y el 2,00 por ciento en volumen, mediante el control del grado de porosidad del material de base carbonoso de modo que sea entre el 5 y el 15 por ciento en volumen antes de la impregnación.
El cojinete puede comprender un material de cojinete que contiene, al menos, bien plomo o bien antimonio en un 1 por ciento en peso o menos, en los poros de un material de base carbonoso enriquecido con entre un 20 y un 50 por ciento en peso de grafito, e impregnado con la aleación o metal anteriormente mencionado, distinto del plomo y del antimonio.
Puesto que es también posible crear carburos (VC, TiC) de vanadio o de titanio añadiendo, al menos, bien vanadio o bien titanio en el 2 por ciento en peso o menos, y preferiblemente entre el 0,05 y el 0,15 por ciento en peso, al metal o aleación anteriormente mencionada, y cargar completamente los poros del material de base carbonoso con una metal de impregnación al mejorar la capacidad de impregnación o impregnabilidad con respecto al material de base carbonoso, el grado de porosidad se reduce y puede formarse una película de aceite lubricante incluso más estable. En consecuencia, es posible suprimir el desgaste y puede obtenerse un compresor de refrigerante de CO_{2} altamente
fiable.
Es posible, mediante el control del punto de fusión del metal o aleación de fuente de impregnación con respecto al material de base carbonoso, mantener, en el caso del cobre o su aleación, al menos 900ºC, preferiblemente entre 900ºC y 1.200ºC, y, de forma más preferida, entre 950ºC y 1.050ºC, unas características de lubricación y una resistencia al desgaste, así como mejorar la fiabilidad del compresor de refrigerante, incluso si la temperatura se incrementa en un estado riguroso y continuado de deslizamiento.
El grupo IB consta del cobre, la plata y el oro, y el grupo VIII está formado por el cobalto, el níquel, el rutenio, el rodio, el paladio, el osmio, el iridio y el platino. Son preferibles, sin embargo, el cobre, la plata, el cobalto y el níquel. Asimismo, son preferibles las aleaciones que contienen, en términos de proporción en peso, entre el 80% y el 90% de cobre, entre el 5% y el 11% de estaño, hasta el 3% de zinc y hasta el 1,0% de plomo, y, preferiblemente, hasta el 5% de plomo. Además, es preferible que las anteriores aleaciones sean aleaciones de estaño que contienen entre el 0,5% y el 5,0% de cobre y entre el 25% y el 30% de zinc, en términos de proporción en peso. Estos metales o aleaciones evitan la formación de compuestos, poseen una elevada resistencia al desgaste y una alta resistencia al gripado térmico, y facilitan la impregnación.
Como hay poros presentes en el material de base carbonoso y el aceite lubricante fluye al interior de los poros y, por ello, se pierde la película de aceite, el material de base carbonoso se impregna con cobre para minimizar los efectos en el medioambiente y en el cuerpo humano. La sección impregnada con cobre es, por sí sola, demasiado blanda y el rozamiento hace que la sección de cobre sea propensa a fundirse. Con el fin de evitar la fusión e incluso un desgaste inusual, la resistencia de la sección de cobre puede mejorarse, en consecuencia, añadiendo elementos aleantes. Al evitar la fusión, el coeficiente de rozamiento puede ser reducido, incluso en un estado de lubricación limítrofe, y, mediante el uso de este material para el cojinete, es posible obtener un compresor de refrigerante de CO_{2} altamente fiable.
Se comprende que el grafito contenido en un material de base carbonoso reduce el coeficiente de rozamiento mediante un adelgazamiento o afinamiento debido al rozamiento. Sin embargo, un contenido de grafito demasiado elevado y una carga elevada ablandan el propio material de base carbonoso y el aumento resultante de la resistencia a la deformación incrementa el rozamiento. Al mismo tiempo, el desgaste también aumenta. En consecuencia, es apropiado un contenido de grafito del 50 por ciento en peso o menor y, preferiblemente, del 35 por ciento en peso o menor. Y a la inversa, un contenido de grafito menor que el 20 por ciento en peso endurece el material de base carbonoso y somete a abrasión el material metálico que experimenta el rozamiento. Por estas razones, es posible, mediante el control del contenido de grafito de modo que sea del 20% al 50%, preferiblemente del 20% al 35%, obtener un cojinete con un coeficiente de rozamiento bajo y una elevada resistencia al desgaste, y proporcionar con ello un compresor de refrigerante de CO_{2} altamente fiable.
El método de fabricación del cojinete comprende impregnar un material de base carbonoso en forma de un bloque cocido, con un metal y cortar entonces este material de base con la forma de un cojinete. En este caso, si la magnitud del corte es demasiado grande y la dureza Shore, en particular, del material de base carbonoso es demasiado alta, la vida útil de la herramienta de corte se reducirá y ello conducirá a un cambio de la herramienta más frecuente y, por ello, a costes incrementados. Por estas razones, es necesario que el cojinete que se desea se fabrique fabricando, primeramente, desde el principio, un material de base de carbono con una forma cercana a la forma final del cojinete por conformación prácticamente definitiva, e impregnando a continuación el material de base carbonoso así producido con un metal, y reduciendo la magnitud de corte requerida. Fabricando el cojinete de esta forma, puede obtenerse un compresor de refrigerante de CO_{2} con una elevada productividad.
La presente invención se refiere a un cojinete para un compresor de CO_{2} que utiliza un refrigerante de CO_{2} que no contiene cloro, y, puesto que el efecto de reducción del rozamiento, en particular, del propio refrigerante es pequeño, y, por tanto, puesto que la lubricación limítrofe es propensa a producirse, es posible obtener un compresor de refrigerante de CO_{2} altamente fiable empleando el cojinete que tiene, incluso en lubricación limítrofe, unas características de rozamiento suficientemente bajo y una suficiente resistencia al desgaste.
En un compresor para comprimir refrigerante de CO_{2} mediante el uso de unos medios de compresión accionados por la rotación de un árbol rotativo, la sección o tramo de cojinete para el soporte del anterior árbol rotativo consiste en el cojinete anterior para un compresor de refrigerante de CO_{2}.
Es preferible que los medios de compresión anteriormente mencionados comprendan adicionalmente unos medios de compresión de presión intermedia, que aplican una presión intermedia creada por rodillo que se hace girar excéntricamente dentro de un cilindro por la rotación de dicho árbol rotativo, y unos medios de compresión de alta presión, que crean una presión elevada a partir de la presión intermedia entregada por el rodillo que es hecho girar excéntricamente en el interior del cilindro por la rotación del árbol rotativo, que los medios de compresión de presión intermedia y los medios de compresión de alta presión anteriormente mencionados se dispongan en una dirección vertical con respecto a dicho árbol rotativo, que se disponga un miembro separador, equipado con dicho cojinete, así como un bastidor, equipado también con dicho cojinete, entre los dos medios de compresión de tal manera que adopte una configuración emparedada o intercalada, y que ambos cojinetes se dispongan formando un único conjunto por ajuste a presión.
También, los medios de compresión anteriormente mencionados están equipados con una voluta fija y una voluta rotativa que está dispuesta de manera que se enfrenta a la voluta fija y es accionada por la rotación del árbol rotativo anteriormente mencionado. Es preferible que el árbol rotativo anteriormente mencionado sea soportado por el bastidor que tiene los cojinetes anteriormente mencionados, que la voluta fija esté equipada con el cojinete anterior, fijado en el rebaje de la voluta, y que ambos cojinetes se dispongan formando un único conjunto por ajuste a presión.
La presente invención se refiere también a un acondicionador de aire, a un refrigerador y a una máquina de suministro de agua caliente, cada uno de los cuales emplea el compresor de refrigerante de CO_{2} antes mencionado.
Como se ha descrito en lo anterior, es posible, mediante el uso de un material altamente resistente al desgaste para la sección de cojinete de un compresor de refrigerante de CO_{2} de alta presión en el que es probable que sea difícil suministrar un aceite lubricante o que éste no se haya de suministrar temporalmente, evitar la aparición de un desgaste inusual o de gripado térmico y, en consecuencia, mejorar significativamente la fiabilidad global del compresor. Debido a su susceptibilidad de aplicación incluso en una interrupción brusca de la lubricación, estos cojinetes resultan también extremadamente útiles para mejorar la fiabilidad de un acondicionador de aire, un refrigerador y una máquina de suministro de agua caliente. Además, la susceptibilidad de mecanización de estos cojinetes en un conformado prácticamente definitivo hace posible la mejora de la productividad.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una vista en corte transversal del compresor de dos etapas perteneciente a la presente invención.
La Figura 2 es un diagrama que muestra la relación entre la dureza Shore de cada material de cojinete de acuerdo con la presente invención, y los coeficientes de rozamiento existentes en el estado de ausencia de aceite.
La Figura 3 es un diagrama que muestra la relación entre la dureza Shore existente en un estado de ausencia de aceite y la pérdida por abrasión de una pieza de ensayo fija.
La Figura 4 es un diagrama que muestra la relación entre la dureza Shore y el coeficiente de rozamiento existente en un ambiente o medio de lubricación con aceite.
La Figura 5 es un diagrama que muestra la relación entre la dureza Shore y la pérdida por abrasión, medida tras soportar ensayos de carga.
La Figura 6 es un diagrama que muestra la relación entre la resistencia a la compresión y la pérdida por abrasión, medida tras soportar ensayos de carga.
La Figura 7 es un diagrama que muestra la relación entre las proporciones o grados de porosidad de los materiales de cojinete, y los coeficientes de rozamiento de estos materiales, existentes en un ambiente o medio de lubricación con aceite.
La Figura 8 es un diagrama que muestra la relación entre los puntos de fusión y los coeficientes de rozamiento de materiales de impregnación.
La Figura 9 es un diagrama que muestra la relación entre datos de contenido de grafito y datos de coeficiente de rozamiento en ausencia de aceite.
La Figura 10 es una vista en corte transversal del compresor de volutas de refrigerante de CO_{2} perteneciente a la presente invención.
Descripción de las realizaciones preferidas
Realizaciones 1 a 12
Los cojinetes pertenecientes a la presente invención pueden obtenerse sumergiendo dicho cuerpo cilíndrico, hecho de un material de base carbonoso que contiene grafito, según se ha conformado de antemano con su forma casi definitiva de cilindro, próxima a la forma final del cojinete, en el líquido acuoso fundido y caliente obtenido por calentamiento, en un horno de vacío, de un crisol cargado con un metal o aleación, a una temperatura 100ºC más alta que la temperatura de fusión del metal o aleación, y proporcionando a continuación su impregnación bajo una presión de gas nitrógeno. Tras la impregnación, los cojinetes de este tipo se cortan, cada uno de ellos, con una forma cilíndrica, y este procedimiento de corte es tal, que puede ser llevado a cabo sencillamente cortando casi toda la sección impregnada de metal.
La Tabla 1 muestra la relación entre ejemplos comparativos y realizaciones por lo que respecta a la dureza Shore, y la Figura 2 muestra la relación entre la dureza Shore de cada material de cojinete de la presente invención y los coeficientes de rozamiento existentes en un estado de ausencia de aceite, en un material de base carbonoso y en el sistema de materiales obtenido por impregnación del material de base carbonoso con metales. Las marcas triangulares de la Figura 2 denotan ejemplos comparativos, y las marcas rellenadas en negro de la Figura denotan los materiales de cojinete hechos sólo del material de base carbonoso anteriormente mencionado. Las marcas circulares denotan realizaciones de la presente invención. Las referencias numéricas son los números de identificación de las realizaciones, y estos números son los mismos que los de la Tabla 1. Con vistas a un compresor de refrigerante, se han realizado evaluaciones del estado de ausencia de aceite en una atmósfera de gas CO_{2}. Puede observarse que el coeficiente de rozamiento, en el estado de ausencia de aceite, del material de cojinete se reduce al incrementarse la dureza Shore. El bronce (BC3) contiene el 10% de estaño, el 2% de zinc y el 0,2% de plomo, en términos de proporciones en peso, y el resto es cobre. Hay cinco tipos de metales blancos (WJ5), cada uno de los cuales contiene el 2% de cobre y el 29% de zinc, en proporciones en peso, siendo el resto estaño. Como se muestra en la Figura 2, los materiales impregnados con bronce ven reducido su coeficiente de rozamiento al incrementarse la dureza Shore de cada uno de ellos por encima de 65 y, preferiblemente, por encima de 80. Similarmente, los materiales impregnados con WJ5 tienen un coeficiente de rozamiento pequeño.
Los grados de porosidad presentes antes haber proporcionado la impregnación al material de base carbonoso, en términos de relación volumétrica, eran el 11% en el caso del ejemplo comparativo 4 y el 10,3% en el caso del ejemplo comparativo 1. Asimismo, los grados de porosidad tras la impregnación son, en términos de relación volumétrica, el 1,3% en el caso del ejemplo comparativo 1, el 0,4% en el caso del ejemplo comparativo 2, el 0,3% en el caso del ejemplo comparativo 3, el 1,5% en el caso del ejemplo comparativo 4, y el 0,7% en el caso del ejemplo comparativo 5. El contenido de grafito en el material de base carbonoso es, en proporción en peso, el 35% en el caso de los ejemplos comparativos 1 a 5, ó el 42% en el caso de los ejemplos comparativos 6 a 9. Los grados de porosidad y el contenido de grafito obtenidos antes o después de la impregnación, en el caso de las realizaciones 10 a 12, son casi los mismos que los de las realizaciones 1 a 9.
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TABLA 1
1
La dureza de los materiales de cojinete no impregnados de los ejemplos comparativos difieren de acuerdo con el grado de porosidad, el contenido de grafito, el contenido de agente de ligadura o aglomerante, el contenido de alquitrán y otros factores. Tal y como se muestra en la Figura 6, los grados de porosidad de estos materiales de cojinete oscilan entre el 6% y el 11%, y, a medida que el grado de porosidad aumenta, la dureza se reduce.
La Figura 3 es un diagrama que muestra la relación entre la dureza Shore existente en un estado de ausencia de aceite, y la pérdida por abrasión de una pieza de ensayo fija. Se han llevado a cabo ensayos de desgaste utilizando una máquina de ensayo del desgaste en una atmósfera a alta presión, y, en el curso de estos ensayos, se han utilizado un material de base carbonoso (que medía 10 mm \times 10 mm \times 36 mm) y un material estructural de acero cementado y templado SCM415, respectivamente como pieza de ensayo fija y pieza de ensayo movible. Los ensayos se llevaron a cabo durante 10 horas a una presión superficial de 9,8 MPa, una velocidad de deslizamiento de 0,2 m/s y en una atmósfera de refrigerante de CO_{2}, y, a continuación, se midió la pérdida por abrasión de cada material ensayado. Puede observarse que a medida que la dureza del material de cojinete se incrementa, la pérdida por abrasión del mismo se reduce. Es posible observar también en la Figura 3 que al aumentar la dureza Shore del material de cojinete por encima de 65 y, preferiblemente, por encima de 80, la pérdida por abrasión del mismo se reduce.
La Figura 4 es un diagrama que muestra la relación entre la dureza Shore y el coeficiente de rozamiento existente en un entorno o medio de aceite lubricante. Al aumentarse la dureza Shore por encima de 65 y, preferiblemente, por encima de 80, el coeficiente de rozamiento del material de cojinete disminuye. La realización 1 utiliza bronce (BC3) como metal de impregnación, y, en este caso, el coeficiente de rozamiento en un medio de aceite lubricante es bajo. Asimismo, como en las realizaciones 2 y 3, al añadir el 0,1% de titanio o vanadio a la aleación utilizada como metal de impregnación, el grado de porosidad se reduce, y ello mejora la capacidad de retención o retentividad de la película de aceite y reduce adicionalmente el coeficiente de rozamiento.
En los ejemplos comparativos 2, 3 y 4, cada uno de los cuales emplea un metal como material de impregnación, el coeficiente de rozamiento es tan alto como más de 0,1, a pesar de una dureza Shore de 65 ó más. Este estado no es preferible puesto que el material de base de carbono es poroso y puesto que el posible déficit del aceite en el curso del deslizamiento en un medio de aceite lubricante, hace adelgazar la película de aceite y tiene como resultado una lubricación mixta. Además, si bien presenta un coeficiente de rozamiento bajo, el ejemplo comparativo 6 no es preferible por razones medioambientales, ya que se utiliza plomo en el material de impregnación. En los ejemplos comparativos 1, 2 y 4 a 12, cada uno de los cuales emplea un metal como material de impregnación, cuando la dureza Shore está comprendida entre 65 y 110, el coeficiente de rozamiento es tan bajo como menos de 0,1.
La Figura 5 es un diagrama que muestra la relación existente entre la dureza Shore y la pérdida por abrasión, medida tras completar los ensayos de soporte de carga que se han llevado a cabo a una velocidad o ritmo de carga de 0,15 MPa/s, una velocidad de deslizamiento de 1,2 m/s y con presiones superficiales de hasta 98 MPa, en el estado de lubricación mixta creado añadiendo un aceite sintético al refrigerante de CO_{2}. Los materiales de cojinete que utilizan bronce (BC3) presentan un coeficiente de rozamiento pequeño cuando los valores de dureza Shore respectivos son 65 ó más, y, preferiblemente, 80 ó más. La realización 1 se sirve de bronce (BC3) como metal de impregnación, y el material de cojinete es, en este caso, el más bajo en cuanto a pérdidas por abrasión de todas las realizaciones, en un medio de aceite lubricante. Se ha encontrado, por lo tanto, que los materiales con una dureza Shore más alta son más adecuados como materiales de cojinete. Asimismo, como en las realizaciones 2 y 3, al añadir el 0,1% de titanio o vanadio a la aleación que se utiliza como metal de impregnación, el grado de porosidad se reduce, y ello mejora la retentividad de la película de aceite y reduce adicionalmente el coeficiente de rozamiento.
La Figura 6 es un diagrama que muestra la relación entre la resistencia a la compresión y la pérdida por abrasión, medida una vez completados los ensayos de soporte de carga que se han llevado a cabo a una velocidad o ritmo de carga de 0,15 MPa/s, una velocidad de deslizamiento de 1,2 m/s y con presiones superficiales de hasta 98 MPa, en un estado de lubricación mixta creado al añadir aceite sintético al refrigerante de CO_{2}. Los materiales de cojinete que utilizan bronce (BC3) presentan un coeficiente de rozamiento pequeño cuando la resistencia a la compresión es 30 ó más. La realización 1 utiliza bronce (BC3) como metal de impregnación, y el material de cojinete es, en este caso, el más bajo de todas las realizaciones en términos de pérdida por abrasión en un medio de aceite lubricante. Se ha encontrado, por tanto, que los materiales con una mayor resistencia a la compresión son más adecuados como materiales de cojinete. Asimismo, como en las realizaciones 2 y 3, al añadir el 0,1% de titanio o vanadio a la aleación que se utiliza como metal de impregnación, el grado de porosidad se reduce, y ello mejora la retentividad de la película de aceite y reduce adicionalmente el coeficiente de rozamiento.
La Figura 7 es un diagrama que muestra la relación entre los grados de porosidad residual de los materiales de cojinete y los coeficientes de rozamiento que se han medido durante ensayos de rozamiento rigurosos, en un ambiente de aceite lubricante. Se ha utilizado como aceite lubricante un aceite sintético en correspondencia con el refrigerante de CO_{2}. Los grados de porosidad se han medido utilizando el medidor de porosidad, o porosímetro, Modelo-2000, fabricado por la FISONS (AMCO). Los grados de porosidad se han calculado por la expresión [(Volumen de poro acumulativo) \times (Densidad en masa o volumétrica) \times 100 (%)], mediante el uso de la curva de distribución de poros obtenida por toma de muestras con el método anterior. Puede confirmarse que a medida que el grado de porosidad se reduce, la retentividad de la película de aceite mejora y el coeficiente de rozamiento, en un medio de aceite lúbricamente, disminuye. Las realizaciones 2, 3, 8 y 9, en cada una de las cuales se emplea como material de impregnación una aleación con vanadio o titanio añadida al bronce, crean carburos (VC, TiC) de vanadio o de titanio durante la impregnación y mejoran la impregnabilidad o untuosidad con respecto al material de base carbonoso. En consecuencia, comparadas con las realizaciones 1 a 4, en las que no se ha añadido vanadio ni titanio, las realizaciones 2, 3, 8 y 9 reducen el grado de porosidad, mejoran la retentividad de la película de aceite en un medio de aceite lubricante y reducen el coeficiente de rozamiento. Se ha observado la superficie del material de base carbonoso impregnada con la aleación a la que se ha añadido vanadio o titanio, a través de un microscopio electrónico del tipo de barrido, para encontrar que los carburos (VC, TiC) de vanadio o titanio están presentes en la frontera entre el material de base carbonoso y la aleación.
La Figura 8 es un diagrama que muestra los resultados del estudio de la relación entre los puntos de fusión de los metales de impregnación y los coeficientes de rozamiento que existen en un estado de ausencia de aceite, es decir, las condiciones más rigurosas de lubricación. Las referencias numéricas de la Figura denotan los valores de dureza Shore de los materiales de base carbonosos que había antes de que éstos fuesen impregnados con cada metal. Si bien la dureza del material de base carbonoso antes de ser impregnado difiere de acuerdo con el tipo de metal de impregnación, las tendencias de los coeficientes de rozamiento debidas a la diferencia en el tipo de metal de impregnación son casi las mismas. Como se muestra en la Figura 8, el plomo y el antimonio son metales con un punto de fusión tan bajo como entre aproximadamente 200ºC y 400ºC, y se ha confirmado un efecto de reducción del coeficiente de rozamiento en estos metales. Se ha encontrado también que el cobre y la aleación de cobre cuyos puntos de fusión se sometían a la condición de estar por encima de 900ºC, daban como resultado unos coeficientes de rozamiento prácticamente iguales que los de los metales anteriormente mencionados con un bajo punto de fusión.
Si bien el cobre se ha venido utilizando como material de alto punto de fusión, en caso de que sea posible la impregnación con otros metales de alto punto de fusión, pueden conseguirse una alta resistencia al desgaste y un rozamiento bajo por combinación con un material de base carbonoso. Estas realizaciones han adoptado un método de impregnación con metal consistente en sumergir, como procedimiento de impregnación, un material de base carbonoso en un metal fundido, mientras se aplica presión al mismo tiempo. En este procedimiento, la reducción del punto de fusión a su mínimo es, en principio, válida para mejorar la productividad. Por lo tanto, el punto de fusión se ha venido reduciendo ligeramente con la adición de estaño a cobre para fabricar el material de cojinete. El uso de una aleación en el metal de impregnación mejora la resistencia del propio metal de impregnación, y esto resulta también eficaz para mejorar la dureza de todo el material de cojinete. Además, la adición al metal de impregnación de un elemento que mejore las características de corte proporciona un mejor y más suave acabado a la superficie de rozamiento del material de cojinete, haciendo con ello posible la construcción de un cojinete más fiable.
La Figura 9 es un diagrama que muestra la relación entre datos de contenido de grafito y datos de coeficiente de rozamiento en ausencia de aceite, referentes a cada material de cojinete que se ha formado por la cocción de un material de base carbonoso con contenido de grafito y su impregnación posterior con bronce (BC3) o cobre. Los datos con el Nº 1 se refieren a la realización 1, y los datos sin número son datos añadidos. Como se muestra en la Figura 9, el coeficiente de rozamiento mínimo se obtiene cuando el contenido de grafito oscila entre el 20 y el 50 por ciento en peso, y, especialmente, entre el 20 y 40 por ciento en peso.
Realización 13
La Figura 1 es una vista en corte transversal de un compresor de dos etapas que se sirve de una pluralidad de cojinetes para uso en un compresor de refrigerante de CO_{2} y pertenecientes a las realizaciones 1 a 12 de la presente invención. Los cilindros 3-1 y 3-2, así como los rodillos 3-3 y 3-4, están acomodados en una vasija cerrada 1 para constituir, respectivamente, un elemento de accionamiento eléctrico 2 y un elemento de compresión 3, y un aceite refrigerador 4 está almacenado adicionalmente en su fondo. El interior de la vasija cerrada 1 está dividido en un espacio superior 7, que incluye el elemento de accionamiento eléctrico 2, y un espacio inferior 8, que incluye el elemento de compresión 3 y el aceite refrigerador 4, por un miembro separador 5. El gas refrigerante, tras haber sido inducido a entrar, desde un tubo de succión 9, en el espacio superior 7, en un estado de baja presión, se admite desde una lumbrera de succión 10 al cilindro 3-1, donde el gas se comprime a continuación y suministra al espacio inferior 8, en un estado de presión intermedia. El refrigerante, que ha sido comprimido adicionalmente desde la presión intermedia hasta una alta presión por el segundo cilindro 3-2, se suministra desde un tubo de descarga 12 para completar un ciclo. La referencia 11 representa los tubos de descarga.
El miembro separador 5 (que también funciona como el cojinete principal) y el bastidor 13 están hechos de hierro colado, los cojinetes 5c y 13a anteriormente mencionados, de acuerdo con la presente invención, están integrados en conjuntos individuales independientes por ajuste a presión, y el aceite lubricante que se ha de hacer circular se suministra a ambos conjuntos. Durante el arranque del compresor y cuando la presión de descarga del refrigerante es demasiado elevada, la insuficiencia en la cantidad de suministro del aceite lubricante tiene a producir como resultado daños debidos a un desgaste inusual o al agarrotamiento o gripado térmico. Sin embargo, puesto que los cojinetes cilíndricos de la presente invención están fijos al haber sido ajustados a presión en el orificio pasante del miembro separador 5 ó en el rebaje del bastidor, puede mejorarse la fiabilidad y la durabilidad del compresor de dos etapas. La referencia 5a representa el cojinete y la referencia 6 es la válvula de regulación de la presión.
Como es evidente de las realizaciones 1 a 12 anteriormente descritas, los cojinetes de la presente invención se han aplicado al miembro separador 5 y al bastidor 13 del compresor de dos etapas de la Figura 1, y, como resultado de ello, han podido conseguirse una resistencia al desgaste y una vida útil ante el refrigerante de CO_{2} en un nivel equivalente o superior al obtenible mediante el uso de un material compuesto convencional basado en un material de base carbonoso sencillamente impregnado con plomo o antimonio.
Realización 14
La Figura 10 es una vista en corte transversal de un compresor de volutas de refrigerante de CO_{2} que se sirve de la pluralidad de cojinetes para uso en un compresor de refrigerante de CO_{2}, pertenecientes a la presente invención. El cojinete rotativo 14c de una placa de base 14a y el cojinete 16a de un bastidor 16 son cojinetes de ajuste a presión cuyos materiales de base carbonosos, establecidos en las realizaciones 1 a 10 de la presente invención, están impregnados con un metal. El compresor de volutas tiene un mecanismo de compresión situado por encima y un motor 19 situado por debajo, dentro de una vasija cerrada 1, y el mecanismo de compresión y el motor se han proporcionado de forma conectada por medio de un árbol de transmisión 17. En la sección del compresor, se han dispuesto un miembro 15 de voluta, que tiene unas vueltas espirales 15b situadas verticalmente en una placa de base 15a, y un miembro de voluta rotativo 14, que tiene unas vueltas espirales 14b situadas verticalmente en una placa de base 14a, mediante engrane de las vueltas 14b unas con otras, y se ha dispuesto un orificio de succión 15d y un orificio de descarga 15a en la sección de superficie exterior y en la sección central, respectivamente, de un miembro de voluta fijo 15.
El árbol de transmisión 17 está soportado por un cojinete 16c dispuesto en el centro del bastidor 16, y un gorrón 17a, que sobresale por encima del extremo delantero del árbol de transmisión 17, está insertado en, y acoplado con, el cojinete rotativo 14c del miembro de voluta rotativo 14. El acoplamiento de Oldham 18, como miembro para evitar la rotación autónoma, o auto-rotación, funciona haciendo que el miembro de voluta rotativo 14 pivote con respecto al miembro de voluta fijo 15 sin rotar de forma autónoma, y este acoplamiento está engranado entre la corredera o carril 14b situado en la placa de base 14a del miembro de voluta rotativo 14 y el carril situado en la placa de base de montaje del bastidor 16. En esta sección de engrane del acoplamiento, cuando el árbol de transmisión 17 se hace girar por el motor 19 situado por debajo del acoplamiento, la rotación excéntrica del árbol de transmisión 17 activa el miembro de voluta rotativo 14 para que comience a pivotar con respecto al miembro de voluta fijo 15 sin girar de forma autónoma, por lo que el gas refrigerante que ha sido introducido desde el orificio de succión 15d es comprimido, para ser descargado, a continuación, el gas comprimido desde el orificio de descarga 15e.
El cojinete rotativo 14c y el cojinete 16c están dispuestos, respectivamente, en la placa de base 14a y en el bastidor 16, y el aceite lubricante que se ha de hacer circular se suministra a ambos cojinetes. Sin embargo, durante el arranque del compresor y cuando la presión de descarga del refrigerante es demasiado elevada, la insuficiencia en la cantidad de suministro del aceite lubricante tiende a producir como resultado daños debidos a un desgaste inusual y a gripado térmico. Sin embargo, puesto que los cojinetes cilíndricos de acuerdo con la presente invención están fijos al haber sido ajustados a presión en el rebaje de la placa de base 14a y en el orificio pasante del bastidor 16, es posible mejorar la fiabilidad y la durabilidad del compresor de volutas. De conformidad con ello, los cojinetes de acuerdo con la presente invención se han dispuesto formando conjuntos integrados en la placa de base 14a y en el bastidor 16, y estos conjuntos se constituyen utilizando aleaciones con material de base de aluminio que contienen del 5 al 15 por ciento en peso de hierro colado o silicio. La referencia 14d denota un carril trasero y la referencia 20 es un contrapeso.
Los cojinetes pertenecientes a la presente invención son los mismos de acuerdo con las realizaciones 1 a 12 anteriormente descritas. Este compresor de volutas ha sido evaluado en su aplicación a una máquina de suministro de agua caliente, suponiendo un uso invernal. Incluso en presencia de una atmósfera a alta presión y con las rigurosas condiciones que concentran el refrigerante de CO_{2} dentro del compresor y reducen la concentración del aceite lubricante, se han obtenido resultados favorables sin que se produzca la detención del funcionamiento del compresor debido a la excoriación superficial por ablación de la sección de cojinete o a la merma del rendimiento como consecuencia de un desgaste inusual.
Realización 15
Los materiales de cojinete descritos en las realizaciones 1 a 12 de la presente invención se han aplicado a un tipo alternativo o de vaivén de compresor de refrigerante de CO_{2}. De resultas de ello, incluso cuando la cantidad de aceite lubricante destinada a cargarse en el ciclo de refrigeración se redujo a un cuarto del valor normal, no hubo inferioridad en la acción de compresión del refrigerante. Puede considerarse, por lo tanto, que, cuando se han utilizado en condiciones de funcionamiento normal, estos cojinetes han mejorado la fiabilidad del compresor alternativo.
En la atmósfera o medio del ciclo de refrigeración, hay un refrigerante disuelto presente en el aceite lubricante. La tasa o proporción de disolución del refrigerante depende de la combinación particular del refrigerante y el aceite lubricante. Habitualmente, sin embargo, a medida que la presión crece, la proporción de disolución se incrementa también. Puesto que la viscosidad del aceite lubricante se reduce con el incremento de la proporción de disolución, el deslizamiento con fricción se hace serio en una atmósfera a alta presión. El aceite lubricante suministrado a las secciones deslizantes, especialmente los cojinetes del compresor de refrigerante, se almacena en su interior y es suministrado a las secciones deslizantes mediante el uso de varios métodos. En consecuencia, puesto que los materiales de cojinete de acuerdo con la presente invención no se ven afectados por las restricciones en las condiciones de deslizamiento debidas a cualesquiera diferencias existentes en el estado disuelto del refrigerante en el aceite lubricante, estos cojinetes son aplicables en un amplio abanico.

Claims (15)

  1. \global\parskip0.960000\baselineskip
    1. Un cojinete (5, 14c, 16c) para un compresor de refrigerante de CO_{2}, que comprende un miembro conformado con forma cilíndrica cuyo material de base, carbonoso, contiene del 20% al 50% en peso de grafito y tiene poros impregnados con uno de entre estaño; cobre; plata; una aleación de cobre que contiene entre el 80% y el 90% en peso de cobre, entre el 5% y el 11% en peso de estaño, hasta el 3% en peso de zinc y hasta el 1,0% en peso de plomo; y una aleación de estaño que contiene del 0,5% al 5,0% en peso de cobre y del 25% al 35% en peso de zinc, de tal modo que dicho material de base carbonoso tiene una forma final formada por conformación prácticamente definitiva.
  2. 2. Un compresor de refrigerante de CO_{2}, destinado a comprimir un refrigerante de CO_{2} mediante el uso de unos medios de compresión (3) accionados por la rotación de un árbol rotativo (17), de tal modo que dicho árbol rotativo está soportado por un cojinete (5, 14c, 16c) que comprende un miembro conformado con forma cilíndrica cuyo material de base, carbonoso, contiene del 20% al 50% en peso de grafito y tiene poros impregnados con uno de entre estaño; cobre; plata; una aleación de cobre que contiene entre el 80% y el 90% en peso de cobre, entre el 5% y el 11% en peso de estaño, hasta el 3% en peso de zinc y hasta el 1,0% en peso de plomo; y una aleación de estaño que contiene del 0,5% al 5,0% en peso de cobre y del 25% al 35% en peso de zinc.
  3. 3. El cojinete de acuerdo con la reivindicación 1, ó el compresor de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual dicho miembro tiene una dureza Shore que va de 65 a 120.
  4. 4. El cojinete de acuerdo con la reivindicación 1 ó la reivindicación 3, ó el compresor de acuerdo con la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, en el cual dicho miembro tiene una resistencia a la compresión que va de 200 a 500 MPa.
  5. 5. El cojinete de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1, 3 y 4, ó el compresor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el cual dicho miembro tiene una proporción o grado de porosidad que oscila entre el 0,05 y el 2,00 por ciento en volumen.
  6. 6. El cojinete de acuerdo con la reivindicación 1, ó 3 a 5, ó el compresor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el cual dicho cojinete comprende una aleación que contiene al menos alguno de entre vanadio o titanio, en una proporción del 0,2% en peso o menor, en alguno de dichos metales o en la propia aleación.
  7. 7. El cojinete de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1, ó 3 a 6, ó el compresor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el cual dicha aleación de alguno de dichos metales contiene, en cada caso, al menos alguno de entre plomo o antimonio en una proporción del 1% en peso en menor.
  8. 8. El compresor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en el cual dicho material de base carbonoso tiene una forma final formada por conformación prácticamente definitiva.
  9. 9. El compresor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en el cual dichos medios de compresión (3) comprenden adicionalmente unos medios de compresión (3-1) de presión intermedia, que aplican una presión intermedia creada por un rodillo (14) que se hace girar excéntricamente dentro de un cilindro por la rotación de dicho árbol rotativo (17), y unos medios de compresión (3-2) de alta presión, que crean una alta presión a partir de la presión intermedia proporcionada por el rodillo que se hace girar excéntricamente dentro del cilindro por la rotación del árbol rotativo.
  10. 10. El compresor de acuerdo con la reivindicación 9, en el cual dichos medios de compresión (3-1) de presión intermedia y dichos medios de compresión (3-2) de alta presión están dispuestos en una dirección vertical con respecto a dicho árbol rotativo (17), por cuanto que se han proporcionado un miembro separador (5), equipado con dicho cojinete (14c), y un bastidor (16), también equipado con dicho cojinete, entre los dos medios de compresión, con el fin de adoptar una disposición emparedada o intercalada, y ambos cojinetes se han dispuesto formando un único conjunto por ajuste a presión.
  11. 11. El compresor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en el cual dichos medios de compresión (3) están equipados con una voluta fija (15) y una voluta rotativa (14), accionada por la rotación de dicho árbol rotativo (17) y dispuesta de cara a dicha voluta fija.
  12. 12. El compresor de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual dicho árbol rotativo (17) está soportado por dicho cojinete (16c), dispuesto en un bastidor, por cuanto que dicho voluta rotativa (14) está también equipada con dicho cojinete (14c), fijado en una porción rebajada dispuesta en dicho voluta, y por cuanto que ambos cojinetes están dispuestos formando un único conjunto por ajuste a presión.
  13. 13. Un acondicionador de aire que emplea el compresor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12.
  14. 14. Un refrigerador que emplea el compresor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12.
  15. 15. Una máquina de suministro de agua caliente que emplea el compresor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12.
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