ES2566020T3 - Conjunto de pistón y cilindro de un compresor lineal aerostático - Google Patents

Conjunto de pistón y cilindro de un compresor lineal aerostático Download PDF

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Abstract

Conjunto de pistón/cilindro, estando situado el pistón (1) de manera desplazable en el interior del cilindro (2), moviéndose el pistón entre un punto muerto superior (TDC/PMS) y un punto muerto inferior (BDC/PMI), existiendo una holgura perimetral (12) entre una pared interior del cilindro (2) y una pared exterior del pistón (1) para una disposición de rodamiento aerostático (1), en el que - existe una holgura perimetral mínima (12) en la parte superior del pistón (1) cuando el pistón (1) se encuentra en su punto muerto superior (TDC/PMS),3 estando caracterizado el conjunto por el hecho de que: - la holgura (12) es siempre menor en la parte superior del pistón (1) que en cualquier otra zona del conjunto de pistón/cilindro.

Description

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DESCRIPCION
Conjunto de piston y cilindro de un compresor lineal aerostatico.
La presente invencion se refiere a un conjunto de piston/cilindro de un compresor lineal para refrigeracion con una disposicion de rodamiento aerostatico, mas particularmente a las relaciones de dimensiones del conjunto con el fin de minimizar perdidas.
Descripcion de la tecnica anterior
En general, la estructura basica de un circuito de refrigeracion comprende cuatro componentes, a saber: el compresor, el condensador, el dispositivo de expansion y el evaporador. Estos elementos caracterizan a un circuito de refrigeracion en el cual circula un fluido de manera que permiten reducir la temperatura de un entorno interior, eliminar el calor de este medio y desplazarlo a un entorno exterior a traves de los citados elementos.
El fluido que circula en el circuito de refrigeracion sigue generalmente esta secuencia: compresor, condensador, valvula de expansion, evaporador y, de nuevo, el compresor, que caracteriza un circuito cerrado. Durante la circulacion, el fluido se somete a variaciones de presion y temperatura que son responsables de alterar el estado del fluido, el cual puede encontrarse en estado gaseoso o lfquido.
En un circuito de refrigeracion, el compresor actua como corazon del sistema de refrigeracion, creando el flujo de fluido de refrigeracion a lo largo de los componentes del sistema. El compresor eleva la temperatura del fluido de refrigeracion a traves del aumento de la presion en el interior y fuerza la circulacion de este fluido en el circuito.
De este modo, la importancia de un compresor en un circuito de refrigeracion es innegable. Existen varios tipos de compresores aplicados a sistemas de refrigeracion, y en el ambito de la presente invencion la atencion se centrara solamente en los compresores lineales.
Debido al movimiento relativo entre el piston y el cilindro, es necesario proporcionar al piston una disposicion de rodamiento. Esta disposicion de rodamiento consiste en la presencia de un fluido en la holgura que existe entre el diametro exterior del piston y el diametro interior del cilindro, impidiendo el contacto entre ellos y el consiguiente desgaste prematuro del piston y/o el cilindro. La presencia de fluido entre dichos dos componentes sirve tambien para disminuir el rozamiento entre ellos, lo que provoca que la perdida mecanica del compresor sea menor.
Una de las maneras de proporcionar al piston una disposicion de rodamiento es por medio de cojinetes aerostaticos, que consisten esencialmente en la creacion de una disposicion de rodamiento de gas entre el piston y el cilindro con el fin de evitar el desgaste entre estos dos componentes. Una de las razones para utilizar este tipo de disposicion de rodamiento se justifica por el hecho de que presenta un coeficiente de rozamiento mucho menos viscoso que cualquier otro aceite, lo que contribuye a hacer que la energfa consumida en la disposicion de rodamiento aerostatico sea mucho menor que la del aceite de lubricacion, obteniendose de este modo un mejor rendimiento del compresor. Una ventaja que resulta de la utilizacion del propio gas de refrigeracion como fluido lubricante es la ausencia del sistema de bombeo de aceite. Tal compresor es conocido de WO 2004/106737.
En las figuras 1 y 2 de esta memoria es posible apreciar que el mecanismo de compresion de gas se lleva a cabo a traves del movimiento axial y de oscilacion de un piston en el interior de un cilindro. En la parte superior del cilindro se encuentra la cabeza, que, junto con el piston y el cilindro, forma la camara de compresion. En la cabeza se encuentran colocadas las valvulas de descarga y de aspiracion, que regulan la entrada y salida de gas en el cilindro. A su vez, el piston es accionado por un actuador que permanece conectado al motor lineal del compresor.
El piston del compresor accionado por el motor lineal tiene la funcion de desarrollar un movimiento lineal alterno, haciendo que el movimiento del piston en el interior del cilindro ejerza una accion de compresion del gas admitido por la valvula de aspiracion, hasta que se encuentra en una posicion para ser descargado al lado de alta presion a traves de la valvula de descarga.
Para el correcto funcionamiento de una disposicion de rodamiento aerostatico, es necesario el uso de un limitador de flujo entre la zona de alta presion que implica el cilindro externamente y la holgura entre el piston y el cilindro. Esta restriccion sirve para controlar la presion en la zona de la disposicion de rodamiento y para restringir el flujo de gas.
Entre las diversas soluciones posibles, es habitual emplear el propio gas del circuito de refrigeracion para proporcionar una disposicion de rodamiento aerostatico del piston. De esta manera, todo el gas utilizado en la disposicion de rodamiento representa una perdida en la eficiencia del compresor, ya que el gas se desvfa de su funcion original, que es la generacion de fno en el evaporador del sistema de refrigeracion. Por lo tanto, es deseable
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que el caudal de gas empleado en la disposicion de rodamiento sea tan bajo como sea posible con el fin de no poner en peligro el rendimiento del compresor.
Para que el funcionamiento de un compresor de refrigeracion sea eficiente, todas las perdidas caractensticas de este tipo de equipos deben mantenerse lo mas bajas posible, tal como por ejemplo, perdidas mecanicas (rozamiento entre componentes), perdidas electricas (aparicion de corrientes parasitas, resistencia al paso de corriente del motor) o perdidas termodinamicas (fugas, flujo de calor no deseado). Respecto a la compresion de gas, para que el rendimiento del compresor sea elevado, es necesario que todo el trabajo llevado a cabo en el gas deba ser empleado en el sistema de refrigeracion. Por esta razon, cualquier tipo de fuga o fenomeno que provoque la perdida de gas despues de la compresion de este ultimo no es deseable.
De todos modos, siempre habra fugas, puesto que, con el fin de proporcionar una disposicion de rodamiento, debe haber presente gas entre las paredes del cilindro y las paredes del piston. Sin embargo, la logica de la eficiencia requiere que las fugas de gas se mantengan lo mas bajas posible con el fin de que no afecte significativamente al rendimiento del compresor.
Las principales fuentes de fugas en un compresor son las valvulas de descarga y las valvulas de aspiracion y la holgura entre el piston y el cilindro. El espacio entre el piston y el cilindro se denominara en lo sucesivo holgura perimetral.
Para una mejor comprension de los fenomenos que provocan una disminucion de la eficiencia del compresor, la zona entre la parte superior del piston y la cabeza del cilindro se denomina camara de compresion, y es allf donde se producen las elevadas presiones en el gas. La zona que se encuentra entre la parte inferior del piston y la parte de cilindro opuesta a la cabeza se denomina zona de baja presion.
En los compresores lineales que hacen uso de la disposicion de rodamiento aerostatico se producen dos fenomenos relacionados con las fugas de gas, que sera el objeto de observacion para la comprension de la presente tecnologfa.
Fugas
El fenomeno de fugas se define por la cantidad de gas que circula entre la zona de alta presion (por encima de la parte superior del piston) y la zona de baja presion (por debajo de la parte inferior del piston), a traves de la holgura perimetral. Este fenomeno de fugas siempre se produce cuando el piston se encuentra en la fase de compresion, es decir, moviendose hacia la cabeza. Cuando se produce este movimiento del piston, el gas se comprime hasta una presion de descarga (Pd) a traves de la holgura perimetral, a lo largo de la longitud de holgura (Cf), llegando a la zona de presion de aspiracion (Ps) situada en el lado opuesto de la camara de compresion. Cabe senalar que este gas no sale del compresor hacia el sistema de refrigeracion para desempenar el papel principal, que es la generacion de fno.
Irreversibilidad
Para la termodinamica, la irreversibilidad es una caractenstica de todos los procesos reales y sus fuentes son los procesos disipativos. Los sistemas provistos de disposiciones de rodamiento aerostatico experimentan el fenomeno de la irreversibilidad en la compresion, provocado por la presencia de una pequena parte de gas en la holgura que existe entre el cilindro y el piston. La irreversibilidad puede entenderse como la perdida de energfa resultante del flujo de la pequena parte de gas dentro y fuera de la holgura perimetral.
Teniendo en cuenta la tecnologfa de compresores lineales provistos de disposiciones de rodamiento, una perdida de carga esta siempre asociada a un flujo de gas, que inevitablemente consume energfa, viendose afectado negativamente el compresor por este fenomeno de irreversibilidad.
Los problemas
Para una mejor comprension de las repercusiones de las fugas y los fenomenos de irreversibilidad, la figura 5 muestra unos resultados experimentales que relacionan la potencia consumida por los citados dos efectos en funcion de la holgura entre el piston y el cilindro. Debe tenerse en cuenta que las perdidas debidas a la irreversibilidad y las fugas se producen simultaneamente.
La grafica de la figura 5 no deja ninguna duda acerca de la magnitud de la perdida de eficiencia, ya que la variacion en la dimension entre el piston y el cilindro del orden de 5pm implica una perdida de potencia del orden de 2W-10W, es decir, contra mayor es la holgura en el conjunto de piston/cilindro, mayor es la perdida de potencia asociada.
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Por lo tanto, no hay duda de que la tecnologfa de compresores lineales provistos de casquillos aerostaticos requiere tener una solucion que inhiba la mayor perdida de eficiencia energetica debido a la holgura perimetral.
Por lo tanto, en la actualidad no hay compresores lineales provistos de rodamientos aerostaticos capaces de reducir de manera efectiva la perdida de eficiencia debido al uso de gas de refrigeracion para proporcionar al piston una disposicion de rodamiento. En otras palabras, la presente invencion logra alcanzar una relacion geometrica y dimensional disenada para inhibir la perdida de eficiencia al disponer la disposicion de rodamiento reduciendo la holgura perimetral espedfica, asf como al proporcionar una solucion de facil implementacion productiva, garantizando beneficios para el usuario final y, mediante el resultado de una mejor eficiencia energetica, para el medio ambiente.
Objetivos de la invencion
Por lo tanto, un objetivo de la presente invencion es minimizar las perdidas de eficiencia que se producen en el gas de un compresor lineal provisto de una disposicion de rodamiento aerostatico.
Tambien es un objetivo de la presente invencion proporcionar una separacion entre el conjunto piston/cilindro con el fin de disminuir la holgura donde existe una mayor densidad de gas que no se emplea en el proceso de enfriamiento.
Otro objetivo de la presente invencion es proporcionar una relacion dimensional y de la forma en el conjunto piston/cilindro con el fin de garantizar una maxima eficacia de un compresor lineal provisto de una disposicion de rodamiento aerostatico.
Breve descripcion de la invencion
La invencion se define por las reivindicaciones adjuntas.
Los objetivos de la presente invencion se consiguen por medio de un conjunto piston/cilindro, estando situado el piston de manera desplazable en el interior del cilindro, moviendose el piston entre un punto muerto superior y un punto muerto inferior, en el que existe una holgura perimetral entre la pared interior del cilindro y la pared exterior del piston para proporcionar al piston una disposicion de rodamiento aerostatico, en el que la holgura perimetral minima se produce en la parte superior del piston cuando el piston se encuentra en su punto muerto superior, y un compresor lineal que comprende el conjunto de piston/cilindro descrito.
Los objetivos de la presente invencion tambien se consiguen por medio de un conjunto de piston/cilindro para un compresor lineal, estando situado el piston de manera desplazable en el interior del cilindro, desplazandose el piston entre una parte de alta presion y una parte de baja presion, teniendo la parte de alta presion una mayor densidad de gas que la parte de baja presion, definiendose una holgura perimetral entre la pared interior del cilindro y la pared exterior del piston para proporcionar al piston una disposicion de rodamiento aerostatico con gas, variando la dimension de la holgura perimetral de manera inversamente proporcional respecto a la densidad del gas en la holgura perimetral.
Breve descripcion de los dibujos
La presente invencion se describira ahora con mayor detalle con referencia a ejemplos de realizacion representados en los dibujos. Las figuras muestran:
La figura 1 es una vista en seccion de un compresor lineal provisto de una disposicion de rodamiento aerostatico de la tecnica anterior.
La figura 2 es una vista en seccion de un compresor lineal provisto de una disposicion de rodamiento aerostatico de la tecnica anterior que muestra las presiones de gas.
La figura 3 es una vista en seccion de un compresor lineal provisto una disposicion de rodamiento aerostatico de la tecnica anterior que muestra las presiones de gas en el instante i).
La figura 4 es un vista en seccion de un compresor lineal provisto una disposicion de rodamiento aerostatico de la tecnica anterior que muestra las presiones de gas en el instante ii).
La figura 5 es una grafica de perdida de potencia debido a la holgura entre el cilindro y el piston.
La figura 6 es una grafica del perfil de presion en la holgura piston/cilindro en funcion de la presion, la posicion y el tiempo.
La figura 7 es una grafica de los flujos de gas-masa en la holgura piston/cilindro en la zona de la parte superior y la parte inferior del piston.
La figura 8 es una grafica de los flujos de gas-masa en la holgura piston/cilindro en la zona superior del piston.
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La figura 9 es una grafica de los flujos de gas-masa en la holgura piston/cilindro en la zona de la parte inferior del piston.
La figura l0 es una vista en seccion de un conjunto de piston/cilindro que presenta una solucion eficaz.
La figura 11 es una vista en seccion de una posible realizacion del conjunto de piston/cilindro de la presente invencion.
La figura 12 es una vista en seccion de una posible realizacion del conjunto de piston/cilindro de la presente invencion.
La figura 13 es una vista en seccion de una posible realizacion del conjunto de piston/cilindro de la presente invencion.
La figura 14 es una vista en seccion de una posible realizacion del conjunto de piston/cilindro de la presente invencion.
Descripcion detallada de las figuras
La presente invencion propone un avance tecnologico en el conjunto de piston/cilindro de compresores lineales con disposicion de rodamiento aerostatico, tanto en la eficiencia energetica como en el proceso productivo.
De acuerdo con el principio de funcionamiento de un circuito de refrigeracion y tal como se muestra en la figura 1, preferiblemente, el mecanismo de compresion de gas se produce por el movimiento axial y de oscilacion de un piston 1 en el interior de un cilindro 2. En la cabeza 3, se posiciona la valvula de descarga 5 y la valvula de aspiracion 6, que regulan la entrada y salida de gas en/fuera del cilindro 2. Debe observarse que el piston 1 se acciona por medio de un actuador 7 conectado al motor del compresor lineal, y este ultimo no es objeto de mas explicaciones en este documento.
El piston 1 de un compresor, cuando es accionado por el motor lineal, tiene la funcion de desarrollar un movimiento lineal alterno, proporcionando un movimiento del piston 1 en el interior del cilindro 2 que ejerce una compresion del gas admitido por la valvula de aspiracion 6 en la medida en que el gas puede descargarse al lado de alta presion a traves de la valvula de descarga 5.
El cilindro 2 esta montado dentro del bloque 8, y una cubierta 9 con el pasador de descarga 10 y el pasador de aspiracion 11, que conectan el compresor al resto del sistema.
Tal como se ha indicado anteriormente, el movimiento relativo entre el piston 1 y el cilindro 2 requiere la disposicion de rodamientos del piston 1, que consiste en la presencia de un fluido en la holgura perimetral 12 entre las dos paredes, con el fin de separarlas durante el movimiento. Una ventaja de utilizar el propio gas como lfquido lubricante es la ausencia de un sistema de bombeo de aceite.
Preferiblemente, el gas utilizado para la disposicion de rodamiento puede ser el propio gas que bombea el compresor y demandado en el sistema de refrigeracion. En este caso, el gas se desvfa, despues de la compresion, desde la camara de descarga 13, desde la cubierta 9 a traves del canal 14, a la zona de presion 15 alrededor del cilindro 2, en el que la zona presurizada 15 esta formada por el diametro exterior del cilindro 2 y el diametro interior del bloque 8.
Desde la zona presurizada 15 el gas pasa a traves de los limitadores 16, 17, 18, 19 insertados en la pared del cilindro 2 hacia la holgura perimetral 12 existente entre el piston 1 y el cilindro 2, formando un amortiguador de gas que impide el contacto entre el piston 1 y el cilindro 2.
Con el fin de restringir el flujo de gas entre la zona presurizada 15 y la holgura perimetral 12, es necesario utilizar un limitador 16, 17, 18, 19. Esta restriccion sirve para controlar la presion en la zona de la disposicion de rodamiento y para restringir el flujo de gas, ya que todo el gas utilizado en la disposicion de rodamiento representa una perdida de eficacia del compresor, puesto que la funcion principal del gas es ser enviado al sistema de refrigeracion y generar frio. Por lo tanto, debe senalarse que el gas desviado a la disposicion de rodamiento debe ser tan poco como sea posible con el fin de no poner perjudicar la eficacia del compresor.
Con el fin de mantener el equilibrio del piston 1 en el interior del cilindro 2, son necesarios preferiblemente por lo menos tres limitadores 16, 17, 18, 19 en una determinada seccion del cilindro 2 y son necesarias por lo menos dos zonas del limitador 16, 17 , 18, 19 en el cilindro 2. Los limitadores deben estar en una posicion tal que, incluso con el movimiento de oscilacion del piston 1, los limitadores 16,17, 18, 19 nunca queden descubiertos, es decir, el piston 1 no salga de la zona de actuacion del limitador 16, 17, 18, 19.
La figura 2 presenta la informacion relativa a las expresiones existentes dentro del conjunto cilindro/piston 1. El instante de la figura 2 corresponde a un movimiento de compresion de gas efectuado por el piston 1. En este
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instante hay una presion de descarga de gas que es mucho mayor que la presion que existe en la zona opuesta del piston 1.
Para una mejor comprension de los fenomenos que suponen la disminucion de la eficiencia del compresor, la zona entre la parte superior del piston 1 y la cabeza del cilindro 3 se denominara zona de alta presion. La cabeza del piston cilindro 3 se denominara zona de baja presion.
A su vez, cuando la parte superior del piston 1 se encuentra en el punto mas cercano a la cabeza del cilindro 3, esto se denomina punto muerto superior (TDE/PMS) y cuando la parte superior del piston 1 se encuentra en el punto mas alejado de la cabeza del cilindro 3 esto se denomina (LDE/PMI). Por lo tanto, el piston 1 se desplaza en un movimiento lineal entre el punto muerto superior (TDE/PMS) y el punto muerto inferior (LDE/PlM).
Es evidente que la presion de gas en el momento de la compresion sera mayor en la zona de alta presion. Este gas fluye hacia la holgura perimetral 12, definida por la diferencia entre el diametro del piston (Pd/Dp) y el diametro del cilindro (Cd/Dc), recorriendo toda la longitud de la holgura (Cf) que, en este caso, corresponde a la longitud del piston 1. Para una mejor definicion de la invencion, a los efectos de las expresiones existentes en la holgura perimetral 12, debe entenderse que la parte superior de la holgura perimetral 12 y la parte inferior de la holgura perimetral 12 vanan en toda la holgura (Cf).
Tal como ya se ha demostrado, el tamano de las holguras entre el piston 1 y el cilindro 2 implica una perdida de eficiencia del compresor en una relacion considerablemente elevada. Con el fin de evaluar la mejor solucion, debe detectarse cual de los factores de fuga e irreversibilidad tiene mas influencia en la perdida de eficiencia. Para este fin utilizamos modelos teoricos.
De todos modos, antes de la explicacion sobre el resultado de la simulacion, es necesario comentar algunas caractensticas en el comportamiento de un gas. Asf, el intercambio de calor de un refrigerador se basa en la "Ecuacion General de los Gases Perfectos", que demuestra que en una masa gaseosa los volumenes y las presiones son directamente proporcionales a sus temperaturas absolutas e inversamente proporcionales entre sf
Ademas, es necesario sintetizar algunas caractensticas en el flujo de gas, que se establece por la holgura perimetral 12:
- como en el caso para cualquier fluido, el flujo de gas dentro de la holgura presenta una perdida de carga;
- el gas es un fluido compresible, de manera que la perdida de carga hace que la presion del gas vane por toda la holgura y, en consecuencia, vane su densidad;
- el perfil de presiones, consecuentemente la densidad del gas, en la holgura perimetral 12 a lo largo de la longitud del piston, adopta diferentes formas dependiendo del instante del ciclo de compresion.
De acuerdo con las caractensticas descritas, se consideraron dos instantes diferentes para la elaboracion de un modelo teorico. El instante 1 corresponde a la figura 3 y se produce cuando el piston se encuentra en su punto muerto superior. A su vez, el instante 2 corresponde a la figura 4 y se produce en el momento en que el piston 1 se encuentra al principio de su movimiento de aspiracion.
La figura 6 muestra el perfil de presiones en la holgura perimetral en funcion de la presion, la posicion y el tiempo del piston 1 respecto al cilindro 2. Esta grafica muestra que un ciclo de movimiento de oscilacion del piston 1 corresponde con el eje X, y es posible identificar, aproximadamente 150 ms, los instantes 1 y 2, la lmea de puntos (vease indicaciones i1 e i2). La variacion creciente en el eje Y corresponde a una posicion a lo largo de la holgura del cilindro 2 con el piston 1. Por ultimo, el aumento de la presion corresponde al aumento en el eje Z. Esta grafica permite considerar que:
i) en el instante 1 (i1), el perfil de presiones a lo largo del piston 1 y el mmimo en la zona de base del piston 1; en otras palabras, la presion en la parte inferior es siempre minima, independientemente de la presion en la parte superior del piston 1;
ii) en el instante 2 (i2), el perfil de presiones a lo largo de la holgura perimetral 12 (lmea de puntos) tiene su valor maximo en la zona central de la holgura perimetral 12, con la presion minima en la parte inferior y una presion intermedia en la parte superior de la holgura perimetral 12.
El flujo de masa de gas a traves de la holgura perimetral 12 entre el piston 1 y el cilindro 2 se comporta, en cada momento, de acuerdo con el perfil de presiones mostrado en la figura 6 y la densidad del gas en toda la holgura 12. El diagrama de la figura 7 muestra los flujos de masa en la zona inferior y superior del piston 1 a lo largo del tiempo equivalente a una oscilacion del piston 1, indicandose tambien los instantes 1 y 2 (i1 e i2) ya mencionados en la grafica de la figura 6.
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La grafica de la figura 7 muestra que el flujo que sale de la camara de compresion 4 se corresponde con el flujo de masa negativo, es decir, en la zona superior (TP) o en la zona inferior (BP) del piston 1. Un flujo positivo representa el gas que vuelve a la camara de compresion 4.
Puede observarse que, durante la mayor parte del tiempo, el flujo de masa en la parte superior del piston 1 es diferente del de flujo de masa en la parte inferior. Puede notarse, ademas, que, por la zona inferior de la holgura perimetral 12, hay una fuga constante de gas (lmea de puntos de valores negativos), ademas de que su flujo de masa vana un poco durante la oscilacion del piston 1.
La lmea continua que corresponde al flujo de masa en la holgura perimetral 12 en la zona superior del piston 1 muestra que el gas sale de la camara de compresion 4 y entra en la holgura perimetral 12 durante un cierto penodo de tiempo (flujo de masa negativo - lmea continua por debajo del eje de abscisas).
Ademas, en el inicio del movimiento de aspiracion, el gas que ha quedado en la holgura perimetral 12 se devuelve a la camara de compresion 4. Dicha presion, en la direccion opuesta a la presion de aspiracion (Ps), que entra en la camara de compresion 4 a traves de la valvula de aspiracion 6, afecta a la entrada del gas a la camara de compresion 4, interfiriendo de este modo con el rendimiento del compresor.
Examinando atentamente las figuras 3 y 4, que corresponden a los instantes 1(i1) y 2(i2), respectivamente, a la luz de las graficas de las figuras 6 y 7 puede apreciarse que en el instante 1(i1) el piston se encuentra en el punto muerto superior (PMS), donde existe el flujo de masa mas elevado (2,8E-10 kg/s) que sale de la camara de compresion 4 y entra en la holgura perimetral 12 en la zona superior del piston 1, siendo la fuga a traves de la zona inferior del piston 1 de 0,04E-10 k/s.
Para el instante 2 el mayor flujo, de aproximadamente 1,2E-10 kg/s, se produce en el retorno de gas en la zona superior de la holgura perimetral 12 a la camara de compresion 4. En el mismo instante, la fuga a traves de la parte inferior es del orden de 0,094E-10 kg/s.
En otras palabras, para ambos instantes 1 y 2, el flujo de masa de gas con alta densidad (GAD) se produce en la zona superior de la holgura perimetral 12, produciendose los flujos de gas con baja densidad (GBD) en la zona inferior de la holgura perimetral 12.
Los diagramas de las figuras 8 y 9 muestran por separado las mismas curvas representadas en el diagrama de la figura 7. Observando la figura 8, que representa el flujo de masa en la zona superior del piston, se concluye que la masa de gas por ciclo del compresor que va a la holgura perimetral 12 es equivalente a la zona entre la parte negativa de la curva de flujo de masa y el eje de abscisas (eje xx). A su vez, ademas para la figura 8 la masa de gas que vuelve a la camara de compresion 4 a traves de la parte superior de la holgura perimetral 12 es equivalente a la parte de la grafica representada por encima del eje de abscisas.
La diferencia entre estas dos cantidades de masa, o graficamente, la diferencia entre las areas por encima y por debajo del eje de abscisas de la figura 8, corresponde a la masa de gas equivalente a la fuga de gas a traves de la parte inferior del piston 1, y esta ultima, a su vez, esta representada por el area llena de la grafica de la figura 9.
Por lo tanto, puede concluirse que de todo el gas que entra en la holgura perimetral 12 entre el piston 1 y el cilindro 2, poco se escapara a traves de la zona inferior en forma de fugas. La mayor parte del gas se desplaza entre la holgura perimetral 12 y la camara de compresion 4.
Por lo tanto, la mayor parte de la potencia perdida debido a la holgura perimetral 12 existente entre el piston 1 y el cilindro 2 que se muestra en la figura 5 proviene del efecto de irreversibilidad, no del efecto de fuga.
Las densidades de gas mas altas se producen en la zona superior del piston 1 cuando este ultimo se encuentra mas cerca de la cabeza 3, debido al hecho de que las altas presiones en esta zona son capaces de comprimir el gas en un volumen mas pequeno.
En base a la identificacion de la zona del conjunto piston-1/ cilindro-2 responsable de la mayor perdida de eficiencia de la compresion, es posible conseguir una solucion de alta eficiencia energetica, que es el centro de la presente invencion.
La manera de reducir el efecto de irreversibilidad causado por la holgura entre el piston 1 y el cilindro 2 es mantener la holgura tan pequena como sea posible, de modo que aqrn sera menor el volumen disponible para la acumulacion de gas a alta presion en la holgura perimetral 12 durante la fase de compresion. De esta manera, es posible establecer un flujo de gas mas pequeno entre la camara de compresion 4 y la holgura perimetral 12.
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Sin embargo, la disminucion de la holgura perimetral 12 entre el piston 1 y el cilindro 2 encuentra sus Smites en los Ifmites de presion del proceso de fabricacion (procesos de mecanizado) que se utiliza para realizar el piston 1 y el cilindro 2.
Como norma, la holgura perimetral entre el piston 1 y el cilindro 2 puede ser como sigue: contra menor sean los errores de la cilindricidad en la superficie exterior del piston 1 y la superficie interior del cilindro 2 menor sera la holgura. En la actualidad, esta holgura en los compresores de refrigeracion es de aproximadamente unas pocas micras.
Adicionalmente, hay que senalar que el error de la cilindricidad obtenida en piezas como pistones 1 y cilindros 2 depende de la longitud de las superficies cilmdricas, es decir, de la longitud del piston 1 y el cilindro 2. La relacion se establece de manera que, contra mayor sea la longitud de la pieza, mayor es la cilindricidad que presenta. Por lo tanto, una opcion de reducir el error de cilindricidad para permitir reducir la holgura perimetral 12 podna ser simplemente reducir la longitud del piston 1 y/o el cilindro 2.
La figura 10 muestra un conjunto de piston/cilindro con una gran holgura en la zona superior del piston 1 debido al elevado error de cilindricidad del cilindro.
La disminucion de la longitud del piston 1 y el cilindro 2, sin embargo, no resulta adecuada para compresores que utilizan cojinetes aerostaticos en lugar de aceite lubricante, ya que necesitan un piston 1 y cilindro 2 mas largos, de manera que los cojinetes aerostaticos proporcionaran el apoyo necesario para el piston 1, evitando el contacto entre el conjunto piston 1 /cilindro; de otro modo, el conjunto se vena sometido a un desgaste prematuro y, en consecuencia, a una perdida de eficiencia.
El problema a resolver por la presente invencion es, por lo tanto, uno que es exclusivo de compresores que utilizan cojinetes aerostaticos. Por una parte, existen las dificultades mencionadas en el parrafo anterior y, por otra parte, solamente los compresores con cojinetes aerostaticos presentan una holgura perimetral 12 a traves de la cual fluye el gas de refrigeracion.
Dado que no era posible reducir la longitud del piston 1 y el cilindro 2 para lograr una reduccion de los errores de cilindricidad, debido a las cuestiones de estabilidad y la disposicion de rodamiento del piston 1 en el cilindro 2, se ha encontrado una solucion que permite lograr el efecto de un piston 1 o cilindro 2 mas corto. Esta solucion se traduce en un descenso de la holgura perimetral 12 entre el piston 1 y el cilindro 2 sin necesidad de reducir la longitud de una de las partes del conjunto piston/cilindro.
De acuerdo con lo que se ha demostrado mediante los resultados de los modelos teoricos, contra mas pequena sea la holgura perimetral 12 posible mas necesaria y beneficiosa es mas cerca de la zona superior del piston 1, es decir, cuanto mas cerca de la zona del piston 1 se lleve a cabo la reduccion de la holgura perimetral 1, mayor es el efecto de reduccion de la irreversibilidad, puesto que es en esta zona donde tienen lugar los mayores flujos de gas-masa que entran y salen de la holgura perimetral 12.
No es necesario reducir la holgura perimetral 12 a lo largo de la longitud de holgura (Cf), ni durante todo el ciclo de movimiento oscilatorio del piston 1, mas bien en el momento en que se producen las presiones cerca de la presion de descarga en la camara de compresion 4, es decir, cuando el piston 1 se encuentra cerca de la cabeza 3.
A este respecto, el problema de la holgura perimetral 12 pueden resolverse utilizando una holgura en la zona superior del piston 1 mas pequena que en la zona inferior del piston 1.
Preferiblemente, pero no obligatoriamente, una solucion de la presente invencion para la irreversibilidad es mediante el uso de componentes (piston y/o cilindro) con una seccion transversal variable, con el fin de crear una parte espedfica en la que la distancia se reduzca de manera efectiva. Estas zonas tienen unas longitudes que son bastante menores que las longitudes de los propios componentes y, por esta razon, presentaran menores errores de cilindricidad que en los componentes internos.
Por lo tanto, la holgura entre el piston 1 y el cilindro 2 puede reducirse exclusivamente en estas zonas.
Las figuras 11 a 14 muestran posibles realizaciones del conjunto de piston/cilindro que garantizan una mejor eficiencia del compresor. El piston 1, debido a su menor diametro inferior, permite un aumento de la holgura en la parte inferior del conjunto piston/cilindro y la consiguiente reduccion de la holgura superior del piston 1.
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Hay que senalar que cualquiera que sea la solucion la holgura en la parte superior del piston 1 es siempre menor que en cualquier otra zona del conjunto piston/cilindro. Adicionalmente, contra mas cerca se encuentre el piston 1 de la cabeza 3 mas pequena es la holgura perimetral.
Las figuras 11 a 14 muestran que pueden encontrarse soluciones en las que el diametro inferior del piston 1 se reduzca respecto al resto de su cuerpo (figura 11). El mismo resultado puede lograrse a traves de una o mas secciones variables del piston 1 y el cilindro 2, a la vez que se obtiene una holgura perimetral 12 que es reducida en la zona superior del conjunto de piston/cilindro.
Las figuras 12 y 13 muestran posibles realizaciones geometricas del conjunto piston 1/cilindro 2 que hacen uso de dos secciones diferentes en uno de los elementos piston 1 o cilindro 2 con el objetivo de reducir la holgura perimetral 12 a medida que el piston 1 se acerca a la parte superior del cilindro 2.
En la figura 12, el piston 1 presenta dos secciones diferentes, presentando la seccion adyacente a la zona superior del piston 1 un diametro mayor que la zona adyacente a la parte inferior del piston 1, es decir, la parte superior del piston presenta una dimension mayor que el resto del piston 1. De este modo, a medida que el piston 1 se mueve hacia la parte superior de un cilindro 2 que es ligeramente arqueado en su direccion longitudinal, la holgura diametral 12 se reduce a un mmimo cuando el piston 1 se encuentra cerca de la parte superior del cilindro 2. Esta forma ligeramente arqueada del cilindro 2 en su direccion longitudinal puede definirse como una forma superior de segmento de drculo.
La figura 13 muestra una situacion analoga a la figura 12, pero esta vez es el cilindro 2 que tiene dos secciones que presentan diametros diferentes. Naturalmente, con el fin de garantizar una menor holgura diametral 12, el cilindro 2 experimenta un estrechamiento en la seccion en la parte que se encuentra situada mas cerca de la parte superior del cilindro (la parte superior del cilindro 2 tiene una dimension menor que la parte restante del cilindro 2), lo que proporciona la minima holgura diametral necesaria 12.
La figura 14 muestra otra de estas posibles realizaciones, que pueden conseguirse por medio de un cilindro 2 que tiene una geometna de tipo troncoconica, donde la parte de menor diametro se encontrana en la zona superior del cilindro 2. Por lo tanto, a medida que la parte superior del piston 1 se acerca a la parte superior del cilindro 2, la holgura perimetral 12 se reduce.
La solucion de la presente invencion se consigue, por lo tanto, cuando se asegura una relacion en la que la dimension de la holgura perimetral 12 vana de manera inversamente proporcional respecto a la densidad del gas presente en la holgura perimetral 12.
Habiendose descrito ejemplos de realizacion preferidos, debe entenderse que el alcance de la presente invencion abarca otras posibles variaciones, las cuales estan limitadas solamente por el contenido de las reivindicaciones adjuntas.

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    REIVINDICACIONES
    1. Conjunto de piston/cilindro, estando situado el piston (1) de manera desplazable en el interior del cilindro (2), moviendose el piston entre un punto muerto superior (TDC/PMS) y un punto muerto inferior (BDC/PMI), existiendo una holgura perimetral (12) entre una pared interior del cilindro (2) y una pared exterior del piston (1) para una disposicion de rodamiento aerostatico (1), en el que
    - existe una holgura perimetral minima (12) en la parte superior del piston (1) cuando el piston (1) se encuentra en su punto muerto superior (TDC/PMS),
    estando caracterizado el conjunto por el hecho de que:
    - la holgura (12) es siempre menor en la parte superior del piston (1) que en cualquier otra zona del conjunto de piston/cilindro.
  2. 2. Conjunto de piston/cilindro de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por el hecho de que la holgura perimetral (12) es variable desde el punto muerto inferior (BDC/PMI) al punto muerto superior (TDC/PMS).
  3. 3. Conjunto de piston/cilindro de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por el hecho de que contra mas cerca se encuentra la holgura perimetral (12) de la parte superior del piston (1) menor es esta.
  4. 4. Conjunto de piston/cilindro segun las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el piston (1) presenta una seccion transversal variable.
  5. 5. Conjunto de piston/cilindro segun las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que el cilindro (1) presenta una seccion transversal variable.
  6. 6. Conjunto de piston/cilindro segun las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que la parte superior del piston (1) presenta una dimension mayor que la parte restante del piston (1).
  7. 7. Conjunto de piston/cilindro segun las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que la parte superior del cilindro (2) presenta una dimension menor que la parte restante del cilindro (2).
  8. 8. Conjunto de piston/cilindro segun las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que el piston (1) es conico.
  9. 9. Conjunto de piston/cilindro segun las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que el piston (1) presenta una forma de segmento de cfrculo.
  10. 10. Conjunto de piston/cilindro segun las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que el cilindro (2) presenta una geometna de tipo troncoconica.
  11. 11. Conjunto de piston/cilindro segun las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por el hecho de que el cilindro (2) presenta forma de segmento de cfrculo.
  12. 12. Compresor lineal caracterizado por el hecho de que comprende un conjunto de piston/cilindro tal como se define en las reivindicaciones 1 a 11.
  13. 13. Conjunto de piston/cilindro para un compresor lineal, estando situado el piston (1) de manera desplazable en el interior del cilindro (2), moviendose el piston entre una parte de alta presion (Pd) y una parte de baja presion (Ps), presentando la parte de alta presion (Pd) una mayor densidad de gas que la parte de baja presion (Ps), definiendose una holgura perimetral (12) entre una pared interior del cilindro (2) y una pared exterior del piston (1) para una disposicion de rodamiento aerostatico (1) con gas, estando caracterizado el conjunto por el hecho de que:
    la dimension de la holgura perimetral (12) vana de manera inversamente proporcional respecto a la densidad del gas en la holgura perimetral (12).
  14. 14. Conjunto de piston/cilindro de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por el hecho de que el piston (1) presenta una seccion transversal variable.
  15. 15. Conjunto de piston/cilindro de acuerdo con las reivindicaciones 13 y 14, caracterizado por el hecho de que el cilindro (1) presenta una seccion transversal variable.
  16. 16. Conjunto de piston/cilindro de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado por el hecho de que la parte superior del piston (1) presenta una dimension mayor que la parte restante del piston (1).
  17. 17. Conjunto de piston/cilindro de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado por el hecho de que la 5 parte superior del cilindro (2) presenta una dimension menor que la parte restante del cilindro (2).
  18. 18. Conjunto de piston/cilindro de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 18, caracterizado por el hecho de que el piston (1) presenta una forma de segmento de drculo.
    10 19. Conjunto de piston/cilindro de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 19, caracterizado por el hecho de que el
    cilindro (2) es conico.
  19. 20. Conjunto de piston/cilindro segun las reivindicaciones 11 a 20, caracterizado por el hecho de que el cilindro (2) presenta una forma de segmento de drculo.
    15
  20. 21. Compresor lineal caracterizado por el hecho de que comprende un conjunto de piston/cilindro de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 21.
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