IT9020661A1 - Compressore ermetico con pistone rotolante ruotante - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale avente per titolo :

"COMPRESSORE ERMETICO CON PISTONE ROTOLANTE RUOTANTE"

RIASSUNTO

La presente invenzione riguarda un compressore ermetico con un pistone rotolante ruotante del tipo ad alta pressione all'interno del guscio (1) o alloggiamento e con la propria camera cilindrica, interna al blocco cilindro (4), che e' divisa internamente tramite il pistone rotolante (50, 500) e mediante una paletta scorrevole (9) in camere di aspirazione e scarico con pressione interna notevolmente inferiore relativamente alla pressione interna del guscio durante la maggior parte dei cicli operativi del pistone rotolante (50, 500). Una intercapedine assiale per il passaggio di olio lubrificante e' prevista tra le facce anulari del pistone rotolante e le rispettive pareti di estremità assiali (10a, 20a) della camera cilindrica. Il pistone rotolante (50, 500) presenta una relazione tra diametro esterno e diametro interno di da approssimativamente 1,62 sino a 2,22 al fine di aumentare il percorso radiale dell’olio lubrificante attraverso dette intercapedini assiali.

DESCRIZIONE

Campo dell'Invenzione

La presente invenzione riguarda un compressore ermetico con un pistone rotolante ruotante e ad elevata pressione interna solitamente applicato a piccole macchine di refrigerazione e apparecchiature di condizionamento dell’aria. Per compressore ermetico a pistone rotolante ruotante ad elevata pressione interna si deve intendere un compressore il cui guscio o alloggiamento e' sottoposto alla pressione di condensazione del sistema in cui esso e' impiegato.

Sfondo dell’Invenzione

In compressori ermetici a pistone rotolante ruotante con elevata pressione interna nello alloggiamento o carcassa, si verifica il fenomeno del passaggio (penetrazione) dell'olio lubrificante nell'interno del cilindro, nelle camere di aspirazione e di scarico.

L'olio contenuto in corrispondenza del fondo del guscio o alloggiamento e' sottoposto alle elevate pressioni del gas all’interno dell'alloggiamento, sara elevato da mezzi di pompaggio dell'olio fino a raggiungere l'albero a gomiti dal quale l'olio e’ quindi trasportato lungo gole per l'olio raggiungenti il pistone rotolante ed essendo spostato radialmente attraverso le intercapedini tra le facce di estremità' anulari del pistone rotolante ed i coperchi dei cuscinetti entrando nelle camere interne del cilindro.

Questa penetrazione di olio ad alta temperatura nel cilindro provoca sul funzionamento e sulle prestazioni del compressore gli effetti che saranno discussi in seguito.

In seguito a penetrazione nella camera di aspirazione, l'olio ad alta temperatura riscalda il gas di aspirazione entrante provocando l’aumento del suo volume specifico e perciò' riducendo la capacita' di riempimento della camera di aspirazione. Pertanto, la massa di gas che riempie la camera di aspirazione del cilindro e' ridotta dall'effetto dell'aumento del volume specifico del gas . Oltre a questo inconveniente si deve notare che il volume dell'olio stesso che penetra nella camera di aspirazione occupa spazio di riempimento del gas; tuttavia questo effetto ha importanza alquanto secondaria relativamente all'effetto di riscaldamento.

Il problema precedentemente menzionato provoca una riduzione della capacita' di pompaggio del compressore in conseguenza della penetrazione dell'olio lubrificante nel cilindro.

A sua volta, in seguito a penetrazione nella camera di compressione del cilindro, l'olio durante una gran parte del periodo di compressione si troverà’ ad una temperatura superiore alla temperatura del gas sotto compressione provocando pure il riscaldamento di tale gas e facendone aumentare il volume specifico. Questo fenomeno determina un aumento del lavoro richiesto per comprimere il gas e conseguentemente un aumento nel consumo di energia del compressore. Questo fatto può' essere verificato in figura 2 dei disegni acclusi in cui è presentato un diagramma di pressione rispetto ad angolo di rotazione per dimostrare che la pressione di compressione aumenta piu' velocemente quando il trafilamento d'olio all'interno della camera del compressore aumenta.

Questi effetti, quando combinati contribuiscono a fare diminuire notevolmente l'efficienza volumetrica ed energetica del compressore.

D'altro canto, la presenza del flusso di olio lubrificante determina due funzioni favorevoli che sono fondamentali per il funzionamento del compressore .

- La prima, e quella piu ovvia, consiste nella lubrificazione delle parti mobili interessate.

- La seconda e' la sigillatura di tutti i giochi tra le parti mobili evitando cosi' il trafilamento diretto di gas all’interno del cilindro all’interno del guscio, il quale trafilamento, nel caso abbia ad avvenire, può' essere ancor piu’ pregiudizievole per il compressore nei termini di caduta di capacita' che non il sovrariscaldamento del gas da parte dell’olio.

Questa proprietà’ dell'olio di sigillare intercapedini tra le parti mobili agisce sulle perdite interne del cilindro (dalla camera del compressore alla camera di aspirazione a bassa pressione) e sulle perdite dalla camera di compressione al lato interno dell'alloggiamento o guscio.

Nel caso specifico dell'olio che penetra radialmente nel cilindro attraverso le facce di estremità del pistone rotolanti, l’olio lubrificante evita al gas di trafilare dalla camera di compressione alle parti interne dell'albero a gomiti e da qui all’interno dell’alloggiamento.

Perciò ’, la quantità' d'olio che penetra nel cilindro deve essere controllata ad un livello ottimale cioè' ad un livello minimo al fine di rendere possibile di ottenere la sigillatura delle perdite di gas e, al tempo stesso, solamente un riscaldamento minimo del gas nell'interno del cilindro.

Un modo ben noto per controllare la quantità' d'olio che penetra nel cilindro, attraverso le intercapedini delle facce di estremità' del pistone rotolante e' quello di ridurre queste intercapedini ad un livello minimo in cui le perdite per attrito tra le facce di estremità' del pistone rotolante e le facce del coperchio dei cuscinetti non raggiungono un valore tale da annullare completamente i guadagni conseguenti alla riduzione del flusso d'olio attraverso dette intercapedini.

Nonostante la possibilità' di ridurre le intercapedini di estremità' del pistone rotolante in modo da ottenere vantaggiosa riduzione della quantità' di olio lubrificante che penetra nel cilindro, il guadagno ottenuto, nei termini della efficenza energetica del compressore sara' sempre inferiore a quello che sarebbe ottenuto mediante la riduzione esclusiva del flusso d'olio grazie alla maggior perdita per attrito in conseguenza alla riduzione piu' o meno grande di dette intercapedini. Sommario dell'Invenzione

Pertanto, uno scopo della presente invenzione e' quello di fornire un compressore ermetico a pistone rotolante ruotante che presenti un flusso di olio lubrificante verso l’interno del cilindro notevolmente ridotto rispetto alle soluzioni note senza provocare alcun aumento considerevole di attrito tra le parti mobili del compressore, piu’ specificatamente tra le facce di estremità' del pistone rotolante e i coperchi dei cuscinetti e tra il pistone rotolante e la porzione eccentrica dell'albero a camme.

Il compressore ermetico a pistone rotolante oggetto dell'invenzione e' del tipo includente un guscio o alloggiamento ermetico sottoposto alla pressione di condensazione del sistema, tale pressione essendo trasmessa al guscio attraverso un tubo di scarico, detto guscio alloggiando un blocco di cilindro nella cui camera cilindrica interna ruota il pistone rotolante assemblato attorno alla porzione eccentrica di un albero a gomiti supportato su cuscinetti, la camera cilindrica essendo chiusa assialmente mediante pareti di estremità’ e divisa internamente mediante il pistone rotolante ed una paletta scorrevole, in una camera di aspirazione presentante una pressione interna sostanzialmente inferiore alla pressione interna del guscio e in una camera di compressore presentante una pressione interna sostanzialmente inferiore alla pressione interna del guscio durante la maggior parte del ciclo di compressione ed una intercapedine assiale per il passaggio di olio lubrificante che e' mantenuta tra dette pareti di estremità' della camera cilindrica e le facce anulari opposte del pistone rotolante.

Secondo la presente invenzione, il pistone rotolante e' realizzato al fine di presentare una relazione tra diametro esterno e diametro interno di da circa 1,63 sino a circa 2,22 in modo da provocare un aumento nel percorso radiale del flusso di olio lubrificante attraverso le intercapedini assiali opposte del pistone rotolante e verso le camere di aspirazione e compressione sufficiente a ridurre di perlomeno il 10% il flusso d’olio all'interno delle camere di scarico e aspirazione senza aumentare, in un modo rilevante, le perdite di attrito tra le parti mobili.

Dalla equazione che modella il flusso radiale d’olio attraverso le facce del pistone rotolante (flusso viscono tra dischi paralleli) si può osservare che il flusso e' controllato dalla intercapedine e dallo spessore della parete del pistone rotolante o, piu' precisamente dalla relazione :

Il comportamento di tale funzione può essere osservato nel grafico della figura 3. Le dimensioni del pistone rotolante reperibili nei compressori commerciali presentano un rapporto tra diametro esterno /diametro interno compreso tra 1,40 e 1,55 definente pistoni rotolanti a pareti sottili .

L'invenzione si propone di definire come pistone rotolante a parete spessa quei pistoni che presentano il rapporto approssimativamente.

Si può osservare dal grafico di figura 3 che, sino a circa il valore di = 1,63 la pendenza della curva . è abbastanza accentuata divenendo gradualmente piu' dolce dopo che detto valore ha raggiunto 1,6.

Si ricorderà’ che il comportamento della curva che rappresenta il flusso d'olio verso l'interno del cilindro è riflesso in modo proporzionale nelle prestazioni del compressore come e‘ già stato spiegato cioè' tanto piu' alta e' la funzione

tanto maggiore e' il flusso d’olio e tanto peggiore e' l‘efficienza volumetrica ed energetica del compressore. Perciò e' importante osservare che la penetrazione di olio verso l'interno del cilindro può' avere una riduzione di perlomeno il 10% con un dimensionamento dei diametri del pistone rotolante in modo da ottenere una relazione da (1,63) relativamente all'intervallo comunemente usato il pistone rotolante essendo dimensionato al fine di ottenere una relazione

approssimativamente. E1 pure importante menzionare il fatto che la relazione diametrale di 1,63 in poi, sino a quasi 2,22 e’ perfettamente possibile nei processi di produzione normalmente impiegati per compressori a pistoni rotolanti ruotanti e nel contempo non vi e' alcun impedimento o inconveniente nei termini delle prestazioni del compressione nell'impiegare queste relazioni.

L'unico inconveniente che si potrebbe menzionare sarebbe l'aumento delle perdite di attrito tra le facce del pistone e le pareti di estremità' della camera cilindrica dovuto all'aumento della superficie di contatto. Tuttavia, l’aumento delle perdite di attrito non si verifica in effetti poiché con l'aumento della superficie di contatto si tende ad avere una riduzione della velocita' angolare del pistone sul suo proprio asse che compensa le perdite. Inoltre, queste perdite per attrito sono dell'ordine di grandezza di almeno una volta inferiore alle perdite provocate dall'olio riscaldato. Perciò' queste perdite potrebbero comunque essere trascurate.

Vi sono ancora altre conseguenze indirette favorevoli nei termini delle prestazioni energetiche del compressore quando e' usata una relazione maggiore o rapporto maggiore tra i diametri esterno e interno del pistone tramite la riduzione di quello interno. Detti vantaggi sono qui sotto riportati:

- Con la riduzione del diametro interno del pistone, ovviamente il diametro della porzione eccentrica dell'albero e' pure ridotto e, perciò' si ha una riduzione dell'importante perdita di resistenza viscosa tra le superfici di contatto del pistone e l'albero eccentrico.

- Solitamente quando il diametro della porzione eccentrica dell'albero e’ ridotto, il diametro del bordo dell’albero minore può' pure essere ridotto e. in dipendenza dalle circostanze. anche il subcuscinetto può 'ssere eliminato, aggiungendo un supporto o cuscinetto assiale (vedere le figure di configurazioni preferenziali) . Questa soluzione riduce le perdite di attrito in tale cuscinetto.

Con la riduzione del diametro dell’eccentrico e la conseguente riduzione della superficie di contatto tra l’eccentrico ed il pistone, la velocita1 angolare del pistone sul suo proprio albero diviene piu’ piccola il che riduce notevolmente una delle perdite di attrito piu' importanti del compressore che e’ la perdita di attrito tra la sommità della paletta ed il diametro esterno del pistone.

Perciò’ e’ possibile concludere che è piu’ vantaggioso ottenere l'aumento del rapporto tra i diametri dei rulli mediante la riduzione del diametro interno che non tramite l'aumento di quello esterno. Breve Descrizione dei Disegni

Nei disegni acclusi:

la figura 1Ά rappresenta una vista in sezione longitudinale parziale di un compressore a pistone rotolante ruotante del tipo impiegato nella presente invenzione;

la figura 1B rappresenta una vista in sezione trasversale presa secondo la linea B-B di figura 1A;

la figura 2 rappresenta un diagramma della pressione di compressione prodotta nei termini dell'angolo di rotazione del pistone rotolante;

la figura 3 illustra un grafico rappresentativo della funzione del flusso d'olio radiale attraverso le facce del pistone rotolante X lo spessore della parete angolare del pistone;

la figura 4A illustra una vista laterale del complesso del pistone rotolante-albero a gomiti della tecnica nota;

la figura 4B illustra una vista laterale del complesso di pistone rotolante-albero a gomiti realizzato secondo la configurazione inventiva;

la figura 4C rappresenta una vista simile alla figura 4B ma illustrante detto complesso conformemente ad un'altra configurazione della invenzione; e

la figura 5 rappresenta una vista ingrandita di parte del complesso di figura 4C quando disposto all’ interno del cuscinetto e del blocco cilindro.

Descrizione Dettagliata dell'Invenzione

Come e‘ rappresentato nelle figure 1A e 1B, il compressore in discussione include un guscio o alloggiamento 1 su cui sono fissati tubi di aspirazione 2 e di scarico 3 e alloggiente un blocco cilindro 4 nel cui interno e' definita una camera cilindrica che alloggia un pistone rotolante 5, quest’ultimo essendo montato su un albero a gomiti 6 azionato mediante un motore elettrico costituito da uno statore 7 e da un rotore 8. Questo compressore ha elevata pressione interna del guscio, verso il quale interno e' aperta una estremità’ di ingresso del tubo di scarico 3.

L'albero a gomiti 6 e' supportato su un cuscinetto principale 10 ed un sub-cuscinetto 20 ciascuno includente una piastra o flangia 10a e 20a fissata contro una delle facce di estremità’ assiali del blocco cilindro 4 in modo da definire le pareti della camera cilindrica nel cui interno si sposta il pistone rotolante 5.

Nell'esempio illustrato, e' prevista una camera a marmitta di scarico 13 vicino alla faccia esterna del sub-cuscinetto 20 per ricevere il gas compresso all'interno del cilindro, essendo la piastra 20a di sub-cuscinetto (o la parete 4 del blocco cilindro nel caso di assenza di tale cuscinetto) dotata dello orifizio di scarico 21, la sua estremità’ di uscita definendo una sede per valvola anulare contro la quale e’ insediata una valvola pettine nota 30 interna alla camera 13 della marmitta di scarico.

Ancora secondo la costruzione basilare illustrata nelle figure 1A e 1B, la piastra di cuscinetto o supporto principale 10a e' dotata di un canale radiale 11 con la sua estremità' inferiore immersa nell'olio lubrificante OL immagazzinato in corrispondenza del fondo del guscio 1 e con la sua estremità superiore aperta verso una pompa dell'olio o altro dispositivo di pompaggio definito attorno all'albero a gomiti 6 e in comunicazione fluida con le gole superficiali longitudinali 14 previste lungo l’albero a gomiti 6 al fine di condurre l'olio lubrificante al cuscinetto e alle intercapedini assiali di estremità' del pistone rotolante 5.

Come e' illustrato nella figura 1B. il blocco cilindro 4 presenta finestre 4a per l'equilibrio della pressione interna nel guscio e per il passaggio dell'olio lubrificante e inoltre una fessura in cui e' racchiusa una paletta scorrevole 9 la quale, assieme alla faccia cilindrica esterna del pistone rotolante 5 divide la camera cilindrica in una camera di aspirazione e in una camera di scarico. la prima essendo alimentata attraverso un canale 4b realizzato sul blocco cilindro e mantenuta in comunicazione con l’estremità' interna del tubo di aspirazione 2.

La figura 4A illustra una costruzione convenzionale dì un albero a gomiti 6 includente una porzione eccentrica 6a, dell'azionamento del pistone rotolante 5 ed una porzione di estremità' 6b per supportare all'interno il sub-cuscinetto 20; solitamente queste due porzioni specifiche dello albero a gomiti hanno il medesimo diametro del resto del corpo dell’albero a gomiti. In questa soluzione della tecnica nota, corrispondente alla disposizione illustrata in figura 1B, il pistone rotolante 5 presenta uno spessore di parete anulare che porta ad una relazione di facendo si' che il percorso radiale dell'olio, rappresentato dalle frecce in figura 1B abbia ad essere sufficientemente corto da consentire ad una quantità’ pregiudizievole di olio lubrificante di penetrare all'interno del cilindro.

La figura 4B illustra un albero a gomiti 60 con la sua porzione eccentrica 60a azionante un pistone rotolante 50 con spessore di parete anulare portante ad una relazione Questa relazione contenuta entro i limiti definiti nella presente invenzione e' stata raggiunta riducendo il diametro interno del pistone rotolante 50 e, conseguentemente il diametro della porzione eccentrica 60a dell’albero a gomiti 60. Con tale riduzione diametrale della porzione eccentrica 60a dell'albero a gomiti 60, la sua porzione di estremità' 60b può' pure essere un diametro ridotto rispetto al resto del corpo dell'albero come e' illustrato in figura 4B.

I vantaggi addizionali derivanti dalle summenzionate riduzioni diametrali delle porzioni 60a e 60b dell'albero a gomiti sono menzionati nella parte iniziale della presente descrizione.

La figura 4C illustra un'altra possibile costruzione per l'albero a gomiti 600 che, in conseguenza del grande spessore della parete 500 del pistone rotolante presenta una porzione eccentrica 600a di diametro estremamente ridotto, la porzione di estremità' essendo pure completamente eliminata e conseguentemente essendo pure eliminato il subcuscinetto 20. In questo caso, la parete di estremità' assiale corrispondente della camera del cilindro può' essere definita mediante una semplice piastra di chiusura fissata alla piastra adiacente del blocco cilindrico.

Nel caso della soluzione costruttiva illustrata in figura 4C, un elemento di arresto assiale 601 avente la forma di una flangia anulare inclusa nel corpo dell'albero a gomiti 600 e' previsto; esso e' posizionato vicino alla sua porzione eccentrica 600a in modo da essere alloggiato in una rientranza rispettiva 10b realizzata sulla faccia di estremità' della piastra 10a del cuscinetto principale al fine di limitare lo spostamento assiale dell'albero a gomiti 600 verso il motore provocato dalla resistenza magnetica del suo motore agente su detto albero. La rientranza 10b viene ad operare come un cuscinetto assiale per l'elemento di arresto 601 consentendo con la sua profondità' la formazione di una grande intercapedine tra l'elemento di arresto assiale 601 e la parete di estremità' adiacente del pistone rotolante .

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI . 1. Compressore ermetico con pistone rotolante ruotante comprendente un alloggiamento o guscio ermetico sottoposto alla pressione di condensazione del sistema di refrigerazione, essendo tale pressione trasmessa all'alloggiamento attraverso un tubo di scarico, tale alloggiamento alloggiante un blocco cilindro nella cui camera cilindrica interna il Pistone rotolante ruota; quest'ultimo essendo montato attorno alla porzione eccentrica di un albero a gomiti di cuscinetto o supporto, la camera cilindrica essendo chiusa assialmente mediante pareti di estremità' e divisa internamente sia mediante il pistone rotolante che tramite la paletta scorrevole, in una camera di aspirazione con la sua pressione interna notevolmente inferiore a quella interna dell'alloggiamento e in una camera di compressione con la sua pressione interna notevolmente piu’ bassa di quella interna dell’alloggiamento durante la maggior parte del ciclo di compressione; una intercapedine assiale per il passaggio di olio lubrificante essendo mantenuta tra le pareti di estremità’ di detta camera cilindrica e le facce anulari opposte del pistone rotolante, in cui il pistone rotolante (50, 500) presente un rapporto tra diametro esterno e diametro interno di da approssimativamente 1,63 sino ad approssimativamente 2,22 in modo da aumentare il percorso radiale dell’olio lubrificante attraverso dette intercapedini assiali .
2. 2. Compressore ermetico secondo la rivendicazione 1, in cui detto rapporto tra diametro esterno e diametro interno deriva da un diametro interno del pistone rotolante e un diametro (60a, 600a) della porzione eccentrica (60, 600) dell'albero a gomiti notevolmente ridotto nei termini dei valori usuali.
3. 3. Compressore ermetico secondo la rivendicazione 2, in cui almeno la parete di estremità' assiale della camera cilindrica che e' rivolta verso il corpo dell'albero a gomiti (60, 600) e‘ definita da una piastra (IOa) di un cuscinetto rispettivo (10) fissato al blocco cilindro (4),
4. 4. Compressore ermetico secondo la rivendicazione 3, in cui l'albero a gomiti (600) presenta alla sua estremità' rivolta verso il blocco cilindro (4) definita da detta porzione eccentrica (600a) di diametro ridotto, la parete di estremità' assiale della camera cilindrica, adiacente a detta estremità' dell'albero a gomiti essendo definita da una piastra fissata alla faccia adiacente del blocco cilindrico (4).
5. 5. Compressore ermetico secondo la rivendicazione 4, in cui l'albero a gomiti (600) include vicino alla sua porzione eccentrica (600a) una flangia anulare periferica (601) alloggiata in una rientranza rispettiva (10b) prevista sulla faccia di estremità della piastra (10a) del cuscinetto (10).