ESTRUCTURA DE SELLO Y PISTÓN OSCILANTE PARA COMPRESOR LIBRE DE ACEITE
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Un tipo de compresor para aire y otros gases, se refiere como un compresor libre de aceite. Este es un compresor de pistón en donde no se requiere el aceite lubricante entre una cabeza de pistón y las paredes adyacentes de un cilindro en donde se recíproca la cabeza del pistón. En un compresor lubricado por aceite, la cabeza de pistón se dimensiona para solo reciprocar en el cilindro. Una varilla de conexión se conecta en la cabeza del pistón con un pasador de muñeca que permite que la cabeza del pistón y la varilla de conexión giren entre sí. Durante operación del compresor, el aceite se salpica o bombea desde un colector sobre las paredes del cilindro y sobre superficies de cojinete entre el pasador de muñeca y la varilla de conexión. Al menos un sello de pistón se proporciona en una ranura anular alrededor del perímetro del pistón para mantener un sello hermético a gas que evita fuga del gas comprimido desde una cámara de compresión y evita que la mayoría del aceite lubricante circule más allá de los sellos de anillo de pistón a la cámara de compresión. Sin embargo, una pequeña cantidad de aceite lubricante puede circular más allá del sello y hacia la cámara de compresión y contaminar el gas comprimido. En un tipo común de compresor libre de aceite, la cabeza de pistón se forma integralmente con la varilla de conexión, de manera tal que no giren entre sí. Ya que un extremo desplazado de la varilla de conexión se mueve respecto a un circulo por una excéntrica o pasador de manivela, la cabeza de pistón oscilará o se balancee conforme se reciproca en un cilindro. La cabeza de pistón es relativamente delgada y debe proporcionarse suficiente espaciamiento entre la cabeza de pistón y las paredes del cilindro, para permitir que la cabeza del pistón oscilante. Debido al movimiento de balanceo u oscilante del pistón reciprocante, se imponen grandes demandas en un sello que debe extenderse entre la cabeza del pistón y las paredes del cilindro. El sello generalmente tiene forma de copa y se forma a partir de un material resiliente de baja fricción que presionará contra y se deslizará sobre las paredes del cilindro, conforme la cabeza del pistón oscile al reciprocar. Un método empleado para formar un sello en forma de copa en un pistón oscilante, ha sido el sujetar un anillo plano o un trozo en forma de arandela de material de sello en una superficie plana en la cabeza del pistón. La cabeza de pistón y el anillo de sello agregado se forzan en un cilindro. Conforme la cabeza del pistón entra al cilindro, el sello forma un codo a 90° cerca de la pared del cilindro para impartir una forma de copa al sello. Las fibras en el sello en el exterior del codo se vuelven altamente tensionadas conforme se dobla a 90°, debilitando el sello. A fin de reducir el esfuerzo en el sello en el codo, el sello se forma a partir de un material más suave que el de otra forma se preferiría. El material más suave se somete a mayor desgaste y consecuentemente tiene una vida útil operativa más corta que la que puede lograrse con un material de sello más duro. Cuando el sello se dobla en una forma de copa, la región del sello adyacente al codo tiende a separarse o desprenderse de la superficie plana adyacente en la cabeza del pistón. Consecuentemente, el sello no se sostiene adyacente al codo. Conforme la presión del cilindro se incrementa durante cada ciclo de operación de compresor, el sello se forza hacia abajo hacia la superficie de cabeza de pistón plana, provocando que el radio de codo de la copa se disminuya. El radio de copa más pequeño del sello incrementa los esfuerzos de doblado en el sello. Ya que la presión del cilindro varía sobre cada carrera del pistón, el esfuerzo de doblado de sello resultante es cíclico. A presiones superiores, la porción sin soportar del sello en la región del codo se forza hacia la superficie de cabeza de pistón plana, sometiendo el material de sello a fatiga de doblado y posiblemente falla por fatiga prematura. Mientras que este problema puede ocurrir en un compresor de una sola etapa a presiones moderadas, es incluso más crítico en un cilindro de alta presión de segunda etapa de un compresor libre de aceite de dos etapas . La presión de sello prematura en la segunda etapa ha sido un impedimento para un compresor de aire, de pistón oscilante, libre de aceite, de dos etapas, comercial exitoso. BREVE COMPENDIO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con la invención, se proporciona una curvatura dirigida hacia arriba en una superficie de pistón que sostiene el sello. La curvatura se localiza adyacente al perímetro de la superficie para impartir una ligera forma de disco a la superficie. De preferencia, la curvatura tiene el mismo radio que el radio de codo del sello cuando la cabeza del pistón se inserta en un cilindro. Cuando el sello anular plano se sujeta inicialmente en la superficie de soporte, el sello se forma para tomar la curvatura de la superficie de soporte. Consecuentemente, el sello se pre-forma en una estructura de copa poco profunda antes de formado final, cuando en la estructura de sello y pistón se insertan en un cilindro. Cuando la estructura de sello y pistón se insertan en un cilindro, el sello se dobla 90° desde un plano a través de la cabeza de pistón para constituir una forma de copa. La superficie inferior del sello permanece en contacto con y sostenida por la superficie de soporte en la cabeza de pistón. Consecuentemente, cuando el sello se somete a alta presión durante operación en un compresor, hay menos flexionamiento en el radio de codo de 90° en el sello, debido al hecho de que el sello se sostiene por la superficie superior curvada del pistón. Cuando la cabeza de pistón se somete a alta presión de gas comprimido, el radio de codo no cambia significativamente. Esto reduce el riesgo de falla por fatiga del sello. Además, ya que no hay reducción significante en el radio de codo durante operación del compresor, hay menos esfuerzo en el sello en el exterior del codo a superiores presiones. El esfuerzo reducido permite el utilizar un material más duro, más durable para formar el sello. De acuerdo con esto, un objetivo de la presente invención es proporcionar una estructura de sello de pistón para utilizar en un compresor de aire de pistón oscilante libre de aceite. Otros objetivos y ventajas de la invención serán aparentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención y los dibujos acompañantes. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en sección transversal a través de un pistón oscilante de acuerdo con la técnica previ ; La Figura 2 es una vista en sección transversal fragmentaria agrandada que se toma sobre la línea 2-2 de la Figura 1; La Figura 3 es una vista en sección transversal fragmentaria agrandada de una esquina de la cabeza de un pistón en una estructura de pistón oscilante de acuerdo con la invención, con el sello conectado antes de configurar el sello en una estructura de copa; La Figura 4 es una vista en sección transversal fragmentaria agrandada similar a la Figura 2, que muestra detalles de una estructura de sello y pistón oscilante mejorado de acuerdo con la invención; y La Figura 5 es una vista en sección transversal fragmentaria agrandada similar a la Figura 4, que muestra detalles de una estructura de sello y pistón oscilante de acuerdo con una modalidad adicional de la invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Con referencia a la Figura 1 de los dibujos, una vista en sección transversal se ilustra de una estructura de sello de pistón oscilante de la técnica previa 10, para utilizar en un compresor de aire libre de aceite (no mostrado) . La estructura 10 incluye un pistón oscilante 11 que tiene una cabeza 12 y una varilla de conexión 13 formadas como una unidad integral. Como se emplea aquí, "integral" se emplea para significar que la cabeza del pistón 12 y la varilla de conexión 13 no pivotean o giran entre sí. La cabeza de pistón incluye una placa 15 que se sujeta con un tornillo 16 para conectar un sello 14 a la cabeza de pistón 12. La estructura 10 se ilustra con la cabeza del pistón 12 colocada dentro de un cilindro 17. La varilla de conexión 13 tiene un extremo inferior 18 opuesto al extremo conectado a la cabeza 12. Una abertura 19 se forma en el extremo de varilla de conexión 18 para conexión pivotal ya sea a una excéntrica tal como un pasador de manivela o en un cigüeñal (no mostrado) . Conforme se gira la excéntrica, la cabeza del pistón 12 reciprocará y oscilará o se balanceará en el cilindro 17. El área dentro del cilindro 17 sobre la cabeza de pistón 12 forma una cámara de compresión en donde se comprime gas en carreras ascendentes de la cabeza de pistón 12. La Figura 2 es una vista en sección transversal fragmentaria agrandada que muestra el sello 14, su conexión a la cabeza de pistón 12 y una porción adyacente de la pared interior 20 del cilindro 17. Antes de insertar la cabeza de pistón 12 al cilindro 17, el sello 14 es un anillo plano que tiene una abertura interior 21. La cabeza de pistón 12 tiene una superficie superior plana anular 22 contra la cual se coloca el sello 14. De preferencia, una brida anular 23 se proyecta hacia arriba desde la superficie 22. La brida 23 se extiende a través de la abertura de sello 21 para colocar el sello 14 en la cabeza de pistón 12. La placa 15 tiene una superficie anular inferior 24 que acopla sobre la brida 23. Cuando el tornillo 16 (Figura 1) se sujeta, el sello se sostiene por abrazadera entre la superficie anular 24 y la superficie de cabeza de pistón plana 22. La placa 15 también tiene un perímetro 25 que se conecta por una esquina curvada 26 a la superficie inferior 24. Como mejor se ve en la Figura 2, hay un espaciamiento suficiente entre la pared de cilindro 20 y la cabeza de pistón 12 y el perímetro 25 de la placa conectada 15 para proporcionar un sello 14 para permitir que la cabeza de pistón 12 se balancee u oscile conforme se reciproca en el cilindro 17. Después de que el sello plano 14 se sujeta por abrazadera en la cabeza de pistón 12, se forma en una estructura de copa al forzar la cabeza de pistón 12 en el cilindro 17. Conforme la cabeza de pistón 12 entra al cilindro 17, un extremo exterior 27 del sello 14 se dobla hacia arriba, para formar substancialmente un codo de 90° 28 con el sello e impartir una forma de copa al sello. El codo se describe como "substancialmente" de 90° ya que el ángulo actual del codo alrededor de la cabeza del pistón variará con cualquier inclinación de la cabeza de pistón 12 respecto al eje del cilindro 17. Cuando el plano de la cabeza del pistón 12 es perpendicular al eje del cilindro 17, el ángulo del codo del sello 28 será 90° alrededor de la cabeza del pistón 12. Cuando la cabeza de pistón 12 se inclina en el cilindro 17, el ángulo del codo 28 en un lado de la cabeza de pistón 12 será mayor que 90° y el ángulo del codo 28 en el lado diametralmente opuesto de la cabeza del pistón 12 será menor que 90°. El ángulo actual del codo 28 en cualquier sitio alrededor de la cabeza de pistón 12 dependerá de la cantidad, inclinación y dirección de inclinación. Sin embargo, el ángulo promedio del codo 28 será 90°. El extremo de sello 27 se mantiene en contacto con la pared de cilindro 20 conforme la cabeza de pistón 12 recíproca y oscila debido a la resiliencia del sello y debido a la presión de aire que comprime el sello. Como se ilustra en la Figura 2, el sello 14 se desprende de la superficie de cabeza de pistón plano 22 en la región del codo 28. Durante operación de un compresor en donde la estructura de sello y pistón 10 se instala, presiones de aire superiores tenderán a forzar el codo de sello 28 hacia la superficie de cabeza de pistón plana 22. Consecuentemente, el radio del codo 28 disminuye a alta presión. Esto produce altos esfuerzos en el sello de la región del codo 28. Un material suficientemente suave debe emplearse para formar el sello 14 a fin de evitar falla de sello en el codo. Sin embargo, el material más suave puede someterse a mayor abrasión debido a fricción con la pared del cilindro 20 que un material más duro. Las Figuras 3 y 4 muestran una porción fragmentaria de una estructura de sello y pistón oscilante 30 de acuerdo con una modalidad preferida de la invención. La porción ilustrada de la estructura de pistón y sello 30 es similar a aquella mostrada en la Figura 2. Las porciones restantes de la estructura de sello y pistón oscilante 30 son de diseño convencional. La estructura 30 incluye una cabeza de pistón 31 y un sello 32. La cabeza de pistón 31 incluye una placa de retención de sello 33 que se sujeta a la cabeza de pistón 31, por ejemplo con un tornillo (no mostrado) . El sello 32 se sujeta por abrazadera entre una superficie inferior anular 34 en la placa 33 y una superficie de soporte de sello anular 35 en la cabeza de pistón 31. A diferencia del pistón de la técnica previa 11 de las Figuras 1 y 2, la superficie de soporte de sello 35 en el pistón 34 tiene una porción curvada hacia arriba 36 adyacente a un perímetro exterior 37 de la cabeza de pistón 31. Consecuentemente, cuando se sujeta por abrazadera un sello anular plano 32 a la cabeza de pistón 31, un codo o curva parcial 3.8 se imparte al sello 32 por la porción de superficie curvada 36. En esta etapa, el codo 38 es substancialmente inferior a 90°. Esta pre-configuración del sello 32 antes de que la cabeza de pistón 31 se inserte en el cilindro 39, proporciona varias ventajas frente a la técnica previa. Conforme la cabeza de pistón 31 se inserta al cilindro 39 y el codo 38 se forma substancialmente a 90°, el sello 31 no se desprende de la superficie de soporte 35, como se levanta de la superficie plana 22 en el pistón de la técnica previa 11. El sello 32 continua siendo sostenido por la superficie de soporte 35 hasta el perímetro 37 de la cabeza de pistón 31. Consecuentemente, el radio del codo 38 no disminuye significativamente cuando el sello 32 se somete a aire comprimido con alta presión durante operación de la estructura 30 en un compresor de aire. Ya que el sello no se somete al grado de fatiga como con las estructuras de sello y pistón oscilante de la técnica previa, el sello tendrá una vida útil operativa mayor. Además, ya que hay un radio de codo mayor del sello en el codo 38 a presiones de aire superiores, el sello tendrá esfuerzos internos menores que el sello de la técnica previa. Esto permite formar el sello a partir de un material más duro, que además incrementa la vida útil operativa del sello. La Figura 4 muestra y describe una construcción de pistón preferida con una forma especifica de sujetar el sello 32 a la cabeza de pistón 31 utilizando una placa 33 sujeta con un tornillo a la parte superior de la cabeza de pistón 31. Se apreciará que otros medios pueden emplearse para montar el sello 32 en la cabeza de pistón. Por ejemplo, la placa 33 puede roscarse para acoplar la parte superior de la cabeza de pistón 31 sin necesidad por un tornillo separado. En forma alterna, como se ilustra en la Figura 5, un sello 42 puede sujetarse a una superficie inferior 43 en una cabeza de pistón 44 con un miembro anular 45 gue se sujeta en la cabeza de pistón 44 con roscas 46. El miembro anular 45 tiene una superficie de soporte de sello curvada 47 similar a la superficie de soporte de sello 35 con la curva 36. Sin embargo, el pistón puede ser más fuerte si la superficie de soporte de sello es integral con la varilla de conexión como en la Figura 4, en donde no se requieren roscas 46 que tomen la carga del aire comprimido que actúa en el sello. Se apreciará que diversas otras modificaciones y cambios pueden realizarse a la modalidad preferida anteriormente descrita de una estructura de sello y pistón oscilante para un compresor de aire libre de aceite, sin apartarse del alcance de las siguientes reivindicaciones.