WO2012135929A1 - "compressor alternativo acionado por motor linear de imã permanente operando em alta frequência". - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a high frequency operating linear compressor which has been developed to provide performance optimization such as to reduce the size of the apparatus and to enable operation without the use of lubricating oil.
- compressors are equipment designed to raise the pressure of gaseous fluid widely used in refrigeration systems, consisting primarily of a piston, a resilient element and a motor.
- compressors in use in the state of the art operate with the engine cooperating directly with the piston, with the resilient element being fixed at one of its side ends while the opposite end withstanding the tensile and compressive forces involved.
- a problem commonly associated with such equipment relates to their operating characteristics - usually involving low operating frequency - which make their compressor dimensions relatively large, thereby undermining new aesthetic solutions for the appliances with which they are used.
- US2010 / 0223936 which describes a linear compressor operating in a frequency range ranging from 20 to 200 Hz, but preferably between 40 and 60 Hz.
- the compressor described in US7185431 operates at a 99 Hz, while PI04 90 9 cites a low frequency operating range of 30 to 55 Hz.
- US2006 / 0110259 discloses a system for adjusting the resonant frequency of the linear compressor as a function of the detected operating condition, resonant device mass and / or average piston frequency, but without mentioning operating values or possible maximum frequencies which may be hit.
- Another of the objects of the present invention is to provide an efficient and small size compressor as compared to known ones, since higher operating frequencies make it possible to reduce the size of the compressor.
- the present invention achieves the above objects by means of a high frequency permanent magnet linear motor driven reciprocating compressor, wherein such compressor comprises: a piston; a resilient element fixed to the axial resilient element of the compressor through a neutral point and cooperating with the piston by means of fastening elements positioned at one of its ends; and a motor magnet cooperating with the piston by means of said resilient element, the motor magnet being integral with the resilient element by means of fasteners positioned at the opposite end of the resilient element.
- the present invention further comprises means for allowing the operating frequency of the piston + resilient element + motor magnet assembly to remain within the range 200 to 500 Hz, preferably between 300 and 400 Hz, and even more specifically between 340 and 360 Hz.
- the sum of the mass of the piston with the securing members integral with one end of said resilient element is within the range of 32 to 50 g.
- the sum of the mass of the piston with the fasteners attached to one end of the resilient element is equivalent to the sum of the mass of the motor magnet and the fasteners attached to the opposite end of the resilient element. , with an acceptable difference of about 2 g.
- the sum of the mass of the piston with the fasteners attached to one end of the resilient element may total between 5 and 20 g greater than the sum of the mass of the magnet. motor with end-securing fasteners opposite of the resilient element.
- said spring will be constructed of metallic material, in particular selected from the group consisting of steel, titanium and their alloys.
- Figure 1 shows an exploded perspective view of the compressor components constructed according to a preferred embodiment of the present invention.
- Figure 2 - shows a longitudinal section view of the compressor illustrated in Figure 1, properly assembled and ready for use.
- Figures 3.1 and 3.2 show, respectively in perspective and elevation, a possible embodiment for the resilient element used with the compressor shown in Figure 1.
- Figures 4.1 and 4.2 show, in perspective and elevation, a possible embodiment for the neutral point fastener of the resilient element to the housing.
- Figures 5.1 and 5.2 show, in perspective and elevation, one more possible constructive possibility for the neutral point fastener of the resilient element to the housing.
- the high frequency operating permanent magnet linear motor driven reciprocating compressor object of the present invention basically comprises a piston 1, a resilient element 2 and a motor magnet 5, wherein the piston is fixed to the end 21 of the resilient element by means of fasteners 41 while motor magnet 5 is fixed to the end 22 of the resilient element 2 with the aid of fasteners 42 - therefore, in the embodiment shown the resilient element is not It is fixed by one of its lateral ends as it occurs in the current technique.
- the resilient element 2 attaches to the axial resilient element (6) of the compressor through a neutral point 3 which results in lower vibration values than the usual configuration where both piston 1 and engine are mounted at the same end of the resilient element 2.
- motor magnet 5 is coupled to piston 1 via resilient element 2 which, when driven by a periodic current at the natural frequency of that set, operates in a condition such that the transfer of motor power (not shown) to piston 1 is maximum, and depending on the operating conditions (evaporation and condensation temperatures) the drive frequency can and should be increased to ensure maximum energy transfer.
- the resilient element 2 (detailed in Figure 3) is a spring constructed of metallic material - more specifically steel, titanium or their alloys - which, when supported at one end and axially displaced. 1 mm at the other end, has a reaction force between 160 and 240 N, particularly between 190 and 210 N.
- Such a resilient spring or element 2 has a natural frequency between 400 and 600 Hz, particularly between 475 and 525 Hz in the compression-tensile mode, that is, the deformation of this vibration mode occurs mainly in the axial direction, with the ends having the opposite direction. .
- the resilient element 2 resists a total axial displacement of 3.4 mm.
- the present invention also comprises means for allowing the operating frequency of the piston assembly 1 + resilient element 2 + motor magnet 5 to remain within the range 200 to 500 Hz, more specifically between 300 and 400 Hz and preferably between 340 and 360 Hz.
- the sum of the mass of the piston 1 with the fasteners 41 integral with the end 21 of the resilient element 2 is within the range of 32 to 50 g, the sum of the mass of the magnet being engine 5 with fasteners 42 integral with the end 22 of the resilient element 2 shall be the mass of piston 1 + fasteners 41 integral with the end 21 of the resilient element 2, with an acceptable tolerance of plus or minus 2 g.
- the sum of the mass of piston 1 with the fasteners 41 attached to the end 21 of the resilient element 2 may be between 5 and 20 g greater than the sum of the mass of the magnet. 5 with the fasteners 42 integral with the end 22 of the resilient element 2.
- piston 1 and motor magnet 5 are mounted at opposite axial ends 21, 22 of the resilient element 2 - which may be a coil spring.
- motor magnet assembly 5 + piston 1 + resilient element 2 When in operation, motor magnet assembly 5 + piston 1 + resilient element 2 operates in natural vibration mode where periodic axial motions of the motor and piston 1 have a phase difference between 170 and 190 degrees, preferably between 175 and 185 degrees.
- the natural frequency of vibration under these conditions is between 200 and 500Hz, particularly between 300 and 400Hz - this is called the operating frequency, and the performance and final dimensions of the compressor depend on it.
- the ideal range achieved by the compressor constructed according to the preferred embodiment of the present invention is between 340 and 360 Hz, which sets the optimization point to a capacity of 200 W with the smallest possible volume of equipment.
- the differentials of the present invention are:
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Abstract
A presente invenção refere-se a um compressor linear que opera em alta frequência e foi desenvolvido para proporcionar uma otimização de desempenho tal que permita reduzir o porte dos compressores, além de possibilitar a operação sem a necessidade de utilização de óleo lubrificante. É compreendida por um pistão (1); um elemento resiliente (2) fixo a um elemento resiliente axial (6) do compressor através de um ponto neutro (3) e cooperante com o pistão (1) por meio de elementos de fixação (41) posicionados em uma de suas extremidades (21); e um imã de motor (5) cooperante com o pistão (1) por meio do elemento resiliente (2), sendo o imã de motor (5) solidário ao elemento resiliente (2) por meio de elementos de fixação (42) posicionados na extremidade oposta (22) do elemento resiliente (2), sendo que a frequência de operação do conjunto pistão (1)/elemento resiliente (2)/imã de motor (5) situa-se no intervalo compreendido entre 200 e 500 Hz, mais especificamente entre 340 e 360 Hz.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPRESSOR ALTERNATIVO ACIONADO POR MOTOR LINEAR DE IMÃ PERMANENTE OPERANDO EM ALTA FREQUÊNCIA".
Campo da Invenção
A presente invenção se refere a um compressor linear operante em alta frequência, o qual foi desenvolvido para proporcionar uma otimização de desempenho tal que permita reduzir o porte dos aparelhos, além de possibilitar a operação sem a necessidade de utilização de óleo lubrificante.
Fundamentos da Invenção
Conforme é do conhecimento da técnica, os compressores são equipamentos destinados a elevar a pressão de fluidos em estado gasoso muito utilizados em sistemas de refrigeração, sendo basicamente constituídos por um pistão, um elemento resiliente e um motor.
De modo geral, os compressores em uso no atual estado da técnica operam com o motor cooperando diretamente com o pistão, sendo que o elemento resiliente é fixo por uma de suas extremidades laterais enquanto a extremidade oposta suporta os esforços de tração e compressão envolvidos.
Um problema normalmente associado a tais equipamentos diz respeito às suas características de funcionamento - normalmente envolvendo baixa frequência de operação - que fazem com que suas dimensões dos compressores sejam relativamente grandes prejudicando, assim, novas soluções estéticas para os aparelhos com os quais são utilizados.
Pode-se citar, por exemplo, o documento US2010/0223936 que descreve um compressor linear que opera em uma faixa de frequência variando entre 20 e 200 Hz, porém preferencialmente entre 40 e 60 Hz. Já o compressor descrito no documento US7185431 opera a uma frequência de 99 Hz, enquanto o documento PI04 90 9 cita uma faixa de operação de baixa freqiiência situada entre 30 e 55 Hz.
O documento US2006/0110259 revela um sistema para ajuste da frequência ressonante do compressor linear em função da condição de operação detectada, da massa do dispositivo ressonante e/ou da freqiiência média do pistão, porém sem mencionar valores de operação nem eventuais freqiiências máximas que podem ser atingidas.
Nota-se, portanto, que a técnica atual carece de soluções que permitam a operação de compressores em frequências elevadas como forma de otimização de desempenho e de dimensionamento e, ademais, nos similares conhecidos geralmente ocorrem perdas elétricas significativas que comprometem o total aproveitamento da energia envolvida em sua operação.
Objetivos da Invenção
Tendo em vista tais inconvenientes e no propósito de solucioná-los, é um dos objetivos da presente invenção apresentar um compressor alternativo acionado por motor linear de imã capaz de operar a alta frequência.
Outro dentre os objetivos da presente invenção é prover um compressor eficiente e com tamanho reduzido quando em comparação com os similares conhecidos, uma vez que frequências de operação mais altas possibilitam a redução do tamanho do compressor.
É também um objetivo da presente invenção revelar um compressor que trabalhe com forças de atrito reduzidas e, portanto, possa operar sem a necessidade de utilização de óleo como lubrificante.
É também um objetivo da presente invenção revelar um compressor com curso e frequências tais que o bombeamento de fluido refrigerante é maximizado, enquanto as perdas elétricas são minimizadas.
Sumário da Invenção
A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de um compressor alternativo acionado por motor linear de imã permanente operando em alta frequência, sendo que tal compressor compreende: um pistão; um elemento resiliente fixo ao elemento resiliente axial do compressor através de um ponto neutro, e cooperante com o pistão por meio de elementos de fixação posicionados em uma de suas extremidades; e um imã de motor cooperante com o pistão por meio do referido elemento resiliente, sendo o imã de motor solidário ao elemento resiliente por meio de elementos de fixação posicionados na extremidade oposta do elemento resiliente.
A presente invenção compreende ainda meios para permitir que a frequência de operação do conjunto pistão + elemento resiliente + imã de motor permaneça no intervalo compreendido entre 200 e 500 Hz, preferencialmente entre 300 e 400 Hz, e ainda mais especificamente entre 340 e 360 Hz.
Segundo uma concretização preferencial da presente invenção, a soma da massa do pistão com os elementos de fixação solidários a uma das extremidades do referido elemento resiliente fica compreendida dentro do intervalo de 32 a 50 g.
Ainda segundo a concretização preferencial da presente invenção, a soma da massa do pistão com os elementos de fixação solidários a uma das extremidades do elemento resiliente é equivalente à soma da massa do imã de motor com os elementos de fixação solidários à extremidade oposta do elemento resiliente, com uma diferença aceitável de mais ou menos 2 g.
Dependendo da condição de operação (temperaturas de evaporação e condensação), a soma da massa do pistão com os elementos de fixação solidários a uma das extremidades do elemento resiliente pode totalizar um valor entre 5 e 20 g maior que a soma da massa do imã de motor com os elementos de fixação solidários à extremidade
oposta do elemento resiliente.
Preferencialmente a referida mola será construída com material metálico, em especial selecionado do grupo formado por aço, titânio e suas ligas.
Descrição Resumida dos Desenhos
Figura 1 - mostra uma vista em perspectiva explodida dos componentes do compressor construído segundo uma concretização preferencial da presente invenção.
Figura 2 - mostra uma vista em seção longitudinal do compressor ilustrado na Figura 1 , devidamente montado e pronto para a utilização.
Figuras 3.1 e 3.2 - mostram, respectivamente em perspectiva e em elevação, uma concretização possível para o elemento resiliente utilizado com o compressor apresentado na Figura 1.
Figuras 4.1 e 4.2 - mostram, em perspectiva e em elevação, uma concretização possível para o elemento de fixação do ponto neutro do elemento resiliente à carcaça.
Figuras 5.1 e 5.2 - mostram, em perspectiva e em elevação, mais uma possibilidade construtiva possível para o elemento de fixação do ponto neutro do elemento resiliente à carcaça.
Descrição Detalhada da Invenção
A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nos exemplos de execução representados nos desenhos apensos.
Conforme é possível observar pelos desenhos apresentados nas Figuras 1 e 2, o compressor alternativo acionado por motor linear de imã permanente operando em alta frequência objeto da presente invenção compreende basicamente um pistão 1 , um elemento resiliente 2 e um imã de motor 5, sendo que o pistão é fixado à extremidade 21 do elemento resiliente por meio de elementos de fixação 41 enquanto o imã de motor 5 é fixado na extremidade 22 do elemento resiliente 2 com o auxílio de elementos de fixação 42 - portanto, na modalidade apresentada o elemento resiliente não é fixo por uma de suas extremidades laterais como ocorre na técnica atual.
Na concretização preferencial da presente invenção, o elemento resiliente 2 fixa- se ao elemento resiliente axial (6) do compressor através de um ponto neutro 3 que resulta em valores de vibração mais baixos do que a configuração usual onde tanto o pistão 1 quanto o motor são montados na mesma extremidade do elemento resiliente 2.
Na modalidade apresentada, o imã do motor 5 é acoplado ao pistão 1 através do elemento resiliente 2 que, quando acionado por uma corrente periódica na frequência natural desse conjunto, opera em uma condição tal que a transferência de energia do motor (não mostrado) para o pistão 1 é máxima, sendo que dependendo das condições de operação (temperaturas de evaporação e condensação) a frequência de acionamento pode e deve ser aumentada de modo a garantir essa máxima transferência de energia.
Segundo a concretização preferida da invenção, o elemento resiliente 2 (detalhadamente ilustrado na Figura 3) é uma mola construída com material metálico - mais especificamente em aço, titânio ou suas ligas - que, quando apoiada em uma das extremidades e sofrendo um deslocamento axial de 1 mm na outra extremidade, apresenta uma força de reação entre 160 e 240 N, particularmente entre 190 e 210 N.
Tal mola ou elemento resiliente 2 apresenta uma frequência natural entre 400 e 600 Hz, particularmente entre 475 e 525 Hz no modo compressão-tração, ou seja, a deformação desse modo de vibração ocorre principalmente na direção axial, sendo que as extremidades apresentam sentido oposto.
Ademais, o elemento resiliente 2 resiste a um deslocamento axial total de 3,4 mm.
Durante o funcionamento do compressor, metade desse deslocamento é aplicado sobre a extremidade 21 do elemento resiliente 2 enquanto o mesmo valor é aplicado sobre a extremidade oposta 22, sendo que os sentidos dos deslocamentos também são opostos. Sendo esse deslocamento aplicado na citada frequência de operação, o mínimo número de ciclos suportado pelo elemento resiliente 2 é de no mínimo 10 milhões de ciclos - por essa razão tal elemento resiliente 2 deve ser preferencialmente fabricado com aço, titânio ou suas ligas com o objetivo de apresentar a característica de vida infinita à fadiga.
A presente invenção compreende, também, meios para permitir que a frequência de operação do conjunto pistão 1 + elemento resiliente 2 + imã de motor 5 permaneça no intervalo compreendido entre 200 e 500 Hz, mais especificamente entre 300 e 400 Hz e, preferencialmente, entre 340 e 360 Hz.
Ainda segundo a concretização preferencial da presente invenção, a soma da massa do pistão 1 com os elementos de fixação 41 solidários à extremidade 21 do elemento resiliente 2 fica compreendida dentro do intervalo de 32 a 50 g, sendo que a soma da massa do imã de motor 5 com os elementos de fixação 42 solidários à extremidade 22 do elemento resiliente 2 deve equivaler à massa do pistão 1 + elementos de fixação 41 solidários à extremidade 21 do elemento resiliente 2, com uma tolerância aceitável de mais 2 g ou menos 2 g.
Dependendo da condição de operação (temperaturas de evaporação e condensação), a soma da massa do pistão 1 com os elementos de fixação 41 solidários à extremidade 21 do elemento resiliente 2 poderá totalizar um valor entre 5 e 20 g superior à soma da massa do imã de motor 5 com os elementos de fixação 42 solidários à extremidade 22 do elemento resiliente 2.
Cabe lembrar que o pistão 1 e o imã do motor 5 são montados em extremidades axiais opostas 21 , 22 do elemento resiliente 2 - que pode ser uma mola helicoidal.
Quando em operação, o conjunto imã do motor 5 + pistão 1 + elemento resiliente 2 funciona no modo natural de vibração onde os movimentos axiais periódicos do motor e do
pistão 1 apresentam uma diferença de fase entre 170 e 190 graus, preferencialmente entre 175 e 185 graus. A frequência natural de vibração nessas condições está entre 200 e 500Hz, particularmente entre 300 e 400Hz - essa frequência é chamada de frequência de operação, e dela dependem o desempenho e as dimensões finais do compressor. A faixa ideal atingida pelo compressor construído segundo a concretização preferencial da presente invenção situa-se entre 340 e 360 Hz, que configura o ponto de otimização para uma capacidade de 200 W com um menor volume de equipamento possível.
Em suma, são as propriedades de massa e rigidez do conjunto que caracterizam um compressor com curso e frequências tais que o bombeamento de fluido refrigerante é maximizado e, com ele, o desempenho do compressor.
Portanto, os diferenciais da presente invenção são:
- Operação em alta frequência, que resulta em compressor de dimensões e massa reduzidos;
- Sendo a usinagem um dos últimos processos de fabricação, a precisão geométrica é consideravelmente elevada e as variações de rigidez são reduzidas; ademais o aumento da resistência à fadiga é obtido através de tratamento térmico e 'shot peéning';
- A montagem do pistão 1 + componentes de fixação 41 em uma extremidade 21 do elemento resiliente 2, e do imã do motor 5 + componentes de fixação 42 na outra extremidade 22, além da fixação do elemento resiliente 2 no elemento resiliente axial (6) através do 'ponto neutro', resulta em valores de vibração mais baixos do que a configuração usual onde tanto o pistão quanto o motor são montados na mesma extremidade do elemento elástico; e
- A configuração onde a massa do pistão+fixação é semelhante à massa do imã do motor+fixação possui a maior frequência natural e, consequentemente, de operação possível. Dependendo da condição de operação (temperaturas de evaporação e condensação) é necessária a redução da massa no lado do imã e/ou aumento da massa no lado do pistão para manter a frequência natural como sendo a máxima possível.
É também expressamente previsto que todas as combinações dos elementos que desempenham a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados estão dentro do escopo da invenção. Substituições de elementos de uma modalidade descrita por outros são também totalmente pretendidos e contemplados.
Deve, no entanto, ser entendido que a descrição fornecida com base nas figuras acima se refere apenas a uma das concretizações possíveis para o sistema da presente invenção, sendo que o real escopo do objeto da invenção encontra-se definido nas reivindicações apensas.
Claims
1. Compressor alternativo acionado por motor linear de imã permanente operando em alta frequência, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
um pistão (1 );
um elemento resiliente (2) fixo a um elemento resiliente axial (6) do compressor através de um ponto neutro (3), sendo tal elemento resiliente (2) cooperante com o pistão (1 ) por meio de elementos de fixação (41) posicionados em uma de suas extremidades (21 );
um imã de motor (5) cooperante com o pistão (1 ) por meio do elemento resiliente (2), sendo o imã de motor (5) solidário ao elemento resiliente (2) por meio de elementos de fixação (42) posicionados na extremidade oposta (22) do elemento resiliente (2); e
meios para permitir que a frequência de operação do conjunto pistão (1 )/elemento resiliente (2)/imã de motor (5) permaneça no intervalo compreendido entre 200 e 500 Hz.
2. Compressor de acordo com a reivindicação 1 , CARACTERIZADO pelo fato de que a frequência de operação do conjunto pistão (1 )/elemento resiliente (2)/imã de motor (5) fica compreendida entre 300 e 400 Hz.
3. Compressor de acordo com as reivindicaçãões 1 e 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a frequência de operação do conjunto pistão (1 )/elemento resiliente (2)/imã de motor (5) fica compreendida entre 340 e 360 Hz.
4. Compressor de acordo com a reivindicação 1 , CARACTERIZADO pelo fato de que a soma da massa do pistão (1) com os elementos de fixação (41 ) solidários à extremidade (21 ) do elemento resiliente (2) fica compreendida dentro do intervalo de 32 a 50 g.
5. Compressor de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a soma da massa do pistão (1 ) com os elementos de fixação (41 ) solidários à extremidade (21 ) do elemento resiliente (2) é equivalente à soma da massa do imã de motor (5) com os elementos de fixação (42) solidários à extremidade (22) do elemento resiliente (2), com tolerância de mais ou menos 2 g.
6. Compressor de acordo com as reivindicações 4 e 5, CARACTERIZADO pelo fato de que a soma da massa do pistão (1 ) com os elementos de fixação (41 ) solidários à extremidade (21 ) do elemento resiliente (2) totaliza um valor entre 5 e 20 g maior que a soma da massa do imã de motor (5) com os elementos de fixação (42) solidários à extremidade (22) do elemento resiliente (2).
7. Compressor de acordo com a reivindicação , CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento resiliente (2) é uma mola construída com material metálico.
8. Compressor de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o material de construção do elemento resiliente (2) é selecionado do grupo formado por aço, titânio e suas ligas.
Applications Claiming Priority (2)
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