BRPI1000598A2 - reciprocating compressor and compression cylinder - Google Patents
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Abstract
COMPRESSOR ALTERNATIVO E CILINDRO DE COMPRESSãO A presente invenção refere-se a um compressor do tipo alternativo, e, mais especificamente, a um compressor alternativo que apresenta uma redução das perdas mecânicas associadas ao atrito e ao movimento relativo entre o pistão (10) e o cilindro de compressao (3). Assim, a presente invenção compreende um cilindro de compressão para um compressor alternativo que compreende uma extremidade aberta para recepção de um pistão reciprocante e uma superfície interna com pelo menos duas áreas rebaixadas espaçadas (4)formadas próximas à extremidade aberta.ALTERNATIVE COMPRESSOR AND COMPRESSION CYLINDER The present invention relates to a compressor of the alternative type, and, more specifically, to an alternative compressor that presents a reduction of the mechanical losses associated with the friction and the relative movement between the piston (10) and the compression cylinder (3). Thus, the present invention comprises a compression cylinder for an reciprocating compressor comprising an open end for receiving a reciprocating piston and an internal surface with at least two spaced recessed areas (4) formed close to the open end.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPRESSOR ALTERNATIVO E CILINDRO DE COMPRESSÃO".Report of the Invention Patent for "ALTERNATIVE COMPRESSOR AND COMPRESSION CYLINDER".
Campo da InvençãoField of the Invention
A presente invenção refere-se a um compressor do tipo alternativo, e, mais especi- ficamente, a um compressor alternativo que apresenta uma redução das perdas mecânicas associadas ao atrito e ao movimento relativo entre o pistão e o cilindro de compressão.The present invention relates to an alternative type compressor, and more specifically to an alternative compressor which has a reduction in mechanical losses associated with friction and relative movement between the piston and the compression cylinder.
Fundamentos da InvençãoBackground of the Invention
Um compressor tem como função elevar a pressão de determinado volume de flui- do a uma pressão necessária à realização de um ciclo de refrigeração. Para a indústria de refrigeração, é comum o uso de compressores herméticos que compreendem geralmente uma carcaça selada onde são montadas as peças do compressor: um conjunto motor- compressor compreendendo um bloco de cilindro com um extremo fechado por um cabeço- te que define uma câmara de descarga em comunicação com uma câmara de compressão definida no interior do cilindro, a câmara de compressão sendo fechada por uma placa de válvulas provida entre o extremo do cilindro e o cabeçote.The purpose of a compressor is to raise the pressure of a given fluid volume to a pressure necessary to perform a refrigeration cycle. For the refrigeration industry, it is common to use hermetic compressors which generally comprise a sealed housing on which compressor parts are mounted: a compressor-motor assembly comprising a cylinder block with an end closed by a head defining a chamber in communication with a compression chamber defined within the cylinder, the compression chamber being closed by a valve plate provided between the end of the cylinder and the head.
A indústria de refrigeração tem grande preocupação com a performance dos com- pressores de refrigeração. De fato, diversos trabalhos e estudos foram realizados com vis- tas a melhorar tal performance, destacando-se aqueles visando a redução das perdas me- cânicas dos componentes móveis, entre elas aquela gerada entre o pistão e o cilindro do compressor.The refrigeration industry is very concerned about the performance of refrigeration compressors. In fact, several studies and studies have been carried out with a view to improving such performance, especially those aimed at reducing the mechanical losses of moving components, including those generated between the piston and the compressor cylinder.
A perda mecânica entre pistão e cilindro é gerada pelo contato entre as superfícies das peças e pelo atrito viscoso resultante da presença do óleo de lubrificação.Mechanical loss between piston and cylinder is generated by the contact between the surfaces of the parts and the viscous friction resulting from the presence of lubricating oil.
As perdas por contato das superfícies do pistão e cilindro seguem a seguinte equa- ção:Contact losses of piston and cylinder surfaces follow the following equation:
Pot = Fa x U, onde Fa = μ x NPot = Fa x U, where Fa = μ x N
sendobeing
Pot = potência gerada pelo atrito;Pot = power generated by friction;
Fa = força de atrito;Fa = frictional force;
U = velocidade relativa entre as superfícies;U = relative velocity between surfaces;
μ = coeficiente de atrito dinâmico; eμ = coefficient of dynamic friction; and
N = força normal.N = normal force.
As perdas por atrito viscoso (decorrentes da movimentação relativa entre o pistão e o cilindro na presença de um filme espesso de óleo lubrificante) seguem a seguinte equa- ção:Viscous friction losses (due to relative movement between the piston and cylinder in the presence of a thick film of lubricating oil) follow the following equation:
Pot = cte x f (ε) x (η x U2 x Α) / cPot = cte x f (ε) x (η x U2 x Α) / c
sendobeing
Pot = potência gerada pelo atrito; U = velocidade relativa entre as superfícies;Pot = power generated by friction; U = relative velocity between surfaces;
η = viscosidade absoluta do óleo;η = absolute viscosity of the oil;
A = área de contato;A = contact area;
c = folga radial entre as superfícies; ec = radial clearance between surfaces; and
□ = relação de excentricidade entre pistão e cilindro.□ = eccentricity ratio between piston and cylinder.
Para reduzir essas perdas mecânicas, são conhecidas da técnica soluções que en- volvem manufaturar os componentes ou recobrir as superfícies do pistão ou cilindro com materiais de baixo coeficiente de atrito.To reduce these mechanical losses, solutions are known in the art which involve manufacturing the components or covering the piston or cylinder surfaces with low coefficient of friction materials.
Embora tais soluções possam resultar em melhoria na redução das perdas mecâni- cas, seu impacto no processo de fabricação, no custo do produto final e no desempenho operacional podem tornar tais soluções pouco atrativas.While such solutions may result in improved mechanical loss reduction, their impact on the manufacturing process, end product cost and operational performance may render such solutions unattractive.
Outras soluções já desenvolvidas envolvem a alteração da geometria das peças componentes para alcançar a diminuição do atrito.Other solutions already developed involve changing the geometry of component parts to achieve reduced friction.
Esse tipo de solução é conhecido, por exemplo, dos documentos US 6,928,921 e Pl 0503019-6.Such a solution is known, for example, from US 6,928,921 and Pl 0503019-6.
O documento US 6,928,921 descreve um pistão com duas guias laterais axiais que substituem o mancai da saia do pistão, reduzindo, assim, a área lateral do pistão. A redução da área lateral, por sua vez, reduz a perda mecânica decorrente do atrito viscoso.US 6,928,921 describes a piston with two axial side guides replacing the piston skirt bearing, thereby reducing the piston side area. Reducing the lateral area, in turn, reduces the mechanical loss due to viscous friction.
A solução do documento US 6,928,921 possui, entretanto, um inconveniente asso- ciado com sua fabricação, onde existe a necessidade de usinagem do pistão em operação de "mergulho" da ferramenta com giro parcial do pistão (ou seja, para formar as guias axiais é necessário usinar o rebaixo enquanto promove-se um giro parcial do pistão), por exemplo. Essa operação, que pode ser realizada com uma retifica cilíndrica, além de onerar o custo do pistão, acaba tornando mais complexa e, consequentemente, menos produtiva, sua fa- bricação.However, the solution of US 6,928,921 has a drawback associated with its manufacture, where there is a need for piston machining in "plunging" operation of the tool with partial piston turning (ie to form the axial guides is necessary). the undercut while machining a partial piston turn), for example. This operation, which can be performed with a cylindrical grinding, in addition to burdening the cost of the piston, ends up making its manufacture more complex and, consequently, less productive.
O documento Pl 0503019-6 descreve uma solução baseada no aumento gradativo da folga radial entre pistão e cilindro, através da introdução de uma região cônica em parte do comprimento total do cilindro. Com esse aumento gradativo da folga radial entre pistão e cilindro, a perda mecânica viscosa é reduzida.Pl 0503019-6 describes a solution based on the gradual increase of the radial clearance between piston and cylinder by introducing a conical region in part of the total cylinder length. With this gradual increase in radial clearance between piston and cylinder, the viscous mechanical loss is reduced.
Embora a solução do Pl 0503019-6 tenha se mostrado eficiente em reduzir a perda mecânica viscosa, ainda permanece a necessidade por uma solução que permita uma me- lhoria dessa redução, e uma conseqüente melhora da performance do compressor.Although the solution of Pl 0503019-6 has been shown to be effective in reducing viscous mechanical loss, there remains a need for a solution that will improve this reduction and consequently improve compressor performance.
Objetivos da InvençãoObjectives of the Invention
Assim, é um dos objetivos da presente invenção prover uma solução capaz de re- duzir as perdas mecânicas associadas aos componentes móveis de um compressor, e, es- pecialmente, uma solução capaz de reduzir as perdas mecânicas geradas pelo atrito e mo- vimento relativo entre o pistão e o cilindro do compressor. Sumário da InvençãoThus, it is an object of the present invention to provide a solution capable of reducing the mechanical losses associated with the moving components of a compressor, and especially a solution capable of reducing the mechanical losses generated by friction and relative movement. between the piston and the compressor cylinder. Summary of the Invention
A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de um cilindro de com- pressão para um compressor alternativo que compreende uma extremidade aberta para recepção de um pistão reciprocante e uma superfície interna com pelo menos duas áreas rebaixadas espaçadas formadas próximas à extremidade aberta.The present invention achieves the above objects by means of a reciprocating compressor compression cylinder comprising an open end for receiving a reciprocating piston and an inner surface with at least two spaced recessed areas formed near the open end.
Preferencialmente, as áreas rebaixadas espaçadas são diametralmente opostas, de modo a formar guias axiais para o pistão.Preferably, the spaced recessed areas are diametrically opposed to form axial guides for the piston.
Em uma concretização alternativa da presente invenção, a parede lateral do cilindro possui um rasgo que se estende a partir da extremidade aberta, e a superfície interna do cilindro compreende ainda pelo menos uma área rebaixada espaçada do rasgo e formada próxima à extremidade aberta do cilindro.In an alternate embodiment of the present invention, the cylinder sidewall has a slot extending from the open end, and the inner surface of the cylinder further comprises at least one spaced recessed area of the slot and formed near the open end of the cylinder.
Preferencialmente, o rasgo e a área rebaixada espaçada são diametralmente opos- tos, de modo a formar guias axiais para o pistão.Preferably, the tear and the spaced recessed area are diametrically opposed to form axial guides for the piston.
Descrição Resumida dos DesenhosBrief Description of the Drawings
As figuras mostram:The figures show:
Figura 1 - A figura 1 ilustra uma vista esquemática em corte mostrando um com- pressor de refrigeração alternativo convencional;Figure 1 - Figure 1 illustrates a schematic sectional view showing a conventional reciprocating refrigeration compressor;
Figura 2 - A figura 2 ilustra uma vista frontal de uma concretização preferencial do cilindro de compressão de acordo com a presente invenção;Figure 2 - Figure 2 illustrates a front view of a preferred embodiment of the compression cylinder according to the present invention;
Figura 3 - A figura 3 ilustra uma vista do corte transversal A-A ilustrado na figura 2;Figure 3 - Figure 3 shows a cross-sectional view A-A shown in Figure 2;
Figura 4 - A figura 4 ilustra uma vista esquemática de regiões de alivio formadas em um cilindro de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção;Figure 4 - Figure 4 illustrates a schematic view of relief regions formed in a cylinder in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
Figura 5 - A figura 5 ilustra uma vista em corte de uma concretização alternati- va de cilindro de compressão de acordo com a presente invenção;Figure 5 - Figure 5 illustrates a cross-sectional view of an alternate compression cylinder embodiment according to the present invention;
Figura 6 - A figura 6 ilustra uma vista do corte transversal T-T ilustrado na figura 5;Figure 6 - Figure 6 illustrates a cross-sectional view T-T shown in Figure 5;
Figura 7 - A figura 7 ilustra uma vista em corte de uma outra concretização al- ternativa de cilindro de compressão de acordo com a presente invenção;Figure 7 - Figure 7 shows a cross-sectional view of another alternative compression cylinder embodiment according to the present invention;
Figura 8 - A figura 8 ilustra uma vista do corte transversal C-C ilustrado na figura 7.Figure 8 - Figure 8 illustrates a cross-sectional view C-C shown in Figure 7.
Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention
A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nos exemplos de execução representados nos desenhos. Embora a descrição detalhada utilize como exemplo um compressor alternativo para a refrigeração, deve se entendido que os princípios da presente invenção podem ser aplicados a qualquer tipo, tamanho ou configu- ração de compressor alternativo.The present invention will hereinafter be described in more detail based on the exemplary embodiments shown in the drawings. While the detailed description uses as an alternative reciprocating compressor for refrigeration, it should be understood that the principles of the present invention may be applied to any reciprocating compressor type, size or configuration.
A figura 1 mostra um compressor de refrigeração alternativo convencional. Esse compressor compreende uma carcaça hermética 1, um conjunto motor-compressor tendo um bloco de cilindro 2 onde é definido um cilindro 3 tendo um pistão 10 reciprocante no inte- rior do cilindro 3. O cilindro 3 apresenta uma extremidade 3a fechada por um cabeçote de cilindro 20. Conforme sabido por aqueles versados na técnica, nos compressores alternati- vos dos tipos usados em refrigeradores, condicionadores de ar e demais sistemas de refri- geração, o pistão 10 realiza um movimento alternativo dentro do cilindro 3 gerando uma câmara de compressão 3b definida pela superfície interna do cilindro de compressão 3, pela face superior 11 do pistão 10 e pela face inferior 3a da placa de válvulas 8.Figure 1 shows a conventional reciprocating refrigeration compressor. Such a compressor comprises an airtight housing 1, a motor-compressor assembly having a cylinder block 2 wherein a cylinder 3 having a reciprocating piston 10 within cylinder 3 is defined. Cylinder 3 has an end 3a closed by a cylinder head. cylinder 20. As known to those skilled in the art, in reciprocating compressors of a kind used in refrigerators, air conditioners, and other refrigeration systems, piston 10 performs an alternate movement within cylinder 3 generating a compression chamber 3b. defined by the inner surface of the compression cylinder 3, the upper face 11 of the piston 10 and the lower face 3a of the valve plate 8.
Os demais componentes e funcionamento do compressor ilustrado na figura 1 são bem conhecidos daqueles versados da técnica e, portanto, não serão aqui detalhados.The other components and operation of the compressor illustrated in Figure 1 are well known to those skilled in the art and therefore will not be detailed here.
De modo a diminuir as perdas mecânicas associadas com o atrito entre o cilindro 3 e o pistão 10, a presente invenção propõe a criação de áreas de alívio na superfície interna do cilindro 3.In order to decrease the mechanical losses associated with friction between cylinder 3 and piston 10, the present invention proposes the creation of relief areas on the inner surface of cylinder 3.
Assim, as figuras 2 e 3 mostram uma primeira concretização do cilindro 3 da pre- sente invenção, onde áreas de alívio 4 são proporcionadas na superfície interna do cilindro 3, próximo a extremidade aberta desse cilindro.Thus, Figures 2 and 3 show a first embodiment of cylinder 3 of the present invention, where relief areas 4 are provided on the inner surface of cylinder 3, near the open end of that cylinder.
As áreas de alivio 4 compreendem, preferencialmente rebaixos 4 usinados na su- perfície interna do cilindro 3. Conforme pode ser melhor observado na figura 3, os rebaixos 4 acabam formando guias axiais 7 para o pistão, sendo tais guias resultantes das porções "não rebaixadas" da superfície interna do cilindro.The relief areas 4 preferably comprise recesses 4 machined on the inner surface of the cylinder 3. As can best be seen from figure 3, the recesses 4 end up forming axial guides 7 to the piston, such guides resulting from the "non-recessed portions". "of the inner surface of the cylinder.
Preferencialmente, os rebaixos 4 podem ser usinados pelo deslocamento de uma ferramenta de usinagem (por exemplo, uma fresa, alargador ou brunidor) em uma direção transversal ao eixo geométrico do cilindro, preferencialmente em uma etapa anterior ao a - cabamento final do cilindro. A ferramenta pode ter, por exemplo, um formato cilíndrico ou cônico, e um diâmetro levemente inferior ao diâmetro do cilindro, bastando um pequeno deslocamento transversal ao eixo para realizar a usinagem.Preferably, the recesses 4 may be machined by displacing a machining tool (e.g., a milling cutter, reamer or sharpener) in a direction transverse to the geometric axis of the cylinder, preferably in a step prior to the final seating of the cylinder. For example, the tool may have a cylindrical or conical shape and a diameter slightly smaller than the diameter of the cylinder, with a slight transverse displacement of the axis to perform machining.
Nesse sentido, para evitar a formação de degraus e ou cantos vivos na região de transição entre a superfície do cilindro e as áreas de alivio 4, o deslocamento transversal da ferramenta de usinagem pode ser realizado em combinação com um movimento angular, gerando áreas de alivio como aquelas mostradas na figura 4, onde as regiões tracejadas mostradas na figura representam áreas removidas da superfície interna do cilindro 3 para a formação das áreas de alivio.In this sense, to prevent the formation of steps and or sharp corners in the transition region between the cylinder surface and the relief areas 4, the transverse displacement of the machining tool can be performed in combination with an angular movement, generating relief areas. like those shown in figure 4, where the dotted regions shown in figure represent areas removed from the inner surface of cylinder 3 for forming relief areas.
Deve ser ressaltado que as áreas de alívio 4 podem ser geradas já no processo primário de obtenção do bloco de cilindro (normalmente referenciado com bloco bruto), co- mo o processo de fundição, podendo ser executados por usinagem apenas os processos de acabamento superficial.It should be noted that the relief areas 4 can already be generated in the primary process of obtaining the cylinder block (usually referred to as the raw block) as the casting process, and only surface finishing processes can be performed by machining.
Conforme sabido por aqueles versados na técnica, algumas soluções de constru- ção de compressores envolvem a montagem de bielas inteiriças sobre a porção excêntrica do eixo de manivela. Para essas construções, é conhecida da técnica a provisão de um ras- go axial em parte da superfície lateral do cilindro destinado a viabilizar a montagem desta biela inteiriça. Esse tipo de solução é descrita, por exemplo, no documento US 4,406,590.As is well known to those skilled in the art, some compressor construction solutions involve mounting one-piece connecting rods on the eccentric portion of the crankshaft. For such constructions, it is known in the art to provide an axial groove in part of the lateral surface of the cylinder to enable the assembly of this one rod. This type of solution is described, for example, in US 4,406,590.
Assim, em uma concretização alternativa da presente invenção, mostrada nas figu- ras 5 e 6, uma área de alivio 6 é formada em uma região diametralmente oposta ao rasgo 5 de montagem da biela. A área de alivio 6 compreende preferencialmente um rebaixo com as mesmas características dos rebaixos que formam as áreas de alivio 4 da concretização mostrada nas figuras 2 e 3.Thus, in an alternative embodiment of the present invention, shown in Figures 5 and 6, a relief area 6 is formed in a region diametrically opposite to the connecting rod groove 5. The relief area 6 preferably comprises a recess having the same characteristics as the recesses forming the relief areas 4 of the embodiment shown in figures 2 and 3.
As figuras 7 e 8 mostram ainda outra concretização da presente invenção, onde o rasgo 5 da concretização das figuras 5 e 6 foi combinado com um rebaixo usinado na super- fície interna do cilindro, formando uma guia axial de menor largura na superfície interna do cilindro (vide figura 8).Figures 7 and 8 show yet another embodiment of the present invention, wherein the tear 5 of the embodiment of figures 5 and 6 has been combined with a recess machined on the inner surface of the cylinder, forming a smaller width axial guide on the inner surface of the cylinder. (see figure 8).
O alívio 6, mostrado nas concretizações das figuras 6, 7 e 8, também possui a fun- ção de aumentar a estabilidade no processo de usinagem. Assim, mesmo que a solução de montagem do compressor não envolva uma biela inteiriça, a concretização da presente in- venção que compreende um rasgo e um rebaixo pode ser utilizada com a intenção de facili- tar o processo de usinagem, principalmente naqueles processos envolvendo operações de acabamento superficial.The relief 6, shown in the embodiments of figures 6, 7 and 8, also has the function of increasing stability in the machining process. Thus, even if the compressor mounting solution does not involve an integral connecting rod, the embodiment of the present invention comprising a tear and a recess can be used with the intention of facilitating the machining process, especially in those processes involving operations. surface finish.
Finalmente deve ser ressaltado que a solução proporcionada pela presente inven- ção pode ser combinada com as demais soluções conhecidas da técnica, obtendo uma re- dução ótima de perdas mecânicas. Nesse sentido, as áreas de alivio previstas pela presente invenção poderiam ser aplicadas em um cilindro com conicidade como aquele descrito no documento Pl 0503019-6.Finally, it should be emphasized that the solution provided by the present invention can be combined with other solutions known in the art, obtaining an optimum reduction of mechanical losses. Accordingly, the relief areas provided by the present invention could be applied to a tapered cylinder as described in P1503019-6.
Deve ser entendido que a descrição fornecida com base nas figuras acima se refe- re apenas a concretizações possíveis para o cilindro compressor e compressor hermético da presente invenção, sendo que o real escopo do objeto da invenção encontra-se definido nas reivindicações apensas.It is to be understood that the description provided on the basis of the above figures refers only to possible embodiments for the hermetic compressor and compressor cylinder of the present invention, and the actual scope of the object of the invention is defined in the appended claims.
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Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 20 (VINTE) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 02/03/2010, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS. |
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