ES2982244T3 - Sello de varilla de pistón - Google Patents

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Abstract

Un objeto principal de la presente invención es revelar una unidad de sellado de vástago de pistón que soluciona los problemas que se han mencionado en las divulgaciones de la técnica anterior. La invención es un sistema de sellado de vástago de pistón (0) con una unidad de sellado (9), para evitar fugas de gas desde una cámara de alta presión (4) a un volumen de baja presión (6), y evitar fugas de un lubricante desde dicho volumen de baja presión (6) a dicha cámara de alta presión (4), a lo largo de un vástago de pistón (1) que se extiende a través de dichas cámaras (4, 6), comprendiendo dicha unidad de sellado (9), - un casquillo deformable (10, 21, 26) dispuesto para ser presionado contra dicho vástago de pistón (1) por uno o más elementos de compresión (15, 22, 27), - un lubricante (F) entre el vástago de pistón (1) y el casquillo (10, 21, 26), estando dispuesta dicha unidad de sellado (9) entre, - una estructura de soporte (8) en el volumen de baja presión (6) con una superficie deslizante plana (8a) orientada hacia dicha unidad de sellado (9), - y una pared (7) de dicha cámara de alta presión (4), - un sello plano (16) que constituye un sello entre el sello unidad (9) y dicha pared (7), dicha junta plana (16) dispuesta en una ranura (13b, 24a, 26e) en dicha unidad de sellado (9), dicha ranura abierta hacia dicha pared (7), o dicha junta plana (16) dispuesta en una ranura en la pared (7), dicha ranura abierta hacia dicha unidad de sellado (9) en donde, - dicha unidad de sellado (9) tiene un área de superficie hacia dicha pared (7) entre dicho vástago de pistón (1) y dicha junta plana (16) menor que el área de deslizamiento entre dicha unidad de sellado (9, 12b, 25a, 28a) y la superficie de deslizamiento plana (8a), y - dicha unidad de sellado (9) está soportada por dicha superficie de deslizamiento plana (8a) en el lado de baja presión, y dicha unidad de sellado (9) está en contacto deslizante con dicha superficie (7a) de la pared (7), la longitud (L') de dicha unidad de sellado (9) es menor que la longitud (L) entre la estructura de base (8) y la pared (7) permitiendo el movimiento transversal de la unidad de sellado (9) a lo largo de la superficies deslizantes (7a, 8a). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sello de varilla de pistón
[0001] La invención se refiere a una unidad de sellado de varilla de pistón, que rodea una varilla de pistón reciprocante, que pasa a través de una abertura en una pared que separa un volumen de gas de alta presión y un volumen de baja presión. La unidad de sellado de la varilla del pistón está diseñada para evitar la fuga de gas desde el volumen de gas a alta presión en un lado de la unidad de sellado, al volumen de baja presión en el otro lado de dicha unidad, mientras que al mismo tiempo se evita la fuga de lubricante desde el volumen de baja presión al volumen de alta presión.
TÉCNICA ANTERIOR
[0002] Un sello de varilla de pistón de este tipo ha sido incluido en US 4251081. Esta patente describe un sello de varilla de pistón que comprende una glándula plásticamente deformable adaptada para rodear una varilla de pistón reciprocante. En dicho dispositivo conocido, la glándula se comprime axialmente a través de elementos cónicos, proporcionando una fuerza radial dirigida hacia adentro en la glándula hacia la varilla del pistón. Sin embargo, la varilla del pistón - cuya fuga debe ser evitada - normalmente está guiada en sus dos extremos, uno de los cuales lleva el pistón mientras que el otro lleva una cruceta. La estructura que proporciona esta guía permitirá inevitablemente pequeños movimientos transversales de la varilla del pistón en relación con el eje de la abertura en la pared a través de la cual pasa la varilla. Esto se deberá a los juegos radiales entre el pistón y la cruceta y sus superficies de guía, así como a las oscilaciones armónicas en la propia varilla del pistón. Cualquier movimiento transversal de las superficies cónicas a través de las cuales se transmite la fuerza axial sobre la glándula causará una fuga de gas no deseada.
[0003] Otro sello de varilla de pistón de este tipo ha sido incluido en el documento US 4832352. Esta patente describe un sello de varilla de pistón que permite pequeños movimientos radiales de la varilla de pistón y la superficie de sellado en relación con la abertura en la pared del volumen de alta presión. Sin embargo, la solución de sellado depende de la deformación elástica y plástica de la glándula, lo que limita la magnitud de los movimientos radiales permitidos. En una máquina reciprocante, la separación diametral típica entre la cruceta y la superficie de guía es del 0,2 % del radio, y el pistón típico de tales máquinas que se benefician de un sello que impide que el lubricante entre en el cilindro, es guiado por cojinetes hechos de compuestos de polímeros, que tienen tolerancias de desgaste en la región del 0,2 al 1 % del radio. Cuando la varilla del pistón se comprime, se introduce algún nivel de flexión, lo que incluso puede llevar a una oscilación armónica en la varilla del pistón. Los movimientos radiales de la varilla del pistón pueden entonces exceder el 0,5 % del diámetro del cilindro, y como el diámetro típico de la varilla del pistón puede ser 1/5 del diámetro del cilindro, el movimiento radial de la varilla del pistón puede estar en la región del 2-3 % del diámetro de la varilla del pistón. La deformación radial de esta magnitud conducirá a altos niveles de estrés y amplitudes de estrés en la glándula, lo que reducirá la vida útil de la glándula descrita en la técnica anterior, y los niveles de estrés también conducirán a una fuerza desigual en la glándula que puede reducir el rendimiento de sellado del sello de la varilla del pistón.
[0004] Otro sello de varilla de pistón de este tipo ha sido propuesto en el informe 'Automotive Stirling Engine Mod II Design Report' por Noel P. Nightingale. El informe describe un sello de varilla de pistón del mismo tipo que en el documento US 4251081, donde la glándula de sellado está colocada entre dos elementos cónicos. En el lado de alta presión de la glándula, el elemento cónico es presionado contra la glándula por un resorte, y de otro modo es libre de moverse en todas las direcciones. En el lado de baja presión de la glándula, el elemento cónico está soportado por una superficie deslizante plana, para permitir que el elemento sea desplazado por los movimientos de la varilla del pistón. Se proporciona una junta tórica para sellar entre el elemento cónico y la superficie deslizante. Sin embargo, la solución de sellado depende de pequeños movimientos entre el elemento cónico en el lado de baja presión de la glándula y la superficie deslizante plana. La superficie de contacto entre las dos partes está expuesta tanto a la presión del gas, que actúa sobre el área entre la junta tórica y la superficie de la varilla del pistón, como a la fuerza del resorte, que actúa sobre el conjunto de la glándula y los elementos cónicos. La junta tórica también reduce el área efectiva de soporte de carga. La carga total sobre la superficie deslizante es significativa, e incluso con pequeños movimientos de la varilla del pistón y la unidad de sellado, la fricción provocará una carga desigual de la glándula de sellado, lo que puede reducir el rendimiento de sellado. La presión de contacto entre el elemento cónico y la superficie deslizante provocará desgaste en la superficie de contacto, y el desgaste puede ocurrir en ambas partes, lo que llevará a surcos en la superficie deslizante, que pueden impedir el movimiento radial del elemento cónico. Cuando se impide el movimiento radial del elemento cónico, los movimientos de la varilla del pistón pueden provocar una carga desigual de la glándula y movimiento entre las superficies cónicas de la glándula y el elemento cónico, lo que a su vez provocará una fuga de gas no deseada. Además, las partículas de desgaste pueden contaminar el fluido del proceso y el lubricante entre la glándula y la varilla del pistón. Este tipo de sello también se describe en el documento CN 201696163U.
[0005] Otro conjunto de sello de varilla de pistón se muestra en US 8516813. Esta patente describe un conjunto de sello de varilla de pistón, en el cual la glándula de sellado está soportada por un elemento cónico que se permite deslizar contra una superficie plana pulida, sobre una arandela hecha de PI (Poliimida). Esta solución es una mejora sobre el sello propuesto en el informe Automotive Stirling Engine Mod II Design Report', en el que se utiliza una combinación de materiales con propiedades de cojinetes de deslizamiento en seco. La solución de sellado también utiliza dos resortes axiales. Sin embargo, la arandela debe transferir tanto la fuerza de la presión que actúa sobre el área entre la junta tórica y la varilla del pistón, como la fuerza de los resortes, y esto provocará fricción, lo que llevará a una carga desigual de la glándula del sello, lo que puede reducir el rendimiento de sellado.
[0006] Las soluciones del estado de la técnica comprenden una glándula deformable plásticamente con una superficie cilíndrica que se presiona contra una varilla de pistón por una fuerza radial. Una película lubricante se dibuja entre las superficies adyacentes de la varilla del pistón y la glándula de sellado, y forma una barrera líquida contra la fuga de gas a lo largo de la varilla del pistón. Las glándulas de las soluciones del estado de la técnica se muestran con una superficie cónica que se extiende desde la superficie cilíndrica de la glándula en el lado de gas a alta presión de la glándula, ubicada fuera de la parte de la glándula expuesta a fuerzas radiales. La función de la cual es acumular cualquier aceite que pase entre la glándula y la varilla del pistón en la dirección hacia el gas de alta presión entre la superficie cónica y la varilla del pistón. La forma de cuña creada entre la superficie cónica y la varilla del pistón causa un efecto de bombeo durante el movimiento oscilante de la varilla del pistón que invierte el flujo de aceite hasta que se obtiene un equilibrio entre el flujo de aceite en las dos direcciones.
[0007] Todas las soluciones anteriores muestran un segundo elemento de sellado en el lado de alta presión del elemento de sellado principal. El propósito de lo cual es mantener una presión de gas uniforme entre los elementos de sellado principal y secundario, mientras que la presión de gas en el cilindro puede variar debido al proceso en el cilindro. Otro propósito del segundo elemento de sellado puede ser mantener una temperatura casi constante y posiblemente diferente entre los elementos de sellado, de la temperatura del cilindro. El segundo elemento de sellado puede omitirse, según el documento US 4251081.
[0008] El objeto de la invención es proporcionar un sello de varilla de pistón que permita el movimiento radial de la varilla de pistón en relación con la abertura en la pared a través de la cual se mueve la varilla de pistón, mientras se mantiene la función de sellado.
[0009] Otro objeto de la invención es proporcionar un sello de varilla de pistón que experimente menos desgaste al hacerlo, que las soluciones de la técnica anterior, y mantenga la función de sellado durante más tiempo, que las soluciones de la técnica anterior.
[0010] Otro objeto de la invención es proporcionar un sello de varilla de pistón con menos fricción que las soluciones de la técnica anterior, debido a superficies deslizantes mejoradas y cargas más bajas.
[0011] Un objeto adicional de la invención es proporcionar una solución alternativa a las soluciones de la técnica anterior.
BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN
[0012] Un objeto principal de la presente invención es divulgar una unidad de sellado de varilla de pistón que resuelve los problemas que se han mencionado en las divulgaciones de la técnica anterior. La invención es un sistema de sellado de varilla de pistón (0) con una unidad de sellado (9), para prevenir fugas de gas desde una cámara de alta presión (4) a un volumen de baja presión (6), y prevenir fugas de un lubricante desde dicho volumen de baja presión (6) a dicha cámara de alta presión (4), a lo largo de una varilla de pistón (1) que se extiende a través de dichas cámaras (4, 6) dicha unidad de sellado (9) que comprende:
- una glándula deformable (10,21,26) dispuesta para ser presionada contra dicha varilla de pistón (1 ) por uno o más elementos de compresión (15, 22, 27),
- un lubricante (F) entre la varilla del pistón (1) y la prensa estopas (10, 21,26)
dicha unidad de sellado (9) dispuesta entre,
- una estructura de soporte (8) en el volumen de baja presión (6) con una superficie deslizante plana (8a) orientada hacia dicha unidad de sellado (9),
- y una pared (7) de dicha cámara de alta presión (4),
- un sello plano (16) que constituye un sello entre la unidad de sellado (9) y dicha pared (7), dicho sello plano (16) dispuesto en una ranura (13b, 24a, 26e) en dicha unidad de sellado (9), dicha ranura abierta hacia dicha pared (7), o dicho sello plano (16) dispuesto en una ranura en la pared (7), dicha ranura abierta hacia dicha unidad de sellado (9) en donde,
- dicha unidad de sellado (9) tiene una superficie hacia dicha pared (7) entre dicha varilla de pistón (1) y dicho sello plano (16) más pequeña que el área deslizante entre dicha unidad de sellado (9, 12b, 25a, 28a) y la superficie deslizante plana (8a), y
- dicha unidad de sellado (9) está soportada por dicha superficie deslizante plana (8a) en el lado de baja presión, y dicha unidad de sellado (9) está en contacto deslizante con dicha superficie (7a) de pared (7), la longitud (L') de dicha unidad de sellado (9) es menor que la longitud (L) entre la estructura base (8) y la pared (7) permitiendo el movimiento transversal de la unidad de sellado (9) a lo largo de las superficies deslizantes (7a, 8a).
[0013] Además, la invención es un método de sellado de una varilla de pistón (1) para evitar la fuga de gas desde una cámara de alta presión (4) con una pared (7) a un volumen de baja presión (6) con una estructura de soporte (8) que tiene una superficie deslizante (8a), y evitar la fuga de un lubricante desde dicho volumen de baja presión (6) a dicha cámara de alta presión (4), a lo largo de dicha varilla de pistón (1) que se extiende a través de dichas cámaras (4, 6), comprende una unidad de sellado (9) con una carcasa (11, 23, 28) dispuesta entre dichas dos cámaras (4, 6) y colocada concéntricamente a dicha varilla de pistón (1 ), donde el método comprende lo siguiente:
- un sello plano (16) constituye un sello entre dicha unidad de sellado (9) y dicha pared (7),
- una glándula deformable (10 , 21 , 26) está dispuesta para ser presionada contra dicha varilla de pistón (1 ) por uno o más elementos de compresión (15, 22, 27),
- se inyecta lubricante (F) entre la varilla de pistón (1) y la glándula (10, 21, 26),
- dicho sello plano (16) que define un área de superficie hacia dicha pared (7) entre dicha varilla de pistón (1) y dicho sello plano (16) es más pequeño que una superficie definida por las superficies adyacentes de dicha unidad de sellado (9, 12b, 25a, 26c, 28a) y dicha superficie deslizante (8a), y
- dicha unidad de sellado (9) está soportada por dicha superficie deslizante plana (8a) en el lado de baja presión, y dicho sello plano (16) está en contacto deslizante con dicha superficie (7a) de pared (7), la longitud (L') de dicha unidad de sellado (9) es menor que la longitud (L) entre la estructura base (8) y la pared (7) permitiendo un movimiento transversal de la unidad de sellado (9) a lo largo de las superficies deslizantes (7a, 8a).
LEYENDAS DE LAS FIGURAS
[0014]
La Figura 1 es una vista en sección transversal de un cilindro de máquina de pistón alternativo de diseño típico, que muestra la posición de la unidad de sellado de la varilla del pistón.
La Figura 2 es una vista en sección transversal a través de una unidad de sellado de varilla de pistón según una realización de la invención.
La Figura 3 es una vista transversal a través de una unidad de sellado de varilla de pistón según otra realización de la invención.
La Figura 4 es una vista transversal a través de una unidad de sellado de varilla de pistón según otra realización de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS FIGURAS Y REALIZACIONES DE LA INVENCIÓN
[0015] La invención se describirá a continuación y se explicarán las realizaciones de la invención con referencia a los dibujos adjuntos.
[0016] La Figura 1 muestra una varilla de pistón (1), conectada a una cruceta (2) y a un pistón (3). El pistón (3) se coloca en una cámara de alta presión (4), que puede ser un cilindro, y es guiado por una pared (4a) de la cámara de alta presión (4). Otra pared (7) de la cámara de alta presión se muestra como una parte integral de la pared (4a). En otra realización de la invención, la pared (7) puede ser una parte separada, atornillada o fijada a la pared (4a). El crucero (2) está guiado por una superficie de guía (5) en un volumen lubricado de baja presión (6). La superficie de guía (5) puede ser parte de un cárter u otra estructura fija. En otra realización de la invención, dicha superficie de guía puede ser una superficie de la misma parte que la pared (7). Se muestra una estructura de soporte (8) entre la pared (7) y la superficie de guía (5). Dicha estructura de soporte puede ser una parte distinta, fijada a un cárter, la pared (7), la superficie de guía (5) o ambos, o puede estar integrada en cualquiera de estas partes. La varilla del pistón (1) se mueve a través de (de manera oscilante) una abertura en la pared (7) de la cámara de alta presión, y una abertura en la estructura de soporte (8) en el volumen de baja presión. Una unidad de sellado (9) se coloca alrededor de la varilla del pistón (1), entre una superficie plana (7a) de la pared de la cámara de alta presión (7) y una superficie plana (8a) de la estructura de soporte (8). Un volumen (6a) entre la pared de la cámara y la estructura de soporte, puede estar conectado al volumen de baja presión (6). En otra realización de la invención, el volumen (6a) puede ser un volumen separado.
[0017] La figura 2 muestra la varilla del pistón (1) y la unidad de sellado (9) de la figura 1 con más detalle. La unidad de sellado se coloca alrededor de la varilla del pistón (1), entre una superficie plana (7a) de una pared de la cámara de alta presión (7) y una superficie plana (8a) de una estructura de soporte (8). La distancia entre la superficie (7a) y la superficie (8a), (L) es mayor que la longitud axial (L') de la unidad de sellado (9), de modo que dicha unidad de sellado es libre de moverse tanto en la dirección transversal con respecto al movimiento de la varilla del pistón, como también en un pequeño grado en la dirección axial. El pequeño movimiento en la dirección axial es suficiente para permitir la formación de una película lubricante entre la unidad de sellado (9) y la superficie plana (8a), y para permitir la posibilidad de diferentes expansiones térmicas de los componentes durante la operación. La diferencia entre (L) y (L') puede estar en la región de 0,1 a 0,2 mm.
[0018] Una glándula de sellado (10), se coloca en una carcasa de sellado (11), que puede consistir en una parte inferior (12) y una parte superior (13). La glándula está colocada entre una superficie cónica (12a) de la parte inferior de la carcasa, y una superficie cónica (14a) de una guía de resorte (14). La glándula (10) puede estar dispuesta con dos superficies cónicas (10c, 10d). La guía del resorte (14) está presionada contra la glándula (10) por un resorte precargado (15), dicho resorte (15) está montado concéntricamente con la guía del resorte (14) y entre una pared interior (13a) de la parte superior de la carcasa y la parte inferior (12). La fuerza del resorte (15) se transfiere a la glándula (10) a través de las superficies cónicas (12a, 14a) entre la glándula (10) y la parte inferior de la carcasa (12) y la guía del resorte (14), presionando una superficie cilíndrica (10a) de la glándula (10) contra la varilla del pistón (1). La fuerza del resorte (15) también presiona la glándula (10) contra la superficie cónica de la parte inferior de la carcasa (12), creando una superficie de sellado. Una carcasa distinta (11) hace posible fabricar la unidad de sellado (9) a una longitud precisa (L'), y también hace posible evitar que la fuerza axial del resorte (15) cree fricción entre la unidad de sellado (9) y la pared (7) y la estructura de soporte (8).
[0019] Se coloca una junta tórica (16) en una ranura (13b) de la carcasa (11), contra la superficie plana de la pared de la cámara (7). La fuga de gas desde un volumen interno (17) de la unidad de sellado hacia los volúmenes de baja presión (6) y (6a) se previene de esta manera. El lubricante se suministra a través de un conducto (8b) en la estructura de soporte, a un espacio (8c) entre la estructura de soporte, la varilla del pistón (1) y la carcasa del sello (11). El propósito de dicho suministro de lubricante es mantener una película de lubricante entre la varilla del pistón (1 ) y la glándula (10), para actuar como una barrera contra la fuga de gas desde la cámara de alta presión (4). El conducto separado (8b) puede omitirse si se proporciona lubricante en cantidades suficientes en la superficie de la varilla del pistón (1 ) por otros medios, por ejemplo, salpicando internamente dentro de un cárter mediante bielas o similares. A medida que la varilla del pistón se mueve a través de los prensaestopas (10) en la dirección desde el volumen de baja presión (6) al volumen de alta presión (4), se introduce lubricante en el estrecho espacio entre la varilla del pistón y la superficie cilíndrica de los prensaestopas (10a), de modo que se forma dicha película de lubricante. Cuando la glándula (10) se presiona contra la varilla del pistón (1 ), dicha brecha se hace más estrecha, y la película de lubricante se ve menos afectada por el gradiente de presión entre el volumen de alta presión (4) y el volumen de baja presión (6), que por las velocidades de las superficies y la viscosidad del lubricante. Si la glándula (10) está hecha de un compuesto deformable plásticamente como PTFE (politetrafluoroetileno), la forma de la superficie cilíndrica (10a) se adaptará al diámetro de la varilla del pistón (1 ), y la película lubricante, de tal manera que habrá un equilibrio entre la presión de la película y las fuerzas radiales que presionan la glándula (10) contra la varilla del pistón (1 ).
[0020] La unidad de sellado (9) tiene una superficie deslizante (12b) en el lado de baja presión (6) de la unidad, y dicha unidad puede moverse transversalmente de manera libre, a lo largo de la estructura de soporte (8). La superficie deslizante puede ser lubricada por lubricante del espacio (8c), de un conducto lateral (8d) del conducto de lubricante (8b), de un conducto de lubricante separado (8e) o de otras fuentes internas o externas. El lubricante puede suministrarse a una presión mayor que la presión ambiente en los volúmenes (6) y (6a), en cuyo caso la fricción que surge del movimiento transversal de la unidad de sellado se reducirá a casi cero.
[0021] La carcasa del sello (11) tiene dos aberturas: Uno está sellado por la glándula (10), y el otro está sellado por la junta tórica (16). Los dos sellos separan el volumen interno (17) de los volúmenes circundantes (6) y (6a). Los sellos tienen diferentes diámetros de sellado, el diámetro de sellado de la glándula (10) es el mismo que el diámetro de la varilla del pistón, y el diámetro de sellado de la junta tórica (16) está aproximadamente en el centro de la ranura (13b), que siempre es mayor que el diámetro de la varilla del pistón. La presión del gas del volumen interno (17) actúa sobre todas las superficies internas, así como en el área exterior de la carcasa (11 ) entre la varilla del pistón y el centro de la ranura (13b). La presión que actúa sobre un área resulta en una fuerza de presión, y la suma de todas las fuerzas de presión en la carcasa del sello, es una fuerza de presión neta, presionando la carcasa del sello contra la superficie deslizante (8a), igual al producto de la diferencia de presión entre el volumen interno (17) y los volúmenes externos (6) y (6a), multiplicado por la diferencia entre las áreas dentro de los diámetros de sellado de la glándula (10) y la junta tórica (16). Esta diferencia entre las dos áreas se conoce como el área presurizada efectiva de la unidad de sellado. Si la ranura (13a) está posicionada relativamente cerca de la varilla del pistón (1 ), la diferencia entre las áreas presurizadas es relativamente pequeña, y la fuerza de presión resultante que presiona la carcasa del sello (11 ) contra la superficie deslizante (8a) será pequeña, incluso si la diferencia de presión entre el volumen interno (17) y los volúmenes externos (6) y (6a) es grande.
[0022] La superficie deslizante (12b) puede ser mucho más grande que el área presurizada efectiva de la unidad de sellado. La fuerza de presión neta sobre la unidad de sellado se distribuirá a lo largo de toda la superficie deslizante (12b), y la carga resultante sobre dicha superficie deslizante será igual a la diferencia de presión entre el volumen interno (17) y la presión de los volúmenes externos (6) y (6a) multiplicada por la relación del área presurizada efectiva de la unidad de sellado dividida por el área de la superficie deslizante (12 b). Esta relación puede hacerse tan pequeña que la carga sobre la superficie deslizante se volverá tan baja que se podrán usar muchos tipos de superficies deslizantes. Ya sea la superficie deslizante (12 b) o la superficie plana (8a) pueden estar hechas de una aleación típica de cojinetes, por ejemplo, bronce.
[0023] La glándula (10) se ilustra con una superficie cónica (10b) que se extiende desde la superficie cilíndrica en el lado de alta presión de la glándula. La función de esta superficie cónica se describe en la técnica anterior. En otra realización de la invención, esta superficie puede realizar la misma función de bombeo con una serie de otras formas descritas en la literatura de hidrodinámica y cojinetes hidrodinámicos en particular, por ejemplo, una forma escalonada con un diámetro mayor que el diámetro del pistón por encima de la superficie cilíndrica (10a). Con el propósito de simplicidad, todas las figuras muestran glándulas con una extensión de superficie cónica.
[0024] En una realización, un segundo elemento de sellado opcional (18) puede colocarse en la pared de la cámara (7) por encima de la unidad de sellado. La pared de la cámara (7) tendrá un hueco o ranura que se adapta para una superficie correcta y estable que proporciona un ajuste funcional para el elemento de sellado. Este segundo elemento de sellado (18) está dispuesto en el lado de alta presión del elemento de sellado principal (10 , 21 , 26), donde el segundo elemento de sellado (18) está dispuesto en la pared (7), estando el segundo elemento de sellado ubicado coaxialmente con la varilla del pistón (1). El segundo elemento de sellado (18) puede estar encerrado por una cubierta distinta (20), pero la cubierta (20) puede ser parte de la pared (7). El segundo elemento de sellado (18) se presiona contra la varilla del pistón (1) mediante una junta tórica (19) que se puede colocar entre la cubierta (20) y la pared (7), donde la junta tórica ( (19) está dispuesta coaxial y radialmente en el perímetro exterior del segundo elemento de sellado (18). Esto a su vez llevará a que la junta tórica (19) ejerza una fuerza radial que presione el segundo elemento de sellado (18) contra la varilla del pistón (1). Otros medios de obtener la fuerza radial, por ejemplo, un resorte radial, pueden usarse en lugar de la junta tórica (19). La función del segundo elemento de sellado (18) es mantener una presión de gas casi constante en el volumen interno, reduciendo la fuga entre la cámara de alta presión (4), donde la presión puede variar significativamente durante cada carrera de la varilla del pistón, y el volumen interno (17) de la unidad de sellado.
[0025] La Figura 3 muestra una realización diferente de la invención, en la que la fuerza radial sobre la glándula es proporcionada por un resorte en forma de anillo, similar al resorte de la solución de la técnica anterior US 4832352. La unidad de sellado de la figura 3 tiene muchas similitudes con la unidad de sellado de la figura 2, y solo se describirán elementos similares si es necesario para comprender la figura 3.
[0026] La unidad de sellado (9) según la invención se coloca alrededor de una varilla de pistón (1), entre una superficie plana (7a) de una pared de cámara (7), y una superficie plana (8a) de una estructura de soporte (8). La pared de la cámara (7) separa una cámara de alta presión (4) de un volumen de baja presión (6). La unidad de sellado está rodeada por un volumen (6a), que puede estar conectado al volumen (6). La distancia (L) entre la superficie (7a) y la superficie (8a) es mayor que la longitud axial de la unidad de sellado (L').
[0027] Una glándula de sellado (21), se coloca en una carcasa de sellado (23), que puede consistir en una parte inferior (25) y una parte superior (24). La glándula está instalada en la carcasa de tal manera que su perímetro se mantiene en su lugar y se evita la fuga entre su perímetro y la carcasa. Una superficie cilíndrica (21a) de la glándula está presionada contra la varilla del pistón por un elemento de resorte en forma de anillo (22), creando una fuerza radial en la glándula. La distancia entre las superficies (7a) y (8a) es mayor que la carcasa (23) de la unidad de sellado, para permitir la expansión térmica y la formación de una película lubricante entre la carcasa (23) y la superficie (8a).
[0028] Se coloca una junta tórica (16) en una ranura (24a) de la carcasa, contra la superficie plana (7a) de la pared de la cámara. La fuga de gas desde un volumen interno (17) de la unidad de sellado hacia los volúmenes de baja presión (6) y (6a) se previene de esta manera.
[0029] La unidad de sellado tiene una superficie deslizante (25a) en el lado de baja presión de la unidad, y se le permite moverse transversalmente a lo largo de la estructura de soporte. La superficie deslizante puede ser lubricada por lubricante del espacio (8c) o de otras fuentes.
[0030] La Figura 4 muestra una forma de realización aún diferente de la invención, en la que la unidad de sellado del pistón está diseñada con menos piezas. La unidad de sellado de la figura 4 tiene muchas similitudes con la unidad de sellado de las figuras 2 y 3, y solo se describirán elementos similares si es necesario para comprender la figura 4.
[0031] La unidad de sellado según la invención se coloca alrededor de una varilla de pistón (1), entre una superficie plana (7a) de una pared de cámara (7), y una superficie plana (8a) de una estructura de soporte (8). La distancia (L) entre la superficie (7a) y la superficie (8a) es mayor que la longitud axial de la unidad de sellado (L').
[0032] La pared de la cámara (7) separa una cámara de alta presión (4) de un volumen de baja presión (6). La unidad de sellado está rodeada por un volumen (6a), que puede estar conectado al volumen (6).
[0033] Una glándula deformable plásticamente (26) con una superficie cilíndrica (26a) se presiona contra una varilla de pistón (1) por una serie de resortes (27) que proporcionan fuerza radial. La glándula tiene una superficie cónica (26b) que se extiende desde la superficie cilíndrica en el lado de alta presión de la glándula, fuera de la parte de la glándula expuesta a la fuerza radial. La glándula se coloca en una carcasa opcional (28) soportada por la superficie plana de la estructura de soporte. La glándula está soportada en la dirección axial por una superficie plana (26c) que descansa sobre una superficie adyacente de la carcasa, y la presión del gas que actúa sobre la glándula resultará en una fuerza axial que presiona la glándula contra la carcasa. Otra superficie plana (26d) de la glándula puede descansar sobre otra superficie adyacente de la carcasa.
[0034] Se coloca una junta tórica (16) en una ranura (26e) de la glándula, contra la superficie plana de la pared de la cámara. La fuga de gas desde un volumen interno (17) de la unidad de sellado, a los volúmenes de baja presión (6) y (6a) se evita así.
[0035] Una superficie deslizante (28a) de la carcasa en el lado de baja presión de la unidad de sellado, permite que la unidad de sellado se mueva transversalmente a lo largo de la estructura de soporte. La superficie deslizante puede ser lubricada por lubricante del espacio (8c) o de otras fuentes. En otra realización de la invención, la glándula (26) y la carcasa (28) pueden integrarse en una sola parte, y la superficie (26c) podría extenderse y deslizarse contra la superficie (8a). Esto puede resultar en una solución de sellado con menos partes que, y posiblemente un costo de producción más bajo que, la realización mostrada en la figura 4.
[0036] El lubricante se suministra a través de un conducto (8b) en la estructura de soporte, a un espacio (8c) entre la estructura de soporte, la varilla del pistón y la carcasa del sello.
[0037] En una realización de la invención, la unidad de sellado de la varilla del pistón se utiliza para prevenir la fuga de gas de un cilindro, a lo largo de una varilla de pistón en una máquina de pistón alternativo, y para prevenir la fuga de lubricante en el cilindro, a lo largo de dicha varilla de pistón. La unidad de sellado según la invención, puede ser utilizada en compresores y expansores, y en varios tipos de motores, bombas de calor y máquinas de enfriamiento. La unidad de sellado puede usarse en motores Stirling o bombas de calor de ciclo Stirling o en otros tipos de máquinas de aire caliente.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de sellado de varilla de pistón (0) con una unidad de sellado (9), para prevenir fugas, de gas desde una cámara de alta presión (4) a un volumen de baja presión (6), y prevenir fugas de un lubricante desde dicho volumen de baja presión (6) a dicha cámara de alta presión (4), a lo largo de una varilla de pistón (1), que está incluida en dicho sistema de sellado de varilla de pistón, extendiéndose a través de dichas cámaras (4, 6)
dicha unidad de sellado (9), que está incluida en dicho sistema de sellado de varilla de pistón, comprendiendo:
- una glándula deformable (10,21,26) dispuesta para ser presionada contra dicha varilla de pistón (1 ) por uno o más elementos de compresión (15, 22, 27),
- un lubricante (F) entre la varilla de pistón (1) y la glándula (10, 21,26),
dicha unidad de sellado (9) dispuesta entre,
- una estructura de soporte (8), que está incluida en dicho sistema de sellado de la varilla del pistón, en el volumen de baja presión (6) con una superficie deslizante plana (8a) orientada hacia dicha unidad de sellado (9),
- y una pared (7), que está incluida en dicho sistema de sellado de la varilla del pistón, de dicha cámara de alta presión (4),
- una junta plana (16) que constituye una junta entre la unidad de sellado (9) y dicha pared (7), dicha junta plana (16) dispuesta en una ranura (13b, 24a, 26e) en dicha unidad de sellado (9), dicha ranura abierta hacia dicha pared (7), o dicha junta plana (16) dispuesto en una ranura en la pared (7), dicha ranura abierta hacia dicha unidad de sellado (9), en donde,
- dicha unidad de sellado (9) tiene una superficie hacia dicha pared (7) entre dicha varilla de pistón (1) y dicha junta plana (16) más pequeña que el área deslizante entre dicha unidad de sellado (9, 12b, 25a, 28a) y la superficie deslizante plana (8a), y
- dicha unidad de sellado (9) está soportada por dicha superficie deslizante plana (8a) en el lado de baja presión, y dicha unidad de sellado (9) está en contacto deslizante con dicha superficie (7a) de pared (7), la longitud (L') de dicha unidad de sellado (9) es menor que la longitud (L) entre la estructura de soporte (8) y la pared (7) permitiendo el movimiento transversal de la unidad de sellado (9) a lo largo de las superficies deslizantes (7a, 8a).
2. Una unidad de sellado de varilla de pistón según la reivindicación 1, que comprende,
donde dicha superficie deslizante plana (8a) está lubricada a través de canales (8b) dispuestos en dicha estructura de soporte (8), a un espacio (8c) entre dicha estructura de soporte (8), varilla de pistón (1) y unidad de sellado (9), o a través de conductos laterales (8d) desde el canal (8b) o a través de un canal separado (8e).
3. Una unidad de sellado de varilla de pistón según la reivindicación 1 o 2, que comprende,
donde dicha glándula (10,21,26) está situada en una unidad de carcasa de sellado (11,23, 28), y donde dicha unidad de carcasa de sellado (11,23, 28) comprende una superficie deslizante plana (12b, 25a, 28a) orientada hacia dicha estructura de soporte (8) y dicha unidad de carcasa de sellado (11, 23, 28) comprende dicha junta plana (16).
4. Una unidad de sellado de varilla de pistón según la reivindicación 1,2 o 3, que comprende,
donde dicha glándula (10) está hecha con al menos una superficie cónica externa (10c) y donde dicha glándula se presiona contra una superficie cónica (12a) de dicha unidad de carcasa de sellado (11) por un resorte axial (15), dicho resorte axial (15) dispuesto coaxialmente dentro de dicha unidad de carcasa (11) para crear una fuerza radial sobre dicha glándula (10) presionando dicha glándula (10) contra dicha varilla de pistón (1 ).
5. Una unidad de sellado de varilla de pistón según la reivindicación 1, 2 o 3 que comprende,
uno o más resortes circulares (22, 27) dispuestos radialmente en el perímetro exterior de dicha glándula (21, 26), donde dichos resortes circulares (22, 27) ejercen una fuerza radial sobre dicha glándula (21, 26), siendo dicha glándula (21, 26) presionada contra dicha varilla de pistón (1 ).
6. Una unidad de sellado de varilla de pistón según la reivindicación 1, 2, 3 o 5 que comprende, donde la ranura (13b, 24a, 26e) para dicha junta plana (16) es parte de la glándula (26).
7. Una unidad de sellado de varilla de pistón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, donde la glándula (10, 21, 26) está hecha de un compuesto de PTFE (politetrafluoroetileno).
8. Una unidad de sellado de varilla de pistón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, - un segundo elemento de sellado (18) dispuesto en el lado de alta presión del elemento de sellado principal (10 , 21 , 26), dicho segundo elemento de sellado (18) dispuesto en dicha pared (7) de dicha cámara de alta presión (4), dicho segundo elemento de sellado dispuesto coaxialmente con dicha varilla de pistón (1 ), y
- dicho elemento de sellado (18) está hecho de un compuesto de PTFE (politetrafluoroetileno)
9. Una unidad de sellado de varilla de pistón según la reivindicación 8, que comprende,
- dicho segundo elemento de sellado (18) está presionado contra dicha varilla de pistón (1) por una junta tórica (19) dispuesta coaxial y radialmente en el perímetro exterior de dicho segundo elemento de sellado (18).
10. Un método de sellado de una varilla de pistón (1) para evitar la fuga de gas desde una cámara de alta presión (4) con una pared (7) a un volumen de baja presión (6) con una estructura de soporte (8) que tiene una superficie deslizante (8a), y evitar la fuga de un lubricante desde dicho volumen de baja presión (6) a dicha cámara de alta presión (4), a lo largo de dicha varilla de pistón (1) que se extiende a través de dichas cámaras (4, 6), comprende una unidad de sellado (9) con una carcasa (11, 23, 28) dispuesta entre dichas dos cámaras (4, 6) y está colocada concéntricamente a dicha varilla de pistón (1 ), donde el método comprende lo siguiente:
- una junta plana (16) constituye una junta entre dicha unidad de sellado (9) y dicha pared (7),
- una glándula deformable (10 , 21 , 26) está dispuesta para ser presionada contra dicha varilla de pistón (1 ) por uno o varios elementos de compresión (15, 22, 27),
- se inyecta lubricante (F) entre la varilla de pistón (1) y la glándula (10, 21,26),
- dicha junta plana (16) define una superficie hacia dicha pared (7) entre dicha varilla de pistón (1) y dicha junta plana (16) es menor que una superficie definida por las superficies adyacentes de dicha unidad de sellado (9, 12b, 25a, 26c, 28a) y dicha superficie deslizante (8a), y
- dicha unidad de sellado (9) está apoyada sobre dicha superficie deslizante plana (8a) en el lado de baja presión, y dicha junta plana (16) está en contacto deslizante con dicha superficie (7a) de la pared (7), la longitud (L') de dicha unidad de sellado (9) es menor que la longitud (L) entre la estructura de base (8) y la pared (7) permitiendo un movimiento transversal de la unidad de sellado (9) a lo largo de las superficies deslizantes (7a, 8a).
11. Un método de sellado de una varilla de pistón para evitar fugas de gas desde una cámara de alta presión (4) a un volumen de baja presión (6) y para evitar fugas de lubricante desde dicho volumen de baja presión (6) a dicha cámara de alta presión (4), a lo largo de una varilla de pistón (1) que se extiende a través de dichas cámaras (4, 6) unidad de sellado de varilla de pistón según la reivindicación 10, en el que dicho método se utiliza en un motor Stirling, una bomba de calor que funciona con un ciclo Stirling, una máquina de aire caliente o un compresor alternativo.
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