BRPI1105479A2

BRPI1105479A2 - piston and cylinder assembly and linear compressor

Info

Publication number: BRPI1105479A2
Application number: BRPI1105479A
Authority: BR
Inventors: Dietmar Erich Bernhard Lilie; Henrique Brüggmann Mühle
Original assignee: Whirlpool Sa
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2016-01-19
Also published as: EP2781747A1; JP6126110B2; CN104040177A; CN104040177B; EP2781747B1; US20140311337A1; WO2013071384A1; ES2566020T3; SG11201402340VA; MX2014005799A; KR20140135146A; JP2014533789A

Abstract

conjunto de psitão e cilindro e compressor linear. a presente invenção refere-se a um conjunto de pistão (1) e cilindro (2), capaz de minimizar as perdas de eficiência que ocorram sobre o gás de um compressor linear com mancalização aerostática. assim, foi projetado um espaçamento entre o cinjunto de pistão (1) e cilindro (2) por forma a diminuir as folgas perimetrais (12) na porção superior do pistão (1) quando este se encontre próximo ao cabeçote (3), isto é, onde haja maior densidade de gás que não esteja empregue no processo de refrigeração. o conjunto pistão (1) e cilindro (2) deverá possuir uma relação geométrica tal que a dimensão da folga perimetral (12) varie de modo inversamente poroporcional à densidade do gás presente na folga perimetral (12).psittone and cylinder assembly and linear compressor. The present invention relates to a piston (1) and cylinder (2) assembly capable of minimizing the gas efficiency losses of an aerostatic bearing linear compressor. thus, a spacing between the piston bias (1) and cylinder (2) was designed to decrease the perimeter clearances (12) in the upper portion of the piston (1) when it is near the cylinder head (3), ie where there is a higher gas density that is not employed in the refrigeration process. the piston (1) and cylinder (2) assembly shall have a geometric relationship such that the size of the perimeter clearance (12) varies inversely proportional to the gas density present in the perimeter clearance (12).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CONJUNTO DE PISTÃO E CILINDRO E COMPRESSOR LINEAR". A presente invenção refere-se a um conjunto de pistão e cilindro de um compressor linear para refrigeração com mancalização aerostática, mais particularmente às relações dimensionais do conjunto por forma minimizar perdas.Report of the Invention Patent for "PISTON SET AND LINEAR COMPRESSOR". The present invention relates to a piston and cylinder assembly of a linear compressor for aerostatic bearing refrigeration, more particularly to the dimensional relationships of the assembly in order to minimize losses.

Descrição do Estado da Técnica De um modo geral, a estrutura básica de um circuito refrigerante compreende quatro componentes, são eles o compressor, o condensador, o dispositivo de expansão e o evaporador. Estes elementos caracterizam um circuito refrigerante no qual circula um fluido de modo a permitir a diminuição da temperatura de um ambiente interno, retirando o calor deste meio e deslocando-o para um ambiente externo através dos elementos mencionados. O fluido que circula no circuito refrigerante, geralmente, segue a sequência de passagem: compressor, condensador, válvula de expansão, evaporador e novamente o compressor, ficando assim caracterizado um ciclo fechado. Durante a circulação, o fluido sofre variações de pressão e temperatura que são responsáveis pela alteração de estado do fluido, podendo este se encontrar no estado gasoso ou líquido.Description of the Prior Art In general, the basic structure of a refrigerant circuit comprises four components, namely the compressor, the condenser, the expansion device and the evaporator. These elements characterize a refrigerant circuit in which a fluid circulates in order to allow the temperature of an internal environment to decrease, removing the heat of this medium and moving it to an external environment through the mentioned elements. The fluid circulating in the refrigerant circuit generally follows the flow sequence: compressor, condenser, expansion valve, evaporator and again the compressor, thus characterizing a closed cycle. During circulation, the fluid undergoes variations in pressure and temperature that are responsible for changing the state of the fluid, which may be in the gaseous or liquid state.

Em um circuito refrigerante, o compressor atua como o coração do sistema de refrigeração, criando o fluxo do fluido refrigerante ao longo dos componentes do sistema. O compressor eleva a temperatura do fluido refrigerante através do aumento de pressão proporcionado em seu interior e força a circulação deste fluido no circuito.In a refrigerant circuit, the compressor acts as the heart of the refrigeration system, creating the flow of refrigerant along the system components. The compressor raises the temperature of the refrigerant by increasing the pressure within it and forces the circulation of this fluid in the circuit.

Desse modo, a importância de um compressor em um circuito de refrigeração é inegável. Existem diversos tipos de compressores aplicados em sistemas de refrigeração, sendo que no campo da atual invenção irá focar a atenção apenas nos compressores lineares.Thus, the importance of a compressor in a refrigeration circuit is undeniable. There are several types of compressors applied in refrigeration systems, and in the field of the present invention will focus only on linear compressors.

Devido ao movimento relativo entre o pistão e o cilindro, faz-se necessária a mancalização do pistão. Esta mancalização consiste na presença de um fluido na folga entre o diâmetro externo do pistão e o diâmetro interno do cilindro evitando-se o contato entre elas e o consequente desgaste prematuro do pistão e/ou cilindro. A presença do fluido entre os dois componentes referidos serve também para diminuir o atrito entre eles, fazendo com que a perda mecânica do compressor seja menor.Due to the relative movement between the piston and the cylinder, piston bearing is required. This bearing consists of the presence of a fluid in the clearance between the piston's outer diameter and the cylinder's inner diameter, avoiding contact between them and the consequent premature wear of the piston and / or cylinder. The presence of fluid between the two mentioned components also serves to reduce the friction between them, making the mechanical loss of the compressor less.

Uma das formas de mancalizar o pistão é através de mancais aerostáticos que, em essência, consiste na criação de um colchão de gás entre o pistão e o cilindro de modo a evitar o desgaste entre estes dois componentes. Uma das razões para a utilização deste tipo de mancaiização é justificada pelo fato de o gás possuir um coeficiente de atrito viscoso muito menor do que qualquer óleo, contribuindo para que a energia dissipada no sistema de mancaiização aerostática seja muito inferior ao de uma lubrificação com óleo, alcançando-se assim um melhor rendimento do compressor. Uma vantagem decorrente da utilização do próprio gás-refrigerante como fluido lubrificante é a ausência do sistema de bombeamento de óleo.One way to bevel the piston is through aerostatic bearings which essentially consists of creating a gas mattress between the piston and the cylinder to prevent wear between these two components. One of the reasons for the use of this type of bearing is due to the fact that the gas has a much lower viscous coefficient of friction than any oil, contributing to a much lower energy dissipation in the aerostatic bearing system than oil lubrication. , thus achieving a better compressor performance. An advantage of using the refrigerant gas itself as a lubricating fluid is the absence of the oil pumping system.

Através das figuras 1 e 2 é possível visualizar que o mecanismo de compressão do gás se dá pelo movimento axial e oscilatório de um pistão no interior de um cilindro. No topo do cilindro encontra-se o cabeçote que, em conjunto com o pistão e o cilindro, forma a câmara de compressão. No cabeçote ficam posicionadas as válvulas de descarga e de sucção, válvulas essas que regulam a entrada e saída de gás no cilindro. Por sua vez, o pistão é acionado por um atuador que fica ligado ao motor linear do compressor. O pistão do compressor acionado pelo motor linear tem a função de desenvolver um movimento alternativo linear, fazendo com que o movimento do pistão no interior do cilindro exerça uma ação de compressão do gás admitido pela válvula de sucção, até o ponto que ele pode ser descarregado para o lado de alta pressão, através da válvula de descarga.From figures 1 and 2 it is possible to see that the gas compression mechanism occurs by the axial and oscillatory movement of a piston inside a cylinder. At the top of the cylinder is the cylinder head which, together with the piston and cylinder, forms the compression chamber. In the head are positioned the discharge and suction valves, which regulate the gas inlet and outlet in the cylinder. In turn, the piston is driven by an actuator that is connected to the linear motor of the compressor. The linear motor driven compressor piston has the function of developing a linear reciprocating motion, causing the movement of the piston inside the cylinder to exert a compressive action of the gas admitted by the suction valve to the point where it can be discharged. to the high pressure side through the discharge valve.

Para o correto funcionamento de um mancai aerostático é necessário que se use um restritor de fluxo entre a região de alta pressão que envolve externamente o cilindro e a folga entre o pistão e o cilindro. Esta restrição serve para controlar a pressão na região de mancaiização e para restringir o fluxo de gás.For proper operation of an aerostatic bearing it is necessary to use a flow restrictor between the high pressure region that surrounds the cylinder externally and the clearance between the piston and the cylinder. This restriction serves to control the pressure in the bearing region and to restrict gas flow.

Entre as várias soluções possíveis, é comum utilizar o próprio gás do circuito refrigerante para a mancalização aerostática do pistão. Desse modo, todo o gás utilizado na mancalização representa uma perda de eficiência do compressor, já que o gás é desviado de sua função original, que é gerar frio no evaporador do sistema de refrigeração. Sendo assim, é desejável que a vazão de gás empregada na mancalização seja a mais baixa possível para que não se comprometa a eficiência do compressor.Among the various possible solutions, it is common to use the refrigerant circuit gas itself for aerostatic piston bearing. Thus, all the gas used in the bearing represents a loss of compressor efficiency, as the gas is diverted from its original function, which is to generate cold in the evaporator of the refrigeration system. Therefore, it is desirable that the gas flow employed in the bearing be as low as possible so as not to compromise the compressor efficiency.

Para que o funcionamento de um compressor de refrigeração seja eficiente, todas as perdas características deste tipo de equipamento devem ser mantidas o mais baixas possível, sejam elas, por exemplo, perdas mecânicas (atrito entre componentes), elétricas (surgimento de correntes parasitas, resistência a passagem de corrente do motor) ou termodinâmicas (vazamentos, fluxo de calor indesejável). Com relação à compressão do gás, para que a eficiência de um compressor seja elevada, é necessário que todo o trabalho realizado sobre o gás seja empregue no sistema de refrigeração. Por este motivo, qualquer tipo de vazamento ou de fenômeno que acarrete perda de gás após a compressão deste é indesejável.For the operation of a refrigeration compressor to be efficient, all characteristic losses of this type of equipment should be kept as low as possible, such as mechanical (friction between components), electrical (surge currents, resistance) losses. motor current flow) or thermodynamic (leaks, undesirable heat flow). With respect to gas compression, for the efficiency of a compressor to be high, all the work done on the gas must be employed in the refrigeration system. For this reason, any type of leak or phenomenon that causes gas loss after gas compression is undesirable.

De todo o modo, sempre irão ocorrer vazamentos, porque para que haja mancalização é necessária a presença de gás entre as paredes do cilindro e as paredes do pistão. No entanto, a lógica de eficiência obriga a que os vazamentos de gás sejam mantidos o mais baixo possível para não afetar significativamente a eficiência do compressor.In any case, leaks will always occur, because in order to be biased, gas must be present between the cylinder walls and the piston walls. However, the efficiency logic requires gas leaks to be kept as low as possible so as not to significantly affect compressor efficiency.

As principais fontes de vazamento em um compressor são as válvulas de descarga e de sucção e a folga entre pistão e cilindro. A folga entre o pistão e o cilindro será doravante também denominada por folga pe-rimetral.The main sources of leakage in a compressor are the discharge and suction valves and the piston to cylinder clearance. The clearance between the piston and the cylinder will hereinafter also be called perimetral clearance.

Para melhor entendimento dos fenômenos que acarretam a diminuição da eficiência de um compressor, note-se que a região entre o topo do pistão e o cabeçote do cilindro se denomina por câmara de compressão, sendo aqui que ocorrem as elevadas pressões sobre o gás. A região que fica entre a base do pistão e a porção do cilindro oposta ao cabeçote é denominada por região de baixa pressão.For a better understanding of the phenomena that lead to the reduction of the efficiency of a compressor, it should be noted that the region between the top of the piston and the cylinder head is called the compression chamber, where the high pressures on the gas occur. The region that lies between the piston base and the cylinder portion opposite the cylinder head is called the low pressure region.

Em compressores lineares que fazem uso de mancalização ae-rostática ocorrem dois fenômenos relacionados à perda de gás e que serão alvo de observação para o entendimento da presente tecnologia.In linear compressors that make use of aerostatic bearing two phenomena related to gas loss occur and that will be the object of observation for the understanding of the present technology.

Vazamento O fenômeno de vazamento é definido pela quantidade de gás que circula entre a região de alta pressão (acima do topo do pistão) e região de baixa pressão (abaixo da base do pistão), através da folga perimetral. Este fenômeno de vazamento sempre ocorre quando o pistão se encontra na fase de compressão, ou seja, movendo-se em direção ao cabeçote. Quando esta movimentação do pistão ocorre, o gás é comprimido até uma pressão de descarga (Pd) que escoa pela folga perimetral, atravessando todo o comprimento da folga (Cf) alcançando a região de pressão de sucção (Ps) localizada do lado oposto à câmara de compressão. Note-se que este gás não sai do compressor para o sistema de refrigeração para desempenhar o papel principal, que é gerar frio.Leakage The phenomenon of leakage is defined by the amount of gas circulating between the high pressure region (above the piston top) and the low pressure region (below the piston base) through the perimeter clearance. This leakage phenomenon always occurs when the piston is in the compression phase, ie moving towards the cylinder head. When this piston movement occurs, the gas is compressed to a discharge pressure (Pd) that flows through the perimeter clearance across the entire length of the clearance (Cf) reaching the suction pressure region (Ps) located opposite the chamber. compression Note that this gas does not leave the compressor for the refrigeration system to play the main role, which is to generate cold.

Irreversibilidade Para a termodinâmica, a irreversibilidade é uma característica de todos os processos reais e suas fontes são os processos dissipativos. Sistemas mancalizados aerostaticamente sofrem do fenômeno de irreversibilidade na compressão causada pela presença de uma pequena porção de gás na folga existente entre o cilindro e o pistão. A irreversibilidade pode ser entendida como a perda de energia decorrente do fluxo da pequena porção de gás para dentro e para fora da folga perimetral.Irreversibility For thermodynamics, irreversibility is a characteristic of all real processes and its sources are dissipative processes. Aerostatically bearing systems suffer from the phenomenon of irreversibility in compression caused by the presence of a small portion of gas in the gap between the cylinder and the piston. Irreversibility can be understood as the energy loss resulting from the flow of the small portion of gas into and out of the perimeter clearance.

Considerando a tecnologia de compressores lineares mancalizados, a um fluxo de gás está sempre associada uma perda de carga, o que inevitavelmente consome energia, sendo o compressor negativamente influenciado por este fenômeno de irreversibilidade.Considering the technology of linearized compressors, to a gas flow is always associated with a pressure drop, which inevitably consumes energy, being the compressor negatively influenced by this irreversibility phenomenon.

Problemática Para melhor entendimento das repercussões dos fenômenos de vazamento e irreversibilidade, a figura 5 mostra resultados experimentais que relacionam a potência consumida pelos dois referidos efeitos em função da folga entre pistão e cilindro. Note-se que as perdas por irreversibilidade e por vazamento ocorrem simultaneamente. O gráfico da figura 5 não deixa dúvidas acerca da grandeza na perda de eficiência, pois uma variação na dimensão entre o pistão e o cilindro na ordem de 5pm a 10pm acarreta uma perda de potência na ordem de 2W a 10W, isto é, quanto maior a folga entre o conjunto pistão/cilíndro, maior a perda de potência associada. Não restam, portanto, dúvidas que a tecnologia de compressores lineares mancalizados aerostaticamente necessita obter uma solução que iniba a acentuada perda de eficiência energética decorrente da folga perimetral.Problematic For a better understanding of the repercussions of the leakage and irreversibility phenomena, Figure 5 shows experimental results that relate the power consumed by the two effects as a function of the piston-cylinder clearance. Note that irreversibility and leakage losses occur simultaneously. The graph in figure 5 leaves no doubt about the magnitude of the loss in efficiency, as a variation in the size between the piston and the cylinder in the order of 5pm to 10pm results in a power loss in the order of 2W to 10W, that is, the higher the clearance between the piston / cylinder assembly, the greater the associated power loss. There is no doubt, therefore, that aerostatically driven linear compressor technology needs to achieve a solution that inhibits the marked loss of energy efficiency due to perimeter clearance.

Assim, não existem atualmente compressores lineares com mancalização aerostática capazes de efetivamente diminuir a perda de eficiência decorrente do uso de gás de refrigeração para mancalização do pistão. Por outras palavras, a presente invenção consegue alcançar uma relação geométrica e dimensional projetada para inibir a perda de eficiência na mancalização através de uma redução da folga perimetral específica, bem como providenciar uma solução de fácil implementação produtiva, garantindo benefícios para o usuário final e, pelo resultado de uma melhor eficiência energética, para o meio ambiente.Thus, there are currently no aerostatic linear linear compressors capable of effectively reducing the loss of efficiency due to the use of refrigerant for piston bearing. In other words, the present invention achieves a geometrical and dimensional relationship designed to inhibit loss of bearing efficiency by reducing specific perimeter clearance, as well as providing a solution that is easily productive to implement, ensuring benefits for the end user and, result of better energy efficiency for the environment.

Objetivos da Invenção É, portanto, um objetivo da presente invenção minimizar as perdas de eficiência que ocorram sobre o gás de um compressor linear com mancalização aerostática. É também um objetivo da presente invenção prover um espaçamento entre o conjunto pistão e cilindro por forma a diminuir as folgas onde haja maior densidade de gás que não seja empregada no processo de refrigeração. É ainda um objetivo da presente invenção prover uma relação ao nível dimensional e da forma entre o conjunto pistão e cilindro de modo a garantir a máxima eficiência de um compressor linear com mancalização aerostática.OBJECTS OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to minimize the efficiency losses occurring on gas of an aerostatic linear compressor. It is also an object of the present invention to provide a spacing between the piston and cylinder assembly in order to decrease the clearances where there is a higher gas density than is employed in the refrigeration process. It is a further object of the present invention to provide a relationship to the dimensional level and shape between the piston and cylinder assembly to ensure the maximum efficiency of an aerostatic bearing linear compressor.

Breve Descrição da Invenção Os objetivos da presente invenção são alcançados através da provisão de um conjunto de pistão e cilindro, o pistão sendo deslocaveimen-te posicionado dentro do cilindro, o pistão movimentando-se entre um ponto morto superior e um ponto morto inferior, entre a parede interna do cilindro e a parede externa do pistão existe uma folga perimetral para mancalização aerostática do pistão, sendo que a folga perimetral mínima ocorre na porção superior do pistão quando o pistão se encontra em seu ponto morto superior e compressor linear compreendendo o conjunto de pistão e cilindro descrito.BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The objects of the present invention are achieved by providing a piston and cylinder assembly, the piston being offsetly positioned within the cylinder, the piston moving between an upper dead center and a lower dead center, between the inner cylinder wall and the outer piston wall there is a perimeter clearance for aerostatic piston bearing, with the minimum perimeter clearance occurring in the upper portion of the piston when the piston is at its top dead center and the linear compressor comprising the piston and cylinder described.

Os objetivos da presente invenção são também alcançados por meio de um conjunto de pistão e cilindro para compressor linear, o pistão sendo deslocavelmente posicionado dentro do cilindro, pistão movimentando-se entre uma porção de alta pressão e uma porção de baixa pressão, a porção de alta pressão possuindo maior densidade de gás que a porção de baixa pressão, uma folga perimetral sendo definida entre uma parede interna do cilindro e uma parede externa do pistão para mancalização aerostática do pistão com gás, sendo que a dimensão da folga perimetral varia de modo inversamente proporcional à densidade do gás na folga perimetral.The objects of the present invention are also achieved by means of a linear compressor piston and cylinder assembly, the piston being displaceablely positioned within the cylinder, piston moving between a high pressure portion and a low pressure portion, the piston portion. high pressure having greater gas density than the low pressure portion, a perimeter clearance being defined between an inner cylinder wall and an outer piston wall for aerostatic gas piston bearing, and the perimeter clearance size varies inversely proportional to the gas density in the perimeter clearance.

Descrição Resumida dos Desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em exemplos de execução representados nos desenhos. As figuras mostram: Figura 1 - é uma vista em corte de um compressor linear com mancalização aerostática do estado da técnica.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will hereinafter be described in more detail based on exemplary embodiments shown in the drawings. The figures show: Figure 1 is a cross-sectional view of a prior art aerostatic bearing linear compressor.

Figura 2 - é uma vista em corte de um compressor linear com mancalização aerostática do estado da técnica evidenciando as pressões de gás.Figure 2 is a cross-sectional view of a prior art aerostatic bearing linear compressor showing gas pressures.

Figura 3 - é uma vista em corte de um compressor linear com mancalização aerostática do estado da técnica evidenciando as pressões de gás no instante i).Figure 3 is a cross-sectional view of a prior art aerostatic bearing linear compressor showing the gas pressures at time i).

Figura 4 - é uma vista em corte de um compressor linear com mancalização aerostática do estado da técnica evidenciando as pressões de gás no instante ii).Figure 4 - is a cross-sectional view of a prior art aerostatic bearing linear compressor showing the gas pressures at time ii).

Figura 5 - é um gráfico da perda de potência resultante da folga entre o cilindro e o pistão.Figure 5 is a graph of the power loss resulting from the clearance between the cylinder and the piston.

Figura 6 - é um gráfico do perfil de pressão na folga pis-tão/cilindro em função da pressão, posição e tempo.Figure 6 is a graph of the pressure profile in the step / cylinder clearance as a function of pressure, position and time.

Figura 7 - é um gráfico dos fluxos de massa de gás na folga pis-tão/cilindro na região do topo e da base do pistão.Figure 7 is a graph of gas mass flows in the piston / cylinder clearance in the top and bottom region of the piston.

Figura 8 - é um gráfico dos fluxos de massa de gás na folga pis-tão/cilindro na região do topo do pistão.Figure 8 is a graph of gas mass flows in the step / cylinder clearance in the piston top region.

Figura 9 - é um gráfico dos fluxos de massa de gás na folga pis-tão/cilindro na região da base do pistão.Figure 9 is a graph of gas mass flows in the step / cylinder clearance in the piston base region.

Figura 10 - é uma vista em corte de um conjunto pistão cilindro que apresenta uma solução deficiente.Figure 10 is a cross-sectional view of a cylinder piston assembly showing a deficient solution.

Figura 11 - é uma vista em corte de uma possível configuração do conjunto pistão cilindro da presente invenção.Figure 11 is a cross-sectional view of a possible configuration of the piston cylinder assembly of the present invention.

Figura 12 - é uma vista em corte de uma possível configuração do conjunto pistão cilindro da presente invenção.Figure 12 is a cross-sectional view of a possible configuration of the piston cylinder assembly of the present invention.

Figura 13 - é uma vista em corte de uma possível configuração do conjunto pistão cilindro da presente invenção.Figure 13 is a cross-sectional view of a possible configuration of the cylinder piston assembly of the present invention.

Figura 14 - é uma vista em corte de uma possível configuração do conjunto pistão cilindro da presente invenção.Figure 14 is a cross-sectional view of a possible configuration of the piston cylinder assembly of the present invention.

Descrição Detalhada das Figuras A presente invenção propõe um avanço tecnológico no conjunto de pistão e cilindro de compressores lineares de mancalização aerostática tanto ao nível de sua eficiência energética, como do processo produtivo.DETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES The present invention proposes a technological advancement in the aerostatic linear linear compressor piston and cylinder assembly in terms of both its energy efficiency and the production process.

De acordo com o princípio de funcionamento de um circuito refrigerador e tal como apresentado na figura 1, de modo preferencial, o mecanismo de compressão de gás ocorre pelo movimento axial e oscilatório de um pistão 1 no interior de um cilindro 2. No topo do cilindro 2 encontra-se um cabeçote 3 que em conjunto com o pistão 1 e o cilindro 2 formam a câmara de compressão 4. No cabeçote 3 estão posicionadas as válvulas de descarga 5 e de sucção 6 que regulam a entrada e saída de gás no cilindro 2. Note-se ainda que o pistão 1 é acionado por um atuador 7 ligado ao motor linear do compressor, motor este que não é alvo de maiores explicações neste documento. O pistão 1 de um compressor, quando acionado pelo motor linear tem a função de desenvolver um movimento alternativo linear, promovendo um movimento do pistão 1 no interior do cilindro 2 que exerce uma ação de compressão do gás admitido pela válvula de sucção 6 até o ponto em que o gás pode ser descarregado para o lado de alta pressão, através da válvula de descarga 5. O cilindro 2 é montado dentro de um bloco 8 e sobre o cabeçote 3 é montada uma tampa 9 com o passador de descarga 10 e o passador de sucção 11, que ligam o compressor com o restante do sistema.According to the principle of operation of a refrigerant circuit and as shown in Figure 1, preferably, the gas compression mechanism occurs by axial and oscillatory movement of a piston 1 within a cylinder 2. At the top of the cylinder 2 there is a head 3 which together with the piston 1 and the cylinder 2 form the compression chamber 4. In the head 3 are located the discharge valves 5 and suction 6 that regulate the gas inlet and outlet in cylinder 2 It should also be noted that piston 1 is driven by an actuator 7 connected to the compressor linear motor, which motor is not explained further in this document. The piston 1 of a compressor, when driven by the linear motor, has the function of developing a linear reciprocating motion, promoting a movement of the piston 1 inside the cylinder 2 which exerts a compressive action of the gas admitted by the suction valve 6 to the point wherein the gas can be discharged to the high pressure side via the discharge valve 5. The cylinder 2 is mounted within a block 8 and on the head 3 a lid 9 is mounted with the discharge dowel 10 and the dowel 11, which connect the compressor with the rest of the system.

Tal como referido, o movimento relativo entre pistão 1 e cilindro 2, faz necessária a mancalização do pistão 1 que consiste na presença de um fluido na folga perimetral 12 entre as duas partes, com a finalidade de separá-las durante o movimento. Uma vantagem da utilização do próprio gás como fluido lubrificante é a ausência de um sistema de bombeamento de óleo.As mentioned, the relative movement between piston 1 and cylinder 2 makes it necessary to bias piston 1 which consists of the presence of a fluid in the perimeter clearance 12 between the two parts in order to separate them during movement. An advantage of using the gas itself as a lubricating fluid is the absence of an oil pumping system.

De modo preferencial, o gás utilizado para a mancalização pode ser o próprio gás bombeado pelo compressor e usado no sistema de refrigeração. Nesse caso, o gás é desviado, após sua compressão, da câmara de descarga 13, da tampa 9 pelo canal 14 para a região pressurizada 15 em torno do cilindro 2, sendo que a região pressurizada 15 é formada pelo diâmetro externo do cilindro 2 e diâmetro interno do bloco 8.Preferably, the gas used for the bearing may be the gas itself pumped by the compressor and used in the refrigeration system. In this case, the gas is diverted, after its compression, from the discharge chamber 13, the cap 9 through the channel 14 to the pressurized region 15 around cylinder 2, and the pressurized region 15 is formed by the outer diameter of cylinder 2 and inner diameter of block 8.

Da região pressurizada 15 o gás passa pelos restritores 16,17,18,19 inseridos na parede do ciLindro 2, em direção à folga perimetral 12 existente entre o pistão 1 e cilindro 2, formando-se um colchão de gás que evita o contato entre o pistão 1 e cilindro 2.From the pressurized region 15 the gas passes through the restrictors 16,17,18,19 inserted into the wall of cylinder 2, towards the perimeter clearance 12 between piston 1 and cylinder 2, forming a gas mattress that prevents contact between piston 1 and cylinder 2.

No intuito de restringir o fluxo de gás entre a região pressurizada 15 e a folga perimetral 12 é necessário fazer uso de um restritor 16,17,18,19. Esta restrição serve para controlar a pressão na região de mancalização e para restringir o fluxo de gás, já que todo o gás utilizado na mancalização representa uma perda de eficiência do compressor, pois a função primordial do gás é ser enviado para o sistema de refrigeração e gerar frio. Sendo assim, vale realçar que o gás desviado para a mancalização deve ser o mínimo possível para não comprometer a eficiência do compressor.In order to restrict the gas flow between the pressurized region 15 and the perimeter clearance 12 it is necessary to use a restrictor 16,17,18,19. This restriction serves to control the pressure in the bearing region and to restrict gas flow, as all gas used in the bearing represents a loss of compressor efficiency, as the primary function of the gas is to be sent to the refrigeration system. generate cold. Therefore, it is worth noting that the gas diverted to the bearing should be as little as possible so as not to compromise the efficiency of the compressor.

Para se manter o equilíbrio do pistão 1 dentro do cilindro 2 são necessários, preferencíalmente, pelo menos três restritores 16,17,18,19 em uma dada seção do cilindro 2 e pelo menos duas seções de restritores 16,17,18,19 são necessárias no cilindro 2. Os restritores devem estar em tal posição que mesmo com o movimento de oscilação do pistão 1 os restritores 16,17,18,19 nunca fiquem descobertos, ou seja, que o pistão 1 não saia da área de atuação do restritor 16,17,18,19. A figura 2 apresenta informações com relação às pressões existentes no interior do conjunto cilindro 2 e pistão 1. O instante da figura 2 corresponde a um movimento de compressão de gás efetuado pelo pistão 1. Nesse instante existe uma pressão de descarga de gás que é muito superior à pressão existente na região oposta do pistão 1.To maintain the balance of piston 1 within cylinder 2, preferably at least three restrictors 16,17,18,19 are required in a given section of cylinder 2 and at least two restrictor sections 16,17,18,19 are required. The restrictors must be in such a position that even with the oscillating movement of piston 1 the restrictors 16,17,18,19 will never be uncovered, ie piston 1 does not leave the actuator operating area. 16,17,18,19. Figure 2 provides information regarding the pressures within the cylinder 2 and piston 1 assembly. The instant of figure 2 corresponds to a gas compression movement effected by the piston 1. At that moment there is a gas discharge pressure which is very high. greater than the pressure in the opposite region of the piston 1.

Para melhor entendimento dos fenômenos que acarretam a diminuição da eficiência de um compressor, a região entre o topo do pistão 1 e o cabeçote 3 do cilindro 2 será denominada por região de alta pressão. A região que fica entre a base do pistão 1 e a porção do cilindro 2 oposta ao cabeçote 3 será denominada por região de baixa pressão.For a better understanding of the phenomena that lead to decreased compressor efficiency, the region between the top of piston 1 and cylinder head 3 will be referred to as the high pressure region. The region between the base of piston 1 and the portion of cylinder 2 opposite the cylinder head 3 will be referred to as the low pressure region.

Por sua vez, quando o topo do pistão 1 se encontra no ponto mais próximo do cabeçote 3 denomina-se por ponto morto superior (PMS) e quando o topo do pistão 1 se encontra no ponto mais afastado do cabeçote 3 denomina-se por (PMI). O pistão 1 percorre assim um movimento linear entre a o ponto morto superior (PMS) e o ponto morto inferior (PMI).In turn, when the top of the piston 1 is at the point closest to the head 3, it is called the top dead center (PMS) and when the top of the piston 1 is at the point closest to the head 3, it is called ( PMI). Piston 1 thus travels a linear motion between upper dead center (PMS) and lower dead center (PMI).

Naturalmente que a pressão do gás, no momento da compressão, será superior na região de alta pressão. Este gás escoa para a folga perimetral 12, definida pela diferença entre o diâmetro do pistão (Dp) e o diâmetro do cilindro (Dc), percorrendo todo o comprimento da folga (Cf) que, no caso, corresponde ao comprimento do pistão 1. No sentido de melhor definir a invenção, para os efeitos das pressões existentes na folga perime-tral 12, entenda-se que o topo da folga perimetral 12 e a base da folga peri-metral 12 variam ao longo do comprimento de folga (Cf).Naturally the gas pressure at the time of compression will be higher in the high pressure region. This gas flows into the perimeter clearance 12, defined by the difference between the piston diameter (Dp) and the cylinder diameter (Dc), running the entire length of the clearance (Cf), which in this case corresponds to the piston length 1. In order to better define the invention, for the effects of the pressures on the perimeter clearance 12, it is understood that the top of the perimeter clearance 12 and the base of the perimeter clearance 12 vary along the clearance length (Cf). .

Conforme já demonstrado, a dimensão das folgas entre o pistão 1 e o cilindro 2 acarreta uma perda de eficiência do compressor numa relação consideravelmente elevada. Para averiguar a melhor solução cabe detectar qual dos fatores vazamento e irreversibilidade tem mais influência na perda de eficiência. Para tal, usam-se modelos teóricos.As already shown, the size of the gaps between piston 1 and cylinder 2 results in a loss of compressor efficiency at a considerably high ratio. To find out the best solution it is necessary to detect which of the leakage and irreversibility factors have the most influence on the loss of efficiency. For this, theoretical models are used.

De todo modo, antes da explicação sobre o resultado da simulação, faz-se necessário comentar algumas características sobre o comportamento de um gás. Assim, a troca térmica de refrigerador é fundamentada pela “Equação Geral Dos Gases Perfeitos” que demonstra que numa massa gasosa os volumes e as pressões são diretamente proporcionais às suas temperaturas absolutas e inversamente proporcionais entre si.However, before explaining the simulation result, it is necessary to comment on some characteristics about the behavior of a gas. Thus, the thermal exchange of the refrigerator is based on the “General Equation of Perfect Gases” which demonstrates that in a gaseous mass the volumes and pressures are directly proportional to their absolute temperatures and inversely proportional to each other.

Adicionalmente, faz-se necessário sintetizar algumas características sobre o fluxo de gás que se estabelece pela folga perimetral 12: • Como para qualquer fluido, o fluxo de gás dentro da folga a-presenta uma perda de carga. ® O gás é um fluido compressível, de forma que a perda de carga faz com que a pressão do gás varie ao longo da folga, e por consequência, varie a sua densidade. • O perfil de pressão, consequentemente a densidade do gás, na folga perimetral 12 ao longo do comprimento do pistão assume diferentes formas de acordo com instante do ciclo de compressão.Additionally, it is necessary to synthesize some characteristics about the gas flow established by the perimeter clearance 12: • As for any fluid, the gas flow within the clearance presents a pressure drop. ® Gas is a compressible fluid, so that the pressure drop causes the gas pressure to vary over the clearance, and therefore its density to vary. • The pressure profile, consequently the gas density, in the perimeter clearance 12 along the piston length takes different shapes according to the instant of the compression cycle.

De acordo com as características descritas, foram considerados dois instantes distintos para elaboração do modelo teórico. O instante 1 corresponde à figura 3 e ocorre quando o pistão se encontra em seu ponto morto superior. Por sua vez, o instante 2, corresponde à figura 4 e ocorre no momento em que o pistão 1 se encontra no início do seu movimento de sucção. A figura 6 apresenta o perfil de pressão na folga perimetral em função da pressão, posição e tempo do pistão 1 em relação ao cilindro 2.According to the described characteristics, two distinct moments were considered for elaboration of the theoretical model. Moment 1 corresponds to figure 3 and occurs when the piston is at its top dead center. In turn, moment 2 corresponds to figure 4 and occurs at the moment when piston 1 is at the beginning of its suction movement. Figure 6 shows the pressure profile in the perimeter clearance as a function of the pressure, position and time of piston 1 relative to cylinder 2.

Este gráfico mostra que ao eixo X corresponde o ciclo de movimento oscila-tório do pistão 1, sendo possível identificar, por volta dos 150 ms os instantes 1 e 2 a linha pontilhada (vide indicações i1 e i2). A variação crescente no eixo Y corresponde uma posição ao longo da folga do cilindro 2 com o pistão 1. Por fim, ao aumento do eixo Z corresponde o aumento da pressão. Este gráfico permite constatar que: i) no instante 1 (i1), o perfil de pressão ao longo da folga perime-tral 12 (linha pontilhada) tem o seu máximo na região do topo do pistão 1 e o mínimo na região da base do pistão 1, por outras palavras, a pressão na base é sempre a mínima, independente da pressão no topo do pistão 1. ii) no instante 2 (i2), o perfil de pressão ao longo da folga perimetral 12 (linha pontilhada) tem seu máximo na região central da folga perimetral 12 tendo a pressão mínima na base e uma pressão intermediária no topo da folga perimetral 12. O fluxo de massa de gás pela folga perimetral 12 entre pistão 1 e cilindro 2 se comporta, a cada instante, de acordo o perfil de pressão mostrado na figura 6 e da densidade do gás ao longo da folga 12. O diagrama da figura 7 mostra os fluxos de massa nas regiões da base e do topo do pistão 1 ao longo do tempo equivalente a uma oscilação do pistão 1, estando também indicados os instantes 1 e 2 (i1 e i2) já mencionados no gráfico da figura 6. O gráfico da figura 7 mostra que ao fluxo de massa negativo corresponde o fluxo que sai da câmara de compressão 4, seja na região do topo (TP) ou da base (BP) do pistão 1. Um fluxo positivo representa o gás que retorna à câmara de compressão 4.This graph shows that the X axis corresponds to the oscillatory movement cycle of piston 1, and it is possible to identify, around 150 ms, the points 1 and 2 the dotted line (see indications i1 and i2). The increasing variation on the Y axis corresponds to a position along the clearance of cylinder 2 with piston 1. Finally, the increase of the Z axis corresponds to the increase in pressure. This graph shows that: i) at time 1 (i1), the pressure profile along the perimetral clearance 12 (dotted line) has its maximum in the piston top region 1 and the minimum in the piston top region piston 1, in other words, the pressure at the base is always the minimum, regardless of the pressure at the top of piston 1. ii) at time 2 (i2), the pressure profile along the perimeter clearance 12 (dotted line) has its in the central region of the perimeter clearance 12 having the minimum pressure at the base and an intermediate pressure at the top of the perimeter clearance 12. The gas mass flow through the perimeter clearance 12 between piston 1 and cylinder 2 behaves, at each moment, according to the pressure profile shown in figure 6 and the gas density along the backlash 12. The diagram in figure 7 shows the mass flows in the base and top regions of piston 1 over time equivalent to an oscillation of piston 1 , being also indicated the moments 1 and 2 (i1 and i2) already mentioned in the graph in figure 6. The graph in figure 7 shows that the negative mass flow corresponds to the flow leaving the compression chamber 4, either in the top (TP) or bottom (BP) region of piston 1. One Positive flow represents the gas returning to the compression chamber 4.

Pode-se perceber que, durante a maior parte do tempo, o fluxo de massa no topo do pistão 1 é diferente do fluxo de massa na base. Pode-se ainda perceber que pela região da base da folga perimetral 12 existe um constante vazamento de gás (linha pontilhada de valores negativos), ainda que o fluxo de massa do mesmo varie um pouco ao logo de uma oscilação do pistão 1, A linha contínua que corresponde ao fluxo de massa na folga perimetral 12 na região do topo do pistão 1 mostra que o gás sai da câmara de compressão 4 e entra na folga perimetral 12 durante um certo período (fluxo de massa negativo - linha continua abaixo do eixo das abscissas), mas que retorna da folga perimetral 12 para a câmara de compressão 4 (fluxo de massa positivo - linha continua acima do eixo das abscissas).It can be seen that most of the time, the mass flow at the top of piston 1 is different from the mass flow at the base. It can also be seen that by the base region of the perimeter clearance 12 there is a constant gas leak (dotted line of negative values), even though the mass flow of the same varies slightly as the piston oscillates 1. The continuous flow that corresponds to the mass flow in the perimeter clearance 12 in the top region of the piston 1 shows that the gas exits the compression chamber 4 and enters the perimeter clearance 12 over a period of time (negative mass flow - line continues below the axis of the abscissa), but which returns from perimeter clearance 12 to compression chamber 4 (positive mass flow - line continues above the abscissa axis).

Adicionalmente, no início do movimento de sucção, o gás que ficou alojado na folga perimetral 12 é devolvido à câmara de compressão 4. Tal pressão, no sentido oposto à pressão de sucção (Ps) que entra na câmara de compressão 4 pela válvula de sucção 6, prejudica a entrada do gás na câmara de compressão 4, interferindo no rendimento do compressor.Additionally, at the beginning of the suction movement, the gas that has been lodged in the perimeter clearance 12 is returned to the compression chamber 4. Such pressure, in the opposite direction to the suction pressure (Ps) entering the compression chamber 4 by the suction valve 6, impairs gas entry into the compression chamber 4, interfering with compressor performance.

Analisando-se com atenção as figuras 3 e 4, que correspondem respectivamente aos instantes 1 (i1) e 2 (i2) respectivamente, à luz dos gráficos das figuras 6 e 7 pode-se perceber que no instante 1 (i 1) o pistão se encontra no ponto morto superior (PMS) onde se tem o maior fluxo de massa (2.8E-10 kg/s) saindo da câmara de compressão 4 e entrando na folga perimetral 12 na região do topo do pistão 1, sendo que o vazamento pela na região da base do pistão 1 é de 0,047E-10 kg/s.Looking carefully at figures 3 and 4, which correspond respectively to the moments 1 (i1) and 2 (i2) respectively, in the light of the graphs of figures 6 and 7, it can be seen that at time 1 (i 1) the piston It is located in the upper dead center (PMS) where there is the largest mass flow (2.8E-10 kg / s) leaving the compression chamber 4 and entering the perimeter clearance 12 in the piston top region 1, and the leakage in the piston base region 1 is 0,047E-10 kg / s.

Para o instante 2 o maior fluxo de massa, situado na casa de 1,2E-10 kg/s, ocorre no retorno de gás na região do topo da folga perimetral 12 à câmara de compressão 4. Neste mesmo instante, o vazamento pela base é da ordem de 0.094E-10 kg/s.For moment 2 the largest mass flow, in the 1.2E-10 kg / s range, occurs at the gas return in the region of the top of the perimeter clearance 12 to the compression chamber 4. At this same moment, the leakage from the base is on the order of 0.094E-10 kg / s.

Por outras palavras, tanto para os instantes 1 e 2, os fluxos de massa de gás com alta densidade (GAD) apresentam-se na região de topo da folga perimetral 12, sendo que os fluxos de gás com baixa densidade (GBD) se apresentam na região da base da folga perimetral 12.In other words, for both moments 1 and 2, the high density gas mass flows (GAD) are in the top region of the perimeter clearance 12, and the low density gas flows (GBD) are present. in the base region of the perimeter clearance 12.

Os diagramas das figuras 8 e 9 mostram separadamente as mesmas curvas representadas pelo diagrama da figura 7. Uma observação da figura 8, que representa o fluxo de massa na região do topo do pistão, permite concluir que a massa de gás por ciclo do compressor que entra na folga diametral 12 é equivalente à área entre a parte negativa da curva de fluxo de massa e o eixo das abscissas (eixo xx). Por sua vez, ainda para a figura 8, a massa de gás que retorna à câmara de compressão 4 pelo topo da folga diametral 12 é equivalente à porção do gráfico representada acima do eixo das abscissas. A diferença entre estas duas quantidades de massa, ou graficamente, a diferença entre as áreas acima e abaixo do eixo das abscissas da figura 8, corresponde a massa de gás equivalente ao vazamento de gás pela base do pistão 1, esta por sua vez representada pela área preenchida do gráfico da figura 9.The diagrams of figures 8 and 9 separately show the same curves represented by the diagram of figure 7. An observation of figure 8, which represents the mass flow in the piston top region, allows us to conclude that the gas mass per compressor cycle that enters the diameter clearance 12 is equivalent to the area between the negative part of the mass flow curve and the abscissa axis (xx axis). In turn, still for Fig. 8, the mass of gas returning to the compression chamber 4 at the top of the diametrical clearance 12 is equivalent to the portion of the graph shown above the abscissa axis. The difference between these two mass quantities, or graphically, the difference between the areas above and below the abscissa axis of Figure 8, corresponds to the gas mass equivalent to the gas leakage from the piston base 1, which is in turn represented by filled area of the graph in figure 9.

Pode-se, portanto concluir que de todo o gás que entra na folga perimetral 12 entre pistão 1 e cilindro 2, pouco é aquele que escapa pela região da base em forma de vazamento. A maior parte do gás desloca-se entre a folga perimetral 12 e a câmara de compressão 4.It can therefore be concluded that of all the gas that enters the perimeter clearance 12 between piston 1 and cylinder 2, little escapes through the region of the base in the form of a leak. Most of the gas travels between the perimeter clearance 12 and the compression chamber 4.

Assim, a maior parte da potência perdida em função da folga perimetral 12 existente entre o pistão 1 e cilindro 2 mostrada na figura 5 vem do efeito de irreversibilidade e não do efeito de vazamento.Thus, most of the power lost as a function of the perimeter clearance 12 between piston 1 and cylinder 2 shown in Figure 5 comes from the irreversibility effect and not the leakage effect.

As maiores densidades de gás encontram-se na região de topo do pistão 1 quando este se encontra mais próximo ao cabeçote 3, isso ocorre pelo fato de que as altas pressões desta região são capazes de comprimir o gás em um volume menor.The highest gas densities are in the top region of piston 1 when it is closest to the head 3, this is because the high pressures of this region are able to compress the gas in a smaller volume.

Com base na identificação da região do conjunto pistão 1 e cilindro 2 responsável pela maior perda de eficiência do compressor, é possível alcançar uma solução de elevada eficiência energética, foco da presente invenção. A forma de se diminuir o efeito da irreversibilidade causado pela folga entre o pistão 1 e o cilindro 2 é mantendo a folga o mais baixa possível, de forma a que haja menos volume disponível para o acúmulo de gás a alta pressão na folga perimetral 12 durante a fase de compressão. Assim, é possível estabelecer um menor fluxo e refluxo de gás entre câmara de compressão 4 e folga perimetral 12. A diminuição da folga perimetral 12 entre o pistão 1 e o cilindro 2 encontra, no entanto, seus limites nos limites de precisão dos processos de fabricação (processos de usinagem) utilizados para a confecção do pistão 1 e do cilindro 2.Based on the identification of the region of the piston 1 and cylinder 2 assembly responsible for the greatest loss of compressor efficiency, it is possible to achieve a high energy efficiency solution, focus of the present invention. The way to reduce the effect of irreversibility caused by the clearance between piston 1 and cylinder 2 is to keep the clearance as low as possible so that less volume is available for high pressure gas accumulation in the perimeter clearance 12 during the compression phase. Thus, it is possible to establish a lower flow and reflux of gas between compression chamber 4 and perimeter clearance 12. The decrease in perimeter clearance 12 between piston 1 and cylinder 2, however, finds its limits in the precision limits of the process of fabrication (machining processes) used for making piston 1 and cylinder 2.

Como regra, a folga perimetral entre o pistão 1 e o cilindro 2 pode ser tanto menor, quanto mais baixos forem os erros de cilindricidade na superfície externa do pistão 1 e a superfície interna do cilindro 2, Atualmente esta folga em compressores de refrigeração é de cerca de alguns poucos micrometros.As a rule, the perimeter clearance between piston 1 and cylinder 2 may be smaller, the lower the cylindricity errors on the outer surface of piston 1 and the inner surface of cylinder 2. about a few micrometers.

Adicionalmente, cumpre notar que o erro de cilindricidade obtido em peças como pistões 1 e cilindros 2 é dependente do comprimento das superfícies cilíndricas, ou seja, do comprimento do pistão 1 e do cilindro 2. A relação é estabelecida de modo que quanto maior o comprimento da peça, maior o erro de cilindricidade que ela apresenta. Sendo assim, uma opção de diminuição do erro de cilindricidade para possibilitar a diminuição da folga perimetral 12 poderia ser simplesmente diminuir o comprimento do pistão 1 e/ou cilindro 2. A figura 10 mostra um conjunto pistão/cilindro com folga grande na região do topo do pistão 1 devido o alto erro de cilindricidade do cilindro. A diminuição do comprimento de pistão 1 ou cilindro 2, no entanto, não serve para compressores que utilizam mancais aerostáticos em vez de óleo como lubrificante, pelo fato de necessitarem de pistões 1 e cilindros 2 mais compridos de modo a que os mancais aerostáticos forneçam a sustentação necessária ao pistão 1, evitando o contado entre o conjunto pistão 1 e cilindro 2, caso contrário, o conjunto sofreria um desgaste prematuro e, consequentemente, perda de eficiência. A problemática solucionada pela presente invenção é, portanto, um problema exclusivo de compressores que usam mancais aerostáticos. Por um lado existem as dificuldades abordadas no parágrafo anterior e por outro lado só os compressores com mancais aerostáticos possuem uma folga perimetral 12 por onde flui o gás refrigerante. Não sendo possível diminuir o comprimento do pistão 1 e cilindro 2 para se alcançar uma redução dos erros de cilindricidade, devido às questões de estabilidade e mancalização do pistão 1 no cilindro 2, foi encontrada uma solução que permite obter o efeito de um pistão 1 ou cilindro 2 mais curto. Tal solução resulta numa diminuição da folga perimetral 12 entre pistão 1 e cilindro 2 sem a necessidade de reduzir o comprimento de uma das peças do conjunto pistão/cilindro.In addition, it should be noted that the cylindricity error obtained in parts such as pistons 1 and cylinders 2 is dependent on the length of the cylindrical surfaces, ie the length of piston 1 and cylinder 2. The relationship is established such that the greater the length the greater the cylindricity error it presents. Thus, an option to decrease the cylindricity error to enable the reduction of perimeter clearance 12 could simply be to decrease the length of piston 1 and / or cylinder 2. Figure 10 shows a large clearance piston / cylinder assembly in the top region of piston 1 due to high cylinder cylindrical error. The decrease in piston 1 or cylinder 2 length, however, is not for compressors that use aerostatic bearings instead of oil as lubricant because they require longer pistons 1 and cylinders 2 so that aerostatic bearings provide the necessary support to piston 1, avoiding contact between the piston 1 and cylinder 2 assembly, otherwise the assembly would suffer premature wear and consequently loss of efficiency. The problem solved by the present invention is therefore a unique problem of compressors using aerostatic bearings. On the one hand there are the difficulties discussed in the previous paragraph and on the other hand only compressors with aerostatic bearings have a perimeter clearance 12 through which the refrigerant gas flows. Since it was not possible to shorten the length of piston 1 and cylinder 2 to achieve a reduction in cylindricity errors due to the stability and bearing issues of piston 1 in cylinder 2, a solution has been found to achieve the effect of piston 1 or 2 shorter cylinder. Such a solution results in a reduction in the perimeter clearance 12 between piston 1 and cylinder 2 without the need to reduce the length of one of the piston / cylinder assembly parts.

De acordo com o que ficou demonstrado pelos resultados dos modelos teóricos, a menor folga perimetral 12 possível é tanto mais necessária e benéfica quanto mais perto do topo do pistão 1 se encontrar, isto é, quanto mais perto região do topo do pistão 1 for realizada a diminuição da folga perimetral 12, tanto maior o efeito de redução de irreversibilidade, uma vez que é nesta região que se encontram os maiores fluxos de massa de gás que entram e saem da folga perimetral 12. Não se faz assim necessária a redução da folga perimetral 12 ao longo de todo o comprimento da folga (Cf), nem durante todo o ciclo de movimento oscilatório do pistão 1, mas sim apenas no momento em que pressões próximas à de descarga surgem na câmara de compressão 4, ou seja, quando o pistão 1 se encontra próximo ao cabeçote 3.As shown by the results of the theoretical models, the smallest perimeter clearance 12 possible is all the more necessary and beneficial as the closer to the top of piston 1 is found, ie the closer to the top of piston 1 region. the decrease in perimeter clearance 12, the greater the effect of reducing irreversibility, as this is where the greatest gas mass flows in and out of perimeter clearance 12. This does not require the reduction of clearance. perimeter 12 along the entire length of the clearance (Cf), not throughout the oscillatory movement cycle of the piston 1, but only at the moment when pressures close to the discharge appear in the compression chamber 4, ie when the piston 1 is close to the head 3.

Nesse sentido, o problema da folga perimetral 12 pode ser resolvido utilizando-se uma folga menor na região do topo do pistão 1 do que na região da base do pistão 1.In this sense, the problem of perimeter clearance 12 can be solved by using a smaller clearance in the piston top region 1 than in the piston base region 1.

De modo preferencial, mas não obrigatório, uma solução da presente invenção para a irreversibilidade passa pela utilizáção de componentes (pistão e/ou cilindro) com seção transversal variável, por forma a criar uma porção específica em que a folga seja efetivamente reduzida. Essas regiões apresentam comprimentos bem inferiores aos comprimentos dos próprios componentes e, por esse motivo, apresentarão erros de cilindrici-dade mais baixos que os de componentes inteiros.Preferably, but not obligatory, a solution of the present invention for irreversibility involves the use of components (piston and / or cylinder) with variable cross section to create a specific portion in which the clearance is effectively reduced. These regions have lengths that are much shorter than the lengths of the components themselves and will therefore have lower cylindricity errors than those of whole components.

Desta forma, exclusivamente nestas regiões, pode ser reduzida a folga entre o pistão 1 e o cilindro 2.Thus, only in these regions can the clearance between piston 1 and cylinder 2 be reduced.

As figuras 11 a 14 mostram algumas possíveis configurações de forma do conjunto pistão/cilindro que garantem uma melhor eficiência do compressor. O pistão 1, devido o seu menor diâmetro na base, possibilita um aumento da folga na base do conjunto pistão/cilindro e consequente diminuição da folga no topo do pistão 1.Figures 11 to 14 show some possible shape configurations of the piston / cylinder assembly that ensure better compressor efficiency. Piston 1, due to its smaller diameter at the base, allows for increased clearance at the base of the piston / cylinder assembly and consequent decrease in clearance at the top of piston 1.

Note-se que qualquer que seja a solução, a folga na porção de topo do pistão 1 é sempre menor que em outra qualquer região do conjunto pistão/cilindro. Adicionalmente, esta folga perimetral é mais reduzida quanto mais perto do cabeçote 3 se encontrar o pistão 1.Note that whatever the solution, the clearance at the top portion of piston 1 is always smaller than elsewhere in the piston / cylinder assembly. Additionally, this perimeter clearance is reduced the closer the cylinder head 3 is to piston 1.

Uma observação das figuras 11 a 14 mostra que podem ser encontradas soluções onde o diâmetro da base do pistão 1 é reduzido em relação ao restante de seu corpo (figura 11). Pode também ser alcançado o mesmo resultado através de uma ou mais secções variáveis do pistão 1 e do cilindro 2, conquanto que se atinja uma folga perimetral 12 reduzida na região do topo do conjunto pistão/cilindro.An observation of figures 11 to 14 shows that solutions can be found where the diameter of the piston base 1 is reduced relative to the rest of its body (figure 11). The same result may also be achieved by one or more variable sections of piston 1 and cylinder 2, provided that a reduced perimeter clearance 12 is achieved in the top region of the piston / cylinder assembly.

As figuras 12 e 13 mostram possíveis configurações geométricas do conjunto pistão/cilindro 1,2 que fazem uso de duas seções distintas em um dos elementos pistão 1 ou cilindro 2 com o objetivo de reduzir a folga perimetral 12 na medida em que o pistão 1 se aproxime do topo do cilindro 2.Figures 12 and 13 show possible geometric configurations of piston / cylinder assembly 1,2 which make use of two separate sections on one of the piston 1 or cylinder 2 elements to reduce perimeter clearance 12 as piston 1 is Approach the top of the cylinder 2.

Na figura 12 o pistão 1 apresenta duas seções distintas, sendo que a seção adjacente à região de topo do pistão 1 possui maior diâmetro que a região adjacente à porção inferior do pistão 1, isto é, a porção superior do pistão possui dimensão maior que a restante porção do pistão 1. Deste modo, à medida que o pistão 1 se move de encontro ào topo de um cilindro 2 ligeiramente arqueado em seu sentido longitudinal, a folga diametral 12 vai-se reduzindo até um mínimo quando o topo do pistão 1 se encontra próximo ao topo do cilindro 2. Essa forma ligeiramente arqueada do cilindro 2 em seu sentido longitudinal pode ser definida como uma forma do tipo segmento de círculo. A figura 13 mostra uma situação análoga à figura 12 sendo que desta vez é o cilindro 2 que possui duas seções dotadas de diferentes diâmetros Naturalmente que para garantir uma menor folga diametral 12 o cilindro 2 sofre um estreitamento da seção na porção localizada mais perto do topo do cilindro 2 (a porção de topo do cilindro 2 possui uma dimensão menor que a restante porção do cilindro 2), o que proporciona a necessária folga diametral 12 mínima. A figura 14 mostra outra dessas possíveis configurações que pode ser alcançada através de um cilindro 2 que possua uma geometria tipo tronco cônico, onde a porção de menor diâmetro estaria na região de topo do cilindro 2. Assim, à medida que o topo do pistão 1 se aproxima do topo do cilindro 2, a folga perimetral 12 é reduzida, A solução da presente invenção é, portanto, alcançada quando assegurada uma relação em que a dimensão da folga perimetral 12 varie de modo inversamente proporcional à densidade do gás presente na folga perimetral 12.In Figure 12, piston 1 has two distinct sections, with the section adjacent to the top region of piston 1 having a larger diameter than the region adjacent to the lower portion of piston 1, that is, the upper portion of the piston is larger than the remainder of piston 1. Thus, as piston 1 moves against the top of a slightly arched cylinder 2 longitudinally, the diametrical clearance 12 is reduced to a minimum as the top of piston 1 is near the top of cylinder 2. This slightly arched shape of cylinder 2 in its longitudinal direction can be defined as a circle segment type shape. Figure 13 shows a situation analogous to figure 12 being that this time it is cylinder 2 which has two sections with different diameters Of course to ensure a smaller diametral clearance 12 cylinder 2 undergoes a narrowing of the section in the portion closest to the top of cylinder 2 (the top portion of cylinder 2 is smaller in size than the remaining portion of cylinder 2), which provides the necessary minimum diametric clearance 12. Figure 14 shows another such possible configuration which can be achieved by a cylinder 2 having a tapered trunk geometry where the smallest diameter portion would be in the top region of cylinder 2. Thus, as the top of piston 1 approaches the top of cylinder 2, the perimeter clearance 12 is reduced. The solution of the present invention is therefore achieved when a relationship is ensured wherein the size of the perimeter clearance 12 varies inversely proportional to the gas density present in the perimeter clearance. 12

Tendo sido descrito exemplos de concretizações preferidos, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a-pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.Having described examples of preferred embodiments, it should be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations, being limited only by the content of the appended claims, including the possible equivalents thereof.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Piston and cylinder assembly, the piston (1) being relocably positioned within the cylinder (2), the piston moving between an upper dead center (PMS) and a lower dead center (PMI), between a wall cylinder (2) and an outer piston wall (1) there is a perimeter clearance (12) for aerostatic piston bearing (1), the assembly being characterized by the fact that a minimal perimeter clearance (12) occurs in the portion piston (1) when the piston (1) is at its top dead center (PMS).

Piston and cylinder assembly according to claim 1, characterized in that the perimeter clearance (12) varies from lower dead center (PMI) to upper dead center (PMS).

Piston and cylinder assembly according to claims 1 and 2, characterized in that the perimeter clearance (12) is smaller the closer to the top portion of the piston (1).

Piston and cylinder assembly according to Claims 1 to 3, characterized in that the piston (1) has a variable cross-section.

Piston and cylinder assembly according to Claims 1 to 4, characterized in that the cylinder (1) has a variable cross-section.

Piston and cylinder assembly according to Claims 1 to 5, characterized in that the upper portion of the piston (1) is larger in size than the remaining portion of the piston (1).

Piston and cylinder assembly according to Claims 1 to 6, characterized in that the top portion of the cylinder (2) is smaller in size than the remaining portion of the cylinder (2).

Piston and cylinder assembly according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the piston (1) is tapered.

Piston and cylinder assembly according to Claims 1 to 8, characterized in that the piston (1) has a circle segment shape.

Piston and cylinder assembly according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the cylinder (2) has a tapered trunk type geometry.

Piston and cylinder assembly according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the cylinder (2) has a circle segment-like shape.

Linear compressor characterized in that it comprises a piston and cylinder assembly as defined in claims 1 to 11.

13. Linear compressor piston and cylinder assembly, the piston (1) being relocably positioned within the cylinder (2), the piston (1) moving between a high pressure portion (Pd) and a low pressure portion ( Ps), the high pressure portion (Pd) having higher gas density than the low pressure portion (Ps), a perimeter clearance (12) being defined between an inner cylinder wall (2) and an outer piston wall ( 1) for aerostatic bearing of the piston (1) with gas, the whole being characterized by the fact that the dimension of the perimeter clearance (12) varies inversely proportional to the gas density at the perimeter clearance (12).

Piston and cylinder assembly according to Claim 1, characterized in that the piston (1) has a variable cross-section.

Piston and cylinder assembly according to claims 13 and 14, characterized in that the cylinder (1) has a variable cross-section.

Piston and cylinder assembly according to claims 13 to 15, characterized in that the upper portion of the piston (1) is larger in size than the remaining portion of the piston (1).

Piston and cylinder assembly according to claims 13 to 16, characterized in that the top portion of the cylinder (2) is smaller in size than the remaining portion of the cylinder (2).

Piston and cylinder assembly according to Claims 13 to 17, characterized in that the piston (1) is tapered.

Piston and cylinder assembly according to Claims 13 to 18, characterized in that the piston (1) has a circle segment shape.

Piston and cylinder assembly according to Claims 13 to 19, characterized in that the cylinder (2) is tapered.

Piston and cylinder assembly according to claims 11 to 20, characterized in that the cylinder (2) has a circle segment shape.

Linear compressor characterized in that it comprises a piston and cylinder assembly according to claims 13 to 21.

23. Piston and cylinder assembly, the piston (1) being relocably positioned within the cylinder (2), the piston (1) moving between an upper dead center (PMS) and a lower dead center (PMI), between an inner cylinder wall (2) and an outer piston wall (1) there is a perimeter clearance (12) for aerostatic piston bearing (1), the assembly being characterized by the fact that the perimeter clearance (12) is when the piston (1) is at its top dead center (PMS) and the perimeter clearance (12) is smaller the closer to the top portion of the piston (1).