CONJUNTO DE PISTON Y CILINDRO.

Conjunto de pistón y cilindro, quedando dispuesto el pistón (10) en el interior del cilindro (11) de manera que puede desplazarse,

presentando el cilindro (11) una cámara de compresión (C), desplazándose el pistón (10) entre un punto muerto superior (PMS) y un punto muerto inferior (PMI), separando una holgura diametral (F) una superficie de deslizamiento (9) del pistón (10) y una superficie de guía (12) del cilindro (11), la superficies de guía (12) del cilindro (11) está configura de modo que la holgura diametral (F) será variable a lo largo del desplazamiento del pistón (10), estando caracterizado el conjunto de pistón y cilindro por el hecho de que la variación de la holgura diametral (F) a lo largo del desplazamiento del pistón (10) es no lineal del punto muerto inferior (PMI) al punto muerto superior (PMS), y por el hecho de que la superficie de deslizamiento (9) del cilindro (11) presenta un primer tramo de desplazamiento (LR) situado cerca del punto muerto superior (PMS) y un segundo tramo de desplazamiento (LC), presentando el segundo tramo de desplazamiento un perfil de cono truncado, siendo un diámetro del cono truncado mayor cuando se encuentra más cerca del punto muerto inferior (PMI) que el diámetro más cerca del punto muerto superior (PMS)

La presente invención se refiere a un conjunto de pistón y cilindro, así como a un cilindro de compresión, particularmente aplicables a compresores alternativos utilizados en sistemas de refrigeración que pueden incluir, por 5 ejemplo, frigoríficos, sistemas de aire acondicionado y similares. La presente invención también se aplica a motores en general que hacen uso de cilindros alternativos, por ejemplo, compresores lineales y motores de combustión interna.

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Descripción de la técnica anterior en base a las figuras

Tal como es conocido de la técnica anterior y tal como puede apreciarse en la figura 1, en los compresores de pistones alternativos 1 utilizados en refrigeración, la compresión del gas refrigerante se consigue mediante el 15 movimiento alternativo de un pistón 10 dentro de un cilindro 11 (que configura una cámara de compresión C de tamaño variable) entre un límite de desplazamiento mínimo y máximo dados por el mecanismo de accionamiento, denominados respectivamente punto muerto inferior y punto muerto superior. La cámara de compresión queda abierta en uno de sus 20 extremos y cerrada en el otro por la citada placa de válvula 5. Para que el movimiento del pistón 10 se produzca de manera apropiada, debe existir una diferencia entre el diámetro del pistón y la cámara de compresión. En los compresores 1 actualmente conocidos, el diámetro del pistón y el diámetro de la cámara de compresión se mantienen constantes, caracterizando una 25 holgura diametral constante o constantemente variable F.

Durante el funcionamiento del compresor, la holgura que existe entre el pistón y la compresión queda llena de aceite lubricante, para proporcionar un soporte de rodamiento para el pistón 10, evitando de este modo que entre en 30 contacto con las paredes de la cámara de compresión, lo que podría producir un desgaste del pistón 10 y/o de la cámara de compresión. Esto es debido a una disipación de la energía mecánica para vencer la fricción viscosa que ofrece el aceite y el movimiento relativo del pistón respecto a la cámara de compresión. 35

Cuando el pistón 10 se desplaza del punto muerto inferior al punto muerto superior, el gas que existe en el interior de la cámara de compresión se comprime, lo cual aumenta su presión respecto a la presión del gas que existe en la carcasa del compresor. Esto crea una diferencia de presión que tiende a expulsar una parte del gas que se comprimirá hacia la carcasa, el cual se pierde después a través de la holgura diametral F. Este fenómeno 5 caracteriza una pérdida volumétrica (o pérdida de capacidad de enfriamiento) del compresor, ya que se ha realizado un trabajo de compresión en el gas perdido por la fuga. Esta pérdida reduce directamente la eficacia energética del compresor.

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Tanto la disipación de energía mecánica como la pérdida de gas a través de la holgura que existe entre el pistón y la cámara de compresión están muy influenciadas por el valor de esta holgura, de modo que contra menor es su valor mayor es la disipación de energía mecánica y menor es la pérdida de gas. Por otra parte, contra mayor es su valor, menor es la disipación de la 15 energía mecánica y mayor es la pérdida de gas.

Por esta razón, en compresores de alta eficacia se intenta conseguir un valor de holgura considerado óptimo, en el que la pérdida de gas y la disipación de energía mecánica sean tales que se maximice la eficacia energética del 20 compresor.

Además de la holgura diametral F entre el pistón y la cámara de compresión, los siguientes factores tienen una influencia en la disipación de energía mecánica y la pérdida de gas: 25

i) diámetro del pistón 10,

ii) longitud de la cámara de compresión y el pistón 10,

iii) distancia recorrida por el pistón 10,

iv) velocidad de giro del eje de accionamiento, 30

v) geometría del mecanismo de accionamiento,

vi) tipo de gas refrigerante utilizado,

vii) tipo de aceite lubricante, y

viii) condiciones de funcionamiento del compresor (presiones y temperaturas). 35

Un compresor tiene un momento en el que la pérdida volumétrica es máxima. Esto puede observarse en la figura 2, que muestra la posición del pistón desplazándose entre el punto muerto inferior (PMI) y el punto muerto superior (PMS).

Tal como puede apreciarse, entre el desplazamiento del punto muerto inferior 5 al punto muerto superior la pérdida volumétrica es despreciable entre un ángulo de calado de 0º y 125º. Lo mismo sucede en sentido opuesto, en el que el pistón se desplaza del punto muerto del superior PMS al punto muerto inferior PMI, donde la pérdida volumétrica es despreciable de 210º a 360º, y comienza un nuevo ciclo de giro del cigüeñal. Sin embargo, entre los ángulos 10 125º y 210º (o zona de pérdida, ZonaP) la pérdida volumétrica aumenta perceptiblemente y, por lo tanto, deben tomarse las medidas necesarias para evitar esta baja eficacia en este tramo del pistón 10.

El documento JP 54 077 315 A se considera la técnica anterior más cercana 15 respecto a la reivindicación 1 y muestra un primer y un segundo tramo de desplazamiento, presentando el segundo tramo de desplazamiento un diámetro mayor en el PMI que en el PMS.

En el documento DD236148 se describe otra forma conocida de la técnica 20 anterior para superar estos problemas, el cual describe el uso de un conjunto de pistón y cilindro que presenta una holgura diametral variable. De acuerdo con este documento, se prevé un cilindro que tiene la mitad de la carrera de un pistón que presenta una holgura diametral constante y presentando la otra mitad una holgura diametral que disminuye de manera constante hacia abajo 25 del PMI. A pesar de que se mejora el problema de la pérdida de gas en la zona de pérdida ZonaP, es necesario que la parte superior del pistón tenga que estar configurada de manera especial, de modo que, cerca del punto muerto del superior PMS, la holgura diametral no disminuya excesivamente, lo que resultaría en una elevada fricción y la consiguiente pérdida de eficacia 30 del compresor así como fatiga del pistón. De este modo, a pesar de que la solución descrita en este documento reduce la pérdida de gas en la zona de pérdida ZonaP, llega a ser necesario fabricar el pistón con unas características diferenciadas, lo que eleva los costes de producción del conjunto de pistón y cilindro. 35

Del documento WO 94/24436 se conoce otra solución de la técnica anterior. De acuerdo con este documento, se prevé un perfil del cilindro que está configurado como cono truncado, donde el diámetro del cilindro en el punto muerto superior PMS debe ser menor que el diámetro del cilindro 11 en el punto muerto inferior PMI, de modo que la holgura diametral seguirá el aumento de presión en el interior de la cámara de compresión. Esta solución, 5 a pesar de que responde a las expectativas de un sellado más preciso del cilindro, no presenta una elevada eficiencia, ya que solamente en una zona más cercana al PMS la presión en la cámara de compresión aumenta perceptiblemente.

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Una referencia adicional de la técnica anterior, WO0065235, describe una combinación de cámara y pistón, pudiéndose desplazar relativamente la cámara y el pistón entre sí entre una primera posición y una segunda posición de la cual la sección transversal de la cámara en un plano perpendicular a la dirección de movimiento es mayor en la primera posición 15 que en la segunda posición, siendo la variación en la sección transversal de la cámara esencialmente continua entre la primera posición y la segunda posición. Esta solución, sin embargo, no cumple con el interés de presentar una pérdida reducida de gas en la zona de pérdida ZonaP.

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Descripción resumida y objetivos de la invención

Para resolver los problemas de pérdida volumétrica (o de pérdida de capacidad de enfriamiento) del compresor (o de un dispositivo similar) se prevé, de acuerdo con la presente invención, configurar el cilindro de la 25 cámara de compresión de manera que el rozamiento sea tan bajo como sea posible en la fase en la que el gas que...

Reivindicaciones

1. Conjunto de pistón y cilindro, quedando dispuesto el pistón (10) en el interior del cilindro (11) de manera que puede desplazarse, presentando el cilindro (11) una cámara de compresión (C), desplazándose el pistón (10) 5 entre un punto muerto superior (PMS) y un punto muerto inferior (PMI), separando una holgura diametral (F) una superficie de deslizamiento (9) del pistón (10) y una superficie de guía (12) del cilindro (11), la superficies de guía (12) del cilindro (11) está configura de modo que la holgura diametral (F) será variable a lo largo del desplazamiento del pistón (10), estando 10 caracterizado el conjunto de pistón y cilindro por el hecho de que la variación de la holgura diametral (F) a lo largo del desplazamiento del pistón (10) es no lineal del punto muerto inferior (PMI) al punto muerto superior (PMS), y por el hecho de que la superficie de deslizamiento (9) del cilindro (11) presenta un primer tramo de desplazamiento (LR) situado cerca del punto muerto superior 15 (PMS) y un segundo tramo de desplazamiento (LC), presentando el segundo tramo de desplazamiento un perfil de cono truncado, siendo un diámetro del cono truncado mayor cuando se encuentra más cerca del punto muerto inferior (PMI) que el diámetro más cerca del punto muerto superior (PMS).

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2. Conjunto de pistón y cilindro según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el primer tramo del desplazamiento (LR) presenta un perfil cilíndrico.

3. Conjunto de pistón y cilindro según la reivindicación 1 o 2, caracterizado 25 por el hecho de que la holgura diametral (F) en el primer tramo de desplazamiento (LR) de perfil cilíndrico es mínima.

4. Conjunto de pistón y cilindro según la reivindicación 1, 2 o 3, caracterizado por el hecho de que el diámetro del perfil de cono truncado es mínimo cerca 30 del punto muerto superior (PMS) y máximo en el punto muerto inferior (PMI).

5. Conjunto de pistón y cilindro según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el cilindro (11) presenta un primer tramo de desplazamiento (LR) en perfil de cono truncado y un segundo tramo de desplazamiento (LC) 35 en perfil de cono truncado, quedando situado el primer tramo de desplazamiento (LR) más cerca del punto muerto superior (PMS), siendo el diámetro del cilindro (11) en el punto muerto superior (PMS) menor que el diámetro del cilindro (11) en el punto muerto inferior (PMI), y siendo la relación entre el diámetros del cilindro (11) del lado del punto muerto superior (PMS) y el diámetro del cilindro en el lado del punto muerto inferior (PMI) en el primer tramo de desplazamiento (LR) diferente de la relación entre el 5 diámetro del cilindro (11) del lado del punto muerto superior (PMS) y el diámetro del cilindro en el lado del punto muerto inferior (PMI) en el segundo tramo de desplazamiento (LC).

6. Conjunto de pistón y cilindro según la reivindicación 5, caracterizado por el 10 hecho de que la relación entre el diámetro del cilindro en el lado del punto muerto superior (PMS) y el lado del punto muerto inferior (PMI) en el primer tramo de desplazamiento (LR) es mayor que la relación entre el diámetro del cilindro (11) en el lado del punto muerto superior (PMS) en el lado del punto muerto inferior (PMI) en el segundo tramo de desplazamiento (LC). 15

7. Conjunto de pistón y cilindro según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la holgura diametral (F) es proporcional a la fuerza que ejerce un gas a comprimir en la cámara de compresión (c) sobre el pistón (10).