BR0210295B1 - aparelho de mancal de fluido em uma máquina possuindo um pistão. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHODE MANCAL DE FLUIDO EM UMA MÁQUINA POSSUINDO UM PISTÃO".

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

1. Campo da Invenção

A presente invenção refere-se, de modo geral, a mancais de gástais como os usados, por exemplo, nas máquinas "Stirling" de pistão livre, erefere-se, mais particularmente, a um aparelho limitador utilizado com man-cais de gás.

2. Descrição da Técnica Relacionada

Em muitas máquinas diferentes, os pistões fazem um movimentoalternativo em um cilindro formado em um alojamento. Devido à usinagemacurada, um entreferro anular fino é formado entre a parede de cilindro e aparede de pistão. Nas máquinas de ciclo "Stirling", por exemplo, o alojamen-to encerra um espaço de trabalho limitado por uma extremidade do pistão eum espaço traseiro limitado pela extremidade oposta do pistão. O termo "pis-tão" pode se referir, em termos genéricos, a qualquer corpo do tipo pistão,incluindo o deslocador em uma máquina de ciclo "Stirling". Um gás de traba-lho, como, por exemplo, hélio, enche o espaço de trabalho, o espaço traseiroe outras regiões da máquina dentro do alojamento.

Devido à estrita proximidade das paredes de pistão e cilindrodurante uma operação, o entreferro anular formado entre as paredes deveser Iubrificado a fim de impedir um desgaste rápido. É considerada a Iubrifi-cação mais eficaz uma camada fina de gás de trabalho que forma um man-cai de gás. Estes mancais de gás são descritos nas Patentes U.S. N0S4.412.418, 4.802.332 e 4.888.950, todas de Beale, as quais são incorpora-das ao presente documento à guisa de referência.

A fim de Iubrificar o pistão móvel, o gás deve ser direcionadopara o entreferro em três ou mais pontos em torno da superfície periférica dopistão após ser roteado do espaço de trabalho ou do espaço traseiro. Otransporte do gás para o entreferro anular com freqüência requer uma redede passagens pequenas. As passagens que direcionam o gás de trabalhodiretamente para o entreferro anular são com freqüência extremamentepequenas a fim de restringir o fluxo de gás. A restrição do fluxo de gás é ne-cessário no sentido de manter uma pressão de gás constante, porém aspassagens muito pequenas e outras estruturas que restringem o fluxo degás para um entreferro de folga, comumente referidas como "limitadores",são especialmente suscetíveis a entupimentos.

Convencionalmente, os limitadores de mancai de gás são provi-dos por diversos meios: tubos capilares, parafusos e peças de ajuste estritocom passagens acuradas utilizadas a fim de direcionar o gás para o entrefer-ro de folga. Todas estas técnicas e estruturas anteriores sofrem com custosou com sensibilidade ao entupimento por partículas pequenas no gás de tra-balho. Um limitador desejável teria baixo custo, estabilidade de temperaturae deslizamento e pouca ou nenhuma suscetibilidade ao entupimento.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção é um corpo poroso, de preferência uma tirade plástico poroso que cobre o lado a montante de um orifício que leva aoentreferro de folga. Em uma modalidade preferida, a tira de plástico é su-portada por um anel de encosto que se polariza para fora de modo a mantera tira no lugar. O diâmetro do orifício, a porosidade da tira de plástico e alargura e o grau de compressão do anel de encosto controlam o grau derestrição imposta ao fluxo de gás. O lado a jusante do orifício fica direta-mente adjacente a sua cavidade de mancai de gás associada no entreferrode folga.

O espaço a montante do limitador de mancai de gás é o volumede carga. Em uma modalidade preferida, o volume de carga é pressurizadoà pressão máxima no ciclo "Stirling" por meio do uso de uma válvula de se-gurança de palheta pequena. O volume de carga vaza através da tira porosarestritiva e via o orifício do entreferro de folga de mancai de gás e em segui-da através do entreferro de folga. Ao se dispor os limitadores de modo aapresentar um restrição similar à resistência do entreferro de folga, é possí-vel se obter uma rigidez de mancai de gás próxima à rigidez máxima.

Quando o componente com o mancai de gás, o pistão em umamodalidade, se movimenta excentricamente, uma ou mais cavidades se mo-vimentam mais próximas à parede de cilindro. Isto restringe o fluxo de gáslocalmente através do entreferro de folga ainda mais, o que tende a aumen-tar a pressão local no entreferro de folga. A cavidade ou as cavidades nolado oposto do pistão se torna menos restrita e, portanto, sangra menos eperde pressão. Isto provoca uma força líquida sobre o pistão que tende amovimentar o pistão para fora da parede de cilindro, e mantém um filme degás para lubrificação.

O uso da tira porosa de plástico como um limitador tem a vanta-gem de ter múltiplas trajetórias e, portanto, muito menos provável de ficarentupida com partículas frouxas. Há orifícios distribuídos para o gás fluir, ese algum fica entupido, isto terá pouco efeito sobre o mancai de gás. Umaoutra vantagem é que o limitador de mancai de gás torna-se o seu própriofiltro, o que impede que partículas pequenas entrem nas vedações de folgade ajuste estritas tipicamente encontradas nas máquinas que empregammancais de gás.

O material poroso facilmente se ajusta a uma luva de pistão pormeio da provisão de um anel de encosto ou mola que comprime o materialporoso contra os orifícios do mancai de gás. A instalação pode ser feita poruma máquina automática e parece ser vantajosa para uma produção de altovolume.

Os custos de material e trabalho parecem ser extremamentebaixos em comparação às técnicas convencionais. Espera-se que a confia-bilidade seja muito melhor devido à menor possibilidade de entupimento e aoimpedimento de as partículas entrarem no entreferro de folga. Este limitadorde mancai de gás parece particularmente favorável para a implementaçãoem uma máquina de ciclo "Stirling".

A presente invenção proposta parece oferecer todas estas van-tagens e tem a vantagem adicional de prover um filtro para as partículas quepoderiam danificar ou desgastar as superfícies de mancai de ajuste estritas.Observa-se que o desempenho da limitação é comparável aos dos limitado-res de precisão que consistem em capilares de vidro de 60 mícrons de 5 mmde comprimento.BREVE DESCRIÇÃO DAS DIVERSAS VISTAS DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma vista lateral em seção ilustrando uma modali-dade preferida da presente invenção.

A Figura 2 é uma vista de extremidade em seção através da Ii-nha 2-2 da Figura 1.

A Figura 3 é uma vista de extremidade em seção similar à daFigura 2, e ilustrando o pistão em uma posição afastada do centro morto ra-dial.

A Figura 4 é uma vista em perspectiva ilustrando um pistão pre-ferido.

A Figura 5 é uma vista esquemática em seção ilustrando umafolha porosa alternativa e sua fixação ao pistão.

A Figura 6 é uma vista lateral esquemática em seção ilustrandouma modalidade preferida da presente invenção.

A Figura 7 é uma vista explodida ilustrando uma montagem depistão com mancais de gás e limitadores de acordo com a presente inven-ção. O material limitador poroso se encontra na forma de um anel e o en-costo é facilitado por um anel de compressão que força o anel poroso contraos orifícios. Dois conjuntos de mancais de gás são mostrados (quatro man-cais de gás para cada conjunto). É também mostrada nesta vista a válvulade segurança de lingüeta para a pressurização da cavidade de carga.

Na descrição da modalidade preferida da presente invenção queé ilustrada nos desenhos, uma terminologia específica será recorrida parafins de clareza. No entanto, não se pretende que a presente invenção fiquelimitada ao termo específico selecionado e deve-se entender que cada termoespecífico inclui todos os equivalentes técnicos que operam de uma maneirasimilar a fim de atender a um propósito similar. Por exemplo, a palavra "co-nectado" ou termo similar é com freqüência utilizada. A mesma não se limitaa uma conexão direta, mas inclui também outros elementos onde tal cone-xão é reconhecida como equivalente por aqueles versados na técnica.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A modalidade preferida da presente invenção é mostrada na Fi-gura 1, na qual o aparelho de ciclo "Stirling" de pistão livre 10 inclui um alo-jamento cilíndrico 12 que possui uma superfície de parede lateral interna 14,que vem a ser um cilindro circular. O pistão 16, também mostrado na Figura4, possui uma superfície cilíndrica externa 18 na parede lateral 20 que ficadisposta em estrita proximidade à superfície cilíndrica interna 14 da paredelateral de alojamento 12.

Há um entreferro anular 22 formado entre o pistão 16 e o aloja-mento 12 no qual o fluido de trabalho, como, por exemplo, um gás hélio, flui.O tamanho do entreferro anular é exagerado nos desenhos. A diferença di-ametral da superfície externa do pistão 16 e da superfície interna de aloja-mento 14 é dentre cerca de 15 e 35 mícrons em uma modalidade contem-plada. Sendo assim, o entreferro anular tem a metade daquela diferençaquando o pistão 16 é um centro morto radial (de excentricidade zero), que éde 7,5 a 17,5 mícrons. O gás flui através do entreferro anular 22, deste modoprovendo um mancai de fluido conforme é convencionalmente conhecido.

O gás suprido para o entreferro anular 22 sai da cavidade decarga 40, que vem a ser a camada dentro do pistão 16 que é selada com atampa de pistão 42. O gás é suprido para a cavidade de carga 40, na moda-lidade preferida, a partir de uma fonte de pressão alternada através de umaválvula de lingüeta que consiste na lingüeta 44, do orifício 46 e do parafusode fixação 48. A finalidade da válvula de lingüeta é impedir que o gás saia dacavidade de carga 40 ao invés de entrar no entreferro 22, e deixar o gás en-trar na cavidade de carga 40 somente quando a pressão de gás, por exem-plo, no espaço de compressão 41, é maior que a na cavidade de carga 40. Apressão máxima ideal na cavidade de carga 40 é a pressão de pico subme-tida à tampa de pistão 42. Esta variação de pressão é geralmente geradapelo movimento do pistão 16 conforme é conhecido na técnica de maquiná-rios de ciclo "Stirling". Um filtro de válvula de segurança (não mostrado)pode ser acrescentado no sentido de proteger a capacidade de a válvula delingüeta assentar de forma apropriada impedindo que resíduos contaminemos seus componentes de vedação.

Os orifícios 30, 31, 32 e 33 são formados na parede lateral 20próximos a uma extremidade do pistão 16 em quatro intervalos igualmenteespaçados em torno do pistão 16. Um outro conjunto de quatro orifícios si-milares é formado próximo à extremidade oposta do pistão 16, conformemostrado. Estes orifícios transportam o gás da cavidade de carga 40 para aabertura anular 22. Os orifícios formados no pistão 16 de preferência nãorestringem o fluxo do gás através do mesmo, e têm aproximadamente 1,0milímetro de diâmetro na modalidade preferida. Evidentemente, mais ou me-nos que quatro orifícios podem ser formados próximos à cada extremidadedo pistão 16, e os tamanhos, as posições relativas, os formatos e os ângulosde orientação podem variar de acordo com os princípios entendidos poraqueles com uma habilidade simples na tecnologia de mancais de gás.

Em uma modalidade preferida, os canais 34, 35, 36 e 37 sãoformados na superfície cilíndrica externa 18 do pistão 16 nas extremidadesdos orifícios 30 a 33, conforme é convencional. São formados canais simila-res nas extremidades dos orifícios próximos à extremidade oposta do pistão16, de modo que haja dois conjuntos de quatro mancais de gás próximos acada extremidade do pistão 16.

Um corpo poroso, permeável a fluido, de preferência a tira deplástico porosa, permeável a gás 50, é montado contra a superfície interna19 do pistão 16. Uma tira similar 60 é montada de forma similar próxima aolado oposto do pistão 16. A tira é descrita como porosa, o que significa que amesma contém muitas passagens extremamente pequenas que se esten-dem inteiramente através da tira. Estas passagens funcionam como passa-gens capilares que limitam ou medem o fluxo de fluido através das mesmas.A tira tem uma espessura significativamente menor que a sua largura e seucomprimento. Um material contemplado para uso como as tiras 50 e 60 évendido com o nome Folha de Bactérias #7744 POREX T3, tendo um tama-nho de poro na faixa de 7 a 150 mícrons com volumes vazios de 35 a 50%.O produto tem uma espessura de 0,0635 cm (0,025 polegada) e é feito depolietileno, embora seja contemplado que o polipropileno possa funcionar.

O meio de montagem, de preferência as molas de encosto 52 e62, polariza para fora contra as tiras 50 e 60, respectivamente, de modo aforçar as superfícies externas das tiras contra a superfície interna 19. O fluxode gás é ilustrado pelas setas na Figura 1 que se estendem ao longo de umatrajetória de fluxo de fluido que se estende a partir da cavidade de carga 40,através das tiras 50 e 60, e dos orifícios 30 a 33, dos canais 34 a 37 e paradentro do entreferro anular 22.

Com referência à Figura 2, a tira 50 é montada, com a ajuda damola de encosto 52, contra a parede lateral de pistão 20. A tira 50 e a molade compressão 52 ficam dispostas de modo a se assentarem sobre a super-fície que faceia para dentro no sentido radial 19 do pistão 16, e ficam posici-onadas a montante dos orifícios 30 a 33. O termo "a montante" tem o seusignificado usual e, portanto, um primeiro objeto em uma corrente de gásserá contatado pelas moléculas de gás antes de um segundo objeto, se oprimeiro objeto estiver a montante do segundo. As abas 54 permitem umacompressão conveniente da mola 50 a fim de ajudar em uma montagem edesmontagem rápidas.

A presente invenção opera da seguinte maneira com referênciaàs Figuras 1, 2, 3 e 4. Quando o pistão 16 começa a virar para fora do centromorto radial, um de seus lados se aproxima da parede de alojamento de ci-lindro 14. Isto é ilustrado, novamente em dimensões relativas exageradas,na Figura 3, na qual a superfície do pistão 18 se aproxima da parede 14 pró-xima ao orifício 30 e ao canal 34. As passagens de mancai de gás tendem ase aproximar para o lado onde o pistão 16 está mais próximo da parede decilindro 14, e as passagens tendem a se abrir no lado onde o pistão 16 estámais longe da parede de cilindro 14, que está do lado oposto. O orifício 30 eo canal 34 não conseguem liberar muito gás devido à restrição provocadapelo pistão e pelo cilindro que se aproximam um do outro, e, portanto, ten-dem a aumentar a pressão local no entreferro anular 22, a partir do gás quelibera através da tira porosa restritiva 50. O orifício 32 e o canal 36 do ladooposto não ficam tão próximos, e assim tendem a vazar e perder pressão. Adiferença de pressão provoca uma força líquida que se opõe ao movimentodo pistão 16 em direção à parede de cilindro 14, evitando, assim, o contatoentre o pistão 16 e a parede de cilindro 14 e tendendo a empurrar o pistãode volta para o centro morto radial.

Para uma rigidez ótima (definida como uma força exata pordeslocamento radial unitário) dos mancais de gás, a restrição desenhada dacombinação de cada orifício 30 a 33 e da tira 50 é aproximadamente igual àrestrição de vazamento provocada pelo entreferro de folga anular 22. Amesma relação existe na tira 60 e em seus orifícios associados. Uma vezque os orifícios 30 a 33 são de fluxo essencialmente livre na modalidadepreferida, a restrição da combinação é feita de uma forma essencialmenteinteira da restrição ao fluxo do fluido através da tira 50. Evidentemente, umcomprometimento diferente pode ser estabelecido entre um orifício maisrestritivo do que na modalidade preferida, e entre uma tira porosa menosrestritiva do que na modalidade preferida.

As dimensões dos canais 34 a 37 são escolhidas no sentido demanter a estabilidade ao movimento radial do pistão 16 dentro do cilindro 12.Isto significa que quando o pistão 16 se desloca radialmente, o seu movi-mento exato é tal que nenhuma oscilação radial é induzida no sentido depermitir que o pistão 16 eventualmente colida com o cilindro 12.

Uma modalidade alternativa é mostrada na Figura 5, na qual umcorpo poroso, como, por exemplo, a folha 80, é ligado diretamente à superfí-cie interna a montante 82 da parede lateral de pistão 81, deste modo cobrin-do os orifícios 84, 86 e outros não-mostrados. Isto pode ser feito por meio douso de um adesivo, por exemplo. A folha porosa 80 é em seguida encostadaa um filme ou folha não poroso 88, como, por exemplo, uma fita de alumínio.A compressão da folha porosa é mínima, uma vez que a vedação é providapelo filme adesivo. O fluido pode fluir somente através dos orifícios, passan-do primeiro pela folha porosa 80, e o fluido só consegue entrar na folha po-rosa 80 a partir das bordas da folha porosa 80 que não são vedadas pelafolha não-porosa 88.

Nesta modalidade, a restrição ao fluxo do fluido é uma funçãodos diâmetros dos orifícios e da porosidade e largura da folha porosa. Comona modalidade preferida, a restrição é desenhada de modo a apresentaruma restrição similar à resistência ao fluxo de fluidos no entreferro anular 90entre o pistão 81 e o alojamento de cilindro 83 depois do orifício de mancaide gás. Este desenho oferece uma rigidez de mancai de gás máxima.

Uma outra modalidade alternativa da presente invenção é mos-trada na Figura 6, na qual um pistão 100 é montado de forma deslizáveldentro da parede lateral de alojamento cilíndrico 102. Ao invés dos orifíciosque são formados na parede lateral de pistão conforme descrito acima, namodalidade da Figura 6, os orifícios são formados na parede lateral de alo-jamento cilíndrico 102. Os orifícios 104, 106, 108 e 110 se estendem intei-ramente através da parede lateral 102 a partir da cavidade de carga 140. Acavidade de carga 140 se estende em torno da periferia da parede lateral102 e está em comunicação fluida com o entreferro anular 122 entre o pistão100 e a parede lateral 102.

A cavidade de carga 140 é carregada pelo gás que entra atravésda passagem 110 pela lingüeta 112, que fica presa no lugar pelo parafuso114. O fluido flui a partir da cavidade de carga 140 através do corpo poroso,como, por exemplo, a tira porosa 120 através dos orifícios 104, 106, 108 e110 e para o entreferro de folga anular 122. A mola de encosto 124 produzuma fixação direcionada para dentro no sentido radial a fim de prender a tira120 no lugar sobre os orifícios 104 a 110. O fluido, como, por exemplo, o gásde hélio, na cavidade de carga 140, portanto, deve fluir através das bordasda tira 120 conforme mostrado pelas setas na Figura 6 a fim de alcançar osorifícios 104 a 110. A ilustração da Figura 6 mostra que é possível variar oposicionamento dos orifícios, das tiras porosas, da cavidade de carga e dasoutras estruturas e ainda permanecer dentro dos limites da presente inven-ção.

Embora certas modalidades preferidas da presente invençãotenham sido apresentadas em detalhe, deve-se entender que várias modifi-cações podem ser adotadas sem se afastar do espírito da presente invençãoou do âmbito das reivindicações a seguir.

Claims (12)

1. Aparelho de mancai de fluido em uma máquina possuindo umpistão (16) com uma parede lateral (20) tendo uma superfície cilíndrica ex-terna (18) disposta em estrita proximidade a uma superfície cilíndrica interna(14) de uma parede lateral de alojamento (12), no qual o pistão (16) é mon-tado de forma deslizável, e um entreferro de folga anular (22) entre a super-fície cilíndrica (18) do pistão e a superfície cilíndrica (14) do alojamento, oaparelho de mancai de fluido compreendendo:a) uma trajetória de fluxo de fluido que se estende em uma cor-rente a partir de uma pluralidade de orifícios (30, 31, 32, 33) formados atra-vés de pelo menos uma (20) das ditas paredes laterais (20, 12) e para den-tro do entreferro anular (22); eb) um corpo poroso (50, 60), permeável a fluidos, montado natrajetória de fluxo de fluido;caracterizado pelo fato de que o referido corpo poroso (50, 60)é montado a montante de pelo menos um dos ditos orifícios.

2. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que a parede lateral de pistão (20) possui umacâmara interna (40), definida por uma superfície interna na parede lateral depistão, a corrente de trajetória de fluxo de fluido se estende a partir da câma-ra interna (40) através da pluralidade de orifícios (30, 31, 32, 33) formadosatravés da parede lateral de pistão (18) e para dentro do entreferro anular(22), e o corpo poroso (50, 60) é montado na trajetória de fluxo de fluido atéa superfície interna (18) da parede lateral de pistão (20) a montante dos di-tos orifícios (30, 31, 32, 33).

3. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreender ainda um meio (52, 62) paraa montagem do dito corpo poroso (50, 60) na superfície interna (18) da pa-rede lateral de pistão (20).

4. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o corpo poroso (50, 60) compreende aindauma tira tendo comprimento e largura significativamente maior que a suaespessura, e a dita tira (50, 60) se estende de uma forma substancialmenteinteira em torno da câmara interna (40), assentando-se contra a superfícieinterna (18) da parede lateral de pistão (20).

5. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma fixação (52, 62) quese assenta contra a tira (50, 60) e que aplica uma força direcionada no sen-tido radial externo contra a tira (50, 60) de modo a manter a tira montada nasuperfície interna (180 da parede lateral de pistão (20).

6. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de compreender ainda um filme impermeável afluidos (88) que se assenta contra um lado da tira (80), interpondo a tira (80)entre o filme (88) e a superfície interna da parede lateral de pistão (81) demodo a forçar o fluido através de uma borda da tira (80) a montante de umdos orifícios (84 86).

7. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parede lateral de alojamento (102) pos-sui uma superfície externa, a trajetória de fluxo de fluido se estende em umacorrente a partir da superfície externa da parede lateral de alojamento atra-vés da pluralidade de orifícios (104, 106, 108, 110) formados através da pa-rede lateral de alojamento (102) e para dentro do entreferro anular (122), e ocorpo poroso (120) é montado na trajetória de fluxo de fluido para a superfí-cie externa da parede lateral de alojamento (102) a montante dos ditos orifí-cios.

8. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de compreender ainda um meio para a montagem(124) do dito corpo poroso (120) na superfície externa da parede lateral dealojamento (102).

9. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o corpo poroso (120) compreende aindauma tira de comprimento e largura significativamente maiores que a sua es-pessura tira, a dita tira (120) se estendendo de forma substancialmentecompleta em torno da, e se assenta contra a, superfície externa da paredelateral de alojamento (102).

10. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação-9, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma fixação (124) que seassenta contra a tira (120) e que aplica uma força direcionada para dentrono sentido radial contra a tira (120) de modo a manter a tira montada na su-perfície externa da parede lateral de alojamento (102).

11. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação-9, caracterizado pelo fato de compreender ainda um filme impermeável afluidos que se assenta contra um lado da tira (120), interpondo a tira entre ofilme e a superfície externa da parede lateral de alojamento (102) de modo aforçar o fluido a escoar através de uma borda da tira (120) a montante de umdos orifícios.

12. Aparelho de mancai de fluido, de acordo com a reivindicação-1, caracterizado pelo fato de que a resistência ao fluxo do fluido através decada combinação dentre o corpo poroso (50, 60) e um dos orifícios (30, 31,-32, 33) é substancialmente igual à resistência ao fluxo de fluido através doentreferro anular (22).