BRPI1105436A2 - Compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressonante - Google Patents

Abstract

COMPRESSOR LINEAR BASEADO EM MECANISMO OSCILATÓRIO RESSONANTE A presente invenção refere-se a um compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressoante duplicado e com elementos funcionais essencialmente espelhados. De modo mais especifico, é revelado um compressor linear compreendido por pelo menos uma mola ressonante (2) disposta no interior de pelo menos uma carcaça (7), pelo menos dois conjuntos de compressão, pelo menos dois cabeçotes (3), e pelo menos duas massas ativas (1) dispostas em equilíbrio entre si, e em equilíbrio com a mola ressonante (2). As massas ativas (1) são sincronamente operacionais de acordo com a anti-fase estabelecida pela mola ressonate (2), e são integradas por pelo menos um de pistão (5) e pelo menos uma porção móvel (61) de pelo menos um motor linear.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção para “COMPRESSOR LINEAR BASEADO EM MECANISMO OSCILATÓRIO RESSONANTE”.

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um compressor linear baseado em mecanismo oscilatório e, em especial, baseado em mecanismo oscilatório ressoante duplo.

De forma mais específica, a presente invenção revela um compressor linear provido de dois conjuntos de compressão opostamente dispostos e ressonantemente conjugados.

Fundamentos da Invenção

Como é do conhecimento dos especialistas versados no assunto, o atual estado da técnica compreende uma vasta gama de compressores lineares, sendo que grande parte destes compressores é baseada em mecanismos oscilatórios.

Em linhas gerais, estes mecanismos consistem no posicionamento de massas às extremidades opostas de uma mola passível de deformação resiliente. De acordo com o princípio de funcionamento destes mecanismos, é gerado trabalho a partir do deslocamento oscilatório de uma ou ambas as massas, as quais são deslocadas de sua posição de equilíbrio/repouso (por uma força externa) até uma primeira posição limite, e em seguida, da primeira posição limite até uma segunda posição limite (normalmente oposta à primeira posição limite). Evidentemente, este deslocamento oscilatório é ordenado e amplificado pela mola, a qual é deformada ao longo de seu comprimento durante o funcionamento do mecanismo.

Um exemplo de mecanismo oscilatório utilizado em compressores lineares é esquematicamente ilustrado nas figuras 1Ae 1B, as quais ilustram - respectivamente - um diagrama de blocos e um corte esquemático de um modelo simplificado de compressor linear baseado em um igualmente simplificado mecanismo oscilatório.

Tal mecanismo oscilatório é fundamentalmente compreendido por uma mola M, por uma carcaça C e por uma massa ativa MA compreendida pela associação de um pistão P, uma biela Bea porção móvel M1 do motor linear. A carcaça C compreende o corpo de alojamento para a maioria dos itens que integram o compressor linear, incluindo ai o bloco de fixação BF, o qual interconecta os elementos da massa ativa à carcaça C. Convencionalmente, são também previstos sistemas interno de amortecimento SI entre o bloco de fixação BF e a carcaça C. Neste caso, o bloco de fixação BF (e, por conseqüência, a citada carcaça C) encontre-se funcionalmente associado a uma das extremidades da mola M. A massa ativa (massa cujo deslocamento é reaproveitado como trabalho) encontre-se funcionalmente associado à outra extremidade da mola M. Sendo assim, o motor linear é responsável pela movimentação linear oscilatória de toda a massa ativa MA e, conseqüentemente, pela movimentação linear oscilatório do pistão P disposto no interior de um cilindro de compressão pertencente ao cabeçote do compressor. O movimento do pistão P no interior do cilindro é responsável pela compressão do fluido de trabalho do compressor.

Muito embora este mecanismo oscilatório seja relativamente funcional, nota-se que o deslocamento de sua massa MA ativa é limitado ao comprimento máximo da mola M, a qual acaba por definir a extensão de movimento da massa ativa.

Outra opção construtiva do mecanismo oscilatório acima descrito é ilustrada nas figuras 2A e 2B, as quais ilustram - respectivamente - um diagrama de blocos e um corte esquemático de um modelo duplicado de compressor linear baseado em um mecanismo oscilatório igualmente duplicado.

Tal mecanismo é basicamente integrado por uma única carcaça C, por uma ou mais molas M e por duas massas ativas MA, ambas também compreendidas pela associação de um pistão P, uma biela Bea porção móvel M1 do motor linear. A carcaça C compreende o corpo de alojamento para a maioria dos itens que integram o compressor linear, incluindo ai o bloco de fixação BF, o qual interconecta os elementos das massas ativas MA à carcaça C. Convencionalmente, são também previstos sistemas interno de amortecimento SI entre o bloco de fixação BF e a carcaça C. Neste caso, o bloco de fixação BF (e, por conseqüência, a citada carcaça C) encontre-se funcionalmente associado a uma das extremidades da mola M. As massas ativas MA encontram-se funcionalmente associado à mola M (não necessariamente através da extremidade da à mola M). Sendo assim, cada motor linear é responsável pela movimentação linear oscilatória de sua respectiva massa ativa MA e, conseqüentemente, pela movimentação linear oscilatório do pistão P disposto no interior de um cilindro de compressão pertencente ao cabeçote do compressor. O movimento do pistão P no interior do cilindro é responsável pela compressão do fluido de trabalho do compressor.

Muito embora esta construção seja capaz de dobrar a capacidade de um compressor linear “simples”, nota-se ser necessário que esta construção contenha quase que o dobro de elementos existentes em um compressor linear “simples”, demanda o dobro do tamanho do mecanismo oscilatório. Esta característica, por questões fundamentalmente dimensionais, pode ser impeditiva em muitos aparelhos e dispositivos que utilizam tais tipos de compressor. Além disto, nota-se também que os dois pistões P (cada um pertencente a uma massa ativa MA) se deslocam sempre no mesmo sentido, e isto faz com que o mencionado mecanismo seja intrinsecamente desbalanceado.

O atual estado da técnica prevê ainda outras formas construtivas de se obter um compressor linear baseado em mecanismo oscilatório duplicado, sendo que uma construção opcional é ilustrada nas figuras 3A e 3B. A grande diferença desta construção em relação à construção ilustrada nas figuras 2A e 2B diz respeito à ausência da suspensão. Desta forma, o desbalanceamento é todo transmitido parra a carcaça do compressor, o qual experimenta um elevado nível de vibração.

Grande parte das limitações dos mecanismos oscilatórios acima descritos deve-se ao fato de que apenas uma das extremidades da mola M é funcionalmente associada a uma massa ativa MA, enquanto a outra extremidade da mesma mola M é associada (direta ou indiretamente) à carcaça C1 a qual possui movimento linear nulo. Ou seja, a energia elétrica aplicada a estes tipos de mecanismo é convertida em movimento em apenas uma das extremidades da mola M, sendo que a outra extremidade da mola M é incapaz de transformar qualquer estímulo oscilatório em trabalho.

Visando sanar, em partes, as limitações acima descritas, nota-se que o atual estado da técnica compreende também construções onde uma mola ressonante tem suas duas extremidades funcionalmente associadas a elementos igualmente móveis.

Um exemplo deste tipo de construção é esquematicamente ilustrado nas figuras 4A e 4B, as quais ilustram - respectivamente - um diagrama de blocos e um corte esquemático de um modelo de compressor linear baseado mecanismo oscilatório ressonante.

Tal mecanismo é fundamentalmente composto por uma mola ressonante MR, uma massa passiva MP, uma massa ativa MA, um bloco de fixação BF e uma carcaça C. Convencionalmente, são também previstos elementos estruturais SI1 e SI2 que permitem o funcionamento adequado da mola ressonante M.

De acordo com as concretizações tradicionais pertencentes ao atual estado da técnica, a massa ativa MA é fundamentalmente integrada por um pistão P e sua respectiva biela, enquanto a massa passiva MP é fundamentalmente integrada pelo motor linear (incluindo ai a porção móvel M1 e a porção fixa M2 do mencionado motor linear).

O grande diferencial deste mecanismo diz respeito à utilização da mola ressonante MR, a qual possui um ponto neutro M' (ponto cujo deslocamento é baixa amplitude) e duas extremidades móveis (capazes de apresentar deslocamentos complementares). Neste sentido, uma das extremidades da mola ressonante MR é funcionalmente associada à massa passiva MP enquanto a outra extremidade da mola ressonante MR é funcionalmente associada à massa ativa MA. O ponto neutro M' da mola ressonante MR é ligado à carcaça do compressor. Normalmente, a massa passiva MP é integrada por um motor linear, e a massa ativa MA é integrada por um pistão capaz de ser linear e oscilatoriamente deslocado no interior de um cilindro pertencente ao cabeçote CB do compressor.

De acordo com o princípio funcional deste mecanismo, o motor impõe um movimento à sua respectiva extremidade mola ressonante MR. Este movimento é transmitido à extremidade oposta da mola ressonante MR e, conseqüentemente, à massa ativa MAque realiza o trabalho de compressão do fluido de trabalho do compressor linear. Como existem forças resilientes ressonantes atuando nas extremidades da mola ressoante MR1 a movimentação de uma de suas extremidades acaba facilitando o movimento de sua outra extremidade, e em conseqüência, é necessária uma quantidade menor de energia para que o compressor opere em sua capacidade máxima.

Um exemplo de compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressoante é descrito no pedido de patente Pl 0601645-6.

Entretanto, o funcionamento plenamente ressonante destes mecanismos (funcionamento cujas condições das massas opostas permitem a melhor relação entre rendimento e potência elétrica consumida) é de complexa obtenção. Um dos fatores determinantes diz respeito ao equilíbrio das massas passiva e ativa do compressor, e este equilíbrio, por si só, é de difícil implementação.

Além do equilíbrio das massas, são também consideradas as reações que cada uma destas apresenta ao longo do funcionamento do compressor. Por exemplo, o atrito do pistão com o cilindro de compressão tende a gerar maiores efeitos na massa ativa do que na massa ativa. Por outro lado, eventuais anomalias elétricas tendem a gerar maiores efeitos na massa passiva do que na massa ativa.

No mais, nota-se ainda que a capacidade de um compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressonante conforme acima descrito é majoritariamente relacionada ao curso de deslocamento do pistão no interior do cilindro (volume útil para a compressão de um fluido de trabalho), e o curso de deslocamento do pistão é proporcional ao comprimento do compressor como um todo, portanto, a otimização da capacidade de um compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressonante é também limitada ao seu comprimento.

De todo modo, os atuais compressores lineares baseados em mecanismos oscilatórios ressoantes possuem ainda aspectos passíveis de otimização funcional, e é neste cenário que se destaca a presente patente de invenção.

Objetivos da Invenção

Desta forma, é um dos objetivos da presente invenção revelar um compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressoante cujas massas funcionalmente associadas às extremidades da mola ressonante apresentem características extremamente análogas.

Com isto, é também um dos objetivos da invenção que estas massas apresentem reações similares ao longo do funcionamento do compressor.

É ainda um dos objetivos da presente invenção propor um compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressonante cuja otimização de sua capacidade (frente a um compressor pertencente ao atual estado da técnica) não seja exclusivamente dependente do aumento de seu comprimento. Além do equilíbrio das massas, são também consideradas as reações que cada uma destas apresenta ao longo do funcionamento do compressor. Por exemplo, o atrito do pistão com o cilindro de compressão tende a gerar maiores efeitos na massa ativa do que na massa ativa. Por outro lado, eventuais anomalias elétricas tendem a gerar maiores efeitos na massa passiva do que na massa ativa.

Conseqüentemente, é então um dos objetivos da presente invenção revelar um compressor de capacidade similar à capacidade dos compressores pertencentes ao atual estado da técnica, mas com cerca da metade das dimensões destes.

Sumário da Invenção

Estes e outros objetivos da invenção ora revelada são totalmente alcançados por meio do compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressoante ora proposto.

O supracitado compressor linear compreende pelo menos uma mola ressonante (disposta no interior de pelo menos uma carcaça), pelo menos dois conjuntos de compressão, e pelo menos dois cabeçotes. O grande diferencial do compressor linear em questão diz respeito ao fato do mesmo prever ainda pelo menos duas massas ativas dispostas em equilíbrio entre si, e em equilíbrio com a mola ressonante.

Tais massas ativas, as quais são sincronamente operacionais de acordo com a anti-fase estabelecida pela mola ressonate, são integradas por pelo menos um de pistão e um motor linear. Neste sentido, cada pistão é hábil de realizar movimento linear oscilatório no interior de seu respectivo cilindro através da movimentação linear imposta pelo seu respectivo motor linear.

De acordo com os conceitos da presente invenção, o compressor linear em questão prevê duas massas ativas, cada uma sendo funcionalmente acoplada a uma das extremidades distais da mola ressonante. Preferencialmente, este acoplamento funcional entre uma massa ativa e sua respectiva extremidade distai da mola ressonante ocorre através da junção da porção móvel do motor linear da massa ativa à referida extremidade distai da mola ressonante e, em especial, a junção da porção móvel do motor linear da massa ativa à extremidade distai da mola ressonante ocorre através de pelo menos uma mola plana.

Observa-se ainda que, em linhas gerais, o pistão e o motor linear pertencentes a uma mesma massa ativa são diretamente acoplados um ao outro, sendo que, preferencialmente, o pistão é diretamente acoplado à porção móvel do motor linear. Opcionalmente, o pistão é diretamente acoplado ao motor linear através de uma haste

Descrição Resumida das figuras

A presente invenção será pormenorizadamente detalhada com base nas figuras listadas, as quais: As figuras 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A e 4B, conforme anteriormente descrito, representam mecanismos oscilatórios convencionalmente aplicados em compressores lineares pertencentes ao atual estado da técnica;

A figura 5A ilustra, de forma esquemática, o diagrama de blocos fundamental do mecanismo oscilatório ressonate ora proposto; e

A figura 5B ilustra um corte transversal do compressor linear segunda a concretização preferencial da presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

Conforme anteriormente descrito, os convencionais compressores lineares baseados em mecanismos oscilatórios ressonantes são fundamentalmente integrados por uma “massa ativa” e por uma “massa passiva”, sendo cada uma disposta em uma das extremidades distais de uma mola ressonante.

De acordo com o principio funcional convencional, tanto a “massa ativa” quanto a “massa passiva” realizam movimentação linear oscilatória, entretanto, apenas a “massa ativa” é capaz de converter a potência do sistema em trabalho útil, isto é, apenas a movimentação linear oscilatória da “massa ativa” pode ser convertida em real compressão de um fluido de trabalho do compressor linear. Já a movimentação linear oscilatória da “massa passiva” tem o simples objetivo de balancear as forças ressonantes do “sistema”.

Ainda sobre a composição acima referenciada (relacionado ao atual estado da técnica), nota-se que as convencionais “massas ativas” são fundamentalmente integradas por um pistão de compressão, enquanto as convencionais “massas passivas” são convencionalmente integradas por um motor linear (ou pela porção móvel do motor linear).

É neste sentido que de destaca a presente invenção, afinal, é revelado um compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressonante isento de qualquer tipo de “massa passiva”. Desta forma, e para que o compressor linear ora apresentado seja funcional, seu mecanismo oscilatório ressonante é integrado por duas massas ativas 1, cada qual disposta em uma das extremidades distais de uma mola ressonante 2.

Neste sentido, e de acordo com a proposta da presente invenção, cada uma das massas ativas 1 é capaz de converter a potência do sistema em trabalho útil, isto é, a movimentação linear oscilatória de cada uma das massas ativas 1 é convertida em real compressão de um fluido de trabalho do compressor linear ora revelado.

Portanto, a presente invenção revela um compressor linear provido de dois “conjuntos de compressão”, sendo cada um destes conjuntos definido por uma das massas ativas 1 e seu respectivo cabeçote de trabalho 3, o qual inclui pelo menos um cilindro 4 e todos os elementos convencionalmente existentes em cabeçotes de compressores, como por exemplo, uma placa de válvulas, uma válvula de sucção, uma válvula de descargas, dentre outros. Do ponto de vista funcional, cada uma das massas ativas 1, segunda a presente invenção, compreende não somente o pistão (conforme usualmente estabelecido nos compressores lineares pertencentes ao estado da técnica), mas um conjunto formado pelo acoplamento de um pistão 5 à porção móvel 61 de um motor linear (que inclui ainda uma porção fixa 62). Preferencialmente, este acoplamento se dá através de uma biela 11.

Por conseqüência, cada uma das extremidades distais da mola ressonante 2 é funcionalmente acoplada a um conjunto de pistão 5 e porção móvel 61 de um motor linear.

Desta forma, e de acordo com o principio funcional intrínseco dos “sistemas massa-mola ressonante”, as massas ativas 1 (conjunto de pistão 5 e porção móvel 61 de um motor linear) tem sua atuação sincronizada de acordo com a anti-fase estabelecida pela mola ressonate 2, ou seja, cada um dos pistões 5, embora fisicamente independentes, alcançam seu ponto morto superior (avanço máximo em relação ao comprimento do cilindro 4) simultaneamente, e conseqüentemente, alcançam seu ponto morto inferior (recuo máximo em relação ao comprimento do cilindro 4).

Em conseqüência a construção inédita, o compressor linear alcança dois principais objetivos: A minimização do desbalanceamento entre os componentes funcionais do mecanismo oscilatório ressonate, e a duplicação da capacidade do compressor linear sem severas modificações dimensionais de sua estrutura fundamental.

O balanceamento virtualmente idêntico entre os componentes funcionais (em especial, entre as massas dispostas nas extremidades distais da mola ressonante) ocorre pelo fato de que ambas as massas ativas 1, de acordo com apresente invenção, são similares e, portanto, apresentam reações virtualmente idênticas a partir de um mesmo estímulo. Por exemplo, ambas as massas ativas 1 estão sujeitas às mesmas forças de atrito (principalmente desencadeadas pelo atrito do pistão 5 quando movimentado no interior de seu respectivo cilindro 4). Além disto, ambas as massas ativas 1, pelo fato de incluírem cada uma um motor linear, apresentam comportamento virtualmente idênticos quando ocorre qualquer tipo de anomalia elétrica oriunda da fonte de alimentação do compressor linear.

A duplicação da capacidade do compressor linear ocorre por motivos óbvios, afinal, o compressor linear ora revelado é integrado por dois “conjuntos de compressão”, os quais se encontram dispostos no interior de uma carcaça externa 7 de dimensões (comprimento e diâmetro) substancialmente análogas às dimensões de carcaças de compressores convencionais de “meia capacidade”. Com isto, o compressor linear ora tratado pode sofrer miniaturização com manutenção de sua capacidade.

De acordo com a figura 5B, nota-se que o compressor linear prevê, além de seus elementos fundamentais acima definidos, meios de amortecimento de impacto, molas axiais 91 e molas radiais 92. Os meios de amortecimento de impacto encontram-se dispostos próximos aos cabeçotes de trabalho 3, de modo a impedir que os impactos oriundos da compressão do fluido de trabalho sejam propagados para os demais elementos que integram o compressor linear.

As molas axiais 91 têm por objetivo ancorar a mola ressonante 2 no interior da carcaça externa 7, otimizando a estabilidade dos elementos móveis do interior da carcaça externa 7 que é rígida. As molas planas 92 têm por objetivo garantir o alinhamento radial das massas ativas 1, além de servir como meio de acoplamento entre as mencionadas massas ativas 1 e suas respectivas extremidades da mola ressonante 2.

Neste sentido, é importante salientar que estes elementos não têm por objetivo limitar a invenção em questão. Além disso, todos estes elementos já são amplamente descritos no atual estado da técnica.

Nota-se que todos os componentes funcionais do compressor linear encontram-se alojados no interior de uma carcaça externa 7. A mola ressoante 2 é fixada ao interior da carcaça 7 através de seu ponto neutro 21, através da mola axial 91 e molas planas 92. Cada um dos cabeçotes 3 encontra-se fixado a uma das extremidades distais da carcaça 7.

Ainda de acordo com a figura 5B observa-se que cada massa ativa 1 é acoplada a uma das extremidades distais da mola ressonante 2 através de molas planas 92, sendo que, na verdade, a porção móvel de cada um dos motores lineares 61 é acoplada à sua respectiva extremidades da mola ressonante 2 através.

Observa-se ainda que cada pistão 5 encontra-se diretamente atrelado à porção móvel de seu respectivo motor linear 61 através de uma haste semi-flexível 11.

No mais, observa-se também que o cilindro 4 encontra-se fixado à carcaça 7, sendo disposto no interior da área definida pela porção móvel 61 do motor linear. O pistão é hábil de ser reciprocamente deslocado no interior do cilindro 4, e compreende um corpo fundamentalmente cilíndrico e tubular, tendo uma de suas extremidades (extremidade de trabalho) fechada.

Tendo sido descrito conceito principal e pelo menos uma concretização preferencial da presente invenção, deve ser entendido que o escopo da mesma abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações, aí incluídos os possíveis meios equivalentes.

Claims (7)

1. Compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressoante, compreendendo pelo menos uma mola ressonante (2) disposta no interior de pelo menos uma carcaça (7), pelo menos dois conjuntos de compressão e pelo menos dois cabeçotes (3), CARACTERIZADO pelo fato de compreender: pelo menos duas massas ativas (1) dispostas em equilíbrio entre si, e em equilíbrio com a mola ressonante (2); as massas ativas (1) sendo sincronamente operacionais de acordo com a anti-fase estabelecida pela mola ressonate (2); cada massa ativa (1) sendo integrada por pelo menos um de pistão (5) e pelo menos uma porção móvel (61) de pelo menos um motor linear; e cada pistão (5) sendo hábil de realizar movimento linear oscilatório no interior de seu respectivo cilindro (4), através da movimentação linear imposta pela seu respectiva porção móvel (61) de seu motor linear.

2. Compressor linear, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de prever duas massas ativas (1), cada uma sendo funcionalmente acoplada a uma das extremidades distais da mola ressonante (2).

3. Compressor linear, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato que o acoplamento funcional entre uma massa ativa (1) e sua respectiva extremidade distai da mola ressonante (2) ocorre através da junção da porção móvel (61) do motor linear da massa ativa (1) à referida extremidade distai da mola ressonante (2).

4. Compressor linear, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a junção da porção móvel (61) do motor linear da massa ativa (1) à extremidade distai da mola ressonante (2) ocorre através de pelo menos uma mola plana (92).

5. Compressor linear, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pistão (5) e a porção móvel (61) do motor linear, pertencentes a uma mesma massa ativa, (1) são diretamente acoplados um ao outro.

6. Compressor linear, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o pistão (5) é diretamente acoplado à porção móvel (61) do motor linear.

7. Compressor linear, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o pistão (5) é diretamente acoplado à porção móvel (61) do motor linear través de uma haste (11).