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BRPI1009955A2 - conjunto pistço - cilindro para compressor alternativo - Google Patents

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BRPI1009955A2
BRPI1009955A2 BRPI1009955-7A BRPI1009955A BRPI1009955A2 BR PI1009955 A2 BRPI1009955 A2 BR PI1009955A2 BR PI1009955 A BRPI1009955 A BR PI1009955A BR PI1009955 A2 BRPI1009955 A2 BR PI1009955A2
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Abstract

CONJUNTO PISTçO - CILINDRO PARA COMPRESSOR ALTERNATIVO. A presente invenção se refere a um conjunto pistão-cilindro para compressor alternativo onde o pistão realiza um movimento reciprocante dentro do cilindro, em que a superfície (1) do pistão e a superfície do cilindro possuem uma rugosidade superficial com parâmetro Rpk de rugosidade de superfície abaixo de cerca de 6Onm e com parâmetro Rvk de rugosidade de superfície abaixo de 100 nm; e a superfície (1) do pistão recebe um revestimento que compreende pelo menos uma camada de suporte (2) e pelo menos uma camada de DLC (3).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CONJUNTO PISTÃO - CILINDRO PARA COMPRESSOR ALTERNATIVO".
Campo da Invenção
A presente invenção se refere a um conjunto pistão - cilindro para compressores alternativos, e mais especificamente, a um conjunto pistão - cilindro para compressores lineares.
Fundamentos da Invenção
Um compressor tem como função elevar a pressão de determinado volume de fluido a uma pressão necessária à realização de um ciclo de refrigeração. São conhecidos da técnica os chamados compressores alternativos, onde um pistão desliza reciprocantemente no interior de um cilindro para realizar a compressão dos gases.
O contato entre o pistão reciprocante e o cilindro pode gerar elevadas perdas mecânicas, e pode levar ao desgaste e falha prematura do compressor. Além disso, esse contato entre as partes pode gerar aumento de ruído, elevação da temperatura de operação, aumento da vibração do compressor, e perda de eficiência, contribuindo inclusive para o aumento do consumo de energia do equipamento.
Em alguns tipos de compressores é previsto um óleo lubrificante entre as partes móveis, entretanto, para algumas aplicações em compressores lineares a presença do óleo é prejudicial.
Na tentativa de resolver o problema relacionado ao atrito pistão - cilindro sem o uso
de óleo lubrificante, algumas soluções técnicas foram desenvolvidas no sentido de usar revestimentos especiais para tais peças.
Esse é o caso, por exemplo, das soluções descritas nos documentos US 6,641,337 e JP 2001107860, onde as quais descrevem a aplicação de DLC (Diamond-Like Carbon) às partes móveis do compressor.
Ocorre que mesmo essas soluções conhecidas não resolvem completamente o problema do atrito e conseqüente desgaste entre as peças, já que a concentração de tensões de contato sobre os picos das asperezas do DLC acaba levando ao desgaste prematuro do revestimento. Objetivos da Invenção
Portanto, é um dos objetivos da presente invenção prover um conjunto pistão- cilindro para um compressor alternativo, que proporcione um menor atrito entre o pistão e o cilindro, impedindo o desgaste prematuro das peças.
Sumário da Invenção
A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de um conjunto pistão-
cilindro para compressor alternativo onde o pistão realiza um movimento reciprocante dentro do cilindro, em que a superfície do pistão e a superfície do cilindro possuem uma rugosidade superficial com parâmetro Rpk de rugosidade de superfície abaixo de cerca de 60nm e com parâmetro Rvk de rugosidade de superfície abaixo de 100 nm; e a superfície do pistão recebe um revestimento que compreende pelo menos uma camada de suporte e pelo menos uma camada de DLC (3).
Na concretização preferida da presente invenção, o material do cilindro
compreende de aço inox, o material da camada de suporte é selecionado dentre nitretos e sulfetos, e o material da camada de DLC é selecionado dentre carbono amorfo não hidrogenado, carbono amorfo hidrogenado, carbono amorfo tetragonal não hidrogenado, e carbono amorfo tetragonal hidrogenado. A camada de DLC pode compreender ainda elementos de liga metálicos ou não metálicos.
Descrição Resumida dos Desenhos
As figuras mostram:
Figura 1 - ilustra uma vista esquemática do revestimento de pistão no conjunto pistão-cilindro de acordo com a concretização preferida da presente invenção. Figura 2 - ilustra uma representação gráfica comparativa entre a presente invenção
e a solução do estado da técnica.
Figura 3 - uma representação esquemática das superfícies revestidas do conjunto pistão-cilindro de acordo com a concretização preferida da presente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nos
exemplos de execução representados nos desenhos apensos.
De modo a garantir o correto funcionamento do conjunto pistão - cilindro sem afetar a perda de eficiência em função do desgaste e da inexistência de lubrificação por óleo lubrificante, a presente invenção propõe o revestimento da superfície externa do pistão com filmes finos de DLC (Diamond-Like Carbon) em associação com um revestimento de base que aumenta a resistência mecânica do revestimento de DLC aplicado na superfície.
Assim, conforme pode ser visto na figura 1, a presente invenção compreende um pistão 1 (apenas parte de sua superfície externa sendo ilustrada) que recebe um revestimento composto preferencialmente por uma camada de suporte mecânico 2 e uma camada de DLC 3. Na concretização preferida da presente invenção, as camadas de suporte 2 e DLC 3 geram um revestimento com espessura de aproximadamente 3-10 micrometros.
A camada de suporte 2 pode compreender um único elemento ou múltiplos elementos dispostos da seguintes forma: composição química gradualmente variável, composição química constante, monocamada ou multicamada.
Além disso, a composição da camada de suporte 2 pode variar de acordo com as solicitações mecânicas do projeto específico do conjunto p-istão- cilindro, sendo que a camada pode compreender nitretos, (CrN, FeN1 TiN, AITiN1 CAITiN, etc), sulfetos (MoS2 e variações, WS2 e variações, etc); e outros revestimentos de dureza intermediária entre o substrato e o DLC, com o objetivo de dar suporte mecânico às cargas elevadas atuando sobre o pistão.
Já a camada de DLC 3 é constituída de um revestimento a base de carbono com proporções variáveis de hidrogênio, podendo conter as seguintes variações: a-C (Carbono Amorfo não Hidrogenado); a-C:H (Carbono Amorfo Hidrogenado); ta-C (Carbono Amorfo Tetragonal não Hidrogenado); ta-C:H (Carbono Amorfo Tetragonal Hidrogenado). Além destas variações a adição de elementos de liga pode ser utilizada para obtenção de propriedades específicas para cada aplicação, essa camada com adição de elementos de liga é denominada Me-DCL, onde Me refere-se a elementos adicionados (metal ou não metal).
A disposição da camada 3 também pode apresentar variações quanto à proporção de elementos de liga, e pode ser, por exemplo: composição química gradualmente variável, composição química constante, monocomposto, ou variações de DLC dispostas de forma intercalada.
A aplicação da camada DLC se dá após um preparo da superfície do pistão que receberá a camada. Esse preparo envolve um processo de acabamento superficial de modo a obter uma rugosidade de superfície com parâmetros Rpk< 60nm e Rvk < 100 nm obtidos por medição topográfica das superfícies. De modo a garantir a diminuição do atrito no conjunto pistão - cilindro, a superfície
do cilindro também é preparada de modo que seja obtida uma superfície de cilindro com rugosidade de superfície com parâmetros Rpk< 60nm e Rvk < 100 nm obtidos por medição topográfica das superfícies.
Nesse sentido, a figura 2 mostra esquematicamente o desgaste do revestimento DLC em uma superfície sem a rugosidade acima especificada (figuras a) e b)) e com a rugosidade acima especificada (figuras c) e d)).
Como pode ser visto nas figuras a) e b), na condição de rugosidade elevada, ocorre um desgaste prematuro da camada DLC devido à concentração de tensões de contato sobre o pico das asperezas de superfície (ou seja, acabam sendo formadas áreas de apoio pontuais sobre a camada).. Tal desgaste prematuro acaba deixando o substrato do pistão exposto.
No entanto, quando a rugosidade está dentro dos parâmetros propostos na presente invenção - como nas figuras c) e d), ocorre um desgaste gradual e suave da camada DLC, devido a formação de uma maior área de apoio entre as superfícies com a conseqüente redução das tensões de contato.
Na concretização preferida da presente invenção, o cilindro do conjunto pistão - cilindro é fabricado de aço inox. Conforme melhor observado na figura 3, a utilização de um cilindro de aço inox possibilita a formação de uma tribocamada uniformemente distribuída em ambas as interfaces de contato devido ao movimento relativo entre as partes. Esta tribocamada é formada devido à eliminação (por desgaste brando) dos picos das asperezas do aço Inox do cilindro e do DLC1 bem como resíduos dos materiais empregados nas demais partes do compressor e da atmosfera de aplicação do mesmo.
Assim, a formação de um revestimento em DLC mais duradouro com a fabricação de uma das peças do conjunto pistão-cilindro de aço inox, garante a formação da tribocamada , essencial para o funcionamento do par tribológico, permitindo o conjunto pistão-cilindro funcione sem desgaste significativo, baixo atrito e durabilidade adequada.
Deve ser entendido que a descrição fornecida com base nas figuras acima se refere apenas a uma das concretizações possíveis para o objeto da presente invenção, sendo que o real escopo do objeto encontra-se definido nas reivindicações apensas.

Claims (5)

1. Conjunto pistão-cilindro para compressor alternativo onde o pistão realiza um movimento reciprocante dentro do cilindro, CARACTERIZADO pelo fato de que: a superfície (1) do pistão e a superfície do cilindro possuem uma rugosidade superficial com parâmetro Rpk de rugosidade de superfície abaixo de cerca de 60nm e com parâmetro Rvk de rugosidade de superfície abaixo de 100 nm; a superfície (1) do pistão recebe um revestimento que compreende pelo menos uma camada de suporte (2) e pelo menos uma camada de DLC (3).
2. Conjunto pistão - cilindro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o material do cilindro compreende de aço inox.
3. Conjunto pistão - cilindro, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o material da camada de suporte (2) é selecionado dentre nitretos e sulfetos.
4. Conjunto pistão - cilindro, de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o material da camada de DLC (3) é selecionado dentre carbono amorfo não hidrogenado, carbono amorfo hidrogenado, carbono amorfo tetragonal não hidrogenado, e carbono amorfo tetragonal hidrogenado, ou combinação destes.
5. Conjunto pistão - cilindro, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada de DLC (3) compreende ainda elementos de liga metálicos ou não metálicos.
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