ES2214619T3 - Valvula de control de funcionamiento por impulsos. - Google Patents

Abstract

UN MONTAJE DE VALVULA (10) COMPRENDE UN ORIFICIO DE ENTRADA DE REFRIGERANTE (18) Y UN ORIFICIO DE SALIDA DE REFRIGERANTE (19) QUE TIENE UNA ABERTURA ESTRECHA (15), CON LA ABERTURA DEL ORIFICIO DE ENTRADA AL MENOS DOS VECES SUPERIOR A LA ABERTURA DEL ORIFICIO DE SALIDA ESTRECHO. LA VALVULA COMPRENDE COMPONENTES PARA ABRIR Y CERRAR EL ORIFICIO DE ENTRADA (18) EN RESPUESTA A LA PRESION DE LA CAVIDAD DE LA VALVULA ENTRE LOS ORIFICIOS DE ENTRADA Y SALIDA. EL MAYOR ORIFICIO DE ENTRADA (18) RESPECTO AL ORIFICIO DE SALIDA ESTRECHO (18) PROPORCIONA UNA PRESION RAPIDA CREADA EN LA CAVIDAD DE LA VALVULA (24) CUANDO EL ORIFICIO DE ENTRADA ESTA ABIERTO, QUE A SU VEZ, PROVOCA EL CIERRE RAPIDO DEL ORIFICIO DE ENTRADA. LA VALVULA (2100) ES SUSCEPTIBLE DE RAPIDAS VELOCIDADES DE REINYECCION, ALTAMENTE EFECTIVAS PARA PEQUEÑOS APARATOS DE REFRIGERACION O ENFRIAMIENTO, ASI COMO PARA CONTROLAR LA PRESION EN OTRAS APLICACIONES QUE REQUIEREN LA REGULACION DE LA PRESION.

Description

Válvula de control de funcionamiento por impulsos.

Fundamentos de la invención

Una parte esencial de la mayoría de los sistemas de refrigeración, es un dispositivo de expansión que controla el flujo de líquido refrigerante al refrigerador, y reduce la presión del refrigerante desde la presión del condensador hasta la presión del evaporador. Los dispositivos de expansión típicamente empleados, incluyen válvula de expansión termostática, válvulas de solenoide de magnitud de impulso modulada, y dispositivos pasivos, tal como tubos capilares u orificios. Los sistemas de refrigeración de baja capacidad, tal como refrigeradores domésticos, emplean típicamente un tubo capilar, que puede ser dimensionado para proporcionar flujo de refrigerante óptimo en solo una condición de funcionamiento. Así, en otras condiciones distintas a la del punto de diseño, un tubo capilar hace que el evaporador esté privado de refrigerante en condiciones de carga alta, e inundado en condiciones de baja carga. Tanto la subalimentación como la inundación del evaporador, reducen la eficiencia del sistema de refrigeración.

Como es conocido en el arte, un dispositivo de expansión activo que mantiene la cantidad adecuada de refrigerante en el refrigerador en todas las condiciones de carga, puede tener por resultado una eficiencia incrementada. Sin embargo, los dispositivos de expansión activos, tal como válvulas de expansión termostáticas, no trabajan bien en sistemas de refrigeración pequeños, debido a que no pueden estar construidos con orificios lo suficientemente pequeños como para regular velocidades de flujo bajas. Tales orificios son poco prácticos de fabricar, y son muy vulnerables frente al taponamiento. Por consiguiente, existe la necesidad de una válvula de expansión termostática, que pueda controlar velocidades de flujo de refrigerante bajas sin la necesidad de orificios pequeños.

Sumario de la invención

La válvula de control de la presente invención, proporciona control preciso de flujo refrigerante a velocidades de flujo, tanto bajas, como de varios gramos por hora, sin la necesidad de orificios pequeños. Esta válvula también puede ser utilizada para control de flujo de velocidades de flujo pequeñas, en otras aplicaciones diferentes a la expansión de refrigerante. La válvula de control de la presente invención, es especialmente adecuada para sistemas de refrigeración de compresor de vapor pequeño, así como para electrodomésticos de enfriamiento de absorción refrigerante, por ejemplo en electrodomésticos refrigeradores/congeladores que tienen potencias pequeñas, por debajo de unos 200 vatios, y especialmente aquellos de unos 10-100 vatios de capacidad de enfriamiento. De acuerdo con la invención, una válvula de expansión termostática (TXV) adecuada para sistemas de refrigeración pequeños, incluye un puerto de entrada de líquido refrigerante, y un puerto de salida de líquido refrigerante, que tienen una restricción de flujo entre la válvula y el evaporador. El puerto de salida restringido tiene un área de salida menor que el área de flujo del puerto de entrada. La válvula incluye una cavidad que tiene un volumen limitado, entre los puertos de entrada y salida de la válvula, cuyo volumen es menor que el volumen del sistema evaporador. La válvula también incluye medios sensibles a la presión dentro de la cavidad de la válvula, para abrir y cerrar el puerto de entrada. La magnitud del flujo mayor del puerto de entrada, con relación al puerto de salida restringido, previene el rápido incremento de presión en la cavidad de la válvula cuando el puerto de entrada está abierto. La restricción de salida permite que la presión dentro de la cavidad se mantenga por encima de la presión del evaporador lo suficiente como para hacer que la válvula cierre rápidamente el puerto de entrada abierto. En una realización preferida, un bulbo, u otro dispositivo, es empleado para detectar sobrecalentamiento del evaporador y suministrar presión a la válvula, para abrir y cerrar el puerto de entrada. Un diafragma expuesto a la presión de bulbo, controla la apertura y cierre del puerto de entrada, dependiendo del balance de fuerzas en caras opuestas del diafragma. En otra realización cargas, del bulbo, de amoniaco con propilenglicol, etilenglicol, o agua, son particularmente útiles para sistemas de enfriamiento de refrigerante con amoniaco, mientras que éter de dimetilo con propilenglicol o etilenglicol, es útil para sistemas de enfriamiento de refrigerante fluorocarbonado, para manejar una válvula de expansión termostática controlada por diafragma, de la invención.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista en sección de una válvula de control de evaporador de la invención; y

la figura 2 ilustra esquemáticamente un evaporador y una válvula de la invención para controlar un sobrecalentamiento del evaporador.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La válvula de expansión termostática (TXV) de la presente invención es especialmente adecuada para sistemas de refrigeración, bombas de calor, refrigeradores y/o congeladores de capacidad relativamente pequeña. La válvula tiene un puerto de entrada para líquido refrigerante, un puerto de salida, y una cavidad de la válvula entre los puertos de entrada y salida. Es creada una caída de presión mediante una restricción en, o asociada con, el puerto de salida. La válvula incluye medios para abrir y cerrar el puerto de entrada, que son sensibles a la presión dentro de la cavidad de la válvula, tendiendo las presiones mas elevadas a cerrar el puerto de entrada, y tendiendo las presiones mas bajas a abrirlo. Medios específicos, que incluyen ejemplos de componentes y características para abrir y cerrar la válvula en función de la presión en la cavidad, son mostrados en los dibujos, y serán discutidos aquí posteriormente. Una importante característica y función de la válvula, es la capacidad de rápido incremento de presión en la cavidad de la válvula, seguido por un rápido cierre del puerto de entrada. Tal función es conseguida mediante un área del flujo de entrada lo suficientemente grande, con relación al tamaño del área del flujo de salida, contemplando el rápido incremento de presión en la cavidad y, en respuesta a la presión alta, haciendo que el puerto de entrada se cierre rápidamente después de cada abertura. Áreas de flujo, de entrada y salida, eficaces y preferidas, serán discutidas aquí mas adelante. La válvula está, además, caracterizada por un volumen de cavidad interior, que es menor que el volumen del evaporador al que suministra refrigerante.

La figura 1 ilustra una válvula de expansión termostática, especialmente adecuada para absorción de pequeña capacidad, o refrigeradores de compresión de vapor, o aparatos de refrigeración. La válvula mostrada comprende un cuerpo de válvula 10, que tiene una cavidad interior 24. El asiento de válvula 20 define un puerto de válvula 28, que es abierto y cerrado cuando la junta 16, sentada contra el tapón de válvula 17, es movida hacia arriba y hacia abajo, en respuesta al movimiento del diafragma 12 contra la barra 22 y el émbolo 13, los cuales son impulsados hacia el diafragma mediante el resorte 14. El montaje incluye el puerto de conexión al bulbo o puerto de presión 11, el tubo interior 18 y el tubo exterior 19. El diafragma es impulsado contra la superficie superior de la barra 22, mediante presión desde un bulbo, no mostrado, por vía del puerto de conexión del bulbo 11. El tubo de entrada 18 comunica con un condensador, o un depósito de refrigerante líquido (no mostrado), y el tubo de salida 19 comunica con el evaporador del sistema de refrigeración. Una restricción o puerto restringido 15, está localizado entre la cavidad de válvula interior 24 y un tubo de salida 19. Un vástago de válvula 23, conecta el pistón al tapón de válvula 17, y el resorte 14 impulsa el pistón hacia arriba, en dirección al diafragma, para cerrar el puerto de entrada. Presión, desde un bulbo en el lado del bulbo del diafragma, por vía del puerto de presión 11, impulsa el diafragma contra la barra 22 y el pistón 13, para comprimir el resorte 14, y fuerza a la junta 16 hacia abajo, para abrir el puerto de entrada de la válvula 28. Presión en la cavidad empuja, además, contra el tapón de válvula 17, para abrir el puerto de válvula 28. Las fuerzas que tienden a cerrar la válvula son: la presión contra la cara (fondo) del evaporador del diafragma 12, es decir la presión en la cavidad de válvula, la fuerza del resorte 14, y la presión del condensador en el tapón de válvula 17, por vía del tubo de entrada 18. Cuando la suma de las fuerzas que tienden a abrir la válvula, excede de la suma de las fuerzas que tienden a cerrar la válvula, la válvula se abre. En otro caso, la válvula está diseñada para permanecer cerrada. Alternativamente, la válvula puede estar diseñada de forma que la presión del condensador tiende a abrir la válvula. Sin embargo, el diseño de la válvula del ejemplo mostrado en los dibujos, utiliza la presión del condensador para cerrar la válvula para presiones de condensador relativamente altas, tal como las encontradas cuando es empleado refrigerante con amoniaco.

La válvula controla el flujo de refrigerante al evaporador abriendo y cerrando cíclicamente, mas bien que modulando continuamente, la velocidad del flujo. Para que la válvula funcione apropiadamente de acuerdo con la invención, el orificio de entrada 20 debe ser lo suficientemente grande como para permitir que la presión en el interior de la cavidad de válvula, aumente rápidamente por encima de la presión del bulbo y cierre la válvula. Al arrancar, el bulbo está esencialmente a la temperatura ambiental, y la presión en el bulbo está próxima a la presión del condensador. El orificio de entrada debe ser lo suficientemente grande, como para llenar la cavidad de válvula hasta cerca de la presión del condensador, mientras que el refrigerante está también fluyendo a través de la salida. Así, como mínimo, el orificio de entrada debe proporcionar menos caída de presión que la proporcionada en el de salida.

Una importante característica distintiva de la válvula de expansión termostática de la invención, es la restricción de flujo entre la válvula y el evaporador del sistema, y el pequeño volumen del interior de la válvula, entre el asiento de válvula del puerto de entrada y la restricción. Observando la figura 1, la restricción de flujo 15 está localizada entre la cavidad de válvula 24 y el evaporador al que el tubo de salida 19 comunica, para dirigir el refrigerante condensado. La localización específica de la restricción 15 no es ya crítica en adelante, puesto que está corriente debajo respecto de la cavidad de válvula 24. La restricción 15, así como su localización entre la cavidad de válvula, o válvula interior, y el evaporador asegura que el lado del evaporador del diafragma 12 está expuesto a presiones iguales, o mayores, que las presiones de entrada del evaporador. Así, cuando la presión en el lado del bulbo del diafragma 12 se incrementa, o la presión del evaporador disminuye al punto de equilibrio, la válvula se abre, y se crea presión bajo el diafragma, es decir dentro de la válvula, haciendo que la válvula se vuelva a cerrar rápidamente. La presión decae, según el fluido se desagua a través de la restricción 15 al evaporador, hasta que la presión dentro del cuerpo de válvula y la cavidad de válvula 24, y en el lado del evaporador del diafragma 12, cae lo suficiente como para permitir que la válvula vuelva a abrirse. Con la válvula abierta, una pequeña masa de líquido refrigerante es introducida en la cavidad de válvula, a través del puerto de entrada abierto, la válvula se cierra de nuevo rápidamente, y no es introducido refrigerante líquido adicional hasta que el "cuanto" previo de refrigerante se ha desaguado al evaporador. Este funcionamiento de la válvula, puede ser aludido como un funcionamiento por impulsos, mas bien que modulación, ofreciendo un control mejorado en sistemas de refrigeración que tienen velocidades de flujo de refrigerante pequeñas.

Debido a los tamaños relativos de los puertos de entrada y salida, el incremento de presión en la cavidad de válvula se producirá rápidamente, y hará que el puerto de entrada se cierre dentro de en torno a 1/2 de segundo, o menos, desde el momento en que el puerto de entrada es abierto. El incremento de presión, y el cierre del puerto de entrada, pueden suceder mas rápidamente, y la válvula es capaz de velocidades de ciclo de hasta 60 veces por segundo. Sin embargo, si se desea, la velocidad de ciclo puede ser aplicada según demanda, por ejemplo tan baja como un ciclo por hora.

El tamaño mínimo de la restricción de salida, puede ser calculado para tener en cuenta el flujo de vapor refrigerante a la máxima velocidad de flujo de diseño, con una caída de presión igual al máximo incremento aceptable en la presión del bulbo, a la máxima velocidad de flujo aceptable, y aún no lo demasiado pequeño como para dejar de ser práctico. El puerto de entrada de la válvula, debe tener un área de flujo mayor que el área de la restricción de salida. Independientemente del tamaño del área de la restricción de salida, la resistencia de flujo del asiento de válvula, debería ser menor que la resistencia de flujo del evaporador, con resistencias basadas en el flujo de líquido. En uso, el flujo a través del asiento de válvula es principalmente líquido, con flujo de dos fases en el evaporador. Así, mientras que la válvula está abierta, el flujo de masa hacia la válvula será mucho mayor que el flujo de masa abandonando la válvula, y la presión en la cavidad aumentará y el cierre se producirá rápidamente.

El volumen efectivo de la cavidad de válvula, entre el puerto de entrada y la restricción del puerto de salida, es menor que el volumen del evaporador. El volumen de la cavidad de válvula 24, entre el asiento de válvula 20 y la restricción 15, debería ser lo suficientemente grande como para que la válvula no intente hacer el ciclo mas rápidamente que su frecuencia natural a la capacidad de refrigeración, y lo suficientemente pequeño como para que no contenga el suficiente líquido para inundar el evaporador. Los componentes de la válvula dentro de la cavidad de válvula, reducirán su volumen efectivo. El tamaño, de área de sección transversal, de la restricción 15, debería ser lo suficientemente grande como para que el taponamiento de la restricción no sea un problema, y todavía lo suficientemente pequeño como para permitir que el refrigerante se desagüe a su través al evaporador, como se ha descrito previamente. Consideraciones adicionales de la entrada de la válvula y la salida de la válvula, se refieren al tiempo de respuesta a la temperatura, del sistema bulbo-evaporador. Una relación preferida del área de abertura de la restricción 15 frente al área efectiva del orificio de entrada 28 es, al menos, en torno a 1:2, preferentemente 1:4, mas preferentemente en torno a 1:20, y más preferentemente entre unos 1:10 - 1:20. Así, el área de sección transversal o área efectiva, del flujo de entrada del puerto de entrada de la válvula 28, es al menos 2, o más, veces el área de la abertura del puerto de salida o la restricción 15, y más preferentemente 10-20 veces, para asegurar que la presión se genera rápidamente bajo el diafragma, mediante lo que la válvula se vuelve a cerrar rápidamente. Se comprenderá que el área de entrada efectiva del puerto de entrada, se ve disminuida por cualesquiera componentes que ocupen espacio en, o a lo largo de, el área de entrada, a través de la cual el refrigerante debe fluir. Así, por ejemplo el área del espacio ocupado mediante la barra 23, o cualquier otro componente en los puertos de entrada o salida, o a lo largo de cualquier área crítica de flujo de refrigerante, debe ser asumida en los cálculos de las previamente mencionadas relaciones.

La figura 2 ilustra un evaporador 30, en el que un bulbo 32 está localizado en la región de sobrecalentamiento del tubo del evaporador. El bulbo está en contacto con la válvula 10, por vía del conducto de presión 31, que expone el diafragma de válvula 12 (figura 1) a la presión del bulbo en el puerto de presión 11. Como se ha mostrado, la ebullición del refrigerante se produce a través de la mayor parte del evaporador, referida como la región (de ebullición) 2-fase, y con una sección relativamente corta del tubo de evaporador proporcionando transferencia de calor, para sobrecalentar el vapor de refrigerante en la región de sobrecalentamiento. El tiempo de reacción para que una presión y una temperatura del bulbo respondan al flujo de refrigerante incrementado, dependerá de la carga del bulbo, el refrigerante, las dimensiones de los componentes de la válvula, etc. También hay un tiempo de respuesta desde el instante en el que la válvula se cierra, por caída de presión dentro de la cavidad de válvula, cuando el refrigerante fluye al evaporador a través de la restricción de salida, hasta que la válvula se abre de nuevo. Tan pronto como la válvula cierra la cavidad, la presión comenzará a decaer, y dependiendo de la temperatura y la presión en el bulbo, la entrada de la válvula puede abrirse, de nuevo, cuando la presión de la cavidad está por encima de la presión del evaporador. No obstante en el límite, el bulbo estará a casi la temperatura exacta para el sobrecalentamiento deseado, y la presión de la cavidad decaerá hasta cerca de la presión del evaporador, y la válvula no se abrirá salvo que haya un aumento en la temperatura y la presión del bulbo. En funcionamiento normal, el frente donde la ebullición cesa, y comienza el sobrecalentamiento (F1), retrocederá lentamente alejándose del bulbo y hacia la entrada del evaporador. Según el frente de ebullición se mueva de vuelta, el vapor se volverá mas y más sobrecalentado, antes de que alcance el bulbo. A la postre, la presión del bulbo aumentará lo suficiente para abrir la válvula, el frente de ebullición se moverá acercándose mas al bulbo, y la temperatura y la presión del bulbo caerán. Después cada apertura de la válvula, la válvula se cerrará de nuevo, tan pronto como la presión de la cavidad se incremente significativamente por encima de la presión del evaporador. Después de que la presión de la cavidad decae, la válvula se abrirá de nuevo, salvo que el bulbo se haya cerrado por debajo del sobrecalentamiento establecido. Normalmente, la respuesta de presión del evaporador-bulbo, desde el momento en el que el refrigerante comienza a fluir al evaporador, será lenta, comparada con el tiempo de respuesta de la disminución de presión de la cavidad de la válvula, y la válvula se abrirá mas de una vez antes de que el bulbo se haya enfriado hasta (o por debajo de) el sobrecalentamiento deseado. Así, el tiempo de respuesta a la disminución de presión en la cavidad de la válvula, es menor que el tiempo que esta toma para incrementar la presión del bulbo, tras la adición de refrigerante al evaporador. Preferentemente, el tiempo de respuesta a la disminución de presión de la válvula, es menor que 1/3 del tiempo de respuesta a la presión del bulbo. Sin embargo, para impedir la inundación, las múltiples aberturas de la válvula no deberían admitir suficiente refrigerante como para llenar todo el evaporador, incluyendo la sección de sobrecalentamiento enfrente del bulbo, (y la sección de sobrecalentamiento detrás del bulbo, si una sección semejante existe). La cavidad de la válvula puede no rellenarse completamente en cada apertura de válvula, pero la válvula debería estar diseñada para que la inundación del evaporador no se produzca si la cavidad se llena por completo. Con este objeto, el volumen efectivo de la cavidad de válvula es, preferentemente, en torno a un 30% menor que el volumen de la región de sobrecalentamiento del evaporador.

Para reducir los problemas del arranque con un evaporador caliente, la carga del bulbo debe ser seleccionada adecuadamente. Si el bulbo está cargado con el mismo refrigerante que el sistema refrigerante, la presión de sobrecalentamiento es conseguida mediante la presión del resorte que tiende a cerrar la válvula, mas la fuerza total ejercida en el tapón de la válvula por la presión del condensador. Si la presión de sobrecalentamiento está establecida para dar algún sobrecalentamiento razonable, a temperatura de funcionamiento normal del evaporador, la misma deferencia de presión equivaldrá a una mucho menor temperatura de sobrecalentamiento cuando el evaporador está a temperatura y presión ambientales. Baja temperatura de sobrecalentamiento para condiciones de arranque, supone que se produce excesiva inundación hasta que el evaporador es enfriado significativamente. Para la mayoría de los sistemas de compresión de vapor, esto tiene por resultado una pérdida de eficiencia, paro no supone problemas de funcionamiento. Sin embargo, los sistemas de refrigeración por absorción de baja capacidad, especialmente los sistemas periódicos, pueden no siempre ser capaces de enfriar el evaporador, debido a que se recaliente durante el ciclo de desorción. Una solución tradicional, es cargar el bulbo con vapor solamente a alguna temperatura fija. Con una carga de vapor, la válvula controlará al evaporador a una presión fija, hasta que el bulbo sea enfriado lo suficientemente como para se produzca la condensación, y por debajo de la temperatura de condensación la válvula actuará como una verdadera TXV. Sin embargo, con una carga de bulbo limitada, cualquier condensación en el punto más frío en el circuito del bulbo, tal como en el diafragma, impedirá la condensación en el bulbo, y la temperatura del bulbo no controlará la válvula. El bulbo debe ser el punto mas frío en el circuito, o debe haber la suficiente carga de bulbo como para llenar la cavidad del diafragma y el tubo capilar, y aún retener líquido en el bulbo. La condensación en el diafragma puede evitarse situando la válvula en una localización relativamente caliente, pero esto añade pérdidas parásitas de enfriamiento, que reducen la eficiencia, y pueden reducir significativamente la potencia de enfriamiento disponible en pequeños sistemas.

Los antedichos problemas de la válvula de control, pueden ser superados empleando una carga de bulbo, con diferente presión de vapor, y diferente pendiente de la presión de vapor frente a la línea de temperatura, que es empleada como el refrigerante del sistema. Esto es conocido como carga cruzada. Substancias puras, para cargas cruzadas, que dan la respuesta de válvula deseada a diferentes temperaturas del evaporador, a menudo no existen, o no son adecuadas debido a su toxicidad, peligro, o coste. Cargas sorbentes, o mezclas, son empleadas como una alternativa a la carga cruzada con substancias puras. Las cargas sorbentes comprenden una mezcla del mismo refrigerante empleado en el evaporador, y a menudo funciona bien un supresor de la presión de vapor. Sin embargo, para proporcionar absorción rápida del gas en la solución de carga del bulbo, es útil tener substancias polares. Substancias útiles para aglutinar hidrógeno son especialmente deseables, por la misma razón.

Una carga de bulbo preferida, dará sobrecalentamiento relativamente constante para todas las temperaturas de evaporador esperadas. Por ejemplo, si es empleado amoniaco como la carga de bulbo en un sistema de refrigerante con amoniaco, establecer una fuerza de resorte para 10ºC a -35ºC, típicamente tiene por resultado solo 1 ó 2ºC de sobrecalentamiento con un evaporador a +20ºC, haciendo difícil el arranque con un bulbo caliente. Sin embargo, emplear una mezcla de amoniaco y una substancia adecuada de presión de vapor inferior, tal como agua o propilenglicol, proporciona un sobrecalentamiento prácticamente constante a cualquier presión de evaporador, y requiere mucha menos fuerza de resorte.

Cargas sorbentes del bulbo, especialmente útiles con refrigerante de amoniaco, incluyen mezclas amoniaco - agua, mezclas amoniaco - alcohol, y mezclas amoniaco glicol. Amoniaco en cantidades aproximadas de entre un 5% hasta a un 70%, en peso, son preferidas. Éteres, éteres glicólicos, poliéteres, amidas, poliamidas, éster y poliésteres, también son absorbentes indicados para el amoniaco, y pueden ser empleados como un componente de la carga de bulbo. Mezclas que emplean glicoles inferiores (etilenglicol, propilenglicol) con un 10% - 50% de amoniaco, en peso, son especialmente adecuados porque (1) ningún componente puede congelarse a las temperaturas esperadas en el evaporador, si se produce la separación, (2) los sorbentes son polares y capaces de aglutinar hidrógeno, exhibiendo así una fuerte tendencia a absorber amoniaco, (3) son económicos y tienen baja o ninguna toxicidad, (4) no son corrosivos, y (5) la concentración de la mezcla puede ser ajustada para dar la reacción a temperatura, y el sobrecalentamiento, deseados. Éter de dimetilo con propilenglicol y etilenglicol, en mezclas de entre aproximadamente un 40% y un 95% de éter de dimetilo, son especialmente útiles para el refrigerante de amoniaco.

La mayoría de los refrigerantes fluorocarbonados no son polares, y no son capaces de aglutinar hidrógeno. Así, cuando el refrigerante es un fluorocarbonado, y se requiere una carga de bulbo sorbente, la carga de bulbo debería ser seleccionada empleando un gas polar con presión de vapor cercana a la del refrigerante del sistema, y añadiendo un absorbente polar para suprimir la presión de vapor, evitando de ese modo problemas de condensación en el diafragma, etc. Por ejemplo, cuando R134a (tetrafluoroetano) es empleado como el refrigerante, cargas de bulbo adecuadas incluyen las mencionadas mezclas de agua-amoniaco conteniendo aproximadamente entre un 5% y un 85% de amoniaco, y mezclas de éter de dimetilo con propilenglicol o etilenglicol, especialmente conteniendo aproximadamente entre un 40% y un 95% de éter de dimetilo, en peso. Mezclas de amoniaco con propilenglicol y/o etilenglicol que contienen aproximadamente entre un 10% y un 70% de amoniaco, son también especialmente útiles con tetrafluoroetano.

Mezclas útiles de gas sorbente para la carga de bulbo, cuando el refrigerante del sistema no es ideal como constituyente de la carga de bulbo, debido a que no ser polar, incluyen gases seleccionados de entre éter de dimetilo, éteres inferiores (C1-C6), aminas terciarias alifáticas inferiores (C1-C6), y cetonas alifáticas inferiores (C1-C8), y absorbentes seleccionados de entre propilenglicol, etilenglicol, alcoholes, éteres glicólicos, poliéteres, ésteres, poliésteres, di-, tri-, y polialcoholes, di-, tri-, y poliaminas, amidas, poliamidas y agua. Amoniaco, amina de metilo, y otras aminas inferiores (C1-C6) son empleadas con absorbentes seleccionados entre alcoholes, glicoles, di-, tri-, y polialcoholes, éteres, éteres glicólicos, poliéteres, amidas, poliamidas, ésteres, poliésteres, y agua.

Una vez que la carga de bulbo es seleccionada, es deseable determinar un máximo incremento aceptable, en sobrecalentamiento a máximo flujo de refrigerante, y convertir este incremento de sobrecalentamiento en presión del bulbo. Por ejemplo, con evaporador de amoniaco funcionando a -35ºC, y sobrecalentamiento de diseño a 10ºC, y una mezcla de 66 por ciento de masa de amoniaco y 34% de etilenglicol, en el bulbo, con 1ºC de incremento aceptable en sobrecalentamiento a flujo máximo, las presiones relevantes son:

Presión de evaporador = 13.5 psia a -35ºC

Presión de bulbo = 14.4 psia @ -25ºC (10ºC SH)

Presión de bulbo = 15.1 psia @ -24ºC (11ºC SH)

La restricción de la salida de válvula está dimensionada para proporcionar una caída de presión de 0.7 psi, al máximo flujo de refrigerante.

En un ejemplo específico una válvula, que tiene las siguientes dimensiones de componentes, fue empleada un sistema pequeño de refrigeración por sorción de amoniaco a 15-25 vatios, con el evaporador a -32ºC, y temperaturas de condensador de 50º-60ºC:

Diámetro de la restricción exterior: 0.054 cm (0.021 pul.)

Diámetro del puerto interior: 0.20 cm (0.08 pul.)

Volumen de válvula interna (cavidad de válvula): 1 cc (0.08 pul. cu.)

Volumen del sistema evaporador: \approx 15 cc

La expansión termostática previamente descrita, de la invención, puede ser empleada para controlar el sobrecalentamiento, cuando es empleado un refrigerante en el lado de la válvula, y como un regulador de presión, para controlar las presiones en el evaporador poniendo presión de gas fijada, o fuerza de resorte, en el lado del bulbo del diafragma. El efecto de la presión del condensador en la presión de control, puede ser contrarrestado colocando una carga de gas, en el lado del bulbo en contacto térmico con el condensador. Seleccionando la razón adecuada de área de diafragma y área del puerto de válvula, el efecto de la presión del condensador puede ser cancelado totalmente para el rango de funcionamiento normal.

La válvula de la invención puede ser empleada en cualquier refrigerador/congelador, u otros aparatos de enfriamiento en los que es requerida la conducción de refrigerante líquido a un evaporador. La válvula es especialmente adecuada para sistemas de pequeña capacidad, que tienen flujos de refrigerante de menos de 12kg/h. Además, el uso de una válvula semejante, se hace aún más beneficioso en sistemas que tienen flujos refrigerantes de menos de 6kg/h, y especialmente donde los flujos de refrigerante son menores que 3kg/h. Cuando los flujos de refrigerante son aún menores, por ejemplo aproximadamente entre 5 y 75 g/h, como puede encontrarse en sistemas de refrigerante de amoniaco según se ha descrito previamente, la válvula de la invención es excepcionalmente beneficiosa. Expuestos en función de la capacidad de enfriamiento, tales sistemas de enfriamiento son típicamente aquellos de menos de 1000 vatios, particularmente de menos de 500 vatios, mas particularmente menos de 250 vatios, y más particularmente menos de 100 vatios. Sistemas de refrigeración o enfriamiento de amoniaco de muy pequeña potencia, en los que la válvula opera de forma efectiva y más beneficiosa, están en el rango de potencia de 10-100 vatios.

La válvula puede ser empleada para cualquier sistema refrigerante, incluyendo aquellos que emplean los refrigerantes fluorocarbonados CFC, HFC y HCFC, refrigerantes no polares, tal como propano o butano, así como los refrigerantes polares como los revelados en las patentes U.S. 5441995 y 5477706. La válvula es efectiva para sistemas de compresión de vapor que emplean un compresor mecánico, así como el aparato de refrigeración por sorción con compresor térmico de pequeña capacidad, según se describe en la patente U.S. No 5628205. Tal aparato tiene uno o más sorbentes, que contienen una composición de sorción sólida, capaz de adsorber y liberar un gas refrigerante. El sorbente sólido puede ser cualquier composición, incluidos los bien conocidos compuestos de inclusión tal como ceolita, alúmina activada, carbón activado, gel de sílice o hidruro metálico. Los sorbentes preferidos, son los compuestos complejos formados mediante la adsorción de un refrigerante gaseoso polar en una sal de metal, como se revela en la patente U.S. No 4848994. Particularmente preferidos, son los compuestos complejos formados mediante un proceso en el que la densidad es optimizada restringiendo la expansión volumétrica del compuesto complejo, como se revela en las Patentes U.S. Nos 5298231 y 5328671.

Tales compuestos complejos son capaces de velocidades de reacción incrementadas substancialmente, en comparación con las velocidades de reacción de los compuestos complejos formados sin tal restricción de expansión volumétrica y control de densidad. Tales sorbentes, incluyen las sales de metal y los compuestos complejos, así como las mezclas es estos con los compuestos de inclusión previamente mencionados. Los compuestos complejos más preferidos son aquellos en los que el amoniaco es el refrigerante.

Aunque la válvula de la invención ha sido descrita fundamentalmente para aplicaciones de refrigeración, es también útil como válvula de control de presión para otras aplicaciones distintas de la refrigeración. Como un regulador de presión, la válvula es mas útil donde están involucradas velocidades de flujo pequeñas, y los reguladores de modulación de presión no controlan adecuadamente. La derivación de la presión, empleada contra la presión en la cavidad de la válvula, puede ser proporcionada por medios mecánicos, tal como un resorte de presión, o mediante presión de un fluido (líquido o gas).

Claims (23)

1. Un aparato con montaje de válvula, para el funcionamiento por impulsos entre las condiciones cerrada y abierta, que comprende:

un puerto de entrada (28) que tiene un asiento de válvula (20),

un tapón de válvula (17), que puede cooperar con el mencionado asiento, para abrir y cerrar el mencionado puerto de entrada (28),

un puerto de salida (15), siendo al área de flujo del mencionado puerto de entrada (28), mayor que la del mencionado puerto de salida (15),

una cavidad de válvula (24), entre el mencionado puerto de entrada (28) y el mencionado puerto de salida (15),

unos medios de derivación (14) para que impulsen el mencionado tapón de válvula (17), para cerrar el mencionado puerto de entrada (28),

donde el mencionado puerto de salida (15), está en comunicación abierta con la mencionada cavidad de válvula (24), siendo la mencionada válvula sensible a la presión dentro de la mencionada cavidad (24), para abrir y cerrar el mencionado puerto de entrada (28) de forma que la presión superior en su interior, condiciona el mencionado tapón de válvula (17) a cerrar el mencionado puerto de entrada (28), y la presión inferior en su interior condiciona el mencionado tapón de válvula (17) a abrir el mencionado puerto de entrada (28), siendo la construcción de la válvula tal que, en uso, la apertura del mencionado puerto de entrada (28) permite una rápida generación de presión en la mencionada cavidad (24), y a continuación el cierre rápido del puerto de entrada (28), proporcionando de ese modo, en uso, apertura rápida impulsada, y cierre del mencionado puerto de entrada (28).

2. Un aparato de refrigeración, que comprende un aparato con montaje de válvula según la reivindicación 1, un condensador para condensar gas refrigerante, y un evaporador (30) para enfriar una carga en exposición térmica con este, donde el mencionado puerto de entrada (28) está en comunicación con el mencionado condensador, para recibir el refrigerante condensado, y el mencionado puerto de salida (15) está en comunicación con el mencionado evaporador, para dirigir líquido refrigerante a este.

3. Un aparato que comprende un aparato con montaje de válvula según la reivindicación 1, y un evaporador (30), comprendiendo el mencionado montaje de válvula un montaje de control, para controlar el sobrecalentamiento de vapor en el mencionado evaporador, y donde la mencionada cavidad de válvula tiene un volumen menor que el volumen del mencionado evaporador.

4. El aparato de las reivindicaciones 2 ó 3, donde la mencionada válvula es capaz de cerrar el mencionado puerto de entrada, dentro de cómo mucho 1/2 segundo después de que el mencionado puerto de entrada se abra.

5. El aparato de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, donde la mencionada válvula es capaz de cerrar el mencionado puerto de entrada 60 veces por segundo.

6. El aparato de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, incluyendo un puerto de presión (11), que comunica con una presión derivada externa, para forzar a la mencionada válvula a abrir el mencionado puerto de entrada.

7. El aparato de la reivindicación 6, incluyendo un fuelle o diafragma (12), que coopera con el mencionado puerto de presión.

8. El aparato de las reivindicaciones 1, 2, ó 3, donde el mencionado puerto de entrada es al menos 2 veces mayor que el mencionado puerto de salida (15).

9. El aparato de las reivindicaciones 1, 2, ó 3, donde el mencionado puerto de entrada es al menos 10 veces mayor que el mencionado puerto de salida.

10. El aparato de refrigeración de la reivindicación 2, donde los mencionados medios de derivación incluyen un puerto de presión (11) en el mencionado montaje de válvula, que coopera con un bulbo (32) en contacto térmico con el mencionado evaporador, para crear presión externa en el mencionado puerto de presión.

11. El aparato de refrigeración de la reivindicación 10, donde el mencionado montaje de válvula incluye un diafragma (12) o fuelle, expuesto al mencionado puerto de presión, y sensible a la mencionada presión externa, para abrir y cerrar el mencionado puerto de entrada.

12. El aparato de refrigeración de la reivindicación 11 o la reivindicación 12, donde el mencionado bulbo está en contacto térmico con la región de sobrecalentamiento del mencionado evaporador, para crear presión externa, en el mencionado puerto de presión, proporcional a la temperatura del vapor en el mencionado evaporador.

13. El aparato de refrigeración de la reivindicación 2, donde la mencionada cavidad de válvula tiene un volumen menor que aproximadamente un 30% del volumen de la región de sobrecalentamiento del mencionado evaporador.

14. El aparato de refrigeración de la reivindicación 2, que incluye un compresor mecánico o térmico.

15. El aparato de refrigeración de la reivindicación 14, donde el mencionado compresor térmico comprende un sistema de sorción sólido - gas.

16. El aparato de refrigeración de la reivindicación 2, que tiene una potencia de enfriamiento de 1000 vatios o menos.

17. El aparato de refrigeración de la reivindicación 2, que comprende flujos de refrigerante de menos de 12 kilogramos por hora.

18. El aparato de refrigeración de la reivindicación 10, donde el tiempo de respuesta de la caída de presión en la mencionada cavidad de válvula, que sigue al cierre del mencionado puerto de entrada, es mas corto que el tiempo de respuesta de la presión del bulbo, que sigue a la adición de refrigerante al mencionado evaporador.

19. El aparato de refrigeración de la reivindicación 18, donde el tiempo de respuesta de la caída de presión es menos de 1/3 del tiempo de respuesta de la presión del bulbo.

20. Un método para hacer funcionar el aparato de la reivindicación 2 o la 3, que comprende el suministro de líquido refrigerante desde el mencionado montaje de válvula, al mencionado evaporador, a una velocidad de menos de 12kg/h, y que impulsa el mencionado puerto de entrada, entre las condiciones de abierto y cerrado, durante el mencionado funcionamiento.

21. Un método según la reivindicación 20, donde la velocidad de flujo del mencionado refrigerante desde el mencionado montaje de válvula, es menor que 6 kg/h.

22. Un método según la reivindicación 20, donde la velocidad de flujo del mencionado refrigerante desde el mencionado montaje de válvula, es menor que 3 kg/h.

23. Un método según la reivindicación 20, donde la velocidad de flujo del mencionado refrigerante desde el mencionado montaje de válvula, está aproximadamente entre 5 y 75 g/h.