ES2223388T3 - Aparato para refrigerar la electronica de potencia de un accionamiento de compresor para refrigeracion. - Google Patents
Aparato para refrigerar la electronica de potencia de un accionamiento de compresor para refrigeracion.Info
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Abstract
Aparato de refrigeración para la electrónica de potencia de una excitación (25) de frecuencia variable usada para controlar el motor de un compresor en un sistema de refrigerante que incluye: un sistema (10) de refrigeración que incluye además un compresor (15), un condensador (13) y un evaporador (17) conectados en serie mediante tuberías (12) de refrigerante y unos medios (20) de expansión en una de dichas tuberías para estrangular el refrigerante que se mueve entre el condensador (13) y el evaporador (17), unos medios (25) de excitación de frecuencia variable conectados al motor del compresor, conteniendo dichos medios de excitación componentes electrónicos (27) de potencia que requieren refrigeración, un circuito para derivar una porción del refrigerante desde el condensador de sistema a la entrada de compresor, un evaporador (29) de la excitación de frecuencia variable montado en dicho circuito que está en una relación de transferencia de calor con los componentes electrónicos de potencia de la excitación (25) de frecuencia variable, una válvula (40) de control en dicho circuito para expansionar el refrigerante que se mueve a través de dicho circuito desde la presión de condensador del sistema hasta la presión de entrada de compresor por lo que dichos componentes electrónicos de potencia son refrigerados.
Description
Aparato para refrigerar la electrónica de
potencia de un accionamiento de compresor para refrigeración.
Esta invención se refiere a un método y un
aparato para el enfriamiento de la electrónica de una excitación de
frecuencia variable asociada con un compresor de refrigerante.
Los compresores usados en muchos sistemas de
refrigeración requieren generalmente un estrecho control sobre la
velocidad del motor del compresor para mantener el sistema dentro de
límites deseados sometido a condiciones de carga variables. Los
compresores están equipados por lo tanto con excitadores de
frecuencia variable (VFD) que contienen componentes electrónicos de
potencia en forma de transistores bipolares de compuerta aislados
que pueden sobrecalentarse y por lo tanto requieren refrigeración.
El procedimiento aceptado generalmente para proporcionar
refrigeración a la electrónica de potencia es el de montar los
transistores sobre un disipador de calor y transportar el calor
fuera del disipador haciendo circular refrigerante en o alrededor
del disipador de calor. Las capacidades del disipador de calor y del
sistema de refrigeración son de consideración primaria en la
determinación de la capacidad de potencia del VFD.
El disipador de calor tiene usualmente la forma
de un bloque relativamente grande de material que tiene buenas
características de inercia térmica y transferencia de calor. Un
pasaje de circulación está formado en el bloque y se hace circular
refrigerante a través del pasaje, el cual absorbe el exceso de calor
y lo transporta fuera del sistema.
La utilización de agua para enfriar el disipador
de calor ha demostrado ser un medio satisfactorio de refrigeración
de los transistores VFD, no obstante la refrigeración de agua es
difícil de controlar y la temperatura del disipador de calor algunas
veces se sale del margen operativo deseado. Esto, a su vez puede
producir sobrecalentamiento de la electrónica del VFD y afectar
adversamente el funcionamiento del sistema de refrigeración. En
adición, el circuito de refrigeración de agua requiere componentes
de manipulación del agua adicionales tales como bombas,
intercambiadores de calor y similares, necesarios para descargar
calor de los transistores en el medio ambiente que los rodea. Este
tipo de equipo de refrigeración es generalmente complejo, costoso y
requiere una buena cantidad de espacio para ser instalado.
El documento
US-A-5.694.780 describe un sistema
de refrigeración que tiene un cuerpo de compresor acoplado
térmicamente a una camisa de refrigeración.
Por lo tanto, un objeto básico de la presente
invención es mejorar los sistemas de refrigeración.
Según la presente invención, se proporciona un
aparato de refrigeración como se reivindica en la reivindicación 1 y
un método para refrigerar los componentes electrónicos de potencia
como se reivindica en la reivindicación 11. Un aparato preferido de
la invención incluye un condensador, un evaporador, y un compresor
conectados en serie mediante tuberías de refrigerante y unos medios
de expansión en una de las tuberías de refrigerante para estrangular
el movimiento de refrigerante entre el condensador y el evaporador
de una alta presión a una baja presión. Una excitación de frecuencia
variable está asociada con el compresor que contiene componentes
electrónicos de potencia que producen calor en la forma de
transistores bipolares de compuerta aislados que requieren
refrigeración. Los componentes electrónicos de potencia están
montados en una relación de transferencia de calor con un bloque de
material que tiene buenas características de transferencia de calor.
El bloque actúa como un disipador de calor para expulsar calor de
los componentes electrónicos de potencia. Un circuito de circulación
está dispuesto para hacer pasar refrigerante desde el condensador
del sistema a la entrada del compresor del sistema a través del
disipador de calor. Una válvula de expansión está montada en el
circuito de circulación que controla la expansión del refrigerante
que se mueve a través del circuito, proporcionando así refrigeración
al disipador de calor y los componentes electrónicos en el
mismo.
Para una mejor comprensión de estos y otros
objetos de la invención, se hace referencia a la descripción
detallada siguiente de la invención que se ha de leer en asociación
con los dibujos que se acompañan, en los que;
la figura 1 es una representación esquemática de
un sistema de refrigeración que incorpora la presente invención;
la figura 2 es una representación esquemática
similar a la figura 1 que se refiere a una realización más de la
invención;
la figura 3 es también una representación
esquemática que se refiere a una realización más todavía de la
invención;
la figura 4 es una representación esquemática de
otra realización más todavía de la invención; y
la figura 5 es un alzado lateral ampliado de una
válvula de control de expansión de temperatura adecuada para ser
usada en la práctica de la presente invención.
Volviendo inicialmente a la figura 1, en ella se
ilustra esquemáticamente un sistema de refrigeración, referenciado
en general con 10, que utiliza el ciclo de refrigeración de Carnot
que incluye una serie de tuberías 12 de refrigerante que
funcionalmente conectan los diversos componentes del sistema. El
sistema incluye además un condensador 13 que está conectado al lado
de salida de un compresor 15 por medio de una tubería 12 de
refrigerante. El condensador está, a su vez, conectado en serie con
un evaporador 17, cuya salida está conectada por medio de una
tubería de refrigerante al lado de entrada del compresor para
completar el bucle de sistema. Un dispositivo 20 de expansión está
montado en la tubería de refrigeración entre el condensador y el
evaporador, el cual expande el refrigerante de alta presión que
abandona el condensador a una temperatura y presión inferiores. El
dispositivo de expansión puede ser uno cualquiera de muchos de tales
dispositivos, tales como una válvula estranguladora o tubo capilar
de los tipos que son bien conocidos y usados en la técnica.
Una sustancia que ha de ser enfriada se hace
circular a través del evaporador en relación de transferencia de
calor con el refrigerante de baja temperatura. El refrigerante, como
absorbe calor en el procedimiento de enfriamiento se evapora a una
presión relativamente baja y el vapor de refrigerante es entonces
suministrado a la entrada de compresor para ser recirculado a través
del sistema.
El motor del compresor está equipado con una
excitación (VFD) 25 de frecuencia variable que controla la velocidad
del motor. La excitación se muestra en línea de trazos en la figura
1. Como se conoce bien en la técnica, la VFD típicamente contiene
electrónica de potencia que requiere refrigeración para que la
excitación funcione en condiciones óptimas sobre el margen operativo
del sistema. En la práctica, los componentes electrónicos de
potencia que requieren refrigeración son generalmente transistores
bipolares de compuerta aislados (IGBT) que se representan
esquemáticamente con 27 en los dibujos. Como se ha indicado
anteriormente, los componentes electrónicos de potencia han sido
refrigerados anteriormente colocándolos en una relación de
transferencia de calor con un disipador de calor y agua de
refrigeración que se hace circular. Este tipo de sistema de
refrigeración es bastante complejo, requiere una buena cantidad de
espacio y es difícil de controlar.
Como se ilustra en la figura 1, los componentes
electrónicos de potencia de la VFD están montados directamente en el
disipador 30 de calor que forma parte de lo que aquí es denominado
evaporador 29 de la VFD. El disipador de calor se fabrica a partir
de un bloque de material que tiene un alto coeficiente de
conductividad térmica de modo que la energía térmica generada por
los componentes electrónicos de potencia es rápidamente extraída de,
y absorbida en, el disipador de calor. Un canal 32 de circulación
interior está montado dentro del bloque de material. El canal sigue
una trayectoria tortuosa de desplazamiento a través del bloque de
material para proporcionar una máxima cantidad de área de contacto
entre el canal y el disipador de calor. En la práctica, el canal de
circulación puede ser un tramo de tubo de cobre o similar que esté
empotrado en el disipador de calor y que tenga una entrada 33 y una
salida en 34.
La entrada 33 al canal de circulación interior
está conectada a la salida 35 de refrigerante del condensador del
sistema mediante una tubería 36 de suministro. La salida del canal
de circulación, a su vez, está conectada a la entrada de compresor
por una tubería 38 de descarga. Una válvula de control, referenciada
en general con 40, está contenida en la tubería de suministro a
través de la cual el refrigerante es estrangulado desde la presión
de condensador más alta hasta una presión más baja que proporciona
de ese modo refrigerante de baja temperatura al disipador de calor
para refrigerar los componentes electrónicos de potencia.
La válvula 40 de control se muestra con mayor
detalle en la figura 5. La válvula incluye una sonda 42 de sensor
que está empotrada en el disipador de calor tan cerca como es
posible de los componentes electrónicos de potencia que será la
mejor referencia de la temperatura de funcionamiento. La válvula
puede ser una válvula de control de temperatura que responda a la
temperatura detectada por la sonda o una válvula de expansión de
temperatura que responda a los cambios de presión en la sonda
producidos por los cambios de temperatura en el disipador de calor.
En esta realización, la válvula es una válvula de expansión de
temperatura que incluye un diafragma 43 montado dentro de un
alojamiento 44. En base a la temperatura del disipador de calor, la
presión del bulbo cambia la cual, a su vez, establece una presión en
la cámara 45 de lado alto del diafragma. La presión en la cámara de
lado bajo del diafragma 46 está determinada por un resorte 47
ajustable preestablecido y un orificio 49 ecualizador que se
extiende entre el lado de baja presión de la cámara y el lado de
baja presión del cuerpo 50 de válvula. El equilibrio de presiones a
través del diafragma de la válvula sitúa el cuerpo de válvula dentro
del pasaje de válvula y por tanto controla la cantidad de
refrigeración proporcionada al disipador de calor. Preferiblemente,
la temperatura del disipador de calor es mantenida dentro de un
intervalo de 90º y 140º.
Como puede verse en la descripción anterior, el
disipador de calor con el canal de circulación pasando a través del
mismo actúa como un evaporador de refrigerante con respecto a la VFD
para proporcionar una refrigeración estrechamente controlada a los
componentes electrónicos de potencia mediante la utilización del
ciclo de refrigeración para eliminar calor de la VFD. Como puede
verse, el calor transferido al refrigerante en el evaporador de la
VFD es movido por el compresor del sistema al condensador del
sistema donde es rechazado dentro del bucle de refrigeración de
condensador.
La figura 2 representa una realización más de la
invención en la que los componentes similares descritos con
referencia a la figura 1 se identifican con los mismos números de
referencia. En esta realización de la invención la tubería 39 de
descarga del evaporador de la VFD está conectada en el evaporador 17
del sistema y combinada con refrigerante que es tratado a través del
evaporador. El sensor 42 de válvula se muestra montado sobre la
tubería de descarga del evaporador de la VFD en vez de empotrado en
el disipador de calor. El sensor realimenta información de la
temperatura a la válvula 40 de control que, a su vez, establece el
posicionamiento del cuerpo de válvula en respuesta a la temperatura
de refrigerante detectada para mantener la temperatura del disipador
dentro del intervalo de funcionamiento deseado necesario para
enfriar los componentes electrónicos de potencia.
Volviendo ahora a la figura 3, en ella se muestra
una realización más todavía de la invención en la que de nuevo se
usan los mismos números para identificar los mismos componentes
identificados anteriormente. En esta realización más de la invención
la válvula 40 de control está montada en la tubería de descarga del
evaporador 29 de la VFD que, en este caso, está conectada
directamente a la entrada del compresor. No obstante, como se ha
indicado anteriormente, la tubería de descarga puede
alternativamente estar conectada directamente al sistema. El sensor
42 de temperatura está empotrado en el disipador 30 de calor del
evaporador de la VFD y proporciona información relativa a la
temperatura a la válvula de control. Típicamente, la temperatura del
refrigerante que deja el condensador del sistema es inferior a 140ºF
de modo que el refrigerante derivado al evaporador de VFD está
comprendido bien dentro del margen de temperaturas del disipador de
calor deseado requerido para refrigerar los componentes electrónicos
de potencia.
La figura 4 ilustra una realización más todavía
de la invención, en la que se usan los mismos números para
identificar los mismos componentes identificados anteriormente. En
esta realización de la invención, parte del refrigerante que deja el
condensador del sistema se expande en el evaporador 29 de la VFD a
través de una válvula 40 de control de temperatura. Un sensor 42 de
temperatura está de nuevo empotrado en el disipador 30 de calor y
proporciona información relativa a la temperatura a un
microprocesador 50 que está programado para procesar los datos y
enviar una señal de control a la válvula. Otra información relativa
al sistema puede ser también enviada al microprocesador, la cual
puede ser adicionalmente procesada para lograr un ajuste deseado de
la válvula para proporcionar refrigeración a la electrónica de
potencia con un gasto mínimo para el comportamiento global del
sistema.
Como se evidencia en la descripción anterior, la
presente invención es una solución simple pero eficaz para
refrigerar los componentes eléctricos de potencia de una excitación
de frecuencia variable para un compresor de refrigerante. El
presente sistema elimina las complejidades de los sistemas de
refrigeración de agua más tradicionales, es fácil de instalar, y
proporciona un mayor control sobre el procedimiento de enfriamiento.
El presente sistema, debido a su eficiencia, permite también una
mayor utilización de la electrónica de potencia que tiene una mayor
capacidad que la actualmente encontrada en la técnica anterior usada
en la excitación del compresor de un sistema de refrigeración.
Según una característica particular más, la
presente invención mejora la refrigeración de la electrónica de
potencia de una excitación de frecuencia variable usada para
controlar un compresor de refrigerante. Una característica adicional
todavía de la presente invención es la de reducir el espacio
requerido por el equipo de refrigeración para la excitación de
frecuencia variable del compresor del sistema de refrigeración. Otra
característica de la presente invención es la de controlar más
fiablemente la refrigeración de los componentes electrónicos de
potencia de la excitación de frecuencia variable del compresor del
sistema de refrigeración. Otra característica de la presente
invención es todavía la provisión de refrigerante que refrigere a la
electrónica de potencia de la excitación de frecuencia variable del
compresor del sistema de refrigeración.
Claims (16)
1. Aparato de refrigeración para la electrónica
de potencia de una excitación (25) de frecuencia variable usada para
controlar el motor de un compresor en un sistema de refrigerante que
incluye:
un sistema (10) de refrigeración que incluye
además un compresor (15), un condensador (13) y un evaporador (17)
conectados en serie mediante tuberías (12) de refrigerante y unos
medios (20) de expansión en una de dichas tuberías para estrangular
el refrigerante que se mueve entre el condensador (13) y el
evaporador (17),
unos medios (25) de excitación de frecuencia
variable conectados al motor del compresor, conteniendo dichos
medios de excitación componentes electrónicos (27) de potencia que
requieren refrigeración,
un circuito para derivar una porción del
refrigerante desde el condensador de sistema a la entrada de
compresor,
un evaporador (29) de la excitación de frecuencia
variable montado en dicho circuito que está en una relación de
transferencia de calor con los componentes electrónicos de potencia
de la excitación (25) de frecuencia variable,
una válvula (40) de control en dicho circuito
para expansionar el refrigerante que se mueve a través de dicho
circuito desde la presión de condensador del sistema hasta la
presión de entrada de compresor por lo que dichos componentes
electrónicos de potencia son refrigerados.
2. El aparato de la reivindicación 1, en el que
dicho evaporador (29) de la excitación de frecuencia variable
incluye un disipador (30) de calor compuesto de un bloque de
material que tiene un alto coeficiente de conductividad térmica a
través del cual pasa dicho canal (32) de circulación y en el que
están montados dichos componentes (27) electrónicos de potencia en
relación de transferencia de calor con dicho disipador (30) de
calor.
3. El aparato de la reivindicación 1, que incluye
además una sonda (42) de temperatura para proporcionar información
de temperatura relativa al disipador de calor a dicha válvula (40)
por lo que la válvula se abre y cierra en respuesta a la temperatura
detectada.
4. El aparato de la reivindicación 3, en el que
dicha sonda (42) de temperatura está empotrada en dicho disipador
(30) de calor.
5. El aparato de la reivindicación 3, en el que
dicha sonda (42) está montada en dicho circuito de circulación aguas
abajo del disipador (30) de calor.
6. El aparato de la reivindicación 2, en el que
dicha válvula (40) de control es una válvula de expansión de
temperatura e incluye además una sonda (42) de temperatura que
proporciona información de presión a la válvula (40) basada en la
temperatura del disipador (30) de calor.
7. El aparato de la reivindicación 6, en el que
dicha sonda (42) está empotrada en dicho disipador (30) de
calor.
8. El aparato de las reivindicaciones 2, 6 ó 7,
en el que dicha válvula (40) de control está situada en el lado de
aguas arriba de dicho disipador de calor.
9. El aparato de las reivindicaciones 2, 6 ó 7,
en el que dicha válvula de control está situada en el lado de aguas
abajo del disipador de calor.
10. El aparato de las reivindicaciones 3, 4 ó 5,
que incluye además un microprocesador (50) que está dispuesto para
aceptar datos de entrada procedentes de la sonda (42) y proporcionar
una señal de control de salida a dicha válvula (40) para mantener la
temperatura del disipador de calor dentro de un margen de
temperaturas deseado.
11. Un método de refrigeración de los componentes
electrónicos (27) de potencia de una excitación de frecuencia
variable (VFD) (25) usada para controlar el motor del compresor en
un sistema de refrigeración que se caracteriza por las
operaciones de:
montar los componentes (27) electrónicos de
potencia de la VFD (25) en relación de transferencia de calor con un
disipador (30) de calor.
llevar refrigerante extraído del condensador (13)
de refrigeración en relación de transferencia de calor con el
disipador (30) de calor;
expandir el refrigerante extraído desde la
presión de condensador hasta una presión inferior para mantener la
temperatura del disipador de calor dentro de un margen deseado.
12. El método de la reivindicación 11, que
incluye la operación adicional de descargar refrigerante que deja
dicho disipador (30) de calor en la entrada de compresor del
sistema.
13. El método de la reivindicación 11, que
incluye la operación adicional de descargar refrigerante que deja
dicho disipador (30) de calor en el evaporador del sistema.
14. El método de las reivindicaciones 11, 12 ó
13, que incluye además la operación de expandir dicho refrigerante a
través de una válvula (40) de control antes de poner dicho
refrigerante en una relación de transferencia de calor con dicho
disipador (30) de calor.
15. El método de la reivindicación 14 que incluye
la operación adicional de detectar la temperatura de dicho disipador
(30) de calor y posicionar dicha válvula (40) de control en
respuesta a dicha temperatura detectada.
16. El método de la reivindicación 14 que incluye
la operación adicional de detectar la temperatura de dicho disipador
(30) de calor, proporcionar los datos de la temperatura detectada a
un microprocesador (50) para proceso y proporcionar una señal de
salida desde dicho procesador (50) a dicha válvula (40) de control
para mantener la temperatura de dicho disipador (30) de calor dentro
de un margen deseado.
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