ES2253535T3 - Aparato electrico de refrigeracion. - Google Patents
Aparato electrico de refrigeracion.Info
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- H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
Abstract
Un aparato de refrigeración (1) que comprende una carcasa (2) con por lo menos un canal de enfriamiento (11) de un líquido refrigerante y con por lo menos un elemento termoeléctrico de refrigeración (8) compuesto por una capa de material semiconductor (12) puesta entre dos placas (14), presentando por lo menos una de las placas (14) una superficie de contacto con aislamiento eléctrico (15) que, en trabajo, está en contacto directo con el líquido refrigerante, estando ese por lo menos un elemento refrigerante (8) enmarcado de manera flexible y estanca en su perímetro exterior en un portador (3) de tal modo que la superficie de contacto (18) quede libre de hacer contacto con el líquido refrigerante, el portador (3) y la superficie de contacto (18) define una parte de la pared del canal de enfriamiento, en el que la carcasa contiene dos canales de enfriamiento (11) y en el que por lo menos un elemento refrigerante (8) enmarcado en el portador (3) y los elementos refrigerantes enmarcados formanasí una separación entre los canales de enfriamiento.
Description
Aparato eléctrico de refrigeración.
La invención trata de un aparato de refrigeración
que comprende una carcasa con por lo menos un canal de enfriamiento
para un líquido refrigerante y con por lo menos un elemento
termoeléctrico de refrigeración que comprende una capa de material
semiconductor puesto entre dos placas, presentando por lo menos una
de las dos placas una superficie eléctricamente aislante que,
estando en operación, está en contacto directo con el líquido
refrigerante, y dicho por lo menos un elemento refrigerador está
montado remetícamente en un portador de tal modo que la superficie
de contacto permanece libre para contactar con el líquido
refrigerante, definiendo el portador y la superficie de contacto
una parte de la pared del canal de enfriamiento.
Dicho aparato de refrigeración se conoce por US
5,918, 459. En el aparato de refrigeración de US 5,918,462, un
lado del elemento refrigerador presenta una superficie
eléctricamente aislante que, estando en operación, hace contacto
directo con el líquido refrigerante. El elemento refrigerador está
sujeto con pinzas al portador mediante una junta estanca situada
sobre la placa superior del elemento refrigerador para proporcionar
la estanqueidad.
La US 6,119,462 revela un enfriador de agua que
tiene un elemento refrigerador termoeléctrico para mantener un
suministro de agua a un grado bajo de temperatura. El elemento
refrigerador está sujeto entre dos aletas de la carcasa, de manera
que el lado caliente del módulo está en contacto directo con el
liquido refrigerante que corre por el canal de enfriamiento,
produciendo un proceso refrigerante eficaz, en tanto que el lado
frío del módulo topa contra la base de una sonda enfriadora que
está en contacto conductivo térmico con la alimentación de agua que
se ha de enfriar.
Una desventaja de dichas estructuras es que el
enfriamiento no es totalmente eficaz, y que su construcción es
relativamente voluminosa.
Otro problema que sufren los aparatos conocidos
es que la construcción de las pinzas puede causar fugas debido a
la dilatación y contracción térmica del elemento refrigerador.
Además, la tolerancia de dimensiones y forma del elemento
termoeléctrico debe ser muy pequeña y la fuerza de apriete de las
pinzas ha de ser relativamente alta. En vista de lo anterior, sólo
se puede dotar de un elemento refrigerador en la construcción de
las pinzas. También, debido a la fragilidad de la estructura, no se
pueden poner en aplicaciones mecánicas exigentes, elementos de
material semiconductor de bajo costo entre las pacas cerámicas de
poca tolerancia de dimensión y forma.
La invención intenta ofrecer un aparato de
refrigeración que tenga más eficacia refrigerante y de una
construcción más compacta.
La invención también apunta a proporcionar un
aparato de refrigeración que mantenga la ventaja de enfriamiento
eficiente por el contacto directo del elemento refrigeradores con
el líquido refrigerante, mientras alivia los inconvenientes
anteriores. En particular, la invención se dirige a ofrecer un
aparato de refrigeración en el que, una serie de elementos
refrigeradores normalizados de material semiconductor van sujetos
entre dos placas de material cerámico, ambas con baja tolerancia de
dimensión y forma, que se pueden dotar con sencillez y
elegancia.
La invención presente ofrece un aparato de
refrigeración que posee las características de la reivindicación
1.
Al proporcionar un aparato de refrigeración en el
que la carcasa consta de dos canales de enfriamiento en los que
por lo menos un elemento refrigerador, que está enmarcado en el
portador, comprende superficies de contacto opuestas en ambas placas
del elemento refrigerador, formando el portador y el refrigerador
enmarcado una separación entre los canales de enfriamiento, se
obtiene un aparato que permite una construcción relativamente
compacta con refrigeración efectiva.
Por la flexibilidad y el enmarcado estanco del
perímetro exterior del aparato de refrigeración, se compensan la
tolerancia de dimensiones y forma y la dilatación y contracción
térmica. Al enmarcar el elemento refrigerador por su perímetro
exterior, sólo se enmarca la circunferencia del elemento
refrigerador, en tanto que la superficie de contacto queda libre
para contactar el líquido refrigerante. En este texto, se entiende
que el perímetro exterior del elemento de refrigeración comprende
el borde exterior de la superficie de las placas y/o por lo menos
una parte del canto de esa placa.
Al disponer el portador y la superficie de
contacto para definir una parte de la pared del canal de
enfriamiento, el portador y el elemento refrigerador allí
enmarcados sirven para aislar de manera elegante el canal de
enfriamiento. La superficie de contacto y la parte del portador que
hace contacto con el líquido, forman una barrera que protege contra
el líquido refrigerante a los elementos electrónicos del elemento
refrigerador y otras piezas del aparato de refrigeración. La
superficie de contacto eléctricamente aislada permite que el
líquido refrigerante sea agua normal. Preferiblemente, la
superficie de contacto aislante forma parte de la superficie de la
placa, es decir, de la superficie de la placa cerámica.
Al enmarcar flexible y herméticamente el elemento
refrigerador, el conjunto puede ser menos delicado y se prolonga
la vida útil de los elementos de refrigeración. En particular, los
elementos de efecto Peltier que comprenden una capa superior de
cerámica y otra capa inferior de cerámica que tienen entre ellas
una capa de material semiconductor son útiles en aplicaciones de
gran exigencia mecánica y/o aplicaciones que exigen gran capacidad
de enfriamiento, como sistemas de climatización de automóviles y
neveras portátiles. Se pueden enmarcar ventajosamente varios
elementos de refrigeración en un solo portador.
Preferiblemente, el portador consiste en un marco
rígido en el que se enmarca por lo menos un elemento refrigerador
mediante una empaquetadura flexible. Entonces, este aislamiento
flexible se puede poner entre el portador y el elemento
refrigerante. La empaquetadura será preferiblemente una junta
flexible, es decir, un anillo estanco redondo o cuadrado con
sección transversal en forma dé C, L o H.
Preferiblemente, el marco comprende una parte
superior y una parte inferior entre las que se sujeta con pinzas
estancas por lo menos un elemento refrigerador. O bien el marco
puede ser de una sola pieza, es decir, moldeado por inyección. De
este modo, los elementos refrigeradores se pueden enmarcar de forma
elegante y eficaz. Preferiblemente, por lo menos un elemento
refrigerador debe ser plano, rectangular y formado por tres
capas.
El portador, de manera elegante, es esencialmente
plano y enmarca varios elementos refrigeradores dispuestos en fila
o en matriz dentro del plano. Eso permite crear con economía y
elegancia, un aparato de refrigeración de gran capacidad.
Naturalmente, los elementos refrigeradores también pueden apilarse,
es decir, varios portadores unos sobre otros que cada uno contenga
uno o más elementos refrigeradores.
En otra configuración, el portador consiste en un
cuerpo flexible en el que está enmarcado directamente por lo menos
un elemento refrigerador. Ese portador, que puede tener una
estructura de red, puede realizarse, p. ej. embebiendo varios
elementos refrigeradores en una capa de material elastomérico que
mantenga libres las superficies de contacto de los elementos
refrigeradores. Un material adecuado para dicho portador es, p. ej.
un material de silicona o un material estanco líquido. De manera
ventajosa, dicho portador flexible puede estar dotado de un
refuerzo elástico, p. ej. varillas embebidas o tiras rigidizadoras
en la superficie para impedir que se venza la parte de la pared
del canal de enfriamiento formado por los mismos.
De manera elegante, la carcasa del aparato de
refrigeración se puede hacer de dos partes, teniendo cada una un
canal de enfriamiento abierto, entre los que se colocan los
elementos refrigeradores enmarcados para cerrar los canales de
enfriamiento creando una separación. Para mejorar el intercambio
térmico, el líquido refrigerante es forzado a correr por lo menos
en uno de los canales de enfriamiento, o preferiblemente en los dos
canales, para aumentar la capacidad enfriadora. Poniendo
tubulaciones en la superficie de contacto y/o en los canales de
enfriamiento, se incrementa más aún el intercambio térmico.
Elegantemente, las placas de los elementos
refrigeradores presentan una superficie impregnada. De este modo,
si el material de la placa es poroso, como cerámica, se puede
impedir la absorción del líquido refrigerante por el material de la
placa en la superficie de contacto. O bien, el elemento
refrigerante puede llevar una película que forme la superficie de
contacto. De este modo, se puede dotar una placa conductora de
electricidad con una superficie de contacto aislante.
En aún otra configuración, la superficie de la
placa tiene una estructura que aumente el área de contacto con el
líquido refrigerante. De este modo, el elemento termoeléctrico de
refrigeración puede estar dotado de mayor eficacia termocambiadora,
pero debido al enmarcado, sigue siendo impermeable a las fugas.
Preferiblemente, la superficie de contacto ampliada tiene estrías
hechas en la superficie del material cerámico de una placa, o con
salientes cerámicos en la superficie de la placa cerámica.
Aunque esta configuración hace aumentar la
eficacia del intercambio térmico, debe estar claro que también es
posible disponer aletas enfriadoras u otros medios para aumentar la
superficie de contacto que no estén integradas en la placa y que
pueden estar, p. ej. encoladas en la superficie de la placa.
También debe estar claro que un elemento refrigerador
termoeléctrico que contenga una capa de material semiconductor
entre dos placas cerámicas, de las que por lo menos una de ellas
está dotada de una superficie cuya estructura incremente el área de
contacto y esté integrada en el material cerámico, puede ser dotada
ventajosamente a otros tipos de aparatos de refrigeración o en
otras aplicaciones. Ha de dejarse claro que, como se define en este
texto, el área de la superficie de contacto que presenta la placa
es igual o menor al área de la superficie de contacto, según cómo
esté enmarcado el elemento refrigerante, y preferiblemente se
encuentra en la superficie de la placa.
La invención también se refiere a un portador en
el que los elementos refrigerantes termoeléctricos están
enmarcados con flexibilidad y estanqueidad.
En las reivindicaciones subordinadas se describen
otras configuraciones ventajosas.
La invención se explica mediante configuraciones
a modo de ejemplo, que se muestran en las figuras. En ellas:
La Fig. 1 muestra una vista esquemática en
perspectiva de un aparato de refrigeración con arreglo a la
invención, montado.
La Fig. 2 muestra una vista en perspectiva
esquemática despiezada del aparato de refrigeración de la Fig.
1.
La Fig. 3 muestra una sección esquemática del
aparato de refrigeración con arreglo a la invención, por la línea
III-III de la Fig. 1.
La Fig. 4 muestra una sección esquemática en
perspectiva del aparato de refrigeración con arreglo a la
invención, por la línea IV-IV de Fig. 1.
La Fig. 5 muestra una vista esquemática en
perspectiva de la parte superior del aparato de refrigeración de la
Fig. 1.
La Fig. 6 muestra una sección esquemática de otra
configuración de un aparato de refrigeración con arreglo a la
invención.
La Fig. 7 muestra una sección esquemática del
aparato de refrigeración de la Fig. 6; y
La Fig. 8 muestra una vista esquemática de un
aparato de refrigeración con arreglo a la invención, montada en el
sistema de refrigeración de un vehículo de motor para actuar como
un acondicionador de aire.
Las figuras presentan sólo vistas esquemáticas de
la configuración preferida de la invención. Las configuraciones se
describen a título de ejemplo sin limitaciones de configuraciones
representativas de la invención. En las figuras, se dan los mismos
números de referencia a las piezas idénticas o
correspondientes.
Las figuras 1 a 7 muestran un aparato de
refrigeración 1 que tiene una carcasa 2 con varias capas. Un
portador 3 comprende una parte superior rígida 4 y una parte
inferior rígida 5, cada una de ellas provista de aberturas
rectangulares 6 con depresiones 7 para recibir varios elementos
refrigeradores idénticos 8 dispuestos con estructura de matriz
dentro de un plano. Las caras superiores de las tiras 9 entre las
aberturas 6 son, en el caso de las superiores, parte del portador,
o pieza 4, provistas de abultamientos semiesféricos 10 para
conducir el líquido refrigerante 15 por un canal de enfriamiento
11, como se explicará con más detalle a continuación. En el caso de
la parte inferior del portador, o pieza 5, los abultamientos
semiesféricos están dispuestos en las caras inferiores de las tiras
9 entre las aberturas 6.
Los elementos refrigerantes 8 son del tipo plano
que se encuentra en el mercado (TEC), también llamados elementos
Peltier. En esta configuración, los elementos refrigerantes 8 son
de forma esencialmente rectangular, pero se hace notar que
cualquier forma concreta es en principio adecuada para la
aplicación del invento. El elemento refrigerante 8 también consiste
en varias capas superpuestas. La capa plana de arriba 14a, y la capa
de abajo 14b son placas cerámicas, en tanto que la capa intermedia
semiconductora 12, genera en la modalidad de trabajo, una
diferencia de temperatura entre la placa cerámica de arriba 14a y
la placa cerámica de abajo 14b. El elemento refrigerador puede
contener más capas, p. ej. placas metálicas con interconexiones
eléctricas 13 para suministrar corriente eléctrica a la capa
semiconductora 12.
Los elementos refrigeradores termoeléctricos 8
están incorporados o enmarcados entre la parte alta 4 del portador
y la parte baja 5 del portador por medio de juntas flexibles 16,
que se interponen entre los termoeléctricos refrigeradores 8 y las
partes 4, 5 del portador. Más precisamente, las juntas flexibles
16, en forma de empaquetadura perimetral rectangular, sujetan los
refrigeradores termoeléctricos 8 por el perímetro exterior 17
haciéndolos estancos con las partes 4, 5 del portador. En este
texto la definición de perímetro exterior 17 es el borde exterior
de por lo menos una de las placas 14, incluyendo por lo menos una
parte del canto de esa placa. El procedimiento de ensamblaje antes
mencionado permite al elemento refrigerador 8 tener por lo menos
una superficie de contacto 18, que durante el proceso, está en
contacto directo con el líquido refrigerante 15. En esta
configuración, ambas placas cerámicas 14 opuestas tienen una
superficie de contacto 18 que, durante el proceso, están en
contacto directo con el líquido refrigerante 15 de modo que las
superficies de contacto 18, en combinación con el portador 3,
forman una separación del líquido refrigerante 15 en los canales de
enfriamiento 11 a cada lado del portador, evitando la fuga del
líquido refrigerante 15 a las conexiones electrónicas 13 y otras
partes de los elementos refrigeradores 8.
A fin de admitir distintos tipos de líquido
refrigerante 15, las superficies de contacto 18, representadas por
las placas 14 de los elementos refrigeradores están aisladas
eléctricamente. Por ese motivo, las placas conductoras de
electricidad 14 pueden estar provistas de una película aislante 20,
como se ven explícitamente en las Figs. 6 y 7. O bien, las placas
14 pueden estar impregnadas para obtener una superficie de contacto
aislada eléctricamente. Además, por ser las placas cerámicas de un
material poroso, son menos proclives a absorber agua cuando la
superficie de la placa está impregnada.
El portador está además puesto entre la parte
superior de la carcasa 22 y la parte inferior de la carcasa 23 con
tiras contra fuga 21 interpuestas para formar la carcasa 2 con los
canales de enfriamiento 11. El canal de enfriamiento alto 11 está
en la cara inferior, definida por la separación que comprende el
portador 3 y las superficies de contacto altas de los elementos
refrigeradores 8, en tanto que en la cara superior definida por la
parte alta de la carcasa 22. Como se ve con toda claridad en la
Fig. 4, la parte alta de la carcasa 22 tiene cavidades 24
coincidentes con los abultamientos semiesféricos 10 de la parte
alta 4 del portador. Esta configuración permite que la geometría
del canal sea relativamente estrecha, facilitando un caudal
relativamente alto del líquido refrigerante 15 que mejora la
eficacia de la refrigeración. El caudal del líquido refrigerante se
puede reforzar por medio de una bomba (omitida). Además, la parte
alta de la carcasa 22 está provista de una unidad de acoplamiento
25 del caudal entrante, conectada con la configuración del canal
superior 11. El canal de enfriamiento inferior 11 y la parte baja
de la carcasa 23 tienen igual configuración. Todo el conjunto está
sujeto por tornillos 27, arandelas 28 y tuercas 29.
Refiriéndonos a las Figs. 1 a 5, el aparato de
refrigeración 1 se compone entonces de una carcasa 2 con por lo
menos un canal de enfriamiento 11 para el líquido refrigerante 15,
con por lo menos un elemento termoeléctrico refrigerante 8 que
comprende una capa de material semiconductor 12, puesta entre dos
placas 14. Por lo menos una de estas placas 14 presenta una
superficie de contacto 18 con aislamiento eléctrico que, en
servicio, está en contacto directo con el líquido refrigerante 15.
Ese por lo menos un elemento refrigerante 8 está enmarcado de
manera flexible y estanca por su perímetro exterior 17 en un
portador 3 de manera que la superficie de contacto 18 queda libre
de hacer contacto con el líquido refrigerante 15. El portador 3 y
la superficie de contacto 18 definen una pared del canal de
enfriamiento 11.
Finalmente, la Fig. 8 presenta una aplicación del
aparato de refrigeración eléctrico 1 montado en un sistema de
enfriamiento del motor de vehículos para aportar una característica
acondicionadora de aire al sistema de climatización. Un sistema
convencional de enfriamiento de un motor M está dotado de un
radiador de enfriamiento grande R1 delante del motor M y un
radiador de enfriamiento pequeño R2 en el habitáculo con fines de
calefacción (omitido), ambos realizados por ventiladores 32. El
líquido caliente del aparato de refrigeración eléctrico 1 con
arreglo a la invención, se enfría mediante el radiador de
enfriamiento grande R1. Esta configuración presenta una aplicación
barata y eficaz a vehículos de motor.
Esta invención no se limita a las configuraciones
descritas en la solicitud. Son posibles muchas variantes. Las
variantes similares serán claras para una persona entendida en el
arte y se debe considerar que están dentro del alcance de la
invención como se define en las reivindicaciones siguientes.
Claims (15)
1. Un aparato de refrigeración (1) que comprende
una carcasa (2) con por lo menos un canal de enfriamiento (11) de
un líquido refrigerante y con por lo menos un elemento
termoeléctrico de refrigeración (8) compuesto por una capa de
material semiconductor (12) puesta entre dos placas (14),
presentando por lo menos una de las placas (14) una superficie de
contacto con aislamiento eléctrico (15) que, en trabajo, está en
contacto directo con el líquido refrigerante, estando ese por lo
menos un elemento refrigerante (8) enmarcado de manera flexible y
estanca en su perímetro exterior en un portador (3) de tal modo que
la superficie de contacto (18) quede libre de hacer contacto con el
líquido refrigerante, el portador (3) y la superficie de contacto
(18) define una parte de la pared del canal de enfriamiento, en el
que la carcasa contiene dos canales de enfriamiento (11) y en el
que por lo menos un elemento refrigerante (8) enmarcado en el
portador (3) y los elementos refrigerantes enmarcados forman así
una separación entre los canales de enfriamiento.
2. Un aparato de refrigeración (1) según la
reivindicación 1 en el que varios elementos refrigerante (8) están
enmarcados en el portador (3).
3. Un aparato de refrigeración (1) según las
reivindicaciones 1 ó 2 en el que el portador (3) comprende un marco
rígido en el que por lo menos un elemento refrigerante está
enmarcado mediante una empaquetadura flexible.
4. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 3 en el que el marco comprende una
parte alta (4) y una parte baja (5) entra las que está sujeto de
manera estanca un elemento refrigerante.
5. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 4 en que al menos un elemento
refrigerador (8) es plano, rectangular y con capas
superpuestas.
6. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que las placas (14) de al
menos un elemento refrigerante (8) están hechas de material
cerámico.
7. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que el portador (3)
enmarca una serie de elementos refrigerantes (9).
8. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que el portador (3) es
sustancialmente plano y enmarca una serie de elementos
refrigerantes (8) dispuesto en fila o en una matriz dentro de un
plano.
9. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que el portador (3)
comprende un cuerpo flexible en el que al menos está enmarcado un
elemento refrigerante.
10. Un aparato de refrigeración según la
reivindicación 9 en el que el cuerpo flexible está dotado de
elementos de refuerzo.
11. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo la carcasa del
aparato dos carcasas (22, 23), cada una con un canal de
enfriamiento abierto (11) ante el cual se sitúa el portador (3) con
los elementos refrigerantes (8) enmarcados para cerrar los canales
de enfriamiento, formando una separación.
12. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que el plano de los
elementos refrigerantes presenta por lo menos la superficie de una
placa que está impregnada.
13. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que una placa de por lo
menos un elemento refrigerante lleva una película que forma la
superficie de contacto.
14. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que un elemento
refrigerante está dotado de una placa cerámica, cuya superficie de
contacto tiene una estructura que incrementa el área de contacto
con el líquido refrigerante.
15. Un aparato de refrigeración según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que por lo menos un
elemento refrigerante (8) está enmarcado por sus bordes exteriores
de la superficie de por lo menos una de las placas (14a, 14b) y por
lo menos una parte del canto.
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