ES2294544T3 - Sistema, aparato y procedimiento de refrigeracion pasiva y activa de al menos un recinto. - Google Patents

Abstract

Un aparato (10) para refrigerar selectivamente de forma activa y pasiva un recinto, incluyendo el aparato: un colector térmico primario (26) que define al menos una superficie configurada para recibir energía térmica de un gas en el recinto, enfriando por ello el gas y refrigerando el recinto; un primer colector térmico de refrigerante (40) en comunicación térmica con el colector térmico primario (26) y definiendo al menos un paso (42) para hacer circular un refrigerante de tal manera que el refrigerante esté configurado para enfriar el colector térmico primario (26); al menos una bomba de calor (60) en comunicación térmica con el colector térmico primario (26) y configurada para enfriar el colector térmico primario (26); un segundo colector térmico de refrigerante (50) en comunicación térmica con el colector térmico primario (26) mediante la bomba de calor (60), definiendo el segundo colector térmico de refrigerante (50) al menos un paso (50) para hacer circular refrigerante de tal manera que el refrigerante esté configurado para recibir energía térmica del colector térmico primario (26) mediante la bomba de calor (60); y al menos un bucle de refrigerante (L1, L2) conectado por fluido a los pasos (42, 52) definidos por los colectores térmicos de refrigerante primero (40) y segundo (50), y al menos una bomba (140, 142) configurada para hacer circular el refrigerante a través del al menos único bucle de refrigerante (L1, 12) y los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo (40, 50); caracterizado por: al menos un dispositivo de enfriamiento (120, 130), estando el bucle de refrigerante (L1, L2) en comunicación térmica con el al menos único dispositivo de enfriamiento (120, 130) de tal manera que el al menos único dispositivo de enfriamiento (120, 130) esté configurado para enfriar el refrigerante en el bucle de refrigerante (L1, L2).

Description

Sistema, aparato y procedimiento de refrigeración pasiva y activa de al menos un recinto.

La presente invención se refiere al enfriamiento de recintos y, más en concreto, a aparatos integrados y métodos para refrigeración selectiva pasiva y activa de recintos tales como dispositivos refrigeradores y congeladores.

Descripción de la técnica relacionada

En muchas industrias que emplean sistemas de refrigeración, tales como las industrias de transporte aéreo, terrestre, marítimo y de construcción, la tecnología de refrigeración convencional se basa en el ciclo de vapor-compresión. En un avión, por ejemplo, un refrigerador de aire de ciclo de vapor-compresión está típicamente montado encima de un galley del avión, tal como en la zona de corona, o debajo del suelo de la cabina, tal como en la zona de carga entre las vigas del suelo. Para enfriar consumibles tales como alimentos y bebidas, el refrigerador de aire está conectado típicamente a uno o más compartimientos de almacenamiento de alimentos en galley mediante una serie de conductos de suministro/retorno de aire, que forman colectivamente un sistema de bucle cerrado. En la operación, el refrigerador de aire es esencialmente un aparato unificado de aire acondicionado similar en principio a un aparato de aire acondicionado de ventana montado típicamente en la ventana de una casa. En algunos casos, el objetivo es mantener la temperatura de los consumibles entre 0ºC y 7ºC, o entre 0ºC y 5ºC (o 4ºC en muchos países europeos) como puede ser preciso en el futuro.

Para mantener los consumibles a una temperatura dentro del rango de temperatura apropiado, debe haber una diferencia de temperatura deseada entre la atmósfera más cálida de la cabina de avión y la atmósfera más fría de los compartimientos de almacenamiento de alimentos en galley. Esta diferencia de temperatura hace que la energía calorífica presente en la cabina más cálida del avión fluya a los compartimientos más fríos de almacenamiento de alimentos en galley mediante una combinación de mecanismos de transferencia de calor. Convencionalmente, la tasa de esta transferencia de calor (o carga de calor) a cualquier temperatura diferencial dada es controlada por el aislamiento efectivo neto entre el las atmósferas cálida y fría. A este respecto, el refrigerador de aire de ciclo de vapor-compresión debe ser capaz típicamente de quitar dicha carga de calor de los compartimientos más fríos de almacenamiento de alimentos con el fin de mantener la temperatura diferencial deseada, manteniendo por ello los consumibles a una temperatura dentro del rango de temperatura apropiado. El calor quitado por el refrigerador de aire es expulsado a la atmósfera en el compartimiento de carga del avión o la corona de cabina, dependiendo de la posición del refrigerador de aire.

Convencionalmente, el refrigerador de aire de ciclo de vapor-compresión es un sistema aire-aire. A este respecto, un ventilador en la unidad de refrigeración del aire hace circular aire de los compartimientos de almacenamiento de alimentos en galley mediante los conductos de retorno de aire a través de un serpentín evaporador montado dentro del refrigerador de aire. Dentro del serpentín evaporador, refrigerante frío, tal como refrigerante R134a frío (fase gas), capta el calor del aire que fluye a través del serpentín evaporador. Cuando el aire fluye a través del serpentín evaporador, el aire pierde energía calorífica al refrigerante. El aire frío se hace volver entonces a los compartimientos de almacenamiento de alimentos en galley mediante los conductos de suministro de aire. Una vez dentro de los compartimientos de almacenamiento de alimentos en galley, el aire frío capta la energía calorífica dentro de los compartimientos de almacenamiento de alimentos. El proceso se puede repetir entonces de forma continua con el fin de mantener la temperatura diferencial deseada.

Como se apreciará, una vez que el refrigerante recibe la energía calorífica del aire que fluye a través del serpentín evaporador, la energía calorífica debe ser expulsada del refrigerante. A este respecto, el refrigerante gaseoso es supercalentado cuando capta la energía calorífica a través del serpentín evaporador. El refrigerante gaseoso supercalentado es llevado entonces típicamente a un compresor dentro del refrigerador de aire. El compresor opera entonces en el refrigerante gaseoso reduciendo el volumen del refrigerante gaseoso aplicando presión externa. Como resultado, la temperatura y la presión del refrigerante gaseoso aumentan en gran medida. El refrigerante gaseoso a temperatura y presión altas se hace circular entonces a través de un condensador situado en la unidad de refrigeración del aire. Cuando el refrigerante gaseoso fluye a través del serpentín condensador, un ventilador impulsa aire ambiente a través del serpentín condensador para enfriar el refrigerante gaseoso caliente. Cuando el refrigerante circula a través del serpentín condensador, pierde energía calorífica al aire ambiente de tal manera que el refrigerante cambie de estado de un gas supercalentado a alta presión a un líquido saturado a alta presión cuando sale del serpentín condensador y entra en un receptor de líquido. El líquido refrigerante avanza a través de la línea de líquido a alta presión a una válvula de expansión (o en algunos sistemas, un tubo capilar) y se expande a un gas saturado antes de volver a entrar en el serpentín evaporador.

Aunque los sistemas de refrigeración que emplean refrigeradores de aire de ciclo de vapor-compresión son adecuados para mantener los consumibles a una temperatura dentro del rango de temperatura apropiado, tales sistemas de refrigeración tienen inconvenientes. A este respecto, el núcleo del refrigerador de aire de ciclo de vapor-compresión es el compresor. La operación del compresor así como la del ventilador que expulsa aire a través del condensador, sin embargo, consume indeseablemente cantidades significativas de energía eléctrica. Además, el compresor es típicamente un dispositivo mecánico complicado, que es ruidoso y propenso a fallo. Además, la operación del refrigerador de aire expulsa calor al entorno de la cabina, que puede ser problemático para el sistema de control medioambiental (ECS) durante operaciones en tierra. A este respecto, los paquetes ECS que refrigeran la cabina y equipo del avión durante la operación en tierra están situados típicamente debajo de la caja del ala del avión, que contiene carburante del avión. Como tal, cuanto más tiene que trabajar el sistema ECS en climas cálidos, más calor expulsa el sistema ECS al carburante del avión.

Para superar los inconvenientes de los sistemas convencionales de refrigeración de aire del ciclo de vapor-compresión, se han desarrollado sistemas y métodos que son capaces de refrigerar uno o más recintos utilizando el potencial térmico "gratuito" proporcionado por el colector térmico de frío natural de un vehículo o sistema con el que opera el sistema. Tal sistema se describe en US-A-2004/0159119. Como se describe en US-A-2004/0159119, el sistema y método para refrigerar recintos se basan en una metodología de refrigeración híbrida capaz de integrar tecnologías de enfriamiento pasivo y activo para realizar refrigeración continua en recintos, tales como galleys de avión. Ventajosamente, los aparatos y métodos de realizaciones de la presente invención son capaces de lograr un equilibrio óptimo entre la capacidad de refrigeración de tal sistema y el entorno operativo cambiante del colector térmico de frío. Como tal, recintos tales como galleys de avión pueden ser refrigerados sin el uso de un refrigerador de aire de ciclo de vapor-compresión, evitando por ello los inconvenientes de los refrigeradores de aire de ciclo de vapor-compresión. Aunque US-A-200410159119 proporciona un sistema y método mejorados para refrigerar recintos, siempre es deseable mejorar más tales sistemas y métodos. US-A-6.484.794 describe un dispositivo de refrigeración para mantener una superficie de una instalación de almacenamiento en frío a una temperatura predeterminada, el dispositivo incluye un colector térmico primario para enfriar la superficie de la tierra de la instalación, y los pasos para permitir la circulación de refrigerante mediante una bomba de calor.

Breve resumen de la invención

A la luz de los antecedentes anteriores, las realizaciones de la presente invención proporcionan un aparato y método para enfriar o refrigerar un recinto. El aparato puede enfriar selectivamente el recinto en modos activo y pasivo. Ventajosamente, la refrigeración activa y pasiva se puede lograr mediante un colector térmico primario común en comunicación térmica con un gas en el recinto.

Según una realización de la presente invención, el aparato incluye el colector térmico primario, que define aletas u otra superficie para recibir energía térmica de un gas en el recinto. Por ejemplo, se puede prever un ventilador para hacer circular el aire en o a través del recinto al colector térmico primario y transferir por ello energía térmica al colector térmico primario. Los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo están en comunicación térmica con el colector térmico primario y cada uno define al menos un paso para hacer circular un refrigerante. En particular, el segundo colector térmico de refrigerante está en comunicación térmica con el colector térmico primario mediante una o más bombas de calor, tal como bombas de calor termiónicas, termoeléctricas, o termiónico-termoeléctricas híbridas.

Cada uno de los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo puede estar conectado por fluido a uno o más dispositivos de enfriamiento para enfriar el refrigerante. Por ejemplo, los dispositivos de enfriamiento pueden estar configurados para expulsar calor a un colector de frío tal como una porción de una estructura de revestimiento de fuselaje de avión. Adicionalmente, o alternativamente, se puede proporcionar una batería térmica eutéctica como un dispositivo refrigerador.

La presente invención también proporciona un sistema incluyendo uno o más de los aparatos para enfriar uno o más recintos. Cada aparato puede estar configurado para operar selectivamente en modos pasivo y activo. En el modo pasivo, el refrigerante se hace circular a través del primer colector térmico de refrigerante de tal manera que se transfiera energía térmica del colector térmico primario al refrigerante. En el modo activo, el refrigerante se hace circular a través del segundo colector térmico de refrigerante y la al menos única bomba de calor opera de modo que se transfiera energía térmica del colector térmico primario al refrigerante mediante la bomba de calor. Además, en modos pasivo y activo directos, el refrigerante se puede hacer circular a través de un primero de los dispositivos de enfriamiento, tal como un dispositivo configurado para expulsar calor a una estructura de revestimiento de fuselaje de avión. En modos pasivo y activo indirectos, el refrigerante se puede hacer circular a través de un dispositivo de enfriamiento diferente tal como una batería térmica eutéctica. Así, el aparato puede refrigerar el recinto a una temperatura deseada, por ejemplo, por debajo de aproximadamente 7ºC o por debajo de aproximadamente 0ºC, en los modos pasivo o activo.

La batería térmica eutéctica también puede ser enfriada, o recargada, conectando térmicamente la batería al primer dispositivo de enfriamiento y transfiriendo calor por ello de la batería al primer dispositivo de enfriamiento. Además, un depósito de fluido inerte comprimido se puede proporcionar y expandir, por ejemplo, a través de un serpentín evaporador, para enfriar la batería térmica.

La presente invención también proporciona un método para refrigerar selectivamente un recinto en modos pasivo y activo. Energía térmica del recinto es absorbida por el colector térmico primario, refrigerando por ello el recinto. A su vez, el colector térmico primario es enfriado haciendo circular refrigerante a través de un primer o un segundo colector térmico de refrigerante. En el modo pasivo de operación, el refrigerante se puede hacer circular a través del primer colector térmico de refrigerante o el segundo colector térmico de refrigerante, en comunicación térmica con el colector térmico primario, enfriando por ello el colector térmico primario. En los modos activos, opera una bomba de calor en comunicación térmica con el colector térmico primario y el refrigerante se hace circular a través del segundo colector térmico de refrigerante en comunicación térmica con el colector térmico primario mediante la bomba de calor.

El refrigerante se puede hacer circular a través de uno o más dispositivos de enfriamiento para enfriar los refrigerantes. Por ejemplo, en los modos de operación pasivo y activo directos, el refrigerante se puede hacer circular a través de un dispositivo refrigerador en comunicación térmica con una estructura de revestimiento de avión u otro colector de frío, y en los modos de operación pasivo y activo indirectos, el refrigerante se puede hacer circular a través de una batería térmica eutéctica. La batería se puede enfriar, o recargar, expulsando calor a un colector de frío tal como la estructura de revestimiento de avión. Además, un fluido comprimido se puede expandir para enfriar la batería térmica eutéctica.

Breve descripción de las varias vistas de los dibujos

Habiendo descrito así la invención en términos generales, ahora se hará referencia a los dibujos acompañantes, que no se representan necesariamente a escala, y donde:

La figura 1 es una vista en perspectiva que ilustra un aparato para refrigerar un recinto según una realización de la presente invención.

La figura 2 es una vista en alzado del aparato de la figura 1, que ilustra el primer lado del aparato.

La figura 3 es otra vista en perspectiva del aparato de la figura 1, que ilustra el colector térmico primario y colectores térmicos de refrigerante primero y segundo en el segundo lado del aparato.

La figura 4 es una vista en alzado del aparato de la figura 1, que ilustra el segundo lado del aparato.

La figura 5 es una vista en alzado del aparato de la figura 1, según se ve desde el lado derecho de la figura 4.

La figura 6 es una vista en perspectiva del aparato de la figura 1 con el panel quitado del primer lado, que ilustra el interior del aparato.

La figura 7 es una vista en perspectiva del colector térmico primario e insertos de espuma del aparato de la figura 1.

La figura 8 es una vista en perspectiva del colector térmico primario y colectores térmicos de refrigerante primero y segundo del aparato de la figura 1.

La figura 9 es una vista en perspectiva de los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo del aparato de la figura 1.

La figura 10 es una vista en perspectiva del aparato de la figura 1, según se ve con los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo quitados.

La figura 11 es una vista en perspectiva del colector térmico primario, insertos de espuma, y panel del aparato de la figura 1.

La figura 12 es una vista en perspectiva del colector térmico primario y panel del aparato de la figura 1.

La figura 13 es un diagrama esquemático que ilustra un sistema para refrigerar un recinto según una realización de la presente invención.

Y la figura 14 es una vista en perspectiva que ilustra cuatro dispositivos de enfriamiento del sistema de la figura 13, en el que los dispositivos de enfriamiento están configurados para expulsar calor a un colector de frío incluyendo una superficie interior de una estructura de revestimiento de fuselaje de avión.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se describirá ahora más completamente a continuación con referencia a los dibujos acompañantes, en los que se representan algunas, pero no todas las realizaciones de la invención. De hecho, esta invención puede ser realizada en muchas formas diferentes y no deberá ser interpretada limitándolas a las realizaciones aquí expuestas; más bien, estas realizaciones se exponen de modo que esta descripción cumpla los requisitos legales aplicables. Números análogos se refieren a elementos análogos en toda ella.

Las realizaciones de la presente invención proporcionan un aparato, el sistema y el método de refrigerar al menos un recinto. Como se describe aquí, el aparato, el sistema y el método se utilizan dentro de un avión para refrigerar uno o más compartimientos de almacenamiento de alimentos en galley. Por lo tanto, el aparato, el sistema y el método son especialmente ventajosos para enfriar consumibles, tales como alimentos y bebidas, en un avión. Se deberá apreciar, sin embargo, que el aparato, el sistema y el método pueden ser utilizados en otros vehículos o con otros sistemas. A este respecto, el aparato, el sistema y el método pueden ser utilizados en otros vehículos o con otros sistemas capaces de proporcionar un colector térmico de frío de manera similar a la descrita a continuación.

Ventajosamente, las realizaciones de la presente invención son capaces de operar en varios modos diferentes para realizar la refrigeración de costo más razonable y eficiente del (de los) recinto(s). A este respecto, las realizaciones de la presente invención son capaces de operar con un colector térmico de frío ya existente en el vehículo u otro sistema dentro del que se utilice la invención para llevar a cabo la refrigeración pasiva o activa del (de los) recinto(s). Tal como se utiliza en aviones, por ejemplo, el sistema es capaz de operar con la estructura de revestimiento de fuselaje de avión que actúa como el colector térmico de frío, así como un refrigerador de refrigerante líquido separado o una batería térmica eutéctica como se describe en US-A-2004/0159119.

Típicamente, la temperatura de la estructura de revestimiento del fuselaje de aluminio de un reactor comercial durante la velocidad de crucero a la altitud normal es entre aproximadamente -9ºC (+16ºF) y -51ºC (-59ºF). Tal temperatura superfría del revestimiento permite que el revestimiento del fuselaje funcione como un potente colector térmico de frío. Así, cuando el revestimiento del fuselaje tiene una temperatura suficientemente baja para actuar como un colector térmico de frío, tal como durante el vuelo, las realizaciones de la presente invención pueden refrigerar pasivamente los recintos utilizando el revestimiento del fuselaje. Cuando el revestimiento del fuselaje no tiene una temperatura suficientemente baja para proporcionar un colector térmico efectivo, tal como mientras un avión está en tierra, las realizaciones de la presente invención son capaces de refrigerar activa y/o pasivamente los recintos. Por lo tanto, las realizaciones de la presente invención pueden realizar la refrigeración continua de los recintos hasta que la temperatura del revestimiento del fuselaje disminuye a un punto en el que el revestimiento del fuselaje puede actuar como un colector térmico efectivo.

Con referencia ahora a las figuras 1-12, se representa un aparato 10, y sus componentes, para refrigerar al menos un recinto según una realización de la presente invención donde el aparato 10 opera dentro de un avión, y donde los recintos incluyen compartimientos de almacenamiento de alimentos en galley. Se deberá apreciar, sin embargo, que incluso operando el aparato 10 dentro de un avión, los recintos pueden incluir cualquiera de otros varios recintos.

Como se representa en la figura 1, el aparato 10 incluye un alojamiento 12 y una pluralidad de sujetadores 14, tal como tornillos o pernos, para conectar las varias porciones del aparato 10 y para conectar el aparato 10 al recinto. El alojamiento 12 se puede formar de varios materiales incluyendo polímeros, compuestos, metales, y análogos. Además, se puede disponer materiales aislantes, tal como espuma aislante, en las superficies interiores y exteriores del alojamiento 12. Un panel 16, representado en las figuras 1 y 2, define un primer lado 18 del alojamiento 12. El panel 16 define uno o más agujeros de entrada 20 a través de los que unos ventiladores 22 hacen circular aire (u otro gas) desde dentro del recinto para refrigeración. El panel 16 también define un agujero de salida 24 a través del que el aire enfriado puede volver al interior del recinto.

Un colector térmico primario 26 del aparato 10, representado en las figuras 3-5, está dispuesto en un segundo lado 19 del aparato 10, enfrente del panel 16. El colector térmico primario 26 está configurado para absorber energía térmica del aire en el aparato 10, enfriando por ello el aire y calentando el colector térmico primario 26. A su vez, el colector térmico primario 26 es enfriado por los refrigerantes primero y segundo que fluyen a través de colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50, respectivamente. Como se representa en las figuras 8 y 9, el primer colector térmico de refrigerante 40 incluye tres porciones 44, y el segundo colector térmico de refrigerante 50 incluye dos porciones 54. En particular, los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50 están dispuestos en un primer lado 28 de una base 30 del colector térmico primario 26, y un lado opuesto 32 de la base 30 mira al interior 11 del aparato 10, representado en las figuras 6-8. Una pluralidad de aletas 34 se extienden desde el lado 32 de la base 30 del colector térmico primario 26 al interior 11 del aparato 10. Las aletas 34 pueden ser elementos de aleta alargados tales como las aletas "aumentadas" ilustradas en las figuras 6-8, en forma de elementos de varilla, u otras formas de aleta que se usan en dispositivos de intercambio térmico convencionales.

Así, el aire que circula a través de los agujeros 20, 24 del alojamiento 12 pasa entre las aletas 34, calentando convectivamente las aletas 34, que transportan calor a la base 30 y los colectores térmicos de refrigerante 40, 50. El aire puede ser dirigido a través del interior 11 del aparato 10 por insertos de espuma 36 u otros dispositivos de guía. A efectos de claridad de la ilustración, las aletas 34 se representan con y sin los insertos de espuma 36 en las figuras 11 y 12, respectivamente. El colector térmico primario 26 puede ser un colector térmico de cámara de vapor, es decir, un colector térmico que define una cámara interna de vapor conteniendo un fluido adecuado a un vacío o vacío parcial. Se puede disponer una estructura de mecha en la superficie interior de la cámara de vapor de tal manera que el calentamiento de una porción del colector térmico 26 dé lugar a vaporización del fluido cerca de la aplicación de calor, condensándose entonces el vapor en otro lugar en la cámara y distribuyendo por ello el calor. Alternativamente, el colector térmico primario 26 puede ser un elemento sólido, formado de metal u otros materiales conductores térmicos y que utilicen tuberías de calor incrustadas para nivelar la distribución de temperatura en la base del colector térmico. En cualquier caso, la base 30 es térmicamente conductora de modo que la energía térmica conducida a la base 30 por las aletas 34 sea transportada entonces por la base 30 a los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50. En otras realizaciones de la presente invención, el colector térmico primario 26 puede incluir una bomba de calor incrustada en la base 30 de tal manera que la bomba de calor esté configurada para expulsar calor de las aletas 34 a la base 30.

Cada uno de los colectores 40, 50 define al menos un paso 42, 52 para recibir un refrigerante a su través. Por ejemplo, como se representa en las figuras 8 y 9, el primer colector térmico de refrigerante 40 incluye tres porciones 44, cada una de las cuales define al menos un paso 42 que se extiende a su través.

Mangueras, tuberías, u otros dispositivos de conexión de fluido 46 conectan los pasos 42 para formar un circuito de fluido continuo, aunque en otras realizaciones de la presente invención, se puede formar múltiples circuitos paralelos. Así, el refrigerante puede entrar en el primer colector térmico de refrigerante 40 a través de una entrada 48, fluir a través del primer colector térmico de refrigerante 40, y salir del colector térmico 40 a través de una salida 49. El primer colector térmico de refrigerante 40 está en comunicación térmica con el colector térmico primario 26 y por lo tanto el refrigerante es calentado en el primer colector térmico de refrigerante 40, enfriando por ello los colectores térmicos 26, 40.

En la realización ilustrada, el segundo colector térmico de refrigerante 50 incluye dos porciones 54 (figura 3), cada una de las cuales define al menos un paso 52 que se extiende a su través. Los pasos 52 están conectados por dispositivos de conexión de fluido 56 de modo que el refrigerante pueda entrar en el segundo colector térmico de refrigerante a través de una entrada 58, fluir a través del segundo colector térmico de refrigerante 50, y salir a través de una salida 59. El segundo colector térmico de refrigerante 50 está en comunicación térmica con el colector térmico primario 26 mediante una o más bombas de calor 60 (figuras 3, 9), es decir, las bombas de calor 60 están configuradas para transferir activamente energía térmica del colector térmico primario 26 al segundo colector térmico de refrigerante 50 y el segundo refrigerante, enfriando por ello el colector térmico primario 26.

Las bombas de calor 60 adecuadas para esta aplicación son bombas de calor de estado sólido de forma plana, que pueden ser dispositivos termoeléctricos, dispositivos termiónicos, o su combinación. En cualquier caso, las bombas de calor están configuradas preferiblemente para transferir activamente energía térmica del colector térmico primario 26 al segundo colector térmico de refrigerante 50 y, por lo tanto, el refrigerante, es decir, aunque el refrigerante y el segundo colector térmico de refrigerante 50 estén más calientes que el colector térmico primario 26. Por ejemplo, las bombas de calor 60 pueden incluir alguna de varias bombas diferentes de líquido a calor directo fabricadas por Supercool AB de Goteborg, Suecia. Alternativamente, las bombas de calor 60 pueden ser diodos térmicos (tal como los desarrollados por ENECO Inc. De Salt Lake City, Utah), o bombas de calor termiónicas (tales como las desarrolladas por Cool Chip PLC, compañía registrada en Gibraltar). Se puede usar cualquier número de bombas de calor de estado sólido de forma plana 60.

Las bombas de calor 60 están dispuestas entre el segundo colector térmico de refrigerante 50 y el colector térmico primario 26, y las bombas de calor 60 y el primer colector térmico de refrigerante 40 están dispuestas contra el colector térmico primario 26 a través de un agujero 13 en el alojamiento 12, representado en las figuras 3 y 10. La energía térmica recibida por el colector térmico primario 26 puede ser transferida al refrigerante y transportada por el refrigerante lejos del aparato 10, por ejemplo, a un dispositivo refrigerador configurado para enfriar el refrigerante para recirculación o para proporcionar de nuevo de otro modo refrigerante frío al aparato 10. Los dispositivos de enfriamiento pueden ser de una variedad de dispositivos para absorber energía térmica del refrigerante fluido. Por ejemplo, cada dispositivo de enfriamiento puede ser un dispositivo colector térmico que incluya, o esté en comunicación térmica con, la estructura de revestimiento del fuselaje de un avión. El dispositivo de enfriamiento puede ser alternativamente un dispositivo de almacenamiento de frío eutéctico tal como una batería térmica eutéctica que se puede cargar, es decir, enfriar, por el revestimiento u otro colector y posteriormente se puede usar para enfriar los fluidos refrigerantes. Una batería térmica eutéctica y los métodos y los sistemas que usan dicho dispositivo se describen en US-A-2004/0159119. El dispositivo de enfriamiento también puede ser un dispositivo refrigerador, tal como un refrigerador de líquido y compresión de vapor centralizado que enfríe líquido refrigerante para el sistema de gestión térmica del avión.

Además, el refrigerante se puede hacer circular selectivamente a través de múltiples dispositivos de enfriamiento. Por ejemplo, en un modo pasivo, el refrigerante se puede hacer circular selectivamente a través de un dispositivo refrigerador en contacto térmico con la estructura de revestimiento del avión, una batería térmica eutéctica, y un refrigerador de líquido centralizado. Así, cuando la estructura de revestimiento del avión tiene una temperatura suficientemente más baja que la temperatura del interior del recinto, el refrigerante se puede hacer circular entre el colector en contacto con la estructura de revestimiento y el primer colector térmico de refrigerante 40. Cuando la estructura del revestimiento es demasiado caliente para enfriar suficientemente el refrigerante, el refrigerante se puede hacer circular, en cambio, a través del refrigerador de aire centralizado o la batería térmica eutéctica. De esta manera, el refrigerante puede ser usado para lograr enfriamiento pasivo a través del primer colector térmico de refrigerante 40 siempre que alguno de la estructura de revestimiento, la batería térmica eutéctica, o el refrigerador de líquido centralizado sea capaz de enfriar el refrigerante y, por lo tanto, de refrigerar el recinto a la temperatura deseada. Si ninguno de los dispositivos de enfriamiento está suficientemente frío para refrigerar pasivamente el recinto a la temperatura deseada, el refrigerante se puede hacer circular a través del segundo colector térmico de refrigerante 50. En general, se puede lograr una temperatura de refrigeración más baja por la circulación del refrigerante debido a las bombas de calor 60 dispuestas entre el segundo colector térmico de refrigerante 50 y el colector térmico primario 26. Las bombas de calor 60 proporcionan una temperatura diferencial entre el segundo colector térmico de refrigerante 50 y el colector térmico primario 26, logrando por ello la temperatura deseada en el recinto, incluso cuando la estructura de revestimiento, el refrigerador de líquido centralizado, la batería térmica eutéctica, y/u otro dispositivo de enfriamiento no estén suficientemente fríos, por ejemplo, la estructura de revestimiento, el refrigerador de líquido centralizado, y la batería térmica eutéctica están más calientes que la temperatura deseada del recinto o no suficientemente fríos para proporcionar la adecuada capacidad de enfriamiento.

Por ejemplo, si el revestimiento del avión varía entre una primera temperatura que es inferior a la temperatura deseada en el recinto y una segunda temperatura que es más alta que la temperatura deseada en el recinto, el refrigerante puede ser enfriado por el revestimiento del avión y hacerse circular a través del primer colector térmico de refrigerante 40 para enfriar el recinto cuando el revestimiento esté más frío que la temperatura deseada. Igualmente, cuando el revestimiento está más caliente que la temperatura deseada, el refrigerante puede ser enfriado por otro dispositivo de enfriamiento, tal como el refrigerador de líquido centralizado o la batería térmica eutéctica, y hacerse circular a través del primer colector térmico de refrigerante 40 para enfriar pasivamente el colector térmico primario 26. Si cada uno de los dispositivos de enfriamiento está más caliente que la temperatura deseada, el refrigerante se puede hacer circular a través del segundo colector térmico de refrigerante 50 para enfriar activamente el recinto usando las bombas de calor 60. Además, la batería térmica eutéctica puede ser cargada por el revestimiento siempre que el revestimiento esté más frío que la temperatura de la batería térmica eutéctica.

La temperatura deseada puede variar dependiendo del uso del recinto. Por ejemplo, la refrigeración típica en aviones requiere que los recintos de almacenamiento de alimentos estén refrigerados a un rango de temperatura de entre aproximadamente 0ºC y 5ºC. En algunos casos, sin embargo, uno o más de los recintos puede ser usado para congelar artículos alimenticios, requiriendo así una temperatura más fría, por ejemplo entre aproximadamente 0ºC y -25ºC. Como se ha descrito inmediatamente antes, el refrigerante se puede hacer circular a través del primer colector térmico de refrigerante 40 para refrigerar el recinto siempre que uno de los dispositivos de enfriamiento esté suficientemente frío, y de otro modo el refrigerante se puede hacer circular a través del segundo colector térmico de refrigerante 50 mientras operan las bombas de calor 60.

Con referencia ahora a la figura 13, se representa una vista esquemática de un sistema 100 según una realización de la presente invención, incluyendo una pluralidad de aparatos 10, estando configurado cada aparato 10 en el sistema 100 para enfriar aire en un recinto respectivo 110. Cada aparato 10 incluye un colector térmico primario 26 y colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50. Como se ha descrito anteriormente, los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50 están configurados para recibir un refrigerante para circulación a su través, y los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50 están en comunicación térmica con el colector térmico primario 26 del aparato respectivo 10, comunicando térmicamente el segundo colector térmico de refrigerante 50 mediante las bombas de calor 60. Así, cada aparato 10 incluye un dispositivo de bombeo integrado de líquido a calor directo 50 y un intercambiador de líquido a calor directo 40 en comunicación con un colector térmico primario común 26.

El sistema 100 incluye dispositivos de enfriamiento primero y segundo 120, 130 para enfriar el refrigerante. Como se ilustra, el primer dispositivo de enfriamiento 120 puede ser un intercambiador de líquido a calor directo, que puede estar configurado para expulsar calor a un colector de frío tal como el revestimiento del avión. Alternativamente, el primer dispositivo de enfriamiento 120 también puede ser un intercambiador de calor líquido a líquido para expulsar calor a un dispositivo refrigerador de líquido centralizado. El segundo dispositivo de enfriamiento 130 es una batería térmica eutéctica. Se entiende que se puede prever dispositivos de enfriamiento adicionales y/o alternativos, y que se puede omitir uno o ambos dispositivos de enfriamiento ilustrados 120, 130. Por ejemplo, el sistema 100 puede incluir uno o múltiples dispositivos de enfriamiento, cada uno de los cuales puede estar configurado para expulsar calor a cualquier tipo de dispositivo colector de frío.

Además, el sistema 100 incluye una pluralidad de válvulas, tal como las válvulas V1, V2, V3, V4, V5, V6, y V7 así como bombas de refrigerante 140, 142, que dejan pasar el refrigerante a través de otros varios elementos del sistema 100 durante varios modos de operación, como se describe más adelante. Aunque no se representa por razones de claridad, los expertos en la técnica apreciarán que las bombas de refrigerante 140, 142 también incluirán típicamente depósitos de refrigerante para operación apropiada de las bombas de refrigerante 140, 142. Para que pueda pasar refrigerante a través de otros varios elementos, las válvulas V1, V2, V3, V4, V5, V6, y V7 están conectadas a conductos de refrigerante, tuberías, o análogos que interconectan los elementos del sistema 100. Se entiende que son posibles otras configuraciones de los conductos y componentes. Por ejemplo, aunque los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50 de cada aparato 10 se representan para conexión a un circuito común formado por los conductos 114 del bucle L1, los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50 pueden estar conectados alternativamente por fluido por conductos separados de modo que un primer refrigerante circulado a través del primer colector térmico de refrigerante 40 se mantenga separado de un segundo refrigerante circulado a través del segundo colector térmico de refrigerante 50. Además, los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50 pueden estar conectados por fluido a dispositivos de enfriamiento separados. El refrigerante puede incluir alguno de varios refrigerantes diferentes tales como, por ejemplo, 3M Novec Engineered Fluids fabricado por 3M Specialty Materials de St. Paul, Minnesota, o una mezcla adecuada de agua-glicol.

La batería térmica eutéctica 130 funciona dentro del sistema 100 como un condensador de energía térmica. Más en concreto, en una realización, la batería térmica eutéctica 130 incluye una chapa de conservación de frío, de dos pasos, altamente aislada, que contiene un material de cambio de fase que tiene un punto de congelación predeterminado. El material de cambio de fase puede incluir alguno de varios materiales diferentes que tengan alguno de varios puntos de congelación diferentes, tal como entre 0ºC y -40ºC. Como se ha indicado anteriormente en el contexto de un avión, la temperatura fría del revestimiento del fuselaje permite que el revestimiento del fuselaje funcione como un potente colector térmico de frío. Como tal, la estructura de revestimiento del fuselaje puede ser utilizada para absorber rápidamente calor latente del material de cambio de fase dentro de la batería térmica eutéctica 130, como se describe más adelante. Cuando el material de cambio de fase pierde su calor latente al colector térmico de frío, cambia de fase de un líquido a una mezcla sólido-líquido y eventualmente a un sólido puro una vez dado todo el calor latente. Típicamente, la transferencia de calor latente tiene lugar isotérmicamente a una temperatura entre 0ºC y -40ºC. Por lo tanto, el material de cambio de fase se puede seleccionar a voluntad de manera que tenga una temperatura de congelación capaz de refrigerar los recintos dentro de un rango deseado de temperatura. En una realización, por ejemplo, el material de cambio de fase incluye material de cambio de fase PIusICE E-12 fabricado por Environmental Process Systems Limited del Reino Unido. El material de cambio de fase PIusICE E-12 tiene un punto de congelación de -11,6ºC.

El sistema 100 incluye conductos 114, 116 dispuestos en dos recorridos en bucle cerrado L1, L2 a través de los que fluye refrigerante entre y a través de varios elementos del sistema. Más en concreto, la batería térmica eutéctica 130 contiene dos bucles de refrigerante internos separados. Uno de los bucles de refrigerante realiza transferencia de calor entre la batería térmica eutéctica y los colectores térmicos primarios 26 mediante el bucle L1. Los colectores térmicos primarios 26 actúan para sacar calor de los recintos 110. A este respecto, los colectores térmicos primarios 26 están dispuestos en contacto térmico con el interior de los recintos 110, por ejemplo, montándose dentro o cerca de los recintos 110. El sistema 100 puede incluir cualquier número de colectores térmicos primarios 26 y, en una realización, el sistema 100 incluye un colector térmico primario 26 para cada recinto 110 a refrigerar.

Además del bucle de refrigerante que realiza transferencia de calor entre la batería térmica eutéctica 130 y los colectores térmicos primarios 26, la batería térmica eutéctica 130 incluye un segundo bucle interno en comunicación con el bucle L2. El bucle L2 puede estar selectivamente conectado al bucle L1 de modo que el bucle L2 realice transferencia de calor selectivamente entre el primer dispositivo de enfriamiento 120 y uno o ambos de la batería térmica eutéctica 130 y los colectores térmicos primarios 26. El primer dispositivo de enfriamiento 120 puede ser, por ejemplo, un intercambiador de calor o bomba de calor situada en alguna de diferentes posiciones en contacto térmico con un colector de frío, tal como la estructura de revestimiento de un avión u otro vehículo, un dispositivo refrigerador de líquido centralizado, y análogos. Por ejemplo, como se representa en la figura 14, los primeros dispositivos de enfriamiento 120 están montados en contacto físico, y por ello térmico, con un colector de frío 124. En particular, los primeros dispositivos de enfriamiento ilustrados 120 son intercambiadores de líquido a calor directo montados en contacto físico con una porción de una estructura de revestimiento 124 del fuselaje de un avión, que actúa como el colector de frío 124, tal como en la posición del complejo de galleys delanteros del avión. Los dispositivos de enfriamiento 120 pueden tener una forma que encaje en el contorno de la estructura de revestimiento del fuselaje 124, mejorando por ello el contacto térmico entre ellos.

El primer dispositivo de enfriamiento 120 está dimensionado de manera que tenga la capacidad de enfriamiento requerida para acomodar la carga térmica total de todos los colectores térmicos primarios 26, así como la capacidad de quitar el calor latente requerido para congelar el material de cambio de fase en la batería térmica eutéctica 130 dentro de un período de tiempo deseable cuando el colector térmico de frío 124 es capaz de absorber pasivamente el calor del refrigerante, tal como durante el vuelo a alta altitud. Como se apreciará, sin embargo, el sistema 10 puede incluir múltiples dispositivos de enfriamiento 120 que tengan colectivamente la necesaria capacidad de enfriamiento. El dispositivo de enfriamiento 120 puede incluir alguno de varios dispositivos diferentes conocidos por los expertos en la técnica, tal como, por ejemplo, alguno de varios intercambiadores de líquido a calor directo fabricado por Lytron. Alternativamente, o adicionalmente, el dispositivo de enfriamiento puede incluir una o más bombas de líquido a calor directo.

Como se ha indicado anteriormente, el sistema 100 es capaz de operar en varios modos diferentes para proporcionar refrigeración continua a los recintos 110. Típicamente, el sistema 100 es capaz de operar en uno de cuatro modos: un modo pasivo directo, modo pasivo indirecto, modo activo directo, y modo activo indirecto. Dependiendo del modo de operación, fluye refrigerante por todo el sistema 100 de varias maneras siendo movido al mismo tiempo por las bombas de refrigerante 140, 142, que pueden incluir bombas de refrigerante de velocidad variable o constante. Para controlar el modo de operación, y por ello el recorrido de flujo del refrigerante, las válvulas V1-V7 se abren y cierran en varias combinaciones. En una realización, entonces, las válvulas V1-V7 pueden incluir válvulas de cierre controladas a distancia. Como se apreciará, el modo de operación se puede seleccionar de varias formas diferentes. Por ejemplo, el modo de operación puede ser seleccionado al menos parcialmente en base a las temperaturas del refrigerante, los dispositivos de enfriamiento 120, 130, los colectores térmicos 26, 40, 50, y/o el interior de los recintos 110. Además, el modo de operación se puede seleccionar en base a las necesidades de refrigeración de los recintos 110, puesto que los recintos 110 pueden requerir grados de refrigeración variables, incluyendo ausencia de refrigeración.

Para controlar el modo de operación, el sistema 100 puede incluir adicionalmente un controlador (no representado) conectado eléctricamente a las válvulas V1-V7. Además, el controlador puede estar conectado eléctricamente a sensores de temperatura (no representados), que pueden estar montados en contacto térmico con el refrigerante, los dispositivos de enfriamiento 120, 130, los colectores térmicos 26, 40, 50, y/o el interior de los recintos 110. En base a la información de temperatura transmitida al controlador por uno o varios sensores de temperatura, el controlador puede determinar un modo de operación para que opere el sistema 100. A continuación, el controlador puede operar las válvulas V1-V7, como se describe más adelante, para operar el sistema 100 en los modos respectivos. Como se apreciará, dado que el modo de operación puede cambiar, el controlador puede estar adaptado para recibir continuamente información de temperatura, o alternativamente recibir información de temperatura a un intervalo de tiempo predeterminado.

Para operar el sistema 100 en el modo pasivo directo, las válvulas V1, V2, V5, V6 se abren para que pueda pasar refrigerante a través de conductos 114, 116 conectados a las válvulas respectivas; y las válvulas V3, V4, V7 se cierran para evitar que pase refrigerante a través de los conductos conectados a las válvulas respectivas. En operación en el modo pasivo directo, se hace circular refrigerante por una o ambas bombas de refrigerante 140, 142 y pasar a través de los bucles L1, L2. Cuando el refrigerante pasa a través del bucle L1, el refrigerante que tiene una temperatura apropiadamente menor que la temperatura interna de los recintos 110 pasa a través de los primeros colectores térmicos de refrigerante 40, que están en contacto térmico con los colectores térmicos primarios 26 y, por lo tanto, el interior de los recintos respectivos 110.

Cuando el refrigerante pasa a través de los primeros colectores térmicos de refrigerante 40, el refrigerante absorbe calor de los colectores térmicos primarios 26 y, por lo tanto, el interior de los recintos respectivos 110, y a continuación saca el calor de los recintos 110. Cuando el calor es alejado de los recintos 110, la temperatura en los recintos 110 disminuye, enfriando por ello los recintos 110 dentro de un rango de temperatura predeterminado. Posteriormente, para expulsar el calor absorbido, el refrigerante pasa a través de los conductos 114 del bucle L1 a los conductos 116 del bucle L2 y al primer dispositivo de enfriamiento 120, que está en contacto térmico con el colector térmico de frío 124. El refrigerante es enfriado en el dispositivo de enfriamiento 120, que expulsa calor al colector térmico de frío 124, y el refrigerante vuelve posteriormente a los primeros colectores térmicos de refrigerante 40 para absorber energía térmica adicional.

La operación del sistema 100 en el modo pasivo directo ventajosamente permite que el sistema 100 utilice un colector térmico de frío existente, típicamente pasivo 124 (por ejemplo, el revestimiento del fuselaje) de un vehículo (por ejemplo, avión) u otro sistema que emplee el sistema 100. A este respecto, el sistema 100 es capaz de operar en el modo pasivo directo mientras el refrigerante sea capaz de mantener un estado termodinámico suficientemente bajo para facilitar la adecuada transferencia de calor de los recintos 110.

Para operar el sistema 100 en el modo pasivo indirecto, las válvulas V1, V3, V4, y V6 se abren para dejar pasar refrigerante a través de los conductos 114, 116 conectados a las válvulas respectivas. Las válvulas V2, V5 se cierran para evitar que pase refrigerante a través de los conductos conectados a las válvulas respectivas. En operación en el modo pasivo indirecto, se hace circular refrigerante por la bomba de refrigerante 140 y se pasa a través del bucle L1. Cuando el refrigerante pasa a través de bucle L1, el refrigerante que tiene una temperatura menor que la temperatura interna de los recintos 110 pasa a través de primeros colectores térmicos de refrigerante 40, que están en contacto térmico con el interior de recintos respectivos 110.

Cuando el refrigerante pasa a través de los primeros colectores térmicos de refrigerante 40, el refrigerante absorbe calor del interior de los recintos respectivos 110, y a continuación aleja el calor de los recintos 110. Cuando el calor es alejado de los recintos 110, la temperatura en el interior disminuye, enfriando por ello los recintos 110 dentro de un rango de temperatura predeterminado. Posteriormente, para expulsar el calor absorbido, el refrigerante se pasa a través de los conductos 114 del bucle L1 a la batería térmica eutéctica 130 donde el refrigerante pasa entonces a través de la batería térmica eutéctica 130. Cuando el refrigerante pasa a través de la batería térmica eutéctica 130, el material de cambio de fase en la batería térmica eutéctica 130 absorbe el calor del refrigerante, disminuyendo por ello la temperatura del refrigerante. Incluyendo típicamente el bucle de refrigerante L1 un bucle cerrado, el proceso se puede repetir entonces, de modo que el refrigerante vuelva a través de los primeros colectores térmicos de refrigerante 40.

Cuando la temperatura del dispositivo de enfriamiento 120 (por ejemplo, determinada por la temperatura de la estructura de revestimiento de fuselaje de avión 124 u otro colector térmico de frío) es menor que la del material de cambio de fase, se habilita la circulación de refrigerante en el bucle L2 para quitar el calor del material de cambio de fase de la batería térmica eutéctica 130. Movido por la bomba de refrigerante 142, el refrigerante que pasa a través de la batería térmica eutéctica 130 en el bucle L2 absorbe el calor en el material de cambio de fase. A continuación, el refrigerante pasa a través de los conductos 116 al dispositivo de enfriamiento 120 y por ello expulsa energía térmica al colector térmico de frío 124. Circulando el refrigerante a través del bucle L2 durante los modos pasivos indirecto, el material de cambio de fase en la batería térmica eutéctica 130 se puede enfriar, por ejemplo, a o por debajo del punto de congelación, de tal manera que el sistema 100 pueda operar a continuación en el modo pasivo indirecto para refrigerar el interior de los recintos 110.

Sacando el calor del material de cambio de fase, el material de cambio de fase en la batería térmica eutéctica 130 se puede mantener como una mezcla líquido-sólido o un sólido de subcongelación ligera cuando el material de cambio de fase absorbe calor del refrigerante que fluye en el bucle L1 y expulsa el calor al colector térmico de frío mediante el refrigerante que fluye a través del bucle L2. A este respecto, el sistema 100 puede gestionar la mezcla de fases del material de cambio de fase controlando las tasas de flujo de refrigerante a través de los bucles L1 y L2 cuando el refrigerante pasa a través de la batería térmica eutéctica 130, como apreciarán los expertos en la técnica. Así, se puede mantener transferencia isotérmica entre el refrigerante en el bucle L1 y el material de cambio de fase, y el material de cambio de fase y el refrigerante en el bucle L2. Ventajosamente, manteniendo la transferencia isotérmica en la batería térmica eutéctica 130, el sistema 100 puede refrigerar el interior de los recintos 110 sin hacer que los consumibles en los recintos 110 se congelen. En algunos casos, sin embargo, por ejemplo cuando los recintos 110 contienen productos alimenticios congelados, el sistema 100 puede permitir que el material de cambio de fase en la batería térmica eutéctica 130 llegue a un estado sólido de subcongelación. Además, el sistema 100 puede permitir que el material de cambio de fase en la batería térmica eutéctica 130 llegue a un estado sólido de subcongelación cuando los recintos 110 no contengan consumibles y el mantenimiento de la temperatura dentro de los recintos 110 no sea necesario, proporcionando por ello una capacidad de refrigeración extra para operación en tierra durante el servicio de carga y descarga en el aeropuerto. Para que el material de cambio de fase llegue a un estado sólido de subcongelación (cuando lo permite el estado termodinámico del dispositivo de enfriamiento 120), las válvulas V1, V3 pueden operar para permitir el flujo continuo de refrigerante a través del bucle de refrigerante L2 hasta que el material de cambio de fase en la batería térmica eutéctica 130 llegue a la temperatura deseada.

La operación del sistema 100 en modo pasivo indirecto permite ventajosamente al sistema 100 utilizar un colector térmico de frío existente, típicamente pasivo 124 (por ejemplo, el revestimiento del fuselaje) de un vehículo (por ejemplo, avión) u otro sistema que emplee el sistema 100. A este respecto, el sistema 100 es capaz de operar en el modo pasivo indirecto mientras el material de cambio de fase en la batería térmica eutéctica 130 sea capaz de mantener un estado termodinámico suficientemente bajo para facilitar la adecuada transferencia de calor de los recintos 110. Como se apreciará, sin embargo, el estado termodinámico del material de cambio de fase en algunos casos es demasiado alto para permitir que el sistema 100 opere en el modo pasivo indirecto. Por ejemplo, en casos donde el vehículo incluye un avión y el colector térmico de frío 124 incluye el revestimiento del fuselaje del avión, tal ocasión podría ser representativa de un caso donde el avión esté programado para servicio de pago después del mantenimiento. Adicionalmente, por ejemplo, los retardos anormalmente largos en el servicio de carga y descarga en el aeropuerto también pueden escapar potencialmente a la capacidad de refrigeración de la batería térmica eutéctica 130. En tales casos, el sistema 100 es capaz de operar ventajosamente en un modo activo directo y/o un modo activo indirecto para proporcionar refrigeración continua a los recintos 110, tal como pueda determinar dicho controlador.

En el modo activo directo o indirecto, el sistema 100 es capaz de utilizar las bombas de calor 60. Como se ha indicado anteriormente, las bombas de calor 60 pueden ser bombas de líquido a calor directo que transfieren energía térmica de los colectores térmicos primarios 26 a los segundos colectores térmicos de refrigerante 50.

En el modo activo directo de operación, el refrigerante se hace circular entre las bombas de calor 60 y el primer dispositivo de enfriamiento 120 mediante los bucles de refrigerante L1 y L2. Así, para operar el sistema 100 en modo activo directo, las válvulas V1, V2, V5, y V7 se abren para dejar que pase refrigerante a través de los conductos 114, 116 conectados a las válvulas respectivas; y las válvulas V3, V4, y V6 se cierran para evitar que pase refrigerante a través de los conductos conectados a las válvulas respectivas.

Durante la operación del sistema 100 en el modo activo directo, se habilita la circulación directa de refrigerante entre el primer dispositivo de enfriamiento 120 y los segundos colectores térmicos de refrigerante 50, que comunican con los colectores térmicos primarios 26 mediante las bombas de calor 60. Movido por una o ambas bombas de refrigerante 140, 142, el refrigerante pasa a través de los segundos colectores térmicos de refrigerante 50, que están en contacto térmico con el interior de los recintos respectivos mediante las bombas de calor 60. Como se apreciará, en los casos en que el sistema 100 opera en modo activo (directo o indirecto), la temperatura del colector térmico de frío 124 y, por lo tanto, el refrigerante y el segundo colector térmico de refrigerante 50, puede no ser suficientemente baja para absorber pasivamente calor del colector térmico primario 26. Como tal, las bombas de calor 60 son capaces de llevar la transferencia de calor de los colectores térmicos primarios 26 al segundo colector térmico de refrigerante 50, como es conocido por los expertos en la técnica. Cuando el refrigerante pasa a través de los segundos colectores térmicos de refrigerante 50, las bombas de calor 60 transfieren energía térmica de los colectores térmicos primarios 26 a los segundos colectores térmicos de refrigerante 50 y, por lo tanto, el refrigerante. Así, el refrigerante absorbe calor del interior de los recintos respectivos 110, y a continuación aleja el calor de los recintos 110. Cuando el calor es alejado del interior de los recintos 110, la temperatura en el interior disminuye, enfriando por ello los recintos 110 a una temperatura predeterminada.

Para expulsar el calor absorbido por el refrigerante en el modo activo directo, se pasa el refrigerante a través de porciones de los conductos 114, 116 al primer dispositivo de enfriamiento 120, que está en contacto térmico con el colector térmico de frío 124 (por ejemplo, la estructura de revestimiento de fuselaje de avión, un intercambiador de calor líquido a líquido conectado a un refrigerador de líquido remoto, o incluso un refrigerador de líquido propiamente dicho). Cuando el refrigerante pasa a través del primer dispositivo de enfriamiento 120, el calor es expulsado al dispositivo de enfriamiento 120 y, por lo tanto, el colector térmico de frío 124. Después de que el calor en el refrigerante es expulsado al colector térmico de frío 124, se puede repetir el proceso, volviendo el refrigerante al segundo colector térmico de refrigerante 50.

Además de operar en los modos pasivo o activo directo, el sistema 100 puede operar en un modo activo indirecto. El modo activo indirecto puede ser disparado en situaciones, por ejemplo, cuando la refrigeración pasiva no es posible debido a la temperatura del colector térmico de frío 124. Para operar el sistema 100 en modo activo indirecto según una realización, las válvulas V1, V3, V4, y V7 se abren para dejar que pase refrigerante a través de los conductos 114, 116 conectados a las válvulas respectivas; y las válvulas V2, V5, y V6 se cierran para evitar que pase refrigerante a través de los conductos 114, 116 conectados a las válvulas respectivas. Durante la operación en modo activo indirecto, el refrigerante pasa a través de los conductos 114 y a través de los segundos colectores térmicos de refrigerante 50, que están en contacto térmico con los colectores primarios 26 mediante las bombas de calor 60.

Cuando el refrigerante pasa a través de los segundos colectores térmicos de refrigerante 50, las bombas de calor 60 transfieren energía térmica de los colectores térmicos primarios 26 a los segundos colectores térmicos de refrigerante 50 y, por lo tanto, el refrigerante. Así, el refrigerante absorbe calor del interior de los recintos respectivos 110, y a continuación aleja el calor de los recintos 110. Cuando el calor es alejado de los recintos 110, la temperatura en los recintos 110 disminuye, enfriando por ello los recintos 110 a una temperatura predeterminada.

Para expulsar el calor absorbido por el refrigerante en el modo activo indirecto, se pasa el refrigerante a través de porciones de los conductos 114 a la batería térmica eutéctica 130. Cuando el refrigerante pasa a través de la batería térmica 130, se expulsa calor a la batería 130. Después de expulsar el calor del refrigerante a la batería 130, se puede repetir el proceso, volviendo el refrigerante a los segundos colectores térmicos de refrigerante 50.

Cuando la temperatura del dispositivo de enfriamiento 120 (por ejemplo, determinada por la temperatura de la estructura de revestimiento de fuselaje de avión u otro colector térmico de frío 124) es más baja que la del material de cambio de fase, se habilita la circulación de refrigerante en el bucle L2 para quitar el calor del material de cambio de fase. Movido por la bomba de refrigerante 142, el refrigerante que pasa a través de la batería térmica eutéctica 130 en el bucle L2 absorbe el calor en el material de cambio de fase. A continuación, el refrigerante pasa a través de los conductos 116 al dispositivo de enfriamiento 120 y por ello expulsa energía térmica al colector térmico de frío 124.

El sistema 100 también puede incluir o acceder de otro modo a un depósito 150 de un fluido inerte comprimido que se puede expandir a presión atmosférica ambiente con el fin de enfriar la batería térmica 130. Por ejemplo, el depósito 150 puede contener nitrógeno comprimido, aire enriquecido con nitrógeno, dióxido de carbono o análogos. Para utilizar el depósito 150 de composición inerte, la batería térmica eutéctica 130 puede incluir un serpentín evaporador 152, que está en contacto fluido variable con el depósito 150, tal como mediante una válvula estranguladora 154. Durante cualquiera de los modos de operación, el depósito 150 puede ser activado abriendo y cerrando de forma controlable la válvula estranguladora 154, expandiendo por ello la composición inerte a través de la válvula estranguladora 154 al serpentín evaporador 152 dentro de la batería térmica eutéctica 130. La composición superfría puede actuar entonces como un refrigerante muy potente para enfriar el material de cambio de fase. A este respecto, el material de cambio de fase en la batería térmica eutéctica 130 se congela típicamente gradualmente cuando el calor latente de fusión del material de cambio de fase se pierde en el vapor de nitrógeno frío a través de las paredes del serpentín evaporador 152. Así, la batería térmica eutéctica 130 se puede recargar para proporcionar refrigeración adecuada a los recintos 110. Después de enfriar el material de cambio de fase, el fluido gastado del depósito 150 puede ser expulsado del avión, por ejemplo mediante una manguera de aire que conecte el serpentín evaporador 152 a una válvula de purga 156 montada en la estructura de revestimiento de avión.

Ventajosamente, tal como se usa en vehículos como un avión, el sistema 100 no tiene que incluir el depósito 150 de composición inerte. En tales casos, el sistema 100 puede utilizar un depósito 150 de composición inerte existente a bordo el avión para otros fines, tal como para evitar la explosión del depósito de carburante. Como es conocido por los expertos en la técnica, el nitrógeno líquido ha sido usado históricamente en aviones para refrigeración de galleys. Tal práctica ha disminuido en los últimos años debido al gasto de transportar depósitos de nitrógeno líquido a bordo del avión. Sin embargo, un requisito reciente de la Administración Federal para la Aviación (FAA) de evitar la explosión del depósito de carburante puede exigir la provisión de medios para hacer inerte la atmósfera dentro de los depósitos de carburante del avión. A este respecto, muchos consideran que el gas nitrógeno o aire enriquecido con nitrógeno son los principales candidatos a usar como el agente inerte dentro de los depósitos de carburante del avión. Como tal, es posible que los futuros tengan que tener depósitos o la capacidad de generación de nitrógeno en tierra o a bordo, que el sistema 100 puede utilizar para absorber calor del material de cambio de fase.

Se deberá indicar que aunque anteriormente se han descrito los modos de operación del sistema 100 dependiendo de casos separados, el sistema 100 puede operar en cualquier modo en cualquier ejemplo, con sujeción solamente al estado termodinámico (o temperatura) del primer dispositivo de enfriamiento 120. Por ejemplo, el sistema 100 puede operar en los modos activo directo o activo indirecto en los casos en que el sistema 100 puede operar igualmente en el modo pasivo indirecto.

También se deberá entender que aunque el sistema 100 puede incluir los varios elementos aquí descritos, el sistema 100 puede incorporar adicional o alternativamente otras válvulas, depósitos, desmineralizadores, acumuladores, intercambiadores de calor, bombas de calor, sensores, otros dispositivos de control del bucle de flujo e instrumentación o análogos que pueda requerir el sistema 100 para mantener la temperatura, el caudal y la presión del refrigerante y/o material de cambio de fase dentro de límites preestablecidos. Por ejemplo, se puede disponer uno o más dispositivos refrigeradores adicionales en un circuito paralelo con el primer dispositivo de enfriamiento 120, y se puede prever válvulas para conectar selectivamente los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo 40, 50 al (a los) dispositivo(s) de enfriamiento adicional(es) en lugar del primer dispositivo de enfriamiento 120 en los modos pasivo y activo, respectivamente.

Por lo tanto, el sistema y método de la presente invención son capaces de refrigerar uno o más recintos utilizando el potencial térmico "gratuito" proporcionado por el colector térmico de frío natural de un vehículo o sistema con el que opere el sistema. Ventajosamente, cuando el sistema y método operan a bordo de un avión, por ejemplo, el sistema y método puede refrigerar recintos, tal como galleys en el avión, sin usar un refrigerador de aire de ciclo de vapor-compresión. Además, el sistema y método de las realizaciones de la presente invención proporcionan un ciclo híbrido de refrigeración en el que el intercambiador de calor primario puede ser enfriado en modos de operación pasivo y activo selectivos. Ventajosamente, los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo pueden enfriar un colector común de calor primario, integrando por ello las tecnologías de enfriamiento pasivo y activo para proporcionar refrigeración continua a recintos, tal como galleys de avión.

Claims (14)

1. Un aparato (10) para refrigerar selectivamente de forma activa y pasiva un recinto, incluyendo el aparato:

un colector térmico primario (26) que define al menos una superficie configurada para recibir energía térmica de un gas en el recinto, enfriando por ello el gas y refrigerando el recinto;

un primer colector térmico de refrigerante (40) en comunicación térmica con el colector térmico primario (26) y definiendo al menos un paso (42) para hacer circular un refrigerante de tal manera que el refrigerante esté configurado para enfriar el colector térmico primario (26);

al menos una bomba de calor (60) en comunicación térmica con el colector térmico primario (26) y configurada para enfriar el colector térmico primario (26);

un segundo colector térmico de refrigerante (50) en comunicación térmica con el colector térmico primario (26) mediante la bomba de calor (60), definiendo el segundo colector térmico de refrigerante (50) al menos un paso (50) para hacer circular refrigerante de tal manera que el refrigerante esté configurado para recibir energía térmica del colector térmico primario (26) mediante la bomba de calor (60); y

al menos un bucle de refrigerante (L1, L2) conectado por fluido a los pasos (42, 52) definidos por los colectores térmicos de refrigerante primero (40) y segundo (50), y al menos una bomba (140, 142) configurada para hacer circular el refrigerante a través del al menos único bucle de refrigerante (L1, 12) y los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo (40, 50);

caracterizado por:

al menos un dispositivo de enfriamiento (120, 130), estando el bucle de refrigerante (L1, L2) en comunicación térmica con el al menos único dispositivo de enfriamiento (120, 130) de tal manera que el al menos único dispositivo de enfriamiento (120, 130) esté configurado para enfriar el refrigerante en el bucle de refrigerante (L1, L2).

2. Un aparato según la reivindicación 1, donde el al menos único dispositivo de enfriamiento (120, 130) está configurado para expulsar calor a un colector de frío, incluyendo el colector de frío al menos una porción de una estructura de revestimiento de fuselaje de avión.

3. Un aparato según la reivindicación 1 o 2, donde el al menos único dispositivo de enfriamiento (120, 130) es una batería térmica eutéctica (130).

4. Un sistema según la reivindicación 3 incluyendo además un depósito de fluido comprimido configurado para expandirse y por ello enfriar la batería térmica (130).

5. Un sistema según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, donde la batería térmica eutéctica (130) está térmicamente conectada a un segundo dispositivo de enfriamiento de tal manera que la batería térmica eutéctica (130) esté configurada para ser recargada por el segundo dispositivo de enfriamiento.

6. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde la bomba de calor (60) es al menos una del grupo que consta de dispositivos termiónicos, dispositivos termoeléctricos, y dispositivos híbridos termoeléctricos-termiónicos, y la bomba de calor (60) está configurada para transferir activamente energía térmica del colector térmico primario al segundo colector térmico de refrigerante.

7. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde la al menos única superficie del colector térmico primario (26) define una pluralidad de aletas alargadas (34) que se extienden desde el colector térmico primario (26) y configuradas para contactar el gas en el recinto y recibir energía térmica de él.

8. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, donde el colector térmico primario (26) incluye una porción de base (30) que define una cámara de vapor.

9. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, donde el colector térmico primario (26) incluye una porción de base (30) con al menos una bomba de calor incrustada en él.

10. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1-9 incluyendo además al menos un ventilador (22) configurado para hacer circular el gas en comunicación térmica con el colector térmico primario (26), calentando por ello el colector térmico primario (26) y enfriando el gas.

11. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, donde el aparato está configurado para operar selectivamente en modos pasivo y activo, caracterizándose el modo pasivo por circulación del refrigerante a través del primer colector térmico de refrigerante (40) de tal manera que se transfiera energía térmica del colector térmico primario (26) al refrigerante, y caracterizándose el modo activo por circulación del refrigerante a través del segundo colector térmico de refrigerante (50) y la operación de la al menos única bomba de calor (60) de tal manera que se transfiera energía térmica del colector térmico primario (26) al refrigerante mediante la bomba de calor (60).

12. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, donde el sistema está configurado para refrigerar el recinto a una temperatura por debajo de aproximadamente 7ºC en el modo pasivo y por debajo de aproximadamente 0ºC en el modo activo.

13. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1-12, donde el al menos único dispositivo de enfriamiento (120, 130) incluye dispositivos de enfriamiento primero y segundo (120, 130) en comunicación selectiva de fluido con los pasos (42, 52) definidos por los colectores térmicos de refrigerante primero y segundo (40, 50), estando configurado el aparato para operar selectivamente en modos pasivos directo e indirecto y modos activos directo e indirecto, caracterizándose el modo pasivo directo por circulación del refrigerante a través del primer colector térmico de refrigerante (40) y el primer dispositivo de enfriamiento (120), caracterizándose el modo pasivo indirecto por circulación del refrigerante a través del primer colector térmico de refrigerante (40) y el segundo dispositivo de enfriamiento (130), caracterizándose el modo activo directo por circulación del refrigerante a través del segundo colector térmico de refrigerante (50) y el primer dispositivo de enfriamiento (120), y caracterizándose el modo activo indirecto por circulación del refrigerante a través del segundo colector térmico de refrigerante (50) y el segundo dispositivo de enfriamiento (130).

14. Un método para refrigerar selectivamente un recinto en modos pasivo y activo, incluyendo el método:

absorber energía térmica por un colector térmico primario (26) de un gas del recinto, enfriando por ello el gas y refrigerando el recinto;

enfriar el colector térmico primario (26) en el modo pasivo operando al menos una bomba (140, 142) con el fin de hacer circular un refrigerante a través de al menos un bucle de refrigerante (L1, L2) incluyendo un primer paso (42) en comunicación térmica con el colector térmico primario (26), expulsando por ello calor térmico del recinto al refrigerante en el primer paso (42), y

enfriar el colector térmico primario (26) en el modo activo operando una bomba de calor (60) en comunicación térmica con el colector térmico primario (26) y hacer circular el refrigerante a través del al menos único bucle de refrigerante (L1, L2) incluyendo un segundo paso (52) en comunicación térmica con el colector térmico primario (26) mediante la bomba de calor (60), expulsando por ello calor térmico al refrigerante en el segundo paso (52);

caracterizado porque:

el paso de hacer circular el refrigerante a través del al menos único bucle de refrigerante (L1, L2) incluye además hacer circular el refrigerante a través de al menos un dispositivo de enfriamiento (120, 130) para enfriar el refrigerante.