ES2345497T3 - Dispositivo de expansion mejorada para circuito de climatizacion. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de expansión, destinado a ser instalado en un circuito de climatización que funciona con un fluido refrigerante (FR) de tipo supercrítico, y que comprende un cuerpo (120) adecuado para ser atravesado por el fluido refrigerante, comprendiendo dicho cuerpo un compartimiento de entrada (1210) en el cual llega el fluido refrigerante y un compartimiento de salida (1230) por el cual sale el fluido refrigerante, comprendiendo el dispositivo de expansión además un conjunto de medios de expansión adecuados para hacer pasar el fluido refrigerante del compartimiento de entrada (1210) al compartimiento de salida (1230), comprendiendo los medios de expansión: - medios de expansión variable (1211) que comprenden un primer orificio (34) y una aguja de válvula (134) capaz de hacer variar la sección de paso del primer orificio (34), estando los medios de expansión variable (1211) sometidos a la alta presión del fluido refrigerante que llega del compartimiento de entrada (1210), - medios de expansión fijos que comprenden un segundo orificio (35) que tiene una sección de paso fija, caracterizado por el hecho de que los medios de expansión variable (1211) están conformados de manera que la sección de paso del primer orificio (34) varía con la alta presión del fluido refrigerante, según una ley generalmente creciente, cuando la alta presión del fluido refrigerante está sensiblemente comprendida entre 80 bares y 135 bares, y un elemento de obturación (1271) comprende un tercer orificio (37) y un obturador (137) capaz de obturar dicho tercer orificio, estando el elemento de obturación (1271) sometido a la alta presión del fluido refrigerante proveniente del compartimiento de entrada (1210).
Description
Dispositivo de expansión mejorada para circuito
de climatización.
La invención se refiere a un dispositivo de
expansión y circuito de climatización, en especial para vehículos
automóviles.
Un circuito de climatización clásico comprende
un compresor, un refrigerador de gas, un dispositivo de expansión y
un evaporador recorridos, en este orden, por un fluido refrigerante.
El fluido refrigerante es comprimido en fase gaseosa y llevado a
una presión elevada por el compresor. A continuación se enfría
mediante el aire que atraviesa el refrigerador de gas, y luego
padece una pérdida de presión pasando por el dispositivo de
expansión. Entonces, el fluido se vaporiza parcialmente. A la salida
del dispositivo de expansión, el fluido refrigerante está bajo la
forma de una mezcla de vapor y de líquido a baja presión, que es
transmitido al evaporador donde se transforma en fase gaseosa.
También se puede prever un intercambiador interno dispuesto aguas
arriba del dispositivo de expansión.
En realizaciones existentes, el dispositivo de
expansión es un orificio calibrado. Un tal dispositivo de expansión
puede ser fácilmente conectado al resto del circuito de
climatización, teniendo en cuenta la simplicidad de su estructura.
Sin embargo, las prestaciones de un orificio calibrado para regular
el caudal de fluido refrigerante en función de las condiciones de
cargas térmicas son a veces insuficientes y no permiten tener un
coeficiente de operación óptimo. Entonces, se utiliza como
complemento un acumulador a la salida del evaporador para impedir
que llegue un caudal de fluido frigorígeno demasiado elevado al
evaporador y para evitar los golpes de líquido al compresor. Este
acumulador corresponde a una zona de almacenamiento de la carga
no-circulante de fluido refrigerante. Esta zona de
almacenamiento puede aumentar o disminuir en función de las
condiciones de funcionamiento. Por lo tanto, el acumulador debe ser
particularmente voluminoso, lo cual aumenta la ocupación de espacio
de la instalación de
climatización.
climatización.
En otras realizaciones existentes, se utiliza un
dispositivo de expansión con orificio variable. Se conocen en
particular elementos de expansión en los cuales la sección de paso
del dispositivo de expansión varía en función de la alta presión o
en función de la diferencia entre la alta presión y la baja
presión.
El documento JP56-74575 propone
por ejemplo un dispositivo de expansión para un aparato de
climatización recorrido por el fluido frigorígeno R134a. El
dispositivo de expansión comprende una válvula cuyo grado de
abertura varía en función de la diferencia entre la alta presión y
la baja presión. Más concretamente, la válvula se abre cuando la
diferencia entre la alta presión y la baja presión es elevada y se
cierra cuando la diferencia entre la alta presión y la baja presión
es reducida.
Un tal dispositivo de expansión tiene un
coeficiente de operación óptimo que depende de la alta presión y
también de la baja presión. De ello resulta una estructura costosa y
compleja.
El documento US 5 081847 propone por ejemplo un
aparato de climatización para vehículo automóvil, recorrido por un
fluido refrigerante sub-crítico R134a en el cual el
dispositivo de expansión es de orificio variable. El dispositivo de
expansión comprende un orificio central principal siempre abierto, y
al menos un orificio periférico que se abre o se cierra en función
de la alta presión del fluido refrigerante con la finalidad de
optimizar la refrigeración de la
cabina.
cabina.
En este caso el grado de abertura del
dispositivo de expansión solo depende de la alta presión. Sin
embargo, un tal dispositivo de expansión está concebido para
funcionar con un fluido frigorígeno sub-crítico y
está mal adaptado a los fluidos frigorígenos supercríticos.
Sin embargo, la utilización de fluidos
frigorígenos supercríticos, en especial el fluido frigorígeno
CO_{2} (R744), se desarrolla en los circuitos de climatización de
los vehículos para limitar los efectos nefastos de los fluidos
frigorígenos en el entorno y por lo tanto es conveniente adaptar las
instalaciones de climatización a estos fluidos.
En US-A-6 430
950 se describe un dispositivo de expansión según el preámbulo de la
reivindicación 1.
Se conocen dispositivos de expansión adaptados
para funcionar con el fluido frigorígeno CO_{2}. Sin embargo,
estos dispositivos precisan generalmente de un mando electrónico de
lo cual resulta un coste relativamente elevado que los hace mal
adaptados a las instalaciones de climatización automóviles.
La invención se propone mejorar la
situación.
Para ello propone un dispositivo de expansión
que tiene las características reivindicadas en la reivindicación 1,
destinado a ser instalado en un circuito de climatización que
funciona con un fluido refrigerante de tipo supercrítico, y que
comprende un cuerpo adecuado para ser atravesado por el fluido
refrigerante. El cuerpo comprende un compartimiento de entrada al
cual llega el fluido refrigerante y un compartimiento de salida por
el cual sale el fluido refrigerante. El dispositivo de expansión
comprende además un conjunto de medios de expansión adecuados para
hacer pasar el fluido refrigerante del compartimiento de entrada al
compartimiento de salida. Comprendiendo los medios de expansión,
ventajosamente:
\global\parskip0.900000\baselineskip
- medios de expansión variable que comprenden un
primer orificio y una aguja de válvula capaz de hacer variar la
sección de paso del primer orificio, y
- medios de expansión fijos que comprenden un
segundo orificio que tiene una sección de paso fija.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se describen características
opcionales de la invención, complementarias o de substitución:
- el primer orificio y el segundo orificio son
adyacentes y están disjuntos.
- el primer orificio y el segundo orificio están
dispuestos para formar un orificio común.
- Los medios de expansión están conformados de
manera que la sección de paso mínima del dispositivo de expansión
esté sensiblemente comprendida entre 0,07 mm^{2} y 0, 16
mm^{2}.
- Los medios de expansión están dispuestos de
manera que la sección de paso del dispositivo de expansión esté
sensiblemente comprendida entre 0,45 mm^{2} y 0,63 mm^{2},
cuando la presión del fluido refrigerante es sensiblemente del
orden de 110 bares.
- Los medios de expansión están dispuestos de
manera que la sección de paso del dispositivo de expansión esté
sensiblemente comprendida entre 0,71 mm^{2} y 0,95 mm^{2},
cuando la presión del fluido refrigerante es sensiblemente del
orden de 135 bares.
- Los medios de expansión están dispuestos de
manera que la sección de paso del dispositivo de expansión esté
sensiblemente comprendida entre 2 mm^{2} y 6,1 mm^{2}, cuando la
presión del fluido refrigerante es sensiblemente superior o igual a
135 bares.
- La sección de paso del segundo orificio está
sensiblemente comprendida entre 0,07 mm^{2} y 0, 16 mm^{2}.
- la aguja de válvula está conformada para
cerrar el primer orificio cuando la presión del fluido refrigerante
es sensiblemente inferior a 80 bares y para abrir el primer orificio
al menos parcialmente cuando la presión del fluido refrigerante en
el compartimiento de entrada es sensiblemente superior o igual a 80
bares.
- la aguja de válvula está conformada para hacer
variar la sección de paso del primer orificio en función de la
presión del fluido refrigerante en el compartimiento de entrada,
según una ley generalmente creciente, cuando la presión del fluido
refrigerante en el compartimiento de entrada está sensiblemente
comprendida entre 80 bares y 135 bares.
- la aguja de válvula está conformada para
mantener una abertura máxima del primer orificio, cuando la presión
del fluido refrigerante en el compartimiento de entrada es
sensiblemente superior o igual a 135 bares.
- Comprendiendo los medios de expansión además
un elemento de obturación que comprenden un tercer orificio y un
obturador capaz de obturar a dicho tercer orificio.
- El obturador está conformada para obturar el
tercer orificio, cuando la presión del fluido refrigerante en el
compartimiento de entrada es sensiblemente inferior a 135 bares, y
para abrir el tercer orificio, cuando la presión del fluido
refrigerante en el compartimiento de entrada es sensiblemente
superior o igual a 135 bares.
- Los medios de expansión variable comprenden
además un sistema de muelle dispuesto para ejercer una fuerza sobre
la aguja de válvula que se opone a la fuerza ejercida por la presión
del fluido refrigerante que llega al compartimiento de entrada.
- Los medios de expansión variable están
dispuestos en un alojamiento del compartimiento de entrada y la
aguja de válvula comprende un vástago de control sensiblemente
perpendicular al eje del primer orificio, fijado por uno de sus
extremos al fondo del alojamiento. El vástago está conectado
mecánicamente a una pared de separación sobre la cual se ejercen,
por un lado, la fuerza del sistema de muelle y por el otro lado, la
fuerza debida a la presión del fluido refrigerante que llega, de
manera que la aguja de válvula es capaz de desplazarse en
translación, sensiblemente perpendicularmente al eje del
orificio.
- el fluido refrigerante es el fluido R744.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención también se refiere a un circuito de
climatización, que funciona con un fluido refrigerante y que
comprende un compresor, un refrigerador de gas, un dispositivo de
expansión que tiene las características de la reivindicación 1, y
un evaporador.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán con el examen de la descripción detallada siguiente, y
de los dibujos adjuntos en los cuales:
- la figura 1 es un esquema de una instalación
de climatización que funciona según un ciclo supercrítico;
\global\parskip1.000000\baselineskip
- la figura 2A es una vista en sección de un
dispositivo de expansión según un primer modo de realización de la
invención;
- la figura 2B es una vista en sección de un
dispositivo de expansión según un segundo modo de realización de la
invención;
- la figura 3 es un diagrama que representa un
modelo de evolución del diámetro de un orificio de expansión
variable en función de la alta presión;
- la figura 4 es un diagrama que ilustra la
evolución del coeficiente de operación en función de la alta
presión, en un circuito de climatización provisto de un dispositivo
de expansión con orificio variable;
- la figura 5 es un diagrama que representa un
ejemplo de evolución de la sección de paso de un dispositivo de
expansión conforme a la invención en función de la alta presión;
y
- la figura 6 es un diagrama que representa un
otro ejemplo de evolución de la sección de paso de un dispositivo
de expansión conforme a la invención en función de la alta
presión.
Los dibujos contienen, esencialmente, elementos
de carácter necesario. Por lo tanto, no solamente servirán para
hacer más comprensible la descripción, sino que también podrán
contribuir a la definición de la invención, en este caso.
Se hace referencia ante todo a la figura 1 que
representa un esquema de un circuito de climatización 10 destinado
a ser integrado en un vehículo automóvil. El circuito de
climatización es recorrido por un fluido frigorígeno. El circuito
comprende además:
- un compresor 14 capaz de recibir el fluido en
el estado gaseoso y de comprimirlo,
- un refrigerador de gas 11 capaz de enfriar el
gas comprimido por el compresor,
- un dispositivo de expansión 12 capaz de
reducir la presión del fluido, y
- un evaporador 13 capaz de hacer pasar el
fluido proveniente del dispositivo de expansión del estado líquido
al estado gaseoso para producir un flujo de aire climatizado 21, que
puede ser enviado hacia la cabina del vehículo.
\vskip1.000000\baselineskip
El circuito puede comprender además un
intercambiador térmico interno 9, que permite al fluido que circula
por el refrigerador de gas hacia el dispositivo de expansión ceder
calor al fluido que circula desde el evaporador hacia el
compresor.
El compresor 14 puede ser un compresor eléctrico
o mecánico.
El elemento de refrigeración 11 recibe un flujo
de aire para evacuar el calor extraído al fluido frigorígeno, que
en determinadas condiciones de funcionamiento es puesto en
movimiento por un grupo moto-ventilador 15.
El circuito de climatización es recorrido por un
fluido frigorígeno supercrítico, por ejemplo el fluido frigorígeno
CO_{2}, designado generalmente por la referencia R744.
Se hace referencia ante todo al dispositivo de
expansión de la figura 2A; que es una vista en sección del
dispositivo de expansión 12 de la invención.
El dispositivo de expansión 12 comprende un
cuerpo 120, que puede ser de forma general de paralelepípedo. Puede
estar hecho por ejemplo de aluminio.
El cuerpo 120 está provisto de un compartimiento
de entrada 1210 que recibe un fluido refrigerante FR a alta presión
Hp. Este compartimiento de entrada comprende una entrada 121,
destinada a ser conectada a un refrigerador de gas por un conducto
de empalme 22. Obviamente, el empalme entre el dispositivo de
expansión y el refrigerador de gas a través del conducto de empalme
22 puede ser indirecto cuando se utilizan otros elementos de
circuito, por ejemplo el intercambiador térmico interno 9, en la
línea refrigerador de gas/evaporador.
La entrada 121 puede presentarse en la forma de
un canal de entrada generalmente horizontal. La dirección
"horizontal" designa aquí y en lo que sigue de la descripción
la dirección general de circulación del fluido refrigerante en los
conductos de empalme del circuito.
El cuerpo 120 comprende además un compartimiento
de salida 1230 que se comunica con el compartimiento de entrada
1210. El fluido refrigerante FR que llega al compartimiento de
salida 1230 está en un estado de baja presión BP, tras una
expansión del fluido refrigerante.
El compartimiento de salida 1230 comprende una
salida 123 destinada a ser conectada al evaporador 13 por un
conducto de empalme 23. El fluido refrigerante que llega al segundo
compartimiento de salida 1230 sale del dispositivo de expansión por
la salida 123.
El dispositivo de expansión 12 comprende un
conjunto de medios de expansión que hacen pasar el fluido
refrigerante del compartimiento de entrada 1210 al compartimiento de
salida 1230, reduciendo su presión. Los medios de expansión
comprenden medios de expansión variable 1211 y medios de expansión
fijos 35.
Los medios de expansión variable 1211 comprenden
un primer orificio 34 y una aguja de válvula 134 que hace variar la
sección de paso del primer orificio. Los medios de expansión fijos
comprenden un segundo orificio 35 que tiene una sección de paso
fija. El fluido refrigerante puede pasar del compartimiento de
entrada 1210 al compartimiento de salida 1230, por los orificios 34
y 35.
Los medios de expansión variable 1211 pueden
disponerse en un alojamiento 1212, por ejemplo un alojamiento
inferior en forma de cuba. Están sometidos a la alta presión del
fluido refrigerante que llega del canal de entrada 121.
El primer orificio 34 de los medios de expansión
variable tiene una sección de paso variable. Una parte del fluido
refrigerante del compartimiento de entrada 1210 puede así ser
expandida por el primer orificio, antes de llegar al compartimiento
de salida 1230. El primer orificio 34 puede tener varios grados de
abertura.
El segundo orificio 35 de los medios de
expansión fijos tiene una sección de paso fija. Así, una parte del
fluido refrigerante del compartimiento de entrada 1210 puede también
expandirse en el segundo orificio, antes de llegar al
compartimiento de salida 1230.
Como complemento, los medios de expansión pueden
comprender un elemento de obturación 1271 dispuesto en un
alojamiento auxiliar 1272, por ejemplo un alojamiento superior en
forma de cuba. Lo que sigue de la descripción se hará con
referencia a un dispositivo de expansión 12 provisto de un tal
elemento de obturación a título de ejemplo no limitativo.
El elemento de obturación está sometido a la
alta presión del fluido refrigerante proveniente del canal de
entrada 121. El elemento de obturación comprende un tercer orificio
37, por el cual una parte del fluido refrigerante del compartimente
de entrada (1210) puede expandirse antes de llegar al compartimiento
de salida 1230. El elemento de obturación comprende además un
obturador 137 que colabora con el tercer orificio 37 para obturarlo
o para liberarlo. De este modo, el tercer orificio 37 puede estar en
un estado abierto o en un estado cerrado.
El fluido refrigerante CO_{2} que llega a la
entrada 121 se vierte en el compartimiento de entrada.
El compartimiento de entrada 1210 puede así
comunicarse con el compartimiento de salida 1230 a través de los
medios de expansión variable 1211, de los medios de expansión fijos
35, y del elemento de obturación 1271.
Según un modo de realización de la invención,
representado en la figura 2A, el primer orificio 34 de los medios
de expansión variable y el segundo orificio 35 de los medios de
expansión fijos pueden ser adyacentes y están disjuntos. Según este
modo de realización, la aguja de válvula 134 puede hacer variar la
sección de paso del primer orificio mientras que el segundo
orificio 35 queda liberado.
En otro modo de realización de la invención,
representado en la figura 2B, el primer orificio 34 de los medios
de expansión variable y el segundo orificio 35 de los medios de
expansión fijos pueden ser adyacentes y formar conjuntamente un
orificio común 30. En la figura 2B, la línea a trazos materializa la
delimitación entre el primer orificio 34 y el segundo orificio 35.
En este modo de realización, no hay separación material entre el
primer orificio 34 y el segundo orificio 35, pero solamente la parte
del orificio común correspondiente al primer orificio tiene una
sección de paso variable. Para ello, la aguja de válvula 134 está
adaptada para hacer variar la sección de paso del primer orificio
únicamente, mientras que el segundo orificio 35 queda
despejado.
La aguja de válvula 134 de los medios de
expansión variable puede comprender un vástago de control 135,
sensiblemente perpendicular al eje del primer orificio 34. En los
ejemplos de la figura 2A y 2B, el vástago es vertical. Lo que sigue
de la descripción se hará con referencia a un vástago vertical, a
título de ejemplo no limitativo. El vástago 135 está fijado por uno
de sus extremos al fondo del alojamiento. Está además conectado
mecánicamente a una pared de separación 340, que puede ser una
membrana o un pistón. Lo que sigue de la descripción se hará con
referencia a un pistón 340 a título de ejemplo no limitativo.
El movimiento vertical de la aguja de válvula
134 depende de la alta presión Hp del fluido refrigerante FR que
llega al dispositivo de expansión por la entrada 121, gracias a un
sistema de muelle 350 dispuesto en el alojamiento 1212.
La aguja de válvula 134 está entonces sometida a
la fuerza ejercida por la alta presión Hp del fluido refrigerante
FR que llega al dispositivo de expansión y a la fuerza de empuje del
muelle 350. Estas fuerzas se ejercen sobre el pistón 340 de los
medios de expansión variable.
En función de los valores de estas fuerzas, la
aguja de válvula 134 puede desplazarse verticalmente, lo cual hace
variar la sección de paso del primer orificio 34.
De este modo, el grado de abertura del primer
orificio 34 solamente depende de la alta presión Hp y de la fuerza
de empuje del muelle que ejerce un
contra-esfuerzo.
Más concretamente, cuando la alta presión Hp del
fluido refrigerante es inferior a un primer valor umbral, la aguja
de válvula 134 cierra el primer orificio 34 para obturarlo y los
medios de expansión variable no tienen ningún efecto en el caudal
del fluido CO2.
Cuando la presión Hp del fluido refrigerante es
superior o igual a este primer valor umbral, la aguja de válvula
134 empieza a abrir el primer orificio 34, de manera que su sección
de paso empieza a aumentar, permitiendo así el paso de una parte
del fluido refrigerante hacia el compartimiento de salida 1230.
En el modo de realización de la figura 2B, la
translación de la aguja de válvula hacia arriba puede ser limitada
por un conjunto de topes, en especial un tope superior 341, cuando
la pared de separación 340 es un pistón. El pistón 340 se apoya
contra el tope 341 cuando el extremo superior de la aguja de válvula
134 alcanza el segundo orificio 35. Así, el tope 341 limita el
deslizamiento del pistón 340, lo cual permite evitar que la aguja
de válvula 134 haga variar la sección de paso del segundo orificio
35.
El tope superior 341 está dispuesto sobre la
pared lateral del alojamiento 1212. El tope superior 341 impide que
la aguja de válvula 134 reduzca la sección de paso del segundo
orificio 35.
Las dimensiones y la forma del extremo superior
de la aguja de válvula 134 se escogen en función de las dimensiones
y de la forma del primer orificio 34.
El elemento de obturación 1271 puede ser
dispuesto en el alojamiento superior 1272, colocado aguas abajo de
los medios de expansión variable 1211.
El elemento de obturación 1271 puede ser del
tipo válvula de descarga. En este caso, comprende un sistema de
muelle auxiliar 351 y el obturador 137 colabora con el sistema de
muelle.
El obturador 137 puede comprender un vástago
auxiliar de control 138, sensiblemente alineado con el eje del
tercer orificio 37. En los ejemplos de las figuras 2A y 2B, el
vástago auxiliar 138 es vertical. Lo que sigue de la descripción se
hará con referencia a un vástago auxiliar 138 vertical, a título de
ejemplo no limitativo. El vástago 138 está fijado por uno de sus
extremos al fondo del alojamiento auxiliar 1272. Está además
conectado mecánicamente a una pared de separación auxiliar 370, que
puede ser en especial un pistón.
El otro extremo del vástago auxiliar está
conformado en función del tercer orificio 37 y tiene, en
particular, una sección de paso sensiblemente igual a la sección de
paso del tercer orificio 37.
El pistón del obturador 137 está sometido a la
fuerza ejercida por la presión Hp del fluido refrigerante FR que
llega y a la fuerza de empuje del sistema de muelle auxiliar
351.
De este modo, en función de los valores de estas
fuerzas, el obturador 137 puede desplazarse verticalmente. Más
concretamente, cuando la presión Hp del fluido refrigerante es
inferior a un segundo valor umbral, el obturador 137 penetra en el
tercer orificio 37 para obturarlo y la válvula de sobrecarga no
tiene ningún efecto sobre el caudal del fluido CO2.
Cuando la presión Hp del fluido refrigerante es
superior o igual a este segundo valor umbral, el obturador 137
vuelve a subir para abrir el tercer orificio 37, y permitir así el
paso de una parte del fluido refrigerante hacia el compartimiento
de salida 1230.
La válvula de sobrecarga 127 permite proteger el
circuito de climatización cuando la alta presión Hp del fluido
refrigerante alcanza valores demasiado elevados.
El dispositivo de expansión conforme a la
invención puede ser modelizado por un orificio que tiene una
sección de paso equivalente variable en función de la alta presión
del fluido refrigerante en el compartimiento de entrada. Esta
sección de paso equivalente corresponde a la suma de las secciones
de paso respectivas de los medios de expansión variable 1211, de
los medios de expansión fijos 35, y del elemento de obturación
1271.
En un circuito de climatización automóvil, el
valor de la presión Hp del fluido refrigerante que llega al
dispositivo de expansión está ligado a la carga térmica, y por lo
tanto a la demanda de frío del usuario y/o a la temperatura
exterior.
El dispositivo de expansión 12 de la invención
está conformado para controlar el caudal de fluido que pasa por los
orificios 34, 35 y 37 de los medios de expansión, en función de la
carga térmica.
\newpage
La figura 3 es un diagrama que representa un
modelo de evolución óptimo del diámetro de un orificio de expansión
variable en función de la alta presión Hp del fluido refrigerante.
La recta \Delta en esta figura corresponde a una modelización de
un orificio variable realizada a partir de los puntos de medida A a
F. Esta figura muestra que la sección de paso de un orificio
variable debe ser una función sensiblemente creciente de la alta
presión Hp para que el coeficiente de operación sea óptimo.
La figura 4 es un diagrama que representa la
evolución del coeficiente de operación COP en función de la alta
presión Hp. Se constata que un coeficiente de operación
satisfactorio puede ser obtenido para valores de la alta presión
que se sitúan en la vecindad de 80 bares. Si la alta presión es
inferior a 76 bares aproximadamente, tal como se representa en la
parte 1 de la figura 4, el coeficiente de operación COP queda
notablemente degradado. Si la alta presión es sensiblemente
superior a 76 bares y sensiblemente inferior a 84 bares, tal como se
representa en la parte II de la figura 4, el coeficiente de
operación COP queda mucho menos degradado. El dispositivo de
expansión de la invención está en especial dispuesto para mantener
el coeficiente de operación en su zona óptima, y por lo tanto para
devolver la alta presión del fluido refrigerante a una zona de
presión óptima sensiblemente comprendida entre 76 bares y 84
bares.
En las instalaciones de climatización del estado
de la técnica, de carga térmica reducida, el diámetro mínimo del
orificio de un dispositivo de expansión se escoge generalmente sin
tener en cuenta condiciones reales de funcionamiento, típicamente
alrededor de 0,6 mm. Este valor mínimo genera un valor de la alta
presión Hp no optimizado con respecto a las condiciones reales de
funcionamiento, lo cual puede tener como consecuencia un sobre
consumo del motor. Este tipo de dispositivo de expansión es
inadecuado de carga térmica reducida.
El Solicitante ha descubierto que imponiendo una
sección de paso mínima equivalente bien adaptada al dispositivo de
expansión, de carga térmica reducida, se obtiene una alta presión
cercana de esta zona de presión óptima y pro o tanto un coeficiente
de operación optimizado. El Solicitante ha descubierto más
concretamente que una sección de paso mínima equivalente del
dispositivo de expansión S1 sensiblemente comprendida entre 0,07
mm^{2} y 0,16 mm^{2}, de carga térmica reducida, asegura una
alta presión Hp del fluido refrigerante sensiblemente superior a 80
bares para la mayor parte de los puntos del ciclo para los cuales la
temperatura del fluido refrigerante a la salida del refrigerador de
gas es del orden de 30ºC aproximadamente. Una tal sección de paso
mínima S1 puede corresponder a un diámetro mínimo equivalente
comprendido entre 0,3 mm y 0,45 mm.
La figura 5 ilustra la evolución de la sección
de paso equivalente de un dispositivo de expansión conforme a la
invención, en función de los valores de la alta presión Hp del
fluido refrigerante. Así, según un aspecto de la invención, los
medios de expansión están conformados de manera que la sección de
paso equivalente mínima S1 del dispositivo de expansión esté
ventajosamente comprendida entre 0,07 mm^{2} y 0,16 mm^{2}. Esta
sección de paso mínima equivalente S1 permite devolver la alta
presión del fluido refrigerante a su zona óptima y en especial en
la vecindad de 80 bares.
Según otro aspecto de la invención, los medios
de expansión están además conformados de manera que la sección de
paso equivalente del dispositivo de expansión pasa del valor S1 a un
valor S2 sensiblemente comprendido entre 0,45 mm^{2} y 0,63
mm^{2}, cuando la alta presión del fluido refrigerante alcanza un
valor Hp2 sensiblemente igual a 110 bares.
Como complemento, los medios de expansión están
conformados de manera que la sección de paso equivalente del
dispositivo de expansión alcance un valor S3, sensiblemente
comprendido entre 0,71 mm^{2} y 0,95 mm^{2}, cuando la alta
presión del fluido refrigerante alcanza un valor Hp3 sensiblemente
igual a 135 bares.
Además, los medios de expansión están
conformados de manera que la sección de paso equivalente del
dispositivo de expansión permanece sensiblemente igual a un valor
S4, sensiblemente comprendida entre 2 mm^{2} y 6,1 mm^{2}
cuando la alta presión del fluido refrigerante es sensiblemente
superior o igual a 135 bares.
Según otro aspecto de la invención, la sección
de paso del segundo orificio 35 puede estar sensiblemente
comprendida entre aproximadamente 0,07 mm^{2} y 0,16 mm^{2}. Los
medios de expansión variable 1211 están como complemento
conformados de manera que la aguja de válvula 134 cierra el primer
orificio 34, cuando la alta presión Hp del fluido refrigerante es
sensiblemente inferior a 80 bares, y empieza a abrir el primer
orificio 34, cuando la alta presión Hp del fluido refrigerante es
del orden de 80 bares.
Para ello, las características del sistema de
muelle 350 de los medios de expansión variable pueden ser escogidos
de manera que la aguja de válvula 134 cierra el primer orificio 34,
cuando la presión del fluido refrigerante que llega al
compartimiento de entrada es sensiblemente inferior a 80 bares, y
empieza a abrir el primer orificio en la vecindad de 80 bares.
Los medios de expansión variable 1211 están
además conformados de manera que la sección de paso del primer
orificio 34 varía con la alta presión Hp del fluido refrigerante,
según una ley generalmente creciente, cuando la alta presión Hp del
fluido refrigerante está sensiblemente comprendida entre 80 bares y
135 bares.
Según un aspecto complementario de la invención,
cuando la alta presión del fluido refrigerante es sensiblemente
superior o igual a 135 bares, los medios de expansión variable abren
enteramente el primer orificio 34.
En la forma de realización en la que los medios
de expansión comprenden un elemento de obturación 1271, el
obturador 137 del elemento de expansión puede estar conformado para
obturar el tercer orificio 37, cuando la presión Hp del fluido
refrigerante en el compartimiento de entrada 1210 es sensiblemente
inferior a 135 bares, y para abrir el tercer orificio 37, cuando la
presión Hp del fluido refrigerante en el compartimiento de entrada
1210 es sensiblemente superior o igual a 135 bares.
Las características del sistema de muelle
auxiliar 351 de la válvula de descarga pueden ser escogidas de
manera que el obturador 137 obture el tercer orificio 37, cuando la
presión Hp del fluido refrigerante en el compartimiento de entrada
sea sensiblemente inferior a 135 bares, y despeje enteramente el
tercer orificio cuando la alta presión del fluido refrigerante sea
sensiblemente superior a 135 bares.
El funcionamiento del dispositivo de expansión
se va a describir a continuación con más detalle, haciendo
referencia a la forma de realización con el elemento de
obturación.
A carga térmica reducida, la demanda en frío del
usuario es reducida y/o la temperatura exterior es reducida. La
alta presión Hp del fluido está entonces sensiblemente comprendida
entre 0 y 80 bares. En estas condiciones, el obturador 137 obtura
el tercer orificio 37 y la aguja de válvula 134 cierra el primer
orificio 34.
Por lo tanto, la expansión se efectúa por el
segundo orificio 35. La sección de paso equivalente del dispositivo
de expansión 12 corresponde entonces a la sección de paso del
segundo orificio 35, y está por lo tanto sensiblemente comprendida
entre 0,07 mm^{2} y 0,16 mm^{2}. Este valor permite devolver la
alta presión a su zona óptima, y por lo tanto en la vecindad de 80
bares.
La aguja de válvula 134 empieza a abrir el
primer orificio 34 cuando la alta presión del fluido refrigerante
está en la vecindad de 80 bares.
A más fuerte carga térmica, la alta presión Hp
del fluido está sensiblemente comprendida entre 80 bares y 135
bares. El obturador 137 sigue obturando el tercer orificio 37 y la
aguja de válvula 134 ha empezado a abrir el primer orificio 34. La
sección de paso del primer orificio empieza entonces a evolucionar
en función de la alta presión Hp, según una ley generalmente
creciente.
Por lo tanto, la expansión se sigue realizando
por el primer orificio 34 y por el segundo orificio 35. La sección
de paso equivalente del dispositivo de expansión 12 corresponde por
lo tanto a la suma de la sección de paso constante del segundo
orificio 35 y de la sección de paso variable del primer orificio 34.
Por lo tanto, la sección de paso equivalente del dispositivo de
expansión 12 evoluciona en función de la alta presión, según una
ley generalmente creciente.
A fuerte carga térmica, la demanda en frío del
usuario es elevada y/o la temperatura exterior es elevada. La alta
presión Hp del fluido es entonces sensiblemente superior a 135
bares. Cuando la alta presión del fluido refrigerante está en la
vecindad de 135 bares, el obturador 137 despeja el tercer orificio y
la aguja de válvula abre enteramente el primer orificio 34.
Por lo tanto, la expansión se realiza por el
primer orificio 34, por el segundo orificio 35 y por el tercer
orificio 37. La sección de paso equivalente del dispositivo de
expansión 12 es entonces sensiblemente constante y corresponde a la
suma de la sección de paso del segundo orificio 35, de la sección de
paso máxima del primer orificio 34, y de la sección de paso del
tercer orificio 37.
La evolución de la sección de paso equivalente
del dispositivo de expansión 12 en función de la alta presión Hp
está representada por la curva de la figura 5. En el ejemplo de la
figura 5, esta curva está constituida por varios segmentos de
rectas.
En la fase de carga térmica reducida, la alta
presión es sensiblemente inferior al valor Hp1, que es
sensiblemente igual a 80 bares. El primer orificio 34 está cerrado
por la aguja de válvula 134 y el tercer orificio 37 está cerrado
par el obturador 137, de manera que la expansión se realiza por el
segundo orificio 35.
La sección de paso equivalente del dispositivo
de expansión 12 es igual a la superficie de paso del segundo
orificio 35, y está por lo tanto comprendida entre 0,07 mm^{2} y
0,16 mm^{2}, lo cual permite devolver la alta presión a su zona
óptima y tener un coeficiente de operación COP poco o nada
degradado.
A partir del valor de presión Hp1, del orden de
80 bares, el primer orificio 34 empieza a abrirse.
A más fuerte carga térmica, la alta presión Hp
está sensiblemente comprendida entre el valor Hp1, que es del orden
de 80 bares, y el valor Hp3, que es del orden de 135 bares. El
segundo orificio 35 está abierto y el tercer orificio 37 está
cerrado. En el ejemplo de la figura 5, la sección de paso del primer
orificio 34 aumenta sensiblemente linealmente con la alta presión
Hp del fluido refrigerante. La expansión se realiza por el primer
orificio 34 y por el segundo orificio 35. La sección de paso
equivalente del dispositivo de expansión evoluciona por lo tanto
sensiblemente linealmente con la alta presión Hp.
\newpage
Alcanza en particular un valor S2, sensiblemente
comprendido entre 0,45 mm^{2} y 0,63 mm^{2}, cuando la alta
presión del fluido refrigerante es igual al valor Hp2, que es del
orden de 110 bares.
Cuando la alta presión del fluido refrigerante
alcanza el valor Hp3, que es del orden de 135 bares, la sección de
paso tiene un valor S3, sensiblemente comprendido entre 0,71
mm^{2} y 0,95 mm^{2}.
Por otro lado, cuando la alta presión del fluido
refrigerante alcanza el valor Hp3, que es del orden de 135 bares,
la aguja de válvula 134 abre enteramente el primer orificio 34
mientras que el obturador 137 vuelve a subir para despejar el
tercer orificio 37. La expansión se realiza entonces por el primer
orificio 34, el segundo orificio 35, y por el tercer orificio 37.
La sección de paso equivalente del dispositivo de expansión pasa
entonces al valor S4 que está sensiblemente comprendido entre 2
mm^{2} y 6,1 mm^{2}, para permanecer luego constante. El valor
S4 puede corresponder a un diámetro equivalente sensiblemente
comprendido entre 1,6 mm y 2,8 mm.
La curva de la figura 6 representa otro ejemplo
de evolución de la sección de paso equivalente del dispositivo de
expansión 12 en función de la alta presión Hp. En el ejemplo de la
figura 6, esta curva tiene una forma general exponencial.
La curva de la figura 6 corresponde a una forma
de aguja de válvula 134 y tiene rigideces de muelle diferentes de
las utilizadas en el dispositivo de expansión correspondiente a la
figura 5. Esta forma permite aumentar la reactividad del
dispositivo de expansión para valores muy elevadores de la alta
presión. Una tal curva puede ser obtenida por ejemplo mediante un
muelle no lineal.
Tal como se describe con referencia a la figura
5, la sección de paso equivalente del dispositivo de expansión de
la figura 6 pasa por los valores S1, S2, S3 cuando la alta presión
del fluido refrigerante alcanza respectivamente los valores Hp1,
Hp2 y Hp3 y permanece igual al valor S4 cuando la alta presión del
fluido refrigerante es sensiblemente superior o igual a 135
bares.
Por lo tanto, el dispositivo de expansión
conforme a la invención permite obtener un coeficiente de operación
COP máximo que depende esencialmente de la alta presión.
Además, el dispositivo de expansión 12 está
conformado para tener una evolución de la sección de paso
equivalente del dispositivo de expansión sensiblemente independiente
de la baja presión. Es por lo tanto la alta presión la que impone
la sección de paso equivalente del dispositivo de expansión y el
coeficiente de operación. Como consecuencia, la estructura del
dispositivo de expansión no comprende retorno del fluido
refrigerante a baja presión del compartimiento de salida 1230 hacia
el compartimiento de entrada 1210. La estructura del dispositivo de
expansión queda por lo tanto simplificada.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no
forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto
el máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u
omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad al
respecto.
\bullet JP 56074575 A [0005]
\bullet US 5081847 A [0007]
\bullet US 6430950 A [0010]
Claims (17)
1. Dispositivo de expansión, destinado a ser
instalado en un circuito de climatización que funciona con un
fluido refrigerante (FR) de tipo supercrítico, y que comprende un
cuerpo (120) adecuado para ser atravesado por el fluido
refrigerante, comprendiendo dicho cuerpo un compartimiento de
entrada (1210) en el cual llega el fluido refrigerante y un
compartimiento de salida (1230) por el cual sale el fluido
refrigerante, comprendiendo el dispositivo de expansión además un
conjunto de medios de expansión adecuados para hacer pasar el fluido
refrigerante del compartimiento de entrada (1210) al compartimiento
de salida (1230), comprendiendo los medios de expansión:
- medios de expansión variable (1211) que
comprenden un primer orificio (34) y una aguja de válvula (134)
capaz de hacer variar la sección de paso del primer orificio (34),
estando los medios de expansión variable (1211) sometidos a la alta
presión del fluido refrigerante que llega del compartimiento de
entrada (1210),
- medios de expansión fijos que comprenden un
segundo orificio (35) que tiene una sección de paso fija,
caracterizado por el hecho de que los medios de expansión
variable (1211) están conformados de manera que la sección de paso
del primer orificio (34) varía con la alta presión del fluido
refrigerante, según una ley generalmente creciente, cuando la alta
presión del fluido refrigerante está sensiblemente comprendida entre
80 bares y 135 bares, y un elemento de obturación (1271) comprende
un tercer orificio (37) y un obturador (137) capaz de obturar dicho
tercer orificio, estando el elemento de obturación (1271) sometido a
la alta presión del fluido refrigerante proveniente del
compartimiento de entrada (1210).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Dispositivo de expansión según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el primer
orificio (34) y el segundo orificio (35) son adyacentes y están
disjuntos.
3. Dispositivo de expansión según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el primer
orificio (34) y el segundo orificio (35) están dispuestos para
formar un orificio común.
4. Dispositivo de expansión según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de
que los medios de expansión están conformados de manera que la
sección de paso mínima del dispositivo de expansión (12) esté
sensiblemente comprendido entre 0,07 mm^{2} y 0, 16 mm^{2}.
5. Dispositivo de expansión según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de
que los medios de expansión están dispuestos de manera que la
sección de paso del dispositivo de expansión esté sensiblemente
comprendido entre 0,45 mm^{2} y 0,63 mm^{2}, cuando la presión
del fluido refrigerante es sensiblemente del orden de 110
bares.
6. Dispositivo de expansión según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de
que los medios de expansión están dispuestos de manera que la
sección de paso del dispositivo de expansión esté sensiblemente
comprendido entre 0,71 mm^{2} y 0,95 mm^{2}, cuando la presión
del fluido refrigerante es sensiblemente del orden de 135
bares.
7. Dispositivo de expansión según la
reivindicación 1 a 6, caracterizado por el hecho de que los
medios de expansión están dispuestos de manera que la sección de
paso del dispositivo de expansión esté sensiblemente comprendido
entre 2 mm^{2} y 6,1 mm^{2}, cuando la presión del fluido
refrigerante es sensiblemente superior o igual a 135 bares.
8. Dispositivo de expansión según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho
de que la sección de paso del segundo orificio (35) está
sensiblemente comprendida entre 0,07 mm^{2} y 0, 16 mm^{2}.
9. Dispositivo de expansión según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho
de que la aguja de válvula (134) está conformada para cerrar el
primer orificio (34) cuando la presión del fluido refrigerante es
sensiblemente inferior a 80 bares y para abrir el primer orificio
(34) al menos parcialmente cuando la presión del fluido
refrigerante en el compartimiento de entrada (1210) es sensiblemente
superior o igual a 80 bares.
10. Dispositivo de expansión según la
reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que la aguja
de válvula (134) está conformada para hacer variar la sección de
paso del primer orificio (34) en función de la presión del fluido
refrigerante en el compartimiento de entrada (1210), según una ley
generalmente creciente, cuando la presión del fluido refrigerante
en el compartimiento de entrada (1210) está sensiblemente
comprendida entre 80 bares y 135 bares.
11. Dispositivo de expansión según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho
de que la aguja de válvula (134) está conformada para mantener una
abertura máxima del primer orificio (34), cuando la presión del
fluido refrigerante en el compartimiento de entrada (1210) es
sensiblemente superior o igual a 135 bares.
12. Dispositivo de expansión según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho
de que los medios de expansión comprenden además un elemento de
obturación (1271) que comprende un tercer orificio (37) y un
obturador (137) capaz de obturar dicho tercer orificio.
13. Dispositivo de expansión según la
reivindicación 12 tomada en combinación con cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por el hecho de que
el obturador (137) está conformado para obturar el tercer orificio
(37), cuando la presión del fluido refrigerante en el compartimiento
de entrada (1210) es sensiblemente inferior a 135 bares, y para
abrir el tercer orificio (35), cuando la presión del fluido
refrigerante en el compartimiento de entrada (1210) es
sensiblemente superior o igual a 135 bares.
14. Dispositivo de expansión según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho
de que los medios de expansión variable (1211) comprenden además un
sistema de muelle (350) dispuesto para ejercer una fuerza sobre la
aguja de válvula (134) que se opone a la fuerza ejercida por la
presión del fluido refrigerante en el compartimiento de entrada
(1210).
15. Dispositivo de expansión según la
reivindicación 14, caracterizado por el hecho de que los
medios de expansión variable (1211) están dispuestos en un
alojamiento (1212) del compartimiento de entrada y por el hecho de
que la aguja de válvula (134) comprende un vástago de control (135)
sensiblemente perpendicular al eje del primer orificio, fijado por
uno de sus extremos al fondo del alojamiento, conectado
mecánicamente a una pared de separación (340) sobre la cual se
ejercen, por un lado, la fuerza del sistema de muelle (350) y por el
otro lado, la fuerza debida a la presión del fluido refrigerante
que llega, de manera que la aguja de válvula es capaz de
desplazarse en translación, sensiblemente perpendicularmente al eje
del orificio.
16. Dispositivo de expansión según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho
de que el fluido refrigerante es el fluido R744.
17. Circuito de climatización, que funciona con
un fluido refrigerante y que comprende un compresor (14), un
refrigerador de gas (11), un dispositivo de expansión (12) y un
evaporador (13), caracterizado por el hecho de que el
dispositivo de expansión es tal como se define según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 16.
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| EP1715264A1 (fr) | 2006-10-25 |
| FR2868830B1 (fr) | 2012-11-30 |
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| DE602005021618D1 (de) | 2010-07-15 |
| EP1715264B1 (fr) | 2010-06-02 |
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