ES2889698B2 - Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar para un vehículo - Google Patents

Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar para un vehículo Download PDF

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Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar para un vehículo
Campo de la invención
El objeto de la presente invención es un sistema de refrigeración para enfriar al menos un elemento a refrigerar de un vehículo. El sistema objeto de la invención está basado en un cambio de fase evaporación - condensación de un fluido refrigerante.
Estado de la técnica
Los circuitos de transferencia de calor se utilizan a menudo en los vehículos de motor para enfriar diferentes fuentes de calor del vehículo.
En vehículos de motor con motores de combustión interna, esto significa a menudo que tienen que ser refrigerados elementos con distintas temperaturas de funcionamiento. Por ejemplo, elementos del motor de combustión interna, componentes eléctricos como la batería o un motor eléctrico. De forma similar, los vehículos de propulsión eléctrica también requieren de una refrigeración de diferentes elementos con distintas temperaturas y requerimientos térmicos, tal como el motor eléctrico, la unidad de electrónica de potencia o las baterías.
Es conocido emplear sistemas de refrigeración independientes para cada uno de los elementos a refrigerar. Estos distintos circuitos de refrigeración pueden tener diferentes refrigerantes y requieren para cada circuito un intercambiador de calor con su propio compresor o una bomba de transferencia de calor. Esta redundancia de sistemas y equipos tiene desventajas en términos de coste, peso y espacio de instalación.
Los sistemas de refrigeración conocidos utilizan un líquido movido por una bomba y un radiador. El calor se evacúa por la combinación de convección y conducción. La desventaja que presenten estos sistemas es que es necesaria mucha potencia mecánica de la bomba para mover el caudal adecuado de líquido refrigerante y además resulta complejo regular la refrigeración en varias zonas que tienen diferentes temperaturas y diferentes especificaciones térmicas. Adicionalmente, estos sistemas presentan la desventaja de que no son capaces de refrigerar a temperaturas por debajo de la temperatura ambiente, requiriendo en ese caso de un segundo sistema de refrigeración por bomba de calor, añadiendo peso al vehículo, complejidad técnica y costes.
Sumario de la invención
El sistema de refrigeración objeto de la invención comprende un circuito cerrado para enfriar al menos la superficie de un elemento a refrigerar. Dicha superficie tiene una temperatura T 1.
Para el correcto funcionamiento del sistema de refrigeración de la presente invención es necesario la generación de vacío en el circuito cerrado. De este modo, el fluido refrigerante que circula por el circuito de refrigeración se encuentra a la presión de saturación de vapor de dicho fluido refrigerante, estando el sistema de refrigeración a temperatura ambiente. El único fluido en el sistema debe ser el refrigerante. El vacío se realiza al inicio y cuando el vapor ha desplazado al aire, el circuito se cierra y se sella. El vapor condensado genera el vacío al enfriarse. Con ello se produce la succión del gas a presión elevada, permitiendo cerrar el circuito y produciéndose la circulación del fluido refrigerante. El vacío se realiza preferentemente con una bomba de vacío externa para eliminar el aire del circuito.
El sistema de refrigeración objeto de la invención está caracterizado por que comprende:
- Un fluido refrigerante en estado de saturación. El fluido refrigerante está configurado para su movimiento a través del circuito cerrado entre una fase líquida y una fase vapor. El fluido refrigerante está también configurado para entrar en contacto con la superficie del elemento a refrigerar en fase líquida y, tras el intercambio energético con dicha superficie del elemento a refrigerar, el fluido refrigerante cambia a fase vapor. Es decir, el fluido refrigerante, por ejemplo, agua, se evapora sobre la superficie del elemento a refrigerar, extrayendo energía térmica del elemento a refrigerar.
- Un condensador. El condensador está en comunicación con el elemento a refrigerar para la condensación del vapor generado en dicho elemento a refrigerar. El fluido en el condensador tiene una temperatura de condensación igual a la temperatura ambiente.
- Al menos un rociador dispuesto en la fase líquida entre el elemento a refrigerar y el condensador. El rociador está configurado para pulverizar el fluido refrigerante en fase líquida sobre la superficie del elemento a refrigerar. De este modo el fluido refrigerante pulverizado se evapora sobre dicha superficie del elemento a refrigerar. El calor generado en el elemento a refrigerar se transmite en forma de vapor hacia el condensador.
- Una bomba localizada entre el condensador y el rociador para el bombeo del fluido en estado líquido hacia el rociador. La bomba está configurada para proporcionar al rociador una presión del líquido que permita el arrastre de las burbujas de gas en la película de fluido generadas en la pulverización sobre la superficie a refrigerar. La bomba, por lo tanto, aspira el líquido y lo inyecta en la zona a refrigerar mediante el o los rociadores a una velocidad que permite barrer de la superficie del elemento a refrigerar las burbujas que se forman en el gas evaporado.
- Un medio de regulación de presión localizado después del elemento a refrigerar en el sentido de avance del fluido. El medio de regulación de presión está adaptado para la regulación de la temperatura de vaporización del refrigerante sobre la superficie del elemento a refrigerar, mediante la regulación de la presión de saturación de vapor. El objetivo del medio de regulación de presión, por ejemplo, una válvula, es mantener la presión de saturación de vapor en la superficie del elemento a refrigerar. Por lo tanto, una vez evaporado el líquido y enfriado el elemento a refrigerar, el medio de regulación regula la presión de trabajo del circuito y, por lo tanto, la temperatura de vaporización del líquido sobre la superficie del elemento a refrigerar.
Según lo anterior, la invención consiste en aplicar un sistema basado en cambio de fase en circuito cerrado, mediante evaporación/condensación. Por lo tanto, es un sistema cerrado con un líquido sin aire en fase líquido y fase gas, por lo que hay una relación directa entre la temperatura y la presión, que sigue la curva de presión de vapor saturado.
El refrigerante es evaporado en la superficie de los elementos a refrigerar y es evacuado hacia el condensador en forma de vapor. En el condensador el refrigerante cede su calor al ambiente y sale del condensador en forma líquida y vuelve al elemento a refrigerar para mojar de nuevo su superficie.
En un ejemplo de realización, el sistema de refrigeración objeto de la invención está configurado para enfriar la superficie de un conjunto de elemento a refrigerar. Así, el sistema de la presente invención permite, a través de un único circuito cerrado, atender a las diferentes necesidades de refrigeración de diferentes componentes o elementos a refrigerar del vehículo. A modo de ejemplo, en un vehículo híbrido enchufable, pueden identificarse seis sistemas diferenciados a refrigerar: bloque del motor de combustión, culata de dicho motor de combustión, motor eléctrico, electrónica de potencia, batería e intercooler. Cada uno de dichos componentes tendrá unas necesidades diferentes. Para ello, el sistema de refrigeración de la presente invención permite controlar la temperatura de cada zona y los flujos de calor mediante el medio de regulación de presión, por ejemplo, una válvula reguladora de presión. Según lo indicado anteriormente, el medio de regulación de presión controla la temperatura de vaporización del líquido en contacto con la superficie del elemento a refrigerar.
De este modo la invención permite un sistema de refrigeración que puede funcionar de un modo pasivo minimizando el consumo energético del sistema de refrigeración y logrando también una reducción en las emisiones generadas. Todo ello mediante un sistema de refrigeración en el que se ha simplificado el número de componentes que lo integran, redundando en una simplificación de montaje. De este modo se aumenta también el espacio disponible en la zona del vano del motor del vehículo. Finalmente, el sistema de refrigeración objeto de la invención consigue una reducción de costes.
En otro ejemplo de realización el sistema de refrigeración comprende adicionalmente:
- un compresor dispuesto entre al menos un elemento a refrigerar y el condensador para recibir el fluido refrigerante en fase vapor,
- un circuito bypass situado en paralelo con dicho compresor y en comunicación con el elemento a refrigerar y con el condensador,
- una válvula en conexión con el compresor o con el circuito bypass,
- una unidad de control en comunicación con la válvula, la unidad de control configurada para:
o permitir el paso del fluido por el circuito bypass cuando la diferencia de temperatura entre la superficie del elemento a refrigerar y la temperatura ambiente es superior a un valor mínimo, siendo la temperatura del elemento a refrigerar superior a la temperatura ambiente, y
o forzar el paso de fluido a través del compresor cuando:
■ la diferencia de temperatura entre la superficie del elemento a refrigerar y la temperatura ambiente es inferior a un valor mínimo, siendo la temperatura del elemento a refrigerar superior a la temperatura ambiente, o
■ la temperatura del elemento a refrigerar es inferior a la temperatura ambiente.
Según lo anterior, dependiendo de la temperatura del elemento a refrigerar, el vapor puede ser movido:
- de una forma pasiva, por la diferencia de presión existente entre el condensador y el medio de regulación de presión, o
- de una forma activa, mediante un elemento adicional localizado entre el elemento a refrigerar y el condensador.
La configuración del sistema de la invención permite la obtención de un sistema de refrigeración pasivo, es decir siendo el fluido refrigerante movido por diferenciales de presiones existentes en el mismo, y la combinación de forma simultánea con un sistema que puede funcionar tanto en modo activo y pasivo, en función de la temperatura de funcionamiento del elemento a refrigerar respecto a la temperatura ambiente del condensador. Se consigue de este modo minimizar el consumo energético del sistema de refrigeración, pero garantizando su funcionamiento en cualquier circunstancia, incluso en aquellas en las que el modo de funcionamiento pasivo es solo posible para alguno de los elementos a refrigerar.
Descripción de las figuras
Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporcionan unas figuras. Dichas figuras forman una parte integral de la descripción e ilustran un ejemplo de realización de la invención.
La figura 1 muestra un primer ejemplo de realización de un sistema de refrigeración pasivo que comprende cuatro elementos distintos a refrigerar.
La figura 2 muestra un segundo ejemplo de realización de un sistema de refrigeración que comprende cuatro elementos distintos a refrigerar. Los dos elementos a refrigeras próximos al condensador funcionan en modo pasivo y los dos elementos más alejados del condensador tienen la posibilidad de funcionar en modo activo o pasivo.
La figura 3 muestra un esquema de un ejemplo de realización en el que el sistema de refrigeración refrigera varios elementos. Específicamente la figura representa un sistema que refrigera una culata, un bloque, un intercooler y una batería PHEV. Además, cada uno de los elementos anteriores es refrigerado por un conjunto de rociadores.
Descripción detallada de la invención
En las figuras 1 y 2 se representan dos ejemplos de realización del sistema de refrigeración objeto de la invención.
Más concretamente, el sistema de refrigeración comprende un circuito cerrado (10) donde se ha hecho el vacío y al menos cuatro elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4).
Cada uno de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) tiene una temperatura que puede ser distinta (T1, T2, T3, T4), es decir, cada uno de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) tiene unas necesidades de refrigeración distintas, trabajando así en condiciones óptimas de uso. Los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, ...) están dispuestos en paralelo entre sí.
El sistema de refrigeración de los ejemplos de realización de las figuras 1 y 2 comprende:
- El fluido refrigerante en estado de saturación configurado para su movimiento a través del circuito cerrado (10) entre la fase líquida y la fase vapor. El fluido refrigerante está configurado para entrar en contacto con las superficies de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) en fase líquida y, tras el intercambio energético con dichas superficies de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4), el fluido refrigerante cambia a fase vapor.
- El condensador (3) que está en comunicación con cada uno de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) para la condensación del vapor generado en dichos elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4). El fluido refrigerante en el condensador (3) tiene una temperatura de condensación igual a la temperatura ambiente.
- Al menos cuatro rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4), cada uno asociado a un elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4). Los rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4) están dispuestos en la fase líquida entre el respectivo elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y el condensador (3). Los rociadores (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) están configurados para pulverizar el fluido refrigerante en fase líquida sobre la superficie de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) de modo que el fluido refrigerante pulverizado se evapora sobre la superficie del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4). Al menos un rociador (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) está localizado en paralelo con respecto al condensador (3). En las figuras 1 y 2 se ha representado un único rociador (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) asociado a cada elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4). Se entiende que cada elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) puede tener asociados una pluralidad de rociadores, como se representa por ejemplo en la figura 3, en función de las dimensiones de la superficie a refrigerar y las necesidades de refrigeración, entre otros factores.
- Una bomba (5) localizada entre el condensador (3) y los rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4). Específicamente, la bomba (5) está localizada aguas arriba de los rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4), estando dicha bomba en serie con el condensador (3) y estando la pluralidad de rociadores (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) en paralelo entre sí y en serie con dicha bomba (5). La bomba (5) está configurada para el bombeo del fluido en estado líquido hacia dichos rociadores (4.1, 4.2, 4.3, 4.4). La bomba (5) está también configurada para proporcionar a los rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4) una presión del líquido refrigerante que permita el arrastre de las burbujas de gas en la película de fluido generadas en la pulverización sobre la superficie del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4).
- Cuatro medios de regulación de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4), específicamente cuatro válvulas. Cada medio de regulación de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4) está localizado después de un elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) en el sentido de avance del fluido. Los medios de regulación de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4) permiten regular la temperatura de vaporización del refrigerante sobre la superficie de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) mediante la regulación de presión de saturación de vapor. Esta regulación se realiza de forma individual para cada uno de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4). Los medios de regulación de presión (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) están dispuestos en paralelo con respecto al condensador (3). Cada regulador de presión (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) debe trabajar a la presión de trabajo deseada para mantener la temperatura adecuada (T1, T2, T3, T4) del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4).
En un ejemplo de realización los medios de regulación de presión (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) son válvulas mecánicas. Alternativamente, podrían ser válvulas electromecánicas, controladas electrónicamente por una unidad de control.
De este modo se realiza una regulación por zonas, ya que los medios de regulación de presión (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) permiten el control de temperatura de vaporización del líquido refrigerante que está en contacto con los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4). Cada presión de trabajo está asociada a una temperatura (T1, T2, T3, T4) de trabajo diferente y de este modo se controlan las temperaturas (T1, T2, T3, T4) de trabajo de cada canalización secundaria.
En el ejemplo de realización mostrado en las figuras, el sistema de refrigeración comprende un circuito principal que atraviesa el condensador (3) y la bomba (5). Dicho circuito principal tiene una canalización de alimentación (10.1) que sale del condensador (3) y pasa por la bomba (5). Esta canalización principal comunica con un conjunto de canalizaciones secundarias, de manera que el fluido refrigerante impulsado por la bomba (5) alimenta a los rociadores (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) y una canalización de retorno (10.2) que se alimenta de la salida de los distintos reguladores de presión (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) y retorna el fluido refrigerante al condensador (3). El fluido refrigerante que refrigera cada uno de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) se une, por lo tanto, en la canalización de alimentación (10.1) y en la canalización de retorno (10.2).
El sistema del ejemplo de realización comprende además cuatro canalizaciones secundarias (10.3) paralelas entre sí y asociadas a cada uno de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y a su correspondiente o correspondientes rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4) y reguladores de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4).
En el sistema de refrigeración del ejemplo de realización de la figura 1, la temperatura (T1, T2, T3, T4) de las superficies de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) es superior a la temperatura ambiente del condensador (3) y la diferencia entre la temperatura (T1, T2, T3, T4) de las superficies de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y la temperatura ambiente del condensador (3) es superior a un valor mínimo. Por lo tanto, el fluido refrigerante en fase vapor está configurado para su movimiento entre los medios de regulación de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4) y el condensador (3) por la diferencia de presión entre ambos elementos (2.1,2.2, 2.3, 2.4, 3), moviendo así el vapor de la zona caliente a la zona fría de manera pasiva, sin necesidad de ningún elemento adicional, por ejemplo, una bomba o un compresor.
Es, por lo tanto, un sistema pasivo, el refrigerante en fase vapor es movido por la diferencia de presión existente entre el condensador (3) y la salida del regulador de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4). Se consigue así minimizar el consumo energético del sistema de refrigeración, además de simplificar el número de componentes que lo integran, redundando en una simplificación de montaje, aumento del espacio disponible en la zona del vano motor del vehículo y la consiguiente reducción de costes.
La presión de vapor sobre el fluido refrigerante en fase vapor en el extremo caliente de la canalización de retorno (10.2), es decir, en el extremo próximo al elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) es mayor que la presión de vapor de equilibrio sobre el fluido refrigerante de condensación en el extremo más frío de la canalización de retorno (10.2), es decir, en el condensador (3). Esta diferencia de presión impulsa una rápida transferencia de masa al extremo de condensación donde el vapor se condensa, liberando su calor latente y liberando el calor. De este modo, el vapor es aspirado por el condensador (3) y no es necesario ningún elemento adicional.
El sistema de refrigeración puede también comprender unos medios de control en comunicación con la bomba (5). Estos medios de control están configurados para la regulación del caudal de la bomba (5). La regulación del caudal de la bomba (5) se realiza en función de la temperatura (T1, T2, T3, T4) de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) , medida por un sensor, y de la temperatura ambiente.
Adicionalmente, el sistema puede comprender una válvula entre la bomba (5) y el rociador (4.1,4.2, 4.3, 4.4), cuya apertura regula el caudal emitido por cada rociador (4.1,4.2, 4.3, 4.4) . Dichas válvulas pueden ser controladas por los medios de control, en función de los parámetros citados anteriormente.
Uno de los inconvenientes del ejemplo de realización correspondiente a la figura 1 es que no permite enfriar por debajo de la temperatura ambiente y tampoco cuando la diferencia de temperatura (T1, T2, T3, T4) entre los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y la temperatura ambiente es inferior a un mínimo. Por ejemplo, si es necesario enfriar un motor de combustión que debe trabajar a una temperatura nominal de 80° con una temperatura ambiente de 30°, el sistema de refrigeración podrá trabajar de forma eficiente de forma pasiva, sin necesidad de componentes adicionales. Por el contrario, si es necesario enfriar una batería que debe trabajar a una temperatura nominal de 40°C con una temperatura exterior de 30°C, el sistema puede no funcionar de forma eficiente. Adicionalmente, si la temperatura exterior fuera de 45°, el sistema de refrigeración no podría refrigerar de forma pasiva, al ser la temperatura ambiente superior a la temperatura de la superficie del elemento a refrigerar.
Según un segundo modo de realización de la presente invención, el sistema de refrigeración de la figura 2 resuelve el problema anterior permitiendo que el sistema trabaje en todas las condiciones externas posibles y permitiendo el funcionamiento pasivo y pasivo/activo. En dicha figura 2 se muestra dos canalizaciones secundarias, correspondiente a los elementos a refrigerar (1.1, 1.2) con funcionamiento únicamente en modo pasivo. Adicionalmente, y de forma inventiva, las dos canalizaciones secundarias, correspondientes a los elementos a refrigerar (1.3, 1.4) pueden funcionar tanto en modo pasivo como en modo activo.
Por lo tanto, el ejemplo de realización de la figura 2 no sólo permite refrigerar cuando la temperatura (T3, T4) sea inferior a la temperatura ambiente, sino que mejora la eficiencia del sistema cuando la temperatura (T1, T2, T3, T4) es superior a la temperatura ambiente, ya que permite el cambio a un funcionamiento pasivo del sistema solo en los circuitos que así lo requieran. Siguiendo con el ejemplo presentado anteriormente, aunque la batería no pueda ser refrigerada de manera pasiva, por ser la temperatura de su superficie a refrigerar inferior a la temperatura ambiente, el motor podría seguir siendo refrigerado por medios pasivos, redundando en una importante eficiencia energética del sistema de refrigeración.
Con tal fin, el ejemplo de realización de la figura 2 comprende un circuito bypass (6) que permite la actuación de un compresor (8) dispuesto entre al menos un elemento a refrigerar (1.3, 1.4) y el condensador (3) para recibir el fluido refrigerante en fase vapor.
El ejemplo de realización de la figura 2 es un sistema de refrigeración que permite un funcionamiento pasivo de una parte del circuito, aquella asociada a las canalizaciones secundarias de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2), y otra parte del circuito que puede funcionar igualmente en modo pasivo o, alternativamente, en modo activo, canalizaciones secundarias de los elementos a refrigerar (1.3, 1.4), mediante la intervención del mencionado circuito bypass (6) y la actuación del mencionado compresor (8).
Así, en caso de que la temperatura en el condensador (3) sea elevada, la presión en el condensador (3) será igualmente alta, resultando en que, para alguna de las canalizaciones secundarias no exista el diferencial de presión indicado anteriormente, con lo que el vapor no se desplazará al condensador (3), imposibilitando el funcionamiento en modo pasivo del sistema. En ese caso, el compresor (8) es capaz de seguir moviendo el vapor generado en los elementos a refrigerar (1.3, 1.4). Por el contrario, en las canalizaciones secundarias de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2) el movimiento del vapor sigue generándose por el diferencial de presión existente debido a la diferencia entre la temperatura (T1, T2) de trabajo de la superficie del elemento a refrigerar (1.1, 1.2) es superior a la temperatura ambiental. Para dichas canalizaciones secundarias se seguiría produciendo un funcionamiento en modo pasivo.
El sistema de refrigeración del ejemplo de realización de la figura 2 comprende:
- el compresor (8) dispuesto entre al menos un elemento a refrigerar (1.3, 1.4) y el condensador (3) para recibir el fluido refrigerante en fase vapor,
- el circuito bypass (6) situado en paralelo con dicho compresor (8) y en comunicación con el elemento a refrigerar (1.3, 1.4) y con el condensador (3),
- una válvula (7) en conexión con el compresor (8) o con el circuito bypass (6),
- una unidad de control en comunicación con la válvula (7), estando la unidad de control configurada para:
o permitir el paso del fluido por el circuito bypass (6) cuando la diferencia de temperatura (T3, T4) entre la superficie del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) y la temperatura ambiente es superior a un valor mínimo, siendo la temperatura (T3, T4) del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) superior a la temperatura ambiente, y
o forzar el paso de fluido a través del compresor (8) cuando:
■ la diferencia de temperatura (T3, T4) entre la superficie del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) y la temperatura ambiente es inferior a un valor mínimo, siendo la temperatura (T3, T4) del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) superior a la temperatura ambiente, o
■ la temperatura (T3, T4) del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) es inferior a la temperatura ambiente.
Más específicamente, el compresor (8), el circuito bypass (6) y la válvula (7) están dispuestos aguas abajo de un conjunto de elementos a refrigerar (1.3, 1.4) y aguas arriba de al menos un elemento a refrigerar (1.1, 1.2). Concretamente, el compresor (8) está dispuesto aguas arriba de la salida de los reguladores de presión (2.1, 2.2) de los dos elementos a refrigerar (1.1, 1.2) más cercanos al condensador (3) y aguas abajo de la salida de los reguladores de presión (2.3, 2.4) de los dos elementos a refrigerar (1.3, 1.4) más alejados del condensador (3).
El punto donde se instalen el compresor (8) y el circuito bypass (6) es el que delimita qué canalizaciones secundarias son refrigeradas con un funcionamiento 100% en modo pasivo del sistema de refrigeración y que canalizaciones secundarias son refrigeradas con un funcionamiento que puede ser activo o pasivo. Es decir, el compresor (8) está localizado aguas arriba de aquellos circuitos que se desee seleccionar como activos o activos/pasivos y aguas abajo de aquellos circuitos que son exclusivamente pasivos.
Por lo tanto, si alguno de los elementos a refrigerar (1.3, 1.4) precisa de una refrigeración por debajo de la temperatura ambiental, se puede utilizar el compresor (8) opcional en el circuito que lo necesite y en el momento en que lo necesite. Sin embargo, si no fuera necesario, el sistema funcionaría de forma pasiva. De este modo se consigue una reducción importante de la energía consumida por el sistema de refrigeración por no mover de forma activa circuitos que no lo necesitan. Adicionalmente, el sistema de refrigeración es más eficiente puesto que solamente consume energía cuando lo precisa. Otro punto a tener en cuenta es que la potencia consumida por una bomba de líquido es varias órdenes de magnitud inferior a la potencia de refrigeración, resultando igualmente en una mejora de la eficiencia del sistema de refrigeración.
En la figura 3 se representa un ejemplo de realización de un sistema de refrigeración aplicado a la refrigeración de varios elementos. Específicamente la figura representa un sistema que refrigera un primer elemento a refrigerar (1.1) que se corresponde con una culata, un segundo elemento a refrigerar (1.2) que se corresponde con un bloque motor, un tercer elemento a refrigerar (1.3) que se corresponde con un intercooler y un cuarto elemento a refrigerar (1.4) que se corresponde con una batería PHEV. Además, cada uno de los elementos anteriores es refrigerado por un conjunto de rociadores.
Un mismo componente del vehículo, en este caso un motor de combustión tiene diferentes necesidades de refrigeración en función de la zona y de la carga de trabajo. Así, la zona del bloque motor tiene unas necesidades de refrigeración diferentes que las de la culata. A modo de ejemplo una temperatura óptima de trabajo para la culata sería de 80°C, una temperatura óptima de trabajo para el bloque motor sería de 110°C. Para un intercooler sería de 40 °C y para la batería PHEV sería de 30 °C.
La presente invención permite, a través de sus canalizaciones secundarias (10.3) y mediante la ubicación de diferentes rociadores (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) en cada una de las canalizaciones secundarias (10.3), adecuar la refrigeración a las necesidades concretas de cada zona o componente del elemento a refrigerar.
Así, cada componente del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4), es decir, de la culata, el bloque, el intercooler y la batería PHEV, comprende un conjunto de rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4), siendo el número variable en función de la superficie a refrigerar, la geometría de dichas superficies a refrigerar, entro otros. Dichos rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4) dispuestos entre el elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y el condensador (3) están configurados de modo que pulverizan el fluido refrigerante en fase líquida sobre la superficie del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) de modo que el fluido refrigerante pulverizado se evapora sobre dicha superficie del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4).
Según lo anterior, el sistema de refrigeración objeto de la invención es aplicable a cualquier sistema dentro del vehículo. Por ejemplo, el sistema de refrigeración está aplicado a diferentes zonas o áreas de un mismo elemento a refrigerar, como por ejemplo la culata y el bloque de un motor de combustión. Generando diferentes canalizaciones secundarias (10.3) es posible que cada una de dichas zonas sea refrigerada acorde a sus necesidades particulares. En este caso, debido a las condiciones de trabajo y temperaturas de trabajo del motor de combustión, el funcionamiento del sistema de refrigeración será únicamente en modo pasivo. Por el contrario, el mismo circuito cerrado es apto para refrigerar otros elementos a refrigerar (1.3, 1.4), siendo estos independientes al motor de combustión. Así, los elementos a refrigerar (1.3, 1.4) que simbolizan un intercooler y unas baterías para propulsión eléctrica podrán ser refrigerados tanto en modo pasivo como en modo activo, gracias al circuito bypass (6) y su respectiva válvula (7) y al compresor (8), respectivamente.
Respecto a los líquidos refrigerantes a utilizar, depende de qué elemento a refrigerar y del tipo de superficie a refrigerar, ya que el fluido debe ser compatible con la superficie. Ejemplos pueden ser los siguientes: metanol, alcohol isopropílico__Si el sistema trabaja a presión inferior a la atmosférica entre los 30°C y los 120 °C se puede utilizar agua destilada como refrigerante.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar (1.1) para un vehículo, el sistema de refrigeración comprendiendo un circuito cerrado (10) para enfriar al menos la superficie de un elemento a refrigerar (1.1), dicha superficie teniendo una temperatura T1, el sistema de refrigeración comprendiendo:
    - un fluido refrigerante en estado de saturación configurado para su movimiento a través del circuito cerrado (10) entre una fase líquida y una fase vapor, donde el fluido refrigerante está configurado para entrar en contacto con la superficie del elemento a refrigerar (1.1) en fase líquida y, tras el intercambio energético con dicha superficie del elemento a refrigerar (1.1), el fluido refrigerante cambia a fase vapor,
    - un condensador (3) en comunicación con el elemento a refrigerar (1.1) para la condensación del vapor generado en dicho elemento a refrigerar (1.1), el fluido refrigerante en el condensador (3) teniendo una temperatura de condensación igual a la temperatura ambiente,
    el sistema de refrigeración caracterizado por que en el circuito cerrado (10) se ha hecho el vacío y por que comprende adicionalmente:
    - al menos un rociador (4.1) dispuesto en la fase líquida entre el elemento a refrigerar (1.1) y el condensador (3) y configurado para pulverizar el fluido refrigerante en fase líquida sobre la superficie del elemento a refrigerar (1.1) de modo que el fluido refrigerante pulverizado se evapora sobre dicha superficie del elemento a refrigerar (1.1) ,
    - una bomba (5) localizada entre el condensador (3) y el rociador (4.1) para el bombeo del fluido en estado líquido hacia el rociador (4.1), estando la bomba (5) configurada para proporcionar al rociador (4.1) una presión del líquido refrigerante que permita el arrastre de las burbujas de gas en la película de fluido generadas en la pulverización sobre la superficie del elemento a refrigerar (1.1), y
    - un medio de regulación de presión (2.1) localizado después del elemento a refrigerar (1.1) en el sentido de avance del fluido para regular la temperatura de vaporización del fluido refrigerante sobre la superficie del elemento a refrigerar (1.1) mediante la regulación de presión de saturación de vapor,
    - un compresor (8) dispuesto entre al menos un elemento a refrigerar (1.3, 1.4) y el condensador (3) para recibir el fluido refrigerante en fase vapor,
    - un circuito bypass (6) situado en paralelo con dicho compresor (8) y en comunicación con el elemento a refrigerar (1.3, 1.4) y con el condensador (3),
    - una válvula (7) en conexión con el compresor (8) o con el circuito bypass (6),
    - una unidad de control en comunicación con la válvula (7), la unidad de control configurada para:
    o permitir el paso del fluido por el circuito bypass (6) cuando la diferencia de temperatura entre la superficie del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) y la temperatura ambiente es superior a un valor mínimo, siendo la temperatura (T3, T4) del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) superior a la temperatura ambiente, y
    o forzar el paso de fluido a través del compresor (8) cuando:
    ■ la diferencia de temperatura entre la superficie del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) y la temperatura ambiente es inferior a un valor mínimo, siendo la temperatura (T3, T4) del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) superior a la temperatura ambiente, o
    ■ la temperatura (T3, T4) del elemento a refrigerar (1.3, 1.4) es inferior a la temperatura ambiente.
  2. 2.- Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar (1.1) para un vehículo, según la reivindicación 1, caracterizado por que el circuito cerrado (10) está configurado para enfriar la superficie de un conjunto de elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4), dichas superficies teniendo una temperatura (T1, T2, T3, T4), estando cada elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) en comunicación con el condensador (3) para la condensación del vapor generado en dichos elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4), estando dispuestos dichos elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) en paralelo entre sí, el sistema de refrigeración comprendiendo:
    - al menos un rociador (4.1,4.2, 4.3, 4.4) asociado a cada uno de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y dispuestos entre el respectivo elemento a refrigerar
    (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y el condensador (3), estando al menos un rociador (4.1,4.2, 4.3,
    4.4) localizado en serie con respecto al condensador (3), cada rociador (4.1,4.2,
    4.3,
    Figure imgf000018_0001
    4.4) estando configurado de modo que pulveriza el fluido refrigerante en fase líquida sobre la superficie del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) de modo que
    el fluido refrigerante pulverizado se evapora sobre dicha superficie del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4), y
    - un conjunto de medios de regulación de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4), cada medio de regulación de presión (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) asociado a cada uno de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y dispuestos después del respectivo elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) en el sentido de avance del fluido, estando el conjunto
    de medios de regulación de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4) configurados para regular la temperatura de vaporización del refrigerante sobre la superficie del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) mediante la regulación de la presión de saturación de
    vapor, los medios de regulación de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4) estando dispuestos
    en paralelo con respecto al condensador (3),
    estando la bomba (5) localizada entre el condensador (3) y aguas arriba de los rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4) y configurada para proporcionar a los rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4) una
    presión del líquido que permita el arrastre de las burbujas de gas en la película de fluido generadas en la pulverización sobre las superficies de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2,
    1.3, 1.4).
  3. 3.- Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar (1.1) para un vehículo,
    según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende
    unos medios de control en comunicación con la bomba (5), los medios de control configurados para la regulación del caudal de la bomba (5).
  4. 4. - Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar (1.1) para un vehículo, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que si la diferencia entre la temperatura (T1, T2, T3, T4) de la superficie del elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y la temperatura ambiente es superior a un valor mínimo, el fluido refrigerante en fase vapor está configurado para su movimiento entre el medio de regulación de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4) y el condensador (3) por la diferencia de presión entre ambos elementos (2.1,2.2, 2.3, 2.4, 3).
  5. 5. - Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar (1.1) para un vehículo, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el compresor (8), el circuito bypass (6) y la válvula (7) están dispuestos aguas abajo de la salida de los reguladores de presión (2.3, 2.4) de un conjunto de elementos a refrigerar (1.3, 1.4) y aguas arriba de la salida de los reguladores de presión (2.1,2.2) de al menos un elemento a refrigerar (1.1, 1.2).
  6. 6. - Sistema de refrigeración de al menos una fuente de calor para un vehículo, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento a refrigerar (1.1) comprende un conjunto de rociadores (4.1) dispuestos entre el elemento a refrigerar (1.1) y el condensador (3) y configurados de modo que pulverizan el fluido refrigerante en fase líquida sobre la superficie del elemento a refrigerar (1.1) de modo que el fluido refrigerante pulverizado se evapora sobre dicha superficie del elemento a refrigerar (1.1).
  7. 7.- Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar (1.1) para un vehículo, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende:
    - un circuito principal que comprende el condensador (3) y la bomba (5), el circuito principal comprendiendo:
    - una canalización de alimentación (10.1) que sale del condensador (3) y pasa por la bomba (5) y alimenta a los rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4), y
    - una canalización de retorno (10.2) que se alimenta de la salida de los distintos reguladores de presión (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) y retorna al condensador (3) el fluido refrigerante,
    - al menos una canalización secundaria (10.3) asociada al elemento a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y a su correspondiente rociador (4.1,4.2, 4.3, 4.4) y regulador de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4).
  8. 8.- Sistema de refrigeración de al menos un elemento a refrigerar (1.1) para un vehículo, según la reivindicación 7, caracterizado por que comprende un conjunto de canalizaciones secundarias (10.3) situadas en paralelo entre sí y cada una asociada a uno de los elementos a refrigerar (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) y a su correspondiente o correspondientes rociadores (4.1,4.2, 4.3, 4.4) y reguladores de presión (2.1,2.2, 2.3, 2.4).
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