ITPN960044A1 - IMPROVEMENTS TO COMPRESSION REFRIGERANT CIRCUITS FOR DOMESTIC AND SIMILAR APPLIANCES - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
del brevetto di invenzione avente per titolo: “PERFEZIONAMENTI AI CIRCUITI REFRIGERANTI A COMPRESSIONE PER APPARECCHI DOMESTICI E SIMILI” of the invention patent entitled: "IMPROVEMENTS TO COMPRESSION REFRIGERANT CIRCUITS FOR DOMESTIC AND SIMILAR APPLIANCES"
La presente invenzione si riferisce a perfezionamenti ai circuiti refrigeranti di apparecchi domestici o simili (frigoriferi, congelatori ecc.) del tipo comprendente un compressore ermetico, azionato da un motore elettrico senza spazzole e a controllo elettronico, e mezzi valvolari elettromagnetici che possono interrompere il flusso del fluido frigorigeno a monte del dispositivo di espansione. The present invention relates to improvements to the refrigerating circuits of household appliances or the like (refrigerators, freezers, etc.) of the type comprising a hermetic compressor, driven by an electronically controlled brushless electric motor, and electromagnetic valve means which can interrupt the flow of the refrigerant upstream of the expansion device.
Un ben noto inconveniente dei suddetti circuiti refrigeranti è che, durante le pause di funzionamento del compressore, determinate dal termostato di controllo, una parte del fluido frigorigeno migra dal condensatore (punto più caldo del circuito termo-fluidodinamico) all’evaporatore (punto più freddo), attraverso il tubo capillare che costituisce il dispositivo di espansione del fluido frigorigeno. Nel momento in cui il compressore toma ad avviarsi, dopo la suddetta pausa, all’entrata del tubo capillare è già presente fluido refrigerante alio stato gassoso. Pertanto l’effetto refrigerante è, per un certo tempo dopo il riavvio, estremamente ridotto, quindi il motore del compressore assorbe energia elettrica producendo poco freddo. A well-known drawback of the aforementioned refrigerant circuits is that, during the compressor operating pauses, determined by the control thermostat, a part of the refrigerant fluid migrates from the condenser (hottest point of the thermo-fluid-dynamic circuit) to the evaporator (coldest point ), through the capillary tube which constitutes the expansion device of the refrigerant fluid. When the compressor starts to start again, after the aforementioned pause, a gaseous refrigerant fluid is already present at the inlet of the capillary tube. Therefore the cooling effect is, for a certain time after the restart, extremely reduced, so the compressor motor absorbs electricity, producing little cold.
Al fine di interrompere la suddetta migrazione del fluido frigorigeno e non dissipare durante le pause l’energia spesa per creare la differenza di pressione tra il tratto “a monte” e il tratto “a valle” del compressore, già da molti anni è stato proposto linserimento di idonei mezzi valvolari nei circuiti refrigeranti. La costante presenza di fluido frigorigeno liquido all’entrata del tubo capillare è altresì garantita. In order to interrupt the aforementioned migration of the refrigerant fluid and not dissipate during the pauses the energy expended to create the pressure difference between the "upstream" section and the "downstream" section of the compressor, it has already been proposed for many years the insertion of suitable valve means in the refrigerating circuits. The constant presence of liquid refrigerant at the inlet of the capillary tube is also guaranteed.
Sono ad es. noti mezzi valvolari pressostatici, inseriti direttamente in un circuito refrigerante, che vantaggiosamente interrompono il flusso di fluido frigorigeno nel tubo capillare durante le pause termostatate del compressore e che ristabiliscono automaticamente tale flusso a ogni riavvio dello stesso (vedere documento US-A-4 267 702). Tuttavia questi mezzi pressostatici, essendo di tipo meccanico e richiedendo modifiche costruttive, in particolare saldature o giunzioni meccaniche, che sono sempre potenziali fonti di perdita di fluido frigorigeno, accrescono i rischi affidabilistici del circuito refrigerante. They are eg. known pressure switch valve means, inserted directly into a refrigerant circuit, which advantageously interrupt the flow of refrigerant fluid in the capillary tube during the thermostatic pauses of the compressor and which automatically re-establish this flow each time it is restarted (see document US-A-4 267 702 ). However, these pressure switch means, being of the mechanical type and requiring constructive modifications, in particular welding or mechanical joints, which are always potential sources of loss of refrigerant fluid, increase the reliability risks of the refrigerant circuit.
Sono pure già noti altri mezzi valvolari con effetti analoghi ai precedenti e asserviti a sensori di temperatura (vedere documento US-A-4 286 438). Tali mezzi non richiedono modifiche ai circuiti refrigeranti ma l’inevitabile inerzia termica e la difficoltà pratica di individuare una posizione affidabile dei sensori, di solito sulle serpentine del condensatore del circuito refrigerante, ossia sull’esterno dell’apparecchio, non riescono a garantire la corretta temporizzazione fra l’apertura e chiusura dei mezzi valvolari e gli avvìi e arresti del motore di azionamento del compressore. Other valve means with effects similar to the previous ones and slave to temperature sensors are also already known (see document US-A-4 286 438). These means do not require modifications to the refrigerating circuits but the inevitable thermal inertia and the practical difficulty of identifying a reliable position of the sensors, usually on the condenser coils of the refrigerating circuit, i.e. on the outside of the appliance, cannot guarantee correct timing between the opening and closing of the valve means and the starts and stops of the compressor drive motor.
Un ulteriore inconveniente, per i circuiti refrigeranti di apparecchi domestici aventi i suddetti mezzi valvolari e un compressore azionato da un motore a induzione, se non dotato di condensatore elettrico di avviamento e/o non “sovradimensionato”, è una sostanziale impossibilità ad avviarsi con una pressione sbilanciata del circuito per la presenza dei suddetti mezzi valvolari. E’ stato quindi proposto di aggiungere ai suddetti mezzi valvolari una “valvola di controllo” o “check valve”, posta all’interno della “capsula” del compressore ermetico (vedere il documento WO 94/18512). In effetti si evita così l’impiego di motori ad elevata coppia di spunto, ma non si migliora significativamente l’efficienza generale del sistema. Inoltre, in questo modo, è necessario aggiungere nuove varianti ai modelli di compressore, dato che non tutti i circuiti refrigeranti necessitano dei detti mezzi valvolari; questo significa, per i costruttori, un sicuro aumento dei costi gestionali. A further drawback, for the refrigerating circuits of household appliances having the aforementioned valve means and a compressor driven by an induction motor, if not equipped with an electric starting condenser and / or not "oversized", is a substantial impossibility of starting with a unbalanced pressure of the circuit due to the presence of the aforesaid valve means. It was therefore proposed to add to the aforementioned valve means a "control valve" or "check valve", placed inside the "capsule" of the hermetic compressor (see document WO 94/18512). In fact, the use of high starting torque motors is avoided, but the overall efficiency of the system is not significantly improved. Moreover, in this way, it is necessary to add new variants to the compressor models, since not all refrigerant circuits require said valve means; this means, for manufacturers, a certain increase in management costs.
Per ovviare a questi inconvenienti, Γ invenzione ha questi scopi : To overcome these drawbacks, the invention has these purposes:
- impedire, durante le pause di funzionamento del compressore, qualsiasi migrazione di fluido frigorigeno dal condensatore all’evaporatore, - prevent, during compressor pauses, any migration of refrigerant fluid from the condenser to the evaporator,
- minimizzare i costi a carico dei costruttori (così da evitare sostanziali indesiderati aumenti di prezzo per gli acquirenti degli apparecchi) evitando sia sovradimensionamenti (pacco lamierini e/o avvolgimenti di rame) dei motori di azionamenti dei compressori, - minimize the costs borne by the manufacturers (so as to avoid substantial unwanted price increases for the purchasers of the appliances) avoiding both oversizing (lamination pack and / or copper windings) of the compressor drive motors,
- minimizzare i rischi affidabilistici dei circuiti refrigeranti, e soprattutto - ridurre i consumi di energia. - minimize the reliability risks of the refrigerant circuits, and above all - reduce energy consumption.
Questi scopi sono raggiunti grazie a un circuito refrigerante con le caratteristiche delle successive rivendicazioni. These objects are achieved thanks to a refrigerant circuit with the characteristics of the subsequent claims.
In modo particolare, è stato trovato vantaggioso poter usare, nel circuito refrigerante, un compressore ermetico azionato dal motore senza spazzole e a controllo elettronico descritto nel brevetto europeo EP-A- 0 490 089 della stessa Richiedente e inoltre sfruttare proprio l’elettronica di controllo del motore per controllare una valvola, inserita nel circuito refrigerante in una posizione a monte del tubo capillare. In effetti questo motore di azionamento del compressore, oltre a migliorare il rendimento globale (COP) del circuito refrigerante, ridurre i consumi di energia e i livelli di rumorosità, può infatti riavviarsi senza problemi, e senza l' impiego di un condensatore elettrico di avviamento, anche in presenza di pressioni sbilanciate come quelle dovute alla presenza di mezzi valvolari. In particular, it has been found advantageous to be able to use, in the refrigerant circuit, a hermetic compressor operated by the brushless and electronically controlled motor described in the European patent EP-A-0 490 089 of the same Applicant and also to exploit the control electronics of the motor to control a valve, inserted in the refrigerant circuit in a position upstream of the capillary tube. In fact, this compressor drive motor, in addition to improving the overall efficiency (COP) of the refrigerant circuit, reducing energy consumption and noise levels, can in fact restart without problems, and without the use of an electric starting capacitor, even in the presence of unbalanced pressures such as those due to the presence of valve means.
L’invenzione potrà meglio essere compresa e apprezzata mediante la seguente descrizione di una preferita forma di esecuzione, con l’aiuto degli allegati disegni, nei quali : The invention will be better understood and appreciated through the following description of a preferred embodiment, with the help of the attached drawings, in which:
- la fig. 1 mostra, secondo uno schema a blocchi, un circuito refrigerante secondo l’invenzione, - fig. 1 shows, according to a block diagram, a refrigerant circuit according to the invention,
- la fig. 2 mostra l’andamento delle pressioni del fluido frigorigeno all’aspirazione e alla mandata del compressore durante un certo tempo di funzionamento. - fig. 2 shows the trend of the pressures of the refrigerant fluid at the suction and delivery of the compressor during a certain operating time.
Come mostrato in fig. 1, un circuito refrigerante per un apparecchio domestico o simile è costituito da un compressore ermetico 1 , nella cui “capsula” è racchiuso anche il motore di azionamento; un condensatore 2; un filtro de-idratore 3; un tubo capillare 4 per l’espansione sostanzialmente iso-entalpica del fluido frigorigeno; un evaporatore 5. As shown in fig. 1, a refrigerant circuit for a domestic appliance or the like consists of a hermetic compressor 1, in whose "capsule" the drive motor is also enclosed; a capacitor 2; a dehydrator filter 3; a capillary tube 4 for the substantially iso-enthalpic expansion of the refrigerant fluid; an evaporator 5.
Il compressore 1 è, come già detto più sopra, del tipo descritto nel già menzionato brevetto EP-A-0 490 089 della stessa Richiedente, ossia azionato da un motore senza spazzole, asservito a un dispositivo di controllo di frequenza 7. Tale dispositivo di controllo assicura il funzionamento del motore, sotto qualsiasi condizione di carico, a una velocità, controllata automaticamente che ottimizza le prestazioni del compressore, detta velocità essendo sempre inferiore a quella di un equivalente tradizionale motore a induzione nominale, determinata dalla frequenza della rete elettrica di alimentazione. Il collegamento tra il compressore 1 e detto dispositivo di controllo di frequenza 7 avviene in un qualsiasi modo, in particolare tramite convenzionali fili elettrici 6. The compressor 1 is, as already mentioned above, of the type described in the already mentioned patent EP-A-0 490 089 of the same Applicant, ie driven by a brushless motor, slaved to a frequency control device 7. This control device control ensures motor operation, under any load conditions, at an automatically controlled speed that optimizes compressor performance, said speed being always lower than that of an equivalent traditional rated induction motor, determined by the frequency of the mains electricity supply . The connection between the compressor 1 and said frequency control device 7 takes place in any way, in particular by means of conventional electric wires 6.
Nel tratto di circuito refrigerante compreso tra il condensatore 2 e il tubo capillare 4, preferibilmente tra la sezione di uscita del condensatore 2 e l’entrata del filtro de-idratore 3, è disposta una valvola unidirezionale bistabile 8 di tipo già noto, ad es. quella descritta nel documento IT-A-1 203 572. Può anche essere usato un altro tipo di valvola purché sia del tipo che assorbe potenza soltanto nei transitori di commutazione tra la posizione di chiusura e quella di apertura e viceversa, al fine di evitare inutili consumi di energia. In the portion of the refrigerant circuit between the condenser 2 and the capillary tube 4, preferably between the outlet section of the condenser 2 and the inlet of the filter drier 3, there is a bistable unidirectional valve 8 of a known type, for example . that described in document IT-A-1 203 572. Another type of valve can also be used as long as it is of the type that absorbs power only in the switching transients between the closed and open positions and vice versa, in order to avoid unnecessary energy consumption.
Secondo la caratteristica principale della presente invenzione, il funzionamento della valvola bistabile 8 è asservito allo stesso dispositivo di controllo di frequenza 7 al quale è asservito il funzionamento del motore di azionamento del compressore 1 . Anche il collegamento tra la valvola 8 e il detto dispositivo di controllo di frequenza 7 avviene in un qualsiasi modo, in particolare tramite convenzionali conduttori elettrici 9. According to the main feature of the present invention, the operation of the bistable valve 8 is enslaved to the same frequency control device 7 to which the operation of the drive motor of the compressor 1 is enslaved. The connection between the valve 8 and the said frequency control device 7 also takes place in any way, in particular by means of conventional electrical conductors 9.
E’ proprio limpiego di un unico dispositivo 7 per il controllo di un unico parametro funzionale, cioè la frequenza, che garantisce, secondo l’invenzione, il funzionamento della valvola 8 secondo la logica desiderata, ossia garantendo la temporizzazione fra gli istanti di apertura e chiusura della valvola 8 con gli arresti e riavii del motore di azionamento del compressore 1. It is precisely the use of a single device 7 for the control of a single functional parameter, i.e. the frequency, which guarantees, according to the invention, the operation of the valve 8 according to the desired logic, i.e. ensuring the timing between the opening and closure of valve 8 with the stops and restarts of the compressor 1 drive motor.
A conferma dei risultati ottenuti, in fig. 2 sono mostrati i diagrammi, rilevati sperimentalmente, della pressione immediatamente “a monte” (DOWN) e “a valle” (UP) del compressore 1, in un qualsiasi tempo della vita utile di un apparecchio domestico provvisto di un circuito refrigerante secondo l’invenzione. Per semplicità il tempo considerato comprende solo due periodi di funzionamento (indicati come 1A e 2A) e un periodo intermedio di pausa (indicato come 1B) del compressore. A partire dall’ istante di avvio del compressore (punto zero dei diagrammi di fig. 2), la pressione “a valle” sale da un valore iniziale inferiore p' a un valore superiore p'' e si stabilizza su tale valore superiore per una gran parte del periodo di funzionamento 1A, che termina all’istante T1 in cui il compressore si arresta (per il ben noto intervento del termostato di funzionamento dell’ apparecchio). In questo stesso periodo 1 A, la pressione “a monte” scende rapidamente da un valore iniziale superiore p’i a un valore leggermente inferiore p”i , per poi restare sostanzialmente invariata fino all’istante finale T1. A partire da detto istante TI, e durante l’intero periodo di pausa 1B del compressore (che termina col riavvio del compressore stesso all’istante T2), la pressione “a valle” decresce dal valore iniziale p' a un valore finale p'' mentre la pressione “a monte” si innalza dal valore iniziale p”i al valore finale p’”i . Nel successivo periodo 2A di funzionamento del compressore, che comincia all’istante T2 e termina all’istante T3, la pressione “a valle” risale dal valore inferiore p”’E al valore superiore p'' mentre la pressione “a monte” toma a decrescere dal valore superiore -p’”i sostanzialmente fino al valore inferiore p''. To confirm the results obtained, in fig. 2 shows the diagrams, experimentally detected, of the pressure immediately "upstream" (DOWN) and "downstream" (UP) of compressor 1, in any time of the useful life of a domestic appliance equipped with a refrigerant circuit according to invention. For simplicity, the time considered includes only two operating periods (indicated as 1A and 2A) and an intermediate pause period (indicated as 1B) of the compressor. Starting from the instant the compressor starts (zero point of the diagrams in fig. 2), the "downstream" pressure rises from an initial lower value p 'to a higher value p' 'and stabilizes on this higher value for a most of the operating period 1A, which ends at the instant T1 in which the compressor stops (due to the well-known intervention of the operating thermostat of the appliance). In this same period 1 A, the "upstream" pressure rapidly drops from an initial higher value p "i to a slightly lower value p" i, and then remains substantially unchanged until the final instant T1. Starting from said instant T1, and during the entire pause period 1B of the compressor (which ends with the compressor restart at instant T2), the "downstream" pressure decreases from the initial value p 'to a final value p' 'while the “upstream” pressure rises from the initial value p ”i to the final value p'” i. In the subsequent compressor operating period 2A, which begins at instant T2 and ends at instant T3, the "downstream" pressure rises from the lower value p "'E to the upper value p' 'while the" upstream "pressure returns to to decrease from the upper value -p '"i substantially up to the lower value p' '.
Tutto ciò dimostra che, durante il periodo di pausa 1B del compressore non ha luogo alcuna significativa migrazione, di fluido frigorigeno dal condensatore 2 all’evaporatore 5. Infatti, agli istanti zero e T2, contemporaneamente all’avvio (o riavvio) del compressore 1, il dispositivo di controllo 7 impone alla valvola bistabile 8 di portarsi nella configurazione di apertura mentre agli istanti Tl e T3 lo stesso dispositivo di controllo impone alla valvola di portarsi nella configurazione di chiusura. Pertanto, anche al termine del periodo di pausa, permane una forte differenza di pressione (p''' - p”’·) tra il tratto “a monte” e il tratto “a valle” del compressore 1, come evidenziato dalla stessa fig. 2. Un grande vantaggio del motore senza spazzole, asservito a un dispositivo di controllo di frequenza, che viene usato anche nella presente invenzione è quello di avviarsi correttamente e facilmente anche in queste condizioni di pressione sbilanciata, senza necessità di un condensatore di avviamento come i tradizionali motori a induzione. All this demonstrates that, during the pause period 1B of the compressor, no significant migration of the refrigerant fluid takes place from condenser 2 to evaporator 5. In fact, at instants zero and T2, simultaneously with the start-up (or restart) of compressor 1 , the control device 7 forces the bistable valve 8 to go to the opening configuration while at the instants T1 and T3 the same control device forces the valve to go to the closing configuration. Therefore, even at the end of the pause period, there remains a strong pressure difference (p '' '- p "' ·) between the" upstream "section and the" downstream "section of compressor 1, as shown by the same fig . 2. A great advantage of the brushless motor, slaved to a frequency control device, which is also used in the present invention is that it starts correctly and easily even in these conditions of unbalanced pressure, without the need for a starting capacitor such as the traditional induction motors.
Si è detto più sopra che, grazie alla presente invenzione, possono essere anche conseguiti significativi risparmi dell’energia consumata dagli apparecchi provvisti del descritto circuito refrigerante. A titolo di conferma si riporta qui sotto una tabella che riporta i risultati di prove comparative effettuate dalla Richiedente sullo stesso congelatore verticale domestico provvisto di un circuito refrigerante che comprende rispettivamente : It has been said above that, thanks to the present invention, significant savings in the energy consumed by appliances equipped with the described refrigerant circuit can also be achieved. By way of confirmation, the table below shows the results of comparative tests carried out by the Applicant on the same domestic upright freezer equipped with a refrigerant circuit which includes respectively:
(a) un compressore azionato da un tradizionale motore a induzione avente una potenza elettrica di 72 watt e provvisto di un condensatore di avviamento della capacità di 45 microfarad; (a) a compressor driven by a traditional induction motor having an electrical power of 72 watts and equipped with a starting capacitor with a capacity of 45 microfarads;
(b) un compressore, azionato da un motore senza spazzole, sostanzialmente della stessa potenza nominale, asservito a un dispositivo di controllo di frequenza nelle condizioni descritte nel già più volte menzionato brevetto europeo EP-A-0 490 089 della stessa Richiedente; (b) a compressor, driven by a brushless motor, substantially of the same rated power, enslaved to a frequency control device under the conditions described in the already mentioned European patent EP-A-0 490 089 of the same Applicant;
(c) in aggiunta al compressore di cui al punto (b), una valvola unidirezionale bistabile disposta nel circuito come mostrato in fig. 1 e asservita, secondo gli insegnamenti dell’invenzione, allo stesso dispositivo di controllo di frequenza del motore di azionamento del compressore. (c) in addition to the compressor referred to in point (b), a bistable one-way valve arranged in the circuit as shown in fig. 1 and enslaved, according to the teachings of the invention, to the same frequency control device of the compressor drive motor.
Il congelatore usato per queste prove aveva un volume utile netto di 230 litri e un circuito refrigerante con la stessa carica (80 grammi) di fluido frigorigeno R600 per mantenere un’uguale temperatura all’interno dell’apparecchio. The freezer used for these tests had a net useful volume of 230 liters and a refrigerant circuit with the same charge (80 grams) of R600 refrigerant fluid to maintain an equal temperature inside the appliance.
Risultato prove Test result
Sono evidenti i vantaggi offerti dalla presente invenzione [caso (c)\ anche rispetto a quelli, pur già ragguardevoli, della precedente soluzione offerta dalla stessa Richiedente [caso (b)]. Dal momento che, per ottenere la corretta temporizzazione delle aperture e chiusure della valvola con gli avvìi e arresti del motore di azionamento del compressore si impiega lo stesso dispositivo di controllo della frequenza, tali vantaggi sono ottenuti senza un sostanziale aggravio dei costi del costruttore, quindi senza pesanti ripercussioni sul prezzo di vendita dell’apparecchio domestico equipaggiato col circuito refrigerante dell’invenzione. The advantages offered by the present invention [case (c) \ even with respect to those, albeit considerable, of the previous solution offered by the same Applicant [case (b)] are evident. Since the same frequency control device is used to obtain the correct timing of the valve openings and closings with the starts and stops of the compressor drive motor, these advantages are obtained without a substantial increase in the manufacturer's costs, therefore without heavy repercussions on the selling price of the domestic appliance equipped with the refrigerating circuit of the invention.
Anche se la descrizione fornita qui sopra si riferisce a una forma preferita di esecuzione, i tecnici del settore potranno sviluppare altre varianti della presente invenzione, per esempio basate sul ricorso a un altro parametro elettrico funzionale per il controllo, da parte di un unico dispositivo, sia del motore di azionamento del compressore che dei mezzi valvolari elettromagnetici, questi ultimi potendo anche essere diversi dalle valvole unidirezionali bistabili, come già detto più sopra. Resta fin d’ora inteso che anche tutte queste varianti saranno protette dal presente brevetto. Even if the description provided above refers to a preferred embodiment, those skilled in the art will be able to develop other variants of the present invention, for example based on the use of another functional electrical parameter for control, by a single device, both of the motor for driving the compressor and of the electromagnetic valve means, the latter being also able to be different from the bistable unidirectional valves, as already mentioned above. It is understood as of now that all these variants will also be protected by this patent.
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