SISTEMA COMPACTO DE ENFRIAMIENTO DE CORRIENTE CONTINUA, EFICIENTE EN ENERGÍA
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Campo de la Invención La presente invención se refiere a un sistema de enfriamiento de corriente continua y, más particularmente, a un sistema de enfriamiento de corriente continua, sencillo, confiable, compacto y eficiente en energía, para su uso en y con recintos de equipos electrónicos .
Descripción de la Técnica Relacionada Los recintos de equipos electrónicos se ubican frecuentemente en el exterior, donde ellos se exponen a las temperaturas ambientales. Típicamente, los recintos tienen al menos una cámara, en la cual están colocados los componentes electrónicos que generan calor. En ciertos niveles, el calor puede degradar la operación de los componentes, en tanto la disminución de la temperatura puede mejorar el desempeño. A menudo un sistema de enfriamiento se conecta operativamente al recinto para asegurar que la temperatura en la cámara de los componentes electrónicos se mantenga dentro de un intervalo seguro y efectivo. Los sistemas de enfriamiento incluyen intercambiadores de calor para el enfriamiento del ambiente de la parte superior y acondicionadores de aire para enfriar el ambiente de la parte inferior, al igual que otros dispositivos y variaciones o combinaciones de los anteriores . Los sistemas de enfriamiento más potentes incluyen un compresor, un condensador, un dispositivo de expansión y un evaporador. Usualmente, tal sistema es confiable y proporciona el enfriamiento necesario, aunque se puede consumir demasiada energía. Cuando se trabaja en un modo de respaldo de corriente continua ("DC"), donde la energía es provista por baterías, la cantidad de energía consumida es una cuestión muy importante y la minimización del consumo de energía es imperativa. Además, una situación puede surgir donde la temperatura ambiente es tan baja que el refrigerante en el compresor se enfría suficientemente para cambiar la fase de gas a líquida. Cuando esto ocurre, el compresor no puede iniciarse, o el compresor puede dañarse por sí mismo, de modo que el sistema de enfriamiento llega a ser inoperativo. Los calentadores de alta potencia pueden ser usados para calentar el compresor y sus contenidos, y mantener el compresor lubricado y para impedir que el refrigerante llegue a ser liquido, pero estos calentadores son costosos y ellos requieren una energía excesiva para su operación.
BREVE COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Se describe aquí un sistema de enfriamiento para un recinto de equipo electrónico y un recinto que tenga tal sistema, donde dicho recinto incluye una cámara de componentes, donde se genera calor, un alojamiento, conectado operativamente a la cámara de componentes, para encerrar estos elementos del sistema de enfriamiento, este sistema de enfriamiento incluye un compresor, un condensador, un evaporador, un refrigerante y recursos para expandir este refrigerante, y un conducto formado alrededor del compresor y que se extiende en la cámara de componentes del recinto, un fluido, para moverse selectivamente dentro del conducto y transportar calor desde la cámara de los componentes al compresor y una bomba para mover selectivamente el fluido a lo largo del conducto. El sistema de enfriamiento es muy compacto, operable en el modo de corriente continua, y eficiente. Existen un número de ventajas, características y objetos logrados con la presente invención, que se cree no estaban disponibles en los dispositivos relacionados anteriores. Por ejemplo, una ventaja es que la presente invención suministra un aparato, confiable y sencillo, de muy bajo costo, para usar el calor generado dentro del recinto del equipo, y calentar un compresor durante condiciones ambientales frias. La presente invención obvia la necesidad de un calentador de compresor costoso, de alta potencia. Otra característica de la presente invención es proporcionar un sistema de enfriamiento, el cual es más eficiente debido a que el sistema es compacto y se diseña efectivamente y además este sistema usa el calor generado por los mismos componentes, los cuales se van a enfriar, en una situación donde- la temperatura ambiente afecta adversamente el compresor del sistema de enfriamiento. La presente invención ofrece también capacidades de soporte cuando falla el compresor. Otra ventaja de la presente invención es que suministra un recinto de equipo que usa menos energía que los recintos anteriores, que tienen la misma capacidad de remover el calor. Sistemas de acondicionamiento de aire, con sistemas del flujo del fluido independientes, se han usado en el pasado, pero no de la misma manera como la descrita aquí. Véase, por ejemplo, la patente de EE.UU., No. 6,205,796, la cual revela un sistema de refrigeración para tanto una placa fría como un Intercambiador de calor, al igual que un sistema de flujo de aire, para controlar la humedad. Un entendimiento más completo de la presente invención y otros objetos, ventajas y características de la misma, serán obtenidos de una consideración de la siguiente descripción de las modalidades preferidas, leídas en conjunto con los dibujos acompañantes, aquí provistos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS VARIAS VISTAS DEL DIBUJO La Figura 1 es una vista isométrica de un recinto de equipo electrónico, con un sistema de enfriamiento de la presente invención; la Figura 2 es una vista isométrica, que mira hacia abajo, de la parte posterior izquierda de un sistema de enfriamiento de la presente invención; la Figura 3 es una vista isométrica, que mira hacia abajo, de la parte posterior izquierda del sistema de enfriamiento con la cubierta removida; la Figura 4 es una vista isométrica, que mira hacia abajo, del sistema de enfriamiento mostrado en la Figura 3, pero con un giro por 180 grados; la Figura 5 es una vista isométrica, que ilustra los serpentines del conducto, en contacto directo con un compresor, para el sistema de enfriamiento mostrado en las
Figuras 3 y 4; la Figura 6 es una vista esquemática del sistema de enfriamiento y el recinto de la presente invención,- la Figura 7 es una vista de planta esquemática del flujo del aire ambiental a través del alojamiento del sistema de enfriamiento; la Figura 8 es una vista de planta esquemática de tanto el flujo del aire ambiental, a través del alojamiento del sistema de enfriamiento, como el flujo de aire, dentro de la cámara del equípela Figura 9 es una vista isométrica de un recubrimiento del condensador,- la Figura 10 es una vista isométrica de un recubrimiento del evaporador.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Mientras la presente invención es susceptible a varias modificaciones y construcciones alternativas, la modalidad preferida mostrada en el dibujo será descrita aquí en detalle. Sin embargo, se entenderá que no existe intención de limitar la invención a la forma particular descrita. Por el contrario, la intención es cubrir todas las modificaciones, estructuras equivalentes y métodos y construcciones alternativas que se encuentren dentro del espíritu y ámbito de la invención, como se expresan en las reivindicaciones anexas . La ventaja del estado compacto puede ser apreciada haciendo primero referencia ala Figura 1. Se ilustra un ejemplo de un recinto 10 de equipo electrónico. El recinto incluye un alojamiento 12 del sistema de enfriamiento y un alojamiento 14 del equipo. Este alojamiento del equipo forma una cámara 16 del equipo electrónico. Una cámara de baterías (no mostrada) puede ser formada y unida al alojamiento 14 del equipo. En el recinto mostrado, el alojamiento 12 del sistema de enfriamiento se asegura a una puerta posterior 15. Esta puerta posterior y una puerta frontal 17 sellan la cámara del equipo. Los componentes o equipos pueden ser electrónicos u ópticos o ambos, y el sistema de enfriamiento en el alojamiento 12 de este sistema de enfriamiento se conecta operativamente a la cámara 16 del equipo. Se entenderá que el recinto del equipo puede ser mayor o menor del mostrado, y que el recinto puede tener el sistema de enfriamiento colocado al costado o debajo o arriba de la cámara del equipo. El recinto particular, mostrado en la Figura 1, no se considerará limitando de alguna manera, ya que muchos diferentes diseños de recintos se pueden usar con la presente invención. Haciendo ahora referencia a las Figuras 2 a 4 y 6, se muestran los varios elementos del sistema de enfriamiento. Este sistema de enfriamiento se monta en un soporte 20 de plástico, en forma de "L" , que tiene una base 21 y una pared 23 y se encierra por una cubierta 22 de plástico removible. Montado en el soporte, en una manera muy compacta, se encuentra un compresor 24, un condensador 26 y un evaporador 28. Un abanico 30 del condensador se monta a este condensador 26 y un abanico 3 del evaporador se monta a este evaporador. El refrigerante circula alrededor del sistema, a través de un primer tubo 40, el cual se conecta operativamente al compresor 24 y el condensador 26, un segundo tubo 42 para conducir el refrigerante desde el condensador al evaporador, a través de un tubo capilar 44 y a través de la pared 23, ubicada corriente arriba del evaporador 28 y un tercer tubo 46, que conecta el evaporador 28 y el compresor 24 y también pasa a través de la pared 23. Un filtro / secador 48 está en línea corriente arriba del tubo capilar 44 como un vidrio 47 de visión. Un receptor 49 puede también estar presente con el fin de regular la presión que cambia debido a los cambios en la temperatura ambiente.
El sistema de enfriamiento, justamente descrito y mostrado, es relativamente pequeño y compacto, se acomoda dentro de la cubierta 22 y tiene un ancho de aproximadamente 36.83 cm, una altura de aproximadamente 25.4 cm y una profundidad de aproximadamente 22.86 cm. Este sistema genera alrededor de 200 vatios de capacidad de enfriamiento. El tamaño pequeño y compacto es una característica principal de la presente invención. Asimismo, el sistema requiere una potencia relativamente baja, de 6 amperios a aproximadamente 52°C. El uso del plástico para el soporte 20 y la cubierta 22 también resulta en varias ventajas. Primera, estos productos son formados térmicamente, con tolerancias de ajuste estrechas, así que cuando se conectan, como se muestra en la Figura 2, hay un mínimo de escape del aire. Esto resulta en un flujo de aire muy eficiente, creado por el abanico 30 del condensador, a través del sistema de enfriamiento que se mueve de los ventiladores 25 en una pared lateral 27 de la cubierta a las puertas 29 de escape, en una pared lateral opuesta 31 de la cubierta. El aire fluye directamente sobre el compresor y condensador, para obtener la captura máxima de calor, antes de la expulsión desde el alojamiento. La cubierta de plástico y el soporte también aumentan la estética e integridad estructural. El diseño escalonado, mostrado en las Figuras 2 y 3, es muy efectivo. Hay una reducción en la transmisión acústica del ruido, debido a la densidad del plástico y la estructura molecular, y la incursión de la lluvia impulsada por el viento y la intrusión de insectos se reducen al mínimo. Las vibraciones desde el abanico del condensador también se reducen por la combinación de soporte y cubierta. Los controles 50 son provistos para operar el sistema de enfriamiento. Por ejemplo, la temperatura en el recinto es vigilada y cuando alcanza los 27.5°C, se activa el compresor. Cuando la temperatura cae a 18°C, se desactiva el sistema de enfriamiento. La temperatura del compresor es también vigilada y controlada.' Un problema puede desarrollarse cuando la temperatura ambiente es bastante baja, debajo de cero, por ejemplo, aunque el equipo en la cámara 16 genere calor suficiente para elevar la temperatura hasta 27.5°C. Cuando la temperatura ambiente alrededor del compresor es suficientemente baja, el refrigerante en el compresor, el cual está normalmente en su fase gaseosa, cambia a su fase líquida. Sin embargo, el compresor no se arranca cuando el refrigerante es un líquido, y el compresor puede ser dañado cuando se intenta arrancar. Un mal funcionamiento del compresor puede destruir el sistema de enfriamiento y exponer al equipo dentro de la cámara a daños . Como se mencionó, un calentador eléctrico, conectado al compresor, puede ser usado para calentarlo, pero tal arreglo es costoso y un calentador eléctrico que usa demasiada energía. Cuando el sistema está consumiendo energía desde las baterías de apoyo, debido a una carencia de energía de la comunidad, por e emplo, el consumo de energía . de los productos relevantes es crítico. Aún cuando operen con las líneas de energía de la comunidad, el uso de demasiada energía es costosa. Ahora, los enfriadores termoeléctricos ("TEC") pueden ser usados, ya que también son dispositivos de corriente continua. Sin embargo, un TEC no es muy eficiente. Por ejemplo, a 48 voltios de corriente continua y 9 amperios, la eficiencia es de aproximadamente el 26%. A 24 voltios, la eficiencia se reduce alrededor de la mitad. Otra ventaja principal de la presente invención es la provisión de un aparato de bajo costo, confiable y sencillo, para calentar el compresor, cuando sea necesario, usando el calor generado en la cámara del equipo. Haciendo de nuevo referencia a las Figuras 2 a 4 y 6, y también haciendo referencia a la Figura 5, se ilustra un conducto 60 de circuito cerrado de una tubería altamente conductiva térmicamente, tal como de cobre, formada alrededor de la porción inferior 61 del compresor 24. Esta tubería pasa a través de la pared 23 del soporte 30, para asi continuar dentro de la cámara 16 del equipo, donde el evaporador 28 está también ubicado. (Véanse las Figuras 2 y 8) . Esta porción del circuito en la cámara del equipo se diseña 64 aunque es integral y continua con el resto del conducto, fuera de la cámara del equipo, es decir, en el alojamiento 12. Un fluido que transfiere calor, senillo y barato, tal como la mezcla de etilen-glicol, se puede usar en la tubería para circular de atrás y adelante entre el compresor y la cámara del equipo. En una cámara de equipo caliente, el calor se absorbe por el fluido. Cuando el fluido es luego transportado alrededor del compresor frío, el calor en el fluido se transfiere al compresor por conducción y convección. Una bomba 66 pequeña, de corriente continua, se usa para circular el fluido selectivamente. Por ejemplo, cuando la temperatura del compresor llega a 0°C, la bomba de corriente continua se activa y cuando el compresor se ha calentado a aproximadamente 10°C, la bomba se apaga. Esta bomba de corriente continua es operada por energía de la comunidad, como el compresor, sin embargo, cuando hay una interrupción, el compresor y la bomba pequeña se energizan por las baterías sustitutas, a veinticuatro voltios de corriente continua (pero no al mismo tiempo) . Con el sistema de calentamiento sencillo, no solo es calentado el compresor, sino como una bonificación, el calor indeseable se remueve de la cámara del equipo. Esto suministra un seguridad de falla y puede también ser usado en la falla del compresor. Haciendo referencia a la Figura 5, el conductor 50 de circuito cerrado se monta o ajusta a presión sobre las aletas 68. Estas aletas, a su vez, se unen al compresor 24. Cuando se hace esto, ocurre la transferencia de calor entre el fluido que circula y el compresor, a través de la convección y conducción, aumentando asi la eficiencia. Sin embargo, se pueden usar variaciones. Por ejemplo, el conducto puede ser enrollado estrechamente alrededor del compresor, o unido con un adhesivo conductivo. La bomba de corriente continua consume poca energía. Solamente alrededor de 0.5 amperios se requieren para tanto como 120 vatios de calentamiento. En forma de contraste, un calentador eléctrico de 100 vatios, puede necesitar tanto como 4 amperios. Así, el sistema de conducto de circuito cerrado, que usa una bomba pequeña de corriente continua, es muy económico en energía. Esto suplementa bien el sistema de enfriamiento compacto, el cual opera con 6 amperios y tiene un régimen de eficiencia muy alto.
Haciendo ahora referencia a las Figuras 2 a 4 y 8, el evaporador 28 y el abanico 32 del evaporador, se montan a la pared 23 del soporte 20, para así extenderse generalmente en forma perpendicular desde la pared en la cámara del equipo. Esta disposición aumenta el flujo del aire en la cámara, para así hacer más eficiente el enfriamiento. Otra característica es que el uso del plástico formado térmicamente para la pared, ayuda a proporcionar un ajuste estrecho al alojamiento 14 del equipo, minimizando así o eliminando las fugas de aire. Igualmente, como se mencionó antes, el plástico reduce las vibraciones de la estructura y puede proporcionar la colección de condensación por el abanico formado y la boquilla 70 de descarga, como se muestra en la Figura 10. Haciendo referencia de nuevo a la Figura 6, el sistema de enfriamiento se muestra en forma esquemática. En la operación, el compresor 24 envía refrigerante comprimido caliente a través del tubo 40 al condensador 26, donde se enfría el refrigerante comprimido. El fluido luego fluye a través del tubo 42 y a través del tubo capilar 44, antes de entrar en el evaporador 28. El refrigerante pierde presión y se enfría, y luego recoge calor del medio ambiente alrededor del evaporador, es decir la cámara del equipo. El refrigerante es luego regresado al compresor por medio del tubo 46. Esto ciclo de enfriamiento, justamente descrito, se ilustra en líneas sólidas. El sub-sistema de calentamiento del compresor es dibujado en líneas de guiones, que muestran el conducto 60 de circuito cerrado, formando un círculo alrededor del compresor y se extiende a la cámara 16 del equipo en el alojamiento 14 del recinto 10. La porción del conducto en la cámara del equipo se designa con 64. La bomba 66 es también mostrada para mover selectivamente el fluido de transferencia de calor a través del conducto del circuito cerrado . Los controles 50 operan tanto la porción del compresor como la porción de la bomba de corriente continua del sistema de enfriamiento total . Los controles vigilan la cámara del equipo y operan el sistema de enfriamiento a una temperatura entre 18.32 y 29.45°C- Si el compresor funciona mal o se enfría demasiado, los controles activan la bomba de corriente continua para calentar el compresor y remover el calor desde la cámara del equipo. La bomba de corriente continua es activada a 0°C (temperatura del compresor) y desactivada a 10°C (temperatura del compresor) . La bomba de corriente continua no opera al mismo tiempo como el compresor, debido a que la temperatura del compresor es, cuando opera, mucho mayor de 10°C. Haciendo ahora referencia a la Figura 7, el compresor 24, el condensador 26 y el abanico 30 del condensador se ilustran en el alojamiento 12. El flujo del aire ambiental se indica por las líneas de puntos 72, 74. El abanico trabaja mucho debido al arreglo compacto, el cual causa una caída mayor de presión. Igualmente, el abanico del condensador trabaja mucho más que en el medio ambiental, debido a que recoge el calor desde el compresor de operación. No obstante, el arreglo del abanico axial es un intercambio efectivo para mantener bajo el consumo de energía. Igualmente útil es la cubierta 80 del condensador, Figura 9, la cual ayuda en formar el embudo del aire que fluye, para el efecto máximo . La eficiencia es también aumentada por el arreglo perpendicular del evaporador y el abanico del evaporador, mostrado en la Figura 8. El evaporador y el abanico se ubican dentro de la cámara 16 del alojamiento 14 del equipo. El equipo que genera calor se designa con 82. El flujo 84 del aire interno, generado por el abanico 32 se muestra en líneas de puntos desde un costado a otro. De nuevo la efectividad es la clave. El flujo del aire ambiental 76 a través del alojamiento 1 es también mostrado en líneas de puntos. Como se muestra en la Figura 10, una cubierta 86 del evaporador es provista para ayudar a formar el embudo del flujo del aire de la cámara, para aumentar la eficiencia. Esta superficie inferior de la cubierta y la boquilla 70 facilita el drenaje de la condensación. Durante la operación, el sistema de enfriamiento toma energía de las líneas de corriente alterna de la comunidad, y esta energía se convierte en corriente continua. Si se interrumpe la energía de la comunidad, se proporcionan baterías de apoyo. para operar el sistema de enfriamiento, que incluyen el compresor, los abanicos y similares. Si el compresor funciona mal debido a las temperaturas ambientales bajas o de otra manera, los controles activarán la bomba de corriente continua, cuando la temperatura del compresor llega a una temperatura predeterminada, preferiblemente por alrededor de 0°C. Cuando el compresor llega a 10°C, la bomba de corriente continua se desactivará. El sistema de refrigeración será activado a una temperatura de la cámara del equipo de 29.5°C y se desactiva cuando la cámara del equipo se enfría a 18°C. La especificación describe en detalle una modalidad de la presente invención y algunas variantes . Otras modificaciones y variaciones, según de la doctrina de equivalentes, se encuentran dentro del ámbito de las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, más serpentines de conductos pueden ser enrollados alrededor del compresor. Otros fluidos, tal como el Dowtherm o Dynalene, pueden ser usados. Además, el etilen-glicol puede ser mezclado con agua como un recurso para vigilar las propiedades termofísicas . Estas son todas consideradas estructuras equivalentes . Los cambios en los ajustes de la temperatura para la activación y desactivación del sistema pueden ser cambiados, sin apartarse de la invención. Las dimensiones pueden cambiar con los cambios en la capacidad del sistema de enfriamiento. Aún otras alternativas también serán equivalentes, así como muchas nuevas tecnologías . No se desea o intenta aquí limitar, de alguna manera la aplicación de las doctrinas de equivalentes .