ES2276509T3 - Maquina para fabricar hielo con descongelacion por vapor frio. - Google Patents

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Charles E. Schlosser
Cary J. Pierskalla
Scott J. Shedivy
Michael R. Lois
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Abstract

Una máquina de fabricación de hielo (2) tiene un sistema de agua, que incluye una bomba, un molde de formación del hielo y líneas de interconexión a este efecto; un sistema de refrigeración (100), que incluye un compresor (112), un condensador (114), un dispositivo de expansión (126), un evaporador (128), en contacto térmico con el molde de formación de hielo, y un receptor (118). El receptor (118) tiene una entrada (120) unida al condensador (114), una salida de líquido (122) unida al dispositivo de expansión (126) y una salida de vapor (134) unida a un paso provisto de válvula hacia el evaporador (128).

Description

Máquina para fabricar hielo con descongelación por vapor frío.
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a máquinas automáticas para fabricar hielo y, más particularmente, a una máquina automática para fabricar hielo en la que el evaporador para fabricar hielo es descongelado en un modo de recolección por vapor refrigerante frío.
Las máquinas automáticas para fabricar hielo se basan en principios de refrigeración bien conocidos en la técnica. Durante un modo de fabricación de hielo, las máquinas transfieren refrigerante desde la unidad de condensación al evaporador para enfriar el evaporador y una placa del evaporador de conformación de hielo por debajo del punto de congelación. A continuación, se hace correr o se pulveriza agua sobre la placa del evaporador de formación de hielo para formar hielo. Una vez que el hielo se ha formado completamente, un sensor conmuta la máquina de un modo de producción de hielo a un modo de recolección de hielo. Durante la recolección, el evaporador debe calentarse ligeramente de modo que el hielo congelado se derrita ligeramente y se libere de la placa del evaporador para pasar a un contenedor de recolección de hielo. Para realizar esto, la mayoría de las máquinas de fabricación de hielo de la técnica anterior utilizan una válvula de gas caliente que dirige gas refrigerante caliente canalizado desde el compresor directamente al evaporador, evitando el condensador.
En una máquina automática típica de fabricación de hielo, la unidad de compresor y de condensador genera una gran cantidad de calor y ruido. Como resultado, las máquinas de hielo se han situado típicamente en una habitación trasera de un establecimiento, en el que el calor y el ruido no provocan tantas molestias. Sin embargo, esto ha requerido que el hielo sea llevado desde la habitación trasera al lugar en que se necesita. Otro problema de tener la máquina de hielo fuera del lugar en el que se necesita el hielo, es que en muchos establecimientos de alimentación escasea el espacio debido al área de servicio de alimentación y el tamaño del volumen de una máquina de hielo normal hace un pobre uso de este espacio.
Se han diseñado diversas máquinas de fabricación de hielo en un intento de superar estos problemas. En máquinas de fabricación de hielo "remotas" típicas el condensador está situado en una ubicación remota respecto del evaporador y del compresor. Esto permite que el condensador se sitúe fuera o en un área en la que la gran cantidad de calor que disipa y el ruido del ventilador del condensador no serían un problema. Sin embargo, el compresor permanece próximo a la unidad de evaporador, de modo que puede proporcionar el gas caliente utilizado al recolectar el hielo. Aunque una máquina de fabricación de hielo típica aislada resuelve el problema de eliminar el calor disipado por el condensador, no resuelve el problema del ruido y del volumen creados por el compresor.
Otros diseños de máquina de hielo sitúan el compresor y el condensador en una ubicación remota. Estas máquinas tienen la ventaja de eliminar tanto el calor como el ruido del compresor y del condensador en una ubicación retirada de la unidad del evaporador de fabricación de hielo. Por ejemplo, la patente U.S. nº 4.276.751 de Saltzman et al. describe una unidad de compresor conectada a una o más unidades de evaporador remotas con el uso de tres tuberías de refrigerante. La primera tubería suministra refrigerante desde la unidad de compresor a las unidades de evaporador, la segunda suministra gas caliente desde el compresor directamente al evaporador durante el modo de recolección, y la tercera es una tubería de retorno común para llevar el refrigerante de nuevo desde el evaporador al compresor. El dispositivo descrito en la patente de Saltzman tiene un sensor de presión único que controla la presión de entrada del refrigerante que entra en las unidades de evaporador. Cuando la presión cae por debajo de un cierto punto, que se supone que indica que el hielo se ha formado completamente, la máquina conmuta de un modo de fabricación de hielo a un modo de recolección. Se conduce entonces gas caliente desde el compresor a las unidades de evaporador.
La patente U.S. nº 5.218.830 de Martineau describe también un sistema de fabricación de hielo remoto. El dispositivo de Martineau tiene una unidad de compresor conectada a una o más unidades de evaporador remotas a través de dos tuberías de refrigerante: una tubería de suministro y una tubería de retorno. Durante un modo de fabricación de hielo, el refrigerante pasa desde el compresor al condensador y a continuación, a través de la tubería de suministro, al evaporador. El refrigerante se vaporiza en el evaporador y vuelve al compresor a través de la tubería de retorno. Durante el modo de recolección, una serie de válvulas redirigen gas caliente de alta presión desde el compresor a través de la tubería de retorno directamente al evaporador para calentarlo. La temperatura fría del evaporador convierte el gas caliente en un líquido. El refrigerante líquido sale del evaporador y pasa a través de una válvula de solenoide y un dispositivo de expansión hacia el condensador. Cuando el refrigerante pasa a través del dispositivo de expansión y del condensador, se vaporiza formando un gas. El refrigerante gaseoso sale entonces del condensador y vuelve al compresor.
Uno de los principales inconvenientes de estos sistemas anteriores es que la gran longitud de las tuberías de refrigerante necesaria para el funcionamiento remoto provoca ineficiencias durante el modo de recolección. Esto es debido a que el gas caliente utilizado para calentar el evaporador debe recorrer la longitud de las tuberías de refrigeración desde el compresor al evaporador. Cuando se desplaza, el gas caliente libera gran parte de su calor al entorno que rodea las tuberías. Esto da como resultado un ciclo de recolección más largo y más ineficiente. Además, en grandes distancias y a bajas temperaturas ambiente, la pérdida puede llegar a ser tan grande que la descongelación por gas caliente deje de funcionar adecuadamente del todo.
Algunos sistemas de refrigeración que utilizan múltiples evaporadores en paralelo se han diseñado para usar gas caliente para descongelar uno de los evaporadores mientras los otros están en un modo de refrigeración. Por ejemplo, en una tienda de comestibles con múltiples muebles de almacenamiento y exposición de alimentos fríos y congelados, uno o más compresores pueden alimentar a un condensador y a un colector de refrigerante líquido que suministra a dispositivos de expansión y evaporadores independientes para enfriar cada mueble. Un sistema de descongelación por gas caliente con un temporizador para dirigir el gas caliente a un evaporador cada vez, se describe en la patente U.S. nº 5.323.621. La descongelación por gas caliente en tales sistemas es efectiva incluso aunque el compresor esté situado alejado de los evaporadores debido a la gran carga de calor latente producida por los enseres refrigerados en exceso del calor requerido para descongelar serpentines evaporadores seleccionados durante la refrigeración continuada de los enseres restantes. Aunque hay algunas ineficiencias y otros problemas asociados a tales sistemas, una serie de patentes describen mejoras de los mismos, tales como las patentes U.S. nº 4.522.037 y nº 4.621.505. Estas patentes describen sistemas de refrigeración en los que se usa gas refrigerante saturado para descongelar uno de varios evaporadores del sistema. Los sistemas de refrigeración incluyen un receptor de impulsos y una válvula de control de impulsos que permite que el gas caliente procedente del compresor evite el condensador y entre en el receptor. Sin embargo, estos sistemas están diseñados para uso con múltiples evaporadores en paralelo y no funcionarían adecuadamente si se utilizara únicamente un solo evaporador o si se utilizaran múltiples evaporadores en serie. Quizá más importante es que estos sistemas están diseñados para instalaciones en las cuales el coste del tendido de tuberías de refrigerante entre los compresores en una sala de equipos, un condensador exterior y múltiples evaporadores en la parte principal de un establecimiento no es un factor significativo en el diseño. Estos sistemas de refrigeración no serían efectivos desde el punto de vista del coste y, posiblemente, no serían ni siquiera practicables si se aplicaran a máquinas de fabricación de hielo.
Un buen ejemplo de tal situación es la patente U.S. nº 5.381.665 de Tanaka, que describe un sistema de refrigeración para un escaparate de alimentos que tiene dos evaporadores en paralelo. Un receptor suministra refrigerante vaporoso a los evaporadores a través de la misma tubería de alimentación que la que se usa para suministrar refrigerante líquido a los evaporadores. El sistema tiene un condensador, un compresor y evaporadores, todos ellos situados independientemente uno de otro. Tal sistema no sería económico si se aplicara a máquinas de hielo en las que tendrían que instalarse diferentes conjuntos de tuberías de refrigerante entre cada una de las ubicaciones de las diversas partes. Además, si el compresor y sus componentes asociados se llevaran al exterior para estar en estrecha proximidad de un condensador remoto, el sistema no sería capaz de recolectar hielo a baja temperatura ambiente debido a que el receptor estaría demasiado frío para evaporar súbitamente refrigerante cuando se desee descongelar los evaporadores.
La patente U.S. nº 5.787.723 describe una máquina de fabricación de hielo remota que supera los inconvenientes mencionados anteriormente. Una o más unidades de evaporación remotas se abastecen de refrigerante desde un condensador y un compresor remotos. Además, si se usa una pluralidad de unidades de evaporación, éstas pueden hacerse funcionar independientemente en un modo de recolección o de fabricación de hielo. El calor para descongelar los evaporadores en un modo de recolección es suministrado preferiblemente desde un calentador de resistencia eléctrica independiente. Aunque los elementos de calentamiento eléctricos han demostrado ser satisfactorios para recolectar hielo del evaporador, éstos aumentan el coste del producto. Así, un método de recolección de hielo en la máquina de hielo remota de la patente U.S. nº 5.787.723 sin elementos de calentamiento eléctricos sería una gran ventaja. Una máquina de fabricación de hielo que incluya un sistema de descongelación que utilice gas refrigerante y pueda usarse cuando el sistema tenga solamente un evaporador o un sistema económicamente instalado con múltiples evaporadores que funcione también en condiciones ambiente bajas, sería también una gran ventaja.
La patente US 4.404.810 describe un método de fabricar hielo tubular sobre tubos refrigerados. Como se muestra por la figura 1, la patente US 4.404.810 comprende un compresor 10, un condensador 12, un receptor 14, un separador-acumulador 20 y tubos 25, 26, 27. Se suministra refrigerante líquido desde un conducto 22 a los tubos 25, 26, 27. Los tubos 25, 26, 27 tienen fondos falsos 31, 32, 33 para impedir la congelación del hielo sobre el fondo de los tubos 25, 26, 27 durante un modo de congelación. Un conducto de retorno 50 permite que vuelva refrigerante gaseoso al separador-acumulador 20. Una tubería 66 permite que pase refrigerante gaseoso caliente desde el receptor 14 a través de una válvula 68 controlada por solenoide a un colector 71 y así a los tubos 25, 26, 27 a fin de calentar los tubos y los manguitos libres de hielo de los tubos. Se utilizan toberas 61 para descargar agua sobre los tubos 25, 26, 27.
Se conoce otro aparato de fabricación de hielo por la patente US nº 4.404.810.
Sumario de la invención
Se ha inventado una máquina de fabricación de hielo en la cual el compresor y el condensador están lejos del evaporador, pero no requieren calentadores eléctricos para calentar el molde de formación de hielo ni requieren que se desplace gas caliente al evaporador desde el compresor. Además, el sistema de refrigeración funcionará en condiciones ambiente bajas y no es caro de instalar.
Según un aspecto de la invención, se proporciona un aparato de fabricación de hielo como el que expone en la reivindicación 1.
Según otro aspecto de la invención, se proporciona un método de fabricación de hielo en cubos como el que se expone en la reivindicación 8.
El uso de vapor refrigerante frío de un receptor para descongelar un evaporador tiene varias ventajas. Elimina la necesidad de una unidad de calentamiento eléctrica o los problemas asociados con la canalización de gas caliente a lo largo de una gran distancia en una configuración de compresor remoto. Dado que el vapor frío está situado dentro del serpentín del evaporador, hay una transferencia de calor excelente a las partes del sistema que necesitan ser calentadas. El sistema puede usarse para descongelar el evaporador cuando haya solamente un evaporador en el sistema de refrigeración o múltiples evaporadores en serie, así como evaporadores en paralelo.
Estas y otras ventajas de la invención se entenderán mejor a la vista de los dibujos adjuntos.
Breve descripción de varias vistas de los dibujos
La figura 1 es una vista en perspectiva de una máquina de hielo remota que incluye una unidad de fabricación de hielo y una unidad de condensación y que utiliza la presente invención.
La figura 2 es una vista en despiece ordenado de la unidad de condensación de la figura 1.
La figura 3 es una vista en perspectiva del área eléctrica de la unidad de condensación de la Figura 2.
La figura 4 es una vista en perspectiva del lado trasero de la unidad de fabricación de hielo de la figura 1.
La figura 5 es una vista en alzado frontal de la unidad de fabricación de hielo de la figura 4.
La figura 6 es una vista en alzado del receptor usado en la máquina de fabricación de hielo de la figura 1.
La figura 6A es un diagrama esquemático de un receptor alternativo para uso en la invención.
La figura 7 es un dibujo esquemático de una primera realización de un sistema de refrigeración usado en la presente invención.
La figura 8 es un dibujo esquemático de una segunda realización de un sistema de refrigeración usado en la presente invención.
La figura 9 es un dibujo esquemático de una tercera realización de un sistema de refrigeración usado en la presente invención.
La figura 10 es un dibujo esquemático de un sistema de refrigeración usado en una realización de evaporador doble de la presente invención.
La figura 11 es un dibujo esquemático que muestra la ubicación de diversos componentes en el tablero de control usado en la máquina de fabricación de hielo de la figura 1.
La figura 12 es un diagrama de cableado para la unidad de fabricación de hielo de la figura 4.
La figura 13 es un diagrama de cableado para la unidad de condensación de la figura 2 utilizando corriente alterna monofásica.
La figura 14 es un diagrama de cableado para la unidad de condensación de la figura 2 utilizando una corriente alterna trifásica.
Descripción detallada de los dibujos y de las realizaciones preferidas de la invención
La figura 1 muestra la realización preferida de la presente invención, o sea, un aparato o máquina automático 2 para fabricar hielo que tiene una unidad de condensación 6 y una unidad de fabricación de hielo 8. La unidad de condensación 6 contiene un compresor 12 y un condensador con un ventilador y un motor y está montada generalmente en el tejado 104 de un edificio o podría ubicarse fuera en el suelo o en una habitación trasera. La unidad de fabricación de hielo 8 contiene un evaporador y un molde de formación de hielo y está ubicada normalmente en la porción principal de un edificio. Como se muestra, la unidad de fabricación de hielo 8 se asienta típicamente encima de un recipiente de almacenamiento de hielo 9. Los nuevos sistemas de refrigeración usados en máquinas de hielo de la presente invención pueden ser útiles también en otros equipos que incluyan sistemas de refrigeración.
La máquina de fabricación de hielo automática preferida 2 es muy similar a una máquina de fabricación de hielo remota de la marca Manitowoc, tal como el modelo QY 1094 N. Así, no se expondrán muchas características de tal máquina. En cambio, se expondrán principalmente las características por las cuales difiere la presente invención. Se expondrán algunos componentes, tal como el compresor 12, aunque no hay diferencia entre ese componente específico en la máquina de fabricación de hilo remota modelo QY 1094 N y en la realización preferida de la invención. Sin embargo, es necesario hacer referencia a estas partes comunes a la técnica anterior y a la realización preferida de la invención para exponer las nuevas características de la invención.
La presente invención se refiere al sistema de refrigeración de la máquina de hielo. Se discutirán primero varias realizaciones diferentes de sistemas de refrigeración que podrían utilizarse para poner en práctica la presente invención. A continuación, se describirá la máquina de fabricación de hielo total.
La Figura 8 representa una realización preferida de un sistema de refrigeración 100 que puede usarse en máquinas de hielo de la presente invención. La doble línea a través de la figura representa el tejado 104 de la Figura 1. El sistema 100 incluye un compresor 112 conectado a un condensador 114 por una tubería de refrigerante 113. Aunque se muestra un bucle del entubado del condensador, deberá entenderse que el condensador puede construirse con cualquier número de bucles de entubado de refrigerante utilizando diseños de condensador convencionales. La tubería de refrigerante 115 desde el condensador está conectada a una válvula 116 de control de la presión de carga. Una tubería de derivación 117 desde el compresor alimenta también a la válvula de control de la presión de carga, tal como una válvula de la marca Head Master. La válvula 116 de control de la presión de carga es convencional y se usa para mantener una presión de carga suficiente en el lado de alta presión del sistema de refrigeración, de modo que el dispositivo de expansión y otros componentes del sistema funcionen adecuadamente. La válvula 116 de control de la presión de carga y la tubería de derivación 117 se prefieren para funcionamientos a baja temperatura ambiente.
El refrigerante de la válvula 116 de control de la presión de carga fluye hacia el receptor 118 a través de la tubería de refrigerante 119 y de la entrada 120. La tubería 119 se denomina frecuentemente tubería de alimentación o tubería de líquido. Sin embargo, especialmente cuando se abre la válvula de control de la presión de carga, fluirá refrigerante vaporoso, o refrigerante vaporoso y líquido, a través de la tubería 119. Se retira refrigerante líquido del receptor 118 a través de una salida de líquido 122, preferiblemente en forma de un tubo que se extiende hasta cerca del fondo del receptor 118. El refrigerante líquido se desplaza desde el receptor 118 a través de la salida 122 y de la tubería de refrigerante 121 a través de un secador 124 y un dispositivo de expansión, preferiblemente una válvula de expansión térmica 126. El refrigerante de la válvula de expansión térmica 126 fluye al evaporador 128 a través de una tubería 123. Desde el evaporador 128 fluye el refrigerante a través de una tubería 125 de regreso al compresor 112, pasando a través de un acumulador 132 en el camino. El acumulador 132, el compresor 112 y el evaporador 128 son también de diseño convencional.
Una característica singular del sistema de refrigeración 100 es que el receptor 118 tiene una salida de vapor 134. Esta salida es preferiblemente un tubo que se extiende únicamente hasta un punto interior cerca de la parte superior del receptor. En el sistema 100, todo el refrigerante entra en el receptor 118. Se separa el refrigerante que entra en el receptor, con la fase líquida en el fondo y una fase de vapor encima de ella. Las cantidades relativas de líquido y vapor en el receptor 118 dependerán de una serie de factores. El receptor 118 deberá diseñarse de tal modo que los tubos de salida 122 y 134 estén situados, respectivamente, en las secciones de líquido y vapor en todas las condiciones de funcionamiento esperadas. Durante un ciclo de congelación de una máquina de hielo, el vapor permanece atrapado en el receptor 118. Sin embargo, cuando se usa el sistema durante un modo de recolección de una máquina de fabricación de hielo, se abre la válvula 136. Se abre así el paso entre el receptor 118 a través de la salida de vapor 134 y de las tuberías de refrigerante 131 y 133 hasta el evaporador 128 y la salida de vapor se conecta por medio del paso con válvula directamente al evaporador. El vapor frío desprendido de la parte superior del receptor 118 es hecho pasar entonces a través del evaporador, en donde se condensa parte de él. El calor cedido a medida que el refrigerante se convierte en líquido a partir del vapor se usa para calentar el evaporador 128. Esto da como resultado que se libere hielo del evaporador en una máquina de hielo.
La cantidad de vapor en el receptor al comienzo de un ciclo de recolección puede ser insuficiente para calentar el evaporador hasta un punto en que se desprenda el hielo. Sin embargo, cuando se retira vapor del receptor, parte del refrigerante en el receptor se vaporiza hasta que el receptor llega a estar demasiado frío para vaporizar más refrigerante. Esto da como resultado también una presión inferior en la salida o lado alto del compresor.
Cuando la presión en el lado alto del compresor cae por debajo de un punto deseado, se abre la válvula 116 de control de la presión de carga y se suministra gas caliente del compresor al receptor 118 a través de la tubería de derivación 117 y de la tubería de líquido 119. Este vapor caliente realiza dos funciones. En primer lugar, ayuda a calentar el líquido en el depósito receptor 118 para ayudar a su vaporización. En segundo lugar, sirve como fuente de vapor que se mezcla con el vapor frío para ayudar a descongelar el evaporador. Sin embargo, el vapor que se utiliza para descongelar el evaporador está mucho más frío que el gas caliente que proviene directamente del compresor en un sistema de descongelación por gas caliente convencional.
En el pasado, se creía que se necesitaba el calor sensible del refrigerante supercalentado en "la descongelación por gas caliente" en una máquina de hielo para calentar el evaporador hasta el punto en el que se libera el hielo. Sin embargo, a la vista del descubrimiento de la presente invención, se aprecia que es el calor latente del vapor que se condensa en el evaporador, en vez del gas caliente del compresor, el que se necesita para la recolección. Así, utilizando un receptor de un diseño único, pueden suministrarse grandes cantidades de refrigerante de vapor frío al evaporador en un modo de recolección.
La figura 7 muestra una segunda realización de un sistema de refrigeración 10 que se desarrolló antes que la realización de la figura 8. El sistema de refrigeración 10 es muy similar al sistema de refrigeración 100 de la figura 8 excepto en que se utilizaron la válvula de solenoide 30 y los tubos capilares 27 en el sistema 10. Las mismas partes se han numerado así con los mismos números de referencia, con una diferencia de 100. Si se cierra la válvula de solenoide 30, el refrigerante de retorno fluye a través de los tubos capilares 27 en relación de transferencia de calor con los serpentines del condensador 14. El calor del condensador ayuda a vaporizar cualquier refrigerante en forma líquida que vuelva del evaporador. Se descubrió que la válvula de solenoide 30 y los tubos capilares 27 eran innecesarios para el funcionamiento adecuado del sistema de refrigeración en una máquina automática de fabricación de hielo, ya que el refrigerante líquido procedente del evaporador 128 durante el modo de recolección se congregaría en el acumulador 132.
La figura 9 muestra una tercera realización de un sistema de refrigeración 200. Este sistema de refrigeración está diseñado particularmente para uso en un aparato de fabricación de hielo en el que un condensador y un compresor en la unidad de condensación 206 están situados lejos de un evaporador alojado en una unidad de fabricación de hielo 208. El sistema de refrigeración 200 usa los mismos componentes que el sistema de refrigeración 100 con unos pocos componentes adicionales. Los componentes en el sistema 200 que son los mismos que los componentes en el sistema 100 tienen los mismos números de referencia, con un añadido de 100. Así, el compresor 212 del sistema 200 puede ser el mismo que el compresor 112 del sistema 100. El sistema 200 incluye unos pocos utensilios de control más. Por ejemplo, un control de ciclo de ventilador 252 y un control de corte de alta presión 254 están conectados al lado de alta presión del compresor 212. Un control de corte de baja presión 256 está incluido en el lado de succión del compresor 212. Estos utensilios son convencionales y sirven para las mismas funciones que en los sistemas de refrigeración de máquinas automáticas de fabricación de hielo de la técnica anterior. Una válvula de retención 258 está incluida en la tubería de refrigerante 219 en el lado de entrada del receptor 218. Además del secador 224, una válvula de corte manual 260 y una válvula de solenoide 262 de la tubería de líquido están incluidas en la tubería de refrigerante desde el receptor 218 a la válvula de expansión térmica 226. La figura 9 muestra también el tubo capilar y el bulbo 229 conectados al lado de salida del evaporador 228 que controlan la válvula de expansión térmica 226. No se muestra en la figura 9 el hecho de que la tubería de refrigerante 221 entre la válvula de solenoide de líquido 262 y la válvula de expansión térmica 226 está acoplada preferiblemente en una relación de intercambio de calor con la tubería de refrigerante 225 que procede del evaporador 228. Sin embargo, esto se muestra en la figura 4. Éste enfría previamente el refrigerante líquido que procede del receptor 218, tal como es convencional.
El solenoide de vapor frío 236 es accionado de manera similar a la válvula de solenoide 136 para permitir que el vapor frío del receptor 218 fluya hacia el evaporador 228 durante un modo de recolección. La válvula 216 de control de la presión de carga funciona de manera similar a la válvula 116 de control de la presión de carga para mantener la presión en el lado alto del sistema de refrigeración 200.
El tubo en forma de J 235 del acumulador 232 incluye preferiblemente orificios cerca de la parte inferior, de modo que cualquier aceite en el refrigerante que se recoja en la parte inferior del acumulador será drenado hacia el compresor 212, tal como es convencional.
A veces, las máquinas de hielo se construyen con múltiples evaporadores. Cuando se desea una alta capacidad de producción de hielo, dos o más evaporadores pueden producir mayores volúmenes de hielo. Un evaporador dos veces más grande produciría también posiblemente dos veces más hielo, pero la fabricación de un evaporador tan grande puede que no sea factible. La presente invención puede usarse con múltiples evaporadores.
La figura 10 muestra una cuarta realización preferida de un sistema de refrigeración 300 en el que la máquina de hielo tiene dos evaporadores 328a y 328b. El sistema de refrigeración 300 es muy similar al sistema de refrigeración 200 excepto en que algunas partes están duplicadas, tal como se describe más abajo. Por tanto, los números de referencia en la figura 10 tienen un añadido de 100 en comparación con los números de referencia de la figura 9.
Se usan dos válvulas de expansión térmicas 326a y 326b que suministran refrigerante líquido a través de tuberías 323a y 323b a los evaporadores 328a y 328b, respectivamente. Cada una está equipada con su propio tubo capilar y bulbo sensor 329a y 329b. Asimismo, se utilizan dos válvulas de solenoide 336a y 336b para controlar el flujo de vapor frío a los evaporadores 328a y 328b a través de las tuberías 333a y 333b. Esto permite que los dos evaporadores funcionen cada uno con una eficiencia máxima y congelen hielo a su propio ritmo independiente. Por supuesto, es posible utilizar una válvula de expansión térmica, pero entonces, debido a que sería muy difícil equilibrar la demanda de refrigerante en cada evaporador, un evaporador (el evaporador retrasado) no estaría lleno en el momento de descongelar el otro evaporador.
El hecho de tener dos válvulas de solenoide independientes 336a y 336b permite que una válvula se cierre una vez que se ha recolectado el hielo del evaporador asociado. En el momento de la recolección se abrirán las válvulas de solenoide 336a y 336b y se permitirá que fluya vapor frío del receptor 318 hacia las tuberías 333a y 333b y hacia los evaporadores 328a y 328b. Ambos evaporadores entran en la fase de recolección al mismo tiempo. Sin embargo, una vez que cae hielo del evaporador 328a, se cerrará la válvula 336a y funcionará en vacío el evaporador 328a mientras el evaporador 328b finaliza la recolección. Con la válvula 336 cerrada, no se desperdicia vapor frío para calentar adicionalmente el evaporador 328a, sino que más bien se utiliza todo para descongelar el evaporador 328b. Por supuesto, lo contrario es cierto también si el evaporador 328b recoge primero.
El receptor de la presente invención debe ser capaz de separar refrigerante líquido y vaporoso y tener una salida independiente para cada uno. El vapor extraído del receptor no estará normalmente en condiciones de saturación, especialmente cuando se abre la válvula de control de la presión de carga, debido a que la transferencia de calor y masa entre el líquido y el vapor en el receptor es bastante limitada. En la realización preferida, el receptor 18 (figura 6) es de forma generalmente cilíndrica y está situado de modo que la pared del cilindro sea vertical cuando está en uso (figura 4). Preferiblemente, todas las conexiones de entrada y de salida pasan a través de la parte superior del receptor. Esto permite que el receptor sea construido con sólo una parte que necesita agujeros en ella, y los agujeros pueden troquelarse todos ellos en una operación de troquelado para minimizar el coste. El tubo de entrada 20 puede terminar en cualquier lugar del receptor, pero, preferiblemente, termina cerca de la parte superior. La salida del líquido 22 termina cerca de la parte inferior, y la salida de vapor 34 termina cerca de la parte superior. Así, lo más práctico es hacer que los tres tubos pasen a través del panel extremo superior del cilindro. Por supuesto, pueden usarse otros diseños de receptor en tanto pueda extraerse vapor frío del receptor para alimentar al evaporador durante los modos de recolección o descongelación. La figura 6A muestra otro receptor 418 en el que la entrada 420 está montada en la pared lateral del receptor 418. La salida de líquido 422 sale también a través de la pared lateral del receptor, pero tiene un tubo de inmersión en un codo de 90º de modo que el extremo del tubo de salida 422 esté cerca del fondo del receptor 418. Análogamente, la salida de vapor 434 está montada en el costado, pero tiene un extremo vuelto hacia arriba de modo que se extraerá vapor frío de la proximidad de la parte superior del receptor 418.
La válvula de control de la presión de carga realiza dos funciones en la realización preferida de la invención. Durante el modo de congelación, especialmente a temperaturas ambiente bajas, mantiene la presión mínima de funcionamiento. Durante el modo de recolección, proporciona una derivación. Si no se usara la válvula de control de la presión de carga, el ciclo de recolección sería más largo, se necesitaría más refrigerante en el sistema y el receptor llegaría a enfriarse y a sudar. En lugar de la válvula de control de la presión de carga, la tubería 217 podría unirse directamente a la tubería 215 y podría usarse una segunda válvula de solenoide en la tubería 217 (Figura 9) para permitir que refrigerante comprimido del compresor vaya directamente al receptor 218. Sin embargo, los controles eléctricos requerirían entonces que corriera un cableado entre la unidad de condensación 206 (que comprende el compresor y el condensador) y la unidad de fabricación de hielo 208 (que comprende el evaporador y el receptor). Con el diseño preferido de la figura 9, las dos secciones pueden estar separadas por un tejado 204 o pared y una gran distancia y solamente dos tuberías de refrigerante necesitan discurrir entre las secciones. Así, la unidad de fabricación de hielo 208 puede situarse dentro de un edificio, incluso cerca del lugar en el que los clientes puedan querer recibir cubos de hielo, y el compresor y el condensador pueden ubicarse en el exterior, en donde el calor y el ruido asociados a ellos no molestarán a los ocupantes del edificio.
El sistema de refrigeración de la figura 9 puede usarse con los otros componentes de una máquina de fabricación de hielo remota típica con pocos cambios. Por ejemplo, el tablero de control para una máquina de fabricación de hielo remota controlada electrónicamente puede usarse para hacer funcionar una máquina de fabricación de hielo que utilice el sistema de refrigeración de la figura 9. En lugar del tablero de control que señaliza la apertura de una válvula de descongelación por gas caliente al comienzo de un ciclo de recolección, puede usarse la misma señal para abrir la válvula de solenoide 236. Sin embargo, en comparación con la máquina de fabricación de hielo remota típica, el compresor puede ubicarse ahora en el exterior junto con el condensador.
Los otros componentes de la máquina de fabricación de hielo pueden ser convencionales. Por ejemplo, la máquina de hielo incluirá normalmente un sistema de agua (figura 5) que comprende una bomba de agua 42, un distribuidor de agua 44, un molde de formación de hielo 46 y tuberías de agua de interconexión 48. El molde de formación de hielo 46 está hecho típicamente de una bandeja con divisores en ella que definen compartimientos de cubos de hielo independientes y el serpentín de evaporación está asegurado a la parte trasera de la bandeja. La máquina de hielo puede incluir también un sistema de limpieza y controles electrónicos, como se describe en la patente U.S. nº 5.289.691, u otros componentes de máquinas de hielo descritas en las patentes U.S. n^{os} 5.193.357; 5.140.831; 5.014.523; 4.898.002; 4.785.641; 4.767.286; 4.550.572; y 4.480.441, cada una de las cuales se incorpora aquí por referencia. Por ejemplo, se incluye a menudo un tapón blando en un sistema de refrigeración, de modo que si la máquina de hielo comienza a arder, el tapón se fundirá antes de que explote cualquier componente del sistema de refrigeración.
En la Figura 2 se muestran componentes típicos de la unidad de condensación 6. Además del compresor 12 y el condensador 14, que está hecho de entubado en serpentina (solamente pueden verse los codos del mismo), la unidad de condensación incluirá también un ventilador de condensador 50 y un motor, válvulas de acceso 52, la válvula 16 de control de la presión de carga y el acumulador 32. Los componentes eléctricos, tales como un condensador de arranque de compresor 54, un condensador de marcha 56, relés, el control de ciclo de ventilador 252, el control de corte de alta presión 254 y el control de corte de baja presión 256 están contenidos típicamente en una sección eléctrica en una esquina de la unidad de condensación 6.
La unidad de fabricación de hielo 8 contiene la porción del sistema de refrigeración mostrada en la figura 4 y el sistema de agua mostrado en la figura 5. En este caso, los componentes del sistema de refrigeración 200 están representados como si estuvieran en la unidad de fabricación de hielo 8. Sin embargo, podrían utilizarse también el sistema de refrigeración 10 o el sistema de refrigeración 100. Además, el evaporador 228 y el receptor 218, la unidad de fabricación de hielo 8 incluye también preferiblemente el secador 224, la válvula de solenoide de líquido 216, la válvula de retención 258, la válvula de solenoide 236 y la válvula de expansión térmica 236. Debido a que el receptor 218 está incorporado preferiblemente en el mismo mueble que el evaporador 226, estará normalmente en las condiciones ambiente de la temperatura de la habitación. Como resultado, el receptor se mantiene bastante caliente, lo que ayuda a proporcionar suficiente vapor para recolectar el hielo.
La figura 11 representa un tablero de control 70 para uso con la máquina de hielo 2. Los elementos en el tablero de control pueden ser preferiblemente los mismos que los elementos en un tablero de control una máquina de hielo remota modelo QY 1094 N de Manitowoc Ice, Inc. Las luces 71, 72, 73 y 74 indican, respectivamente, si la máquina está en un modo de limpieza, si el nivel de agua es bajo, si el recipiente de hielo está lleno y si la máquina está en un modo de recolección. Asimismo, hay un ajuste de tiempo 75 para una purga de agua que tiene lugar entre cada ciclo de congelación. El fusible 76 del sistema de control y el enchufe accesorio 77 del sistema de limpieza automática se encuentran también sobre el tablero de control, y lo mismo ocurre con el enchufe eléctrico 78 del voltaje de la línea de corriente alterna y el enchufe eléctrico 79 de bajo voltaje de corriente continua. El tablero de control incluye también terminaciones a modo de pala 80, 81 y 82, respectivamente, para una sonda de grosor de hielo, una sonda de nivel de agua y un cableado a tierra extra para un sistema de limpieza.
La figura 12 es un diagrama de cableado para la unidad de fabricación de hielo 8. Además del tablero de control 70 y muchos de sus componentes, la figura 12 muestra el cableado para un interruptor de recipiente 83 y una vista de trabajo interna del interruptor de palanca acodada 84 del selector de limpieza para el cual la posición superior es para el funcionamiento de fabricación de hielo normal, la posición intermedia es la posición de desconectado y la posición inferior es el modo de limpieza. La figura 12 muestra también el cableado para una válvula de agua 85, la válvula de solenoide de vapor frío 236 (y en líneas de puntos, la segunda válvula 336b cuando se usan evaporadores dobles), un solenoide de descarga de agua 86, la bomba de agua 42 y la válvula de solenoide 262 de la tubería de líquido.
La figura 13 es un diagrama de cableado que muestra los circuitos durante el ciclo de congelación para la unidad de condensación 6 utilizando 230 V de corriente alterna monofásica. El motor principal 12 del compresor se muestra junto con un calentador de cárter de cigüeñal 87. El corte 254 de la presión elevada, el corte 256 de la presión baja, el control de ciclo de ventilador 252 y el motor 50 del ventilador del condensador con un condensador de marcha incorporado se muestran también junto con el condensador 56 de marcha del compresor y el condensador de arranque 54. Asimismo, se muestran un relé 88, una bobina de contactor 91 y contactos de contactor 92 y 93.
La figura 14 es un diagrama de cableado, que muestra de nuevo las conexiones durante el ciclo de congelación, para la unidad de condensación 6 utilizando 230 V de corriente alterna trifásica. Los componentes que son los mismos que los de la figura 13 tienen los mismos números de referencia.
Como se advierte anteriormente, no es necesario tender un cable eléctrico entre la unidad de condensación 6 y la unidad de fabricación de hielo 8. La unidad de fabricación de hielo 8 funciona preferiblemente con un circuito de salida de pared estándar, mientras que se suministrará normalmente un voltaje más alto a la unidad de condensación 6.
La presente invención permite que el compresor y el condensador estén situados remotamente, de modo que el ruido y el calor queden fuera del entorno en el que los empleados o clientes utilizan el hielo. Sin embargo, el evaporador hace la recolección utilizando refrigerante. Los resultados de ensayo muestran que estas mejoras se obtienen sin pérdida de capacidad de hielo con un tiempo de recolección comparable y una eficiencia de energía comparable. Además, dado que se elimina la descongelación por gas caliente, el compresor se fuerza menos durante el ciclo de recolección, lo cual se espera que mejore la vida del compresor. Únicamente se necesitan dos tuberías de refrigerante debido a que cualquier gas caliente de la válvula de control de la presión de carga puede ser empujado hacia abajo por la tubería de líquido con refrigerante líquido del condensador y puede ser separado entonces más tarde en el receptor.
Preferiblemente, el sistema de refrigeración usa un acumulador extragrande directamente antes del compresor que separa cualquier refrigerante líquido devuelto durante el ciclo de recolección. El refrigerante de vapor pasa a través del acumulador. El refrigerante líquido queda atrapado y se dosifica de nuevo a una velocidad controlada a través del comienzo del ciclo de refrigeración siguiente.
El compresor bombea preferiblemente todo el refrigerante hacia "el lado alto" del sistema (condensador y receptor), de modo que el líquido no pueda alcanzar el cárter del cigüeñal del compresor durante un ciclo de apagado. Una válvula de retención magnética se utiliza preferiblemente para impedir la migración del refrigerante del lado alto durante los ciclos de apagado. Los calentadores del cárter del cigüeñal impiden la condensación del refrigerante en el cárter del cigüeñal durante períodos de apagado a temperaturas ambiente bajas.
Las realizaciones remotas comerciales de la invención se diseñan para trabajar en condiciones ambiente en el intervalo de -20 a 130ºF (-29 a 54ºC). Preferiblemente, la unidad de fabricación de hielo se carga previamente con refrigerante y, cuando se instalan los conjuntos de tuberías, se crea un vacío después de que se suelden las tuberías, y a continuación se abren las válvulas de evacuación y se libera refrigerante del receptor hacia el sistema. El tamaño de las diversas tuberías de refrigerante será preferiblemente conforme a los estándares de la industria. Asimismo, como es común, el acumulador incluirá preferiblemente un orificio.
La cantidad preferida de refrigerante en el sistema dependerá de una serie de factores pero puede determinarse por una experimentación de rutina, tal como es una práctica estándar en la industria. La presión de carga mínima deberá elegirse de modo que optimice las prestaciones del sistema, equilibrando los ciclos de congelación y recolección. El tamaño del orificio en el acumulador deberá seleccionarse también para maximizar las prestaciones, teniendo en cuenta al propio tiempo las temperaturas críticas y la protección para el compresor. Estos y otros aspectos de la invención se entenderán bien por un experto ordinario en la materia.
Deberá apreciarse que los sistemas y los métodos de la presente invención son capaces de incorporarse en forma de una variedad de realizaciones, de las cuales solamente unas pocas se han ilustrado y descrito anteriormente. La invención puede realizarse en otras formas sin apartarse de su espíritu o sus características esenciales. Por ejemplo, en vez de usar un evaporador de formación de hielo hecho de divisores montados en una bandeja con serpentines de evaporador en la parte trasera, podrían usarse otros tipos de evaporadores. Asimismo, en lugar de agua que fluya hacia abajo sobre una placa de evaporador vertical, podría formarse hielo pulverizando agua sobre un evaporador de formación de hielo horizontal.
Aunque se han descrito con componentes únicos la máquina de hielo de la realización preferida, algunas máquinas de hielo pueden tener múltiples componentes, tales como dos bombas de agua o dos compresores. Además, dos sistemas de refrigeración completamente independientes pueden alojarse en un solo mueble, tal como cuando se usa un único ventilador para enfriar dos serpentines de condensador separados pero interrelacionadas. Aunque no se prefiere, podría construirse un sistema en el que un compresor suministrara a dos evaporadores accionados independientemente, en donde se usaran válvulas de retención extra y otros controles, de modo que un evaporador podría estar en un modo de descongelación mientras el otro evaporador estuviera en un modo de congelación.
Se apreciará que la adición de algunos pasos de proceso, materiales o componentes no incluidos específicamente tendrán un impacto adverso en la presente invención. Por tanto, el mejor modo de la invención puede excluir pasos de proceso, materiales o componentes distintos de los listados anteriormente para su inclusión o uso en la invención. Sin embargo, las realizaciones descritas deben considerarse en todos los aspectos únicamente como ilustrativas y no restrictivas y, por tanto, el alcance de la invención está indicado por las reivindicaciones adjuntas y no por la descripción anterior.

Claims (16)

1. Aparato de fabricación de hielo (2) que comprende:
a) un sistema de agua que incluye una bomba (42), un molde de formación de hielo (46) y tuberías interconectadas (48) para ellos; y
b) un sistema de refrigeración que comprende:
i)
un evaporador (28; 128; 228; 328a, 328b) en contacto térmico con dicho molde de formación de hielo,
ii)
un compresor (12; 112; 212; 312),
iii)
un condensador (14; 114; 214; 314),
iv)
un dispositivo de expansión (26; 126; 226; 326a; 326b),
v)
tuberías de refrigerante que discurren entre el condensador, el compresor y el evaporador, y
vi)
un receptor (18; 118; 218; 318) que tiene una entrada (20; 120; 220; 320), una salida de líquido (22; 122; 222; 322) y una salida de vapor (34; 134; 234; 334), estando conectada la entrada al condensador, estando conectada la salida de líquido al dispositivo de expansión, el cual a su vez está conectado al evaporador, y estando conectada la salida de vapor por un paso con válvula (36; 136; 236; 336a, 336b) al evaporador,
caracterizado porque
tanto el compresor como el condensador están lejos del evaporador;
el molde de formación de hielo comprende cavidades para formar cubos de hielo;
una válvula de control de presión de carga (16; 116; 216; 316) o una válvula de solenoide está situada entre el condensador y el receptor para permitir que el gas del compresor evite el condensador y entre en el receptor durante un modo de fabricación de hielo; y
en el que el sistema de agua y el evaporador están situados en una unidad de fabricación de hielo (8), y el compresor situado alejado y el condensador no están ubicados dentro de la unidad de fabricación de hielo que aloja el sistema de agua y el evaporador.
2. Aparato de fabricación de hielo según la reivindicación 1, en el que el receptor (18; 118; 218; 318) está situado en la unidad de fabricación de hielo (8).
3. Aparato de fabricación de hielo según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el receptor (18; 118; 218; 318) tiene forma generalmente cilíndrica, con una pared y dos extremos, y tiene tuberías para la entrada, la salida de vapor y la salida de líquido que pasan todas ellas a través de un extremo de cilindro.
4. Aparato de fabricación de hielo según la reivindicación 3, en el que el receptor (18; 118; 218; 318) está situado de tal modo que la pared del cilindro es vertical y la entrada, la salida de vapor y la salida de líquido pasan todas ellas a través del extremo superior del receptor, comprendiendo la salida de líquido un tubo que se extiende hasta cerca del fondo del receptor y comprendiendo la salida de vapor un tubo que termina cerca de la parte superior del
receptor.
5. Aparato de fabricación de hielo según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el receptor (18; 118; 218; 318) tiene un extremo superior, un extremo inferior y una pared lateral, y la salida de vapor y la salida de líquido pasan a través de la pared lateral y se conectan a los tubos doblados para alcanzar respectivamente la proximidad del extremo superior y del extremo inferior dentro del receptor.
6. Aparato de fabricación de hielo según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que el paso con válvula (36; 136; 236; 336a, 336b) comprende una válvula de solenoide.
7. Aparato de fabricación de hielo según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende al menos dos moldes de formación de hielo (46) y al menos dos evaporadores (328a, 328b), estando cada evaporador en contacto térmico con uno diferente de dichos moldes de formación de hielo y bifurcándose la salida de vapor (334) hacia al menos dos pasos con válvula (336a, 336b), estando conectada cada rama a un evaporador diferente de dichos evaporadores.
8. Método de fabricar cubos de hielo en un aparato de fabricación de hielo (2), que comprende los pasos de:
a) comprimir refrigerante vaporizado, enfriar el refrigerante comprimido para condensarlo en forma de un líquido, suministrar el refrigerante condensado a través de un dispositivo de expansión (26; 126; 226; 326a, 326b) y vaporizar el refrigerante en un evaporador (28; 128; 228; 328a, 328b) para crear temperaturas de congelación en un molde de formación de hielo (46) para congelar agua en forma de hielo durante un modo de fabricación de hielo; y
b) calentar el molde de fabricación de hielo para liberar el hielo del mismo en un modo de recolección separando refrigerante vaporoso y líquido dentro de un receptor (18; 118; 218; 318) interconectado entre un condensador (14; 114; 214; 314) y un dispositivo de expansión (26; 126; 226; 326a, 326b) y suministrar vapor del receptor al evaporador,
caracterizado porque
el molde de formación de hielo tiene cavidades y el hielo se congela con la forma de las cavidades del molde durante el modo de fabricación de hielo, y los cubos de hielo se liberan del mismo durante el modo de recolección; y
se utiliza una válvula de control de presión de carga (16; 116; 216; 316) o una válvula de solenoide situada entre el condensador y el receptor para permitir que el gas del compresor evite el condensador y entre en el receptor durante un modo de fabricación de hielo para mantener suficiente presión de carga aguas abajo del condensador, de modo que el dispositivo de expansión funcione adecuadamente.
9. Método según la reivindicación 8, que comprende además, durante el modo de recolección, el paso de suministrar refrigerante vaporoso al receptor desde el compresor evitando el condensador a través de los medios de válvula de control de la presión de carga.
10. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, en el que, durante el modo de fabricación de hielo, pasa refrigerante líquido del condensador al receptor a través de una tubería de líquido y, durante el modo de recolección, pasa refrigerante vaporoso a través de dicha tubería de líquido hasta el receptor.
11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 8-10, en el que el aparato de fabricación de hielo tiene dos moldes de fabricación de hielo, cada uno de ellos con uno de dos evaporadores diferentes en contacto térmico con él, y en el que se suministra vapor del receptor a ambos evaporadores durante un modo de recolección y se detiene el flujo de refrigerante vaporizado hacia uno de los evaporadores cuando se libera hielo del mismo mientras el refrigerante vaporizado fluye todavía hacia el segundo evaporador.
12. Aparato de fabricación de hielo según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que una unidad de condensación (6) aloja dicho condensador (14; 114; 214; 314) y dicho compresor (12; 112; 212; 312); y dos tuberías de refrigerante discurren entre la unidad de condensación y la unidad de fabricación de hielo: una tubería de succión y una tubería de alimentación, devolviendo la tubería de succión refrigerante al compresor y suministrando la tubería de alimentación refrigerante a la unidad de fabricación de hielo.
13. Aparato de fabricación de hielo según la reivindicación 12, en el que la unidad de condensación comprende además dicha válvula de control de presión de carga (16; 116; 216; 376) o dicha válvula de solenoide.
14. Aparato de fabricación de hielo según la reivindicación 12 ó 13, que comprende además un acumulador (32; 132; 232; 332) interpuesto en una tubería de succión que devuelve refrigerante al compresor.
15. Aparato de fabricación de hielo según una cualquiera de las reivindicaciones 12-14, en el que el condensador es enfriado por un ventilador.
16. Aparato de fabricación de hielo según una cualquiera de las reivindicaciones 12-15, en el que el sistema de agua comprende además un distribuidor de agua (44).
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