ES2300129T3 - Circuito de climatizacion que utiliza un fluido refrigerante en estado supercritico, especialmente para vehiculo. - Google Patents

Circuito de climatizacion que utiliza un fluido refrigerante en estado supercritico, especialmente para vehiculo. Download PDF

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Abstract

EL FLUIDO REFRIGERANTE CO 2 COMPRIMIDO A UNA PRESION SUPERCRITICA POR EL COMPRESOR (4) SE ENVIA POR UNA VALVULA DE TRES VIAS (22), SEA EN UN REFRIGERADOR (8), DE FORMA QUE DESPUES DEL PASO EN UN REDUCTOR DE PRESION (10) SE VAPORICE EN UN EVAPORADOR (11) PARA REFRIGERAR EL HABITACULO, SEA EN UNA RAMA DE DERIVACION (23) QUE EVITA EL REFRIGERADOR (8), DE FORMA QUE SE REFRIGERE EN EL EVAPORADOR (11) PARA CALENTAR EL HABITACULO.

Description

Circuito de climatización que utiliza un fluido refrigerante en estado supercrítico, especialmente para vehículo.
La invención se refiere a un dispositivo de climatización, especialmente del habitáculo de un vehículo, que comprende un circuito de climatización para la circulación de un fluido refrigerante, que contiene un compresor adecuado para alojar el fluido en estado gaseoso i comprimirlo hasta una presión supercrítica, un primer intercambiador de calor adecuado para refrigerar el fluido comprimido por el compresor, a presión sensiblemente constante, transfiriendo calor a un primer medio exterior, un primer regulador de presión adecuado para disminuir la presión del fluido que sale del primer intercambiador de calor para pasarlo por lo menos parcialmente al estado líquido y un evaporador adecuado para hacer pasar al estado gaseoso el fluido en estado líquido procedente del primer regulador de presión, a presión sensiblemente constante, tomando calor de un segundo medio exterior para refrigerar el espacio a climatizar, siendo el fluido así vaporizado aspirado a continuación por el compresor.
Este tipo de dispositivos está descrito por ejemplo en los documentos WO-A-93/06423, US-A-5 245 836 y US-A-5 291 941. El fluido refrigerante utilizado en estos dispositivos es típicamente el dióxido de carbono CO_{2}.
Cuando en vez de refrigerar se quiere recalentar el aire que se tiene que enviar al habitáculo de un vehículo, se utiliza habitualmente el calor producido por el motor de arrastre, por ejemplo haciendo pasar el aire al contacto con una radiador de calefacción atravesado por un fluido de refrigeración del motor.
Cuando el motor está frío, no se puede aprovechar el calor para la calefacción del habitáculo, lo que retarda el momento en que este esté a la temperatura deseada y perjudica por lo tanto el confort de los ocupantes. En determinados casos el líquido de refrigeración no alcanza nunca durante el recorrido una temperatura suficientemente elevada para asegurar el confort térmico en el habitáculo.
Para acelerar la puesta en temperatura del habitáculo, se puede recurrir a dispositivos suplementarios que comportan habitualmente quemadores o radiadores eléctricos, que implican considerables inversiones.
El documento DE 197 25 978, considerado como el estado de la técnica más cercano, divulga un dispositivo del tipo definido en la introducción, y que comprende además una primera rama de derivación dispuesta en paralelo con el primer intercambiador de calor, estando previstos medios de conmutación para hacer circular el fluido seleccionado en el primer intercambiador de calor formando el citado circuito de climatización, o en la segunda rama de derivación formando un circuito de calefacción en el cual el evaporador transfiere calor del fluido refrigerante al segundo medio exterior para calentar el citado espacio, sirviendo el citado primer regulador de presión para reducir la presión del fluido en el circuito de climatización y sirviendo un segundo regulador para reducir la presión en el circuito de calefacción. El objeto de este dispositivo es permitir una calefacción rápida del habitáculo cuando el motor está frío, o completar la cantidad de calor insuficiente que proporciona, sin tener que recurrir a medios específicos costosos.
El objeto de la invención es permitir mejorar la eficacia de un dispositivo de este tipo de dispositivo de climatización.
Según la invención, el citado circuito comprende un intercambiador de calor interior adecuado para permitir el intercambio de calor entre dos secciones comunes a los circuitos de climatización y de calefacción, la primera de las cuales está situada entre el extremo curso abajo de la primera rama de derivación y el primer regulador de presión y cuya segunda rama está situada entre el evaporador y el compresor, y el segundo regulador de presión está dispuesto entre el extremo curso abajo de la primera rama de derivación y la citada primera sección.
Características opcionales de la invención, complementarias o alternativas, se exponen a continuación:
El primer regulador de presión sirve para reducir la presión del fluido tanto en el circuito de climatización como en el circuito cerrado de calefacción.
Una trampilla de retención está dispuesta entre la salida del primer intercambiador de calor y el extremo curso abajo de la primera rama de derivación.
El dispositivo comprende además una segunda rama de derivación adecuada para estar incluida en el circuito cerrado de calefacción, curso arriba del evaporador, por los citados medios de conmutación y que contiene un segundo intercambiador de calor adecuado también para transferir calor del fluido refrigerante al citado segundo medio exterior para calentar el citado espacio.
La segunda rama de derivación está dispuesta en paralelo con el primer regulador de presión y contiene el segundo regulador de presión curso arriba del segundo intercambiador de calor.
Los medios de conmutación comprenden el primero y el segundo reguladores de presión, impidiendo estos el paso del fluido para establecer el circuito de calefacción y el circuito de climatización respectivamente.
El citado segundo medio exterior es un flujo de aire destinado a ser enviado al citado espacio.
El evaporador y el segundo intercambiador de calor están dispuestos en serie en este orden en el recorrido del citado flujo de aire.
Una fuente de calor exterior al circuito de fluido refrigerante está dispuesta en el recorrido del citado flujo de aire curso abajo del evaporador y si fuera el caso del segundo evaporador de calor.
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Están previstos medios para hacer variar la potencia térmica transmitida del circuito de calefacción al citado segundo medio exterior.
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Los citados medios para hacer variar la potencia térmica comportan medios de ajuste del primer regulador de presión y/o del segundo regulador de presión.
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Los citados medios para hacer variar la potencia térmica comportan medios de ajuste del volumen de fluido o de la velocidad del compresor.
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Un depósito está dispuesto en el circuito cerrado de climatización curso arriba del compresor.
Las características y ventajas de la invención se expondrán más detalladamente en la siguiente descripción, con referencia a los dibujos anexos, en los cuales elementos idénticos o análogos están designados en todas las figuras con los mismos números de referencia.
Las figuras 1 a 4 son representaciones esquemáticas parciales de cuatro modos de realización de un dispositivo de climatización del habitáculo de un vehículo automóvil.
En la presente descripción, la expresión "dispositivo de climatización" designa un dispositivo que permite ajustar la temperatura de un espacio como por ejemplo el habitáculo de un vehículo, ya sea extrayendo calor, ya sea aportando calor, según las necesidades. Por el contrario, las expresiones "circuito de climatización" y "circuito de calefacción" se utilizan para designar circuitos en los cuales el fluido refrigerante circula para enfriar el espacio y para calentarlo, respectivamente.
Cada uno de los dispositivos ilustrados comprende un ciclo de fluido refrigerante que comporta un circuito cerrado de climatización, y por lo menos una rama de derivación que permite realizar un circuito cerrado de calefacción. Este ciclo está previsto para hacer evolucionar un fluido refrigerante, especialmente CO_{2}, a cada lado de la presión crítica.
Se describirá en primer lugar sucintamente el circuito cerrado de climatización, que es prácticamente idéntico en los cuatro dispositivos y que ya es conocido. Este circuito cerrado comprende un compresor 4, que en los ejemplos ilustrados es de volumen variable, no siendo esta particularidad limitativa. El compresor 4 tiene a continuación un separador de aceite 5, a partir del cual el aceite regresa al compresor por una línea de retorno 6 provista de un regulador de presión 7. Un intercambiador de calor 8 permite transferir a un flujo de aire F1 una parte del calor almacenado por el fluido refrigerante durante su compresión por el compresor 4. Curso abajo del intercambiador 8 está dispuesta una vía 9 de un intercambiador de calor interior E de dos vías que permite un enfriamiento suplementario del fluido. A la vía 9 le sigue un regulador de presión 10, después un evaporador 11 que es barrido por un flujo de aire F2 destinado a ser enviado al habitáculo del vehículo. A la salida del evaporador, el fluido pasa a un depósito 13 provisto de una línea de retorno de líquido 14. El depósito 13 impide que el fluido refrigerante en estado líquido se introduzca en el compresor. Por otra parte, el depósito 13 constituye una reserva de fluido que permite compensar las variaciones de carga en el circuito de refrigerante. El fluido en estado gaseoso que sale del depósito 13 pasa a la segunda vía 15 del intercambiador de calor interior E, en sentido contrario a la circulación en la vía 9, antes de volver al compresor 4.
De manera también conocida, un radiador de calefacción 20, recorrido por el fluido de refrigeración del motor de arrastre del vehículo, está dispuesto curso abajo del evaporador 11 en el flujo de aire F2, siendo producido dicho flujo por un grupo moto ventilador 21.
Según la invención, una compuerta de tres vías 22 está dispuesta en el circuito de climatización, entre el separador de aceite 5 y el intercambiador de calor 8, y dicha compuerta puede ser comandada de manera que envíe el fluido comprimido a una rama de derivación 23 que desemboca en un punto de unión 24 separado de la salida del intercambiador 8 por una trampilla antiretorno 25.
El circuito de la figura 1 se distingue de un circuito de climatización de CO_{2} clásico en particular por la presencia de la compuerta 22, de la rama 23 y de la trampilla 25. La compuerta 22 puede ser comandada para hacer circular el fluido ya sea en el intercambiador de calor 8 y en la trampilla 25, ya sea en la rama 23 evitando el intercambiador 8. En este último caso, se obtiene un circuito cerrado de calefacción en el cual el evaporador 11 hace de fuente de calor para el flujo de aire F2.
El dispositivo de la figura 2 difiere del de la figura 1 por tener añadido un segundo regulador de presión 30 entre el evaporador 11 y el depósito 13. En algunos casos en efecto, puede ser ventajoso reducir la presión, en el circuito cerrado de calefacción, después de haberse refrigerado el fluido en el evaporador. En el circuito de la figura 1, la reducción de presión se efectúa curso arriba del evaporador, tanto en el circuito cerrado de calefacción como en el circuito cerrado de climatización.
Otra variante en cuanto a la posición del regulador de presión del circuito cerrado de calefacción se puede observar en la figura 3, en la que este regulador de presión 31 está dispuesto entre el punto de unión 24 y la vía 9 del intercambiador de calor E.
Por último, la figura 4 muestra una segunda rama de derivación 40 añadida que sale de un punto de unión 41 situado entre la vía 9 del intercambiador de calor E y el regulador de presión de climatización 10, y que desemboca en un punto de unión 42 situado entre este mismo regulador de presión y el evaporador 11. La rama 40 contiene un segundo regulador de presión 43 seguido de un intercambiador de calor 44 que está dispuesto en el flujo de aire F2 entre el evaporador 11 y el radiador 20. Los reguladores de presión 10 y 43 también hacen de compuertas de paro y pueden ser comandadas, junto con la compuerta 22, para hacer circular el fluido ya sea en el regulador de presión 10 al mismo tiempo que en el intercambiador de calor 8, ya sea en la rama 40 al mismo tiempo que en la rama 23. En este último caso, la transferencia de calor del fluido refrigerante al flujo de aire F2 se realiza principalmente por el intercambiador de calor 44, de manera que el caudal volumétrico del fluido en el evaporador 11 se reduce, lo que disminuye los ruidos de circulación, manteniendo optimizado el evaporador para la función de climatización. Lógicamente, la función de paro ejercida por los reguladores de presión 10 y 43 puede ser obtenida por otros medios, por ejemplo por una compuerta de tres vías dispuesta en el punto 41 o en el punto 42, o por compuertas de dos vías añadidas en las ramas referidas.
En todos los modos de realización, un captador de presión 50 está dispuesto entre la vía 9 del intercambiador E y el regulador de presión 10, y si fuera el caso, curso abajo del punto 41. La potencia del circuito cerrado de climatización puede ser comandada utilizando este captador. Este último también puede ser utilizado e los dispositivos de las figuras 1 a 3 para comandar la potencia del circuito cerrado de calefacción. El control del circuito cerrado de climatización puede realizarse de manera conocida actuando sobre el volumen del fluido o sobre la velocidad del compresor 4, o sobre el regulador de presión de calefacción 10. Según la invención, se puede comandar el circuito cerrado de calefacción actuando sobre el volumen del fluido o la velocidad del compresor, o sobre el regulador de calefacción 10, 30, 31 o 43.
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Referencias citadas en la descripción
Esta lista de referencias citadas por el solicitante es sólo para conveniencia del lector. No forma parte del documento de Patente Europea. Aunque se haya tenido un gran cuidado en recoger las referencias, no puede excluirse la presencia de errores u omisiones y por ello la EPO declina cualquier responsabilidad a este respecto.
Documentos de patentes citados en la descripción
\bullet WO 9306423 A [0002]
\bullet US 5245836 A [0002]
\bullet US 5291941 A [0002]
\bullet DE 19725978 [0006]

Claims (13)

1. Dispositivo de climatización, que comprende un circuito de climatización para la circulación de un fluido refrigerante, que contiene un compresor (4) adecuado para alojar el fluido en estado gaseoso i comprimirlo hasta una presión supercrítica, un primer intercambiador de calor (8) adecuado para refrigerar el fluido comprimido por el compresor, a presión sensiblemente constante, transfiriendo calor a un primer medio exterior (F1), un primer regulador de presión (10) adecuado para disminuir la presión del fluido que sale del primer intercambiador de calor para pasarlo por lo menos parcialmente al estado líquido y un evaporador (11) adecuado para hacer pasar al estado gaseoso el fluido en estado líquido procedente del primer regulador de presión, a presión sensiblemente constante, tomando calor de un segundo medio exterior (F2) para refrigerar el espacio a climatizar, siendo el fluido así vaporizado aspirado a continuación por el compresor (4), comprendiendo además una primera rama de derivación (23) dispuesta en paralelo con el primer intercambiador de calor, estando previstos medios de conmutación (22) para hacer circular el fluido seleccionado en el primer intercambiador de calor formando el citado circuito de climatización, o en la segunda rama de derivación formando un circuito de calefacción en el cual el evaporador transfiere calor del fluido refrigerante al segundo medio exterior (F2) para calentar el citado espacio, sirviendo el citado primer regulador de presión (10) para reducir la presión del fluido en el circuito de climatización y sirviendo un segundo regulador (30, 31, 43) para reducir la presión en el circuito de calefacción, caracterizado por el hecho de que el citado circuito comprende un intercambiador de calor interior (E) adecuado para permitir el intercambio de calor entre dos secciones comunes a los circuitos cerrados de climatización y de calefacción, la primera (9) de las cuales está situada entre el extremo curso abajo (24) de la primera rama de derivación y el primer regulador de presión (10) y cuya segunda rama (15) está situada entre el evaporador (11) y el compresor (4), y por el hecho de que el segundo regulador de presión (31) está dispuesto entre el extremo curso abajo (24) de la primera rama de derivación y la citada primera sección.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el primer regulador de presión (10) sirve para reducir la presión del fluido tanto en el circuito cerrado de climatización como en el circuito cerrado de calefacción.
3. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que está dispuesta una trampilla antiretorno (25) entre la salida del primer intercambiador de calor (8) y el extremo curso abajo de la primera rama de derivación (3).
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende además una segunda rama de derivación (40) adecuada para estar añadida en el circuito cerrado de calefacción, curso arriba del evaporador, por los citados medios de conmutación (10, 43) y que comprende un segundo intercambiador de calor (44) adecuado también para transferir calor del fluido refrigerante al citado segundo medio exterior (F2) para calentar el citado espacio.
5. Dispositivo según la reivindicación 4, en combinación con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la segunda rama de derivación está dispuesta en paralelo con el primer regulador de presión (10) y contiene el segundo regulador de presión (43) curso arriba del segundo intercambiador de calor.
6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que los medios de conmutación comprenden el primero y el segundo reguladores de presión (10, 43), los cuales impiden el paso del fluido para establecer el circuito cerrado de calefacción y el circuito cerrado de climatización respectivamente.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el segundo medio exterior es un flujo de aire (F2) destinado a ser enviado al citado espacio.
8. Dispositivo según la reivindicación 7, en combinación con la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el evaporador (11) y el segundo intercambiador de calor (44) están dispuestos en serie en este orden en el recorrido del citado flujo de aire (F2).
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado por el hecho de que una fuente de calor (20) fuera del circuito de fluido refrigerante está dispuesta en el recorrido del citado flujo de aire (F2) curso abajo del evaporador y si fuera el caso del segundo intercambiador de calor.
10. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que están previstos medios para hacer variar la potencia térmica transmitida del circuito cerrado de calefacción al citado segundo medio exterior (F2).
11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que los citados medios para hacer variar la potencia térmica comportan medios de ajuste del primer regulador de presión (10) y/o del segundo regulador de presión (30, 31, 43).
12. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que los citados medios para hacer variar la potencia térmica comportan medios de ajuste del volumen de fluido o de la velocidad del compresor (4).
13. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que está dispuesto un depósito (13) en el circuito cerrado de climatización curso arriba del compresor (4).
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