Aparato de congelación de tipo cerrado y de circulación de gas y procedimiento de funcionamiento del mismo.

Sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado, que comprende:

un compresor (22) y un expansor (26) acoplados a un único árbol de salida (24a) de un dispositivo de accionamiento (24);

un enfriador (16) que enfría el gas refrigerante en un lado de salida del compresor (22);

un enfriador de salmuera (20) que enfría salmuera con el gas refrigerante compuesto por aire o gas nitrógeno y que enfría con salmuera un objeto que debe enfriarse;

un intercambiador de calor de recuperación de energía fría (18) que enfría además el gas refrigerante enfriado por el enfriador (16) con el gas refrigerante que vuelve del enfriador de salmuera (20); y un sistema de suministro/descarga de gas refrigerante sellado (50) formado por un depósito de expansión (51) que contiene herméticamente un gas refrigerante que presenta una presión de por lo menos una presión atmosférica y una presión manométrica inferior a 0,2 MPa,

un paso de conexión del lado de entrada del compresor (52) que conecta el depósito de expansión (51) y un paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a), y una primera válvula de apertura/cierre (58) prevista en el paso de conexión del lado de entrada del compresor (12a), caracterizado por que el sistema comprende además:

un paso de conexión del lado de salida del compresor (54) que conecta el depósito de expansión (51) y un paso de gas refrigerante del lado de salida del compresor (12b);

un sensor (62) de presión que detecta una presión de gas refrigerante que fluye en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a);

una segunda válvula de apertura/cierre (60) prevista en el paso de conexión del lado de salida del compresor (12b); y

un controlador (64) que recibe una señal de detección del sensor de presión y que controla así la primera válvula de apertura/cierre (58) y la segunda válvula de apertura/cierre (60), de manera que la presión de gas refrigerante en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) es mantenida dentro de un intervalo preestablecido,

en el que se suministra un gas refrigerante desde el depósito de expansión (51) al paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) a través del paso de conexión del lado de entrada del compresor (52), y se descarga desde el paso de gas refrigerante del lado de salida del compresor (12b) al depósito de expansión (51) a través del paso de conexión del lado de salida del compresor (54) mientras que el sensor (62) de presión detecta la presión de gas refrigerante en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a), de manera que la presión de gas refrigerante en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) es mantenida dentro del intervalo preestablecido.

Aparato de congelación de tipo cerrado y de circulación de gas y procedimiento de funcionamiento del mismo.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un sistema de refrigeración, normalmente un sistema de refrigeración por aire, que consigue un enfriamiento mediante el calor sensible de un refrigerante gaseoso circulante. Más particularmente, la invención se refiere a un sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado que permite el ajuste de la presión de gas refrigerante en un paso de gas refrigerante en el lado de entrada del compresor.

Técnica anterior Se conocen sistemas de refrigeración por aire con aire como refrigerante de trabajo, en los que el aire se comprime a alta presión y alta temperatura mediante un compresor y se enfría mediante un enfriador que utiliza agua de enfriamiento y un intercambiador de calor de recuperación de energía fría, tras lo cual el aire se expande a baja presión y baja temperatura mediante un expansor accionado por el mismo árbol de accionamiento que el del compresor, para conseguir un enfriamiento mediante el calor sensible de este aire a baja temperatura y baja presión. Tales sistemas de refrigeración por aire presentan la ventaja de que respetan el medio ambiente porque no utilizan refrigerantes tales como CFC o amoniaco.

Estos tipos de sistemas de refrigeración por aire pueden clasificarse en sistemas de refrigeración por aire de ciclo abierto (a continuación en la presente memoria "sistema de ciclo abierto") que incluyen un extremo abierto a la atmósfera en un sistema de circulación de refrigerante de aire, y sistemas de refrigeración por aire de ciclo cerrado (a continuación en la presente memoria "sistema de ciclo cerrado") que presentan un sistema de circulación de refrigerante de aire cerrado a la atmósfera. Un sistema de ciclo abierto libera aire a baja temperatura desde una salida de expansor, por ejemplo, al interior de un refrigerador para enfriar los objetos que van a enfriarse con este aire a baja temperatura, y devuelve el aire que ha servido para refrigerar de vuelta a un paso de refrigerante de aire en el lado de entrada del compresor conectado a un orificio de entrada de compresor. Por tanto, la presión del refrigerante de aire en el paso de refrigerante de aire en el lado de entrada del compresor siempre se mantiene al nivel atmosférico. Un sistema de refrigeración por aire de ciclo cerrado, por otro lado, presenta un sistema de circulación de refrigerante de aire que está cerrado a la atmósfera, y está configurado para intercambiar calor a través de salmuera, es decir, se intercambia calor entre aire a baja temperatura en el lado de salida de un expansor y salmuera, y los objetos que van a enfriarse se enfrían con la salmuera enfriada. Por tanto, la presión de refrigerante de aire en el lado de entrada del compresor varía dependiendo del estado de funcionamiento y no es constante.

En un sistema de refrigeración por aire de ciclo cerrado, si empieza a funcionar a una presión atmosférica, el refrigerante de aire en el sistema de circulación de refrigerante de aire se enfría progresivamente, y con una disminución en el volumen, la presión del aire dentro del sistema de circulación de refrigerante de aire disminuye progresivamente, finalmente hasta un nivel negativo en el lado de entrada del compresor. Cuando ocurre esto, el rendimiento de compresión del compresor o rendimiento de enfriamiento del expansor pueden disminuir repentinamente, o el sistema puede funcionar mal. Por este motivo, un sistema de ciclo abierto y un sistema de ciclo cerrado no pueden implementarse mediante una máquina con las mismas especificaciones de diseño (tal como la presión) , y son necesarias máquinas independientes que presenten diferentes especificaciones de diseño, lo que provoca un aumento en los costes.

Si la presión de refrigerante de aire en el lado de entrada del compresor del sistema de ciclo cerrado es ajustable, la presión puede hacerse igual al nivel atmosférico en el lado de entrada del compresor, lo que solucionará el problema de la disminución en el rendimiento de enfriamiento mencionada anteriormente. Además, una única máquina puede servir como sistema de ciclo cerrado y como sistema de ciclo abierto con la misma capacidad de presión, sin tener que preocuparse de que el rendimiento de enfriamiento pueda disminuir cuando la máquina se utiliza como sistema de ciclo cerrado.

El documento de patente 1, por ejemplo, da a conocer una técnica para hacer que la presión de refrigerante de aire sea ajustable en el lado de entrada del compresor.

El sistema del documento de patente 1 es de tipo de ciclo abierto, pero incluye medios para evitar la obstrucción del paso y para ajustar la presión, con lo que, en caso de una disminución anómala en la presión de entrada de compresor, se suministra aire seco al paso de refrigerante, y cuando la presión de entrada de compresor aumenta hasta el nivel atmosférico o por encima, se libera parte del refrigerante de aire al exterior.

El sistema dado a conocer en el documento de patente 1 es de tipo ciclo abierto, en el que se libera aire a baja temperatura procedente del lado de salida del expansor al interior del refrigerador. Aunque no es un sistema de ciclo cerrado, esta técnica permite que la presión de entrada de compresor permanezca más o menos al nivel atmosférico, con lo que puede conseguirse el objetivo de utilizar una única máquina con la misma capacidad de

presión como sistema de ciclo cerrado y como sistema de ciclo abierto.

Sin embargo, como este sistema incluye una unidad de introducción de aire seco y un paso de liberación de aire en el lado de entrada del compresor para el ajuste de presión, la presión del aire entrante y la presión del aire saliente tienden a compensarse entre sí, por lo cual a menudo puede resultar difícil un control de presión suave.

El documento de patente 2, por ejemplo, da a conocer una técnica para introducir aire seco que presenta un punto de rocío de aproximadamente -30ºC procedente de un sistema de reabastecimiento de gas refrigerante a través de una trayectoria de introducción al interior de una trayectoria de entrada de compresor, que forma parte de una trayectoria de circulación de gas refrigerante en un sistema de refrigeración de ciclo cerrado.

Documento de patente 1: solicitud de patente japonesa abierta a consulta por el público n.º 2004-317081

Documento de patente 2: solicitud de patente japonesa abierta a consulta por el público n.º H10-47829

El sistema del documento de patente 2 es uno de tipo de ciclo cerrado (véase el párrafo [0019]) en el que se introduce aire seco que presenta un punto de rocío de aproximadamente -30ºC en la trayectoria de entrada de compresor, tras lo cual la trayectoria de circulación de gas refrigerante se llena con gas hasta un nivel de aproximadamente 1 kg/cm2G, por ejemplo, antes de ponerse en marcha el compresor. Sin embargo, esto se aplica a un tipo específico de sistema de refrigeración, como se expone en el párrafo [0008], en el que una operación en la que se enfría un refrigerante con el gas refrigerante y otra operación en la que los objetos que van a enfriarse se refrigeran con el refrigerante circulante se realizan al mismo tiempo o en diferentes periodos de tiempo. Sólo se da a conocer la introducción de aire seco antes de ponerse en marcha el compresor, y no hay mención alguna de ajustar la presión en el lado de entrada del compresor.

El documento JP 2008 249 254 A da a conocer un sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado según el preámbulo de la reivindicación 1.

Divulgación de la invención A partir de los problemas en las técnicas convencionales, un objetivo de la presente invención es realizar un sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado que utiliza aire o nitrógeno como refrigerante de trabajo, presenta una configuración sencilla y de bajo coste y permite el ajuste de la presión en el lado de entrada del compresor.

Para conseguir el objetivo anterior, se proporciona un sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado según la reivindicación 1.

En el sistema de la presente invención, aunque el sistema es uno de tipo de ciclo cerrado que presenta el sistema de suministro/descarga de gas refrigerante sellado sin ningún extremo abierto que conduzca al exterior, el gas refrigerante puede reabastecerse de manera fiable desde el depósito de expansión hasta el paso de gas refrigerante en el lado de entrada del compresor, y descargarse desde el paso de gas refrigerante en el lado de salida del compresor al interior del depósito de expansión, utilizando una diferencia de presión entre el lado de salida y el lado de entrada del compresor.

1. Sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado, que comprende:

un compresor (22) y un expansor (26) acoplados a un único árbol de salida (24a) de un dispositivo de accionamiento (24) ;

un enfriador (16) que enfría el gas refrigerante en un lado de salida del compresor (22) ;

un enfriador de salmuera (20) que enfría salmuera con el gas refrigerante compuesto por aire o gas nitrógeno y que enfría con salmuera un objeto que debe enfriarse;

un intercambiador de calor de recuperación de energía fría (18) que enfría además el gas refrigerante enfriado por el enfriador (16) con el gas refrigerante que vuelve del enfriador de salmuera (20) ; y un sistema de suministro/descarga de gas refrigerante sellado (50) formado por un depósito de expansión (51) que contiene herméticamente un gas refrigerante que presenta una presión de por lo menos una presión atmosférica y una presión manométrica inferior a 0, 2 MPa, un paso de conexión del lado de entrada del compresor (52) que conecta el depósito de expansión (51) y un paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) , y una primera válvula de apertura/cierre (58) prevista en el paso de conexión del lado de entrada del compresor (12a) , caracterizado por que el sistema comprende además:

un paso de conexión del lado de salida del compresor (54) que conecta el depósito de expansión (51) y un paso 25 de gas refrigerante del lado de salida del compresor (12b) ;

un sensor (62) de presión que detecta una presión de gas refrigerante que fluye en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) ;

una segunda válvula de apertura/cierre (60) prevista en el paso de conexión del lado de salida del compresor (12b) ; y un controlador (64) que recibe una señal de detección del sensor de presión y que controla así la primera válvula de apertura/cierre (58) y la segunda válvula de apertura/cierre (60) , de manera que la presión de gas refrigerante en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) es mantenida dentro de un intervalo preestablecido, en el que se suministra un gas refrigerante desde el depósito de expansión (51) al paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) a través del paso de conexión del lado de entrada del compresor (52) , y se descarga desde el paso de gas refrigerante del lado de salida del compresor (12b) al depósito de expansión (51) a través del paso de conexión del lado de salida del compresor (54) mientras que el sensor (62) de presión detecta la presión de gas refrigerante en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) , de manera que la presión de gas refrigerante en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) es mantenida dentro del intervalo preestablecido.

2. Sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado según la reivindicación 1, caracterizado por que el controlador (64) controla la primera válvula de apertura/cierre (58) y la segunda válvula de apertura/cierre (60) de manera que la presión de gas refrigerante del paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) es igual a una presión atmosférica.

3. Sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado según la reivindicación 2, caracterizado por que cuando un valor detectado del sensor (62) de presión es igual a una presión atmosférica, el gas refrigerante en un lado de salida del expansor (26) se libera al interior de un refrigerador (40) y el sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado conmuta a un sistema de refrigeración por aire de ciclo abierto que devuelve el refrigerante en el refrigerador 55 (40) al paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) .

4. Sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado según la reivindicación 1, en el que el depósito de expansión (51) incluye un elemento hueco expansible en el que está contenido herméticamente un gas en una membrana hermética, hueca, expansible (74) , y el elemento hueco expansible se expande y contrae según la presión de gas refrigerante en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) , de manera que la presión de gas refrigerante en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) es mantenida dentro del intervalo preestablecido.

5. Procedimiento de funcionamiento del sistema de refrigeración por gas de ciclo cerrado según la reivindicación 1, 65 que comprende las etapas de:

detectar la presión de gas refrigerante en el paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) con el sensor (62) de presión;

suministrar el gas refrigerante al paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) desde el depósito de expansión (51) a través del paso de conexión del lado de entrada del compresor (52) cuando la presión de gas refrigerante deviene inferior al intervalo preestablecido de manera que la presión de gas refrigerante vuelva a caer en el intervalo preestablecido; y descargar el gas refrigerante del paso de gas refrigerante del lado de salida del compresor (12b) al depósito de expansión (51) a través del paso de conexión del lado de salida del compresor (54) cuando la presión de gas refrigerante deviene superior al intervalo preestablecido de manera que la presión de gas refrigerante del paso de gas refrigerante del lado de entrada del compresor (12a) vuelva a caer en el intervalo preestablecido.