k19REGISTRO DE LAPROPIEDAD INDUSTRIAL

ESPANA

k11 N.◦ de publicacion: ES 2 024 764k21 Numero de solicitud: 9000953k51 Int. Cl.5: F25B 21/02

k12 PATENTE DE INVENCION A6

k22 Fecha de presentacion: 03.04.90 k73 Titular/es: Consejo Superior deInvestigaciones CientıficasSerrano 11728006 Madrid, ES

k45 Fecha de anuncio de la concesion: 01.03.92 k72 Inventor/es: Domınguez Alonso, Manuel;Sanz Martınez, Pedro;Pinillos Perez, Juan M. yGutierrez Guardiola, Pedro

k45 Fecha de publicacion del folleto de patente:01.03.92

k74 Agente: No consta

k54 Tıtulo: Instalaciones frigorifıcas con tubos de calor y efecto Peltier para usos domesticosy comerciales.

k57 Resumen:Instalaciones frigorıficas con tubos de calor y efec-to Peltier para usos domesticos y comerciales. Lapatente se refiere a instalaciones frigorıficas (o ca-lefactoras) que funcionan gracias a la combinacionde elementos productores de efecto Peltier y a in-tercambiadores de calor basados en los “tubos decalor”, que basicamente consta de: 1) Intercam-biador de calor hermetico en el que se introduce unfluido a la presion adecuada para que se produzcasu evaporacion en las proximidades de la zona ca-liente del elemento productor de efecto Peltier. 2)Elemento de efecto Peltier, y 3) Intercambiador,tambien hermetico, y de caracterısticas y principiofısico analogos al primero, que contiene un fluidoen su interior a la presion adecuada para que, su-cesivamente, se evapore a una temperatura infe-rior a la de un fluido externo o del ambiente (re-cinto cerrado a enfriar, en el caso de instalacionesfrigorıficas) y que condense gracias a la parte frıadel elemento productor de efecto Peltier.

Venta de fascıculos: Registro de la Propiedad Industrial. C/Panama, 1 – 28036 Madrid

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DESCRIPCION

Instalaciones frigorıficas con tubos de calor yefecto Peltier para usos domesticos y comerciales.

Frıo comercial y climatizacion domestica.Los sistemas de produccion de frıo se han

ido desarrollando en funcion de sus aplicacio-nes. Sus principos basicos son bien conocidos ybasicamente son de dos tipos: a) los que se fun-damentan en la eliminacion de calor de un lugar,llevandolo a otro de temperatura mas alta, conel siguiente aporte de energıa; si esta es termica,son los sistemas de absorcion; si es electrica, sonlos sistemas Peltier; sı es mecanica, con los siste-mas de compresion, y b) los que eliminan el calor,llevandolo de un lugar mas caliente a otro mas frıoaprovechando los mecanismos de transmision decalor y de masa.

En la mayorıa de estos sistemas se aprove-cha el calor de cambio de fase, en particular elde lıquido-vapor. Las substancias mas emplea-das como fluidos frigorıgenos son: el amonıaco ylos compuestos fluoro-clorados, cuyo consumo seesta reduciendo por problemas ambientales (po-sible disminucion de la capa de ozono). Esto estaconduciendo al desarrollo de algunos sistemas deproduccion de frıo de mayor costo y/o de menorrendimiento energetico.

Los principios basicos de los sistemas de pro-duccion de frıo, pero utilizados a la inversa, seemplean tambien para producir calor, caso de las“bombas de calor”.

Tambien son conocidos, aunque de uso pocoextendido, los “tubos de calor”, que consisten enrecintos cerrados en donde se encuentra un lıquidoy su vapor y, en ocasiones, una mecha por la queasciende el lıquido por capilaridad descendiendopor gravedad. Colocados verticalmente o con unacierta inclinacion, pueden utilizarse como disipa-dores de calor o productores de frıo. Estos secaracterizan porque el transporte de calor es muyelevado, debido al aprovechamiento de la granenergıa del camio de fase: Con poco movimientode masa y dado que el coeficiente de transmisiones grande durante la ebullicion del fluido, los ren-dimiento termicos pueden ser muy considerables.

La presente invencion consiste en unir las ven-tajas que presentan el enfriamiento con efecto Pel-tier y el de los “tuvos de calor” actuando comointercambiadores de calor, fijando las temperatu-ras y presiones de estos para cada aplicacion con-creta, logrando un elemento frigorıfico compactoy no contaminante.

Dado que el fenomeno indicado en el apara-tado anterior, para los “tubos de calor”, es gene-ral para todos los fluidos, la eleccion de estos serealizara en funcion de cada una de las aplicacio-nes; segun las temperaturas, las cargas termicas,etc. Para temperaturas proximas al ambiente lassubstancia mas usada en la actualidad es el mo-nofluortriclorometano R-11, debido a que puedeemplearse a presion atmosferica. Para otras tem-peraturas y substancias, sera necesario, segun loscasos, fijar la presion parcial o la total de los com-puestos a utilizar.

Por otra parte debe tenerse presente que lossistemas con partes moviles producen ruidos y suvida es reducida, lo que conlleva a ocasionar mo-

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lestias y costos de mantenimiento. Estos proble-mas no los tiene el efecto Peltier que consiste enhacer pasar una corriente electrica continua porparejas de semiconductores p-n alternativamenteunidos, apareciendo calor en una de las uniones yausencia de este, es decir frıo, en la otra. Es deesperar que el uso masivo de los semiconductoresy los aportes tecnologicos impulse sus aplicacio-nes a potencias mas elevadas y a campos menosrestringidos que los actuales.

En un “tubo de calor” se puede tener un co-eficiente de transmision superficial de calor muyalto, facilitando el intercambio termico a la tem-peratura deseada, variando la presion parcial dela substancia a la correspondiente de ebullicion.

Por otra parte se debe tener presente que elrendimiento de un intercambiador de calor de-pende del area de transferencia y de los coeficien-tes superficiales. En particular, en los enfriadoresde aire, a temperaturas por debajo de 0◦C, apa-rece la condensacion del vapor de agua formandoescarcha, es decir, tambien depende de la hume-dad relativa del ambiente: Fijando la tempera-tura del tubo en la adecuada para la obtencionde la humedad relativa deseada, se disminuiranlas condensaciones, los desescarches y se favore-ceran los rendimiento.

Tambien se debe tener presente, que en todainstalacion frigorıfica la carga termica a enfriarpuede variar en el tiempo necesitandose, enton-ces, recurrir a sistemas de regulacion de capacidado de corte de funcionamiento. Una instalacion abase de elementos productores de termoelectrici-dad y de “tubos de calor” como la de esta in-vencion, minimiza extraordinariamente esos pro-blemas al permitir desde un sencillo termostatohasta elementos electronicos mas complejos.

Con respecto al estado de la tecnica anterior,presenta las siguientes ventajas: Con respecto alos sistemas de compresion; supresion de ruidosy vibraciones, mayor duracion, no contaminante,mejor control de la humedad, mas sencillos deconstruccion y reparacion, y en algunas potenciasy tipos de equipos, el ser mas economico. Conrespecto a los sistemas de absorcion; se evitanlas grandes presiones de aquellos (las cuales fa-vorecen las fugas de los ruidos), los problemas denivelacion son menores, los disenos se simplifican,no son necesarios utiles complejos que requieranir forzosamente a grandes series y los costos sonmenores. Con respecto a los actuales sistemasde efecto Peltier; mayores rendimientos y elimi-nacion de partes moviles, mejoras de la humedadrelativa de los ambientes frıos, diminucion de lasentradas de calor al recinto a enfriar durante lasparadas.

Para mayor claridad, en la Figura 1 se pre-senta un esquema de principio, indicando en elapartado siguiente las posibles variantes, segunaplicaciones.

El recinto a enfriar (1), aislado termicamenteo no, que puede contener productos que requieranbajas temperaturas para su conservacion o trata-miento, en donde circula el aire de forma naturalo forzada. Dentro de el existe la zona de menortemperatura (2), en donde se puede congelar oconservar congelados (puede ser opcional).

(3) Es un conducto cerrado que contiene una

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mezcla de un lıquido y su vapor que cambie defase a unos grados por debajo de la temperaturadel recinto (1), que pueda estar formado por tuboslisos o con aletas o con otros tipos de superficiesadicionales, ser una placa o un circuito estam-pado. Este conducto se prolonga por (4) siendosimilar a (3) o es su prolongacion, formado poralgunos de sus mismos elementos, apropiado paraenfriar a temperaturas inferiores y/o congelar.

En los anteriores conductos, el vapor debe cir-cular hacia la zona mas alta, que esta en contactocon la cara frıa de la placa o placas Peltier, re-tornando por gravedad. Pueden llevar una mu-selina para facilitar la ascension capilar y la eva-poracion. En particular, resulta muy interesanteen los casos de desescarche llevados a cabo porinversion de la polaridad de la corriente continuao por corte de esta.

La cara frıa de la placa o placas Peltier (5)esta colocada en o proxima a la superficie internadel recinto (1), en contacto con (4); (6) es el o loselementos semiconductores de la o las pastillasPeltier, cuya cara caliente (7) de la o las placasPeltier esta en contacto con el recinto cerrado (8)de caracterısticas similares a las descritas para (3)y (4), siendo la temperatura de cambio de fase,ligeramente mas elevada que la del ambiente enque se emplee.

El ambiente exterior (9), en donde se eliminael calor a traves de un fluido en conveccion naturalo forzada, es preferentemente aire.

Invirtiendo el modo de funcionamiento des-crito, se puede utilizar la invencion para calentarrecintos cerrados.Ejemplo

Como ejemplo de modo de realizacion de lainvencion, se ha escogido una nevera para enfria-miento de bebidas para uso en habitaciones dehoteles: Se trata de una aplicacion clasica quepresenta caracterısticas de permitir mantener al-gunas bebidas frıas y la posibilidad de produciralgunos cubitos de hielo.

En este tipo de instalacion se debe tener pre-sente en su diseno el no ser ruidosas. Una de lasposibles soluciones es sin duda, el efecto Peltier.En la actualidad su uso esta muy reducido y re-quiere el empleo de ventiladores para disipar elcalor y el frıo de las superficies donde se agrupanlas soldaduras de las caras frıa y caliente. Losfabricantes, las juntan lo mas posible para dismi-nuir precios, teniendose a incorporar en el menorespacio, el mayor numero de parejas de semicon-ductores.

En esta invencion, se ha pensado que el sis-tema mas adecuado para la eliminacion de calorde esas soldaduras serıan intercambiadores de ca-lor basados en los “tubos de calor”, que permitenproducir una conveccion o movimiento de masade un fluido que circula por el interior de los in-tercambiadores, absorbiendo calor en el foco ca-liente y depositandolo en el foco frıo. En el casode este ejemplo, el foco frıo escogido es el aireen movimiento natural (conveccion natural), loque requiere gran superficie de intercambio: Lasolucion mas economica para conseguirlo son lassuperficies aleteadas, tıpicas de los radiadores yde las baterıas de calentamiento o enfriamiento.

El esquema de principio es el indicado en la

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descripcion de la invencion. El recinto cerrado esun mueble de 400x400x300 mm, formado por cha-pas de hierro de 0.7 mm de espesor, con un aisla-miento de 40 mm de poliuretano de una densidadde 40 kg/m3. El intercambiador de enfriamientoes una bandeja metalica de 0,2 m2, que tiene sol-dado un circuito e cobre, el cual esta unido aun recipiente metalico de dimensiones 100x50x15mm, que esta a una altura superior que la delserpentın de cobre. El conjunto es un circuito es-tanco que contiene agua a baja presion. Las pas-tillas (dos) de efecto Peltier tienen unas dimen-siones de 40x40x5 mm; sus caracterısticas son lassiguientes:

Son unidades comerciales fabricadas por lafirma (registrada) Marlow Industries, Inc corres-pondiente a su modelo de catalogo MI-48005-1

Qmax 48 w, 1max 5,3 w, Vmax 14,4 V

El sentido de la corriente continua que ali-menta a las pastillas, debe ser tal que la cara frıasea la que este en contacto con el recipiente delintercambiador antes indicado. En el interior delrecinto a enfriar se encuentran el intercambiadordel enfriador y la cara frıa de las pastillas de efectoPeltier. El segundo intercambiador es un recintocerrado que contiene agua a baja presion, y estaformado por; un tubo de cobre con aletas conun area de transmision calorıfica de 0,6 m2 y porun recipiente metalico de las mismas dimensionesque el anterior, situado por debajo del serpentınde cobre. Este intercambiador esta situado en elexterior de la nevera.

Las presiones de los dos intercambiadores sepueden obtener teoricamente o de forma experi-mental, un proceso de este ultimo podıa ser elsiguiente: Se introduce el equipo a la tempera-tura maxima del ambiente de trabajo mas 5◦C(35◦C) y se hace vacıo con una bomba rotatoria,despues se aspira agua hasta que se introduzca lacantidad de esta deseada, que cubra la superficiedel foco caliente y se termina de hacer el vacıohasta que comience a hervir el agua. Despuesse pasa la instalacion a la temperatura ambiente(23◦C) y se mide la presion. Esta sera la presiondel proceso industrial de fabricacion. La presionen el circuito de enfriamiento se puede determi-nar experimentalmente de igual forma; se hace unvacıo previo y se rellenan con agua los tubos delserpentın (intercambiador), luego se introduce enuna camara a unos grados por debajo del deseadode conservacion de las bebidas (a 4◦C), por ejem-plo de -6◦C., haciendo el vacıo hasta que hierva.

La tension de alimentacion electrica de laspastillas puede calcularse teoricamente o bien de-terminarse experimentalmente para las condicio-nes de funcionamiento requerido. El sistema decontrol, puede ser un termostato que corte la ali-mentacion electrica de las pastillas de efecto Pel-tier, o lo que es mas interesante desde el punto derendimiento termico, que conmute dos tensionesde alimentacion, la optima de trabajo y otra infe-rior, un 20% de dicho valor, utilizandose esta paramantener los umbrales de temperatura cuando,alcanzada la de trabajo, se corte la alimentacionprincipal de las pastillas.

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Aplicaciones

- Neveras pequenas para habitaciones de ho-teles.

- Neveras pequenas para caravanas y cam-pings.

- Camaras climaticas para usos medicos.

- Refrigeradores domesticos y comerciales.

- Pequenos equipos de climatizacion.

- Expendedores de alimentos y bebidas.

- Productores rapidos de cubitos de hielo.

- Muebles expositores de alimentos.

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(Descripcion del dibujo)

1. Recinto a enfriar

2. Zona de menor temperatura que en 1

3. Conducto cerrado que contiene una mezclade un lıquido

4. Conducto cerrado similar al 3.

5. Cara frıa de la placa o placas Peltier

6. Elementos semiconductores de la o las pas-tillas Peltier.

7. Cara caliente de la o las placas Peltier

8. Recinto cerrado

9. Ambiente exterior

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REIVINDICACIONES

1. Instalaciones frigorıficas con tubos de calory efecto Peltier para usos domesticos y comercia-les que emplea, en combinacion, el efecto Peltier eintercambiadores de calor basados en los “tubosde calor”, en el margen de enfriamiento de -30a +10◦C, caracterizada por carecer de partesmoviles y no emplear substancias quımicas con-taminantes. Ademas, se puede mantener la tem-peratura y la humedad constantes en el recintode enfriamiento, e invertir el sentido del flujo ca-lorıfico.

2. Instalaciones frigorıficas con tubos de calory efecto Peltier para usos domesticos y comer-ciales, segun la reivindicacion 1, caracterizadaporque la presion parcial y/o total, del o los flui-dos de los intercambiadores de calor, es la corres-pondiente a la de saturacion, en los margenes de60◦C a -30◦C. En el caso de que el fluido sea agua,presiones de entre 25 y 450 mm c.a. (+/-30%).

3. Instalaciones frigorıficas con tubos de calory efecto Peltier para usos domesticos y comercia-les, segun las reivindicaciones 1 y 2, caracteri-

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zada porque para mantener la temperatura y hu-medad relativa se fija, para la temperatura, conun termostato la del recinto a enfriar y, para lahumedad relativa, la presion de ebullicion de ma-nera que el salto de temperatura en el enfriadorsea el adecuado para que se obtenga la humedadrelativa deseada.

4. Instalaciones frigorıficas con tubos de ca-lor y efecto Peltier para usos domesticos y co-merciales, segun las reivindicaciones 1 a 3, ca-racterizada porque invirtiendo la polaridad dela corriente electrica de alimentacion del o de loselementos productores de efecto Peltier, se produ-cen inversiones de las temperaturas de los focosfrıos y calientes.

5. Instalaciones frigorıficas con tubos de calory efecto Peltier para usos domesticos y comer-ciales, segun las reivindicaciones 1 a 4, caracte-rizada porque en los intercambiadores el movi-miento de fluido se realiza, sin aporte energetico,por conveccion natural, por gravedad y/o por ca-pilaridad gracias a materiales porosos introduci-dos en ellos.

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