CN102607308B - 多循环冷却方式相变材料蓄冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多循环冷却方式PCM蓄冷系统，是利用廉价的夜间电力，启动设置于冷藏冷冻厢式货车、低温仓库或低温货柜中储藏低温潜热PCM蓄冷槽上连接的交流电冷冻机，通过直膨方式将冷媒气体输入到与冷冻机连接的蓄冷槽内部的热能交换器中进行循环，将蓄冷槽内部的低温潜热PCM冻凝蓄冷，蓄冷槽内部安装由热传导性强的铜、铝等金属材质制成的空气循环热能交换通道，将空气进气口与空气排气口相连接，并通过排风机为货箱内部的空气进行循环并降温，为增加货箱内部空气与PCM中储藏的低温热能的热交换面积，在空气进气口处安装由传热翅片组成的热能交换管排，通过第1次热能交换，冷却后的空气通过贯通PCM蓄冷槽内部的空气循环热能交换通道，完成第2次热能交换后排放到外部，在蓄冷槽上面安装排风机并启动，强制向货箱内部排放冷却后的空气，以维持所需内部温度。

Description

多循环冷却方式相变材料蓄冷系统
技术领域
本发明是关于多循环冷却方式P.C.M 蓄冷系统的技术，详细来说，就是将利用低价夜间电力驱动的交流电冷冻机与安装在冷藏冷冻厢式卡车、低温仓库、低温货柜等货箱内并带有低温潜热P.C.M相变材料（Phase Change Material）的蓄冷槽相连接，通过交流电冷冻机的膨胀阀排出的冷媒气体（Gas），在与冷冻机连结的蓄冷槽内部的气体热交换器内进行循环，以使蓄冷槽内部在指定温度开始冻凝的低温潜热P.C.M相变材料冻凝并制冷，并安装隔热层以阻断与蓄冷槽的外部空气进行热能交换，为了维持货箱内适当的温度，将进风口与排风口相贯通，以使货箱内热空气在蓄冷槽内设置的热传导率高的铜（Cu）、铝（Al）等金属材质制成的空气循环热能交换通道内部循环并被冷却，为了增加货箱内空气与P.C.M相变材料内储藏的低温热能进行热能交换的面积，在进风口安装由传热翅片组成的热能交换管排，同时，通过在蓄冷槽的上部安装排风机并予以启动，使第一次热能交换冷却后的空气经过贯通于蓄冷槽内的空气循环热能交换通道,完成第2次热能交换并强制通过排风机的空气排风口，将冷却后的空气排出，以维持需要的内部温度。
背景技术
一般情况下，为了形成并保持冷藏冷冻车货箱内的低温，是使用燃油驱动的主引擎(Mainengine)或辅助引擎（Sub engine）冷冻机。但是上述引擎驱动型冷冻机是以运输手段的行驶时得到的动力或以燃油作动力来源的，因此增加了车辆运行费用，而且在停车时，在发动机停止工作情况下，冷藏冷冻功能也随之停止，从而货箱内的温度急速上升，并且可能发生货箱内的产品质量下降及繁殖各种细菌等安全问题。低温仓库及低温货柜是使用交流冷冻机制冷，需要每天不分昼夜连续运行18小时以上，以维持仓库内适当的温度，这也成为了夏季白天用电高峰时间电力供给不均衡的原因，产生了大量的电力消耗及高额的电费，同时也产生了作为制冷机构成部分的压缩机的寿命被缩短等问题。另外，一般的利用蓄冷系统的蓄冷式冷藏冷冻车辆是，将作为相变材料的潜热（Latent heat）蓄热材料储藏在蓄冷模块之后，以并联方式形成多个蓄冷板，并安装在货箱的顶棚之上，利用夜间电力及一般电力驱动安装在车辆底部的交流电冷冻机8~10小时；将安装在货柜上部的蓄冷板上的具有低温潜热P.C.M相变材料（Phase Change Material）的蓄冷槽相连结，通过交流电制冷机的膨胀阀排出的冷媒气体（Gas），在与制冷机连接的蓄冷槽内部的气体热能交换器内进行循环，将车辆装载箱上部安装的蓄冷槽上储藏的低温潜热PCM相变材料进行冻凝，让它自然放冷来降低货箱内部的温度，这样即使不启动冷冻机，也可维持冷藏冷冻车运行约8个小时。
但是，这样的方式可能会产生由低温潜热PCM相变材料模块并联安装在顶棚的蓄冷板发生结露现象，将导致储存货物损坏等问题，另外在车辆行驶过程中，由于压缩蓄冷块的重量导致货箱的重心上移，从而加大了转弯时的潜在危险。蓄冷系统使用于冷藏冷冻车辆的代表性的资料，可以[文献1]为例（文献1：KR 20-0231247 2001.07.19）。
简单来看，就是利用电价低廉的夜间电力启动冷却设备，预先对潜热蓄热材料进行蓄冷，待冷藏冷冻车辆到达物流仓库后，从储藏手段到货箱内设置的蓄冷手段移送低温热能，通过与大气进行热能交换的自然对流方式，实现上述货箱内的冷藏冷冻。
[文献1]是利用电价低廉的夜间电力来实现货箱内的冷藏、冷冻功能，相对于利用发动机驱动型的冷器设备来进行冷藏冷冻，可以节省油类费用，并减少有害气体的排出。
但是，上述 [文献1]中记载的技术，是以单纯的自然对流方式达到货箱内冷藏冷冻的效果，在冷藏冷冻车辆不再行驶的时候，冻凝的储热材料仍然继续与货箱内的空气进行热能交换，因此产生低温热能不必要的消耗，因而存在冷藏、冷冻车辆运行时间减少的缺点。而且，蓄冷板安装在货箱的顶棚，当蓄冷板表面产生结露时，就会滴落到货箱中保管的物流产品之上，存在对产品造成伤害导致质量下降等问题。另外，原有蓄冷板内储藏的低温潜热PCM相变材料(Phase Change Material)的低温潜热功能随着时间的推移，因发生PCM相变材料物质的沉淀现象，故无法发挥安装之初其功能，将导致冷藏、冷冻功能的下降，对保持储藏物品新鲜度带来了不良影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决单纯自然对流方式所带来的问题、通过蓄冷板与外界持续进行热交换而产生的热能损失问题、蓄冷板上产生结露现象导致货物受损质量下降的问题，以及随着时间的推移带来的车载蓄冷板内的低温潜热P.C.M相变材料（Phase Change Material）性能下降等问题。
本发明的另一目的是在蓄冷槽外部安装隔热层，以防止与外部空气通过热交换的损失。
本发明的第三个目的是，以蓄冷槽内部安装P.C.M相变材料的强制循环搅拌装置，通过防止P.C.M相变材料物质产生沉淀，持续维持低温潜热的蓄冷功能，并通过强制对流实现快速的热能传导，从而缩短P.C.M相变材料的冻凝时间。
本发明技术方案的要点在于：使外部空气在低温潜热P.C.M相变材料内部强制进行循环，以避免低温热能产生不必要的损失，并使得冷藏、冷冻厢式卡车及低温仓库、低温展柜能够长时间运转；为使货箱内的空气冷却下来，在蓄冷槽内部设置空气循环热交换通道，使蓄冷槽内部的进风口和排风口相贯通，蓄冷槽内的低温潜热P.C.M相变材料（Phase Change Material）与货箱内的空气互相进行热能交换；在进风口，为了能够加大货箱内空气与P.C.M相变材料低温热能的热能交换面积，安装了由传热翅片组成的热交换管排，并通过第一次热能交换冷却下来的空气经过贯通于PCM蓄冷槽内部的空气循环热能交换通道，完成第二次热能交换后，送入到货箱内；在压缩冷槽的上部设置排风机，使通过排风机的排风口将冷却后的空气强行送入货箱内，以降低货箱内部温度。
如上所述，本发明是利用低价的夜间电力，启动设置于冷藏、冷冻厢式卡车、低温仓库、低温展柜中的交流电冷冻机，通过直膨式将冷媒气体（Gas）输入到与冷冻机连接的蓄冷槽的气体热能交换器中进行循环，将蓄冷槽内部储藏的，在一定温度条件下开始冻凝的低温潜热P.C.M相变材料进行冻凝后蓄冷。同时，为了防止与蓄冷槽外部空气产生热能交换，安装了隔热层；为了维持货箱内适当的温度，在蓄冷槽内设置有空气循环热能交换通道，空气循环热能交换通道以热传导性强的铜（Cu）、铝（Al）等金属材质制成，货箱内较高的空气进行循环并冷却，为此将空气进风口与空气出风口连接设置；为了增加货箱内部空气与P.C.M中储藏的低温热能的热能交换面积，在进风口处安装了由传热翅片组成的热交换管排，通过第1次热能交换，使冷却后的空气经过贯通于蓄冷槽内的空气循环热能交换通道，在完成第2次热能交换后排出到外部。为此，蓄冷槽上面设置的排风机并予以启动，通过排风机的出风口强制向货箱中输入冷却后的空气，以维持需要的货箱内部温度。这样一来，改变了过去的利用带有低温潜热蓄冷模块的蓄冷板自然释放冷气的方式，通过在蓄冷槽外部安装隔热板并防止隔热板外部结霜，减少热能损失，从而可长时间维持货箱内部适当的温度。在隔热板的材质上，摒弃以往价格高、又重又厚的聚氨酯板材，转而使用价格低廉、又轻又薄且隔热性能远优于聚氨酯板材的隔热层。该隔热板是将惰性气体氩（Ar）充填到厚度为20mm以内的，由胶皮软管、金属及塑料类容器（Case）中而形成的，可有效防止隔热板外部结霜。同时，将蓄冷槽的安装位置由货箱的顶棚改为车厢内部前面，当产生结露现象时可防止物流货品产生毁损，还可以提高安装作业的效率，提供理想的冷气强制循环的结构，蓄冷槽内储存的低温潜热P.C.M相变材料，通过循环泵进行强制搅拌，可持续维持低温潜热P.C.M的性能，通过强制循环热对流，可最大限度地缩短冻凝时间。通过扩大推广，可节省用于驱动传统冷冻机而耗费的燃油及电力，并减少二氧化碳的排放，可以提高经济性。
本发明的积极效果：利用低价的夜间电力启动设置于冷藏、冷冻厢式卡车、低温仓库或低温展柜中设置的交流电冷冻机，交流电冷冻机连接储藏低温潜热P.C.M相变材料的蓄冷槽，由膨胀阀内排出的冷媒气体在与冷冻机相连接的冷冻机内部的气体热能交换器内进行循环，将蓄冷槽内部在一定温度条件下开始冻凝的低温潜热P.C.M相变材料进行冻凝后蓄冷。为了维持货箱内适当的温度，在蓄冷槽内部设置以热传导率高的铜、铝等金属材质制成的空气循环热能交换通道，将空气进风口与空气排风口进行连接，使货箱空气在内部进行循环并冷却；为了增加货箱内部空气与PCM中储藏的低温热能的热交换面积，在进风口处安装了由传热翅片组成的热交换管排，通过第1次热交换，使冷却后的空气经过贯通于蓄冷槽内的空气循环热能交换通道，完成第2次热交换后排放到货箱内部。同时，在蓄冷槽上端安装排风机，通过排风机的排风口强制向货箱内输入冷却后的空气，以维持需要的货箱内部温度。
通过在蓄冷槽外部安装隔热层，阻止低温热能扩散到外部，降低不必要的由热交换导致的热损失，从而可长时间维持货箱内部适当的温度。
在隔热层的材质上，采用价格低廉、又轻又薄且隔热性能远优于聚氨酯板材的隔热层，该隔热层是将惰性气体氩气（Ar）打入到厚度为20mm以内的胶皮软管、塑料、木材或金属类容器（Case）中而形成的，可有效防止低温热能传导到隔热层外部。同时，将蓄冷槽安装在货箱前段，可防止因结露现象而导致的物流货品损坏、缩短作业时间、使外观美化的效果。
蓄冷槽内储存的低温潜热P.C.M相变材料通过搅拌泵进行强制搅拌，持续维持低温潜热P.C.M相变材料的性能，通过强制循环热对流，可最大限度缩短冻凝时间，使得货箱内装载的货物，在不启动冷冻机的情况下，可实现10~20个小时新鲜保管及适于运输的状态。
而且，可以节省用于驱动冷冻机而耗费的燃油及电耗，并减少二氧化碳的排放的同时，可以解决在冷藏、冷冻货物的保管及运输过程中需要保持合适温度的问题。
，而无需另行使用燃油及白天用电高峰时间驱动冷冻机，就能保管并运输冷藏冷冻制品，并提高经济价值。
附图说明
图1是本发明中多循环制冷方式P.C.M蓄冷系统的简略剖面图。
图2是本发明中为实现与P.C.M相变材料11进行热能交换的空气循环热能交换通道5形态的管道图。
图3是在本发明中为实现P.C.M相变材料11强制搅拌而安装交流电搅拌泵8及管道安装状态的管道图。
图4是在本发明中为实现热交换管排10内防冻液（Brine）的强制循环而安装循环泵管道安装状态管道图。
图5是本发明中的热交换管排10形态的剖面图
图6是本发明中的隔热层7构成要素的简略剖面图。
图7是利用本发明中多循环冷却方式P.C.M蓄冷式冷冻仓库的照片。
图8是利用本发明中多循环冷却方式P.C.M蓄冷技术的冷冻仓库的温度曲线图。
图9是对本发明中空气循环热能交换管内部机械系统的要素简单图示的剖面图。
附图中主要部分的序号说明：
交流电冷冻机1，膨胀阀2，气体热能交换机3，双重管式冷媒分配器4，空气循环热能交换通道5，蓄冷槽6，隔热层7，交流电搅拌泵8，防冻液循环泵9，热交换管排10，P.C.M相变材料11，排风机12，进风口13，排风口14。
具体实施方式
下面，通过附图详细说明本发明实施案例如下：
见图1-6,本发明不使用燃油或昼间电力，而是使用电价低廉的夜间地上AC220V的电力启动设置于冷藏、冷冻厢式卡车、低温仓库、低温展柜内前部的交流电冷冻机1，交流电冷冻机1连接储藏有低温潜热P.C.M相变材料（Phase Change Material）11的蓄冷槽6，在蓄冷槽6内设置气体热能交换器3和双重管式冷媒分配器4，通过交流电冷冻机1内的膨胀阀2排出的冷媒气体（Gas）以直膨式进行循环，将蓄冷槽6内的低温潜热P.C.M相变材料在一定温度条件下从液态相变成固态，被冻凝并蓄冷，在白天驱动冷藏、冷冻厢式车运行及低温仓库、低温展柜时，将已蓄冷的低温潜热P.C.M相变材料低温热能通过与冷藏、冷冻厢式卡车及低温仓库、低温展柜内的新鲜货物货箱内的空气进行两次热能交换，来维持货箱内所需温度。
在存有低温潜热P.C.M相变材料11的蓄冷槽6内设置截面为长方形的空气循环热能交换通道5，空气循环热能交换通道5以热传导性强的铜（Cu）、铝（Al）等金属材质制成，使货箱内的空气通过空气循环热交换通道5内进行循环，并与已蓄冷冻凝的低温潜热P.C.M相变材料11持续进行第2次热能交换而进行冷却。为此，在空气循环热能交换通道5下端的进风口13与空气循环热能交换通道5上端的排风口14进行连通。
同时，为了加大货箱内空气与P.C.M相变材料11中储存的低温热能之间的热能交换面积，在蓄冷槽6底部的空气进风口13上设置装有传热翅片的防冻液循环热交换排管（Coil）10，热交换管排10内含被冷却的循环防冻液。热交换管排10内部循环有防冻液的多个软管与热交换管排两端的缓冲室成直线状独立连接；蓄冷槽6上部设置防冻液循环泵9，防冻液循环泵9通过蓄冷槽6内的循环管路连接热交换管排两端的缓冲室，通过防冻液循环泵9使循环的防冻液经过蓄冷槽6底部设置的热交换管排一侧的缓冲室及直线状的多个软管流向另一侧缓冲室；高效地提高防冻液内部已蓄冷的低温热能。通过循环管路的防冻液与已蓄冷的低温潜热P.C.M相变材料11进行热交换，被冷却的防冻液经过防冻液循环热交换排管10与货箱内部空气进行第1次热交换；
通过第1次热交换，使冷却后的空气经过贯通在蓄冷槽内的空气循环热能交换通道5，完成第2次热能交换后排出到货箱内部。为此在蓄冷槽6上端安装排风机12，吸入蓄冷槽6底部货箱内空气，货箱内空气通过循环热交换管排10与其内的防冻液进行第1次热交换后，再通过空气循环热交换通道5进行第2次热交换，通过排风机12的排风口14强制排出被冷却的空气，将多次循环冷却的空气排放到货箱内部，保持货箱内部所需温度范围。
同时，蓄冷槽6的壁面上设置隔热层7，隔热层7为胶皮软管、PE、PP、HDPE塑料、木材或金属材料制成的厚度为20mm以内的容器（Case），将惰性气体氩气（Ar）输入到胶皮软管、塑料、木材或金属材料制成的容器中充填，以阻断蓄冷槽6外部与货箱内空气产生不必要的热能交换。
另外，在蓄冷槽6上端安装交流电搅拌泵8，交流电搅拌泵8连接设置于蓄冷槽6内部的吸入、排放液态低温潜热PCM相变材料的管道，在蓄冷时，蓄冷槽6内的低温潜热P.C.M相变材料11开始冻凝之前，将液态的低温潜热P.C.M相变材料11通过吸入和排出进行强制搅拌，使得蓄冷低温热能相变为液态的低温潜热P.C.M相变材料11的功能长时间地维持下去，不会因为液态低温潜热P.C.M相变材料11的沉淀导致质量下降，并通过低温潜热P.C.M相变材料11的强制循环，以使蓄冷槽6内部气体热交换器3里循环的冷媒气体发出的低温热能迅速扩散，以缩短通过冻凝进行压缩制冷的时间。
这样一来，就可以利用电价低廉的夜间地上交流电源将交流电冷冻机1启动8~10个小时，将低温潜热P.C.M相变材料11冻凝并蓄冷后，在白天无需启动交流电冷冻机1，将冷藏、冷冻厢式车、低温仓库、低温展柜的货箱内部的空气与低温潜热P.C.M相变材料11进行10~16小时的热交换，使货箱内部维持需要的温度范围（+5℃ ~ -25℃）。
见图9，根据使用需要，在蓄冷槽6内部设置空气循环热能交换通道5的除霜系统：在蓄冷槽6上部安装轨道和滑轮，滑轮连接电机，电机输出轴与空气循环热能交换通道5内部设置的电刷或雨刷器相连接，通过设置的电机来驱动电刷或雨刷器进行回转运动，并且在空气循环热能交换通道5侧壁进行摩擦，使得电动机的回转运动变为直线运动，并沿着轨道进行移动，在碰到轨道两端设置的电子接触器时，电机将换向，从而沿着轨道进行往返运动，去除结霜，提高热能交换的效率。
见图7，显示出采用本发明技术制作的多循环冷却方式P.C.M蓄冷式冷冻仓库的照片。
见图8，表示利用本发明技术制作的多循环冷却方式P.C.M蓄冷技术的冷冻仓库的温度曲线图。

Claims (5)

1.一种多循环冷却方式相变材料蓄冷系统，其特征在于：利用电费低廉的夜间地上交流电驱动装有新鲜产品的冷藏、冷冻厢式货车、低温仓库或低温货柜，货箱内部安装有储藏低温潜热相变材料（11）的蓄冷槽（6），蓄冷槽（6）连接交流电冷冻机（1），蓄冷槽（6）内设置气体热交换器（3），通过交流电冷冻机（1）内的膨胀阀（2）排出的冷媒气体以直膨方式输入到与冷冻机连接的蓄冷槽（6）内的气体热交换器（3）中进行循环；在蓄冷槽（6）内部一定温度下，低温潜热相变材料通过相变过程从液态相变成固态并蓄冷；在白天不再启动交流电冷冻机（1），而是将已蓄冷的低温潜热相变材料（11）和货箱内部空气经过两次热交换，以实现多循环冷却，并在货箱内部保持需要的温度；
为提高换热面积，在蓄冷槽底部的空气进风口（13）上设置装有传热翅片的防冻液循环热交换排管（10），所述防冻液循环热交换排管（10）通过循环管路与蓄冷槽（6）上部设置的防冻液循环泵（9）相连接，通过循环管路的防冻液与已蓄冷的低温潜热相变材料（11）进行热交换，被冷却的防冻液经过所述防冻液循环热交换排管（10）与货箱内部空气进行第1次热交换；
在蓄冷槽（6）内部设置由热传导率高的铜或铝金属材质制作的空气循环热能交换通道（5），通过空气循环热能交换通道（5）与已蓄冷的低温潜热相变材料（11）进行第2次热交换；
在蓄冷槽（6）上部设置使防冻液循环的防冻液循环泵，使所述防冻液循环热交换排管（10）内的防冻液与低温潜热相变材料（11）进行热交换而被冷却；
在蓄冷槽（6）上部设置排风机（12），吸入蓄冷槽（6）底部货箱内空气，货箱内空气通过所述防冻液循环热交换排管（10）与其内的防冻液进行第1次热交换后，再通过空气循环热能交换通道（5）进行第2次热交换，将多次循环冷却的空气排放到货箱内部，保持货箱内部所需温度范围。
2.根据权利要求1所述的一种多循环冷却方式相变材料蓄冷系统，其特征在于：蓄冷槽的壁面上设置隔热层，隔热层为胶皮软管、塑料、木材或金属材料制成的厚度为20mm以内的容器，将惰性气体氩气输入到胶皮软管、塑料、木材或金属材料制成的容器中充填，以阻断蓄冷槽（6）外部与货箱内空气产生不必要的热能交换。
3.根据权利要求1所述的一种多循环冷却方式相变材料蓄冷系统，其特征在于：为了将低温潜热相变材料（11）进行蓄冷，在蓄冷槽（6）上部设置交流电搅拌泵（8），交流电搅拌泵（8）连接设置于蓄冷槽（6）内部的吸入、排放液态低温潜热相变材料的管道，将液态低温潜热相变材料进行强制搅拌，以防止因低温潜热相变材料（11）的沉淀导致功能下降；利用低温潜热相变材料（11）的强制循环，通过冻凝进行蓄冷时，让蓄冷槽（6）内部气体热交换器（3）里循环的冷媒气体发出的低温热能迅速扩散，以缩短通过冻凝进行压缩制冷的时间。
4.根据权利要求1所述的一种多循环冷却方式相变材料蓄冷系统，其特征在于：在蓄冷槽（6）底部设置由传热翅片构成的防冻液循环热交换排管（10），防冻液循环热交换排管（10）内部循环有防冻液的多个软管与防冻液循环热交换排管（10）两端的缓冲室成直线状独立连接；蓄冷槽（6）上部设置防冻液循环泵（9），防冻液循环泵（9）通过蓄冷槽（6）内的循环管路连接防冻液循环热交换排管（10）两端的缓冲室，通过防冻液循环泵（9）使循环的防冻液经过蓄冷槽（6）底部设置的防冻液循环热交换排管（10）一侧的缓冲室及直线状的多个软管流向另一侧缓冲室，从而更能高效地提供防冻液内部已蓄冷的低温热能。
5.根据权利要求1所述的一种多循环冷却方式相变材料蓄冷系统，其特征在于：在蓄冷槽（6）内部设置空气循环热能交换通道（5）的除霜系统：在蓄冷槽（6）上部安装轨道和滑轮，滑轮连接电机，电机输出轴与空气循环热能交换通道（5）内部设置的电刷或雨刷器相连接，通过设置的电机来驱动电刷或雨刷器进行回转运动，并且在空气循环热能交换通道（5）侧壁进行摩擦，使得电动机在回转运动的同时并沿着轨道进行移动，在碰到轨道两端设置的电子接触器时，电机将换向，从而沿着轨道进行往返运动，去除结霜，提高热能交换的效率。
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