CN103890508A

CN103890508A - 用于冰箱的冷却元件

Info

Publication number: CN103890508A
Application number: CN201380003527.3A
Authority: CN
Inventors: 库马尔·贾因·纳温; 库马尔·沙尔玛·布里耶什; 阿密特·干布希尔; 加乌拉夫·古普塔
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: EP2751504A4; WO2013156839A1; KR20140015590A; CN103890508B; EP2751504A1; EP2751504B1; KR101573592B1

Abstract

一种直冷式制冷系统（100），包括冷藏室（101）和冷冻室（102），所述冷冻室（102）包括与管内循环有制冷剂的多个盘管或导管（113）接触的蒸发器板（106）。多个冷却元件设置在所述冰箱的内部，所述冷却元件的至少一个与所述蒸发器板（106）接触，所述冷却元件包括密封在柔性壳体（110）中的、冷凝点低于0℃且高于平均蒸发器板温度的相变材料（PCM）。

Description

用于冰箱的冷却元件

技术领域

本发明涉及一种用于冰箱的冷却元件，尤其涉及一种用于直冷式（directcool）制冷系统的包含相变材料的冷却元件。

背景技术

交流供电的冰箱的基本原理是：冰箱由隔热室和（机械的、电子的或化学的）压缩机构成，压缩机将来自冰箱内部的热量传递到冰箱的外部环境，使得冰箱的内部冷却到低于房间环境温度的温度。冷却是一种全世界普遍的食物储存技术，并且通过降低细菌的繁殖速度起作用。细菌是食物变质的主要原因，而冰箱有助于减缓食品变质的速度。

电力故障问题在发展中国家很常见，而不稳定的电源会导致冰箱的冷却效率显著降低。这会由于较差的蓄冷而对储存在冷藏柜中的易变质物品的品质具有不利影响。如果电力故障持续几个小时，则冷冻区中的食物也会受到不利影响。在某一家庭存在高电耗或低电压的情况下，冰箱不能为储存的物品提供充分的冷却。因此，找到一种在高电耗、低电压、电力故障等期间保持冰箱储存室内部冷却的方式非常重要。

克服这个问题的方法之一是在冰箱的冷冻室中使用相变材料（PCM）。通过固固相变、固液相变、固气相变以及液气相变，PCM已被用于潜热储存（LHS）多年。然而，PCM仅使用的相变是固液相变。虽然液气相变比固液相变具有更高的转换热，但由于涉及高压而并不实用。能够使用多种类型的相变材料，如共晶混合物、有机PCM、无机PCM等。

在冰箱采用PCM的潜热储存的情况下，当电源可用时，蒸发器冷却用来使相变材料冷凝。在电力故障的情况下，制冷循环停止，并且蒸发器板不具有任何冷却源。因此，冰箱内部的温度开始上升。然而，由于冷凝的/部分冷凝的相变材料的存在，因而温度上升的速度大大降低。因此，PCM的冷却潜能被用于冷却冰箱内部的空气，并且将所储存的物品保持在足够低的温度。冷冻区通常可接受的温度是0℃，冷藏区通常可接受的温度是10℃。如果温度上升到这些温度以上很长的时间段，则所储存的物品可能会变质。

然而，现有的这些方法会遇到一个或多个问题。例如，如果PCM的冷凝点太低，则其不能完全冷凝。如果PCM的冷凝点太高，则PCM会完全冷凝，但是就潜热而言，PCM会具有非常低的冷却潜能。因此，取决于蒸发器的平均板温，迫切需要使用冷凝点处于恰当的温度范围的PCM。

现有的这些方法中的另一个问题在于PCM被设置在硬性塑料壳体/外壳中。因此，PCM与蒸发器板之间的热阻较高。而且，PCM壳体与蒸发器板之间的接触面积很小，这导致电力可用期间的PCM冷凝缓慢和/或能耗高。同样地，在电力故障的情况下，由PCM提供的冷却非常缓慢。因此，重要的是在PCM壳体和蒸发器板之间提供较大接触面积和低热阻。

欧洲专利第152155号公开了用于卧式冷冻柜（chest freezer）的多个冷藏元件，每一个元件包括由包含共晶溶液的塑性材料（例如，聚乙烯）构成的壳体。尤其，能够使用冷藏元件，使得共晶溶液因压缩机在降价销售市电的（晚间）几个小时期间的实际连续工作而冷凝。然后在全价销售市电的（白天）几个小时期间利用由这些元件储存的热能，从而避免冷冻箱压缩机在这几个小时期间工作。然而，由于接触面积不充分，因而压缩机必须继续运转以使PCM冷凝。而且，由于这些冷藏元件必须通过连结装配在一起，因而该壳体必须厚而硬，这导致了高热阻。

本发明的目的是避免或缓解上述缺点。

本发明提供一种用于冰箱的冷却元件，包含冷凝点处于理想的温度范围内的PCM，以确保PCM在正常工作期间完全冷凝。而且，该冷却元件被设计为使得PCM和蒸发器板之间存在较大接触面积和低热阻。通过使用柔性PCM壳体，包含适当PCM的该冷却元件允许蒸发器与蓄冷介质之间的换热最大化。因而，在电力故障或高功耗或低电压的情况下，可在很长的时间段使冰箱的各储藏室内保持足够低的温度。该冷却元件还可以减少所需的PCM的量。因为有效利用在正常运行期间冰箱所提供的冷却，所以还能够减少冰箱的运行成本。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，包括冷藏室和冷冻室，所述冷冻室包括与管内循环有制冷剂的多个盘管或导管接触的蒸发器板，其特征在于，多个冷却元件设置在所述冰箱的内部，所述冷却元件的至少一个与所述蒸发器板接触，所述冷却元件包括密封在柔性壳体中的、冷凝点低于0℃且高于平均蒸发器板温度的相变材料（PCM）。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述柔性壳体包括至少一对薄的柔性的间隔开的壁，这对壁接合在一起以形成闭合表面。

根据本发明的再一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述柔性壁适于匹配所述蒸发器板的形状，使得所述柔性壳体与所述蒸发器板的接触面积增大。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述柔性壁是薄的。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，还包括托盘保鲜室或TFR，所述托盘保鲜室或TFR中放置另一冷却元件，所述冷却元件包括密封在硬性、半硬性或柔性壳体中的、冷凝点高于TFR内部最低能够达到的温度的相变材料。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述硬性壳体包括至少一对硬性的间隔开的壁，这对壁接合在一起以形成闭合表面。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，包括布置在所述蒸发器板内部且与所述柔性壳体的至少一个壁接触的支架壳体；选择性地包括与所述柔性壳体啮合的器件。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述冷却元件被分成多个室。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述蒸发器板是弯成具有一个面、两个（L形）面、三个（U形）面、四个（O形）面或更多个面的任意期望形状的金属板材。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述支架壳体具有与所述蒸发器板的侧面/表面邻近放置且间隔开的一个面、两个面、三个（U形）面、四个（O形）面或更多个面。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述支架壳体具有三个（U形）面，并且所述冷却元件与所述支架壳体的一个或多个面接触。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述冷却元件中的所述相变材料在所述制冷系统的正常工作期间部分或完全冷凝，并且在电力故障/停电期间提供制冷。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述相变材料是冷凝点在给定温度范围内的任何有机或无机PCM或共晶体。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种直冷式制冷系统，其中所述柔性壳体由塑性材料构成，例如为聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物（ABS）和尼龙等。

附图说明

图1（a）是根据本发明的实施例的直冷式制冷系统的正视图。

图1（b）是根据本发明的实施例的冷冻室和托盘保鲜室（TFR）的立体图。

图2（a）是示出柔性塑料壳体附接在支架壳体上的立体图。

图2（b）是根据本发明的实施例的柔性塑料壳体的视图。

图2（c）是图1（b）的其中配置有硬性塑料壳体的TFR的分解图。

图3是冷凝点为-12℃和-5℃的两个PCM冷凝的温度-时间图。

图4是通过冰箱中的循环工作使冷凝点为-12℃的PCM冷凝的温度-时间图。

图5（a）是示出与冷冻室的蒸发器板接触放置的包含PCM的硬性塑料壳体的立体图。

图5（b）是沿着图5（a）的线AA'的区域，示出蒸发器板、硬性塑料壳体、PCM以及冷冻室的一部分的视图。

图5（c）是示出图5（b）的划圈部分的放大图。

图6（a）是示出蒸发器板、硬性塑料壳体以及PCM的一部分的放大剖视图。

图6（b）是示出由图6（a）的组件提供的热阻的示意图。

图6（c）是示出图6（b）的热阻之间的关系的示意图。

图7是示出（UA）₂对一些参数的改变的响应的图表。

图8（a）是示出与蒸发器板接触的硬性塑料壳体的示意图。

图8（b）是示出与蒸发器板接触的柔性塑料壳体的示意图。

图9是柔性塑料壳体和硬性塑料壳体中的同一PCM冷凝的温度-时间图。

应注意的是，上文提到的附图参照直冷式冰箱。然而，本发明的教导能够容易地带或不带细微修改地应用于冰箱的其它类型。

具体实施方式

下文讨论了本发明的一些代表性实施例。本发明在其更广泛的方面不限于在此小节结合实施例和方法示出和描述的具体细节、代表性设备和方法以及示例性示例。在参考本说明书阅读的所附权利要求书及适当的等同方案中特别指出且清楚地要求保护根据其各种方案的本发明。

应注意的是，如说明书和所附权利要求书中使用的，除非上下文中另有明确规定，否则单数形成的“一”、“一个”以及“该”包括多个指示物。在说明书通篇中，术语“x℃PCM”表示“冷凝点/融点为x℃的相变材料（PCM）”，其中“x”是实数。

具有-5℃到190℃温度范围的冷凝点的PCM大量可用。可用于家用冰箱的PCM通常具有低于0℃的冷凝点。可基于热力学性质、动力学性质、经济性以及化学性质来判断PCM的有效性。一个重要的前提是融化温度应当在冰箱的工作范围内。判断冰箱中的PCM的有效性的两个重要因素是使PCM完全冷凝所经过的时间以及在相变期间储存的显热量和潜热量。

图1（a）是根据本发明的实施例的家用自然对流式或单门式或直冷式制冷系统（100）的正视图。冷冻室（102）位于冰箱的顶部。该冷冻室内部的温度保持在低于水的冷凝点少许几度以便形成冰，并且为其它物品提供冷藏。托盘保鲜室（TFR）（103）布置在冷冻室的正下方。该保鲜室的温度通常接近水的冷凝点。因此，需要被冷藏/冷却到低温但是最好不冷凝的物品被储存在该区域中。主冷藏室（101）设置有用于放置食物和其它物品的多个托盘。该区域中的温度保持在低于环境温度少许几度。冰箱的底部可以具有用于储存水果和蔬菜并保持水果和蔬菜的新鲜度的保鲜托盘（105）。

图1（b）是图1（a）所示的冷冻室（102）和TFR（103）的立体图。该冷冻室包含在整个冰箱中提供冷却的蒸发器板（106）以及容置自动调温器、灯泡以及冷冻室门的蒸发器的框架（107）。用于容置柔性塑料壳体的支架壳体（108）布置在冷冻室（102）的内部。PCM被储存在柔性塑料壳体中，该柔性塑料壳体布置在蒸发器板与支架壳体之间的空间中。因此，支架壳体（108）防止包含PCM的柔性塑料壳体意外损坏。支架壳体（108）还防止在柔性塑料壳体中储存大量PCM时可能发生的柔性塑料壳体因其自身重量而下垂或膨胀。在TFR（103）的内部放置不同的PCM或相同的PCM。放置在TFR内部的PCM可以被储存在柔性塑料壳体或硬性塑料壳体中。

图2（a）是示出柔性塑料壳体（110）附接在支架壳体（108）上的立体图。PCM被储存在柔性塑料壳体的内部。在本实施例中，支架壳体具有弯成U形的三个面。这三个面中的两个面彼此平行且垂直于第三个面。为了防止支架壳体的弯曲，在两个平行的面之间设置长条（117）。因此，被保持在冷冻室内部的物品通过支架壳体来密封。支架壳体（108）具有安装在支架壳体（108）上或模塑到支架壳体（108）中的呈多个突起（111）形式的附接器件，以使得柔性塑料壳体能够压配合或附接到支架壳体（108）上。

图2（b）是根据本发明的实施例的具有用于储存PCM的三个室的柔性塑料壳体（110）。这三个室之间具有小间隙以在被放置在支架壳体（108）上时容纳支架壳体（108）的边缘。这三个面成为在这三个面被放置在其上的支架壳体（108）的对应表面。还存在多个通孔（112），以便允许支架壳体的突起（111）与这些通孔（112）紧密地装配或附接。

图2（c）是图1（b）的TFR（103）的分解图。PCM可以被储存在位于TFR内部的硬性、半硬性或柔性壳体中。在本实施例中，PCM被储存在硬性塑料壳体（109）中。该壳体被分成多个室以便促进PCM更快速地冷凝。硬性塑料壳体（109）放置在TFR（103）的内部，并且必要时可以被拆卸或移除。这在电力故障期间用作额外的冷却源，并且还有助于阻止冷藏室（101）的温度上升。

图3是冷凝点为-12℃和-5℃的两个PCM冷凝的温度-时间图。处于环境温度（大约30℃）的液态PCM被附接至蒸发器板，并且压缩机连续运转。由于压缩机的连续工作，蒸发器板温度变得低于-30℃。PCM在不同的时间冷凝并且以固相的形式被进一步冷却到大致-30℃。该曲线图清楚地表明冷凝点较低的PCM显示出更长的相变完成时间。因此，与-5℃PCM相比，-12℃PCM在冷凝之前散发更多的热量。在电力故障的情况下，因为与-5℃PCM相比，-12℃PCM在融化之前能够吸收更多的热量，所以可预期-12℃PCM将表现得更好。可以得出的结论是具有更长的相变完成时间的PCM应该具有更多的冷却潜能或潜热储存（忽略显热）。

图4是通过直冷式冰箱中的循环工作使冷凝点为-12℃的PCM冷凝的温度-时间图。循环是直冷式冰箱工作的常见模式，其中压缩机循环启动和停止，使得蒸发器板温度在特定预设温度之间保持增加和降低。通过蒸发器板温度图中的V字形折线（notch）示出了相同的情况。当PCM被附接在直冷式冰箱的蒸发器处时，PCM通过向蒸发器板放热而冷凝。另一方面，蒸发器板通过将热量释放到流过附接至蒸发器板的多个导管或盘管的制冷剂而被冷却。因为制冷剂从蒸发器板吸收热量，所以制冷剂以较低的温度进入导管而以较高的温度排出导管。因此，在蒸发器板的各区域的温度有微小变化。因此，与蒸发器板的不同区域接触放置的PCM的温度分布也有变化。

当V字形折线处于正常位置时，蒸发器板的平均温度是-13℃。示出PCM的温度的曲线图示出温度在窄的温度范围内变化。可观察到，当蒸发器板平均温度为-13℃时，冷凝点为-12℃的PCM不能完全冷凝。因此，附接至蒸发器的PCM的融点应当≥-12℃。在直冷式冰箱的正常V字形循环的情况下，TFR的平均温度是-1.5℃。因此，放置在TFR中的PCM的融点应当≥-1℃。因此，融点在-12℃至0℃之间的PCM在冷冻室中是有效的，并且冷凝点高于-1℃的PCM在该特定的直冷式冰箱的TFR中尤其有效。

图5（a）是根据本发明的实施例的蒸发器板（106）的立体图。蒸发器板实质上是弯成适当形状的金属板材，该金属板材的表面附接有多个导管或盘管（113）。在给定的示例中，该金属板材在四个面上具有导管网。制冷剂在一端进入导管并从另一端排出，在该过程中吸取热量。硬性塑料壳体（116）被放置为与蒸发器板（106）的多个面中的一个面接触。

图5（b）是沿着图5（a）的线AA'的区域示出蒸发器板、硬性塑料壳体、PCM以及冷冻室的一部分的视图。蒸发器板区（115）具有穿过其的几个导管（113）。制冷剂流过这些导管并从蒸发器板吸取热量，从而降低其温度。冷却的蒸发器板用作冷冻室内部的冷却源。因此，冷冻室内部的空气放热到蒸发器板或通过蒸发器板得到冷却。与蒸发器板区域（115）相邻放置的包含PCM的硬性塑料壳体（116）可以被看作其中放置有PCM（120）的一对平行壁（104和114）。壁（104）与蒸发器板区域（115）相邻并且由于该壁不可弯曲而具有若干空气间隙。第二壁（114）可以与支架壳体接触或与冷冻室内部的空气直接接触。

图5（c）是示出图5（b）的划圈部分的放大图。给定图形中的箭头示出热量流动的方向。Q₁代表从冷冻室的内部到PCM（120）的热量的流动。Q₂代表从PCM（120）到蒸发器板区域（115）的热量的流动。因此，热量的流动是从冷冻室的内部朝向蒸发器板的。

为了从理论上确定PCM的适当的冷凝点，需要为冷冻室进行能量平衡。在PCM的相变工作的时间段上为图5（a）、图5（b）、图5（c）所示的实施例提供能量平衡。假设在相变期间消耗或释放的潜热的量比PCM的温度在固态或液态改变时消耗或释放的显热高得多。例如，在PCM冷凝期间，假设与在从处于其冷凝点的液体到处于其冷凝点的固体的相变期间释放的热量相比，将其从处于环境温度的液体冷却到处于其冷凝点的液体期间释放的热量可忽略不计。同样地，假设与在相变期间释放的热量相比，在将固态PCM进一步冷却到低于其冷凝点的期间释放的显热也可忽略不计。

因为可以设置也可以不设置支架壳体，所以不考虑由支架壳体提供的换热热阻。也可以将蒸发器板的温度的小的位置变化忽略不计。在下文中使用的术语“柜体”是指冷冻室的内部。假设柜体是空的，即食物或其它物品未置于该柜体中。

根据能量平衡等式来确定储存在放置为与直冷式冰箱中的蒸发器接触的硬性塑料壳体中的PCM的冷凝速度：

δQ=Q₂-Q₁=mh_sf/t..........(1)

其中，

Q₁：由PCM从柜体吸收的热量吸收速度

Q₂：从PCM到蒸发器的热量散发速度

m：PCM的质量

h_sf：PCM的潜热

t：相变的时间

从柜体吸收的热量（Q ₁ ）：

Q₁=(UA)₁ΔT₁=(UA)₁(T_F-T_PCM)..........(2)

{(UA)}_{1} = \frac{1}{R_{1, th}} = \frac{1}{\frac{1}{h_{i} A_{o}} + \frac{t_{rp}}{k_{ro} A_{o}}}

其中，

（UA）₁：由PCM从柜体吸收的热量的总的换热系数和换热面积的乘积

A₀：与冷冻室柜体接触的硬性塑料壳体的面积

T_F：柜体的平均温度

T_PCM：PCM的冷凝点

h_i：对流换热系数

k_rp：硬性塑料壳体的导热系数

t_rp：硬性塑料壳体的厚度

R₁，_th：从柜体吸收热量的等效热阻

这里，假设在PCM的相转变的整个时间段柜体温度保持不变。从图3可看出，因为在相转变期间温度有非常微小的变化，所以假设PCM的温度为其冷凝点。

而且，假设PCM的温度或柜体温度无任何显著的位置变化（positionalvariation）。因此，T_F和T_PCM分别表示冷冻室和PCM内部的平均温度。

散发到蒸发器的热量（Q ₂ ）：

图6（a）是示出蒸发器板（115）、硬性塑料壳体（116）以及PCM（120）的一部分的放大剖视图。Q₂表示从PCM到蒸发器板的热量的流动。蒸发器板、空气、硬性塑料壳体以及PCM的厚度和导热系数在该图中进行了标记。在从PCM到蒸发器板的换热期间遇到几个热阻。Q₂的表达式导出如下：

Q₂=(UA)₂ΔT₂=(UA)₂(T_PCM-T_Eva)..........(3)

{(UA)}_{2} = \frac{1}{R_{2, th}}, T_{2, th} = \frac{R_{1} R_{2}}{R_{1} + R_{2}} + R_{3}

并且，

R_{1} = \frac{t_{eva}}{k_{eva} A_{l}} + \frac{t_{air}}{k_{air} A_{l}} + \frac{t_{rp}}{k_{rp} A_{l}}

R_{2} = \frac{t_{eva}}{k_{eva} A_{2}} + \frac{t_{rp}}{k_{rp} A_{2}} + R_{C}, R_{3} = \frac{t_{PCM}}{k_{PCM} A_{i}}

A_i=A₁+A₂，r=A₂/A_i(面积比)

R_C：接触热阻

其中，

（UA）₂：从PCM到蒸发器散发的热量的总的换热系数和换热面积的乘积

A_i：蒸发器板的总的可用面积

A₁：不与硬性塑料壳体接触的蒸发器板的面积

A₂：与硬性塑料壳体接触的蒸发器板的面积

T_Eva：蒸发器板的平均温度

k_rp、k_air、k_Eva、k_PCM：硬性塑料壳体、空气、蒸发器板材料、PCM的导热系数

t_rp、t_air、t_Eva、t_PCM：硬性塑料壳体、空气、蒸发器板材料、PCM的厚度

R_2，th：从PCM到蒸发器散发热量的等效热阻

图6（b）是示出通过图6（a）的组件提供的热阻的示意图。热阻项R₁表示对通过不与硬性塑料壳体接触的面积A₁的换热的总热阻。其包括蒸发器板的面积A₁的热阻、蒸发器板与硬性塑料壳体之间的空气的热阻以及不与蒸发器的面积A₁接触的硬性塑料壳体的对应面积提供的热阻。

热阻项R₂表示对通过与硬性塑料壳体接触的蒸发器板的面积A₂的换热的总热阻。其包括蒸发器板的面积A₂的热阻、与蒸发器接触的硬性塑料壳体的面积A₂提供的热阻以及蒸发器板与硬性塑料壳体之间的接触热阻。与计算R₂中涉及的其它两项相比，接触热阻R_C小得多。因此，在进一步的计算中将其忽略不计。热阻项R₃表示对基于密封在硬性塑料层内部的PCM的宽度通过PCM换热的热阻。

已基于图6（c）所示的热阻的组合计算了总热阻R_2，th。图6（c）是示出图6（b）的热阻之间的关系的示意图。热阻R₁和R₂彼此平行，并且R₁和R₂的组合与R₃串联。从获得的表达式可清楚的看出该热阻将随PCM的宽度的增加而增加。对于给定的换热面积，减少所使用的PCM的量将减少密封在硬性塑料层中的PCM的宽度，从而减少换热热阻。

示例1：对具有钢制蒸发器板的直冷式冰箱进行了实验。使用了导热系数为0.5W/mK的PCM。假设A₀等于A_i，但是在实际应用中，A₀应稍高于A_i。图8（a）是示出与蒸发器板接触的硬性塑料壳体（116）的示意图。蒸发器板与硬性塑料壳体接触的面积被标记为A₂。对于硬性塑料壳体，假设0.5的面积比（A₂/A_i）是合理的，这表示仅硬性塑料壳体的一半面积与蒸发器板直接物理接触。实际上，因为导管或盘管间隔开，所以硬性塑料壳体的面积比低于0.5。

获得在计算（UA）₁和（UA）₂中使用的各种变量的值如下：

h_i=8W/m²K A_steel=70W/mK

t_rp=2.5mmk_air=0.026W,mK

k_rp=0.1W/mKk_rp=0.1W/mK

A_o=0.037m^Zk_PCM=0.5W/mK

t_steel=0.55mm

t_air=1.4mm

t_rp=2.5mm

t_PCM=17mm

A₁=0.0285m²

A₂=0.0185m²

Ai=0.037m²

r=0.5

替换这些值得到，

和(UA)_l=0.247W/K(UA)₂=0.514W/K

与Q₁（从柜体吸收的热量）有关的参数既影响潜热储存（LHS）又影响断电性能（即，电力故障期间的性能）。由于蒸发器在电力故障期间不具有任何冷却源，因而蒸发器在电力故障时仅与蒸发器的周围环境交换少量的热量。与在融化之前由PCM吸收的潜热相比，这个热量少很多并可被忽略不计。因此，在电力故障期间，从冷冻室柜体到PCM的换热起了主要作用，因此从冷冻室内部吸收的热量（Q₁）的吸收速度是冰箱的断电性能的主要影响因素。与Q₁有关的参数是h_i、t_rp、k_rp以及A₀。对于A₀的给定值，塑料壳体的厚度是设计者能够控制的非常重要的性质。硬性塑料的使用限制了壳体厚度的减少。然而，如果使用柔性塑料（如PVC），则能够很大程度地减少厚度。

与Q₂（散发到蒸发器的热量）有关的参数仅在潜热储存期间（即，当PCM正冷凝时）是重要的。对在等式（3）中获得的表达式中影响（UA）₂的各种因素进行灵敏度分析。在图7中用图表表示出结果。示例1的硬性塑料壳体被看作基准壳体，其中（UA）₂=0.514W/K。如所预期的，观察与换热面积或蒸发器板的面积A_i的直接关系。蒸发器板面积10%的增加使得（UA）₂增加10%。对于给定的蒸发器板面积，PCM壳体的接触面积和PCM的厚度是灵敏度分析的重要响应因素。

为了扩大蒸发器与PCM壳体之间的接触面积并降低PCM的厚度，可以通过使用柔性塑料壳体来实现。柔性塑料壳体的厚度几乎小于硬性塑料壳体的90%，并且柔性塑料壳体的柔性增加了接触面积。

示例2：用柔性塑料壳体替代示例1中的硬性塑料壳体。可以假设硬性塑料和柔性塑料的导热系数相同。凭借使用柔性塑料，壳体的厚度减少了90%。由于壳体的厚度的减少以及柔性的增加，蒸发器板与所述壳体之间的接触面积增加。图8（b）是示出与蒸发器板接触的柔性塑料壳体（110）的示意图。从图中可看出，柔性塑料能够紧密地跟随蒸发器板的形状，并且该壳体的一大部分与蒸发器板直接接触。仅标记为A₁的一小部分蒸发器板不与硬性塑料壳体接触。因此，假定面积比r=0.8是合理的。

在等式（3）中进行替换，

t_fp=0.25mm

r=0.8

A₁=0.0074m²，A₂=0.0296m²，A_i=0.037m²

其中，

t_fp：柔性塑料壳体的厚度

假设能量平衡相同（实际上，一些单独的热阻具有一些小的改变），得到（UA）₂'=0.997W/K，其比在示例1中获得的值（UA）₂=0.514W/K增加了94%。因此，通过使用示例2的柔性塑料壳体，从PCM散发到蒸发器板的热量几乎增加了2倍。

图9是柔性塑料壳体和硬性塑料壳体中的同一PCM冷凝的温度-时间图。可以看出，在柔性塑料壳体中更快速地达到冷凝点。在柔性塑料壳体的情况下，相变完成时间也更少。在每个时间点处，由于换热更好，所以柔性塑料壳体中的温度低于硬性塑料壳体中的温度低。因此，对于相同量的PCM，通过使用柔性塑料壳体，冷凝时间几乎减少了三分之二。

很明显，设计者必须在更好的停电性能和PCM的更快的冷凝之间进行选择。如果PCM具有非常高的潜热储存，则会在电力故障期间提供很长一段时间的冷却，并且断电性能将会更好。然而，这将花费很多时间和能量来使这种PCM完全冷凝，这在频繁停电的情况下可能是不可行的。相反，如果PCM具有较低的潜热储存，则仅在电力故障之后提供有限时间段的冷却，并且停电性能将不会很好。然而，该PCM将更快地完全冷凝。在冰箱中使用PCM的本方法中，常发生潜热储存较低，并且同时，由于PCM壳体的低接触面积和高热阻和/或将要冷凝的PCM的量非常大和/或PCM的不合适的冷凝点，因而完全冷凝是不可能的。

因此，本发明提供一种具有一个或多个冷却元件的直冷式冰箱，该一个或多个冷却元件包括密封在柔性或硬性塑料壳体中的具有特别合适的冷凝点的相变材料，该柔性或硬性塑料壳体设置在冰箱内部的一个或多个位置处。该冰箱提供优良的断电性能，并且同时确保容置其中的PCM快速冷凝。

在本发明的范围内可以进行若干变化。例如，TFR中的PCM也可以被设置在柔性塑料壳体内部。柔性塑料壳体和硬性塑料壳体可以具有任何适当数量的室。如果需要的话，PCM可以额外地被设置在冰箱内部的其它位置。支架壳体可以存在也可以不存在。请注意，术语“柔性塑料”和“硬性塑料”不限于塑料，而是持有与柔性塑料和硬性塑料类似的性质的任何材料。一些合适的柔性塑料包括聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物（ABS）和尼龙等。

还可以视需要改变各种组件的形状。例如，如果蒸发器板是L形，而不是空心长方体，则PCM壳体也应邻近蒸发器板所在的一个或多个面而被设置成相似的形状。这是因为，如果PCM被布置在冷冻室内部的蒸发器板不与PCM直接接触的其它面，则难以使PCM完全冷凝。同样地，还基于蒸发器板和/或PCM壳体的形状来决定支架壳体的构造。例如，如果蒸发器板是U形的，即，从图5（a）的蒸发器板（106）的多个面去除任一面，则支架壳体还可以具有三个相似的面，并且PCM可以被设置为与蒸发器板的一个或多个面接触。能够使用任何合适的器件以将PCM壳体附接在支架壳体上。

本发明不限于通过示例的方式描述和示出的实施例，并且在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，能够提出许多修改和变化。本发明的教导可以带或不带细微修改地应用于其它类型的冰箱、冷冻室以及冷藏搁架等。

附图标记

100、直冷式制冷系统

101、冷藏室

102、冷冻室

103、托盘保鲜室（TFR）

104和114、硬性塑料壳体的壁

105、保鲜托盘

106、蒸发器板

107、蒸发器的框架

108、支架壳体

109、 TFR的硬性塑料壳体

110、柔性塑料壳体

111、支架壳体上的突起

112、柔性塑料壳体中的通孔

113、导管或盘管

115、蒸发器板区域

116、冷冻室的硬性塑料壳体

117、支架壳体长条

120、相变材料（PCM）

Claims

1.一种直冷式制冷系统（100），包括冷藏室（101）和冷冻室（102），所述冷冻室（102）包括与管内循环有制冷剂的多个盘管或导管（113）接触的蒸发器板（106），其特征在于，多个冷却元件设置在所述冰箱的内部，所述冷却元件的至少一个与所述蒸发器板（106）接触，所述冷却元件包括密封在柔性壳体（110）中的、冷凝点低于0℃且高于平均蒸发器板温度的相变材料（PCM）。

2.根据权利要求1所述的直冷式制冷系统，其中所述柔性壳体包括至少一对薄的柔性的间隔开的壁，这对壁接合在一起以形成闭合表面。

3.根据权利要求2所述的直冷式制冷系统，其中所述柔性壁适于匹配所述蒸发器板的形状，使得所述柔性壳体与所述蒸发器板的接触面积增大。

4.根据权利要求3所述的直冷式制冷系统，所述柔性壁是薄的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的直冷式制冷系统，还包括托盘保鲜室或TFR（103），所述托盘保鲜室或TFR中放置另一冷却元件，所述冷却元件包括密封在硬性、半硬性或柔性壳体中的、冷凝点高于TFR内部最低能够达到的温度的相变材料。

6.根据权利要求5所述的直冷式制冷系统，其中所述硬性壳体包括至少一对硬性的间隔开的壁，这对壁接合在一起以形成闭合表面。

7.根据前述权利要求中任一项所述的直冷式制冷系统，包括布置在所述蒸发器板内部且与所述柔性壳体（110）的至少一个壁接触的支架壳体（108）；选择性地包括与所述柔性壳体（110）啮合的器件。

8.根据前述权利要求中任一项所述的直冷式制冷系统，其中所述冷却元件被分成多个室。

9.根据前述权利要求中任一项所述的直冷式制冷系统，其中所述蒸发器板是弯成具有一个面、两个（L形）面、三个（U形）面、四个（O形）面或更多个面的任意期望形状的金属板材。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的直冷式制冷系统，其中所述支架壳体具有与所述蒸发器板的侧面/表面邻近放置且间隔开的一个面、两个面、三个（U形）面、四个（O形）面或更多个面。

11.根据权利要求10所述的直冷式制冷系统，其中所述支架壳体具有三个（U形）面，并且所述冷却元件与所述支架壳体的一个或多个面接触。

12.根据前述权利要求中任一项所述的直冷式制冷系统，其中所述冷却元件中的所述相变材料在所述制冷系统的正常工作期间部分或完全冷凝，并且在电力故障/停电期间提供制冷。

13.根据前述权利要求中任一项所述的直冷式制冷系统，其中所述相变材料是冷凝点在给定温度范围内的任何有机或无机PCM或共晶体。

14.根据前述权利要求中任一项所述的直冷式制冷系统，其中所述柔性壳体由塑性材料构成，例如为聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物（ABS）和尼龙等。