CN107003050A - 具有相变材料作为储热部的制冷装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有包括相变材料的储热部的制冷装置。制冷装置具有用于容纳待冷却物体的冷却室(6)和蒸汽压缩制冷系统，该蒸汽压缩制冷系统包括用于冷却冷却室的第一蒸发器(10)和用于冷却相变材料的第二蒸发器(12)。设置阀(15)以根据制冷装置的冷却负载控制制冷剂至第一蒸发器和第二蒸发器的流动。当制冷装置处于相对低的冷却负载时，制冷剂流至第二蒸发器(12)以冷却相变材料，当制冷装置处于相对高的冷却负载时，制冷剂流至第一蒸发器(10)，使得通过第一蒸发器和相变材料将增强的冷却提供至冷却室。在优选的实施方式中，当制冷装置处于相对低的冷却负载时，制冷剂流至第一蒸发器和第二蒸发器(10、12)，当制冷装置处于相对高的冷却负载时，制冷剂基本上仅流至第一蒸发器(10)。

Description

具有相变材料作为储热部的制冷装置
技术领域
本发明涉及一种使用相变材料作为储热部的制冷装置(refrigerator)。本发明被认为与如在酒吧和酒馆中发现的市售瓶装饮料冷却器特别相关，因为它们经受相对高峰值的冷却负载。
背景技术
例如瓶装饮料冷却器的制冷展示柜在娱乐场所被广泛地用于储存和冷却向顾客销售的饮品。制冷展示柜通常设置有透明或透视的门，使得能够向顾客展示内部的饮品。
例如，当门被频繁地打开以取出给顾客的饮料时和/或当制冷装置被补充大量待冷却的容器装饮料时，瓶装饮料冷却器经受相对高的冷却负载。
为了应对高冷却负载，为商业场所准备的瓶装饮料冷却器配备有比在相似容积的家用冰箱中通常发现的蒸汽压缩制冷系统大的蒸汽压缩制冷系统。这使得它们与尺寸相当的家用冰箱相比较不经济地运行。
除了由于它们的尺寸以外，在商用制冷装置中典型使用的较大的压缩机与用于家用冰箱的较小的压缩机相比效率较低，因为对于家用冰箱的较大市场驱使所使用的压缩机向较大效率发展。
另外，瓶装饮料冷却器的整体效率已为需要使用具有相对低绝热性的材料以使门透视/透明而让步。该问题对于如在用于销售冷藏/冷冻商品的商店中常见的、在经营时间打算打开前部(即，没有门)运行的展示柜是特别尖锐的。
CA2103978涉及具有两个制冷室的系统，一个用于冷藏室，另一个用于冷冻室，冷藏室和冷冻室均具有蒸发器。控制装置用于引导制冷剂在蒸发器之间流动以控制室的温度。可以与任一蒸发器一起使用相变材料。
DE202006010757涉及在内壁上具有相变材料当做蓄热器的制冷展示柜。
发明内容
本发明被构思的目的是为了提高制冷展示柜的效率，本发明被认为对于经受周期性大负载变化的任何制冷装置有益。
根据本发明，一种具有用于容纳待冷却物体的冷却室的制冷装置，所述制冷装置包括：储热部，其包括相变材料；蒸汽压缩制冷系统，其包括用于冷却所述冷却室的第一蒸发器和用于冷却所述相变材料的第二蒸发器；以及控制制冷剂的流动的部件，其根据所述制冷装置的冷却负载控制制冷剂至所述第一蒸发器和所述第二蒸发器的流动，其中，当所述制冷装置处于相对低的冷却负载时，制冷剂流至所述第二蒸发器以冷却所述相变材料，当所述制冷装置处于相对高的冷却负载时，制冷剂流至所述第一蒸发器，使得通过所述第一蒸发器和所述相变材料将增强的冷却提供至所述冷却室。
当制冷装置处于相对低的冷却负载时，设想：由于相变材料和第二蒸发器将提供一些冷却效果，所以制冷剂可以基本上仅流至第二蒸发器以冷却相变材料。然而，在优选实施方式中，当所述制冷装置处于相对低的冷却负载时，制冷剂流至所述第一蒸发器和所述第二蒸发器二者。
当制冷装置处于相对高的冷却负载时，优选地，通过将制冷剂基本上仅引导到第一蒸发器以使由第一蒸发器提供的冷却效果最大化。
通过在冷却负载低的阶段引导制冷剂通过第二蒸发器，系统中的备用容量能够用于将相变材料(PCM)冷却至较低能量状态，例如从气体至液体或从液体至固体。
当制冷装置处于相对高的冷却负载时，第一蒸发器和储热部能够同时(顺次)用于冷却空气。由于第一蒸发器和储热部是分开的，所以冷却表面面积增大，使得冷却速度更快。由于PCM在之前的低冷却负载阶段后至少部分(如果不是全部)处于较低能量状态，制冷剂流能够被引导至(主要地或完全地)第一蒸发器，有利于第二蒸发器，使得由第一蒸发器提供的空气的冷却增强。即使流至第二蒸发器的制冷剂被限制或关闭，处于较低能量状态的PCM由于逐渐转变至较高能量状态而将继续冷却空气。因此，在峰值载荷期间，制冷剂能够主要用于冷却空气，而不是主要用于冷却PCM。
通过以这种方式控制制冷剂提高了系统的效率。储热部提供了类似于将冷却负荷延展至一个更长周期的效果。如果制冷装置的效能有任何降低(如果有的话)，这允许系统使用较小的、更高效的压缩机，并使该效能降低最小化。
储热部还可以使得制冷装置能够在临时电源故障的情况下继续冷却。
冷却负载的状态通常通过感测实际温度和期望温度之间的温度差来确定。
为了提高在冷却室内的空气的冷却率，优选的是包括使冷却室中的空气循环经过储热部的冷却表面的部件，优选地还经过第一蒸发器。强制空气冷却被认为特别对于展示制冷装置有利，其中通过对流或传导的冷却对于提供为了应对较高热负荷所需的冷却率可能不可实现。优选地，循环空气的部件包括风扇。优选的是，空气被循环离开冷却室、经过储热部的冷却表面、经过第一蒸发器然后返回冷却室。
制冷装置可以包括导管，该导管介于冷却室的壁和制冷装置的外绝热壁之间。储热部可以安装在该导管内。为了提供最大的表面积，优选的是，储热部安装在导管内，使得储热部的两个相反的外侧暴露于流过导管的空气。换句话说，空气流经储热部的两侧。优选地，储热部是细长的且其长轴线与导管的轴线平行，使得储热部将其大部分表面积呈现给流经的空气。
优选地，第一蒸发器位于所述储热部的下游，使得在高冷却负载阶段能够使用PCM的全部冷却效果以在空气经过第一蒸发器之前冷却空气。
蒸发压缩制冷系统优选地还包括压缩机、冷凝器、至少一个膨胀装置、第一路径以及第二路径，其中制冷剂通过第一路径流至第一蒸发器然后回到压缩机，通过第二路径流至第二蒸发器然后回到压缩机。在优选的实施方式中，第二蒸发器的第二路径下游与第一蒸发器的第一路径上游合并。
在第一蒸发器和第二蒸发器之间控制制冷剂的流动的部件可以起作用以将制冷剂引导至两个蒸发器(以相等或不等的速率)或完全地或基本上引导至一个蒸发器或另一个蒸发器。
优选地，根据冷却负载来控制制冷剂至第一蒸发器和第二蒸发器的流动的部件包括阀和控制器。优选地，控制器根据冷却负载控制阀的姿态。如上所述，优选地，通过确定冷却室和/或导管内的空气的温度和期望温度之间的差来确定冷却负载。优选地，通过温度传感器确定冷却室和/或导管内的空气的温度。
优选地，控制器还根据PCM的两相的相对比例来控制阀的姿态。
在优选的实施方式中，阀仅具有两个位置，即制冷剂被引导至两个蒸发器的第一位置和制冷剂仅被引导至第一蒸发器的第二位置。优选地，阀为双稳态阀。这允许简化控制系统。
优选地，控制器还控制压缩机的操作和/或上述的循环空气的部件的操作和/或速度。
优选的是，PCM包括作为主要成分的水，水也可以包含一种或多种溶质以调节冰点。
第二蒸发器可以被配置成局部地或完全地位于PCM内，使得PCM从内侧向外被冷却。优选的是，储热部包括确定PCM改变状态的程度的部件。控制器能够使用该信息控制制冷剂至第二蒸发器的流动和/或控制压缩机。
在可选的方面中，本发明提供一种具有用于保持待冷却物体的冷却室的制冷装置，其包括：储热部，所述储热部包括相变材料以在制冷装置处于相对高的冷却负载的阶段将冷却室冷却；蒸汽压缩制冷系统，其包括第一蒸发器和第二蒸发器，其中制冷剂流过第一蒸发器以冷却冷却室，当制冷装置处于相对低的冷却负载时，制冷剂流过第二蒸发器以冷却相变材料；以及根据所述制冷装置的冷却负载控制流至第一蒸发器和第二蒸发器的制冷剂的流动的部件。
附图说明
现在将参照以下附图通过示例描述本发明，其中：
图1是根据本发明的制冷展示柜的局部侧截面示意图；
图2是根据本发明的制冷回路的示意图；以及
图3是示出储热部的局部示意侧视图。
具体实施方式
参照图1，制冷展示柜包括具有玻璃门2的绝热壳体1。壳体优选地由与用于结构刚度的高密度聚氨酯结合的真空形成的绝热板形成。玻璃门可以是双层玻璃的或优选为三层玻璃的。可以在玻璃板之间设置氪气以提高绝热性。柜置于保持包括压缩机3、冷凝器4和与该冷凝器相联的风扇5的蒸汽压缩制冷部件的基部上。
柜1具有室6，待保存的产品在室6中被冷却。可以为室6提供照明，该照明优选为节能的LED照明。照明电源优选地位于室6的外侧。为了进一步减小装置热负载，LED光源也可以位于室6的外侧，并通过诸如光引导件、光导纤维、气凝胶等适当的部件将光引导至室6。
空气通过风扇7A从室6被吹至导管7中以便被冷却。至少通过形成室6的内壁6A和绝热壳体1的内壁之间的间隙部分地限定导管7。室6的基部可以由第一蒸发器10(参照下文)或其壳体限定。
图1和图2示出制冷回路。来自冷凝器4的冷凝的制冷剂能够可选择地沿着两个路径中的一个路径流动回到压缩机3。第一路径8通过第一膨胀装置9A和第一蒸发器10，典型代表为散热片和管蒸发器，输送制冷剂。第二路径11通过第二膨胀装置9B和第二蒸发器12输送制冷剂，其中该第二蒸发器12嵌入在保持相变材料(PCM)14的储热单元13内，在该情况下相变材料为水。
通过在冷凝器4的下游的阀15控制制冷剂的流动。通过控制器16控制阀15的位置，该控制器16也用于控制压缩机3、冷凝器风扇5和导管风扇7A。
如图1和图2所示，该系统配置成已从第二蒸发器12流出的制冷剂随后经由第一蒸发器10流回至压缩机3。其他配置是可能的，包括在压缩机3的上游合并的两个分开的路径。
回到图1，第一蒸发器10和储热单元13都以如下方式安装：使循环通过导管7的空气经过储热单元13和第一蒸发器10的冷却表面以冷却空气。
温度传感器17感测来自室6的空气的温度并将相应的信号提供至控制器16。
第一蒸发器10位于储热部13的下游，使得在高冷却负载阶段中最暖的空气经过储热部13提高来自PCM14的热传递。
如图3所示，第二蒸发器12嵌入在储热部13内，使得首先在主要为冰的中央区域14A发生PCM14的冷冻，在中央区域14A的外侧是主要由水形成的外部区域14C。通过记录冰/水界面14B的位置探测PCM14已冷冻/融化的程度。这通过在储热部13的外壁和蒸发器12之间的多点处测量PCM14的导电性的(多个)传感器18来实现。通过控制器16接收来自(多个)传感器18的信号。在包含PCM的储热的技术领域中已知该配置。
为了最大化储热部13呈现给导管7内的空气的冷却表面，储热部13与壁6A和壳体1都间隔开，使得空气能够经过储热部13的两侧。
回到图1和图2，现在将描述制冷装置的操作。当制冷装置在稳定状态模式中运行时，即流出室的空气的温度处于期望温度或在期望温度附近，控制器16操作阀15使得制冷剂通过第二蒸发器12沿着第二路径11被泵取，从而冷却和冷冻在储热部13内的PCM14。一旦PCM14已如由传感器18所确定的冷冻，则控制器16能够致使压缩机3和冷凝器风扇5关闭/减慢以节约能源。典型地，该压缩机或者开启或者关闭，但是在一些情况下降低速度也是可行的。
通过应用该控制，在稳定状态运行期间的PCM14的冷冻的状态能够控制在例如完全冷冻和融化掉20％之间，以确保足够的PCM14被冷冻以在下一个高冷却负载阶段提供附加的冷却。如果在稳定状态运行期间确定PCM14充分地冷冻，则控制器16能够致使压缩机3关闭或降低速度以减少能量消耗。
另外，控制器可以控制风扇7A在该稳定状态期间的操作或速度，作为调节和控制室空气温度的另外的方法。
在稳定状态运行的具体实施方式中，制冷剂流过两个蒸发器，且通过调节离开室的空气温度来控制产品温度。空气温度是通过调整风扇7A的速度和切换压缩机3和冷凝器风扇5的开启和关闭来控制的。在此之上，如果通过传感器18测量的冷冻PCM的量降到阈值以下，则压缩机3和冷凝器风扇5启动。如果空气温度变得过低，则风扇7A的速度降低。一旦PCM到达或接近100％冷冻，则压缩机/风扇停止，储热部/PCM冷却空气。随着空气温度升高，风扇速度增大直到达到另一阈值温度，随后压缩机/风扇启动。
在相对高热负载阶段，如通过传感器17确定的探测到来自室6的空气的温度在期望温度以上(可能高出期望温度的幅度超过可以接受的范围)，控制器16调节阀15，使得制冷剂优先地被引导到第一蒸发器10。这向第一蒸发器10提供更大的冷却能力以冷却循环空气。此外，通过储热单元13对首先经过储热单元13的空气的冷却效果还减小了第一蒸发器10的冷却负载。
一旦感测到温度已落到期望温度或靠近期望温度，则控制器16将操作阀15以使待被引导通过第二蒸发器12的制冷剂流或制冷剂流的一部分再冷冻PCM14，并且将最终达到稳定状态条件。
应该理解，在没有脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，对于上述实施方式存在多种可行变化。例如，制冷装置可以包括两个以上的蒸发器。可替代地，温度传感器可以安装在室6中。
如上所述，储热部可以使得制冷装置能够在临时电源故障的情况下继续制冷。然而，也可以设置电池以在电源故障时运行蒸汽压缩系统。

Claims (11)

1.一种具有用于容纳待冷却物体的冷却室的制冷装置，所述制冷装置包括：
储热部，其包括相变材料；
蒸汽压缩制冷系统，其包括用于冷却所述冷却室的第一蒸发器和用于冷却所述相变材料的第二蒸发器；以及
控制制冷剂的流动的部件，其根据所述制冷装置的冷却负载控制制冷剂至所述第一蒸发器和所述第二蒸发器的流动，
其中，当所述制冷装置处于相对低的冷却负载时，制冷剂流至所述第二蒸发器以冷却所述相变材料，当所述制冷装置处于相对高的冷却负载时，制冷剂流至所述第一蒸发器，使得通过所述第一蒸发器和所述相变材料将增强的冷却提供至所述冷却室。
2.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，当所述制冷装置处于相对低的冷却负载时，制冷剂流至所述第一蒸发器和所述第二蒸发器二者。
3.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于，当所述制冷装置处于相对高的冷却负载时，制冷剂基本上仅流至所述第一蒸发器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述控制制冷剂的流动的部件包括阀和用于根据所述制冷装置的冷却负载控制所述阀的姿态的控制器。
5.根据权利要求4所述的制冷装置，其特征在于，所述阀为双稳态阀。
6.根据权利要求4或5所述的制冷装置，其特征在于，借助于温度传感器确定所述冷却室的温度来确定所述制冷装置的冷却负载。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的制冷装置，其特征在于，设置用于确定所述相变材料的相的相对比例的传感器，所述控制器根据所述相变材料的相的相对比例来控制所述阀的姿态。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述蒸汽压缩制冷系统包括压缩机，所述控制器通过控制所述压缩机来控制提供至所述冷却室的冷却量。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述制冷装置还包括风扇，所述风扇用于使空气从所述冷却室循环至所述储热部和所述第一蒸发器以用于冷却，其中所述控制器通过控制所述风扇的操作或速度来控制提供至所述冷却室的冷却量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述储热部包括两个相反的冷却表面，使得空气能够沿着所述储热部的任一侧流动，以经过两个冷却表面。
11.根据权利要求10所述的制冷装置，其特征在于，所述第一蒸发器位于所述储热部的下游。
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