CN110039974A - 基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统 - Google Patents

基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统，包括至少一个分布于汽车内的相变储能装置和至少一个置于汽车乘员舱内的温感雾化装置，相变储能装置包括外壳层、至少一层PCM层和至少一层铜网层，且PCM层和铜网层交替层叠置于外壳层内；PCM层包括至少一层浸渍有相变材料且横向均匀分布若干铜管风道的毛毡，相变材料由NaSO4.10H2O、NH4Cl、增稠剂和pH调节剂依次按质量百分比89.5％、9％、1％和0.5％复配而成。本发明系统内相变储能装置和温感雾化装置协同解决汽车在夏季高温时段太阳直射导致乘员舱热量积聚温度骤升的问题，体积小、能耗低，降温效果好，节能又环保。

Description

基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统
技术领域
本发明属于制冷设备技术领域，具体涉及基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统。
背景技术
随着汽车工业的发展，汽车的安全性、灵敏性和舒适性不断提高，其中乘员舱热舒适性是重点关注因素，尤其在夏季室外受到高辐照阳光直射，汽车乘员舱内的热量在热辐射下快速集聚，温度直线上升；在密闭状况下，夏季短时停车之后舱内温度很快上升至60℃，部分仪表面板最高温度甚至达到96℃，严重影响车内部件寿命以及车内乘员的热舒适性。
目前解决上述问题的办法通常是先打开前后对侧车门通风，通过空气对流散掉积存的热量，然后通过车内空调制冷达到降温的目的。但是，较高的乘员舱室温状况下，大大增加汽车发动机的散热负担，发动机在提供空调制冷过程中温度骤升，严重影响其寿命及性能，而且车用空调的高负荷工作会造成油耗高和成本增加。基于此，汽车乘员舱在面对室外阳光直射时温度骤升影响舱内热舒适性的问题亟待解决。专利号为CN201620396459的实用新型公开了一种车载相变降温装置，包含吸热管路、放热管路、压缩机和水泵，其置于后备箱可以达到降温效果，但仍存在以下问题：
①由于吸热过程中压缩机在白天一直开启、降温过程中水泵在夜间一直开启，造成汽车耗能严重；
②相变材料的相变温度在30～31℃左右，相变温度较高，不能达到较好降温效果，并且材料本身的过冷特性严重限制材料的蓄放热性能，纯十水硫酸钠不是理想的降温材料；
③管路较为复杂，对加工工艺提出较高要求；
④在足够蓄热量的条件下，装置本身体积较大，加上压缩机、泵、温控单元、管路等整体设计占用后备箱空间较多，造成使用不便。
发明内容
鉴于此，本发明针对现有技术中用于夏季汽车乘员舱降温的装置存在耗能大、降温效果不佳、空间占用大和装置结构较复杂的问题，提供一种基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统，通过分布于汽车内的相变储能装置和温感雾化装置协同作用彻底解决汽车在夏季高温时段太阳直射导致乘员舱热量积聚温度骤升的问题，体积小、能耗低，降温效果好，节能又环保。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统，包括至少一个分布于汽车内的相变储能装置和至少一个置于汽车乘员舱内的温感雾化装置；其中：
所述相变储能装置包括外壳层、至少一层PCM层和至少一层铜网层，且所述PCM层和所述铜网层交替层叠置于所述外壳层内；
所述PCM层包括至少一层浸渍有相变材料且横向均匀分布若干铜管风道的毛毡，且所述相变材料由NaSO4.10H2O、NH4Cl、增稠剂和pH调节剂依次按质量百分比89.5％、9％、1％和0.5％复配而成。
进一步，所述相变储能装置分布于汽车内壁、和/或底座、和/或底盘和/或后备箱内；和/或所述温感雾化装置置于汽车乘员舱顶部、和/或前部和/或后部。
进一步，所述温感雾化装置包括温度传感器、位于后端的雾化液容器和位于前端且与所述雾化液容器连通的雾化喷头；其中：所述温度传感器一端置于所述汽车乘员舱内、另一端与所述雾化液容器连接。
进一步，所述温感雾化装置还包括温感雾化控制电路，当所述温度传感器达到预警温度时，通过所述温感雾化控制电路启动并控制所述雾化液容器内液体经所述雾化喷头雾化喷洒于所述汽车乘员舱内。
更进一步，所述温度传感器的预警温度为35～80℃。
更进一步，所述雾化液容器内置有纯水。
进一步，所述相变材料呈中性。
进一步，所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠、黄原胶或瓜尔豆胶。
进一步，所述外壳层密闭塑封或一体胶装。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明中相变储能装置吸热时不需要压缩机等部件驱动，降温放热时仅利用车开动时的流动风通过铜管风道即可将材料热量带走，且PCM层间夹持的铜网层可强化传热，使吸热、放热速度增加，体积小、能耗低且降温效果好。
(2)由于相变储能装置中相变材料的相变温度为25～26℃，一方面解决夏季热量积聚问题的同时还可以显热和部分潜热形式储存空调冷量，使汽车乘员舱恒温时间持续更久；另一方面，当冬季温度低时相变材料凝固放热，使汽车乘员舱内温度保持恒温舒适。
(3)本发明中相变储能装置可以根据不同蓄热量的需求灵活定制，体积轻薄，吸放热效率高。
(4)本发明的汽车乘员舱降温调节系统整体设计不占用乘员舱及后备箱体积、耗能低，且安装灵活方便，可有效消除乘员舱内热量以降低舱内温度，提高汽车乘员舱的热舒适性，节能又环保。
附图说明
图1为基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统的结构结构图；其中，1-汽车，2-相变储能装置，3-温感雾化装置。
图2为相变储能装置的结构示意图，其中，201-外壳层，202-PCM层，203-铜网层，204-铜管风道。
图3为温感雾化装置的结构示意图，其中，301-温度传感器，302-雾化液容器，303-雾化喷头。
图4为相变储能装置内相变材料的性能曲线；其中，(a)相变材料降温曲线；(b)相变材料DSC热性能曲线。
图5为不同状态下实测汽车乘员舱内外温度变化；其中：
(a)无相变储能装置时汽车乘员舱内外温度变化；A点为汽车内部温度上升时达到与室外同样温度的点，A点之后，车内温度高于室外温度；
(b)仅加装相变储能装置时汽车乘员舱内外温度变化，B点为汽车内部温度上升时达到与室外同样温度的点，B点之后，车内温度高于室外温度；
(c)同时加装相变储能装置及温感雾化装置的汽车乘员舱内外温度变化，C点为汽车内部温度上升达到与室外同样温度的点，C～D点之间车内温度高于室外温度，雾化开启以后车内温度下降，D点为降至与乘员舱外部温度相同的点，D点之后，乘员舱内部温度低于外部温度。
具体实施方式
下面结合专利附图给出具体实例，进一步说明本发明的基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统是如何实现汽车乘员舱恒温热舒适性调节功能，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1～3，基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统，包括若干个分布于汽车1内壁、和/或底座、和/或底盘和/或后备箱内的相变储能装置2和若干个置于汽车乘员舱顶部、和/或前部和/或后部的温感雾化装置3，如图1所示。
相变储能装置2包括外壳层201、三层PCM层202和两层铜网层203，且PCM层202和铜网层203交替层叠置于外壳层201内；PCM层202包括若干层浸渍有相变材料且横向均匀分布若干铜管风道204的毛毡，且相变材料由NaSO4.10H2O、NH4Cl、增稠剂和pH调节剂依次按质量百分比89.5％、9％、1％和0.5％复配而成，如图2所示。当材料蓄满热量后，汽车行驶时空气流经上述铜管风道204带走材料热量，降低舱内温度。
温感雾化装置3包括温度传感器301、位于后端的雾化液容器302和位于前端且与雾化液容器302连通的雾化喷头303；其中：温度传感器301一端置于汽车乘员舱内、另一端与雾化液容器302连接，如图3所示。温感雾化装置3还包括温感雾化控制电路，当温度传感器301达到预警温度35～80℃内(根据实际情况设定)，通过温感雾化控制电路启动并控制雾化液容器302内的水经雾化喷头303雾化喷洒于汽车乘员舱内，降低舱内温度。
在一实例中，相变材料呈中性，通过pH调节剂中和材料内氢离子，使得相变材料具有较好的金属相容性，但不影响装置整体上的蓄放热特性。
在一实例中，增稠剂或为羧甲基纤维素钠、黄原胶和瓜尔豆胶。
在一实例中，外壳层201密闭塑封或一体胶装，防止内部浸渍的相变材料流出。
当汽车乘员舱降温调节系统工作时，汽车乘员舱温度升高，相变储能装置2通过显热吸收车内热量，相变储能装置2温度逐渐升高。当乘员舱温度高于PCM层202相变温度时，PCM层202通过潜热方式吸收车内积聚热量，并逐渐由固态相变为液态，在该过程中，相变材料温度保持在熔点左右恒定不变，乘员舱内热量逐渐被吸收，车内温度可以在一定时间内保持恒定，不会在短时间内骤升，达到乘员舱热舒适性的目的。
当汽车停留直射时间过长，热量已超出相变材料范围时，进一步通过温感雾化装置3雾化方式带走乘员舱内多余热量，同样可以使乘员舱保持舒适性。当汽车发动时，车身外侧附近空气流动速度较快，在大气压作用下，空气从车缝进入，流经相变储能装置2的铜管风道，由于铜制散热风道导热系数较高，短时间内即通过空冷形式将热量排出到外侧空气中，相变储能装置2温度降低，进入下次待用状态。
当车内温度超过相变材料的储能极限时，即材料潜热部分利用完毕，由于显热作用材料已经升高至乘员舱温度，达到一定热平衡，这时乘员舱内温度已经不能够通过相变储能装置1来控制，此时可通过在车顶预设多个温感雾化装置3，在乘员舱温度过高时开启雾化功能。其工作原理如下：当乘员舱温度达到温度传感器301的预警温度在35～80℃内(预警温度按需设定)，温度传感器301及时感应到车内温度，将开启信号传输给温感雾化装置3来控制其启动，雾化喷头303根据车内状况喷洒适量雾化液汽，雾化中液体微粒汽化达到瞬时降温效果。此外，温感雾化装置3还可以通过手动方式直接开启，即便温度没有达到预设高温也可以喷洒雾滴来改善乘员舱内温度湿度。相变储能装置2与温感雾化装置3结合可以保持乘员舱内无论低温还是高温均能在夏季达到舒适降温的效果。
参见图4，从热源来分析，理论上夏季车内温度升高的主要原因是由于阳光照射进乘员舱，热量不易散掉，从未造成乘员舱温度的升高，以实测过程中室外温度为23℃，车门密闭状况下车内温度很快升到50℃左右为例，查阅空气的定压比热容经验式为Cp＝1.05-0.365*θ+0.85*θ2-0.39*θ3，即：
Cp＝1.05-0.365*10-3*T+0.85*10-6*T2-0.39*10-9*T3
代入计算参数如下：
即经过衡算，单位质量的空气热量为27.1871J/g。
图4(a)为相变储能装置内相变材料的降温曲线；可以看到其相变温度在25～26℃之间，相变平台连续、平稳，可以作为理想储能材料。相变材料DSC热性能曲线如图4(b)所示，其潜热值在150J/g左右，可见其吸热能力远在汽车乘员舱热量积聚速度之上，理论上可以解决乘员舱热量积聚的问题，进一步通过以下实测实验验证。
先进行空车测试，4月底正值初夏，室外温度最高在28～30℃，从图5(a)可以看到，在车门密闭且阳光直射状况下，乘员舱内温度从较为舒适的23℃，5分钟升高到和室外一样的温度，20分钟内升高到近50℃，呈高温状态，此时打开车门，明显感觉到积聚的热量。上海地区盛夏时节，室外温度最高可达36～40℃，汽车停放在阳光下直射时会在更短时间内升温到甚至60℃，据相关文献，汽车前面板最高温度可达95℃，容易使车内元器件在高温环境中急速老化。通过加装上述汽车乘员舱热舒适性调节系统，经相变储能装置2相变储能作用后，室外温度在29～30℃左右，而乘员舱温度在较为舒适的23～25℃下开始升温，如图5(b)所示，大约在9～10min时达到和室外一样的温度，在接下来的时间内，温度逐渐升高，20min时温升仅仅为室外温度高3℃左右，乘员舱温升变得缓慢，20min内最高温度也明显降低，可以达到较为理想的温控目的。
以上说明，在有限温度下加装相变储能装置可以对温度实现有效地控制，温升时间变得缓慢，最高温度降低，但是在超过相变储能装置的调控状况下，相变模块不再发挥主要作用，使温度持续升高，甚至会超过人体舒适度的极限温度，在这种状况下加装温感雾化装置3，温升过高时，通过雾化方式将极小液滴喷洒于乘员舱前后车内，液滴在高温状况下蒸发，带走大部分的车内热量，从而达到控温加湿的作用。
从图5(c)可以看到，在实验强热源状况下，车内温度从23～25℃逐渐升至37℃左右，此时温感探头感应到车内实验设定的预警温度，将开启信号传输给雾化装置，此时温感雾化装置3启动，由于喷雾吸收大量的热，车内温度较快地降温至常温甚至低于环境温度，其中带走热量的首先是雾化液体的显热部分，其次是雾化液滴的潜热部分，从而使乘员舱温度在即使强热源状况下也能达到降温作用。综上所述，本发明的汽车乘员舱降温调节系统可以使汽车即便在夏季高温状态下也可以达到热舒适性的目的，从而直接降低车载空调的使用频率，达到节能减排、绿色经济的目的，具有较高的推广价值。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.基于相变及温感雾化技术的汽车乘员舱热舒适性调节系统，其特征在于，包括至少一个分布于汽车(1)内的相变储能装置(2)和至少一个置于所述汽车(1)乘员舱内的温感雾化装置(3)；其中：
所述相变储能装置(2)包括外壳层(201)、至少一层PCM层(202)和至少一层铜网层(203)，且所述PCM层(202)和所述铜网层(203)交替层叠置于所述外壳层(201)内；
所述PCM层(202)包括至少一层浸渍有相变材料且横向均匀分布若干铜管风道(204)的毛毡，且所述相变材料由NaSO4.10H2O、NH4Cl、增稠剂和pH调节剂依次按质量百分比89.5％、9％、1％和0.5％复配而成。
2.如权利要求1所述的汽车乘员舱热舒适性调节系统，其特征在于，
所述相变储能装置分布于所述汽车(1)内壁、和/或底座、和/或底盘和/或后备箱内；和/或
所述温感雾化装置置于所述汽车(1)乘员舱的顶部、和/或前部和/或后部。
3.如权利要求1所述的汽车乘员舱热舒适性调节系统，其特征在于，所述温感雾化装置(3)包括温度传感器(301)、位于后端的雾化液容器(302)和位于前端且与所述雾化液容器(302)连通的雾化喷头(303)；其中：所述温度传感器(301)一端置于所述汽车乘员舱内、另一端与所述雾化液容器(302)连接。
4.如权利要求3所述的汽车乘员舱热舒适性调节系统，其特征在于，所述温感雾化装置(3)还包括温感雾化控制电路，当所述温度传感器(301)达到预警温度时，所述温感雾化控制电路启动并控制所述雾化液容器(302)内液体经所述雾化喷头(303)雾化喷洒于汽车乘员舱内。
5.如权利要求4所述的汽车乘员舱热舒适性调节系统，其特征在于，所述温度传感器(301)的预警温度为35～80℃。
6.如权利要求4所述的汽车乘员舱热舒适性调节系统，其特征在于，所述雾化液容器(302)内置有纯水。
7.如权利要求1所述的汽车乘员舱热舒适性调节系统，其特征在于，所述相变材料呈中性。
8.如权利要求1所述的汽车乘员舱热舒适性调节系统，其特征在于，所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠、黄原胶或瓜尔豆胶。
9.如权利要求1所述的汽车乘员舱热舒适性调节系统，其特征在于，所述外壳层(201)密闭塑封或一体胶装。
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