CN117338159A - 大流量饮用水快速冷却装置 - Google Patents

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CN117338159A CN202311480679.4A CN202311480679A CN117338159A CN 117338159 A CN117338159 A CN 117338159A CN 202311480679 A CN202311480679 A CN 202311480679A CN 117338159 A CN117338159 A CN 117338159A
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Abstract

本发明公开了大流量饮用水快速冷却装置，包括压缩机、冷凝器、相变蓄冷‑取冷一体化装置、制冷管道、饮用水进水管和控制装置；相变蓄冷‑取冷一体化装置的封闭蓄冷箱体内设置相变蓄冷介质，其上部为预留空气层；饮用水进水管通入相变蓄冷‑取冷一体化装置内，与相变蓄冷介质接触或非接触以进行热交换；预留空气层气体压力信号，通过气压信号传输结构输入控制装置的输入端；控制装置输出控制信号以控制压缩机、冷凝器的启停。本发明通过预留空气层气体压力随相变膨胀/收缩而变化，预留空气层气压同步升降，将气压信号转换为电压信号计算得到结冰量，控制装置发出对应的控制信号，控制系统的运行，将出水温度控制在较高精度范围内。

Description

大流量饮用水快速冷却装置
技术领域
本发明涉及一种对水进行制冷冷却的装置，尤其是适用于出水量较大的大流量饮用水快速冷却装置。
背景技术
现有的制冷饮水机普遍采用冷胆式制冷冷却，如在冷胆外壁缠绕蒸发器或在冷胆内部的水体内浸入蒸发器进而对冷胆内部的水进行制冷。人们想要喝冷水时按下出水按键，冷胆内的冷水将会流出。但是，一般水进入冷胆内后便为静止的水体，此时无论在冷胆外壁缠绕蒸发器还是在冷胆内部的水体内浸入蒸发器，都是对整个冷胆内的静止的水体进行制冷，进而需要制冷的容积较大，制冷的时长较长。
如中国专利文献CN103300724A公开的一种制冷饮水机，其包括饮水机主体(100)、设置在所述饮水机主体(100)上的外制冷水杯(200)、以及用于给所述外置制冷水杯(200)制冷的制冷装置(300)；所述制冷装置(300)上设有冷传导元件，所述外置制冷水杯(200)与所述制冷装置(300)的冷传导元件接触，所述饮水机主体内还设有温控元件(201)，所述温控元件(201)与所述制冷装置(300)导电连接，且与所述外置制冷水杯(200)接触；该申请因在制冷饮水机在饮水机主体上设置了温控元件，当达到制冷温度时，温控元件控制制冷装置断电，因此能够实现现饮现制冷，实现了节能，且外置的制冷水杯方便清洗，从而保证了饮水健康。
但，现有技术的饮用水冷却装置，主要存在如下两点不足：第一：制冷温度难以量化控制，从出水口流出的水温度波动较大，尤其在出水量较大的情况下，更难以将出水温度控制在设定范围内；第二，出水量普遍较小，不能满足短时间较大饮水量的需要。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种大流量饮用水快速冷却装置，以能控制出水口流出的水温度波动，将出水温度控制在设定的较高精度的温度范围内；第二个作用是增大出水量，满足短时间较大饮水量的需要。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种大流量饮用水快速冷却装置，包括压缩机、冷凝器、相变蓄冷-取冷一体化装置、制冷管道、饮用水进水管和控制装置；其特征在于，压缩机、冷凝器和相变蓄冷-取冷一体化装置依次通过制冷管道连接，形成制冷剂循环通路；
在相变蓄冷-取冷一体化装置内，制冷管道的一段为制冷剂蓄冷通道，或者在相变蓄冷-取冷一体化装置内设置制冷剂蓄冷通道与制冷管道连通；相变蓄冷-取冷一体化装置包括封闭蓄冷箱体，封闭蓄冷箱体内设置一定量的相变蓄冷介质，其内相变蓄冷介质上部空间充满空气，形成预留空气层；
饮用水进水管通入相变蓄冷-取冷一体化装置内，饮用水进水管在相变蓄冷-取冷一体化装置内的一段为饮用水取冷通道，饮用水取冷通道与相变蓄冷介质接触或非接触以进行热交换；
控制装置接收监测参数，至少包括温度参数和压力参数；预留空气层气体压力信号，或预留空气层气体压力信号转换为电压信号，通过气压信号传输结构输入控制装置的输入端；控制装置经计算得到封闭蓄冷箱体内相变蓄冷介质的结冰量，输出控制信号以控制压缩机和或冷凝器的启停。这样，本发明通过预留空气层气体压力随相变蓄冷介质在蓄冷-取冷过程的相变膨胀/收缩而变化，将相变蓄冷介质的蓄冷-取冷过程的相变膨胀/收缩现象映射为预留空气层气压的升降过程，将气压信号转换为电压信号，控制装置发出对应的控制信号，从而精确控制制冷系统的运行，能控制出水口流出的水温度波动，将出水温度控制在设定的较高精度的温度范围内。
进一步的，在冷凝器与相变蓄冷-取冷一体化装置之间的制冷管道上设置毛细管。这样，制冷管道中的制冷剂，进入毛细管节流降压，能变为低压低温的气液两相制冷剂。
进一步的，在饮用水进水管上设置水泵。水泵启动后能产生推力推动饮用水进水管内水的流动。
进一步的，在相变蓄冷-取冷一体化装置内，制冷剂蓄冷通道和饮用水取冷通道相互独立设置，且外侧分别设置用于强化热交换作用的若干强化传热翅片，或者两者共用若干强化传热翅片，相邻强化传热翅片之间保持工艺要求的间距。这样，能增强热交换效果，而且便于在装置内布置制冷剂蓄冷通道和饮用水取冷通道。
进一步的，在饮用水进水管的前后端，分别设置第一电磁三通阀和第二电磁三通阀。
进一步的，第二电磁三通阀的一个端口连接—饮用水出水管，形成出水端，其另一个端口连接饮用水循环支管，饮用水循环支管的另一端连接在第一电磁三通阀的一个端口上，通过控制第一电磁三通阀、第二电磁三通阀对应端口的通断，使饮用水能在循环支管与饮用水进水管之间形成循环流动。这样，在必要时通过三通阀的切换，在循环支管与饮用水出水管之间形成循环流动，防止饮用水其温度降低后结冰。形成饮用水防冻模式，能在饮用水释冷通道中循环流动，达到“流水不冻”的目的。
进一步的，其特征在于，设相变蓄冷介质结冰量为mice，则
式中：V0为预留空气层的初始体积，P0为当地大气压，T0为空气初始温度，取273.15K；P为预留空气层的气体被压缩后的压力，Pa。本发明将预留空气层的压力变化，转换为蓄冷介质结冰量，将蓄冷介质结冰量作为本发明重要的控制参数，控制压缩机和冷凝器的启停。
进一步的，在控制装置内设定结冰量的上、下限数值，控制装置在结冰量的上下限数值范围内，发出相应的控制信号。这样更能使控制装置准确发出控制信号，准确控制压缩机和冷凝器的启停。
总之，本发明利用大流量饮用水快速冷却装置相对于现有技术，具有如下特点：
1、本发明能控制出水口流出的水温度波动，将出水温度控制在设定的较高精度的温度范围内；本发明采用相变压缩空气层的蓄冷量智能感知技术，将蓄冷-取冷过程的相变膨胀/收缩现象映射为预留空气层气压的升降过程，通过气压传感技术，将气压信号转换为电压信号，从而精确控制制冷系统的运行。
2、饮用水能够快速“即冷”：当用户需要低温饮用水时，通过水泵和电磁三通阀的切换，切换至饮用水“即冷”模式，饮用水从进口进入释冷通道，在释冷通道内吸收蓄冷介质存储的冷量而快速降温至5℃以下，达到“即冷”目的。而在饮用水取冷过程中，蓄冷介质由固态逐渐变为液态，蓄冷量降低。此时，通过蓄冷量智能感知技术，控制制冷系统运行，对相变蓄冷-取冷装置进行充冷。
3、本发明可以增大蓄冷介质的蓄冷量，获得快速和大量的制冷效果，实现短时间较大饮水量的需要。
附图说明
图1是本发明制冷装置结构示意图；
图2是本发明相变蓄冷-取冷一体化装置工作原理图；
图3是本发明蓄冷与取冷过程预留空气层厚度变化示意图；
图4本发明结冰量与预留空气层气压的关系曲线图。
图中：1—压缩机，2—冷凝器，3—毛细管，4—相变蓄冷-取冷一体化装置，4-1制冷剂蓄冷通道，4-2饮用水取冷通道，4-3相变蓄冷介质，4-4封闭蓄冷箱体，4-5预留空气层，4-6强化传热翅片，5-1第一电磁三通阀，5-2第二电磁三通阀，6—水泵，7—气压信号输入线，8—控制装置，10—制冷管道，11—饮用水进水管，12—饮用水出水管，13—饮用水循环支管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
本实施例提供的大流量饮用水快速冷却装置，如图1、2、3所示，包括压缩机1、冷凝器2、相变蓄冷-取冷一体化装置4、制冷管道10以及饮用水进水管11，压缩机1、冷凝器2和相变蓄冷-取冷一体化装置4依次通过制冷管道10连接，形成制冷剂循环通路；根据需要，还可以在冷凝器2与相变蓄冷-取冷一体化装置4之间的制冷管道10上设置毛细管3。在相变蓄冷-取冷一体化装置4内，制冷管道10的一段为制冷剂蓄冷通道4-1，或者在相变蓄冷-取冷一体化装置4内设置制冷剂蓄冷通道4-1与制冷管道10连通；相变蓄冷-取冷一体化装置4包括封闭蓄冷箱体4-4，封闭蓄冷箱体4-4是封闭式的，保温性能较佳，其内设置一定量的相变蓄冷介质4-3，封闭蓄冷箱体4-4内相变蓄冷介质4-3上部的空间充满空气，形成预留空气层4-5。
饮用水进水管11通入相变蓄冷-取冷一体化装置4内，饮用水进水管11在相变蓄冷-取冷一体化装置4内的这一段为饮用水取冷通道4-2，或者在相变蓄冷-取冷一体化装置4内设置饮用水取冷通道4-2，饮用水取冷通道4-2与饮用水进水管11连接，饮用水取冷通道4-2与相变蓄冷介质4-3接触(被相变蓄冷介质4-3包围)或非直接接触，其内流动的饮用水与相变蓄冷介质4-3能进行热交换而制冷，降低温度。根据需要在饮用水进水管11上设置水泵6，以产生推力推动饮用水进水管11内水的流动。
在相变蓄冷-取冷一体化装置4内，制冷剂蓄冷通道4-1和饮用水取冷通道4-2相互独立设置，交叉布置，且外侧分别设置用于强化热交换作用的若干强化传热翅片4-6，或者两者共用若干强化传热翅片4-6，相邻强化传热翅片4-6之间保持工艺要求的合适间距，增加制冷剂和饮用水与蓄冷介质接触面积的目的。
所述制冷剂蓄冷通道4-1和饮用水取冷通道4-2形式可为蛇形、螺旋型等多种形式，根据需要精确控制两个通道的间距，达到最大效果蓄冷效果，同时可以避免饮用水解冻。
在饮用水进水管11的前后端，分别设置第一电磁三通阀5-1和第二电磁三通阀5-2，即第一电磁三通阀5-1和第二电磁三通阀5-2分别设置在相变蓄冷-取冷一体化装置4的前后端上；第二电磁三通阀5-2的一个端口连接—饮用水出水管12，形成出水端，其另一个端口连接饮用水循环支管13，饮用水循环支管13的另一端连接在第一电磁三通阀5-1的一个端口上，通过控制第一电磁三通阀5-1、第二电磁三通阀5-2对应端口的通断，使饮用水必要时在循环支管13与饮用水进水管11之间形成循环流动，防止其温度降低后结冰。本申请设置饮用水循环模式，系统处于蓄冷阶段时，在饮用水进水管11内的饮用水通过水泵6、电磁三通阀5-1和5-2和饮用水循环支管13，切换至饮用水防冻模式，能在饮用水释冷通道4-2中循环流动，达到“流水不冻”的目的。
压缩机1工作时排出高温高压的气态制冷剂，经过冷凝器2，制冷剂向外界环境散热，变为高压中温的液态制冷剂，而后进入毛细管3节流降压，变为低压低温的气液两相制冷剂，再进入封闭式相变蓄冷-取冷装置4中的蓄冷通道4-1，低温制冷剂在蓄冷通道4-1中继续蒸发吸热，使得相变蓄冷介质4-3降温并发生相变，由液态逐渐变为固态。由于相变蓄冷介质相变潜热大，当蓄冷介质完全凝固后，装置内蓄存了大量冷量，并长期低温状态，以备饮用水降温使用。
本发明还设置有控制装置8，控制装置8接收本装置的相关监测参数，至少包括压力和温度参数，再输出控制信号用以控制压缩机1和/或冷凝器2的启停，以控制本发明装置的制冷量(制冷时间)、制冷温度等。
控制装置8接收的监测参数，至少包括本装置的压力参数、温度参数，温度参数包括饮用水进水管11、饮用水出水管12内水的温度，相变蓄冷-取冷一体化装置4的温度，相变蓄冷-取冷一体化装置4内相变蓄冷介质4-3、饮用水取冷通道4-2内水流、制冷剂蓄冷通道4-1或其内制冷剂等的实时温度；压力主要包括相变蓄冷-取冷一体化装置4内预留空气层4-5的压力，将预留空气层4-5的压力通过气压信号输入线7输入控制装置8的输入端，作为重要的控制参数。
如图3所示，本装置的相变蓄冷-取冷一体化装置4内的蓄冷和取冷过程伴随蓄冷介质的固液相变进行，因相变过程中封闭蓄冷箱体4-4内的相变蓄冷介质4-3温度变化小，很难通过温度反应蓄冷箱体内的储冷情况，不能精准控制制冷系统对蓄冷装置的充冷过程。对此，本发明提出了相变压缩空气层的蓄冷量智能感知技术，将蓄冷-取冷过程中相变蓄冷介质的相变膨胀/收缩现象映射为预留空气层4-5气体压力的升降过程，通过气压传感技术，将预留空气层4-5气体压力信号，或预留空气层4-5气体压力信号转换为电压信号，通过气压信号传输结构7输入控制装置8的输入端，气压信号传输结构7可以是有线或者无线传输结构，计算得到封闭蓄冷箱体4-4内相变蓄冷介质4-3的结冰量，从而通过结冰量精确控制制冷系统的运行。本发明采用的一种具体控制方式，是在控制装置8内设定结冰量的上、下限数值，或者结冰量的上、下限对应的气压值，控制装置8在结冰量的上下限数值范围内，或者结冰量的上下限对应的气压值范围内，产生触发、发出相应的控制信号。
本发明的封闭蓄冷箱体4-4的顶部(相变蓄冷介质上面的空间)预留一定厚度的预留空气层4-5，其初始体积为V0，L或mL：
由空气状态方程式可得，空气层的质量为：
式中，m0为空气层质量，kg；P0为当地大气压；R为气体常数，287J/(kg.K)；T0为空气初始温度，取273.15K。则空气层质量为：
假设相变蓄冷介质结冰量为mice，冰的密度ρice＝918kg/m3，水的密度ρwater＝1000kg/m3，则质量为mice的水相变为冰后，空气层体积压缩量等于水结冰的体积膨胀量：
式中，ΔV为空气层膨胀量，m3。
封闭蓄冷箱体4-4内相变蓄冷介质结冰后，空气层被压缩，压缩后的体积变为：
V＝V0-△V＝V0-0.0000893246mice
预留空气层在被压缩过程中，其质量m0不变。压缩后的状态方程式为：
(P+P0)V＝m0RT
式中，P为被压缩空气层的压力，Pa。
带入体积V和质量m0的表达式，整理可得：
或
通过气压传感器和温度传感器，即可快速准确掌握结冰量情况。
实施案例：某项目有效融冰量Mice＝1.25kg，考虑融冰效率为0.6，则结冰量为：1.25kg/0.6＝2.08kg，取冷融冰后剩余冰量应为：2.08kg-1.25kg＝0.83kg。即：当结冰量低于0.83kg时，制冷系统需启动进行蓄冷；当结冰量达到2.08kg时，制冷系统停机保冷。
下表给出了结冰量上下限对应的气压值。
结冰量上下限对应的气压值
故，如图4所示，对于某种快速冷却装置中的预留空气层厚度，随着气压的升高，结冰量也逐渐升高，基本呈线性关系。预留空气层厚度越小，结冰量-气压曲线斜率越小，相同结冰量范围引起的气压变化越大，有利于对制冷系统的可靠控制。但是，当预留空气层厚度过小时，达到设计结冰量的气压值过大，对蓄冷箱体的密封性能提出了更高的要求。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种大流量饮用水快速冷却装置，包括压缩机(1)、冷凝器(2)、相变蓄冷-取冷一体化装置(4)、制冷管道(10)、饮用水进水管(11)和控制装置(8)；其特征在于，压缩机(1)、冷凝器(2)、相变蓄冷-取冷一体化装置(4)依次通过制冷管道(10)连接，形成制冷剂循环通路；
在相变蓄冷-取冷一体化装置(4)内，制冷管道(10)的一段为制冷剂蓄冷通道(4-1)，或者在相变蓄冷-取冷一体化装置(4)内设置制冷剂蓄冷通道(4-1)与制冷管道(10)连通；相变蓄冷-取冷一体化装置(4)包括封闭蓄冷箱体(4-4)，封闭蓄冷箱体(4-4)内设置一定量的相变蓄冷介质(4-3)，其内相变蓄冷介质(4-3)上部空间充满空气，形成预留空气层(4-5)；
饮用水进水管(11)通入相变蓄冷-取冷一体化装置(4)内，饮用水进水管(11)在相变蓄冷-取冷一体化装置(4)内的一段为饮用水取冷通道(4-2)，饮用水取冷通道(4-2)与相变蓄冷介质(4-3)接触或非接触以进行热交换；
控制装置(8)接收监测参数中的压力参数；预留空气层(4-5)气体压力信号，或将预留空气层(4-5)气体压力信号转换为电压信号，通过气压信号传输结构(7)输入控制装置(8)的输入端；控制装置(8)经计算得到封闭蓄冷箱体(4-4)内相变蓄冷介质(4-3)的结冰量，输出控制信号以控制压缩机(1)和/或冷凝器(2)的启停。
2.根据权利要求1所述的大流量饮用水快速冷却装置，其特征在于，在冷凝器(2)与相变蓄冷-取冷一体化装置(4)之间的制冷管道(10)上设置毛细管(3)。
3.根据权利要求1所述的大流量饮用水快速冷却装置，其特征在于，在饮用水进水管(11)上设置水泵(6)。
4.根据权利要求1所述的大流量饮用水快速冷却装置，其特征在于，在相变蓄冷-取冷一体化装置(4)内，制冷剂蓄冷通道(4-1)和饮用水取冷通道(4-2)相互独立设置，外侧分别设置用于强化热交换作用的若干强化传热翅片(4-6)，或者两者共用若干强化传热翅片(4-6)，相邻强化传热翅片(4-6)之间保持工艺要求的间距。
5.根据权利要求1—4任一所述的大流量饮用水快速冷却装置，其特征在于，在饮用水进水管(11)的前后端，分别设置第一电磁三通阀(5-1)和第二电磁三通阀(5-2)。
6.根据权利要求5所述的大流量饮用水快速冷却装置，其特征在于，第二电磁三通阀(5-2)的一个端口连接—饮用水出水管(12)，形成出水端，其另一个端口连接饮用水循环支管(13)，饮用水循环支管(13)的另一端连接在第一电磁三通阀(5-1)的一个端口上，通过控制第一电磁三通阀(5-1)、第二电磁三通阀(5-2)对应端口的通断，使饮用水能在循环支管(13)与饮用水进水管(11)之间形成循环流动。
7.根据权利要求1—4任一所述的大流量饮用水快速冷却装置，其特征在于，设相变蓄冷介质(4-3)的结冰量为mice，则
式中：V0为预留空气层4-5的初始体积，P0为当地大气压，T0为空气初始温度，取273.15K；P为预留空气层4-5的气体被压缩后的压力，Pa。
8.根据权利要求1—4任一所述的大流量饮用水快速冷却装置，其特征在于，在控制装置(8)内设定结冰量的上、下限数值，控制装置(8)在结冰量的上下限数值范围内，发出相应的控制信号。
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