TW201418648A - 利用自然循環之熱驅動除霜裝置 - Google Patents

Abstract

一種利用自然循環之熱驅動除霜裝置，係於一般冷凍迴路系統中，在壓縮機吐出端安裝一熱能儲存裝置，使冷媒經由壓縮機壓縮吐出的高溫高壓過熱之氣態冷媒，能經過熱能儲存裝置將部分熱能釋出儲存於熱能儲存裝置，當進行除霜迴路時，壓縮機停機，利用熱能儲存裝置內已儲存之熱能以及熱能儲存裝置相對於低壓端冷媒之間所產生的壓力差來驅動冷媒不斷的循環，將通往冷凝器及蒸發器之三通閥開啟，冷媒沿除霜之預設迴路循環而經蒸發器前之三通閥逕流入蒸發器內之盤管，使蒸發器內之盤管及鰭片受熱傳而導致凝結在其上之霜由內而外溶解化去，如此驅動冷媒不斷的循環以達到可除霜目的為其特徵者。

Description

利用自然循環之熱驅動除霜裝置

本發明是利用在壓縮機吐出端安裝一熱能儲存裝置，使冷媒經由壓縮機壓縮吐出高溫高壓過熱之氣態冷媒，經過熱能儲存裝置將部分熱能釋出儲存於熱能儲存裝置，然後再利用壓力差以驅動冷媒不斷的自然循環來達到可除霜之冷凍迴路系統裝置。

如圖1所示，冷凍冷藏系統包括有：壓縮機1、冷凝器3、膨脹裝置4、蒸發器5、儲液器6等構件，其乃廣泛應用於現代生活中，包括超市、賣場之展示櫃、冷凍冷藏櫃等，以及冷凍冷藏用途之冷凍冷藏倉庫、冷凍庫、配送之冷凍冷藏設備等皆需要用到冷凍冷藏系統，一般常用之冷凍冷藏裝置為利用冷媒蒸汽壓縮式之冷凍循環系統，由於冷凍循環系統中，蒸發器5為致冷之熱交換器，空氣經過蒸發器5被冷卻，導致空氣中之水分受冷凝而形成霜凝結於熱交換器之表面上，隨冷凍循環之運轉霜之凝結亦越積越厚，終至影響冷凍循環之運轉，而需要進行除霜。霜之形成是無可避免的，一般而言，霜之形成將造成下列諸問題：

1.形成熱阻抗：霜形成熱傳之阻力，導致熱交換量不足，而使冷凍能量降低。

2.造成冷凍循環效率變差：由於冷凍能力大幅降低，導致壓縮機耗功，而造成冷凍效率降低。

3.冷凍冷藏室溫度上升：由於霜形成熱傳阻力，空氣經過蒸發器無法有效降溫，冷凍冷藏室內溫度遂逐步上升，而影響冷凍冷藏品之品質。

一般解決結霜的問題就是進行除霜，而除霜是需要額外耗能，常見的除霜方式不外乎利用加熱方式使霜化去，而加熱的方式又可分為下列幾種：外部電熱除霜、內部電熱除霜、壓縮機熱氣除霜、熱水除霜。

上述除霜方式都各有其缺點：

1.外部電熱除霜：壓縮機停止運轉，由於熱源來自電熱，需額外耗用電力，且熱源由霜之外表加熱至霜之內部而至溶解脫落，需較長時間及耗用較多電力，除霜過程由於有熱源在冷凍冷藏室加熱，將會導致冷凍冷藏室溫度上升，而影響冷凍冷藏品品質。

2.內部電熱除霜：此方式與外部電熱除霜相仿，壓縮機亦停止運轉，唯加熱係由霜之內而外，即熱源由霜之內部加熱至霜之外部而至溶解脫落，此方式不必等霜完全溶解即可使霜脫落，此方式雖時間較外部電熱除霜短，但仍需額外耗用加熱之電力，且亦會導致冷凍冷藏室溫度上升。

3.壓縮機熱氣除霜：此方式係壓縮機吐出之熱氣經過一四方閥切換，直接導入蒸發器盤管，是屬於一種由內向外的除霜方式，與內部電熱除霜相似，時間會較短，但壓縮機要運轉，除霜期間壓縮機仍需要耗功。此外，冷媒由蒸發溫度轉變成冷凝溫度，其溫差改變之情況大多可能會超過100℃以上，亦造成所謂的熱衝擊 (thermal shock)現象，使盤管容易因瞬間冷熱變化而易受損。

4.熱水除霜：此方式除霜係用熱水噴灑使霜溶解化去，是一種由霜之外表往內層之除霜方式，施用此方式除霜時，通常需要將冷凍櫃內之保存品移開再實施此法。使用此方式，當然亦需要耗用額外熱水之能源，且是一種由外而內之除霜雙方式，時間需較由內而外長，加上櫃內之保存品需移動相較之下較麻煩，保存品移開之後若未適當加以維持原來之品溫，則其品溫將受很大之影響。

本發明人有鑑於上述列舉之幾種常見的除霜方式，可知霜之形成實無法避免，而一旦霜積成相當厚度時必須施以除霜，而除霜須耗用額外能源，且如以上分析，上述列舉之幾種常見的除霜方式皆有其缺點實有再進行研發改進之必要性，因此思考出如果有一種除霜方式能夠克服上述諸多不便與缺點且不必額外耗用除霜能源，這將可解決除霜長期困擾設計與使用者之問題，又能節省能源，是一項節能減碳之有效措施。

為了達成上述之目的，本發明所採取應用的技術手段為：

1.利用廢熱回收利用來除霜，不需額外耗用電能或其它能源。

2.冷凍系統迴路不需安裝四方閥，系統迴路簡化降低迴路成本。

3.採用速度較快之除霜方式，由霜內層而外之除霜方式。

4.利用熱驅動之自然循環方式無需施用泵或其他動力裝置，亦不必額外耗用動力裝置之能源。

5.除霜時冷凍系統動力停止，包括壓縮機停止運轉，冷凝器與蒸發器風扇(或動力泵)停止運轉，節省除霜時之能源消耗。

6.壓縮機停機冷媒吐出溫度因啟動除霜迴路緩緩上升，不致於瞬間溫差太大造成蒸發器之熱衝擊效應，使蒸發器結構亦受損。

7.儘量延用原冷凍系統迴路，使除霜迴路儘量與原冷凍迴路合而為一，迴路簡單化，減少除霜迴路裝置成本。

為了令本發明的構造與實施方式能被更進一步的具體瞭解，兹配合下列圖式，詳加說明如后，請參閱第2圖所示，其中在該圖中所揭迴路系統，粗線條迴路a表示原來之冷凍系統，細線條迴路b代表除霜迴路系統，於習用冷凍迴路系統中，在壓縮機1吐出端11安裝一熱能儲存裝置2(可為串聯或並聯方式)，如圖2或圖3所示，冷媒經由壓縮機1壓縮吐出高溫高壓過熱之氣態冷媒，經過熱能儲存裝置2將部分熱能釋出儲存於熱能儲存裝置2；該熱能儲存裝置2係由比熱較大之儲能物質所組成，一般可分為顯熱(Sensible Heat)儲存材料，其方式係利用經由溫度變化進行熱能的儲存和釋放，常見顯熱儲熱材料為岩石或高溫混凝土等比熱較大且成本低的物質，融熔鹽由於比熱高再加上本身可做為熱傳導介質，近來採用硝酸鉀及硝酸鈉混合鹽類做為顯熱儲存材料的也很多，另外一種是潛熱(Latent Heat)儲熱材料，是結合顯熱及相變化潛熱特性，利用在恆溫狀況下固態/液態/氣態相變化過 程中吸熱及放熱來儲熱，由於相變化材料潛熱儲熱密度遠高於顯熱材料，在熱能儲存及儲存體積及儲能密度等方面都具有相當大的優勢，水因方便使用且成本低，亦常被選用為熱能儲存介質，此外熱能儲存裝置2需與冷凝器3之散熱相互搭配，儲熱過程中冷凝器3之散熱需加以控制使得熱能儲存裝置2所儲之熱能加上冷凝器3之散熱恆定，以確保壓縮機1及冷凍性能穩定，如高溫高壓冷媒將熱釋出儲存於熱能儲存裝置2後，直接通往冷凝器3再將熱能釋出至高壓低溫的飽和或過冷狀態，在經過膨脹裝置4減壓膨脹，冷媒降至低壓低溫狀態，冷媒以此狀態進入蒸發器5吸收冷凍冷藏室之空氣熱能而蒸發為低壓飽和氣態或過熱狀態，在進入儲液器6將冷媒氣液分離，低壓氣態冷媒被壓縮機1吸入而完成一冷凍循環；在冷凍冷藏室中，空氣中水氣收蒸發器5內之冷凍盤管及鰭片冷凝而形成霜附著於蒸發器5內之冷凍盤管及鰭片上，積霜隨循環運轉而增厚，導致運轉效率及冷凍能力下降，而必須進行除霜，這時如圖2或圖3所揭之除霜迴路，當進行除霜迴路時，壓縮機1停機，冷凝器3及蒸發器5之熱傳動力裝置(風扇或泵)停止運轉，此時熱能儲存裝置2已經蓄滿一定能量之熱能，冷媒在熱能儲存裝置2吸熱而蒸發並產生相對於低壓端冷媒(蒸發器、儲液器、壓縮機吸入端)之較高壓力，而產生壓力差以驅動冷媒流動，將通往冷凝器3及蒸發器5之三通閥8開啟，冷媒沿除霜之細線條迴路b循環，此時冷媒不流經冷凝器3以減少壓損亦不會經過阻抗大之膨脹裝置4，而經蒸發器5前之三通閥 7、8逕流入蒸發器5內之盤管，蒸發器5內之盤管及鰭片受熱導致凝結在其上之霜由內而外溶解化去，如此以熱能產生的壓力差驅動冷媒不斷的循環而除霜，在除霜經歷一段適當時機，再開啟蒸發器5內之風扇，此時附著於蒸發器5內之盤管及鰭片上之霜儘管外表仍未化去，但內部與盤管及鰭片附著之霜已溶解失去附著力，很容易在開啟蒸發器5內之風扇時脫落，若因熱能儲存裝置2之蓄熱能力設計不足時，可在熱能儲存裝置2處再設計安置一加熱裝置如電熱加熱裝置(圖上未示出)，在適當時機啟動熱能儲存裝置2處之加熱裝置以合併所儲存熱能協同驅動冷媒加速循環。

綜上所述，知悉本案確實乃符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請，惟以上所列舉之附圖說明，僅係本發明之較佳具體實施方式，其並非用以限定本發明專利實施上的範圍，例如本發明中之熱能儲存裝置在實際上的應用實施時，亦可視消費者的環境使用需求，僅以一個熱能儲存裝置來聯結搭配冷凍系統的中多台壓縮機一併使用，故凡在不脫離本發明之精神均等範圍內所作之變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利所涵蓋之範圍內。

a‧‧‧粗線條迴路

b‧‧‧細線條迴路

1‧‧‧壓縮機

2‧‧‧熱能儲存裝置

3‧‧‧冷凝器

4‧‧‧膨脹裝置

5‧‧‧蒸發器

6‧‧‧儲液器

7、8‧‧‧三通閥

11‧‧‧吐出端

第1圖係為習用冷凍循環系統圖。

第2圖係為本發明之冷凍循環系統圖。

第3圖係為本發明之另一冷凍循環系統實施圖例。

a‧‧‧粗線條迴路

b‧‧‧細線條迴路

1‧‧‧壓縮機

2‧‧‧熱能儲存裝置

3‧‧‧冷凝器

4‧‧‧膨脹裝置

5‧‧‧蒸發器

6‧‧‧儲液器

7、8‧‧‧三通閥

11‧‧‧吐出端

Claims (3)

1. 一種利用自然循環之熱驅動除霜裝置，包括有：壓縮機、熱能儲存裝置、冷凝器、膨脹裝置、蒸發器、儲液器、三通閥等構件所構成的兩個冷凍循環系統迴路，其特徵乃在於：在該兩個冷凍循環系統迴路中所設置的壓縮機吐出端安裝具有一熱能儲存裝置，使冷媒經由壓縮機壓縮吐出高溫高壓過熱之氣態冷媒，經過熱能儲存裝置將部分熱能釋出儲存於熱能儲存裝置中，並利用熱能儲存裝置相對於低壓端冷媒之間所產生的壓力差來驅動冷媒不斷的循環，將通往冷凝器及蒸發器之三通閥開啟，使冷媒不流經冷凝器而可直接經蒸發器前之三通閥逕流入蒸發器內之盤管，使蒸發器內之盤管及鰭片受熱導致凝結在其上之霜由內而外溶解化去，利用此不斷的迴路循環方式來除霜。
2. 如申請專利範圍第1項中所述之利用自然循環之熱驅動除霜裝置，其中該熱能儲存裝置係由比熱較大之儲能物質所組成。
3. 如申請專利範圍第1項中所述之利用自然循環之熱驅動除霜裝置，其中該熱能儲存裝置處可再增加裝設一加熱裝置。