CN111902684A - 蒸气压缩装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种蒸气压缩装置，其中，位于中间的热电池能够释放电荷(即，放电)和/或充电，并且从而在蒸气压缩循环中控制热源的温度或散热器温度。更具体地，本发明描述了一种蒸气压缩装置，其中，包括相变材料(PCM)的位于中间的热电池能够释放电荷(即，放电)能量和/或充电，并且从而在下述一系列制冷和/或加热***中在蒸气压缩循环中控制热源的温度和/或散热器温度，所述制冷和/或加热***包括：家用和工业用空调；车辆、火车、飞机等中食品/物料的运输。本发明还涉及用于为蒸气压缩装置选择相变材料(PCM)和/或制冷剂的方法。

Description

蒸气压缩装置
技术领域
本发明涉及蒸气压缩装置，其中，位于中间的热电池能够释放电荷(即，放电)和/或充电，并且从而在蒸气压缩循环中控制热源的温度或散热器温度。
更具体地，本发明涉及蒸气压缩装置，其中，热电池位于蒸发器与冷凝器之间，并且该蒸气压缩装置包括相变材料(PCM)，该相变材料能够释放电荷(即，放电)能量和/或充电，并且从而在下述一系列制冷和/或加热***中在蒸气压缩循环中控制热源的温度和/或散热器温度，所述制冷和/或加热***包括：家用和工业用空调；车辆、火车、飞机等中食品/物料的运输。本发明还涉及用于为蒸气压缩装置选择相变材料(PCM)和/或制冷剂的方法。
背景技术
本领域中需要在一系列***中提供改进的温度控制，这些***包括：家用和工业用空调；车辆、火车、飞机等中食品/物料的运输。
先前的现有技术***已经遭受差的且低效的温度控制，并且已经发现复杂的***由于定期的故障是不可靠的。另外，已经发现具有其复杂设计的现有技术***非常沉重，这在运输***期间是不期望的，并且也使安装更加困难。
本发明的至少一个方面的目的是消除或至少减轻上述问题中的一个或更多个。
本发明的至少一个方面的另一目的是提供改进的蒸气压缩装置。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种蒸气压缩装置，包括：
用于泵送制冷剂的泵送装置；
能够冷凝制冷剂的冷凝器；
能够蒸发制冷剂的蒸发器；
包括相变材料(PCM)的热电池；
至少一个或一系列温度传感器和/或压力传感器，其能够监测热电池中相变材料(PCM)的温度和/或压力；
其中，热电池能够连接至冷凝器和/或蒸发器以释放电荷(即，放电)能量和/或被充电，由此热电池能够在蒸气压缩循环中控制热源的温度和/或散热器温度。
因此，本发明涉及一种蒸气压缩装置，其中，在蒸发器与热冷凝器之间的位于中间的热电池能够释放电荷(即，放电)和/或充电，并且从而在蒸气压缩循环中控制热源的温度或散热器温度。这提供了高度节能的***，它是相对于任何已知的现有技术***的改进。
因此，本发明可以涉及温度和/或压力受控的蒸气压缩装置。
可以使用任意合适类型的制冷剂。制冷剂的温度和/或压力也可以连同制冷剂的流动方向一起被测量和/或监测。
因此，本发明的装置可以提供一种可以控制制冷剂在装置周围的流动以提供最大的效率所采用的高效的方式。
可以例如经由对相变材料(PCM)进行实时温度和/或压力测量来密切监测热电池的物理状态和/或条件。可替选地，温度和/或压力测量可以持续地和/或连续地、间歇地或周期性地诸如每30秒或每分钟进行。控制管理***可以执行此角色。
在优选实施方式中，泵送装置可以是任意合适类型的压缩机。例如，可以使用已知的制冷压缩机。
因此，蒸气压缩装置具有至少一个或一系列温度传感器和/或压力传感器，所述至少一个或一系列温度传感器和/或压力传感器能够监测和控制热电池中相变材料(PCM)的温度和/或压力。
温度传感器和/或压力传感器可以位于热电池的任意部分上或为热电池的组成部分，诸如在热电池的任意表面例如电池的上表面上。
可以将至少一个或一系列温度传感器和/或压力传感器浸入相变材料(PCM)中以提供一系列温度和/或压力测量。使用这些测量，可以监测和/或控制相变材料(PCM)的物理状态和/或条件。例如，可以进行一系列温度和/或压力测量以使整个蒸气压缩装置的效率最大化。
已经发现，通过进行温度和/或压力测量并感测温度和/或压力，提供了对由相变材料(PCM)保持的电荷的准确监测。这允许在根据本发明的装置中的完全实时控制。
因此，本发明可以提供包括由热电池保持的电荷的热电池的状态和物理条件的准确的实时测量。
温度和/或压力的测量可以使用本领域中已知的任意合适的温度和压力测量装置来进行。这允许对位于热电池内的相变材料(PCM)进行实时温度和/或压力测量。这具有能够监测和/或测量热电池中的压力和/或温度的特定技术优点。这允许以非常有效的方式控制整个***，并且使该***完全可控。
还可以利用温度和/或压力测量来实现并且非常准确地控制制冷剂流动的切换，以提供高效的***。
在本发明的优选实施方式中，蒸发器可以位于冷凝器的竖直下方或基本竖直下方。
热电池可以位于冷凝器与蒸发器之间的中间。因此，本发明提供了在热源和/或散热器之间的中间阶段和温度受控环境。因此，包括相变材料(PCM)的热电池可以用作装置中位于中间的热交换器。因此，热电池能够释放电荷(即，放电)和/或充电，并且从而在蒸气压缩循环装置中控制热源的温度或散热器温度。
因此，本发明的装置可以具有在热交换的第一阶段与第二阶段之间在时间上独立的附加功能。时间独立性来自使用相变材料(PCM)，这是因为可以在任意时刻释放能量。第一阶段可以被称为预冷却或预加热，并且第二阶段可以被称为放电冷却或放电加热。
在装置中可以存在连接所有不同部件诸如泵送装置(例如压缩机)、冷凝器、蒸发器、热电池的一系列管和/或管网，这一系列管和/或管网经由例如阀诸如膨胀阀、切断阀等控制。下面对此进行详细讨论。
相变材料(PCM)可以用作用于将热传递至例如制冷剂热交换器即蒸发器和/或冷凝器的介质。
该装置可以定位成基本竖直的取向，其中，液体容纳容器可以优选地位于在压缩机上方。典型地，液体容纳容器可以竖直地或基本竖直地位于蒸发器与冷凝器之间。
液体容纳容器可以位于冷凝器的下游，并且可以定尺寸成容纳液体制冷剂的缓冲器。因此，液体容纳容器可以用作用于充当一些液体制冷剂的储存器的容器体(receptacle)。
压缩机可以用于压缩和/或加压在围绕装置的***和/或管网周围的制冷剂材料。
在装置被用于放电预冷却或预加热的情况下，制冷剂的流动从竖直地或基本竖直地定向的装置的顶部到底部发生。在本发明中，这可以被认为是冷却/加热的第一阶段。
在该装置被用于预冷却或放电加热的情况下，制冷剂的流动在竖直地或基本竖直地定向的装置中从底部到顶部发生。
制冷剂流动在装置中在没有任何功能损失的情况下可以反向进行。
可以使用任意合适类型的相变材料(PCM)，包括以下的任意一种或组合：
石蜡材料，诸如癸烷例如形成具有约25℃至35℃或约-30℃的相变转变温度的PCM，石蜡材料可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
盐水共晶，诸如氯化钠和水例如形成具有约20℃至25℃或约-22℃的相变转变温度的PCM，盐水共晶可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
盐水共晶，诸如硫酸镁和水例如形成具有约-10℃至0℃或约-5℃的相变转变温度的PCM，盐水共晶可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
盐水共晶，诸如硫酸钠和水例如形成具有约-5℃至+5℃或约-1℃的相变转变温度的PCM，盐水共晶可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
有机酯，诸如月桂酸甲酯例如形成具有约0℃至10℃或约5℃的相变转变温度的PCM，有机酯可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
笼形水合物，诸如四氢呋喃(THF)和水例如形成具有约0℃至10℃或约5℃的相变转变温度的PCM，笼形水合物可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
酯，诸如琥珀酸二甲酯例如形成具有约15℃至25℃或约18℃的相变转变温度的PCM，酯可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
脂肪醇，诸如十二烷醇例如形成具有约15℃至25℃或约22℃的相变转变温度的PCM，脂肪醇可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
水合盐，诸如硫酸钠十水合物例如形成具有约25℃至35℃或约32℃的相变转变温度的PCM，水合盐可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
水合盐，诸如乙酸钠三水合物例如形成具有约0℃至10℃、约5℃的相变转变温度的PCM，水合盐可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
具有固-固相变的多元醇，诸如三甲基乙烷例如形成具有约70℃至95℃或约81℃的相变转变温度的PCM，具有固-固相变的多元醇可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；以及
多元醇，诸如赤藓醇例如形成具有约100℃至150℃、约121℃的相变转变温度的PCM，多元醇可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性。
可以选择下述相变材料(PCM)，其具有比需要冷却至的温度(例如最低温度)高约1℃至20℃或优选地约10℃至15℃的相变温度，以及/或者具有使制冷剂在比为所需蒸发压力的压力高1BarG至10BarG或优选地约1BarG至5BarG的压力下冷凝的相变温度。此外，可以选择下述相变材料(PCM)，其具有比其中热泵正在获得其热能所处于的环境条件的温度(例如最小温度)高约1℃至20℃或优选地约10℃至15℃的相变温度，以及/或者具有使制冷剂在比制冷剂在例如给定设计条件最小环境温度下蒸发所处于的压力高约1BarG至10BarG或优选地约1BarG至5BarG的压力下蒸发的相变温度。
制冷剂可以选自以下的任意一种或更多种：氢氟烃；和碳氢化合物。
典型的制冷剂碳氢化合物包括以下的任意一种或更多种：异丁烷和丙烷。
其他合适的制冷剂包括二氧化碳和氨。
下面示出了用于本发明的合适的制冷剂，它们可以单独使用或以任意组合使用：
Figure BDA0002673358940000061
具有较低毒性且不可燃的制冷剂是首选。
Figure BDA0002673358940000071
可以针对不同的温度范围选择并且挑选上面列出的制冷剂。
位于热电池内可以存在一系列管。所述管可以包括鳍片、绝缘材料和外壳。任意合适类型和取向的管都可以用来从相变材料(PCM)分配能量/向相变材料(PCM)分配能量。
位于热电池的外部(例如上表面)上可以可选地存在例如提供温度和/或压力测量的温度传感器和/或压力传感器。温度传感器和/或压力传感器可以浸入热电池中的相变材料(PCM)中。
应当注意，在本发明中已经发现，相变材料(PCM)的制冷剂压力和/或温度可以指示热电池的状态和物理条件。也可以使用温度和/或压力测量来测量和/或监测由相变材料(PCM)保持的电荷。
蒸发器可以为风扇盘管蒸发器。蒸发器可以位于冷凝器下方或基本下方。蒸发器在其用于冷却的情况下可以用于冷却被指定为用于冷却的空间。可替选地，蒸发器可以用于从被指定为用于加热的空间进行加热。
位于蒸发器上方可以存在冷凝器，该冷凝器可以为例如风扇盘管冷凝器。冷凝器可以在排热的环境条件下使用。可替选地，冷凝器可以用于加热被指定为用于加热的空间。这提供了制冷剂在装置中从顶部到底部的流动。然而，流动方向可以反向。
因此，蒸发器和冷凝器的功能在不同的循环期间可以反向并且相互代替。
此外，蒸发器和冷凝器可以由本领域中已知的其他热交换器例如板式热交换器代替。因此，本发明的装置高度适用于不同情况。
该装置可以包括用于使制冷剂的流动反向的换向阀。在特定实施方式中，可以使用四通换向阀。
用于在热交换器的充电和/或放电和热气除霜之间进行切换的换向阀和螺线管阀也可以并入至装置中。
切换可以手动或电子地进行，并且取决于被测量的温度和/或压力以及何时需要切换。例如，当需要加热时，制冷剂可以从热电池流出，而当需要冷却时，制冷剂可以流入热电池。根据需要，可以实现流动的切换以使装置的效率最大化。
该装置还可以包括膨胀阀，在其用作作用蒸发器时，膨胀阀可以连接至蒸发器。膨胀阀可以为电子阀或恒温阀。
可以存在也可以用作切断阀的另一阀。切断阀可以是电子的或手动的切断阀。切断阀可以连接至换向阀和热电池。
连接至冷凝器可以存在例如用作止回阀的另一阀。止回阀也可以连接至液体容纳容器。
在优选实施方式中，液体容纳容器可以位于压缩机上方且位于冷凝器下方。
该装置还可以包括可选地优选地竖直地位于液体容纳容器下方的干燥器，诸如过滤干燥器。
该装置还可以可选地包括用于观察的窗，诸如视镜。
该装置还可以包括可以用于预冷却的膨胀装置(例如膨胀阀)。如果膨胀阀是电子的，则不需要附加螺线管。
典型地，该装置还可以包括位于热电池与换向阀之间的至少一个螺线管阀。螺线管阀在需要时可以于隔离热电池。
螺线管阀可以与任意可控区域阀互换使用。
该装置还可以包括可以用于使制冷剂膨胀并且确保气体仅返回至压缩机的抽吸线蓄积器。
该装置还可以包括曲轴箱压力调节器。曲轴箱压力调节器可以优选地在例如约2Bar下与制冷剂诸如R449A一起操作。然而，可以使用任意其他合适类型的制冷剂。
还可以存在连接至热电池和液体容纳容器的另一螺线管阀。
另外，可以存在可以用于热气除霜的螺线管阀。
在替选实施方式中，该装置还可以包括集成毛细管。
在另一实施方式中，该装置还可以包括集成液体接收器和毛细管。
该装置还可以包括用于冷凝制冷剂并用于对热电池充电的集成微通道热交换器。制冷剂过热气体可以在入口端口处进入微通道热交换器，沿通道冷凝并且在出口端口处作为液体排出。
本发明的特定方面和优点在于，同一装置可以用于加热和冷却二者，其中循环是可反向的。这意味着可以提供下述装置，该装置可以使用相同的压缩机和制冷来进行充电和冷却二者，从而降低了此类***对最终用户的成本。
在放电循环中，将需要该装置在中间热交换器(即，热电池)与温度受控环境之间传递热能。
该装置经由通过泵送装置(例如压缩机)两端的压差驱动的制冷剂流动来操作。正是该压差在装置两端传递热。该压差取决于制冷剂被迫在蒸发器中的蒸发器盘管处蒸发所处的温度以及制冷剂被迫在冷凝器中的冷凝器盘管处冷凝所处的温度。
根据本发明的第二方面，提供了一种蒸气压缩装置，包括：
用于泵送制冷剂的泵送装置；
能够冷凝制冷剂的冷凝器；
能够蒸发制冷剂的蒸发器；
包括相变材料(PCM)的热电池；
其中，热电池能够连接至冷凝器和/或蒸发器以释放电荷(即，放电)能量和/或被充电，由此热电池能够在蒸气压缩循环中控制热源的温度和/或散热器温度。
根据第二方面的装置可以包括为第一方面限定的任意特征，并且可以以任意组合形式。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于使用根据第一方面和第二方面中任一项所述的装置在蒸气压缩循环中控制热源的温度和/或散热器温度的方法。
该方法可以包括提供：
用于泵送制冷剂的泵送装置；
能够冷凝制冷剂的冷凝器；
能够蒸发制冷剂的蒸发器；
包括相变材料(PCM)的热电池；
至少一个或一系列温度传感器和/或压力传感器，其能够监测热电池中相变材料(PCM)的温度和/或压力；
其中，热电池能够连接至冷凝器和/或蒸发器以释放电荷(即，放电)能量和/或被充电，由此热电池能够在蒸气压缩循环中控制热源的温度和/或散热器温度。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于为蒸气压缩装置选择相变材料(PCM)和/或制冷剂的方法，包括：
·选择最低的全球变暖潜能值(GWP)和法律上允许的制冷剂，并且选择候选制冷剂。
·检查所选择的候选制冷剂的制冷剂压力范围。
·检查候选制冷剂相对于室目标温度(CTT)和最低环境温度(Min_Ambient)蒸发和冷凝的位置。
·对于具有转变温度(TT)在CTT至Min_Ambient范围内的相变材料(PCM)的列表，对在转变温度下产生的每种制冷剂压力进行评估。
·修剪列表以删除压差不足以驱动制冷剂在PCM TT至Min_Ambient制冷循环和/或CTT至PCM制冷循环上蒸发与冷凝之间流动的所有候选物。
·使用制冷剂饱和度属性表，对于在PCM TT至Min_Ambient制冷循环和/或CTT至PCM制冷循环上蒸发和冷凝计算制冷循环上多个点(例如2至10，或者优选地4个点)处的制冷剂热力学状态：
-压缩机入口制冷剂状态；
-压缩机出口制冷剂状态；
-冷凝器出口制冷剂状态；
-蒸发器入口制冷剂状态。
·针对每个制冷循环，计算蒸发器和/或冷凝器两端的热负荷(kW)和压缩机功(kW)。
·使用该信息，可以确定针对每对制冷剂和PCM的加热和/或冷却的性能系数(COP)。
使用以上方法，可以使用任意合适的相变材料(PCM)和/或制冷剂，如先前在任意前述方面中关于本申请所讨论的。
此外，在制冷剂热力学状态的计算期间可以分析任意合适数目的点。
附图说明
现在将参照以下附图仅通过示例的方式描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的实施方式的蒸气压缩装置处于放电冷却阶段的表示；
图2是根据本发明的实施方式的图1所示的装置处于预冷却阶段的表示；
图3是根据本发明的实施方式的图1和图2所示的装置处于冗余常规阶段的表示；
图4是根据本发明的实施方式的图1、图2和图3所示的装置处于热气除霜阶段的表示；
图5是根据本发明的实施方式的图1至图4所示的装置处于放电冷却循环阶段的表示；
图6是根据本发明的实施方式的图5所示的热电池的放大图的表示；
图7是根据本发明的实施方式的其中存在具有集成毛细管的热电池并且该装置仅在不可反向***中用作蒸发器的替选实施方式的表示；
图8是根据本发明的实施方式的其中在该装置用于可反向***阶段的情况下该装置被示出为包括集成液体接收器和毛细管的另一实施方式的表示；
图9是根据本发明的实施方式的其中该装置包括具有用于冷凝制冷剂并为热电池充电的集成微通道热交换器的热电池的又一实施方式的表示；
图10是根据本发明的实施方式的具有相变材料(PCM)转变温度的相变材料(PCM)的冷却充电的表示；
图11是使用具有为约-5℃的相变材料(PCM)转变温度(TT)的材料进行的热电池放电的表示；以及
图12是根据本发明的实施方式的允许选择相变材料(PCM)和/或制冷剂用于特定用途诸如图1至图9所示的装置的方法的表示。
具体实施方式
本发明涉及蒸气压缩装置，其中，位于中间的热电池能够释放电荷(即，放电)和/或充电，并且从而在蒸气压缩循环中控制热源的温度或散热器温度。至少一个或一系列温度传感器和/或压力传感器可以以实时方式监测热电池中相变材料(PCM)的温度和/或压力，从而使得能够控制热电池，并且为蒸气压缩装置提供高效的***。
在本发明中，在位于冷凝器与蒸发器之间的位于中间的热电池中使用相变材料(PCM)。相变材料(PCM)充当用于将热传递至例如制冷剂热交换器即蒸发器和/或冷凝器的介质。相变材料(PCM)是能量存储形式的替选热交换介质。如下所述，相变材料(PCM)可以用于形成热电池。
本发明的装置中的位于中间的热电池的目的是提供在热源和/或散热器之间的中间阶段和温度受控环境。实际上，本发明的装置具有在热交换的第一阶段与第二阶段之间的在时间上独立的附加功能。时间独立性来自使用相变材料(PCM)，这是因为可以在任意时间释放能量。第一阶段可以被称为预冷却或预加热，并且第二阶段可以被称为放电冷却或放电加热。
图1是根据本发明的蒸气压缩装置的表示。在图1中，该装置用于放电冷却阶段，在该放电冷却阶段中，可以看到制冷剂材料从热电池4流至液体容纳容器13并且向下流至蒸发器7。
在图1中，以竖直或基本竖直的取向示出了蒸气压缩装置，其中，液体容纳容器13优选地位于压缩机1上方。此外，蒸发器7位于冷凝器8下方。
液体容纳容器13位于冷凝器8的下游，并且被定尺寸成容纳液体制冷剂的缓冲器。因此，液体容纳容器13用作用于充当一些液体制冷剂的储存器的容器。从液体容纳容器13到膨胀阀的入口称为液体管线，并且将被设计成促使液体制冷剂的适当供应，并且因此促进可控的制冷剂质量流动。
以最好地利用热虹吸效应的方式对装置进行定向，其中制冷剂在液态或气态下的密度差趋向于导致气态制冷剂更易浮起。通过在图1所示的部件和/或部件中的流动路径之间建立最有效的竖直或基本竖直的流动路径使该效应优化。
压缩机排放管线携带过热制冷剂气体略微至多上升至热电池4或冷凝器8。然后，液体管线携带过冷冷凝液体制冷剂向下或基本向下朝向液体容纳容器13流动。
从液体容纳容器13到膨胀阀16或17的路径是向下的或基本向下的，优选地携带过冷冷凝液体制冷剂。制冷剂在膨胀阀孔两端上经历压降，并且总体流动路径竖直向上或基本向上到蒸发器7的出口。
从蒸发器7到压缩机8的流动路径是针对特定应用的设计选择。存在要考虑的两点：
1)将流动路径定向成略微向下，以利于压缩机油循环返回至压缩机8，这是因为制冷剂密度较小，无法携带油滴。
2)将流动路径定向成略微向上，以受益于制冷剂随着其密度变小而上升的自然趋势。
因此，以最好地利于压缩机油在***周围的循环的方式对装置进行定向，参见上面的点(1)。因此已经发现，对于图1所示的装置，最好具有竖直或基本竖直的取向。
已经以利于压缩机油在装置周围循环的方式选择了装置管道的尺寸和流动路径。已经将管子的直径选择成使制冷剂流动的速度优化并且使由制冷剂流经历的压降最小。例如，制冷剂应当以约1m/s至5m/s或优选地约2.5m/s的气体速度流动。
从液体容纳容器13到膨胀阀16、17的入口称为液体管线，并且被设计成促使液体制冷剂向入口的适当供应，并且因此促进可控的制冷剂质量流动。
下面详细描述蒸气压缩装置。还应当注意，图1中不同部件之间的实线表示活跃流动路径。另外，虚线表示非活跃流动路径。制冷剂(即能量)的流动方向用箭头表示。
蒸气压缩装置包括压缩机1。压缩机1可以是任意合适类型的压缩机或可替选地任意类型的泵送装置。然而，如上所述，在优选实施方式中，液体容纳容器13位于压缩机1上方。通过将液体容纳容器13定位在压缩机1上方，提供了在活跃流动路径中更高效率的优点。
在图1所示的装置中，在该装置用于放电预冷却或预加热的情况下，制冷剂的流动如箭头2所示从顶部到底部发生。在本发明中，这可以被认为是冷却/加热的第一阶段。
在图1所示的装置中，在该装置用于预冷却或放电加热的情况下，制冷剂的流动从底部到顶部发生。在装置中，这由箭头3所示。
在不损失装置中的功能的情况下，由箭头2、3所示的流动可以反向。然而，优选方向如图1所示由箭头2、3表示。
存在用于容纳相变材料(PCM)5的热电池4。可以选择任意合适类型的相变材料(PCM)5，诸如：
石蜡材料，诸如癸烷例如形成具有约-25℃至-35℃或约-30℃的相变转变温度的PCM，石蜡材料可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
盐水共晶，诸如氯化钠和水例如形成具有约-20℃至-25℃或约-22℃的相变转变温度的PCM，盐水共晶可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
盐水共晶，诸如硫酸镁和水例如形成具有约-10℃至0℃或约-5℃的相变转变温度的PCM，盐水共晶可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
盐水共晶，诸如硫酸钠和水例如形成具有约-5℃至+5℃或约-1℃的相变转变温度的PCM，盐水共晶可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
有机酯，诸如月桂酸甲酯例如形成具有约0℃至10℃或约5℃的相变转变温度的PCM，有机酯可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
笼形水合物，诸如四氢呋喃(THF)和水例如形成具有约0℃至10℃或约5℃的相变转变温度的PCM，笼形水合物可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
酯，诸如琥珀酸二甲酯例如形成具有约15℃至25℃或约18℃的相变转变温度的PCM，酯可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
脂肪醇，诸如十二烷醇例如形成具有约15℃至25℃或约22℃的相变转变温度的PCM，脂肪醇可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
水合盐，诸如硫酸钠十水合物例如形成具有约25℃至35℃或约32℃的相变转变温度的PCM，水合盐可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
水合盐，诸如乙酸钠三水合物例如形成具有约0℃至10℃、约5℃的相变转变温度的PCM，水合盐可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
具有固-固相变的多元醇，诸如三甲基乙烷例如形成具有约70℃至95℃或约81℃的相变转变温度的PCM，具有固-固相变的多元醇可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；以及
多元醇，诸如赤藓醇例如形成具有约100℃至150℃、约121℃的相变转变温度的PCM，多元醇可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性。
选择下述相变材料(PCM)，其具有比需要冷却至的温度(例如最低温度)高约1℃至20℃或优选地约10℃至15℃的相变温度，以及/或者具有使制冷剂在比为所需蒸发压力的压力高1BarG至10BarG或优选地约1BarG至5BarG的压力下冷凝的相变温度。此外，可以选择下述相变材料(PCM)，其具有比其中热泵正在获得(sourcing)其热能所处于的环境条件的温度(例如最小温度)高约1℃至20℃或优选地约10℃至15℃的相变温度，以及/或者具有使制冷剂在比制冷剂在例如给定设计条件最小环境温度下蒸发所处于的压力高约1BarG至10BarG或优选地约1BarG至5BarG的压力下蒸发的相变温度。
因此，对于不同的用途和应用，可以从已知相变材料(PCM)的库中选择特定的相变材料(PCM)。因此，本发明中提出的***和装置高度适用于可能遇到各种气候、温度和湿度的一系列条件和环境。这样做的优点在于，可以在世界范围内出售相同装置，其中仅需对相变材料(PCM)进行调节和更改以适应当地环境。因此，本发明中提出的装置是用于降低蒸气压缩装置的制造成本的高度商业化和有吸引力的方法。
位于热电池4内存在一系列管6。这些管可以包括鳍片、绝缘材料和外壳(未示出)。任意合适类型和取向的管6都可以用来帮助分配相变材料(PCM)的能量。
如图1所示，位于热电池4的上表面上可以可选地存在例如提供温度测量T1、T2和T3以及压力测量的温度传感器和/或压力传感器23。温度传感器和/或压力传感器可以浸入热电池4中的相变材料(PCM)5中。
应当注意，在本发明中已经发现，相变材料(PCM)的制冷剂压力和/或温度可以指示包含由相变材料(PCM)5保持的电荷的热电池4的状态和物理条件。例如，已经发现，当处于冷状态时，发现压力低，例如，对于温度为-10℃，使用本领域中已知的材料R449A，这提供了3.6Bar的压力；对于温度为+60℃，使用本领域中已知的材料R449A，这提供了27.06Bar的压力。
因此，包括相变材料(PCM)5的热电池4可以用作装置中位于中间的热交换器。因此，热电池4能够释放电荷(即，放电)和/或充电，并且从而在蒸气压缩循环装置中控制热源的温度或散热器温度。在现有技术中不存在这样的控制装置。
图1还示出了存在蒸发器7(例如风扇盘管蒸发器)。蒸发器7位于冷凝器8下方。蒸发器7在其用于冷却的情况下可以用于冷却被指定为用于冷却的空间。可替选地，蒸发器7可以用于从被指定为用于加热的空间进行加热。
冷凝器8(例如风扇盘管冷凝器)位于蒸发器7上方。冷凝器8可以在排热的环境条件下使用。可替选地，冷凝器8可以用于加热被指定为用于加热的空间。这在图1所示的装置中提供了制冷剂从顶部到底部的流动。如下所述，然而，流动的方向可以反向。
因此，蒸发器7和冷凝器8的功能在不同的循环期间可以反向并且相互代替。
此外，蒸发器7和冷凝器8可以由本领域中已知的其他热交换器例如板式热交换器代替。因此，本发明的装置高度适用于不同情况。
还示出了阀9，阀9在图1所示的实施方式中为换向阀。图1所示的换向阀9例如为四通换向阀。当需要在放电和/或热气除霜之间切换时，换向阀9用于使流动反向。当然，在本发明的范围内设想了替选方案，并且可以对其进行重新配置(即重新倾斜)以使得能够使用换向阀来改变充电/放电。该切换可以手动或电子地进行，并且取决于被测量的温度和/或压力。因此，可以在需要和/或触发时实现制冷剂流动的切换。例如，当需要加热时，制冷剂可以从热电池4流出，而当需要冷却时，可以将制冷剂流动切换成流入热电池4。
该装置还包括连接至冷凝器8的切断阀10。切断阀10可以是电子的或手动的切断阀。
存在也可以用作切断阀的另一阀11。切断阀11可以是电子的或手动的切断阀。切断阀11连接至换向阀9和热电池4。
存在连接至冷凝器8的例如用作止回阀的另一阀12。止回阀12也连接至液体容纳容器13。
如图1所示，液体容纳容器13位于压缩机1上方且位于冷凝器8下方。图1所示的装置应当被认为是竖直或基本竖直定向的。
图1还示出存在优选地位于液体容纳容器13下方的干燥器14，例如过滤干燥器。
该装置还可以可选地包括用于观察的窗诸如视镜15。
该装置还包括可以用于预冷却的膨胀装置16(例如膨胀阀)。如果膨胀阀是电子的，则不需要图1所示的附加螺线管16A。
阀17也是膨胀装置并且与膨胀阀16类似。然而，膨胀阀17用于放电冷却。如果膨胀阀17是电子的，则不需要附加螺线管17A。
在图1中，还示出了位于热电池4与换向阀9之间的螺线管阀18。当需要时，螺线管阀18用于隔离热电池4。
以上螺线管阀可以与任意可控区域阀互换使用。
还存在可以用于使制冷剂膨胀并且确保气体仅返回至压缩机的抽吸容器蓄积器19。
还存在曲轴箱压力调节器20。曲轴箱压力调节器20可以优选地在例如约2Bar下与制冷剂诸如R449A一起操作。
存在连接至热电池4和液体容纳容器13的另一螺线管阀21。
另外，存在可以用于热气除霜的螺线管阀22。
在由附图标记24和25标识的位置点处，可以通过一系列温度传感器和/或压力传感器来进行温度和/或压力的测量。温度和/或压力的测量可以使用本领域中已知的任意合适的温度和压力测量装置例如温度和/或压力测量探头来进行。这允许由位于热电池4内的相变材料(PCM)5进行温度和/或压力测量。这具有能够监测和测量热电池4中的压力和/或温度的特定技术优点。这允许反馈至调节制冷剂质量流量的膨胀阀，并且以非常有效的方式控制整个***，并且使该***完全可控。因此，制冷剂流动的切换可以在精确的时间实现，并且实现最大的能量效率。
本发明的特定方面和优点在于，与图1中限定的相同的装置可以用于加热和冷却二者，其中循环是可反向的。这意味着可以提供下述装置，该装置可以使用相同的压缩机和制冷来进行充电和冷却二者，从而降低了此类***对最终用户的成本。这也意味着该装置可以被使用并且可以被配置成比先前已知的使用较小压缩机和使用较低功率的装置小。这是由于装置中的某些工作是通过岸电完成的。这是本发明的特定优点。
在放电循环中，将需要该装置在中间热交换器(即，热电池5)与温度受控环境之间传递热能。
图1所示的装置经由由压缩机1两端的压差驱动的制冷剂流动来操作。正是该压差在装置两端传递热。该压差取决于制冷剂被迫在蒸发器7中的蒸发器盘管处蒸发所处于的温度以及制冷剂被迫在冷凝器8中的冷凝盘管处冷凝所处于的温度。
下面的表1中示出了图1所示的装置的操作示例，表1示出了装置在冷却和充电阶段期间的操作。
阀致动
(顶行指定了图中的部件)
9 17 16 11 10 18 21 22
室冷却 在4中冷凝(PCM放电冷却) 0 1 0 1 0 0 1 0
在8中冷凝(冗余常规制冷) 0 1 0 0 1 0 0 0
热电池充电 在7中冷凝(热气除霜) 1 0 1 1 0 0 0 1
在8中冷凝(PCM预冷却) 0 0 1 0 1 1 0 0
表1
上面的表1可以用于配置本发明中的如在顶行中所注释的制冷剂流动控制阀的电气和/或机械控制。在顶行中，数字指代图1至图5所示的部件。对于每个带注释的部件，下面的行给出了该***操作模式所需的阀位置的二进制指示。在这种情况下，“1”表示打开，而“0”表示关闭。
图2是图1所示的装置处于预冷却阶段的表示。因此，关于相同的部件，图2中使用的附图标记与图1中使用的附图标记相同。
在图2中，已经调节了***流动路径，以使热电池4能够通过制冷剂的蒸发来冷却，并且使吸收的热在冷凝器8处排出至环境空气中。这由活跃流动路径和相应的箭头所示。该操作模式称为预冷却，这是因为其在需要***对温度受控室进行主动冷却之前将相变材料(PCM)冷却至合适的充电温度。
图3是图1和图2所示的装置处于被称为冗余常规***阶段的操作模式的表示。因此，关于相同的部件，图3中使用的附图标记与图1和图2中使用的附图标记相同。
在图3中，已经调节了***流动路径，以使蒸发器7能够冷却温度受控室，并且使吸收的热在冷凝器8处排出至环境空气中。该操作模式被称为冗余常规***，这是因为在热电池4被耗尽的情况下，其充当故障安全操作模式。
图4是图1至图3所示的装置处于被称为热气除霜的操作模式的表示。因此，关于相同的部件，图4中使用的附图标记与图1至图3中使用的附图标记相同。
在图4中，已经调节了***流动路径，以使蒸发器7能够被由压缩机1排放的热气加热。该操作模式被称为热气除霜，这是因为其被激活是为了熔化蒸发器7的外部鳍片上或壳体上的任何积聚的冰。
图5是图1至图4所示的装置处于放电冷却循环的表示。因此，关于相同的部件，图5中使用的附图标记与图1至图4中使用的附图标记相同。另外，图5示出了位于热电池4内存在集成液体容纳室26。液体容纳室26位于热电池4的底部处或朝向热电池4的底部。
图5示出了在不可反向***中仅用作冷凝器的装置和部件。
下面的表2示出了图5中的装置在仅用作冷凝器时的操作。
阀致动
(顶行指定了图5中的部件)
9 17 16 11 10 18 21 22
室冷却 在4中冷凝(PCM放电冷却) 0 1 0 1 0 0 1 0
在8中冷凝(环境冷却) 0 1 0 0 1 0 0 0
热电池充电 在7中冷凝(热气除霜) 1 0 1 1 0 0 0 1
在8中冷凝(PCM预冷却) 0 0 1 0 1 1 0 0
表2
与以上类似，当指代***中的不同部件时，“1”表示打开，而“0”表示关闭。
图6是图5所示的热电池4的放大图，其中该装置在不可反向***中仅用作冷凝器。示出了位于电池内的相变材料(PCM)5、一系列管6以及温度传感器和/或压力传感器23。热电池4也位于竖直或基本竖直的位置。
图7是其中存在具有集成毛细管27的热电池4的替选实施方式的表示。图7中的装置是在不可反向***中这些部件仅用作蒸发器时的装置。
图8是其中该装置被示出为包括集成液体接收器26和毛细管27的实施方式的表示。示出了用于可反向***的装置和部件。示出了阀28、29、30、31，其可以用于实现必要的制冷剂流动。
图9是具有用于冷凝制冷剂并为热电池4进行充电的集成微通道热交换器32的热电池4的表示。制冷剂过热气体将在端口33处进入微通道热交换器，沿通道冷凝并且在端口34处以液体形式排出。
考虑所需控制温度与所选择的相变材料(PCM)之间的温差是本发明的装置中的设计优化。通过选择合适的相变材料(PCM)，压缩机两端的压差将为以下两种情况：
1)足够大以促使制冷剂在装置的整个回路中流动。完全取决于因管子长度、直径、取向和管线部件几何形状而引起的压降。
2)足够小以使压缩机将制冷剂压缩至其所需冷凝压力所需要的工作最小化。
作为说明本发明的示例，涉及两个蒸气压缩循环：
1.制冷***
2.家用热泵
对于制冷***，本发明的装置将采用预冷却的并且然后在放电时提供冷却的热电池。对于预冷却，这可以例如通过机械或热电制冷手段、自然的废冷源来实现。在放电时，冷却效果可以用于如室冷却和工业过程的用途。
当使用制冷循环进行预冷却时，热交换器将浸入相变材料(PCM)中，并且将在预冷却阶段期间充当蒸发器。
可以将相变材料(PCM)冷却至超过其凝固点约10℃的显热区域。例如，取决于特定的操作条件，可以将在约-5℃下冻结的相变材料(PCM)冷却至约-15℃的温度作为合适的预冷却设定点。
当装置在放电冷却阶段操作时，例如为了保存食品生产，热交换器的制冷剂盘管则充当冷凝器。热交换器充当冷凝器，将来自制冷剂的热排入相变材料(PCM)中。
本发明中的热电池的存储容量取决于所使用的相变材料(PCM)的质量，因此散热器将继续吸收来自制冷循环的热，直到该质量在温度上升高为止。
当相变材料(PCM)熔化并且在温度上升高至约环境温度时，热电池将耗尽。然而，设计人员可以配置特定的制冷控制以使用标准温度探头限制预冷却和放电冷却的温度界限，以触发制冷***启动和停止。
与使用环境空气作为散热器的制冷循环有关的限制因素是冷凝压力取决于气候。在热带气候下，夏季最高温度在约30℃至40℃的范围内的情况下，这会对制冷***的性能产生很大影响，这是因为***被迫将制冷剂压缩至足够高的压力，以在约35℃至45℃的冷凝温度下排出热。
热带气候下的环境条件限制了设计师在对压缩机的部件选择方面的工作，这是因为：
1.高温下压缩机的排放温度将变得有害，典型的压缩机具有约120℃至130℃的最大允许温度。
2.压缩机所做的功与压缩机入口与出口之间的压力差成正比。压缩机的尺寸通常是基于其补充冷藏室热损失的能力来选择的。因此，作为最低要求，所选择的压缩机必须能够在***预期在其中操作的环境空气条件范围内保持冷却。
在这种类型的热带气候中，如图1至图5所阐述的使用热电池作为中间存储装置的部分益处在于，热电池的预冷却可以在夜间进行，此时环境温度为最低。然后，在白天，需要冷却时，可以在操作中进行放电冷却。
这种夜间/白天循环热电池的方法在一系列应用中都是有益的。例如，对于电动冷藏食品车，可以在夜间将车停放在仓库时进行预冷却。这可以利用岸电来运行预冷却循环，并且利用车辆牵引电池为放电冷却供电。在该示例中，通过减少车辆牵引电池上的消耗并因此留下可用于驱动车辆的更多能量而获得益处。
相变材料(PCM)的选择对于实现合适的设计操作条件至关重要。在进行材料选择时，设计人员应当考虑冷室的目标温度、可用的相变材料(PCM)的选择以及包括对于使用中制冷剂所涉及的压力的相对饱和度表。
最接近的现有技术是用水箱代替空气侧热交换器。实际上，水箱可以被预冷却，并且使用制冷循环提供放电冷却。
图10是具有约-5℃的相变材料转变温度PCM TT的相变材料(PCM)的冷却充电的表示。相变的特征在于对于材料的潜热区域，其初始于比其PCM TT低约3℃至15℃或低约5℃的相变材料(PCM)的过冷，并且结束于在材料在温度探头周围固化之前观察到约2℃至6℃或约3℃至4℃的温度升高的情况下的温度峰值。
这些温度现象允许非常可靠的方法来指示热电池充电。
在图10中，热电池充电的开始在存储能量为0kJ时用字母A表示。实际上，通过观察在5200kJ处PCM总值存储能量，可以按如下方式为点B至F确定以百分比表示的过冷温度指示：
B-PCM的过冷为约900kJ，因此充电量为约17.3％。
C-底部探头的温度峰值为约2400kJ，因此充电量为约46％
D-底部探头的温度峰值为约3500kJ，因此充电量为约67％
E-底部探头的温度峰值为约4400kJ，因此充电量为约85％
F-约100％充电时达到PCM设定点温度。
用于监测热电池充电的另一方法是通过测量出蒸发时热电池中制冷剂的压力。在图10中，当为电池充电时达到的最终压力为例如约1.5BarG。该压力可以通过在热电池4的出口处安装压力传感器来测量。可以使用标准的辐射测量的压力换能器0Vdc至5Vdc、0BarA至34.5BarA。
图11表示使用具有约-5℃的相变材料转变温度PCM TT的材料进行的热电池放电。
如设计所预期的，对于R449a看到制冷剂冷凝压力为约5BarG，而相应的制冷剂冷凝温度为约0℃。
在此测试期间，已经在2500秒的时间处用T_PCM_cold_cell_mid手动切换了测量T_PCM_cold_cell_top。
放电时的指示压力可以用于提醒用户两种条件。
Figure BDA0002673358940000231
当热电池在冷凝潜热区域中操作时，例如约5BarG
Figure BDA0002673358940000232
当热电池完全放电后，例如约10BarG
示例1-特定冷却情况：室的制冷
使用图1所示的装置，蒸气压缩循环已经发展成将相变材料(例如硫酸镁)预冷却至超过其为-5℃的相变温度，其中选择的预冷却结束温度为约-20℃。然后将***反向以向处于约-20℃下的温度受控室提供放电冷却。在这项研究中，当冷凝温度达到环境温度时，热电池被耗尽。
使用算法来选择相变材料(PCM)和/或制冷剂
现在参照图12，图12是允许选择相变材料(PCM)和/或制冷剂用于特定用途的方法(即算法)的表示。该方法分为图页12/13和13/13上的两页，并且应当一起阅读。
图12示出了用户将经历以选择最佳相变材料(PCM)和/或制冷剂以用于诸如图1至图9所示的蒸气压缩装置中的选择。
如图12所示，第一步骤是列出法律上可用的制冷剂，并且以最低的全球变暖潜能值(GWP)进行优先级排序。还应当考虑制冷剂的安全方面。
然后，用户将使用制冷剂饱和度表列出针对每种制冷剂的相对于室目标温度(CTT)和最低环境温度(Min_Ambient)的蒸发和冷凝温度。
然后，用户将列出具有转变温度(TT)的相变材料(PCM)和室目标温度(CTT)至最低环境温度(Min-Ambient)的范围。在此过程期间，用户还将确保相变材料(PCM)适用于具有适当转变温度的应用。安全方面将被考虑。例如，用户还将考虑选择下述相变材料(PCM)，该相变材料(PCM)具有在尽可能多地超于冷凝和蒸发温度和熔点或略低于其下操作的转变温度(TT)。作为示例，为了提供热水，可以选择具有略低于约50℃的相变温度(TT)的相变材料(PCM)。
然后，用户将使用图1至图9所示的装置，对于蒸发和/或冷凝对在热电池4中的相变材料(PCM)中产生的制冷剂压力和相关联的转变温度(TT)进行评估。这可以使用制冷饱和度表来执行。例如，可以使用如先前所述的压力传感器来测量热电池中的制冷剂压力。还可以根据需要在蒸气压缩装置的任意其他部分中测量制冷剂压力。
该过程中的下一步骤涉及确定制冷剂是否具有足够的压差以驱动制冷剂在热电池4中的相变材料(PCM)转变温度(TT)至冷凝器8处的最低环境温度(Min_Ambient)和/或在蒸发器7处的室目标温度(CTT)至热电池4中的相变材料(PCM)转变温度下在蒸发和/或冷凝之间流动。如果答案为“否”，则从列表删除该制冷剂作为适当的选择。如果答案为“是”，则继续图12所示的过程。
然后，该过程中的下一步骤将涉及使用制冷剂饱和度属性表，并且对于在制冷循环期间在相变材料(PCM)转变温度(TT)至最低环境温度(Min-Ambient)和/或在室目标温度(CTT)至相变材料(PCM)制冷循环期间蒸发和冷凝计算制冷循环上各点处的制冷剂热力学状态：
·压缩机入口制冷剂状态；
·压缩机出口制冷剂状态；
·冷凝器出口制冷剂状态；
·蒸发器入口制冷剂状态。
例如，图12所示的过程因此涉及选择用于其中加热回路应当在X温度与Y温度之间例如通过天气补偿选择的约30℃至60℃下流动的加热应用的相变材料(PCM)和制冷剂，通过利用环路过程选择X至Y或X以下范围内的PCM，从而对PCM和制冷剂中的每一个进行初始选择，并且然后通过更改一个或另一个来执行迭代阶段。也可以使用遗传算法。
因此，图12所示的环路过程可以用于选择用于冷却应用的相变材料(PCM)和制冷剂，其包括在X温度(例如约-10℃至-30℃)下具有冷室的冷却回路和在A温度与B温度例如约10℃至45℃之间变化的热将被排出的热环境。
制冷剂必须是具有用于制冷剂和相关装备诸如压缩机、膨胀阀等的供应链的可用制冷剂。
受法律要求以降低受F-Gas法规管制的市场上制冷剂的全球变暖潜能值(GWP)的影响，制冷剂还将优先考虑其未来可用性。
制冷剂将被选择成在放电冷却期间在蒸发器7处在比室目标温度(CTT)低约2℃至10℃或典型地低约5℃下蒸发，并且将在热电池4中在比所选择的相变材料(PCM')转变温度(TT)高2℃至10℃或典型地高约5℃温度(对于固/液PCM，这是熔点/凝固点；对于固/固PCM，这是发生固态晶体相变的温度)下冷凝。蒸发必须在约大于约3BarA或约1.5BarA且小于约10BarA或小于约5BarA的压力下，这限制了制冷剂的选择。该选择避免了使压缩机的制冷剂不足或使液态制冷剂进入压缩机。
在预冷却期间，制冷剂典型地在热电池4中在比所选择的材料(PCM)转变温度(TT)低约2℃至10℃或典型地低约5℃下蒸发，并且典型地在环境热交换器(例如风扇盘管)中在比那时当前的环境温度高约2℃至10℃或典型地高约5℃的温度下冷凝。
从CTT的范围为小于约2℃至10℃或典型地小于约5℃至最大环境温度至大于约2℃至10℃或大于约5℃。在单个压缩机加加热电池加换向阀布置的情况下，对于单个制冷剂，这必须在可行范围内。例如，在这种情况下，为约-25℃至+50℃。***的最大工作压力以及由压力导致的热交换器、压缩机、成本、可制造性和安全性的选择将限制可行性。因此，对于低成本***，最大工作压力典型地不超过约30BarA，而对于工业上可行的***，最大工作压力典型地不超过约200BarA。这紧密限制了可以选择的制冷剂数目。
另一因素是相变材料(PCM)转变温度(TT)典型地基于可用的相变材料(PCM)选择，具有可接受的高潜热，并且必须落在CTT与Min_Ambient之间。
基于确保制冷剂的最小流量的需要而施加了附加的约束，这意味着必须存在例如约2Bar至10Bar或约5Bar的压力差或本领域技术人员将指定的其他值。
返回参照图12，该过程中的下一步骤是计算在如图1至图5所示的蒸发器7和/或热电池4处的冷凝器和冷凝器8和/或蒸发器7和热电池4两端的热负荷(Q)连同用于该制冷循环的相对压缩机功(W)。可以使用以下公式：
Figure BDA0002673358940000261
Figure BDA0002673358940000262
为了说明计算热负荷(Q)的过程，参照以下内容。
当在蒸发器7处的相对室目标温度(CTT)和热电池4中的相变材料(PCM)转变温度(TT)下蒸发和冷凝时，如下计算冷却负荷(Q7)和/或加热负荷(Q4)：
Figure BDA0002673358940000263
首先，从针对冷却***指定的设计条件出发，应当给出室的总热损失。蒸发器处的冷却负荷(Q7)应当作为对这种热损失的最小补偿。例如，由于温度受控室的绝热效果，热损失可以例如为约1kW。蒸发器的冷却负荷可以例如为最少约1kW。可以确定设计人员要选择的实际冷却负荷，包括其他因素例如对于室的期望冷却速度、操作期间预期的门开度量。
Figure BDA0002673358940000264
使用制冷剂饱和度属性表，然后对于在CTT至PCM TT制冷循环下蒸发和冷凝计算制冷循环上各点处的制冷剂热力学状态：
-压缩机入口制冷剂状态；
-压缩机出口制冷剂状态；
-冷凝器出口制冷剂状态；
-蒸发器入口制冷剂状态。
Figure BDA0002673358940000265
对于那些制冷剂状态，通过查找饱和度表来找到针对以下各项的相对焓值：
-压缩机入口制冷剂状态(h1)；
-压缩机出口制冷剂状态(h2)；
-冷凝器出口制冷剂状态(h3)；
-蒸发器入口制冷剂状态(h4)。
Figure BDA0002673358940000271
用于计算部件两端的冷却/加热负荷的公式如下：
Figure BDA0002673358940000272
因此，由于已经确定了针对蒸发器7的冷却负荷，因此可以如下计算出制冷剂通过蒸发器7的质量流量：
Figure BDA0002673358940000273
Figure BDA0002673358940000274
已知制冷循环的质量流量，使得能够计算出热电池4处的后续加热负荷(Q4)和压缩机1处的功(W1)。
当在热电池4中的相对相变转变温度PCM TT和冷凝器8中的Min_Ambient下蒸发和冷凝时，如下计算冷却负荷(Q4)和/或加热负荷(Q8)：
Figure BDA0002673358940000275
首先，热电池4中的冷却负荷(Q4)将由设计人员基于对于热电池的期望冷却速率选择。
Figure BDA0002673358940000276
使用制冷剂饱和度属性表，然后对于在PCM TT至Min_Ambient制冷循环上蒸发和冷凝计算制冷循环上各点处的制冷剂热力学状态：
-压缩机入口制冷剂状态；
-压缩机出口制冷剂状态；
-冷凝器出口制冷剂状态；
-蒸发器入口制冷剂状态。
Figure BDA0002673358940000277
对于那些制冷剂状态，通过查找饱和度表来找到针对以下各项的相对焓值：
-压缩机入口制冷剂状态(h1)；
-压缩机出口制冷剂状态(h2)；
-冷凝器出口制冷剂状态(h3)；
-蒸发器入口制冷剂状态(h4)。
Figure BDA0002673358940000281
用于计算部件两端的冷却/加热负荷的公式如下：
Figure BDA0002673358940000282
因此，由于已经确定了针对热电池4的冷却负荷，因此可以如下计算制冷剂通过热电池4的质量流量：
Figure BDA0002673358940000283
Figure BDA0002673358940000284
已知制冷循环的质量流量，使得能够计算出冷凝器8处的后续加热负荷(Q8)和压缩机1处的功(W1)。
返回参照图12，用户将通过将相对冷凝器和/或蒸发器热负荷除以压缩机功来计算加热和/或冷却的性能系数(COP)。
然后可以将制冷剂和相变材料(PCM)数据添加至最终检查文件。
最后，可以在列出的合适相变材料(PCM)制冷剂组合中进行实验，并优先考虑制冷剂的最低的全球变暖潜能值(GWP)。
非常具体的示例如下：
1.选择最低的GWP和法律上允许的制冷剂，并且选择候选物；
2.查看候选物的压力范围；
3.相对于CTT和Min_Ambient，它在哪处蒸发和冷凝；
4.对于具有转变温度在CTT至Min_Ambient范围内的PCM的列表，对在转变温度下产生的每种制冷剂压力进行评估；
5.修剪列表以删除压差不足以驱动制冷剂在PCM TT至Min_Ambient制冷循环和/或CTT至PCM制冷循环上蒸发和冷凝之间流动的所有候选物。
6.使用制冷剂饱和度属性表，对于在PCM TT至Min_Ambient制冷循环和/或CTT至PCM制冷循环上蒸发和冷凝计算制冷循环上4个点处的制冷剂热力学状态：
-压缩机入口制冷剂状态；
-压缩机出口制冷剂状态；
-冷凝器出口制冷剂状态；
-蒸发器入口制冷剂状态。
7.针对以上第6点中限定的每个制冷循环，计算蒸发器和/或冷凝器两端的热负荷(kW)和压缩机功(kW)。使用该信息，可以确定针对每对制冷剂和PCM的加热和/或冷却性能系数(COP)。
该算法可以用于通过首先考虑对冷凝器提供空间和/或热水和/或热电池加热的加热要求来为特定加热情况选择PCM和制冷剂组合。加热要求应当通过对于***的设计规范或用于设计人员的选择的设计规范来设置。例如，为了以例如约2kW的速率和例如约58℃的PCM温度提供热电池充电，导致制冷剂冷凝温度为约63℃。根据该信息，可以使用算法的后续步骤来找到制冷剂加热循环的热力学状态以及该循环的质量流量。然后，可以通过迭代遍可用的材料和制冷剂来确定用于低温热电池的PCM的选择。
尽管上面已经描述了本发明的特定实施方式，但是应当理解，与所描述的实施方式的偏离仍然可以落入本发明的范围内。例如，可以使用任意合适类型的压缩机、冷凝器、蒸发器和包括相变材料的热电池。此外，可以使用任意合适类型和网络的管道来连接装置以实现本发明的目的。此外，可以使用任意合适类型的相变材料(PCM)。

Claims (49)

1.一种蒸气压缩装置，包括：
用于泵送制冷剂的泵送装置；
能够冷凝所述制冷剂的冷凝器；
能够蒸发所述制冷剂的蒸发器；
包括相变材料(PCM)的热电池；
至少一个或一系列温度传感器和/或压力传感器，其能够监测所述热电池中所述相变材料(PCM)的温度和/或压力；
其中，所述热电池能够连接至所述冷凝器和/或所述蒸发器以释放电荷(即，放电)能量和/或被充电，由此所述热电池能够在蒸气压缩循环中控制热源的温度和/或散热器温度。
2.根据权利要求1所述的蒸气压缩装置，其中，存在浸入所述相变材料(PCM)中的一系列温度和/或传感器，所述一系列温度和/或传感器提供对所述热电池的物理状态和物理条件的实时指示，并且提供何时应当切换制冷剂流动的指示。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的蒸气压缩装置，其中，温度和/或压力测量持续地和/或连续地或周期性地诸如每30秒或每分钟进行。
4.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述至少一个或一系列温度传感器和/或压力传感器提供实时温度和/或压力测量，这使得能够监测所述相变材料(PCM)的物理状态，连同所述相变材料(PCM)中的电荷水平的测量。
5.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，包括相变材料(PCM)的所述热电池位于所述冷凝器与所述蒸发器之间的中间。
6.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述热电池提供在用作热源和/或散热器的所述冷凝器与所述蒸发器之间的中间阶段。
7.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，在第一阶段期间，所述热电池预冷却或预加热，并且在第二阶段期间，所述热电池放电冷却或放电加热。
8.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述热电池用作位于中间的热交换器。
9.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置处于竖直或基本竖直的取向，其中，包含制冷剂的液体容纳容器位于所述压缩机上方或基本上方，并且所述液体容纳容器竖直地或基本竖直地位于所述蒸发器与所述冷凝器之间。
10.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述泵送装置是用于压缩和/或加压在围绕所述装置的管子的***周围的制冷剂的压缩机。
11.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，当所述装置用于放电预冷却或预加热时，制冷剂的流动从基本竖直地定向的装置的顶部到底部发生。
12.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，当所述装置用于预冷却或放电加热时，制冷剂的流动在竖直地或基本竖直地定向的装置中从底部到顶部发生。
13.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，制冷剂流动在所述装置中在没有任何功能损失的情况下是可反向的。
14.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所使用的相变材料(PCM)包括以下的任意一种或组合：
石蜡材料，诸如癸烷例如形成具有约25℃至35℃或约-30℃的相变转变温度的PCM，所述石蜡材料可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
盐水共晶，诸如氯化钠和水例如形成具有约20℃至25℃或约-22℃的相变转变温度的PCM，所述盐水共晶可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
盐水共晶，诸如硫酸镁和水例如形成具有约-10℃至0℃或约-5℃的相变转变温度的PCM，所述盐水共晶可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
盐水共晶，诸如硫酸钠和水例如形成具有约-5℃至+5℃或约-1℃的相变转变温度的PCM，所述盐水共晶可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
有机酯，诸如月桂酸甲酯例如形成具有约0℃至10℃或约5℃的相变转变温度的PCM，所述有机酯可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
笼形水合物，诸如四氢呋喃(THF)和水例如形成具有约0℃至10℃或约5℃的相变转变温度的PCM，所述笼形水合物可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
酯，诸如琥珀酸二甲酯例如形成具有约15℃至25℃或约18℃的相变转变温度的PCM，所述酯可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
脂肪醇，诸如十二烷醇例如形成具有约15℃至25℃或约22℃的相变转变温度的PCM，所述脂肪醇可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
水合盐，诸如硫酸钠十水合物例如形成具有约25℃至35℃或约32℃的相变转变温度的PCM，所述水合盐可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
水合盐，诸如乙酸钠三水合物例如形成具有约0℃至10℃、约5℃的相变转变温度的PCM，所述水合盐可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；
具有固-固相变的多元醇，诸如三甲基乙烷例如形成具有约70℃至95℃或约81℃的相变转变温度的PCM，所述具有固-固相变的多元醇可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性；以及
多元醇，诸如赤藓醇例如形成具有约100℃至150℃、约121℃的相变转变温度的PCM，所述多元醇可选地利用添加剂以改善成核速率、结晶速率和/或可循环性。
15.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述相变材料(PCM)选自既没有低至用户想要冷却至的又没有高至用户想要排热至的温度范围。
16.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，选择下述相变材料(PCM)，所述相变材料具有比需要冷却至的温度(例如最低温度)高约1℃至20℃或约10℃至15℃的相变温度，以及/或者使制冷剂在比为所需蒸发压力的压力高1BarG至10BarG或优选地约1BarG至5BarG的压力下冷凝的所述相变温度。
17.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，选择下述相变材料(PCM)，所述相变材料具有比其中热泵正在获得其热能所处于的环境条件的温度(例如最小温度)高约1℃至20℃或约10℃至15℃的相变温度，以及/或者使制冷剂在比制冷剂在给定设计条件最小环境温度下蒸发所处于的压力高约1BarG至10BarG或约1BarG至5BarG的压力下蒸发的所述相变温度。
18.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，位于所述热电池内存在一系列管。
19.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述蒸发器为风扇盘管蒸发器。
20.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述蒸发器位于所述冷凝器下方。
21.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，位于所述蒸发器上方存在作为风扇盘管冷凝器的所述冷凝器。
22.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述冷凝器在排热的环境条件下使用。
23.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述冷凝器用于加热被指定为用于加热的空间，这提供了制冷剂在所述装置中从顶部到底部的流动。
24.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述蒸发器和所述冷凝器的功能在不同的循环期间是可反向的。
25.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述蒸发器和所述冷凝器能够由其他热交换器例如板式热交换器代替。
26.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置包括换向阀，以在需要时使制冷剂的流动反向并且在充电和/或放电之间切换。
27.根据权利要求26所述的蒸气压缩装置，其中，所述切换手动或电子地进行，并且取决于被测量的温度和/或压力以及何时需要切换。
28.根据权利要求27所述的蒸气压缩装置，其中，当需要加热时，制冷剂从所述热电池流出，而当需要冷却时，制冷剂流入所述热电池。
29.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置包括连接至所述冷凝器的至少一个切断阀。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置包括连接至所述换向阀和所述热电池的至少一个切断阀。
31.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，连接至所述冷凝器和液体容纳容器存在用作止回阀的另一阀。
32.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置竖直地或基本竖直地定向，液体容纳容器位于所述泵送装置(例如，压缩机)上方且位于所述冷凝器下方。
33.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置还包括可选地竖直地位于所述液体容纳容器下方的干燥器，诸如过滤干燥器。
34.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置还包括用于观察的窗，例如视镜。
35.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置还包括用于预冷却的膨胀装置(例如膨胀阀)。
36.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置还包括位于所述热电池与所述换向阀之间的至少一个螺线管阀，所述至少一个螺线管阀在需要时用于隔离所述热电池。
37.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置包括用于引导制冷剂流动的抽吸容器蓄积器。
38.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置包括曲轴箱压力调节器。
39.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，存在连接至所述热电池和液体容纳容器的螺线管阀。
40.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，存在用于热气除霜的螺线管阀。
41.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述温度和/或压力受控蒸气压缩装置用于加热和冷却二者，其中，所述循环是可反向的。
42.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，在放电循环中，需要所述装置在所述热电池(即，中间热交换器)与温度受控环境之间传递热能。
43.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置经由通过所述压缩机两端的压差驱动的制冷剂流动来操作。
44.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置还包括集成毛细管。
45.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置还包括集成液体接收器和毛细管。
46.根据任一前述权利要求所述的蒸气压缩装置，其中，所述装置还包括用于冷凝制冷剂并用于对热电池充电的集成微通道热交换器，由此制冷剂过热气体在入口端口处进入所述微通道热交换器，沿冷却通道冷凝并且在出口端口处作为液体排出。
47.一种用于使用根据第一方面和第二方面中任一项所述的装置在蒸气压缩循环中控制热源的温度和/或散热器温度的方法，提供：
用于泵送制冷剂的泵送装置；
能够冷凝所述制冷剂的冷凝器；
能够蒸发所述制冷剂的蒸发器；
包括相变材料(PCM)的热电池；
至少一个或一系列温度传感器和/或压力传感器，其能够监测所述热电池中所述相变材料(PCM)的温度和/或压力；
其中，所述热电池能够连接至所述冷凝器和/或所述蒸发器以释放电荷(即，放电)能量和/或被充电，由此所述热电池能够在蒸气压缩循环中控制热源的温度和/或散热器温度。
48.一种用于为蒸气压缩装置选择相变材料(PCM)和/或制冷剂的方法，包括：
·选择最低的全球变暖潜能值(GWP)和法律允许的制冷剂，并且选择候选制冷剂；
·检查所选候选制冷剂的制冷剂压力范围；
·检查所述候选制冷剂相对于室目标温度(CTT)和最低环境温度(Min_Ambient)蒸发和冷凝的位置；
·对于具有转变温度(TT)在CTT至Min_Ambient范围内的相变材料(PCM)的列表，对在转变温度下产生的每种制冷剂压力进行评估；
·修剪所述列表以删除压差不足以驱动制冷剂在PCM TT至Min_Ambient制冷循环和/或CTT至PCM制冷循环上蒸发与冷凝之间流动的所有候选物；
·使用制冷剂饱和度属性表，对于在PCM TT至Min_Ambient制冷循环和/或CTT至PCM制冷循环上蒸发和冷凝计算制冷循环上多个点(例如2至10，或者优选地4个点)处的制冷剂热力学状态：
-压缩机入口制冷剂状态；
-压缩机出口制冷剂状态；
-冷凝器出口制冷剂状态；
-蒸发器入口制冷剂状态；
·针对每个制冷循环，计算所述蒸发器和/或所述冷凝器两端的热负荷(kW)和压缩机功(kW)；以及
·使用所述信息，能够确定针对每对制冷剂和PCM的加热和/或冷却的性能系数(COP)。
49.根据权利要求48所述的用于为蒸气压缩装置选择相变材料(PCM)和/或制冷剂的方法，其中，使用制冷剂饱和度属性表，对于在PCM TT至Min_Ambient制冷循环和/或CTT至PCM制冷循环上蒸发和冷凝计算制冷循环上2至10或者4个点处的制冷剂热力学状态：
-压缩机入口制冷剂状态；
-压缩机出口制冷剂状态；
-冷凝器出口制冷剂状态；
-蒸发器入口制冷剂状态。
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