具有過(guò)冷相變材料的空調(diào)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種空調(diào)系統(tǒng)，其包括：冷卻器系統(tǒng)，所述冷卻器系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器；與所述冷凝器熱連通的相變材料；耦接到所述相變材料的致動(dòng)器；和控制器，其將觸發(fā)信號(hào)提供給所述致動(dòng)器來(lái)使所述相變材料開(kāi)始從過(guò)冷狀態(tài)改變成固體狀態(tài)。
【專利說(shuō)明】具有過(guò)冷相變材料的空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)背景
[0001]本文公開(kāi)的主題大體涉及空調(diào)系統(tǒng)，且明確地說(shuō)，涉及一種使用過(guò)冷相變材料來(lái)存儲(chǔ)熱能的空調(diào)系統(tǒng)。
[0002]現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)采用相變材料來(lái)提高系統(tǒng)的容量和/或效率。示例性的空調(diào)系統(tǒng)包括能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其在當(dāng)能量成本相當(dāng)?shù)?例如非峰值費(fèi)率)時(shí)凍結(jié)相變材料。接著相變材料用于在其它操作模式期間吸收熱能來(lái)改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)的效率和/或容量。
發(fā)明概要
[0003]一個(gè)實(shí)施方案是一種空調(diào)系統(tǒng)，其包括:冷卻器系統(tǒng)，所述冷卻器系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器；與冷凝器熱連通的相變材料；耦接到相變材料的致動(dòng)器；和控制器，其將觸發(fā)信號(hào)提供給致動(dòng)器來(lái)使相變材料開(kāi)始從過(guò)冷狀態(tài)改變成固體狀態(tài)。
[0004]另一示例性實(shí)施方案是一種用于操作空調(diào)系統(tǒng)的方法，所述空調(diào)系統(tǒng)具有包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器的冷卻器系統(tǒng)、與冷凝器熱連通的相變材料以及耦接到相變材料的致動(dòng)器，所述方法包括:確定環(huán)境溫度分布是否將造成相變材料的過(guò)冷；和響應(yīng)于所述確定，觸發(fā)致動(dòng)器來(lái)使相變材料開(kāi)始從過(guò)冷狀態(tài)改變成固體狀態(tài)。
[0005]本文描述其它示例性實(shí)施方案和特征。
[0006]附圖簡(jiǎn)述
圖1描繪了示例性實(shí)施方案中的空調(diào)系統(tǒng)。
[0007]圖2描繪了示例性實(shí)施方案中的冷凝器盤(pán)管組件。
[0008]圖3描繪了示例性實(shí)施方案中的致動(dòng)器。
[0009]圖4是溫度對(duì)時(shí)間的曲線圖，其圖示了示例性實(shí)施方案中的相變材料的狀態(tài)變化。
[0010]圖5是示例性實(shí)施方案中的控制過(guò)程的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]圖1描繪了示例性實(shí)施方案中的空調(diào)系統(tǒng)。冷卻器系統(tǒng)包括壓縮機(jī)10、第一熱交換器12、膨脹裝置14和第二熱交換器16。第一熱交換器12可用作冷凝器盤(pán)管，并且可位于待進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的建筑物或空間之外。第二熱交換器16可用作蒸發(fā)器盤(pán)管。如本領(lǐng)域已知，制冷劑通過(guò)壓縮機(jī)10、冷凝器12、膨脹裝置14和蒸發(fā)器16進(jìn)行蒸汽壓縮循環(huán)。熱量在蒸發(fā)器16處被吸收并且在冷凝器12處被排放。
[0012]圖1的系統(tǒng)可以是水冷卻器系統(tǒng)。蒸發(fā)器16與熱交換器18 (例如盤(pán)管)熱連通，其攜載流體冷卻劑，例如水。供應(yīng)泵20使冷卻劑從由蒸發(fā)器16冷卻的熱交換器18循環(huán)到供應(yīng)閥22。如本領(lǐng)域中已知，供應(yīng)閥22將冷水(約45 °F)供應(yīng)到本地區(qū)域終端(其中風(fēng)扇在盤(pán)管上方抽吸空氣)用于冷卻空間?；亓鏖y24接收從本地區(qū)域終端回流的流體并將回流流體提供給熱交換器18。應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的實(shí)施方案可以與其它類型的空調(diào)系統(tǒng)(例如強(qiáng)制通風(fēng))連用且實(shí)施方案不限于水冷卻器系統(tǒng)。
[0013]冷凝器盤(pán)管12與相變材料26熱連通。冷凝器盤(pán)管12可以完全嵌入到相變材料26中或相變材料可處于含有冷凝器盤(pán)管12的外殼中?；蛘?，冷凝器盤(pán)管的一部分可以暴露于環(huán)境空氣。風(fēng)扇28可將空氣抽吸通過(guò)相變材料26以有助于冷卻相變材料26。在示例性實(shí)施方案中，相變材料26是達(dá)到過(guò)冷狀態(tài)的材料。接著，控制器32使相變材料26開(kāi)始從過(guò)冷液體轉(zhuǎn)變成固體。如本文進(jìn)一步詳細(xì)描述，致動(dòng)器30用于在當(dāng)相變材料26處于過(guò)冷狀態(tài)時(shí)，使相變材料26開(kāi)始從過(guò)冷液體轉(zhuǎn)變成固體。
[0014]控制器32控制系統(tǒng)的操作?？刂破?2可以使用執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)代碼的通用微處理器來(lái)實(shí)施而用于執(zhí)行本文描述的功能?？刂破?2從與相變材料26熱接觸的相變材料傳感器34接收相變材料溫度信號(hào)?？刂破?2還從環(huán)境溫度傳感器36接收環(huán)境溫度信號(hào)。環(huán)境溫度傳感器36可監(jiān)控冷凝器12附近的外部空氣溫度?？刂破?2可將控制信號(hào)發(fā)送給壓縮機(jī)10、泵20、供應(yīng)閥22、回流閥24、風(fēng)扇28和致動(dòng)器30。本文參考圖5進(jìn)一步詳細(xì)描述系統(tǒng)的操作。
[0015]圖2描繪了示例性實(shí)施方案中的冷凝器總成。冷凝器盤(pán)管12與相變材料26熱連通。在圖2的實(shí)施方案中，冷凝器盤(pán)管12嵌入相變材料26中。在其它實(shí)施方案中，冷凝器盤(pán)管12的一部分可延伸超過(guò)相變材料26，使得整個(gè)冷凝器盤(pán)管12不嵌入相變材料26中?？諝馔ǖ?0形成于相變材料26中以允許通過(guò)風(fēng)扇28將空氣抽吸通過(guò)相變材料26?？諝馔ǖ揽膳渲贸筛鞣N構(gòu)造，且實(shí)施方案不限于圖2中所示的配置。當(dāng)需要額外的環(huán)境氣流來(lái)冷卻相變材料26時(shí)，控制器32可以打開(kāi)風(fēng)扇28。
[0016]冷卻劑供應(yīng)管線42還與相變材料26熱連通，且如圖2中所示，可嵌入相變材料26中。在當(dāng)環(huán)境溫度不足以充分冷卻相變材料26 (例如冷卻到過(guò)冷狀態(tài))的情況下，控制器32可將冷卻的冷卻劑從供應(yīng)閥22導(dǎo)引到相變材料26且回到回流閥24?？刂破?2致動(dòng)壓縮機(jī)10以在盤(pán)管18中產(chǎn)生冷卻的冷卻劑?？刂破?2設(shè)置閥22和24以將冷卻的冷卻劑供應(yīng)給相變材料26且泵20被致動(dòng)來(lái)使冷卻的冷卻劑循環(huán)到相變材料26。
[0017]圖3描繪了示例性實(shí)施方案中的致動(dòng)器30。致動(dòng)器30由控制器32控制使過(guò)冷的液體相變材料開(kāi)始轉(zhuǎn)變成固體相變材料。如本文使用，過(guò)冷是指相變材料26呈液態(tài)且處于低于相變材料凝固點(diǎn)的溫度。圖3中的致動(dòng)器包括相變材料的管道50和熱電冷卻器52，其可使管50中的相變材料在所有條件下維持冷凍或固態(tài)。閥54將管50連接到相變材料26的主貯存器。控制器32打開(kāi)閥54以觸發(fā)主相變材料貯存器26的冷凍。當(dāng)閥54打開(kāi)時(shí)，相變材料26中的一些未凍結(jié)液體流向管50的冷凍容積且開(kāi)始凍結(jié)。隨著潛熱被釋放，冷凍前部從閥區(qū)域向外移動(dòng)到相變材料26的其余部分。致動(dòng)器30的另一實(shí)施方案包括超聲發(fā)射器來(lái)產(chǎn)生超聲波而觸發(fā)相變材料26開(kāi)始從過(guò)冷液體轉(zhuǎn)變成固體。
[0018]如本文進(jìn)一步詳細(xì)描述，相變材料26經(jīng)過(guò)選擇使得當(dāng)對(duì)冷卻器系統(tǒng)的冷卻要求低或不存在時(shí)，相變材料從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。這可能發(fā)生在晚上，當(dāng)外界溫度較低時(shí)。圖4示出了示例性的晝夜溫度對(duì)時(shí)間的分布圖，以及相變材料26的狀態(tài)。在圖4的實(shí)例中，夕卜部空氣溫度在日間高達(dá)約95 °F至夜間低至約70 °F的范圍中。如果相變材料26的轉(zhuǎn)變溫度被選擇為約75 °F，那么相變材料26將在夜間冷凍(或再裝填)且接著在白天融化(或排放)。在白天，冷凍相變材料26從冷凝器盤(pán)管12吸收能量，改進(jìn)了當(dāng)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)冷凝器12的效率且提高了冷卻器系統(tǒng)的效率和容量。
[0019]圖5是示例性實(shí)施方案中由控制器32執(zhí)行的控制過(guò)程的流程圖。過(guò)程開(kāi)始于100，其中控制器32獲得系統(tǒng)的氣候區(qū)數(shù)據(jù)。氣候區(qū)數(shù)據(jù)可由已知?dú)夂驁D指示且在安裝空調(diào)系統(tǒng)之后被編程到控制器32中。在102中，控制器32通過(guò)環(huán)境溫度傳感器36監(jiān)控環(huán)境空氣溫度且可隨時(shí)間存儲(chǔ)多個(gè)環(huán)境溫度。在104中，控制器32從相變材料溫度傳感器34獲得相變材料溫度，且可隨時(shí)間存儲(chǔ)多個(gè)相變材料溫度。
[0020]在106中，控制器32基于氣候區(qū)數(shù)據(jù)和隨時(shí)間變化的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境空氣溫度讀數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)夜間溫度分布?？刂破?2可預(yù)先加載預(yù)測(cè)的夜間溫度分布，其由氣候區(qū)數(shù)據(jù)和日間環(huán)境空氣溫度索引。
[0021 ] 在108中，控制器32基于一次或多次相變材料溫度測(cè)量來(lái)確定預(yù)測(cè)的夜間溫度分布是否將足以過(guò)冷相變材料26。舉例來(lái)說(shuō)，如果相變材料26轉(zhuǎn)變溫度約為75 0F，當(dāng)前相變材料溫度約為80 °F且預(yù)測(cè)的夜間溫度分布指示四小時(shí)的環(huán)境空氣溫度約為72 T，那么控制器32可確定預(yù)測(cè)的夜間溫度分布將導(dǎo)致相變材料在開(kāi)始進(jìn)行下一冷卻器周期之前(即，在待進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的空間需要冷卻之前)過(guò)冷。這個(gè)決定將受以下因素影響，例如相變材料的量、其溫度轉(zhuǎn)變特性等。
[0022]如果環(huán)境溫度單獨(dú)就足以過(guò)冷相變材料26，那么流程進(jìn)行至110，其中控制器確定觸發(fā)時(shí)間來(lái)使過(guò)冷的相變材料26從液體轉(zhuǎn)變成固體。當(dāng)環(huán)境溫度處于或接近最小值時(shí)，控制器32試圖觸發(fā)這個(gè)轉(zhuǎn)變，使得由相變材料26釋放的熱量被環(huán)境空氣更快速地吸收。在112中，控制器在觸發(fā)時(shí)間發(fā)送觸發(fā)信號(hào)到致動(dòng)器30來(lái)使過(guò)冷的相變材料26開(kāi)始轉(zhuǎn)變成固體。
[0023]如果在108中預(yù)測(cè)的夜間溫度分布不足以過(guò)冷相變材料26，那么流程進(jìn)行至114，其中確定運(yùn)行風(fēng)扇28來(lái)將環(huán)境空氣抽吸通過(guò)相變材料26是否將導(dǎo)致相變材料26的過(guò)冷。這個(gè)決定可由控制器32進(jìn)行，其基于當(dāng)前相變材料溫度確定僅需要小的溫度降低來(lái)過(guò)冷相變材料26。如果這樣，在116中打開(kāi)風(fēng)扇28且流程進(jìn)行到如上文描述的110和112。
[0024]如果在114中控制器32確定風(fēng)扇28將不會(huì)過(guò)冷相變材料，那么流程進(jìn)行至118，其中控制器32運(yùn)行包括壓縮機(jī)10和泵20的冷卻器系統(tǒng)。在120中，供應(yīng)閥22和回流閥24由控制器32設(shè)置成將冷卻劑從盤(pán)管18導(dǎo)引到相變材料26。流程進(jìn)行到如上文描述的110 和 112。
[0025]實(shí)施方案采用的相變材料滿足成本目的但具有足夠高的轉(zhuǎn)變溫度使得夜間溫度每夜下降到低于轉(zhuǎn)變溫度。選擇具有高過(guò)冷傾向的相變材料。當(dāng)夜間溫度下降到低于相變材料的起始溫度時(shí)，根據(jù)相變材料的熱容量發(fā)生明顯冷卻。當(dāng)夜間溫度接近最小值時(shí)，過(guò)冷相變材料被觸發(fā)以快速釋放其潛熱。
[0026]相變材料的溫度根據(jù)由潛熱釋放驅(qū)動(dòng)的熱容量上升，直至達(dá)到融化溫度的極限。這提供了室外空氣與相變材料之間的更高溫差，且從相變材料到外部空氣的熱傳遞可以以更快的速率發(fā)生。熱交換器設(shè)計(jì)可最優(yōu)化成利用這個(gè)快速的熱釋放。具有處于正確區(qū)域中的轉(zhuǎn)變溫度的候選相變材料(已知呈現(xiàn)過(guò)冷且足夠廉價(jià))的實(shí)例是自然椰子脂肪酸混合物。
[0027]實(shí)施方案通過(guò)允許在介質(zhì)中捕獲的日間熱在較冷的夜間空氣的較短時(shí)期內(nèi)被釋放而不是其它可能來(lái)管理過(guò)冷用于積極用途。室外空氣溫度與融化點(diǎn)溫度之間的相變材料中產(chǎn)生的溫差容許更快地將熱釋放到環(huán)境且減小相關(guān)的熱交換器的尺寸。從成本/效益觀點(diǎn)看，這增加了熱能存儲(chǔ)的耐久性。
[0028]在占用期間，冷卻器通常將熱排放到熱外部空氣(95 °F額定T)。如圖4中所示，從冷水溫度(CWST)到外部溫度(OAT)的“升高”控制冷卻器效率。在不占用期間，冷卻器在大多數(shù)低溫期間可關(guān)閉。
[0029]具有選擇轉(zhuǎn)變溫度(Tm)的較不昂貴的相變材料的出現(xiàn)意味著系統(tǒng)可被設(shè)計(jì)成采取OAT和Tm中更好的以在占用期間排出熱，從而在電資費(fèi)通常最高時(shí)降低冷卻器升高且提高冷卻器效率。相變材料整日排放。在當(dāng)冷卻器極少運(yùn)行時(shí)的夜間的不占用期間，在夜間空氣溫度下降到低于“節(jié)能”模式的Tm之后，相變材料由更冷的夜間空氣再裝載。實(shí)施方案使用呈現(xiàn)過(guò)冷的相變材料，因此當(dāng)被觸發(fā)時(shí)，相變材料溫度相對(duì)于夜間空氣上升且再裝載得更快。如果需要，冷卻器系統(tǒng)可以協(xié)助以便在早晨占用之前完成相變材料的再裝載。如果需要冷卻器系統(tǒng)，那么其將以比在白天將具有的升高更低的升高來(lái)操作且使用更便宜的電力。
[0030]雖然已經(jīng)僅結(jié)合有限數(shù)量的實(shí)施方案來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明，但是應(yīng)容易理解本發(fā)明不限于這些公開(kāi)的實(shí)施方案。更確切地說(shuō)，可以修改本發(fā)明以并入之前未描述的任何數(shù)量的變化、改變、替換或等效配置，但其需與本發(fā)明的精神和范圍相稱。此外，雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實(shí)施方案，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的方面可僅包括所述實(shí)施方案中的一些。因此，本發(fā)明不應(yīng)被視為受限于上文的描述，而是僅受限于所附權(quán)利要求書(shū)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種空調(diào)系統(tǒng)，其包括: 冷卻器系統(tǒng)，其包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器； 與所述冷凝器熱連通的相變材料； 耦接到所述相變材料的致動(dòng)器；和 控制器，其將觸發(fā)信號(hào)提供給所述致動(dòng)器來(lái)使所述相變材料開(kāi)始從過(guò)冷狀態(tài)改變成固體狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述冷凝器被嵌入在所述相變材料中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)系統(tǒng)，其還包括: 環(huán)境溫度傳感器，其將環(huán)境溫度信號(hào)提供給所述控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)系統(tǒng)，其還包括: 相變材料傳感器，其將相變材料溫度信號(hào)提供給所述控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述相變材料包括內(nèi)部通風(fēng)道，其允許環(huán)境空氣流動(dòng)通過(guò)所述相變材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空調(diào)系統(tǒng)，其還包括: 風(fēng)扇，其用于抽吸空氣通過(guò)所述通風(fēng)道。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述相變材料包括與所述相變材料熱連通的冷卻劑供應(yīng)管線，所述冷卻劑供應(yīng)管線耦接到所述冷卻器系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述致動(dòng)器產(chǎn)生聲波使所述相變材料開(kāi)始從所述過(guò)冷狀態(tài)改變成所述固體狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述致動(dòng)器包括冷凍相變材料，所述冷凍相變材料放置成與所述相變材料接觸而使所述相變材料開(kāi)始從所述過(guò)冷狀態(tài)改變成所述固體狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述致動(dòng)器包括使所述冷凍相變材料與所述相變材料分離的閥，所述控制器打開(kāi)所述閥而使所述相變材料開(kāi)始從所述過(guò)冷狀態(tài)改變成所述固體狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述控制器響應(yīng)于氣候區(qū)數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度來(lái)預(yù)測(cè)夜間溫度分布；且 所述控制器響應(yīng)于所述夜間溫度分布來(lái)確定所述相變材料是否將過(guò)冷。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述控制器響應(yīng)于所述夜間溫度分布而將所述觸發(fā)信號(hào)提供給所述致動(dòng)器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述相變材料包括內(nèi)部通風(fēng)道，其允許環(huán)境空氣流動(dòng)通過(guò)所述相變材料； 當(dāng)所述控制器響應(yīng)于所述夜間溫度分布確定所述相變材料將不會(huì)過(guò)冷時(shí)，所述控制器致動(dòng)風(fēng)扇用于將空氣抽吸通過(guò)所述通風(fēng)道來(lái)使所述相變材料過(guò)冷。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的空調(diào)系統(tǒng)，其中: 所述相變材料包括與所述相變材料熱連通的冷卻劑供應(yīng)管線，所述冷卻劑供應(yīng)管線耦接到所述冷卻器系統(tǒng)； 當(dāng)所述控制器響應(yīng)于所述夜間溫度分布確定所述相變材料將不會(huì)過(guò)冷時(shí)，所述控制器致動(dòng)所述冷卻器系統(tǒng)來(lái)冷卻所述冷卻劑供應(yīng)管線而使所述相變材料過(guò)冷。
15.一種用于操作空調(diào)系統(tǒng)的方法，所述空調(diào)系統(tǒng)具有包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器的冷卻器系統(tǒng)、與所述冷凝器熱連通的相變材料以及耦接到所述相變材料的致動(dòng)器，所述方法包括: 確定環(huán)境溫度分布是否將造成所述相變材料的過(guò)冷；和 響應(yīng)于所述確定,觸發(fā)所述致動(dòng)器來(lái)使所述相變材料開(kāi)始從過(guò)冷狀態(tài)改變成固體狀態(tài)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中: 觸發(fā)所述致動(dòng)器包括響應(yīng)于所述環(huán)境溫度分布確定觸發(fā)時(shí)間以及在所述觸發(fā)時(shí)間觸發(fā)所述致動(dòng)器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其還包括: 響應(yīng)于確定所述環(huán)境溫度分布將不會(huì)造成所述相變材料的過(guò)冷而運(yùn)行冷凝器風(fēng)扇。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其還包括: 響應(yīng)于確定所述環(huán)境溫度分布將不導(dǎo)致所述相變材料的過(guò)冷且運(yùn)行所述冷凝器風(fēng)扇將不導(dǎo)致所述相變材料的過(guò)冷而運(yùn)行所述冷卻器系統(tǒng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中: 運(yùn)行所述冷卻器系統(tǒng)包括用冷卻劑冷卻所述相變材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中: 確定所述環(huán)境溫度分布是否將造成所述相變材料的過(guò)冷包括響應(yīng)于氣候區(qū)數(shù)據(jù)、日間溫度和相變材料溫度來(lái)預(yù)測(cè)夜間溫度分布。
【文檔編號(hào)】F24F11/00GK104246378SQ201380022691
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月3日
【發(fā)明者】M. 多布斯 G. 申請(qǐng)人:開(kāi)利公司