制冷裝置及方法
【技術領域】
[0001]當前發明涉及制冷裝置。特別地，但非唯一地，本發明涉及在沒有可靠的電力供應的情況下，用于存儲和運輸疫苗、易腐爛的食品、包裝飲料或類似物品，以及用于諸如電池的設備的冷卻或溫度控制的制冷裝置。本發明的各方面涉及裝置并且涉及方法。
【背景技術】
[0002]大部分的世界人口沒有獲得干線電力的持續的且可靠的供應。不發達國家或遠離居住區的地區，頻繁地遭受經常借助于“分區停電”所實施的電力的定量配給，這是故意停電或配電網的故障產生的。
[0003]疫苗、食品和飲料在適當溫度下的存儲在這種沒有持續的和/或可靠的電力供應限制了傳統制冷設備的廣泛使用的這樣的地區是困難的。例如，疫苗需要被存儲在約2_8°C之間的窄溫度范圍內，在這個范圍之外它們的成活力能夠被損害或破壞。類似問題出現與食物、特別地易腐爛的食品以及諸如罐裝或瓶裝飲品的包裝飲料的存儲相關。
[0004]在對這個問題的反應中，當前申請人之前已經提出了一種制冷裝置形式，其公開在國際專利申請N0.PCT/GB2010/051129中，該裝置允許被制冷存儲空間在失去電力之后維持在4-8°C的溫度范圍內長達30天。這個現有技術裝置包括用于疫苗、食品、飲品容器或任何其他被冷卻物品的有效載荷空間，該有效載荷空間被置于水的熱絕緣儲槽的下部區域處。在儲槽上方并且與其流體連通，包含冷卻元件或低溫熱物質的水填充的頂部空間提供到儲槽的冷水供應。
[0005]這個現有技術裝置依賴于水在約4°C處于它的最大密度的已知特性。因此，由頂部空間中的冷卻元件或熱物質冷卻到這個溫度的水趨于下沉到該儲槽中，停留在環繞該有效載荷空間的下部區域處，該有效載荷空間通過熱傳遞被冷卻到處于4°C或接近4°C的溫度。
[0006]本申請人已經認識到改善上面所提及裝置的需要以促進在一些應用中的包裝、運輸和效率。正是在這個背景下當前發明已經被構思。通過下述說明書、權利要求和附圖，本發明的其他目標和優點將變得顯而易見。
【發明內容】
[0007]因此本發明的各方面提供如在所附的權利要求中所要求的裝置和方法。
[0008]在尋求保護的本發明的一個方面中提供了冷卻裝置，其包括:
用于存儲至少一個冷卻物體的冷存儲部分；
用于保持流體被冷卻的流體儲槽，該儲槽具有頂部區域以及在頂部區域下方的主體區域，每個區域被布置成包含要被冷卻的流體；
冷存儲熱交換部分，該冷存儲熱交換部分在使用中被布置以設成與冷存儲部分中的冷卻物體以及流體儲槽的頂部區域中的流體熱連通，并且不與頂部區域下方的流體熱連通，該冷存儲部分和流體儲槽以并排的構造設置;以及
第二熱交換部分，該第二熱交換部分在使用中被布置以設成與主體區域中的流體熱連通，使得熱量可以從熱源流動到主體區域中的流體，
其中，在使用中由冷存儲部分中的冷卻物體對頂部區域中的流體的冷卻引起主體區域中的流體的冷卻以及由此引起第二熱交換部分的冷卻。
[0009]要理解的是頂部區域中的流體的冷卻可以由至少部分地從主體區域到頂部區域的熱量的傳導引起主體區域中的流體的冷卻。此外或代替地，在一些實施方式中頂部區域中的流體的冷卻可以引起頂部區域中的流體變得更不易浮并且朝向主體區域下沉。這可以引起主體區域中的流體的冷卻和/或主體區域中的流體朝向流體可以被冷卻的頂部區域上升。
[0010]在一些實施方式中頂部和主體區域可以與彼此流體連通。因此，頂部區域中由冷存儲熱交換部分冷卻的流體可以下沉到主體區域中，引起主體區域的冷卻并且從而引起第二熱交換部分的冷卻。替代地或此外，基本上的靜態平衡可以被建立，其中，很少或沒有流體的移動發生，在主體和頂部區域之間的熱傳遞由通過流體的傳導發生。
[0011]當前發明的實施方式允許設置冷卻裝置，其由設置在冷存儲部分中的諸如一個或多個冷包或諸如水冰或干冰(凍結的二氧化碳)的松散凍結材料的一個或多個冷卻物體驅動。該冷卻物體驅動流體儲槽中在其上部(頂部)區域中的流體的冷卻。
[0012]該一個或多個冷包可以在被引入到冷存儲部分之前或在被引入之后被冷卻到任何適合的溫度，例如借助于諸如被布置以冷卻該冷存儲部分的提供動力的冷卻機構。在一些實施方式中，冷包可以在被引入到冷存儲部分之前或之后被冷卻到從-20°C到-5°c的范圍內的溫度。諸如低至_25°C的溫度，或低至諸如-30°C、-40°C、_50°C的更低溫度或任何其他適合的溫度的其他溫度是有用的。要理解的是技術人員將能夠由實驗確定用于冷包的適合溫度范圍以允許頂部區域中的流體冷卻到足夠低的溫度。在一些實施方式中，頂部區域中的流體的過冷卻可以導致主體區域中的流體的過冷卻，并且潛在地導致第二熱交換部分的過冷卻。因此，技術人員可以調整與該裝置的設計相關聯的一個或多個參數，諸如冷存儲部分的體積、流體儲槽的體積、頂部和主體區域的相對大小、儲槽的寬度、深度和/或高度、與頂部區域中的流體基本上直接熱和/或流體接觸的冷存儲熱交換部分的表面面積，和/或此外或代替的一個或多個其他參數。要理解的是如果流體儲槽中的流體包括水并且主體區域中的水凍結，這在一些實施方式中可以引起第二熱交換部分的過冷卻。因此技術人員可以設計該裝置使得在使用中不會發生主體區域中的水的凍結，或在儲槽中的水從環境溫度初始地冷卻之后的裝置的穩定之后不會發生。其他布置以及用于給定應用的其他裝置設計標準可以是有用的。
[0013]要理解的是如果流體儲槽中的流體諸如水具有負到正的熱膨脹臨界溫度，即在該溫度以上流體展示正的熱膨脹系數并且在該溫度以下流體展示負的熱膨脹系數的溫度，然后該裝置可以可操作以維持流體儲槽中在頂部區域下方給定深度處的流體(在主體區域內)處于基本上恒定的溫度，該溫度至少部分地取決于負到正的臨界溫度。
[0014]要理解的是隨著頂部區域中的流體的溫度由于熱交換部分的冷卻而下降，該流體的溫度接近臨界溫度，在該臨界溫度下流體的密度是最大值，其引起流體變得更不易浮并且下沉，而隨著流體的溫度上升到臨界溫度以上，流體的密度降低并且更易浮的流體趨于上升。處于臨界溫度以上的溫度的上升流體與下沉流體混合，并且在一些布置中最終基本上的靜態平衡可以被建立。被冷卻到臨界溫度以下的頂部區域中的流體具有比在臨界溫度下的流體更小的密度，并且因此趨于不下沉到頂部區域下方。因此在頂部區域下方的主體區域中的流體的溫度在一些實施方式中能夠被布置成基本上不上升到臨界溫度以上或基本上下降到臨界溫度以下。
[0015]臨界溫度有利地在從-100°C到+50°C的范圍中，進一步有利地在從_50°C到10°C的范圍中，仍進一步有利地在從_20°C到8°C左右的范圍中，有利地在從_20°C到5°C的范圍中，進一步有利地在從_5°C到5°C的范圍中。其他數值也是有用的。
[0016]要理解的是冷包意指包含在密封包裝內的冷卻劑的主體，諸如冰包。該包裝可以包括塑料材料。該冷卻劑可以包括水、諸如水/鹽溶液的水/鹽混合物、水/溶劑混合物、膠體或任何其它適合的冷卻劑。如上面提到的，諸如塊體、顆粒、冰塊、碎的凍結冷卻劑的松散形式或任何其他適合形式的凍結冷卻劑也可以被使用。
[0017]任選地，第二熱交換部分和冷存儲部分被設置在儲槽的基本上相對的側上。
[0018]該裝置可以被布置成，其中，在使用中第二熱交換部分設成與流體儲槽中頂部區域下方的流體基本上直接熱接觸，并且不與頂部區域內的流體基本上直接熱接觸。
[0019]因此第二熱交換部分可以設成與儲槽的主體區域中的流體基本上直接熱接觸，且不與頂部區域內的流體基本上直接熱接觸。這個特征能夠實現防止該第二熱交換器的過冷卻。要理解的是在具有臨界溫度的熱流體被采用的情況下，該臨界溫度為在該溫度以上流體展示正的熱膨脹系數并且在該溫度以下流體展示負的熱膨脹系數的溫度，在使用中處于該臨界溫度或在該臨界溫度附近的流體可以被布置以集中在主體區域，能夠實現第二熱交換部分被冷卻到基本上等于臨界溫度的溫度。
[0020]要理解的是盡管第二熱交換部分可以不與頂部區域中的流體基本上直接熱連通，但是該第二熱交換部分可以與頂部區域中的流體經由主體區域中的流體熱連通。因此，熱能可以通過傳導從主體區域傳遞到頂部區域。
[0021 ]該裝置可以進一步包括有效載荷容器，其中，在使用中第二熱交換部分被布置成允許熱能流從有效載荷容器的內部體積到流體儲槽的主體區域中的流體。
[0022]有效載荷容器可以包括第二熱交換部分。在一些實施方式中有效載荷容器的壁可以提供第二熱交換部分。
[0023]第二熱交換部分可以包括被布置成允許要被冷卻的流體從其流過的管道。
[0024]這個特征在流體要被冷卻的應用中諸如在飲料分配應用中可以是有用的。例如，在一些實施方式中該裝置可以被布置成以形成一字式飲料或其他液體的分配組件的部分，該裝置被布置成按需要冷卻液體，例如當龍頭或類似物被打開以允許流體流從諸如水源或飲料容器的流體源，通過第二熱交換部分的管道并從龍頭出來。
[0025]任選地，冷存儲熱交換部分在使用中被布置以設成與冷存儲部分中的冷卻物體基本上直接熱接觸。
[0026]任選地，冷存儲熱交換部分包括或提供限定流體儲槽的外部邊界的壁的部分。
[0027]要理解的是流體儲槽的壁意指限定儲槽的邊界以及被布置成保留流體在儲槽內的部分。
[0028]要理解的是在一些實施方式中冷存儲部分不是旨在用液體填充的部分，并且裝置的操作不要求這種情況。盡管冷存儲部分由于諸如冰的松散的凍結冷卻劑的冷凝或融化可以至少部分地變得用液體填充，但它可以被認為是干存儲部分。
[0029]任選地在裝置的使用期間，排放機構可以被設置用于允許在冷存儲部分中的任何液體從冷存儲部分排出。
[0030]在一些實施方式中，冷存儲熱交換部分可以由冷存儲部分的壁和/或儲槽的壁設置。要理解的是單個壁可以將冷存儲部分從流體儲槽的流體中分開。該壁可以對在儲槽的頂部區域中的流體和冷存儲部分中的一個或多個冷卻物體之間的熱傳遞呈現相對低的阻力，同時該壁可以對在儲槽的主體區域中的流體和冷存儲部分中的一個或多個冷卻物體之間的熱傳遞呈現相對高的阻力。
[0031]在一些實施方式中，熱絕緣部分可以被設置在冷存儲部分和儲槽的主體區域中的流體之間。在一些實施方式中熱絕緣部分可以包括一層熱絕緣材料。在一些實施方式中熱絕緣部分可以實現至少部分地是通過形成分離冷存儲部分和儲槽的壁以相對于儲槽的頂部區域和冷存儲部分之間的厚度在儲槽的主體區域和冷存儲部分之間有更大的厚度。
[0032]任選地，冷存儲熱交換部分包括設成與儲槽的壁基本上直接熱接觸的部分。
[0033]任選地，冷存儲熱交換部分包括在使用中被配置以設成與諸如冷存儲部分中的冷包的冷卻物體基本上直接熱接觸的至少一個冷存儲熱交換元件。
[0034]要理解的是在冷存儲熱交換元件之間基本上直接的熱接觸包括直接物理(觸碰)接觸以及經由諸如焊接或固定元件(諸如螺栓、鉚釘或其他固定元件)的固定手段的直接接觸。諸如在冷存儲熱交換元件和儲槽的壁中間的墊片、墊圈或其他適合的構件的一個或多個中間元件可以被設置。
[0035]冷存儲熱交換元件可以包括由具有相對高熱導率的金屬(諸如銅或招)形成的金屬元件。該元件可以由具有固有的耐腐蝕性和/或耐蝕涂層(諸如防水涂料或其他涂層)的黑色金屬(諸如不銹鋼)形成。
[0036]該至少一個冷存儲熱交換元件可以被布置成延伸到冷存儲部分的下部區域，使得在使用中該熱交換元件可以設成與設在冷存儲部分的下部區域中的冷卻物體熱接觸。
[0037]該至少一個冷存儲熱交換元件可以被布置成延伸到冷存儲部分的下部區域，使得在使用中該熱交換元件可以設成與擱置在冷存儲部分的基底表面上的冷卻物體熱接觸。
[0038]任選地，至少一個冷存儲熱交換元件被布置成延伸到冷存儲部分的下部區域并且至少橫跨其基底表面的部分，使得在使用中冷卻物體可以擱置在熱交換元件上。
[0039]任選地，該冷存儲部分被設計大小以容納多個冷包。該冷包可以是任何適合的尺寸，例如約15cm X 2cm x 8cm或任何其他適合的尺寸。冷存儲部分可以是任何適合大小，諸如300mm寬x 300mm深x 300mm高或任何其他適合的大小。
[0040]流體儲槽可以是任何適合的大小，諸如300mm寬x 1cm深x 300mm高。因此在冷存儲部分和儲槽之間的分離壁與在儲槽和有效載荷容器之間的分離壁之間的距離可以是約10cm。其他尺寸也是有用的，諸如5cm、15cm、20cm、30cm或任何其他適合的尺寸。
[0041]要理解的是頂部區域和主體區域的相對體積可以是任何適合的比例。在實施方式中頂部區域占據儲槽流體填充體積的大約10%，以及主體區域占據流體填充體積的大約90%。因此在一些實施方式中頂部區域對主體區域的體積比為10:90。要理解的是該比率可以是任何適合的比率，以及最佳比率可以由技術人員由經驗確定。其他適合的比率包括約20:80、30:70、40:60以及50:50的比率。在一些實施方式中，基于應用其他比例可以是有用的。要理解的是在當前發明的實施方式的一些應用中，與其他的相比第二熱交換部分的過冷卻的后果可以是更不嚴重的，在一些實施方式中允許過冷卻被更大程度上地容忍。
[0042]該裝置可以包括用于維持冷卻物體與冷存儲熱交換部分基本上直接熱接觸的彈性推動機構。
[0043]這個特征具有冷卻物體由于其在使用中變暖引起的體積上的變化可以被彈性推動機構適應的優點，使得初始與冷存儲熱交換部分基本上直接熱接觸的冷卻物品在變暖期間不會脫開這種接觸。例如，在冷卻物品是變暖收縮(或膨脹)的冷包的情況下，即使當它收縮或膨脹時該冷卻物品可以被維持與冷存儲熱交換部分接觸。
[0044]該推動機構可以包括彈性構件和冷卻物體接觸部分，該彈性構件被布置以引起接觸部分施加力到冷卻物體以在朝向冷存儲熱交換部分的方向上推動冷卻物體。
[0045]該接觸部分可以形成彈性構件的部分，例如其自由端。這個特征在減少由于凍結水冰在其上的形成引起的彈性構件的滯塞上可以是有利的，例如由于冷凝水蒸氣的凍結引起的。
[0046]其中多個冷包被并排設置在冷存儲部分中，彈性推動機構可以施加力到一個冷包，其被傳送到最靠近冷存儲熱交換部分的冷包以維持那個冷包與冷存儲熱交換部分基本上直接熱接觸。
[0047]有利地，該接觸部分可以是可移動的使得該彈性推動機構可操作以容納不同數量的冷卻物品。
[0048]在一些實施方式中，該彈性推動機構被形成為具有相對高的熱傳導率，而在一些替代的實施方式中該彈性推動機構被形成具有相對低的熱傳導率。
[0049]在一些實施方式中，該彈性推動機構可以包括諸如螺旋彈簧、盤簧或其他彈簧