基于相变材料蓄冷车载冰箱特性实验研究

戴绍碧，王倩，李佳琪，卓子鸿，洪泽鸿，庞友俊，曾永强，曹越

（广东石油化工学院，广东茂名，525000）

0 引言

车载冰箱已经不是新鲜事物，伴随着国内家用汽车的迅速普及与自驾游的快速发展，车载冰箱市场必将得到快速扩张［1］。疫情肆虐全球两年多，全球经济承受压力，出入境旅游几乎停滞，但境内自驾游需求仍然旺盛，而自驾游需要车载冰箱携带必备的食物与药品，车载冰箱逐渐成为汽车的标配［2］。新冠病毒及将来未知病毒的防控、军队后勤保障与民间救灾，要求小批量的疫苗、生物制剂、药品、血液在低温条件下运输，车载冰箱可作为合适的冷冻转运储藏设备［3，4］。由于车载冰箱均为电驱动，而汽车电池的容量有限，在停车的情况下冰箱继续制冷，会造成汽车电池亏电，影响汽车的正常使用。车载冰箱作为汽车上设备，在解决压缩机、电控系统、制冷管路系统等部件与管路在颠簸状态下稳定性问题［3，5-9］的前提下，如何在停车状态下延长冰箱保冷时间，成为影响车载冰箱实用性的关键问题。为了延长冰箱停机保冷时间可以从以下两方面着手，提高冰箱的保温性能及采用蓄冷材料，前者保冷时间较短［10］， 后者则能较好地延长保冷时间［11］。目前研究主要集中在相变材料及相变材料在冰箱中的保温特性［12-14］，由于相变材料是独立放置于冷藏或冷冻室中，中间还有包装材料分隔，制冷系统与相变材料之间的传热性能较差，需要更低的蒸发温度，降低制冷系统效率，蓄冷时间过长。为了解决此问题，设计一种相变材料与制冷系统直接耦合的蓄冷冰箱，并研究其运行特性研究，为车载冰箱设计开辟新路径。

1 实验装置

实验冰箱原理如图1，压缩机选用ZM65DC直流24 V变频压缩机，制冷量范围为65～256 W；冷凝器采用2排5根120 mm长度翅片式换热器，散热风扇采用LFS1224GS，额定电压DC24 V，额定风量75.84 CFM；节流机构采用φ1.6 mm毛细管，长度为1.7 m；制冷剂液管采用φ6.35 mm管径铜管，气管采用φ8 mm铜管；保温箱体采用聚苯乙烯泡沫（EPS），其导热系数为0.041 W/(m•K)，厚度为3 cm，容积为3.9×2.8×5.3 dm=57.8 L。相变材料蓄冷器采用铝板制作成一个L型箱体，下部有一个铜管入口和一个铜管出口，上部有一个相变材料注入口，铜管长度4.78 m，蓄冷器存储相变材料体积为3.6 L。

图1 制冷系统原理图

实验温度测点布置如图2，采用精度为0.01 ℃的T型热电偶，布置在冷藏箱体的上、中、下部（测点T1-T3）、蓄冷器外壁面（测点T4-T6）、蓄冷器内部（测点T7-T9）及室内冰箱冷凝器进风口（测点T10）。采用KEYSIGHT 34980数据采集仪进行数据采集，通过LAN口把数据传输到计算机中。

图2 温度测点布置图

2 结果与讨论

2.1蓄冷特性

从图3可知实验环境温度T10，即冰箱冷凝器进风温度，保持在约25 ℃。从图4可知相变材料初始温度均为温度25.0 ℃，制冷系统启动后，相变材料温度逐渐降低，其中，下部温度下降速度最快，中部温度与下部区别不大，上部温度下降较慢，这是因为制冷剂在蒸发器中是下进上出，相变材料上部处于蒸发器过热区，该区域制冷量较少所致。相变材料温度在前30分钟下降速度较快，中部和下部温度从25 ℃分别降到4.9 ℃和3.9 ℃，上部温度也降到10.0 ℃。在30分钟后由于接近蒸发器铜管部位的相变材料已经将至0 ℃并开始凝结，需要吸收较多冷量，测温点下降幅度逐渐变缓。1小时后，相变材料中部和下部测温点接近0 ℃，蓄冷箱中下部相变材料处于相变点，需要放出相变热完成相变后温度才会继续下降，此时相变材料有一段温度平缓的蓄冷区间，再经过约20分钟，相变相变材料上部在达到0 ℃，进入蓄冷区间，直至约2小时30分，蓄冷完成，相变材料温度开始快速降温。

图3 环境温度变化图

由此可见，在相变材料在接近凝固点0 ℃的过程中，温度下降趋势会逐渐减缓，在凝固过程中维持在0 ℃附近温度变化平缓，相变材料会在凝固的过程中吸收大量的冷量来完成相态转化。

由图4及图5可知，蓄冷器蓄冷器外壁面温度随快相变材料温度同步下降，上中下三个测点的温度与相变材料三个测点的温度接近，下部测点温度T4由于处于L型蓄冷箱的底板中间部位，也是蒸发器的入口处，此点温度下降速度最快。也在约1个小时后，壁面温度均接近0 ℃。

图4 相变材料温度变化图

图5 蓄冷箱外壁温度变化图

由图6可知，冷藏区的温度随着蓄冷器壁面的温度变化而变化，约30分钟冷藏室内的温度从25 ℃下降至约10 ℃，但温度分部不均匀，温度从上到下逐渐降低，上下测点的温差接近8 ℃。1个小时后，上部测点T1的温度接近10 ℃，下部测点T3的温度接近2 ℃，中间测点T2的温度维持在约5 ℃，这符合冷藏室的冷藏温度需求，在1小时至2小时30分，相变材料凝结的过程中，冷藏室内温度有一定下降，但下降幅度不大。

图6 冷藏区温度变化图

从上分析可知，相变材料与蒸发器耦合的车载冰箱蓄冷性能良好，冷藏室温度控制稳定。

2.2 保温特性

如图7所示，环境温度T10介于25 ℃～26 ℃之间。停止制冷后，相变材料温度变化情况如图8所示，相变材料初始时刻温度约-1 ℃，经过约9小时全部融化，温度开始较快上升。从图9与图10可知，蓄冷箱外壁温度、冷藏温度与相变材料温度变化一致，且温度比相变材料高。冰箱停机保冷时间约9小时，可以看出蓄冷材料起到了延长保冷时间的作用，但由于实验冰箱气密性不够，渗透负荷较大，外壁保温性能较差，维护结构负荷也大，若改进气密设计及保温性能，保冷时间还有较大的提升空间。对于车载冰箱来说，在汽车运行期是可以启动制冷系统的，对于自驾游或者小批量药品、生物制品、血液运输，10多个小时的准确保温时间基本可以满足人员休息或游玩时间，保证汽车在下一次启动前冷藏温度恒定，使车载冰箱更好满足实际需要。

图7 环境温度变化图

图8 相变材料温度变化图

图9 蓄冷箱壁面温度变化图

图10 冷藏区温度变化图

3 结论

（1）相变材料与蒸发器耦合的蓄冷型车载冰箱能够平稳运行，且温度稳定。

（2）相变材料相变温度与冷藏室温度有一定的差值，设计时需考虑。

（3）相变材料蓄冷车载冰箱有较长的保冷性能，增加了其实用性。