冷藏装置.pdf

本发明公开了尤其、但非排他地应用于存储和运输疫苗的冷藏器。一种冷藏器，具有载物容器（20），物品可以放置在其内以实现控温存储。载物容器（20）浸入在容纳水的库（21）中。库具有容纳载物容器的冷却区域和容纳水的头部空间，头部空间在使用中比载物容器高。冷却装置，其可以包括具有冷却元件（32）或冷的热质量的制冷单元（30），可以冷却在头部空间中的水。在具有制冷单元的情况下，功率供应，通常是太阳能驱动的，可以用作用于制冷单元的功率源。实施例可以包括紧靠冷却元件（32）的冷冻器隔室。可替代地，所述冷却区域可以包括在载物容器内的歧管。

权利要求书
1.  一种冷藏器，具有：
a）载物容器，物品可以放置在其内以实现控温存储；
b）在其内容纳水的库，所述库具有与载物容器热连通的冷却区域，所述库包括容纳水的头部空间，头部空间在使用中比载物容器高；以及
c）冷却装置，其能冷却在头部空间中的水。

2.  根据权利要求1所述的冷藏器，其中所述冷却装置包括制冷单元。

3.  根据权利要求2所述的冷藏器，还包括功率供应，其可以用作用于制冷单元的功率源。

4.  根据权利要求3所述的冷藏器，其中所述功率供应包括用于将太阳光转化为电能的装置。

5.  根据权利要求4所述的冷藏器，其中所述用于将太阳光转化为电能的装置包括多个光伏电池。

6.  根据权利要求3到5任意一项所述的冷藏器，其中所述功率供应从外部功率源获得功率。

7.  根据权利要求3所述的冷藏器，其中所述外部功率源是电源电压。

8.  根据权利要求2到7任意一项所述的冷藏器，其中所述制冷单元包括电驱动压缩机。

9.  根据权利要求2到7任意一项所述的冷藏器，其中所述制冷单元包括斯特林制冷机。

10.  根据权利要求9所述的冷藏器，其中所述斯特林制冷机以太阳能直接驱动模式操作。

11.  根据权利要求2到10任意一项所述的冷藏器，还包括设置成检测冰在库中的形成的传感器。

12.  根据权利要求11所述的冷藏器，其中所述传感器可操作为一旦检测到冰的形成就导致中断制冷单元的操作。

13.  根据前述权利要求任意一项所述的冷藏器，其中所述冷却装置包括热质量，热质量处于低于载物空间的目标温度的温度以供使用。

14.  根据权利要求13所述的冷藏器，其中所述热质量是水冰体。

15.  根据权利要求13或权利要求14所述的冷藏器，包括用于接纳热质量的隔室。

16.  根据权利要求13或权利要求14所述的冷藏器，其中所述热质量浸入在所述头部空间内的水中。

17.  根据权利要求15所述的冷藏器，其中所述热质量是冰袋。

18.  根据前述权利要求任意一项所述的冷藏器，其中所述载物空间是在所述冷却区域内。

19.  根据权利要求18所述的冷藏器，其中所述载物空间浸入所述冷却区域内。

20.  根据权利要求1到17任意一项所述的冷藏器，其中所述冷却区域包含在所述载物空间内。

21.  根据权利要求20所述的冷藏器，其中所述冷却区域包括延伸通过所述载物空间的一个或多个载水通道。

22.  根据前述权利要求任意一项所述的冷藏器，其中所述头部空间在使用中直接设置在所述载物容器上方。

23.  根据权利要求22所述的冷藏器，其中所述载物容器包括当冷藏器在使用中时位于所述载物容器一侧上的开口和关闭件。

24.  根据权利要求1到21任意一项所述的冷藏器，其中所述头部空间在使用中位于所述载物容器的一侧。

25.  根据权利要求24所述的冷藏器，其中所述载物容器包括当冷藏器在使用中时位于所述载物容器顶部的开口和关闭件。

26.  根据权利要求25所述的冷藏器，其中所述关闭件是设置在所述库上的隔热门。

27.  根据前述权利要求任意一项所述的冷藏器，其中在所述载物容器内的载物空间与在所述库中的水处于紧密热连通中。

28.  根据前述权利要求任意一项所述的冷藏器，其中对所述库进行隔热以使得在所述库内的水与所述冷藏器的周围环境之间的热传递最小。

29.  根据前述权利要求任意一项所述的冷藏器，还包括冷冻器隔室。

30.  根据权利要求29所述的冷藏器，其中所述冷冻器隔室与所述冷却装置处于紧密热连通中。

31.  根据权利要求29或权利要求30所述的冷藏器，其中所述冷冻器隔室具有由隔热门关闭的开口。

32.  根据权利要求29到31任意一项所述的冷藏器，其中所述隔热门也关闭所述载物容器。

33.  根据前述权利要求任意一项所述的冷藏器，包括外壳，装水的衬容纳在其内。

34.  根据权利要求33所述的冷藏器，其中所述衬由柔性塑料材料形成。

35.  根据权利要求33或权利要求34所述的冷藏器，其中所述外壳提供冷藏器的结构强度和热隔离。

说明书冷藏装置
本申请是申请号为201080041090.9、国际申请日为2010年7月9日的同名的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及冷藏装置。其尤其、但非排他地在没有可靠电力供应的情况下对疫苗、食品和/或其他易腐烂物品的存储和运输中用作冷藏装置。
背景技术
在欠发达国家中疫苗分配者面对的最大问题之一是由于存储在不正确的温度下它们的存活性会被破坏。通常，疫苗必须存储在+2℃到+8℃之间。这个是特别困难的问题，因为在许多地区中，必须在缺乏可靠（以及可能没有任何）电力供应来运行冷藏器的情况下保持这个温度，并且这样就导致了全部疫苗中的不能接受的很高比例的疫苗在它们到达它们的预期目的地时已失效。相似的问题也出现于在这种环境中的食品存储中。
自然地，已经找到了依靠替代能量源的冷藏器，并且来自太阳光的光伏发电已经被认为是最有前景的。任何依靠太阳作为能量源的设备的问题是在夜间期间该能量源是不可用的。传统地，太阳能供电的冷藏装置具有可充电蓄电池，该蓄电池在白天充电并且在夜间使装置运行。然而，众所周知可充电蓄电池的寿命由于暴露于高温而缩减。蓄电池故障时几乎没有报警，这意味着冷藏器会停止工作，从而导致内容物变坏。蓄电池的寿命通常比冷藏器的其他部件更短：蓄电池通常不超过五年，而冷藏器作为整体可以持续20年。
考虑到这些问题，世界卫生组织（WHO）—设置疫苗冷藏器标准的组织—现在鼓励将来在疫苗的分配链条中使用无蓄电池的太阳能冷藏器。
满足这个要求的一个方法是在冷藏器内包括低温库，其由隔热板与冷藏器的载物空间分隔开。所述低温库是当太阳能可用时冷却到较低温度（或许低至-30℃）的热质量。当太阳能变为不可用时，所述低温库可以从载物空间吸收热量。这个装置的重要缺点是难以将载物的温度保持在要求的温度范围内。这种类型的装置存在过度冷却疫苗的特别风险：冷冻会导致疫苗立即毁灭。冷冻也会破坏或降低例如新鲜蔬菜的一些食品的价值，或者导致装水的瓶破裂。
发明内容
本发明的一个目标是提供可以靠太阳能工作的冷藏装置，然而它不依靠蓄电池，并且使容纳在其内的疫苗或其他内容物的风险最小。
为此，本发明提供一种冷藏器，具有：载物容器，物品可以放置在其内以实现控温存储；热绝缘的库，载物容器定位在该库内，所述库容纳水，所述水至少部分地浸没所述载物容器并且延伸进入头部空间，所述头部空间高于所述载物容器；以及冷却装置，其可以冷却在头部空间中的水。
众所周知，水在4℃具有它的最大密度。因此，当在头部空间中的水冷却向4℃时，它的密度将增加，并且它将因此易于沉向库的底部。因为载物容器的温度将与周围的水的温度相同或接近，所以它将趋向4℃，其是存储疫苗和许多其他物品的理想温度。所述载物容器与制冷单元隔开，所以避免它的内容物（或它的壁）朝着冷冻点下降的风险。
所述冷却装置可包括可以冷却在所述头部空间内的水的制冷单元，以及可以用作用于制冷单元的功率源的功率供应单元。所述功率供应最通常地包括诸如用于将太阳光转化为电能的光伏电池。
在典型实施例中，所述制冷单元包括电驱动压缩机。然而，利用其它制冷技术的制冷单元可以被使用来提高冷藏器的电效率。这种可替代技术的一个实例是斯特林制冷机，其可以以太阳能直接驱动模式来操作。
为了使所述载物空间被冷却到太低温度的风险最小，具有制冷单元的冷藏器可以还包括设置来检测冰在所述库中的形成的传感器。所述传感器可操作为一旦检测到冰的形成就导致中断制冷单元的操作。
在本发明的可替代实施例中，所述冷却装置包括热质量，其温度在载物空间的目标温度以下以便被使用。这样可以提供在结构方面简单并且在操作中没有移动部件的冷藏器。例如，热质量可以是水冰体。这种装置可以单独被使用或者与制冷单元组合使用。在冷却装置内的这个组合可以比单单制冷单元自己更好或更快地使冷藏器冷却到它的工作温度。
这些实施例可以包括用于接纳与在所述头部空间中的水热连通的热质量的隔室。例如，隔室可以适于接纳冰。可替代地，所述热质量可以浸入在所述头部空间内的水中。在后一个情况中，所述热质量可以是冰袋。
所述载物空间可以容纳在所述冷却区域内。例如它可以浸入在所述冷却区域内。这样允许在所述载物空间和水之间的最大热传递。可替代地，所述冷却区域可以容纳在所述载物空间内。它可以包括延伸通过所述载物空间的一个或多个载水通道，例如以歧管的形式。这个装置可以更简单地构造，但是从所述载物空间到水的热传递率会变低。
所述头部空间在使用中可以直接设置在所述载物容器上面。在这样的实施例中，所述载物容器通常具有在所述载物容器一侧上的开口和关闭件例如门。可替代地，所述头部空间在使用中可以设置在所述载物容器一侧。在这样的实施例中，所述载物容器通常具有在所述载物容器顶部上的开口和关闭件例如门。
更一般地，在所述载物容器内的载物空间与在所述库中的水处于紧密热连通中。这样确保所述载物保持在与水温接近的温度。最优选地将所述库隔热以使得在库内的水与冷藏器周围环境之间的热传递最小。
本发明的实施例可还包括冷冻器隔室。通常，所述冷冻器隔室与在制冷单元的冷却元件处于紧密热连通中。这样确保它被冷却到比水温显著更低的温度。所述冷冻器隔室可以具有由隔热门关闭的开口。所述隔热门可以关闭或可以不关闭所述载物容器。
本发明实施例的结构的有利形式可以具有外壳，装水衬容纳在其内。所述衬由柔性塑料材料形成。在这些实施例中，所述外壳通常提供用于冷藏器的结构强度和隔热。
附图说明
现在下面将以举例方式参考附图更详细地描述本发明的实施例，其中：
图1是水密度相对于温度的曲线图；
图2和3是作为本发明第一实施例的正面装载冷藏器的正视和侧视图；
图4和5是作为本发明第二实施例的顶面装载冷藏器的正视和侧视图；
图6是作为本发明第三实施例的正面装载冷藏器和冷冻器的侧视图；
图7是作为本发明第四实施例的顶面装载冷藏器和冷冻器的侧视图；
图8是作为本发明第五实施例的示意截面图；
图9是表示在本发明实施例的载物空间内的温度变化的曲线图；
图10和11是作为本发明第六实施例的正面装载冷藏器的截面图；
图12和13是作为本发明第七实施例的顶面装载冷藏器的截面图；
图14是作为本发明第八实施例的截面图；
图15a到15c是与本发明实施例一起使用的不透水衬的正交视图。
具体实施方式
实施例的操作依赖于水的其中一个已知异常特性：即，它的密度在大约4℃时最大，如图1所示。这意味着一箱在其顶部附近被冷却的水将形成温度梯度，由此趋向箱底的水将接近4℃。在箱底处的温度将不会下降到这个值以下，除非在箱中的较大部分水冻结。
参考图2和3，现在将描述作为本发明第一实施例的冷藏器。
该实施例包括壳体10，其在这个实施例中大体上定形为直立长方体。壳体10构造为库，其在使用中在内部空间12内容纳一定体积的水。例如，壳体10可以形成为整块塑料材料旋转模制件。隔热材料14设置在壳体10的外表面上以使通过壳体进出容纳在它内部的水的热流量最小。水在很大程度上填满内部空间12，而可以预留很小的体积没有填满以允许膨胀。
载物空间20形成在壳体10内。载物空间20定位在大体长方体的箱22内，箱22具有水平敞开向壳体外部的一个开口面。在这些实施例中的载物空间的一般体积可以是在50-100升的范围内，但其他实施例，用于最特殊的目的，可以具有更大或更小的容量。其他面设置在壳体10内，并且浸入在容纳在壳体10内的水以下。长方体箱22的浸入面没有隔热以便它们处于与周围的在库的冷却区域中的水的热连通中。箱22可以可选地与壳体10一体形成。当配置冷藏器以使用时，载物空间20从靠近壳体的内部空间12的最低表面延伸到朝向内部空间12的最上表面的大约半程。
门24安装在壳体10上。可以开启门24以通过开口面获得进入载物空间20的通道。隔热材料设置在门24上以便当它关闭时，它使可以通过它传递进或出载物空间20的热量最小。
制冷单元30设置在壳体10的顶表面上。在这个实施例中，制冷单元是基于常规电压缩机的冷却单元。制冷单元30具有冷却元件32，冷却元件延伸进入壳体10的内部空间12并且浸入水中。冷却元件32设置在箱22上方的填满水的头部空间中以便它由水层与箱22间隔开并且与同样与内部空间12的最上面表面间隔开。（可替代地，制冷单元30可以具有环绕头部空间的环绕蒸发器）。可选的冰探头36在箱22上方但冷却元件下方设置在壳体10内。冰探头36电连接来控制制冷单元30，如下面将描述的。
冷藏器具有外部功率供应来给制冷单元30供应功率。功率供应在缺乏明亮阳光时可以通过（从电网或从本地发电机获取的）电源电压的供应来操作。功率供应也可以由光伏板来操作，由此在阳光晴朗的白昼条件期间制冷单元30可以不需要电源电压来运转。
现在将详细描述冷藏器的操作。
当首先启动冷藏器时，可以假设所有的水都处于或接近环境温度。制冷单元30运行来导致它的制冷元件32冷却到通常非常低于水的结冰点的温度—例如，低至-30℃。这样，继而，导致在冷却元件的紧邻周围的水变冷却。当水变冷却时，密度增加。这样建立了一种效应，由此冷却的水在壳体10中下沉，所以取代下面较温暖的水。较温暖的水上升，并且继而被冷却。在壳体10内的所有水的平均温度下降。然而，一旦在冷却元件32周围的水的温度靠近4℃，这种效应的速率将下降。这导致水的下部变得相对停滞，具有在大约4℃的温度。紧邻地环绕冷却元件的水可以下降在这个温度之下，或者可以最终冻结。然而，通过这个冻结形成的冰将比下面较温暖的水密度小，所以冰将浮上来。随着冷却继续，冰可以继续形成并且向下生长。一旦生长的冰到达冰探头36并且由冰探头36检测到，那么到制冷单元30的功率被切断，所以将没有进一步的冰形成。在这个实施例中，在冰的最下部与箱22的顶部之间将仍然具有一层明显的液态水层，由于箱22和在载物空间内的任何物品将仍然保持在水的结冰点之上。然而，在任何具体实施例中可以允许冰生长到不会潜在地破坏载物的程度可以通过实验来确定。
一旦制冷单元30停止，假设环境温度比水的温度高，能量将穿过壳体10的壁进入水，水将开始变暖和。与冷却过程相反，当冰融化的同时，在壳体10的下部的水将趋于停留在4℃附近。在完全融化之后，水将继续变暖和，但4℃以上的水将趋于上升到壳体10的顶部。因此，载物空间20将尽可能长地保持在4℃或4℃周围。如已知的，需要大量的能量来融化冰—融解潜热。这起到由水吸收的大量能量的汇的作用，使得在冰融化的时间期间，载物空间保持为基本恒温。冷藏器的载物因此保持在4℃周围，其是储存疫苗和食品以及饮料的理想温度。
图4和5表示本发明的第二实施例：这个具有基本上与第一实施例相同的部件。然而，它们的布置有点不同。在下面的描述中，第二实施例的部件将给出比第一实施例相应部件大100的参考标记。
在第二实施例中，壳体110在形状方面比第一实施例的壳体比较敦实。箱122的开口向上朝向，并且门124向上开启。水在所有侧面上环绕箱，除了顶侧开口，其中内部空间112包括邻接箱122一侧的附加容积。也容纳水的补充腔室160设置在箱122的上表面上，在附加的头部空间容积上方并且邻接门124。通道162将补充腔室160和内部空间112的附加容积互相连接，其允许水在它们之间通过。冰传感器136在内部空间112内设置在通道162附近。
制冷单元130设置在补充腔室160的上表面上，其中冷却元件132从它延伸进入补充腔室160。
这个实施例基本上如上面描述来操作。在补充腔室内冷却的水通过通道162流进内部空间112。与前面相同，在4℃周围的最大密度的水沉入内部空间122以冷却箱122以及在它内部的载物。
在图6中示出的第三实施例近似地相应于图2和3的第一实施例，而图7的第四实施例近似地相应于图4和5的第二实施例。因此，将仅描述出现的附加特征。
第三和第四实施例比第一和第二实施例增加了将物品保持在冷冻状态的能力。冷冻器隔室与冷却元件紧密地热接触，以便它被冷却到比水的温度低很多的温度。
在第三实施例中，提供了冷冻器隔室50，其具有与载物空间22相似的结构，并且相似地具有由门24关闭的水平开口。冷冻器隔室50直接设置在载物空间上方，紧密地靠近制冷单元30的冷却元件32或由制冷单元30的冷却元件32环绕。
在第四实施例中，冷冻器隔室150的开口是水平的并且在载物空间120的开口上方。在第四实施例中，冷冻器隔室150的开口是水平的并且在载物空间120的开口的旁边。冷冻器隔室150被包围在补充腔室160内，紧密地靠近制冷单元130的冷却元件132或由制冷单元130的冷却元件132环绕。在这个实施例中，冷冻器隔室150具有隔热门152，其与载物空间120的门124间隔开。门152关闭冷冻器隔室150的水平开口。
如图8所示，第五实施例与之前的实施例具有稍微不同的结构，但是以相同的原理操作。
在这个实施例中，库包括安装在载物容器220上方的上隔室210以形成头部空间。该库包括第一和第二水管212、214，其当使用时大体上向下延伸进入载物容器220。第一管214在最下壁处或靠近最下壁通向头部空间，而第二管214向上延伸进入容纳在头部空间内的水中。在载物容器220内，若干个管的歧管216连接成平行地在两个管212、214之间流动。制冷单元具有冷却元件232，其可以冷却在头部空间内的水。
正如之前的实施例，密度最大的水将趋于流向库的底部—在这种情况下，进入在载物容器220内的管212、214和歧管216，在那里在库内的水与载物容器220内的内容物之间可以交换热量。温差环流系统过程被建立，当载物容器的温度下降向4℃时，其从载物容器传递热进入头部空间。
在又另外实施例中，在库内可以具有若干个载物容器以允许要被放置的被保持隔离的物品。
如图9所示，当第一次启动制冷单元30、130时（在X轴上的0处），在载物空间20、120内的温度（如由轨迹40所示）在温度稳定时（在42处）快速地下降到4℃。尽管制冷单元30继续运转，但是温度基本上不下降。在44，制冷单元停止。在载物空间20中的温度然后在开始更快速上升之前在相当长的时间上仅上升非常慢。在如图9所示的实例中，在载物空间到达8℃的最大容许值之前，制冷单元运行9小时又40分钟。大约1小时后，温度已经下降到4℃。制冷单元30、130然后又运行大约34小时，温度基本上不下降。一旦制冷单元30、130停止，大概58小时过去温度基本上不上升。然后温度确实开始上升，但在到达8℃的最大容许值之前经过了超过16小时。
这个性能大大优于世界卫生组织对疫苗存储的要求，并且理想地适于与依靠从太阳光获取的能量的功率供应一起使用。非常冗余地足以将容纳物整夜保持在要求的温度下，并且如果必须，当电能供应受到限制时在阴天天气期间将容纳物保持在要求的温度下。应该注意到这种性能水平是在没有任何后备功率源，例如可充电蓄电池的情况下达到的。
上面的描述假设水的最大密度出现在4℃，对纯净水来说是这种情况。最大密度出现的温度可以通过将杂质引入水中来改变。例如，如果将盐添加到水中到达3.5%的浓度（大约海水的浓度），那么最大密度出现更接近大约2℃。这个可以使用来调节对于特殊应用的载物空间的温度。
此外，本发明的更简单可替代实施例显示在图10-13中。图10和11的实施例与第三实施例相似，而图11和12的实施例与第四实施例相似。在各种情况下，省略了制冷单元30、130以及相关的冷却元件32、132。结果，不需要电能源。
替代地，在图10和11的实施例中，提供了不透水隔室64。不透水隔室64在与先前实施例的冷冻器隔室50、150基本上相同的位置处延伸进入头部空间。进入在隔室64内的空间的通道可以以与冷冻器隔室50、150非常相似的方式从由门24、152关闭的开口到达。隔室64的材料选择为具有高导热系数以确保在隔室64的容纳物与在它周围的水之间的高效热传递。
为了使用，隔室64填充有冷材料体66、166。冷材料体66、166处于在载物空间20、120的意向操作温度以下的温度。通常比0℃低很多。通过在使用前将所述体放置在常规食品冷冻器中可以获得在-18℃附近的温度，并且-30℃或更低将赶上制冷单元的效果。以与从水传递热量到前述实施例的冷却元件30、130相似的方式，热量由冷材料体透过隔室64的材料从水吸收。以这样的方式，载物空间20、120由冷却到大约4℃（或者冷却到水和任何它的添加物处在它的最大密度情况下的温度）的密度最大的水冷却。
冷材料体可以是具有合适热质量的任何材料。然而，水冰是尤其适合的，因为它容易获得并且具有有益的高融解潜热。冰可以是标准0.6升冰袋166的形式，其使用在医疗供应的运输和存储中。如果准备使用冰袋，那么隔室可以一起省略，其中冰袋直接放置在头部空间的水内，如图12和13所示。（当然，图12和13的实施例可以修改为包括如在图10和11的实施例中的隔室，并且图10和11的实施例可以修改为省略隔室）。
使用热质量的另一个实施例显示在图14中。在这个实施例中，容器364设置在浸入头部空间内的水中的载物容器320上面。容器364由允许热量从在头部空间内的水传递到它的内容物的材料形成。容器364具有开口，从冷藏器外部通过该开口可以到达容器的内部，该开口由隔热盖352关闭。在这个实施例中，当冷藏器在使用中时，容器的开口向上朝向。
这个实施例以与上面所描述的那些使用热质量的实施例相似的方式工作。冷材料366，通常大部分是水冰，通过开口引入到容器364中。热量然后从在头部空间中的水移动到在容器内的冰，从而根据上面描述的原理冷却水和在载物容器320内的内容物。如图14所示的开口的布置允许快速和容易地将冰引入容器。
可以推测，具有60升载物空间的冷藏器可以被保持在要求的温度范围内达7到30天，需要100升的冰来实现这个范围的上端点。
显然，在本发明的所有实施例中，核心要求是水必须以防止泄漏和蒸发的方式保持在冷藏器内。这对于当在表面糟糕的路上或完全越野的颠簸车辆中运输时可能经受粗鲁处理和震动的冷藏器来说实现起来会是非常困难的。因此，用于构造实施本发明的冷藏器的一个系统是要提供刚性的外壳，其提供整体形状、结构强度以及热隔离，并且用由柔性塑料材料形成的不透水衬80形成该壳体的衬。这个衬显示在图15a到15c中。
将会理解衬80将根据要使用它的具体实施例来确定形状和尺寸，并且附图仅示出一个实例结构。在图15a到15c中所示的实例将适于使用在正面进入的冷藏器中。它包括头部空间82、填充管84、以及载物空间容纳在其内的凹部86。水的重量导致衬80的材料弯曲，以便于紧密地与载物空间贴合，从而确保在载物空间与在衬80内的水之间的高效热传递。对外壳的小变形或破坏将不会导致衬80的泄漏。一旦衬发生泄漏，可以容易和低成本地更换它。