CN100483048C - 提取用作蒸气压缩系统制冷剂的二氧化碳的方法及蒸气压缩系统 - Google Patents
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Abstract
二氧化碳制冷剂循环流过蒸气压缩系统，该系统包括压缩机，气体冷却器，膨胀机构和蒸发器。二氧化碳从包括碳氢燃料燃烧产物的车辆废气流中提取。提取的二氧化碳用于补充初始提供的二氧化碳制冷剂，以便在系统中保持希望水平的(或预定的)制冷剂。该系统包括可测量和监测系统中制冷剂含量的传感器组件。在一个示例中，当传感器探测到系统中的二氧化碳制冷剂的数量低于门槛值时，提取的二氧化碳自动从储存罐添加到系统。在另一示例中，当传感器探测到系统中的二氧化碳的数量超过门槛值时，提取的二氧化碳直接添加到系统，从系统排出二氧化碳制冷剂。
Description
技术领域
本发明大体上涉及一种方法，其可从内燃机废气提取二氧化碳并可自动添加提取的二氧化碳到蒸气压缩系统用作制冷剂。
背景技术
氯基制冷剂由于可能对环境产生有害影响已经从世界大部分地方逐渐淘汰。氢氟碳(HFC)化物已经用来替换制冷剂，但这些制冷剂仍对环境有害。
“天然”制冷剂，如二氧化碳和丙烷，已经提出用作替换流体。二氧化碳可用作车辆空调系统和其他加热和冷却应用的制冷剂。二氧化碳具有较低的临界点，使得大部分空气调节系统在超临界状态下运转，许多情况下是部分在临界点之上运转。
当蒸气压缩系统采用二氧化碳，由于二氧化碳的高操作压力，使得制冷剂泄漏的可能性增加。二氧化碳系统一般具有高体积容量，因此二氧化碳蒸气压缩系统与使用传统制冷剂的系统相比较少充气。因此，相比于使用传统制冷剂的系统，二氧化碳系统的制冷剂泄漏对系统性能的影响很大。当充气泄漏后，另外的制冷剂必须添加到系统。通常添加制冷剂是手工添加。但是添加另外的充气到蒸气压缩系统使得成本增加和劳动强度加大。
因此，希望能提供一种自动添加二氧化碳制冷剂到蒸气压缩系统的方法，不增加成本和提高劳动强度，并且能够克服上面提到的现有技术的缺点。
发明内容
本发明大体上涉及一种自动添加制冷剂到蒸气压缩系统的方法。内燃机产生废气，从废气流中提取制冷剂并自动添加到蒸气压缩系统。
在一个公开的实施例中，二氧化碳蒸气压缩系统包括压缩机，排热热交换器，膨胀机构和蒸发器。压缩机压缩制冷剂到高压和高焓值。当制冷剂流过气体冷却器时，制冷剂排出热量到流体介质，以低焓值和高压力流出排热热交换器。制冷剂然后在膨胀阀膨胀成为低压。膨胀后，制冷剂流过蒸发器，从室外空气接收热量。制冷剂以高焓值和低压力离开蒸发器。蒸发后，制冷剂又进入压缩器，完成循环。二氧化碳制冷剂循环流过封闭回路系统。
当车辆燃料中的碳氢化合物在氧存在的条件下燃烧时，包括二氧化碳的燃烧产物释放。二氧化碳通过使用二氧化碳提取系统从燃烧产物中提取。例如，二氧化碳提取系统可以是固体吸收体，金属盐溶液或二氧化碳选择膜。
在一个示例中，提取的二氧化碳引导到储存罐。当传感器探测到系统中的二氧化碳制冷剂的数量低于门槛值时，传感器发出信号到控制器。控制器打开储存罐的阀门，自动从储存罐补充二氧化碳进入系统。当传感器探测到系统中的制冷剂的数量超过门槛值时，控制器发出信号关闭阀门。
在另一示例中，从燃烧产物提取后，提取的二氧化碳直接添加到系统。当传感器探测到系统中的二氧化碳数量超过门槛值时，传感器发出信号到控制器。控制器打开阀门，自动从系统排出二氧化碳。当传感器探测到系统中的制冷剂的数量低于门槛值时，控制器发出信号关闭阀门。
通过下面的说明和附图，对本发明的这些和其他特征可有更好的了解。
附图说明
所属领域的技术人员通过下面对优选实施例的详细介绍将更清楚了解本发明的各种特征和优点。伴随详细介绍的附图现简单介绍如下：
图1示意性地显示了本发明的蒸气压缩系统的第一实施例；
图2示意性地显示了包括沸石晶体的二氧化碳提取系统的一个示例；
图3示意地显示了包括二氧化碳选择膜的二氧化碳提取系统的另一示例；和
图4示意性地显示了本发明的蒸气压缩系统第二实施例的视图。
具体实施方式
图1显示了示例性的蒸气压缩系统20，其包括压缩机22，排热热交换器(超临界循环的气体冷却器)24，膨胀机构26，和受热热交换器(蒸发器)28。二氧化碳制冷剂循环通过蒸气压缩系统20。系统20还包括传感器组件56，可测量、评估和/或监测系统20中的制冷剂数量。
制冷剂以高压和高焓值离开压缩机22。制冷剂然后以高压流过排热热交换器24。流体介质30，如水或空气，流过排热热交换器24的热汇32，与流过排热热交换器24的制冷剂交换热量。在排热热交换器24，制冷剂排出热量到流体介质30，制冷剂以低焓值和高压力离开排热热交换器24。泵或风扇34泵送流体介质通过热汇32。冷却的流体介质30在热汇入口或回管36进入热汇32，并沿相反于制冷剂流动方向流动。与制冷剂交换热量后，加热的水38在热汇出口或供管40离开热汇32。
制冷剂然后通过膨胀阀26，其膨胀和降低制冷剂的压力。膨胀机构26可以是电膨胀阀(EXV)或其他类型的已知膨胀机构。
膨胀后，制冷剂流过蒸发器28的通道，并以高焓值和低压力离开。在蒸发器28，制冷剂吸收热源流体44，如空气或水，的热量。热源流体44流过热汇46和通过已知方式与流过蒸发器28的制冷剂交换热量。热源流体44通过热汇入口或回管48进入热汇46，沿相反于制冷剂流动的方向流动。与制冷剂交换热量后，冷却的热源流体50通过热汇出口或供管52离开热汇46。室外空气44和蒸发器28中的制冷剂之间的温度差驱动热能从室外空气44传递到流过蒸发器28的制冷剂。风扇或泵54移动热源流体44通过蒸发器28，保持温度差和蒸发制冷剂。制冷剂然后又进入压缩机22，完成循环。
与普通使用的制冷剂相比，二氧化碳制冷剂具有相对高的蒸气压力。系统中制冷剂的泄漏速率一般是压力的函数。二氧化碳系统具有比传统制冷剂系统更高的泄漏可能性。
二氧化碳制冷剂具有较低的临界点，这使得蒸气压缩系统超临界操作，或部分超过临界点操作。在超临界蒸气压缩系统，排热热交换器作为气体冷却器24工作，气体冷却器24中的压力更高，增加了制冷剂从系统20泄漏的可能性。当蒸气压缩系统20超临界操作时，使得制冷剂从系统20泄漏的机会增加。二氧化碳蒸气压缩系统一般具有高体积容量，因此使用二氧化碳作为制冷剂的蒸气压缩系统与使用传统制冷剂的蒸气压缩系统相比较少充气。由于使用二氧化碳作为制冷剂的蒸气压缩系统较少充气，泄漏对系统性能有更大影响。本发明通过从现有供应源提取二氧化碳可自动对系统重新充气。
内燃机的燃料含有碳氢化合物。当燃料中的碳氢化合物在氧存在的条件下进行燃烧时，形成包括燃烧产物的废气。燃烧产物包括二氧化碳，水和其他材料，如一氧化碳、氧化氮和未燃烧的碳氢化合物。
在第一实施例中，如图1所示，内燃机58产生包括二氧化碳64的燃烧产物60的废气流。二氧化碳64通过二氧化碳提取系统62从燃烧产物60中提取。提取的二氧化碳64然后引导到和储存在储存罐66中。泵或压缩机90可用于增加储存罐66中的二氧化碳的压力，使得二氧化碳更容易用于系统20。通过从燃烧产物60提取二氧化碳64，使发散到大气中的二氧化碳数量减少，并减少了污染。
传感器系统56探测系统20中制冷剂的数量。当传感器56探测或估计系统20中的制冷剂的数量低于门槛值时，系统出现泄漏。传感器系统56发送信号到控制器68，指示制冷剂水平低于门槛值。控制器68提供信号打开储存罐66的阀门71，自动从储存罐66补充二氧化碳到系统20的制冷剂流。门槛值取决于许多因素，如蒸气压缩系统20的尺寸，所属领域的技术人员知道采用哪个门槛值。
添加到系统20的二氧化碳的数量取决于从系统20泄漏的充气数量。当传感器系统56探测或估计系统20的制冷剂数量超过门槛值时，阀门71关闭，停止二氧化碳进入系统20。二氧化碳64可在任何位置添加到系统20。二氧化碳64最好是在压缩机22的吸入口92添加，因为这里是系统20的压力最低处。
在一个示例中，如图2所示，二氧化碳提取系统62采用固体吸收体，如沸石晶体70，吸收燃烧产物60中的二氧化碳来提取二氧化碳。沸石晶体70是刚性晶体，具有内部互连通道和网格的蜂房状网络。粘合剂如氧化铝也可添加到沸石晶体70，改进沸石晶体70的机械强度。
沸石晶体70位于圆柱体72的内部。燃烧产物60通过废气入口74进入圆柱体72，流过圆筒70和沸石晶体72的周围。燃烧产物60中的二氧化碳64吸收到沸石晶体72，从燃烧产物60中提取二氧化碳64。燃烧产物64停止流入圆柱体72后，二氧化碳64从沸石晶体70释放。在一个示例中，加热沸石晶体70，释放吸收的二氧化碳64。所属领域的技术人员应知道使用多高温度来释放二氧化碳64。释放的二氧化碳然后引导到储存罐66。
在图2所示的另一示例中，吹扫气体76用来从燃烧产物60中释放二氧化碳64。吹扫气体76通过气体入口78进入圆柱体72，围绕沸石晶体70流动，释放沸石晶体70中的二氧化碳64。吹扫气体76的压力低于燃烧产物60的压力。压力下降从沸石晶体70清除二氧化碳64，提取的二氧化碳64通过二氧化碳出口80离开圆柱体72。
还可通过使用金属盐溶液从燃烧产物60提取二氧化碳64。使燃烧产物60接触金属盐溶液。燃烧产物60中的二氧化碳64被溶液中的金属盐吸收。当燃烧产物60停止流动后，溶液进行加热。加热后的溶液释放吸收的二氧化碳。
如图3所示，二氧化碳64还可通过使燃烧产物60通过二氧化碳选择膜82从燃烧产物60提取。当燃烧产物60流过二氧化碳选择膜82时，只有二氧化碳64渗透二氧化碳选择膜82。燃烧产物60的其他成分，如水，一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物，不会渗透通过二氧化碳选择膜82，二氧化碳64与燃烧产物60分离。
尽管已经对吸收沸石晶体70，金属盐溶液和二氧化碳选择膜82进行了介绍，应当知道可使用任何提取二氧化碳的方法。所属领域的技术人员应当知道如何从燃烧产物60提取二氧化碳64。
图4示意性地显示了本发明的第二实施例。当通过二氧化碳提取系统62从燃烧产物60提取二氧化碳64后，二氧化碳64直接添加到系统20。可使用小泵或压缩机90来提高从提取系统61到系统20的二氧化碳压力。二氧化碳64可在任何位置添加到系统20。二氧化碳64最好在压缩机22的吸入口92添加，因为在这里引入系统20的压力最低。
传感器系统56探测或估计蒸气压缩系统20中二氧化碳制冷剂的数量。当传感器系统56探测或估计系统20的制冷剂的数量高于门槛值时，系统20有过多充气。传感器系统56发送信号到控制器68，指示制冷剂水平高于门槛值。控制器68提供信号打开系统20制冷剂管路上的阀门72，从系统20排出二氧化碳制冷剂。阀门72可位于蒸气压缩系统20的制冷剂管路的任何位置。当传感器56探测或估计制冷剂的数量低于门槛值时，控制器68提供信号关闭阀门72，停止从系统20排出二氧化碳制冷剂。门槛值取决于许多因素，如蒸气压缩系统20的尺寸，所属领域的技术人员知道采用哪个门槛值。
尽管已经公开了从燃烧产物废气中可得到二氧化碳，应当知道二氧化碳可从任何来源得到。例如，二氧化碳可从空气中得到。
前面的介绍只是本发明的原理的示例。根据上面的说明，可对本发明进行许多改进和变化。对本发明的优选实施例进行了介绍，但是所属领域的技术人员应认识到，某些改进未脱离本发明的范围。因此，应当知道，在所附权利要求的范围内，本发明可通过与特别介绍的方式不同的方式实施。为此，应对所附权利要求进行研究，以确定本发明的确实范围和内容。
Claims (18)
1.一种自动添加制冷剂到蒸气压缩系统的方法，包括步骤：
(a)从内燃机产生流体流；
(b)从流体流提取制冷剂；
(c)储存制冷剂；和
(d)自动添加制冷剂到蒸气压缩系统；
其中，所述方法还包括步骤：探测蒸气压缩系统中制冷剂的数量，将制冷剂的数量与门槛值进行比较，当制冷剂的数量低于门槛值时，自动将步骤(b)提取的制冷剂添加到蒸气压缩系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：探测蒸气压缩系统中制冷剂的数量，将制冷剂的数量与门槛值进行比较，当制冷剂的数量高于门槛值时，自动将预定数量的制冷剂从蒸气压缩系统排出。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体流是内燃机的废气流，制冷剂是二氧化碳。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括用吸收体吸收制冷剂，以及从吸收体释放制冷剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述制冷剂是二氧化碳，吸收体是沸石晶体，所述释放二氧化碳的步骤包括加热沸石晶体。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括金属盐溶液的金属盐吸收制冷剂，通过加热从金属盐释放制冷剂。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制冷剂是二氧化碳，步骤(b)包括引导流体流通过二氧化碳选择膜。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：压缩制冷剂到高压，冷却制冷剂，膨胀制冷剂到低压，和蒸发制冷剂。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括步骤：将添加到蒸气压缩系统的制冷剂的压力提高到所述高压。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内燃机用于车辆。
11.一种自动添加制冷剂到蒸气压缩系统的方法，包括步骤：
(a)提供具有初始数量制冷剂的蒸气压缩系统；
(b)产生包括补充提供制冷剂的流体流；
(c)压缩系统制冷剂到高压；
(d)冷却系统制冷剂；
(e)膨胀系统制冷剂到低压；
(f)蒸发系统制冷剂；
(g)从流体流提取补充提供制冷剂；和
(h)自动添加补充提供制冷剂到蒸气压缩系统，保持预定的最少数量制冷剂；
其中，所述方法还包括步骤：探测蒸气压缩系统中的制冷剂数量，与门槛值比较制冷剂数量，自动添加从步骤(g)提取的制冷剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述流体流是车辆废气流，制冷剂是二氧化碳。
13.一种蒸气压缩系统，包括：
制冷剂源；
提取系统，可从所述制冷剂源提取所述制冷剂；
替换系统，自动添加所述制冷剂到蒸气压缩系统，在蒸气压缩系统中保持预定数量的最少数量制冷剂；和
测量蒸气压缩系统中的制冷剂数量的传感器。
14.根据权利要求13所述的蒸气压缩系统，其特征在于，所述替换系统包括储存所述制冷剂的储存罐，其中当蒸气压缩系统中的制冷剂数量低于门槛值时，所述替换系统自动从所述储存罐添加所述制冷剂到蒸气压缩系统。
15.根据权利要求13所述的蒸气压缩系统，其特征在于，包括排出系统，当蒸气压缩系统中的制冷剂数量超过门槛值时，可从所述蒸气压缩系统排出所述制冷剂。
16.根据权利要求13所述的蒸气压缩系统，其特征在于，所述制冷剂源是车辆废气流，制冷剂是二氧化碳。
17.根据权利要求13所述的蒸气压缩系统，其特征在于，所述制冷剂是二氧化碳，所述提取系统包括二氧化碳选择膜，允许所述二氧化碳透过所述二氧化碳选择膜，从所述制冷剂源提取二氧化碳。
18.根据权利要求13所述的蒸气压缩系统，其特征在于，还包括压缩机构，可压缩所述制冷剂到高压；排热热交换器，用于冷却所述制冷剂；膨胀机构，降低所述制冷剂到低压；和受热热交换器，用于蒸发所述制冷剂。
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