CN102165275B - 用于汽车的改进的吸附式空调装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及这样一种类型的装置，它包括：脱附器(100)，吸附器(400)，冷凝器(200)和蒸发器。脱附器(100)和吸附器(400)中充满了由制冷流体和吸附流体形成的至少两种互溶体的混合体，该混合体在吸附器(400)中结合到一起，吸附流体对制冷流体的吸附就发生在该吸附器中。一个增大压力差的部件设置在脱附器(100)和冷凝器(200)之间，以便少许增加冷凝器(200)处的压力和/或少许减小脱附器(100)处的压力，并以此改善空调装置的性能。本发明涉及吸附式空调装置，汽车的空调装置，以及汽车。

Description

用于汽车的改进的吸附式空调装置

本发明涉及用于汽车的改进的吸附式空调装置。

本发明还涉及配备有这种改进的空调装置的汽车。

概括地说，吸附式空调包括一个在其中进行脱附工作的、下文中称之为“脱附器”部件、还包括吸附器、冷凝器、蒸发器。为了能够工作，脱附器和吸附器中充满了由制冷流体和吸附流体形成的至少两种互溶体的混合体。该混合体在吸附器中结合到一起，吸附流体对制冷流体的吸附就发生在该吸附器中。为了在脱附器被加热时，两者中更易挥发的一方，通常是制冷流体，能够蒸发以及能够在冷凝器中转变为液体，制冷流体和吸附流体具有充分不同的蒸发压力。

人们一直力图改进尤其是应用于汽车的吸附式空调系统的性能。为此，例如美国专利US 2005/0268633 A1论述了一种为了向汽车座舱的内部提供冷气的吸附式冷却系统。它包括蒸发器、与蒸发器流体相通的冷凝器、以及一些与蒸发器和冷凝器同样是流体相通的吸附床。每个吸附床包括一个防流体渗漏的壳体、一些带有横向孔的脱水层、一个使制冷混合体在脱水层的第一侧附近循环的流通通道、以及一个使冷却液在脱水层的第二侧附近循环的流通通道。横向孔是制冷混合体通道和冷却液通道其中之一的一部分。

业界也提供了一些对于空调装置的改进，其有助于降低冷却系统的尺寸。在这种改进中，该装置包括制冷剂的供给管道，通过该管道将一些制冷剂，也就是一些纯水，提供给冷却的目标构件；以及，杂质去除部件设置在杂质去除管道中，该杂质去除管道是不同于制冷剂供给管道的另一管道。

最后，同样是完全用作举例，国际专利WO 01/18462 A1论述了对于管式换热器的改进。其中将换热管的换热表面改变为使其亲水的等离子聚合物。交换器包括吸附式冷凝器和使用换热器的吸附式热泵，以改善空调的热交换。在换热管上形成了一层聚合等离子膜。该聚合等离子膜适用于冷凝器、蒸发器、以及包含吸附式冷凝器和吸附式热泵的吸附器等这些部件中的简单管或已加工管。

本发明的目的在于，提供一种用于汽车的、相对于现有技术已知的空调系统或吸附式冷却系统改进了性能的吸附式空调装置。

本发明的另一目的在于，提供一种设计简单、其实施所需的技术手段成本低廉的吸附式空调装置。

为了实现这些目的，本发明涉及这样一种用于汽车的、改进的新型吸附式空调装置，它包括：脱附器，吸附器，冷凝器和蒸发器；脱附器和吸附器中充满了由制冷流体和吸附流体形成的至少两种互溶体的混合体，该混合体在吸附器中结合到一起，吸附流体对制冷流体的吸附就发生在该吸附器中。这一新型的空调装置具有一个增大上述两个构件之间的压力差的部件，该部件设置在脱附器和冷凝器之间，以便少许增加冷凝器处的压力和/或少许减小脱附器处的压力，并以此改善空调装置的性能。

这一压力差根据所选择的制冷剂而精确地不同；在制冷剂是水的情况下，它大约是10毫巴。

按照本发明的一个优选的实施例，可以在吸附器中设置一个产生出从蒸发区到吸附区的压力差的部件。

这个产生出压力差的部件可以由风扇构成。

尽管如此，按照本发明的一个更有益的实施例，通过产生出水蒸气的等离子而使得吸附反应更加有效。

按照本发明的再一个优选实施例，空调装置包括至少一个带有渗透膜的、管式和渗透膜类型的交换单元。

所述的具有渗透膜的交换单元最好位于溶液贮存室附近；所述交换单元的渗透膜材质的主管形成于溶液贮存室的其中一侧，以减小所述装置的体积。

也是优选的，还可以在吸附器的附近，也就是在其上游或沿着该吸附器，设置一个渗透交换区。

最后，还在制冷剂贮存室的用以确定系统停止时溶液临界浓度的预定高度处朝着溶液回路及溶液贮存室的方向上设置一个渗透交换区；其透过渗透膜的流量相对于系统的冷凝能力为很小的流量。

本发明还涉及一种汽车，它具有大致如上面所述的、改善性能的吸附式空调装置。

结合附图，在下面对于本发明的一些并非限制其发明主题和权利要求书范围的优选实施例的描述中，本发明的其它目的、优点和特征将变得更加清楚；其中：

图1示意性表示了吸附式空调装置的工作原理；

图2示意性表示了根据本发明第一变化实施例的、改进的吸附式空调装置的工作循环；

图3是被称为《斯托克图》的《(溶液的)温度-压力-冷凝》图，以便于理解在脱附和吸附诸反应中所出现的各种现象；

图4也是被称为《斯托克图》的《(溶液的)温度-压力-冷凝》图，以便于理解本发明的各种技术结果；

图5示意性表示了根据本发明第二变化实施例的、改进的吸附式空调装置的工作循环；

图6示意性表示了根据本发明第三变化实施例的、改进的吸附式空调装置的工作循环。

参见图1和图3，其中示意性表示了吸附式空调装置的构成部件和工作原理。它通常包括：脱附器100，冷凝器200，蒸发器300和吸附器400。一种热流体例如汽车发动机的冷却液，带来了使得制冷流体，例如水蒸气，从吸附流体或盐溶液例如溴化锂溶液(LiBr)中分离出来所需的热量(图中用箭头A示意性表示提供热量)。

水蒸气然后通过管道20供入到冷凝器200中，以通过外部空气的冷却作用而被冷凝(图中用箭头B示意性表示提供冷却)。液态的水通过管道10供入到蒸发器300中。蒸发时产生的制冷效果传送到(未示出的)汽车座舱中，如图中C点处示意性所示。为此，提供了一个泵310和一个加热器320，它们通过管道11，12，13分别连接于蒸发器300。管道组11-13构成了液态水的循环回路。离开冷凝器300的水蒸气通过管道21供入到吸附器400中，管道21实际上是由吸附器/冷凝器组件的壳体所形成。溶液由外部空气被重新冷却，以便吸附水蒸气(图中用箭头D示意性表示提供重新冷却)。为此，提供了一个泵410和一个散热器420，它们通过管道16，17，18，19分别连接于吸附器400。吸附器400通过管道14，15，16连接于脱附器100。管道组14-19构成了盐溶液的循环回路。

图3的图表或线图表示了在一个标准循环周期中的上述吸附、冷凝以及蒸发诸现象，它们在图3中被分别标示为A，B，C。

参见图2，图中示意性表示了按照本发明第一变化实施例的吸附式空调装置的工作循环。作为一个并非限制本发明的主题和范围的实施例，它是一种使用了溴化锂-水(溴化锂和水)混合体的吸附装置。与图1中相同或相似的管路部件通常以同样的数字标记来标注。数字标记100，200，以及400分别代表脱附器，制冷剂的冷凝器，以及吸附器/蒸发器组件。数字标记320和420分别代表制冷剂的加热器和溶液的散热器。数字标记310，410分别代表制冷剂回路的泵和溶液回路的泵。数字标记350，450分别代表制冷剂贮存室和溶液贮存室。与调节向冷凝器200提供的功率的方式相比较，阀门103能够更快地调节浓度，该阀门103位于连接着脱附器100和冷凝器200的管道20中。阀门103还能够免除对于冷凝器200交换量的调节。数字标记61，62和63代表止回阀，以及数字标记71代表一个电动阀。数字标记80代表压力传感器，以及数字标记90代表温度传感器。数字标记430表示上升溶液和下降溶液之间的热交换器。

按照本发明的原理，一个风扇500安插在脱附器100和冷凝器200之间。该风扇500能够产生脱附器100和冷凝器200之间额外的压力差。与压缩机的通过抽吸引起蒸发不同，该风扇只需在两个部件100，200之间产生压力差。

风扇500在脱附器方面具有这些效果：在热源，也就是发动机冷却水循环，保持为吸附式系统的主要能源的情况下，可以少许降低蒸发压；其结果，如图4的线图所示，能够增加溶液的浓度(图4中的箭头a)。

或者与之相反，可以保持原有的目标浓度，并且降低加热温度，如图4线图中的箭头b所示。

该风扇还具有冷凝器方面的效果。事实上，冷凝器处的压力可以少许增加。其结果，冷凝温度提高并且改善了与外部空气的换热。

还能够注意到，在冷的状态下，压力的增加能够更加有利于冷凝液体的流动。

当制冷剂是低压水时，为改善性能所需的压力变化可以是非常小的值。在45℃的环境温度下，10毫巴，也就是1000帕斯卡的微小压力变化就可以实现：

-使热源温度从109℃降低到105℃(功耗6000W)；

-或者，提高冷凝温度1.5℃，从50.2℃提高到51.7℃(冷凝功率4500W)，以改善换热器性能；

-或者，也可以将冷凝器的通风状态减小29％(风扇功率250W-1000W)。

水蒸气在这些工作点的单位流量是非常小的，大约是6.7公斤/小时，也就是1.86克/秒。在低压时，流量可以非常大，包括大约在75立方米/小时至150立方米/小时之间。与所涉及的其它功率相比，预计的压力变化的功率是很小的：在20W-50W之间。

通过在吸附器中使用等离子实现了本发明的另一项改进。吸附器例如可以是平行的垂直板式吸附器，尽管这一改进适用于任何的吸附几何构造。

关于“等离子”，通常能够理解到电离气体，其中存在着一些中性的气体分子和分子片段，一些自由电子，以及一些阳离子，这产生出能够传导的气体；这当中增加了大量的活性分子，它们在发出电磁波之后又恢复其初始的状态。

吸附反应是一种热平衡反应。对于盐溶液给定的浓度，给定的温度和在给定的压力下，吸附剂溶液以预定的数量辐射并且吸附制冷剂分子。当吸附的分子数量等于辐射的分子数量时，就达到了平衡状态，这以饱和蒸气的线图形式来表示(图3)。

例如，参见图4的线图，完全是作为举例，对于57％质量浓度的溴化锂溶液以及35℃的温度，压力就是0.87千帕，也就是8.7毫巴(图4中的I点)。

在以溴化锂和水为工作介质的蒸发器和吸附器组件中，蒸发的水被盐溶液吸附；两个参数有利于吸附：吸附的专用表面以及溶液的浓度。

这两个参数以常规的方式应用于吸附器和蒸发器的尺寸方面。

还可以利用另一个参数：可以采用前面对于脱附器和冷凝器组件所述的类似方式，在蒸发区和吸附区之间建立压差。所建立的压差能够提高吸附性能，以及，因此而减小所安装的板的表面尺寸。

按照本发明的原理，通过产生水蒸气的等离子体，能够有效地提高吸附性能。小于18毫巴的压力条件尤其很适合于吸附式空调领域。在工作温度8℃的吸附器的底部，溶液和水的分子之间引起吸附的碰撞数量仅0.61％：在分子间1000次的接触中仅有6次产生了反应。等离子将水蒸气分子的反应增加到10左右，这使得吸附溶液和水蒸气的分子之间发生反应的可能性更大。

等离子体形成过程中，水分子受到强烈的电场，从而改变反应的平衡。遇到空闲固定位置的水蒸气分子的数量增加了。

水蒸气的等离子体的产生可以减小水分子的吸附表面。例如，在一个其中没有热交换表面的、带有平板吸附器的吸附式空调装置中，板的平行表面的减小使得吸附器在体积方面获得了很大的益处。

本发明另一项改进是使用了一个或多个具有渗透膜的交换单元。渗透就是水从低浓度环境通过半透膜：也就是渗透膜，向高浓度环境流动。

渗透膜能够让水透过，但不让大分子通过，尤其是盐溶液的分子。在一个吸附式空调装置的实施例中，使用低压减小了这些膜上的应力，因而这些膜就可以用聚乙烯或聚丙烯的无纺纤维膜来制造，它们提供了良好的机械强度，低的热传导性，并且成本很低。

再次参见图2，止回阀61的作用是为了在打开阀71时避免吸附剂与水混合。同样是为了降低吸附溶液浓度的去结晶管，其位置受到泵所产生的压力的限制。另外，该系统是机械的，如果水泵意外停止运行，没有办法防止系统中的盐结晶。

使用渗透膜可以免除止回阀，也可以免除去结晶管的定位。所发生的压力是由盐的浓度差形成的。另外，也不再有盐回流到冷凝水区域的危险。

产生在盐溶液一侧的压力和产生在另一侧冷凝水侧的压力是几个巴的压力。因而就可以将管设置在回路的任何位置处，只要该处保持充满着溶液和水。

即便是系统在电气规划的默认状态下运行，为了指定一个停机时不被超过的最大浓度，可以将泵送区的水头高度确定为与系统安全状态时的溶液浓度相对应，例如对应于58％的溴化锂质量浓度，因为系统的有限体积意味着每个盐溶液浓度对应着水的一个确定的体积。

该系统还是低渗透的，不会有意外的气体在高压区和低压区之间穿过、易于产生功能故障的危险。

装置的停止的冷凝器200中可能部分地充有水。脱附器中的冷溶液会使这部分水蒸发和产生冰。这些冰会形成阻碍该装置迅速重新启动的冰帽，甚至损坏冷凝器200。

为了减小这一危险，可以对回路加以修改，增添管道和小表面的膜，在图5中以公共标记600表示。

膜能够让制冷剂以低流量透过，例如0.1升/小时，不会使得每小时产生6-10公斤冷凝水的系统严重失衡。

如图5中非常示意地表示的，冷凝管靠近溶液贮存室450，因而例如当渗透膜材质的主管形成于溶液贮存室450的其中一侧的情况下，该装置具有很小的体积。

按照空调装置的一些实施例，设置有供脱附器100的大量的溶液流向溶液贮存室450的回路。由于朝向脱附器100的回路位于泵的下游，送往脱附器100的溶液的浓度不是处于最佳状态，这是因为该溶液的浓度大于循环回路的最小浓度。

另一方面，这些实施例也具有一些优点：较好的沉降性能，进入吸附器中的溶液没有被重新加热，等等。

为了弥补这些实施例的前述缺陷，只需设置一个在图6中以参考标记700表示的、沿着吸附器400或在其上游的、具有最低热交换的渗透交换区即可。

本发明具有众多的优点，其中的一些优点如下：

-本发明能够以简单和低成本的技术手段，改进汽车的吸附式空调装置的性能；

-本发明能够降低空调装置的体积，尤其是吸附器的体积；

当然，本发明并不局限于上面用以举例而所述和所示的实施例；在本发明的范围和框架内，本领域技术人员能够想到其它的实施例形式。

Claims (10)

1.一种改进的吸附式空调装置，它包括：脱附器（100），吸附器（400），冷凝器（200）和蒸发器；脱附器（100）和吸附器（400）中充满了由制冷流体和吸附流体形成的至少两种互溶体的混合体，该混合体在吸附器（400）中结合到一起，吸附流体对制冷流体的吸附就发生在该吸附器中；其特征在于，一个增大压力差的部件设置在脱附器（100）和冷凝器（200）之间，以便少许增加冷凝器（200）处的压力和/或少许减小脱附器（100）处的压力，并以此改善空调装置的性能；并且

其特征在于，所述空调装置还包括至少一个具有渗透膜的、将溶液回路连接于冷凝液体回路的交换单元（600），该交换单元由管路和渗透膜构成；其特征还在于，透过渗透膜的流量相对于系统的冷凝能力为很小的流量。

2.如权利要求1所述的空调装置，其特征在于，所述空调装置用于汽车。

3.如权利要求1所述的空调装置，其特征在于，在制冷剂是水的情况下，所述压力差大约是10毫巴。

4.如权利要求1所述的空调装置，其特征在于，在吸附器（400）中设置一个产生出从蒸发区到吸附区的压力差的部件。

5.如权利要求4所述的空调装置，其特征在于，所述产生出压力差的部件包括风扇（500）。

6.如权利要求1所述的空调装置，其特征在于，通过在吸附器（400）的蒸发区和吸附区之间产生水蒸气的等离子而使得吸附反应更加有效。

7.如权利要求1所述的空调装置，其特征在于，所述的具有渗透膜的交换单元（600）位于溶液贮存室（450）附近；所述交换单元的渗透膜材质的主管形成于溶液贮存室（450）的其中一侧的一部分，以减小所述装置的体积。

8.如权利要求1－7中任一项所述的空调装置，其特征在于，在吸附器（400）的附近，也就是在其上游或沿着该吸附器（400），设置一个渗透交换区（700）。

9.如权利要求1－7中任一项所述的空调装置，其特征在于，在制冷剂贮存室（350）的用以确定系统停止时溶液临界浓度的预定高度处朝着溶液回路及溶液贮存室（450）的方向上设置一个渗透交换区；其特征还在于，透过渗透膜的流量相对于系统的冷凝能力为很小的流量。

10.一种汽车，其特征在于，它包括如权利要求1－9中任一项所述的吸附式空调装置。

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