智能化汽車空調(diào)冷媒回收加注機的設(shè)計與實現(xiàn)

梁西銀，蘭建平，馬小倩

（西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

普通的汽車空調(diào)系統(tǒng)都是依靠制冷劑(冷媒)R12、R22、R134等進行冷卻。冷媒使用一段時間后，由于混入水分、油和其他雜質(zhì)而使空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率降低。在這種情況下，需要將廢舊冷媒排出，再加入新的冷媒。目前，國內(nèi)汽車維修行業(yè)的通常做法是用真空泵將空調(diào)系統(tǒng)中的冷媒排放到大氣中，然后將罐裝新冷媒依靠系統(tǒng)中的負壓自然吸入。這種做法不但造成了資源的浪費，而且嚴重地污染了環(huán)境，破壞了臭氧層；同時，由于沒有自動化設(shè)備，不能實現(xiàn)定量加注，會影響汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率，還有可能引起加注費用的糾紛[1-2]。

本文設(shè)計實現(xiàn)了一種智能化的汽車冷媒回收與加注裝置。對已經(jīng)使用過的廢舊冷媒，利用特定的循環(huán)技術(shù)將其中的水分、雜質(zhì)和油分離出來，使凈化后的冷媒重新投入使用。該裝置還具有對舊冷媒的定量回收和對新冷媒的定量加注功能，使汽車冷媒的加注標準化，從而能夠保證換媒后的汽車空調(diào)系統(tǒng)達到額定的效率，還能使換媒的費用準確、透明。該設(shè)備的研制成功不僅能夠使低效的舊冷媒變廢為寶，降低汽車空調(diào)維護費用，增加汽車維修行業(yè)的利潤空間，同時又很好地解決了隨意排放的冷媒氣體對環(huán)境的污染問題。本設(shè)備也適用于工業(yè)空調(diào)和家用空調(diào)的制冷劑更換工作，具有很高的環(huán)保價值，有利于促進社會和諧發(fā)展。

1 設(shè)計原理

1.1 控制部分

汽車空調(diào)冷媒智能回收機是一個由單片微機控制的自動裝置。儀器控制部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由壓強傳感器（SENSOR）、PIC單片機(MCU)、外存 儲 器(EPROM)、 鍵 盤(KEYBOARD)、 數(shù) 碼 顯 示 管(LED)、放大器(AMP)、控制電路(CTL)、執(zhí)行機構(gòu)、提示蜂鳴器(Beep)和電源模塊(POWER)等部分組成。

各種預(yù)設(shè)的參數(shù)和控制指令由鍵盤輸入，經(jīng)單片機處理后送入外部存儲器保存。在回收和加注過程中，稱重傳感器(Load Sensor)直接將對應(yīng)的重量轉(zhuǎn)化成0～20 mV的模擬電壓。該模擬電壓經(jīng)放大器放大到0～5 V，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器所要求的電壓。經(jīng)放大后的模擬電壓送到16 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。單片機對此數(shù)字量進行運算和處理，同時送入數(shù)碼顯示管實時顯示。單片機對此數(shù)字量進行運算和處理主要是將所稱的重量與設(shè)定值進行比較，若重量達到設(shè)定值，則自動觸發(fā)控制電路，控制電路控制執(zhí)行機構(gòu)(如空氣壓縮機、電磁閥、真空泵)的通斷，實現(xiàn)自動控制的目的。主芯片選用價格低廉、性能優(yōu)良的PIC16F874單片微型處理器，充分利用其提供的軟硬件資源[3]。

圖1 控制部分電路框圖

1.2 冷媒循環(huán)系統(tǒng)

冷媒循環(huán)系統(tǒng)[4-5]的工作主要包括冷媒回收、抽真空和冷媒加注三個主要過程，其循環(huán)管路如圖2所示。冷媒回收過程開始時，打開管路閥和回收閥，啟動壓縮機，空調(diào)中的廢舊冷媒通過高壓岐管或低壓岐管進入回收系統(tǒng)。汽、液相混的冷媒經(jīng)過回收閥、雜質(zhì)過濾器，由膨脹閥減壓后進入油分離器的內(nèi)層，吸收熱量后的汽態(tài)冷媒通過干燥過濾器濾除水分并經(jīng)壓縮機壓縮為高壓氣體后進入回流罐，繼而通過單向閥進入油分離器的外層，釋放熱量后以液態(tài)進入儲液罐。抽真空過程開始時，打開真空閥，啟動真空泵，整個循環(huán)系統(tǒng)或空調(diào)系統(tǒng)會被抽為真空。加注過程開始時，開啟電磁閥，儲液罐中的液態(tài)冷媒會依靠自然壓力通過低壓岐管被充注到空調(diào)系統(tǒng)中。

整個系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵器件

2.1 提高數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性與可靠性[6-8]

在冷媒回收或加注過程中會有強氣流沖入儲液罐，壓縮機也會產(chǎn)生振動，這會給秤重系統(tǒng)帶來很大的干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的波動。通過大量的理論研究和現(xiàn)場實驗，設(shè)計了一種基于滑動平均濾波算法的優(yōu)化抗干擾算法程序，從而很大程度地提高了數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性與可靠性。該算法的步驟如下：

(1)連續(xù)取 i個采樣值，將其看成一個隊列并求出平均值A(chǔ)i；

(2)每次采樣到一個新數(shù)據(jù)，首先與上次平均值A(chǔ)i進行比較；

(3)若比較結(jié)果大于 ε，說明偏差太大，放棄該數(shù)據(jù)；若比較結(jié)果小于ε，則采用滑動平均算法求出濾波結(jié)果并進行顯示。ε為經(jīng)過多次測量、實驗得出的采樣值誤差偏移上限；

(4)采樣新數(shù)據(jù)重復(fù)以上操作。

其流程如圖4所示。

2.2 提高從冷媒中分離油的效果

制冷系統(tǒng)中的壓縮機必須依賴潤滑油降低工作時的噪音，延長使用壽命。因此，潤滑油和冷媒在制冷循環(huán)系統(tǒng)中是以混合狀態(tài)共存的。所以，冷媒的回收和再生之前必須先要除去其中的潤滑油。

采用膨脹技術(shù)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提高從冷媒中分離油的效果，如圖5所示。利用冷媒汽化溫度遠遠低于潤滑油的這一特點，將高壓、液化的冷媒潤滑油混合體通過膨脹閥減壓膨脹，使汽化后的冷媒與液化狀態(tài)的潤滑油互相分離。為了提高冷媒和油的分離效果，本文設(shè)計了一種金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增加了液態(tài)潤滑油在膨脹空間的附著能力，避免了高速沖入的汽化冷媒將微小的潤滑油滴直接沖出油分離器。

2.3 解決壓縮膨脹過程中熱交換問題

在油與冷媒分離和冷媒的回收過程中，需要很好地解決熱交換的問題。在冷媒的分離過程中，由于液態(tài)冷媒在低壓下膨脹、汽化，會從周圍空間吸收大量的熱量，如果沒有很好的熱能補給機構(gòu)，會導(dǎo)致油分離罐大幅度降溫，直至結(jié)霜，從而嚴重影響液態(tài)冷媒汽化的完全程度，進一步影響冷媒與油分離的效率。另外，在冷媒回收入罐的過程中，需要壓縮氣態(tài)冷媒使之轉(zhuǎn)換為液態(tài)流入回收罐中。在此壓縮過程中會產(chǎn)生大量的熱量，此熱量如果不能快速散去，會導(dǎo)致壓縮機和管路過熱，影響冷媒的液化程度和整機系統(tǒng)的安全性能。

目前，國內(nèi)通常采用風(fēng)扇強制熱交換技術(shù)解決上述兩個環(huán)節(jié)的熱量交換問題。這種強制熱交換技術(shù)必須借助于一個或兩個高密度、大體積的散熱片組和一個體積、風(fēng)量足夠大的風(fēng)扇。顯而易見，此技術(shù)無法克服體積大、噪音大、能耗高、可靠性差、環(huán)境溫度適應(yīng)范圍窄的缺陷。

本文通過反復(fù)實驗和驗證，采用雙層罐結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種自主平衡式熱量交換器，并將此熱量交換器與油分離空間和冷媒液化空間緊密地結(jié)合在一起。如圖6所示。這種設(shè)計不但徹底避免了上述技術(shù)缺陷，而且具有管路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境溫度適應(yīng)性強的特點。

2.4 四鍵便捷操作模式和菜單參數(shù)設(shè)置模式

本裝置采用了獨特的按鍵操作模式和菜單參數(shù)設(shè)置模式。

在自動控制設(shè)備的按鍵操作方面，國內(nèi)普遍流行以4×4數(shù)字鍵盤作為所有數(shù)字輸入和操作指令的輸入界面。通過廣泛調(diào)查和實踐驗證，這種操作面板對于用戶來說難學(xué)、難記、難操控，且容易因慌忙導(dǎo)致誤操作。

本文將本機的自動控制過程組合為5種工作狀態(tài)，在操作面板上設(shè)計了3個狀態(tài)燈，2個按鍵燈。將按鍵的數(shù)量簡化到4個：1個用來選擇狀態(tài)；1個用來控制過程啟動和停止；2個調(diào)整當前數(shù)值的大小。同時，在程序中采用按鍵防抖動和防誤觸發(fā)程序算法，使本機的操作面板簡潔、明了、易學(xué)、易記，且杜絕了鍵盤誤觸發(fā)的可能。

參數(shù)設(shè)置操作采用了菜單選擇方式，通過面板數(shù)碼管的信息提示，用戶只需通過按動“下”鍵翻動，即可快速選擇需要設(shè)置的參數(shù)條目。參數(shù)設(shè)置過程的進入采用了唯一狀態(tài)下的雙鍵同按的方式，即只有在待機秤重狀態(tài)下，同時按住“上”鍵“下”鍵1 s，才能進入?yún)?shù)設(shè)置菜單。這種方式其實相當于參數(shù)設(shè)置的操作加密，可以防止非合法用戶的誤操作導(dǎo)致運行參數(shù)被破壞的嚴重后果。

2.5 干燥器壽命計數(shù)器和真空泵油壽命計時器

冷媒中水分的增多是導(dǎo)致制冷效率下降的重要原因。干燥過濾器是分離冷媒中水分的關(guān)鍵器件。干燥過濾器都有一定的使用壽命，如果其吸附的水分已經(jīng)飽和，將不再具有濾除水分的功能，從而影響過濾水分的效果。為了解決這一問題，一般要求用戶定期更換或烘干干燥過濾器，無法通過定量的手段提醒用戶在恰當?shù)臅r候進行更換。

本文根據(jù)舊冷媒的平均含水量和干燥過濾器的水分吸收量，計算出了所使用干燥過濾器的可回收冷媒最大質(zhì)量。采用非易失性存儲器件和冷媒回收質(zhì)量程序累加器，累加并存儲每次回收的冷媒質(zhì)量，當累計回收的質(zhì)量等于最大回收質(zhì)量時，本機程序會自動屏蔽回收功能并提醒用戶及時更換干燥過濾器。干燥過濾器更換之后，其壽命計數(shù)器清零，回收功能重新恢復(fù)。

設(shè)置真空泵油壽命計時器的目的是為了強制保護真空泵的正常工作狀態(tài)和使用壽命。設(shè)計和原理與干燥過濾器計數(shù)器相同。

本文根據(jù)普通的汽車空調(diào)系統(tǒng)廢舊冷媒的再生和新冷媒的加注的實際需要設(shè)計和研制了一種智能化的汽車空調(diào)冷媒回收加注機。該裝置能夠?qū)⒁呀?jīng)使用過的廢舊冷媒中的水分、雜質(zhì)和油分離出來，使凈化后的冷媒重新投入使用。同時還具有定量加注新冷媒的功能。在設(shè)計過程中，采用了先進的單片系統(tǒng)、高精度的稱重傳感器、高性能的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換器，防止數(shù)據(jù)抖動的程序算法和各種抗干擾技術(shù)，簡潔快速的四鍵操作模式，獨特、高效的油分離系統(tǒng)和水分離器，膨脹、壓縮過程熱量自動平衡的管路循環(huán)系統(tǒng)，潤滑油壽命自動計時器和水分離器自動計數(shù)器等關(guān)鍵技術(shù)。該裝置具有很高的經(jīng)濟意義和環(huán)保價值。

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