采用CO2作為冷媒的壓縮制冷專利技術(shù)綜述

秦赟 孫萬敏

摘要：隨著國內(nèi)外對節(jié)能環(huán)保意識的提高，以自然工質(zhì)CO2代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷劑作為冷媒的制冷壓縮循環(huán)具有諸多優(yōu)點。本文通過研究以CO2作為冷媒的壓縮制冷專利技術(shù)的發(fā)展、全球分布以及重要申請人，有助于CO2壓縮制冷技術(shù)的推廣應(yīng)用以及技術(shù)的改進。

關(guān)鍵詞：CO2；壓縮制冷循環(huán)；專利

中圖分類號：TB65 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）12-0047-03

A Review of Patents about Compression Refrigeration Adopting the Carbon Dioxide as the Refrigerant

QIN Yun SUN Wanmin

（Patent Examination Cooperation Sichuan Center of the Patent Office， SIPO，Chengdu Sichuan 610213）

Abstract：With the awareness of energy saving and environmental protection enhancing， using natural refrigerant CO2 as the refrigerant provides many advantages compared with the traditional refrigerant. In this research， the technological development， global distribution and important applicants of the CO2-based compression refrigeration patent are reviewed， which is helpful to promote the application and improvement of this technology.

Key words： carbon dioxide； compression refrigeration； patent

1 引言

目前，隨著制冷和空調(diào)在人們生活中的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)氟利昂制冷劑系列對臭氧的破壞以及由此引起的溫室效應(yīng)問題也越來越嚴(yán)重，實現(xiàn)CFCs（氯氟碳化物）替代成為全世界共同關(guān)注的問題。尋找既能保護環(huán)境又能符合可持續(xù)發(fā)展原則的新型制冷劑成為整個制冷行業(yè)的新課題。20世紀(jì)80年代初自然工質(zhì)重新被重視利用[1]，包括CO2、NH3、H2O、碳?xì)浠衔锖涂諝?。其中CO2無毒不可燃、資源豐富成本低，其臭氧破壞潛能指標(biāo)ODP為零，溫室效應(yīng)潛能GWP為1，是對大氣環(huán)境非常友好的一種制冷工質(zhì)。國內(nèi)外已有研究表明，利用CO2在蒸發(fā)潛熱、比熱、動力黏度等物性上的優(yōu)勢，采用合適的制冷循環(huán)和制冷裝置，CO2在熱力特性等方面上與傳統(tǒng)制冷劑相比具有更為優(yōu)越的性能。此外，CO2與潤滑油不發(fā)生反應(yīng)，對裝置的腐蝕作用也較小。因此，CO2作為冷媒在制冷空調(diào)、熱泵熱水器等各個方面得到廣泛的研究和應(yīng)用[2]。

本文以采用CO2作為冷媒的制冷循環(huán)及設(shè)備的專利申請作為研究對象，重點分析全球及中國范圍內(nèi)關(guān)于CO2制冷劑技術(shù)的申請量、技術(shù)來源、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r等信息。

2 采用CO2作為冷媒的壓縮式制冷循環(huán)

常溫下，CO2是一種無色、無嗅的氣體，其臨界壓力為7.377MPa、臨界溫度為304.1K（即30.95℃）。壓縮式制冷方式是CO2制冷應(yīng)用的主要方式，由于CO2的臨界溫度接近環(huán)境溫度，根據(jù)循環(huán)的外部條件可以實現(xiàn)以下3種循環(huán)。（1）亞臨界制冷循環(huán)，壓縮機的吸排氣壓力都低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度、冷凝溫度也低于臨界溫度，循環(huán)的吸熱、放熱過程都在亞臨界條件下進行，換熱過程主要依靠潛熱來完成。（2）跨臨界制冷循環(huán)，壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力，工質(zhì)的高壓側(cè)換熱主要通過顯熱交換來完成。CO2氣體在壓縮機中壓縮至超臨界狀態(tài)，然后進入氣體冷卻器中被冷卻介質(zhì)所冷卻，離開氣體冷卻器后的低溫高壓氣體通過節(jié)流閥節(jié)流降壓降溫，部分氣體液化，亞臨界狀態(tài)的濕蒸氣進入蒸發(fā)器中氣化，依次完成整個跨臨界循環(huán)。（3）超臨界循環(huán)，所有的循環(huán)過程都在臨界壓力以上完成，工質(zhì)循環(huán)過程沒有相變，實際上是氣體循環(huán)。完全的超臨界循環(huán)，只在原子能發(fā)電時采用，制冷空調(diào)應(yīng)用中不采用該循環(huán)方式。

CO2超臨界狀態(tài)是一個高密度狀態(tài)，它兼具有氣體和液體的雙重特性，密度較大時表現(xiàn)出液態(tài)特性，密度較小時表現(xiàn)出氣態(tài)特性，但其黏度又很小，與氣體相似，擴散系數(shù)又很大，接近于氣態(tài)，因此超臨界CO2流體具有很好的流動與傳熱特性。

3 專利技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

3.1 專利技術(shù)發(fā)展演進

通過對CO2制冷技術(shù)的專利申請文件的梳理分析得出了如圖1所示的各個技術(shù)分支的年代演進圖。

從圖1中可看出，涉及CO2制冷壓縮循環(huán)的專利技術(shù)在20世紀(jì)90年代開始蓬勃發(fā)展，這與制冷工質(zhì)的使用情況、環(huán)境因素以及技術(shù)發(fā)展有直接關(guān)系。90年代以前雖然就出現(xiàn)了CO2作為冷媒的制冷壓縮循環(huán)，但是由于CO2制冷循環(huán)的特點：較高的排氣溫度和排氣壓力以及跨臨界狀態(tài)制冷劑的物性的多變性，都限制了CO2壓縮制冷循環(huán)的使用。從20世紀(jì)90年代開始有關(guān)于CO2作為冷媒的制冷循環(huán)技術(shù)主要涉及單級循環(huán)、復(fù)疊式循環(huán)、多級壓縮循環(huán)、采用不同節(jié)流裝置的循環(huán)以及上述幾種循環(huán)的交叉復(fù)合。20世紀(jì)90年代開始耐高壓高溫的高效換熱器的出現(xiàn)以及高壓壓縮機的出現(xiàn)促進了CO2制冷壓縮循環(huán)的發(fā)展。在低壓壓力恒定時，二氧化碳跨臨界循環(huán)中存在一個使循環(huán)效率最高的高壓壓力，該壓力稱為最優(yōu)高壓側(cè)壓力，因此，如何調(diào)節(jié)并保持高壓壓力使所述循環(huán)效率最高是該時期出現(xiàn)的主要提高效率的措施。同時為避免壓縮機出現(xiàn)液擊，并降低節(jié)流后制冷劑的干度，在循環(huán)系統(tǒng)中增加內(nèi)部熱交換器也是提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)手段。20世紀(jì)90年代末21世紀(jì)初，圍繞如何提高跨臨界二氧化碳壓縮式制冷循環(huán)的效率、提高實用性是該領(lǐng)域研究的重點，由于跨臨界循環(huán)的高壓和低壓具有較大的壓差，如何減少節(jié)流損失成為減少損失提高效率的關(guān)鍵所在，此時出現(xiàn)了眾多的可應(yīng)用于CO2跨臨界制冷循環(huán)的高效節(jié)流元件，如膨脹機、噴射器以及渦流管。2000年以后，節(jié)能高效的CO2熱交換器蓬勃發(fā)展，其主要圍繞高壓側(cè)的氣體冷卻器進行展開，小管徑耐高壓是CO2氣體冷卻器的主要結(jié)構(gòu)特征，出現(xiàn)了如微通道扁管、板式微通道、小管徑繞管式、多套管式以及毛細(xì)管換熱器等不同形式。內(nèi)部熱交換器和閃蒸器是制冷領(lǐng)域常用的提高循環(huán)效率的節(jié)能器，因此在具有上述不同形式的制冷循環(huán)中常會增加內(nèi)部熱交換器或閃蒸器以提高系統(tǒng)效率。

3.2 全球申請量年度分布分析

在全球范圍內(nèi)，CO2制冷技術(shù)的專利申請量總體呈上升趨勢。自20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，CO2作為冷媒被廣泛地應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)中。挪威Sinvent公司的G. Lorentzen等人于1989年設(shè)計了跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中通過節(jié)流閥控制高壓側(cè)壓力，這在CO2的研究與推廣應(yīng)用上起到了很好的帶頭作用，自此CO2制冷裝置的研究與應(yīng)用在全球范圍內(nèi)的受重視程度再次燃起。從1990年開始，全球范圍內(nèi)的申請量開始逐步上升，即1990—1995年為CO2制冷技術(shù)專利申請量的平緩增長期；1995年以后，隨著中國范圍內(nèi)CO2制冷技術(shù)的專利申請的大量出現(xiàn)，全球范圍內(nèi)的專利申請量有了明顯的增加，即1995—2005年，中國范圍內(nèi)和全球范圍內(nèi)的申請量呈快速增長態(tài)勢，屬于該領(lǐng)域的發(fā)展壯大階段；2005—2012年，這個階段的全球申請量有所下降，中國范圍內(nèi)的申請量較為平穩(wěn)，這是因為技術(shù)的創(chuàng)新難度較大；2012年以后由于多部件、多能源的結(jié)合使用使該領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)有所突破以及人們對環(huán)境對節(jié)能的重視程度提高，中國范圍內(nèi)的申請量再次出現(xiàn)快速增長，全球范圍內(nèi)的申請量也有所回升。從上述分析可知，中國在該領(lǐng)域的專利申請雖然起步較晚，但后期隨著中國市場經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展、國內(nèi)外各大企業(yè)對中國市場的積極參與以及中國科技實力的提升，都極大地促進了中國專利的申請，申請量總體呈不斷增加的態(tài)勢，中國市場越來越被眾多企業(yè)、科研院所以及個人所看重。這說明不管是全球還是中國范圍內(nèi)，CO2跨臨界狀態(tài)所表現(xiàn)出的優(yōu)良特性以及CO2對環(huán)境的友好性都得到了人們的一致認(rèn)可。技術(shù)的創(chuàng)新、節(jié)能環(huán)保意識的增強、全球范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、各個企業(yè)對知識產(chǎn)權(quán)保護的重視等因素都直接影響著全球以及中國專利申請態(tài)勢的走向。

4 結(jié)語

本文對采用CO2作為冷媒的壓縮制冷技術(shù)進行了分析、統(tǒng)計和整理，重點關(guān)注了本領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展走向、全球?qū)＠暾埱闆r等信息。超臨界CO2流體具有很好的流動、傳熱特性以及環(huán)境友好性，在跨臨界循環(huán)中具有較高的循環(huán)效率和應(yīng)用價值，可作為氟利昂類制冷劑的最佳替代冷媒。

參考文獻：

[1]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008：30-31.

[2]吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2010：52-53.