新一代汽车空调系统

寂静天花板 · 发表于 2016-9-2 14:55:45

自上个世纪中期空调系统开始应用于汽车以来，其所采用的蒸气压缩式制冷循环就一直是汽车空调的最主要制冷方式，这项经典的技术也同样应用于消费者家庭中的冰箱中。不过，出于对气候变化的担忧，环保立法者开始通过法规来限制氢氟烃（HFC）制冷剂的使用，计划在二十年内逐渐淘汰这种合成物。与二氧化碳相比，氢氟烃从大气中捕获的热量是其几千倍。
鉴于此，美国能源部先进能源研究计划署（ARPA-e）在过去几年中资助了一些创新制冷技术的研究项目，希望通过这些技术可以解除市场对蒸气压缩式制冷技术的依赖，或者可以减少这项传统技术的使用。该项目的大部分资金来自于建筑节能创新热设备（BEETIT）项目。虽然大部分新技术都是针对居民及商用建筑空调系统开发的，其中有一些系统较小，且成本低、功率高，非常适用于汽车工业。虽然空调行业的研究人员针对蒸气压缩循环也提出了几种制冷剂替代性解决方案，对环境威胁小，包括某些氢氟烃、碳氢化合物、氨以及二氧化碳及氢氟烯烃等，不过这些化合物大多具有其他缺点，比如具有毒性、可燃烧、效率低、系统复杂性和成本高等。

Dais Analytics 公司开发的高分子膜AquaLyte 可以有选择性地阻隔空气，但可以让水分通过。

Dais Analytics 公司开发的AquaLyte 除湿膜可以吸收掉空气中的水分，从而提高空调的能源效率。
二氧化碳加离子液体
可以利用传统空调系统，同时又可以避免以上这些缺点的制冷剂是二氧化碳与离子液体的混合物，但是需要对传统空调系统进行一些改进。这种混合物其实就是温室条件下的液态盐，然后吸收二氧化碳的产物。研究人员很早就考虑采用二氧化碳作为空调的制冷剂，因为这种介质热量传输效率高，而且与氢氟烃相比对环境的危害小，但是二氧化碳从气体转变为液体所需的温度相对较低，但是压力较大，这就需要较高的系统工作压力。2010 年，ARPA-e 向美国圣母大学的一个研究小组拨款2600 万美元，用于空调系统的开发。项目负责人为William Schneider 教授，研究方向就是利用离子液体作为二氧化碳吸收剂用于空调系统中。据该研究小组发布的最新报告显示，通过对离子液体的新认知，研究人员开发出了新的离子液体配方，可以在所谓的离子混合液体冷却循环中与二氧化碳混合使用，所需工作压力可以与传统制冷剂保持一致。
这种混合液体式制冷循环的主要工作原理是采用低挥发性液体吸收剂来吸收挥发性制冷剂，然后通过制冷剂的释放制冷，这与传统蒸气压缩式制冷循环相似。这两种技术在化学吸收循环方面也有相同之处。报告还指出，吸收剂的吸收能力可以扩大系统焓值（恒定压力下的热量）的变化范围，也因此提高了制冷的效率。“因为可挥发性物质会被吸收并释放出去，在此过程中产生的潜热、混合热以及某些情况下的可逆化学反应可扩大特定焓值的变化范围，”该报告指出。在传统的汽车空调装置中，低温低压制冷剂气体进入到压缩机中被压缩，温度会因此上升。
被加热的气体在经过冷凝器时向外界释放热量，同时气体转化为液体。依然处于高压之下的制冷剂接着通过膨胀阀，在其作用下压力下降，使其蒸发。与此同时，液态制冷剂从车厢内空气中吸收热量，再次转变为低温、低压气体。这个过程循环往复地进行。在混合液体制冷式循环系统中，高压热交换器释放热量，降低系统焓值，将二氧化碳吸收到离子液体中。然后系统焓值在内部热交换器作用下得到进一步降低，接着高压液体通过阀门输送，压力下降，温度也因此下降。周围的空气从混合液体中吸收热量，蒸发掉多余的二氧化碳。在液体经过热交换器时被机械压力机加压，然后整个过程再次循环。
位于美国印第安纳州South Bend 市的Ionic Research Technologies 公司是在风投资助下新成立的一家公司，专门致力于混合液体式制冷技术的商业化开发。“我们现在正在与终端用户和制冷设备厂商展开紧密合作，希望将这项技术应用到建筑行业；与此同时我们还在开发规模较小的概念验证设备，有望用于汽车行业。”Ionic Research Technologies公司CEO Doug Morrison 说道。

吸水高分子膜
还有一种有发展前景的创新制冷技术也得到了ARPA-e 的资助，该技术采用高分子膜，可以除去进入到封闭空间里的水分，从而提高传统空调系统的能源效率。这项技术由来自佛罗里达州Odessa 市的Dais Analytics 公司开发。据该公司首席技术官Brian Johnson 介绍，该技术采用一种独特的塑料膜，称为AquaLyte，可以有选择性地隔绝空气，但是可以让水分通过。在实际应用中，通过真空负压将膜另一边的水分从空气中吸出来，然后水分穿过第二组膜被排到外界空气中。
Dais Analytics 为一家先进技术研发企业，拥有约20 名员工，2010 年获得BEETIT 项目68.1 万美元的资金支持，之前还额外获得美国海军80 万美元的资金赞助，后者委托其开发新的技术，用于减少美国军方的燃料消耗。这种膜除湿技术可以除去通风道空气中的水分，对空气温度几乎不会产生任何影响，这这样湿度的控制就可以和温度的控制分开。
“在可以不降低温度的情况下任意调节空气的湿度可以彻底解决目前空调系统常常造成的湿冷问题，不仅可以提高舒适程度，还可以将今天空调系统的能源效率提升50% 左右，”Johnson 说道。
“AquaLyte 是一种耐用的柔韧型高分子膜，与保鲜膜很像，”他解释道。“这是一种新型的固态材料，没有细孔，结构达到纳米级，可以吸收并传输水分。通过对其化学性的控制，我们还可以制造小面积的亲水区，可以透水，然后周围由疏水结构包围，形成结构上的支撑。”
虽然Dais Analytics 公司已经开始在其除湿产品中推广AquaLyte 产品，但是针对其他应用目前还处在探索阶段。目前该公司的研究重点放在除湿膜零件上，但是还没有进展到制冷系统开发阶段。“去年4 月份，我们证实了该材料可以达到ARPA-e 的性能目标，但是我们还处于开发阶段，”Johnson 说道。“这个产品本身并不重，但是我们还要减小其体积，让其整体上更加紧凑。”
形状记忆合金马里兰大学研究人员正在研究一种热弹性制冷系统，该系统采用一种固态材料，也就是弹性的形状记忆合金（SMA），可以在两种晶体微观组织之间来回切换。这种材料用作制冷剂时在两种固态相位之间转换可以吸收和释放热量。如果得到成功应用的话，这种新型的制冷系统相较传统空调系统来说耗能会大大降低，所占用的空间也会减少很多。
形状记忆合金
即拥有“记忆”效应的合金，在物理变形后通过加热可以回到最初的形状。这种合金具有高温相奥氏体相和低温相马氏体相，它之所以具有变形恢复能力，是因为变形过程中材料内部发生的热弹性马氏体相变。镍钛合金是一种最常见的形状记忆合金，这种合金通常称为镍钛诺或Ni-Ti，最初是由美国海军中的冶金学家开发出来的。2010 年，ARPA-e 斥资330 万美元的BEETIT 项目资金，委托马里兰州一个研发小组对热弹性材料制冷概念展开研发。该项目负责人、材料科学教授Ichiro Takeuchi 指出，制冷对形状记忆合金来说是一个全新的应用。“除了可以对这种材料施加温差，你还可以对其施加一定的物理应力，然后释放，材料就会吸收热量，这样就形成了热力循环，”他说道。“从原理上看就是，当材料发生相变时会产生潜伏热量，你可以捕获这种热量，就好像冰变成水一样。”
据了解，这个想法源自于约十年前明尼苏达州航空工程系教授Richard D. James 提出的无疲劳形状记忆合金概念。James 经计算得出，通过对形状记忆合金晶格的“微调”是可以提高材料奥氏体相和马氏体相之间的兼容性，从而可以最大程度地减少相变引致的能量损失。在James 思路的指导下，Takeuchi 率领的小组改变了镍钛诺合金的化学成份及加工工艺，使得这种材料可以在相变中减少物理疲劳和能量的损失。他们开发的合金已经经历了50 万次的循环测试，基本接近固态制冷系统的耐久性要求。
在制冷系统中，这种金属制冷剂在循环模式下通过热交换器吸收和释放热量，与热交换器连接的闭环水路负责冷却进入到热交换器的空气。马里兰大学研究人员已经开发了一个100W 的系统原型并展开测试，并计划做一个1kW 的装置，其制冷功率将达到窗式制冷器的三分之一甚至一半。Takeuchi 及其同事在马里兰州政府的资助下建立了一个新公司Maryland Energy and Sensor Technologies，专门从事这项技术的商业化开发工作，目标应用也包括汽车空调领域。但是Takeuchi 也承认，这可能需要很长的一段时间，“即使开发进展顺利，在这项技术可以真正投入到市场之前也还有很多问题要解决。”

未来第一站 · 发表于 2016-9-2 16:09:43

再也不怕汽车空调中毒了。

小河HH · 发表于 2016-9-2 17:39:25

未来第一站发表于 2016-9-2 16:09
% T+ ~, P, i) I+ K2 R, f& `2 B/ d9 w再也不怕汽车空调中毒了。

同感，科技的优势。

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