新一代 汽車空調(diào)系統(tǒng)

寂靜天花板

自上個(gè)世紀(jì)中期空調(diào)系統(tǒng)開始應(yīng)用于汽車以來，其所采用的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)就一直是汽車空調(diào)的最主要制冷方式，這項(xiàng)經(jīng)典的技術(shù)也同樣應(yīng)用于消費(fèi)者家庭中的冰箱中。不過，出于對(duì)氣候變化的擔(dān)憂，環(huán)保立法者開始通過法規(guī)來限制氫氟烴（HFC）制冷劑的使用，計(jì)劃在二十年內(nèi)逐漸淘汰這種合成物。與二氧化碳相比，氫氟烴從大氣中捕獲的熱量是其幾千倍。
鑒于此，美國能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署（ARPA-e）在過去幾年中資助了一些創(chuàng)新制冷技術(shù)的研究項(xiàng)目，希望通過這些技術(shù)可以解除市場(chǎng)對(duì)蒸氣壓縮式制冷技術(shù)的依賴，或者可以減少這項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù)的使用。該項(xiàng)目的大部分資金來自于建筑節(jié)能創(chuàng)新熱設(shè)備（BEETIT）項(xiàng)目。雖然大部分新技術(shù)都是針對(duì)居民及商用建筑空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)的，其中有一些系統(tǒng)較小，且成本低、功率高，非常適用于汽車工業(yè)。雖然空調(diào)行業(yè)的研究人員針對(duì)蒸氣壓縮循環(huán)也提出了幾種制冷劑替代性解決方案，對(duì)環(huán)境威脅小，包括某些氫氟烴、碳?xì)浠衔铩币约岸趸技皻浞N等，不過這些化合物大多具有其他缺點(diǎn)，比如具有毒性、可燃燒、效率低、系統(tǒng)復(fù)雜性和成本高等。

Dais Analytics 公司開發(fā)的高分子膜AquaLyte 可以有選擇性地阻隔空氣，但可以讓水分通過。
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Dais Analytics 公司開發(fā)的AquaLyte 除濕膜可以吸收掉空氣中的水分，從而提高空調(diào)的能源效率。
二氧化碳加離子液體
可以利用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)又可以避免以上這些缺點(diǎn)的制冷劑是二氧化碳與離子液體的混合物，但是需要對(duì)傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行一些改進(jìn)。這種混合物其實(shí)就是溫室條件下的液態(tài)鹽，然后吸收二氧化碳的產(chǎn)物。研究人員很早就考慮采用二氧化碳作為空調(diào)的制冷劑，因?yàn)檫@種介質(zhì)熱量傳輸效率高，而且與氫氟烴相比對(duì)環(huán)境的危害小，但是二氧化碳從氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w所需的溫度相對(duì)較低，但是壓力較大，這就需要較高的系統(tǒng)工作壓力。2010 年，ARPA-e 向美國圣母大學(xué)的一個(gè)研究小組撥款2600 萬美元，用于空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人為William Schneider 教授，研究方向就是利用離子液體作為二氧化碳吸收劑用于空調(diào)系統(tǒng)中。據(jù)該研究小組發(fā)布的最新報(bào)告顯示，通過對(duì)離子液體的新認(rèn)知，研究人員開發(fā)出了新的離子液體配方，可以在所謂的離子混合液體冷卻循環(huán)中與二氧化碳混合使用，所需工作壓力可以與傳統(tǒng)制冷劑保持一致。
這種混合液體式制冷循環(huán)的主要工作原理是采用低揮發(fā)性液體吸收劑來吸收揮發(fā)性制冷劑，然后通過制冷劑的釋放制冷，這與傳統(tǒng)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)相似。這兩種技術(shù)在化學(xué)吸收循環(huán)方面也有相同之處。報(bào)告還指出，吸收劑的吸收能力可以擴(kuò)大系統(tǒng)焓值（恒定壓力下的熱量）的變化范圍，也因此提高了制冷的效率?！耙?yàn)榭蓳]發(fā)性物質(zhì)會(huì)被吸收并釋放出去，在此過程中產(chǎn)生的潛熱、混合熱以及某些情況下的可逆化學(xué)反應(yīng)可擴(kuò)大特定焓值的變化范圍，”該報(bào)告指出。在傳統(tǒng)的汽車空調(diào)裝置中，低溫低壓制冷劑氣體進(jìn)入到壓縮機(jī)中被壓縮，溫度會(huì)因此上升。
- R# W: O% B! P3 ]) X被加熱的氣體在經(jīng)過冷凝器時(shí)向外界釋放熱量，同時(shí)氣體轉(zhuǎn)化為液體。依然處于高壓之下的制冷劑接著通過膨脹閥，在其作用下壓力下降，使其蒸發(fā)。與此同時(shí)，液態(tài)制冷劑從車廂內(nèi)空氣中吸收熱量，再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏?、低壓氣體。這個(gè)過程循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行。在混合液體制冷式循環(huán)系統(tǒng)中，高壓熱交換器釋放熱量，降低系統(tǒng)焓值，將二氧化碳吸收到離子液體中。然后系統(tǒng)焓值在內(nèi)部熱交換器作用下得到進(jìn)一步降低，接著高壓液體通過閥門輸送，壓力下降，溫度也因此下降。周圍的空氣從混合液體中吸收熱量，蒸發(fā)掉多余的二氧化碳。在液體經(jīng)過熱交換器時(shí)被機(jī)械壓力機(jī)加壓，然后整個(gè)過程再次循環(huán)。
位于美國印第安納州South Bend 市的Ionic Research Technologies 公司是在風(fēng)投資助下新成立的一家公司，專門致力于混合液體式制冷技術(shù)的商業(yè)化開發(fā)。“我們現(xiàn)在正在與終端用戶和制冷設(shè)備廠商展開緊密合作，希望將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到建筑行業(yè)；與此同時(shí)我們還在開發(fā)規(guī)模較小的概念驗(yàn)證設(shè)備，有望用于汽車行業(yè)?！盜onic Research Technologies公司CEO Doug Morrison 說道。
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吸水高分子膜
" e4 q+ C+ m# f* o$ y還有一種有發(fā)展前景的創(chuàng)新制冷技術(shù)也得到了ARPA-e 的資助，該技術(shù)采用高分子膜，可以除去進(jìn)入到封閉空間里的水分，從而提高傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的能源效率。這項(xiàng)技術(shù)由來自佛羅里達(dá)州Odessa 市的Dais Analytics 公司開發(fā)。據(jù)該公司首席技術(shù)官Brian Johnson 介紹，該技術(shù)采用一種獨(dú)特的塑料膜，稱為AquaLyte，可以有選擇性地隔絕空氣，但是可以讓水分通過。在實(shí)際應(yīng)用中，通過真空負(fù)壓將膜另一邊的水分從空氣中吸出來，然后水分穿過第二組膜被排到外界空氣中。
Dais Analytics 為一家先進(jìn)技術(shù)研發(fā)企業(yè)，擁有約20 名員工，2010 年獲得BEETIT 項(xiàng)目68.1 萬美元的資金支持，之前還額外獲得美國海軍80 萬美元的資金贊助，后者委托其開發(fā)新的技術(shù)，用于減少美國軍方的燃料消耗。這種膜除濕技術(shù)可以除去通風(fēng)道空氣中的水分，對(duì)空氣溫度幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何影響，這這樣濕度的控制就可以和溫度的控制分開。
“在可以不降低溫度的情況下任意調(diào)節(jié)空氣的濕度可以徹底解決目前空調(diào)系統(tǒng)常常造成的濕冷問題，不僅可以提高舒適程度， 還可以將今天空調(diào)系統(tǒng)的能源效率提升50% 左右，”Johnson 說道。
7 p, ]7 m+ [7 O- C2 X* _) u. O“AquaLyte 是一種耐用的柔韌型高分子膜，與保鮮膜很像，”他解釋道?！斑@是一種新型的固態(tài)材料，沒有細(xì)孔，結(jié)構(gòu)達(dá)到納米級(jí)，可以吸收并傳輸水分。通過對(duì)其化學(xué)性的控制，我們還可以制造小面積的親水區(qū)，可以透水，然后周圍由疏水結(jié)構(gòu)包圍，形成結(jié)構(gòu)上的支撐?！?font class="jammer">( P7 o; H" n) @% z- S
雖然Dais Analytics 公司已經(jīng)開始在其除濕產(chǎn)品中推廣AquaLyte 產(chǎn)品，但是針對(duì)其他應(yīng)用目前還處在探索階段。目前該公司的研究重點(diǎn)放在除濕膜零件上，但是還沒有進(jìn)展到制冷系統(tǒng)開發(fā)階段?！叭ツ? 月份，我們證實(shí)了該材料可以達(dá)到ARPA-e 的性能目標(biāo)，但是我們還處于開發(fā)階段，”Johnson 說道?！斑@個(gè)產(chǎn)品本身并不重，但是我們還要減小其體積，讓其整體上更加緊湊?！?br /> 5 N( ?+ r" w# }3 V1 W9 n# q/ F形狀記憶合金馬里蘭大學(xué)研究人員正在研究一種熱彈性制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一種固態(tài)材料，也就是彈性的形狀記憶合金（SMA），可以在兩種晶體微觀組織之間來回切換。這種材料用作制冷劑時(shí)在兩種固態(tài)相位之間轉(zhuǎn)換可以吸收和釋放熱量。如果得到成功應(yīng)用的話，這種新型的制冷系統(tǒng)相較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)來說耗能會(huì)大大降低，所占用的空間也會(huì)減少很多。
4 G# w8 N, A* g* w% X) O1 C形狀記憶合金
即擁有“記憶”效應(yīng)的合金，在物理變形后通過加熱可以回到最初的形狀。這種合金具有高溫相奧氏體相和低溫相馬氏體相，它之所以具有變形恢復(fù)能力，是因?yàn)樽冃芜^程中材料內(nèi)部發(fā)生的熱彈性馬氏體相變。鎳鈦合金是一種最常見的形狀記憶合金，這種合金通常稱為鎳鈦諾或Ni-Ti，最初是由美國海軍中的冶金學(xué)家開發(fā)出來的。2010 年，ARPA-e 斥資330 萬美元的BEETIT 項(xiàng)目資金，委托馬里蘭州一個(gè)研發(fā)小組對(duì)熱彈性材料制冷概念展開研發(fā)。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、材料科學(xué)教授Ichiro Takeuchi 指出，制冷對(duì)形狀記憶合金來說是一個(gè)全新的應(yīng)用。“除了可以對(duì)這種材料施加溫差，你還可以對(duì)其施加一定的物理應(yīng)力，然后釋放，材料就會(huì)吸收熱量，這樣就形成了熱力循環(huán)，”他說道。“從原理上看就是，當(dāng)材料發(fā)生相變時(shí)會(huì)產(chǎn)生潛伏熱量，你可以捕獲這種熱量，就好像冰變成水一樣?！?br /> 2 |2 F2 ^& L; T& ^據(jù)了解，這個(gè)想法源自于約十年前明尼蘇達(dá)州航空工程系教授Richard D. James 提出的無疲勞形狀記憶合金概念。James 經(jīng)計(jì)算得出，通過對(duì)形狀記憶合金晶格的“微調(diào)”是可以提高材料奧氏體相和馬氏體相之間的兼容性，從而可以最大程度地減少相變引致的能量損失。在James 思路的指導(dǎo)下，Takeuchi 率領(lǐng)的小組改變了鎳鈦諾合金的化學(xué)成份及加工工藝，使得這種材料可以在相變中減少物理疲勞和能量的損失。他們開發(fā)的合金已經(jīng)經(jīng)歷了50 萬次的循環(huán)測(cè)試，基本接近固態(tài)制冷系統(tǒng)的耐久性要求。
在制冷系統(tǒng)中，這種金屬制冷劑在循環(huán)模式下通過熱交換器吸收和釋放熱量，與熱交換器連接的閉環(huán)水路負(fù)責(zé)冷卻進(jìn)入到熱交換器的空氣。馬里蘭大學(xué)研究人員已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)100W 的系統(tǒng)原型并展開測(cè)試，并計(jì)劃做一個(gè)1kW 的裝置，其制冷功率將達(dá)到窗式制冷器的三分之一甚至一半。Takeuchi 及其同事在馬里蘭州政府的資助下建立了一個(gè)新公司Maryland Energy and Sensor Technologies，專門從事這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化開發(fā)工作，目標(biāo)應(yīng)用也包括汽車空調(diào)領(lǐng)域。但是Takeuchi 也承認(rèn)，這可能需要很長的一段時(shí)間，“即使開發(fā)進(jìn)展順利，在這項(xiàng)技術(shù)可以真正投入到市場(chǎng)之前也還有很多問題要解決?！?font class="jammer">! R- {7 ~: A* H2 M" i

未來第一站

再也不怕汽車空調(diào)中毒了。

小河HH

未來第一站 發(fā)表于 2016-9-2 16:09
' `! l* q/ K* y& L7 s  o# _. w再也不怕汽車空調(diào)中毒了。

同感，科技的優(yōu)勢(shì)。