新一代 汽車空調(diào)系統(tǒng)

寂靜天花板

自上個世紀中期空調(diào)系統(tǒng)開始應用于汽車以來，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，這項經(jīng)典的技術(shù)也同樣應用于消費者家庭中的冰箱中。不過，出于對氣候變化的擔憂，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，美國能源部先進能源研究計劃署（ARPA-e）在過去幾年中資助了一些創(chuàng)新制冷技術(shù)的研究項目，希望通過這些技術(shù)可以解除市場對蒸氣壓縮式制冷技術(shù)的依賴，或者可以減少這項傳統(tǒng)技術(shù)的使用。該項目的大部分資金來自于建筑節(jié)能創(chuàng)新熱設(shè)備（BEETIT）項目。雖然大部分新技術(shù)都是針對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)的研究人員針對蒸氣壓縮循環(huán)也提出了幾種制冷劑替代性解決方案，對環(huán)境威脅小，包括某些氫氟烴、碳氫化合物、氨以及二氧化碳及氫氟烯烴等，不過這些化合物大多具有其他缺點，比如具有毒性、可燃燒、效率低、系統(tǒng)復雜性和成本高等。
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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。
. E$ M) y& w  |) k/ _6 @二氧化碳加離子液體
6 \4 r" p! b9 K; ~可以利用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，同時又可以避免以上這些缺點的制冷劑是二氧化碳與離子液體的混合物，但是需要對傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)進行一些改進。這種混合物其實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，因為這種介質(zhì)熱量傳輸效率高，而且與氫氟烴相比對環(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 向美國圣母大學的一個研究小組撥款2600 萬美元，用于空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)。項目負責人為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)布的最新報告顯示，通過對離子液體的新認知，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。
( \; g+ \. y- {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)在化學吸收循環(huán)方面也有相同之處。報告還指出，吸收劑的吸收能力可以擴大系統(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�！耙驗榭蓳]發(fā)性物質(zhì)會被吸收并釋放出去，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反應可擴大特定焓值的變化范圍，”該報告指出。在傳統(tǒng)的汽車空調(diào)裝置中，低溫低壓制冷劑氣體進入到壓縮機中被壓縮，溫度會因此上升。
被加熱的氣體在經(jīng)過冷凝器時向外界釋放熱量，同時氣體轉(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，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。這個過程循環(huán)往復地進行。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)過熱交換器時被機械壓力機加壓，然后整個過程再次循環(huán)。
" A! z0 N0 ~& A6 W/ d位于美國印第安納州South Bend 市的Ionic Research Technologies 公司是在風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，希望將這項技術(shù)應用到建筑行業(yè)；與此同時我們還在開發(fā)規(guī)模較小的概念驗證設(shè)備，有望用于汽車行業(yè)�！盜onic Research Technologies公司CEO Doug Morrison 說道。

8 }% @4 ]4 H) G. x, H% |* _! p: U: Y" W  c吸水高分子膜
0 F+ f) J5 o: z: u2 v5 r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。這項技術(shù)由來自佛羅里達州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。在實際應用中，通過真空負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 為一家先進技術(shù)研發(fā)企業(yè)，擁有約20 名員工，2010 年獲得BEETIT 項目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)可以除去通風道空氣中的水分，對空氣溫度幾乎不會產(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。
1 B" u. u% h% S1 F' ?' g5 T“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，沒有細孔，結(jié)構(gòu)達到納米級，可以吸收并傳輸水分。通過對其化學性的控制，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�！�
, ~) P, O: p4 [9 Q  D0 P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，但是針對其他應用目前還處在探索階段。目前該公司的研究重點放在除濕膜零件上，但是還沒有進展到制冷系統(tǒng)開發(fā)階段�！叭ツ�4 月份，我們證實了該材料可以達到ARPA-e 的性能目標，但是我們還處于開發(fā)階段，”Johnson 說道�！斑@個產(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�！�
形狀記憶合金馬里蘭大學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)來說耗能會大大降低，所占用的空間也會減少很多。
形狀記憶合金
* J3 H& E, u8 d2 W即擁有“記憶”效應的合金，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能力，是因為變形過程中材料內(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家開發(fā)出來的。2010 年，ARPA-e 斥資330 萬美元的BEETIT 項目資金，委托馬里蘭州一個研發(fā)小組對熱彈性材料制冷概念展開研發(fā)。該項目負責人、材料科學教授Ichiro Takeuchi 指出，制冷對形狀記憶合金來說是一個全新的應用�！俺�了可以對這種材料施加溫差，你還可以對其施加一定的物理應力，然后釋放，材料就會吸收熱量，這樣就形成了熱力循環(huán)，”他說道�！皬脑�理上看就是，當材料發(fā)生相變時會產(chǎn)生潛伏熱量，你可以捕獲這種熱量，就好像冰變成水一樣�！�
據(jù)了解，這個想法源自于約十年前明尼蘇達州航空工程系教授Richard D. James 提出的無疲勞形狀記憶合金概念。James 經(jīng)計算得出，通過對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 思路的指導下，Takeuchi 率領(lǐng)的小組改變了鎳鈦諾合金的化學成份及加工工藝，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)測試，基本接近固態(tài)制冷系統(tǒng)的耐久性要求。
. D  I7 |& p/ s+ h: C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)水路負責冷卻進入到熱交換器的空氣。馬里蘭大學研究人員已經(jīng)開發(fā)了一個100W 的系統(tǒng)原型并展開測試，并計劃做一個1kW 的裝置，其制冷功率將達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新公司Maryland Energy and Sensor Technologies，專門從事這項技術(shù)的商業(yè)化開發(fā)工作，目標應用也包括汽車空調(diào)領(lǐng)域。但是Takeuchi 也承認，這可能需要很長的一段時間，“即使開發(fā)進展順利，在這項技術(shù)可以真正投入到市場之前也還有很多問題要解決�！�
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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
  I6 Y7 ^$ X+ C7 i$ E7 i3 T3 f再也不怕汽車空調(diào)中毒了。

+ U* R* f3 x4 e# v  I; B同感，科技的優(yōu)勢。