采用CO2作為冷媒的壓縮制冷專利技術綜述

秦赟 孫萬敏

摘要：隨著國內外對節能環保意識的提高，以自然工質CO2代替傳統制冷劑作為冷媒的制冷壓縮循環具有諸多優點。本文通過研究以CO2作為冷媒的壓縮制冷專利技術的發展、全球分布以及重要申請人，有助于CO2壓縮制冷技術的推廣應用以及技術的改進。

關鍵詞：CO2；壓縮制冷循環；專利

中圖分類號：TB65 文獻標識碼：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，隨著制冷和空調在人們生活中的應用越來越廣泛，傳統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問題也越來越嚴重，實現CFCs（氯氟碳化物）替代成為全世界共同關注的問題。尋找既能保護環境又能符合可持續發展原則的新型制冷劑成為整個制冷行業的新課題。20世紀80年代初自然工質重新被重視利用[1]，包括CO2、NH3、H2O、碳氫化合物和空氣。其中CO2無毒不可燃、資源豐富成本低，其臭氧破壞潛能指標ODP為零，溫室效應潛能GWP為1，是對大氣環境非常友好的一種制冷工質。國內外已有研究表明，利用CO2在蒸發潛熱、比熱、動力黏度等物性上的優勢，采用合適的制冷循環和制冷裝置，CO2在熱力特性等方面上與傳統制冷劑相比具有更為優越的性能。此外，CO2與潤滑油不發生反應，對裝置的腐蝕作用也較小。因此，CO2作為冷媒在制冷空調、熱泵熱水器等各個方面得到廣泛的研究和應用[2]。

本文以采用CO2作為冷媒的制冷循環及設備的專利申請作為研究對象，重點分析全球及中國范圍內關于CO2制冷劑技術的申請量、技術來源、技術發展狀況等信息。

2 采用CO2作為冷媒的壓縮式制冷循環

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制冷應用的主要方式，由于CO2的臨界溫度接近環境溫度，根據循環的外部條件可以實現以下3種循環。（1）亞臨界制冷循環，壓縮機的吸排氣壓力都低于臨界壓力，蒸發溫度、冷凝溫度也低于臨界溫度，循環的吸熱、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，壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力，工質的高壓側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，然后進入氣體冷卻器中被冷卻介質所冷卻，離開氣體冷卻器后的低溫高壓氣體通過節流閥節流降壓降溫，部分氣體液化，亞臨界狀態的濕蒸氣進入蒸發器中氣化，依次完成整個跨臨界循環。（3）超臨界循環，所有的循環過程都在臨界壓力以上完成，工質循環過程沒有相變，實際上是氣體循環。完全的超臨界循環，只在原子能發電時采用，制冷空調應用中不采用該循環方式。

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

3 專利技術的發展狀況

3.1 專利技術發展演進

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

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

3.2 全球申請量年度分布分析

在全球范圍內，CO2制冷技術的專利申請量總體呈上升趨勢。自20世紀末至21世紀初，CO2作為冷媒被廣泛地應用于制冷空調系統中。挪威Sinvent公司的G. Lorentzen等人于1989年設計了跨臨界CO2循環系統，在這個系統中通過節流閥控制高壓側壓力，這在CO2的研究與推廣應用上起到了很好的帶頭作用，自此CO2制冷裝置的研究與應用在全球范圍內的受重視程度再次燃起。從1990年開始，全球范圍內的申請量開始逐步上升，即1990—1995年為CO2制冷技術專利申請量的平緩增長期；1995年以后，隨著中國范圍內CO2制冷技術的專利申請的大量出現，全球范圍內的專利申請量有了明顯的增加，即1995—2005年，中國范圍內和全球范圍內的申請量呈快速增長態勢，屬于該領域的發展壯大階段；2005—2012年，這個階段的全球申請量有所下降，中國范圍內的申請量較為平穩，這是因為技術的創新難度較大；2012年以后由于多部件、多能源的結合使用使該領域的相關技術有所突破以及人們對環境對節能的重視程度提高，中國范圍內的申請量再次出現快速增長，全球范圍內的申請量也有所回升。從上述分析可知，中國在該領域的專利申請雖然起步較晚，但后期隨著中國市場經濟的蓬勃發展、國內外各大企業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勢，中國市場越來越被眾多企業、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，CO2跨臨界狀態所表現出的優良特性以及CO2對環境的友好性都得到了人們的一致認可。技術的創新、節能環保意識的增強、全球范圍內產業結構的調整、各個企業對知識產權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勢的走向。

4 結語

本文對采用CO2作為冷媒的壓縮制冷技術進行了分析、統計和整理，重點關注了本領域的技術發展走向、全球專利申請情況等信息。超臨界CO2流體具有很好的流動、傳熱特性以及環境友好性，在跨臨界循環中具有較高的循環效率和應用價值，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：機械工業出版社，2008：30-31.

[2]吳業正.制冷原理及設備[M].西安：西安交通大學出版社，2010：52-53.