低压制冷系统的制作方法

本公开总体上涉及用于空调系统的冷却器系统，并且更具体地涉及用于从制冷系统去除污染物的净化系统。

诸如利用离心式压缩机的冷却器系统可包括在低于大气压下操作的部分。因此，冷却器系统中的泄漏可能将空气吸入系统，从而污染制冷剂。这种污染降低冷却器系统的性能。为了解决这个问题，现有的低压冷却器包括净化单元以去除污染物。现有的净化单元使用蒸气压缩循环以将不可冷凝的污染气体与制冷剂分离。现有的净化单元是复杂的并且在去除污染物的过程中会失去制冷剂。

技术实现要素：

公开了一种制冷系统，所述制冷系统包括传热流体循环回路，所述传热流体循环回路被配置成允许制冷剂在其中循环；来自传热流体循环回路的净化出口；以及至少一个透气膜，所述透气膜具有与净化出口连通的第一侧。膜包括多孔无机材料，所述多孔无机材料的孔的尺寸允许污染物通过膜穿过并限制制冷剂通过膜穿过。滞留物返回流动路径将膜的第一侧连接到传热流体循环回路。

在一些实施方案中，外壳包括蒸气压缩传热流体循环回路，所述蒸气压缩传热流体循环回路包括通过导管依次连接在一起的压缩机、排热热交换器、膨胀装置和吸热热交换器，并且具有设置在其中的制冷剂。在操作状态下，制冷剂在至少一部分流体循环回路中处于低于大气压的压力下。

在前述实施方案中的任一个或组合中，滞留物返回流动路径包括控制装置。

在前述实施方案中的任一个或组合中，系统被配置成用于连续净化操作。

在前述实施方案中的任一个或组合中，系统还包括原动机，所述原动机被配置成将气体从膜的第二侧移动到通向制冷系统外部的排气口；和控制器，所述控制器被配置成响应于制冷需求信号来操作制冷系统，并且响应于净化信号来操作原动机。

在包括控制装置的前述实施方案中的任一个或组合中，控制器还被配置成响应于净化信号来操作控制装置。

在一些实施方案中，原动机包括与膜的第二侧连通的真空泵。

在前述实施方案中的任一个或组合中，系统还包括在净化出口和膜之间的净化气体收集器。

在前述实施方案中的任一个或组合中，滞留物返回流动路径包括膨胀装置，并且将滞留物返回到流体循环回路到吸热热交换器或到压缩机入口。

在前述实施方案中的任一个或组合中，至少一个透气膜包括在净化出口和排气口之间串联或并联连通的多个透气膜。在一些实施方案中，系统包括滞留物返回流动路径，所述滞留物返回流动路径可操作地将多个膜中的每一个的第一侧联接到流体循环回路。

在前述实施方案中的任一个或组合中，污染物包括氮气、氧气或水。

在前述实施方案中的任一个或组合中，系统还包括压力传感器，所述压力传感器可操作地联接到流体循环回路，并且控制器响应于来自压力传感器的输出生成净化信号。

在前述实施方案中的任一个或组合中，压力传感器可操作地联接到冷凝器或联接到压缩机的出口。

在前述实施方案中的任一个或组合中，系统还包括温度传感器，所述温度传感器可操作地联接到流体循环回路，并且控制器响应于来自温度传感器的输出生成净化信号。

在前述实施方案中的任一个或组合中，温度传感器可操作地联接到冷凝器或蒸发器。

在前述实施方案中的任一个或组合中，系统还包括制冷剂气体检测传感器，所述制冷剂气体检测传感器可操作地联接到膜的第二侧，并且控制器响应于制冷剂气体检测传感器的输出生成净化信号。

在前述实施方案中的任一个或组合中，控制器被配置成至少部分地基于计时器设置来生成净化信号。

在前述实施方案中的任一个或组合中，控制器被配置成响应于净化信号来操作控制装置以通过控制装置提供变化的流速或压降。

在前述实施方案中的任何一个或组合中，控制器被配置成响应于净化信号与变化的控制装置设置相协调来改变原动机压力。在一些实施方案中，控制装置包括控制阀，并且控制器被配置成响应于净化信号在控制阀关闭的情况下交替地操作原动机，并且在控制阀打开的情况下暂停原动机的操作。

在前述实施方案中的任一个或组合中，控制器被配置成响应于净化信号以恒定的压力来操作原动机。

在前述实施方案中的任一个或组合中，控制器被配置成响应于净化信号以变化的压力来操作原动机。

在前述实施方案中的任一个或组合中，净化出口可操作地联接到冷凝器。

还公开了一种操作前述实施方案中的任一个或组合的制冷系统的方法，包括在制冷剂在流体循环回路的至少一部分中处于低于大气压的压力的条件下，响应于冷却需求信号使制冷剂循环通过蒸气压缩传热流体循环回路，并且利用所配置的控制器操作原动机和控制装置。

附图说明

以下描述无论如何都不应被视为限制性的。参考附图，相似元件的编号相同：

图1是蒸气压缩传热制冷剂流体循环回路的示意图；

图2是净化系统和蒸气压缩传热制冷剂流体循环回路的相关部件的示例性实施方案的示意图，其中膜单元滞留物被引导至系统蒸发器；

图3是净化系统和蒸气压缩传热制冷剂流体循环回路的相关部件的另一个示例性实施方案的示意图，其中膜滞留物被引导至冷凝器；

图4是净化系统和蒸气压缩传热制冷剂流体循环回路的相关部件的另一个示例性实施方案的示意图，其中膜单元处于级联配置；并且

图5是净化系统和蒸气压缩传热制冷剂流体循环回路的相关部件的另一个示例性实施方案的示意图，其中冷凝器基于压力控制。

具体实施方式

本文参考附图通过举例而非限制的方式呈现了所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。

参考图1，在图1中以框图的形式示出了呈传热流体循环回路形式的制冷剂外壳。如图1所示，压缩机10对处于其气态的传热流体加压，所述压缩机既加热流体又提供压力以使流体在整个系统中循环。在一些实施方案中，传热流体或制冷剂包含有机化合物。在一些实施方案中，制冷剂包含烃或取代的烃。在一些实施方案中，制冷剂包含卤素取代的烃。在一些实施方案中，制冷剂包含氟取代的或氯氟取代的烃。从压缩机10离开的热的加压气态传热流体通过导管15流到热交换器冷凝器20，所述热交换器冷凝器20用作热交换器以将热量从传热流体传递到周围环境，导致热的气态传热流体冷凝成加压的中等温度的液体。从冷凝器20离开的液体传热流体通过导管25流到膨胀阀30，在所述膨胀阀30处降低压力。离开膨胀阀30的降压液体传热流体通过导管35流到热交换器蒸发器40，所述热交换器蒸发器40用作热交换器以从周围环境吸收热量并使传热流体沸腾。离开蒸发器40的气态传热流体通过导管45流到压缩机10，从而完成传热流体回路。传热系统具有将热量从围绕蒸发器40的环境传递到围绕冷凝器20的环境的效果。传热流体的热力学性质必须允许其在被压缩时达到足够高的温度，使得其大于围绕冷凝器20的环境的温度，从而允许热量传递到周围环境。传热流体的热力学性质还必须在其后膨胀压力下具有沸点，所述沸点允许围绕蒸发器40的温度提供热量以蒸发液体传热流体。

现在参照图2，示出了诸如图1（图1未示出所有部件）的连接到蒸气压缩传热流体循环回路的净化系统的示例性实施方案。如图2所示，净化收集器66从连接到冷凝器20的净化连接件52接收包含制冷剂气体和污染物（例如，氮气、氧气）的净化气体。净化气体从净化收集器66被引导到在膜分离器54中的膜56的第一侧。诸如连接到膜分离器54的真空泵58的原动机提供驱动力以通过膜56传递污染物分子，并且通过出口从膜56的第二侧离开系统。在一些实施方案中，原动机可以在流体回路（例如，制冷剂泵或压缩机）中。滞留物包含制冷剂气体和任选的其他成分，包括但不限于油或其他污染物（例如，氮气，在膜56的第一侧上的气体残余），并且通过绕过冷凝器20的连接件67返回到流体循环回路。控制器50接收系统数据（例如，压力、温度、质量流量）和系统或操作员控制（例如，打开/关闭，收到冷却需求信号），并利用电子控制部件（例如，微处理器）来控制系统部件，诸如各种泵、阀门、开关。

在一些实施方案中，净化连接件52与冷凝器的连接可以在冷凝器结构的高点处进行。在一些实施方案中，净化收集器66可以提供在膜分离器54处促进更高浓度的污染物的技术效果，其可以促进更有效的质量传递和分离。这种效果可以通过净化收集器66中的气体分层而发生，其中较轻的污染物朝向净化收集器66的顶部集中，而较重的制冷剂气体朝向净化收集器66的底部集中。在一些实施方案中，净化收集器66可以是具有体积或横截面开放空间的任何类型的容器或腔室，以在净化系统真空泵58的操作期间提供净化气体的收集并且用于低气体速度以促进分层。分层也可以在净化系统不运行时（包括在制冷系统流体循环回路的操作期间）随时发生，因为净化收集器66利用净化收集器66中的基本上停滞的气体与净化连接52保持流体连通。其他实施方案也可用于在膜分离器54处促进更高浓度的污染物，如下面更详细地讨论。

再次参照图2，连接件67通过控制装置（诸如膨胀阀68）将滞留物气体从膜56的第一侧返回到蒸发器40处的制冷剂流体循环回路，所述膨胀阀68被用于容纳膜56的第一侧（其接近冷凝器20处的压力）与蒸发器40处的压力之间的压差。应注意，控制装置可以控制控制装置上的流量通过或压降中的任一个或两者，并且膨胀阀68被示出为集成控制装置单元，所述集成控制装置单元执行两个功能以便于说明，但是可以是单独的部件，诸如控制阀和膨胀孔。也可以使用其他类型的膨胀装置，包括但不限于毛细管、螺线管、恒温器或电子膨胀装置。在一些实施方案中，在通过膜56去除污染物分子之后，利用旁路制冷剂返回能够提供一种技术效果，所述技术效果通过去除利用制冷剂浓缩的膜56处的气体来促进膜56的第一侧处的更高浓度的污染物，使得制冷剂浓缩气体可以用来自具有更高污染物浓度的净化收集器66的气体取代。在如图3所示的替代实施方案中，连接件67可以将滞留物气体返回到冷凝器20的较冷侧或压缩机10的入口，在这种情况下，由于与旁路返回到蒸发器40的压差相比较低的压差，可能不需要膨胀装置。在这种情况下，连接件67可以利用不提供气体膨胀的控制装置，诸如控制或截流阀69。

膜56包括多孔无机材料。多孔无机材料的示例可以包括陶瓷，诸如金属氧化物或金属硅酸盐，更具体地，铝硅酸盐（例如，菱沸石骨架（cha）沸石、lindea型（lta）沸石）、多孔碳、多孔玻璃、粘土（例如，蒙脱石、埃洛石）。多孔无机材料还可以包括多孔金属，诸如铂和镍。也可以使用混合无机-有机材料，诸如金属有机骨架（mof）。其他材料可以存在于膜中，诸如可以分散多微孔材料的载体，所述载体可以包括在结构或工艺考虑中。

金属有机骨架材料在本领域中是已知的，并且包含与有机配体配位的金属离子或金属离子簇，以形成一维、二维或三维结构。金属有机骨架可以表征为具有含有空隙的有机配体的配位网络。配位网络可以表征为通过重复的配位实体在一维上延伸的配位化合物，但是在两个或更多个单独的链、环或螺环之间具有交联，或通过重复的配位实体在二维或三维上延伸的配位化合物。配位化合物可包括具有在一维、二维或三维上延伸的重复配位实体的配位聚合物。有机配体的示例包括但不限于二齿羧酸盐（例如，草酸、琥珀酸、邻苯二甲酸异构体等）、三齿羧酸盐（例如，柠檬酸、苯均三酸）、唑类（例如1,2,3-三唑），以及其他已知的有机配体。金属有机骨架中可包含多种金属。特定金属有机骨架材料的示例包括但不限于沸石咪唑骨架（zif）、hkust-1。

在一些实施方案中，孔径可以通过孔径分布来表征，其中平均孔径为2.5å至10.0å，并且孔径分布为至少0.1å。在一些实施方案中，多孔材料的平均孔径可以在下端为2.5å至4.0å并且上端为2.6å至10.0å的范围内。在一些实施方案中，平均孔径可以在下端为2.5å、3.0å、3.5å，并且上端为3.5å、5.0å或6.0å的范围内。这些范围端点可以独立地组合以形成多个不同的范围，并且在此公开了范围端点的每个可能组合的所有范围。材料的孔隙率可以在下端为5%、10%或15%，并且上端为85%、90%或95%（体积百分比）的范围内。这些范围端点可以独立地组合以形成多个不同的范围，并且在此公开了范围端点的每个可能组合的所有范围。

上述多微孔材料可以通过水热或溶剂热技术（例如，溶胶凝胶）合成，其中晶体从溶液中缓慢生长。微结构的模板化可以由二级构建单元(sbu)和有机配体提供。也可以使用替代合成技术，诸如物理气相沉积或化学气相沉积，其中沉积金属氧化物前体层，作为主要多微孔材料，或作为通过将前体层暴露在升华配体分子中而形成的mof结构的前体，从而将相变传递给mof晶格。

在一些实施方案中，上述无机或mof膜材料可提供促进污染物（例如，氮气、氧气、水）与可冷凝的制冷剂气体分离的技术效果。其他多微孔材料（诸如多孔聚合物）可以与基质材料发生溶剂相互作用，其可以干扰有效分离。在一些实施方案中，本文描述的材料的能力可以提供促进具有净化的制冷系统的各种示例性实施方案的实现方式的技术效果，如参考下面的示例性实施方案更详细地描述。

膜材料可以是自支撑的，或者所述膜材料可以被支撑，例如，作为多孔支撑件上的层或与基质支撑件材料整合。在一些实施方案中，用于支撑膜的支撑件的厚度可以在50nm至1000nm的范围内，更具体地在100nm至750nm的范围内，甚至更具体地在250nm至500nm的范围内。在管状膜的情况下，纤维直径可以在100nm至2000nm的范围内，并且纤维长度可以在0.2m至2m的范围内。

在一些实施方案中，多微孔材料可以作为粉末中的颗粒沉积在支撑件上，或者使用诸如喷涂、浸涂、溶液浇铸等各种技术分散在液体载体中。分散体可以含有各种添加剂，诸如分散助剂，流变改性剂等。可以使用聚合物添加剂；然而，不需要聚合物粘合剂，尽管可以包括聚合物粘合剂，并且在一些实施方案中包括了诸如包含有机（例如，有机聚合物）基质中的多微孔无机材料（例如，多微孔陶瓷颗粒）的混合基质膜。然而，以足以形成连续聚合物相的量存在的聚合物粘合剂可在膜中提供通道以使较大分子绕过分子筛颗粒。因此，在一些实施方案中，聚合物粘合剂被排除。在其他实施方案中，聚合物粘合剂可以低于形成连续聚合物相所需的量存在，诸如其中膜与可能更具限制性的其他膜串联的实施方案。在一些实施方案中，多微孔材料的颗粒（例如，尺寸为0.01μm至10mm，或在一些实施方案中为0.5μm至10μm的颗粒），可以粉末形式施加或分散在液体载体（例如，有机溶剂或含水液体载体）中并涂覆在支撑件上，然后去除液体。在一些实施方案中，可以通过在支撑件上施加压差来帮助将多微孔材料的固体颗粒从液相成分施加到支撑件表面。例如，可以从支撑件的相对侧施加真空作为包含固体多微孔颗粒的液相成分，以帮助将固体颗粒施加到支撑件的表面。可以干燥涂覆的多微孔材料层以去除残留的溶剂，并任选地加热以将多微孔颗粒熔合在一起形成连续层。可以利用各种膜结构配置，包括但不限于平坦或平面配置、管状配置或螺旋配置。

在一些实施方案中，多微孔材料可以被配置为纳米片，诸如沸石纳米片。沸石纳米片颗粒可以具有在2nm至50nm的范围内的厚度，更具体地在2nm至20nm的范围内，甚至更具体地在2nm至10nm的范围内。纳米片的平均直径可以在50nm至5000nm的范围内，更具体地在100nm至2500nm的范围内，甚至更具体地在100nm至1000nm的范围内。不规则形状的平板状颗粒的平均直径可以通过计算在x-y方向上（即，沿着平板状光滑表面）具有与不规则形状颗粒相同的表面积的圆形平板状颗粒的直径来确定。沸石（诸如沸石纳米片）可以由任何各种沸石结构形成，包括但不限于骨架型mfi、mww、fer、lta、fau，以及前述彼此的混合物或与其他沸石结构的混合物。在更具体的一组示例性实施方案中，沸石（诸如沸石纳米片）可包含选自mfi、mww、fer、lta骨架型的沸石结构。可使用已知技术（诸如沸石晶体结构前体的剥离）制备沸石纳米片。例如，可以通过在溶剂中对层状前体（分别为多层硅沸石-1和itq-1）进行超声处理来制备mfi和mww沸石纳米片。在超声处理之前，沸石层可任选地溶胀，例如用碱和表面活性剂的组合，和/或与聚苯乙烯熔融共混。通常使用用于制备多微孔材料的常规技术（诸如溶胶凝胶法）制备沸石层状前体。

以上实施方案是特定实施方案的示例，并且可以进行其他变化和修改。例如，为了便于说明，在上面讨论的附图中描绘了单个膜。然而，多个膜（或膜分离单元）可以以级联或并联配置使用。图4中示意性地描绘了级联配置的示例性实施方案。如图4所示，膜分离单元54a和54b（具有膜56a和56b）以级联配置设置，其中来自分离单元54a的渗透物被供给到第二分离单元54b的第一侧。来自膜56a和56b的第一侧的滞留物通过连接件67a和67b被引导到蒸发器40处的制冷剂流体循环回路，其中膨胀阀68a和68b被用于容纳膜56的第一侧（其接近冷凝器20处的压力）与蒸发器40处的压力之间的压差。其他系统变化，诸如离心式分离器或与净化室集成的冷却盘管，将渗透物返回膜的滞留物（上游）侧的泵送循环，级联多个膜，加热膜，或替代原动机（诸如热原动机或流体循环回路中的泵或压缩机），在题为《低压制冷系统》的美国专利申请，序列号__/_______，中有更详细的描述，该申请与代理人案卷号为98251us01（u301399us）同日提交，其公开内容以引用的方式整体并入本文。

如上所述，系统包括控制器，诸如控制器50，以用于控制传热制冷剂流动回路和净化系统的操作。如上所述，制冷或冷却器系统控制器可以响应于冷却需求信号操作制冷剂传热流动回路，所述冷却需求信号可以由主控制器在系统外部生成，或者可以由操作人员输入。一些系统可以被配置成连续长时间操作流动回路。控制器还可以被配置成响应于净化信号，还在滞留物返回流动路径中操作控制装置，或者操作原动机，或操作控制装置和原动机两者。净化信号可以根据各种标准生成。在一些实施方案中，净化信号可以响应于由控制器电路跟踪的预定时间量（例如，简单的时间流逝或跟踪的操作小时）的流逝。在一些实施方案中，净化信号可以响应于操作人员的输入。在一些实施方案中，净化信号可以响应于制冷剂流体流动回路的测定参数。例如，如图5所示，在冷凝器20处的压力传感器80（例如，冷凝器排出压力传感器）可以向控制器50提供压力信号，控制器可以基于所述压力信号生成净化信号控制膨胀阀68和/或真空泵58。

可以利用各种控制方案来操作真空泵58（或其他原动机）和膨胀阀68（或其他控制装置）。例如，在一些实施方案中，控制器50可以被配置成操作控制装置以在净化期间提供通过连接件67的变化的流速。在一些实施方案中，控制器50可以被配置成在净化期间以恒定的压力操作真空泵58或其他原动机。在一些实施方案中，控制器50可以被配置成在净化期间以变化的压力操作真空泵58或其他原动机。在一些实施方案中，控制器50可以被配置成在净化期间与控制阀68或其他控制装置的变化的设置相协调而改变真空压力或打开/关闭状态（其中“关闭”包括真空截流阀（未示出））。例如，在一些实施方案中，控制器50可以被配置成在膨胀阀68或其他控制装置关闭的情况下交替地操作真空泵58或其他原动机，并且在膨胀阀68或其他控制装置打开的情况下暂停真空泵58或其他原动机的操作。在一些实施方案中，膨胀阀68或其他控制装置可以保持打开，同时真空泵58或其他原动机循环打开或关闭或具有变化的输出。在一些实施方案中，真空泵58或其他原动机可以连续操作或在恒定的压力下操作，同时膨胀阀68或其他控制装置循环打开和关闭，或者改变控制装置上的流速或压降。

术语“约”，如果使用，旨在包括与基于在提交本申请时可用的设备的特定量的测量相关联的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8%或5%，或2%的范围。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不旨在作为本公开的限制。如本文所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”也旨在包括复数形式。还应理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其群组的存在或添加。

虽然已参照一个或多个示例性实施方案描述了本公开，但本领域技术人员应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可进行各种改变并可用等效物替代本公开的元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适于本公开的教义。因此，本公开无意限于作为预期用于实施本公开的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入权利要求书的范围内的所有实施方案。