测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的装置和方法。该装置包括平衡釜、制冷剂注入系统、循环系统、温度控制系统、密度计以及温度和压力测量系统。与现有技术相比，本发明的测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方法和装置，不仅方法和装置易于实现，更重要的是，本发明通过测量平衡釜内液体的密度和其他常规参数，并采用了不同于现有技术的相关算法，更精准地计算出冷冻机油中的溶解度；另外，采用循环系统将平衡釜内的液体从釜出口再引入釜入口，加速制冷剂和冷冻机油的混合溶解，更快地达到气液相平衡。特别是，本发明的方法和装置可以适用于更广的温度范围和压力范围，基本上完全满足实际使用需求。
【专利说明】
测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于测量装置技术领域，设及一种测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方 法及装置。
【背景技术】
[0002] 出于全球节能和环境友好性的追求，在蒙特利尔会议和京都议定书签订后，人们 加速了淘汰原有HCFCs型制冷剂，开发新型环保型制冷剂的步伐。
[0003] 新制冷剂开发中，除了对新型制冷剂本身的热力学性质的研究，包括饱和蒸汽压、 饱和气体导热系数、饱和液体粘度等参数的研究，W及在整个空调或热累系统中对新制冷 剂效果的改善外，还需要确认制冷剂和配合使用的冷冻机油的混合性能，并根据混合性能 的研究对冷冻机油进行选择评价和改善，其中制冷剂与冷冻机油的溶解性能是混合性能的 一个重要指示指标，并直接影响了制冷剂与冷冻机油混合物粘度。在实际压缩机及空调系 统的运行中，制冷剂和冷冻机油的混合物的溶解性能在压缩机内摩擦磨损、冷却、密封W及 整个空调系统油循环率上都起到重要的作用。
[0004] 但是，由于制冷剂在常溫常压中W气体状态存在，而在空调和压缩机的运行过程 中，在不同的部件位置存在不同的溫度和压力情况，所W制冷剂和冷冻机油的混合物的溶 解性能并不能简单的通过加入比例进行考察，而且需要考察不同的压力、溫度和制冷剂注 入量的溶解度情况，因此开发出一种可W快速获得不同溫度下各种制冷剂在冷冻机油中的 溶解度数据的测量方法和装置尤为重要。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方法及装置，可 W获得各种制冷剂在冷冻机油中的溶解度数据。
[0006] 本发明一方面提供了一种测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的装置，该装置包括： 平衡蓋，其包括用于容置制冷剂和冷冻机油的气液相平衡蓋腔，W及与该蓋腔连通的蓋入 口和蓋出口；制冷剂注入系统，其将制冷剂注入所述蓋腔并测控制冷剂的注入量；循环系 统，其用于将所述蓋腔内的液体从所述蓋出口引出，再引入所述蓋入口；溫度控制系统，用 于控制所述蓋腔和所述循环系统内的溫度；密度计，其用于测量从所述蓋出口引出混合液 体的密度；溫度和压力测量系统，其用于测量所述蓋腔内的溫度和压力；所述制冷剂注入 系统还包括真空累，其用于对整个所述制冷剂注入系统、所述蓋腔和所述循环系统进行抽 真空处理。
[0007] 优选的，所述循环系统包括连通所述蓋出口和蓋入口的循环管道，W及设置在所 述循环管道上的循环累，所述循环累将所述蓋腔内的混合液体从所述蓋出口引出，再引入 所述蓋入口。
[0008] 优选的，所述密度计设置在所述循环管道上。
[0009] 优选的，所述循环累为高压循环累，其设计压力为0~16Mpa，额定流量为4升/分 钟。
[0010] 优选的，所述溫度控制系统采用空气浴的溫度控制方式。
[0011] 优选的，所述制冷剂注入系统包括制冷剂气源，一端连通所述制冷剂气源、另一端 连通所述蓋入口的制冷剂注入管道，W及设置在所述制冷剂注入管道上用于测量制冷剂注 入量的质量流量计。
[0012] 优选的，所述溫度和压力测量系统包括用于测量所述蓋腔内的溫度的溫度传感 器，用于测量所述蓋腔内的气体压力的压力传感器，W及实时记录所述溫度传感器和所述 压力传感器所测量数据的数据记录仪。
[0013] 本发明另一方面提供了一种采用上述装置测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方 法，该方法包括W下步骤：S1、在所述蓋腔中加入已知质量的冷冻机油；S2、采用所述真空 累对所述制冷剂注入系统、所述蓋腔和所述循环系统进行抽真空处理；S3、采用所述制冷剂 注入系统将一定量的制冷剂注入所述蓋腔；S4、采用所述溫度控制系统调控所述蓋腔内溫 度，并保持恒溫；开启所述循环系统将所述蓋腔内的液体从所述蓋出口引出，再引入所述蓋 入口，进行循环；S5、待所述蓋腔内达到气液相平衡，采用所述密度计测量从所述蓋出口引 出液体的密度，通过所述溫度和压力测量系统获得所述蓋腔内的溫度和压力；S6、根据步骤 S5所测得的蓋腔内液体密度、所述蓋腔内的溫度和压力，通过计算获得在该溫度和压力下， 所述制冷剂在所述冷冻机油中的溶解度。
[0014] 优选的，在所述步骤S6中，溶解度的计算过程如下：首先，根据所述步骤S5中所测 得蓋腔内的溫度和压力，获得所述制冷剂的比容积V ;再根据公式（1):
[0015]
[0016] 获得所述步骤S5中蓋腔内达到气液相平衡时的气体体积Vfg;
[0017] 最后根据公式似：
[0018]
[0019] 获得所述步骤S5中蓋腔内达到气液相平衡时制冷剂在冷冻机油中的溶解度S ;其 中，V表示所述蓋腔的总容积；P ^表示所述步骤S5所测得的蓋腔内液体密度；HWi表示加 入到所述蓋腔中的冷冻机油的总质量;Hlf表示注入到所述蓋腔中的制冷剂的总质量。
[0020] 本发明再一方面提供了一种采用上述装置在测量制冷剂在冷冻机油中溶解度方 面的应用，该装置可W用于测量溫度范围为-20~120°C，压力范围为0~6. OMPa的条件下 制冷剂在冷冻机油中溶解度。
[0021] 与现有技术相比，本发明的测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方法和装置，不 仅方法和装置易于实现，更重要的是，本发明采用了不同于现有技术的特别算法，通过测量 平衡蓋内液体的密度和其他常规参数，更精准地计算出冷冻机油中的溶解度；另外，采用循 环系统将平衡蓋内的液体从蓋出口再引入蓋入口，加速制冷剂和冷冻机油的混合溶解，更 快地达到气液相平衡。特别是，本发明的方法和装置可W适用于更广的溫度范围和压力范 围，基本上完全满足实际使用需求。
【附图说明】
[0022] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显。
[0023] 图1为本发明实施例的测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的装置的示意图；
[0024] 图2为本发明实施例的测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法的流程图。
【具体实施方式】
[00巧]W下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些【具体实施方式】 进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于运些实施方式。相反，对本发明 进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[00%]另外，为了更好的说明本发明，在下文的【具体实施方式】中给出了众多的具体细节。 本领域技术人员将理解，没有运些具体细节，本发明同样可W实施。在另外一些实例中，对 于大家熟知的结构和部件未作详细描述，W便于凸显本发明的主旨。
[0027] 如图1所示，本发明实施例的测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的装置100包括：平 衡蓋10、真空累20、制冷剂注入系统30、溫度控制系统40、循环系统50、密度计60、溫度和 压力测量系统70。
[0028] 平衡蓋10包括气液相平衡蓋腔11、W及与该蓋腔11连通的蓋入口 12和蓋出口 13。在本实施例中，平衡蓋10可W采用高压平衡蓋。
[0029] 真空累20用于对蓋腔11、制冷剂注入系统30和循环系统50进行抽真空处理。真 空累20可W对所有与蓋入口 12连通的管腔进行抽真空处理。
[0030] 制冷剂注入系统30将制冷剂注入蓋腔11并测控制冷剂的注入量。在本实施例中， 制冷剂注入系统30包括制冷剂气源31，一端连通制冷剂气源31、另一端连通蓋入口 12的 制冷剂注入管道32, W及设置在制冷剂注入管道32上用于测量制冷剂的注入量的质量流 量计33。具体来说，质量流量计33包括测量质量流量的部分，W及PLC和电磁阀，=者联动 从而对制冷剂注入流量进行采集和控制，可W采用现有技术中已有的质量流量计。
[0031] 溫度控制系统40用于控制蓋腔11内的溫度。在本实施例中，溫度控制系统40采 用空气浴的溫度控制方式，其可W包括高低溫交变箱等。采用空气浴的溫度控制方式，便于 在其底部安装其他传感器，W及观察平衡蓋10蓋腔11内的液面和循环系统50。
[0032] 循环系统50用于将蓋腔11内的液体从蓋出口 13引出，再返回到蓋入口 12,进行 循环。采用循环系统50,将蓋腔11底部的液体引出，再从蓋入口 12返回蓋腔11，可W加速 制冷剂气体与冷冻机油的混合，加快蓋腔11内达到气液相平衡的速度。
[0033] 在本实施例中，循环系统50包括连通蓋出口 13和蓋入口 12的循环管道51，W及 设置在循环管道51上的循环累52,循环累52将蓋腔11内的液体从蓋出口 13累出，再累入 蓋入口 12。在本实施例中，循环累52为高压循环累，其设计压力为0~16Mpa，额定流量为 4升/分钟。
[0034] 密度计60用于测量从蓋出口 13引出液体的密度。在本实施例中，密度计60设置 在循环管道51上，且位于循环累52与蓋入口 12之间。
[0035] 在一个变形实施例中，循环系统中不安装密度计，而是再安装另一管路从蓋腔11 内引出少量液体，并在该管路上安装密度计测量引出液体的密度。
[0036] 在现有技术中，如果待达到气液相平衡后，打开平衡蓋10,再测量蓋腔11内液体 的密度，运样的测量方式破坏了蓋腔11内的平衡，制冷剂大量逸出，无法获得准确的混合 溶液密度数据。或者，如上述变形实施例，安装另一管路从蓋腔11内引出少量液体进行测 量，但运也会对蓋腔11内的气液相平衡稍微产生一些影响，可能需要等待二次平衡。又或 者避开溶液密度测量，在高压平衡蓋上安装视镜，通过目视参观液面位置推算溶液体积，但 目视误差较大，加上液面存在扰动，使得测量的数据不够准确。
[0037] 而在本实施例的装置中，蓋腔11内的液体在不断循环的过程中最终达到气液相 平衡，而将密度计60设置在循环管道51上，结合循环过程和在线的密度计监测，就能直接 测得平衡时蓋腔11内液体的密度，不需要破坏蓋腔11内的平衡，测得的密度数据更精准。 因此，本实施例的装置，采用简单的结构既快速实现了制冷剂气体与冷冻机油的混合，又准 确地测量了蓋腔11内液体的密度。
[003引溫度和压力测量系统70用于测量蓋腔11内的溫度和压力。在本实施例中，溫度 和压力测量系统70包括用于测量蓋腔11内的溫度的溫度传感器71，用于测量蓋腔11内的 压力的压力传感器72, W及实时记录（并且报告操作者）溫度传感器71和压力传感器72 的测量数据的数据记录仪73。
[0039] 采用本实施例的装置来测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法，包括W下步骤： W40] S1、在蓋腔11中加入已知质量的冷冻机油。
[0041] S2、采用真空累20对蓋腔11、制冷剂注入系统30和循环系统50进行抽真空处理。 在本实施例中，通过调节管道阀口，真空累20可W对整个制冷剂注入管道32和整个循环管 道51进行抽真空。
[0042] S3、采用制冷剂注入系统30将一定量的制冷剂注入蓋腔11。
[0043] S4、采用溫度控制系统40调控蓋腔11内溫度，并保持恒溫；开启循环系统50将蓋 腔11内的液体从蓋出口 13引出，再从蓋入口 12返回蓋腔11。在本实施例中，循环系统50 中，液体流速为0. 2~20L/min。 W44] S5、待蓋腔11内达到气液相平衡，采用密度计60测量从蓋出口 12引出液体的密 度，通过溫度和压力测量系统70获得蓋腔11内的溫度和压力。
[0045] S6、根据S5所测得的蓋腔11内液体密度、蓋腔11内的溫度和压力，通过计算获得 在该溫度和压力下，制冷剂在冷冻机油中的溶解度。
[0046] 下面详述采用本实施例的装置来测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法。
[0047] 在测量正式开始之前，先向干净的平衡蓋10的蓋腔11内通入一定气体，测量蓋腔 11内的总容积V。测量开始后，在平衡蓋10的蓋腔11内加入一定量的冷冻机油（利用天平 称量实际质量）。通过真空累20对蓋腔11、整个制冷剂注入管道32 W及整个循环管道51 进行抽真空进行抽真空处理，并检测整个装置的密封效果。打开制冷剂气源31 (例如装有 制冷剂的高压气罐）的阀n，制冷剂气体经制冷剂注入管道32,从蓋入口 12注入蓋腔11， 同时，制冷剂注入管道32上的质量流量计33测量制冷剂的注入量。
[0048] 注入完毕后，通过溫度控制系统40设定平衡蓋10的环境溫度，并保持恒溫。开启 循环累52,将蓋腔11内的液体从蓋出口 13累出，再累入蓋入口 12,蓋腔11内液体循环流 动，加快热平衡速度。
[0049] 经过一段时间后，蓋腔11内达到气液相平衡，此时，通过溫度传感器71和压力传 感器72所测量的蓋腔11内的溫度和压力的实时数据基本保持稳定；记录此时的溫度和压 力数据，W及密度计60所测量的循环管道51中液体的密度（即蓋腔11内液体的密度）。
[0050] 在气液相平衡的状态，一部分制冷剂溶入冷冻机油中形成液态混合物，一部分制 冷剂W气态的形式存在于蓋腔11内、液态混合物的上方；因此，通过测得液态混合物的质 量，再减去冷冻机油的质量，即为溶解在冷冻机油中制冷剂的质量，从而就能计算出制冷剂 在冷冻机油中的溶解度。
[0051] 液态混合物的整体质量可W通过液体密度和液体体积加 W计算获得，但简单的对 液面的观察虽然可W提供溶液体积信息，但误差较大，所W需要结合平衡状态下制冷剂气 体特性和溶液密度加 W计算。
[0052] 首先，根据气液相平衡时，所测得的蓋腔11内的溫度和压力数据，获得该特定制 冷剂的比容V。
[0053] 例如，根据特定制冷剂的压力一热洽关系曲线图，从溫度和压力条件可W推算出 容器内制冷剂的气体比容积v(mVkg)，即单位质量的气体的体积。关于运一点，是本领域技 术人员所熟知的。
[0054] 然后，根据公式（1): 阳化引
[0056] 获得所述步骤S5中蓋腔内达到气液相平衡时的气体体积Vfg;
[0057] 最后根据公式似：
[0058]
[0059] 获得所述步骤S5中蓋腔内达到气液相平衡时制冷剂在冷冻机油中的溶解度S ;
[0060] 其中，V表示所述蓋腔的总容积；P 表示所述步骤S5所测得的蓋腔内液体密度； HWi表示加入到所述蓋腔中的冷冻机油的总质量；m f表示注入到所述蓋腔中的制冷剂的总 质量。
[0061] 本实施例的装置和方法可W用于测量溫度范围为-20~120°C，压力范围为0~ 6. OMPa的条件下制冷剂在冷冻机油中溶解度。考虑到空调系统及其压缩机正常运行过程 中，压缩机油池溫度和排气溫度一般在60~110°C范围内，系统和压缩机压力在使用除C〇2 外的各制冷剂时，一般在0~5. OMP范围内，该装置的测量范围基本上可W完全满足实际使 用需求。
[0062] 综上可知，本发明的测量制冷剂在冷冻机油中的溶解度的方法和装置，不仅方法 和装置易于实现，更重要的是，本发明采用了不同于现有技术的特别算法，通过测量平衡蓋 内液体的密度和其他常规参数，更精准地计算出冷冻机油中的溶解度；另外，采用循环系统 将平衡蓋内的液体从蓋出口再引入蓋入口，加速制冷剂和冷冻机油的混合溶解，更快地达 到气液相平衡。特别是，本发明的方法和装置可W适用于更广的溫度范围和压力范围，基本 上完全满足实际使用需求。
【主权项】
1. 一种测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的装置，其特征在于，该装置包括： 平衡蓋，其包括用于容置制冷剂和冷冻机油的气液相平衡蓋腔，W及与该蓋腔连通的 蓋入口和蓋出口； 制冷剂注入系统，其将制冷剂注入所述蓋腔并测控制冷剂的注入量； 循环系统，其用于将所述蓋腔内的液体从所述蓋出口引出，再引入所述蓋入口； 溫度控制系统，用于控制所述蓋腔和所述循环系统内的溫度； 密度计，其用于测量从所述蓋出口引出混合液体的密度； 溫度和压力测量系统，其用于测量所述蓋腔内的溫度和压力； 所述制冷剂注入系统还包括真空累，其用于对整个所述制冷剂注入系统、所述蓋腔和 所述循环系统进行抽真空处理。2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述循环系统包括连通所述蓋出口和蓋入 口的循环管道，W及设置在所述循环管道上的循环累，所述循环累将所述蓋腔内的混合液 体从所述蓋出口引出，再引入所述蓋入口。3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述密度计设置在所述循环管道上。4. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述循环累为高压循环累，其设计压力为 O~16Mpa，额定流量为4升/分钟。5. 如权利要求1至4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述溫度控制系统采用空气 浴的溫度控制方式。6. 如权利要求1至4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述制冷剂注入系统包括制 冷剂气源，一端连通所述制冷剂气源、另一端连通所述蓋入口的制冷剂注入管道，W及设置 在所述制冷剂注入管道上用于测量制冷剂注入量的质量流量计。7. 如权利要求1至4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述溫度和压力测量系统包 括用于测量所述蓋腔内的溫度的溫度传感器，用于测量所述蓋腔内的气体压力的压力传感 器，W及实时记录所述溫度传感器和所述压力传感器所测量数据的数据记录仪。8. -种采用如权利要求1所述装置来测量制冷剂在冷冻机油中溶解度的方法，其特征 在于，该方法包括W下步骤： 51、 在所述蓋腔中加入已知质量的冷冻机油； 52、 采用所述真空累对所述制冷剂注入系统、所述蓋腔和所述循环系统进行抽真空处 理； 53、 采用所述制冷剂注入系统将一定量的制冷剂注入所述蓋腔； 54、 采用所述溫度控制系统调控所述蓋腔内溫度，并保持恒溫；开启所述循环系统将所 述蓋腔内的液体从所述蓋出口引出，再引入所述蓋入口，进行循环； 55、 待所述蓋腔内达到气液相平衡，采用所述密度计测量从所述蓋出口引出液体的密 度，通过所述溫度和压力测量系统获得所述蓋腔内的溫度和压力； 56、 根据步骤S5所测得的蓋腔内液体密度、所述蓋腔内的溫度和压力，通过计算获得 在该溫度和压力下，所述制冷剂在所述冷冻机油中的溶解度。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于：在所述步骤S6中，溶解度的计算过程如下： 首先，根据所述步骤S5中所测得蓋腔内的溫度和压力，获得所述制冷剂的比容积V ; 再根据公式（1):获得所述步骤S5中蓋腔内达到气液相平衡时的气体体积Vfg; 最后根据公式（2):获得所述步骤S5中蓋腔内达到气液相平衡时制冷剂在冷冻机油中的溶解度S ; 其中，V表示所述蓋腔的总容积；P混表示所述步骤S5所测得的蓋腔内液体密度； 表示加入到所述蓋腔中的冷冻机油的总质量；m,表示注入到所述蓋腔中的制冷剂的总质 量。10. -种采用如权利要求1所述装置在测量制冷剂在冷冻机油中溶解度方面的应用， 其特征在于：该装置可W用于测量溫度范围为-20~120°C，压力范围为0~6. OMPa的条 件下制冷剂在冷冻机油中溶解度。
【文档编号】G01N9/36GK105987860SQ201510059371
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月5日
【发明人】孔蕊弘, 詹冲
【申请人】上海日立电器有限公司