金属氢化物制冷系统及其控制方法与流程

本发明涉及制冷设备，特别是涉及金属氢化物制冷系统及其控制方法。

背景技术：

在一定温度和压力下，一些合金和金属化合物可与氢气进行可逆反应生成金属氢化物。储氢合金和氢气之间的反应特点为吸氢时放热，吸热是放出氢气，无论吸氢反应还是放氢反应，均与系统的温度、压力及合金成分相关。金属氢化物与氢气之间进行反应的热效应可以通过调节压力来控制反应进行的方向，实现热能的转换。

上述反应特性使得金属氢化物在能量转换与利用领域得到广泛的应用，现有技术中出现了一些金属氢化物制冷系统，这些系统作为一种新颖的热量转换系统，具有环保安全静音的优点，但是也存在着一些问题，影响了这类制冷系统的推广使用，金属氢化物需要交替吸氢和放氢，导致仅能间隙制冷，热量利用效率较低。

技术实现要素：

本发明的一个目的是要提供一种实现持续制冷的金属氢化物制冷系统。

本发明一个进一步的目的是要提高金属氢化物制冷系统的热效率。

本发明另一个进一步的目的是要简化金属氢化物制冷系统的控制过程。

特别地，本发明提供了一种金属氢化物制冷系统，其包括：第一反应器，内部填充有金属氢化物，以利用金属氢化物的吸氢和脱氢反应进行放热或吸热；第二反应器，内部也填充有金属氢化物，以利用金属氢化物的吸氢和脱氢反应进行放热或吸热；电化学压缩装置，设置于第一反应器以及第二反应器之间，配置成根据第一反应器和/或第二反应器的运行状态，调整第一反应器和第二反应器内的氢气流向和压力，以使得第一反应器和第二反应器分别交替进行放热和吸热；载冷剂循环装置，具有载冷剂管路和至少一个换热器，其中载冷剂管路分别连通第一反应器、第二反应器以及换热器，以利用其中的载冷剂将第一反应器和/或第二反应器的热量传输至换热器。

可选地，上述金属氢化物制冷系统还包括：可调电源，配置成受控地向电化学压缩装置提供直流电，直流电的极性和电压均根据第一反应器和/或第二反应器的运行状态确定。

可选地，换热器包括第一换热器和第二换热器，并且载冷剂循环装置还包括：载冷剂切换组件，与载冷剂管路连接，并配置成使第一换热器保持与进行放热的第一反应器或第二反应器连通，并使第二换热器保持与进行吸热的第一反应器或第二反应器连通。

可选地，载冷剂切换组件包括：第一四通阀，其两个入液端分别连接至第一换热器和第二换热器的载冷剂出口，其两个出液端分别连接至第一反应器和第二反应器的载冷剂入口，以使第一四通阀切换第一换热器和第二换热器的载冷剂流出方向；以及第二四通阀，其两个入液端分别连接至第一反应器和第二反应器的载冷剂出口，其两个出液端分别连接至第一换热器和第二换热器的载冷剂入口，以使第二四通阀切换第一换热器和第二换热器的载冷剂流入方向。

可选地，上述金属氢化物制冷系统还包括：第一泵，配置成为流经第一换热器的载冷剂提供动力；以及第二泵，配置成为流经第二换热器的载冷剂提供动力。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种金属氢化物制冷系统的控制方法。其中金属氢化物制冷系统包括：利用金属氢化物的吸氢和脱氢反应进行放热或吸热的第一反应器、利用金属氢化物的吸氢和脱氢反应进行放热或吸热的第二反应器、设置于第一反应器以及第二反应器之间的电化学压缩装置、具有载冷剂管路和至少一个换热器的载冷剂循环装置，并且控制方法包括：检测第一反应器和/或第二反应器的运行状态；根据运行状态驱动电化学压缩装置，调整第一反应器和第二反应器内的氢气流向和压力，以使得第一反应器和第二反应器分别交替进行放热和吸热；以及切换载冷剂管路连通第一反应器、第二反应器以及换热器的状态，利用载冷剂循环装置中的载冷剂将第一反应器和/或第二反应器的热量传输至换热器。

可选地，金属氢化物制冷系统还包括向电化学压缩装置提供直流电的可调电源，并且根据运行状态驱动电化学压缩装置的步骤包括：根据第一反应器和/或第二反应器的运行状态确定直流电的极性和电压，以调整电化学压缩装置传输氢气的方向和压力。

可选地，换热器包括第一换热器和第二换热器，载冷剂循环装置还包括载冷剂切换组件，并且切换载冷剂管路连通第一反应器、第二反应器以及换热器的状态的步骤包括：驱使载冷剂切换组件改变第一换热器和第二换热器的载冷剂流向，以使第一换热器保持与进行放热的第一反应器或第二反应器连通，并使第二换热器保持与进行吸热的第一反应器或第二反应器连通。

可选地，金属氢化物制冷系统还包括为流经第一换热器的载冷剂提供动力的第一泵和为流经第二换热器的载冷剂提供动力的第二泵，并且方法还包括：根据运行状态调节第一泵和第二泵的流速。

可选地，检测第一反应器和/或第二反应器的运行状态的步骤包括：检测第一反应器和第二反应器中进行吸氢反应的一个的内部反应压力，并将内部反应压力与预设的第一反应压力阈值和第二反应压力阈值分别比较，其中第一反应压力阈值大于第二反应压力阈值；根据第一反应器和/或第二反应器的运行状态确定直流电的极性和电压的步骤包括：在内部反应压力大于或者等于第一反应压力阈值的情况下，若直流电的电压大于或等于预设的电压最小阈值，则调低直流电的电压，若直流电的电压小于电压最小阈值，则维持当前电压值，在内部反应压力小于第二反应压力阈值的情况下，若直流电的电压小于预设的电压最大阈值，则调高当前电压值；若直流电的电压大于或等于电压最大阈值且内部反应压力小于第二反应压力阈值的时间超过预设时间，则切换直流电的电压极性方向；驱使载冷剂切换组件改变第一换热器和第二换热器的载冷剂流向的步骤包括：在切换直流电的电压极性方向后，切换第一换热器和第二换热器的载冷剂流向；以及根据运行状态调节第一泵和第二泵的流速的步骤包括：在内部反应压力大于或等于第二反应压力阈值并且小于第一反应压力阈值的情况下，使第一泵和第二泵的流速随着内部反应压力的大小改变而相应变化。

本发明的金属氢化物制冷系统，设置两台反应器和电化学压缩装置，利用该电化学压缩装置，可以调整两台反应器的氢气流向和压力，使两台反应器一台进行吸氢反应，另一台进行脱氢反应，交替进行放热和吸热，并且通过载冷剂循环装置与反应器进行换热，实现了持续制冷，充分利用反应器的热能转换能力。

进一步地，本发明的金属氢化物制冷系统，可以通过可调电源使电化学压缩装置受控地对反应器进行调节，根据反应器的运行状态进行实时调节，控制灵活。

进一步地，本发明的金属氢化物制冷系统，设置第一换热器、第二换热器，利用载冷剂切换组件，切换第一换热器、第二换热器与第一反应器或第二反应器的连接关系，使得第一换热器始终释放热量、第二换热器始终进行制冷，从而充分利用反应器的工作效率。

另外，本发明还提供了针对上述金属氢化物制冷系统的控制方法，通过检测反应器的运行情况，对金属氢化物制冷系统自动进行控制，保证其运行的可靠性。

本发明的金属氢化物制冷系统可以应用于多种场合，例如建筑物或者交通工具的空调器、冰箱冷柜等冷藏冷冻设备、采暖设备等。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的金属氢化物制冷系统的示意性结构图；

图2是根据本发明另一实施例的金属氢化物制冷系统的示意性结构图；

图3示出了图2所示的金属氢化物制冷系统的另一工作状态；

图4是根据本发明一个实施例的金属氢化物制冷系统的控制方法的示意图；以及

图5是根据本发明一个实施例的金属氢化物制冷系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的金属氢化物制冷系统10的示意性结构图。该金属氢化物制冷系统10一般性的可以包括：第一反应器210、第二反应器220、电化学压缩装置230、载冷剂循环装置100。

第一反应器210和第二反应器220的内部分别填充有金属氢化物，以利用金属氢化物的吸氢和脱氢反应进行放热或吸热。在本实施例中，第一反应器210和第二反应器220可以使用相同的反应器，其内填充的金属氢化物可以选择根据使用场合的制冷要求选择，例如稀土系储氢合金、钛系储氢合金、镁系储氢合金等，在选择时可以参考金属氢化物的反应热焓、吸氢量、抗中毒性能、工作寿命等。第一反应器210和第二反应器220的工作原理为：由滤网分隔出氢气流道，氢气通过滤网和金属氢化物发生热质传递，产生的热量由外部的载冷剂带走。第一反应器210和第二反应器220可以采用但不限于下列反应器：圆筒式反应器、翅片管反应器、列管式热反应器、毛细管式反应器。

电化学压缩装置(或称为电化学氢泵)230，设置于第一反应器210以及第二反应器220之间，配置成根据第一反应器210和/或第二反应器220的运行状态，调整第一反应器210和第二反应器220内的氢气流向和压力。电化学压缩装置230通过内部电场实现氢气定向传输，也就是将氢气从进行脱氢反应的反应器供向进行吸氢反应的反应器，达到调节两侧氢气压力和浓度的目的。

电化学压缩装置(或称为电化学氢泵)230的工作原理为：当含有氢气的气流进入电化学压缩装置的阳极室后，氢气分子会经过气体扩散层到达催化层，在反应气体、催化剂和电解质膜的三相界面上发生氧化反应，使氢气分析氧化为质子和电子，随后质子在外加电压的作用下通过电解质膜往阴极传递，电子通过催化层和多孔扩散层以及导电的双极板传导到外电路。电化学压缩装置230的阴阳极反应效果为：氢分子从氢气含量较低的阳极气体被抽到阴极，成为含氢量较高的阴极气体。电化学压缩装置230阴极输出的氢气纯度高，而且在无需机械压缩机的情况下即可实现高压输出。从而电化学压缩装置230连接正极电压的一侧(即阳极)连接的反应器进行脱氢反应，而电化学压缩装置230连接负极电压的一侧(即阴极)连接的反应器进行吸氢反应。因此，通过调节电化学压缩装置230的供电极性可以改变氢气的输出方向，通过调节电化学压缩装置230的直流电电压值可以调节两侧压力差，并且直流电电流值也会影响输氢速度。

载冷剂循环装置100具有载冷剂管路120和至少一个换热器110，其中载冷剂管路120分别连通第一反应器210、第二反应器220以及换热器110，以利用其中的载冷剂将第一反应器210和/或第二反应器220的热量传输至换热器110，由换热器110与周围环境功能换热，也即载冷剂使第一反应器210与换热器110以及第二反应器220与换热器110分别进行热交换。从而载冷剂循环装置100可以使载冷剂可以将反应器产生的热量携载至换热器110处，与换热器110的周围环境进行热交换，实现制冷或加热的目的。

本实施例的金属氢化物制冷系统10还可以设置有可调电源240，用于向电化学压缩装置230供电，该可调电源240配置成受控地向电化学压缩装置230提供直流电，直流电的极性和电压均根据第一反应器210和/或第二反应器220的运行状态确定。随着可调电源240的电压增加，电化学压缩装置230提供氢气的压力相应增加，在可调电源240的电压极性转换后，电化学压缩装置230传输氢气的方向相应变化，例如在第一反应器210脱氢的氢气供向第二反应器220进行吸氢反应的过程中，如若电化学压缩装置230的输入电压极性转换，氢气流向变更为从第二反应器220供向第一反应器210，从而使得第二反应器220进行脱氢反应，而第一反应器210进行吸氢反应。通过使第一反应器210和第二反应器220交替工作，可以保证金属氢化物制冷系统10的持续工作。

图2是根据本发明另一实施例的金属氢化物制冷系统10的示意性结构图。在该实施例中，金属氢化物制冷系统10使用了第一换热器111和第二换热器112两个换热器，并且还设置有载冷剂切换组件。

载冷剂切换组件与载冷剂管路120连接，可以配置成使第一换热器111保持与进行放热的第一反应器210或第二反应器220连通，并使第二换热器112保持与进行吸热的第一反应器210或第二反应器220连通。

载冷剂切换组件可以通过两个四通阀来实现其功能。其中第一四通阀131的两个入液端分别连接至第一换热器111和第二换热器112的载冷剂出口，第一四通阀131的两个出液端分别连接至第一反应器210和第二反应器220的载冷剂入口，以使第一四通阀131切换第一换热器111和第二换热器112的载冷剂流出方向。第二四通阀132的两个入液端分别连接至第一反应器210和第二反应器220的载冷剂出口，第二四通阀132的两个出液端分别连接至第一换热器111和第二换热器112的载冷剂入口，以使第二四通阀132切换第一换热器111和第二换热器112的载冷剂流入方向。以上使用两个四通阀仅为载冷剂切换组件的一种可选实现方式，在一些其他实施例中，可以通过其他的管路与阀门的结构实现载冷剂方向的切换。

本实施例的金属氢化物制冷系统10还可以设置有为流经第一换热器111的载冷剂提供动力的第一泵141以及为流经第二换热器112的载冷剂提供动力第二泵142。第一泵141和第二泵142的泵送流速可以受控进行调节。在一些可选实施例中，第一泵141和第二泵142可以分别设置于第一换热器111和第二换热器112出口端的载冷剂管路120中。

图2还示出了载冷剂循环装置100中载冷剂的流向，其中实线箭头和虚线箭头分别为流经第一换热器111的载冷剂的方向和流经第二换热器112的载冷剂的方向。其中第一四通阀131将第一换热器111流出的载冷剂导通至第一反应器210，进过换热后，第二四通阀132将载冷剂导回第一换热器111，实现了一组载冷剂循环。第一四通阀131将第二换热器112流出的载冷剂导通至第一反应器210，进过换热后，第二四通阀132将载冷剂导回第一换热器111，实现了一组载冷剂循环。第一四通阀131将第二换热器112流出的载冷剂导通至第二反应器220，进过换热后，第二四通阀132将载冷剂导回第二换热器112，实现了另一组载冷剂循环。

在该过程中，第一反应器210可以进行吸氢反应，以释放放热，第二反应器220可以进行脱氢反应，以吸收热量。第一换热器111将第一反应器210的热量传递至其周围环境，第二换热器112将第二反应器220的冷量传递至其周围环境。

图3示出了图2所示的金属氢化物制冷系统10的另一工作状态，该图中，实线箭头和虚线箭头仍然分别表示流经第一换热器111的载冷剂的方向和流经第二换热器112的载冷剂的方向。第一四通阀131将第一换热器111流出的载冷剂导通至第二反应器220，进过换热后，第二四通阀132将载冷剂导回第一换热器111，实现了一组载冷剂循环。第二四通阀132将第二换热器112流出的载冷剂导通至第一反应器210，进过换热后，第二四通阀132将载冷剂导回第二换热器112，实现了另一组载冷剂循环。

在该过程中，第一反应器210可以进行脱氢反应，以吸收热量，第二反应器220可以进行吸氢反应，以释放放热。第一换热器111将第二反应器220的热量传递至其周围环境，第二换热器112将第一反应器210的冷量传递至其周围环境。

通过以上结构，可以使第一换热器111保持与进行放热的反应器连通，始终进行向外释放热量，并使第二换热器112保持与进行吸热的反应器连通，始终进行对其所在环境降温。

本实施例的金属氢化物制冷系统10，可以灵活运用于空调系统、冷藏冷冻设备、采暖设备中，实现持续供应热量和冷量。

本实施例还提供了一种金属氢化物制冷系统10的控制方法。该控制方法可以对上述任一种实施例的金属氢化物制冷系统10进行控制，以保证金属氢化物制冷系统10稳定可靠运行。图4是根据本发明一个实施例的金属氢化物制冷系统10的控制方法的示意图，该金属氢化物制冷系统10的控制方法一般性地可以包括：

步骤s402，检测第一反应器210和/或第二反应器220的运行状态；

步骤s404，根据运行状态驱动电化学压缩装置230，调整第一反应器210和第二反应器220内的氢气流向和压力，以使得第一反应器210和第二反应器220分别交替进行放热和吸热；

步骤s406，切换载冷剂管路120连通第一反应器210、第二反应器220以及换热器110的状态，利用载冷剂循环装置100中的载冷剂将第一反应器210和/或所述第二反应器220的热量传输至换热器110，从而使第一反应器210与换热器110以及第二反应器220与换热器110分别进行热交换。

上述运行状态可以包括第一反应器210和第二反应器220的内部压力、温度、氢气流向等参数。步骤s404可以通过对可调电源240进行调整来实现，具体地，步骤s404可以包括：根据第一反应器210和/或第二反应器220的运行状态确定直流电的极性和电压，以调整电化学压缩装置230传输氢气的方向和压力。

在使用第一换热器111和第二换热器112两个换热器的情况下，步骤s406可以为：驱使载冷剂切换组件改变第一换热器111和第二换热器112的载冷剂流向，以使第一换热器111保持与进行放热的反应器(第一反应器210或第二反应器220)连通，并使第二换热器112保持与进行吸热的的反应器(第一反应器210或第二反应器220)连通。

此外，本实施例的金属氢化物制冷系统10的控制方法还可以根据反应器的运行状态调节第一泵142和第二泵142的流速。

本实施例的金属氢化物制冷系统10的控制方法的执行流程为：

检测第一反应器210和第二反应器220中进行吸氢反应的一个的内部反应压力，并将内部反应压力与预设的第一反应压力阈值和第二反应压力阈值分别比较，其中第一反应压力阈值大于第二反应压力阈值；

在内部反应压力大于或者等于第一反应压力阈值的情况下，若直流电的电压大于或等于预设的电压最小阈值，则调低直流电的电压，若直流电的电压小于电压最小阈值，则维持当前电压值，在内部反应压力小于第二反应压力阈值的情况下，若直流电的电压小于预设的电压最大阈值，则调高当前电压值；若直流电的电压大于或等于电压最大阈值且内部反应压力小于第二反应压力阈值的时间超过预设时间，则切换直流电的电压极性方向；

在切换直流电的电压极性方向后，切换第一换热器111和第二换热器112的载冷剂流向；

在内部反应压力大于或等于第二反应压力阈值并且小于第一反应压力阈值的情况下，使第一泵141和第二泵142的流速随着内部反应压力的大小改变而相应变化。

上述控制方法可以通过检测反应器的运行情况，对金属氢化物制冷系统10自动进行控制，保证其运行的可靠性。在上述方法中，各种阈值可以根据工作场合以及反应器和换热器110的特性进行设置，例如第一反应压力阈值和二反应压力阈值可以分别为反应器进行吸氢反应的最大反应压力和最小反应压力；电压最小阈值和电压最大阈值可以分别为可调电源240的最大供电电压和最小供电电压。本领域普通技术人员在本实施例的技术教导下，有能力对上述阈值进行配置。

图5是根据本发明一个实施例的金属氢化物制冷系统10的控制方法的流程示意图，该流程可用于对图2所示的金属氢化物制冷系统10进行控制。在图中，p表示进行吸氢反应的反应器的内部反应压力，p越大吸氢反应越活跃，p0表示第二反应压力阈值，pmax表示第一反应压力阈值，t为计时时间，其值代表p小于p0的持续时间，v表示电化学压缩装置230的供电电压；vmin表示电压最小阈值；vmax表示电压最大阈值；t为预设时间。该金属氢化物制冷系统10的控制方法的流程可以包括：

步骤s502，检测进行吸氢反应的反应器的内部反应压力p；

步骤s504，p与p0以及pmax分别进行比较，在p≥pmax的情况下，执行步骤s510及其后续步骤；在pmax>p≥pmin的情况下，执行步骤s520及其后续步骤；在p≤pmin的情况下，执行步骤s530及其后续步骤；

步骤s510，对t进行清零；

步骤s512，判断是否满足v≥vmin，若是，执行步骤s514调低v后返回执行步骤s502，若否直接返回执行步骤s502，从而通过调低v降低p并且避免v过低；

步骤s520，对t进行清零，然后执行步骤s522调节第一泵141和第二泵142的转速，使第一泵141和第二泵142的流速随着p的大小改变而相应变化，即随着p的减小降低载冷剂流速。

步骤s530，判断是否满足v<vmax，若是执行步骤s532提高v后，返回执行步骤s502，从而提高v提高p并且避免v过高；

步骤s534，在不满足v<vmax时，也即v已经达到上限时，判断是否满足t≥t，若否，返回执行步骤s502；

步骤s536，在满足t≥t时，改变v的方向，改变反应器的运行模式；

步骤s538，切换第一四通阀131和第二四通阀132的连通方式，使第一换热器111保持与进行吸氢反应的反应器连通，并使第二换热器112保持与进行脱氢反应的反应器连通。

利用上述方法可以保证金属氢化物制冷系统10稳定可靠地运行，并且持续的进行热量交换。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。