制冷剂收集器和空气分离器

技术领域

本公开的示例性实施例大体上涉及用于加热、通风和空调(HVAC)系统中的冷却器系统，并且更具体地，涉及用于从制冷系统中去除污染物的净化系统。

背景技术

例如使用离心式压缩机的那些的冷却器系统可能包括在大气压以下运行的部分。因此，冷却器系统中的泄漏可能会吸入空气，污染制冷剂。这种污染降低了冷却器系统的性能。为了解决这个问题，现有的低压冷却器包括净化系统，以减轻气体污染。现有的净化系统使用蒸汽压缩循环以将污染物气体与制冷剂分离。现有的净化系统体积大、复杂，并且有时会在气体去除过程中损失制冷剂。

发明内容

根据一个实施例，制冷系统包括蒸汽压缩回路和与蒸汽压缩回路连通的净化系统。净化系统包括至少一个分离器，用于从由蒸汽压缩回路提供给分离器的净化气体中分离污染物。至少一个分离器具有竖直定向。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在包括歧管的其他实施例中，至少一个分离器的端部流体连接到歧管，并与歧管成一定角度延伸。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，至少一个分离器还包括具有中空内部的壳体和安装在中空内部内的分离部件。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，净化气体还包括制冷剂，并且分离部件包括具有至少一个膜的分离器管，该至少一个膜包括多孔表面，污染物而非制冷剂通过该多孔表面。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，分离器管的第一端是密封的，且分离器管的相对的第二端是敞开的。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在包括可操作以增加净化气体的压力的移动机构的其他实施例中，其中净化气体的压力使污染物移动通过分离器。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，移动机构是压缩机。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，分离器具有制冷剂出口，制冷系统还包括布置在制冷剂出口下游并与制冷剂出口流体连通的阀。

根据一个实施例，用于从热泵的流体中去除污染物的分离器系统包括具有入口和出口的歧管以及至少一个与歧管流体连接并与歧管成一定角度延伸的分离器。至少一个分离器具有竖直定向。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，至少一个分离器还包括具有中空内部、第一端和第二端的壳体，壳体的第一端流体地联接到歧管，并且流体出口形成在第二端处，并且至少一个分离部件安装在中空内部内。至少一个分离部件流体地联接到流体出口。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，至少一个分离部件的第一端是密封的，并且至少一个分离部件的相对的第二端是敞开的。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，至少一个分离部件包括至少一个膜，该至少一个膜包括多孔表面，气体而非制冷剂通过该多孔表面。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，至少一个分离部件包括分离器管。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，至少一个分离部件包括筛分材料。

根据一个实施例，操作净化系统的方法包括使制冷剂循环通过蒸汽压缩回路，在净化系统处从蒸汽压缩回路接收净化气体，净化气体包括制冷剂和污染物；以及在分离器内将污染物与净化气体分离。从净化气体中分离污染物进一步包括在分离器内将净化气体分离成液体和蒸汽。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，包括对分离器上游的净化气体内的制冷剂的至少一部分加压。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，当净化气体移动通过将移动机构联接到分离器的导管时，对净化气体内的制冷剂的至少一部分加压。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，包括通过移动机构对净化气体加压，以形成加压净化气体。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，在其他实施例中，包括将净化气体的制冷剂返回蒸汽压缩回路。

附图说明

以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参照附图，相似的元件被相似地编号：

图1是根据各种实施例的制冷剂系统的示例性蒸汽压缩回路的示意图；

图2是根据各种实施例的用于制冷系统的示例性膜净化系统的示意图；且

图3是根据各种实施例的图2的净化系统的分离器的截面图。

具体实施方式

本文通过参考附图以举例而非限制的方式展现了所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述。

现在参考图1，示出了制冷系统10的示例。如本文所用，术语制冷系统旨在包括能够加热和/或冷却的任何系统，例如蒸汽压缩系统、吸附系统、地热系统、废热回收系统、基于热量的冷却系统和加热系统。如所示，制冷系统10包括压缩机12、冷凝器14、膨胀阀16和蒸发器18。压缩机12对处于其气态的传热流体加压，这既加热流体又提供压力使其循环通过系统。在一些实施例中，传热流体或制冷剂包括有机化合物。例如，在一些实施例中，制冷剂包括烃、取代烃、卤素取代烃、氟取代烃或氯氟取代烃中的至少一种。

从压缩机12离开的热加压气态传热流体通过导管20流到排热热交换器，诸如冷凝器14。冷凝器可操作以将热量从传热流体传递到周围环境，导致热气态传热流体冷凝成加压中等温度液体。从冷凝器14离开的液体传热流体通过导管22流到膨胀阀16，在那里压力降低。离开膨胀阀16的减压传热流体通过导管24流到吸热热交换器，诸如蒸发器18。蒸发器18的作用是从周围环境吸收热量并使传热流体沸腾。离开蒸发器18的气态传热流体通过导管26流到压缩机12，从而可以重复该循环。

制冷系统10具有将热量从蒸发器18周围的环境传递到冷凝器14周围的环境的效果。传热流体的热力学性质必须允许其在压缩时达到足够高的温度，使得其大于冷凝器14周围的环境，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膨胀后压力下具有沸点，该沸点允许蒸发器18周围的温度提供热量以蒸发液体传热流体。

各种类型的制冷系统包括如本文所示和所述的蒸汽压缩回路。一种这样的制冷系统是冷却器系统。制冷系统的部分，诸如例如冷却器系统的冷藏器(cooler)，可以在低压(例如，低于大气压)下操作，这可能导致污染物(例如，环境空气或水或其他环境气体)被吸入制冷系统10的流体回路中。污染物降低了制冷系统的性能。为了改进操作，制冷系统10可以另外包括净化系统30，用于从制冷系统10的传热流体中去除污染物。

现在参考图2，示出了净化系统30的示例。如所示，净化系统30包括至少一个分离器32，该分离器32配置成接收净化气流，该净化气流包括制冷剂气体和污染物，例如氮气和氧气。在所示的非限制性实施例中，分离器32包括用于从制冷剂气体中分离污染物的分离部件34。在其他实施例中，分离器32可以包括容器或壳体，该容器或壳体包含一个或多个吸附剂或筛分材料床，该吸附剂或筛分材料床可操作以通过变压吸附(PSA)将不可冷凝气体与净化气体分离。尽管示出了单个分离器32，但是应当理解，包括串联或并联布置的多个分离器32的实施例也在本文中被考虑。

在分离部件34包括至少一个膜的实施例中，一个或多个膜可以包括聚合物材料或多孔无机材料。聚合物材料的示例可包括但不限于聚四氟乙烯、四氟乙烯的合成含氟聚合物、聚苯乙烯和聚丙烯。多孔无机材料的示例可以包括陶瓷，例如金属氧化物或金属硅酸盐，更具体地说是铝硅酸盐(例如，菱沸石框架(CHA)沸石、Linde A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，例如铂和镍。还可以使用诸如金属-有机框架(MOF)的杂化无机-有机材料。膜中可以存在其他材料，例如其中可以分散微孔材料的载体，其可以出于结构或工艺考虑而包括在内。

金属-有机框架材料在本领域中是众所周知的，并且包括与有机配体配位以形成一维、二维或三维结构的金属离子或金属离子簇。金属有机框架可以表征为具有含有空隙的有机配体的配位网络。配位网络可以被表征为通过重复的配位实体在一维上延伸的配位化合物，但具有两个或多个单独的链、环或螺环之间的交联，或者通过在二维或三维上的重复配位实体延伸的配位化合物。配位化合物可以包括具有在一维、二维或三维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)、三齿羧酸酯(例如，柠檬酸、三聚酸)、唑类(例如，1,2,3-三唑)以及其它已知的有机配体。在金属有机框架中可以包括多种金属。特定金属有机框架材料的示例包括但不限于沸石咪唑框架(ZIF)、HKUST-1。

在分离部件34包括筛分材料的实施例中，吸附剂材料可以是多孔无机材料。合适的吸附剂材料的示例包括但不限于沸石、活性炭、离子液体、金属有机框架、油、粘土材料和例如分子筛。当筛材料层被加压到高压时，提供给分离器32的入口52的净化气体的可更容易渗透的组分被筛材料选择性地分离，并形成从入口朝向出口68通过的分离前沿。净化气体的不可容易渗透的组分绕过筛材料层，并从其出口端56回收，用于下游的进一步处理或使用。

在所示的非限制性实施例中，净化气体中的污染物，诸如例如氧气，是可更容易渗透的组分，且制冷剂是净化气体内不太可渗透的组分。因此，如果净化气体通过包含吸引氧气的筛材料层的分离器32，则净化气体中的部分或全部氧气将停留在可渗透材料的芯内。因此，从分离器32的出口端56排出的净化气体将比进入分离器32的净化气体更富含制冷剂。气体污染物，诸如例如氧气，将从可渗透材料中释放出来，并可通过二次出口68从分离器32中排出，例如到制冷回路外部的环境大气中。

分离部件34的材料可以具有孔，并且在一些实施例中，分离部件34的孔径可以通过平均孔径为

上述微孔材料可通过水热或溶剂热技术(如溶胶-凝胶)合成，其中晶体从溶液中缓慢生长。微观结构的模板化可以通过二次构建单元(SBU)和有机配体来提供。也可以使用替代的合成技术，例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，或者作为主要微孔材料，或者作为通过将前体层暴露于升华的配体分子以赋予MOF晶格相变而形成的MOF结构的前体。

在一些实施例中，上述膜材料可以提供促进污染物(例如，氮、氧和/或水分子)与可冷凝的制冷剂气体分离的技术效果。其他可透气材料，如多孔或非多孔聚合物，可能与基质材料发生溶剂相互作用，这可能干扰有效分离。在一些实施例中，本文所述的材料的能力可以提供促进具有净化的制冷系统的实施例的实施的技术效果，如参考下面的示例实施例更详细地描述的。

分离部件34可以是自支撑的，或者它可以被支撑，例如，作为多孔支撑物上的层，或者与基质支撑材料集成。在一些实施例中，用于被支撑膜的支撑物的厚度可以在50nm至1000nm的范围内，更具体地，从100nm至750nm，甚至更具体地从250nm至500nm。在管状膜的情况下，纤维直径可以在100nm至2000nm的范围内，且纤维长度可以在0.2m至2m的范围内。

在一些实施例中，可以使用各种技术，例如喷涂、浸涂、溶液浇铸等，将微孔材料作为粉末中的颗粒沉积在支撑物上，或分散在液体载体中。分散体可以含有各种添加剂，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，并且在一些实施例中包括，例如与包括在有机(例如，有机聚合物)基质中的微孔无机材料(例如，微孔陶瓷颗粒)的混合基质膜一起。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以在膜中为较大分子提供通道以绕过分子筛颗粒。因此，在一些实施例中，聚合物粘合剂被排除在外。在其他实施例中，聚合物粘合剂可以以如下量存在，其可以低于形成连续聚合物相所需的量，例如其中膜与可能更具限制性的其他膜串联的实施例。在一些实施例中，微孔材料的颗粒(例如，尺寸为0.01μm至10mm的颗粒，或在一些实施例中为0.5μm至10μm的颗粒)可以作为粉末施加或分散在液体载体(例如，有机溶剂或水性液体载体)中，并涂覆到支撑物上，然后去除液体。在一些实施例中，可以通过在支撑物上施加驱动力来辅助将来自液体组合物的微孔材料的固体颗粒施加到支撑物表面。例如，可以从作为包含固体微孔颗粒的液体组合物的支撑物的相对侧施加真空，以帮助将固体颗粒施加到支撑物的表面。微孔材料的涂层可以被干燥以去除残留溶剂，并且可选地被加热以将微孔颗粒融合在一起形成连续层。可以使用各种膜结构配置，包括但不限于平坦或平面配置、管状配置或螺旋配置。在一些实施例中，膜可以包括保护性聚合物涂层，或者可以利用或可以利用回流或加热来再生膜。

在一些实施例中，微孔材料可以配置为纳米片，诸如例如沸石纳米片。沸石纳米片颗粒可以具有2至50nm、更具体地2至20nm、且甚至更具体地2nm至10nm的范围内的厚度。沸石例如沸石纳米片可以由各种沸石结构中的任何一种形成，包括但不限于框架类型MFI、MWW、FER、LTA、FAU，以及前述彼此或与其它沸石结构的混合。在更具体的一组示例性实施例中，沸石例如沸石纳米片可以包括选自MFI、MWW、FER、LTA框架类型的沸石结构。沸石纳米片可以使用已知的技术制备，例如沸石晶体结构前体的剥离。例如，MFI和MWW沸石纳米片可以通过在溶剂中超声处理层状前体(分别为多层硅酸盐-1和ITQ-1)来制备。在超声处理之前，沸石层可以任选地溶胀，例如用主剂和表面活性剂的组合，和/或与聚苯乙烯熔融共混。沸石层状前体通常使用用于制备微孔材料的常规技术如溶胶-凝胶法来制备。

继续参考图2，净化系统30还包括移动机构42，该移动机构42布置在分离器系统32的入口52的上游，且在一些实施例中直接布置在其上游。移动机构42可以是可操作以使净化气体移动通过净化系统30的任何合适的装置，包括但不限于压缩机或隔膜。如所示，移动机构42可配置成从冷凝器14的净化连接44接收净化气体，并且可操作以增加提供给其的净化气体的温度和压力。在一个实施例中，在移动机构42的出口46处提供的净化气体具有大于45psia的压力，并且在一些实施例中等于或大于50psia、55psia或60psia。因此，净化气体本身的压力可以足以驱动到分离器32的净化气体流和/或从分离器32输出到冷凝器14的制冷剂流。

如下文将更详细地讨论的，分离器系统32，在本文中也称为分离器，可操作以从制冷剂气体中分离污染物。在所示的非限制性实施例中，孔口或阀48，诸如例如针阀，布置在分离器32的制冷剂出口56的下游。孔口48可以可操作以控制再循环回到冷凝器14的入口49的制冷剂的流速。在一个实施例中，孔口48处的流速小于设置在移动机构42的出口46处的制冷剂和气体组合的流速。结果，包括制冷剂气体和污染物的净化气体可能积聚在分离器32内。

现在参考图3，更详细地示出了分离器系统32的示例。在所示的非限制性实施例中，分离器系统32包括歧管50，该歧管50包括布置在其第一端54处或附近的入口52和布置在其第二端58处或附近的制冷剂出口56。尽管第一端54和第二端58被示出为位于歧管50的相对端，但是此处也考虑了入口和出口布置在歧管50的相邻侧，或者替代地，布置在歧管的相同侧的实施例。至少一个分离器60，在本文中也称为分离器模块，流体连接到歧管50。尽管图中示出了两个分离器60，但是应当理解，包括单个分离器60的实施例以及包括两个以上分离器60(诸如例如三个、四个、五个、六个或更多个分离器模块60)的实施例也在本公开的范围内。在包括多个分离器60的实施例中，多个分离器的配置可以基本相同或者可以变化。

在所示的非限制性实施例中，至少一个分离器或分离器模块60相对于歧管50的轴线成一定角度布置。如所示，一个或多个分离器模块60可以相对于歧管竖直地定向，使得分离器模块具有基本竖直的定向。分离器模块60可以包括壳体62，该壳体62具有大致中空的内部64。尽管壳体62被示出为大致圆柱成形，但是应当理解，具有任何形状的壳体62都在本公开的范围内。此外，壳体62包括流体入口66和流体出口68。在所示的实施例中，流体入口66布置在壳体62的第一端70附近，并且与歧管的内部流体连通。流体出口68与流体入口66间隔开，并且可以布置在壳体62的相对的第二端72附近。尽管流体出口68被示出为沿着由分离器模块60限定的轴线Y大致居中地布置，但是在此也考虑了流体出口68相对于分离器模块壳体62位于另一位置的实施例。因为分离器模块60是竖直定向的，所以分离器模块60也可以起到分离器的作用，由此密度较高的制冷剂液体将保持在底部的第一端66附近，或者在歧管50内，并且密度较低的制冷剂气体和空气将向上流向第二端72。

至少一个分离部件34安装在壳体62的中空内部64内。如图3中所示，在一个实施例中，至少一个分离部件34包括一个或多个脱气管，其纵向定位在壳体62的中空内部64内。在一个实施例中，每个分离器管包括由陶瓷沸石材料形成的主体74。例如位于壳体62的第一端附近的主体74的第一端可以是密封的，并且主体74的相对的第二端可以是敞开的并且流体连接到流体出口68。

在所示的非限制性实施例中，包括污染物的制冷剂被配置为接触至少一个分离部件34的外表面。结果，与制冷剂分离的污染物可以径向向内转移到至少一个分离部件34的内部。例如，在图3的非限制性实施例中，至少一个分离部件34包括一个或多个无机膜，所述无机膜具有多孔表面，气体污染物(而不是液体制冷剂)由于其分子尺寸的差异而可以通过所述多孔表面扩散。

在净化系统30的操作期间，从冷凝器14输出的被污染的制冷剂被提供给移动机构42，在其处，被污染的制冷剂被加压。在一个实施例中，当被污染的制冷剂气体从移动机构42的出口46流过导管51到分离器32时，净化气体至少部分地通过传导被冷却，并且在一些实施例中热量被传递到导管51周围的流体，诸如例如环境空气。由于这种热传递，提供给分离器32的净化气体的制冷剂的至少一部分已经冷凝成液体。通过增加在分离器32上游的位置处的净化气体的压力，可以增强在分离器32的分离器模块60内发生的分层。

当被污染的制冷剂通过入口52进入分离器32的歧管50时，制冷剂蒸汽和其中夹带的空气流入一个或多个分离器模块60的流体入口66。在一个实施例中，被污染的制冷剂蒸汽在流体联接到歧管50的多个分离器模块60之间平衡。在壳体62的内部64内，被污染的制冷剂接触至少一个分离部件34的外表面，导致污染物(诸如例如空气)扩散通过侧壁并进入分离部件34的中空内部76。污染物可以从分离部件34的中空内部提供到流体出口68，在其处污染物可以从净化系统30排出，例如到环境大气中。

歧管50内的液体制冷剂从出口56提供到孔口48，诸如例如通过导管53，用于返回热泵10。通过将制冷剂出口56相对于制冷剂流定位在歧管的下游端，与提供给分离器32的流体入口52的制冷剂相比，从分离器32输出的制冷剂具有降低的污染物浓度。

与现有净化气体系统相比，本文所示和描述的净化系统30具有增加的空气去除率。通过竖直定向分离器模块60，其中作用在材料上的重力导致液体和气体组分的自然分离。因此，密度较高的液体制冷剂将保留在歧管内，并且气体污染物和空气将流入分离器模块壳体62的内部。所得到的净化系统具有降低的成本和复杂性以及提高的效率。

术语“大约”旨在包括与基于提交申请时可用设备的特定数量测量相关的误差程度。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，且并不旨在限制本公开。如本文所用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括有”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数，步骤、操作、元件部件和/或其组的存在或添加。

虽然已经参考一个或多个示例性实施例描述了本公开，但本领域技术人员将理解，在不脱离本公开范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等效物代替其元件。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应本公开的教导。因此，旨在本公开不限于作为考虑用于实现本公开的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求范围内的所有实施例。