采用CO2作为冷媒的压缩制冷专利技术综述

秦赟 孙万敏

摘要：随着国内外对节能环保意识的提高，以自然工质CO2代替传统制冷剂作为冷媒的制冷压缩循环具有诸多优点。本文通过研究以CO2作为冷媒的压缩制冷专利技术的发展、全球分布以及重要申请人，有助于CO2压缩制冷技术的推广应用以及技术的改进。

关键词：CO2；压缩制冷循环；专利

中图分类号：TB65 文献标识码：A 文章编号：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，随着制冷和空调在人们生活中的应用越来越广泛，传统氟利昂制冷剂系列对臭氧的破坏以及由此引起的温室效应问题也越来越严重，实现CFCs（氯氟碳化物）替代成为全世界共同关注的问题。寻找既能保护环境又能符合可持续发展原则的新型制冷剂成为整个制冷行业的新课题。20世纪80年代初自然工质重新被重视利用[1]，包括CO2、NH3、H2O、碳氢化合物和空气。其中CO2无毒不可燃、资源丰富成本低，其臭氧破坏潜能指标ODP为零，温室效应潜能GWP为1，是对大气环境非常友好的一种制冷工质。国内外已有研究表明，利用CO2在蒸发潜热、比热、动力黏度等物性上的优势，采用合适的制冷循环和制冷装置，CO2在热力特性等方面上与传统制冷剂相比具有更为优越的性能。此外，CO2与润滑油不发生反应，对装置的腐蚀作用也较小。因此，CO2作为冷媒在制冷空调、热泵热水器等各个方面得到广泛的研究和应用[2]。

本文以采用CO2作为冷媒的制冷循环及设备的专利申请作为研究对象，重点分析全球及中国范围内关于CO2制冷剂技术的申请量、技术来源、技术发展状况等信息。

2 采用CO2作为冷媒的压缩式制冷循环

常温下，CO2是一种无色、无嗅的气体，其临界压力为7.377MPa、临界温度为304.1K（即30.95℃）。压缩式制冷方式是CO2制冷应用的主要方式，由于CO2的临界温度接近环境温度，根据循环的外部条件可以实现以下3种循环。（1）亚临界制冷循环，压缩机的吸排气压力都低于临界压力，蒸发温度、冷凝温度也低于临界温度，循环的吸热、放热过程都在亚临界条件下进行，换热过程主要依靠潜热来完成。（2）跨临界制冷循环，压缩机的排气压力高于临界压力，工质的高压侧换热主要通过显热交换来完成。CO2气体在压缩机中压缩至超临界状态，然后进入气体冷却器中被冷却介质所冷却，离开气体冷却器后的低温高压气体通过节流阀节流降压降温，部分气体液化，亚临界状态的湿蒸气进入蒸发器中气化，依次完成整个跨临界循环。（3）超临界循环，所有的循环过程都在临界压力以上完成，工质循环过程没有相变，实际上是气体循环。完全的超临界循环，只在原子能发电时采用，制冷空调应用中不采用该循环方式。

CO2超临界状态是一个高密度状态，它兼具有气体和液体的双重特性，密度较大时表现出液态特性，密度较小时表现出气态特性，但其黏度又很小，与气体相似，扩散系数又很大，接近于气态，因此超临界CO2流体具有很好的流动与传热特性。

3 专利技术的发展状况

3.1 专利技术发展演进

通过对CO2制冷技术的专利申请文件的梳理分析得出了如图1所示的各个技术分支的年代演进图。

从图1中可看出，涉及CO2制冷压缩循环的专利技术在20世纪90年代开始蓬勃发展，这与制冷工质的使用情况、环境因素以及技术发展有直接关系。90年代以前虽然就出现了CO2作为冷媒的制冷压缩循环，但是由于CO2制冷循环的特点：较高的排气温度和排气压力以及跨临界状态制冷剂的物性的多变性，都限制了CO2压缩制冷循环的使用。从20世纪90年代开始有关于CO2作为冷媒的制冷循环技术主要涉及单级循环、复叠式循环、多级压缩循环、采用不同节流装置的循环以及上述几种循环的交叉复合。20世纪90年代开始耐高压高温的高效换热器的出现以及高压压缩机的出现促进了CO2制冷压缩循环的发展。在低压压力恒定时，二氧化碳跨临界循环中存在一个使循环效率最高的高压压力，该压力称为最优高压侧压力，因此，如何调节并保持高压压力使所述循環效率最高是该时期出现的主要提高效率的措施。同时为避免压缩机出现液击，并降低节流后制冷剂的干度，在循环系统中增加内部热交换器也是提高系统效率的关键技术手段。20世纪90年代末21世纪初，围绕如何提高跨临界二氧化碳压缩式制冷循环的效率、提高实用性是该领域研究的重点，由于跨临界循环的高压和低压具有较大的压差，如何减少节流损失成为减少损失提高效率的关键所在，此时出现了众多的可应用于CO2跨临界制冷循环的高效节流元件，如膨胀机、喷射器以及涡流管。2000年以后，节能高效的CO2热交换器蓬勃发展，其主要围绕高压侧的气体冷却器进行展开，小管径耐高压是CO2气体冷却器的主要结构特征，出现了如微通道扁管、板式微通道、小管径绕管式、多套管式以及毛细管换热器等不同形式。内部热交换器和闪蒸器是制冷领域常用的提高循环效率的节能器，因此在具有上述不同形式的制冷循环中常会增加内部热交换器或闪蒸器以提高系统效率。

3.2 全球申请量年度分布分析

在全球范围内，CO2制冷技术的专利申请量总体呈上升趋势。自20世纪末至21世纪初，CO2作为冷媒被广泛地应用于制冷空调系统中。挪威Sinvent公司的G. Lorentzen等人于1989年设计了跨临界CO2循环系统，在这个系统中通过节流阀控制高压侧压力，这在CO2的研究与推广应用上起到了很好的带头作用，自此CO2制冷装置的研究与应用在全球范围内的受重视程度再次燃起。从1990年开始，全球范圍内的申请量开始逐步上升，即1990—1995年为CO2制冷技术专利申请量的平缓增长期；1995年以后，随着中国范围内CO2制冷技术的专利申请的大量出现，全球范围内的专利申请量有了明显的增加，即1995—2005年，中国范围内和全球范围内的申请量呈快速增长态势，属于该领域的发展壮大阶段；2005—2012年，这个阶段的全球申请量有所下降，中国范围内的申请量较为平稳，这是因为技术的创新难度较大；2012年以后由于多部件、多能源的结合使用使该领域的相关技术有所突破以及人们对环境对节能的重视程度提高，中国范围内的申请量再次出现快速增长，全球范围内的申请量也有所回升。从上述分析可知，中国在该领域的专利申请虽然起步较晚，但后期随着中国市场经济的蓬勃发展、国内外各大企业对中国市场的积极参与以及中国科技实力的提升，都极大地促进了中国专利的申请，申请量总体呈不断增加的态势，中国市场越来越被众多企业、科研院所以及个人所看重。这说明不管是全球还是中国范围内，CO2跨临界状态所表现出的优良特性以及CO2对环境的友好性都得到了人们的一致认可。技术的创新、节能环保意识的增强、全球范围内产业结构的调整、各个企业对知识产权保护的重视等因素都直接影响着全球以及中国专利申请态势的走向。

4 结语

本文对采用CO2作为冷媒的压缩制冷技术进行了分析、统计和整理，重点关注了本领域的技术发展走向、全球专利申请情况等信息。超临界CO2流体具有很好的流动、传热特性以及环境友好性，在跨临界循环中具有较高的循环效率和应用价值，可作为氟利昂类制冷剂的最佳替代冷媒。

参考文献：

[1]郑贤德.制冷原理与装置[M].北京：机械工业出版社，2008：30-31.

[2]吴业正.制冷原理及设备[M].西安：西安交通大学出版社，2010：52-53.