智能化汽車空調(diào)冷媒回收加注機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

梁西銀，蘭建平，馬小倩

（西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

普通的汽車空調(diào)系統(tǒng)都是依靠制冷劑(冷媒)R12、R22、R134等進(jìn)行冷卻。冷媒使用一段時間后，由于混入水分、油和其他雜質(zhì)而使空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率降低。在這種情況下，需要將廢舊冷媒排出，再加入新的冷媒。目前，國內(nèi)汽車維修行業(yè)的通常做法是用真空泵將空調(diào)系統(tǒng)中的冷媒排放到大氣中，然后將罐裝新冷媒依靠系統(tǒng)中的負(fù)壓自然吸入。這種做法不但造成了資源的浪費(fèi)，而且嚴(yán)重地污染了環(huán)境，破壞了臭氧層；同時，由于沒有自動化設(shè)備，不能實(shí)現(xiàn)定量加注，會影響汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率，還有可能引起加注費(fèi)用的糾紛[1-2]。

本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種智能化的汽車?yán)涿交厥张c加注裝置。對已經(jīng)使用過的廢舊冷媒，利用特定的循環(huán)技術(shù)將其中的水分、雜質(zhì)和油分離出來，使凈化后的冷媒重新投入使用。該裝置還具有對舊冷媒的定量回收和對新冷媒的定量加注功能，使汽車?yán)涿降募幼?biāo)準(zhǔn)化，從而能夠保證換媒后的汽車空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到額定的效率，還能使換媒的費(fèi)用準(zhǔn)確、透明。該設(shè)備的研制成功不僅能夠使低效的舊冷媒變廢為寶，降低汽車空調(diào)維護(hù)費(fèi)用，增加汽車維修行業(yè)的利潤空間，同時又很好地解決了隨意排放的冷媒氣體對環(huán)境的污染問題。本設(shè)備也適用于工業(yè)空調(diào)和家用空調(diào)的制冷劑更換工作，具有很高的環(huán)保價值，有利于促進(jìn)社會和諧發(fā)展。

1 設(shè)計原理

1.1 控制部分

汽車空調(diào)冷媒智能回收機(jī)是一個由單片微機(jī)控制的自動裝置。儀器控制部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由壓強(qiáng)傳感器（SENSOR）、PIC單片機(jī)(MCU)、外存 儲 器(EPROM)、 鍵 盤(KEYBOARD)、 數(shù) 碼 顯 示 管(LED)、放大器(AMP)、控制電路(CTL)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、提示蜂鳴器(Beep)和電源模塊(POWER)等部分組成。

各種預(yù)設(shè)的參數(shù)和控制指令由鍵盤輸入，經(jīng)單片機(jī)處理后送入外部存儲器保存。在回收和加注過程中，稱重傳感器(Load Sensor)直接將對應(yīng)的重量轉(zhuǎn)化成0～20 mV的模擬電壓。該模擬電壓經(jīng)放大器放大到0～5 V，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器所要求的電壓。經(jīng)放大后的模擬電壓送到16 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。單片機(jī)對此數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算和處理，同時送入數(shù)碼顯示管實(shí)時顯示。單片機(jī)對此數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算和處理主要是將所稱的重量與設(shè)定值進(jìn)行比較，若重量達(dá)到設(shè)定值，則自動觸發(fā)控制電路，控制電路控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如空氣壓縮機(jī)、電磁閥、真空泵)的通斷，實(shí)現(xiàn)自動控制的目的。主芯片選用價格低廉、性能優(yōu)良的PIC16F874單片微型處理器，充分利用其提供的軟硬件資源[3]。

圖1 控制部分電路框圖

1.2 冷媒循環(huán)系統(tǒng)

冷媒循環(huán)系統(tǒng)[4-5]的工作主要包括冷媒回收、抽真空和冷媒加注三個主要過程，其循環(huán)管路如圖2所示。冷媒回收過程開始時，打開管路閥和回收閥，啟動壓縮機(jī)，空調(diào)中的廢舊冷媒通過高壓岐管或低壓岐管進(jìn)入回收系統(tǒng)。汽、液相混的冷媒經(jīng)過回收閥、雜質(zhì)過濾器，由膨脹閥減壓后進(jìn)入油分離器的內(nèi)層，吸收熱量后的汽態(tài)冷媒通過干燥過濾器濾除水分并經(jīng)壓縮機(jī)壓縮為高壓氣體后進(jìn)入回流罐，繼而通過單向閥進(jìn)入油分離器的外層，釋放熱量后以液態(tài)進(jìn)入儲液罐。抽真空過程開始時，打開真空閥，啟動真空泵，整個循環(huán)系統(tǒng)或空調(diào)系統(tǒng)會被抽為真空。加注過程開始時，開啟電磁閥，儲液罐中的液態(tài)冷媒會依靠自然壓力通過低壓岐管被充注到空調(diào)系統(tǒng)中。

整個系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵器件

2.1 提高數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性與可靠性[6-8]

在冷媒回收或加注過程中會有強(qiáng)氣流沖入儲液罐，壓縮機(jī)也會產(chǎn)生振動，這會給秤重系統(tǒng)帶來很大的干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的波動。通過大量的理論研究和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，設(shè)計了一種基于滑動平均濾波算法的優(yōu)化抗干擾算法程序，從而很大程度地提高了數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性與可靠性。該算法的步驟如下：

(1)連續(xù)取 i個采樣值，將其看成一個隊(duì)列并求出平均值A(chǔ)i；

(2)每次采樣到一個新數(shù)據(jù)，首先與上次平均值A(chǔ)i進(jìn)行比較；

(3)若比較結(jié)果大于 ε，說明偏差太大，放棄該數(shù)據(jù)；若比較結(jié)果小于ε，則采用滑動平均算法求出濾波結(jié)果并進(jìn)行顯示。ε為經(jīng)過多次測量、實(shí)驗(yàn)得出的采樣值誤差偏移上限；

(4)采樣新數(shù)據(jù)重復(fù)以上操作。

其流程如圖4所示。

2.2 提高從冷媒中分離油的效果

制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)必須依賴潤滑油降低工作時的噪音，延長使用壽命。因此，潤滑油和冷媒在制冷循環(huán)系統(tǒng)中是以混合狀態(tài)共存的。所以，冷媒的回收和再生之前必須先要除去其中的潤滑油。

采用膨脹技術(shù)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提高從冷媒中分離油的效果，如圖5所示。利用冷媒汽化溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于潤滑油的這一特點(diǎn)，將高壓、液化的冷媒潤滑油混合體通過膨脹閥減壓膨脹，使汽化后的冷媒與液化狀態(tài)的潤滑油互相分離。為了提高冷媒和油的分離效果，本文設(shè)計了一種金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增加了液態(tài)潤滑油在膨脹空間的附著能力，避免了高速沖入的汽化冷媒將微小的潤滑油滴直接沖出油分離器。

2.3 解決壓縮膨脹過程中熱交換問題

在油與冷媒分離和冷媒的回收過程中，需要很好地解決熱交換的問題。在冷媒的分離過程中，由于液態(tài)冷媒在低壓下膨脹、汽化，會從周圍空間吸收大量的熱量，如果沒有很好的熱能補(bǔ)給機(jī)構(gòu)，會導(dǎo)致油分離罐大幅度降溫，直至結(jié)霜，從而嚴(yán)重影響液態(tài)冷媒汽化的完全程度，進(jìn)一步影響冷媒與油分離的效率。另外，在冷媒回收入罐的過程中，需要壓縮氣態(tài)冷媒使之轉(zhuǎn)換為液態(tài)流入回收罐中。在此壓縮過程中會產(chǎn)生大量的熱量，此熱量如果不能快速散去，會導(dǎo)致壓縮機(jī)和管路過熱，影響冷媒的液化程度和整機(jī)系統(tǒng)的安全性能。

目前，國內(nèi)通常采用風(fēng)扇強(qiáng)制熱交換技術(shù)解決上述兩個環(huán)節(jié)的熱量交換問題。這種強(qiáng)制熱交換技術(shù)必須借助于一個或兩個高密度、大體積的散熱片組和一個體積、風(fēng)量足夠大的風(fēng)扇。顯而易見，此技術(shù)無法克服體積大、噪音大、能耗高、可靠性差、環(huán)境溫度適應(yīng)范圍窄的缺陷。

本文通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，采用雙層罐結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種自主平衡式熱量交換器，并將此熱量交換器與油分離空間和冷媒液化空間緊密地結(jié)合在一起。如圖6所示。這種設(shè)計不但徹底避免了上述技術(shù)缺陷，而且具有管路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境溫度適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.4 四鍵便捷操作模式和菜單參數(shù)設(shè)置模式

本裝置采用了獨(dú)特的按鍵操作模式和菜單參數(shù)設(shè)置模式。

在自動控制設(shè)備的按鍵操作方面，國內(nèi)普遍流行以4×4數(shù)字鍵盤作為所有數(shù)字輸入和操作指令的輸入界面。通過廣泛調(diào)查和實(shí)踐驗(yàn)證，這種操作面板對于用戶來說難學(xué)、難記、難操控，且容易因慌忙導(dǎo)致誤操作。

本文將本機(jī)的自動控制過程組合為5種工作狀態(tài)，在操作面板上設(shè)計了3個狀態(tài)燈，2個按鍵燈。將按鍵的數(shù)量簡化到4個：1個用來選擇狀態(tài)；1個用來控制過程啟動和停止；2個調(diào)整當(dāng)前數(shù)值的大小。同時，在程序中采用按鍵防抖動和防誤觸發(fā)程序算法，使本機(jī)的操作面板簡潔、明了、易學(xué)、易記，且杜絕了鍵盤誤觸發(fā)的可能。

參數(shù)設(shè)置操作采用了菜單選擇方式，通過面板數(shù)碼管的信息提示，用戶只需通過按動“下”鍵翻動，即可快速選擇需要設(shè)置的參數(shù)條目。參數(shù)設(shè)置過程的進(jìn)入采用了唯一狀態(tài)下的雙鍵同按的方式，即只有在待機(jī)秤重狀態(tài)下，同時按住“上”鍵“下”鍵1 s，才能進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置菜單。這種方式其實(shí)相當(dāng)于參數(shù)設(shè)置的操作加密，可以防止非合法用戶的誤操作導(dǎo)致運(yùn)行參數(shù)被破壞的嚴(yán)重后果。

2.5 干燥器壽命計數(shù)器和真空泵油壽命計時器

冷媒中水分的增多是導(dǎo)致制冷效率下降的重要原因。干燥過濾器是分離冷媒中水分的關(guān)鍵器件。干燥過濾器都有一定的使用壽命，如果其吸附的水分已經(jīng)飽和，將不再具有濾除水分的功能，從而影響過濾水分的效果。為了解決這一問題，一般要求用戶定期更換或烘干干燥過濾器，無法通過定量的手段提醒用戶在恰當(dāng)?shù)臅r候進(jìn)行更換。

本文根據(jù)舊冷媒的平均含水量和干燥過濾器的水分吸收量，計算出了所使用干燥過濾器的可回收冷媒最大質(zhì)量。采用非易失性存儲器件和冷媒回收質(zhì)量程序累加器，累加并存儲每次回收的冷媒質(zhì)量，當(dāng)累計回收的質(zhì)量等于最大回收質(zhì)量時，本機(jī)程序會自動屏蔽回收功能并提醒用戶及時更換干燥過濾器。干燥過濾器更換之后，其壽命計數(shù)器清零，回收功能重新恢復(fù)。

設(shè)置真空泵油壽命計時器的目的是為了強(qiáng)制保護(hù)真空泵的正常工作狀態(tài)和使用壽命。設(shè)計和原理與干燥過濾器計數(shù)器相同。

本文根據(jù)普通的汽車空調(diào)系統(tǒng)廢舊冷媒的再生和新冷媒的加注的實(shí)際需要設(shè)計和研制了一種智能化的汽車空調(diào)冷媒回收加注機(jī)。該裝置能夠?qū)⒁呀?jīng)使用過的廢舊冷媒中的水分、雜質(zhì)和油分離出來，使凈化后的冷媒重新投入使用。同時還具有定量加注新冷媒的功能。在設(shè)計過程中，采用了先進(jìn)的單片系統(tǒng)、高精度的稱重傳感器、高性能的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換器，防止數(shù)據(jù)抖動的程序算法和各種抗干擾技術(shù)，簡潔快速的四鍵操作模式，獨(dú)特、高效的油分離系統(tǒng)和水分離器，膨脹、壓縮過程熱量自動平衡的管路循環(huán)系統(tǒng)，潤滑油壽命自動計時器和水分離器自動計數(shù)器等關(guān)鍵技術(shù)。該裝置具有很高的經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)保價值。

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