CN102829572B - 节能型超低温保存箱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节能型超低温保存箱，其包括高温制冷循环单元和低温制冷循环单元，所述高温制冷循环单元和低温制冷循环单元之间通过热交换器耦合，其中，所述高温制冷循环单元包括高温循环压缩机、冷凝器、第一干燥过滤器、第一毛细管、第一自控阀件和第二毛细管等组件，所述低温制冷循环单元包括低温压缩机，油分离器，第一、二回热器，第二干燥过滤器，第三、四毛细管，第二～第五自控阀件和蒸发器等组件。本发明利用高温制冷循环和低温制冷循环耦合实现低温制冷，以及利用回热循环方式和毛细管节流节能循环方式提高制冷循环效率，具有降温速度快、制冷效率高、安全可靠、节能环保的特点，能满足-50℃～-90℃的低温环境制冷要求。

Description

节能型超低温保存箱
技术领域
本发明涉及一种制冷设备，尤其涉及一种具有复叠制冷***结构的节能型超低温保存箱，其制冷温度范围在-50～-90℃。
背景技术
伴随着经济和技术的发展，对制冷的需求也越来越多，如医药卫生、石油化工、冶金工业、民用工程、气体液化都需要低温环境，制冷所需能耗和对环境的影响也越来越大，节能环保已成为低温技术的一部分。低温的概念在不同的使用环境具有不同的温度范围，如在空调***中，蒸发器中冷水或空气的温度达到0℃就属于低温；而在工业制冷中，蒸发器中被冷却流体温度在-40℃以下被认为是低温；在低温医学和低温生物学领域，温度在-70℃～-120℃为低温。本发明所涉及的低温为-50℃～-90℃范围，这个温度范围在能源、军工、空间技术、油气工业、医疗、生物和生命科学等领域都有着广泛的应用，如低温生物保存、传感器冷却、低温条件下材料与物品的测试、低温医学、仪表和电器低温检测、冷冻干燥以及许多的化学处理过程中常常需要这样的低温。
在实际应用过程中，当要求的制冷温度低于-40℃时，通常的单级蒸汽压缩式制冷循环很难达到要求。因为当蒸发温度和冷凝温度相差很大时，找不到一种制冷剂既满足冷凝压力不太高又满足蒸发压力不太低的要求。如果冷凝压力过高，为了保证足够的强度和安全，冷凝器和高压管道的壁厚均需要增加，结果使制冷机笨重庞大；如果蒸发压力过低，真空条件下下运行的蒸发器增加了空气漏入的可能性。另外由于冷凝压力和蒸发压力的压比增大，使压缩机输气系数降低；同时蒸发压力过低时的制冷剂的吸气比容增大，使压缩机尺寸增大，这些都导致制冷效率的降低，***的可靠性下降。所以，通常规定制冷机组运行的压缩比不超过8～10。因此，当需要的制冷温度低于-40℃时，通常采用复叠制冷或双级压缩制冷等制冷方式。
复叠制冷可分为经典复叠制冷和自复叠制冷两种形式。自复叠制冷采用沸点相差大的非共沸混合制冷剂，采用分级冷凝节流技术，***只要使用一台压缩机即可，设备成本减少。这种自复叠制冷***在理论上可提高效率，但由于要使用多种成分的非共沸混合制冷剂，在实际应用中还存在一些问题，目前主要使用在-90℃以下的场合。-50℃～-90℃温度范围的低温设备复叠制冷技术以经典复叠制冷为主，是设备研究开发的主要目标。
经典复叠制冷***分为高温循环和低温循环两个部分，高温循环部分通常使用中温制冷剂，低温循环部分使用低温制冷剂，高、低温部分的制冷***均为常规的蒸气压缩制冷***，两个制冷***通过共用一个蒸发冷凝器关联起来，这样就能满足环境条件下获得合适的冷凝压力、蒸发压力与制冷温度，而保证高、低温制冷***的压比在正常范围内。但是，复叠制冷***相对常规单级制冷***而言，效率低。因而，环保制冷剂、制冷过程中的制冷效率是-50℃～-90℃范围复叠制冷关注的重点问题之一。美国的Young等人提出在复叠制冷循环压缩机出口通过一个调节阀与汽液分离装置的底部相连，通过改变调节阀的开度来实现变容量调节，使得自动复叠制冷***在较低的压比下也能获得较大的制冷量；韩国Seoul大学提出将包含CO2的非共沸混合物作为制冷剂的复叠制冷循环***；意大利的Giovanni等人研究了高温循环用NH3，低温循环用CO2与HCFCs混合物作为制冷工质的复叠式制冷循环。前述的这些研究与方案对复叠制冷循环进行了有益的探索，尤其是低温环保制冷剂的运行特性，但对低温保存箱实际运行过程中压缩机的超温保护、保存箱设定温度需求中的回热要求以及相应的节流方式与机组运行节能都没能提出行之有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种低温复叠制冷***，特别是一种节能型超低温保存箱，其结合高温压缩机的保护、低温环境温度特性，利用高温制冷循环和低温制冷循环耦合实现低温制冷，以及利用回热循环方式和毛细管节流节能循环方式提高制冷循环效率，具有降温速度快、制冷效率高、安全可靠、节能环保的特点，能满足-50℃～-90℃的低温环境制冷要求。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种节能型超低温保存箱，包括高温制冷循环单元和低温制冷循环单元，所述高温制冷循环单元和低温制冷循环单元之间通过热交换器耦合，其中，
所述高温制冷循环单元包括高温循环压缩机、冷凝器、第一干燥过滤器、第一毛细管、第一自控阀件以及第二毛细管，其中，所述高温循环压缩机的高温制冷剂出口与冷凝器的制冷剂入口连通，所述冷凝器的制冷剂出口与第一干燥过滤器的入口连通，所述第一干燥过滤器的出口经第一毛细管与热交换器的高温制冷剂入口连通，所述热交换器的高温制冷剂出口分别与高温循环压缩机的高温制冷剂入口及第二毛细管的一端连通，所述第二毛细管的另一端经第一自控阀件与第一干燥过滤器的出口连通，并且，所述第一自控阀件的导通与否和所述热交换器输出的高温制冷剂的温度成正对应关系；
所述低温制冷循环单元包括低温压缩机、油分离器、第一回热器、第二回热器、第二干燥过滤器、第三毛细管、第二自控阀件、第四毛细管、第三自控阀件、蒸发器、第四自控阀件以及第五自控阀件，其中，所述低温压缩机的低温制冷剂出口与油分离器的入口连通，所述油分离器的低温制冷剂出口经第一回热器与热交换器的低温制冷剂入口连通，所述热交换器的低温制冷剂出口依次经过第二回热器和第二干燥过滤器与第三毛细管一端连通，第三毛细管另一端分别与第二自控阀件一端和第三自控阀件一端连通，所述第二自控阀件另一端经第四毛细管与蒸发器的入口连通，所述第三自控阀件另一端亦与蒸发器的入口连通，所述蒸发器的出口分别与第四自控阀件和第五自控阀件连通，所述第四自控阀件还与低温压缩机的低温制冷剂入口连通，而所述第五自控阀件经第一回热器与低温压缩机的低温制冷剂入口连通，
并且，当低温保存箱温度低于一第一设定值时，第二自控阀件和第三自控阀件分别呈现关闭和打开的状态，反之，当当低温保存箱温度高于一第一设定值时，第二自控阀件和第三自控阀件分别呈现打开和关闭的状态，
当所述蒸发器的出口温度低于一第二设定值时，第五自控阀体和第四自控阀体分别呈现关闭和打开的状态，反之，当所述蒸发器的出口温度高于一第二设定值时，第五自控阀体和第四自控阀体分别呈现打开和关闭的状态。
作为优选方案之一，所述热交换器选用蒸发冷凝器。
作为优选方案之一，所述低温制冷循环单元还可包括膨胀容器，所述膨胀容器通过毛细管与低温压缩机的低温制冷剂入口管道相连接。
作为优选方案之一，前述高温制冷剂可选自R290、R404A、R134a、R22、R502和R717，但不限于此。
作为优选方案之一，前述低温制冷剂可选自R23、R170、R508A和R508B，但不限于此。
附图说明
图1是本发明一优选实施例的结构示意图；
附图标记说明：高温循环压缩机101、冷凝器102、干燥过滤器103、毛细管104、自控阀件105、毛细管106、蒸发冷凝器107、油分离器108、回热器109、回热器110、干燥过滤器111、毛细管112、自控阀件113、毛细管114、自控阀件115、蒸发器116、自控阀件117、自控阀件118、膨胀容器119、低温压缩机120。
具体实施方式
参阅图1系本发明一优选实施方案所涉及的节能型超低温保存箱，其包括一高温制冷循环单元和一低温制冷循环单元，高温制冷循环单元和低温制冷循环单元通过一个热交换器(优选蒸发冷凝器)耦合，通过蒸发冷凝器，高温制冷循环单元的制冷为低温循环工质的冷凝提供所需要的冷量。
进一步的讲，前述高温制冷循环单元包括高温循环压缩机101、冷凝器102、干燥过滤器103、毛细管104、自控阀件105和毛细管106。其工作原理是：高温循环压缩机101出口的高温制冷剂气体在冷凝器102中冷凝成液体，然后经过干燥过滤器103，干燥过滤器103出口的液体经过毛细管104节流降压，为蒸发冷凝器107提供冷量。自控阀件105根据蒸发冷凝器107出口高温制冷剂的温度高度确定打开或关闭。
该高温制冷循环单元中自控阀件105的导通与否由蒸发冷凝器107出口高温制冷剂的温度确定，蒸发冷凝器107出口高温制冷剂的温度高，导致压缩机温度高，这时自控阀件105导通，部分来自干燥过滤器103的高温制冷剂液体通过毛细管106节流降温后直接与蒸发冷凝器107出口高温制冷剂混合，降低压缩机101进口制冷剂温度，从而保护压缩机。
前述低温制冷循环单元包括低温压缩机120、油分离器108、回热器109、回热器110、干燥过滤器111、毛细管112、自控阀件113、毛细管114、自控阀件115、蒸发器116、自控阀件117、自控阀件118和膨胀容器119。其工作原理为：低温压缩机120出口的低温制冷剂气体在油分离器108中把制冷剂和润滑油分离，分离后的低温制冷剂气体流经回热器109，再进入蒸发冷凝器107凝结成液体，低温制冷剂液体经毛细管114节流降温，节流降温后的低温制冷剂气液混合物在蒸发器116中蒸发吸热给低温保存箱降温。膨胀容器119通过毛细管与压缩机进口的管道相连接，确保制冷***在非运行的停机状态处于非高压状态，保护设备。
该低温制冷循环单元中自控阀件113和115中的导通与否由低温保存箱的温度确定，而且自控阀件113和115在运行时总是一个处于导通状态，另外一个就处于关闭状态。自控阀件117和118的导通与否由蒸发器出口的温度确定，当蒸发器出口温度较高，为了保证回热过程中冷却作用，自控阀件117关闭，自控阀件118打开；而当蒸发器出口温度较低，自控阀件117打开，自控阀件118关闭。在机组的运行过程中，自控阀件117和118总是一个处于导通状态，另外一个处于关闭状态。
本发明的高温循环制冷剂可以是R290、R404A、R134a、R22、R502、R717；低温循环制冷剂可以是R23、R170、R508A、R508B。
以下结合若干优选实施例对本发明的前述优选实施方案的工作过程作进一步的说明。
实施例1高、低温制冷循环单元分别抽真空后，高温制冷循环单元冲注适量R290制冷剂，低温制冷循环单元冲注适量的R23制冷剂，低温保存箱工作温度为-60℃。首先高温压缩机101启动，压缩机101的排气经冷凝器102冷凝为液体，经过干燥过滤器103后在毛细管104中节流降温，来自毛细管104的制冷剂在蒸发冷凝器107中蒸发，然后回到压缩机101，如此循环往复，进行高温制冷循环。
当蒸发冷凝器的温度下降到-32℃后，低温压缩机120启动。压缩机120的排气经油分离器108后进入蒸发冷凝器107冷凝为液体，该液体经过回热器110和干燥过滤器111后在毛细管112中节流降温，自控阀件113关闭，自控阀件115打开，来自毛细管112的制冷剂在蒸发器116中蒸发，给低温保存箱降温。当蒸发器116的出口温度不低于-40℃时，控制阀件117关闭，控制阀件118打开，来自回热器109的低温制冷剂回到压缩机120，如此循环。当蒸发器116的出口温度低于-40℃时，控制阀件118关闭，控制阀件117打开，来自回热器110的低温制冷剂回到压缩机120，如此循环。
当低温保存箱温度达到设定值，高温压缩机101和低温压缩机120停机；低温保存箱温度升高超过设定值，高温压缩机101和低温压缩机120再依次启动。
实施例2高、低温制冷循环单元分别抽真空后，高温制冷循环单元冲注适量R404A制冷剂，低温制冷循环单元冲注适量的R508B制冷剂，低温保存箱工作温度为-86℃。首先高温压缩机101启动，压缩机101的排气经冷凝器102冷凝为液体，经过干燥过滤器103后在毛细管104中节流降温，来自毛细管104的液体在蒸发冷凝器107中蒸发，然后回到压缩机101，如此循环往复，进行高温制冷循环。
当蒸发冷凝器的温度下降到-32℃后，低温压缩机120启动。压缩机120的排气经油分离器108后进入蒸发冷凝器107冷凝为液体，该液体经过回热器110和干燥过滤器111后在毛细管112中节流降温。当低温保存箱温度不低于-60℃时自控阀件113关闭，自控阀件115打开，来自毛细管112的液体在蒸发器116中蒸发，给低温保存箱降温；当低温保存箱温度低于-60℃时自控阀件115关闭，自控阀件113打开，来自毛细管112的制冷剂流经毛细管114后在蒸发器116中蒸发，给低温保存箱降温。当蒸发器116的出口温度不低于-40℃时，控制阀件117关闭，控制阀件118打开，来自回热器109的低温制冷剂回到压缩机120，如此循环。当蒸发器116的出口温度低于-40℃时，控制阀件118关闭，控制阀件117打开，来自回热器110的低温制冷剂回到压缩机120，如此循环。
当低温保存箱温度达到设定值，高温压缩机101和低温压缩机120停机；低温保存箱温度升高超过设定值，高温压缩机101和低温压缩机120再依次启动。
需要指出的是，以上优选实施例仅为说明本发明装置的技术方案之用，本领域的普通技术人员依然可以对前述方案所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是，这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明装置方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种节能型超低温保存箱，包括高温制冷循环单元和低温制冷循环单元，所述高温制冷循环单元和低温制冷循环单元之间通过热交换器耦合，其特征在于：
所述高温制冷循环单元包括高温循环压缩机(101)、冷凝器(102)、第一干燥过滤器(103)、第一毛细管(104)、第一自控阀件(105)以及第二毛细管(106)，其中，所述高温循环压缩机(101)的高温制冷剂出口与冷凝器(102)的制冷剂入口连通，所述冷凝器(102)的制冷剂出口与第一干燥过滤器(103)的入口连通，所述第一干燥过滤器(103)的出口经第一毛细管(104)与热交换器的高温制冷剂入口连通，所述热交换器的高温制冷剂出口分别与高温循环压缩机(101)的高温制冷剂入口及第二毛细管(106)的一端连通，所述第二毛细管(106)的另一端经第一自控阀件(105)与第一干燥过滤器(103)的出口连通，并且，所述第一自控阀件(105)的导通与否和所述热交换器输出的高温制冷剂的温度成正对应关系；
所述低温制冷循环单元包括低温压缩机(120)、油分离器(108)、第一回热器(109)、第二回热器(110)、第二干燥过滤器(111)、第三毛细管(112)、第二自控阀件(113)、第四毛细管(114)、第三自控阀件(115)、蒸发器(116)、第四自控阀件(117)、第五自控阀件(118)以及膨胀容器(119)，其中，所述低温压缩机(120)的低温制冷剂出口与油分离器(108)的入口连通，所述油分离器(108)的低温制冷剂出口经第一回热器(109)与热交换器的低温制冷剂入口连通，所述热交换器的低温制冷剂出口依次经过第二回热器(110)和第二干燥过滤器(111)与第三毛细管(112)一端连通，第三毛细管(112)另一端分别与第二自控阀件(113)一端和第三自控阀件(115)一端连通，所述第二自控阀件(113)另一端经第四毛细管(114)与蒸发器(116)的入口连通，所述第三自控阀件(115)另一端亦与蒸发器(116)的入口连通，所述蒸发器(116)的出口分别与第四自控阀件(117)和第五自控阀件(118)连通，所述第四自控阀件(117)还与低温压缩机(120)的低温制冷剂入口连通，而所述第五自控阀件(118)经第一回热器(109)与低温压缩机(120)的低温制冷剂入口连通，所述膨胀容器(119)通过毛细管与低温压缩机(120)的低温制冷剂入口管道相连接；
并且，当低温保存箱温度低于一第一设定值时，第二自控阀件(113)和第三自控阀件(115)分别呈现关闭和打开的状态，反之，当低温保存箱温度高于一第一设定值时，第二自控阀件(113)和第三自控阀件(115)分别呈现打开和关闭的状态，
当所述蒸发器(116)的出口温度低于一第二设定值时，第五自控阀体(118)和第四自控阀体(117)分别呈现关闭和打开的状态，反之，当所述蒸发器(116)的出口温度高于一第二设定值时，第五自控阀体(118)和第四自控阀体(117)分别呈现打开和关闭的状态。
2.根据权利要求1所述的节能型超低温保存箱，其特征在于，所述热交换器选用蒸发冷凝器(107)。
3.根据权利要求1所述的节能型超低温保存箱，其特征在于，所述高温制冷剂至少选自R290、R404A、R134a、R22、R502和R717中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的节能型超低温保存箱，其特征在于，所述低温制冷剂至少选自R23、R170、R508A和R508B中的任意一种。
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