CN101400952B - 极低温混合制冷剂系统的冻析预防和温度控制的方法 - Google Patents

极低温混合制冷剂系统的冻析预防和温度控制的方法 Download PDF

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Abstract

通过使用受控旁路流动,预防制冷剂冻析并控制温度,受控旁路流动导致制冷系统中最低温制冷剂温度变高,制冷系统通过使用包括至少两种制冷剂的制冷剂混合物得到极低温度,这两种制冷剂具有差别至少50℃的沸点。这种控制能力使极低温系统的可靠运行成为可能。

Description

极低温混合制冷剂系统的冻析预防和温度控制的方法
[0001] 相关申请
[0002] 该申请是2006年2月7日提出的美国申请No. 11/349,060题名“极低温混合制冷 剂系统的冻析预防和温度控制的方法”的继续申请并且要求2006年2月7日提出的美国申 请No. 11/;349,060的优先权(2006年2月7日提出的美国申请No. 11/;349,060是2006年 1月13日提出的美国申请No. 11/332,495的部分继续申请,而2006年1月13日提出的美 国申请No. 11/332,495是2002年10月28日提出的美国申请No. 10/281,881的继续申请, 2002年10月28日提出的美国申请No. 10/281,881要求2001年10月沈日提出的美国临 时申请No. 60/335,460的优先权)。上述申请的全部教导通过引述合并于本文中。
技术领域
[0003] 本发明是关于采用一种制冷剂的节流膨胀而产生制冷效果的过程。 背景技术
[0004] 当可靠密封制冷系统形成时,从20世纪初开始,制冷系统就已经存在。从那时起, 制冷技术的改善已经证明其在家庭和工业中的效用。尤其,低温制冷系统在生物制药领域、 低温电子元件学、涂渍操作、和半导体生产领域中提供必要的产业化功能。
[0005] 有许多应用,尤其工业生产和测试应用,需要在低于18;3K(-90°C )温度下制冷。本 发明涉及在181至6^((-9(TC至_208°C )之间温度下提供制冷。包括在该范围中的温度 统称为低的、超低的和低温的。为了该应用目的,术语“极低”或“极低温”将用于意指181 至6^((-90°C至-208°C )的温度范围。
[0006] 在真空条件下操作并与及低温制冷系统相结合的许多生产过程中,某加工步骤中 要求快速加热。加热过程通常统称为除霜循环。加热过程使蒸发器和连接制冷剂管路加热 至室温。在没有引起这些部分中空气中水分冷凝的情况下,这能够使该系统的这些部分被 接入并被排放到大气中。整个除霜循环和继之恢复生成极低温度越长,生产系统的处理量 就越低。在真空容器内快速除霜并且快速恢复冷凝面(蒸发器)的冷却有利于提高真空过 程的处理量。
[0007] 此外,有许多过程想要热制冷剂流过蒸发器一段延长时间。为该应用,我们通常称 之为“烘干”操作。一种采用烘干操作的系统的实施例在美国专利No. 6,843,065中找到, 通过引述合并于本文中。当元件经具有较大热质的制冷剂交替加热和冷却时,烘烤操作是 有利的,并且取决于温度的温度反应比约1至5分钟时间更长。在这种情况下,延长高温制 冷剂的流动需要使用热导直至所有表面达到预期最小温度。此外,真空室的普通程序是容 器中的表面加热至高温的模式,通常为150°C至300°C。这种高温将向容器中的所有表面辐 射,包括经制冷剂冷却和加热的元件。当没有制冷剂流经元件时,将制冷剂和元件中一些剩 余压缩机油接触这种高温存在制冷剂过热而使制冷剂和/或这种油随之发生分解的风险。 因此,提供连续流动的高温制冷剂(通常80°C至120°C ),同时容器被加热,控制制冷剂和油 的温度并预防任何可能的分解。[0008] 存在许多具有低温冷却要求的真空过程。主要利用水汽低温抽气用于真空系统。 极低温表面以比水蒸汽分子被释放速率更高的速率捕获和容纳水蒸汽分子。该净效应快速 并显著性降低了容器水蒸汽分压。水蒸汽低温抽气过程非常有利于电存储介质、光反射镜、 零件金属化、半导体设备等真空镀膜工业中许多物理蒸汽沉积过程。该过程也用于在冷冻 干燥操作中除去食品和生物制品中的湿气。
[0009] 其他的应用涉及热辐射防护层。在这种应用中,较大平板被冷却至极低温度。这 些冷却平板阻止真空室表面和加热器中的辐射热。这可减少被冷却至低于平板温度的表面 上的热负荷。然而,另一个应用是除去人造物体上的热。在一些应用中,该物体是计算机硬 盘的铝盘,用于半导体设备生产的硅片,或者一种材料如用于平板显示器的玻璃或者塑料。 在这些情况下,极低温度提供了更迅速从这些物体上除去热的方法,即使工序结尾的物体 最终温度可能比室温更高一些。
[0010] 此外,涉及硬盘驱动器、硅片、或者平板显示器材料、或其他基体的一些应用涉及 将物质沉积在这些物体上。在这种应用中,由于沉积,热从物体释放出来,并且当维持物体 温度在先前描述的温度范围内时,这种热一定被除去。冷却像滚筒的表面是除去来自这种 物体中的热的典型方法。在这些应用中,制冷系统和被冷却物体之间的界面被冷却在蒸发 器中进行,在蒸发器中,制冷剂从极低温度的物体中除去热。极低温度的其他应用包括生物 体液和组织的储藏和化学和制药过程中反应速率的控制。
[0011] 另外的应用包括用在金属处理和控制材料性质的其他材料中的利用极低温度。然 而另外的应用包括多种过程中的热去除,包括但不限于CCD照相机、X-射线检测器、γ射线 检测器、和其他的核颗粒和辐射检测器。其他应用还包括设备应用,包括气相色谱、差示扫 描量热仪、质谱仪、和其他类似应用。
[0012] 极低温制冷剂也用在家用和工业气体和液体的冷凝和冷却中,例如在氮气液化、 氧气液化、其他气体液化、和用于更多应用中的气体的冷却。这些应用中的一些包括丁烷制 冷、化学过程中气体温度的控制,等等。
[0013] 传统制冷系统长久以来利用的是氯化制冷剂,这种制冷剂已经确定对环境有害并 且已知助于臭氧损耗。因此,日益限制性环境规则已经强迫制冷剂工业不使用氯化碳氟化 合物(CFCs)与氢氟氯碳化物(HCFCs)。蒙特利议定书的规定要求氢氟氯碳化物使用逐渐停 止并且2001年1月1日欧盟法禁止在制冷系统中使用氢氟氯碳化物。因此,要求发展可供 选择的制冷混合物。氢氟烃(HFC)制冷剂是优先备选的,这种制冷剂不易燃,具有低毒性并 且易购得。
[0014] 现有技术极低温系统使用易燃组分来控制油。采用氯化制冷剂的极低温系统中 使用的这种油与较高温沸点组分具有优良混溶性,该较热沸点组分在压缩时能在室温下液 化。较低温沸点HFC制冷剂如R-23不与这些油混合并且不易液化直到他们接触到制冷过 程的较低温部分。不混溶性导致压缩机油分离和冻析,由于堵塞管道、过滤器、阀门或者节 流装置依次导致系统失败。为了得到溶混性,在较低温度下,乙烷被常规加入到制冷剂混合 物中。不幸地是,乙烷是易燃的,这限制了消费者接受并且能引起系统控制的附加要求、安 装要求和费用。因此,优选除去乙烷或其他易燃组分。
[0015] 制冷系统如上面描述的那些需要一种制冷剂混合物,这种制冷剂混合物将不从制 冷剂混合物中冻析出。当一个或多个制冷剂组分、或压缩机油变成固体或者极粘稠时,发生制冷系统的“冻析”情况,极粘稠指其不流动的临界点。如果冻析情况发生,抽吸压力易于 降低可进一步产生正反馈并且进一步降低温度,更引起冻析。
[0016] 需要一种阻止混合制冷剂制冷系统中冻析的途径。可用的HFC制冷剂具有比 其取代的HCFC和CFC制冷剂更高温凝固点。这些制冷剂混合物关于冻析的极限在专利 09/886,936的美国申请中公开。如上面提到的,由于碳氢化合物的易燃性,其使用是不希望 的。然而,因为能代替易燃碳氢化合物制冷剂的HFC制冷剂通常具有高温凝固点,除去易燃 组分引起冻析控制中的额外困难。
[0017] 当制冷系统中的外部热负荷非常低时,通常存在冻析。一些极低温系统利用过冷 器并用它冷却高压制冷剂,这种过冷器采用一部分最低温高压制冷剂。这通过膨胀制冷剂 部分并使用其对过冷器的低压侧进料来完成。因此,当流向蒸发器的流动被停止时,内部流 动和传热持续使高压制冷剂逐渐变得更冷。这依次导致进入过冷器的被膨胀制冷剂的温度 更低。取决于整个系统设计、该系统的冷端处循环中的制冷剂组分、和该系统的操作压力, 有可能得到冻析温度。既然相对于这种情况如冻析的限度必须给出,制冷设计将通常受限 制,由于整个系统被设计不再经历冻析情况。
[0018] 当采用氢氟碳化物(HFCs)作为制冷剂时的另一个挑战是这些制冷剂在烷基苯油 中是不互溶的,并且因此,多元醇酯(POE) (1998ASHRAE Refrigeration Handbook,第7章, 7. 4页,美国采暖、制冷和空调工程师学会)压缩机油与HFC制冷剂兼容。适宜的油的选择 对极低温系统是必需的,因为这种油不仅提供良好的压缩机润滑,也不在极低温下从制冷 剂中分离和冻析出。
[0019] 专利USSN 09/894, 964的美国申请描述了如该申请中引述的极低温混合制冷系 统的冻析预防的方法。尽管该方法证明对其应用的系统是有效的,也不能提供必需的控制。 这是因为利用阀门提高上游低压制冷剂的压力来预防冻析减少该系统的制冷性能。公开的 阀门必须人工调整,并且按照不同形式操作(例如,冷却、除霜、停备和烘干)需要,人工调 整阀门是不实际的。
[0020] 总的来说,大量的旁路方法被应用在传统制冷系统中。这些系统,通常在_40°C或 更高温度下操作,采用单一制冷剂组分,或者具有沸点相邻的制冷剂混合物,这种混合物性 能类似于单一制冷剂组分。在这种系统中,控制方法利用饱和制冷剂温度和饱和制冷剂压 力之间的对应。在单一制冷剂组分上,这种对应的本质使得当两相混合物(液相和气相) 存在时,仅制冷剂的温度或者压力彼此被确定。通常采用的具有沸点紧邻的混合制冷系统, 该温度压力对应存在小偏差,但它们运行并且按照单一组分制冷剂的类似模式处理。
[0021] 公开的发明涉及极低温制冷系统,这种系统采用具有宽间隔沸点的混合制冷 剂。典型混合物将具有相差100°c至200°C的沸点。对本公开目的,极低温混合制冷系统 (VLTMRS)意指采用具有至少两种组分的极低温制冷系统,这两种组分正常沸点相差至少 50°C。这种混合物,单一制冷剂组分的偏差是显著性的以至于饱和温度和饱和压力之间的 对应更复杂。
[0022] 由于这些附加组分所提供的自由度数和这些组分由于宽间隔沸点而性能彼此不 同的事实,为了使压力(或者温度)被确定,制冷剂混合物组成、液体组分、和温度(或者压 力)必须被确定。因此,传统单一制冷剂或者性能类似于单一制冷剂的混合物的控制方法, 由于温度-压力对应中的差异,不能以相同于传统系统的方式应用于极低温混合制冷系统(VLTMRS)。尽管接近图示表征,由于压力温度对用中的差异,这些设备在极低温混合制冷系 统(VLTMRS)中的应用不同于现有技术。
[0023] 如简单的实施例,传统制冷系统控制严重依赖于控制冷凝器温度将控制排气压力 的事实。因此,控制冷凝器温度的控制阀门将以可预测方式控制排气压力,不顾操作模式或 者蒸发器上的热负荷。相比之下,由于蒸发器负载和操作模式的变化,即使循环混合物和冷 凝器温度未改变,采用具有宽间隔沸点的组分的极低温混合制冷系统(VLTMRQ将经历压 缩机排气压力的很大改变。
[0024] 因此,一些体现本发明的所示图表是常见的传统制冷中执行的那些。现有技术控 制方法的综述在2002版ASHRAE手册制冷卷第45章中给出。本系统不同于这些现有技术 系统,因为该申请涉及具有不同温度-压力特征的制冷剂,或者更特别地,这些制冷剂具有 没有确定的压力温度对应,如传统制冷剂达到的。因此,控制组分和制冷剂之间的相互作用 是不同的。
[0025] Forrest等人提出的USP 4,763,486描述了加入内部冷凝液旁路的极低温混合制 冷系统(VLTMRQ。在该方法中,该过程中不同相分离器中的液体制冷剂迂回到蒸发器的进 口。该方法的目的是为了提供蒸发器冷却的温度和容量控制,并且是为了提供系统的稳定 操作。如定义,这种方法要求制冷剂流经蒸发器来提供某种水平的冷却。没有提及由停备 模式或者烘干模式构成并且图表清楚显示所示方法不能在停备模式或者烘干模式中使用。 本发明描述了起动系统的难题,该起动系统具有不同数量的相分离器。
[0026] 自从本专利的时间以来,极低温混合制冷系统(VLTMRS)的许多变化已经被证实, 改变相分离器的数量,相分离器是整个分离器或部分分离器,和没有相分离器。这些示范系 统在没有利用Forrest等人的情况下已经成功被操作。Forrest等人预防的情况涉及的事 实是可能的,该事实是极低温混合制冷系统(VLTMRS)要求最小流速支持适当的两相制冷 剂流动。在没有充分流动的情况下,Forrest等人避免的征兆将被预料到。Forrest等人也 没有使用排气线油分离器。周知的是,极低温混合制冷系统(VLTMRS)中的压缩机油可阻滞 流动管道并且导致了 Forrest等人力求避免的该种类型征兆。
[0027] 此外,当前应用预防该过程中制冷剂的冻析。不同于不受正常关注的传统制冷系 统,因为它们通常在50°C或者比用在公开的极低温混合制冷系统中制冷剂的凝固点更高温 度下操作,冻析是一种重要考虑。
发明内容
[0028] 为了如预防制冷过程中制冷剂和油的冻析的目的,本发明公开了提供在制冷过程 中温度控制的方法。本发明的方法尤其在极低温制冷系统或者过程中有效,采用混合制冷 剂系统,如自动制冷复叠循环、Klimenko循环、或者单一膨胀设备系统。制冷系统由至少一 个压缩机和单一阶段配置(没有相分离器)或者多阶段配置(至少一个相分离器)的节流 循环。多阶段节流循环也统称为自动制冷复叠循环并且其特征在于在制冷过程中使用至少 一个制冷气-液相分离器。
[0029] 本发明的温度控制和冻析预防方法在制冷系统中有效,该制冷系统具有延长的除 霜循环(烘干)。如将讨论的,烘干的使用需要另外考虑,这些方法中提到。
[0030] 本发明的优势是控制温度和/或预防制冷剂混合物的冻析的方法公开用在极低温制冷系统中。
[0031] 本发明的另一个优势是在操作模式(冷却、除霜、停备或者烘干)之内利用公开的 方法的系统稳定性。
[0032] 然而,本发明的优势是操作接近制冷剂混合物的冻析点的极低温混合制冷系统 (VLTMRS)的能力。
[0033] 本发明的其他目标和优势将在说明书中显而易见。 附图说明
[0034] 如下面附加附图中举例说明的,本发明的前述和其他目的、特征和优点从下列本 发明的优选实施方案的更特殊描述中将是显而易见的,其中相同参考字符统指贯穿不同视 图中的相同部分。这些附图不必按比例规定,重点不在于举例说明本发明的原理。
[0035] 图1为依据本发明的具有旁路回路的极低温制冷系统的示意图。
[0036] 图2为依据本发明通过采用制冷剂的可控内部旁路提供温度控制和/或预防冻析 的方法的示意图。
[0037] 图3为依据本发明通过采用制冷剂的可控内部旁路提供温度控制和/或预防冻析 的另一个可供选择方法的示意图。
[0038] 图4为依据本发明通过采用制冷剂的可控旁路提供温度控制和/或预防冻析的另 一个方法的示意图。
[0039] 图5为依据本发明通过采用图2实施方案中制冷剂的可控内部旁路提供温度控制 的方法的示意图。
[0040] 图6为依据本发明通过采用如图3实施方案中制冷剂的可控内部旁路提供温度控 制的另一个可供选择方法的示意图。
[0041] 图7为依据本发明通过采用图4实施方案中制冷剂的可控旁路提供温度控制的另 一个方法的示意图。
具体实施方式
[0042] 图1显示了依据本发明添加部件的现有技术极低温制冷系统100。现有技术系统 的详情在美国专利申请09/870,385中公开,通过引述合并于本文中并成为其一部分。制 冷系统100包括给优选油分离器108进口进料,经排出管110给冷凝器112进料的压缩机 104。冷凝器112随即给过滤干燥机114进料,通过液体管输出116给制冷过程118的第一 补给输入进料。制冷过程118的另一个详情在图2中显示出。当油不经循环来润滑压缩机 时,油分离器是不需要的。
[0043] 制冷过程118提供了制冷补给线输出120,其给进给阀122的进口进料。进给阀 122中的制冷剂是极低温下的高压制冷剂,通常_90°C至-208°C。流量计(FMD) 124与冷却 阀1¾串连安排。同样地,FMD 126与冷却阀130串连安置。FMD IM和冷却阀1¾的系列 组合与FMD 126和冷却阀130的系列组合平行安置,FMD 124和FMD 126的进口在结点处 相连,给料阀122的出口被进料。此外,冷却阀1¾和130的出口在结点处相连,对低温分 离阀132的进口进料。低温分离阀132的出口提供蒸发器补给管出口 134,其对(通常)家 用装置蒸发器线圈136进料。[0044] 蒸发器136的相反端提供了蒸发器回流管138,其对低温分离阀140的入口进料。 低温分离阀140的出口经内部回流管142对极低温流量开关152进料。回流阀144的出口 对止回阀146的进口进料,止回阀146的进口经制冷回流管148对制冷过程118的第二进 口(低压)进料。
[0045] 温度开关(TS) 150热耦合于止回阀146和制冷过程118之间的制冷回流管148。 此外,多个温度开关,具有不同跳闸点,沿着内部回流管142被热耦合。温度开关(K) 158、 温度开关(TS) 160、和温度开关(TS) 162热耦合于低温分离阀140和回流管144之间的内部 回流管142。
[0046] 制冷循环从制冷过程118的回流出口至压缩机104进口经压缩机吸入管164被封 闭。位于十分靠近压缩机104的压力开关(PS) 196由空气作用连接压缩机吸入管164。此 外,油分离器108的油回流管109接入压缩机吸入管164。制冷系统100进一步包括连接压 缩机吸入管线164的膨胀水箱192。FMD 194在膨胀箱192和压缩机吸入管164之间排成
一排安置。
[0047] 制冷系统100内的除霜补给循环(高压)按照如下构成:进给阀176的进口在位 于排出管线110的结点A处被连接。除霜阀178与FMD 182并排安置;同样地,除霜阀180 与FMD 184并排安置。除霜阀178与FMD 182的系列组合与除霜阀180与FMD184的系列 组合并排安置,除霜阀178和180的进口在结点B处连接起来,进给阀176的出口对结点B 进料。此外,FMD 182和184的出口在结点C处连接起来,结点C给冷却阀1¾和低温分离 阀132之间的结点D处管线内连接封闭除霜补给循环的管线进料。
[0048] 制冷系统100内的制冷剂回流旁路(低压)循环按照如下构成:旁路管186从定 位低温流量开关152和回流阀144之间管线内结点E给料。平行连接在旁路管186中的是 旁路阀188和检修阀190。制冷回流旁路回路由检修阀190的出口连接位于制冷过程118 和压缩机104之间的压缩机吸入管164中的结点F实现。
[0049] 除了 TS 150、TS 160、和TS 162之外,制冷系统100的所有元件被机械和液压连接。
[0050] 安全回路198提供对制冷系统100内排列的多个控制设备的控制或者从其中得到 反馈,例如压力和温度开关。PS 196、TS 150、TS 158、TS 160、和TS 162是这种设备的实 施例;然而,有许多其他传感装置排列在制冷系统100内,为简单起见不显示在图1中。压 力开关,包括PS 196,通常由空气作用连接,然而温度开关,包括TS 150、TS 158、TS 160、 和TS 162,通常热耦合于制冷系统100内的流线。安全回路198是电控制的。同样地,不同 传感器给安全回路198的反馈是电。
[0051] 制冷系统100是极低温制冷系统并且其基本操作,除热和热重安置,在本领域中 是周知的。本发明的制冷系统100利用纯净制冷剂或者混合制冷剂。
[0052] 除了低温分离阀132和140之外,制冷系统100的单个元件在工业中是众所周知 的(例如,压缩机104、油分离器108、冷凝器112、过滤干燥器114、制冷过程118、进给阀 122、FMD 124、冷却阀128、FMD 126、冷却阀130、蒸发器线圈136、回流阀144、止回阀146、 TS 150、TS 158、TS 160、TS 162、进给阀 176、除霜阀 178、FMD 182、除霜阀 180、FMD 184、 旁路阀188、检修阀190、膨胀箱192、FMD 194,PS 196、和安全回路198)。此外,低温流量开 关152在专利USSN 09/886,936的美国申请中进行了全面描述。然而,为了更清楚,在下面对元件进行了 一些简单讨论。
[0053] 压缩机104是传统压缩机,其采用低压、低温制冷剂气体并将其压缩成高压、高温 气体,将其送进油分离器108内。
[0054] 油分离器108是传统的油分离器,其中压缩机104中的压缩质量流进入较大分离 器容器内,这降低其速度,从而形成质子化油滴,这些油滴聚集在冲击屏表面或者聚结元件 上。油滴凝聚成较大颗粒,它们落到分离器油存储器内并经压缩机吸入管164返回到压缩 机104内。油分离器108中的质量流,减去被除去的油,持续流向结点A并向上流向冷凝器 112。
[0055] 压缩机104内的热且高压气体流经油分离器108,然后经过冷凝器112。冷凝器112 是传统冷凝器,是系统的一部分,热经冷凝被排除。当热气经过冷凝器112,通过它或在其上 的气体或者水将其冷却。当热气态制冷剂冷却时,液态制冷剂液滴在其线圈内形成。最终, 当气体到达冷凝器112末端时,其已经部分冷凝;那就是说,液态和气态冷凝剂存在。为了 使冷凝器112正确运行,经过冷凝器112或在其上的气体或者水必须比该系统的工作流体 更低温。为了 一些特殊应用,制冷剂混合物将被组合使得冷凝器中没有发生冷凝。
[0056] 冷凝器112中的制冷剂经过滤干燥器114向上流动。过滤干燥器114起到吸收系 统污染物的作用,如水,水能生成酸,并且起到提供物理过滤的作用。过滤干燥器114中的 制冷剂对制冷过程118进料。
[0057] 制冷过程118可为任何制冷系统或者制冷过程,如单一制冷系统、混合制冷系统、 正常制冷过程、单一阶段的复叠制冷过程、自动制冷复叠循环、或者Klimenko循环。为了本 公开中举例说明的目的,制冷过程118在图2中显示,如Klimenko也对自动制冷复叠循环 的变化进行了描述。
[0058] 图1中所示的几个项目对基本制冷单元是不必需的,其唯一的目的是为了输送极 低温制冷剂。图1中描述的系统是能够除霜和烘干的系统。如果这些功能不需要,绕开制 冷过程118的循环可被去掉,公开方法的根本利益仍是适用的。同样地,阀门和其他设备中 的一些对有利于公开的方法是不必需的。作为最小化,制冷系统必须包括压缩机104、冷凝 器112、制冷过程118、FMD124、和蒸发器136。
[0059] 图2中所示的制冷过程118的一些基本变化是可能的。制冷过程118可为一个 阶段的复叠系统,其中冷凝器112中制冷剂的最初冷凝可由低温制冷剂从其他阶段制冷得 到。同样地,制冷过程118生成的制冷剂可用于冷却和液化较低温复叠过程的制冷剂。此 外,图1显示单一压缩机。公认的是,可采用两个平行压缩机得到相同压缩功效,或者经系 列压缩机或两个阶段压缩机,相同的压缩过程可分解成多个阶段。所有这些可能变化被认 为在本公开的范围内。
[0060] 此外,图1至4仅与一个蒸发器线圈136相关。原则上,公开方法可用于由单一制 冷过程118冷却的多个蒸发器线圈136。在这个构造中,每个独立的受控蒸发器线圈136 需要单独组的阀门和FMD去控制制冷剂进料(例如,除霜阀180、FMD 184、除霜阀178,FMD 182,FMD 126、冷却阀130、FMD 124、和冷却阀128)并且用阀门控制旁路(例如,止回阀146 和旁路阀门188)。
[0061] 蒸发器136,如所示,可加入作为完整制冷系统100的一部分。在其他安排中,蒸发 器136由用户或者其他第三方提供,一经安装完整制冷系统100就被装配上。制备蒸发器136通常是非常简单的并且可由铜或者不锈钢管组成。在其他应用中,制作是更复杂的,是 用户过程部分。例如,蒸发器可包括多个流动通道热交换器中的至少一个流动通道。在这 个安排中,用户过程流体在热交换器的其他通道中流动,并由蒸发器制冷剂冷却。
[0062] 进给阀176和检修阀190是标准隔膜阀或者比例阀,例如Superior非密封阀门 (Washington, PA),如必需的,提供一些分隔组分的服务功能。
[0063] 膨胀箱192是制冷系统中传统存储器,其容纳由加热引起的制冷剂蒸发和膨胀引 起的增加的制冷剂体积。在这种情况中,当制冷系统100关闭时,制冷剂蒸汽经FMD 194进 入膨胀箱192。
[0064] 冷却阀128、冷却阀130、除霜阀178、除霜阀180、和旁路阀188是标准电磁阀,例 如 Sporlan (Washington,MO)models xuj, B_6 和 B_19 阀。可供选择地,冷却阀 128 和 130 是具有闭环反馈的比例阀,或者热膨胀阀。
[0065] 优选的止回阀146是传统止回阀,其仅在一个方向上流动。止回阀146根据作用 在制冷剂上的压力打开和关闭。(止回阀146的附加描述如下)。因为这个阀经受极低温, 它必须由与这些温度兼容的材料构成。此外,该阀必须具有正确的压力等级。此外,优选的 是,这种阀没有密封,允许制冷剂向环境泄露。优选地,应该经铜焊或者焊接连接起来。示 范止回阀是Check-AllValve的系列UNSW止回阀(West Des Moines, ΙΑ)。需要烘干功能 的这些应用中仅需要这种阀门。
[0066] FMD 124、FMD 126、FMD 182、FMD 184、和 FMD 19 是传统流量计,如毛细管,注流 孔,具有反馈的比例阀,或者控制流动的限制性元件。
[0067] 进给阀122、低温分离阀132和140、和回流阀144通常是标准隔膜阀,例如 Superior阀门公司制造的。然而,标准隔膜阀在极低温温度下操作是困难的,因为小量的 冰在螺纹中堆积阻塞,从而阻止操作。可供选择的,P0lyC0ld(Petaluma,CA ;Brooks自动化 分公司)已经开发了经改善的截止阀,其用于极低温制冷系统100内的低温分离阀132和 140。低温分离阀132和140的可供选择的实施方案如下描述。低温分离阀132和140具 有装在不锈钢管内的套管伸缩轴,不锈钢管内装入氮气或空气。轴高温末端处的压缩配件 和0-环配置甚至在极低温温度下转动。这轴装置提供了热隔离,从而阻止霜累积。
[0068] 加热或者冷却的蒸发器表面是蒸发器线圈136。用户安装蒸发器线圈136的实施 例为金属管线圈或者某种类别的滚筒,例如具有热键合其上的管子的不锈钢板或者具有设 计其内的制冷剂流动管道的板子。蒸发器的流动通道也可为多通道热交换器中的至少一个 通道。
[0069] 图2举例说明了依据本发明的示范性制冷过程118。为了本公开中说明的目的,制 冷过程在图2中显示,如自动制冷复叠循环。然而,极低温制冷系统100的制冷过程118可 为任何制冷系统或者制冷过程,例如单一制冷剂系统、混合制冷剂系统、单阶段的复叠制冷 过程、自动制冷复叠循环、Klimenko循环等。
[0070] 更特殊地,制冷过程118可为带有没有相分离的单阶段低温冷却器的自动制 冷复叠过程系统,(Longsworth,USP 5,441,658),Missimer型自动制冷复叠过程系统, (Missimer USP 3,768,273),或者Klimenko型系统(例如,单相分离器)。制冷过程118也 可为这些过程的变化,例如Forrest,USP 4,597,267或者Missimer,USP 4,535,597中描述 的。[0071] 本发明最基本的是采用的制冷过程必须包含制冷剂流经除霜模式或者停备模式 (没有流向蒸发器)期间制冷过程的至少一种方法。在单一膨胀设备冷却器,或者单一制冷 系统的情况中,阀门(未示出)和FMD(未示出)对使制冷剂从高压侧流向低压侧经制冷过 程是必需的。这保证制冷剂流经冷凝器112使得热可从系统中排除掉。这也确保,制冷过程 118中的除霜低压制冷剂与来自管线186的回流除霜制冷剂混合存在。在稳定冷却模式中, 从高侧向低侧的内部流动可通过关闭制冷过程的这个阀门阻止,不需要这种内部制冷流路 获得预期制冷效果(传统具有单一 FMD的系统)。
[0072] 关键的是,制冷过程持续操作,甚至当不需要蒸发器冷却的时候。持续操作维持制 冷118中的极低温并且需要时提供了蒸发器快速制冷的能力。
[0073] 图2的制冷过程118包括热交换器202、相分离器204、热交换器206和热交换器 208。在补给流动路经中,液体管116中流动的制冷剂给热交换器206进料,对相分离器204 进料,对热交换器206进料,对热交换器208进料,对优选热交换器212进料。热交换器212 的高压出口在结点G分开。一个分支对FMD 214进料,另一个分支对制冷补给线120进料。 热交换器212公认为过冷却器。一些制冷过程不需要它,因此它是可选元件。如果热交换 器212不被使用,热交换器208内的高压流直接对制冷剂补给线120进料。在回流流动路 径中,制冷剂回流管148对热交换器208进料。
[0074] 在具有过冷却器的系统中,过冷却器中的低压制冷剂与回流制冷剂在结点H处混 合并且生成的混合流体对热交换器208进料。热交换器208内的低压制冷剂对热交换器 206进料。相分离器除去的液体馏分扩大为FMD 210中的低压。制冷剂从FMD 210流出,然 后与从热交换器208向热交换器206流动的低压制冷剂混合。混合的流体对热交换器206 进料,依次对热交换器202进料,随即对压缩机吸入管164进料。热交换器在高压制冷剂和 低压制冷剂之间交换热。
[0075] 在更精制的自动制冷复叠系统中,附加阶段的分离可应用在制冷过程118内,如 Missimer 禾口 Forrest 描述的。
[0076] 热交换器202、206、208和212是将一个物质中的热转移至另一物质中的工业中众
所周知的装置。一些普通装置包括铜焊平板热交换器、筒中筒热交换器、和较大单管内多 管。相分离器204是分离制冷剂液相和气相的工业中众所周知的装置。这种相分离器利用 分离元件有效除去气相中液相薄雾。典型的构造由钢丝绒包装或者不锈钢除雾器,或者聚 结介质如填充玻璃纤维组成,获得超过99%的分离效率。图2显示一个相分离器;然而,通 常具有多于一个。
[0077] 热交换器212 —般统称为过冷却器。有混淆的可能,因为传统制冷系统也具有称 为过冷却器的装置。在传统制冷中,过冷却器统称热交换器,这种热交换器采用蒸发器回流 气体冷却室温进入的冷凝排出制冷剂。在这种系统中,热交换器的每个侧面上的流体总是 均衡的。本应用中描述的系统中,过冷却器起着不同功能。它不与回流蒸发器制冷剂交换 热。替代地,它转向蒸发器的高压制冷剂并利用它使制冷剂进入蒸发器冷却器。它统称为 过冷却器,因为在一些例子中,它能生成过冷液体,然而,它以比传统过冷却器更不同的方 式工作。
[0078] 为清楚起见,为了本应用目的,过冷却器统称在极低温混合制冷温度系统中使用 的热交换器,通过转向系统中一部分最冷高温制冷剂操作而被用于冷却高压制冷剂。[0079] 流经极低温混合制冷剂过程中的热交换器的流体在该过程的至多两个位置通常 以两相混合物形式存在。因此,维持适当的液体流速而保持混合物的均勻性是阻止流体的 液体和气体部分分离和降低系统性能所必需的。系统以几个操作模式工作,例如体现本发 明的系统,维持充分制冷剂流动来正确控制这两项流动对确保可靠操作是很关键的。
[0080] 连续参考图1和2,极低温制冷系统100的操作如下:
[0081] 来自压缩机104的热高压气体经过优选油分离器108,然后经过冷凝器112,气体 经通过它或在其上的空气或水冷却。当气体到达冷凝器112的末端时,它被部分冷凝并且 是液态和气态制冷剂的混合物。
[0082] 来自冷凝器112的液态和气态制冷剂流经过滤干燥器114,然后对冷凝过程118进 料。极低温制冷系统100的制冷过程118通常具有从高压向低压的内部制冷剂流动路径。 制冷过程118在高压下生成极冷制冷剂(_90°C至_208°C ),经制冷剂补给线120流向低温 气体进给阀122。
[0083] 冷的制冷剂存在于进给阀122内并且对FMD 124的系列组合进料,完全流通冷却 阀1¾与FMD 126的系列组合平行安置,限制流动冷却阀130,冷却阀1¾和130的出口在 给低温分离阀132进口进料的结点D处连接在一起。
[0084] 蒸发器线圈136位于低温分离阀132和低温分离阀140之间,起到截止阀的作用。 低温分离阀132对蒸发器补给线134进料,其连接到被加热或者冷却的蒸发器表面,例如蒸 发器线圈136。被加热或者冷却的蒸发器反向末端,例如蒸发器线圈136,连接蒸发器回流 管138,对低温分离阀140的进口进料。
[0085] 蒸发器线圈136的回流制冷剂流经低温分离阀140至极低温流量开关152。
[0086] 回流制冷剂经回流阀144从低温流量开关152流出,随即流向止回阀146。止回阀 146是弹簧式低温止回阀,这种阀门通常具有1至IOpsi破裂压力。那就是说止回阀146的 不同压力必须超过允许流动的破裂压力。可供选择地,止回阀146是低温开/关阀,或者最 小化压力下降的具有足够尺寸的低温比例阀。止回阀146的出口经制冷剂回流管148对制 冷过程118进料。止回阀146在本发明的制冷系统100中起到主要作用。
[0087] 应注意地是,进给阀122和回流阀144是可供选择的并且分别对低温分离阀132 和低温分离阀140是有些多余的。然而,进给阀122和回流阀144提供了服务功能分离该 系统中必要的组分。
[0088] 极低温制冷系统100主要区别于传统制冷系统:
[0089] (i)其达到的极低温;
[0090] (ii)其利用制冷剂混合物,该混合物包括具有沸点差别至少50°C的制冷剂,因为 这些制冷剂混合物性能比现有技术传统制冷系统有很大区别;
[0091] (iii)它用在能在不仅有一个冷却模式的模式中操作,例如,除霜、停备和烘干模 式,从而需要包括宽范围的操作条件;和
[0092] (iv)它提供了经本应用中公开的方法控制温度的有效技术,如为了预防制冷剂栋 析。
[0093] 这些差别应用于本公开中进行讨论的本发明所有实施方案。
[0094] 可用在本发明中VLTMRS的特殊制冷剂的实施例在专利USSN 09/728, 501、USSN 09/894,968和USP5,441,658 (Longsworth)的美国申请中进行了讨论。其公开合并于本文中并成为其一部分。为完整性,一些被选择的混合制冷剂如ASHRAE标准数字34定义总称 为"R"并且具有括号内的摩尔分数范围:
[0095]混合物 A 包括 R-123 (0.01 M 0. 45)、R-124 (0. 0 至 0. 25)、R-23 (0. 0 至 0. 4)、 R-14 (0. 05 至 0. 5)、和氩气(0. 0 至 0. 4)
[0096]混合物 B 包括 R-236fa(0. 01 至 0. 45)、R_125(0. 0 至 0. 25)、R-23 (0. 0 至 0. 4)、 R-14 (0. 05 至 0. 5)和氩气(0. 0 至 0. 4)
[0097]混合物 C 包括 R-245fa、(0. 01 至 0. 45)、R-125 (0. 0 至 0. 25)、R-23 (0. 0 至 0. 4)、 R-14 (0. 05 至 0. 5)和氩气(0. 0 至 0. 4)
[0098]混合物 D 包括 R-236fa (0. 0 至 0. 45)、R_245fa (0. 0 至 0. 45)、R_134a、R-125 (0. 0 至 0. 25)、R-218 (0. 0 至 0. 25)、R-23 (0. 0 至 0. 4)、R-14 (0. 05 至 0. 5)、氩气(0. 0 至 0. 4)、 氮气(0. 0至0. 4)和氖气(0. 0至0. 2)
[0099] 混合物E包括丙烷(0. 0至0. 5)、乙烷(0. 0至0. 3)、甲烷(0. 0至0. 4)、氩气(0. 0 至0. 4)、氮气(0. 0至0. 5)、和氖气(0. 0至0. 3).
[0100] 公认地,上述混合物和混合物组分的可能组合是无限的。也期望,不同混合物组 分的一些组合被期望在一些应用中是有效的。此外,期望未列出的其他组分可被加入。然 而,利用按照上述列出比例的组分的混合物,和联合其他列出的混合物在本发明的界定范 围内。
[0101] 可在依据本发明的极低温混合制冷系统中使用的其他混合物包括美国专利 No. 6,076,372 和 No. 6,502,410 和 2005 年 1 月 25 日提出的美国专利申请 No. 11/046, 655 题目为“利用混合惰性组分制冷剂的制冷循环”中公开的混合物,专利的公开通过引述合并 于本文中。用多种不同的可能混合物操作的系统有利于这里公开的技术,包括由惰性制冷 剂、氟醚、和/或氢氟烃构成的混合物,和由惰性制冷剂、氟醚、氢氟烃、和/或碳氢化合物构 成的混合物。
[0102] 在传统制冷系统中,没有止回阀146,回流制冷剂直接进入制冷过程118(在冷却 模式或者除霜模式中)。然而,在除霜循环中,通常是当制冷过程118的回流制冷剂温度达 到+20°C时制冷循环118被终止,+20°C是除霜循环末端的典型温度。在+20°C那点,制冷剂 与制冷过程118内的极冷制冷剂混合。室温制冷剂和极冷制冷剂在制冷过程118内混合可 在制冷过程118超负荷之前仅容许一段很短时间,因为存在很多热。当转载了高温回流制 冷剂时,制冷过程118努力生成极冷制冷剂,制冷剂压力最终超过其操作极限,从而引起制 冷过程118被安全系统198关闭为了保护自己。结果,传统制冷系统中的除霜循环被限制 约2至4分钟并限制于约+20°C最大制冷剂回流温度。
[0103] 然而,经对比,极低温制冷系统100具有制冷过程118的回流路径中的止回阀146 和围绕制冷过程118的回流旁路回路,从结点E至F,经旁路线186、旁路阀188、和检修阀 190,从而对除霜循环中高温制冷剂回流的产生不同效应。象进给阀122和回流阀144、检修 阀190不是必要的,但如果需要维修,提供了一些隔离组分的服务功能。
[0104] 除霜循环中,当由于高温制冷剂与低温制冷剂混合,制冷过程118内的回流制冷 剂温度达到,例如,_40°C或者更高温度,在制冷过程118周围的结点E至F的旁路管线被打 开。结果,高温制冷剂流进压缩机吸入管164,然后向上流到压缩机104。旁路阀188和检 修阀190由于TS 158、TS 160 JPTS 162的作用而被打开。例如,TS 158起到“除霜加开关”作用,其具有>_25°C的一组点。TS 160(优选的)起到“除霜终止开关”作用,其具有 >42°C的一组点。TS 162起到“冷却回流限制开关”作用,其具有>-80°C的一组点。总 的来说,TS 158,TS 160、和TS 162,基于回流线制冷剂和基于操作模式(例如,除霜或者冷 却模式)的反应,为了控制阀打开和/或者关闭来控制制冷系统100加热或者冷却的速度。 一些应用需要连续除霜操作,也统称为烘干模式。在这些情况中,TS 160不必终止除霜,因 为这种模式的连续操作是必需的。
[0105] 该操作最基本的是结点E至F之间的差压,当流过旁路阀188和检修阀190时,必 须使经过止回阀146的差压不超过其破裂压力(例如,5至lOpsi)。这是重要的,因为,流 体采用最小阻力的路径;因此,流动必须正确平衡。如果经过旁路阀188和检修阀190的压 力被允许超过止回阀146的破裂压力,流动将经止回阀146出发。这不是预期的,因为高温 制冷剂将倒回到制冷过程118,同时高温制冷剂进入压缩机吸入管164并且对压缩机104进 料。同时流经止回阀146并且结点E至F的旁路引起制冷系统100变得不稳定,并且造成 失控模式,其中任何物质温度变高,排出压力(压缩机释放的)变得更高,吸入压力变得更 高,引起更多流向制冷过程118,E点压力变得更高,最终关闭制冷系统100。
[0106] 如果吸入压力超过预先确定值,装置如PS 196被用于阻止热气流向制冷过程,该 情况可被阻止。因为制冷系统100的质量流速主要由吸入压力调速,这变成将流速限制在 安全范围内的有效方法。降低吸入压力低于预先确定极限PS 196将重新调整并再次恢复 除霜过程。
[0107] 因此,制冷系统100的除霜循环过程的正确操作,经过旁路阀188和检修阀190对 比止回阀146的流动平衡受到仔细控制来提供流动阻力的正确平衡。围绕流动平衡问题的 设计参数包括管尺寸、阀尺寸、和每个阀门的流量系数。此外,制冷过程118在吸入侧(低 压)的压力下降可变化于过程与过程之间并需要被确定。制冷系统118中压力下降加上止 回阀146的破裂压力是E至F除霜回流旁路管线能耐受的最大压力。
[0108] 旁路阀188和检修阀190 —经进入除霜循环马上关闭。旁路流动开始的时间由 TS 158、TS 160 JPTS 162的起始点确定,从而流动被延迟直到回流制冷温度达到更正常 水平,从而允许使用更标准组分,通常设计成-40°C或者更高温度,避免需要温度比-40°C 更低的价值更高的组分。
[0109] 受到TS 158,TS 160 JPTS 162的控制,回流到压缩机吸入管164结点F并与制冷 过程118的吸入回流气体混合的流体的制冷剂温度是设定的。制冷混合物随即流向压缩机 104。压缩机104的期望回流制冷剂温度通常为-40°C或者更高温度;因此,结点E处-40°C 或者更高温度的流体是可接受的,在压缩机104的操作极限内。当选择设定值TS 158、TS 160 JPTS 162是另一个考虑。
[0110] 选择设定值TS 158、TS 160 JPTS 162存在两个限制。首先,除霜旁路回流制冷 剂温度不能选择为这种高温以至于制冷过程118由于高排放压力自己关闭。第二,除霜旁 路回流制冷剂温度不能如此低温以至于流经旁路线186的回流制冷剂比旁路阀188和检修 阀190所能耐受的温度更低。当与制冷过程118的回流在结点F处混合时,回流制冷剂不 能低于压缩机104的操作极限。结点E处的典型交界温度在_40°C至+20°C之间。
[0111] 总的来说,制冷系统100内的除霜循环回流流动不允许除霜循环过程中除霜气体 向制冷过程118回流。替代地,制冷系统100使回流旁路(结点E至F)阻止制冷过程118的超载,从而使除霜循环连续操作。当打开结点E至F的除霜回流旁路时,TS158、TS 160、 和TS 162控制。在冷却模式中,一旦得到极低温,结点E至F的除霜回流旁路是不允许的。
[0112] 一经讨论的除霜循环补给路径如下,继续参考图1。除霜循环过程中,从压缩机 104流出的热高压气体经过位于优选油分离器108下游排气管110的结点A。结点A处的 热气温度通常在80°C至130°C之间。
[0113] 热气体迂回在结点A处的制冷过程118,不进入冷凝器112,当打开螺线管除霜阀 178或者螺线管除霜阀180并关闭阀1¾和130来转移流动。如图1中描述的,除霜阀178 与FMD 182串联安置;同样地,除霜阀178和FMD 182与FMD 184串联安置。除霜阀178和 FMD 182系列组合在结点B至C之间与除霜阀180和FMD 184的系列组合平行安置。除霜 阀178或者除霜阀180和其关联的FMD可取决于流动要求平行操作或者单独操作。
[0114] 值得注意的是,制冷系统100的结点B至C之间的平行路径的数量不限于2个,每 一个具有与FMD串联的除霜阀,如图1中所示。几个流动路径可能存在于结点B至C之间, 预期的流速通过选择平行路径组合进行确定。例如,可能具有10%流动路径、20%流动路 径、30%流动路径,等等。假如存在经过旁路阀188的回流旁路回路,从结点E至结点F,来 自结点C的流体直接流向结点D,随即经过低温分离阀132并流向客户蒸发器线圈136用掉 任何预期长度时间。结点A至结点D的除霜补给循环是用在传统制冷系统中的标准除霜循 环。然而,加入除霜阀178、除霜阀180、和其关联FMD是制冷系统100的独一无二的特征, 这能控制流动。可供选择地,除霜阀178和180自己是充分的测量装置,从而排除了进一步 流量控制装置的需要,例如FMD 182和FMD 184。
[0115] 已经讨论的制冷系统100的除霜循环,冷却循环过程中除霜回流旁路回路的使用 的讨论如下,继续参考图1。在冷却模式中,旁路阀188通常是关闭的;因此,热制冷剂从结 点E至F流经制冷过程118。然而,监测制冷剂回流管142的制冷剂温度可用于当结点E处 的制冷剂温度较高但正下降时使旁路188在冷却模式初期阶段中打开。使除霜回流旁路回 路在该时间内辅助避免制冷过程118的进一步负载。当结点E处的制冷剂温度达到交界温 度时,先前讨论的(例如,-40°C或者更高温度),关闭旁路阀188。采用冷却模式vs.烘干 模式的不同设定值,旁路阀188是打开的。
[0116] 附属于冷却循环,冷却阀128和130可采用“断路器”电路(未示出)脉冲调制, 该“断路器”电路具有约1分钟的周期。这有利于限制冷却模式过程中速度的改变。冷却 阀1¾和冷却阀130具有不同尺寸的FMD。因此,流动受到开放循环方式调节,因为经冷却 阀128的路径限制不同于经冷却阀130的路径限制。按需要选择路径。可供选择地,一个 路径可完全开放,另一个脉冲调制,等等。
[0117] 当它开始并按照停备、除霜、和冷却方式操作时,提供制冷系统100的连续操作需 要正确平衡本公开中制冷剂组分。如果制冷剂混合物不具有正确范围内的正确组分,将发 生错误情况,这引起制冷系统100被控制系统关闭。典型的错误情况是低的吸入压力、高的 排放压力或者高的排放温度。检测这些情况中的每一个的灵敏器包括在制冷系统100内和 包括在控制系统的安全连锁装置中是必需的。我们已经证实冻析预防的公开方法可成功应 用在不同的操作模式中,没有引起单元在任何错误情况中被关闭。
[0118] 极低温混合制冷剂系统(VLTMRS)的可靠操作需要制冷剂不冻结。不幸地,预期特 殊制冷剂混合物将冻结的时间是很困难的。专利USSN 09/894,968的申请讨论了特殊制冷剂混合物的特殊冻析温度。混合物的实际冻析温度可采用多种分析工具预测到,这种分析 工具提供的详细反应参数数据是周知的。然而,这个数据通常是不能得到的,经验测试必须 实现接近冻析将发生的那一点。
[0119] 想象通过利用围绕制冷过程周围的较大制冷旁路或者通过减少压缩机流速以至 于当蒸发器不需要冷却时限制制冷过程118产生的制冷剂的量来预防冻析的可供选择方 法是可能的。这些方法的问题是制冷剂流动必须减少的程度将阻止热交换器正确操作,因 为热交换器需要最小流速来支撑两相流动。
[0120] 如先前描述的,在制冷过程保持极低温度对支撑蒸发器快速制冷是重要的。因此, 必须保持热交换器中的高流动性。然而,没有蒸发器负荷的高流动性导致制冷过程118中 的更低温度,这可导致冻析。
[0121] 对于给定极低温混合制冷剂系统(VLTMRS),蒸发器和内部热交换器温度将基于蒸 发器中的热负荷和操作模式而改变。当在冷却模式时,蒸发器温度可跨越最高蒸发器负载、 或者最大额定负载(最高蒸发器温度)至最低蒸发器负载(最低蒸发器温度)50°C范围。因 此,当系统具有少许蒸发器负荷或者没有蒸发器负荷时,或者当系统没有外荷载并在停备、 除霜模式或者烘干模式中操作时,优化系统硬件和在最大额定负载下操作的制冷剂混合物 可引起冻析的问题。当较新的HFC制冷剂被使用时是尤其重要的,因为这些制冷剂易于具 有比CFC和HCFC前任原料更高的凝固点。此外,采用大气、惰性气体、氟醚、和其他氟化化 合物的混合物也可发生冻析。因此,能在非最大额定负载条件下运行没有冻析发生的系统 对VLTMRS用户是必需的。除了预防冻析之外,许多应用需要控制用于其他目的的制冷系统 提供的极低温度。例如,温度控制可被要求确保可重复性操作,预防由于过冷温度引起的破 坏,或者控制温度降低或者升高的速率。
[0122] 图2显示了依据本发明,一种提供温度控制的方法,目的为预防制冷剂冻析。相分 离器204至FMD 216的流程受到阀218控制。该流动在结点J与进入过冷却器212的低压制 冷剂混合。如果没有过冷却器被使用,液流与最冷低压流混合,与最冷高压制冷剂交换热。 例如,如果没有过冷却器存在,液流将在结点H处混合来自管线148的回流制冷剂。旁路的 目的是为了温热低压流;这使最冷高压制冷剂温度变高。流动旁路的启动受到阀218的控 制。这个阀需要适应于压力、温度和制冷过程要求的流速。作为实施例,阀218是Sporlan 阀门公司生产的model xuj阀门。FMD 216是控制需要流速的一些工具。在一些情况中,阀 218和FMD 216的控制和流量调节部件组合成单一比例阀门。
[0123] 现有混合制冷剂极低温制冷系统类似于该申请中描述的那些,缺少阀218、FMD 216和这里描述的关联旁路回路。图2中显示的这些组分和相关铅管的使用区别于现有技 术发明。
[0124] 冻析预防方法中高温制冷剂来源的选择值得额外关注。优选的方法,如图2中所 示,是为了除去系统中最低温相分离器中的气相。这通常确保液流的冻析温度低于或者等 于混合液流的冻析温度。这是一般规律,因为相分离器中较高浓度的较低沸点制冷剂具有 较低温凝固点。最终标准是用于温暖制冷系统118冷却端的混合物必须具有至少与其温暖 的液流一样低的凝固温度。在一些特殊情况中,得到的混合物将具有比任一单一液流的凝 固点更高温或者更低温的凝固点。在这种情况中,标准是冻析在混合发生前或者发生后都 不发生。[0125] 此外,在没有相分离器的系统中,高温制冷剂可为该系统中可用的任何高压制冷 剂。因为没有相分离器被使用,循环混合物在整个系统是相同的,提供的液态和气态均勻混 合物支持整个系统。如果该系统使用油分离器,高温制冷剂来源应在相分离器之后。
[0126] Forrest等人的USP 4,763,486描述了 VLTMRS的温度和容量控制的方法,其利 用来自与蒸发器入口混合的相分离器的冷凝液。冷凝液的旁路与当前发明不一致,因为 冷凝液富有较高沸点冷凝剂,较高沸点冷凝剂通常为具有最高凝固点的组分。因此,应用 Forrest等人发明的过程将提高制冷剂冻析的可能性,因为生成的混和物具有较高凝固点。
[0127] 此外,Forrest等人提出的过程需要旁路流动进入蒸发器中。因此,这种方法不能 用在停备模式中或者烘干模式中,因为这个方法将引起蒸发器的冷却。相反,停备模式和烘 干模式要求没有蒸发器冷却发生。
[0128] Forrest等人没有讨论接近混和物冻析温度的操作。相反,Forrest控制方法在较 高温度下操作并且在低于-100°C温暖下被关闭。关于极低温混合制冷剂系统(VLTMRS)中 冻析的温度通常为_130°C或者更低温度。因此,Forrest等人描述的方法将不预防冻析并 且不支持停备模式或烘干模式下的操作。
[0129] 依据本发明的教导,许多为加热目的的旁路流动的方法是可能的。作为实施例,假 如相分离器的液体、或者给相分离器进料的两相混合物具有比其混合液流更低的凝固点, 它们可满足。存在可利用的无限量的可能组合的液体和气体比例。可通过加入具有一个以 上暖液流与冷液流混合在一起的混合物而进一步扩大这些组合。本发明的第一实施方案的 本质是经过一个或多个流动控制装置与低压制冷剂混合的暖液流的路径选择,低压制冷剂 与最低温高压制冷剂交换热从而引起制冷剂温度足够高使得冻析不发生。第一实施方案也 可用在其他目的的温度控制技术中,如下面进一步讨论的。
[0130] 冻析预防的有效方法被采用时,测试显示使用的方法和在方法中采用的控制确定 是否这种烘干模式能用在成功的方法中。在一些情况中,观察到公开方法的不正确平衡导 致不稳定操作,吸入压力持续升高。甚至控制干扰烘干流体经过PS 196,也观察到吸入压力 重复达到无法接受的高水平,导致止回阀弹簧力超载。因此,任一系列毛细管被需要,被使 用并受到单独控制或者一起控制去影响基于操作方式和/或条件的不同程度的限流,或者 可供选择地,比例阀可用于调整所需的流动。
[0131] 通常,采用相蒸发器至FMD 216的气体流、或者气体和液体混合物提供了最简单 的控制方法。这是因为气体或者气体加液体流经毛细管对下游压力的改变低敏。经对比, 经过毛细管的液流变得对下游压力中的改变更敏感。制冷剂混合物的使用能够使用毛细管 并且当耐受冷却、除霜和烘干模式过程中吸入压力的显著性改变时提供简单且有效的方法 预防冻析,制冷剂混合物在进入FMD 216时不完全液化。
[0132] 通常,优选的是,进入FMD的气体和液体的比例控制在检出线内。当在开放控制循 环中使用时,尤其在FMD为固定节流孔限制器如毛细管的情况中,不这样做将引起本方法 有效性的改变。然而,甚至采用毛细管,假如毛细管考虑这些变化确定尺寸,入口比的变化 可被允许。在特殊情况中,取决于操作条件,被测试的具有内径0. 044英寸和长度36英寸 的毛细管使至少;TC和差不多15°C的最冷高压制冷剂升温。这对足够预防任何操作模式中 的冻析。
[0133] 需要预防冻析的升温的量非常小,因为仅需要阻止达到冻析温度。原则上,0. ore温度对于预防混和物的冻析是足够的,这种混合物组成是众所周知的。在其他情况中,生产 过程、操作条件、和其他变化可引起混和物组成的变化,需要较大裕度确保冻析被阻止。这 种不确定情况中,可能的变化范围和冻析温度的影响必须被评估出。然而,在大多数情况 下,升温5°C将提供充足的裕度。
[0134] 用于冻析预防的方法的典型加热范围为0. OrC至30°C。如测试,本发明中描述的 方法提供了相对于冻析温度,约3°C至15°C升温。不管考虑过的特殊冻析预防实施方案, 0. OrC至30°C升温的典型范围,或者VLTMRS在0. OrC至30°C冻析温度内的操作适用,尽管 较宽温度范围可用在用于其他目的的温度控制实施方案中。例如,当用于非冻析预防目的 的温度控制时,至少1、5、10、20、50、100、或1501:升温范围可被采用。较宽或者较窄范围也 可被采用,取决于用于该申请的温度控制的预期范围,其中制冷系统被使用。
[0135] 图2提供了本发明利用开环控制方法的图示。就是说,监视器不需要控制信号并 且调节操作。基本控制机构是控制阀218和FMD 216。阀218根据操作模式打开。需要 温度控制和/或者冻析预防的模式在设计过程中被确定并包括在系统控制的设计中。FMD 216具有提供给预期操作条件范围的适当流量的尺寸。这个方法具有低实施成本和简单的 优势。
[0136] 可供选择地安排,与本发明一致,使用闭环反馈控制系统。这种系统需要在系统最 低温部分放置温度传感器(未示出)为了提供温度控制,或者预防冻析。传感器的输出信 号被输入到控制设备(未示出)中如Omega (Mamford,CT) P&ID温度控制器。控制器采用 适当的设定值编程并且其输出被用于控制阀218。
[0137] 阀218可为几种类型中的一种。它可为任一开/关阀,开/关阀通过改变导通时间 和断通时间的时间量进行控制。可供选择的阀218是比例控制阀,其被控制调节流速。阀 218是比例控制阀的情况下,FMD 216可能不需要。
[0138] 图2与包括过冷却器的VLTMRS相关。特别地,相对于过冷却器,用于提供温度控 制或预防冻析的高温制冷剂的混合定位被显示出。如前述讨论的,过冷却器是优选的。因 此,其它安置依据本发明是可能的。
[0139] 在可供选择的实施方案中,没有过冷却器的系统与具有最低温低压制冷剂位置的 高温制冷剂混合(未示出)。可理解的是,图2中所示的热交换器是持续低温:热交换器212 是最低温的,热交换器208比热交换器212温度高,热交换器204比热交换器206温度高并 且热交换器202比热交换器204温度高。当然,为提供传热,高压液流比每个热交换器中的 低压液流温度高。当没有过冷却器存在时,热交换器208,或者制冷过程冷却端上最后热交 换器定义为最冷热交换器。
[0140] 公认地,高温制冷剂与低温制冷剂混合的位置进行小修改是可能的。预期的是,引 入该制冷剂与任何低温、低压制冷剂混合将提供一些优势,倘若低温制冷剂比20°C最低温 低压制冷剂温度更低,这种修改是在本发明界定范围内。
[0141] 除了提供冻析预防技术之外,图2的第一实施方案也能用于提供用于其他目的的 蒸发器的温度控制。在一些应用中,温度控制是系统性能的重要条件。图5举例说明了依 据第一实施方案(图2的)温度控制技术的实施例。在图5中,提供了控制蒸发器136或 者物体或者被冷却的液流503的温度的技术。温度控制信号501提供了蒸发器136中制冷 剂温度的测量(例如电信号)给控制电路,例如控制电路198。尽管温度控制信号501显示在图5中如测量蒸发器136出口处的温度,测量蒸发器136进口处制冷剂温度也是可能 的,或者提供超过蒸发器线圈136长度的两个或多个温度测量的平均值、加权平均值、或者 其它函数也是可能的。可供选择地,或者除了测量蒸发器136温度之外,温度信号控制信号 505可用于感应物体或者被冷却的流体503的温度。如采用蒸发器,多种不同温度测量可用 于提供温度控制信号505,包括贯穿物体或者被冷却的流体503的温度平均值或者其他函 数。箭头507表明蒸发器136热耦合于物体503,可按照取决于应用的多种不同方式执行。 省略号509表明制冷过程118的中管线120和148经几个组分(未示出)耦合于蒸发器线 圈136上,例如类似于图1中所示的组分。
[0142] 采用控制信号501和/或505,控制电路198确定是否蒸发器136或者物体或者流 体503的温度太热或者太冷,并且对阀218提供控制信号在制冷过程的J点产生或多或少 的升温。这种方法中,蒸发器或者物体或者流体503的温度可受到闭环反馈技术控制。控 制电路198可联合几个输入501和505,或者仅使用一个,起到测量受控温度的作用。控制 电路198也可因子转化来自制冷系统的控制算法二次输入;例如,通过根据制冷过程118中 最冷J点处温度测量对控制算法设置二级限制。
[0143] 尽管温度控制的闭环技术显示在图5中,使用图5的实施方案提供开环方式中的 温度控制也是可能的,参考图2上述描述的类似方法。
[0144] 因为图5的温度控制实施方案使用经过如图2中的阀218和FMD 216的相同旁路 回路,这些实施方案在这里称为“第一实施方案”。
[0145] 图3举例说明了本发明的第二实施方案。在这个实施方案中,控制温度和/或预 防冻析的不同方法进行了描述。结点G处的最冷液体制冷剂被分为第三分支,第三分支对 阀318和FMD 316进料。FMD 316的流动在结点H与过冷却器212的流体和回流制冷剂液 流148混合。如在第一实施方案,目的是排除冻析的可能、和/或控制其他目的温度。
[0146] 在第二实施方案中,温度被控制和/或冻析被预防或者通过保持制冷剂经过过冷 却器212的低压侧比经过过冷却器212的高压侧更低流速来控制温度。这引起过冷却器 212中高压流温度更高。调节直接从结点G至H的迂回的流量比引起过冷却器212高压侧 内制冷剂的升温程度变化,从而引起进入过冷却器212低压侧的膨胀制冷剂的升温。更多 流量围绕过冷却器迂回,更多温度控制影响产生,例如生成较高的低温端温度。
[0147] 相反,现有技术系统不采用该方法并且当蒸发器流动被关闭时,过冷却器两侧具 有等同流量。当FMD 316由毛细管组成时,该方法与基本的除霜方法在系统中配合更好。然 而,当在系统中使用烘干方式时需要改变FMD 316的流量。因此,任一系列的毛细管将被需 要,分别被使用和控制或者一起被使用和控制影响根据操作模式和或条件的限流的改变程 度,或者可供选择地,比例阀可用于按所需调节流量。
[0148] 图3提供了与本发明开环控制方法一致的图表。就是说,没有控制信号需要监测 和调节操作。基本控制机构是控制阀318和FMD 316。阀318根据操作模式打开。需要温 度控制和/或冻析预防的模式在设计过程中被确定并包括在系统控制的设计中。FMD316具 有提供给预期操作条件范围的适当流量的尺寸。这个方法具有低实施成本和简单的优势。
[0149] 可供选择地安排,与本发明一致,使用闭环反馈控制系统。这种系统在系统最低温 部分加入温度传感器(未示出),为了提供温度控制和/或者预防冻析。传感器的输出信号 被输入到控制设备(未示出)中如Omega (Mamford,CT) P&ID温度控制器。控制器采用适当的设定值编程并且其输出被用于控制阀318。
[0150] 阀318可为几种类型中的一种。它可为任一开/关阀,开/关阀通过改变导通时间 和断通时间的时间量进行控制。可供选择的阀318是比例控制阀,其被控制调节流速。阀 318是比例控制阀的情况下,FMD 316可能不需要。
[0151] 图3显示了包括过冷却器212的VLTMRS。特别地,相对于过冷却器,用于提供温度 控制和/或预防冻析的高温制冷剂的源定位和混合定位被显示出。如前述讨论的,过冷却 器212是优选的。因此,其它安置依据本发明是可能的。在可供选择的实施方案中,没有过 冷却器的系统将转向最冷高压制冷剂并混合最冷热交换器低压出口处的高温制冷剂(未 示出)使得最冷热交换器在低压侧比高压侧具有更低质量流速。
[0152] 公认地是,高温制冷剂与低温制冷剂混合的位置进行小修改是可能的。预期的是, 引入该制冷剂与任何低温、低压制冷剂混合将提供一些优势,倘若低温制冷剂是最低热交 换器内温度在20°C内的低压制冷剂,这种修改是在本发明界定范围内。
[0153] 如第一实施方案,图3的第二实施方案可用于为了非冻析预防目的提供蒸发器的 温度控制。图6举例说明了依据图3的第二实施方案温度控制技术的实施例。温度控制信 号601提供了蒸发器136内制冷剂温度的测量(例如电信号)给控制电路,例如控制电路 198。类似于图5的控制信号501,温度控制信号605可用于感应物体或者被冷却的流体603 的温度。箭头607和省略号609对图5的项目507和509执行相似功能。
[0154] 采用控制信号601和/或605,控制电路198可采用闭环反馈技术以图5描述的 相似方式控制蒸发器136或者物体或者流体603的温度。开环技术也可被使用,如参照图 3上述描述的。
[0155] 因为图6的温度控制实施方案使用经过如图3中的阀318和FMD 316的相同旁路 回路,这些实施方案在这里称为“第二实施方案”。
[0156] 在本发明的第三实施方案中,图4描述了提供温度控制和/或控制制冷剂冻析的 另一个可供选择的方式。在这种情况下,对组成的修改通常位于靠近压缩机。通常,这些可 以是在室温至不低于-40°C条件下操作的组分。这表示为制冷系统200,通过加入控制阀 418和FMD 416对制冷系统100进行修改。这种安排提供了一种使制冷剂从高压迂回流向 低压并迂回制冷过程118的方法。
[0157] 这有几种作用。其中两种作用,被认为最重要的,是减少经过制冷过程的流速并且 提高了制冷系统的低压。当足够量的流体迂回通过这些附加组分时,升温受到影响,引起温 度控制和/或制冷过程中的冻析预防。然而,如上面公开的,如果从制冷系统转移的流量太 大,良好热交换性能所需要的最小流量将不能保持住。因此,迂回的最大量必须被限制确保 系统中每个热交换器中的充足流量。
[0158] 与第二实施方案一样,当固定管道系统用作FMD时,该方法采用具有正常除霜和 停备模式对系统更有效(无流体流向蒸发器)。然而,为了在烘干模式下操作,这种固定FMD 引发无法接受的高吸入压。在被测试的特殊情况下,20cfm压缩机被采用。具有0.15" ID 的旁通管道充分阻止烘干模式下的冻析并且不会引起过压。然而,停备模式的使用不提供 充分流动。当管道系统加大到3/8" OD铜管道系统,停备模式中的流动成功地排除了冻析 而过量吸入压在烘干模式下形成。
[0159] 这种经验显示具有单独操作或联合操作的两个或多个固定管元件可用于控制不同操作模式和条件的需要。可供选择地,比例阀如热力膨胀阀、或调压阀,如曲柄轴箱调节 阀,可用于调节所需水平的制冷剂流动。
[0160] 图4提供了使用开环控制方法的本发明图示。那就是说,没有控制信号需要监测 和调节操作。基础控制机理是控制阀418和FMD 416。阀418根据操作模式被打开。需 要温度控制和/或冻析预防的模式在设计过程中被确定并包括在系统控制的设计中。FMD 416具有提供给预期操作条件范围的适当流量的尺寸。这个方法具有低实施成本和简单的 优势。可供选择的安排,与本发明一致,采用闭环反馈控制系统。这种系统在系统的最冷部 分添加了温度传感器(未示出),在最冷部分,温度被控制和/或冻析需要被预防。传感器 的输出信号被输入到控制设备(未示出)中如Omega (Mamford,CT) P&ID温度控制器。这 种控制器采用适宜的设定值编程并且其输出用于控制阀418。
[0161] 阀418可为几种类型中的一种。它可为任一开/关阀,开/关阀通过改变导通时间 和断通时间的时间量进行控制。可供选择的阀418是比例控制阀,其被控制调节流速。阀 418是比例控制阀的情况下,FMD 416可能不需要。
[0162] 公认地是,高温制冷剂在吸入管上混合的位置进行修改是可能的。预期的是,在该 过程较高温阶段处任何温度具有这种旁路将对提高吸入压和减少制冷过程在冷却端的流 速具有预期目的。可预期的是,假如旁路制冷剂的温度,来源处或混合前,比-100°C温度更 高,这仍能提供优势。
[0163] 带有阀418的旁路被关闭的位置,压缩机104后,也可改变。举个例子,旁路可在 压缩机104和制冷过程118进口之间高压管线中任何点开始。
[0164] 如第一和第二实施方案,图4的第三实施方案可用于为了非冻析预防目的提供蒸 发器的温度控制。图7举例说明了依据图4的第三实施方案温度控制技术的实施例。温度 控制信号701提供了蒸发器136中制冷剂温度的测量(例如电信号)给控制电路,例如控 制电路198,类似于图5的控制信号501。在类似于图5的控制信号501中,温度控制信号 705可用于感应物体或者被冷却的流体703的温度。箭头707和省略号709对图5的项目 507和509执行相似功能。
[0165] 采用控制信号701和/或705,控制电路198可采用闭环反馈技术以图5描述的 相似方式控制蒸发器136或者物体或者流体703的温度。开环技术也可被使用,如参照图 4上述描述的那样。
[0166] 因为图7的温度控制实施方案使用经过如图4中的阀418和FMD 416的相同旁路 回路,这些实施方案在这里称为“第三实施方案”。
[0167] 当用于冻析预防时,本发明的第一、第二、第三实施方案通常需要其测试系统的停 备、除霜和烘干模式。原则上或需要时,这些方法也可用于冷却模式。同样地,取决于被采用 的控制方法,这些可根据需要不管操作模式被应用。同样地,温度控制的第一、第二、和第三 实施方案通常可用在停备、除霜、烘干和冷却模式中。当用于极低温蒸发器的温度控制时, 这里公开的温度控制方法可与冷却模式中的操作关系最大。然而,在具有两个或多个独立 控制蒸发器的系统中,以冷却模式提供一个或多个蒸发器的温度控制是必要的,而一个或 多个其他蒸发器是冷却或烘干模式。
[0168] 尽管用于温度控制和/或冻析预防的第一、第二、和第三实施方案已经分别被提 出,使用同一系统中上述实施方案中的一个以上实施方案也是可能的。依据本发明,使用两个或多个旁路是可能的,两个或多个旁路中的每一个来自上述描述所有实施方案中的同一 实施方案。
[0169] 然而,本发明参考优选实施方案进行特殊表示和描述,本领域中的技术人员将理 解在不背离附加权利要求书所围绕的本发明界定的范围前提下可在形式和内容上进行多 种改变。

Claims (19)

1. 一种利用混合制冷剂的极低温制冷系统,该系统包括:与制冷过程流体连通的压缩机,制冷过程包括在压缩机和蒸发器之间制冷系统高压 侧的高压管线、在蒸发器和压缩机之间制冷剂回流路径中制冷系统低压侧上低压管线,以 及至少一个热交换器,该热交换器在高压管线中的制冷剂与低压管线中的制冷剂之间交换 热,并通过使用低压管线中的制冷剂来冷却高压管线中的制冷剂,所述的至少一个热交换 器位于制冷过程内,其中制冷过程通过冷凝器接收来自压缩机的高压制冷剂的第一补给输 入,输出高压制冷剂的补给输出到膨胀装置,接收来自蒸发器的回流制冷剂的第二低压输 入,以及将制冷剂的回流输出提供给压缩机的低压侧;和控制电路,该控制电路接收来自蒸 发器和被制冷系统冷却的物体或流体中至少一个的输入信号;旁路回路,该旁路回路接收来自控制回路的控制信号使得系统对蒸发器和由制冷系统 冷却的物体或流体中的至少一个的温度进行闭环控制,该旁路回路与下列任何一个连接:a)从制冷过程中高压制冷剂流动的位置,在高压管线退出制冷过程的低温端之前,至 系统中最冷低压制冷剂流动的制冷过程中的位置;或者b)从压缩机和制冷过程高压管线入口之间压缩机高压制冷剂管线,至压缩机吸入管 线;或者c)从制冷过程中高压制冷剂在其最低温的位置,至制冷过程中低压制冷剂退出制冷过 程中至少一个热交换器最低温的位置,旁路制冷剂不穿过高压制冷剂最低温的位置和低压 制冷剂退出至少一个热交换器最低温的位置之间的热交换器。
2.依据权利要求1所述的制冷系统,其中旁路回路用于使指定用于蒸发器的制冷剂温 度更高。
3.依据权利要求1所述的制冷系统,其中旁路回路包括连接压缩机和制冷过程高压线 入口之间的压缩机高压制冷管线和压缩机吸入管的旁路回路。
4.依据权利要求1所述的制冷系统,其中旁路回路包括控制流体流动经过该回路的装 置,其中利用开-关阀门和流量计控制流体流动。
5.依据权利要求4所述的制冷系统,其中利用比例控制阀控制流体流动。
6.依据权利要求4所述的制冷系统,其中流体流动受到自动控制。
7.依据权利要求1所述的制冷系统,其中混合制冷剂包括选自由R-123、R-245fa, R-236fa、R-124、R-13^、丙烷、R-125、R-23、乙烷、R-14、甲烷、氩气、氮气、和氖气组成组的 一个或多个制冷剂。
8.依据权利要求7所述的制冷系统,其中混合制冷剂包括选自由下列组合组成的组, 每个组合包括列出的摩尔比范围组分:混合物 A 包括 R-123 (0. 01 至 0. 45)、R_124 (0. 0 至 0. 25)、R_23 (0. 0 至 0. 4)、R_14 (0. 05 至0. 5)和氩气(0. 0至0. 4);混合物 B 包括 R-236fa(0. 01 至 0. 45)、R-125 (0. 0 至 0. 25)、R-23 (0. 0 至 0. 4)、 R-14 (0. 05 至 0. 5)和氩气(0. 0 至 0. 4);混合物 C 包括 R-245fa(0. 01 至 0. 45)、R-125 (0. 0 至 0. 25)、R-23 (0. 0 至 0. 4)、 R-14 (0. 05 至 0. 5)和氩气(0. 0 至 0. 4);混合物 D 包括 R-236fa(0. 0 至 0. 45)、R-245fa (0. 0 至 0. 45)、R-134a(大于 0. 0)、 R-125 (0. 0 至 0. 25)、R_218 (0. 0 至 0. 25)、R_23 (0. 0 至 0. 4)、R_14 (0. 05 至 0. 5)、氩气(0. 0至0. 4)、氮气(0. 0至0. 4)和氖气(0. 0至0. 2);和混合物E包括至少一个非零摩尔比的丙烷(0. 0至0. 5)、乙烷(0. 0至0. 3)、甲烷(0. 0 至0. 4)、氩气(0. 0至0. 4)、氮气(0. 0至0. 5)和氖气(0. 0至0. 3)。
9.依据权利要求1所述的制冷系统,其中旁路回路连接制冷过程中高温高压制冷剂流 动的位置,高压管线退出制冷过程之前,至制冷过程中系统内最低温低压制冷剂流动的位 置。
10.依据权利要求1所述的制冷系统,其中旁路回路连接制冷过程中高压制冷剂最低 温的位置,至制冷过程中低压制冷剂退出制冷过程中至少一个热交换器最低温的位置,旁 路制冷剂不通过高压制冷剂最低温的位置和低压制冷剂退出至少一个热交换器最低温的 位置之间的热交换器。
11. 一种制冷系统,该系统包括:压缩机;与压缩机流体连通的制冷过程,该制冷过程包括在压缩机和蒸发器之间制冷系统高压 侧的高压管线、在蒸发器和压缩机之间制冷剂回流路径中制冷系统低压侧上低压管线,以 及至少一个热交换器,该热交换器在高压管线中的制冷剂与低压管线中的制冷剂之间交换 热,并通过使用低压管线中的制冷剂来冷却高压管线中的制冷剂,所述的至少一个热交换 器位于制冷过程内,其中制冷过程通过冷凝器接收来自压缩机的高压制冷剂的第一补给输 入,输出高压制冷剂的补给输出到膨胀装置,接收来自蒸发器的回流制冷剂的第二低压输 入,以及将制冷剂的回流输出提供给压缩机的低压侧;控制电路,该控制电路接收来自蒸发器和由制冷系统冷却的物体或流体的至少一个的 输入信号;和旁路回路,该旁路回路接收来自控制电路的控制信号使得系统对蒸发器和由制冷系统 冷却的物体或流体中的至少一个的温度进行闭环控制,该旁路回路迂回制冷过程的至少一 部分并被连接使制冷剂流进制冷过程中的位置;采用混合制冷剂提供低于18¾温度的制冷的系统。
12.依据权利要求11所述的制冷系统,其中旁路回路用于使指定用于蒸发器的制冷剂 的温度更高。
13.依据权利要求11所述的制冷系统,其中旁路回路是从较高压处较高温度位置,至 制冷过程中较低压处低温位置。
14.依据权利要求13所述的制冷系统,其中旁路回路包括限流。
15.依据权利要求11所述的制冷系统,其中系统使用混合制冷剂提供温度高于65K的 制冷。
16.依据权利要求11所述的制冷系统,其中混合制冷剂包括至少两种具有宽间隔标准 沸点的制冷剂。
17.依据权利要求16所述的制冷系统,其中混合制冷剂包括其标准沸点差别至少50°C 的至少两种组分制冷剂。
18.依据权利要求1的制冷系统,其中系统进行宽于30°C的升温范围的温度控制。
19.依据权利要求11的制冷系统,其中系统进行宽于30°C的升温范围的温度控制。
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