CN103851816A - 超低温冷柜制冷系统及采用该制冷系统的超低温冷柜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超低温冷柜制冷系统，所述制冷系统采用双压缩机复叠制冷方式，包括一级压缩系统和二级压缩系统，一级压缩系统包括依次连通的一级压缩机、防露管、冷凝器、一级干燥过滤器，一级毛细管、中间换热器、气液分离器，二级压缩系统包括依次连通的二级压缩机、油分离器、中间换热器、二级干燥过滤器、二级毛细管、蒸发器、回热器，中间换热器采用板式换热器。本发明还提供了采用上述制冷系统的超低温冷柜。本发明的板式换热器体积小，置于机舱内部，保证了机器的可靠性和售后维修成本，还提高了单位存储成本，改善了箱体保温效果。

Description

超低温冷柜制冷系统及采用该制冷系统的超低温冷柜

技术领域

本发明属于冷柜技术领域，具体地说，涉及一种超低温冷柜制冷系统及采用该制冷系统的超低温冷柜。

背景技术

超低温柜是一类可以将箱内温度降至-80℃以下并保持箱内温度以保存贵重医用物品的保存箱。由于蒸发冷凝压差很大和压缩机的局限性，单个压缩机很难满足要求，目前超低温柜普遍采用双压缩机复叠制冷方式，所以必须采用中间换热器。 

目前中间换热器传统设计是使用套管换热器，即将细铜管套在粗铜管里面。细铜管内外分别有两级的制冷剂流动，通过铜管较高的导热性能进行换热，从而使一级系统制取的冷量传递到二级系统，以达到将系统压差分割减小的目的。目前所使用的套管换热器，流体换热基本处于类层流状态，雷诺数较低，换热效率差。基于套管换热器换热系数小的特性，如果需要保证传热量就必须有较大换热面积，换言之，套管换热器的体积很大。使用套管换热器时，巨大体积使其除却发泡箱体之外，无法将套管换热器安装到其他诸如机舱，门体等结构中，这就使与之相关的焊点也都发泡到箱体中去。如果这其中焊点有漏，整台机器将随之报废，机器的可靠性受到严重制约；中间换热器的体积巨大，加上换热器两侧压差大以及内置箱体焊点漏造成的柜子报废是中间换热器设计的主要困难。

而且发泡箱体内预存套管换热器后，内胆空间将被占用，有效的存储容积也减小。同样体积的箱体其存储率也相对较小，超低温柜的存储单位成本也相对较高；同时，发泡料中存在中间换热器这一相对高温部件热源，对箱体的保温效果也有负面影响。

套管换热模块置于发泡箱体内，而压缩机，冷凝器，过滤器等制冷部件因其需要良好的散热环境只能放置到机舱中，分别处于不同的位置导致套管换热器模块无法与其他部件整合，因此，该模块也只有单纯的交换热量的一个功能，不具备市场竞争力。

发明内容

本发明提供了一种超低温冷柜制冷系统及采用该制冷系统的超低温冷柜，可以解决现有技术存在的以下问题：

1）由于目前采用的套管换热器体积巨大，无法置于发泡箱体外部，置于发泡箱体内使得换热器本身的焊点漏易造成整机报废；

2）套管换热器自身无法和其他制冷部件整合，功能单一。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种超低温冷柜制冷系统，所述制冷系统采用双压缩机复叠制冷方式，包括一级压缩系统和二级压缩系统，所述一级压缩系统包括依次连通的一级压缩机、防露管、冷凝器、一级干燥过滤器，一级毛细管、中间换热器、气液分离器，所述二级压缩系统包括依次连通的二级压缩机、油分离器、中间换热器、二级干燥过滤器、二级毛细管、蒸发器、回热器，所述中间换热器采用板式换热器。

进一步地，所述板式换热器的两侧设有端板，中间设有若干换热板，其中一侧的端板外侧设有一级压缩进口和出口、二级压缩进口和出口，且在该侧的端板与进出口之间设置2-3mm厚的加强板，设置加强板是为了增强板式换热器的耐压能力。

其中，所述加强板采用不锈钢板，所述换热板采用316L不锈钢板材。316L不锈钢又称钛钢，添加Mo(2~3%) ,优秀的耐点蚀性，耐高温性、抗蠕变性能。

进一步地，所述板式换热器依次连接所述一级毛细管、气液分离器、二级毛细管、回热器集成为中间换热器模块，其中板式换热器的一级压缩进口连通所述一级毛细管，所述一级压缩出口连通所述气液分离器，所述板式换热器的二级压缩进口直接与模块外部的二级压缩机连通，所述二级压缩出口连通所述二级毛细管。

板式换热器内的流体换热处于紊流状态，雷诺数很高，换热效率高，因而相同的换热效率下板式换热器的体积相对套管换热器大大减小，有利于将其放置到机舱。

进一步地，所述中间换热器模块与超低温冷柜的箱体分离设置，比如可以设置在所述超低温冷柜的机舱内。采用湍流板式换热器来作为级间换热器模块的主体部件。高雷诺数的湍流逆向换热使级间换热器模块的尺寸急剧缩小，可轻松安装至压缩机机舱。由于板式换热器体积很小，可以轻松放置到机舱内，为板式换热器与其他制冷部件整合为模块化提供了可能，使得中间换热器模块兼具毛细管、回热器和气液分离器的功能，而且安装和维修方便。

进一步地，所述中间换热器模块外部设置发泡层，增强保温作用。

其中，所述中间换热器模块包括三对出入口，所述三对出入口分别为一级压缩系统的进口和出口、二级压缩系统的进口和出口、所述蒸发器的进口和出口，其中：

一级压缩系统的进口为一级毛细管的进口，该进口连通一级压缩机，一级压缩系统的出口为气液分离器的出口，该出口连通一级压缩机；

二级压缩系统的进口为板式换热器的二级压缩进口，该进口连通二级压缩机，二级压缩系统的出口为回热器的出口，该出口连通二级压缩机；

蒸发器的进口为二级毛细管的出口，该出口连通蒸发器，蒸发器的出口为回热器的进口，该进口连通蒸发器。

进一步地，所述中间换热器模块还包括二级干燥过滤器。传统的套管换热器只具备一个功能：通过换热使二级压缩系统的冷凝温度与一级压缩系统的蒸发温度保持一致。而本发明的中间换热器模块整合了气液分离器，毛细管，干燥过滤器和中间换热器的作用。

进一步地，所述中间换热器模块中的一级毛细管在所述气液分离器上缠绕后再与所述板式换热器连通，缠绕在气液分离器的一级毛细管可以与气液分离器进行初步换热，而且保证低环温环境中产生的液体制冷剂能够暂时存储，不直接进入压缩机，从而保证不发生压缩机液击现象；所述中间换热器模块中的二级毛细管在所述回热器上缠绕后再与所述蒸发器连通，同样，缠绕在回热器上的二级毛细管可以有效利用废弃的蒸发器回气剩余冷量，使二级毛细管温度降低，从而改善二级压缩机工况，起到节能效果。

其中，所述一级压缩系统为高温级压缩系统，其冷凝温度为环境温度，蒸发温度为-30～-45℃，所述二级压缩系统为低温级压缩系统，其冷凝温度与一级压缩系统的蒸发温度范围相同，蒸发温度为-80～-86℃，即箱内温度。

另一方面，本发明还提供一种超低温冷柜，采用上述的超低温冷柜制冷系统。

中间换热器由套管换热器改为板式换热器，在相同的换热量条件下减小了换热器的尺寸；增加换热模块的功能，彻底祛除换热器模块功能单一的弊病；解决发泡箱体内焊点漏造成的机器报废问题。

本发明的中间换热器模块置于发泡箱体外部，采用湍流板式换热器来作为级间换热器模块的主体部件。高雷诺数的湍流逆向换热使级间换热器模块的尺寸急剧缩小，可轻松安装至压缩机机舱，发泡箱体内部只有蒸发器，不存在任何焊点，将箱体内部管路漏、堵问题发生的概率降低为0%。

超低温冷柜制冷方式采用双压缩机复叠式制冷。一级压缩系统工作的冷凝温度为环温，蒸发温度为-30~-45℃，目的是降低中间换热器的温度，冷却二级压缩机排出的制冷剂温度。二级压缩系统冷凝温度是一级压缩系统的蒸发温度，其自身蒸发温度为箱内温度。

本发明所述中间换热器模块由于体积小可以轻松的放置到机舱内部，可以作为一个整机安装到机舱内部，可维修，增强可靠性。

中间换热器模块化之后完全打破之前设计中无法维修发泡箱体焊点内漏的弊病，可以采取单独维修换热器模块的方式来防止整机报废。

本发明采用板式换热器：板式换热器采用的高雷诺数紊流，变流道逆流换热方式。相同换热量，其体积仅为套管换热器体积的1/5。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

1）整合后的板式换热器模块大大减少了机舱内部裸露的焊点，发泡箱体内部更是没有焊点，大大降低了漏点对系统造成的影响。即使板式换热器模块内部焊点漏，只要更换换热器模块即可，无需整台机器全部报废，从而最终保证了机器的可靠性和售后维修成本。

2）置于机舱中的板式换热器可与同处于机舱中的其他部件，诸如，毛细管，干燥过滤器等部件整合成一个模块，该模块就具备节流，干燥过滤和换热功能，功能远比套管换热器强大。

3）较小的占用体积可以使其轻松放置到机舱，这样，相同的箱体，使用板式换热器模块的内胆的容积便会加大，其存储量也相应的扩大，超低温柜单位存储成本将大大降低。

4）板式换热器置于发泡箱体外部后，箱体发泡料内部不存在其他热源，改善了箱体保温效果，更有效地保存箱体内胆冷量，从而实现节能效果。

附图说明

图1是本发明所述超低温冷柜的整体结构示意图；

图2是超低温冷柜的制冷系统流程示意图；

图3是板式换热器的结构示意图；

图4是板式换热器内的一级压缩和二级压缩的换热流程结构示意图；

图5是本发明所述中间换热器模块的整体结构示意图；

图6是中间换热器模块去掉外部发泡层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明通过将超低温冷柜的级间换热器由套管换热器变为板式换热器，大大缩小了中间换热器的体积，可以将中间换热器以及相关制冷部件集成为一个模块，置于压缩机机舱内，从而防止置于发泡箱体内的中间换热器因焊点漏易造成整机报废的问题。具体的，一种超低温冷柜制冷系统，所述制冷系统采用双压缩机复叠制冷方式，包括一级压缩系统和二级压缩系统，一级压缩系统包括依次连通的一级压缩机、防露管、冷凝器、一级干燥过滤器，一级毛细管、中间换热器、气液分离器，二级压缩系统包括依次连通的二级压缩机、油分离器、中间换热器、二级干燥过滤器、二级毛细管、蒸发器、回热器，中间换热器采用板式换热器。

参考图1所示，一种超低温冷柜I，在其下部设置机舱I-1；

机舱I-1内设置一级压缩机1、二级压缩机8、冷凝器3、中间换热器模块II。

如图2所示，该超低温冷柜I的制冷方式采用双压缩机复叠制冷方式，包括一级压缩系统和二级压缩系统，一级压缩系统包括依次连通的一级压缩机1、防露管2、冷凝器3、一级干燥过滤器4，一级毛细管5、中间换热器6、气液分离器7，二级压缩系统包括依次连通的二级压缩机8、油分离器9、中间换热器6、二级干燥过滤器10、二级毛细管11、蒸发器12，回热器13，中间换热器6采用板式换热器15。

如图3和图6所示，板式换热器15的两侧设有端板155，中间设有若干换热板156，其中一侧的端板155外侧设有一级压缩进口151、一级压缩出口152、，且在该侧的端板155与进出口之间设置2mm厚的加强板157，设置加强板157是为了增强板式换热器的耐压能力，保证焊接强度和承载压力。

其中，加强板157采用不锈钢板，换热板156采用316L不锈钢板材，使其符合换热器两侧的压差设计要求和可靠性要求。316L不锈钢又称钛钢，添加Mo(2~3%) ,优秀的耐点蚀性，耐高温性、抗蠕变性能。

如图4所示，板式换热器中的一级压缩和二级压缩的换热流程示意图，从图中可以看出，一级压缩的制冷剂通过一级压缩进口151流至一级压缩出口152，二级压缩的制冷剂通过二级压缩进口153流至二级压缩出口154，两级压缩通过逆流换热，换热面积很大，换热效率大大提高。

如图6所示，中间换热器模块II整合了板式换热器15、气液分离器7、一级毛细管5、二级毛细管11、干燥过滤器10和回热器13，集成为中间换热器模块II，其中板式换热器15的一级压缩进口151连通一级毛细管5，一级压缩出口152连通气液分离器7，二级压缩进口153直接与模块外部的二级压缩机8连通，二级压缩出口154连通二级毛细管11。

如图6所示，中间换热器模块II组成中，用于一级压缩系统的一级毛细管5缠绕在气液分离器7上若干圈之后连通板式换热器15的一级压缩进口151，然后由板式换热器15的一级压缩出口152连通气液分离器7；二级压缩系统中，板式换热器15的二级压缩出口154连通干燥过滤器10，然后干燥过滤器10再连通二级毛细管11，二级毛细管11缠绕在回热器13上若干圈。

如图5所示，中间换热器模块II外部设置发泡层14，增强保温作用。

中间换热器模块II由于整合了板式换热器15、气液分离器7、一级毛细管5、二级毛细管11、干燥过滤器10和回热器13，所以其内部包含了部分一级压缩系统、部分二级压缩系统、以及与蒸发器之间的循环，包括三对出入口，三对出入口分别为一级压缩系统的进口A和出口B、二级压缩系统的进口C和出口D、蒸发器的进口E和出口F，其中：

一级压缩系统的进口A为一级毛细管5的进口，该进口A连通一级压缩机1，一级压缩系统的出口B为气液分离器7的出口，该出口B连通一级压缩机1；

二级压缩系统的进口C连通板式换热器15的二级压缩进口153，该进口C连通二级压缩机8，二级压缩系统的出口D为回热器13的出口，该出口D连通二级压缩机8；

蒸发器12的进口为二级毛细管11的出口，该出口连通蒸发器12，蒸发器12的出口为回热器13的进口，该进口连通蒸发器12。

如图6所示，中间换热器模块II中的一级毛细管5在气液分离器7上缠绕若干圈后再与板式换热器15连通，缠绕在气液分离器7的一级毛细管5可以与气液分离器7进行初步换热，可以防止压缩机发生液击现象；中间换热器模块II中的二级毛细管11在回热器13上缠绕若干圈后再与蒸发器12连通，缠绕在回热器13上的二级毛细管11保证低环温环境中产生的液体制冷剂能够暂时存储，不直接进入二级压缩机8，主要作用是改善二级压缩机的工作状况，并达到节能效果。

一级压缩系统为高温级压缩系统，其冷凝温度为环境温度，蒸发温度为-30～-45℃，二级压缩系统为低温级压缩系统，其冷凝温度与一级压缩系统的蒸发温度相同，蒸发温度为-80～-86℃，即箱内温度。

中间换热器模块II的换热流程包括部分一级压缩系统和部分二级压缩系统：

部分一级压缩系统：中间换热器模块II外部高温高压制冷剂经过缠绕在气液分离器7的一级毛细管5节流之后，变为低温低压的液体进入板式换热器15，在板式换热器15中，低温低压的制冷剂经过相变蒸发来带走二级压缩系统进入板式换热器15的高温高压气体制冷剂的热量，使之达到指定的温度。相变完成的一级压缩系统制冷剂变为低压低温的气体，经过气液分离器7的气液分离之后回到一级压缩机1内；回气口设置气液分离器7的作用是防止一级压缩机1液击和有效回热利用。

部分二级压缩系统：中间换热器模块II外部高温高压制冷剂直接进入板式换热器15，经过冷却后变为低温液体，然后通过干燥过滤器10，过滤掉制冷制中的水分和杂质，之后，制冷剂通过缠绕在回热器13上的二级毛细管11节流之后变为低温低压液体进入蒸发器12。

整个超低温冷柜的双压缩机复叠制冷系统的流程如下：

一级压缩系统：

一级压缩机1将制冷剂压缩后经排气管到防露管2，制冷剂在防露管2内对柜口进行加热，之后进入冷凝器3，在冷凝器3内，制冷剂被外界空气冷却后流向一级干燥过滤器4，经过干燥过滤后，制冷剂水分、杂质减少，然后流到一级毛细管5，制冷剂被一级毛细管5节流后，压力降低进入板式换热器15，制冷剂在板式换热器15内蒸发吸热，大部分变成气体后流到气液分离器7，经过气液分离器7的作用，保证只有气体回流到一级压缩机1。

二级压缩系统：

制冷剂经过二级压缩机8压缩后经排气管到油分离器9，制冷剂经过分油之后继续流入板式换热器15，制冷剂经过板式换热器15冷却后流向二级干燥过滤器10，经过干燥过滤后，制冷剂水分、杂质减少，之后流到二级毛细管11，制冷剂被二级毛细管11节流后，压力降低。流向蒸发器12，制冷剂经过蒸发器12蒸发后流向回热器13，然后由回热器13流回二级压缩机8。

另一方面，本发明还提供一种超低温冷柜，采用上述的超低温冷柜制冷系统。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种超低温冷柜制冷系统，所述制冷系统采用双压缩机复叠制冷方式，包括一级压缩系统和二级压缩系统，所述一级压缩系统包括依次连通的一级压缩机、防露管、冷凝器、一级干燥过滤器，一级毛细管、中间换热器、气液分离器，所述二级压缩系统包括依次连通的二级压缩机、油分离器、中间换热器、二级干燥过滤器、二级毛细管、蒸发器、回热器，其特征在于：所述中间换热器采用板式换热器。

2.根据权利要求1所述超低温冷柜制冷系统，其特征在于：所述板式换热器的两侧设有端板，中间设有若干换热板，其中一侧的端板外侧设有一级压缩进口和出口、二级压缩进口和出口，且在该侧的端板与进出口之间设置2-3mm厚的加强板。

3.根据权利要求2所述超低温冷柜制冷系统，其特征在于：所述加强板采用不锈钢板，所述换热板采用316L不锈钢板材。

4.根据权利要求2所述超低温冷柜制冷系统，其特征在于：所述板式换热器依次连接所述一级毛细管、气液分离器、二级毛细管、回热器集成为中间换热器模块，其中板式换热器的一级压缩进口连通所述一级毛细管，所述一级压缩出口连通所述气液分离器，所述板式换热器的二级压缩进口直接与模块外部的二级压缩机连通，所述二级压缩出口连通所述二级毛细管。

5.根据权利要求4所述超低温冷柜制冷系统，其特征在于：所述中间换热器模块设置在所述超低温冷柜的机舱内，所述中间换热器模块外部包裹发泡层。

6.根据权利要求4所述超低温冷柜制冷系统，其特征在于：所述中间换热器模块包括三对出入口，所述三对出入口分别为一级压缩系统的进口和出口、二级压缩系统的进口和出口、所述蒸发器的进口和出口，其中：

一级压缩系统的进口为一级毛细管的进口，该进口连通一级压缩机，一级压缩系统的出口为气液分离器的出口，该出口连通一级压缩机；

二级压缩系统的进口为板式换热器的二级压缩进口，该进口连通二级压缩机，二级压缩系统的出口为回热器的出口，该出口连通二级压缩机；

蒸发器的进口为二级毛细管的出口，该出口连通蒸发器，蒸发器的出口为回热器的进口，该进口连通蒸发器。

7.根据权利要求4所述超低温冷柜制冷系统，其特征在于：所述中间换热器模块还包括二级干燥过滤器。

8.根据权利要求4所述超低温冷柜制冷系统，其特征在于：所述中间换热器模块中的一级毛细管在所述气液分离器上缠绕后再与所述板式换热器连通；所述中间换热器模块中的二级毛细管在所述回热器上缠绕后再与所述蒸发器连通。

9.根据权利要求1所述超低温冷柜制冷系统，其特征在于：所述一级压缩系统为高温级压缩系统，其冷凝温度为环境温度，蒸发温度为-30～-45℃，所述二级压缩系统为低温级压缩系统，其冷凝温度与一级压缩系统的蒸发温度范围相同，蒸发温度为-80～-86℃。

10.一种超低温冷柜，其特征在于采用上述任一权利要求所述超低温冷柜制冷系统。

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