CN112361637A - 一种双路并行气浮涡轮制冷系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双路并行气浮涡轮制冷系统及其工作方法。该制冷系统包括压缩机、水冷器一、回冷换热器一、膨胀机、冷端负载、水冷器二、散热器、循环水泵一和循环水泵二。压缩机包括同轴对置设置的压缩涡轮一与压缩涡轮二、压缩涡轮驱动电机、轴承一和轴承二。膨胀机包括同轴对置设置的膨胀涡轮一与膨胀涡轮二、膨胀涡轮制动电机、轴承三和轴承四。本发明利用干空气/氮气作为制冷工质，通过干空气/氮气工质的压缩、回热、膨胀、吸热过程完成较宽温区下的高效低温制冷，同时可回收膨胀制冷过程输出的膨胀功进行发电给设备自身提供部分电能，实现环境试验设备的高效、轻便及环保节能。

Description

一种双路并行气浮涡轮制冷系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，具体涉及一种双路并行气浮涡轮制冷系统及其工作方法。

背景技术

环境试验设备是模拟自然气候环境所有试验箱的总称，涉及到高低温试验箱、温度冲击试验箱、低气压试验箱等，主要适用于工业产品、军品、航空航天产品的高温、低温、交变温度、高空低温低气压的可靠性试验。环境试验设备的箱内控温速率、控温稳定性、温度范围、温度均匀度和温度偏差是较为关键的技术指标。

环境试验设备通常采用成熟的蒸汽压缩氟利昂制冷方案，在低温试验中为试验设备提供低温冷源，然而受限于氟利昂工质热物性限制、单级压缩循环压比限制、低温低压下压缩机吸气困难等因素限制，深低温环境试验设备(-50℃以下)多采用双级压缩制冷循环和复叠式制冷循环的方式。由于双级压缩制冷系统高低压压缩机串联连接，为避免出现润滑油回油不均和不同沸点工质在中冷器的组分分离增大压比的情况出现，双级压缩制冷系统多采用同种制冷工质，存在制冷温区窄的缺陷，同时在-75℃或更低的温度由于双级压缩制冷系统吸气压力过低导致压缩机吸气阀不能正常打开，压缩机不能正常工作，使用受限。而复叠式制冷系统虽然可以组合不同的制冷方式和制冷剂，具备更加宽泛的制冷温区，但是复叠式压缩制冷系统由两个系统组成，存在因复叠温差造成的不可逆损失，在低温区制冷效率不高，设备耗能高。同时，由于使用两台压缩机产生的维护运行成本极大升高，操作复杂且系统可靠性差，环境试验设备容积的提升会带来制冷设备体积、重量和成本的成倍提升，而低温部分制冷剂非常昂贵，还存在一定环保问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双路并行气浮涡轮制冷系统及其工作方法，该系统利用干空气/氮气作为制冷工质，通过气体工质的压缩、回热、膨胀、吸热过程完成较宽温区下的高效低温制冷，同时可回收膨胀制冷过程输出的膨胀功进行发电给设备自身提供部分电能，实现环境试验设备的高效、轻便及环保节能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种双路并行气浮涡轮制冷系统，包括压缩机、水冷器一、回冷换热器一、膨胀机、冷端负载、水冷器二、散热器、循环水泵一和循环水泵二。

所述压缩机包括同轴对置设置的压缩涡轮一与压缩涡轮二以及用于驱动压缩涡轮一与压缩涡轮二同时运转的压缩涡轮驱动电机；所述压缩涡轮驱动电机包括定子线圈和动子磁钢；所述压缩涡轮一、压缩涡轮二和动子磁钢组成压缩机转子系统；所述压缩机还包括用于支承压缩机转子系统的轴承一与轴承二；所述膨胀机包括同轴对置设置的膨胀涡轮一与膨胀涡轮二以及用于减速制动膨胀涡轮一与膨胀涡轮二同时运转的膨胀涡轮制动电机；所述膨胀涡轮制动电机包括定子线圈和动子磁钢；所述膨胀涡轮一、膨胀涡轮二和动子磁钢组成膨胀机转子系统；所述膨胀机还包括用于支承膨胀机转子系统的轴承三与轴承四。

所述压缩涡轮一的出气口接水冷器一的进气口，水冷器一的出气口接回冷换热器一的进气口一，回冷换热器一的出气口一接膨胀涡轮一的进气口，膨胀涡轮一的出气口接冷端负载中部件一的进气口，冷端负载中部件一的出气口接回冷换热器一的进气口二，回冷换热器一的出气口二接压缩涡轮一的进气口，由此形成制冷工质管路系统一；所述压缩涡轮二的出气口接水冷器二的进气口，水冷器二的出气口接回冷换热器二的进气口一，回冷换热器二的出气口一接膨胀涡轮二的进气口，膨胀涡轮二的出气口接冷端负载中部件二的进气口，冷端负载中部件二的出气口接回冷换热器二的进气口二，回冷换热器二的出气口二接压缩涡轮二的进气口，由此形成制冷工质管路系统二；所述制冷工质管路系统一与制冷工质管路系统二相并联。压缩涡轮一、压缩涡轮二、膨胀涡轮一和膨胀涡轮二均为气体涡轮。

所述循环水泵一的出水口接水冷器一的进水口，水冷器一的出水口接散热器的进水口一，散热器的出水口一接循环水泵一的进水口，由此形成水冷管路系统一；所述循环水泵二的出水口接水冷器二的进水口，水冷器二的出水口接散热器的进水口二，散热器的出水口二接循环水泵二的进水口，由此形成水冷管路系统二；所述水冷管路系统一与水冷管路系统二相并联。

进一步的，所述冷端负载为环境试验设备，部件一为环境试验设备箱体内的风机盘管一，部件二为环境试验设备箱体内的风机盘管二。

进一步的，所述轴承一、轴承二、轴承三和轴承四均采用气浮轴承。

进一步的，所述制冷工质管路系统一和制冷工质管路系统二均采用价格低廉且环保的干空气/氮气作为工质。

进一步的，还包括压缩机变频器及控制系统、发电机变频器及附件供电系统和配电电线系统。

本发明还涉及一种上述双路并行气浮涡轮制冷系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

(1)当冷端负载中的部件一和部件二需快速降温时，在压缩机变频器及控制系统的驱动下，压缩涡轮驱动电机在额定转速及额定功率下运转，同时带动压缩涡轮一和压缩涡轮二分别对制冷工质管路系统一和制冷工质管路系统二内的工质进行压缩。

(2)Ⅰ路制冷循环：制冷工质管路系统一中被压缩后的高温高压工质随后进入水冷器一中进行等压冷却至设定温度值，设定温度值为压缩机进口温度附近。水冷器一吸收的工质压缩热由水冷管路系统一内的冷却介质带出后在散热器中释放到环境中。循环水泵一在水冷管路系统一中起到驱动介质循环的作用，散热器和循环水泵一均可由膨胀涡轮制动电机所发电能带动。经水冷器一充分冷却后的高压工质随后进入回冷换热器一与来自冷端负载中的部件一内的低压低温工质充分换热后，冷却到冷端负载箱内温度，然后进入膨胀涡轮一中膨胀降温至低于冷端负载箱内温度，即可达到循环中最低温度点；从膨胀涡轮一流出的最低温度工质随后进入冷端负载中的部件一；在冷端负载部件一中的风机的吹动下对冷端负载箱内空气进行充分冷却并达到箱内温度后进入回冷换热器一，回冷换热器一冷却来自水冷器一的高压来流工质，工质温度升至常温后，重新进入压缩涡轮一，完成Ⅰ路制冷循环。

(2)Ⅱ路制冷循环：制冷工质管路系统二中被压缩后的高温高压工质随后进入水冷器二中进行等压冷却至设定温度值，设定温度值为压缩机进口温度附近。水冷器二吸收的工质压缩热由水冷管路系统二内的冷却介质带出后在散热器中释放到环境中。循环水泵二在水冷管路系统二中起到驱动介质循环的作用，散热器和循环水泵二均可由膨胀涡轮制动电机所发电能带动。经水冷器二充分冷却后的高压工质随后进入回冷换热器二与来自冷端负载中的部件二内的低压低温工质充分换热后，冷却到冷端负载箱内温度，然后进入膨胀涡轮二中膨胀降温至低于冷端负载箱内温度，即可达到循环中最低温度点；从膨胀涡轮二流出的最低温度工质随后进入冷端负载中的部件二；在冷端负载部件二中的风机吹动下对冷端负载箱内空气进行充分冷却并达到箱内温度后进入回冷换热器二，回冷换热器二冷却来自水冷器二的高压来流工质，工质温度升至常温后，重新进入压缩涡轮二，完成Ⅱ路制冷循环。

Ⅱ路制冷循环流程与Ⅰ路制冷循环完全相同，由于压缩涡轮一和压缩涡轮二在同一压缩涡轮驱动电机的驱动下同轴工作在相同转速、压比、流量下，且Ⅰ路制冷循环和Ⅱ路制冷循环的管路阻力特性、水冷器效率、回冷换热器效率、膨胀涡轮的工作状况完全相同，Ⅰ路制冷循环和Ⅱ路制冷循环可实现良好的并行工作匹配。

和现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明中的制冷工质管路系统一与制冷工质管路系统二为双路并行，通过采用双路并行的制冷工质管路系统代替常规的复叠型氟利昂制冷系统给环境试验设备提供低温冷源，采用气体涡轮进行制冷，具有制冷降温快、制冷温区宽、制冷工质便宜环保、低温下效率比氟利昂复叠制冷高、系统组成简单、维护便捷，和无接触气浮支承技术转速快、传动效率高、无需冷却、结构简单紧凑、可靠性高、干净轻巧的优势。

气体涡轮制冷采用高压气体在涡轮中膨胀做功降低自身内能的方式实现制冷，该降温过程近似于等熵过程，和节流相比不可逆损失小，且可通过回收膨胀工的方式提升制冷效率。气体涡轮膨胀和压缩属于速度型热力器械，气体工质流速较大，传热速率高，降温快。和存在相变的氟利昂蒸汽压缩制冷方式相比，气体涡轮制冷循环工质均为气态未发生相变，可在较大温区范围内实现制冷功能(从零下180℃的空气液化温区到常温区)，且采用廉价易获取的干空气或氮气作为工质具备天然的环保优势。本发明采用的气浮轴承属于气体润滑滑动膜轴承，利用气体工质的动压效应对轴承进行润滑冷却，无需加注滑油，摩擦损失小，不仅节省了后期更换润滑油带来的维护保养费用，在低温下也不会出现氟利昂系统中润滑油低温凝固、润滑油随工质流动进入换热器中堵塞管路而造成的制冷效率降低及系统能耗升高现象，可在低温区实现高效制冷的同时也避免了润滑油带来的油污染及泄漏问题。本发明采用的涡轮、轴承、高速电机直连的压缩机及膨胀机方案无需齿轮箱等减速传动设备，除轴承自身的摩擦损失外无额外的机械传动损失，传动效率高、结构紧凑且干净轻巧。

(2)本发明同时采用制冷工质管路系统一与制冷工质管路系统二双路并行的工作方式可对大型环境试验设备箱内实现分区供冷，有助于试验设备箱内温度快速平衡。将压缩涡轮和膨胀涡轮独立设置，能够减少冷损，避免膨胀涡轮制约压缩涡轮转速提升和系统匹配性差的缺陷，压缩涡轮一与压缩涡轮二同轴反向布置、膨胀涡轮一与膨胀涡轮二同轴反向布置可有效降低压缩机和膨胀机气动轴向力，极大缓解推力轴承高压比条件下承载能力不足的劣势，可使系统在更高压力及压比下运行从而进一步降低系统空间，采用电机制动的方案维持膨胀涡轮额定工作转速，同时有效的回收膨胀功进行发电进一步节能。

(3)本发明所述的双路并行气浮涡轮制冷系统适用于环境试验设备，具备机械振动小、对箱内试验件影响小、高频噪音易隔绝降噪，变频技术根据用冷需求调节转速和功率、可回收膨胀工给辅助设备供电等优势。从整体上看，本发明所述的双路并行气浮涡轮制冷系统可满足大型环境试验设备或其它相近设备对制冷系统提出的大冷量、宽温区深低温、高效率、高可靠、小能耗比和节能环保的使用需求，具备良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明中制冷系统的工作原理图。

其中：

1、膨胀涡轮一，2、部件一，3、回冷换热器一，4、压缩涡轮一，5、水冷器一，6、循环水泵一，7、膨胀涡轮二，8、部件二，9、回冷换热器二，10、压缩涡轮二，11、水冷器二，12、循环水泵二，13、散热器，14、压缩机变频器及控制系统，15、冷端负载，16、发电机变频器及附件供电系统，17、轴承三，18、轴承一，19、膨胀涡轮制动电机，20、压缩涡轮驱动电机，21、制冷工质管路系统一，22、制冷工质管路系统二，23、水冷管路系统一，24、水冷管路系统二，25、配电电线系统，26、轴承四，27、轴承二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种双路并行气浮涡轮制冷系统，包括压缩机、水冷器一5、回冷换热器一3、膨胀机、冷端负载15、水冷器二11、散热器13、循环水泵一6和循环水泵二12。

所述压缩机包括同轴对置设置的压缩涡轮一4与压缩涡轮二10以及用于驱动压缩涡轮一4与压缩涡轮二10同时运转的压缩涡轮驱动电机20；所述压缩涡轮驱动电机20包括定子线圈和动子磁钢；所述压缩涡轮一4、压缩涡轮二10和动子磁钢组成压缩机转子系统；所述压缩机还包括用于支承压缩机转子系统的轴承一1与轴承二27；所述膨胀机包括同轴对置设置的膨胀涡轮一1与膨胀涡轮二7以及用于减速制动膨胀涡轮一1与膨胀涡轮二7同时运转的膨胀涡轮制动电机19；所述膨胀涡轮制动电机19包括定子线圈和动子磁钢；所述膨胀涡轮一1、膨胀涡轮二7和动子磁钢组成膨胀机转子系统；所述膨胀机还包括用于支承膨胀机转子系统的轴承三17与轴承四26。

压缩涡轮一4、压缩涡轮二10采用同轴布置方案，分别安置在轴的两端，与轴固定后连同安装在轴中间的驱动电机磁钢、轴承一及轴承二内动圈形成整体转子，由轴承一18与轴承二27支承，由压缩涡轮驱动电机20带动，驱动电机线圈、轴承一及轴承二外定圈固定安装在压缩机外壳上组成整体定子，通过密封装配将转子与定子整合形成系统压缩机，在压缩机变频器及控制系统驱动下高速旋转对工质进行压缩。膨胀涡轮一1、膨胀涡轮二7采用同轴布置方案，分别安置在轴的两端，与轴固定后连同安装轴中间的制动电机磁钢、轴承三及轴承四内动圈形成整体转子，由轴承三17和轴承四26支承，采用制冷涡轮制动电机19作为制动装置，制动电机线圈、轴承三及轴承四外定圈固定安装在膨胀机外壳上组成整体定子，通过密封装配将转子与定子整合形成系统膨胀机，在来自压缩机的高压气流驱动下高速旋转对外输出轴工，同时工质内能进一步下降实现制冷目标，膨胀涡轮制动电机将输出的轴工回收发电带动水泵、风机等附属设备运转，在平衡制冷涡轮转速的同时可降低试验设备总能耗。除压缩涡轮主机、制冷涡轮主机和散热器共用外，双路循环的其余部件可独立设置。压缩涡轮一4、压缩涡轮二10、膨胀涡轮1和膨胀涡轮二7均采用高效的一元叶轮设计优化技术实现。膨胀涡轮制动电机19和压缩涡轮驱动电机20均为高速电机。

在诸如大型环境试验箱、冷库、冷箱等大功率制冷应用场景中，必须要求制冷系统高压比及循化工质大流量，对于涡轮压缩机和涡轮膨胀机而言，这意味着较大的轮径和气动轴向力。由于采用单涡轮方案会因为气动轴向力的增加超出气浮轴承的承载能力，无法实现大功率应用，因此，采用一台压缩机或膨胀机内双叶轮同轴布置的方式来平衡叶轮自身的气动轴向力，以满足大功率应用要求。由于采用一台电机驱动一个叶轮，会存在气动轴向力超出气浮轴承的承载能力而无法满足大功率应用要求，因此，本发明采用一台电机驱动两个叶轮，这不仅能够满足大功率应用要求，相比于一台电机驱动一个叶轮的方式，也可节省一套轴承、一套电机及一套主机壳体，减少了运动部件，提升了可靠度，结构上也更加紧凑。本发明所采用的基于平衡大功率制冷条件下叶轮轴向力的目标设计的两轮同轴布置方案，进一步实现了双路并行对冷箱分区供冷的效果，一举两得。压缩机及膨胀机的设计难度在于高效的一元叶轮设计优化技术、气浮轴承技术、高速电机技术等关键技术，涉及到工程热力学、传热学、流体力学、材料学、机械原理、电磁学、电力电子多学科交叉，属于技术难度极高的新技术方向，需要付出创造性劳动才能得以实现。

所述压缩涡轮一4的出气口接水冷器一5的进气口，水冷器一5的出气口接回冷换热器一3的进气口一，回冷换热器一3的出气口一接膨胀涡轮一1的进气口，膨胀涡轮一1的出气口接冷端负载15中部件一的进气口，冷端负载15中部件一的出气口接回冷换热器一3的进气口二，回冷换热器3的出气口二接压缩涡轮一4的进气口，由此形成制冷工质管路系统一21。所述压缩涡轮二10的出气口接水冷器二11的进气口，水冷器二11的出气口接回冷换热器二9的进气口一，回冷换热器二9的出气口一接膨胀涡轮二7的进气口，膨胀涡轮二7的出气口接冷端负载15中部件二的进气口，冷端负载15中部件二的出气口接回冷换热器二9的进气口二，回冷换热器二9的出气口二接压缩涡轮二10的进气口，由此形成制冷工质管路系统二22；所述制冷工质管路系统一21与制冷工质管路系统二22相并联。在制冷工质管路系统一21与制冷工质管路系统二22中，相邻部件之间通过管路连接。

所述循环水泵一6的出水口接水冷器一5的进水口，水冷器一5的出水口接散热器13的进水口一，散热器13的出水口一接循环水泵一6的进水口，由此形成水冷管路系统一23。所述循环水泵二12的出水口接水冷器二11的进水口，水冷器二11的出水口接散热器13的进水口二，散热器13的出水口二接循环水泵二12的进水口，由此形成水冷管路系统二24。所述水冷管路系统一23与水冷管路系统二24相并联。在水冷管路系统一23与水冷管路系统二24中，相邻部件之间通过管路连接。

所述制冷工质管路系统一21和制冷工质管路系统二22均采用干空气/氮气作为工质的闭式循环方式，在两路制冷工质管路系统中，气体工质都是先经压缩涡轮增压后进入水冷器，在水冷器中降温到常温后进入回冷换热器，与来自冷端负载箱内风机盘管的低温空气换热后将温至负载温度，随后依次进入膨胀涡轮膨胀降温至系统最低温度、进入冷端负载风机盘管换热、进入回冷换热器冷却来流升温至常温、最后进入压缩机完成制冷过程。

进一步的，所述冷端负载15为环境试验设备，部件一为环境试验设备箱体内的风机盘管一，部件二为环境试验设备箱体内的风机盘管二。

进一步的，所述轴承一18、轴承二27、轴承三17和轴承四26均采用气浮轴承。

进一步的，所述制冷工质管路系统一21和制冷工质管路系统二22均采用干空气/氮气作为工质。

进一步的，还包括压缩机变频器及控制系统14、发电机变频器及附件供电系统16和配电电线系统25。所述压缩机变频器，用于将民用电网50HZ的工频交流电转换成500HZ以上的交流电，以驱动压缩机高速旋转，在高速电机领域应用广泛。所述发电机变频器，用于将膨胀涡轮高速运转产生的高频电流转换成50HZ的民用电，然后再送到附件供电系统16(诸如电连接器、变压器等)进行分配，最后通过配电系统25也就是电线供给风机、水泵等内部设备工作。发电机的发电频率与制冷涡轮工作转速相关，当膨胀涡轮转速为60000转每分钟时所发电能的频率为1000HZ，不适用于常规电器，故需变频。

本发明所述的制冷系统系统安装在高低温环境试验设备中，可在低温贮存、低温工作、低温低气压、温度高度、温度冲击等需快速降温/控温的试验中提供充足的低温冷量，确保试验箱内壁及箱内贮存的试验件快速降温。该制冷系统具备两路并联的相同循环，即制冷工质管路系统一与制冷工质管路系统二，从两个膨胀涡轮排出的同等工况的低温工质可分别进入环境试验设备箱内两处风机盘管处，在两处风机盘管处均采用风扇强制对流动态冷却的方式，有助于快速实现箱内温度场均匀。该制冷系统双路循环中的两个压缩涡轮采用同轴布置方案，两个叶轮在轴的两端反向布置且轮径、转速、叶型等完全相同，可保证双路循环工况完全相同；同时两轮反向布置可平衡气动轴向力，能使制冷系统在更高的压比及更大的功率下运行，进一步减少设备占用空间。该制冷系统中的压缩涡轮驱动电机采用高速永磁电机，具备工作转速高、转速可调等优势，可根据环境试验设备工作负载情况调节最佳转速，具备智能控制优势。该制冷系统中的两路循环中的两个膨胀涡轮采用同轴布置，两个叶轮在轴的两端反向布置且轮径、转速、叶型等完全相同，可保证双路循环工况完全相同，同时两轮反向布置可平衡气动轴向力，使得制冷系统可在更高的系统压力下运行，系统结构更加紧凑。该制冷系统中的压缩涡轮和膨胀涡轮采用非同轴的独立布置方式，可避免压缩涡轮高温端向膨胀涡轮低温端的轴向漏热提升效率，同时也可避免同轴条件下膨胀涡轮制约压缩涡轮转速提升的情况发生。该制冷系统中的两个膨胀涡轮采用制动电机进行制动，同时将制动电机输出感应电流整流逆变后重新分配供给环境试验设备中风机盘管、散热器、循环水泵等附属用电设备使用，回收制冷过程产生的膨胀工有助于提升环境试验设备整体能耗比。该制冷系统中的压缩涡轮和膨胀涡轮可以采用气浮轴承、油润滑滑动轴承、滚珠轴承或电磁轴承支承，具备转速高体积小、机械振动小、传动效率高、运行可靠性高、干净无油等优势。该制冷系统压缩过程产生的压缩热和电机损耗发热可采用水冷的方式进行冷却，最终通过散热器在风机强制吹风对流下排至环境，循环水泵、散热器风机和风机盘管均由膨胀涡轮驱动的制动电机发电带动，供电功率和工作状况取决于膨胀涡轮输出功率，在充分利用涡轮制冷产生的膨胀功的同时可实现自适应节能控制。

当环境试验设备需快速降温时，在压缩机变频器及控制系统14的驱动下，压缩涡轮驱动电机20在额定转速及额定功率下运转，同时带动压缩涡轮一4和压缩涡轮二10对制冷工质管路系统一21和制冷工质管路系统二22内的工质进行压缩，制冷工质管路系统一21中被压缩后的高温高压工质随后进入水冷器一5中进行等压冷却至压缩机进口温度附近，水冷器一5吸收的工质压缩热由水冷管路系统一23内的冷却介质带出后在散热器13中释放到环境中，循环水泵一6在水冷管路系统一23中起到驱动介质循环的作用，散热器13和循环水泵一6均可由膨胀涡轮制动电机19所发电能带动。经水冷器一5充分冷却后的高压工质随后进入回冷换热器一3与来自环境试验设备箱内风机盘管一内的低压低温工质充分换热后，冷却到环境试验设备箱体(冷端负载)内温度，然后进入膨胀涡轮一4中，膨胀降温至低于环境试验设备箱体(冷端负载)内温度，即可达到循环中最低温度点。从膨胀涡轮一4流出的最低温度工质随后进入箱内风机盘管一2，在风机的吹动下对箱内空气进行充分冷却并达到箱内温度后进入回冷换热器一3，冷却来自水冷器一5的高压来流工质，最后升至常温后重新进入压缩涡轮一4完成Ⅰ路制冷循环。

Ⅱ路制冷循环流程与Ⅰ路制冷循环完全相同，由于压缩涡轮一4和压缩涡轮二10在同一电机驱动下同轴工作在相同转速、压比、流量下，且Ⅰ路制冷循环和Ⅱ路制冷循环的管路阻力特性、水冷器效率、回冷换热器效率、膨胀涡轮的工作状况完全相同，Ⅰ路制冷循环和Ⅱ路制冷循环可实现良好的并行工作匹配。同时由于散热器13、循环水泵6和12、风机盘管一2和风机盘管二8的电机由膨胀涡轮制动电机19发电驱动，其转速、功耗等工作条件与膨胀涡轮的输出功率相关，在环境试验设备降温过程需全速制冷阶段，膨胀涡轮输出功率达到峰值，制动电机所发电量充足，可保证散热器、循环水泵和风机盘管全速运转，全面促进系统降温。

在环境试验设备箱内达到指定温度后的控温阶段当膨胀涡轮输出功率下降时，散热器、循环水泵和风机盘管的供电量同步下降，可实现自适应节能的目标。以20KW@-50℃冷量需求的大型步入式环境试验设备为例，当外界环境温度为20℃时，Ⅰ路膨胀涡轮和Ⅱ路膨胀涡轮的单轮输出功率为10KW，在系统最低温度为-73℃的条件下(膨胀涡轮等熵效率按0.7计)，压缩涡轮一和压缩涡轮二的等熵压缩功率均为28KW，在综合考虑压缩机等熵效率、管路损失、换热效率后压缩机变频器及控制系统14所需输入电功率约为100KW(压缩机总功率为56KW，综合效率按0.6计算)。膨胀涡轮制冷量即为输出轴工，气浮轴承机械传动效率按96％且制动发电机和高速变频器综合效率按80％计，输出电工可达15KW，配合大热容冷却介质，足以满足散热器、循环水泵、风机盘管等辅助设备的用电需求和制冷循环的要求。

综上所述，本发明利用气体工质的等熵压缩、等压回热、等熵膨胀和等压吸热的循环制冷过程为环境试验设备提供低温冷源，同时利用工质等熵膨胀制冷过程输出的膨胀工进行发电为设备自身提供部分电能以降低设备总能耗，属于低温制冷领域。系统采用气浮轴承支承的对置式压缩涡轮和膨胀涡轮组成双路并行的循环制冷回路，使得系统内部无需润滑油即可获得超高的转速，可在更高的压力下具备更小的设备占用空间，且无需后期维护，长期运行可靠。不同于常规蒸汽压缩氟利昂制冷系统在深低温区制冷能耗高且氟利昂工质存在一定的环保问题，本发明利用干空气/氮气工质膨胀制冷，具有制冷温区宽、低温区制冷能耗低以及突出的节能环保的优势。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种双路并行气浮涡轮制冷系统，其特征在于：包括压缩机、水冷器一、回冷换热器一、膨胀机、冷端负载、水冷器二、散热器、循环水泵一和循环水泵二；

所述压缩机包括同轴对置设置的压缩涡轮一与压缩涡轮二以及用于驱动压缩涡轮一与压缩涡轮二同时运转的压缩涡轮驱动电机；所述压缩涡轮驱动电机包括定子线圈和动子磁钢；所述压缩涡轮一、压缩涡轮二和动子磁钢组成压缩机转子系统；所述压缩机还包括用于支承压缩机转子系统的轴承一与轴承二；所述膨胀机包括同轴对置设置的膨胀涡轮一与膨胀涡轮二以及用于减速制动膨胀涡轮一与膨胀涡轮二同时运转的膨胀涡轮制动电机；所述膨胀涡轮制动电机包括定子线圈和动子磁钢；所述膨胀涡轮一、膨胀涡轮二和动子磁钢组成膨胀机转子系统；所述膨胀机还包括用于支承膨胀机转子系统的轴承三与轴承四；

所述压缩涡轮一的出气口接水冷器一的进气口，水冷器一的出气口接回冷换热器一的进气口一，回冷换热器一的出气口一接膨胀涡轮一的进气口，膨胀涡轮一的出气口接冷端负载中部件一的进气口，冷端负载中部件一的出气口接回冷换热器一的进气口二，回冷换热器一的出气口二接压缩涡轮一的进气口，由此形成制冷工质管路系统一；所述压缩涡轮二的出气口接水冷器二的进气口，水冷器二的出气口接回冷换热器二的进气口一，回冷换热器二的出气口一接膨胀涡轮二的进气口，膨胀涡轮二的出气口接冷端负载中部件二的进气口，冷端负载中部件二的出气口接回冷换热器二的进气口二，回冷换热器二的出气口二接压缩涡轮二的进气口，由此形成制冷工质管路系统二；所述制冷工质管路系统一与制冷工质管路系统二相并联；

所述循环水泵一的出水口接水冷器一的进水口，水冷器一的出水口接散热器的进水口一，散热器的出水口一接循环水泵一的进水口，由此形成水冷管路系统一；所述循环水泵二的出水口接水冷器二的进水口，水冷器二的出水口接散热器的进水口二，散热器的出水口二接循环水泵二的进水口，由此形成水冷管路系统二；所述水冷管路系统一与水冷管路系统二相并联。

2.根据权利要求1所述的一种双路并行气浮涡轮制冷系统，其特征在于：所述冷端负载为环境试验设备，部件一为环境试验设备箱体内的风机盘管一，部件二为环境试验设备箱体内的风机盘管二。

3.根据权利要求1所述的一种双路并行气浮涡轮制冷系统，其特征在于：所述轴承一、轴承二、轴承三和轴承四均采用气浮轴承。

4.根据权利要求1所述的一种双路并行气浮涡轮制冷系统，其特征在于：所述制冷工质管路系统一和制冷工质管路系统二均采用干空气/氮气作为工质。

5.根据权利要求1所述的一种双路并行气浮涡轮制冷系统，其特征在于：还包括压缩机变频器及控制系统、发电机变频器及附件供电系统和配电电线系统。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的双路并行气浮涡轮制冷系统的工作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)在压缩机变频器及控制系统的驱动下，压缩涡轮驱动电机在额定转速及额定功率下运转，同时带动压缩涡轮一和压缩涡轮二分别对制冷工质管路系统一和制冷工质管路系统二内的工质进行压缩；

(2)Ⅰ路制冷循环：制冷工质管路系统一中被压缩后的高温高压工质随后进入水冷器一中进行等压冷却至设定温度值，水冷器一吸收的工质压缩热由水冷管路系统一内的冷却介质带出后在散热器中释放到环境中；经水冷器一充分冷却后的高压工质随后进入回冷换热器一与来自冷端负载中的部件一内的低压低温工质充分换热后，冷却到冷端负载箱内温度，然后进入膨胀涡轮一中膨胀降温至低于冷端负载箱内温度，即可达到循环中最低温度点；从膨胀涡轮一流出的最低温度工质随后进入冷端负载中的部件一；在冷端负载部件一中的风机的吹动下对冷端负载箱内空气进行充分冷却并达到箱内温度后进入回冷换热器一，回冷换热器一冷却来自水冷器一的高压来流工质，工质温度升至常温后，重新进入压缩涡轮一，完成Ⅰ路制冷循环；

(2)Ⅱ路制冷循环：制冷工质管路系统二中被压缩后的高温高压工质随后进入水冷器二中进行等压冷却至设定温度值，水冷器二吸收的工质压缩热由水冷管路系统二内的冷却介质带出后在散热器中释放到环境中；经水冷器二充分冷却后的高压工质随后进入回冷换热器二与来自冷端负载中的部件二内的低压低温工质充分换热后，冷却到冷端负载箱内温度，然后进入膨胀涡轮二中膨胀降温至低于冷端负载箱内温度，即可达到循环中最低温度点；从膨胀涡轮二流出的最低温度工质随后进入冷端负载中的部件二；在冷端负载部件二中的风机的吹动下对冷端负载箱内空气进行充分冷却并达到箱内温度后进入回冷换热器二，回冷换热器二冷却来自水冷器二的高压来流工质，工质温度升至常温后，重新进入压缩涡轮二，完成Ⅱ路制冷循环。

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