CN112484330A - 一种布雷顿制冷循环低温箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种布雷顿制冷循环低温箱，包括箱体、用于低温氮气和高温氮气换热的回热器、透平压缩机、膨胀机、后冷器、用冷器和高速电机，回热器具有高温进口、高温出口、低温进口和低温出口；高速电机的动力轴与透平压缩机的轴相连接并驱动透平压缩机；高速电机的动力轴的另一端伸入膨胀机并连接有叶轮，膨胀机的进口朝向叶轮。本发明以氮气为制冷工质，无污染；采用气动轴承悬浮技术，完全没有摩擦，效率高于油润滑压缩机。透平压缩机转速可调，系统稳定可靠，满足更宽泛箱内温度的需求，一箱可满足多种制冷温度的需要。本发明中，氮气膨胀时驱动高速电机的动力轴旋转，因而能够降低高速电机的功率。

Description

一种布雷顿制冷循环低温箱

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种低温箱。

背景技术

目前的低温箱为达到-80℃以下的低温通常采用的技术有简单复叠制冷或混合工质自然复叠制冷。

简单复叠制冷需要至少两套以上的制冷循环联合工作，结构复杂、可靠性差，维护和保养困难。

混合工质自然复叠制冷由于采用的是混合工质，控制系统相对复杂，且混合工质一旦发生泄漏制冷剂组分就发生了变化，对制冷效果影响较大，也无法进行补充，需要将制冷剂全部放掉重新添加。

现有的低温箱普遍具有结构复杂、能耗较高、振动大、可靠性差、运行效率低、稳定控制精度不高、制冷剂可能带来污染等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种布雷顿制冷循环低温箱，无污染且能耗较低。

为实现上述目的，本发明的一种布雷顿制冷循环低温箱包括箱体、用于低温氮气和高温氮气换热的回热器、透平压缩机、膨胀机、后冷器、用冷器和高速电机，箱体一侧设有风道盖板，风道盖板将箱体内腔分隔为存储空间和风道；箱体顶部设有若干用于向箱体内的存储空间送风的送风口，风道底端与存储空间相连通，风道下部设有所述用冷器，风道盖板上安装有用于在箱体内产生循环风的循环风机；

回热器具有高温进口、高温出口、低温进口和低温出口；

透平压缩机用于将低温低压的氮气压缩为高温高压的氮气，透平压缩机的出气口连接有第一高温管路，第一高温管路连接所述后冷器的进口，后冷器相邻设有用于将环境空气吹向后冷器的散热风机；后冷器的出口通过第二高温管路连接回热器的高温进口，回热器的高温出口通过第三高温管路连接所述膨胀机的进口，膨胀机的出口连接有第一低温管路，第一低温管路连接所述用冷器的进口，用冷器的出口通过第二低温管路连接回热器的低温进口，回热器的低温出口通过第三低温管路连接所述透平压缩机的进气口；

高速电机的动力轴与透平压缩机的轴相连接并驱动透平压缩机；高速电机的动力轴的另一端伸入膨胀机并连接有叶轮，膨胀机的进口朝向叶轮，氮气通过第三高温管路通过膨胀机的进口后撞击在叶轮上驱动高速电机的动力轴旋转。

箱体的存储空间的侧壁上部设有蓄冷器。

高速电机具有密封的壳体，后冷器的出口连接有电机降温管，电机降温管与高速电机的壳体一端相连通，高速电机的壳体的另一端连接有降温回气管，降温回气管与第三低温管路相连通；电机降温管上设有用于调节电机降温管内的氮气流量以使氮气流量匹配高速电机温度的电磁调节阀。

用冷器顶部安装有化霜传感器，用冷器底部安装有化霜电加热器，存储空间的侧壁中部设有箱体温度传感器，低温箱具有电控装置，电控装置连接化霜传感器、化霜电加热器、透平压缩机、高速电机和箱体温度传感器。

存储空间处的箱体设有箱门，送风口与箱门的距离小于等于20厘米；送风口水平并排设有多个。

回热器具有外壳，外壳内上下间隔设有多层水平隔板，将水平隔板与回热器的外壳顶壁以及外壳底壁统称为分层板，相邻分层板之间连接有左竖板和右竖板，左竖板的右端与外壳右壁之间具有间隙，右竖板的左端与外壳左壁之间具有间隙；相邻分层板及其间的左竖板和右竖板围成围成折流通道；

折流通道分为连接高温进口和高温出口的高温折流通道，以及连接低温进口和低温出口的低温折流通道；

高温折流通道和低温折流通道在回热器内上下交替布置有多层；高温折流通道和低温折流通道内均设有与水平隔板相连接的翅片板。

本发明具有如下的优点：

本发明中，氮气通过第三高温管路通过膨胀机的进口后撞击在叶轮上驱动高速电机的动力轴旋转，因而能够降低高速电机的功率，既有利于氮气膨胀降温，又产生了节能作用。

回热器实现了高温氮气和低温氮气的热交换，有利于高温氮气降温后在膨胀过程中获得更低的温度，增加制冷量，降低透平压缩机的能耗。

高温氮气在经过后冷器时，在散热风机的送风作用下，将热量散发到环境中去，起到预冷的作用，有利于膨胀降温后获得更低的温度。

本发明结构简单，低温箱需要制冷时，透平压缩机和循环风机启动，通过循环风机强制存储空间中的气体循环通过用冷器冷却，从而使箱体内的温度降低。

本发明以氮气为制冷工质，不会对大气造成任何污染，由于透平压缩机采用气动轴承悬浮技术，完全没有摩擦，因而效率高于油润滑压缩机。透平压缩机转速可根据制冷需要进行调整，因此整个系统稳定可靠，可满足更宽泛箱内温度的需求，一箱可满足多种制冷温度的需要。

蓄冷器在透平压缩机停机时利用所蓄冷量保持存储空间的低温状态，因而能够降低透平压缩机的启停频率，既稳定了存储空间内的温度，又降低了能耗。化霜时固定在箱体内的蓄冷器吸收热量（吸热放冷），避免箱内温度出现较大波动。

氮气经过后冷器时在散热风机的作用下向环境散发热量；后冷器下游的氮气虽然处于相对高温的状态，但其温度比高速电机工作时产生的温度低很多。将氮气经过电机降温管引入高速电机的壳体，能够迅速有效地降低高速电机的温度，防止高速电机过热损坏。调节电磁调节阀的开启度能够通过调节氮气流量来控制高速电机工作时的温度，使氮气流量与高速电机的发热量以及实际温度等工况更相匹配。工作时，在高速电机温度较高时，调大电磁调节阀的开启度；在高速电机温度较低时，调小电磁调节阀的开启度。

高温折流通道和低温折流通道在回热器内上下交替布置有多层，提高了高温氮气和低温氮气之间的换热效率；翅片板能够增强水平隔板与氮气之间的换热效率，进一步提高了高温氮气和低温氮气之间的换热效率，达到更节能的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是高温折流通道处回热器的水平截面图；

图3是低温折流通道回热器的水平截面图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明提供了一种布雷顿制冷循环低温箱，包括箱体26、用于低温氮气和高温氮气换热的回热器31、透平压缩机5、膨胀机2、后冷器9、用冷器29和高速电机3，箱体26一侧设有风道盖板27，风道盖板27将箱体26内腔分隔为存储空间32和风道33；箱体26顶部设有若干用于向箱体26内的存储空间32送风的送风口23，风道33底端与存储空间32相连通，风道33下部设有所述用冷器29，风道盖板27上安装有用于在箱体26内产生循环风的循环风机（循环风机为离心风机）；

回热器31具有高温进口16、高温出口17、低温进口18和低温出口15；回热器31外设有发泡层13，发泡层13对外隔热，促使高温氮气和低温氮气更好地相互交换热量。

透平压缩机5用于将低温低压的氮气压缩为高温高压的氮气，透平压缩机5的出气口连接有第一高温管路6，第一高温管路6连接所述后冷器9的进口，后冷器9相邻设有用于将环境空气吹向后冷器9的散热风机8（优选采用轴流风机）；后冷器9的出口通过第二高温管路12连接回热器31的高温进口16，回热器31的高温出口17通过第三高温管路19连接所述膨胀机2的进口，膨胀机2的出口连接有第一低温管路1，第一低温管路1连接所述用冷器29的进口，用冷器29的出口通过第二低温管路20连接回热器31的低温进口18，回热器31的低温出口15通过第三低温管路11连接所述透平压缩机5的进气口；

高速电机3的动力轴4与透平压缩机5的轴相连接并驱动透平压缩机5；高速电机3的动力轴4的另一端伸入膨胀机2并连接有叶轮（叶轮为常规技术，图未示），膨胀机2的进口朝向叶轮，氮气通过第三高温管路19通过膨胀机2的进口后撞击在叶轮上驱动高速电机3的动力轴4旋转。后冷器9、用冷器29和回热器31均为热交换器。

本发明中，氮气通过第三高温管路19通过膨胀机2的进口后撞击在叶轮上驱动高速电机3的动力轴4旋转，因而能够降低高速电机的功率，既有利于氮气膨胀降温，又产生了节能作用。

回热器31实现了高温氮气和低温氮气的热交换，有利于高温氮气降温后在膨胀过程中获得更低的温度，增加制冷量，降低透平压缩机5的能耗。

高温氮气在经过后冷器9时，在散热风机8的送风作用下，将热量散发到环境中去，起到预冷的作用，有利于膨胀降温后获得更低的温度。

本发明结构简单，低温箱需要制冷时，透平压缩机5和循环风机启动，通过循环风机强制存储空间32中的气体循环通过用冷器29冷却，从而使箱体26内的温度降低。

本发明以氮气为制冷工质，不会对大气造成任何污染，由于透平压缩机5采用气动轴承悬浮技术，完全没有摩擦，因而效率高于油润滑压缩机。透平压缩机5转速可根据制冷需要进行调整，因此整个系统稳定可靠，可满足更宽泛箱内温度的需求，一箱可满足多种制冷温度的需要。

箱体26的存储空间32的侧壁上部设有蓄冷器24。

蓄冷器24在透平压缩机5停机时利用所蓄冷量保持存储空间32的低温状态，因而能够降低透平压缩机5的启停频率，既稳定了存储空间32内的温度，又降低了能耗。化霜时固定在箱体26内的蓄冷器24吸收热量（吸热放冷），避免箱内温度出现较大波动。

高速电机3具有密封的壳体34，后冷器9的出口连接有电机降温管7，电机降温管7与高速电机3的壳体34一端相连通，高速电机3的壳体34的另一端连接有降温回气管10，降温回气管10与第三低温管路11相连通；电机降温管7上设有用于使电机降温管7内的氮气流量匹配高速电机3温度的电磁调节阀35。

用冷器29顶部安装有化霜传感器28，用冷器29底部安装有化霜电加热器30，存储空间32的侧壁中部设有箱体温度传感器25，本发明的一种布雷顿制冷循环低温箱具有电控装置，电控装置连接化霜传感器28、化霜电加热器30、透平压缩机5、高速电机3和箱体温度传感器25。

电控装置为单片机或集成电路，优选PLC，为常规部件，图未示。当电控装置通过化霜传感器28检测到用冷器29需要化霜时，高速电机3、循环风机、散热风机8均停止转动，化霜电加热器30启动对用冷器29进行化霜，当化霜传感器28检测到用冷器29达到设定温度后化霜停止。化霜时固定在箱体26内的蓄冷器24吸收热量（吸热放冷），避免箱内温度出现较大波动。

本发明中，透平压缩机5转速可高达100000rpm以上，且转速可任意调节，所以既可通过高转速实现对箱内的快速降温，也可通过调节转速尽可能避免箱内存储空间32的温度波动。

存储空间32处的箱体26设有箱门21，送风口23与箱门21的距离小于等于20厘米；送风口23水平并排设有多个。

回热器31具有外壳36，外壳36内上下间隔设有多层水平隔板，将水平隔板与回热器31的外壳36顶壁以及外壳36底壁统称为分层板，相邻分层板之间连接有左竖板37和右竖板38，左竖板37的右端与外壳36右壁之间具有间隙，右竖板38的左端与外壳36左壁之间具有间隙；相邻分层板及其间的左竖板37和右竖板38围成围成折流通道；

折流通道分为连接高温进口16和高温出口17的高温折流通道39，以及连接低温进口18和低温出口15的低温折流通道40；

高温折流通道39和低温折流通道40在回热器31内上下交替布置有多层；高温折流通道39和低温折流通道40内均设有与水平隔板相连接的翅片板。水平隔板为常规板状结构，图未示。

高温折流通道39和低温折流通道40在回热器31内上下交替布置有多层，提高了高温氮气和低温氮气之间的换热效率；翅片板能够增强水平隔板与氮气之间的换热效率，进一步提高了高温氮气和低温氮气之间的换热效率，达到更节能的目的。

工作时，透平压缩机5将低温低压的氮气压缩至高温高压状态后经透平压缩机5出气口送入第一高温管路6；高温氮气接着通过后冷器9的出口和第二高温管路12进入回热器31的高温进口16；在经过后冷器9时，高温氮气被散热风机8吹向后冷器9的风冷却降温；

高温氮气在回热器31内通过各层高温折流通道39进入回热器31的高温出口17，然后经第三高温管路19进入膨胀机2的进口；在膨胀机2内，氮气撞击叶轮做功，既降低高速电机3的功耗，又有利于氮气膨胀。高温氮气膨胀后形成低温低压状态；低温氮气经膨胀机2的出口和第一低温管路1进入用冷器29；存储空间32内的空气在循环风机的驱使下循环通过用冷器29获得冷量，使箱体26内温度降低。

氮气通过用冷器29的出口和第二低温管路20进入回热器31的低温进口18，在回热器31内高温氮气和低温氮气通过翅片和水平隔板进行高效换热，从而降低系统整体功耗，能够获得更低的膨胀温度。

低温氮气经回热器31的低温出口15通过第三低温管路11进入透平压缩机5的进气口，完成一个制冷循环。

氮气经过后冷器9时在散热风机8的作用下向环境散发热量；后冷器9下游的氮气虽然处于相对高温的状态，但其温度比高速电机3工作时产生的温度低很多。将氮气经过电机降温管7引入高速电机3的壳体34，能够迅速有效地降低高速电机3的温度，防止高速电机3过热损坏。调节电磁调节阀35的开启度能够通过调节氮气流量来控制高速电机3工作时的温度，使氮气流量与高速电机3的发热量以及实际温度等工况更相匹配。工作时，在高速电机3温度较高时，调大电磁调节阀35的开启度；在高速电机3温度较低时，调小电磁调节阀35的开启度。

电控装置通过箱体温度传感器25检测到箱内温度低于设定区间（设定温度±⊿T，⊿T为容许偏差值，如为1℃）时停止制冷，即箱内温度大于设定温度+⊿T时开始制冷，箱内温度低于设定温度－⊿T时停止制冷。

高速电机3启动时以30000～40000rpm的转速启动，快速通过不稳定区，避免电机连接轴磨损，降温初期高速电机3转速不高于80000rpm避免压缩机出现喘振，用冷器29出现明显降温后高速电机3进入额定转速进行运转，循环风机开始转动对箱内进行降温。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种布雷顿制冷循环低温箱，包括箱体、用于低温氮气和高温氮气换热的回热器、透平压缩机、膨胀机、后冷器、用冷器和高速电机，箱体一侧设有风道盖板，风道盖板将箱体内腔分隔为存储空间和风道；箱体顶部设有若干用于向箱体内的存储空间送风的送风口，风道底端与存储空间相连通，风道下部设有所述用冷器，风道盖板上安装有用于在箱体内产生循环风的循环风机；其特征在于：

回热器具有高温进口、高温出口、低温进口和低温出口；

透平压缩机用于将低温低压的氮气压缩为高温高压的氮气，透平压缩机的出气口连接有第一高温管路，第一高温管路连接所述后冷器的进口，后冷器相邻设有用于将环境空气吹向后冷器的散热风机；后冷器的出口通过第二高温管路连接回热器的高温进口，回热器的高温出口通过第三高温管路连接所述膨胀机的进口，膨胀机的出口连接有第一低温管路，第一低温管路连接所述用冷器的进口，用冷器的出口通过第二低温管路连接回热器的低温进口，回热器的低温出口通过第三低温管路连接所述透平压缩机的进气口；

高速电机的动力轴与透平压缩机的轴相连接并驱动透平压缩机；高速电机的动力轴的另一端伸入膨胀机并连接有叶轮，膨胀机的进口朝向叶轮，氮气通过第三高温管路通过膨胀机的进口后撞击在叶轮上驱动高速电机的动力轴旋转。

2.根据权利要求1所述的一种布雷顿制冷循环低温箱，其特征在于：箱体的存储空间的侧壁上部设有蓄冷器。

3.根据权利要求1所述的一种布雷顿制冷循环低温箱，其特征在于：高速电机具有密封的壳体，后冷器的出口连接有电机降温管，电机降温管与高速电机的壳体一端相连通，高速电机的壳体的另一端连接有降温回气管，降温回气管与第三低温管路相连通；电机降温管上设有用于调节电机降温管内的氮气流量以使氮气流量匹配高速电机温度的电磁调节阀。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种布雷顿制冷循环低温箱，其特征在于：用冷器顶部安装有化霜传感器，用冷器底部安装有化霜电加热器，存储空间的侧壁中部设有箱体温度传感器，低温箱具有电控装置，电控装置连接化霜传感器、化霜电加热器、透平压缩机、高速电机和箱体温度传感器。

5.根据权利要求4所述的一种布雷顿制冷循环低温箱，其特征在于：存储空间处的箱体设有箱门，送风口与箱门的距离小于等于20厘米；送风口水平并排设有多个。

6.根据权利要求4所述的一种布雷顿制冷循环低温箱，其特征在于：回热器具有外壳，外壳内上下间隔设有多层水平隔板，将水平隔板与回热器的外壳顶壁以及外壳底壁统称为分层板，相邻分层板之间连接有左竖板和右竖板，左竖板的右端与外壳右壁之间具有间隙，右竖板的左端与外壳左壁之间具有间隙；相邻分层板及其间的左竖板和右竖板围成围成折流通道；

折流通道分为连接高温进口和高温出口的高温折流通道，以及连接低温进口和低温出口的低温折流通道；

高温折流通道和低温折流通道在回热器内上下交替布置有多层；高温折流通道和低温折流通道内均设有与水平隔板相连接的翅片板。

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