CN112524830B - 一种复合超低温制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合超低温制冷系统，其应用于双压缩机复叠制冷系统，其包括一级压缩制冷循环结构和二级压缩制冷循环结构，二者同时工作，所述一级压缩制冷循环结构和二级压缩制冷循环结构共用蒸发冷凝器，所述一级压缩制冷循环结构包括一级压缩机、水冷换热结构、第一冷凝器、第一干燥过滤器和第一毛细管，所述第一毛细管的输出端与蒸发冷凝器入口连接，所述水冷换热结构包括设置在室外的水冷机，所述水冷机输出的冷却水经过过滤器送入水冷换热器，并在水冷换热器中与所述一级压缩机输出的高温制冷剂进行充分换热后，回流至水冷机。本发明利用翅片换热器结合水冷换热装置，实现制冷系统的复合散热。

Description

一种复合超低温制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷系统领域，具体而言，尤其涉及一种基于风冷和水冷的复合超低温制冷系统。

背景技术

现行超低温冰箱制冷系统大多数为双压缩机复叠制冷系统，如图1所示。其中，第一级制冷系统使制冷剂达到-40℃左右给蒸发冷凝器换热，第二级制冷系统在第一级系统基础上使制冷剂达到-80℃以下给冰箱内部换热。实际应用中，第一级系统直接与周围环境进行热交换，业内多采用风冷方式散热。

但是，风冷散热的方式存在以下缺点：1、换热效率低，耗能增加；2、室内散热量较大，室内需匹配相应空调。

为应对上述缺点，业内继而发展出水冷散热方式。水冷散热是独立于冰箱之外的系统，通过冷水循环带走部分冰箱产生的热能从而达到提升冰箱效率、降低能耗以及空调投入的目的。

但水冷系统同样存在缺点：1、依赖性高，一旦水冷系统出现故障，将导致冰箱无法正常运行，不能维持设定温度，影响存储物安全，存在一定风险；2、水冷系统是集成系统，一套水冷系统对应多台超低温冰箱，一旦水冷系统出现故障，将导致多台冰箱无法正常运行。

发明内容

根据上述提出的风冷散热方式换热效率低下以及水冷散热方式依赖性高的技术问题，而提供一种复合超低温制冷系统。本发明利用翅片换热器结合水冷换热装置，实现制冷系统的复合散热。本发明不仅提高了散热系统的换热效率，同时提升了换热系统工作的稳定性。

本发明采用的技术手段如下：

一种复合超低温制冷系统，其应用于双压缩机复叠制冷系统，其包括一级压缩制冷循环结构和二级压缩制冷循环结构，二者同时工作，所述一级压缩制冷循环结构和二级压缩制冷循环结构共用蒸发冷凝器；

所述一级压缩制冷循环结构包括一级压缩机、水冷换热结构、第一冷凝器、第一干燥过滤器和第一毛细管，所述第一毛细管的输出端与蒸发冷凝器入口连接，

所述水冷换热结构包括设置在室外的水冷机，所述水冷机输出的冷却水经过过滤器送入水冷换热器，并在水冷器中与所述一级压缩机输出的高温制冷剂进行充分换热后，回流至水冷机。

进一步地，所述水冷换热结构还包括设置在所述过滤器与一级压缩机之间的压力流量阀，所述压力流量阀被配置为根据冷凝后制冷剂压力的大小调节冷却水的流量。

进一步地，在所述第一冷凝器与干燥过滤器之间，设置用于提取冷凝后制冷剂压力大小的压力测试点。

进一步地，所述一级压缩制冷循环结构还包括第二冷凝器，所述第二冷凝器设置在所述水冷换热器与第一冷凝器之间。

进一步地，所述第一冷凝器为翅片换热器。

进一步地，所述水冷换热器为板式换热器。

进一步地，所述二级压缩制冷循环结构包括二级压缩机、油分离器、蒸发冷凝器、第二干燥过滤器、第二毛细管以及蒸发器；

二级压缩机排出的制冷剂，先经过油分离器，将过滤出来的油份流回至二级压缩机，制冷剂则经蒸发冷凝器处理后，依次通过第二干燥过滤器以及第二毛细管，然后进入蒸发器进行蒸发制冷，最终回流至二级压缩机进行循环。

进一步地，所述二级压缩制冷循环结构还包括膨胀罐，所述膨胀罐通过其前端设置的第三毛细管连接于所述蒸发器与二级压缩机之间。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明公开的超低温制冷系统的一级压缩制冷循环结构采用水冷/风冷两用冷凝系统，正常使用模式下，室外水冷机组中的低温冷却水经过水过滤器，在压力流量调节阀的控制下按照规定流量进入水冷换热器，在水冷换热器内，低温冷却水与高温制冷剂进行逆流热交换，经过换热的冷却水再返回水冷机组，换热效率高，可带走约40-50％的散热量，相对风冷系统可降低约15％能耗；采用翅片管式冷凝器作为二梯队冷凝系统，当水冷机组发生故障时，风冷机组可单独作为换热器使用。

基于上述理由本发明可在超低温制冷系统中广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有超低温冰箱制冷系统风冷散热结构示意图。

图2为本发明复合超低温制冷系统中的压缩制冷循环结构示意图。

图中：1、第一冷凝器；2、第二冷凝器；3、蒸发冷凝器；4、第一干燥过滤器；5、第一毛细管；6、第二干燥过滤器；7、第二毛细管；8、蒸发器；9、第三毛细管。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图2所示，本发明提供了一种复合超低温制冷系统，其应用于双压缩机复叠制冷系统，其包括一级压缩制冷循环结构和二级压缩制冷循环结构，二者同时工作。一级压缩制冷循环结构和二级压缩制冷循环结构共用蒸发冷凝器。所述一级压缩制冷循环结构包括一级压缩机、水冷换热结构、第一冷凝器、第一干燥过滤器和第一毛细管，所述第一毛细管的输出端与蒸发冷凝器入口连接，所述水冷换热结构包括设置在室外的水冷机，所述水冷机输出的冷却水经过过滤器送入水冷换热器，并在水冷器中与所述一级压缩机输出的高温制冷剂进行充分换热后，回流至水冷机。

具体来说，在一级压缩制冷循环结构中，一级压缩机排出的高温级制冷剂经过水冷换热结构后，进入第二冷凝器，冷却后送入二级压缩机，给二级压缩机降温，此后，制冷液再经第一冷凝器冷却，随后依次通过第一干燥过滤器及第一级毛细管，然后送入冷凝蒸发器中蒸发，最终回流至一级压缩机进行循环。优选地，第一冷凝器为翅片换热器，水冷换热器为板式换热器或者套管式换热器。

基于上述方案，进一步优选地，水冷换热结构还包括设置在所述过滤器与一级压缩机之间的压力流量阀，所述压力流量阀被配置为根据冷凝后制冷剂压力的大小调节冷却水的流量。具体地，在所述第一冷凝器与干燥过滤器之间，设置用于提取冷凝后制冷剂压力大小的压力测试点。

基于上述方案，进一步优选地，二级压缩制冷循环结构包括二级压缩机、油分离器、蒸发冷凝器、第二干燥过滤器、第二毛细管以及蒸发器；二级压缩机排出的制冷剂，先经过油分离器，将过滤出来的油份流回至二级压缩机，制冷剂则经蒸发冷凝器处理后，依次通过第二干燥过滤器以及第二毛细管，然后进入蒸发器进行蒸发制冷，最终回流至二级压缩机进行循环。

进一步地，所述二级压缩制冷循环结构还包括压力缓冲装置，所述压力缓冲装置通过其前端设置的第三毛细管连接于所述蒸发器与二级压缩机之间，压力缓冲装置主要用于在第二压缩机停机时暂存制冷剂，降低系统压力，这样第二压缩机启动时避免压力过高导致可靠性降低甚至卡缸问题。优选地，压力缓冲装置采用膨胀罐。

下面通过具体的应用实例，对本发明的方案和效果做进一步说明。

如图2公开的一种风冷和水冷符合超低温制冷系统，该制冷系统为双压缩机复叠制冷系统，所述双压缩机复叠制冷系统包括一级压缩制冷循环结构和二级压缩制冷循环结构。其中，一级压缩制冷循环结构与二级压缩制冷循环结构之间连有进行热量交换的蒸发冷凝器，一级压缩制冷循环结构包括依次连通的一级压缩机、水冷换热器、翅片式换热器、第一干燥过滤器和第一毛细管，第一毛细管的输出端与蒸发冷凝器相连，水冷换热器上连接有冷却水循环通路，冷却水循环通路包括室外水冷机组，室外水冷机组的输出端连接水过滤器，水过滤器的输出端连接板式换热器。

优选地，所述干燥过滤器与翅片式换热器之间有压力测试点，该压力测试点与水冷换热器冷却水输入端的流量调节阀连接，流量调节阀为机械式压力-流量调节阀，通过感知干燥过滤器与翅片式换热器间也就是冷凝后制冷剂的压力调节水冷换热器冷却水输入流量，以达到控制制冷系统在一定压力下稳定运行的目的。当压力增大时，压力流量阀开度加大，水流量增加，水冷换热器中高温制冷剂与低温水的换热效率提升，从而降低制冷系统压力，如此进行负反馈调节，以达到一定压力下稳定运行目的。

此外，本实施例中二级压缩制冷循环结构与图1中所示的现有技术相近，此处不再赘述。

下面通过一个具体的测试实例，对本发明的效果做进一步说明。

如表1所示为本申请的一个测试结果。该测试过程将超低温冰箱设置为-80℃，此温度设定值符合用户正常使用需求。实际应用中，测试结果会根据工况、制冷剂、压力设计、压缩机能力不同而有一定差异。本实施例中，选择工况为25℃60％RH，第一级制冷剂选用R404A，第二级制冷剂选用R508A。根据水的比热参数、水流量以及温度的差值，可以计算出系统换热量为585.2W。进而可以得到此时系统的换热比例为50.89％。此外，本实施例与采用风冷方式散热的对照系统相比，能耗降低了15.60％，具有明显的进步。

表1复合超低温制冷系统测试结果

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种复合超低温制冷系统，其应用于双压缩机复叠制冷系统，其包括一级压缩制冷循环结构和二级压缩制冷循环结构，二者同时工作，所述一级压缩制冷循环结构和二级压缩制冷循环结构共用蒸发冷凝器，其特征在于，

所述一级压缩制冷循环结构包括一级压缩机、水冷换热结构、第一冷凝器、二级压缩机、第二冷凝器、第一干燥过滤罐、第一毛细管、蒸发冷凝器；

由所述一级压缩机输出的制冷剂依次经过水冷换热结构、第一冷凝器后再次进入一级压缩机，由一级压缩机流出后进入二级压缩机，又二级压缩机流出后一次通过第二冷凝器、第一干燥过滤罐、第一毛细管以及蒸发冷凝器后，回流至一级压缩机；

所述水冷换热结构包括设置在室外的水冷机，所述水冷机输出的冷却水经过过滤器送入水冷换热器，并在水冷换热器中与所述一级压缩机输出的高温制冷剂进行充分换热后，回流至水冷机；

当水冷换热结构发生故障时，采用第一冷凝器和第二冷凝器作为换热器使用。

2.根据权利要求1所述的复合超低温制冷系统，其特征在于，所述水冷换热结构还包括设置在所述过滤器与一级压缩机之间的压力流量阀，所述压力流量阀被配置为根据冷凝后制冷剂压力的大小调节冷却水的流量。

3.根据权利要求2所述的复合超低温制冷系统，其特征在于，在所述第一冷凝器与干燥过滤器之间，设置用于提取冷凝后制冷剂压力大小的压力测试点。

4.根据权利要求1所述的复合超低温制冷系统，其特征在于，所述水冷换热器为板式换热器。

5.根据权利要求1所述的复合超低温制冷系统，其特征在于，所述二级压缩制冷循环结构包括二级压缩机、油分离器、蒸发冷凝器、第二干燥过滤器、第二毛细管以及蒸发器；

二级压缩机排出的制冷剂，先经过油分离器，将过滤出来的油份流回至二级压缩机，制冷剂则经蒸发冷凝器处理降温后，依次通过第二干燥过滤器以及第二毛细管，然后进入蒸发器进行蒸发制冷，最终回流至二级压缩机进行循环。

6.根据权利要求5所述的复合超低温制冷系统，其特征在于，所述二级压缩制冷循环结构还包括压力缓冲装置，所述压力缓冲装置通过其前端设置的第三毛细管连接于所述蒸发器与二级压缩机之间。

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