CN1128963C - 低温制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低温制冷系统，其用于获得超低温，该超低温通过在多级中重复对混合制冷剂的膨胀和蒸发连续得到低温而实现。该制冷系统包括一热交换器和位于最终蒸发器和冷凝器之间的一压缩机。该热交换器导致在压缩机的吸入管道中的被蒸发的制冷剂被加热并被吸入压缩机内，还导致被冷凝器冷凝的制冷剂被过冷却。该制冷系统包括多个膨胀/吸入设备，其位于气体/液体分离器和最终蒸发器之间并彼此相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种多级膨胀/吸入型低温制冷系统，其中柏努利定理(Bernoulli’s principle)被应用于冷却循环系统，柏努利定理即，当在管道中的流体的流动速度增加时，在管道内的流体施加的压力反而减小。因此，当制冷剂从高温部分流向低温部分时，通过降低在多级中的制冷剂的温度和压力，从而在制冷机的冷藏室中得到低温。
进一步地，本发明涉及一种低温制冷系统，其中仅仅通过一个压缩机以这样的方式就可以增加冷却效果，即，当液态的制冷剂膨胀并以较高的速度向套管的入口注入，就在被蒸发制冷剂运送管道中产生强大的吸力，在多级中重复该低温部分制冷剂的降温过程；因此，制冷剂的蒸发压力可以控制在压缩机吸入压力之下，并且甚至在连续操作的情况下也可以保证制冷剂的蒸发压力的稳定性。
背景技术
通常，人们需要超低温，如为了长期保存组织、细胞和基因，半导体制造工序，以及包括产生超导现象的仪器等。特别是在生物材料如细胞的情况下，如果它们被保存在-130℃(水的再结晶温度)甚至更低的温度下，在它们中的水分不会结晶，而是处于非结晶的状态。因此，由于不太可能损害细胞膜，所以保存的期限可以很大的延长到10年。尽管有多种技术可用来得到超低温，但是使用蒸气压缩冷却循环或液氮的方法被广泛使用。为了得到大约-135℃到-150℃的超低温，必须使用一个具有三级或更多的多级冷却循环，或使用具有液化温度为-196℃的液氮。然而，因为液氮一次就被用完，在再次使用时必须补充液氮。因此，其在使用时不便而且也增加了使用成本。另一方面，在使用多级冷却循环的情况中，又不能有效的得到所需的超低温。而且，另一个问题是，使用多级冷却循环的设备在结构上很复杂，因此，设备经常会出故障，也增加了使用成本。
考虑到这些问题，有人在一篇题为《冷凝器类型制冷器的冷藏室中的温度)》的文章中(日本《Nikkei Mechanical》第496期，第44-45页，1996年12月23日)提出了一种低温制冷器。该低温制冷器使用两级混合制冷剂冷却回路(即，一个两级冷却回路和一个混合制冷剂回路的组合)，通过使用冷却回路的高温侧从而在冷却回路的低温侧得到较低的温度。
在两级混合制冷剂冷却回路中，在最终的蒸发器上得到的温度是-155℃，在冷藏室中得到的温度是-152℃。如图2所示，其具有两个分开的高温和低温侧冷却回路，它们依次通过一个阶式冷凝器彼此连接。冷凝器在高温侧冷却回路中作为蒸发器使用，而在低温侧冷却回路中作为冷凝器使用。高温侧冷却回路用来在低温侧冷却回路中得到进一步的更低的温度。
具体而言，为了得到-100℃或是更低的温度，在低温侧冷却回路中使用混合制冷剂冷却回路。典型的制冷剂是一种包括七种制冷剂的混合制冷剂，如用于高温侧的蒸发温度为-40℃的R412A，蒸发温度为-86℃的R508(R23和R116的混合物)，蒸发温度为-41℃的R22，以及用于低温侧的蒸发温度为-128℃的R14。所述混合制冷剂流经各个阶段而得到低温。
但是，在两级混合制冷剂冷却回路中，因为在高温侧和低温侧冷却回路中分别安装有压缩机，因此增加了电量的消耗而且使得冷却循环的结构变得复杂。而且，为了使冷藏室中的温度保持在-152℃，必须使冷却器连续地工作。但是，该冷却器很难连续地工作同时保持其稳定工作，这是因为，从压缩机到低温侧随着冷却器一起流动的残油没有被完全地收集进入压缩机，从而导致在压缩机滑动表面上缺乏润滑，压缩机的汽缸会被烧焦被粘住。而且，还存在低温的吸入压力减少和冷却性能降低的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种制冷系统，其通过保持稳定的性能来确保设备的可靠性，甚至是在低温制冷系统连续工作的情况下。
本发明的另一目的是提供一种制冷系统，其通过确保压缩机的平稳工作而提高设备的寿命和可靠性。
本发明的再一目的是提供一种制冷系统，其通过提高大约20％的冷却效率和在超低温下的稳定工作来确保产品的外在竞争力。
上述的发明目的可以通过一个多级膨胀型低温制冷系统来实现，其中液态制冷剂在被蒸发制冷剂运送管道的上部被膨胀，并以被蒸发的制冷剂蒸气在多级中的流动方向朝下游侧喷出，从而在被蒸发制冷剂运送管道中被强烈地吸入，因此，把蒸发压力降低到压缩机的吸入压力以下。由于被蒸发的制冷剂蒸气被强烈的吸入且速度很快，所以制冷剂蒸气的流动速度和压力都增加了，且压缩机的吸入压力保持在预定压力之上。根据本发明，使得要取得-160℃的最终蒸发温度和冷藏室的温度为-156℃成为可能。
而且，本发明的上述目的可以通过一多级混合制冷剂制冷系统来实现，该系统包括一用于压缩混合制冷剂的压缩机；一油分离器，用于从被压缩机压缩的制冷剂中分离油，并把分离出的油收集进入压缩机，然后释放出制冷剂；一冷凝器，用于冷却从油分离器中释放出的高温高压的气态制冷剂，使之液化；一热交换器，其安装在被蒸发制冷剂运送管道上，该管道为降低被冷凝的制冷剂的温度而将被蒸发的制冷剂蒸气导入压缩机中，在热交换器中，被冷凝的高温液态制冷剂从被蒸发的低温制冷剂蒸气释放热量并被过冷却，以及流向压缩机入口的制冷剂被加热和蒸发；一气体/液体分离器，用于分离经过热交换器后流入液态制冷剂的被冷凝的混合制冷剂和气态制冷剂；多个膨胀/吸入设备；以及一最终蒸发器。
在膨胀/吸入设备中，液态制冷剂被气体/液体分离器分离并随后流过安装在一管道上的一膨胀设备，液态制冷剂从设置在所述管道端部的喷嘴朝用于被蒸发制冷剂的套管的外管喷射，在从上游侧向下游侧流动时被蒸发，并在高温侧与被蒸发制冷剂运送管道连通。此时，在喷嘴附近发生扼流现象(throttling phenomenon)，在被蒸发制冷剂运送管道中的制冷剂蒸气被强烈地吸入，被吸入的制冷剂蒸气和被喷射出的制冷剂一起从上游侧向下游侧流入套管的外管，该被喷射的制冷剂已流经膨胀设备。同时，包含在制冷剂中的残油向压缩机移动，用于被冷凝制冷剂的内管从用于被蒸发制冷剂的外管向内设置，该套管具有两根不同直径的同中心的管道，用于沿向上方向引导被气体/液体分离器分离出的气态制冷剂，所以该气态制冷剂被冷凝，被冷凝的制冷剂流入在低温侧的一气体/液体分离器。通过这样的方式，从气体/液体分离器中流出的液态制冷剂流过膨胀设备并从喷嘴中喷出，然后，因为液态制冷剂的喷出，被喷出的制冷剂和制冷剂蒸气沿着被蒸发制冷剂运送管道朝高温侧被吸入，该被蒸发制冷剂运送管道位于高温侧，并与套管连通。从气体/液体分离器中流出的气态制冷剂在向上流过用于被冷凝制冷剂的套管的内管时被冷凝，随后流入在低温侧的气体/液体分离器。以这样的方式，所述膨胀/吸入设备建立了一个循环。所述的多个膨胀/吸入设备在多级中彼此串联，所以制冷剂的膨胀和冷凝过程可以重复，从而连续地得到低温。
在最终蒸发器中，流过最终膨胀/吸入设备的被冷凝的制冷剂在热交换器处被再次冷凝，该热交换器位于最终蒸发器之下，该制冷剂然后穿过一膨胀设备后流入最终蒸发器中。被导入最终蒸发器的制冷剂在向下流动时被蒸发。被完全蒸发的制冷剂流入最终膨胀/吸入设备的被蒸发制冷剂运送管道。因此形成了完整的回路。
附图说明
图1是根据本发明的低温制冷系统的原理图；
图2是根据现有技术的低温制冷系统的原理图。
具体实施方式
根据本发明的一个较佳实施例，前述的膨胀/吸入设备被连接在第四级中，位于制冷系统的高温侧的热交换器和超低温侧的最终蒸发器之间。在这种情况下，制冷剂的蒸发温度变成-160℃的超低温(此时，冷藏室中的温度变成-156℃)。
以下将结合附图详细描述本发明的优选实施例。然而，这仅仅是为了使得本领域的一般技术人员可以容易地使用本发明。当然，不能认为因此而限制了本发明的技术实质和范围。
如图1所示，根据本发明优选实施例的低温制冷系统包括一个用于压缩混合制冷剂的压缩机1；一个冷凝器2，用于使被压缩机1压缩的高温高压的制冷剂蒸气液化(在混合制冷剂中，一种具有较高沸点的制冷剂被液化)；以及一个安装在管道之间的分油器10，用于压缩机1和冷凝器，将油从被压缩的制冷剂中分离出来并把油送回压缩机1。
本发明的低温制冷系统还包括一个热交换器3，安装在被蒸发的制冷剂运送管道6和压缩机的吸入部分之间，其使得在冷凝器中被冷凝的制冷剂被过冷却并流向第一气体/液体分离器4a；以及一个过滤干燥器12，其设置在冷凝器2和热交换器3之间，用于除去包含在制冷剂中的水分和杂质。
本发明的低温制冷系统还进一步包括第一气体/液体分离器4a，用于分离被冷凝的混合制冷剂，所述被冷凝的混合制冷剂流经热交换器3并被过冷却后，流入液态制冷剂和气态制冷剂，以及一个第一膨胀装置8a，用于把被第一分离器4a分离的液体制冷剂的温度降低到其自身的蒸发温度。
流经第一膨胀装置8a的制冷剂通过一个喷嘴7a从上游侧向下游侧注入一个套管中，该套管与被蒸发制冷剂运送管道6a连接，喷嘴7a设在一用于被蒸发制冷剂的管道的会合分开处的端部，该管道设在被蒸发制冷剂运送管道6a的连接部分。此时，由于制冷剂的喷入发生了扼流现象(throttlingphenomenon)；因此被蒸发制冷剂运送管道6a中的压力被极大得减小了。从而，在被蒸发制冷剂运送管道6a中的制冷剂蒸气被吸入，制冷剂通过第一膨胀装置8a和喷嘴7a以很高的速度注入，制冷剂和被吸入的制冷剂蒸气很快地沿着用于被蒸发制冷剂的管道从上游侧流向下游侧，即，套管的外管。因此，可以保证制冷剂的预定的速度，也完成了理想的油回流过程，因为包含在制冷剂中的残油回到了压缩机。其结果是，保证了本发明的制冷系统的高效和安全。同时，气态制冷剂从位于制冷系统的高温侧的第一气体/液体分离器中流出，该气态制冷剂在沿着一用于被压缩制冷剂的管道中向上流动时被冷凝，然后被引导进入位于该制冷系统低温侧的气体/液体分离器4b中。
最好，所述膨胀/吸入设备在多级中朝向制冷系统的低温侧重复设置，在该膨胀/吸入设备中，从气体/液体分离器流出的气态和液态制冷剂以相反的方向流动。
换言之，根据本发明的优选实施例，膨胀/吸入装置A到D彼此串联，膨胀/吸入装置是这样设置的：被蒸发的制冷剂流向制冷系统的高温侧，并且被冷凝了的液体制冷剂流向制冷系统的低温侧。因此，当制冷剂向制冷系统的低温侧接近时，从膨胀/吸入设备中流出的被冷凝的制冷剂的温度降低了。流过最终膨胀/吸入设备D的被冷凝的制冷剂在热交换器15处被再次冷凝，流过最终膨胀装置8e后被导入最终蒸发器14的上部，随后向下流过最终蒸发器。此时，被冷凝的制冷剂被蒸发并从冷藏室中吸收热量。因此，能得到-160℃的超低温(在冷藏室中的温度-160℃)。因为被完全蒸发的制冷剂经过套管的外管流入最终膨胀/吸入设备的被蒸发制冷剂运送管道6D，该套管位于蒸发器之下，因此具有完整回路的制冷系统被建立。
到现在还没有说明的标号11表示一膨胀箱，用于储存在压缩机起始工作时产生的快速增加的压力；标号13表示吸入压力调节阀，用于在压缩机1的吸入部分发生超载时执行超载控制；标号9a表示压力计，用于指示制冷剂流经相关的被蒸发制冷剂运送管道的压力。
如上所述，即使在多级系统是这样设置的，即为了得到-160℃的超低温，膨胀/吸入设备A至D都彼此串联，要得到超低温还是有限制的。因此，本发明要使用的制冷系统中是使用混合制冷剂的。当制冷机实际工作时，在膨胀/吸入设备中的该混合制冷剂在制冷循环中有不同的表现。根据以下概略描述的液化/蒸发过程可以得到超低温。
由于在制冷系统的高温侧的制冷循环是公知的，所以有关的描述将省略。以下，将描述在制冷系统低温侧的每个膨胀/吸入设备的工作。
在膨胀/吸入设备A中，从第一气体/液体分离器4a中流出的液态制冷剂R-600A被蒸发。此时，在被蒸发制冷剂运送管道6a中的压力为-18cmHg，流经喷嘴7a的制冷剂的温度大约是-62℃。
在膨胀/吸入设备B中，从膨胀/吸入设备A的气体/液体分离器4b中流出的液态制冷剂R-22、R-290被蒸发。此时，在被蒸发制冷剂运送管道6b中的压力为-28cmHg，流经喷嘴7b的制冷剂的温度大约是-119℃。
在膨胀/吸入设备C中，从膨胀/吸入设备B的气体/液体分离器4c中流出的液态制冷剂R-116、R-23被蒸发。此时，在被蒸发制冷剂运送管道6c中的压力为-35cmHg，流经喷嘴7c的制冷剂的温度大约是-136℃，以及在套管5c处的进行热量交换的制冷剂的温度大约是-128℃。
在膨胀/吸入设备D中，从膨胀/吸入设备C的气体/液体分离器4d中流出的液态制冷剂R-1150、R-14被蒸发。此时，在被蒸发制冷剂运送管道6d中的压力为-45cmHg，流经喷嘴7d的制冷剂的温度大约是-152℃，以及在套管5d处的进行热量交换的制冷剂的温度大约是-147℃。
在最终蒸发器14中被蒸发的制冷剂是从膨胀/吸入设备D中流出的液态制冷剂R-50(可加入氦、氩或类似物)。该制冷剂在流经热交换器15时被再次过冷却，该热交换器15由套管构成，且位于最终蒸发器的下面。因此，制冷剂的温度变成-153℃。其后，被蒸发的制冷剂通过膨胀设备8e被导入蒸发器中。此时，在蒸发器14的入口处的制冷剂的温度为-160℃，以及在蒸发器的出口处的制冷剂的温度为-154℃。因此，在冷藏室中可以得到
-156℃的超氐温。
而且，在相关每一级中，当通过相关的分离器分离出的制冷剂从每个喷嘴7a至7d中喷射出时，柏努利定理被应用到以下过程中，即从每个被蒸发制冷剂运送管道6a至6d中吸入被蒸发的制冷剂，膨胀并向每个套管5a至5d运送喷出的制冷剂和被吸入的制冷剂。因此，压缩机的吸入压力变得与安装在被蒸发制冷剂运送管道上的每个压力计9a至9d的压力值一样大。从而，由于吸入压力的减小而导致的制冷剂蒸发温度增高和制冷性能下降的问题得到了解决。
工业应用性
如上所述，根据本发明，制冷剂的蒸发压力被保持在制冷机的压缩机的吸入压力之下，所以即使该制冷系统在最高温度的条件下连续工作，也能够保持制冷系统的稳定性能。
而且，通过使用扼流现象，向高温侧吸入的制冷剂的压力和流速能够在各级得到增加，所以在低温侧的残油可以被完全收集进入压缩机。因此，能够保证压缩机的平稳地工作，而且该制冷系统中的设备的使用寿命和可靠性也能得到提高。
此外，由于液态制冷剂从喷嘴喷向被蒸发制冷剂运送管道的端部，发生了扼流现象。产生的吸入压力是如此得强以致可以强烈地向上吸入制冷剂蒸气，因此，能够获得稳定的制冷剂流体。从而，设备的使用寿命得到了延长，同时，在本技术中，冷却效率能够提高20％以上。
根据本发明，一个优点就是：该多级膨胀压缩机型的制冷机能够连续和稳定地将温度保持在-156℃。
Claims (3)
1、一种多级混合制冷剂类型的低温制冷系统，包括一压缩机(1)，用于压缩吸入其中的混合制冷剂；一分油器(10)，用于分离包含在被压缩机压缩的制冷剂中的油；一冷凝器(2)，用于将从分油器中释放出的制冷剂蒸气液化；一热交换器(3)，用于加热被冷凝的制冷剂蒸气，该制冷剂蒸气流经低温侧冷却循环后被导入，随后被进一步蒸发，并通过冷凝器(2)过冷却制冷剂；以及一第一气体/液体分离器(4a)，用于分离被过冷却的混合制冷剂进入液态制冷剂和气态制冷剂；以及一最终蒸发器，用于蒸发要返回压缩机(1)的制冷剂，该制冷系统进一步包括：
多个串联的膨胀/吸入设备，
其中每一个膨胀/吸入设备这样设置，从第一气体/液体分离器(4a)中流出的液态混合制冷剂通过一膨胀装置，然后从喷嘴(7a)喷射进入套管的外管中，喷嘴(7a)安装在被蒸发制冷剂运送管道(6a)的侧端，因此被喷出的制冷剂在向下流时被蒸发，然后流入在高温侧的被蒸发制冷剂运送管道(6)；从第一气体/液体分离器中释放出的气态混合制冷剂向上流经用于被冷凝的制冷剂的套管(5a)的内管，被冷凝，随后被导入第二气体/液体分离器(4b)；以及
其中，流经最终膨胀/吸入装置(D)而被冷凝的制冷剂穿过一位于最终蒸发器下面的热交换器，并被导入第五膨胀装置(8e)，被导入蒸发器(14)的制冷剂并被蒸发，完全被蒸发的制冷剂通过一管道返回压缩机(1)，该管道用于被蒸发的制冷剂，并与被蒸发制冷剂运送管道相连，
由此，形成该制冷系统的制冷剂循环。
2、根据权利要求1所述的制冷系统，其特征是，四个膨胀/吸入装置彼此串联，并位于高温侧的热交换器与超低温侧的蒸发器之间。
3、根据权利要求1所述的制冷系统，其特征是，所述喷嘴安装在用于被蒸发制冷剂的管道的窄端，该管道与被蒸发制冷剂运送管道相连。
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