CN113631874A - 具有快速操作循环的极低温制冷系统 - Google Patents

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Abstract

用于缩短极低温制冷系统的除霜、待机和冷却操作模式中的每一个的循环时间的方法。这些方法可以单独使用，或者与其它技术中的每一个的一个或多个结合使用，包括例如在单个极低温制冷系统中，以提供除霜、待机和冷却模式中的一个、两个或所有三个的快速总循环。

Description

具有快速操作循环的极低温制冷系统
背景技术
极低温制冷系统被用于各种不同的目的，包括除去水蒸气和为涂覆工业产生高真空环境。这种系统通常在三种不同的模式下操作：待机模式，其中，单元正在恢复或处于准备就绪状态；冷却模式，其中，系统冷却以服务工艺或应用需要；以及，除霜模式，其中，系统使低温盘管再生。对于典型的成批涂覆工艺，系统以这三种模式的循环运行。然而，不同的应用对在每个模式中可以花费多少时间具有不同的约束。一些应用要求在除霜模式时的时间要短，并且在除霜模式完成之后在待机模式中可以容忍长时间。一些应用需要快速冷却到目标供应温度(例如，-110℃或-120℃)，使得涂覆过程可以更早地开始。一些应用需要快速的除霜/待机/冷却的总循环，这可能对缩短所有三种操作模式都提出了要求。
发明内容
本文讲授了用于缩短极低温制冷系统的除霜、待机和冷却操作模式中的每一个的循环时间的方法。这些方法可以单独使用，或者与其它技术中的每一个的一个或多个结合使用，包括例如在单个极低温制冷系统中，以提供除霜、待机和冷却模式中的一个、两个或所有三个的快速总循环。
一种在极低温制冷系统启动期间限制峰值操作压力的方法，该极低温制冷系统具有压缩机、多个热交换器、膨胀器和蒸发器，该方法包括在压缩机启动期间，打开热气除霜电路中的除霜阀，以使制冷剂流绕过多个热交换器的高压侧和膨胀器并至制冷剂从其流至蒸发器的蒸发器入口，从而容纳蒸发器中的制冷剂的体积，以限制压缩机启动期间制冷剂压力的初始增加。随后，除霜阀被关闭，使得制冷剂流行进通过多个热交换器的高压侧和膨胀器到蒸发器。
制冷剂可以在制冷剂压力下充入到系统中，该制冷剂压力将产生制冷剂的峰值压力，该峰值压力将在压缩机启动期间在不打开除霜阀的情况下超过极低温制冷系统的设计压力。蒸发器的制冷剂流可以大于极低温制冷系统的制冷剂系统容积的大约10%。制冷剂可以包括多种不同制冷剂组分的混合物。混合物可以包括氩、R-14、R-23、R-125和R-245fa。制冷剂可以充入到系统中，使得系统具有在约230 psig至约300 psig之间的平衡压力。随后，可在从压缩机启动起至少约3秒之后执行关闭除霜阀；并且也可以在从压缩机启动起至少约6秒之前执行。该方法可包括在随后关闭除霜阀时进入系统的待机模式，待机模式包括关闭冷却阀以防止制冷剂从多个热交换器的高压侧流到蒸发器，而同时使制冷剂流过多个热交换器的高压侧和多个热交换器的低压侧。在制冷剂的旁通流动期间，制冷剂的温度可以大于约为25℃。热气除霜电路可以将制冷剂从压缩机的高压供应管线旁通到制冷剂从其流动到蒸发器的蒸发器入口。
一种减少在极低温制冷系统的除霜操作模式中花费的时间的方法，包括：在系统的除霜操作模式中，(i)打开热气除霜电路中的除霜阀，以使制冷剂流绕过多个热交换器的高压侧并且到制冷剂从其流向蒸发器的蒸发器入口，以实现蒸发器的升温，以及(ii)在打开除霜阀的同时，关闭冷却阀，使得制冷剂不从高压侧流向蒸发器。基于输入控制信号，设定蒸发器的低压侧上的回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度的值。在蒸发器的升温期间，当蒸发器的低压侧上的回流温度传感器达到回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度时，除霜阀被关闭以防止制冷剂流动到蒸发器。
取决于应用，回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度可以是大约0℃或更低。回流温度传感器可以包括在蒸发器的低压侧上的热电偶。该方法可包括当控制器从回流温度传感器接收到至少与回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度一样热的温度控制信号时，关闭除霜阀，存储的除霜完成设定点温度被存储在控制器的存储器中。
一种减少超低温制冷系统除霜后恢复时间的方法，包括基于输入控制信号，设定蒸发器低压侧上的回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度值。当蒸发器低压侧的回流温度传感器升温到等于或高于回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度时，该方法包括(i)关闭回流阀以防止制冷剂流过多个热交换器的低压侧，和(ii)打开旁通阀以使制冷剂流绕过多个热交换器的低压侧并到进入压缩机低压侧的吸入管线；以及在其进入压缩机的低压侧之前，加热在吸入管线中旁通的制冷剂流。
使吸入管线中的制冷剂的旁通流变暖可包括使用在所述吸入管线与多个热交换器的高压侧之间交换热量的热交换器使所述旁通流变暖。加热吸入管线中的旁通制冷剂流可包括使用加热器来加热所述吸入管线。回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度可以小于压缩机的额定输入流温度，例如小于大约-40℃。例如，回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度可以处在大约-40℃至大约-70℃之间。
一种减少极低温制冷系统的冷却时间的方法，包括：在系统的冷却操作模式期间，使制冷剂流动通过多个热交换器的高压侧、通过流量计装置和冷却阀，流量计装置利用冷却阀与蒸发器的入口串联流动连接，通过蒸发器并且通过多个热交换器的低压侧。在冷却操作模式期间，当系统的压缩机的排放压力至少与最大排放压力的存储的设定点一样高时，打开卸载阀，以使制冷剂流绕过流量计装置并到冷却阀，直到排放压力减小到小于最大排放压力的存储的设定点。
蒸发器的入口或蒸发器的出口可以处于小于约-110℃的温度。最大牌坊压力的存储的设定点可以小于系统的缓冲电磁阀的激活压力。
一种极低温制冷系统，包括压缩机、多个热交换器、膨胀器和包括处理器和存储器的控制器。控制器被配置为，(i)在压缩机的启动期间，控制热气除霜电路中的除霜阀打开以使制冷剂流绕过多个热交换器的高压侧和膨胀器并且到制冷剂从其流向蒸发器的蒸发器入口，从而在蒸发器中容纳一定体积的制冷剂以限制在压缩机启动期间制冷剂压力的初始增加；以及，(ii)随后控制除霜阀关闭，使得制冷剂流前进通过多个热交换器的高压侧和膨胀器到达蒸发器。
另一种极低温制冷系统，包括压缩机、多个热交换器、膨胀器，以及包括处理器和存储器的控制器。控制器被配置为在系统的除霜操作模式中，(i)控制热气除霜电路中的除霜阀打开以使制冷剂流绕过多个热交换器的高压侧并且到制冷剂从其流动到蒸发器的蒸发器入口，以实现蒸发器的升温，以及，(ii)在控制除霜阀打开的同时，控制冷却阀关闭以使得制冷剂不从高压侧流到蒸发器。所述控制器还配置成，(i)基于输入控制信号，设定所述蒸发器的低压侧上的回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度的值；以及，(ii)在蒸发器的升温期间，在蒸发器的低压侧上的回流温度传感器达到回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度时，控制除霜阀关闭以防止制冷剂流到蒸发器。
另一种极低温系统，包括压缩机、多个热交换器、膨胀器和包括处理器和存储器的控制器。控制器被配置成基于输入控制信号来设定蒸发器的低压侧上的回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度的值。控制器还被配置为，在蒸发器的低压侧上的回流温度传感器升温到处于或高于回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度时，(i)控制回流阀关闭以防止制冷剂流过多个热交换器的低压侧，以及，(ii)控制旁通阀打开以使制冷剂绕过多个热交换器的低压侧流动并且到进入压缩机的低压侧的吸入管线。该系统被配置成在其进入压缩机的低压侧之前升温吸入管线中的制冷剂的旁通流。
该系统可包括热交换器，该热交换器在吸入管线和多个热交换器的高压侧之间交换热量。该系统可以包括用于加热吸入管线的加热器。
另一种极低温制冷系统，包括压缩机、多个热交换器、膨胀器、流量计装置和冷却阀，以及包括处理器和存储器的控制器，利用该冷却阀，流量计装置与蒸发器的入口串联流动连接。控制器被配置成在冷却操作模式期间，当系统的压缩机的排放压力至少与最大排放压力的存储的设定点一样高时，控制卸载阀打开以使制冷剂流绕过流量计装置并到达冷却阀，直到排放压力减小到小于最大排放压力的存储的设定点。
系统可被配置成实现本文教导的任何或所有方法。
附图说明
从以下对如附图中所说明的示例性实施例的更特定描述中将明白前述内容，在附图中，相同标号在不同视图中始终指代相同部分。附图不一定是按比例的，而是将重点放在说明实施例上。
图1是极低温制冷系统的示意图。
图2是示出具有通过毛细管的增加的流的系统的除霜时间的曲线图。
图3是示出除霜时间随着增加的制冷剂充注量（charge）而减少的测试数据的曲线图，其使用了在启动期间限制峰值操作压力的技术。
图4是示出使用不同回流阀设定点的极低温制冷系统的改进的恢复时间的曲线图。
图5是控制器的简化示意性框图。
具体实施方式
下面是示例性实施例的描述。
本文教导了用于缩短极低温制冷系统的除霜、待机和冷却操作模式中的每一个的循环时间的方法。本发明所用的“极低温度”是指90K至203K的温度范围。该方法可单独使用或与其它技术中的每一个的一个或多个结合使用，包括例如在单个极低温度制冷系统中，以提供除霜、待机和冷却模式中的一种、两种或全部三种的快速总循环。
图1是一种极低温制冷系统的示意图。该系统可以是例如自动级联制冷系统100。这种系统使用了两种或更多种制冷剂的混合物，其中，从最热沸腾组分到最冷沸腾组分的正常沸点之间的差为至少50K或100K或150K或200K。这种系统可以包括制冷压缩机101、用于排热的冷凝器102或减温器热交换器、一系列两个或更多个热交换器103(在本文中也称为“热交换器阵列”或“制冷过程”)、一个或多个膨胀器104，诸如节流阀或流量计装置104、以及用于从施加过程中除热的蒸发器105。此外，这种系统可以包括相分离器106、107，其位于热交换器之间的排放侧上，并且去除液相制冷剂以用于内部再循环回路。这种系统可以具有在不同操作模式下操作的能力，包括冷却蒸发器105的冷却模式、将来自压缩机101的热气供应到蒸发器105的除霜模式、以及冷的制冷剂和热的制冷剂都不被输送到蒸发器105的待机模式。经由一系列毛细管108、109、110和111和/或经由开/关电磁阀，诸如冷却电磁阀112、旁通电磁阀113、回流电磁阀114、缓冲电磁阀116、除霜电磁阀123和卸载电磁阀130，可控制通过系统内的各种流动回路的流动，所述毛细管限制流动并允许制冷剂膨胀并因此冷却。在图1所示的实施例中，毛细管108、109、110和111不与任何电磁阀相关联，而毛细管104与卸载电磁阀130并联，并与冷却电磁阀112串联。也可以使用毛细管和电磁阀的其它布置。毛细管和/或电磁阀可以用比例阀来代替，诸如热膨胀阀，或压力致动或步进电机致动阀。这种系统还可以包含膨胀罐115，其用于一旦系统关闭并升温到室温就管理液化制冷剂的高度蒸发和膨胀。此外，具有膨胀罐115的这种系统还可以具有缓冲电磁阀116，其允许高压气体被引导至膨胀罐115。这种缓冲电磁阀116可以减少循环中的制冷剂气体的量，这继而降低了压缩机排放和吸入压力。例如，可以使用Flynn等人的第6,574,978B2号美国专利中公开的任何方法，该专利的全部公开内容在此通过引用并入本文。如在该专利中描述的系统能够实现附加的操作模式，诸如受控的冷却和升温过程，以及在热气流模式或烘干模式下的延长的操作，其中，离开压缩机的热气体的一部分从压缩机连续地循环到蒸发器线圈且然后回到压缩机，而离开压缩机的制冷剂的另一部分连续地流过冷凝器且然后流过热交换器阵列然后回流到压缩机。
缓冲电磁阀116是单元的排放(或高压)侧与一个或多个膨胀罐115之间的连接。当存在高压条件时，控制器打开该缓冲电磁阀116，并允许一部分制冷剂被存储在膨胀罐115中，从而降低排放压力。这可以防止过度排放压力故障状态。
极低温系统的热气除霜系统121可以用于实现蒸发器105的升温。热气除霜系统121包括除霜手动截止阀122和除霜电磁阀123，并将热气从压缩机101的高压供应管线192引导到蒸发器馈送管线的蒸发器入口124，热气顺序地流过馈送管线、蒸发器105(也称为低温盘管或低温表面)、回流管线125，然后通过热交换器阵列103的低压侧。 在压缩机101下游的高压供应管线192中有油分离器138，用于从流中分离油并使其回流到压缩机101。
可以解决从压缩机或系统中的另一较热点排放的制冷剂冻结的可能性，并且该制冷剂被引导到系统中的较冷点。从压缩机排放的这种制冷剂可能具有较高的冻析风险，因为它还没有通过系统中的相分离器，因此具有与制冷过程中的后续组分不同的组分，因此可能具有较暖的凝固点，并且当被引导到系统中较冷的点时更有可能会冻析。为了防止这种冻析，可以使用冻析预防电路或温度控制电路，其使用受控的旁通流来升温系统中的最低温度制冷剂，以充分将叠堆升温，使得从压缩机(或另一较热点)排放的制冷剂在被重新引导到系统中的较冷点时不会冻析。例如，可以使用任何冻析预防电路或温度控制电路，其公开在Flynn等人的美国专利7,478,540B2中，其全部公开内容在此通过引用并入本文。在图1的示例中，冻析防止阀131引导离开分相器107的制冷剂到再冷却器118的低压入口117，该再冷却器被定位为比热交换器阵列103中的下一最冷的热交换器119更靠近蒸发器。
除了经蒸发器105的回流路径之外，制冷系统可以包括从系统的高压侧到低压侧的一系列内部回流路径108、109、110。通常，内部回流路径108、109、110是节流装置。示例性的节流装置是毛细管和热膨胀阀。在其它情况下，使用涡轮膨胀机或其它装置来降低制冷剂的压力。在典型的除霜升温过程中，允许内部节流装置108、109、110有流动。在其它情况下，它们的流速被停止或控制。在一个示例中，毛细管可以用于没有上游阀的内部节流装置108、109、110。结果，这些节流装置在除霜加热过程中继续允许流动发生。
另外，在图1的实施例中，还存在低压侧旁通电路，其包括旁通电磁阀113。当从蒸发器105回流的制冷剂的温度处于或高于基于输入控制信号设定的存储的温度时，这使制冷剂绕开热交换器阵列103的低压侧。这种回流制冷剂的温度可以在图1中Tc所示的位置处、在蒸发器105的低压侧处测量，并且可以由温度传感器（诸如例如该位置处的热电偶）来检测。来自热电偶的感测的温度信号例如可以被提供给控制器，该控制器可以将感测的温度信号与基于输入控制信号的存储的温度进行比较。当感测的回流温度处于或高于基于输入控制信号的存储的温度时，回流电磁阀114就可被控制器切断，同时旁通电磁阀113打开。这使制冷剂绕过热交换器阵列103的低压侧，以便防止用太热的回流制冷剂使热交换器阵列103过载。
图1的实施例的系统还包括吸入管线热交换器132，其操作将在下面进一步描述。其高压侧与冷凝器102的出口120串联流体连接，并且其低压侧与热交换器阵列103的低压侧串联流体连接。
图1的系统还包括控制模块或控制器180，其将在下面参照图5进一步描述。
在一个实施例中，通过增加通过系统中的毛细管（诸如108、109、110和104）的流，通过使用比其它情况下使用的更大直径和/或更短长度的毛细管，并且保持毛细管中的任何两个的大致相同的流比，使系统100的除霜操作模式更快。例如，现有的毛细管组可以被复制并且并联连接。这就降低了系统的流阻，并且在除霜操作模式期间会将最大吸入压力从约40-50 psig的范围增加到约50-70 psig的范围。图2是示出具有通过毛细管的增加的流（在此，通过具有多个复制的毛细管）的系统的除霜时间的曲线图。除霜时间减少了超过15%，尽管是以稍微降低冷却能力为代价。在一个替选实施例中，诸如108、109、110和104的毛细管可以是可调整的流量计装置(诸如比例阀或步进电机膨胀阀)而不是毛细管，并且流增加可以通过调整阀开口来实现。
在另一实施例中，提供了一种在极低温系统的启动期间限制峰值操作压力的方法。一种提高系统的除霜速度的方法是增加充入到系统中的制冷剂量。然而，在更多充注质量的情况下，系统将会具有更高的平衡压力(例如，在大约230至大约300 psig之间)，并且压缩机可能难以起动，因为峰值压力将超过设计压力限制，这会导致系统自动关闭。为了避免这种情况，使用了一种在启动期间限制峰值操作压力的方法。在该方法中，系统以除霜模式启动，使得除霜制冷剂管线和蒸发器105可以用作附加体积以在启动期间膨胀气体并降低峰值压力。启动期间的该峰值压力通常持续约3秒至约5秒。一旦系统克服了峰值压力，系统就可以切换回到待机操作模式。图3是示出使用了这种在启动期间限制峰值操作压力的技术除霜时间随着增加的制冷剂充注量而减少的测试数据的曲线图。这里，除霜时间减少超过20%。当使用增加的制冷剂充注量时，冻析防止电路(如上所述)可用于防止冻析。
如本文所用，“平衡压力”是指当系统的高压和低压相等或近似相等时，例如当将堆叠升温使得平均热交换器阵列温度至少与来自由-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃组成的组的温度一样温暖时或者例如当热交换器阵列被升温使得堆叠中的温度范围是从至少-5℃至40℃或者是-5℃至40℃范围内的较小范围时所实现的压力。
参考图1，作为说明，在一个实施例中，一种在极低温制冷系统100的启动期间限制峰值操作压力的方法，包括，在压缩机101的启动期间，打开热气除霜电路121中的除霜阀123，以使制冷剂流绕过多个热交换器103的高压侧的制冷剂电路，并到制冷剂从其流向蒸发器105的蒸发器入口124，从而容纳蒸发器105中的制冷剂的体积，以限制压缩机101的启动期间制冷剂压力的初始增加。随后，除霜阀123关闭，使得制冷剂流行进通过多个热交换器103的高压侧的制冷剂电路。制冷剂可以在制冷剂压力下充入到系统100中，该制冷剂压力将在压缩机启动期间在不打开除霜阀的情况下导致峰值压力超过极低温制冷系统的设计压力；例如，制冷剂可以被充入以达到约230至约300 psig的压力，这通常将在启动期间产生高于系统的设计压力的峰值压力。蒸发器105的制冷剂流可以例如大于整个极低温制冷系统100的制冷剂系统体积的约10%，或甚至大于约15%。体积的增加将取决于系统中蒸发器105的尺寸。制冷剂可以是多种不同制冷剂组分的混合物，并且可以例如由氩、R-14、R-23、R-125和R-245fa组成。
制冷剂可以充入到系统中，使得系统具有约230 psig至约300 psig之间的平衡压力。随后，可在从压缩机101启动至少约3秒之后关闭除霜阀123；并且也可以在从压缩机启动至少约6秒之前进行。该方法可包括在随后关闭除霜阀123时进入系统的待机模式。待机模式包括关闭冷却阀112，该冷却阀准许制冷剂从多个热交换器103的高压侧的制冷剂电路流动到蒸发器105，同时准许制冷剂流动通过多个热交换器的高压侧和多个热交换器的低压侧。在制冷剂的旁通流动期间，制冷剂的温度可以例如大于约25℃，热气除霜电路可以例如将制冷剂从压缩机101的高压供应管线192旁通到制冷剂从其流到蒸发器105的蒸发器入口124。
除霜完成设定点可以被设定为0℃或更低，这不同于20℃的常规固定设定。这不仅提供了快速除霜，而且提供了快速恢复，因为在制冷剂供应管线和应用低温线圈中吸收的热量较少。在除霜期间对包含低温线圈的腔室进行抽真空的应用中，腔室压力可保持低于水的三相点。如果是这样，则在低温线圈上的冰可能就会直接升华为较低温度的蒸汽，因此不需要较高的除霜温度设定。
作为说明，参考图1，一种减少在极低温制冷系统100的除霜操作模式中花费的时间的方法的实施例包括，在系统的除霜操作模式中，(i)打开热气除霜电路121中的除霜阀123以使制冷剂流绕过多个热交换器103的高压侧的制冷剂电路并且到制冷剂从其流动到蒸发器105的蒸发器入口124，以实现蒸发器105的升温，以及，(ii)在打开除霜阀123的同时，关闭冷却阀112，使得制冷剂不从高压侧的制冷剂电路流动到蒸发器105。基于输入控制信号设定蒸发器105的低压侧上的回流温度传感器133的存储的除霜完成设定点温度的值。在蒸发器105的升温期间，当蒸发器105的低压侧的回流温度传感器133达到回流温度传感器133的存储的除霜完成设定点温度时，除霜阀123关闭以防止制冷剂流到蒸发器105。回流温度传感器133的存储的除霜完成设定点温度可以是大约0℃或更低。回流温度传感器133可以是例如在蒸发器105的低压侧上的热电偶。该方法可包括当控制器从回流温度传感器133接收到至少与回流温度传感器133的存储的除霜完成设定点温度一样热的温度控制信号时，关闭除霜阀123，该存储的除霜完成设定点温度被存储在控制器的存储器中。
回流电磁阀114用于控制通过热交换器阵列103的回流侧的流动。在通向热交换器阵列103的回流侧管线中有回流手动截止阀136，并且在低压旁通管线中有旁通手动截止阀137。回流阀114和低压旁通阀113由基于回流位置的温度Tc的控制方案来控制。阀114和113中的仅一个被激活，这取决于温度Tc如何与存储在控制器中的设定点温度。例如，当温度Tc处于或高于设定点温度时，旁通阀113打开并且回流阀114关闭，这样，流动绕过热交换器阵列103的低压侧周围的低压旁路；但是当温度Tc低于设定点温度时，则回流阀114打开并且旁通阀113关闭，使得流动前进通过热交换器阵列103的低压侧。此外，用于回流阀114和旁通阀113的控制温度的设定点范围可以被设定为低于先前使用的-40℃的先前常规限制，因为它代表了压缩机101的操作下限。图4是示出了使用不同回流阀设定点的极低温制冷系统的改进的恢复时间的曲线图。为了能够将回流阀设定点设置成低于-40℃，在热交换器阵列103中的排放(高压)制冷剂管线和吸入(低压)制冷剂管线之间加入了吸入管线热交换器132。吸入管线热交换器132使用处于液体管线温度(例如，在约14℃至约40℃之间)的制冷剂来加热吸入温度以保护压缩机，使得设定点可以被设置成低于-40℃。同时，它降低了液体管线温度并且帮助系统在待机操作模式中恢复到更冷。由于使用内部热传递，它还提高了整个系统的效率。在另一实施例中，吸入管线热交换器132的功能可以使用加热器（诸如电阻加热器）来执行，或者用加热器来补充。使用诸如电阻加热器的加热器可以例如允许对流向压缩机的流的温度的增强控制。
作为说明，参考图1，一种减少极低温制冷系统100的除霜之后的恢复时间的方法的实施例包括，在蒸发器105的低压侧上的回流温度传感器133升温到处于或高于回流温度传感器133的存储的旁通控制设定点温度时，(i)关闭回流阀114以防止制冷剂流动通过多个热交换器103的低压侧上的制冷剂电路，以及，(ii)打开旁通阀113以使制冷剂流绕开多个热交换器103的低压侧上的制冷剂电路并且到进入压缩机101的低压侧的吸入管线134；并在其进入压缩机101的低压侧之前升温吸入管路134中的致冷剂的旁通流。吸入管线134中的制冷剂的旁通流可以使用热交换器132来升温，该热交换器在吸入管线134和多个热交换器的高压侧上的制冷剂电路之间交换热量。替代地，也可以使用加热器来加热吸入管线。回流温度传感器133的存储的旁通控制设定点温度可以小于约-40℃。例如，回流温度传感器133的存储的旁通控制设定点温度可以在约-40℃至约-50℃之间、在约-50℃至约-60℃之间、或在约-60℃至约-70℃之间。
可以减少极低温系统的冷却时间。通常，基于允许的最大水蒸汽压力，涂覆应用需要一定的目标温度，诸如在蒸发器入口(124)或蒸发器出口从大约-110℃至大约-120℃。达到该目标工艺温度所需的时间是涂覆工艺的吞吐量的重要因素。在冷却期间，经常观察到缓冲电磁阀116由于高排放压力而被触发。当该阀打开时，一些高压气体被分流到膨胀罐115中，并且由于向低温线圈的制冷剂流的减少，该分流（尽管是暂时的）可能导致冷却时间的延迟。为了减少冷却时间，通过消除冷却期间高压故障的发生来减少或消除缓冲电磁阀116的激活。卸载电磁阀130与流量计装置104并联地设置在通向蒸发器105的冷却路径中。在通向蒸发器105的冷却路径中还有冷却手动截止阀135和冷却电磁阀112。在冷却期间，当排放压力超过设定点（例如415 psig）时，该卸载电磁阀130将打开，以便允许制冷剂绕开流量计装置104几秒钟。这允许系统压力降低到低于限制，而不将任何流分流离开应用低温线圈。
通过图示，参考图1，一种减少极低温制冷系统100的冷却时间的方法的实施例包括，在系统的冷却操作模式期间，使制冷剂流动通过多个热交换器103的高压侧，通过流量计装置104、与流量计装置104串联流动连接的冷却手动截止阀135和冷却阀112，到蒸发器105的入口，通过蒸发器105并且通过多个热交换器103的低压侧。在冷却操作模式期间，当系统的压缩机101的排放压力至少与最大排放压力的存储的设定点一样高时，卸载阀130打开，以使制冷剂流绕开流量计装置104并到达冷却阀112，直到排放压力减小到小于最大排放压力的存储的设定点。蒸发器105的入口124或蒸发器105的出口(在133处)可以处于小于约-110℃的温度。最大排放压力的存储的设定点可以小于系统的缓冲电磁阀116的激活压力。
一个或多个传感器，诸如133，可以用于提供感测的温度信号，该感测的温度信号可以被提供给控制器，以与可以存储在控制器的存储器中的一个或多个存储的温度设定点进行比较。传感器可以例如是铜焊到系统中的一个或多个位置(诸如133)上的热电偶。例如，一个或多个热交换器的排放入口或排放出口，或者一个或多个热交换器的吸入入口或吸入出口，都可以用作温度传感器的位置。而且，也可以使用任何电磁阀处的温度，或者电磁阀的入口或出口处的温度。在一个示例中，在133处，感测蒸发器的低压侧处和回流电磁阀114的入口处的温度Tc。在另一示例中，可以使用其他温度传感器来代替或附加于热电偶，诸如硅二极管或其他类似的器件。
本文阐述的各种技术是使用控制器来实现的，并且可以包括计算机实现的组件。
图5是可以用作例如图1的控制器180的控制器的简化示意框图。可以使用硬件来实现本文讨论的控制技术，所述硬件诸如包括一个或多个处理器581的控制器580，其可以例如包括一个或多个专用集成电路(ASIC)582、583；在控制器580的一个或多个处理器581上运行的应用软件；传感器线路584、585，其将来自耦合到本文所述系统的传感器的电信号(诸如来自温度传感器133和任何压力传感器的传感器线路)传递到控制器580；以及，致动器线路586和588，其将电信号传递到本文所述系统内的致动组件(诸如将电信号传递到致动阀或其它受控组件的致动器线路)。控制器580还可包括用户输入模块589，其可包括接收用户输入以提供设定点温度的组件(诸如键盘、触摸板和与处理器581和存储器590连接的相关电子装置)，诸如设定存储的除霜完成设定点温度、存储的旁通控制设定点温度或最大排放压力的存储的设定点的控制信号。控制器580还可以包括存储器590，以存储这样的设定点温度，并且在计算机硬件和软件的控制下来实现过程。应当理解，可以使用其它控制硬件，包括至少部分是气动的控制硬件。
上述方法和系统的部分可以使用一个或多个计算机系统来实现，例如以允许自动实施用于本文讨论的制冷系统和相关组件的控制技术来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现技术。当以软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是提供在单个计算机中还是分布在多个计算机之间。
本文引用的所有专利、公开的申请和参考文献的教导通过引用整体并入。
尽管已经具体示出和描述了示例实施例，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所包含的实施例的范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (28)

1.一种极低温制冷系统，所述系统包括：
压缩机；
多个热交换器；
膨胀器；
除霜阀；以及
控制器，包括处理器和存储器，所述控制器被配置成：
(i)在所述压缩机的启动期间，控制热气除霜电路中的所述除霜阀打开以使制冷剂流绕开所述多个热交换器的高压侧和膨胀器并且到所述制冷剂从其流到蒸发器的蒸发器入口，由此在所述蒸发器中容纳所述制冷剂体积，以限制所述压缩机启动期间制冷剂的压力的初始增加；以及
(ii)随后控制除霜阀关闭，使得制冷剂流前进通过多个热交换器的高压侧和膨胀器到达蒸发器。
2.根据权利要求1所述的极低温制冷系统，其中，所述制冷剂包括多种不同制冷剂组分的混合物。
3.根据权利要求2所述的极低温制冷系统，其中，所述混合物包括：氩、R-14、R-23、R-125和R-245fa。
4.根据任一项前述权利要求所述的极低温制冷系统，其中，所述控制器配置成随后控制所述除霜阀在从所述压缩机的启动起至少约3秒之后关闭。
5.根据权利要求4所述的极低温制冷系统，其中，所述控制器被配置成随后控制除霜阀在从压缩机启动起至少约6秒之前关闭。
6.根据任一项前述权利要求所述的极低温制冷系统，所述控制器被配置成控制所述系统以在随后关闭所述除霜阀时进入待机模式，所述待机模式包括所述控制器控制冷却阀关闭，以便防止制冷剂从所述多个热交换器的高压侧流到所述蒸发器，而同时准许制冷剂流过所述多个热交换器的高压侧和所述多个热交换器的低压侧。
7.根据任一项前述权利要求所述的极低温制冷系统，其中，所述热气除霜电路被配置成使所述制冷剂从所述压缩机的高压供应管线流到所述制冷剂从其流到蒸发器的所述蒸发器入口。
8.一种在极低温制冷系统的启动期间限制峰值操作压力的方法，所述极低温制冷系统具有压缩机、多个热交换器、膨胀器和蒸发器，所述方法包括：
在压缩机的启动期间，打开热气除霜电路中的除霜阀以使制冷剂流绕开多个热交换器的高压侧和膨胀器并且到制冷剂从其流动到蒸发器的蒸发器入口，由此在蒸发器中容纳制冷剂体积以限制在压缩机启动期间制冷剂压力的初始增加；以及
随后关闭除霜阀，使得制冷剂流行进通过多个热交换器的高压侧和膨胀器到达蒸发器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述制冷剂在将产生所述制冷剂的峰值压力的制冷剂压力下被充入到所述系统中，所述峰值压力将在不打开所述除霜阀的情况下在所述压缩机的启动期间超过所述极低温制冷系统的设计压力。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述蒸发器的制冷剂流体积包括所述极低温制冷系统的制冷剂系统体积的大于约10%。
11.根据权利要求8、9或10所述的方法，其中，所述制冷剂被充入到所述系统中，使得所述系统具有约230 psig至约300 psig之间的平衡压力。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，在所述制冷剂的旁通流期间，所述制冷剂的温度大于约25℃。
13.一种极低温制冷系统，所述系统包括：
压缩机；
多个热交换器；
膨胀器；
除霜阀；以及
控制器，所述控制器包括处理器和存储器，所述控制器被配置成，在所述系统的除霜操作模式中，
(i)控制热气除霜电路中的所述除霜阀打开，以使制冷剂流绕开所述多个热交换器的高压侧并到制冷剂从其流动到蒸发器蒸发器入口，以实现所述蒸发器的升温，以及
(ii)在控制除霜阀开启的同时，控制冷却阀关闭，使制冷剂不从高压侧流到蒸发器；
所述控制器还配置成，(i)基于输入控制信号，设定所述蒸发器的低压侧上的回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度的值；以及，(ii)在蒸发器的升温期间，在蒸发器的低压侧上的回流温度传感器达到回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度时，控制除霜阀关闭以防止制冷剂流到蒸发器。
14.根据权利要求13所述的极低温制冷系统，其中，回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度为约0℃或更低。
15.根据权利要求13或14所述的极低温制冷系统，其中，所述回流温度传感器包括在所述蒸发器的所述低压侧上的热电偶。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的极低温制冷系统，所述控制器被配置成响应于从所述回流温度传感器接收到至少与所述回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度一样热的温度控制信号而关闭所述除霜阀，所述控制器包括用于存储除霜完成设定点温度的存储器。
17.一种减少在极低温制冷系统的除霜操作模式中花费的时间的方法，所述方法包括：
在所述系统的除霜操作模式中，(i)打开热气除霜电路中的除霜阀以使制冷剂流绕开多个热交换器的高压侧并且到所述制冷剂从其流到蒸发器的蒸发器入口，以实现所述蒸发器的升温，以及，(ii)在打开所述除霜阀的同时，关闭冷却阀，使得所述制冷剂不从所述高压侧流到所述蒸发器；
基于输入控制信号，设定蒸发器的低压侧上的回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度的值；以及
在蒸发器的升温期间，当蒸发器的低压侧上的回流温度传感器达到回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度时，关闭除霜阀以防止制冷剂流动到蒸发器。
18.一种极低温制冷系统，所述系统包括：
压缩机；
多个热交换器；
膨胀器；
温度传感器；
多个阀；以及
控制器，所述控制器包括处理器和存储器，所述控制器被配置成基于输入控制信号来设定蒸发器的低压侧上的回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度的值；
所述控制器还被配置为，当所述蒸发器的低压侧上的回流温度传感器升温到处于或高于所述回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度时，
(i)控制回流阀关闭以防止制冷剂流过多个热交换器的低压侧，以及
(ii)控制旁通阀打开以使制冷剂流绕开所述多个热交换器的所述低压侧并至进入所述压缩机的低压侧的吸入管线；以及
所述系统被配置成在其进入压缩机的低压侧之前升温吸入管线中的制冷剂的旁通流。
19.根据权利要求18所述的极低温制冷系统，其中，所述多个热交换器中的至少一个热交换器被配置成在所述吸入管线与所述多个热交换器的高压侧之间交换热量，以升温所述吸入管线中的所述制冷剂的旁通流。
20.根据权利要求18所述的极低温制冷系统，其中，所述制冷系统包括用于升温所述吸入管线中的所述制冷剂的旁通流的加热器。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的极低温制冷系统，其中，所述回流温度传感器的所述存储的旁通控制设定点温度小于所述压缩机的额定输入流温度。
22.根据权利要求21所述的极低温制冷系统，其中，回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度在约-40℃至约-70℃之间。
23.一种减少极低温制冷系统的除霜后的恢复时间的方法，所述方法包括：
基于输入控制信号，设定蒸发器的低压侧上的回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度的值；
当蒸发器的低压侧的回流温度传感器升温到处于或高于回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度时，(i)关闭回流阀以防止制冷剂流过多个热交换器的低压侧，以及，(ii)打开旁通阀以使制冷剂流绕开多个热交换器的低压侧并至进入压缩机的低压侧的吸入管线；以及
在其进入压缩机的低压侧之前升温在所述吸入管线中的所述制冷剂的旁通流。
24.一种极低温制冷系统，所述系统包括：
压缩机；
多个热交换器；
膨胀器；
流量计装置和冷却阀，所述流量计装置用所述冷却阀串联流动连接到蒸发器的入口；以及
控制器，包括处理器和存储器，所述控制器被配置成在所述系统的压缩机的排放压力在所述冷却操作模式期间至少与最大排放压力的存储的设定点一样高时，控制卸载阀打开以准许制冷剂流绕开所述流量计装置并到达所述冷却阀，直到所述排放压力减小到小于最大排放压力的所述存储的设定点。
25.根据权利要求24所述的极低温制冷系统，其中，所述控制器进一步被配置成：
在所述压缩机的启动期间，(i)控制热气除霜电路中的除霜阀打开，以使制冷剂流绕开所述多个热交换器的高压侧和膨胀器，并且到所述制冷剂从其流向蒸发器的蒸发器入口，由此在所述蒸发器中容纳制冷剂体积，以限制所述压缩机启动期间制冷剂压力的初始增加；
(ii)随后控制除霜阀关闭，使得制冷剂流前进通过多个热交换器的高压侧和膨胀器到达蒸发器；以及
在除霜期间，(i)控制热气除霜电路中的除霜阀以打开，以使制冷剂流绕开所述多个热交换器的高压侧，并到制冷剂从其流向蒸发器的蒸发器入口，以实现蒸发器的升温，以及
(ii)在控制除霜阀打开的同时，控制冷却阀关闭，使得制冷剂不从高压侧流到蒸发器；
所述控制器还被配置成，(i)基于输入控制信号，设定所述蒸发器的低压侧上的回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度的值；以及，(ii)在蒸发器的升温期间，在蒸发器的低压侧上的回流温度传感器达到回流温度传感器的存储的除霜完成设定点温度时，控制除霜阀关闭以防止制冷剂流动到蒸发器；以及
在蒸发器的低压侧上的回流温度传感器升温到处于或高于回流温度传感器的存储的旁通控制设定点温度时，在除霜之后，
(i)控制回流阀关闭以防止制冷剂流过多个热交换器的低压侧，以及
(ii)控制旁通阀打开以使制冷剂流绕开所述多个热交换器的所述低压侧并至进入所述压缩机的低压侧的吸入管线；以及
所述系统被配置成在其进入压缩机的低压侧之前升温吸入管路中的制冷剂的旁通流。
26.一种减少极低温制冷系统的冷却时间的方法，所述方法包括：
在系统的冷却操作模式期间，使制冷剂流动通过多个热交换器的高压侧、通过流量计装置和流量计装置利用其串联流动连接到蒸发器的入口的冷却阀、通过蒸发器并且通过多个热交换器的低压侧；以及
在冷却操作模式期间，当系统的压缩机的排放压力至少与最大排放压力的存储的设定点一样高时，打开准许制冷剂流绕开流量计装置并到达冷却阀的卸载阀，直到排放压力降低到小于最大排放压力的存储的设定点。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述蒸发器的入口或所述蒸发器的出口处于低于约-110℃的温度。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，最大排放压力的存储的设定点小于所述系统的缓冲电磁阀的激活压力。
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