CN113758044A

CN113758044A - 一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统

Info

Publication number: CN113758044A
Application number: CN202111104842.8A
Authority: CN
Inventors: 杨山举; 郝杰; 王琪; 李智国; 邓海涛; 冶文莲
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Qicheng Suspension Technology Xi'an Co ltd
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2021-12-07

Abstract

本发明公开了一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统。该制冷系统包括增压膨胀一体机、储气罐、冷却器、低温换热器、冷冻室、冷藏室、智能控制阀、压力温度监测器、管道和控制系统。其中增压膨胀一体机由透平膨胀机、离心压缩机和高速直驱电机组成，采用箔片动压气体轴承支承；增压膨胀一体机的喷嘴开度和转速可连续调节，从而改变系统的循环压力和流量。该低温制冷系统具有纯冷冻、冷冻加冷藏等多个用冷模式以及快速降温模式、极低温模式等多个降温模式，可满足节能需求和不同的用冷需求；整个系统纯无油运行，换热效率高；运动部件摩擦损失小，基本无需维护；将压缩机集成在透平膨胀机上，结构十分紧凑，系统体积和重量大为减小。

Description

一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统

技术领域

本发明属于低温制冷技术领域，具体涉及一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统。

背景技术

随着社会发展，现代工业、能源、交通运输、医疗和食品冷冻等诸多领域对低温环境的需求不断加大。目前在低温制冷领域应用较为广泛的制冷方式有复叠制冷、斯特林制冷和逆布雷顿制冷。复叠制冷的机组结构以及它的控制系统较为复杂，在维护和保养方面存在着较大的困难，同时机组动态响应较慢，稳定控制精度不高，制冷剂如果发生泄漏可能带来污染。斯特林制冷的结构要比复叠制冷简单，运行可靠性也较高，但是斯特林制冷机的成本较高，运行时的噪音较大，并且斯特林制冷在普冷领域不存在太大优势，稳定运行时的制冷效率较低。

本发明采用逆布雷顿制冷，逆布雷顿制冷机具有振动小、噪声低、效率高、降温速度快和制冷范围广等优点，近年来被广泛应用于低温超导、气体分离与液化、列车空调、低温环境模拟和食品加工等领域。传统的逆布雷顿制冷机通常需要一个单独的压缩机对透平膨胀机进行供气，这就使得整个系统较为复杂和庞大，限制了逆布雷顿制冷机的小型化和轻量化发展，同时也增加了系统成本。

基于现有的制冷系统存在的一些问题，我们发明了一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统。该制冷系统包括增压膨胀一体机、储气罐、冷却器、低温换热器、冷冻室、冷藏室、智能控制阀、压力温度监测器、管道和控制系统。其中增压膨胀一体机采用箔片动压气体轴承支承，具有无油、高效、微振动和低噪声等特点，运动部件摩擦损失小，寿命长，基本无需维护；可通过控制系统对增压膨胀一体机的喷嘴开度和转速进行连续调节，从而实现对制冷温度的精确控制，整个系统具有很快的动态响应。相比于传统的制冷系统，该低温制冷系统具有纯冷冻、冷冻加全部冷藏和冷冻加部分冷藏等多个用冷模式以及快速降温模式、极低温模式等多种降温模式，可满足节能需求以及根据不同的用冷需求通过控制系统在各个模式之间进行切换；整个系统纯无油运行，换热效率高；将压缩机集成在透平膨胀机上，结构十分紧凑，系统体积和重量大为减小。

发明内容

本申请的目的在于提供一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统，该低温制冷系统可通过控制系统对制冷温度和制冷量进行精准和智能调控，整个低温制冷系统纯无油运行，十分清洁，换热效率高，不用考虑回油问题，可以任意角度放置，并且将压缩机集成在透平膨胀机上，结构十分紧凑，系统体积和重量都大为减小。本发明的技术方案如下。

本发明公开了一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统；所述低温制冷系统包括增压膨胀一体机、储气罐、冷却器、低温换热器、冷冻室、冷藏室、智能控制阀、压力温度监测器、管道和控制系统；所述增压膨胀一体机由透平膨胀机、离心压缩机和高速直驱电机组成，三者同轴连接，透平膨胀机的输出功被离心压缩机回收，高速直驱电机驱动离心压缩机工作，对离心压缩机的运行起补偿作用；所述增压膨胀一体机采用箔片动压气体轴承支承，具有无油、高效、微振动和低噪声等特点，摩擦损失小，基本无需维护；所述增压膨胀一体机可通过控制系统对喷嘴开度和转速进行连续调节，从而改变系统的循环压力和流量；所述冷冻室、冷藏室和换热器之间设有智能控制阀，智能控制阀的开度可通过控制系统进行调节，从而在不同用冷模式和降温模式之间进行切换；可通过控制系统对增压膨胀一体机、冷却器和智能控制阀进行综合调节，从而做到对制冷温度和制冷量的精准和智能调控。

所述制冷系统纯无油运行，十分清洁，换热效率高；无油过滤器和回油装置，不用考虑回油问题，整个系统可以任意角度放置。

所述制冷系统分为纯冷冻模式、冷冻加全部冷藏模式以及冷冻加部分冷藏模式，可通过控制系统对调节智能控制阀的开度进行调节来完成各个模式之间的切换；在冷冻加全部冷藏模式下，通过对智能控制阀的调节，系统可在回热循环和无回热循环之间进行切换，回热循环下，系统降温速度慢，最低制冷温度低，此时为极低温模式，无回热循环下，系统降温速度快，最低制冷温度较高，此时为快速降温模式，而根据不同智能控制阀的开度，系统可在不同降温模式间进行切换；在冷冻加部分冷藏模式下，可对冷藏室出口温度进行监测，并与换热器中的不同位置处的温度进行比对，最终通过控制系统来控制气体进入换热器的位置，可以减少低温气体在换热器中不必要的冷耗，节约了系统能量。

所述的高速直驱电机为全封闭式电机，换热器出来的低温气体可对高速直驱电机进行冷却，做到了对冷量的充分利用，同时有效解决了电机发热问题。

所述制冷系统的制冷工质可采用空气、氮气、氖气或其它气体，各种制冷工质的物性不同导致其达到的最低制冷温度不同，可根据所需的制冷温度对制冷工质进行选择；系统内的制冷工质均为气态并且没有相变过程。

所述冷却器的冷却方式为风冷或者水冷，采用微通道冷凝器，大大节省了换热空间。

附图说明

图1为本发明提供的一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统的系统流程图；

图2为本发明提供的一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统的增压膨胀一体机的二维图；

根据本申请实施例的一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统示意图，附图标记说明：

1、增压膨胀一体机；11、离心压缩机；111、出口管；112、压缩叶轮；113、压缩端伞螺钉；114、进气室；115、压缩机蜗壳；116、压缩端气体轴承；12、高速直驱电机；121、电机定子；122、电机转子；13、透平膨胀机；131、膨胀端伞螺钉；132、膨胀叶轮；133、扩压器；134、喷嘴；135、膨胀端气体轴承；2、储气罐；3、冷却器；4、换热器；5、冷冻室；6、冷藏室；71、智能控制阀；72、智能控制阀；8、压力温度监测器；91、智能控制阀；92、智能控制阀；93、智能控制阀；94、智能控制阀；10、控制系统。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的目的、技术方案及优点，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描述。

如图1所示，本发明提供了一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统。该增压膨胀一体机低温制冷系统包括增压膨胀一体机1、储气罐2、冷却器3、低温换热器4、冷冻室5、冷藏室6、智能控制阀71、72、压力温度监测器8、智能控制阀91、92、93、94和控制系统10。其中增压膨胀一体机1由离心压缩机11、高速直驱电机12和透平膨胀机13组成，三者同轴连接。增压膨胀一体机1采用箔片动压气体轴承支承，摩擦损失小，基本无需维护；整个制冷系统纯无油运行，可以任意角度放置。高速直驱电机12由电机定子121和电机转子122组成，高速直驱电机12驱动离心压缩机11工作，并对离心压缩机11的运行起到补偿作用。

离心压缩机11由高速直驱电机12进行驱动，然后开始旋转工作，常温常压的工作气体在离心压缩机11内绝热压缩，变为高温高压气体，进入储气罐2内进行储存，之后气体进入冷却器3内等压冷却，本实施例中冷却器3的冷却方式为风冷，采用微通道冷凝器，大大节省了换热空间。从冷却器3出来的高压常温气体进入低温换热器4内进行进一步冷却，使得透平膨胀机13的进气温度进一步降低。之后气体在透平膨胀机13内绝热膨胀对外做功，产生较大的制冷量，透平膨胀机13的输出功可被离心压缩机11回收，节约了系统能量。从透平膨胀机13出来的低温气体进入冷冻室5后，对冷冻室5内的负荷进行低温冷冻，之后根据不同的用冷需求来控制气流是否进入冷藏室6。最后仍然带有一定冷量的气流流入高速直驱电机12，对高速电机进行冷却，对电机进行冷却后的气体流入离心压缩机11内，完成整个循环过程。

根据用户是否存在冷藏需求，该制冷系统分为纯冷冻模式、冷冻加全部冷藏模式和冷冻加部分冷藏模式，可通过控制系统10来控制冷冻室5、冷藏室6和换热器4之间的智能控制阀71和72的开度来完成不同模式的切换，以下有3种具体实施方式。

实施方式1为纯冷冻模式。此时冷冻室5和冷藏室6之间的智能控制阀72将会关闭，冷冻室5和换热器4之间的智能控制阀71将会全部打开，从冷冻室5出来的低温气体将会直接全部进入换热器4内，对换热器内部的高压常温气体进行进一步冷却，之后气体从换热器的冷侧出口流出，在该模式下，可以通过控制系统10来对增压膨胀一体机的转速以及可动喷嘴的开度进行调节，从而改变系统的循环压力和流量，做到对制冷温度和制冷量的精准和智能调控。

实施方式2为冷冻加全部冷藏模式。此时智能控制阀71将会关闭，智能控制阀72将会全部打开，气体在冷藏室内完成冷藏任务。若低温气体的冷量在冷藏室6中完全消耗，则从冷藏室中出来的气体从智能控制阀94处通过，此时整个系统为无回热循环。若低温气体的冷量在冷藏室6中未完全消耗，则从冷藏室6出来的气体可从智能控制阀91处进入换热器，对换热器内的高压常温气体进行全部冷却，也可以从智能控制阀92或智能控制阀93处进入换热器，对其中的高压常温气体进行部分冷却，此时系统为回热循环。低温气体参与回热器中的部分越多，降温速度越慢，但是最低制冷温度越低。用户可以根据对制冷速度和制冷温度的需求，通过控制系统10来控制智能控制阀91、智能控制阀92、智能控制阀93或智能控制阀94的开度来选择不同的降温模式。气体从智能控制阀91处通过时，制冷速度最慢，最低制冷温度最低，此时为极低温模式，此时可调高系统转速，增大系统循环压力，使得整个系统的制冷温度降低；从智能控制阀94处通过时，制冷速度最快，最低制冷温度最高，此时为快速降温模式，此时也可调高转速并增大喷嘴开度，使得整个系统快速降温。当整个系统满足制冷要求后，若需要进行持续制冷，可通过控制系统10适当调小转速和喷嘴的开度，从而达到节能的目的。

实施方式3为冷冻加部分冷藏模式。此时智能控制阀71和智能控制阀72均需要打开，而智能控制阀的开度则取决于用户对冷藏的冷量需求。在冷藏室6出口处设有压力温度监测器8，可对从冷藏室6出来的气体温度进行监测并与换热器4中在不同位置处的测量温度进行比对。根据温度比对，气体可从智能控制阀92或智能控制阀93处流入换热器，与换热器中的低温气体汇合，对其中的高压常温气体进行进一步冷却；若冷藏室出来的气体温度与换热器低温出口温度相近，则该股气流可从智能控制阀94处通过，无需进入换热器。而根据不同的温度通过控制系统10来控制气体进入换热器的位置，可以减少低温气体在换热器中的不必要的冷量损耗，节约了系统能量。

Claims

1.本发明公开了一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统，其特征在于所述低温制冷系统包括增压膨胀一体机、储气罐、冷却器、低温换热器、冷冻室、冷藏室、智能控制阀、压力温度监测器、管道和控制系统；所述增压膨胀一体机由透平膨胀机、离心压缩机和高速直驱电机组成，三者同轴连接，透平膨胀机的输出功被离心压缩机回收，高速直驱电机驱动离心压缩机工作，对离心压缩机的运行起补偿作用；所述增压膨胀一体机采用箔片动压气体轴承支承，摩擦损失小，基本无需维护；所述增压膨胀一体机的喷嘴开度和转速可进行连续调节，从而改变系统的循环压力和流量；所述冷冻室、冷藏室和换热器之间设有智能控制阀，智能控制阀的开度可通过控制系统进行调节，从而在不同用冷模式和降温模式之间进行切换；所述低温制冷系统可通过控制系统对增压膨胀一体机、冷却器和智能控制阀进行综合调节，从而做到对制冷温度和制冷量的精准和智能调控。

2.根据权利要求1所述的一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统，其特征在于，所述制冷系统纯无油运行，十分清洁，换热效率高；无油过滤器和回油装置，不用考虑回油问题，整个系统可以任意角度放置。

3.根据权利要求1所述的一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统，其特征在于，所述制冷系统包括纯冷冻模式、冷冻加全部冷藏模式以及冷冻加部分冷藏模式，可通过控制系统对智能控制阀的开度进行调节来完成各个模式之间的切换；在冷冻加全部冷藏模式下，可对智能控制阀开度进行调节，使得系统在回热循环和无回热循环之间进行切换，根据不同的循环类型，系统具有快速降温模式、极低温模式等多种降温模式；在冷冻加部分冷藏模式下，可对冷藏室出口温度进行监测，并通过控制系统来控制气体进入换热器的位置。

4.根据权利要求1所述的一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统，其特征在于，所述的高速直驱电机为全封闭式电机，换热器出来的低温气体可对高速直驱电机进行冷却。

5.根据权利要求1所述的一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统，其特征在于，所述制冷系统的制冷工质可采用空气、氮气、氖气或其它气体；系统内的制冷工质均为气态并且没有相变过程。

6.根据权利要求1所述的一种由直驱电机连接的增压膨胀一体机低温制冷系统，其特征在于，所述冷却器的冷却方式为风冷或者水冷，采用微通道冷凝器。