CN113983727A - 一种组合式机组制冷系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式机组制冷系统及控制方法，属于超低温制冷技术领域，制冷系统包括主控系统、液氮制冷系统和若干并联的双机复跌制冷机组；双机复跌制冷机组、液氮制冷系统均与主控系统连接，由主控系统统一控制；每台双机复跌制冷机组包括高温压缩机、低温压缩机、高低温冷凝器、油液分离器、截止阀、储液器、膨胀容器、排气管路、回气管路。制冷控制方法采用该制冷系统使箱内达到指定温度并维持相对稳定，且在某台机组故障时也可调用液氮备用制冷系统同时工作，辅助降温并降低液氮量的损耗。本发明通过多台双机复跌制冷系统并联组合的方式达到所需要的制冷温度，同时结合多温度触点监测，实现算法控制各机组启动并维持温度稳定均匀。

Description

一种组合式机组制冷系统及控制方法

技术领域

本发明属于超低温制冷技术领域，具体涉及一种组合式机组制冷系统及控制方法。

背景技术

目前小型超低温制冷系统技术多采用单台制冷机组进行制冷或者采用双套系统另一套作为备用系统，然而有时在第一台制冷机组出现故障时，备用系统由于长时间未运转本身就存在故障，造成整个系统瘫痪，影响箱内温度，而且备用制冷机组不能实时检测到是否有故障发生。

另外，在制冷机组内出现故障时，启用备用液氮制冷系统工作时，由于双套机组或单套机组都无法工作，完全依赖液氮制冷降温，造成液氮量的大量损耗。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种组合式机组制冷系统及控制方法，应用在小型超低温制冷系统上，适用于超低温(-80℃～-150℃)制冷。

本发明的技术方案如下：

一种组合式机组制冷系统，包括主控系统、液氮制冷系统和若干台并联的双机复跌制冷机组；双机复跌制冷机组、液氮制冷系统均与主控系统直接连接，由主控系统统一控制；

其中，每台双机复跌制冷机组包括高温压缩机、低温压缩机、高低温冷凝器、油液分离器、截止阀、储液器、膨胀容器、排气管路、回气管路。

进一步地，高温压缩机的排气口连接高低温冷凝器的高温级入口，回气口直接连一段回气管路，回气管路末端连接截止阀；所述低温压缩机的排气口连接高低温冷凝器的低温级入口，回油口连接油液分离器的回油口，回气口连接储液器一端，储液器另一端直接连一段回气管路，回气管路末端连接截止阀；

所述高低温冷凝器的低温级出口连接油液分离器；高低温冷凝器的高温级出口直接连一段排气管路，排气管路末端连接截止阀；所述油液分离器还连接一段排气管路，排气管路末端连接截止阀；

所述储液器与低温压缩机回气口之间连接膨胀容器。

进一步地，液氮制冷系统被配置用于辅助双机复跌制冷机组进行降温。

进一步地，主控系统还连接多个温度传感器，根据温度传感器监测到的温度运用控制算法实时调整双机复跌制冷机组的启动运行顺序。

进一步地，控制算法基于时间轮值控制，当需求量增加需要增开机组，将在剩余机组中选择出运行时间最少的一台运行；当需求量减少需要关停机组，将在已经开启的机组中选择运行时间最长的一台关闭。

进一步地，控制算法设定时间或功率，根据时间或功率累加值的大小来判断轮值机组的顺序。

进一步地，组合式机组制冷系统包括三台并联的双机复跌制冷机组。

一种组合式机组制冷控制方法，采用如上所述的组合式机组制冷系统对箱内进行制冷，具体步骤为：

S1.主控系统预先设定箱内所要达到的指定温度，同时设定每台机组的控制逻辑；

S2.制冷机组启动，温度传感器持续监测箱内温度并实时传递给主控系统；

S3.当主控系统检测到箱内温度达到设定温度后，控制算法依据设定的控制逻辑实时调整各制冷机组的运行顺序；

S4.当检测到箱内温度在规定时间内仍未达到设定温度，温度回升至高于液氮启动设定温度且存在故障报警时，主控系统控制液氮制冷系统开启，辅助降温。

本发明所带来的有益技术效果：

通过将多台双机复跌制冷机组并联使温度可以持续维持在超低温(-80℃～-150℃)范围；结合温度传感器进行多触点监测，并采用算法控制各机组启动顺序使温度维持在相对稳定均匀的状态、温度波动较小；控制算法采用自动轮值的工作方式，使达到每台机组都能够间歇工作，充分发挥使能；配置液氮制冷系统辅助降温，液氮制冷系统工作的同时制冷机组同时工作，降低液氮量的损耗，液氮使用时间更长久；双机复跌制冷机采用并联方式连接，可以避免某台机组出现故障时造成的整个系统瘫痪，同时又可以稳定箱内温度相对稳定。另外，由于多机组并联通常应用在大型机组及设备上，本发明首次将其应用在小型深低温机组设备。

附图说明

图1为一种组合式机组制冷系统的示意图；

图2为三台双机复跌制冷机组叠放的示意图；

图3为一台双机复跌制冷机组的平面示意图；

图4为控制逻辑调整温度波动效果示意图；

其中，1-双机复跌制冷机组本体；2-高温压缩机；3-低温压缩机；4-高低温冷凝器；5-油液分离器；6-截止阀；7-储液器；8-膨胀容器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种组合式机组制冷系统包括若干台并联的双机复跌制冷机组、液氮制冷系统、主控系统；双机复跌机组、液氮制冷系统均与主控系统连接，由主控系统统一控制。主控系统还连接有多个温度传感器，实时接收当前温度数据。主控系统一般位于电器控制柜内，电器控制柜上还设置了显示系统，实时显示当前温度。

其中，主控系统内设置了控制算法。当温度达到设定温度后，主控系统进入算法控制模式，机组的需求量根据预先设定的温度稳定区间、加载区、减载区进行需求量的计算得出；整体的控制逻辑思路为：若当前温度在温度稳定区内，需求量不变；若当前温度在加载区，需求增加量根据设定时间梯度进行增加；若当前温度在减载区，需求减小量根据设定时间梯度进行减少。

控制算法基于时间的轮值控制，当需求量增加需要增开机组，将在剩余压缩机中选择出运行时间最少的一台运行。当需求量减少需要关停机组，将在已经开的压缩机中选择时运行间最长的一台关闭。控制算法可以设定时间或功率，根据时间或功率累加值的大小进行判断轮值机组顺序。通过这种自动轮值工作，达到每台机组都能够间歇工作，充分发挥使能的目的。

其中，温度稳定区、加载区、减载区需要根据实际组装机组数量的具体情况进行人为划分；同样，以多少摄氏度为一个时间梯度点也根据实际组装机组数量的具体情况进行人为划分。

另外还设置了液氮制冷系统作为辅助备用制冷系统。液氮介入条件：当检测到箱内温度在规定时间内未达到设定温度时但达到液氮开启设定温度且出现故障报警状态后，液氮制冷系统将开启，作为备用制冷系统来辅助制冷机组进行降温。通过液氮系统辅助的同时制冷机组同时工作，可以降低液氮量的损耗，液氮使用时间更长久。

图1-图3示出了本发明组合式机组制冷系统的一个可选实施例，并联了三台双机复跌制冷机组，从下往上依次对齐叠放。图2即为三台双机复叠机组叠放的示意图，每台双机复叠机组本体1为立方体，从上而下依次对齐叠放。其中，每台双机复叠制冷机组包括高温压缩机2、低温压缩机3、高低温冷凝器4、油液分离器5、截止阀6、储液器7、膨胀容器8、排气管路、回气管路。其中，高温压缩机2的排气口连接高低温冷凝器4的高温级入口，回气口直接连一段回气管路，回气管路末端连接截止阀6。低温压缩机3的排气口连接高低温冷凝器4的低温级入口，回油口连接油液分离器5的回油口，回气口连接储液器7一端，储液器7另一端直接连一段回气管路，回气管路末端连接截止阀6。高低温冷凝器4的低温级出口连接油液分离器5的入口；高低温冷凝器4的高温级出口直接连一段排气管路，排气管路末端连接截止阀6。连接在储液器7与低温压缩机3回气口之间还连接一膨胀容器8。油液分离器5的出口直接连一段排气管路，排气管路末端连接截止阀6。

其中，压缩机启动运行附件作为压缩机的一部分与压缩机为一整体密不可分。

同时如果一台机组出现故障，其他单台机组正常工作可以保持箱内温度维持在-60℃以下温度，如果一台机组出现故障，其他两台机组正常工作可以保持箱内温度维持在-70℃以下温度，如果一台机组出现故障，其他三台机组正常工作可以保持箱内温度维持在-80℃以下温度。

机组的数量根据库容积而定。

一种组合式机组制冷控制方法，采用如上所述的组合式机组制冷系统，结合图4的控制逻辑调整温度波动的效果示意图对工作步骤进行详细说明。

步骤1：主控系统预先设定箱内所要达到的指定温度，同时设定每台机组的控制逻辑；

步骤2：制冷机组启动，温度传感器持续监测箱内温度并实时传递给主控系统；

步骤3：当主控系统检测到箱内温度达到设定温度后，控制算法依据设定的控制逻辑实时调整各制冷机组的运行顺序；当温度达到设定温度后，主控系统进入算法控制模式，机组的需求量根据预先设定的温度稳定区间、加载区、减载区进行需求量的计算得出；

若当前温度在温度稳定区内，需求量不变；若当前温度在加载区，需求增加量根据设定时间梯度进行增加；若当前温度在减载区，需求减小量根据设定时间梯度进行减少。

控制算法基于时间的轮值控制，当需求量增加需要增开机组，将在剩余压缩机中选择出运行时间最少的一台运行。当需求量减少需要关停机组，将在已经开的压缩机中选择时运行间最长的一台关闭。控制算法可以设定时间或功率，根据时间或功率累加值的大小进行判断轮值机组顺序。通过这种自动轮值工作，达到每台机组都能够间歇工作，充分发挥使能的目的。

步骤4：当检测到箱内温度在规定时间内仍未达到设定温度，回升至液氮启动设定温度且有故障存在时，主控系统控制液氮制冷系统开启，辅助降温。

以三台机组+一台液氮备用系统为例说明其在小型深低温机组设备的应用，图4展示了控制逻辑调整温度波动的效果。从图4中可以看出，制冷机组启动时，先启动3号机组，一定延时后2号机组启动，再经过一定延时后1号机组启动。当监测到箱内达到设定温度-80℃，3台机组停机，主控系统进入算法控制模式；当监测到箱内温度达到启动条件-75℃，此时1号2号运行时间最短同时启动，运行一段时间后控制系统检测到温度在继续升高-73℃进入加载模式，3号机组启动，当进入停机与开机温度区间-75℃～-80℃，控制系统检测到在温度波动区间不再开启机组，如此反复执行。当出现2号3号机组出现故障时，系统检测到故障报警，液氮制冷系统开机条件一满足，温度开始升至液氮启动条件-65℃，液氮开机条件二满足，液氮启动开始与1号机组同时制冷，到达设定温度-80℃后停机，如此往复，直至系统故障报警取消且温度低于液氮启动温度-65℃，液氮才退出工作状态。

本发明通过将多套双机复跌制冷机组并联组合达到所需要的制冷温度，同时结合多温度触点监测，实现算法控制各机组启动达到温度稳定均匀波动较小的目的。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种组合式机组制冷系统，其特征在于，包括主控系统、液氮制冷系统和若干台并联的双机复跌制冷机组；双机复跌制冷机组、液氮制冷系统均与主控系统直接连接，由主控系统统一控制；

其中，每台双机复跌制冷机组包括高温压缩机、低温压缩机、高低温冷凝器、油液分离器、截止阀、储液器、膨胀容器、排气管路、回气管路。

2.根据权利要求1所述的组合式机组制冷系统，其特征在于，所述高温压缩机的排气口连接高低温冷凝器的高温级入口，回气口直接连一段回气管路，回气管路末端连接截止阀；所述低温压缩机的排气口连接高低温冷凝器的低温级入口，回油口连接油液分离器的回油口，回气口连接储液器一端，储液器另一端直接连一段回气管路，回气管路末端连接截止阀；

所述高低温冷凝器的低温级出口连接油液分离器；高低温冷凝器的高温级出口直接连一段排气管路，排气管路末端连接截止阀；所述油液分离器还连接一段排气管路，排气管路末端连接截止阀；

所述储液器与低温压缩机回气口之间连接膨胀容器。

3.根据权利要求1所述的组合式机组制冷系统，其特征在于，所述液氮制冷系统被配置用于辅助双机复跌制冷机组进行降温。

4.根据权利要求1所述的组合式机组制冷系统，其特征在于，所述主控系统还连接多个温度传感器，根据温度传感器监测到的温度运用控制算法实时调整双机复跌制冷机组的启动运行顺序。

5.根据权利要求4所述的组合式机组制冷系统，其特征在于，所述控制算法基于时间轮值控制，当需求量增加需要增开机组，将在剩余机组中选择出运行时间最少的一台运行；当需求量减少需要关停机组，将在已经开启的机组中选择运行时间最长的一台关闭。

6.根据权利要求5所述的组合式机组制冷系统，其特征在于，所述控制算法设定时间或功率，根据时间或功率累加值的大小来判断轮值机组的顺序。

7.根据权利要求1所述的组合式机组制冷系统，其特征在于，所述组合式机组制冷系统包括三台并联的双机复跌制冷机组。

8.一种组合式机组制冷控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任意一项所述的组合式机组制冷系统对箱内进行制冷，具体步骤为：

S1.主控系统预先设定箱内所要达到的指定温度，同时设定每台机组的控制逻辑；

S2.制冷机组启动，温度传感器持续监测箱内温度并实时传递给主控系统；

S3.当主控系统检测到箱内温度达到设定温度后，控制算法依据设定的控制逻辑实时调整各制冷机组的运行顺序；

S4.当检测到箱内温度在规定时间内仍未达到设定温度，温度回升至高于液氮启动设定温度且存在故障报警时，主控系统控制液氮制冷系统开启，辅助降温。

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