CN115839562A - 一种半导体过冷自复叠制冷循环系统及制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体过冷自复叠制冷循环系统及制冷方法，半导体过冷自复叠制冷循环系统包括压缩机、气液分离器、半导体制冷片、冷凝器、毛细管和蒸发器；压缩机出口与气液分离器入口连通，气液分离器的第一出口与半导体制冷片的热端入口连通，半导体制冷片的热端出口与冷凝器入口连通，冷凝器出口与气液分离器入口连通；气液分离器的第二出口与半导体制冷片的冷端入口连通，半导体制冷片的冷端出口与毛细管入口连通，毛细管出口与蒸发器入口连通，蒸发器出口与压缩机入口连通。本发明提供的一种半导体过冷自复叠制冷循环系统及制冷方法，有效提高制冷能力，降低压缩机能耗，提高系统制冷性能。

Description

一种半导体过冷自复叠制冷循环系统及制冷方法

技术领域

本发明属于制冷技术领域，具体来说，涉及一种半导体过冷自复叠制冷循环系统及制冷方法。

背景技术

随着科技的进步和人民生活水平的提高，科研机构、生物医疗行业、食品冷链等诸多领域对-40℃～-150℃低温环境的需求越来越大，极大的拉动了低温制冷技术的发展。目前，实现-40℃以下的低温制冷技术主要包括：多级压缩制冷、复叠制冷、自复叠制冷及混合工质节流等。其中，自复叠制冷系统采用非共沸混合制冷剂，在冷凝器出口配置气液分离器，压缩机在不同组分制冷剂之间实现复叠，达到获取低温的目的。然而，由于传统的自复叠系统存在工作温差大，节流损失较大等问题，造成了该系统的性能系数较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种半导体过冷自复叠制冷循环系统及制冷方法，有效提高制冷能力，降低压缩机能耗，提高系统制冷性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种半导体过冷自复叠制冷循环系统，包括压缩机、气液分离器、半导体制冷片、冷凝器、毛细管和蒸发器；压缩机出口与气液分离器入口连通，气液分离器的第一出口与半导体制冷片的热端入口连通，半导体制冷片的热端出口与冷凝器入口连通，冷凝器出口与气液分离器入口连通；气液分离器的第二出口与半导体制冷片的冷端入口连通，所述半导体制冷片的冷端出口与毛细管入口连通，毛细管出口与蒸发器入口连通，蒸发器出口与压缩机入口连通。

作为本发明的进一步改进，所述毛细管缠绕在蒸发器与压缩机之间的连通管路上。

作为本发明的进一步改进，所述气液分离器的第一出口为液体出口，气液分离器的第二出口为气体出口。

作为本发明的进一步改进，所述气液分离器具有两个入口，分别为气体入口和液体入口；压缩机出口与气液分离器的气体入口连通，冷凝器出口与气液分离器的液体入口连通。

第二方面，本发明提供一种过冷自复叠制冷方法，采用上述半导体过冷自复叠制冷循环系统；所述制冷方法包括以下步骤：

步骤10)气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂和富含高沸点组分的液体制冷剂在半导体制冷片中换热；

步骤20)富含低沸点组分的气体制冷剂被冷却成液体制冷剂，经毛细管节流降压后变成两相制冷剂，输入蒸发，吸收被冷却对象的热量后变成气体制冷剂，进入压缩机中，压缩机输出的气体制冷剂输入气液分离器中；

步骤30)富含高沸点组分的液体制冷剂吸热后变成气体制冷剂，再经过冷凝器冷凝后变成液体制冷剂，输入气液分离器中；

步骤40)从压缩机输入的气体制冷剂和从冷凝器输入的液体制冷剂在气液分离器中进行换热，输出富含低沸点组分的气体制冷剂和富含高沸点组分的液体制冷剂。

作为本发明的进一步改进，所述步骤20)中，蒸发器输出的气体制冷剂与毛细管中的两相制冷剂进行换热后，进入压缩机。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的半导体过冷自复叠制冷循环系统及制冷方法，有效提高制冷能力，降低压缩机能耗，提高系统制冷性能。其一，本发明半导体过冷自复叠制冷循环系统中，气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂经过半导体制冷片的冷端，冷却成液体制冷剂进入蒸发器中，基于非共沸混合制冷剂的温度滑移特性，在相同蒸发温度下蒸发压力高，压缩机压比减小，其耗功减小。其二，在传统自复叠制冷系统中，气液分离器出口富含高沸点组分的液体制冷剂通过节流降压降温后与富含低沸点组分的气体制冷剂进行换热，实现两者复叠。富含高沸点组分的气体制冷剂需再次进入压缩机内升压至冷凝压力，其压缩机功耗有所增加。而本发明利用半导体制冷片将富含低沸点组分的气体制冷剂冷却成液体，不采用节流降压方式，减小压缩机的功耗。其三，气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂经过半导体制冷片的冷端，通过吸收半导体制冷片的冷量进行冷却，有效增加了进入蒸发器的制冷量，提高制冷能力。半导体制冷片将富含低沸点组分的气体冷却为液体，将富含高沸点组分的液体冷却为气体，实现了富含低沸点组分的气体制冷剂与富含高沸点组分的液体制冷剂之间复叠。最后，气液分离器输出的富含高沸点组分的液体制冷剂，在半导体制冷片的热端与气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂进行换热，再经冷凝器冷凝成液体后进入气液分离器，与压缩机输出的气体进行换热，增加了气液分离器输出的气体制冷剂流量，继而增加整个制冷系统的制冷量，提高制冷能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例的半导体过冷自复叠制冷循环系统的结构示意图。

图中有：压缩机101，气液分离器102，半导体制冷片103，冷凝器104，毛细管105，蒸发器106。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

本发明实施例提供一种半导体过冷自复叠制冷循环系统，如图1所示，包括压缩机101、气液分离器102、半导体制冷片103、冷凝器104、毛细管105和蒸发器106。气液分离器102具有第一入口、第二入口、第一出口和第二出口。压缩机101出口与气液分离器102的第一入口连通，气液分离器102的第一出口与半导体制冷片103的热端入口连通，半导体制冷片103的热端出口与冷凝器104入口连通，冷凝器104出口与气液分离器102的第二入口连通。气液分离器102的第二出口与半导体制冷片103的冷端入口连通，半导体制冷片103的冷端出口与毛细管105入口连通，毛细管105出口与蒸发器106入口连通，蒸发器106出口与压缩机101入口连通。其中，气液分离器102的第一出口为液体出口，第二出口为气体出口，第一入口为气体入口，第二入口为液体入口。

上述实施例的半导体过冷自复叠制冷循环系统，第一，气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂经过半导体制冷片的冷端，冷却成液体制冷剂进入蒸发器中，基于非共沸混合制冷剂的温度滑移特性，在相同蒸发温度下蒸发压力高，压缩机压比减小，其耗功减小。第二，在传统自复叠制冷系统中，气液分离器出口富含高沸点组分的液体制冷剂通过节流降压降温后与富含低沸点组分的气体制冷剂进行换热，实现两者复叠。富含高沸点组分的气体制冷剂需再次进入压缩机内升压至冷凝压力，其压缩机功耗有所增加。而本发明利用半导体制冷片将富含低沸点组分的气体制冷剂冷却成液体，不采用节流降压方式，减小压缩机的功耗。第三，气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂经过半导体制冷片的冷端，通过吸收半导体制冷片的冷量进行冷却，有效增加了进入蒸发器的制冷量，提高制冷能力。半导体制冷片将富含低沸点组分的气体冷却为液体，将富含高沸点组分的液体冷却为气体，实现了富含低沸点组分的气体制冷剂与富含高沸点组分的液体制冷剂之间复叠。第四，气液分离器输出的富含高沸点组分的液体制冷剂，在半导体制冷片的热端与气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂进行换热，再经冷凝器冷凝成液体后进入气液分离器，与压缩机输出的气体进行换热，增加了气液分离器输出的气体制冷剂流量，继而增加整个制冷系统的制冷量，提高制冷能力。

作为优选例，毛细管105缠绕在蒸发器106与压缩机101之间的连通管路上。毛细管105中的两相制冷剂可以与蒸发器106输出的饱和或过热蒸气制冷剂进行换热，形成干度更低的两相制冷剂进入蒸发器106中，提高系统制冷量。

上述实施例的半导体过冷自复叠制冷循环系统的工作流程如下：

压缩机101出口输出的过热蒸气制冷剂(图中2点处)从气液分离器102的气体入口进入气液分离器102中，与来自冷凝器104出口的饱和或过冷液体制冷剂(图中6点处)进行热交换。气液分离器102中形成的饱和液体制冷剂(图中4点处)通过液体出口进入半导体制冷片103热端，吸热蒸发变为饱和或过热蒸气制冷剂(图中5点处)后进入冷凝器104中放热冷凝，变为饱和或过冷液体制冷剂(图中6点处)后从气液分离器102的液体入口进入气液分离器102中。气液分离器102的第二出口输出的饱和蒸气制冷剂(图中3点处)进入半导体制冷片103冷端，被冷却为液体制冷剂(图中7点处)输出。液体制冷剂随后进入毛细管105中，被节流降压为两相制冷剂(图中8点处)，两相制冷剂进入蒸发器106中，吸收来自被冷却对象的热量后变为饱和或过热蒸气制冷剂(图中9点处)，随后与毛细管105中的两相制冷剂进行热交换，形成温度更高的过热蒸气制冷剂(图中1点处)后进入压缩机101中。

本发明实施例还提供一种过冷自复叠制冷方法，采用上述实施例的半导体过冷自复叠制冷循环系统。制冷方法包括以下步骤：

步骤10)气液分离器102输出的富含低沸点组分的气体制冷剂和富含高沸点组分的液体制冷剂在半导体制冷片103中换热。

步骤20)富含低沸点组分的气体制冷剂在半导体制冷片103中被冷却成液体制冷剂，经毛细管105节流降压后变成两相制冷剂，输入蒸发器106，吸收被冷却对象的热量后变成气体制冷剂，进入压缩机101中，压缩机101输出的气体制冷剂输入气液分离器102中。

步骤30)富含高沸点组分的液体制冷剂在半导体制冷片103中吸热后变为气体制冷剂，再经过冷凝器104冷凝后变成液体制冷剂，输入气液分离器102中。

步骤40)从压缩机101输入的气体制冷剂和从冷凝器104输入的液体制冷剂在气液分离器102中进行换热，输出富含低沸点组分的气体制冷剂和富含高沸点组分的液体制冷剂。如此循环。

上述实施例的自复叠制冷方法，第一，气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂经过半导体制冷片的冷端，冷却成液体制冷剂进入蒸发器中，基于非共沸混合制冷剂的温度滑移特性，在相同蒸发温度下蒸发压力高，压缩机压比减小，其耗功减小。第二，在传统自复叠制冷系统中，气液分离器出口富含高沸点组分的液体制冷剂通过节流降压降温后与富含低沸点组分的气体制冷剂进行换热，实现两者复叠。富含高沸点组分的气体制冷剂需再次进入压缩机内升压至冷凝压力，其压缩机功耗有所增加。而本发明利用半导体制冷片将富含低沸点组分的气体制冷剂冷却成液体，不采用节流降压方式，减小压缩机的功耗。第三，气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂经过半导体制冷片的冷端，通过吸收半导体制冷片的冷量进行冷却，有效增加了进入蒸发器的制冷量，提高制冷能力。半导体制冷片将富含低沸点组分的气体冷却为液体，将富含高沸点组分的液体冷却为气体，实现了富含低沸点组分的气体制冷剂与富含高沸点组分的液体制冷剂之间复叠。第四，气液分离器输出的富含高沸点组分的液体制冷剂，在半导体制冷片的热端与气液分离器输出的富含低沸点组分的气体制冷剂进行换热，再经冷凝器冷凝成液体后进入气液分离器，与压缩机输出的气体进行换热，增加了气液分离器输出的气体制冷剂流量，继而增加整个制冷系统的制冷量，提高制冷能力。

作为优选例，步骤20)中，蒸发器106输出的气体制冷剂与毛细管105中的两相制冷剂进行换热后，进入压缩机101。毛细管105中的两相制冷剂可以与蒸发器106输出的饱和或过热蒸气制冷剂进行换热，形成干度更小的两相制冷剂进入蒸发器106中，提高系统制冷量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种半导体过冷自复叠制冷循环系统，其特征在于，包括压缩机(101)、气液分离器(102)、半导体制冷片(103)、冷凝器(104)、毛细管(105)和蒸发器(106)；压缩机(101)出口与气液分离器(102)入口连通，气液分离器(102)的第一出口与半导体制冷片(103)的热端入口连通，半导体制冷片(103)的热端出口与冷凝器(104)入口连通，冷凝器(104)出口与气液分离器(102)入口连通；气液分离器(102)的第二出口与半导体制冷片(103)的冷端入口连通，所述半导体制冷片(103)的冷端出口与毛细管(105)入口连通，毛细管(105)出口与蒸发器(106)入口连通，蒸发器(106)出口与压缩机(101)入口连通。

2.根据权利要求1所述的半导体过冷自复叠制冷循环系统，其特征在于，所述毛细管(105)缠绕在蒸发器(106)与压缩机(101)之间的连通管路上。

3.根据权利要求1所述的半导体过冷自复叠制冷循环系统，其特征在于，所述气液分离器(102)的第一出口为液体出口，气液分离器(102)的第二出口为气体出口。

4.根据权利要求1所述的半导体过冷自复叠制冷循环系统，其特征在于，所述气液分离器(102)具有两个入口，分别为气体入口和液体入口；压缩机(101)出口与气液分离器(102)的气体入口连通，冷凝器(104)出口与气液分离器(102)的液体入口连通。

5.一种过冷自复叠制冷方法，其特征在于，采用权利要求1-4任意一项所述的半导体过冷自复叠制冷循环系统；所述制冷方法包括以下步骤：

步骤10)气液分离器(102)输出的富含低沸点组分的气体制冷剂和富含高沸点组分的液体制冷剂在半导体制冷片(103)中换热；

步骤20)富含低沸点组分的气体制冷剂被冷却成液体制冷剂，经毛细管(105)节流降压后变成两相制冷剂，输入蒸发器(106)，吸收被冷却对象的热量后变成气体制冷剂，进入压缩机(101)中，压缩机(101)输出的气体制冷剂输入气液分离器(102)中；

步骤30)富含高沸点组分的液体制冷剂吸热后变成气体制冷剂，再经过冷凝器(104)冷凝后变成液体制冷剂，输入气液分离器(102)中；

步骤40)从压缩机(101)输入的气体制冷剂和从冷凝器(104)输入的液体制冷剂在气液分离器(102)中进行换热，输出富含低沸点组分的气体制冷剂和富含高沸点组分的液体制冷剂。

6.根据权利要求5所述的过冷自复叠制冷方法，其特征在于，所述步骤20)中，蒸发器(106)输出的气体制冷剂与毛细管(105)中的两相制冷剂进行换热后，进入压缩机(101)。

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