CN1293348C - 具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可切换气库混合工质低温节流制冷机，包括制冷压缩机、可切换气库、油气分离器和精细油气分离器，在可切换气库两侧设有高、低压电磁阀与制冷压缩机的高、低压端对应连接，在精细油气分离器内设有三维玻璃纤维或其他纤维做成的过滤芯体。该可切换气库混合工质低温制冷机具有启动及运行制冷压力、制冷温度和制冷量均保持正常平稳、安全可靠的显著特性，结构简洁，分油效率高，可有效避免低温下管道堵塞现象，可大大提高低温节流制冷机安全运行寿命。它可广泛用于冷藏生物器官、存放血液等低温冷箱，低温外科手术，低温真空冷凝泵，半导体，航空航天，石油化工等领域。

Description

具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机

                        技术领域

本发明属于工程热物理与能源利用学科领域，涉及一种低温节流制冷机，特别是一种具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机。

                        背景技术

20世纪80年代以前，要获取-80℃以下温度的低温环境，必须采用双级、甚至更多级的复叠式制冷系统，制冷系统非常复杂，既费时又耗功，其中的氟利昂制冷工质还造成环境污染。80年代以后，随着科学的不断进步，专家们采取了丙烷、乙烷、甲烷三种制冷工质均匀混合，并通过制冷循环实现低温的新方法。这种新方法充分发挥了不同制冷工质所特有的物理特性，可达到-100℃～-200℃的低温，可满足航空、航天、医疗卫生、食品加工、生命科学等领域中对低温制冷机的迫切需求。

但是，这种混合工质低温节流制冷机存在两个最大的缺陷：其缺陷之一是，当制冷压缩机在启动的时候往往出现排气压力和排气温度过高的现象，这时很容易引起制冷压缩机缸体及电机的烧毁，造成严重的经济损失。其缺陷之二是，当制冷压缩机在启动后进入正常运行阶段时，又会出现制冷系统的压力急剧下降、使制冷量急剧减少的现象严重现象。国内外专家们解决这一问题的通常办法是，仅仅在制冷系统中设置一个低压储气筒与压缩机的低压部分相连通，或者仅仅设置一个高压储气筒与压缩机的高压部分相连通。其实，这种办法只能解决其中的一个缺陷，而不能同时解决混合工质低温节流制冷机中所存在的两个最大缺陷。

众所周知，低温节流制冷机中的润滑油在制冷压缩机启动过程中起着非常重要的作用。但是，在制冷压缩机启动之后，这些润滑油又必须从制冷工质中彻底分离出来。否则，制冷工质中的润滑油不但将直接影响到整个制冷系统的制冷量，而且如果让润滑油进入到乙烷级和甲烷级的冷凝液化系统中，由于润滑油的凝固点为-45℃～-50℃，而乙烷和甲烷的冷凝温度为一50℃以下，此时在混合工质中残存的润滑油就将首先凝固，堵塞节流阀管道，这样，整个混合工质低温节流制冷系统将出现严重故障，被迫停机。

现有的混合工质低温节流制冷机虽然已采取了分凝式油分离器，但是这种分凝式油分离器结构太复杂，而且凝结的油滴必须依靠重力才能下沉到油分离器的底部，集聚起来返回压缩机，一旦低温节流制冷机的空间位置发生大幅度倾斜，油气分离的过程就不能正常进行。

                            发明内容

本发明旨在克服混合工质低温节流制冷机所存在的上述缺陷或不足，提出一种具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机。

实现上述目的所采取的技术方案是，一种具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机，包括一个制冷压缩机，制冷压缩机的低压端有油气分离器电磁阀，该制冷压缩机的高压端通过管路和油气分离器、水冷冷凝器连通，并通过串连设置的高沸点工质气液分离器、中沸点工质气液分离器、低沸点工质气液分离器与其中分别设置的高沸点工质换热器、中沸点工质换热器、低沸点工质换热器和低压蒸发器连通；

在上述高沸点工质气液分离器、中沸点工质气液分离器、低沸点工质气液分离器的管路上还有高沸点工质节流阀、中沸点工质节流阀、低沸点工质节流阀；在低压蒸发器之前的管路上设置有低温节流阀；

其特征在于，在制冷压缩机上并联设置有一个可切换气库，或者由一个低压气库，和一个高压气库串连后替代可切换气库，在可切换气库或低压气库的左侧设有高压电磁阀，它与制冷压缩机的高压端相连接，并相互连通；在可切换气库或高压气库的右侧设有低压电磁阀它与制冷压缩机的低压端相连接，并相互连通。

本发明的具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机，其工作过程是：

启动制冷压缩机时，开启可切换气库的高压电磁阀，其低压电磁阀处于关闭状态，此时制冷压缩机的高压端与气库相连通，这样可使制冷压缩机在启动时产生的瞬间高压制冷工质向气库排放，从而可有效防止制冷压缩机在启动时因制冷工质产生瞬间的高压和高温而造成制冷压缩机的电机被烧毁的严重后果。当制冷压缩机进入正常运行阶段以后，关闭高压电磁阀，然后开启低压电磁阀，此时制冷压缩机的低压端与气库相连通，气库内储存的混合工质将通过低压电磁阀及制冷压缩机向整个低温节流制冷系统进行及时的补充，这样可有效地防止制冷压缩机在启动之后出现的制冷系统的制冷压力和制冷量急剧下降的现象，从而使整个混合工质低温节流制冷系统保持稳定的制冷压力和制冷量。

针对现有低温节流制冷系统存在分油器结构太复杂及低温制冷机发生倾斜时油分离器不能正常工作的缺陷，本发明在低温制冷系统中除了设置有油气分离器以外，还特别设置了一个精细油气分离器，并将它设置在高沸点气液分离器之后。

本发明对经过高沸点气液分离器分离之后的中、低沸点混合工质气体，在它进入高沸点换热器之前，先将它送入精细油气分离器中进行精细的油气分离。在精细油分离器内设有组织致密、吸油性强、透气性好的三维玻璃纤维或其他具有相同特性的纤维制品及其他材料制作而成的过滤芯体，以便让通过油气分离器分离后的混合工质气体在精细油气分离器中得到进一步的油气分离，使润滑油完全隔离在精细过滤芯体之外，而只让混合工质气体通过过滤芯体，从而取得精细分油的良好效果。过滤芯体的结构简洁，而分油效率却很高，可有效地阻挡混合工质中残存的微量润滑油窜入中沸点及低沸点气液分离器之后，保证制冷系统长期安全地运行，可有效防止由于低温节流制冷机在低于-50℃以下温度时因润滑油的窜入很容易发生固态凝固和堵塞节流阀管道的严重故障。

本发明在低温节流制冷系统中特别设置了可切换气库和精细油气分离器装置，具有使低温节流制冷机在启动及启动之后的运行状态下，系统压力、系统温度和制冷量均保持正常平稳、安全可靠的显著特性，其结构简洁，分油效率高，可有效避免低温下管道的堵塞现象，可大大提高低温节流制冷机安全运行的寿命。

本发明可广泛应用于冷藏生物器官、存放血液等的低温冷箱，低温外科手术设备，低温真空冷凝泵，半导体，航空航天，石油化工等领域。

                            附图说明

图1是本发明的具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机的第一种

实施例示意图。

图2是本发明的具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机的第二种

实施例示意图。

图3是本发明的具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机的第三种

实施例示意图。

图4是本发明的具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机的第四种

实施例示意图。

图5是本发明的精细油气分离器结构示意图。其中，图5a是可切换气库混合工质低温节流制冷机中的精细油气分离器的纵剖面结构示意图，图5b是低温节流制冷机中精细油气分离器的的A-A横截面图。

                        具体实施方式

下面结合附图对本发明的系统结构原理和工作原理作详细说明。

参见图1，为本发明的第一个实施例。具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机由制冷压缩机1、可切换气库2、油气分离器3-1、精细油气分离器3-2、水冷冷凝器4、高沸点工质气液分离器5-1、中沸点工质气液分离器5-2、低沸点工质气液分离器5-3、高沸点工质节流阀6-1、中沸点工质节流阀6-2、低沸点工质节流阀6-3、低温节流阀6-4、高沸点工质换热器7-1、中沸点工质换热器7-2、低沸点工质换热器7-3、低温蒸发器8以及高压电磁阀9-1、低压电磁阀9-2、油气分离器电磁阀9-3和精细油气分离器电磁阀9-4组成；在可切换气库2的左侧设有高压电磁阀9-1与制冷压缩机1左侧的高压端相连接，并相互连通，在可切换气库2的右侧设有低压电磁阀9-2与制冷压缩机1右侧的低压端相连接，并相互连通。

在图1中，当制冷压缩机1启动时，制冷系统中的混合工质由位于制冷压缩机1右侧的低压端吸气口吸入，经过制冷压缩机1的压缩后，由位于制冷压缩机1左侧的高压端排气口排出，然后被送入油气分离器3-1内进行油气分离，经过油气分离后的比较纯净的混合工质气体从初级油分离器3-1的顶部流出，然后被引入水冷冷凝器4中冷凝液化；被油分离器3-1分离出来的润滑油，则通过油气分离器电磁阀9-3从制冷压缩机1右侧的低压端入口，返回制冷压缩机1内继续循环；与此同时，打开可切换气库2左侧的高压电磁阀9-1，使制冷压缩机1左侧的高压端排气口与可切换气库2相连通，这样就使制冷压缩机1在启动阶段，可随时向可切换气库2内排放一部分高温高压的混合工质气体，以避免制冷压缩机1在启动过程中因排气压力和排气温度过高而产生的严重后果；经过油气分离器3-1分离后的混合工质气体被送入水冷冷凝器4中，而经过油气分离器3-1分离出来的润滑油，则通过连接管道和油气分离器电磁阀9-3返回制冷压缩机1内。

在低温制冷系统中流动的混合工质气体主要由丙烷、异丁烷、乙烷、乙烯、甲烷和氮气等组成。在这六种低温工质中，丙烷和异丁烷等高沸点工质的冷凝温度最高，将最先被液化；乙烷和乙烯等中沸点工质的冷凝温度其次，将第二个被液化；甲烷和氮气等低沸点工质的冷凝温度最低，将最后被液化。因此，在水冷冷凝器4内，混合工质气体中的丙烷或其他的高沸点工质气体将首先被液化成丙烷或其他的高沸点工质液体，从水冷冷凝器4流出的该混合工质气液两相流体被引入高沸点工质气液分离器5-1中；

在高沸点工质气液分离器5-1中，丙烷和异丁烷等高沸点工质液体将首先被从混合工质气体中分离出来，并沉积于高沸点工质气液分离器5-1的底部；位于高沸点工质气液分离器5-1上部的混合工质气体从高沸点工质气液分离器5-1的上部流出，然后被引入高沸点工质换热器7-1内；与此同时，位于高沸点工质气液分离器5-1底部的丙烷和异丁烷等高沸点液体，通过高沸点工质节流阀6-1的节流膨胀降温成为温度较低的低压液体，也被送入高沸点工质换热器7-1内蒸发制冷，从而使高沸点工质换热器7-1内的无油混合工质气体中的乙烷和乙烯等中沸点工质气体冷凝成为液体，然后通过连接管道将该混合工质气液两相流体送入中沸点工质气液分离器5-2中；

在中沸点工质气液分离器5-2中，乙烷和乙烯等中沸点工质液体将第二个被从混合工质气体中分离出来，并沉积于中沸点工质气液分离器5-2的底部；位于中沸点工质气液分离器5-2上部的混合工质气体(此时主要成分变为甲烷和氮气等低沸点工质)从中沸点工质气液分离器5-2的上部流出，通过连接管路被送入中沸点工质换热器7-2内进行液化；位于中沸点工质气液分离器5-2底部的乙烷和乙烯等低温工质液体从底部流出，通过中沸点工质节流阀6-2的节流膨胀降温成为温度很低的低压工质液体后，被送入中沸点工质换热器7-2内蒸发制冷，使甲烷和氮气等低沸点工质最后一个被冷凝成为液体，然后通过连接管道将甲烷或其他的低沸点工质气液两相流体送入低沸点工质气液分离器5-3中；

在低沸点工质气液分离器5-3内，甲烷和氮气等低沸点工质液体将最后一个从低沸点工质气液分离器5-3中分离出来，并沉积于气液分离器5-3的底部；位于低沸点工质气液分离器5-3上部尚未被液化的混合工质气体(此时主要成分为甲烷和氮气等低沸点工质)通过连接管路从低沸点工质气液分离器5-3的上部流出，被引入低沸点工质换热器7-3内；位于气液分离器5-3底部的甲烷和氮气等低沸点工质液体通过节流阀6-3的节流膨胀降温，使成为温度更低的低温液体，然后被引入低沸点工质换热器7-3内蒸发制冷，使尚未被液化的其他低沸点工质气体继续冷凝液化；并且将该甲烷和氮气等低沸点工质液体通过低温节流阀6-4的更进一步的节流膨胀降温，使成为低温制冷系统中温度最低的低温工质液体；最后，将该低温工质液体送入低温蒸发器8内蒸发制冷；经过蒸发制冷后的甲烷和氮气等低沸点工质气液两相流体通过连接管道返回制冷压缩机1右侧的低压吸气口，流入制冷压缩机1内，重新开始第二轮的低温节流制冷循环，反复不止。

参见图2，图2为本发明的第二个实施例。

本实施例与第一实施例的不同之处是：可切换气库2为两个单独的气库：低压气库9-1和高压气库9-2。其余结构和工作原理与实施例1相同。

参见图3，图3为本发明的第三个实施例。

本实施例与第一实施例的不同之处是：在高沸点工质气液分离器5-1之后特别设置了精细油气分离器3-2。

在图3中，位于高沸点工质气液分离器5-1上部的混合工质气体从高沸点工质气液分离器5-1的上部流出后，通过连接管路先被引入精细油气分离器3-2中进行第二次精细的油气分离，使混合工质气体中的润滑油完全被分离出来，成为无油混合工质气体(此时主要成分为乙烷、乙烯、甲烷和氮气等中、低沸点工质)从精细油气分离器3-2的顶部流出，然后被引入高沸点工质换热器7-1内，继续进行后面的低温制冷流程；

参见图4，图4为本发明的第三个实施例。

本实施例与第三个实施例的不同之处是：可切换气库2为两个单独的气库：低压气库9-1和高压气库9-2。其余均同第三个实施例。

参见图5a和图5b，10为油气分离器混合工质气体入口接头，它与图3中的高沸点气液分离器5-1上部的混合工质气体流出口相连接，并相互连通；11为精细油气分离器腔体，它与位于其左侧的混合工质气体入口接头10相互连通；在精细油气分离器腔体11的上部设有精细油气分离器端盖12，在盖12上面设有纯净混合工质气体排出口接头13，它与高沸点工质换热器7-1左侧的混合工质气体入口相连接，并相互连通；在精细油气分离器腔体11的下部为储油腔体，储存从混合工质气体中分离出来的润滑油16；14为精细过滤芯体，它由材料致密、阻油性强、透气性好的多层超细三维玻璃纤维及超细金属丝网材料制作而成，过滤芯体的材料——三维玻璃纤维或其他具有相同特性的纤维制品及其他材料均可由西安高新技术开发区西安联合超滤公司购买；15为精细过滤芯体腔体，用以汇集油气分离后的纯净混合工质气体，它与纯净混合工质气体排出口接头13相连接，并相互连通；17为润滑油排出口接头，它通过连接管道和精细油气分离器电磁阀9-3与制冷压缩机右侧的低压端相连接，并相互连通。

在图5a中，从高沸点混合工质气液分离器5-1上部流出的、以乙烷和乙烯等中沸点工质为主要成分的混合工质气体，通过混合工质气体入口接头10流入精细油气分离器腔体11中；通过精细过滤芯体14的过滤，润滑油被完全阻挡在精细过滤芯体14的外面，在重力作用下滴落、储存在油分离器腔体11的下部，然后从润滑油排出口接头17排出，使润滑油通过图3中的精细油气分离器电磁阀9-3返回到制冷压缩机1内。

Claims (3)

1、一种具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机，包括一个制冷压缩机(1)，制冷压缩机(1)的低压端设有油气分离器电磁阀(9-3)，该制冷压缩机(1)的高压端通过管路与油气分离器(3-1)和水冷冷凝器(4)相连通，并通过串连设置的高沸点工质气液分离器(5-1)、中沸点工质气液分离器(5-2)和低沸点工质气液分离器(5-3)与其中串连设置的高沸点工质换热器(7-1)、中沸点工质换热器(7-2)、低沸点工质换热器(7-3)和低压蒸发器(8)相连通；

在上述高沸点工质气液分离器(5-1)、中沸点工质气液分离器(5-2)和低沸点工质气液分离器(5-3)的管路上还有高沸点工质节流阀(6-1)、中沸点工质节流阀(6-2)、低沸点工质节流阀(6-3)；在低压蒸发器(8)之前的管路上设置有低温节流阀(6-4)；

其特征在于，在制冷压缩机(1)并联连接的管路上还设置有一个可切换气库(2)，或者由一个低压气库(2-1)和一个高压气库(2-2)串连后替代可切换气库(2)；在可切换气库(2)或低压气库(2-1)的左侧设有高压电磁阀(9-1)，它与制冷压缩机(1)的高压端相连接，并相互连通；在可切换气库(2)或高压气库(2-2)的右侧设有低压电磁阀(9-2)，它与制冷压缩机(1)的低压端相连接，并相互连通。

2.如权利要求1所述的具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机，其特征在于，所述的制冷压缩机(1)的低压端还设置有精细油气分离器(3-2)，该精细油气分离器(3-2)通过管路与高沸点工质气液分离器(5-1)相连通，并通过精细油气分离器电磁阀(9-4)与制冷压缩机(1)相连通。

3.如权利要求2所述的具有可切换气库的混合工质低温节流制冷机，其特征在于，所述的精细油气分离器(3-2)内设有由三维玻璃纤维材料制成的过滤芯体。

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