CN1361400A - 利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统,包括压缩机、中间节流制冷及涡流管制冷模块;压缩机模块由压缩机,前冷却器及过滤回油器组成;中间节流制冷模块由2－3级混合工质节流制冷子模块组成,每一子模块包括气液分离器、节流元件及逆流换热器;涡流管制冷模块包括涡流管、蒸发器及逆流热交换器;该制冷机采用单台压缩机驱动,简单可靠,多元混合工质内部复叠制冷,制冷效率高,无环境危害。

Description

利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统

本发明涉及低温制冷技术领域中的制冷系统，特别涉及一种利用多元混合物工质节流制冷技术结合低温涡流管膨胀制冷技术来实现低温制冷的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统。

随着社会的发展，与人类生产生活密切相关的能源、通信和新材料技术都有了长足的进展。具体如，信息技术、红外技术、半导体电子器件、超导器件以及低温生物医学工程等领域。在这些高技术领域，都需要有一个稳定可靠、制冷温度在30K～80K、低振动、低噪音、长寿命、造价低廉的低温冷源。然而，相应适合的制冷机的缺乏制约了相关领域的进一步发展。主要问题在于制冷机的可靠性、热效率、尺寸、重量、振动和造价等。

从20世纪70年代开始研究的多元混合物工质节流制冷机在一定范围内较好地满足了一些应用要求。该种制冷机由于采用了多元气体混合物作为节流制冷工质，使得循环效率大大提高，运行压力大大降低，从开式循环中30MPa降低到普通单级压缩机运行压力范围内(2MPa左右)。因此，该种制冷机可以采用常规空调或制冷压缩机驱动。目前，国外已经有相应的商业产品出现。混合工质节流制冷机通常有两种流程布置方式：内复叠循环和一次节流循环。内复叠循环由1959年前苏联学者A.P.Kleemenko在天然气液化中首次采用，因此也称为Kleemenko循环。在该循环流程中，采用一台压缩机驱动，中间设置了多个(两个或以上)汽液分离器及节流膨胀阀，已经处于汽液两相高压工质经汽液分离器分离，液相节流回到低压流道，产生冷量预冷高压来流工质，这一过程相当于复叠循环的高温级，剩余的汽相工质进入下一级换热器，继续被冷却，温度降低形成汽液两相，液相节流返回，汽相进入下一级，温度更低，依次下去，理论上只要混合物选配合理该循环可以达到液氦温度，但是由于自然界不存在一种气体其沸点介于氮气与氖气之间，因此当分离温度达到液氮温度后，此时分离后气相节流效应很小，相应的制冷能力很小，以致无法有效运行于液氮温度以下。目前这种循环方式主要用于液氮温区以上，如天然气液化工程(110K温区)。混合工质一次节流制冷循环方式就是取消内复叠循环中的气液分离器和中间级节流阀，由一个换热器完成回热过程，这种方式有利于微型化，但是在低温端由于润滑油积累和凝固容易堵塞节流元件造成制冷温度的波动。因此，对于混合工质节流制冷机，无论是一次节流方式还是内复叠方式在液氮温区以上都有比较高的效率，但是都无法有效运行在液氮温区以下。

涡流管制冷技术源于涡旋装置温度分离效应的发现，是一种结构极为简单的制冷装置，它由喷嘴、涡流室、分离孔板及冷热两端管组成。高压气体由进气导管导入喷嘴，膨胀降压后沿切线方向进入涡流室，形成自由流，经动能交换分离成温度不等的两部分，中心部分为冷气流，边缘部分集中到涡流管的另一端即为热气流，这样同时获得冷、热两股气流，调节冷热气流比例可以获得最佳制冷效应或制热效应。涡流管制冷机具有造价低廉、无运动部件、工作稳定、易操作维护、工质为低压易得的非破坏环境的气体等优点，因此自其被发明以来，受到包括美、英、法、日、俄等国在内的诸多国家的重视，并已在制冷、便携式空调、气体混合物分离、气体干燥、电子元件和仪表的冷却以及机械加工中的冷却等领域获得应用。

本发明目的在于：克服多元混合工质节流制冷装置与涡流膨胀制冷装置中存在的诸多缺点，而发扬节流制冷装置与涡流膨胀制冷装置中的优点，而提供一种新型的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，该复合循环制冷系统能可靠地运行于液氮温区至液氦温区，且具有较高效率、运行稳定可靠、低振动、低噪音等优点。

本发明的实施方案如下：

本发明提供的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，其特征在于：包括压缩机模块CU、混合工质中间节流制冷模块MU和涡流管制冷模块VTU，其连接方式为：压缩机模块CU的高压管出口连接混合工质中间节流制冷模块MU的高压进口管，压缩机模块CU的低压进口管连接混合工质中间节流制冷模块MU的低压出口管；混合工质中间节流制冷模块MU的高压出口管连接涡流管制冷模块VTU的高压进口管，混合工质中间节流制冷模块MU的低压进口管与涡流管制冷模块VTU的低压出口管相连；

所述压缩机模块CU由压缩机C1，前冷却器C2及润滑油过滤回油器C3及其管路组成，其连接方式为：压缩机C1的高压出口管连接一个三通连接管件同时与前冷却器C2的进口及润滑油过滤回油器C3的进口相连，由前冷却器C2的出口为压缩机模块C1的高压出口，润滑油过滤回油器C3的出口与一个三通管件相连，三通管件另外两个接口一个连接压缩机C1的低压进口，剩余一个接口为压缩机模块CU的低压入口；

所述的混合工质中间节流制冷模块MU由2-3级多元混合工质制冷子模块MUZi内部复叠组成，具体级数由所需制冷温度及混合工质的组分决定；每一级多元混合工质制冷子模块MUZi的结构为：包括逆流热交换器Mi-1、气液分离器Mi-2、逆流热交换器Mi-3、节流元件Mi-4及其管路，其连接方式为：前一级模块的高压出口连接逆流热交换器Mi-1的高压进口，逆流热交换器Mi-1的高压出口连接气液分离器Mi-2-的高压进口，气液分离器Mi-2的高压气体出口连接换热器Mi-3的高压入口，换热器Mi-3的高压出口为该多元混合工质制冷子模块MUZi的高压出口，气液分离器Mi-2底部高压液体出口连接节流元件Mi-4，换热器Mi-3的低压入口与一个三通管件连接，剩余两个接口一个与下一级模块的低压出口相连，另一个与节流元件Mi-4的出口相连，换热器Mi-3的低压出口连接换热器Mi-1的低压入口，换热器Mi-1的低压出口与前一级模块的低压入口连接；

所述的混合工质中间节流制冷模块MU中的每一级多元混合工质制冷子模块MUZi的结构还可为：包括气液分离器Mi-2、节流元件Mi-4及逆流换热器Mi-3，其连接方式为：前一级模块的高压出口连接气液分离器Mi-2的高压入口，气液分离器Mi-2的高压气体出口连接换热器Mi-3的高压进口，换热器Mi-3的高压出口与下一级模块的高压入口相连；气液分离器Mi-2的高压分离液体出口与节流元件Mi-4相连；换热器Mi-3的低压入口与一个三通管件相连，三通管件的另外两个接口，一个与下一级模块的低压出口相连，剩余一个连接节流元件Mi-4的出口，换热器Mi-3的低压出口与前一级模块的低压入口相连；

所述的涡流管制冷模块VTU包括逆流热交换器V1、涡流管V2和蒸发器V3，其连接方式为：前一级模块的高压出口与逆流热交换器V1的高压入口相连，逆流热交换器V1的高压出口与涡流管V2的高压进口VT1相连，涡流管V2有冷效应管出口VT2和热效应管出口VT3两个出口，其冷效应管VT2的出口连接蒸发器V3的进口，蒸发器V3的出口连接换热器V1的低压进口，换热器V1的低压出口与一个三通相连，三通剩余两个接口一个与热效应管出口VT3连接，另一个接口与前一级模块的低压入口相连；

本发明所使用的多元混合工质包括第一类气体工质和第二类气体工质，第一类气体工质的摩尔浓度为58-80％，其余第二类气体工质；

第一类气体工质包括氮气、氩气、含1-5个碳原子烷烃类气体的混合气体工质，第二类气体工质为氦气、氖气、氢气或其混合气体；

在第一类气体工质的组分中，沸点温度在230K-320K高沸点组分的摩尔浓度为10％-20％，沸点温度在120K-230K中间沸点组分的摩尔浓度为20％-25％，沸点温度在70K-100K液氮温区的摩尔浓度为30％-50％。

本发明综合利用多元混合物工质节流制冷技术与涡流膨胀制冷技术，扬长避短提出的可以高效地运行在液氖、液氢温区甚至于液氦温区的多元混合物工质节流与涡流膨胀相结合的复合循环制冷系统，将内复叠制冷循环的节流制冷机的最后一级节流元件用涡流管膨胀装置替代，构成本发明的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统。其最后一级汽液分离温度在80K～100K之间，分离后气体主要成分为沸点低于氮气的氖或氦气，而此温度区远高于氖或氦的临界温度，其节流效应在常规空调或制冷压缩机运行压力范围内非常小(对氦气来说仍高于其转换温度，为制热节流效应)，因此其本征制冷量非常小，以致制冷机无法达到更低制冷温度。而此时，涡流膨胀制冷效应则远大于节流制冷效应，通常情况下涡流膨胀效率能够达到40％左右，因此能够使得该复合循环制冷机仍保持较高的热效率。另外比较重要的一点就是涡流膨胀制冷正常运行压比一般在3～8之间，这恰好是混合物工质节流制冷机的运行压比范围，因此整个复合循环制冷系统仍可以采用常规的空调或制冷压缩机驱动。

本发明制冷循环的具体工作流程是：包含第一类物质和第二类物质的混合制冷工质进入压缩机模块CU，经压缩机C1压缩后成为高温高压的气体，进入冷却器C2冷却到环境温度，进入第一级多元混合工质制冷子模块MUZi，在该多元混合工质制冷子模块MUZi的分离器Mi-2内，混合物中夹带的润滑油及部分已经成为液相的高沸点组分被分离出来，经节流元件Mi-4节流后产生制冷效应，回到低压通道提供冷量，分离后的高压气体进入下一级多元混合工质制冷子模块MUZi，其中经历同样过程，高压流体得到进一步冷却，根据具体应用要求可以设计相应的多元混合工质制冷子模块的级数，在最后一级多元混合工质制冷子模块MUZi内，混合工质经过前几级分离冷却至80K-100K，仍为气液两相，进入分离器Mi-2，混合工质中的第一类物质绝大部分成为液态，液相工质经过节流元件Mi-4节流产生制冷效应进入低压通道提供冷量，因此经过前面多级多元混合工质制冷子模块的分离冷却，剩余工质全部为第二类工质，温度被冷却至80K左右，进入涡流管制冷模块VTU，在VTU模块内，高压工质进入逆流换热器V1进一步冷却后进入低温涡流管V2，在涡流管内膨胀产生两股温度不同的低压气体，具有制冷效应的冷气流进入低温蒸发器V3提供要求温度的冷量后返回换热器V1，在自身复温的时候冷却高压来流，具有热效应的低压气体从涡流管V2出来后，汇入相同温度的低压流体通道内，冷却具有较高温度的高压来流，这样经过涡流膨胀和节流后的气体依次汇合，最终返回压缩机，进行下一次循环。

本发明的优点：由于采用单台压缩机驱动，本制冷系统保持了节流制冷机的主要特点，简单可靠；在采用混合物工质的内复叠循环中，由于高沸点的组分在较高温度时形成液体经节流后回到低压通道，从而避免了高沸点组分在低温下有固相析出，堵塞节流元件，进一步增强了制冷系统的可靠性；高沸点组分在较高温度节流返回低压流道，从而使下一级换热器换热负荷减少，由此，可以减少循环中高沸点组分在低温段带来的流动损失及回热损失；由于高沸点组分在较高温度处节流回到低压流道，有效地改变了高低压气流的水当量配比，从而使回热效率提高，减少了回热损失，保持了较高的效率；在低温下采用了具有较高制冷效率的涡流膨胀代替此时很小甚至是制热效应的节流方式，确保能够有效运行在液氮温度以下，同时仍保持了制冷系统在低温部分没有运动部件所带来的低振动、长寿命等优点。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的结构框图示意图；

图2为本发明的压缩机模块CU的结构示意图；

图3为一种结构的多元混合工质制冷子模块MUZi的结构示意图；

图4为另一种结构的多元混合工质制冷子模块MUZi的结构示意图；

图5为涡流管制冷模块VTU的结构图；

图6为涡流管V2的接口示意图；

其中：压缩机模块CU                   混合工质中间节流制冷模块MU

      涡流管制冷模块VTU              压缩机C1

      冷却器C2                       润滑油分离器C3

      逆流热交换器Mi-1、Mi-3         汽液分离器Mi-2

      节流元件Mi-4                   逆流热交换器V1

      涡流管V2                       蒸发器V3

      涡流管进口VT1                  涡流管低压冷效应管出口VT2

      涡流管低压热效应管出口VT3      多元混合工质制冷子模块MUZi

由图1可知，本发明的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，包括压缩机模块CU、混合工质中间节流制冷模块MU和涡流管制冷模块VTU，压缩机模块CU的高压管出口连接混合工质中间节流制冷模块MU的高压进口管，压缩机模块CU低压进口管连接混合工质中间节流制冷模块MU低压出口管；混合工质中间节流制冷模块MU的高压出口管连接涡流管模块VTU的高压进口管，混合工质中间节流制冷模块MU的低压进口管与涡流管制冷模块VTU的低压出口管相连。

由图2可知，压缩机模块CU由压缩机C1，前冷却器C2，润滑油过滤回油器C3及其管路组成，压缩机C1的高压出口管连接一个三通连接管件同时与前冷却器C2的进口及润滑油过滤回油器C3的进口相连，前冷却器C2的出口为压缩机模块CU的高压出口，润滑油过滤回油器C3出口与一个三通管件相连，三通管件另外两个接口一个连接压缩机C1的低压进口，剩余一个接口为压缩机模块CU的低压入口。

图3是多元混合工质制冷子模块MUZi的一种结构示意图，由图可知，其结构包括逆流热交换器Mi-1、气液分离器Mi-2、逆流热交换器Mi-3、节流元件Mi-4及其管路，前一级模块的高压出口连接逆流热交换器Mi-1的高压进口，逆流热交换器Mi-1的高压出口连接气液分离器Mi-2的高压进口，气液分离器Mi-2的高压气体出口连接换热器Mi-3的高压入口，换热器Mi-3的高压出口为该多元混合工质制冷子模块MUZi的高压出口；气液分离器Mi-2底部的高压液体出口连接节流元件Mi-4，换热器Mi-3的低压入口与一个三通管件连接，三通管件的两个接口一个与下一级模块的低压出口相连，另一个与节流元件Mi-4的出口相连，换热器Mi-3的低压出口连接换热器Mi-1的低压入口，换热器Mi-1的低压出口与前一级模块的低压入口连接。

图4是多元混合工质制冷子模块MUZi的另一种结构示意图，由图可知，其结构包括气液分离器Mi-2、节流元件Mi-4及逆流换热器Mi-3，前一级模块的高压出口连接气液分离器Mi-2的高压入口，气液分离器Mi-2的高压气体出口连接换热器Mi-3的高压进口，换热器Mi-3的高压出口与下一级模块的高压入口相连；气液分离器Mi-2的高压分离液体出口与节流元件Mi-4相连；换热器Mi-3低压入口与一个三通管件相连，三通管件的另外两个接口，一个与下一级模块的低压出口相连，剩余一个连接节流元件Mi-4的出口，换热器Mi-3的低压出口与前一级模块的低压入口相连。

图5是涡流管制冷模块VTU结构图，由图可知，该涡流管制冷模块VTU包括逆流热交换器V1、涡流管V2和蒸发器V3，前一级模块的高压出口与逆流热交换器V1的高压入口相连，逆流热交换器V1的高压出口与涡流管V2高压进口VT1相连，涡流管有冷效应管出口VT2和热效应管出口VT3两个出口，其中冷效应管出口VT2连接蒸发器V3的进口，蒸发器V3的出口连接换热器V1的低压进口，换热器V1的低压出口与一个三通相连，三通剩余两个接口一个与热效应管出口VT3连接，另一个接口与前一级模块的低压入口相连。实施例1：采用单级油润滑空调压缩机驱动的本发明的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，可达到30K-60K温区，其结构框图见图1，压缩机模块CU的结构示意图见图2，混合工质中间节流制冷模块VTU采用2级多元混合工质制冷子模块MUZ，第一级多元混合工质制冷子模块MUZi的结构示意图见图3，第二级多元混合工质制冷子模块MUZi的结构示意图见图4，涡流管制冷模块VTU的结构示意见图5；由图1可知，本实施例各组件的连接方式为：压缩机模块CU的高压管出口连接混合工质中间节流制冷模块MU的高压进口管，压缩机模块CU的低压进口管连接混合工质中间节流制冷模块MU的低压出口管，混合工质中间节流制冷模块MU的高压出口管连接涡流管模块VTU的高压进口管，混合工质中间节流制冷模块MU的低压进口管与涡流管制冷模块VTU的低压出口管相连；由图2可知，压缩机模块CU由压缩机C1(采用1kW空调压缩机)，前冷却器C2，润滑油过滤回油器C3及其管路组成，压缩机C1的高压出口管连接一个三通连接管件同时与前冷却器C2的进口及润滑油过滤回油器C3的进口相连，前冷却器C2的出口为压缩机模块CU的高压出口，润滑油过滤回油器C3的出口与一个三通管件相连，三通管件另外两个接口一个连接压缩机C1的低压进口，剩余一个接口为压缩机模块CU的低压入口；由3图可知，第一级多元混合工质制冷子模块MUZi的结构为：包括逆流热交换器Mi-1、气液分离器Mi-2、逆流热交换器Mi-3、节流元件Mi-4及其管路，压缩机模块CU的高压出口连接逆流热交换器Mi-1的高压进口，逆流热交换器Mi-1的高压出口连接气液分离器Mi-2的高压进口，气液分离器Mi-2的高压气体出口连接换热器Mi-3的高压入口，换热器Mi-3的高压出口为该多元混合工质制冷子模块MUZi的高压出口，气液分离器Mi-2底部的高压液体出口连接节流元件Mi-4，换热器Mi-3的低压入口与一个三通管件连接，三通管件的另两个接口一个与多元混合工质制冷子模块的低压出口相连，一个与节流元件Mi-4的出口相连，换热器Mi-3的低压出口连接换热器Mi-1的低压入口，换热器Mi-1的低压出口与压缩机模块CU的低压入口连接；由图4可知，第二级多元混合工质制冷子模块MUZi的结构为：包括气液分离器Mi-2、节流元件Mi-4及逆流换热器Mi-3，第一级多元混合工质制冷子模块的高压出口连接气液分离器Mi-2的高压入口，气液分离器Mi-2的高压气体出口连接换热器Mi-3的高压进口，换热器Mi-3的高压出口与下一级模块的高压入口相连；气液分离器Mi-2的高压分离液体出口与节流元件Mi-4相连；换热器Mi-3的低压入口与一个三通管件相连，三通管件的另外两个接口，一个与下一级模块的低压出口相连，剩余一个连接节流元件Mi-4的出口，换热器Mi-3的低压出口与第一级多元混合工质制冷子模块MUZi的低压入口相连；由图5可知，涡流管制冷模块VTU包括逆流热交换器V1、涡流管V2和蒸发器V3，前一级模块的高压出口与逆流热交换器V1的高压入口相连，逆流热交换器V1的高压出口与涡流管V2高压进口VT1相连，涡流管V2有两个出口，冷效应管出口VT2和热效应管出口VT3，其中冷效应管出口VT2连接蒸发器V3的进口，蒸发器V3的出口连接换热器V1的低压进口，换热器V1的低压出口与一个三通相连，三通剩余两个接口一个与热效应管出口VT3连接，另一个接口与前一级模块的低压入口相连；本实施例使用的多元混合物工质由第一类物质及第二类物质组成，第一类物质由N2、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、iC5H12组成，其各组分摩尔比例为30％、20％、15％、20％、10％、5％(在第一类物质内部摩尔含量比例，以下表达方法均相同)，第一类物质其摩尔含量占总混合工质组成的70％；第二类物质是由He(55％)、Ne(45％)组成的混合物，其占总混合工质组成的30％；本实施例最低制冷温度可达30K，在60K以下能够提供一定的制冷量，适合用于高温超导器件。实施例2：本发明达到20K温区的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统的结构框图见图1，压缩机模块CU的结构图见图2，混合工质中间节流制冷模块MU采用2级多元混合工质制冷子模块MUZi，其结构见图3，涡流管制冷模块VTU的结构见图5，由图1可知，本实施例的结构为：压缩机模块CU的高压管出口连接中间制冷模块MU的高压进口管，压缩机模块CU的低压进口管连接混合工质中间节流制冷模块MU的低压出口管；混合工质中间节流制冷模块MU的高压出口管连接涡流管制冷模块VTU的高压进口管，混合工质中间节流制冷模块MU的低压进口管与涡流管制冷模块VTU的低压出口管相连；由图2可知，压缩机模块CU的结构为：由压缩机C1(采用2kW空调压缩机)，前冷却器C2，润滑油过滤回油器C3及其管路组成，压缩机C1的高压出口管连接一个三通连接管件同时与前冷却器C2的进口及润滑油过滤回油器C3的进口相连，由前冷却器C2的出口为压缩机模块CU的高压出口，润滑油过滤回油器C3的出口与一个三通管件相连，三通管件另外两个接口一个连接压缩机C1的低压进口，剩余一个接口充当压缩机模块CU的低压入口；由3图可知，第一级多元混合工质制冷子模块MUZi的结构为：包括逆流热交换器Mi-1、气液分离器Mi-2、逆流热交换器Mi-3、节流元件Mi-4及其管路，压缩机模块CU的高压出口连接逆流热交换器Mi-1的高压进口，逆流热交换器Mi-1的高压出口连接气液分离器Mi-2的高压进口，气液分离器Mi-2的高压气体出口连接换热器Mi-3的高压入口，换热器Mi-3的高压出口为该多元混合工质制冷子模块MUZi的高压出口，气液分离器Mi-2底部的高压液体出口连接节流元件Mi-4，换热器Mi-3的低压入口与一个三通管件连接，剩余两个接口一个与下一级多元混合工质制冷子模块MUZi的低压出口相连，另一个与节流元件Mi-4的出口相连，换热器Mi-3的低压出口连接换热器Mi-1的低压入口，换热器Mi-1的低压出口与压缩机模块CU的低压入口连接；第二级多元混合工质制冷子模块MUZi的连接方式完全同第一级多元混合工质制冷子模块MUZi；由图5可知，涡流管制冷模块VTU的结构为：包括逆流热交换器V1、涡流管V2和蒸发器V3，前一级模块的高压出口与逆流热交换器V1的高压入口相连，逆流热交换器V1的高压出口与涡流管V2的高压进口VT1相连，涡流管有两个出口，冷效应管出口VT2和热效应管出口VT3，其中冷效应管出口VT2连接蒸发器V3的进口，蒸发器V3的出口连接换热器V1的低压进口，换热器V1的低压出口与一个三通相连，三通剩余两个接口一个与热效应管出口VT3连接，另一个接口与前一级模块的低压入口相连；本实施例使用的多元混合工质由第一类物质及第二类物质组成，第一类物质由N2、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、iC5H12组成，其各组分摩尔比例为30％、20％、15％、20％、10％、5％，第一类物质其摩尔含量占总组成的60％；第二类物质由He(60％)、H2(40％)组成的混合工质，占总混合工质摩尔组成的40％。实施例3：采用本发明达到液氦温区的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，其结构框图见图1，压缩机模块CU的结构同实施例1，压缩机采用2.5kW的单级油润滑的空调压缩机(R22压缩机)；涡流管制冷模块VTU的结构同实施例1；中间制冷模块采用三级多元混合工质制冷子模块，其中第一级多元混合工质制冷子模块和第二级多元混合工质制冷子模块的结构同实施例1中的第一级多元混合工质制冷子模块和第二级多元混合工质制冷子模块，第三级多元混合工质制冷子模块的结构与第一级多元混合工质制冷子模块的结构相同；所使用的多元混合物工质由第一类物质及第二类物质组成，第一类物质由N2、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、iC5H12组成，其各组分摩尔比例为30％、20％、15％、20％、10％、5％，第一类物质其摩尔含量占总组成的60％；第二类物质由He组成，占总混合物摩尔组成的40％；本实施例能够达到液氦温区，并能够提供一定的制冷量。

Claims (6)

1、一种利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，其特征在于：包括压缩机模块CU、混合工质中间节流制冷模块MU和涡流管制冷模块VTU，其连接方式为：压缩机模块CU的高压管出口连接混合工质中间节流制冷模块MU的高压进口管，压缩机模块CU低压进口管连接混合工质中间节流制冷模块MU低压出口管；混合工质中间节流制冷模块MU的高压出口管连接涡流管模块VTU的高压进口管，混合工质中间节流制冷模块MU的低压进口管与涡流管制冷模块VTU的低压出口管相连；

所述压缩机模块CU由压缩机C1，前冷却器C2及润滑油过滤回油器C3及其管路组成，其连接方式为：压缩机C1的高压出口管连接一个三通连接管件同时与前冷却器C2的进口及润滑油过滤回油器C3的进口相连，前冷却器C2的出口为压缩机模块CU的高压出口，润滑油过滤回油器C3出口与一个三通管件相连，三通管件另外两个接口一个连接压缩机C1的低压进口，剩余一个接口为压缩机模块CU的低压入口；

所述的混合工质中间节流制冷模块MU由2-3级多元混合工质制冷子模块MUZi内部复叠组成，每一级多元混合工质制冷子模块MUZi的结构为：包括逆流热交换器Mi-1、气液分离器Mi-2、逆流热交换器Mi-3、节流元件Mi-4及其管路，其连接方式为：前一级模块的高压出口连接逆流热交换器Mi-1的高压进口，逆流热交换器Mi-1的高压出口连接气液分离器Mi-2的高压进口，气液分离器Mi-2的高压气体出口连接换热器Mi-3的高压入口，换热器Mi-3的高压出口为该多元混合工质制冷子模块的高压出口，气液分离器Mi-2底部高压液体出口连接节流元件Mi-4，换热器Mi-3的低压入口与一个三通管件连接，三通管的另两个接口一个与下一级模块的低压出口相连，另一个与节流元件Mi-4的出口相连，换热器Mi-3的低压出口连接换热器Mi-1的低压入口，换热器Mi-1的低压出口与前一级模块的低压入口连接；

所述的涡流管制冷模块VTU包括逆流热交换器V1、涡流管V2和蒸发器V3，其连接方式为：前一级模块的高压出口与逆流热交换器V1的高压入口相连，逆流热交换器V1的高压出口与涡流管V2的高压进口VT1相连，涡流管V2有两个出口，冷效应管出口VT2和热效应管出口VT3，其中冷效应管出口VT2连接蒸发器V3的进口，蒸发器V3的出口连接换热器V1的低压进口，换热器V1的低压出口与一个三通相连，三通剩余两个接口一个与热效应管出口VT3连接，另一个接口与前一级模块的低压入口相连。

2、按权利要求1所述的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，其特征在于：所述的混合工质中间节流制冷模块MU中的每一级多元混合工质制冷子模块MUZi的结构为：包括气液分离器Mi-2、节流元件Mi-4及逆流换热器Mi-3，其连接方式为：前一级模块的高压出口连接气液分离器Mi-2的高压入口，气液分离器Mi-2的高压气体出口连接换热器Mi-3的高压进口，换热器Mi-3的高压出口与下一级模块的高压入口相连；气液分离器Mi-2的高压分离液体出口与节流元件Mi-4相连；换热器Mi-3的低压入口与一个三通管件相连，三通管件的另外两个接口，一个与下一级模块的低压出口相连，剩余一个连接节流元件Mi-4的出口，换热器Mi-3的低压出口与前一级模块的低压入口相连。

3、按权利要求1所述的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，其特征在于：所使用的多元混合工质包括第一类气体工质和第二类气体工质，第一类气体工质的摩尔浓度为58％-80％：其余为第二类气体工质；第一类气体工质为包括氮气、氩气及含1-5个碳原子烷烃类气体的混合气体工质，第二类气体工质为氦气、氖气、氢气或其混合气体。

4.按权利要求1所述的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，其特征在于：所使用的第一类气体工质的组分中，沸点温度在230K-320K的高沸点组分的摩尔浓度为10％-20％，沸点温度在120K-230K的中间沸点组分的摩尔浓度为20％-25％，沸点温度在70K-100K液氮温区组分的摩尔浓度为30％-50％。

5.按权利要求2所述的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，其特征在于：所使用的第一类气体工质的组分中，沸点温度在230K-320K的高沸点组分的摩尔浓度为10％-20％，沸点温度在120K-230K的中间沸点组分的摩尔浓度为20％-25％，沸点温度在70K-100K液氮温区组分的摩尔浓度为30％-50％。

6.按权利要求3所述的利用多元混合工质节流与低温涡流膨胀制冷的内复叠循环制冷系统，其特征在于：所使用的第一类气体工质的组分中，沸点温度在230K-320K的高沸点组分的摩尔浓度为10％-20％，沸点温度在120K-230K的中间沸点组分的摩尔浓度为20％-25％，沸点温度在70K-100K液氮温区组分的摩尔浓度为30％-50％。

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