阅读说明：本技术 一种超低温环境室用两级搭配制冷系统 (Two-stage collocation refrigerating system for ultralow temperature environment room ) 是由 刘登辉 王芳 汪青青 王宇翔 王智基 余馨怡 唐剑宇 凌广 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种超低温环境室用两级搭配制冷系统,包括高压级压缩机、冷凝器、中间压力膨胀阀、中间冷却器、气液分离器、带回热气液分离器、蒸发模块和低压级压缩机；冷凝器和气液分离器均与高压级压缩机相接,冷凝器输出口与第一支路和第二支路相接,第一支路于输入端起依次设有第一电磁阀和中间压力膨胀阀；第一支路和第二支路输出端均与中间冷却器相接,中间冷却器通过第三支路与气液分离器相接；带回热气液分离器与中间冷却器相接,带回热气液分离器通过第六支路与第三支路相接,第六支路上设有低压级压缩机,蒸发模块的两端均与带回热气液分离器相接,蒸发模块输出口通过第五支路与第三支路相接,第五支路上设有第四电磁阀。(The invention provides a two-stage matching refrigeration system for an ultralow temperature environment room, which comprises a high-pressure stage compressor, a condenser, an intermediate pressure expansion valve, an intercooler, a gas-liquid separator, a hot gas-liquid separator with return, an evaporation module and a low-pressure stage compressor, wherein the high-pressure stage compressor is connected with the condenser; the condenser and the gas-liquid separator are connected with the high-pressure stage compressor, the output port of the condenser is connected with a first branch and a second branch, and the input end of the first branch is sequentially provided with a first electromagnetic valve and an intermediate pressure expansion valve; the output ends of the first branch and the second branch are connected with an intercooler, and the intercooler is connected with a gas-liquid separator through a third branch; the hot gas liquid separator with the return function is connected with the intercooler, the hot gas liquid separator with the return function is connected with the third branch through the sixth branch, the sixth branch is provided with the low-pressure compressor, the two ends of the evaporation module are connected with the hot gas liquid separator with the return function, the output port of the evaporation module is connected with the third branch through the fifth branch, and the fifth branch is provided with the fourth electromagnetic valve.)

一种超低温环境室用两级搭配制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷系统领域，尤其涉及一种超低温环境室用两级搭配制冷系统。

背景技术

超低温环境室是能够模拟低温环境的实验室。超低温环境室在科学实验领域和产品开发服务方面有着广泛的应用，如能源/核技术、交通/运输、机械、食品/药品、医疗/卫生、电子信息等方面。制冷系统是超低温环境室的关键组成部分，制冷系统性能的好坏直接影响超低温环境室的降温速率和温度稳定性。对于传统的宽工况超低温环境实验室制冷系统采用两套独立的制冷系统，中高温工况采用单级压缩制冷系统，低温工况采用两级压缩制冷系统或复叠制冷系统，两套系统独立控制。采用两套独立的制冷系统，所需的制冷部件较多，占用较大的安装空间，而且造成超低温实验室的初投资较高。两套独立的制冷系统需要两套独立的控制系统，造成控制系统复杂，不易实现。另外，超低温环境室是高耗能实验设备，制冷系统是超低温实验室中能耗最高的一部分，提高制冷系统的性能系数能够显著的降低能耗。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种超低温环境室用两级搭配制冷系统，采用较少的设备部件减少安装空间，合理控制电磁阀的启闭，以实现单级/双级压缩制冷模式的切换，使环境室降温速率更快，温度控制更加稳定。

为了实现上述目的，本发明提出一种超低温环境室用两级搭配制冷系统，包括高压级压缩机、冷凝器、中间压力膨胀阀、中间冷却器、气液分离器、带回热气液分离器、蒸发模块和低压级压缩机，其中：

所述冷凝器的输入口与所述高压级压缩机相接，所述冷凝器的输出口分别与第一支路和第二支路的输入端相接，所述第一支路于输入端起依次设有所述第一电磁阀和中间压力膨胀阀；

所述中间冷却器上设有第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，所述第一支路的输出端与所述第一进口相接，所述第二支路的输出端与所述第二进口相接，所述第一出口通过第三支路与所述气液分离器的输入口相接，所述气液分离器的输出口与所述高压级压缩机的输入口相接；

所述带回热气液分离器上设有第三进口、第三出口、第四进口和第四出口，所述第三进口与所述第二出口相接，所述蒸发模块的输入口与所述第三出口相接，所述蒸发模块的输出口分别与第四支路和第五支路的输入端相接，所述第四支路的输出端与所述第四进口相接，所述第五支路的输出端与所述第三支路相接，所述第五支路上设有第四电磁阀；所述第四出口通过第六支路与所述第三支路相接，所述第六支路上设有所述低压级压缩机。

进一步地，在所述的超低温环境室用两级搭配制冷系统中，所述高压级压缩机的输出口与所述冷凝器的输入口之间设有油分离器。

进一步地，在所述的超低温环境室用两级搭配制冷系统中，所述中间冷却器为板式换热器。

进一步地，在所述的超低温环境室用两级搭配制冷系统中，所述蒸发模块为双蒸发器结构。

进一步地，在所述的超低温环境室用两级搭配制冷系统中，所述蒸发模块由并联的中温蒸发路线和低温蒸发路线构成，所述中温蒸发路线于输入端起依次设有第二电磁阀、中温膨胀阀和第一蒸发器，所述低温蒸发路线于输入端起依次设有第三电磁阀、低温膨胀阀和第二蒸发器；所述中温蒸发路线和低温蒸发路线之间设有通流的单向阀，所述单向阀的输入口与所述第二蒸发器的进液管相连，所述单向阀的输出口与所述第一蒸发器的进液管相连。

进一步地，在所述的超低温环境室用两级搭配制冷系统中，所述第一蒸发器和第二蒸发器均为翅片管式蒸发器。

进一步地，在所述的超低温环境室用两级搭配制冷系统中，还包括控制系统，所述控制系统包括控制屏、PLC控制器、蒸发器热电偶和环境室热电偶，所述控制屏与所述PLC控制器电连接，所述PLC控制器通过所述蒸发器热电偶测量制冷剂的蒸发温度，所述PLC控制器通过所述环境室热电偶测量所述蒸发模块的回风温度，所述PLC控制器分别与所述高压级压缩机、第一电磁阀、第四电磁阀、蒸发模块和低压级压缩机电连接。

进一步地，在所述的超低温环境室用两级搭配制冷系统中，所述高压级压缩机采用变频技术，即所述PLC控制器通过变频器控制所述高压级压缩机的频率。

进一步地，在所述的超低温环境室用两级搭配制冷系统中，所述冷凝器上设有冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水进口处设有冷却水循环泵，所述PLC控制器与所述冷却水循环泵电连接。

进一步地，在所述的超低温环境室用两级搭配制冷系统中，所述蒸发模块内设有蒸发器风机，所述蒸发器风机用于控制所述第一蒸发器和第二蒸发器的蒸发速率，所述蒸发器风机采用变频技术，即所述PLC控制器通过变频器控制所述蒸发器风机的频率，且所述PLC控制器分别与所述第二电磁阀和第三电磁阀电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：通过电磁阀的启闭，可进行单级压缩制冷模式、双级压缩制冷模式和单双级切换制冷模式，根据不同的工况选择不同的制冷模式，中高温工况时选择单级制冷模式显著提高制冷系数，控制系统易于实现，操作简单。

附图说明

图1为本发明中超低温环境室用两级搭配制冷系统的原理示意图；

图2为本发明中超低温环境室用两级搭配制冷系统的控制系统的原理示意图。

其中：高压级压缩机11、油分离器12、冷凝器13、第一支路21、第二支路22、第一电磁阀23、中间压力膨胀阀24、中间冷却器3、第一进口31、第一出口32、第二进口33、第二出口34、气液分离器41、第三支路42、带回热气液分离器5、第三进口51、第三出口52、第四进口53、第四出口54、第二电磁阀61、中温膨胀阀62、第一蒸发器63、第三电磁阀64、低温膨胀阀65、第二蒸发器66、单向阀67、冷却水进口71、冷却水出口72、冷却水循环泵73、第四支路81、第五支路82、第四电磁阀83、第六支路84、低压级压缩机85、控制屏91、PLC控制器92、蒸发器热电偶93、环境室热电偶94、变频器95、蒸发器风机96。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的超低温环境室用两级搭配制冷系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明提出一种超低温环境室用两级搭配制冷系统，包括高压级压缩机11、冷凝器13、中间压力膨胀阀24、中间冷却器3、气液分离器41、带回热气液分离器5、蒸发模块、低压级压缩机85和控制系统。

具体地，如图1所示，高压级压缩机11的输出口与冷凝器13的输入口之间设有油分离器12，冷凝器13的输出口分别与第一支路21和第二支路22的输入端相接，第一支路21于输入端起依次设有第一电磁阀23和中间压力膨胀阀24。中间冷却器3为板式换热器，且中间冷却器3上设有第一进口31、第一出口32、第二进口33和第二出口34，中间冷却器3内存在将第一进口31和第一出口32通连的第一流道，且中间冷却器3内还存在将第二进口33和第二出口34通连的第二流道，第一流道与第二流道仅进行热传递。第一支路21的输出端与第一进口31相接，第二支路22的输出端与第二进口33相接，第一出口32通过第三支路42与气液分离器41的输入口相接，气液分离器41的输出口与高压级压缩机11的输入口相接。

同时，如图1所示，带回热气液分离器5上设有第三进口51、第三出口52、第四进口53和第四出口54，带回热气液分离器5内具有进行气液分离的分离腔，且带回热气液分离器5内还存在与第三进口51和第三出口52通连的第三流道，第三流道贯穿分离腔，第四进口53为分离腔的进气口，第四出口54为分离腔的出气口。带回热气液分离器5的第三进口51与中间冷却器3的第二出口34相接，蒸发模块的输入口与带回热气液分离器5的第三出口52相接，蒸发模块的输出口分别与第四支路81和第五支路82的输入端相接，第四支路81的输出端与第四进口53相接，第五支路82的输出端与第三支路42相接，第五支路82上设有第四电磁阀83；第四出口54通过第六支路84与第三支路42相接，第六支路84上设有低压级压缩机85。

进一步地，如图1所示，蒸发模块为双蒸发器结构，由并联的中温蒸发路线和低温蒸发路线构成，中温蒸发路线于输入端起依次设有第二电磁阀61、中温膨胀阀62和第一蒸发器63，低温蒸发路线于输入端起依次设有第三电磁阀64、低温膨胀阀65和第二蒸发器66；中温蒸发路线和低温蒸发路线之间设有通流的单向阀67，单向阀67的输入口与第二蒸发器66的进液管相连，单向阀67的输出口与第一蒸发器63的进液管相连。同时，蒸发模块内设有蒸发器风机96，蒸发器风机96用于控制第一蒸发器63和第二蒸发器66的蒸发速率，且第一蒸发器63和第二蒸发器66均为翅片管式蒸发器。

此外，如图2所示，控制系统包括控制屏91、PLC控制器92、蒸发器热电偶93和环境室热电偶94，控制屏91与PLC控制器92电连接，PLC控制器92通过蒸发器热电偶93测量制冷剂的蒸发温度，PLC控制器92通过环境室热电偶94测量蒸发模块的回风温度。同时，高压级压缩机11和蒸发器风机96均采用变频技术，高压级压缩机11的频率变化范围为30Hz～50Hz。冷凝器3上设有冷却水进口71和冷却水出口72，冷却水进口71处设有冷却水循环泵73。综上所述，PLC控制器92分别与高压级压缩机11、冷却水循环泵73、第一电磁阀23、第二电磁阀61、第二蒸发器66、第四电磁阀83、蒸发器风机96和低压级压缩机85电连接，且PLC控制器92分别通过变频器95控制高压级压缩机11和蒸发器风机96的工作频率。

如图1至图2所示，在单级压缩制冷模式时,PLC控制器依次控制冷却水循环泵73、蒸发器风机96、高压级压缩机11启动，第二电磁阀61和第四电磁阀83的线圈通电，电磁阀开启，第一电磁阀23和第三电磁阀64的线圈断电，电磁阀关闭。蒸发器热电偶93和环境室热电偶94测量得到的信号值经温度数/模转换后传输给PLC控制器，直至制冷剂的蒸发温度降低至-25℃或蒸发器的回风温度降低至-20℃时，PLC控制器控制低压级压缩机85启动，第二电磁阀61和第四电磁阀83断电关闭，第一电磁阀23和第三电磁阀64通电开启，以完成单/双级制冷模式的切换。

如图1至图2所示，具体操作情况如下：

中高温工况下，制冷系统运行模式为单级压缩制冷模式，高压级压缩机11启动，第二电磁阀61和第四电磁阀83开启，第一电磁阀23和第三电磁阀64关闭。高压级压缩机11启动时，变频器95的输出最大频率50Hz，高压级压缩机11全速运行，使环境室温度迅速下降至所需温度，而后减小变频器95的频率至适当值，高压级压缩机11低速运转以维持环境室温度为设定值。

高压级压缩机11将制冷剂压缩至高温高压状态，通过压缩机排气管道进入油分离器12，油分离器12将高温高压的制冷剂气体与润滑油的混合物分离，油通过回油管回到高压级压缩机11，高温高压的制冷剂气体进入壳管式冷凝器13，壳管式冷凝器13将高温高压的制冷剂气体冷凝为中温高压的制冷剂液体。由于第一电磁阀23关闭，中温高压的制冷剂液体仅通过第二支路22进入中间冷却器3的第二流道，并从带回热气液分离器5进入蒸发模块，于第二电磁阀61处进入中温蒸发路线的中温膨胀阀62，中温膨胀阀62将中温高压的制冷剂液体节流降压为低温低压的制冷剂气液混合物，制冷剂气液混合物进入第一蒸发器63内与环境室换热，使环境室可维持在温度最低-20℃的低温环境。由于低压级压缩机85并未启动，气液分离器41仅与蒸发模块相连，即经第一蒸发器63蒸发后的制冷剂蒸气从第五支路82流经第四电磁阀83后到达气液分离器41，制冷剂蒸气经气液分离器41进行气液分离后分离出低压制冷剂中的液滴，由于气液分离器41出口与高压级压缩机11进气端相连接，制冷剂蒸气通过压缩机吸气管回到高压级压缩机11进行下一次的制冷循环。

低温工况下，制冷系统运行模式为双级压缩制冷模式，高压级压缩机11、低压级压缩机85均启动，第一电磁阀23和第三电磁阀64开启，第二电磁阀61和第四电磁阀83关闭。

高压级压缩机11将制冷剂压缩至高温高压状态，通过压缩机排气管道进入油分离器12，油分离器12将高温高压的制冷剂气体与润滑油的混合物分离，油通过回油管回到高压级压缩机11，高温高压的制冷剂气体进入壳管式冷凝器13，壳管式冷凝器13将高温高压的制冷剂气体冷凝为中温高压的制冷剂液体。由于第一电磁阀23开启，制冷剂液体分别进入第一支路21和第二支路22，第一支路21上的制冷剂液体流经第一电磁阀23进入中间压力膨胀阀24，中间压力膨胀阀24将制冷剂节流降温后引入中间冷却器3的第一流道，第二支路22直接将制冷剂液体引入中间冷却器3的第二流道，中间冷却器3将第一流道内降温降压后的制冷剂与第二流道内的制冷剂进行热交换，使第二流道内的制冷剂过冷。

第二流道内过冷后的制冷剂液体进入带回热气液分离器5的第三流道内，由于带回热气液分离器5与蒸发模块的两端相连，蒸发模块排出的制冷剂蒸气在带回热气液分离器5中对由中间冷却器3过冷后的制冷剂液体进行进一步的过冷。

蒸发模块的输入口接收由带回热气液分离器5第三流道内进一步过冷的制冷剂液体，由于第二电磁阀61关闭而第三电磁阀64开启，低温蒸发路线上的低温膨胀阀65将过冷的高压制冷剂液体节流降温降压，并利用单向阀67使第一蒸发器63和第二蒸发器66均与低温膨胀阀65相连，降温降压后的制冷剂流入两个蒸发器，蒸发并吸收环境室的热量，使环境室可维持在温度最低-40℃的低温环境。蒸发模块内两个蒸发器的输出口相连，将蒸发后的制冷剂蒸气于第四支路81导入带回热气液分离器5的分离腔内，方便分离腔内的制冷剂蒸气与第三流道内过冷的制冷剂液体进行热交换，使第三流道内的制冷剂进行进一步的过冷，而分离腔内的制冷剂蒸气也分离出低压制冷剂蒸气中的液滴并回热。

低压级压缩机85进气端与带回热气液分离器5的第四出口54相连接，分离出的制冷剂气体通过第六支路84进入低压级压缩机85，低压级压缩机85将制冷剂压缩以升温升压，升温升压后的制冷剂气体与中间冷却器3第一流道排出的饱和制冷剂蒸气通过第三支路42混合后进入气液分离器41。由于气液分离器41出口与高压级压缩机11进气端相连接，制冷剂蒸气通过压缩机吸气管回到高压级压缩机11进行下一次的制冷循环。

低温工况下，制冷系统运行模式为单/双级切换制冷模式，高压级压缩机11先启动，此时第二电磁阀61和第四电磁阀83开启，第一电磁阀23和第三电磁阀64关闭。待环境室温度降低至-20℃时，低压级压缩机85启动，同时将第二电磁阀61和第四电磁阀83关闭，第一电磁阀23和第三电磁阀64开启，以完成制冷模式的切换，其切换前为单级压缩制冷模式，切换后为双级压缩制冷模式。

综上，在本实施例中，提出的超低温环境室用两级搭配制冷系统，具有以下特点：

1.本发明是在一级节流中间不完全冷却制冷系统的基础上改进形成的，可进行单级压缩制冷模式、双级压缩制冷模式和单/双级切换制冷模式，根据不同的工况选择不同的制冷模式，能为超低温环境室提供最低达-40℃的稳定低温环境，中高温工况时选择单级制冷模式显著提高制冷系数，低温工况下选择双级压缩制冷模式，使环境室快速达到设定温度值。

2.低温工况下，采用单/双级切换制冷模式时，能降低系统运行能耗；采用双级压缩制冷模式时，能够减少环境室达到设定温度所需时间。客户可根据不同的需求，在低温工况下采用不同的制冷模式。

3.制冷系统采用两级搭配的形式，与传统超低温实验室制冷机组(一套单级压缩，一套双级压缩)相比，减少了制冷系统的部件，降低了成本，有利于减少实验室建设初投资。

4.本发明的两级搭配制冷系统通过多个电磁阀的启闭能实现单/双级压缩制冷模式的切换，控制系统易于实现，操作简单。

5.本发明的高压级压缩机为变频式压缩机，环境室热负荷高时，频率升高，压缩机高速运转提高制冷量，使环境室快速降温至所需环境温度，环境室热负荷低时，频率降低，压缩机低速运转维持环境室温度。控制系统可根据温度信号控制变频器输出频率在30Hz～50Hz范围内变化，有利于制冷系统的能量调节，实现节能。

6.本发明采用的带回热气液分离器能有效降低湿压缩的风险，增大制冷剂的有效过冷度，提高制冷系数，提高低压级压缩机的吸气温度，防止低压级压缩机的润滑油油温过低，影响润滑油性能。

7.控制系统采用PLC控制，保证了制冷系统的可靠运行，控制过程简单，易于实现，易于操作。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。