具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，本发明实施例提供一种基于超音速制冷效应的新型压缩式制冷系统，该制冷系统包括依次连接的压缩机1、冷凝器2和超音速旋流分离器3。还包括蒸发器4。超音速旋流分离器3的末端设有扩压器34，蒸发器4串联设于超音速旋流分离器3的扩压器34的入口处。

基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器3最早应用在1989年，用于气液的分离过程。后被引入到天然气处理加工领域，主要用于天然气的脱水、脱重烃。超音速旋流分离器3既具有制冷效应，且末端设有扩压器34。本实施例提供的制冷系统提出设置超音速旋流分离器3代替传统制冷系统中的节流装置。既利用超音速旋流分离器3的制冷效应，达到传统节流装置降温的效果；又通过将流经蒸发器4后的制冷工质引入扩压器34中，可实现对蒸发器4流出工质的增压升温作用。从而可弥补传统节流装置对制冷工质的压降。

本实施例提供的一种基于超音速制冷效应的新型压缩式制冷系统，设置基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器3作为膨胀降温元件，较蒸汽压缩式制冷系统中传统的节流装置如节流阀、膨胀机等，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器3自身无转动部件)、长期可靠的优点。

研究表明在相同压降的情况下，超音速旋流分离器3内温降较传统节流装置如节流阀、膨胀机、涡流管更大，具有更好的制冷效果。此外，超音速旋流分离器3具有节流阀、膨胀机、涡流管等所不具有的优点，即可通过扩压器34进行升压，大大减少气体的压力损失。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图3，超音速旋流分离器3具有液体出口，液体出口与蒸发器4的入口相连，蒸发器4的出口通过回流管路连接于扩压器34的入口。超音速旋流分离器3具有气液分离的作用。液体出口设在扩压器34之前，用于流出液体。通入超音速旋流分离器3的制冷工质温度会进一步降低，温度降低液化后产生的制冷工质液体会从液体出口汇集流出；而未液化的制冷工质气体则直接流入扩压器34中，与蒸发器4回流的制冷工质汇合，进行扩压。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图3，超音速旋流分离器3还包括依次相连的旋流装置31、Laval喷管膨胀器32和旋流气液分离器33，旋流气液分离器33上设有液体收集装置36，液体收集装置36上设有液体出口，旋流气液分离器33的气体出口连接于扩压器34的入口，扩压器34的出口连接有导向叶片35。

在上述实施例的基础上，进一步地，Laval喷管膨胀器32包括依次相连的稳定段321、亚音速收缩段322、喉部323和超音速扩张段324，其中稳定段321连接于旋流装置31的出口。

参考图3，超音速旋流分离器3一般由旋流装置31、Laval喷管膨胀器32、旋流气液分离器33及扩压器34等4部分构成。气体膨胀制冷及液化过程均主要发生在Laval喷管膨胀器32内。Laval喷管膨胀器32可分为稳定段321、亚音速收缩段322、喉部323及超音速扩张段324等4部分。工作原理具体为：气体进入旋流装置31旋转，具有一定的加速度；在Laval喷管膨胀器32内急剧膨胀至超音速，形成低温低压环境(温度的降低是由于部分气体的热量转化为动能)，部分气体发生凝结液化形成气液两相流动；在旋转产生的切向速度和强烈旋流场离心力作用下液滴被甩到管壁，在旋流气液分离器33内由专门的液体出口排出，而气体经扩压器34排出，实现气液分离；经扩压器34减速、增压、升温后，使气体经超音速旋流分离器3损失的压力能大部分得以恢复，大大减少气体的压力损失。

在上述实施例的基础上，进一步地，回流管路上设有回流单向阀37。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2，制冷系统还包括逆流换热器5，冷凝器2和超音速旋流分离器3之间的管路流经逆流换热器5的高温侧，超音速旋流分离器3的出口连接于压缩机1的入口且流经逆流换热器5的低温侧。

超音速旋流分离器3的出口连接于压缩机1形成循环回路。在循环回路中，制冷工质由压缩机1压缩形成高温高压状态，然后流经冷凝器2进行冷凝放热形成高压低温状态，然后进入超音速旋流分离器3中进一步冷却，超音速旋流分离器3获得的低温工质引入蒸发器4中进行蒸发吸热后引入扩压器34中，经扩压器34进行一定的增压升温后，再次流回压缩机1中。

在上述实施例的基础上，进一步地，制冷系统的制冷工质包括CO₂、He、N₂、Ne、Ar以及H₂O中的至少两种；且不同种类的制冷工质的液化温度不同。

现有技术中普冷领域的问题主要是环保、安全问题。以前冰箱、空调分别采用制冷剂R12、R22，具有很大的ODP问题(破坏臭氧层)，近几年逐渐采用制冷剂R134、R32做过一些尝试应用，但温室效应(GWP)较大；最近又开始用碳氢化合物(如丙烷、丁烷等)，虽其ODP、GWP很小，但都是可燃物。NH₃也是现在蒸汽压缩式节流制冷的主要工质，但其可燃、有毒。所以现有主流的蒸汽压缩制冷技术主要存在的是环保、安全问题。

本实施例提供的制冷工质对环境友好，能够通过相变获得较好的制冷效果。优选的，不同种类的制冷工质相互间的液化温度的差值大于等于预设差值。即不同种类制冷工质的液化温度差异较大，比如一种工质可为易液化如CO₂或H₂O，另一种工质为不易液化如He或N₂或Ar。

进一步地，上述各实施例所述的制冷系统中的制冷工质也可为其他气体，以能够实现液化通过相变获得较好的制冷效果为目的，具体不做限定。优选的，制冷系统中的制冷工质为至少两种液化温度不同的气体混合物。在多级制冷时，混合气体的各组分会根据液化温度的不同依次产生液化，从而获得多级制冷效果。优选的，制冷系统中的制冷工质可为CO₂和N₂的混合气体。

进一步地，采用不同的制冷工质组合实现不同的制冷温区。可采用不同的制冷工质组合以实现从制冷温区到低温温区的宽范围制冷。

在上述实施例的基础上，具体的，图1提供一种基于超音速制冷效应的新型压缩式制冷系统。该制冷系统主要由压缩机1，冷凝器2，超音速旋流分离器3，蒸发器4组成。超音速旋流分离器3由旋流装置31，Laval喷管膨胀器32，旋流气液分离器33，扩压器34，导向叶片35，液体收集装置36，回流单向阀37组成。Laval喷管膨胀器32由稳定段321，亚音速收缩段322，喉部323，超音速扩张段324组成。与传统的蒸汽压缩式制冷系统不同的是，该制冷系统采用CO₂和N₂(N₂可替换为Ar或He)作为循环工质进行制冷。

当系统工作时，压缩机1将低温低压的CO₂和N₂混合蒸气吸回，经压缩后形成高温高压的CO₂和N₂混合气体。冷凝器2将压缩机1排出的高温高压的CO₂和N₂混合气体冷却并使其放热，在一定压力和温度下，把CO₂和N₂混合气体冷凝成气液混合物。CO₂和N₂气液混合物进入超音速旋流分离器3，首先经过旋流装置31后形成旋流流动状态，然后进入Laval喷管膨胀器32，依次流经稳定段321、亚音速收缩段322、喉部323和超音速扩张段324，CO₂和N₂气液混合物在Laval喷管膨胀器32内急剧膨胀至超音速，产生制冷效应，形成低温低压环境(温度的降低是由于部分气体的热量转化为动能)，CO₂气体发生凝结液化，在旋转产生的切向速度和强烈旋流场离心力作用下CO₂液滴被甩到管壁，在旋流气液分离器33内由专门的液体收集装置36排出，并进入蒸发器4，在蒸发器4内蒸发(沸腾)变为CO₂蒸气，吸收环境或需要被冷却物质的热量，使环境或需要被冷却物质的温度下降，CO₂蒸气从蒸发器4排出，经过回流单向阀37在扩压器34内与未凝结的N₂气体混合，共同经过导向叶片35稳定地流出超音速旋流分离器3，重新进入压缩机1，形成封闭的制冷循环。

经扩压器34减速、增压、升温后，使混合气体经超音速旋流分离器3损失的压力能大部分得以恢复，大大减少混合气体的压力损失。该系统采用CO₂和N₂(Ar/He)混合气体作为循环工质进行制冷，相较于蒸汽压缩式制冷系统中传统的制冷剂更加环保；采用基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器3作为膨胀降温元件，较蒸汽压缩式制冷系统中传统的节流装置如节流阀、膨胀机来说，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器3自身无转动部件)、长期可靠等优点。需要强调的是，本制冷系统中亦可采用He和N₂混合气体(其中N₂还可替换为Ne、Ar、CO₂或H₂O)作为循环工质以实现低温制冷。

在上述实施例的基础上，进一步地，图2提供另一种基于超音速制冷效应的新型压缩式制冷系统。与上述图1中实施例不同的是该实施例为了使系统获得更大的制冷量，得到更低的制冷温度，在冷凝器2与超音速旋流分离器3之间设置了逆流换热器5。系统工作时，从冷凝器2排出的CO₂和N₂气液混合物，先经过逆流换热器5换热后，温度进一步降低，再进入超音速旋流分离器3；从超音速旋流分离器3排出的低温CO₂和N₂混合蒸气，先经过逆流换热器5换热后，温度得以上升，再进入压缩机1，形成封闭的制冷循环。其他过程与上述图1中实施例一致。

经过逆流换热器5换热，使系统中的热量和冷量得到更加充分的利用，也缓解了蒸发器4和压缩机1的工作压力。一方面能使进入超音速旋流分离器3的工质温度更低，产生更为明显的制冷效应，提高了CO₂气体的凝结效率，更低的CO₂液体温度缓解了蒸发器4的工作压力；另一方面从超音速旋流分离器3排出的蒸气混合物经过逆流换热器5换热后温度提高，缓解了压缩机1的工作压力。需要强调的是，该实施例只是列举了一种简单的结构形式，安装在冷凝器2和超音速旋流分离器3之间的逆流换热器5可以采用多级形式，以提高换热效率；也可在安装在其他合适位置；亦可采用更加高效的换热设备和换热形式等。

上述各实施例提供的基于超音速制冷效应的新型压缩式制冷系统基于现有的超音速旋流分离器3主要用于天然气中水蒸气及重烃等杂质的脱除，并没有选择合适工质以构建适合于普冷温区(冰箱与空调制冷温区)的闭式超音速制冷循环。本发明使用对环境友好的CO₂和N₂等混合气体作为工质进行制冷，可实现闭式制冷循环；解决蒸汽压缩式制冷系统中传统的制冷剂对环境有危害的问题，较蒸汽压缩式制冷系统中传统的制冷剂更加环保；同时设置超音速旋流分离器3作为膨胀降温元件，解决蒸汽压缩式制冷系统中传统的节流装置效率不高、压降大、能耗高等问题；还可通过采用不同的制冷工质组合以实现从制冷温区到低温温区的宽范围制冷。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。