[发明专利]利用二氧化碳作为循环工质的低温制冷方法及其热泵系统

权利要求书

1. 一种利用二氧化碳作为循环工质的低温制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使液体或者液-气两相二氧化碳膨胀，达到并低于二氧化碳三相点，变成固-气二氧化碳两相流体；

2)固-气二氧化碳两相流体吸收待制冷环境的热量，升华变成气态；

3)气态二氧化碳被压缩成高压气体，再被冷却变成液态或者液-气两相二氧化碳；

4)液态或者液-气两相二氧化碳返回步骤1)反复循环进行步骤1)-4)的冷热交换过程，从而实现待制冷环境的低温制冷。

2. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1)的液体或者液-气两相二氧化碳，其压力高于二氧化碳的三相点压力0.528MPa，温度高于二氧化碳的三相点温度-56.6℃；所述实现液体或者液-气两相二氧化碳膨胀的膨胀器是膨胀阀门或膨胀喷嘴形式的膨胀机构。

3. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)的固-气二氧化碳两相流体，其压力低于二氧化碳的三相点压力0.528MPa，温度低于二氧化碳的三相点温度-56.6℃；；所述固-气二氧化碳两相流体吸收热量，变成气态，是通过蒸发器实现的。

4. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)气态二氧化碳被压缩成高压气体采用压缩机实现，其压力高于二氧化碳的三相点压力0.528MPa；该高压气体被冷却成液态或者液-气两相二氧化碳，是通过一个或多个冷凝器构成的冷却器实现。

5. 一种采用如权利要求1所述利用二氧化碳作为循环工质的低温制冷方法的低温热泵系统，其特征在于，该系统包括：膨胀器、蒸发器、压缩机，冷却器以及将各装置连接成一体的管路；

所述膨胀器入口通过管路和所述冷却器的出口相连，该膨胀器出口通过管路和所述蒸发器入口相连；所述蒸发器置于待制冷环境中，该蒸发器出口通过管路和压缩机入口相连；该压缩机出口通过管路和冷却器入口相连；从而构成循环工质的热泵回路，所述热泵回路中采用二氧化碳作为循环工质。

6. 如权利要求5所述系统，其特征在于，所述冷却器采用一个冷凝器或多个冷凝器串连成一体构成的多级冷凝器组，该冷凝器的入口或冷凝器组的初级端入口通过管路和所述压缩机相连，该冷凝器的出口或冷凝器组的末级级端出口通过管路和膨胀器的入口相连。

7. 一种采用如权利要求1所述利用二氧化碳作为循环工质的低温制冷方法的低温热泵系统，其特征在于，该系统由第一级低温热泵装置和第二级低温热泵装置级联构成二级热泵

所述第一、二级低温热泵装置均包括压缩机、冷却器、膨胀器、蒸发器以及将各装置连接成一体的管路；其中，所述膨胀器入口通过管路和所述冷却器的出口相连，该膨胀器出口通过管路和所述蒸发器入口相连；所述蒸发器置于待制冷环境中，该蒸发器出口通过管路和压缩机入口相连；该压缩机出口通过管路和冷却器入口相连；从而分别构成第一、二级循环工质的热泵回路，所述第一级热泵回路中采用二氧化碳作为循环工质，所述第二级热泵回路中采用二氧化碳或氨作为循环工质；所述第一级低温热泵装置的冷却器与第二级低温热泵装置的蒸发器耦合。

8. 如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一级低温热泵装置冷却器与第二级低温热泵装置蒸发器耦合，是将第一级低温热泵装置的冷却器冷媒的出口通过管路和第二级低温热泵装置的蒸发器冷媒的入口相连，第二级低温热泵装置的冷却器冷媒的出口通过管路和第一级低温热泵装置的蒸发器冷媒的入口相连。

9. 如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述冷媒采用冷冻液。

10. 如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一、二级低温热泵装置的冷却器分别采用一个冷凝器或多个冷凝器串连成一体构成的多级冷凝器组，该冷凝器的入口或冷凝器组的初级端入口通过管路和所述压缩机相连，该冷凝器的出口或冷凝器组的末级级端出口通过管路和膨胀器的入口相连。