[发明专利]冷量回收式双运行模式复叠低温制冷机

说明书

技术领域

本发明属于复叠式低温制冷循环领域，适用于制冷温度在-30℃～-120℃ 的温度范围，尤其适用于低温预冷设备，低温冰箱及低温恒温室等的冷量回 收式双运行模式复叠低温制冷机。

背景技术

随着科学技术的不断发展，-30℃～-120℃温区低温设备在能源、医疗、 低温电子、低温生物保存、军工等研究领域的需求日益广泛，研制更加高效、 可靠的该温区制冷设备显得极具价值。获得-30℃以下温区通常可采用两级压 缩式制冷循环或复叠式制冷循环。

两级压缩式制冷循环中，制冷剂的压缩过程分为两个阶段进行，即来自 蒸发器的低压制冷剂蒸气先进入低压压缩机压缩到中间压力后，经中间冷却 器冷却后进入高压压缩机压缩到冷凝压力，再排入冷凝器中。这样可使各级 压比大大减小，又由于经过中间冷却可以使压缩机的耗功减少，可靠性、经 济性均有所提高。但由于使用的是单一制冷剂，受蒸发压力、制冷剂临界温 度和凝固点的限制。当蒸发温度过低时，存在压缩机吸气压力过低，输气系 数低等缺陷而不能正常运行。

复叠式制冷循环有两种：常规复叠制冷循环和自然复叠制冷循环。自然 复叠制冷系统是一种采用多元混合工质的制冷系统，它使用单台压缩机，通过 自然分离、多级复叠的方法，在高沸点组分和低沸点组分之间实现了复叠， 达到了制取低温的目的。自复叠制冷循环只有一台压缩机，具有结构简单、 成本较低、热效率较高等许多优点，但仍然存在着混合工质组分配比以及充 灌量最优值难确定，工质泄露后不能直接补充制冷剂等问题，使得设计的系 统实际制冷量达不到设计值。因此常规复叠制冷循环仍然是获得-30℃以下温 区最有效可靠的方法。

常规两级复叠制冷循环由两个单独的制冷系统组成，分别称为高温级部 分及低温级部分。高温部分采用高、中沸点的制冷剂，低温部分采用低沸点 的制冷剂。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷 凝，用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是 低温部分的冷凝器。低温部分的制冷剂在蒸发器内吸收被冷却对象的热量(即 制取冷量)，通过冷凝蒸发器传给高温部分的制冷剂，然后由高温部分制冷剂 通过冷凝器传给冷却介质(空气或水)。

然而，常规两级复叠制冷循环在运行中仍存在着一些问题。首先，在蒸 发温度很低的情况下，低温级循环压缩机吸气温度很低，压缩机吸气温度过 低会影响压缩机的稳定运行，同时使得润滑油回油变得很困难；其次，若用 于低温冰箱、低温恒温箱等设备，当低温室的温度已经被冷却到所需温度后， 同时开启两台压缩机可能出现冷量过多、开停机频繁等问题；再次，预冷流 体时，通过低温级蒸发器将流体从环境温度直接冷却到-30℃以下，换热器温 差很大，火用损失很大。因此，有必要对常规两级复叠制冷循环进行改进使 其得到更广范、可靠和高效的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现高、 低温级循环两级复叠运行，也能够低温级循环在高温级循环辅助启动后通过 自身回热而独立运行的冷量回收式双运行模式复叠低温制冷机。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：所述制冷机包括用于启动 所述制冷机、并在所述制冷机稳定运行后关闭的高温级制冷循环，以及用于 通过所述低温级制冷循环自身的回热和冷却作用在所述制冷机稳定运行后单 级运行的低温级制冷循环；高温级制冷循环包括高温级压缩机以及与高温级 压缩机相连通构成闭合回路的高温级冷凝器、高温级节流阀、蒸发冷凝器； 低温级制冷循环包括低温级压缩机以及与低温级压缩机相连通构成闭合回路 的低温级冷凝器、低温级回热器、蒸发冷凝器、低温级节流阀和低温级蒸发 器，低温级蒸发器与低温级压缩机之间通过低温级回热器连接，低温级压缩 机输出端连接与低温级回热器相连通的低温级冷凝器，且低温级回热器的输 出端与蒸发冷凝器相连通，由低温级蒸发器输出冷量。

本发明的蒸发冷凝器与高温级压缩机之间还连接有高温级气体冷却器， 负荷回路依次与高温级气体冷却器、低温级蒸发器相连。