專(zhuān)利名稱(chēng)：利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及低溫制冷技術(shù)領(lǐng)域中的制冷機(jī)，特別涉及一種利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)結(jié)合低溫渦流管膨脹制冷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫制冷的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)。
隨著社會(huì)的發(fā)展，與人類(lèi)生產(chǎn)生活密切相關(guān)的能源、通信和新材料技術(shù)都有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。具體如，信息技術(shù)、紅外技術(shù)、半導(dǎo)體電子器件、超導(dǎo)器件以及低溫生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。在這些高技術(shù)領(lǐng)域，都需要有一個(gè)穩(wěn)定可靠、制冷溫度在30K～80K、低振動(dòng)、低噪音、長(zhǎng)壽命、造價(jià)低廉的低溫冷源。然而，相應(yīng)適合的制冷機(jī)的缺乏制約了相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。主要問(wèn)題在于制冷機(jī)的可靠性、熱效率、尺寸、重量、振動(dòng)和造價(jià)等。
從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究的多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷機(jī)在一定范圍內(nèi)較好地滿(mǎn)足了一些應(yīng)用要求。該種制冷機(jī)由于采用了多元?dú)怏w混合物作為節(jié)流制冷工質(zhì)，使得循環(huán)效率大大提高，運(yùn)行壓力大大降低，從開(kāi)式循環(huán)中30MPa降低到普通單級(jí)壓縮機(jī)運(yùn)行壓力范圍內(nèi)(2MPa左右)。因此，該種制冷機(jī)可以采用常規(guī)空調(diào)或制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)。目前，國(guó)外已經(jīng)有相應(yīng)的商業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)?；旌瞎べ|(zhì)節(jié)流制冷機(jī)通常有兩種流程布置方式內(nèi)復(fù)疊循環(huán)和一次節(jié)流循環(huán)。內(nèi)復(fù)疊循環(huán)由1959年前蘇聯(lián)學(xué)者A.P.Kleemenko在天然氣液化中首次采用，因此也稱(chēng)為Kleemenko循環(huán)。在該循環(huán)流程中，采用一臺(tái)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，中間設(shè)置了多個(gè)(兩個(gè)或以上)汽液分離器及節(jié)流膨脹閥，已經(jīng)處于汽液兩相高壓工質(zhì)經(jīng)汽液分離器分離，液相節(jié)流回到低壓流道，產(chǎn)生冷量預(yù)冷高壓來(lái)流工質(zhì)，這一過(guò)程相當(dāng)于復(fù)疊循環(huán)的高溫級(jí)，剩余的汽相工質(zhì)進(jìn)入下一級(jí)換熱器，繼續(xù)被冷卻，溫度降低形成汽液兩相，液相節(jié)流返回，汽相進(jìn)入下一級(jí)，溫度更低，依次下去，理論上只要混合物選配合理該循環(huán)可以達(dá)到液氦溫度，但是由于自然界不存在一種氣體其沸點(diǎn)介于氮?dú)馀c氖氣之間，因此當(dāng)分離溫度達(dá)到液氮溫度后，此時(shí)分離后氣相節(jié)流效應(yīng)很小，相應(yīng)的制冷能力很小，以致無(wú)法有效運(yùn)行于液氮溫度以下。目前這種循環(huán)方式主要用于液氮溫區(qū)以上，如天然氣液化工程(110K溫區(qū))。混合工質(zhì)一次節(jié)流制冷循環(huán)方式就是取消內(nèi)復(fù)疊循環(huán)中的氣液分離器和中間級(jí)節(jié)流閥，由一個(gè)換熱器完成回?zé)徇^(guò)程，這種方式有利于微型化，但是在低溫端由于潤(rùn)滑油積累和凝固容易堵塞節(jié)流元件造成制冷溫度的波動(dòng)。因此，對(duì)于混合工質(zhì)節(jié)流制冷機(jī)，無(wú)論是一次節(jié)流方式還是內(nèi)復(fù)疊方式在液氮溫區(qū)以上都有比較高的效率，但是都無(wú)法有效運(yùn)行在液氮溫區(qū)以下。
渦流管制冷技術(shù)源于渦旋裝置溫度分離效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，是一種結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單的制冷裝置，它由噴嘴、渦流室、分離孔板及冷熱兩端管組成。高壓氣體由進(jìn)氣導(dǎo)管導(dǎo)入噴嘴，膨脹降壓后沿切線(xiàn)方向進(jìn)入渦流室，形成自由流，經(jīng)動(dòng)能交換分離成溫度不等的兩部分，中心部分為冷氣流，邊緣部分集中到渦流管的另一端即為熱氣流，這樣同時(shí)獲得冷、熱兩股氣流，調(diào)節(jié)冷熱氣流比例可以獲得最佳制冷效應(yīng)或制熱效應(yīng)。渦流管制冷機(jī)具有造價(jià)低廉、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、工作穩(wěn)定、易操作維護(hù)、工質(zhì)為低壓易得的非破壞環(huán)境的氣體等優(yōu)點(diǎn)，因此自其被發(fā)明以來(lái)，受到包括美、英、法、日、俄等國(guó)在內(nèi)的諸多國(guó)家的重視，并已在制冷、便攜式空調(diào)、氣體混合物分離、氣體干燥、電子元件和儀表的冷卻以及機(jī)械加工中的冷卻等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
本實(shí)用新型目的在于克服多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷裝置與渦流膨脹制冷裝置中存在的諸多缺點(diǎn)，而發(fā)揚(yáng)節(jié)流制冷裝置與渦流膨脹制冷裝置中的優(yōu)點(diǎn)，而提供一種新型的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，該復(fù)合循環(huán)制冷機(jī)能可靠地運(yùn)行于液氮溫區(qū)至液氦溫區(qū)，且具有較高效率、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、低振動(dòng)、低噪音等優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)用新型的實(shí)施方案如下本實(shí)用新型提供的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，其特征在于包括壓縮機(jī)模塊CU、混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU和渦流管制冷模塊VTU，其連接方式為壓縮機(jī)模塊CU的高壓管出口連接混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的高壓進(jìn)口管，壓縮機(jī)模塊CU的低壓進(jìn)口管連接混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的低壓出口管；混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的高壓出口管連接渦流管制冷模塊VTU的高壓進(jìn)口管，混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的低壓進(jìn)口管與渦流管制冷模塊VTU的低壓出口管相連；所述壓縮機(jī)模塊CU由壓縮機(jī)C1，前冷卻器C2及潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3及其管路組成，其連接方式為壓縮機(jī)C1的高壓出口管連接一個(gè)三通連接管件同時(shí)與前冷卻器C2的進(jìn)口及潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3的進(jìn)口相連，由前冷卻器C2的出口為壓縮機(jī)模塊C1的高壓出口，潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3的出口與一個(gè)三通管件相連，三通管件另外兩個(gè)接口一個(gè)連接壓縮機(jī)C1的低壓進(jìn)口，剩余一個(gè)接口為壓縮機(jī)模塊CU的低壓入口；所述的混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU由2-3級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi內(nèi)部復(fù)疊組成，具體級(jí)數(shù)由所需制冷溫度及混合工質(zhì)的組分決定；每一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)為包括逆流熱交換器Mi-1、氣液分離器Mi-2、逆流熱交換器Mi-3、節(jié)流元件Mi-4及其管路，其連接方式為前一級(jí)模塊的高壓出口連接逆流熱交換器Mi-1的高壓進(jìn)口，逆流熱交換器Mi-1的高壓出口連接氣液分離器Mi-2-的高壓進(jìn)口，氣液分離器Mi-2的高壓氣體出口連接換熱器Mi-3的高壓入口，換熱器Mi-3的高壓出口為該多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的高壓出口，氣液分離器Mi-2底部高壓液體出口連接節(jié)流元件Mi-4，換熱器Mi-3的低壓入口與一個(gè)三通管件連接，剩余兩個(gè)接口一個(gè)與下一級(jí)模塊的低壓出口相連，另一個(gè)與節(jié)流元件Mi-4的出口相連，換熱器Mi-3的低壓出口連接換熱器Mi-1的低壓入口，換熱器Mi-1的低壓出口與前一級(jí)模塊的低壓入口連接；所述的混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU中的每一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)還可為包括氣液分離器Mi-2、節(jié)流元件Mi-4及逆流換熱器Mi-3，其連接方式為前一級(jí)模塊的高壓出口連接氣液分離器Mi-2的高壓入口，氣液分離器Mi-2的高壓氣體出口連接換熱器Mi-3的高壓進(jìn)口，換熱器Mi-3的高壓出口與下一級(jí)模塊的高壓入口相連；氣液分離器Mi-2的高壓分離液體出口與節(jié)流元件Mi-4相連；換熱器Mi-3的低壓入口與一個(gè)三通管件相連，三通管件的另外兩個(gè)接口，一個(gè)與下一級(jí)模塊的低壓出口相連，剩余一個(gè)連接節(jié)流元件Mi-4的出口，換熱器Mi-3的低壓出口與前一級(jí)模塊的低壓入口相連；所述的渦流管制冷模塊VTU包括逆流熱交換器V1、渦流管V2和蒸發(fā)器V3，其連接方式為前一級(jí)模塊的高壓出口與逆流熱交換器V1的高壓入口相連，逆流熱交換器V1的高壓出口與渦流管V2的高壓進(jìn)口VT1相連，渦流管V2有冷效應(yīng)管出口VT2和熱效應(yīng)管出口VT3兩個(gè)出口，其冷效應(yīng)管VT2的出口連接蒸發(fā)器V3的進(jìn)口，蒸發(fā)器V3的出口連接換熱器V1的低壓進(jìn)口，換熱器V1的低壓出口與一個(gè)三通相連，三通剩余兩個(gè)接口一個(gè)與熱效應(yīng)管出口VT3連接，另一個(gè)接口與前一級(jí)模塊的低壓入口相連；本實(shí)用新型所使用的多元混合工質(zhì)包括第一類(lèi)氣體工質(zhì)和第二類(lèi)氣體工質(zhì)，第一類(lèi)氣體工質(zhì)的摩爾濃度為58-80％，其余第二類(lèi)氣體工質(zhì)；第一類(lèi)氣體工質(zhì)包括氮?dú)?、氬氣、?-5個(gè)碳原子烷烴類(lèi)氣體的混合氣體工質(zhì)，第二類(lèi)氣體工質(zhì)為氦氣、氖氣、氫氣或其混合氣體；在第一類(lèi)氣體工質(zhì)的組分中，沸點(diǎn)溫度在230K-320K高沸點(diǎn)組分的摩爾濃度為10％-20％，沸點(diǎn)溫度在120K-230K中間沸點(diǎn)組分的摩爾濃度為20％-25％，沸點(diǎn)溫度在70K-100K液氮溫區(qū)的摩爾濃度為30％-50％。
本實(shí)用新型綜合利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)與渦流膨脹制冷技術(shù)，揚(yáng)長(zhǎng)避短提出的可以高效地運(yùn)行在液氖、液氫溫區(qū)甚至于液氦溫區(qū)的多元混合物工質(zhì)節(jié)流與渦流膨脹相結(jié)合的復(fù)合循環(huán)制冷機(jī)，將內(nèi)復(fù)疊制冷循環(huán)的節(jié)流制冷機(jī)的最后一級(jí)節(jié)流元件用渦流管膨脹裝置替代，構(gòu)成本實(shí)用新型的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)。其最后一級(jí)汽液分離溫度在80K～100K之間，分離后氣體主要成分為沸點(diǎn)低于氮?dú)獾哪驶蚝猓藴囟葏^(qū)遠(yuǎn)高于氖或氦的臨界溫度，其節(jié)流效應(yīng)在常規(guī)空調(diào)或制冷壓縮機(jī)運(yùn)行壓力范圍內(nèi)非常小(對(duì)氦氣來(lái)說(shuō)仍高于其轉(zhuǎn)換溫度，為制熱節(jié)流效應(yīng))，因此其本征制冷量非常小，以致制冷機(jī)無(wú)法達(dá)到更低制冷溫度。而此時(shí)，渦流膨脹制冷效應(yīng)則遠(yuǎn)大于節(jié)流制冷效應(yīng)，通常情況下渦流膨脹效率能夠達(dá)到40％左右，因此能夠使得該復(fù)合循環(huán)制冷機(jī)仍保持較高的熱效率。另外比較重要的一點(diǎn)就是渦流膨脹制冷正常運(yùn)行壓比一般在3～8之間，這恰好是混合物工質(zhì)節(jié)流制冷機(jī)的運(yùn)行壓比范圍，因此整個(gè)復(fù)合循環(huán)制冷機(jī)仍可以采用常規(guī)的空調(diào)或制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)。
本實(shí)用新型制冷循環(huán)的具體工作流程是包含第一類(lèi)物質(zhì)和第二類(lèi)物質(zhì)的混合制冷工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)模塊CU，經(jīng)壓縮機(jī)C1壓縮后成為高溫高壓的氣體，進(jìn)入冷卻器C2冷卻到環(huán)境溫度，進(jìn)入第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi，在該多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的分離器Mi-2內(nèi)，混合物中夾帶的潤(rùn)滑油及部分已經(jīng)成為液相的高沸點(diǎn)組分被分離出來(lái)，經(jīng)節(jié)流元件Mi-4節(jié)流后產(chǎn)生制冷效應(yīng)，回到低壓通道提供冷量，分離后的高壓氣體進(jìn)入下一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊，其中經(jīng)歷同樣過(guò)程，高壓流體得到進(jìn)一步冷卻，根據(jù)具體應(yīng)用要求可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的多元混合工質(zhì)制冷子模塊的級(jí)數(shù)，在最后一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊內(nèi)，混合工質(zhì)經(jīng)過(guò)前幾級(jí)分離冷卻至80K-100K，仍為氣液兩相，進(jìn)入分離器Mi-2，混合工質(zhì)中的第一類(lèi)物質(zhì)絕大部分成為液態(tài)，液相工質(zhì)經(jīng)過(guò)節(jié)流元件Mi-4節(jié)流產(chǎn)生制冷效應(yīng)進(jìn)入低壓通道提供冷量，因此經(jīng)過(guò)前面多級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊的分離冷卻，剩余工質(zhì)全部為第二類(lèi)工質(zhì)，溫度被冷卻至80K左右，進(jìn)入渦流管制冷模塊VTU，在VTU模塊內(nèi)，高壓工質(zhì)進(jìn)入逆流換熱器V1進(jìn)一步冷卻后進(jìn)入低溫渦流管V2，在渦流管內(nèi)膨脹產(chǎn)生兩股溫度不同的低壓氣體，具有制冷效應(yīng)的冷氣流進(jìn)入低溫蒸發(fā)器V3提供要求溫度的冷量后返回?fù)Q熱器V1，在自身復(fù)溫的時(shí)候冷卻高壓來(lái)流，具有熱效應(yīng)的低壓氣體從渦流管V2出來(lái)后，匯入相同溫度的低壓流體通道內(nèi)，冷卻具有較高溫度的高壓來(lái)流，這樣經(jīng)過(guò)渦流膨脹和節(jié)流后的氣體依次匯合，最終返回壓縮機(jī)，進(jìn)行下一次循環(huán)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)由于采用單臺(tái)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，本制冷機(jī)保持了節(jié)流制冷機(jī)的主要特點(diǎn)，簡(jiǎn)單可靠；在采用混合物工質(zhì)的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)中，由于高沸點(diǎn)的組分在較高溫度時(shí)形成液體經(jīng)節(jié)流后回到低壓通道，從而避免了高沸點(diǎn)組分在低溫下有固相析出，堵塞節(jié)流元件，進(jìn)一步增強(qiáng)了制冷機(jī)的可靠性；高沸點(diǎn)組分在較高溫度節(jié)流返回低壓流道，從而使下一級(jí)換熱器換熱負(fù)荷減少，由此，可以減少循環(huán)中高沸點(diǎn)組分在低溫段帶來(lái)的流動(dòng)損失及回?zé)釗p失；由于高沸點(diǎn)組分在較高溫度處節(jié)流回到低壓流道，有效地改變了高低壓氣流的水當(dāng)量配比，從而使回?zé)嵝侍岣?，減少了回?zé)釗p失，保持了較高的效率；在低溫下采用了具有較高制冷效率的渦流膨脹代替此時(shí)很小甚至是制熱效應(yīng)的節(jié)流方式，確保能夠有效運(yùn)行在液氮溫度以下，同時(shí)仍保持了制冷機(jī)在低溫部分沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件所帶來(lái)的低振動(dòng)、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖示意圖；圖2為本實(shí)用新型的壓縮機(jī)模塊CU的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為一種結(jié)構(gòu)的多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為另一種結(jié)構(gòu)的多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為渦流管制冷模塊VTU的結(jié)構(gòu)圖6為渦流管V2的接口示意圖；其中 壓縮機(jī)模塊CU 混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU渦流管制冷模塊VTU 壓縮機(jī)C1冷卻器C2 潤(rùn)滑油分離器C3逆流熱交換器Mi-1、Mi-3汽液分離器Mi-2節(jié)流元件Mi-4 逆流熱交換器V1渦流管V2 蒸發(fā)器V3渦流管進(jìn)口VT1 渦流管低壓冷效應(yīng)管出口VT2渦流管低壓熱效應(yīng)管出口VT3 多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi由
圖1可知，本實(shí)用新型的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，包括壓縮機(jī)模塊CU、混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU和渦流管制冷模塊VTU，壓縮機(jī)模塊CU的高壓管出口連接混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的高壓進(jìn)口管，壓縮機(jī)模塊CU低壓進(jìn)口管連接混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU低壓出口管；混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的高壓出口管連接渦流管模塊VTU的高壓進(jìn)口管，混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的低壓進(jìn)口管與渦流管制冷模塊VTU的低壓出口管相連。
由圖2可知，壓縮機(jī)模塊CU由壓縮機(jī)C1，前冷卻器C2，潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3及其管路組成，壓縮機(jī)C1的高壓出口管連接一個(gè)三通連接管件同時(shí)與前冷卻器C2的進(jìn)口及潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3的進(jìn)口相連，前冷卻器C2的出口為壓縮機(jī)模塊CU的高壓出口，潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3出口與一個(gè)三通管件相連，三通管件另外兩個(gè)接口一個(gè)連接壓縮機(jī)C1的低壓進(jìn)口，剩余一個(gè)接口為壓縮機(jī)模塊CU的低壓入口。
圖3是多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的一種結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，其結(jié)構(gòu)包括逆流熱交換器Mi-1、氣液分離器Mi-2、逆流熱交換器Mi-3、節(jié)流元件Mi-4及其管路，前一級(jí)模塊的高壓出口連接逆流熱交換器Mi-1的高壓進(jìn)口，逆流熱交換器Mi-1的高壓出口連接氣液分離器Mi-2的高壓進(jìn)口，氣液分離器Mi-2的高壓氣體出口連接換熱器Mi-3的高壓入口，換熱器Mi-3的高壓出口為該多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的高壓出口；氣液分離器Mi-2底部的高壓液體出口連接節(jié)流元件Mi-4，換熱器Mi-3的低壓入口與一個(gè)三通管件連接，三通管件的兩個(gè)接口一個(gè)與下一級(jí)模塊的低壓出口相連，另一個(gè)與節(jié)流元件Mi-4的出口相連，換熱器Mi-3的低壓出口連接換熱器Mi-1的低壓入口，換熱器Mi-1的低壓出口與前一級(jí)模塊的低壓入口連接。
圖4是多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的另一種結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，其結(jié)構(gòu)包括氣液分離器Mi-2、節(jié)流元件Mi-4及逆流換熱器Mi-3，前一級(jí)模塊的高壓出口連接氣液分離器Mi-2的高壓入口，氣液分離器Mi-2的高壓氣體出口連接換熱器Mi-3的高壓進(jìn)口，換熱器Mi-3的高壓出口與下一級(jí)模塊的高壓入口相連；氣液分離器Mi-2的高壓分離液體出口與節(jié)流元件Mi-4相連；換熱器Mi-3低壓入口與一個(gè)三通管件相連，三通管件的另外兩個(gè)接口，一個(gè)與下一級(jí)模塊的低壓出口相連，剩余一個(gè)連接節(jié)流元件Mi-4的出口，換熱器Mi-3的低壓出口與前一級(jí)模塊的低壓入口相連。
圖5是渦流管制冷模塊VTU結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，該渦流管制冷模塊VTU包括逆流熱交換器V1、渦流管V2和蒸發(fā)器V3，前一級(jí)模塊的高壓出口與逆流熱交換器V1的高壓入口相連，逆流熱交換器V1的高壓出口與渦流管V2高壓進(jìn)口VT1相連，渦流管有冷效應(yīng)管出口VT2和熱效應(yīng)管出口VT3兩個(gè)出口，其中冷效應(yīng)管出口VT2連接蒸發(fā)器V3的進(jìn)口，蒸發(fā)器V3的出口連接換熱器V1的低壓進(jìn)口，換熱器V1的低壓出口與一個(gè)三通相連，三通剩余兩個(gè)接口一個(gè)與熱效應(yīng)管出口VT3連接，另一個(gè)接口與前一級(jí)模塊的低壓入口相連。
實(shí)施例1采用單級(jí)油潤(rùn)滑空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的本實(shí)用新型的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，可達(dá)到30K-60K溫區(qū)，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)
圖1，壓縮機(jī)模塊CU的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2，混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊VTU采用2級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZ，第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3，第二級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4，渦流管制冷模塊VTU的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖5；由
圖1可知，本實(shí)施例各組件的連接方式為壓縮機(jī)模塊CU的高壓管出口連接混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的高壓進(jìn)口管，壓縮機(jī)模塊CU的低壓進(jìn)口管連接混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的低壓出口管，混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的高壓出口管連接渦流管模塊VTU的高壓進(jìn)口管，混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的低壓進(jìn)口管與渦流管制冷模塊VTU的低壓出口管相連；由圖2可知，壓縮機(jī)模塊CU由壓縮機(jī)C1(采用1kW空調(diào)壓縮機(jī))，前冷卻器C2，潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3及其管路組成，壓縮機(jī)C1的高壓出口管連接一個(gè)三通連接管件同時(shí)與前冷卻器C2的進(jìn)口及潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3的進(jìn)口相連，前冷卻器C2的出口為壓縮機(jī)模塊CU的高壓出口，潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3的出口與一個(gè)三通管件相連，三通管件另外兩個(gè)接口一個(gè)連接壓縮機(jī)C1的低壓進(jìn)口，剩余一個(gè)接口為壓縮機(jī)模塊CU的低壓入口；由3圖可知，第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)為包括逆流熱交換器Mi-1、氣液分離器Mi-2、逆流熱交換器Mi-3、節(jié)流元件Mi-4及其管路，壓縮機(jī)模塊CU的高壓出口連接逆流熱交換器Mi-1的高壓進(jìn)口，逆流熱交換器Mi-1的高壓出口連接氣液分離器Mi-2的高壓進(jìn)口，氣液分離器Mi-2的高壓氣體出口連接換熱器Mi-3的高壓入口，換熱器Mi-3的高壓出口為該多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的高壓出口，氣液分離器Mi-2底部的高壓液體出口連接節(jié)流元件Mi-4，換熱器Mi-3的低壓入口與一個(gè)三通管件連接，三通管件的另兩個(gè)接口一個(gè)與多元混合工質(zhì)制冷子模塊的低壓出口相連，一個(gè)與節(jié)流元件Mi-4的出口相連，換熱器Mi-3的低壓出口連接換熱器Mi-1的低壓入口，換熱器Mi-1的低壓出口與壓縮機(jī)模塊CU的低壓入口連接；由圖4可知，第二級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)為包括氣液分離器Mi-2、節(jié)流元件Mi-4及逆流換熱器Mi-3，第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊的高壓出口連接氣液分離器Mi-2的高壓入口，氣液分離器Mi-2的高壓氣體出口連接換熱器Mi-3的高壓進(jìn)口，換熱器Mi-3的高壓出口與下一級(jí)模塊的高壓入口相連；氣液分離器Mi-2的高壓分離液體出口與節(jié)流元件Mi-4相連；換熱器Mi-3的低壓入口與一個(gè)三通管件相連，三通管件的另外兩個(gè)接口，一個(gè)與下一級(jí)模塊的低壓出口相連，剩余一個(gè)連接節(jié)流元件Mi-4的出口，換熱器Mi-3的低壓出口與第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的低壓入口相連；由圖5可知，渦流管制冷模塊VTU包括逆流熱交換器V1、渦流管V2和蒸發(fā)器V3，前一級(jí)模塊的高壓出口與逆流熱交換器V1的高壓入口相連，逆流熱交換器V1的高壓出口與渦流管V2高壓進(jìn)口VT1相連，渦流管V2有兩個(gè)出口，冷效應(yīng)管出口VT2和熱效應(yīng)管出口VT3，其中冷效應(yīng)管出口VT2連接蒸發(fā)器V3的進(jìn)口，蒸發(fā)器V3的出口連接換熱器V1的低壓進(jìn)口，換熱器V1的低壓出口與一個(gè)三通相連，三通剩余兩個(gè)接口一個(gè)與熱效應(yīng)管出口VT3連接，另一個(gè)接口與前一級(jí)模塊的低壓入口相連；本實(shí)施例使用的多元混合物工質(zhì)由第一類(lèi)物質(zhì)及第二類(lèi)物質(zhì)組成，第一類(lèi)物質(zhì)由N2、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、iC5H12組成，其各組分摩爾比例為30％、20％、15％、20％、10％、5％(在第一類(lèi)物質(zhì)內(nèi)部摩爾含量比例，以下表達(dá)方法均相同)，第一類(lèi)物質(zhì)其摩爾含量占總混合工質(zhì)組成的70％；第二類(lèi)物質(zhì)是由He(55％)、Ne(45％)組成的混合物，其占總混合工質(zhì)組成的30％；本實(shí)施例最低制冷溫度可達(dá)30K，在60K以下能夠提供一定的制冷量，適合用于高溫超導(dǎo)器件。
實(shí)施例2本實(shí)用新型達(dá)到20K溫區(qū)的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)
圖1，壓縮機(jī)模塊CU的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2，混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU采用2級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，渦流管制冷模塊VTU的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，由
圖1可知，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)為壓縮機(jī)模塊CU的高壓管出口連接中間制冷模塊MU的高壓進(jìn)口管，壓縮機(jī)模塊CU的低壓進(jìn)口管連接混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的低壓出口管；混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的高壓出口管連接渦流管制冷模塊VTU的高壓進(jìn)口管，混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的低壓進(jìn)口管與渦流管制冷模塊VTU的低壓出口管相連；由圖2可知，壓縮機(jī)模塊CU的結(jié)構(gòu)為由壓縮機(jī)C1(采用2kW空調(diào)壓縮機(jī))，前冷卻器C2，潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3及其管路組成，壓縮機(jī)C1的高壓出口管連接一個(gè)三通連接管件同時(shí)與前冷卻器C2的進(jìn)口及潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3的進(jìn)口相連，由前冷卻器C2的出口為壓縮機(jī)模塊CU的高壓出口，潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3的出口與一個(gè)三通管件相連，三通管件另外兩個(gè)接口一個(gè)連接壓縮機(jī)C1的低壓進(jìn)口，剩余一個(gè)接口充當(dāng)壓縮機(jī)模塊CU的低壓入口；由3圖可知，第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)為包括逆流熱交換器Mi-1、氣液分離器Mi-2、逆流熱交換器Mi-3、節(jié)流元件Mi-4及其管路，壓縮機(jī)模塊CU的高壓出口連接逆流熱交換器Mi-1的高壓進(jìn)口，逆流熱交換器Mi-1的高壓出口連接氣液分離器Mi-2的高壓進(jìn)口，氣液分離器Mi-2的高壓氣體出口連接換熱器Mi-3的高壓入口，換熱器Mi-3的高壓出口為該多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的高壓出口，氣液分離器Mi-2底部的高壓液體出口連接節(jié)流元件Mi-4，換熱器Mi-3的低壓入口與一個(gè)三通管件連接，剩余兩個(gè)接口一個(gè)與下一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的低壓出口相連，另一個(gè)與節(jié)流元件Mi-4的出口相連，換熱器Mi-3的低壓出口連接換熱器Mi-1的低壓入口，換熱器Mi-1的低壓出口與壓縮機(jī)模塊CU的低壓入口連接；第二級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZ2的連接方式完全同第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi；由圖5可知，渦流管制冷模塊VTU的結(jié)構(gòu)為包括逆流熱交換器V1、渦流管V2和蒸發(fā)器V3，前一級(jí)模塊的高壓出口與逆流熱交換器V1的高壓入口相連，逆流熱交換器V1的高壓出口與渦流管V2的高壓進(jìn)口VT1相連，渦流管有兩個(gè)出口，冷效應(yīng)管出口VT2和熱效應(yīng)管出口VT3，其中冷效應(yīng)管出口VT2連接蒸發(fā)器V3的進(jìn)口，蒸發(fā)器V3的出口連接換熱器V1的低壓進(jìn)口，換熱器V1的低壓出口與一個(gè)三通相連，三通剩余兩個(gè)接口一個(gè)與熱效應(yīng)管出口VT3連接，另一個(gè)接口與前一級(jí)模塊的低壓入口相連；本實(shí)施例使用的多元混合工質(zhì)由第一類(lèi)物質(zhì)及第二類(lèi)物質(zhì)組成，第一類(lèi)物質(zhì)由N2、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、iC5H12組成，其各組分摩爾比例為30％、20％、15％、20％、10％、5％，第一類(lèi)物質(zhì)其摩爾含量占總組成的60％；第二類(lèi)物質(zhì)由He(60％)、H2(40％)組成的混合工質(zhì)，占總混合工質(zhì)摩爾組成的40％。
實(shí)施例3采用本實(shí)用新型達(dá)到液氦溫區(qū)的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)
圖1，壓縮機(jī)模塊CU的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，壓縮機(jī)采用2.5kW的單級(jí)油潤(rùn)滑的空調(diào)壓縮機(jī)(R22壓縮機(jī))；渦流管制冷模塊VTU的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1；中間制冷模塊采用三級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊，其中第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊和第二級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1中的第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊和第二級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊，第三級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊的結(jié)構(gòu)與第一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊的結(jié)構(gòu)相同；所使用的多元混合物工質(zhì)由第一類(lèi)物質(zhì)及第二類(lèi)物質(zhì)組成，第一類(lèi)物質(zhì)由N2、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、iC5H12組成，其各組分摩爾比例為30％、20％、15％、20％、10％、5％，第一類(lèi)物質(zhì)其摩爾含量占總組成的60％；第二類(lèi)物質(zhì)由He組成，占總混合物摩爾組成的40％；本實(shí)施例能夠達(dá)到液氦溫區(qū)，并能夠提供一定的制冷量。
權(quán)利要求1.一種利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，其特征在于包括壓縮機(jī)模塊CU、混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU和渦流管制冷模塊VTU，其連接方式為壓縮機(jī)模塊CU的高壓管出口連接混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的高壓進(jìn)口管，壓縮機(jī)模塊CU低壓進(jìn)口管連接混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU低壓出口管；混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的高壓出口管連接渦流管模塊VTU的高壓進(jìn)口管，混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU的低壓進(jìn)口管與渦流管制冷模塊VTU的低壓出口管相連；所述壓縮機(jī)模塊CU由壓縮機(jī)C1，前冷卻器C2及潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3及其管路組成，其連接方式為壓縮機(jī)C1的高壓出口管連接一個(gè)三通連接管件同時(shí)與前冷卻器C2的進(jìn)口及潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3的進(jìn)口相連，前冷卻器C2的出口為壓縮機(jī)模塊CU的高壓出口，潤(rùn)滑油過(guò)濾回油器C3出口與一個(gè)三通管件相連，三通管件另外兩個(gè)接口一個(gè)連接壓縮機(jī)C1的低壓進(jìn)口，剩余一個(gè)接口為壓縮機(jī)模塊CU的低壓入口；所述的混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU由2-3級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi內(nèi)部復(fù)疊組成，每一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)為包括逆流熱交換器Mi-1、氣液分離器Mi-2、逆流熱交換器Mi-3、節(jié)流元件Mi-4及其管路，其連接方式為前一級(jí)模塊的高壓出口連接逆流熱交換器Mi-1的高壓進(jìn)口，逆流熱交換器Mi-1的高壓出口連接氣液分離器Mi-2的高壓進(jìn)口，氣液分離器Mi-2的高壓氣體出口連接換熱器Mi-3的高壓入口，換熱器Mi-3的高壓出口為該多元混合工質(zhì)制冷子模塊的高壓出口，氣液分離器Mi-2底部高壓液體出口連接節(jié)流元件Mi-4，換熱器Mi-3的低壓入口與一個(gè)三通管件連接，三通管的另兩個(gè)接口一個(gè)與下一級(jí)模塊的低壓出口相連，另一個(gè)與節(jié)流元件Mi-4的出口相連，換熱器Mi-3的低壓出口連接換熱器Mi-1的低壓入口，換熱器Mi-1的低壓出口與前一級(jí)模塊的低壓入口連接；所述的渦流管制冷模塊VTU包括逆流熱交換器V1、渦流管V2和蒸發(fā)器V3，其連接方式為前一級(jí)模塊的高壓出口與逆流熱交換器V1的高壓入口相連，逆流熱交換器V1的高壓出口與渦流管V2的高壓進(jìn)口VT1相連，渦流管V2有兩個(gè)出口，冷效應(yīng)管出口VT2和熱效應(yīng)管出口VT3，其中冷效應(yīng)管出口VT2連接蒸發(fā)器V3的進(jìn)口，蒸發(fā)器V3的出口連接換熱器V1的低壓進(jìn)口，換熱器V1的低壓出口與一個(gè)三通相連，三通剩余兩個(gè)接口一個(gè)與熱效應(yīng)管出口VT3連接，另一個(gè)接口與前一級(jí)模塊的低壓入口相連。
2.按權(quán)利要求1所述的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，其特征在于所述的混合工質(zhì)中間節(jié)流制冷模塊MU中的每一級(jí)多元混合工質(zhì)制冷子模塊MUZi的結(jié)構(gòu)為包括氣液分離器Mi-2、節(jié)流元件Mi-4及逆流換熱器Mi-3，其連接方式為前一級(jí)模塊的高壓出口連接氣液分離器Mi-2的高壓入口，氣液分離器Mi-2的高壓氣體出口連接換熱器Mi-3的高壓進(jìn)口，換熱器Mi-3的高壓出口與下一級(jí)模塊的高壓入口相連；氣液分離器Mi-2的高壓分離液體出口與節(jié)流元件Mi-4相連；換熱器Mi-3的低壓入口與一個(gè)三通管件相連，三通管件的另外兩個(gè)接口，一個(gè)與下一級(jí)模塊的低壓出口相連，剩余一個(gè)連接節(jié)流元件Mi-4的出口，換熱器Mi-3的低壓出口與前一級(jí)模塊的低壓入口相連。
3.按權(quán)利要求1所述的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，其特征在于所使用的多元混合工質(zhì)包括第一類(lèi)氣體工質(zhì)和第二類(lèi)氣體工質(zhì)，第一類(lèi)氣體工質(zhì)的摩爾濃度為58％-80％其余為第二類(lèi)氣體工質(zhì)；第一類(lèi)氣體工質(zhì)為包括氮?dú)?、氬氣及?-5個(gè)碳原子烷烴類(lèi)氣體的混合氣體工質(zhì)，第二類(lèi)氣體工質(zhì)為氦氣、氖氣、氫氣或其混合氣體。
4.按權(quán)利要求1所述的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，其特征在于所使用的第一類(lèi)氣體工質(zhì)的組分中，沸點(diǎn)溫度在230K-320K的高沸點(diǎn)組分的摩爾濃度為10％-20％，沸點(diǎn)溫度在120K-230K的中間沸點(diǎn)組分的摩爾濃度為20％-25％，沸點(diǎn)溫度在70K-100K液氮溫區(qū)組分的摩爾濃度為30％-50％。
5.按權(quán)利要求2所述的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，其特征在于所使用的第一類(lèi)氣體工質(zhì)的組分中，沸點(diǎn)溫度在230K-320K的高沸點(diǎn)組分的摩爾濃度為10％-20％，沸點(diǎn)溫度在120K-230K的中間沸點(diǎn)組分的摩爾濃度為20％-25％，沸點(diǎn)溫度在70K-100K液氮溫區(qū)組分的摩爾濃度為30％-50％。
6.按權(quán)利要求3所述的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)，其特征在于所使用的第一類(lèi)氣體工質(zhì)的組分中，沸點(diǎn)溫度在230K-320K的高沸點(diǎn)組分的摩爾濃度為10％-20％，沸點(diǎn)溫度在120K-230K的中間沸點(diǎn)組分的摩爾濃度為20％-25％，沸點(diǎn)溫度在70K-100K液氮溫區(qū)組分的摩爾濃度為30％-50％。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及的利用多元混合工質(zhì)節(jié)流與低溫渦流膨脹制冷的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī),包括壓縮機(jī)、中間節(jié)流制冷及渦流管制冷模塊;壓縮機(jī)模塊由壓縮機(jī),前冷卻器及過(guò)濾回油器組成;中間節(jié)流制冷模塊由2—3級(jí)混合工質(zhì)節(jié)流制冷子模塊組成,每一子模塊包括氣液分離器、節(jié)流元件及逆流換熱器;渦流管制冷模塊包括渦流管、蒸發(fā)器及逆流熱交換器;該制冷機(jī)采用單臺(tái)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng),簡(jiǎn)單可靠,多元混合工質(zhì)內(nèi)部復(fù)疊制冷,制冷效率高,無(wú)環(huán)境危害。
文檔編號(hào)F25B7/00GK2478039SQ00267778
公開(kāi)日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2000年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月28日
發(fā)明者公茂瓊, 吳劍峰, 羅二倉(cāng), 周遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院低溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心