專利名稱：極低溫混合制冷劑系統(tǒng)的凍析預(yù)防和溫度控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于采用 一種制冷劑的節(jié)流膨脹而產(chǎn)生制冷效果 的過程。
背景技術(shù)：
當(dāng)可靠密去于制冷系統(tǒng)形成時，從20世紀(jì)初開始，制冷系統(tǒng) 就已經(jīng)存在。從那時起，制冷技術(shù)的改善已經(jīng)證明其在家庭和工 業(yè)中的效用。尤其，低溫制冷系統(tǒng)在生物制藥領(lǐng)域、低溫電子元 件學(xué)、涂漬操作、和半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)域中提供必要的產(chǎn)業(yè)化功能。
有^^午多應(yīng)用，尤其工業(yè)生產(chǎn)和測試應(yīng)用，需要在4氐于183 K (-90 。C)溫度下制冷。本發(fā)明涉及在183 K至65K(-90。C至-208 GC)之間溫度下提供制冷。包括在該范圍中的溫度統(tǒng)稱為低的、 超低的和低溫的。為了該應(yīng)用目的，術(shù)語"極低"或"極低溫"將用 于意指183K至65K(-90。C至-208 。C)的溫度范圍。在真空條件下操作并與及低溫制冷系統(tǒng)相結(jié)合的許多生產(chǎn) 過程中，某加工步驟中要求快速加熱。加熱過程通常統(tǒng)稱為除霜 循環(huán)。加熱過程〗吏蒸發(fā)器和連接制冷劑管路加熱至室溫。在沒有 引起這些部分中空氣中水分冷凝的情況下，這能夠使該系統(tǒng)的這 些部分被接入并被排放到大氣中。整個除霜循環(huán)和繼之恢復(fù)生成 極低溫度越長，生產(chǎn)系統(tǒng)的處理量就越低。在真空容器內(nèi)快速除 霜并且快速恢復(fù)冷凝面(蒸發(fā)器)的冷卻有利于提高真空過程的 處理量。此外，有許多過程想要熱制冷劑流過蒸發(fā)器一段延長時間。 為該應(yīng)用，我們通常稱之為"烘干，1喿作。 一種采用烘干4喿作的系 統(tǒng)的實施例在美國專利No.6，843,065中找到，通過引述合并于本 文中。當(dāng)元件經(jīng)具有較大熱質(zhì)的制冷劑交替加熱和冷卻時，烘烤 才喿作是有利的，并且耳又決于溫度的溫度反應(yīng)比約1至5分鐘時間 更長。在這種情況下，延長高溫制冷劑的流動需要使用熱導(dǎo)直至 所有表面達(dá)到預(yù)期最小溫度。此外，真空室的普通程序是容器中 的表面加熱至高溫的才莫式，通常為150QC至300 。C。這種高溫 將向容器中的所有表面輻射，包括經(jīng)制冷劑冷卻和加熱的元件。當(dāng)沒有制冷劑流經(jīng)元件時，將制冷劑和元件中 一些剩余壓縮機油 接觸這種高溫存在制冷劑過熱而使制冷劑和/或這種油隨之發(fā)生 分解的風(fēng)險。因此，提供連續(xù)流動的高溫制冷劑(通常80 。C至120 °C),同時容器被加熱，控制制冷劑和油的溫度并預(yù)防任何可能 的分解。
存在許多具有低溫冷卻要求的真空過程。主要利用水汽〗氐溫 抽氣用于真空系統(tǒng)。極低溫表面以比水蒸汽分子被釋放速率更高 的速率捕獲和容納水蒸汽分子。該凈效應(yīng)快速并顯著性降低了容 器水蒸汽分壓。水蒸汽低溫抽氣過程非常有利于電存儲介質(zhì)、光 反射鏡、零件金屬化、半導(dǎo)體設(shè)備等真空鍍膜工業(yè)中許多物理蒸 汽沉積過程。該過程也用于在冷凍干燥操作中除去食品和生物制 品中的濕氣。其4也的應(yīng)用涉及熱輻射防護(hù)層。在這種應(yīng)用中，4交大平柘j皮冷卻至極低溫度。這些冷卻平板阻止真空室表面和加熱器中的輻另一個應(yīng)用是除去人造物體上的熱。在一些應(yīng)用中，該物體是計 算機硬盤的鋁盤，用于半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)的硅片，或者一種材料如 用于平板顯示器的玻璃或者塑料。在這些情況下，極低溫度4是供 了更迅速A人這些物體上除去熱的方法，即^吏工序結(jié)尾的物體最終 溫度可能比室溫更高一些。此外，涉及硬盤驅(qū)動器、硅片、或者平板顯示器材料、或其 他基體的一些應(yīng)用涉及將物質(zhì)沉積在這些物體上。在這種應(yīng)用 中，由于沉積，熱/人物體釋》文出來，并且當(dāng)維4寺物體溫度在先前 描述的溫度范圍內(nèi)時，這種熱一定^皮除去。冷卻l象滾筒的表面是 除去來自這種物體中的熱的典型方法。在這些應(yīng)用中，制冷系統(tǒng) 和被冷卻物體之間的界面被冷卻在蒸發(fā)器中進(jìn)行，在蒸發(fā)器中， 制冷劑從極低溫度的物體中除去熱。極低溫度的其他應(yīng)用包括生 物體液和組織的儲藏和化學(xué)和制藥過程中反應(yīng)速率的控制。另外的應(yīng)用包括用在金屬處理和控制材料性質(zhì)的其他材料 中的利用極低溫度。然而另外的應(yīng)用包括多種過程中的熱去除，包括但不限于CCD照相機、X-射線檢測器、Y射線檢測器、和其
他的核顆粒和輻射才企測器。其他應(yīng)用還包括設(shè)備應(yīng)用，包括氣相 色i普、差示掃描量熱4義、質(zhì)謂4義、和其4也類似應(yīng)用。極低溫制冷劑也用在家用和工業(yè)氣體和液體的冷凝和冷卻 中，例如在氮氣液化、氧氣液化、其他氣體液化、和用于更多應(yīng) 用中的氣體的冷卻。這些應(yīng)用中的一些包4舌丁烷制冷、化學(xué)過禾呈 中氣體溫度的控制，等等。傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)長久以來利用的是氯化制冷劑，這種制冷劑已 經(jīng)確定對環(huán)境有害并且已知助于臭氧損庫毛。因此，日益限制性環(huán)境A見則已經(jīng)強迫制冷劑工業(yè)不4吏用氯化石友氟化合物(CFCs)與氫 氟氯碳化物(HCFCs)。蒙特利議定書的規(guī)定要求氫氟氯碳化物使 用逐漸停止并且2001年1月1日歐盟法禁止在制冷系統(tǒng)中4吏用 氫氟氯石友化物。因此，要求發(fā)展可供選4奪的制冷混合物。氫氟烴 (HFC)制冷劑是優(yōu)先備選的，這種制冷劑不易燃，具有低毒性并 且易購4尋?，F(xiàn)有技術(shù)極低溫系統(tǒng)使用易燃組分來控制油。采用氯化制冷 劑的極低溫系統(tǒng)中使用的這種油與較高溫沸點組分具有優(yōu)良混 溶性，該較熱沸點組分在壓縮時能在室溫下液化。較低溫沸點 HFC制冷劑如R-23不與這些油混合并且不易液化直到4也們4妄觸 到制冷過程的較低溫部分。不混溶性導(dǎo)致壓縮機油分離和凍析， 由于堵塞管道、過濾器、閥門或者節(jié)流裝置依次導(dǎo)致系統(tǒng)失敗。 為了得到溶混性，在較低溫度下，乙烷被常規(guī)加入到制冷劑混合 物中。不幸地是，乙烷是易燃的，這限制了消費者接受并且能引 起系統(tǒng)控制的附加要求、安裝要求和費用。因此，優(yōu)選除去乙烷 或其4也易燃組分。制冷系統(tǒng)如上面描述的那些需要一種制冷劑混合物，這種制 冷劑混合物將不從制冷劑混合物中凍析出。當(dāng) 一個或多個制冷劑
組分、或壓縮^L油變成固體或者極粘稠時，發(fā)生制冷系統(tǒng)的"凍 析"情況，極粘稠指其不流動的臨界點。如果凍析情況發(fā)生，抽 吸壓力易于降低可進(jìn)一步產(chǎn)生正反饋并且進(jìn)一步降低溫度，更引 起凍析。需要一種阻止混合制冷劑制冷系統(tǒng)中凍析的途徑?？捎玫?HFC制冷劑具有比其取代的HCFC和CFC制冷劑更高溫凝固 點。這些制冷劑混合物關(guān)于凍析的極限在專利09/886,936的美國 申請中公開。如上面提到的，由于碳?xì)浠衔锏囊兹夹?，其使?是不希望的。然而，因為能代替易燃碳?xì)浠衔镏评鋭┑腍FC 制冷劑通常具有高溫凝固點，除去易燃組分引起凍析控制中的額 外困難。當(dāng)制冷系統(tǒng)中的外部熱負(fù)荷非常^f氐時，通常存在凍析。 一些 極低溫系統(tǒng)利用過冷器并用它冷卻高壓制冷劑，這種過冷器采用 一部分最低溫高壓制冷劑。這通過膨"長制冷劑部分并<吏用其對過 冷器的低壓側(cè)進(jìn)料來完成。因此，當(dāng)流向蒸發(fā)器的流動蜂皮停止時， 內(nèi)部流動和傳熱持續(xù)使高壓制冷劑逐漸變得更冷。這依次導(dǎo)致進(jìn) 入過冷器的被膨脹制冷劑的溫度更低。取決于整個系統(tǒng)設(shè)計、該 系統(tǒng)的冷端處循環(huán)中的制冷劑組分、和該系統(tǒng)的才喿作壓力，有可 能得到凍析溫度。既然相對于這種情況如凍析的限度必須給出， 制冷設(shè)計將通常受限制，由于整個系統(tǒng)被設(shè)計不再經(jīng)歷凍析情 況。當(dāng)釆用氫氟碳化物(HFCs)作為制冷劑時的另 一個挑戰(zhàn)是這 些制冷劑在烷基苯油中是不互溶的，并且因此，多元醇酯(POE) (1998 ASHRAE Refrigeration Handbook,第7章，7.4頁，美國采 暖、制冷和空調(diào)工程師學(xué)會)壓縮機油與HFC制冷劑兼容。適宜 的油的選擇對極低溫系統(tǒng)是必需的，因為這種油不僅提供良好的 壓縮機潤滑，也不在極低溫下從制冷劑中分離和凍析出。 專利USSN 09/894,964的美國申i青描述了如該申i青中引述的 才及<氐溫混合制冷系鄉(xiāng)克的凍4斤預(yù)防的方法。盡管該方法i正明只于其應(yīng) 用的系統(tǒng)是有效的，也不能提供必需的控制。這是因為利用閥門 沖是高上游低壓制冷劑的壓力來預(yù)防凍析減少該系統(tǒng)的制冷性能。 公開的閥門必須人工調(diào)整，并且按照不同形式操作(例如，冷卻、 除霜、停備和烘干)需要，人工調(diào)整閥門是不實際的?？偟膩韎兌，大量的旁^各方法^皮應(yīng)用在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中。這些 系統(tǒng)，通常在-40。C或更高溫度下才喿作，采用單一制冷劑組分，或 者具有沸點相鄰的制冷劑混合物，這種混合物性能類似于單 一制 冷劑組分。在這種系統(tǒng)中，控制方法利用飽和制冷劑溫度和飽和 制冷劑壓力之間的對應(yīng)。在單一制冷劑組分上，這種對應(yīng)的本質(zhì) 〃使得當(dāng)兩相混合物(液相和氣相)存在時，僅制冷劑的溫度或者 壓力彼此被確定。通常采用的具有沸點緊鄰的混合制冷系統(tǒng)，該 溫度壓力對應(yīng)存在小偏差，但它們運行并且按照單一組分制冷劑 的類似模式處理。/>開的發(fā)明涉及才及^f氐溫制冷系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用具有寬間隔 沸點的混合制冷劑。典型混合物將具有相差I(lǐng)O(TC至20(TC的沸 點。對本公開目的，極低溫混合制冷系統(tǒng)(VLTMRS)意指采用具 有至少兩種組分的極低溫制冷系統(tǒng)，這兩種組分正常沸點相差至 少50 。C。這種混合物，單一制冷劑組分的偏差是顯著性的以至 于々包和溫度和^:包和壓力之間的對應(yīng)更復(fù)雜。由于這些附加組分所4是供的自由度凄t和這些組分由于寬間 隔沸點而性能彼此不同的事實，為了使壓力(或者溫度)被確定， 制冷劑混合物組成、液體組分、和溫度(或者壓力)必須被確定。 因此，傳統(tǒng)單 一 制冷劑或者性能類似于單 一 制冷劑的混合物的控 制方法，由于溫度-壓力對應(yīng)中的差異，不能以相同于傳統(tǒng)系統(tǒng) 的方式應(yīng)用于才及^氐溫混合制冷系統(tǒng)(VLTMRS)。盡管接近圖示表
征，由于壓力溫度對用中的差異，這些設(shè)備在極低溫混合制冷系統(tǒng)(VLTMRS)中的應(yīng)用不同于J見有沖支術(shù)。如簡單的實施例，傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)控制嚴(yán)重依賴于控制冷凝器 溫度將控制排氣壓力的事實。因此，控制冷凝器溫度的控制閥門 將以可預(yù)測方式控制排氣壓力，不顧操作模式或者蒸發(fā)器上的熱 負(fù)荷。相比之下，由于蒸發(fā)器負(fù)載和才喿作模式的變化，即使循環(huán) 混合物和冷凝器溫度未改變，采用具有寬間隔沸點的組分的極低 溫混合制冷系統(tǒng)(VLTMRS)將經(jīng)歷壓縮機排氣壓力的很大改變。因此， 一 些體現(xiàn)本發(fā)明的所示圖表是常見的傳統(tǒng)制冷中#1行 的那些?，F(xiàn)有技術(shù)控制方法的綜述在2002版ASHRAE手冊制冷 巻第45章中癥會出。本系統(tǒng)不同于這些現(xiàn)有才支術(shù)系統(tǒng)，因為該申 請涉及具有不同溫度-壓力特征的制冷劑，或者更特別地，這些 制冷劑具有沒有確定的壓力溫度對應(yīng)，如傳統(tǒng)制冷劑達(dá)到的。因 此，控制組分和制冷劑之間的相互作用是不同的。Forrest等人提出的USP 4,763,486描述了加入內(nèi)部冷凝液旁 路的極低溫混合制冷系統(tǒng)(VLTMRS)。在該方法中，該過禾呈中不 同相分離器中的液體制冷劑迂回到蒸發(fā)器的進(jìn)口 。該方法的目的 是為了提供蒸發(fā)器冷卻的溫度和容量控制，并且是為了提供系統(tǒng) 的穩(wěn)定操作。如定義，這種方法要求制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器來提供某 種水平的冷卻。沒有提及由停備模式或者烘干模式構(gòu)成并且圖表 清楚顯示所示方法不能在停備模式或者烘干模式中使用。本發(fā)明 描述了起動系統(tǒng)的難題，該起動系統(tǒng)具有不同凄t量的相分離器。自乂人本專利的時間以來，；feU氐溫混合制冷系統(tǒng)(VLTMRS)的 許多變化已經(jīng)被證實，改變相分離器的數(shù)量，相分離器是整個分 離器或部分分離器，和沒有相分離器。這些示范系統(tǒng)在沒有利用 Forrest等人的情況下已經(jīng)成功#皮才喿作。Forrest等人預(yù)防的情況
涉及的事實是可能的，該事實是極低溫混合制冷系統(tǒng)(VLTMRS) 要求最小流速支持適當(dāng)?shù)膬上嘀评鋭┝鲃?。在沒有充分流動的情 況下，F(xiàn)orrest等人避免的征兆將被預(yù)料到。Forrest等人也沒有 使用排氣線油分離器。周知的是，極低溫混合制冷系統(tǒng)(VLTMRS) 中的壓縮才幾油可阻滯流動管道并且導(dǎo)致了 Forrest等人力求避免 的該種類型;f正兆。此外，當(dāng)前應(yīng)用預(yù)防該過程中制冷劑的凍析。不同于不受正 常關(guān)注的傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)，因為它們通常在50 。C或者比用在/厶開 的極低溫混合制冷系統(tǒng)中制冷劑的凝固點更高溫度下操作，凍析 是一種重要考慮。發(fā)明內(nèi)容為了如預(yù)防制冷過程中制冷劑和油的凍析的目的，本發(fā)明公 開了提供在制冷過程中溫度控制的方法。本發(fā)明的方法尤其在極 低溫制冷系統(tǒng)或者過程中有效，采用混合制冷劑系統(tǒng)，如自動制 冷復(fù)疊循環(huán)、Klimenko循環(huán)、或者單一膨月長i殳備系統(tǒng)。制冷系統(tǒng) 由至少一個壓縮機和單一階段配置(沒有相分離器)或者多階段 配置(至少一個相分離器)的節(jié)流循環(huán)。多階,殳節(jié)流循環(huán)也統(tǒng)稱 為自動制冷復(fù)疊循環(huán)并且其特征在于在制冷過程中使用至少一 個制冷氣-液相分離器。本發(fā)明的溫度控制和凍析預(yù)防方法在制冷系統(tǒng)中有效，該制 冷系統(tǒng)具有延長的除霜循環(huán)(烘干)。如將討i侖的，烘干的〗吏用 需要另外考慮，這些方法中提到。本發(fā)明的優(yōu)勢是控制溫度和/或預(yù)防制冷劑混合物的凍析的 方法公開用在極低溫制冷系統(tǒng)中。
本發(fā)明的另一個優(yōu)勢是在操作模式(冷卻、除霜、停備或者 烘干)之內(nèi)利用公開的方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
然而，本發(fā)明的優(yōu)勢是操作接近制冷劑混合物的凍析點的極
低溫混合制冷系統(tǒng)(VLTMRS)的能力。
本發(fā)明的其他目標(biāo)和優(yōu)勢將在說明書中顯而易見。


如下面附加附圖中舉例i兌明的，本發(fā)明的前述和其4也目的、 特征和優(yōu)點從下列本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的更特殊描述中將是 顯而易見的，其中相同參考字符統(tǒng)指貫穿不同一見圖中的相同部 分。這些附圖不必按比例少見定，重點不在于舉例:沈明本發(fā)明的原 理。
圖1為依據(jù)本發(fā)明的具有旁路循環(huán)的極低溫制冷系統(tǒng)的示意圖。
圖2為依據(jù)本發(fā)明通過采用制冷劑的可控內(nèi)部旁鴻4是供溫度 控制和/或預(yù)防凍析的方法的示意圖。
圖3為依據(jù)本發(fā)明通過采用制冷劑的可控內(nèi)部旁路提供溫度 控制和/或預(yù)防凍4斤的另 一 個可供選擇方法的示意圖。
圖4為依據(jù)本發(fā)明通過采用制冷劑的可控旁游、提供溫度控制 和/或預(yù)防凍析的另 一 個方法的示意圖。
圖5為依據(jù)本發(fā)明通過采用圖2實施方案中制冷劑的可控內(nèi) 部旁路提供溫度控制的方法的示意圖。
圖6為依據(jù)本發(fā)明通過采用如圖3實施方案中制冷劑的可控 內(nèi)部旁路提供溫度控制的另 一 個可供選擇方法的示意圖。
圖7為依據(jù)本發(fā)明通過采用圖4實施方案中制冷劑的可控旁 路提供溫度控制的另 一 個方法的示意圖。
具體實施例方式
圖1顯示了依據(jù)本發(fā)明添加部件的現(xiàn)有4支術(shù)才及^f氐溫制冷系統(tǒng) 100。現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的詳情在美國專利申請09/870,385中公開， 通過引述合并于本文中并成為其一部分。制冷系統(tǒng)100包"fe給優(yōu) 選油分離器108進(jìn)口進(jìn)料，經(jīng)排出管IIO給冷凝器112進(jìn)料的壓 縮才幾104。冷凝器112隨即纟會過濾干燥4幾114進(jìn)津牛，通過液體管 輸出116給制冷過程118的第一補給輸入進(jìn)料。制冷過程118的 另一個詳情在圖2中顯示出。當(dāng)油不經(jīng)循環(huán)來潤滑壓縮才幾時，油 分離器是不需要的。
制冷過程118提供了制冷補給線輸出120，其給進(jìn)給閥122 的進(jìn)口進(jìn)料。進(jìn)給閥122中的制冷劑是極低溫下的高壓制冷劑， 通常-90。C至-208 。C。流量計(FMD) 124與冷卻閥128串連安排。 同樣地，F(xiàn)MD 126與冷卻閥130串連安置。FMD 124和冷卻閥 128的系列組合與FMD 126和冷卻閥130的系列組合平行安置， FMD124和FMD 126的進(jìn)口在結(jié)點處相連，給料閥122的出口 #L 進(jìn)泮+。此夕卜，冷卻閥128和130的出口在結(jié)點處相連，對寸氐溫分 離閥132的進(jìn)口進(jìn)料。低溫分離閥132的出口提供蒸發(fā)器補給管 出口 134,其對(通常)家用裝置蒸發(fā)器線圈136進(jìn)料。
蒸發(fā)器136的相反端提供了蒸發(fā)器回流管138,其對低溫分 離閥140的入口進(jìn)泮+。 ^f氐溫分離閥140的出口經(jīng)內(nèi)部回流管142 對才及孑氐溫流量開關(guān)152進(jìn)泮牛?；亓鏖y144的出口對止回閥146白勺
進(jìn)口進(jìn)料，止回閥146的進(jìn)口經(jīng)制冷回流管148對制冷過程118 的第二進(jìn)口(低壓)進(jìn)料。
溫度開關(guān)(TS) 150熱耦合于止回閥146和制冷過程118之間 的制冷回流管148。此外，多個溫度開關(guān)，具有不同^兆閘點，沿 著內(nèi)部回流管142 ^皮熱津禺合。溫度開關(guān)(TS) 158、溫度開關(guān)(TS) 160、和溫度開關(guān)(TS) 162熱耦合于低溫分離閥140和回流管144 之間的內(nèi)部回;;危管142。
制冷循環(huán)乂人制冷過程118的回流出口至壓縮才幾104進(jìn)口經(jīng)壓 縮機吸入管164被封閉。位于十分靠近壓縮機104的壓力開關(guān)(PS) 196由空氣作用連4妻壓縮才幾吸入管164。此外，油分離器108的 油回流管109 4妄入壓縮才幾吸入管164。制冷系統(tǒng)IOO進(jìn)一步包括 連接壓縮機吸入管線164的膨脹水箱192。FMD 194在膨脹箱192 和壓縮才幾吸入管164之間排成一排安置。
制冷系統(tǒng)100內(nèi)的除霜補癥合循環(huán)(高壓)4要照如下構(gòu)成進(jìn) 給閥176的進(jìn)口在位于排出管線110的結(jié)點A處4皮連沖妄。除霜閥 178與FMD 182并排安置；同樣地，除霜閥180與FMD 184并 4非安置。除霜閥178與FMD 182的系列《且合與除霜閥180與FMD 184的系列組合并排安置，除霜閥178和180的進(jìn)口在結(jié)點B處 連4妄起來，進(jìn)纟會閥176的出口對結(jié)點B進(jìn)沖+。此夕卜，F(xiàn)MD182和 184的出口在結(jié)點C處連接起來，結(jié)點C給冷卻閥128和低溫 分離閥132之間的結(jié)點D處管線內(nèi)連接封閉除霜補給循環(huán)的管線 進(jìn)料。
制冷系統(tǒng)100內(nèi)的制冷劑回流旁^各(低壓)循環(huán)按照如下構(gòu) 成旁^各管186從定位低溫流量開關(guān)152和回流閥144之間管線 內(nèi)結(jié)點E給料。平行連接在旁路管186中的是旁路閥188和檢修
閥190。制冷回流旁i 各循環(huán)由才t修閥190的出口連4妻位于制冷過 程118和壓縮才幾104之間的壓縮才幾吸入管164中的結(jié)點F實玉見。除了 TS 150、 TS 160、和TS 162之外，制》令系統(tǒng)100的所 有元件被機械和液壓連接。安全回路198提供對制冷系統(tǒng)100內(nèi)排列的多個控制設(shè)備的 控制或者乂人其中得到反4貴，例如壓力和溫度開關(guān)。PS 196、TS 150、 TS 158、 TS 160、和TS 162是這種設(shè)備的實施例；然而，有許 多其他傳感裝置排列在制冷系統(tǒng)100內(nèi)，為簡單起見不顯示在圖 1中。壓力開關(guān)，包4舌PS196，通常由空氣作用連4妻，然而溫度 開關(guān)，包括TS 150、 TS 158、 TS 160、和TS 162，通常熱耦合 于制冷系統(tǒng)100內(nèi)的流線。安全回路198是電控制的。同樣地， 不同傳感器癥會安全回if各198的反々貴是電。制冷系統(tǒng)100是極低溫制冷系統(tǒng)并且其基本操作，除熱和熱 重安置，在本領(lǐng)域中是周知的。本發(fā)明的制冷系統(tǒng)100利用純凈 制冷劑或者混合制冷劑。除了j氐溫分離閥132和140之外，制冷系統(tǒng)100的單個元件 在工業(yè)中是眾所周知的(例如，壓縮才幾104、油分離器108、冷 凝器112、過濾干燥器114、制冷過程118、進(jìn)給閥122、 FMD 124、 冷卻閥128、 FMD 126、冷卻閥130、 蒸發(fā)器線圈136、回流閥 144、止回閥146、 TS 150、 TS 158、 TS 160、 TS 162、進(jìn)給 閥176、除霜閥178、 FMD 182、除霜岡180、 FMD 184、旁3各 閥188、才企修閥190、膨脹箱192、 FMD 194、 PS 196、和安全回 3各198) 。 it匕夕卜，j氐5顯;;充量開關(guān)152在專矛JUSSN 09/886,936的 美國申{青中進(jìn)4亍了全面描述。然而，為了更清楚，在下面對元件 進(jìn)行了一些簡單討i侖。 壓縮才幾104是傳統(tǒng)壓縮才幾，其采用低壓、^f氐溫制冷劑氣體并將其壓縮成高壓、高溫氣體，將其送進(jìn)油分離器108內(nèi)。油分離器108是傳統(tǒng)的油分離器，其中壓縮才幾104中的壓縮 質(zhì)量流進(jìn)入較大分離器容器內(nèi)，這降低其速度，從而形成質(zhì)子化 油滴，這些油滴聚集在沖擊屏表面或者聚結(jié)元件上。油滴省是聚成 較大顆粒，它們落到分離器油存儲器內(nèi)并經(jīng)壓縮機吸入管164返 回到壓縮才幾104內(nèi)。油分離器108中的質(zhì)量流，減去4皮除去的油， 持續(xù)流向結(jié)點A并向上流向冷凌是器112。壓縮才幾104內(nèi)的熱且高壓氣體流經(jīng)油分離器108,然后經(jīng)過 冷凝器112。冷凝器112是傳統(tǒng)冷凝器，是系統(tǒng)的一部分，熱經(jīng) 冷凝被排除。當(dāng)熱氣經(jīng)過冷凝器112,通過它或在其上的氣體或 者水將其冷卻。當(dāng)熱氣態(tài)制冷劑冷卻時，液態(tài)制冷劑液滴在其線 圏內(nèi)形成。最終，當(dāng)氣體到達(dá)冷凝器112末端時，其已經(jīng)部分冷 凝；那就是說，液態(tài)和氣態(tài)冷凝劑存在。為了使冷凝器112正確 運行，經(jīng)過冷凝器112或在其上的氣體或者水必須比該系統(tǒng)的工 作流體更低溫。為了一些特殊應(yīng)用，制冷劑混合物將被組合使得 冷凝器中沒有發(fā)生冷凝。冷凝器112中的制冷劑經(jīng)過濾干燥器114向上流動。過濾干 燥器114起到吸收系統(tǒng)污染物的作用，如水，水能生成酸，并且 起到提供物理過濾的作用。過濾干燥器114中的制冷劑對制冷過 程118進(jìn)詳+。制冷過程118可為任何制冷系統(tǒng)或者制冷過程，如單一制冷 系統(tǒng)、混合制冷系統(tǒng)、正常制冷過禾呈、單一階l殳的復(fù)疊制冷過-呈、 自動制冷復(fù)疊循環(huán)、或者Klimenko循環(huán)。為了本^^開中舉例i兌 明的目的，制冷過程118在圖2中顯示，如Klimenko也對自動 制冷復(fù)疊循環(huán)的變化進(jìn)行了描述。
圖1中所示的幾個項目對基本制冷單元是不必需的，其唯一 的目的是為了輸送極低溫制冷劑。圖1中描述的系統(tǒng)是能夠除霜和烘干的系統(tǒng)。如果這些功能不需要，繞開制冷過程118的循環(huán) 可^皮去掉，公開方法的才艮本利益仍是適用的。同樣地，閥門和其 他設(shè)備中的一些對有利于公開的方法是不必需的。作為最小化， 制冷系統(tǒng)必須包括壓縮才幾104、冷凝器112、制冷過程118、 FMD 124、和蒸發(fā)器136。圖2中所示的制冷過程118的一些基本變化是可能的。制冷 過程118可為一個階^殳的復(fù)疊系統(tǒng)，其中冷凝器112中制冷劑的 最初冷凝可由低溫制冷劑從其他階,殳制冷得到。同樣地，制冷過 程118生成的制冷劑可用于冷卻和液化較低溫復(fù)疊過程的制冷 劑。此外，圖1顯示單一壓縮4幾。/>認(rèn)的是，可采用兩個平4亍壓 縮初J尋到相同壓縮功歲丈，或者經(jīng)系列壓縮才幾或兩個階萃殳壓縮才幾， 相同的壓縮過禾呈可分解成多個階|殳。所有這些可能變化^皮i人為在 本7>開的范圍內(nèi)。此外，圖l至4僅與一個蒸發(fā)器線圏136相關(guān)。原則上，公 開方法可用于由單一制冷過程118冷卻的多個蒸發(fā)器線圈136。 在這個構(gòu)造中，每個獨立的受控蒸發(fā)器線圈136需要單獨組的閥 門和FMD去控制制冷劑進(jìn)料(例如，除霜閥180、 FMD 184、除 霜閥178, FMD 182、 FMD 126、冷卻閥130、 FMD 124、和 令卻 閥128)并且用閥門控制旁^^例如，止回閥146和旁^各閥門188)。蒸發(fā)器136，如所示，可加入作為完整制冷系統(tǒng)100的一部 分。在其他安排中，蒸發(fā)器136由用戶或者其他第三方提供，一 經(jīng)安裝完整制冷系統(tǒng)100就被裝配上。制備蒸發(fā)器136通常是非 常簡單的并且可由銅或者不銹鋼管組成。在其他應(yīng)用中，制作是 更復(fù)雜的，是用戶過程部分。例如，蒸發(fā)器可包括多個流動通道
熱交換器中的至少一個流動通道。在這個安排中，用戶過程流體 在熱交換器的其他通道中流動，并由蒸發(fā)器制冷劑冷卻。進(jìn)給閥176和4企修閥190是標(biāo)準(zhǔn)隔膜閥或者比例閥，例如 Superior非密去于閥門(Washington, PA)，如必需的，4是供一些分隔 組分的服務(wù)功能。膨脹箱192是制冷系統(tǒng)中傳統(tǒng)存儲器，其容納由加熱引起的 制冷劑蒸發(fā)和膨脹引起的增加的制冷劑體積。在這種情況中，當(dāng) 制冷系統(tǒng)100關(guān)閉時，制冷劑蒸汽經(jīng)FMD 194進(jìn)入膨月長箱192。冷卻閥128、冷卻閥130、除霜閥178、除霜閥180、和旁^各 閥188是才示準(zhǔn)電f茲閥，例3口 Sporlan (Washington, MO) models xuj, B-6和B-19閥?？晒┻x4奪i也，冷卻閥128和130是具有閉環(huán)反 々貴的比例閥，或者熱膨"長閥。優(yōu)選的止回閥146是傳統(tǒng)止回閥，其^f又在一個方向上流動。 止回閥146 #4居作用在制冷劑上的壓力打開和關(guān)閉。(止回閥 146的附加描述如下)。因為這個閥經(jīng)受才及<氐溫，它必須由與這 些溫度兼容的材并+構(gòu)成。此外，該閥必須具有正確的壓力等纟及。 此外，優(yōu)選的是，這種閥沒有密封，允許制冷劑向環(huán)境泄露。優(yōu) 選地，應(yīng)該經(jīng)銅焊或者焊接連接起來。示范止回閥是Check-All Valve的系列UNSW止回閥(West Des Moines, IA)。需要烘干功 能的這些應(yīng)用中^f又需要這種閥門。FMD 124、 FMD 126、 FMD 182、 FMD 184、和FMD 19是傳統(tǒng)流量計，如毛細(xì)管，注流孔，具有反饋的比例閥，或者控制 流動的限制性元件。
進(jìn)纟會閥122、低溫分離閥132和140、和回流閥144通常是 標(biāo)準(zhǔn)隔膜閥，例如Superior閥門7>司制造的。然而，標(biāo)準(zhǔn)隔膜閥 在才及4氐溫溫度下才喿作是困難的，因為小量的水在螺紋中堆積阻 塞，/人而阻止才喿作。可供選4奪的，Polycold (Petaluma, CA; Brooks 自動化分^>司)已經(jīng)開發(fā)了經(jīng)改善的截止閥，其用于才及^f氐溫制冷 系統(tǒng)100內(nèi)的^f氐溫分離閥132和140。 j氐溫分離閥132和140 的可供選擇的實施方案如下描述。低溫分離閥132和140具有 裝在不銹鋼管內(nèi)的套管伸縮軸，不銹鋼管內(nèi)裝入氮氣或空氣。軸高溫末端處的壓縮配4牛和o-環(huán)配置甚至在才及j氐溫溫度下4爭動。這軸裝置4是供了熱隔離，/人而阻止霜累積。加熱或者冷卻的蒸發(fā)器表面是蒸發(fā)器線圏136。用戶安裝蒸 發(fā)器線圈136的實施例為金屬管線圈或者某種類別的滾筒，例如 具有熱鍵合其上的管子的不銹鋼板或者具有設(shè)計其內(nèi)的制冷劑 流動管道的板子。蒸發(fā)器的流動通道也可為多通道熱交換器中的 至少一個通道。圖2舉例說明了依據(jù)本發(fā)明的示范性制冷過程118。為了本 />開中3兌明的目的，制冷過程在圖2中顯示，如自動制冷復(fù)疊循 環(huán)。然而，杉L低溫制冷系統(tǒng)100的制冷過程118可為任何制冷系 統(tǒng)或者制冷過禾呈，例如單一制冷劑系統(tǒng)、混合制冷劑系統(tǒng)、單階 ,殳的復(fù)疊制冷過程、自動制冷復(fù)疊循環(huán)、Klimenko循環(huán)等。更特殊地，制冷過程118可為帶有沒有相分離的單階段低溫 冷卻器的自動制冷復(fù)疊過程系統(tǒng)，(Longsworth, USP 5,441,658)， Missimer型自動制冷復(fù)疊過程系統(tǒng)，(Missimer USP 3,768,273), 或者Klimenko型系統(tǒng)(例如，單相分離器)。制冷過程118也 可為這些過禾呈的變4匕，例長口 Forrest, USP 4,597,267或者M(jìn)issimer， USP 4,535,597中描述的。
本發(fā)明最基本的是采用的制冷過程必須包含制冷劑流經(jīng)除 霜模式或者停備模式(沒有流向蒸發(fā)器)期間制冷過程的至少一 種方法。在單一膨脹設(shè)備冷卻器，或者單一制冷系統(tǒng)的情況中，閥門(未示出)和FMD (未示出)對使制冷劑從高壓側(cè)流向低 壓側(cè)經(jīng)制冷過程是必需的。這保證制冷劑流經(jīng)冷凝器112使得熱 可從系統(tǒng)中排除掉。這也確保，制冷過程118中的除霜低壓制冷 劑與來自管線186的回流除霜制冷劑混合存在。在穩(wěn)定冷卻才莫式 中，從高側(cè)向低側(cè)的內(nèi)部流動可通過關(guān)閉制冷過程的這個閥門阻 止，不需要這種內(nèi)部制冷流路獲得預(yù)期制冷效果(傳統(tǒng)具有單一 FMD的系纟克)。關(guān)鍵的是，制冷過程持續(xù)操作，甚至當(dāng)不需要蒸發(fā)器冷卻的 時候。持續(xù)操作維持制冷118中的極低溫并且需要時提供了蒸發(fā) 器快速制冷的能力。圖2的制冷過程118包括熱交換器202、相分離器204、熱 交換器206和熱交4灸器208。在補主合流動路經(jīng)中，液體管116中 流動的制冷劑給熱交換器206進(jìn)料，對相分離器204進(jìn)料，對熱 交換器206進(jìn)料，對熱交換器208進(jìn)料，對優(yōu)選熱交換器212進(jìn) 料。熱交換器212的高壓出口在結(jié)點G分開。 一個分支對FMD 214 進(jìn)料，另一個分支對制冷補給線120進(jìn)料。熱交換器212/>認(rèn)為 過冷卻器。 一些制冷過程不需要它，因此它是可選元件。如果熱 交換器212不被使用，熱交換器208內(nèi)的高壓流直接對制冷劑補 纟會線120進(jìn)并+。在回流流動^各徑中，制冷劑回流管148對熱交換: 器208進(jìn)料。在具有過冷卻器的系統(tǒng)中，過冷卻器中的低壓制冷劑與回流 制冷劑在結(jié)點H處混合并且生成的混合流體對熱交換器208進(jìn) 料。熱交換器208內(nèi)的低壓制冷劑對熱交換器206進(jìn)料。相分離 器除去的液體鎦分?jǐn)U大為FMD 210中的^氐壓。制冷劑乂人FMD 210
流出，然后與從熱交換器208向熱交換器206流動的低壓制冷劑 混合?；旌系牧黧w對熱交換器206進(jìn)料，依次對熱交換器202進(jìn) 料，隨即對壓縮機吸入管164進(jìn)料。熱交換器在高壓制冷劑和低 壓制冷劑之間交換熱。在更精制的自動制冷復(fù)疊系統(tǒng)中，附加階段的分離可應(yīng)用在 制冷過禾呈118內(nèi)，3口 Missimer禾口 Forrest 4苗述的。熱交4灸器202、 206、 208和212是一尋一個物質(zhì)中的熱壽爭移至 另一物質(zhì)中的工業(yè)中眾所周知的裝置。 一些普通裝置包括銅焊平 板熱交換器、筒中筒熱交換器、和較大單管內(nèi)多管。相分離器204 是分離制冷劑液相和氣相的工業(yè)中眾所周知的裝置。這種相分離 器利用分離元件有效除去氣相中液相薄霧。典型的構(gòu)造由鋼絲絨 包裝或者不^"鋼除霧器，或者聚結(jié)介質(zhì)如填充玻璃纖維組成，獲 得超過99%的分離效率。圖2顯示一個相分離器；然而，通常具 有多于一個。熱交換器212—般統(tǒng)稱為過冷卻器。有混淆的可能，因為傳 統(tǒng)制冷系統(tǒng)也具有稱為過冷卻器的裝置。在傳統(tǒng)制冷中，過冷卻 器統(tǒng)稱熱交換器，這種熱交換器采用蒸發(fā)器回流氣體冷卻室溫進(jìn) 入的冷凝排出制冷劑。在這種系統(tǒng)中，熱交換器的每個側(cè)面上的 流體總是均4軒的。本應(yīng)用中描述的系統(tǒng)中，過冷卻器起著不同功 能。它不與回流蒸發(fā)器制冷劑交換熱。替代地，它轉(zhuǎn)向蒸發(fā)器的卻器，因為在一些例子中，它能生成過冷液體，然而，它以比傳 統(tǒng)過冷卻器更不同的方式工作。為清楚起見，為了本應(yīng)用目的，過冷卻器統(tǒng)稱在才及〗氐溫混合 制冷溫度系統(tǒng)中使用的熱交換器，通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中 一部分最冷高 溫制冷劑#喿作而凈皮用于冷卻高壓制冷劑。
流經(jīng)極低溫混合制冷劑過程中的熱交換器的流體在該過程 的至多兩個^f立置通常以兩相混合物形式存在。因此，維持適當(dāng)?shù)?液體流速而^f呆持混合物的均勻性是阻止流體的液體和氣體部分 分離和降^f氐系統(tǒng)性能所必需的。系統(tǒng)以幾個l喿作沖莫式工作，例如體現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)，維持充分制冷劑流動來正確控制這兩項流動 對確保可靠操作是很關(guān)鍵的。連續(xù)參考圖1和2,才及^f氐溫制冷系統(tǒng)100的才喿作如下來自壓縮才幾104的熱高壓氣體經(jīng)過優(yōu)選油分離器108,然后 經(jīng)過冷;疑器112,氣體經(jīng)通過它或在其上的空氣或水冷卻。當(dāng)氣 體到達(dá)冷凝器112的末端時，它纟皮部分冷凝并且是液態(tài)和氣態(tài)制 冷劑的混合物。來自冷凝器112的液態(tài)和氣態(tài)制冷劑流經(jīng)過濾干燥器114, 然后對冷凝過程lis進(jìn)料。極低溫制冷系統(tǒng)100的制冷過程118 通常具有乂人高壓向4氐壓的內(nèi)部制冷劑流動這各徑。制冷過考呈118在 高壓下生成極冷制冷劑(-90。C至-208°C ),經(jīng)制冷劑補^^線120 流向低溫氣體進(jìn)給閥122。冷的制冷劑存在于進(jìn)給閥122內(nèi)并且對FMD 124的系列組合 進(jìn)料，完全流通冷卻閥128與FMD 126的系列組合平行安置， 限制流動冷卻閥130,冷卻閥128和130的出口在^會j氐溫分離閥 132進(jìn)口進(jìn)料的結(jié)點D處連4妾在一起。蒸發(fā)器線圈136位于低溫分離閥132和低溫分離閥140之間， 起到截止閥的作用。低溫分離閥132對蒸發(fā)器補給線134進(jìn)料， 其連接到被加熱或者冷卻的蒸發(fā)器表面，例如蒸發(fā)器線圈136。 被加熱或者冷卻的蒸發(fā)器反向末端，例如蒸發(fā)器線圈136，連4妻 蒸發(fā)器回流管138,只于{氐溫分離閥140的進(jìn)口進(jìn)泮牛。
蒸發(fā)器線圏136的回流制冷劑流經(jīng)低溫分離閥140至才及^氐溫 流量開關(guān)152?；亓髦评鋭┙?jīng)回流閥144 乂人《氐溫流量開關(guān)152流出，隨即流 向止回閥146。止回閥146是彈簧式低溫止回閥，這種閥門通常 具有1至10psi石皮裂壓力。那就是i兌止回閥146的不同壓力必須 超過允"i午流動的石皮裂壓力?？晒┻x4奪i也，止回閥146是^f氐溫開/ 關(guān)閥，或者最小化壓力下降的具有足夠尺寸的^f氐溫比例閥。止回 閥146的出口經(jīng)制冷劑回流管148對制冷過程118進(jìn)沖+。止回閥 146在本發(fā)明的制冷系統(tǒng)100中起到主要作用。應(yīng)注意地是，進(jìn)給閥122和回流閥144是可供選4奪的并且分 別對低溫分離閥132和低溫分離閥140是有些多余的。然而，進(jìn) 給閥122和回流閥144提供了服務(wù)功能分離該系統(tǒng)中必要的組分。極低溫制冷系統(tǒng)100主要區(qū)別于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)(i) 其達(dá)到的4及^f氐溫；(ii) 其利用制冷劑混合物，該混合物包括具有沸點差別至少 50°C的制冷劑，因為這些制冷劑混合物性能比現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)制冷 系統(tǒng)有4艮大區(qū)別；(iii) 它用在能在不^又有 一 個冷卻才莫式的才莫式中#:作，例如， 除霜、停備和烘干模式，從而需要包括寬范圍的操作條件；和(iv) 它提供了經(jīng)本應(yīng)用中7>開的方法控制溫度的有刻3支術(shù)， 如為了預(yù)防制冷劑棟析。
可用在本發(fā)明中VLTMRS的特殊制冷劑的實施例在專利 USSN 09〃28,501、 USSN 09/894,968 和 USP5,441,658(Longsworth)的美國申i青中進(jìn)4亍了 "i寸^侖。其乂>開合并于 本文中并成為其一部分。為完整性， 一些^皮選4奪的混合制冷劑如 ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字34定義總稱為"R"并且具有括號內(nèi)的摩爾分 數(shù)范圍混合物A包4舌R畫123 (0.01至0.45)、 R-124 (0.0至0.25)、 R-23 (0.0至0.4)、 R-14 (0.05至0.5)、和氬氣(0.0至0.4);昆合物B包4舌R-236fa (0.01至0.45)、 R-125 (0.0至0.25)、 R-23 (0.0至0.4)、R-14 (0.05至0.5)和氬氣(O.O至0.4)〉'昆合物C包4舌R畫245fa、 (0.01至0.45)、 R-125 (0.0至0.25)、 R-23 (0.0至0.4)、R-14 (0.05至0.5)和氬氣(O.O至0.4)'混合物D包4舌R-236fa (0.0至0.45)、 R-245fa (0.0至0.45)、 R-134a、R-125 (0.0至0.25)、R畫218 (0.0至0.25)、R畫23 (0.0至0.4)、 R-14 (0.05至0.5)、氬氣(0.0至0.4)、氮氣(O.O至0.4)和氖氣(O.O 至0.2)混合物E包括丙烷(0.0至0.5)、乙烷(0.0至0.3)、曱烷(0.0 至0.4)、氬氣(0.0至0.4)、氮氣(0.0至0.5)、和氖氣(O.O至0.3).公認(rèn)地，上述混合物和混合物組分的可能組合是無限的。也 期望，不同混合物組分的一些組合被期望在一些應(yīng)用中是有歲文 的。此外，期望未列出的其他組分可被加入。然而，利用按照上 述列出比例的組分的混合物，和耳關(guān)合其他列出的混合物在本發(fā)明 的界定范圍內(nèi)。
可在依據(jù)本發(fā)明的才及<氐溫混合制冷系統(tǒng)中4吏用的其他混合物包括美國專利No. 6,076,372和No. 6,502,410和2005年1月 25日4是出的美國專利申請No. 11/046,655題目為"利用混合惰性 組分制冷劑的制冷循環(huán)"中公開的混合物，專利的公開通過引述 合并于本文中。用多種不同的可能混合物操作的系統(tǒng)有利于這里 公開的技術(shù)，包括由惰性制冷劑、氟醚、和/或氫氟烴構(gòu)成的混合 物，和由惰性制冷劑、氟醚、氫氟烴、和/或碳?xì)浠衔飿?gòu)成的混 合物。在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中，沒有止回閥146,回流制冷劑直4妄進(jìn)入 制冷過程118 (在冷卻模式或者除霜模式中)。然而，在除霜循 環(huán)中，通常是當(dāng)制冷過程118的回流制冷劑溫度達(dá)到+20 。C時制 冷循環(huán)118^皮終止，+20 。C是除霜循環(huán)末端的典型溫度。在+20 。C 那點，制冷劑與制冷過程118內(nèi)的極冷制冷劑混合。室溫制冷劑 和極冷制冷劑在制冷過程118內(nèi)混合可在制冷過程118超負(fù)荷之 前僅容許一段很短時間，因為存在很多熱。當(dāng)轉(zhuǎn)載了高溫回流制 冷劑時，制冷過程118努力生成^l冷制冷劑，制冷劑壓力最終超 過其沖喿作才及限，乂人而引起制冷過程118凈皮安全系統(tǒng)198關(guān)閉為了 保護(hù)自己。結(jié)果，傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中的除霜^t環(huán)^皮限制約2至4分 鐘并限制于約+20 。C最大制冷劑回流溫度。然而，經(jīng)對比， 一及低溫制冷系統(tǒng)100具有制冷過程118的回 流^各徑中的止回閥146和圍繞制冷過程118的回流旁i 各循環(huán)，乂人 結(jié)點E至F,經(jīng)旁3各線186、旁-各閥188、和才企^修閥190, 乂人而 對除霜循環(huán)中高溫制冷劑回流的產(chǎn)生不同效應(yīng)。象進(jìn)給閥122和 回流閥144、檢修閥190不是必要的，但如果需要維修，提供了 一些隔離組分的月艮務(wù)功能。除霜4t環(huán)中，當(dāng)由于高溫制冷劑與^f氐溫制冷劑混合，制冷過 禾呈118內(nèi)的回流制冷劑溫度達(dá)到，例4口， -40 。C或者更高溫度，在制冷過程118周圍的結(jié)點E至F的旁路管線被打開。結(jié)果， 高溫制冷劑流進(jìn)壓縮機吸入管164，然后向上流到壓縮才幾104。 旁路閥188和才t修閥190由于TS 158、 TS 160、和TS 162的作 用而被打開。例如，TS 158起到"除霜加開關(guān)"作用，其具有>-25 。C的一組點。TS 160 (優(yōu)選的)起到"除霜終止開關(guān)"作用，其具 有〉42。C的一組點。TS 162起到"冷卻回流限制開關(guān)"作用，其具 有> 畫80 。C的一纟且點?？偟膩韎兌，TS 158、 TS 160、禾口 TS 162， 基于回流線制冷劑和基于操作模式(例如，除霜或者冷卻模式) 的反應(yīng)，為了控制閥打開和/或者關(guān)閉來控制制冷系統(tǒng)100加熱或 者冷卻的速度。 一些應(yīng)用需要連續(xù)除霜操作，也統(tǒng)稱為烘干模式。 在這些情況中，TS160不必終止除霜，因為這種才莫式的連續(xù)才喿作 是必需的。該操作最基本的是結(jié)點E至F之間的差壓，當(dāng)流過旁路閥 188和4企修閥190時，必須〗吏經(jīng)過止回閥146的差壓不超過其石皮 裂壓力(例如，5至10 psi)。這是重要的，因為，流體采用最小 阻力的^各徑；因此，流動必須正確平纟軒。如果經(jīng)過旁i 各閥188和 才企修閥190的壓力一皮允許超過止回閥146的石皮裂壓力，流動將經(jīng) 止回閥146出發(fā)。這不是預(yù)期的，因為高溫制冷劑將倒回到制冷 過程118,同時高溫制冷劑進(jìn)入壓縮才幾吸入管164并且對壓縮枳j 104進(jìn)料。同時流經(jīng)止回閥146并且結(jié)點E至F的旁3各引起制冷 系統(tǒng)100變得不穩(wěn)定，并且造成失控模式，其中任何物質(zhì)溫度變 高，排出壓力(壓縮機釋放的)變得更高，吸入壓力變得更高， 引起更多流向制冷過程118, E點壓力變得更高，最終關(guān)閉制冷 系纟克100。如果吸入壓力超過預(yù)先確定值，裝置如PS 196被用于阻止熱 氣流向制冷過禾呈，該情況可凈皮阻止。因為制冷系統(tǒng)100的質(zhì)量流 速主要由吸入壓力調(diào)速，這變成將流速限制在安全范圍內(nèi)的有效
方法。降〗氏吸入壓力j氏于預(yù)先確定^l限PS 196將重新調(diào)整并再 次恢復(fù)除霜過程。因此，制冷系統(tǒng)100的除霜循環(huán)過程的正確才喿作，經(jīng)過旁^各 閥188和抬r修岡190對比止回閥146的流動平4軒受到^f子細(xì)控制來 提供流動阻力的正確平纟軒。圍繞流動平衡問題的設(shè)計參數(shù)包括管 尺寸、閥尺寸、和每個閥門的流量系數(shù)。此外，制冷過程118在 吸入側(cè)U氐壓)的壓力下降可變化于過禾呈與過禾呈之間并需要^皮確 定。制冷系統(tǒng)118中壓力下P務(wù)力口上止回閥146的石皮裂壓力是E至 F除霜回流旁^^管線能耐受的最大壓力。旁路閥188和4企修閥190—經(jīng)進(jìn)入除霜循環(huán)馬上關(guān)閉。旁^各 流動開始的時間由TS 158、 TS 160、和TS 162的起始點確定， 從而流動^皮延遲直到回流制冷溫度達(dá)到更正常水平，從而允許<吏 用更標(biāo)準(zhǔn)組分，通常i殳計成-40 。C或者更高溫度，避免需要溫度 比-40 。C更低的價值更高的組分。受到TS 158、 TS 160、和TS 162的4空制，回流到壓縮積^及 入管164結(jié)點F并與制冷過程118的吸入回流氣體混合的流體的 制冷劑溫度是設(shè)定的。制冷混合物隨即流向壓縮機104。壓縮才幾 104的期望回流制冷劑溫度通常為-40 。C或者更高溫度；因此，結(jié) 點E處-40 。C或者更高溫度的流體是可接受的，在壓縮機104的 操作極限內(nèi)。當(dāng)選才奪設(shè)定值TS 158、 TS 160、和TS 162是另一 個考慮。選擇設(shè)定值TS 158、 TS 160、和TS 162存在兩個限制。首 先，除霜旁路回流制冷劑溫度不能選擇為這種高溫以至于制冷過 程118由于高排》文壓力自己關(guān)閉。第二，除霜旁5各回流制冷劑溫 度不能如此〗氐溫以至于流經(jīng)旁^各線186的回流制冷劑比旁3各閥 188和才t修閥190所能耐受的溫度更^f氐。當(dāng)與制冷過程118的回 流在結(jié)點F處混合時，回流制冷劑不能低于壓縮機104的操作極 限。結(jié)點E處的典型交界溫度在-40 。C至+20 。C之間。總的來i兌，制冷系統(tǒng)100內(nèi)的除霜循環(huán)回流流動不允i午除霜 循環(huán)過程中除霜氣體向制冷過程118回流。替代地，制冷系統(tǒng)100 使回流旁路(結(jié)點E至F)阻止制冷過程118的超載，從而使 除霜循環(huán)連續(xù)才喿作。當(dāng)打開結(jié)點E至F的除霜回流旁i 各時，TS 158、 TS 160、和TS162控制。在冷卻模式中， 一旦得到極低溫， 結(jié)點E至F的除霜回流旁3各是不允"i午的。一經(jīng)討i侖的除霜循環(huán)補纟合^各徑如下，繼續(xù)參考圖1。除霜4盾 環(huán)過程中，從壓縮機104流出的熱高壓氣體經(jīng)過位于優(yōu)選油分離 器108下游排氣管110的結(jié)點A。結(jié)點A處的熱氣溫度通常在 80 。C至130 。C之間。熱氣體迂回在結(jié)點A處的制冷過程118，不進(jìn)入冷凝器112, 當(dāng)打開螺線管除霜閥178或者螺線管除霜閥180并關(guān)閉閥128和 130來轉(zhuǎn)移流動。如圖1中描述的，除霜閥178與FMD 182串聯(lián) 安置；同樣地，除霜閥178和FMD 182與FMD 184串聯(lián)安置。 除霜閥178和FMD 182系列組合在結(jié)點B至C之間與除霜閥 180和FMD 184的系列組合平4亍安置。除霜閥178或者除霜閥180和其關(guān)耳關(guān)的FMD可耳又決于流動要求平4于#:作或者單獨操:作。^直得注意的是，制冷系統(tǒng)100的結(jié)點B至C之間的平朽^各 徑的凄史量不限于2個，每一個具有與FMD串耳關(guān)的除霜閥，如圖 1中所示。幾個流動3各徑可能存在于結(jié)點B至C之間，預(yù)期的 流速通過選4奪平^f于i 各徑組合進(jìn)^f于確定。例如，可能具有10%流動 5各徑、20%流動^各徑、30%流動3各徑，等等。 -假如存在經(jīng)過旁3各 閥188的回流旁鴻4盾環(huán)，乂人結(jié)點E至結(jié)點F,來自結(jié)點C的;充 體直4妄流向結(jié)點D,隨即經(jīng)過低溫分離閥132并流向客戶蒸發(fā)器
線圈136用抖^壬-f可預(yù)期長度時間。結(jié)點A至結(jié)點D的除霜補結(jié)、 循環(huán)是用在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)除霜循環(huán)。然而，加入除霜閥 178、除霜閥180、和其關(guān)4關(guān)FMD是制冷系統(tǒng)100的獨一無二的 特征，這能控制流動?？晒┻x擇地，除霜閥178和180自己是充 分的測量裝置，^人而排除了進(jìn)一步流量控制裝置的需要，例如 FMD 182和FMD 184。已經(jīng)討_淪的制冷系統(tǒng)100的除霜循環(huán)，冷卻循環(huán)過,呈中除霜 回流旁^各循環(huán)的^f吏用的討i侖如下，繼續(xù)參考圖1。在冷卻才莫式中， 旁3各閥188通常是關(guān)閉的；因此，熱制冷劑乂人結(jié)點E至F流經(jīng)制 冷過程118。然而，監(jiān)測制冷劑回流管142的制冷劑溫度可用于 當(dāng)結(jié)點E處的制冷劑溫度較高但正下降時使旁路188在冷卻模式 初期階4爻中打開。 -使除霜回流旁^各循環(huán)在該時間內(nèi)輔助避免制冷 過程118的進(jìn)一步負(fù)載。當(dāng)結(jié)點E處的制冷劑溫度達(dá)到交界溫度 時，先前討i侖的(例如，-40°?；蛘吒邷囟?，關(guān)閉旁3各閥188。 采用冷卻才莫式vs.烘干才莫式的不同"i殳定值，旁3各閥188是打開的。附屬于冷卻循環(huán)，冷卻閥128和130可采用"斷3各器"電路(未 示出)脈沖調(diào)制，該"斷路器"電路具有約1分鐘的周期。這有利 于限制冷卻才莫式過程中速度的改變。冷卻閥128和冷卻閥130具 有不同尺寸的FMD。因》匕，流動受到開》文循環(huán)方式調(diào)節(jié)，因為 經(jīng)冷卻閥128的i 各徑限制不同于經(jīng)冷卻閥130的路徑限制。按需 要選擇路徑。可供選擇地， 一個路徑可完全開放，另一個脈沖調(diào) 制，等等。當(dāng)它開始并按照停備、除霜、和冷卻方式操作時，提供制冷 系統(tǒng)100的連續(xù)操作需要正確平衡本公開中制冷劑組分。如果制 冷劑混合物不具有正確范圍內(nèi)的正確組分，將發(fā)生錯-溪情況，這 引起制冷系統(tǒng)IOO被控制系統(tǒng)關(guān)閉。典型的錯誤情況是低的吸入 壓力、高的排放壓力或者高的排放溫度。檢測這些情況中的每一
個的靈敏器包括在制冷系統(tǒng)100內(nèi)和包括在控制系統(tǒng)的安全連鎖 裝置中是必需的。我們已經(jīng)i正實凍沖斤預(yù)防的/^開方法可成功應(yīng)用 在不同的操作模式中，沒有引起單元在任何錯誤情況中被關(guān)閉。極低溫混合制冷劑系統(tǒng)(VLTMRS)的可靠操作需要制冷劑不 凍結(jié)。不幸地，預(yù)期特殊制冷劑混合物將凍結(jié)的時間是很困難的。 專利USSN 09/894,968的申請討論了特殊制冷劑混合物的特殊凍 析溫度?；旌衔锏膶嶋H凍析溫度可采用多種分析工具預(yù)測到，這 種分析工具提供的詳細(xì)反應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)是周知的。然而，這個數(shù)據(jù) 通常是不能得到的，經(jīng)驗測試必須實現(xiàn)接近凍析將發(fā)生的那一 點。想象通過利用圍繞制冷過程周圍的4交大制冷旁^各或者通過 減少壓縮才幾流速以至于當(dāng)蒸發(fā)器不需要冷卻時限制制冷過程118 產(chǎn)生的制冷劑的量來預(yù)防凍析的可供選擇方法是可能的。這些方 法的問題是制冷劑流動必須減少的程度將阻止熱交換器正確才喿 作，因為熱交換器需要最小流速來支撐兩相流動。如先前描述的，在制冷過程保持極低溫度對支撐蒸發(fā)器快速 制冷是重要的。因此，必須保持熱交換器中的高流動性。然而， 沒有蒸發(fā)器負(fù)荷的高流動性導(dǎo)致制冷過程118中的更低溫度，這 可導(dǎo)致凍才斤。對于給定極低溫混合制冷劑系統(tǒng)(VLTMRS),蒸發(fā)器和內(nèi)部 熱交換器溫度將基于蒸發(fā)器中的熱負(fù)荷和#:作才莫式而改變。當(dāng)在 冷卻模式時，蒸發(fā)器溫度可^爭越最高蒸發(fā)器負(fù)載、或者最大額定 負(fù)載(最高蒸發(fā)器溫度)至最低蒸發(fā)器負(fù)載(最低蒸發(fā)器溫度) 5(TC范圍。因此，當(dāng)系統(tǒng)具有少許蒸發(fā)器負(fù)荷或者沒有蒸發(fā)器負(fù) 荷時，或者當(dāng)系統(tǒng)沒有外荷載并在停備、除霜模式或者烘干模式 中操作時，優(yōu)化系統(tǒng)硬件和在最大額定負(fù)載下操作的制冷劑混合
物可引起凍析的問題。當(dāng)較新的HFC制冷劑被使用時是尤其重 要的，因為這些制冷劑易于具有比CFC和HCFC前4壬原料更高 的凝固點。此外，釆用大氣、惰性氣體、氟醚、和其他氟化化合 物的混合物也可發(fā)生凍析。因此，能在非最大額定負(fù)載條件下運 行沒有凍析發(fā)生的系統(tǒng)對VLTMRS用戶是必需的。除了預(yù)防凍 析之外，許多應(yīng)用需要控制用于其他目的的制冷系統(tǒng)提供的極低 溫度。例如，溫度控制可4皮要求確保可重復(fù)性4乘作，預(yù)防由于過 冷溫度引起的破壞，或者控制溫度降低或者升高的速率。圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明， 一種提供溫度控制的方法，目的為 預(yù)防制冷劑凍析。相分離器204至FMD 216的流程受到閥218 控制。該流動在結(jié)點J與進(jìn)入過冷卻器212的低壓制冷劑混合。 如果沒有過冷卻器#皮4吏用，液流與最冷低壓流混合，與最冷高壓 制冷劑交換熱。例如，如果沒有過冷卻器存在，液流將在結(jié)點H 處混合來自管線148的回流制冷劑。旁路的目的是為了溫?zé)岬蛪?流；這^f吏最冷高壓制冷劑溫度變高。流動旁^各的啟動受到閥218 的控制。這個閥需要適應(yīng)于壓力、溫度和制冷過程要求的流速。 作為實施例，閥218是Sporlan閥門^>司生產(chǎn)的model xuj閥門。 FMD 216是控制需要流速的一些工具。在一些情況中，閥218和 FMD 216的控制和流量調(diào)節(jié)部件組合成單一比例閥門。現(xiàn)有混合制冷劑極低溫制冷系統(tǒng)類似于該申請中描述的那 些，缺少閥218、 FMD 216和這里描述的關(guān)耳關(guān)旁路循環(huán)。圖2 中顯示的這些組分和相關(guān)鉛管的^f吏用區(qū)別于現(xiàn)有4支術(shù)發(fā)明。凍析預(yù)防方法中高溫制冷劑來源的選擇值得額外關(guān)注。優(yōu)選 的方法，如圖2中所示，是為了除去系統(tǒng)中最低溫相分離器中的 氣相。這通常確保液流的凍析溫度〗氏于或者等于混合液流的凍初-溫度。這是一般規(guī)律，因為相分離器中較高濃度的較低沸點制冷 劑具有較低溫凝固點。最終標(biāo)準(zhǔn)是用于溫暖制冷系統(tǒng)118冷卻端 的混合物必須具有至少與其溫暖的液流一才羊^氐的凌是固溫度。在一 些特殊情況中，得到的混合物將具有比4壬一單一液流的凝固點更 高溫或者更^f氐溫的灌是固點。在這種情況中，標(biāo)準(zhǔn)是凍4斤在混合發(fā) 生前或者發(fā)生后都不發(fā)生。此外，在沒有相分離器的系統(tǒng)中，高溫制冷劑可為該系統(tǒng)中 可用的任-f可高壓制冷劑。因為沒有相分離器凈皮^吏用，循環(huán)混合物 在整個系統(tǒng)是相同的，4是供的液態(tài)和氣態(tài)均勻混合物支持整個系 統(tǒng)。如果該系統(tǒng)^使用油分離器，高溫制冷劑來源應(yīng)在相分離器之 后。Forrest等人的USP 4,763,486 4苗述了 VLTMRS的溫度和容 量控制的方法，其利用來自與蒸發(fā)器入口混合的相分離器的冷凝 液。冷凝液的旁3各與當(dāng)前發(fā)明不一致，因為冷凝液富有較高沸點 冷凝劑，較高沸點冷凝劑通常為具有最高凝固點的組分。因此， 應(yīng)用Forrest等人發(fā)明的過程將提高制冷劑凍析的可能性，因為 生成的混和物具有4交高凝固點。此外，F(xiàn)orrest等人提出的過程需要旁^各流動進(jìn)入蒸發(fā)器中。 因此，這種方法不能用在停備模式中或者烘干模式中，因為這個 方法將引起蒸發(fā)器的冷卻。相反，停備模式和烘干模式要求沒有 蒸發(fā)器冷卻發(fā)生。Forrest等人沒有討論接近混和物凍析溫度的操作。相反， Forrest控制方法在較高溫度下操作并且在低于-100 。C溫暖下一皮 關(guān)閉。關(guān)于極低溫混合制冷劑系統(tǒng)(VLTMRS)中凍析的溫度通常 為-130 。C或者更低溫度。因此，F(xiàn)orrest等人描述的方法將不預(yù) 防凍析并且不支持停備模式或烘干模式下的操作。
依據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，許多為加熱目的的旁路流動的方法是可 能的。作為實施例，假如相分離器的液體、或者給相分離器進(jìn)料 的兩相混合物具有比其混合液流更低的凝固點，它們可滿足。存 在可利用的無限量的可能組合的液體和氣體比例。可通過加入具 有 一 個以上暖液流與冷液流混合在 一起的混合物而進(jìn)一 步擴(kuò)大這些組合。本發(fā)明的第一實施方案的本質(zhì)是經(jīng)過一個或多個流動 控制裝置與低壓制冷劑混合的暖液流的路徑選擇，低壓制冷劑與 最低溫高壓制冷劑交換熱從而引起制冷劑溫度足夠高使得凍析 不發(fā)生。第一實施方案也可用在其他目的的溫度控制技術(shù)中，如 下面進(jìn)一步i寸i侖的。凍析預(yù)防的有效方法被采用時，測試顯示使用的方法和在方 法中釆用的控制確定是否這種烘千模式能用在成功的方法中。在 一些情況中，觀察到7>開方法的不正確平# 導(dǎo)致不穩(wěn)定才喿作，吸入壓力持續(xù)升高。甚至控制干擾烘干流體經(jīng)過PS 196，也觀察到 吸入壓力重復(fù)達(dá)到無法接受的高水平，導(dǎo)致止回閥彈簧力超載。 因此，任一系列毛細(xì)管被需要，被使用并受到單獨控制或者一起 控制去影響基于操作方式和/或條件的不同程度的限流，或者可供 選4奪;也，比例閥可用于調(diào)整所需的;充動。通常，采用相蒸發(fā)器至FMD 216的氣體流、或者氣體和'液體 混合物提供了最簡單的控制方法。這是因為氣體或者氣體加液體 流經(jīng)毛細(xì)管對下游壓力的改變低敏。經(jīng)對比，經(jīng)過毛細(xì)管的液流 變得對下游壓力中的改變更敏感。制冷劑混合物的使用能夠使用 毛細(xì)管并且當(dāng)耐受冷卻、除霜和烘干模式過程中吸入壓力的顯著 性改變時提供簡單且有效的方法預(yù)防凍析，制冷劑混合物在進(jìn)入 FMD 216時不完全液4匕。通常，優(yōu)選的是，進(jìn)入FMD的氣體和液體的比例控制在枱r 出線內(nèi)。當(dāng)在開放控制循環(huán)中使用時，尤其在FMD為固定節(jié)流 孔限制器如毛細(xì)管的情況中，不這樣做將《1起本方法有效性的改變。然而，甚至采用毛細(xì)管，，i如毛細(xì)管考慮這些變化確定尺寸， 入口比的變化可#:允許。在特殊情況中，耳又決于才乘作條件，凈皮測試的具有內(nèi)徑O. 044英寸和長度36英寸的毛細(xì)管4吏至少3 。C和差 不多15 。C的最冷高壓制冷劑升溫。這對足夠預(yù)防任何操作模式中 的凍析。需要預(yù)防凍析的升溫的量非常小，因為僅需要阻止達(dá)到凍析 溫度。原則上，0.01 。C溫度對于預(yù)防混和物的凍析是足夠的，這 種混合物組成是眾所周知的。在其他情況中，生產(chǎn)過程、才喿作條 件、和其他變化可引起混和物組成的變化，需要較大裕度確保凍 析4皮阻止。這種不確定情況中，可能的變化范圍和凍一斤溫度的影 響必須被評估出。然而，在大多數(shù)情況下，升溫5。C將提供充足 的裕度。用于凍析預(yù)防的方法的典型加熱范圍為o.orc至30°c。如測試，本發(fā)明中描述的方法提供了相對于凍析溫度，約3 。C至15 。C升溫。不管考慮過的特殊凍4斤預(yù)防實施方案，0.01 。C至30。C升 溫的典型范圍，或者VLTMRS在O.OrC至30。C凍析溫度內(nèi)的才喿 作適用，盡管較寬溫度范圍可用在用于其他目的的溫度控制實 施方案中。例如，當(dāng)用于非凍析預(yù)防目的的溫度控制時，至少1、 5、 10、 20、 50、 100、或150 。C升溫范圍可被采用。較寬或者專交 窄范圍也可被釆用，取決于用于該申請的溫度控制的預(yù)期范圍， 其中制冷系統(tǒng)祐 使用。圖2提供了本發(fā)明利用開環(huán)控制方法的圖示。就是說，監(jiān)朝L 器不需要控制信號并且調(diào)節(jié)操作。基本控制機構(gòu)是控制閥218和 FMD216。閥218才艮據(jù)才喿作才莫式打開。需要溫度控制和/或者凍才斤 預(yù)防的才莫式在i殳計過程中 一皮確定并包括在系統(tǒng)控制的i殳計中。
FMD216具有提供給預(yù)期才喿作條件范圍的適當(dāng)流量的尺寸。這個 方法具有^氐實施成本和筒單的優(yōu)勢?？晒┻x擇地安排，與本發(fā)明一致，使用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)需要在系統(tǒng)最低溫部分放置溫度傳感器(未示出)為了 提供溫度控制，或者預(yù)防凍析。傳感器的輸出信號被輸入到控制 設(shè)備(未示出)中如Omega (Stamford, CT) P&ID溫度控制器。 控制器采用適當(dāng)?shù)膇殳定^f直編程并且其輸出#1用于控制岡218。閥218可為幾種類型中的一種。它可為4壬一開/關(guān)閥，開/關(guān) 閥通過改變導(dǎo)通時間和斷通時間的時間量進(jìn)行控制?？晒┻x擇的 閥218是比例控制閥，其被控制調(diào)節(jié)流速。閥218是比例控制閥 的情況下，F(xiàn)MD216可能不需要。圖2與包4舌過;令卻器的VLTMRS相關(guān)。凈爭別i也，相只寸于過 冷卻器，用于提供溫度控制或預(yù)防凍析的高溫制冷劑的混合定位 -故顯示出。如前述討i侖的，過冷卻器是優(yōu)選的。因此，其它安置 依據(jù)本發(fā)明是可能的。在可供選4奪的實施方案中，沒有過冷卻器的系統(tǒng)與具有最{氐 溫^氐壓制冷劑位置的高溫制冷劑混合(未示出)?？衫斫獾氖?， 圖2中所示的熱交換器是持續(xù)低溫?zé)峤粨Q器212是最低溫的， 熱交換器208比熱交換器212溫度高，熱交換器204比熱交換器 206溫度高并且熱交4奐器202比熱交換器204溫度高。當(dāng)然，為 提供傳熱，高壓液流比每個熱交換器中的低壓液流溫度高。當(dāng)沒 有過冷卻器存在時，熱交換器208,或者制冷過程冷卻端上最后 熱交換器定義為最冷熱交換器。公認(rèn)地，高溫制冷劑與低溫制冷劑混合的位置進(jìn)行小修改是 可能的。預(yù)期的是，引入該制冷劑與任何低溫、低壓制冷劑混合
將提供一些優(yōu)勢，倘若低溫制冷劑比20 。C最低溫低壓制冷劑溫度 更低，這種修改是在本發(fā)明界定范圍內(nèi)。除了提供凍析預(yù)防技術(shù)之外，圖2的第一實施方案也能用于提供用于其他目的的蒸發(fā)器的溫度控制。在一些應(yīng)用中，溫度控制是系統(tǒng)性能的重要條件。圖5舉例說明了依據(jù)第一實施方案(圖 2的)溫度控制技術(shù)的實施例。在圖5中，提供了控制蒸發(fā)器136 或者物體或者^皮冷卻的液流503的溫度的4支術(shù)。溫度控制信號 501提供了蒸發(fā)器136中制冷劑溫度的測量(例如電信號)給控 制電^各，例如控制電^各198。盡管溫度控制信號501顯示在圖5 中如測量蒸發(fā)器136出口處的溫度，測量蒸發(fā)器136進(jìn)口處制冷 劑溫度也是可能的，或者提供超過蒸發(fā)器線圏136長度的兩個或 多個溫度測量的平均值、加纟又平均值、或者其它函tt也是可能的。 可供選擇地，或者除了測量蒸發(fā)器136溫度之外，溫度信號控制 4言號505可用于感應(yīng)物體或者一皮冷卻的流體503的溫度。如采用 蒸發(fā)器，多種不同溫度測量可用于提供溫度控制信號505,包括 貫穿物體或者一皮冷卻的流體503的溫度平均值或者其他函tt。箭 頭507表明蒸發(fā)器136熱耦合于物體503,可按照取決于應(yīng)用的 多種不同方式扭j亍。省略號509表明制冷過程118的中管線120 和148經(jīng)幾個組分(未示出)耦合于蒸發(fā)器線圈136上，例如類 4以于圖1中所示的《且分。采用控制信號501和/或505,控制電^各198確定是否蒸發(fā)器 136或者物體或者流體503的溫度太熱或者太;令，并且乂于閥218 提供控制信號在制冷過程的J點產(chǎn)生或多或少的升溫。這種方法 中，蒸發(fā)器或者物體或者流體503的溫度可受到閉環(huán)反饋技術(shù)控 制。4空制電^各198可耳關(guān)合幾個l命入501和505,或者^U吏用一個， 起到測量受控溫度的作用?？刂齐奮各198也可因子轉(zhuǎn)化來自制冷
系統(tǒng)的控制算法二次輸入；例如，通過才艮據(jù)制冷過程118中最冷 J點處溫度測量對控制算法設(shè)置二級限制。盡管溫度控制的閉環(huán)技術(shù)顯示在圖5中，使用圖5的實施方 案提供開環(huán)方式中的溫度控制也是可能的，參考圖2上述描述的 類似方法。因為圖5的溫度控制實施方案^f吏用經(jīng)過如圖2中的閥218和 FMD 216的相同旁路電^各，這些實施方案在這里稱為"第一實施 方案"。圖3舉例i兌明了本發(fā)明的第二實施方案。在這個實施方案中， 控制溫度和/或預(yù)防凍析的不同方法進(jìn)4亍了描述。結(jié)點G處的最 冷液體制冷劑纟皮分為第三分支，第三分支對閥318和FMD 316 進(jìn)#牛。FMD 316的流動在結(jié)點H與過冷卻器212的流體和回流 制冷劑液流148混合。如在第一實施方案，目的是排除凍析的可 能、和/或控制其他目的溫度。在第二實施方案中，溫度被控制和/或凍析被預(yù)防或者通過保 持制冷劑經(jīng)過過冷卻器212的^f氐壓側(cè)比經(jīng)過過冷卻器212的高壓 側(cè)更低流速來控制溫度。這引起過冷卻器212中高壓流溫度更高。 調(diào)節(jié)直4妄乂人結(jié)點G至H的迂回的流量比引起過冷卻器212高壓 側(cè)內(nèi)制冷劑的升溫程度變化，從而引起進(jìn)入過冷卻器212低壓側(cè) 的膨脹制冷劑的升溫。更多流量圍繞過冷卻器迂回，更多溫度控 制影響產(chǎn)生，例如生成4交高的^氐溫端溫度。相反，現(xiàn)有4支術(shù)系統(tǒng)不釆用該方法并且當(dāng)蒸發(fā)器流動S皮關(guān)閉 時，過冷卻器兩側(cè)具有等同流量。當(dāng)FMD 316由毛細(xì)管組成時， 該方法與基本的除霜方法在系統(tǒng)中配合更好。然而，當(dāng)在系統(tǒng)中 使用烘干方式時需要改變FMD 316的流量。因此，任一系列的
毛細(xì)管將被需要，分別被使用和控制或者 一起被使用和控制影響 根據(jù)才喿作模式和或條件的限流的改變程度，或者可供選擇地，比 例閥可用于按所需調(diào)節(jié)流量。圖3提供了與本發(fā)明開環(huán)控制方法一致的圖表。就是說，沒有控制信號需要監(jiān)測和調(diào)節(jié)操作。基本控制機構(gòu)是控制閥318和 FMD316。閥318根據(jù)操作模式打開。需要溫度控制和/或凍析預(yù) 防的模式在設(shè)計過程中被確定并包括在系統(tǒng)控制的設(shè)計中。FMD 316具有提供給預(yù)期操作條件范圍的適當(dāng)流量的尺寸。這個方法 具有^f氐實施成本和簡單的優(yōu)勢?？晒┻x擇地安排，與本發(fā)明一致，使用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)在系統(tǒng)最^[氐溫部分加入溫度傳感器(未示出)，為了4是 供溫度控制和/或者預(yù)防凍析。傳感器的輸出信號被輸入到控制設(shè) 備(未示出)中如Omega (Stamford, CT) P&ID溫度控制器?？?制器采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)定值編程并且其輸出被用于控制閥318 。閥318可為幾種類型中的一種。它可為4壬一開/關(guān)閥，開/關(guān) 閥通過改變導(dǎo)通時間和斷通時間的時間量進(jìn)4亍纟空制?？晒┻x4奪的 閥318是比例4空制閥，其一皮4空制調(diào)節(jié)流速。閥318是比例4空制閥 的情況下，F(xiàn)MD316可能不需要。圖3顯示了包括過冷卻器212的VLTMRS。特別地，相對于 過冷卻器，用于提供溫度控制和/或預(yù)防凍析的高溫制冷劑的源定 位和混合定位#1顯示出。如前述討i侖的，過冷卻器212是優(yōu)選的。 因此，其它安置依據(jù)本發(fā)明是可能的。在可供選擇的實施方案中， 沒有過冷卻器的系統(tǒng)將轉(zhuǎn)向最冷高壓制冷劑并混合最冷熱交換 器低壓出口處的高溫制冷劑(未示出)使得最冷熱交換器在低壓 側(cè)比高壓側(cè)具有更^f氐質(zhì)量流速。
公認(rèn)地是，高溫制冷劑與低溫制冷劑混合的位置進(jìn)行小修改 是可能的。預(yù)期的是，引入該制冷劑與任何低溫、低壓制冷劑混合將提供一些優(yōu)勢，倘若低溫制冷劑是最低熱交換器內(nèi)溫度在20 。C內(nèi)的低壓制冷劑，這種修改是在本發(fā)明界定范圍內(nèi)。如第一實施方案，圖3的第二實施方案可用于為了非凍析預(yù) 防目的提供蒸發(fā)器的溫度控制。圖6舉例說明了依據(jù)圖3的第二 實施方案溫度控制技術(shù)的實施例。溫度控制信號601提供了蒸發(fā) 器136內(nèi)制冷劑溫度的測量(例如電信號)纟會控制電i 各，例如控 制電路198。類似于圖5的控制信號501，溫度控制信號605可 用于感應(yīng)物體或者被冷卻的流體603的溫度。箭頭607和省略號 609只于圖5的項目507和509才丸4亍才目合乂功能。采用控制信號601和/或605,控制電^各198可采用閉環(huán)反々貴 :技術(shù)以圖5描述的相似方式控制蒸發(fā)器136或者物體或者流體 603的溫度。開環(huán)才支術(shù)也可#皮<吏用，如參照圖3上述描述的。因為圖6的溫度控制實施方案^f吏用經(jīng)過如圖3中的閥318和 FMD 316的相同旁^各電^各，這些實施方案在這里稱為"第二實施 方案"。在本發(fā)明的第三實施方案中，圖4描述了提供溫度控制和/ 或控制制冷劑凍析的另一個可供選擇的方式。在這種情況下，對 組成的》務(wù)改通常位于靠近壓縮才幾。通常，這些可以是在室溫至不 低于-40 。C條件下操作的組分。這表示為制冷系統(tǒng)200,通過加入 控制閥418和FMD 416對制冷系統(tǒng)100進(jìn)朽"修改。這種安排才是 供了 一種使制冷劑從高壓迂回流向低壓并迂回制冷過程118的方 法。
這有幾種作用。其中兩種作用，被認(rèn)為最重要的，是減少經(jīng) 過制冷過程的流速并且提高了制冷系統(tǒng)的低壓。當(dāng)足夠量的流體 迂回通過這些附加組分時，升溫受到影響，引起溫度控制和/或制 冷過程中的凍沖斤預(yù)防。然而，如上面7>開的，如果乂人制冷系統(tǒng)壽爭 移的流量太大，良好熱交換性能所需要的最小流量將不能保持 住。因此，迂回的最大量必須被限制確保系統(tǒng)中每個熱交換器中 的充足流量。與第二實施方案一才羊，當(dāng)固定管道系統(tǒng)用作FMD時，該方 法采用具有正常除霜和停備才莫式對系統(tǒng)更有效(無流體流向蒸發(fā) 器)。然而，為了在烘干模式下操作，這種固定FMD引發(fā)無法 接受的高吸入壓。在一皮測試的特殊情況下，20 cfm壓縮枳4皮釆用。 具有0.15" ID的旁通管道充分阻止烘干才莫式下的凍析并且不會引 起過壓。然而，停備模式的使用不提供充分流動。當(dāng)管道系統(tǒng)加 大到3/8"OD銅管道系統(tǒng)，停備才莫式中的流動成功地排除了凍析 而過量吸入壓在烘干才莫式下形成。這種經(jīng) 一驗顯示具有單獨:捧作或耳關(guān)合才喿作的兩個或多個固定 管元件可用于控制不同操作模式和條件的需要?？晒┻x擇地，比 例閥:^熱力膨"長閥、或調(diào)壓閥，^曲^丙4由箱調(diào)節(jié)閥，可用于調(diào)節(jié) 所需水平的制冷劑流動。圖4提供了使用開環(huán)控制方法的本發(fā)明圖示。那就是il，沒 有控制信號需要監(jiān)測和調(diào)節(jié)操作?；A(chǔ)控制機理是控制閥418和 FMD416。閥418根據(jù)操作模式被打開。需要溫度控制和/或凍析 預(yù)防的才莫式在i殳計過禾呈中#皮確定并包4舌在系統(tǒng)控制的i殳計中。 FMD 416具有提供給預(yù)期操作條件范圍的適當(dāng)流量的尺寸。這個 方法具有低實施成本和簡單的優(yōu)勢?？晒┻x4奪的安排，與本發(fā)明 一致，采用閉環(huán)反々貴控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在系統(tǒng)的最冷部分添加 了溫度傳感器(未示出)，在最冷部分，溫度被控制和/或凍析需
要被預(yù)防。傳感器的輸出信號被輸入到控制設(shè)備(未示出)中如Omega (Stamford, CT) P&ID溫度控制器。這種控制器采用適宜的 i殳定^f直編禾呈并且其llT出用于4空制閥418。閥418可為幾種類型中的一種。它可為4壬一開/關(guān)閥，開/關(guān) 閥通過改變導(dǎo)通時間和斷通時間的時間量進(jìn)4亍控制。可供選擇的 閥418是比例控制閥，其被控制調(diào)節(jié)流速。閥418是比例控制閥 的情況下，F(xiàn)MD416可能不需要。7>《人地是，高溫制冷劑在吸入管上混合的位置進(jìn)行〗務(wù)改是可 能的。預(yù)期的是，在該過程較高溫階段處任何溫度具有這種旁路 將對l是高吸入壓和減少制冷過禾呈在冷卻端的流速具有預(yù)期目的。 可預(yù)期的是，假如旁路制冷劑的溫度，來源處或混合前，比-100 。C溫度更高，這仍能提供優(yōu)勢。帶有閥418的旁踏4皮關(guān)閉的位置，壓縮機104后，也可改變。 舉個例子，旁路可在壓縮機104和制冷過程118進(jìn)口之間高壓管 線中^f壬^可點開始。如第一和第二實施方案，圖4的第三實施方案可用于為了非 凍析預(yù)防目的提供蒸發(fā)器的溫度控制。圖7舉例il明了依據(jù)圖4 的第三實施方案溫度控制技術(shù)的實施例。溫度控制信號701提供 了蒸發(fā)器136中制冷劑溫度的測量(例如電信號)給控制電路， 例如控制電i 各198,類似于圖5的控制4言號501。在類似于圖5 的控制信號501中，溫度控制信號705可用于感應(yīng)物體或者^皮冷 ^卩的5危體703的S顯度。箭頭707秀口省略號709只于圖5的工頁目507 和509l丸4亍牙目合乂功負(fù)fe。
采用控制信號701和/或705,控制電^各198可采用閉環(huán)反々費 ^支術(shù)以圖5描述的相似方式控制蒸發(fā)器136或者物體或者流體 703的溫度。開環(huán)技術(shù)也可被使用，如參照圖4上述描述的那樣。因為圖7的溫度控制實施方案4吏用經(jīng)過如圖4中的閥418和 FMD 416的相同旁^各電^各，這些實施方案在這里稱為"第三實施 方案"。當(dāng)用于凍析預(yù)防時，本發(fā)明的第一、第二、第三實施方案通 常需要其測試系統(tǒng)的停備、除霜和烘干才莫式。原則上或需要時， 這些方法也可用于冷卻才莫式。同樣地，耳又決于被采用的控制方法， 這些可根據(jù)需要不管操作模式被應(yīng)用。同樣地，溫度控制的第一、 第二、和第三實施方案通常可用在停備、除霜、烘干和冷卻才莫式 中。當(dāng)用于才及低溫蒸發(fā)器的溫度控制時，這里/>開的溫度控制方 法可與冷卻模式中的操作關(guān)系最大。然而，在具有兩個或多個獨 立控制蒸發(fā)器的系統(tǒng)中，以冷卻模式提供一個或多個蒸發(fā)器的溫 度控制是必要的，而一個或多個其他蒸發(fā)器是冷卻或烘干模式。盡管用于溫度控制和/或凍析預(yù)防的第一、第二、和第三實施 方案已經(jīng)分別被提出，使用同一系統(tǒng)中上述實施方案中的一個以 上實施方案也是可能的。依據(jù)本發(fā)明， -使用兩個或多個旁^各是可 能的，兩個或多個旁^各中的每一個來自上述描述所有實施方案中 的同一實施方案。然而，本發(fā)明參考優(yōu)選實施方案進(jìn)行特殊表示和描述，本領(lǐng) 域中的技術(shù)人員將理解在不背離附加權(quán)利要求書所圍繞的本發(fā) 明界定的范圍前4是下可在形式和內(nèi)容上進(jìn)4亍多種改變。
權(quán)利要求
1. 一種利用混合制冷劑的極低溫制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括與制冷過程流體連通的壓縮機，包括在壓縮機和蒸發(fā)器之間制冷系統(tǒng)高壓側(cè)的高壓管線的制冷過程，蒸發(fā)器和壓縮機之間制冷劑回流路徑中制冷系統(tǒng)低壓側(cè)上低壓管線，和在低壓線中制冷劑的高壓管線中至少一個冷卻制冷劑的熱交換器；和連接下列任何一個的旁路循環(huán)a)從制冷過程中高壓制冷劑流動的位置，在高壓管線退出制冷過程的低溫端之前，至系統(tǒng)中最冷低壓制冷劑流動的制冷過程中的位置；或者b)從壓縮機和制冷過程高壓管線入口之間壓縮機高壓制冷劑管線，至壓縮機吸入管線；或者c)從制冷過程中高壓制冷劑在其最低溫的位置，至制冷過程中低壓制冷劑退出制冷過程中至少一個熱交換器最低溫的位置，旁路制冷劑不穿過高壓制冷劑最低溫的位置和低壓制冷劑退出至少一個熱交換器最低溫的位置之間的熱交換器。
2. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)用于控制蒸 發(fā)器的溫度。
3. 依據(jù)權(quán)利要求2所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)目的用于讓 制冷劑使蒸發(fā)器溫度更高。
4. 依據(jù)權(quán)利要求2所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)是凍析預(yù)防 循環(huán)。
5. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)包括連接壓 縮才幾和制冷過程高壓線入口之間的壓縮4幾高壓制冷管線和 壓縮才幾吸入管的旁3各回^各。
6. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)包括控制流 體流經(jīng)該循環(huán)的裝置，其中利用開-關(guān)閥門和流量計控制流體 流動。
7. 依據(jù)權(quán)利要求6所述的制冷系統(tǒng)，其中利用比例控制閥控制 流體流動。
8. 依據(jù)權(quán)利要求6所述的制冷系統(tǒng)，其中流體流動受到自動控制。
9. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其中混合制冷劑包括選自 由R-123、 R-245fa、 R-236fa、 R畫124、 R國134a、丙火克、R國125、 R-23、乙烷、R-14、曱烷、氬氣、氮氣、和氖氣組成組的 一個或多個制冷劑。
10. 依據(jù)權(quán)利要求9所述的制冷系統(tǒng)，其中混合制冷劑包括選自 由下列組合組成的組，每個組合包括列出的摩爾比范圍組 分混合物A包括R-123 (0.01至0.45)、R-124 (0.0至0.25)、 R-23 (0.0至0.4)、 R-14 (0.05至0.5)、和氬氣(0.0至0.4);混合物B包括R-236fa (0.01至0.45)、 R-125 (0.0至 0.25)、 R-23 (0.0至0.4)、 R-14 (0.05至0.5)和氬氣(O.O至 0.4);混合物C包括R-245fa[[, ] (0.01至0.45)、 R-125 (0.0 至0.25)、 R-23 (0.0至0.4)、 R-14 (0.05至0.5)和氬氣(O.O 至0.4);混合物D包括R-236fa (0.0至0.45)、 R-245fa (0.0至 0.45)、 R畫134a (大于0.0) 、 R-125 (0.0至0.25)、 R-218 (0.0 至0.25)、 R-23 (0.0至0.4)、 R-14 (0.05至0.5)、氬氣(O.O至 0.4)、氮氣(O.O至0.4)和氖氣(O.O至0.2);和混合物E包括至少一個非零摩爾比的丙烷(0.0至0.5)、 乙烷(O.O至0.3)、曱烷(0.0至0.4)、氬氣(O.O至0.4)、氮氣 (0.0至0.5)、和氖氣(O.O至0.3).
11. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)連接制冷過 程中高溫高壓制冷劑流動的位置，高壓管線退出制冷過程之 前，至制冷過程中系統(tǒng)內(nèi)最低溫低壓制冷劑流動的位置。
12. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)連接制冷過 程中高壓制冷劑最低溫的位置，至制冷過程中低壓制冷劑退 出制冷過程中至少 一個熱交換器最低溫的位置，旁路制冷劑 不通過高壓制冷劑最低溫的位置和低壓制冷劑退出至少一 個熱交換器最低溫的位置之間的熱交換器。
13. —種制;令系鄉(xiāng)克，該系鄉(xiāng)充包4舌壓縮機；與壓縮才幾流體連通的制冷過程，包4舌在壓縮才幾和蒸發(fā)器 之間制冷系統(tǒng)高壓側(cè)的高壓線的制冷過程，蒸發(fā)器和壓縮機 之間制冷劑回流路徑中制冷系統(tǒng)低壓側(cè)上低壓管線，和在低 壓線中制冷劑的高壓管線中至少一個冷卻制冷劑的熱交換 器；接收來自制冷過程的高壓制冷劑的膨脹裝置；和循環(huán)回^各，其迂回制冷過程的至少 一部分并纟皮連4姿4吏制 冷劑流進(jìn)制冷過程中的位置；采用混合制冷劑提供低于183K溫度的制冷的系統(tǒng)。
14. 依據(jù)權(quán)利要求13所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)用于控制 蒸發(fā)器的溫度。
15. 依據(jù)權(quán)利要求14所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)目的用于 讓制冷劑使蒸發(fā)器溫度更高。
16. 依據(jù)權(quán)利要求14所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)是凍析預(yù) 防循環(huán)。
17. 依據(jù)權(quán)利要求13所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)是從較高 壓處較高溫度位置，至制冷過程中較低壓處低溫位置。
18. 依據(jù)權(quán)利要求17所述的制冷系統(tǒng)，其中旁路循環(huán)包括限流。
19. 依據(jù)權(quán)利要求13所述的制冷系統(tǒng)，其中系統(tǒng)使用混合制冷 劑提供溫度高于65 K的制冷。
20. 依據(jù)4又利要求13所述的制冷系統(tǒng)，其中混合制冷劑包4舌至 少兩種具有寬間隔標(biāo)準(zhǔn)沸點的制冷劑。
21. 依據(jù)權(quán)利要求20所述的制冷系統(tǒng)，其中混合制冷劑包括其 標(biāo)準(zhǔn)沸點差別至少50 。C的至少兩種組分制冷劑。
全文摘要
通過使用受控旁路流動，預(yù)防制冷劑凍析并控制溫度，受控旁路流動導(dǎo)致制冷系統(tǒng)中最低溫制冷劑溫度變高，制冷系統(tǒng)通過使用包括至少兩種制冷劑的制冷劑混合物得到極低溫度，這兩種制冷劑具有差別至少50℃的沸點。這種控制能力使極低溫系統(tǒng)的可靠運行成為可能。
文檔編號F25B9/00GK101400952SQ200780008258
公開日2009年4月1日 申請日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者凱文·P·弗林, 奧利·波德特切爾尼夫, 米克漢爾·博阿斯基 申請人:布魯克斯自動化有限公司