专利名称：防止超低温混合制冷剂系统冻结的方法
技术领域：
本发明涉及通过利用制冷剂的节流膨胀来实现制冷效果的过程。
背景技术：
自从二十世纪初以来就有了制冷系统，当时开发了可靠的密闭制冷系统。从那时起，制冷技术的进步证实了其在住宅和工业装置中的实用性。特别地，目前低温制冷系统在生物医学应用领域、低温电子学领域、涂覆操作领域和半导体制造应用领域都发挥着重要的工业上的功能。
有许多重要的应用，特别是工业制造和测试方面的应用，要求制冷温度在183K(-90℃)以下。本发明涉及提供的制冷温度在183K和65K(-90℃和-208℃)之间的制冷系统。包括在这个范围内的温度有不同的名称低温、超低温和深冷温度。为达到本申请的目的，术语“超低”或者“超低温”将用来指183K至65K(-90℃至-208℃)的温度范围。
在许多真空状态下运行的与低温制冷系统成一体的制造工艺中，某些加工步骤需要快速加热。这种加热操作通常叫做除霜循环。该加热操作把蒸发器和制冷剂连接管加热至室温。这使得系统中的这些部件可接近并与大气相通而不会引起空气中的湿气凝结在这些部件。整个除霜循环和接下来的产生超低温的恢复过程时间越长，制造系统的生产量越低。在真空腔室内使低温表面(蒸发器)快速除霜和快速恢复冷却有益于提高真空工艺的生产量。
另外，在许多工艺中希望热制冷剂更长时间地流过蒸发器。为达到本申请的目的，我们将其称之为“烘干”操作。当由制冷剂交替地加热、冷却的元件具有大量热量，作为时间函数的温度响应大于约1至5分钟时，这种操作是有益的。在这种情况下，要求高温制冷剂延时流动，以允许发生热传导直到所有的表面都达到要求的最小温度为止。另外，真空腔室中的一种普通方法为把该腔室中的表面加热到高温，代表性的温度为150℃至300℃。这样高的温度会向腔室内的所有表面放热，包括被制冷剂冷却和加热的元件。当没有制冷剂流过元件时，使驻留在元件内的制冷剂和一些剩余的压缩机油暴露在这样高的温度下，则驻留的制冷剂有过热的危险，随之会导致制冷剂和/或油分解。因此，当加热腔室时，提供持续流动的高温制冷剂(通常为80℃至120℃)可控制制冷剂和油的温度并防止任何可能的分解。
有许多需要这种超低温冷却的真空过程。主要的应用是为真空系统低温泵吸水蒸气。超低温表面以远远高于释放水蒸气分子的速度捕获并容纳水蒸气分子。实际结果是快速并显著降低腔室内的水蒸气分压。对用于电子存储媒体、光学反射器、用金属处理的部件和半导体装置等真空涂覆工业中的许多物理水蒸气淀积过程来说，低温泵吸水蒸气的这种过程非常有用。这种过程也用来去除食品和生物产品在冷冻干燥操作中产生的湿气。
另外一种应用涉及散热屏蔽。在这种应用中，大面板被冷却到超低的温度。这些冷却面板截取真空室表面和加热器散发的热量。这样能降低被冷却表面上的热负荷，使其温度低于面板的温度。还有一种应用为去除被制造工件上的热量。在一些应用中，该工件为计算机的硬件驱动器的铝盘，制造半导体装置用的硅片，或者诸如用于平板显示器的玻璃或塑料的材料。在这些情形中，低温提供了更迅速地去除这些工件热量的手段，虽然在过程结束时，工件的最后温度可能高于室温。
另外，一些有关硬盘驱动媒体、硅片、平板显示器材料或者其它基片的应用涉及材料在这些工件上的沉淀。在这些情形中，沉淀的结果是工件释放热量，当使工件保持在规定的温度范围内时，就必须去除这些热量。从这些工件去除热量的一种典型手段是冷却象压板这样的表面。在所有这些情形中，制冷系统和待冷却工件之间的相互作用是在蒸发器中进行的，其中制冷剂在超低温状况下去除工件的热量。
超低温其它的应用包括生物流体和组织的储藏以及化学和制药工艺中反应速度的控制。
在历史上，常规的制冷系统曾利用氯化制冷剂，已经确定此种制冷剂对环境有害并且大家知道其造成臭氧耗损。因而，日益限制严格的的环境标准使得制冷行业从氟利昂(CFCs)转向氢氯氟烃(HCFCs)。蒙特利尔协议的条款要求逐步淘汰HCFCs，欧共体的法律禁止制冷系统从2001年1月1日起使用HCFCs。因此，要求研制一种替代的制冷剂混合物。HFC制冷剂是良好的选择，其不易燃烧，毒性小，并且能大批供应。
现有技术中的低温系统采用易燃的组分来解决油的问题。采用氯化制冷剂的低温系统中使用的油与气化温度高的成分具有良好的混合性，，此成分压缩时可在室温下液化。气化温度较低的HFC制冷剂，如R-23不能与这些油混合并且不易液化，除非遇到制冷过程中温度更低的部件。这种非混合性使压缩机的油分离并冻结，这反过来导致系统因管道、过滤器、阀门和节流装置堵塞引起故障。为了使制冷剂在低温时具有混合性，通常在制冷剂混合物中加入乙烷。不利的是乙烷易燃，这限制了用户的接受程度并对系统的控制、安装和成本产生额外的要求。因此，最好是去除乙烷或者其它易燃成分。
像上述的那些制冷系统要求使用不会从制冷剂混合物中冻结的制冷剂的混合物。当一种或者更多制冷剂成分、或者压缩机油变成固体或者极其粘稠达到不流动的程度时，制冷系统中就会发生冻结状况。在制冷系统正常的运行过程中，吸气压力随着温度的下降而降低。如果发生冻结状况，则吸气压力往往下降更多，产生正反馈并进一步降低温度，导致更多的冻结。
利用混合制冷剂的制冷系统需要一种防止冻结的方法。可以获得的HFC制冷剂与其取代的HCFC和CFC制冷剂相比，其具有较高的冻结点。系列号09/886936美国专利申请中披露了这些制冷剂混合物的冻结范围。如上所述，由于烃具有易燃性，所以不希望采用烃。但是，因为可以用来替代易燃的烃制冷剂的HFC制冷剂通常具有较高的冻结点，所以去除易燃组分导致了其它的解决冻结问题方面的困难。
通常当制冷系统的外部热负荷变得非常低时发生冻结。一些超低温系统采用一个再冷却器，其容纳有一部分处于最低温度的高压制冷剂并利用该制冷剂来冷却高压制冷剂。这是通过使那部分最低温度的高压制冷剂膨胀并把其供应给再冷却器的低压侧来实现的。这样，当蒸发器中的流动停止时，内部流动和传热继续进行，使高压制冷剂逐步冷却。这反过来使得进入再冷却器的膨胀制冷剂的温度更低。根据整个系统的设计、系统冷端的循环制冷剂的成分和系统的运行压力而，可以达到冻结温度。因为必须给这样的冻结状况留出盈余，所以由于整个系统设计成在任何情况下都不会遇到冻结状况，所以，结果制冷系统的设计常常受到限制。
在采用HFCs作制冷剂时的另外一个难题是这些制冷剂在烷基苯油中不混容，因此，采用多醇脂(POE)(见美国采暖、制冷与空调工程师学会1998年出的制冷手册第7章第7.4页)压缩机油与HFC制冷剂相容。对超低温系统而言，选择合适的油非常重要，因为油不仅要要良好地润滑压缩机，而且其必须不能在超低温下分离或者冻结。
系列号09/894964美国专利申请描述了一种防止混合制冷剂系统在超低温下冻结的方法，本申请参照了该项申请的技术。虽然对其所应用的系统而言，该方法证明是富有成效的，但是，其不能提供所需的控制。这是因为采用阀门来提高上游低压制冷剂的压力以防止其冻结的设计降低了系统的制冷性能。该申请中披露的阀门必须手动调节，而对于不同的运行模式(即冷却、除霜、旁路和烘干)，根据需要手动调节该阀门是不实用的。
一般常规的制冷系统采用许多旁路的方法。这些通常在-40℃或者更高温度运行的系统利用单一制冷剂成分，或者沸点温度间隔小的、性能与单一制冷剂成分相似的制冷剂混合物单一。这些系统的控制方法利用制冷剂饱和温度和饱和压力之间的对应关系。对单一制冷剂成分而言，这种相应关系的特征为当出现两相混合物时(液相和气相)，只需要确定制冷剂温度或压力就可知道另一个参数。在普遍使用的沸点温度间隔小的混合制冷剂系统中，虽然温度和压力的相应关系会发生小的偏差，但是它们的性能与单一成分制冷剂的相似，用与单一成分的制冷剂相似的方式对其进行处理。
这里披露的本发明涉及一种利用沸点温度间隔大的混合制冷剂的超低温制冷系统。其通常，一种混合物其组分的多个沸点温度相差100至200℃。为达到说明的目的，超低温混合制冷剂系统(VLTMRS)的意思是利用至少两种组分的混合制冷剂的超低温制冷系统，并且其组分的沸点温度至少相差50℃。对这样的混合物而言，其与单一制冷剂成分的差别很大，这使得其饱和温度和饱和压力之间的相应关系更加复杂。
由于这些额外的组分造成的自由度数量增大，并且，由于存在这些组分因沸点温度间隔大而造成彼此之间性能相差很大，所以要确定制冷剂混合物的组成、液态成分的份额和温度(或者压力)才能确定压力(或者温度)。因此，由于温度-压力对应关系存在这种差异，所以常规的单一制冷剂或者性能与单一制冷剂相似的混合物的控制方法不能以与常规系统相同的方式应用在超低温混合制冷剂系统(VLTMRS)中。虽然从示意图上看它们相似，但是由于压力温度对应关系不同，超低温混合制冷剂系统中的这些装置的应用不同于现有技术。
作为一个简单的例子，常规制冷系统的控制非常依赖以下事实根据，即控制冷凝器的温度将会控制排气压力。因此，不管运行的模式或者蒸发器上的热负荷如何，控制冷凝器温度的控制阀门以一种可预计的方式控制排气压力。与之相反，利用组分沸点温度间隔大的超低温混合制冷剂系统(VLTMRS)，即使其循环混合物和冷凝器的温度不变，其压缩机排气压力也会由于蒸发器负荷和运行模式的变化而产生大的变化。
因此，常规的制冷方面的技术人员非常熟悉具体体现本发明的部分示意图。美国采暖，制冷与空调工程师学会手册(ASHRAE)制冷卷的2002年版的45章概述了现有技术中采用的控制方法。本发明的系统与这些现有技术系统的不同之处在于本申请涉及具有不同压力-温度特性的制冷剂，或者更具体地说，这些制冷剂，不像常规的制冷剂那样，其没有确定的压力-温度对应关系。因此，控制元件和制冷剂的相互作用不同。
Forrest等人在第4763486号美国专利描述了一种包括内部凝结旁路的超低温混合制冷剂系统。在该方法中，运行中从多相分相器出来的液态制冷剂旁通至蒸发器入口。该方法的所述目的是控制蒸发器的冷却温度和制冷量。如其详细说明的那样，这种方法要求制冷剂流过蒸发器以提供一定程度的冷却。其没有提及旁路模式和烘干模式，并且示意图清楚地示出的方法不能应用在旁路模式和烘干模式中。本发明说明了具有多个分相器的系统启动的难题。
自从这个专利出现以来，已经出现了超低温混合制冷剂系统(VLTMRS)的许多变形带有数量不同的分相器的系统，带有的分相器为全分离器的系统或者半分离器的系统和不带分相器的系统。在没有利用Forrest等人的系统的情况下，出现的这些系统已经成功地运行。可能Forrest等人防止的这些状况基于以下事实根据即超低温混合制冷剂系统需要最低限度的流速以维持制冷剂的正常的两相流动。没有充分的流动，Forrest等人防止的那些状况可能会出现。此外，Forrest等人没有利用排气油分离器。众所周知超低温混合制冷剂系统(VLTMRS)中的压缩机油能够导致流动管道的阻塞，并导致出现Forrest等人试图避免的那类状况出现。
另外，该申请防止运行中制冷剂冻结。与不关系其冻结问题的常规的制冷系统不同，因为这些系统通常运行的温度比披露的低温制冷系统采用的制冷剂的冻结温度高50℃或者更多，所以冻结问题是要考虑的一个重要事项。
发明内容
本发明披露了防止制冷过程中的制冷剂和油冻结的方法。对超低温制冷系统或者过程、采用诸如自动制冷的复叠(或阶式)循环和Klimenko循环的混合制冷剂系统或者单个膨胀装置的系统来说，本发明的方法特别有用。制冷系统包括至少一个压缩机和或者单级布置(没有分相器)或者多级(至少一个分相器)布置的节流循环。多级节流循环也被称为自动制冷复叠循环，其特征为在制冷过程中利用至少一个制冷剂气-液分离器。
本发明防止冻结的方法对具有延续的除霜循环(烘干)的制冷系统非常有用。正如将会讨论到的内容所述，采用烘干循环要求考虑其它的问题，而本发明的这些方法解决了这些问题。
本发明的一个优点为披露了用于超低温制冷系统中的防止制冷剂混合物冻结的方法。
本发明另一个优点为利用所披露的方法的系统运行一系列的操作(冷却、除霜、旁路或烘干)的都具有稳定性。
本发明另外一个优点为其可以在制冷剂混合物的冻结温度附近运行超低温制冷系统(VLTMRS)。
本发明其它的目的和优点将在说明书中彰显。
为了更好地理解本发明，可联系附图参见下面的说明，附图中附图1为根据本发明的带有旁路的超低温制冷系统的示意图；附图2为根据本发明的通过采用受控的制冷剂内部旁路来防止发生冻结的方法的示意图；附图3为根据本发明的另外一种通过采用受控的制冷剂内部旁路来防止发生冻结的方法的示意图；以及附图4为根据本发明的再一种通过采用受控的制冷剂内部旁路来防止发生冻结的方法的示意图。
具体实施例方式
附图1示出现有技术的超低温制冷系统100，其中加入了根据本发明的特征。系列号09/870385美国专利申请披露了该现有技术系统的详细内容，这里以参见的方式把其包括进来并涉及其部分内容。制冷系统100包括压缩机104，其向可选择的油分离器108的入口供送，该油分离器108通过排气管110向冷凝器112供送。接下来冷凝器112向过滤干燥器114供送，过滤干燥器114通过液管出口116向制冷过程118的第一入口供送。附图2示出了制冷过程118更进一步的细节。当润滑压缩机的油不循环时则无需油分离器。
制冷过程118设有制冷剂供应管输出口120，其给馈送阀门122的入口供送。从馈送阀122出来的制冷剂为高压、低温的制冷剂，通常温度在-90℃至-208℃。流量控制装置(FMD)124与冷却阀128串联布置。同样地，流量控制装置126与冷却阀130串联布置。流量控制装置124与冷却阀128的串联组合和流量控制装置126与冷却阀130的串联组合并联布置，其中流量控制装置124和126的入口在馈送阀122出口馈送的节点处连接在一起。并且，冷却阀门128和130的出口在馈送低温绝热阀132的入口的节点处连接在一起。低温绝热阀132的出口提供一个蒸发器供给管出口134，该出口向用户安装(通常)的蒸发器盘管136供送。
在蒸发器136的另一端设有一个蒸发器回管138，其给低温绝热阀140的入口提供制冷剂。低温绝热阀140的出口通过内部回管142向超低温流体开关152的入口供给制冷剂。低温流体开关152的出口向回流阀144的入口供送。回流阀144的出口向止回阀146的入口供送，其通过制冷剂回管148向制冷过程118的第二入口(低压)供送。
温度开关(TS)150热连接在止回阀146和制冷过程118之间的制冷剂回管148上。另外，多个具有不同跳闸点的温度开关热连接在内部回管142上。温度开关TS158、TS160、TS162热连接在低温绝热阀140和回流阀144之间的内部回管142上。
通过压缩机吸气管164，制冷循环从制冷过程118的反回出口至压缩机104的入口形成封闭环路。位于压缩机104入口附近的压力开关(PS)196与压缩机吸气管164气动连接。另外，油分离器108的回油管109通向压缩机吸气管164。制冷系统100进一步包括连接至压缩机吸气管164的膨胀箱192。流量控制装置(FMD)194按一字排列的方式布置在膨胀箱192和压缩机吸气管164之间。
制冷系统100内的除霜供应环路(高压)按照如下的方式形成馈送阀176的入口连接在位于排气管110中的节点A。除霜阀178与流量控制装置(FMD)182串联布置；同样地，除霜阀180与流量控制装置(FMD)184串联布置。除霜阀178与流量控制装置182的串联组合和除霜阀180与流量控制装置(FMD)184的串联组合并联布置，其中，除霜阀178和180的入口在馈送阀176的出口节点B处连接在一起。此外，流量控制装置182和184的出口在节点C处连接在一起，节点C通过管道与连接在冷却阀128和低温绝热阀132之间的节点D而使除霜环路封闭。
低温制冷系统100内的制冷剂反回旁路(低压)循环按照如下的方式形成从低温流体开关152和回流阀门144之间的节点E引出旁通管186。旁通阀门188和检修阀门190串接在旁通管186中。检修阀门190的出口连接至节点F完成制冷剂返回旁通回路由，节点F位于制冷过程118和压缩机104之间的压缩机吸气管164中。
除温度开关TS150、TS158、TS160和TS162外，制冷系统100中的所有部件都是机械式和液压式连接。
安全电路198为设置在制冷系统100内的多个控制装置提供控制并接收其反馈，控制装置有象压力开关和温度开关这样的设备，其样例有PS196、TS150、TS158、TS160和TS162；但是，制冷系统100内还设有多个其它的传感装置，附图1为简单起见没有示出。压力开关，包括PS196，通常为气动连接，而温度开关，包括TS150、TS158、TS160和TS162通常热连接至制冷系统100内的流动管道。实际上安全电路198的控制为电控制，同样地，各种传感装置输送给安全电路198的反馈实质也为电反馈。
低温系统100为超低温制冷系统，其基本操作即热量的去除和转移，在该技术领域为人们所熟知。本发明的制冷系统100采用纯的或者混合的制冷剂。
除低温绝热阀132和140外，制冷系统100的各个元件在制冷技术中都是公知的(即压缩机104、油分离器108、冷凝器112、过滤干燥器114、制冷过程118、馈送阀122、流量控制装置124、冷却阀128、流量控制装置126、冷却阀130、蒸发器盘管136、回流阀144、止回阀(或单向阀)146、温度开关TS150、温度开关TS158、温度开关TS160、温度开关162、馈送阀176、除霜阀178、流量控制装置182、除霜阀180、流量控制装置184、旁通阀188、检修阀190、膨胀箱192、流量控制装置194、压力开关196和安全电路198)。另外，系列号09/886936美国专利申请对低温流体开关152进行了充分说明，但是，为清楚起见，下面将对该部件进行简单地论述。
压缩机104为常规的压缩机，其接收低压、低温的制冷剂气体并把其压缩成高压、高温气体以馈送给油分离器108。
油分离器108为常规的油分离器，来自压缩机104的压缩质量流进入使其速度降低的较大的分离器腔室，从而形成雾化的油滴，这些油滴聚集在冲击过滤筛表面或者汇集部件上。当这些油滴聚集成较大颗粒时，就会落到分离器贮油器的底部并经压缩机吸气管164返回压缩机104。从油分离器108流出的物质，除去流走的油，继续向节点A流动，并向前流至冷凝器112。
来自压缩机104的热的高压气体流过油分离器108，然后流过冷凝器112。冷凝器112为常规的冷凝器，其是系统通过冷凝作用去除热量的部件。当热气流过冷凝器112时，它被通过或者流过冷凝器的空气或者水冷却。当热制冷剂气体冷却时，在盘管内形成制冷剂液滴。最终，当气体到达冷凝器112末端时，其已经凝结了一部分，即出现液态和气态的制冷剂。为了使冷凝器112正常工作，经过或者流过其中的空气或者水必须比系统的工作流体更冷。对于一些特殊的应用而言，制冷剂混合物要按照在冷凝器中不发生冷凝的方式组成。
来自冷凝器112的制冷剂向前流动穿过过滤干燥器114。过滤干燥器114的功能是吸附产生酸的系统杂质，例如水，并进行物理过滤。然后，从过滤干燥器114流出的制冷剂馈送给制冷过程118。
制冷过程118可以为任何制冷系统或者工艺。例如其可以为单一制冷剂系统、混合制冷剂系统、常规制冷过程118、复叠制冷过程的一级、自动制冷的复叠循环或者Klimenko循环。本说明书为了达到举例说明的目的，在附图2中示出的制冷过程118为自动制冷复叠循环的变形，Klimenko也对其进行过说明。
对于唯一的作用就是输送超低温制冷剂的基本制冷单元而言，无需附图1示出的几个部件。附图1示出的系统为具有除霜和烘干功能的系统。如果不需要这些功能，那么制冷过程118的旁通回路可以取消，本发明披露的方法的重要益处仍然可以实现。同样地，要实现本发明披露的方法的益处，也无需所示的一些阀门和其它装置。但是，制冷系统最低限度必须包括压缩机104、冷凝器112、制冷过程118、流量测量装置124和蒸发器136。
附图2中示出的制冷过程118可以有几种基本的变形。制冷过程118可以为复叠系统的一级，其中，可以由其它制冷级的超低温制冷剂来实现冷凝器112中制冷剂的初始凝结。同样地，制冷过程118产生的制冷剂可以用来冷却和液化温度更低的复叠系统的制冷剂。另外，附图1示出了单个压缩机，但是也可以使用两个并联的压缩机获得这种相同的压缩效果，或者通过采用串联的压缩机或者两级压缩机可以把压缩工艺拆分成多级。所有这些可能的变形是在本发明公开的范围之内。
另外，附图1至4示出的系统仅仅连接有一个蒸发器盘管136。原则上，本发明披露的该方法能够应用到由单个制冷过程118冷却的多个蒸发器盘管136上。在这样的结构中，各个独立受控的蒸发器盘管136需要一套单独的阀门和流量控制装置以控制制冷剂的馈送(即除霜阀门180、流量控制装置184、除霜阀门178、流量控制装置182、流量控制装置126、冷却阀门130、流量控制装置124和冷却阀门128)和用来控制旁路(即止回阀146和旁通阀门188)的阀门。
蒸发器136，如图所示，可以包括在制冷系统100内，作为整个制冷系统100的一部分。在其它的布置中，蒸发器136由用户或者另外的第三方提供，其配置在整个制冷系统装置100的上面。通常，蒸发器136的制造非常简单，可以由铜管或者不锈钢管组成。
馈送阀176和检修阀190为标准隔膜阀或者比例阀，诸如Superior PacklessValves(Washington，PA)，如果需要，其能提供绝热部件的辅助功能。
膨胀箱192为制冷系统中常规的贮存器，其容纳因受热蒸发和膨胀而引起体积增加的制冷剂气体。在这种情况下，当制冷系统100停止运行时，制冷剂蒸气通过流量控制装置194进入膨胀箱192。
冷却阀128、冷却阀130、除霜阀178、除霜阀180和旁通阀188都是标准电磁阀，比如Sporlan(Washington，MO)models xuj，B-6和B-19阀。冷却阀128和130可换为带有闭环反馈的比例阀或者热力膨胀阀。
可选择的止回阀146为常规的止回阀，其允许流体只在一个方向上流动。止回阀146根据施加在其上的制冷剂的压力而开闭。(下面是关于止回阀146的其它说明)。因为这个阀门暴露在非常低的温度下，所以它必须由适合该温度的材料制成。另外，该阀门必须具有适宜的额定压力。并且优选该阀门没有密封，允许制冷剂向周围泄漏。优选其应当通过铜焊法或者焊接法连接。这种止回阀的一个样例为来自Check-all Valve(West Des Moines，IA)的系列UNSW止回阀。只有在需要烘干功能的那些应用中才需要这种阀门。
流量控制装置124、流量控制装置126、流量控制装置182、流量控制装置184和流量控制装置196是常规的流量控制装置，比如像毛细管、孔口、带反馈的比例阀或者任何控制流量的节流元件。
馈送阀122、低温绝热阀132和140和回路阀144为诸如Superior Valve公司制造的典型标准隔膜阀。但是，标准隔膜阀难以在超低温度下工作，因为能够在螺纹中积聚少量的冰，从而阻止阀门的运行。Polycold(San Rafael，CA)已经研制出可替换上述阀门的一种改进的超低温断流阀，其用做超低温制冷系统100中的低温绝热阀132和140。低温绝热阀132和140的另外一种实施例说明如下。低温绝热阀132和140具有包封在密封不锈钢管内的伸展轴，该不锈钢管中充满氮气气或者空气。位于轴暖端的压紧装置和O形环在轴转动时提供密封。这样，低温阀132和140的轴即使是在非常低的温度下也能转动。轴的这种结构布置具有热隔离的作用，从而阻止了结霜。
待加热或者冷却的蒸发器表面由蒸发器盘管136表示。用户安装的蒸发器盘管136的样例为金属盘管或者诸如台板一类的部件，比如像带有热连接管的不锈钢板或者带有内部加工成制冷剂流动通道的板。
附图2示出本发明所述的示范性的制冷过程118。本说明书为了举例说明，在附图2中示出自动制冷复叠循环的制冷过程118。但是，超低温制冷系统100的制冷过程118可以为任何制冷系统或者工艺，例如可以为单一制冷剂循环、混合制冷剂系统、常规制冷过程118、复叠制冷过程118的单个级、自动制冷复叠循环和Klimenko循环等。
更具体一些，制冷过程118可以为自动制冷复叠工艺系统，其具有无相态分离功能的单级低温冷却器(Longworth，美国第5441658号专利)、Missimer型自动制冷复叠系统(Missimer，美国第3768273号专利)或者为Klimenko型(即单个分相器)系统。其也可以为像Forrest的第4597267号美国专利或者Missimer的美国第4535597号专利描述的这些工艺系统的变形。
对本发明来说必不可少的是，采用的制冷过程必须包括至少一种在运行除霜模式或者旁路模式(蒸发器中无流体流动)期间，使流动的制冷剂穿过制冷过程的装置。在使用单个膨胀装置的冷却器或者单个制冷剂系统的情况下，需要使用阀门(未示出)和流量控制装置(未示出)以使制冷剂从高压侧到低压侧流过制冷过程。这确保制冷剂流过冷凝器112，从而可以除去系统中的热量。这也确保除霜期间来自制冷过程118的低压制冷剂会与来自管道186的返回除霜制冷剂混合。在稳定的冷却模式中，对于那些无需这样的内部制冷流动路径以获得理想的制冷效果的制冷工艺(通常具有单个流量控制装置的系统)而言，通过关闭这个阀门可以中止从高压侧至低压侧的内部流动。
即使当无需冷却蒸发器时，制冷过程仍然继续运行非常关键。继续运行保持制冷过程118中的超低温，并且当需要时，能够快速冷却蒸发器。
附图2示出的制冷过程118包括换热器202、分相器204、换热器206和换热器208。在供应流体的路径中，液体管116中流动的制冷剂馈送给换热器202，换热器202馈送给分相器204，分相器馈送给换热器206，换热器206馈送给换热器208，换热器208馈送给可选择的换热器212。换热器212的高压出口在节点G处分开。一个分支馈送给流量控制装置214，另一个分支馈送给制冷剂供应管120。换热器212被称为再冷却器。一些制冷过程118无需该换热器，因此其为一个可选择的部件。如果不使用换热器212，那么来自换热器208的高压流体直接馈送至供应管120。在流体返回管路中，制冷剂返回管148馈送给换热器208。
在带有再冷却器的系统中，来自再冷却器的低压制冷剂在节点H处与制冷剂返回流体混合，混合后的流体馈送给换热器208。来自换热器208的低压制冷剂馈送给换热器206。由分相器去除的液体部分经由流量控制装置210膨胀至低压。制冷剂从流量控制装置210中流出，然后与来自换热器208的低压制冷剂混合流至换热器206。该混合的流体馈送换热器206，换热器206又馈送换热器202，接下来，换热器202馈送给压缩机吸气管164。换热器在高压制冷剂和低压制冷剂之间进行热交换。
如同Missimer和Forrest说明的那样，在更复杂的自动制冷复叠系统中，制冷过程118可以利用其它的分离级。
在本领域，换热器202、206、208和212为人们所熟知的用来把热量从一种物质传递到另外一种物质的设备。分相器204为人们熟知的用来分离液态制冷剂和气态制冷剂的设备。附图2示出一个分相器，但是，通常其数量不止一个。
一般把换热器212称为再冷却器。这有可能会造成混淆，因为常规的制冷系统也有称为再冷却器的设备。在常规的制冷装置中，再冷却器指的是一种利用蒸发器返回气体来冷却以室温进入的、已经凝结的排放制冷剂的换热器。在这样的系统中，换热器的每侧流量总是平衡的。在本申请描述的系统中，再冷却器起着不同的作用。它不与返回的蒸发器制冷剂换热。相反，其使来自蒸发器的一些流出的制冷剂改变流向，用这部分制冷剂来使流向蒸发器的制冷剂的温度更低。把它称为再冷却器是因为在一些情况下，它可以产生低温过冷的液体，但是，与常规的再冷却器相比，其起作用的方式大大不同。
为了清楚起见，考虑到本申请的目的，再冷却器指的是一种具有如下特点的换热器，即其应用在超低温混合制冷剂系统中并按照如下的方式运行，即通过使系统中部分温度最低的高压制冷剂反过来冷却高压制冷剂。
流过超低温混合制冷剂工艺中的换热器的流体通常在该工艺多数部位为两相混合物。因此，为了防止流体中的液体部分和气体部分分离并降低系统的性能，则需要保持适当的流速以保持混合物的同一性。在像体现本发明的这些系统那样的以几种运行模式来发挥作用的系统中，为了确保可靠的运行，保持足够的制冷剂流量以恰当地解决这种两相流动的问题非常关键。
继续参见附图1和2，超低温制冷系统100的运行情况如下来自压缩机104的高压热气体运行穿过可选择的油分离器108，然后穿过冷凝器112，在冷凝器中其被穿过或者流过冷凝器的空气或者水冷却。当气体到达冷凝器112的端部时，已经部分凝结并为液态制冷剂和气态制冷剂的混合体。
来自冷凝器112的液态和气态制冷剂穿过过滤干燥器114，然后馈送给制冷过程118。超低温制冷系统100的制冷过程118通常具有从高压至低压的内部制冷剂流动通道。制冷过程118产生高压超低温制冷剂(-90至-208℃)，这些制冷剂通过制冷剂供应管120流至冷气馈送阀122。
低温制冷剂从馈送阀122流出，流入流量控制装置124和满流量的冷却阀门128的串联组合，流量控制装置124和满流量冷却阀门128的串联组合与流量控制装置126和限定流量的冷却阀门130的串联组合并联，其中冷却阀门128和130的出口在节点D处连接在一起，制冷剂通过节点D馈送至低温绝热阀132的入口。
蒸发器盘管136位于作为截流阀的低温绝热阀132和低温绝热阀140之间。低温绝热阀132馈送给蒸发器供给管134，该供给管连接至被加热或者冷却的蒸发器表面即蒸发器盘管136。被加热或者冷却的蒸发器表面即蒸发器盘管136的另一端连接至蒸发器返回管138，蒸发器返回管138馈料给低温绝热阀140的入口。
来自蒸发器盘管136的返回制冷剂穿过低温绝热阀140至超低温流体开关152。
返回的制冷剂从低温流体开关152流出，穿过回流阀144，接下来流至止回阀146。止回阀146为弹簧加载的低温止回阀，其具有在1磅/平方英寸至10磅/平方英寸(psi)之间的典型开启压力。也就是说止回阀146两端的压力差必须超过其开启压力，流体才能流过。止回阀146可替换为低温通断阀或者为具有足够大的尺寸以使压降最小的低温比例阀。止回阀146的出口通过制冷剂回管148馈料给制冷过程118。在本发明的制冷系统100的运行中止回阀146起着必不可少的作用。
应该指出馈送阀122和回流阀144分别是可选择的，对于低温绝热阀132和低温绝热阀140而言，它们有点多余。但是，如果在检修系统中需要的话，馈送阀122和回流阀144确实提供隔离部件的检修功能。
超低温制冷系统100与常规制冷系统的区别主要在于它达到的超低温；它利用具有如下特点的制冷剂混合物，即该制冷剂混合物包括的制冷剂的沸点温度至少相差50℃，因为这些制冷剂混合物的运行方式大不同于现有技术常规制冷系统；它应用在不仅仅具有制冷模式的系统中，即其运行模式包括除霜模式、旁路模式和烘干模式，需要包括较宽范围的运行条件；本申请披露的方法能有效地防止制冷剂冻结。
这些区别之处适用于该说明书中论述的本发明的所有实施例。
可用在本发明的超低温混合制冷剂系统中的具体制冷剂示例记载于美国序列号为09/728501和09/894968的专利申请和美国第5441658号专利(Longsworth)中，此处包括上述申请并作为本文的一部分。为完整起见，一些挑选出来的混合制冷剂为(参见由美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)标准数34关于“R”数的定义，圆括号内为可能的摩尔份额的范围)混合物A，其包括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)和氩气(0.0至0.4)；混合物B，其包括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)和氩气(0.0至0.4)；混合物C，其包括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)和氩气(0.0至0.4)；混合物D，其包括R-236fa(0.0至0.45)、R-245fa(0.0至0.45)、R-134a、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)、氩气(0.0至0.4)、氮气(0.0至0.4)和氖气(0.0至0.2)混合物E，其包括丙烷(0.0至0.5)、乙烷(0.0至0.3)、甲烷(0.0至0.4)、氩气(0.0至0.4)、氮气(0.0至0.5)和氖气(0.0至0.3)。
我们认识到上述混合物和混合成分可能的组合潜在有无限多种。并且，预计一些不同混合成分的混合在一些应用中可能有用。另外，预计可以加入未列出的其它成分。但是，利用具有上述列出份额比的成分的混合物和与其它列出的混合物组合使用的混合物在本发明公开的范围之内。
在没有止回阀146的常规制冷系统中，反回制冷剂直接流入制冷过程118(在制冷模式或者除霜模式中)。但是，在运行除霜模式时，当流至制冷过程118的反回制冷剂的温度达到+20℃时，通常制冷过程118停止工作，该温度为除霜循环结束时的常见温度。此时，+20℃的制冷剂和超低温制冷剂在制冷过程118内混合。在制冷过程118超负载之前，只能短时间地允许室温制冷剂和超低温制冷剂在其中的混合，因为其吸热量太多。当加载热反回制冷剂时，制冷过程118被迫产生超低温制冷剂，制冷剂压力最终超过运行极限，从而为了保护制冷过程118，安全系统198将其关闭。因此，常规制冷系统的除霜循环时间限制在大约2至4分钟，并且最大制冷剂反回温度限制在+20℃左右。
但是相形之下，超低温制冷系统100具有设置在在通向制冷过程118的反回通道中的止回阀146和绕过制冷过程118的返回旁通回路，该回路是从节点E至节点F，其中经过旁通管186、旁通阀门188和检修阀门190，从而对除霜循环期间返回的热制冷剂具有不同的响应特性。像馈送阀122和回流阀144一样，检修阀门190不是必需的，但是如果需要检修，其可以提供一些检修功能用来隔离部件。
在除霜循环过程中，当制冷过程118内的返回制冷剂温度因热制冷剂与低温制冷剂混合而达到例如-40℃或者更高时，绕过制冷过程118的从节点E至F的旁通管路被打开。结果，热制冷剂可以流入压缩机吸气管164，然后进入压缩机104。由于温度开关TS158、TS160和TS162的作用，旁通阀门188和检修阀门190打开。例如，温主开关TS158用做“除霜模式附加开关”，其设定温度大于-25℃。温度开关TS160(可选择的)用做“除霜终止开关”，其设定温度大于42℃。温度开关TS162用做“冷却返回极限开关”，其设定温度为大于-80℃。一般说来，为了控制打开/关闭哪些阀门以控制制冷系统100的加热或者冷却，温度开关TS158、TS160和TS162基于回管中的制冷剂的温度和运行模式(即除霜模式或者冷却模式)做出响应。一些应用需要连续运行除霜模式，这种运行方式也称为烘干模式。在这些情形中，因为要求持续运行除霜模式，所以无需温度开关TS160终止除霜模式。
对系统的运行非常重要的是当有流体穿过旁通阀门188和检修阀门190时，节点E和F之间的压力差要满足如下条件即止回阀146两侧的压力差不能超过该止回阀的开启压力(即5磅/平方英寸至10磅/平方英寸)。这非常重要因为就其性质而言，流体总是沿阻力最小的通道流动；因此，必须恰当地平衡流量。假如允许旁通阀门188和检修阀门190两侧的压力超过止回阀146的开启压力，则流体会开始穿过止回阀146。这不是我们所希望的，因为热制冷剂会在其进入压缩机吸气管164并进入压缩机104的同时，倒流回制冷过程118。制冷剂同时穿过止回阀146和从节点E至F的旁通回路会导致制冷系统100变得不稳定，并会造成失控模式，在该模式中所有部件都变热，头部压力(压缩机排气压力)变高，吸气压力变高，导致流入制冷过程118中的流量增大，节点E处压力变得更高，最终导致制冷系统100停止运行。
如果吸气压力超过预定的值，若采用像压力开关PS196那样的装置来中断热气体向制冷过程118流动，则可以防止这种情况。因为制冷系统100吸气压力的质量流量主要由吸气压力控制，所以这是限制流量在安全范围内的一种有效手段。如果吸气压力下降低于预定上限值，则吸气压力压力开关PS196复位并会使除霜过程继续进行。
这样，为了使制冷系统100在除霜循环过程中正常运行，流过旁通阀门188和检修阀门190的流量与流过止回阀146的流量之间的平衡被精细地控制以使流动阻力恰当地平衡。与流量平衡问题有关的设计参数包括管道尺寸、阀尺寸和各个阀门的流量系数。另外，在不同的运行工艺模式中，流体制冷过程118吸气侧(低压侧)的压降可能不同并且需要确定。制冷过程118中的压降加上止回阀146的开启压力为从节点E至F的除霜返回旁通管能够承受的最大压力。
当进入除霜循环时，旁通阀门188和检修阀门190不是立即就打开。旁路流动开始的时间由温度开关TS158、TS160和TS162的设定点确定，藉此，旁路流动一直被延迟，直到返回制冷剂温度达到一个高于正常值为止，从而，可以采用通常设计成用做-40℃或者更高温度条件下的标准部件，避免了需要使用成本更高的用在额定温度低于-40℃的部件。
在温度开关TS158、TS160和TS162的控制下，可以设定返回压缩机吸气管164的节点F并与来自制冷过程118的抽吸回气混合的制冷剂流体温度。接下来，制冷剂混合物流至压缩机104。期望的返回压缩机104的制冷剂温度通常为-40℃或者更高；因此，允许节点E处的流体温度等于-40℃或者更高，这在压缩机104的工作极限之内。当选择温度开关TS158、TS160和TS162的设定点时，这是另外一个要考虑的因素。
选择温度开关TS158、TS160和TS162的设定点有两个限制条件。首先，不能选择除霜旁路中返回制冷剂的温度，因为在这样高的温度下，制冷过程118由于排气压力高而自行关闭。其次，除霜旁路返回制冷剂的温度不能低得使流过旁通管186的返回制冷剂的温度比旁通阀门188和检修阀门190所能承受的温度还低。在节点F与制冷过程118的返回制冷剂混合时的旁路返回制冷剂温度也不能低于压缩机104的工作极限。通常节点E处的转换(crossover)温度在-40℃至+20℃之间。
概括而言，在运行除霜循环期间，制冷系统100中的除霜循环返回流体不允许除霜气体连续地返回制冷过程118中。相反，制冷系统100通过一个返回旁路(从节点E至F)防止制冷过程118过载，从而使除霜循环连续运行。温度开关TS158、TS160和TS162控制节点E至F的除霜返回旁路的打开时刻。在制冷模式中，一旦达到非常低的温度，则不允许节点E至F的除霜返回旁路工作。
上面已经论述过制冷系统100的除霜循环返回通路，下面继续参见附图1论述除霜循环的供给通路。在运行除霜循环过程中，从压缩机104流出的高压热气流过位于可选择的油分离器108下游的排气管110的节点A。节点A处的热气体温度通常在80℃至130℃之间。
当通过打开除霜电磁阀门178或者除霜电磁阀门180并使阀门128和130处于关闭状态使流体转向时，热气在节点A绕过制冷过程118，并且也不流入冷凝器112。。如附图1所示，除霜阀门178与流量控制装置182串联布置，同样地，除霜阀门180和流量控制装置184也串联布置。在节点B和C之间，除霜阀门178和流量控制装置182的串联组合与除霜阀门180和184的串联组合并联布置。除霜阀门178或者除霜阀门180和与之相连的流量控制装置可以并行工作或者单独工作，这由所需的流量来决定。
重要的是应当注意到在制冷系统100的节点B和C之间，并联通路的数量并不如附图1所示的那样限定为2个，其中每个通路都设有与一个流量控制装置串联的除霜阀门。节点B和C之间可以出现几个流路，通过选择并联通路的组合可以确定所需的流量。例如，可以是一个10％的流路、一个20％的流路和一个30％的流路等。只要设有位于节点E至节点F之间的经过旁通阀门188的返回旁通回路，从节点C过来的流体可以所需的任意长的时间流向节点D，接下来流过低温绝热阀132，再流至用户的蒸发器盘管136。节点A至D的除霜供应环路是常规制冷系统中采用的标准除霜环路。但是，附加的除霜阀门178、除霜阀门180和与之相连的流量控制装置是可控制流动的制冷系统100的独有特征。除霜阀门178和180可选择为其本身就为控制装置。从而则无需另外的流量控制装置，即流量控制装置182和184。
上面已经论述过制冷系统100的除霜循环，下面继续参见附图1论述冷冻返回旁路循环在运行冷却循环过程中的应用。在冷却模式中，通常旁通阀门188处于关闭状态，因此，热制冷剂从节点E至节点F流过制冷过程118。但是，当节点E处的制冷剂处于高温并且其温度在下降时，在冷却模式的初始阶段可以通过监控制冷剂回管142中的制冷剂温度的方式来打开旁通阀门188。启动除霜返回旁路循环有助于在此期间避免更多的负荷加载至制冷过程118上。当节点E处的制冷剂温度达到前面论述过的转换温度(即-40℃或更高)时，旁通阀门188关闭。对于冷却模式和烘干模式，利用不同的设定点打开旁通阀门188。
仍然与冷却循环有关，采用标准周期为大约1分钟的斩波电路(未示出)可以使冷却阀门128和130脉动。在运行逐渐冷却的模式期间，这对于限定变化率非常有用。冷却阀门28和130具有不同尺寸的流量控制装置。这样就以开环形式调节流量，因为通过冷却阀门128的与通过阀门130的流路限制条件不同。那么要根据需要来选择流路。可以选择一个流动通路完全打开，另外一个则为脉动等。
要使制冷系统100启动后连续工作并运行旁路模式、除霜模式和冷却模式，则需要本说明书中描述的制冷剂组分要合适地平衡。如果制冷剂不是由合适组成范围内的合适组分构成，则会产生故障状况，这导致控制系统将制冷系统100关闭。典型的故障状况为吸气压力偏低、排气压力或者排气温度偏高。在制冷系统100和控制系统的安全连锁装置中需要包括检测所有这些条件的传感器。我们已经说明披露的该防止冻结的方法能够成功地应用在各种模式中，而不导致该装置由于任何故障状况而停止工作。
超低温混合制冷剂系统的可靠运行要求制冷剂不能发生冻结。令人遗憾的是难以预料一种特定的制冷剂混合物什么时候会冻结。序列号为09/894968的美国专利申请论述了特定的制冷剂混合物的具体冻结温度。如果知道详细的相互作用的参数的数据，则利用各种分析工具能够预计混合物的实际冻结温度。但是，通常这些数据是不能获得的，要估计发生冻结的温度就必须做试验测试。
可以想出另外一种防止冻结的方法，即通过利用绕过制冷过程的输送制冷剂的大旁路，或者当无需冷却蒸发器时，通过降低压缩机的流量以限制制冷过程118产生的制冷量。这些方法存在的问题是制冷剂流量必须降低至一定程度，而这会阻碍换热器正常运行，因为换热器需要一个最小流量以维持其两相流动。
如前面说明的那样，为维持蒸发器的快速冷却，保持制冷过程118中的超低温也非常重要。因此，必须保持换热器内大的制冷剂流量。但是，在无蒸发器负荷的情况下，制冷剂流量大导致制冷过程118中的温度更低，这导致冻结状况发生。
对给定的超低温混合制冷剂系统而言，蒸发器的温度和内部换热器的温度根据蒸发器的热负荷和运行模式的变化而变化。在运行冷却模式时，从蒸发器的最高负荷或者最大额定负荷(蒸发器的最高温度)至蒸发器的最低负荷(蒸发器的最低温度)，蒸发器的温度可以跨越50℃的范围。因此，为使系统在最大额定负荷下正常工作而优化系统硬件和制冷剂混合物的举措在系统处在下述状况时可能导致发生冻结系统带少量或者没有带蒸发器负荷时，或者系统没有带外部负荷并且处于旁路、除霜或者烘干运行模式时。当采用较新的HFC制冷剂时，这特别重要，因为与原来的CFC和HCFC制冷剂相比，HFC制冷剂往往有更高的冻结温度。因此，超低温混合制冷剂系统用户的关键要求是能够在除最大额定负荷以外的状况下运行而不发生冻结。
附图2示出一种根据本发明的防止制冷剂冻结的方法。阀门218控制从分相器204至流量控制装置216的流路。这部分流体在节点J与低压制冷剂混合进入再冷却器212。如果不使用再冷却器，则此流体和温度最低的低压流体混合，该温度最低的低压流体将与温度最低的高压制冷剂换热。例如，如果没有再冷却器，此流体会在节点H与来自管148的返回制冷剂混合。这个旁路的作用是加热低压流体，这使温度最低的高压制冷剂受热。阀门218控制这个流动旁路的启动。阀门需要根据制冷过程所需要的压力、温度和流量来确定。例如，阀门218为来自Sporlan阀门公司(Sporlan Valve Company)生产的标准xuj阀门。流量控制装置216为由需要确定的任何流量调节装置。在一些情况下毛细管就足够了。其它一些应用要求使用可调的节流装置。在一些情况下，把阀门218和流量控制装置216的控制和流量调节特征-组合成一个比例阀。
与本申请中描述的系统相似的现有混合制冷剂超低温制冷系统缺少这里说明的阀门218、流量控制装置216和与之相连的旁路循环。正是采用了附图2中示出的这些部件和与之相连的管道装置使本发明和现有技术区分开来。
另外，需额外要注意选择该防止冻结的方法的热制冷剂源。如附图2所示，优选的方法是要从系统中的最低温度的分相器去除气态制冷剂。通常，这将确保该流体的的冻结温度比与之混合的流体的冻结温度低或者二者相等。这是个一般准则，因为通常沸点温度低的制冷剂具有较低的冻结温度。其会以较高的浓度出现在分相器中。最终的准则是用来加热制冷剂系统100冷端的混合物其冻结温度必须至少与它加热的流体的冻结温度一样低。在一些特殊情况下，混合物的冻结温度比两种流体的任何一种的冻结温度都要高或者低。在这种情况下，准则为在混合前或者混合后，两种流体中的任何一种都不能发生冻结。
另外，在没有分相器的系统中，热制冷剂源可以为系统中能够获得的任何高压制冷剂。因为没有使用分相器，所以整个系统中循环混合物都是相同的，所以在整个系统中都确保提供液态制冷剂和气态制冷剂的均一混合物。如果该系统采用油分离器，热制冷剂源应该置于分相器之后。
Forrest等人在美国第4763486号专利描述了控制超低温混合制冷剂系统的温度和容量的方法，该方法利用从分相器流出的与进入蒸发器的制冷剂混合的液态冷凝物。液态冷凝物的旁路与本发明不一致，因为液态冷凝物中会加入沸点温度较高的制冷剂，通常这种制冷剂为冻结温度最高的成分。因此，由于混合产物会具有更高的冻结温度，所以应用Forrest等人的工艺会使制冷剂冻结的可能增大。
另外，Forrest等人的工艺需要旁路中的流体进入蒸发器。因此，由于这种方法会使蒸发器冷却，所以这样的方法不能应用在旁路模式或者烘干模式中。与之相反，旁路模式和烘干模式要求蒸发器不冷却。。
Forest等人没有论述混合物冻结温度附近的运行情况。与之相反，Forrest的控制方法在高温下运行，并在低于大约-100℃的温度以下停止工作。超低温混合制冷剂系统冻结的温度通常为-130℃或者更低。因此，Forest等人描述的该方法不能防止冻结状况的发生，并且不支持运行旁路模式或者烘干模式。
根据本发明的教导，可能有许多其它的为达到加热目的的旁通流动的方法。例如，从分相器流出的液体或者馈送给分相器的两相混合物就足够了，只要它们的冻结温度比与之混合的流体的冻结温度低。能够使用大概无限多液态制冷剂和气态制冷剂混合比的潜在组合物。考虑到一种以上热流体与该冷流体混合的混合物，则这些组合可以进一步扩大。本发明第一实施例的实质是流过一个或者多个流量控制装置以与低压制冷剂混合的热流体的路径选择，该低压制冷剂与温度最低的高压制冷剂换热，从而使制冷剂的温度足够的高，使得冻结现象不会发生。
当采用一种防止冻结的有效方法时，测试表明采用的方法和该方法中采用的控制装置决定是否这样的烘干模式能够成功地运行。在一些情况下，我们观察到披露的该方法的不合理的平衡导致运行不稳定，在这种运行状况下，吸气压力持续升高。甚至通过压力开关PS196来控制中止烘干模式中的流体流动，我们仍然观察到吸气压力会反复地达到无法接受地高水平值，导致止回阀弹力过载。因此，要么需要一系列的毛细管，独立或者一起使用这些毛细管以根据运行模式或者运行状况来改变流动限制的程度，要么另外可以采用比例阀以根据需要调节流量。
通常，利用气流或者从分相器至流量控制装置216的气体和液体制冷剂的混合物提供最简单的控制手段。这是因为流过毛细管的气流或者气液流体对下游压力的变化不太敏感。与之相反，流过毛细管的液流对下游的压力变化更敏感。采用进入流量控制装置216时未完全液化的制冷剂混合物实现了利用毛细管的方式，在运行制冷、除霜和烘干模式过程中，当系统承受吸气压力显著变化时，其提供了一种简单有效的防止冻结的手段。
通常，优选将输送给流量控制装置的制冷剂的气液比控制在确定的极限范围内。当流量控制装置应用在开环控制回路时，尤其是当FMD是诸如毛细管这样的固定限制装置时，这么做如果失败的话会导致该方法的效能产生变化。但是，即使采用毛细管，如果考虑这些变化来确定毛细管的尺寸大小，则流量控制装置可以承受进入其中的气液比的变化。在测试过的特定例子中，内径为0.044英寸、长为36英寸的毛细管使最低温度的高压制冷剂升温至少3℃，而最多15℃，这取决于运行工况。这足以防止任何运行模式中的冻结现象的发生。
因为只是要求防止达到冻结温度，所以用来防止冻结温度所需升高的值非常小。原则上，对于一种其构成人们都非常清楚的混合物而言，0.01℃的温度就足以防止发生冻结现象。在制造工艺、工作条件和其它变量能够导致混合物成分变化的其它情形中，需要留出更大的余量以确保防止发生冻结。在这种不确定的情形下，必须评估可能的变化范围和对冻结温度的影响。但是，在多数情况下，升高5℃就应该能够提供足够的余量。
防止冻结的方法的典型的升温范围是0.01至30℃。像测试的那样，相对于冻结温度，本发明描述的该方法达到的升温值为大约4至20℃。0.01至30℃的典型升温范围，或者超低温混合制冷剂系统在0.01至30℃的冻结温度范围内的运行的应用不限于本发明所考虑的特定实施例。
附图2简略地示出本发明利用开环控制方法的示例，也就是无需监控控制信号并调节操作的控制方法。基本的控制装置是阀门218和流量控制装置216。基于运行的模式打开阀门218。在设计过程中确定需要防止冻结的模式并该模式包括在系统控制装置的设计中。确定流量控制装置216的尺寸以提供用在预期的运行工况变化范围的合适流量。这种方法具有生产成本低、简单的优点。
本发明的另外一种布置是采用闭环反馈的控制系统。这种系统在防止发生冻结现象的温度最低部分需要有温度传感器(未示出)。这个传感器的输出信号被输入诸如Omega(Stamford，CT)P&ID的温度控制器的控制装置。该控制器设有合适的设定点并且由控制阀门218利用其输出信号。
阀门218可以为几种阀门中的其中一种。要么其可以为通过变换开启时间和关闭时间来控制的开/闭阀门。另外，其可以为用来调节流量的受控比例阀门。在阀门218为比例阀门时，无需使用流量控制装置216。
与超低温混合制冷剂系统相关的附图2包括再冷却器212。特别地，附图2示出用来防止发生冻结的热制冷剂相对于再冷却器的混合位置。如前面所述，再冷却器是可选的。因此，根据本发明的内容可以有其它的布置结构。
在另外一个可选择实施例中，不带再冷却器的系统使热制冷剂与最低温度处的低压制冷剂混合。应该明白附图2中示出的多个换热器温度是第次降低的换热器212温度最低，换热器208比换热器212温度高，换热器206比换热器208温度高，换热器204比换热器206温度高，换热器202比换热器204温度高。当然，要产生热传递，则各个换热器中的高压流体的温度比低压流体的高。根据该说明，则当不采用再冷却器时，换热器208或者制冷过程118冷端的最后一个换热器为温度最低的换热器。
我们认识到可以对热制冷剂与低温制冷剂混合的位置做小的改动。只要低温制冷剂的温度高于最低温度的制冷剂不多于20℃，则预期引入热制冷剂与任何低温、低压的制冷剂混合会带来一些益处。上述的改动都在本发明公开的范围之内。
附图3示出本发明的第二个实施例。该实施例描述了另一种防止发生冻结的方法。节点G处的最低温度的液态制冷剂分流出第三支路输送给阀门318和流量控制装置316。从流量检测装置316流出的流体在节点H处与从再冷却器212和返回制冷剂流体148混合。如同第一个实施例一样，其目的是消除发生冻结的隐患。
在第二个实施例中，是通过如下方式防止发生冻结的使流过再冷却器212低压侧的制冷剂的流量比流过其高压侧的制冷剂的流量低。这使得从再冷却器212流出的高压流体的温度更高。调节直接走节点G至H的旁路的流体流量的比例导致从再冷却器212高压侧排出的制冷剂的受热程度产生变化。结果使进入再冷却器212的低压侧膨胀制冷剂受热。越多的流体走环绕再冷却器的旁路，则冷端温度越高。
与之相反，现有的系统没有采用这种方法，当切断向蒸发器的流体流动时，该现有系统再冷却器两侧的流量相等。当流量控制装置316由毛细管构成时，这种方法在具有基本除霜方法的系统中运行良好。但是，在应用到具有烘干模式的系统上时，需要改变流量控制装置316的流量。因此，要么需要一系列的毛细管，独立或者一起使用、控制这些毛细管以根据运行模式或者运行状况来改变流量限制装置的开度，要么另外可以采用比例阀以根据需要调节流量。
附图3简略地示出本发明利用开环控制方法的示例。也就是无需控制信号来监控、调节运行情况。阀门318和流量控制装置316是基本的控制装置。根据运行的模式打开阀门318。在设计过程中确定需要防止冻结的模式并且该模式包括在系统控制装置的设计中。确定流量控制装置316的尺寸以提供用在预计的运行工况变化范围的适量流体。这种方法具有生产成本低、简单的优点。
本发明的另外一种布置是采用闭环反馈控制系统。这种系统在需要防止发生冻结现象的温度最低部分加入有温度传感器(未示出)。这个传感器的输出信号被输入诸如Omega(Stamford，CT)P&ID的温度控制器的控制设备(未示出)。该控制器设有合适的设定点并且其输出信号用来控制阀门318。
阀门318可以为几种阀门中的其中一种。要么其可以为通过变换开启时间和关闭时间来控制的开/闭阀门。另外，其可以为用来调节流量的受控比例阀门。在阀门318为比例阀门时，无需使用流量控制装置316。
附图3示出一种包括再冷却器212的超低温混合制冷剂系统(VLTMRS)。特别地，该附图示出用来防止发生冻结的热制冷剂相对再冷却器212的源点位置和混合位置。如前面所述，再冷却器212是可选的。因此，根据本发明的内容可以有其它的布置结构。在本发明另外一个实施例中，一种不带再冷却器的系统会使温度最低的高压制冷剂转向并在温度最低的换热器(未示出)的低压出口处混合热制冷剂，这样，温度最低的换热器低压侧的质量流量就比其高压侧的低。
我们认识到可以对热制冷剂与低温制冷剂混合的位置做小的改动。只要低温制冷剂的温度高于最低温度的制冷剂不多于20℃，则预期引入热制冷剂与任何低温、低压的制冷剂混合会带来一些益处。上述改动都在本发明公开的范围之内。
在本发明的第三个实施例中，附图4描述了另外一种解决制冷剂冻结的方法。在该情形中，对通常位于压缩机附近的部件做了改动。通常这些部件可以是在室温至低于-40℃的温度下工作的部件。这被表示为制冷系统200，其是在制冷系统100的基础上加入了控制阀418和流量控制装置416。该装置提供了一种使从高压流至低压的制冷剂走旁路的手段，并给制冷过程118设置旁路。
这种方法达到了诸多效果。其中两个被认为是最重要的效果为减小了流过制冷过程的流量，升高了系统的低压。当有足量的流体分流过这些附加的部件时，制冷过程就可以防止发生冻结现象。但是，如上所述，如果从制冷过程转向的流体过多，则将不能保持换热器良好换热性能所需的最小流量。因此，必须限制旁路中的最大流量以确保系统换热器中有足够大的流量。
与第二个实施例一样，当把固定管用做流量控制装置时，对具有常规除霜模式和旁路模式的系统(无流至蒸发器的流体)而言，这种方法见效良好。但是，对维护烘干模式的运行而言，这种固定的流量控制装置产生难以承受的高吸气压力。在测试的特定例子中，采用了流量为20立方英尺/分的压缩机，内径为0.15英寸的旁通管就足以防止在烘干模式中发生冻结现象并且也不产生过高的压力。但是，在旁路中采用这样的管道不能提供足够的流量。当把管子扩展成外径为3/8英寸的铜管时，旁路中的流量控制装置可以成功地消除冻结现象，但是，在烘干模式中会形成过高的吸气压力。
这种经验表明采用单独或者组合运行的两个或者更多固定管件能够满足各种运行模式和工况的需要。另外，可以采用如象热力膨胀阀的比例阀或像由曲轴箱调节的阀门一样的压力调节阀来将流量调节至所需的水平。
附图4简略地示出本发明利用开环控制方法的示例。也就是无需控制信号来监控、调节运行状况。阀门418和流量控制装置416是基本的控制装置。根据运行的模式打开阀门418。在设计过程中确定需要防止冻结的模式并且该模式包括在系统控制装置的设计中。确定流量控制装置416的尺寸以提供用在预计的运行工况变化范围的适量流体。这种方法具有生产成本低、简单的优点。本发明的另外一种布置是采用闭环反馈控制系统。这种系统在需要防止发生冻结现象的温度最低部分加入有温度传感器(未示出)。这个传感器的输出信号被输入诸如Omega(Stamford，CT)P&ID的温度控制器的控制设备(未示出)。该控制器设有合适的设定点并且其输出信号用来控制阀门418。
阀门418可以为几种阀门中的其中一种。要么其可以为通过变换开启时间和关闭时间来控制的开/闭阀门。另外，其可以为用来调节流量的受控比例阀门。在阀门418为比例阀门时，无需使用流量控制装置416。
我们认识到在吸气管上混入热制冷剂的位置可以改动。预计在制冷工艺的较高温度阶段的任何温度处设置这种旁路会实现如下期望的目标，即提高吸气压力并降低制冷工艺冷端的流量。预计只要旁路中的制冷剂在其源头处或在混合之前，其温度高于-100℃，则这种方式还能实现益处。
通常，测试这些方法的系统的旁路模式、除霜模式和烘干模式中需要采用第一、第二和第三实施例。原则上，如果需要，这些方法也能应用于冷却模式。同样地，根据所用控制方法，无论操作模式如何，这些方法可以应用到根据需要而定的基础系统上。
权利要求
1.一种包括防止发生冻结管路的制冷系统，其中防止发生冻结的管路包括旁通回路，该旁路回路按照下面三种方式的一种连接(a)从制冷过程中热制冷剂进入制冷过程的部位连接至位于从制冷过程的低温部分的制冷剂的出口到系统中的温度最低的低压制冷剂的出口之前的部位，其中热制冷剂的冻结温度不高于防止冻结现象发生的制冷过程的冷端的制冷剂的冻结温度；(b)从制冷系统中高压制冷剂处于其最低温度的部位连接至低压制冷剂流出制冷过程中的温度最低的换热器的部位；以及(c)从室温高压制冷剂管连接至压缩机吸气管。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，防止发生冻结的管路包括旁通回路，该旁通回路在热制冷剂进入该制冷过程的部位和来自该制冷过程的低温部分的制冷剂出口之前的部位与该制冷过程连接，且其中热制冷剂的冻结温度不高于防止冻结现象发生的制冷过程的冷端的制冷剂的冻结温度。
3.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，防止发生冻结的管路包括旁通回路，该旁通回路在高压制冷剂处于最低温度的部位和低压制冷剂流出制冷过程中的温度最低的换热器的部位与该制冷过程连接。
4.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，防止发生冻结的管路包括旁通回路，该旁通回路连接至室温高压制冷剂管和压缩机吸气管。
5.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，该旁通回路包括控制流过该回路的流体流量的装置。
6.权利要求5的方法，其特征在于，利用开/闭阀门和流量控制装置来控制流体流量。
7.权利要求5的方法，其特征在于，利用比例控制阀门来控制流体流量。
8.权利要求8的方法，其特征在于，自动控制流体的流量。
9.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，制冷剂为一种混合制冷剂。
10.如权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，混合制冷剂从包括R-123、R-245fa、R-236fa、R-124、R-134a、丙烷、R-125、R-23、乙烷、R-14、甲烷、氩气、氮气和氖气的组中选择。
11.如权利要求10所述的制冷系统，其特征在于，混合制冷剂从包括混合物A、混合物B、混合物C、混合物D和混合物E的组中选择。
全文摘要
通过采用受控的旁路流动的方式来防止制冷剂发生冻结，受控的旁路流动使制冷系统(100)中最低温度的制冷剂升温，制冷系统(100)则是通过采用具有如下特点的制冷剂混合物来达到超低温的，该制冷剂混合物至少包括两种沸点温度至少相差50℃的制冷剂。这种控制能力实现了超低温系统的可靠运行。
文档编号F25B49/02GK1575401SQ02821201
公开日2005年2月2日 申请日期2002年10月28日 优先权日2001年10月26日
发明者K·弗林, M·拜奥尔斯基, O·波德彻尔尼埃夫 申请人:Igc珀利克尔德系统公司