一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱

1.本实用新型涉及一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱。


背景技术：

2.气体压缩膨胀制冷较之传统蒸汽压缩节流制冷在理论上更为高效，随着高速涡轮、气体轴承等先进技术的快速发展，气体压缩膨胀制冷技术在大规模民用领域受到越来越广泛的重视和发展，制冷温度范围在-40～-165℃的深冷冰箱类应用产品开始尝试采用气体压缩膨胀制冷的技术方案。
3.比起采用传统复叠式蒸汽压缩制冷技术或混合气体工质制冷技术的深冷冰箱，气体压缩膨胀深冷冰箱具备显著优势：气体工质环保，运行安全；多温区大冷量，制冷温度易于调节；系统简单、寿命长久、维护方便；高紧凑度和高可靠性。从系统紧凑高效可靠的角度出发，气体压缩膨胀深冷冰箱宜采用单台电驱透平压缩膨胀机作为冰箱系统的核心并构建气体压缩膨胀深冷冰箱系统。
4.但现有气体压缩膨胀深冷冰箱的技术方案非常有限且存在显著不足，难以胜任实际应用：1)现有技术方案没有考虑除霜问题或现有除霜方案存在根本性缺陷：冰箱(柜)类产品面临的结霜问题和除霜需求是不可避免的和必要的，对于制冷温度更低的深冷冰箱(柜)类产品尤甚，现有技术方案无法在做到保持系统稳定运行的同时满足快速除霜的需求；2)现有技术方案无法做到制冷和除霜同时进行，且除霜过程浪费冷量，系统运行不够高效经济；3)现有技术方案存在制冷速率慢、降温时间长的缺点：由于制冷温度低、系统热容较大、存在漏热等因素使得深冷冰箱本身降温速率慢，加之热启动阶段系统客观存在流量不匹配问题并可面临喘振危害，制约了系统运行负荷，进一步拖累了系统总体制冷速率。


技术实现要素：

5.为了克服前述现有技术方案的不足，本实用新型提出一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱，其在具备一般现有气体压缩膨胀深冷冰箱技术方案优势的同时，解决了现有技术方案存在的除霜问题和快速制冷问题。
6.本实用新型解决上述问题的技术方案是：
7.一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱，其特殊之处在于：
8.包括气体压缩膨胀装置、散热器、三通阀、循环回热器、冷量调节阀a、冷量调节阀b、除霜调节阀a、除霜调节阀b、放冷器a、放冷器b和快速制冷调节阀，各部件以流体管路连接形成制冷回路、除霜支路和旁通支路并组成所述一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱。
9.所述制冷回路连接方式为：所述气体压缩膨胀装置的压缩侧、所述散热器和所述三通阀的出入口顺次相连，所述三通阀的出口之一、所述循环回热器的高压侧和所述气体压缩膨胀装置膨胀侧的出入口顺次相连，所述气体压缩膨胀装置膨胀侧的出口与所述冷量调节阀a和所述冷量调节阀b的入口并联，所述冷量调节阀a的出口与所述放冷器a的低压侧
入口相连，所述冷量调节阀b的出口与所述放冷器b的低压侧入口相连，所述放冷器a和所述放冷器b的低压侧出口与所述循环回热器的低压侧入口并联，所述循环回热器的低压侧出口与所述气体压缩膨胀装置的压缩侧入口相连。
10.所述除霜支路连接方式为：所述三通阀的出口之二与所述放冷器a和所述放冷器b的高压侧入口并联，所述放冷器a的高压侧出口与所述除霜调节阀a的进口相连，所述放冷器b的高压侧出口与所述除霜调节阀b的进口相连，所述除霜调节阀a和所述除霜调节阀b的高压侧出口与所述循环回热器的高压侧入口并联。
11.所述旁通支路连接方式为：所述快速制冷调节阀的入口与所述散热器的出口相连，所述快速制冷调节阀的出口与所述气体压缩膨胀装置的压缩侧入口相连。
12.进一步地，所述冷量调节阀a、冷量调节阀b、除霜调节阀a、除霜调节阀b、放冷器a、放冷器b均平行布置，这不是一般角度下“变一为二”的简单扩展，而是从解决快速制冷问题和除霜问题出发做出的独特设计，尤其强调彼此平行布置的所述放冷器、所述冷量调节阀和所述除霜调节阀在所述一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱中存在特定工作时序差异的本质。
13.本实用新型的优势：
14.1)本实用新型提供的一种具有快速制冷和除霜功能的具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱，结合了制冷回路、除霜支路和旁通支路，除了具备现有技术的一般优势，更重要的是在保障系统稳定运行且不显著增加系统复杂度的前提下同时解决了已有系统面临的除霜问题、快速制冷问题；
15.2)本实用新型提供的一种具有快速制冷和除霜功能的具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱，在除霜过程中，低温霜层融化时的冷量通过热交换被有效回收用以在回热预冷前提供额外预冷，从而有利于提高所述深冷冰箱的制冷能力、总体能效和经济性；
16.3)本实用新型提供的一种具有快速制冷和除霜功能的具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱，在除霜过程中，两个放冷器中交替进行制冷和除霜，总体上制冷和除霜过程同时、分区进行，在保证总体除霜性能的同时还有利于减轻除霜过程对于冷储区域温度场的不利影响，从而有利于提高所述深冷冰箱的冷储质量；
17.4)本实用新型提供的一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱，在快速制冷的过程中，对不同降温阶段采用不同的系统连通关系，避免了系统在不同降温工况下可能面临的流量不匹配、喘振和超负荷运行等不利因素，在提高和维持最大制冷能力的同时保障了核心部件气体压缩膨胀装置及整个系统的运行稳定性。
附图说明
18.图1是本实用新型实施例中所述深冷冰箱的部件组成及连接示意图；
19.图2是本实用新型实施例中所述深冷冰箱处于快速制冷下连通关系一原理示意图；
20.图3是本实用新型实施例中所述深冷冰箱快速制冷功能下连通关系二原理示意图；
21.图4是本实用新型实施例中所述深冷冰箱快速制冷功能下连通关系三原理示意
图；
22.图5是本实用新型实施例中所述深冷冰箱除霜功能下连通关系一原理示意图；
23.图6是本实用新型实施例中所述深冷冰箱除霜功能下连通关系二原理示意图；
24.图中：1、气体压缩膨胀装置，2、散热器，3、三通阀，4、循环回热器，5、冷量调节阀a，6、冷量调节阀b，7、除霜调节阀a，8、除霜调节阀b，9、放冷器a，10、放冷器b，11、快速制冷调节阀。
具体实施方式
25.为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。
26.实施例1
27.参见图1，一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱，包括气体压缩膨胀装置1、散热器2、三通阀3、循环回热器4、冷量调节阀a5、冷量调节阀b6、除霜调节阀a7、除霜调节阀b8、放冷器a9、放冷器b10和快速制冷调节阀11。各部件以流体管路连接形成制冷回路、除霜支路和旁通支路并组成所述一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱。
28.闭合的制冷回路按照以下方式连接：所述气体压缩膨胀装置1的压缩侧(tc)、所述散热器2和所述三通阀3的出入口顺次相连，所述三通阀3的出口之一、所述循环回热器4的高压侧和所述气体压缩膨胀装置1的膨胀侧(te)的出入口顺次相连，所述气体压缩膨胀装置1膨胀侧(te)的出口与所述冷量调节阀a5和所述冷量调节阀b6的入口并联，所述冷量调节阀a5的出口与所述放冷器a9的低压侧入口相连，所述冷量调节阀b6的出口与所述放冷器b10的低压侧入口相连，所述放冷器a9和所述放冷器b10的低压侧出口与所述循环回热器4的低压侧入口并联，所述循环回热器4的低压侧出口与所述气体压缩膨胀装置1的压缩侧(tc)入口相连。
29.所述除霜支路按照以下方式连接：所述三通阀3的出口之二与所述放冷器a9和所述放冷器b10的高压侧入口并联，所述放冷器a9的高压侧出口与所述除霜调节阀a7的进口相连，所述放冷器b10的高压侧出口与所述除霜调节阀b8的进口相连，所述除霜调节阀a7和所述除霜调节阀b8的高压侧出口与所述循环回热器4的高压侧入口并联。
30.所述旁通支路按照以下方式连接:所述快速制冷调节阀11的入口与所述散热器2的出口相连，所述快速制冷调节阀11的出口与所述气体压缩膨胀装置1的压缩侧(tc)入口相连。
31.所述冷量调节阀a5、冷量调节阀b6、除霜调节阀a7、除霜调节阀b8、放冷器a9、放冷器b10均平行布置，这不是一般角度下“变一为二”的简单扩展，而是从解决快速制冷问题和除霜问题出发做出的独特设计，尤其强调彼此平行布置的所述放冷器、所述冷量调节阀和
所述除霜调节阀在所述一种具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱中存在特定工作时序差异的本质。
32.通过对所述三通阀3、所述冷量调节阀a5、所述冷量调节阀b6、所述除霜调节阀a7、所述除霜调节阀b8和所述快速制冷调节阀11的阀位操作，可以改变所述制冷回路、所述除霜支路和所述旁通支路内部及彼此间的连通关系，使系统工作状态改变并产生不同效果，进而分别实现深冷冰箱的快速制冷和除霜功能。
33.本实用新型提出的具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱，其在实现快速制冷时的工作原理为(参见图2-图4)：
34.当所述深冷冰箱处于高温区降温阶段时，系统连通关系参见图2。此时，经历冷却后由所述散热器2出的气体工质(冰箱系统中用以完成热力过程的媒介)小部分流量地经由所述快速制冷调节阀或所述旁通支路直接汇入由所述循环回热器4低压侧出的返流并一同返回所述气体压缩膨胀装置1压缩侧(tc)的进口继续循环，其余大部分流量的气体工质依次在所述循环回热器4高压侧换热预冷，在所述气体压缩膨胀装置1膨胀侧被膨胀，在所述放冷器a9和所述放冷器b10的低压侧换热释放冷量，在所述循环回热器4低压侧换热复温，在所述气体压缩膨胀装置1的压缩侧(tc)被压缩，在所述散热器2中散热，再次被换热预冷，如此重复循环。系统此时产生的工作效果是：一方面，平行设置的所述放冷器a9和所述放冷器b10同时工作可以增加通流面积、降低循环阻力、增加循环流量，有助于提高系统运行负荷并增加制冷量；另一方面，所述快速制冷调节阀11及所述旁通支路开启能避免系统压缩端发生喘振以提高系统高负荷(高转速、高压比及大流量)稳定运行的上限并进一步提高制冷量，从而提高了快速制冷能力。
35.当所述深冷冰箱处于相对低温区降温阶段时，系统连通关系参见图3或图4。此时，比起高温区阶段，系统只有单个所述放冷器a9或所述放冷器b10工作，并且所述快速制冷调节阀11及所述旁通支路处于关闭状态。系统此时产生的工作效果是：由于低温区部件逐渐进入其设计工况范围，只有单个所述放冷器a9或所述放冷器b10工作可以适当减小流量并换取压比以维持最优的冷量交换效率，同时关闭所述快速制冷调节阀11及所述旁通支路使系统维持最优压比和流量并避免超出功率负荷上限。
36.通过结合以上系统连通关系的变化，从而实现所述深冷冰箱在整个制冷温区内的快速制冷功能。
37.本实用新型提出的具有快速制冷和除霜功能的气体压缩膨胀深冷冰箱，其在实现除霜功能时的工作原理为(参见图5-图6)：
38.此时系统有两种典型的连通关系。参见图5，气体工质(冰箱系统中用以完成热力过程的媒介)依次在所述气体压缩膨胀装置1的压缩侧(tc)被压缩，在所述散热器2中散热，全流量地经由所述三通阀3在所述放冷器a9的高压侧释放热量融化附着于所述放冷器a9上的霜层并被冷却(此过程回收了霜层所含冷量用于膨胀前的预冷，因此能提高系统制冷能力或能效)，经由所述除霜调节阀a7在所述循环回热器4的高压侧换热预冷，在所述气体压缩膨胀装置1的膨胀侧(te)被膨胀，经由所述冷量调节阀b6的调控(视冷量调节需求)在所述放冷器b10的低压侧换热释放冷量被加热，在所述循环回热器4的低压侧换热复温，之后被吸入所述气体压缩膨胀装置1的压缩侧(tc)再次被压缩，如此重复循环。参见图6，比起图5中系统的连通关系，此时平行设置的所述除霜调节阀和所述冷量调节阀和所述放冷器的
工作状态恰好相反。实现在所述放冷器b10中释放热量融化所述放冷器b10上的霜层，同时在所述放冷器a9中释放冷量。
39.通过利用从所述散热器2排出气体的热量并合理地交替配置以上两种系统连通关系，从而实现了对由放冷器a9和放冷器b10组成的所述深冷冰箱的整个目标除霜区的除霜过程，即实现了所述深冷冰箱的除霜功能。
40.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非以此限制本实用新型的保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本实用新型的保护范围内。