一种精确控温的自复叠制冷系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及非共沸混合制冷剂自复叠制冷循环以及半导体制冷领域，具体涉及一种精确控温的自复叠制冷系统及其控制方法。

背景技术

随着科技的发展，节能环保问题越来越受到人们的重视，高效，节能，环保是未来制冷低温装置主要的发展对象之一，蒸气压缩制冷循环经过长时间的发展，已经成为一种技术成熟，制冷性能优良，经济可靠的制冷方式，人们日常使用的家用冷柜或者冰箱柜内温度一般在-18℃左右，但是如果柜内要达到-40℃以及更低的温度，那么复叠循环是一种非常可行的方法，自复叠制冷循环是一种特殊的复叠循环，其使用混合工质并通过单台压缩机就可以实现多级复叠，在低温冷柜领域得到了广泛的应用。

半导体制冷是一种新型的固体制冷方式，相对于传统的机械式制冷来说，半导体制冷具有无声制冷，结构紧凑、环境友好、反应迅速且控温精确等优点。但是半导体制冷仍然存在着制冷量小，制冷温度高，制冷效率低的问题。

发明内容

针对上述制冷技术及制冷循环存在的问题，本文提出了一种精确控温的自复叠制冷系统及其控制方法，对传统的自复叠制冷循环系统进行了改进，引入了双级半导体制冷器，在不同的循环条件下通过三通阀控制制冷剂的回路，分别可以增大循环的制冷量以及降低循环的蒸发温度；在预冷模式下利用半导体制冷器热端给气液分离器以及压缩机进口制冷剂加热，使气液分离器中液相制冷剂的低沸点组分蒸发，增大气液分离器中流经蒸发器的气相制冷剂的含量，通过增大蒸发器中制冷剂流量达到增大制冷量，调节蒸发温度的目的；通过利用半导体制冷器给压缩机进口制冷剂加热可以使其获得一定过热度；在低温制冷模式下冷凝蒸发器出口的制冷剂在半导体制冷器冷端放热降温，被冷却为更低温度的过冷制冷剂，降低蒸发温度。

为达到上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种精确控温的自复叠制冷系统，包括压缩机101，压缩机101出口与冷凝器102入口相连，冷凝器102出口与气液分离器103入口相连接，气液分离器103与第一双级半导体制冷器104的热端换热器外表面相连，第一双级半导体制冷器104的冷端换热器制冷剂进出口分别与三通阀106和第一电子膨胀阀107相连；气液分离器103气相出口与冷凝蒸发器105高压侧入口相连接，冷凝蒸发器105高压侧出口与三通阀106入口相连接，三通阀106制冷剂第一出口120与第一双级半导体制冷器104冷端换热器制冷剂入口相连接，第一双级半导体制冷器104冷端换热器出口与第一电子膨胀阀107入口相连接，第一电子膨胀阀107出口与蒸发器108入口相连接；气液分离器103液相制冷剂出口与第二电子膨胀阀109入口相连接，第二电子膨胀阀109出口与蒸发器108出口相连后，再与冷凝蒸发器105低压侧入口相连，冷凝蒸发器105低压侧制冷剂出口与第二双级半导体制冷器110热端换热器制冷剂入口相连接，第二双级半导体制冷器110热端换热器制冷剂出口与压缩机101入口相连接；三通阀106制冷剂第二出口121与第二双级半导体制冷器110冷端换热器制冷剂入口相连接，第二双级半导体制冷器110冷端换热器制冷剂出口与第一电子膨胀阀107入口相连接；蒸发器108入口和出口分别设置第一温度传感器T1和第二温度传感器T2；第一双级半导体制冷器104、第二双级半导体制冷器110、第一温度传感器T1、第二温度传感器T2、第一电子膨胀阀107、第二电子膨胀阀109以及三通阀106均与控制模块C1相连接。

第一双级半导体制冷器104包括热端换热器和冷端换热器，热端换热器和冷端换热器各自分别具有制冷剂出口和入口，内部流通制冷剂；第一双级半导体制冷器104的热端换热器和冷端换热器还能够通过外壁面与气液分离器103进行换热；第二双级半导体制冷器110包括热端换热器和冷端换热器，热端换热器和冷端换热器各自分别具有制冷剂出口和入口，内部流通制冷剂。

循环中使用的制冷剂为非共沸混合工质，混合制冷剂的组分大于等于两种，在气液分离器103中，气相制冷剂富含低沸点组分，液相制冷剂富含高沸点组分；气液相制冷剂各组分含量不一致，通过第一双级半导体制冷器104的热端换热器外壁面与气液分离器贴合换热，控制气液分离器103中的两相态制冷剂温度和压力，进而控制气相和液相的比例，实现控制流经蒸发器108的制冷剂流量。

第一双级半导体制冷器104和第二双级半导体制冷器110均采用能够实现大制冷温差的双级半导体制冷片，以此匹配自复叠低温制冷温区，和满足气液分离器103中制冷剂相变控制的需求；第一双级半导体制冷器104和第二双级半导体制冷器110通过变化电流方向，实现制冷换热器和制热换热器的相互切换。

控制模块C1根据第一温度传感器T1和第二温度传感器T2的温度反馈信号调节第一双级半导体制冷器104、第二双级半导体制冷器110的开关和输入电流大小，以及第一电子膨胀阀107、第二电子膨胀阀109的开度和三通阀106出口的开关。

当循环在预冷模式时，三通阀106制冷剂第一出口120打开，第二出口121关闭，第一双级半导体制冷器104通电，第二双级半导体制冷器110断电；所述气液分离器103在第一双级半导体制冷器104热端换热器吸热，液相制冷剂中的低沸点组分吸热蒸发成为气相，增加气相制冷剂含量，气相制冷剂流经冷凝蒸发器105被冷凝蒸发器105低压侧入口的混合制冷剂冷却降温，然后经过三通阀106制冷剂第一出口120在第一双级半导体制冷器104的冷端换热器放热，成为温度更低的过冷制冷剂；所述第一双级半导体制冷器(104)冷端换热器出口的过冷制冷剂经过第一电子膨胀阀107节流后进入蒸发器108吸热产生制冷效果；气液分离器103液相制冷剂经过第二电子膨胀阀109节流后，与蒸发器108出口制冷剂混合进入冷凝蒸发器105低压侧入口在冷凝蒸发器105中吸热，冷凝蒸发器105低压侧出口经过第二双级半导体制冷器110热端换热器不吸收热量进入压缩机进行压缩；蒸发器108热负荷越大，第一双级半导体制冷器104输入电流越大，但是最大电流小于其最大制冷量工况对应的电流Imax。

当循环处于低温制冷模式时，此时三通阀106制冷剂第二出口121打开，第一出口120关闭，第一双级半导体制冷器104断电，第二双级半导体制冷器110通电；所述气液分离器103中的气相制冷剂流经冷凝蒸发器105被冷凝蒸发器105低压侧入口的混合制冷剂冷却降温，然后经过三通阀106制冷剂第二出口121在第二双级半导体制冷器110的冷端换热器放热，成为温度更低的过冷制冷剂；所述第二双级半导体制冷器(110)冷端换热器出口的过冷制冷剂经过第一电子膨胀阀107节流后进入蒸发器108；气液分离器103液相制冷剂经过第二电子膨胀阀109节流后，与蒸发器108出口制冷剂混合进入冷凝蒸发器105低压侧入口，冷凝蒸发器105混合制冷剂出口经过第二双级半导体制冷器110热端换热器吸收热量后变成过热蒸气进入压缩机101进行压缩；蒸发器108所需温度越低，第二双级半导体制冷器110输入电流越大，但是最大电流小于其最大制冷量工况对应的电流Imax。

所述的一种精确控温的自复叠制冷系统的控制方法，第一温度传感器T1检测蒸发器108入口制冷剂温度，第二温度传感器T2检测蒸发器108出口制冷剂温度，控制模块C1接收温度信号并控制第一双级半导体制冷器104与第二双级半导体制冷器110的电流以及第一电子膨胀阀107与第二电子膨胀阀109的开度；

所述控制方法为：T

当设置的蒸发温度T

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.和传统的自复叠制冷循环相比，本发明对其进行了改进并引进了第一双级半导体制冷器104和第二双级半导体制冷器110；第一双级半导体制冷器104的热端换热器紧贴气液分离器103，蒸发温度稳定的情况下第一双级半导体制冷器104断电，蒸发器热负荷增大导致蒸发温度发生波动时通电可使其热端换热器调节气液分离器103中气液相制冷剂的比例，增大蒸发器108中制冷剂的流量，冷端可以对三通阀106第一出口120的制冷剂进行过冷，使其放热降温，成为温度更低的过冷制冷剂；当在变工况条件下需要降低蒸发温度时，第二双级半导体制冷器110的冷端可以对蒸发器前的制冷剂进行过冷，且热端可以对压缩机吸气口的制冷剂进行加热，使其成为具有一定过热度的制冷剂，防止压缩机液击，通过调整第二双级半导体制冷器110的电流可以调整压缩机入口制冷剂的过热度。

2.本发明提出了一种可行有效的控制方法，能够通过蒸发器108温度反馈调节第一双级半导体制冷器104和第二双级半导体制冷器110的开关、输入电流以及三通阀(106)的出口开关，当冷柜处于预冷模式时，通过控制第一双级半导体制冷器104的输入电流以精确调节气液分离器103中气液相制冷剂的组分即干度，使得气液分离器103中非共沸混合制冷剂的气相成分与气相中的低沸点组分均增加，相对于使用冷凝器102风扇调节气液分离器103干度具有调节方式便捷，调节效果精确的优点；通过调节干度进而增大蒸发器的制冷剂流量，通过打开三通阀106第一出口120使制冷剂经过第一双级半导体制冷器104冷端进行预冷，因此制冷量增大，蒸发温度降低，达到调节稳定蒸发温度的作用；当处于低温制冷模式需要降低蒸发器温度时，通过第二双级半导体制冷器110冷端预冷获得温度更低的过冷制冷剂，达到降低蒸发温度的作用，同时第二双级半导体制冷器110热端换热器可以防止压缩机发生液击。

附图说明

图1为本发明一种精确控温的自复叠制冷系统示意图。

图2为本发明一种精确控温的自复叠制冷系统在预冷模式时的流程图。

图3为本发明一种精确控温的自复叠制冷系统在低温制冷模式时的流程图。

图4为本发明一种精确控温的自复叠制冷系统的控制逻辑图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明所述一种精确控温的自复叠制冷系统，包括压缩机101，冷凝器102，气液分离器102，冷凝蒸发器105，第一双级半导体制冷器104，第二双级半导体制冷器110，三通阀106，第一电子膨胀阀107，第二电子膨胀阀109，蒸发器108以及电源和控制模块C1；第一双级半导体制冷器104的热端换热器紧贴在气液分离器103上，第一双级半导体制冷器104的冷端换热器在三通阀106与第一电子膨胀阀107之间；压缩机101制冷剂出口与冷凝器102入口相连接，冷凝器102制冷剂出口与气液分离器103入口相连接，气液分离器103气相出口与冷凝蒸发器105高压侧入口相连接，冷凝蒸发器105高压侧出口与三通阀106入口相连接，三通阀106制冷剂第一出口120与第一双级半导体制冷器104冷端换热器制冷剂入口相连接，第一双级半导体制冷器104冷端换热器制冷剂出口与第一电子膨胀阀107入口相连接，第一电子膨胀阀107制冷剂出口与蒸发器108入口相连接；气液分离器103液相制冷剂出口与第二电子膨胀阀109入口相连接，第二电子膨胀阀109出口制冷剂与蒸发器108出口制冷剂混合之后进入冷凝蒸发器105低压侧入口，冷凝蒸发器105低压侧出口与第二双级半导体制冷器110热端换热器制冷剂入口相连接，第二双级半导体制冷器110热端换热器制冷剂出口与压缩机101入口相连接，进入压缩机101进行压缩；三通阀106制冷剂第二出口121与第二双级半导体制冷器110冷端换热器制冷剂入口相连接，第二双级半导体制冷器110冷端换热器制冷剂出口与第一电子膨胀阀107入口相连接，蒸发器108入口和出口分别设置第一温度传感器T1和第二温度传感器T2，第一双级半导体制冷器104、第二双级半导体制冷器110、第一温度传感器T1、第二温度传感器T2、第一电子膨胀阀107、第二电子膨胀阀109以及三通阀106与控制模块C1相连接，控制模块C1根据第一温度传感器T1和第二温度传感器T2的温度反馈信号调节第一双级半导体制冷器104、第二双级半导体制冷器110的开关以及输入电流大小，调节第一电子膨胀阀107、第二电子膨胀阀109的开度以及三通阀106出口的开关。

循环中使用的制冷剂为非共沸混合工质，混合制冷剂的组分大于等于两种，在气液分离器103中，气相制冷剂低沸点组分较多，液相中高沸点组分较多；气液相制冷剂各组分含量不一致，通过第一双级半导体制冷器104的热端可以控制气液分离器103中气相和液相的比例，进而控制流经蒸发器108的制冷剂流量。

第一双级半导体制冷器104和第二双级半导体制冷器110均采用冷热端面制冷温差较大的双级半导体制冷片，双级半导体制冷片制冷温差超过85℃，能适应自复叠低温制冷工况，且制冷量也满足气液分离器103中制冷剂发生相变时的需求。

如图2所示，当循环处于预冷模式时，三通阀106制冷剂第一出口120打开，第二出口121关闭，第一双级半导体制冷器104通电，第二双级半导体制冷器110断电；此时保持三通阀106第一出口120打开，第二出口121关闭，第一双级半导体制冷器104通电；所述气液分离器103在第一双级半导体制冷器104热端换热器吸热，液相制冷剂中的低沸点组分吸热蒸发成为气相，增加气相制冷剂含量，气相制冷剂流经冷凝蒸发器105被冷凝蒸发器105低压侧入口的混合制冷剂冷却降温，然后经过三通阀106制冷剂第一出口120在第一双级半导体制冷器104的冷端换热器放热，成为温度更低的过冷制冷剂；所述第一双级半导体制冷器104冷端换热器出口的过冷制冷剂经过第一电子膨胀阀107节流后进入蒸发器108；气液分离器103液相制冷剂经过第二电子膨胀阀109节流后，与蒸发器108出口制冷剂混合进入冷凝蒸发器105低压侧入口，冷凝蒸发器105低压侧出口经过第二双级半导体制冷器110热端(不吸收热量)进入压缩机进行压缩；蒸发器108热负荷越大，第一双级半导体制冷器104输入电流越大，但是最大电流小于其最大制冷量工况对应的电流Imax。

如图3所示，当循环处于低温制冷模式需要降低蒸发温度时，此时三通阀106制冷剂第二出口121打开，第一出口120关闭，第一双级半导体制冷器104断电，第二双级半导体制冷器110通电；所述气液分离器103中的气相制冷剂流经冷凝蒸发器105被冷凝蒸发器105低压侧入口的混合制冷剂冷却降温，然后经过三通阀106制冷剂第二出口121在第二双级半导体制冷器110的冷端换热器放热，成为温度更低的过冷制冷剂；所述第二双级半导体制冷器110冷端换热器出口的过冷制冷剂经过第一电子膨胀阀107节流后进入蒸发器108吸热产生制冷效果，气液分离器103液相制冷剂经过第二电子膨胀阀109节流后，与蒸发器108出口制冷剂混合进入冷凝蒸发器105低压侧入口，冷凝蒸发器105低压侧出口经过第二双级半导体制冷器110热端吸收热量后变成过热蒸气进入压缩机101进行压缩；蒸发器108所需温度越低，第二双级半导体制冷器110输入电流越大，但是最大电流小于其最大制冷量工况对应的电流Imax。

本发明所述的一种精确控温的自复叠制冷系统的控制方法，第一温度传感器T1检测蒸发器108入口制冷剂温度，第二温度传感器T2检测蒸发器108出口制冷剂温度，控制模块C1接收温度信号并控制第一双级半导体制冷器104与第二双级半导体制冷器110的电流以及第一电子膨胀阀107与第二电子膨胀阀110的开度。

如图4所示，所述控制方法为：T

当设置的蒸发温度T