一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷系统自然复叠式深冷技术领域，具体涉及一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统。

背景技术

超低温度的制取，广泛应用于超低温环境模拟、油气捕集、冷冻存储、萃取提纯等军工航天、生物医疗、电子化工、金属处理、远洋渔业等行业领域。

传统的自复叠制冷系统主要包括压缩机、冷凝器、气液分离器、节流装置、换热器、节流装置、蒸发器；混合制冷剂(一般为二元以上非共沸制冷剂的组合)通过压缩机压缩，形成高温高压的气体；通过冷凝器冷凝，形成气液混合物；气液分离器将该气液混合物成两路分离，一路为液体，另一路为气体；其中一路液体通过节流装置，形成低温低压的气体或气液混合物，该气体或气液混合物与另一路气体经过热交换后，返回到压缩机进口；而该另一路气体经热交换后，温度进一步降低，然后经过节流装置，形成低温低压气体；最后通过蒸发器，温度升高，最终再返回压缩机进口。

现有技术中存在的缺陷为：低温制冷系统制冷效果差，获取超低温温度困难，经济性差能效低，制冷系统设计定型后同一制冷系统无法同时满足不同的制冷量及超低温温度需求的问题。

发明内容

为此，本发明提供一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，以解决现有技术中制冷系统设计定型后同一制冷系统无法同时满足不同的制冷量及超低温温度需求的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，包括压缩机、冷凝器、第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器、第五级换热器、第一汽液相分离装置、第二汽液相分离装置、第三汽液相分离装置、毛细管和可控可变流量阀；

所述第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器以及第五级换热器结构相同且均具有第一入口、第一出口、第二入口以及第二出口，所述第一入口和所述第一出口通过管道连接，所述第二入口和所述第二出口通过管道连接；

所述第一汽液相分离装置、所述第二汽液相分离装置以及所述第三汽液相分离装置结构相同且均具有初级过滤入口、次级过滤后出口以及液体出口；

所述压缩机的出口通过管道与所述冷凝器连接，所述冷凝器通过管道与所述第一级换热器的第一入口连接，所述第一级换热器的第一出口与所述第一汽液相分离装置的初级过滤入口连接，所述第一汽液相分离装置的液体出口通过管道与所述第二级换热器的第二入口连接，所述第二级换热器的第二出口通过管道与所述第一级换热器的第二入口连接，所述第一级换热器的第二出口通过管道与所述压缩机的入口连接；

所述第一汽液相分离装置的次级过滤后出口通过管道与所述第二级换热器的第一入口连接，所述第二级换热器的第一出口与所述第二汽液相分离装置的初级过滤入口连接，所述第二汽液相分离装置的液体出口通过管道与所述第三级换热器的第二入口连接，所述第三级换热器的第二出口通过管道与所述第二级换热器的第二入口连接；

所述第二汽液相分离装置的次级过滤后出口通过管道与所述第三级换热器的第一入口连接，所述第三级换热器的第一出口与所述第三汽液相分离装置的初级过滤入口连接，所述第三汽液相分离装置的液体出口通过管道与所述第四级换热器的第二入口连接，所述第四级换热器的第二出口通过管道与所述第三级换热器的第二入口连接；

所述第三汽液相分离装置的次级过滤后出口通过管道与所述第四级换热器的第一入口连接，所述第四级换热器的第一出口与所述第五级换热器的第一入口连接，所述第五级换热器的第一出口通过管道与所述第五级换热器的第二入口连接，所述第五级换热器的第二出口通过管道与所述第四级换热器的第二入口连接；

所述第一汽液相分离装置的液体出口与所述第二级换热器的第二入口之间的管道并列设置有所述毛细管和所述可控可变流量阀，所述第二汽液相分离装置的液体出口与所述第三级换热器的第二入口之间的管道并列设置有所述毛细管和所述可控可变流量阀，所述第三汽液相分离装置的液体出口与所述第四级换热器的第二入口之间的管道并列设置有所述毛细管和所述可控可变流量阀。

进一步地，所述第五级换热器的第一出口与所述第五级换热器的第二入口之间的管道并列设置有所述毛细管和所述可控可变流量阀。

进一步地，还包括蒸发器，所述第五级换热器的第一出口通过管道与所述蒸发器的入口连接，所述蒸发器的出口通过管道与所述第四级换热器的第二入口连接。

进一步地，所述第五级换热器的第一出口与所述蒸发器的入口之间的管道并列设置有所述毛细管和所述可控可变流量阀。

进一步地，还包括控制单元，多个所述可控可变流量阀均与所述控制单元电连接，此处的连接指的是不仅仅局限于电路连接，还可以通过热力膨胀的毛细管连接等综合连接方式，此处的可控可变流量阀可以是电磁阀也可以是热力膨胀阀、电子膨胀阀或其他类型的阀体。

进一步地，所述第一级换热器、所述第二级换热器、所述第三级换热器，以及所述第四级换热器依次水平并列设置，所述第五级换热器设置在所述第四级换热器的下方。

进一步地，所述第一级换热器的第一入口位于所述第一级换热器的第一出口的上方，所述第一级换热器的第二入口位于所述第一级换热器的第二出口下方，所述第一级换热器的第一入口与所述第一级换热器的第二出口并排设置；

所述第二级换热器的第一入口位于所述第二级换热器的第一出口的上方，所述第二级换热器的第二入口位于所述第二级换热器的第二出口下方，所述第二级换热器的第一入口与所述第二级换热器的第二出口并排设置；

所述第三级换热器的第一入口位于所述第三级换热器的第一出口的上方，所述第三级换热器的第二入口位于所述第三级换热器的第二出口下方，所述第三级换热器的第一入口与所述第三级换热器的第二出口并排设置；

所述第四级换热器的第一入口位于所述第四级换热器的第一出口的上方，所述第四级换热器的第二入口位于所述第四级换热器的第二出口下方，所述第四级换热器的第一入口与所述第四级换热器的第二出口并排设置；

所述第五级换热器的第一入口位于所述第五级换热器的第一出口的上方，所述第五级换热器的第二入口位于所述第五级换热器的第二出口下方，所述第五级换热器的第一入口与所述第五级换热器的第二出口并排设置。

进一步地，所述冷凝器采用水冷方式或风冷方式进行冷凝。

进一步地，所述第一汽液相分离装置、所述第二汽液相分离装置以及所述第三汽液相分离装置的结构完全相同。

进一步地，所述第一汽液相分离装置、所述第二汽液相分离装置以及所述第三汽液相分离装置容积根据系统制冷需求设计依次减小。

进一步地，还包括化霜电磁阀，所述化霜电磁阀的一端通过管道与所述压缩机的出口连通，所述化霜电磁阀的另一端通过管道与所述蒸发器的入口连通，所述第四级换热器的第二入口与所述第五级换热器的第二出口的连接管高于所述第四级换热器的第二入口且此处设置有倒置的U型弯道，所述U型弯道的高度为所述第四级换热器的高度的二分之一以上。

本发明具有如下优点：通过本发明的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，采用单压缩机驱动多元混合工质逐级分凝，自动复叠的五级自复叠制冷技术，本系统通过控制或自适应可控可变流量阀件，达到两种或多种不同效果的需求，当需要极低温度时，本系统以简单可靠的毛细管节流来制取低温，当需要超大冷量时，本系统通过控制或可控可变流量阀件的自适应，来获取大的制冷量，当整体综合应用时，本系统可以快速制冷提高制冷能力，同一制冷系统可以满足市场不同的制冷需求，具有较高的灵活性，高效节能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1为本发明一些实施例提供的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统的结构图。

图2为本发明另一些实施例提供的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统的结构图。

图3为本发明一些实施例提供的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统的汽液相分离装置结构图。

图4为本发明一些实施例提供的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统的汽液相分离装置结构图。

图5为本发明一些实施例提供的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统的换热器结构图。

图中：1、压缩机，2、冷凝器，3、第一级换热器，4、第二级换热器，5、第三级换热器，6、第四级换热器，7、第五级换热器，8、蒸发器，9、第一汽液相分离装置，10、第二汽液相分离装置，11、第三汽液相分离装置，12、毛细管，13、可控可变流量阀，14、控制单元，15、第一入口，16、第一出口，17、第二入口，18、第二出口，19、化霜电磁阀，21、分离装置壳体，22、初级过滤入口，23、次级过滤后出口，24、第一过滤装置，25、第二过滤装置，26、中间气流隔档板，27、上盖，28、下盖，29、液体出口。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例中的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，包括压缩机1、冷凝器2、第一级换热器3、第二级换热器4、第三级换热器5、第四级换热器6、第五级换热器7、第一汽液相分离装置9、第二汽液相分离装置10、第三汽液相分离装置11、毛细管12和可控可变流量阀13；第一级换热器3、第二级换热器4、第三级换热器5、第四级换热器6以及第五级换热器7结构相同(如图5所示)且均具有第一入口15、第一出口16、第二入口17以及第二出口18，第一入口15和第一出口16通过管道连接，第二入口17和第二出口18通过管道连接；第一汽液相分离装置9、第二汽液相分离装置10以及第三汽液相分离装置11结构相同且均具有初级过滤入口、次级过滤后出口以及液体出口；压缩机1的出口通过管道与冷凝器2连接，冷凝器2通过管道与第一级换热器3的第一入口15连接，第一级换热器3的第一出口16与第一汽液相分离装置9的初级过滤入口连接，第一汽液相分离装置9的液体出口通过管道与第二级换热器4的第二入口17连接，第二级换热器4的第二出口18通过管道与第一级换热器3的第二入口17连接，第一级换热器3的第二出口18通过管道与压缩机1的入口连接；第一汽液相分离装置9的次级过滤后出口通过管道与第二级换热器4的第一入口15连接，第二级换热器4的第一出口16与第二汽液相分离装置10的初级过滤入口连接，第二汽液相分离装置10的液体出口通过管道与第三级换热器5的第二入口17连接，第三级换热器5的第二出口18通过管道与第二级换热器4的第二入口17连接；第二汽液相分离装置10的次级过滤后出口通过管道与第三级换热器5的第一入口15连接，第三级换热器5的第一出口16与第三汽液相分离装置11的初级过滤入口连接，第三汽液相分离装置11的液体出口通过管道与第四级换热器6的第二入口17连接，第四级换热器6的第二出口18通过管道与第三级换热器5的第二入口17连接；第三汽液相分离装置11的次级过滤后出口通过管道与第四级换热器6的第一入口15连接，第四级换热器6的第一出口16与第五级换热器7的第一入口15连接，第五级换热器7的第一出口16通过管道与第五级换热器7的第二入口17连接，第五级换热器7的第二出口18通过管道与第四级换热器6的第二入口17连接；第一汽液相分离装置9的液体出口与第二级换热器4的第二入口17之间的管道并列设置有毛细管12和可控可变流量阀13，第二汽液相分离装置10的液体出口与第三级换热器5的第二入口17之间的管道并列设置有毛细管12和可控可变流量阀13，第三汽液相分离装置11的液体出口与第四级换热器6的第二入口17之间的管道并列设置有毛细管12和可控可变流量阀13。

本实施例达到的技术效果为：通过本实施例的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，采用单压缩机驱动多元混合工质逐级分凝，自动复叠的五级自复叠制冷技术，本系统通过控制或自适应可控可变流量阀件，达到两种或多种不同效果的需求，当需要极低温度时，本系统以简单可靠的毛细管节流来制取低温，当需要超大冷量时，本系统通过控制或可控可变流量阀件的自适应，来获取大的制冷量，当整体综合应用时，本系统可以快速制冷提高制冷能力，同一制冷系统可以满足市场不同的制冷需求，具有较高的灵活性，高效节能。

实施例2

如图1所示，本实施例中的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，包括实施例1中的全部技术特征，除此之外，第五级换热器7的第一出口16与第五级换热器7的第二入口17之间的管道并列设置有毛细管12和可控可变流量阀13。

可选的，还包括蒸发器8，第五级换热器7的第一出口16通过管道与蒸发器8的入口连接，蒸发器8的出口通过管道与第四级换热器6的第二入口17连接。

可选的，第五级换热器7的第一出口16与蒸发器8的入口之间的管道并列设置有毛细管12和可控可变流量阀13。

本实施例中的有益效果为：通过设置可控可变流量阀13，实现了根据不同需求进行制冷需求量的调节。

实施例3

如图1所示，本实施例中的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，包括实施例2中的全部技术特征，除此之外，还包括控制单元14，多个可控可变流量阀13均与控制单元14连接，需要说明的是，此处的连接指的是不仅仅局限于电路连接，还可以通过热力膨胀的毛细管连接等综合连接方式，此处的可控可变流量阀可以是电磁阀也可以是热力膨胀阀、电子膨胀阀或其他类型的阀体。

可选的，第一级换热器3、第二级换热器4、第三级换热器5，以及第四级换热器6依次水平并列设置，第五级换热器7设置在第四级换热器6的下方。

本实施例中的有益效果为：通过本实施例的设置，成本较低，具备显著的经济效益。

实施例4

如图1所示，本实施例中的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，包括实施例3中的全部技术特征，除此之外，第一级换热器3的第一入口15位于第一级换热器3的第一出口16的上方，第一级换热器3的第二入口17位于第一级换热器3的第二出口18下方，第一级换热器3的第一入口15与第一级换热器3的第二出口18并排设置；第二级换热器4的第一入口15位于第二级换热器4的第一出口16的上方，第二级换热器4的第二入口17位于第二级换热器4的第二出口18下方，第二级换热器4的第一入口15与第二级换热器4的第二出口18并排设置；第三级换热器5的第一入口15位于第三级换热器5的第一出口16的上方，第三级换热器5的第二入口17位于第三级换热器5的第二出口18下方，第三级换热器5的第一入口15与第三级换热器5的第二出口18并排设置；第四级换热器6的第一入口15位于第四级换热器6的第一出口16的上方，第四级换热器6的第二入口17位于第四级换热器6的第二出口18下方，第四级换热器6的第一入口15与第四级换热器6的第二出口18并排设置；第五级换热器7的第一入口15位于第五级换热器7的第一出口16的上方，第五级换热器7的第二入口17位于第五级换热器7的第二出口18下方，第五级换热器7的第一入口15与第五级换热器7的第二出口18并排设置。

本实施例中的有益效果为：通过本实施例的设置，多元混合工质循环更快，换热更加均匀，具备较高的换热效率。

实施例5

如图1所示，本实施例中的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，包括实施例4中的全部技术特征，除此之外，冷凝器2采用水冷方式或风冷方式进行冷凝。

可选的，第一汽液相分离装置9、第二汽液相分离装置10以及第三汽液相分离装置11的结构完全相同。

可选的，第一汽液相分离装置9、第二汽液相分离装置10以及第三汽液相分离装置11的容积根据系统制冷需求设计依次减小。

本实施例中的有益效果为：通过将第一汽液相分离装置9、第二汽液相分离装置10以及第三汽液相分离装置11的体积设置为依次减小，此处的依次减小是制冷技术系统特殊设计，来满足系统高效节能等特殊需求，同时也实现了最大的成本节省。

实施例6

如图3和图4所示，本实施例中的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，包括实施例5中的全部技术特征，除此之外，第一汽液相分离装置9、第二汽液相分离装置10以及第三汽液相分离装置11均包括分离装置壳体21、初级过滤入口22和次级过滤后出口23，分离装置壳体21具有中空的容纳腔，分离装置壳体21的下端设置有与容纳腔连通的液体出口29，初级过滤入口22和次级过滤后出口23固定在分离装置壳体21的顶部，初级过滤入口22为气液混合物的入口，次级过滤后出口23为气体过滤后的出口；通过本实施例的一种用于多级自复叠制冷系统的汽液相分离装置，采用二级过滤，重力分离，从而实现高效分离汽液，适用于多级自复叠制冷系统，用作相分离器，提高制冷性能。

可选的，还包括中间气流隔档板26，中间气流隔档板26固定在分离装置壳体21的容纳腔内，中间气流隔档板26位于初级过滤入口22和次级过滤后出口23之间，且中间气流隔档板26横向两端与分离装置壳体21内壁留有间隙供气流通过；通过设置中间气流隔档板26，避免了初级过滤入口22流出的液体飞溅至次级过滤后出口23上。

可选的，如图1所示，初级过滤入口22和次级过滤后出口23并排相互平行设置，中间气流隔档板26竖直设置，也就是说，次级过滤后出口23和初级过滤入口22均设置在分离装置壳体21的顶端。

可选的，如图2所示，初级过滤入口22和次级过滤后出口23相互垂直设置，中间气流隔档板26水平设置，也就是说，次级过滤后出口23设置在分离装置壳体21的顶端，初级过滤入口22设置在分离装置壳体21的侧壁上。

初级过滤入口22位于分离装置壳体21内部的一端设置有第一过滤装置24，次级过滤后出口23位于分离装置壳体21内部的一端设置有第二过滤装置25。

可选的，第一过滤装置24和第二过滤装置25均为不同配备的滤网或滤芯。

可选的，第一过滤装置24与第二过滤装置25的过滤精度不同。

可选的，第一过滤装置24的过滤精度相同或低于第二过滤装置25的过滤精度，通过上述设置，具备较好的汽液分离效果。

可选的，分离装置壳体21包括筒体、上盖27和下盖28，筒体的上端密封焊接在上盖27，筒体的下端密封焊接在下盖28，液体出口29设置在下盖28中，第一过滤装置24与第二过滤装置25均固定在上盖27上，可选的，初级过滤入口22、中间气流隔档板26以及次级过滤后出口23均固定在上盖27上，第一过滤装置24与第二过滤装置25均分别对应固定在初级过滤入口22和次级过滤后出口23上，通过上述设置，分体结构的分离装置壳体21相对于一体结构的分离装置壳体21制造成本更低。

可选的，下盖28为中心低于四周的漏斗形结构，液体出口29设置在下盖28的中心处，通过将液体出口29设置在下盖28的中心处，实现了液体排出较好的流动性，具体的，下盖28的内侧面为锥形面，避免了液体沉积。

上述实施例的工作原理为：本技术采用两级过滤，过滤装置可以为精度不同或相同的滤网或特制滤芯，过滤完成重力分离，汽液由初级过滤入口22的进口进入容器，通过第一级过滤分离，液体重力下坠，气体绕过中间的中间气流隔档板26经过次级过滤后出口23的分离出口排出，液体在重力下坠的作用下流动至容器底部储存，从底部的液体出口29出。

实施例7

如图2所示，本实施例中的一种自适应可变流量控制的多级自复叠制冷系统，包括实施例6中的全部技术特征，还包括化霜电磁阀19，化霜电磁阀19的一端通过管道与压缩机1的出口连通，化霜电磁阀19的另一端通过管道与蒸发器8的入口连通，第四级换热器6的第二入口17与第五级换热器7的第二出口18的连接管高于第四级换热器6的第二入口17且此处设置有倒置的U型弯道，U型弯道的高度为第四级换热器6的高度的二分之一以上。

本实施例的效果为：通过本实施例的上述设置，当设计有化霜功能时，部分高沸点制冷剂经过化霜管路进入制冷后的蒸发器8会发生液化，可避免液化后的高沸点制冷剂重力坠入第五级换热器7发生不良循环。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。