一种基于气体膨胀技术的深冷医药柜

技术领域

本发明涉及深冷技术领域，一种基于气体膨胀技术的低温制冷系统，具体涉及一种主要应用于生物、医学研究、医疗床等领域中的各种生物活性物质的冷冻冷藏以使其能长期保存的气体膨胀制冷深冷医药柜。

背景技术

深冷医药柜是现代生命科学研究和工程中的重要基础设备，近年来随着生命科学和生物基因工程的日益兴起，深冷医药柜产品需求量呈逐年上升趋势，市场潜力巨大。目前深冷医药柜通常采用蒸气压缩式复叠循环或非共沸混合工质“自复叠”循环的制冷技术以获得低温。由于采用传统的蒸气压缩式制冷方法，不仅系统复杂、体积厐大，而且还存在消耗臭氧层的环境等问题；另外受制冷工质热物理性质的制约，温度调节范围窄、不易获得零下90℃以下的低温。

气体膨胀制冷机采用空气、氮气或氦气作为制冷工质，整个制冷循环无相变。由于气体膨胀制冷机具有体积小、重量轻、效率髙、无制冷剂污染、制冷温区广、启动电流低、制冷量易调节等特点，在环保节能方面具有明显的优势，因而作为深冷医药柜的冷源具有相当大的优越性。

回热器是气体膨胀制冷机的惯用换热装置，回热器的换热性能直接影响了制冷机的制取温度和制冷效率。传统的回热器主要是采用金属丝网蓄热式，存在结构复杂、制造困难、换热强度和换热时间不足等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于气体膨胀技术的可适用于零下90℃以下深冷医药柜的制冷系统，提供一种系统简单，可靠性高的深冷医药柜，解决现有技术中医药柜在制冷的时候采用氟利昂消耗臭氧层的问题，以及采用气体膨胀制冷机时回热器换热强度和换热时间不足等问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明的深冷医药柜包括箱体，两个气体膨胀制冷机，两个气体膨胀制冷机共用的换热式回热器。

所述每个气体膨胀制冷机包括有用于向环境散热的热端，压缩空间用于压缩气体的压缩活塞，压缩空间，用于和另一个气体膨胀制冷机进行换热的回热器，用于向医药柜冷空间提供冷量的冷端，用于气体膨胀的排出器，膨胀空间，用于强化换热的冷端换热管，用于医药柜冷空间的气流组织的风机。

所述气体膨胀制冷机压缩空间和膨胀空间之间为两个制冷机共用的换热式回热器，压缩空间和回热器通过气体管道相连，回热器和膨胀空间通过气体管道相连。

所述气体膨胀制冷机冷端外壁面连接有冷端换热管，冷端换热管还安装有风机。

所述气体膨胀制冷机冷端、冷端换热管、风机位于医药柜冷空间内。

本发明提供的一种基于气体膨胀技术的深冷医药柜，具有如下优点：

(1)以气体(如空气、氮气或氦气)为制冷媒介，制冷循环中没有蒸发冷凝等相变变化，结构简单，性能可靠，对环境没有污染。

(2)两个气体膨胀制冷机压缩空间(热端)与膨胀空间(冷端)的气体在回热器两个流道内逆向流动，为逆流换热，换热效果好，降低了回热器蓄热能力的要求。

(3)两个制冷机换热式回热器适用于深冷、大冷量气体膨胀制冷机。

附图说明

图1为本申请的实施例的整体结构示意图。

图中，1：气体膨胀制冷机1；2：气体膨胀制冷机2；3：医药柜冷空间；4：回热器(气体膨胀制冷机1和气体膨胀制冷机2共用)；

101～108为气体膨胀制冷机1的构件，分别为：

101：热端；102：压缩活塞；103：压缩空间；104：排出器；105：冷端；106：膨胀空间；107：冷端换热管；108：风机；

201～208为气体膨胀制冷机1的构件，分别为：

201：热端；202：压缩活塞；203：压缩空间；204：排出器；205：冷端；206：膨胀空间；207：冷端换热管；208：风机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1所示，本发明的深冷医药柜包括箱体3，气体膨胀制冷机1，气体膨胀制冷机2，制冷机1和制冷机2共用的换热器4。

在本申请的实施例中，气体膨胀制冷机1包括有用于向环境散热的热端101，压缩空间用于压缩气体的压缩活塞102，压缩空间103，用于和气体膨胀制冷机2进行换热的回热器4，用于向医药柜冷空间提供冷量的冷端105，用于气体膨胀的排出器104，膨胀空间106，用于强化换热的冷端换热管107，用于医药柜冷空间气流组织的风机108。

冷端换热管107为盘管结构，且盘管上设有多组用于增强换热的翅片。盘管式结构，以及在盘管上设置翅片均为常规技术，具体不再详述。

压缩空间103的出气端通过气体管路与回热器4连接，在压缩空间103内部的气体进行等容(或等熵、多变)放热过程中，气体由压缩空间103流向回热器4，同时，回热器4内的气体流向膨胀空间106。

膨胀空间106的出气端通过气体管路与回热器4连接，在膨胀空间106内部的气体进行等容(或等熵、多变)吸热过程中，气体由膨胀空间106流向回热器4，同时，回热器4内的气体流向压缩空间103。

冷端105外壁面连接有冷端换热管107，冷端换热管107处安装有风机108，用于将医药柜冷空间的循环气体通过冷端换热管107并将冷量提供给医药柜冷空间。

气体膨胀制冷机1包括有用于向环境散热的热端201，压缩空间用于压缩气体的压缩活塞202，压缩空间203，用于和气体膨胀制冷机1进行换热的回热器4，用于向医药柜冷空间提供冷量的冷端205，用于气体膨胀的排出器204，膨胀空间206，用于强化换热的冷端换热管207，用于医药柜冷间的气流组织的风机208。

冷端换热管207为盘管结构，且盘管上设有多组用于增强换热的翅片。盘管式结构，以及在盘管上设置翅片均为常规技术，具体不再详述。

压缩空间203的出气端通过气体管路与回热器4连接，在压缩空间203内部的气体进行等容(或等熵、多变)放热过程中，气体由压缩空间203流向回热器4，同时，回热器4内的气体流向膨胀空间206。

膨胀空间206的出气端通过气体管路与回热器4连接，在膨胀空间206内部的气体进行等容(或等熵、多变)吸热过程中，气体由膨胀空间206流向回热器4，同时，回热器4内的气体流向压缩空间203。

冷端205外壁面连接有冷端换热管207，冷端换热管207处安装有风机208，用于将医药柜冷空间的循环气体通过冷端换热管207并将冷量提供给医药柜冷空间。

回热器4为板翅式换热器，亦可以采用网格式换热器，或其他类似结构形式的紧凑式换热器。

气体膨胀可采用等容膨胀、等熵膨胀或多变膨胀方式。

气体膨胀制冷机1中回热器4的工作原理为：压缩活塞102向左移动时，气体在压缩空间103内被压缩，压缩过程中产生的热量由热端101带走，为等温压缩过程，等温压缩后，气体通过回热器4到达膨胀空间106，气体在回热器4中释放热量，气体温度降低到制冷目标温度，气体在膨胀空间106内等温膨胀，等温膨胀过程中通过冷端105和冷端换热管107吸收医药柜冷空间的热量后(达到医药柜冷空间的降温目的)，排出器104开始向右移动，使得气体通过回热器4返回压缩空间103，气体在回热器4中吸收热量，气体温度升高到压缩前的初始温度后，压缩空间103的压缩活塞102开始左移，完成一个完整的循环。

气体膨胀制冷机2的工作原理和制冷机1的工作原理一样：压缩活塞202向左移动时，气体在压缩空间203内被压缩，压缩过程中产生的热量由热端201带走，为等温压缩过程，等温压缩后，气体通过回热器4到达膨胀空间206，气体在回热器4中释放热量，气体温度降低到制冷目标温度，气体在膨胀空间206内等温膨胀，等温膨胀过程中通过冷端205和冷端换热管207吸收医药柜冷间的热量后(达到医药柜冷间的降温目的)，排出器204开始向右移动，使得气体通过回热器4返回压缩空间203，气体在回热器4中吸收热量，气体温度升高到压缩前的初始温度后，压缩空间203的压缩活塞202开始左移，完成一个完整的循环。

本发明的两个并联气体膨胀制冷机回热器的工作原理为：两个气体膨胀制冷机共用一个回热器4，两个制冷机处于相对对立状态：

(1)气体膨胀制冷机1运行时，气体在压缩空间103内通过热端101释放热量，气体被等温压缩；同时气体膨胀制冷机2中气体在膨胀空间106内等温膨胀，吸收医药柜冷间的热量；

(2)气体膨胀制冷机1的气体通过回热器4到达膨胀空间106，气体在回热器4中释放热量，同时制冷系统2的气体通过回热器4到达压缩空间203，在回热器4中吸收热量；

(3)气体膨胀制冷机1的气体到达膨胀空间106后，气体在膨胀空间106内等温膨胀，等温膨胀过程中通过冷端105和冷端换热管107吸收医药柜冷间的热量，同时制冷系统2的气体在压缩空间203内通过热端201释放热量，气体被等温压缩；

(4)气体膨胀制冷机1的气体在排出器104的作用下，通过回热器4返回压缩空间103，气体在回热器4中吸收热量，气体温度升高到压缩前的初始温度，同时制冷系统2的气体通过回热器4到达膨胀空间206，气体在回热器4中释放热量；

(5)以上过程为完成一个完整的循环。

通过上述方式，本发明的两台并联气体膨胀制冷机换热式回热器解决了现有技术中换热强度不足的问题，两个气体膨胀制冷机的膨胀空间与压缩空间的气体在回热器换热通道两侧相向流动，实现逆流换热：其中一个处于等温压缩过程，另一个就处于等温膨胀过程；其中一个处于等容(或等熵、多变)放热过程，另一个就处于等容(或等熵、多变)吸热过程；其中一个处于等温膨胀过程，另一个就处于等温压缩过程；其中一个处于等容(或等熵、多变)吸热过程，另一个就处于等容(或等熵、多变)放热过程；如此形成一个循环。

处于等容(或等熵、多变)放热过程和等容(或等熵、多变)吸热过程的两个工作腔内的气体在回热器内流动方向相反，前者放热，后者吸热。

处于等温膨胀过程和等温压缩过程的两个工作腔内的工质在回热器内基本不流动，前者吸热，后者放热。

在任何时间内的两个气体膨胀制冷机内热量传递方向都相反，能够一直持续实现逆流换热；回热器不需要很大的蓄热能力，换热效果好；回热器取代现有的金属丝网，制造工艺简单，降低了成本，可靠性更高，更容易维持高位侧与低温侧的温度差，提高了制冷效率，适用于制取较低温度和较大冷量的应用场合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。