一种立式超低温冷冻箱

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种超低温立式冷冻箱，是河南新飞制冷器具有限公司为解决目前低温箱结构复杂、振动大、可靠性差、运行效率低、稳定控制精度不高而发明的一种低温箱。

背景技术

目前-86℃以下的低温箱通常采用两级或三级简单复叠制冷或混合工质自然复叠制冷，简单复叠制冷需要至少两套以上的制冷循环联合工作，结构复杂、可靠性差，维护和保养困难。

而自然复叠制冷系统由于采用的是混合工质，控制系统相对复杂，且混合工质一旦发生泄漏制冷剂组分就发生了变化，对制冷效果影响较大，也无法进行补充，需要将制冷剂全部放掉重新添加，卧式冷冻箱存在存放物品不方便的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立式超低温冷冻箱，采用氮气作为制冷剂，对环境无污染，且制冷效率较高，能够迅速降温。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种立式超低温冷冻箱，包括立式箱体，立式箱体内设有用于向立式箱体内释放冷量的用冷器，立式箱体处设有氮气制冷机构；氮气制冷机构包括高速电机、透平压缩机、后冷器、第一回热器、第二回热器和膨胀机；

第一回热器具有第一高温进口、第一高温出口、第二低温进口和第二低温出口；第一高温进口通过第一回热器的内部高温管路连接第一高温出口，第二低温进口通过第一回热器的内部低温管路连接第二低温出口；

第二回热器具有第二高温进口、第二高温出口、第一低温进口和第一低温出口；第二高温进口通过第二回热器的内部高温管路连接第二高温出口，第一低温进口通过第二回热器的内部低温管路连接第一低温出口；

高速电机的动力轴与透平压缩机的轴相连接并驱动透平压缩机；高速电机的动力轴的另一端伸入膨胀机并连接有叶轮，膨胀机的进口朝向叶轮，氮气通过第三高温管路通过膨胀机的进口后撞击在叶轮上辅助驱动高速电机的动力轴旋转；

透平压缩机用于将低温低压的氮气压缩为高温高压的氮气，透平压缩机的出气口连接有第一高温管路，第一高温管路连接所述后冷器的进口，后冷器相邻设有用于将环境空气吹向后冷器的散热风机；后冷器的出口通过第二高温管路连接第一回热器的第一高温进口，第一高温出口通过高温连接管连接第二回热器的第二高温进口；第二高温出口通过第三高温管路连接所述膨胀机的进口，膨胀机的出口连接有第一低温管路，第一低温管路连接所述用冷器的进口，用冷器的出口通过第二低温管路连接第二回热器的第一低温进口，第一低温出口通过低温连接管连接第一回热器的第二低温进口；

第二回热器的第二低温出口通过第三低温管路连接所述透平压缩机的进气口；用冷器为带有翅片的铝排管，用冷器分布于立式箱体周向侧壁和底壁上。

第三低温管路连接有补气管，补气管上设有补气电磁阀，补气管的末端连接有补气罐，补气罐用于存储氮气；补气电磁阀连接有电控装置，电控装置连接高速电机。

第三低温管路上串联有低压过滤器，第三高温管路上串联有高压过滤器。

所述铝排管的管体内壁沿周向设有多个换热用齿棱。

第一高温管路上设有高压传感器，第三低温管路上设有低压传感器；高压传感器和低压传感器均与电控装置相连接。

本发明具有如下的优点：

本发明中，氮气通过膨胀机的进口后撞击在叶轮上驱动高速电机的动力轴旋转，因而能够降低高速电机的功率，既有利于氮气膨胀降温，又产生了节能作用。高达十万转的转速可迅速降低温度。

用冷器分布于立式箱体周向侧壁和底壁上（立式箱体为立方体形时，周向侧壁有4个面，这样有5个面上设有用冷器），能够更迅速而均匀地降低立式箱体内的温度，制冷效果良好，且可以长时间不用除霜，保证系统稳定运行。

采用两个回热器，单个回热器体积减小，可以更灵活方面地进行布局，避免单个回热器尺寸过大影响到整机的装配尺寸。

第一回热器和第二回热器使高温氮气和低温氮气能够更充分地进行热交换，有利于高温氮气降温后在膨胀过程中获得更低的温度，增加制冷量，降低透平压缩机的能耗。

高温氮气在经过后冷器时，在散热风机的送风作用下，将热量散发到环境中去，起到预冷的作用，有利于氮气膨胀降温后获得更低的温度。

本发明结构简单，超低温冷冻箱需要制冷时，透平压缩机启动，超低温冷冻箱的立式箱体内优选设有循环风机，此时启动循环风机。循环风机强制立式箱体存储空间中的气体循环通过用冷器冷却，从而使立式箱体内的温度降低。

本发明以氮气为制冷工质，不会对大气造成任何污染，由于透平压缩机采用气动轴承悬浮技术，完全没有摩擦，因而效率高于油润滑压缩机。透平压缩机转速可根据制冷需要进行调整，因此整个系统稳定可靠，可满足更宽泛箱内温度的需求，一箱可满足多种制冷温度的需要。

本发明中，透平压缩机的转速可高达100000rpm以上，且转速可任意调节，所以既可通过高转速实现对箱内的快速降温，也可通过调节转速尽可能避免立式箱体内的温度波动。

电控装置获取低压传感器监测的系统低压以及高速电机的电流大小后，能够在氮气不足时及时发现并进行低压保护，打开补气电磁阀向系统中补入氮气，避免高速电机的气体轴承因缺少制冷剂（氮气）而磨损，保证氮气制冷机构能够提供充足的冷量。

电控装置获取高压传感器监测的系统高压以及高速电机的电流大小后，能够相应控制高速电机的转速，避免高压过高以及电流过大的现象。

低压过滤器能够防止异物进入透平压缩机从而避免压机损坏，高压过滤器能够防止异物进入膨胀机从而保护叶轮，保护本发明长期正常工作。

换热用齿棱提高了低温氮气通过铝排管向外散发的换热效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是铝排管的结构示意图；

图3是铝排管的截面示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的一种立式超低温冷冻箱包括立式箱体，立式箱体内设有用于向立式箱体内释放冷量的用冷器1，立式箱体为低温存储容器，是常规技术，图未示。

立式箱体处设有氮气制冷机构；氮气制冷机构包括高速电机2、透平压缩机3、后冷器4、第一回热器5、第二回热器6和膨胀机7；

第一回热器5具有第一高温进口8、第一高温出口9、第二低温进口10和第二低温出口11；第一高温进口8通过第一回热器5的内部高温管路连接第一高温出口9，第二低温进口10通过第一回热器5的内部低温管路连接第二低温出口11；

第二回热器6具有第二高温进口12、第二高温出口13、第一低温进口14和第一低温出口15；第二高温进口12通过第二回热器6的内部高温管路连接第二高温出口13，第一低温进口14通过第二回热器6的内部低温管路连接第一低温出口15；

高速电机2的动力轴16与透平压缩机3的轴相连接并驱动透平压缩机3；高速电机2的动力轴16的另一端伸入膨胀机7并连接有叶轮（叶轮为常规技术，图未示），膨胀机7的进口朝向叶轮，氮气通过第三高温管路通过膨胀机7的进口后撞击在叶轮上辅助驱动高速电机2的动力轴16旋转；后冷器4、用冷器1和回热器均为热交换器。

透平压缩机3用于将低温低压的氮气压缩为高温高压的氮气，透平压缩机3的出气口连接有第一高温管路17，第一高温管路17连接所述后冷器4的进口，后冷器4相邻设有用于将环境空气吹向后冷器4的散热风机18（优选采用轴流风机）；后冷器4的出口通过第二高温管路19连接第一回热器5的第一高温进口8，第一高温出口9通过高温连接管20连接第二回热器6的第二高温进口12；第二高温出口13通过第三高温管路21连接所述膨胀机7的进口，膨胀机7的出口连接有第一低温管路22，第一低温管路22连接所述用冷器1的进口，用冷器1的出口通过第二低温管路23连接第二回热器6的第一低温进口14，第一低温出口15通过低温连接管24连接第一回热器5的第二低温进口10；

第二回热器6的第二低温出口11通过第三低温管路25连接所述透平压缩机3的进气口；

用冷器1为带有翅片27的铝排管26，用冷器1分布于立式箱体周向侧壁和底壁上。第一回热器5和第二回热器6均具有发泡保温层36。翅片27的宽度是铝排管26管径的1－5倍。

本发明中，氮气通过膨胀机7的进口后撞击在叶轮上驱动高速电机2的动力轴16旋转，因而能够降低高速电机2的功率，既有利于氮气膨胀降温，又产生了节能作用。

高达十万转的转速可迅速降低温度。用冷器1分布于立式箱体周向侧壁和底壁上（立式箱体为立方体形时，周向侧壁有4个面，这样有5个面上设有用冷器1），能够更迅速而均匀地降低立式箱体内的温度，制冷效果良好，且可以长时间不用除霜，保证系统稳定运行。

采用两个回热器，单个回热器体积减小，可以更灵活方面地进行布局，避免单个回热器尺寸过大影响到整机的装配尺寸。

第一回热器5和第二回热器6使高温氮气和低温氮气能够更充分地进行热交换，有利于高温氮气降温后在膨胀过程中获得更低的温度，增加制冷量，降低透平压缩机3的能耗。

高温氮气在经过后冷器4时，在散热风机18的送风作用下，将热量散发到环境中去，起到预冷的作用，有利于氮气膨胀降温后获得更低的温度。

本发明结构简单，超低温冷冻箱需要制冷时，透平压缩机3启动，超低温冷冻箱的立式箱体内优选设有循环风机，此时启动循环风机。循环风机强制立式箱体存储空间中的气体循环通过用冷器1冷却，从而使立式箱体内的温度降低。

本发明以氮气为制冷工质，不会对大气造成任何污染，由于透平压缩机3采用气动轴承悬浮技术，完全没有摩擦，因而效率高于油润滑压缩机。透平压缩机3转速可根据制冷需要进行调整，因此整个系统稳定可靠，可满足更宽泛箱内温度的需求，一箱可满足多种制冷温度的需要。

本发明中，透平压缩机3的转速可高达100000rpm以上，且转速可任意调节，所以既可通过高转速实现对箱内的快速降温，也可通过调节转速尽可能避免立式箱体内的温度波动。

第三低温管路25连接有补气管28，补气管28上设有补气电磁阀29，补气管28的末端连接有补气罐30，补气罐30用于存储氮气；补气电磁阀29连接有电控装置，电控装置连接高速电机2。电控装置为单片机或集成电路，优选PLC，为常规部件，图未示。

第三低温管路25上串联有低压过滤器31，第三高温管路21上串联有高压过滤器32。低压过滤器31能够防止异物进入透平压缩机3从而避免压机损坏，高压过滤器32能够防止异物进入膨胀机7从而保护叶轮，保护本发明长期正常工作。

所述铝排管26的管体内壁沿周向设有多个换热用齿棱33。换热用齿棱33提高了低温氮气通过铝排管26向外散发的换热效率。

第一高温管路17上设有高压传感器34，第三低温管路25上设有低压传感器35；高压传感器34和低压传感器35均与电控装置相连接。电控装置获取低压传感器35监测的系统低压以及高速电机2的电流大小后，能够在氮气不足时及时发现并进行低压保护，打开补气电磁阀29向系统中补入氮气，避免高速电机2的气体轴承因缺少制冷剂（氮气）而磨损，保证氮气制冷机构能够提供充足的冷量。

电控装置获取高压传感器34监测的系统高压以及高速电机2的电流大小后，能够相应控制高速电机2的转速，避免高压过高以及电流过大的现象。回热器可以两级串联，也可以多级串联，增强高低温氮气之间的换热效率。

工作时，高速电机2启动时以30000～40000rpm的转速启动，快速通过不稳定区，避免电机连接轴磨损，降温初期高速电机23转速不高于80000rpm避免压缩机出现喘振，用冷器1出现明显降温后高速电机2进入额定转速进行运转。

优选地，高速电机2启动时以35000rpm的转速启动，运转t1秒后以60000rpm的转速运转t2秒后进入额定转速运转， t2＞t1；散热风机18在高速电机2启动时延时t3秒启动，在压缩机停机后延时t4秒停止，散热风机18一方面给后冷器4降温，另外一方面使高速电机22降温，t4＞t3。t1、t2、t3和t4的值由具体型号的立式超低温冷冻箱的设计人员确定。

透平压缩机3将低温低压的氮气压缩至高温高压状态后经透平压缩机3出气口送入第一高温管路17；高温氮气接着通过后冷器4的出口和第二高温管路19进入第一回热器5的第一高温进口8；在经过后冷器4时，高温氮气被散热风机18吹向后冷器4的风冷却降温；

高温氮气经第一高温出口9进入第二高温进口12，再由第二高温出口13流出第二回热器6，经第三高温管路21进入膨胀机7的进口；

在膨胀机7内，氮气撞击叶轮做功，既降低高速电机2的功耗，又有利于氮气膨胀。高温氮气膨胀后形成低温低压状态；低温氮气经膨胀机7的出口和第一低温管路22进入用冷器1，使立式箱体内温度降低。

氮气通过用冷器1的出口和第二低温管路23进入第二回热器6的第一低温进口14，经第一低温出口15进入第二低温进口10，在第一回热器5和第二回热器6内高温氮气和低温氮气进行充分换热，从而降低系统整体功耗，能够获得更低的膨胀温度和更低的透平压缩机3功耗。

低温氮气经第二低温出口11通过第三低温管路25进入透平压缩机3的进气口，完成一个制冷循环。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。