一种用于实验室的高精度温湿度控制制冷系统及其方法与流程

本发明专利用于制冷系统，特别是涉及一种用于实验室的高精度温湿度控制制冷系统及其方法。

背景技术：

随着经济和科技的不断发展，社会各个领域竞争愈发激烈，许多企业纷纷加大研发力度、建立相关实验室来提高自身的竞争力。其中如纺织、生物、医药、电子等行业的实验室以及纸张检测、涂料检测、包装检测、精密加工、三坐标检测等试验检测过程对于室内空气温度与湿度的精度控制要求很高。现有的实验室温湿度控制系统能对温度湿度进行调节，但存在一些问题：系统复杂，无法通过同一实验设备实现对实验室内产品的多个环境试验项目；降温、除湿缓慢，效率低、耗时长；温度湿度调节精准度不高，波动大；耗能多，能源浪费等等。所以，一种新型实验室多工况高精度温湿度控制系统的开发是极为重要的。

本发明提出的温度湿度控制系统可以满足多种实验室试验环境温度与湿度要求，按照相关国标试验项目可以分为高低温试验、温度变化试验、湿热试验，其中湿热试验又分为恒定湿热试验与交变湿热试验，试验项目温度湿度要求和变化过程参考国标《GB/T 2423》以及《GB/T 11158》等。其中，高低温试验主要是针对于电工、电子产品以及其原器件和其它材料在高温、低温的环境下贮存、运输、使用时的适应性试验；高低温交变试验用来测试材料结构或复合材料，在经高温及低温的连续环境下所能忍受的程度；恒定湿热试验用于航空航天产品、信息电子仪器仪表、材料、电工、电子产品、各种电子元气件在高温或湿热环境下检验其各性能项指标；交变湿热试验用于确定元件、设备或者其他产品在高湿度和温度循环变化组合且通常会在试验样品表面产生凝露的条件下使用、运输和贮存的适应性。

同时，本制冷系统根据实验室温度要求分为低温工况、常温工况和高温工况三种，不同的试验温度工况对应不同的运行模式。由相关标准可取低温工况为温度-20℃-10℃,常温工况为10℃-43℃，高于43℃为高温工况。通过第一制冷系统与第二制冷系统切换运行、各制冷系统中阀门的开闭以及加热器、加湿器的运行共同实现各项试验温度与湿度的精准控制。

如上所述，本发明专利提供一种用于实验室的高精度温湿度控制系统，能完成多种温湿度试验。本系统包括室外机、室内机、加湿器和加热器，由第一制冷系统与第二制冷系统通过蒸发段耦合组成，通过切换不同的运行模式来满足不同试验要求，适应性强，安全性高，能充分利用能源，确保了温湿度调节的稳定性、高效性与准确性。

技术实现要素：

技术问题：本发明针对实验室的不同标准工况的温度湿度要求，提出了一种能够高精度调节温度与湿度的多工况制冷系统。

发明内容：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于实验室的温度、湿度多工况高精度制冷系统，包括第一制冷系统及第二制冷系统；

所述第一制冷系统由第一压缩机、第一冷凝器、第一电磁阀SV1、低温热力膨胀阀及蒸发器依次连接而成；在所述第一压缩机出口和所述蒸发器进口之间设有用于调节蒸发器内制冷剂蒸发压力及控制蒸发温度低于室内空气的露点温度从而调节湿度的热气旁通；在所述热气旁通上依次设有第一旁通电磁阀SV2以及第一热气旁通阀；

所述第二制冷系统由第二压缩机、第二冷凝器、第二电磁阀SV3、高温热力膨胀阀及蒸发器依次连接而成；所述第二制冷系统中还包括控制制冷量的第一电子膨胀阀及控制第二压缩机吸气温度的第二电子膨胀阀；所述第一电子膨胀阀EXV1一端接在所述第二电磁阀SV3之前，另一端接于所述第二热气旁通阀与所述蒸发器入口之间；所述第二电子膨胀阀EXV2一端连接在所述蒸发器出口与所述第二压缩机吸气口之间，另一端连接在所述第二冷凝器和第二电磁阀SV3之间；在所述第二压缩机出口和所述蒸发器进口之间设有热气旁通；在所述热气旁通上依次设有第二旁通电磁阀SV4以及第二热气旁通阀；

所述第一制冷系统与所述第二制冷系统的蒸发器耦合在一起；通过切换不同制冷系统的不同运行模式实现不同试验要求。

在所述第一冷凝器及第二冷凝器后分别设有用于去除制冷剂杂质的干燥过滤阀及保证正常供液的出液阀。

所述第一制冷系统与所述第二制冷系统的蒸发器耦合在一起具体为第一制冷系统蒸发器引出的换热管与第二制冷系统蒸发器引出的换热管交替排布。

所述第一电子膨胀阀EXV1通过调节蒸发压力控制蒸发温度；所述第二电子膨胀阀EXV2通过混合经过第二冷凝器的制冷剂及从蒸发器出口流出的制冷剂形成喷液对进入压缩机吸气口的制冷剂进行处理，控制第二压缩机吸气温度。

在所述蒸发器一侧设有加湿器与加热器。

一种高精度温湿度控制方法，根据不同温度湿度要求切换不同的运行模式；具体为：

低温工况时，第一制冷系统运行，气态制冷剂经过第一压缩机升温升压后一部分进入第一冷凝器后通过SV1、低温热力膨胀阀完成冷凝压力至蒸发压力的节流；另一部分制冷剂由SV2控制经过热气旁通与通过低温热力膨胀阀的制冷剂混合之后流入蒸发器；

常温工况时，第二制冷系统运行，SV3、SV4打开，气态制冷剂经过第二压缩机升温升压后，一部分制冷剂流过SV4和第二热气旁通阀进入蒸发器进口处；另一部分制冷剂流过第二冷凝器再由高温热力膨胀阀进行过热度控制，通过第二热气旁通阀的制冷剂混合进入蒸发器；

高温工况时，第二制冷系统运行，SV4、EXV1、EXV2打开，气态制冷剂经过第二压缩机升温升压后，一部分制冷剂流过SV4和第二热气旁通阀进入蒸发器进口处；另一部分制冷剂通过EXV1对蒸发压力进行调节后与通过第二热气旁通阀的制冷剂混合通过蒸发器到达压缩机吸气口；EXV2喷液对进入压缩机吸气口的制冷剂进行处理控制压缩机吸气温度；

在此过程中，加热器与加湿器根据实际需求开启。

所述方法还可进行多种温湿度试验项目；具体有：高低温试验、高低温交变试验、恒定湿热试验及交变湿热试验。

本发明采用上述技术方案，与现有制冷系统相比具有以下优点：

1、本制冷系统可用于实验室的温湿度控制，精确度高。

2、第一制冷系统与第二制冷系统分开运行，自由切换，适用于多种工况，灵活且实用性强。

3、常温工况和低温工况都采用热力膨胀阀控制过热度，常温工况相比低温工况蒸发温度低、制冷量小，其过热度随蒸发温度的降低而增大，蒸发温度的适用区变大。

4、安全性高，制冷系统通过热气旁通阀连接蒸发器入口，另加设置的膨胀阀，有效地解决了结霜、“冰堵”、压缩机空压以及液击等问题。

附图说明：

图1是本发明实验室温湿度控制制冷系统的结构示意图；其中，虚线框内为室外部分；

图2是本发明中第一制冷系统的原理图；

图3是本发明中第二制冷系统的原理图；

图4是本发明中耦合蒸发器的剖面图；

图5为本发明中高低温交变试验示意图。

附图标记说明：

第一制冷系统：第一压缩机1、第一冷凝器2、第一干燥过滤器3、第一出液阀4、第一电磁阀(SV1)5、低温热力膨胀阀6、第一旁通电磁阀(SV2)7、第一热气旁通阀8、第一冷凝风机9；

第二制冷系统：第二压缩机10、第二冷凝器11、第二干燥过滤器12、第二出液阀13、第二电子膨胀阀(EXV2)14、第二电磁阀(SV3)15、第二旁通电磁阀(SV4)16、第二热气旁通阀17、高温膨胀阀18、第一电子膨胀阀(EXV1)19、第二冷凝风机20；蒸发器21、加热器22、加湿器23、蒸发段风机24。

图4中，箭头代表制冷剂流向，a、a’为第一制冷系统制冷剂在蒸发器的流入与流出，b、b’代表第二制冷系统制冷剂在蒸发器的流入与流出。

具体实施方式

以下结合附图对于本发明的特征以及优点进行说明，应当理解，此处所描述优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2、图3所示，本发明的温湿度控制制冷系统，由第一制冷系统与第二制冷系统通过蒸发段耦合组成。所述第一制冷系统：由第一制冷压缩机1、第一冷凝器2、第一干燥过滤器3、第一出液阀4、第一电磁阀(SV1)5、低温热力膨胀阀6、蒸发器21依次连接而成，第一冷凝器2一侧有第一冷凝风机9；并有第一旁通电磁阀(SV2)7以及第一热气旁通阀8连接第一压缩机1出口以及蒸发器21进口。所述第二制冷系统：第二制冷压缩机10、第二冷凝器11、第二干燥过滤器12、第二出液阀13、第二电磁阀(SV3)15、高温热力膨胀阀18、蒸发器21依次连接；第一电子膨胀阀(EXV1)19一端接在第二电磁阀(SV3)15之前，另一端接于第二热气旁通阀17与蒸发器21入口之间，第二电子膨胀阀(EXV2)14一端连接在蒸发器21出口与第二压缩机10吸气口之间，另一端连接在第二出液阀13和第二电磁阀(SV3)15之间。并有第二旁通电磁阀(SV4)16以及第二热气旁通阀17连接第二压缩机10出口以及蒸发器21进口。第一制冷系统与第二制冷系统的蒸发器21耦合在一起，旁边设有加热器22、加湿器23、蒸发段风机24。从第一制冷系统蒸发器21引出的换热管与第二制冷系统蒸发器21引出的换热管交替排布构成耦合蒸发段。

本制冷系统是由两个分制冷系统通过蒸发段耦合而成，第一制冷系统与第二制冷系统可以单独运行也可以联合运行，通过切换可以分别满足高热高湿实验室的四个标准工况。

本发明还提供了一种多工况制冷的方法：

第一制冷系统：一部分通过第一压缩机1出口，流过第一热气旁通阀8进入蒸发器21进口处；一部分气态制冷剂经过第一冷凝器2处理变为低温高压液体，经过第一干燥过滤器3处理去除剩余气体制冷剂，再用低温热力膨胀阀6对该部分液体制冷剂进行过热度控制，进入蒸发器21进口；通过低温热力膨胀6阀的制冷剂与通过第一热气旁通阀8的制冷剂在蒸发器21进口处混合进入蒸发器21，与室内空气换热并对湿度进行调节，满足低温工况温湿度要求。热气旁通可以调节蒸发器内制冷剂蒸发压力，蒸发温度与蒸发压力成正比，蒸发温度的高低即可决定制冷量的大小，调节温度；同时蒸发温度低于室内空气的露点温度，室内空气通过蒸发器21表面时冷凝除湿，调节湿度。

第二制冷系统：气态制冷剂进入第二压缩机10升温升压后，第二旁通电磁阀(SV4)16开启，一部分制冷剂流过第二旁通电磁阀(SV4)16和第二热气旁通阀17进入蒸发器21进口处。若为常温工况，则第二电磁阀(SV3)15开启，第一电子膨胀阀(EXV1)19与第二电子膨胀阀(EXV2)14关闭，另一部分制冷剂经过第二冷凝器11处理变为低温高压液体，经过第二干燥过滤器12处理去除杂质，其后经过第二出液阀，保证正常供液的作用；再用高温热力膨胀阀18对该部分液体制冷剂进行过热度控制，进入蒸发器21进口处；通过高温热力膨胀阀18的制冷剂与通过第二热气旁通阀17的制冷剂在蒸发器21进口处混合进入蒸发器21，热气旁通可以调节蒸发器内制冷剂蒸发压力，蒸发温度与蒸发压力成正比，蒸发温度的高低即可决定制冷量的大小，调节温度；同时蒸发温度低于室内空气的露点温度，室内空气通过蒸发器21表面时冷凝除湿，调节湿度。若为高温工况，则第二电磁阀(SV3)15关闭，第一电子膨胀阀(EXV1)19与第二电子膨胀阀(EXV2)14打开，第二压缩机10出口的另一部分制冷剂通过第一电子膨胀阀(EXV1)19处理对蒸发压力进行调节、控制蒸发温度，然后制冷剂与通过第二热气旁通阀17的制冷剂混合进入蒸发器21再到达第二压缩机10吸气口；同时，第二电子膨胀阀(EXV2)14喷液对进入第二压缩机10吸气口的制冷剂进行处理，控制第二压缩机10吸气温度以防止对压缩机造成损坏。高温工况下，第一电子膨胀阀(EXV1)19控制蒸发压力即蒸发温度，控制制冷量，第二电子膨胀阀(EXV2)14控制第二压缩机10吸气温度，可以实现温度湿度的调节，如设置较低蒸发温度、减小冷量即可以达到高温除湿的效果。

运行模式：

本制冷系统根据实验室温度要求分为低温工况、常温工况和高温工况三种。低温工况温度为-20℃-10℃,常温工况为10℃-43℃，高于43℃即为高温工况。不同温度区间对应不同的系统运行模式。

各个温度区间所对应运行模式如表1：

表1

1、低温工况

低温工况指工作温度为-20℃—10℃的实验室工况。此时第二制冷系统压缩机关闭，第一制冷系统的压缩机开始运行，SV1打开，SV2打开，低温热力膨胀阀开启。气态制冷剂进入压缩机升温升压后从压缩机出来的高温高压制冷剂一部分进入冷凝器，通过SV1，经过低温热力膨胀阀流入蒸发器，此时热力膨胀阀完成冷凝压力至蒸发压力的节流；另一部分制冷剂由电磁阀SV2控制，流过热气旁通阀与主干道上通过热力膨胀阀的制冷剂混合。热气旁通阀是控制压缩机制冷量一种经济的方法，这种可调的旁通阀可以把所需要的排出气体自动旁通到低压一侧，以维持低的蒸发压力，同时有效地防止盘管结冰或运转周期过短。

第一制冷系统的运行可以产生较大制冷量，风机持续吹出冷风进入室内使实验室内达到-20℃的低温，与此同时加热器运行对温度进行调节从而高精度地满足温度的工况需求。在冷却了的空气送入室内有一定除湿量，热气旁通与低温膨胀阀调节蒸发压力,蒸发温度随之改变,即蒸发温度低于室内空气露点温度,实验室内空气与其相遇则湿度降低,同时加湿器运行,实现湿度的高精度调节。第一制冷系统与加热器、加湿器同时运行实现低温工况的温度、湿度的精准控制。

在第一制冷系统中采用低温热力膨胀阀，制冷量大、蒸发温度较高，热力膨胀阀的过热度是随蒸发温度升高而减小的，蒸发温度变化适用区间较小。

2、常温工况

常温工况指工作温度为10℃—43℃的实验室工况。此时第一制冷系统压缩机关闭，第二制冷系统压缩机开启，气态制冷剂进入压缩机升温升压后，第二旁通电磁阀SV4开启，一部分制冷剂流过第四电磁阀SV4和热气旁通阀进入蒸发器进口处；第二电磁阀SV3开启，电子膨胀阀EXV1与EXV2关闭，另一部分制冷剂经过冷凝器处理变为低温高压液体，经过干燥过滤器处理去除杂质，再用高温膨胀阀对该部分液体制冷剂进行过热度控制，进入蒸发器进口处；通过膨胀阀的制冷剂与通过热气旁通阀的制冷剂在蒸发器进口处混合进入蒸发器，热气旁通可以调节蒸发器内制冷剂蒸发压力，蒸发温度与蒸发压力成正比，蒸发温度的高低即可决定制冷量的大小，同时加热器启动共同调节温度；同时蒸发温度低于室内空气的露点温度，室内空气通过蒸发器表面时冷凝除湿，同时加湿器启动共同调节湿度。

在普通工况制冷系统中，采用高温热力膨胀阀，蒸发温度比低温工况低，热力膨胀阀过热度调节范围大，蒸发温度适用区间大。

3、高温工况

高温工况指43℃以上温度要求的实验室工况。此时，第一制冷系统压缩机关闭，第二制冷系统压缩机打开，SV4开启，一部分制冷剂流过SV4和热气旁通阀进入蒸发器进口处；SV3关闭，电子膨胀阀EXV1与EXV2打开，第二压缩机出口的另一部分制冷剂通过电子膨胀阀EXV1处理，然后制冷剂与通过热气旁通阀的制冷剂混合进入蒸发器再到达压缩机吸气口；同时，电子膨胀阀EXV2将经过第二冷凝器的制冷剂及从蒸发器出口流出的制冷剂混合之后形成喷液，对进入压缩机吸气口的制冷剂进行处理，控制第二压缩机吸气温度以防止对压缩机造成损坏；且EXV2的开启度根据第二压缩机吸气温度自动调节。高温工况下，EXV1控制蒸发压力即蒸发温度，控制制冷量，EXV2控制压缩机吸气温度，可以实现温度湿度的调节，如设置较低蒸发温度、减小冷量即可以达到高温除湿的效果。

温湿度试验项目

本系统可以满足多种实验室试验环境温度与湿度要求，按照相关国标试验项目可以分为高低温试验、温度变化试验、湿热试验，其中湿热试验又分为恒定湿热试验与交变湿热试验。

试验项目：

1、高低温试验

高低温试验主要是针对于电工、电子产品以及其原器件和其它材料在高温、低温的环境下贮存、运输、使用时的适应性试验，用于考核产品的环境适应性，筛选出不合格的或潜在缺陷的产品，提高产品的可靠性。

由GB/T 2423.1《低温试验环境》可知低温试验严酷等级从-65℃到+5℃，偏差±3℃，试验从中选取-20℃作为低温试验最低温度。由GB/T 11158《高温试验箱技术条件》可知高温试验温度范围由(环境温度+20℃—环境温度+60℃)所得，由标准可得环境温度为25±3℃，故高温工况可取43℃—80℃。

表2为低温-20℃、高温80℃下各试验工况的系统运行情况：

表2

2、高低温交变试验

高低温交变试验用来测试材料结构或复合材料，在经高温及低温的连续环境下所能忍受的程度，藉以在试验其热胀冷缩所引起的化学变化或物理伤害，适用的对象包括金属，塑料，橡胶，电子等材料。

如图5所示，整个试验由以下几个部分组成：

a→b为升温过程，由常温工况环境温度20℃升至高温工况最高温度80℃；

b→c为高温恒温过程，试验温度保持在80℃；

c→d为降温过程，试验温度由80℃降低至-20℃；

d→e为低温恒温过程，试验温度保持在-20℃；

e→f为回复过程，试验温度回复至环境温度20℃；

f→g为常温工况，保持在环境温度20℃；

如表3：

表3

3、湿热试验

A恒定湿热试验

恒定湿热试验即把试样暴露在相对湿度、温度保持恒定状态的环境中进行的试验,用于航空航天产品、信息电子仪器仪表、材料、电工、电子产品、各种电子元气件在高温或湿热环境下检验其各性能项指标。试验依据标准为《GB/T 2423.3》

进行恒温恒湿试验，系统运行情况如表4：

表4

B交变湿热试验

交变湿热试验用于确定元件、设备或者其他产品在高湿度和温度循环变化组合且通常会在试验样品表面产生凝露的条件下使用、运输和贮存的适应性。本试验分为稳定阶段、试验阶段、恢复阶段三部分，试验标准为《GB/T 2423.4》。

①稳定阶段

如上图所示，按照试验标准可知稳定阶段即实验室温度保持在25℃、湿度保持在60％，即为状态1

②试验阶段

先由状态1(25℃，60％)到状态2(55℃，95％)，保持状态2恒定，再到状态3(25℃，95％)，保持状态3恒定

③恢复阶段

实验室内温湿度由状态3(25℃，95％)恢复到状态1(25℃，60％)

表5是各个阶段的系统运行情况：

表5

本发明由两套制冷系统构成，通过阀门的开启闭合来对制冷模式进行切换，降温与除湿相结合，同时，加热器与加湿器可以根据实际情况对空气状态进行处理，多方面联合调节，对于实验室内的温度以及湿度可以自由控制，达到效率高、温度湿度控制精度高的效果。

上列详细说明是针对本发明的实施方式，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，任何修改、替换均应在保护范围之内。