本申请涉及气候试验箱和适于冷却该试验箱的制冷系统。
背景技术
气候试验箱用于对暴露在一系列气候条件下的产品进行试验，以确定该产品在这种条件下的性能。这样的试验箱可能需要一种制冷系统，其能够实现宽范围的温度和湿度条件的，例如在试验空间中从正180摄氏度至零下73摄氏度的条件。为了实现这样的低温，已知使用由中间级联热交换器连接的具有高阶和低温级阶段的级联制冷系统。该级联换热器在高阶系统上用作蒸发器，而在低阶系统上用作冷凝器，其允许低阶在低得多的温度下运行。这样的级联制冷系统也可以通过单阶模式操作，其中高阶系统具有一个或多个附加的气候控制蒸发器，其能够向试验箱提供高阶温度冷却和/或湿度控制。低阶压缩机在单阶模式下关闭。
技术实现要素：
在现有系统中，来自(一个或多个)附加气候控制蒸发器的处于高阶的吸入管路在级联热交换器蒸发器的出口之后布线。此外，在低负载级联运行和单阶运行期间，排放旁通阀和相关管路意在保护高阶压缩机免受过度压缩比，并且在级联热交换蒸发器的出口之后引入危险的低吸入压力。这种布置需要高度可变的冷却负载来调节和平衡放电旁路气体的热量。这会导致不必要的系统复杂性，并可能导致不必要的控制回路振荡。此外，在单阶运行期间没有制冷剂和夹带润滑剂的质量流通过级联热交换器的高阶蒸发器。这可能导致润滑剂在级联热交换器的蒸发器中记录(累积)，其可能导致高阶压缩机的过早磨损以及制冷系统控制的问题。本发明的各方面旨在克服现有系统的缺点。
根据本发明的一个方面，与这样的试验系统一起使用的气候试验系统和制冷系统包括适于在壳体内保持待测单元的试验箱和适于向箱提供冷却空气的制冷系统。所述制冷系统在所述高低阶之间具有高阶和低阶以及级联热交换器。低阶包括具有低阶压缩机、低阶冷凝器、低阶膨胀装置和低阶蒸发器的制冷循环。低阶蒸发器与壳体处于热交换关系。高阶包括制冷循环，其具有高阶压缩机、高阶冷凝器和与低阶冷凝器处于热交换关系由此限定级联热交换器的级联热交换器蒸发器。高阶还具有第一高阶膨胀装置和第二级高阶膨胀装置，第一高阶膨胀装置在级联运行期间从高阶冷凝器向级联热交换器蒸发器供应制冷剂，并且具有一个或多个附加高阶膨胀装置的一个或多个附加高阶蒸发器，在单阶操作期间将来自高阶冷凝器的制冷剂供应到附加高阶蒸发器。在单阶运行期间，连接(一个或多个)附加高阶蒸发器以供应制冷剂通过高阶联热交换器蒸发器。(一个或多个)附加高阶蒸发器与试验箱处于热交换关系。
根据本发明的一个方面，与这样的系统一起使用的气候试验系统和制冷系统包括适于在壳体内保持待测单元的试验箱和适于向试验箱提供冷却空气的制冷系统。所述制冷系统在所述高低阶之间包括高阶、低阶以及级联热交换器。低阶包括具有低阶压缩机、低阶冷凝器、低阶膨胀装置和低阶蒸发器的制冷循环。低阶蒸发器与试验箱的空气处于热交换关系。高阶包括制冷循环，其具有高阶压缩机、高阶冷凝器和与低阶冷凝器处于热交换关系，由此限定级联热交换器的级联热交换器蒸发器。高阶还具有在级联操作期间从高阶冷凝器向级联热交换器蒸发器供应制冷剂的第一高阶膨胀装置。高阶还包括一个或多个附加高阶蒸发器和一个或多个附加高阶膨胀设备，其在单阶操作期间将来自所述高阶冷凝器的制冷剂供应到附加高阶蒸发器，制冷系统至少在单阶运行和级联运行中运行。控制器在单阶操作期间而不是在级联操作期间操作附加的高阶膨胀装置。该控制器在级联操作期间操作高阶压缩机和低阶压缩机，而在单阶操作期间仅操作高阶压缩机。附加高阶蒸发器与所述高阶级联蒸发器串联连接，其中流经所述至少一个附加蒸发器的制冷剂流过高阶级联蒸发器。
第一高阶膨胀装置可以是可控膨胀装置。可控膨胀装置可响应级联热交换器蒸发器出口处的温度和压力。高阶制冷系统可以包括至少两个附加高阶蒸发器，每个都具有至少一个高阶膨胀装置。至少两个附加高阶蒸发器中的一个可以向试验箱提供高阶温度冷却。至少两个附加高阶蒸发器中的一个可以为试验箱提供除湿。
高阶冷凝器可以是液体冷却或空气冷却。可设置高阶压缩机旁路以在单阶操作期间将来自高阶压缩机的出口的气态制冷剂引导通过级联热交换器蒸发器。高阶压缩机旁路可以在低冷却需求或单阶操作期间的级联操作期间将来自高阶压缩机的出口的制冷剂引导通过高阶蒸发器。
本发明的各方面在级联热交换器中提供更一致的热负载。这提供了一个简化和更稳定的系统。在高负载条件下，由于低阶系统，级联换热器中的制冷负载是唯一地。在低负载级联运行中，级联热交换器中的负载部分来自低阶系统，部分来自高阶压缩机旁路的能量。在单阶运行中，冷却负载来自高阶压缩机的旁路和来自附加高阶蒸发器的流量。在所有负载条件下，通过级联热交换器的高阶蒸发器的质量流足以基本上防止高阶蒸发器中的油冷却。级联热交换器成为用于来自附加高阶蒸发器的吸入管线气体、旁路的热气、冷却蒸汽和润滑剂的高效混合室，由此提供高阶压缩机的最佳操作。
虽然本发明的方面示出为与气候试验箱一起使用，但是应当理解的是，制冷系统可以找到需要宽范围温度的其他应用。结合附图阅读下面的说明，本发明的这些和其它目的、优点和特征将变得显而易见。
附图说明
图1为环境试验箱的立体图，其阐明了是否使用本发明的环境；
图2是根据本发明的实施例在高负载级联条件下运行的制冷系统的示意图；
图3是与图2相同的视图，其中制冷系统运行在低负载级联条件；和
图4是与图2相同的视图，其中制冷系统在单阶操作中运行。
具体实施方式
参考附图和其中所示的说明性实施例，气候试验系统5包括适于在壳体内保持待测单元的试验室6和设备隔间8壳体，适于冷却试验箱中的空气的制冷系统10。通常，这种气候试验系统在本领域中是已知的，由本受让人weisstechniknorthamerica,inc提供。制冷系统10包括与级联热交换器16联接在一起的高阶12和低阶14。级联热交换器16包含低阶热交换器冷凝器20和高阶热交换器蒸发器30。
低阶14包括一制冷循环，该制冷循环具有低阶压缩机18、低阶冷凝器20、低阶膨胀装置22和低阶蒸发器24。低阶蒸发器与试验箱处于热交换关系，以将试验箱中的产品暴露于用户定义的温度环境。
高阶12包括一制冷循环，该制冷循环具有高阶压缩机26、(可以是空气冷却或液体冷却的)高阶冷凝器28和与低阶冷凝器20处于热交换关系由此限定级联热交换器16的高阶蒸发器30。高阶12还包括在级联操作期间从高阶冷凝器28向高阶蒸发器30供应制冷剂的第一高阶膨胀装置32。高阶12还包括至少一个附加的高阶蒸发器34a和/或34b，以及在制冷系统10的单阶运行期间，将来自高阶冷凝器28的制冷剂供应到相应的附加高阶蒸发器34a、34b的至少一个附加的高阶膨胀装置36a和/或36b。附加的高阶蒸发器与试验箱处于热交换关系。
诸如可编程逻辑控制器(plc)或其他已知控制器之类的控制器38，在如图4所示的至少一个单阶操作中，以图2和3所示的级联操作方式来操作制冷系统10。控制器38在单阶操作期间(图4)而不是在级联操作期间(图2和3)操作附加的高阶膨胀装置36a、36b，并且在级联操作期间(图2和3)而不是单阶操作器件(图4)操作低阶压缩机18。
附加的高阶蒸发器34a、34b与高阶级联蒸发器30连接。流过附加高阶蒸发器34a、34b的制冷剂以这种方式流过级联热交换器蒸发器30。高阶12还包括旁路管线40和排放旁通阀42，以在如图3所示的低负载级联状态和图4所示的单阶操作期间，其使来自高阶压缩机26的热气体绕过高阶冷凝器28。旁路管线40的输出端44连接在膨胀装置32和高阶蒸发器30之间。附加的高阶蒸发器34a、34b的输出端35的连接点引在接膨胀装置32和高阶高温级联蒸发器30之间，从而即使在低负载级联条件和单阶操作期间也流过高阶蒸发器30。
在高冷却负载条件下，如图2所示，制冷系统10以级联方式操作；控制器38使低阶压缩机18和高阶压缩机26通电。可控阀50a和50b关闭。压缩机26增加气态制冷剂的压力和温度，通过高阶冷凝器28将热量排放到空气或水中。液化的制冷剂流过膨胀装置32，这导致液体制冷剂的压力和温度下降到高阶蒸发器30，高阶蒸发器30接收由低阶冷凝器20排放的热量，并且将热量加入到制冷剂中，使得制冷剂沸腾成过热气体。
低阶压缩机18增加气态制冷剂的压力和温度，该气态制冷剂通过辅助低阶排出气体冷却器排放热量，排放到空气或水中，并通过低阶冷凝器20排放到高阶蒸发器30。可控阀54和56可以通过控制器38关闭，并且可控阀52打开。制冷剂流过膨胀装置22以降低流入低阶蒸发器24的液体制冷剂的压力和温度，该低阶蒸发器24从试验箱6吸取热量以降低箱内的空气温度。在说明性实施例中，尽管温度要求与应用相匹配，可以达到零下70摄氏度或更低的温度。
在低负载级联运行(图3)期间，plc控制器38通过打开可控阀42以使来自高阶压缩机26的热气体绕过高阶冷凝器28，从而降低制冷需求。这减少了高阶冷凝器28排出的热量。
在进一步减小负载期间，如图4所示，plc控制器38进入单阶操作。plc控制器38使低阶压缩机断电，使得制冷系统10仅操作高阶12。旁路管线40中的可控制阀基于降低的和预定的吸入压力而打开，这通常是由于来自高阶压缩机28的热气体绕过高阶冷凝器28产生较低的冷却负载而导致的。控制器38打开可控阀50a和/或50b，以使制冷剂通过膨胀装置36a、和附加的高阶蒸发器34a和/或通过膨胀装置36b、和附加的高阶蒸发器34b。附加的高阶蒸发器34a、34b可用于向试验箱6提供轻微的温度降低和/或除湿。然而，在单阶操作期间，低阶蒸发器24不向试验箱6提供冷却。
由于两个附加的高阶蒸发器34a、34b都提供混合的高阶质量流通过高阶级联蒸发器30，因此质量流不仅在制冷系统10的级联操作期间存在，在单阶操作期间也存在。因此，在级联热交换器蒸发器30中总是存在质量流，以避免级联热交换蒸发器中的润滑剂的记录。而且，蒸发器30成为用于吸入管线气体、绕过的高温气体、需要时的冷却制冷剂和润滑剂、为高阶压缩机26的运转提供理想的吸入状态气体的有效混合室。因此，在宽范围的负载条件下实现制冷系统10的更稳定的操作。
尽管前面的描述描述了本发明的几个实施例，但是本领域技术人员将会理解，可以在不脱离如下面的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下对这些实施例进行变化和修改。本发明涵盖本文所述的本发明的各种实施例或各方面的所有组合。可以理解的是，可以结合任何其他实施例来结合本发明的实施例来描述本发明的其他实施例。此外，实施例的任何元素可以与任何实施例的任何和所有其他元素组合以描述另外的实施例。