一种制冷系统的制作方法

本发明涉及低温制冷技术领域，具体涉及一种制冷系统。

背景技术：

在低温存储(如不同生物组织的存储)、低温医疗、低温科学仪器(低温下材料性能测试)、低温科学研究、远洋渔业及气体液化等领域，常需要一个相对稳定的低温甚至超低温环境。

目前使用最多制冷系统是：a)利用干冰(温区：-79℃)和液氮(温区：-196℃)进行制冷，但需要不断补充这两种物质；或b)采用电制冷的其他循环，包括半导体制冷和压缩制冷系统(复叠式或混合工质)。

但是，利用干冰或液氮进行制冷的制冷系统，受到载冷剂自身特性的限制，这种制冷系统只能在一定的温区内进行，难以在不同应用场合实现所需的低温工况，适用性较差，而且使用时需要不断补充干冰或液氮；采用压缩制冷的方式，当所需的工况温度较低时，会导致压缩制冷系统的制冷效率、输气系数和蒸发压力降低，在低压端空气渗入系统的可能性会增加，严重时会导致系统不制冷，存在系统稳定性较差的问题；此外，当所需工况温度进一步降低时，单级压缩节流制冷循环很难满足所需的低温，工程上常采用两级压缩中间冷却、深冷混合工质节流制冷(自复叠系统)或两个单级蒸汽压缩制冷循环复叠(经典复叠系统)的方法来获取低温，然而常用的复叠系统存在降温时间长、系统制冷量小、系统稳定性差、能效比低且易受环境工况影响等特点。除此之外，当自复叠系统发生泄露时，混合工质各组分含量发生变化造成蒸发压力和蒸发温度的变化，需对制冷系统抽真空并重新配比、灌注混合工质，增加了机组的维修难度和维修成本。

综上所述，不难发现，现有的制冷系统均只具备一种制冷原理，且工作温区受到制冷原理及工质本身特性的限制，存在制冷温区窄、制冷系统稳定性差、难以做出变化以适应不同温区制冷环境的问题。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中制冷系统的工作温区受到制冷原理和载冷剂本身特性的限制，制冷温区窄、制冷系统稳定性差、难以做出变化以适应不同温区制冷环境的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种制冷系统：包括储液罐、热负荷、第一换热器和循环泵连接而成的载冷剂循环回路，还包括作用于所述第一换热器的低温制冷系统和作用于所述储液罐的气体液化制冷系统，所述储液罐存储气态和/或液态的所述载冷剂，所述气体液化制冷系统包括位于所述储液罐内的第二换热器，所述第二换热器对所述储液罐内的气态的所述载冷剂进行冷却以生成液态的所述载冷剂。

优选地，所述低温制冷系统包括低温制冷机，所述低温制冷机的冷头作用于所述第一换热器以进行热交换。

优选地，所述第一换热器和所述低温制冷机的冷头为一体式结构。

优选地，所述低温制冷机为可制取液氮温区的制冷温度的制冷机。

优选地，所述低温制冷机为单台或多台制冷机串联或并联。

优选地，所述气体液化制冷系统包括与所述第二换热器构成冷却回路的第二制冷机。

优选地，所述第二制冷机为制冷温度低于所述载冷剂的沸点的制冷系统。

优选地，所述热负荷的外周采用保温材料进行隔热。

优选地，所述热负荷为低温冰箱、生物组织存储装置、超低温试验箱或低温电镜。

优选地，当所述热负荷所需的制冷温度在液氮温区时，所述载冷剂为常温下为气态且凝固点低于制冷温度的物质；当所述热负荷所需的制冷温度在干冰温区时，所述载冷剂为常温下为液态的物质。

本发明技术方案相对于现有技术，具有如下优点：

1.本发明提供的一种制冷系统，可以根据制冷所需的温区环境，使用不同的载冷剂，并通过气体液化制冷系统和低温制冷系统配合进行制冷的方式，可以采用气态载冷剂和液态载冷剂，从而提供涵盖更宽温区的低温和超低温环境，克服了现有制冷系统的工作温区受到制冷原理以及载冷剂本身特性限制而存在制冷温区窄的问题，可以做出变化以适应热负荷不同温区制冷环境的要求。

2.本发明提供的一种制冷系统，与常见的压缩制冷(复叠式或混合工质)系统相比，本制冷系统的设备体积相对较小，可以节省大量空间，拓展其使用领域；

3.本发明提供的一种制冷系统，低温制冷机系统运行时的稳定性较高，而且可以将多台制冷机进行串联以保证向热负荷提供足够的制冷量，提高了制冷系统的稳定性；

4.本发明提供的一种制冷系统，通过循环泵控制载冷剂循环回路向热负荷提供不同的制冷量，可以满足不同场合的使用需求；

5.本发明提供的一种制冷系统，设备体积较小且使用具有柔性的非金属管路，制冷系统和热负荷可以分置，整套设备可以灵活布置，以满足不同使用场景的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的第一种实施方式中提供的制冷系统结构示意图；

图2为本发明的第二种实施方式中提供的制冷系统结构示意图。

附图标记：1、储液罐；2、热负荷；3、第一换热器；4、循环泵；5、低温制冷系统；51、低温制冷机；6、气体液化制冷系统；61、第二换热器；62、第二制冷机；7、载冷剂。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

本发明提供了一种制冷系统,如图1所示,该制冷系统包括：由储液罐1、循环泵4、第一换热器3和热负荷2通过非金属管路依次连接而成的载冷剂循环回路；作用于第一换热器3的低温制冷系统5；以及，作用于储液罐1的气体液化制冷系统6。其中，储液罐1内存储有气态和液态的载冷剂7，气体液化制冷系统6包括位于储液罐1内的第二换热器61，第二换热器61对储液罐1内的气态载冷剂7进行冷却以生成液态的载冷剂7。

当储液罐1内的载冷剂7在常温下为气态时，气体液化制冷系统6通过第二换热器61对储液罐1内气态的载冷剂7进行冷却以生成液态的载冷剂7，载冷剂7积累在储液罐1的底部后被循环泵4抽出，载冷剂7输送到第一换热器3中后被低温制冷系统5冷却到所需的工作温区再输送至热负荷2。当储液罐1内的载冷剂7在常温下为液态时，载冷剂7直接被循环泵4抽出到第一换热器3被低温制冷系统5冷却。

本发明提供的制冷系统可以根据制冷所需的工作温区环境，选择使用不同的载冷剂7，并通过气体液化制冷系统6和低温制冷系统5配合对载冷剂7进行降温，从而可以提供涵盖更宽温区的低温和超低温环境，克服了现有制冷系统的工作温区受到制冷原理以及载冷剂7本身特性限制而存在制冷温区窄的问题，可以适应热负荷2不同温区制冷环境的要求。

请参考图1，低温制冷系统5包括低温制冷机51，低温制冷机51的冷头作用于第一换热器3以进行热交换。其中，低温制冷机51的冷头和第一换热器3可分体结构，也为一体式结构。低温制冷机51为可制取液氮温区的制冷温度的制冷机，如热声制冷机、斯特林制冷机、脉管制冷机以及gm制冷机。低温制冷机51通过第一换热器3对载冷剂循环回路内的载冷剂7进行降温，以满足热负荷2所需的工作温区。

其中，低温制冷机51为单台或多台制冷机串联或并联，如此设计低温制冷机51的布置比较灵活，可以满足不同环境下的工作温度需求。而且当热负荷2所需的制冷量较大、制冷温区的温度较低时，采用多台制冷机串联的方式制冷速率较快，可以降低低温制冷机51将载冷剂7降温到工作温区的时间，以保证向热负荷2提供足够的制冷量，提高了制冷系统的稳定性。

循环泵4可以控制载冷剂循环回路向热负荷2提供不同的制冷量，可以满足不同场合的使用需求，易于控制。

气体液化制冷系统6包括与第二换热器61构成冷却回路的第二制冷机62。第二制冷机62为制冷温度低于储液罐1内载冷剂7沸点的制冷系统，如单级或多级的蒸汽压缩式制冷系统串联或并联。

本实施方式中，热负荷2采取的隔热方式为外周包采用保温材料进行隔热，保温材料具体为高热阻气凝胶保温材料，这样可以尽可能减少热负荷2与外界的热交换。在其他实施方式中，热负荷2还可以采用的绝热方式有高真空加防辐射屏绝热、高真空绝热、以及聚氨酯、环戊烷高压发泡绝热。

当热负荷2所需工作温区处于液氮温区(-196℃)时，其中储液罐1内的载冷剂7采用常温时为气态，制冷温度高于其凝固点，但低于其沸点的载冷剂7，具体可以选用熔点为-187℃，沸点为-42℃的丙烷或熔点为-185℃，沸点为-47℃的丙烯。气体液化制冷系统6通过第二换热器61对储液罐1内的气态载冷剂7进行冷却以生成液态载冷剂7，液态载冷剂7被循环泵4抽出到第一换热器3，低温制冷系统5作用于第一换热器3进一步将载冷剂7冷却到液氮温区，输送至热负荷2，以满足热负荷2对液氮温区的工作温度需求。

当热负荷2所需工作温区处于干冰温区(-79℃)时，载冷剂7采用制冷温度高于该载冷剂7的凝固点，但是低于该载冷剂7的沸点且常温常压下为液态的载冷剂7，具体可以为正戊烷(熔点为-129℃，沸点为36℃)或乙醇(熔点为-114℃，沸点为78℃)。液态载冷剂7不需要先液化，制冷系统的中气体液化制冷系统6停止工作(或整个制冷系统不安装气体液化制冷系统6)，液态载冷剂7被循环泵4抽出到第一换热器3，低温制冷系统5作用于第一换热器3将载冷剂7冷却到干冰温区，输送至热负荷2，以满足热负荷2对干冰温区的工作温度需求。

在使用扫描电镜进行研究时，由于仪器自身的敏感性，需要对样品切片进行急速冷却，使之形态固定的同时保证样品切片中的水处于玻璃态，再使用扫描电镜进行结构观察。该制冷系统可以应用在低温电镜中，即热负荷2为低温电镜。利用常温常压下为气态的载冷剂7，经过气体液化制冷系统6和低温制冷系统5，将载冷剂7先液化再进一步降温到所需的工作温区，低温电镜工作时，先将样品切片置于液氮中急速冷冻，再将样品切片置于电镜中的低温冷台中，随后启动电镜，对样品切片进行观察。

在低温科学研究中，需要使用超低温冰箱存储物品，目前市场上的低温冰箱一般很难稳定地做到-196℃液氮温区，该制冷系统还可以应用在超低温冰箱中，提供-196℃的稳定超低温存储环境。即热负荷2为超低温冰箱。其中的低温制冷系统5可以使用热声制冷机，根据冷量需要，使用一台或多台热声制冷机。

在生物医学研究中，有时需要利用超低温环境保存生物组织，如细胞、血液、器官、皮肤等。这些生物组织体积并不算大，但需要持续稳定的超低温环境，否则可能会影响其活性。该结构的制冷系统可以用于该场景，热负荷2为超低温生物组织存储罐或储藏柜。

超低温试验箱是航空、电器、科研等领域必备的材料性能测试设备，该结构的制冷系统可以应用于该场景。超低温试验箱工作时，需要将被测材料及材料的夹持、测量机构置于高温、超低温，或变温环境下，利用本制冷设备，将热负荷2设计成合理的型式，与测量仪器组合，便可以提供测量所需的高温、低温、或变温环境，满足客户的材料性能测试需求。

在空气污染物监测领域，需要测量空气中污染物的浓度，该结构的制冷系统可用于该场景。由于空气中污染物的浓度很低，为了测量出这些污染物浓度数值，需要先从受到污染的干燥空气中捕集这些气体污染物，这就需要超低温环境(-150℃)将这些污染物冷凝富集，待浓缩至一定程度后，再通过加热使其挥发成气态，此时，污染物浓度被提升至可测量程度，随后这些被测气体进入后续测量设备，其浓度便可以测出。

在该场景中，由低温制冷系统5直接提供冷量，将第一换热器3表面温度降低至-150℃，当含有污染物的干燥空气通过第一换热器3内部时，这些污染物被瞬间冷凝富集在第一换热器3内部，待这些污染物被浓缩至一定程度后，通过对第一换热器3加热，使其快速升温至150℃，从而将第一换热器3内部所有浓缩富集的污染物得以挥发进入后续测量设备，在测量设备内，这些污染物的浓度得以被测出。

该结构的制冷系统可用于实现人体的整体沉浸式低温护理，热负荷2为一人高的桶状容器。使用时，桶状容器内有由低温制冷系统5输送来的低温液态载冷剂7，桶状容器温度较低，将本局部护理设备与人体局部皮肤贴合后，被贴合的皮肤温度迅速降低，实现护理的目的。根据具体需求，其中的热负荷2可以被设计为包括但不限于绷带式、贴片式、面膜式等不同的型式。其中，绷带式热负荷2适用于人体四肢的固定冷却护理，贴片式热负荷2适用于人体平坦皮肤表面的冷却护理，而面膜式热负荷2特别适用于人体面部的冷却护理。

在生物医学领域，足够低的温度可以将组织消融，因此低温冷冻消融是一种疾病治疗手段，该结构的制冷系统可应用于此场景的外科手术设备。在使用过程中，热负荷2被设计为特殊结构，低温或超低温载冷剂7流经热负荷2，就可以将与热负荷2接触的组织消融。根据目标组织的不同情况，热负荷2可以设计为不同的型式，以满足治疗疾病的目的。热负荷2具体型式包括但不限于以下型式：集中式：球形、针形；分布式：螺旋形、伞形、三角形、多边形等。其中，球形热负荷2常用于腔体的消融，针形热负荷2常用于脂肪、肿瘤和其他组织消融，伞形热负荷2常用于肿瘤组织消融。

综上所述，本发明提供的一种制冷系统，可以根据制冷所需的温区环境，使用不同的载冷剂7，并通过气体液化制冷系统6和低温制冷系统5配合对载冷剂7进行降温，从而可以提供涵盖更宽温区的低温和超低温环境，可以适应热负荷2不同温区制冷环境的要求；而且，低温制冷机51可以根据需要采用多台热声制冷机进行串联或并联，可以保证提供足够的制冷量，制冷系统稳定性高。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。