专利名称:致冷系统的制作方法
本发明涉及到带有压缩机的致冷系统，特别是可得到深低温的致冷系统。
通常，在物化实验室一类地方，用来(譬如说)保持活体细胞的冷藏室的致冷系统可达到的温度低限为-80℃左右。在如此低温下，细胞能够保持处于冻结状态。但是经过一段时间后，在冰冻细胞里的冰晶核会重新结合而产生出较大的冰晶体致使细胞破裂。这种现象称之为冰的再结晶。众所周知，当环境温度低于冰的再结晶点-130℃时，不会发生冰的再结晶。这样，在低于-130℃以下的深低温中细胞几乎永久保持不变。因此，长久以来就期待着能提供可达到如此深低温的致冷系统。
在这种类型的致冷系统中，特别是带有压缩机的此类系统中，由压缩机排放出来的热的气态致冷剂被引入冷凝器，在这里通过与空气或水进行热交换而液化，然后通过减压器以调节压力并由此导入蒸发器蒸发。蒸发时，致冷剂从周围环境吸收气化热而产生致冷效应。使用单一致冷剂并带有一个普通压缩机的致冷系统能达到的最低温度局限在-40℃左右。
我们知道，还有一些致冷系统，它们含有两个独立的封闭的致冷剂回路，这两个回路相互级联(即一个回路的蒸发器与另一回路的冷凝器组合在一起进行热交换，以作为一个级联冷凝器来使用)。低沸点致冷剂被封入其中的一个回路以使该回路达到低温。然而，当使用普通压缩机时，能达到的温度被局限在-80℃左右。
美国专利3，768，273号(公布于1973年10月3日)公开了一种致冷系统，它使用了具有不同沸点的各种致冷剂的混合物，而且在该系统中，具有较高沸点的致冷剂依次地蒸发并冷凝具有较低沸点的致冷剂。这样，具有最低沸点的致冷剂就在最后一级蒸发从而使用单一压缩机来得到低温。如果使用通用型的压缩机，由于压力和温度受限，这种系统最终可达到的温度还是局限于-80℃左右。
为克服前述系统的缺点，1973年5月22日公布的美国专利3，733，845号公开了另一种系统，它含有两个级联在一起的、独立封闭的致冷剂回路，并且在其低温回路中使用了混合致冷剂以按上述同样的方式来达到深低温。
在美国专利3，733，845号中公开的系统在使用一个普通压缩机(譬如约1.5马力)的情况下，可用来达到低于-130℃以下的温度。但是，为了得到低于-130℃的温度，级联冷凝器需实现充分的热交换，所以它的尺寸必须很大以确保有足够的热交换面积。另一方面，采用装填着混合致冷剂的低温致冷剂回路以利用蒸发较高沸点的致冷剂来逐级地冷凝较低沸点的冷凝剂，因此这种回路就必定使系统本身变大，再加上用了大尺寸级联冷凝器，整个系统就更大了。
本发明提供一种致冷系统，它包括第一级和第二级两个致冷剂回路。每个回路都带有一个压缩机，一个冷凝器，一个蒸发器。用管道将压缩机的出口连结至冷凝器的入口，冷凝器的出口通过另一条管道连接到蒸发器的入口，蒸发器的出口再用一条管道连接至压缩机的入口。每一个致冷剂回路都装上有机致冷剂;第一级致冷剂回路的蒸发器分割成一组蒸发器区，相对于致冷剂流动来说它们是串联在一起的;第二级致冷剂回路的冷凝器被分割成与第一级致冷回路的蒸发器区相等数目的冷凝区，相对于致冷剂的流动冷凝器区之间是并联的;第二级致冷剂回路的冷凝区与第一级致冷剂回路的蒸发区配对组成数个热交换器，第二级致冷剂回路的致冷剂为不同类型、不同沸点的致冷剂组成的混合物，靠此，第二级致冷回路的蒸发器被冷却至深低温。
如上所述，第一级致冷剂回路的蒸发器被分割为数个区，而第二级致冷剂回路的冷凝器被分为与蒸发器区数相同数目的区。分离开的蒸发器区互相串联起来，而分开来的冷凝器区并联在一起。蒸发器区与冷凝器区配对组成热交换器，即级联冷凝器。这样就可得到热交换效率不降低而又紧凑的级联冷凝器，使得系统较易安装并使各个系统变小。
根据本发明，第一级回路的蒸发器区及第二级回路的冷凝器区组合成二到四个热交换器即级联冷凝器为好，最好是两个。为了缩小致冷系统的整体尺寸，级联冷凝器彼此分开以便能容纳于(譬如说)一个热绝缘体的厚度之中。自然，被分开的级联冷凝器的尺寸和其中致冷剂的流量应该是一样的，以便很容易地保持它们之间的平衡。
本发明提出的系统最好具有以下结构。从第二级致冷剂回路的蒸发器出口到其压缩机入口的连线上有数个串联起来的中间热交换器。从第二级致冷回路的冷凝器出口到其蒸发器入口的连线上有数个减压器及比减压器数目稍少的气-液分离器，此连线由许多线区组成第一线区将流经第二级致冷剂回路冷凝器的致冷剂引入气-液分离器中的一个并使致冷剂的冷凝部份通过某个减压器进入某个中间热交换器;数个线区用来将致冷剂中未冷凝的部份从所说的气-液分离器带去与一个中间热交换器接触、随后将致冷剂的还未冷凝部份引入另一气-液分离器并将得到的致冷剂部份引入另一中间热交换器;最后一级的一个线区用来将具有最低沸点并通过了其它线区的致冷剂部份通过最后一级的减压器引入第二级致冷回路的蒸发器。
再者，根据本发明，最好使流入与流出最后一级减压器的致冷剂之间的温度差小于第二级致冷剂回路的冷凝器与蒸发器之间的温度差除以减压器数目所得之商，但要大于10℃。这样可以消除蒸发器的温度变化和冷却不足问题，而使致冷系统呈现稳定的冷却性能并使系统具有较高的可靠性和延长其寿命。
图1到9示出了本发明的实施致冷系统。
图1为致冷系统的致冷回路示意图;
图2为同一系统的控制电路示意图;
图3为致冷系统运行时间关系图;
图4为装有致冷系统的冷藏箱透视图;
图5为冷藏箱主体剖面侧视图;
图6为专门表示致冷系统致冷回路构造的示意图;
图7为中间热交换器透视图;
图8为冷藏箱后部透视图;
图9为接通电源后贮存室内部温度随时间变化图;
图10为当回路中致冷剂填装量过多或过少时在接近低温致冷回路所能达到的温度下贮存室的温度变化图;
图11和图12示出了用于本发明的自动温度记录器;
图11为组成自动温度记录器的布尔登管透视图;而图12为其中封装有2-甲基戊烷的布尔登管内压力与温度传感器部份的温度之间的关系图。
优先实施例说明下面参考附图来说明本发明的实施例。
图1示出了致冷系统R的致冷剂回路1。致冷剂回路包括有用作第一级致冷剂回路的高温致冷剂回路2以及作为第二级致冷剂回路的低温致冷剂回路3。回路2和3相互独立。4指的是包括于高温致冷剂回路之中的电动压缩机，它是由单相或三相交流电源驱动的。压缩机4上有出口管4D连接至辅助冷凝器5，后者再连接至管道6以加热后面将详述的冷藏箱75的贮存室开口边缘，以防止开口边缘处湿气冷凝。管道6连接到压缩机4的油冷却器7再通到冷凝器8。9指的是用来冷却冷凝器8的风扇。致冷剂管道由冷凝器8延伸至干燥器12，然后通向减压器13并再到第一级蒸发器14A及第二级蒸发器14B，它们构成了蒸发装置的部件，致冷剂管道从这里连接到集液器15并经过用于包括在低温致冷回路3里的压缩机10的油冷却器11再到压缩机4的入口管4S。第一级和第二级蒸发器14A及14B串联在一起组成高温致冷回路2的蒸发装置。
高温致冷剂回路2中装填致冷剂R-502(48.8%(重量比)的R-12(CCl2F2，二氯二氟甲烷)和51.2%(重量比)的R-115(C2ClF5，氯五氟乙烷)的混合物)及R-12，这些致冷剂的沸点是不同的。作为例子，致冷剂的比例可为88.0%(重量比)的R-502及12.0%(重量比)的R-12。被压缩机4排出、处于热的气态的混合致冷剂在辅助冷凝器5、管道6、油冷却器7以及冷凝器8中冷凝时液化并释放热量，然后在干燥量12中脱去水份，在减压器13中受到减压并流入第一级和第二级蒸发器14A和14B，此处致冷剂R-502蒸发、从周围环境吸收蒸发热而使蒸发器14A与14B冷却。混合致冷剂通过用作致冷剂储存器的集液器15流经低温致冷剂回路3的压缩机10的油冷却器11并返回压缩机4。
电动压缩机4具有(譬如说)1.5马力的功率，而蒸发器14A及14B在运行过程中最终可冷却至-50℃。在如此低温下，混合致冷剂中的R-12在蒸发器14A及14B中仍为液体并未蒸发，所以对冷却贡献很小或无贡献，然而压缩机4的润滑油以及未被干燥器12去除的水份却因溶解于R-12中而被带回压缩机4。更明确地说，致冷剂R-12从集液器15流出、通过通常位于由集液器15伸出的管道下端的返油口(此管由上插入集液器15，在下端打弯并在液面以上有开口)并以液体状态被引至低温致冷剂回路3的冷却器11，被液体中含有上面提到的润滑油等杂物。由于压缩机10具有较高的温度，使得引入的R-12蒸发以防止将压缩机10堵塞并防止润滑油的裂解。这样，R-12具有使高温回路2中的润滑剂返回压缩机4以及冷却低温致冷剂回路3的压缩机10的作用。
属于低温致冷剂回路3的压缩机10带有出口管10D(见图6)，该管连向辅助冷凝器17而后到油分离器18，从油分离器18伸出一根连在压缩机10的返油管19和一根连至干燥器20的管。干燥器20连至三通结21。由结21延伸出的一管道绕在低温致冷回路3的第二级吸出端(aspiration-side)热交换器22的周围与其进行热交换、而后连至插入第一级蒸发器14A用作高压管的第一级冷凝管23A。由结21延伸出的另一条管道类似地绕在低温致冷回路3的第一级吸出端热交换器24的周围与其实行热交换。而后，连至插入第二级蒸发器14B作为高压管道的第二级冷凝管23B。第一级蒸发器14A和第一级冷凝管23A以及第二级蒸发管14B和第二级冷凝管23B分别组成级联冷凝器25A与25B。第一级与第二级冷凝管23A与23B在三通结27处汇合，此结通过干燥器28连至第一级气-液分离器29。从气-液分离器29延伸出一气相管30通过第一级中间热交换器32并连至第二级气-液分离器33。由分离器29延伸出的液相管道34通至干燥器35，而后到减压器36并由此到第一级中间热交换器32和第二级中间热交换器42之间的连线上。由分离器33延伸出的液相管38连接至干燥器39(它最好置于与第三级中间热交换器44可进行热交换的地方，看图1)，然后连到减压器40随后到第二级与第三级中间热交换器42及44的连接线处。由分离器33出来的气相管43通过第二级中间热交换器42，而后通过第三级中间热交换器44并被连到干燥器45上(类似地，它被置于与第三级中间热交换器44进行热交换的地方，如图1所示)而后连到减压器46。减压器46连至充当蒸发器的蒸发管47和连至第三级中间热交换器44上。从第三级到第一级，中间热交换器44、42和32串联在一起。第一级热交换器32连至集液器49，后者通过第一级和第二级吸出端热交换器24及22连至压缩机10的入口管10S。入口管10S通过减压器52连至膨胀罐51以在压缩机10不工作时贮存混合致冷剂。
在低温致冷剂回路3中封入由四种致冷剂组成的混合物，它们的沸点各异，即，R-12(CCl2F2，二氯二氟甲烷)，R-13B1(CBrF3，溴三氟甲烷)，R-14(CF4，四氟化碳)和R-50(CH4，甲烷)，混合致冷剂由这些致冷剂予先混合到一起制成。举例来说，混合致冷剂包含4.0%(重量比)的R-50，22.0%(重量比)的R-14，39.0%(重量比)的R-13B1及35.0%(重量比)的R-12。虽然R-50，即甲烷，与氧混合时易爆，但将R-50与上述比例的氟利昂致冷剂混合即可避免爆炸的危险。因此，即使混合致冷剂意外泄漏也不会发生爆炸。
混合致冷剂以下述方式在系统中循环。从压缩机10中排放出的高温高压气体混合致冷剂被辅助冷凝器17予冷却并供至油分离器18，在此含于混合剂中的压缩机10的大部分润滑油被分离出来。分离出的润滑油通过返油管19返回压缩机10，而混合致冷剂流经干燥器20并由此在三通结21处分为两部份。两部份致冷剂相互独立地被吸出端热交换器22或24予冷却而后由级联冷凝器25A或25B的第一级或第二级蒸发器14A或14B冷却，靠此混合物中的一个或几个高沸点致冷剂冷凝液化。两部份致冷剂于三通结27处汇合。就这样，混合致冷剂被分成较少量的两部份并分别由级联冷凝器25A或25B冷却。如此实现了充分的热交换以保证有良好的冷凝。
由三通结27流出的混合致冷剂通过干燥器28再进入气-液分离器29。此时，混合剂中沸点非常低的R-14和R-50未冷凝，仍处于气态，只有R-12和R-13B1处于凝液状态。因此，R-14和R-50流入气相管30，与其分离的R-12和R-13B1流入液相管34。流入气相管30的混合致冷剂在第一级中间热交换器32内进行热交换而后流入气-液分离器33。热交换器32的温度约为-80℃，这是由于从蒸发管47返回的低温致冷剂流入交换器32，也还由于流入液相管34的R-13B1在通过干燥器35和减压器36后进入交换器32并在其中蒸发，这些致冷剂从而对冷却作出贡献。由此，混合致冷剂中的大部份R-14在通过气相管30时冷凝液化。沸点较低的R-50仍处于气态。由气-液分离器33出来，R-14流入液相管38，而与R-14分离开的R-50则流入气相管43。R-14通过干燥器38并通过装置40减压后流入第二级及第三级中间热交换器42和44之间的连管并在第二级交换器42中蒸发。交换器42的温度约为-100℃，这是因为从蒸发管47返回的低温致冷剂流入交换器42，也还因为F-14的蒸发对冷却有贡献。第三级中间热交换器44(低温致冷剂由47管直接流入其中)具有非常低的温度，约-120℃，因此，沸点最低的致冷剂R-50在通过气相管43并在第二级交换器42进行热交换后在交换器44中冷凝液化。冷凝后的R-50通过干燥器45再通过装置46减压后又流入蒸发管47并在其中蒸发。这时，管47的温度达到-150℃。本发明致冷系统R最终达到了这个温度。后面将讲到的冷藏箱75(见图4)的贮存室76通过装在其中的蒸发管47的热交换作用可冷却至深低温-140℃。从47管流出的混合致冷剂(其主要成份为R-50)从第三级到第一级逐级进入中间热交换器44，42和32以与R-14，R-13B1和R-12汇合。汇合后的混合剂由交换器32流出，进入集液器49，在此，未蒸发的部份被分离出来。然后混合剂流入热交换器24并由此进入热交换器22冷却，再被压缩机10吸出。
由第一级气-液分离器10流出、通过液相管34、按上述过程进入第一级中间热交换器32的R-12仍为未蒸发的液体。对冷却不起任何作用。这是由于该致冷剂业已被冷却至极低的温度。但是R-12将未被油分离器18分离掉的剩余润滑油和未被干燥器除去的剩余水份溶解于自身以将这些液体带回压缩机10。如果压缩机10的润滑油循环于已达到深低温的低温致冷回路3中，它们将滞留在回路的各个部位，引起回路堵塞。为避免此缺点而使用了R-12，以将几乎全部的润滑油送回。
像上述那样使混合致冷剂反覆循环，致冷剂回路1将稳定运行使蒸发管47产生-150℃的深低温。为达到此目的，压缩机4和10只需有约1.5马力的功率即可，不需要特别大的功率，这主要是由于级联冷凝器25A和25B能实现良好的热交换以及还由于使用了合适的混合冷凝剂的缘故。因此，压缩机运行时噪音降低、能耗减少。还有，活体样品(诸如细胞、血和精液)贮存于能冷却至-150℃的冷藏箱75内时可冷却至冰的再结晶点以下的温度从而几乎永久保持不变。混合致冷剂通过高温致冷剂回路2是从第一级蒸发器14A流入第二级蒸发器14B而不是分别流入这些蒸发器中，所以即使此二蒸发器14A和14B由于某种原因失去温度平衡，也不会有不平衡的致冷流发生。因而，低温致冷剂回路的第一级和第二级冷凝管23A与23B两者皆可得到很稳定的冷却而实现令人满意的冷凝。
图2示出了控制本发明致冷系统R的电路线路图。高温致冷剂回路2的压缩机4由电动机4M驱动，后者连接于单相或三相交流电源端线AC及AC之间。电源AC馈电时电动机4M不停地工作。低温致冷剂回路3的压缩机10由电动机10M驱动，后者通过电磁继电器60的触点60A接至电源AC。当继电器60的线圈60C通电时触点60A闭合使电动机10M运行。61指的是后面将要说明的冷藏箱贮存室76的温度控制器。接至电源AC的控制器61主要是用来检测贮存室的温度。为控制器设置了差值适当的温度上下限。达到温度上限时在输出端61A与61B之间产生电压。达到下限温度时电压的产生就停止。设置的温度区间为-145℃到-150℃。温度控制继电器62的线圈62C与定时器63的触点63A和输出端61A及61B串联。通电时线圈62C闭合继电器62的触点62A。图1中所示的低温致冷剂回路3里的压缩机10的出口管10D处，在辅助冷凝器17的入口前装有高压开关65。高压开关65与定时器63串联接到电源AC上。当压缩机出口端的压力聚集到例如26公斤/厘米2使压缩机超载时，开关65断开。当压力降低至充分安全值，譬如8公斤/厘米2时开关闭合。在开关65闭合3到5分钟后定时器63闭合其触点63A，而当开关65断开时触点63A一起断开。66指的是低温温度启动器，它用来检测回路2的集液器15的温度。当致冷剂在蒸发器14A与14B中蒸发以及未蒸发的致冷剂流入集液器15。而使集液器15的温度达到差不多与蒸发器14A和14B一样的低温、当集液器15的温度降低到(举例说)-35℃时，温度启动器66闭合其触点，而当温度升高至-10℃时其触点断开。温度启动器66的相反边串联到温度控制继电器62的触点62A、定时器68、然后再接至电源AC。用于定时器68的转换开关69，其公用端接至定时器68及温度启动器66之间;转换开关69的一个端点69A通过继电器60的线圈60C接至电源;而另一端69B通过加热器70与71(相互并联并安装在图1所示的减压装置46的正面和背面以在此进行热交换)接至电源AC。在一般情况下，定时器68保持转换开关69闭合于端点69A并通电以累计时间。当计时到(举例说)12小时时，定时器将开关69转换闭合于端点69B(譬如说)15分钟。而后端点69A又重新闭合。
往下，控制线路的运行将参照图3的时间关系图加以说明。在时间t0，接通电源，起动电机4M并使压缩机4开始运行，于是混合致冷剂开始在高温致冷剂回路2中循环。此时，集液器15几乎处于室温，所以低温温度启动器66的触点保持断开。因而，尽管存在着温度控制器61，但继电器60的线圈60C未通电而其触点60A是断开的，这使得电机10M并从而使低温致冷剂回路3的压缩机10不运行。仅仅使用高温致冷剂回路2如此不断地运行致冷，致冷剂以液态形式聚在第一级和第二级蒸发器14A和14B内导致其温度降低。由此集液器15的温度也下降，于时刻t1达到-35℃，于是温度起动器66闭合其触点。在此闭合前的瞬间压缩机10仍未工作，所以高压开关65自然保持闭合。定时器63的触点63A在电源接通后3到5分钟也是闭合的。还由于贮存室76的内部温度自然高于温度设定值，温度控制器61给出输出，将温度控制继电器62的触点62A闭合。因此，当温度起动器66闭合时，继电器60的线圈60C通电闭合其触点60A，启动电机10M并使压缩机10开始排出混合致冷剂以开始在回路3中循环。此时，回路3的部件还处于高温，使得混合致冷剂在其中几乎全部都处于气态而产生内部高压。因为压缩机10将混合致冷剂以这种状态排出，所以出口管10D的压力突然增加。如果允许回路处于这种状态，高压就可能损坏压缩机10的部件。不过，当压力在t2时刻增加到容许的限值26公斤/厘米2时，高压开关65在检测到极值压力值时断开以断开触点63A，由此温度控制继电器62的接点62A被强行断开。这使线圈60C断电，从而断开触点60A并中止电机10M运转防止在压缩机10的出口端压力增加并避免损害压缩机。
由于压缩机10停动，出口管10D处的压力降至8公斤/厘米2，但是因防震颤定时器63的存在使得高压开关65闭合后3至5分钟内依然保持触点63A断开，其结果是电机10M也保持不工作。在此期间，被第一级或第二级冷凝器23A或23B冷却的一小部份致冷剂从第一级或第二级蒸发器14A或14B送出参加低温回路3的循环，所以回路3的温度和压力比原来启动的时候要低些。当定时器63设定的时间延迟于时刻t3结束时，触点63A闭合，像已叙述的那样，使电机10M重新启动。当出口管10D的压力达到26公斤/厘米2时，高压开关65又一次断开以停止电机10M。如此，电机10M反覆开动和停止促使高沸点致冷剂蒸发而逐渐显示出冷却作用，从而系统的温度，首先在第一级热交换器32处逐渐降低。当起动电机10M后出口管10D处所增压力的峰值变得小于26公斤/厘米2后，电机10M便一直不停地运转了。
随着压缩机10不断工作，较低沸点的致冷剂开始冷凝、逐渐显示出冷却作用并逐步地靠着中间热交换器32，42，44以及蒸发管47冷却，最终达到予期的-150℃温度。当贮存室的温度进一步达到温度控制器61所设定的下限时，输出端61A和61B之间就不再有电压了，于是触点62断开并进而断开60A以停止电机10M并中断冷却作用。跟着，贮存室的内部温度逐渐上升并达到控制器61设定的上限，于是触点62A重新闭合。进而，电机10M随着触点60A闭合而开始工作恢复致冷。上述致冷循环反覆进行以保持贮存室处于设定的温度，譬如说，平均-140℃。
在触点62A及温度启动器66闭合期间亦即电机10M工作期间，定时器68累计计时。当计时达到12小时时定时器68将转换开关69闭合至69B端，停止电机10M而给加热器70和71通电使其生热。由第三级中间加热器44流进减压器46的R-50具有-120℃的极低温度。如果致冷剂中含有很少量的水份(水份很可能(譬如说)在填充过程中渗入致冷剂)，在管道内就会结冰。由于减压器46通常含有极细的管子，在装置46内冰的生长将堵塞管道结果阻断致冷剂流动。根据本发明，减压器46周期性的用加热器70和71加热用熔化的办法阻止冰晶的生长从而消除上述麻烦。加热器70和71通电15分钟后开关69又重新闭合至触点69A以启动电机10M并按前述方式使低温回路3开始致冷。
图4为本发明的实施冷藏箱75的正面透视图。图5为其局部剖面图，而图6为专门阐明致冷系统R的致冷剂回路1的构造示意图。安装于物化实验室之类地方的冷藏箱75有一主箱74，在其内部形成一个上端敞开的前面已提到过的贮存室76。此上开口用一个可打开的热绝缘门77盖上。门77支点位于主箱的后边缘。在主箱74的一端有一机箱78，其中容纳着温度控制器61、压缩机4、10以及其它等等。机箱78的正面装有自动温度记录器79以检测贮存室76的内部温度并在纸上记录温度随时间的变化;众所周知的报警器80用来在检测到贮存室76的温度高得不正常时报警;还有可改变温度控制器61的温度设定值的旋钮81。82指的是通风扇。
图5为主箱74的剖面侧视图。83指的是上端敞开的钢外壳，而84为同样具有上面敞开的铝内壳。内壳84放于外壳83内，两壳体83与84之间的空间里装有双层热绝缘层，它们包含有外层热绝缘体85和内层热绝缘体86。这两层相互独立并且都具有上面敞口的盒子形状。两个壳体83与84的上部开口边用护带(breaker)87连在一起。蒸发管47可导热地绕内壳84安装并嵌入内绝缘体86之中。去霜管6可导热性地沿外壳83的开口边装于其内。内绝缘体86仅置于外绝缘体85内并与后者完全分离，所以，即使由于蒸发管47的冷却效应使内绝缘体86收缩，外绝缘体85因不受其任何影响仍然不会龟裂，因而继续保持良好的热绝缘性能。外壳83的背面有一开洞88，而外绝缘体85在相应开洞88处开一槽89。用热绝缘材料90模制(稍后说明之)的级联冷凝器25A，25B等等通过开洞88置于槽89中。开洞88用盖板91盖封。92指的是膨化苯乙烯内挡板。93为沿门77周围装于门内的密封垫圈。主箱74带有回转尾轮94。
致冷系统R的致冷剂回路1将结合附图6更仔细地予以说明。在1和6两图中相同的部件用相同的数码标注。低温致冷剂回路3的辅助冷凝器17相对于由风扇9吸入系统的空气流来说，位于高温致冷剂回路2的冷凝器8的上游。此二冷凝器同时由吸入的空气冷却。第一级(第二级)蒸发器14A(14B)为空罐形状，罐内装有由上插入的螺旋绕管形的第一级(第二级)冷凝管23A(23B)。直接固定在集液器15上的管66A用来固定低温温度启动器66。中间热交换装置96含有中间热交换器32，42，44，等(稍后述之)，并用热绝缘材料97将它们模制于一盒子中。蒸发管47为锯齿形，用铝带、粘接或类似办法将它固定于内壳84的外表面。为使贮存室76内温度尽可能均匀，管47沿壳84如此安置使致冷剂沿内壳84首先由其上部流到下部然后由其底部流出。
图7示出中间热交换装置96的构造。装置96(用围起的虚线表示)包括有第一级到第三级中间热交换器32、42、44，第二级气-液分离器33，干燥器39、45，减压器40和集液器49。热交换器32，42和44含有外套管98、99、100，它们具有相当大的直径、螺旋形地绕几圈并制成平板形。这些绕组一个在另一个上面接在一起，气相管30和43从这些套管中穿过，中间留有空隙。这样，热交换器具有双螺旋管结构。图7中第一级中间热交换器32标于A处，第二级交换器42标于B处，第三级交换器标于C处。第二级气-液分离器33，干燥器39、45，减压器40和集液器49都容纳于螺旋绕组中以减少净空并使装置96紧凑。
现将装置96的构造详细加以说明。101标的是连接干燥器28和第一级气-液分离器29的管道。由分离器29向上延伸的气相管30伸于密封入口IN1处进入外套管98并以螺旋状延伸该管，然后由出口OUT1穿出并进入第二级气-液分离器33。沿气相管30下流的气态致冷剂被穿过管30与外套管98之间的空间上流的低温致冷剂冷凝。气相管43由二级分离器33伸出在入口IN2处进入外套管99。被第一级分离器29分离出的液态致冷剂穿过减压器36减压，然后导入将外套管98的出口OUT1连至外套管99的入口IN2的连通管102的中间区并在管98内蒸发，与由蒸发管47返回的致冷剂共同作用以冷凝30管内的气态致冷剂。气相管43穿过管99从出口OUT2处出来，于入口IN3处进入外套管100，螺旋状地延伸穿过管100并从出口OUT3处出来。这些外套管在出口及入口处都封死。被第二级分离器33分离出的液态致冷剂流经干燥器39(装在可同外套管100进行热交换处)，穿过减压器40减压，然后导入将外套管99的出口OUT2连至管100的入口IN3的连通管的中部并在外套管99中蒸发，与由蒸发管47返回的致冷剂共同作用以冷凝气相管43中的气态致冷剂。沿管43下流的致冷剂R-50通过外套管100时几乎全部冷凝为液体并经干燥器45(安装于同外套管进行热交换处)流入减压器46。将蒸发管47的出口端与外套管100的出口OUT3之间连接起来的管105与管100内的气相管43周围的空间相通。在外套管98的入口IN1处，气相管30周围的空间用管106保持与集液器49相通。这样，由蒸发管47返回的致冷剂流经管105进入外套管100与气相管43之间的空间且沿空间上升的同时，将在气相管43中下流的致冷剂冷凝，再于连通管103处与从减压器40来的致冷剂汇合。混合致冷剂流入外套管99与气相管43之间的空间，在沿空间上升的同时将43管内的致冷剂冷凝，再于连通管102处同由减压器36来的致冷剂汇合。得到的混合物在穿过外套管98与气相管30之间的空间上流的同时将管30内的致冷剂冷凝。此后，混合物经过管106到达集液器49并由此经过管108流进吸出端热交换器24。如此，穿过气相管30或43下流的致冷剂流相对于由蒸发管47在外套管100，99和98内沿管30或34周围空间上流的致冷剂流来说处于逆流方向。
现将致冷系统R安装于主箱74的步骤参照图8予以说明。图8为冷藏箱75背面的透视图。外箱83的背面在洞口88的一侧开一洞110。外热绝缘体85上相应于洞110处开一槽111。用模制法将级联冷凝器25A，25B，吸出端热交换器22，24，集液器15和干燥器28封入热绝缘体90中。模制绝缘体90和97时，先将部件放入树脂袋中，将袋置于盒状模子里，将尿烷热绝缘材料填入袋中再膨化此材料即成。减压器46和管105由绝缘体97伸出;将它们焊接到由出口112导出的蒸发管47上。而112位于开槽111的内部。减压器管13等管穿过绝缘体90伸出，利用焊接将它们连至穿出机箱78邻壁并固定于开槽89中的管道上。用管道相连的绝缘体90与97连同位于绝缘体90外部的第一级气-液分离器29及干燥器35塞入开槽89及111内。将玻璃丝之类的东西填充入剩余空隙，再用盖板91将洞口89和111盖上，于是系统就整个安装入位了。压缩机4、10，冷凝器8，风扇9，膨胀罐51等等在上述步骤之前装入机箱78。这样，冷藏箱75就算完成了。
本发明的致冷系统R的理想工作方式业已说明，按上述方式，系统的最后一级，即包括第三级中间热交换器44在内的区域通过蒸发管47会被冷却至-120℃到-150℃的极低温。因此，即使系统像已述那样是严格热绝缘的，由于与周围环境的热传递穿过第三级交换器44的液态致冷剂会在减压器46中蒸发。从第二级气-液分离器33中出来的未冷凝的致冷剂，虽含有少量R-14，几乎全是R-50。图9示出了致冷剂R-50的压力与其蒸发温度之间的关系。像已描述的那样，减压器46管的内径极小(通常在1mm以下)，因此当R-50在减压器46中蒸发时，减压器46的内部立即充满了致冷剂的蒸气，从而对致冷剂流产生极大阻力并阻断液体致冷剂的流动。由此，蒸发管47的温度上升而不能充分冷却贮存室76。
不过，穿过减压器46的液体致冷剂的流通受阻导致减压器46入口前方压力增加，从而使致冷剂R-50的蒸发温度上升(从图9可看出)。致冷剂因而停止在减压管46内蒸发，结果使通向蒸发管47的液体致冷剂的供应恢复而实现正常致冷。然而，当温度因此而下降时，减压器46内重新发生蒸发(如前所述)，而整个过程会重复出现。在这种情况下，贮存室76将不能被充分冷却，同时变化显著的负载加至压缩机将缩短压缩机寿命并产生很大噪音。因此，根据本发明，将一个干燥器45安装在与第三级中间热交换器44可进行热交换的地方以便将致冷剂R-50在通过交换器44后又一次冷却并阻止因从环境传递来热量而引起的温度上升。这一办法用来防止致冷剂在减压器46中蒸发，从而避免了致冷不足的现象。
上述反常情况在低温致冷剂回路3里当致冷剂填充量不适当时也会遇到。图9示出了致冷系统R的电源接通后，贮存室76的内部温度随时间流逝而变化的情况。曲线L1表示回路中致冷剂填充量适当的情况，L2表示致冷剂填充过量的情况而曲线L3表示致冷剂量不足的情况。图10中示出的是当致冷剂填充过量时，在接近所达到温度处贮存室76的内部温度L2;当数量不足时相应的温度为L3;致冷剂过量时流入减压器46的致冷剂温度为L4(即图1示出的其在减压器46入口处P1的温度)。致冷剂在同一过量情况时流出减压器46的致冷剂温度为L5，(即其在图1中示出的蒸发管47入口P2处的温度);致冷剂量不足时减压器46的入口温度为L6;以及量不足时管47的入口P2的温度为L7。
当致冷剂装填量过度时，开始致冷后贮存室76的温度下降速度比填充量正常时大。不过，随着超量的液态致冷剂供至蒸发管47，大量在管47内未蒸发的液态致冷剂流入第三级中间热交换器44并在其中蒸发，当贮存室76内部达到予期温度后，会导致热交换器44被冷却到与蒸发管同样的温度。减压器46入口P1处的温度从而将降至同环境温度相差很远的值。这促使由环境向减压器46渗透进更多的热量而加速了液态冷凝剂的蒸发。这样，液态致冷剂开始在减压器46中蒸发而增加了减压器46的内部压力，妨碍了液态致冷剂的流动并减少了液态致冷剂向蒸发管47的供应。贮存室76的内部温度因而上升，入口P2的温度也随之上升。当液态致冷剂通过减压器46的流动受阻时，液态致冷剂的压力如已经叙述的那样增加，蒸发温度相应地升高从而液态致冷剂停止蒸发，接头就促使致冷剂重新通过减压器46而实现正常致冷。但是，在管47中液态致冷剂量过剩时会导致冷却过程中上述情况反覆发生。这样，温度就像图10中曲线L2，L4和L5所示那样不稳定地脉动起伏。贮存室76的内部温度也同样变化，只是稍许延迟一些。在这种情况下，贮存室76的内部温度周期性的超过正常值L1(如图9所示)，因而冷却不足。除此而外，压缩机10将因而产生振动和噪音并不正常地磨损。
在上述情况下，流入减压器46的致冷剂的温度接近由它流出的致冷剂的温度。这就是说，减压器46入口P1处的温度降低到接近蒸发管47入口P2处的温度值。实验表明，在接近目标温度处，这些温度之间的差别不超过10℃。因此，根据本发明，应填充如此数量的致冷剂量，使得P1和P2点之间的温度差要大于10℃。这样就会消除致冷剂过量以避免温度脉动起伏并保证稳定致冷。除此之外，装上和第三级中间热交换器进行热交换的干燥器45以减少周围环境热量的渗透及得到较稳定的温度。
往下，当致冷剂数量不足时，自然会导致如图9中曲线3所示的那样较低的冷却速率。再者，虽然量少，但致冷剂仍在低温致冷剂回路3中循环，因此，有少量的液态致冷剂由减压器46流入蒸发管47并在其中立即蒸发，从而如10图中曲线L7所示那样，使管47入口P2处温度降低。但是，由于液态致冷剂数量少，蒸发立刻停止，其结果是只有致冷剂的蒸气由管47流入第三级中间热交换器44。由此，贮存室76的内部变得冷却不足，温度上升并稳定于一高值，如曲线L3所示。而且第三级热交换器44的温度也上升。如曲线L6所示，这会使与交换器44进行热交换后的致冷剂将要通过的减压器46入口P1处的温度上升，使P1与P2点之间的温度差大大增加。
对于本发明的致冷系统R来说，级联冷凝器25A，25B的温度(-50℃)与蒸发管47的温度(-150℃)之间的差值100℃是靠在减压器36、40和46之间造成温度差的办法逐渐实现的。当总温度差均分于每级时，减压器36、40和46的每一级应提供33℃的温度差值。(通常温度差值是这样设置的温度降低时温度差也降低以便最大限度地降低负载)。如果减压器46的入口P1处与蒸发管47的入口P2处之间温差在目标温度附近大于33℃，则回路处于不正常状态。此不正常归结于致冷剂填装不足。因此，根据本发明，应填充如此多的致冷剂，使得P1与P2点之间的温度差小于33℃以避免因致冷剂不足而造成致冷不足。
总结一下，装填入回路的致冷剂的适当量是这样的它能使在减压器46的入口处P1所测得的流入其中的致冷剂的温度和管47的入口处P2所测得的即由减压器46流出的致冷剂的温度之间的差在邻近目标温度处于一个范围内，即大于10℃而小于级联冷凝器25A，25B和蒸发管47之间的温度差值除以减压器36、40、46的数目所得之商，即33℃。
致冷系统R也受环境温度影响。当在高的环境温度下致冷剂填充量适当以便使系统显示良好性能时，将产生下面的缺点如果环境温度降低，则级联冷凝器25A，25B和中间热交换器32、42、44的温度也降低，以致除了应由某一级中间热交换冷凝的致冷剂外，由下一级热交换器冷凝的致冷剂部份也部份地冷凝并返回到压缩机10。这就减少了最终流入蒸发管47的致冷剂R-50的量而导致致冷不足。如果用增加致冷剂的办法来消除此缺点，则当温度升高时将发生前面已叙述的脉动温度起伏。
本发明已克服了这些缺陷，办法是采用控制致冷剂到这样的量，使得P1和P2点之间的温度差大于10℃但小于33℃。这样保证了在环境温度从高到低的情况下都有稳定的致冷性能。
温度自动记录器79用来记录贮存室76的内部温度。记录器79是所述的这类冷藏箱的重要部件。记录器79总的说来含有由布尔登管(Bourdon)120(它呈众所周知的阿基米德螺旋线形状，如图11所示)以及未示出的记录纸或其它能随时间流逝而移动的类似物。参照图11，温度传感器121置于能检测贮存室76内部温度的地方。传感部分121通过与此相连的细管122连接到布尔登管120。垂直的可转动轴123固定于布尔登管120(譬如说)的螺旋线中心O处。记录指针124接在轴123的上端。布尔登管是空心的并其中封入了对温度敏感的液体物质诸如乙醇或n-丙醇(n-propylalcohol)。因传感器部分121附近温度变化引起布尔登管内压力的变化使布尔登管120变形导致转动轴123绕自身轴旋转。众所周知，旋转角θ与布尔登管120的内压变化成比例。这样，贮存室76的内部温度就转换成指针124的位置而被记录下来。
通用的温度敏度物质诸如乙醇或n-丙醇可用于(譬如说)-80℃左右的温度，但在本发明所达到的-150℃深低温下冻结，所以不能用于本温度记录器中。我们进行了研究并成功的将2-甲基戊烷(异己烷)作为温度敏感物质用于记录约-150℃的深低温。图12示出传感器部分121附近的温度T与封装有异己烷的布尔登管120的内压P之间的关系。此图表明，在从-150℃到+50℃的温度区间内，压力P近似地与温度T成比例。如前所述，指针124的旋转角θ与压力P成比例并因此近似地与温度T成比例。这样，贮存室76的内部温度就可以在从-150℃到+50℃的整个范围内被记录下来。
如上所述，本发明的致冷系统R用通常功率的电动压缩机就可达到极低温度，无需乎使用更大输出的压缩机，按照本发明的安排，第一级致冷剂回路的蒸发器可与第二级致冷剂回路的高压管线组装在一起以进行热交换从而构成数个分开的级联冷凝器。这使致冷系统易于安装并使其整体尺寸变小。还有，第一级回路的蒸发器部份对于致冷剂流来说是串联起来的，而第二级回路的高压管线组成了数个并联管线区。即便蒸发区部份失去了热平衡，这种安排由于致冷剂不是分别流经各蒸发器因而不会导致不平衡的致冷剂流，从而使蒸发器部份显示出稳定的冷凝性能，还能进而使混合致冷剂穿过高压管线时进行良好的热交换。因此，能很稳定地达到深低温。
用将第一级致冷剂回路的蒸发器分割成数个蒸发器区以及将第二级致冷剂回路的高压管线安置在可与前者进行热交换之处的办法做成了数个分开的级联冷凝器。如果相对致冷剂流来说第一级回路的蒸发器部份相互并联并且当某一个蒸发器的温度高出时，此区的蒸气压就会增加而妨碍致冷剂的流入，其结果是此蒸发器区的温度进一步上升。这样，当温度平衡一旦受到干扰时，在蒸发器区并联的情况下，此不平衡会进一步扩大导致更大的不平衡，从而产生了各蒸发器区在冷凝流经第二级回路的高压管线部份相对于致冷剂流串联安装再与蒸发器各区组合，这种安排将导致蒸发器各区之间的温度差(使上游蒸发器区的温度升高)从而引起上述的不平衡，因此，想得到比第一级回路(它的蒸发器没有分割成区)有更高的热交换效率的希望就落空了。
权利要求
1.一个致冷系统，包括有第一级和第二级两个致冷剂回路，每个回路里有一个压缩机，一个冷凝器和一个蒸发器，压缩机的出口用管线接至冷凝器的入口，冷凝器的出口用另一管线接至蒸发器的入口，蒸发器的出口再用一条管线接至压缩机的入口，每个致冷剂回路里装填上有机致冷剂；第一级致冷剂回路的蒸发器，被分成数个相对致冷剂流来说是串联在一起的蒸发器区；第二级致冷剂回路的冷凝器，它被分成与第一级回路的蒸发器区数目相等的冷凝器区，冷凝器区之间相对致冷剂流来说是并联在一起的；第二级致冷剂回路的冷凝区与第一级致冷剂回路的蒸发器区配对组成热交换器，第二级致冷剂回路的致冷剂为类型不同，沸点各异的致冷剂混合物，因此，第二级致冷剂回路的蒸发器被冷却到深低温。
2.根据权利要求
1所述的致冷系统，其中第一级致冷剂回路的蒸发器区与二级致冷剂回路的冷凝器区组成两到四个功率近似相等的热交换器。
3.根据权利要求
2所述的致冷系统，其中第一级致冷剂回路的蒸发器区与第二级致冷剂回路的冷凝器区组合成两个功率近似相等的热交换器。
4.根据权利要求
1所述的致冷系统，其中第一级致冷剂回路中填充的致冷剂为含有CCl2F2的有机致冷剂，而第二级致冷剂回路中的填充物包括至少两种含有CH4、且沸点不同的有机致冷剂。
5.根据权利要求
4所述的致冷系统，其中填充于第一级致冷剂回路的致冷剂为CHClF2和CCl2F2的致冷剂混合物，而填充于第二级致冷剂回路的致冷剂为CH4，CF4，CBrF3和CHCl2F的致冷剂混合物。
6.根据权利要求
4所述的致冷系统，其中填充于第一级致冷剂回路中的致冷剂为CHClF2，CClF2-CF3和CCl2F2的致冷剂混合物，而填充于第二级致冷剂回路的致冷剂为CH4，CF4，CBrF3和CCl2F2的致冷剂混合物。
7.根据权利要求
1到6中任一条中所述的致冷系统，其中连接第二级致冷剂回路的蒸发器的输出端至其压缩机入口的管线上带有数个串联起来的中间热交换器，而将第二级致冷剂回路的冷凝器出口连至其蒸发器入口的管线上带有数个减压器及气-液分离器(其数目少于减压器的数目)，此线包括有将流经第二级致冷剂回路冷凝器的致冷剂导入某个气-液分离器并使致冷剂的已冷凝部分通过某个减压器进入某个中间热交换器的第一管线区;数个管线区，它用来将未冷凝的致冷剂部份由所说的某个气-液分离器引到所说的某个中间热交换器进行热交换，随后将第二次提到的那部分致冷剂引入另一气-液分离器并使得到的致冷剂的已冷凝部份通过另一减压器进入另一中间热交换器;最后一级的管线区，它用来使沸点最低的、通过了其它管线区的致冷剂部份通过最后一级中的减压器进入第二级致冷剂回路的蒸发器。
8.根据权利要求
7中所述的致冷系统，其中流入最后一级减压器的致冷剂的温度与从其中流出的致冷剂的温度之间的差值小于第二级致冷剂回路的冷凝器与其蒸发器之间温度的差除以减压器数目所得之商，但大于10℃。
9.根据权利要求
7中所述的致冷系统，其中将第二级致冷剂回路冷凝器的出口连至其蒸发器入口的管线上带有两到五个减压器，而将第二级致冷剂回路的蒸发器出口连至其压缩机入口的管线上带有中间热交换器，其数目等于或大于减压器的数目。
10.根据权利要求
9中所述的致冷系统，其中将第二级致冷剂回路的冷凝器出口连至其蒸发器入口的连线上带有三个减压器，而将第二级致冷剂回路的蒸发器出口的连至其压缩机入口的连线上带有三个中间热交换器。
专利摘要
致冷系统包括第一与第二级两致冷剂回路。每一回路有一压缩机，一冷凝器和一蒸发器。每一致冷剂回路都填充有机致冷剂。第一级致冷剂回路的蒸发器分成数个串联起来的蒸发器区。第二级致冷剂回路的冷凝器分成若干冷凝器区，其数目与第一级的蒸发器区数目相等。这些冷凝器区相并联。第二级致冷剂回路的冷凝器区与第一级的蒸发器区配对组成热交换器。第二级的致冷剂为类型与沸点不同的致冷剂混合物。因此，第二级的蒸发器可冷却至深低温。
文档编号F25B7/00GK86106599SQ86106599
公开日1987年5月20日 申请日期1986年9月25日
发明者竹政一夫, 吉田福治, 岩佐贤治 申请人:三洋电机株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan