专利名称：用主高压闭合制冷和辅助制冷回路的冷却系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及提供低温制冷的系统，更具体地说涉及采用主和辅助制冷回路的冷却系统。
在食品冷冻工业中，利用工作在大约-320°F的低温液氮冷冻系统获得了脱水损失低的高质量食品。工作在相对高的温度如-40°F的氨和氟利昂气体压缩机械系统被广泛用来以非常经济的方式冷冻食品，但是冷冻的时间长，脱水损失大。最近出现了高性能的气体压缩机械系统，它能在从-40°F至-60°F的相对高的温度下产生脱水损失低的高质量的冷冻食品。由于它们工作在相对高的温度下，所以就为与高性能的机械冷冻机相关的脱水损失留有改进的余地。由于受到普通制冷剂的限制，它们一般也不能工作在很低的温度下。如果能够开发一种低温制冷剂系统，那么便可以显著地降低脱水损失。
近来已经开发了直接接触式反向Brayton循环冷空气制冷系统，它们比机械系统的工作温度要低。这些系统通过产生以很高的速度直接加在食品上的冷空气来冷却食品。通过压缩/膨胀产生冷空气，然后将冷空气注入冷冻器。离开冷冻器的空气经过滤去除全部颗粒，并在热交换器中恢复其制冷。然后变温的空气或被排出或被循环回压缩机，例如参见Klezek等人的第5,267,449号美国专利。这种系统与液氮系统的运行费用不相上下，因为它们在较高的温度下产生制冷。然而，即使将脱水损失的改善包含在分析中，它们的运行费用也高于与高性能机械冷冻机相关的运行费用。
由于几种原因，与直接接触式反向Brayton循环制冷系统相关的所需能量大于机械系统。在低空气循环率下，冷冻器的空气温度必须升得很高以便提供足够的制冷效果使物品冷却。由于冷冻器工作在大气压力下，所以压缩机和涡轮机之间的压力比必须很大。结果需要的能量很大。在高空气循环率下，通过冷冻器的空气温升小，并且压缩机和涡轮机之间的压力比小。然而，由于冷冻器工作在大气压力下，所以观察到的例如过滤器和预净化器之间的任何压力损失相对于工作压力而言都是很显著的。因此所需的能量也很大。最大限度地减小这两种驱动力的结合，便存在所需能量的最小值。这一最小值相对于机械系统所需的能量而言较大。
有几个专利描述了直接接触式制冷系统，其中制冷气体以直接与正在冷冻的物品接触的方式通过，然后再循环、压缩、膨胀和再利用。由于这些现有技术的系统在大气压力下直接接触并施加制冷气体，所以在回流通路中需要过滤器和脱水器等，以保证夹带的颗粒和水不致对制冷设备造成不适当的损害。这种开启回路系统可以在上述Klezek等人的第5,267,449号专利以及以下美国专利中找到Ness等人的第3,696,637号专利；Linhardt等人的第3,868,827号专利；Prentice等人的第4,315,409号专利；Prentice的第4,317,665号专利；和Lotz的第4,730,464号专利。
闭合回路制冷系统也已经得到了广泛的应用。闭合回路制冷系统通常在保持于一条闭合回路中的高压下利用一种主制冷剂来工作，通过热交换器实现热转移。例如，这种闭合回路系统已经用于气体液化处理中，其中被液化的气体通过热交换器走一条通路，而主制冷剂通过热交换器走另一条独立的通路。这种系统示于Olszewski的第3，677,019号美国专利；Koehn等人的第3,144,316号美国专利；和Hanson等人的第4,778,497号美国专利。
Ness等人的第3,696,637号美国专利公开了产生制冷的装置，它采用多级主制冷剂压缩和两级制冷剂工作膨胀级，其中工作膨胀级形成的马力用于驱动制冷剂压缩的最终级。
本发明的一个目的是提供一种改进的制冷系统，它避免了与正在冷却的物品接触的制冷气体在制冷循环中进行连续的压缩和膨胀过程。
本发明的另一个目的是提供一种改进的制冷系统，其中基本制冷产生回路工作在高压，从而降低了所需的能量，并且使得制冷部件较少。
冷却系统包括一个对物品进行冷却或冷冻处理的单元。辅助制冷回路与该单元相连，并在大气压力或接近大气压力下将辅助制冷剂引入该单元。辅助制冷回路可以是开启的或闭合的。辅助回路包括用于冷却辅助制冷剂的辅助热交换器。工作在不低于2个大气压下的主闭合制冷回路包括一条正向流路，该流路包括用于产生被压缩的主制冷剂的主制冷剂压缩机，接收并冷却被压缩的主制冷剂的主热交换器，以及用于进一步冷却被压缩的主制冷剂并将其传送到辅助热交换器以便能使辅助制冷剂冷却的膨胀器。主回路进一步包括一条返回流路，从辅助热交换器返回到主热交换器、主制冷剂压缩机、主热交换器然后到膨胀器。于是主热交换器提供了从返回流路到正向流路的热交换，实现了冷却作用。
图1是包括本发明的一个实施例的制冷系统的简图；图2是用于图1系统的最佳热交换器和冷冻器部分的透视图；图3是示于图2的热交换器部分的透视图；以及图4是图2的热交换器的内热交换结构部分的透视图。图中用相同的标号表示相同的部分。
以下可以清楚地看到，本发明通过在两条分开的流通路径中产生和传送制冷作用来使食品或其它物品冷却或冷冻。制冷作用产生于主闭合压缩/膨胀循环中。最好用作制冷剂的空气被压缩、冷却并膨胀到一个低温。然后它经过既可以位于冷冻器部分内也可以位于冷冻器部分外的热交换器，在那里它冷却存在于辅助制冷回路中的辅助制冷剂流。辅助制冷剂可以是气体、液体或固态颗粒。辅助冷却气流将制冷作用传送给位于冷冻器中的物品。主闭合回路允许在高压、但内部压缩机和膨胀涡轮机之间的压力比小的情况下产生制冷。由于主闭合回路在高压下工作，所以压力损失不会对能量需要造成太大影响。由于用力比小，所以损失小，并且进行压缩所需的能量相对来说也小。包含在辅助开启回路流中的热交换流体最好通过直接进行接触的方式冷却或冷冻固态或液态物品。
此处本发明的制冷系统采用工作在最佳温度低于-60°F的反向Brayton循环。于是冷冻食品的脱水损失得到了极大的改善。本发明已经发现，当冷冻器工作在空气温度大约为-90°F时，在减小脱水损失和所需能量这两方面都能得到最佳效果。
现在参照图1，说明包括本发明的方法的一个最佳实施例的制冷系统。仅为举例方便，在以下说明中假定图1所示制冷系统将具有32°F输入温度的食品流在冷冻器中冷却，并产生温度为0°F的冷冻的食品流。冷冻器部分10具有温度为32°F的输入物品流12，以及温度为0°F的输出物品流14。注入冷冻器10的制冷空气直接加在冷冻器部分10中的物品上，以实现冷冻作用。通过保证冷冻器的入口温度为-100°F和出口温度为-90°F来施加最佳的冷冻温度。
辅助制冷回路16包括吹风机18，它将从冷冻器部分10出来的空气经导管19送入辅助热交换器20，并从那里再经导管22送回冷冻器部分10。为了产生所要求的-32°F的物品温差，必须从物品中散去大量的热。进入冷冻器部分10的空气压力通常是大气压，但可以在1至2个气压的范围内。流经冷却回路16的辅助制冷剂可以不全部通过辅助热交换器20。
对辅助回路16中的循环气流冷却的制冷作用是在高压主闭合制冷回路24中产生的，主闭合制冷回路24包括辅助热交换器20。最好用空气作为主闭合回路24中的制冷剂。空气在例如温度为-100°F和压力为每平方英寸148磅(148psia)的状态下经导管26进入辅助热交换器20。该制冷剂流受到辅助开启回路16中的低压循环气流的影响而变暖，并以大约-95°F的温度从辅助热交换器20中流出进入导管28。然后制冷剂进入主热交换器30，在那里该制冷剂受到经导管32进入主热交换器30的送入制冷剂流的影响而变暖。当制冷空气从主热交换器30流出时在148psia下温度大约为68°F。在另一实施例中，冷冻器可以与辅助热交换器做成一整体，而不象图1所示那样相互分开。
然后制冷剂气流在由压缩机36和38组成的两级压缩机系统中被压缩。在压缩机36中，制冷剂气流从148psia被压缩到166psia。在压缩机36的出口，被压缩的气流的温度为+87°F。被压缩的气流在内冷却器40中冷却(用冷却水冷却)到大约70°F，并被送入压缩机38。在压缩机38中制冷剂气流被压缩到180psia。压缩机38与下游涡轮机/膨胀器42机械耦连。该机械耦连通过线44和46示意性地表示。压缩机36和38所需的能量可以调节，因此压缩机36能够由下游涡轮机/膨胀器42直接驱动。更具体地说，从涡轮机/膨胀器42中的膨胀得到的功能够直接耦连到压缩机38。
当被压缩的气流离开压缩机38时，处于180psia的高压并且温度为87°F。该气流在内冷却器48中冷却，产生导管32中的温度为70°F的气流。然后被压缩的气流通过主热交换器30，受到经导管28的返回气流的影响而冷却。结果，流出主热交换器30经过导管50的制冷剂空气的温度为-92°F。然后被压缩的制冷的气流在涡轮机/膨胀器42中膨胀，并且如前所述产生足够的功直接供给压缩机38能量。离开涡轮机/膨胀器42的膨胀的气流所具有的温度和压力分别为-110°F和148psia，然后经导管26送入辅助热交换器20。于是气流膨胀到高压的大约82％的压力；该压力比仅为1.2，即180/148。
为了补偿在高压气态制冷系统中的气体损失，将一个气体补充源52与回路24相连，气体补充源52包括与回路24热连接的净化器60，如用线61示意性地示出，以便增强其净化作用。
设计辅助热交换器20，以便防止由夹带的颗粒和/或与制冷的空气一起的由水份冻结产生的雪花造成的堵塞。为了避免这种堵塞问题，最好辅助热交换器20包括直热交换通路，并用速度在每秒10至30英尺范围内的制冷空气。这种结合有效地防止了热交换器20中的堵塞现象，而堵塞现象在采用较低空气速度和弯曲空气通路的情况下可能发生。
在图2中，热交换器20并在冷冻器部分10上。制冷的空气经导管19进入辅助热交换器20，并经导管22从中流出。从那里制冷的空气被送入冷冻器部分10，并被加在正在进行冷却或冷冻的物品上之后进入吹风机18。来自主制冷回路24的被压缩的制冷剂在导管26处进入，并经导管28离开辅助热交换器20。
图3表示辅助热交换器20的最上面部分的放大图，表示高压集气管30的位置，该进气管把通过辅助热交换器20以后的被压缩的制冷剂再送入输出导管28。在图3和4中，已经拆开了辅助热交换器20和热传导机构70，以便能够清楚地看到它们的内部构造。多个热传导机构70位于气流通路辅助热交换器20之中，并包括能够使被压缩的制冷剂从中通过的通路。
图4表示热传到机构70的最上面部分的放大图，包括多个垂直的管路72，被压缩的制冷剂通过这些管路进入小集气管74，并从那里进入集气管30。由散热片76形成的直线形空气通路接收来自导管19的制冷剂空气，并通过热传导机构70的被压缩的制冷剂的作用使制冷剂空气冷却。散热片76最里部分之间的距离“d”大约为0.1至0.5英寸，最好大约为0.3英寸。
这样，如图2—4所示的辅助热交换器20起到了有效的热传导作用，同时防止了雪花和/或颗粒在气流管路中的积累。通过热传导管路的制冷剂空气的速度很高，并且管路成直线排列，这一切使得能够引起堵塞的材料积累的可能性很小。辅助热交换器20也可以例如是位于冷冻器10中的紧凑的细管型，从而可以用循环制冷剂来使物品冷却或冷冻。
应注意的是，在上面的实施例中主闭合回路24中的压差小于20％。这就是说，导管26中膨胀气流的压力大于导管50中被压缩气流的压力的80％。一般膨胀气流的压力在被压缩气流压力的30％至90％的范围内。更好的范围是40％至90％，最佳范围是50％至80％。此外，通过在高压下仅在膨胀期间有很少的压力减小的情况下运行主制冷回路24，可以得到高密度的流动液体，这使得能够在整个回路采用实际上较少的部件。主回路24中存在的制冷剂从不与正在制冷的物品接触，因此防止了污染，并在主回路24中不必用脱水器和过滤器。辅助制冷回路16工作在大气压力下，如果需要可以根据被冷冻的物品的特性采用一个过滤器。
虽然已经以一个具体的实施例描述了本发明，但是应懂得，用于主回路24中的制冷剂不必是空气，其它适合的能够工作在高压下的制冷剂如氮、氩、氦、二氧化碳和它们的气体混合物都可以采用。此外，虽然在辅助回路16中的较佳制冷剂是空气，但是也能采用其它气体如用于主回路24中的气体。主制冷回路24中的高压应不低于2个大气压，最好在100至200psia的范围内。
如同本领域的一般技术人员应该懂得的，当制冷剂气体没有充分膨胀到最低可达到的压力例如大气压力时，应用必要的高压主制冷回路需要损失一些可得到的制冷量。然而，通过在主制冷回路24中保持高压，降低了产生制冷所需的能量，减小了体积流量，从而与采用低压的情况相比，设备处理制冷剂流所需的能量和尺寸减小了。体积流量减小还导致通过导管和部件的压降的减小，于是用大量的压缩通过气体膨胀产生制冷。
概括地说，与通常被认为是有利的相反，主闭合制冷回路在高压下工作，这不仅有助于减小通过回路的各个部件的压降，而且由于被压缩的制冷剂体积流量减小而有助于减小导管和其它部件的尺寸。本发明的主制冷回路的另一非常重要和显著的方面是包括在制冷剂膨胀中的相对低的压力比。实践中正常的作法是完全膨胀被压缩的制冷剂，以便最大限度地产生制冷效果并得到较低的制冷温度。一般来说这需要将被压缩的制冷剂膨胀到至少大约一个大气压。在某些情况下，甚至用低于大气压的膨胀来进一步提高产生的制冷效果。最大限度地产生可获得的制冷效果的通常作法是在回路中采用适当的主要部件，如膨胀器，它一般可在3至8的压力比下工作。相反，与常规实践中的大约1个大气压相比，本发明的主回路具有在100psia范围内的最佳低压，并且压力比一般小于3，最好小于2。低压力比和较高的低压的独特的结合提供了所需的制冷效果，并且体积流量不大。这也使得能够得到产生冷却或冷冻所需的准确的制冷度。
以上说明的制冷系统可用于冷却和/或冷冻食品、轮胎的低温抛光、制药工业中的冷冻干燥、和诸如在结晶和气体冷凝那样的化学处理中去除热。
应注意的是，以上描述仅仅是为了说明本发明。在不脱离本发明的前提下，本领域的一般技术人员可以做各种变化和修改。因此，本发明包括所有这些变化和修改，它们都在所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种制冷系统，包括与制冷载荷相连的一个辅助制冷回路，用于将辅助回路制冷剂引入所述制冷载荷，并包括用于冷却所述辅助回路制冷剂的辅助热交换装置；以及一个主闭合制冷回路，包括一条含有不小于两个大气压的高压下的制冷剂的正向流路，膨胀装置用于将所述主回路制冷剂膨胀到不小于所述高压的30％的一个压力，以便冷却所述主回路制冷剂，并且进一步将已经膨胀的所述主回路制冷剂传送到所述辅助热交换装置，使得能够对所述辅助回路制冷剂进行所述冷却，然后所述主回路制冷剂通过一条返回流路送入所述制冷剂压缩机装置。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述主闭合制冷回路进一步包括主热交换装置，用于接收和冷却来自所述正向流路中的所述制冷剂压缩机装置的被压缩的主回路制冷剂，并且接收来自所述辅助热交换装置的主回路制冷剂和提供从所述返回流路到所述正向流路的热交换。
3.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述膨胀装置将所述被压缩的主回路制冷剂膨胀到所述高压的40％至90％的范围内的一个压力。
4.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述膨胀装置将所述被压缩的主回路制冷剂膨胀到所述高压的50％至80％的范围内的一个压力。
5.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述辅助回路制冷剂直接加到正在进行冷却或冷冻的物品上。
6.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述压缩机装置包括第一和第二压缩机，并且所述膨胀装置包括一个旋转膨胀机，所述第二压缩机需要的能量使得能够在所述第二压缩机和所述旋转膨胀机之间进行直接机械耦连。
7.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述主回路制冷剂是空气。
8.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述主回路制冷剂被冷却到低于-60°F的一个温度。
9.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述主闭合制冷回路保持在超过100psia的一个压力下。
10.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述辅助热交换装置包括一个热交换结构，从热交换结构的入口至出口对所述制冷气体而言有一条直线流路。
11.如权利要求10所述的制冷系统，其中吹风机装置与所述辅助热交换装置的入口相连，提供流速在每秒10至30英尺范围内的制冷的气体，以便防止颗粒或由冷冻的水份产生的雪花堵塞热交换通路。
12.如权利要求11所述的制冷系统，其中所述辅助热交换装置中的热交换表面被隔开0.1至0.5英寸的范围内的一段距离。
13.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述被压缩的主回路制冷剂是从包括空气和其它气体的混合物的一组中选出的，它们都呈现适当的热力学特性以作为被压缩的制冷剂。
14.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述主闭合制冷回路进一步包括一个包括净化器的制冷剂补充源，所述净化器与所述主闭合制冷回路热连接。
15.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述制冷载荷包括一个用于容纳被冷却或冷冻的物品的制冷单元。
16.一种制冷方法，包括以下步骤将辅助回路制冷剂引入制冷载荷，所述辅助回路制冷剂包含在一个辅助制冷回路中，该辅助制冷回路包括用于冷却所述辅助回路制冷剂的辅助热交换装置；通过包括在一个主闭合制冷回路中的制冷剂压缩机装置将主回路制冷剂压缩到不小于两个大气压的一个高压，该主闭合制冷回路包括一条正向流路，该正向流路包括制冷剂压缩机装置和膨胀装置；将所述主回路制冷剂膨胀到不小于所述高压的30％的一个压力，以便冷却所述主回路制冷剂；将已经膨胀的所述主回路制冷剂传送到所述辅助热交换装置，使得能够对所述辅助回路制冷剂进行冷却；以及然后通过一条返回流路将所述主回路制冷剂送入所述制冷剂压缩机装置。
17.如权利要求16所述的制冷方法，其中所述膨胀步骤将所述主回路制冷剂膨胀到所述高压的40％至90％的范围内的一个压力。
18.如权利要求17所述的制冷方法，其中所述主回路制冷剂被冷却到低于-60°F的一个温度。
19.如权利要求18所述的制冷方法，其中所述主闭合制冷回路保持在超过100psia的一个压力下。
20.如权利要求16所述的制冷方法，其中所述辅助回路制冷剂直接加到正在进行冷却或冷冻的物品上。
全文摘要
冷却系统包括一个对物品进行冷却或冷冻处理的单元。辅助制冷回路与该单元相连，并在大气压力或接近大气压力下将辅助制冷剂引入该单元。辅助制冷回路可以是开启的或闭合的并包括辅助热交换器。工作在不低于2个大气压下的主闭合制冷回路包括一条正向流路，该流路包括主制冷剂压缩机、主热交换器、以及膨胀器。主回路进一步包括一条返回流路，从辅助热交换器返回到主热交换器、主制冷剂压缩机、主热交换器然后到膨胀器。于是主热交换器提供了从返回流路到正向流路的热交换，实现了冷却作用。
文档编号F25B9/06GK1121169SQ9510645
公开日1996年4月24日 申请日期1995年6月26日 优先权日1994年6月27日
发明者小·T·J·伯格曼, M·J·罗伯特, A·阿查里雅, C·J·海姆, A·M·奇兹克 申请人:普拉塞尔技术有限公司