专利名称：保存冷冻箱中致冷流体的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及提高冷冻箱整体效率的方法和装置，而且更具体地，涉及一种经过改进的保存冷冻箱中制冷流体的方法和装置。
在低温致冷设备的操作中，必须不断做出努力，以使在操作过程中进入该设备的空气量最少。在这种设备中，致冷剂是一种在致冷过程中蒸发的低温流体。从本质上讲，空气总是设法使产品进出冷冻箱的口进入该冷冻箱。典型情况下，相对于冷冻箱内的环境，空气较温暖且含有大量湿气。再者，含雾空气可以认为是一种杂质，因为它降低了箱内蒸气的纯度水平。
使空气渗入最少有多项理由致冷效率、经济性和循环使用蒸发态致冷剂的能力。致冷效率定义为从所冷却的产品排走的热量与致冷剂所消耗的致冷量之比。当含雾空气进入冷冻箱时，它必须要被冷却到其中当时的温度，冷却空气而非产品，降低了冷冻剂的冷却潜力，进而降低了冷却效率。另外，水蒸气的冷凝有导致冷冻箱内有害结冰的可能。结冰可能变得非常严重，以至于要求冷却产品的生产线停车，经过一段融化期。很明显，致冷剂的冷却潜力在此融化周期过程中减少或丧失了。实际的结果是在操作中成本较高。
为了循环使用致冷剂，最好的方法是从源头(在此即冷冻箱)所可能得到的最纯流股开始。冷冻箱内的蒸气纯度较小的改变对与致冷剂循环相关的经济问题的影响程度也很大。因此，当空气渗入最小时可以取得最大的经济优势。
在管道式和螺旋式致冷设备中，减少空气渗入都是重要的。典型情况下，管道式冷冻箱具有一个能使产品进入该箱的入口，一个能使产品离开该箱的出口，以及处于两者之间的一条扁平传送带。螺旋式冷冻箱具有类似的口，所不同的是相对于冷冻箱的基础上述口处于不同的高度。在冷冻箱内，传送带在各口之间呈螺旋形式。
授予Schmidt的美国专利No.3,728,869描述了低温蒸气自一冷冻箱(基本为螺旋式冷冻箱)的循环。冷冻箱内的压力保持在大气压之上，以使空气和其它杂质的渗入最小，且压力和万有引力效应造成自各冷冻口的一种流动。排出的蒸气在前厅或溢流盒附近进行收集，其方式是在前厅上方形成一个蒸气的屏障。空气渗入受到蒸气堰的阻挡。蒸气借助由鼓风系统驱动的管网从前厅的底部除去。控制蒸气去除是通过导离前厅的管路中的电动开/关阻尼器实现的。
授予Tyree等人的美国专利No.4,356,707描述了利用机械和低温致冷技术的各种冷冻箱设计。介绍了一种采用低温致冷剂的螺旋式冷冻箱，其中稀释腔位于致冷口的附近。对于下部口，所关心的是使密度大于空气的低温蒸气自冷冻箱的流出最少。在下口附近的一个腔包括多个导流板和一套以恒定频率工作的鼓风系统。通过自稀释腔抽吸一部分蒸气并将其重新导回冷冻箱内，可延缓蒸气自冷冻箱的脱离。蒸气的剩余部分通过冷冻箱的开口排出，并将试图进入箱内的空气稀释。横跨传送带的流动用手动定位的多个侧叶片来平衡。
在先有技术中已经采用了风扇速度可变控制，以作为阻止低温蒸气自冷冻箱中过早溢出或防止空气进入的装置。在美国专利No.4,528,819(Klee)和4,800,728(Klee)中，所关心的是如何防止低温蒸气自冷冻箱中损失或空气渗入冷冻箱内。用一温度传感器来指示低温蒸气是否正在离开冷冻箱或空气正在进入冷冻箱。一套鼓风系统联接到温度传感器上。在美国专利No.4,528,819中，该鼓风机处在冷冻箱的输出线上。在美国专利4,800,728中，该鼓风机构处在冷冻箱的内部且是循环系统的一部分。
为了使蒸气离开冷冻箱或环境空气污染冷冻箱的内部已经采用了其它一些方法。美国专利No.4,947,654(Sink等人)介绍了螺旋冷冻箱和管道冷冻箱中的气氛控制。公开了对美国专利No.4,356,707中所讨论的一种螺旋冷冻箱所用稀释系统的改进。该稀释系统的鼓风机不再以固定频率操作，而是在此使鼓风系统的控制与致冷剂喷射速度相联。初级传感装置可以是冷冻箱内的温度传感器，也可以是给致冷剂喷射装置供料的液体供给线中的压力传感器。出口可以有类似的系统，通过使少量的蒸气从该口排出来防止空气渗入。对于管道冷冻箱，讨论了类似的装置以使空气渗入最少和减少蒸气自冷冻箱中的损失。
美国专利No.4,955,206(Lang等人)讨论了一种保持致冷设备内环境的变速控制方法。对于管道式致冷设备，内部环境的维护通过位于出口外侧的光电发射和接收传感器系统和围绕其中一个内部轴流风机的导流板联动系统得到加强。该传感器系统根据有多少蒸气离开致冷设备提供控制信息。如果有过量的蒸气逸出，则导流板联动系统将气流导离该口。如果情况相反，则导流板做出将蒸气导向该口的反应。在螺旋致冷设备中，稀释鼓风系统与光电传感系统相联，并且与喷射速度无关。在这两种致冷设备结构中，鼓风系统具有速度可变或单独的驱动系统。
在冷冻箱内保持致冷剂纯度的另一种方法是在箱内采用可控的抽真空系统。美国专利No.5,186,008(Appolonia等人)讨论了控制作为循环作用的一部分而从箱内抽出的蒸气量的方法。对于螺旋冷冻箱，抽吸装置的位置处于该冷冻箱的上前厅和底部。对于底部抽吸位置，离开该箱的蒸气量相对于喷射速度的比例是恒定的。喷入致冷剂所形成蒸气的其余部分通过入口和出口排出。在上前厅施加的抽吸要求充分，以使重力对通过下部口离开的蒸气流的作用最小和防止空气从上部口渗入。因此，相对于冷冻箱和周围大气，要求上前厅区的压力最低。
本发明的一个目的就是提供一种改进后的设备和方法，减少致冷剂从冷冻箱逸出和空气进入箱内。
本发明的方法是基于对致冷设备入口和出口局部蒸气浓度的比较，并根据比较结果采取行动。本发明所采用的控制设备安装在冷冻箱内，靠近一个口，最好是最下部的口。如果该箱在类似高度具有多个口，则每个口均联接一个某种形式的控制设备。控制设备调节离开冷冻箱内部的蒸气的流量。控制设备包括导管组件和鼓风系统。导管组件的底部是其中有传送带通过的管道罩。联接到管道罩的边缘内部的是一根自传送带延伸向上的导管。此导管的鼓风系统或将蒸气抽离传送带，或将蒸气自箱内吹向传送带。无论流动方向如何，在管道罩内都形成一道蒸气幕，构成从全蒸气到全空气的过渡区。为了有助于蒸气幕的形成，又有一抽吸导管组件连接到管道的外缘，并横跨传送带。此导管将排出的蒸气抽向管道罩的顶部。因此，大部蒸气被导回到冷冻箱内，同时少量的蒸气离开该箱以防止空气混入。气体分析仪用来测量管道内的蒸气浓度水平。
导管组件鼓风机的控制是基于管道罩内各口附近的蒸气浓度。各口处的蒸气浓度水平按一定时间间隔进行测量。一微处理器将所测出的蒸气浓度水平进行比较，并改变鼓风机马达的频率，以使各口的浓度差最小。
在一优选实施例中，建立起一蒸气幕平衡。通过保持蒸气幕平衡，可以从一第三口自箱中抽取纯度较高的蒸气流，而不影响冷冻箱的蒸气幕平衡。箱内的内部鼓风机最好是可以提供蒸气在箱内的循环和混合，以使蒸气的分层现象和使高纯度蒸气能从冷冻箱内的任一点输出最小。
图1是带螺旋传送带的冷冻箱的示意图，在此该冷冻箱结合使用了本发明；图2是带螺旋传送带和中心笼风机的冷冻箱的示意图，在此该冷冻箱结合使用了本发明；图3、4和5绘出了位于图1所示冷冻箱的一第一口处的带有和不带出口导流板的管道/导管布置的详图；图6、7和8绘出了位于图1所示冷冻箱的一第二口处的带有和不带出口导流板的管道/导管布置的详图；图9是本发明控制设备结合使用在图1所示冷冻箱中的示意性框图；图10是自冷冻箱至制冷单元的排放导管的示意图，其中对该排放导管进行控制以在冷冻箱和导管中保持所需的致冷剂浓度；图11是对图10所示冷冻箱引出的排放导管的控制设备的示意性框图；图12是在此结合使用了本发明的管道式冷冻箱的示意图；图13是本发明控制设备在图12所示管道式冷冻箱中结合使用的示意性框图；图14是图1所示螺旋式冷冻箱改进后的管道/导管布置的详图；图15是在一冷冻箱口处的管道/导管布置的一第一替代实施例的示意图；图16是在一冷冻箱口处的管道/导管布置的一第二替代实施例的示意图；和图17是在一冷冻箱口处的管道/导管布置的一第三替代实施例的示意图。
参见图1，冷冻箱10包括隔热壁、底、顶和内容积12。一台或多台循环风机13(或如图2所示的中心茏风机11)定位在内容积12附近。传送带16具有螺线或螺旋的型式，通过冷冻箱10输送产品。所冷却的产品通过下口14，并从上口15自冷冻箱10中输出，或者相反。虽然以下的讨论特别针对螺旋式冷冻箱，但其它的冷冻箱设计，例如管道式致冷设备也可采用本发明。
一组喷嘴和相关的管线(未示出)将低温流体(例如二氧化碳、氮气等)排入容积12。冷冻控制系统基于温度的，并给致冷剂输入供给线上的调节阀提供信号，以输出使箱内达到给定温度所需要量的致冷剂流体。
参见图3，冷冻箱10在入口14处包括导管组件17。导管组件17提供有将致冷剂蒸气从传送带16吸走的装置。导管组件17横跨传送带16。冷冻箱10的入口14联接到小间隙外管道20和带下平板35。传送带16的上段越过平板35并通过外管道20，而带16的下段则非如此。导流板32处于传送带上段和下段之间，以防止蒸气过早从冷冻箱外溢。
导管组件17于孔21处向内容积12敞开，该处是内管道22的前缘。在管道20、22的结合部是立管23。立管23的底缘相对于传送带有最小的间隙。外管道20于略高于底缘处与立管23连接，以沿外管道20的顶部建立一小滞留腔。该滞留腔的作用是稀释进入外管道20的空气，以减少到达箱10的内部的空气夹杂。带下板35自略超出箱10处至少延伸至略超出立管23处，所以板35延伸至管道20的最外缘，并到达管道22的边缘附近。
立管23的第二端联接到一个90度弯管24，它使导管的宽度能够改变。联接到弯管24第二端的是一水平导管25，它横跨传送带16但比立管23宽。水平导管25于其尺寸与水平导管25相似的板34处终止。板34包括容纳风机26的开口。最好是两台多叶片中心毂鼓风机26并列安装。风机26由安装在冷冻箱10外部的马达27驱动。从水平导管25输出的蒸气在区域28撞击到箱壁上，并弥散进入内容积12。导流板可用来导引蒸气流向上、向下或侧路返回内容积12。
如上所述，本实施例将致冷蒸气抽离传送带16，如图3中箭头所示。一小部分蒸气通过外管道20离开箱10，而大部分蒸气被重新导入箱10的内容积12。通过下口14逸出的蒸气收集在溢流盒31内。溢流盒31由以外立管33示意性表示的排放系统进行清理。以这种形式，蒸气被排放出放置有箱10的房间并远离工作人员排走。
如图4所示，最好在溢流盒31内传送带16的下段之下设置一溢流导流板38，其从箱10的外壁水平延伸至略超出传送带辊29处，而后垂直到达略低于传送带16的上段之处。溢流导流板38收集自入口14逸出的蒸气，为阻止蒸气的外流设置又一屏障。
如图5所示，在一替代实施例中，溢流盒31包括一溢流导流板42，其沿传送带16的下段的轮廓并绕传送带辊29延伸，到达略低于传送带16的上段之处。在此替代实施例中，辊导流板41位于传送带辊29附近，处于传送带16的上段和下段之间。辊导流板41和溢流导流板42建立了进一步防止蒸气外溢的屏障。
冷冻箱10的出口15也用附加导管件(见图6)进行了局部改进。如同入口14，出口15有由数个互相联接的工件组成的管道形护罩49，以阻止空气进入和蒸气外逸。一带下板50起始于传送带辊59向前紧临其之处，并向冷冻箱10内延伸。管道侧件(未示出)起始于致冷壁的边缘并延伸到箱内。带下板50的内缘和侧件的内缘在箱10内应构成一共同的边缘。管道49的顶部51就是冷冻箱的顶盖。横跨传送带16垂直布置的导流板52也固定在冷冻箱顶盖51上。导流板52和传送带16之间的间隙由所冷却的产品决定，且最好是可以调节的。导流板52应包括在管道49的侧边内，但不是必须处于侧件的内缘处。
出口15的位置取决于带上抽吸单元53的高度。如同垂直设置的导流板52一样，带上抽吸单元53距传送带16的间隙取决于所冷却的产品。利用这种管道结构，构成了一个滞留腔，其与下口14附近外管道20内的类似。为了减少空气的进入和蒸气的逸出，在传送带16的上层和下层之间设置有附加导流板54。溢流盒55收集自出口15逸出的蒸气并通过导管54将其排出。
如图7所示，如同入口14一样，在出口15处最好在溢流盒内布置一溢流导流板。溢流导流板57处于溢流盒55内，处于传送带16的下段之下，自箱10的外壁水平延伸至略超出传送带辊59之处，而后垂直到达略低于传送带16的上段之处。溢流导流板57收集自出口15逸出的蒸气，建立进一步防止蒸气外流的屏障。
如图8所示，在一替代实施例中，溢流盒55包括一溢流导流板62，其沿传送带16的下段的轮廓并绕传送带辊29延伸，到达略低于传送带16的上段之处。在此实施例中，辊导流板61位于传送带辊29附近，处于传送带16的上段和下段之间。辊导流板61和溢流导流板62建立了进一步防止蒸气外溢的屏障。
最好两个口(14和15)均有带上抽吸单元(30和53)。各带上抽吸单元(30和53)均有对于相邻管道(20和49)的可靠密封，如图3和6中所示。带上抽吸单元(30和53)的抽吸由排放系统提供，此处表示为外导管33和56。此抽吸单元的功能是双重的。首先，它使进入管道的空气量最小。其次，它抵消重力对致冷剂蒸气的作用，使所有逸出的蒸气离开传送带16上升。通过使管道内的蒸气水平保持尽可能高，所有进入管道的空气均被稀释了。另外，人们已经发现带上抽吸单元能减少管道内蒸气分层。
冷冻箱10的控制程序是基于对各口14和15附近蒸气浓度的监测。传感系统包括监测各管道结构中蒸气浓度的气体分析仪。因此，外管道20有传感器口40，而上管道49有传感器口60。一般而言，最好的传感器位置是在带上抽吸单元30和53的前导缘的内侧。控制程序是基于两管道之间的致冷气体浓度的差。出于对比的目的，最好使用单独一个分析仪监测两个位置。因此，需要有合适的管道管线网络、自动控制阀门和定时装置(未示出)。
图9给出了微处理器81，它提供了一种根据需要控制阀门定时的手段，以自各使用气体分析仪的位置获得合格的读数。一基本基于各管道浓度差的算法给驱动风机马达27的可变速驱动装置82提供一频率调节信号。该算法将频率控制优化到使浓度差最小得以实现的程度。预定设定点的模式没有采用。本质上讲，对可变速驱动装置82的频率的校正是基于浓度差的大小。差值越大，对频率的校正水平越大。
该算法基本有两种模式接近稳态条件或非稳态。对于接近稳态条件，该控制算法是一做如下操作的闭环回路按预定的时间间隔从各管道收集蒸气浓度样品，比较所收集的样品，并根据样品的差异校正风机频率。对于非稳态条件，例如冷冻箱10的降温过程中，风机频率是作为喷射速度的变化率和/或冷冻箱温度变化率的函数进行校正的。
由控制系统调节的导管组件17在外管道20内建立起一道蒸气幕。蒸气幕一词在此定义为意指产生从全部蒸气(内容积12的浓度水平)到全部空气过渡区的蒸气前沿。除了需要保持在外管道20内之外，此前沿的厚度是不严格的。如果该前沿保持在口14外侧，则鼓风机马达27的转动将不够快。如果在管道20内没有蒸气前沿形成，则马达27的转动将过快。
在箱10内保持高纯度水平的关键是外管道20内蒸气幕或蒸气前沿的建立。如果上出口15和下入口14相互间是气体联通的，这才能成功。当管道20中形成蒸气幕时，在管道49中也形成蒸气前沿。
重复使用的蒸气流的抽取假设蒸气幕系统存在并发挥作用，本发明允许抽取高纯度蒸气流。在冷冻箱10内，内部鼓风系统(风机单元13或中心茏风机单元11)提供了混合完好的环境。由于这种彻底混合的环境包容在箱10内，高纯度蒸气流可以从箱10内的内容积12的任何部位抽取。因此，高纯度蒸气流可以从任何位置抽取，例如包括箱10的外壁或其附近、口14或15或其附近，以及在内容积12的中心或其附近。此高纯度蒸气流可以以控制排放方式移出，且随后液化并再次引入箱10内。
参见图10，抽取口101包括密封在箱10的隔热顶上的导管102。板100处于导管102的下端之下，以在冷冻箱的清洗过程中保护导管。导管102的另外一端联接到隔离阀103。附加导管104联接到隔离阀103的另一端。导管104的下游端联接到由马达106驱动的鼓风机外壳105。
自抽取口101延伸至鼓风机外壳105的导管组件将包含压力低于大气压的蒸气，因此该导管组件要求有管件的适当的密封。联接到鼓风机外壳105的出口的是终止于隔离阀108的附加导管107。越过隔离阀108，是液化为重复使用的蒸气流的致冷系统120。
鼓风机外壳105的下游的导管107包含一些装置，它们包括一静压传感位置110、温度指示器111、气流计量装置113和调节阀109。为了在必要时能将一部分或全部蒸气流从致冷系统120转移，需要有调节阀109。监测鼓风机外壳105的运转特性是采用静压力(通过来自鼓风机外壳105的上游导管104内压力传感器115的读数和来自鼓风机外壳105的下游导管107内的压力传感器110的读数)。鼓风机外壳105的上游是气体分析仪112。
从箱10抽取蒸气是受到精确控制的，并取决于蒸气幕平衡系统的控制系统。与蒸气幕的控制程序相同，自箱10抽取蒸气流的控制(回收线鼓风机马达频率)是基于对管道(20和49)内的气体浓度和回收线导管104内的蒸气流浓度的比较。管道浓度值可以是各传感器(40和60)监测浓度的平均值，也可以是取自任一传感器的单一测量值。
控制程序的基本原理是在回收线内保持最高的浓度，且其次，在不破坏管道内所建立的蒸气前沿的条件下使抽取蒸气的流量最大。试验表明，在浓度值差别相当大，处于10％至50％量级时，可以实现对回收线鼓风机马达频率的控制。因此，控制程序监测浓度并保持浓度之间的差处于预定的最大偏离值。对鼓风机频率的校正是基于浓度差的大小和多么接近的最大偏离值是满意的。在回收线浓度降低之前，管道内气体浓度将明显出现下降。再者，喷射速率的显著降低也用来指示箱10内的浓度水平预计将下降。
控制模式有3种(见图10)。模式一为回收线上的第一隔离阀103是关闭的。这种条件仿佛回收线未联接到冷冻箱一样。回收线控制系统基本闲置。
回收线上的所有传感器110、111、112、113和115全部有微处理器81监控(见图11)。微处理器81给调节阀109和以正确频率操纵鼓风机马达106的变速驱动装置130提供控制信号。
模式二为第一隔离阀103打开，但第二隔离阀108关闭。在此模式中，回收线如同一条排放线，因为所有通过抽取口101离开的蒸气均通过调节阀109排出到回收线内。在致冷系统120突然出现问题时会出现这种条件。可通过快速重新导入气流使其对内容积12环境的冲击保持最小。
模式三，操作的典型模式，当隔离阀103和108均打开时发生。在此模式中，蒸气从箱10内抽出，并送入致冷系统120。再次重申，控制程序的目标是使回收线中的蒸气浓度水平最高。
回收线控制程序取决于蒸气幕控制程序。当回收线操作时，蒸气平衡幕系统基本平衡了为蒸气排出冷冻箱口14和15的固定损失所提供的致冷。蒸气的剩余部分通过回收线排出冷冻箱10。如果自箱10抽取的速度过大，蒸气平衡系统表现出扰动，因为过多的蒸气排出，使空气渗入增加。如果抽取速度过低，则回收线系统未最佳化，且通过鼓风机外壳105的流量需要增加。如果回收线中的流量满足了致冷系统的能力，致冷系统120最大化，且任何过量的蒸气流过口14和15，为蒸气幕提供额外支持。
管道式冷冻箱结构管道式冷冻箱以类似于螺旋式冷冻箱的方式操作，使内部环境保持高蒸气浓度。其主要区别是管道冷冻箱口相对于冷冻箱的底部一般处于相同高度上。结果，重力效应在管道式冷冻箱中不如其在螺旋式结构中普遍。本发明通过至少允许少部分蒸气离开各管道口来控制空气进入管道式冷冻箱。
一种管道式冷冻箱200示于图12。出于示例的目的，产品通过口201进入箱200，并通过口202输出该冷冻箱。产品是在传送带203上被输送通过冷冻箱200的。致冷流体通过喷射系统204进入冷冻箱。输入到冷冻箱200内致冷剂的量是基于与喷射线上的调节阀连带的温度控制法，对于本技术领域的专业人士是众所周知的。
靠近各致冷口处提供有附加导管和鼓风机系统，用来控制和减少空气渗入冷冻箱和蒸气自箱200的失控输出。所涉及的原理类似于上述螺旋式冷冻箱所采用的方法。在入口201，布置有导管结构和多台各自由其自己的马达211驱动的风机210。蒸气以箭头212所示方向导入。蒸气被抽入至少有一段弯管的导管组件213。导管组件213可以有多段弯管，且必须横跨传送带203的宽度。导管组件213的底部引导此蒸气冲击试图通过箱口离开冷冻箱200的蒸气。在管道式冷冻箱214内或略超出该管道处形成至空气前沿的蒸气。
管道护罩214坐落在底板216上，控制蒸气排出该口的方式。处于管道214的前导缘的是一有助于使空气渗入最小的带上抽吸单元231。该抽吸单元231的设计类似于螺旋箱上所用的单元30。从入口201逸出的蒸气收集在溢流盒217中，并通过导管230排放。气体传感器215用来监测管道214内的蒸气浓度。气体传感器215最好位于带上抽吸单元231的前导缘的内侧。
在出口202要求有类似的结构。邻近开口202设置有导管和多台各自由其自己的马达221驱动的风机220。蒸气如箭头222所示导入。蒸气被抽入至少有一段弯管的导管组件223内。导管组件223可以有多段弯管，且横跨传送带203的宽度。导管组件223的底部导引此蒸气冲击试图通过出口202离开冷冻箱200的蒸气。如同口201一样，过渡管道224坐落在底板226上，以控制蒸气排出该口的方式。监测管道224内的蒸气浓度使用气体传感器225。处在管道224的边缘的是一带上抽吸单元241。从出口202逸出的蒸气收集在溢流盒227内，并通过导管240排放。
如上所述，在各管道214和224内均对蒸气浓度进行监测。基于微处理器的装置281(见图13)提供了一种控制管网(未示出)的阀门定时的装置，以利用一个单独的气体分析仪280获得各个位置的可接受的读数。控制算法是基于管道内的浓度差，即如上面针对螺旋式冷冻箱所讨论的。为了使箱200内的浓度最高，管道内的浓度差要最小。由于管道口201和202均包括导管设备，所以一套鼓风机系统以固定频率操作，而一第二套鼓风机系统具有受控的可变频率。该固定频率鼓风机系统模拟在螺旋冷冻箱中自然出现的重力压头。通过测量口浓度215和225的差，对可变速的鼓风机进行相应的调节。
例如，考虑口201带有可变速的鼓风系统211，而口202带有固定频率鼓风系统221。如果传感器215读出的浓度较传感器225的高，则将要提高该鼓风机的频率。如果传感器215读取的浓度较传感器225的低，则鼓风机的频率将要降低。对可变速的鼓风系统校正的幅度是根据浓度差的大小。差值越大，对鼓风机马达频率的校正也越大。
如同螺旋冷冻箱蒸气平衡控制法一样，管道式冷冻箱算法基本上有两种模式。对于接近稳定状态条件，该控制算法是一做如下操作的闭环回路按预定的时间间隔从各管道收集蒸气浓度样品，比较所收集的样品，并根据样品的差异校正风机频率。对于非稳态条件，例如冷冻箱200的降温过程中，鼓风机频率是作为喷射速度的变化率和/或冷冻箱温度变化率的函数进行校正的。
从箱200内抽出为重复使用的蒸气与螺旋冷冻箱所用的方法类似。如同螺旋冷冻箱一样，其关键目的是在箱内保持高纯度水平。因此，为了成功地从箱200中抽取高纯度蒸气流，两个蒸气幕均需要起作用。回收线250的抽取口可于处于箱200的任何位置，而以箱200的顶表面或底表面为最佳。前面就螺旋式冷冻箱所讨论的回收线的操作对于管道式冷冻箱是相同的。在图12中，这种方案由隔离阀103表示，对应于图10所示回收线系统的初始阀。
为了满足使空气渗入和蒸气失控逸出最小的目的，可以采用几种替代类型的致冷设备。下列实施例基本适用于螺旋式冷冻箱，但也可以在其它冷冻箱中采用，例如管道式冷冻箱。本讨论首先考虑邻近入口14的导管17的替代设计。替代导管的几何形状和控制方法随后给出，再接之以对自冷冻箱内抽取蒸气流的替代方案。
导管组件17的主要目的是建立横跨传送带16的宽度的均匀的蒸气流动模型。首先，建立蒸气幕的装置要求使用其中蒸气流以与风机马达的轴线平行的方向通过叶片的轴流风机。但是，轴流风机给进入、通过并排出导管组件17的气流中带入相当大的涡流。直叶片、导流板和导管的弯曲段或成形段可以使邻近口14的外管道20中沿传送带流动气流的涡流效应最小。
为了使实施该抽吸法时轴流风机的上游效应最小，在水平导管25(见图3)内插入一置于中心的导流板。该导流板自导管25的顶部延伸到底部，并将该导管分隔成两个较小的矩形导管。使用和不使用该导流板的试验表明其对于气流的作用是边缘性的，但肯定不产生负作用。对一个横跨导管并处于轴高度上的水平导流板也进行了研究。与垂直导流板一样，它对外管道20内的气流的作用很小。类似的导流板也可以插入垂直导管23内。同样，其目的是破坏所观察到的在导管组件内形成的大规模垂直流动模式。在垂直导管23内可设置两个或多个叶片，起到气流导直器的作用。另外，在垂直导管23中已经使用了平行于传送带通路的导流板，作为阻挡装置，阻碍蒸气抽离传送带，以试图在外管道20内调节特定的流动区，实现平衡的流动。但是，对于提出次优的导流板解决方案，成本和清洗问题也是很强的影响因素。
在图3、4和5给出优选实施例的同时，图14中又给出了一种实现提离抽吸的替代设计。两种设计的主要差别在于入口供给装置21处的导管结构和来自风机出口28的气流。比较图3和图14，图14的设计以一块呈一定角度的导流板300代替了内管道22和部分垂直管道23。注意，内管道22沿传送带通路进一步移动到箱10内，且仍然是进入导管组件的前缘。在内管道22的后缘和成角导流板300的前缘之间存在有间隙303。另外，带下板35已经延长，与内管道22构成一共同的边缘。而且，间隙303只存在于平行于传送带通路的水平面上。内管道22的侧壁高度已经延伸到与成角导流板300的最终端所确定的侧壁相结合。
采用图14的几何形状，对于试图沿传送带16离开该箱的蒸气，内管道22起到调节管道的作用。向上吸入导管的蒸气通过导管301离开风机区，并被导入箱10的内容积12。当带下板35、调节管道22和间隙303不是组合存在时，系统性能将降低，并且对离开冷冻箱的蒸气的控制也不佳。这种结构的一种改变形式是成角导游板300可以包括带可调节盖的孔，以允许开发不同的抽吸模型。该孔横跨传送带的跨距可以，也可以不等距离相间隔，并用于平衡外管道20的气流。连杆机构联接到该口以提供手动或电动调节，不要求接近冷冻箱的内部。
对于导管组件17，就螺旋式冷冻箱而言，优选结构包括两个风机和两个马达。风机为轴流式，且为多叶片型和有一个大中心毂。对于某些导管几何形状，优选的叶片形式是离心式的。但是，当叶片上出现结冰时离心风机变得不平衡，所以在本发明中采用轴流风机。对于并列安装的两风机，当采用该抽吸法时，对于各风机有优选的转动方向。对于两风机有三种可能的结构两风机以相反方向转动，在两风机之间有向上的共同的流动区；两风机以相反方向转动，在两风机之间有向下的共同的流动区；以及两风机以相同方向转动。这后一种结构最佳。
除以多叶片风机进行试验外，还完成了用一台较大双叶片风机进行的试验。有关的导管进行了改进，以应付所要求的较大开口，并示意性地示于图15。当采用单独一个双叶片风机增强导管内的抽吸时，试验显示出，由于导管/轴的几何形状造成的限制产生了起源于风机的排放处的沿马达轴的向内气流。通过在马达轴上安装环形盘以禁止内流，这种有害的流动条件减弱了。当采用优选的导管几何形状时，单独一个双叶片风机有望成为双风机方案的一种可接受的替代形式。
为了在外管道20内沿传送带获得平衡的气流，在导管的几何形状设计为使蒸气流平稳输出到外管道20之外，对其它导管形状进行了研究。一种可行的替代形式是使该导管包含在冷冻箱内。对内导管的两种改变型进行了研究，并示于图15。正如在优选设计中的，蒸气通过导管401从传送带吸走，并在风机403处排放。在一种改变形式中，如图15中实线所示，为使传送带16附近的蒸气流平稳排出，气流在导管401中转向两次。第二种改变形式，如图15中虚线所示，为了减弱涡流效应，使气流在导管改变型402中转向三次。增加弯管数目的优点是使风机所产生的涡流效应获得较大的减弱。但是，弯管的数目越多，运动相同量蒸气所需要的马力越大。
如图15所示内导管设计的主要缺点涉及在以恒定方式冷却冷冻箱10之前进行清洗和检验导管整体性的能力。如图16所示，通过将导管组件501的主要部分安装在箱外，清洗问题可以容易地解决。基本上，导管501起的作用与图15中所示的相同。在清洗问题减小了的同时，导管的外部存在不同的问题。首先，导管壁需要进行隔热，否则冷冻箱的致冷效率将降低。另外，导管501可能处在风机的抽吸侧，对空气渗入的敏感度增加。当马达最靠近传送带时，其位置是最佳的。而另一方面，导管组件必须具备足够的高度以使来自风机的、对管道20内气流的涡流效应最小。
本发明的再一个实施例，与前述的自传送带吸走蒸气相反，是沿传送带吸取蒸气。参见图17，给出了两种可能的导管几何形状。使这种方法成功的关键是沿导管601推动足够的蒸气向下，堵住由于重力作用试图通过下部口14逸出的蒸气。采用这种抽吸法，导管602内最好有多处弯管，以使传送带16附近气流中的涡流最小。在导管组件的底部，一可调平板605构成外管道20的顶。平板605的插入程度看起来是一个重要参数。另外，在孔21处，自传送带到导管601(602)的上导缘的高度也影响蒸气幕的发展。在沿传送带吹送蒸气的试验过程中所做的观察表明，在螺旋式冷冻箱中，这种方法比抽吸法效率低。但是，以结构601的模式完成的试验显示，风机马达频率的控制可以从一压力传感器以及气体分析仪获得。
优选的控制方法是一种基于靠近冷冻箱各口的管道内浓度差的自调节系统。气体监测装置的设置距口需要离开足够的距离，以防止周期性的室内空气流影响对蒸气幕平衡系统的控制。
除了采用蒸气浓度作为控制信息外，也可以用其它可能的控制参数。特别是，压力传感器可以用来给出对蒸气幕形成的良好程度的指示。压力控制基于冷冻箱内静压力与设定点压力的比较。该设定点是按照箱内的给定温度凭经验建立的。根据需要调节鼓风机速度，以相对于所选定的冷冻箱温度保持所需的设定点压力。当采用压力控制时，静压力的测量最好在两个位置进行，并计算压差与设定点压力比较。静压力测量在蒸气幕处或其附近进行。参见图3，静压力最好在导管17内位置8和19处测量。
本发明还允许蒸气幕由操作人员手动控制，该操作人员相当于微处理器，根据在各管道中测出的蒸气浓度差采取行动。一名有经验的操作人员可以根据管道内的直观表征，例如流光或蒸气云(由于渗入空气遇到外管道内的排出蒸气流，其中的水气冷凝而成)，对蒸气幕进行控制。操作人员将调整联接到鼓风机马达的可变速的驱动装置的频率信号。手动控制的缺点是无论何时该冷冻箱运转，均需要一个操作人员。
对从箱中抽取蒸气的控制是根据使回收线和冷冻箱的蒸气浓度最高而自动控制的。但是，也可以使用其它的参数。例如，可以测量回收线内的流速，并且根据蒸气通过冷冻箱口的固定损失来控制回收线鼓风系统的频率驱动装置。另外，静压差可以用作鼓风机运转良好程度的指标。采用压力测量的优点是读数是静态的且因此对结冰不敏感。回收线鼓风机系统的频率驱动装置也可以按手动模式操作。如同蒸气幕手动控制一样，操作人员将根据所用的指标方法做出决策，感知和控制回收线内的气流活动。
在管道结构200(见图12)中实现高蒸气浓度的另一种控制方法如下。首先，通过给导管组件增加额外的弯曲部分而对导管组件213和223从图12所示的形状进行了改进。在这种情况下，蒸气至空气前沿形成于外管道214和224内。第二项改变是将固定频率鼓风系统替换为受控频率可变的驱动系统。现在，两套鼓风系统均由微处理器281控制，但是，鼓风机系统211和221的运转频率可以相同也可以不同。
对于此系统，控制原则上是基于由于液态致冷剂蒸发而造成的过压状条件，而不是保持各口附近管道内的浓度差本身。但是，无论如何，两管道是受到监测的，且当蒸气浓度改变时，要采取校正行动。例如，如果在管道内蒸气浓度降低，则两个鼓风机系统的频率均要提高。这种控制方法比就优选结构所述的方法更昂贵，因为需要额外的导管且还可能需要第二套变速频率驱动装置。
现在将考虑采用本发明所得到的优点。冷冻箱内的蒸气纯度保持较高水平，因为空气不会容易地进入该箱。进入箱内的空气夹杂少使有效操作更好，因为致冷没有花费在进入空气的冷却上。再者，渗入冷冻箱的空气少，使得以控制的方式从箱中抽出的用于循环的蒸气流具有高纯度。
本发明的一个方面是通过在冷冻箱的一个口，最好是最下面的口附近安装结合采用了本发明的控制装置来实现的。特别是，将试图离开冷冻箱的蒸气再次导回的装置进行改进。对于螺旋式冷冻箱，先有技术已经采用了风机和导管将蒸气再次导回箱内，但是这些系统有局限，其输出蒸气流是通过使用滑片手动控制的。结果是通过传送带口输出冷冻箱的蒸气流的流动模型不均匀。为防止空气渗入，这种条件要求更高的流速。本发明采用了导管组件和风机系统，将蒸气流畅地抽离箱口，并再次导回箱内。如上所述，少量蒸气通过箱口离开，以防止空气渗入。当冷冻箱是回收系统的一部分时，降低通过箱口的流速就变得很重要。
本发明改进了先有技术为平衡冷冻箱内蒸气所采用的控制方案。先有技术的系统已经采用了以恒定频率或可变传动装置驱动的鼓风机系统。另外，鼓风机频率与喷射速度联系在一起。对于这种方法的一个限制是当没有喷射时缺乏控制，这导致随后致冷能力的损失。当鼓风机频率与基于感应可见的蒸气云的系统相联时，控制变为取决于局部的相对湿度水平。湿度低的房间和要冷却的干燥产品将不具备有效控制。在保持蒸气平衡的控制中已经成功地采用了温度传感，所以这一选择方案本质上是没有用的。这些所述控制方案均未从两冷冻箱口沟通信息，提供入流空气和外流蒸气的指标。
本发明采用了使用气体分析仪的控制系统，通过监测两口的浓度提供蒸气在箱内保持程度的指标。再者，本发明没有基于设定点的控制方案，没有鼓风机频率的预定模型。代替的方案是，鼓风系统对箱内的纯度水平做出反应，以实现频率最佳。
本发明还改进了已知系统致冷剂蒸气的重复使用。先有技术的方法要求在上前厅产生足够的抽吸压力，使前厅的压力水平在冷冻箱内处于最低压力之下，并低于大气压。这种方法的试验已经表明，采用这种方法，来自室内的补充空气量相当大。
本发明的经济优点是控制地抽取富含蒸气流不要求大量的补充空气，而且事实上，应减少在循环应用中所要求的补充空气量。补充空气的减少在成本上是一项优点。
本发明对循环应用的控制方案提供了额外的优点。例如在美国专利U.S.5,186,008中，为循环而抽取的蒸气量是喷射速度的恒定倍数。这意味着冷冻箱的蒸气损失以喷射速度的恒定倍数波动。因此，冷冻箱的蒸气损失随喷射速度变化。
在本发明中，冷冻箱的蒸气损失对于给定的应用场合，基本是固定在某值。因此，被重复使用的蒸气流的流量相对于喷射速度不是一固定比值。这种控制方法的优点是对于经济上可行的重复使用系统确定合适的气体浓度更加灵活。
应当理解，前面所述仅仅是图示本发明。本技术领域的专业人士在不背离本发明的前提下可以设计出多种替代型和改进型。因此，本发明旨在包括所有处于所附权利要求范围内的替代型、改进型和改变型。
权利要求
1．一种提高冷冻箱效率的系统，其包括一第一口和一第二口；传送带装置，用于在上述第一口和上述第二口之间移动产品；上述冷冻箱内的致冷剂流体；一第一管道，其于上述第一口处围绕上述传送带装置的一部分，且包括一向上述冷冻箱内开放的内管段和联接到上述第一口的外管段；一第一再循环导管装置，其具有一个处在上述冷冻箱内的开口和一在上述内管段和外管段之间联接到上述第一管道的第二开口，在其中提供流量可变的上述致冷剂流体；以及一第一监测装置，其包括与上述第一口并置的一第一传感器和与上述第二口并置的一第二传感器，用于确定致冷剂流体的相对浓度和用于根据上述浓度控制上述再循环导管装置，改变其中的致冷剂流体的流量，从而在上述第一口和第二口建立从致冷剂流体至空气的过渡区，并进一步使上述第一传感器和上述第二传感器处的致冷剂流体浓度相互移动接近。
2．如权利要求1所述的系统，其中，通过上述第一再循环导管装置的上述致冷剂流体的上述气流处在上述第一管道和上述冷冻箱之间，且其中上述第一监测装置使上述再循环导管装置改变上述气流的量，从而保持上述致冷剂流体通过上述第一管道的上述外管段的流量充分，以建立上述致冷剂流体至空气的过渡区。
3．如权利要求1所述的系统，其还包括位于上述第一口附近并处于上述传送带装置上方的真空装置，用于将自该处排出的致冷剂流体向上抽入循环导管。
4．如权利要求3所述的系统，其还包括置于上述第二口附近的真空装置。
5．如权利要求1所述的系统，其中上述第一再循环导管装置包括一导管和变速风机装置，后者设置为可影响通过上述导管的致冷剂流体流量，上述导管包括至少一段弯管，以减小涡流效应。
6．如权利要求1所述的系统，其还包括一个通过上述冷冻箱的外壁的致冷剂流体抽取口；置于上述抽取口附近的循环导管装置，用于将致冷剂流体自上述冷冻箱抽入回收线；一第二监测装置，它包括一个位于上述回收线内的一第三传感器，用于确定致冷剂流体浓度和用于控制上述循环导管装置，其中上述第二监测装置控制上述致冷剂流体的抽取且与上述第一监测装置协同操作，在上述第一和第二口处保持住上述致冷剂流体至空气的过渡区。
7．如权利要求1所述的系统，其还包括致冷装置；将上述冷冻箱联接到上述致冷装置的导管装置；和上述导管装置中的阀门装置，其联接到一第二监测装置，用于确定上述导管装置内的致冷剂流体浓度，其中上述第一监测装置和上述第二监测装置操纵上述阀门装置，以控制通过上述导管装置的致冷剂流体流量，从而保持至少一处致冷剂流体浓度处于所需水平。
8．一种提高冷冻箱效率的方法，冷冻箱包括一第一口、一第二口、在上述第一口和上述第二口之间输送产品的传送带装置、一种处于上述冷冻箱内的致冷剂流体、围绕上述传送带装置的第一管道，且其包括一向上述冷冻箱内敞开的内管段和联接至上述第一口的外管段、一具有向上述冷冻箱内开放的开口和一在上述内管段和外管段之间联接至上述第一管道的第二开口的第一再循环导管、以及用于在上述第一再循环导管中提供流量可变的上述致冷剂流体的第一风机装置，上述方法包括的步骤有a)感应上述第一口附近的致冷剂流体浓度和上述第二口附近的致冷剂流体浓度；和b)控制上述风机装置，对应于在步骤a)中所感应到的致冷剂流体浓度，改变上述致冷剂流体在上述第一再循环导管中的流量，且因此，改变致冷剂流体在上述外管段中的量，从而使在上述第一口附近感应到的致冷剂流体浓度和在上述第二口附近感应到的致冷剂流体浓度相互接近。
9．如权利要求8所述的方法，其还包括以下步骤c)给上述第一口、上述第二口附近和上述传送带装置上方施加真空，将排出的致冷剂流体自上述传送带装置向上抽取并进入循环导管。
10．如权利要求8所述的方法，其中，上述冷冻箱通过一包括阀门的导管装置联接到一致冷装置，且包括的步骤还有操纵上述阀门控制通过上述导管装置的致冷剂流体流量，从而使至少一处上述致冷剂流体浓度保持在所需的水平。
全文摘要
在冷冻箱中保持致冷流体的方法和设备。控制设备安装在冷冻箱内，靠近一个口。控制装置调节离开冷冻箱内部的蒸气的流量。它包括导管组件和鼓风系统。导管组件的底部有供传送带通过的管道罩。联接到管道罩边缘内部的是一根自传送带延伸向上的导管。鼓风系统或将蒸气抽离传送带或向其吹送。无论流动方向如何，在管道罩内都形成一道蒸气幕。导管组件鼓风机的控制是基于管道罩内各口附近的蒸气浓度。在用一微处理器进行比较后，改变鼓风机马达的频率，以使各口的浓度差最小。
文档编号F25D29/00GK1238446SQ99108309
公开日1999年12月15日 申请日期1999年6月7日 优先权日1998年6月8日
发明者J·M·吉拉尔德, W·M·布鲁姆塔尔, M·S·诺沃塔斯基, G·D·朗 申请人:普拉塞尔技术有限公司