[0001] 本发明涉及自复叠制冷系统的技术领域，特别是指一种制冷剂组分可调的自复叠制冷系统及其控制方法。

[0002] 自复叠制冷系统结构简单，可靠性高，操作简单，经济节能，且使用单台压缩机压缩非共沸混合制冷剂，可制取‑40℃ ‑160℃的低温，受到低温行业的广泛关注。将两种或两~种以上的制冷剂按一定比例混合而成的叫混合工质，依据混合组分的沸点是否相同，分为共沸混合制冷剂和非共沸混合制冷剂。共沸混合制冷剂因其组分沸点一致，表现出与纯质制冷剂相同的恒沸性质，通常用于改善制冷设备性能，提高安全性。非共沸混合制冷剂中低沸点的组分在一定温度下经过气液分离后，气相中的低沸点组分比例较高。以此为基础可以实现自复叠制冷系统中高、低沸点自动分离。

[0003] 自复叠制冷系统通常需要两种或者多种不同沸点的制冷剂作为制冷工质，即非共沸混合制冷剂。为保证各组分的顺利分离，混合制冷剂各组分沸点之间至少需要相差40℃，在自复叠制冷系统的气液分离器中分离，分离效率决定了自复叠制冷系统的性能。

[0004] 在自复叠制冷系统中混合制冷剂的分离是依靠气液分离器将不同沸点的制冷剂进行分离，其原理的实现只能依靠混合工质组分本身的物理性质和环境温度决定，组分分离效率的高低将对系统的制冷能力和性能产生直接的影响。当自复叠制冷系统使用的混合制冷剂确定后，针对的仅为设计工况下的最优配比，在特定的运行工况下能效最高，而自复叠制冷系统在使用过程中，随着环境温度的变化及蒸发器侧温度的变化，自复叠制冷系统无法始终处于设计工况之下，由此造成自复叠制冷系统运行能效的下降，影响自复叠制冷系统的制冷能力和性能。

[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付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。

[0022] 实施例1，一种制冷剂组分可调的自复叠制冷系统，如图1所示，包括对所述自复叠制冷系统中混合制冷剂组分进行调节的控制模块，所述控制模块设置在所述自复叠制冷系统内。在自复叠制冷系统内设置了控制模块，通过控制模块对混合制冷剂组分进行调节，使得混合制冷剂组分的分离效率始终保存较高，自复叠制冷系统始终处于设计工况之下，运行能效保持最高，避免了环境温度变化及蒸发器侧温度变化时制冷能力和性能受到影响的情况，解决了随着环境温度的变化及蒸发器侧温度的变化，自复叠制冷系统无法始终处于设计工况之下，自复叠制冷系统运行能效下降的技术问题。

[0023] 作为自复叠制冷系统中的运行工质，非共沸混合制冷剂的热力性能计算较单组分制冷剂更加复杂，工质组分和配比对其热物性的影响很大。由于自复叠制冷系统是依靠混合制冷剂中各组分的沸点不同来制取高品质的超低温冷量，因此采用不同制冷剂组分及配比的自复叠制冷系统性能会表现出很大的差异。混合制冷剂R134a/R23 中各组分的相对含量对自复叠制冷系统的冷凝压力和蒸发压力、以及最低的冷柜中心温度等参数的影响较大。当R23 的质量分数在某一分数范围时，自复叠制冷系统的性能达到最佳。当混合制冷剂充入制冷系统时，制冷剂的组分固定，无法实现制冷剂组分的在线调节，制冷系统运行能效无法始终维持在最高位。自复叠制冷系统在运行过程中，受蒸发温度和冷凝温度的影响，参与运行的制冷剂在最优运行能效小，存在不同的最优运行组分，目前尚缺少有效的控制方法。而本申请就是调节出制冷剂最优运行组分，使得参与运行的制冷剂保持在最优运行能效小的情况。

[0024] 实施例2，在实施例1的基础上，一种制冷剂组分可调的自复叠制冷系统，如图1所示，所述控制模块包括预冷组件和阀门组件；所述自复叠制冷系统包括第一压缩机1，第一压缩机1出口连接有第一冷凝器2，第一冷凝器2的出口连接有第一冷凝蒸发器3，第一冷凝蒸发器3的第一出口连接有气液分离器4，第一冷凝蒸发器3的第二出口与预冷组件连接，气液分离器4的出气口连接有第二冷凝蒸发器5，气液分离器4的出液口与第二冷凝蒸发器5的进液口连接，气液分离器4与第二冷凝蒸发器5的连接管道上设有第二节流机构10，所述阀门组件并联设置在气液分离器4的出液口与第二节流机构10之间，所述第二冷凝蒸发器5的出液口上连接有蒸发器7，所述蒸发器7的出气口与所述第二冷凝蒸发器5的进液口连接，所述第二冷凝蒸发器5的出气口第一压缩机1的入口连接。通过预冷组件来控制第一冷凝蒸发器3的温度，进而调节气液分离器中的混合制冷剂温度，有利于提高混合制冷剂的分离效率；阀门组件的设置有利于实现自复叠制冷系统当中制冷剂组分的调节。其中自复叠制冷系统使用的制冷剂为混合制冷剂，可以但不限于R134a/R23、R600/R170。预冷组件当中使用的制冷剂为纯质制冷剂。

[0025] 其中富含低沸点组分的气态混合制冷剂离开气液分离器4的出气口后进入第二冷凝蒸发器5，在第二冷凝蒸发器5中被冷凝成液态后沿第二冷凝蒸发器5的出液口经过第三节流机构13到达蒸发器7当中，在蒸发器7中蒸发吸热后形成气态混合制冷剂，气态混合制冷剂与来自第二节流机构10的富含高沸点组分的液态混合制冷剂混合后沿第二冷凝蒸发器5的进液口进入，在第二冷凝蒸发器5蒸发吸热后进入第一压缩机1的进气口。

[0026] 实施例3，在实施例2的基础上，一种制冷剂组分可调的自复叠制冷系统，如图1所示，所述预冷组件包括第二压缩机8，所述第二压缩机8的出口连接有第二冷凝器9，第二冷凝器9与所述第一冷凝蒸发器3连接，所述第一冷凝蒸发器3的第二出口与所述第二压缩机8的入口连接。预冷组件当中使用的制冷剂为纯质制冷剂。纯质制冷剂在第二压缩机8的电机运转带动活塞对其进行压缩后，形成高温高压的制冷剂气体，高温高压的制冷剂气体进入第二冷凝器9散热冷凝成液态制冷剂，液态制冷剂进入第一冷凝蒸发器3的热流体入口连接，第一冷凝蒸发器3的热流体出口与第二压缩机8连接，液态制冷剂经过第一冷凝蒸发器3后形成低温低压的制冷剂气体到达第二压缩机8的入口，以此形成循环，液态制冷剂在第一冷凝蒸发器3的热流体端流通为第一冷凝蒸发器3的冷流体经过的混合制冷剂调节温度，有利于提高混合制冷剂的分离效率。第一冷凝蒸发器3的热流体端也就是冷凝端。

[0027] 其中第一冷凝蒸发器3和第二冷凝蒸发器5中均设有两条工质流通通道，分别为热流体通道和冷流体通道，第一冷凝蒸发器3的热流体入口与热流体出口通过热流体通道联通，冷流体入口与冷流体出口通过冷流体通道联通；第二冷凝蒸发器5的冷流体入口与冷流体出口通过冷流体通道联通，热流体入口与热流体出口通过热流体通道联通；该系统所用工质为二元及以上的非共沸混合制冷剂。

[0028] 实施例4，在实施例3的基础上，一种制冷剂组分可调的自复叠制冷系统，如图1所示，所述第二冷凝器9与所述第一冷凝蒸发器3之间设有第一节流机构6。第一节流机构6的设置有利于控制第一冷凝蒸发器3的热流体端的流量，进而便于控制第一冷凝蒸发器3当中的热交换。

[0029] 实施例5，在实施例4的基础上，一种制冷剂组分可调的自复叠制冷系统，如图1和图2所示，所述阀门组件包括两个电磁阀11和截流管道12，两个电磁阀11之间通过截流管道12连接，两个电磁阀11分别与所述气液分离器4的出液口和第二节流机构10连接。两个电磁阀11和截流管道12之间的空间形成了液态制冷剂的储存空间，实现液态制冷剂的封存及解封，有利于通过调节液态制冷剂的添加量，来调节混合制冷剂的组分。

[0030] 实施例6，在实施例5的基础上，一种制冷剂组分可调的自复叠制冷系统，如图1和图2所示，所述气液分离器4的出液口与第二节流机构10之间设置至少两个所述阀门组件，至少两个所述阀门组件沿气液分离器4的高度方向并联设置。至少两个所述阀门组件沿气液分离器4的高度方向并联设置，可以通过依次开启不同高度阀门组件，来保证气液分离器4中的液位高度。

[0031] 实施例7，在实施例6的基础上，一种制冷剂组分可调的自复叠制冷系统，如图1所示，所述第二冷凝蒸发器5的出液口与蒸发器7之间设有第三节流机构13。第三节流机构13的设置是为了控制第二冷凝蒸发器5通入蒸发器7当中液态制冷剂的流量，便于控制制冷系统当中混合制冷剂组分的变化。

[0032] 实施例8，在实施例7的基础上，一种制冷剂组分可调的自复叠制冷系统，如图1所示，所述第一冷凝器2和第二冷凝器9均为风冷翅片管式换热器；所述第一冷凝蒸发器3和第二冷凝蒸发器5均为套管式换热器；所述第一节流机构6、第二节流机构10和第三节流机构13均为电子膨胀阀。第一冷凝器2和第二冷凝器9均为风冷翅片管式换热器，通过在管外增设翅片，极大地增加了传热面积，使得热量能够更快速地传递给流体，从而实现了高效的热量交换。在相同条件下，能够处理更多的热量，提高了热交换效率。

[0033] 其中第一冷凝蒸发器3和第二冷凝蒸发器5均为套管式换热器，套管式换热器由于流体直接接触，热交换效果较好，并且结构简单，易于维护和检修。

[0034] 第一节流机构6、第二节流机构10和第三节流机构13均为电子膨胀阀，电子膨胀阀能够实现高精度的流量控制，有利于自复叠制冷系统当中混合制冷剂组分的调节。

[0035] 实施例8实施时，高温高压的非共沸混合制冷剂离开第一压缩机1出口，进入第一冷凝器2中冷凝成为两相流体，两相流体进入第一冷凝蒸发器3，通过第一冷凝蒸发器3之后两相流体进入气液分离器4，进入气液分离器4中实现混合制冷剂高低沸点组分分离：富含低沸点组分的气态混合制冷剂离开气液分离器4气相出口后，进入第二冷凝蒸发器5的热流体通道中被继续冷却成为液体，富含高沸点组分的液态混合制冷剂离开气液分离器4液相出口后，经过第二节流机构10；低沸点组分的液态混合制冷剂离开第二冷凝蒸发器5液相出口后，经过第三节流机构13，并流入蒸发器7当中并被蒸发器7蒸发形成制冷剂蒸气，蒸发器7出口的制冷剂蒸气与经过第二节流机构10流出的富含高沸点组分的液态混合制冷剂混合后进入第二冷凝蒸发器5的冷流体通道中吸收热量，冷却第二冷凝蒸发器5中的热流体同时形成气态混合制冷剂，气态混合制冷剂沿第二冷凝蒸发器5的气相出口回到第一压缩机1的入口处；当环境温度的变化及蒸发器侧温度的变化时，启动开启第二压缩机8、第二冷凝器
9、第三节流机构13和第一冷凝蒸发器3组成的预冷组件，通过预冷组件控制第一冷凝蒸发器3的温度，第二压缩机8产生的高温高压的气态纯质制冷剂离开第二压缩机8出口，进入第二冷凝器9中冷凝成为液态纯质制冷剂，液态纯质制冷剂进入第一冷凝蒸发器3左侧的冷流体通道中吸收热量，将冷凝蒸发器3右侧的热流体通道中的两相流体进一步的冷却，使得两相流体当中混合制冷剂分离的更彻底，同时液态纯质制冷剂进入第一冷凝蒸发器3左侧的冷流体通道中吸收热量后变成气态纯质制冷剂并回到第二压缩机8的入口处。

[0036] 实施例9，在实施例1 8任一项的基础上，一种控制方法，如图1和图2所示，应用于~上述的制冷剂组分可调的自复叠制冷系统，当环境温度和工作温度引起的第一冷凝器2和蒸发器7中的温度发生变化时，通过第一节流机构6调节气液分离器4中混合制冷剂的温度，进而调节进入第二节流机构10和第三节流机构13中制冷剂的组分；通过控制电磁阀11的开启和关闭，实现液态制冷剂在截流管道12内的封存及解封，调节液态制冷剂进入自复叠制冷系统的流量，进而调节进入自复叠制冷系统当中制冷剂的组分。

[0037] 实施例9实施时，以气液分离器4的出液口与第二节流机构10之间设置三个所述阀门组件为例，三个所述阀门组件一共有六个电磁阀S1、S2、S3、S4、S5、S6。通过控制六个电磁阀的开启和关闭，实现液态制冷剂的封存及解封，调节进入自复叠制冷系统循环的制冷剂组分；当气液分离器温度降低导致分离器内部液位上升时，首先打开电磁阀S1和电磁阀S2，30秒后顺序关闭电磁阀S2和电磁阀S1；经过10分钟的运行后，如果气液分离器液位无明显变化，则打开电磁阀S3和电磁阀S4，30秒后顺序关闭电磁阀S4和电磁阀S3；经过10分钟的运行后，如果气液分离器液位无明显变化，则打开电磁阀S5和电磁阀S6，30秒后顺序关闭电磁阀S5和电磁阀S6。通过以上步骤保证气液分离器中的液位高度；当气液分离器温度升高导致分离器内部液位下降时，首先打开电磁阀S2和电磁阀S1，30秒后顺序关闭电磁阀S2和电磁阀S1；经过10分钟的运行后，如果气液分离器液位无明显变化，则打开电磁阀S4和电磁阀S3，30秒后顺序关闭电磁阀S4和电磁阀S3；经过10分钟的运行后，如果气液分离器液位无明显变化，则打开电磁阀S6和电磁阀S5，30秒后顺序关闭电磁阀S5和电磁阀S6。通过以上步骤保证气液分离器中的液位高度。

[0038] 实施例10，在实施例9的基础上，一种控制方法，如图1所示，当所述自复叠制冷系统的机组停机时，通过开启第二压缩机8、第二冷凝器9、第三节流机构13和第一冷凝蒸发器3组成的预冷组件来控制自复叠制冷系统的压力，保证在机组停机状态下的安全。

[0039] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。