一种用混合动力压缩机的制冷装置的制作方法

1.本专利申请涉及热能动力、制冷等技术领域，是一种利用低品位热能制冷的技术。


背景技术：

2.气体压缩式制冷是应用最为广泛的制冷方式，制冷性能系数较高，但气体压缩式制冷的需要利用如电能等高等级能量，单位制冷量能耗较大。
3.其它可以利用低品位热能制冷的技术，制冷性能系数一般不高，装置组成相对复杂，可利用的低品位热能的温度相对较高。


技术实现要素：

4.本专利申请的目的：可以利用接近环境温度的低品位热能作为主要能量，降低单位制冷量能耗；采用相对成熟的技术，使装置组成简单、制造容易；循环工质安全、环保、经济。
5.本专利申请的核心是混合动力压缩机，利用同一自然物质的低温增压液体工质和增热增压的气体工质混合作为动力，压缩气体制冷，其中的气体工质作为换热工质向外输出冷量的同时获取热量；混合动力压缩机借鉴低温活塞式液体泵和活塞式气体压缩机的结构特点，采用双缸交替驱动、双缸交替压缩的结构；做功的动力腔利用喷嘴出来的动能以及气液混合后产生的位能做功，压缩低压气体工质；混合工质因做功焓值降低、湿度增加；做功的动力腔切换后，作为非做功动力腔，其中的混合工质降压排出，经气液分离后，液体工质经低温液体泵增压后继续使用，低压气体工质经换热增温、增压后继续使用；低压气体工质与外部换热输出冷量用于制冷。
6.本专利申请采用液空、液氮、液氧液氮混合物等自然工质作为循环工质，利用深冷温度与环境温度之间接近200℃的温差，放大了低品位热能可利用温度范围；以电能作为辅助能量，使得低品位热能成为循环的主要能量来源，从而降低了单位制冷量能耗。
7.本专利申请的一种用混合动力压缩机的制冷装置包括：该制冷装置包括：低温补液阀(01)、气液分离器(02)、回流阀(03)、第一缓冲罐充气阀(04)、空气预热器(05)、第一缓冲罐(06)、进气切换阀(07)、混合动力压缩机(08)、混合动力压缩机动力侧(08-1)、混合动力压缩机压缩侧(08-2)、进液切换阀(09)、排气液切换阀(10)、过冷器(11)、低温液体泵(12)、气液换热器(14)、节流阀(15)、第二缓冲罐(16)、制冷换热器(18)、循环冷却水装置(20)、制冷用户(21)、主冷箱(30)，
8.气液分离器(02)与低温补液阀(01)、回流阀(03)、低温液体泵(12)、排气液切换阀(10)、节流阀(15)连通，过冷器(11)固定于气液分离器(02)中部，过冷器(11)与制冷换热器(18)、节流阀 (15)连通，
9.回流阀(03)与低温液体泵(12)、第一缓冲罐充气阀(04)、气液换热器(14)连通，气液换热器(14) 与进液切换阀(09)、第一缓冲罐(06)、进气切换阀(07)连通，第一缓冲罐充气阀(04)经空气预热器 (05)与第一缓冲罐(06)连通，进液切换阀(09)与混合动力压缩机
动力侧(08-1)连通，进气切换阀 (07)与混合动力压缩机动力侧(08-1)连通，
10.混合动力压缩机动力侧(08-1)经排气液切换阀(10)与气液分离器(02)连通，混合动力压缩机(08) 的混合动力压缩机动力侧(08-1)与混合动力压缩机压缩侧(08-2)绝热轴连，混合动力压缩机压缩侧(08-2) 与第一缓冲罐(06)、第二缓冲罐(16)、循环冷却水装置(20)连通，
11.制冷换热器(18)与制冷用户(21)、第二缓冲罐(16)连通，
12.气液分离器(02)、回流阀(03)、第一缓冲罐充气阀(04)、进气切换阀(07)、混合动力压缩机动力侧(08-1)、进液切换阀(09)、排气液切换阀(10)、低温液体泵(12)、气液换热器(14)、节流阀(15)、制冷换热器(18)固定于主冷箱(30)中。
13.混合动力压缩机包括：绝热罩(001)、动力侧机壳(002)、动力侧自由腔(003)、左动力腔(004)、右动力腔(005)、动力腔活塞(006)、气液喷射器(007)、绝热接手(008)、低温轴(009)、低温轴封(010)、低温活塞环(011)、左缸排放管(012)、右缸排放管(013)、喷嘴(014)、左缸进液管(015)、左缸进气管(016)、右缸进液管(017)、右缸进气管(018)、常温轴(030)、压缩侧机壳(031)、左压缩腔(032)、右压缩腔(033)、压缩侧自由腔(034)、左压缩腔进气阀(035)、左压缩腔排气阀(036)、右压缩腔进气阀(037)、右压缩腔排气阀(038)、压缩腔活塞(039)、压缩腔活塞环(040)、压缩腔轴封(041)、绝热垫(050)、中间自由腔(051)，冷却水套(053)、冷却水进水管(055)、冷却水排水管(056)，
14.动力侧机壳(002)与压缩侧机壳(031)通过绝热垫(050)和轴连接，绝热罩(001)与压缩侧机壳 (031)连接，
15.动力侧自由腔(003)、左动力腔(004)、右动力腔(005)、中间自由腔(051)通过动力侧机壳(002) 和低温轴(009)连接，动力腔活塞(006)与低温轴(009)连接，动力腔活塞(006)经低温活塞环(011) 与动力侧机壳(002)连接，
16.低温轴(009)、常温轴(030)通过绝热接手(008)连接，低温轴(009)通过低温轴封(010)与动力侧机壳(002)连接，常温轴(030)通过压缩腔轴封(041)与压缩侧机壳(031)连接，
17.中间自由腔(051)与左压缩腔(032)、右压缩腔(033)、压缩侧自由腔(034)通过常温轴(030) 连接，左压缩腔(032)、右压缩腔(033)、压缩侧自由腔(034)与压缩侧机壳(031)连接，压缩腔活塞 (039)通过压缩腔活塞环(040)与压缩侧机壳(031)连接，压缩腔活塞(039)与常温轴(030)连接，
18.左压缩腔进气阀(035)、左压缩腔排气阀(036)、右压缩腔进气阀(037)、右压缩腔排气阀(038) 与压缩侧机壳(031)连接，左压缩腔进气阀(035)、左压缩腔排气阀(036)与左压缩腔(032)连通，右压缩腔进气阀(037)、右压缩腔排气阀(038)与右压缩腔(033)连通，
19.左缸排放管(012)与左动力腔(004)连通，右缸排放管(013)与右动力腔(005)连通，喷嘴(014) 与左动力腔(004)、右动力腔(005)连通，喷嘴(014)与气液喷射器(007)连通，左缸进液管(015)、左缸进气管(016)与左侧的气液喷射器(007)连通，右缸进液管(017)、右缸进气管(018)与右侧的气液喷射器(007)连通，
20.冷却水套(053)与压缩侧机壳(031)、冷却水进水管(055)、冷却水排水管(056)连通。
附图说明
21.附图1为本专利申请的工艺流程示意图，图中标记的部分的装置和部件分别为：低温补液阀(01)、气液分离器(02)、回流阀(03)、第一缓冲罐充气阀(04)、空气预热器(05)、第一缓冲罐(06)、进气切换阀(07)、混合动力压缩机(08)、混合动力压缩机动力侧(08-1)、混合动力压缩机压缩侧(08-2)、进液切换阀(09)、排气液切换阀(10)、过冷器(11)、低温液体泵(12)、气液换热器(14)、节流阀(15)、第二缓冲罐(16)、制冷换热器(18)、循环冷却水装置(20)、制冷用户(21)、主冷箱(30)。
22.附图2为混合动力压缩机结构示意图，图中标记的部分的装置和部件分别为：绝热罩(001)、动力侧机壳(002)、动力侧自由腔(003)、左动力腔(004)、右动力腔(005)、动力腔活塞(006)、气液喷射器(007)、绝热接手(008)、低温轴(009)、低温轴封(010)、低温活塞环(011)、左缸排放管(012)、右缸排放管(013)、喷嘴(014)、左缸进液管(015)、左缸进气管(016)、右缸进液管(017)、右缸进气管(018)、常温轴(030)、压缩侧机壳(031)、左压缩腔(032)、右压缩腔(033)、压缩侧自由腔(034)、左压缩腔进气阀(035)、左压缩腔排气阀(036)、右压缩腔进气阀(037)、右压缩腔排气阀(038)、压缩腔活塞(039)、压缩腔活塞环(040)、压缩腔轴封(041)、绝热垫(050)、中间自由腔(051)、冷却水套 (053)、冷却水进水管(055)、冷却水排水管(056)。
23.附图3为工艺流程的温熵示意图，图中标记的部分的节点分别为：低温液体泵12入口(111)、低温液体泵12出口(112)、气液喷射器007工作流体入口(113)、气液喷射器007工作流体低压区(114)、气液喷射器007混合区(115)、气液喷射器007出口(116)、做功动力腔(117)、气液分离器02气液排放管出口(118)、节流阀15出口(119)、过冷器11出口(120)、制冷换热器18出口(121)、混合动力压缩机压缩侧08-2排气(122)、气液喷射器007引射流体入口(123)、气液喷射器007引射流体低压区 (124)。
具体实施方式
24.结合本专利申请中的技术方案和附图，以循环工质是液空为例，对具体实施方式进行说明。
25.附图1、附图2中，外来的液空经低温补液阀01送入气液分离器02中；开启循环冷却水装置20、制冷用户21；打开回流阀03、第一缓冲罐充气阀04，通过空气预热器05对第一缓冲罐06预充气；打开节流阀15，对第二缓冲罐16预充气；动作进液切换阀09、进气切换阀07、排气液切换阀10，对混合动力压缩机08的动力腔和相关管线交替预冷。
26.附图1、附图2、附图3中，液空经低温液体泵12增压，工作点从附图3中的低温液体泵12入口111点到达低温液体泵12出口112点；经气液换热器14与来自第一缓冲罐06的气体工质换热，工作点到达附图3的中气液喷射器007工作流体入口113点；经气液喷射器007工作流体低压区114点，与先后经气液喷射器007引射流体入口123点、气液喷射器007引射流体低压区124点的引射流体混合，到达附图3中的气液喷射器007混合区115点；混合流体在气液喷射器007出口流速降低、压力上升到达附图 3中的气液喷射器007出口116点；经喷嘴014进入右动力腔005，推动动力腔活塞006向左运动，压缩预充在左压缩腔032中的低压气体工质，工作点从附图3中的气液喷射器007出口116点到达做功动力腔 117点，在动力腔中的动能和位能做功转化为压缩腔中的压力位能和热能，在动力腔中的工质焓值降低，湿度
增加，密度增加；混合动力压缩机08的双动力腔交替驱动、双压缩腔交替压缩；非做功的动力腔中的工质降压后经排气液切换阀10排至气液分离器02中，工作点从附图3中做功动力腔117点到达气液分离器02气液排放管出口118点。
27.附图1、附图2、附图3中，气液分离器02上部的工质经节流阀15降压后，工作点从气液分离器02气液排放管出口118点到达附图3中的节流阀15出口119点；节流后的低压低温工质进入过冷器11，与气液分离器02中下部的工质换热，工作点到达附图3的过冷器11出口120点；低压低温工质经制冷换热器18与制冷用户21换热，输出冷量、吸收热量，二工作点到达附图3的制冷换热器18出口121点；经第二缓冲罐16，再经混合动力压缩机08的左压缩腔进气阀035或右压缩腔进气阀037吸入非被压缩腔；在混合动力压缩机08的左动力腔004或右动力腔005交替驱动下，左压缩腔032或右压缩腔033交替吸气、压缩，工作点到达附图3的混合动力压缩机压缩侧08-2排气122点；压缩气体经左压缩腔进气阀035 或左压缩腔排气阀035进入第一缓冲罐06，经气液换热器14与来自低温液体泵12增压的液体换热后经进气切换阀07进入混合动力压缩机动力侧08-1的左动力腔004或右动力腔005中的气液喷射器007中，工作点到达附图3的气液喷射器007引射流体入口123点。
28.附图1中、附图2、附图3中，气液分离器02中，混合工质中部分释放冷凝潜热而冷凝，部分吸收蒸发潜热而蒸发；含湿气体经节流阀15降温降压后再经过冷器11与混合工质和液体工质换热，加快气液分离，含湿气体到气液分离器02的顶部，液体到气液分离器02的中下部；液体工质因过冷工作点从附图3中的气液分离器02气液排放管出口118点低温液体泵12入口111点；在液位高度同时作用下保证低温液体泵12入口的过冷度，降低气蚀对液体泵的影响。
29.附图1中、附图2中，主冷箱3采用箱式绝热结构，充填珠光砂等绝热材料，冷箱充惰性气体保持正压防止湿气渗入影响保温效果；混合动力压缩机008的绝热罩001独立设置，充填珠光砂等绝热材料，也可包裹绝热材料的方式代替冷箱保温；第一缓冲罐06包裹绝热材料保温。
30.附图1中，制冷用户21可根据需要按照不同温度梯度分开设置，制冷用户21可视为不同温度梯度用户的级联；本专利申请中不同的制冷用户可视为不同的热源，为降低气液比，可适当提高热源温度。
31.附图1中、附图2中，混合动力压缩机压缩侧08-2的冷却水套053用于减缓压缩腔活塞环040 的温升，循环冷却水装置20通过冷却水进水管055、冷却水套053、冷却水排水管056实现闭路循环。