制冷系统从二十世纪初就已经存在，当时开发出了密封的制冷系 统.从那时起，制冷技术上的改进已经证明了制冷系统可用于家用和 工业装置.尤其是，当今的低温制冷系统的工业用途主要在生物制药 领域、低温电子、涂渍操作和半导体制造领域.在这些许多应用中， 制冷系统不但需要提供低温而且要承受系统被带入大大高于0℃的除 霜循环.开发这种可以在该温度范围内运行的制冷系统并且拥有相关 知识产权的公司一直可以获得丰厚利润.
提供温度低于-50℃的制冷有许多重要应用，尤其是在工业制造和 试验应用中.本发明涉及提供的制冷温度范围从-50℃到-250℃的制冷 系统.包含在该范围的温度是指名称不同的低温、超低温和深冷.对 本专利来说，术语“深度低温”或非常低温度是指-50℃到-250℃的温 度范围.
在许多在真空条件下实施的制造过程中，因为各种原因，需要加热 系统的元件.这种加热过程就是除霜循环.加热会提高制造系统的温 度，使系统各部件接通大气并且通风而不会引起空气中水分的凝结. 整个除霜循环和随后的产生深度低温的恢复时间越长，制造系统的产 量越低.能快速除霜和快速恢复真空室内低温抽气表面的冷却是有益 的.所需要的是一种提高真空作业的产量的方法.
许多真空作业都需要这种深度低温度冷却.主要用途是为真空系统 提供水蒸气低温泵.深度低温表面以高于水蒸气释放速率的速率捕获 和保持水蒸气分子.有效效果是迅速并且显著地降低容器的水蒸气分 压力.另一个应用是关于热辐射屏蔽.在该应用中，大的面板被冷却 到深度低温.这些冷却了的面板截断了来自真空室表面和加热器的辐 射热.这可以减少被冷却表面的热负荷，该被冷却表面正被冷却到低 于面板的温度.又一个用途就是去除被制造的物体上的热量.在某些 情况下，该物体是用于计算机硬盘驱动器的铝盘，用于集成电路的硅 片，或者用于平板显示的材料.在这些情况下，该深度低温提供一种 比其他装置更快地从这些物体除去热量的装置，即使工序终了物体的 终温可能比室温还高.另外，包括硬盘驱动媒体，硅片，或平板显示 材料的某些应用涉及材料在这些物体上的沉淀.在这些情况中，因为 沉淀产生的热量从物体上释放出来，当物体要保持在规定温度时必须 要除去这些热量.冷却例如压板这样的表面是从这种物体中除去热量 的典型装置.在所有这些情况下，应当明白的是，当提供深度低温的 冷却时，蒸发器表面是制冷剂除去这些用户应用产生热量的场合.
在许多制冷应用中，需要长期的高温以顾及到被加热物体有缓慢响 应时间.对于延长的除霜时间，常规系统会因范围从为300到500psi 的高的排气压力而超负荷并停止工作.这种系统的压缩机的排气压力 需要被限制，以防止过高的排气压力，否则，下游的部件就会过压. 通常，在应有的位置设置安全开关或压力释放阀以防止排气压力过 高；但是，这限制了除霜循环.所需要的是一种增加制冷系统的除霜 时间而不超过其工作极限的方法.
在许多应用中，可能需要逐渐加热或冷却.比如，半导体晶片制造 过程中的陶瓷卡盘中产生的迅速温度变化不能超过某种极限，该极限 根据卡盘具体材料特性而变化.如果该速率过高，卡盘就会破裂.所 需要的是一种提供可调节的加热和冷却系统的方法.
常规的深度低温制冷系统的除霜时间通常为2到4分钟，对于大盘 管多到7分钟.对于这些除霜时间，制冷系统因高的排气压力而受到 限制，因此在制冷继续之前需要5分钟的恢复时间，因此延长了整个 除霜循环.所需要的是一种缩短制冷系统的整个除霜循环的方法.
烘赶过程是在真空室暴露在大气中后(比如当打开该室进行保养 时)，加热真空室内的所有表面以除去该室内的水蒸气.进行烘干过 程的常规技术包括用加热器加热该表面，加热器使真空室部件暴露于 200℃以上温度并维持一段延长的时间以促进从容器表面去除水蒸 气.如果冷却表面在使用该方法的被加热的容器内，剩余的制冷剂和 润滑油就会分解，因此降低了制冷过程的可靠性.所需要的是一种在 烘干过程中保持该过程的流体的化学稳定性的方法.

转让给Carrier Corporation(Syracuse，NY)的美国专利 No.6112534“制冷和加热循环的系统和方法(refrigeration and heating cycle system and method)”描述了一种改进的制冷系统 和加热/除霜循环.用于加热循环的空气和给一个封闭区域除霜的该系 统包括制冷剂，和使用该制冷剂加热该循环空气的蒸发器，以及用来 接收来自蒸发器的制冷剂并将该制冷剂压缩到更高温和更高压的压缩 机.为了增加制冷剂和循环空气之间的温差，为了提高系统效率，以 及为了优化加热和除霜循环中的系统性能，该系统还包括以下三者组 合件，即放置于压缩机和蒸发器之间用于形成部分膨胀了的制冷剂的 膨胀阀，和用于检测系统参数的控制器，以及根据控制器响应的机构.
转让给Dube，Serge(Quebec，Canada)的美国专利No.6089033“高 速蒸发器除霜系统(High-speed evaporator defrost system)”描 述了一种高速蒸发器除霜系统，它包括除霜管道回路，该回路连接到 一个或多个压缩机的排出管上，并且经过一个可以储存制冷系统的全 部制冷剂的辅助贮液器返回吸气集管.辅助贮液器处于低压，并且当 液态制冷剂聚集到预定水平时可以自动注入主贮液器中.除霜回路的 辅助贮液器在蒸发器的制冷盘管上产生压差，甚至在压缩机低排气压 力下该压差足以使排出管路中的热的高压制冷剂气体加速经过蒸发器 的制冷盘管，使制冷盘管迅速除霜，其中盘管两端的压差在从30到 200psi范围内.
转让给Praxair Technology，Inc.(Danbury，CT)的美国专利 No.6076372“深冷用的可变负荷制冷系统(Variable load refrigeration system particularly for cryogenic temperature)”描述了一种用来产生制冷的方法，特别是在包括深冷 在内的宽的温度范围内进行制冷，其中，从限定的部件形成一种无毒、 不易燃和低或无臭氧损耗的混合物，并且通过制冷循环的压缩、冷却、 膨胀和加热步骤以变负荷的形式保持在系统中.
转让给Redstone Engineering(Carbondale，CO)的美国专利 No.5749243“带有温度控制的低温制冷系统(Low-temperature refrigeration system with precise temperature control)”描 述了一种低温制冷系统(10)，该系统通过在一段时间内改变加热输 出用于将仪器(11)维持在一个基本恒定的预定低温下.制冷系统(10) 通过精确调节与仪器(11)相关的换热界面(12)处的冷却剂压力来 控制仪器(11)的温度.通过利用一个或两个循环回路和/或一个包括 加热器(32)的非机械式流量调节器(24)来调节冷却剂的压力和流 量.考虑到相对于冷源(14)提供的冷量来改变系统(10)的冷量输 出，制冷系统还提供一个热容器(16).
转让给General Cryogenics Incorporated(Dallas，TX)的美 国专利No.5396777“除霜控制器(Defrost controller)”，描述 了一种冷却间隔室内的空气的方法和装置，其中液体CO2经过第一主换 热器被输送，这样就有足够的热量被吸收使液体二氧化碳蒸发形成高 压蒸汽.高压蒸汽在一个燃气加热器中被加热以防止高压二氧化碳减 压时凝固，二氧化碳蒸汽经过气动风扇电机减压绝热膨胀后进入第二 换热器.当CO2蒸汽通过电机膨胀时，风扇电机入口的喷嘴和风扇电 机管线上的电磁阀使蒸汽增压，这时加热器提供足够热量防止其固 化.在进入换热器之前，CO2蒸汽从第二换热器循环流到并冷却除湿机 内的表面以冷凝空气流中的水分.
发明概述
本发明是一种受控的深度低温制冷系统，其使用单个蒸发器并具有 长期在-150℃低到低温下冷却和长期在高达+130℃高温下加热的能 力.在延长的除霜模式下，本发明的深度低温制冷系统不允许除霜气 体持续地返回到其制冷过程单元.本发明的深度低温制冷系统而是提 供一个返回旁通回路，以防止制冷过程的超负荷(过压)，从而使除 霜循环连续运行.但是，在冷却模式下，当冷却表面被冷却下来时， 利用该除霜返回旁路，从而缩短恢复周期.因为本发明的深度低温制 冷系统在每个除霜循环后的恢复周期更短，所以缩短了总的过程时 间.另外，本发明的深度低温制冷系统还有受控流，其中以开环(即 没有控制器反馈)的方式控制冷却或加热期间的温度变化率.此外， 本发明的深度低温制冷系统利用系统可以在全温度范围下运行，在受 控方式下可以提供恒定或可调节的制冷剂供应和/或返回温度.
为了正确理解本发明的受控的深度低温制冷系统的优点，下面简要 叙述一下常规的深度低温制冷系统.
通常，常规深度低温制冷系统有将诸如盘管或不锈钢压板之类的蒸 发器表面在几分钟之内加热到室温的除霜功能.短的除霜循环，通常2 到4分钟，会增加产品的价值，因为从冷却到暖热需要更短的时间使 用户更好地利用设备，即可以提高产量.
在典型的除霜循环中，蒸发器中的制冷剂只是被加热到室温，这只 是适合于盘管但是不适合于其他形式的表面(即不锈钢压板)，其中 蒸发器表面(即压板面)和制冷剂之间没有大的热接触面.其次，不 锈钢压板的响应时间长.因为响应时间长，即使进行除霜循环并且从 不锈钢压板返回的制冷剂为室温或更高，压板仍然很冷.其结果为， 只有板子的一部分变暖，除霜循环完成后，板子仍然比能接受的更冷. 因此需要的除霜循环时间变长.但是，因为由于排气压力太高而使系 统过载而停机，目前设计的制冷系统受限制并且不能延长除霜时间. 通常，在排出管上设置一个安全开关或压力释放阀，以防止排气压力 过高和需要可能的损坏.因此，在常规的深度低温制冷系统工作极限 的限制内，不可能(利用传统方法)延长除霜时间.
本发明提供延长除霜运行并且防止系统出现排出压力过高的装 置.为实现此目的，采用一种使暖的返回制冷剂气体流绕过制冷过程 而旁通的方法.该方法的目的是在该旁通支路上采用标准件.但是， 这种标准件不是为用于极低温流体而设计的.由于一些合金在低温下 工作会变脆，这些部件在极低温下工作将会导致弹性密封失效，并导 致保证阀和压缩机外壳的额定压力的重要机械特性的丧失.本发明描 述如何使用这些标准件以至于不暴露在深度低温下.
另一极端方面，温度过高也会损坏部件.当蒸发器与制冷系统连接 时，明确的是在某种程度上制冷剂和压缩机油一直存在于蒸发器内. 在烘干真空室时，蒸发器暴露在200℃或更高温度下.这超过了制冷剂 和油的最大暴露温度.暴露在该温度下的时间延长将引起这些分子的 化学分解.为此的产品中包含有酸，酸会使主要系统部件比如压缩机 的寿命缩短.在除霜模式下，使得制冷剂在+130℃或更低温度下循环 经过蒸发器，就能保证蒸发器中的制冷剂和油保持在能够防止任何化 学分解的温度范围内.
发明的其他目的和优点也在具体说明中体现出来.
因此本发明包括结构、元件组合和部件布置方面的特征，这些特征 将在下面的阐明的结构中进行具体举例说明，发明的范围在权利要求 书中予以指明.
附图说明
为了更好地理解本发明，下面联系附图进行说明，其中：
图1是根据本发明的具有旁通回路的深度低温制冷系统的示意 图；
图2是根据本发明的用于图1中的制冷系统的制冷过程单元的局 部示意图；
图3是根据本发明的用于图1中的制冷系统的除霜旁通回路的局 部示意图；
图4是根据本发明的用于图1中的制冷系统的除霜旁通回路的局 部示意图；
图5是根据本发明的用于图1中的制冷系统的另一个除霜旁通回 路的局部示意图；
图6是根据本发明的带有可变分流阀的制冷系统的压缩机侧的局 部示意图；
图7是根据本发明的带有换热器的制冷系统的高压侧的局部示意 图；和
图8是根据本发明的图1中的制冷系统的高压侧的另一个实施例 的局部示意图；

图1示出根据本发明的深度低温制冷系统100.制冷系统100包括 连接到可供选择的油分离器108的入口的压缩机104，油分离器再经排 出管路110连接到冷凝器112.冷凝器112然后连接过滤干燥器114， 过滤干燥器经过液体管路输出116连接到制冷过程118的第一输入 端.制冷过程118的进一步详细描述在图2中说明.当不用油循环来 润滑压缩机时可以不要油分离器.
制冷过程118设置了制冷剂管路输出120，其连接进给阀122入 口.进给阀122出来的制冷剂是低温高压制冷剂，温度通常为-50℃到 -250℃.流量调节装置(FMD)124与冷却阀128串联布置.同样地， FMD126与冷却阀130串联布置.FMD124和冷却阀128的串联组合与 FMD126和冷却阀130的串联组合进行并联布置，这里的FMD124和126 的入口一起连接到由进给阀122出口连接的节点上.此外，冷却阀128 和130的出口一起连接到连接低温隔离阀132的入口的节点上.低温 隔离阀132的出口提供蒸发器供应管路输出134，该输出管路连接到为 用户安装的(一般地)的蒸发器盘管136.
蒸发器136的另一端设置了蒸发器回流管路138，其连接低温隔离 阀140的入口.低温隔离阀140的出口通过内部返回管路142连接深 度低温流量开关152的入口.低温流量开关152的出口供给回流阀44 的入口.回流阀144的出口供给止回阀146的入口，止回阀经制冷剂 返回管路148连接制冷过程118的第二输入端(低压).
温度开关(TS)150与止回阀146和制冷过程118之间的制冷剂回 流管路148热偶连接.另外，多个具有不同断路点的温度开关沿内部 回流管路142热偶连接.TS158，TS160和TS162在低温隔离阀140和 回流阀144之间的中间返回管路142上热偶连接.
从制冷过程118的返回出口经过压缩机吸入管路164到压缩机104 入口的制冷回路是封闭的.位于压缩机104入口附近的压力开关(PS) 196气动地连接到压缩机吸入管路164上.另外，油分离器108的回 油管路109连接压缩机吸入管路164.制冷系统100还包括连接到压 缩机吸入管路164的膨胀箱192.FMD194布置在膨胀箱192的入口和 压缩机吸入管路164之间的管路上.
制冷系统100的除霜供应回路(高压)由以下形成：进给阀176 的入口连接在位于排气管路110的节点A上.除霜阀178与FMD 182 串联布置；同样地，除霜阀180与FMD 184串联布置.除霜阀178和 FMD182的串联组合与除霜阀180和FMD184串联组进行并联布置，这 里除霜阀178和180的入口一起连接到与进给阀176的出口连接的节 点B上.此外，FMD182和184的出口一起连接到节点C，节点C与冷 却阀128和低温隔离阀132之间的节点D之间的管路使除霜供应回路 封闭.
制冷系统100中的制冷剂返回旁通(低压)回路由以下形成：位 于低温流量开关152和回流阀144之间的节点E连接旁通管路186. 旁通阀188与检修阀190在旁通管路186中串联连接.检修阀190的 出口连接到位于制冷过程118和压缩机之间的压缩机吸入管路164上 的节点F上，从而使得制冷剂返回旁通回路完整.
除了TS150，TS158，TS160和TS162之外，制冷系统100中的所 有部件都是机械式或液压式地连接.
安全电路198提供了设置于制冷系统100中的多个诸如压力和温 度开关之类的控制装置的控制，并且接收其的反馈.PS196，TS150， TS158，TS160和TS162是这种装置的实例；然而，制冷系统100中还 设置有其他的传感装置，为了简化起见图1中没有示出.压力开关， 包括PS196是典型的气压式连接，而温度开关，包括TS150，TS158， TS160和TS162是典型的热偶式地连接到制冷系统100的流路中.安 全电路198的控制本质上是电气的.同样的，各个传感装置给安全电 路198的反馈本质上也是电气的.
制冷系统100是深度低温制冷系统，其基本作用，即除去热量和 加热都是本领域所公知的.本发明的制冷系统100使用纯的或混合制 冷剂，例如美国临时专利申请No.60/214562中描述的混合制冷剂.
除了低温隔离阀132和140，制冷系统100中的所有部件都是本领 域熟知的(例如，压缩机104，油分离器108，冷凝器112，过滤干燥 器114，制冷过程118，进给阀122，FMD124，冷却阀128，FMD126， 冷却阀130，蒸发盘器管136，回流阀144，止回阀146，TS150，TS158， TS 160，TS162，进给阀176，除霜阀178，FMD182，除霜阀180，FMD184， 旁通阀188，检修阀190，膨胀箱192，FMD194，PS196和安全电路198). 另外，低温流量开关152在美国临时专利申请No.60/214562中进行了 完整的描述.然而为了清楚起见，下面对这些部件作简要叙述.
压缩机104是接收低压、低温制冷剂气体，并将它们压缩为高压、 高温气体并供应给油分离器108的普通压缩机.
油分离器108是常规的油分离器，其中，来自压缩机104的压缩 过的质量流进入一个降低流速的较大分离腔室中，从而形成雾化了的 油滴，油滴聚集在撞击网表面或者一个聚集元件上.当油滴聚集成大 颗粒时，就会落到油分离器的贮液底部并经压缩机吸入管路164返回 压缩机104.从油分离器108出来的且除去了油的质量流继续流向节点 A并且向前流向冷凝器112.
来自压缩机104的热高压气体经过油分离器108然后经过冷凝器 112.冷凝器112是常规的冷凝器，并且是通过冷凝作用将热量排出的 系统的部件.热气经过冷凝器112时，被经过或越过的空气或水冷却. 当热的制冷剂气体冷却时，在盘管内形成制冷剂液滴.最终，当气体 到达冷凝器112的末端时，已经被部分地冷凝下来；也就是说，存在 液体和气体制冷剂.为了使冷凝器112正常工作，经过或越过冷凝器 的空气或水必须比系统的工作流体更冷.对于某些特殊的应用，调节 制冷剂混合物的组合使得冷凝器中不会发生冷凝.
来自冷凝器112的制冷剂向前流向过滤干燥器114.过滤干燥器 114的作用是吸收系统中的致污物，比如可以产生酸的水，并进行物理 过滤.来自过滤干燥器114的制冷剂然后供应给制冷过程118。
制冷过程118是任何制冷系统或过程，比如单一制冷剂系统，混 合制冷剂系统，通常的制冷过程，复叠式制冷过程的单独一级，自动 制冷复叠式循环，或者Klimenko循环.为了说明的目的，根据本发明 的制冷过程118示于图2，它是自动制冷复叠式循环的一个简化形式， 也可以是被Klimenko描述的.
图2所示的制冷过程118可以有几个基本变型.制冷过程118可 以是复叠式系统的一级，其中冷凝器112中制冷剂的初级冷凝可以由 制冷系统的另一级的低温制冷剂提供。同样地，制冷过程118产生的 制冷剂可以用来冷却或液化更低温度的复叠式过程的制冷剂.另外， 图1示出了单级压缩机.应当明白的是，可以用两台并联压缩机达到 相同的压缩效果，或者通过串联压缩机或者两级压缩机将该压缩过程 分为多级.所有这些可能的变型都在本发明公开的范围内.
还有，图1到图8中仅与一个蒸发器盘管136有关.原则上，该 方法可以用于被单一制冷过程118冷却的多个蒸发器盘管136.在这种 结构中，每一个独立受控制的蒸发器盘管136需要单独的一套阀和 FMD，以控制制冷剂的供给(即除霜阀180，FMD184，除霜阀178，FMD 182，FMD126，冷却阀130，FMD124和冷却阀128)，并且还需要控制 旁通回路的阀(即止回阀146和旁通阀188).
进给阀176和检修阀190是标准的隔膜阀或者比例阀，比如 Superior Packless Valve(Washington，PA)，如果需要可以为隔离部 件提供一些服务功能.
膨胀箱192是制冷系统中常规的贮液器，可以容纳因加热蒸发和 膨胀而引起体积增加的制冷剂气体.在这种情况下，当制冷系统100 停止运行时，制冷剂蒸汽通过FMD194进入膨胀箱192.
冷却阀128，冷却阀130，除霜阀178，除霜阀180和旁通阀188 是标准的电磁阀，比如Sporlan(Washington，MO)models xuj，B-6和 B-19阀.或者，冷却阀128和130是带闭合回路反馈的比例阀，或者 热膨胀阀.
止回阀146是常规的允许流体单向流动的止回阀.止回阀146基 于施加于其上的制冷剂压力而响应执行打开和关闭.(下面是关于止 回阀的另外的描述).由于这种阀暴露在极低温下，因此必须由与这 种温度相配的材料制成.另外，该阀必须有合适的额定压力.此外， 优选为，阀没有允许制冷剂泄露到环境中的密封.因此应当通过铜焊 或焊接连接.单向阀的一个例子是来自Check-All Valve(West Des Moines，IA)的UNSW系列止回阀.
FMD124，FMD126，FMD182，FMD184和FMD196是常规的流量调节 装置，比如毛细管，孔口，带反馈的比例阀，或者任何控制流量的节 流元件.
进给阀122，低温隔离阀132和140和回流阀144都是典型的标准 隔膜阀，例如由Superior Valve Co.制造的阀.但是，因为螺纹中积 聚有少量的冰，从而阻止运行，标准隔膜阀在深度低温下难以工作. 或者，Polycold(San Rafael，CA)已经开发出一种改良的极低温截止 阀，可以用做深度低温制冷系统100中的低温隔离阀132和140.下 面描述低温隔离阀132和140的一个替代实施例.低温隔离阀132和 140有一个装入充有氮气或空气的密封的不锈钢管内的可延伸轴.布置 轴的暖端有压缩式接头和O形环在轴转动时提供密封.其结果为，低 温隔离阀132和140的轴即使在深度低温下也可转动.该轴布置提供 了热隔离，从而阻止了结霜.
被加热或冷却的蒸发器表面由蒸发盘管136表示.为用户安装的 蒸发盘管136的示例为金属管的盘管或者某种类型的压板，比如有管 子热连接于其上的不锈钢台，或者内部有加工成形的制冷剂流动通道 的台.蒸发器不是本发明的新颖之处.因此不管蒸发器是“为用户安 装的”还是为另外设置的对权利要求不重要.
图2是制冷过程118的一个示例.在此公开文本中为了说明本发 明的目的，制冷过程118是作为一种自动制冷复叠式循环示于图2中. 然而，深度低温制冷系统100的制冷过程118可是任何制冷系统或过 程，比如单一制冷剂系统，混合制冷剂系统，通常的制冷过程，复叠 式制冷过程的单独一级，自动制冷复叠式系统，Klimenko循环等.
更具体地，制冷过程118可以是Pilycold系统(即自动制冷复叠 式过程)，带有单个膨胀装置的APD Cryogenics(Allentown，PA) 系统(即没有相分离的单极低温冷却机，Longsworth No.5441658)， Missmer型循环(即，自动制冷复叠式循环，Missimer专利 3768273)，Klimenko型(即单相分离器系统).制冷过程118也可 以是在诸如Forrest专利4597267和Missiimer专利4535597描述 的过程上进行的变型.
对于本发明重要的是，使用的制冷过程必须包括在除霜模式下至少 有一个流过该制冷过程制冷剂流装置.对于单个膨胀装置的冷却器或 者单个制冷系统的情况下，需要一个阀(未示出)和FMD(未示出)使 制冷剂从高压侧流过该制冷过程到低压侧.这保证了制冷剂流过冷凝 器112以便将热量从系统中排出去.这也保证了除霜期间来自制冷过 程118的低压制冷剂与来自管路186的返回的除霜制冷剂混合.对于 那些不需要这种内部制冷流路就可以达到要求的制冷效果的制冷过程 (系统一般具有单个FMD)，在稳定的冷却模式下，可以关闭该阀以制 止从高侧到低侧的内部流.
图2的制冷过程118包括热交换器202，相分离器204，热交换器 206，和热交换器208.在供应流路上，制冷剂流入液体管路116中以 供应给换热器202，换热器连接相分离器204，相分离器连接换热器 206，换热器206连接换热器208，换热器208连接制冷剂供给管120. 在返回流路，制冷剂返回管路148连接热交换器208，换热器208连 接热交换器206.由相分离器分离的液体部分由FMD210膨胀到低压状 态.制冷剂从FMD210流出然后与来自热交换器208的低压制冷剂混合 供应给换热器206.混合流供应给换热器206，然后供应给换热器202， 随后供应给压缩机吸入管164.换热器交换高压制冷剂和低压制冷剂之 间的热量.
如Missimer和Forrest所描述，在更复杂的自动制冷复叠式系 统中，制冷过程118中可以采用另外的分离级.
热交换器202，206和208是工业上所公知的装置，用来将一种物 质的热量传给另一种物质.相分离器204是工业上公知的用来分离液 相的制冷剂和气相的制冷剂的装置.图2示出一个相分离器，然而， 通常为多于一个的相分离器.
继续参见图1和2，深度低温制冷系统100的运行如下：
来自压缩机104的热的高压气体经过可选择的油分离器108然后 经过冷凝器112，在其中气体被经过或越过的空气或水冷却.当气体到 达冷凝器112的末端时，已被部分地冷凝成为液态和气态制冷剂的混 合物.
来自冷凝器112的液体和气体制冷剂流过过滤干燥器114，然后供 应给制冷过程118.深度低温制冷系统100的制冷过程118通常有一 个从高压到低压的内部制冷剂流路.制冷过程118在高压下产生非常 冷的制冷剂(-100到-150℃)，该制冷剂经过制冷剂供应管120流动 到冷气进给阀122.
冷的制冷剂流出进给阀122并供应给FMD124和全流的冷却阀128 的串联组合，它们与FMD126和节流冷却阀130的串联组合进行并联布 置，这里冷却阀128和130的出口在节点D连在一起，再连接低温隔 离阀132的入口.
用户在作为截止阀的低温隔离阀132和低温隔离阀140之间连接 蒸发盘管136.更具体地说，低温隔离阀132连接蒸发器供应管路134， 供给管路134与被加热或冷却的蒸发器表面即蒸发盘管136连接.被 加热或冷却的蒸发器表面即蒸发器盘管136的相反一端与蒸发器返回 管路138连接，蒸发器返回管路连接低温隔离阀140的入口.
从蒸发盘管136返回的制冷剂流过低温隔离阀140至深度低温流 量开关152.
从低温流量开关152出口流出的回流制冷剂经过回流阀144然后 至止回阀146.止回阀146是装有弹簧承载的低温止回阀，具有在1 和10psi之间标准的必需的开启压力.也就是说止回阀146两端的压 差必须超过开启压力才能使允许流动.可选择地，止回阀146是低温 开/闭阀，或者是足够尺寸使压降减小到最小的低温比例阀.止回阀146 的出口通过制冷剂返回管路148连接到制冷过程118.止回阀146在 本发明的制冷系统100的运行中起主要作用.
应当注意到，进给阀122和止回阀144是可供选择的，分别对于 低温隔离阀132和低温隔离阀140来说是有点多余的.但是，如果检 修系统时需要的话，进给阀122和止回阀144确实可以提供隔离部件 的维修功能.
深度低温制冷系统100不同于常规制冷系统之处主要在于它的延 长的除霜循环(即烘干).深度低温制冷系统100与常规制冷系统的 具体区别特征是，在制冷过程118的返回通路上设置一个止回阀146， 以及设置从节点E到F的返回旁通回路以旁通绕过制冷过程118.
在常规的没有止回阀146的制冷系统中，返回的制冷剂气体直接 进入制冷过程118(冷却或除霜模式).然而，在除霜循环中，当到达 制冷过程118的返回制冷剂温度达到+20℃时，制冷过程118通常被中 止，+20℃一般是除霜循环结束的温度.在该点，+20℃的制冷剂与制 冷过程118内的深度低温的制冷剂进行混合.因为有太多的热量被加 入，制冷过程118变为过载之前，只能短时间内允许房间温度和制冷 过程118内的深度低温的制冷剂进行混合.当暖的返回制冷剂加入时， 阻止了制冷过程118产生极低温制冷剂，并且制冷剂压力最终将超过 其的工作极限，从而为了保护制冷过程118，安全电路198使制冷过程 118停止运行.其结果为，常规制冷系统中的除霜循环被限制到2到4 分钟的时间，最高的制冷剂返回温度为+20℃.
但是与之相反的是，深度低温制冷系统100在向制冷过程118返 回的流路上设有止回阀146，并围绕制冷过程118设有从节点E到F 返回旁通回路，该流路经过旁通管186、旁通阀188和检修阀190，从 而使得在除霜循环中对暖制冷剂的返回做出不同响应.正如进给阀122 和回流阀144一样，检修阀190不是必须的，但是如果检修需要的话， 可以用来隔绝部件.
在除霜循环中，当由于暖的制冷剂与冷的制冷剂混合而引起制冷过 程118内的返回制冷剂温度达到比如-40℃或更高时，从节点E到F的 围绕制冷过程118的旁通管路被打开.其结果为，暖的制冷剂被允许 流进压缩机吸入管路164然后流到压缩机104.旁通阀188和检修阀 190由于TS158，TS160和TS162的作用被打开.例如，TS158是“除 霜加开关”，具有大于-25℃的设定点.TS160(可选择的)是“除霜 终止开关”，设定点＞42℃.TS162是“冷却返回限制开关”，设定点 ＞-80℃.一般地，TS158，TS160和TS162基于返回管路制冷剂的温度 和运行模式(即除霜或冷却模式)而响应，以便控制各阀的打开/关闭 从而控制制冷系统100的加热或冷却速率.某些应用场合需要连续的 除霜运行.在这些情况下，由于需要连续运行该模式，因此不需要TS160 终止除霜.
对于运行重要的是，当流体流过旁通阀188和检修阀190时，节 点E和F之间不得不存在的压差以至于止回阀146两端的压差不能超 过其开启压力(即5到10psi).这很重要，因为流体本质上经过阻力 最小的通路；因此，必须正确地平衡流动.如果允许经过旁通阀188 和检修阀190的压力超过止回阀146的开启压力，那么制冷剂就会流 过止回阀146.这是不希望的，因为在暖的制冷剂进入压缩机吸入管路 164和进入压缩机104的同时，暖的制冷剂还会开始回注入制冷过程 118.同时流过止回阀146和从节点E到F的旁通回路会引起制冷系统 100不稳定，并且产生失控模式，其中，每个部件将更热，排气压力(压 缩机排气)变得更高，吸气压力更高，从而引起更多的流体流进制冷 过程118内，E点的压力甚至更高，最终引起制冷系统100停机.
如果采用诸如PS196那样的装置可以防止出现这种情况，如果吸 入压力值超过预定值，PS196切断热气进入制冷过程.由于制冷系统 100的质量流量基本上由吸气压力控制，因此这是一种将流量限制在安 全范围的有效方法.当吸入压力低于预定极限，使PS196复位并再次 恢复除霜过程.
因此，为了在制冷系统100的除霜循环中适当地运行，需要精确 控制旁通阀188和检修阀190与止回阀146之间的流动平衡，以提供 适当的流阻平衡.围绕流动平衡问题的设计参数包括管尺寸、阀尺寸 和每个阀的流量系数.另外，经过制冷过程118吸气侧(低压)的压 降在不同的过程之间也不同，并且需要被确定.制冷过程118中的压 降加上止回阀146的开启压力是从节点E到F的除霜返回旁通管路可 以允许的最大压力.
进入除霜循环时，并不立即打开旁通阀188和检修阀190.旁通流 动开始的时间由TS158、TS160和TS162的设定点决定，从而延迟旁通 流路直到返回制冷剂温度达到一个更正常值为止，因此允许使用更标 准的部件，部件的设计温度一般为-40℃或更高，并且不需要使用额定 温度低于-40℃的更昂贵的部件.
在TS158，TS160和TS162的控制下，可以设定了返回到压缩机吸 入管路164的节点F的制冷剂温度和与来自制冷过程118的吸气回气 混合的制冷剂温度.随后混合的制冷剂流进压缩机104.期望的压缩机 104制冷剂的返回温度一般是-40℃或更高；因此，节点E处可接受的 流体温度为-40℃，并且在压缩机104的工作极限内.当选择TS158， TS160和TS162的设定点时，这是要考虑的另一个因素.
选择TS158，TS160和TS162的设定点有两个限制.其一，选择的 除霜旁通返回的制冷剂温度不能过高以至于会因排气压力太高而使制 冷过程118自停止.其二，除霜旁通返回制冷剂温度不能过低以至于 流经旁通管路186的返回制冷剂温度低于旁通阀188和检修阀190可 以承受的温度.在节点F与制冷过程118的返回流混合后，返回的制 冷剂也不能低于压缩机104的工作极限.节点E处的转换温度在-40℃ 到+20℃之间.
总之，连续除霜循环期间，制冷系统100中除霜循环的回流不允 许除霜气体连续地返回到制冷过程118中.而是使制冷系统100返回 旁通(节点E到F)阻止制冷过程118的过载，从而除霜循环可以连续 运行.TS158，TS160和TS162控制打开从节点E和F之间的除霜返回 旁通的时刻.冷却模式下，一旦达到极低温，不允许打开节点E到F 之间的除霜返回旁通.
上面已经讨论了制冷系统100的除霜返回通路，下面继续参见图1 讨论除霜循环供给通路.除霜循环期间，来自压缩机104的热的高压 气体经过排气管110位于可供选择的油分离器108的下游的节点A.节 点A处的热气温度通常在80℃到130℃之间.
节点A处的除霜用的热气将制冷过程118旁通绕过，并不进入冷 凝器112，通过打开电磁除霜阀178或电磁除霜阀180，并将阀128和 130置于关闭位置使气流转移.如图1所示，除霜阀178与FMD182串 联布置，同样的，除霜阀180与FMD184串联布置.，除霜阀178和 FMD182的串联组合与除霜阀180和FMD184的串联组合在节点B和C 之间进行并联布置.除霜阀178或除霜阀180及其关联的FMD可以根 据流量的需要并联运行或者单独运行.
本领域的技术人员很清楚，当打开节点A到D的旁通时，旁通气流 不应将全部的压缩机的热量带到蒸发盘管136.因此，将到达节点A 的一部分高温压缩机排气必须经过冷凝器112是必要的.一部分压缩 机的排出在冷凝器中被冷凝，然后经由位于制冷过程118内的内部节 流单元返回压缩机.该内部节流单元使冷凝器排出来自压缩机的热 量，为了图面清楚起见图中没有示出该节流单元.否则，因为压缩机 作的功会继续进入系统中，系统很快会过热.
重要的是注意到，在制冷系统100节点B和C之间的并联通路的 数量不限于图1所示的两个，其中每个通路具有串联的除霜阀和FMD. 节点B和C之间可以有几个流路，其中，通过选择并联通路的组合可 以确定所需要的流量.例如，可以是10％的流路，20％的流路，30％的 流路等等.假如节点E到节点F经过旁通阀188的的返回旁通回路存 在的话，从节点C的流动然后指向节点D，随后经过低温隔离阀132 到达用户的蒸发盘管136内，在所需要的持续时间.从节点A到节点D 的除霜供应回路是常规制冷系统中采用的标准除霜回路.然而，除霜 阀178、除霜阀180和相关的FMD的加入是制冷系统100的用来使得 流动的独特特性.或者，除霜阀178和180本身就是节流装置的话， 因此就不需要另外的流量调节装置，即FMD182和FMD184.
上面已经讨论了制冷系统100的除霜循环，下面继续参见图1讨 论在冷却循环期间采用除霜返回旁通回路.冷却模式下，旁通阀188 一般是关闭的；因此，热的制冷剂从节点E流过制冷过程118到节点F. 然而，当节点E的制冷剂的温度为高但是在下降时，在冷却模式的最 初阶段，可以通过监控制冷剂返回管路142上的制冷剂温度来打开旁 通阀188.在此期间，可以借助除霜返回旁通回路来避免制冷过程118 的进一步加载.当节点E的制冷剂温度达到前面讨论的转换温度时(即 -40℃或更高)，旁通阀188关闭.利用冷却模式与加热除霜的设定点 而打开旁通阀188.
还是与冷却模式有关，利用一般周期约为1分钟的“断路器”电路 (未示出)使冷却阀128和130脉动.这对于在冷却模式期间限制变 化率是有用的.冷却阀128和冷却阀130有不同尺寸的FMD.因此当 经过冷却阀128的流动限制与经过冷却阀130的流动限制不同时，可 以以开环方式调节流动.按需要随后选择通路.或者，一个流路可以 完全打开，另一个流路则是脉动的，等.
下面描述的实施例2到6说明了根据本发明的关于除霜旁通返回 功能的制冷系统100的变型.
在第二个实施例中(未示出)，在节点E和旁通阀188之间的旁 通管186上(图1)安放一个附加加热器或换热器.该附加加热器帮助 进一步控制制冷剂温度，这样可以防止旁通管186上制冷剂温度低于 旁通阀188和/或检修阀190的工作极限.换热器利用任何其他工作流 体包括冷却水进行热交换.利用冷却水的情况下，必须控制水不能冻 结.
在第三个实施例中(未示出)，旁通阀188和检修阀190不用标 准的二位(开/关)阀或比例阀(图1)，旁通阀188和检修阀190采 用额定温度为低温的阀.低温阀的一个实例是Badgemeter Research 阀.这种比例阀以开启和关闭模式工作.或者，当由比例控制器控制 时可以按比例方式工作.
在第四个实施例中(未示出)，如上述第三实施例中描述的低温旁 通阀188(图1)和低温检修阀190可以与一个常规流量调节阀串联使 用，例如毛细管，节流孔，带反馈的比例阀，或者任何控制流量的节 流元件.不论在FMD184或是在FMD182，流量调节过程极慢，所以流 过除霜返回旁通回路的流体在节点F处发生的混合可以在压缩机104 的极限内.来自除霜返回旁通回路的制冷剂流动可以很小，以至于对 节点F处降低的温度几乎没有影响.
在第五个实施例中(未示出)，可以采用如第三个实施例中描述的 低温旁通阀188(图1)和低温检修阀190.另外，为了使返回的制冷 剂加温，在节点F和检修阀102之间的压缩机吸入管路164上放置了 加热器或换热器.
图3示出了根据本发明的制冷系统300的除霜返回旁通回路的第 六个实施例.在该实施例中，呈现一个回流阀排列，这样除霜制冷剂 流可以返回到制冷过程118中的几个可能位置的其中之一.
作为一个示例，图3中的制冷系统300包括旁通阀302，旁通阀 304，和旁通阀306，它们的入口一起液压式连接到旁通管路186上， 旁通管路186沿旁通阀188连到接节点E.旁通阀302，304和306的 出口基于返回制冷剂的温度连接到制冷过程118的不同位置点.虽然 未在图3中示出，检修阀可以插在有旁通阀302，304和306的管路中. 图3未示出的系统的部分与图1中的一样.
旁通阀302，304和306的这种布置可以使返回气体在能被制冷过 程118处理的合适的温度下注入回制冷过程118内.制冷过程118运 行的温度覆盖了完整温度范围，一般是-150℃到室温.该流动返回到 制冷过程118中的一个可能位置之一，该位置与旁通制冷剂流的温度 匹配.这样，可以根据旁通制冷剂温度选择性地打开旁通阀302，304 和306，或者旁通阀188.其结果为，压缩机吸入管路164的节点F的 返回制冷剂的温度维持在压缩机104的合适工作范围内.
第六个实施例优于第五个实施例，因为它利用了现有的换热器.制 冷系统300的该实施例不需要第五个实施例中的附加加热器或换热 器.
阀的这种布置也可以用在完全除霜后的冷却过程中.通过将返回的 制冷剂送到温度相同的制冷过程118的一部分中，可以减小制冷系统 100的热负荷.这使得比没有阀302，304和306的图1中的将蒸发器 盘管136冷却的更快.
下面描述的实施例7到14说明了与常见除霜供应功能有关的制冷 系统100的变型.
图4(第七个实施例)示出了制冷系统100的除霜供应回路的变型. 在该实施例中，图4中的制冷系统400包括附加的换热器402，它插入 在节点C和D之间的管线上.换热器402是常规的换热器或加热器.
在一些应用场合中，向为用户安装的蒸发器盘管136供给的制冷 剂需要保持一个明确的最小升高的温度.但是，除霜阀178、除霜阀 180及其相关的FMD182和184因膨胀气体而引起制冷剂温度下降.其 结果为，供给蒸发器盘管136供给的制冷剂温度下降，一般约为10℃. 为了补偿，换热器402插入在节点C和D之间使气体再热.如果换热 器402没有控制装置：它仅仅在压缩机104的排气管110和来自FMD182 或FMD184的气体之间进行换热，使除霜气体加热.如果换热器402是 加热器：用控制装置来调节离开加热器的温度.
图5(第八个实施例)是制冷系统100的除霜供应回路的另一个变 型.在该实施例中，图5的制冷系统500包括与在第七个实施例中的 换热器402并联的旁通阀502.旁通阀502一般为比例阀.
与第七个实施例的不带控制的用来加热气体的换热器402的不 同，旁通阀502提供一种调节与压缩机104排气的换热量的方法，以 达到要求的制冷剂温度.使制冷剂经过旁通阀502将换热器402旁通 成为受控流，从而调节制冷剂温度.或者，旁通阀502可以是在不同 的时间脉动地开或关的“断路器”阀.
图6示出了制冷系统100的另一个变型600(第九个实施例)，其 中，可变分流阀602插入于压缩机104的排气管110和压缩机吸入管 164之间.
该实施例中，调节压缩吸入温度作为排气温度的控制.可变分流阀 602使排气转向直接返回到连接压缩机104压缩机吸入管路164上. 来自除霜供应回路的FMD182或FMD184的温度传感器(未示出)给可 变分流阀602提供反馈以控制流量.
当结合实施例7和8使用该实施例时，那么要控制的温度就是排气 温度本身，因为实施例7和8中的换热器402与通常温度范围在80℃ 到130℃之间的排气进行换热.因此在节点D从除霜供应回路出来并且 随后流入蒸发器盘管136的制冷剂温度将高到80℃到130℃.
图7示出了制冷系统100的另一个变型(第十个实施例).该实 施例中，不是将来自压缩机104的排气而是将直接来自制冷过程118 的混合制冷剂的混合物供应给除霜供应回路.
作为一个示例，图7中的制冷系统700包括换热器702，其与制冷 过程118的相分离器204供给.进给阀176的入口不再与排出管路110 的节点A连接.而是将换热器702的出口连接到进给阀176的入口， 从而向除霜供应回路提供直接来自制冷过程118的预热的混合制冷剂 的混合物.
换热器702不带控制机构：其只是在压缩机104的排出管路110 和来自制冷过程118的制冷剂之间进行换热以加热它.
第十个实施例优于实施例7，8和9，其中，混合制冷剂具有改善 了的热力特性，更适合为用户安装的蒸发器盘管136.这种改善了的热 力性能包括引起更少含量的可结冻的制冷剂和具有更少含量的油的制 冷剂.
总之，供应给进给阀122的热气来源是压缩机104的排出管路 110.然而，进给阀122也可能由处于高压的系统中的任何制冷剂混合 物供给，然后经过换热器702与压缩机104的排出管路110换热而被 加热，使制冷剂温度升高到要求的温度.
在第十一个实施例700中，第十个实施例中的换热器702由图7 所示的制冷过程118内的一个来源供给.然而，利用控制器控制温度 传感器和阀，由此选择与之换热的任何位置，换热器702在制冷系统 700内的不同位置进行换热.
图8示出了制冷系统100的另一个变型800(第十二个实施例). 该实施例中，不是将压缩机104的排气而是将直接来自制冷过程118 的混合制冷剂的混合物供应给除霜供应回路.
作为一个示例，图8中的制冷系统800包括一个换热器702，其由 制冷过程118的几个可能位置中的一个位置供给.进给阀176的入口 不再与排出管路110的节点A连接.而是将换热器702的出口连接到 进给阀176的入口，从而向除霜供应回路提供直接来自制冷过程118 的预热的混合的制冷剂的混合物.
与第十一个实施例中的换热器702具有单个制冷剂来源的不同， 换热器702有多个来源.图8中的制冷系统800包括阀802，阀804 和阀806，它们的入口与制冷过程118内的几个排出口中的一个进行液 压式连接.
在一些应用，随时间有改变供给为用户安装的蒸发器盘管136的 制冷剂的需要，而不是以恒定的温度供给.
由于制冷过程118的温度跨越了完整的温度范围，一般是-150℃ 到室温(15℃到30℃)，所以阀802，804和806的布置可以使从制 冷过程118的高压侧的几个排出口引出的制冷剂保持在一个合适温度 下，在任何给定时间内该温度是为用户安装的蒸发器盘管136中所要 求的温度.使用控制器来控制温度传感器和阀，从而选择供应给换热 器702的来源和温度.在除霜循环中，供应给换热器702的制冷剂来 源对换热器的供应可以在不同时间里从一个位置变换到另一个位置. 例如，在除霜循环期间，对换热器702的供应可以在一个冷点开始并 继续至更暖的温度.
在一些情况中不需要换热器702.当蒸发器盘管136温暖时，从阀 806，804和802中选择逐渐变热的流.另外，可以采用除霜阀180或 除霜阀182来提供热的制冷剂流.
在第十三个实施例中，结合了实施例11和12的原理和部件并将 它们用在制冷系统700和800的变型中.
在一些应用中，需要供应给用户使用的蒸发器盘管136的制冷剂 具有特定的温度，然而，由于气体膨胀的缘故，除霜阀178、除霜阀 180以及相关的FMD182和184都会引起温度下降.其结果为，供给蒸 发器盘管136的制冷剂温度下降，一般约为10℃.在第十四个实施例 中，为了补偿，利用“断路器”电路使除霜阀178和除霜阀180脉动 以调节为用户安装的蒸发器盘管136的流量从而限制加热变化率.这 些阀的循环时间的范围通常从几秒到几分钟.
或者，除霜阀178和180可以用比例阀代替，控制比例阀以调节 加温的变化率.
本发明的特点
总之，本发明的第一个特点在于一种受控的深度低温制冷系统，具 有在-250℃的低温下长期制冷并且在+130℃高的温度下长期加热的能 力.
本发明的第二个特点在于一种深度低温制冷系统，具有延长的除霜 模式，该模式不允许所有除霜气体返回到其的制冷过程中.相反，本 发明的深度低温制冷系统用防止制冷过程超负荷的返回旁通，从而使 得除霜循环持续进行.然而，在冷却模式下，一旦来自蒸发器的制冷 剂已经达到深度低温，绝不允许除霜返回旁通.
本发明的第三个特点在于一种具有受控流的深度低温制冷系统，其 中，以开环(即没有控制器反馈)模式控制在冷却和加温期间的温度变 化率.
本发明的第四个特点在于一种深度低温制冷系统，系统利用可以在 全温度范围工作的优点，在受控制方式下提供恒定或可变的制冷剂供 应和/或返回温度.
本发明的第五个特点在于一种深度低温制冷系统，除霜循环后的恢 复周期更短，从而减少了整个处理时间，并且能够在完全除霜或烘干 后迅速地冷却蒸发器.
本发明的一个优点在于，它可以内在地加热制冷系统的盘管.常规 的系统利用外部热源来加热制冷系统的盘管.
另一个优点在于，本发明的蒸发温度可以在-150℃到+130℃范围 内.常规系统的温度范围小得多.另外，本发明和背景技术专利的区 别在于本发明在除霜模式下可以连续运行.
其可以增加真空系统的产量，该系统需要由本发明的制冷系统产生 的深度低温以开始制造过程.其可以增加制冷系统的除霜运行时间而 不超过系统的工作极限.其提供一种可变的加热和冷却系统.其缩短 了制冷系统的整个除霜循环.
在烘烤过程中保持加工流体的化学稳定性.
在冷却或者加温模式下提供受控的温度变化率.
在其设计温度范围内使用了本身性能非常可靠的标准部件.
独特的结合使用的标准部件，以允许在混合的制冷剂系统中进行冷 却和除霜循环.
保持了额定的系统参数，比如化学稳定性，压缩机的工作极限，所 有部件的额定工作压力和温度.
本发明提供了用户可以调节各种控制参数，比如断路定时器的开/ 关循环，不同过程发生的温度，冷却时间，制冷时间等.
本发明不需要制冷剂返回通路上使用非常大又昂贵的低温阀.
提供了除霜循环后更短的恢复周期，从而使总处理时间减少.