基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库的制作方法

1.本发明涉及生物样本制冷技术领域，特别涉及基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库。


背景技术：

2.为使生物样本长期保持活性，通常将重要的生物样本存储在生物样本库中；生物样本库内需要配备制冷系统，以保持低温环境，现有的制冷系统采用两级压缩复叠制冷或者自复叠制冷，集成在生物样本库内，在低温比如-60℃以下运行时，制冷系统循环性能系数cop低于空气膨胀制冷；现有制冷系统中的蒸发器、风扇位于生物样本库内，需要设置除霜设备，而设备除霜会降低生物样本库的降温速度；蒸发器内冷媒存在泄漏到生物样本库内的可能，导致生物样本受到污染；制冷系统中的散热部件，比如压缩机、风扇的运行，使生物样本库受到噪音和发热影响，对生物样本库的温控造成影响，降低了制冷系统的制冷速度；制冷系统会占用样本储藏空间，降低了样本存储量。


技术实现要素：

3.本发明就是为了克服上述现有技术存在的缺点，提供基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，解决现有的生物样本库易受制冷系统的部件噪音和发热影响，制冷速度和循环性能系数低的问题。
4.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
5.基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，包括储藏库，还包括外部中央制冷系统，外部中央制冷系统包括空气膨胀制冷系统、辅助制冷系统；空气膨胀制冷系统包括第一压缩机、空气换热器、空气冷媒换热器、膨胀机；第一压缩机的进气端顺次连通空气换热器与回气管路，第一压缩机的出气端与空气冷媒换热器的进气口连通，空气冷媒换热器的出气口顺次连通空气换热器与膨胀机的入口，膨胀机的出口与储藏库的供气管路连通；空气冷媒换热器的蒸发侧入口、蒸发侧出口串联在辅助制冷系统中，辅助制冷系统用于对空气冷媒换热器中的气体降温。
6.进一步的，所述辅助制冷系统包括第二压缩机、冷凝器、第一节流阀；第二压缩机的出气口与冷凝器的入口连通，冷凝器的出口与第一节流阀的入口连通，第一节流阀的出口与所述空气冷媒换热器的蒸发侧入口连通，所述空气冷媒换热器的蒸发侧出口与第二压缩机的进气口连通。
7.进一步的，所述辅助制冷系统包括第三压缩机、冷凝蒸发器、第二节流阀、蒸发器；冷凝蒸发器的蒸发侧入口、蒸发侧出口分别与所述空气冷媒换热器的蒸发侧出口、所述第二压缩机的进气口连通；冷凝蒸发器的冷凝侧入口与第三压缩机的出气口连通，冷凝蒸发器的冷凝侧出口与第二节流阀的入口连通，第二节流阀的出口与蒸发器的蒸发侧入口连通；蒸发器的蒸发侧出口与第三压缩机的进气口连通，蒸发器的进气口、出气口分别通过所述回气管路、供气管路与所述储藏库连通。
8.进一步的，所述辅助制冷系统包括气液分离器、冷凝蒸发器、第二节流阀、蒸发器；冷凝蒸发器的蒸发侧入口、蒸发侧出口分别与所述空气冷媒换热器的蒸发侧出口、所述第二压缩机的进气口连通；所述冷凝器的出口与气液分离器的入口连通，气液分离器的液体出口与所述第一节流阀的入口连通；冷凝蒸发器的冷凝侧入口与气液分离器的气体出口连通，冷凝蒸发器的冷凝侧出口与第二节流阀的入口连通，第二节流阀的出口与蒸发器的蒸发侧入口连通；蒸发器的蒸发侧出口与所述第二压缩机的进气口连通，蒸发器的进气口、出气口分别通过所述回气管路、供气管路与所述储藏库连通。
9.进一步的，所述蒸发器的进气口设有第三电磁阀，所述蒸发器的出气口设有第四电磁阀；所述第一压缩机的进气端设有第一电磁阀，所述膨胀机的出口设有第二电磁阀。
10.本发明具有如下有益效果：
11.1、本发明提供了基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，包括储藏库、外部中央制冷系统；外部中央制冷系统设置在储藏库外部，节省了储存空间，避免了散热部件对储藏库内部的噪音、发热影响；外部中央制冷系统包括空气膨胀制冷系统、辅助制冷系统，空气膨胀制冷系统包括第一压缩机、空气换热器、空气冷媒换热器、膨胀机；将空气冷媒换热器的蒸发侧串联在辅助制冷系统中，实现对空气膨胀制冷回路中空气的降温，提高了系统降温速度。
12.2、辅助制冷系统包括第二压缩机、冷凝器、第一节流阀、第三压缩机、冷凝蒸发器、第二节流阀、蒸发器；第二压缩机、冷凝器、第一节流阀共同构成第一辅助制冷回路；第三压缩机、冷凝蒸发器、第二节流阀、蒸发器构成了第二辅助制冷回路；两个回路构成两级压缩复叠式制冷，在空气膨胀制冷系统停止工作时启动，保证生物样本库的低温环境，保证生物样本质量。
13.3、在第一压缩机的进气端、膨胀机的出口、蒸发器的进气口和出气口均设置电磁阀，通过电磁阀的开闭，使第一辅助制冷回路覆叠空气膨胀制冷回路进行循环制冷(主循环)，或者使第一辅助制冷回路覆叠第二辅助制冷回路进行两级压缩循环制冷(备用循环)；充分发挥了空气膨胀制冷与蒸汽压缩制冷在不同温度下的优势，使本发明的制冷系统循环性能系数高于现有的两级压缩复叠制冷或者自复叠制冷；第一辅助制冷回路和空气膨胀制冷回路的复叠制冷与第一辅助制冷回路和第二辅助制冷回路的复叠制冷互为备份系统，提高了整个制冷系统的可靠性。
14.4、冷凝器的出口与第一节流阀的入口之间串联气液分离器，使冷凝蒸发器的冷凝侧入口与气液分离器的气体出口连通，省去了第三压缩机，降低了系统成本。
附图说明
15.下面结合附图对本发明做进一步的说明：
16.图1为本发明的实施例一的系统原理图；
17.图2为本发明的实施例二的系统原理图。
18.图中，101、储藏库；102、第一压缩机；103、空气换热器；104、空气冷媒换热器；105、膨胀机；106、第二压缩机；107、冷凝器；108、第一节流阀；109、第三压缩机；110、冷凝蒸发器；111、第二节流阀；112、蒸发器；113、第一电磁阀；114、第二电磁阀；115、第三电磁阀；116、第四电磁阀；117、气液分离器；1011、回气管路；1012、供气管路。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
20.实施例一
21.如图1所示，本发明提供了基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，包括储藏库101、外部中央制冷系统；储藏库101与外部中央制冷系统通过空气管道连通，储藏库101内的空气循环进入外部中央制冷系统降温。
22.储藏库101为保温箱结构，可根据实际情况灵活设计储藏库101大小和数量，满足生物样本的储藏需要。将制冷系统设置在储藏库101外部，因此储藏库101内不含散热部件，比如压缩机、风扇等，储存空间得到提高，避免了散热部件对储藏库101内部的噪音、发热影响；蒸发器设置在储藏库101外部，避免了储藏库101受化霜问题的影响，储藏库101的温控更加精准、降温速度更快。
23.外部中央制冷系统包括空气膨胀制冷系统、辅助制冷系统；空气膨胀制冷系统包括第一压缩机102、空气换热器103、空气冷媒换热器104、膨胀机105；第一压缩机102的进气端顺次连通空气换热器103与回气管路1011，第一压缩机102的出气端与空气冷媒换热器104的进气口连通，空气冷媒换热器104的出气口顺次连通空气换热器103与膨胀机105的入口，膨胀机105的出口与储藏库101的供气管路1012连通；具体的，空气换热器103设有相通的进气端和供气端、相通的出气端和回气端；储藏库101内部的空气进入回气管路1011，回气管路1011中的气体经过空气换热器103的进气端和供气端，进入第一压缩机102的进气端(图中11点处)；空气经过第一压缩机102的升温升压后，第一压缩机102的出气端(图中12点处)进入空气冷媒换热器104，进行降温；降温后的空气经过空气换热器103的出气端和回气端，进入膨胀机105的入口(图中14点处)降温降压，从膨胀机105的出口(图中15点处)进入供气管路1012，进入储藏库101内部进行降温。
24.储藏库101通过供气管路1012、回气管路1011与空气膨胀制冷系统串联成完整的空气膨胀制冷回路；空气膨胀制冷回路形成完全封闭系统，储藏库101内部空气在封闭系统中始终以气体进行循环流动，通过气体的温度压力的变化，从储藏库101中吸取热量，从而实现制冷的目的。空气膨胀制冷系统无蒸发器、无风冷风扇、省去了除霜设备，系统结构简单，空气作为制冷剂节能环保，对设备密封性要求低，系统的泄漏对冷却性能影响较小。
25.空气冷媒换热器104的蒸发侧入口、蒸发侧出口串联在辅助制冷系统中，辅助制冷系统用于对空气冷媒换热器104中的气体降温；具体的，辅助制冷系统包括第二压缩机106、冷凝器107、第一节流阀108；第二压缩机106的出气口与冷凝器107的入口连通，冷凝器107的出口与第一节流阀108的入口连通，第一节流阀108的出口与空气冷媒换热器104的蒸发侧入口连通，空气冷媒换热器104的蒸发侧出口与第二压缩机106的进气口连通；第二压缩机106、冷凝器107、第一节流阀108共同构成第一辅助制冷回路；第一辅助制冷回路形成完全封闭的系统，属于蒸汽压缩制冷；制冷剂在封闭系统中以流体状态循环流动，在冷凝器107中放出热量，通过相变的方式吸热，降低空气冷媒换热器104的出气口(图中13点处)的空气温度，实现对空气膨胀制冷回路中空气的降温目的。
26.制冷剂在第一辅助制冷回路的流动过程如下：高压制冷剂气体进入冷凝器107内降温后，从冷凝器107的出口(图中2点处)流过第一节流阀108，经过第一节流阀108节流成
为两相制冷剂流体，进入空气冷媒换热器104的蒸发侧，两相制冷剂流体吸热变为制冷剂气体进入第二压缩机106的进气口(图中4点处)，经过第二压缩机106升压成为高压制冷剂气体，从第二压缩机106的出气口(图中5点处)排出，完成制冷剂的循环制冷。
27.空气膨胀制冷回路和第一辅助制冷回路共同运行，进行复叠循环，运行过程如下：储藏库101内部的空气从回气管路1011进入空气膨胀制冷回路，顺次流过空气换热器103、第一压缩机102，进入空气冷媒换热器104内部；第一辅助制冷回路内的制冷剂经过第一节流阀108节流成为两相制冷剂流体进入空气冷媒换热器104的蒸发侧；两相制冷剂流体吸收空气冷媒换热器104内的空气热量发生相变，变成气体流向第二压缩机106进行循环；
28.空气冷媒换热器104内的空气温度降低，顺次经过空气换热器103、膨胀机105的降温后进入供气管路1012，此时的低温空气温度达到生物样本库的制冷目标温度，即-86℃；空气膨胀制冷回路和第一辅助制冷回路复叠循环运行模式，可直接产生目标温度的空气，降温速度快，系统无需除霜，储藏库101无噪音和散热设备影响。
29.为提高外部中央制冷系统的运行可靠性，辅助制冷系统设有备用制冷组件；具体包括第三压缩机109、冷凝蒸发器110、第二节流阀111、蒸发器112；冷凝蒸发器110的蒸发侧入口、蒸发侧出口分别与空气冷媒换热器104的蒸发侧出口、第二压缩机106的进气口连通；即空气冷媒换热器104的蒸发侧出口的制冷剂顺次经过冷凝蒸发器110的蒸发侧入口(图中3点处)、蒸发侧出口，进入第二压缩机106的进气口。
30.冷凝蒸发器110的冷凝侧入口与第三压缩机109的出气口连通，冷凝蒸发器110的冷凝侧出口与第二节流阀111的入口连通，第二节流阀111的出口与蒸发器112的蒸发侧入口连通；蒸发器112的蒸发侧出口与第三压缩机109的进气口连通；蒸发器112的进气口通过回气管路1011与储藏库101连通；蒸发器112的出气口通过供气管路1012与储藏库101连通；第三压缩机109、冷凝蒸发器110、第二节流阀111、蒸发器112构成了第二辅助制冷回路。
31.第二辅助制冷回路与第一辅助制冷回路均为蒸汽压缩循环，构成两级压缩复叠式制冷，其中，第一辅助制冷回路内选用中温制冷剂，第二辅助制冷回路内选用低温制冷剂；在空气膨胀制冷回路停止工作时，启动第二辅助制冷回路，使第一辅助制冷回路和第二辅助制冷回路共同运行，进行两级压缩复叠式制冷，运行过程如下：
32.s1、第二辅助制冷回路内的高压制冷剂气体进入冷凝蒸发器110的冷凝侧；s2、第一辅助制冷回路内的制冷剂经过第一节流阀108节流成为两相制冷剂流体进入空气冷媒换热器104的蒸发侧；由于空气膨胀制冷回路停止工作，使得两相制冷剂流体进入冷凝蒸发器110的蒸发侧；第一辅助制冷回路内的两相制冷剂流体吸收第二辅助制冷回路内的制冷剂气体的热量发生相变，变成气体流向第二压缩机106进行第一辅助制冷回路循环；
33.s3、第二辅助制冷回路内的制冷剂在冷凝蒸发器110的冷凝侧放热后，流入第二节流阀111的入口(图中6点处)，经过第二节流阀111节流成为两相制冷剂流体，并进入蒸发器112的蒸发侧；
34.s4、储藏库101内部的空气顺次经过回气管路1011、蒸发器112的进气口(图中9点处)进入到蒸发器112内；s5、第二辅助制冷回路内的两相制冷剂流体吸收蒸发器112内的空气热量发生相变，变成气体流向第三压缩机109进行第二辅助制冷回路循环。
35.蒸发器112内的空气温度降低，从蒸发器112的出气口(图中10点处)进入供气管路1012，并进入储藏库101内部进行降温，此时的低温空气温度达到生物样本库的制冷目标温
度，即-86℃。
36.空气膨胀制冷回路、第一辅助制冷回路、第二辅助制冷回路共同组成空气膨胀复叠循环的外部中央制冷系统；回路之间通过电磁阀自由切换；具体的，在蒸发器112的进气口设有第三电磁阀115，蒸发器112的出气口设有第四电磁阀116；第一压缩机102的进气端设有第一电磁阀113，膨胀机105的出口设有第二电磁阀114。
37.打开第一电磁阀113、第二电磁阀114，空气膨胀制冷回路畅通；关闭第三电磁阀115、第四电磁阀116，阻断进入蒸发器112的空气通道；关闭第三压缩机109，启动第一压缩机102、第二压缩机106，使第一辅助制冷回路、空气膨胀制冷回路正常运行降温；关闭第一电磁阀113、第二电磁阀114，阻断空气膨胀制冷回路；打开第三电磁阀115、第四电磁阀116；关闭第一压缩机102，启动第三压缩机109、第二压缩机106，使第一辅助制冷回路、第二辅助制冷回路正常运行降温；在第三电磁阀115与蒸发器112之间设有风机，风机起到加压作用，使储藏库101内部的空气循环流过蒸发器112；在储藏库101内部的空气进入蒸发器112。
38.可以理解的，当空气膨胀制冷回路工作时，第一节流阀108节流后的两相制冷剂流体在空气冷媒换热器104内发生相变，对空气膨胀制冷回路内的空气降温冷却，达到降低储藏库101内空气温度的目的；当空气膨胀制冷回路停止工作时，第一节流阀108节流后的两相制冷剂流体不发生相变，直接进入冷凝蒸发器110的蒸发侧吸热，对第二辅助制冷回路的制冷剂降温冷却，达到降低储藏库101内空气温度的目的。
39.第一辅助制冷回路内选用中温制冷剂，在中温段运行的系统循环性能系数cop较高；第二辅助制冷回路内选用低温制冷剂，在低温段运行的系统循环性能系数cop较低；空气膨胀制冷回路在低温段运行，其系统循环性能系数cop高于第二辅助制冷回路。通过电磁阀的开闭，使第一辅助制冷回路和空气膨胀制冷回路构成复叠循环制冷，或者使第一辅助制冷回路和第二辅助制冷回路构成两级压缩复叠式制冷作为备份制冷系统，保证生物样本库低温储存的可靠性，充分发挥空气膨胀制冷与蒸汽压缩制冷在不同温度下的优势，使整个制冷系统循环性能系数cop处于较高水平，达到最佳节能目的。
40.实施例二
41.如图2所示，本发明的实施例二相对于实施例一的不同之处在于增加了气液分离器117；具体的，冷凝蒸发器110的蒸发侧入口、蒸发侧出口分别与空气冷媒换热器104的蒸发侧出口、第二压缩机106的进气口连通；冷凝器107的出口与气液分离器117的入口连通，气液分离器117的液体出口与第一节流阀108的入口连通。
42.冷凝蒸发器110的冷凝侧入口与气液分离器117的气体出口连通，冷凝蒸发器110的冷凝侧出口与第二节流阀111的入口连通，第二节流阀111的出口与蒸发器112的蒸发侧入口连通；蒸发器112的蒸发侧出口与第二压缩机106的进气口连通，蒸发器112的进气口、出气口分别通过回气管路1011、供气管路1012与储藏库101连通。
43.第二压缩机106输出的高压制冷剂气体经过冷凝器107降温后，进入气液分离器117，气液分离器117内的制冷剂液体从气液分离器117的液体出口图2中16点处流入第一节流阀108，经过空气冷媒换热器104后进入冷凝蒸发器110的蒸发侧吸热变为气体；气液分离器117内的制冷剂蒸气从气液分离器117的气体出口图2中17点处进入冷凝蒸发器110的冷凝侧，变为液体后从第二节流阀111进入蒸发器112吸热变为气体；这样设计，当空气膨胀制冷回路停止工作时，第二压缩机106驱动制冷剂循环冷却，使蒸发器112的出气口制冷剂气
体与冷凝蒸发器110的蒸发侧出口制冷剂气体混合后进入第二压缩机106，省去第三压缩机109，系统成本低，结构简单。
44.以上所述为本发明的优选实施方式，具体实施例的说明仅用于更好的理解本发明的思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，依照本发明原理还可以做出若干改进或者同等替换，这些改进或同等替换也视为落在本发明的保护范围。

技术特征：
1.基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，包括储藏库(101)，其特征在于，还包括外部中央制冷系统，外部中央制冷系统包括空气膨胀制冷系统、辅助制冷系统；空气膨胀制冷系统包括第一压缩机(102)、空气换热器(103)、空气冷媒换热器(104)、膨胀机(105)；第一压缩机(102)的进气端顺次连通空气换热器(103)与回气管路(1011)，第一压缩机(102)的出气端与空气冷媒换热器(104)的进气口连通，空气冷媒换热器(104)的出气口顺次连通空气换热器(103)与膨胀机(105)的入口，膨胀机(105)的出口与储藏库(101)的供气管路(1012)连通；空气冷媒换热器(104)的蒸发侧入口、蒸发侧出口串联在辅助制冷系统中，辅助制冷系统用于对空气冷媒换热器(104)中的气体降温。2.如权利要求1所述的基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，其特征在于，所述辅助制冷系统包括第二压缩机(106)、冷凝器(107)、第一节流阀(108)；第二压缩机(106)的出气口与冷凝器(107)的入口连通，冷凝器(107)的出口与第一节流阀(108)的入口连通，第一节流阀(108)的出口与所述空气冷媒换热器(104)的蒸发侧入口连通，所述空气冷媒换热器(104)的蒸发侧出口与第二压缩机(106)的进气口连通。3.如权利要求2所述的基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，其特征在于，所述辅助制冷系统包括第三压缩机(109)、冷凝蒸发器(110)、第二节流阀(111)、蒸发器(112)；冷凝蒸发器(110)的蒸发侧入口、蒸发侧出口分别与所述空气冷媒换热器(104)的蒸发侧出口、所述第二压缩机(106)的进气口连通；冷凝蒸发器(110)的冷凝侧入口与第三压缩机(109)的出气口连通，冷凝蒸发器(110)的冷凝侧出口与第二节流阀(111)的入口连通，第二节流阀(111)的出口与蒸发器(112)的蒸发侧入口连通；蒸发器(112)的蒸发侧出口与第三压缩机(109)的进气口连通，蒸发器(112)的进气口、出气口分别通过所述回气管路(1011)、供气管路(1012)与所述储藏库(101)连通。4.如权利要求2所述的基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，其特征在于，所述辅助制冷系统包括气液分离器(117)、冷凝蒸发器(110)、第二节流阀(111)、蒸发器(112)；冷凝蒸发器(110)的蒸发侧入口、蒸发侧出口分别与所述空气冷媒换热器(104)的蒸发侧出口、所述第二压缩机(106)的进气口连通；所述冷凝器(107)的出口与气液分离器的入口连通，气液分离器的液体出口与所述第一节流阀(108)的入口连通；冷凝蒸发器(110)的冷凝侧入口与气液分离器(117)的气体出口连通，冷凝蒸发器(110)的冷凝侧出口与第二节流阀(111)的入口连通，第二节流阀(111)的出口与蒸发器(112)的蒸发侧入口连通；蒸发器(112)的蒸发侧出口与所述第二压缩机(106)的进气口连通，蒸发器(112)的进气气口、出气口分别通过所述回气管路(1011)、供气管路(1012)与所述储藏库(101)连通。5.如权利要求3或4所述的基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，其特征在于，所述蒸发器(112)的进气口设有第三电电磁阀(115)，所述蒸发器(112)的出气口设有第四四电磁阀(116)；所述第一压缩机(102)的进气端设有第一电磁阀(113)，所述膨胀机(105)的出口设有第二电磁阀(114)。

技术总结
本发明公开了基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式低温生物样本库，包括储藏库、空气膨胀制冷系统和辅助制冷系统；空气膨胀制冷系统包括第一压缩机、空气换热器、空气冷媒换热器、膨胀机；第一压缩机的进气端顺次连通空气换热器与回气管路，第一压缩机的出气端与空气冷媒换热器的进气口连通，空气冷媒换热器的出气口顺次连通空气换热器与膨胀机的入口，膨胀机的出口与储藏库的供气管路连通；空气冷媒换热器的蒸发侧入口、蒸发侧出口串联在辅助制冷系统中，辅助制冷系统用于对空气冷媒换热器中的气体降温；本发明的制冷系统降温速度快，避免了散热部件对储藏库的噪音、发热影响。发热影响。发热影响。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：挚量智控生物科技（山东）有限公司
技术研发日：2023.08.07
技术公布日：2023/10/11