自复叠低温制冷机原理

混合工质在深冷温区的制冷性能显著优于纯工质，其节流制冷效应提高1-2个数量级，有助于降低制冷机运行高压，直至进入单级普冷制冷空调压缩机的工作范围，从而使用有油润滑单级压缩机实现深度制冷。混合工质节流制冷机的硬件设备可以直接从市场采购，有利于大规模推广应用。

然而，混合工质的采用也带来了新问题。混合物组成中各组元沸点差异大，导致在实现大温跨制冷时，混合物物性变化剧烈，热物性准确获取及预测成为难题。此外，混合工质在大温跨制冷中相态多变，两相区的传热和流动特性复杂，基础研究积累不够，无法准确设计换热器。

工质组元的选择是混合工质制冷系统热力设计的关键。选择主要依据工质的基础热物性及节流特性，如常压沸点、临界参数等。还需要考虑与材料的兼容性、物理化学稳定性、对环境的影响（ODP、GWP）、来源、经济性等因素。组元需求根据目标温区不同而变化，可以划分为低温区组元、正常工作温区组元、中间温区组元和高温区组元。

液氮温区制冷为例，低温区组元如氦、氢、氖，其中氖气成为液氮温区混合物的合适低温组元。氮气为液氮温区制冷剂的正常温区组元，其节流制冷后的液相蒸发潜热是制冷机在液氮温区冷量来源。正常组元如氩气适用于90K（-183℃）温区。甲烷（CH4）工作温区升至110K（-163℃）温区。更高温区的物质如四氟化碳（CF4）和烃类（乙烯、乙烷）在145.2K（-127.8℃）温区。最后是沸点接近环境温区的物质，如异丁烷（R600a）、异戊烷。

节流效应包括微分节流效应（J-T效应）、积分节流效应和等温节流效应。积分节流效应是表征制冷剂降温速率的关键参数，等温节流效应是混合工质优化选择的主要热力学依据。不同沸点的纯物质其节流效应随温度变化，从低沸点组元到高沸点组元，器温节流效应在它们相应的气液相变区间最大。多元混合工质组元选取时应注意各组元最大节流效应区间接力匹配，使混合工质在整个温区都实现较大的等温节流效应。

深冷混合工质回热换热器工作特性实验表明，换热器内温度分布与相应温区组元浓度有关。如果某一组元浓度偏低，则换热器温度窄点将发生在该组元发挥作用的温区内；相反，如果某一组元浓度偏高，则该温区对应热换负荷增大，相应换热温差增大。窄点发生在换热器低温端时，换热器效率较高，且由于换热器大部分处于低温，流动压力损失较小；反之，窄点温度发生在高温端，换热器性能下降，同时换热器内工质流速高，压力损失增大。

深冷工质制冷流程热力优化分析表明，多元混合工质低温节流制冷循环机理存在不同的认识，主要包括以混合工质自身回热换热过程为主要制冷机理和基于复叠制冷形式。采用㶲分析方法对不同结构制冷循环进行热力学分析，考察混合物配比对制冷机各设备及整机性能的影响。结果显示，混合物配比对压缩过程、回热过程、节流及蒸发过程都有显著影响。此外，还考察了组元特性、循环高低压力的影响规律。

对于采取有润滑油压缩机驱动的深冷混合工质节流制冷机，分离循环可以降低润滑油进入低温区的风险，有助于提高制冷机可靠性。分凝分离节流制冷循环结构中，关键部分是将平衡闪蒸的分离器替换为分凝分离器。分凝分离器采用低温流体在分离器内部提供分凝捕集表面，使得润滑油及高沸点组分在较高的温度就被分离出来，保证了系统的简洁性和分离效果。

变浓度特性研究发现，混合工质最终的循环浓度会随初始充注浓度变化。混合物浓度的变化影响制冷机性能。无油润滑压缩机驱动制冷机可以消除由润滑油溶解导致的浓度变化因素，清楚展现相积存导致的浓度变化规律。针对混合工质两相区液相积存导致的浓度问题，建立了无油压缩机驱动混合工质节流制冷机进行研究。

-180℃低温冰箱研制采用卧式布置，有效容积80L，使用SC21压缩机预冷高温级，泰康TFH2511Z压缩机驱动低温级。箱体采用发泡绝热方式，内部布置温度传感器测试降温情况。低温冰箱在2h左右降温至-180℃，最低极限温度为-192.4℃（80.75K），表明空气已经开始液化。低温冰箱内部容积几乎100%可以利用，与液氮生物容器相比存在较大优势，适用于生物材料的低温存储。