1 ZL-2.8/194型回热式制冷机简介

    ZL-2.8/194型回热式制冷机（以下简称：制冷机）是一种气体制冷、循环回热式气体制冷机，制冷工作介质的压缩、膨胀和热交换分别在压缩腔、膨胀腔和蓄冷器中进行，具有设备结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高和操作简便等优点，是小型低温制冷机中应用最广泛、发展最成熟的一种机型。

    该制冷机采用氢气或氦气作为制冷工作介质，这两种气体的液化温度较低，在常压下分别为-252.7℃和-268.9℃，它们在工作循环中始终保持气体状态，将制取的冷量通过特制的冷凝器传递给外侧流过的气体。而工作介质（氢气或氦气）本身只在机器内部进行压缩、膨胀循环工作，可达到低于氮气液化的温度，而一般制冷设备的最低温度只能达到-100℃左右。因此，该类制冷机在工业和国防上使用较为广泛。

    2 制冷机冷却系统存在的问题

    制冷机冷却系统存在的问题主要集中在水量信号装置上（如图1所示）。在开机前设置好微动行程开关，当冷却水流量低于设定流量（0.8m3/h）时，微动行程开关会自动切断制冷机的控制电路，使其停止运转，确保制冷机的安全。但该装置运行不稳定，严重影响了制冷机的正常工作。水量信号装置的主要问题在于：

图1　水量信号装置剖面图

1—泵体　2—喷嘴　3—导流片　4—橡皮膜　5—行程开关

6—调整螺钉　7—连接螺钉　8—压板　9—负压通道

    （1）冷却系统中产生的气泡造成水量泵的负压不够；

    （2）微动行程开关工作不稳定，工作中会发生误停机现象；

    （3）水路产生水垢，使冷却效果下降，造成制冷机烧缸事故；

    （4）水量泵负压腔的橡皮膜上水垢积累过多，容易造成橡皮膜弹性下降，甚至破裂，引起漏水等故障。

    为了防止出现因为冷却水流量过少，制冷机汽缸温度过高而引起制冷量下降、烧缸，从而造成制冷机报废等问题，要求当制冷机冷却器出水口水量低于设定流量时进行报警，并能在报警5秒后自动切断制冷机主电源。

    3　电路设计与器材选择

    3.1　冷却器出水口水量监测装置改进设计

    制冷机水路中有4个水冷却器，拆除4个水量信号装置，采用4只流量计分别监测4个水冷却器出口水流量。每个流量计的监测部分都设计相应的检测电路：监测报警电路和延时电路，用1个与门电路将4个分电路打包在一起，只要其中任何一个水冷却器水流量低于设定流量（0.8m3/h），制冷机都能实现自动报警并停机。实现水量控制功能的核心部分控制电路原理如图2所示。

图2　水量监测装置控制电路原理框图

    3.2　监测报警电路设计

    监测报警电路的作用是当冷却水流量降到设定流量（0.8m3/h）时给延时电路发出信号。当水量下降到一定值时，涡轮流量计进行测量并在显示仪上显示，同时显示仪发出信号到继电器，继电器工作。具体电路设计如图3所示。

图3　涡轮流量计电路

1—显示控制仪　2—涡轮流量计　3—继电器J1　4—报警指示灯

    3.3　延时电路设计

    延时电路如图4所示。

图4　延时电路示意图

    未报警时，延时电路未通电，电路不工作；报警同时，延时开始。到达预设时间（5秒）后，该电路自动切断制冷机供电电源（如图4所示）。该电路的主要元件是延时元件（电容）、开关控制元件（与非门）和动作执行元件（弱电继电器）。具体工作流程为：接通+5V电源，+5V电源经滑动电阻W和电阻R1对电容C1充电（此时开关S1已经断开）。该开关受总电源开关控制（单刀双掷开关），当按下总电源开关时，S1同时断开，可对电容器充电；当总电源开关断开时，S1闭合，电容器C1通过S1放电，以便于下次进行充电。报警后，由于电容器刚刚充电，②脚为低电平，①脚接电源亦为高电平，则运算放大器YF1的③脚输出为高电平，即运算放大器YF2的⑤、⑥脚输入为高电平，那么YF2的输出④脚为低电平，晶体管BG1截止，继电器不动作。C1充至电源电压而停止充电（或充至某一设定值），这时，YF1的②脚为高电平，故③脚输出低电平。YF1的③脚为低电平，YF2⑤、⑥脚输入低电平，则YF2的④脚为高电平，这个高电平经过电阻R2加到BG1，使BG1导通，继电器J2工作，其常闭触点断开，制冷机因断电而停止工作。

    而控制该电路是否工作决定于继电器J1（此为报警电路上的继电器），若流量计发出信号，继电器J1得电，常开触点闭合，则延时电路开始工作，充电到设定的时间后（即电容器充电到一定程度后），继电器J2得电，常闭触点（此开关装在制冷机控制电路1KA1线圈与地线的连接线路中）断开，完成自动断电过程。

    将涡轮流量计电路和延时电路结合起来，即为单个水冷却器出口水量的监测电路，如图5所示。

图5　单个水冷却器出口水量的监测电路

    3.4　与门电路设计

    采用1个与门电路将4个单个水冷却器出口水量监测电路结合起来，实现只要其中任何一个电路出现问题就可以控制制冷机自动停机的功能，如图6所示。

图6　与门电路示意图

    4个单个水冷却器出口水量监测电路都一样，将其分别设定为a路、b路、c路和d路。每一路上的a、b、c、d接点分别接在与门的a、b、c、d点。JW线包一端接a路的G端，当任何一路流量低于设定流量（0.8m3/h）时，该路继电器J222断开，输入端有低电平存在，使JW线圈通电工作，常闭触点断开。而JW的常闭触点JW1连接在制冷机控制电路上，断开后使KA1线圈断电，1KA1常开触点断开，实现制冷机自动停机。JW1的常闭触点接法如图7所示。

图7　继电器JW1在制冷机电路图中的连接

    3.5　设计计算及元件的选择

    当选择仅使用报警功能时，二极管VD5和VD6承受的最高反向电压：

    因此，VD5可选用1N4005（VRM=600V，IF=1A）。同样，为了保证安全，VD6也要选择大的整流管子，可选用ZP5H（VRM=600V，IF=5A）。而经过变压后，电压的幅值降低，二极管承受的最高反向电压：17V。

    因此VD1和VD2均可选用1N4001（VRM=50V，IF=1A）。

    其他一些元器件的选择并不涉及安全问题，所以，可以不经过严格的计算，只要所选择的元件满足电路的设计需要即可。

    R2阻值为100kΩ。对R9而言，阻值越大，滤波效果越好。但阻值太大，将使直流压降增加，因此R9阻值为300Ω即可。

    电容器C1值为0.01μF，C2值为10μF，C3值一般要求较高，采用470μF。以上电容对型号要求不高。

    稳压管DW采用功率为0.5～1W、稳压为5～5.6V均可；变压器T选用功率为3W、双6V的；继电器选用6V小型继电器；三极管BG1、BG2选用小功率的NPN型硅管9013，β≥80；YF1～YF2采用与非门CD4011；YF3采用4输入与门。

    4 结论

    采用流量计来监测和控制制冷机的冷却水流量的设计方案，较好地克服了水量信号装置存在的问题，及时预防制冷机冷却器水流量降低引起的制冷量下降和烧缸等故障发生。

    参考文献：

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