-86℃低溫冰箱實(shí)驗(yàn)說明

低溫冷柜( 冰箱) 在醫(yī)療、科研,、生物技術(shù)等領(lǐng)域中，被廣泛用于低溫環(huán)境的制備和物質(zhì)的低溫儲(chǔ)
存。近些年來,，隨著生命科學(xué)和生物基因技術(shù)的日益興起，低溫冷柜產(chǎn)品需求量呈逐年上升趨勢,。
目前市場上常見的有 -40℃,、-65℃、-86℃,、-105℃ ,、-135℃ 、-150℃ 等規(guī)格,，其

中 -86℃ 的低溫醫(yī)用冷柜需求zui大,。低溫冷柜的蒸發(fā)溫度遠(yuǎn)低于家用冰箱的蒸發(fā)溫度，因此制

冷系統(tǒng)大多使用較復(fù)雜的復(fù)疊制冷系統(tǒng)。國內(nèi)對(duì)低溫冷柜產(chǎn)品需求量巨大,，但現(xiàn)階段國產(chǎn)低溫冷柜

*低,，技術(shù)相對(duì)落后，因此有必要進(jìn)行相關(guān)研究,，開發(fā)具有市場競爭力的產(chǎn)品,。國內(nèi)學(xué)者

對(duì)低溫冷柜的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、箱體的優(yōu)化設(shè)計(jì),、制冷劑的選擇以及新的制冷技術(shù)的應(yīng)用等做了大量的

研究工作,。由于醫(yī)用低溫冷柜柜內(nèi)外溫差較大，因此柜內(nèi)的溫度分布通常不均勻,，嚴(yán)重影響保存物的

品質(zhì)和安全,。本文針對(duì)柜內(nèi)溫度分布特性，通過換熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),，達(dá)到滿足箱內(nèi)溫度分布要求,。
1 換熱系統(tǒng)優(yōu)化與性能實(shí)驗(yàn)條件為了獲得 －86℃的低溫環(huán)境，低溫冷柜制冷系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的復(fù)疊

式制冷系統(tǒng),。由于原設(shè)計(jì)中柜內(nèi)溫度分布不均,，因此在設(shè)計(jì)上對(duì)于柜壁內(nèi)的銅管分布采用了“上密下

疏"的排布形式，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了性能測試,。為了得到低溫冷柜內(nèi)的溫度分布情況,，結(jié)合低冷柜的冷儲(chǔ)特點(diǎn)，將箱內(nèi)從上至下平均分成 4 部分,，分別在每部分的中心位置布有一個(gè)感溫點(diǎn); 同時(shí),，低溫冷柜的中心位置及低溫冷柜自身的溫度控制點(diǎn)也是要檢驗(yàn)的對(duì)象，所以在這兩個(gè)位置分別布有一個(gè)感溫點(diǎn),，這樣低溫冷柜內(nèi)共布有 6 個(gè)感溫點(diǎn),。另外，為了驗(yàn)證低溫冷柜的整體性能,，還分別在高,、低溫級(jí)壓縮機(jī)出、入口級(jí)及蒸發(fā)器的出入口
布有感溫點(diǎn),，以了解這幾個(gè)位置的溫度情況,。箱內(nèi)各溫度檢測點(diǎn)具體分布情況如圖 1 所示。

2 實(shí)驗(yàn)測試分析
為了系統(tǒng)地研究低溫冷柜的冷卻性能,，對(duì)冷柜進(jìn)行了空負(fù)荷溫控循環(huán)實(shí)驗(yàn)和空負(fù)荷降溫速度實(shí)
驗(yàn),。具體實(shí)驗(yàn)分析如下。
2. 1 空負(fù)荷溫控循環(huán)實(shí)驗(yàn)
低溫冷柜與其他普通冷柜一樣,，箱內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布情況很重要,，為了檢驗(yàn)箱內(nèi)的溫度分布情
況,，首先要進(jìn)行空負(fù)荷溫控循環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件: 低溫冷柜的工作環(huán)境溫度設(shè)定為30℃ ,，低溫冷

柜的溫度柜的溫度控制器設(shè)定溫度為－ 80℃ ,。壓縮機(jī)各點(diǎn)及蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖 2 ～ 圖 7

所示。低溫冷柜內(nèi)各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 8 ～ 圖 13 所示,。

分析可知: 低溫冷柜在設(shè)定 －80℃時(shí),，蒸發(fā)器的進(jìn)口溫度在 － 84℃ 左右，出口溫度在 － 72℃ 左
右,，說明制冷劑在蒸發(fā)器中的相變過程是合適的,，并沒有在剛剛進(jìn)入蒸發(fā)器就開始蒸發(fā)或者是在離
開蒸發(fā)器制冷還沒有*蒸發(fā)的現(xiàn)象,，同時(shí)也說明制冷劑的灌注量是適合的,。柜內(nèi)各點(diǎn)的溫度都在
( －80 ±5) ℃的溫度范圍內(nèi)波動(dòng)，符合被存放物品的保存要求,。從溫度分布來看,，溫度zui低點(diǎn)并沒有
出現(xiàn)在柜內(nèi)的zui底層，溫度zui高點(diǎn)也并沒有出現(xiàn)在柜內(nèi)的zui高處,，這表明上疏下密的盤管方式改善了
低溫冷柜內(nèi)冷氣下沉熱氣上升的現(xiàn)象,，使箱內(nèi)的溫度分布趨于平衡。
2. 2 空負(fù)荷降溫速度實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證低溫冷柜的降溫性能,，通過低溫冷柜的空負(fù)荷降溫實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行檢測,。
實(shí)驗(yàn)條件: 低溫冷柜的工作環(huán)境溫度設(shè)定為30℃ ，電壓為 220V /50Hz,，箱內(nèi)空負(fù)荷,，通過箱體的
溫度控制器設(shè)定箱體處于拉低溫狀態(tài)。待低溫冷柜運(yùn)行 510min 后,，記錄各檢測點(diǎn)的溫度,。
壓縮機(jī)各點(diǎn)及蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖14 ～ 圖 19 所示。低溫冷柜內(nèi)各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖
20 ～ 圖 25 所示,。

分析可知: 510min 到達(dá)時(shí),，各檢測點(diǎn)的溫度均在 －86℃以下，溫度zui高點(diǎn)為 －87. 18℃,，溫度zui低
點(diǎn)為 －87. 94℃,，兩點(diǎn)的溫差很小，只在 1℃ 以內(nèi),，達(dá)到了保證特征點(diǎn)溫度溫度 －86℃的要求,。另外
一方面，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,，溫度在低溫冷柜內(nèi)是從上至下,，由低至高進(jìn)行分布的,，也體現(xiàn)出了蒸
發(fā)盤管“上密下疏"的排布特點(diǎn)。通過降溫速度實(shí)驗(yàn),，可以看出: 箱內(nèi)的各檢測點(diǎn),，在 510min 以內(nèi)均可

以達(dá)到 － 86℃以下。說明低溫冷柜溫度分布滿足了設(shè)計(jì)要求,。同時(shí),，箱內(nèi)溫度自上而下由低到高的分

布特性，也體出了箱體盤管“上密下疏"的排布特點(diǎn),。
3 結(jié)論
低溫冷柜( 冰箱) 被廣泛用于低溫環(huán)境的制備和物質(zhì)的低溫儲(chǔ)存,。醫(yī)用低溫冷柜柜柜內(nèi)的溫度分布不均勻

會(huì)嚴(yán)重影響保存物的品質(zhì)和安全。本研究就是針對(duì)柜內(nèi)溫度分布,，對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),，換熱管采

用“上密下疏"的形式排布，并對(duì)樣機(jī)在規(guī)定條件下進(jìn)行了性能測試,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
1) 通過溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,，箱內(nèi)溫度均在設(shè)定溫度值的 5℃范圍內(nèi)波動(dòng)，且并沒有出
現(xiàn)上部溫度偏高,，下部溫度偏低的現(xiàn)象,。說明蒸發(fā)器工質(zhì)“上進(jìn)下出"的流動(dòng)方式以及“上密下疏"的
排管方式，使得蒸發(fā)器盤管的大部分換熱都集中在柜內(nèi)的上部分,，使得柜內(nèi)上部分的空氣先得到冷
卻,，這樣對(duì)箱內(nèi)的空氣的自然對(duì)流換熱提供了有利的條件，從而提高了箱內(nèi)溫度的均勻性,。也側(cè)面反
映出高,、低溫級(jí)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器、冷凝器,、蒸發(fā)冷凝器,、毛細(xì)管、膨脹罐等各部件的配置都很恰當(dāng),。
2) 通過降溫速度實(shí)驗(yàn)可以看出,，箱內(nèi)的各檢測點(diǎn)，在 510min 以內(nèi)均可以達(dá)到 － 86℃以下,。說
明低溫冷柜滿足了溫度設(shè)計(jì)要求,。同時(shí)，箱內(nèi)溫度自上而下由低到高的分布特性,，也體出了箱體盤管
“上密下疏"的排布特點(diǎn),。

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