－ 86℃低溫醫(yī)用冷柜性能的實(shí)驗研究

2013-08-19 10:43:52.0

引言
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
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℃、－ 60℃、－86℃、－105℃ 、－ 135℃ 、－ 153℃ 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

對低溫冷柜的制冷系統(tǒng)設(shè)計、箱體的優(yōu)化設(shè)計、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。本文針對柜內(nèi)溫度分布特性，通過換熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，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)計中柜內(nèi)溫度分布不均，因此在設(shè)計上對于柜壁內(nèi)的銅管分布采用了“上密下

疏”的排布形式，并對樣機(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感溫點(diǎn); 同時，低溫冷柜的中心位置及低溫冷柜自身的溫度控制點(diǎn)也是要檢驗的對象，所以在這兩個位置分別布有一個感溫點(diǎn)，這樣低溫冷柜內(nèi)共布有 6 個感溫點(diǎn)。另外，為了驗證低溫冷柜的整體性能，還分別在高、低溫級壓縮機(jī)出、入口級及蒸發(fā)器的出入口
布有感溫點(diǎn)，以了解這幾個位置的溫度情況。箱內(nèi)各溫度檢測點(diǎn)具體分布情況如圖 1 所示。

2 實(shí)驗測試分析
為了系統(tǒng)地研究低溫冷柜的冷卻性能，對冷柜進(jìn)行了空負(fù)荷溫控循環(huán)實(shí)驗和空負(fù)荷降溫速度實(shí)
驗。具體實(shí)驗分析如下。
2. 1 空負(fù)荷溫控循環(huán)實(shí)驗
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。實(shí)驗條件: 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，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，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
為了驗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)驗來進(jìn)行檢測。
實(shí)驗條件: 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)驗數(shù)據(jù)如圖
20 ～ 圖 25 所示。

分析可知: 510min 到達(dá)時，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，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)計要求。同時，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)的低溫儲存。醫(yī)用低溫冷柜柜柜內(nèi)的溫度分布不均勻

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

用“上密下疏”的形式排布，并對樣機(jī)在規(guī)定條件下進(jìn)行了性能測試。
實(shí)驗結(jié)果表明:
1) 通過溫度循環(huán)實(shí)驗結(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，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，這樣對箱內(nèi)的空氣的自然對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)計要求。同時，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)。