－ 86℃低溫醫(yī)用冷柜性能的實驗研究

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

2 實驗測試分析
為了系統(tǒng)地研究低溫冷柜的冷卻性能，對冷柜進行了空負(fù)荷溫控循環(huán)實驗和空負(fù)荷降溫速度實
驗。具體實驗分析如下。
2. 1 空負(fù)荷溫控循環(huán)實驗
低溫冷柜與其他普通冷柜一樣，箱內(nèi)各點的溫度分布情況很重要，為了檢驗箱內(nèi)的溫度分布情
況，首先要進行空負(fù)荷溫控循環(huán)實驗。實驗條件: 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℃ 。壓縮機各點及蒸發(fā)器的實驗數(shù)據(jù)曲線如圖 2 ～ 圖 7

所示。低溫冷柜內(nèi)各點的實驗數(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低點并沒有
出現(xiàn)在柜內(nèi)的zui底層，溫度zui高點也并沒有出現(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)荷降溫實驗來進行檢測。
實驗條件: 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)。待低溫冷柜運行 510min 后，記錄各檢測點的溫度。
壓縮機各點及蒸發(fā)器的實驗數(shù)據(jù)曲線如圖14 ～ 圖 19 所示。低溫冷柜內(nèi)各點的實驗數(shù)據(jù)如圖
20 ～ 圖 25 所示。

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

以達到 － 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。
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)進行改進設(shè)計，換熱管采

用“上密下疏”的形式排布，并對樣機在規(guī)定條件下進行了性能測試。
實驗結(jié)果表明:
1) 通過溫度循環(huán)實驗結(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) 通過降溫速度實驗可以看出，箱內(nèi)的各檢測點，在 510min 以內(nèi)均可以達到 － 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。