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- 86℃低温医用冷柜性能的实验研究

发布时间:2013-08-19 10:43:52.0

引言
低温冷柜( 冰箱) 在医疗、科研、生物技术等领域中,被广泛用于低温环境的制备和物质的低温储
存。近些年来,随着生命科学和生物基因技术的日益兴起,低温冷柜产品需求量呈逐年上升趋势。
目前市场上常见的有 - 40℃、- 60℃、-86℃、-105℃ 、- 135℃ 、- 153℃ 等规格,其

中 - 86℃ 的低温医用冷柜需求最大。低温冷柜的蒸发温度远低于家用冰箱的蒸发温度,因此制

冷系统大多使用较复杂的复叠制冷系统。国内对低温冷柜产品需求量巨大,但现阶段国产低温冷柜

市场占有率低,技术相对落后,因此有必要进行相关研究,开发具有市场竞争力的产品。国内学者

对低温冷柜的制冷系统设计、箱体的优化设计、制冷剂的选择以及新的制冷技术的应用等做了大量的

研究工作。由于医用低温冷柜柜内外温差较大,因此柜内的温度分布通常不均匀,严重影响保存物的

品质和安全。本文针对柜内温度分布特性,通过换热系统的优化设计,达到满足箱内温度分布要求。
1 换热系统优化与性能实验条件为了获得 -86℃的低温环境,低温冷柜制冷系统采用传统的复叠

式制冷系统。由于原设计中柜内温度分布不均,因此在设计上对于柜壁内的铜管分布采用了“上密下

疏”的排布形式,并对样机进行了性能测试。为了得到低温冷柜内的温度分布情况,结合低冷柜的冷储特点,将箱内从上至下平均分成 4 部分,分别在每部分的中心位置布有一个感温点; 同时,低温冷柜的中心位置及低温冷柜自身的温度控制点也是要检验的对象,所以在这两个位置分别布有一个感温点,这样低温冷柜内共布有 6 个感温点。另外,为了验证低温冷柜的整体性能,还分别在高、低温级压缩机出、入口级及蒸发器的出入口
布有感温点,以了解这几个位置的温度情况。箱内各温度检测点具体分布情况如图 1 所示。

2 实验测试分析
为了系统地研究低温冷柜的冷却性能,对冷柜进行了空负荷温控循环实验和空负荷降温速度实
验。具体实验分析如下。
2. 1 空负荷温控循环实验
低温冷柜与其他普通冷柜一样,箱内各点的温度分布情况很重要,为了检验箱内的温度分布情
况,首先要进行空负荷温控循环实验。实验条件: 低温冷柜的工作环境温度设定为30℃ ,低温冷

柜的温度柜的温度控制器设定温度为- 80℃ 。压缩机各点及蒸发器的实验数据曲线如图 2 ~ 图 7

所示。低温冷柜内各点的实验数据如图 8 ~ 图 13 所示。

分析可知: 低温冷柜在设定 -80℃时,蒸发器的进口温度在 - 84℃ 左右,出口温度在 - 72℃ 左
右,说明制冷剂在蒸发器中的相变过程是合适的,并没有在刚刚进入蒸发器就开始蒸发或者是在离
开蒸发器制冷还没有完全蒸发的现象,同时也说明制冷剂的灌注量是适合的。柜内各点的温度都在
( -80 ±5) ℃的温度范围内波动,符合被存放物品的保存要求。从温度分布来看,温度最低点并没有
出现在柜内的最底层,温度最高点也并没有出现在柜内的最高处,这表明上疏下密的盘管方式改善了
低温冷柜内冷气下沉热气上升的现象,使箱内的温度分布趋于平衡。
2. 2 空负荷降温速度实验
为了验证低温冷柜的降温性能,通过低温冷柜的空负荷降温实验来进行检测。
实验条件: 低温冷柜的工作环境温度设定为30℃ ,电压为 220V /50Hz,箱内空负荷,通过箱体的
温度控制器设定箱体处于拉低温状态。待低温冷柜运行 510min 后,记录各检测点的温度。
压缩机各点及蒸发器的实验数据曲线如图14 ~ 图 19 所示。低温冷柜内各点的实验数据如图
20 ~ 图 25 所示。

分析可知: 510min 到达时,各检测点的温度均在 -86℃以下,温度最高点为 -87. 18℃,温度最低
点为 -87. 94℃,两点的温差很小,只在 1℃ 以内,达到了保证特征点温度温度 -86℃的要求。另外
一方面,从实验结果可以看出,温度在低温冷柜内是从上至下,由低至高进行分布的,也体现出了蒸
发盘管“上密下疏”的排布特点。通过降温速度实验,可以看出: 箱内的各检测点,在 510min 以内均可

以达到 - 86℃以下。说明低温冷柜温度分布满足了设计要求。同时,箱内温度自上而下由低到高的分

布特性,也体出了箱体盘管“上密下疏”的排布特点。
3 结论
低温冷柜( 冰箱) 被广泛用于低温环境的制备和物质的低温储存。医用低温冷柜柜柜内的温度分布不均匀

会严重影响保存物的品质和安全。本研究就是针对柜内温度分布,对制冷系统进行改进设计,换热管采

用“上密下疏”的形式排布,并对样机在规定条件下进行了性能测试。
实验结果表明:
1) 通过温度循环实验结果可以看出,箱内温度均在设定温度值的 5℃范围内波动,且并没有出
现上部温度偏高,下部温度偏低的现象。说明蒸发器工质“上进下出”的流动方式以及“上密下疏”的
排管方式,使得蒸发器盘管的大部分换热都集中在柜内的上部分,使得柜内上部分的空气先得到冷
却,这样对箱内的空气的自然对流换热提供了有利的条件,从而提高了箱内温度的均匀性。也侧面反
映出高、低温级系统中的蒸发器、冷凝器、蒸发冷凝器、毛细管、膨胀罐等各部件的配置都很恰当。
2) 通过降温速度实验可以看出,箱内的各检测点,在 510min 以内均可以达到 - 86℃以下。说
明低温冷柜满足了温度设计要求。同时,箱内温度自上而下由低到高的分布特性,也体出了箱体盘管
“上密下疏”的排布特点。
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