-86℃低溫冰箱實驗說明

低溫冷柜( 冰箱) 在醫療、科研、生物技術等領域中，被廣泛用于低溫環境的制備和物質的低溫儲
存。近些年來，隨著生命科學和生物基因技術的日益興起，低溫冷柜產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℃ 等規格，其

中 -86℃ 的低溫醫用冷柜需求zui大。低溫冷柜的蒸發溫度遠低于家用冰箱的蒸發溫度，因此制

冷系統大多使用較復雜的復疊制冷系統。國內對低溫冷柜產品需求量巨大，但現階段國產低溫冷柜

*低，技術相對落后，因此有必要進行相關研究，開發具有市場競爭力的產品。國內學者

對低溫冷柜的制冷系統設計、箱體的優化設計、制冷劑的選擇以及新的制冷技術的應用等做了大量的

研究工作。由于醫用低溫冷柜柜內外溫差較大，因此柜內的溫度分布通常不均勻，嚴重影響保存物的

品質和安全。本文針對柜內溫度分布特性，通過換熱系統的優化設計，達到滿足箱內溫度分布要求。
1 換熱系統優化與性能實驗條件為了獲得 －86℃的低溫環境，低溫冷柜制冷系統采用傳統的復疊

式制冷系統。由于原設計中柜內溫度分布不均，因此在設計上對于柜壁內的銅管分布采用了“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的溫度分布情況，結合低冷柜的冷儲特點，將箱內從上至下平均分成 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
為了系統地研究低溫冷柜的冷卻性能，對冷柜進行了空負荷溫控循環實驗和空負荷降溫速度實
驗。具體實驗分析如下。
2. 1 空負荷溫控循環實驗
低溫冷柜與其他普通冷柜一樣，箱內各點的溫度分布情況很重要，為了檢驗箱內的溫度分布情
況，首先要進行空負荷溫控循環實驗。實驗條件: 低溫冷柜的工作環境溫度設定為30℃ ，低溫冷

柜的溫度柜的溫度控制器設定溫度為－ 80℃ 。壓縮機各點及蒸發器的實驗數據曲線如圖 2 ～ 圖 7

所示。低溫冷柜內各點的實驗數據如圖 8 ～ 圖 13 所示。

分析可知: 低溫冷柜在設定 －80℃時，蒸發器的進口溫度在 － 84℃ 左右，出口溫度在 － 72℃ 左
右，說明制冷劑在蒸發器中的相變過程是合適的，并沒有在剛剛進入蒸發器就開始蒸發或者是在離
開蒸發器制冷還沒有*蒸發的現象，同時也說明制冷劑的灌注量是適合的。柜內各點的溫度都在
( －80 ±5) ℃的溫度范圍內波動，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
出現在柜內的zui底層，溫度zui高點也并沒有出現在柜內的zui高處，這表明上疏下密的盤管方式改善了
低溫冷柜內冷氣下沉熱氣上升的現象，使箱內的溫度分布趨于平衡。
2. 2 空負荷降溫速度實驗
為了驗證低溫冷柜的降溫性能，通過低溫冷柜的空負荷降溫實驗來進行檢測。
實驗條件: 低溫冷柜的工作環境溫度設定為30℃ ，電壓為 220V /50Hz，箱內空負荷，通過箱體的
溫度控制器設定箱體處于拉低溫狀態。待低溫冷柜運行 510min 后，記錄各檢測點的溫度。
壓縮機各點及蒸發器的實驗數據曲線如圖14 ～ 圖 19 所示。低溫冷柜內各點的實驗數據如圖
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，達到了保證特征點溫度溫度 －86℃的要求。另外
一方面，從實驗結果可以看出，溫度在低溫冷柜內是從上至下，由低至高進行分布的，也體現出了蒸
發盤管“上密下疏"的排布特點。通過降溫速度實驗，可以看出: 箱內的各檢測點，在 510min 以內均可

以達到 － 86℃以下。說明低溫冷柜溫度分布滿足了設計要求。同時，箱內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 結論
低溫冷柜( 冰箱) 被廣泛用于低溫環境的制備和物質的低溫儲存。醫用低溫冷柜柜柜內的溫度分布不均勻

會嚴重影響保存物的品質和安全。本研究就是針對柜內溫度分布，對制冷系統進行改進設計，換熱管采

用“上密下疏"的形式排布，并對樣機在規定條件下進行了性能測試。
實驗結果表明:
1) 通過溫度循環實驗結果可以看出，箱內溫度均在設定溫度值的 5℃范圍內波動，且并沒有出
現上部溫度偏高，下部溫度偏低的現象。說明蒸發器工質“上進下出"的流動方式以及“上密下疏"的
排管方式，使得蒸發器盤管的大部分換熱都集中在柜內的上部分，使得柜內上部分的空氣先得到冷
卻，這樣對箱內的空氣的自然對流換熱提供了有利的條件，從而提高了箱內溫度的均勻性。也側面反
映出高、低溫級系統中的蒸發器、冷凝器、蒸發冷凝器、毛細管、膨脹罐等各部件的配置都很恰當。
2) 通過降溫速度實驗可以看出，箱內的各檢測點，在 510min 以內均可以達到 － 86℃以下。說
明低溫冷柜滿足了溫度設計要求。同時，箱內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。

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