低溫顯微鏡新冷源系統(tǒng)的實驗研究

李巧巧 陳兒同 左志強 楊曉蕓 張 華 徐文強

(上海理工大學能源與動力學院 上海 200093)

低溫生物顯微鏡是現(xiàn)代低溫生物醫(yī)學研究的重要工具之一。在生物材料的低溫保存中，降溫和復溫過程極易造成生物樣品的損傷[1]，運用低溫生物顯微鏡可以觀察生物樣品在冷凍和復溫過程中的變化，從而定性、定量地分析研究低溫對生物樣品的影響，為生物材料的低溫保存提供依據(jù)。低溫顯微鏡觀察的生物樣品溫度通常降到-60℃至-80℃。

1971年，美國麻省理工學院的Diller和cravalho研制了第一臺以液氮為冷源能夠控制升降溫速率的低溫顯微鏡[2]；1988年，上海理工大學的鄔申義、華澤釗等人研制出對流型的低溫顯微鏡[3]；2003年，浙江大學的張紹志等研制了采用電子膨脹閥控制冷卻介質(zhì)流量的低溫顯微鏡[4]。上述低溫顯微鏡基本上都是以液氮作為冷源。由于以液氮作為冷源存在儲運不便、難以做成相對固定緊湊的裝置，操作較麻煩，因此這里提出并研制了采用氮氣節(jié)流及PID控制的低溫顯微鏡冷源系統(tǒng)[5]。

這里擬進行低溫生物顯微鏡的新型冷源系統(tǒng)設(shè)計，并進行相關(guān)的實驗及分析。

1 低溫生物顯微鏡冷源系統(tǒng)的設(shè)計方案

低溫生物顯微鏡冷源系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。工作流程:來自高壓氮氣瓶的高壓氮氣通過減壓穩(wěn)壓閥，進入節(jié)流制冷系統(tǒng)，由于氮氣在常溫區(qū)的節(jié)流效應(yīng)不好，所以在氮氣節(jié)流之前加上半導體制冷片進行預(yù)冷，以改變氮氣節(jié)流效應(yīng)，高壓氮氣與半導體制冷片之間的換熱通過一個高效換熱器，經(jīng)過半導體制冷片預(yù)冷的高壓氮氣再進入回熱器，其目的是使氮氣進一步降溫，氮氣經(jīng)過半導體和回熱器預(yù)冷后進入節(jié)流孔節(jié)流，節(jié)流后低溫氮氣進入調(diào)溫室進行溫度調(diào)節(jié)，采用PID方式調(diào)節(jié)到設(shè)定溫度的氮氣進入低溫載物臺。冷卻生物樣品后的氮氣重新進入回熱器進行換熱。

圖1 低溫顯微鏡冷源系統(tǒng)原理圖Fig.1 The elementary diagram of the low-temperature system for cryomicrope

這里對節(jié)流制冷器的換熱器和節(jié)流孔進行了設(shè)計計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了增強熱交換器的換熱效果，在熱交換器的毛細管上加上肋片。為了保證毛細管的換熱效果，需要采用薄壁毛細管，由于工藝及材料的限制，選擇毛細管的壁厚為0.5mm，內(nèi)徑為0.8mm，肋片高為0.8mm，厚0.8mm，間距為0.8mm，在毛細管的端部加接一段不銹鋼節(jié)流孔管，內(nèi)徑為0.3mm，長度為10mm。圖2為螺旋翅片管的毛細管實物圖，氣體沿著繞在銅管上的螺旋翅片回流，以此種回流方式，不僅增加換熱面積，而且螺旋型回流方式加大了氣體的擾動，提高了換熱系數(shù)。所以此方式的制冷器降溫速率較快。

圖2 節(jié)流制冷器和螺旋翅片管Fig.2 The shell and spiral fi nned tube of micro-throttle refrigerator

2 實驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 實驗器材

高純氮氣、減壓閥、4018模塊、熱電偶數(shù)根、電腦、節(jié)流制冷器、PID調(diào)節(jié)器、低溫載物臺、冷量測試裝置、半導體預(yù)冷系統(tǒng)及節(jié)流器。

2.2 實驗數(shù)據(jù)及分析

2.2.1 節(jié)流孔參數(shù)的優(yōu)化

節(jié)流制冷器的節(jié)流裝置為一根管徑很小的不銹鋼圓管。節(jié)流孔有兩個參數(shù)，一是長度；二是內(nèi)徑。節(jié)流孔長度一般在2mm和10mm之間。實驗中對節(jié)流孔的六種尺寸進行實驗，如表1所示，通過實驗確定節(jié)流孔的孔徑和長度，優(yōu)化節(jié)流制冷器。

表1 節(jié)流孔類型表Tab.1 The type of the throttling hole

為避免其它因素的影響，在器件不變的條件下，僅對表1所列的幾種節(jié)流孔進行實驗。如圖3所示。

圖3 節(jié)流孔實驗樣品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram of experimental samples for the throtting hole

圖4 不同節(jié)流孔的制冷溫度隨時間變化曲線Fig.4 Curves of cooling temperatures for different throtting holes with time varition

實驗結(jié)果如圖4所示，氮氣流過不同節(jié)流孔后的最低制冷溫度，A最高，F(xiàn)最低。在一定范圍內(nèi)，節(jié)流孔的直徑越大，長度越長，制冷溫度就越低。然而節(jié)流孔內(nèi)徑太大會使氣流量過大，即消耗過多的氮氣。用內(nèi)徑0.5mm的節(jié)流孔做實驗，則一瓶10L、14MPa的氮氣僅用一個小時，其瓶內(nèi)壓力只剩3MPa，而內(nèi)徑0.3mm的節(jié)流孔則可持續(xù)兩個小時以上。用低溫顯微鏡觀察生物樣品持續(xù)時間通常在1個小時以上。通過對比，選擇節(jié)流孔內(nèi)徑為0.3mm，長度為10mm的不銹鋼管。

2.2.2 確定節(jié)流器的最佳節(jié)流壓力

對于實驗方案中的節(jié)流器，不同的壓力對應(yīng)著不同的溫降和不同的流量，本實驗分別將減壓閥后的氮氣壓力調(diào)節(jié)到4MPa、6MPa、8MPa和10MPa的壓力，以確定節(jié)流器的最佳節(jié)流壓力。

由圖5可見，隨著氣壓上升，制冷溫度呈下降趨勢。同時發(fā)現(xiàn)，氣壓為4MPa時溫度只下降到-11℃左右，節(jié)流效果不明顯。氣壓為4MPa與6MPa時的制冷溫度差值約為16℃，氣壓為6MPa與8MPa時的制冷溫度差值約為14℃，氣壓為8MPa與10MPa時的制冷溫度差值約為11℃。實驗結(jié)果表明，提高氮氣入口壓力雖然可以降低節(jié)流后的溫度，但隨著壓力的提高，降溫的幅差越來越少。考慮到氮氣瓶使用壓力的限制，7MPa是一個比較理想的氣壓，在這一并不太高的氣壓下能取得比較低的制冷溫度，而且可以降低氮氣耗量。

圖5 不同壓力下的降溫曲線Fig.5 Curves of temperature drop at different pressures

2.2.3 系統(tǒng)降溫和冷量的測試實驗

對系統(tǒng)的降溫進行實驗，將微型節(jié)流制冷器、低溫載物臺、預(yù)冷系統(tǒng)等組合連接，然后將熱電偶布置在對應(yīng)位置，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再將氮氣壓力調(diào)到7MPa，經(jīng)過減壓閥的氮氣被預(yù)冷到0℃，然后進入節(jié)流器。由圖6可見，節(jié)流后的溫度可以降到-80℃。可見節(jié)流制冷器能夠滿足低溫顯微鏡系統(tǒng)的降溫要求。

圖6 7MPa降溫曲線Fig.6 Curves of the cooling at 7MPa pressure

為測試系統(tǒng)冷量，采用熱平衡方法設(shè)計了熱平衡系統(tǒng)，如圖7所示。控制器通過占空比方式控制大功率晶體管的通斷從而控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)加熱量。根據(jù)系統(tǒng)的加熱量確定系統(tǒng)冷量。圖7中的光電隔離器起信號隔離作用，避免外部干擾對控制系統(tǒng)的影響。

圖7 熱平衡系統(tǒng)電路圖Fig.7 The circuit diagram of the system on the heat balance

圖8為冷量測試實驗數(shù)據(jù)。圖8中載物臺內(nèi)部溫度曲線在330s后基本呈水平狀態(tài)，顯示冷量和電加熱量達到平衡，通過測試，計算出冷量約為5W，表明系統(tǒng)在-80℃有5W的冷量，能滿足系統(tǒng)要求。

圖8 7MPa冷量測試曲線Fig.8 Curves of the refrigerating capacity testif i ed at 7MPa pressure

2.2.4 氮氣消耗量的測試實驗

作為開式系統(tǒng)，氮氣耗量直接影響低溫顯微鏡的實驗時間。實驗的目的是確定一瓶氮氣的消耗時間。實驗前鋼瓶重58.19kg，壓力為13.2MPa，減壓至7MPa下運行15min，鋼瓶的質(zhì)量為57.49kg，壓力為11.8MPa。將氮氣前后的狀態(tài)都換算到標準狀況，相應(yīng)的體積為5.28m3和4.72m3，即消耗氮氣為0.56m3，由此即可算出氮氣流量為37.3L/min，質(zhì)量流量為46.7g/min。一瓶氮氣的質(zhì)量約為7.5kg。經(jīng)過計算，一瓶氮氣在7MPa下的消耗時間為80min。如果加上預(yù)冷系統(tǒng)，一瓶氮氣的消耗時間將會更長。

3 實驗結(jié)論

這里提出了一種新的低溫顯微鏡冷源系統(tǒng)，通過實驗優(yōu)化了節(jié)流制冷器的參數(shù)，獲取了最佳節(jié)流壓力，實驗表明該微型制冷器能滿足低溫顯微鏡冷源系統(tǒng)的要求。結(jié)論如下:

1)通過對六種不同節(jié)流孔徑的實驗表明:較大的節(jié)流孔徑能達到較低的溫度，但會導致氣流量過大，氮氣消耗速度過快。綜合降溫幅度與氮氣耗量等因素，選擇節(jié)流器的節(jié)流孔內(nèi)徑為0.3mm，長度為10mm。

2)通過對四種不同初始壓力的實驗表明，初始壓力越高，能達到的降溫幅度越大，然而隨著氣壓的增大，降溫幅度的變化越來越少，而氮氣的消耗量卻明顯增加，因此將氮氣節(jié)流前的氣壓值定為7MPa。

3)當對氮氣進行預(yù)冷，可明顯降低節(jié)流后的溫度，本裝置采用半導體制冷與冷氮氣回熱的方式，能滿足低溫生物顯微鏡冷源系統(tǒng)的要求。

4)氮氣瓶中氮氣消耗時長不低于80min，滿足實驗要求。

本文受上海市重點學科建設(shè)(S30503)項目資助。(The project was supported by Shanghai Leading Academic Discipline Project(No.S30503).)

[1] 華澤釗. 任禾盛.低溫生物醫(yī)學技術(shù)[M]. 北京: 科學出版社, 2006.

[2] Diller K R, Cravalho E G. Croymicroscopic investigation of intracellular ice formation in frozen erythrocytes[J].Cryobiology, 1971,8(4):398-406.

[3] 鄔申義, 姚柯敏, 華澤釗, 等.大型低溫生物顯微鏡系統(tǒng)的研制[J]. 儀器儀表學報, 1988.9(1): 90-93.(Wu Shenyi,Yao Kemin,Hua Zezhao. Large Cryogenic System for Biological Microscope [J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,1988.9(1):90-93)

[4] 張紹志,王葳,陳光明.低溫顯微鏡的研制[J].低溫工程. 2003.5(5):31-36.(Zhang Shaozhi,Wang Wei, Chen Guangming. Research and Development of Lowtemperature Microscope[J]. Cryogenics. 2003.5(5):31-36)

[5] 陳兒同, 左志強, 王艷, 等.一種低溫顯微鏡冷源系統(tǒng): 中國, 101546035 [P]. 2009-03-30.