利用壓縮機制冷改進搖床溫度控制系統

胡振幫， 陳慶山， 辛大偉， 齊照明， 蔡 銳

(東北農業大學 a. 農學院； b. 實驗室管理處, 哈爾濱 150030)

利用壓縮機制冷改進搖床溫度控制系統

胡振幫a， 陳慶山a， 辛大偉a， 齊照明a， 蔡 銳b

(東北農業大學 a. 農學院； b. 實驗室管理處, 哈爾濱 150030)

利用壓縮機制冷系統改善搖床低溫控制能力，當環境溫度23.7 ℃時，搖床能達到的最低溫度18.6 ℃，到達最低溫度所需時間35 min，溫度極差5.1 ℃；當環境溫度27.7 ℃時，搖床能達到最低溫度20.4 ℃，所需時間50 min，溫度極差7.3 ℃；實驗結果表明，改造后的搖床具有非常好的控溫穩定性。改造后的搖床完全不破壞原有系統，并具有操作容易、結構簡單、改造價格低廉、控溫穩定性高、環境適應性好、運行穩定等優點。

壓縮機; 制冷系統； 加熱補償機制； 溫度控制系統

0 引 言

搖床是實驗室常用儀器設備，廣泛應用于生物、遺傳、環保、醫學等教學及科研實驗。按溫控范圍，搖床可分為加熱型與制冷型，制冷型搖床價格高且尺寸規格較大，不適合擺放在空間有限的實驗室中，也不適合單次少量的實驗操作；加熱型搖床利用風扇通過環境溫度來調控內部溫度達到控溫的目的，但當搖床設定溫度低于環境溫度時，搖床就不能達到設定溫度，從而影響實驗。如果重新采購制冷型搖床，就會增加經費投入，還會導致儀器設備的閑置，進而造成了不必要的浪費[1-3]。為了解決上述問題，通過對加熱型搖床進行改造加裝壓縮制冷系統，改善搖床低溫控制能力，從而解決不同環境的實驗溫度需求，此外利用現有設備通過升級改造不但滿足了實驗需求，而且還避免了由于重新采購新設備而造成不必要的資金投入，也避免了設備閑置問題。

小型制冷系統由壓縮機、節流閥、蒸發器、冷凝器等組成，其中壓縮機是制冷系統的重要組成部分，而線性壓縮機具有效率高、結構簡單、體積小、重量輕等優點[4]，此外理想溫度的獲得還需要有節流機構，而毛細管是最簡單的節流機構之一，毛細管長度的確定在制冷系統中是一個難題，利用毛細管模擬程序對設計工況進行分析就可以得到適合長度的毛細管[5]。增加壓縮機及毛細管節流機構制作簡單的制冷系統改善小型設備溫度系統的應用已有相關研究報道，離心機[6]、真空泵[7]、漁船作業[8]、裝載機[9]等設備都有相關應用，這些應用都具有改造費用低廉、效益大、容易實施等優點。還有相關研究對制冷壓縮機性能試驗臺進行了改造，使實驗臺的應用范圍更加廣泛[10]。國外相關研究還利用半導體制冷片，將普通生物顯微鏡改告成低溫生物顯微鏡，取得良好的實驗效果[11]。以上研究都充分說明：通過增加制冷系統來改善小型設備的溫度系統，從而增加設備應用范圍的做法是完全可行的，但利用壓縮機制冷系統改善搖床控溫性能的研究還未見報道。在前人研究基礎上[4-11]，本文對小型搖床進行升級改造，不但避免資金投入減少設備閑置，而且對于高校實驗室管理具有指導意義。

1 系統設計

1.1 系統改造方案

改造前的搖床為加熱型搖床，由溫度傳感器、加熱組件、溫度制度器組成。改造搖床為其增加壓縮制冷系統，有3種方案：

① 重新設計一個雙通道溫度控制器取代原有單通道溫度控制器，分別控制加熱和制冷，這種方案增加了改造成本和難度，并且控溫穩定性并不高，不適合應用推廣。

② 保持原有的單通道溫度控制器及系統線路不變，再設計一個單通道溫度控制器來控制制冷系統溫度，這種方案在使用時需要分別設定原溫控器與制冷溫控器從而增加了操作的復雜性，并且經過實驗發現此方案的控溫穩定性也不高。

③ 保持原有系統不變，制冷系統在搖床開機后一直工作，如圖1所示，此方案不改變原有系統不增加額外控制器，用最小的改動及最低廉的價格獲得理想的實驗溫度，從控溫穩定性上考慮也是最佳方案。

圖1 直接制冷系統

1.2 系統工作原理及系統結構

綜合考慮3種改造方案，最終確定了直接制冷系統方案。其工作原理是保持原有系統不變，加裝壓縮制冷系統，搖床開機后制冷系統持續工作，利用加熱器補償制冷低溫從而平衡溫度達到控制溫度的目的。系統工作流程如圖2所示，當用戶開機并設置好溫度t1后，制冷系統會隨搖床一起啟動并持續工作，當控制器檢測到搖床艙內溫度t2>t1時，加熱器不啟動，制冷系統持續工作；當t2

圖2 直接制冷系統工作流程圖

1.3 制冷劑選擇及系統焊接

目前市場上的主要制冷劑有R22、R23、R134a、R123、R407C、R410a等[12-13]。R22雖然屬臭氧消耗型制冷劑，但仍是一款綜合性能非常優良的制冷劑，具有價格低廉、效率高、使用經驗成熟，在中小制冷機組中的廣泛應[14-16]，因此選擇R22制冷劑為本次改造的冷媒工質。

在管線選擇上，選擇了純銅材質的管線。管線的焊接要依據不同材質的管線而定，對于純銅材質管線最好選用銅磷焊條，因為這種焊條價格便宜并且在焊接時磷可以還原被氧化的銅管從而起到助焊劑的作用。而對于銅管焊接其他管路時，銀銅焊條比較適合，因為這種焊條的焊接性能好[17-18]。

在焊接前接頭處要清理干凈，不能留有污物或水漬，避免由于潔凈度和干燥度不好而引起的焊接氣孔或虛焊。在焊接時要控制好火焰溫度，避免出現過燒或溶蝕對管線承壓能力的破壞。對于擴口處的焊接，由于擴口時人為破壞了管壁材質的均勻性，從而導致產生細微的焊接縫，這焊縫在高壓工況下會因應力分布不均而導致工質泄露。在焊接完成后要等焊接點徹底冷卻后再除去氧化層，然后觀察焊接點是否存在氣孔或虛焊情況。

2 改造步驟

2.1 系統部件裝配

改造加裝的制冷系統主要包括：壓縮機、管線、制冷劑、毛細管、干燥劑等部件，系統裝配如圖3所示。

圖3 制冷系統裝配圖

2.2 制冷溫度與毛細管長度確定

由于系統方案是直接制冷，壓縮制冷系統一直工作，搖床依賴加熱器對制冷系統進行熱補償來達到設定值，故制冷溫度不應該與實驗溫度偏差過大。本實驗室常用的實驗溫度為28 ℃和36 ℃，因此設計改造后的制冷溫度應為20 ℃比較合適。由于換熱溫差的存在，即蒸發器溫度要比環境溫度低8～10 ℃，故蒸發器溫度應為10 ℃，為了獲得更好的冷凝效果，將冷凝器溫度高出蒸發器40 ℃，即50 ℃。

毛細管是制冷系統的重要組成部分，其位置位于蒸發器與冷凝器之間，作用是在蒸發器與冷凝器間產生一個壓力差，從而使高壓液態工質在經過毛細管后變為低壓低溫工質，在進入蒸發器后才能達到較好的蒸發吸熱效率。毛細管一般內徑0.6～2.5 mm，長度0.3～5 m不等[19-21]。毛細管的長度需在壓力實驗中確定。

2.3 制冷劑加注及壓力實驗

壓縮機吸氣壓力近似為蒸發壓力，蒸發溫度是通過調整蒸發器的供液量來調節的，蒸發溫度可通過壓縮機吸氣壓力獲得[22]，因此依據制冷劑溫度與飽和壓力對照表[23]，可以查得高低壓力值。當蒸發溫度為10 ℃時回氣絕對壓力為682 kPa，冷凝器為50 ℃時排氣絕對壓力為1 944 kPa。

將毛細管直接焊接在壓縮機的排氣端上，在毛細管與壓縮機間接一個壓力表，如圖4所示。當壓縮機工作時，壓力表的數值即為系統高低壓力間的差值，根據查表得到高低壓力差值應為1 262 kPa。當壓縮機工作時逐漸縮短毛細管長度，觀察壓力表，當壓差達到1 262 kPa時為止，此時的毛細管長度就是保證系統達到設計制冷溫度所需的長度。觀查壓力表數值變化，當壓力差值達到1 200 kPa(±50 kPa)時為止，此時的毛細管長度就是保證系統達到設計制冷溫度所需的長度。

圖4 毛細管壓力測試實驗

將系統焊接好后，在壓縮機吸氣端口處接真空泵，對系統進行抽真空，真空壓力為-0.1 MPa，當系統維持真空壓5 h以上時，即可判斷系統無漏點，此時即可加注制冷劑，在加注制冷劑時，觀察高低壓端壓力表值，當高壓端壓力表達到1 944 kPa同時低壓端達到682 kPa時，加注量為正好。觀察高低壓端壓力表值，在室溫25℃時，當低壓端壓力達到680 kPa(±10 kPa)同時高壓端壓力大于2 000 kPa且小于1 800 kPa時系統加注量良好，在加注時要以少量多次為原則，每次加注后都要讓系統運行幾分鐘再觀察壓力表數值變化。

3 溫度驗證與分析

3.1 低溫控制能力實驗及分析

對改造好的搖床進行實際測試分析搖床的低溫控制能力。在室溫為23.7 ℃與27.7 ℃的環境下打開搖床艙門30 min，測量搖床內外溫度一致后，將電子溫度計固定在搖床內中間位置。為了模擬實驗工作狀態，將平臺轉速設定為200 r/min，為了測試搖床的低溫能力，將搖床溫度設定為10 ℃，采樣時長為65 min，采樣頻率為0.2次/min，結果如圖5所示。

當搖床初始溫度為環境溫度時，10 min中內的降溫幅度最大，30 min后趨于達到最低溫度。當環境溫度為23.7 ℃時，搖床用35 min達到最低溫度18.6 ℃，并且穩定控制在18.6 ℃，溫度極差為5.1 ℃；當環境溫度為23.7 ℃時，搖床用50 min達到最低溫度20.4 ℃，并且穩定控制在20.4 ℃，溫度極差為7.3 ℃。

實驗表明，當環境溫度越高，達到設定溫度所花的時間越長，極差表明，本次改造的搖床在不同環境下降溫能力為5～7 ℃。由于本實驗室經常使用的搖床溫度為28 ℃和36 ℃，當夏季室溫為30 ℃時搖床可以控制的最低溫度為21～25 ℃；當春秋季室溫為25 ℃時搖床可以控制的最低溫度為17～20 ℃，故改造后的搖床達到了設計指標，完全可以滿足本實驗的實驗需求。

(a) 環境溫度23.7 ℃

(b) 環境溫度27.7 ℃

圖5 搖床工作溫度變化曲線圖(采樣時間65 min，采樣頻率0.2次/min)

3.2 溫度控制穩定性實驗及分析

搖床控溫穩定性是衡量搖床性能的重要指標。通過提高采樣頻率對改造后的搖床進行控溫穩定性測試，如表1所示。實驗條件同3.1，開機40 min后提高采樣頻率，以次/min對搖床溫度進行測定，在環境溫度為23.7 ℃，搖床溫度達到18.6 ℃后穩定不變；環境溫度為27.7 ℃，搖床溫度達到20.4 ℃后穩定不變。實驗表明，改造后搖床的溫控穩定性非常理想，達到了設計指標。

表1 高頻率采樣下的搖床溫度變化表(采樣時間26 min，采樣頻率 次/min)

4 討 論

直接制冷方案簡單易行，穩定性好，系統運行性能平穩但也存在不足：

(1) 采用加熱補償制冷達到控溫目的同時，由于制冷系統一直處于工作狀態，從而增加了能耗也降低了系統使用壽命，雖然是犧牲了能耗和壽命，但從實驗結果來看這種方法具有非常好的溫控穩定性，甚至超過了原裝制冷型搖床的溫控穩定性。

(2) 要根據常用的實驗溫度來設計制冷系統的制冷能力，如果系統設計制冷溫度與常用實驗溫度相差較大，那么在不同環境溫度工作時達到實驗溫度所需的時間就很長，甚至有時達不到實驗要求的溫度。

(3) 改造過程需要權衡改造的難易問題、成本問題、能耗問題、控溫能力問題、控溫穩定性問題等多方面因素，正因如此，本文改造的出發點是按：高控溫穩定性>改造簡單>成本低廉的權重順序設計的，不同實驗室在改造時需要根據自己常用實驗溫度對制冷系統控溫能力進行設計。

(4) 毛細管的長度一定要合適才能在蒸發器與冷凝器間產生適當的壓力差，在確定毛細管長度實驗時，壓力表顯示的壓力差值可以稍稍高于設計值，但絕不能低于設計值，否則系統達不到設計的制冷溫度。

(5) 制冷劑加注量一定要適中，制冷劑過多會導致系統因壓力過高而不能啟動；制冷劑過少會導致系統因壓力過低而不制冷。因此，在制冷劑加注時一定要在系統運行穩定后，依據低壓端壓力表數值來確定制冷劑的加注量，因為高壓端壓力會因環境溫度的變化而改變，而低壓端壓力則相對穩定。制冷劑的加注應該遵循少加勤加多觀察的原則。

5 結 語

通過改造加熱型搖床，加裝壓縮制冷系統，改善了搖床低溫工作能力，所選定的改造方案充分考慮了可行性及經濟性，并且具有良好的控溫穩定性。由于完全沒有破壞原有系統，因此操作簡單、控溫穩定、改造價格低廉。改造后的設備完全可以滿足實驗要求。本文通過加裝壓縮制冷系統來降低實驗儀器設備溫度的方法提供了一種解決問題的思路，對儀器設備升級改造具有指導意義。

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ImprovementofShakerTemperatureControlSystembytheCompressorRefrigerationSystem

HUZhenbanga,CHENQingshana,XINDaweia,QIZhaominga,CAIRuib

(a. College of Agriculture; b. Depatment of Lab Management， Northeast Agricultural University， Harbin 150030, China)

The compressor cold maker system was used to modify the temperature stability of shaker. When the environment temperature was 23.7 ℃, the low temperature of shaker could reach 18.6 ℃ stably, and this process needed 35 min, the outside and inside temperature difference was 5.1 ℃. While the environment temperature was 27.7 ℃, the low temperature of shaker could reach 20.4 ℃ stably, and this process needed 50 min, the outside and inside temperature difference was 7.3 ℃. These results support that the modified shaker hasanoperation ability to keep more temperature stability. And the modification did not breakoriginal system, including the excellency of easy manipulation, simple structure. The improvement expense is low, but hashigh stability oftemperature, friendly environmental adaptability.

compressor; refrigeration system; heat compensation mechanism; temperature control system

TB 69

A

1006-7167(2017)11-0051-04

2017-04-10

國家自然科學基金項目(31471516,31271747,31471516)；國家自然科學基金青年基金項目(31400074,31401465)；黑龍江省高校長江后備支持計劃項目(2014CJHB004)；黑龍江省自然科學基金重點項目(ZD201213)；黑龍江省現代農業產業體系項目(CARS-04-02A)

胡振幫(1978-)，男，黑龍江哈爾濱人，實驗師，主要從事遺傳學實驗室管理及生物信息學研究。

Tel.:18845590920;E-mail:zbhu@neau.edu.cn

蔡 銳(1980-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師，主要從事微電子及制冷系統研究。

Tel.:13114601225;E-mail:cairuigm@163.com