胡振帮， 陈庆山， 辛大伟， 齐照明， 蔡 锐

(东北农业大学 a. 农学院； b. 实验室管理处, 哈尔滨 150030)

利用压缩机制冷改进摇床温度控制系统

胡振帮a， 陈庆山a， 辛大伟a， 齐照明a， 蔡 锐b

(东北农业大学 a. 农学院； b. 实验室管理处, 哈尔滨 150030)

利用压缩机制冷系统改善摇床低温控制能力，当环境温度23.7 ℃时，摇床能达到的最低温度18.6 ℃，到达最低温度所需时间35 min，温度极差5.1 ℃；当环境温度27.7 ℃时，摇床能达到最低温度20.4 ℃，所需时间50 min，温度极差7.3 ℃；实验结果表明，改造后的摇床具有非常好的控温稳定性。改造后的摇床完全不破坏原有系统，并具有操作容易、结构简单、改造价格低廉、控温稳定性高、环境适应性好、运行稳定等优点。

压缩机; 制冷系统； 加热补偿机制； 温度控制系统

0 引 言

摇床是实验室常用仪器设备，广泛应用于生物、遗传、环保、医学等教学及科研实验。按温控范围，摇床可分为加热型与制冷型，制冷型摇床价格高且尺寸规格较大，不适合摆放在空间有限的实验室中，也不适合单次少量的实验操作；加热型摇床利用风扇通过环境温度来调控内部温度达到控温的目的，但当摇床设定温度低于环境温度时，摇床就不能达到设定温度，从而影响实验。如果重新采购制冷型摇床，就会增加经费投入，还会导致仪器设备的闲置，进而造成了不必要的浪费[1-3]。为了解决上述问题，通过对加热型摇床进行改造加装压缩制冷系统，改善摇床低温控制能力，从而解决不同环境的实验温度需求，此外利用现有设备通过升级改造不但满足了实验需求，而且还避免了由于重新采购新设备而造成不必要的资金投入，也避免了设备闲置问题。

小型制冷系统由压缩机、节流阀、蒸发器、冷凝器等组成，其中压缩机是制冷系统的重要组成部分，而线性压缩机具有效率高、结构简单、体积小、重量轻等优点[4]，此外理想温度的获得还需要有节流机构，而毛细管是最简单的节流机构之一，毛细管长度的确定在制冷系统中是一个难题，利用毛细管模拟程序对设计工况进行分析就可以得到适合长度的毛细管[5]。增加压缩机及毛细管节流机构制作简单的制冷系统改善小型设备温度系统的应用已有相关研究报道，离心机[6]、真空泵[7]、渔船作业[8]、装载机[9]等设备都有相关应用，这些应用都具有改造费用低廉、效益大、容易实施等优点。还有相关研究对制冷压缩机性能试验台进行了改造，使实验台的应用范围更加广泛[10]。国外相关研究还利用半导体制冷片，将普通生物显微镜改告成低温生物显微镜，取得良好的实验效果[11]。以上研究都充分说明：通过增加制冷系统来改善小型设备的温度系统，从而增加设备应用范围的做法是完全可行的，但利用压缩机制冷系统改善摇床控温性能的研究还未见报道。在前人研究基础上[4-11]，本文对小型摇床进行升级改造，不但避免资金投入减少设备闲置，而且对于高校实验室管理具有指导意义。

1 系统设计

1.1 系统改造方案

改造前的摇床为加热型摇床，由温度传感器、加热组件、温度制度器组成。改造摇床为其增加压缩制冷系统，有3种方案：

① 重新设计一个双通道温度控制器取代原有单通道温度控制器，分别控制加热和制冷，这种方案增加了改造成本和难度，并且控温稳定性并不高，不适合应用推广。

② 保持原有的单通道温度控制器及系统线路不变，再设计一个单通道温度控制器来控制制冷系统温度，这种方案在使用时需要分别设定原温控器与制冷温控器从而增加了操作的复杂性，并且经过实验发现此方案的控温稳定性也不高。

③ 保持原有系统不变，制冷系统在摇床开机后一直工作，如图1所示，此方案不改变原有系统不增加额外控制器，用最小的改动及最低廉的价格获得理想的实验温度，从控温稳定性上考虑也是最佳方案。

图1 直接制冷系统

1.2 系统工作原理及系统结构

综合考虑3种改造方案，最终确定了直接制冷系统方案。其工作原理是保持原有系统不变，加装压缩制冷系统，摇床开机后制冷系统持续工作，利用加热器补偿制冷低温从而平衡温度达到控制温度的目的。系统工作流程如图2所示，当用户开机并设置好温度t1后，制冷系统会随摇床一起启动并持续工作，当控制器检测到摇床舱内温度t2>t1时，加热器不启动，制冷系统持续工作；当t2

图2 直接制冷系统工作流程图

1.3 制冷剂选择及系统焊接

目前市场上的主要制冷剂有R22、R23、R134a、R123、R407C、R410a等[12-13]。R22虽然属臭氧消耗型制冷剂，但仍是一款综合性能非常优良的制冷剂，具有价格低廉、效率高、使用经验成熟，在中小制冷机组中的广泛应[14-16]，因此选择R22制冷剂为本次改造的冷媒工质。

在管线选择上，选择了纯铜材质的管线。管线的焊接要依据不同材质的管线而定，对于纯铜材质管线最好选用铜磷焊条，因为这种焊条价格便宜并且在焊接时磷可以还原被氧化的铜管从而起到助焊剂的作用。而对于铜管焊接其他管路时，银铜焊条比较适合，因为这种焊条的焊接性能好[17-18]。

在焊接前接头处要清理干净，不能留有污物或水渍，避免由于洁净度和干燥度不好而引起的焊接气孔或虚焊。在焊接时要控制好火焰温度，避免出现过烧或溶蚀对管线承压能力的破坏。对于扩口处的焊接，由于扩口时人为破坏了管壁材质的均匀性，从而导致产生细微的焊接缝，这焊缝在高压工况下会因应力分布不均而导致工质泄露。在焊接完成后要等焊接点彻底冷却后再除去氧化层，然后观察焊接点是否存在气孔或虚焊情况。

2 改造步骤

2.1 系统部件装配

改造加装的制冷系统主要包括：压缩机、管线、制冷剂、毛细管、干燥剂等部件，系统装配如图3所示。

图3 制冷系统装配图

2.2 制冷温度与毛细管长度确定

由于系统方案是直接制冷，压缩制冷系统一直工作，摇床依赖加热器对制冷系统进行热补偿来达到设定值，故制冷温度不应该与实验温度偏差过大。本实验室常用的实验温度为28 ℃和36 ℃，因此设计改造后的制冷温度应为20 ℃比较合适。由于换热温差的存在，即蒸发器温度要比环境温度低8～10 ℃，故蒸发器温度应为10 ℃，为了获得更好的冷凝效果，将冷凝器温度高出蒸发器40 ℃，即50 ℃。

毛细管是制冷系统的重要组成部分，其位置位于蒸发器与冷凝器之间，作用是在蒸发器与冷凝器间产生一个压力差，从而使高压液态工质在经过毛细管后变为低压低温工质，在进入蒸发器后才能达到较好的蒸发吸热效率。毛细管一般内径0.6～2.5 mm，长度0.3～5 m不等[19-21]。毛细管的长度需在压力实验中确定。

2.3 制冷剂加注及压力实验

压缩机吸气压力近似为蒸发压力，蒸发温度是通过调整蒸发器的供液量来调节的，蒸发温度可通过压缩机吸气压力获得[22]，因此依据制冷剂温度与饱和压力对照表[23]，可以查得高低压力值。当蒸发温度为10 ℃时回气绝对压力为682 kPa，冷凝器为50 ℃时排气绝对压力为1 944 kPa。

将毛细管直接焊接在压缩机的排气端上，在毛细管与压缩机间接一个压力表，如图4所示。当压缩机工作时，压力表的数值即为系统高低压力间的差值，根据查表得到高低压力差值应为1 262 kPa。当压缩机工作时逐渐缩短毛细管长度，观察压力表，当压差达到1 262 kPa时为止，此时的毛细管长度就是保证系统达到设计制冷温度所需的长度。观查压力表数值变化，当压力差值达到1 200 kPa(±50 kPa)时为止，此时的毛细管长度就是保证系统达到设计制冷温度所需的长度。

图4 毛细管压力测试实验

将系统焊接好后，在压缩机吸气端口处接真空泵，对系统进行抽真空，真空压力为-0.1 MPa，当系统维持真空压5 h以上时，即可判断系统无漏点，此时即可加注制冷剂，在加注制冷剂时，观察高低压端压力表值，当高压端压力表达到1 944 kPa同时低压端达到682 kPa时，加注量为正好。观察高低压端压力表值，在室温25℃时，当低压端压力达到680 kPa(±10 kPa)同时高压端压力大于2 000 kPa且小于1 800 kPa时系统加注量良好，在加注时要以少量多次为原则，每次加注后都要让系统运行几分钟再观察压力表数值变化。

3 温度验证与分析

3.1 低温控制能力实验及分析

对改造好的摇床进行实际测试分析摇床的低温控制能力。在室温为23.7 ℃与27.7 ℃的环境下打开摇床舱门30 min，测量摇床内外温度一致后，将电子温度计固定在摇床内中间位置。为了模拟实验工作状态，将平台转速设定为200 r/min，为了测试摇床的低温能力，将摇床温度设定为10 ℃，采样时长为65 min，采样频率为0.2次/min，结果如图5所示。

当摇床初始温度为环境温度时，10 min中内的降温幅度最大，30 min后趋于达到最低温度。当环境温度为23.7 ℃时，摇床用35 min达到最低温度18.6 ℃，并且稳定控制在18.6 ℃，温度极差为5.1 ℃；当环境温度为23.7 ℃时，摇床用50 min达到最低温度20.4 ℃，并且稳定控制在20.4 ℃，温度极差为7.3 ℃。

实验表明，当环境温度越高，达到设定温度所花的时间越长，极差表明，本次改造的摇床在不同环境下降温能力为5～7 ℃。由于本实验室经常使用的摇床温度为28 ℃和36 ℃，当夏季室温为30 ℃时摇床可以控制的最低温度为21～25 ℃；当春秋季室温为25 ℃时摇床可以控制的最低温度为17～20 ℃，故改造后的摇床达到了设计指标，完全可以满足本实验的实验需求。

(a) 环境温度23.7 ℃

(b) 环境温度27.7 ℃

图5 摇床工作温度变化曲线图(采样时间65 min，采样频率0.2次/min)

3.2 温度控制稳定性实验及分析

摇床控温稳定性是衡量摇床性能的重要指标。通过提高采样频率对改造后的摇床进行控温稳定性测试，如表1所示。实验条件同3.1，开机40 min后提高采样频率，以次/min对摇床温度进行测定，在环境温度为23.7 ℃，摇床温度达到18.6 ℃后稳定不变；环境温度为27.7 ℃，摇床温度达到20.4 ℃后稳定不变。实验表明，改造后摇床的温控稳定性非常理想，达到了设计指标。

表1 高频率采样下的摇床温度变化表(采样时间26 min，采样频率 次/min)

4 讨 论

直接制冷方案简单易行，稳定性好，系统运行性能平稳但也存在不足：

(1) 采用加热补偿制冷达到控温目的同时，由于制冷系统一直处于工作状态，从而增加了能耗也降低了系统使用寿命，虽然是牺牲了能耗和寿命，但从实验结果来看这种方法具有非常好的温控稳定性，甚至超过了原装制冷型摇床的温控稳定性。

(2) 要根据常用的实验温度来设计制冷系统的制冷能力，如果系统设计制冷温度与常用实验温度相差较大，那么在不同环境温度工作时达到实验温度所需的时间就很长，甚至有时达不到实验要求的温度。

(3) 改造过程需要权衡改造的难易问题、成本问题、能耗问题、控温能力问题、控温稳定性问题等多方面因素，正因如此，本文改造的出发点是按：高控温稳定性>改造简单>成本低廉的权重顺序设计的，不同实验室在改造时需要根据自己常用实验温度对制冷系统控温能力进行设计。

(4) 毛细管的长度一定要合适才能在蒸发器与冷凝器间产生适当的压力差，在确定毛细管长度实验时，压力表显示的压力差值可以稍稍高于设计值，但绝不能低于设计值，否则系统达不到设计的制冷温度。

(5) 制冷剂加注量一定要适中，制冷剂过多会导致系统因压力过高而不能启动；制冷剂过少会导致系统因压力过低而不制冷。因此，在制冷剂加注时一定要在系统运行稳定后，依据低压端压力表数值来确定制冷剂的加注量，因为高压端压力会因环境温度的变化而改变，而低压端压力则相对稳定。制冷剂的加注应该遵循少加勤加多观察的原则。

5 结 语

通过改造加热型摇床，加装压缩制冷系统，改善了摇床低温工作能力，所选定的改造方案充分考虑了可行性及经济性，并且具有良好的控温稳定性。由于完全没有破坏原有系统，因此操作简单、控温稳定、改造价格低廉。改造后的设备完全可以满足实验要求。本文通过加装压缩制冷系统来降低实验仪器设备温度的方法提供了一种解决问题的思路，对仪器设备升级改造具有指导意义。

[1] 段凤云. 旧设备的改型与改造[J]. 实验室研究与探索，2000(5)：101-102.

[2] 秦春节, 谢林君, 郑劲松. 引导学生改造实验室设备和开发实验项目的实践[J]. 实验室研究与探索，2014，33(3)：232-238.

[3] 何大凯, 黄星平, 顾伟宏. 高校基础实验室改造工程浅议[J]. 实验室研究与探索，2001，20(6)：103-105.

[4] 张立钦, 邹慧明, 徐洪波, 等. 小型制冷装置用线性压缩机的研究及应用[J]. 压缩机技术，2008(5)：1-6.

[5] 徐琳. 小型制冷装置毛细管特性研究[D]. 杭州：浙江大学，2006.

[6] 张志臣. 电动离心沉淀机加装简易制冷设备[J]. 中国医疗器械杂志，1984(1)：36，53.

[7] 贺旭虎. 火电厂汽侧真空泵密封水系统加装压缩制冷装置[J]. 东北电力技术，2009(4)：34-36.

[8] 刘玉岭, 黄文斐. 拖网渔船制冷装置改造方案[J]. 渔业现代化，2001(3)：33-35.

[9] 赵夫建. 在LG853B型装载机上加装空调制冷系统[J]. 工程机械与维修，2014(10)：143-144.

[10] 孟凡茂, 孙付伟, 王发辉, 等. 制冷压缩机性能试验台的改造及应用[J]. 河南技大学学报(自然科学版)，2009，30(2)：62-65.

[11] 鲍德松, 姜国均, 张训生, 等. 基于半导体制冷的低温生物学显微镜[J]. 实验室研究与探索，2003，22(1)：119-120.

[12] 张光辉. 空调制冷剂的选择[J]. 山西建筑，2010，36(7)：160-161.

[13] Ust Y, Akkaya A V, Safa A. Analysis of a vapour compression refrigeration system via energetic performance coefficient criterion[J]. Journal of the Energy Institute, 2011, 84(2):66-72.

[14] Randhir Kumar, Rajat Shekhar. Performance analysis of vapour compression refrigeration system by using azeotrops[J]. International Journal for Scientific Research & Development, 2015, 3(4):2321-0613.

[15] 徐 松, 高 飞, 刘忠赏, 等. R22、R404A 与R407F 制冷剂压缩机性能对比[J]. 低温与特气, 2016, 34(1):7-10.

[16] 吕 冰, 赵玉清. 替代制冷剂在不同领域的研究进展[J]. 节能，2016(6):4-9.

[17] 黄根法. 制冷系统管路焊接对制冷效果的影响[J]. 制冷技术，2001(3)：45-46.

[18] 任爱梅, 杨 杰. 冰箱管路焊接缺陷分析及工艺控制[J]. 工艺与新技术，2015，44(10)：35-37.

[19] 张华俊, 王 俊, 宋红涛, 等. 制冷与空调系统毛细管的研究现状与发展[J]. 制冷与空调，2000(3)：26-31.

[20] 王启祥, 黄赞山, 罗力渊. 制冷系统毛细管节流特性的试验与分析[J]. 低温工程，2009(5)：23-26.

[21] Farayibi P K, Mogaji T S, Erinle T J. Effect of throttling variation on the performance of vapour compression refrigeration system[J]. British Journal of Applied Science & Technology，2016，13(5)：1-10.

[22] 贺俊杰．制冷技术[M]. 2版. 北京：机械工业出版社，2012.

[23] 周富国. 空调常用制冷剂温度与饱和压力对照表[J]. 家电维修，2016(11)：63.

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

国家自然科学基金项目(31471516,31271747,31471516)；国家自然科学基金青年基金项目(31400074,31401465)；黑龙江省高校长江后备支持计划项目(2014CJHB004)；黑龙江省自然科学基金重点项目(ZD201213)；黑龙江省现代农业产业体系项目(CARS-04-02A)

胡振帮(1978-)，男，黑龙江哈尔滨人，实验师，主要从事遗传学实验室管理及生物信息学研究。

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

蔡 锐(1980-)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师，主要从事微电子及制冷系统研究。

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