超低温 (ULT) 冷冻机

超低温产品的使用注意事项

如果违反 (思科普销售条款和条件）第 11.1 节中规定的担保，思科普将不承担任何责任，如果：

• (a) 买方在发出上述通知后继续使用此类产品；
• (b) 由于买方未能遵循思科普有关产品储存、安装、调试、使用或维护的口头或书面说明而导致故障；或者
• (c) 未经思科普事先书面同意，买方改装或维修此类产品。

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1.制冷系统

1.1 单级、自动级联或 2 级级联

这三种设置的技术风险和技术复杂性大不相同。
假设使用的是标准制冷压缩机，单级和自动级联超低容量制冷器在启动和降压阶段会对压缩机造成过载压力。根据制冷剂混合物的成分和温度（环境温度/冷却室温度），这种过载可能会降低压缩机的使用寿命和可靠性。一个 “良好”的设置可以创造稳定的运行条件，在正常运行时不会损害压缩机。热过载（较高的环境温度或装入预冷不足的货物）可能会对压缩机产生严重的过载压力。
两级级联超低温冷凝器是一种相当复杂的冷却系统，需要对压缩机进行良好的调节设置。另一方面，两级串联超低容量变压器有可能在更广泛的运行范围内工作（例如更高的最高环境温度），而不会使压缩机过载， 从而确保较长的使用寿命和良好的可靠性。

1.2 制冷剂

制冷剂的热力学特性是达到适当冷凝和蒸发温度以及实现足够制冷量的关键。为了弥补从环境温度（冷凝）到 ULT 温度（蒸发温度为 -90°C 或更低）之间的温度差，需要一种非常特殊的制冷剂，以便为压缩机创造可接受的工作条件（压力、制冷剂质量流量）。在超低温蒸发温度下，标准制冷剂（如 R290、R404A......）由于吸入气体的压力和密度很低，导致冷却能力极低。因此需要选择在超低温蒸发温度下冷却能力更强的制冷剂。遗憾的是，这些制冷剂（或制冷剂混合物）在正常环境温度下冷凝时会产生很高的压力。
也许在将来，化学研究能够提供一种具有超低温蒸发温度优化热力学特性的制冷剂，但是，单级超低温蒸发器目前要么冷却能力低（体积大、压缩机效率低），要么冷凝压力高（安全性、可靠性差）。
制冷剂类型和温度步骤（冷凝、蒸发、两级系统的中间温度）的选择和设置，必须确保压缩机的允许工作压力（如数据表中公布的压力）不会长期超标。

1.3 建议

为避免压缩机故障和超低温冷冻机内贵重零部件损坏的风险，思科普建议优先选择两级串联的超低温冷冻系统。

3.降压

在降压过程中，对于许多类型的 ULT 兼容制冷剂和制冷剂混合物，冷凝侧很可能会出现过载压力。
这些过载压力可能会缩短压缩机的使用寿命，而且从法律角度来看也是不允许的。作为避免临界压力的有效方法，建议在 ULT 制冷电路的高压侧安装高压安全开关，以便在排气压力升高到临界值时切断压缩机。
在降压的第一阶段，高压安全开关可能会多次启动。降压过程的速度会稍有减慢，但总体安全会得到最大程度的保证。
如果在超低压制冷回路中安装了变速压缩机，则应验证在第一阶段降压过程中保持压缩机低速运转是否可以避免产生临界压力。

5.毛细管堵塞（低温阶段）

如果低温阶段的蒸发温度很低，油冻结和堵塞的风险就会越来越大。在制冷系统中，毛细管是第一个会因足够低的温度而堵塞的位置。然而，在这个位置冻结的油可能会停止整个制冷过程。毛细管堵塞会导致低温阶段的蒸发压力降低。当蒸发器中的剩余液体变成气体时，制冷量将降为零。

5.1 油分离器的装配

油的冻结是一个过程，需要一定的时间，这取决于温度、油的特性和循环油量。为了将毛细管因油冻结而堵塞的风险降至最低，并延长除霜间隔时间，强烈建议在压缩机排气口和低温级冷凝器入口之间安装适当的油分离器。仔细分析制冷系统的毛细管堵塞行为，以确定对冷却室温度影响最小的除霜算法。

5.2 堵塞时发生的情况

对堵塞的毛细管进行直接分析以隔离堵塞物是非常困难的，因为当温度达到足以进行人工处理的程度时，残留物会再次融化/蒸发，而且从外部无法确定堵塞的位置。
根据对温度、压力和时间的测量，可以做出一些假设：

• 使用油分离器时，堵塞的频率较低：要么是油本身凝固了，要么是由油携带或溶解在油中的 "东西 " 凝固了。
• 从一个毛细管堵塞到下一个毛细管堵塞的周期很长，而且几乎是恒定的：堵塞物的堆积缓慢而稳定。
• 在完全堵塞之前，蒸发器内会出现明显的压力损失：只有当大部分毛细管横截面被堵塞时，蒸发压力才会显著下降。进入蒸发器的制冷剂几乎停止，蒸发器的过热会迅速增加。其结果是，当压缩机几乎以正常功率运行时，制冷功率会降至零（耗电量会减少）。蒸发压力的降低会导致毛细管内的温度进一步降低，从而加速毛细管的最终堵塞。
• 毛细管的内径对毛细管堵塞的周期时间有影响。如果毛细管的内径比较 "小"（长度可调），则需要的堵塞“材料”较少，因为使用窄毛细管或宽毛细管时，制冷剂的温度和质量流量应该相等。然而，制冷剂在窄毛细管和宽毛细管内的流速是不同的。这很可能会产生补偿效应。
• 使用恒温膨胀阀代替毛细管似乎是一个好主意，可以防止因毛细管堵塞而导致制冷量损失。目前，市场上还没有可用于温度低至 -100°C 的（小尺寸）膨胀阀。

5.3 低压开关

当毛细管堵塞或几乎堵塞时，压缩机的所有进一步运行都将增加恢复正常运行（毛细管除霜）的工作量（时间、所需热能），而此时蒸发器内的冷却性能已经接近零。
毛细管堵塞的一个很好的指标是蒸发器内的压力异常低。低压开关（开启压力比最低正常蒸发压力低约 30%）可以快速可靠地发出信号，停止制冷并开始除霜。
如果对堵塞的毛细管反应迅速，则可将冷却室内部的冷却损失、温度峰值和温度恢复时间保持在较低水平。
在毛细管堵塞的情况下长时间运行将导致压缩机在蒸发压力极低（超出释放压力限制）的情况下无大量制冷剂流运行 > 压缩机在这种情况下运行可能会损坏（由于负载极低导致保护器延迟切断 > 电机过热）。

5.4 毛细管除霜

如果在毛细管堵塞时不采取积极措施（通过柜内控制），则意味着恢复正常运行需要很长时间 （压缩机运行直到电机保护器断电，压缩机停止时自然除霜）。为了将冷却室内的温度升高且保持在尽可能低的水平，当毛细管堵塞时，需要立即停止压缩机并除霜。
如果发现毛细管堵塞，必须停止压缩机，以防止毛细管和环境进一步冷却和冻结。为了恢复正常运行，需要加热毛细管的堵塞部分，以融化堵塞物。无法准确预测堵塞部分的位置（很可能在毛细管的最后三分之一处）是正常的，并且每次堵塞的位置都可能不同。

• 自然除霜
  在许多情况下，关闭压缩机而不主动加热毛细管（仅使用热传导）就足以解冻。除霜所需的压缩机关闭时间因机柜设计而异，可能还取决于环境温度（毛细管绝缘损失）。
• 使用毛细管加热器除霜
  当压缩机关闭时，使用外部加热器加热毛细管，可以加快堵塞的毛细管的融化。必须仔细调整加热时间和加热功率。加热毛细管的最后三分之一应足以达到所需的效果。
• 如果毛细管堵塞，应立即开始除霜。
  采用固定周期的预防性除霜可有效避免恢复时间过长和冷却室温度升高。
• 安装油分离器可显著地减少除霜需求。

7.双级复叠超低温制冷系统的容量调节（定速或变速压缩机）

一般来说，2 级串联制冷系统的两台压缩机可以使用定速或变速压缩机。

• 两级均采用定速压缩机 - 单一温度输入
  两级压缩机的开/关控制只需参考冷却室的温度。在这种情况下，应首先启动温度较高阶段的压缩机；在启动第二阶段压缩机时，应适当延迟时间，以防止超高电流消耗。在这种配置下，冷却温度的稳定性和能效只能达到中等水平。
• 两级都有固定转速的压缩机 - 两级都有独立的温度输入
  两级压缩机独立启动和停止（高温级 <> 中间冷却器温度，低温级 <> 冷却室温度）。机柜控制必须确保两台压缩机不同时启动，以防止超高峰值电流消耗。在高温级压缩机仍在运行时关闭低温级压缩机，可能会导致大量液态制冷剂返回高温级压缩机 > 建议在高温级吸气管路中安装一个储液器。制冷温度的稳定性仅为中等；这种配置的能效可能优于单一温度输入。
• 定速压缩机和变速压缩机的组合
  理想情况下，变速压缩机应用于低温阶段，以实现冷却室内非常稳定的温度。需要单独的温度输入，以便对两个级联阶段进行单独的容量调节（高温阶段 <> 中间冷却器温度，低温阶段 <> 冷却室温度）。由于变速压缩机装置的最低蒸发温度可能高于定速压缩机装置，因此能耗可能低于定速压缩机（低温级）。
• 两台变速压缩机的组合
  需要为两个级联的单独容量调节提供单独的温度输入（高温级 <> 中间冷却器温度，低温级 <> 冷却室温度）。这种设置的能耗和冷却室温度的稳定性最佳。