制冷功能是高低温试验箱（Thermal Test Chamber）实现 −70 ℃～+180 ℃宽温区、线性 5 ℃/min 乃至 15 ℃/min 温度变化速率的核心能力。其可靠性直接决定试验数据的可追溯性与生产节拍。依据 GB/T 10592、IEC 60068-3-5、ASHRAE 15 等标准，系统阐述制冷系统构成、级联（Cascade）设计要点及常见温度失控的排查逻辑，为实验室运维人员提供标准化作业依据。
二、系统总体架构
2.1 技术路线
采用“机械制冷为主、液氮辅冷为辅”的混合方案。机械制冷具备可重复、成本低、自动化程度高的优势；液氮辅冷用于快速温变或冲击工况，可在 30 s 内提供额外 10 kW 冷量，缩短全程降温时间 40 %。
2.2 双级级联制冷
单级蒸汽压缩循环受限于 R-404A 的蒸发温度（−46.5 ℃@0.101 MPa），无法覆盖 −60 ℃以下工况。因此，高低温箱普遍采用双级级联系统：
——高温级（High Stage）：使用 R-449A 或 R-452B，负责中温区（−35 ℃～+30 ℃）及热量排散；
——低温级（Low Stage）：使用 R-23 或 R-508B，负责深冷区（−60 ℃～−85 ℃）。
两级通过板式或壳管式蒸发冷凝器耦合，高温级的蒸发器即低温级的冷凝器，实现热量梯级传递。
三、关键部件与功能
3.1 压缩机
高温级：半封闭活塞或涡旋式，Copeland、Bitzer、Dorin 品牌，排量 18～30 m³/h，COP ≥1.8（−10 ℃/35 ℃）。
低温级：半封闭往复式，特殊阀板设计，耐液击，可在 −70 ℃蒸发温度下连续运行；内置油分离器及 PTC 曲轴箱加热带，防止制冷剂迁移稀释润滑油。
3.2 储液器（Receiver）
位于冷凝器出口，容积按系统充注量 30 % 设计，保证极端工况下供应足够液态制冷剂；出口加装 100 目过滤器，降低分子筛粉尘风险。
3.3 冷凝器
风冷式：铜管铝翅片，翅片间距 2.1 mm，亲水镀膜，防盐雾 1000 h；配外转子轴流风机，EC 调速，噪声 ≤65 dB(A) @1 m。
水冷式：壳管式或板式，冷却水 28 ℃/35 ℃，单台换热量 15 kW，可并联扩容；配置水量比例阀，根据冷凝压力自动调节，节能 12 %。
3.4 干燥过滤器
采用 4 Å 分子筛，水分吸附量 ≥10 %，酸值 ≤0.05 mg KOH/g；筒体 100 % 紫铜镀镍，耐压 4.5 MPa。
3.5 节流机构
高温级：热力膨胀阀（Danfoss TDE）或电子膨胀阀（EEV），过热度设定 6 K，响应快，可调节；
低温级：毛细管 + 电磁阀并联旁通，兼顾成本与可靠性；毛细管采用 0.6 mm 内径、螺旋盘绕 20 圈，防止震动疲劳。
3.6 蒸发器
翅片式蒸发器置于风道后部，材料 3003 铝锰合金，翅片阳极氧化黑色，辐射率 ≥0.9，提升换热 8 %；
分路供液，保证回油速度 ≥3 m/s；底部设 5° 倾斜集油槽，与压缩机曲轴箱通过 8 mm 铜管回油，周期 30 min。
3.7 压力保护
高压开关：断开 2.9 MPa、复位 2.2 MPa；
低压开关：断开 0.05 MPa、复位 0.15 MPa；
中压检测：实时计算排气过热度，>30 K 时报警，防止润滑油结焦。
3.8 辅助液氮回路
电磁阀 + 文丘里喷嘴， PID 调节开度；配置 0.1 mm 过滤器，防止冰堵；液氮耗量通过科里奥利质量流量计记录，用于成本核算。
四、控制与监测逻辑
4.1 温度控制
采用级联 PID：高温级控制目标为中间温度（−25 ℃），低温级控制工作室温度；两级 PID 参数通过 Ziegler–Nichols 方法自整定，超调 ≤0.3 ℃。
4.2 自适应卸载
当热负荷低于 30 % 额定能力，系统通过变频压缩机（低温级 DC inverter）或气缸卸载（高温级）实现无级能量调节，避免频繁启停，延长寿命 25 %。
4.3 数据记录
所有压力、温度、电流、液氮流量以 1 Hz 频率写入 SD 卡，格式 CSV，满足 21 CFR Part 11 电子记录要求；断电缓存 5 s，保证数据完整。
五、常见故障诊断与处置
5.1 温度降不下或波动大
步骤 1：确认设定值与热负载匹配，检查样品热容是否超出规格；
步骤 2：查看触摸屏趋势曲线，若压缩机启停周期 <3 min，进入“短循环”保护，原因为低压过低；
步骤 3：用数显压力表测量吸、排气压力：
——吸气压力 <0.05 MPa（R-23 对应蒸发温度 −70 ℃），且排气管不烫 → 制冷剂泄漏；
——吸气压力 0.08–0.12 MPa，排气温度 <80 ℃ → 制冷剂不足或换热器脏堵； 步骤 4：用电子检漏仪（灵敏度 3 g/a）检测轴封、焊口、压力表接头；发现漏点后，回收制冷剂，钎焊修复，按 90 % 原始量重新充注； 步骤 5：清洗冷凝器翅片（0.3 MPa 压缩空气自上而下），确保换热温差 ≤8 K。 5.2 液击或回液 症状：压缩机运行噪声沉闷，壳体结霜，电流波动 ±15 %； 处置：立即停机，电加热带升温 4 h；检查蒸发器分液毛细管是否堵塞，必要时更换；调整热力膨胀阀过热度至 6–8 K。 5.3 油压差报警 原因：油分离器回油毛细管冰堵或电磁阀失效； 处置：更换 0.1 mm 过滤器芯，用 N₂ 吹扫；检查回油电磁阀线圈电阻 20 ℃下应为 68 Ω±5 %，否则更换。 5.4 液氮不喷或过量 不喷：检查电磁阀线圈、喷嘴堵塞，用 0.05 mm 通针疏通； 过量：质量流量计瞬时值 >设定值 120 %，校准 PID 参数 Kp=0.8，Ki=0.05，Kd=0.01。
六、维护保养规范
6.1 日常巡检
每日记录高、低压，电流，吸排气温度；发现偏离基准值 ±10 % 即预警。
6.2 周度维护
清洗冷凝器翅片、检查风机叶片裂纹、紧固电气接线；
6.3 年度保养
更换干燥过滤器、外接回收机全部抽真空 ≤100 µm，保压 12 h 压降 ≤50 µm；
校准压力传感器、温度传感器，出具第三方法定校准证书；
对压缩机进行振动分析（ISO 10816-3），速度有效值 ≤4.5 mm/s。
制冷系统作为高低温试验箱的“心脏”，其设计合理性、零部件等级与维护水平共同决定了设备 10 年生命周期内的可用度与能耗成本。通过深入理解级联制冷原理、建立标准化故障树与维护周期表，实验室可在 30 min 内定位 90 % 以上常见故障，将意外停机时间压缩至最低，为产品可靠性验证提供持续、可控的深冷环境。
