低温显微镜新冷源系统的实验研究

李巧巧 陈儿同 左志强 杨晓芸 张 华 徐文强

(上海理工大学能源与动力学院 上海 200093)

低温生物显微镜是现代低温生物医学研究的重要工具之一。在生物材料的低温保存中，降温和复温过程极易造成生物样品的损伤[1]，运用低温生物显微镜可以观察生物样品在冷冻和复温过程中的变化，从而定性、定量地分析研究低温对生物样品的影响，为生物材料的低温保存提供依据。低温显微镜观察的生物样品温度通常降到-60℃至-80℃。

1971年，美国麻省理工学院的Diller和cravalho研制了第一台以液氮为冷源能够控制升降温速率的低温显微镜[2]；1988年，上海理工大学的邬申义、华泽钊等人研制出对流型的低温显微镜[3]；2003年，浙江大学的张绍志等研制了采用电子膨胀阀控制冷却介质流量的低温显微镜[4]。上述低温显微镜基本上都是以液氮作为冷源。由于以液氮作为冷源存在储运不便、难以做成相对固定紧凑的装置，操作较麻烦，因此这里提出并研制了采用氮气节流及PID控制的低温显微镜冷源系统[5]。

这里拟进行低温生物显微镜的新型冷源系统设计，并进行相关的实验及分析。

1 低温生物显微镜冷源系统的设计方案

低温生物显微镜冷源系统设计方案如图1所示。工作流程:来自高压氮气瓶的高压氮气通过减压稳压阀，进入节流制冷系统，由于氮气在常温区的节流效应不好，所以在氮气节流之前加上半导体制冷片进行预冷，以改变氮气节流效应，高压氮气与半导体制冷片之间的换热通过一个高效换热器，经过半导体制冷片预冷的高压氮气再进入回热器，其目的是使氮气进一步降温，氮气经过半导体和回热器预冷后进入节流孔节流，节流后低温氮气进入调温室进行温度调节，采用PID方式调节到设定温度的氮气进入低温载物台。冷却生物样品后的氮气重新进入回热器进行换热。

图1 低温显微镜冷源系统原理图Fig.1 The elementary diagram of the low-temperature system for cryomicrope

这里对节流制冷器的换热器和节流孔进行了设计计算及结构设计。为了增强热交换器的换热效果，在热交换器的毛细管上加上肋片。为了保证毛细管的换热效果，需要采用薄壁毛细管，由于工艺及材料的限制，选择毛细管的壁厚为0.5mm，内径为0.8mm，肋片高为0.8mm，厚0.8mm，间距为0.8mm，在毛细管的端部加接一段不锈钢节流孔管，内径为0.3mm，长度为10mm。图2为螺旋翅片管的毛细管实物图，气体沿着绕在铜管上的螺旋翅片回流，以此种回流方式，不仅增加换热面积，而且螺旋型回流方式加大了气体的扰动，提高了换热系数。所以此方式的制冷器降温速率较快。

图2 节流制冷器和螺旋翅片管Fig.2 The shell and spiral fi nned tube of micro-throttle refrigerator

2 实验数据及分析

2.1 实验器材

高纯氮气、减压阀、4018模块、热电偶数根、电脑、节流制冷器、PID调节器、低温载物台、冷量测试装置、半导体预冷系统及节流器。

2.2 实验数据及分析

2.2.1 节流孔参数的优化

节流制冷器的节流装置为一根管径很小的不锈钢圆管。节流孔有两个参数，一是长度；二是内径。节流孔长度一般在2mm和10mm之间。实验中对节流孔的六种尺寸进行实验，如表1所示，通过实验确定节流孔的孔径和长度，优化节流制冷器。

表1 节流孔类型表Tab.1 The type of the throttling hole

为避免其它因素的影响，在器件不变的条件下，仅对表1所列的几种节流孔进行实验。如图3所示。

图3 节流孔实验样品结构示意图Fig.3 The schematic diagram of experimental samples for the throtting hole

图4 不同节流孔的制冷温度随时间变化曲线Fig.4 Curves of cooling temperatures for different throtting holes with time varition

实验结果如图4所示，氮气流过不同节流孔后的最低制冷温度，A最高，F最低。在一定范围内，节流孔的直径越大，长度越长，制冷温度就越低。然而节流孔内径太大会使气流量过大，即消耗过多的氮气。用内径0.5mm的节流孔做实验，则一瓶10L、14MPa的氮气仅用一个小时，其瓶内压力只剩3MPa，而内径0.3mm的节流孔则可持续两个小时以上。用低温显微镜观察生物样品持续时间通常在1个小时以上。通过对比，选择节流孔内径为0.3mm，长度为10mm的不锈钢管。

2.2.2 确定节流器的最佳节流压力

对于实验方案中的节流器，不同的压力对应着不同的温降和不同的流量，本实验分别将减压阀后的氮气压力调节到4MPa、6MPa、8MPa和10MPa的压力，以确定节流器的最佳节流压力。

由图5可见，随着气压上升，制冷温度呈下降趋势。同时发现，气压为4MPa时温度只下降到-11℃左右，节流效果不明显。气压为4MPa与6MPa时的制冷温度差值约为16℃，气压为6MPa与8MPa时的制冷温度差值约为14℃，气压为8MPa与10MPa时的制冷温度差值约为11℃。实验结果表明，提高氮气入口压力虽然可以降低节流后的温度，但随着压力的提高，降温的幅差越来越少。考虑到氮气瓶使用压力的限制，7MPa是一个比较理想的气压，在这一并不太高的气压下能取得比较低的制冷温度，而且可以降低氮气耗量。

图5 不同压力下的降温曲线Fig.5 Curves of temperature drop at different pressures

2.2.3 系统降温和冷量的测试实验

对系统的降温进行实验，将微型节流制冷器、低温载物台、预冷系统等组合连接，然后将热电偶布置在对应位置，打开数据采集系统，再将氮气压力调到7MPa，经过减压阀的氮气被预冷到0℃，然后进入节流器。由图6可见，节流后的温度可以降到-80℃。可见节流制冷器能够满足低温显微镜系统的降温要求。

图6 7MPa降温曲线Fig.6 Curves of the cooling at 7MPa pressure

为测试系统冷量，采用热平衡方法设计了热平衡系统，如图7所示。控制器通过占空比方式控制大功率晶体管的通断从而控制调节系统加热量。根据系统的加热量确定系统冷量。图7中的光电隔离器起信号隔离作用，避免外部干扰对控制系统的影响。

图7 热平衡系统电路图Fig.7 The circuit diagram of the system on the heat balance

图8为冷量测试实验数据。图8中载物台内部温度曲线在330s后基本呈水平状态，显示冷量和电加热量达到平衡，通过测试，计算出冷量约为5W，表明系统在-80℃有5W的冷量，能满足系统要求。

图8 7MPa冷量测试曲线Fig.8 Curves of the refrigerating capacity testif i ed at 7MPa pressure

2.2.4 氮气消耗量的测试实验

作为开式系统，氮气耗量直接影响低温显微镜的实验时间。实验的目的是确定一瓶氮气的消耗时间。实验前钢瓶重58.19kg，压力为13.2MPa，减压至7MPa下运行15min，钢瓶的质量为57.49kg，压力为11.8MPa。将氮气前后的状态都换算到标准状况，相应的体积为5.28m3和4.72m3，即消耗氮气为0.56m3，由此即可算出氮气流量为37.3L/min，质量流量为46.7g/min。一瓶氮气的质量约为7.5kg。经过计算，一瓶氮气在7MPa下的消耗时间为80min。如果加上预冷系统，一瓶氮气的消耗时间将会更长。

3 实验结论

这里提出了一种新的低温显微镜冷源系统，通过实验优化了节流制冷器的参数，获取了最佳节流压力，实验表明该微型制冷器能满足低温显微镜冷源系统的要求。结论如下:

1)通过对六种不同节流孔径的实验表明:较大的节流孔径能达到较低的温度，但会导致气流量过大，氮气消耗速度过快。综合降温幅度与氮气耗量等因素，选择节流器的节流孔内径为0.3mm，长度为10mm。

2)通过对四种不同初始压力的实验表明，初始压力越高，能达到的降温幅度越大，然而随着气压的增大，降温幅度的变化越来越少，而氮气的消耗量却明显增加，因此将氮气节流前的气压值定为7MPa。

3)当对氮气进行预冷，可明显降低节流后的温度，本装置采用半导体制冷与冷氮气回热的方式，能满足低温生物显微镜冷源系统的要求。

4)氮气瓶中氮气消耗时长不低于80min，满足实验要求。

本文受上海市重点学科建设(S30503)项目资助。(The project was supported by Shanghai Leading Academic Discipline Project(No.S30503).)

[1] 华泽钊. 任禾盛.低温生物医学技术[M]. 北京: 科学出版社, 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] 邬申义, 姚柯敏, 华泽钊, 等.大型低温生物显微镜系统的研制[J]. 仪器仪表学报, 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] 张绍志,王葳,陈光明.低温显微镜的研制[J].低温工程. 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] 陈儿同, 左志强, 王艳, 等.一种低温显微镜冷源系统: 中国, 101546035 [P]. 2009-03-30.