从根本上讲，超低温 (ULT) 冰箱中使用的制冷剂是经过特殊选择的气态化合物，它们能够在特定条件下轻松液化。它们的特性由高临界温度和低临界压力等定义，这使得它们能够高效地吸收和释放热量。这些应用中最常见的现代制冷剂包括天然碳氢化合物，如 R170（乙烷）和 R290（丙烷），以及氟碳化合物，如 R23（三氟甲烷）。
达到超低温的中心挑战不是由单一的“超级”制冷剂解决的。相反，ULT 冰箱使用多级“级联”系统，其中两个或多个不同的制冷剂回路协同工作，每个回路都针对特定的温度范围进行了优化。
制冷剂的基本特性
要理解为什么选择特定的流体，我们必须首先看看任何制冷循环所需的理想特性。这些特性决定了整个系统的效率、安全性和有效性。
高临界温度
临界温度是气体仅通过施加压力就能转回液体的最高温度。高临界温度确保制冷剂能够在冷凝器中利用环境空气或水轻松液化，这是释放其吸收的热量的关键步骤。
低临界压力
这是在临界温度下液化气体所需的最小压力。较低的临界压力意味着系统的压缩机不必那么费力，从而提高了能源效率并减少了组件上的机械应力。
安全性和低毒性
由于这些系统在实验室和医疗设施中运行，因此制冷剂必须具有有限的危险和毒性特征。这最大限度地降低了在发生泄漏时对人员和周围环境的风险。
级联系统如何实现超低温
单一制冷剂无法有效跨越从温暖的房间到 -86°C 的巨大温差。ULT 冰箱通过使用两个独立但热耦合的制冷系统来解决这个问题。
第一级（高温回路）
这个初始回路的功能与标准冰箱一样。它使用像 R290（丙烷）这样的制冷剂来吸收第二回路的热量，从而对其进行预冷。它的工作不是冷却腔室本身，而是为下一阶段的工作创造一个更冷的环境。
第二级（低温回路）
该回路负责在冰箱柜内产生最终的超低温。它使用沸点远低于第一级的制冷剂，例如 R170（乙烷）或 R23（三氟甲烷）。该回路从冰箱内部吸收热量并将其传递给第一级，第一级再将其排出到房间中。
理解权衡
制冷剂的选择需要在性能与环境和操作因素之间取得平衡。现代进步非常侧重于优化这种平衡。
环境影响
较早的制冷剂（CFC 和 HCFC）对臭氧层有破坏性影响，并具有很高的全球变暖潜能值。现代 ULT 冰箱已转向使用 R170 和 R290 等天然制冷剂，正是因为它们对臭氧层的影响可忽略不计，且全球变暖潜能值非常低。
能源效率
制冷剂的选择与能耗直接相关。压缩机技术和这些流体的热力学特性的持续改进，使 ULT 冰箱的能源效率显着提高，从而降低了运营成本和碳足迹。
系统机械
制冷剂流体的性能取决于物理系统。热量通常通过 风冷冷凝器——由铜或铜铝管组成的盘管——移除，气流由风扇驱动。当高压液态制冷剂通过 毛细管 膨胀时，会发生关键的冷却效果，导致温度和压力迅速下降。
根据您的目标做出正确的选择
了解这些原理可以根据您的主要目标来选择设备。
- 如果您的主要关注点是环境可持续性： 优先选择使用 R170 和 R290 等天然、低 GWP 制冷剂的冰箱。
- 如果您的主要关注点是降低运营成本： 寻找将现代、节能制冷剂与先进压缩机技术相结合的型号。
- 如果您的主要关注点是性能和可靠性： 选择具有强大级联设计和为处理特定制冷剂压力而设计的组件的系统。
最终，一个有效的 ULT 冰箱是一个平衡的系统，其中制冷剂的化学特性与硬件的机械工程完美匹配。
摘要表：
| 特性 | 对 ULT 冰箱的重要性 | 常见制冷剂 |
|---|---|---|
| 高临界温度 | 有助于在冷凝器中有效释放热量和液化。 | R290（丙烷）, R23 |
| 低临界压力 | 减轻压缩机应力，提高能源效率和使用寿命。 | R170（乙烷）, R290 |
| 低沸点 | 使系统能够达到超低温（例如 -86°C）。 | R170（乙烷）, R23 |
| 低环境影响 | 现代设备使用全球变暖潜能值 (GWP) 较低的天然制冷剂。 | R170, R290 |
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