自博书刊 | 生物藏品杀虫用自膨胀复叠式超低温冷库的研制

作者:彭亚君（浙江自然博物院）

黄明忠（杭州新因环境工程有限公司）

张学军（浙江省制冷与低温技术重点实验室 浙江大学制冷与低温研究所）

郑幼明（浙江省博物馆）

高近爽（浙江省制冷与低温技术重点实验室 浙江大学制冷与低温研究所）

欢迎转载，须注明作者与来源（《自然博物》第8卷）

【摘要】生物藏品需要定期杀虫来防止虫蛀和霉变，杀虫过程对温度、湿度和时间有着严格的要求。针对浙江自然博物院生物藏品杀虫的特殊要求，通过技术升级，设计并搭建了一座自膨胀复叠式超低温冷库用于生物藏品的杀虫。冷库的冷源由一套R404A/R23复叠式制冷机组组成。R23低温级制冷系统通过膨胀罐进行自膨胀来降低制冷剂的压力并保证系统的正常运行。冷库通过PID调节器控制电加热器和加湿器对温度和湿度进行控制，利用PLC控制器完成生物藏品1h降温、72h恒温（-40±2℃，57±5 %RH）和12h复温三个过程的自动杀虫。结果表明：该冷库结构简单、操作便捷、运行稳定，能很好地满足生物藏品杀虫过程对温湿度和时间控制的技术要求。

【关键词】生物藏品杀虫；复叠式制冷；超低温冷库

引言

浙江自然博物院珍藏了大量珍贵的生物藏品，定期杀虫以防止虫蛀和霉变对生物藏品的保护至关重要。现有的生物藏品杀虫法主要分为化学杀虫法和物理杀虫法。虽然化学杀虫法杀虫和灭菌效果好，但是化学药剂一般毒性大、操作烦琐，因此应用和推广受到限制（刘朋，2020）。物理杀虫法主要是通过破坏害虫的生理机能来杀死害虫，其操作简单、杀虫效果好、无毒无害、无污染（石华平，方秋生，方永然，等，2014）。目前，最常用的物理杀虫法是低温冷冻法。低温冷冻法是通过将温度降至害虫的致死低温区（-10℃以下），使害虫冷冻而死（玻璃体生物效应研究课题组，2005）。低温冷冻领域使用比较广泛的制冷系统为双级压缩制冷系统和复叠式制冷系统，目前最常用的是R404A/R23复叠式制冷系统（刘寒，谢晶，王金锋，2019；黄律皓，2019）。

2010年，浙江大学为自然博物馆研制了一座可切换复叠式超低温生物藏品杀虫冷库（俞春尧，唐峥，张学军，等，2010）。冷库包含三套制冷系统，只对冷库的温度进行控制。在运行过程中，制冷系统运行模式的切换和启停对冷库的温度造成了较大的影响。为此，通过技术升级，本文设计并搭建了一座温度和湿度可控的自膨胀复叠式超低温生物藏品杀虫冷库。冷库采用一套R404A/R23复叠式制冷机组，R23低温级制冷系统利用膨胀罐和膨胀管路进行自膨胀来降低制冷剂的压力，可以保障系统的安全和正常运行。冷库使用PID调节器、加热器和加湿器来实现温度和湿度的控制，利用PLC控制器可以完成冷库的自动杀虫过程，最后对生物藏品的杀虫过程进行了测试和分析。

1  生物藏品的杀虫要求

生物藏品的杀虫过程对温度、湿度和时间有着严格的要求。生物藏品通过移动货架推入冷库进行杀虫，杀虫过程分为降温过程、恒温过程和复温过程三个阶段。

首先是急速降温过程，冷库内温度需要在1h内从室温迅速降到-40±2℃；经过72h恒温过程，冷库温度稳定在-40±2℃，湿度稳定在57±5%RH；最后完成12h复温过程，冷库内湿度稳定在57±5%RH，温度缓慢回升到常温25℃。

2  冷库系统设计

2.1  冷库房体

冷库内部设计尺寸为3.7m×3.3m×2.4m，容积约为29.3m3。冷库由厚度150mm的聚氨酯保温板搭建而成，外壁为2mm厚度的彩钢板，内壁为2mm厚度的不锈钢板。库房门采用保温凸门，尺寸为1.2m×2m。库房门上开有观察窗以便观察库内情况。观察窗使用多层真空玻璃并配有电加热防止结霜和凝露。库房顶部和墙壁底部分别开有可自动调节的新风门，可以在生物藏品杀虫结束后引入新风对库房进行通风。

2.2  制冷系统

冷库的制冷系统使用一套R404A/R23复叠式制冷系统，实物如图1所示。其中，空气处理机组安装在冷库侧墙内，库内空气从下部进入，由上部排出。空气处理机组包括蒸发器、风机、前置加热器、主加热器和加湿器。

复叠式制冷系统包括R404A高温级制冷系统和R23低温级制冷系统，系统原理图如图2所示。其中，RC111为 R404A高温级压缩机，RC112为R23低温级压缩机；E-CON为蒸发冷凝器，采用板式换热器；EVP112为翅片式蒸发器；CON111～112为风冷冷凝器；OS111～112为油分离器；FR111～112为储液器；FD111和FD112A～B为干燥过滤器；GS111～112为气液分离器；PZG为膨胀罐；MXG112为毛细管；PR111～112为高低压力继电器；HPR112为单高压力继电器；HG111～112为高压表；LG111～112为低压表；TP111A～112A为温度保护器；TP111B～112B为温度开关；SG111～112为视液镜；KVL112为曲轴箱压力调节阀；TEV111A和TEV112A～B为热力膨胀阀；SV111A～B、SV111E和SV112A～E为电磁阀；WTV111～112为喷液阀；HGB111和MV112分别为机械式和电子式热气旁通阀；RV112A～D为球阀；SAV112为安全阀。

复叠式制冷系统设有热气旁通管路和压缩机喷液管路。R404A高温级制冷循环热气旁通管路为电磁阀SV 111B和热气旁通阀HGB111所在管路。热气旁通阀MV 112所在管路为R23低温级制冷循环的热气旁通管路。当系统制冷量过大时，PLC控制SV111B和MV112使一部分制冷剂从油分离器出来后直接返回到气液分离器入口处来降低系统的制冷量。R404A高温级和R23低温级制冷循环的压缩机喷液管路分别为电磁阀SV111E和喷液阀WTV 111所在管路和电磁阀SV112E和喷液阀WTV112所在管路。当压缩机排气温度过高时，PLC控制电磁阀SV111E和SV112E打开，一部分冷凝后的制冷剂通过喷液管路返回到压缩机入口处来降低压缩机吸气温度，进而降低压缩机的排气温度。

R23低温级制冷循环设有膨胀管路。管路上设有电磁阀SV112C（常开型）、SV112D（常闭型）、膨胀罐PZG、干燥过滤器FD112B和毛细管MXG112等。当压缩机RC112排气压力过高时，PLC控制电磁阀SV112D打开，制冷剂通过膨胀管路降压到压缩机压力允许范围内，然后关闭电磁阀SV112D。当冷机停机后，R23制冷系统中制冷剂的压力变得非常大，为了保证系统安全和正常运行，PLC控制电磁阀SV112C打开，使制冷剂通过膨胀管路全部变为气态，并将大部分制冷剂存储在膨胀罐PZG中。

R23低温级制冷循环内气液分离器GS112入口处设有曲轴箱压力调节阀KVL112。R23低温级制冷系统的蒸发压力会随着蒸发温度的升高而增大。曲轴箱压力调节阀可以降低压缩机RC112入口处制冷剂的压力到压缩机允许范围内，防止压缩机因吸气压力过高而损坏，进而使得R23 低温级制冷循环可以在较高的蒸发温度下运行。

2.3  控制系统

冷库的控制系统由计算机、测控软件、高精度温湿度传感器、控制柜等组成。控制柜包括数据采集器、PLC控制器、PID调节器、触摸屏、继电器等，实物如图3所示。PLC控制器控制冷库系统所有的开关量，同时还可以通过控制调功器对加热器及加湿器的输出量进行控制。PID调节器通过控制前置加热器、主加热器和加湿器对冷库的温度和湿度进行控制。冷库系统报警信息可以动态显示，并带有声光报警功能。所有参数的设置、数据的记录和保存都可以通过测控软件完成。生物藏品的杀虫可以通过测控软件一键载入杀虫程序，一键启动程序来自动完成。此外，还可以通过触摸屏控制设备的启停，整个控制系统操作便捷。

3  测试与分析

生物藏品杀虫分为三个过程：①1h急速降温过程：开启复叠式制冷系统、前置加热器、门窗加热和加湿器。冷库内温度从室温迅速降到-40±2℃。②72h恒温过程：温度降到-40℃时，温度和湿度的恒定控制开始。冷库的温度和湿度需要分别稳定在-40±2℃和57±5%RH。PID调节器通过控制前置加热器和加湿器对冷库的温度和湿度进行恒定控制。③12h复温过程：开启主加热器。冷库内温度缓慢回升到常温25℃，湿度稳定在57±5%RH。PID调节器通过控制前置加热器、主加热器和加湿器对冷库的温度和湿度进行控制。生物藏品杀虫结束后，自动开启新风门引入新风对冷库进行通风。针对加湿器喷管处接水盘结霜的融化对复温过程湿度造成很大影响的问题，通过对接水盘和排水管采用电加热的方法来解决。当冷库内温度在0℃以下时，可以开启电加热来防止接水盘结霜和排水管堵塞等问题。在实际杀虫过程中，冷库内温度和湿度随时间变化的曲线如图4所示。可以看出，冷库内的温湿度按上述技术要求控制得较好，完全满足生物藏品杀虫冷库温湿度的要求。

4  冷冻效果

通过对带有皮蠹虫卵和成虫的生物标本进行一个周期的冷冻处理，发现滋生在生物标本上的皮蠹虫卵和成虫只要用镊子一碰就成粉末状，都已失去活性，而标本毛色、姿态、皮张韧性等指标在冷冻处理前后几乎没有变化，完全满足设计要求（图5）。

5  结论

本文自行设计和搭建了一座生物藏品杀虫冷库，测试与分析结果表明，该冷库结构简单、操作便捷、运行稳定，完全满足生物藏品杀虫时1h降温过程、72h恒温过程和12h复温过程对温湿度和时间控制的技术要求。

（原载于《自然博物》第8卷，第76-80页）

文字/彭亚君 黄明忠 张学军 郑幼明 高近爽

公众号初审/方寸

公众号终审/卢婷