根據(jù)《溫度沖擊試驗(yàn)》的技術(shù)指標(biāo)和冷熱沖擊試驗(yàn)箱的使用要求，試驗(yàn)箱可以快速提供- 25℃～- 65℃的大流量冷氣流，因此制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用通過壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)制冷的蒸氣壓縮制冷循環(huán)，選取有效制冷方式是設(shè)計(jì)工作進(jìn)行的步。

    1、蒸氣壓縮制冷循環(huán)概述
    蒸氣壓縮式制冷循環(huán)是在制冷設(shè)備中應(yīng)用為廣泛的一種制冷循壞，它適用于各類制冷設(shè)備，這樣的制冷機(jī)設(shè)備更加緊湊，而且能夠得到比較寬的制冷溫度范圍，在普通制冷溫度范圍內(nèi)有著較高的工作效率，可以根據(jù)不同場合的需要制成大、中、小型。在蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中，為把制冷劑蒸氣從低壓變?yōu)楦邏海沂蛊洳粩嘣谥评湎到y(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，可以采用多種類型的制冷壓縮機(jī)。按照各類制冷壓縮機(jī)工作原理可以將它們分為速度型和容積型（0，壓縮機(jī)分類如下圖所示。速度型壓縮機(jī)由旋轉(zhuǎn)部件連續(xù)將角動(dòng)量轉(zhuǎn)換給蒸氣，再將該動(dòng)量轉(zhuǎn)為壓力;容積式壓縮機(jī)通過對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)做功，以減少壓縮式容積，提高蒸氣壓力來完成壓縮功能。蒸氣壓縮式制冷機(jī)根據(jù)工作原理和使用條件的不同有單級(jí)壓縮制冷循環(huán)、多級(jí)壓縮制冷循環(huán)和復(fù)疊式循環(huán)等不同的組合表現(xiàn)形式，以滿足不同的溫度要求。
    在制取0℃～-65℃的溫度時(shí)，蒸氣壓縮式制冷循環(huán)根據(jù)工作原理和使用條件的不同，分為單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)、兩級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)和復(fù)疊式制冷循環(huán)三種形式，以滿足不同的溫度要求。
    2、單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

    單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)工作過程如下圖所示。單級(jí)燕氣壓縮制冷循環(huán)是指從蒸發(fā)器出來的低壓蒸氣，經(jīng)過壓縮機(jī)一次壓縮到冷凝壓力的制冷循環(huán)。壓縮機(jī)吸入的是以點(diǎn)1表示的飽和蒸氣，1-2表示制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)的壓縮過程，這一過程在理想的情況下為等熵過程。2-3-4表示制冷劑在冷凝器的冷卻和冷凝過程，在這一過程中制冷劑的壓力保持不變，且等于冷凝溫度下的飽和蒸氣壓力。4-5為節(jié)流過程，制冷劑在節(jié)流過程中，壓力和溫度都降低，但焓值保持不變。5-1表示制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)吸熱過程，制冷劑在蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力不變的情況下蒸發(fā)，吸收被冷卻物的熱量實(shí)現(xiàn)制冷。

    實(shí)際上，單級(jí)蒸氣壓縮制冷的理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)是有差異的，差異歸結(jié)為3點(diǎn)：
    （1）壓縮機(jī)工作時(shí)有摩擦阻力、熱量交換和工質(zhì)泄漏，壓縮過程不是等熵的。
    （2）實(shí)際熱交換過程中，存在傳熱溫差。
    （3）制冷劑流經(jīng)過道及排氣閥門和換熱設(shè)備時(shí)，存在阻力和壓力降。
    由此可知，實(shí)際循環(huán)比理論循環(huán)要復(fù)雜得多，另外制冷系統(tǒng)制冷量也受蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的影響。制冷系統(tǒng)所能達(dá)到的蒸發(fā)溫度主要是由它的冷凝壓力和壓縮比來決定的。制冷劑的冷凝壓力由冷卻介質(zhì)溫度決定，如空氣、水等。當(dāng)冷凝壓力一定時(shí)，用單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)要達(dá)到較低的溫度，其蒸發(fā)壓力也必須降低，冷凝壓力和蒸發(fā)壓力之差增大，從而使壓縮比擴(kuò)大，惡化了壓縮機(jī)的運(yùn)行條件，不利于循環(huán)運(yùn)行。在單級(jí)蒸氣壓縮循環(huán)中，一般規(guī)定壓縮比不超過10，在壓縮機(jī)正常工作的壓縮比范圍內(nèi)，采用中溫制冷劑制冷系統(tǒng)所能達(dá)到的溫度為-40℃左右。采用低溫工質(zhì)，系統(tǒng)的冷凝壓力過高，冷凝壓力一般為20bar左右，增加了系統(tǒng)制冷劑泄漏的可能性。而采用高溫工質(zhì)又存在蒸發(fā)溫度相對(duì)較高的問題，并且同樣存在壓比過大的缺陷，這樣不但造成循環(huán)性能下降，而且使循環(huán)運(yùn)行的安全性受到影響。在壓縮比限制的條件下，不同冷凝溫度時(shí)幾種制冷劑在單級(jí)壓縮時(shí)所能達(dá)到的蒸發(fā)溫度，如下表所示：
    由以上各種制冷劑在各冷凝溫度下的蒸發(fā)溫度可得：在單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)中，壓縮比一定的情況下，單一中溫制冷劑制冷受到蒸發(fā)壓力不能過低的限制，系統(tǒng)很難獲得-40℃以下的溫度。
    3、兩級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)
    在兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)中，制冷劑的壓縮過程分兩個(gè)階段進(jìn)行，即將來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣（壓力為Po）先進(jìn)入低壓壓縮機(jī)，在其中壓縮到中間壓力Pm，經(jīng)過中間冷卻后再進(jìn)入高壓壓縮機(jī)，將其壓縮到冷凝壓力Pk，排入冷凝器中。這樣，可使各級(jí)壓力比適中，由于經(jīng)過中間冷卻，又可使壓縮機(jī)的耗功減少，可靠性、經(jīng)濟(jì)性均有所提高。兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)按中間冷卻方式可分為中間完全冷卻循環(huán)與中間不完全冷卻循環(huán)，所謂中間完全冷卻是指將低壓級(jí)的排氣冷卻到中間壓力下的飽和蒸氣;如果低壓級(jí)排氣雖經(jīng)冷卻，但并未冷到飽和蒸氣狀態(tài)時(shí)稱為中間不完全冷卻。按節(jié)流方式又可分為一級(jí)節(jié)流循環(huán)與兩級(jí)節(jié)流循環(huán)，如果制冷劑液體由冷凝壓力Pk直接節(jié)流至蒸發(fā)壓力Po，則稱為一級(jí)節(jié)流循環(huán);如果將高壓液體先從冷凝壓力Pk節(jié)流到中間壓力Pa，然后再由Pm節(jié)流降壓至蒸發(fā)壓力Po，稱為兩級(jí)節(jié)流循環(huán)。一級(jí)節(jié)流循環(huán)雖經(jīng)濟(jì)性較兩級(jí)節(jié)流稍差，但它利用節(jié)流前本身的壓力可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供液或高層供液，故被廣泛采用。兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)常用的中溫制冷劑有： R12、R404a、R22、 R717、 R502等。
    在理論上兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)的總壓縮比可以取得很大（壓比可達(dá)100），獲得較低的蒸發(fā)溫度。例如，制冷系統(tǒng)冷凝溫度為40℃時(shí)，對(duì)于R404a，當(dāng)總壓比為100 時(shí)，蒸發(fā)壓力為18. 7kPa，與之相對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度為一71±0.5℃;對(duì)于R22，當(dāng)總壓比為100時(shí)，蒸發(fā)壓力為15. 7kPa，所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度可以達(dá)到-73±0.5℃，此時(shí)系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力過低，增加了空氣滲入制冷系統(tǒng)的可能性，吸氣壓力過低壓縮機(jī)吸氣閥片也不易開啟，壓縮機(jī)的工作效率低，甚至不能正常工作。采用一種中溫制冷劑的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)，還可能因?yàn)檎舭l(fā)溫度過低使得制冷劑凝固，制冷系統(tǒng)無法正常工作。
    綜上所述，采用單一制冷劑的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)，適合用來制取一40℃~-60℃的溫度，這樣整個(gè)制冷系統(tǒng)可以正常工作，具有較高的工作效率。若要獲得更低的溫度，就需要采用兩種制冷劑的復(fù)疊制冷循環(huán)。
    4、復(fù)疊制冷循環(huán)
    復(fù)疊制冷循環(huán)通常由高溫級(jí)和低溫級(jí)兩部分組成。高溫部分使用中溫制冷劑，低溫部分使用低溫制冷劑，形成兩個(gè)單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)復(fù)疊工作的循環(huán)。兩系統(tǒng)之間采用一個(gè)冷凝蒸發(fā)器銜接起來，高溫級(jí)的中溫制冷劑在其中蒸發(fā)制冷，使低溫級(jí)的低溫制冷劑在其中放出熱量，與蒸發(fā)的中溫制冷劑進(jìn)行熱交換后，被冷凝成為液體。從冷凝蒸發(fā)器出來的中溫制冷劑蒸氣帶走低溫制冷劑的冷凝熱量，經(jīng)過高溫級(jí)循環(huán)將熱量傳遞給環(huán)境介質(zhì)（水或空氣）。而從冷凝蒸發(fā)器出來的低溫制冷劑液體，經(jīng)低溫級(jí)節(jié)流閥降壓后，進(jìn)入蒸發(fā)器吸取被冷卻物的熱量而蒸發(fā)制冷，獲得所需要的低溫。
    由于復(fù)疊制冷循環(huán)是由兩個(gè)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)復(fù)疊而成，每臺(tái)壓縮機(jī)工作壓力適中，能很好的滿足獲得較低溫度的要求，所以廣泛應(yīng)用于一60℃～-80℃的普冷領(lǐng)域。復(fù)疊制冷循環(huán)使用了多臺(tái)壓縮機(jī)，從設(shè)計(jì)制造和生產(chǎn)維護(hù)的方面考慮，系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，投入較大，運(yùn)行維護(hù)難度更大。
    5、自然復(fù)疊制冷循環(huán)
    自然復(fù)疊制冷循環(huán)是復(fù)疊制冷循環(huán)的一種特殊形式，循環(huán)采用混合制冷劑作為工質(zhì)，巧妙的利用了分凝原理來實(shí)現(xiàn)各制冷劑之間的復(fù)疊。其工作原理如下圖所示，當(dāng)混合制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏赫魵馀湃肜淠?，在這里大部分的高沸點(diǎn)制冷劑被冷凝下來，成為液體。由于低沸點(diǎn)制冷劑在通常的室溫冷凝條件下，不能被冷卻成液體，所以仍然為氣態(tài)。氣液兩相混合工質(zhì)從冷凝器出來后，依靠重力的作用，氣體和液體分離。其中液體部分經(jīng)個(gè)節(jié)流閥C節(jié)流變?yōu)榈蛪阂后w，在冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收氣態(tài)低沸點(diǎn)制冷劑的熱量。從冷凝器出來的氣態(tài)低沸點(diǎn)制冷劑在冷凝蒸發(fā)器中放熱被冷凝為液體，由第二個(gè)節(jié)流閥D節(jié)流后迸入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)制冷。后，從蒸發(fā)器出來的低沸點(diǎn)制冷劑氣體與從冷凝蒸發(fā)器出來的高沸點(diǎn)制冷劑氣.體混合后進(jìn)入壓縮機(jī)，從而完成整個(gè)循環(huán)。