呂明泉 劉雪蕾 張志強 李恩敬 周 江

北京大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院

冰箱是大學(xué)實驗室常見的實驗設(shè)備，用于存放各類生物、化學(xué)實驗所需的試劑，高校和科研單位的實驗室都要使用電冰箱儲存一些需要在低溫下保存的試樣和化學(xué)藥品等，給科研實驗工作帶來了很大方便[1]。基本每個實驗室都會配備一個甚至幾個冰箱，一個科研大樓里存放上百個冰箱是比較常見的現(xiàn)象。由于多數(shù)化學(xué)試劑屬于危險化學(xué)品[2]，因此存放在冰箱中的化學(xué)試劑對溫度和濕度等環(huán)境因素較敏感，如果存放不當(dāng)極易造成爆燃事故。實驗室冰箱運行的安全穩(wěn)定是保證危險化學(xué)品安全存放的重要條件，冰箱的各項性能指標(biāo)和安全運行能力至關(guān)重要，實驗室應(yīng)采用實驗室專用的防爆冰箱。通過實際調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)達(dá)國家的實驗室出于實驗室安全和溫控準(zhǔn)確等方面的考慮，實驗室全部采用專業(yè)防爆冰箱，而我國的實驗室出于采購成本的考慮，實驗室貯存試劑的冰箱多數(shù)是普通家用冰箱，在實驗室使用家用普通冰箱存放化學(xué)試劑容易造成實驗室安全風(fēng)險隱患。如何通過高效、節(jié)約的方式將實驗室普通冰箱的安全隱患排除，已經(jīng)成為實驗室安全管理中亟待解決的問題。

根據(jù)這一情況，北京大學(xué)對全校實驗室冰箱的使用情況進行了排查，結(jié)合近年來國內(nèi)發(fā)生的實驗室冰箱安全事故成因，設(shè)計了外置式冰箱防爆溫度控制器，通過改裝防爆溫度控制器的普通家用冰箱可以達(dá)到實驗室專業(yè)防爆冰箱的性能，運行安全穩(wěn)定，有效降低了實驗室安全隱患，改造成本遠(yuǎn)低于采購實驗室專業(yè)防爆冰箱。

1 實驗室普通冰箱的爆炸事故原因分析

近年來，存放化學(xué)試劑的實驗室冰箱爆炸事故時有發(fā)生，例如：中科院某研究所的一臺冰箱爆炸；寧夏農(nóng)科院某試驗室的一臺冰箱爆炸；某高?；瘜W(xué)樓四層實驗室發(fā)生冰箱爆炸；某大學(xué)十一長假結(jié)束，冰箱爆炸；北京某大學(xué)一實驗室冰箱起火；某醫(yī)科大學(xué)動物中心生化室電冰箱突然發(fā)生爆炸；某市有機化學(xué)研究所新大樓一個實驗室突然發(fā)生爆炸等。

冰箱燃燒爆炸的主要原因有三：使用不當(dāng)、受雷擊、接入高壓運行[3]。一般在實驗室中的冰箱爆炸事故主要由使用不當(dāng)造成。在密閉條件下貯存的易燃液體密封不嚴(yán)，當(dāng)其蒸氣與空氣所形成的混合氣體濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)時，只要遇到火源就會引起爆炸[4]。實驗室常見的很多試劑都易揮發(fā)且具有一定的爆炸危險性，例如：異丙醚、乙醇、乙醚、甲醇、苯、乙苯、甲苯、苯甲醚、甲醚、甲乙醚、二甲胺、乙胺等，如果容器密封不嚴(yán)，造成液體蒸發(fā)，可燃?xì)怏w或蒸氣與空氣混合形成爆炸性混合物，到達(dá)爆炸極限，遇明火或一定引爆能量立即發(fā)生爆炸，爆炸極限越低、范圍越大，發(fā)生爆炸的危險性就越大[5]。因此，千萬不要認(rèn)為存放在電冰箱內(nèi)的危險品已萬無一失，絕對安全[6]。

氣體發(fā)生爆炸必須具備兩個條件，氣體含量在爆炸極限內(nèi)、有火源或達(dá)到可燃點。普通冰箱儲存危險化學(xué)品發(fā)生爆炸的原理是所儲存的化學(xué)易燃液體揮發(fā)，與空氣形成爆炸混合物，遇電冰箱內(nèi)自動溫控開關(guān)頻繁動作產(chǎn)生的電火花，導(dǎo)致爆炸[7]。電冰箱的溫控器主要有機械式溫控器和電子式溫控器[8]，普通冰箱的溫度控制大多采用機械控制，導(dǎo)致安全隱患的風(fēng)險點是控制系統(tǒng)在冰箱內(nèi)部，溫度感應(yīng)是靠溫包熱脹冷縮的原理來帶動機械觸點啟動冰箱達(dá)到溫控的目的，當(dāng)冰箱內(nèi)溫度低于某一數(shù)值時，溫控器電源自行切斷，溫度高于某一數(shù)值時溫控器電源又自動接通，溫控器的二片金屬片在啟閉時，控制元件的觸點上經(jīng)常迸發(fā)出電火花[9]，瞬時溫度大約為10000℃，同時冰箱照明及開關(guān)也是產(chǎn)生火花的來源之一。因此，將溫控器移到冰箱外部，切斷冰箱照明及其開關(guān)，并做好漏電防護，避免冰箱內(nèi)部產(chǎn)生電火花，可以有效預(yù)防存放化學(xué)試劑的普通家用冰箱發(fā)生意外爆燃事故。

2 實驗室普通冰箱的防爆改造設(shè)計方案

為了防止冰箱爆炸事故的發(fā)生，有不少單位強調(diào)在電冰箱內(nèi)貯存的易燃液體一定要密封存放，但這只能是“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳”，不能真正解決問題[10]，最根本的辦法是在電冰箱內(nèi)消除明火。

2.1 冰箱防爆改造的原理

冰箱中明火的根源主要在于溫度控制器和照明，冰箱壓縮機的啟動和停止、照明的開啟和關(guān)閉的瞬間，將會產(chǎn)生電火花，就是引起爆炸的明火。因此要消除實驗室中電冰箱爆炸的隱患，最好是將溫控器和照明從冰箱內(nèi)移開，放到冰箱外面去，如圖1。危險區(qū)域的電器元件采用防爆型，對電器元件的改裝至少達(dá)到IP54防護等級，對信號的傳輸加裝電子隔離器，確保電氣方面達(dá)到本質(zhì)安全[11]。

圖1 冰箱防爆改造示意圖

2.2 冰箱防爆改造的方法

基于上文的分析，提出將所有的強電全部移出冰箱，在冰箱內(nèi)部放入直流12DC、0.3mA的弱電溫度傳感器，由于溫度傳感器將長期處于冰箱內(nèi)的化學(xué)氣體腐蝕環(huán)境下，傳感器應(yīng)采用不銹鋼封鑄，外部封塑聚四氟乙烯，以保證其不受化學(xué)氣體或者化學(xué)物品的腐蝕；設(shè)計新的外置型防爆溫度控制器，如圖2，溫控器應(yīng)含溫度液晶顯示器、調(diào)溫按鍵并可以手動調(diào)節(jié)冰箱內(nèi)溫度，另外，控制器采用固態(tài)繼電器對負(fù)載進行控制，實現(xiàn)溫度控制器整體無打火現(xiàn)象；箱體內(nèi)導(dǎo)線應(yīng)橡膠涂層封裝，以防漏電；控制系統(tǒng)側(cè)和負(fù)載側(cè)通過光耦合隔離，確保強電不會進入箱體內(nèi)。

圖2 外置型防爆溫度控制器

其中，外置式電子溫度控制器是冰箱防爆改造的關(guān)鍵部件。主要由外置式溫度傳感器、溫度控制組件、光耦合固態(tài)繼電器、溫度液晶顯示等組件構(gòu)成。功能上可以實現(xiàn)：固態(tài)繼電器對溫控器中負(fù)載進行控制，保證溫控器整體無打火現(xiàn)象,傳統(tǒng)的繼電器都是機械觸點，電路工作時必然產(chǎn)生電打火現(xiàn)象。改進后使用固態(tài)繼電器，特點是運行時無噪聲、無火花、對環(huán)境無污染、不會產(chǎn)生電磁干擾、開關(guān)速度快、體積小、壽命長、防腐和耐潮[10]；溫度控制范圍可調(diào)，能滿足不同型號冰箱的改造的需求；添加散熱片，優(yōu)化設(shè)備散熱；可控制電流范圍大，可預(yù)防浪涌和啟動電流沖擊；冰箱內(nèi)部只留有溫度傳感器，電壓12DC小于30mA直流電；冰箱室內(nèi)溫度可視。

溫度控制器的設(shè)計特色是：取消溫度控制的所有機械觸點，采用固態(tài)觸點；采用光耦合電路實現(xiàn)強弱電隔離，光耦合是以光為媒介傳輸電信號，當(dāng)輸入端加上電信號時，發(fā)光器發(fā)出光線，受光器在接收光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)“電－光－電”轉(zhuǎn)換[12]；所有電器部分（除感溫頭外）移至箱體外部保證冰箱內(nèi)部無強電；防爆溫控器增加了設(shè)備的散熱片，并且加大了溫控器內(nèi)部的空間；將溫控器外殼全部采用阻燃塑料，且制作了散熱柵來確保散熱；防爆溫控器采用優(yōu)質(zhì)電氣元器件，確保溫控器達(dá)到防爆要求；在安裝工藝方面，所有接頭均采用接線連接器并塑封接頭，保證線路無裸露，可以實現(xiàn)防潮、防短路、防導(dǎo)電。

3 普通冰箱防爆改造測試和應(yīng)用情況

冰箱溫控器研制成功后，我們委托北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室對改造后冰箱的運行安全性進行了測試試驗。本次測試試驗分二部分進行，第一部分是驗證所測試的化學(xué)試劑在密閉環(huán)境下充分揮發(fā)，遇明火必然產(chǎn)生燃燒爆炸；第二部分是把可燃?xì)怏w和所測化學(xué)試劑分別充入或放入已經(jīng)進行了防爆改造的冰箱中，經(jīng)過一段時間的設(shè)備運行，測試冰箱有無起火爆炸情況。

本次測試按照中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 772A-1997《炸藥測試方法》、GJB 5383.8-2005《煙火藥感度和安定性試驗方法》、WJ 1869-1989《火工藥劑靜電火花感度測試法》相關(guān)的實驗方法和規(guī)定進行。

3.1 極限爆炸實驗

在爆炸洞中間放置與冰箱內(nèi)艙容積相同的特制密閉容器，如圖3，預(yù)先安裝點火電極，在密閉容器中放置盛有測試所需的試劑，如下：乙酸乙酯150ml、石油醚150ml、乙醚150ml、甲醇150ml、正已烷150ml、環(huán)己烷150ml、環(huán)己烷150ml、二氯甲烷150ml、無水甲醇150ml、甲苯150ml、丙酮150ml。將密閉容器密封，關(guān)閉爆炸洞防爆門。測試環(huán)境：室溫：17℃，相對濕度：15%。

圖3 極限爆炸實驗前現(xiàn)場布置情況

測試時間1：存放40min，點火電極控制器引燃；測試時間2：存放80min，點火電極控制器引燃。放置40min，啟動“測試時間1”點火電極點火，電極發(fā)火，未產(chǎn)生燃燒爆炸現(xiàn)象；繼續(xù)實驗，至80min，啟動“測試時間2”點火電極，產(chǎn)生爆炸燃燒現(xiàn)象，如圖4。

圖4 極限爆炸實驗后現(xiàn)場

3.2 改造冰箱防爆測試1

將丙烷氣體54L采用隔離方式充入改造后冰箱，冰箱溫度：4℃，相對濕度：15%。存放20min后無爆炸燃燒現(xiàn)象。

3.3 改造冰箱防爆測試2

將所測試的試劑：乙酸乙酯150ml、石油醚150ml、乙醚150ml、甲醇150ml、正已烷150ml、環(huán)己烷150ml、環(huán)己烷150ml、二氯甲烷150ml、無水甲醇150ml、甲苯150ml、丙酮150ml裝入燒杯，放入改造冰箱，冰箱溫度：4℃，相對濕度：15%。關(guān)閉冰箱門。密閉冰箱7日，隔離打開冰箱門，無燃燒爆炸現(xiàn)象；實驗繼續(xù)，將已揮發(fā)試劑填充，繼續(xù)密閉冰箱10日，隔離打開冰箱門，無燃燒爆炸現(xiàn)象。

3.4 測試實驗綜合結(jié)論

（1）改造冰箱在充入易燃易爆氣體一段時間后打開冰箱門未發(fā)生爆炸，說明冰箱內(nèi)部控制器沒有發(fā)生打火。

（2）改造冰箱在放置入易燃易爆試劑后一段時間后打開冰箱門未發(fā)生爆炸，說明冰箱內(nèi)部控制器沒有發(fā)生打火。

實驗結(jié)論：外置型防爆溫度控制器及冰箱防爆改造實驗通過防爆測試。

3.5 實驗室冰箱防爆改造情況

高校實驗室安全事故中，火災(zāi)、爆炸事故較多，事故主要發(fā)生在化學(xué)實驗室，引起事故的主體為學(xué)生，相對于教學(xué)實驗，科研實驗的危險性更大[13]。因此，2016年以來，北京大學(xué)首先在化學(xué)和分子工程學(xué)院和生命科學(xué)學(xué)院開展了實驗室冰箱防爆改造項目。

北京大學(xué)實驗室目前所使用的冰箱按結(jié)構(gòu)分為單門、雙門和多門以及臥式、立式冰箱等，多數(shù)冰箱由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、蒸發(fā)器風(fēng)機、溫控器、蒸發(fā)器除霜加熱組成，按形式可分為風(fēng)冷、直冷和直冷風(fēng)扇強制循環(huán)三種。我們要求各單位實驗室都要進行普通冰箱防爆改造，有些無法進行防爆改造的普通冰箱應(yīng)該避免采購和使用，例如風(fēng)冷式和直冷式原理的冰箱。改造時，改造工程師到達(dá)現(xiàn)場指導(dǎo)監(jiān)督；實驗室工作人員把存儲物品從冰箱內(nèi)部取出，由工作人員把冰箱抬到預(yù)先留好的房間；查看原有冰箱線路圖和組成；在箱體后部安裝導(dǎo)線固定卡用于導(dǎo)線固定；固定防爆溫控器，改造完成，全部改造耗時約2小時。目前化學(xué)與分子工程學(xué)院已完成全院90%以上的普通家用冰箱防爆改造工作，其他單位的改造工程還在陸續(xù)進行中。

4 結(jié)論

實驗室應(yīng)該使用專業(yè)防爆冰箱，實驗室普通冰箱經(jīng)防爆改造后，外置式防爆溫控器液晶顯示面板可以準(zhǔn)確的控制和顯示冰箱內(nèi)溫度，消除了普通冰箱在存放危險化學(xué)品密封不嚴(yán)的情況下，冰箱壓縮機啟動和照明開關(guān)打火可能造成爆炸事故的安全隱患，實現(xiàn)了實驗室專業(yè)防爆冰箱的功能。

采用本文的方法將現(xiàn)有的普通冰箱通過更換防爆控制器改造為實驗室專用防爆冰箱，可以降低采購成本，并可實現(xiàn)冰箱防爆功能。目前，北京大學(xué)實施的冰箱防爆改造工作一期已經(jīng)完成一年有余，設(shè)備運行平穩(wěn)、功耗正常，師生反映良好，值得其他兄弟院校參考和借鑒。

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