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對于需要達到-55℃甚至-65℃以下的低溫沖擊，單級壓縮制冷循環無法滿足要求（蒸發溫度太低，壓縮比過大，效率極低甚至無法工作）。因此，普遍采用二元復疊式制冷循環。
高溫級循環（R404A等中溫制冷劑）：負責將熱量從低溫級冷凝器傳遞到環境（通過水冷或風冷散熱）。
低溫級循環（R23等低溫制冷劑）：負責實現最終的深冷效果。
工作原理：低溫級的壓縮機將R23壓縮成高溫高壓氣體，但它并不直接排向環境，而是進入一個特殊的冷凝蒸發器。在這里，高溫級循環的蒸發器（冷端）為低溫級循環的冷凝器（熱端）提供冷卻，使R23氣體冷凝成液體。然后R23液體經過節流裝置后，在試驗箱內的蒸發器中蒸發吸熱，產生極低的溫度。高溫級的R404A則在吸收了R23的熱量后，被其壓縮機壓縮，最終通過外部冷凝器將總熱量散發到大氣中。
簡單比喻：就像兩個人接力爬山（排熱）。低溫級（R23）先爬到半山腰（冷凝蒸發器），把熱量交給高溫級（R404A），然后高溫級再接力把熱量帶到山頂（環境）散發掉。這樣每級壓縮機都在自己合理的工作范圍內，系統效率高且能實現超低溫。
制冷系統并不是直接對測試區進行降溫，而是為“冷儲備”服務。常見的兩箱式（提籃式）沖擊箱為例：
結構：擁有一個高溫區（上）和一個低溫區（下），中間是測試區（提籃）。
工作過程：
預冷：獨立的、強大的復疊制冷系統持續對低溫區的空氣和儲能塊（如盤管、重物）進行制冷，使其長期穩定在-65℃等設定低溫。
沖擊：當需要低溫沖擊時，提籃帶著樣品在1-2秒內從高溫區切換到低溫區。低溫區內預先冷卻好的、大量靜止的冷空氣在風機作用下迅速包圍樣品，實現瞬間的溫度劇變。
恢復：沖擊完成后，低溫區制冷系統繼續工作，快速將因開門和樣品放入而升溫的空氣重新冷卻到設定溫度，為下一次沖擊做準備。
三箱式（靜止式）：原理類似，但它通過切換風道閥門，將預冷或預熱好的氣流快速導向靜止的測試區，樣品不動。
除了復疊壓縮機，還有幾個關鍵部件：
冷凝蒸發器：復疊系統熱量交換的核心。
板式換熱器/翅片式蒸發器：用于冷卻低溫區或蓄能區的空氣。
電子膨脹閥：精確控制制冷劑流量，響應快，效率高。
高效風機：在沖擊瞬間提供大風量，保證溫度轉換速率。
冷熱沖擊試驗箱制冷的關鍵在于：
強力蓄能：制冷系統是“后臺”持續工作，為低溫區和高溫區蓄積巨大的冷量和熱量。
復疊制冷：采用二元甚至三元復疊系統，是實現超低溫（-40℃以下）的技術基礎。
快速切換：通過提籃移動或風門切換，讓樣品瞬間暴露在預先準備好的溫度環境中，從而實現“沖擊”效果，而不是緩慢降溫。
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