一、水套式二氧化碳培养箱水路结构概述

1.1 水套系统构成

水套式培养箱通过箱体内外双层结构夹持一层循环水，用以缓冲温度波动和维持恒定环境。其主要结构包括：

• 内腔室：用于放置样品，直接接触恒温环境；

• 水套层：位于腔室外壁与箱体之间；

• 加热器：通常位于水套底部或周边，提供恒温源；

• 温度传感器：监测水温，控制加热精度；

• 水路进出口：用于加水、排水或维护时接入外部设备。

在部分高端型号中，水套还配有水循环泵，用于加速热量传递，提高响应速度。

1.2 水路循环的工作模式

多数水套系统设计为静态水套（即无泵送循环），通过热对流实现热量传递。而少部分产品引入了主动式循环，尤其在大型培养箱中较为常见。无论哪种方式，水的连续存在及密闭结构均可能引发气泡问题，特别在加水、维护或搬运之后更为突出。

二、水套系统中气泡形成的机理分析

2.1 空气溶解与析出

水中天然溶解有一定量空气，尤其是常温常压下储存的水在加热后，气体溶解度降低，形成析出气泡。这一现象在加温初期尤为常见。

2.2 加水操作不规范

若操作时未从底部注水、顶部排气，水中夹带的空气易滞留于系统高点，形成稳定气泡，难以自然排出。

2.3 维护或移动后水路扰动

当设备被移动、倾斜或震动时，原本稳定的水层易产生空腔或破裂区，在重新启动时形成“气泡团”。

2.4 水质问题

使用矿物质含量较高或硬度大的自来水，可能因离子交换造成微泡生成，同时造成加热器结垢，进一步阻碍热交换。

2.5 泵送系统负压或旋涡效应

在具备水泵循环的水套系统中，若水路管线布局不合理或接口密封不良，易形成负压区吸入空气，从而导致气泡连锁产生。

三、气泡在水路系统中的影响与风险

尽管水套层并不直接参与细胞培养，但气泡对设备整体性能仍可能带来以下隐患：

3.1 热传导效率下降

水的导热系数远高于空气，气泡作为绝热体，容易在水套局部形成温度滞后区域，使得温控系统响应变慢或不均。

3.2 传感器测量误差

温度传感器若位于气泡聚集区，可能读取虚高或虚低温值，导致控制系统频繁启停加热器，影响温度稳定性。

3.3 加热系统过载

气泡影响热量分布，可能造成加热元件局部高温，长期运行会导致加热器过载或烧毁。

3.4 噪音与震动

循环泵若吸入气泡，会产生“空转”噪音或异响，严重时可能损坏泵轴或叶轮。

3.5 影响水位判断

部分设备具备水位传感器，气泡干扰测量，可能触发“缺水”报警或误停机。

四、气泡识别与检测方法

4.1 可视水位管观察

部分设备配备透明水位指示器，通过观察其中是否有气泡流动，可初步判断水路是否含气。

4.2 内部声音变化

气泡存在时，循环系统常伴随啸声、敲击声或间歇震动声，特别在加热启动阶段尤为明显。

4.3 传感器数据波动

温度曲线出现短周期波动、加热频率增加或温控延迟等，均可能是气泡阻断热量传导所致。

4.4 使用红外热像仪辅助检测

可用红外热成像设备观察水套外表面温度分布，若存在不连续热区，可能由气泡引起局部温阻效应。

五、有效解决水套气泡的方法

5.1 正确注水与排气

在首次加水或补水时应遵循以下步骤：

1. 将培养箱略微倾斜；

2. 从低位注水口加水，直至从高位排气孔连续出水；

3. 轻轻敲击箱体使微泡上浮；

4. 反复排气数次确保系统无空气残留。

5.2 静置与加热相结合

完成注水后不应立即启动运行，应在室温静置2小时后再开始加热程序，使溶解气体稳定析出。

5.3 加装自动排气装置（适用于高端型号）

部分循环型水套设备可安装自动排气阀，利用流速变化自动排除系统高点气泡，降低人工干预。

5.4 周期性维护与清洗

定期排水更换软水，避免水垢沉积与微泡滋生。建议使用去离子水或蒸馏水，并根据厂家推荐清洗周期执行。

5.5 保持满水运行状态

避免长时间水位偏低，使气泡有机会停留于水面或内壁。每次灭菌前应确认水位充足，防止气泡回流。

六、案例分析与经验总结

案例一：实验室新购培养箱持续高温报警

某科研单位新购水套式CO₂培养箱，首次运行即出现温度无法维持、报警频繁现象。经技术人员排查，发现加水时未进行顶部排气，导致气泡聚集在温度传感器附近。重排水并排气后问题解决。

启示：首次安装或补水后需特别注意排气流程，不可忽视细节操作。

案例二：循环泵异响，箱体震动

某高校实验平台反馈水套式培养箱运行一段时间后出现“咕噜声”，箱体震动加剧。检测发现水泵入口负压区形成小漩涡，吸入大量微气泡。改进泵前水位高度并加装空气隔离滤器后运行平稳。

启示：有泵循环系统需优化水力结构，避免形成气泡汇聚区。

案例三：加热器烧毁事故

某企业培养箱连续运行半年后加热器损坏。分析原因是水中微泡长期存在，加热元件局部干烧，最终绝缘击穿。后续更换加热器并改用低硬度去离子水。

启示：定期检查与维护可有效规避微泡引发的累积性损伤。

七、预防建议与操作规范

为了最大程度减少气泡对培养箱性能的干扰，建议从以下方面入手：

• 使用高纯水源：如18MΩ纯水或蒸馏水，避免含气量高的自来水；

• 定期换水：每3-6个月更换一次水套内水体；

• 排气操作标准化：每次加水后进行上排气、下注水的标准操作；

• 配置说明标识：在培养箱加水口附近粘贴“排气流程图”以指导使用；

• 定期检查温度曲线：如发现异常波动，及时排查是否因气泡所致；

• 培训操作人员：增强对气泡问题的认识，减少人为错误。

八、结语

水套式二氧化碳培养箱因其温控精度高、环境稳定而被广泛使用，但其水路系统中隐藏的“气泡问题”若不加以重视，极易引发运行异常甚至设备损坏。通过对气泡形成原理的理解，结合科学注水排气、定期维护与异常检测手段，完全可以有效降低气泡带来的风险，确保培养箱长期安全高效运行。

在未来设备更新迭代中，厂商也应重视这一细节，优化水路设计、引入自动排气结构，为科研人员提供更加智能与可靠的实验平台。