一、什么是水套式二氧化碳培养箱？

水套式二氧化碳培养箱是一种生物实验设备，其最主要作用是为细胞、组织和微生物等提供恒温、恒湿、恒CO₂浓度的稳定培养环境。这种设备广泛应用于医学研究、生物工程、免疫学、制药行业等多个领域。

“水套”结构是该类培养箱的重要特点，它与“风套式”培养箱相对应。所谓“水套”指的是在培养箱腔体的外壁设置一圈密封水腔，内部注入水，用来通过水的高比热容实现温度缓冲和均匀分布。

水套结构在温度保持方面有诸多优点：

• 保温性能好；

• 温度分布均匀；

• 断电后仍能短时间维持温度。

然而，为了维持水套水量，补水系统必不可少，而补水泵则是其中的核心部件之一。

二、补水泵在水套系统中的作用

水套作为封闭环绕的结构，其内部注水后不应频繁波动。但在长期使用过程中，水因：

• 蒸发；

• 泄露；

• 维护排放等情况

会逐渐减少，若水位降低，将影响培养箱的恒温性能，甚至可能烧坏加热元件。因此，设备必须设有自动或手动补水系统。

补水泵主要作用包括：

• 将水箱中的纯水（或蒸馏水）输送至水套；

• 保持水位恒定，维持热容量；

• 提高自动化程度，减少人工维护频率。

三、补水泵基本工作原理

水套补水泵大多采用微型隔膜泵或离心泵。这类泵体积小巧，流量可控，适合应用于实验仪器内部，主要工作方式如下：

• 隔膜泵：通过电磁力或电机带动隔膜往复运动，形成压力差，推动水流；

• 离心泵：通过叶轮高速旋转将水甩出，适合较大流量场景，但噪音相对更高；

• 蠕动泵：管道受压轮挤压而流动，精度较高，适用于计量补水。

补水泵通常配合液位传感器、微处理器控制系统自动运行，在水位下降至设定下限时自动启泵，水位达到上限后自动停泵。

四、补水泵功率与流量的设计依据

泵的选型，尤其是功率（W）与流量（L/min或mL/min），必须依据培养箱水套的体积、使用频率、蒸发速率、进水路径阻力等因素进行综合计算。

1. 功率（W）

泵的功率指电机工作的能耗，一般与以下因素有关：

• 输送水的高度（扬程）；

• 流量；

• 管路长度及阻力；

• 工作频率。

水套式培养箱补水系统因仅需克服低压差，扬程一般不超过1.5米，因此对功率要求较低，常见功率范围为 3W~20W。

2. 流量（L/min 或 mL/min）

补水泵的流量应匹配水套缺水量与补水时间窗口。一般水套容量在 5~15升 之间，补水时只需补足蒸发或维护时流失的部分水量。

• 正常运行时每天蒸发水量约为 50~100mL；

• 补水泵每次启动可能只需运行数秒或几十秒；

• 所以流量范围控制在 0.3~1.5 L/min 较为合理。

典型配置为：流量约为500 mL/min，功率约为5W。

五、不同品牌型号的补水泵参数实例

Thermo Fisher（赛默飞）Heracell系列：

• 水套容量约10L；

• 补水系统采用低噪音微型隔膜泵；

• 功率约5W；

• 流量500 mL/min；

• 配套水箱连接管路长度<1m；

• 水位检测采用磁浮液位开关。

Memmert INC系列：

• 装载微型直流泵，带止回阀；

• 功率约3.6W；

• 流量约0.4 L/min；

• 自动化补水控制；

• 水源要求为去离子水或蒸馏水。

ESCO CelCulture系列：

• 内置水泵+水位探测传感器；

• 微电机控制系统，节能；

• 流速为0.6L/min；

• 泵工作时噪音<40dB；

• 支持外部水源连接和补水回馈报警。

六、工程匹配与参数选择技巧

在设计或替换补水泵时，应考虑以下几个工程参数匹配逻辑：

1. 水源水平位置

若水箱与培养箱水平放置或低于水套位置，泵扬程需考虑0.5~1m的提升高度，否则可能无法顺利补水。

2. 管径与流阻

补水管一般为硅胶软管，直径6~8mm，长度<1.5m。过细或过长的管道将提高流阻，需相应提高泵压力。

3. 控制系统匹配

泵启动与停机应与液位传感器或PLC信号联动，若不兼容电压/信号格式（如TTL/24V继电器控制），将导致泵无法正确响应。

4. 防漏与反吸设计

建议使用带止回阀的泵型，避免补水完成后水倒流，同时安装溢流口防止过补造成水外泄。

七、补水泵使用注意事项与维护

1. 定期检查水泵是否正常运转，有无异响或卡顿现象；

2. 确保水源干净，避免杂质堵塞泵体；

3. 避免干运转，空转将大幅缩短泵寿命；

4. 泵运行过慢或无输出时应排查气阻与堵塞；

5. 泵电源应配置过载保护器件；

6. 定期更换连接软管，防止老化导致渗漏。

八、未来发展趋势

随着智能实验室设备的发展，水套式培养箱的补水泵系统也将趋向智能化、模块化、节能化：

• 智能补水系统：集成液位传感、流速反馈、电磁阀控制；

• 低噪音无刷电机：提升泵的稳定性与寿命；

• 无线报警与远程监控：通过APP或中控系统实时监控水位和泵状态；

• 环保材料与低功耗电路：支持绿色实验室建设；

• 一体化泵阀模块：缩小系统体积，简化安装与维护。

九、结语

综上所述，水套式二氧化碳培养箱中补水泵的功率和流量设计，是一个基于设备热力学需求、安全性、自动化水平及用户操作习惯综合考量的工程任务。虽然泵体本身只是一个小部件，但其稳定性与匹配性，直接影响着整个培养箱系统的可靠运行。

通常补水泵的典型参数配置为：

• 功率范围：3W ~ 20W；

• 流量范围：0.3 L/min ~ 1.5 L/min；

• 扬程要求：0.5 ~ 1.5m；

• 控制方式：电平联动或智能逻辑控制。