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實驗室小型低溫冷凍機組的運作是通過三個相互關聯的系統：制冷劑循環系統、水循環系統、電器自控系統。
1、蒸發器中的液態制冷劑吸收水中的熱量并開始蒸發，而后達到制冷劑與水之間形成一定的溫度差，液態制冷劑亦完全蒸發變為氣態后被壓縮機吸入并壓縮，氣態制冷劑通過冷凝器吸收熱量，凝結成液體，通過熱力膨脹閥節流后變成低溫低壓制冷劑進入蒸發器，完成制冷劑循環過程。
2、在制冷過程中冷凝器起著輸出熱能并使制冷劑得以冷凝的作用。從制冷壓縮機排出的高壓過熱蒸氣進入冷凝器后，將其在工作過程吸收的全部熱量，其中包括從蒸發器和制冷壓縮機中以及在管道內所吸收的熱量都傳遞給周圍介質帶走；制冷劑高壓過熱蒸氣重新凝結成液體。
3、貯液器：貯液器安裝在冷凝器之后，與冷凝器的排液管是直接連通的。冷凝器的制冷劑液體應暢通無阻地流入貯液器內，這樣就可以充分利用冷凝器的冷卻面積。另一方面，當蒸發器的熱負荷變化時，制冷劑液體的需要量也隨之變化，那時貯液器便起到調劑和貯存制冷劑的作用，可利用冷凝器來調劑和貯存制冷劑。
4、干燥過濾器：在實驗室小型低溫冷凍機組中需預防水分和污物等進入，水分的來源主要是新添加的制冷劑和潤滑油所含的微量水份，或由于檢修系統時空氣進入而帶來的水分。如果系統中的水分未排除干凈，當制冷劑通過節流閥時，因壓力及溫度的下降有時水分會凝固成冰，使通道阻塞，影響制冷裝置的正常運作。因此在小型冷水機冷系統中需安裝干燥過濾器。
5、熱力膨脹閥既是流量的調節閥，又是制冷設備中的節流閥，它在制冷設備中安裝在干燥過濾器和蒸發器之間，它的感溫包是包扎在蒸發器的出口處。其主要作用是使高壓常溫的制冷劑液體在流經熱力膨脹閥時節流降壓，變為低溫低壓制冷劑濕蒸氣進入蒸發器，在蒸發器內汽化吸熱，而達到制冷降溫的目的。
6、蒸發器依靠制冷劑液體的蒸發來吸收被冷卻介質熱量的換熱設備。它在制冷系統中的功能是吸收熱量。為了保證蒸發過程能穩定的進行，需不斷的用制冷壓縮機將蒸發的氣體抽走，以保持一定的蒸發壓力。
7、在現代工業中使用的實驗室小型低溫冷凍機組均使用制冷劑。制冷劑是制冷系統里的流動工質，它的主要作用是攜帶熱量，并在狀態變化時實現吸熱和放熱。
