（上海理工大學能源與動力工程學院制冷與低溫工程研究所 上海 200093）

變制冷劑流量制冷系統(tǒng)過熱度振蕩機理實驗研究

虞中旸 陶樂仁 王超 沈冰潔

（上海理工大學能源與動力工程學院制冷與低溫工程研究所 上海 200093）

本文以變制冷劑流量制冷系統(tǒng)實驗裝置為研究對象，通過改變電子膨脹閥開度、冷凍水側加熱量和冷卻水出水溫度，對系統(tǒng)過熱度振蕩機理進行了實驗分析。結果表明：1）電子膨脹閥開度較小時（24.7%～25.3%），蒸發(fā)器出口過熱度振幅在1 K內(nèi)，隨著開度增大（25.6%～26.2%），振幅變大，約為3 K，當開度為26.5%～26.8%時，振幅恢復到1 K以內(nèi)；2）傳熱機理的變化是導致過熱度振蕩的根本原因，影響蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰特性的主要參數(shù)是蒸發(fā)器換熱量和質量流量，研究過熱度振蕩時需將兩者綜合考慮；3）壓比對質量流量的影響較大。在壓比增大初期，質量流量逐漸增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅增加，過熱度降低；當壓比繼續(xù)增加時，換熱機理一直在液膜對流沸騰換熱和過熱蒸氣換熱間交替，維持不變。過熱度振蕩特性在膨脹閥?蒸發(fā)器閉環(huán)控制時更為復雜，在今后的研究中需要重點關注。

電子膨脹閥；過熱度；系統(tǒng)振蕩

為了提高蒸發(fā)器換熱面積的利用效率，對于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，一般采用的方法是控制干式蒸發(fā)器出口的過熱度盡可能小。但是在實際操作過程中，過熱度過低會誘發(fā)制冷系統(tǒng)的振蕩。這一現(xiàn)象對制冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性有不利影響，國內(nèi)外學者對此問題進行了許多實驗研究和理論分析。

1966年G.L.Stoecker［1］首先對膨脹閥?蒸發(fā)器控制回路穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的研究。Z.R.Huelle［2］通過實驗研究得出了最小穩(wěn)定信號線理論。該理論認為，蒸發(fā)器由穩(wěn)定到產(chǎn)生振蕩時的最小過熱度不是膨脹閥而是蒸發(fā)器本身的固有特性，它與蒸發(fā)器的熱負荷有關。陳芝久等［3］也提出，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于過熱溫度沿管長的變化率，即負荷變化速率過快會導致系統(tǒng)振蕩。

制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要分為三個研究階段：蒸發(fā)器完全蒸干點隨機振蕩現(xiàn)象的研究、蒸發(fā)器和熱力膨脹閥控制回路穩(wěn)定性研究和定容量制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性研究。田長青等［4－6］對這三個階段的主要研究文獻進行了綜述，并指出前人對定容量制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究較為充分，而變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)穩(wěn)定性問題需要得到重點關注。

隨著市場對于節(jié)能及舒適性的關注，變頻壓縮機得到越來越廣泛地應用。同時，傳統(tǒng)的節(jié)流方式如熱力膨脹閥在多變工況下性能較差，已逐漸被電子膨脹閥所取代［7－8］。在變制冷劑流量制冷循環(huán)中，變頻壓縮機和節(jié)流膨脹閥均可以對質量流量進行調控，各自有不同的調節(jié)規(guī)則，因此對于系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，變制冷劑流量制冷循環(huán)不同于定制冷劑流量制冷循環(huán)。

陶宏等［9－10］在定工況、不同壓縮機頻率下，從小到大調節(jié)膨脹閥開度，觀察膨脹閥出口和蒸發(fā)器出口流型，并結合制冷量、蒸發(fā)溫度、排氣溫度、吸氣溫度的變化圖，得出當蒸發(fā)器出口流型變化時制冷量最大，膨脹閥出口流型變化時制冷循環(huán)會周期性振蕩。王海濤等［11］研究了太陽能熱泵系統(tǒng)中電子膨脹閥對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，得出結論：電子膨脹閥開度一定時，壓縮機功率隨著太陽能輻照度的升高而發(fā)生振蕩。對于變制冷劑流量制冷系統(tǒng)振蕩時系統(tǒng)各參數(shù)的變化，相關研究已經(jīng)很多［12－14］，但是并未闡明在電子膨脹閥或蒸發(fā)器中發(fā)生了怎樣的變化使得系統(tǒng)各參數(shù)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。

W.Y.Chen等［15］采用R12制冷劑、活塞式壓縮機和電子膨脹閥的系統(tǒng)進行實驗，并得出結論：最小穩(wěn)定信號線的存在是由于蒸發(fā)管內(nèi)流型及傳熱機理的變化。Y.J.Shang等［16］對變頻壓縮制冷系統(tǒng)的最小過熱度線進行了模擬和實驗。文中指出，雖然最小過熱度線是蒸發(fā)器的固有特性，但是振蕩時的振幅和頻率會受到其他控制元件的影響而改變。以上研究主要針對于蒸發(fā)器冷負荷的影響，而并未考慮制冷劑質量流量與過熱度振蕩機理的關系。

綜上所述，對于變制冷劑流量制冷系統(tǒng)的過熱度振蕩機理，相關研究并不完善。因此本文針對主要影響過熱度變化的幾個因素設計實驗，研究變制冷劑流量制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器過熱度振蕩的現(xiàn)象與機理。

1 實驗原理及方法

1.1實驗裝置簡介

變流量制冷系統(tǒng)實驗裝置原理如圖1所示，總體結構與一臺小型變頻水冷冷水機組相似。

壓縮機1選用變頻滾動轉子式壓縮機，自帶氣液分離器。理論排量10.2 mL，頻率可調范圍為16.6 ～120 Hz。壓縮機由一臺通用型變頻器驅動，其工作頻率可以通過手動設定，制冷劑為R32。采用科氏力流量計測量制冷劑流量，精度為±0.1%。流量計前安裝過冷器，控制制冷劑的過冷度。采用內(nèi)置式鉑電阻測量蒸發(fā)器出口溫度，溫度偏差為±0.15℃ ＋0.002 t （t為測量溫度，℃）。蒸發(fā)器8為BL26?20型板式換熱器。為了便于觀察蒸發(fā)器出口制冷劑的流型，蒸發(fā)器出口連接可視管2。用對夾法蘭夾緊石英玻璃管，端面采用四氟乙烯墊片密封。石英管尺寸為Φ22 mm×7 mm，長度為80 mm。實驗裝置中的水系統(tǒng)采用加熱循環(huán)水來保持水溫。為了穩(wěn)定控制水箱溫度，根據(jù)出水溫度，采用電加熱器提供補償性自動調節(jié)，也可以設置固定的電加熱功率。補償電加熱器的滿功率為4.5 kW。電子膨脹閥6為步進電機驅動的直動式電子膨脹閥，通過手動調節(jié)控制器改變其開度。

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1 Experimental installation schematic diagram

1.2 實驗方法

為了研究系統(tǒng)質量流量、熱負荷和壓比對變流量制冷系統(tǒng)過熱度振蕩的影響，進行以下實驗：

初始設定壓縮機頻率60 Hz不變，保持冷卻水出口溫度為40℃。為方便控制，以電加熱器滿功率（4.5 kW）的百分比來控制冷凍水加熱量。起始冷凍水加熱比為75%。調節(jié)電子膨脹閥開度，保證系統(tǒng)在較高過熱度下穩(wěn)定運行60 min。之后進行三組實驗，分別改變電子膨脹閥開度、冷凍水加熱量和冷卻水出水溫度，使過熱度逐漸減小，并觀察蒸發(fā)器出口可視管2內(nèi)流型。

在三組實驗進行過程中，每次改變變量值后，均須使系統(tǒng)運行60 min后記錄數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

1.3 計算公式

實驗測量下列參數(shù)：冷卻水出水溫度Tw，o，壓縮機排氣壓力pd，蒸發(fā)器出口壓力pe和吸氣溫度Te，冷凝器出口壓力pc，膨脹閥前溫度Tv，制冷劑質量流量qm。通過Refprop9.0物性軟件可以得到蒸發(fā)器出口焓值he，蒸發(fā)器出口壓力pe下的制冷劑飽和溫度Te，sat，膨脹閥前焓值hv。由測量值可以根據(jù)下列公式計算，得到所需參數(shù)。需要說明的是，由于在實驗工況下，壓縮機吸氣管內(nèi)制冷劑狀態(tài)基本處于過熱態(tài)，且蒸發(fā)器出口過熱度接近0 K時，壓縮機吸氣帶液較少，所攜帶的潤滑油不多，因此潤滑油對制冷量影響不大。

蒸發(fā)器出口過熱度：

2 實驗結果分析

2.1 完全蒸干點在蒸發(fā)器中振蕩引起的隨機波動

保持冷凍水／冷卻水出水溫度12℃／40℃，壓縮機頻率60 Hz，從小到大逐漸調節(jié)膨脹閥開度，使過熱度從10 K降低到0 K并記錄數(shù)據(jù)。

由圖2可知，制冷量存在最大值，對應的閥開度為30%。觀察蒸發(fā)器出口，發(fā)現(xiàn)流型為過熱蒸氣流和霧狀流以秒級交替出現(xiàn)。此時蒸發(fā)器換熱面積得到充分利用，因此制冷量最大。由圖3可知，過熱度以分鐘級周期波動，蒸發(fā)溫度在此時以秒級隨機波動。這也驗證了Z.R.Huelle［17］的結論，即當完全蒸干點隨著逐漸變小的過熱度出現(xiàn)在蒸發(fā)器出口時，管壁溫度由于流型的交替劇烈變化，引起系統(tǒng)參數(shù)波動。

圖2 不同閥開度下的制冷量Fig.2 The refrigerating capacity at different valve opening

圖3 閥開度30%時過熱度和蒸發(fā)溫度的振蕩Fig.3 The hunting of superheated temperature and evaporation temperature at 30%valve opening

圖4 不同膨脹閥開度下的過熱度振蕩趨勢Fig.4 The hunting tendency of superheated temperature at different valve opening

2.2 變膨脹閥開度對穩(wěn)定性的影響

由圖4可知，過熱度在4 K附近開始振蕩。隨著膨脹閥開度的增大，過熱度總體趨勢是下降的。在開度較小時（24.7% ～25.3%），過熱度的振蕩較為隨機，且振幅不大，保持在1 K以內(nèi)，此時觀察流型，可以看到油膜呈波形環(huán)狀貼著玻璃管內(nèi)壁流動，中間為氣態(tài)制冷劑；當開度逐漸增大時（25.6% ～26.2%），過熱度開始以秒級周期振蕩，振幅也逐漸加大，在26.2%開度時，振幅甚至大于2 K，此時流型多為過熱蒸氣流，但會與霧狀流交替出現(xiàn)，交替周期為分鐘級別；開度繼續(xù)加大時（26.5% ～26.8%），振蕩周期依然保持秒級別，但是振幅開始逐漸減小，此時系統(tǒng)過熱度接近0 K，流型為氣液兩相流和霧狀流交替出現(xiàn)。隨后進入吸氣帶液階段，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

由圖5可知，膨脹閥開度對質量流量影響很大，質量流量隨著膨脹閥開度的增加而增加。而且在各個開度下，質量流量的振蕩周期均為分鐘級別。

圖5 不同膨脹閥開度下的質量流量振蕩趨勢Fig.5 The hunting tendency of mass flow at different valve opening

實驗1中，水側加熱量設定不變，且水流量也不變，因此由圖6可知，制冷劑側制冷量雖然也有振蕩，但是振幅不大，約±80 W。值得注意的是，制冷量的振幅變化與過熱度的振幅變化相似，在24.7%～25.3%開度時振幅較小，在25.6%～26.2%開度時振幅逐漸增大，在26.5% ～26.8%開度時振幅減小。為了更加清楚的對比制冷量和過熱度的振蕩周期，選取振蕩最劇烈的閥開度（26.2%），時間為6 600～7 200 s，結果如圖7所示。從圖中可以看到，制冷量和過熱度的振蕩周期基本一致。

圖6 不同膨脹閥開度下的制冷量振蕩趨勢Fig.6 The hunting tendency of refrigerating capacity at different valve opening

圖7閥開度26.2%時過熱度和制冷量振蕩趨勢Fig.7 The hunting tendency of superheated temperature and refrigerating capacity at 26.2%valve opening

結合圖4～圖7可以看出，與制冷劑質量流量相比，制冷量的振蕩趨勢與過熱度的振蕩趨勢更相近。這是因為在水側加熱量不變的情況下，水與制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的換熱機理變化是引起過熱度振蕩的關鍵因素。在剛開始振蕩階段（24.7% ～25.3%），油膜的波動對蒸發(fā)器中的換熱有影響［18］，但引起的振蕩并不大，這是因為此時蒸發(fā)器出口制冷劑依然是過熱蒸氣。隨著膨脹閥開度的增大（25.6% ～25.9%），進入蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑增多，蒸發(fā)器出口的換熱狀態(tài)從原來的單相強制對流換熱轉變到液膜對流沸騰換熱，霧狀流的出現(xiàn)可以證實這一點。此時制冷量和過熱度開始發(fā)生振蕩。當處于液膜對流沸騰換熱時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高，水側與制冷劑側的溫差將變小，過熱度急劇下降。此時制冷劑側的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力略微上升，導致節(jié)流閥前后壓差減小，質量流量降低，進入蒸發(fā)器的制冷劑變少，換熱機制又回到單相強制對流換熱，流型變?yōu)檫^熱蒸氣流，這也是此時流型和質量流量的振蕩周期均為分鐘級的原因。之后膨脹閥開度繼續(xù)增大（25.9% ～26.2%），蒸發(fā)器中液相長度逐漸增大，換熱機制處于液膜對流沸騰的時間增多，此時質量流量略有減少，蒸發(fā)器出口再次變?yōu)檫^熱蒸氣換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅下降，因此在這一階段過熱度振幅變大，周期縮短。當膨脹閥處于較大開度時（26.5% ～26.8%），流型主要為氣液兩相流，即使質量流量減小，表面液膜也不會全部蒸干，因此振蕩幅度減小。

綜上所述：換熱機理的變化是導致過熱度振蕩的根本原因，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的劇烈變化引起了制冷量的變化，其與換熱機理有著緊密聯(lián)系，通過制冷量的振幅和周期變化可很好體現(xiàn)換熱機理的變化。

2.3變水側加熱量對穩(wěn)定性的影響

實驗2中，膨脹閥開度和壓縮機頻率設定保持不變，同時改變水側加熱量。理論上，質量流量應在某一范圍內(nèi)振蕩。但由圖9可知，質量流量隨著加熱量的降低而降低，原因在于冷凍水入口溫度下降，導致整體水溫降低。為了保持溫差，蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力將會降低，使得壓比升高，如圖10所示。雖然壓比增大會增大質量流量，但是對于頻率f不變的壓縮機而言，每轉的排氣量V一定，因此所需的制冷劑體積流量是一定的。當蒸發(fā)壓力降低時，制冷劑比體積v增大，導致通過質量流量qm降低來平衡這一變化。如式（4）所示。所以，當水側加熱量下降時，蒸發(fā)壓力降低的效果比壓比增大的效果強，導致壓比增大，質量流量降低。

圖8 不同水側加熱量下的過熱度振蕩趨勢Fig.8 The hunting tendency of superheated temperature at different heat capacity quantity of water side

圖9 不同水側加熱量下的質量流量振蕩趨勢Fig.9 The hunting tendency of mass flow at different heat capacity quantity of water side

圖10 不同水側加熱量下的壓比振蕩趨勢Fig.10 The hunting tendency of pressure ratio at different heat capacity quantity of water side

圖11 不同水側加熱量下的制冷量振蕩趨勢Fig.11 The hunting tendency of refrigerating capacity at different heat capacity quantity of water side

由圖11可知，隨著水側加熱量的降低，冷凍水入口溫度降低，水與制冷劑的溫差減小，制冷量和過熱度因此降低。在加熱量變化較小時（75% ～74%），管中流型狀態(tài)依然是過熱蒸氣流，過熱度振蕩較小，其原因如前所述，可能是油膜密度的波動引起的；隨著加熱量繼續(xù)減?。?3% ～70%），能夠加熱的液體制冷量減少，而此時質量流量由于蒸發(fā)壓力的下降而同時減少，但是加熱量的減小量更大，因此總的效果反而是使蒸發(fā)器中的換熱在單相強制對流換熱與核態(tài)沸騰換熱間交替，而兩者交替的原因如實驗1中所述。與圖8對比可以看出，制冷量的振蕩周期和幅度變化與過熱度的振蕩趨勢相似，因此驗證了實驗1的結論。影響管內(nèi)沸騰特性的主要參數(shù)是加熱量和質量流量，單看其中任何一個的變化都不能準確的預測出過熱度的振蕩特征，因此在今后研究過熱度振蕩時，需要將兩者綜合考慮。

2.4變冷卻水出水溫度對穩(wěn)定性的影響

由圖12中可知，冷卻水出水溫度從35℃調到37℃時，過熱度出現(xiàn)大幅的下降，說明冷卻水出水溫度為35℃時，過熱度正好處于最小過熱度線上。在冷卻水出水溫度從37℃調到41℃過程中，過熱度振幅逐漸增大，振蕩周期也逐漸變短。然而，當冷卻水出水溫度從41℃調到45℃時，過熱度的振幅和振蕩周期基本不變。由于冷卻水出水溫度在45℃時，冷凝壓力已接近管路能夠承受的壓力極限，出于安全考慮，實驗沒有繼續(xù)增加出水溫度。

圖12 不同冷卻水出水溫度下的過熱度振蕩趨勢Fig.12 The hunting tendency of superheated temperature at different outlet temperature of cooling water

由圖13可知，壓比對于質量流量的影響很大。隨著壓比的梯階增加，質量流量也呈現(xiàn)出梯階增大，由于實驗3設置加熱量不變，因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨質量流量的增加而增加，過熱度振蕩的特性和原因與實驗1、實驗2相同。

由圖14可知，壓比受冷卻水水溫的影響較大，每次調整冷卻水水溫都使壓比有較大的變化，但在穩(wěn)定時壓比的振幅很小。冷凝壓力的上升也引起蒸發(fā)溫度的上升，但是后者的增加量小于前者，所以壓比增大。結合圖12可知，壓比在剛開始增加時（3 600～5 400 s），質量流量逐漸增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅增加，過熱度降低；當壓比繼續(xù)增加時（5 400～7 200 s），換熱機理一直在液膜對流沸騰和過熱蒸氣換熱間交替，維持不變。

圖13 不同冷卻水出水溫度下的質量流量振蕩趨勢Fig.13 The hunting tendency of mass flow at different outlet temperature of cooling water

圖14 不同冷卻水出水溫度下的壓比振蕩趨勢Fig.14 The hunting tendency of pressure ratio at different outlet temperature of cooling water

3 結論

本文通過變流量制冷系統(tǒng)實驗裝置，在壓縮機頻率不變的情況下，分別改變電子膨脹閥開度、冷凍水側加熱量和冷卻水出水溫度，探討了制冷劑質量流量、蒸發(fā)器加熱量和系統(tǒng)壓比與過熱度振蕩機理之間的關系。分析實驗結果，可以得到以下結論：

1）蒸發(fā)器完全蒸干點在蒸發(fā)器出口隨機振蕩時，出口流型為過熱蒸氣流和霧狀流以秒級交替出現(xiàn)，此時制冷量最大。

2）電子膨脹閥開度較小時（24.7%～25.3%），蒸發(fā)器出口過熱度振幅較小，在1 K范圍內(nèi)；隨著膨脹閥開度增大（25.6%～26.2%），振幅變?yōu)? K左右；當開度為26.5%～26.8%時，振幅恢復到1 K以內(nèi)。

3）換熱機理的變化是導致過熱度振蕩的根本原因，通過制冷量的振幅和周期變化可以很好體現(xiàn)換熱機理的變化。而影響管內(nèi)沸騰特性的主要參數(shù)是蒸發(fā)器加熱量和質量流量，單看加熱量或者質量流量的增大或減小不能準確預測過熱度的振蕩特征，因此在之后的過熱度振蕩研究中，需要將兩者綜合考慮。

4）壓比對于質量流量的影響較大。在壓比增大初期（3 600～5 400 s），質量流量逐漸增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅增加，過熱度降低；當壓比繼續(xù)增加時（5 400～7 200 s），換熱機理一直在液膜對流沸騰換熱和過熱蒸氣換熱間交替，維持不變。

對于其他變制冷劑流量的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，如汽車空調等，上述規(guī)律依然適用。系統(tǒng)質量流量、熱負荷和系統(tǒng)壓比在系統(tǒng)設計和運行時需著重考慮。本文研究的是開環(huán)控制下的過熱度振蕩問題，對于膨脹閥與蒸發(fā)器閉環(huán)控制，過熱度振蕩特性更為復雜，這在今后的研究中需要重點關注。

本文受上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室項目（1N?15?301?101）資助。（The project was supported by the Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Shanghai Power Engineering（NO.1N?15?301?101）.）

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Experiment on Hunting Mechanism of Superheated Temperature of a Variable
Refrigerant Volume Refrigeration System

Yu Zhongyang Tao Leren Wang Chao Sheng Bingjie

（Institute of Refrigeration and Cryogenics，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Sci?ence and Technology，Shanghai，200093，China）

To experimentally investigate the hunting mechanism of superheated temperature of a variable refrigerant volume refrigeration system，the opening of electronic expansion valve，the capacity of chilled water and the outlet temperature of cooling water are changed. The results show that when the opening of electronic expansion valve is at 24.7%－25.3%，the humting amplitude of superheated tem?perature is less than 1 K.With the opening increasing（25.6%－26.2%），the humting amplitude is about 3 K.When the opening is at 26.5% －26.8%，the amplitude goes back to less than 1 K.Moreover，the change of heat transfer in evaporator is the primary cause to hunting of superheated temperature，and heating load and refrigerant mass flow are the important parameters for in?tube boiling heat trans?fer，and both of them should be considered in the investigation for hunting of superheated temperature.In addition，pressure ratio has greater effect on refrigerant mass flow.When the system is at the first stage of increasing pressure ratio，the mass flow rate of refrigerant also increases，and the surface coefficient of heat transfer sharply increases while superheated temperature decreases.When the pressure ratio is sequentially increasing，the mechanism of heat transfer keeps alternation between convective boiling of liquid film and heat transfer of superheated vapor.The mechanism of hunting of superheated temperature for closed?loop control of expansion valve?evaporator is more complicated，which should be focused in later research.

electronic expansion valve；superheated temperature；hunting

TB657.5；TK124< class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

0253－4339（2017）01－0100－08

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.100

2016年4月5日

陶樂仁，男，教授，上海理工大學能源與動力工程學院，制冷與低溫工程研究所，13916356948，E?mail：cryo307＠usst.edu.cn。研究方向：低溫制冷系統(tǒng)，低溫生物醫(yī)學技術。

About the corresponding author

Tao Leren，male，professor，Institute of Refrigeration and Cryo?genics，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology， ＋86 13916356948，E?mall：cryo307＠usst.edu.cn.Research fields：low temperature refrigeration system，cryobio?medical technology.