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Stirling Ultracold 告别传统压缩机 超低温冰箱技术特点Q/A

超低温冰箱常用于长期储存对温度极其敏感的生物分子如RNA样本,还有各种细胞系以及菌种等。一旦出现故障,对于这些珍贵样本的影响无法预期,后果可谓惨重。冰箱空调的绝大多数故障都和压缩机有关,已经是基本常识。那么,50多年来制冷技术有没有进步,能不能解决压缩机故障的问题呢?

有。今年刚刚进入中国市场的斯特林超低温冰箱,干脆摒弃了传统的压缩机,将应用于航天飞机和卫星设备冷却的技术移植到超低温冰箱,提高温度控制的稳定与精确性,更显著降低冰箱的故障几率和能耗,从根本上解决了传统压缩机制冷的许多不足之处。到底什么是斯特林冰箱?有何过人之处?带着这些问题生物通编者访问了Global Cooling 旗下 Stirling Ultracold 公司的Michael Tan Tekk Tyann先生。

应用于航天飞机和卫星设备冷却的斯特林技术

Q:什么是自由活塞式斯特林超低温冰箱?市售的超低温冰箱一直以来全都是采用复叠式压缩机,那么新的斯特林与其他市售超低温冰箱相比有何优胜之处?什么原因促使你们推出这种打破常规“标新立异”的冰箱?

A:由于在之前一直有客户投诉说冰箱出现问题,为什么50多年来技术一直没有进步,问题一直没有解决呢,从而启发了将斯特林技术应用到超低温制冷的行业中来。

斯特林超低温冰箱是利用斯特林冷却机发展出来的一种超低温冰箱,斯特林技术广泛应用于航天航空、能源和军事领域中,采用微流体制冷媒介:氦气。

斯特林发动机是整个冰箱的核心技术部件,它的优势在于不采用传统的复叠式压缩机制冷,从而从根本上解决了传统压缩机制冷超低温冰箱的许多不足之处。其最大的优点在于其温度控制的稳定与精确性,无论环境温度如何变化,它都能够有效稳定的达到设定的温度;冰箱内的温度的波动范围很小,偏差在1℃之内,最大程度的保障了样本的安全性。此外,当然还有大大降低冰箱的故障几率,降低能耗,噪音更低等优胜之处。

Q:斯特林超低温冰箱工作期间的温度波动范围为什么很小?原理是什么?制冷速度有多快?

A:斯特林冰箱的温度变化范围很小,只有±0.75℃(@-86℃)(冰箱顶部到底部的温度差),为何能够做到温度波动在如此小的范围内,我们可以从传统压缩机冰箱的温度变化中找到答案。传统的压缩机冰箱在温度高于设定温度时启动,随着压缩机的工作温度逐渐下降,当降到设定范围内时,停止工作,箱体内的温度又逐渐升高,就这么周而复始的启动,停止,温度降低升高才有了这种锯齿状的温度曲线图。那么斯特林冰箱由于不采用压缩机,当开始制冷是采用大功率进行工作,当温度到达设定温度时,用小功率持续进行温度的维持(“变频”工作,即通过改变温度控制传感器上的活塞幅度,可调节制冷量),所以能够保证其温度波动范围这么小。

一些生物活性大分子如RNA等对于温度比较敏感,而且超低温冰箱是用于较长期的样本存储,所以在存储器内温度的波动可能会对这些物质的活性产生无可预知的干扰。

放置样品后温度的恢复与放置样品的容量有关:16×15ml离心管的样本恢复至-80℃需0.8小时;96×2ml冻存管恢复至-80℃需1.5小时。

Q:进口设备出现故障时维修时间长,费用高,特别误事,最烦人了。超低温冰箱故障对于内存的生物材料的影响更可谓要命。斯特林发动机故障率比传统压缩机低,其原理是什么?对于电压不太稳定,甚至偶尔断电的国内实验室来说,斯特林对实验室的电力设施有没有特殊要求?

A:斯特林发动机故障率比传统压缩机大大降低。传统压缩机冰箱故障的90%是由压缩机故障导致的。压缩机为什么容易出现故障?简单说,传统冰箱工作原理是:探测器温度超过设定点时会启动压缩机工作,当温度到达设定点以下时关闭压缩机,这种方案形成“锯齿状”的温度曲线,也对压缩机产生很大压力——若每小时有三次开关循环,则一台超低温冰箱的压缩机每年会停止并重新启动 24,000次,每次启动时都会有一个可高达13amp的电流浪涌。在电压不太稳定,甚至偶尔断电的实验室更容易出现故障。此外,复叠式压缩机需要使用混有制冷剂的润滑油——随着时间的推移,这种油会迁移或凝结到别处,增加“油堵塞”的可能性,限制了制冷剂流动,导致压缩机没有足够的油来润滑移动部件,最终可能导致压缩机的故障。传统的复叠式压缩机系统有着多达24 个移动部件,任何一个部件出现故障都会导致复杂且昂贵的维修。维修时必须将压缩机、制冷剂和润滑油取出。甚至泡沫保温材料也必须取出便于检修。相当复杂。

斯特林冰箱摒弃了压缩机制冷的方式,发动机在制造时被密封,无需维护,便于现场更换。内部两个移动部件——活塞和置换器由气体轴承支撑,实现了非接触式操作,因此在发动机的正常运行过程中无磨损。发动机也不需要润滑油或其他任何形式的润滑。除非电源中断,斯特林冰箱在其工作寿命内只有一次启动,无启动时的电涌。所以大大的降低了故障的发生,减小了维护的频率和成本。此外,这种调节能力意味着冰箱任一点的温度保持在稳态操作时平均温度的0.5度(冰箱在设定温度值的波动范围)之内。

斯特林超低温冰箱对于电源要求很低,既可以使用220V交流电也可以使用8-12V的直流电源,即使在电压不稳定的实验室中,因为本身自带变压器,也可以稳定的运行。传统的压缩机一但电压超过或低于其额定电压便无法正常运转,而斯特林超低温冰箱对电压的容忍性更高,更适合于条件不稳定的环境。

Q:冰箱需要每日24小时全天不间断工作。因此电费是超低温冰箱日常维护中最主要的支出之一。斯特林超低温冰箱能节约多少用电?可否举例说明?

A:相比于传统压缩机的功耗,斯特林冰箱可以节约34%-45%的能耗。请见下图:



Q:除了制冷速度,温度稳定性等性能和质量问题,选购一台超低温冰箱还要考虑哪些关键参数?

A:1)冰箱的容量,因为样本的存储是冰箱选择的关键;2)功耗,节能环保是仪器设备发展的趋势,我们在能够达到性能的前提下更节约了能源;3)噪音,超低温冰箱的噪音直接影响实验者的工作舒适性,低噪音的超低温冰箱能够为实验者提供一个安静的舒适环境。

Q:斯特林冰箱有哪些型号?

A:目前共有三个型号:25升(ULT25,可移动便携式,外部尺寸略小于28寸行李箱)、105升(SU105U)和780升(SU780U)。ULT25便携式的超低温冰箱还可以用于一些需要远距离运输样本的实验室,如医院、CDC等地方,并且可以使用8-12V直流供电,例如车载电源。在断电的情况下从-80℃升至-60℃约30分钟;-80℃升至-40℃约70分钟;-80℃升至-20℃约130分钟。


Q:目前有哪些知名的实验室在使用斯特林冰箱?他们的反馈如何?

A:在美国一些大型的药厂、医院都在使用斯特林超低温冰箱,如:The Baker Company、
NASA Goddard Space Flight Center、University of California、Iowa State University
US Air Army Hospital (Biomedical Engineering)、Louisiana State University, Shreveport等等。
    
美国俄勒冈科学和医学研究所的Arthur Robinson博士说到:“我们使用最小型号的复叠式压缩机超低温冰箱,但是他们不能够一直稳定工作,那些冰箱要么太大,要么太吵,我们依旧只能是用干冰将样本取出再带回实验室。而斯特林超低温冰箱非常的安静、小巧,方便移动运输,即使在运输的过程中也可以很好的维持温度,它真是我们的理想选择。“(We looked at using the smallest cascade freezers for this study, but they would not have worked nearly as well, they would have been too large and noisy in the offices and we would still have to deal with the logistics of transporting the samples back to the lab with dry ice. The Stirling Shuttle is quiet, compact, easy to move; it maintains the temperature during transit. It's a perfect fit for us!”)

Q:斯特林超低温冰箱价格和同型号的传统超低温冰箱比怎么样?

A:由于其发动机部分的技术成本的问题,并且它使用的是更加环保的制冷剂,在价格上会比传统的压缩机冰箱来的高一些。

虽然购买成本稍高一些,但是在总体成本的计算中,斯特林冰箱的总成本比传统的复叠式压缩机冰箱还要低10%,这就是因为其低能耗,低维护所带来的益处。外加其优越的温度稳定性、更小的功耗、更低的维护成本、更低的工作噪音等优点,相信能够吸引到很多用户。

性能可靠稳定,少维护少故障,绝对是一般科研人员对实验仪器的主要期盼。活塞式斯特林超低温冰箱会不会成为你的选择呢?



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