上海珩澤科技有限公司
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產品分類 Product
摘要：
今年剛剛進入中國市場的斯特林超低溫冰箱，摒棄了傳統(tǒng)的壓縮機，將應用于航天飛機和衛(wèi)星設備冷卻的技術移植到超低溫冰箱，提高溫度控制的穩(wěn)定與精確性，更顯著降低冰箱的故障幾率和能耗，從根本上解決了傳統(tǒng)壓縮機制冷的許多不足之處。到底什么是斯特林冰箱？有何過人之處？
超低溫冰箱常用于長期儲存對溫度極其敏感的生物分子如RNA樣本，還有各種細胞系以及菌種等。一旦出現(xiàn)故障，對于這些珍貴樣本的影響無法預期，后果可謂慘重。冰箱空調的絕大多數(shù)故障都和壓縮機有關，已經(jīng)是基本常識。那么，50多年來制冷技術有沒有進步，能不能解決壓縮機故障的問題呢？
今年剛剛進入中國市場的斯特林超低溫冰箱，干脆摒棄了傳統(tǒng)的壓縮機，將應用于航天飛機和衛(wèi)星設備冷卻的技術移植到超低溫冰箱，提高溫度控制的穩(wěn)定與精確性，更顯著降低冰箱的故障幾率和能耗，從根本上解決了傳統(tǒng)壓縮機制冷的許多不足之處。到底什么是斯特林冰箱？有何過人之處？帶著這些問題生物通編者訪問了Global Cooling 旗下 Stirling Ultracold 公司的Michael Tan Tekk Tyann先生。
應用于航天飛機和衛(wèi)星設備冷卻的斯特林技術
Q：什么是自由活塞式斯特林超低溫冰箱？市售的超低溫冰箱一直以來全都是采用復疊式壓縮機，那么新的斯特林與其他市售超低溫冰箱相比有何優(yōu)勝之處？什么原因促使你們推出這種打破常規(guī)“標新立異”的冰箱？
A：由于在之前一直有客戶投訴說冰箱出現(xiàn)問題，為什么50多年來技術一直沒有進步，問題一直沒有解決呢，從而啟發(fā)了將斯特林技術應用到超低溫制冷的行業(yè)中來。
斯特林超低溫冰箱是利用斯特林冷卻機發(fā)展出來的一種超低溫冰箱，斯特林技術廣泛應用于航天航空、能源和軍事領域中，采用微流體制冷媒介：氦氣。
斯特林發(fā)動機是整個冰箱的核心技術部件，它的優(yōu)勢在于不采用傳統(tǒng)的復疊式壓縮機制冷，從而從根本上解決了傳統(tǒng)壓縮機制冷超低溫冰箱的許多不足之處。其最大的優(yōu)點在于其溫度控制的穩(wěn)定與精確性，無論環(huán)境溫度如何變化，它都能夠有效穩(wěn)定的達到設定的溫度；冰箱內的溫度的波動范圍很小，偏差在1℃之內，最大程度的保障了樣本的安全性。此外，當然還有大大降低冰箱的故障幾率，降低能耗，噪音更低等優(yōu)勝之處。
Q：斯特林超低溫冰箱工作期間的溫度波動范圍為什么很??？原理是什么？制冷速度有多快？
A：斯特林冰箱的溫度變化范圍很小，只有±0.75℃（@-86℃）（冰箱頂部到底部的溫度差），為何能夠做到溫度波動在如此小的范圍內，我們可以從傳統(tǒng)壓縮機冰箱的溫度變化中找到答案。傳統(tǒng)的壓縮機冰箱在溫度高于設定溫度時啟動，隨著壓縮機的工作溫度逐漸下降，當降到設定范圍內時，停止工作，箱體內的溫度又逐漸升高，就這么周而復始的啟動，停止，溫度降低升高才有了這種鋸齒狀的溫度曲線圖。那么斯特林冰箱由于不采用壓縮機，當開始制冷是采用大功率進行工作，當溫度到達設定溫度時，用小功率持續(xù)進行溫度的維持（“變頻”工作，即通過改變溫度控制傳感器上的活塞幅度，可調節(jié)制冷量），所以能夠保證其溫度波動范圍這么小。
一些生物活性大分子如RNA等對于溫度比較敏感，而且超低溫冰箱是用于較長期的樣本存儲，所以在存儲器內溫度的波動可能會對這些物質的活性產生無可預知的干擾。
放置樣品后溫度的恢復與放置樣品的容量有關：16×15ml離心管的樣本恢復至-80℃需0.8小時；96×2ml凍存管恢復至-80℃需1.5小時。
Q：進口設備出現(xiàn)故障時維修時間長，費用高，特別誤事，最煩人了。超低溫冰箱故障對于內存的生物材料的影響更可謂要命。斯特林發(fā)動機故障率比傳統(tǒng)壓縮機低，其原理是什么？對于電壓不太穩(wěn)定，甚至偶爾斷電的國內實驗室來說，斯特林對實驗室的電力設施有沒有特殊要求？
A：斯特林發(fā)動機故障率比傳統(tǒng)壓縮機大大降低。傳統(tǒng)壓縮機冰箱故障的90%是由壓縮機故障導致的。壓縮機為什么容易出現(xiàn)故障？簡單說，傳統(tǒng)冰箱工作原理是：探測器溫度超過設定點時會啟動壓縮機工作，當溫度到達設定點以下時關閉壓縮機，這種方案形成“鋸齒狀”的溫度曲線，也對壓縮機產生很大壓力——若每小時有三次開關循環(huán)，則一臺超低溫冰箱的壓縮機每年會停止并重新啟動 24,000次，每次啟動時都會有一個可高達13amp的電流浪涌。在電壓不太穩(wěn)定，甚至偶爾斷電的實驗室更容易出現(xiàn)故障。此外，復疊式壓縮機需要使用混有制冷劑的潤滑油——隨著時間的推移，這種油會遷移或凝結到別處，增加“油堵塞”的可能性，限制了制冷劑流動，導致壓縮機沒有足夠的油來潤滑移動部件，最終可能導致壓縮機的故障。傳統(tǒng)的復疊式壓縮機系統(tǒng)有著多達24 個移動部件，任何一個部件出現(xiàn)故障都會導致復雜且昂貴的維修。維修時必須將壓縮機、制冷劑和潤滑油取出。甚至泡沫保溫材料也必須取出便于檢修。相當復雜。
斯特林冰箱摒棄了壓縮機制冷的方式，發(fā)動機在制造時被密封，無需維護，便于現(xiàn)場更換。內部兩個移動部件——活塞和置換器由氣體軸承支撐，實現(xiàn)了非接觸式操作，因此在發(fā)動機的正常運行過程中無磨損。發(fā)動機也不需要潤滑油或其他任何形式的潤滑。除非電源中斷，斯特林冰箱在其工作壽命內只有一次啟動，無啟動時的電涌。所以大大的降低了故障的發(fā)生，減小了維護的頻率和成本。此外，這種調節(jié)能力意味著冰箱任一點的溫度保持在穩(wěn)態(tài)操作時平均溫度的0.5度（冰箱在設定溫度值的波動范圍）之內。
斯特林超低溫冰箱對于電源要求很低，既可以使用220V交流電也可以使用8-12V的直流電源，即使在電壓不穩(wěn)定的實驗室中，因為本身自帶變壓器，也可以穩(wěn)定的運行。傳統(tǒng)的壓縮機一但電壓超過或低于其額定電壓便無法正常運轉，而斯特林超低溫冰箱對電壓的容忍性更高，更適合于條件不穩(wěn)定的環(huán)境。
Q：冰箱需要每日24小時全天不間斷工作。因此電費是超低溫冰箱日常維護中最主要的支出之一。斯特林超低溫冰箱能節(jié)約多少用電？可否舉例說明？
A：相比于傳統(tǒng)壓縮機的功耗，斯特林冰箱可以節(jié)約34%-45%的能耗。請見下圖：
Q：除了制冷速度，溫度穩(wěn)定性等性能和質量問題，選購一臺超低溫冰箱還要考慮哪些關鍵參數(shù)？
A：1）冰箱的容量，因為樣本的存儲是冰箱選擇的關鍵；2）功耗，節(jié)能環(huán)保是儀器設備發(fā)展的趨勢，我們在能夠達到性能的前提下更節(jié)約了能源；3）噪音，超低溫冰箱的噪音直接影響實驗者的工作舒適性，低噪音的超低溫冰箱能夠為實驗者提供一個安靜的舒適環(huán)境。
Q：斯特林冰箱有哪些型號？
A：目前共有三個型號：25升（ULT25，可移動便攜式，外部尺寸略小于28寸行李箱）、105升（SU105U）和780升（SU780U）。ULT25便攜式的超低溫冰箱還可以用于一些需要遠距離運輸樣本的實驗室，如醫(yī)院、CDC等地方，并且可以使用8-12V直流供電，例如車載電源。在斷電的情況下從-80℃升至-60℃約30分鐘；-80℃升至-40℃約70分鐘；-80℃升至-20℃約130分鐘。
Q：目前有哪些知名的實驗室在使用斯特林冰箱？他們的反饋如何？
A：在美國一些大型的藥廠、醫(yī)院都在使用斯特林超低溫冰箱，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。
美國俄勒岡科學和醫(yī)學研究所的Arthur Robinson博士說到：“我們使用最小型號的復疊式壓縮機超低溫冰箱，但是他們不能夠一直穩(wěn)定工作，那些冰箱要么太大，要么太吵，我們依舊只能是用干冰將樣本取出再帶回實驗室。而斯特林超低溫冰箱非常的安靜、小巧，方便移動運輸，即使在運輸?shù)倪^程中也可以很好的維持溫度，它真是我們的理想選擇?！埃╓e 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：斯特林超低溫冰箱價格和同型號的傳統(tǒng)超低溫冰箱比怎么樣？
A：由于其發(fā)動機部分的技術成本的問題，并且它使用的是更加環(huán)保的制冷劑，在價格上會比傳統(tǒng)的壓縮機冰箱來的高一些。
雖然購買成本稍高一些，但是在總體成本的計算中，斯特林冰箱的總成本比傳統(tǒng)的復疊式壓縮機冰箱還要低10%，這就是因為其低能耗，低維護所帶來的益處。外加其優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性、更小的功耗、更低的維護成本、更低的工作噪音等優(yōu)點，相信能夠吸引到很多用戶。
性能可靠穩(wěn)定，少維護少故障，絕對是一般科研人員對實驗儀器的主要期盼?；钊剿固亓殖蜏乇鋾粫蔀槟愕倪x擇呢？
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