超低温冰箱（ULT）如何实现超低温？深入探讨级联制冷技术

从本质上讲，超低温冰箱（ULT）是通过使用两个串联工作的制冷系统来实现其极低温度的。 它不使用单个强大的压缩机，而是采用一种称为级联制冷的多级过程。一个主要的高温制冷回路冷却一个次级的低温制冷回路，后者再将冰箱内部冷却至低至-86°C的温度。

达到超低温的关键不在于蛮力；而在于一个巧妙的两步“交接”。一个制冷系统预先冷却第二个更专业的系统，使第二个系统能够更有效地排出热量，并达到单级设备无法实现的温度。

系统的核心：级联制冷

标准冰箱难以达到-40°C以下的温度，因为所需的压差对于单个压缩机来说太大了。级联制冷通过将工作分成两个优化阶段来解决这个问题。

高温级（第一回路）

这个第一系统的工作方式很像普通的家用冰箱。它使用压缩机和标准制冷剂来开始制冷过程。

然而，它的主要工作不是冷却储存室。它的唯一目的是吸收来自第二制冷系统的热量。

级间换热器（交接点）

这是连接两个系统的关键部件。第一回路的蒸发器（冷端）与第二回路的冷凝器（热端）接触。

此时，热量从低温系统传递到高温系统，从而预先冷却了第二回路。

低温级（第二回路）

该回路使用一种具有低得多的沸点的不同制冷剂，专门选择用于极端低温下的性能。

由于其“热”侧已经由第一级进行冷却，该第二系统可以高效运行，将剩余的热量从冰箱内部抽出，达到-80°C或更低的设定温度。

排出热量

第一回路收集到的热量最终通过传统的风冷冷凝器和风扇排到周围的房间。这种最终的热交换是ULT冰箱产生大量热量并且通常相当吵闹的原因。

不仅仅是冷却：结构完整性

达到超低温只是成功的一半；维持这些温度需要专门的结构设计，以防止热量进入。

先进的绝缘材料

ULT冰箱的壁内填充了厚实的、高性能的聚氨酯绝缘材料。这种材料对于最大限度地减少来自较热外部环境的热量传递至关重要。

多门设计

大多数设备都有一个沉重的主外门和多个内门。这使内部分区化，因此当您打开一个部分以取出样本时，可以最大限度地减少冷空气的损失和暖空气的进入。

气密密封

门上装有坚固的凝胶状硅胶垫圈，并通常配有强力的锁定机构。这形成了一个气密密封，防止环境空气泄漏进来，否则会导致结冰并迫使压缩机更努力地工作。

理解权衡

级联系统非常有效，但它也带来了在实验室环境中必须管理的固有后果。

高能耗

同时运行两个独立的制冷系统需要大量的电力。ULT冰箱是典型实验室中能耗最高的设备之一。

热量和噪音输出

压缩机和风冷冷凝器不断工作以排出系统中的热量。这个过程会产生大量的背景噪音，并给房间带来可观的热负荷，影响暖通空调（HVAC）要求。

系统复杂性

两级级联系统在机械上比标准冰箱更复杂。这种复杂性意味着它需要专业技术人员进行维护和修理。

ULT冰箱的关键作用

理解这些原理可以发现，ULT冰箱是一个高度工程化的环境，而不仅仅是一个冷藏箱。其设计选择完全侧重于稳定性。

• 如果您的首要关注点是样本完整性： 级联系统维持稳定、超低温的能力可以防止蛋白质和mRNA等敏感生物分子变性。
• 如果您的首要关注点是长期冷冻保存： 坚固的绝缘材料、紧密的密封和精确的温度控制相结合，确保了最小的波动，这对细胞和组织的活力至关重要。
• 如果您的首要关注点是实验室管理： 该系统的运行需求意味着您必须在设施的电气和暖通空调规划中考虑到其高能耗和热量输出。

最终，ULT冰箱的设计是一个复杂的解决方案，专为一个目的而设计：停止生物时间，保护宝贵的科学材料的完整性。

摘要表：

关键组件	功能
高温级	第一回路使用标准制冷剂冷却第二系统。
级间换热器	将热量从低温回路传递到高温回路。
低温级	第二回路使用特种制冷剂将内部冷却至-80°C或以下。
先进的绝缘材料	厚实的聚氨酯壁最大限度地减少了来自环境的热量传递。
多门设计	将内部分区化，以减少取用样本时冷空气的损失。

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