从根本上说，超低温（ULT）冰箱是通过使用多级冷却过程来实现其极端温度的。与使用单一制冷系统的标准家用冰箱不同，ULT冰箱采用级联制冷系统，该系统将两个独立的制冷回路串联起来，系统地去除热量，从而达到低至-80°C的温度。
关键的见解是，ULT冰箱不是使用一个功能极其强大的制冷系统。相反，它使用两个独立的系统进行接力：第一个系统冷却第二个系统，使第二个系统能够从一个低得多的起始点开始其自身的冷却循环，并达到超低温。
核心技术：级联制冷系统
级联系统是区分ULT冰箱与传统冰箱的工程原理。它本质上是两个制冷单元作为一个团队协同工作，第一个单元的输出成为第二个单元的输入。
第一级（高温回路）
这个初始回路的功能与标准冰箱非常相似。它使用压缩机和高沸点制冷剂来收集热量。
然而，它的唯一目的不是直接冷却冰箱的内部腔室，而是冷却第二级的组件。
热交换器：关键的连接点
该组件是两个回路之间的桥梁。第一级的冷制冷剂流经热交换器，吸收第二级制冷剂中的热量。
这个过程对第二级制冷剂进行了“预冷”，使其在自身的冷却循环中获得了显著的先机。
第二级（低温回路）
由于经过了预冷，第二级回路可以使用专门的低沸点制冷剂。
这个第二压缩机现在可以有效地从冰箱的绝缘腔室中去除剩余的热量，将内部温度降至目标值-80°C或更低。
接力赛比喻
把它想象成一场两人接力赛。第一名选手（第一级）从起跑线接过接力棒（热量）跑完一圈。
然后他们在热交换器处将接力棒交给第二名选手（第二级）。由于第二名选手不必从静止状态开始，他们有足够的能量完成最后、更困难的一圈，并以超低温冲过终点线。
必要的支持组件
实现和维持如此极端的低温不仅仅依赖于级联系统。整个设备都经过了热稳定性和可靠性的工程设计。
先进的绝缘
为了最大限度地减少来自外部环境的热量传递，ULT冰箱使用多层高密度、重型绝缘材料。这比消费级电器中使用的绝缘材料更厚、更有效。
精确的温度控制
这些冰箱不仅仅是冷；它们是持续的冷。传感器不断监测内部温度，并将数据反馈给微处理器。
这个控制系统使用复杂的算法对级联系统进行微调，确保温度保持稳定并在非常窄的范围内。
结构完整性
冰箱内部和外部之间的极端温差会产生巨大的物理应力。
ULT冰箱采用坚固的材料、加固的内门和加热的压力平衡阀来防止真空密封和霜冻积聚，确保了耐用性和易用性。
了解权衡
实现超低温的工程设计也带来了一些对操作至关重要的特定考虑因素。
高能耗
串联运行两个独立的制冷压缩机是一个高能耗的过程。ULT冰箱占实验室能耗的很大一部分。
显著的散热量
从冰箱内部移走的热量，加上压缩机的废热，必须散发到周围的房间中。这需要充分的通风，并通常会影响设施的暖通空调负荷。
机械复杂性
级联系统比标准冰箱多出两倍的压缩机、制冷剂和膨胀阀。这种复杂性增加了潜在的故障点数量，并且需要专业技术人员进行维护和修理。
为您的目标做出正确的选择
了解ULT冰箱背后的技术可以帮助您更有效地管理它，并保护您宝贵的样本。
- 如果您的主要关注点是样本安全： 级联系统的稳定性和功率至关重要，这证明了能源成本是合理的。
- 如果您的主要关注点是操作效率： 确保冰箱放置在通风良好的区域，以帮助系统散热，并进行定期维护，例如清洁过滤器和检查门封。
- 如果您的主要关注点是长期可靠性： 预防性维护计划是必不可少的，用于监控两个制冷回路，并在发生灾难性故障之前发现潜在问题。
最终，了解您的冰箱依赖于一个相互连接的两级系统，可以帮助您更好地保护其中储存的关键材料。
总结表：
| 组件 | 功能 | 关键特性 |
|---|---|---|
| 第一级回路 | 预冷第二级 | 使用高沸点制冷剂 |
| 热交换器 | 在各级之间传递冷却 | 实现更低温度的关键连接点 |
| 第二级回路 | 实现超低温 | 使用低沸点制冷剂 |
| 先进绝缘 | 最大限度地减少热量传递 | 多层高密度材料 |
| 精确控制系统 | 维持温度稳定性 | 带传感器和算法的微处理器 |
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