从本质上讲，现代超低温（ULT）冰柜采用复杂的、多级制冷系统，以达到低至-86°C的温度。实现这一目标的关键组件是压缩机、冷凝器、热交换器、蒸发器和专门的制冷剂，它们以级联系统（cascade system）的配置协同工作。这种设计比标准家用冰箱复杂得多，也强大得多。
理解ULT冰柜的制冷系统，最好的方式不是将其视为一个单一单元，而是视为两个相互连接的冷却回路按顺序工作。第一个回路冷却第二个回路，从而使第二个回路能够达到长期保存样本所需的极端温度。
级联系统：两级方法
大多数ULT冰柜都采用级联制冷系统。可以将其想象成一个两级火箭；第一级将第二级提升到足够高的高度，使其能够到达最终目的地。在冰柜中，第一制冷回路的唯一任务是冷却到足以冷却第二个回路的程度。
高温回路（第一级）
高温（或“高压级”）回路的功能与标准冰柜非常相似。压缩机会循环高压制冷剂，该制冷剂在流经冷凝器时将热量释放到环境空气中。然后，这种冷却后的液体制冷剂会吸收第二级的热量，为其自身的循环进行预冷。
低温回路（第二级）
这是产生超低温的地方。低温回路使用自己的压缩机和一种特殊的低沸点制冷剂。它的“冷凝器”不会将热量释放到房间中；相反，它将热量释放到第一级的蒸发器中。这种超冷制冷剂随后流向冰柜内部的最终蒸发器，吸收样本中的热量，并将腔室温度降至-86°C。
热交换器：关键的连接点
热交换器是两个回路相遇的物理组件。它是高压级回路的蒸发器与低温级回路的冷凝器接触的地方。该点的有效热传递对于整个系统正常运行并达到目标温度至关重要。
制冷剂：转向效率
在这些回路中循环的流体是专门的制冷剂。旧系统依赖于氯氟烃（CFCs）或氢氟碳化物（HFCs），它们的全球变暖潜能值很高。现代ULT冰柜大多已转向使用天然的碳氢化合物（HC）制冷剂，如丙烷和乙烷。这些HC系统可以将能源效率提高多达30%，并且对环境的影响要小得多。
理解权衡
级联设计在产生低温方面非常有效，但这种性能带来了每位实验室经理都应了解的明显权衡。
极高的能耗
主要的缺点是能源消耗。同时运行两个独立的压缩机系统非常耗能。级联ULT冰柜的能耗可能是普通家用冰箱的近20倍，使其成为实验室运营成本和碳足迹的一个重要因素。
系统复杂性和维护
由于有两个压缩机、两套制冷剂和多个热交换器，级联系统本质上比单压缩机设计更复杂。这种复杂性可能导致更多的潜在故障点，并且可能需要在冰柜的使用寿命内进行更专业的维修和维护。
替代技术的兴起
为了解决能源和复杂性问题，一些制造商提供了替代的冷却技术。最突出的是斯特林循环冷却器，它使用单个无活塞发动机和氦气作为制冷剂。这些系统通常更简单、更节能，代表了解决同一工程挑战的不同方法。
为您的目标做出正确的选择
了解这些组件可以帮助您超越营销，根据实验室的具体优先事项选择冰柜。
- 如果您的首要重点是能源效率：优先选择使用现代碳氢化合物（HC）制冷剂的型号，或研究斯特林循环冰柜等替代技术。
- 如果您的首要重点是预算和前期成本：传统级联系统可能具有较低的初始购买价格，但请务必考虑其较高的长期能源成本。
- 如果您的首要重点是可持续性：选择已淘汰高GWP制冷剂而采用天然碳氢化合物的系统，以符合机构的绿色实验室倡议。
通过了解设备内部的技术，您可以为实验室的关键样本做出更明智、更具战略性的决策。
摘要表：
| 组件 | 功能 | 关键细节 |
|---|---|---|
| 级联系统 | 两级冷却过程 | 高压级回路预冷低温级回路 |
| 压缩机 (x2) | 加压循环制冷剂 | 每个独立回路一个 |
| 热交换器 | 两个回路之间的关键连接点 | 将热量从低温级传递到高压级 |
| 蒸发器 | 柜内最终冷却组件 | 吸收样本热量以达到-86°C |
| 制冷剂 | 专用流体（例如碳氢化合物） | 现代系统使用环保、高效的选择，如丙烷/乙烷 |
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