在现代超低温冰箱的核心，您会发现天然碳氢化合物（HC）制冷剂，最常见的是丙烷和乙烷的混合物。选择这些气体而非较旧的合成制冷剂，是因为它们的能源效率显著更高，对环境的影响也小得多。它们易于液化，具有良好的热学特性，是实现超低温的理想选择。
核心要点是，超低温冰箱中的制冷剂选择反映了优先级的关键转变。从对环境有害的旧式 HFCs 转向丙烷和乙烷等天然碳氢化合物，是直接响应实验室对更高能源效率和可持续性的需求。
超低温冰箱如何实现极寒：级联系统
大多数超低温冰箱不使用单一的制冷回路。相反，它们依赖于级联制冷系统，这本质上是两个冷却系统协同工作，以达到 -40°C 及以下的温度。
高温级
第一级，即高温回路，功能类似于标准的家用冰箱。它通常使用丙烷等制冷剂将系统冷却到中间温度，通常在 -30°C 到 -40°C 左右。
这种初始冷却至关重要，但它本身无法达到目标超低温。它的主要工作是吸收第二级系统的热量。
低温级
第二级，即低温回路，负责实现最终的极寒温度。该回路使用不同的制冷剂，例如乙烷，其沸点要低得多。
这个第二回路由第一级“预冷”。通过从已经冷却到 -40°C 的状态开始，而不是从室温开始，第二级可以有效地将冰箱内部拉低到最终设定点，例如 -80°C。
热交换
两个阶段通过一个热交换器连接起来。在这里，低温回路中较冷的制冷剂吸收来自冰箱内部的热量，使其蒸发。这种气态制冷剂随后流经热交换器，其热量传递给高温回路中更冷的制冷剂，然后再被压缩。
制冷剂的演变：从 HFCs 到碳氢化合物
选择丙烷和乙烷并非偶然；它代表着重大的技术和环境演变。
旧制冷剂（HFCs）的问题
以前，超低温冰箱依赖于氯氟烃（CFC）和氢氟碳化物（HFC）制冷剂，例如 R-508B。虽然有效，但这些合成气体具有极高的全球变暖潜能值（GWP），如果泄漏，将显著加剧气候变化。
此外，使用这些旧制冷剂的系统通常效率较低，需要消耗更多的电力才能达到相同的冷却水平。
天然碳氢化合物（HCs）的兴起
现代超低温冰箱已转向丙烷和乙烷等天然碳氢化合物（HC）制冷剂。这些气体的 GWP 可以忽略不计，使其成为更环保的选择。
至关重要的是，HC 制冷剂在热力学上也更高效。使用碳氢化合物的超低温冰箱比使用旧式 HFCs 的同类型号可节能高达 30%，从而降低长期运营成本。
了解权衡
尽管有效，但超低温冰箱背后的技术涉及重要的操作考量。
极高的能耗
级联制冷系统功能强大，但能耗极高。一台超低温冰箱的能耗可能相当于标准家用冰箱的 20 倍，使其成为任何设施中主要的电力消耗来源。
立式与卧式冰箱
冰箱的物理设计会影响性能。卧式冰箱通常更节能，因为冷空气密度大，打开盖子时不会“溢出”。然而，它们占用更多地面空间，并且在整理和取用样品时可能不太方便。
立式冰箱提供更便捷的取用和更好的组织性，但在开门时会损失更多冷空气，从而导致维持温度所需的能耗更高。
替代技术：斯特林循环
少数超低温冰箱使用称为斯特林循环冷却器的替代技术。该系统采用不同的热力学原理，避免了复杂的分级级联系统，通常能带来更高的效率和可靠性，尽管它仍然是一个不太常见的选择。
为您的实验室做出正确的选择
选择超低温冰箱需要在性能、效率和可用性之间根据您的具体需求进行权衡。
- 如果您的首要重点是最大限度地降低运营成本和环境影响： 选择明确使用天然碳氢化合物（HC）制冷剂的现代冰箱。
- 如果您的首要重点是频繁取用样品和组织： 立式冰箱是最实用的选择，但要准备好应对其较高的能耗。
- 如果您的首要重点是长期、稳定的存储且取用不频繁： 卧式冰箱提供最佳的温度稳定性和能源效率。
了解冰箱内部的技术，使您能够做出符合您的科学目标和运营资源的决策。
摘要表：
| 制冷剂类型 | 常见示例 | 关键特性 |
|---|---|---|
| 现代 (HC) | 丙烷、乙烷 | 高效率、低 GWP、环保 |
| 传统 (HFC) | R-508B | 高 GWP、效率较低、正在淘汰 |
| 系统类型 | 典型温度范围 | 能耗 |
| 级联（两级） | -40°C 至 -86°C | 高（最常见） |
| 斯特林循环 | 超低温 | 潜在效率更高（较少见） |
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