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摘要：
今年剛剛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的斯特林超低溫冰箱，摒棄了傳統(tǒng)的壓縮機(jī)，將應(yīng)用于航天飛機(jī)和衛(wèi)星設(shè)備冷卻的技術(shù)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(jī)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(zhǎng)期儲(chǔ)存對(duì)溫度極其敏感的生物分子如RNA樣本，還有各種細(xì)胞系以及菌種等。一旦出現(xiàn)故障，對(duì)于這些珍貴樣本的影響無法預(yù)期，后果可謂慘重。冰箱空調(diào)的絕大多數(shù)故障都和壓縮機(jī)有關(guān)，已經(jīng)是基本常識(shí)。那么，50多年來制冷技術(shù)有沒有進(jìn)步，能不能解決壓縮機(jī)故障的問題呢？
     今年剛剛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的斯特林超低溫冰箱，干脆摒棄了傳統(tǒng)的壓縮機(jī)，將應(yīng)用于航天飛機(jī)和衛(wèi)星設(shè)備冷卻的技術(shù)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(jī)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(yīng)用于航天飛機(jī)和衛(wèi)星設(shè)備冷卻的斯特林技術(shù)

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(fù)疊式壓縮機(jī)，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(biāo)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(shù)一直沒有進(jìn)步，問題一直沒有解決呢，從而啟發(fā)了將斯特林技術(shù)應(yīng)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(jī)發(fā)展出來的一種超低溫冰箱，斯特林技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天航空、能源和軍事領(lǐng)域中，采用微流體制冷媒介：氦氣。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)冰箱的核心技術(shù)部件，它的優(yōu)勢(shì)在于不采用傳統(tǒng)的復(fù)疊式壓縮機(jī)制冷，從而從根本上解決了傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷超低溫冰箱的許多不足之處。其最大的優(yōu)點(diǎn)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(dá)到設(shè)定的溫度；冰箱內(nèi)的溫度的波動(dòng)范圍很小，偏差在1℃之內(nèi)，最大程度的保障了樣本的安全性。此外，當(dāng)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(dòng)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(dòng)在如此小的范圍內(nèi)，我們可以從傳統(tǒng)壓縮機(jī)冰箱的溫度變化中找到答案。傳統(tǒng)的壓縮機(jī)冰箱在溫度高于設(shè)定溫度時(shí)啟動(dòng)，隨著壓縮機(jī)的工作溫度逐漸下降，當(dāng)降到設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，停止工作，箱體內(nèi)的溫度又逐漸升高，就這么周而復(fù)始的啟動(dòng)，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(jī)，當(dāng)開始制冷是采用大功率進(jìn)行工作，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，用小功率持續(xù)進(jìn)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(diào)節(jié)制冷量），所以能夠保證其溫度波動(dòng)范圍這么小。

一些生物活性大分子如RNA等對(duì)于溫度比較敏感，而且超低溫冰箱是用于較長(zhǎng)期的樣本存儲(chǔ)，所以在存儲(chǔ)器內(nèi)溫度的波動(dòng)可能會(huì)對(duì)這些物質(zhì)的活性產(chǎn)生無可預(yù)知的干擾。

放置樣品后溫度的恢復(fù)與放置樣品的容量有關(guān)：16×15ml離心管的樣本恢復(fù)至-80℃需0.8小時(shí)；96×2ml凍存管恢復(fù)至-80℃需1.5小時(shí)。
Q：進(jìn)口設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)維修時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，特別誤事，最煩人了。超低溫冰箱故障對(duì)于內(nèi)存的生物材料的影響更可謂要命。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)故障率比傳統(tǒng)壓縮機(jī)低，其原理是什么？對(duì)于電壓不太穩(wěn)定，甚至偶爾斷電的國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室來說，斯特林對(duì)實(shí)驗(yàn)室的電力設(shè)施有沒有特殊要求？

A：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)故障率比傳統(tǒng)壓縮機(jī)大大降低。傳統(tǒng)壓縮機(jī)冰箱故障的90%是由壓縮機(jī)故障導(dǎo)致的。壓縮機(jī)為什么容易出現(xiàn)故障？簡(jiǎn)單說，傳統(tǒng)冰箱工作原理是：探測(cè)器溫度超過設(shè)定點(diǎn)時(shí)會(huì)啟動(dòng)壓縮機(jī)工作，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定點(diǎn)以下時(shí)關(guān)閉壓縮機(jī)，這種方案形成“鋸齒狀”的溫度曲線，也對(duì)壓縮機(jī)產(chǎn)生很大壓力——若每小時(shí)有三次開關(guān)循環(huán)，則一臺(tái)超低溫冰箱的壓縮機(jī)每年會(huì)停止并重新啟動(dòng) 24,000次，每次啟動(dòng)時(shí)都會(huì)有一個(gè)可高達(dá)13amp的電流浪涌。在電壓不太穩(wěn)定，甚至偶爾斷電的實(shí)驗(yàn)室更容易出現(xiàn)故障。此外，復(fù)疊式壓縮機(jī)需要使用混有制冷劑的潤(rùn)滑油——隨著時(shí)間的推移，這種油會(huì)遷移或凝結(jié)到別處，增加“油堵塞”的可能性，限制了制冷劑流動(dòng)，導(dǎo)致壓縮機(jī)沒有足夠的油來潤(rùn)滑移動(dòng)部件，最終可能導(dǎo)致壓縮機(jī)的故障。傳統(tǒng)的復(fù)疊式壓縮機(jī)系統(tǒng)有著多達(dá)24 個(gè)移動(dòng)部件，任何一個(gè)部件出現(xiàn)故障都會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜且昂貴的維修。維修時(shí)必須將壓縮機(jī)、制冷劑和潤(rùn)滑油取出。甚至泡沫保溫材料也必須取出便于檢修。相當(dāng)復(fù)雜。

斯特林冰箱摒棄了壓縮機(jī)制冷的方式，發(fā)動(dòng)機(jī)在制造時(shí)被密封，無需維護(hù)，便于現(xiàn)場(chǎng)更換。內(nèi)部?jī)蓚€(gè)移動(dòng)部件——活塞和置換器由氣體軸承支撐，實(shí)現(xiàn)了非接觸式操作，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行過程中無磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)也不需要潤(rùn)滑油或其他任何形式的潤(rùn)滑。除非電源中斷，斯特林冰箱在其工作壽命內(nèi)只有一次啟動(dòng)，無啟動(dòng)時(shí)的電涌。所以大大的降低了故障的發(fā)生，減小了維護(hù)的頻率和成本。此外，這種調(diào)節(jié)能力意味著冰箱任一點(diǎn)的溫度保持在穩(wěn)態(tài)操作時(shí)平均溫度的0.5度（冰箱在設(shè)定溫度值的波動(dòng)范圍）之內(nèi)。
斯特林超低溫冰箱對(duì)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(shí)驗(yàn)室中，因?yàn)楸旧碜詭ё儔浩鳎部梢苑€(wěn)定的運(yùn)行。傳統(tǒng)的壓縮機(jī)一但電壓超過或低于其額定電壓便無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而斯特林超低溫冰箱對(duì)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(shí)全天不間斷工作。因此電費(fèi)是超低溫冰箱日常維護(hù)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(jī)的功耗，斯特林冰箱可以節(jié)約34%-45%的能耗。請(qǐng)見下圖：

Q：除了制冷速度，溫度穩(wěn)定性等性能和質(zhì)量問題，選購(gòu)一臺(tái)超低溫冰箱還要考慮哪些關(guān)鍵參數(shù)？

A：1）冰箱的容量，因?yàn)闃颖镜拇鎯?chǔ)是冰箱選擇的關(guān)鍵；2）功耗，節(jié)能環(huán)保是儀器設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)，我們?cè)谀軌蜻_(dá)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(shí)驗(yàn)者的工作舒適性，低噪音的超低溫冰箱能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)者提供一個(gè)安靜的舒適環(huán)境。

Q：斯特林冰箱有哪些型號(hào)？

A：目前共有三個(gè)型號(hào)：25升（ULT25，可移動(dòng)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(yuǎn)距離運(yùn)輸樣本的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室在使用斯特林冰箱？他們的反饋如何？

A：在美國(guó)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(guó)俄勒岡科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究所的Arthur Robinson博士說到：“我們使用最小型號(hào)的復(fù)疊式壓縮機(jī)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(shí)驗(yàn)室。而斯特林超低溫冰箱非常的安靜、小巧，方便移動(dòng)運(yùn)輸，即使在運(yùn)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(jià)格和同型號(hào)的傳統(tǒng)超低溫冰箱比怎么樣？

A：由于其發(fā)動(dòng)機(jī)部分的技術(shù)成本的問題，并且它使用的是更加環(huán)保的制冷劑，在價(jià)格上會(huì)比傳統(tǒng)的壓縮機(jī)冰箱來的高一些。

雖然購(gòu)買成本稍高一些，但是在總體成本的計(jì)算中，斯特林冰箱的總成本比傳統(tǒng)的復(fù)疊式壓縮機(jī)冰箱還要低10%，這就是因?yàn)槠涞湍芎?，低維護(hù)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(hù)成本、更低的工作噪音等優(yōu)點(diǎn)，相信能夠吸引到很多用戶。

性能可靠穩(wěn)定，少維護(hù)少故障，絕對(duì)是一般科研人員對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的主要期盼?；钊剿固亓殖蜏乇鋾?huì)不會(huì)成為你的選擇呢？

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