超低温自由活塞式斯特林发动机冰箱[新品推荐]

这篇文章介绍了一种新型的超低温冰箱，它使用的是独特的斯特林（Stirling）冷却发动机。我们将这些斯特林冰箱与目前市场上的超低温冰箱-复叠式压缩机(目前超低温冰箱仅有的技术)冰箱进行比较，并得出以下主要结论。斯特林冰箱比目前市面上最好的复叠式压缩机冰箱能够节能35-45%。它在启动时不会有瞬间的电涌，这样可以降低对电力设备和后备电源的要求。

作者：Global Cooling 旗下公司 Stirling Ultracold 的总裁兼 CEO Neil Lane

摘要

这篇文章介绍了一种新型的超低温冰箱，它使用的是独特的斯特林（Stirling）冷却发动机。我们将这些斯特林冰箱与目前市场上的超低温冰箱-复叠式压缩机(目前超低温冰箱仅有的技术)冰箱进行比较，并得出以下主要结论。

现场测试表明斯特林冰箱比目前市面上最好的复叠式压缩机冰箱能够节能35-45%，这能够有效降低仪器后续的运行成本。即使初期的仪器设备成本较传统设备可能会高出20%，但是在后续的使用期内可节省30%的电能。

斯特林冰箱在启动时不会有瞬间的电涌，这样可以降低对电力设备和后备电源的要求。若将斯特林冰箱运用在生物资源中，那么可以降低冰箱、HVAC系统和电力设备总体费用的10%。

斯特林冰箱开始运行时可以满负荷工作以迅速达到设定温度，当温度达到后可以变频工作，降低功率用以维持系统温度的恒定，而复叠式压缩是无法实现的，其只能够以启动/停止的方式运行。

这些斯特林冰箱和冷却发动机都是由美国同一家公司制造，传统的超低温冰箱都是通过第三方制造商外购其核心部件—压缩机。目前FPSC（自由活塞斯特林制冷剂）已被广泛的使用，已有超过2,500台斯特林发动机运用于各种仪器设备，并且已有600台的斯特林冰箱销售。

与复叠式压缩机相比，斯特林冰箱有着许多的可持续发展的优点，包括降低的能源消耗、较少的制冷剂的使用、无油运行和更少的原料消耗。这些优点综合起来，让斯特林冰箱在制造和使用过程中的CO2排放仅为复叠式冰箱的52%。

现有的复叠式压缩机制冷技术

目前市场上所有的超低温冰箱都采用相似的复叠式压缩机制冷技术。这些系统都采用两个复叠式排列的压缩机，在第一阶段，一个压缩机冷却回路在室温和中间温度之间运行，而第二阶段的压缩机回路在中间温度和冷冻柜之间运行，如图1所示。一般而言，对于内部容积为25立方英尺的系统，每个压缩机为1,000W（约1HP）级别的压缩机。蒸发器是围绕内部容积的铜管，而冷凝器是强制通风的翅片管结构。级间的热交换器充当了第一阶段的蒸发器和第二阶段的冷凝器。此外，冰箱还有膨胀装置，回路中通常还有毛细管、油分离器和干燥器。

图 1：复叠式压缩机系统[1]

超低温冰箱的制造商通常是不生产压缩机的，他们从压缩机的制造商处购买，而这些制造商的主要市场往往是家用冰箱、空调和超市冷柜，所以这些压缩机并不是专为超低温冰箱所设计的，他们只是稍作改良就应用于超低温冰箱中。

在美国，一款典型的超低温冰箱使用合成制冷剂，如初级阶段的 R-508B（杜邦 SUVA®95）和高阶段的 R-407D。在欧洲，天然碳氢制冷剂被广泛使用，包括 R-170（乙烷）。对于一个25立方英尺（约700L）的冰箱，两个阶段所需制冷剂的总重量约为2磅（约900克）。

复叠式压缩机需要使用润滑油，这种油中还混有制冷剂。随着时间的推移，这种油会迁移到毛细管和蒸发管壁，凝结在管壁上，增加了“油堵塞”的可能性，使制冷剂流动受限，而压缩机没有足够的油来润滑移动部件。最终，这可能导致压缩机的故障。

让一个或两个压缩机工作/休息，以响应温度控制传感器的制冷需求，从而将复叠式冰箱的内部温度维持在设定点。这种控制方案形成“锯齿状”的温度曲线，当压缩机启动和关闭时，冰箱某一点的温度在设定点附近上下波动，如图 2 所示。这种控制方案也对压缩机产生了明显的压力。每次启动时都会有一个电流浪涌，且油润滑膜形成。对于一台维护良好的冰箱，这种电流浪涌的测量值为 13amp[2] 。若每小时有三次开关循环，则一台超低温冰箱的压缩机每年会停止并重新启动 24,000 次。

图 2：温度随时间变化–品牌P的复叠式冰箱（来源--独立的生物样本库测试）

传统的复叠式压缩机系统有着电机，它与电网同步运行。这意味着，冰箱是为在特定电网的电压和频率下工作而设计的。制造商提供各种型号，将50和60Hz与110或220V进行组合[3]。
 
传统的复叠式压缩机系统有着多达24 个移动部件，在冰箱的使用寿命内，它们可能一次或多次出现故障，从而导致复杂且昂贵的维修费用。在维修过程中，必须将压缩机、制冷剂和润滑油取出。复叠式压缩机系统常见的级间热交换器常常嵌在柜体中，泡沫保温材料也必须取出便于检修。复叠式冰箱的维护和维修需要维修人员进行专门的培训。

对于目前所有的直立式超低温冰箱，复叠式压缩机冰箱的压缩机和散热热交换器都装在冰箱底部的机械室内。冷却空气从地面吸入，并排到地面。

斯特林制冷技术

斯特林冰箱不使用压缩机，如图3所示。冷却系统是电驱动的自由活塞式斯特林发动机[4]和热虹吸管[5]的组合，前者进行冷却，而后者将能量从冰箱内部输送到斯特林发动机，如图4所示。

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斯特林冷却发动机使用对环境无害的氦气作为工质。发动机在制造时被密封，无需维护。运行过程中氦气工质没有相的变化。循环不断压缩和扩展隔离区域内的气体，以便形成冷的吸热系统和热的散热系统。斯特林发动机是一种β构型，含有两个移动部件--活塞和置换器。这两个移动部件由气体轴承支撑，实现了非接触式操作，因此在发动机的正常运行过程中无磨损。发动机也不需要润滑油或其他任何形式的润滑。活塞由内置的永久磁铁线性电动机的固定频率所推动。

图 3：自由活塞式斯特林发动机冰箱示意图

图 4：自由活塞式斯特林发动机冷却系统

自由活塞式斯特林发动机的这种设计已有着广泛的应用，随航天飞机[6]而飞行，并继续冷却Rhessi 卫星[7]上的仪器。超过2,500台斯特林发动机已成为实验室设备，且600台斯特林冰箱已出售给客户。

斯特林发动机的冷头被连接到一个热虹吸管，即环绕机柜内部的密封铜管，通过真空面板绝缘和聚氨酯泡沫塑料的组合与室温绝缘。热虹吸管的工质为R508B或R170，这取决于用户需求。任一款制冷剂的性能之间没有差别。冷却介质的总体积比复叠式制冷系统所需体积少 20%，且无需使用润滑油。

发动机中的氦气和热虹吸管中的冷却介质不混合。热虹吸管没有移动部件。在一个重力驱动的连续过程中，冷却介质沿管子向下流动，而液体从冰箱内部吸收能量（热量）转变成蒸气，沿管子向上移动，并在发动机的冷头又凝结成液体。这一过程是等温的，管子或机柜内壁无温度梯度。热虹吸管也没有移动部件或阀门。

自由活塞式斯特林发动机以恒定频率工作。通过改变温度控制传感器上的活塞幅度，可调节制冷量。控制元件提供了斯特林发动机所需的固定频率和不同的交流电压幅值。除非电源的中断，斯特林冰箱在其工作寿命内只有一次启动，无启动时的电涌。这种调节能力意味着冰箱任一点的温度保持在稳态操作时平均温度的0.5度之内，如图5所示。

图 5：随时间的温度变化--斯特林冰箱 SU780U 27.5 立方英尺（来源--独立的生物样本库测试）

斯特林冷却发动机模块如图 6 所示。斯特林冷却发动机和电子设备位于冰箱顶部的机械室内，如图7所示。隔室通风允许冰箱靠墙放置。冷却空气从顶部吸入，再从发动机室顶部的右后上方排出。如果需要的话，斯特林发动机可现场轻松更换。不需像复叠式制冷机那般要专门培训，也无需去除油。

图 6：斯特林冰箱的发动机模块

图 7：斯特林冰箱，机械室在顶部

相比于使用真空绝缘板的复叠式压缩机系统的超低温冰箱，斯特林冰箱占用更小的空前，具有更大的存储空间，如图 8 所示。

图 8：每单位占地面积的样品瓶密度（来源  –  制造商的参数）

整个斯特林冰箱（包括自由活塞式斯特林发动机、控制元件和机柜）都是由美国的同一家制造商制造的。
此冰箱有着符合人体工程学的触摸屏控制器以及图形用户界面，为访问设定点和报警参数提供了安全的 PIN 码。贯穿接入端口允许与设备报警和监控系统方便地整合。

能耗：斯特林冰箱 VS. 复叠式冰箱

有客户平行测试了多个大容量（27.5 cu.ft.）斯特林冰箱与市面上不同品牌的最新型号的复叠式冰箱的能耗，在本次实验中所有的冰箱型号均由客户自行选择，所有的实验数据均来自实际检测结果。该客户拥有自己的生物科技公司、个人研究实验室和政府实验室。

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测试结果如图9所示（kWh/day/cu.ft/），结果显示斯特林冰箱每立方尺的能耗较其他冰箱要低31%-37%。其他的测试也表明斯特林冰箱可节省35%-45%的能耗。

图 9：斯特林冰箱与最新型号复叠式冰箱相比的能源消耗（来源--政府实验室检测）

目前超低温冰箱并没有行业检测的标准，也没有一个公认的独立测试。然而，在此有一份来自制造商公布的数字与Labs 21记录的终端用户的测试数据[8]以及加州大学戴维斯分校的测试数据的比较[9]。图10展示了这些数字的差异，从图上可以看出，加州大学戴维斯分校测试的斯特林冰箱的能耗显著的低于其他超低温冰箱。

图 10：冰箱能源消耗（来源--制造商的参数和独立测试数据）

使用成本

超低温冰箱的使用成本包括仪器的购买费用、电费、制冷剂费用、空间成本及维护费用。利用制造商的能源消耗数据，假设售价有折扣，寿命12年，16c/kWh 的能耗，冷却和空间成本分别计算[10]，斯特林冰箱的价格高出12%，但其整体使用成本较复叠式压缩机冰箱要低30%。

图 11：寿命期总成本--斯特林vs.现有型号的复叠式冰箱

基本设施成本

冰箱消耗能量产生的热量释放到环境空间，这部分的热量往往通过空调取出。每千瓦时的冰箱能耗伴随着3414but的热量，因此一台冰箱每天消耗22千瓦时，则带来了超过75000btu的能量。

冰箱的峰值电流决定了电力设施的规模和后备电源系统的规模。表1显示了斯特林冰箱和目前市面最新型号冰箱的能耗和峰值电流，该数据来自第三方研究实验室。

对于一个生物样本库而言，HVAC和电力设施的成本是巨大的。就一个80台超低温冰箱规模的实验室而言，HVAC及电力设施每年预计花费$120,000及$500,000[11]。若将这些冰箱换位较低能耗的斯特林冰箱，则这些花费只需$68,000及$186,000。从图12可看出若用斯特林冰箱其总体花费—设备成本、电力设施和HVAC系统成本将节省很多。即使在设备购买成本中斯特林冰箱会高出30%，但是其总体花费依旧较复叠式冰箱要低10%。

图 12：生物样本库的资本性支出--斯特林vs.复叠式冰箱

可持续发展效益

与复叠式冰箱相比，斯特林冰箱有着全面的可持续性优势。这些优点在“斯特林冷却和复叠式冷却超低温冰箱的环境概况”[1]中有说明。最大的优势在于较低的使用能耗和较低的碳足迹，但这并不是唯一的优势。斯特林冰箱比相当的复叠式冰箱要轻，因为使用了较少的原材料，如13所示。因使用R508B（杜邦 SUVA®95），它的全球变暖潜能值（GWP）为 13,396[12]，原材料和制造过程的碳足迹占主导。因此，对于复叠式冰箱而言，与产品制造所排放的 CO2比斯特林要大得多，如图14所示。这一数据包括了冰箱所用材料的 GWP 以及将材料转化成终产品并运输的 CO2成本。

图 13：材料使用比较

图 14：与材料转化和产品制造相关的CO2 

由于超低温冰箱的能耗较高，后续使用所产生的CO2较产品制造过程中产生的CO2要大的多。图15表明总CO2排放与制造和后续使用的关系。斯特林冰箱较复叠式压缩机冰箱可以减少48%的CO2排放，而这与其低能耗由显著的关系。

图 15：总CO2排放

总结

目前市面上的超低温冰箱均采用复叠式压缩机进行制冷，其能耗巨大，在某些情况下可超过22kW/day，而斯特林冰箱的能够节省35%-45%的能耗，这可大大降低后续的使用成本，即便其初期的设备购买会稍高。

在温度稳定性方面也达到了复叠式冰箱锁无法达到的水平。

斯特林冰箱无论是在制造过程还是在后续使用中其CO2的排放都叫传统复叠式冰箱低，具有更好的环保性和可持续发展效益。

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1   “Environmental Profiles of Stirling-Cooled and Cascade-Cooled Ultra-Low Temperature Freezers”, David M. Berchowitz and Yongrak Kwon, to be published in Sustainability
 http://www.mdpi.com/journal/sustainability
2   “Factors affecting the performance, energy consumption, and carbon footprint for ultra low temperature freezers: case study at the National Institutes of Health”, Leo Gumapas and Glenn Simons, to be published in World Review of Science, Technology and Sustainable Development. 
   http://www.inderscience.com/jhome.php?jcode=wrstsd
3   Revco* Ultima* PLUS HD Ultra-Low Temperature Upright Freezers   http://www.thermoscientific.com/ecomm/servlet/productsdetail?productId=11961700&groupType=PRODUCT&searchType=0&&storeId=11152
4   “Commercialization Status of Free-piston Stirling Machines”, Neill W. Lane, 12th International Stirling Engine Conference, Durham, UK September 2005, published by Kluwer Press
5   US Patent 6,550,255, Stirling refrigeration system with a thermosiphon heat exchanger,  Arthur G. Rudick and David M. Berchowitz
6   “Stirling Refrigerator for Space Shuttle Experiments”. McDonald K.; Berchowitz, D.; Rosenfeld, J.; Lindemuth J. (1994) 
   http://www.sunpower.com/library/pdf/publications/Doc0057.pdf
7    RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/r/rhessi
8    Labs21 Laboratory Appliance website, http://labs21.lbl.gov/wiki/equipment/index.php/Category:Refrigerators_and_Freezers
9    UC Davis SU780 Test report
10   “Cold Storage Strategies for Energy Efficiency While Improving Sample Access and Freezer Performance”, Allen Doyle and Kathy Ramirez-Aguilar, 12th CDC International Symposium on Biosafety – 2012 Sustainability, February 11-15, 2012
11   “Large-Scale Repository Design”, Philip M. Baird and Richard J. Frome, Cell Preservation Technology, Volume 3, Number 4, 2005
12    SAFETY DATA SHEET DuPont™ SUVA® 95 refrigerant, http://msds.dupont.com/msds/pdfs/EN/PEN_09004a2f806a2e87.pdf