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從極寒到高溫：冷熱臺(tái)如何重塑實(shí)驗(yàn)溫度控制？---(連載二）
從極寒到高溫：冷熱臺(tái)如何重塑實(shí)驗(yàn)溫度控制？(解開(kāi) “極寒與高溫共存” 的技術(shù)謎題 —— 從科研痛點(diǎn)看冷熱臺(tái)的突破)---(連載二）
在上一期連載中，我們聊到了科研人員在溫度控制中常遇到的麻煩：想做深低溫實(shí)驗(yàn)卻找不到合適的設(shè)備，換個(gè)高溫測(cè)試又得重新?lián)Q儀器，好不容易湊齊設(shè)備，數(shù)據(jù)卻總因溫度波動(dòng)不準(zhǔn)。很多讀者留言問(wèn)：“同一臺(tái)設(shè)備怎么能又凍到接近液氮的溫度，又能燒到讓金屬軟化？這兩種完全相反的需求，技術(shù)上怎么做到不打架？”
要回答這個(gè)問(wèn)題，得先說(shuō)說(shuō)傳統(tǒng)控溫設(shè)備的 “短板”。在冷熱臺(tái)出現(xiàn)前，實(shí)驗(yàn)室里做溫度相關(guān)實(shí)驗(yàn)，基本是 “一臺(tái)設(shè)備管一段溫域”：想測(cè) - 80℃的實(shí)驗(yàn)，得用專門的低溫恒溫槽，溫度再低就只能靠干冰，還沒(méi)法調(diào)溫；想做 300℃以上的高溫測(cè)試，又得換加熱臺(tái)或馬弗爐，后者控溫精度還特別差。這種 “拼湊式” 方案，麻煩一籮筐：
一是溫域 “斷檔”。比如想做從 - 100℃到 400℃的連續(xù)溫變實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)設(shè)備根本接不上，要么放棄深低溫，要么放棄高溫；二是切換 “費(fèi)時(shí)間”。從低溫?fù)Q高溫，得先拆制冷模塊、清理殘留的冷卻液或干冰，再裝加熱部件，前后要 1 個(gè)多小時(shí)，期間樣本溫度跑掉好幾度，之前的數(shù)據(jù)全白費(fèi)；三是精度 “跟不上”。低溫設(shè)備勉強(qiáng)能做到 ±0.5℃，高溫設(shè)備就只能到 ±1℃，稍微精密點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，比如測(cè)芯片低溫電阻、觀察酶活性，這點(diǎn)誤差就足以讓結(jié)果作廢。
而冷熱臺(tái)能解決這些問(wèn)題，核心不是簡(jiǎn)單把 “冰箱” 和 “烤箱” 裝在一起，而是靠 “制冷”“加熱”“溫控” 三個(gè)系統(tǒng)的 “默契配合”—— 比如傳統(tǒng)設(shè)備切換溫域要手動(dòng)換模塊，冷熱臺(tái)靠?jī)?nèi)部程序就能自動(dòng)切換；傳統(tǒng)設(shè)備控溫靠 “大概調(diào)”，冷熱臺(tái)靠實(shí)時(shí)反饋精準(zhǔn)控溫。這一期，我們先聚焦最關(guān)鍵的 “制冷系統(tǒng)”，看看它是怎么實(shí)現(xiàn) - 190℃極寒，還能兼顧精度和安全的。
制冷系統(tǒng)：以液氮為核心，實(shí)現(xiàn)深低溫的三大關(guān)鍵設(shè)計(jì)
要達(dá)到 - 190℃的深低溫，普通制冷方式根本沒(méi)用 —— 壓縮機(jī)制冷最多只能到 - 50℃，干冰雖然能到 - 78.5℃，但溫度固定死，還沒(méi)法精細(xì)調(diào)節(jié)。液氮是目前zui靠譜的深低溫冷源，沸點(diǎn)能到 - 196℃，冷量又足，但用液氮制冷也有難題：一不小心就會(huì)讓溫度驟降，凍壞樣本；溫度分布不均，樣本一半冷一半熱；還得擔(dān)心液氮漏了、用完了，或者壓力太高炸了。
這款冷熱臺(tái)的制冷系統(tǒng)，就是靠三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)，把這些難題都解決了：既能穩(wěn)定輸出 - 190℃的低溫，又能精準(zhǔn)控溫，還能保證安全，讓科研人員不用再盯著設(shè)備 “心驚膽戰(zhàn)”。
1. 精準(zhǔn)控冷媒：讓冷媒 “按需供應(yīng)”，避免溫度忽高忽低
冷媒的冷量特別強(qiáng)，要是過(guò)多，溫度會(huì) “斷崖式” 掉到 - 196℃，樣本可能直接凍裂；要是過(guò)少，冷量不夠，溫度又升上來(lái)，實(shí)驗(yàn)白做。所以，“控制冷媒量” 是制冷系統(tǒng)中相對(duì)重要的問(wèn)題 —— 實(shí)現(xiàn)按需供應(yīng)。
冷熱臺(tái)靠 “專用控冷媒” 和 “高精度溫度傳感器” 配合，實(shí)現(xiàn)了這種 “按需供應(yīng)”（具體技術(shù)歡迎關(guān)注微信公眾號(hào)或者來(lái)電溝通021-35050386）
具體的 “實(shí)時(shí)反饋、快速調(diào)節(jié)” 的機(jī)制，讓溫度波動(dòng)能穩(wěn)定在 0.1℃以內(nèi)，不用再擔(dān)心數(shù)據(jù)因?yàn)闇囟蕊h了而不準(zhǔn)。
2. 緩沖傳導(dǎo)：給冷量 “踩剎車”，保護(hù)樣本不被 “凍傷”
直接把液氮懟到樣本旁邊，后果會(huì)很嚴(yán)重 —— 樣本局部會(huì)瞬間凍到 - 196℃，形成 “冷斑”：比如生物樣本的細(xì)胞會(huì)直接凍裂，高分子材料會(huì)凍出裂紋，金屬樣本會(huì)變脆。這樣一來(lái)，不僅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，樣本也廢了，還得重新做，浪費(fèi)時(shí)間和成本。
為了避免這種情況，我司采用了特殊工藝處理（歡迎來(lái)電溝通），讓冷量慢慢、均勻地傳到樣本上，
通過(guò)特殊工藝設(shè)計(jì)，確保各冷熱臺(tái)各地方的溫度差能控制在0.5℃以內(nèi)，樣本不會(huì)再出現(xiàn) “一半冷一半熱” 的情況，同時(shí)既能讓冷量傳得更均勻，又不會(huì)在低溫下和金屬粘在一起，后期維護(hù)的時(shí)候好拆。
之前做過(guò)對(duì)比測(cè)試，沒(méi)進(jìn)行特殊工藝設(shè)計(jì)的時(shí)候，平臺(tái)中心到邊緣的溫差能有 5℃，試用特殊工藝后，溫差直接降到 0.5℃以內(nèi)，滿足大部分精密實(shí)驗(yàn)的要求。
3. 安全防護(hù)：三重保障，不用再擔(dān)心液氮出問(wèn)題
用液氮zui讓人擔(dān)心的三件事：液氮用完了沒(méi)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)做到一半停了；液氮汽化產(chǎn)生壓力，管子炸了；設(shè)備太冷，空氣中的水汽凝在上面結(jié)冰，又滑又容易短路。冷熱臺(tái)的制冷系統(tǒng)，針對(duì)這三件事做了三重防護(hù)，讓科研人員能安心做實(shí)驗(yàn)，不用總盯著設(shè)備看。采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、平衡保護(hù)和防護(hù)策略，確保使用冷熱臺(tái)不會(huì)再像以前那樣，設(shè)備上結(jié)一層冰，擦也不是，不擦又滑，還擔(dān)心冰化了水滲進(jìn)電路里。 制冷系統(tǒng)的核心價(jià)值：從“能制冷”到“好用、安全地制冷” 總結(jié)一下冷熱臺(tái)的制冷系統(tǒng)，它zui大的突破不是 “能做到 - 190℃”，而是把 “深低溫” 和 “精準(zhǔn)、安全、好用” 結(jié)合在了一起：傳統(tǒng)液氮制冷設(shè)備，要么只能做到低溫，但溫度控不住，樣本容易壞；要么安全措施不到位，用著提心吊膽；要么操作麻煩，得專門有人盯著調(diào)。而這款冷熱臺(tái)的制冷系統(tǒng)，靠精準(zhǔn)控冷媒解決了 “溫度不準(zhǔn)” 的問(wèn)題，靠特殊工藝設(shè)計(jì)解決了 “樣本凍傷” 的問(wèn)題，靠三重防護(hù)解決了 “安全隱患” 的問(wèn)題 —— 讓深低溫實(shí)驗(yàn)，從 “小心翼翼、反復(fù)試錯(cuò)” 變成了 “設(shè)置好參數(shù)，等著出結(jié)果”。比如以前做深低溫實(shí)驗(yàn)，得有人盯著溫度表，時(shí)不時(shí)手動(dòng)調(diào)一下液氮的量，生怕溫度跑了；現(xiàn)在只要在屏幕上設(shè)好目標(biāo)溫度和降溫速度，設(shè)備自己就能完成，中間不用管，科研人員能騰出時(shí)間做別的事。以前換樣本的時(shí)候，總擔(dān)心碰到設(shè)備凍手，現(xiàn)在外殼不結(jié)冰，平臺(tái)邊緣還有保護(hù)，安全多了。
下一期連載（2-2），我們會(huì)接著聊冷熱臺(tái)的 “加熱系統(tǒng)”—— 看看它是怎么做到 600℃的高溫，還能和制冷系統(tǒng)無(wú)縫切換，不用再手動(dòng)換設(shè)備的。要是你做實(shí)驗(yàn)時(shí)也遇到過(guò)高溫控溫不準(zhǔn)、冷熱切換麻煩的問(wèn)題，下期內(nèi)容一定能幫到你，敬請(qǐng)期待！
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