Zamrażarki niskotemperaturowe do -86˚C - Scotsman

 

Rodzaje i podział zamrażarek niskotemperaturowych

Zamrażarki niskotemperaturowe posiadają dwa typy konstrukcji: poziome i pionowe.

W przypadku zamrażarek niskotemperaturowych poziomych utrata chłodu przez urządzenie jest znacznie mniejsza niż w modelach pionowych. Wynika to z faktu iż zimne powietrze pozostaje w skrzyni zamrażarki podczas otwierania klapy. Niestety urządzenia poziome zajmują dużo cennego miejsca w laboratorium.

Zamrażarki niskotemperaturowe pionowe umożliwiają optymalne wykorzystanie zajmowanej powierzchni w stosunku do oferowanej pojemności. Ceną za to jest jednak szybsza, w porównaniu do modeli poziomych, strata zimna podczas wyjmowania i wkładania materiału do wnętrza zamrażarki niskotemperaturowej. W wyniku otwarcia drzwi dochodzi do ucieczki zimnego powietrza w dół i zassania ciepłego powierza górą.

Układy chłodzenia stosowane w niskotemperaturowych zamrażarkach -86˚C

Układ kaskadowy

Klasyczna konstrukcja zamrażarek niskotemperaturowych to układ dwóch kompresorów złączonych w tzw. kaskadę. Jeden kompresor schładza pierwotny układ urządzenia zaopatrzony w tzw. wymiennik ciepła. Gdy nastąpi schłodzenie układu wymiennika do temperatury ok -40 do -45°C pracę podejmuje drugi kompresor zapewniając schładzanie komory zamrażarki do temperatury – 86°C. Do prawidłowej i efektywnej pracy zamrażarki niskotemperaturowej niezbędne są oba kompresory. Układ kaskadowy jest to prosty układ chłodzenia, wykorzystujący do pracy dostępne w handlu czynniki chłodnicze. Charakteryzuje się łatwością dokonywania ewentualnych napraw oraz możliwością pracy przy wysokich temperaturach otoczenia. Do prawidłowej pracy układu kaskadowego niezbędne są wentylatory chłodzące przedział kompresorów i skraplacz.

Układ jednokompresorowy

Układ jednokompresorowy w zamrażarkach niskotemperaturowych to układ oparty na jednym pracującym kompresorze. W układzie chłodniczym użyto autokaskadę pozwalającą na odpowiednie schładzanie całego układu do pracy -86°C. Doprowadzenie do tak niskich temperatur w układzie z wykorzystaniem jednego kompresora zapewnione jest poprzez zastosowanie specjalnych mieszanin czynników chłodniczych a także w wyniku bardzo precyzyjnego wykonania układu chłodzenia.

Układ jednokompresorowy nie wymaga stosowania wentylatorów dla skraplacza. Istotną zaletę stanowi również ograniczona liczba przeglądów konserwacyjnych. Zamrażarki niskotemperaturowe jednokompresorowe gwarantują utrzymanie temperatury wyłącznie w właściwych warunkach otoczenia tzn.: zazwyczaj maksymalna temperatura pracy takiej zamrażarki niskotemperaturowej to to +25°C.

Układ dwukompresorowy

Układ dwukompresorowy jest rozszerzeniem idei układu jednokompresorowego. W przypadku układu dwukompresorowego w pracy biorą udział dwa niezależne od siebie układy jednokompresorowe. Niektóre zamrażarki niskotemperaturowe wyposażone w układ dwukompresorowy są w stanie uzyskać temperatury nawet -95°C.

Rodzaj izolacji stosowany w zamrażarkach niskotemperaturowych

Zamrażarki niskotemperaturowe koniecznie muszą być wyposażone we właściwą izolację cieplną. Izolacja umożliwia utrzymanie odpowiedniej temperatury pracy komory.

Zamrażarki niskotemperaturowe można klasyfikować również ze względu na rodzaj zastosowanej izolacji. Wyróżniamy izolację piankową oraz izolację próżniową.

Izolacja piankowa utworzona jest z wstrzykiwanej pod ciśnieniem piany poliuretanowej która w wyniku rozprężania się tworzy strukturę milionów kuleczek wypełnionych powietrzem. Powietrze zamknięte w pianie tworzy izolację temperaturową. W celu otrzymania wymaganych parametrów termicznych izolacji konieczna jest właściwa grubość izolacji z piany wstrzykiwanej pod ciśnieniem. Minimalna grubość izolacji dla zamrażarek niskotemperaturowych to 100 mm. Przeważnie w zamrażarkach niskotemperaturowych grubość izolacji wynosi powyżej 120 mm. Izolacja z piany jest praktycznie niezniszczalna.

Izolacja próżniowa stosowana jest m.in. w urządzeniach przeznaczonych do przechowywania ciekłego azotu gdzie pomiędzy ścianami termosu a azotem występuje próżnia czyli brak powietrza. W wyniku braku powietrza brak jest także nośnika energii co przekłada się na bardzo dobrą jakość takiej izolacji.

W zamrażarkach niskotemperaturowych stosowane są panele próżniowe tak zwane VIP (vacuum insulated panel) wprowadzone przez japońską firmę SANYO. Panele próżniowe umieszczane są w obudowie zamrażarki z dodatkiem niewielkiej ilości piany poliuretanowej. Panele próżniowe posiadają lepsze parametry izolacyjne niż sama piana i umożliwiają zminimalizowanie efektywnej grubości izolacji. Dzięki temu możliwe jest zmniejszenie grubości ściany zamrażarki niskotemperaturowej co przekłada się na zmniejszenie zewnętrznych wymiarów całego urządzenia przy zachowaniu pojemności wewnętrznej. Przestrzeń magazynowa i laboratoryjna nie jest tracona na rzecz grubych warstw izolacji.

Podział zamrażarki niskotemperaturowej na sekcje

Istnieją różne sposoby podziału przestrzeni komory mroźniczej zamrażarki niskotemperaturowej.

Najczęściej używany jest podział na 4 sekcje. Celem rozdziału na sekcje jest ergonomiczny podział umożliwiający wygodne wkładanie i wyjmowanie z zamrażarki niskotemperaturowej stelaży na kriopudełka. Należy pamiętać, że ilości sekcji wewnątrz komory nie jest tożsama z ilością wewnętrznych drzwi w komorze mroźniczej. Im więcej sekcji w zamrażarce niskotemperaturowej tym niższych stelaży możemy użyć. Im mniejsza ilość sekcji w zamrażarce tym wyższe i cięższe stelaże możemy włożyć.

Wewnętrzne drzwi zamrażarki niskotemperaturowej

Ważny element w konstrukcji zamrażarek niskotemperaturowych stanowią wewnętrzne drzwi, które gwarantują pomocniczą izolację termiczną w stosunku do głównych drzwi.

Wewnętrzne drzwi ograniczają docieranie ciepłego powietrza do wnętrza komory w czasie otwierania głównych drzwi. Ilość wewnętrznych drzwi nie wpływa na tempo zmiany temperatury wewnątrz zamrażarki niskotemperaturowej podczas ich otwierania, natomiast taki wpływ ma rodzaj i grubość izolacji drzwi wewnętrznych.

Istotnym czynnikiem jest zastosowanie uszczelek utrudniających wymianę powietrza a także właściwych zamknięć umożliwiających szczelne zamknięcie wewnętrznych drzwi. Szczelne uszczelki ograniczają przedostawanie się ciepłego, wilgotnego powietrza do zamrażarki niskotemperaturowej dzięki czemu lód wolniej się gromadzi. Uszczelki w drzwiach wewnętrznych to element najbardziej narażony i podatny na uszkodzenia, których wymiana często jest bardzo kosztowna, przez co wielu producentów rezygnuje z tego rozwiązania.

Wewnętrzny materiał komory zamrażarki niskotemperaturowej

Najistotniejszym kryterium w wyborze materiału wewnętrznego komory zamrażarki niskotemperaturowej jest łatwość czyszczenia powierzchni komory oraz odporność materiału na korozję. Większość komór produkowana jest ze stali pokrytej warstwą bardzo trwałej powłoki z tworzywa sztucznego lub ze stali nierdzewnej. Tworzywo sztuczne najczęściej jest w białym kolorze, dzięki czemu w szybko możemy dostrzec zabrudzenia czy rozlane próby, jednakże materiał ten jest podatny na wszelkiego rodzaje uszkodzenia mechaniczne. Zaletą stali nierdzewnej jest niewątpliwie jej bardzo wysoka wytrzymałość.

Pojemność zamrażarki -86˚C

Pojemność zamrażarki niskotemperaturowej podaje się w litrach. Wymiary komory we właściwie zaprojektowanej zamrażarce niskotemperaturowej pozwalają na idealne dopasowanie stelaży na standardowe kriopudełka o wysokości 5cm. Najbardziej istotnym parametrem określającym zdolność do przechowywania próbek jest maksymalna ilość standardowych kriopudełek jakie można umieścić w zamrażarce niskotemperaturowej.

Parametry temperaturowe zamrażarki niskotemperaturowej

Najważniejsze parametry zamrażarki:

• Minimalna temperatura jaką może osiągnąć układ chłodniczy
• Maksymalna różnica temperatur w przestrzeni komory zamrażarki
• Maksymalne wahania temperatury w przestrzeni komory
• Maksymalna temperatura otoczenia przy której zamrażarka będzie w stanie utrzymywać wlaściwą temperaturę wewnątrz.
• Maksymalna różnica temperatur w komorze zamrażarki niskotemperaturowej jest sprawdzana za pomocą co najmniej 5 czujników temperatury rozlokowanych we właściwych punktach komory. Im mniejsza jest różnica między wartością najniższą i najwyższą tym lepiej. Wartości nie powinny być większe niż +/-5°C.
• Maksymalne wahania temperatury w przestrzeni komory pozwalają ocenić jak duże wahania temperatury pojawiają się pomiędzy kolejnymi włączeniami kompresora. Im mniejsza wartość mniejsza lepiej.

Czynniki chłodnicze stosowane w zamrażarkach niskotemperaturowych

W wyniku wprowadzenia zakazu dla CFC, zamrażarki niskotemperaturowe pracują na czynnikach chłodniczych HCFC. Aktualnie najbardziej energooszczędne zamrażarki działają na węglowodorowych czynnikach chłodniczych (HFC).

Parametry czasowe zamrażarki niskotemperaturowej

Najistotniejsze parametry czasowe związane z temperaturą to czasy schładzania oraz czasy rozmrażania.

Czas schładzania od temperatury otoczenia do temperatury pożądanej określa jak mocny układ chłodniczy zastosowano w danym modelu zamrażarki niskotemperaturowej. Im szybciej zamrażarka jest w stanie schłodzić swoją zawartość w tym mocniejszy układ wyposażone zostało urządzenie. Klasyczny czas schładzania nie powinien przekraczać 5 godzin. Czas schładzania umożliwia również określenie jak szybko zamrażarka poradzi sobie z podwyższeniem temperatury po otwarciu i zamknięciu drzwi głównych.

Czas rozmrażania pozwala określić jak długo zamrażarka jest w stanie podtrzymać temperaturę poniżej temperatury bezpiecznej dla prób w sytuacjach awaryjnych.

Im dłuższy czas rozmrażania tym lepiej. Długi czas rozmrażania zapewnia o dobrej izolacji zamrażarki niskotemperaturowej oraz odpowiedniej szczelności czyli doborze właściwych uszczelek do drzwi głównych.

Hałas generowany przez zamrażarki -86˚C

Problemem często występującym w laboratorium jest poziom hałasu związany z zamrażarkami niskotemperaturowymi. Postępy technologiczne sprawiają, że zamrażarki niskotemperaturowe stają się znacznie cichsze i mogą przebywać bezpośrednio w laboratorium. Umieszczenie zamrażarki w laboratorium zwiększa wydajność w zakresie czasu przygotowania próbki i minimalizuje ekspozycję próbki na otaczające powietrze.

Urządzenia niskotemperaturowe a zwłaszcza te o dużych pojemnościach wytwarzają hałas o znacznie wyższej amplitudzie niż lodówki lub zamrażarki domowe. W zamrażarkach niskotemperaturowych stosuje się kompresory o kilkukrotnie większych mocach. W układzie znajdują się również wentylatory chłodzące, które pracują prawie bez przerwy.

Miejsce pracy zamrażarki niskotemperaturowej

Zamrażarki niskotemperaturowe wymagają co najmniej 10 centymetrów wolnej przestrzeni wokół.

W miejscu pracy zamrażarki niskotemperaturowej należy bezwzględnie zapewnić odpowiednią wentylację lub klimatyzację, która pozwoli pozbyć się ciepła wytwarzanego przez urządzenia.

Istotnym dla instalacji elektrycznej momentem jest rozruch kompresora. Na tym etapie urządzenie pobiera maksymalny możliwy prąd. Zamrażarki niskotemperaturowe wymagają podłączenia do niezależnych obwodów elektrycznych. Każdy taki obwód powinien posiadać własne zabezpieczenie prądowe o parametrach dopasowanych do podłączonego urządzenia.

Systemy bezpieczeństwa prób przechowywanych w zamrażarce -86˚C

Zamrażarka niskotemperaturowa potrzebuje do pracy właściwego napięcia. W wyniku braku odpowiedniego napięcia zamrażarka ulega wyłączeniu. W takiej sytuacji próbki umieszczone w zamrażarce niskotemperaturowej są bezpieczne tylko przez kilka godzin.

Większość zamrażarek niskotemperaturowych posiada przekaźnik, który w przypadku wystąpienia alarmu zwiera się sygnalizując fakt alarmu. Przekaźnik powinien być podłączony do systemu alarmowego budynku w którym znajduje się całodobowa ochrona.

Inną opcją jest powiadamianie przez telefon za pomocą komunikatów głosowych. W wyniku alarmu system wykonuje połączenie na zaprogramowane numery telefonów i odtwarza zaprogramowaną wiadomość informującą o alarmie.

Rozszerzeniem systemu powiadamiania telefonicznego jest system powiadamiania SMS. System ten w sytuacji wystąpienia alarmu wyśle wiadomość SMS pod zaprogramowane numery z informacją o stanie alarmowym. Istnieją również zaawansowane systemy, które informują o aktualnej temperaturze w komorze zamrażarki.

W celu wydłużenia czasu pozostania próbek w bezpiecznej temperaturze w wyniku przerwy w dostawie prądu lub awarii urządzenia wykorzystuje się system CO2 backup. System umożliwia utrzymanie właściwej temperatury za pomocą nastrzykiwania ciekłego dwutlenku węgla do wnętrza komory. System CO2 backup pozwala na niezależną od zasilania sieciowego pracę oraz utrzymanie odpowiedniej temperatury przez czas na jaki wystarczy butla z CO2 podłączona do systemu.