徑向氣流培養(yǎng)箱（第3部分）

描述

該項目探索了由 Mk I AirLoop 設(shè)備 ( https://www.hackster.io/jim-haseloff/airloop-i-5d2a72)實驗激發(fā)的微型反應(yīng)堆的替代設(shè)計. 這個簡單的設(shè)備包含一個 3D 打印的外殼，用于吸收和輻射熱量 - 使用我使用的 120 度 PTC 加熱器提供約 80 攝氏度的天花板。也有加熱不均勻的跡象。所以，我想探索更順暢的空氣流動路徑，并尋找更好的絕緣材料。這部分是由于能夠在相對較短的時間內(nèi)達(dá)到并保持 95 度的溫度的潛在好處——比如最多 1 到 10 分鐘。為了保持便宜——我希望重新利用現(xiàn)有的材料和設(shè)備。200μL 8 管條的長尺寸約為 80 毫米，我正在尋找可能用作外殼的絕緣容器 - 以及 3D 打印適配器。我通過亞馬遜買了一個雙層真空保溫容器，看起來值得探索。它是 130x130x130mm，有一個寬口，直徑約118毫米。在現(xiàn)實世界中，它是攜帶午餐的容器，價格略高于 12 英鎊。

為此，加熱系統(tǒng)和樣品架需要安裝在內(nèi)部。有幾種方法可以設(shè)置溫度和空氣循環(huán)。我正在考慮將加熱元件放置在底部，并設(shè)置環(huán)形氣流，速度越高越好，并將樣品放置在容器頂部。在完美的世界中，該系統(tǒng)將為一系列培養(yǎng)箱能夠：(i) 30、37、42、60 度恒溫標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)(ii) 恒溫加 95 度至 10 分鐘脈沖進(jìn)行樣品處理。(iii) ~50-70- PCR 反應(yīng)循環(huán)至 95 度。(iv) IIS 型 DNA 組裝反應(yīng)循環(huán)約 16 至 37 度。后兩者需要使用 TEC Peltier 設(shè)備進(jìn)行冷卻，和/或與環(huán)境氣流進(jìn)行通風(fēng)和碰撞。為了構(gòu)建能夠舒適地保持 95 度溫度的設(shè)備，需要通過耐熱風(fēng)扇來維持空氣循環(huán)。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電腦風(fēng)扇的額定溫度為 60-70 度 - 但可以承受更高的溫度。還有一些重型（玻璃纖維）風(fēng)扇可以運行到 100 度以上。我正在考慮兩種替代設(shè)計 - 第一種是基于使用 60 毫米軸流風(fēng)扇，定位為通過中央通道（如甜甜圈中的孔）將空氣從容器的頂部吹到底部 - 設(shè)置環(huán)形氣流。第二種設(shè)計是使用來自容器底部的徑向氣流，從加熱/冷卻元件開始。最近的調(diào)查為此提供了一些新的思路。將傳統(tǒng)風(fēng)扇放置在加熱元件上可以在 70 度左右正常工作 - 但當(dāng)溫度接近 100 度時，風(fēng)扇可能容易出現(xiàn)故障。（加熱元件的溫度通常高于樣品的設(shè)定點）。大約在 2012 年，桑迪亞國家實驗室的一個團(tuán)隊正在研究使用動態(tài)散熱器實現(xiàn)更高效空氣冷卻的前景。早期的原型包括一個金屬轉(zhuǎn)子，它在一個緊密定位的平定子板的頂部旋轉(zhuǎn)——這在理論上可以實現(xiàn)更有效的熱交換。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個作為空氣軸承的支撐墊。施加在 2000 rpm 轉(zhuǎn)子翅片上的離心力會導(dǎo)致邊界層變薄 10 倍，從而提高熱傳遞效率。

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1 / 3 ?桑迪亞實驗室原型的傳熱示意圖

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已經(jīng)有一些嘗試將這個想法轉(zhuǎn)化為用于 CPU 冷卻的商業(yè)產(chǎn)品。目前唯一可用的版本是 Thermaltake Engine 17 和 27，它們具有不同的高度。成本分別約為 45 英鎊和 50 英鎊。主要宣傳的優(yōu)點是體積小、全金屬組合式散熱器-風(fēng)扇設(shè)計以及高效的空氣熱傳遞。因此，這些看起來很有趣，可以作為測試徑向空氣培養(yǎng)箱的新設(shè)備！（進(jìn)行）。

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1 / 4 ?曜越引擎 27

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有關(guān)商業(yè)產(chǎn)品的更多信息，請訪問：https ://youtu.be/oCghRn2Zae4 （作為 CPU 冷卻器的主要優(yōu)點似乎是緊湊的尺寸，但全金屬結(jié)構(gòu)和散熱器與空氣的接觸范圍可能是孵化器設(shè)計的好處）。規(guī)格在：https ://uk.thermaltake.com/engine-17.html

3D 打印培養(yǎng)箱的設(shè)計我一直在迭代一些用于容納 Thermaltake Engine 27 和 8 條 200μL 樣品管的設(shè)計 - 結(jié)合了循環(huán)氣流系統(tǒng)和雙重絕緣不銹鋼培養(yǎng)箱壁 - 使用圓柱形真空容器。這比以前的設(shè)計（Thermaltake Engine 27，50 英鎊和真空容器，12 英鎊+加熱/冷卻電路）要貴一些，但應(yīng)該能夠提供更高的性能。

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1 / 3 ?放置曜越引擎的底座

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1 / 4 ?實際 3D 打印基礎(chǔ)部件

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用于 8 管機(jī)架的 Mk II 空氣導(dǎo)管和托架 幾張改進(jìn)后的空氣導(dǎo)管的圖像 - 具有更大的橫向間隙和緊密返回到動態(tài)散熱器。空氣從旋轉(zhuǎn)的散熱器徑向移動，向上移動到絕緣容器的頂部，然后通過中央風(fēng)扇被抽回 - 以在容器中再循環(huán)。樣品管（8 管 sramestrips）懸浮在氣流中。

3D打印反應(yīng)堆

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200μL 8 管框架條

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我已經(jīng)為徑向流培養(yǎng)箱接線并通電了——結(jié)果令人鼓舞。一個 120 度的 PTC 加熱器與一個 DS18B20 溫度傳感器一起用導(dǎo)熱膠粘在 Thermaltake Engine 27 動力散熱器的底座上。其他 DS18B20 傳感器放置在 (i) 培養(yǎng)箱中，與內(nèi)部歧管上的樣品架相鄰，以及 (ii) 在培養(yǎng)箱外，以測量環(huán)境溫度。加熱器和引擎 27 通過 MOS-FET 開關(guān)設(shè)備以 12V 供電 - 在 Arduino 控制下，由在我的標(biāo)準(zhǔn)測試臺上運行的 XOD 軟件提供（https://www.hackster.io/jim-haseloff/programmable-test-鉆機(jī)-d7df62) 。

測試孵化器

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動能散熱器在腔室內(nèi)驅(qū)動強(qiáng)大的氣流，并且似乎從 PTC 加熱器到腔室的有效熱傳遞。樣品位置處的加熱器和空氣的溫度保持得非常接近——當(dāng)樣品保持在 60 度時，相隔約 4 度。如果關(guān)閉風(fēng)扇，它們很快就會分開。使用粗略的“bang-bang”或 PID 控制程序，培養(yǎng)箱可以以非常穩(wěn)定的方式保持 60 度的溫度數(shù)小時。

溫度調(diào)節(jié)

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培養(yǎng)箱采用真空絕熱不銹鋼護(hù)套，極大地減少了熱損失。即使在 60 度的培養(yǎng)箱中運行幾個小時后，夾克的外表面仍保持在 30 度以下。然而，3D 打印的塑料底座明顯變暖了約 10 度。

60度運行反應(yīng)堆紅外圖

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顯示孵化器啟動時的溫度讀數(shù)痕跡，顯示加熱到 60 度，帶有 PID 控制器。動態(tài)散熱器和不銹鋼真空絕緣容器的熱質(zhì)量有助于相對較慢的加熱速率。該培養(yǎng)箱從環(huán)境溫度達(dá)到 60 度需要 10-15 分鐘。溫度控制是穩(wěn)定的，培養(yǎng)箱可以準(zhǔn)確地保持溫度 - 并且可以保持?jǐn)?shù)小時。

加熱曲線 - 環(huán)境溫度至 60 度

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要嘗試的事情： 1. 低質(zhì)量散熱器風(fēng)扇組合。2. 培養(yǎng)箱用雙壁塑料外殼。3.更高功率的加熱元件，嘗試切換到熱電加熱器/冷卻器。