【導讀】一些疫苗對溫度變化高度敏感，從開(kāi)始生產(chǎn)到給患者注射前都必須在超低溫（ULT）下進(jìn)行儲存。例如，一些疫苗最初需要超低溫儲存，儲存溫度要保持在-60 °C（-76 °F）以下。在制造工廠(chǎng)和相關(guān)的倉庫中保持這樣的溫度并不困難。但是，在疫苗被運輸到分發(fā)地點(diǎn)然后到達接種者的過(guò)程中維持這種超低溫度非常困難，并且成本很高。
引言
一些疫苗對溫度變化高度敏感，從開(kāi)始生產(chǎn)到給患者注射前都必須在超低溫（ULT）下進(jìn)行儲存。例如，一些疫苗最初需要超低溫儲存，儲存溫度要保持在-60 °C（-76 °F）以下。在制造工廠(chǎng)和相關(guān)的倉庫中保持這樣的溫度并不困難。但是，在疫苗被運輸到分發(fā)地點(diǎn)然后到達接種者的過(guò)程中維持這種超低溫度非常困難，并且成本很高。
術(shù)語(yǔ)“冷鏈”指的是運輸溫度變化超出規定范圍就會(huì )變質(zhì)或損壞的產(chǎn)品或材料的供應鏈。許多食品、化學(xué)品和藥品都需要有嚴格控制的“冷鏈”物流。深度溫控供應鏈中比較難的就是“最后一公里”的問(wèn)題。對于需要在極低溫度下進(jìn)行儲存的疫苗，在世界各地的每個(gè)疫苗接種點(diǎn)或附近區域都需要昂貴且技術(shù)復雜的超低溫冷柜。
超低溫冷柜工作原理
一個(gè)使用單級壓縮機制冷循環(huán)的標準短期儲藏冷柜通常只能達到-20 °C的溫度。而超低溫（ULT）冷柜采用多級壓縮機，并采用復疊式制冷循環(huán)。大多數超低溫冷柜使用兩級壓縮機，可達到低至-86 °C的溫度。
圖1：兩級復疊式制冷循環(huán)原理圖
冷藏/冷柜壓縮機是一種用于壓縮冷凝器盤(pán)管中的制冷劑的設備，其工作屬于制冷過(guò)程中的一部分。這種壓縮過(guò)程會(huì )增加壓力并產(chǎn)生熱量，所發(fā)熱量要從制冷劑中帶走。蒸發(fā)器盤(pán)管中的壓力要低得多，從而引發(fā)蒸發(fā)過(guò)程（這就是冷柜內部溫度降低的原因）。蒸發(fā)是一個(gè)吸熱過(guò)程，所以該過(guò)程會(huì )吸收熱量。因此，壓縮機被比作制冷系統的“心臟”。
制冷壓縮機通常是使用簡(jiǎn)單且廉價(jià)的感應電機來(lái)完成壓縮工作的。為了在不同溫度下提供相應的制冷效果，超低溫冷柜中的制冷劑會(huì )有所不同。但壓縮機通常是兩臺基于感應電機的標準設備。
超低溫冷柜所面臨的瓶頸
在超低溫冷柜中使用這些基于感應電機的標準壓縮機存在一些困難。比較大的一個(gè)難題就是效率低。感應電機的效率相當低（通常約為70%以下），這會(huì )使它們產(chǎn)生熱量。制冷系統中感應電機的所有發(fā)熱量都需要通過(guò)制冷循環(huán)過(guò)程從系統中帶走。這就意味著(zhù)制冷系統所做的部分工作只是帶走系統的自發(fā)熱量，而不是帶走冷藏柜的熱量。
圖2：感應電機功率因數和效率
感應電機的另一個(gè)問(wèn)題是功率因數。感應電機反應靈敏，其可憐的功率因數還會(huì )隨負載的變化而變化。在理想環(huán)境條件和理想負載條件下，也僅能達到理想功率因數的90%左右。這意味著(zhù)感應電機從線(xiàn)路中獲取的視在功率要高于施加于負載的實(shí)際功率。在某些司法管轄區，包括歐盟和日本（根據IEC61000-3-2），法律要求有功率因數校正電路來(lái)維持電力傳輸平衡。
無(wú)刷直流電機可成為解決方案
無(wú)刷直流（BLDC）電機在一些關(guān)鍵性的原理方面與感應電機不同。顯著(zhù)的一點(diǎn)是，無(wú)刷直流電機由直流電壓驅動(dòng)，而感應電機則由交流電壓驅動(dòng)。感應電機具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的線(xiàn)圈，而B(niǎo)LDC電機使用的則是永磁體。感應電機易于控制（只要通電就可以了），而無(wú)刷直流電機則需要更復雜的電子控制。由于這些差異，BLDC電機解決方案的實(shí)施成本高于感應電機解決方案。
圖3：感應電機與BLDC電機
由于成本高以及實(shí)施技術(shù)復雜，BLDC電機尚未用于超低溫冷柜的壓縮機中。但是一些用于新空調的壓縮機已經(jīng)驗證了這項理念的可行性。ROHM集團的先進(jìn)技術(shù)和市場(chǎng)條件日益變化都預示著(zhù)BLDC壓縮機在超低溫冷柜中的應用也許已經(jīng)到了可以一展身手的時(shí)候。
在超低溫冷柜中使用基于無(wú)刷直流電機的壓縮機將會(huì )帶來(lái)與額外成本對等的效益。此外，隨著(zhù)近年來(lái)技術(shù)的進(jìn)步，控制BLDC電機解決方案的成本和復雜性都得到了顯著(zhù)改善。
ROHM擁有行業(yè)先進(jìn)的BLDC電機驅動(dòng)器解決方案系列，包括可將其嵌入設計中來(lái)實(shí)現所有電機控制的DIP模塊。此外，ROHM的BLDC電機控制專(zhuān)家隨時(shí)可以為突破這一瓶頸提供支持。
使用BLDC壓縮機設計超低溫冷柜的優(yōu)勢
在新的超低溫冰柜設計中使用基于BLDC的壓縮機的好處是電源效率提高、自發(fā)熱量降低、功率因數校正。BLDC電機在將電能轉化為物理做功方面比感應電機更高效。BLDC電機產(chǎn)生的熱量顯著(zhù)降低，因此制冷系統中進(jìn)入的熱量更少，從而可實(shí)現更高效的冷卻。BLDC電機可以通過(guò)使用功率因數校正技術(shù)使其在功率因數為1的情況下運行，從而降低視在功率的損耗。
消除重要應用中的低效問(wèn)題
在壓縮機中使用感應電機時(shí)會(huì )使效率降低，而在超低溫冷柜中使用兩個(gè)感應電機更會(huì )使效率指數級下降。從功率和制熱/制冷循環(huán)的角度來(lái)看，其效率是比較低的。無(wú)刷直流電機提供了一種令人驚喜的解決方案，但是需要付出一些額外的成本，并且技術(shù)復雜性也有所增加。但是基于BLDC的壓縮機所帶來(lái)的能效和合規性，可以抵消掉這部分額外的成本。ROHM可以提供豐富的BLDC電機系統產(chǎn)品組合和BLDC電機控制專(zhuān)業(yè)知識，以幫助解決技術(shù)復雜性高的問(wèn)題。將感應電機替換為BLDC電機在效率方面具有優(yōu)勢。然而，這增加了成本和設計的復雜性。ROHM擁有針對BLDC電機的解決方案，使復雜設計處理易如反掌。
圖4：ROHM BLDC電機解決方案參考設計
如圖4所示，ROHM參考設計可以幫助用戶(hù)構建具有卓越能效的超低溫冷柜。
無(wú)論用戶(hù)選擇集成度超高的ROHM IGBT IPM系列，還是希望通過(guò)分立元器件得到理想性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品，都可以使用IGBT、MOSFET和柵極驅動(dòng)器來(lái)協(xié)同工作。這可以使您構建出具有低功耗和較小因數的運行系統。
ROHM IGBT IPM系列具有優(yōu)異的電源管理系統，是高集成度超低溫冷柜的理想解決方案。
BM6437x系列，600 V IGBT IPM，通過(guò)利用內置IGBT特性和內部FRD在高功率下的軟恢復特性，實(shí)現了行業(yè)先進(jìn)的低噪聲特性。
當布局靈活性和熱性能優(yōu)化成為主要考量因素時(shí)，ROHM Field Stop Trench IGBT、RGT/RGS系列或SiC MOSFET、SCT系列是理想選擇。這些分立元器件可以與合適的柵極驅動(dòng)器產(chǎn)品組合使用。
在電源方面，ROHM隔離型AC/DC系列可以提供更高的性能和穩定性。
為了幫助用戶(hù)在更大程度地減少設計工作量的前提下實(shí)現理想性能，ROHM可以基于豐富的經(jīng)驗在用戶(hù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中提供全面的應用支持。
總結
現在，是時(shí)候該認真考慮超低溫冰柜的BLDC壓縮機設計了?；贐LDC的超低溫冷柜已是預備未來(lái)不時(shí)之需亟需加強的工作之一，ROHM已準備好與愿意直面這項挑戰的設計工程師的合作。
（來(lái)源：ROHM）
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