径向气流培养箱（第3部分）

描述

该项目探索了由 Mk I AirLoop 设备 ( https://www.hackster.io/jim-haseloff/airloop-i-5d2a72)实验激发的微型反应堆的替代设计. 这个简单的设备包含一个 3D 打印的外壳，用于吸收和辐射热量 - 使用我使用的 120 度 PTC 加热器提供约 80 摄氏度的天花板。也有加热不均匀的迹象。所以，我想探索更顺畅的空气流动路径，并寻找更好的绝缘材料。这部分是由于能够在相对较短的时间内达到并保持 95 度的温度的潜在好处——比如最多 1 到 10 分钟。为了保持便宜——我希望重新利用现有的材料和设备。200µL 8 管条的长尺寸约为 80 毫米，我正在寻找可能用作外壳的绝缘容器 - 以及 3D 打印适配器。我通过亚马逊买了一个双层真空保温容器，看起来值得探索。它是 130x130x130mm，有一个宽口，直径约118毫米。在现实世界中，它是携带午餐的容器，价格略高于 12 英镑。

为此，加热系统和样品架需要安装在内部。有几种方法可以设置温度和空气循环。我正在考虑将加热元件放置在底部，并设置环形气流，速度越高越好，并将样品放置在容器顶部。在完美的世界中，该系统将为一系列培养箱能够：(i) 30、37、42、60 度恒温标准反应(ii) 恒温加 95 度至 10 分钟脉冲进行样品处理。(iii) ~50-70- PCR 反应循环至 95 度。(iv) IIS 型 DNA 组装反应循环约 16 至 37 度。后两者需要使用 TEC Peltier 设备进行冷却，和/或与环境气流进行通风和碰撞。为了构建能够舒适地保持 95 度温度的设备，需要通过耐热风扇来维持空气循环。大多数标准电脑风扇的额定温度为 60-70 度 - 但可以承受更高的温度。还有一些重型（玻璃纤维）风扇可以运行到 100 度以上。我正在考虑两种替代设计 - 第一种是基于使用 60 毫米轴流风扇，定位为通过中央通道（如甜甜圈中的孔）将空气从容器的顶部吹到底部 - 设置环形气流。第二种设计是使用来自容器底部的径向气流，从加热/冷却元件开始。最近的调查为此提供了一些新的思路。将传统风扇放置在加热元件上可以在 70 度左右正常工作 - 但当温度接近 100 度时，风扇可能容易出现故障。（加热元件的温度通常高于样品的设定点）。大约在 2012 年，桑迪亚国家实验室的一个团队正在研究使用动态散热器实现更高效空气冷却的前景。早期的原型包括一个金属转子，它在一个紧密定位的平定子板的顶部旋转——这在理论上可以实现更有效的热交换。旋转的转子产生一个作为空气轴承的支撑垫。施加在 2000 rpm 转子翅片上的离心力会导致边界层变薄 10 倍，从而提高热传递效率。

 

 

 

 

1 / 3 •桑迪亚实验室原型的传热示意图

 

已经有一些尝试将这个想法转化为用于 CPU 冷却的商业产品。目前唯一可用的版本是 Thermaltake Engine 17 和 27，它们具有不同的高度。成本分别约为 45 英镑和 50 英镑。主要宣传的优点是体积小、全金属组合式散热器-风扇设计以及高效的空气热传递。因此，这些看起来很有趣，可以作为测试径向空气培养箱的新设备！（进行）。

 

 

 

 

1 / 4 •曜越引擎 27

 

有关商业产品的更多信息，请访问：https ://youtu.be/oCghRn2Zae4 （作为 CPU 冷却器的主要优点似乎是紧凑的尺寸，但全金属结构和散热器与空气的接触范围可能是孵化器设计的好处）。规格在：https ://uk.thermaltake.com/engine-17.html

3D 打印培养箱的设计我一直在迭代一些用于容纳 Thermaltake Engine 27 和 8 条 200µL 样品管的设计 - 结合了循环气流系统和双重绝缘不锈钢培养箱壁 - 使用圆柱形真空容器。这比以前的设计（Thermaltake Engine 27，50 英镑和真空容器，12 英镑+加热/冷却电路）要贵一些，但应该能够提供更高的性能。

 

 

 

 

1 / 3 •放置曜越引擎的底座

 

 

 

 

 

1 / 4 •实际 3D 打印基础部件

 

用于 8 管机架的 Mk II 空气导管和托架 几张改进后的空气导管的图像 - 具有更大的横向间隙和紧密返回到动态散热器。空气从旋转的散热器径向移动，向上移动到绝缘容器的顶部，然后通过中央风扇被抽回 - 以在容器中再循环。样品管（8 管 sramestrips）悬浮在气流中。

3D打印反应堆

 

200µL 8 管框架条

 

我已经为径向流培养箱接线并通电了——结果令人鼓舞。一个 120 度的 PTC 加热器与一个 DS18B20 温度传感器一起用导热胶粘在 Thermaltake Engine 27 动力散热器的底座上。其他 DS18B20 传感器放置在 (i) 培养箱中，与内部歧管上的样品架相邻，以及 (ii) 在培养箱外，以测量环境温度。加热器和引擎 27 通过 MOS-FET 开关设备以 12V 供电 - 在 Arduino 控制下，由在我的标准测试台上运行的 XOD 软件提供（https://www.hackster.io/jim-haseloff/programmable-test-钻机-d7df62) 。

测试孵化器

 

动能散热器在腔室内驱动强大的气流，并且似乎从 PTC 加热器到腔室的有效热传递。样品位置处的加热器和空气的温度保持得非常接近——当样品保持在 60 度时，相隔约 4 度。如果关闭风扇，它们很快就会分开。使用粗略的“bang-bang”或 PID 控制程序，培养箱可以以非常稳定的方式保持 60 度的温度数小时。

温度调节

 

培养箱采用真空绝热不锈钢护套，极大地减少了热损失。即使在 60 度的培养箱中运行几个小时后，夹克的外表面仍保持在 30 度以下。然而，3D 打印的塑料底座明显变暖了约 10 度。

60度运行反应堆红外图

 

显示孵化器启动时的温度读数痕迹，显示加热到 60 度，带有 PID 控制器。动态散热器和不锈钢真空绝缘容器的热质量有助于相对较慢的加热速率。该培养箱从环境温度达到 60 度需要 10-15 分钟。温度控制是稳定的，培养箱可以准确地保持温度 - 并且可以保持数小时。

加热曲线 - 环境温度至 60 度

 

要尝试的事情： 1. 低质量散热器风扇组合。2. 培养箱用双壁塑料外壳。3.更高功率的加热元件，尝试切换到热电加热器/冷却器。