描述

該項目探索了由 Mk I AirLoop 設備 ( https://www.hackster.io/jim-haseloff/airloop-i-5d2a72)實驗激發的微型反應堆的替代設計. 這個簡單的設備包含一個 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達到并保持 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——我希望重新利用現有的材料和設備。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，加熱系統和樣品架需要安裝在內部。有幾種方法可以設置溫度和空氣循環。我正在考慮將加熱元件放置在底部，并設置環形氣流，速度越高越好，并將樣品放置在容器頂部。在完美的世界中，該系統將為一系列培養箱能夠：(i) 30、37、42、60 度恒溫標準反應(ii) 恒溫加 95 度至 10 分鐘脈沖進行樣品處理。(iii) ~50-70- PCR 反應循環至 95 度。(iv) IIS 型 DNA 組裝反應循環約 16 至 37 度。后兩者需要使用 TEC Peltier 設備進行冷卻，和/或與環境氣流進行通風和碰撞。為了構建能夠舒適地保持 95 度溫度的設備，需要通過耐熱風扇來維持空氣循環。大多數標準電腦風扇的額定溫度為 60-70 度 - 但可以承受更高的溫度。還有一些重型（玻璃纖維）風扇可以運行到 100 度以上。我正在考慮兩種替代設計 - 第一種是基于使用 60 毫米軸流風扇，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 - 設置環形氣流。第二種設計是使用來自容器底部的徑向氣流，從加熱/冷卻元件開始。最近的調查為此提供了一些新的思路。將傳統風扇放置在加熱元件上可以在 70 度左右正常工作 - 但當溫度接近 100 度時，風扇可能容易出現故障。（加熱元件的溫度通常高于樣品的設定點）。大約在 2012 年，桑迪亞國家實驗室的一個團隊正在研究使用動態散熱器實現更高效空氣冷卻的前景。早期的原型包括一個金屬轉子，它在一個緊密定位的平定子板的頂部旋轉——這在理論上可以實現更有效的熱交換。旋轉的轉子產生一個作為空氣軸承的支撐墊。施加在 2000 rpm 轉子翅片上的離心力會導致邊界層變薄 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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已經有一些嘗試將這個想法轉化為用于 CPU 冷卻的商業產品。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。主要宣傳的優點是體積小、全金屬組合式散熱器-風扇設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箱的新設備！（進行）。

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1 / 4 ?曜越引擎 27

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有關商業產品的更多信息，請訪問：https ://youtu.be/oCghRn2Zae4 （作為 CPU 冷卻器的主要優點似乎是緊湊的尺寸，但全金屬結構和散熱器與空氣的接觸范圍可能是孵化器設計的好處）。規格在：https ://uk.thermaltake.com/engine-17.html

3D 打印培養箱的設計我一直在迭代一些用于容納 Thermaltake Engine 27 和 8 條 200μL 樣品管的設計 - 結合了循環氣流系統和雙重絕緣不銹鋼培養箱壁 - 使用圓柱形真空容器。這比以前的設計（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 打印基礎部件

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

3D打印反應堆

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200μL 8 管框架條

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我已經為徑向流培養箱接線并通電了——結果令人鼓舞。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) 培養箱中，與內部歧管上的樣品架相鄰，以及 (ii) 在培養箱外，以測量環境溫度。加熱器和引擎 27 通過 MOS-FET 開關設備以 12V 供電 - 在 Arduino 控制下，由在我的標準測試臺上運行的 XOD 軟件提供（https://www.hackster.io/jim-haseloff/programmable-test-鉆機-d7df62) 。

測試孵化器

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動能散熱器在腔室內驅動強大的氣流，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——當樣品保持在 60 度時，相隔約 4 度。如果關閉風扇，它們很快就會分開。使用粗略的“bang-bang”或 PID 控制程序，培養箱可以以非常穩定的方式保持 60 度的溫度數小時。

溫度調節

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培養箱采用真空絕熱不銹鋼護套，極大地減少了熱損失。即使在 60 度的培養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度運行反應堆紅外圖

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顯示孵化器啟動時的溫度讀數痕跡，顯示加熱到 60 度，帶有 PID 控制器。動態散熱器和不銹鋼真空絕緣容器的熱質量有助于相對較慢的加熱速率。該培養箱從環境溫度達到 60 度需要 10-15 分鐘。溫度控制是穩定的，培養箱可以準確地保持溫度 - 并且可以保持數小時。

加熱曲線 - 環境溫度至 60 度

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