醫用級冷庫是臨床應用的關鍵設備類別。確保對溫度敏感的血液療法、臨床樣本、試劑/對照、藥物和疫苗得到適當保護對於維護患者安全、支持監管合規性和防止經濟損失是必要的。
新的冷卻技術使用可變容量壓縮機 (VCC)、電子換向馬達 (ECM) 和天然碳氫化合物冷媒，提高了醫療級冷庫的性能。本文介紹了這些技術，並討論了在 Helmer Scientific 的 GX 冷儲存解決方案中使用 OptiCool™ 技術為臨床應用帶來的好處。
概述
變速技術
OptiCool™ 冷卻系統技術使用可變容量壓縮機 (VCC) 取代固定容量壓縮機 (FCC)。傳統的單速 FCC 壓縮機以最大速度運轉或完全關閉。當需要高冷卻能力來快速降低溫度時，這種壓縮機操作方法是有效的，但對於可能需要一段時間低冷卻能力的應用來說，這種壓縮機操作方法並不最佳化。變容量壓縮機 (VCC) 設計用於在較寬的速度範圍內運行，並且運行速度將做出適當且有效的響應以維持目標溫度。
新型電子換向馬達 (ECM) 與 VCC 結合使用，取代了歷史上用於醫療級冷凍的效率較低的馬達。這些新的 ECM 允許系統的蒸發器風扇（使空氣在整個系統中循環的風扇）像 VCC 一樣以可變速度運作。馬達速度根據條件而變化，以確保蒸發器以最佳水平運行，以維持所需的機櫃溫度。透過以變速運行，這些 ECM 大大提高了系統效率，並且蒸發器風扇產生的熱量顯著減少，從而降低了對機組壓縮機系統的需求。
圖 1. 可變容量與傳統壓縮機運轉速度
VCC 以變速運轉（取決於操作條件）以保持溫度，而不是像傳統醫療級冰箱中的固定容量壓縮機那樣簡單地循環關閉和打開。
對於醫療級冷庫應用，VCC 和蒸發器風扇速度在實現高效運作方面發揮重要作用，同時也確保溫度敏感產品和樣品保持在適當的條件下儲存。例如，當醫用級冰箱的門打開，或將熱負荷的產品放入櫃內時，冷庫快速恢復溫度至關重要。在這種情況下，VCC 和蒸發器風扇將以盡可能高的速度運行，以迅速將溫度控制在範圍內。當冷庫僅定期訪問或長時間不使用時（可能在夜間/週末關閉的診所或醫院利用率較低的區域），VCC 和蒸發器風扇將以非常低的速度運行，以有效維護溫度。
天然碳氫化合物冷媒
OptiCool™ 冷卻系統技術使用天然碳氫化合物冷媒取代氫氟碳化合物冷媒 (HFC)。天然碳氫化合物是環保冷媒，對全球暖化潛勢 (GWP) 的影響非常有限，對臭氧消耗潛能值 (ODP) 沒有影響。此類冷媒被認為對環境無害，與氫氟碳化合物相比，冷媒充填量顯著降低，因此也被證明非常有效率。
碳氫化合物冷媒與 HFC 不同。碳氫化合物冷媒是天然存在的有機氣體，而 HFC 是化學製造的氣體，釋放後可能在大氣中保留長達 30 年。碳氫化合物已被開發為 HFC 的安全、有效且高效的替代品。
與傳統冷媒相比，天然碳氫化合物除了具有技術優勢外，全球永續發展法規正在推動冷氣產業以天然碳氫化合物冷媒取代 HFC。美國環保署重要新替代品計畫（EPA SNAP 計畫）旨在識別和評估對環境有負面影響的物質的替代品。 EPA SNAP 計劃將碳氫化合物冷媒列為 HFC 的替代品。許多批准基加利修正案的國家也存在類似的監管和立法壓力。這包括但不限於歐盟和加拿大的成員。 OptiCool™ 技術透過採用旨在解決全球暖化和臭氧消耗問題的天然碳氫化合物冷媒來支持這些全球永續發展計畫。
臨床應用的改進
冷凍技術的改進為醫護人員、設備的最終使用者和病患帶來直接利益。透過利用 VCC、ECM 和天然碳氫化合物冷媒，OptiCool™ 技術可實現以下性能增強：
溫度性能
醫療級冷庫效能定義為溫度均勻性、穩定性和恢復性。
溫度均勻性是櫃內所有可用位置的溫度一致性的測量。嚴格的均勻性可以確保內容物保持在正確的溫度，無論儲存位置為何。非醫療級設備的均勻性性能可能較差，並且可能存在導致產品超出溫度範圍的熱點和冷點。這可能會產生安全和監管風險。因此，許多臨床應用，如疫苗儲存、血液儲存等，都需要使用更高品質的冷庫。 Helmer Scientific GX 解決方案中使用的 OptiCool™ 技術可實現 +/-1 攝氏度的溫度均勻性，使臨床使用者能夠放心地使用櫃內的所有儲存位置，即使對於對溫度最敏感的產品也是如此。
圖 2. 溫度均勻性 – GX Solutions
溫度恢復是指冷庫開門後恢復到設定溫度點所需時間的測量。快速溫度恢復對於確保開門不會導致產品超出臨床產品所需的嚴格溫度範圍是必要的。
可變容量壓縮機與強大的強制通風設計相結合，可在門關閉後快速進行空氣交換。這些空氣交換對於日常開門非常重要。 NIST 在 2016 年進行的一項研究確定，在診所環境中，工作人員可能在一小時內使用冰箱超過 30 次。當考慮到由於庫存盤點或補貨而延長開門時間時，溫度恢復性能也至關重要。 OptiCool™ 冷卻技術的評估表明，在開門 8 秒（產品的基本分配）期間，冰箱櫃的溫度從未超出允許的儲存範圍。對於延長 3 分鐘開門時間（庫存負載，櫃內溫度顯著上升），設備在短短 11 分鐘內迅速降至目標範圍。
圖 3. 溫度恢復 – GX 解決方案
溫度穩定性衡量冷庫設備將溫度維持在設定值的有效性，即使在壓縮機和自動除霜循環期間也是如此。即使在穩態運作期間，傳統冷凍技術也會導致溫度與設定點的波動更大。這是由於當溫度高於或低於設定值時，固定容量壓縮機會定期循環開啟和關閉以做出回應的結果。對於可變容量壓縮機，OptiCool™ 技術可讓壓縮機以維持設定溫度所需的精確速度運行，並將顯著降低傳統技術觀察到的壓縮機循環頻率。當正確實施 Helmer GX 冷庫解決方案中使用的變容量壓縮機 OptiCool™ 冷卻技術時，穩定性可保持在非常高的水平，從而實現與設定點的偏差小於 1 攝氏度的穩定性。這有助於確保敏感、昂貴且受到嚴格監管的產品保持在適當的溫度。
圖 4. 溫度穩定性 – GX 解決方案
能源效率
採用 OptiCool™ 冷卻技術的 Helmer Scientific 冰箱比傳統醫用冰箱節能 50% - 60%。例如，第三方測試實驗室使用能源之星測試協議對 HLR105-GX 台下式實驗室冰箱進行了評估。該協議在 24 小時內對冰箱進行了一系列開門和穩態、關門操作的挑戰。
評估結果表明，HLR105-GX 冰箱每天僅消耗 1.2 kWh 的能源，這不到使用相同協議測試的相同尺寸的傳統設備所需能源的一半。高性能實驗室冰箱的能耗數據發佈在能源之星網站上。使用 OptiCool™ 冷卻技術的冷庫單元超出了能源之星定義的能源消耗目標。這些裝置均經過能源之星認證。
圖 5. 同類台下冰箱型號之間的能源使用比較
能源消耗：GX 專業醫療等級冰箱比傳統冰箱節能 50-65%。
*Horizon Series™ ENERGY STAR®測試
噪音改善
減少醫療機構的噪音，尤其是病患照護區或員工工作區的噪音是當務之急。據報道，美國醫院的平均噪音水平為 50 至 90 分貝（噪音文件中的現場來源）——與繁忙的交通或運行的吸塵器一樣大聲。投資更安靜的設備是醫院解決這個問題的一種方法
OptiCool™ 冷卻技術設計可降低噪音。安靜的壓縮機與變速技術相結合，限制了壓縮機和蒸發器風扇高速運轉的時間，從而顯著降低了系統產生的噪音。在評估採用 OptiCool™ 冷卻技術的冷庫時，與傳統醫用級冰箱相比，噪音降低了 17 分貝。每增加10分貝就代表噪音增加10倍。因此，系統噪音降低 17 倍對於醫護人員和患者來說具有重大益處。 Helmer Scientific GX Solutions 冰箱的噪音限制相當於安靜的辦公環境。
圖 6. 雜訊輸出比較
標尺上每增加 10dB 相當於聲音強度增加 10 倍。
可靠性
醫療保健系統在選擇醫療級冷庫時通常將可靠性視為最重要的屬性。避免停機和計劃外服務訪問對於保持效率至關重要。選擇在可靠性和性能方面都有良好記錄的品牌可以提高總擁有成本和資本規劃需求的可預測性。 Helmer Scientific GX 解決方案經過設計和測試，可在 FDA GMP 研發和製造環境中實現長期可靠性。這些冷庫的最低使用壽命為 10 年，並提供 10 年服務和支援承諾。
作為 Helmer 設計過程的一部分，完成了徹底的加速壽命測試 (ALT)，以確保可靠性。加速壽命測試 (ALT) 在設備投入通用之前識別並解決可能的故障模式。它還使單元承受非常高的壓力，以挑戰子組件和組件層級的系統。最後，ALT 確保設備的設計能夠在 10 年的使用壽命內承受日常使用的嚴酷考驗。
Helmer Scientific 可靠性工程師已使用 OptiCool™ 冷卻技術在 GX Solutions 單元上成功完成了這些測試流程，以驗證 10 年最低性能和可靠性承諾。
結論
OptiCool™ 冷卻技術將 VCC、ECM 和天然碳氫化合物冷媒應用於醫療級冷庫。這些技術旨在提高整個系統的性能和可靠性，並解決不斷變化的全球環境法規。 OptiCool™ 技術的評估證明了其溫度性能、能源效率、降噪性和高可靠性。 Helmer Scientific 很高興在 GX Solutions 中提供這項技術。