БЫСТРОЗАМОРАЖИВАТЕЛЬ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ЗАПОЛНЕННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИМИ МЕДИЦИНСКИМИ СУБСТАНЦИЯМИ ПОЛИМЕРНЫХ ПАКЕТОВ
QUICK-FREEZING PLANT MAINLY FOR POLYMER PACKS FILLED WITH BIOLOGICAL MEDICAL SUBSTANCES

Изобретение относится к области холодильной или морозильной техники и предназначено для быстрого замораживания различных растворов, в частности плазмы крови, помещенных в полимерные пакеты.
Известны двухкаскадные компрессорные быстрозамораживатели PLASMAFROST, в которых пакеты с плазмой охлаждаются при непосредственном контакте с поверхностью полок, внутри которых по змеевикам циркулирует хладагент, а вторая сторона пакетов контактирует с прижимной плитой, выполненной из алюминия. Недостатки известного устройства состоят в активном охлаждении только с одной стороны пакетов с плазмой, контактирующей с охлаждаемой полкой, в использовании сложной двухкаскадной холодильной машины с применением разных хладагентов R404A и R23 для каждого из каскадов охлаждения.
Известны также быстрозамораживатели ГЕМОТЕРМ-Z, в которых высокая скорость замораживания пакетов с плазмой достигается использованием механической тележки с пакетами, совершающей движения с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, что обеспечивает перемешивание содержимого пакетов, исключая образование корки льда, затрудняющей, из-за низкой теплопроводности, замораживание плазмы.
Быстрозамораживатели ГЕМОТЕРМ-Z обеспечивают замораживание контейнеров с плазмой либо в потоке принудительно циркулирующего охлажденного до температуры минус (40-50)°С воздуха, либо в среде жидкого теплоносителя (этилового спирта), предварительно охлажденного до температуры минус (40-50)°С. Замораживание в низкотемпературной воздушной среде приводит к использованию сложных двухкаскадных холодильных машин, а малая теплоемкость воздуха исключает эффективный отбор тепла от контейнеров с плазмой. Процесс замораживания в среде охлажденного жидкого теплоносителя сокращает время замораживания, но увеличивает пожаровзрывоопасность помещения, в которое попадает спирт, испарившийся с контейнеров после их извлечения, существует реальная опасность термического поражения обслуживающего персонала при контакте с холодным спиртом, над поверхностью холодного спирта при установке и извлечении контейнеров с плазмой образуется туман, затрудняющий работу персонала, а унос спирта с пакетами и попадание влаги воздуха в емкость со спиртом приводит к понижению концентрации спирта и необходимости периодически компенсировать его потери.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является быстрозамораживатель, известный из патента RU 2310143 С1, 15.02.2006, содержащий холодильную машину с замкнутой гидравлической магистралью, заполненной охлажденной жидкостью и подключенной к насосу через параллельно подключенные к этой магистрали теплообменники, контактирующие с одной поверхностью термоэлектрических модулей, а вторая поверхность контактирует с теплопроводящими пластинами, между которыми размещен контактирующий с ними охлаждаемый пакет, при этом термоэлектрические модули снабжены собственным блоком питания, а на теплопроводящих пластинах установлены датчики температуры, подключенные к системе управления и контроля, которая связана с коммутатором полярности тока, соединенным с блоком питания термоэлектрических модулей, при этом блок питания, система управления и контроля изолированы от теплопроводящих пластин с размещаемыми между ними охлаждаемыми пакетами, теплоизолирующей стенкой, через которую проходят кабели контроля и питания термоэлектрических модулей.
Недостатком бастрозамораживателя является поступление большого количества тепла к охлаждающим теплопроводящим пластинам, на которых установлены термоэлектрические модули и датчики температуры, которые связаны медными проводами с источником питания термоэлектрических модулей и системой управления и контроля, размещенных вне зоны охлаждения. Большая теплопроводность меди и большое сечение проводов, определяемое значительными токами, потребляемыми термоэлектрическими модулями, приводит к увеличению тепловой нагрузки на них на несколько десятков ватт, что увеличивает время замораживания пакетов с плазмой.
Техническим результатом изобретения является сокращение времени замораживания продуктов и растворов, в частности плазмы крови, помещенных в полимерные пакеты.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в быстрозамораживатель, преимущественно заполненных биологическими медицинскими субстанциями полимерных пакетов, содержащий холодильный агрегат с замкнутой гидравлической магистралью, заполненной охлажденной жидкостью, и подключенной к насосу через параллельно подключенные к этой магистрали теплообменники, контактирующие с одной поверхностью термоэлектрических модулей, вторая поверхность которых контактирует с теплопроводящими пластинами, контактирующими, в свою очередь, с размещенным между ними охлаждаемым пакетом, при этом термоэлектрические модули снабжены собственным блоком питания, а на теплопроводящих пластинах установлены датчики температуры, подключенные к системе управления и контроля, которая связана с коммутатором полярности тока, соединенным с блоком питания термоэлектрических модулей, при этом блок питания, система управления и контроля изолированы от теплопроводящих пластин с размещаемыми между ними охлаждаемыми пакетами теплоизолирующей стенкой, через которую проходят кабели питания термоэлектрических модулей и контроля, в отличие от известного в него введен тепловой затвор, примыкающий к теплоизолирующей стенке и выполненный в виде радиатора из материала с высокой теплопроводностью, в пазах которого проходят все кабели, на одной стороне которого установлены теплообменники, а вторая сторона контактирует с холодным спаем термоэлектрических модулей, при этом тепловой затвор подключен к автономному источнику питания.
Задача быстрого замораживания решается тем, что все кабели питания термоэлектрических модулей, системы управления и контроля охлаждаются в тепловом затворе, уменьшая тепловую нагрузку на термоэлектрические модули, замораживающие полимерные пакеты.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлен быстрозамораживатель, обеспечивающий охлаждение одного пакета. Охлаждение любого необходимого количества пакетов осуществляется стыковкой предлагаемого устройства к замкнутой гидравлической магистрали любым способом, любыми разъемами дополнительного количества гидравлических трактов теплообменников, обеспечивающих охлаждение горячих спаев термоэлектрических модулей, между которыми через теплопроводящие пластины охлаждают необходимое количество полимерных пакетов. Это позволяет размещать либо все полимерные пакеты для быстрого замораживания в отдельном корпусе морозильника, либо по частям в отдельных термостатах, через которые прокачивается по трактам охлажденный теплоноситель и объединенных замкнутой гидравлической магистралью с небольшим количеством полимерных пакетов, например, по пять, шесть штук.
Предложенный быстрозамораживатель содержит: холодильную машину 1, с замкнутой гидравлической магистралью 2, заполненной охлаждающей жидкостью, которая прокачивается насосом 3 через теплообменники 4, которые контактируют с одной из сторон термоэлектрических модулей 5. Другая сторона термоэлектрических модулей 5 контактирует с теплопроводящими пластинами 6, между которыми размещен контактирующий с ними охлаждаемый полимерный пакет 7, заполненный, например, плазмой крови. Термоэлектрические модули 5 снабжены собственным блоком питания 8, а на теплопроводящих пластинах 6 установлены датчики температуры 9, которые подключены к системе управления и контроля 10, связанной с коммутатором полярности тока 11, соединенным с блоком питания 8 термоэлектрических модулей 5. Блок питания 8, система управления и контроля 10 изолированы от теплопроводящих пластин 6 с размещаемыми между ними охлаждаемыми пакетами 7 теплоизолирующей стенкой 12, к которой примыкает тепловой затвор 13, питаемый от автономного источника 14, через который проходят кабели питания термоэлектрических модулей и контроля, выполненный в виде радиатора из материала с высокой теплопроводностью, например, алюминия марки АМЦ, в пазах которого проходят все кабели, на одной стороне которого установлены теплообменники, через которые тепло отводится в холодильную машину, а вторая сторона контактирует с холодным спаем термоэлектрических модулей, при этом тепловой затвор подключен к автономному источнику питания.
Предложенное устройство работает следующим образом. Запускают в работу холодильный агрегат 1. Включают насос 3, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя в замкнутом гидравлическом контуре 2, и охлажденного в холодильном агрегате 1 до необходимой минусовой температуры, например, до минус 5°С. Подключают к сети электропитания блок питания термоэлектрических модулей 8, благодаря чему электроэнергия через коммутатор полярности тока 11 поступает в термоэлектрические модули 5, устройство измерения и контроля температуры 10, автономный источник питания термоэлектрических модулей теплового затвора 14. Поверхности термоэлектрических модулей 5, контактирующие с теплообменниками 4, начинают выделять тепло, которое сбрасывается через теплообменники 4 в теплоноситель замкнутой гидравлической магистрали 2 и поступает в холодильный агрегат 1. Поверхности термоэлектрических модулей 5, контактирующие с теплопроводящими пластинами 6, начинают охлаждать верхнюю и нижнюю поверхности полимерного пакета 7, что приводит к ускоренному охлаждению. Охлажденный теплоноситель проходит по теплообменникам 4 и отводит тепло от горячих поверхностей термоэлектрических модулей 5, поддерживая температуру этих поверхностей стабильной и более низкой, чем температура окружающей среды. При прохождении тока от блока питания 8 через термоэлектрические модули 5 с охлаждаемыми тепловыделяющими поверхностями, температура их противоположной поверхности понижается до необходимого, наперед заданного для каждого этапа, значения. Так как охлаждение пакета 7 происходит по двум поверхностям равномерно, замораживание до заданной температуры происходит за время, не превышающее 30 мин. По датчикам температуры 9 устройство измерения и контроля температуры 10 выдает сигнал о конце процесса замораживания, по которому происходит отключение термоэлектрических модулей 5 от блока питания 8. Скорость охлаждения полимерного пакета 7 зависит от теплоизолирующих стенок 12 морозильника или термостата и количества тепла, поступающего по кабелям. При прохождении через тепловой затвор кабели охлаждаются, уменьшая тепловую нагрузку на термоэлектрические модули 5, сокращая время достижения заданной температуры в полимерном пакете 7.
Для реализации предлагаемого технического решения могут быть использованы: в качестве термоэлектрических модулей 5 и охлаждающих устройств в тепловом затворе 13 - термоэлектрические модули РМ-127-14-11-72-L фирмы ООО «Кристалл», в качестве установленных на теплопроводящих пластинах 6 датчиков температуры 9 - датчики измерения температуры DS18B20, которые подключены к системе управления и контроля 10, например, к контроллеру PIC 12C508A или PIC 12CE674 фирмы Microchip или к микроконтроллеру AT91SAM7S фирмы Atmel.
Расчеты показывают, что компенсация в тепловом затворе теплопритоков по кабелям для быстрозамораживателя на шесть пакетов с плазмой позволяет сократить время замораживания содержимого пакета емкостью 0,3 литра на 120 секунд при неизменных термоэлектрических модулях и сохранении алгоритма замораживания.
Предлагаемый быстрозамораживатель, преимущественно полимерных пакетов, заполненных биологическими медицинскими субстанциями, например плазмой крови, сокращает время замораживания по сравнению с аналогичными устройствами, отличается простотой эксплуатации и большой надежностью в работе.