БЫСТРОЗАМОРАЖИВАТЕЛЬ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ЗАПОЛНЕННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИМИ МЕДИЦИНСКИМИ СУБСТАНЦИЯМИ ПОЛИМЕРНЫХ ПАКЕТОВ
QUICK FREEZER, MOSTLY FOR POLYMER BAGS 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 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, МПК: F25D 11/00, 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.
В связи с отсутствием регулировки источника питания термоэлектрический модуль работает в постоянном режиме независимо от этапа заморозки.
Недостатком быстрозамораживателя является отсутствие перемешивания при охлаждении содержимого пакета до температуры замерзания, в результате чего происходит образование корки льда у поверхностей, контактирующих с теплопроводящими поверхностями, что приводит к резкому уменьшению скорости охлаждения жидкости, заключенной между образовавшимися пластинами льда, так как теплопроводность льда значительно меньше теплопроводности жидкости. В процессе замораживания увеличение толщины льда приводит к увеличению времени охлаждения всего объема жидкого содержимого до температуры замерзания.
В связи с отсутствием регулировки источника питания термоэлектрических модулей термоэлектрический модуль работает в одном постоянном режиме независимо от процесса, проходящего в охлаждаемом пакете: охлаждение жидкости до температуры замерзания, превращение жидкости в лед, глубокое охлаждение льда до требуемой температуры.
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 заполненный 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 введены для каждого пакета устройства перемешивания содержимого полимерного пакета до момента замерзания биологической медицинской субстанции, а источники питания термоэлектрических модулей соединены с устройством управления режимами источника питания, связанным с введенным в каждый термоэлектрический модуль устройством определения разности температур горячего и холодного спаев, которое связано с автономным блоком питания.
Устройство определения разности температур горячего и холодного спаев предлагается выполнить в виде цепи из не менее двух последовательно соединенных полупроводниковых элементов, р- и n-типа, а контакты этой цепи, соединенной с автономным блоком питания, выведены на одну из сторон основания термоэлектрического модуля.
Задача быстрого замораживания решается тем, что для каждого пакета введены устройства перемешивания содержимого полимерного пакета до момента замерзания (превращения в лед) биологической медицинской субстанции, а источники питания термоэлектрических модулей соединены с устройством управления режимами источника питания, которое связано с введенным в каждый термоэлектрический модуль устройством определения разности температур горячего и холодного спаев, связанным с автономным блоком питания. Сокращение времени замораживания содержимого пакета на каждом из перечисленных этапов охлаждения подразумевает работу термоэлектрических модулей при конкретных значениях токов и напряжений для обеспечения требуемых разностей температур горячего и холодного спаев в зависимости от этапа охлаждения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где 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.
Схема предлагаемого быстрозамораживателя представлена на чертеже и 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, через которую проходят кабели питания термоэлектрических модулей и контроля, а каждый пакет 7 связан с устройством перемешивания 13 содержимого пакета 7 до момента замерзания биологической медицинской субстанции. Источник питания 8 термоэлектрических модулей 5 соединен с устройством 14 управления режимами источника питания 8, которое связано с устройством определения разности температур 15 горячего и холодного спаев, введенных в каждый термоэлектрический модуль 5 и связанных с автономным блоком питания 16.
Предложенное устройство работает следующим образом. Запускают в работу холодильный агрегат 1. Включают насос 3, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя в замкнутом гидравлическом контуре 2, 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, устройство перемешивания 13 содержимого полимерного пакета 7. 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. Быстрозамораживатель переходит в режим хранения полимерного пакета 7 при заданной температуре. Режим хранения, зависящий от теплоизолирующих стенок 12 морозильника или термостата, представляет собой процесс периодического включения (подачи питания) термоэлектрических модулей 5 по сигналам, поступающим из устройства измерения и контроля температуры 10 при снижении минусовой температуры, например, на один градус. Разность температур холодной и горячей поверхностей термоэлектрического модуля 5 измеряется устройством управления режимами 14 блока питания по сигналам устройства 15 определения разности температур горячего и холодного спаев. Установка типовых датчиков температуры в термоэлектрические модули требует особой технологии и оснастки, которые не применялись при выпуске термоэлектрических модулей без датчиков температуры. При этом система управления и контроля должна будет обработать информацию от каждого датчика и вычислить разность температур.
Предлагается определять разность температур горячего и холодного спаев термоэлектрического модуля, установив на холодной и горячей поверхностях миниатюрные датчики температуры, например NTC-термисторы EPCOS для температурных измерений, длина и ширина которых не превышает 0,6 мм и 0,3 мм соответственно.
В термоэлектрический модуль между холодной и горячей поверхностями дополнительно устанавливают несколько последовательно соединенных полупроводниковых элементов р- и n-типа из материалов, используемых в модуле, но не включают их в цепь, ток в которой обеспечивает появление разности температур холодной и горячей поверхностей, а выводы от крайних дополнительно введенных элементов р- и n-типа размещают на одной из сторон термоэлектрического модуля, выполнив их по известной технологии. Напряжение между этими выводами пропорционально количеству последовательно соединенных полупроводниковых элементов р- и n-типа в данной цепи и разности температур холодной и горячей поверхностей термоэлектрического модуля.
Устройство управления режимами 14 блока питания меняет выходные параметры блока питания 8, который обеспечивает работу термоэлектрических модулей 5 в режимах максимальной холодопроизводительности при малых значениях разности температур холодной и горячей поверхности или в режиме максимальной разности температур холодной и горячей поверхностей, достигая требуемого значения температуры содержимого пакета 7 за минимальное время.
Для реализации предлагаемого технического решения могут быть использованы: в качестве термоэлектрических модулей 5 - термоэлектрические модули РМ-127-14-11-72-L фирмы ООО «Кристалл», в качестве установленных на теплопроводящих пластинах 6 датчиков температуры 9 - датчики измерения температуры DS 18B20, которые подключены к системе управления и контроля 10, например, к контроллеру PIC 12C508A или PIC 12CE674 фирмы Microchip или к микроконтроллеру AT91SAM7S фирмы Atmel. Устройство 14 управления режимами источника питания может выполнено, например, на микроконверторах ADu812 Microconverter фирмы ANALOG DEVICES.
Расчеты показывают, что управление режимами блока питания, обеспечивающего работу термоэлектрических модулей при оптимальных для каждого этапа охлаждения значениях разности температур холодного и горячего спаев, позволяет заморозить содержимое пакета емкостью 0,3 литра за время, не превышающее 13 минут.
Предлагаемый быстрозамораживатель преимущественно полимерных пакетов, заполненных биологическими медицинскими субстанциями, например плазмой крови, превосходят по скорости замораживания все аналогичные устройства, отличается простотой эксплуатации и большой надежностью в работе.