НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕРМОСТАТ

Полезная модель относится к области холодильной техники, в частности, к аппаратам, предназначенным для обеспечения непрерывности поддержания заданного режима термостатирования, например, при длительном хранении медико-биологических материалов в условиях возможных перебоев в энергопитании.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному устройству относится термостат, содержащий корпус, теплоизолированную рабочую камеру, в объеме которой установлены блок охлаждения в виде испарителя холодильного компрессионного агрегата, вентилятор, создающий теплопроводный контур в виде циркулирующего потока воздуха, посредством которого производится тепловое подключение испарителя к объему рабочей камеры. То есть, в известном устройстве поток воздуха, проходя через испаритель, охлаждается и далее, поступая в рабочий объем, обуславливает охлаждение, как стенок самой рабочей камеры, так и всех находящихся в ней объектов (см. патент Российской Федерации №2076350 С1, кл. G 05 D 23/30, опубл. 27.03.1997).
Недостаток известного устройства, принятого за прототип, состоит в невозможности гарантированного обеспечения в рабочей камере заданных температурных режимов при длительном хранении термочувствительных материалов, например, медико-биологического происхождения.
Этот недостаток обусловлен тем, что при длительных отключениях энергопитания, например, при авариях энергосетей, или, например, при регламентных отключениях холодильного агрегата, вызванных необходимостью оттайки испарителя, происходит быстрый нагрев испарителя, размещенного непосредственно в рабочем объеме, за счет натекания тепла по высокотеплопроводным элементам холодильного агрегата.
Повышение температуры испарителя, размещенного непосредственно в объеме рабочей камеры, может привести, в свою очередь, к повышению температуры всех находящихся в ней объектов за допустимый температурный уровень, предусмотренный определенными нормативными документами как предельно высокая температура хранения термочувствительных объектов.
Задачей полезной модели является обеспечение гарантированного поддержания заданного температурного режима в рабочей камере при длительных отключениях либо энергопитания аппарата, в целом, либо только холодильного агрегата.
Указанный технический результат достигается тем, что низкотемпературный термостат содержит корпус с рабочей камерой и теплоизолирующим ограждением, блок охлаждения, теплопроводный контур с циркулирующим хладоносителем и тепловой затвор, при этом блок охлаждения размещен вне рабочей камеры за пределами теплоизолирующего ограждения, теплопроводный контур выполнен в виде каналов, проходящих через теплоизолирующее ограждение, и расположен между рабочей камерой и блоком охлаждения, а тепловой затвор встроен в теплопроводный контур с возможностью обеспечения открытого состояния контура при работе блока охлаждения и закрытого состояния контура при отключении блока охлаждения от энергопитания. В качестве хладоносителя может быть применено вещество, находящееся в газообразном, парообразном или жидком фазовом состоянии. Блок охлаждения может быть выполнен в виде испарителя холодильного агрегата. В состав теплопроводного контура введены нагнетатели, выполненные в виде, по меньшей мере, одного вентилятора или, по меньшей мере, одного насоса, с возможностью обеспечения движения потока хладоносителя от блока охлаждения к рабочей камере при температуре ниже температуры статирования и с возможностью обеспечения обратного движения потока хладоносителя от рабочей камеры к блоку охлаждения.
Тепловой затвор может быть выполнен в виде поворотных заслонок, встроенных в каналы теплопроводного контура с возможностью их герметичного перекрытия.
Теплопроводный контур может быть выполнен в виде газорегулируемой тепловой трубы, содержащей герметичный корпус, заполненный рабочим телом, зону конденсации и зону испарения, тепловой затвор выполнен в виде баллона с инертным газом, соединенного посредством патрубка с полостью трубы, причем зона испарения подключена к рабочей камере, а зона конденсации и баллон с газом подключены к блоку охлаждения, при этом в качестве хладоносителя выбрано вещество, находящееся в парообразном состоянии.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом.
На фиг.1 представлена обобщенная тепловая схема предложенного низкотемпературного термостата в состоянии, когда блок охлаждения работает, тепловой затвор открыт, а по теплопроводному контуру производится отвод тепла из рабочей камеры к блоку охлаждения; на фиг.2 представлена обобщенная тепловая схема термостата, находящегося в нефункционирующем состоянии; на фиг.3 представлен термостат в функционирующем состоянии, в котором в качестве хладоносителя в теплопроводном контуре применено вещество, находящееся в газообразном состоянии, в качестве нагнетателей применены вентиляторы, а заслонки воздушного потока, выполняющие функции теплового затвора, находятся в положении, обеспечивающем его открытое состояние; на фиг.4 представлен этот же термостат, находящийся в состоянии отключения от энергопитания, при этом заслонки теплового затвора находятся в положении, обеспечивающем закрытое состояние теплопроводного контура; на фиг.5 представлен термостат, в котором в качестве хладоносителя применено вещество, находящееся в жидком фазовом состоянии, а в качестве нагнетателя применен насос; на фиг.6 представлен термостат, в котором в качестве
хладоносителя применено вещество, находящееся в парообразном состоянии, а теплопроводный контур выполнен в виде газорегулируемой тепловой трубы.
Предложенный термостат содержит (фиг.1 - фиг.6) корпус 1, рабочую камеру 2, отделенную от корпуса 1 теплоизолирующим ограждением 3, блок охлаждения 4, размещенный вне рабочей камеры 2, теплопроводный контур 5, конструктивное исполнение которого определяется физическими свойствами используемого хладоносителя 6, представляющего собой:
- замкнутый поток циркуляции газообразного хладоносителя 6, создаваемого нагнетателями 7 в виде вентиляторов;
- замкнутый поток циркуляции жидкого хладоносителя 6 (фиг.5), создаваемого нагнетателем 7 в виде насоса;
- замкнутый поток циркуляции хладоносителя 6, находящегося в парообразном состоянии, циркулирующего внутри герметичного корпуса 8 тепловой трубы, зона конденсации которой соединена патрубком с резервуаром 9, содержащим инертный газ 10.
В конкретном примере конструктивного исполнения термостата в качестве блока охлаждения 4 применен испаритель компрессионного холодильного агрегата, в свою очередь, включающего в себя компрессор 11, конденсатор 12, дроссельный элемент 13. В общем случае, в качестве блока охлаждения может быть применен не только испаритель компрессионного холодильного агрегата, но и испаритель сорбционного холодильника (на черт. не показан), теплоотводящая поверхность 14 полупроводникового термомодуля 15, реализующего эффект Пельтье и др.
В слое теплоизолирующего ограждения 3, размещенном между рабочей камерой 2 и блоком охлаждения 4, выполнены каналы, в которые встроены элементы теплопроводного контура 5, например:
- канал 16 для нагнетания газообразного (или жидкого) хладоносителя 6, прошедшего через блок охлаждения 4 в рекуперативный теплообменник 17, размещенный в рабочей камере 2;
- канал 18 для откачки газообразного или жидкого хладоносителя 6 из рабочей камеры 2 и подачи в блок охлаждения 4;
- канал 19 для размещения корпуса 8 тепловой трубы, которая зоной конденсации 20 подключена к блоку охлаждения 4, а зоной испарения 21 подключена к рекуперативному теплообменнику 17, выполненному в виде радиатора, размещенного в рабочей камере 2.
При этом в термостате может применяться любой тип тепловой трубы, например, гравитационная тепловая труба (когда зона конденсации 20 находится выше зоны испарения 21) или тепловая труба с капиллярной структурой (на черт. не показана), служащей для подачи сконденсированного хладоносителя 6 из зоны конденсации 20 в зону испарения 21.
В теплопроводный контур 5 встроен тепловой затвор, который, в зависимости от конструктивного исполнения термостата и фазового состояния применяемого хладоносителя 6 может быть выполнен в виде:
- заслонок 22, встроенных в каналы 16 и 18 циркуляции газообразного хладоносителя 6;
- клапанов 23, встроенных в тракты 24, по которым циркулирует жидкий хладоноситель 6;
- инертного газа 10 в резервуаре 9, который вместе с зоной конденсации 20 тепловой трубы подключен к блоку охлаждения 4.
Механизмы управления (на чертеже не показаны) заслонками 22 или клапанами 23 обеспечивают открытое состояние каналов 16 и 18 для прохода потоков газообразного хладоносителя 6 или открытого состояния трактов 24 для протекания жидкого хладоносителя 6 при работе термостата и закрытое состояние этих каналов и трактов при отключении блока охлаждения 4 от энергопитания.
В состав термостата входит также блок регулирования температуры 25 в рабочей камере 2, посредством которого обеспечивается регулирование холодильной мощности, подводимой к рабочей камере 2 от блока охлаждения
4, и поддержание температуры в ней на заданном уровне с требуемой точностью.
Предложенный термостат работает следующим образом.
При подключении термостата к энергопитанию температура блока охлаждения 4 начинает снижаться. В конкретном примере конструктивного исполнения термостата, когда блок охлаждения выполнен в виде испарителя, компрессор 11 отсасывает из испарителя пары хладагента, сжимает их и подает при высоком давлении и высокой температуре в конденсатор 12, где от хладагента отводится тепло во внешнюю среду, и он переходит из парообразного состояния в жидкое. Далее, проходя через дроссельный элемент 13, жидкий хладоэлемент дросселируется и поступает в испаритель (блок охлаждения 4), где кипит при пониженном давлении и при низкой температуре, отводя тепло от трубок испарителя и обусловливая понижение их температуры.
По теплопроводному контуру 5 из рабочей камеры 2 начинает отводиться тепло, что обусловливает понижение температуры как ее корпуса, так и всех размещенных в ней объектов.
В зависимости от конструктивного исполнения термостата и выбора типа хладоносителя 6 работа теплопроводного контура 5 осуществляется следующим образом.
При использовании хладоносителя 6, находящегося в жидком или газообразном состоянии, поток его, проходя через блок охлаждения, например, омывая трубки испарителя в регенеративном теплообменнике (на черт. не показан), охлаждается и нагнетателем 7 в виде насоса (когда хладоноситель 6 находится в жидком состоянии) или в виде вентилятора (когда хладоноситель 6 находится в газообразном состоянии) подается через каналы 16, выполненные в слое теплоизолирующего ограждения 3, в рабочую камеру 2.
При этом охлажденный газообразный хладоноситель, например, поток воздуха, может непосредственно поступать в объем рабочей камеры и напрямую взаимодействовать со всеми находящимися в ней объектами, а
охлаждение камеры 2 потоком жидкого хладоносителя осуществляется через посредство регенеративного теплообменника 17.
ст
вн
Далее поток газообразного или жидкого хладоносителя 6 либо обеспечивший снижение температуры рабочей камеры 2 при выходе термостата на заданный режим термостатирования при t<t, либо обеспечивший компенсацию теплонатеканий извне, нагревается и с более высокой температурой проходит через каналы 18 и вновь подается в регенеративный теплообменник (на черт. не показан), находящийся в тепловом взаимодействии с блоком охлаждения 4, где вновь охлаждается.
В дальнейшем описанный выше процесс цикличного охлаждения и нагрева потока жидкого или газообразного хладоносителя 6 периодически повторяется.
В теплопроводном контуре 5, выполненном на основе тепловой трубы, циркулирует парообразный хладоноситель, который в зоне конденсации 20 трубы, подключенной к блоку охлаждения 4, переходит в жидкое состояние, при этом выделяемая теплота конденсации отводится на холодопроизводительность используемого блока охлаждения 4, например, на испаритель компрессионного холодильного агрегата, на теплоотводящую поверхность 14 полупроводникового термомодуля 15, реализующего эффект Пельтье и др.
Хладоноситель в тепловой трубе, перешедший в жидкое состояние, переносится в зону испарения 21 тепловой трубы, подключенной к размещенному в рабочей камере 4 радиатору, выполняющему функцию регенеративного теплообменника 17, либо посредством капиллярной структуры, сформированной внутри тепловой трубы (на черт. не показана), либо посредством сил гравитации (в этом случае зона испарения 21 находится ниже зоны конденсации 20).
Давление паров хладоносителя в зоне испарения 21 тепловой трубы, выше чем давление хладоносителя в зоне конденсации 20; под действием перепада давления пары хладоносителя 6 диффундируют из зоны испарения 21 в зону конденсации 20, где хладоноситель 6 вновь переходит в жидкое состояние. В
дальнейшем описанные выше процессы перехода хладоносителя 6 из жидкого состояния в парообразное периодически повторяются, обеспечивая, в итоге, перенос тепловой мощности из рабочей камеры 2 в зону конденсации 20 и далее к блоку охлаждения 4.
В предложенном термостате обеспечивается только односторонняя проводимость теплопроводного контура 5, а именно, обеспечивается только передача тепла из зоны рабочей камеры 2 к блоку охлаждения 4. Такое направление теплового потока реализуется при работе блока охлаждения 4, т.е. когда температура блока охлаждения 4 ниже температуры рабочей камеры 2.
При отключениях блока охлаждения 4 от энергопитания температура последнего начинает быстро повышаться. В варианте, когда блок охлаждения 4 выполнен в виде испарителя, при отключении компрессионного агрегата возникает тепловой поток по медным трубкам, соединяющим испаритель с компрессором 11 и конденсатором 12, имеющими температуру, существенно превышающую как внешнюю температуру, так и заданную температуру. В свою очередь, это обусловливает быстрый нагрев испарителя до температур, превышающих заданную температуру статирования.
Аналогичная картина наблюдается также и при использовании других систем охлаждения. Так, например, при использовании полупроводниковых термомодулей 15, реализующих эффект Пельтье, каждая полупроводниковая ветвь, выполняющая при работе модуля функцию миниатюрного теплового насоса, отводя тепловую мощность от холодных спаев к горячим, при отключении термомодуля 15 от энергопитания превращается в тепловой мост, по которому идет обратный тепловой поток от нагретой рабочей поверхности к холодной.
Функционирование теплового затвора, встроенного в теплопроводный контур, зависит от вида используемого хладоносителя и осуществляется следующим образом.
При использовании в теплопроводном контуре 5 хладоносителя 6, находящемся в газообразном состоянии, в качестве теплового затвора
используются заслонки 22. При этом ручная или автоматическая система управления заслонками (на черт. не показана) обеспечивает при работе термостата такое их пространственное положение, при котором каналы 15 и 18 оказываются открытыми для прохода воздуха, т.е. обеспечивает открытое состояние теплопроводного контура 5 с газообразным хладоносителем 6. При отключении термостата от энергопитания заслонки 22 перекрывают каналы 16 и 18. Т.е. тепловой затвор, выполненный на их основе, перекрывает теплопроводный контур 5 и тем самым препятствует поступлению обратного теплового потока от нагревающегося блока охлаждения 4 и в рабочую камеру 2.
При использовании в теплопроводном контуре 5 хладоносителя 6, находящемся в жидком состоянии, в качестве теплового затвора используются клапаны 23. При этом ручная или автоматическая система управления клапанами (на черт. не показана) обеспечивает при работе термостата такое их состояние, при котором каналы 16 и 18 оказываются открытыми для протекания жидкости, т.е. обеспечивает открытое состояние теплопроводного контура 5 с жидким хладоносителем 6. При отключении термостата от энергопитания клапаны 23 перекрывают каналы 16 и 18. Т.е. тепловой затвор, выполненный на их основе, перекрывает теплопроводный контур 5 и тем самым препятствует поступлению обратного теплового потока от нагревающегося блока охлаждения 4 и в рабочую камеру 2.
В термостате, в котором в качестве теплопроводного контура 5 применяется тепловая труба с парообразным хладоносителем 6, при подключении к энергопитанию блок охлаждения 4 охлаждает как зону конденсации 20 тепловой трубы, так и подключенный к нему резервуар 9 с инертным газом 10. При работе газ 10 сжимается и полностью уходит из объема тепловой трубы, открывая тракт для прохода хладоносителя 6, находящегося в парообразной фазе, от зоны испарения 21, подключенной к рабочей камере 2, к блоку охлаждения 4. Т.е. при подключении термостата к энергопитанию
теплопроводный контур 5 между блоком охлаждения 4 и рабочей камерой 2 оказывается открытым.
При отключении термостата от энергопитания температура блока охлаждения 4 по причинам, изложенным выше, начинает повышаться; также начинает расти и температура резервуара 9, подключенного к блоку охлаждения 4. Инертный газ 10, находящийся в резервуаре 9, расширяется и по трубопроводу поступает в полость тепловой трубы, перекрывая тракт, по которому проходит парообразная фракция хладоносителя 6.
ст
Т.е. при отключении предложенного термостата от энергопитания тепловой затвор перекрывает тепловой тракт между блоком охлаждения 4, нагревающемся до температуры, превышающем заданную температуру статирования Т, и рабочей камерой 2.
Таким образом, предложенный термостат, как теплотехнический аппарат, при отключении от энергопитания переходит в новое качество, превращаясь в термоконтейнер, теплоизолирующее ограждение 4 которого не содержит каких-либо значительных тепловых мостов в виде металлических высокотеплопроводный элементов, трубок, стержней и т.д., что исключает появление значительных тепловых натеканий извне в рабочую камеру 3. Благодаря этому появляется возможность длительного поддержания в рабочем объеме режима термостатирования, достигнутого на этапе активной работы аппарата, в условиях отсутствия энергопитания. В свою очередь, это создает предпосылки обеспечения гарантии сохранности критериальных показателей медико-биологических материалов, для хранения которых применяется предложенный аппарат, при имеющейся вероятности нестабильности энергопитания.
Применение предложенных аппаратов, например, в передвижных пунктах для перевозки предварительно охлажденных или замороженных медико-биологических материалов, в частности, компонентов донорской крови, позволяет избежать необходимости подключения аппарата в процессе движения к бортовой сети транспортного средства.