УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ БИООБЪЕКТОВ Российский патент 1995 года по МПК F25D3/10 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к устройствам для программируемого замораживания и размораживания образцов биологического материала, и может быть использовано преимущественно при криоконсервации спермы, яйцеклеток и ранних эмбрионов животных.

Известно устройство для программируемого замораживания биообъектов, содержащее теплоизолированную камеру для промежуточного теплоносителя и контейнеров с биообъектами, размещенный в ней теплообменник для хладагента, сообщенный с сосудом Дьюара, и блок регулирования температуры в камере, содержащий сосудом датчик температуры, задатчик программы и клапанную систему подачи хладагента [1]
Однако для данного устройства характерны недостаточная в ряде случаев скорость замораживания ≅ 2^оС/мин, невысокие надежность и точность реализации программ замораживания, а также необходимость использования сжиженного газа хладагента, например жидкого азота. Недостаточная скорость замораживания обусловлена значительным тепловым сопротивлением камеры с жидким промежуточным теплоносителем, которое обеспечивает теплообмен между хладагентом и контейнерами. Жидкий промежуточный теплоноситель в данном устройстве необходим для сглаживания скачков температуры в теплообменнике при подаче и прекращении подачи в него хладагента.

Невысокая надежность устройства обусловлена двумя причинами: необходимостью герметичности всех каналов, разъемных соединений и клапанов, предназначенных для подачи хладагента в камеру, и работой этих узлов в условиях перепадов температур от комнатных до температур сжиженных газов.

Невысокая точность реализации программ обусловлена релейным типом регулирования подачи хладагента в камеру, что приводит к температурным градиентам внутри камеры за счет скачков температуры в теплообменнике и низкой теплопроводности промежуточного теплоносителя.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для программного замораживания биобъектов, содержащее камеру с крышкой, выполненную в виде металлического блока с отверстиями для образцов, средство охлаждения и нагрева камеры и орган задания температуры в камере [2]
Недостатками данного устройства являются недостаточная скорость замораживания (≅ 1^оС/мин в температурном диапазоне 0 минус 80^оС) и необходимость использования сжиженного газа-хладагента, например жидкого азота.

Ограничение скорости замораживания в прототипе обусловлено сравнительно большим тепловым сопротивлением между камерой и хладагентом, что является следствием двух причин: а) сравнительно большой длиной теплопровода, погружаемого в сосуд Дьюара; б) газовой подушкой, образующейся в месте контакта теплопровода с жидким хладагентом.

Целью изобретения является расширение диапазона скоростей замораживания.

Предлагаемое устройство позволяет расширить диапазон скоростей замораживания по сравнению с прототипом (в случае использования в качестве элемента нагрева-охлаждения термоэлемента и в качестве хладонакопителя-дюралевого неполого цилиндра, диаметром и высотой 100 мм, предварительно охлажденного до температуры минус 50^оС с помощью термоэлектрического охладителя или жидкого азота) от 0 минус 1^оС до 0 минус 10^оС.

Преимущества предлагаемого устройства обусловлены тем, что теплообмен осуществляется не между жидким хладагентом и камерой по пути большого теплового сопротивления, а между хладонакопителем и камерой. Запасенная в хладонакопителе минусовая энергия способна поглотить все тепло, накопленное в камере и тепло, выделяющееся при работе элемента нагрева-охлаждения в режиме охлаждения. При этом теплообмен обеспечивается через элемент нагрева-охлаждения по кратчайшему пути и с малым тепловым сопротивлением. Энергия накопителя необходима в процессе замораживания, после замораживания объектов затраты минусовой энергии идут только на компенсацию влияния внешней среды, которая обеспечивается путем охлаждения накопителя с помощью охладителя. Высокая теплопроводность, теплоемкость и компактность объема хладонакопителя обеспечивают высокие скорости теплообмена. Характерными чертами хладонакопителя являются компактность (примерно одинаковые размеры по длине, ширине и высоте) и большая теплоемкость, значительно (в 2-100 раз) превышающая теплоемкость камеры с образцами.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2, 3 варианты конструкций охладителей.

Устройство содержит камеру 1 в форме металлического блока с отверстиями для образцов 2, крышкой 3 и теплоизолирующей оболочкой 4; орган 5 задания температуры, связанный датчиком температуры 6 и термоэлементом нагрева-охлаждения 7 с камерой 1; хладонакопитель 8 с высокой теплоемкостью и теплопроводностью и охладитель 9; при этом термоэлемент нагрева-охлаждения 7 теплофизически соединен первой рабочей стороной 10 с камерой 1, а второй 11 с хладонакопителем 8, а входом соединен с органом 5 задания температуры; охладитель 9 соединен теплофизически с хладонакопителем 8.

Охладитель содержит емкость 12 для жидкого хладагента, а хладонакопитель 8 имеет хвостовик 13 из теплопроводного материала, свободный конец которого расположен ниже предполагаемого уровня хладагента.

С целью обеспечения работоспособности устройства без сжиженного газа-хладагента в качестве охладителя 9 применен термоэлектрический охладитель 14 с источником электрического тока 15 и радиатором 16; при этом термоэлектрический элемент 17 второй рабочей поверхностью 18 теплофизически соединен с радиатором 16, а первой рабочей поверхностью 19 с хладонакопителем 8.

Устройство работает следующим образом.

Без образцов в камере 1 включают источник электрического тока 15 или погружают хвостовик 13 в хладагент. С помощью датчика температуры 6 орган 5 задания температуры контролирует установление в камере 1 нижней границы температурного диапазона минус 40 -минус 80^оС. После этого орган 5 задания температуры 5, управляя термоэлементом нагрева-охлаждения 7, устанавливает в камере 1 начальную температуру программы замораживания, например +4^оС. Затем открывают крышку 3 камеры 1 и помещают в отверстия 2 микроконтейнеры с образцами. Закрывают крышку 3 и выдерживают некоторое время (1-4 ч) в режиме эквилибрации при 4^оС. Далее в соответствии с заданной программой орган 5 задания температуры, управляя термоэлементом нагрева-охлаждения 7, охлаждает камеру 1 с биообъектами до температур минус 40- минус 80^оС. После этого замороженные образцы в микроконтейнерах перемещают в сосуд Дьюара со сжиженным газом. При необходимости замороженные образцы в микроконтейнерах помещают снова в камеру 1, находящуюся при температуре минус 40- минус 80^оС, и размораживают по программе, хранящейся в памяти компьютера органа 5 задания температуры.

В варианте устройства с термоэлектрическим охладителем 14 через радиатор 16 непрерывно пропускают охлаждающую жидкость, например холодную водопроводную воду. Термоэлектрический элемент 17 переносит тепловую энергию хладонакопителя 8 через поверхность 19 термоэлектрического элемента 17 на рабочую поверхность 18. Эта дополнительная тепловая энергия поглощается потоком охлаждающей жидкости радиатора 16. Термоэлектрический элемент 17 охлаждает хладонакопитель 8. Например, в случае прохождения через радиатор 16 водопроводной воды с температурой +9^оС с помощью охладителя 14 получают температуру хладонакопителя минус 8- минус 50^оС, что достаточно для работы устройства.

Скорость замораживания образцов в камере 1 определяется теплоемкостью и температурой хладонакопителя 8 и не зависит от скорости охлаждения хладонакопителя 8, что достигается предлагаемым устройством и позволяет расширить диапазон скоростей замораживания.

Использование предлагаемого изобретения в сравнении с известными устройствами обеспечивает примерно в 10 раз расширение диапазона скорости малогабаритных экономических замораживателей за счет механизма быстрой передачи тепла биообъектов и камеры в хладонакопитель; механизм теплообмена за счет большого температурного градиента между камерой с образцами и сжиженным газом, характерный для аналогов и прототипа, заменен в предлагаемом устройстве механизмом теплообмена через малое тепловое сопротивление источника отрицательной температуры хладонакопителя.

Более того, используя запасенную отрицательную энергию хладонакопителя, термоэлемент нагрева-охлаждения способен создавать эффект отрицательного теплового сопротивления между камерой и хладонакопителем. Также отсутствие необходимости большого температурного градиента обеспечивает возможность работы устройства без сжиженного газа.

Использование: в криогенной технике при программируемом замораживании образцов биологических материалов. Сущность: устройство для замораживания биообъектов содержит камеру в форме металлического блока с отверстиями для образцов, орган задания температуры и средство охлаждения и нагрева, включающее последовательно расположенные с обеспечением теплового контакта между ними термоэлемент, одна рабочая поверхность которого прилегает к камере, хладонакопитель с высокой теплоемкостью и теплопроводностью и охладитель. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ БИООБЪЕКТОВ, содержащее камеру с крышкой, выполненную в виде металлического блока с отверстиями для образцов, средство охлаждения и нагрева камеры, орган задания температуры в камере, отличающееся тем, что средство охлаждения и нагрева содержит последовательно расположенные с обеспечением теплового контакта между ними термоэлемент, одна рабочая поверхность которого прилегает к камере, хладонакопитель с высокой теплоемкостью и теплопроводностью и охладитель. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что охладитель содержит емкость для жидкого хладагента, а хладонакопитель имеет хвостовик, свободный конец которого расположен ниже предполагаемого уровня хладагента в емкости. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что охладитель содержит связанный с источником электрического тока термоэлемент и радиатор, при этом термоэлемент установлен с обеспечением контакта его рабочих поверхностей с радиатором и хладонакопителем.