ТЕРМОСТАТИРУЕМЫЙ КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЕМКОСТЕЙ С ТЕРМОЛАБИЛЬНЫМ БИОПРОДУКТОМ Российский патент 1997 года по МПК F24H7/00 

Изобретение относится к области транспортных аппаратов, предназначенных для временного обеспечения в объеме рабочей камеры заданных режимов термостатирования за счет преобразования энергии теплового потока, проходящего теплоизоляцию камеры, в скрытую теплоту фазового перехода рабочего вещества.

Известен термостатируемый контейнер, содержащий теплоизолированную рабочую камеру, термоэлектрическую батарею, реализующую эффект Пельтье, блок терморегулирования, посредством которого обеспечивается поддержание заданной температуры в объеме рабочей камеры [1]
Недостаток известного устройства состоит в постоянной необходимости подключения к источнику постоянного тока, что не позволяет использовать его при ручных переносках термолабильного биопродукта. Кроме того, в условиях функционирования на транспортном аппарате и известных ограничениях по энергопотреблению, на термобатарею возлагается компенсация всех теплопритоков в объем рабочей камеры, что сопряжено с большими энергозатратам. Наконец, при отключении электропитания или выходе термобатареи из строя, что является весьма вероятным фактором, в известном устройстве отсутствуют какие-либо средства по поддержанию заданного температурного режима хранения термолабильного биопродукта и обеспечению его биологической полноценности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному устройству является термостатируемый контейнер, называемый "Ледник медицинский переносной", предназначенный для транспортирования и кратковременного хранения лекарственных средств, крови, кровезаменителей и биопрепаратов, содержащий теплоизолированную рабочую камеру с теплоэлементами с рабочим веществом в виде 5%-го раствора поваренной соли NaCl [2]
Недостаток известного устройства, принятого в качестве прототипа, состоит в высокой вероятности потери биологической полноценности биопродукта при транспортировке и временном хранении в условиях, когда внешняя температура (Т_вн) меняется в широких пределах, оказываясь временами то выше, то ниже температуры статирования (Т_ст).

Такие ситуации на практике реализуются весьма часто, например, при транспортировании биопродукта из лабораторных помещений, имеющих положительную температуру, в салонах автотранспортных средств, в которых в зависимости от времени года, вида средства и его технического состояния могут возникать как положительные, так и отрицательные температуры. Колебания внешней температуры при использовании авиатранспорта, особенно его багажных отсеков, могут достигать еще больших амплитуд.

Этот недостаток обусловлен тем, что теплоэлементы в рабочую камеру известного устройства предлагается закладывать только с замороженным рабочим веществом. В связи с этим при отрицательных значениях внешней температуры известное устройство оказывается неработоспособным, т.к. в этом случае в объеме рабочей камеры температура в процессе хранения будет стремиться к окружающей. То есть такие биопродукты, как свежеприготовленная донорская кровь, эритроциторная масса, инсулин и др. хранение которых должно производится в температурном диапазоне +2^oC+8^oC, не могут транспортироваться в известном термоконтейнере в широтах, в частности, в российских условиях, в которых среднегодичная вероятность реализации отрицательных внешних температур достаточно велика.

Кроме того, в известном устройстве весьма низка степень изотермичности по объему, что при невысоких значениях теплопроводности вещества биопродукта может привести к тому, что при хранении отдельные зоны биопродукта будут иметь температуры, выходящие за допускаемые пределы.

Таким образом, хранение биопродукта в известном устройстве не гарантирует сохранность его биологической полноценности.

Технический результат изобретения снижение потерь полноценности биопродукта путем поддержания заданных температурных режимов хранения как при положительных, так и при отрицательных значениях внешней температуры.

Указанный технический результат в термостатируемом контейнере для хранения емкостей с термолабильным биопродуктом, содержащем теплоизолированную рабочую камеру, N теплоэлементов с рабочим веществом, температура фазового перехода которого близка к температуре статирования, достигается тем, что на сторонах теплоэлементов, обращенных к емкостям, установлены теплоизолирующие прокладки, n₁ первых теплоэлементов размещены с рабочим веществом, находящимся в твердом состоянии, n₂ N n₁ вторых теплоэлементов размещены с рабочим веществом, находящимся в жидком состоянии, при этом первые и вторые теплоэлементы расположены преимущественно равномерно на каждой внутренней поверхности стенок, дна и крышки рабочей камеры.

Кроме того, возможны частые варианты исполнения, заключающиеся в том, что:
между стенкой рабочей камеры и первыми и вторыми теплоэлементами установлена первая тепловыравнивающая пластина;
контейнер содержит вторую тепловыравнивающую пластину, установленную между первыми и вторыми теплоэлементами и теплоизолирующей проставкой или между теплоизолирующей проставкой и емкостями;
в контейнер дополнительно введены датчик и задатчик температуры, нагреватель, блок регулирования и электрический аккумулятор, при этом нагреватель и датчик температуры установлены на теплоизолирующей проставке, входы нагревателя соединены с выходами блока регулирования, входами соединенного с полюсами электрического аккумулятора, а управляющими входами соединенного с датчиком и задатчиком температуры;
первые и вторые теплоэлементы, первая и вторая тепловыравнивающие пластины, теплоизолирующая проставка и нагреватель объединены в тепловые блоки соответственно для стенок, дна и крышки;
в каждом из тепловых блоков установлены в следующей последовательности от внутренней стенки рабочей камеры: первая тепловыравнивающая пластина, первые и вторые теплоэлементы, вторая тепловыравнивающая пластина, теплоизолирующая проставка и нагреватель или первая тепловыравнивающая пластина, первые и вторые теплоэлементы, теплоизолирующая проставка, вторая тепловыравнивающая пластина и нагреватель;
первые и вторые теплоэлементы и теплоизолирующая проставка объединены в тепловые блоки соответственно для стенок, дна и крышки;
первые и вторые теплоэлементы установлены в соотношении:

где τ₁ и τ₂ вероятные значения временных интервалов нахождения термоконтейнера при транспортировании соответственно при положительных и отрицательных температурах и в порядке, близком к чередующемуся;
первые и вторые теплоэлементы установлены в равных количествах и в чередующемся равномерно порядке;
теплоизолирующая проставка выполнена с углублениями для размещения первых и вторых теплоэлементов;
первая тепловыравнивающая пластина выполнена в виде крышки для теплоизолирующей проставки;
электрический аккумулятор размещен вне объема рабочей камеры и соединен через разъем.

На фиг. 1 представлен схематично предложенный термостатируемый контейнер, на фиг. 2 условный разрез части термоконтейнера, включающий в себя вертикальную боковую стенку, а также тепловой блок и хранящиеся емкости с термолабильным биопродуктом, на фиг. 3а распределение температур по условно разрезанной части термоконтейнера при Т_вн > Т_ст, на фиг. 3б - аналогичное распределение при Т_вн < Т_ст, на фиг. 4 блок-схема термоконтейнера, в конструкции которого используется нагреватель, на фиг. 5 - возможные варианты конструктивного выполнения теплового блока и примеры размещения теплоэлементов и взаимного расположения теплоизолирующей прокладки и тепловыравнивающих пластин; на фиг. 5а вид на боковую сторону, примыкающую к стенкам, а также дну и крышке рабочей камеры, фиг. 5б при расположении второй тепловыравнивающей пластины между нагревателем и теплоизолирующей прокладкой, выполненной в виде одновременно и держателя теплоэлементов, а на фиг. 5в при размещении второй тепловыравнивающей пластины между теплоэлементами и теплоизолирующей прокладкой, на фиг. 6 варианты размещения первых и вторых теплоэлементов в тепловом блоке: фиг. 6а при равном количестве и равномерном распределении, на фиг. 6б один из возможных вариантов распределения при количестве теплоэлементов с веществом в твердом состоянии (т) большем, чем количество теплоэлементов с веществом, находящимся в жидком (ж) состоянии.

Термостатируемый контейнер содержит наружный корпус 1, крышку 2,рабочую камеру 3, теплоизоляцию 4. На каждой внутренней стенке камеры 3 установлены тепловые блоки 5. Каждый из тепловых блоков 5 включает в себя (один из возможных вариантов исполнения) первую тепловыравнивающую пластину 6, выполненную из теплопроводного металла (например, алюминий) и теплоэлементы 7 в количестве N, вторую тепловыравнивающую пластину 8, также изготовленную из теплопроводного металла, теплоизолирующую проставку 9 и плоский нагреватель 10, обращенный непосредственно к хранящимся в рабочей камере 3 емкости 11 с биопродуктом.

Теплоэлементы 7 содержат рабочее вещество 12, выбранное с температурой фазового перехода Т_фп, близкой к температуре Т_ст. Из числа N теплоэлементов 7 в n₁ первых теплоэлементах рабочее вещество 12 находится в твердом состоянии (12т), а в n₂ N n₁ теплоэлементах в жидком состоянии (12ж).

Тепловые блоки 5 могут быть выполнены в следующем конструктивном исполнении (фиг. 5а-в): теплоизолирующая проставка 9 выполнена с гнездами для размещения первых и вторых теплоэлементов 7, вторая тепловыравнивающая пластина 8 установлена в одном из вариантов исполнения между проставкой 9 и нагревателем 10 (фиг. 5б), а в другом варианте вторая тепловыравнивающая пластина 8 устанавливается между теплоизолирующей проставкой 9 и теплоэлементами 7 (фиг. 5в), а нагреватель 10 при этом устанавливается на проставку 9. В обоих вариантах первая тепловыравнивающая пластина 6 выполнена в виде крышки, устанавливаемой на теплоизолирующую проставку 9. Оба варианта конструктивного исполнения теплового блока 5 в тепловом отношении эквивалентны.

В конструкции термоконтейнера в зависимости от требований к длительности и точности поддержания температуры при хранении термолабильного биопродукта некоторые из перечисленных выше элементов могут отсутствовать, например, тепловыравнивающие пластины 6 и 8 и нагреватель 10. В этом случае в состав теплового блока 5 входят первые и вторые элементы 7 и теплоизолирующая проставка 9, выполняемая, как и в вышеописанном варианте исполнения теплового блока, с гнездами, в которых устанавливаются теплоэлементы 7.

В блок-схему варианта конструкции термоконтейнера с использованием нагревателя 10 также входят (фиг. 4) датчик 13 и задатчик 14 температуры, соединенные с управляющими входами блока регулирования 15, вход которого соединен с полюсами электрического аккумулятора 16, а выход с нагревателем 10. Аккумулятор выполняется, как правило, выносным. В этом варианте для его подключения на корпусе 1 установлен разъем 17 (фиг. 1).

Подготовка термоконтейнера к работе осуществляется следующим образом.

Рассмотрим для определенности случай, когда Т_ст > Т_фп. Такому условию отвечает, в частности, и используемое в устройстве-прототипе рабочее вещество 5%-й раствор NaCl, у которого Т_фп близка к нулю, что ниже требуемой температуры хранения крови: +4^oC ± 2^oC.

Устанавливают вдоль боковых стенок контейнера, на дне и крышке тепловые блоки 5, в каждом из которых находятся первые и вторые теплоэлементы 7, содержащие рабочее вещество 12 соответственно в твердом (12т) и в жидком (12ж) состояниях при T=T_фп и размещенных в порядке, близком к чередующемуся.

В объеме рабочей камеры 3 размещают емкости 11 с биопродуктом, хранение которого должно производиться при температуре статирования Т_ст. (При выборе рабочего вещества с Т_фп < Т_ст целесообразно емкости 11 с биопродуктом закладывать в термоконтейнер при T(max)ст

, (фиг. 3а и 3б), определяющей верхний допускаемый предел температуры, при которой биопродукт может сохраняться).

В общем случае, при использовании данного термоконтейнера в условиях неопределенности температур внешней среды, которые могут реализовываться при транспортировании, целесообразно закладывать в тепловые блоки 5 первые и вторые теплоэлементы 7 в равных количествах в чередующемся порядке (фиг. 6а). Если же достоверно известны вероятности длительностей нахождения термоконтейнера при положительных и отрицательных внешних температурах {τ₁(T_пол)} и τ₂(T_отр)}, то для увеличения временного интервала, в течение которого в рабочей камере поддерживается температура в диапазоне (T(max)ст

,T(мин)ст) соотношение n₁/n₂ соответственно первых и вторых теплоэлементов 7 в тепловых блоках 5 целесообразно выбирать близким к значению τ₁(T_пол) и τ₂(T_отр). Вариант при n₁ > n₂ и пример возможного размещения первых и вторых элементов 7 в тепловом блоке 5 изображен на фиг. 6б.

Рассмотрим два варианта работы термоконтейнера.

I вариант. Т_вн > Т_ст.

Как следует из фиг. 3а, температура внутренней поверхности стенки (точка 2') установится на уровне, превышающем Т_фп. При Т > Т_фп будет также находиться первая тепловыравнивающая пластина 6 и стенки теплоэлементов 7, что обусловит плавление при Т > Т_фп рабочего вещества 12 в тех n₁ теплоэлементах 7, в которых оно предварительно находилось в твердом состоянии (12т). При встраивании между стенкой камеры 3 и теплоэлементами 7 первой тепловыравнивающей пластины 6 обеспечивается компенсация всего теплового потока через теплоизоляцию 4 на скрытую теплоту плавления рабочего вещества 12(т) а n₁ первых теплоэлементах 7 из всех N использующихся, а в результате размещения второй тепловыравнивающей пластины 8 или на первых и вторых теплоэлементах 7 или же между проставкой 9 и нагревателем 10 улучшается изотермичность по объему с хранящимися емкостями 11.

Благодаря встраиванию теплоизолирующей проставки 9 температура тепловоздействующей поверхности (Т6) теплового блока 5 оказывается весьма близкой к Т_ст. В случае, когда температурные требования к хранению термолабильного биопродукта являются весьма жесткими, применение плоского нагревателя 10 позволяет доводить температуру тепловоздействующей поверхности (Т7) теплового блока 5 весьма близко к Т_ст. Мощность нагревателя 10 при Т_фп ≈ Т_ст может быть весьма незначительной, а в варианте, когда Т_фп > Т_ст, нагреватель 10 может и не включаться.

Включение нагревателя 10 происходит при температуре T~vby`ст

,, определяемой установкой задатчика 14, и соответствует открытому состоянию блока регулирования 15. При нагреве тепловоздействующей поверхности до температуры T(max)ст, сигнал от датчика температуры 13 переводит блок регулирования 15 в закрытое состояние, при этом разрывается электрическая цепь: нагреватель 10
аккумулятор 16. Тепловоздействующая поверхность теплового блока 5 начинает охлаждаться и при Т7 T(мин)ст описанные выше процессы вновь повторяются.

Таким образом, в рассматриваемом варианте работы термоконтейнера описанной выше конструкции тепловой поток через теплоизолирущее ограждение, пропорциональный разности температур между точками 1 и 2 (на практике составляющей 30-40^oC), компенсируется на скрытую теплоту плавления рабочего вещества (12т), ранее находившегося в твердом состоянии. Тепловой же поток, обуславливающий изменение температуры непосредственно биопродукта и пропорциональный разности температур между 6 и 7 (на практике эта разность составляет 2-4^oC), оказывается весьма незначительным, что и обуславливает медленное изменение температуры биопродукта в течение всего процесса хранения от T(max)ст

до T(мин)ст.
II вариант работы термоконтейнера. Т_вн Б<Т_ст.

Как видно из фиг. 3б, температура внутренней поверхности стенки (точка 2'), а соответственно, и температуры первой тепловыравнивающей пластины 6 и стенок теплоэлементов 7 будут находиться на уровне, меньшем Т_фп. Возникающий в этом варианте работы контейнера тепловой поток из рабочего объема камеры 3 наружу, пропорциональный разности температур между точками 1'и 2', обусловит отвердение рабочего вещества 12(ж) в n₂ вторых теплоэлементах 7, в которых оно при закладке тепловых блоков 5 находилось в жидком состоянии. То есть воздействие на термоконтейнер внешней среды отрицательной температуры сводится к отвердению жидкого рабочего вещества 12(ж) а n₂ вторых термоэлементах 7.

Медленное снижение температуры биопродукта в емкостях 11 в течение всего процесса хранения от T(max)ст

до T(мин)ст пропорционально разности температур между точками 5'и 6'и обратно пропорционально толщине теплоизолирующей простаки 9.

Использование нагревателя 10 таким образом, как это было описано выше, может полностью приостановить снижение температуры биопродукта, является вполне обоснованным и сопряжено с незначительным энергопотреблением. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что нагреватель 10 компенсирует не все тепловые потери из рабочего объема, пропорциональные Т_ст Т_вн, а лишь незначительную часть, пропорциональную Т(6') Т(5').

Таким образом, применение в данном термоконтейнере теплоэлементов с жидким и твердым рабочим веществом, а также теплоизолирующей проставки и двух тепловыравнивающих пластин позволяет добиться обеспечения изотермичного термостатирования термолабильного биопродукта в процессе временного хранения, когда внешняя температура меняется в широком диапазоне.

Данная тепловая схема может быть применена для создания изотермичных термоконтейнеров для хранения при температуре +(2^oC 8^oC) в процессе транспортировки и ручных переносок донорской крови, эритроцитарной массы, пересаживаемых органов, лекарственных препаратов и др. с использованием в теплоэлементах в качестве высокоэнергоемкого, нетоксичного, экологически чистого рабочего вещества водных растворов некоторых солей.

Использование: в области транспортных аппаратов, предназначенных для временного обеспечения в объеме рабочей камеры заданных режимов термостатирования. Сущность изобретения: в термостатируемом контейнере для хранения емкостей с термолабильным биопродуктом, содержащем теплоизолированную рабочую камеру, N теплоэлементов с рабочим веществом, температура фазового перехода которого близка к температуре статирования, достигается тем, что на сторонах теплоэлементов с рабочим веществом, температура фазового перехода которого близка к температуре статирования, достигается тем, что на сторонах теплоэлементов, обращенных к емкостям, установлены теплоизолирующие прокладки, n₁ первых теплоэлементов размещены с рабочим веществом, находящимися в твердом состоянии, а n₂ = N - n₁ вторых теплоэлементов размещены с рабочим веществом, находящимся в жидком состоянии, при этом первые и вторые теплоэлементы расположены преимущественно равномерно на каждой внутренней поверхности стенок, дна и крышки рабочей камеры. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Термостатируемый контейнер для хранения емкостей с термолабильным биопродуктом, содержащий теплоизолированную рабочую камеру, N теплоэлементов с рабочим веществом, температура фазового перехода которого близка к температуре статирования, отличающийся тем, что на сторонах теплоэлементов, обращенных к емкостям, установлены теплоизолирующие проставки, n₁ первых теплоэлементов размещены с рабочим веществом, находящимся в твердом состоянии, а n₂ N n вторых теплоэлементов размещены с рабочим веществом, находящимся в жидком состоянии, при этом первые и вторые теплоэлементы установлены на каждой внутренней поверхности стенок, дна и крышки рабочей камеры. 2. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что между стенкой рабочей камеры и первыми и вторыми теплоэлементами установлена первая тепловыравнивающая пластина. 3. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что он содержит вторую тепловыравнивающую пластину, установленную между первыми и вторыми теплоэлементами и теплоизолирующей проставкой или между теплоизолирующей проставкой и емкостями. 4. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик и задатчик температуры, нагреватель, блок регулирования и электрический аккумулятор, при этом нагреватель и датчик температуры установлены на теплоизолирующей проставке, входы нагревателя соединены с выходами блока регулирования, входами соединенного с полюсами электрического аккумулятора, а управляющими входами соединенного с датчиком и задатчиком температуры. 5. Контейнер по пп. 1 4, отличающийся тем, что первые и вторые теплоэлементы, первая и вторая тепловыравнивающие пластины, теплоизолирующая проставка и нагреватель объединены в тепловые блоки соответственно для стенок, дна и крышки. 6. Контейнер по пп. 1 5, отличающийся тем, что в каждом из тепловых блоков установлены в следующей последовательности от внутренней стенки рабочей камеры: первая тепловыравнивающая пластина, первые и вторые теплоэлементы, вторая тепловыравнивающая пластина, теплоизолирующая проставка и нагреватель или первая тепловыравнивающая пластина, первые и вторые теплоэлементы, теплоизолирующая проставка, вторая тепловыравнивающая пластина и нагреватель. 7. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что первые и вторые теплоэлементы и теплоизолирующая проставка объединены в тепловые блоки соответственно для стенок, дна и крышки. 8. Контейнер по пп. 1 7, отличающийся тем, что первые и вторые теплоэлементы установлены в соотношении

где τ₁ и τ₂ - вероятные значения временных интервалов нахождения термоконтейнера при транспортировании соответственно при положительных и отрицательных температурах, и в порядке, близком к чередующемуся, теплоэлементы установлены в равных количествах и в чередующемся равномерно порядке. 10. Контейнер по пп. 1 7 и п.8 или 9, отличающийся тем, что теплоизолирующая проставка выполнена с углублениями для размещения первых и вторых теплоэлементов. 11. Контейнер по пп. 1 6 и п.8 или 9, отличающийся тем, что первая тепловыравнивающая пластина выполнена в виде крышки для теплоизолирующей проставки. 12. Контейнер по пп.5, 6, п. 8 или 9, а также по пп. 10 и 11, отличающийся тем, что электрический аккумулятор размещен вне объема рабочей камеры и соединен через разъем.