УСТРОЙСТВО ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ Российский патент 1999 года по МПК G01N24/08 F25B29/00 F25B21/02 

Изобретение относится к устройствам термостатирования биологических образцов, например, исследуемых методами магниторезонансной спектроскопии, и, в частности, может найти применение в технике импульсного ядерного магнитного резонса (ЯМР) для регулирования и поддержания температур образца в датчике ЯМР релаксометра-диффузометра.

При исследовании биологических объектов возникает задача термостатирования небольших образцов в заданных точках диапазона положительных и отрицательных температур. При этом необходима возможность быстрого перехода от одной температуры к другой, поскольку за время эксперимента биологические объекты могут претерпевать изменения. Как правило, при решении этой задачи основная сложность - получение отрицательных температур [1]. Традиционные пути решения этой проблемы: а) - газовое термостатирование парами жидкого азота [2] ; б) - жидкостное термостатирование прокачиванием хладотеплоносителя через рубашку, окружающую термостатируемый объект [3]. Неоспоримым положительным качеством устройства газового термостатирования является широкий температурный диапазон. Вместе с тем эти устройства имеют существенные недостатки: громоздкость, привязка к криогенной станции, необходимость периодической доливки азота, при котором, как правило, происходит уход температуры, безвозвратная потеря хладотеплоносителя и, как следствие, рост стоимости экспериментов. Все это в значительной степени ограничивает возможность использования газового термостатирования.

С другой стороны, опыт исследований, особенно с биологическими объектами, показывает, что в подавляющей части экспериментов достаточен сравнительно узкий температурный диапазон -20 - +80^oC. Для такого диапазона температур предпочтительнее жидкостное термостатирование, которое реализуется проще газового. Примером серийно выпускаемых установок, пригодных для жидкостного термостатирования, является ультракриостат МК-70 [4]. МК-70 состоит из жидкостного ультратермостата, хладотеплоноситель в котором охлаждается фреоновым холодильным агрегатом и с помощью насоса подается в термостатирующую рубашку объекта термостатирования. Для диапазона -20^oC - +60^oC установки жидкостного термостатирования на основе фреона достаточно эффективны, но как и газовые не лишены недостатков: громоздкость, значительный вес и потребляемая мощность, сильный шум, необходимость большого количества хладотеплоносителя, длительное время выхода на режим термостатирования. Кроме того, в серийно выпускаемых жидкостных устройства термостатирования МК-70 объем хладотеплоносителя не герметизирован, что ограничивает возможности использования нетрадиционных хладотеплоносителей. Однако в технике протонного ЯМР-резонанса, при использовании таких традиционных хладотеплоносителей, как вода, диэтиленгликоль, этанол, метанол, на ЯМР сигнал от исследуемого образца накладывает паразитный сигнал от протонов хладотеплоносителя. Использование же хладотеплоносителей, не содержащих протонов, например четыреххлористого углерода, осложняется токсичностью последнего и, следовательно, требуется герметичная система циркуляции хладотеплоносителя и, возможно, меньшее его рабочее количество.

Известно устройство жидкостного термостатирования с использованием электрических термобатарей [5] , действие которых основано на эффекте Пельтье. Это устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве ПРОТОТИПА. Устройство состоит из термоблока и системы автоматического поддержания подводимой мощности. Основной частью термоблока является восьмигранный стакан из алюминия, выполняющий функции водного теплообменника, с внешними стенками которого находятся в тепловом контакте горячие спаи электрических термобатарей. Изнутри стакан охлаждается водой, поступающей из водопроводной сети. С внешней стороны стакана холодные спаи термобатарей омываются хладотеплоносителем - трансформаторным маслом. Все термобатареи термоблока по электропитанию разбиты на восемь групп. В группах термобатареи соединены последовательно. Система автоматического поддержания подводимой мощности работает по принципу регулирования мощности трех фаз по одной. При включении электрического тока через термобатареи холодные спаи последних охлаждаются и, в свою очередь, охлаждают омывающий их хладотеплоноситель. При изменении полярности питания термобатарей функции холодных и горячих спаев термобатарей диаметрально изменяются, т.е. холодные спаи становятся горячими и нагревают омывающий их хладотеплоноситель, а горячие спаи, наоборот, охлаждаются, и охлаждение снимается водным теплообменником. При полной потребляемой мощности 1500 Вт и массе хладотеплоносителя в 10 литров устройство обеспечивает диапазон температур -10 - +50^oC с временем перехода от температуры +17^oC на температуру -10^oC один час [5].

Однако известное устройство (как, впрочем, и остальные вышерассмотренные) является громоздким, потребляет значительную мощность, имеет длительное время выхода на режим поддержания заданной температуры. Применительно к технике магнитоспектроскопических исследований, когда термостатируемый исследуемый образец находится в датчике между полюсами магнита, громоздкость устройства термостатирования становится ограничивающим фактором. Громоздкость не позволяет приблизить устройство к объекту термостатирования. В результате за счет протяженных каналов подвода хладотеплоносителя увеличивается объем последнего и соответственно время выхода на режим термостатирования, снижается прочность регулирования температуры, возникают значительные хладопотери, компенсация которых, особенно при расширении температурного диапазона термостатирования, вызывает опережающий рост потребляемой мощности. Длительный выход на режим поддержания заданной температуры вызывает потерю экспрессности - одного из важных достоинств импульсных методов ЯМР. Особенно следует подчеркнуть, что с развитием микроэлектроники, появлением новых магнитных материалов целые классы ранее массивных, объемных установок магнитного резонанса сократились в размерах до настольных, переносных вариантов. Примером могут служить малогабаритные, экономичные ЯМР-релаксометры [6, 7]. Комплектация таких приборов известными устройствами термостатирования сводит на нет их преимущества по малогабаритности, экспрессности, экономичности.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании малогабаритного, малоинерционного (с быстрым выходом на режим термостатирования), экономичного (с низким потреблением мощности) по сравнению с известными техническими объектами устройства термостатирования биологических образцов, согласуемого с современными магниторезонансными спектрометрами и позволяющего расширить класс используемых в процессе термостатирования жидких хладотеплоносителей.

Для решения поставленной задачи в известное устройство термостатирования биологических образцов, содержащее термоблок, в тепловом контакте со стенками канала которого расположены спаи электрических термобатарей, соединенных последовательно, основной водный теплообменник для охлаждения термобатарей, термостатирующую рубашку с исследуемым образцом и блок установки и поддержания заданной температуры хладотеплоносителя - ВВЕДЕНЫ: насос, переключатель потока хладотеплоносителя, теплообменник для хладотеплоносителя, дополнительный водный теплообменник для охлаждения термобатарей, находящийся в тепловом контакте с теплообменником для хладотеплоносителя и последовательно соединенный с основным водным теплообменником, сильфон и нагреватель, связанный с блоком установки и поддержания температуры, причем один из выходов переключателя потока хладотеплоносителя подключен к одному из концов канала термоблока, в тепловом контакте со стенками которого расположены холодные спаи электрических термобатарей, другой выход переключателя потока соединен со входом теплообменника для хладотеплоносителя, а его вход - с выходом насоса, вход которого соединен с одним из штуцеров термостатирующей рубашки, при этом другой конец канала термоблока соединен с выходом теплообменника для хладотеплоносителя и через сильфон и нагреватель - с другим штуцером термостатирующей рубашки.

Предложенное техническое решение позволило создать герметичную, замкнутую цепь: насос - переключатель потока - термоблок - теплообменник для хладотеплоносителя - сильфон - нагреватель - термостатирующая рубашка - насос. В этой цепи непрерывно циркулирует загерметизированный, малый объем хладотеплоносителя, температура которого динамично поддерживается соотношением между процессом непрерывного охлаждения его в канале термоблока электрическими термобатареями и регулируемым нагревом с помощью малоинерционного нагревателя. Рациональное размещение электрических термобатарей, насоса, нагревателя, малый объем хладотеплоносителя, циркулирующего в герметичной системе, согласованного с объемом термостатирующей рубашки с образцом, в комплексе обеспечивают уменьшение потребляемой мощности, малые габариты, сокращение времени выхода на режим термостатирования, возможность использования нетрадиционных хладотеплоносителей. Для расширения температурного диапазона термостатирования возможен вариант устройства, когда электрические термобатареи построены по двухкаскадной схеме и расположены попарно с двух сторон канала термоблока. Следует отметить, что нет принципиальных трудностей использования трех и более каскадных схем. Для уменьшения потребляемой мощности, повышения экономичности при сокращении габаритов устройства объема хладотеплоносителя площадь теплопроводящих поверхностей канала термоблока выбирают таким образом, чтобы она не превышала площади холодных спаев электрических термобатарей. В оптимальном случае эти площади должны быть равны. Для уменьшения потребляемой мощности и ускорения выхода на режим термостатирования канал термоблока должен быть выполнен из материала с высокой теплопроводностью: медь, алюминия. В данном устройстве реализован канал из меди.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства. Оно состоит из электрически последовательно соединенных электрических термобатарей (1), например четырех двухкаскадных. Термобатареи (1) подсоединены к источнику питания (на чертеже не показан). Холодные спаи термобатарей (1) находятся в тепловом контакте с медным каналом (2) и расположены попарно с двух сторон этого канала. Количество термобатареей и число каскадов определяются необходимой хладопроизводительностью, зависящей от диапазона отрицательных температур и хладопотребления термостатируемого объекта (потребителя). Горячие спаи термобатарей (1) охлаждаются водными теплообменниками (3, 4) (основным и дополнительным соответственно), соединенными между собой последовательно. К одному из концов канала (2) подключен один из выходов переключателя (5) потока хладотеплоносителя. Другой выход переключателя (5) соединен с теплообменником (6) для хладотеплоносителя, который находится в тепловом контакте с дополнительным водным теплообменником (4). Вход переключателя (5) соединен с выходом насоса (7). Вход насоса (7) соединен с одним из штуцеров термостатирующей рубашки (8). Другой конец канала (2) соединен с выходом теплообменика (6) и через сильфон (9) и нагреватель (10) с другим штуцером рубашки (8). Блок установки и поддержания температуры (11) соединен с нагревателем (10), источником питания термобатарей (1) и контактным термометром (на чертеже не показан), расположенным в потоке хладотеплоносителя в штуцере рубашки (8), который соединен с нагревателем (10). В другом штуцере рубашки (8) в потоке хладотеплоносителя расположен контрольный термометр (на чертеже не показан). Все каналы циркуляции хладотеплоносителя изолированы углеволокном.

Устройство работает следующим образом:
В диапазоне отрицательных температур и вплоть до +40^oC хладотеплоноситель насосом (7) непрерывно перекачивается по герметичной, замкнутой системе: насос (7), переключатель (5), канал (2), сильфон (9), нагреватель (10), термостатирующая рубашка (8) и далее вновь с позиции (7). Из насоса (7) хладотеплоноситель поступает на переключатель (5), переключенный на замыкание потока хладотеплоносителя с насоса (7) на канал (2). В канале (2) хладотеплоноситель охлаждается холодными спаями термобатарей (1) до температуры на -10 - 20^oC ниже заданной. Требуемая степень охлаждения обеспечивается дискретным переключением напряжения на термобатареях (1) в блоке (11). Горячие спаи термобатарей (1) охлаждаются водными теплообменниками (3, 4), подключенными к водопроводной сети. Далее хладотеплоноситель через сильфон (9), выполняющий функции компенсатора температурных изменений объема хладотеплоносителя, подается в малоинерционный нагреватель (10), где нагревается до температуры, задаваемой блоком установки и поддержания заданной температуры (11). В момент включения нагревателя (10) блок (11) автоматически отключает источник питания термобатарей от сети. После нагревателя (10) хладотеплоноситель проходит через штуцер рубашки (8), где омывает западающее гнездо с контактным термометром, задающим температуру термостатирования. Из рубашки (8) хладотеплоноситель, омывая западающее гнездо с контрольным термометром в другом штуцере рубашки (8), поступает на вход насоса (7) и далее вновь, начиная с позиции (5).

В температурной области +40 +80^oC хладотеплоноситель насосом (7) непрерывно прокачивается по герметичной, замкнутой системе: насос (7), переключатель (5), теплообменник хладотеплоносителя (6), сильфон (9), нагреватель (10), рубашка (8) и далее вновь, начиная с позиции (7). Из насоса (7) хладотеплоноситель поступает на переключатель потока (5), переключенный на замыкание потока с насоса (7) на теплообменник хладотеплоносителя (6). В теплообменнике (6) хладотеплоноситель охлаждается с помощью дополнительного водного теплообменника (4) до температуры на +10 - -15^oC ниже заданной и через сильфон (9) поступает на нагреватель (10), где нагревается до температуры, задаваемой контактным термометром блока (11). Из нагревателя (10) хладотеплоноситель поступает в рубашку (8), затем на насос (7) и далее вновь, начиная с позиции (5). В этом режиме источник питания термобатарей постоянно отключен от сети блоком (11), а водный теплообменник (4) кроме функции охлаждения хладотеплоносителя выполняет функцию тепловой развязки хладотеплоносителя от термобатарей, которые могут быть повреждены температурами выше +60^oC.

В качестве хладотеплоносителя в зависимости от диапазона температур и других условий (например, необходимость отсутствия в составе хладотеплоносителя атомов водорода) может быть использован: этанол, метанол, диэтиленгликоль, четыреххлористый углерод CCl₄, тетрахлорэтилен, тяжелая вода. Объем хладотеплоносителя - 100-200 см³. Любой из перечисленных хладагентов заливается в систему через крышку, которой сверху закрывается сильфон (9). В качестве датчика температуры кроме контактного термометра могут быть использованы диоды, термопары, термометры сопротивления, согласованные со схемотехникой блока (11). Один из вариантов конструктивного решения блока (11) описан в [8].

Конкретный опытный образец устройства построен на 4-х двухкаскадных термобатареях типа ТЭМО, в 24 модуля каждая. Устройство выполнено размерами 480х300х120 мм и обеспечивает в макете датчика ЯМР релаксометра-диффузометра в объеме 16 см³ температуры в диапазоне -20 - 80^oC при потребляемой мощности не более 300 Вт и расходе воды 0,8 л/мин с температурой 10^oC. Точность поддержания температуры в термостатирующей рубашке с контактным термометром в качестве управляющего элемента - 0,2^oC. Время выхода на температуру -10^oC с температуры +20^oC - 30 мин.

Предложенное устройство термостатирования небольших объемов малогабаритно, герметично, с малым количеством хладотеплоносителя, низким уровнем шума, быстрым выходом на режим термостатирования, высокой точностью поддержания температур в диапазоне как положительных, так и отрицательных температур может иметь широкий спектр применения, в том числе в приборах с питанием от аккумулятора.

Литература
1. Меньшиков В.В., Г.Ф. Лыбзиков, А.Г. Лундин, Ю.А. Загородний, Э.П. Зеер. Устройство термостатирования образца для спектрометра ЯМР. Сб. Радиоспектроскопия твердого тела: Академия наук СССР Сибирское Отделение, Институт физики им. Л.В. Киренского, Красноярск, 1979, с. 188-198.

2. Н. К. Гайсин. Термостатирование при измерениях в жидкостях методом спинового эхо. Приборы и техника эксперимента, 1967, 5 с. 200-202. З. Агишев, А. Ш., Самигуллин Ф.М. Метод термостатирования образца в спин-эхо экспериментах. Приборы и техника эксперимента, 1966, 3, с. 148-152.

4. Описание и инструкция по эксплуатации ультракриостата МК-70.

5. Поснов Н.П., Деменев А.Е. Термоэлектрический блок к термостату УТ-15 для получения температур ниже 0^oC. Приборы и техника эксперимента, 1985, 5, с. 221-222 (прототип).

6. Рекламный проспект малогабаритного ЯМР-релаксометра Minispec фирмы Bruker, (Германия).

7. Рекламный проспект малогабаритного релаксометра - Рекар, small-sized relaxomater REKAP (КНИИРТИ, Казань, Татарстан, Россия).

8. Мельниченко Н.А. Простой тиристорный терморегулятор. Приборы и техника эксперимента, 1979, 5, с. 235-236.1

Изобретение может быть использовано в технике импульсного ядерного магнитного резонанса для поддержания температуры образцов в диапазоне от -20 до +80^oC. Устройство термостатирования содержит термоблок, в тепловом контакте со стенками которого с двух сторон расположены холодные спаи термобатарей, основной и дополнительный водные теплообменники для охлаждения горячих спаев термобатарей, соединенные последовательно, теплообменник для хладотеплоносителя, находящийся в тепловом контакте с одним из водных теплообменников, термостатирующую рубашку с исследуемым образцом, блок установки и поддержания заданной температуры, соединенный с нагревателем. Прокачивание хладотеплоносителя по герметичной замкнутой системе осуществляют с помощью насоса и переключателя потока. Предложенное устройство термостатирования, согласуемое с магниторезонансными спектрометрами, является малогабаритным, малоинерционным, имеет низкое потребление мощности. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство термостатирования биологических образцов, содержащее термоблок, в тепловом контакте со стенками канала которого расположены спаи электрических термобатарей, соединенных последовательно, основной водный теплообменник для охлаждения термобатарей, термостатирующую рубашку с исследуемым образцом и блок установки и поддержания заданной температуры хладотеплоносителя, отличающееся тем, что оно содержит насос, переключатель потока хладотеплоносителя, теплообменник для хладотеплоносителя, дополнительный водный теплообменник для охлаждения термобатарей, находящийся в тепловом контакте с теплообменником для хладотеплоносителя и последовательно соединенный с основным водным теплообменником, сильфон и нагреватель, связанный с блоком установки и поддержания температуры, причем один из выходов переключателя потока хладотеплоносителя подключен к одному из концов канала термоблока, в тепловом контакте со стенками которого расположены холодные спаи электрических термобатарей, другой выход переключателя потока соединен со входом теплообменника для хладотеплоносителя, а его вход - с выходом насоса, вход которого соединен с одним из штуцеров термостатирующей рубашки, при этом другой конец канала термоблока соединен с выходом теплообменника для хладотеплоносителя и через сильфон и нагреватель - с другим штуцером термостатирующей рубашки. 2. Устройство термостатирования по п.1, отличающееся тем, что электрические термобатареи построены по двухкаскадной схеме и расположены попарно, с двух сторон канала термоблока. 3. Устройство термостатирования по п. 1 или 2, отличающееся тем, что площадь теплопроводящих поверхностей канала термоблока не превышает площади холодных спаев электрических термобатарей. 4. Устройство термостатирования по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что канал термоблока выполнен из меди или алюминия.