Устройство для программного криозамораживания биообъектов Советский патент 1986 года по МПК F25D3/10 A01N1/02 

12245

Изобретение относится к устройствам для программного криозаморажива- ния биообъектов н может быть использовано в криобоиологии и криомедици- не для обеспечения программного ох- 5 лаждения и нагрева образца в широком диапазоне скорости охлаждения и нагрева с целью определения влияния различных режимов замораживания-и оттаивания.на степень сохранения Ш объекта при криоконсервировании, а также в других областях науки и техники, где требуются программное охлаждение и нагрев объекта в широком диапазоне скоростей охлаждения tS и нагрева и изотермический режим.

Целью изобретения является повьше- ние сохранности биообъектов путем увеличения скорости изменения программируемого их охлаждения и нагрева. 20

На фиг. 1 представлена схема устройства для программного криозамора- живания биообъектов; на фиг. 2 - схема управления.

2S

Устройство для программного

криозамораживания биообъектов содер- жит рабочую камеру, вьтолненную в виде сосуда Дьюара 1, заполняемую жидким азотом 2. Сосуд Дьюара 1 разделен перегородкой 3 на два отсека 4 и 5, сообщающихся в нижней части. Во внутреннем отсеке 4 установлен держатель 6, иа котором укреплен контейнер 7 с образцом (биообъектом). В контейнере 7 установлен датчик 8 5 температуры образца, а около держателя 6, над ним, установлен нагреватель 9. Причем Контейнер 7 связан с теплопроводным элементом 10, состоящим из коаксиальных профилированных цилиндрических обечаек, контактирующих с жидким азотом 2. В теплопроводном элементе 10 имеются отверстия 11 для протока жидкого .азота и его паров, В держателе 6 также имеются . отверстия 12 для протока паров азота. Во внутреннем отсеке 4 установлены |также первьш дополнительный нагреватель 13, первый регулируемый клапан 14 сброса давления и мешалка 15. Прич 50 чем первьй дополнительный нагрева- ель 13 установлен в верхней части внутреннего отсека 4 сосуда Дьюара

1над уровнем жвдкого азота 2 при

его крайнем верхнем положении 16, 5f Нагреватель 13 может быть также установлен под уровнем жидкого азота

2при его крайнем нижнем положении ;

30

S

0

S

5 . 0

f

0

17-S

17 во внутреннем отсеке 4. Мешалка 15 представляет собой стакан с коакг- сиальными профилированными цилиндрическими стаканами 18, установленными коаксиально с зазорами между обечайками теплопроводного элемента 10. Причем величина зазоров выбрана значительно больше толщины газовой пленки при пленочном кипении жидкого азота на поверхностях:теплопроводного элемента 10 и мешалка 15 при максимальной скорости подъема уровня жидкого азота 2. Мешалка 15 установлена на опорном подшипнике 19 и связана магнитами 20 магнитной муфты с приводом 21 вращения. Вращение мешалки 15 центрируется подшипником 22 скольжения. Для полного заполнения объема жидким азотом в мешалке 15 и подшипнике 22 скольжения имеются отверстия 23 для протока жидкого азота. Мешалка 15 выполнена с герметичной внутренней полостью для снижения усилия на опорный подшипник 19 за счет действия выталкивающей силы на мешалку 15 со стороны жидкого азота 2. В месте протока жидкого азота 2 из внешнего отсека 5 во внутренний отсек 4 установлен датчик 24 минимально допустимого уровня жидкого азота во внешнем отсеке.

Во внешнем отсеке 5 установлены второй дополнительный нагреватель 25, укрепленный, как и первый дополнительный нагреватель 13, в верхней части сосуда Дьюара 1 над максимально допустимым уровнем 26 жидкого азота во внешнем отсеке 5, второй регулируемый клапан 27 сброса давления, второй датчик 28 максимально допустимого уровня 26 жидкого азота во внешнем отсеке 5, трубопровод 29 для подкачки жидкого азота в сосуд Дьюара 1, укрепленный герметично на сосуде Дьюара 1. Кроме того, во внутреннем 4 и внешнем 5 отсеке установлены клапаны 30 аварийного сброса давления. Нагреватели 9, 13 н 25, первый 14 и второй 27 регулиру- клапаны сброса давления соединены с блоком 31 управления температурой образца. Датчик 24 минимально допустимого уровня жидкого азота во внешнем отсеке 5 связан с индикатором 32 минимального уровня. Датчик 28 максимально допустимого уровня |жидкого азота во внешнем отсеке 5 связан с индикатором 33 максимально- .го уровня.

312

На трубопроводе 29 установлен вентиль 34, связанный с узлом 35 управления потоком жидкого азота через трубопровод 29.

Блок 31 управления температурой образца (см. фиг. 2) содержит преобразователь 36 сопротивления в напряжение, задатчик 37 температуры, узел

38сравнения, предусилитель 39, усилитель 40 с парофазным выходом, диод 41. При этом датчик 8 температуры образца соединен с входом преобразователя 36, выход которого соединен с входом узла 38 сравнения, друг гой вход которого соединен с задатчи ком 37 температуры. Выход узла 38 сравнения соединен с входом предуси- лителя 39, выход которого соединен с входом парофазного усилителя 40. Причем прямой выход парофазного уси- лителя 40 соединен с первым дополнительным нагревателем 13 и первым регулируемым клапаном 14 сброса давления, а инверсный выход парофазного усилителя 40 - с вторым дополнитель- иым нагревателем 25 и вторым регулируемым клапаном 27 сброса давления. При этом прямой выход парофазного усилителя 40 соединен с инверсным выходом через диод 41 и нагреватель 9, установленный около держателя 6.

Преобразователь 36 сопротивления в напряжение, задатчик 37 температуры, узел 38 сравнения и предусшштел

39представляют программный регулятор температуры образца.

Парофазный усилитель 40, первый 13 и второй 25 дополнительные нагре- ватели, первый 14 и второй 27 регули руемые клапаны сброса давления и ди- од 41 составляют узел изменения уровня жидкого азота.

Устройство для программного замораживания биообъектов работает следующим образом.

При изменении температуры образ- ;Ца изменяется температура и датчика 8. Изменение температуры датчика 8 вызывает изменение его сопротивления на величину, соответствунщую этому изменению температуры.

Изменение сопротивления термодатчика 8 преобразуется преобразователем 36 в напряжение, которое поступает на вход узла 38 сравнения. На вход 55 узла 38 сравнения поступает также напряжение с задатчика 37 температуры. Узел 38 сравнения сравнивает

s

0 5 0 5 о

5

5

0

5

24

два входных напряжения и выдает на выход разностный сигнал, который поступает затем на вход предусилителя 39. Разностный сигнал усиливается предуси- днтелем 39 и поступает на вход парофазного усилителя 40. Разностный сигнал усиливается парофазным усилителем 40 и в зависимости от фазы сигнал поступает на прямой, либо на инг вареный выход парофазного усилителя 40, Так, например, при охлаждении образца по заданной программе разностный сигнал, равный разности напряжений с задатчика 37 и датчика 8 температуры образца, - отрицательный. При этом усиленный разностный сигнал поступает на инверсный выход парофазного усилителя 40, а на его прямом выходе в этом случае сигнал равен нулю.

Разностный сигнал с инверсного выхода подается на второй дополнительный нагреватель 25, обеспечивая по нему прохождение тока нагрева, и на второй регулируемый клапан 27 сброса давления, изменяя в нем проходное сечение для выхода паров азота из внешнего отсека 5, Так как на прямом выходе сигнал равен нулю, то первый регулируемый клапан 14 сброса давления остается полностью открытым, а на первом 9 и втором 13 нагревателях токи нагрева отсутствуют (на нагревателе 9 ток нагрева отсутствует, так как прохождению тока от инверсного выхода к прямому выходу препятствует диод 41),

При подаче разностного сигнала на клапан 27 сброса проходное сечение клапана 27 сброса уменьшается в зави- ci iocTH от величины сигнала вплоть до полного герметичного его перекрытия, а газ над поверхностью жидкого азота во вншенем отсеке 5 нагревается нагревателем 25,

Таким образом, над уровнем 26 жидкого азота во внешнем отсеке 5 повышается давление. При этом давление газа над поверхностью жидкого азота во внутреннем отсеке 4 равно атмосферному, так как клапан 14 сброса полностью открыт, а нагреватели 9 и 13 не включены. Создаваемая разность давлений газа над поверхностью жидкого азота между вне шним 5 и внутренним 4 отсеками выдавливает жидкий азот-из внешнего отсека во внутренний, уменьшая уровень жидкого

азота во внешнем отсеке 5 и увеличивая уровень жидкого азота во внутреннем отсеке 4.

Охлаждение контейнера 7 с образцо в предложенном устройстве обеспечивается теплопередачей от образца (биообъекта) через теплопроводный элемент 10, имеющий тепловой контакт с контейнером 7 и жидким азотом 2 во внутреннем отсеке 4. При этом тепловой поток, отводимый от образца (биообъекта), зависит от геометрии теплопроводного элемента 10, коэффициента температуропроводности мате- риала теплопроводного элемента 10, величины не погруженной в жидкий азот 2 части теплопроводного Злемен- 1та 10, коэффициента теплоотдачи от элемента 10 к жидкому азоту 2 и дру- гих факторов. Повышение уровня жидкого азота во внутреннем отсеке 4 уменьшает часть -л еплопроводного элемента 10, расположенную над уровнем жидкого азота, тем самым уменьшается тепловое сопротивление между образцом и жидким азотом так, что тепловой поток, отводимый от образца (биообъекта) вместе с датчиком 8 температуры биообъекта, умень- шает их температуру до такой величины, при которой напряжение с датчика 8 и преобразователя 36 становится равным напряжению с задатчика 37, при этом разностный сигнал становится равным нулю.

Таким образом обеспечивается nporpaMiShoe охлаждение образца с высокой скоростью.

Величина отводимого от образца теплового потока, а следовательно, и скорость охлажд,ения, будет зависеть от коэффициента теплоотдачи от теплопроводного элемента 10 к жидкому азоту 2. Охлаждение теплопроводно го элемента 10 осуществляется за счет испарения жидкого азота на его поверхности, что первоначально ох- лаждает часть теплопроводного элемента 10, погруженную в жидкий азот, до температуры кипения яовдкого . азота, после чего часть теплопроводного элемента 10, опущенная в жидкий азот, охлаждается жидким азотом до температуры несколько ниже темпера- туры кипения жидкого азота. При испарении жидкого азота на поверхности теплопроводного элемента 10 образу

j ю 5 20 25 Q

5

5

ется пленка газообразного азота (пленочное кипение) с переменной толщиной по высоте части теплопроводного элемента 10, погруженной в жидкий азот. Эта пленка снижает коэффициент теплоотдачи от теплопроводного элемента 10 к жидкому азоту.

Для .увеличения коэффициента теплоотдачи за счет уменьшения толщины пленки или ее полного устранения и перехода к пузырьковому кипению, мешалка 15 приводится во вращение приводом 21 через магниты 20 магнитной муфты. Мешалка 15 вращается на опррном подшипнике 19 и центрируется подшипником 22 скольжения. Вращение коаксиальных цилиндрических стенок 18 мешалки 15 приводит во вращения жидкий азот, заполняющий внутренний отсек 4. Вращающийся жидкий азот обтекает профилированные цилиндрические обечайки теплопроводного элемента 10, расположенные коаксиально и неподвижно относительно стенок 18 мешалки 15. Для снижения скорости вращения мешалки 15, при которой разрушается пленочное кипение, по- верхность цилиндрического теплопроводного элемента 10 выполнена с вер- тикальными пазами (или выступами) определенной глубины, ширины и с определенной величиной шага, т.е. количеством выступов на единицу длины окружности (не показаны). Стенки 18 мешалки 15 выполнены со специальными лопастями, установленными вертикально по образующей и радиаль- но к поверхности (не показаны). Все это позволяет получить интенсивное вихреобразование в потоке жидкого азота, что разрушает пленочное кипение и увеличивает коэффициент теплоотдачи .

Таким образом, жидкий азот во внутреннем отсеке 4 перемещается по отношению к теплопроводному элементу 10 как вертикально, так и враща- тельно.

Вращательное движение жидкого и газообразного азота по отношению к.теплопроводному элементу 10 обеспечивает равномерное температурное поле по горизонтальному сечению теп- лопроводника, а следовательно, и по замораживаемому образцу.

Приведенное вьппе описание работы предложенного устройства справедливо для случая, когда скорость программного задания охлаждения образца выше, чем скорость его охлаждения за счет теплопередачи по теплопроводному элементу 10 без увеличения уровня жидкого азота 2 и уменьшения термического сопротивления между образцом и жидким азотам, т.е. в зтом случае для обеспечения скорости охлаждения образца, равной npoi- раммируемой скорости охлаждения, требуется увеличение уровня жидкого азота и увеличение коэффициента теплоотдачи.

В случае, если скорость програм- много задания охлаждения образца меньше, чем скорость его охлаждения за счет теплоотдачи по теплопроводному элементу 10 без увеличения уровня жидкого азота, то уменьшения тер- мического сопротивления не требуется и устройство работает следующим образом.

В изотермическом режиме, в режиме нагрева или в режиме охлаждения, при котором скорость охлаждения образца за счет теплоотдачи по теплопроводному элементу 10 без изменения уровня жидкого азота больше, чем скорость программного задания охлаж- дения, разностный сигнал, равный разности напряжений с задатчика 37 и датчика 8, - положительный. В этом случае усиленный разностный сигнал поступает на прямой выход парофазно- го усилителя 40, а при этом сигнал на его инверсном выходе равен нулю.

Усиленный разностный сигнал с трямого выхода подается на первьй дополнительный нагреватель 13, обес- печивая по нему прохождение тока нагрева, на нагреватель 9, обеспечивая по нему прохождение тока нагрева от прямого выхода к инверсному (в этом случае диод А1 не пре- пятствует прохождению тока) и на первый ре гулируемый клапан 14 сброса давления, изменяя в нем проходное сечение для выхода паров азота из внутреннего отсека 4. Так как на инверсном выходе сигнал равен нулю, то второй регулируемый клапан 27 сброса давления остается полностью открытым, а на втором дополнительном нагревателе 25 ток нагрева отсутству ет. При подаче разностного сигнала на клапан 27 сброса давления проходное сечение последнего уменьшается

5 10

15 20

5 Q

5

0 5 0 5

в зависимости от величины сигнала вплоть до полного герметичного его перекрытия, а газ над поверхностью жидкого азота во внутреннем отсеке 4 нагревается нагревателями 13 и 9. Таким образом, над уровнем 16 жидкого азота во внутреннем отсеке 4 повышается давление. При этом давление газа над поверхностью жидкого азота во внешнем отсеке 5 равно атмосферному, так как клапан 27 сброса полностью открыт, а нагреватель 25 .не включен. Создаваемая разность давлений газа над поверхностью жидкого азота между внутренним отсеком 4 и внешним отсеком 5 выдавливает жидкий азот из внутреннего отсека 4 во внешний отсек 5, уменьшая уровень жидкого азота во внутреннем отсеке 4 и увеличивая уровень азота во внешнем отсеке 5. При этом расстояние между образцом и уровнем жидкого азота увеличивается. Снижение уровня жидкого азота во внутреннем отсеке 4 увеличивает- часть теплопроводного элемента 10, расположенную над уровнем жидкого азота, тем самым увеличивается тепловое сопротивление между образцом в контейнере 7 и жидким азотом 2, а следовательно, уменьшается тепловой поток, отводимый от образца по теплопроводному элементу 10, что снижает скорость охлаждения образца в контейнере 7. Нагреватель 9 дополнительно нагревает образец (биообъект) вместе с датчиком 8 до такой температуры, при которой напряжение с датчика 8 и преобразователя 36 становится равным напряжению с задатчика 37, при этом разностный сигнал становится равным нулю. Таким образом, обеспечиваются изотермический режим, программный нагрев образца, а также программное охлаждение образца со скоростью меньшей, чем скорость охлаждения образца за счет теплопередачи по теплопроводному элементу 10 при постоянном либо уменьшающемся lypoBHe жидкого азота во внутреннем отсеке 4.

При испарении жидкого азота в про-, цессе работы во внешнем отсеке 5 до минимально допустимого уровня срабатывает датчик 24, включая индикатор 32. Это слуткит сигналом для добавления Ж1ЩКОГО азота во внешний отсек 5 сосуда Дьюара 1. Для этого узлом 35 управления потоком жидкого азота от91

крывают вентиль 34-и заполняют через трубопровод 29 внешний отсек 5 жидки азотом 2 до верхнего максимального уровня 26 жидкого азота 2. О достижении У;ровнем жидкого азота во внешнем отсеке 5 максимально допустимого значения 26 сигнализирует датчик 28, который при срабатывании включает индикатор 33, после чего узлом 35 управления г ерметично перекрьшают вентиль 34. Устройство готово к продолжению работы. Процесс добавления жидкого азота может быть, автоматизирован; в этом случае он происходит при работе устройства и не влияет на рабочий режим.

В предложенном варианте конструкции устройства.первый и второй дополнительные нагреватели 13 и 25 распо- ложены в верхней части соответст вую- щих отсеков 4 и 5 над уровнем жвдкого азота, т.е. в газовой фазе. Так как эти нагреватели расположены в верх- .ней части отсеков, то при их нагре- ве нагреваются прилегающие к ним слои газа. Удельный вес нагретого газа меньше удельного веса холодного газа, поэтому нагретый газ собирается в верхней части отсеков, т,е, конвекции между нагревателями и поверхностью жидкого азота нет, .а следовательно, нет дополнительного под7

10

вода тепла на испарение жидкого азота. Между нагревателями и поверхностью жидкого азота находится слой холодного газа, который уменьшает испарение с поверхности жидкого азота. Создаваемое давление передается от нагретого слоя газа к холодному, а от холодного слоя газа - на

поверхность жидкого азота, что уменьшает его испарение (так как при увеличении давления скорость испарения уменьшается). Таким образом, расположение нагревателей в верхней части отсека снижает расход азота в предложенном устройстве.

Применение изобретения обеспечивает широкий диапазон скоростей программируемого охлаждения - от изотермического режима (О град/мин) до 500-1000 град/мин при теплоемкости

образца выше 80

против 130

150 град/мин при теплоемкости образДж

ца до 10 в известном устройстград

ве, а также программируемый нагрев.

Кроме того, в предложенном устройстве отсутствует локальное замораживание объекта ввиде неравномерного теплоотвода от образца.

; Все это позволяет повысить сох- ранность биообъектов при криозамо- раживании.

fue.2

Редактор Л. Веселовская

Составитель И. Шебалина

Техред Н.Бонкало Корректор С. Черни

Заказ 1910/34Тираж 482 . Пбдписное

ВНИИПИ Государствениого комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, А