Устройство для замораживания биологических объектов Советский патент 1990 года по МПК F25D3/10 

Изобретение относится к криобиологии, а именно к низкот;емпературному консервированию биологических объектов, и может быть использовано для консервирования клеточных суспензий, плотных тканей и других биологических объектов, упакованных в контейнеры.

Целью изобретения является повышение сохранности биообъектов при замораживаниипутемобеспеченияравномерности их охлаждения в контейнерах.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 - турбулизирующий элемент, сечение.

Устройство содержит теплоизолированный корпус 1, центральный газоход 2 с установленными в нем контейнерами 3 и боковые газоходы 4, соединенные с центральным газоходом 2 верхними и нижними каналами 5 и 6 с образованием замкнутого контура. Контейнеры 3 установлены в центральном газоходе 2 с образованием зазоров 7 для прохождения охлаждающего газа. Газоходы 2 и 4 и каналы 5 и 6 размещены в корпусе 1 с образованием между ними зазора 8. Вокруг боковых газоходов 4 размещены камеры 9 для хладагента с образованием общей развитой поверхности 10 теплообмена и отделены от корпуса 1 и центрального газохода 2 зазорами 11 и 12. Центробежный вентилятор 13 расположен в верхнем канале 5 над центральным газоходом 2 перед камерами 9 по ходу движения хладагента. В зоне соединения центрального газохода 2 с нижними каналами 6 установлены блоки направляющих пластин 14 с расположенной над ними сглаживающей сеткой 15. Направляющие пластины 14 выполнены изогнутыми и установ/цены так, что один конец каждой пластины 14 ориентирован вдоль оси нижнего канала 6. а другой - вдоль оси центрального газохода 2. Для формировэ- ния развитого турбулентного пограничного, слоя под каждым контейнером 3 установлен

турбулизирующий элемент 16, имеющий в сечении форму клина с выпуклыми криволинейными стенками и направленный острым концом к сетке 15.

Радиус R кривизны турбулизирующего элемента 16 и его длину L определяют из условия, что пограничный слой в точке схода с натекателя полностью турбулизируется. Этому условию соответствуют следующие соотношения R « L, полученные из расчета пофаничного слоя на криволинейной поверхности:

L

V

2

R

3W 2h где L - длина турбулизирующего элемента;

R - радиус кривизны турбулизирующего элемента;

h - расстояние от оси контейнера до наружной поверхности его стенки;

V - кинематическая вязкость газообразного хладагента;

W - скорость газообразного хладагента;

ReKp - критическое число Рейнольдса по толщине вытеснения потока, соответствующее переходу пограничного слоя из ламинарного в турбулентный.

Между торцами контейнеров 3 и турбу- лизирующих элементов 16 оставлен зазор 17 размером 0.7-1.2 мм для дополнительной турбулизации потока. В стенках боковых газоходов 4 под верхней стенкой камер 9 для хладагента выполнены отверстия 18 для выхода паров испарившегося хладагента, и камеры 9 сообщены с полостью газоходов 4 через эти отверстия 18. В стенках центрального газохода 2 в верхней его части перед вентилятором 13 выполнены отверстия 19 для выхода паров хладагента в полость корпуса 1. Внутренняя поверхность корпуса 1 и внешняя поверхность камер 9 для хладагента покрыты слоем теплоизолирующего материала 20. Жидкий хладагент поступает в камеры 9 по трубопроводу 21с электромагнитным клапаном 22. Для контроля заправки камер 9 хладагентом в одной из них установлен уровнемер 23, а сами камеры 9 соединены между собой теплоизолированным трубопроводом 24. Для контроля выполняемого режима в одном из контейнеров 3 установлен термометр 25.

Предположим, что объект помещен в контейнеры толщиной 2h 10 мм. Минимальная скорость потока W 10 м/с. кинематическая вязкость газообразного азота (воздуха при t ) v 13.45 10 . критическое число Рейнольдса для тонкого профиля с углом схода потока, равным 0. ReKp 420. Из приведенных соотношений получаем L 7.9 Ю м 79 мм. R -626.6 мм. При этом величина турбулизиру- ющего зазора лежит в пределах 0.7 -1.2 мм.

Устройство работает следующим образом.

После заправки камер 9 хладагентом до заданного уровня, контролируемого уровнемером 23. включается центробежный вентилятор 13. Создаваемый последним циркулирующий поток газообразного хладагента проходит через верхний клапан 5, газоходы 4 и камеры 9. где омывает тепло- обменные поверхности 10 и охлаждается, испаряя жидкий хладагент. Испарившийся хладагент через отверстия 18 поступает в боковые газоходы 4. где смешивается с цир- кулирующим газовым потоком, дополнительно охлаждая его. Охлажденный поток поступает в центральный газоход 2 через нижние каналы 6 и направляющие пластины 14. которые придают потоку осевое направле- ние и осуществляют предварительное выравнивание поля скоростей потока по сечению газохода. Окончательное сглаживание поля скоростей осуществляется путем пропускания потока через сетку 15. Затем поток посту- 4 пает на турбулизирующие элементы 16. где происходят формирование, развитие и турбу- лизация пограничного слоя. Дополнительной турбулизации пограничного слоя способствует зазор 17. Охлаждающий поток с уже сфор- 4 мированным развитым турбулентным пограничным слоем обтекает контейнеры 3 с биообъектом, равномерно охлаждая их. а затем поступает к вентилятору 13. замыкая контур циркуляции. Излишки отработанных 5 паров хладагента, имеющих температуру, близкую к температуре циркулирующего потока, через отверстия 19 выпускаются в полость корпуса 1, создавая теплоизолирующую рубашку, а затем выбрасываются в атмосферу. 5

Использование направляющих пластин позволяет в случае встречного входа потоков в центральный газоход из нижних каналов придать потоку в центральном газоходе

строго осевое направление с нулевым углом атаки по отношению к контейнерам 3. чем достигается симметричность отвода тепла от контейнеров. Кроме того, направляющие пластины 14 позволяют получить безотрывный вход потока в центральный газоход и осуществить предварительное выравнива- ние расхода по сечению. Дальнейшее выравнивание расхода сглаживающей сеткой 15 позволяет получить перед контейнерами 3 равномерное поле скоростей, чем обеспечивается идентичность охлаждения отдельных контейнеров. Формирование турбулентного пограничного слоя на турбу- лизирующих элементах 16 и дополнительная турбулизация его в зазорах 17 позволяют обеспечить равномерный тепло- отвод от поверхности контейнера 3. При этом рабочая полость в верхней части контейнера, не заполненная биообъектом, теплоизолирует верхний торец контейнера 3. Натекание охлаждающего потока на контейнеры снизу, что обусловлено расположе- нием центробежного вентилятора в верхнем канале, при наличии указанной полости в контейнере исключает более быстрое охлаждение верхних слоев объекта, чем остальной его части, а следовательно, не допускает образования ледяной пробки. Благодаря совместному действию указанных факторов достигается равномерность охлаждения биологических объектов в контейнерах, вследствие чего повышается точность реализации заданного режима охлаждения, что ведет к повышению сохранности замороженного объекта.

0

Формула изобретения Устройство для замораживания биологических объектов, содержащее теплоизолированный корпус, центральный и боковые газоходы, соединенные верхними и нижними каналами/контейнеры для биообъектов, размещаемые вертикально в центральном газоходе с образованием зазоров для прохода охлаждающего газа, камеры для хладагента, установленные вокруг боковых газоходов и сообщенные в верхней части с полостью последних через отверстия, выполненные в стенках газоходов, центробежный вентилятор, отличающееся тем. что. с целью повышения сохранности биообъектов при замораживании, устройство снабжено блоками направляющих пластин, установленных в зоне соединения центрального газохода с нижними каналами, расположенной над ними сеткой и турбули- зирующими элементами, расположенными под каждым контейнером с образованием зазора для дополнительной турбулизации

потока, при этом вентилятор установлен в верхнем канале над центральным газоходом, направляющие пластины выполнены изогнутыми и установлены так, что один конец каждой пластины ориентирован вдоль оси нижнего канала, а другой - вдоль оси центрального газохода,, а турбулизирующие элементы имеют в сечении форму клина с выпуклыми криволинейными стенками и направлены острым концом к сетке, причем длину и радиус кривизны этих элементов определяют по формулам

0

L

V Re

кр

2

R

3W 2h где L - длина турбулизирующего элемента;

R - радиус кривизны;

h - расстояние от оси контейнера до наружной поверхности его стенки;

V - кинематическая вязкость газообразного хладагента;

W - скорость газообразного хладагента;

Reicp - критическое число,Рейнольдса, соответствующее переходу пограничного слоя из ламинарного в турбулентный.

Изобретение относится к низкотемпературному консервированию биологических объектов и может быть использовано для консервирования клеточных суспензий, плотных тканей и других объектов. Целью изобретения является повышение сохранности биообъектов при замораживании. Контейнеры 3 с биообъектами устанавливают в центральном газоходе 2. После заправки камер 3 хладагентом до заданного уровня включают вентилятор 13, который обеспечивает циркуляцию потока газообразного хладагента через канал 5, газоходы 4 и камеры 9, канал 6. Направляющие пластины 14 придают потоку осевое направление и осуществляют предварительное выравнивание скорости потока. Поток хладагента проходит через сетку 15, турбулизирующие элементы 16, имеющие форму, определяемую по установленным формулам, и установленные под контейнерами 3 с образованием зазора 17 для дополнительной турбулизации. Поток хладагента с уже сформированным развитым турбулентным пограничным слоем обтекает контейнеры 3, равномерно охлаждая их. Излишки отработанных паров хладагента через отверстия 13 выпускаются в полость корпуса 1, создавая теплоизолирующую рубашку. 2 ил.

«г.2