CN109221083A - 一种自动控制降温速率的降温设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动控制降温速率的降温设备，用于对冻存管内的生物样本进行降温，其特征在于，包括：制冷机；冷台组件；温度传感器；以及控制部，与温度传感器以及制冷机分别通信连接，其中，制冷机为斯特林型制冷机，控制部包含预定温度存储单元、温度判断单元、指令生成单元以及功率调节单元，温度传感器用于实时检测生物样本的样本温度，温度判断单元判断样本温度是否在预定温度范围内，当判断结果为否时，温度判断单元进一步判断样本温度是大于预定温度范围的上阈值还是小于预定温度范围的下阈值，当温度判断单元判断当前温度大于上阈值时，指令生成单元生成功率调高指令，功率调节单元根据功率调高指令调高制冷机的输出功率。

Description

一种自动控制降温速率的降温设备

技术领域

本发明属于降温领域，具体涉及一种自动控制降温速率的降温设备。

背景技术

低温保存是细胞和组织等生物材料长期保存的重要手段，在低温生物学、转化医学等众多学科研究及临床治疗中都具有重要意义。不同生物体在保存中都有最佳冷却速率，若控制不当，极易造成细胞损伤。

目前采用的冷冻保存方法主要分慢速冷冻，玻璃化和超快速冷冻三种。慢速冷冻通常以液氮为冷源，通过控制液氮注入量或气相区高度来达到设定降温程序。这种方法使用低浓度低温保护剂，通常降温时间很长，需消耗大量液氮，且仪器昂贵，并会因液氮的使用而受限。玻璃化通常使用较高浓度低温保护剂及较快的降温速率来避免冰晶产生以提高成活率。然而其所需的步骤比慢速冷冻复杂，且只能对小体积样本进行冷冻保存。超快速冷冻是介于慢速冷冻和玻璃化之间的技术，但其应用表现低于前述两种方法。

另外，根据阿尔赫尼厄斯(S.Arrhenius)公式,生化反应速率k和绝对温度T之间存在如下关系:k＝A·exp(-Ea/RT)。

由此可看出，温度越低其化学反应的速率越低，保存时间就越长。采用上述方法冷冻的样本，由于成本和技术问题，最低只能在液氮温度-196℃下长期保存。此外，一些研究表明液氮并不是无菌的，其可能是潜在的污染源。从程序降温装置排出的气体也不是无菌的，使得这些装置不能应用于无菌工作环境中。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种自动控制降温速率的降温设备，能够对冻存管内的生物样本进行降温，并且能够控制降温的速率，且结构简单轻便。

本发明采用了如下技术方案：

<方案一>

本发明提供了一种自动控制降温速率的降温设备，用于对冻存管内的生物样本进行降温，其特征在于，包括：制冷机，具有制冷机主体以及设置在该制冷机主体上的冷头；冷台组件，具有导冷板以及冷台，导冷板具有导冷板主体以及固定设置在该导冷板主体的下端的连接套，该连接套用于套接在冷头的圆周面上，冷台的上端设置有多个冻存管存放槽，下端设置在导冷板主体上；温度传感器，设置在冻存管内；以及控制部，与温度传感器以及制冷机分别通信连接，其中，制冷机为斯特林型制冷机，控制部包含预定温度存储单元、温度判断单元、指令生成单元以及功率调节单元，温度存储单元至少存储有预定温度范围，温度传感器用于实时检测生物样本的样本温度，温度判断单元判断样本温度是否在预定温度范围内，当判断结果为否时，温度判断单元进一步判断样本温度是大于预定温度范围的上阈值还是小于预定温度范围的下阈值，当温度判断单元判断当前温度大于上阈值时，指令生成单元生成功率调高指令，功率调节单元根据功率调高指令调高制冷机的输出功率。

本发明提供的自动控制降温速率的降温设备，还可以具有这样的特征：其中，控制部还包括预定功率存储单元、功率检测单元以及功率判断单元，预定功率存储单元至少存储有最小预定功率值，功率检测单元用于实时检测制冷机的输出功率，当温度判断单元判断当前温度小于下阈值时，功率判断单元判断输出功率是否大于最小预定功率值，当判断结果为是时，指令生成单元生成功率调低指令，功率调节单元根据功率调低指令调低制冷机的输出功率。

本发明提供的自动控制降温速率的降温设备，还可以具有这样的特征：还包括：加热器，设置在导冷板主体的下端且远离连接管，用于对导冷板主体进行加热；其中，当功率判断单元判断输出功率不大于最小预定功率值时，指令生成单元生成加热指令，加热器根据加热指令开启工作。

本发明提供的自动控制降温速率的降温设备，还可以具有这样的特征：还包括：冷头紧固件，为由弹性材料制成的卡箍，该卡箍具有上卡环以及下卡环，其中，上卡环的一端与下卡环的一端相铰接，上卡环的另一端与下卡环的另一端均设置有连接耳，该连接耳形成有螺栓孔，当冷头插入到连接套后，卡箍用于安装在连接套上并通过螺栓紧固而使冷头固定在连接套上。

本发明提供的自动控制降温速率的降温设备，还可以具有这样的特征：其中，导冷板主体为由导热性材料制成的平板。

本发明提供的自动控制降温速率的降温设备，还可以具有这样的特征：其中，导热性材料为铜合金。

本发明提供的自动控制降温速率的降温设备，还可以具有这样的特征：还包括：超声发生器，设置在导冷板的另一端，用于促进生物样本降温时产生的冰晶成核。

本发明提供的自动控制降温速率的降温设备，还可以具有这样的特征：其中，冷台呈圆柱体型。

<方案二>

本发明还提供了一种自动控制降温速率的降温设备，用于对不同规格的冻存管内的生物样本进行快速降温，其特征在于，包括：制冷机，具有制冷机主体以及设置在该制冷机主体上的冷头；冷台组件，具有导冷板以及多个冷台，导冷板具有导冷板主体以及固定设置在该导冷板主体的下端的连接套，该连接套用于套接在冷头的圆周面上，多个冷台分别用于放置不同规格的冻存管，冷台的上端设置有多个对应规格的冻存管存放槽，下端设置在导冷板主体上；温度传感器，设置在冻存管内；以及控制部，与温度传感器以及制冷机分别通信连接，其中，制冷机为斯特林型制冷机，控制部包含预定温度存储单元、温度判断单元、指令生成单元以及功率调节单元，温度存储单元至少存储有预定温度范围，温度传感器用于实时检测生物样本的样本温度，温度判断单元判断样本温度是否在预定温度范围内，当判断结果为否时，温度判断单元进一步判断样本温度是大于预定温度范围的上阈值还是小于预定温度范围的下阈值，当温度判断单元判断当前温度大于上阈值时，指令生成单元生成功率调高指令，功率调节单元根据功率调高指令调高制冷机的输出功率。

发明的作用与效果

根据本发明提供的自动控制降温速率的降温设备，由于温度传感器能够实时检测生物样本的样本温度，温度存储单元至少能够存储有预定温度范围，温度判断单元能够判断样本温度是否在预定温度范围内，并能够进一步判断样本温度是大于预定温度范围的上阈值还是小于预定温度范围的下阈值，指令生成单元能够生成功率调高指令，功率调节单元能够根据功率调高指令调高制冷机的输出功率，所以本发明独立地及时地对是否需要调节制冷机的功率进行有效的判断，并且根据判断结果对是调高还是调低制冷机的功率进行判定从而控制降温过程保持稳步速率，并且结构简单，成本低。同时，由于具有加热器，设置在导冷板主体的下端且远离连接管，能够对导冷板主体进行加热，所以本发明能够在降温较快且输出功率小于或者等于最小预定功率值时，有效地降低降温速率。

附图说明

图1是本发明的实施例一中自动控制降温速率的降温设备的结构示意图；

图2是本发明的实施例一中冷台的结构示意图；

图3是本发明的实施例一中温度传感器放置在冻存管内的示意图；

图4是本发明的实施例一中控制部的结构框图；以及

图5是本发明的实施例一中控制部控制降温的动作流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。

<实施例一>

图1是本发明的实施例一中自动控制降温速率的降温设备的结构示意图。

如图1所示，本实施例中的自动控制降温速率的降温设备100用于对冻存管7内的生物样本进行降温，包括制冷机1、冷台组件2、冷头紧固件3、热电偶(图中未示出)、加热器4、温度传感器5、控制部6以及超声发生器(图中未示出)。

如图1所示，制冷机1为斯特林型制冷机，具有制冷机主体(图中未示出)以及设置在该制冷机主体上的冷头11，制冷机主体用于产生冷意，冷头11与冷台组件2相连接，用于将制冷机主体产生的冷意传递给冷台组件2。

如图1所示，冷台组件2具有导冷板21以及冷台22。

如图1所示导冷板21具有连接套212以及导冷板主体211连接套212固定设置在该导冷板主体211的下端中心位置处，连接套212的下端套接在冷头11的圆周面上。导冷板主体211设置在冷台的下端，用于将冷头11的冷意传递给冷台22。导冷板主体211上设置有热电偶插入孔211a。

图2是本发明的实施例一中冷台的结构示意图。

如图1和图2所示，冷台22为由导热性材料制成的平板，上端形成有多个冻存管存取槽221。在本实施例中，导热性材料可以是铜或者铝合金。

如图1所示，冷头紧固件3为由弹性材料制成的卡箍，该卡箍具有上卡环31以及下卡环32，上卡环31的右端与下卡环32的右端相铰接，上卡环31的左端与下卡环32的左端均设置有连接耳33，该连接耳33上形成有螺栓孔34，当冷头11插入到连接套212后，首先将冷头紧固件3安装在连接套212，其次将螺栓依次穿过上卡环31和下卡环32的螺栓孔34后与对应的螺母配合连接而使冷头11固定在连接套212上。

热电偶插入热电偶安装孔211a从而安装在导冷板主体211上，用于实时检测导冷板主体211的温度。

如图1所示，加热器4为中心形成有通孔的加热片，设置在导冷板主体211的下端且远离连接管212，用于对导冷板主体211进行加热。

图3是本发明的实施例一中温度传感器放置在冻存管内的示意图。

如图3所示，温度传感器5设置在冻存管存取槽211内的冻存管7中，用于实时检测生物样本的样本温度。在本实施例中，温度传感器5为热电偶。

图4是本发明的实施例一中控制部的结构框图。

如图4所示，控制部6与制冷机1、加热器4以及温度传感器5分别通信连接，包括预定温度存储单元61、温度判断单元62、预定功率存储单元63、功率检测单元64、功率判断单元65、指令生成单元66、功率调节单元67以及控制单元68。

如图4所示，预定温度存储单元61至少存储有预定温度范围。

温度判断单元62用于判断样本温度是否在预定温度范围内，当判断结果为否时，温度判断单元进一步判断样本温度是大于预定温度范围的上阈值还是小于预定温度范围的下阈值。

预定功率存储单元63至少存储有最小预定功率值以及预定功率值。

功率检测单元64用于实时检测制冷机1的输出功率。

功率判断单元65用于制冷机1的输出功率是否大于最小预定功率值。

指令生成单元66用于生成功率调高指令、功率调低指令、加热指令以及停止加热指令。当温度判断单元62判断当前温度大于上阈值时，指令生成单元66生成功率调高指令，当温度判断单元判断当前温度小于下阈值时，功率判断单元65判断输出功率是否大于最小预定功率值，当判断结果为是时，指令生成单元65生成功率调低指令，当判断结果为否时，指令生成单元65生成加热指令。

功率调节单元67根据功率调高指令或者功率调低指令调节制冷机1的功率。

控制单元68包含用于预定温度存储单元61、温度判断单元62、预定功率存储单元63、功率检测单元64、功率判断单元65、指令生成单元66以及功率调节单元67运行的计算机程序

图5是本发明的实施例一中控制部控制降温的动作流程图。

如图5所示，本发明的实施例一中自动控制降温速率的流程如下：

步骤S1，指令生成单元66生成停止加热指令，然后进入步骤S2。

步骤S2，加热器5根据停止加热指令停止工作，然后进入步骤S3。

步骤S3，温度传感器6实时检测生物样本的样本温度，然后进入步骤S4。

步骤S4，温度判断单元62判断当前的样本温度是否在预定温度范围内，当判断结果为否然后进入步骤S5，当判断结果为是然后进入步骤S14。

步骤S5，温度判断单元62进一步判断当前的样本温度是否大于预定温度范围的上阈值，当判断结果为否然后进入步骤S6，当判断结果为是然后进入步骤S8。

步骤S6，指令生成单元66生成功率调高指令，然后进入步骤S7。

步骤S7，功率调节单元67根据功率调高指令调高制冷机1的输出功率，然后进入步骤S1。

步骤S8，功率检测单元64检测制冷机1的当前的输出功率，然后进入步骤S9。

步骤S9，功率判断单元65判断输出功率是否大于最小预定功率值，当判端结果为否然后进入步骤S10，当判端结果为是然后进入步骤S12。

步骤S10，指令生成单元66生成加热指令，然后进入步骤S11。

步骤S11，加热器5根据加热指令开启工作，然后进入步骤S1。

步骤S12，指令生成单元66生成功率调低指令，然后进入步骤S12。

步骤S13，功率调节单元67根据功率调低指令调低制冷机1的输出功率，然后进入步骤S1。

步骤S14，指令生成单元66生成调至预定功率指令，然后进入步骤S15。

步骤S15，功率调节单元67根据调至预定功率指令将制冷机1的输出功率调至预定功率值，然后进入结束状态。

超声发生器设置在导冷板主体211的上端，用于促进生物样本降温时产生的冰晶成核。使用时，还可以外设气体膨胀装置，使冷台22周围的气体膨胀从而促进生物样本降温时产生的冰晶成核。

实施例的作用与效果

根据本实施例提供的自动控制降温速率的降温设备，由于温度传感器能够实时检测生物样本的样本温度，温度存储单元至少能够存储有预定温度范围，温度判断单元能够判断样本温度是否在预定温度范围内，并能够进一步判断样本温度是大于预定温度范围的上阈值还是小于预定温度范围的下阈值，指令生成单元能够生成功率调高指令，功率调节单元能够根据功率调高指令调高制冷机的输出功率，所以本实施例能够独立地及时地对是否需要调节制冷机的功率进行有效的判断，并且根据判断结果对是调高还是调低制冷机的功率进行判定从而控制降温过程保持稳步降温速率，并且结构简单，成本低。同时，由于具有加热器，设置在导冷板主体的下端且远离连接管，能够对导冷板主体进行加热，所以本实施例能够在降温较快且输出功率小于或者等于最小预定功率值时，有效地降低降温速率。

而且，由于制冷机为斯特林型制冷机，斯特林制冷机结构紧凑、工作温区广、效率高、最低制冷温度可达120K以下，具有无菌、便携、保存温度较低的特点，并且在低功耗下保持恒定低温环境且可外接12V直流电源，能够使样本在暂存及转运时保持超低温。同时，导冷板与冷台相贴合，能够将冷量均匀传递给冷台从而能够使冷台中的多个生物样本均匀受冷。

此外，由于具有加热器，所以本实施例能够通过控制制冷机和加热片的功率补偿来使生物样本按照设定计算机程序降温并能够避免传统降温仪在使用过程中出现低温电磁阀结露导致线圈或电路系统损坏、阀门关闭不严等问题。

此外，因为具有超声发生器，设置在导冷板的另一端，能够促进生物样本降温时产生的冰晶成核，而且，因为制冷机具有冷头，制冷机开启，冷头振动也能够促进生物样本降温时产生的冰晶成核，降低了细胞自发成核或手动成核带来的温度波动和冰晶损伤，从而能够提高生物样本复温后的成活率。

<变形例一>

本变形例为实施例一的变形。以下说明中，对于与实施例一相同的部件，给予相同的符号并省略相关说明。

与实施例一不同，本变形例的自动控制降温速率的降温设备100具有多个冷台22，多个冷台22分别用于放置不同规格的冻存管7，每个冷台22的上端设置有多个对应规格的冻存管存放槽221，使用时，将生物样本放置在合适规格的冻存管7中，并根据冻存管7的规格选取对应规格的冷台22可拆卸地安装在导冷板21上。

由于具有多个冷台22，每个冷台22的上端设置有多个对应规格的冻存管存放槽221，因此本变形例的自动控制降温速率的降温设备能够放置不同规格的冻存管7。

上述实施例和变形例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，但本发明不限于上述实施例所描述的范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种自动控制降温速率的降温设备，用于对冻存管内的生物样本进行降温，其特征在于，包括：

制冷机，具有制冷机主体以及设置在该制冷机主体上的冷头；

冷台组件，具有导冷板以及冷台，所述导冷板具有导冷板主体以及固定设置在该导冷板主体的下端的连接套，该连接套用于套接在所述冷头的圆周面上，所述冷台的上端设置有多个冻存管存放槽，下端设置在所述导冷板主体上；

温度传感器，设置在所述冻存管内；以及

控制部，与所述温度传感器以及所述制冷机分别通信连接，

其中，所述制冷机为斯特林型制冷机，

所述控制部包含预定温度存储单元、温度判断单元、指令生成单元以及功率调节单元，

所述温度存储单元至少存储有预定温度范围，

所述温度传感器用于实时检测所述生物样本的样本温度，

所述温度判断单元判断所述样本温度是否在所述预定温度范围内，

当判断结果为否时，所述温度判断单元进一步判断所述样本温度是大于所述预定温度范围的上阈值还是小于所述预定温度范围的下阈值，

当所述温度判断单元判断所述当前温度大于所述上阈值时，所述指令生成单元生成功率调高指令，

所述功率调节单元根据所述功率调高指令调高所述制冷机的输出功率。

2.根据权利要求1所述的自动控制降温速率的降温设备，其特征在于：

其中，所述控制部还包括预定功率存储单元、功率检测单元以及功率判断单元，

所述预定功率存储单元至少存储有最小预定功率值，

所述功率检测单元用于实时检测所述制冷机的输出功率，

当所述温度判断单元判断所述当前温度小于所述下阈值时，所述功率判断单元判断所述输出功率是否大于所述最小预定功率值，

当判断结果为是时，所述指令生成单元生成功率调低指令，

所述功率调节单元根据所述功率调低指令调低所述制冷机的输出功率。

3.根据权利要求2所述的自动控制降温速率的降温设备，其特征在于，还包括：

加热器，设置在所述导冷板主体的下端且远离所述连接管，用于对所述导冷板主体进行加热；

其中，当所述功率判断单元判断所述输出功率不大于所述最小预定功率值时，所述指令生成单元生成加热指令，

所述加热器根据所述加热指令开启工作。

4.根据权利要求1所述的自动控制降温速率的降温设备，其特征在于，还包括：

冷头紧固件，为由弹性材料制成的卡箍，该卡箍具有上卡环以及下卡环，

其中，所述上卡环的一端与所述下卡环的一端相铰接，所述上卡环的另一端与所述下卡环的另一端均设置有连接耳，该连接耳形成有螺栓孔，

当所述冷头插入到所述连接套后，所述卡箍用于安装在所述连接套上并通过螺栓紧固而使所述冷头固定在所述连接套上。

5.根据权利要求1所述的自动控制降温速率的降温设备，其特征在于：

其中，所述导冷板主体为由导热性材料制成的平板。

6.根据权利要求5所述的自动控制降温速率的降温设备，其特征在于：

其中，所述导热性材料为铜合金。

7.根据权利要求1所述的自动控制降温速率的降温设备，其特征在于，还包括：

超声发生器，设置在所述导冷板的另一端，用于促进所述生物样本降温时产生的冰晶成核。

8.根据权利要求1所述的自动控制降温速率的降温设备，其特征在于：

其中，所述冷台呈圆柱体型。

9.一种自动控制降温速率的降温设备，用于对不同规格的冻存管内的生物样本进行快速降温，其特征在于，包括：

制冷机，具有制冷机主体以及设置在该制冷机主体上的冷头；

冷台组件，具有导冷板以及多个冷台，所述导冷板具有导冷板主体以及固定设置在该导冷板主体的下端的连接套，该连接套用于套接在所述冷头的圆周面上，多个所述冷台分别用于放置不同规格的所述冻存管，所述冷台的上端设置有多个对应规格的冻存管存放槽，下端设置在所述导冷板主体上；

温度传感器，设置在所述冻存管内；以及

控制部，与所述温度传感器以及所述制冷机分别通信连接，

其中，所述制冷机为斯特林型制冷机，

所述控制部包含预定温度存储单元、温度判断单元、指令生成单元以及功率调节单元，

所述温度存储单元至少存储有预定温度范围，

所述温度传感器用于实时检测所述生物样本的样本温度，

所述温度判断单元判断所述样本温度是否在所述预定温度范围内，

当判断结果为否时，所述温度判断单元进一步判断所述样本温度是大于所述预定温度范围的上阈值还是小于所述预定温度范围的下阈值，

当所述温度判断单元判断所述当前温度大于所述上阈值时，所述指令生成单元生成功率调高指令，

所述功率调节单元根据所述功率调高指令调高所述制冷机的输出功率。