CN111413133A - 一种冰冻切片机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰冻切片机，属于冰冻切片的技术领域。包括：制冷模块，包括箱体、安装在箱体上的一级制冷装置、与一级制冷装置连接的二级制冷装置；切削模块，用于在箱体内对样本进行切削，包括穿入箱体内的刀具杆和进样杆，箱体上开设有用于进样杆进入的通孔，通孔内设置有包覆在进样杆周侧的隔热装置。一级制冷装置对箱体进行制冷，二级制冷装置对一级制冷装置进一步散热制冷，实现对箱体的稳定制冷，隔热装置在通孔处降低箱体内外的热传递，保持箱体内温度场的恒定。而样本切削在箱体内进行切削，保证样本切削时处于恒定冰冻环境，保证了切削的精度及稳定性，而且进样杆的一部分位于箱体外，能有效避免冷冻环境对切削模块精密运动的影响。

Description

一种冰冻切片机

技术领域

本发明属于冰冻切片领域，更具体地，涉及一种冰冻切片机。

背景技术

在生物医学领域，由于生物原有特性保护好，冰冻切片常被用于获取生物组织的薄切片。现有技术常用轮转式冰冻切片机，切削模块安装固定于冰柜之中，保证样本始终处于冷冻环境，刀具固定，一个曲柄滑块机构用于驱动样本进给，往复于刀具之间，实现冰冻切片。然而，曲柄滑块机构的特点是运动过程速度呈正弦变化，而样本的进给速度波动会导致切削质量下降，并且，将整个切削装置安装于冰柜之中，低温对用于传动装置如电动马达等有一定影响，造成切削精度进一步下降，若改用手动操作，样本切削速度依然不稳定。此外，冰冻切片机的冷冻环境采用蒸气压缩式制冷方式，存在着较大的温度误差，进一步影响到切削精度，而制冷系统工作过程中，压缩机工作会产生较大振动，进一步降低样本切片的精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种冰冻切片机，其目的在于解决现有技术中进行冰冻切片时冰冻环境振动大、温度稳定性差、切削速率不恒定、精密器件置于冷冻环境而影响切削精度的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种冰冻切片机，包括：制冷模块，包括箱体、安装在所述箱体上的一级制冷装置、与所述一级制冷装置连接并对一级制冷装置进一步制冷的二级制冷装置；切削模块，用于在所述箱体内对样本进行切削，包括穿入箱体内的刀具杆和进样杆，所述刀具杆与所述进样杆配合完成样本的切片，所述箱体上开设有用于所述进样杆进入并进行切削运动的通孔，所述通孔内设置有隔热装置。

通过上述技术方案，使用一级制冷装置对箱体进行制冷，二级制冷装置对一级制冷装置进一步制冷，进而提高制冷效果，实现箱体内的冷冻环境的温度稳定。而本申请将切削模块中的一部分置于箱体外，一部分置于箱体内，位于箱体内的部分用于放置样本或者安装刀具，位于箱体外的部分则可耦合箱体外的其他设备或精密仪器，采用平推式的切削方法，尽可能地缩小箱体的体积，降低制冷成本，同时，还保证了内部切削运动在冷冻环境中的进行，有效地避免了冷冻环境对外部其他设备或精密仪器的影响。而隔热装置将进样杆运动的通孔处进行保温，能有效地降低箱体内外热量交换，保持箱体内温度场的恒定，从而有效地提高了切削的精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是半导体制冷片的排布示意图；

图3是刀具杆的结构示意图；

图4是进样杆的结构示意图；

图5是进样杆或刀具杆的温度传导示意图；

图6是实施例二中的隔热装置示意图。

图中，1、箱体；2、半导体制冷片；3、进样杆；4、通孔；5、隔热装置；6、隔热孔一；7、容纳槽；8、柔性保温材料；9、支撑件；10、导热层；11、保温层；12、温度传感器；13、冷板；14、液体循环管；15、二级制冷装置；16、刀具杆；17、凸块；18、隔热孔二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种冰冻切片机，包括制冷模块和切削模块。

实施例一

参照图1和图2，制冷模块包括箱体1、安装在箱体1上的一级制冷装置、与一级制冷装置连接用来对一级制冷装置进一步制冷的二级制冷装置15，为样本提供冷冻环境。切削模块包括穿入箱体1内的刀具杆16和进样杆3，进样杆3位于箱体1内的一端用于放置样本，刀具则固定在箱体1内或安装在箱体1内的刀具杆16上；当然，进样杆3也可以用于安装刀具，样本则放置在箱体1内或箱体1内的刀具杆16上，通过进样杆3和刀具杆16的配合，来实现对样本的切片。箱体1上开设有用于进样杆3进入并进行切削运动的通孔4，通孔4的截面积大于进样杆3的截面积，以使进样杆3能在通孔4内自由移动。

具体的，箱体1为长方体状，进样杆3可以从箱体1的侧壁穿入箱体1，也可以从箱体1的底部或顶部穿入箱体1内，从底部或顶部穿入箱体1内的进样杆3，其杆杠更短，进样杆3的强度更强，不容易变形。且从不同处穿入箱体1时，进样杆3的所需长度不一、通孔4的开设大小不同。根据样本的形状不同，在不同方向上完成切削所需的运动距离也不同，选择运动距离最长的那个方向，使进样杆3垂直于此方向穿入箱体1内，可有效减小进样杆3的长度，但相应地，用于进样杆3完成切削的通孔4则需要开设更大。因此，可根据不同的箱体和样本形状，选择最有利的穿入方式，从而提高进样杆3的结构强度，提高切削精度。

进一步地，参照图1，进样杆3位于箱体1外的一端用于连接精密三维平移台，以实现进样杆3的自由运动，精密三维平移台用于驱动进样杆3相对于刀具杆16移动，以及根据设定切削厚度在每个切削循环中抬升样本从而完成对样本的切削，刀具杆16的两端刚性连接在箱体1外，刀具杆16的中部凸起后形成穿入箱体1内的凸块17，用于放置样本或者刀具。

具体地，参照图3，凸块17呈“L”型，其一端与刀具杆16一体呈“T”字形，另一端向垂直于刀具杆16的方向弯折呈三角部，可以固定用于夹持刀具的夹具装置，凸块17、刀具杆16、三角部一体成型，在切削过程中三角部受力时，不会与刀具杆16之间产生运动间隙，因此，保证了刀具杆16的结构刚度，有利于提高切削的精度。

参照图3和图4，进样杆3、刀具杆16均选用导热性能低的刚性材质，例如钛合金，不锈钢这种低导热率的金属或合金。进样杆3上开设有隔热孔一6、刀具杆16的凸块17上开设有隔热孔二18，隔热孔一6和隔热孔二18优选为等腰三角形孔，也可以为其他的规则或不规则的具有对称性的多边形孔，孔内可以填充保温材料，例如海绵、棉花等，用于降低进样杆3和刀具杆16的热传导效果，也就是降低箱体1内外之间的热量传递，从而保证样本所处的低温环境，而开设这种形状对称的孔还能保持杆的两边对称，使两边导热性能类似，同时还能保证结构强度。通过改变箱体1的形状，结合进样杆3和刀具杆16的设计，使得箱体1内的冷冻环境与外部的其他设备之间有更高的耦合性，本发明的冰冻切片机能适用于更多的场景。

图5中(a)为刀具杆16上未开设等腰三角孔的温度传导模拟图，图5中(b)为刀具杆16上开设有等腰三角孔的温度传导模拟图，图中的温度单位为℃。将刀具杆16的最下表面设为-20℃冷源，而其他表面则设置在室温对流状态，用于模拟设有通孔后对刀具杆16的温度传导影响。可以看到，开设有等腰三角孔的刀具杆16位于室温对流环境中的部分与室温环境更为接近，综上，等腰三角孔的开设可以有效地降低刀具杆16对温度的传导，同理，等腰三角孔的开设也可以有效地降低进样杆3对温度的传导。

箱体1上于通孔4处设置有隔热装置5，隔热装置5包括固定在通孔4处的柔性保温材料8，例如棉花、海绵、橡胶、乳胶等，具有一定的形变和复位能力。柔性保温材料8的边缘处与通孔4的内壁粘接固定，柔性保温材料8的内壁则包覆在进样杆3的周侧，柔性保温材料8的形状可以跟随进样杆3的运动需求、通孔4的形状来设置。当进样杆3在通孔4内朝通孔4的边缘处的任一方向运动时，会挤压其运动方向上的柔性保温材料8，而当进样杆3回到通孔4中心处时，柔性保温材料8恢复初始形状。通过将切削模块的一部分置于箱体1外，一部分置于箱体1内，使得样本的切削过程能在箱体1内的冷冻环境中进行，而驱动切削运动的设备能放置在箱体1外的室温环境中，既保护了样本，还能避免室温环境对三维平移台等设备的影响，从而保证切削的精度。

进一步地，参照图1，箱体1包括导热层10和包覆在导热层10周侧的保温层11，导热层10由导热性能良好的材质制成，且厚度较薄，例如各种铜、铝等高导热率的金属或合金，而导热层10则由保温性能良好的材质制成，且厚度较厚，例如PVC发泡剂、泡沫等。

具体地，一级制冷装置包括半导体制冷片2，半导体制冷片2阵列分布在导热层10的两侧外壁上，导热层10的内壁则固定有与半导体制冷片2一一对应的温度传感器12。可以根据需要随意改变箱体的大小、形状及结构，以及半导体制冷片2的排布方式，每一个温度传感器12均能反馈各点的温度值。冰冻切片机还包括PID控制模块，根据温度传感器12实时反馈的温度值输出对应的半导体制冷片2所需的电压，经过功率放大电路后给对应的半导体制冷片2供电，进而实现对各半导体制冷片2的输出功率控制，以及实时控制半导体制冷片的通断，从而可以调节各个点的温度一致、达到整个冷冻环境的温度一致。

进一步地，参照图1，一级制冷装置还包括两个冷板13，冷板13对称设置在导热层10的两侧且嵌设在保温层11内，半导体制冷片2的冷端与导热层10粘接固定，热端与冷板13紧密接触固定。冷板13连接有液体循环管14，液体循环管14向远离冷板13的方向延伸至远处。

进一步地，参照图1，二级制冷装置15位于液体循环管14远离冷板13一端，用于对液体循环管14中的液体进行制冷，来控制液体循环管14中液体的温度恒定。液体可以为水、油等，二级制冷装置15可以为水箱与风扇，水被引流到远离半导体制冷片2的水箱中，再通过风扇对水箱内的水进行降温，冷板13内的水吸收半导体制冷片热端的热量后，进入到远离冷板13的水箱内，经过风扇冷却后又能重新进入冷板13内继续对半导体制冷片2的热端进行散热，这样循环往复，实现对半导体制冷片2的热端的稳定散热，进而实现整个冷冻环境的稳定制冷。液体循环管14将热量带至远处进行散热，降低了风扇等机械振动对箱体1的影响，在冰冻切片机运行过程中不会存在振动影响，从而提高了切削模块的运行精度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的一种冰冻切片机，使用半导体制冷片2进行一级制冷，冷板13和液体循环管14对半导体制冷片2热端进行制冷，提高半导体制冷片2的制冷效率；再通过液体循环管14远端的二级制冷装置15对液体进一步制冷，该方法无机械振动，对切削的影响更小，且半导体制冷片的多点排列以及对应的温度传感器的多点反馈，能更好地保持箱体内温度的均匀，降低温度变化对样本的影响；

本发明还将切削模块中用于放置样本和安装刀具的部分放置在箱体1内，将驱动切削模块运动的设备置于箱体1外，既能提高与其他设备之间的耦合性，还能有效避免低温环境对外部精密设备的影响，从而保证切削运动的稳定；

本发明为了降低室温环境通过进样杆3或刀具杆16对箱体1内冷冻环境的影响，也为了减小切削过程中进样杆3的运动而影响的箱体1内温度稳定的问题，在保证进样杆3和刀具杆16刚度的前提下，开设了降低热传递效率的隔热孔一6和隔热孔二18，同时使用柔性保温材料跟对进样杆3一同运动，对通孔4处进行隔热保温，从而有效地维持了箱体1内温度场的恒定，保证了冰冻切削的精度。

实施例二

参照图6，与实施例一的不同之处在于，隔热装置5包括在箱体1上的通孔4处开设的容纳槽7，可以开设在导热层10内也可以开设在保温层11内，容纳槽7可以是圆形槽、也可以是多边形槽，容纳槽7的开设面需覆盖通孔4的开设面，且容纳槽7的开设厚度小于通孔4的开设厚度，从中心处的截面看，容纳槽7与通孔4连通成“十”字形。容纳槽7内填充有柔性保温材料8，例如棉花、海绵、橡胶、乳胶等，具有一定的形变和复位能力。

当进样杆3在通孔4内朝通孔4的边缘处的任一方向运动时，会挤压其运动方向上的柔性保温材料8，而当进样杆3回到通孔4中心处时，柔性保温材料8恢复初始状态，由于容纳槽7覆盖通孔4，通过选择合适的容纳槽7开设尺寸，使柔性保温材料8的一端受到挤压时，另一端也能填充在容纳槽7内而不会脱离出来，从而在通孔4处形成一个柔性屏障，既能将箱体1内外的环境进行隔离，又不限制进样杆3的三维运动。

进一步地，柔性保温材料8的两侧还固定有支撑件9，支撑件9为导热性能低的硬质材料制成，例如硬纸板、硬木板等，当进样杆3沿通孔4的轴线方向运动时，由于摩擦力作用，容易拉动柔性保温材料8变形，甚至使柔性保温材料8从容纳槽7中脱离出来，而支撑件9则可将柔性保温材料8的中心处进行定型，使得柔性保温材料8和两侧的支撑件9共同稳定地套设在进样杆的周侧，从而保证进样杆3能在柔性保温材料8内沿通孔4的轴线方向移动。

进一步地，支撑件9可以为镂空的支撑架、也可以为一整块的支撑板，优选为一整块的支撑板，柔性保温材料8的两侧均内凹设置，而支撑板则嵌设在内凹处。

支撑板的外径大于通孔4的开设直径且小于容纳槽7的开设直径，因此，当进样杆3位于通孔4的中心处时，支撑板的边缘处均能进入并抵接在容纳槽7的内壁上，而当柔性保温材料8朝向一个方向挤压时，支撑板也朝着同一个方向运动，能保证支撑板始终有一端能抵接在容纳槽7的内壁上，从而实现对柔性保温材料8的定型。并且，通过内凹嵌设，使得支撑板远离柔性保温材料8的一侧能与柔性保温材料8的外侧面保持齐平，当柔性保温材料8朝向一个方向挤压时，带动支撑板朝向该方向运动，而支撑板的相反方向端容易出现离开容纳槽7的情况，齐平后会使得柔性保温材料8复位、支撑板的相反方向端重新进入容纳槽7时不会出现卡阻的现象，因此，整个柔性保温材料8跟随进样杆3的运动而产生的变形复位更加灵活。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冰冻切片机，其特征在于，包括：制冷模块，包括箱体、安装在所述箱体上的一级制冷装置、与所述一级制冷装置连接并对一级制冷装置进一步制冷的二级制冷装置；

切削模块，用于在所述箱体内对样本进行切削，包括穿入箱体内的刀具杆和进样杆，所述刀具杆与所述进样杆配合完成样本的切片，所述箱体上开设有用于所述进样杆进入的通孔，所述通孔内设置有包覆在所述进样杆周侧的隔热装置。

2.根据权利要求1所述的冰冻切片机，其特征在于，所述进样杆内开设有用于降低进样杆热传递效果的隔热孔一，所述刀具杆上开设有用于降低刀具杆热传递效果的隔热孔二。

3.根据权利要求1所述的冰冻切片机，其特征在于，所述隔热装置包括设置在所述通孔处且包覆在所述进样杆周侧的柔性保温材料。

4.根据权利要求1所述的冰冻切片机，其特征在于，所述隔热装置包括在所述箱体内的通孔处开设的容纳槽，所述容纳槽的开设面覆盖所述通孔的开设面，所述容纳槽内填充有包覆在所述进样杆周侧的柔性保温材料。

5.根据权利要求4所述的冰冻切片机，其特征在于，所述柔性保温材料的两侧均固定有套设在所述进样杆周侧的支撑件，所述支撑件的外径大于所述通孔的开设直径且小于所述容纳槽的开设直径，用于定位所述柔性保温材料在所述通孔处的形状。

6.根据权利要求5所述的冰冻切片机，其特征在于，所述柔性保温材料的两侧内凹设置，以使所述支撑件的外侧与所述柔性保温材料的侧壁齐平。

7.根据权利要求1所述的冰冻切片机，其特征在于，所述一级制冷装置为半导体制冷片，所述箱体包括导热层和包覆在所述导热层周侧的保温层，所述半导体制冷片阵列分布在所述导热层的两侧外壁上，且所述导热层内壁设置有与所述半导体制冷片一一对应的温度传感器。

8.根据权利要求7所述的冰冻切片机，其特征在于，所述一级制冷装置还包括设置在所述导热层两侧外壁上且嵌设在所述保温层内的冷板，用于对所述半导体制冷片的热端制冷：

所述半导体制冷片的冷端与所述导热层的外壁接触，半导体制冷片的热端与所述冷板接触，所述冷板连接有液体循环管。

9.根据权利要求8所述的冰冻切片机，其特征在于，所述二级制冷装置位于所述液体循环管远离冷板一端，用来对液体循环管中的液体制冷，以控制液体循环管中液体的温度恒定。

10.根据权利要求1所述的冰冻切片机，其特征在于，所述刀具杆的一端刚性连接在箱体外，所述进样杆的一端安装在箱体外的精密三维平移台上，所述精密三维平移台用于驱动所述进样杆相对于所述刀具杆移动，以及根据设定切削厚度在每个切削循环中抬升样本。

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