CN111457768A - 一种应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器，包括脉动热管、细胞悬浮液盛放装置、加热装置和冷凝箱；所述脉动热管为硅基连续缩扩型板式脉动热管，包括热管基体及设置在热管基体内的连续缩扩型蛇形槽；所述连续缩扩型蛇形槽道的宽度d呈连续线性周期变化，d ₁≤d≤d ₂，沿着固定方向，从所述连续缩扩型蛇形槽道的任一弯头出口至下一个弯头入口，槽道宽度d的连续线性变化周期为n，n≥2的整数。本发明低温相变换热器应用于细胞玻璃化冷冻，即能够达到玻璃化冷冻所需的超快冷却速率，又能够实现用低浓度冷冻保护剂来代替高浓度冷冻保护剂，减小了细胞玻璃化冷冻对细胞的伤害。

Description

一种应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器

技术领域

本发明涉及相变换热技术领域，具体涉及的是一种为了应对短时间内有超快换热需求对象而设计的主要由具有连续缩扩型蛇形槽道的板式脉动热管组成的低温相变换热器。

背景技术

细胞的冷冻保存是保存和繁殖遗传优势动植物的主要工具，也是保存动物种质资源的重要技术手段，能为体外受精、核移植、转基因等生殖技术提供更广泛的背景材料。细胞的冷冻保存是将其温度逐步降至超低温(-196℃)，然后放到液氮中冷冻，使细胞代谢下降，并能长期稳定保存。根据冷冻过程中降温速率的不同，将细胞冷冻保存技术分为慢速冷冻法，快速冷冻法和玻璃化冷冻法3种，在生产实际中广泛使用慢速冷冻法和玻璃化冷冻法。玻璃化冷冻法是通过添加高浓度(4-7mol/L)的冷冻保护剂使细胞脱水，通过现有的冷却方法(OPS、微滴、冷循环、以及冷表面凝固方法等)以15000～30000K/min的冷却速率对细胞进行冷却，然后放到液氮中保存。然而，高浓度的冷冻保护剂对细胞有严重的毒性和渗透作用，并且对于高浓度冷冻保护剂的添加的分离都相当复杂。使用低浓度的冷冻保护剂来达到细胞悬浮液的玻璃化适用于所有类型的细胞，这是一种具备潜在前景的通用方法。基于动态模型的外推理论预测，使用浓度为1mol/L的甘油水溶液作为冷冻保护剂需要的最低冷却速率是10⁶K/min。然而现如今绝大部分的方法和设备由于技术限制不能达到如此高的冷却速率，只有池内沸腾方法能够达到，但是缺点在于直接将细胞悬浮液放入液氮中，在样品周围会有强烈的氮气蒸发，形成一种作为隔热层的“蒸汽外套”，因此样品表面的液氮之间的传热系数就受到了限制，也阻碍了冷却速率的进一步增加，并且细胞表面与液氮直接接触，容易受到污染。

鉴于这些缺点，我们需要一种全新的方法，使得在低浓度冷冻保护剂的作用下达到所需的冷却速率。因此采用脉动热管对细胞悬浮液进行冷却，能够在使用低浓度冷冻保护剂的前提下，通过非直接接触液氮的方式达到超快的冷却速率。

脉动热管是20世纪90年代由日本学者Akachi最先提出的一种新型热管，相比传统热管，脉动热管具有结构简单无芯、体积小、形状可任意弯曲、当量导热系数大的特点。脉动热管分管式和板式两种。由于温差形成的驱动力是脉动热管的唯一驱动力，温差的存在造成了脉动热管的均温性不够理想，并且当蒸发段输入热通量高于最大允许热通量时，由于驱动力有限，冷凝段的液体工质无法及时回流到蒸发段，造成蒸发段局部干涸，传热特性显著恶化。目前国内外对脉动热管的研究大多处于常温区,经过几十年的发展,常温区脉动热管的研究已经相对成熟,而低温区的研究相对较少。

发明内容

由于低温脉动热管在低温超导、航空、低温医疗等领域有巨大应用价值。针对脉动热管驱动力单一的问题，又考虑到细胞玻璃化冷冻的工作温度区间。因此，本发明将连续缩扩型蛇形槽道结构引入到硅基板式脉动热管中，该结构能够为板式脉动热管附加一个毛细驱动力，强化其内部工质的流动传热，并且采用氮为工质，形成能够在液氮温度区间工作的硅基连续缩扩型板式脉动热管，配合加热及冷凝装置，组成一套低温相变换热器，实现对细胞悬浮液的超快冷却。

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器，该换热器优化了板式脉动热管的槽道结构，同时以氮作为板式脉动热管的工质，实现低浓度冷冻保护剂下的细胞玻璃化冷冻。

技术方案

为解决上述传统换热装置的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器，所述的低温相变换热器由硅基连续缩扩型板式脉动热管、细胞悬浮液盛放装置、加热装置和冷凝箱组成。所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管包括上板和下板，连续缩扩型蛇形槽道刻蚀在所述的下板上，所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的工质为氮；所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的蒸发段固定在所述的加热装置内，所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的冷凝段固定在所述的冷凝箱内；所述的加热装置包括加热装置外壳体和可控电加热片；所述的细胞悬浮液盛放装置由细胞悬浮液容器和细胞悬浮液容器盖组成；其特征在于：所述的连续缩扩型蛇形槽道高度为h₁，所述的连续缩扩型蛇形槽道的宽度d呈连续线性周期变化(d₁≤d≤d₂)，沿着固定方向，从所述的连续缩扩型蛇形槽道的任一弯头出口至下一个弯头入口，槽道宽度d的连续线性变化周期为n(n≥2的整数)，所述的连续缩扩型蛇形槽道的当量直径满足脉动热管管径范围。

所述的连续缩扩型蛇形槽道首尾相连形成闭合回路，槽道高度为h₁，沿着固定方向，从所述的连续缩扩型蛇形槽道的任一弯头出口开始，槽道宽度d由d₁连续线性增大到d₂，紧接着又突变为d₁，然后以相同的方式继续由d₁连续线性增大到d₂，这样的变化持续n(n≥2的整数)个周期到达下一个弯头的入口，这一段长度为L，L和n可根据实际需要进行设计。所述的连续缩扩型蛇形槽道的当量直径满足脉动热管管径范围

式中，γ₁为工质表面张力，ρ_l为液相工质的密度，ρ_v为气相工质的密度。相关研究表明，由于表面张力的作用，毛细尺寸微通道内的塞状液滴气液界面两侧存在一个压力差

式中，γ为工质表面张力，r为气液界面曲率半径，对于处于所述的连续缩扩型蛇形槽道内的塞状液滴，其首尾两端所处槽道宽度不同，首尾两端气液界面的曲率半径不同，分别为r₁，r₂(r₁＜r₂)，首尾两端气液界面的压力差也不同，因此对于整个塞状液滴来说，其受到的总压力差

这个毛细压力差弥补了脉动热管驱动力单一的不足，能够驱使工质定向流动，提升了脉动热管的均温性，强化了脉动热管的流动传热过程。

所述的上板和所述的下板是通过MEMS技术对硅板进行加工而制成，硅易于通过化学蚀刻处理。所述的下板侧面有一个充液口，所述的上板和下板贴合密封之后，通过所述的充液口向其内部充入工质并密封，工质采用氮，充液率为40％～60％，工质的热物性决定脉动热管的工作温度区间，因此，所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管能够在液氮温度区间运行。

所述的细胞悬浮液容器是在所述的上板中间段上表面刻蚀的方形凹槽而来，单层细胞悬浮液平铺在所述的方形凹槽内，所述的方形凹槽尺寸根据细胞大小及细胞悬浮液量的大小进行设计，所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的整体尺寸根据所述的方形凹槽的尺寸进行设计，所述的单层细胞通过所述的细胞悬浮液容器下壁面与气液两相氮工质进行换热，硅在低温下的热导率非常高(在-196℃时，硅的热导率达到1680W/m·K)，因此，细胞能够得到超快冷却。

所述的加热装置外壳体内填充隔热材料，例如聚乙烯、玻璃纤维、硅酸盐等，所述的可调电加热片固定在所述的加热装置外壳体内表面，所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的蒸发段固定在所述的加热装置内，实现对所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管蒸发段可控加热保温。

所述的冷凝箱箱体由隔热材料制成，所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的冷凝段固定密封在所述的冷凝箱内部，工作时，向所述的冷凝箱内注入足够量的液氮，并密封保温，达到对所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的冷凝段的有效冷却。

有益效果

本发明涉及一种应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器，该换热器主要由硅基连续缩扩型板式脉动热管构成，其具有的连续缩扩型蛇形槽道能够给工质附加一个毛细驱动力，促使工质定向流动，提升了板式脉动热管的均温性，强化了板式脉动热管的流动传热过程。通过采用氮作为脉动热管的工质，保证了脉动热管能够在液氮温度区间工作。可控加热装置和以液氮为基础的冷凝装置能够保证硅基连续缩扩型板式脉动热管的有效运行。通过将细胞悬浮液容器刻蚀在硅基连续缩扩型板式脉动热管的上表面，同时由于硅在低温下的高导热性，在低温下的换热速率能够达到极高。由于该换热器能够有效工作在液氮温度区间，同时产生具有极大的换热速率，将其应用于细胞玻璃化冷冻，在使用低浓度冷冻保护剂和不直接接触液氮的前提下，实现细胞玻璃化冷冻，减小了细胞玻璃化冷冻对细胞的伤害。

附图说明

图1低温相变换热器系统图；

图2连续缩扩型蛇形槽道二维截面图；

图3硅基连续缩扩型板式脉动热管结构示意图；

图4细胞悬浮液盛放装置结构示意图；

图5加热装置结构示意图；

其中，1.冷凝箱；2.硅基连续缩扩型板式脉动热管；3.细胞悬浮液盛放装置；4.加热装置；5.单周期连续缩扩型槽道；6.弯头；7.塞状液滴；8.上板；9.下板；10.充液口；11.连续缩扩型蛇形槽道；12.细胞悬浮液容器；13.细胞悬浮液容器盖；14.加热装置外壳体；15.可调电加热片。

具体实施方式

下面结合附图进一步的描述：

图1为本发明中应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器系统图。如图所示，该系统包括硅基连续缩扩型板式脉动热管、细胞悬浮液盛放装置、加热装置和冷凝箱。硅基连续缩扩型板式脉动热管2的蒸发段固定在加热装置4的外壳体内，硅基连续缩扩型板式脉动热管2的冷凝段固定在冷凝箱1内，细胞悬浮液盛放装置3耦合在硅基连续缩扩型板式脉动热管2的上表面。工作时，加热装置4对硅基连续缩扩型板式脉动热管2的蒸发段输入热负荷，冷凝箱1内注满液氮对硅基连续缩扩型板式脉动热管2的冷凝段进行冷却，冷热两端的作用使得氮工质在硅基连续缩扩型板式脉动热管2的内部槽道内剧烈脉动流动；细胞悬浮液盛放装置3耦合在硅基连续缩扩型板式脉动热管2的上表面，在细胞悬浮液盛放装置3内部平铺的单层细胞悬浮液通过硅基连续缩扩型板式脉动热管2的上表面与气液两相氮工质进行超快速率换热，以达到细胞悬浮液的玻璃化冷冻。

图2为连续缩扩型蛇形槽道二维截面图。如图所示，连续缩扩型蛇形槽道的宽度d呈连续线性周期变化，d₁≤d≤d₂，d₁为最小处宽度，d₂为最大处宽度。连续缩扩型蛇形槽道沿着固定的方向，从离开任一弯头6的出口开始，单周期连续缩扩型槽道5不断重复，重复n(n≥2的整数)个周期后，到达下一个弯头6的入口，从而形成连续缩扩型蛇形槽道。

图3为硅基连续缩扩型板式脉动热管结构示意图。如图所示，硅基连续缩扩型板式脉动热管由上板7和下板8组成，连续缩扩型蛇形槽道10刻蚀在下板8上，下板8侧面有充液口，上板7和下板8密封贴合，并通过充液口9注入氮工质并密封。

图4为细胞悬浮液盛放装置示意图。如图所示，单层细胞悬浮液平铺在细胞悬浮液容器11内，工作时，盖上细胞悬浮液容器盖12，待细胞悬浮液冷却完成，将其转移至液氮中保存。

图5为加热装置结构示意图。如图所示，加热装置外壳体13内填充隔热材料，可调电加热片14固定在加热装置外壳体13内表面，工作时，可调电加热片14直接接触硅基连续缩扩型板式脉动热管2的蒸发段外表面，在加热装置外壳体13的隔热保温下，实现有效加热。

Claims (7)

1.一种应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器，包括脉动热管、细胞悬浮液盛放装置、加热装置和冷凝箱；其特征在于：所述脉动热管为硅基连续缩扩型板式脉动热管，包括热管基体及设置在热管基体内的连续缩扩型蛇形槽；所述硅基连续缩扩型板式脉动热管的蒸发段固定在所述加热装置内，所述硅基连续缩扩型板式脉动热管的冷凝段固定在所述冷凝箱内；所述连续缩扩型蛇形槽道的宽度d呈连续线性周期变化，d ₁≤d≤d ₂，沿着固定方向，从所述连续缩扩型蛇形槽道的任一弯头出口至下一个弯头入口，槽道宽度d的连续线性变化周期为n，n≥2的整数。

2.根据权利要求1所述的低温相变换热器，其特征在于：所述加热装置包括加热装置外壳体和可控电加热片。

3.根据权利要求2所述的低温相变换热器，其特征在于：所述加热装置外壳体内填充隔热材料，所述的可调电加热片固定在所述的加热装置外壳体的内表面，所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的蒸发段固定密封在所述的加热装置内，所述的可调电加热片与所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的蒸发段外表面直接接触。

4.根据权利要求1所述的低温相变换热器，其特征在于：所述热管基体包括上板和下板，连续缩扩型蛇形槽道刻蚀在所述的下板上，所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的工质为氮。

5.根据权利要求1所述的低温相变换热器，其特征在于：所述的细胞悬浮液盛放装置由细胞悬浮液容器和细胞悬浮液容器盖组成。

6.根据权利要求4所述的低温相变换热器，其特征在于：所述的细胞悬浮液容器是在所述的热管基体上表面刻蚀出方形凹槽而来，所述的细胞悬浮液容器盖由保温无毒材料制成。

7.根据权利要求1所述的低温相变换热器，其特征在于：所述的冷凝箱箱体由隔热材料制成，所述的冷凝箱前端有方形开口，所述的硅基连续缩扩型板式脉动热管的冷凝段穿过所述的方形开口固定密封在冷凝箱内部，所述的冷凝箱内部注满液氮。

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