RU142802U1

RU142802U1 - THERMOSTAT FOR MEDICAL AND BIOLOGICAL RESEARCH

Info

Publication number: RU142802U1
Application number: RU2014112568/14U
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Галушко; Владимир Александрович Захаренко; Мария Петровна Гассиева; Олеся Юрьевна Кочетова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (ОАО "НИИЭМ")
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-07-10

Abstract

1. Термостат для медико-биологических исследований, содержащий закрывающуюся термостатируемую камеру с теплоизоляционными стенками, средство для размещения исследуемых биологических образцов, оснащенное плоскими электронагревателями, регулятором температуры, датчиками температуры, отличающийся тем, что средство для размещения исследуемых биологических образцов выполнено в виде обоймы, изготовленной из теплопроводящего материала, состоящей из двух половин, внутренняя поверхность которых имеет выемки под форму пробирок, предназначенных для размещения в них биологических образцов, причем сама обойма снабжена подпружиненными направляющими для соединения своих половин и пьезоэлементами, при этом датчики температуры, плоские электронагреватели и пьезоэлементы размещены на наружной поверхности обоймы и снабжены средством подключения к блоку управления и регистрации, исполняющему функции регулятора температуры исследуемых биологических образцов и управляющего устройства для пьезоэлементов, обеспечивающих встряхивание обоймы с пробирками.2. Термостат по п. 1, отличающийся тем, что содержит собственный блок управления и регистрации, выполненный на базе микропроцессора.3. Термостат по п. 1, отличающийся тем, что термостатируемая камера имеет крышку, а внутренние поверхности термостатируемой камеры и крышки содержат отражающее покрытие.4. Термостат по п. 1, отличающийся тем, что содержит телескопические опоры из композиционного материала с малой теплопроводностью для крепления обоймы внутри термостата.1. Thermostat for biomedical research, containing a lockable thermostatic chamber with heat-insulating walls, means for placing the biological samples under study, equipped with flat electric heaters, a temperature controller, temperature sensors, characterized in that the means for placing the biological samples under study is made in the form of a holder made from a heat-conducting material consisting of two halves, the inner surface of which has recesses in the shape of tubes, is intended used to place biological samples in them, and the cage itself is equipped with spring-loaded guides for connecting its halves and piezoelectric elements, while temperature sensors, flat electric heaters and piezoelectric elements are placed on the outer surface of the cage and are equipped with a connection to a control and registration unit that acts as a temperature regulator for the studied biological samples and a control device for piezoelectric elements providing shaking of the holder with test tubes. 2. The thermostat according to claim 1, characterized in that it contains its own control and registration unit based on a microprocessor. 3. The thermostat according to claim 1, characterized in that the thermostatically controlled chamber has a lid, and the inner surfaces of the thermostatic chamber and lids contain a reflective coating. The thermostat according to claim 1, characterized in that it contains telescopic supports made of composite material with low thermal conductivity for attaching the clip inside the thermostat.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к устройствам термостатирования биологических образцов во время медико-биологических исследований, в частности, во время космических полетов в условиях воздействия факторов космического пространства.The utility model relates to thermostatic control devices for biological samples during biomedical research, in particular, during space flights under the influence of outer space factors.

Уровень техникиState of the art

Известен портативный термостат для биологических исследований по патенту РФ 2305233, содержащий термоизолированный корпус с крышкой и рабочую камеру, доступ к которой осуществляется через теплоизолированную дверь. Под днищем рабочей камеры расположены электровентилятор, электронагреватель, датчик и задатчик температуры, блок коммутации, шины сетевого электропитания, усилитель постоянного тока, фильтр питания, блок регулирования, понижающий трансформатором, причем электронагреватель и электровентилятор подключены к выходу блока коммутации, последний подключен к шинам для сетевого электропитания и выходу усилителя постоянного тока, который подключен к фильтру питания и выходу блока регулирования, входы последнего подключены к датчику и задатчику температуры и фильтру питания, вход которого соединен с выходом выпрямителя, вход выпрямителя подключен к вторичной обмотке понижающего трансформатора, первичная обмотка которого соединена с шинами сетевого электропитания. Рабочая камера снабжена технологическими полками, длина которых несколько меньше, чем внутреннее пространство рабочей камеры с возможностью образования воздушных каналов, причем крышка выполнена в виде теплоизолированной двери.Known portable thermostat for biological research according to the patent of the Russian Federation 2305233, containing a thermally insulated body with a lid and a working chamber, access to which is through a thermally insulated door. Under the bottom of the working chamber there are an electric fan, an electric heater, a temperature sensor and a setter, a switching unit, mains power supply buses, a DC amplifier, a power filter, a control unit that lowers a transformer, and the electric heater and electric fan are connected to the output of the switching unit, the latter is connected to the busbars for the network power supply and the output of the DC amplifier, which is connected to the power filter and the output of the control unit, the inputs of the latter are connected to the sensor and set ku temperature and supply filter having an input connected to the output of the rectifier, the rectifier input is connected to the secondary winding of stepdown transformer, whose primary winding is connected to the mains power supply buses. The working chamber is equipped with technological shelves, the length of which is slightly less than the inner space of the working chamber with the possibility of formation of air channels, and the lid is made in the form of a heat-insulated door.

Основные недостатки устройства:The main disadvantages of the device:

- высокое энергопотребление, связанное с необходимостью использования электровентилятора для переноса тепла от нагревателя в рабочую камеру, сложная схема терморегулирования и связанное с этим увеличение габаритов и массы устройства с неминуемым снижением его надежности.- high energy consumption associated with the need to use an electric fan to transfer heat from the heater to the working chamber, a complex thermal management scheme and the associated increase in size and weight of the device with an inevitable decrease in its reliability.

Известна конструкция термостата для биологических исследований по а.с. СССР №686021, взятая за прототип. Термостат содержит закрывающуюся термостатируемую камеру с теплоизоляционными стенками, плоский нагреватель из электропроводящей ткани, датчик температуры и регулятор температуры. В термостатируемой камере располагается приспособление для размещения исследуемых образцов - биоконтейнер и манипуляторы для проведения операций в биоконтейнере на борту космического аппарата без нарушения температурного режима. Плоский электронагреватель вырезан из электропроводящей ткани. Он наклеивается на стенки биоконтейнера и расположен в пространстве между внутренней стенкой термостатируемой камеры и наружной стенкой биоконтейнера, при этом отношение поверхности нагревателя к внутренней поверхности термостатируемой камеры выбрано не менее 2/3. Температура биообъектов измеряется датчиком, который подключен к терморегулятору. Второй датчик расположен в толще стенки биоконтейнера для увеличения надежности и безопасности температурных условий биологических объектов. Тепловая энергия плоского нагревателя переносится к биологическим объектам кондуктивно и излучением.Known design of the thermostat for biological research on.with. USSR No. 686021, taken as a prototype. The thermostat contains a lockable thermostatic chamber with heat-insulating walls, a flat heater made of electrically conductive fabric, a temperature sensor and a temperature controller. In a thermostatic chamber there is a device for placing the samples under study - a biocontainer and manipulators for operations in a biocontainer on board a spacecraft without violating the temperature regime. A flat electric heater is cut from an electrically conductive fabric. It is glued to the walls of the biocontainer and is located in the space between the inner wall of the thermostatic chamber and the outer wall of the biocontainer, while the ratio of the surface of the heater to the inner surface of the thermostatic chamber is selected at least 2/3. The temperature of biological objects is measured by a sensor that is connected to a thermostat. The second sensor is located in the thickness of the wall of the biocontainer to increase the reliability and safety of the temperature conditions of biological objects. The thermal energy of a flat heater is transferred to biological objects conductively and by radiation.

Недостаток термостата в том, что нагреватель помещен в пространстве между внутренней стенкой термостатируемой камеры и наружной стенкой биоконтейнера. А поскольку в космических условиях конвекционный перенос тепла исключен, а радиационный и кондуктивный переносы тепла от нагревателей к биологическим образцам затруднены из-за размещения нагревателя на наружной стенке биоконтейнера, увеличивается инерционность процесса нагрева образцов исследуемых биологических материалов и затрудняется его контроль. Кроме того, не обеспечивается равномерность нагрева. К тому же, от наклеенного на биоконтейнер нагревателя, постепенно нагревается и внутренняя поверхность термостатируемой камеры, а затем и вся стенка, что приводит к выделению тепла от контейнера во внешнее окружающее пространство. Этим создается дополнительная нагрузка для системы электроснабжения.The disadvantage of the thermostat is that the heater is placed in the space between the inner wall of the thermostatically controlled chamber and the outer wall of the biocontainer. And since in space conditions convection heat transfer is excluded, and radiation and conductive heat transfers from heaters to biological samples are difficult due to the location of the heater on the outer wall of the biocontainer, the inertia of the heating process of samples of the studied biological materials increases and its control is difficult. In addition, the uniformity of heating is not ensured. In addition, from the heater glued onto the biocontainer, the inner surface of the thermostatically controlled chamber and then the entire wall are gradually heated, which leads to the release of heat from the container into the external environment. This creates an additional load for the power supply system.

Целью предлагаемой полезной модели является конструктивное решение термостата, обеспечивающего формирование равномерного температурного поля в зоне размещения образцов исследуемых биологических материалов с поддержанием точно заданной температуры этих образцов и минимальными энергетическими потерями в условиях изменяющихся факторов окружающей средыThe purpose of the proposed utility model is the constructive solution of the thermostat, which ensures the formation of a uniform temperature field in the area of placement of samples of the studied biological materials with maintaining a precisely set temperature of these samples and minimal energy losses in conditions of changing environmental factors

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Термостат для медико-биологических исследований в условиях космического пространства представляет собой камеру с крышкой и отражающим покрытием на внутренних поверхностях камеры и крышки, внутри которой имеется средство для размещения исследуемых биологических образцов, выполненное в виде обоймы для пробирок, изготовленной из теплопроводящего материала, состоящей из двух половин с выемками для размещения пробирок с биологическими образцами. Половины обоймы соединяются по подпружиненным направляющим. На внешней поверхности обоймы наклеены гибкие электронагреватели, датчики температуры и пьезоэлементы. Последние обеспечивают периодическое встряхивание содержимого пробирок для компенсации отсутствующего конвекционного перемешивания в условиях невесомости. Датчики температуры, электронагреватели и пьезоэлементы подключаются к блоку управления и регистрации, который поддерживает заданную температуру (является регулятором температуры), а также обеспечивает режим встряхивания пробирок. Питание блока управления и регистрации осуществляется от внешнего источника. Выемки обоймы охватывают пробирки по всей боковой поверхности и создают условия равномерного прижатия, обеспечивая эффективный перенос тепла от нагревателей к исследуемым материалам. Применение двух и более нагревателей дает возможность с помощью микропроцессора реализовать наиболее экономичный режим нагрева и поддержания заданной температуры.The thermostat for biomedical research in outer space is a chamber with a lid and a reflective coating on the inner surfaces of the chamber and the lid, inside which there is a means for placing the biological samples under study, made in the form of a tube holder made of heat-conducting material, consisting of two halves with recesses for placement of test tubes with biological samples. The halves of the cage are connected by spring-loaded guides. Flexible electric heaters, temperature sensors and piezoelectric elements are glued on the outer surface of the cage. The latter provide periodic shaking of the contents of the tubes to compensate for the lack of convection mixing in zero gravity. Temperature sensors, electric heaters and piezoelectric elements are connected to the control and registration unit, which maintains the set temperature (it is a temperature regulator), and also provides the mode of shaking of tubes. The power of the control and registration unit is carried out from an external source. The hollows of the cage cover the tubes along the entire lateral surface and create conditions for uniform pressing, providing effective heat transfer from the heaters to the materials under study. The use of two or more heaters makes it possible to use the microprocessor to realize the most economical mode of heating and maintaining a given temperature.

Обойма внутри термостата крепится на телескопической опоре к любой из стенок камеры термостата или к его крышке. Телескопическая конструкция монтажной опоры из композиционного материала с малой теплопроводность облегчает условия монтажа обоймы в камере термостата, условия монтажа пробирок в обойму и снижает утечки тепла в окружающее пространство.The holder inside the thermostat is mounted on a telescopic support to any of the walls of the thermostat chamber or to its cover. The telescopic design of the mounting support made of a composite material with low thermal conductivity facilitates the conditions for mounting the cage in the thermostat chamber, the conditions for installing the tubes in the cage, and reduces heat leakage into the surrounding space.

Графические иллюстрацииGraphic illustration

На Фиг 1. представлено схематическое изображение конструкции термостата для медико-биологических исследованийIn Fig 1. presents a schematic illustration of the design of a thermostat for biomedical research

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Термостат для медико-биологических исследований содержит камеру 1 из алюминиевого сплава с отражающим покрытием 2 из металлизированной полимерной пленки на внутренних стенках, обойму 3 состоящую из двух симметричных половин из алюминиевого сплава АМг-6, внутри которой размещены пробирки 4 с исследуемым биологическим материалом, гибкие пленочные нагреватели 5 типа ПИГН.564512.063, выпускаемые ОАО «НИИЭМ», датчик температуры 6 типа ТЭП, телескопические опоры 7, пьезоэлементы 8 марки ЦТС, выпускаемые ОАО «НИИФИ» г. Пенза, подпружиненные направляющие обоймы 9, крышку 10 камеры 1, соединитель 11 марки ОС РС 50 АТВ, блок управления и регистрации 12 на базе микропроцессора серии 645, внешний источник питания 13. На внешней поверхности половин обоймы 3 сделаны продольные углубления, в которые помещены датчики температуры 6, нагреватели 5 и пьезоэлементы 8. Половины обоймы 3 соединяются подпружиненными направляющими 9.The thermostat for biomedical research contains a chamber 1 of an aluminum alloy with a reflective coating 2 of a metallized polymer film on the inner walls, a holder 3 consisting of two symmetric halves of an aluminum alloy AMg-6, inside which tubes 4 with the biological material under study are placed, flexible film heaters of the 5th type PIGN.564512.063 manufactured by NIIEM, temperature sensor 6 of the TEP type, telescopic supports 7, piezoelectric elements 8 of the TsTS brand manufactured by NIIFI of the city of Penza, spring-loaded guides 9 clips, cover 10 of camera 1, connector 11 of the OS RS 50 ATV grade, a control and registration unit 12 based on the microprocessor of the 645 series, an external power supply 13. On the outer surface of the halves of the clip 3, longitudinal recesses are made in which temperature sensors 6 are placed, heaters 5 and piezoelectric elements 8. Halves of the cage 3 are connected by spring-loaded guides 9.

Работа с термостатом производится в следующей последовательности. На половины обоймы 3 наклеиваются гибкие пленочные электронагреватели 5. Половины обоймы 3 соединяются по подпружиненным направляющим 9. Отжимают половинки обоймы 3 и вставляют в гнезда обоймы 3 пробирки 4 с биологическим материалом. Устанавливают обойму 3 на телескопические опоры 7. Выводы нагревателей 5, датчиков температуры 6 и пьезоэлементов 8 подключают к соединителю 11. В контейнер обычно также помещают портативный регистратор ионизирующих излучений, после чего закрывают крышку 10. К соединителю 11 извне подключают блок управления и регистрации 12 с внешним источником электропитания 13. С помощью блока управления и регистрации 12 задают рабочую температуру и алгоритм ее регулирования для достижения минимального предела колебания температуры.Work with the thermostat is carried out in the following sequence. Flexible film heaters 5 are glued on half of the casing 3. The halves of the casing 3 are connected by spring-loaded guides 9. Squeeze the halves of the cage 3 and insert tubes 4 with biological material into the nests of the cage 3. The holder 3 is mounted on telescopic supports 7. The terminals of the heaters 5, temperature sensors 6, and piezoelectric elements 8 are connected to the connector 11. A portable ionizing radiation recorder is also usually placed in the container, after which the lid is closed 10. The control and registration unit 12 is connected externally to the connector 11 external power supply 13. Using the control unit and registration 12 set the operating temperature and the algorithm for its regulation to achieve the minimum limit of temperature fluctuations.

Согласно предлагаемой полезной модели изготовлен и успешно испытан опытный образец термостата, который подтвердил, что данное техническое решение обеспечивает:According to the proposed utility model, a prototype thermostat was manufactured and successfully tested, which confirmed that this technical solution provides:

- создание условий для формирования равномерного температурного поля в зоне размещения образцов исследуемых биологических материалов;- creating conditions for the formation of a uniform temperature field in the zone of placement of samples of the studied biological materials;

- достижение высокой точности и стабильности поддержания температуры образцов в условиях периодически изменяющихся факторов окружающей среды;- achieving high accuracy and stability of maintaining the temperature of the samples in conditions of periodically changing environmental factors;

Кроме того, конструкция повлияла на снижение массы, габаритов и энергопотребление термостата.In addition, the design affected the reduction in weight, dimensions and energy consumption of the thermostat.

Claims

1. Thermostat for biomedical research, containing a lockable thermostatic chamber with heat-insulating walls, means for placing the biological samples under study, equipped with flat electric heaters, a temperature controller, temperature sensors, characterized in that the means for placing the biological samples under study is made in the form of a holder made from a heat-conducting material consisting of two halves, the inner surface of which has recesses in the shape of tubes, is intended used to place biological samples in them, and the cage itself is equipped with spring-loaded guides for connecting its halves and piezoelectric elements, while temperature sensors, flat electric heaters and piezoelectric elements are placed on the outer surface of the cage and are equipped with a connection to a control and registration unit that acts as a temperature regulator for the studied biological samples and a control device for piezoelectric elements, providing shaking clips with tubes.

2. The thermostat according to claim 1, characterized in that it contains its own control and registration unit, based on a microprocessor.

3. The thermostat according to claim 1, characterized in that the thermostatic chamber has a lid, and the inner surfaces of the thermostatic chamber and lid contain a reflective coating.

4. The thermostat according to claim 1, characterized in that it contains telescopic supports made of composite material with low thermal conductivity for attaching the clip inside the thermostat.