RU2435114C1

RU2435114C1 - Quick-freezing plant mainly for polymer packs filled with biological medical substances

Info

Publication number: RU2435114C1
Application number: RU2010133037/13A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Леонидович Огнев (RU); Геннадий Леонидович Огнев; Андрей Владимирович Резвов (RU); Андрей Владимирович Резвов
Original assignee: Геннадий Леонидович Огнев; Андрей Владимирович Резвов
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2011-11-27

Abstract

FIELD: heating. ^ SUBSTANCE: quick-freezing plant includes cooling unit with closed hydraulic main line connected to pump through heat exchangers that are parallel connected to that main line and that contact one surface of thermoelectric modules, and the other surface of which contacts the heat-conducting plates which contact in their turn the cooled pack. Thermoelectric modules are equipped with individual power supply unit, and temperature sensors are installed on heat-conducting plates. Sensors are connected to control and monitoring system that is connected to current polarity commutator which is connected to power supply unit of thermoelectric modules. Power supply unit, control and monitoring system are insulated from heat-conducting plates. Quick-freezing plant has heat gate valve that adjoins the heat-insulating wall and is made in the form of radiator from material with high heat conductivity, in slots of which all cables pass, on one side of which there installed are heat exchangers, and the other side contacts cold junction of thermoelectric modules; at that, heat gate valve is connected to independent power supply unit. ^ EFFECT: use of this invention allows reducing the time required for freezing of products and solutions placed in polymer packs. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к области холодильной или морозильной техники и предназначено для быстрого замораживания различных растворов, в частности плазмы крови, помещенных в полимерные пакеты.The invention relates to the field of refrigeration or freezing technology and is intended for the rapid freezing of various solutions, in particular blood plasma, placed in polymer bags.

Известны двухкаскадные компрессорные быстрозамораживатели PLASMAFROST, в которых пакеты с плазмой охлаждаются при непосредственном контакте с поверхностью полок, внутри которых по змеевикам циркулирует хладагент, а вторая сторона пакетов контактирует с прижимной плитой, выполненной из алюминия. Недостатки известного устройства состоят в активном охлаждении только с одной стороны пакетов с плазмой, контактирующей с охлаждаемой полкой, в использовании сложной двухкаскадной холодильной машины с применением разных хладагентов R404A и R23 для каждого из каскадов охлаждения.Two-stage compressor quick freezers PLASMAFROST are known in which plasma bags are cooled by direct contact with the surface of the shelves, inside which refrigerant circulates through the coils and the second side of the packages is in contact with a pressure plate made of aluminum. The disadvantages of the known device consist in active cooling on only one side of the plasma packets in contact with the shelf to be cooled, in the use of a complex two-stage chiller using different refrigerants R404A and R23 for each of the cooling stages.

Известны также быстрозамораживатели ГЕМОТЕРМ-Z, в которых высокая скорость замораживания пакетов с плазмой достигается использованием механической тележки с пакетами, совершающей движения с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, что обеспечивает перемешивание содержимого пакетов, исключая образование корки льда, затрудняющей, из-за низкой теплопроводности, замораживание плазмы.GEMOTERM-Z quick-freezers are also known, in which a high speed of freezing packages with plasma is achieved using a mechanical trolley with packages, moving with acceleration, periodically changing in size and direction, which ensures mixing of the contents of the packages, eliminating the formation of ice crust, which makes it difficult, because low thermal conductivity, plasma freezing.

Быстрозамораживатели ГЕМОТЕРМ-Z обеспечивают замораживание контейнеров с плазмой либо в потоке принудительно циркулирующего охлажденного до температуры минус (40-50)°С воздуха, либо в среде жидкого теплоносителя (этилового спирта), предварительно охлажденного до температуры минус (40-50)°С. Замораживание в низкотемпературной воздушной среде приводит к использованию сложных двухкаскадных холодильных машин, а малая теплоемкость воздуха исключает эффективный отбор тепла от контейнеров с плазмой. Процесс замораживания в среде охлажденного жидкого теплоносителя сокращает время замораживания, но увеличивает пожаровзрывоопасность помещения, в которое попадает спирт, испарившийся с контейнеров после их извлечения, существует реальная опасность термического поражения обслуживающего персонала при контакте с холодным спиртом, над поверхностью холодного спирта при установке и извлечении контейнеров с плазмой образуется туман, затрудняющий работу персонала, а унос спирта с пакетами и попадание влаги воздуха в емкость со спиртом приводит к понижению концентрации спирта и необходимости периодически компенсировать его потери.HEMOTERM-Z quick-freezers provide freezing of containers with plasma either in a stream of forcibly circulating air cooled to a temperature of minus (40-50) ° C, or in an environment of a liquid heat carrier (ethyl alcohol), previously cooled to a temperature of minus (40-50) ° C. Freezing in low-temperature air leads to the use of complex two-stage chillers, and the low heat capacity of the air eliminates the effective removal of heat from plasma containers. The process of freezing in a cooled liquid coolant shortens the freezing time, but increases the fire and explosion hazard of the room, into which the alcohol vaporized from the containers after they are removed, there is a real risk of thermal damage to the personnel when in contact with cold alcohol, above the surface of the cold alcohol when installing and removing containers fog is formed with plasma, which impedes the work of personnel, and the entrainment of alcohol with packets and the ingress of moisture into the air tank with alcohol leads to a decrease in alcohol concentration and the need to periodically compensate for its loss.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является быстрозамораживатель, известный из патента RU 2310143 С1, 15.02.2006, содержащий холодильную машину с замкнутой гидравлической магистралью, заполненной охлажденной жидкостью и подключенной к насосу через параллельно подключенные к этой магистрали теплообменники, контактирующие с одной поверхностью термоэлектрических модулей, а вторая поверхность контактирует с теплопроводящими пластинами, между которыми размещен контактирующий с ними охлаждаемый пакет, при этом термоэлектрические модули снабжены собственным блоком питания, а на теплопроводящих пластинах установлены датчики температуры, подключенные к системе управления и контроля, которая связана с коммутатором полярности тока, соединенным с блоком питания термоэлектрических модулей, при этом блок питания, система управления и контроля изолированы от теплопроводящих пластин с размещаемыми между ними охлаждаемыми пакетами, теплоизолирующей стенкой, через которую проходят кабели контроля и питания термоэлектрических модулей.The closest in technical essence and the achieved result is a quick-freezer, known from patent RU 2310143 C1, 02.15.2006, containing a refrigerating machine with a closed hydraulic line filled with a cooled liquid and connected to the pump through heat exchangers connected in parallel to this line, in contact with one surface of thermoelectric modules, and the second surface is in contact with heat-conducting plates, between which there is a cooled package in contact with them, while the moelectric modules are equipped with their own power supply, and temperature sensors are installed on the heat-conducting plates connected to a control and monitoring system, which is connected to a current polarity switch connected to the power supply of thermoelectric modules, while the power supply, control and monitoring system are isolated from the heat-conducting plates with refrigerated packages placed between them, a heat-insulating wall through which control and power cables of thermoelectric modules pass.

Недостатком бастрозамораживателя является поступление большого количества тепла к охлаждающим теплопроводящим пластинам, на которых установлены термоэлектрические модули и датчики температуры, которые связаны медными проводами с источником питания термоэлектрических модулей и системой управления и контроля, размещенных вне зоны охлаждения. Большая теплопроводность меди и большое сечение проводов, определяемое значительными токами, потребляемыми термоэлектрическими модулями, приводит к увеличению тепловой нагрузки на них на несколько десятков ватт, что увеличивает время замораживания пакетов с плазмой.The disadvantage of the bastro-freezer is the receipt of a large amount of heat to the cooling heat-conducting plates, on which thermoelectric modules and temperature sensors are installed, which are connected by copper wires to the power source of the thermoelectric modules and a control and monitoring system located outside the cooling zone. The large thermal conductivity of copper and the large cross-section of wires, determined by the significant currents consumed by thermoelectric modules, leads to an increase in the thermal load on them by several tens of watts, which increases the time of freezing packages with plasma.

Техническим результатом изобретения является сокращение времени замораживания продуктов и растворов, в частности плазмы крови, помещенных в полимерные пакеты.The technical result of the invention is to reduce the freezing time of products and solutions, in particular blood plasma, placed in polymer bags.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в быстрозамораживатель, преимущественно заполненных биологическими медицинскими субстанциями полимерных пакетов, содержащий холодильный агрегат с замкнутой гидравлической магистралью, заполненной охлажденной жидкостью, и подключенной к насосу через параллельно подключенные к этой магистрали теплообменники, контактирующие с одной поверхностью термоэлектрических модулей, вторая поверхность которых контактирует с теплопроводящими пластинами, контактирующими, в свою очередь, с размещенным между ними охлаждаемым пакетом, при этом термоэлектрические модули снабжены собственным блоком питания, а на теплопроводящих пластинах установлены датчики температуры, подключенные к системе управления и контроля, которая связана с коммутатором полярности тока, соединенным с блоком питания термоэлектрических модулей, при этом блок питания, система управления и контроля изолированы от теплопроводящих пластин с размещаемыми между ними охлаждаемыми пакетами теплоизолирующей стенкой, через которую проходят кабели питания термоэлектрических модулей и контроля, в отличие от известного в него введен тепловой затвор, примыкающий к теплоизолирующей стенке и выполненный в виде радиатора из материала с высокой теплопроводностью, в пазах которого проходят все кабели, на одной стороне которого установлены теплообменники, а вторая сторона контактирует с холодным спаем термоэлектрических модулей, при этом тепловой затвор подключен к автономному источнику питания.The specified technical result is achieved due to the fact that in the quick-freezer, mainly filled with biological medical substances, polymer bags containing a refrigeration unit with a closed hydraulic line filled with cooled liquid and connected to the pump through heat exchangers connected in parallel to this line, contacting one surface of thermoelectric modules whose second surface is in contact with heat-conducting plates in contact with In this case, with a cooled bag placed between them, the thermoelectric modules are equipped with their own power supply unit, and temperature sensors are installed on the heat-conducting plates connected to the control and monitoring system, which is connected to the current polarity switch connected to the power supply unit of the thermoelectric modules, while power supply, control and monitoring system are isolated from heat-conducting plates with cooled packages placed between them by a heat-insulating wall through which cables pass thermoelectric modules and control, in contrast to the known one, a thermal shutter was introduced in it, adjacent to the heat-insulating wall and made in the form of a radiator made of a material with high thermal conductivity, in the grooves of which pass all the cables, on one side of which heat exchangers are installed, and the second side is in contact with cold junction of thermoelectric modules, while the thermal shutter is connected to an autonomous power source.

Задача быстрого замораживания решается тем, что все кабели питания термоэлектрических модулей, системы управления и контроля охлаждаются в тепловом затворе, уменьшая тепловую нагрузку на термоэлектрические модули, замораживающие полимерные пакеты.The task of quick freezing is solved by the fact that all the power cables of thermoelectric modules, control and monitoring systems are cooled in a thermal shutter, reducing the thermal load on thermoelectric modules that freeze polymer bags.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлен быстрозамораживатель, обеспечивающий охлаждение одного пакета. Охлаждение любого необходимого количества пакетов осуществляется стыковкой предлагаемого устройства к замкнутой гидравлической магистрали любым способом, любыми разъемами дополнительного количества гидравлических трактов теплообменников, обеспечивающих охлаждение горячих спаев термоэлектрических модулей, между которыми через теплопроводящие пластины охлаждают необходимое количество полимерных пакетов. Это позволяет размещать либо все полимерные пакеты для быстрого замораживания в отдельном корпусе морозильника, либо по частям в отдельных термостатах, через которые прокачивается по трактам охлажденный теплоноситель и объединенных замкнутой гидравлической магистралью с небольшим количеством полимерных пакетов, например, по пять, шесть штук.The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows a quick-freezer that provides cooling of one package. Cooling of any required number of packages is carried out by docking the proposed device to a closed hydraulic line in any way, by any connectors of an additional number of hydraulic paths of heat exchangers that provide cooling of hot junctions of thermoelectric modules, between which the required number of polymer bags are cooled through heat-conducting plates. This allows you to place either all polymer bags for quick freezing in a separate freezer case, or in parts in separate thermostats through which a cooled coolant is pumped through the tracts and connected by a closed hydraulic line with a small number of polymer bags, for example, five or six pieces.

Предложенный быстрозамораживатель содержит: холодильную машину 1, с замкнутой гидравлической магистралью 2, заполненной охлаждающей жидкостью, которая прокачивается насосом 3 через теплообменники 4, которые контактируют с одной из сторон термоэлектрических модулей 5. Другая сторона термоэлектрических модулей 5 контактирует с теплопроводящими пластинами 6, между которыми размещен контактирующий с ними охлаждаемый полимерный пакет 7, заполненный, например, плазмой крови. Термоэлектрические модули 5 снабжены собственным блоком питания 8, а на теплопроводящих пластинах 6 установлены датчики температуры 9, которые подключены к системе управления и контроля 10, связанной с коммутатором полярности тока 11, соединенным с блоком питания 8 термоэлектрических модулей 5. Блок питания 8, система управления и контроля 10 изолированы от теплопроводящих пластин 6 с размещаемыми между ними охлаждаемыми пакетами 7 теплоизолирующей стенкой 12, к которой примыкает тепловой затвор 13, питаемый от автономного источника 14, через который проходят кабели питания термоэлектрических модулей и контроля, выполненный в виде радиатора из материала с высокой теплопроводностью, например, алюминия марки АМЦ, в пазах которого проходят все кабели, на одной стороне которого установлены теплообменники, через которые тепло отводится в холодильную машину, а вторая сторона контактирует с холодным спаем термоэлектрических модулей, при этом тепловой затвор подключен к автономному источнику питания.The proposed quick-freezer contains: a refrigerating machine 1, with a closed hydraulic line 2, filled with a coolant, which is pumped by a pump 3 through heat exchangers 4, which are in contact with one of the sides of the thermoelectric modules 5. The other side of the thermoelectric modules 5 is in contact with heat-conducting plates 6, between which is placed a cooled polymer bag 7 in contact with them, filled, for example, with blood plasma. Thermoelectric modules 5 are equipped with their own power supply unit 8, and temperature sensors 9 are installed on the heat-conducting plates 6, which are connected to a control and monitoring system 10 connected to a current polarity switch 11 connected to a power supply unit 8 of thermoelectric modules 5. Power supply unit 8, control system and control 10 are isolated from heat-conducting plates 6 with placed between them cooled packages 7 heat-insulating wall 12, which is adjacent to the thermal shutter 13, powered from an autonomous source 14, through the cat Power cables of thermoelectric modules and control pass in the form of a radiator made of a material with high thermal conductivity, for example, aluminum of the AMC brand, in the grooves of which all cables pass, on one side of which heat exchangers are installed, through which heat is transferred to the refrigerator, and the second side in contact with the cold junction of thermoelectric modules, while the thermal shutter is connected to an autonomous power source.

Предложенное устройство работает следующим образом. Запускают в работу холодильный агрегат 1. Включают насос 3, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя в замкнутом гидравлическом контуре 2, и охлажденного в холодильном агрегате 1 до необходимой минусовой температуры, например, до минус 5°С. Подключают к сети электропитания блок питания термоэлектрических модулей 8, благодаря чему электроэнергия через коммутатор полярности тока 11 поступает в термоэлектрические модули 5, устройство измерения и контроля температуры 10, автономный источник питания термоэлектрических модулей теплового затвора 14. Поверхности термоэлектрических модулей 5, контактирующие с теплообменниками 4, начинают выделять тепло, которое сбрасывается через теплообменники 4 в теплоноситель замкнутой гидравлической магистрали 2 и поступает в холодильный агрегат 1. Поверхности термоэлектрических модулей 5, контактирующие с теплопроводящими пластинами 6, начинают охлаждать верхнюю и нижнюю поверхности полимерного пакета 7, что приводит к ускоренному охлаждению. Охлажденный теплоноситель проходит по теплообменникам 4 и отводит тепло от горячих поверхностей термоэлектрических модулей 5, поддерживая температуру этих поверхностей стабильной и более низкой, чем температура окружающей среды. При прохождении тока от блока питания 8 через термоэлектрические модули 5 с охлаждаемыми тепловыделяющими поверхностями, температура их противоположной поверхности понижается до необходимого, наперед заданного для каждого этапа, значения. Так как охлаждение пакета 7 происходит по двум поверхностям равномерно, замораживание до заданной температуры происходит за время, не превышающее 30 мин. По датчикам температуры 9 устройство измерения и контроля температуры 10 выдает сигнал о конце процесса замораживания, по которому происходит отключение термоэлектрических модулей 5 от блока питания 8. Скорость охлаждения полимерного пакета 7 зависит от теплоизолирующих стенок 12 морозильника или термостата и количества тепла, поступающего по кабелям. При прохождении через тепловой затвор кабели охлаждаются, уменьшая тепловую нагрузку на термоэлектрические модули 5, сокращая время достижения заданной температуры в полимерном пакете 7.The proposed device operates as follows. Start the refrigeration unit 1. Turn on the pump 3, which circulates the coolant in a closed hydraulic circuit 2, and cooled in the refrigeration unit 1 to the required minus temperature, for example, to minus 5 ° C. The power supply unit of the thermoelectric modules 8 is connected to the power supply network, so that the electric power through the current polarity switch 11 enters the thermoelectric modules 5, the temperature measuring and control device 10, an autonomous power supply of the thermoelectric thermal shutter modules 14. The surfaces of the thermoelectric modules 5 in contact with the heat exchangers 4, start to release heat, which is discharged through heat exchangers 4 into the coolant of the closed hydraulic line 2 and enters the refrigeration unit 1. Surfaces atom thermoelectric modules 5 in contact with the heat-conducting plates 6, start cooling upper and lower surface of resin package 7, which leads to accelerated cooling. The cooled heat carrier passes through the heat exchangers 4 and removes heat from the hot surfaces of the thermoelectric modules 5, maintaining the temperature of these surfaces stable and lower than the ambient temperature. With the passage of current from the power supply unit 8 through thermoelectric modules 5 with cooled heat-generating surfaces, the temperature of their opposite surface decreases to the required value set in advance for each stage. Since the cooling of the bag 7 occurs uniformly over two surfaces, freezing to a predetermined temperature occurs in a time not exceeding 30 minutes. According to temperature sensors 9, the temperature measuring and control device 10 gives a signal about the end of the freezing process, by which the thermoelectric modules 5 are disconnected from the power supply 8. The cooling rate of the polymer bag 7 depends on the heat-insulating walls 12 of the freezer or thermostat and the amount of heat supplied through the cables. When passing through the thermal shutter, the cables are cooled, reducing the heat load on the thermoelectric modules 5, reducing the time to reach the set temperature in the polymer bag 7.

Для реализации предлагаемого технического решения могут быть использованы: в качестве термоэлектрических модулей 5 и охлаждающих устройств в тепловом затворе 13 - термоэлектрические модули РМ-127-14-11-72-L фирмы ООО «Кристалл», в качестве установленных на теплопроводящих пластинах 6 датчиков температуры 9 - датчики измерения температуры DS18B20, которые подключены к системе управления и контроля 10, например, к контроллеру PIC 12C508A или PIC 12CE674 фирмы Microchip или к микроконтроллеру AT91SAM7S фирмы Atmel.To implement the proposed technical solution, the following can be used: as thermoelectric modules 5 and cooling devices in the thermal shutter 13 - thermoelectric modules PM-127-14-11-11-72-L of the company Kristall LLC, as 6 temperature sensors installed on heat-conducting plates 9 - temperature sensors DS18B20, which are connected to the control and monitoring system 10, for example, to a PIC 12C508A or PIC 12CE674 controller from Microchip or to an ATmel microcontroller AT91SAM7S.

Расчеты показывают, что компенсация в тепловом затворе теплопритоков по кабелям для быстрозамораживателя на шесть пакетов с плазмой позволяет сократить время замораживания содержимого пакета емкостью 0,3 литра на 120 секунд при неизменных термоэлектрических модулях и сохранении алгоритма замораживания.Calculations show that compensation in the thermal shutter of heat influx through the cables for the quick-freezer by six packets with plasma allows reducing the time of freezing the contents of a 0.3-liter package for 120 seconds with the thermoelectric modules unchanged and preserving the freezing algorithm.

Предлагаемый быстрозамораживатель, преимущественно полимерных пакетов, заполненных биологическими медицинскими субстанциями, например плазмой крови, сокращает время замораживания по сравнению с аналогичными устройствами, отличается простотой эксплуатации и большой надежностью в работе.The proposed quick-freezer, mainly polymer bags filled with biological medical substances, such as blood plasma, reduces freezing time compared to similar devices, is easy to use and very reliable.

Claims

A quick-freezer of predominantly polymer bags filled with biological medical substances, containing a refrigeration unit with a closed hydraulic line filled with chilled fluid and connected to the pump through heat exchangers in parallel with this line, in contact with one surface of thermoelectric modules, the second surface of which is in contact with heat-conducting plates in contact with in turn, with a cooled bag placed between them, while the term the electric modules are equipped with their own power supply, and temperature sensors are installed on the heat-conducting plates connected to a control and monitoring system that is connected to a current polarity switch connected to the power supply of thermoelectric modules, while the power supply, control and monitoring system are isolated from heat-conducting plates with placed between them cooled packages insulating wall through which pass the power cables of thermoelectric modules and control, characterized in then a thermal shutter is inserted into it, adjacent to the heat-insulating wall and made in the form of a radiator made of material with high thermal conductivity, in the grooves of which all cables pass, heat exchangers are installed on one side and the other side is in contact with the cold junction of thermoelectric modules, while the thermal shutter connected to an autonomous power source.