多功能采樣冷藏培養(yǎng)箱的研制
多功能采樣冷藏培養(yǎng)箱的研制
(摘要]將采樣、冷藏、培養(yǎng)箱和太陽能供電等功能設計成一體，箱內(nèi)設置高效復合的加熱、制冷和溫控裝置，通過電腦智能控制采樣、冷藏、培養(yǎng)各自所需的溫度，具有采樣、冷藏、培養(yǎng)箱通用的功能。這樣在執(zhí)行任務中可減少攜帶箱子的件數(shù)，降低重量，又不依賴市電也可以工作，特別適合于野戰(zhàn)條件下使用。
在反恐反生物武器襲擊中，戰(zhàn)劑標本的采樣、冷藏、培養(yǎng)，是確定生物戰(zhàn)劑種類的重要工作，也是取得反生物戰(zhàn)勝利的重要保證。因此在未來的反生物戰(zhàn)和日常衛(wèi)生防疫工作中，對采樣、冷藏、培養(yǎng)箱的功能提出了更高的要求。我們在分析研究現(xiàn)有裝備的采樣、冷藏、培養(yǎng)箱主要缺陷的基礎上，針對反生物不同的作戰(zhàn)環(huán)境和特點，結合現(xiàn)有高科技技術，構思并研制了“多功能采樣冷藏培養(yǎng)箱”。用于反生物戰(zhàn)中，病毒、細菌、立克次體、真菌等生物戰(zhàn)劑標本的采樣、冷藏、培養(yǎng)。大型現(xiàn)場活動的衛(wèi)勤保障、醫(yī)療、衛(wèi)生防疫、制藥、環(huán)保等行業(yè)的生產(chǎn)、檢驗、培養(yǎng)、實驗、消毒、儲存、科研等工作。
1 現(xiàn)有裝備主要存在問題與改進的構思
1．1 主要存在問題：
目前使用的便攜式采樣、冷藏、培養(yǎng)箱，采樣、冷藏基本采用冰塊加保溫箱的模式，培養(yǎng)箱是采用電熱絲加熱的模式。三個箱子的功能分別是現(xiàn)場戰(zhàn)劑標本的采集存人采樣箱，然后在將戰(zhàn)劑標本存入冷藏箱進行后送，在將戰(zhàn)劑標本存人培養(yǎng)箱進行培養(yǎng)。存在的主要問題是，使用攜帶箱子多，準備時間長，操作次數(shù)多。冰塊降溫需要依賴于后方支援，使用時間短。培養(yǎng)箱升溫時間，能量轉換效率低，沒有自備供電能力。操作過程中戰(zhàn)劑標本容易受到污染和戰(zhàn)劑標本污染環(huán)境。三個箱子技術相對落后，體積重量較大、對市電依賴性強、攜帶行動不便，不適于野外條件下使用等缺點。
目前使用的便攜式采樣、冷藏、培養(yǎng)箱，采樣、冷藏基本采用冰塊加保溫箱的模式，培養(yǎng)箱是采用電熱絲加熱的模式。三個箱子的功能分別是現(xiàn)場戰(zhàn)劑標本的采集存人采樣箱，然后在將戰(zhàn)劑標本存入冷藏箱進行后送，在將戰(zhàn)劑標本存人培養(yǎng)箱進行培養(yǎng)。存在的主要問題是，使用攜帶箱子多，準備時間長，操作次數(shù)多。冰塊降溫需要依賴于后方支援，使用時間短。培養(yǎng)箱升溫時間，能量轉換效率低，沒有自備供電能力。操作過程中戰(zhàn)劑標本容易受到污染和戰(zhàn)劑標本污染環(huán)境。三個箱子技術相對落后，體積重量較大、對市電依賴性強、攜帶行動不便，不適于野外條件下使用等缺點。
1．2 改進的構思：
我們將采樣、冷藏、培養(yǎng)、自備太陽能供電等功能通過現(xiàn)代技術設計成一體，通過電腦自動智能控制采樣、冷藏、培養(yǎng)各自所需的溫度。既有采樣、冷藏、培養(yǎng)箱獨立的功能，又具有聯(lián)用的功能。這樣在執(zhí)行任務中可減少攜帶箱子的件數(shù)，降低重量，又不依賴市電也可以工作，特別適合于野外條件下使用。
2 解決的主要問題
“多功能采樣冷藏培養(yǎng)箱”研制目的就在于提供一種集采樣、冷藏、培養(yǎng)功能為一體，智能、輕便、電能消耗小、能量轉換效率高，便于野外作業(yè)使用。關鍵要解決加熱和冷藏兩種裝置一體化設計等問題，主要就是在箱內(nèi)設計安裝復合高效的加熱、制冷裝置和溫控裝置。在啟動培養(yǎng)功能時，加熱裝置開始工作，我們改變傳統(tǒng)的電熱絲加熱模式，加熱裝置是在內(nèi)膽的內(nèi)隔板上貼敷紅外發(fā)熱膜，四周噴涂鍍金反射膜。紅外發(fā)熱膜、溫控裝置及鋰電池電連接。通電后，紅外發(fā)熱膜直接對培養(yǎng)體進行加熱，由于外發(fā)熱膜熱慣性極小，通電后0．8 s可達額定功率的5o％，約1 s可達額定功率的80％，約2 s可全功率運行，升溫迅速準確。在內(nèi)壁一定部位噴涂鈦、金等稀有金屬，作為定向反射層，可大大提高加熱效率，降低反射板的溫度。反射膜反射回散射部分能量，電能轉化成熱能的轉化效率得到顯著提高。
在啟動功采樣、冷藏能時，箱體內(nèi)壁復合安裝半導體制冷片，在制冷裝置開始工作，半導體制冷片作為制冷系統(tǒng)，無噪聲、無污染、啟動快只要一通上電，就可以幾分鐘內(nèi)結上一層雪白的冰霜開始降溫，并可以對箱內(nèi)的溫度進行實時監(jiān)控，既方便又迅速。因此它開辟了制冷技術的一個新分支，解決了多功能采樣冷藏培養(yǎng)箱特殊場合的制冷難題，符合人們在特種場合的需要。
太陽能電池為鋰電池充電提供電力。鋰電池體積小，重量輕，因此，在培養(yǎng)箱整體體積和重量并未明顯增加的情況下，實現(xiàn)了無需外接電源即可正常使用的目的，適合在無市電的野戰(zhàn)條件下使用。同時，由于加熱是由紅外發(fā)熱膜直接對培養(yǎng)體進行加熱，反射膜反射回部分能量繼續(xù)利用，因此，內(nèi)阻壁體及殼體少有升溫，這樣其溫度與環(huán)境溫度的溫差就很小，從而通過殼體所散失的熱量也很少，這樣，就可減小殼體厚度，進而實現(xiàn)降低重量，減小培養(yǎng)箱外型體積的目的。采取了上述技術，在不增加重量和體積的前提下，實現(xiàn)了采樣、冷藏、培養(yǎng)多功能一體化的目的。
3 技術指標
主要技術數(shù)據(jù)：
電源：交流220V頻率：50 Hz，直流l2V，太
陽能自備電源；
功率：30 w；
調(diào)溫范圍：0~C～50℃；
箱內(nèi)溫差：≤ ±1．5~C；
外形尺寸：N／A；
容積：可放人直徑為10的培養(yǎng)皿10個左右；
溫度漂移(±℃)：0．5；
時間：可調(diào)；
重量：3 kg。
4 工作原理
4．1 加熱原理：
在現(xiàn)有的電加熱方法中，紅外線熱能堪稱智能型熱能，因為和傳統(tǒng)的對流或接觸型加熱方式相比，它具有明顯的優(yōu)勢。我們采用高品質紅外輻射器，經(jīng)過特殊設計的模塊和控制單元，提供了理想的加熱解決方案。紅外輻射加熱方式，可大比例地減少了傳導對流過程中的介質損耗，在空間形成一個多次疊加定向能量場，有極強的瞬應性，其表面所釋放的熱光子束流針對各種物質選擇通過紅外控制系統(tǒng)，均能達到最佳匹配吸收到最佳的加熱效果，達到多層次同步加熱的目的，體現(xiàn)了良好的保溫質量。其所發(fā)出的熱光束流，在輻射平面均勻分布，克服了國內(nèi)各種加熱元件輻射分布不均勻的問題。
在現(xiàn)有的電加熱方法中，紅外線熱能堪稱智能型熱能，因為和傳統(tǒng)的對流或接觸型加熱方式相比，它具有明顯的優(yōu)勢。我們采用高品質紅外輻射器，經(jīng)過特殊設計的模塊和控制單元，提供了理想的加熱解決方案。紅外輻射加熱方式，可大比例地減少了傳導對流過程中的介質損耗，在空間形成一個多次疊加定向能量場，有極強的瞬應性，其表面所釋放的熱光子束流針對各種物質選擇通過紅外控制系統(tǒng)，均能達到最佳匹配吸收到最佳的加熱效果，達到多層次同步加熱的目的，體現(xiàn)了良好的保溫質量。其所發(fā)出的熱光束流，在輻射平面均勻分布，克服了國內(nèi)各種加熱元件輻射分布不均勻的問題。
把多個紅外加熱模安裝箱體內(nèi)壁，并在安裝有鍍金反射膜，使之有效輻射增加。紅外輻射技術具有高輻射密度和極快響應時間，反應時間僅為幾秒鐘�？焖俜磻獣r間給“野戰(zhàn)多功能采樣冷藏培養(yǎng)箱”提供了優(yōu)良的可控性，遠紅~l,Jn熱與傳統(tǒng)的加熱方法相比，具有加熱速度快、熱均勻度好、熱效率高等許多優(yōu)點。用它代替電加熱，一般可節(jié)電30％左右，個別場合甚至可達60％～70％。是一種理想的高效節(jié)能材料。在上述技術方案下，將內(nèi)膽的內(nèi)隔板設為橫置玻璃板，玻璃板上貼敖紅外發(fā)熱膜。這樣，將玻璃培養(yǎng)器皿直接放置于貼膜的橫置玻璃板上，通電后紅外發(fā)熱膜直接對玻璃培養(yǎng)器皿加熱，可進一步提高電能轉換成熱能的轉換效率。
同時，由于加熱是由紅外發(fā)熱膜直接對培養(yǎng)體進行加熱，反射膜反射回部分能量繼續(xù)利用，因此，內(nèi)阻壁體及殼體少有升溫，這樣其溫度與環(huán)境溫度的溫差就很小，從而通過殼體所散失的熱量也很少，這樣，就可減小殼體厚度，進而實現(xiàn)降低重量，減小培養(yǎng)箱外型體積的目的。
電加熱的設計：
(1)首先需要確定升溫時間(H)和溫度差(度)，多長時間從多少度升到多少度，這個參數(shù)很重要。如果時間要求很短，那要求的加熱功率可能就很大，浪費能源；如果時間長了，設備的準備時
間就長，需要一個平衡點。
(2)主體設備內(nèi)空氣的體積(立方米)。
(3)空氣比重：1．16(Kg／m3)；比熱：0．24kcal／kgoC。
(4)還有加熱效率，一般0．5～0．6。
按下列公式計算：
加熱功率(KW)=(體積×比重×比熱×溫度差)／(860×升溫時間×效率)。
4．2制冷原理：
熱電致冷器的N、P元件組成的熱電耦起著普通制冷壓縮機的作用，熱電致冷器的冷端及其用于散熱的交換器相當于普通制冷壓縮機的蒸發(fā)器，而熱端及其熱交換器則相當于冷疑器。通電時，自由電子和空穴在外電場的作用下，離開熱電耦的冷端向熱端運動，相當于制冷劑在制冷壓縮中的壓縮過程。在熱電堆的冷端，通過熱交換器吸熱，同時產(chǎn)生電子一空穴對，相當于制冷劑在蒸發(fā)器中的吸熱和蒸發(fā)。在熱電堆的熱端，發(fā)生電子一空穴對的復合，同時通過熱交換器散熱，相當于制冷劑在冷疑器中放熱和凝結，較壓縮機制冷節(jié)能90％。
制冷設計：
(1)確定被冷卻物體所欲達到的溫度。
(2)確定制冷元件的最大電流數(shù)值。
(3)確定熱負載，被冷卻物的發(fā)熱量和從外部
滲入的熱量。
(4)選確定取何種散熱方式(自然對流散熱、
強迫對流散熱或液冷等)以及熱端與周圍介質的熱
交換系數(shù)。
(5)確定冷端同被冷卻物體間取何種熱交換方
式(緊密接觸或液體循環(huán)等)以及熱交換系數(shù)。
(6)確定冷卻速度與達到溫度的時間。
QT=QB+QA+QP+QM(W)
式中：QB-箱體的泄漏熱量(w)；
Q一開門泄漏熱量(W)；
Q卜儲物熱量(w)；
5討論
5討論
我們通過分析現(xiàn)有裝備的主要缺陷，針對反生物戰(zhàn)作戰(zhàn)環(huán)境的特點，結合現(xiàn)有高科技技術，按照使用要求，構思將原采樣、冷藏、冷藏、培養(yǎng)三個獨立功能箱子，進行了功能一體化優(yōu)化組合設計。
“多功能采樣冷藏培養(yǎng)箱”與現(xiàn)有裝備相比，具有一箱多用、使用攜帶方便、體積小、重量輕、功能多、控溫精確、對外界依賴小、使用時間長、節(jié)能、安全等優(yōu)勢。產(chǎn)品樣機于2006年秋冬季節(jié)至2007年春季，分別在多家單位進行了現(xiàn)場應用普遍反映該儀器性能穩(wěn)定、操作簡單、效果可靠實用性強�？蓮V泛用于部隊醫(yī)療、衛(wèi)生防疫、制藥、環(huán)保等行業(yè)的生產(chǎn)、檢驗、培養(yǎng)、實驗、消毒、儲存、科研等。
（MedicalEquipment 張宇輝，賈琳等）
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