Градиентный термостабилизатор для жидкостного термостата

Авторы патента:

Костюк Наталья Валериевна (RU)

Лещенко Джулианна Викторовна (RU)

Белякова Майя Борисовна (RU)

Миняев Михаил Владимирович (RU)

B01L7/00 - Аппаратура для нагрева или охлаждения (выпарные аппараты B01D 1/00; сушка газов или паров, например сушильные шкафы B01D 53/26; автоклавы B01J 3/04; горелки F23D; холодильная или морозильная техника вообще F25; сушильные печи F26B; промышленные топки, печи F27)

Владельцы патента RU 2729255:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации (RU)

Градиентный термостабилизатор для жидкостного термостата предназначен для создания в объеме теплоносителя термостата зоны, свободной от пульсаций температуры, связанных с периодическим включением нагревательного элемента. Стабилизатор представляет собой погруженный в термостат вертикальный тонкостенный металлический цилиндр с заглушенными торцами, имеющий на торцах или (и) вблизи торцов несколько симметрично расположенных сквозных отверстий, через которые его полость сообщается с основным объемом теплоносителя. Так как отверстия сравнительно малы, внутри заполненного теплоносителем цилиндра к моменту выхода в режим термостатирования за счет периодического нагревания/охлаждения формируется устойчивый вертикальный температурный градиент, не нарушаемый работой мешалки термостата. Включение нагревателя в этом случае сопровождается быстрым и равномерным прогревом теплоносителя через тонкие стенки цилиндра, что вызывает перемещение заключенного в нем столба жидкости вверх без нарушения градиента. В результате расположенный в центре цилиндра термостатируемый объект оказывается в слое теплоносителя с той же температурой, какую имел ранее контактировавший с ним слой теплоносителя до прогрева. Технический результат – повышение стабильности температурного градиента и создание возможности размещения объектов произвольной формы и варьируемых размеров. 7 ил.

Изобретение относится к области химии, физики, метрологии.

Известны конструкции жидкостных термостатов [Воскресенский П.И. Техника лабораторных работ. - М.: Химия, 1973], предназначенных для проведения химических реакций в жестко заданных температурных условиях, калибровки и поверки термодатчиков различных типов, а также для иных целей (фиг. 1). Обычно это закрытые сосуды (2) объемом 10-20 л, заполненные жидким теплоносителем (3), в который погружены электронагреватель (4), перемешивающее устройство (7) и датчик температуры (5), в качестве которого обычно используется ртутный контактный термометр. Кроме того в состав термостата входит блок управления (6), запускающий или отключающий нагрев в зависимости от показаний датчика температуры.

Недостатком этих устройств является пульсация температуры теплоносителя, связанная с периодическими включениями нагревательного элемента.

Также известны конструкции [Термостат жидкостный низкотемпературный Термотест-100 серии мастер. Руководство по эксплуатации. - Томск: Termex] выравнивающих блоков (9), представляющих собой погружаемые в теплоноситель жидкостного термостата полые заглушенные снизу вытянутые по вертикали массивные толстостенные металлические цилиндры (фиг. 2), размеры и конфигурация внутренней полости (10) которых точно соответствует размерам и конфигурации термостатируемого объекта (8).

Недостатками этих устройств являются высокая металлоемкость и возможность термостатирования объектов только строго определенных размеров и формы.

В качестве ближайшего аналога выбран выравнивающий блок, представляющий собой погружаемый в теплоноситель жидкостного термостата полый заглушенный снизу вытянутый по вертикали массивный толстостенный металлический цилиндр, размеры и конфигурация внутренней полости которого точно соответствует размерам и конфигурации термостатируемого объекта.

Недостатками этого устройства являются высокая металлоемкость и возможность термостатирования объектов только строго определенных размеров и формы.

Задачей изобретения является снижения металлоемкости устройства и создание внутри жидкостного термостата зоны, свободной от температурных колебаний, объем которой был бы достаточен для размещения объектов произвольной формы и варьирующих размеров.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в конструкции выравнивающего блока (9), представляющего собой погружаемый в теплоноситель жидкостного термостата полый заглушенный снизу вытянутый по вертикали массивный толстостенный металлический цилиндр, размеры и конфигурация внутренней полости (10) которого точно соответствует размерам и конфигурации термостатируемого объекта, предусмотрено следующее отличие: при минимальной толщине стенок цилиндра размеры внутренней полости, сообщающейся с основным объемом теплоносителя термостата только через несколько небольших отверстий (13, 14), расположенных симметрично относительно вертикальной оси цилиндра в его заглушенных торцах или (и) боковых стенках вблизи торцов, многократно превышают размеры термостатированного объекта.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: изготовление тонкостенной металлического цилиндра вместо массивного монолитного металлического блока требует гораздо меньшего количество металла; достаточная теплопроводность тонких стенок может быть обеспечена при использовании алюминия вместо более дорогих меди или никеля, из которых изготавливаются выравнивающие блоки; наличие ограниченного количества отверстий малого диаметра в стенках препятствует перемешиванию теплоносителя внутри цилиндра штатной мешалкой термостата; сгруппированность отверстий вблизи торцов цилиндра позволяет перемещаться заполняющему его теплоносителю только по вертикали; симметричное расположение отверстий относительно оси цилиндра препятствует перемешиванию теплоносителя в процессе его вертикального перемещения; вертикальное расположение цилиндра в термостате и отсутствие перемешивания теплоносителя в его полости способствует формированию устойчивого вертикального температурного градиента; прогрев цилиндра снаружи ведет к перемещению вверх заполняющего его столба теплоносителя, а охлаждение - вниз, без нарушения температурного градиента; таким образом, термостатируемый объект, неподвижно закрепленный в центре полости цилиндра, при перегреве теплоносителя оказывается внутри поднимающегося более холодного слоя теплоносителя, а при переохлаждении - внутри опускающегося более теплого; как следствие, температура теплоносителя, соприкасающегося с объектом остается неизменной; внутренние размеры полости цилиндра существенно больше размера термостатируемого объекта, что позволяет размещать внутри стабилизатора объекты, варьирующие по размерам и форме.

Изобретение позволяет снизить металлоемкость устройства и создать внутри жидкостного термостата зону, свободную от температурных колебаний, объем которой достаточен для размещения объектов произвольной формы и варьирующих размеров.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом, на котором:

Фиг.1. Схема конструкции жидкостного термостата. 1 - корпус; 2 - сосуд; 3 -теплоноситель; 4 - нагреватель; 5 - контактный термометр; 6 - блок управления; 7 - мешалка; 8 - термостатируемый объект.

Фиг. 2. Схема жидкостного термостата с выравнивающим блоком. 9 -выравнивающий блок; 10 - внутренняя полость блока.

Фиг. 3. Схема жидкостного термостата с градиентным термостабилизатором. 11 - стенка шахты термостабилизатора; 12 - внутренний объем теплоносителя термостабилизатора; 13 - отверстия вблизи нижнего торца шахты; 14 -отверстия вблизи верхнего торца шахты; 15 - осевое отверстие для размещения термостатируемого объекта.

Фиг. 4. Схема стабилизации температуры объекта при снижении температуры теплоносителя (буквами обозначены условные слои теплоносителя в шахте стабилизатора; штриховкой - слои, непосредственно не участвующие в термостатировании объекта; звездочками - степень нагрева слоев; стрелками - поток теплоносителя).

Фиг. 5. Схема стабилизации температуры объекта при повышении температуры теплоносителя (буквами обозначены условные слои теплоносителя в шахте стабилизатора; штриховкой - слои, непосредственно не участвующие в термостатировании объекта; звездочками - степень нагрева слоев; стрелками - поток теплоносителя).

Фиг. 6. Вертикальный температурный градиент в шахте термостабилизатора после термостатирования в течение 3 часов при температуре 35°С (по контактному термометру термостата). Высота (h) расположения термодатчика отсчитывается от дна шахты стабилизатора; пунктиром обозначен уровень теплоносителя (снижение температуры вблизи поверхности теплоносителя объясняется его испарением).

Фиг. 7. Колебания температуры теплоносителя за 10 минут без использования термостабилизатора (а) и в центре шахты термостабилизатора (б) после термостатирования в течение 3 часов при температуре 37°С (по контактному термометру термостата).

Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующими примерами.

Термостабилизатор представляет собой установленный вертикально внутри сосуда (2) жидкостного термостата тонкостенный металлический цилиндр, длина которого в несколько раз превышает его диаметр (фиг. 3). Чтобы избежать перемешивания теплоносителя внутри стабилизатора под действием штатной мешалки (7), торцы цилиндра заглушены, а обмен теплоносителем между внутренним объемом стабилизатора и основным объемом термостата осуществляется через несколько отверстий небольшого диаметра, одна половина которых (13) сгруппирована вблизи нижнего торца стабилизатора, а вторая (14) - вблизи верхнего. Отверстия обеих групп расположены симметрично относительно продольной оси стабилизатора. В процессе термостатирования в неперемешиваемом столбе жидкости (12), заключенной внутри стабилизатора, формируется вертикальный температурный градиент (фиг. 6), который возникает и поддерживается неизбежными колебаниями температуры основного объема теплоносителя под влиянием периодического включения нагревателя, неравномерного остывания стенок сосуда термостата, испарения теплоносителя с поверхности и др., которые практически мгновенно передаются во внутренний объем (12) стабилизатора через тонкие теплопроводные стенки (11). Таким образом, объем теплоносителя, заполняющего стабилизатор, после уравновешивания термостата можно условно разбить (фиг. 4, 5) на горизонтальные слои (а-ж), различающиеся температурой (соответствует числу звездочек). При постоянной температуре основного объема теплоносителя слои неподвижны по вертикали. В этом случае зафиксированный по вертикали и расположенный в центре стабилизатора термостатируемый объект (8) окажется, например, внутри слоя г (фиг. 4) с условной температурой жидкости 4 звездочки. Если температура внутри стабилизатора по каким-либо причинам начнет понижаться, то в неперемешиваемом объеме снижение температуры одновременно затронет все слои жидкости (например, слой г остынет с 4 до 3 звездочек, слой д-с 5 до 4 звездочек и т.д.). При этом суммарная плотность жидкости в стабилизаторе возрастет и ее столб без нарушения градиента опустится вниз за счет обмена жидкостью с основным объемом через отверстия (13, 14). В результате неподвижный по вертикали объект окажется внутри слоя д, остывшего до 4 звездочек, т.е. температура объекта не изменится. Аналогично, но со смещением столба жидкости вверх (фиг. 5), сохраняется исходная температура объекта при повышении суммарной температуры внутри стабилизатора.

Для проверки работоспособности устройства использовался заглушенный с торцов алюминиевый цилиндр (150×x65 мм) с толщиной стенок 0,15 мм, имеющий по 6 отверстий диаметром 4 мм вблизи верхнего и нижнего торцов. Проверка проводилась в термостате UTU-4 (Horizont, Польша) с точностью ±0,1°С после предварительного прогрева в течение 3 часов при температуре 37°С (по контактному термометру термостата). В качестве объекта термостатирования и измерителя температуры использовался терморезистор СТ1-19 (Россия), предварительно откалиброванный по Стейнхарту-Харту. Регистратором служил ПК с 12-битной платой сбора данных L-154 (Lcard, Россия). Регистрация температуры длилась 10 мин при частоте дискретизации 1 Гц. Как видно из графиков (фиг. 7), использование стабилизатора (б) позволило полностью погасить не только периодические 40-секундные колебания температуры объекта (я), связанные с включением нагревателя, но и более длительные (несколько минут) непериодические изменения температуры.

Предложенный градиентный термостабилизатор для жидкостного термостата (фиг. 3) состоит из единственного компонента - собственно термостабилизатора.

Данный конструктивный элемент выполнен следующим образом: он представляет собой заглушенный с торцов тонкостенный металлический цилиндр, диаметр которого в несколько раз меньше длины. Длина цилиндра такова, чтобы при полном вертикальном погружении в теплоноситель жидкостного термостата (фиг. 3) его нижний торец не достигал дна сосуда (2) термостата. В верхнем торце термостабилизатора имеется осевое отверстие (15), диаметр которого достаточен для размещения объекта термостатирования (8). В боковой стенке цилиндра (11) вблизи нижнего торца имеется несколько отверстий (13), расположенных симметрично относительно оси цилиндра. Вблизи верхнего торца имеется аналогичная группа отверстий (14). Диаметр и количество отверстий вблизи торцов подобраны таким образом, чтобы минимизировать влияние мешалки (7) термостата на объем теплоносителя внутри цилиндра, но при этом иметь достаточную суммарную пропускную способность для обеспечения вертикального перемещения неперемешиваемого столба жидкости, заключенной в цилиндре.

Описанным выше градиентным термостабилизатором для жидкостного термостата пользуются следующим образом: термостабилизатор вертикально погружают в теплоноситель термостата, пока отверстия (14) вблизи его верхнего торца не окажутся ниже уровня теплоносителя, после чего закрепляют относительно термостата в этом положении. Затем через осевое отверстие (15) верхнего торца внутрь термостабилизатора пропускают термостатируемый объект и закрепляют его относительно термостабилизатора и термостата таким образом, чтобы он находился в центре столба жидкости, заполняющей термостабилизатор. После чего включают термостат, средствами термостата устанавливают необходимую температуру и оставляют его на промежуток времени, необходимый для уравновешивания термостата и формирования температурного градиента внутри термостабилизатора.

Градиентный термостабилизатор для жидкостного термостата, представляющий собой погружаемый в теплоноситель жидкостного термостата полый вытянутый по вертикали металлический цилиндр, отличающийся тем, что цилиндр выполнен тонкостенным и его внутренняя полость, размеры которой в два и более раза превышают размеры термостатируемого объекта, сообщается с основным объемом теплоносителя термостата через отверстия, расположенные симметрично относительно вертикальной оси цилиндра в его заглушенных торцах или (и) боковых стенках вблизи торцов, причем конфигурация, размеры, количество и взаимное расположение отверстий препятствует перемешиванию теплоносителя внутри цилиндра под действием мешалки термостата, но обеспечивает достаточную суммарную пропускную способность для ламинарного вертикального перемещения теплоносителя в цилиндре при нагреве или охлаждении его стенок наружным объемом теплоносителя.

Похожие патенты:

Лабораторный шкаф // 2717892

Изобретение относится к лабораторному холодильному шкафу и направлено на упрощение процесса открывания внутренней дверцы. Лабораторный шкаф содержит имеющий внешнюю дверцу с затвором внешней дверцы корпус, который заключает в себе внутреннее пространство, которое замкнуто посредством внутренней дверцы с затвором внутренней дверцы.

Системы и способы для биологического анализа // 2702577

Изобретение в целом касается систем, устройств и способов наблюдения, испытания и/или анализа одного или нескольких биологических проб. Система для биологического анализа, содержащая: узел блока пробоподготовки, который содержит блок пробоподготовки, выполненный с возможностью вмещения держателя проб, причем держатель проб выполнен с возможностью приема множества проб; систему управления, выполненную с возможностью циклирования множества проб по ряду температур; и автоматизированный лоток, содержащий подвижный узел, причем лоток выполнен с возможностью реверсивного скользящего перемещения узла блока пробоподготовки из закрытой в открытую позицию для обеспечения доступа пользователя ко множеству держателей проб; лоток или узел блока пробоподготовки дополнительно содержит пластинку, выполненную с возможностью блокирования света, излучаемого от позиционного датчика.

Кассета для образцов и аналитическая система для проведения определенных реакций // 2699612

Изобретения относятся к системам и способу получения и/или анализа подложек (субстратов), на которых находятся биологические или химические образцы. Кассета для биологических или химических образцов, включающая: удлиненный блок терморегулирования, имеющий активную поверхность и внешнюю поверхность, которые обращены в противоположные стороны, и при этом блок терморегулирования включает первый и второй концы блока, длина между которыми составляет длину блока терморегулирования, а активная поверхность имеет множество установочных площадок, которые распределены по длине блока терморегулирования, причем указанные установочные площадки предназначены для установки подложек образцов; полые ячейки, выполненные с возможностью расположения их на соответствующих установочных площадках, составляющих множество установочных площадок, и, таким образом, над указанными подложками образцов; и съемную крышку, выполненную с возможностью присоединения ее к блоку терморегулирования так, чтобы полые ячейки находились между блоком и крышкой, и при этом блок терморегулирования и полые ячейки имеют такую форму, что между ними образуются соответствующие реакционные камеры, и полые ячейки выполнены с возможностью отделения или снятия с блока терморегулирования и съемной крышки, установленные в фиксированное положение относительно друг друга съемная крышка и блок терморегулирования образуют единую конструкцию, которая выполнена с возможностью размещения внутри аналитической системы, и при этом реакционные камеры имеют соответствующие впускные отверстия, выходы которых расположены в общем для всех отверстий направлении на внешней стороне кассеты для образцов.

Прибор для анализа биологических образцов и реагентов // 2697877

Прибор для обработки биологического образца содержит шасси. С шасси соединен лентопротяжный тракт, вдоль которого лента с матрицей лунок может автоматически продвигаться через прибор, дозирующий узел для дозирования биологического образца и реагента в матрицу лунок на ленте для образования смеси биологического образца и реагента, узел герметизации для герметизации смеси биологического образца и реагента в ленте и узел амплификации и детектирования для детектирования сигнала от смеси биологического образца и реагента в матрице лунок в ленте.

Способ обеспечения проведения физических измерений в проточном термостате при температурах выше комнатной // 2695482

В способе обеспечения проведения физических измерений в проточном термостате при температурах выше комнатной газообразный теплоноситель нагревают техническим феном, герметично подсоединенным к входу канала термостата, а ток газообразного теплоносителя в канале термостата создают за счет разрежения, создаваемого вакуумным насосом, подключенным к выходу канала.

Имплантат для регенерации костной ткани и способ его получения // 2692578

Группа изобретений относится к медицине. Имплантат для регенерации костной ткани состоит из композитных микрочастиц, характеризующихся пористой структурой с размером пор от 10 до 85 мкм, содержанием фиброина шелка от 65 до 75 мас.%, содержанием желатина от 25 до 35 мас.%, а также показателем модуля Юнга на сжатие в дегидратированном состоянии 83±1 МПа, во влажном - 590±60 кПа.

Системы и способы с использованием поворотного клапана для по меньшей мере одного из приготовления образца или анализа образца // 2688746

Группа изобретений относятся к системам и способам создания образцов для биохимического анализа и/или проведения биохимических реакций. Система для проведения биохимических реакций, включает: гидравлическую сеть, содержащую канал для образца, реакционную камеру и резервуар, причем канал для образца находится в проточном сообщении с отверстием для образца, выполненным с возможностью приема биологического образца, а реакционная камера имеет по меньшей мере одну оптически прозрачную поверхность для приема осветительного света из оптического пути и массив реакционных углублений; насосный узел, выполненный с возможностью находиться в проточном сообщении с гидравлической сетью; поворотный клапан, содержащий проточный канал и выполненный с возможностью поворота между первым и вторым положениями клапана, причем проточный канал гидравлически связывает реакционную камеру и канал для образца, когда поворотный клапан находится в первом положении клапана, и гидравлически связывает резервуар и реакционную камеру, когда поворотный клапан находится во втором положении клапана, при этом насосный узел вызывает поток биологического образца к реакционной камере, когда поворотный клапан находится в первом положении клапана, и вызывает поток компонента реакции из резервуара к реакционной камере, когда поворотный клапан находится во втором положении клапана; и узел обнаружения для обнаружения генерируемых одной или более реакциями световых сигналов из массива реакционных углублений в реакционной камере.

Способ точного в отношении посадки позиционирования внутреннего корпуса во внешнем корпусе климатического шкафа и климатический шкаф // 2686191

Изобретение относится к способу точного в отношении посадки позиционирования внутреннего корпуса во внешнем корпусе климатического шкафа и к климатическому шкафу.

Системы и способы биохимического анализа, включающие основной прибор и съемный картридж // 2682546

Изобретение относится к системам и способам проведения биохимических реакций. Система для проведения биохимических реакций содержит съемный картридж, имеющий корпус картриджа и включающий в себя гидравлическую сеть, расположенную внутри корпуса картриджа, выполненную с возможностью принимать и гидравлически направлять биологический образец для проведения по меньшей мере одного из анализа образца и подготовки образца, причем съемный картридж имеет множество уложенных друг на друга слоев с образованием находящегося в проточном сообщении с первым отверстием канала для образца, съемный картридж также включает в себя клапан управления потоком, который функционально связан с гидравлической сетью, причем клапан управления потоком содержит полость клапана в проточном сообщении с первым отверстием и подвижен между первым состоянием и вторым состоянием относительно полости клапана, при этом первое отверстие позволяет биологическому образцу течь через полость клапана при нахождении клапана управления потоком в первом состоянии и при этом первое отверстие блокируется для управления потоком биологического образца через полость клапана при нахождении клапана управления потоком во втором состоянии, а корпус картриджа имеет сторону корпуса, которая определяет внешний вид съемного картриджа и обеспечивает возможность функционального доступа к клапану управления потоком; основной прибор, имеющий управляющую сторону, выполненную с возможностью разъемно взаимодействовать с упомянутой стороной корпуса съемного картриджа, причем упомянутые сторона корпуса и управляющая сторона совместно образуют системный интерфейс, когда съемный картридж и основной прибор взаимодействуют друг с другом, при этом основной прибор включает в себя привод клапана, который взаимодействует с клапаном управления потоком через системный интерфейс, при этом привод клапана включает в себя удлиненное тело привода, которое проходит через сторону корпуса в корпус картриджа; и узел обнаружения, удерживаемый по меньшей мере одним из съемного картриджа и основного прибора, включающий в себя детектор изображения и реакционную камеру, которая находится в проточном сообщении с гидравлической сетью, причем детектор изображения выполнен с возможностью обнаружения предусмотренных реакций внутри реакционной камеры.

Усовершенствованный амплификатор // 2681914

Изобретение относится к амплификатору, содержащему вращающуюся платформу, имеющую реакционные лунки и/или выполненную с возможностью приема реакционных контейнеров.