基于相變蓄冷技術(shù)的便攜式離體樣品儲運裝置的研制

彭勝華 尹惠玲 廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院 （廣州 510520）

0.引言

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展、環(huán)境和生活條件的變化，人們的生命不斷面臨疾病的嚴(yán)重威脅，越來越多的患者需要外體器官、組織、血液、體液（以下簡稱離體樣品）的更換來維持生命[1～2]。但是，一方面離體樣品資源嚴(yán)重匱乏，另一方面由于離體樣品在儲運過程中活性難以保持，利用率不高，造成離體樣品這一本就稀缺的資源嚴(yán)重浪費，極大地制約了我國離體樣品重新供人體所用并實現(xiàn)功能再現(xiàn)的成功率。

離體樣品的保存方法通常有以下三種：低溫冷藏、藥物灌注和器官保存液[3～6]。但對于緊急情況下，如突發(fā)事件（突發(fā)事件出現(xiàn)的器官組織供體）、偏遠地區(qū)采得的離體樣品通常無法迅速得到很好的存放，而僅能采用普通的冷藏箱或某種隔熱容器存放，但這些裝置的衛(wèi)生條件、溫度控制都無法保證離體樣品在存放和運輸過程中的安全和有效性能，通常導(dǎo)致離體樣品功能喪失甚至死亡。離體樣品資源短缺和利用率不高現(xiàn)象已引起了世界各國科學(xué)家的持續(xù)關(guān)注，離體樣品的有效保存和便攜運輸成了亟待解決的問題。

針對離體樣品存儲運輸存在的迫切問題，本項目設(shè)計了可根據(jù)不同離體樣品對溫度要求的不同靈敏調(diào)節(jié)控制溫度、濕度的便攜式存儲裝置，該裝置由離體樣品儲運箱和充冷裝置組成，可拆分。儲運箱由蓄冷釋冷系統(tǒng)、溫度控制裝置、儲存腔和相應(yīng)維護功能等構(gòu)成；依據(jù)離體樣品的儲運要求選擇適當(dāng)溫度的相變蓄冷材料，經(jīng)充冷裝置或常規(guī)制冷設(shè)備充冷后，在對應(yīng)配套功能的維護下實現(xiàn)對離體樣品或相關(guān)物品的儲存運輸。

1.系統(tǒng)設(shè)計

迄今為止，所有臟器保存的有效方法都依賴于降低代謝的關(guān)鍵因素-低溫[7]。一般當(dāng)將器官從37 ?C 冷卻至 0?C 時，能延長保存時間12～13個小時[8]。低溫保存對離體樣品的重要性已為世人所公認，對于不同樣品又有不同的存儲溫度要求。我國嚴(yán)格規(guī)定全血及紅細胞的保存溫度為(4±2)?C[9]，國際上規(guī)定為2～8?C[10]。大量的臨床數(shù)據(jù)顯示，多數(shù)離體器官、組織的活性保持最佳溫度為4 ?C。此外，除減毒活疫苗和水痘疫苗應(yīng)冷凍保存且應(yīng)避免反復(fù)凍融外，絕大多數(shù)疫苗應(yīng)保存在2～8?C[11]。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

圖1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖

利用蓄冷材料相變過程吸熱和放熱的技術(shù)原理，應(yīng)用不同蓄冷材料具有不同相變溫度的特性，研究開發(fā)適合離體樣品儲存的蓄冷熱交換器的容量與結(jié)構(gòu)；將相變蓄冷材料的熱交換器置入并安裝到儲運設(shè)備（箱）內(nèi),經(jīng)過充冷（可選用常規(guī)制冷設(shè)備充冷，也可用本項目開發(fā)的配套制冷系統(tǒng)充冷），蓄冷材料發(fā)生相變儲藏冷量,在儲存運輸過程中，熱交換器內(nèi)的蓄冷材料通過熱交換器吸收設(shè)備（箱）外界傳導(dǎo)及熱輻射等滲入箱內(nèi)的熱量，從而使設(shè)備（箱）內(nèi)溫度維持在蓄冷材料相變溫度附近范圍內(nèi)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

便攜式設(shè)備由離體樣品儲運箱和充冷裝置組成，可拆分。儲運箱由蓄冷釋冷系統(tǒng)、溫度控制裝置、儲存腔和相應(yīng)維護功能等構(gòu)成；充冷裝置包括冷源產(chǎn)生系統(tǒng)、高效蓄冷熱交換器和輸送管路。工作時依據(jù)離體樣品的儲運要求選擇適當(dāng)溫度的相變蓄冷材料，經(jīng)充冷裝置或常規(guī)制冷設(shè)備充冷后，在相應(yīng)配套功能的維護下實現(xiàn)對離體樣品或相關(guān)物品的儲存運輸。結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

2.系統(tǒng)研制

2.1 蓄冷儲能新型材料研制

利用材料在物相變化過程中，可從環(huán)境中吸收熱（冷）量或向環(huán)境放出熱（冷）量，從而達到能量儲存和釋放的目的，經(jīng)過多次的實驗，研發(fā)出相變溫度范圍可涵蓋-2?C～-40?C 的相變蓄冷材料，共有5 個成熟的蓄冷劑配方，相變溫度分別為-2?C、-9?C、-16?C、-25?C、-40?C，供不同冷藏溫度離體樣品的選用。

2.2 蓄冷熱交換器的研制

蓄冷熱交換器總體要求具有存放蓄冷材料和充冷、放冷功能，可利用外部冷媒液進入循環(huán)對蓄冷材料充冷。基于不同蓄冷材料具有不同相變溫度的特性以及蓄冷材料相變過程吸熱和放熱的技術(shù)原理,經(jīng)多次試驗設(shè)計和確定適合離體樣品儲存的蓄冷熱交換器的容量與結(jié)構(gòu)。設(shè)計與儲運保溫箱體相匹配的蓄冷熱交換器，依據(jù)儲運保溫箱體冷藏溫度確定內(nèi)部存放蓄冷液的種類；依據(jù)儲運保溫箱體的熱負荷確定蓄冷液的數(shù)量及交換器的容量和外傳熱面積；依據(jù)冷媒液和蓄冷材料的溫度及要求充冷時間確定內(nèi)部熱交換器的傳熱面積；圖2 是兩種規(guī)格和形狀的交換器。

2.3 儲運箱體研制

結(jié)合運送離體樣品的結(jié)構(gòu)特點完成箱體整體設(shè)計，適應(yīng)多層密閉循環(huán)特殊結(jié)構(gòu)箱體的需求進行制造工藝選取，完成了產(chǎn)品的外殼、箱體圖紙及加工模具設(shè)計，委托第三方進行外殼和箱體模具加工。儲運箱的箱蓋和箱體均由內(nèi)層、保溫層和外層構(gòu)成，一次發(fā)泡成型；箱蓋與箱體之間設(shè)有密封條；有可編程處理器、報警器和顯示屏。依據(jù)容量設(shè)計尺寸，選用高保溫性能材料制作保溫層，根據(jù)蓄冷熱交換器的尺寸及數(shù)量設(shè)計其固定機構(gòu)。儲運箱外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2.4 充冷用低溫制冷裝置研制

依據(jù)一次充冷的熱負荷及要求充冷時間設(shè)計制冷機組的制冷量和冷媒液保溫箱體的容量；依據(jù)冷媒液體的工作溫度設(shè)計機組的蒸發(fā)溫度。

2.5 配套功能的研制

圖2. 兩種規(guī)格和形狀的蓄冷熱交換器結(jié)構(gòu)圖

圖3. 儲運箱外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

依據(jù)特定離體樣品血小板儲存所需的配套功能，設(shè)計相關(guān)的附屬部件。血小板的儲存運輸需要振蕩功能，配套設(shè)計了能夠滿足要求（震蕩幅度和頻率）的振蕩部件，該部件包括電機座、電動機、曲柄、滑塊、設(shè)有滑道的搖桿和托盤，實現(xiàn)往復(fù)水平振動功能，其頻率為60 次/min，振幅為30 mm。

3.系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

離體樣品儲存工作溫度可在-25?C～25?C 范圍內(nèi)選擇，溫度誤差±1?C；離體樣品儲存腔體容積不小于2L；相變蓄冷儲能材料無腐蝕、無毒性、膨脹率小于1%，可重復(fù)使用，相變點溫度范圍：2?C～-40?C；蓄冷儲能材料一次充冷后，可維持箱內(nèi)溫度在蓄冷材料相變溫度附近范圍內(nèi)的持續(xù)時間不少于24 小時；具有特定離體樣品維護所需的功能（如離體血小板儲運維護需具有一定頻率和振幅的振蕩功能）；適用環(huán)境溫度-15?C～+40?C。

4.討論

離體樣品的便攜式儲存和運輸一直以來是醫(yī)學(xué)界普遍關(guān)注的問題，也是關(guān)系到器官移植、樣本維護、特殊物品儲存等的一個重要環(huán)節(jié)，更有助于解決偏遠地區(qū)離體樣品所面臨的最大問題——儲運問題。本研究設(shè)計的裝置適用于脫離人體的器官、組織、血液和體液等樣品的便攜式儲存運輸，同時也可用于需要冷藏運送的各種疫苗、藥品和食品等，具有充冷時間短、維冷時間長、溫度調(diào)節(jié)控制簡易、運行費用低、環(huán)保節(jié)能等特點，為離體樣品或特殊制品存儲和運輸提供一種安全、便捷、經(jīng)濟、有效的方法，廣泛適用于各級醫(yī)療機構(gòu)，具有重大的社會意義和經(jīng)濟價值。

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