Проектирование устройства для криоконсервации крови на основе элемента Пельтье

Актуальность

Несмотря на то что хранение цельной крови технологически сложнее, этот процесс не менее важен, чем хранение её компонентов. Криоконсервация крови позволяет увеличить срок её годности, что полезно не только при переливании, но и при выполнении медицинских анализов, для выявления скрытых болезней, а также для научных работ.

Главное преимущество термоэлектрического способа криоконсервации крови и её компонентов состоит в том, что он не использует замораживающие агенты, такие как жидкий азот или фреон, то есть прибор на основе элемента Пельтье не нуждается в громоздких баллонах жидкого азота или иного хладагента. Элемент Пельтье не шумит и не вибрирует, так как ему не нужен мотор. Необходим только доступ к электроэнергии, например розетка или батарейка, что делает технологию намного экологичнее.

Все эти параметры делают термоэлектрический способ охлаждения крови идеальным, ведь частая вибрация холодильных компрессоров пагубно влияет на целостность компонентов крови, а хладагенты требуют отдельного хранения и оказывают токсическое действие при попадании в кровь и её компоненты.

Цель

Спроектировать прибор на основе элемента Пельтье, предназначенный для криоконсервации крови (или компонентов крови) при температуре от +2 °C до +4 °С.

Задачи

1. Изучить нормативную документацию на условия хранения крови и её компонентов.
2. Изучить технологию термоэлектричества, физику эффекта Пельтье.
3. Спроектировать устройство, предназначенное для криоконсервации крови (или элементов крови) на основе элемента Пельтье.
4. Узнать другие формы применения термоэлектричества в медицине.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Персональный компьютер с установленным на нём ПО

Описание

Ход работы над проектом состоял из следующих этапов.

1. Теоретический

• Изучение теоретического материала: нормативных документов, физики термоэлектричества, влияния холода на состав крови.
• Расчёт холодопроизводительности установки для криоконсервации.

• Установка оптимального положения холодильных элементов для достижения равномерного охлаждения пакета крови (или её компонентов).
• Конструирование установки на основе теоретических данных. В качестве оборудования, вырабатывающего холод, выбраны термоэлементы отечественного производства (производители: компания ООО «КРИОТЕРМ» (Санкт-Петербург) или НПО «Кристалл» (г. Королёв, МО). Устройство представляет собой портативный термоконтейнер медицинского назначения ёмкостью 2 литра с использованием в качестве источника холода термоэлектрического модуля (элемента Пельтье) с корпусом из ударопрочного пластика на внутренних и внешних поверхностях. В качестве теплоизоляции используется жёсткий пенополиуретан (ППУ). Электропитание термоконтейнера осуществляется от бортовой сети автомобиля (12 вольт) или с применением специального источника питания от сети переменного тока 220 вольт.
• Расчёт систем охлаждения горячей и холодной сторон термоэлемента, подбор вентиляторов системы охлаждения. При расчёте теплопритоков авторы учитывали притоки теплоты через ограждающие конструкции термоконтейнера, при этом теплопритоками от инсоляции (солнечной радиации) и при инфильтрации (при открывании крышки) пренебрегали.
• Улучшение модели: оснащение устройства терморегистратором с внешним датчиком, с передачей данных в реальном времени.

2. Практический

• Построение 3D-модели устройства. Исходя из проведённых расчётов холодопроизводительности оборудования, мы остановились на применении однокаскадного термоэлектрического модуля TB-127-1,4-1,15 (ICE-71) производства ООО «Криотерм». Согласно спецификации производителя термоэлектрический модуль TB-127-1,4-1,15 (ICE-71) относится к однокаскадным модулям для промышленного применения со средним временем наработки на отказ не менее 200 000 часов, обеспечивает высокую стабильность параметров и допускает применение изделия для создания медицинской аппаратуры.

Результаты работы/выводы

Авторам удалось использовать ещё одно преимущество термоэлектрических сборок – возможность охлаждения объектов малых объёмов – и рассчитать устройство, применение которого в медицинских целях было бы актуально на сегодняшний день.

Перспективы использования результатов работы

Авторы планируют изменить компоновку изделия (не меняя выбора термоэлемента), а именно: перенести источник холода, термоэлемент, в нижнюю часть конструкции, что позволит

• повысить тепловой контакт объекта охлаждения и термоэлемента;

• повысить эффективность охлаждения за счёт конвекционного переноса тепловой энергии;

• исключить прослойку воздуха над верхней частью объекта охлаждения, вследствие чего уменьшатся потери тепловой энергии, связанные с теплопередачей через воздушную прослойку;

• уменьшить размеры устройства, приблизив размер нижней части камеры охлаждения (с учётом рекомендуемых ГОСТ 31597-2012 размеров контейнеров для крови и её компонентов) к размерам термоэлемента для получения максимального теплового контакта;

• уменьшить время выхода изделия на рабочий режим.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Н.Э. Баумана