Termoelektryczne urządzenia chłodnicze

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE
KONSPEKT
Temat: Termoelektryczne urządzenia chłodnicze – zastosowanie
w medycynie i technikach laboratoryjnych.
Student: Damian Siekiera
Kierunek:
Inżynieria Mechaniczno – Medyczna (II Stopień)
Rok akademicki: 2011/2012
Sem: II
Prowadzący:
dr inż. Zenon Bonca, doc. PG
dr inż. Waldemar Targański
GDAŃSK 2011
1. Wprowadzenie.
Termoelektryczne urządzenia chłodnicze, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystują zjawisko
termoelektryczności do chłodzenia. Ich zasada działania opiera się na zjawisku Peltiera. Efekt
Peltiera polega na tym, że przy przepływie prądu stałego (I) przez termoelement, na spoinach
termoelementu (Rys. 1) wydziela się lub zostaje pochłonięta pewna ilość ciepła (Q). Przy użyciu
materiałów o różnej przewodności elektronowej i dziurowej (typu „p” oraz typu „n”) na jednej
spoinie następuje obniżenie temperatury, natomiast na drugiej jej podwyższenie do określonej
wartości. Jeśli kierunek przepływu prądu będzie się zmieniać to zjawisko to się odwróci.
Umieszczając więc zimniejszą spoinę w środowisku chłodzonym, a cieplejszą w środowisku
chłodzącym, np. w powietrzu, stwarza się możliwość odprowadzenia ciepła z komory oraz oddania
ciepła do otaczającego powietrza.
Rys. 1. Schemat ideowy termoelementu.
Ogniwo Peltiera, ze względu na nieskomplikowaną produkcję oraz trwałość parametrów znajduje
szerokie zastosowanie jako pompa cieplna. Stosowane jest do budowy urządzeń i elementów
chłodniczych, wykorzystywanych zarówno w warunkach "domowych", jak i w zaawansowanej
technologicznie aparaturze naukowej.
2. Urządzenia wykorzystywane w medycynie.
Termoelektryczne urządzenia chłodnicze wykorzystuje się w wielu dziedzinach medycyny. Jedną
z nich jest krioterapia i kriochirurgia. Krioterapia jest niefarmakologiczną techniką w terapii wielu
ciężkich i przewlekłych chorób. Polega ona na krótkotrwałym kontakcie skóry pacjenta z medium
gazowym o temperaturze w zakresie od -180 °C do -110 °C. Kriochirurgia jest częścią krioterapii i
jest metodą leczenia chirurgicznego polegającą na miejscowym, kontrolowanym niszczeniu chorej
tkanki przez jej zamrażanie w niskiej temperaturze. Można ją określić mianem metody bezkrwawej,
niska temperatura bowiem niejako blokuje drobne naczynia tętnicze i żylne, umożliwiając
oddzielenie tkanki wymrożonej, głównie zmienionej chorobowo, od tkanki zdrowej praktycznie bez
krwawień. Poza tym zastosowaniem w medycynie powszechnie wykorzystuje się również
termostaty przenośne oraz stacjonarne, służące do transportu i przechowywania leków.
2. 1. Urządzenie do zamrażania tkanek.
Urządzenia te służą do miejscowego zamrożenia żywej tkanki w temperaturze do -20°C.
Zamrożenie następuje przez kontakt tkanki z chłodzoną końcówką roboczą krioaplikatora.
Natężenie prądu zasilającego wynosi 1,5 A, przy napięciu 230 V. W wyniku działania niską
temperaturą na tkanki uzyskuje się m.in. zahamowanie procesu zapalnego, spadek napięcia
mięśniowego, poprawę czynności chorych stawów, czy też poprawę drenażu krwionośnego i
limfatycznego.
Rys. 2. Urządzenie do zamrażania tkanek Kriopol K-11.
Opis urządzenia Kriopol K-11:
Urządzenie umieszczone jest na ramie jezdnej, która umożliwia jego łatwe przemieszczanie
Urządzenie wyposażone jest w zbiornik na ciekł azot o pojemności 11 litrów (istnieje możliwość
dokupienia dodatkowych zbiorników). Posiada elastyczną linię przesyłową ciekłego azotu, która
umożliwia w wygodny i bezpieczny sposób wykonywanie zabiegów. Urządzenie wyposażone jest
w trzy dowolnie wybrane aplikatory kontaktowe danej specjalności oraz aplikator typu spray.
Dane techniczne:
Czynnik chłodniczy: ciekły azot (LN2)
Objętość zbiornika: 11 litrów (9 kg.)
Temperatura powierzchni końcówki krioaplikatora: - 196°C
Ciśnienie robocze: 50 kPa
Czas uzyskania ciśnienia 50 kPa w zbiorniku: 5 min.
Zasilanie: 230 V +/- 10 %
Częstotliwość: 50 Hz
Pobór prądu: 1,5 A
Klasa ochronności: II
Bezpiecznik: 3,15 WTA
Typ ochrony: B
Maksymalny czas pracy urządzenia: Około 60 min (z jednego zbiornika)
Masa urządzenia: 16 kg (bez azotu)
Wymiary (szerokość/wysokość/długość): 320 / 700 / 330 mm.
2. 2. Krioekstraktor termoelektryczny.
Jest to urządzenie przeznaczone do usuwania z oka zmętniałych fragmentów soczewki. Końcówka
1 chłodzona termoelementem 3 przymarza do soczewki. Jej temperatura w trybie roboczym wynosi
od – 25°C do – 30°C. Czas dojścia do tych warunków jest bardzo krótki, gdyż wynosi jedynie 2
minuty. Natężenie prądu zasilającego termoelement to 10 A przy napięciu 1,7 V.
Rys. 3. Krioekstraktor termoelektryczny.
2. 3. Termoelektryczny hełm chłodzący.
Jest to urządzenie, które wykorzystuje się do obniżenia temperatury tkanki mózgowej i
zahamowania jej obumierania, na skutek niedotlenienia wywołanego ciężkimi urazami głowy. Przy
temperaturze mózgu na poziomie 26°C zużycie tlenu przez komórki obniża się aż dwukrotnie.
Hełm ten posiada elastyczną membranę ściśle przylegającą do głowy chorego. Przestrzeń zawartą
między membraną i skórą głowy chłodzą właśnie moduły Peltiera. Temperatura może być
regulowana w zakresie od – 20°C do + 50°C.
Rys. 4. Termoelektryczny hełm chłodzący.
Hełm chłodzący (Rys. 4) to urządzenie przypominające kask motocyklowy, którego wewnętrzna
część wyścielona jest 120 sztukami jednakowych pod względem termicznym i elektrycznym
termoelementów pobierających prąd o napięciu 0,1 V. Odbiór ciepła stron gorących zapewniony
jest przez wodę przepompowywaną przez kanały umieszczone w hełmie. Ogrzana w kanałach woda
pompowana jest do urządzenia chłodzącego, następnie powtórnie używana jest do odbioru ciepła po
stronie gorącej hełmu termoelektrycznego. Jednostką sterującą urządzenia jest 8 bitowy
mikrokontroler PIC (PIC I 6F877). Sterowanie temperaturą urządzenia może odbywać się w
zakresie od -5 °C do +46 °C z dokładnością do 0,5 °C.
2. 4. Termostat przenośny.
Termostat przenośny służy do przechowywania i transportu zarówno preparatów medycznych i
bakteriologicznych, jak i badań klinicznych, leków, czy szczepionek. Obecnie na rynku jest bardzo
duży wybór chłodziarek przenośnych. Zazwyczaj różnią się one od siebie pojemnością komór oraz
zakresem utrzymywanych temperatur. Większość placówek medycznych jest zaopatrzona w tego
rodzaju urządzenie, gdyż często istnieje potrzeba przewiezienia materiałów z jednego miejsce w
drugie, w odpowiedniej temperaturze.
Rys. 5. Chłodziarka przenośna Waeco TropiCool.
Parametry lodówki Waeco TropiCool:
Pojemność całkowita: około21litra
Źródło energii: 12/24V DC i 230 V AC
Zużycie paliwa: 46 W przy 12 V DC,
50 W przy 24 V DC,
64 W przy 230 V AC
Zakres temperatury: tryb chłodzenia: +1°C do +15°C (do 30°C poniżej temperatury otoczenia);
tryb podgrzewania: +50°C do +65°C
Izolacja: pełna forma izolacyjna z pianki poliuretanowej
System: system Peltiera
Elektroniczny panel sterowania
Materiał: wytrzymałe, wtryskowo uformowane części
Kolor: ciemnoszary/jasnoszary
Waga: około 7,0 kg
Oznaczenia: CE, TÜV/GS, e-certified (Automotive EMC Directive).
Rys. 6. Wymiary chłodziarki Waeco TropiCool.
2. 5. Chłodziarka stacjonarna.
Również w chłodziarkach stacjonarnych wykorzystuje się zjawisko termoelektryczności do
chłodzenia. Lodówki takie muszą znajdować się w dziale farmacji szpitalnej, gdzie zamawia się
towar i przechowuje się leki w odpowiedniej temperaturze, tj. od +2° do +8°C. Lodówki muszą być
również na terenie bloku operacyjnego, na oddziale zabiegowym oraz w przychodniach. Urządzenia
te są również stosowane w technice laboratoryjnej.
Rys. 7. Lodówka Farmaceutyczna MED 288.
Dane techniczne:
Poiemność: 280 litrów
Ustawienie temperatury: ok. +2 °C do + 20 °C
Napięcie: 220-240 V, 50/60 Hz
Pobór mocy: 150 W
Średnie zużycie: 0,8kWh/24h
Wymiary ogólne z drzwiami otwartymi pod kątem 90 stopni: szer. x gł. = 67 cm x 130 cm
Wewnętrzne wymiary szuflady: szer. x gł. x wys. = 50,4 cm x 32 cm x 5,6 cm
Maksymalne obciążenie szuflady: 16 kg/40 kg
Waga: netto 78 kg, brutto 87 kg
Wymiary ogólne razem z uchwytem i odległością od ściany: szer. x gł. x wys. = 67 cm x 70 cm x
124 cm.
3. Urządzenia wykorzystywane w technikach laboratoryjnych.
Poza chłodziarkami przenośnymi i stacjonarnymi, które są wykorzystywane zarówno w medycynie,
jak i w technikach laboratoryjnych, używane są również inne urządzenia laboratoryjne.
3. 1. Osmometr.
Przykładem termoelektrycznego urządzenia chłodniczego stosowanego w technice laboratoryjnej
jest osmometr. Jest to przyrząd do pomiaru ciśnienia osmotycznego roztworów.
Rys. 8. Osmometr 800CL firmy TRIDENT MED.
Osmometr 800CL jest nowoczesnym cyfrowym przyrządem, umożliwiającym szybkie i dokładne
oznaczenie osmolalności mikropróbek o objętości 100µl metodą pomiaru temperatury krystalizacji
roztworu przechłodzonego. Jednopunktowa kalibracja przyrządu wymaga jedynie pomiaru próbki
wody destylowanej. Korekty kalibracyjne są obliczane automatycznie i wprowadzane do pamięci
układu
mikroprocesorowego.
Dzięki
zastosowaniu
sterowania
mikroprocesorowego
i
wysokostabilnych podzespołów elektronicznych przyrząd charakteryzuje się bardzo dużą
niezawodnością. Przyrząd jest prosty w obsłudze. Pipetą wprowadzamy badaną próbkę do
plastikowej probówki osmometrycznej, którą osadzamy w głowicy pomiarowej z termistorem.
Naciskając na głowicę wprowadzamy próbkę do komory chłodzącej, gdzie jest ona schładzana
termoelektrycznie(efekt Peltiera). Przy ściśle określonej temperaturze przechłodzenia, leżącej
poniżej temperatury zamarzania próbki, zostaje w próbce zainicjowana krystalizacja. Wskutek
wydzielania się ciepła krystalizacji temperatura mieszaniny lód-ciecz wzrasta aż do wartości
maksymalnej, zależnej od osmolalności próbki. Przy pomocy termistora zostaje to maksimum
zmierzone i po przeliczeniu wyświetlony jest wynik w mOsm/kgH 2O.
Dane techniczne:
Zakres: 0-2000mOsm/kgH2O
Objętość próbki: 100µl
Dokładność: +/-1mOsm/kgH2O
+/-0,4%(CV)
Powtarzalność: +/-1mOsm/kgH2O
+/-0,4%(CV)
Rozdzielczość: +/-1mOsm/kgH2O
Dryft: +/-2mOsm/kgH2O
Czas pomiaru: ok. 1,5min.
Wymiary: 30X20X17(29)cm.
3. 2. Termocykler.
Jest to urządzenie używane w laboratorium do przeprowadzania reakcji łańcuchowej polimerazy
(PCR). Urządzenie wyposażone jest w blok grzejny z otworami na probówki, w których
przeprowadza się reakcję. Urządzenie zapewnia zmiany temperatury bloku zgodne ze wcześniej
zdefiniowanym programem i odpowiednie do efektywnego zajścia PCR. Bloki grzejne, by
zmieniały swą temperaturę możliwie szybko, są zazwyczaj wyposażone w moduł Peltiera. Niektóre,
bardziej zaawansowane termocyklery (np. do przeprowadzania reakcji real time PCR), mają
naczynia reakcyjne chłodzone i grzane powietrzem.
Rys. 9. Termocykler z gradientem temperatury SuperCycler™.
Termocykler SuperCycler™ jest wysokiej jakości blokiem termicznym skonfigurowanym i
zoptymalizowanym do stosowania ze standardowymi probówkami pojedynczymi lub w stripach, o
pojemności 200 µL (z wypukłymi lub płaskimi wieczkami) lub 96-dołkowymi mikropłytkami.
Tworzy go zaawansowana elektronika, precyzyjne elementy Peltiera oraz elastyczny interfejs
użytkownika. Ogniwa Peltiera są uruchamiane przez niezależne sensory termiczne rozmieszczone
równomiernie w bloku. Takie rozmieszczenie ogniw i sensorów umożliwia ustalanie liniowych
gradientów temperatury, a sterowanie odbywa się poprzez zaawansowany system informatyczny.
4. Bibliografia.
1. Filin S. : Termoelektryczne urządzenia chłodnicze. Masta, Gdańsk, 2002.
2. Żmuda E : Medyczne fakty oraz przegląd dostępnych rozwiązań systemów selektywnego
chłodzenia mózgu. Technika chłodnicza i klimatyzacja, 4-5 2009.
3. Barczyk K., Felisiak M. : Zastosowanie krioterapii w medycynie i w leczeniu wybranych chorób
skóry. Postępy kosmetologii 2/2011.
4. http://www.zymellapharma.com
5. http://www.rejman.net.pl
6. www.waeco.com
7. http://www.tridentmed.com.pl
8. http://www.biogenet.com