POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA ENERGETYKI I APARATURY PRZEMYSŁOWEJ TERMOELEKTRYCZNE URZĄDZENIA CHŁODNICZE ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE I TECHNICE LABORATORYJNEJ Opracowanie: Magdalena Karczewska IM-M, st. II Gdańsk 2011
Spis treści Obszary zastosowania termoelektrycznych urządzeń chłodniczych...3 Krioekstraktor...3 System selektywnego chłodzenia mózgu...4 Pojemnik termoelektryczny...5 Osmometr...6 Literatura...7 2
Obszary zastosowania termoelektrycznych urządzeń chłodniczych [1] neurochirurgia, kosmetologia i chirurgia plastyczna, chirurgia ogólna, oftalmologia, laryngologia. Krioekstraktor [1] Jednym z podstawowych narzędzi kriochirurgicznych jest krioekstraktor, czyli przyrząd do zamrażania i usuwania tkanek organizmu. Na poniższym rysunku 1 przedstawiony został schemat krioekstraktora termoelektrycznego, używanego do usunięcia zmętniałych fragmentów soczewki oka (np. podczas zaćmy). Rysunek 1. Krioekstraktor termoelektryczny Zasada działania krioekstraktora: końcówka (1) przymarza do soczewki dzięki chłodzeniu termoelementem (3). Po około 2 min, końcówka w trybie roboczym osiąga temperaturę od -25 do -30 C. Termoelement zasilany jest prądem o natężeniu 10A przy napięciu 1,7V. Ze względu na duże zyski ciepła i ograniczone rozmiary końcówki, wysoką wydajność chłodniczą można uzyskać wykorzystując jedynie duże natężenie prądu zasilającego. Dodatkowym ograniczeniem wartości napięcia zasilania (wynikającym z obawy wystąpienia elektrolizy wody) jest konstrukcja łącząca doprowadzenie wody i prądu elektrycznego do gorącej strony termoelementu. Odmrażanie końcówki zachodzi dzięki zmianie kierunku przepływu prądu lub na skutek krótkotrwałego przepływu prądu zmiennego przez termoelement. 3
W przypadku, gdy nie ma możliwości podłączenia do sieci wodociągowej (lub jest to niewygodne), stosuje się krioekstraktory akumulatorowe (rysunek 2). Rysunek 2. Krioekstraktor akumulatorowy Zasada działania krioekstraktora: korpus urządzenia wypełniony jest substancją topniejąca w niskiej temperaturze (np. wodny roztwór spirytusu). W trakcie topnienia owej substancji (od kilku do 15min), temperatura końcówki roboczej utrzymuje się mniej więcej na stałym poziomie. Aby można było użyć takiego krioekstraktora, należy wcześniej zamrozić ośrodek w bloku wolnostojącym, mieszczącym jedno- lub dwustopniowe kaskadowe urządzenie termoelektryczne z chłodzeniem wodnym. System selektywnego chłodzenia mózgu [2] Odkrycie neuroprotekcyjnych własności hipotermii umiarkowanej zapoczątkowało badania nad systemami i urządzeniami mającymi doprowadzić mózg, lub jego części do umiarkowanej hipotermii (temp. 28-32ᵒC). Rysunek 3. System OCCS 4
Jednym z systemów chłodzenia mózgu w przypadku niedotlenienia okołoporodowego jest system Olympic Cool Cap (rysunek 3). W jego skład wchodzą 3 główne elementy: warstwa chłodząca kanał o półokrągłym przekroju, którego przebieg oraz system zapięć i zakładek zaprojektowano tak, aby zapewnić jak najlepsze przyleganie płaskiej części chłodzącej do głowy noworodka; część utrzymująca odbieranie i odprowadzanie wilgoci, ochrona uszu i czoła dziecka przed ochłodzeniem; czapka izolacyjna izolacja warstwy chłodzącej od otoczenia; materiał izolujący znajduje się między warstwą elastyczną przylegającą od strony zewnętrznej do wymiennika (w którym przepływa woda), a warstwą odbijającą promieniowanie podczerwone (znajdującą się od strony zewnętrznej). Chłodzenie jest tutaj realizowane dzięki dwóm ogniwom Peltiera, zamocowanym do aluminiowego wymiennika ciepła, przez który przepływa chłodzona woda. Pojemnik termoelektryczny W dobie rozwijającej się transplantologii pojawiła się potrzeba przewozu narządów, tkanek i komórek ludzkich oraz specjalistycznych leków. W tym celu stosuje się pojemniki termoelektryczne (rysunek 4), których zadaniem jest utrzymywanie temperatury w zakresie 0-4 C w przypadku narządów i 2-8 C w przypadku leków [6]. 1 - wyłącznik, 2 - pokrywa przewodu zasilającego, 3 - pokrywa komory akumulatora, 4 - gniazdo do podłączenia zasilania, 5 - otwory wentylacyjne (po obu stronach), 6 - uszczelnienie, 7 - kontrola diody, 8 wyświetlacz ciekłokrystaliczny Rysunek 4. Pojemnik termoelektryczny TEK-3,3-12 [4] 5
Osmometr Osmometr (rysunek 5 i 6) przyrząd do badania osmolarności 1 roztworów biologicznych Oznaczenie odbywa się za pomocą pomiaru temperatury zamarzania badanej próbki. Stosowany jest do rutynowych analiz krwi, moczu, płynów ustrojowych oraz płynów infuzyjnych [5]. Rysunek 5. Semi- Micro Osmometr K-7400 [5] Rysunek 6. Schemat ideowy japońskiej firmy "Nikkiso Co." [1] Zasada działania: porcję płynu (0,3 2g) umieszcza się w probówce i zanurza w wannie z cieczą (90% wodny roztwór glikolu etylenowego). Wannę schładza się do temp. -11 0 C dzięki dwustopniowemu kaskadowemu urządzeniu chłodniczemu, zawierającym 160 termoelementów [1]. 1 Osmolarność liczba moli substancji osmotycznie czynnych w 1 litrze roztworu [3] 6
Literatura 1. Filin S., Termoelektryczne urządzenia chłodnicze, wyd. I.P.P.U. MASTA Sp. z o.o., 2002r 2. Żmuda E., Selektywne chłodzenie mózgu noworodka po niedotlenieniu okołoporodowym, Technika chłodnicza i klimatyzacyjna, 2009r., nr 4-8 3. http://aneksy.pwn.pl/biologia/1474258_1.html 4. http://eng.rifcorp.ru/products/1/8 5. http://www.donserv.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=158&itemid= 152 6. http://www.mech.pg.gda.pl/ktc/wtargans/literatura/waszkiewicz.pdf 7