多功能采样冷藏培养箱的研制

在反恐反生物武器袭击中，战剂标本的采样、冷藏、培养，是确定生物战剂种类的重要工作，也是取得反生物战胜利的重要保证。因此在未来的反生物战和日常卫生防疫工作中，对采样、冷藏、培养箱的功能提出了更高的要求。我们在分析研究现有装备的采样、冷藏、培养箱主要缺陷的基础上，针对反生物不同的作战环境和特点，结合现有高科技技术，构思并研制了“多功能采样冷藏培养箱”。用于反生物战中，病毒、细菌、立克次体、真菌等生物战剂标本的采样、冷藏、培养。大型现场活动的卫勤保障、医疗、卫生防疫、制药、环保等行业的生产、检验、培养、实验、消毒、储存、科研等工作。

1现有装备主要存在问题与改进的构思

1.1主要存在问题：

目前使用的便携式采样、冷藏、培养箱，采样、冷藏基本采用冰块加保温箱的模式，培养箱是采用电热丝加热的模式。三个箱子的功能分别是现场战剂标本的采集存人采样箱，然后在将战剂标本存入冷藏箱进行后送，在将战剂标本存人培养箱进行培养。存在的主要问题是，使用携带箱子多，准备时间长，操作次数多。冰块降温需要依赖于后方支援，使用时间短。培养箱升温时间，能量转换效率低，没有自备供电能力。操作过程中战剂标本容易受到污染和战剂标本污染环境。三个箱子技术相对落后，体积重量较大、对市电依赖性强、携带行动不便，不适于野外条件下使用等缺点。

1.2改进的构思：

我们将采样、冷藏、培养、自备太阳能供电等功能通过现代技术设计成一体，通过电脑自动智能控制采样、冷藏、培养各自所需的温度。既有采样、冷藏、培养箱独立的功能，又具有联用的功能。这样在执行任务中可减少携带箱子的件数，降低重量，又不依赖市电也可以工作，特别适合于野外条件下使用。

2解决的主要问题

“多功能采样冷藏培养箱”研制目的就在于提供一种集采样、冷藏、培养功能为一体，智能、轻便、电能消耗小、能量转换效率高，便于野外作业使用。关键要解决加热和冷藏两种装置一体化设计等问题，主要就是在箱内设计安装复合高效的加热、制冷装置和温控装置。在启动培养功能时，加热装置开始工作，我们改变传统的电热丝加热模式，加热装置是在内胆的内隔板上贴敷红外发热膜，四周喷涂镀金反射膜。红外发热膜、温控装置及锂电池电连接。通电后，红外发热膜直接对培养体进行加热，由于外发热膜热惯性极小，通电后0.8s可达额定功率的5o%，约1s可达额定功率的80%，约2s可全功率运行，升温迅速准确。在内壁一定部位喷涂钛、金等稀有金属，作为定向反射层，可大大提高加热效率，降低反射板的温度。反射膜反射回散射部分能量，电能转化成热能的转化效率得到显著提高。

在启动功采样、冷藏能时，箱体内壁复合安装半导体制冷片，在制冷装置开始工作，半导体制冷片作为制冷系统，无噪声、无污染、启动快只要一通上电，就可以几分钟内结上一层雪白的冰霜开始降温，并可以对箱内的温度进行实时监控，既方便又迅速。因此它开辟了制冷技术的一个新分支，解决了多功能采样冷藏培养箱特殊场合的制冷难题，符合人们在特种场合的需要。

太阳能电池为锂电池充电提供电力。锂电池体积小，重量轻，因此，在培养箱整体体积和重量并未明显增加的情况下，实现了无需外接电源即可正常使用的目的，适合在无市电的野战条件下使用。同时，由于加热是由红外发热膜直接对培养体进行加热，反射膜反射回部分能量继续利用，因此，内阻壁体及壳体少有升温，这样其温度与环境温度的温差就很小，从而通过壳体所散失的热量也很少，这样，就可减小壳体厚度，进而实现降低重量，减小培养箱外型体积的目的。采取了上述技术，在不增加重量和体积的前提下，实现了采样、冷藏、培养多功能一体化的目的。

3技术指标

主要技术数据：

电源：交流220V频率：50Hz，直流l2V，太

阳能自备电源;

功率：30w;

调温范围：0~C～50℃;

箱内温差：≤±1.5~C;

外形尺寸：N/A;

容积：可放人直径为10的培养皿10个左右;

温度漂移(±℃)：0.5;

时间：可调;

重量：3kg。

4工作原理

4.1加热原理：

在现有的电加热方法中，红外线热能堪称智能型热能，因为和传统的对流或接触型加热方式相比，它具有明显的优势。我们采用高品质红外辐射器，经过特殊设计的模块和控制单元，提供了理想的加热解决方案。红外辐射加热方式，可大比例地减少了传导对流过程中的介质损耗，在空间形成一个多次叠加定向能量场，有极强的瞬应性，其表面所释放的热光子束流针对各种物质选择通过红外控制系统，均能达到最佳匹配吸收到最佳的加热效果，达到多层次同步加热的目的，体现了良好的保温质量。其所发出的热光束流，在辐射平面均匀分布，克服了国内各种加热元件辐射分布不均匀的问题。

把多个红外加热模安装箱体内壁，并在安装有镀金反射膜，使之有效辐射增加。红外辐射技术具有高辐射密度和极快响应时间，反应时间仅为几秒钟。快速反应时间给“野战多功能采样冷藏培养箱”提供了优良的可控性，远红~l,Jn热与传统的加热方法相比，具有加热速度快、热均匀度好、热效率高等许多优点。用它代替电加热，一般可节电30%左右，个别场合甚至可达60%～70%。是一种理想的高效节能材料。在上述技术方案下，将内胆的内隔板设为横置玻璃板，玻璃板上贴敖红外发热膜。这样，将玻璃培养器皿直接放置于贴膜的横置玻璃板上，通电后红外发热膜直接对玻璃培养器皿加热，可进一步提高电能转换成热能的转换效率。

同时，由于加热是由红外发热膜直接对培养体进行加热，反射膜反射回部分能量继续利用，因此，内阻壁体及壳体少有升温，这样其温度与环境温度的温差就很小，从而通过壳体所散失的热量也很少，这样，就可减小壳体厚度，进而实现降低重量，减小培养箱外型体积的目的。

电加热的设计：

(1)首先需要确定升温时间(H)和温度差(度)，多长时间从多少度升到多少度，这个参数很重要。如果时间要求很短，那要求的加热功率可能就很大，浪费能源;如果时间长了，设备的准备时

间就长，需要一个平衡点。

(2)主体设备内空气的体积(立方米)。

(3)空气比重：1.16(Kg/m3);比热：0.24kcal/kgoC。

(4)还有加热效率，一般0.5～0.6。

按下列公式计算：

加热功率(KW)=(体积×比重×比热×温度差)/(860×升温时间×效率)。

4.2制冷原理：

热电致冷器的N、P元件组成的热电耦起着普通制冷压缩机的作用，热电致冷器的冷端及其用于散热的交换器相当于普通制冷压缩机的蒸发器，而热端及其热交换器则相当于冷疑器。通电时，自由电子和空穴在外电场的作用下，离开热电耦的冷端向热端运动，相当于制冷剂在制冷压缩中的压缩过程。在热电堆的冷端，通过热交换器吸热，同时产生电子一空穴对，相当于制冷剂在蒸发器中的吸热和蒸发。在热电堆的热端，发生电子一空穴对的复合，同时通过热交换器散热，相当于制冷剂在冷疑器中放热和凝结，较压缩机制冷节能90%。

制冷设计：

(1)确定被冷却物体所欲达到的温度。

(2)确定制冷元件的最大电流数值。

(3)确定热负载，被冷却物的发热量和从外部

渗入的热量。

(4)选确定取何种散热方式(自然对流散热、

强迫对流散热或液冷等)以及热端与周围介质的热

交换系数。

(5)确定冷端同被冷却物体间取何种热交换方

式(紧密接触或液体循环等)以及热交换系数。

(6)确定冷却速度与达到温度的时间。

QT=QB QA QP QM(W)

式中：QB-箱体的泄漏热量(w);

Q一开门泄漏热量(W);

Q卜储物热量(w);

5讨论

我们通过分析现有装备的主要缺陷，针对反生物战作战环境的特点，结合现有高科技技术，按照使用要求，构思将原采样、冷藏、冷藏、培养三个独立功能箱子，进行了功能一体化优化组合设计。

“多功能采样冷藏培养箱”与现有装备相比，具有一箱多用、使用携带方便、体积小、重量轻、功能多、控温精确、对外界依赖小、使用时间长、节能、安全等优势。产品样机于2006年秋冬季节至2007年春季，分别在多家单位进行了现场应用普遍反映该仪器性能稳定、操作简单、效果可靠实用性强。可广泛用于部队医疗、卫生防疫、制药、环保等行业的生产、检验、培养、实验、消毒、储存、科研等。

来源：实验与分析