专利名称：一种利用高压氮气为制冷剂的低温显微镜冷源系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用高压氮气为制冷剂的低温显微镜冷源系统，属于低温生
物医学技术领域。
背景技术：
低温显微镜可以控制生物体的温度在一定的范围内任意的变化，直接观察和摄录 生物体在冷冻、复温过程中的形态变化，以及溶液相变的仔细过程，再结合图像处理技术， 可以对冷冻和复温过程进行定性和定量的研究，这对于确定最佳的降温、复温程序以及生 物体在冷冻、复温过程中的损伤机理等有很大的帮助，因而它被看作是低温生物学最重要、 最基本的设备之一。 低温显微镜是由光学显微镜、冷热源系统、低温样品台、摄像和录像系统、温度的 测量与采集系统、温度控制系统组成，低温显微镜的控制过程基本为液氮或者经过液氮 的低温氮气作为冷源，加压进入载物台，来冷却生物样品。在温度控制方面，有两种方式 一种是电加热平衡多余的冷量或者热气作为热源平衡掉多余的冷量，两种加热方式都须由 PID(比例积分微分)调节器控制，从载物台出来的氮气用作显微镜的氮气幕，这样可以防 止结露，便于观察。
现有的低温显微镜冷源系统存在以下不足1 :以液氮作为冷源，存在一定的安全
隐患，提高了使用成本。液氮的温度为-1961:，在使用上要注意很多问题，如在使用过程
中使用者应防止被液氮冻伤、储存液氮的罐子不能封闭，液氮罐要固定好，防止震动和倒 翻。2 :在温度调节方面，精确控温的方式有两种，一种采用在石英表面镀膜的电加热平衡方 式，平衡掉多余的冷量，这种方式存在镀膜易脱落的问题。另外一种方式是通过电磁阀调节 热气量的多少，平衡掉多余的冷量，此方法能够克服第一种方式的缺点，但是电磁阀的频繁 动作影响其寿命。
实用新型内容为克服现有的低温显微镜以液氮作为冷源所存在的安全隐患和使用的不方便，以 及在温度调节方面存在的镀膜易脱落、电磁阀寿命短的弊端，本实用新型设计了一种利用 高压氮气为制冷剂的低温显微镜冷源系统。本实用新型不仅结构简单、安全可靠，而且系统 安全稳定、温度控制精确、氮气消耗量低。 —种利用高压氮气为制冷剂的低温显微镜冷源系统，其特征在于氮气瓶经铜管 依次与稳压减压阀、高效换热器、高效回热器、第二节流阀、调温室、低温载物台串联连接， 倒置式低温显微镜位于低温载物台的下方；所述的高效换热器上并连连接一半导体制冷 片，在第二节流阀上并联连接第二电磁阀；调温室内连电加热器外接PID调节器；低温载物 台内设置微型热电偶监测生物样品的温度。 所述的高效回热器设置为两个管道，其中一个管道气体进口端经铜管依次与第一 电磁阀、第一节流阀串联连接，管路末端与高效回热器的第二个管道气体进口端连接；第一电磁阀、第一节流阀、与第二电磁阀的组合结构是为需要极快降温或极慢降温的特殊生物 样品而设计，当要求快速降温时，第一电磁阀、第一节流阀打开，第二电磁阀关闭，当需要慢 速降温时，第二电磁阀打开，第一电磁阀、第一节流阀关闭。 所述的低温载物台设计为真空绝热，以减小系统的热负荷，同时也可以防止载物 台上观察窗的玻璃结露，保证实验顺利进行。 稳压减压阀的出口压力要保证在7Mp，以保证系统的冷量和温度要求，当系统的压 力过低的时候，系统会自动提示试验者。 本实用新型半导体制冷片为两级半导体制冷片，冷热端最大温差可以达到68t:。 高效回热器的结构为套管式回热器，内管为进气，外管与内管之间为回气，此回热
器不仅效率高，而其节约空间。 本实用新型的有益效果是 1.本实用新型使用高压氮气制冷剂取代液氮作为冷源，其制冷方式是先采用半导 体制冷片预冷氮气，然后再对氮气进行节流的方式，此方式避免使用液氮，结构简单、安全。 2.温度调节采用PID调节器控制电加热平衡多余冷量的方式，让氮气先在调温室 调节至所需温度，然后再进入载物台。此温度控制方式可以克服镀膜易脱落、电磁阀寿命短 的弊端。 3.本实用新型低温显微镜冷源系统还具有系统稳定性高、温度控制精确、氮气消 耗量低等优点。
图1为本实用新型低温显微镜冷源系统结构示意图。 1.氮气瓶，2.半导体制冷片，3.高效换热器，4.第一电磁阀，5.第一节流阀，6.PID 调节器，7.倒置式低温显微镜，8.微型热电偶，9.低温载物台，IO.电加热器，ll.调温室， 12.第二节流阀，13.第二电磁阀，14.高效回热器，15.减压稳压阀。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。 —种利用高压氮气为制冷剂的低温显微镜冷源系统，如图1所示使用高压氮气 制冷剂取代液氮作为冷源；其制冷方式是先采用半导体制冷片预冷氮气，然后再对氮气进 行节流的方式；温度调节采用PID控制电加热平衡多余冷量的方式，让氮气先在调温室 调节至所需温度，然后再进入载物台；其特征在于氮气瓶(1)经铜管依次与稳压减压阀 (15)、高效换热器(3)、高效回热器(14)、第二节流阀(12)、调温室(11)、低温载物台(9)串 联连接，倒置式低温显微镜(7)位于低温载物台(9)的下方；所述的高效换热器(3)上并连 连接一半导体制冷片(2);在第二节流阀(12)上并联连接第二电磁阀(13);调温室(11)内 连电加热器(10)外接PID调节器(6);低温载物台内设置微型热电偶(8)测量生物样品的 温度。高效回热器(14)设置为两个管道，其中一个管道气体进口端经铜管依次与第一电磁 阀(4)、第一节流阀(5)串联连接，管路末端与高效回热器(14)的第二个管道气体进口端 连接；第一电磁阀(4)、第一节流阀(5)、与第二电磁阀(13)的组合结构是为需要极快降温 或极慢降温的特殊生物样品而设计，当要求快速降温时，打开第一电磁阀(4)和第一节流阀(5)，关闭第二电磁阀(13)，当需要慢速降温时，打开第二电磁阀(13)，关闭第一电磁阀 (4)、第一节流阀(5)。低温载物台(9)设计为真空绝热，以减小系统的热负荷，防止载物台 观察窗结露。稳压减压阀(15)的出口压力要保证在7Mp以上，以保证系统的冷量和温度要 求。 制冷时高压氮气瓶(1)输出的高压氮气通过减压稳压阀(15)，将氮气调节到合适 的压力，由于氮气在常温区的节流效应不好，但随着温度的降低，其节流效应会改善，为了 提高节流效率，在氮气节流之前加上半导体制冷片(2)进行预冷，以改变氮气节流效应。高 压氮气与半导体制冷片之间的换热传递是通过一个高效换热器(3)实现，经过半导体制冷 预冷的氮气再进入高效回热器(14)，高效回热器和半导体制冷片的设置，其目的是使氮气 在节流前进一步降温，高压的氮气经过半导体制冷片和回热器的预冷，最后进入第二节流 阀(12)节流，节流后的氮气温度、压力都降低，低温氮气再进入调温室(11)进行温度调节， 温度的调节方式为PID调节器调节方式，调节氮气到需要的温度后再送人低温载物台(9)， 与生物材料换热后的气体流回到高效回热器(14)中换热，最后直接排入大气中。 本装置采用内径为①10的铜管作为导气管，其连接方式有两种，一种是开喇叭口 连接，另外就是直接焊接。所述的高效回热器(14)的结构为套管式回热器，内径为①10的 铜管，外径为①20的铜管，盘成螺旋状，内管为进气，外管与内管之间为回气，此高效回热 器不仅效率高，而且节约空间。调温室(11)为不锈钢腔体，其内部布置有电加热器(10)， 半导体制冷片为两级半导体制冷，最大温差为68°C。 一些生物样品，要求降温速度极慢时， 在此系统中加了第二电磁阀(13)，并和稳压减压阀(15)配合使用，在高于-40度的温区可 以使用半导体制冷片提供冷量。对于一些热容量较大的生物材料，要求快速降温时，此系统 中设计了由第一电磁阀(4)、第一节流阀(5)组成的管路，当需要的冷量大时，第一电磁阀 (4)、第一节流阀(5)开启，满足系统的冷量要求。 本实用新型先采用半导体预冷，再节流回热制冷方式，使整个装置具有结构简单、 系统稳定性高、温度控制精确、氮气消耗量低等优点。
权利要求一种利用高压氮气为制冷剂的低温显微镜冷源系统，其特征在于氮气瓶(1)经铜管依次与稳压减压阀(15)、高效换热器(3)、高效回热器(14)、第二节流阀(12)、调温室(11)、低温载物台(9)串联连接，倒置式低温显微镜(7)位于低温载物台(9)的下方；所述的高效换热器(3)上并连连接一半导体制冷片(2)；在第二节流阀(12)上并联连接第二电磁阀(13)；调温室(11)内连电加热器(10)外接PID调节器(6)；低温载物台内设置微型热电偶(8)测量生物样品的温度。
2. 根据权利要求1所述的一种利用高压氮气为制冷剂的低温显微镜冷源系统，所述的高效回热器(14)设置为两个管道，其特征在于其中一个管道气体进口端经铜管依次与第一电磁阀(4)、第一节流阀(5)串联连接，管路末端与高效回热器(14)的第二个管道气体 进口端连接；第一电磁阀(4)、第一节流阀(5)、与第二电磁阀(13)的组合结构是为需要极 快降温或极慢降温的特殊生物样品而设计，当要求快速降温时，第一电磁阀(4)、第一节流 阀(5)打开，第二电磁阀(13)关闭，当需要 速降温时，第二电磁阀(13)打开，第一电磁阀 (4)、第一节流阀(5)关闭。
专利摘要一种利用高压氮气为制冷剂的低温显微镜冷源系统，使用高压氮气制冷剂作为冷源；采用半导体制冷片预冷氮气，然后对氮气进行节流；采用PID控制电加热方式，让氮气在调温室调节至所需温度后再进入载物台；其特点是氮气瓶经铜管依次与稳压减压阀、高效换热器、高效回热器、第二节流阀、调温室、低温载物台串联连接，倒置式低温显微镜在低温载物台的下方；高效换热器上并联连接半导体制冷片，在第二节流阀上并联连接第二电磁阀；调温室内连电加热器外接PID调节器；低温载物台内设置微型热电偶。本实用新型具有结构简单、安全可靠、没有运动部件、系统稳定性高、温度控制精确、氮气消耗量低等优点。
文档编号F25B21/02GK201464706SQ20092007103
公开日2010年5月12日 申请日期2009年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者叶萍, 左志强, 张华 , 徐彬凯, 徐文强, 杨晓昀, 王艳, 陈儿同, 韩宝三 申请人:上海理工大学