[发明专利]一种应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器

说明书

本发明公开了一种应用于细胞玻璃化冷冻的低温相变换热器，包括脉动热管、细胞悬浮液盛放装置、加热装置和冷凝箱；所述脉动热管为硅基连续缩扩型板式脉动热管，包括热管基体及设置在热管基体内的连续缩扩型蛇形槽；所述连续缩扩型蛇形槽道的宽度d呈连续线性周期变化，d₁≤d≤d₂，沿着固定方向，从所述连续缩扩型蛇形槽道的任一弯头出口至下一个弯头入口，槽道宽度d的连续线性变化周期为n，n≥2的整数。本发明低温相变换热器应用于细胞玻璃化冷冻，即能够达到玻璃化冷冻所需的超快冷却速率，又能够实现用低浓度冷冻保护剂来代替高浓度冷冻保护剂，减小了细胞玻璃化冷冻对细胞的伤害。

技术领域

本发明涉及相变换热技术领域，具体涉及的是一种为了应对短时间内有超快换热需求对象而设计的主要由具有连续缩扩型蛇形槽道的板式脉动热管组成的低温相变换热器。

背景技术

细胞的冷冻保存是保存和繁殖遗传优势动植物的主要工具，也是保存动物种质资源的重要技术手段，能为体外受精、核移植、转基因等生殖技术提供更广泛的背景材料。细胞的冷冻保存是将其温度逐步降至超低温(-196℃)，然后放到液氮中冷冻，使细胞代谢下降，并能长期稳定保存。根据冷冻过程中降温速率的不同，将细胞冷冻保存技术分为慢速冷冻法，快速冷冻法和玻璃化冷冻法3种，在生产实际中广泛使用慢速冷冻法和玻璃化冷冻法。玻璃化冷冻法是通过添加高浓度(4-7mol/L)的冷冻保护剂使细胞脱水，通过现有的冷却方法(OPS、微滴、冷循环、以及冷表面凝固方法等)以15000～30000K/min的冷却速率对细胞进行冷却，然后放到液氮中保存。然而，高浓度的冷冻保护剂对细胞有严重的毒性和渗透作用，并且对于高浓度冷冻保护剂的添加的分离都相当复杂。使用低浓度的冷冻保护剂来达到细胞悬浮液的玻璃化适用于所有类型的细胞，这是一种具备潜在前景的通用方法。基于动态模型的外推理论预测，使用浓度为1mol/L的甘油水溶液作为冷冻保护剂需要的最低冷却速率是10⁶K/min。然而现如今绝大部分的方法和设备由于技术限制不能达到如此高的冷却速率，只有池内沸腾方法能够达到，但是缺点在于直接将细胞悬浮液放入液氮中，在样品周围会有强烈的氮气蒸发，形成一种作为隔热层的“蒸汽外套”，因此样品表面的液氮之间的传热系数就受到了限制，也阻碍了冷却速率的进一步增加，并且细胞表面与液氮直接接触，容易受到污染。

鉴于这些缺点，我们需要一种全新的方法，使得在低浓度冷冻保护剂的作用下达到所需的冷却速率。因此采用脉动热管对细胞悬浮液进行冷却，能够在使用低浓度冷冻保护剂的前提下，通过非直接接触液氮的方式达到超快的冷却速率。

脉动热管是20世纪90年代由日本学者Akachi最先提出的一种新型热管，相比传统热管，脉动热管具有结构简单无芯、体积小、形状可任意弯曲、当量导热系数大的特点。脉动热管分管式和板式两种。由于温差形成的驱动力是脉动热管的唯一驱动力，温差的存在造成了脉动热管的均温性不够理想，并且当蒸发段输入热通量高于最大允许热通量时，由于驱动力有限，冷凝段的液体工质无法及时回流到蒸发段，造成蒸发段局部干涸，传热特性显著恶化。目前国内外对脉动热管的研究大多处于常温区,经过几十年的发展,常温区脉动热管的研究已经相对成熟,而低温区的研究相对较少。

发明内容

由于低温脉动热管在低温超导、航空、低温医疗等领域有巨大应用价值。针对脉动热管驱动力单一的问题，又考虑到细胞玻璃化冷冻的工作温度区间。因此，本发明将连续缩扩型蛇形槽道结构引入到硅基板式脉动热管中，该结构能够为板式脉动热管附加一个毛细驱动力，强化其内部工质的流动传热，并且采用氮为工质，形成能够在液氮温度区间工作的硅基连续缩扩型板式脉动热管，配合加热及冷凝装置，组成一套低温相变换热器，实现对细胞悬浮液的超快冷却。