專利名稱：一種利用高壓氮氣為制冷劑的低溫顯微鏡冷源系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用高壓氮氣為制冷劑的低溫顯微鏡冷源系統，屬于低溫生
物醫學技術領域。
背景技術：
低溫顯微鏡可以控制生物體的溫度在一定的范圍內任意的變化，直接觀察和攝錄 生物體在冷凍、復溫過程中的形態變化，以及溶液相變的仔細過程，再結合圖像處理技術， 可以對冷凍和復溫過程進行定性和定量的研究，這對于確定最佳的降溫、復溫程序以及生 物體在冷凍、復溫過程中的損傷機理等有很大的幫助，因而它被看作是低溫生物學最重要、 最基本的設備之一。 低溫顯微鏡是由光學顯微鏡、冷熱源系統、低溫樣品臺、攝像和錄像系統、溫度的 測量與采集系統、溫度控制系統組成，低溫顯微鏡的控制過程基本為液氮或者經過液氮 的低溫氮氣作為冷源，加壓進入載物臺，來冷卻生物樣品。在溫度控制方面，有兩種方式 一種是電加熱平衡多余的冷量或者熱氣作為熱源平衡掉多余的冷量，兩種加熱方式都須由 PID(比例積分微分)調節器控制，從載物臺出來的氮氣用作顯微鏡的氮氣幕，這樣可以防 止結露，便于觀察。
現有的低溫顯微鏡冷源系統存在以下不足1 :以液氮作為冷源，存在一定的安全
隱患，提高了使用成本。液氮的溫度為-1961:，在使用上要注意很多問題，如在使用過程
中使用者應防止被液氮凍傷、儲存液氮的罐子不能封閉，液氮罐要固定好，防止震動和倒 翻。2 :在溫度調節方面，精確控溫的方式有兩種，一種采用在石英表面鍍膜的電加熱平衡方 式，平衡掉多余的冷量，這種方式存在鍍膜易脫落的問題。另外一種方式是通過電磁閥調節 熱氣量的多少，平衡掉多余的冷量，此方法能夠克服第一種方式的缺點，但是電磁閥的頻繁 動作影響其壽命。
實用新型內容為克服現有的低溫顯微鏡以液氮作為冷源所存在的安全隱患和使用的不方便，以 及在溫度調節方面存在的鍍膜易脫落、電磁閥壽命短的弊端，本實用新型設計了一種利用 高壓氮氣為制冷劑的低溫顯微鏡冷源系統。本實用新型不僅結構簡單、安全可靠，而且系統 安全穩定、溫度控制精確、氮氣消耗量低。 —種利用高壓氮氣為制冷劑的低溫顯微鏡冷源系統，其特征在于氮氣瓶經銅管 依次與穩壓減壓閥、高效換熱器、高效回熱器、第二節流閥、調溫室、低溫載物臺串聯連接， 倒置式低溫顯微鏡位于低溫載物臺的下方；所述的高效換熱器上并連連接一半導體制冷 片，在第二節流閥上并聯連接第二電磁閥；調溫室內連電加熱器外接PID調節器；低溫載物 臺內設置微型熱電偶監測生物樣品的溫度。 所述的高效回熱器設置為兩個管道，其中一個管道氣體進口端經銅管依次與第一 電磁閥、第一節流閥串聯連接，管路末端與高效回熱器的第二個管道氣體進口端連接；第一電磁閥、第一節流閥、與第二電磁閥的組合結構是為需要極快降溫或極慢降溫的特殊生物 樣品而設計，當要求快速降溫時，第一電磁閥、第一節流閥打開，第二電磁閥關閉，當需要慢 速降溫時，第二電磁閥打開，第一電磁閥、第一節流閥關閉。 所述的低溫載物臺設計為真空絕熱，以減小系統的熱負荷，同時也可以防止載物 臺上觀察窗的玻璃結露，保證實驗順利進行。 穩壓減壓閥的出口壓力要保證在7Mp，以保證系統的冷量和溫度要求，當系統的壓 力過低的時候，系統會自動提示試驗者。 本實用新型半導體制冷片為兩級半導體制冷片，冷熱端最大溫差可以達到68t:。 高效回熱器的結構為套管式回熱器，內管為進氣，外管與內管之間為回氣，此回熱
器不僅效率高，而其節約空間。 本實用新型的有益效果是 1.本實用新型使用高壓氮氣制冷劑取代液氮作為冷源，其制冷方式是先采用半導 體制冷片預冷氮氣，然后再對氮氣進行節流的方式，此方式避免使用液氮，結構簡單、安全。 2.溫度調節采用PID調節器控制電加熱平衡多余冷量的方式，讓氮氣先在調溫室 調節至所需溫度，然后再進入載物臺。此溫度控制方式可以克服鍍膜易脫落、電磁閥壽命短 的弊端。 3.本實用新型低溫顯微鏡冷源系統還具有系統穩定性高、溫度控制精確、氮氣消 耗量低等優點。
圖1為本實用新型低溫顯微鏡冷源系統結構示意圖。 1.氮氣瓶，2.半導體制冷片，3.高效換熱器，4.第一電磁閥，5.第一節流閥，6.PID 調節器，7.倒置式低溫顯微鏡，8.微型熱電偶，9.低溫載物臺，IO.電加熱器，ll.調溫室， 12.第二節流閥，13.第二電磁閥，14.高效回熱器，15.減壓穩壓閥。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細描述。 —種利用高壓氮氣為制冷劑的低溫顯微鏡冷源系統，如圖1所示使用高壓氮氣 制冷劑取代液氮作為冷源；其制冷方式是先采用半導體制冷片預冷氮氣，然后再對氮氣進 行節流的方式；溫度調節采用PID控制電加熱平衡多余冷量的方式，讓氮氣先在調溫室 調節至所需溫度，然后再進入載物臺；其特征在于氮氣瓶(1)經銅管依次與穩壓減壓閥 (15)、高效換熱器(3)、高效回熱器(14)、第二節流閥(12)、調溫室(11)、低溫載物臺(9)串 聯連接，倒置式低溫顯微鏡(7)位于低溫載物臺(9)的下方；所述的高效換熱器(3)上并連 連接一半導體制冷片(2);在第二節流閥(12)上并聯連接第二電磁閥(13);調溫室(11)內 連電加熱器(10)外接PID調節器(6);低溫載物臺內設置微型熱電偶(8)測量生物樣品的 溫度。高效回熱器(14)設置為兩個管道，其中一個管道氣體進口端經銅管依次與第一電磁 閥(4)、第一節流閥(5)串聯連接，管路末端與高效回熱器(14)的第二個管道氣體進口端 連接；第一電磁閥(4)、第一節流閥(5)、與第二電磁閥(13)的組合結構是為需要極快降溫 或極慢降溫的特殊生物樣品而設計，當要求快速降溫時，打開第一電磁閥(4)和第一節流閥(5)，關閉第二電磁閥(13)，當需要慢速降溫時，打開第二電磁閥(13)，關閉第一電磁閥 (4)、第一節流閥(5)。低溫載物臺(9)設計為真空絕熱，以減小系統的熱負荷，防止載物臺 觀察窗結露。穩壓減壓閥(15)的出口壓力要保證在7Mp以上，以保證系統的冷量和溫度要 求。 制冷時高壓氮氣瓶(1)輸出的高壓氮氣通過減壓穩壓閥(15)，將氮氣調節到合適 的壓力，由于氮氣在常溫區的節流效應不好，但隨著溫度的降低，其節流效應會改善，為了 提高節流效率，在氮氣節流之前加上半導體制冷片(2)進行預冷，以改變氮氣節流效應。高 壓氮氣與半導體制冷片之間的換熱傳遞是通過一個高效換熱器(3)實現，經過半導體制冷 預冷的氮氣再進入高效回熱器(14)，高效回熱器和半導體制冷片的設置，其目的是使氮氣 在節流前進一步降溫，高壓的氮氣經過半導體制冷片和回熱器的預冷，最后進入第二節流 閥(12)節流，節流后的氮氣溫度、壓力都降低，低溫氮氣再進入調溫室(11)進行溫度調節， 溫度的調節方式為PID調節器調節方式，調節氮氣到需要的溫度后再送人低溫載物臺(9)， 與生物材料換熱后的氣體流回到高效回熱器(14)中換熱，最后直接排入大氣中。 本裝置采用內徑為①10的銅管作為導氣管，其連接方式有兩種，一種是開喇叭口 連接，另外就是直接焊接。所述的高效回熱器(14)的結構為套管式回熱器，內徑為①10的 銅管，外徑為①20的銅管，盤成螺旋狀，內管為進氣，外管與內管之間為回氣，此高效回熱 器不僅效率高，而且節約空間。調溫室(11)為不銹鋼腔體，其內部布置有電加熱器(10)， 半導體制冷片為兩級半導體制冷，最大溫差為68°C。 一些生物樣品，要求降溫速度極慢時， 在此系統中加了第二電磁閥(13)，并和穩壓減壓閥(15)配合使用，在高于-40度的溫區可 以使用半導體制冷片提供冷量。對于一些熱容量較大的生物材料，要求快速降溫時，此系統 中設計了由第一電磁閥(4)、第一節流閥(5)組成的管路，當需要的冷量大時，第一電磁閥 (4)、第一節流閥(5)開啟，滿足系統的冷量要求。 本實用新型先采用半導體預冷，再節流回熱制冷方式，使整個裝置具有結構簡單、 系統穩定性高、溫度控制精確、氮氣消耗量低等優點。
權利要求一種利用高壓氮氣為制冷劑的低溫顯微鏡冷源系統，其特征在于氮氣瓶(1)經銅管依次與穩壓減壓閥(15)、高效換熱器(3)、高效回熱器(14)、第二節流閥(12)、調溫室(11)、低溫載物臺(9)串聯連接，倒置式低溫顯微鏡(7)位于低溫載物臺(9)的下方；所述的高效換熱器(3)上并連連接一半導體制冷片(2)；在第二節流閥(12)上并聯連接第二電磁閥(13)；調溫室(11)內連電加熱器(10)外接PID調節器(6)；低溫載物臺內設置微型熱電偶(8)測量生物樣品的溫度。
2. 根據權利要求1所述的一種利用高壓氮氣為制冷劑的低溫顯微鏡冷源系統，所述的高效回熱器(14)設置為兩個管道，其特征在于其中一個管道氣體進口端經銅管依次與第一電磁閥(4)、第一節流閥(5)串聯連接，管路末端與高效回熱器(14)的第二個管道氣體 進口端連接；第一電磁閥(4)、第一節流閥(5)、與第二電磁閥(13)的組合結構是為需要極 快降溫或極慢降溫的特殊生物樣品而設計，當要求快速降溫時，第一電磁閥(4)、第一節流 閥(5)打開，第二電磁閥(13)關閉，當需要 速降溫時，第二電磁閥(13)打開，第一電磁閥 (4)、第一節流閥(5)關閉。
專利摘要一種利用高壓氮氣為制冷劑的低溫顯微鏡冷源系統，使用高壓氮氣制冷劑作為冷源；采用半導體制冷片預冷氮氣，然后對氮氣進行節流；采用PID控制電加熱方式，讓氮氣在調溫室調節至所需溫度后再進入載物臺；其特點是氮氣瓶經銅管依次與穩壓減壓閥、高效換熱器、高效回熱器、第二節流閥、調溫室、低溫載物臺串聯連接，倒置式低溫顯微鏡在低溫載物臺的下方；高效換熱器上并聯連接半導體制冷片，在第二節流閥上并聯連接第二電磁閥；調溫室內連電加熱器外接PID調節器；低溫載物臺內設置微型熱電偶。本實用新型具有結構簡單、安全可靠、沒有運動部件、系統穩定性高、溫度控制精確、氮氣消耗量低等優點。
文檔編號F25B21/02GK201464706SQ20092007103
公開日2010年5月12日 申請日期2009年4月23日 優先權日2009年4月23日
發明者葉萍, 左志強, 張華 , 徐彬凱, 徐文強, 楊曉昀, 王艷, 陳兒同, 韓寶三 申請人:上海理工大學