CN115624996B - 一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，包括水浴锅，水浴锅内设有电热件以及内锅，水浴锅为密封式结构，水浴锅顶部设有密封盖，还包括压强传感器、抽气件、控制器，压强传感器设于水浴锅内部，抽气件通过管道与水浴锅内部连通，控制器被配置为：在电热件加热时，根据预设加热温度匹配出水在预设加热温度下恰好沸腾时对应的沸腾压强值，并通过压强传感器获取水浴锅内的实际压强值，控制抽气件进行抽气，使水浴锅内实际压强值始终等于沸腾压强值，进而使水始终在预设加热温度下进行沸腾。该生物实验用装置在水浴加热时自身防护性能、加热温度精确性、可控性、可加热温度范围等均达到了高等级生物安全实验室的使用要求。

Description

一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置

技术领域

本发明涉及生物实验室设备技术领域，具体涉及一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置。

背景技术

生物安全实验室(biosafety laboratory)，也称生物安全防护实验室(biosafetycontainment for laboratories)，是通过防护屏障和管理措施，能够避免或控制***作的有害生物因子危害，达到生物安全要求的生物实验室和动物实验室。生物安全实验室根据实验室的生物安全防护等级，将实验室分为一级(BiosafetyLevel，BSL-1)、二级(BSL-2)、三级(BSL-3)和四级(BSL-4)；ABSL-1、ABSL-2、ABSL-3和ABSL-4则分别表示从事动物活体操作的实验室的生物安全防护等级。高等级生物安全实验室是指防护等级为生物安全三级和四级的实验室，用于开展国际上认定为危险度3级和4级(国内认定为第一类和第二类病原微生物)的高致病性病原微生物的科学研究。高等级生物安全实验室中，需要处理危险且未知的病原体且该病原体可能造成经由气溶胶传播之病原体或造成高度个人风险，例如目前正在流行的新型冠状病毒。

因此，高等级生物安全实验室在实施两级隔离的基础上，对生物实验用装置的自身防护性能也提出了更加严格的要求，例如高等级生物安全实验室中最为常见的水浴加热实验装置。现有的水浴加热实验装置为了加热过程中安全泄压，需要水蒸汽以及受热空气自由排出，因此均为敞口设计，但是与此同时，在加热过程中，被加热的生物物质也很有可能出现挥发现象，挥发的物质可能带来危害，导致出现防护漏洞，因此无法适用于高等级生物安全实验室；另外，现有的水浴加热实验装置对于加热温度的把控精确度较低，水温高了或者低了无法迅速回调，同时只能提供100℃以下的加热温度，这显然同样很难满足高等级生物安全实验室的日常使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，其解决了高等级生物安全实验室中现有的水浴加热实验装置安全防护性能以及加热温度精确性、可加热温度范围等达不到实验室要求的问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，装置包括用于承装水的水浴锅，所述水浴锅内设有用于加热的电热件以及用于放置物品的内锅，所述水浴锅为密封式结构，水浴锅的顶部设有可开合的密封盖，装置还包括压强传感器、抽气件、控制器，所述压强传感器设于水浴锅内部，所述抽气件的输入端通过管道与水浴锅内部连通，所述控制器被配置为：在电热件加热时，根据预设加热温度匹配出水在预设加热温度下恰好沸腾时对应的沸腾压强值，并通过压强传感器获取水浴锅内的实际压强值，控制抽气件进行抽气，使水浴锅内实际压强值始终等于沸腾压强值，进而使水始终在预设加热温度下进行沸腾。

进一步改进在于，所述预设加热温度在40-134℃，对应的沸腾压强值为7.4-304.0kPa。

进一步改进在于，所述抽气件的输出端连接有净化机构，所述净化机构的输入端和输出端之间形成有过滤腔和消毒腔，所述过滤腔内设有ULPA过滤器，所述消毒腔内设有UV消毒光源，所述净化机构的输出端位置设有MPPS检漏口。

进一步改进在于，所述净化机构的输出端通过管道连接有冷凝管，所述冷凝管呈S形弯曲向下延伸，且冷凝管底端通过回流机构与水浴锅内部连通。

进一步改进在于，所述净化机构与冷凝管的连接管道上设有三通阀，所述三通阀的其中一接口排空，控制三通阀使净化机构与冷凝管连通或者与外界空气连通。

进一步改进在于，所述回流机构包括筒体，所述筒体的输入端与冷凝管连通，输出端与水浴锅连通，筒体内由输入端往输出端方向依次拦截设有固定盘和活动盘，所述固定盘和活动盘上均设有可转动开合的阀片，其中，所述固定盘的阀片在远离活动盘的一侧设有磁吸件，用于将阀片吸附处于闭合位置，所述活动盘的阀片在远离固定盘的一侧设有弹簧以及拉绳，所述弹簧用于推动阀片朝闭合位置转动，所述拉绳用于将阀片拉拽处于闭合位置；

所述活动盘连接有用于驱动活动盘朝向或远离固定盘移动的驱动件，所述驱动件被配置为进行周期性动作，且每个动作周期包括：驱动与固定盘保持设定距离的活动盘远离固定盘移动，移动过程中活动盘上的阀片在拉绳拉拽下处于闭合位置，固定盘上的阀片克服磁吸件的吸力并转动打开，此时冷凝管内的冷凝水吸入活动盘和固定盘之间；接着驱动活动盘朝向固定盘移动，移动过程中固定盘上的阀片在压力以及磁吸件的吸力作用下处于闭合位置，活动盘上的阀片在压力作用下转动打开，此时活动盘和固定盘之间的冷凝水压入水浴锅内，直至活动盘与固定盘接触；接着驱动活动盘远离固定盘移动设定距离，所述设定距离满足固定盘上的阀片仍被磁吸件吸附处于闭合位置且活动盘与固定盘之间形成真空空间。

进一步改进在于，当活动盘与固定盘接触时，活动盘的阀片与固定盘的阀片相贴合，使得活动盘与固定盘之间不留缝隙。

进一步改进在于，所述驱动件为伸缩气缸，且伸缩气缸的输出端依次活动密封穿过筒体端部、固定盘后与活动盘连接。

进一步改进在于，所述驱动件进行周期性动作的时间间隔为3-10min。

进一步改进在于，所述水浴锅内壁设有竖向滑轨，所述竖向滑轨上滑动连接有升降架，所述内锅安装在升降架的中心位置，且在升降架上设有若干个配重筒，用于装入配重物质使得内锅在放置物品后锅身恰好完全浸入水中并保持水面漂浮状态。

本发明的有益效果在于：

(1)该生物实验用装置在水浴加热时采用封闭式结构，从而有利于对物品挥发物的防控，使其自身防护性能达到了高等级生物安全实验室的使用要求；

(2)该生物实验用装置在水浴加热时利用特定压强下水沸腾温度恒定的特性，可以精确控制水浴加热温度，且加热范围可扩展至100℃以上；同时简化了对电热件的控制，供给热量过量也不会使得加热温度上升；使其加热温度精确性、可控性、可加热温度范围等性能达到了高等级生物安全实验室的使用要求；

(3)该生物实验用装置在水浴加热时产生的气体抽出后可净化后直接排空，也可经冷凝重新回流，这样无需定期加水，有助于节省水资源，且尤其适合长时间水浴加热的实验；同时，采用了特定的回流机构，既不会让水浴锅内沸腾水倒灌，也不会使水浴锅内高温影响冷凝水的冷凝；

(4)该生物实验用装置在水浴加热时采用浮动式内锅结构，可随着水面自动升降，这样可始终保证内锅与水的充分接触，提高加热的稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为净化机构的结构示意图；

图3为回流机构的结构示意图；

图4为图3中A部分的放大图；

图中：1、水浴锅；2、电热件；3、内锅；4、密封盖；5、压强传感器；6、抽气件；7、控制器；8、净化机构；801、过滤腔；802、消毒腔；803、ULPA过滤器；804、UV消毒光源；805、MPPS检漏口；9、冷凝管；10、回流机构；1001、筒体；1002、固定盘；1003、活动盘；1004、阀片；1005、磁吸件；1006、弹簧；1007、拉绳；1008、驱动件；11、三通阀；12、竖向滑轨；13、升降架；14、配重筒。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

结合图1至图4所示，一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，用于水浴加热，装置包括用于承装水的水浴锅1，水浴锅1内设有用于加热的电热件2以及用于放置物品的内锅3，电热件2提供热量将水浴锅1内的水加热，然后通过水将热量传递至内锅3内的物品。本发明中，水浴锅1为密封式结构，水浴锅1的顶部设有可开合的密封盖4，用于水和物品的放入，装置还包括压强传感器5、抽气件6、控制器7，压强传感器5设于水浴锅1内部，不与水接触，抽气件6的输入端通过管道与水浴锅1内部连通，控制器7被配置为：在电热件2加热时，根据预设加热温度匹配出水在预设加热温度下恰好沸腾时对应的沸腾压强值，并通过压强传感器5获取水浴锅1内的实际压强值，控制抽气件6进行抽气，使水浴锅1内实际压强值始终等于沸腾压强值，进而使水始终在预设加热温度下进行沸腾。

本发明通过上述结构设计，一方面有利于对物品挥发物的防控，例如可以对抽出后的气体进行无害化处理；另一方面，利用特定压强下水沸腾温度恒定的特性，可以精确控制水浴加热温度，且加热范围可扩展至100℃以上；同时简化了对电热件2的控制，供给热量过量也不会使得加热温度上升。

例如，实验中需要进行60℃的水浴加热，现有的水浴加热装置是通过对供热件的控制，将水加热至60℃，然而，控制的精确性无法得到保证，水温或高或低，且水温调节过程缓慢，尤其是水温高了的情况，此时需要水自然冷却，时间较长。而采用本发明的水浴加热装置，可以通过对控制器7预先的参数设置，将预设加热温度和沸腾压强值进行关联，在需要进行60℃的水浴加热时，控制器7匹配出对应的沸腾压强值为20.0kPa，此时在加热过程中，只需通过抽气件6将沸腾产生的气体不断抽出，控制抽出速率，当压强大于20.0kPa时加快抽出速率，当压强小于20.0kPa时减小抽出速率，这样使得水浴锅1内实际压强值稳定在20.0kPa，此时水受热沸腾的温度就会稳定在60℃，过量的热能供给下水温也不会上升，稳定性好。又例如，实验中需要进行121℃的水浴加热(蒸汽灭菌)，现有的水浴加热装置是无法实现的，而采用本发明的水浴加热装置，通过控制实际压强值在205kPa即可。

本发明中，通过对实际压强值的控制，理论上可以实现100℃以下、100℃以上的所有加热温度，但是考虑对现有抽气件6(例如空压泵)的性能要求，目前优选的预设加热温度在40-134℃，对应的沸腾压强值为7.4-304.0kPa。

本发明中，抽气件6的输出端连接有净化机构8，净化机构8的输入端和输出端之间形成有过滤腔801和消毒腔802，过滤腔801内设有ULPA过滤器803，消毒腔802内设有UV消毒光源804，净化机构8的输出端位置设有MPPS检漏口805。该净化机构8通过高效过滤、以及UV消毒，实现了对蒸汽的净化，避免了对实验室环境的污染。

本发明中，为了适用于长时间水浴加热的实验，在净化机构8的输出端通过管道连接有冷凝管9，冷凝管9呈S形弯曲向下延伸，且冷凝管9底端通过回流机构10与水浴锅1内部连通，蒸汽经冷凝后重新回流到水浴锅1内，保持水位高度不变，这样无需定期加水，有助于节省水资源。

优选的，净化机构8与冷凝管9的连接管道上设有三通阀11，三通阀11的其中一接口排空，控制三通阀11使净化机构8与冷凝管9连通或者与外界空气连通。本发明中，净化后的蒸汽是可以直接排放的，因此可以根据需要选择是否启动回流程序，例如有些短时间的水浴加热，需水量较少，就无需回流，让水自然蒸发散去，而有些长时间的水浴加热，则可通过三通阀11的调节让蒸汽进入冷凝回流程序。

本发明中，的回流机构10包括筒体1001，筒体1001的输入端与冷凝管9连通，输出端与水浴锅1连通，筒体1001内由输入端往输出端方向依次拦截设有固定盘1002和活动盘1003，固定盘1002和活动盘1003上均设有可转动开合的阀片1004，其中，固定盘1002的阀片1004在远离活动盘1003的一侧设有磁吸件1005，用于将阀片1004吸附处于闭合位置，活动盘1003的阀片1004在远离固定盘1002的一侧设有弹簧1006以及拉绳1007，弹簧1006用于推动阀片1004朝闭合位置转动，拉绳1007用于将阀片1004拉拽处于闭合位置；

活动盘1003连接有用于驱动活动盘1003朝向或远离固定盘1002移动的驱动件1008，驱动件1008被配置为进行周期性动作，且每个动作周期包括：驱动与固定盘1002保持设定距离的活动盘1003远离固定盘1002移动，移动过程中活动盘1003上的阀片1004在拉绳1007拉拽下处于闭合位置，固定盘1002上的阀片1004克服磁吸件1005的吸力并转动打开，此时冷凝管9内的冷凝水吸入活动盘1003和固定盘1002之间；接着驱动活动盘1003朝向固定盘1002移动，移动过程中固定盘1002上的阀片1004在压力以及磁吸件1005的吸力作用下处于闭合位置，活动盘1003上的阀片1004在压力作用下转动打开，此时活动盘1003和固定盘1002之间的冷凝水压入水浴锅1内，直至活动盘1003与固定盘1002接触，实现冷凝水的回流；接着驱动活动盘1003远离固定盘1002移动设定距离(该设定距离由磁吸件1005的吸力大小决定，本发明需要采用吸力较大的磁吸件1005，并将设定距离控制在阀片1004即将脱离磁吸件1005的状态，以提高真空度)，设定距离满足固定盘1002上的阀片1004仍被磁吸件1005吸附处于闭合位置且活动盘1003与固定盘1002之间形成真空空间。

可以看出，在冷凝水吸入固定盘1002和活动盘1003之间以及压入水浴锅1内的过程中，均与水浴锅1内部保持阻隔状态，因此不会出现倒灌现象。另外，活动盘1003与固定盘1002之间形成的真空空间可以提供良好的隔热效果，避免水浴锅1内的相对高温对冷凝管9内的冷凝水造成影响，是冷凝水重新蒸发甚至沸腾。

优选的，当活动盘1003与固定盘1002接触时，活动盘1003的阀片1004与固定盘1002的阀片1004相贴合，使得活动盘1003与固定盘1002之间不留缝隙，这样可尽可能保证上述真空空间的真空度，提高隔热效果。

优选的，驱动件1008为伸缩气缸，且伸缩气缸的输出端依次活动密封穿过筒体1001端部、固定盘1002后与活动盘1003连接。当然，驱动件1008也可采用其他的结构，例如电动伸缩杆等。

优选的，驱动件1008进行周期性动作的时间间隔根据沸腾速率决定，沸腾越快则间隔越短，一般为3-10min，即每隔3-10min进行一次动作，每次动作则将一定量的冷凝水压入水浴锅1中。且在这间隔的3-10min内，活动盘1003与固定盘1002之间保持有真空空间，进行有效隔热。

本发明中，水浴锅1内壁设有竖向滑轨12，竖向滑轨12上滑动连接有升降架13，内锅3安装在升降架13的中心位置，且在升降架13上设有若干个配重筒14，用于装入配重物质(例如沙粒)使得内锅3在放置物品后锅身恰好完全浸入水中并保持水面漂浮状态。该浮动式结构，可随着水面自动升降，这样可始终保证内锅3与水的充分接触，提高加热的稳定性，尤其适用于水位随着蒸汽排空而逐渐降低的实验。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，装置包括用于承装水的水浴锅(1)，所述水浴锅(1)内设有用于加热的电热件(2)以及用于放置物品的内锅(3)，其特征在于，所述水浴锅(1)为密封式结构，水浴锅(1)的顶部设有可开合的密封盖(4)，装置还包括压强传感器(5)、抽气件(6)、控制器(7)，所述压强传感器(5)设于水浴锅(1)内部，所述抽气件(6)的输入端通过管道与水浴锅(1)内部连通，所述控制器(7)被配置为：在电热件(2)加热时，根据预设加热温度匹配出水在预设加热温度下恰好沸腾时对应的沸腾压强值，并通过压强传感器(5)获取水浴锅(1)内的实际压强值，控制抽气件(6)进行抽气，使水浴锅(1)内实际压强值始终等于沸腾压强值，进而使水始终在预设加热温度下进行沸腾；

所述抽气件(6)的输出端连接有净化机构(8)，所述净化机构(8)的输入端和输出端之间形成有过滤腔(801)和消毒腔(802)，所述过滤腔(801)内设有ULPA过滤器(803)，所述消毒腔(802)内设有UV消毒光源(804)，所述净化机构(8)的输出端位置设有MPPS检漏口(805)；

所述净化机构(8)的输出端通过管道连接有冷凝管(9)，所述冷凝管(9)呈S形弯曲向下延伸，且冷凝管(9)底端通过回流机构(10)与水浴锅(1)内部连通；

所述回流机构(10)包括筒体(1001)，所述筒体(1001)的输入端与冷凝管(9)连通，输出端与水浴锅(1)连通，筒体(1001)内由输入端往输出端方向依次拦截设有固定盘(1002)和活动盘(1003)，所述固定盘(1002)和活动盘(1003)上均设有可转动开合的阀片(1004)，其中，所述固定盘(1002)的阀片(1004)在远离活动盘(1003)的一侧设有磁吸件(1005)，用于将阀片(1004)吸附处于闭合位置，所述活动盘(1003)的阀片(1004)在远离固定盘(1002)的一侧设有弹簧(1006)以及拉绳(1007)，所述弹簧(1006)用于推动阀片(1004)朝闭合位置转动，所述拉绳(1007)用于将阀片(1004)拉拽处于闭合位置；

所述活动盘(1003)连接有用于驱动活动盘(1003)朝向或远离固定盘(1002)移动的驱动件(1008)，所述驱动件(1008)被配置为进行周期性动作，且每个动作周期包括：驱动与固定盘(1002)保持设定距离的活动盘(1003)远离固定盘(1002)移动，移动过程中活动盘(1003)上的阀片(1004)在拉绳(1007)拉拽下处于闭合位置，固定盘(1002)上的阀片(1004)克服磁吸件(1005)的吸力并转动打开，此时冷凝管(9)内的冷凝水吸入活动盘(1003)和固定盘(1002)之间；接着驱动活动盘(1003)朝向固定盘(1002)移动，移动过程中固定盘(1002)上的阀片(1004)在压力以及磁吸件(1005)的吸力作用下处于闭合位置，活动盘(1003)上的阀片(1004)在压力作用下转动打开，此时活动盘(1003)和固定盘(1002)之间的冷凝水压入水浴锅(1)内，直至活动盘(1003)与固定盘(1002)接触；接着驱动活动盘(1003)远离固定盘(1002)移动设定距离，所述设定距离满足固定盘(1002)上的阀片(1004)仍被磁吸件(1005)吸附处于闭合位置且活动盘(1003)与固定盘(1002)之间形成真空空间。

2.根据权利要求1所述的一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，其特征在于，所述预设加热温度在40-134℃，对应的沸腾压强值为7.4-304.0kPa。

3.根据权利要求1所述的一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，其特征在于，所述净化机构(8)与冷凝管(9)的连接管道上设有三通阀(11)，所述三通阀(11)的其中一接口排空，控制三通阀(11)使净化机构(8)与冷凝管(9)连通或者与外界空气连通。

4.根据权利要求1所述的一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，其特征在于，当活动盘(1003)与固定盘(1002)接触时，活动盘(1003)的阀片(1004)与固定盘(1002)的阀片(1004)相贴合，使得活动盘(1003)与固定盘(1002)之间不留缝隙。

5.根据权利要求1所述的一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，其特征在于，所述驱动件(1008)为伸缩气缸，且伸缩气缸的输出端依次活动密封穿过筒体(1001)端部、固定盘(1002)后与活动盘(1003)连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，其特征在于，所述驱动件(1008)进行周期性动作的时间间隔为3-10min。

7.根据权利要求1所述的一种用于高等级生物安全实验室的生物实验用装置，其特征在于，所述水浴锅(1)内壁设有竖向滑轨(12)，所述竖向滑轨(12)上滑动连接有升降架(13)，所述内锅(3)安装在升降架(13)的中心位置，且在升降架(13)上设有若干个配重筒(14)，用于装入配重物质使得内锅(3)在放置物品后锅身恰好完全浸入水中并保持水面漂浮状态。

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