Устройство для герметизации полимерных контейнеров

Изобретение относится к области высокочастотной сварки полимерных материалов, используемых в медицине. Устройство для герметизации полимерных контейнеров содержит источник электропитания, связанный через блок коммутации с электромагнитом с подвижным сердечником, механически связанным с подвижным сварочным электродом, и через высокочастотный генератор с подвижным сварочным электродом, неподвижный сварочный электрод, узел запуска, микропроцессорный блок управления, датчик тока и амплитудный детектор. Блок коммутации выполнен в виде двух электронных ключей, датчик тока включен между выходом высокочастотного генератора и подвижным сварочным электродом, а амплитудный детектор включен между датчиком тока и микропроцессорным блоком управления. Блок управления соединен с узлом запуска, управляющим входом первого электронного ключа, связывающего источник электропитания с электромагнитом, и управляющим входом второго электронного ключа, связывающего источник электропитания с высокочастотным генератором. Изобретение обеспечивает повышение производительности герметизации полимерных контейнеров, уменьшение расхода электрической энергии и уменьшение влияния высокочастотной энергии на жидкость в трубке полимерного контейнера. 2 ил.

 

Изобретение относится к области медицинской техники и может использоваться на станциях переливания крови, в отделениях переливания крови, в хирургических и реанимационных отделениях больниц и клиник, а также в научно-исследовательских медицинских учреждениях.

Одноразовые полимерные контейнеры широко используются в медицине для хранения различных биологических материалов (кровь и ее компоненты), а также инфузионных растворов. Герметизация полимерных контейнеров с биологическими материалами и инфузионными растворами осуществляется путем запайки полимерной трубки контейнера методом высокочастотной сварки. Преимущества этого метода герметизации:

- воздействие на материал магистральной трубки полимерного контейнера высокочастотного электромагнитного поля приводит к разогреву и сплавлению полимерного материала без нагрева крови и, соответственно, без изменения ее состава;

- формирование сварного шва трубки производится в условиях компрессии материала трубки с помощью специальных электродов, при этом кровь выдавливается из зоны сварки, что гарантирует стерильность и герметичность шва, отсутствие контакта персонала с кровью при разделении контейнеров системы или при подготовке проб крови к исследованиям;

- запаивание трубок контейнеров методом сварки в высокочастотном электромагнитном поле обеспечивает высокую однородность полимерного материала в зоне шва и тем самым позволяет сохранить герметичность контейнеров при резком перепаде температур при проведении быстрого замораживания компонентов крови.

Известны устройства для нагрева и сварки полимерных материалов током высокой частоты, содержащие высокочастотный генератор и сварочные электроды в виде металлических прессовых контактных плит или металлических роликов (см. Геворкян В.Г. Основы сварочного дела. М.: «Высшая школа», 1991, с.197-205). Например, в сварочной машине марки ЛГС-0,2 свариваемые материалы - пленки или ленты из поливинилхлорида - прокатываются между двумя вращающимися роликами - электродами, к которым подведен ток высокой частоты от высокочастотного генератора. Высокочастотный генератор обеспечивает одновременный и равномерный нагрев свариваемых материалов по всей толщине и с высокой скоростью.

Недостатком этих устройств является узкая область их применения, что ограничивает их использование для решения только одной конкретной задачи.

Известно устройство для запайки трубок из поливинилхлорида Biosealer 800 фирмы Ljungberg & Kögel АВ (см. Техническое описание и инструкция по эксплуатации устройства для запайки трубок из полихлорвинила Biosealer 800 фирмы Ljungberg & Kögel АВ (Швеция), 1991 г.). Известное устройство содержит блок питания, высокочастотный задающий генератор, широкополосный усилитель мощности, электромагнит с подвижным сердечником, подвижный и неподвижный электроды, а также узел запуска и реле времени. Высокочастотный генератор, усилитель и электромагнит подключены к блоку питания через сетевой выключатель, а выход усилителя мощности соединен со сварочными электродами через коаксиальный кабель. Подвижный сердечник электромагнита механически связан с подвижным сварочным электродом. Узел запуска обеспечивает включение задающего генератора, широкополосного усилителя и электромагнита в начале процесса сварки, а реле времени - их отключение после истечения выдержки времени и окончания процесса сварки.

Недостатком данного устройства является его относительная сложность, а также недостаточная прочность и долговечность сварного шва.

Наиболее близким к данному техническому решению является устройство для герметизации полимерных контейнеров (см. Полезная модель RU 16579 U1, кл. Н05В 3/00, 10.01.2001). Устройство для герметизации полимерных контейнеров содержит источник электропитания, связанный через блок коммутации с электромагнитом с подвижным сердечником, механически связанным с подвижным сварочным электродом, и через высокочастотный генератор с подвижным сварочным электродом, неподвижный сварочный электрод и узел запуска.

Блок коммутации выполнен в виде двух реле времени. Выдержка времени второго реле больше, чем выдержка времени первого реле. Необходимая выдержка времени для первого и второго реле времени устанавливается в зависимости от типа материала и толщины запаиваемых трубок. После включения устройства и подачи соответствующей команды с выхода узла запуска на управляющие входы первого и второго реле времени включаются высокочастотный генератор и электромагнит и начинается процесс запаивания трубки. По истечении выдержки времени первого реле высокочастотный генератор отключается и мощность на подвижный сварочный электрод не подается. При этом второе реле времени некоторый промежуток времени остается включенным. По истечении времени выдержки второго реле электромагнит отключается и подвижный и неподвижный сварочные электроды раздвигаются. На этом процесс сварки заканчивается и трубка контейнера вынимается из приспособления для запаивания. Введение дополнительной задержки второго реле времени позволяет повысить качество сварного шва - обеспечить его герметичность, а также увеличить его прочность и долговечность.

На основе указанного технического решения в результате опытно-конструкторских работ в этой области, проведенных специалистами Федерального государственного унитарного предприятия «Московский научно-исследовательский институт приборостроения» и Научно-производственной инновационной фирмы «Гиперион» совместно с Гематологическим научным центром РАМН и Военно-медицинской академией, созданы первые отечественные устройства для запаивания трубок полимерных контейнеров для заготовки и хранения крови «Гекон-С» и «Гекон-Б» (см. Гудков А.Г., Жибурт Е.Г., Кошеваров Г.А., Леушин В.Ю. Вопросы герметизации полимерных контейнеров для заготовки и хранения крови и ее компонентов // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2003, №1).

Однако известное устройство имеет существенные недостатки - низкую производительность вследствие отсутствия автоматической регулировки времени герметизации полимерных контейнеров и высокий расход электрической энергии.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в устранении вышеуказанных недостатков и создании устройства, обеспечивающего повышение производительности герметизации полимерных контейнеров, уменьшение расхода электрической энергии и уменьшение влияния высокочастотной энергии на жидкость в трубке полимерного контейнера.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для герметизации полимерных контейнеров, содержащее источник электропитания, связанный через блок коммутации с электромагнитом с подвижным сердечником, механически связанным с подвижным сварочным электродом, и через высокочастотный генератор с подвижным сварочным электродом, неподвижный сварочный электрод и узел запуска, содержит микропроцессорный блок управления, датчик тока и амплитудный детектор, а блок коммутации выполнен в виде двух электронных ключей, причем датчик тока включен между выходом высокочастотного генератора и подвижным сварочным электродом, амплитудный детектор включен между датчиком тока и микропроцессорным блоком управления, который соединен с узлом запуска, управляющим входом первого электронного ключа, связывающего источник электропитания с электромагнитом, и управляющим входом второго электронного ключа, связывающего источник электропитания с высокочастотным генератором.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для герметизации полимерных контейнеров.

На фиг.2 показаны временные диаграммы напряжения и тока. На фигуре 2, а показана временная зависимость напряжения на выходе высокочастотного генератора Uг, где Uгmax - максимальное значение напряжения, на фигуре 2, б - изменение во времени амплитуды высокочастотного тока Iг, где Iгmax - максимальное значение тока, а на фигуре 2, в - напряжение на электромагните Uэм.

На блок-схеме устройства для герметизации полимерных контейнеров приведены следующие элементы:

1 - высокочастотный генератор;

2 - электромагнит с подвижным сердечником;

3 - источник электропитания;

4 - подвижный сварочный электрод;

5 - неподвижный сварочный электрод;

6 - блок коммутации;

7 - узел запуска;

8 - микропроцессорный блок управления;

9 - датчик тока;

10 - амплитудный детектор;

11 - первый электронный ключ;

12 - второй электронный ключ.

Устройство для герметизации полимерных контейнеров содержит источник электропитания 3, связанный через блок коммутации 6 с электромагнитом 2 с подвижным сердечником, механически связанным с подвижным сварочным электродом 4, и через высокочастотный генератор 1 с подвижным сварочным электродом 4, неподвижный сварочный электрод 5 и узел запуска 7, содержит также микропроцессорный блок управления 8, датчик тока 9 и амплитудный детектор 10, блок коммутации 6 выполнен в виде двух электронных ключей, причем датчик тока 9 включен между выходом высокочастотного генератора 1 и подвижным сварочным электродом 4, амплитудный детектор 10 включен между датчиком тока 9 и микропроцессорным блоком управления 8, который соединен с узлом запуска 7, управляющим входом первого электронного ключа 11, связывающего источник электропитания с электромагнитом, и управляющим входом второго электронного ключа 12, связывающего источник электропитания с высокочастотным генератором 1.

Устройство работает следующим образом.

Трубка полимерного контейнера размещается между подвижным 4 и неподвижным 5 электродами, механически контактирует с устройством запуска 7, в качестве которого могут использоваться электрические контакты или любой другой датчик положения. С узла запуска 7 сигнал о наличии трубки между электродами поступает в микропроцессорный блок управления 8. По сигналу с микропроцессорного блока включается первый электронный ключ 11 и напряжение от источника электропитания 3 подается на электромагнит. Подвижный сердечник электромагнита при этом перемещается и приводит в движение подвижный электрод 4, который прижимает трубку полимерного контейнера к неподвижному электроду 5. При этом биоматериал (кровь, ее компоненты и т.д.) выдавливается из зоны прижима.

По истечении заранее заданного времени t₁ (см. фиг.2) с микропроцессорного блока управления 8 подается сигнал на управляющий вход второго электронного ключа 12, который включается, и напряжение от источника электропитания подается на высокочастотный генератор 1. Мощность высокочастотных колебаний с выхода высокочастотного генератора через датчик тока 9 подается на подвижный сварочный электрод 4.

Под воздействием высокочастотного электромагнитного поля между сварочными электродами трубка из полимерного материала разогревается и расплавляется. При сжатии расплавленного полимерного материала трубки происходит процесс ее заварки (запайки), чем обеспечивается герметизация полимерного контейнера.

В основе предлагаемого изобретения лежит свойство уменьшения расхода энергии по окончании фазы расплавления полимерного материала. Нагрев полимерного материала под действием высокочастотного напряжения обусловлен потерями в диэлектрике. На переход полимерного материала из твердого состояния в жидкое затрачивается определенное количество энергии, которое зависит от марки материала (тангенса угла диэлектрических потерь) и объема материала (диаметра трубки и толщины ее стенок). По окончании фазы плавления материала расход энергии на поддержание материала в жидком состоянии становится меньше, что приводит к уменьшению амплитуды выходного тока высокочастотного генератора (момент времени t₂). Этот перепад тока используется в качестве сигнала для автоматического выключения высокочастотного генератора. Очевидно, что время расплавления полимерного материала t₂-t₃ зависит от его марки и объема, то есть от потерь в диэлектрике, диаметра трубки и толщины ее стенок. Необходимый сигнал для отключения высокочастотного генератора формируется датчиком тока, преобразующим выходной ток высокочастотного генератора в напряжение, которое детектируется амплитудным детектором и затем подается на микропроцессорный блок управления. С микропроцессорного блока управления на управляющий вход второго электронного ключа подается сигнал выключения генератора. Второй электронный ключ отключает высокочастотный генератор от источника электропитания. После отключения высокочастотного генератора в период времени от t₂ до t₃ происходит остывание и затвердение полимерного материала трубки при сжатых подвижном и неподвижном электродах (фигура 2, в), которые являются объемными и выполняют роль теплоотводов. По прошествии заданного времени в момент t₃ сигнал с микропроцессорного блока управления подается на управляющий вход первого электронного ключа, который отключает электромагнит от источника электропитания, и электроды разжимаются. На этом процесс герметизации полимерного контейнера заканчивается.

Таким образом, в устройстве нет необходимости предварительной установки времени герметизации в зависимости от марки материала, диаметра трубки и толщины ее стенок, время герметизации регулируется автоматически. Этим осуществляется оптимизация процесса герметизации полимерных контейнеров, результатом которого является повышение производительности за счет экономии времени на предварительные настройки устройства, улучшение качества сварного шва и экономия электрической энергии вследствие своевременного отключения высокочастотного генератора. За счет предварительного выдавливания биоматериала из зоны прижима электродов (фаза сжатия электродов без подключения высокочастотного генератора) отсутствует воздействие высокочастотной энергии на биоматериал (кровь, ее компоненты и т.д.) или инфузионные растворы.

Микропроцессорный блок управления может быть реализован на основе микроконтроллера типа AT89S8252 фирмы ATMEL, в качестве датчика тока может быть использован резистор с малым сопротивлением, амплитудный детектор может быть выполнен на операционном усилителе типа TL084 или LM318 фирмы TEXAS INSTRUMENTS.

Проведенная апробация макета устройства подтвердила правильность выбранного технического решения и его высокую эффективность.

Устройство для герметизации полимерных контейнеров, содержащее источник электропитания, связанный через блок коммутации с электромагнитом с подвижным сердечником, механически связанным с подвижным сварочным электродом, и через высокочастотный генератор с подвижным сварочным электродом, неподвижный сварочный электрод и узел запуска, отличающееся тем, что содержит микропроцессорный блок управления, датчик тока и амплитудный детектор, а блок коммутации выполнен в виде двух электронных ключей, причем датчик тока включен между выходом высокочастотного генератора и подвижным сварочным электродом, амплитудный детектор включен между датчиком тока и микропроцессорным блоком управления, который соединен с узлом запуска, управляющим входом первого электронного ключа, связывающего источник электропитания с электромагнитом, и управляющим входом второго электронного ключа, связывающего источник электропитания с высокочастотным генератором.