Refroidisseur de vaccins et d'insuline à température contrôlée : 9 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Rester au frais sauve des vies

Dans les pays en développement, les vaccins sont la première ligne de défense contre des maladies dangereuses telles que Ebola, la grippe, le choléra, la tuberculose et la dengue pour n'en nommer que quelques-unes. Le transport de vaccins et d'autres matériels vitaux tels que l'insuline et le sang nécessite un contrôle minutieux de la température.

La logistique du premier monde a tendance à s'effondrer lorsque les fournitures sont transportées dans des régions aux ressources limitées. De nombreuses cliniques médicales rurales manquent de financement ou d'énergie pour les systèmes de réfrigération ordinaires.

L'insuline, le sang humain et de nombreux vaccins courants doivent être conservés à une température comprise entre 2 et 8 °C. Sur le terrain, cela peut être difficile à maintenir car la réfrigération électrique nécessite trop de puissance et les glacières passives manquent de contrôle du thermostat.

Arduino à la rescousse

Ce projet combine la puissance de refroidissement compacte de la neige carbonique (dioxyde de carbone solide) avec la précision du contrôle numérique de la température. Lorsqu'elle est utilisée seule, la glace sèche est trop froide pour transporter le vaccin, l'insuline ou le sang car elle peut facilement conduire à la congélation. La conception du refroidisseur de ce projet résout le problème du gel en plaçant la neige carbonique dans une chambre séparée sous le refroidisseur de cargaison. Un ventilateur PC sans balais est utilisé pour faire circuler de petites doses d'air ultra-réfrigéré dans la section cargo selon les besoins. Ce ventilateur est contrôlé par un microcontrôleur Arduino robuste, exécutant une boucle de contrôle de température de précision (PID). Parce que le système Arduino fonctionne avec très peu d'énergie électrique, ce système peut être mobile comme une glacière, mais régulé en température comme un réfrigérateur enfichable.

A qui s'adresse ce projet ?

J'espère qu'en rendant ce système gratuit et open source, il inspirera les ingénieurs humanitaires et les travailleurs humanitaires à rechercher des moyens de produire des technologies utiles près du point de besoin.

Ce projet est conçu pour être construit par des étudiants, des ingénieurs et des travailleurs humanitaires dans ou à proximité de zones confrontées à des défis humanitaires. Les matériaux, pièces détachées et fournitures sont généralement disponibles dans la plupart des villes du monde, même dans les pays les plus pauvres. En rendant les plans disponibles gratuitement via Instructables, nous offrons à la technologie une flexibilité en termes de coût et d'évolutivité. La fabrication décentralisée de ces refroidisseurs à glace arduino peut être une option importante avec le potentiel de sauver des vies.

Spécifications du refroidisseur fini:

• Volume de chargement: maximum 6,6 gallons (25 L), recommandé 5 gallons (19 L) avec bouteilles tampons.
• Dimensions maximales du volume de chargement: = ~ 14 po x 14 po x 8 po (35,6 cm x 35,6 x 20,3 cm)

Capacité de refroidissement: Maintient 5 °C pendant 10 à 7 jours dans un environnement ambiant de 20 à 30 °C respectivement

Source d'alimentation: glace sèche et batterie marine noyée de 12 volts

Dimensions hors tout: 61 cm x 61 cm x 66,6 cm de hauteur 24 po x 24 po x 32 po

Poids total: 33,3 lb (15,1 kg) à vide sans glace / 63 lb (28,6 kg) avec plein de glace et de cargaison

Régulation de la température: le contrôle PID maintient 5°C +-0,5°C

Matériaux: mousse à cellules fermées de qualité construction et adhésifs de construction avec gaine isolante réfléchissante IR

Étape 1: Configuration pour le projet

Espace de travail:

Ce projet nécessite une coupe et un collage d'isolant en mousse de styrène. Cela peut produire de la poussière, surtout si vous choisissez d'utiliser une scie plutôt qu'un couteau. Assurez-vous d'utiliser un masque anti-poussière. De plus, il est très utile d'avoir un aspirateur d'atelier à portée de main pour nettoyer la poussière au fur et à mesure

L'adhésif de construction peut dégager des vapeurs irritantes lors du séchage. Assurez-vous de terminer les étapes de collage et de calfeutrage dans un endroit bien aéré

L'assemblage des composants complémentaires arduino nécessite l'utilisation d'un fer à souder. Utilisez de la soudure sans plomb lorsque cela est possible et assurez-vous de travailler dans un espace bien éclairé et bien ventilé

Tous les outils:

• Scie circulaire ou inciseur
• Perceuse sans fil avec mèche de scie cloche de 1,75 pouce
• Fer à souder et soudure
• Briquet ou pistolet thermique
• Bord droit de 4 pieds
• Marqueur Sharpie
• Sangles à cliquet
• Mètre à ruban
• Distributeur de tubes à calfeutrer
• Coupe-fil/Dénudeurs
• Tournevis grand et petit phillips & regular

Toutes les fournitures:

Fournitures électroniques

• Gaine rétractable 1/8 et 1/4 pouce
• En-têtes de broche de carte de circuit imprimé (prises femelles et broches mâles)
• Boîte électrique en plastique ABS avec couvercle transparent, taille 7.9 "x4.7" x2.94" (200mmx120mmx75mm)
• Batterie plomb-acide scellée rechargeable, 12V 20AH. NPP HR1280W ou similaire.
• Carte microcontrôleur Arduino Uno R3 ou similaire
• Carte prototype empilable Arduino: Prototype de shield V.5 pour mini planche à pain Alloet ou similaire.
• Module de pilote MOSFET IRF520 ou similaire
• Capteur de température numérique DFRobot DS18B20 dans un emballage de câble étanche
• Ventilateur PC sans balais 12V: 40mm x 10mm 12V 0,12A
• Lecteur de carte micro SD: Adafruit ADA254
• Horloge temps réel: DIYmore DS3231, basée sur DS1307 RTC
• Pile pour horloge temps réel: pile bouton LIR2032)
• Résistance de 4,7 Kohms
• Bobines de fil de raccordement toronnées de calibre 26 (rouge, noir, jaune)
• Longueur du fil à 2 conducteurs (3 pi ou 1 m) toronné de calibre 12 (fil de raccordement de la batterie)
• Porte-fusible à lame automobile et fusible à lame de 3 ampères (à utiliser avec la batterie)
• Câble d'imprimante USB (tapez a mâle à b mâle)
• Écrou de fil (calibre 12)

Rubans & Adhésifs Fournitures

• Rouleau de ruban utilitaire à haute adhérence 2 pouces de large x 50 pieds (Gorilla Tape ou similaire)
• Calfeutrage en silicone, un tube
• Adhésif de construction, 2 tubes. (Ongles liquides ou similaire)
• Ruban de four en aluminium, rouleau de 2 pouces de large x 50 pieds.
• Bandes auto-adhésives auto-agrippantes (1 pouce de large x 12 pouces au total requis)

Fournitures de matériaux de construction

• 2 x 4 pieds x 8 pieds x 2 pouces d'épaisseur (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) feuilles d'isolation en mousse
• Rouleau de 2 pi x 25 pi d'isolant pour fournaise à double rouleau d'air réfléchissant, bulle d'argent.
• 2 x tuyaux courts en PVC, diamètre intérieur 1 1/2 pouce x Sch 40. coupés à des longueurs de 13 pouces.

Fournitures spécialisées

• Thermomètre à vaccin: « Thermomètre Thomas Traceable pour réfrigérateur/congélateur Plus avec sonde de bouteille de vaccin » et certificat d'étalonnage traçable ou similaire.
• 2 x Flacons à tige florale pour tamponner les liquides des sondes de température étanches DS18B20.

Étape 2: Découpez les pièces en mousse

Imprimez le modèle de découpe, qui montre un certain nombre de rectangles à découper dans deux feuilles de 4 pi x 8 pi x 2 po (1200 mm x 2400 mm x 150 mm) d'isolant rigide en mousse à cellules fermées.

Utilisez une règle et un marqueur pour tracer soigneusement les lignes de découpe des feuilles de mousse. La mousse peut être coupée en la marquant avec un couteau utilitaire, mais il est plus facile d'utiliser une scie circulaire pour faire le travail. Couper la mousse avec une scie produit cependant de la poussière qui ne doit pas être inhalée. Des précautions importantes doivent être suivies:

• Portez un masque anti-poussière.
• Utilisez un tuyau d'aspiration attaché à la scie pour la collecte de la poussière.
• Faites la coupe à l'extérieur si possible.

Étape 3: Assemblez la glacière à partir de feuilles de mousse

Les diapositives incluses expliquent comment assembler la glacière complète à partir de feuilles de mousse et d'isolant à bulles d'argent. Il est important de laisser sécher l'adhésif de construction entre quelques étapes différentes, vous devez donc prévoir environ 3 jours pour terminer toutes ces étapes.

Étape 4: Assembler le système de contrôleur

Les images suivantes montrent comment assembler les composants électroniques sur une carte prototype pour créer le système de contrôle de la température du refroidisseur. La dernière image incluse est un schéma complet du système pour votre référence.

Étape 5: Configuration et test du logiciel

Essayez d'abord ce croquis de configuration

Le croquis d'installation fait deux choses. Tout d'abord, il vous permet de régler l'heure et la date dans l'horloge temps réel (RTC). Deuxièmement, il teste tous les composants périphériques du contrôleur du refroidisseur et vous donne un petit rapport via le moniteur série.

Téléchargez le croquis de configuration le plus récent ici: CoolerSetupSketch de GitHub

Ouvrez l'esquisse dans l'IDE Arduino. Faites défiler jusqu'au bloc de code commenté comme "Définir l'heure et la date ici". Remplissez l'heure et la date actuelles. Maintenant, vérifiez que les périphériques suivants sont configurés et prêts avant de télécharger le croquis (voir l'image schématique électrique incluse):

• Sonde de température branchée sur l'une des prises d'en-tête à 3 broches
• Carte Micro SD insérée dans le module lecteur
• Pile bouton insérée dans le module horloge temps réel (RTC)
• Branchez les fils connectés au ventilateur du PC
• Fusible dans le porte-fusible du fil de batterie.
• Arduino connecté à la batterie (en étant SR qu'il n'est pas câblé à l'envers ! + à VIN, - à GND !)

Dans l'IDE Arduino, sélectionnez Arduino UNO dans la liste des cartes et téléchargez. Une fois le téléchargement terminé, dans le menu déroulant en haut, sélectionnez Outils / Moniteur série. Cela devrait afficher un petit rapport système. Idéalement, il devrait lire quelque chose comme ceci:

Cooler Setup Sketch - version 190504 DÉBUT DU TEST DU SYSTÈME ---------------------- TEST DE L'HORLOGE EN TEMPS RÉEL: heure[20:38] date[1/6/2019] TEST DE TEMP. CAPTEUR: 22.25 C TEST DE LA CARTE SD: init done Ecriture dans dataLog.txt…dataLog.txt: Si vous pouvez lire ceci, alors votre carte SD fonctionne ! TEST DU VENTILATEUR: le ventilateur fonctionne-t-il et s'éteint-il ? TEST DE FIN DE SYSTÈME ----------------------

Dépanner le système

Habituellement pour moi, les choses ne se passent jamais tout à fait comme prévu. Certains systèmes n'ont probablement pas fonctionné correctement. L'esquisse d'installation fournira, espérons-le, un indice - l'horloge ? La carte SD ? Les problèmes les plus courants avec tout projet de microcontrôleur ont généralement à voir avec l'un de ceux-ci:

• vous avez oublié de mettre un fusible dans le fil de la batterie, donc pas d'alimentation
• vous avez oublié de mettre une carte micro SD dans le lecteur, donc le système se bloque
• vous avez oublié de mettre une batterie dans l'horloge temps réel (RTC) donc le système se bloque
• les capteurs connectés sont desserrés, déconnectés ou connectés à l'envers
• les fils des composants sont laissés déconnectés ou connectés à la ou aux mauvaises broches Arduino
• le mauvais composant est branché sur les mauvaises broches ou est câblé à l'envers
• il y a un fil mal attaché qui court-circuite tout

Installer le croquis du contrôleur

Une fois que vous avez réussi un test avec CoolerSetupSketch, il est temps d'installer le croquis complet du contrôleur.

Téléchargez le croquis de contrôleur le plus récent ici:CoolerControllerSketch

Connectez l'Arduino à votre ordinateur avec un câble USB et téléchargez le croquis avec l'IDE Arduino. Vous êtes maintenant prêt à installer physiquement l'ensemble du système dans le corps du refroidisseur.

Étape 6: Installez le système Arduino

Les étapes suivantes peuvent être traitées comme une liste de contrôle ou l'installation de tous les composants électroniques. Pour les étapes suivantes, reportez-vous aux photos incluses du projet fini. Les images aident !

1. Attachez une paire de fils de ventilateur au module Arduino UNO.
2. Attachez une paire de fils d'alimentation de 12 volts au module Arduino UNO.
3. Fixez les capteurs de température DS18B20 au module Arduino UNO. Branchez simplement le capteur dans l'une des prises à 3 broches que nous avons installées dans la carte prototype. Faites attention aux couleurs des fils, le rouge va au positif, le noir au négatif et le jaune ou le blanc va à la 3ème broche de données.
4. Branchez un câble d'imprimante USB dans le connecteur USB de l'Arduino.
5. Utilisez la scie cloche de 1,75" pour percer un grand trou rond au bas du boîtier électronique.
6. Fixez le module Arduino UNO au bas du boîtier électronique à l'aide de bandes de fixation auto-agrippantes.
7. Fixez le thermomètre à vaccins étalonné au dessous du couvercle transparent de la boîte avec des bandes de fermeture auto-agrippantes. Connectez son petit fil de sonde de bouteille à tampon liquide.

8. Faites passer les fils suivants hors de la boîte à travers le trou rond en bas:

   • Fils d'alimentation de 12 volts (fil de haut-parleur à 2 conducteurs en cuivre toronné de calibre 18)
   • Capteur(s) de température Arduino (DS18B20 avec connecteur mâle 3 broches sur chacun)
   • Câble d'imprimante USB (Type A mâle à Type B mâle)
   • Sonde de thermomètre à vaccin (incluse avec un thermomètre étalonné)
   • Fils de ventilateur (paire torsadée de fils de raccordement toronnés de calibre 26)
9. Ouvrez le couvercle de la glacière et utilisez un couteau ou une perceuse pour percer un trou de 3/4 po (2 cm) à travers le couvercle près de l'un des coins arrière. (Voir les images incluses) Poke à travers le revêtement en mylar à bulles.
10. Faites passer tout sauf le fil USB du boîtier de commande à travers le couvercle par le haut. Placez la boîte sur le couvercle avec le câble USB pendant pour pouvoir y accéder plus tard. Fixez la boîte avec du ruban adhésif à haute adhérence.
11. Vissez le couvercle transparent du boîtier électronique sur le boîtier.
12. Créez un rabat d'isolant à bulles en mylar argenté supplémentaire pour couvrir la boîte et la protéger des rayons directs du soleil. (Voir les images incluses.)
13. À l'intérieur de la glacière, placez la batterie 12 volts 20 Ah près de l'arrière du compartiment. La batterie restera à l'intérieur de la chambre à côté de la cargaison. Il fonctionnera bien même à 5˚C et servira de tampon thermique, semblable à une bouteille d'eau.
14. Fixez les deux sondes de température (la sonde de la bouteille du thermomètre et la sonde Arduino) à la base du tuyau central à l'aide de ruban adhésif hautement adhésif.
15. À l'intérieur du refroidisseur, utilisez du ruban d'aluminium pour fixer le ventilateur afin qu'il souffle dans le tuyau d'angle. Connectez ses fils aux fils du contrôleur. Le ventilateur souffle dans le tuyau d'angle et le super froid se répandra dans la chambre de chargement à partir du tuyau central.

Étape 7: Démarrage et fonctionnement du refroidisseur

1. Formatez la carte Micro SD - la température sera enregistrée sur cette puce
2. Recharger la batterie 12 volts
3. Achetez un bloc de glace sèche de 25 lb (11,34 kg), coupé aux dimensions 8 po x 8 po x 5 po (20 cm x 20 cm x 13 cm).
4. Installez le bloc de glace en plaçant d'abord le bloc à plat sur une serviette sur une table. Faites glisser le revêtement Mylar argenté sur le bloc de sorte que seule la surface inférieure soit exposée. Soulevez maintenant le bloc entier, retournez-le de manière à ce que la glace nue soit tournée vers le haut et faites glisser le bloc entier dans la chambre à glace carbonique sous le sol plus frais.
5. Remplacez le plancher plus frais. Utilisez du ruban d'aluminium pour coller autour du bord extérieur du sol.
6. Placez la batterie de 12 volts dans le corps de la glacière. Vous voudrez peut-être le fixer au mur du refroidisseur avec des bandes de ruban adhésif à haute adhérence.
7. Connectez le fil d'alimentation du contrôleur à la batterie.
8. Vérifiez que les sondes de température sont bien scotchées.
9. Chargez des bouteilles d'eau dans le compartiment à bagages pour remplir presque tout l'espace. Ceux-ci tamponneront la température.
10. Placez la glacière à l'abri de la lumière directe du soleil et attendez 3 à 5 heures pour que la température se stabilise à 5 °C.
11. Une fois que les températures se sont stabilisées, des articles sensibles à la température peuvent être ajoutés en retirant les bouteilles d'eau et en remplissant ce volume de cargaison.
12. Cette glacière avec une nouvelle charge de glace et d'électricité maintiendra une température contrôlée de 5 °C jusqu'à 10 jours sans alimentation ni glace supplémentaire. Les performances sont meilleures si la glacière est conservée à l'abri de la lumière directe du soleil. La glacière peut être déplacée et résiste aux chocs à bien des égards; il doit cependant être maintenu droit. En cas de renversement, relevez-le simplement, aucun mal ne sera fait.
13. La puissance électrique restante dans la batterie peut être mesurée directement avec un petit voltmètre. Le système nécessite un minimum de 9 volts pour fonctionner correctement.
14. La glace restante peut être mesurée directement avec un ruban à mesurer en métal en mesurant le trou central du tuyau jusqu'au bord supérieur du tuyau en PVC. Voir le tableau ci-joint pour les mesures du poids de glace restant.
15. Les données d'enregistrement de la température peuvent être téléchargées en connectant le câble USB à un ordinateur portable exécutant l'IDE Arduino. Connectez-vous et ouvrez le moniteur série. L'Arduino redémarrera automatiquement et lira la déconnexion complète via le moniteur série. Le refroidisseur continuera à fonctionner sans interruption.
16. Les données peuvent être téléchargées à partir de la carte MicroSD fournie, mais le système doit être éteint avant de retirer la minuscule puce !

Étape 8: Notes et données

Ce refroidisseur a été conçu pour être un bon équilibre entre taille, poids, capacité et temps de refroidissement. Les dimensions exactes décrites dans les plans peuvent être considérées comme un point de départ par défaut. Ils peuvent être modifiés pour mieux répondre à vos besoins. Si, par exemple, vous avez besoin d'un temps de refroidissement plus long, la chambre de glace carbonique peut être construite avec un volume plus grand pour plus de glace. De même, la chambre de chargement peut être construite plus large ou plus haute. Cependant, des précautions doivent être prises pour prouver expérimentalement toutes les modifications de conception que vous apportez. De petits changements peuvent avoir un impact important sur les performances globales du système.

Les documents joints comprennent des données expérimentales enregistrées lors du développement du refroidisseur. Une liste complète des pièces pour l'achat de toutes les fournitures est également incluse. De plus, j'ai joint des versions de travail des croquis Arduino, bien que les téléchargements GitHub ci-dessus soient probablement plus récents.

Étape 9: Liens vers des ressources en ligne

Une version PDF de ce manuel d'instructions peut être téléchargée dans son intégralité, voir le fichier inclus pour cette section.

Visitez le référentiel GitHub pour ce projet:

github.com/IdeaPropulsionSystems/VaccineCoolerProject

Deuxième prix au concours Arduino 2019