CN114995548A - 一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,包括:电源、温度控制器、温度传感装置、变温系统和隔热保温层;所述电源为输入电源,用于为所述温度控制器供电;所述温度传感装置用于检测所述变温系统的温度;所述温度控制器用于显示所述温度传感装置的温度,并对所述变温系统发出升温或制冷指令;所述隔热保温层用于阻断不同温阶介质间的热传导,实现同仪器多温阶并存。本发明基于多组独立模块制备一种兼具升、降温功能,且孔温分布均匀,目标温度能稳定维持宽程温控仪。
Description
技术领域
本发明涉及智能温度测控技术领域,特别是涉及一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置。
背景技术
精准而稳定的温度控制与维持在生命科学及医学科学研究和实验教学中具有重要意义。如蛋白质、酶制品性能分析和部分化试剂的保存,以及几乎所有生物化学和分子生物学实验均对反应温度有严格要求。且具有温程涵盖范围宽,温度要求准确控制、稳定维持等特点,且需要前期优化和摸索最适反应/保存温度等过程。
目前实验室常用的控温设备主要是利用温度传感器监测水、油或金属等不同材料的传热和保温介质的温度,进而控制器通过所测温度控制继电器的开关调节加热/制冷元件工作状态实现对介质的加热和制冷,最终达到并继续动态维持所需的目标设置温度。常规实验室往往以只具有单温阶调节功能的水或其它介质热浴装置为主,即每台装置单次只能设定规定温程内常温以上某单个温度。因此,在需进行多个温度阶梯研究时所需温浴设备数量多,同一设备无法设置多组温度等不足,不便于实际研究和教学的开展,从而影响实验效率和研究进展。另外,此类只具备加热功能的温浴设备无法满足常温以下的温阶设置。因此,当科研实验或教学中需要维持常温以下温度只能临时用温度计调节冰+水混合比例并时刻监测温度进行冰/水添加,不仅十分不便且温度准度差,维持极不平稳。另外,现有水浴及金属浴温控装置通常几乎无隔热保温措施,造成在加热元件升温的同时装置与外介质发生传热和对流产生较大量和不稳定的热量丢失,导致此类温控设备的高能耗和传热介质区域内较大的温差和不稳定性。
综上,设计和制备一种可在宽温程内兼具升降温功能的多阶温控仪对提升相关科学研究和实验教学具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,以解决现有水浴等温控设备无法同时实现升、降温控制和难以实现温度校准等不足,以及现有水浴等温控设备只具单一温阶控制的情况。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,包括:
电源、温度控制器、温度传感装置、变温系统和隔热保温层;
所述电源为输入电源,用于为所述温度控制器供电;所述温度传感装置用于检测所述变温系统的温度;所述温度控制器用于显示所述温度传感装置的温度,并对所述变温系统发出升温或制冷指令;所述隔热保温层用于阻断不同温阶介质间的热传导,实现同仪器多温阶并存;
其中,所述变温系统包括升温模块和制冷模块;所述升温模块和所述制冷模块分别为若干独立控制的加热单元和制冷单元,用于实现独立控制温度形成若干组温阶梯度;所述加热单元和所述制冷单元分别单独配备有所述电源、所述温度控制器和所述温度传感装置;所述加热单元与所述制冷单元外表面均包裹有所述隔热保温层;
所述电源与所述温度控制器连接;所述温度控制器分别与所述温度传感装置和所述变温系统连接。
优选地,所述隔热保温层由二氧化硅材质的纳米气凝胶组成。
优选地,所述隔热保温层为二氧化硅材质的纳米气凝胶;所述加热单元与所述制冷单元外表面均包裹有所述二氧化硅材质的纳米气凝胶。
优选地,所述加热单元包括第一传热介质、第一管槽和加热薄膜;所述加热薄膜外部包裹导热硅胶层用于传递热量;其中,所述温度控制器与所述加热薄膜相连;所述温度传感装置、所述第一管槽和所述加热薄膜均嵌入在所述第一传热介质;所述加热单元在第一管槽底部。
优选地,所述第一管槽为U型管槽;所述第一传热介质为铝材传热介质,用于高效温度传导;所述加热薄膜为镍铬合金加热薄膜。
优选地,所述制冷单元包括:第二管槽、第二传热介质、制冷片和散热子单元;其中,所述温度控制器与所述制冷片相连;所述温度传感装置、所述第二管槽与所述制冷片均嵌入在所述第二传热介质;所述加热单元在所述第二管槽底部。
优选地,所述第二管槽为U型管槽;所述第二传热介质为铝材传热介质,用于温度传导;所述制冷片为半导体制冷片;所述散热子单元包括:铜质散热片和散热风扇。
优选地,所述半导体制冷片紧贴在所述铝材传热介质底部,所述半导体制冷片底部依次放置所述铜质散热片和所述散热风扇。
优选地,所述加热单元和所述制冷单元呈两组对称排列,所述电源、所述温度控制器和所述温度传感装置分布在所述加热单元或所述制冷单元两侧。
优选地,所述温度控制装置为数显控制器;所述温度传感装置为温度传感探头。
本发明的有益效果为:
1.本发明基于多组经隔热保暖处理的可独立控制和校正温度的制冷模块和加热模块制备一种兼具升、降温功能,且孔温分布均匀,目标温度能稳定维持的宽程温控仪。
2.本发明所述装置各温阶样本孵育腔采用外表面加载了二氧化硅材质的碳纤维纳米气凝胶毡的铝材作为传热介质,能既保证各温阶的传热介质内部导热高效、均匀又隔绝了向其它温阶和外环境进行热交换,使各温阶中加载了样本孵育腔的铝材传热介质能更快速升、降温至各目标温度并稳定和均匀维持,互不干扰。
3.本发明采用精准数显控制器和温度传感探头对各组TEC半导体制冷元件或PET柔性加热元件进行独立的升降温控制,以实现兼具升降温功能的多阶温度控制,有效阻断不同温阶介质间的热传导,以及维持宽温程内多温阶维持的稳定性具有关键作用。
4.本发明采用导热系数极低的三维网状结构的二氧化硅材质的碳纤维纳米气凝胶毡对各组温控元件进行隔热保温处理,有效提高实验温控准确性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置的整体结构图;
图2为本发明实施例的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置的升温模块中各元件连接及线路示意图;
图3为本发明实施例的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置的制冷模块中各元件连接及线路示意图;
图4为本发明实施例的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置的温控装置制冷模块区域截面图;
图5为本发明实施例的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置的温控装置升温模块区域截面图;
图6为本发明实施例的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置的温控装置的制冷模块降温效率和升温模块的升温效率;
图7为本发明实施例所述温控装置的制冷模块降温和升温模块升温至目标温度后的温度维持;
图8为本发明实施例所述温控装置的制冷模块降温和升温模块升温至目标温度后停止制冷和加热后自然升温和降温效率;
图9为本发明实施例所述温控装置的制冷模块降温和升温模块升温至目标温度后铝材传热介质的样本孵育腔表面和加热单元升温表面温度分布。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明中的一种兼具升降温功能的宽程多阶温控装置,包括:
电源、温度控制器、温度传感装置、变温系统和隔热保温层;
所述电源为输入电源,用于为所述温度控制器供电;所述温度传感装置用于检测所述变温系统的温度;所述温度控制器用于显示所述温度传感装置的温度,并对所述变温系统发出升温或制冷指令;所述隔热保温层用于阻断不同温阶介质间的热传导,实现同仪器多温阶并存;
其中,所述变温系统包括升温模块和制冷模块;所述升温模块和所述制冷模块分别为若干独立控制的加热单元和制冷单元,用于实现独立控制温度形成若干组温阶梯度;所述加热单元和所述制冷单元分别单独配备有所述电源、所述温度控制器和所述温度传感装置;所述加热单元与所述制冷单元外表面均包裹有所述隔热保温层;
所述电源与所述温度控制器连接;所述温度控制器分别与所述温度传感装置和所述变温系统连接。
其中,升温和降温模块为多组独立可控并可形成温度由低至高的多组温阶梯度;装置中各独立升温和降温功能模块之间采用低导热系数材料进行隔热和保温处理,相互之间温度独立控制和维持,不相互干扰;装置中的高导热系数金属介质加载有可调换式的样本孵育腔阵列模块可与多种现有样本管配套使用。
专利装置的结构设计与线路连接,但并不完全局限于此结构设计为实现精准的多温阶控制和稳定维持,本发明采用如图1和图2所示升温和降温模块元件设计和线路连接方案。
最终形成图3所示的整体结构展示了仪器主要功能元件的空间排布和内部截面结构,制冷单元(L1、L2)和制热单元(R1-R8)呈5排两组对称排列,各组的温度控制器相应的分布于两侧,温度传感装置嵌入U型管槽铝材传热块内。
如图1-3所示兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置同时设置了独立可控的加热、制冷单元和温度控制器及温度传感装置元件,可实现0℃至常温,常温至95℃之间精准的升降温,目标稳定维持和温度校准功能;所述装置同时设置了多组所述加热、制冷单元和温度控制器及温度传感装置元件,可同时实现0℃至常温,常温至95℃之的8至14组不同目标温度的多温阶设置、稳定维持和温度校准功能。
升温模块结构如图4所示,升温模块的加热薄膜相嵌在铝材传热块内。
如图5所示的制冷模块结构截面图,制冷单元的半导体制冷片与铝材传热块低部紧贴,其下依次放置铜质散热片和散热风扇;装置主要元件参数详见后续主要参数表,主要包括12V输入电源、XH-W1209数显温度控制器(包含温度传感探头)、铝制U型管导热介质、纳米气凝胶隔热层,以及制冷组的TEC-12706半导体制冷片、铜散热片、散热风扇和制热组的PET-镍铬合金加热薄膜等部分,但并不完全局限于上述固定型号的元件,相近功能元件均可使用。
本申请装置升降温度速率验证
为分析加热/制冷元件升降温性能及铝件和保温层对升降温度速率的影响,分别检测了裸加热膜和制冷半导体及加载铝材传热介质和保温层后目标温度升降速率,如图6所示;
制冷单元中的制冷半导体可在20s内实现从18.3℃快速降到-3.0℃(目标温度),平均降温速率νJ-0=-1.07℃/s。加载铝材传热介质后24min降至7.5℃,且随后温度再无下降趋势,无法达到目标温度2℃。加载专利所述的保温层后20min从23℃降到6.4℃,38min时降到目标温度2℃,平均降温速率νJ-BW=-0.55℃/min;
升温模块中的加热薄膜可19s内实现19.7℃升温至目标温度80℃,平均升温速率νS-0=+3.17℃/s。加载铝材传热介质后温度从22.6℃升至80℃需42.5min,平均升温速率为νS-L=+1.35℃/s。加载保温层后31.6min内从20℃升至80℃,平均升温速率νS-BW=+1.90℃/min。
由此可知,本发明所用的制冷和加热模块具有较快的温度响应,但铝件的导热性能高(λ=217.7W/m·K)与环境热交换快,对升降温效率影响较大。因此加载低导热率(λ=0.018W/m·K)的保温层隔热材料对实现目标温度的升降温至关重要。
本实施例装置升降温度后目标温度维持性能验证
为分析升温和制冷模块分别在升降温后温度维持特性及铝材传热介质和保温层的影响,分别检测了加热膜和制冷半导体及加载铝材传热介质和保温层后升降温达到目标温度后的温度波动幅度和周期,如图7示;
制冷半导体降温至目标温度2.0℃后,处于周期为4-5s和幅度为4.5℃(-1.5至3℃)的温度区间波动。加载铝材传热介质和保温层降温至2.0℃后则维持在周期为10-28s,幅度仅0.2℃(1.9至2.1℃)的温度区波动,且周期内81.2%的时段处于目标温度值;
加热薄膜升温至目标温度80℃后,随即进入周期为20s,波动幅度为12℃(78至90℃)温度区间内变化。加载铝件和保温层升温至80℃后刚维持在周期为50s,幅度仅0.4℃(80.1至79.7℃)的窄温区波动,且周期内50%时段为目标温度;
以制冷模块和升温模块达到目标温度后在关闭状态下自然升降温速度以验证其温度维持性能,结果如图8示:
加载保温后制冷模块自然升温速率从+0.48℃/s(7.5℃→18℃)降到+0.41℃/s(7℃→20℃)。加热元件自然降温速率从-0.81℃/s(79℃→28.4℃)降到-0.66℃/s(80℃→34.5℃)。结果表明加载保温层可提升加热和制冷元件在处于目标温度后的温度维持性能。
本实施例装置升降温度后目标温度在加载了孵育腔的传热介质上的均匀度验证。
为研究各组制冷或加热单元上内置于铝件传热介质的样本孔间温度分布,分别检测了单个加热和制冷单元加载保温层后铝件传热介质表面孔间温度分布以及制冷和加热双组元件高温差邻近时相互间的影响,结果如图9所示;
热成像显示制冷单元形成孔区→保温层→外环境由低至高的温度梯度,孔区温度分布均匀。当孔区降最低8.7℃时,保温层外侧出现高于室温(18.9℃)的温度最高点29.9℃(制冷半导体热端风扇出风口);
加热单元形成孔区→保温层→外环境由高至低的温度梯度,铝件传热介质孔区升温至70.1℃时,保温层外侧21.4℃略高于室温18.9℃。邻近放置的制冷和加热单元热成像显示由双保温层间隔的铝件孔区形成温度分布均匀的高(69.9℃)、低(12.2℃)温区,且保温层之间具有明显的冷-热温度边界;
测温显示制冷或加热模式下孔内平均温度为8.83℃、69.38℃时其标准方差(SD)值分别0.005和0.008。保温层对维持孔区与环境温差和维持孔间温度均匀度具有重要作用。
装置中各元件的核心参数如表1:
表1
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,其特征在于,包括:
电源、温度控制器、温度传感装置、变温系统和隔热保温层;
所述电源为输入电源,用于为所述温度控制器供电;所述温度传感装置用于检测所述变温系统的温度;所述温度控制器用于显示所述温度传感装置的温度,并对所述变温系统发出升温或制冷指令;所述隔热保温层用于阻断不同温阶介质间的热传导,实现同仪器多温阶并存;
其中,所述变温系统包括升温模块和制冷模块;所述升温模块和所述制冷模块分别为若干独立控制的加热单元和制冷单元,用于实现独立控制温度形成若干组温阶梯度;所述加热单元和所述制冷单元分别单独配备有所述电源、所述温度控制器和所述温度传感装置;所述加热单元与所述制冷单元外表面均包裹有所述隔热保温层;
所述电源与所述温度控制器连接;所述温度控制器分别与所述温度传感装置和所述变温系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,其特征在于,所述隔热保温层由二氧化硅材质的纳米气凝胶组成。
3.根据权利要求1所述的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,其特征在于,所述加热单元包括第一传热介质、第一管槽和加热薄膜;所述加热薄膜外部包裹导热硅胶层用于传递热量;其中,所述温度控制器与所述加热薄膜相连;所述温度传感装置、所述第一管槽和所述加热薄膜均嵌入在所述第一传热介质;所述加热单元在第一管槽底部。
4.根据权利要求3所述的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,其特征在于,所述第一管槽为U型管槽;所述第一传热介质为铝材传热介质,用于高效温度传导;所述加热薄膜为镍铬合金加热薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,其特征在于,所述制冷单元包括:第二管槽、第二传热介质、制冷片和散热子单元;其中,所述温度控制器与所述制冷片相连;所述温度传感装置、所述第二管槽与所述制冷片均嵌入在所述第二传热介质;所述加热单元在所述第二管槽底部。
6.根据权利要求5所述的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,其特征在于,所述第二管槽为U型管槽;所述第二传热介质为铝材传热介质,用于温度传导;所述制冷片为半导体制冷片;所述散热子单元包括:铜质散热片和散热风扇。
7.根据权利要求6所述的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,其特征在于,所述半导体制冷片紧贴在所述铝材传热介质底部,所述半导体制冷片底部依次放置所述铜质散热片和所述散热风扇。
8.根据权利要求1所述的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,其特征在于,所述加热单元和所述制冷单元呈两组对称排列,所述电源、所述温度控制器和所述温度传感装置分布在所述加热单元或所述制冷单元两侧。
9.根据权利要求1所述的一种兼具升降温功能的宽程多阶温度控制装置,其特征在于,所述温度控制装置为数显控制器;所述温度传感装置为温度传感探头。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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