CN101196352A - 基于半导体制冷技术的小型智能冷槽 - Google Patents

Abstract

一种基于半导体制冷技术的小型智能冷槽，在一隔热箱体内的上部装有冷槽；在冷槽底部装有一级制冷器组件和二级制冷器组件，在每一该制冷器组件的下端分别设有与隔热箱体底端相通的进风口；在冷槽底端通过管道与低温循环液泵、外循环液出口电磁阀串联连接到所述的隔热箱体外，外循环液回流口设在冷槽的上部；冷槽的底部设有备用排液口和手动阀；内循环液出口设于冷槽底部，内循环液管道串联低温循环液泵和电磁阀，内循环液回流口设在立方体冷槽与内循环液出口成对角线的位置；在隔热箱体内装有智能控制器。具有耗电量低、噪音小、不会造成环境污染、结构简单、智能控制和多功能的优点。

Description

基于半导体制冷技术的小型智能冷槽

(一)技术领域

本发明涉及半导体制冷和数字控制技术，其小型智能控制低温冷槽能为化学、物理、生物技术等科学研究实验室的低温反应或低温操作提供稳定的低温冷却循环液或冷却浴。

(二)背景技术

目前，实验室所使用的低温(超低温)冷槽均采用冷媒和压缩机制冷方式，并辅以电加热管加热冷却液来控制低温冷槽内液体的温度。采用该结构的低温冷槽因有压缩机组件和电加热组件，导致结构复杂，体积庞大，不易频繁启停，耗电量大，故障率高。一旦出现故障，实验室的操作人员很难在短时间内恢复其正常工作而导致其他损失，甚至出现事故。采用压缩机制冷，必然使用冷媒，万一仪器出现泄漏或者维修时灌注冷媒发生的泄漏，都会给实验室环境造成严重的污染。制冷压缩机是一种机械机构，在其工作时会产生较大的噪音，长时间工作在噪音环境下，严重时会导致工作人员的听力损伤。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种基于半导体制冷技术的小型智能冷槽，以解决现有技术存在的结构复杂、耗电量高、噪音较大、容易造成环境污染、不易智能控制的问题。

本发明的技术方案是：在一隔热箱体内的上部装有冷槽，在该冷槽的上端设有开口和隔热盖板；在所述的冷槽底部装有一级制冷器组件和二级制冷器组件，在每一该制冷器组件的下端分别设有与隔热箱体底端相通的进风口，在所述的隔热箱体的侧面设有出风口；在所述的冷槽的底端的一端设有出口并通过管道与低温循环液泵、外循环液出口电磁阀和循环液出口串联连接到所述的隔热箱体外，在所述的冷槽的上部设有外循环液回流口；在所述的冷槽的底部设有备用排液口和手动阀；在所述的冷槽与所述的内循环液出口成对角线位置设置内循环液回流口，该内循环液回流口通过埋设在冷槽外的隔热箱体内的内循环管道和电磁阀与所述的低温循环液泵的出口连接；在所述的隔热箱体内装有智能控制器以及与其连接的大功率高精度开关电源，在所述的冷槽侧壁嵌入温度传感器，在所述的一级制冷器组件和二级制冷器组件上装有半导体制冷器热端温度传感器；所述的智能控制器的各个信号接口分别与所述的温度传感器、低温液泵、电磁阀、制冷器组件、显示器和开关电源对应端电连接。

所述的隔热箱体由钢制外壳和隔热填充层构成，整个隔热箱体呈长方体，在钢制外壳与冷槽之间设有隔热填充层；所述的隔热盖板为圆形中空壳体，材质为工程塑料，在其内部填充隔热材料，在该隔热盖板与箱体口部的接触面设有与不锈钢冷槽开口吻合的凹槽结构。

在所述的每一该进风口的底端装有金属防护网；在所述的隔热箱体前后面板的出风口装有百叶窗孔。

所述的显示器采用小型液晶屏，该小型液晶屏安装于所述的隔热箱体前面板上方；所述的槽体保温采用发泡塑料整体成型。

本发明具有以下优点：

1.利用两级半导体制冷器分级制冷，可实现多种工作模式，一机多用，满足不同冷级的制冷需要。

2.制冷快速高效率，制冷启动迅速可在短时间内达到设定温度。

3.智能恒温性能好，半导体制冷器采用PID控制技术，确保恒温波动温差很小。

4.槽内温度分布均，智能冷槽内循环液进出口位置的巧妙设计，依其强制搅动，确保槽内液体温度均匀。

5.结构紧凑体积小，占用空间小有利于在实验室里操作台摆放。

6.元件少拆装方便，实验室人员在指导下即可自行设备维护或更换部件。

7.绿色环保且节能，半导体制冷器不使用冷媒及其制冷压缩机，从源头杜绝了制冷剂泄漏和制冷设备噪音所造成的环境污染问题；半导体制冷器没有机械运转部件，频繁启停不会导致制冷器损坏，可随用随关节能效果显著。

(四)附图说明

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为本发明的控制面板的示意图；

图3为本发明的二级制冷器组件的构成示意图；

图4为本发明的一级制冷器组件的构成示意图。

图中标记说明：1.控制器，2.一级制冷器组件，3.二级制冷器组件，4.高精度直流开关电源，5.低温循环液泵，6.冷槽温度传感器，7.钢制外壳，8.隔热填充层，9.隔热盖板，10.外循环液出口电磁阀，11.内循环液出口电磁阀，12.外循环液出口，13.外循环液回流口，14.内循环液管道，15.备用手动排水阀，16.循环水管道保温层，17.进风口防护网，18.制冷器组件进风口，19.钢制槽体，20.仪器支架，21.出风百叶窗，1-1.液晶显示器，1-2.参数输入键盘，1-3.RS232上位机通讯接口，1-4.RS232下位机通讯接口，1-5.手动控制开关，2-1.半导体制冷器模块，2-2.聚四氟乙烯螺栓，2-3.铝合金散热器，2-4.散热风扇，2-5.半导体制冷器热端温度传感器，3-1.半导体制冷器模块，3-2.聚四氟乙烯螺栓，3-3.铝合金散热器，3-4.散热风扇，3-5半导体制冷器热端温度传感器，19-1.水槽底部焊接固定螺母。

(五)具体实施方式

如图1～图4所示，本发明由保温隔热箱体、电气装置和半导体制冷器三部分组成。保温隔热箱体用于承载冷却液、隔热和保温的作用；电气装置用于控制和检测冷却液和半导体制冷器热端温度、超温报警以及与上位机通讯等功能；半导体制冷器用于以电能为能源，将热量由冷槽内部转移到环境中的作用。

所述的保温隔热箱体有外侧的钢制外壳7和隔热填充层8构成，整个箱体呈长方体，在钢制外壳7内的上部装有不锈钢冷槽19，上端设有开口，在开口设有隔热盖板9。隔热盖板9为圆形中空壳体，材质为工程塑料，在其内部填充隔热材料。在钢制外壳7与不锈钢冷槽19之间设有隔热填充层8。

在不锈钢冷槽19的底端设有出口，并通过管道与低温循环液泵5、外循环液出口电磁阀10连接，电磁阀10的外端口作为外循环液出口12引出壳体外。在冷槽19上端设有外循环液回流口13，用于与外循环液出口12之间连接成外循环回路。在不锈钢冷槽19的上部与外循环液出口12相对的一端设有内循环液接口14′，内循环液接口14′通过内循环管道14串联电磁阀11后与低温循环液泵5的出口连接，内循环液管道14埋于保温层8内。在冷槽19的底端设有备用手动排液阀15，并直接连接至壳体外部。

在不锈钢冷槽19内的下部装有冷槽温度传感器6，它通过控制器1控制冷槽19内的液体温度。

在保温隔热箱体的下部装有一级制冷器组件2、二级制冷器组件3和高精度直流开关电源4。在一级制冷器组件2、二级制冷器组件3的下端分别设有制冷器组件进风口18。每一该进风口的底端直通外壳的圆形口，在该圆形口装有金属的进风口防护网17，防止灰尘及杂物进入装置引发故障。在箱体前后面板开有出风百叶窗21，以利于半导体制冷器热端产生的热量被顺利排出。

在隔热盖板9与箱体口部的接触面设计凹槽结构(参见图1)，以增加热阻，有利于增加隔热效果和密封性能。

两制冷器组件2和3的结构基本相同，均由半导体制冷器模块、铝合金散热器、半导体制冷器热端温度传感器、散热风扇组成。一级半导体制冷器组件2是由单片半导体制冷器模块2-1和铝合金散热器2-3组成。二级半导体制冷器组件3是由两片半导体制冷器模块3-1串接和铝合金散热器3-3组成。半导体制冷器模块2-1(3-1)与铝合金散热器2-3(3-3)之间涂有导热硅酯涂层，两片半导体制冷器模块3-1串接时半导体制冷器模块之间涂有导热硅酯涂层。半导体制冷器模块2-1(3-1)紧帖于冷槽19底部，且半导体制冷器模块2-1(3-1)与不锈钢槽体19之间涂有导热硅酯涂层，铝合金散热器2-3(2-3)用螺栓2-2(3-2)固定在不锈钢槽体底部焊接的固定螺母19-1内。

在铝合金散热器2-3(3-3)的外端装有散热风扇2-4(3-4)，该散热风扇2-4(3-4)的外端与所述的制冷器组件进风口18连接。在铝合金散热器2-3(3-3)上装有半导体制冷器热端温度传感器2-5(3-5)。铝合金散热器2-3(3-3)与不锈钢冷槽19的连接采用聚四氟乙烯螺栓2-2(3-2)连接，因为聚四氟乙烯材料与金属材料相比具有较好的隔热效果，以减少半导体制冷器热端产生的热量由此传入冷槽。

制冷器部分采用一级和二级半导体制冷器方式，一级半导体制冷器组件2用于小功率制冷，其工作时温度下限较高，适用于循环水的冷却；二级半导体制冷器组件3用于大功率制冷，其工作时具有比一级半导体制冷器组件更低的温度下限，适用于低于0℃以下的低温反应器和低温冷却。扣除半导体制冷器2和3所占部分的冷槽19外壁和内循环液管路均使用发泡保温材料封装填充形成隔热填充层8，减少热量对流并防止结露。

半导体制冷器组件进风口18加装适当直径和高度的工程塑料管，用于防止散热风扇吹出的热风在箱体下部与进入的冷风混合，影响散热效果。

本发明在智能控制器1的设计上，采用高速单片机技术，辅以通讯接口电路、EEPROM存储器、数字式温度传感器、无触点继电器、液晶显示器等部件，具有PID控制功能，具有独立的8位地址编号，具有RS232串行接口，可以与计算机测控系统连接，一台计算机最多可以连接127台同型号的小型低温冷槽装置，具有半导体制冷组件热端超温报警功能，防止半导体制冷器过热损坏，具有前次工作参数记忆功能。可实现温度的实时检测，PID输出控制，通讯等功能。

上述所说的独立的8位地址编号由控制面板的参数键盘输入，从0至127。上述所说的数字温度传感器包括DS18B20、DS1820、AD7416等。

本发明具有四种工作模式：

第一种工作模式为手动操作，机器第一次接通电源后默认为该模式，在该模式下，智能控制器只显示冷槽内温度和半导体制冷器热端温度，其他功能均由手动控制开关控制。

第二种工作模式为自动低温循环液模式，该模式适合将本发明的智能冷槽作为反应器冷凝管的循环冷却装置，通过参数键盘设置循环液温度，智能控制器将以PID方式控制一级半导体制冷器的工作状态，以达到恒定的温度，并且打开外循环液电磁阀和低温循环液泵，低温循环液由出口流出，经过冷凝器后由循环液流回进入冷槽。

第三种工作模式为自动低温反应器模式，该模式适合将本发明的智能冷槽作为低温反应器装置，通过参数键盘设置循环水温度，智能控制器将以PID方式控制二级半导体制冷器的工作状态，以达到较低的恒定温度，并且打开内循环液电磁阀，循环液直接由低温循环液泵出口，经内循环管路流回冷槽，本发明的冷槽内循环液进口和出口位置设于立方体冷槽长向对角线上；通过快速强制循环确保槽内液体温度均衡并缩短温度平衡的时间。

第四种工作模式为联机监控模式，在该模式下，将RS232上位机通讯接口通过数据线连接至上位计算机RS232串行接口，本发明将作为普通RS232总线PID控制器，通过接收上位计算机监控软件发送的参数，以PID方式控制一级或者二级半导体制冷器的工作状态，并返回设备的工作参数至上位计算机监控软件，所有数据将以数据曲线和EXCEL表方式在上位计算机屏幕显示并储存。

Claims (5)

1.一种基于半导体制冷技术的小型智能冷槽，其特征在于：在一隔热箱体内的上部装有冷槽，在该冷槽的上端设有开口和隔热盖板；在所述的冷槽底部装有一级制冷器组件和二级制冷器组件，在每一该制冷器组件的下端分别设有与隔热箱体底端相通的进风口，在所述的隔热箱体的侧面设有出风口；在所述的冷槽的底端的一端设有出口并通过管道与低温循环液泵、外循环液出口电磁阀和循环液出口串联连接到所述的隔热箱体外，在所述的冷槽的上部设有外循环液回流口；在所述的冷槽的底部设有备用排液口和手动阀；在所述的冷槽与所述的内循环液出口对面的上部设置内循环液回流口，该内循环液回流口通过内循环管道和电磁阀与所述的低温循环液泵的出口连接；在所述的隔热箱体内装有智能控制器以及与其连接的大功率高精度开关电源，在所述的冷槽侧壁嵌入温度传感器，在所述的一级制冷器组件和二级制冷器组件上装有半导体制冷器热端温度传感器；所述的智能控制器的各个信号接口分别与所述的温度传感器、低温水泵、出水电磁阀、制冷器组件、显示器、开关电源和电磁阀对应端电连接。

2.根据权利要求1所述的基于半导体制冷技术的小型智能冷槽，其特征在于：所述的隔热箱体由钢制外壳和隔热填充层构成，整个隔热箱体呈长方体，在钢制外壳与冷槽之间设有隔热填充层；所述的隔热盖板为圆形中空壳体，材质为工程塑料，在其内部填充隔热材料，在该隔热盖板与箱体口部的接触面设有与不锈钢冷槽开口吻合的凹槽结构。

3.根据权利要求1所述的基于半导体制冷技术的小型智能冷槽，其特征在于：在所述的每一该进风口的底端装有金属防护网；在所述的隔热箱体前后面板的出风口装有百叶窗孔。

4.根据权利要求1所述的基于半导体制冷技术的小型智能冷槽，其特征在于：所述的显示器采用小型液晶屏，该小型液晶屏安装于所述的隔热箱体前面板上方；所述的槽体保温采用发泡塑料整体成型。

5.根据权利要求2所述的基于半导体制冷技术的小型智能冷槽，其特征在于：所述的内循环液管道埋于所述的隔热填充层内。

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