CN103464074A - 集冷、热式磁力搅拌反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种集冷、热式磁力搅拌反应器。该磁力搅拌反应器包括反应器、半导体致冷片,散热/冷组件,温度控制、显示仪,直流电机,永磁转子和调速仪。该设备可以在-60oC-150oC的温度范围内为物料提供良好温度及搅拌环境。同时,使用该设备加热时加热效率高于电阻加热效率,能节约电力资源。并且该设备噪音小,可长时间工作,设备结构简单,使用维护方便,成本适中,可以为化学、化工、材料、食品、医药等领域科研、生产提供优良的中低温温控、磁力搅拌环境。
Description
技术领域
本发明属于物料温度控制及搅拌技术领域,具体地说,涉及一种集成了半导体制冷元件与磁力搅拌的装置。
背景技术
温控与搅拌是许多领域科研及生产中的重要操作,在应用中往往需要同时进行。目前已开发了多种集成温度控制与搅拌的设备,并已广泛应用于用于各大中院校,环保,科研,卫生防疫站,石油,化工,医疗等单位,是现代化化学、化工、材料、生物等实验室的必备仪器。
温度控制有加热与制冷两种操作,每一类操作均有多种实现方法。加热按生成热量方式不同有化学加热,电加热(电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热等),辐射加热,物理摩擦加热等。制冷方面,主要有压缩式制冷,吸收式制冷和半导体制冷三种方式。目前所开发的温控磁力搅拌设备中的温控模式大多只具有加热或制冷一种操作,其中具有制冷功能的设备相对较少而且价格偏高。然而实际应用中,常常会遇到相对较复杂的温控要求,需要用到加热及制冷两种操作,受仪器限制常规的设备仅能进行加热或制冷一项操作,使物料控温范围受到限制(如加热设备,只能在高于当前温度使用,制冷设备在低于当前温度使用),同一台设备难于满足复杂控温需要(如工艺中存在高于室温及低于室温操作)。少数综合加热及制冷功能的温控设备,主要为分立式的,即由两种不同的加热制冷方式整合而来,设备使用不便,价格较高。使用单一的设备同时完成加热、制冷功能对温度的控制及设备的高效使用有现实意义。
半导体温控技术是综合加热及制冷功能于一体的新型温控技术。其工作是基于帕尔帖原理,即当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时,在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量,而另一个接头处则吸收热量,且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的,改变电流方向时,放热和吸热的接头也随之改变,吸收和放出的热量与电流强度成正比,得到实际应用的温差电制冷器件多是由半导体材料制成的。
使用导体制冷、加热有许多独特之处。在制冷方面与压缩制冷和吸收制冷相比,半导体制冷的特点是:尺寸易控,可以制成体积不到1厘米的制冷器;重量轻,微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克;无机械传动部分,工作中无噪音;无液、气工作介质,不污染环境;制冷参数不受空间方向以及重力影响,在大的机械过载条件下,能够正常地工作; 通过调节工作电流的大小,可方便调节制冷速率;通过切换电流方向,可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态;作用速度快,使用寿命长,且易于控制等特点。与常规的简单水冷相比更具有明显优势,使用温度范围宽且可控,设备搭建无需考虑供水排水系统,使用时不需消耗大量水资源等。使用该技术主要是进行致冷操作,进行加热相对较少,但该加热方式作为一种电加热方式,相比常用的电阻加热,在合适的加热范围内,除具有相当的控温效果外,还具有能源利用率高的特点,其产热量始终高于电流通过元件的焦耳热,因此综合开发应用半导体致冷、加热功能在温度控制及能源有效利用方面均有实用价值。
目前基于半导体元件加热制冷的开发也广泛开展,诸多基于半导体制冷的发明,如小型空调,加热制冷杯/盘,车/机载冰箱,冷热饮水机,控温床垫、帽、鼠标、手套,恒温箱,小型水冷机,CPU及其它电子设备散热,LED照明制冷系统等已走入人们的生活,为生活与生产带来了许多便利。但上述发明中多数为使用半导体制冷元件直接加热或制冷,仅少数综合了两种功能。综合利用半导体热电材料加热、制冷功能进行温度控制具有创新性与实用性。此外,进一步集成搅拌功能的设备很少。
磁力搅拌是利用磁场和漩涡的原理,使用旋转磁场驱动搅拌液体中的搅拌子,进而带动容器内液体漩涡,从而达到物料搅拌的目的。相比于其它搅拌方式,磁力搅拌具有如下优点:噪音小,调速平稳,耐热、耐磨、耐腐蚀,可在密闭的容器中进行调混工作。因此在粘稠度不大的液体或者固液混合物的搅拌方面使用时十分理想与方便。再者,该方法还可系统集成辅助加热装置。因此,将磁力搅拌与半导体温控集成可以同时实现加热、制冷、搅拌操作,将极大地方便需要同时进行搅拌和温控的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、具备加热制冷功能的集冷、热式磁力搅拌反应器。
本发明提供的集冷、热式磁力搅拌反应器,包括反应器,温度控制装置和搅拌控制装置。所述反应器由反应室、中间保温夹层和外部保护壳组成;反应室与温度控制装置相连,由其控制温度;温度控制装置包括半导体致冷片,散热/冷组件,温度控制、显示仪和热电偶;所述半导体致冷片一面和反应室紧密结合,另一面和散热/冷组件相粘结;所述温度控制、显示仪连有热电偶,并控制半导体致冷片工作,所述热电偶置于反应室中或物料内。
所述搅拌控制装置包括磁力搅拌子、永磁转子、调速仪和直流电机,所述磁力搅拌子在反应室或物料中,由处于反应室下方的永磁转子驱动,永磁转子与直流电机相连接,由其带动,直流电机与调速仪相连并由其控制转速、转向。
本发明中,温度控制装置由温度控制、显示仪控制加热、制冷操作,反应器制冷工作时,温度控制、显示仪按预定程序控制半导体致冷片工作。半导体致冷片使用直流电源驱动,并通过切换电流方向切换加热、制冷模式,其最大输出功率不低于致冷片电功率的1.1倍;半导体致冷片制冷时,其靠近反应室的一面从反应室吸收热量,转移到另一面后传递给散热/冷组件排至装置外。加热时热流方向相反,同时由于工作面获得热量包括焦耳热和转移热,其加热效率始终高于纯焦耳热的电阻丝加热方式。
本发明中,温度控制、显示仪通过热电偶监控实时显示温度,并通过执行相应的功率输出或输出通断以实现温度调控。
本发明中散热/冷组件的热传导介质为空气或水等液体;空气散热/冷时所述散热/冷组件包括导热块、导热管和散热器;所述导热管的两端设置导热块,一端导热块和半导体致冷片相粘结,另一端导热块和散热器相连;水等液体散热时散热/冷组件主要为换热板,换热板直接与半导体制冷片相连。
上述导热块材质为金属,如铜,铝,不锈钢等,主要实现半导体致冷片与导热管间的热量传递。
上述导热管由铜管及管内冷却液组成,使用时优选3-9根,其一方面起到支撑反应器作用,另一方面实现半导体致冷片与导热块间的热量传递。
上述散热器选自金属换热槽、换热翅、换热板、换热管及风扇中的一种或多种。
上述换热板具有流体进出口,每个致冷片配一个换热板,多个换热板间为并联;换热板为金属材质,如铜、铝、不锈钢等。
本发明中的散热/冷组件可由温度控制、显示仪控制,或由外部开关单独控制。
本发明中,反应器工作时搅拌方式为磁力搅拌,工作时调速仪控制直流电机按设定转速、转向转动,电机带动永磁转子旋转,反应室的磁力搅拌子随永磁转子转动实现物料搅拌。永磁转子材质为永磁材料,如稀土永磁材料,铝镍钴合金等。
本发明的有益效果在于:采用本发明反应器,其温控范围在-60℃~150℃之间,可以对目标体系进行加热、制冷,实现对目标体系精确控温及磁力搅拌操作。该装置工作时无噪音,性能稳定,便于微小型化,成本适中,可以为化学、化工、材料、食品、医药、电子等领域科研、生产提供优良的中低温温控,搅拌环境。
附图说明
图1为集冷、热式磁力搅拌反应器电路框架示意图。
图2为空气换热集冷、热式磁力搅拌反应器装置图。
图3为集冷、热式磁力搅拌反应器反应室结构示意图。
图4为集冷、热式磁力搅拌反应器散热/冷组件结构示意图。
图5为集冷、热式磁力搅拌反应器搅拌控制装置结构示意图。
图6为集冷、热式磁力搅拌反应器电路框架示意图。
图7为水流换热集冷、热式磁力搅拌反应器装置图。
图中标号:1-反应室,2-保温外壳,3-导热管,4-机箱,5-磁力搅拌片,6-通风孔,7-温度控制、显示仪,8-工作指示灯,9-电源开关,10-调速仪,11-导热块,12-半导体致冷片,13-电源线,14-散热翅,15-风扇,16-永磁磁子,17-连动杆,18-直流电机,19-支架, 21-进出水口,22-支撑棒。
具体实施方式
下面的实例是对本发明的进一步说明,而不是限制本发明的范围。
实施例1
500mL,加热功率500W,制冷功率160W的集冷、热式磁力搅拌反应器。反应器的电路框架示意图如图1所示,温度控制装置,搅拌控制装置及散热的风扇15相互并联,分别由相应仪器开关控制。其外观如图2所示,搅拌反应器由顶部的反应器与底座的机箱4两部分组成。两部分具体结构及参数如下。
顶部的反应器主体为500mL反应室1,反应室1由3根直径6mm导热管3支撑,结构如图3所示,半导体致冷片12和电源线13连接,由直流电源驱动,3片电功率100W半导体致冷片12紧贴反应室1,均匀分散在其四周,半导体致冷片12由直流电源供电;半导体致冷片12另一面与4cm×4cm×1.5cm铝合金的导热块12粘联,导热块12内嵌6mm导热管3,导热管3另一端在机箱4内与散热器相连;反应室1整体由保温外壳2包裹,起到保护及保温作用。反应室1下方设有磁力搅拌片5,磁力搅拌片5上设置永磁磁子16,磁力搅拌片5和永磁磁子16组成永磁转子;该永磁转子转动可以带动反应室1及物料瓶内的磁力转子转动。
底座机箱4内部有直流电源,散热/冷组件及磁力搅拌动力组件(即直流电机18)及控制电路板。机箱4前面板嵌有温度控制、显示仪7和调速仪10的控制界面,及电源开关9与工作指示灯8;内部的直流电源使用24V,350W开关电源;散热/冷组件整体结构如图4所示,该组件上部分在反应器1内,下部分在机箱4内,由导热块11,散热翅14,风扇15组成,具体连接为导热块11内嵌导热管3另一端,导热块11另一面与散热翅14粘连,散热翅14与风扇15连接。搅拌控制装置如图5所示,直流电机18由支架19固定在机箱4内,直流电机18连接连动杆17,连动杆17与反应器的磁力搅拌片5相连,直流电机18由调速仪10控制工作,提供适当的搅拌。机箱4左右及后侧开有通风孔6,实现气体流通。
该磁力搅拌反应器电功率330W,交流电源供电,可以为500mL物料提供-15~100oC的温控与磁力搅拌操作,整体尺寸约为30cm×25cm×25cm。
实施例2
150mL,加热功率180W,制冷功率60W的集冷、热式磁力搅拌反应器。搅拌反应器电路框架示意图如图6所示,温度控制装置及排风扇,搅拌控制装置分别由控温仪与调速仪控制。其外观如图2所示,设备由顶部的反应器与下方的机箱4两部分组成。两部分具体结构及参数如下。
顶部的反应器主体为150mL反应室1,反应室1由3根直径4mm导热管3支撑,结构如图3所示,3片电功率40W半导体致冷片12紧贴反应室1,均匀分散在其四周;半导致冷片12另一面与3cm×3cm×1cm铝合金的导热块11粘联,导热块11内嵌4mm导热管3,导热管3另一端在下部机箱4内与散热/冷组件相连;反应室1整体由保温外壳2包裹,起到保护及保温作用。反应室1下方设有磁力搅拌片5,磁力搅拌片5上设置永磁磁子16,(磁力搅拌片5和永磁磁子16组成永磁转子),该磁力搅拌片5转动可以带动反应室1及物料瓶内磁力转子转动。
下部机箱4内部设直流电源,散热/冷组件及磁力搅拌动力组件(即直流电机18)及控制电路板。机箱4前面板嵌有温度控制、显示仪7,调速仪10的界面,及电源开关9与工作指示灯8;内部直流电源使用12V,180W开关电源;散热/冷组件整体结构类似图4,但无风扇15;搅拌控制装置如图5所示,直流电机18由支架19固定在机箱4内,直流电机18连接连动杆17,连动杆17与反应器的磁力搅拌片5相连,直流电机18由调速仪10控制工作。机箱4左右及后侧开有通风孔6,一侧装有排风扇,实现空气流通,为散热/冷组件的散热翅14散热。
该磁力搅拌反应器电功率140W,交流电源供电,可以为150mL物料提供-5~100oC的温控与磁力搅拌环境,整体尺寸约为25cm×25cm×20cm。
实施例3
1000mL,加热功率800W,制冷功率270W的集冷、热式磁力搅拌反应器。反应器中半导体致冷片12由流动自来水进行散热/冷,结构较风冷简单,反应器包括半导体致冷片12,水流换热板,搅拌控制装置组成。其外观如图7所示。反应器由反应室4,保温外壳2,半导体致冷片12,换热板,磁力搅拌片5组成,具体结构及参数如下。
反应器由三根金属的支撑棒22支撑于机箱上部,其主体为1000mL反应室,6片电功率80W半导体致冷片12紧贴反应室1,均匀分散在其四周;半导体致冷片12另一面与4cm×4cm铝质的水流换热板粘接, 6块换热板并联,外部水流通过进出水口21进入换热板,换热板使半导体致冷片12一面保持恒定温度。反应室1整体由保温外壳2包裹,起到保护及保温作用。反应室1下方设有磁力搅拌片5,磁力搅拌片5上设置永磁磁子16,(磁力搅拌片5和永磁磁子16组成永磁转子),该磁力搅拌片5转动可以带动反应室1及物料内磁力转子转动。
下部机箱4内部有直流电源,磁力搅拌动力组件(直流电机18)及控制电路板。前面板嵌有温度控制、显示仪7,调速仪10界面,及电源开关9与工作指示灯8;直流电源使用24V,500W开关电源;搅拌控制装置如图5所示,直流电机18由支架19固定在机箱4内,直流电机18连接连动杆17,连动杆17与反应器的磁力搅拌片5相连,直流电机18由调速仪10控制工作,提供适当的搅拌。
该磁力搅拌反应器电功率500W,交流电源供电,可以为100~1000mL物料提供-20~100oC的温控与磁力搅拌环境,整体尺寸约为25cm×25cm×20cm。
Claims (10)
1.一种集冷、热式磁力搅拌反应器,包括反应器,温度控制装置和搅拌控制装置,其特征在于:所述反应器由反应室、保温夹层和外部保护壳组成;反应室与温度控制装置相连,由其控制温度;温度控制装置包括半导体致冷片,散热/冷组件,温度控制、显示仪和热电偶;所述半导体致冷片一面和反应室紧密结合,另一面和散热/冷组件相粘结;所述温度控制、显示仪连有热电偶,并控制半导体致冷片工作,所述热电偶置于反应室中或物料内;
所述搅拌控制装置包括磁力搅拌子、永磁转子、调速仪和直流电机,所述磁力搅拌子在反应室或物料中,由处于反应室下方的永磁转子驱动,永磁转子与直流电机相连接,由其带动,直流电机与调速仪相连并由其控制转速、转向。
2.根据权利要求1所述的集冷、热式磁力搅拌反应器,其特征在于:所述半导体制冷片为单级或多级制冷片,由直流电源供电,电源最大输出功率不低于制冷片电功率的1.1倍;通过切换电流方向切换加热、制冷模式,电流方向切换有手动及自动模式;设备电功率在50w以上,温控范围在-60℃~150℃之间。
3.根据权利要求1所述的集冷、热式磁力搅拌反应器,其特征在于:所述散热/冷组件的热传导介质为空气或液体;空气散热/冷时所述散热/冷组件包括导热块、导热管和散热器;所述导热管的两端设置导热块,一端导热块和半导体致冷片相粘结,另一端导热块和散热器相连;液体散热时散热/冷组件为换热板,换热板直接与半导体制冷片粘连。
4.根据权利要求1所述的集冷、热式磁力搅拌反应器,其特征在于:所述永磁转子及磁力搅拌子材质为永磁材料。
5.根据权利要求4所述的集冷、热式磁力搅拌反应器,其特征在于:所述永磁转子及磁力搅拌子材质为稀土永磁材料或者铝镍钴合金。
6.根据权利要求3所述的集冷、热式磁力搅拌反应器,其特征在于:导热块为金属材质;所述导热管由铜管及管内冷却液组成,单台设备导热管为3-9根。
7.根据权利要求3所述的集冷、热式磁力搅拌反应器,其特征在于:所述导热快为铜、铝或不锈钢中任意一种材质。
8.根据权利要求3所述的集冷、热式磁力搅拌反应器,其特征在于:所述散热器选自金属换热槽、换热翅、换热板、换热管及风扇中的一种或多种。
9.根据权利要求3所述的集冷、热式磁力搅拌反应器,其特征在于:所述换热板具有流体进出口,每个制冷片配一个换热板,多个换热板间为并联;换热板为金属材质。
10.根据权利要求3所述的集冷、热式磁力搅拌反应器,其特征在于所述设备散热/冷组件中的用电元件与半导体致冷片并联由温度控制、显示仪统一控制,或单独由外部开关控制。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131225 |