CN104019577A - 一种控速半导体制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控速半导体制冷器，包括制冷系统（1）、恒温水槽（2）和控制电路，所述制冷系统（1）包括制冷片（14）、制冷腔（15）和水冷板（16）；所述制冷片（14）由多对半导体热电偶连接而成，并且制冷片（14）的冷面紧贴着制冷腔（15），制冷片（14）的热面紧贴着水冷板（16）；所述水冷板（16）内部中空，且水冷板（16）的外侧面设有水冷板进水口（3）和水冷板出水口（5）；所述水冷板进水口（3）和水冷板出水口（5）分别连接恒温水槽出水口（4）和恒温水槽进水口（6）；所述控制电路与制冷系统（1）连接。本发明能够通过控制电流或电压来控制温度降低的速度与范围，并能实现超级恒温水浴的作用。

Description

一种控速半导体制冷器

技术领域

本发明涉及一种制冷器，特别是一种控速半导体制冷器。

背景技术

生物、医药、化学及食品领域，将样品中的自由水快速固化，适用于对样品冷冻真空干燥前的预处理，保持样品的原有成份和活性成份及样品形体不受损伤，防止液氮速冻时，温度过低、降温过快导致的生物样品损伤与晶粒过细、干燥过慢及真空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等变化。

许多医药、生物样品需要快速冷冻，以保证其生物活性及形态。传统的生物样品冷冻干燥预处理是用液氮快速预冷以保持生物形态与活性，液氮冷冻在偏远地区不方便运输，成本较高，不易保存。特别是正常细胞在这种极速冷冻的状态下，因冷冻温度远远低于生物样品的共晶点，会形成大量细小冰晶，一是生物样品会发生部分不可逆转的损害，二是冰晶太多太小，不易进一步冷冻干燥。

近几年国内专利数据库公开了一些相关的制冷器专利技术：

例如【专利号】CN200710048143，【名称】生物材料低温保存装置，【公告号】CN101158520A，该发明提供了一种生物材料的低温保存装置，包括保温箱体，样品冷冻腔，自动置核装置和温度测控装置，保温箱体中间放置样品冷冻腔，样品冷冻腔外面设有电热丝，内表面装有测温用的热电偶，其外侧两端分别设有半导体制冷装置，自动置核装置置于半导体制冷装置的制冷片上面，热电偶的热电信号经过温度控制装置后对半导体制冷装置、自动置核装置与电热丝进行控制。该装置具备有独立的制冷源、自动置核装置与有效的复温控制装置，能解决各种生物样品的降温和复温控制技术问题，具有样品温度的均匀性高、可控低温范围宽、控温精确、响应速度快、携带方便、造价低廉、操作简单等特点，可广泛用于各种生物材料低温保存的程序降温与复温。但是，该发明由于A/D转换器和D/A转换器的量化误差导致控制温度不准确，不适应对温度敏感的生物样品的控速制冷，并且只控制温度，没有控制速度、难以适应某些生物样品的控速冷却。

例如【专利号】CN201120236043，【名称】生物样品保存装置，【公告号】CN202158982U，该实用新型提供了一种生物样品保存装置，包括保存处理箱、温度传感器、单片机、继电器电路和电源，保存处理箱包括样品台、样品离心管、帕尔帖片、金属散热片和散热风扇。帕尔帖片的一面与样品台的底面粘连在一起，另一面与有金属散热片的上表面粘连在一起。散热风扇固定在金属散热片的下方。样品离心管和温度传感器安装在样品台的孔槽中。温度传感器采集的温度数据传递给单片机，经单片机比较后将帕尔帖片供电电源的通断信号和改变通过帕尔帖片电流方向的控制信号传输至与帕尔帖片相连的继电器电路。但是，该实用新型不能有效地控制生物样品冷却的速度和冷却范围,且风冷效率较水冷要低，难以实现快速制冷，特别是－40℃以下的快速制冷。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种控速半导体制冷器，能够通过控制电流或电压来控制温度降低的速度与范围，并能实现超级恒温水浴的作用。

为了实现上述目的，本发明专利采用的技术方案：

一种控速半导体制冷器，包括制冷系统、恒温水槽和控制电路，所述制冷系统包括制冷片、制冷腔和水冷板；所述制冷片由多对半导体热电偶连接而成，并且制冷片的冷面紧贴着制冷腔，制冷片的热面紧贴着水冷板；所述水冷板内部中空，且水冷板的外侧面设有水冷板进水口和水冷板出水口；所述水冷板进水口和水冷板出水口分别连接恒温水槽出水口和恒温水槽进水口；所述控制电路与制冷系统连接。

所述制冷腔材质为铜质、铝质等导热系数高的金属或导热系数高的复合材料和合金；以水冷板把制冷片的热传到冷却水或其它传热液体，使制冷腔快速不断散热、降温，利用制冷片产生的热，经水冷板吸收后，将热量传给水流或其它传热液体，用水泵泵出到恒温水槽，使制冷片热面的热量快速散发。

作为本发明的进一步说明，所述控制电路主要由单片机、稳压芯片、开关电源、三极管驱动、继电器和温度传感器组成；所述单片机通过稳压芯片与开关电源连接；所述继电器的开关触点串联在开关电源与制冷片的连接回路上；所述继电器的控制线圈经三极管驱动分别与单片机、稳压芯片相连接；所述温度传感器安装于制冷腔内并与单片机连接。

所述开关电源通过继电器控制制冷片的电流或电压，达到控制制冷速度和制冷温度范围的作用；所述温度传感器误差0.0625摄氏度，适应对温度变化敏感的的生物样品的实时监测，以致做到快速制冷。

作为本发明的进一步说明，所述单片机还连接有人机界面，所述人机界面上设有液晶显示屏和按键模块，能设定所需温度值并实时显示了设定温度值和当前的温度值，便于实时监控使用。

所述的按键模块上设有电源开关KEY1、用于预设温度值的KEY2和KEY3以及用于模式切换的KEY4，使操作更加方便。

作为本发明的进一步说明，所述制冷片至少两片，所述制冷片并联或串联或以串并结合的方式连接，同时从多个侧面用多个制冷片同时制冷，加大制冷功率；并联使用时，如果其中一片芯片坏了，剩余的芯片可继续运作；串联使用时，耗损小，节约成本。

作为本发明的进一步说明，所述制冷片的热面还设有热面温度传感器，所述的热面温度传感器与单片机连接，用于监测热面的温度，防止制冷片过热，导致超过其安全工作的最大承受温度。

作为本发明的进一步说明，所述恒温水槽内设有水槽温度传感器，所述水槽温度传感器与单片机连接，能迅速反馈恒温水槽的温度环境。

作为本发明的进一步说明，所述单片机还连接有超温报警系统，防止恒温水槽内温度过高，使温度达到用户所需要温度中小幅度徘徊，以此实现控温恒温水槽的功能。

作为本发明的进一步说明，所述制冷系统与恒温水槽间填充保温材料，所述保温材料为聚氨酯或其它保温材料，起到隔热的作用，以防环境温度的影响，实现超级恒温水浴的作用。

作为本发明的进一步说明，所述水冷板进水口通过水泵与恒温水槽出水口连接，便于水流或其它传热液体的流动以达到超级恒温水浴的效果。

工作原理：制冷器接通电源，单片机、液晶显示屏开始运行，但未制冷，按下按键模块的KEY1时制冷片才工作制冷，制冷片从多个侧面同时开始工作制冷，再次按下则停止制冷。通过人机界面预先设定某一指定温度，同时可通过KEY2和KEY3增减预设温度，其中KEY2是设定温度增加值，KEY3是设定减少温度值。当温度在可控速度下降的过程中，安装于制冷腔内的温度传感器采集制冷腔的温度反馈给单片机，单片机把温度信息送达液晶显示屏，实时显示制冷腔内温度。当温度下降到该设定值时，通过单片机控制制冷电路，控制制冷片停止制冷。当温度略高于设定值时，温度传感器把温度信息反馈到单片机，单片机控制制冷电路使制冷片重新制冷，达到精确控制温度的目的。当温度接近设定值时，通过开关电源控制调整制冷速度和温度范围，使制冷器缓慢制冷并与环境导致的升温达到平衡，实现精确控温。

同时，利用制冷片产生的热，经水冷板吸收后，将热量传给水流，并通过水泵从水冷板进水口进入水冷板，从水冷板出水口流出，流入恒温水槽；恒温水槽的水经过恒温水槽出水口通过水泵流入水冷板，以此循环；通过开关电源控制通过水泵的电流或电压控制泵出水的流量从而控制热量到恒温水槽，水槽内设有温度传感器，能及时在液晶显示屏上显示水槽内温度，并在控制电路上设有超温报警系统，使温度达到用户所需要温度中小幅度徘徊，以此实现控温恒温水槽的功能。

按键模块KEY4具有三种温度设定模式之间的相互切换的功能。第一种模式是设定制冷腔内部的当前温度高于预设温度时，制冷片继续工作制冷；当制冷腔内部的当前温度低于预设温度时，制冷片停止制冷。第二种模式是设定制冷片热面的当前温度高于制冷片热面预设温度时，为防止制冷片过热，超过其安全工作的最大承受温度，热面温度传感器把制冷片热面的温度信息反馈到单片机，单片机控制报警系统发出声响指示，并切断制冷电路，制冷片停止工作，保证制冷片的安全运行；当制冷片热面的当前温度低于制冷片热面预设温度时，制冷片继续工作。第三种模式是设定恒温水槽的当前温度高于恒温水槽的预设温度时，制冷片停止工作；当恒温水槽的当前温度低于恒温水槽的预设温度时，制冷片继续工作。通过KEY4按键轮流切换三种模式：在第一种模式下，按下KEY4键，就切换成第二种模式，并在液晶屏上显示当前模式，再次按下KEY4键，则切换成第三种模式，并在液晶屏上显示当前模式。再次按下KEY4键，就返回第一种模式。人机界面上液晶显示屏能分别显示出制冷腔、制冷片热面以及恒温水槽的预设温度和当前温度。

本发明的优点：

1.本发明能快速冷冻生物样品到其共晶点以下适当温度，得到适度数量颗粒的冰晶，具有较大的比表面积，生物样品组织破坏小，有利于第二阶段除去存在于结晶物表面或无定形固相内部的结合水，使干燥更加迅速。

2.本发明除用数字稳压电源驱动外，还可用常用的汽车电瓶驱动制冷，可实现野外作业。

3.本发明采用多级制冷片与水冷相结合的办法，可以智能化使温度快速下降到某一设定值，适应对温度变化敏感的的生物样品的控速制冷，能快速（控速）地把生物样品冷冻到其共晶点以下适当温度。

4.本发明具有液晶屏显示功能，实时显示了设定温度值和当前的温度值，便于实时监控。

5.本发明可控制通过水泵的电流控制泵出水的流量从而控制热量到恒温水槽，使温度达到用户所需要温度中小幅度徘徊，以此实现控温恒温水槽的功能。

6.本发明的按键模块使制冷器的使用更加的安全与方便。

附图说明

图1是本发明制冷器示意图。

图2是本发明制冷系统示意图。

图3是本发明工作电路框图。

图4是本发明按键模块按键电路图。

图中：1- 制冷系统；2-恒温水槽；3-水冷板进水口；4-恒温水槽出水口；5-水冷板出水口；6-恒温水槽进水口；7-温度传感器；8-热面温度传感器；9-水槽温度传感器；10-人机界面；11-液晶显示屏；12-按键模块；13-水泵；14-制冷片；15-制冷腔；16-水冷板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但是本发明的保护范围不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

本实施例包括制冷系统1、恒温水槽2和控制电路，所述制冷系统1包括制冷片14、制冷腔15和水冷板16；所述制冷片14由多对半导体热电偶连接而成，制冷片14的热面紧贴着水冷板16；所述水冷板16内部中空，且水冷板16的外侧面设有水冷板进水口3和水冷板出水口5；所述水冷板进水口3和水冷板出水口5分别连接恒温水槽出水口4和恒温水槽进水口6；所述控制电路与制冷系统1连接。

所述控制电路主要由单片机、稳压芯片、开关电源、三极管驱动、继电器以及温度传感器7组成；所述单片机通过稳压芯片与开关电源连接；所述继电器的开关触点串联在开关电源与制冷片14的连接回路上；所述继电器的控制线圈经三极管驱动分别与单片机、稳压芯片相连接；所述温度传感器7安装于制冷腔15内并与单片机连接。所述单片机还连接有人机界面10，所述人机界面10上设有液晶显示屏11和按键模块12。所述的按键模块12上设有电源开关KEY1、用于预设温度值的KEY2和KEY3以及用于模式切换的KEY4。所述制冷片14至少两片，所述制冷片14并联或串联或以串并结合的方式连接。所述单片机还连接有超温报警系统；所述制冷系统1与恒温水槽2间填充聚氨酯或其它保温材料；所述水冷板进水口3通过水泵13与恒温水槽出水口4连接。

实施例2

与实施例1的不同之处在于：所述制冷片13的热面还设有温度传感器8，并与单片机连接；用于监测热面的温度，防止制冷片过热，导致超过其安全工作的最大承受温度。

实施例3

与实施例2的不同之处在于：所述恒温水槽2内设有水槽温度传感器9，并与单片机连接，使其能迅速反馈恒温水槽的温度环境。

上述实施例的工作原理：

制冷器接通电源，单片机、液晶显示屏开始运行，但未制冷，按下按键模块12的KEY1时制冷片14才工作制冷，制冷片14从多个侧面同时开始工作制冷，再次按下则停止制冷。通过人机界面10预先设定某一指定温度，同时可通过KEY2和KEY3增减预设温度，其中KEY2是设定温度增加值，KEY3是设定减少温度值。当温度在可控速度下降的过程中，安装于制冷腔15内的温度传感器7采集制冷腔15的温度反馈给单片机，单片机把温度信息送达液晶显示屏11，实时显示制冷腔15内温度。当温度下降到该设定值时，通过单片机控制制冷电路，来抑制制冷片14停止制冷。当温度略高于设定值时，温度传感器7把温度信息反馈到单片机，单片机控制制冷电路使制冷片14重新制冷，达到精确控制温度的目的。当温度接近设定值时，通过开关电源控制调整制冷速度和温度范围，使制冷器缓慢制冷并与环境导致的升温达到平衡，实现精确控温。

同时，利用制冷片14产生的热，经水冷板16吸收后，将热量传给水流，并通过水泵13从水冷板进水口3进入水冷板16，从水冷板出水口5流出，流入恒温水槽2；恒温水槽2的水经过恒温水槽出水口4通过水泵13流入水冷板16，以此循环；可控制通过水泵13的电流或电压使泵出水的流量从而控制热量到恒温水槽2，水槽内设有水槽温度传感器9，并在控制电路上设有超温报警系统，使温度达到用户所需要温度中小幅度徘徊，以此实现控温恒温水槽的功能。

按键模块12KEY4具有三种温度设定模式之间的相互切换的功能。第一种模式是设定制冷腔15内部的当前温度高于预设温度时，制冷片14继续工作制冷；当制冷腔15内部的当前温度低于预设温度时，制冷片14停止制冷。第二种模式是设定制冷片14热面的当前温度高于制冷片热面预设温度时，为防止制冷片14过热，超过其安全工作的最大承受温度，热面温度传感器8把制冷片14热面的温度信息反馈到单片机，单片机控制报警系统发出声响指示，并切断制冷电路，制冷片14停止工作，保证制冷片14的安全运行；当制冷片14热面的当前温度低于制冷片热面预设温度时，制冷片继续工作。第三种模式是设定恒温水槽2的当前温度高于恒温水槽2的预设温度时，制冷片14停止工作；当恒温水槽2的当前温度低于恒温水槽2的预设温度时，制冷片14继续工作。通过KEY4按键轮流切换三种模式:在第一种模式下，按下KEY4键，就切换成第二种模式，并在液晶显示屏11上显示当前模式，再次按下KEY4键，则切换成第三种模式，并在液晶显示屏11上显示当前模式。再次按下KEY4键，就返回第一种模式。人机界面10上液晶显示屏11能分别显示出制冷腔15、制冷片14热面以及恒温水槽2的预设温度和当前温度。

Claims (10)

1.一种控速半导体制冷器，包括制冷系统（1）、恒温水槽（2）和控制电路，所述制冷系统（1）包括制冷片（14）、制冷腔（15）和水冷板（16）；所述制冷片（14）由多对半导体热电偶连接而成；其特征在于：所述制冷片（14）的冷面紧贴着制冷腔（15），制冷片（14）的热面紧贴着水冷板（16）；所述水冷板（16）内部中空，且水冷板（16）的外侧面设有水冷板进水口（3）和水冷板出水口（5）；所述水冷板进水口（3）和水冷板出水口（5）分别连接恒温水槽出水口（4）和恒温水槽进水口（6）；所述控制电路与制冷系统（1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种控速半导体制冷器，其特征在于：所述控制电路主要由单片机、稳压芯片、开关电源、三极管驱动、继电器以及温度传感器（7）组成；所述单片机通过稳压芯片与开关电源连接；所述继电器的开关触点串联在开关电源与制冷片（14）的连接回路上；所述继电器的控制线圈经三极管驱动分别与单片机、稳压芯片相连接；所述温度传感器（7）安装于制冷腔（15）内并与单片机连接。

3.根据权利要求2所述的一种控速半导体制冷器，其特征在于：所述单片机还连接有人机界面（10），所述人机界面（10）上设有液晶显示屏（11）和按键模块（12）。

4.根据权利要求3所述的一种控速半导体制冷器，其特征在于：所述的按键模块（12）上设有电源开关KEY1、用于预设温度值的KEY2和KEY3以及用于模式切换的KEY4。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种控速半导体制冷器，其特征在于：所述制冷片（14）至少两片；所述制冷片（14）并联或串联或以串并结合的方式连接。

6.根据权利要求5所述的一种控速半导体制冷器，其特征在于：所述制冷片（14）的热面还设有热面温度传感器（8）；所述的热面温度传感器（8）与单片机连接。

7.根据权利要求6所述的一种控速半导体制冷器，其特征在于：所述恒温水槽（2）内设有水槽温度传感器（9）；所述的水槽温度传感器（9）与单片机连接。

8.根据权利要求6或7所述的一种控速半导体制冷器，其特征在于：所述单片机还连接有超温报警系统。

9.根据权利要求8所述的一种控速半导体制冷器，其特征在于：所述制冷系统（1）与恒温水槽（2）间填充保温材料。

10.根据权利要求9所述的一种控速半导体制冷器，其特征在于：所述水冷板进水口（3）通过水泵（13）与恒温水槽出水口（4）连接。