CN104029921A - 微型恒温箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物、临床医学检验及化学分析中的恒温保存装置，公开了一种微型恒温箱。本发明中，在微型恒温箱内采用金属浴核心在恒温箱箱体内形成稳定均匀的温度场，并在金属浴核心上预留用于安放生物疫苗样品保存管的孔，并且孔的形状和尺寸与生物疫苗样品保存管的形状和尺寸相适应，在恒温过程中，直接对金属浴核心进行加热或者制冷，使得恒温过程较快；此外，需要保存的样品被金属浴核心包围，而金属浴核心形成的温度场是稳定均匀的，因此使得恒温箱箱体内生物疫苗样品保存管所处位置的温度稳定均匀。

Description

微型恒温箱

技术领域

本发明涉及生物、临床医学检验及化学分析中的恒温保存装置，特别涉及一种智能生物疫苗样品恒温保存箱。

背景技术

恒温箱广泛应用于制药、育苗、食品保鲜等领域，目前有部分医用恒温箱利用氟利昂制冷，温控器控制，其设备结构复杂、机构较大，且成本较高，尤其是在使用恒温空间较小时使用很不方便。另一部分市场上以及业界采用的恒温箱体积过大，只能制热，制冷需要依靠外界环境进行热量扩散，这样制冷的下限就是环境温度，完全无法满足高端疫苗以及诸多生物样品的保存在较低温度甚至零度以下的要求。此外，目前高端生物疫苗以及样品储存中还存在诸多难题，比如箱体体积大，功耗高，箱体内温度不稳定不均匀，制冷制热效率低，恒温过程缓慢等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型恒温箱，使得恒温箱箱体内的温度稳定均匀。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种微型恒温箱，包含：金属浴核心；所述金属浴核心上留有用于安放生物疫苗样品保存管的孔，所述孔的形状和尺寸与所述生物疫苗样品保存管的形状和尺寸相适应。

本发明实施方式相对于现有技术而言，在微型恒温箱内采用金属浴核心在恒温箱箱体内形成稳定均匀的温度场，并在金属浴核心上预留用于安放生物疫苗样品保存管的孔，并且孔的形状和尺寸与生物疫苗样品保存管的形状和尺寸相适应，在恒温过程中，直接对金属浴核心进行加热或者制冷，使得恒温过程较快；此外，需要保存的样品被金属浴核心包围，而金属浴核心形成的温度场是稳定均匀的，因此使得恒温箱箱体内生物疫苗样品保存管所处位置的温度稳定均匀。

另外，所述金属浴核心是圆柱形的；所述用于安放生物疫苗样品保存管的孔有N+1个，其中1个孔位于所述圆柱形的金属浴核心的中心位置，其余N个孔围绕着中心位置的孔在圆周上均匀排列，这种排列方式进一步保证了恒温箱箱体内温度分布均匀。

另外，所述用于安放生物疫苗样品保存管的孔的孔径比所述生物疫苗样品保存管相应部位的直径大0.2至0.5毫米。这一金属浴核心与生物疫苗样品保存管之间的间隔进一步保证了生物疫苗样品保存管所处环境的温度稳定均匀。

另外，所述微型恒温箱还包含：与所述金属浴核心连接的温度控制系统；

所述温度控制系统包含温度传感器、半导体制冷片、加热管、电子器件部分；所述温度传感器、所述半导体制冷片和所述加热管分别与所述电子器件部分连接；所述温度传感器位于所述金属浴核心下部，所述孔底水平高度，三个孔之间，用于探测所述金属浴核心的温度；所述加热管位于所述金属浴核心顶部设有两个互相连通的环形槽；所述半导体制冷片嵌入所述金属浴核心的底部；

所述电子器件部分根据所述温度传感器探测到的温度，输出控制信号，对所述金属浴核心进行制冷，或者通过所述加热管对所述金属浴核心进行加热。

只需设定目标温度，温度控制系统根据探测得到的金属浴核心的温度，对金属浴核心进行制冷或者加热，直到金属浴核心的温度恒定于设定的目标温度，可实现恒温箱的自动恒温。

另外，所述电子器件部分还包含：微处理器、半导体制冷片驱动电路和加热管驱动电路；所述微处理器通过所述半导体制冷片驱动电路与所述半导体制冷片连接，通过所述加热管驱动电路与所述加热管连接；

所述微处理器根据所述温度传感器探测到的所述金属浴核心的温度、预先设定的目标温度，采用比例-积分-微分PID算法计算得到制冷或者加热的控制信号，驱动所述半导体制冷片制冷，或者驱动所述加热管加热；其中，所述半导体制冷片和所述加热管在同一时间只有一方恒定工作。

采用PID算法计算制冷或者加热的控制信号，可实现探测温度与目标温度偏差较大时的快速调整，以及偏差较小时的精细调整，同时保证恒温过程的快速性和恒温温度的精确性。

另外，还包含保温层，所述金属浴核心包裹在所述保温层内；

其中，所述金属浴核心上部的保温层位于可装卸的保温盖内，保温层内预留一定空间，保证生物疫苗样品保存管的安置；

所述金属浴核心底部的保温层位于可装卸的保温底盘上；旋下底部保温底盘，用打火机或热水浴直接加热底部裸露的金属浴核心，使金属浴核心预热到一定的温度，再启动电子器件部分；或者，直接用冰块敷设在底部裸露的金属浴核心进行制冷，使金属浴核心冷却到一定的温度，再启动电子器件部分。

通过保温层隔离金属浴核心与外界环境，可以使金属浴核心完全处于良好的低耗能保温状态；通过外部加热或制冷将恒温箱预热或者冷却到一定温度后，再启动电子保温功能，可以快速进入保温状态。

另外，所述电子器件部分安置于所述保温盖上，所述保温盖上设有触点将所述温度传感器、所述加热管和所述半导体制冷片与保温盖上的所述电子器件部分分别连接。通过触点连接可以使接触电阻小，提高电连接的可靠性。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的微型恒温箱的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的微型恒温箱的剖面示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的微型恒温箱的温度控制系统示意图；

图4是根据本发明第二实施方式的微型恒温箱的温度控制系统中的H桥驱动电路示意图；

图5是根据本发明第二实施方式的微型恒温箱的温度控制系统的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种微型恒温箱，该恒温箱采用铜质或铝质核心模块作为金属浴核心，需要保存的样品放置在金属浴核心上预留的孔内，在恒温过程中，直接对金属浴核心进行加热或者制冷，使得恒温过程较快；此外，需要保存的样品被金属浴核心包围，而金属浴核心形成的温度场是稳定均匀的，因此使得恒温箱箱体内生物疫苗样品保存管所处位置的温度稳定均匀。

具体地说，如图1和图2所示，恒温箱由内向外依次为金属浴核心101、保温层102、外壳103。金属浴核心101上留有用于安放生物疫苗样品保存管204的孔104，该孔104的形状和尺寸与生物疫苗样品保存管的形状和尺寸相适应，如图2所示。金属浴核心可以设计成圆柱形，用于安放生物疫苗样品保存管的孔有N+1个，其中1个孔位于圆柱形的金属浴核心的中心位置，其余N个孔围绕着中心位置的孔在圆周上均匀排列，这种排列方式进一步保证了恒温箱箱体内温度分布均匀。比如图1中，微型恒温箱一次可以对7只用于保存生物疫苗的聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，简称“PCR”）管进行控温，PCR管呈六角形排列，那么在金属浴核心上按PCR管的尺寸留有7个尖底孔，一个位于中心位置，其余6个围绕中心位置的孔在圆周上均匀排列。

此外，孔径比生物疫苗样品保存管相应部位的直径大0.2至0.5毫米，孔深为15至16mm。这一金属浴核心与生物疫苗样品保存管之间的间隔进一步保证了生物疫苗样品保存管所处环境的温度稳定均匀。一方面，如果金属浴核心与生物疫苗样品保存管之间的间隔过大，会导致金属浴核心形成的温度场与安放生物疫苗样品保存管的孔内形成的温度场不一致，从而导致生物疫苗样品保存管的实际保存温度与金属浴核心的温度不一致；另一方面，如果金属浴核心与生物疫苗样品保存管之间的间隔过小，会导致因生物疫苗样品保存管的热胀冷缩而取放不便。

此外，值得说明的是，微型恒温箱还包含保温层，金属浴核心包裹在保温层内，保温层可以采用石棉、泡沫塑料中的一种或叠层作为保温材料。金属浴核心上部的保温层102′位于可装卸的保温盖202内，保温层内预留一定空间，保证生物疫苗样品保存管的安置，在PCR管放入后上紧保温盖保证整个模块完全处于良好的低耗能保温状态。金属浴核心底部的保温层102〞位于可装卸的保温底盘203上；旋下底部保温底盘，用打火机或热水浴直接加热底部裸露的金属浴核心，使金属浴核心预热到一定的温度，再启动电子器件部分。同理，也可以直接用冰块敷设在底部裸露的金属浴核心进行制冷，使金属浴核心冷却到一定的温度，再启动电子器件部分。通过外部加热或制冷将恒温箱预热或者冷却到一定温度后，再启动电子保温功能，可以快速进入保温状态。

本发明的第二实施方式涉及一种微型恒温箱。第二实施方式在第一实施方式基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，微型恒温箱还包含与金属浴核心连接的温度控制系统，只需设定目标温度，该温度控制系统根据探测得到的金属浴核心的温度，对金属浴核心进行制冷或者加热，直到金属浴核心的温度恒定于设定的目标温度，可实现恒温箱的自动恒温。

具体地说，温度控制系统包含温度传感器105、半导体制冷片（未图示）、加热管106、电子器件部分；温度传感器、半导体制冷片和加热管分别与电子器件部分连接，如图3所示。

温度传感器位于金属浴核心下部，孔底水平高度，三个孔之间，用于探测金属浴核心的温度；加热管位于金属浴核心顶部设有两个互相连通的环形槽；半导体制冷片嵌入金属浴核心的底部。也就是说，在金属浴核心模块下部靠孔底高度，从PCR管孔间设计了一温度传感器探头孔，探头伸及三只PCR管孔之间；在金属浴模块顶部开大小两个环形槽，并相互连通，安置了微型环状加热管，加热管上部再用一块金属片盖住，用螺丝固定在下部金属浴模块上。如果微型电热器损坏，可用螺丝拆卸下该金属片进行更换维修。

电子器件部分根据温度传感器探测到的温度，输出控制信号，通过半导体制冷片对金属浴核心进行制冷，或者通过加热管对金属浴核心进行加热。本实施方式的恒温箱既可制冷，又可加热，不受环境温度的限制，实现恒温器所允许温度范围内任意温度的恒温，满足高端疫苗以及诸多生物样品的保存在较低温度甚至零度以下的要求。

此外，电子器件部分还包含：微处理器、半导体制冷片驱动电路和加热管驱动电路；微处理器通过半导体制冷片驱动电路与半导体制冷片连接，通过加热管驱动电路与加热管连接。在实际应用中，半导体制冷片驱动电路和加热管驱动电路可以采用H桥功率放大驱动电路，具体地可以采用N沟道MOS管设计全H桥驱动电路，如图4所示。

微处理器根据温度传感器探测到的金属浴核心的温度、预先设定的目标温度，采用比例-积分-微分PID算法计算得到制冷或者加热的控制信号，驱动半导体制冷片制冷，或者驱动加热管加热；其中，半导体制冷片和加热管在同一时间只有一方恒定工作。也就是说，制冷和制热分开，制冷采用TEC半导体制冷片，制冷时产生的热量需要排散去,而制热采用加热管来达到，制冷和制热一般都在稳定的情况下只有一方在恒定工作，不宜高速频繁的切换。

此外，值得一提的是，本实施方式可以采用电池，为微型恒温箱的电子器件部分提供电源。本实施方式还设计了一个外部交流电源转换器和一个车载电源（12V直流）转换器，用于电池的充电和外部供电保温。

而且，为了方便恒温箱的使用，还可以设计一个液晶显示界面和一组按键，比如说，液晶显示采用12864带中文字库液晶屏幕，显示4行，包含：目标温度、当前环境温度、时间、步进时间。一组按键包含4个按键或者5个按键，有温度和时间的增加（+）和减少（-），设置好后还可以保存，可以取消，并且用24C02保存设置的参数，避免每次开机重设。按键按下时还可以有蜂鸣器提示。

此外，值得说明的是，电子器件部分、电池和显示器件安置于保温盖上，如图2所示，用可靠的触点将金属浴的温度传感器、加热管和半导体制冷片与保温盖上的电子器件部分分别连接，通过触点连接可以使接触电阻小，提高电连接的可靠性。在保温盖装上后电路连通，即可以显示金属浴的温度。在保温盖上的安装方式可制成圆筒状微型温控器，设计了可靠的四个触点，这点如同手机电池的触点。

本实施方式的恒温箱的保温操作程序是：安置PCR管——盖上保温盖——打开电子控制电路——设置目标温度——电子器件部分工作——开始保温，电子器件部分的工作流程如图5所示。由于本实施方式采用高性能微处理器，通过智能算法（PID)，控制加热、制冷，使某个体积内的温度恒定于设定好的温度，从而达到恒温的目的。因此，可以设定需要的目标温度，然后通过温度传感器检测恒温箱内温度，以PID算法与环境温度和目标温度进行计算，微控制器控制加热或者制冷使能，微控制器输出2路使能信号，2路脉宽调制（PWM）信号，其中一路使能信号用于选择加热管驱动电路，使加热管对金属浴核心加热；另一路使能信号用于选择半导体制冷片驱动电路，使半导体制冷片对金属浴核心制冷；一路PWM信号用于控制加热时间，此时间根据PID算法得出并且控制，另一路PWM信号用于控制制冷时间，同理也是由PID算法得出。其中驱动加热管和制冷片的电路采用H桥，全桥结构。通过控制使能方向控制加热或者制冷，通过控制PWM信号从而控制加热或者制冷的时间，从而达到恒温的效果。

并且采用液晶显示来显示当前的温度状态，以及配合按键设定目标温度，以及比例系数P、积分时间I、微分时间D这些参数，则可以设定时间的步进量，比如，最小步进为30s，那么可以按照30s的整数倍步进量加；同时温度也有最小的步进量，取0.5℃为最小步进量，可以按照0.5℃整数倍加温度。比如目标温度设定为:10℃，此时环境温度为20℃，则可以设定制冷时间T=300s，从而在5分钟内温度就可恒定于10℃，按照要求的精度实现温度的恒定，以此类推，可选其他的方式来设置，从而达到按照时间来维持恒温的目的。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种微型恒温箱，其特征在于，包含：金属浴核心；所述金属浴核心上留有用于安放生物疫苗样品保存管的孔，所述孔的形状和尺寸与所述生物疫苗样品保存管的形状和尺寸相适应。

2.根据权利要求1所述的微型恒温箱，其特征在于，所述金属浴核心是圆柱形的；

所述用于安放生物疫苗样品保存管的孔有N+1个，其中1个孔位于所述圆柱形的金属浴核心的中心位置，其余N个孔围绕着中心位置的孔在圆周上均匀排列。

3.根据权利要求1所述的微型恒温箱，其特征在于，所述用于安放生物疫苗样品保存管的孔的孔径比所述生物疫苗样品保存管相应部位的直径大0.2至0.5毫米。

4.根据权利要求1所述的微型恒温箱，其特征在于，还包含：与所述金属浴核心连接的温度控制系统；

所述温度控制系统包含温度传感器、半导体制冷片、加热管、电子器件部分；

所述温度传感器、所述半导体制冷片和所述加热管分别与所述电子器件部分连接；所述温度传感器位于所述金属浴核心下部，所述孔底水平高度，三个孔之间，用于探测所述金属浴核心的温度；

所述加热管位于所述金属浴核心顶部设有两个互相连通的环形槽；

所述半导体制冷片嵌入所述金属浴核心的底部；

所述电子器件部分根据所述温度传感器探测到的温度，输出控制信号，通过所述半导体制冷片对所述金属浴核心进行制冷，或者通过所述加热管对 所述金属浴核心进行加热。

5.根据权利要求4所述的微型恒温箱，其特征在于，所述电子器件部分还包含：微处理器、半导体制冷片驱动电路和加热管驱动电路；所述微处理器通过所述半导体制冷片驱动电路与所述半导体制冷片连接，通过所述加热管驱动电路与所述加热管连接；

所述微处理器根据所述温度传感器探测到的所述金属浴核心的温度、预先设定的目标温度，采用比例-积分-微分PID算法计算得到制冷或者加热的控制信号，驱动所述半导体制冷片制冷，或者驱动所述加热管加热；其中，所述半导体制冷片和所述加热管在同一时间只有一方恒定工作。

6.根据权利要求4所述的微型恒温箱，其特征在于，所述电子器件部分还包含：电池，用于为所述微型恒温箱提供电源。

7.根据权利要求6所述的微型恒温箱，其特征在于，所述电子器件部分还包含：一个外部交流电源转换器和一个车载电源转换器，用于电池的充电和外部供电保温。

8.根据权利要求4所述的微型恒温箱，其特征在于，还包含保温层，所述金属浴核心包裹在所述保温层内；

其中，所述金属浴核心上部的保温层位于可装卸的保温盖内，保温层内预留一定空间，保证生物疫苗样品保存管的安置；

所述金属浴核心底部的保温层位于可装卸的保温底盘上；旋下底部保温底盘，用打火机或热水浴直接加热底部裸露的金属浴核心，使金属浴核心预热到一定的温度，再启动电子器件部分；或者，直接用冰块敷设在底部裸露的金属浴核心进行制冷，使金属浴核心冷却到一定的温度，再启动电子器件部分。

9.根据权利要求8所述的微型恒温箱，其特征在于，所述电子器件部分安置于所述保温盖上，所述保温盖上设有触点将所述温度传感器、所述加 热管和所述半导体制冷片与保温盖上的所述电子器件部分分别连接。