CN108105945A - 一种生物3d打印机封闭环境的湿度控制系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统。一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其中，包括中央控制器，设在3D打印机封闭成型室内的湿度传感器、温度传感器、吸附式除湿模块和冷凝式除湿模块，用于给3D打印机封闭成型室加湿的加湿系统，以及用于给所述加湿系统提供水源及收集所述冷凝式除湿模块产生的冷凝水的储液罐，所述湿度传感器、温度传感器、吸附式除湿模块、冷凝式除湿模块以及加湿系统均与所述中央控制器电连接。本发明还提供一种上述生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统的工作方法。本发明提供的湿度控制系统受外界环境影响较小且能够长时间维持湿度恒定。

Description

一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及3D打印设备技术领域，更具体地，涉及一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统及其工作方法。
背景技术
适用于生物3D打印的打印机成型室环境除了对温度有严格要求，为了维持细胞的活性以及保持生物材料的良好特性还需要对成型室密闭环境进行湿度控制。用于细胞培养的二氧化碳培养箱湿度接近95%，是培养细胞比较理想的湿度环境，但是3D打印的设备部件不适用于如此高湿度的环境下使用，因此需要权衡二者之间的湿度值，兼顾其使用环境湿度。传统湿度控制方法多采用制冷的方式使得环境中的水蒸气冷凝成水滴然后排出，此方法多见于家用空调。然而该方法强烈依靠温度相变，在冷凝的同时也会导致被控环境温度的变化，在打印某些常温成型材料或者控制温度接近室温时，冷凝式除湿方法失效。
在传统的湿度控制方法中，对于加湿过程，所需要的水只能通过人工加水的方式添加，并且在除湿过程中，冷凝水被直接排放到外界环境中。这样的一个开放系统很容易受到外界环境湿度的影响。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统。本发明提供的湿度控制系统受外界环境影响较小且能够长时间维持湿度恒定。
本发明的另一个目的是提供一种上述生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统的工作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其中，包括中央控制器，设在3D打印机封闭成型室内的湿度传感器、温度传感器、吸附式除湿模块和冷凝式除湿模块，以及用于给3D打印机封闭成型室加湿的加湿系统所述湿度传感器、温度传感器、吸附式除湿模块、冷凝式除湿模块以及加湿系统均与所述中央控制器电连接。由于本发明的湿度控制系统中设置了吸附式除湿模块和冷凝式除湿模块，两个除湿模块既可以同时工作又可以各自独立工作。当3D打印机封闭成型室内需要制冷时，采用冷凝式除湿法，除湿的同时又可以协助成型室制冷。当3D打印机封闭成型室不需要制冷或者3D打印机封闭成型室温度需要维持在不满足冷凝现象发生温度时，除湿过程采用吸附式除湿法，这样就不会引起3D打印机封闭成型室内已达到目标温度的变化，也就不会额外增加温控系统的负担。
进一步的，所述加湿系统包括雾化池、设在所述雾化池内的超声换能器以及设在所述雾化池内用于检测雾化池内的液面与所述超声换能器之间的距离的第一液位传感器，所述超声换能器和第一液位传感器均与所述中央控制器电连接，所述雾化池通过空气流道与3D打印机封闭成型室连通，所述空气流道靠近雾化池的一端设有风扇。3D打印机封闭成型室内需要增加湿度时，超声换能器激发雾化池产生水雾，水雾在风扇的推动下沿空气流道进入3D打印机封闭成型室内，使得3D打印机封闭成型室内的湿度达到目标值。本发明利用超声波换能器超声雾化的原理对3D打印机封闭成型室内的环境补充水蒸气以达到目标湿度值，这就避免了采用制热获得水蒸气的方式会导致3D打印机封闭成型室内的环境温度升高的问题。
进一步的，所述空气流道上设有紫外灭菌装置。本发明中，在利用超声波换能器进行湿度补充时，超声波换能器激发的水雾通过风扇从雾化池被源源不断的带入到3D打印机封闭成型室中，产生雾化水蒸气的水混合了人工补充的水以及冷凝式除湿产生的冷凝水，这两部分水的水质在不断使用中无法保证其水质是无毒无菌的，带有细菌的水蒸气进入到成型室中会造成打印材料的污染甚至细胞的死亡，因此，本发明在雾化水蒸气进入到成型室之前采用紫外灭菌装置进行了紫外灭菌处理来避免这一问题。
进一步的，所述湿度控制系统还包括用于给所述加湿系统提供水源及收集所述冷凝式除湿模块产生的冷凝水的储液罐。
进一步的，所述雾化池通过第一管道与所述储液罐连通，所述第一管道上设有通断阀，雾化池中需要补充水时，中央控制器就控制通断阀打开，储液罐向雾化池中补充水；雾化池中不需要补充水时，通断阀处于关闭状态。
进一步的，所述冷凝式除湿模块通过第二管道与所述储液罐连通。冷凝式除湿模块工作时产生的冷凝水通过第二管道进入到储液罐中被收集起来再利用。这样，就把冷凝式除湿模块与储液罐进行了系统关联，利用冷凝式除湿获得的冷凝水被收集并被回流至储液罐，当需要增加湿度时，这部分冷凝水又可以再次被利用并通过超声波换能器行成水蒸气，如此循环往复从而减少了人工加水的频率。
进一步的，所述储液罐内设有第二液位传感器，所述第二液位传感器与所述中央控制器电连接，所述中央控制器上设有补液报警器。当第二液位传感器检测到储液罐内的水位过低时，则会将该信息反馈给中央控制器，中央控制器触发补液报警器，可提醒操作人员进行人工加水。
本发明还提供一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统的工作方法，其中，包括如下步骤：
S1. 给该湿度控制系统供电，中央控制器通过湿度传感器和温度传感器收集3D打印机封闭成型室内的湿度值和温度值，并将收集到的湿度值与设定的目标湿度值进行对比，当收集到的湿度值低于设定的目标湿度值时则执行下述步骤S2，当收集到的湿度值高于设定的目标湿度值时则执行下述步骤S3；
S2. 中央控制器向超声换能器发出触发信号，超声换能器激发雾化池产生大量水雾，水雾通过风扇的推动沿空气流道向3D打印机封闭成型室内流动，经过紫外灭菌装置后的水雾进入3D打印机封闭成型室内并增加其湿度值至中央控制器通过湿度传感器收集到的湿度值等于设定的目标湿度值；
S3. 中央控制器将收集到的3D打印机封闭成型室内的温度值与设定的目标温度值进行对比，当收集到的温度值高于设定的目标温度值，且设定的目标温度值需要通过制冷获得并且在相同条件下满足水蒸气冷凝条件时，则执行下述步骤S4，否则执行下述步骤S5；
S4. 中央控制器触发冷凝式除湿模块工作，冷凝式除湿模块持续工作直至3D打印机封闭成型室内的湿度值达到设定的目标湿度值，在此过程中，冷凝式除湿模块产生的冷凝水通过第二管道被引流至储液罐进行收集和再次利用；
S5. 中央控制器触发吸附式除湿模块工作，吸附式除湿模块持续工作直至3D打印机封闭成型室内的湿度值达到设定的目标湿度值，吸附式除湿模块工作时无冷凝水回流，水蒸气直接被除湿剂吸附，除湿过程长期运行在该模式下需要定期更换除湿剂。
进一步的，所述步骤S2中，超声换能器工作的条件需要雾化池内的液面与超声换能器表面保持一定距离，当中央控制器触发超声换能器工作时，首先通过第一液位传感器捕获雾化池内的液面高度， 当液面高度满足时则触发超声换能器工作，否则，中央控制器首先触发通断阀，使得储液罐中的水不断补充到雾化池中，直至雾化池内的液面高度满足超声换能器工作的条件。
进一步的，所述步骤S5中，吸附式除湿模块持续工作时，3D打印机封闭成型室内的总水蒸气含量不断消耗，反应在储液罐上就是储液罐内的液位不断下降，为了避免系统中水蒸气储量过低，第二液位传感器实时检测储液罐的液位并实时反馈给中央控制器，当储液罐中液位过低时，中央控制器则会触发补液报警器，提醒操作人员及时加水。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的湿度控制系统中设置了吸附式除湿模块和冷凝式除湿模块，两个除湿模块既可以同时工作又可以各自独立工作。当3D打印机封闭成型室内需要制冷时，采用冷凝式除湿法，除湿的同时又可以协助成型室制冷。当3D打印机封闭成型室不需要制冷或者3D打印机封闭成型室温度需要维持在不满足冷凝现象发生温度时，除湿过程采用吸附式除湿法。两种除湿模式可以提高除湿效率，同时吸附式除湿可以避免引起打印室温度变化。
本发明采用超声波换能器激发雾化池中的水雾化的方式对3D打印机封闭成型室内进行加湿，起雾效率较传统加热式雾化更高，并且不引入热源；水雾流经的空气流道上设置了紫外灭菌装置，水雾经过紫外灭菌后进入3D打印机封闭成型室内可以避免对生物打印过程造成二次污染。
本发明在雾化池和储液罐内分别设置了第一液位传感器和第二液位传感器，使得雾化池的液面与超声换能器表面的距离可控，防止超声换能器干烧；储液罐中低水位时可以触发报警，提示添加补充水。
本发明的整个湿度控制系统处于封闭循环状态，受外界环境湿度的干扰较小。
附图说明
图1是本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1所示，一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其中，包括中央控制器1，设在3D打印机封闭成型室内的湿度传感器2、温度传感器、吸附式除湿模块3和冷凝式除湿模块4，用于给3D打印机封闭成型室加湿的加湿系统，以及用于给所述加湿系统提供水源及收集所述冷凝式除湿模块4产生的冷凝水的储液罐5，所述湿度传感器2、温度传感器、吸附式除湿模块3、冷凝式除湿模块4以及加湿系统均与所述中央控制器1电连接。由于本发明的湿度控制系统中设置了吸附式除湿模块3和冷凝式除湿模块4，两个除湿模块既可以同时工作又可以各自独立工作。当3D打印机封闭成型室内需要制冷时，采用冷凝式除湿法，除湿的同时又可以协助成型室制冷。当3D打印机封闭成型室不需要制冷或者3D打印机封闭成型室温度需要维持在不满足冷凝现象发生温度时，除湿过程采用吸附式除湿法，这样就不会引起3D打印机封闭成型室内已达到目标温度的变化，也就不会额外增加温控系统的负担。
如图1所示，所述加湿系统包括雾化池6、设在所述雾化池6内的超声换能器7以及设在所述雾化池6内用于检测雾化池6内的液面与所述超声换能器7之间的距离的第一液位传感器8，所述超声换能器7和第一液位传感器8均与所述中央控制器1电连接，所述雾化池6通过空气流道与3D打印机封闭成型室连通，所述空气流道靠近雾化池6的一端设有风扇。3D打印机封闭成型室内需要增加湿度时，超声换能器7激发雾化池6产生水雾，水雾在风扇的推动下沿空气流道进入3D打印机封闭成型室内，使得3D打印机封闭成型室内的湿度达到目标值。本发明利用超声波换能器超声雾化的原理对3D打印机封闭成型室内的环境补充水蒸气以达到目标湿度值，这就避免了采用制热获得水蒸气的方式会导致3D打印机封闭成型室内的环境温度升高的问题。
如图1所示，所述空气流道上设有紫外灭菌装置12。本发明中，在利用超声波换能器进行湿度补充时，超声波换能器激发的水雾通过风扇从雾化池6被源源不断的带入到3D打印机封闭成型室中，产生雾化水蒸气的水混合了人工补充的水以及冷凝式除湿产生的冷凝水，这两部分水的水质在不断使用中无法保证其水质是无毒无菌的，带有细菌的水蒸气进入到成型室中会造成打印材料的污染甚至细胞的死亡，因此，本发明在雾化水蒸气进入到成型室之前采用紫外灭菌装置12进行了紫外灭菌处理来避免这一问题。
如图1所示，所述雾化池6通过第一管道与所述储液罐5连通，所述第一管道上设有通断阀11，雾化池6中需要补充水时，中央控制器1就控制通断阀11打开，储液罐5向雾化池6中补充水；雾化池6中不需要补充水时，通断阀11处于关闭状态。
如图1所示，所述冷凝式除湿模块4通过第二管道与所述储液罐5连通。冷凝式除湿模块4工作时产生的冷凝水通过第二管道进入到储液罐5中被收集起来再利用。这样，就把冷凝式除湿模块4与储液罐5进行了系统关联，利用冷凝式除湿获得的冷凝水被收集并被回流至储液罐5，当需要增加湿度时，这部分冷凝水又可以再次被利用并通过超声波换能器行成水蒸气，如此循环往复从而减少了人工加水的频率。
如图1所示，所述储液罐5内设有第二液位传感器9，所述第二液位传感器9与所述中央控制器1电连接，所述中央控制器1上设有补液报警器10。当第二液位传感器9检测到储液罐5内的水位过低时，则会将该信息反馈给中央控制器1，中央控制器1触发补液报警器10，可提醒操作人员进行人工加水。
实施例2
本实施例是实施例1所述的生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统的工作方法，其中，包括如下步骤：
S1. 给该湿度控制系统供电，中央控制器1通过湿度传感器2和温度传感器收集3D打印机封闭成型室内的湿度值和温度值，并将收集到的湿度值与设定的目标湿度值进行对比，当收集到的湿度值低于设定的目标湿度值时则执行下述步骤S2，当收集到的湿度值高于设定的目标湿度值时则执行下述步骤S3；
S2. 中央控制器1向超声换能器7发出触发信号，超声换能器7激发雾化池6产生大量水雾，水雾通过风扇的推动沿空气流道向3D打印机封闭成型室内流动，经过紫外灭菌装置12后的水雾进入3D打印机封闭成型室内并增加其湿度值至中央控制器1通过湿度传感器2收集到的湿度值等于设定的目标湿度值；
S3. 中央控制器1将收集到的3D打印机封闭成型室内的温度值与设定的目标温度值进行对比，当收集到的温度值高于设定的目标温度值，且设定的目标温度值需要通过制冷获得并且在相同条件下满足水蒸气冷凝条件时，则执行下述步骤S4，否则执行下述步骤S5；
S4. 中央控制器1触发冷凝式除湿模块4工作，冷凝式除湿模块4持续工作直至3D打印机封闭成型室内的湿度值达到设定的目标湿度值，在此过程中，冷凝式除湿模块4产生的冷凝水通过第二管道被引流至储液罐5进行收集和再次利用；
S5. 中央控制器1触发吸附式除湿模块3工作，吸附式除湿模块3持续工作直至3D打印机封闭成型室内的湿度值达到设定的目标湿度值，吸附式除湿模块3工作时无冷凝水回流，水蒸气直接被除湿剂吸附，除湿过程长期运行在该模式下需要定期更换除湿剂。
本实施中，所述步骤S2中，超声换能器7工作的条件需要雾化池6内的液面与超声换能器7表面保持一定距离，当中央控制器1触发超声换能器7工作时，首先通过第一液位传感器8捕获雾化池6内的液面高度， 当液面高度满足时则触发超声换能器7工作，否则，中央控制器1首先触发通断阀11，使得储液罐5中的水不断补充到雾化池6中，直至雾化池6内的液面高度满足超声换能器7工作的条件。
本实施例中，所述步骤S5中，吸附式除湿模块3持续工作时，3D打印机封闭成型室内的总水蒸气含量不断消耗，反应在储液罐5上就是储液罐5内的液位不断下降，为了避免系统中水蒸气储量过低，第二液位传感器9实时检测储液罐5的液位并实时反馈给中央控制器1，当储液罐5中液位过低时，中央控制器1则会触发补液报警器10，提醒操作人员及时加水。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其特征在于，包括中央控制器（1），设在3D打印机封闭成型室内的湿度传感器（2）、温度传感器、吸附式除湿模块（3）和冷凝式除湿模块（4），以及用于给3D打印机封闭成型室加湿的加湿系统，所述湿度传感器（2）、温度传感器、吸附式除湿模块（3）、冷凝式除湿模块（4）以及加湿系统均与所述中央控制器（1）电连接。
2.根据权利要求1所述的一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其特征在于，所述加湿系统包括雾化池（6）、设在所述雾化池（6）内的超声换能器（7）以及设在所述雾化池（6）内用于检测雾化池（6）内的液面与所述超声换能器（7）之间的距离的第一液位传感器（8），所述超声换能器（7）和第一液位传感器（8）均与所述中央控制器（1）电连接，所述雾化池（6）通过空气流道与3D打印机封闭成型室连通，所述空气流道靠近雾化池（6）的一端设有风扇。
3.根据权利要求2所述的一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其特征在于，所述空气流道上设有紫外灭菌装置（12）。
4.根据权利要求2所述的一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其特征在于，所述湿度控制系统还包括用于给所述加湿系统提供水源及收集所述冷凝式除湿模块（4）产生的冷凝水的储液罐（5）。
5.根据权利要求4所述的一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其特征在于，所述雾化池（6）通过第一管道与所述储液罐（5）连通，所述第一管道上设有通断阀（11）。
6.根据权利要求4所述的一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其特征在于，所述冷凝式除湿模块（4）通过第二管道与所述储液罐（5）连通。
7.根据权利要求4所述的一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，其特征在于，所述储液罐（5）内设有第二液位传感器（9），所述第二液位传感器（9）与所述中央控制器（1）电连接，所述中央控制器（1）上连接有补液报警器（10）。
8.一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 给该湿度控制系统供电，中央控制器（1）通过湿度传感器（2）和温度传感器收集3D打印机封闭成型室内的湿度值和温度值，并将收集到的湿度值与设定的目标湿度值进行对比，当收集到的湿度值低于设定的目标湿度值时则执行下述步骤S2，当收集到的湿度值高于设定的目标湿度值时则执行下述步骤S3；
S2. 中央控制器（1）向超声换能器（7）发出触发信号，超声换能器（7）激发雾化池（6）产生大量水雾，水雾通过风扇的推动沿空气流道向3D打印机封闭成型室内流动，经过紫外灭菌装置（12）后的水雾进入3D打印机封闭成型室内并增加其湿度值至中央控制器（1）通过湿度传感器（2）收集到的湿度值等于设定的目标湿度值；
S3. 中央控制器（1）将收集到的3D打印机封闭成型室内的温度值与设定的目标温度值进行对比，当收集到的温度值高于设定的目标温度值，且设定的目标温度值需要通过制冷获得并且在相同条件下满足水蒸气冷凝条件时，则执行下述步骤S4，否则执行下述步骤S5；
S4. 中央控制器（1）触发冷凝式除湿模块（4）工作，冷凝式除湿模块（4）持续工作直至3D打印机封闭成型室内的湿度值达到设定的目标湿度值，在此过程中，冷凝式除湿模块（4）产生的冷凝水通过第二管道被引流至储液罐（5）进行收集和再次利用；
S5. 中央控制器（1）触发吸附式除湿模块（3）工作，吸附式除湿模块（3）持续工作直至3D打印机封闭成型室内的湿度值达到设定的目标湿度值，吸附式除湿模块（3）工作时无冷凝水回流，水蒸气直接被除湿剂吸附，除湿过程长期运行在该模式下需要定期更换除湿剂。
9.根据权利要求8所述的一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S2中，超声换能器（7）工作的条件需要雾化池（6）内的液面与超声换能器（7）表面保持一定距离，当中央控制器（1）触发超声换能器（7）工作时，首先通过第一液位传感器（8）捕获雾化池（6）内的液面高度，当液面高度满足时则触发超声换能器（7）工作，否则，中央控制器（1）首先触发通断阀11（11），使得储液罐（5）中的水不断补充到雾化池（6）中，直至雾化池（6）内的液面高度满足超声换能器（7）工作的条件。
10.根据权利要求8或9所述的一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S5中，吸附式除湿模块（3）持续工作时，3D打印机封闭成型室内的总水蒸气含量不断消耗，反映在储液罐（5）上就是储液罐（5）内的液位不断下降，为了避免系统中水蒸气储量过低，第二液位传感器（9）实时检测储液罐（5）的液位并实时反馈给中央控制器（1），当储液罐（5）中液位过低时，中央控制器（1）则会触发补液报警器（10），提醒操作人员及时加水。
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