CN108895764A - 一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，包括超低温控制装置、预控温装置。本发明的超低温控制装置、预控温装置采用半导体制冷片实现降温，同时采用半导体制冷片覆叠的技术实现降温到‑50℃以下的超低温。另外通过温度探头检测半导体制冷片的两侧面的温差以实现温度降低速度以及温度下限范围的调整。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域中的制冷装置，具体为一种应用与微型真空冻干装置的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置。
背景技术
随着生物技术的发展，对复杂的生命活性物质的冻存、冻干以及复苏等的工艺要求越来越高，主要有以下特点：共晶点温度偏低，含盐类物质的共晶点甚至在-40℃以下；成分复杂，共晶温度宽度大，穿透共晶范围需要极大的瞬时冷量；活性成分脆弱，对工艺温度反应灵敏，温控过程难度大等。因此设计一种可以快速降温至-50℃以下、可精准控制升降温速率的一种制冷装置成为一种迫切的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供了一种可以快速降温至-50℃以下、可精准控制升降温速率的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置。
本发明要解决的技术问题的技术方案是：
一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，其特征在于：包括超低温控制装置、预控温装置、控制器，所述超低温控制装置包括支撑卡座、压紧板、换热器、二级散热半导体制冷片、导热片、一级温控半导体制冷片，所述支撑卡座包括底板以及沿底板边缘设置的侧板，所述底板上设有制冷通孔，所述一级温控半导体制冷片设于制冷通孔的上部，所述一级温控半导体制冷片的下部为制冷面并且制冷面上设有目标温度探头，一级温控半导体制冷片用以给物品或空间降温，所述导热片设于一级温控半导体制冷片的上部，所述二级散热半导体制冷片设于导热片的上部，所述二级散热半导体制冷片下部为制冷面并且制冷面上设有二级温度探头，所述换热器设于二级散热半导体制冷片的上部，所述压紧板设于换热器的上部，所述压紧板与支撑卡座的底板连接，所述一级温控半导体制冷片、二级散热半导体制冷片、二级温度探头、目标温度探头与控制器电气连接；所述预控温装置包括预控外壳，预控外壳内部设有层叠设置的第一、二换热半导体制冷片、第一、二换热器、冷媒预控换热器，预控外壳上设有冷媒输入管、冷媒回流管、换热输入管、换热回流管，冷媒预控换热器位于中部，第一、二换热半导体制冷片分别位于冷媒预控换热器的两侧并且第一、二换热半导体制冷片的制冷面和冷媒预控换热器接触，第一、二换热器分别与第一、二换热半导体制冷片的发热面接触，所述冷媒预控换热器的入口、第一、二换热器的入口和冷媒输入管连通，所述冷媒预控换热器的出口通过换热输入管和换热器的入口连通，换热器的出口和换热回流管连通，所述换热回流管的管壁上设有回温温度探头，换热回流管、第一、二换热器的出口和冷媒回流管连通，所述回温温度探头、第一、二换热半导体制冷片与控制器电气连接，所述预控外壳的内部空间内填充有保温材料。
更好的，所述换热器、二级散热半导体制冷片之间设有三级散热半导体制冷片和第二导热片，换热器与三级散热半导体制冷片的制热面接触，第二导热片的两面分别与二级散热半导体制冷片的制热面和三级散热半导体制冷片的制冷面接触，所述导热片、第二导热片的两侧面涂有导热硅脂。
更好的，所述一级温控半导体制冷片的面积大于制冷通孔的面积，所述导热片的面积大于一级温控半导体制冷片的面积，所述二级散热半导体制冷片的面积大于导热片的面积。
更好的，所述换热器包括导热材料制成的换热器壳体以及设置在换热器壳体内部的流道，设置在换热器壳体上的流道的出入口，所述第一、二换热器、冷媒预控换热器与换热器的结构相同。
更好的，所述冷媒输入管的管壁上设有冷媒温度探头，所述冷媒温度探头和控制器电气连接。
更好的，所述超低温控制装置设有温控外壳，温控外壳包裹在支撑卡座以及压紧板的外侧，所述温控外壳内部空间填充有保温材料.
更好的，所述支撑卡座的侧板上设有接线端子，所述接线端子对内与一级温控半导体制冷片、二级散热半导体制冷片、二级温度探头、目标温度探头电气连接，接线端子对外与控制器电气连接，所述预控外壳上设有第二接线端子，所述第二接线端子对内和回温温度探头、第一、二换热半导体制冷片电气连接，第二接线端子对外控制器电气连接。
所述控制器设有触摸屏。
一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置的使用方法，其特征在于：
步骤1、设定一级温控半导体制冷片所要达到的温度以及降温速度，并设定第一、二温差值，所述第一温差值为一级温控半导体制冷片两侧的温差值，所述第二温差值为二级散热半导体制冷片两侧面的温差值，
步骤2、启动一级温控半导体制冷片进行制冷，通过调节一级温控半导体制冷片的电压电流来调整一级温控半导体制冷片的制冷面的温度以及降温速率，
步骤3、检测第一温差值是否大于设定值，如果大于设定值则启动二级散热半导体制冷片，如果小于设定值则关闭二级散热半导体制冷片，
步骤4、检测第二温差值是否大于设定值，如果大于设定值则启动第一、二换热半导体制冷片，如果小于设定值则关闭第一、二换热半导体制冷片，
步骤5、检测目标温度探头是否达到设定值，如果达到设定值则关断一级温控半导体制冷片、二级散热半导体制冷片、第一、二换热半导体制冷片电源，如果没有达到设定值则重复步骤3和步骤4。
更好的，所述第一、二温差值的设定范围为20℃到50℃之间。
本发明的有益效果为：
1、具有快速降温的有益效果，并且降温可达到-50℃以下的超低温；
2、具有可以控制降温速率的功能。
附图说明
图1是本发明一种实施例的示意图，
图2是本发明一种实施例的超低温控制装置的示意图，
图3是本发明一种实施例的预控温装置的示意图，
图4是本发明一种实施例的冷媒流通图。
图中：
21、预控外壳，23、第一换热半导体制冷片，25、第二换热半导体制冷片，14、换热器，22、第一换热器，24、冷媒预控换热器，26、第二换热器，28、冷媒输入管，29、冷媒回流管，6、换热输入管，7、换热回流管，
11、温控外壳，12、支撑卡座，13、压紧板，14、换热器，15、二级散热半导体制冷片，16、导热片，17、接线端子，18、一级温控半导体制冷片，、
1、超低温控制装置，2、预控温装置，3、目标温度探头，4、二级温度探头，5、回温温度探头，6、换热输入管，7、换热回流管，8、第二接线端子。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，下面对本发明的实施方式做进一步的详细解释。
如图1所示，一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，包括超低温控制装置1、预控温装置2以及控制超低温控制装置1、预控温装置2的控制器。其中，超低温控制装置1用以实现对物品以及冷冻空间降温，其包括温控外壳11、支撑卡座12、压紧板13、换热器14、二级散热半导体制冷片15、导热片16、接线端子17、一级温控半导体制冷片18；预控温装置2包括预控外壳21，预控外壳21内部设有第一、二换热半导体制冷片23、25，以及与换热器14结构相同的第一换热器22、冷媒预控换热器24、第二换热器26，预控外壳21上设有冷媒输入管28、冷媒回流管29、换热输入管6、换热回流管7，与控温装置2用以将外部冷媒进过处理输入到超低温控制装置1的内部。控制器为一种设有微处理器芯片以及输入输出接口的智能控制装置，常见有的单片机为核心的控制器以及嵌入式系统的控制器。
更好的，控制器设有触摸屏。
支撑卡座12包括底板以及沿底板边缘设置的侧板，其中侧板与底板垂直。为了便于一级温控半导体18对物品或者冷冻空间降温，在底板上设置了制冷通孔。在制冷通孔的上部设置了一级温控半导体制冷片18。一级温控半导体制冷片18为一种半导体制冷片，或者叫做电冷片，其两面分别为制冷面和散热面。更好的，一级温控半导体制冷片18的面积大于制冷通孔的面积。其有意效果在于：其一、可以防止制热面向支持卡座12一侧扩散热量；其二可以实现对一级温控半导体制冷片18的支撑，以便在压紧状态下与其他部件紧密接触。为了便于检测一级温控半导体制冷片18的制冷面的温度，在一级温控半导体制冷片18下部的制冷面上设置了目标温度探头。通过给一级温控半导体18通直流电实现热量从制冷面到散热面的转移，进而实现对物品或冷冻空间的制冷。
由于在一级温控半导体18制冷面与散热面的温度差值达到某一温度时，会产生制冷极限，即散热面的热量扩散到制冷面，因此会降低制冷效果。为了解决该极限问题，需要为散热面降温，因此在一级温控半导体制冷片18的上部设置了散热装置。散热装置包括导热片16和二级散热半导体制冷片15。更好的，为了防止一级温控半导体制冷片18散热面热量的扩散，导热片16的面积大于一级温控半导体制冷片18的面积。导热片16设于一级温控半导体制冷片18的上部，二级散热半导体制冷片15设于导热片的上部，并且二级散热半导体制冷片15的面积大于一级温控半导体制冷片18的面积。现有技术中，半导体制冷片的面积较小，如果受到工艺限制无法获得大面积，二级散热半导体制冷片15可以采用多块半导体制冷片拼接的方式实现。同样，为了检测温度，在二级散热半导体制冷片15的下部制冷面上设置了二级温度探头4，用以检测二级散热半导体制冷片15的制冷面的温度。
更好的，导热片16的两侧面涂有导热硅脂，以增加一级温控半导体制冷片18与二级散热半导体制冷片15之间的热传递效果。
更好的，为了增强制冷效果，换热器14、二级散热半导体制冷片15之间设有三级散热半导体制冷片和第二导热片。换热器14与三级散热半导体制冷片的制热面接触，第二导热片的两面分别与二级散热半导体制冷片15和三级散热半导体制冷片接触，并且导热片16、第二导热片的两侧面涂有导热硅脂，以增加导热效果。
通过一级温控半导体制冷片18和二级散热半导体制冷片15覆叠的方式实现超低温的制冷，但是仍然需要为覆叠的半导体制冷片提供冷媒进行散热。因此在二级散热半导体制冷片15的上部设置了换热器14。换热器14包括导热材料制成的换热器壳体，设置在换热器壳体内部的流道，设置在换热器壳体上的流道的出入口。流通通过在壳体内部的上下面之间设置垂直于上下面的的隔板制成，根据隔板排列的方式不同，内部流道可以设置成蛇形流道或者设置成平行流道。蛇形流道为入口进，经过蛇形的流道到出口出。平行流道为入口进，然后分别进入各平行流道，最后各平行流道在汇入出口。
为了实现良好的导热以及设备的固定，在换热器14的上部设置了压紧板13，压紧板13和支撑卡座12通过螺接连接的方式进行紧固，以使压紧板13下部的换热器14、二级散热半导体制冷片15、导热片16、一级温控半导体制冷片18之间紧密接触已达到更好的热传递效果。
为了防止水汽的进入进而影响半导体制冷片的工作效率，在支撑卡座12和压紧板13的外侧设置了温控外壳11。为了便于线缆的连接，在支撑卡座12的侧板上设置了接线端子17。接线端子17为密封结构的航空插座，接线端子17对内与一级温控半导体制冷片18、二级散热半导体制冷片15、二级温度探头4、目标温度探头3电气连接，接线端子17对外与控制器电气连接，以此实现一级温控半导体制冷片18、二级散热半导体制冷片15、二级温度探头4、目标温度探头3与控制器的电气连接。
如图3所示，预控温装置2内部的第一换热器22、第一换热半导体制冷片23、冷媒预控换热器24、第二换热半导体制冷片25、第二换热器26层叠设置。其中，冷媒预控换热器24位于中部，第一、二换热半导体制冷片23、25分别位于冷媒预控换热器24的两侧并且第一、二换热半导体制冷片23、25的制冷面和冷媒预控换热器24接触。第一、二换热器22、26位于最外侧，并且第一、二换热器22、26分别与第一、二换热半导体制冷片23、25的发热面接触。
其中，冷媒预控换热器24的入口、第一、二换热器22、26的入口和冷媒输入管28连通。冷媒预控换热器24的出口通过换热输入管6和换热器14的入口连通，用以给超低温控制装置1提供冷媒。换热器14的出口和换热回流管7连通。换热回流管7的管壁上设有回温温度探头5，用以检测回流冷媒的温度，以实现对温度自动控制。换热回流管7、第一、二换热器22、26的出口和冷媒回流管29连通。第一、二换热器22、26用以给第一、二换热半导体制冷片23、25提供散热冷媒，第一、二换热半导体制冷片23、25用以给流过冷媒换热器24的冷媒降温，用以保证给超低温控制装置1提供温度保障，以保持半导体制冷片两端的温差足以满足散热要求。
冷媒预控换热器24、第一、二换热器22、26为冷热交换的装置，其结构可以和换热器14的结构相同，都是包括壳体以及设置壳体内部的流道；同时也可以是其他热对流结构。
更好的，冷媒输入管28的管壁上设有冷媒温度探头，冷媒温度探头和控制器电气连接，用以检测输入冷媒的温度，如果达不到温度要求则启动预控温装置2给冷媒降温。
回温温度探头5、第一、二换热半导体制冷片23、25与控制器电气连接用以实现温度数据的采集和，第一、二换热半导体制冷片23、25的控制。为了便于接线，在预控外壳21上还设置了与接线端子17结构相同的第二接线端子8。第二接线端子8对内和回温温度探头5、第一、二换热半导体制冷片23、25电气连接，第二接线端子8对外和控制器电气连接。
为增加保温效果，超低温控制装置1和预控温装置2的内部空缺空间内填充有保温材料。
基于上述结构一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、设定一级温控半导体制冷片18所要达到的温度以及降温速度，并设定第一、二温差值。第一温差值为一级温控半导体制冷片18两侧的温差值。第二温差值为二级散热半导体制冷片15两侧面的温差值。更好的，根据不同产品不同的工艺要求，第一、二温差值的设定范围为20℃到50℃之间。
步骤2、启动一级温控半导体制冷片18，通过调节一级温控半导体制冷片18的电压来调整一级温控半导体制冷片18的制冷面的温度以及降温速率，检测目标温度探头3用以判断是否达到设定值，如果没有达到设定值则执行步骤3。
步骤3、检测第一温差值是否大于设定值，如果大于设定值则启动二级散热半导体制冷片15，如果小于设定值则关闭二级散热半导体制冷片15。
步骤4、检测第二温差值是否大于设定值，如果大于设定值则启动第一、二换热半导体制冷片23、25，如果小于设定值则关闭第一、二换热半导体制冷片23、25。
步骤5、检测目标温度探头3是否达到设定值，如果达到设定值则关断一级温控半导体制冷片18、二级散热半导体制冷片15、第一、二换热半导体制冷片23、25电源，如果没有达到设定值则重复步骤3和步骤4。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的范围，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，凡依本发明的要求范围所述的形状、构造、特征及精神所谓的均等变化与修饰，均应包括与本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，其特征在于：
包括超低温控制装置(1)、预控温装置(2)、控制器，
所述超低温控制装置(1)包括支撑卡座(12)、压紧板(13)、换热器(14)、二级散热半导体制冷片(15)、导热片(16)、一级温控半导体制冷片(18)，
所述支撑卡座(12)包括底板以及沿底板边缘设置的侧板，所述底板上设有制冷通孔，
所述一级温控半导体制冷片(18)设于制冷通孔的上部，所述一级温控半导体制冷片(18)的下部为制冷面并且制冷面上设有目标温度探头(3)，一级温控半导体制冷片(18)用以给物品或空间降温，
所述导热片(16)设于一级温控半导体制冷片(18)的上部，
所述二级散热半导体制冷片(15)设于导热片(16)的上部，所述二级散热半导体制冷片(15)下部为制冷面并且制冷面上设有二级温度探头(4)，
所述换热器(14)设于二级散热半导体制冷片(15)的上部，
所述压紧板(13)设于换热器(14)的上部，所述压紧板(13)与支撑卡座(12)的底板连接，
所述一级温控半导体制冷片(18)、二级散热半导体制冷片(15)、二级温度探头(4)、目标温度探头(3)与控制器电气连接；
所述预控温装置(2)包括预控外壳(21)，预控外壳(21)内部设有层叠设置的第一、二换热半导体制冷片(23、25)、第一、二换热器(22、26)、冷媒预控换热器(24)，预控外壳(21)上设有冷媒输入管(28)、冷媒回流管(29)、换热输入管(6)、换热回流管(7)，
冷媒预控换热器(24)位于中部，
第一、二换热半导体制冷片(23、25)分别位于冷媒预控换热器(24)的两侧并且第一、二换热半导体制冷片(23、25)的制冷面和冷媒预控换热器(24)接触，
第一、二换热器(22、26)分别与第一、二换热半导体制冷片(23、25)的发热面接触，
所述冷媒预控换热器(24)的入口、第一、二换热器(22、26)的入口和冷媒输入管(28)连通，所述冷媒预控换热器(24)的出口通过换热输入管(6)和换热器(14)的入口连通，换热器(14)的出口和换热回流管(7)连通，所述换热回流管(7)的管壁上设有回温温度探头(5)，换热回流管(7)、第一、二换热器(22、26)的出口和冷媒回流管(29)连通，
所述回温温度探头(5)、第一、二换热半导体制冷片(23、25)与控制器电气连接，所述预控外壳(21)的内部空间内填充有保温材料。
2.根据权利要求1所述的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，其特征在于：
所述换热器(14)、二级散热半导体制冷片(15)之间设有三级散热半导体制冷片和第二导热片，换热器(14)与三级散热半导体制冷片的制热面接触，第二导热片的两面分别与二级散热半导体制冷片(15)的制热面和三级散热半导体制冷片的制冷面接触，
所述导热片(16)、第二导热片的两侧面涂有导热硅脂。
3.根据权利要求1所述的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，其特征在于：
所述一级温控半导体制冷片(18)的面积大于制冷通孔的面积，所述导热片(16)的面积大于一级温控半导体制冷片(18)的面积，所述二级散热半导体制冷片(15)的面积大于导热片(16)的面积。
4.根据权利要求1所述的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，其特征在于：
所述换热器(14)包括导热材料制成的换热器壳体以及设置在换热器壳体内部的流道，设置在换热器壳体上的流道的出入口，
所述第一、二换热器(22、26)、冷媒预控换热器(24)与换热器(14)的结构相同。
5.根据权利要求1所述的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，其特征在于：
所述冷媒输入管(28)的管壁上设有冷媒温度探头，所述冷媒温度探头和控制器电气连接。
6.根据权利要求1所述的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，其特征在于：
所述超低温控制装置(1)设有温控外壳(11)，温控外壳(11)包裹在支撑卡座(12)以及压紧板(13)的外侧，所述温控外壳(11)内部空间填充有保温材料.
7.根据权利要求1所述的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，其特征在于：
所述支撑卡座(12)的侧板上设有接线端子(17)，所述接线端子(17)对内与一级温控半导体制冷片(18)、二级散热半导体制冷片(15)、二级温度探头(4)、目标温度探头(3)电气连接，接线端子(17)对外与控制器电气连接，
所述预控外壳(21)上设有第二接线端子(8)，所述第二接线端子(8)对内和回温温度探头(5)、第一、二换热半导体制冷片(23、25)电气连接，第二接线端子(8)对外控制器电气连接。
8.根据权利要求1所述的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置，其特征在于：
所述控制器设有触摸屏。
9.根据权利要求5所述的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置的使用方法，其特征在于：
步骤1、设定一级温控半导体制冷片(18)所要达到的温度以及降温速度，并设定第一、二温差值，所述第一温差值为一级温控半导体制冷片(18)两侧的温差值，所述第二温差值为二级散热半导体制冷片(15)两侧面的温差值，
步骤2、启动一级温控半导体制冷片(18)进行制冷，通过调节一级温控半导体制冷片(18)的电压电流来调整一级温控半导体制冷片(18)的制冷面的温度以及降温速率，
步骤3、检测第一温差值是否大于设定值，如果大于设定值则启动二级散热半导体制冷片(15)，如果小于设定值则关闭二级散热半导体制冷片(15)，
步骤4、检测第二温差值是否大于设定值，如果大于设定值则启动第一、二换热半导体制冷片(23、25)，如果小于设定值则关闭第一、二换热半导体制冷片(23、25)，
步骤5、检测目标温度探头(3)是否达到设定值，如果达到设定值则关断一级温控半导体制冷片(18)、二级散热半导体制冷片(15)、第一、二换热半导体制冷片(23、25)电源，如果没有达到设定值则重复步骤3和步骤4。
10.根据权利要求6所述的一种多级覆叠半导体超低温快速升降温装置的使用方法，其特征在于：
所述第一、二温差值的设定范围为20℃到50℃之间。
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