CN109059429A - 一种半导体温控微型真空冷冻干燥机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，包括设有仓门的温控仓、控制器、与温控仓连通的隔热仓，隔热仓与温控仓相对的侧面设有后端盖。温控仓的仓壁上设有半导体制冷片，后端盖上设有隔热仓制冷装置、抽气管。温控仓用以放置样品，隔热仓用以实现水汽的冷凝。本发明中的隔热仓制冷装置采用半导体制冷片覆叠的技术实现降温到‑50℃以下。本发明具有具有体积小，适合小量的工艺实验的有益效果，具有快速降温的并降温到‑50℃以下超低温的有益效果；具有缩短冻干工艺研发周期的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域中的制冷装置，具体为一种半导体温控微型真空冷冻干燥机。
背景技术
真空冷冻干燥在生物医药、食品、农作物等运用越来越广泛，但由于冷冻干燥过程的工艺变化，会导致产品质量以及成本差异极大，甚至会导致冻干失败。因此冻干工艺的研发是冻干技术应用的关键。尤其在产品的试验阶段，由于冷冻干燥周期长导致得到一个实验验证数据需要较长时间，而且工艺实验需要反复围绕着核心数据调整对比后，才能确定最终的方案。因此设计一种适用于小批量、种类多、反复工艺调整的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机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：提供了一种适用于小批量、种类多、反复工艺调整要求的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机。
本发明要解决的技术问题的技术方案是：
一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：包括设有仓门的温控仓、控制器、与温控仓连通的隔热仓，隔热仓与仓门相对的侧面设有后端盖，所述温控仓与隔热仓外部设有保温材料制成的隔热层，所述温控仓的仓壁上设有半导体制冷片，所述半导体制冷片的制冷面和温控仓的仓壁贴合，所述半导体制冷片的制热面设有仓体散热器，所述仓体散热器包括壳体以及设置在壳体内部的蛇形流道，壳体上还设有与外部冷媒连接的冷媒输入、输出口，所述温控仓内部设有仓体温度探头，所述后端盖与隔热仓密封连接，所述后端盖设有真空管通孔、捕霜块通孔、引线通孔，所述后端盖的外部设有隔热仓制冷装置，所述隔热仓制冷装置包括支撑卡座、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；所述捕霜块通孔嵌设有捕霜导热块，捕霜导热块的左端延伸至隔热仓内部，捕霜导热块的右端与后端盖的外侧平齐，所述捕霜导热块左端面设有捕霜温度探头，捕霜导热块的右端面和隔热仓制冷装置的制冷面紧密贴合，隔热仓制冷装置与后端盖固定连接，所述捕霜块温度探头、半导体制冷片、仓体温度探头、隔热仓制冷装置和控制器电气连接，所述引线通孔用以穿设导线。
更好的，所述温控仓内部设有制品温度探头和控制器电气连接。
更好的，所述换热器结构与仓体散热器相同。
更好的，所述温控仓内设有定型软管，所述定形软管一端与温控仓的内部固定来接，另一端与制品温度探头固定连接，所述制品温度探头的引线穿过定形软管的内部与航空插座连接。
更好的，所述温控仓采用316L不锈钢材料制成。
更好的，所述半导体制冷片至少设有一个，并且半导体制冷片均匀分布在温控仓的仓壁上。
更好的，所述引线通孔内部设有航空插座，所述航空插座与后端盖密封连接，所述航空插座对内与捕霜块温度探头、仓体温度探头连接，对外与控制器电气连接。
更好的，所述后端盖上设有抽气管，所述抽气管与真空管通孔固定连接且连通，抽气管上连接有真空传感器，所述真空传感器和控制器电气连接。
更好的，所述隔热仓制冷装置设有两个，相应的，捕霜导热块、捕霜块通孔设有两个，并且两个捕霜块通孔位于真空管通孔的两侧。
更好的，所述隔热仓制冷装置设有预控温装置，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，所述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。
本发明的有益效果为：
1、具有体积小，适合小量的工艺实验的有益效果；
2、快速降温的有益效果，并且降温达到-50℃以下的超低温；
3、具有可以控制降温速率的功能，
4、工艺调整灵活，可快速调整各自工艺参数；
5、具有缩短冻干工艺研发周期的有益效果。
附图说明
图1是本发明一种实施例的俯视图示意图，
图2是本发明一种实施例的剖视图，
图3是本发明一种实施例的右视图，
图4是本发明一种实施例的隔热仓制冷装置的示意图
图5是本发明一种实施例的预控温装置的示意图,
图6是本发明一种实施例隔热仓制冷装置和预控温装置的连接示意图,
图7是本发明一种实施例隔热仓制冷装置的冷媒流通的示意图。
图中：
C7、换热回流管；C6、换热输入管；C29、冷媒回流管；C28、冷媒输入管；C22、第一换热器；C26、第二换热器；C23、第一换热半导体制冷片；C25、第二换热半导体制冷片；C21、预控外壳；C4、二级温度探头；C3、目标温度探头；C18、一级温控半导体制冷片；C16、导热片；C15、二级散热半导体制冷片；C14、换热器；C13、压紧板；C12、支撑卡座；C、隔热仓制冷装置；8、真空传感器；7、航空插座；9、抽气管；63、引线通孔；62、捕霜块通孔；61、真空管通孔；15、制品温度探头；14、仓体温度探头；3、仓体散热器；4、半导体制冷片；6、后端盖；5、隔热仓；2、温控仓；1、仓门。
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，一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，包括设有仓门1的温控仓2、控制器、与温控仓2连通的隔热仓5，隔热仓5与温控仓2的仓门1相对的侧面设有后端盖6。温控仓2与隔热仓5外部设有保温材料制成的隔热层。控制器为一种含有微处理器并具有数据处理功能的控制装置，常见的PLC控制器、嵌入式系统控制器、单片机系统控制器，同时控制器还设有输入输出接口以及通信接口用以接收和发送数据。控制器可以作为独立器件并通过导线与本发明中的电子元器件电气连接，或者控制器设置在温控仓2或者隔热仓5的外壳上，并通过导线与本发明的电子元器件电气连接。
为了实现对仓内温度以及制品温度的检测，温控仓2内部设有制品温度探头15、仓体温度探头14。制品温度探头15用以检测冷冻制品的温度，仓体温度探头14用以检测温控仓2内部的温度。
由于盛放制品的装置多为瓶体或者盒体，因此需要将制品温度探头15放入制品的容器内部，为了便于制品温度探头15的固定，在温控仓2内设有定型软管。定形软管一端与温控仓2的内部固定来接，另一端作为自由端与制品温度探头15固定连接。制品温度探头15的引线穿过定形软管的内部与航空插座7连接。因此可以实现制品温度探头15根据制品容器的形状进行合理的放置。
为了实现对温控仓2内部的降温，温控仓2的仓壁上设有半导体制冷片4。半导体制冷片4的制冷面和温控仓2的仓壁贴合，半导体制冷片4的制热面设有仓体散热器3。仓体散热器3包括壳体以及设置在壳体内部的蛇形流道和设置在壳体上与外部冷媒连接的冷媒输入、输出口。仓体散热器3用以给半导体制冷片4的制热面进行散热，保证半导体制冷片4的制冷面的低温。
更好的，为了保证温控仓2内部均匀降温，半导体制冷片4至少设有一个。半导体制冷片4设有两个或两个以上时，半导体制冷片4均匀分布在温控仓2的仓壁上。
隔热仓5用以实现低温捕霜，为减少密封节点，后端盖6与隔热仓5密封连接，并且在后端盖6上设置了真空管通孔61、捕霜块通孔62以及引线通孔63。为了实现隔热仓5的真空，在后端盖6的外侧设置了抽气管9，抽气管9和真空管通孔61连通并且密封连接。更好的，为了实现对真空度的检测在，抽气管上连接有真空传感器，真空传感器8和控制器电气连接，在本发明中，真空传感器为一种气压表或负压表，并且为数字型气压表。
为了将隔热仓5内部的水蒸气凝霜，在隔热仓5内部设置了捕霜导热块12，捕霜导热块12一端嵌设在捕霜块通孔62中并密封处理，捕霜块的端部与后端盖外侧面平齐；捕霜导热块12的另一端设置隔热仓5的仓体内部，为了检测捕霜导热块12的温度，在捕霜导热块12上设置了捕霜温度探头13。为了给捕霜导热块12进行降温，隔热仓制冷装置C设置在后端盖6的外侧。隔热仓制冷装置C的位置与捕霜块通孔的位置对应，并且与捕霜导热块12贴合。隔热仓制冷装置C通过螺丝与后端盖固定连接并进行密封处理。
隔热仓制冷装置C用以实现对物品以及冷冻空间降温，其包括温控外壳C11、支撑卡座C12、压紧板C13、换热器C14、二级散热半导体制冷片C15、导热片C16、接线端子、一级温控半导体制冷片C18。其中温控外壳C11与支撑卡座C12将压紧板C13、换热器C14、二级散热半导体制冷片C15、导热片C16、一级温控半导体制冷片C18包裹在内部,并在空缺空间填充隔热材料。接线端子用以连接内部的元器件和外部的控制器。
支撑卡座C12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C18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C18。一级温控半导体制冷片C18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C18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C12一侧扩散热量；其二可以实现对一级温控半导体制冷片C18的支撑，以便在压紧状态下与其他部件紧密接触。通过给一级温控半导体C18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。为了便于检测一级温控半导体制冷片C18的制冷面的温度，在一级温控半导体制冷片C18下部的制冷面上设置了目标温度探头C23。
由于在一级温控半导体C18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C18的上部设置了散热装置。散热装置包括导热片C16和二级散热半导体制冷片C15。更好的，为了防止一级温控半导体制冷片218散热面热量的扩散，导热片C16的面积大于一级温控半导体制冷片C18的面积。导热片C16设于一级温控半导体制冷片C18的上部，二级散热半导体制冷片C15设于导热片的上部，并且二级散热半导体制冷片C15的面积大于一级温控半导体制冷片C18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C15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C15的下部制冷面上设置了二级温度探头C4，用以检测二级散热半导体制冷片C15的制冷面的温度。
更好的，导热片C16的两侧面涂有导热硅脂，以增加一级温控半导体制冷片C18与二级散热半导体制冷片C15之间的热传递效果。
更好的，为了增强制冷效果，换热器C14、二级散热半导体制冷片C15之间设有三级散热半导体制冷片和第二导热片。换热器C14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C15和三级散热半导体制冷片接触，并且导热片C16、第二导热片的两侧面涂有导热硅脂，以增加导热效果。
换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。本发明中换热器C14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。换热器214的入口和出口与外部冷源连接，常见的冷源为冷水、冷酒精等。
引线通孔63用以穿设导线以便温控仓和隔热仓内部的温度探头与控制器电气连接。为了实现隔热仓5更好的密封，在引线通孔63内部设置了航空插座7，并且航空插座7与引线通孔63内部固定连接并且做密封处理。航空插座7用以实现温控仓1、隔热仓5的内部的电气元件和外部控制器的电气连接。捕霜块温度探头13、腔体温度探头14、制品温度探头15通过航空插座7与控制器电气连接，半导体制冷片4、隔热仓制冷装置C和控制器电气连接。
更好的，为了保证隔热仓制冷装置C的正常工作，已达到超低温的效果，还设置了预控温装置。如图5所示，预控温装置内部的第一换热器C22、第一换热半导体制冷片C23、冷媒预控换热器C24、第二换热半导体制冷片C25、第二换热器C26层叠设置。其中，冷媒预控换热器C24位于中部，第一、二换热半导体制冷片C23、C25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C23、C25的制冷面和冷媒预控换热器C24接触。第一、二换热器C22、C26位于最外侧，并且第一、二换热器C22、C26分别与第一、二换热半导体制冷片C23、C25的发热面接触。
其中，冷媒预控换热器C24的入口、第一、二换热器C22、C26的入口和冷媒输入管C28连通。冷媒预控换热器C24的出口通过换热输入管C6和换热器C14的入口连通，用以给隔热仓制冷装置C1提供冷媒。换热器C14的出口和换热回流管C7连通。换热回流管C7的管壁上设有回温温度探头C5，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C7、第一、二换热器C22、C26的出口和冷媒回流管C29连通。第一、二换热器C22、C26用以给第一、二换热半导体制冷片C23、C25提供散热冷媒，第一、二换热半导体制冷片C23、C25用以给流过冷媒换热器C24的冷媒降温，用以保证给隔热仓制冷装置C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C24、第一、二换热器C22、C26为冷热交换的装置，其结构可以和换热器C14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C28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给冷媒降温。
回温温度探头C5、第一、二换热半导体制冷片C23、C25与控制器电气连接用以实现温度数据的采集和对第一、二换热半导体制冷片C23、C25的控制。为了便于接线，在预控外壳C21上还设置了与接线端子结构相同的第二接线端子C8。第二接线端子C8对内和回温温度探头C5、第一、二换热半导体制冷片C23、C25电气连接，第二接线端子C8对外和控制器电气连接。
为增加保温效果，隔热仓制冷装置C和预控温装置的内部空缺空间内填充有保温材料。
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)
1.一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
包括设有仓门(1)的温控仓(2)、控制器、与温控仓(2)连通的隔热仓(5)，隔热仓(5)与仓门(1)相对的侧面设有后端盖(6)，所述温控仓(2)与隔热仓(5)外部设有保温材料制成的隔热层，
所述温控仓(2)的仓壁上设有半导体制冷片(4)，所述半导体制冷片(4)的制冷面和温控仓(2)的仓壁贴合，所述半导体制冷片(4)的制热面设有仓体散热器(3)，所述仓体散热器(3)包括壳体以及设置在壳体内部的蛇形流道，壳体上还设有与外部冷媒连接的冷媒输入、输出口，所述温控仓(2)内部设有仓体温度探头(14)，
所述后端盖(6)与隔热仓(5)密封连接，所述后端盖(6)设有真空管通孔(61)、捕霜块通孔(62)、引线通孔(63)，
所述后端盖(6)的外部设有隔热仓制冷装置(C)，
所述隔热仓制冷装置(C)包括支撑卡座(C12)、压紧板(C13)、换热器(C14)、二级散热半导体制冷片(C15)、导热片(C16)、一级温控半导体制冷片(C18)，
所述支撑卡座(C12)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(C18)设于制冷通孔的上部，所述一级温控半导体制冷片(C18)的下部为制冷面并且制冷面上设有目标温度探头(C3)，一级温控半导体制冷片(C18)用以给物品或空间降温，
所述导热片(C16)设于一级温控半导体制冷片(C18)的上部，
所述二级散热半导体制冷片(C15)设于导热片(C16)的上部，所述二级散热半导体制冷片(C15)下部为制冷面并且制冷面上设有二级温度探头(C4)，
所述换热器(C14)设于二级散热半导体制冷片(C15)的上部，
所述压紧板(C13)设于换热器(C14)的上部，所述压紧板(C13)与支撑卡座(C12)的底板连接，
所述一级温控半导体制冷片(C18)、二级散热半导体制冷片(C15)、二级温度探头(C4)、目标温度探头(C3)与控制器电气连接；
所述捕霜块通孔(62)嵌设有捕霜导热块(12)，捕霜导热块(12)的左端延伸至隔热仓(5)内部，捕霜导热块(12)的右端与后端盖(6)的外侧平齐，所述捕霜导热块(12)左端面设有捕霜温度探头(13)，捕霜导热块(12)的右端面和隔热仓制冷装置(C)的制冷面紧密贴合，隔热仓制冷装置(C)与后端盖(6)固定连接，
所述捕霜块温度探头(13)、半导体制冷片(4)、仓体温度探头(14)、隔热仓制冷装置(C)和控制器电气连接，所述引线通孔(63)用以穿设导线。
2.根据权利要求1所述的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
所述温控仓(2)内部设有制品温度探头(15),制品温度探头(15)和控制器电气连接。
3.根据权利要求1所述的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
所述换热器(C14)结构与仓体散热器(3)相同。
4.根据权利要求2所述的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
所述温控仓(2)内设有定型软管，所述定形软管一端与温控仓(2)的内部固定来接，另一端与制品温度探头(15)固定连接，所述制品温度探头(15)的引线穿过定形软管的内部，制品温度探头(15)和控制器电气连接。
5.根据权利要求1所述的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
所述温控仓(2)采用316L不锈钢材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
所述半导体制冷片(4)至少设有一个，并且半导体制冷片(4)均匀分布在温控仓(2)的仓壁上。
7.根据权利要求1所述的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
所述引线通孔(63)内部设有航空插座(7)，所述航空插座(7)与后端盖(6)密封连接，所述航空插座(7)对内与捕霜块温度探头(13)、仓体温度探头(14)连接，对外与控制器电气连接。
8.根据权利要求1所述的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
所述后端盖上设有抽气管(9)，所述抽气管(9)与真空管通孔(61)固定连接且连通，抽气管(9)上连接有真空传感器，所述真空传感器(8)和控制器电气连接。
9.根据权利要求2所述的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
所述隔热仓制冷装置(C)设有两个，相应的，捕霜导热块(12)、捕霜块通孔设有两个，并且两个捕霜块通孔位于真空管通孔的两侧。
10.根据权利要求1所述的一种半导体温控微型真空冷冻干燥机，其特征在于：
所述隔热仓制冷装置(C)设有预控温装置，包括预控外壳(C21)，预控外壳(C21)内部设有层叠设置的第一、二换热半导体制冷片(C23、C25)、第一、二换热器(C22、C26)、冷媒预控换热器(C24)，预控外壳(C21)上设有冷媒输入管(C28)、冷媒回流管(C29)、换热输入管(C6)、换热回流管(C7)，
所述冷媒预控换热器(C24)位于中部，第一、二换热半导体制冷片(C23、C25)分别位于冷媒预控换热器(C24)的两侧并且第一、二换热半导体制冷片(C23、C25)的制冷面和冷媒预控换热器(C24)接触，第一、二换热器(C22、C26)分别与第一、二换热半导体制冷片(C23、C25)的发热面接触，
所述冷媒预控换热器(C24)的入口、第一、二换热器(C22、26)的入口和冷媒输入管(C28)连通，所述冷媒预控换热器(C24)的出口通过换热输入管(C6)和换热器(C14)的入口连通，换热器(C14)的出口和换热回流管(C7)连通，所述换热回流管(C7)的管壁上设有回温温度探头(C5)，换热回流管(C7)、第一、二换热器(C22、C26)的出口和冷媒回流管(C29)连通，
所述回温温度探头(C5)、第一、二换热半导体制冷片(C23、C25)与控制器电气连接，所述预控外壳(C21)的内部空间内填充有保温材料。
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