CN109669495A - 一种基于相变材料的恒温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及温度控制技术领域，公开了一种基于相变材料的恒温装置，包括：恒温容器，所述恒温容器的本体为双层结构，在所述双层结构的内部填充有相变材料；加热器，封装在所述双层结构的内部并能对所述相变材料进行加热；温度传感器，封装在所述双层结构的内部并能实时地检测所述相变材料的温度；以及控制器，所述控制器分别与所述加热器和所述温度传感器电连接，其中，所述控制器根据所述温度传感器检测到所述相变材料的温度，并将所述相变材料的温度与相变材料的预设温度进行比较，根据比较后的结果来控制所述加热器的启停。该恒温装置具有高精度恒温环境、结构简单、易于操作、节省能耗以及降低成本的优点。
Description
技术领域
本发明涉及温度控制技术领域，特别是涉及一种基于相变材料的恒温装置。
背景技术
在科学实验、分析检测等过程中，样品在越稳定的温度条件下才能获得更精准的数据和测定结果。随着科学技术的进步和检测标准的提高，对放置样品空间的温度稳定性的要求也越来越高，如温度精度通常为±0.1℃、±0.01℃，甚至是±0.001℃的高控温精度。而温度是一个大惯性、纯滞后的非线性控制对象，温度控制系统的参数不易确定，使得高精度控温很困难。传统的高精度控温主要是基于加热器、制冷器和控制器组成的恒温装置，这种恒温装置往往存在能耗高、结构复杂的情况。本发明利用相变材料在相变点温度稳定的特点，研制了一种结构简单，低能耗的高精度恒温装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种基于相变材料的恒温装置，以至少解决现有技术中的恒温装置存在结构复杂、能耗高以及温度控制不精确的技术问题之一。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于相变材料的恒温装置，包括：恒温容器，所述恒温容器的本体为双层结构，在所述双层结构的内部填充有相变材料；加热器，封装在所述双层结构的内部并能对所述相变材料进行加热；温度传感器，封装在所述双层结构的内部并能实时地检测所述相变材料的温度；以及控制器，所述控制器分别与所述加热器和所述温度传感器电连接，其中，所述控制器根据所述温度传感器检测到所述相变材料的温度，并将所述相变材料的温度与相变材料的预设温度进行比较，根据比较后的结果来控制所述加热器的启停。
其中，所述恒温容器的本体的制造材质为金属或非金属导热材质。
其中，所述相变材料填满所述双层结构的内部空间。
其中，所述加热器包括电加热丝、电加热片、电加热棒中的其中至少一种。
其中，所述加热器为多个并呈间隔式设置，各个所述加热器均呈水平式和/或竖直式设置，其中，在所述恒温容器的本体的底部的内部增设有呈水平式设置的所述加热器。
其中，所述加热器沿所述双层结构的内部空间呈螺旋式布置。
其中，所述恒温装置还包括绝缘层，所述绝缘层包裹在所述加热器的外表面。
其中，所述温度传感器为多个并分别沿所述恒温容器的本体的周向呈间隔式布置。
其中，在所述恒温容器的本体的内部构造有恒温室，在所述恒温室内增设有能实时检测所述恒温室内的温度的第二温度传感器，其中，所述第二温度传感器与所述控制器电连接。
其中，所述相变材料为无机相变材料和/或有机相变材料。
(三)有益效果
本发明提供的恒温装置，与现有技术相比，具有如下优点：
温度传感器能够实时地检测出相变材料的温度，根据温度传感器检测到的相变材料的温度，将相变材料的当前温度与预设温度进行比较，若相变材料的温度低于预设温度，则控制器控制加热器进行工作，即，对加热器发出开启信号，加热器开始工作，并对相变材料进行加热，相变材料的温度会逐渐升高。当相变材料的温度达到预设温度时，相变材料的温度基本保持不变，控制器发出停止加热信号，则加热器停止加热。反之，当相变材料的温度低于预设温度时，则控制器再一次发出加热信号给加热器，该加热器便会再一次开始工作，并对相变材料继续进行加热直至使得相变材料的温度达到预设温度后停止加热，以此循环。由此可见，通过使得控制器、加热器以及温度传感器进行协调、有效地工作，便可以使相变材料的温度始终维持在一个恒定的范围内，这样，也就有效地确保了恒温容器内部的温度的恒定性，从而实现高精度恒温。同时，也大大地降低了能耗。进一步地，可以为科学实验和分析检测提供一个温度稳定的环境，以获得较为精准的测量数据和测定结果。
也就是说，本发明利用相变材料的储能作用以及相变材料处在相变点温度时温度的稳定性较高的特点，通过简单的加热并结合温度控制技术，便可以达到使得恒温容器具有一个高精度恒温环境。这与传统的恒温装置相比，本申请具有结构简单和易于操作的优点，从而大大地降低了恒温装置的生产成本和运行成本。
附图说明
图1为本申请的实施例的基于相变材料的恒温装置的整体结构示意图。
图中，1：恒温容器；11：恒温室；2：相变材料；3：加热器；4：温度传感器；5：控制器；51：PID温度控制器；6：第二温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，图中示意性地显示了该恒温装置包括恒温容器1、相变材料2、加热器3、温度传感器4以及控制器5。
在本申请的实施例中，该恒温容器1的本体为双层结构，在该双层结构的内部填充有相变材料2。需要说明的是，该相变材料2是指在温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时，相变材料将会吸收或释放出大量的潜热。
需要说明的是，对于恒温容器1的形状并不做具体的限定，其可以为圆柱形、长方体、正方体或是多棱柱形等。
加热器3封装在该双层结构的内部并能对该相变材料2进行加热。也就是说，若相变材料2的温度未达到预设温度，则通过启动加热器3，通过加热器3对该相变材料2进行加热，从而便可以使得相变材料2的温度达到预设温度。
需要说明的是，所谓的“预设温度”是指相变点在20～1000℃范围内的温度。
还需要说明的是，预设温度在上述温度范围内，温度的稳定性较强、不易发生波动。进一步地，为样品的科学实验和分析检测提供一个稳定的温度条件，以便获得更加精准的数据和测定结果。
温度传感器4封装在该双层结构的内部并能实时地检测相变材料2的温度。
该控制器5分别与该加热器3和该温度传感器4电连接，其中，该控制器5根据该温度传感器4检测到该相变材料2的温度，并将该相变材料2的温度与相变材料2的预设温度进行比较，根据比较后的结果来控制该加热器3的启停。具体地，温度传感器4能够实时地检测出相变材料2的温度，根据温度传感器4检测到的相变材料2的温度，将相变材料2的当前温度与预设温度进行比较，若相变材料2的温度低于预设温度，则控制器5控制加热器3进行工作，即，对加热器3发出开启信号，加热器3开始工作，并对相变材料2进行加热，相变材料2的温度会逐渐升高。当相变材料2的温度达到预设温度时，相变材料2的温度基本保持不变，控制器5发出停止加热信号，则加热器3停止加热。反之，当相变材料2的温度低于预设温度时，则控制器5再一次发出加热信号给加热器3，该加热器3便会再一次开始工作，并对相变材料2继续进行加热直至使得相变材料2的温度达到预设温度后停止加热，以此循环。由此可见，通过使得控制器5、加热器3以及温度传感器4进行协调、有效地工作，便可以使相变材料2的温度始终维持在一个恒定的范围内，这样，也就有效地确保了恒温容器1内部的温度的恒定性，从而实现高精度恒温。同时，也大大地降低了能耗。进一步地，可以为科学实验和分析检测提供一个温度稳定的环境，以获得较为精准的测量数据和测定结果。
也就是说，本发明利用相变材料2的储能作用以及相变材料2处在相变点温度时温度的稳定性较高的特点，通过简单的加热并结合温度控制技术，便可以达到使得恒温容器1具有一个高精度恒温环境。这与传统的恒温装置相比，本申请具有结构简单和易于操作的优点，从而大大地降低了恒温装置的生产成本和运行成本。
如图1所示，在本申请的一个比较优选的实施例中，该恒温容器1的本体的制造材质为金属或非金属导热材质。需要说明的是，为确保相变材料2温度的稳定性，则需要使得相变材料2处在预设温度的范围内，这样，可以有效地降低相变材料2温度的波动性。
还需要说明的是，确保相变材料2的温度能够处在预设温度的范围内的目的，就是为了控制恒温容器1内的恒温室11的温度处在恒温的范围内，因而，需要使得恒温容器1的本体的制造材质为导热材质。
然而，对于恒温容器1的本体的具体导热材质并不做具体的限定。
在另一个优选的实施例中，该相变材料2填满该双层结构的内部空间。这样，可以使得恒温容器1的本体受热更加均匀，避免相变材料2在恒温容器1的双层结构的内部填充的不均匀或是相变材料2在某处填充的量较多，在另一处填充的量较少，从而造成恒温容器1的本体产生受热不均匀的情况。
也就是说，通过将相变材料2填满该双层结构的内部空间，从而可以使得该恒温容器1的本体受热的更加均匀，进一步地，通过热交换的方式，也能够使得恒温容器1内的恒温室11的温度保持在一个恒定的范围内，从而为科学实验和分析检测提供一个稳定的温度条件。
在一个优选的实施例中，该加热器3包括电加热丝、电加热片、电加热棒中的其中至少一种。需要说明的是，加热器3只要能够实现对相变材料2的加热即可，对于加热器3的具体结构形式并不做具体的限定。
在另一个优选的实施例中，该加热器3为多个并呈间隔式设置。这样，通过增加加热器3的数量，从而可以提高单位时间内对相变材料2的加热效率，使得相变材料2能够受热的更加均匀、受热速度更快。
各个该加热器3均呈水平式和/或竖直式设置，其中，在该恒温容器1的本体的底部的内部增设有呈水平式设置的该加热器3。通过在该恒温容器1的本体的底部的内部增设呈水平式设置的该加热器3，从而有效地增大了加热器3与相变材料2的接触面积，进一步地，有效地提高了加热器3对相变材料2的加热效率。
在另一个优选的实施例中，该加热器3沿该双层结构的内部空间呈螺旋式布置。需要说明的是，呈螺旋式布置的加热器3能够有效地增大该加热器3与相变材料2的接触面积，从而有效提高单位时间内对相变材料2的加热效率，达到降低能耗的目的。
为进一步优化上述技术方案中的恒温装置，在上述技术方案的基础上，该恒温装置还包括绝缘层(图中未示出)，该绝缘层包裹在该加热器3的外表面。需要说明的是，该绝缘层的设置，可以避免加热器3在发生漏电的情况下，对恒温容器1的本体的内部造成损坏的情况。同时，该绝缘层的设置，也对使用者的人身安全起到了较好的保护作用，避免使用者发生触电的情况。
还需要说明的是，该绝缘层可由绝缘材质制造而成，例如可为橡胶或硅胶等。此外，由于绝缘层是包裹在该加热器3的外表面，因而，该绝缘层应当具有一定的耐热性，避免受热温度过高，使得绝缘层发生损坏或是变形的情况。
在另一个优选的实施例中，该温度传感器4为多个并分别沿该恒温容器1的本体的周向呈间隔式布置。也就是说，通过增加该温度传感器4的数量，并使得该温度传感器4沿恒温容器1的本体的周向呈间隔式布置，从而可以对恒温容器1的本体的内部的各个角落的温度进行及时有效地检测，即，达到精确检测相变材料2的温度的目的。
如图1所示，图中还示意性地显示了在该恒温容器1的本体的内部构造有恒温室11，在该恒温室11内增设有能实时检测该恒温室11内的温度的第二温度传感器6，其中，该第二温度传感器6与该控制器5电连接。需要说明的是，通过在该恒温室11内增设该第二温度传感器6，从而可以更加准确地检测出该恒温室11内的温度变化，确保使得恒温室11内的温度能够保持在一个恒定的范围内。即，当第二温度传感器6检测到恒温室11内的温度有存在上下波动的情况时，则需要控制器5来及时地调控加热器3的启停，从而达到给相变材料2进行加热的目的，以使得相变材料2的温度能够达到预设温度。
在一个优选的实施例中，该相变材料2为无机相变材料和/或有机相变材料。
在一个具体的示例中，该温度传感器4为高精度温度传感器，该高精度温度传感器的精度lεl为±0.1℃、±0.01℃或±0.001℃。
该控制器5包括温度控制器，该温度控制器为PID温度控制器51(比例-积分-微分控制器)，控制方法为设定预设温度为T0(相变材料2的相变点温度)，PID温度控制器51采集温度传感器4的信号为Tx。当T0-Tx＞lεl时，PID温度控制器51对加热器3发出启动信号，加热器3开始加热相变材料2，相变材料2的温度升高。
T0-Tx＝0时，PID温度控制器51对加热器3发出停止加热信号，加热器3停止工作，利用相变材料2的储能作用，消除温度变化的惯性现象，实现高精度恒温。
综上所述，温度传感器4能够实时地检测出相变材料2的温度，根据温度传感器4检测到的相变材料2的温度，将相变材料2的当前温度与预设温度进行比较，若相变材料2的温度低于预设温度，则控制器5控制加热器3进行工作，即，对加热器3发出开启信号，加热器3开始工作，并对相变材料2进行加热，相变材料2的温度会逐渐升高。当相变材料2的温度达到预设温度时，相变材料2的温度基本保持不变，控制器5发出停止加热信号，则加热器3停止加热。反之，当相变材料2的温度低于预设温度时，则控制器5再一次发出加热信号给加热器3，该加热器3便会再一次开始工作，并对相变材料2继续进行加热直至使得相变材料2的温度达到预设温度后停止加热，以此循环。由此可见，通过使得控制器5、加热器3以及温度传感器4进行协调、有效地工作，便可以使相变材料2的温度始终维持在一个恒定的范围内，这样，也就有效地确保了恒温容器1内部的温度的恒定性，从而实现高精度恒温。同时，也大大地降低了能耗。进一步地，可以为科学实验和分析检测提供一个温度稳定的环境，以获得较为精准的测量数据和测定结果。
也就是说，本发明利用相变材料2的储能作用以及相变材料2处在相变点温度时温度的稳定性较高的特点，通过简单的加热并结合温度控制技术，便可以达到使得恒温容器1具有一个高精度恒温环境。这与传统的恒温装置相比，本申请具有结构简单和易于操作的优点，从而大大地降低了恒温装置的生产成本和运行成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于相变材料的恒温装置，其特征在于，包括：
恒温容器，所述恒温容器的本体为双层结构，在所述双层结构的内部填充有相变材料；
加热器，封装在所述双层结构的内部并能对所述相变材料进行加热；
温度传感器，封装在所述双层结构的内部并能实时地检测所述相变材料的温度；以及
控制器，所述控制器分别与所述加热器和所述温度传感器电连接，其中，所述控制器根据所述温度传感器检测到所述相变材料的温度，并将所述相变材料的温度与相变材料的预设温度进行比较，根据比较后的结果来控制所述加热器的启停。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的恒温装置，其特征在于，所述恒温容器的本体的制造材质为金属或非金属导热材质。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料的恒温装置，其特征在于，所述相变材料填满所述双层结构的内部空间。
4.根据权利要求1所述的基于相变材料的恒温装置，其特征在于，所述加热器包括电加热丝、电加热片、电加热棒中的其中至少一种。
5.根据权利要求4所述的基于相变材料的恒温装置，其特征在于，所述加热器为多个并呈间隔式设置，各个所述加热器均呈水平式和/或竖直式设置，其中，在所述恒温容器的本体的底部的内部增设有呈水平式设置的所述加热器。
6.根据权利要求4所述的基于相变材料的恒温装置，其特征在于，所述加热器沿所述双层结构的内部空间呈螺旋式布置。
7.根据权利要求4所述的基于相变材料的恒温装置，其特征在于，所述恒温装置还包括绝缘层，所述绝缘层包裹在所述加热器的外表面。
8.根据权利要求1所述的基于相变材料的恒温装置，其特征在于，所述温度传感器为多个并分别沿所述恒温容器的本体的周向呈间隔式布置。
9.根据权利要求1所述的基于相变材料的恒温装置，其特征在于，在所述恒温容器的本体的内部构造有恒温室，在所述恒温室内增设有能实时检测所述恒温室内的温度的第二温度传感器，其中，所述第二温度传感器与所述控制器电连接。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于相变材料的恒温装置，其特征在于，所述相变材料为无机相变材料和/或有机相变材料。
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