CN111307566A - 恒温孵育系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒温孵育系统。该恒温孵育系统包括：容器；孵育单元，包括：机架、石墨烯导热板、恒温模块、散热片、温度反馈电路板和上盖；所述上盖开设有容器槽；所述石墨烯导热板布设在容器槽侧面；所述恒温模块与石墨烯导热板其抵接；所述散热片布设在恒温模块的外侧；所述温度反馈电路板集成有温度传感器，布设在石墨烯导热板的侧面；以及主控板，包括：加热控制模块和通信模块，所述加热控制模块通过通信模块分别与各个孵育单元的恒温模块和温度反馈电路板连接，形成各个孵育单元的温度闭环控制系统。该恒温孵育系统能够对各个孵育单元的恒温模块进行单独的闭环控制，以实现对不同样品或产品进行不同恒温孵育温度的精准控制。

Description

恒温孵育系统

技术领域

本发明是关于孵育设备领域，特别是关于一种恒温孵育系统。

背景技术

现有恒温孵育设备无非就是采用以酒精灯等物体的明火或是保温箱(干燥箱)等设备直接进行恒温孵育，要不就是采用水、油、风或加热片等介质进行间接恒温孵育，但是采用上述恒温孵育的方法不仅对检测环境要求较高且都有一定的缺陷。例如采用明火进行恒温孵育，不仅需要专门的辅助器械而且操作中温度不宜掌握，还容易引起火灾或有爆炸等危险。例如采用保温箱或干燥箱等设备不仅价钱昂贵、机器体积较大不易携带、恒温过程中样品的变化情况不易观察而且样品大批量恒温孵育时容易造成温度不均、样品成分或性质发生改变，如果采用小批量恒温孵育单个样品的恒温成本又较高。再例如采用水、油、风等介质以及加热片等形式不仅部分结构要考虑密封问题还要留有散热的容器槽且进行恒温时大部分的热量都损耗在了其他地方不仅对资源造成浪费而且等待时间还比较长。

另外，应用在不同行业或领域的恒温孵育设备兼容性较差、功能比较单一，例如食品深加工行业进行水果、蔬菜、肉质或其他产品的脱水烘干处理时，根据其加工工艺和目的不同有的是采用升高温度迫使该食品里的水分蒸发继而达到预期的目的，而有的却是采用降低温度迫使该食品中的细胞壁破裂既而达到脱水的目的。这种既可以加热又可以制冷的设备往往是两种不同的设备，即使集成在同一台设备内往往也是两套系统，不能同时出现或工作。这样不仅对资源造成浪费、使生产效率降低、使用者在选择设备时往往也要进行加热和制冷的权衡后再选择，进而降低市场的占有率。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单合理的恒温孵育系统，以克服现有技术的上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种恒温孵育系统，包括：容器，用于容纳待孵育的样品或产品；一个或多个孵育单元，均包括：机架、石墨烯导热板、恒温模块、散热片、温度反馈电路板和上盖；所述上盖设置在机架上，并开设有一个或多个向内凹陷的容器槽；所述石墨烯导热板布设在机架的一侧，并位于容器槽侧面；所述恒温模块固定在石墨烯导热板上并与其抵接；所述散热片布设在恒温模块的外侧；所述温度反馈电路板集成有温度传感器，其布设在石墨烯导热板的侧面；以及主控板，其布设在所述孵育单元的机架上，该主控板包括：加热控制模块和通信模块，所述加热控制模块通过通信模块分别与各个孵育单元的恒温模块和温度反馈电路板连接，形成各个孵育单元的温度闭环控制系统。

在一优选的实施方式中，容器槽背离石墨烯导热板的一侧设置有弹片。

在一优选的实施方式中，石墨烯导热板与机架之间设置有陶瓷纤维隔热垫。

在一优选的实施方式中，恒温模块和石墨烯导热板涂设有导热硅脂。

在一优选的实施方式中，导热硅脂的厚度为0.1～0.2mm。

在一优选的实施方式中，恒温模块的外侧还布设有风扇。

在一优选的实施方式中，加热控制模块具有恒温模块驱动电路，其包括：两个半桥芯片和四个mos管。

在一优选的实施方式中，通信模块通过485总线分别与各个孵育单元的恒温模块连接，各个孵育单元的所述恒温模块均有独立编码。

在一优选的实施方式中，机架包括：第一压柱、第一机架、底板和第二机架，所述第一机架和底板分别通过螺丝与所述第二机架固定；所述底板的下面设置有挡板。

在一优选的实施方式中，容器采用无色透明材质、有色透明材质或有色不透明材质；所述容器的顶端开口还设置有容器盖。

与现有技术相比，根据本发明的恒温孵育系统具有如下有益效果：

(1)本发明的恒温孵育系统具有市场应用广泛、适应性强、兼容性高、不管样品或产品批量如何都可以对温度进行精确的控制且价格低廉、功能多样、操作方便、损耗较低、恒温过程可控可视、体积小巧、结构简单、方便安装调试和维修携带、可以快速安全地进行恒温孵育等特点。

(2)容器插入后在弹片的作用下容器的一面紧贴在石墨烯导热片上直接进行热量的传导，极大地降低了热量的损耗、恒温孵育的时间和样品、产品恒温孵育的成本，既而提高了恒温孵育系统的使用效率和在市场的拥有率。

(3)采用二维碳纳米材料石墨烯作为导热板的材质，不在乎热源在导热板的任何地方都可以快速均匀地进行能量的传导。采用复合材料陶瓷纤维作为隔热垫的材质，可以有效阻止能量的传播。

(4)区别于传统的恒温孵育设备，本发明恒温孵育系统的恒温模块不仅可以加热还可以制冷，不同模块间可以有多个不同数量用于恒温孵育的容器槽也可以有多个恒温模块，一个恒温模块可以给一个或多个样品、产品进行恒温孵育，可以根据实际需求自由组合，而无需另行设计，进而降低设计和加工成本，提高产品适用性和兼容性。

(5)每一个恒温模块都可以进行单独控制，不仅有单独的闭环控制系统在同一时间内对不同容器槽间的样品或产品进行不同恒温孵育温度的精准控制且随时可以对恒温孵育温度和状态进行调整，甚至在同一时间加热和制冷可以同时进行。

(6)容器只要可以插入容器槽内其大小可以自由选择，不受尺寸大小影响，为了避免灰尘、水汽等物质对容器内样品、产品造成污染或影响也为了避免孵育过程中容器内的样品、产品发生有毒有害物质的泄露，可以选择是否使用容器盖等。

(7)绝大部分零部件进行阳极氧化处理，不仅可以提高零部件的耐磨和耐热性还可以美化外观防止腐蚀等。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的恒温孵育系统的立体结构示意图。

图2是根据本发明一实施方式的恒温孵育系统的前视结构示意图。

图3是根据本发明一实施方式的恒温孵育系统的后视结构示意图。

图4是根据本发明一实施方式的恒温孵育系统的斜俯视结构示意图。

图5是根据本发明一实施方式的恒温孵育系统的结构框图。

图6是根据本发明一实施方式的恒温孵育系统的温度控制流程图。

图7是根据本发明一实施方式的恒温孵育系统的通信部分流程图。

图8是根据本发明一实施方式的恒温孵育系统的恒温模块驱动电路图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1至图4所示，根据本发明优选实施例的恒温孵育系统的具体结构包括：主控板1、多个孵育单元和容器9。

其中，各个孵育单元均包括：机架、石墨烯导热板10、恒温模块11、散热片12、温度反馈电路板15和上盖17。上盖17设置在机架上，并开设有一个或多个向内凹陷的容器槽，用于容纳容器9。石墨烯导热板10布设在机架的一侧，并位于容器槽侧面；为了更好的进行热量的传导，本发明采用二维碳纳米材料石墨烯作为导热板的材质，通过化学气相沉积法(CVD)得到具有一定厚度的导热板，进而可以快速均匀的进行能量的传导。之所以采用石墨烯作为导热板的材质，是因为导热性能比较好的金属材质里最好的99.9％银的导热系数是429W/m.k，而石墨烯的导热系数却可以达到5300W/m.k且可以在-100～400℃的温度下始终保持性能不变，甚至采用耐高温石墨烯材料可以在-269～1000℃的温度下保持性能不变。恒温模块11通过压板13和第三压柱18固定在石墨烯导热板10上与其抵接。恒温模块11工作时可以根据需要选择制热或是制冷。散热片12布设在恒温模块11的外侧，用于对恒温模块进行散热。温度反馈电路板15集成有温度传感器，其布设在石墨烯导热板10的侧面，用来实时监测容器9内样品或产品的温度。一个恒温模块11对应一块石墨烯导热板10其可以快速均匀地给两个相邻容器槽内的样品或产品进行加热或制冷。通过修改恒温模块11和石墨烯导热板10的外形尺寸可以只给一个容器槽或多个容器槽内的样品或产品进行恒温孵育，采用一个恒温模块11和石墨烯导热板10给多个相邻容器槽进行恒温孵育时可以有效降低生产成本，只给一个容器槽或少数几个相邻容器槽进行恒温孵育时可以更进一步提高其实时反馈时的温度精度。在一实施例中，上盖17开设有4个向内凹陷的容器槽用来放置容器9，每两个容器槽共用一个石墨烯导热板10和恒温模块11，为了提高生产效率、减少设计周期和成本可以把几种常用模块设计成标准模块，同一模块中石墨烯导热板10和恒温模块11对容器槽的数量不一定是对等的，这样既可以保证在某个恒温容器槽间有较高的温控精度，又可以降低其成本，也可以根据实际需求进行多种模块的组合使用。

在一实施例中，机架包括：第一压柱2、第一机架4、底板5和第二机架6。所述第一机架4和底板5分别通过螺丝与所述第二机架6固定。

在一实施例中，容器槽背离石墨烯导热板10的一侧设置有弹片19，当容器9插入容器槽内时，弹片19使容器9外壁紧紧贴在石墨烯导热板10上，方便其快速进行能量的传播。因为有弹片19存在只要容器9不是过小且可以插入容器槽内，都可以使容器9紧贴在石墨烯导热板10上，容器槽和容器的尺寸也可以根据实际需求进行变化。理论上只要容器9不和容器9内部的样品或产品发生反应或发生的反应对使用结果没有影响且容器9的耐受温度可以达到实际使用温度的都可以随便使用，但是当容器9是比色皿时，插入容器槽的时候最好两个毛玻璃面对着弹片19和石墨烯导热板10表面。

在一实施例中，石墨烯导热板10与第二机架之间设置有陶瓷纤维隔热垫，能够避免能量在传导的过程中发生不必要的损耗和出于人身安全的考虑，石墨烯导热板10不直接和机架的其他部分接触，都会留有一定的距离且石墨烯导热板10和第二机架6必须接触的时候，中间也会有一个陶瓷纤维隔热垫7，之所以选择复合材料陶瓷纤维作为隔热垫，是因为复合材料陶瓷纤维的导热系数只有0.03W/m.k且可以在-130～90℃的温度下正常工作，如果想要更高的耐热温度可以把材质更换为高耐温陶瓷纤维，其可以在-272～1260℃的温度下正常工作。

在一实施例中，恒温模块11为半导体制冷片。

在一实施例中，为了更好的进行制热或制冷的传导，恒温模块11和石墨烯导热板10在接触的地方均匀涂上一层厚度0.1～0.2mm的导热硅脂。市场上绝大部分的普通导热硅脂可以在-50～230℃的温度下保持膏状不固化且导热系数在1～5W/m.k，根据导热硅脂的特性，涂抹的越均匀厚度越小导热效果越好，经测试涂抹厚度在0.1～0.2mm的普通导热硅脂可以满足绝大部分的需求，如果有特殊需求涂抹的厚度还可以再小且可以更换性能更好的其他导热硅脂。

在一实施例中，恒温模块11的外侧还布设有风扇14，除了用恒温模块11进行温度的调节外，风扇14也可以快速的对恒温模块、散热片以及对对应容器槽内的样品、产品进行散热操作，以保证恒温孵育时温度的准确性且外部环境的变化对其温控精度的影响几乎可以忽略不计。虽然恒温模块11和散热片12通过厚度0.1～0.2mm且均匀涂抹在其表面的导热硅脂可以有效的散热，但是为了延长恒温模块11的使用寿命和提高散热效率，通过系统后台的判断，风扇14也可以给恒温模块11进行散热。

在一实施例中，为了便于观察容器9内样品或产品在恒温孵育中的变化情况，容器9可以采用无色透明材质、有色透明材质或有色不透明材质。为了防止灰尘、水汽等一些物质对容器9内样品或产品造成污染，也为了避免孵育工程中容器内的样品、产品发生有毒有害物质的泄露，容器9的顶端开口还设置有容器盖8可以根据实际需求选择是否使用。

如图5所示，主控板1通过第二压柱3布设在其中一个孵育单元的机架上，包括：加热控制模块和通信模块，加热控制模块通过通信模块分别与各个孵育单元的恒温模块11和温度反馈电路板15连接，形成各个孵育单元的温度闭环控制系统。温度反馈电路板和石墨烯导热板之间也涂有导热硅脂，以达到更精准的进行温度的监控。将预期温度输入到主控板1中，主控板1会通过温度反馈电路板15实时采集石墨烯导热板10的当前温度，然后将预设温度和当前温度进行比较，根据结果控制恒温模块加热或制冷。各个孵育单元再通过各自的温度反馈电路板15对石墨烯导热板10的温度进行实时采集，并使用恒温模块11对石墨烯导热板10的温度进行实时控制和监控，可以保证石墨烯导热板10的温度与给定的温度一致，如果石墨烯导热板10的温度升高或者降低，闭环系统立即控制恒温模块11做出相应的加热或制冷操作。

在一实施例中，如图8所示，加热控制模块具有恒温模块驱动电路，其由两个EG2104半桥芯片和4个大功率mos管组成，其中EG2104芯片具有高端悬浮自举电源、死区控制设计，主控板通过控制EG2104芯片，进而控制全桥MOS电路，全桥MOS电路连接恒温模块，进而控制恒温模块。本发明采用大功率MOS管，能以200W的功率驱动恒温模块。用大功率驱动电路控制恒温模块，使得恒温模块能在短时间内产生大量的能量，进而使得模块能迅速达到预设温度。恒温模块配合温度控制电路板、风扇以及控制系统可以做到对温度的精确控制。

各个孵育单元的恒温模块11均有独立编码，方便级联后对某一特定孵育单元的恒温模块进行独立控制。

在一实施例中，如图7所示，通信模块通过485总线分别与各个孵育单元的恒温模块11连接，各个孵育单元的恒温模块11均有两个并联连接的485通信接口，恒温模块作为通信总线上的从机，接受作为主机的主控板1预设温度，第一个恒温模块通过第一个通信接口连接作为主机的主控板1，第一个恒温模块上的第二个接口连接第二个恒温模块，因为每个恒温模块都有两个接口，所以可以多个模块进行级联。同时，通过485总线，可以实现给每个模块设置不同的预设温度。485通信是一种可以进行多机通信的通信方式，将各个恒温模块通过485总线连接，再结合每个恒温模块独立的编码，就可以实现每个恒温模块的独立温度控制。用编码器实现恒温模块的编码，恒温模块作为从机接受主机的指令，主机指令格式为：模块编号+预设温度，恒温模块的通信接收程序会根据接收的指令码去判断，如果接收的模块编号为本模块的编号，则将指令中的预设温度设置为此模块的预设温度，其他模块收到的编号与其本机编号不一致则不进行预设温度的操作。

该恒温孵育系统使用时，首先将放置有样品或产品的容器9放入容器槽，石墨烯导热板10的一面与容器接触，另一面通过导热硅脂与恒温模块连接。如图6所示，然后进行加热控制：通过主控板的定时器功能，实现精确计时，然后根据计时每0.5s会读取温度反馈电路板的温度，将读取的温度和预设温度比较，经过研究的算法得出一个加热值，因为是将间隔时间0.5s平均分成一百份，每份就是0.005s，如果这个加热值是+50话，在接下来的0.5s会加热50*0.005s即0.25s的时间，剩下的时间既不加热也不制冷，如果这个值为-50的话，接下来的0.5s时间内会制冷50*0.005s即0.25s，这个加热值会在-100到100的范围内变化，当加热值为正数时控制电路正向导通恒温模块进行加热，当加热值为负数时恒温模块反向导通进行制冷；当预设温度和温度芯片检测的实际温度相差较大时，此时的加热值为100或-100，这表明在接下来的0.5s时间内全部为加热或制冷状态，以实现快速加热或制冷的目的。当温度相差不大时，此时通过算法计算得出合理的加热值来对温度进行精确控制。当温差小于0.1度时，此时不进行加热或者制冷工作。并且这三种状态会动态转化，直至温差保持在很小的动态平衡。

在一实施例中，为了方便温度反馈电路板15、电扇14和恒温模块11等与主控板1的连接以及排线的排布和美观，在底板5下面设置有一个挡板16，以方便其排线的固定。

在一实施例中，为了避免恒温模块11在工作时对其他零部件造成影响且为了美观和安全考虑，除第一压柱2、第二压柱3、第三压柱18等采用尼龙材质外，其他大部分零部件都进行阳极氧化处理，以提高其耐热性、耐磨性和抗腐蚀性。

综上，该恒温孵育系统能够对各个孵育单元的恒温模块进行单独的闭环控制，以实现对不同样品或产品进行不同恒温孵育温度的精准控制，并随时可以对恒温孵育温度和状态进行调整，具有市场应用广泛、适应性强、兼容性高且价格低廉、功能多样、操作方便、损耗较低、恒温过程可控可视、体积小巧、结构简单、方便安装调试和维修携带。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种恒温孵育系统，其特征在于，包括：

容器，用于容纳待孵育的样品或产品；

一个或多个孵育单元，均包括：机架、石墨烯导热板、恒温模块、散热片、温度反馈电路板和上盖；所述上盖设置在机架上，并开设有一个或多个向内凹陷的容器槽；所述石墨烯导热板布设在机架的一侧，并位于容器槽侧面；所述恒温模块固定在石墨烯导热板上并与其抵接；所述散热片布设在恒温模块的外侧；所述温度反馈电路板集成有温度传感器，其布设在石墨烯导热板的侧面；以及

主控板，其布设在所述孵育单元的机架上，该主控板包括：加热控制模块和通信模块，所述加热控制模块通过通信模块分别与各个孵育单元的恒温模块和温度反馈电路板连接，形成各个孵育单元的温度闭环控制系统。

2.如权利要求1所述的恒温孵育系统，其特征在于，所述容器槽背离石墨烯导热板的一侧设置有弹片。

3.如权利要求1所述的恒温孵育系统，其特征在于，所述石墨烯导热板与机架之间设置有陶瓷纤维隔热垫。

4.如权利要求1所述的恒温孵育系统，其特征在于，所述恒温模块和石墨烯导热板涂设有导热硅脂。

5.如权利要求4所述的恒温孵育系统，其特征在于，所述导热硅脂的厚度为0.1～0.2mm。

6.如权利要求1所述的恒温孵育系统，其特征在于，所述恒温模块的外侧还布设有风扇。

7.如权利要求1所述的恒温孵育系统，其特征在于，所述加热控制模块具有恒温模块驱动电路，其包括：两个半桥芯片和四个mos管。

8.如权利要求7所述的恒温孵育系统，其特征在于，所述通信模块通过485总线分别与各个孵育单元的恒温模块连接，各个孵育单元的所述恒温模块均有独立编码。

9.如权利要求1所述的恒温孵育系统，其特征在于，所述机架包括：第一压柱、第一机架、底板和第二机架，所述第一机架和底板分别通过螺丝与所述第二机架固定；所述底板的下面设置有挡板。

10.如权利要求1所述的恒温孵育系统，其特征在于，所述容器采用无色透明材质、有色透明材质或有色不透明材质；所述容器的顶端开口还设置有容器盖。

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