CN113203246B - 一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置及方法，包括保温壳体以及设置在保温壳体一个侧表面上的恒温板，保温壳体的内外部均设有温度传感器，且温度传感器电性连接有控制器；保温壳体的内部设有陶瓷制冷片，且陶瓷制冷片的两侧面上分别安装有第一金属加热板和第二金属加热板，第一金属加热板和第二金属加热板表面分别均设有散热片，保温壳体的内外两侧分别均设有用于对散热片降温的第一风扇和第二风扇；控制器根据温度传感器的监测数据调控第一风扇和第二风扇、陶瓷制冷片和第一金属加热板和第二金属加热板的工作；本发明影响环境温度的风扇、陶瓷制冷片和金属加热板组合形成升温模式和降温模式，以维持恒温腔内的温度为预设的温度值。

Description

一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置及方法

技术领域

本发明涉及控温系统技术领域，具体涉及一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置及方法。

背景技术

陶瓷制冷片也被称为半导体制冷片，是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。

现有的利用陶瓷制冷片作为恒温腔的温控材料时，由于陶瓷制冷片的制热端和制冷端分别朝向不同的方向，因此升降温仅仅通过增加陶瓷制冷片的电压进行调控，并且当恒温腔的温度大于或者小于设定的固定温度时，只能通过对陶瓷制冷片断电，自然升降温至设定温度，因此温控效率低，且温度调控方式不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置及方法，以解决现有技术中温控效率低，且温度调控方式不稳定的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置，包括保温壳体以及设置在所述保温壳体一个侧表面上的恒温板，所述保温壳体的内外部均设有温度传感器，且所述温度传感器电性连接有控制器；

所述保温壳体的内部设有陶瓷制冷片，且所述陶瓷制冷片的两侧面上分别安装有第一金属加热板和第二金属加热板，所述第一金属加热板和第二金属加热板表面分别均设有散热片，且其中一个所述散热片分别设置在所述保温壳体的内部，另一个所述散热片穿过所述保温壳体的侧表面朝向外部，所述保温壳体的内外两侧分别均设有用于对所述散热片降温的第一风扇和第二风扇；

所述第一风扇和第二风扇、陶瓷制冷片和所述第一金属加热板和第二金属加热板均分别与所述控制器电性连接，所述控制器根据所述温度传感器的监测数据调控所述第一风扇和第二风扇、陶瓷制冷片和所述第一金属加热板和第二金属加热板的工作。

作为本发明的一种优选方案，所述第一风扇为常开状态，且位于所述保温壳体内部的所述第一风扇用于维持所述保温壳体的内部温度均匀。

作为本发明的一种优选方案，所述第一金属加热板和第二金属加热板为具有导热功能的金属材料，且所述第一金属加热板和第二金属加热板通电时产生热能，所述第一金属加热板和第二金属加热板不通电时作为热能的良导体。

作为本发明的一种优选方案，所述陶瓷制冷片的制冷端朝向所述保温壳体的内部，且所述陶瓷制冷片的加热端朝向所述保温壳体的侧表面。

作为本发明的一种优选方案，所述第一金属加热板、第二金属加热板、陶瓷制冷片和所述第二风扇分别组合形成升温模式和降温模式，所述控制器选择设定的升温模式和降温模式调控所述第一金属加热板、第二金属加热板、所述陶瓷制冷片和第二风扇工作。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置的快速控温方法，包括以下步骤：

步骤100、控制器实时接收用于恒温腔体内部的温度传感器的输出数据，并且将计算得到的环境实时温度与预设的温度进行对比，确定陶瓷制冷片组合模块的工作模式；

步骤200、根据实时温度与预设的温度的差值范围将陶瓷制冷片组合模块的一种工作模式按照不同的降温速度确定运行组件；

步骤300、控制器调控待调控的运行组件工作以将所述恒温腔体分阶降温至预设温度。

作为本发明的一种优选方案，在步骤100中，所述陶瓷制冷片组合模块包括陶瓷制冷片、设置在陶瓷制冷片两侧面的第一金属加热板和第二金属加热板，所述第一金属加热板和第二金属加热板的表面均设有散热片，且所述恒温腔体的内外两侧分别设有用于将所述散热片的热量均匀扩散的第一风扇和第二风扇，其中，所述第一风扇为常开状态，以维持所述恒温腔体内的温度均匀；

当所述恒温腔体的温度高于预设温度，则确定所述第一金属加热板、第二金属加热板、陶瓷制冷片和所述第二风扇为降温模式；

当所述恒温腔体的温度低于预设温度，则确定所述第一金属加热板、第二金属加热板、陶瓷制冷片和所述第二风扇为升温模式。

作为本发明的一种优选方案，所述实时温度与预设的温度的差值范围将降温模式分为快速降温模式、慢速降温模式和稳定降温模式，将升温模式分为快速升温模式、慢速升温模式和稳定升温模式；

控制器对所述快速降温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板关闭电源，陶瓷制冷片电源接通，第二风扇开启，提高供电电压；

控制器对所述慢速降温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板关闭电源，第二风扇关闭，陶瓷制冷片电源接通；

控制器对所述稳定降温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板关闭电源，第二金属加热板开启，陶瓷制冷片电源接通，降低供电电压。

作为本发明的一种优选方案，控制器对所述快速升温模式的运行组件的调控方式为：所述陶瓷制冷片关闭电源，第一金属加热板和第二金属加热板启动电源，提高供电电压；

控制器对所述慢速升温模式的运行组件的调控方式为：所述第二金属加热板和陶瓷制冷片不工作，第一金属加热板启动电源；

控制器对所述稳定升温模式的运行组件的调控方式为：降低供电电压。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明不仅仅将温控设备分为升温模式和降温模式，还进一步的根据当前环境温度与预设温度之间的差值确定升温速度和降温速度，且在调整温度的同时实时计算当前环境温度与预设温度之间的差值分阶调整降温或者升温速度，因此不仅实现快速温控处理，同时还实现精确稳定的温控处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的快速控温装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的快速控温方法的流程示意图。

图中的标号分别表示如下：

1-保温壳体；2-恒温板；3-温度传感器；4-控制器；5-陶瓷制冷片；6-第一金属加热板；7-散热片；8-风扇；9-第二金属加热板；10-第二风扇。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置，将影响环境温度的风扇、陶瓷制冷片和金属加热板组合形成两种工作状态，分别为升温模式和降温模式，当腔体内的实时环境温度高于预设温度，则调控风扇、陶瓷制冷片和金属加热板的通断状态以兴盛降温模式，当腔体内的实时环境温度低于预设温度，则调控风扇、陶瓷制冷片和金属加热板的通断状态以形成升温模式，从而维持恒温腔内的温度为预设的温度值。

具体包括保温壳体1以及设置在保温壳体1一个侧表面上的恒温板2，保温壳体1的内外部均设有温度传感器3，且温度传感器3电性连接有控制器4。

保温壳体1的内部设有陶瓷制冷片5，且陶瓷制冷片5的两侧面上分别安装有第一金属加热板6和第二金属加热板9，第一金属加热板6和第二金属加热板9表面分别均设有散热片7，且其中一个散热片7分别设置在保温壳体1的内部，另一个散热片7穿过保温壳体1的侧表面朝向外部，恒温板2与穿过散热片7的保温壳体侧表面对立分布。

保温壳体1的内外两侧分别均设有用于对散热片7降温的第一风扇8和第二风扇10。

进一步的，位于保温壳体1内部的第一风扇8为常开状态，且位于保温壳体1内部的第一风扇8用于维持保温壳体1的内部温度均匀。

第一金属加热板6和第二金属加热板9为具有导热功能的金属材料，且第一金属加热板6和第二金属加热板9通电时产生热能，第一金属加热板6和第二金属加热板9不通电时作为热能的良导体。

第一风扇8和第二风扇10、陶瓷制冷片5和第一金属加热板6和第二金属加热板9均分别与控制器4电性连接，控制器4根据温度传感器3的监测数据调控第一风扇8和第二风扇10、陶瓷制冷片5和第一金属加热板6和第二金属加热板9的工作。

控制器4具体使用STM32F103型号的控制单元，本实施方式的主要功能是维持保温壳体1内的温度稳定，且始终等于预设的温度值，对比预设温度与实时监测的环境温度的高低。

第一金属加热板6、第二金属加热板9、陶瓷制冷片5和第二风扇10分别组合形成升温模式和降温模式，当设置的期望温度值高于实时监测的环境温度时，控制器4选择降温模式调控第一金属加热板6、第二金属加热板9、陶瓷制冷片5和第二风扇10工作，当设置的期望温度值低于实时监测的环境温度时，控制器4选择设定的升温模式调控第一金属加热板6、第二金属加热板9、陶瓷制冷片5和第二风扇10工作。

当控制器4按照升温模式工作时：调控第二金属加热板9和陶瓷制冷片5不工作，控制器4通过温度传感器3来控制靠近保温壳体1内部的第一金属加热板6的电源通断。

当控制器4按照降温模式工作时：调控第一金属加热板6不工作，将陶瓷制冷片5的电源接通，陶瓷制冷片5的制冷端朝向保温壳体1的内部，且陶瓷制冷片5的加热端朝向保温壳体1的侧表面，将处于保温壳体1外部的第二风扇10开启，加速保温壳体1内部热量向外部扩展，实现快速降温。

由于，半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递，而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递，当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消，此时冷热端的温度就不会继续发生变化，为了达到更低的温度，需要利用第二风扇10开启来打破陶瓷制冷片的制冷制热平衡，使得陶瓷制冷片的制冷端继续下降温度，以实现快速降温效果。

另外，根据需要的升温降温幅度大小，控制器可以控制金属加热板、陶瓷制冷板的供电电压高低来实现快速或慢速升温降温。

特别的，根据需要的升温降温幅度大小，控制器可以控制金属加热板、陶瓷制冷板的供电电压高低来实现快速或慢速升温降温。

另外如图2所示，为了根据恒温腔体的温度范围确定温度调控速度，以实现将温度快速且稳定准确的调整至预设温度，从而本实施方式还提供了一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置的快速控温方法，包括以下步骤：

步骤100、控制器实时接收用于恒温腔体内部的温度传感器的输出数据，并且将计算得到的环境实时温度与预设的温度进行对比，确定陶瓷制冷片组合模块的工作模式；

步骤200、根据实时温度与预设的温度的差值范围将陶瓷制冷片组合模块的一种工作模式按照不同的降温速度确定运行组件；

步骤300、控制器调控待调控的运行组件工作以将恒温腔体分阶降温至预设温度。

在步骤100中，陶瓷制冷片组合模块包括陶瓷制冷片、设置在陶瓷制冷片两侧面的第一金属加热板和第二金属加热板，第一金属加热板和第二金属加热板的表面均设有散热片，且恒温腔体的内外两侧分别设有用于将散热片的热量均匀扩散的第一风扇和第二风扇，其中，第一风扇为常开状态，以维持恒温腔体内的温度均匀；

当恒温腔体的温度高于预设温度，则确定第一金属加热板、第二金属加热板、陶瓷制冷片和第二风扇为降温模式；

当恒温腔体的温度低于预设温度，则确定第一金属加热板、第二金属加热板、陶瓷制冷片和第二风扇为升温模式。

实时温度与预设的温度的差值范围将降温模式分为快速降温模式、慢速降温模式和稳定降温模式，将升温模式分为快速升温模式、慢速升温模式和稳定升温模式；

控制器对快速降温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板关闭电源，陶瓷制冷片电源接通，第二风扇开启，提高供电电压，当陶瓷制冷片工作时还需要继续降温，则根据陶瓷制冷片的通电特性，冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化，从而第二风扇开启对制热端散热后，陶瓷制冷片的制冷端可以继续降温。

控制器对慢速降温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板关闭电源，第二风扇关闭，陶瓷制冷片电源接通，如果降温至此时的环境温度与预定的温度之间的差值处于慢速降温模式范围，则陶瓷制冷片的制冷端可直接实现对恒温腔体的慢速降温处理。

控制器对稳定降温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板关闭电源，第二金属加热板开启，陶瓷制冷片电源接通，降低供电电压，根据陶瓷制冷片的通电特性，陶瓷制冷片的制冷端温度永远低于陶瓷制冷片的制热端温度30℃左右，因此当陶瓷制冷片的制热端温度升高时，陶瓷制冷片的制冷端温度也会升高，从而实现对恒温腔体的稳定降温模式。

而同样的方式，当恒温腔体内部的环境温度低于预设温度时，则需要根据当前的环境温度与预设温度的差值，确定对运行组件的调控方式，将当前的环境温度与预设温度的差值范围大、中、小，将运行组件调整为快速升温模式、慢速升温模式和稳定升温模式。

控制器对快速升温模式的运行组件的调控方式为：陶瓷制冷片关闭电源，第一金属加热板和第二金属加热板启动电源，提高供电电压，第二金属加热板的电源接通后，使更多热量经由陶瓷制冷片、第一金属加热板向恒温腔内部扩散，实现快速升温，此时的第二风扇关闭。

控制器对慢速升温模式的运行组件的调控方式为：第二金属加热板和陶瓷制冷片不工作，第一金属加热板启动电源，如果升温至此时的环境温度与预定的温度之间的差值处于慢速升温模式范围，则第一金属加热板可直接实现对恒温腔体的升温工作。

控制器对稳定升温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板和陶瓷制冷片不工作，第二金属加热板启动电源，降低供电电压，由于第二金属加热板的散热片朝向恒温腔体的外部，因此第二金属加热板对恒温腔体的内部加热速度比较慢，实现稳定升温。

因此本实施方式不仅仅将温控设备分为升温模式和降温模式，还进一步的根据当前环境温度与预设温度之间的差值确定升温速度和降温速度，且在调整温度的同时实时计算当前环境温度与预设温度之间的差值分阶调整降温或者升温速度，因此不仅实现快速温控处理，同时还实现精确稳定的温控处理。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置的快速控温方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100、控制器实时接收用于恒温腔体内部的温度传感器的输出数据，并且将计算得到的环境实时温度与预设的温度进行对比，确定陶瓷制冷片组合模块的工作模式；

步骤200、根据实时温度与预设的温度的差值范围将陶瓷制冷片组合模块的一种工作模式按照不同的降温速度确定运行组件；

所述实时温度与预设的温度的差值范围将降温模式分为快速降温模式、慢速降温模式和稳定降温模式，将升温模式分为快速升温模式、慢速升温模式和稳定升温模式；

控制器对所述快速降温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板关闭电源，陶瓷制冷片电源接通，第二风扇开启，提高供电电压；

控制器对所述慢速降温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板关闭电源，第二风扇关闭，陶瓷制冷片电源接通；

控制器对所述稳定降温模式的运行组件的调控方式为：第一金属加热板关闭电源，第二金属加热板开启，陶瓷制冷片电源接通，降低供电电压；

步骤300、控制器调控待调控的运行组件工作以将所述恒温腔体分阶降温至预设温度；

当恒温腔体内部的环境温度低于预设温度时，则需要根据当前的环境温度与预设温度的差值，确定对运行组件的调控方式，将当前的环境温度与预设温度的差值范围大、中、小，将运行组件调整为快速升温模式、慢速升温模式和稳定升温模式；

控制器对所述快速升温模式的运行组件的调控方式为：所述陶瓷制冷片关闭电源，第一金属加热板和第二金属加热板启动电源，关闭第二电扇，提高供电电压；

控制器对所述慢速升温模式的运行组件的调控方式为：所述第二金属加热板和陶瓷制冷片不工作，关闭第二电扇，第一金属加热板启动电源；

控制器对所述稳定升温模式的运行组件的调控方式为：所述第一金属加热板和陶瓷制冷片不工作，第二金属加热板启动电源，降低供电电压；

其中，快速控温装置包括保温壳体（1）以及设置在所述保温壳体（1）三个侧表面上的恒温板（2），所述保温壳体（1）的内外部均设有温度传感器（3），且所述温度传感器（3）电性连接有控制器（4）；

所述保温壳体（1）的内部设有陶瓷制冷片（5），且所述陶瓷制冷片（5）的两侧面上分别安装有第一金属加热板（6）和第二金属加热板（9），所述第一金属加热板（6）和第二金属加热板（9）表面分别均设有散热片（7），且其中一个所述散热片（7）分别设置在所述保温壳体（1）的内部，另一个所述散热片（7）穿过所述保温壳体（1）的另一侧表面朝向外部，所述保温壳体（1）的内外两侧分别均设有用于对所述散热片（7）降温的第一风扇（8）和第二风扇（10）；

所述第一风扇（8）和第二风扇（10）、陶瓷制冷片（5）和所述第一金属加热板（6）和第二金属加热板（9）均分别与所述控制器（4）电性连接，所述控制器（4）根据所述温度传感器（3）的监测数据调控所述第一风扇（8）和第二风扇（10）、陶瓷制冷片（5）和所述第一金属加热板（6）和第二金属加热板（9）的工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷制冷片的快速控温装置的快速控温方法，其特征在于，所述第一风扇（8）为常开状态，且位于所述保温壳体（1）内部的所述第一风扇（8）用于维持所述保温壳体（1）的内部温度均匀。

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