CN114256405A - 一种可连续精确控温的冷链医药保温箱、及热电材料、真空隔热板材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可连续精确控温的冷链医药保温箱、及热电材料、真空隔热板材料及其制备方法，该冷链医药保温箱包括：外箱体保温层、冰排、内箱保温层、以及安装于内箱保温层上的半导体热电元器件、电源、温度传感器、控制面板、温控开关，所述半导体热电元器件的热端与冷端分别连接散热片、导冷片；所述温度传感器置于内箱保温层内侧实时检测内箱温度，所述锂电池、控制面板、温控开关均设置在外箱体保温层上。本发明半导体热电元器件和相变材料相结合的方式可以通过给半导体热电元器件热端一个更低的环境温度从而降低热电降温所需要的功率，提高制冷效率，降低耗电量；可以通过热电元器件来改变内箱温度，达到一箱多用的目的。

Description

一种可连续精确控温的冷链医药保温箱、及热电材料、真空隔 热板材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及医药保温箱技术领域，特别涉及一种可连续精确控温的冷链医药保温箱及热电材料与真空隔热板材料及其制备方法。
背景技术
医药行业一直是一个关系到民生的重要行业，尤其是随着全球新冠肺炎的蔓延，疫苗和药品的冷藏储存运输需求量急剧攀升。药品和疫苗在运输过程中，对于温度有着严格的要求，目前市场上最常用到的几个温度区间为-20℃，2-8℃，0-5℃，15-20℃。目前无源冷链医药保温箱一般使用相变材料填充保温层，但是受限于相变材料的相变温度点，使用同一种相变材料冰排是只能达到一个理想的保温温度区间。若想达到一个保温箱能根据不同需求使用不同温度区间的话，可使用如中国专利CN210527362U中提出的一种相变蓄冷式双温区保温箱，虽然可以同时拥有两个温度区间，但是减少了单个保温区的实际使用容积。中国专利CN211876475U中提到利用结合热电片与相变制冷以延长冷藏保温时间，但是设计中单一热电片的工作效率很低，制冷能力有限，也不能精准控制保温箱内的温度。
由于目前热电器件受到热电材料转化效率不足的困扰，导致热电器件应用受到限制。热电材料的转化效率，通常由无量纲优值zT衡量，zT＝S^2σT/κ，其中S为塞贝克系数(V/K)，σ为电导率(S/cm),T为绝对温度(K)，κ为热导率(W/m K)。因此为了追求更高的zT，通常需要材料具有高塞贝克系数，高电导率，及低热导率。但是受限于载流子浓度n的影响，
σ＝n eμ；
κ＝κl+κe；
Ke＝n eμL0 T；
其中材料热导率由两部分组成，分别是晶格热导率κl和κe电子热导率；
其中，μ为载流子迁移率，e为电子电荷，L0为洛伦兹数，T为绝对温度。
由此可以看出，n升高时，σ和κe都会上升；n下降时，σ和κe都会下降。由于变量间的内在影响因素，各变量很难同时优化，导致zT值优化难度增加。但是晶格热导率κl是相对独立的，其数值与载流子浓度n无关，其数值主要与材料晶体结构相关，晶体结构更为复杂时，声子散射现象增加，可以有效降低晶格热导率。本发明将提供一种通过引入非公度结构，降低热电材料晶格热导率，从而优化热电材料zT值的有效途径。
在经典结晶学中，原子排列被认为是完整的且周期性重复的。然而，后续观察到一些非周期性重复排列的原子排列的材料，如非公度结构材料及准晶等。非公度结构材料分为非公度调制结构和非公度复合结构。非公度结构的结构复杂性可以有效增加材料内声子散射效应，降低晶格热导率，以增加材料zT值，提高器件热电转化效率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可连续精确控温的冷链医药保温箱、及热电材料、真空隔热板材料及其制备方法。
为了实现上述目的：
首先，本发明提供一种可连续精确控温的冷链医药保温箱，包括：外箱体保温层、冰排、内箱保温层、以及安装于内箱保温层上的半导体热电元器件、电源、温度传感器、控制面板、温控开关，所述半导体热电元器件的热端与冷端分别连接散热片、导冷片；所述温度传感器置于内箱保温层内侧实时检测内箱温度，所述锂电池、控制面板、温控开关均设置在外箱体保温层上。
优选地，所述控制面板上设有单片机，该单片机对应端分别与电源、温度传感器、温控开关对应端电性连接；所述半导体热电元器件对应端还与温控开关对应端电性连接。
优选地，所述外箱体保温层与内箱保温层内均设有真空隔热板。
本发明提供还一种半导体热电元器件的热电材料，该热电材料采用纳米错层非公度结构的(Bi2Te3)m(X)n热电材料，其中X选自Bi、Sb、Sb2Te3、SbO2、BiO2中的任意一种，m/n为无理数。
本发明还提供一种半导体热电元器件的热电材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在真空手套箱中按化学计量比取铋，碲，以及X所需元素原料，
步骤二、在700-900℃下真空熔炼，然后迅速淬火(不限于冰水，干冰，或液氮等低温介质中)，迅速凝固形成块体；
步骤三、然后将块体在200-400℃间退火处理2-10小时；
步骤四、再通过研磨降低粒径；
步骤五、最后通过热压烧结以及挤压热变形，获得片状样品。
本发明还提供一种真空隔热板材料，该材料重量百分比组成包括：气象二氧化硅50％-60％、玻璃纤维5％-10％、乳浊剂10％-20％、微/纳米纤维素晶体15％-30％。
优选地，所述乳浊剂选自碳化硅、二氧化钛、炭黑、煤灰中的一种或多种。
优选地，所述微/纳米纤维素晶体的提取方法，包括如下步骤：
步骤一：选取合适的植物纤维，该植物纤维包括纤维素60-70％、木质素0.5％-10％；
步骤二、搅碎含量为3％-6％的植物纤维后，在用1％-5％的NaOH溶液处理，并转移到10-20psi的高压反应釜中，反应30-60min，然后迅速释压；
步骤三、将得到的反应混合物经超声波处理，进一步分解纤维素；
步骤四、然后施加机械搅拌以3000-5000rmp转速搅拌若干小时后，清洗并晾干所提取出的纤维素；
步骤五、在碱性介质中加入8％－20％的次氯酸钠溶液漂白制备的纳米纤维素结晶以去除残留的木质素；
步骤六、漂白后，加入2％-5％NaOH溶液进行连续洗涤，直到PH＝5-9，再经过球磨，进一步降低纤维素纳米尺寸。
优选地，所述步骤二中搅碎的植物纤维的长度小于0.5cm；所述步骤六中进一步降低纤维素纳米尺寸为100nm-10μm。
本发明还提供一种真空隔热板材料的制备方法，包括如下步骤：将气象二氧化硅、玻璃纤维、乳浊剂、微/纳米纤维素晶体混合后填充到模具中，然后利用液压机压实，并置于炉中加热至50℃-150℃。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明半导体热电元器件和相变材料相结合的方式可以通过给半导体热电元器件热端一个更低的环境温度从而降低热电降温所需要的功率，提高制冷效率，降低耗电量；可以通过热电元器件来改变内箱温度，达到一箱多用的目的，可以将传统的2-8℃范围扩展到-20℃-20℃；当所需温度仍然为2-8℃时，热电元器件可以通过辅助制冷的方式延长保温箱保温时间，从而达到更远的运输范围。
本发明具有非公度结构的热电材料，可以显著降低碲化铋材料的晶格热导率，在不降低电导率及塞贝克系数的前提下，降低材料的热导率，进一步提高材料热电优值zT，实现热电材料的宏观性能提升。
本发明利用纤维素这种天然聚合物开发真空隔热板，可以有效降低保温层热导率，提高保温箱整体保温性能，更加环保，还可以降低真空隔热板的价格。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明半导体热电元器件安装示意图；
图3为本发明热电材料电连接图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
参照图1至图3，本发明提供一种可连续精确控温的冷链医药保温箱，包括：外箱体保温层1、冰排2、内箱保温层3、以及安装于内箱保温层上的半导体热电元器件4、电源7、温度传感器8、控制面板9、温控开关10，所述半导体热电元器件4的热端与冷端分别连接散热片6、导冷片5；
所述温度传感器8置于内箱保温层内侧3，用于实时检测内箱温度，所述电源7、控制面板9、温控开关10均设置在外箱体保温层1上。
所述控制面板9上设有单片机，该单片机对应端分别与电源7、温度传感器8、温控开关10对应端电性连接；所述半导体热电元器件4对应端还与温控开关10对应端电性连接；所述电源7设为锂电池；所述半导体热电元器件4包括热电温控器件；当控制面板9所设置的温度与温度传感器8检测的内箱温度不符时，温控开关10启动，热电温控器件开始工作，当达到所设置的温度时，热电温控器件停止工作；导冷片5及散热片6，主要用来增大散热或制冷面积，提高内箱内及冰排室内温度均匀性，并且有效将半导体热电元器件4的热量转移到冰排2，降低半导体热电元器件4热端温度，提高热电元器件4的工作效率及制冷效率，降低用电量；锂电池，为半导体热电温控器件提供直流电源；温度传感器8，主要用来检测内箱实时温度；控制面板9，主要用来设置温度，显示实时箱内温度。
所述外箱体保温层1与内箱保温层内均设有真空隔热板，外箱体保温层1，主要用来隔绝箱体外环境温度，保证冰排2及内箱的低温环境；冰排2，灌装相变材料，提供基础的内箱低温；内箱保温层3，主要用来隔绝冰排室温度，保证内箱可以达到更低或更高的温度；
半导体热电元器件4，主要用来降低或提高内箱温度，其在内箱吸收的热量会散发在冰排室内，以此来使内箱达到比冰排室更低的温度；或根据需要在冰排室吸热，将热量散发在内箱中，用来提高温度同时可以延长冰排使用时间。
本方案中半导体热电器件4由三级塔形热电器件共同组成，每一级塔形热电器件均设有热端与冷端，该三级塔形热电器件包括第一级热电器件4a、第二级热电器件4b、第三级热电器件4c；所述4c第三级热电器件热端会散热至第二级热电器件4b的冷端，第二级热电器件4b的热端散热至第一级热电器件4a冷端，第三级热电器件4c热端热量直接排放至冰排，其中冰排内灌装相变(PCM)材料，塔形半导体热电组可以将温度降至更低，达到－70℃。
所述导冷片5位于内箱保温层3上侧，所述散热片6位于冰排室；当所述保温箱需要低于相变材料的温度时，可开启半导体热电元器件4制冷，达到所需温度；当改变电流方向时，所述半导体热电元器件4热端与冷端互换，即位于箱体内部的一段为热端，位于冰排室的一段为冷端；如此，当所述保温箱需要高于相变材料的温度时，可开启半导体热电元器件4制热，达到所需温度；如此，所述保温箱可以使用同一种相变材料，达到更宽阔的温度区域，并且达到精确控温的目的，解决了市场上不能一箱多用的技术问题。并且经过本专利设计，采用特定相变材料，可以替代传统行业用风冷给半导体热电片热端散热的方法，提高散热效率，进而提高半导体热电元器件制冷效率，可以明显降低箱体所需的电池容量，降低无源医药冷链箱重量及运输成本。
本发明还提供一种半导体热电元器件的热电材料，该热电材料采用纳米错层非公度结构的(Bi2Te3)m(X)n热电材料，其中X选自Bi、Sb、Sb2Te3、SbO2、BiO2中的任意一种；m/n为无理数。
本发明还提供一种半导体热电元器件的热电材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在真空手套箱中按化学计量比取铋，碲，以及X所需元素原料，
步骤二、在700-900℃下真空熔炼，然后迅速淬火(不限于冰水，干冰，或液氮等低温介质中)，迅速凝固形成块体；
步骤三、然后将块体在200-400℃间退火处理2-10小时；
步骤四、再通过研磨降低粒径至100nm-100μm，本步骤不限于干法或湿法研磨；
步骤五、最后通过热压烧结以及挤压热变形，获得片状样品。
以此步骤生长的具有非公度结构的热电材料，可以显著降低碲化铋材料的晶格热导率，在不降低电导率及塞贝克系数的前提下，降低材料的热导率，进一步提高材料热电优值zT，实现热电材料的宏观性能提升。
本发明还提供一种真空隔热板材料，该材料重量百分比组成包括：气象二氧化硅50％-60％、玻璃纤维5％-10％、乳浊剂10％-20％、微/纳米纤维素晶体15％-30％。
所述乳浊剂选自碳化硅、二氧化钛、炭黑、煤灰中的一种或多种。
所述微/纳米纤维素晶体的提取方法，包括如下步骤：
步骤一：选取合适的植物纤维，该植物纤维包括纤维素60％-70％、木质素0.5％-10％；
步骤二、搅碎含量为3％-6％的植物纤维后，在用1％-5％的NaOH溶液处理，并转移到10psi-20psi的高压反应釜中，反应30min-60min，然后迅速释压；
步骤三、将得到的反应混合物经超声波处理，进一步分解纤维素至更小碎片；
步骤四、然后施加机械搅拌以3000rmp-5000rmp转速搅拌若干小时后，清洗并晾干所提取出的纤维素；
步骤五、在碱性介质中加入8％-20％的次氯酸钠溶液漂白制备的纳米纤维素结晶以去除残留的木质素；
步骤六、漂白后，加入2％-5％NaOH溶液进行连续洗涤，直到PH＝5－9，再经过球磨，进一步降低纤维素纳米尺寸。
所述步骤二中搅碎的植物纤维的长度小于0.5cm。
所述步骤六中进一步降低纤维素纳米尺寸为100nm-10μm。
本发明还提供一种真空隔热板材料的制备方法，包括如下步骤：将气象二氧化硅、玻璃纤维、乳浊剂、微/纳米纤维素晶体混合后填充到模具中，然后利用液压机压实，并置于炉中加热至50－150℃。
本发明中的医药保温箱中的半导体热电元器件的热电材料，优先采用以上所述的一种半导体热电元器件的热电材料；本发明中的医药保温箱中的真空隔热板，优先采用以上所述的一种真空隔热板材料。
保温材料-真空隔热板：纤维素是天然且存储量丰富的可再生材料，木制纤维废料富含纤维素，木糖和半纤维素。本发明利用纤维素这种天然聚合物开发真空隔热板，可以有效降低保温层热导率，提高保温箱整体保温性能。
真空隔热板是一种真空多孔复合材料，并覆盖多层膜以达到隔绝热传导的目的。目前市场上多使用气相二氧化硅作为其核心材料。但是气相二氧化硅成本高，因此增加了真空隔热板的价格。纤维素是一种丰富且可再生的天然材料，将其用于真空隔热板用于超级绝热材料的开发不仅可以更加环保，废物再利用，还可以降低真空隔热板的价格。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种可连续精确控温的冷链医药保温箱，其特征在于，包括：外箱体保温层、冰排、内箱保温层、以及安装于内箱保温层上的半导体热电元器件、电源、温度传感器、控制面板、温控开关，所述半导体热电元器件的热端与冷端分别连接散热片、导冷片；所述温度传感器置于内箱保温层内侧实时检测内箱温度，所述锂电池、控制面板、温控开关均设置在外箱体保温层上。
2.根据权利要求1所述的可连续精确控温的冷链医药保温箱，其特征在于，所述控制面板上设有单片机，该单片机对应端分别与电源、温度传感器、温控开关对应端电性连接；所述半导体热电元器件对应端还与温控开关对应端电性连接。
3.根据权利要求1所述的可连续精确控温的冷链医药保温箱，其特征在于，所述外箱体保温层与内箱保温层内均设有真空隔热板。
4.一种半导体热电元器件的热电材料，其特征在于，该热电材料采用纳米错层非公度结构的(Bi2Te3)m(X)n热电材料，其中X选自Bi、Sb、Sb2Te3、SbO2、BiO2中的任意一种，m/n为无理数。
5.一种半导体热电元器件的热电材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在真空手套箱中按化学计量比取铋，碲，以及X所需元素原料，
步骤二、在700-900℃下真空熔炼，然后迅速淬火，迅速凝固形成块体；
步骤三、然后将块体在200-400℃间退火处理2-10小时；
步骤四、再通过研磨降低粒径；
步骤五、最后通过热压烧结以及挤压热变形，获得片状样品。
6.一种真空隔热板材料，其特征在于，该材料重量百分比组成包括：气象二氧化硅50％-60％、玻璃纤维5％-10％、乳浊剂10％-20％、微/纳米纤维素晶体15％-30％。
7.根据权利要求1所述的真空隔热板材料，其特征在于，所述乳浊剂选自碳化硅、二氧化钛、炭黑、煤灰中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的真空隔热板材料，其特征在于，所述微/纳米纤维素晶体的提取方法，包括如下步骤：
步骤一：选取合适的植物纤维，该植物纤维包括纤维素60-70％、木质素0.5％-10％；
步骤二、搅碎含量为3％-6％的植物纤维后，在用1％-5％的NaOH溶液处理，并转移到10-20psi的高压反应釜中，反应30-60min，然后迅速释压；
步骤三、将得到的反应混合物经超声波处理，进一步分解纤维素；
步骤四、然后施加机械搅拌以3000-5000rmp转速搅拌若干小时后，清洗并晾干所提取出的纤维素；
步骤五、在碱性介质中加入8％－20％的次氯酸钠溶液漂白制备的纳米纤维素结晶以去除残留的木质素；
步骤六、漂白后，加入2％-5％NaOH溶液进行连续洗涤，直到PH＝5-9，再经过球磨，进一步降低纤维素纳米尺寸。
9.根据权利要求1所述的真空隔热板材料，其特征在于，所述步骤二中搅碎的植物纤维的长度小于0.5cm；所述步骤六中进一步降低纤维素纳米尺寸为100nm-10μm。
10.一种真空隔热板材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将气象二氧化硅、玻璃纤维、乳浊剂、微/纳米纤维素晶体混合后填充到模具中，然后利用液压机压实，并置于炉中加热至50℃-150℃。
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