CN214820944U - 一种生物3d打印设备的环境控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种生物3D打印设备的环境控制系统，属于3D打印设备技术领域。本实用新型包括温度模块、湿度模块、洁净腔体模块、灭菌模块和控制模块，分别对温度、湿度、腔体洁净度和腔体灭菌进行检测调节控制。本实用新型的环境控制系统各模块可对腔体环境独立控制互不干扰，空气流通顺畅不乱流，温度控制高效稳定无噪音。各模块可单独安装拆卸，便于更换，独立使用；模块自由搭配，设备升级方便。构建了不仅满足高分子材料成型打印腔体环境，也构建了满足细胞材料存活的腔体空间。

Description

一种生物3D打印设备的环境控制系统

技术领域

本实用新型涉及3D打印设备技术领域，尤其涉及一种生物3D打印设备的环境控制系统。

背景技术

生物3D打印机是一种用于生物、材料、再生医学、人工器官再造等学科领域的仪器。生物3D打印机腔体环境对温度和湿度也有严格要求，因此提供一种对温度和湿度进行严格控制的设备尤其重要。

在中国专利申请文献CN108105945A中，提供了一种生物3D打印机封闭环境的湿度控制系统，包括中央控制器，设在3D打印机封闭成型室内的湿度传感器、温度传感器、吸附式除湿模块和冷凝式除湿模块，采用两种除湿方式，需要制冷时，采用冷凝式除湿法，需要维持在不满足冷凝现象发生温度时，除湿过程采用吸附式除湿法。还包括加湿系统，超声换能器激发雾化池产生水雾，水雾在风扇的推动下沿空气流道进入3D打印机封闭成型室内，使得3D打印机封闭成型室内的湿度达到目标值。该方案在对环境湿度调控时对环境的温度会产生干扰。

在中国专利申请文献CN207901683U中，提供了一种-生物3D打印环境控制系统及生物3D打印设备，其中内环境测控系统包括传感器单元和内环境控制单元，所述传感器单元包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和臭氧浓度传感器的传感器集合，所述内环境控制单元包括冷却除湿模块、加热模块、加湿模块、臭氧发生器和二氧化碳控制组件的控制元件集合；所述冷却除湿模块、所述加热模块、以及所述加湿模块依次按顺序排布；所述冷却除湿模块由半导体制冷片或压缩机作为制冷元件，由金属翅片作为热交换元件；所述加热模块由加热丝或加热膜作为加热元件，由金属翅片作为热交换元件；所述加湿模块采用热蒸汽加湿或雾化加湿。该方案中高湿度的空气会对过滤器产生极大的损伤。

在中国专利申请文献CN109055207A中，提供了一种一体化生物3D打印机打印腔体环境控制系统及控制方法，所述系统包括控制模块，以及依次连接的通风模块、高效过滤模块、冷凝除湿模块、加热加湿模块和空气分配模块，其中，所述空气分配模块设置在所述生物3D打印机打印腔体的顶部，通风模块与打印腔体内部及生物3D打印机外部连通，通风模块、高效过滤模块、冷凝除湿模块、加热加湿模块和空气分配模块均与控制模块连接。所述通风模块包括第一风机和第二风机，所述第一风机的进风口与生物3D打印机的外部连通，第二风机的进风口与打印腔体内部连通。所述第一风机和第二风机的出风口均与所述高效过滤模块的进风口连接，所述第一风机和第二风机的进风口上设有过滤网。该方案通过冷凝除湿，还具有加热加湿功能，冷凝和加热都会对过滤网造成伤害。

现有技术至少存在以下不足：

1.温控速度慢，温度波动范围大；

2.工作时易产生水汽凝结，对生物3D打印产生不利的影响；

3.空气净化过程中，产生的风阻大，空气过滤效果不佳，对生物3D打印造成干扰

4.腔体内GMP标准低。

5.空气净化过程中进行加湿，对高效过滤器产生危害，降低其工作性能，减少使用寿命。

6.不能很好的创建有利于细胞打印的腔体环境。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种生物3D打印设备的环境控制系统，包括温度模块、湿度模块、环境净化模块、灭菌模块和控制模块，分别对温度、湿度、腔体洁净度和腔体灭菌进行检测调节控制。将所需的生物3D打印设备腔体温度数值设定在触摸屏界面中，并将设定温度传送给PLC保存，位于腔体内的温度传感器采集各处温度信息，经温度变送器将温度数据传送至PLC。PLC内部程序将腔体内各处温度与设定温度进行比对，通过输出驱动固态继电器将直流电源送至半导体制冷器件，使其工作制冷。湿度控制模块采用无冷凝水排放技术，防止温度控制模块工作时产生水汽凝结对生物3D打印产生不利的影响，控湿范围为：30％RH-70％RH，感应精度为：±3％RH。采用空气内循环的方式，通过静音风机将生物3D打印设备顶部空气经高效过滤器吸附、净化，以0.3～0.5m/s的面风速送到生物3D打印设备腔体内，通过空气动力学原理完成空气导向。在净化空气的过程中，不对生物3D打印造成干扰。本实用新型的环境控制系统空气流通顺畅不乱流，经过高效空气净化器可使腔体内环境GMP标准由C级达到A级。温度控制高效稳定无噪音；各模块可单独安装拆卸，便于更换，独立使用；模块自由搭配，设备升级方便。

本实用新型提供了一种生物3D打印设备的环境控制系统，所述生物3D打印设备包括腔体和电气柜，包括：温度模块、湿度模块、环境净化模块、灭菌模块和控制模块；

所述温度模块包括制冷单元、温度检测单元和散热单元；

所述制冷单元包括多个制冷模组，悬挂于所述腔体外壁的背部，与所述控制模块电连接；

每组所述制冷模组包括多片直流半导体制冷器件，每组所述制冷器件由所述控制模块控制；通过所述制冷模组向所述腔体内部进行温度传导；

所述温度检测单元包括温度传感器和温度变送器，所述温度传感器位于所述腔体内部，对所述腔体内部温度进行多点采集，并由所述温度变送器将采集到的温度数据传输至所述控制模块；

所述散热单元通过冷媒循环系统将制冷器件所吸收的热能带到外部；

所述湿度模块包括湿度检测单元和恒湿装置；

所述湿度检测单元位于所述腔体内部，所述湿度检测单元用于检测所述腔体内部湿度；

所述恒湿装置位于所述腔体外部的顶部的一侧，用于调节所述腔体内的湿度；

所述环境净化模块包括风机、过滤器、空气循环管道和空气循环槽；

所述过滤器和所述空气循环管道位于所述腔体外部的顶部的另一侧；

所述风机与所述空气循环管道连接，将外部空气吹入所述空气循环管道；所述过滤器与所述所述空气循环管道连接，所述过滤器用于过滤直径为0.3微米以上的颗粒；

所述空气循环槽位于所述腔体内部，与所述空气循环管道连接；所述腔体内部的空气通过所述空气循环槽由所述风机送至所述过滤器处，经由所述过滤器过滤后输送至所述腔体内部，形成腔体空气内循环；

所述灭菌模块选用265nmUV灯管，与所述控制模块电连接；

所述控制模块包含触摸屏、PLC、固态继电器和中间继电器，位于所述电气柜内；

所述触摸屏用于设定所述腔体内的温度和湿度、进行风机与灭菌模块的控制、显示所述腔体内部实时温度和湿度以及各模块的运行状况；

所述PLC将所述温度检测单元传输过来的温度数据与所述触摸屏设定的温度进行对比，将对比结果输出到所述固态继电器驱动所述制冷模组对所述腔体内部温度进行调控；

所述PLC将所述湿度检测单元传输过来的湿度数据与所述触摸屏设定的湿度进行对比，根据对比结果通过控制恒湿装置对所述腔体内部的湿度进行调控。

优选地，所述温度变送器作为中间转换模块，将所述热敏电阻采集的温度转换为模拟量传送给所述控制模块。

优选地，温度的模拟量通过双绞屏蔽线缆传送给所述控制模块。

优选地，所述风机内置于所述空气循环管道内。

优选地，所述风机为2个，分别位于所述过滤器的两侧。

优选地，所述风机的进风口与所述空气循环槽连通，所述风机的出风口与所述空气循环管道连接，所述空气循环管道与所述过滤器的一端连接，所述过滤器的另一端与所述腔体连接。

优选地，所述制冷单元通过航空插件及电缆与控制模块连接。

优选地，所述恒湿装置控湿范围为：30％RH-70％RH，感应精度:±3％RH，使用环境温度：0℃-40℃。

优选地，被控制的进入所述腔体的空气面风速为0.3～0.5m/s。

优选地，所述过滤器为HEPA。

与现有技术相对比，本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型通过对不同制冷单元的控制使温度平稳地达到设定值，检测腔体温度为25摄氏度，设置温度为18摄氏度，控制模块驱动全部半导体制冷器件满功率工作，使环境温度快速降低；当检测到温度下降到18.5摄氏度时，控制模块对半导体制冷器件进行分时交替控制，使腔体温度保持并稳定，阶梯式温度控制快速有效、波动范围小。

(2)本实用新型通过固态继电器来控制半导体制冷器件，响应速度快，通断频率高并且没有中间继电器的触点吸合动作，具有高效、平稳、安静等特点。

(3)本实用新型采用无冷凝水排放技术，防止温度控制模块工作时产生水汽凝结对生物3D打印产生不利的影响。

(4)本实用新型采用空气内循环的方式，经HEPA高效过滤器的吸附、净化，以0.3～0.5m/s的面风速送到生物3D打印设备腔体内，在净化空气的过程中，不对生物3D打印造成干扰。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的纵向剖面空气导向示意图；

图2是本实用新型的一个实施例的左侧纵向剖面空气导向示意图；

图3是本实用新型的一个实施例的俯视空气导向示意图；

图4是本实用新型的一个实施例的系统框图；

图5是本实用新型的一个实施例的电气示意图。

图中：1-恒湿装置；2-高效过滤器；3-空气循环管道；4-空气循环槽；5-制冷装置；6-底座；7-第一温度传感器；8-恒湿装置进气管；9-第一风机；10-第二风机；11-湿度传感器；12-第二温度传感器；13-恒湿装置出气管；14-电气柜。

具体实施方式

根据本实用新型的一个具体实施方案，结合附图1-5对本实用新型的技术方案作进一步的描述。

本实用新型提供了一种生物3D打印设备的环境控制系统，所述生物3D打印设备包括腔体和电气柜，包括：温度模块、湿度模块、环境净化模块、灭菌模块和控制模块；

所述温度模块包括制冷单元、温度检测单元和散热单元；

所述制冷单元包括多个制冷模组，悬挂于所述腔体外壁的背部，与所述控制模块电连接；

每组所述制冷模组包括多片直流半导体制冷器件，每组所述制冷器件由所述控制模块控制；通过所述制冷模组向所述腔体内部进行温度传导；

所述温度检测单元包括温度传感器和温度变送器，所述温度传感器位于所述腔体内部，对所述腔体内部温度进行多点采集，并由所述温度变送器将采集到的温度数据传输至所述控制模块；温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器；

所述散热单元通过冷媒循环系统将制冷器件所吸收的热能带到外部；

所述湿度模块包括湿度检测单元和恒湿装置；

所述湿度检测单元位于所述腔体内部，所述湿度检测单元用于检测所述腔体内部湿度；

所述恒湿装置位于所述腔体外部的顶部的一侧，用于调节所述腔体内的湿度；

所述环境净化模块包括风机、过滤器、空气循环管道和空气循环槽；

所述过滤器和所述空气循环管道位于所述腔体外部的顶部的另一侧；

所述风机与所述空气循环管道连接，将外部空气吹入所述空气循环管道；所述过滤器与所述所述空气循环管道连接，所述过滤器用于过滤直径为0.3微米以上的颗粒；

所述空气循环槽位于所述腔体内部，与所述空气循环管道连接；所述腔体内部的空气通过所述空气循环槽由所述风机送至所述过滤器处，经由所述过滤器过滤后输送至所述腔体内部，形成腔体空气内循环；

所述灭菌模块选用265nmUV灯管，与所述控制模块电连接；所述265nmUV灯管工作时无臭氧产生，在细胞打印时不会对细胞产生危害，保证细胞活性；

所述控制模块包含触摸屏、PLC、固态继电器和中间继电器，位于所述电气柜内；当然，还包括开关电源；

所述触摸屏用于设定所述腔体内的温度和湿度、进行风机与灭菌模块的控制、显示所述腔体内部实时温度和湿度以及各模块的运行状况；

所述PLC将所述温度检测单元传输过来的温度数据与所述触摸屏设定的温度进行对比，将对比结果输出到所述固态继电器驱动所述制冷模组对所述腔体内部温度进行调控；

所述PLC将所述湿度检测单元传输过来的湿度数据与所述触摸屏设定的湿度进行对比，根据对比结果通过控制恒湿装置对所述腔体内部的湿度进行调控。

作为优选实施方式，所述温度变送器作为中间转换模块，将所述热敏电阻采集的温度转换为模拟量传送给所述控制模块。

作为优选实施方式，温度的模拟量通过双绞屏蔽线缆传送给所述控制模块。

作为优选实施方式，所述风机内置于所述空气循环管道内。

作为优选实施方式，所述风机为2个，分别位于所述过滤器的两侧，风机分别为第一风机和第二风机。

作为优选实施方式，所述风机的进风口与所述空气循环槽连通，所述风机的出风口与所述空气循环管道连接，所述空气循环管道与所述过滤器的一端连接，所述过滤器的另一端与所述腔体连接。

作为优选实施方式，所述制冷单元通过航空插件及电缆与控制模块连接。

优选地，所述恒湿装置控湿范围为：30％RH-70％RH，感应精度:±3％RH，使用环境温度：0℃-40℃。

作为优选实施方式，被控制的进入所述腔体的空气面风速为0.3～0.5m/s。

作为优选实施方式，所述过滤器为HEPA。

工作原理：

温度模块的工作过程：将所需的生物3D打印设备腔体温度数值设定在触摸屏界面中，并将数据传送给PLC保存。位于腔体内的热敏电阻采集各处温度信息，经温度变送器将数据传送至PLC。PLC内部程序将腔体内各处温度与设定温度进行比对，通过输出驱动固态继电器将只直流24V电源送至半导体制冷器件，使其工作制冷。利用半导体制冷器件的珀尔帖效应将腔体内的热量吸附并传导至散热单元，经冷媒循环将热量带走，达到制冷的目的。

湿度模块的工作过程：将所需的生物3D打印设备腔体湿度数值设定在触摸屏界面中，并将数据传送给PLC保存。PLC将设置的腔体湿度数据发送给恒湿装置，湿度检测单元通过湿度传感器检测腔体内部湿度，并将检测到的生物3D打印设备腔体内的湿度传送至恒湿装置，恒湿装置通过净化调湿模块进行湿度调节。恒湿装置采用无冷凝水排放技术，防止温度控制模块工作时产生水汽凝结对生物3D打印产生不利的影响。

通过内置于空气循环管道内的静音风机将生物3D打印设备顶部空气经HEPA高效过滤器进行吸附、净化，净化后的空气由空气循环管道输送到与其连接的内置于腔体内的空气循环槽内，并由空气循环槽输送到腔体内。通过空气动力学原理完成空气导向。

在腔体湿度高于一定范围值时，风机将不会工作，防止高湿度的空气对高效过滤器产生破坏降低其净化效果。控制系统会优先开启风机进行高效过滤，再对腔体的温湿度进行调控，实现电气防呆，保护高效过滤器的使用效率和寿命。

可在触摸屏中设定不同腔体环境模式，如模式1设置为空气洁净、温度37℃、湿度70％适合细胞打印的腔体环境。模式2设置为空气洁净、温度20℃、湿度40％适合低温高分子打印的腔体环境。操作人员可根据不同打印材料选择不同的腔体环境，实现一键调控。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以对技术方案有各种更改、组合及变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物3D打印设备的环境控制系统，所述生物3D打印设备包括腔体和电气柜，其特征在于，包括：温度模块、湿度模块、环境净化模块、灭菌模块和控制模块；

所述温度模块包括制冷单元、温度检测单元和散热单元；

所述制冷单元包括多个制冷模组，悬挂于所述腔体外壁的背部，与所述控制模块电连接；

每组所述制冷模组包括多片直流半导体制冷器件，每组所述制冷器件由所述控制模块控制；通过所述制冷模组向所述腔体内部进行温度传导；

所述温度检测单元包括温度传感器和温度变送器，所述温度传感器位于所述腔体内部，对所述腔体内部温度进行多点采集，并由所述温度变送器将采集到的温度数据传输至所述控制模块；

所述散热单元通过冷媒循环系统将制冷器件所吸收的热能带到外部；

所述湿度模块包括湿度检测单元和恒湿装置；

所述湿度检测单元位于所述腔体内部，所述湿度检测单元用于检测所述腔体内部湿度；

所述恒湿装置位于所述腔体外部的顶部的一侧，用于调节所述腔体内的湿度；

所述环境净化模块包括风机、过滤器、空气循环管道和空气循环槽；

所述过滤器和所述空气循环管道位于所述腔体外部的顶部的另一侧；

所述风机与所述空气循环管道连接，将外部空气吹入所述空气循环管道；所述过滤器与所述空气循环管道连接，所述过滤器用于过滤直径为0.3微米以上的颗粒；

所述空气循环槽位于所述腔体内部，与所述空气循环管道连接；所述腔体内部的空气通过所述空气循环槽由所述风机送至所述过滤器处，经由所述过滤器过滤后输送至所述腔体内部，形成腔体空气内循环；

所述灭菌模块选用265nmUV灯管，与所述控制模块电连接；

所述控制模块包含触摸屏、PLC、固态继电器和中间继电器，位于所述电气柜内；

所述触摸屏用于设定所述腔体内的温度和湿度、进行风机与灭菌模块的控制、显示所述腔体内部实时温度和湿度以及各模块的运行状况；

所述PLC将所述温度检测单元传输过来的温度数据与所述触摸屏设定的温度进行对比，将对比结果输出到所述固态继电器驱动所述制冷模组对所述腔体内部温度进行调控；

所述PLC将所述湿度检测单元传输过来的湿度数据与所述触摸屏设定的湿度进行对比，根据对比结果通过控制恒湿装置对所述腔体内部的湿度进行调控。

2.根据权利要求1所述的生物3D打印设备的环境控制系统，其特征在于，所述温度变送器作为中间转换模块，将热敏电阻采集的温度转换为模拟量传送给所述控制模块。

3.根据权利要求2所述的生物3D打印设备的环境控制系统，其特征在于，温度的模拟量通过双绞屏蔽线缆传送给所述控制模块。

4.根据权利要求1所述的生物3D打印设备的环境控制系统，其特征在于，所述风机内置于所述空气循环管道内。

5.根据权利要求4所述的生物3D打印设备的环境控制系统，其特征在于，所述风机为2个，分别位于所述过滤器的两侧。

6.根据权利要求4所述的生物3D打印设备的环境控制系统，其特征在于，所述风机的进风口与所述空气循环槽连通，所述风机的出风口与所述空气循环管道连接，所述空气循环管道与所述过滤器的一端连接，所述过滤器的另一端与所述腔体连接。

7.根据权利要求1所述的生物3D打印设备的环境控制系统，其特征在于，所述制冷单元通过航空插件及电缆与控制模块连接。

8.根据权利要求1所述的生物3D打印设备的环境控制系统，其特征在于，所述恒湿装置控湿范围为：30％RH-70％RH，感应精度:±3％RH，使用环境温度：0℃-40℃。

9.根据权利要求1所述的生物3D打印设备的环境控制系统，其特征在于，被控制的进入所述腔体的空气面风速为0.3～0.5m/s。

10.根据权利要求1所述的生物3D打印设备的环境控制系统，其特征在于，所述过滤器为HEPA。

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