一种智能温控制冷半导体运输箱

技术领域

本发明涉及半导体恒温箱技术领域，具体的，涉及一种智能温控制冷半导体运输箱。

背景技术

目前制冷药品运输箱，采用主动式制冷(半导体制冷片)技术进行制冷。半导体制冷片包括散热面和制冷面，散热面和散热翅片贴合，水管插入散热翅片中，将热量传递到冰水中。制冷面与制冷翅片结合，用于给运输箱传输冷空气。亦有发明采用空冷风扇进行散热，另外，对机械冰箱向中、微型尺度进行小型化研究，将对此进行简要讨论。然而，用于电子冷却的中微型制冷机械冷却技术尚未成功商业化。用于军事或医疗应用的便携式设备的机械制冷冷却甚至还远没有实现。虽然机械微冷却器也受益于迄今为止开发的被动微冷却器技术，但缺乏采用机械蒸汽压缩制冷的主要原因是缺乏可靠和/或低能耗的气体微压缩机。蒸汽压缩循环通过将制冷剂压缩到更高的压力，提高蒸汽的温度来工作。蒸汽凝结成液体，因为热量被拒不进入环境温度储热层。当膨胀到蒸发器中较低的压力时，液体在低温下蒸发并吸收热量，从而提供冷却功率。大多数潜在制冷剂通常需要大于一的压缩比。问题是，压缩气体的能力通常不会随着尺寸缩小而扩展，尤其是微型尺度。

从广泛的意义上说，微型冷却器技术可分为两个方面：制冷性冷却和非制冷性冷却。制冷性冷却是指能够将目标温度（例如电子芯片中的结温）低于环境温度或至少低于非冷冻系统可以达到的温度的系统。使用正常规模的电子冷却系统增加表面积正迅速达到实际极限。同样，通过增加冷却空气速度增加冷却空气速度，增加整体传热系数（通常与空气速度成正比）受到风扇功耗限制，而风扇功耗与速度平方成正比。从系统的角度来看，在任何给定系统，在某些时候，增加更多的功率，即使它可用（这对于便携式系统来说是不正确的），可能会产生比被移除更多的热量。然而，热交换面积和传热系数也通过传热和系统的特性长度尺度耦合在一起。正如将讨论的，当与传热相关的现象长度刻度（如流体边界层和热扩散长度）与物理长度刻度的顺序相同时，可以增强传输的总热量。对于军事和医疗应用，要冷却的设备是否可携带和/或需要轻量级和体积小密切相关。挑战包括（1） 冷却能量密度和功率密度，提供整体冷却系统，重量轻且体积小，可携带，与缩放有关;（2） 在需要工作温度时具有所需冷却速率的冷却器;（3）不需要高压源或复杂电子产品的能耗;（4）操作上好使耐用；（5）成本控制。

然而以上控制系统和方法均没能实现温度的精准智能控制，同时箱体内的实时温度也并没有反馈给用户。讨论上述应用的微型冷却器的核心功能是能够去除设备中的多余热量。从正在冷却的器件中带走的热通量（只需由 q= Kh *A * D T）给出，与导热率 （Kh *A） 成正比，热传导系数乘积，发生传热的表面积，以及设备表面与热被拒收的环境之间的温差。通过增加能量来保持主动冷却的能力。热电冷却设备有这种应用的潜力。将固态冷却器与为非制冷微冷却器开发的微流体热交换器集成，可提供所需的亚环境温度冷却。

近年来科学家们提出了许多不同类型的有源冷却技术，包括固态和机械。固态热电冷却器已受到大量研究，因为该方法已广为人知，并积极开发了几十年，许多热电冷却器已商业化，用于冷却许多电子系统，包括敏感的低温光学传感器。由于有源式热泵机制是热电荷载体通过半导体结汇的传输，因此固态冷却器有可能缩小到微型尺度。到目前为止，固态冷却的主要问题是固态冷却器的低性能系数 （COP）。COP 是传输热量与为移动热量而提供的电力的比率。目前完全集成的固态微型尺度系统有一个不足的COP，这导致工作温度制度和热失控的困难。然而，正在花费大量研究来提高固态冷却器的热效率，使该系统的COP可能远远高于1，接近大型机械制冷系统。现有技术的缺点主要体现在：1）制冷单元冷空气有散失，导致制冷效率下降；2）箱体内温度没有实现智能控制；3）温度检测后没有储存和反馈给用户。

中国专利公开号：CN111319875A，公开了一种适用于冷链物流的智能运输箱，所述运输箱的侧壁设有操控面板和电源接口，所述箱盖铰接于运输箱的上端，所述箱盖与运输箱之间设有电控锁，所述运输箱和箱盖的内侧壁设有保温层，所述运输箱的内部下次设有底部隔板，所述运输箱内部且位于底部隔板下侧设有制冷器和蓄电池，所述运输箱的两侧侧壁分别设有入气通孔和出气通孔，所述入气通孔和出气通孔的外侧均设有滑槽，两侧所述滑槽内均滑动连接有电动通气挡板。本发明能够替代一次性的快递箱，降低了物流成本，通过设置制冷器能够对储存的生鲜货物冷藏配送，能够保持运输箱内部空气的流通为生鲜货物保持新鲜度，同时还可以将部分的水分带出箱体外，避免水分残留造成生鲜腐烂。该装置能够实现箱体内冷空气的置换，但制冷单元冷空气有散失，导致制冷效率下降。

发明内容

针对以上不足，本文设计一种智能温控制冷半导体运输箱；该方案采用PID控制技术可以对箱体内实现温度的精准设置和智能控制，同时箱体内的实时温度也能够实时反馈给用户，采用半导体制冷片实现加热和散热的温度控制，该装置结构小巧轻便，市场前景广泛。

为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种智能温控制冷半导体运输箱，包括有箱体和箱门，所述箱体和箱门铰接，所述箱门的四周边设置有不导热硅胶垫圈，箱体内胆和箱体外壳之间设置有绝热层，还包括有设置箱体内胆和箱体外壳之间的制冷单元、用于保持箱体内恒温的温控单元以及用于箱体内温度数据记录和传输的数据传送单元。

作为优选，所述制冷单元包括有与箱体内胆贴靠的导冷板、与导冷板贴靠的制冷片，设置在压力板和制冷片之间的散热器，所述制冷片的两端抵接有所述绝热层，所述绝热层、压力板、箱体内胆以及制冷片均以及设置有匹配螺栓的通孔，所述螺栓由使得压力板、散热器、制冷片、导冷板以及箱体内胆紧密贴合。制冷片采用型号为TEC2-19006的双层半导体制冷片，其输入电压12V，制冷温差可达82℃，制冷功率58W，满足产品设计需求；导冷板由导热系数高的铜板和铝板制成，散热器是紫铜材料并在其中设计了流道，制冷片采用螺栓装配，装配压力4~5kg，合适的压力既可保障制冷片陶瓷表面不会被压裂，同时亦可增大其制冷效率；箱体内胆采用铝合金材料，铝合金具有仅次于铜的导热性能，价格便宜，并且拥有足够的强度支撑整个装置。铝合金内胆外层包裹两层隔热材料，隔热材料为金属薄层与玻璃纤维复合的隔热材料。

作为优选，所述散热器由紫铜材料制成并在其中设计了流道，所述流道通过管道与冷凝器连接组成散热机构，所述冷凝器的出液口和流道的入液口之间设置有微型泵，所述流道内设置有制冷剂。散热器采用的类似热管散热的原理，流道内通入R245fa制冷剂，R245fa制冷剂为常用制冷剂，沸点15℃，蒸汽压力和临界压力值较低，安全系数高，并且蒸发潜热值和比热较大，具有制冷效果良好，安全环保等特点。R245fa制冷剂S型流道，带走制冷片热端所产生的热量，并气化，气化后的R245fa制冷剂经过管道（采用铜管）流经冷凝器。作为优选，所述冷凝器内设置有波纹型冷凝管以及散热风扇，所述冷凝管与管道连通，所述冷凝管上包覆有相变吸热材料。冷凝器中填充石蜡等相变材料，相变材料吸收R245fa带出的热量，将气态的R245fa冷凝成液态，吸收后热量的相变材料通过铝合金外壳散热到外部，液态制冷剂再通过微型泵将液态冷凝剂抽取到制冷片散热单元中，形成循环系统，可持续制冷。

作为优选，所述温控单元包括有PID控制器、若干个分布于箱体内的温度传感器以及显示温度数值的显示屏，所述PID控制器分别与温度传感器采集端、散热风扇的控制端以及微型泵的控制端电连接，所述PID控制器通过电源控制器与制冷片的控制端电连接。

作为优选，数据传送单元包括有与温度传感器采集端连接的数据采集卡，所述数据采集卡通过数据线与PC端电连接，所述PC端安装有Labview软件通过数据采集子程序、温度报警子程序，实现温度的实施监测并生成数据报告，同时在Labview软件前面板上显示实时温度曲线；当温度数据超出设置的上限或下限时，软件发出语音及报警；报警的同时，根据实时温度值来控制加热电路或者散热电路，实现温度的实时监测和控制，当温度满足要求时，停止加热或者通风；数据报告通过Web服务方式传输给用户手机及随身电脑。

作为优选，所述绝热层填充有隔热材料，所述隔热材料为金属薄层与玻璃纤维复合的隔热材料。

作为优选，所述制冷剂为R245fa制冷剂。

本发明的有益效果：本发明涉及的一种智能温控制冷半导体运输箱；该运输箱采用半导体制冷片进行制冷，在箱体顶端安装一个半导体制冷系统，半导体制冷系统是由半导体制冷片，散热器，压力板组成。半导体制冷片的散热面贴合制冷片热端散热器进行散热，制冷片热端散热器是散热系统的组成部分，它还包括泵，冷凝器以及工质。工质经过制冷片热端散热器发生相变气化并带走制冷片散发的热量，然后流经冷凝器，和冷凝器中的相变材料发生热交换，被冷凝成液态，再由泵提供能量从新流经制冷片热端散热器，形成循环系统。冷凝器中的相变材料和外界空气发生热交互，将从工质中吸收的热量散发到空气中。另外在显示面板上可自行设置保温箱温度，保温箱通过PID控制制冷片的制冷量，同时在箱体底部和侧面安装三个（或多个）热电偶进行温度检测，测量后的温度反馈给PID，PID再根据实测温度进行制冷调节，使保温箱内的温度达到指定温度。并且温度可实时显示在箱体外侧的液晶显示面板上。药品运输箱为保证在运输过程中温度一直是在监控范围内，运输箱中配置了数据采集卡和数据存储器，数据采集卡采集的数据将传输给PC机，PC机通过编程软件监测分析数据，并将数据可视化。也可将运输过程中的检测温度保存起来，并在运输结束后给收件人提供一份完整的温度实时检测报告。采用PID控制技术可以对箱体内实现温度的精准设置和智能控制，同时箱体内的实时温度也能够实时反馈给用户，采用半导体制冷片实现加热和散热的温度控制，该装置结构小巧轻便，市场前景广泛。

附图说明

图1为本发明的一种智能温控制冷半导体运输箱的结构示意图。

图2为本发明的组成散热机构的结构示意图。

图3为本发明的制冷单元的结构示意图。

图4为本发明的的数据传送单元的数据传输示意图。

图中标记说明：1-箱体、2-箱门、11-箱体内胆、12-第一绝热层、13-第二绝热层、21-不导热硅胶垫圈、22-尼龙密封板、23-绝热层、31-导冷板、32-制冷片、33散热器、34-压力板、35-螺栓、4-冷凝器、41-相变材料、42-管道、43-微型泵、44-冷凝剂、45-冷凝管、46-显示屏。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，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。

实施例：如图1所示，一种智能温控制冷半导体运输箱的结构示意图，包括有箱体1和箱门2，所述箱体和箱门铰接，所述箱门的四周边设置有不导热硅胶垫圈21，箱门的内侧为尼龙密封板22，箱体内胆11和箱体外壳之间设置有绝热层23，箱体的绝缘层包括有第一绝热层12和第二绝热层13，还包括有设置箱体内胆和箱体外壳之间的制冷单元、用于保持箱体内恒温的温控单元以及用于箱体内温度数据记录和传输的数据传送单元。

如图3所示，所述制冷单元包括有与箱体内胆贴靠的导冷板31、与导冷板贴靠的制冷片32，设置在压力板34和制冷片之间的散热器33，所述制冷片的两端抵接有的第一绝热层，第一绝热层、压力板、箱体内胆以及制冷片上均设置有匹配螺栓35的通孔，所述螺栓由使得压力板、散热器、制冷片、导冷板以及箱体内胆紧密贴合。制冷片采用型号为TEC2-19006的双层半导体制冷片，其输入电压12V，制冷温差可达82℃，制冷功率58W，满足产品设计需求；导冷板由导热系数高的铜板和铝板制成，散热器是紫铜材料并在其中设计了流道，制冷片采用螺栓装配，装配压力4~5kg，合适的压力既可保障制冷片陶瓷表面不会被压裂，同时亦可增大其制冷效率；箱体内胆采用铝合金材料，铝合金具有仅次于铜的导热性能，价格便宜，并且拥有足够的强度支撑整个装置。铝合金内胆外层包裹两层隔热材料，隔热材料为金属薄层与玻璃纤维复合的隔热材料。

如图2所示，所述散热器由紫铜材料制成并在其中设计了流道，所述流道通过管道与冷凝器4连接组成散热机构，所述冷凝器的出液口和流道的入液口之间设置有微型泵43，所述流道内设置有制冷剂。散热器采用的类似热管散热的原理，流道内通入R245fa制冷剂，R245fa制冷剂为常用制冷剂，沸点15℃，蒸汽压力和临界压力值较低，安全系数高，并且蒸发潜热值和比热较大，具有制冷效果良好，安全环保等特点。R245fa制冷剂S型流道，带走制冷片热端所产生的热量，并气化，气化后的R245fa制冷剂经过管道42（采用铜管）流经冷凝器。

所述冷凝器内设置有波纹型冷凝管以及散热风扇，所述冷凝管与管道连通，所述冷凝管45上包覆有相变吸热材料。冷凝器中填充石蜡等相变材料41，相变材料吸收R245fa带出的热量，将气态的R245fa冷凝成液态，吸收后热量的相变材料通过铝合金外壳散热到外部，液态制冷剂再通过微型泵将液态冷凝剂44抽取到制冷片散热单元中，形成循环系统，可持续制冷。

所述温控单元包括有PID控制器（未示出）、若干个分布于箱体内的温度传感器（未示出）以及显示温度数值的显示屏46，所述PID控制器分别与温度传感器采集端、散热风扇的控制端以及微型泵的控制端电连接，所述PID控制器通过电源控制器与制冷片的控制端电连接。智能温控制冷半导体运输箱中的温度控制有着很重要的作用，是保障物品在运输过程中温度稳定，保障物品在运输过程中一直处于设定的温度。为了智能控制箱体温度，采用PID控制技术，先设定保温箱温度后， PID控制器通过获取安装在运输箱底部和侧壁的温度传感器采集箱体内的温度，并判断该温度与设定温度的大小，若箱体内温度高于设定温度则启动制冷程序，若箱体内温度低于设定温度，则启动制热程序。PID控制器通过电源控制器控制制冷片工作电压、电流来改变制冷/制热量和制冷/制热速率，同时将实时的温度显示在外部显示屏上。电源控制器可通过220V电网也可以通过车载12V为工作电源为蓄能电池充电，电池电量信息显示在显示屏上，并设置有启停整个箱体电路的电源开关。

如图4所示，数据传送单元包括有与温度传感器采集端连接的数据采集卡，所述数据采集卡通过数据线与PC端电连接，数据采集卡用于温度信号的收集、调理和转换，所述PC端安装有Labview软件通过数据采集子程序、温度报警子程序，实现温度的实施监测并生成数据报告，同时在Labview软件前面板上显示实时温度曲线；当温度数据超出设置的上限或下限时，软件发出语音及报警；报警的同时，根据实时温度值来控制加热电路或者散热电路，实现温度的实时监测和控制，当温度满足要求时，停止加热或者通风；数据报告通过Web服务方式传输给用户手机及随身电脑。

以上所述之具体实施方式为本发明一种智能温控制冷半导体运输箱的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构及固体制冷芯片的按导冷比设计的设备而所作的等效变化均在本发明的保护范围内。