一种高精度恒温恒湿的储物箱柜 1 技术领域
本发明涉及一种恒温恒湿专用储物箱柜， 箱柜内空气温度和湿度都可以自动精确 恒定在指定的范围， 属于人工环境工程领域。 2 背景技术
有很多场合需要箱柜内空气温度和湿度保持在一定值， 比如生物培养箱， 混凝土 标准试样养护柜， 标准高低温交变湿热试验箱， 文物或贵重物品保管箱， 雪茄箱， 普洱茶柜 等。这些恒温恒湿箱柜的共同特点是
1 温度应能随要求在一定范围内调整， 调好后应恒定。 我们把这最佳保存温度叫做 “目标温度” 。
2 湿度应能随要求在一定范围内调整， 调好后应恒定。 我们把这最佳保存湿度叫做 “目标湿度” 。
3 尽量避免震动， 以防止储存物体松散变质。
目前， 多数厂家这样来做恒温恒湿箱柜 ：
1 当箱内温度高于 “目标温度” 时， 利用成熟的冰箱技术， 采用压缩机 - 制冷剂 - 管 道方式制冷， 基本可以使箱内温度降到 “目标温度” 附近。
2 当箱内温度低于 “目标温度” 时， 利用成熟的电热管加热技术， 基本可以使箱内温 度升到 “目标温度” 附近。
3 使用时， 要分别调节上述两套不同机理的系统， 预先把致冷目标点和致热目标点 设定为同一个温度即 “目标温度” 。
4 当箱内湿度低于 “目标湿度” 时， 在箱内用开口水槽自然蒸发或电热管烧开水的 方式加湿。
5 当箱内湿度高于 “目标湿度” 时， 放进吸湿性强的硅胶， 或打开放有硅胶盒子的 门， 让其吸收水分。
以上方法的不足之处是 ：
目前冰箱的温度传感控制器， 仍沿用双金属片， 精度很差。
而多数湿度指示仪表的的湿度传感， 目前仍沿用发丝、 马尾等生物质材料， 不仅精 度很差， 而且响应速度慢， 输出严重滞后。
方法 1、 2 的致冷、 致热系统的热惯性较大， 导致箱内温度波动较大， 范围一般要超 过 4 ～ 5℃， 即经常在目标温度上下 2 ～ 3℃范围内波动。两种截然不同的调节温度方式， 很难避免致冷的同时又在致热， 浪费能量， 而且往复式压缩机制冷方式使得震动不可避免。
方法 3、 4、 5 的加湿、 去湿方法， 湿度控制严重滞后， 耗时长， 波动很大， 范围一般要 超过 30％ RH。尤其是去湿方法， 全靠人工手动， 毫无自动控制可言， 而且， 在关门时几乎无 法操作， 而一开门， 则箱内湿度就会大变。
最后， 在以下情况时， 能量浪费很大 ： 我们知道， 在密闭空间内， 当温度由于某种原 因从目标温度开始升高时， 空气含水的绝对数量虽然不变， 但相对湿度将变小。 这时温控系统要开始致冷， 同时湿控系统为增加箱内的湿度， 将会要求电热管加热烧开水， 这就使箱内 温度升高， 与温控系统矛盾， 增大其负担。
目前也已有少数厂家这样来做恒温恒湿箱柜 ：
利用数个半导体温堆的帕尔帖效应， 一半用来 “正向” 通电以便致冷， 一半用来 “反 向” 通电以便致热。
这种方式需要用两个模块协同控制温度， 体积和成本较大。
根据国家专利信息中心网上查询， 未发现有能同时自动控制温湿度更好办法的相 关箱柜中国专利。
发现也有类似本发明思路的设计， 但它们或是致冷与除湿共用一套执行元件， 互 相牵扯 ； 或是在开放环境下除湿， 蒸馏水损耗大， 须频繁开门补水和倒掉箱外接水盘的冷凝 水。 3 发明内容
3.1 要解决的技术问题
本发明的目的是， 一方面设计一种半导体固态恒温系统， 使得取消压缩机和电热 器， 同一固态模块既可致冷又可致热 ； 另一方面设计一种超声波雾化装置， 直接产生水汽而 不伴生热量 ； 再设计一种封闭循环半导体固态除湿系统， 藉局部温度低于露点冷凝除湿。 配 以敏感的电子温度、 湿度传感器和嵌入式微电脑， 以便把箱内温度、 湿度准确地恒定在目标 点上。
3.2 技术方案
本实用新型将采用以下技术路线实现箱内温度湿度的精确控制。
1 在箱子的保温层中安装应用半导体帕尔帖效应的大功率主控冷 / 热温堆， 利用 PWM 脉宽控制大功率场效应管实现大电流可控输出， 以便调整致冷 / 致热功率。 使用双图腾 柱电路或双刀双掷继电器实现大电流换向， 以使温堆的箱内侧处于致冷或致热状态。
2 设计制造专用超声波加湿器， 通电后它利用超声波把水雾化， 实现加湿时不伴生 热量。该加湿器的储水罐上有一漏斗， 可回收冷凝水。
3 在箱子下部安装应用半导体帕尔帖效应的除湿温堆， 同样利用 PWM 脉宽控制大 功率场效应管实现大电流可控输出， 以便必要时让除湿温堆的箱内侧温度低于露点， 致使 箱内水汽冷凝流回水箱， 达到除湿目的。
4 订购带自动补偿的高精度智能电子温度 / 湿度传感器。
5 设计主动式空气调节系统， 保证箱内各处温湿度均匀。
6 设计用嵌入式微电脑的专用温控和湿控电路， 用脉宽控制 (PWM) 的办法比例调 节， 即控制强度与 ( 目标值和实际值两者之间的 ) 差值成正比， 实现温度湿度的精确的无过 冲调节。
7 箱内照明用发光二极管， 以保证长时间照明而几乎不伴生热量。
3.3 有益效果
由于采用上述设计， 因此带来一系列好处 ：
第一， 用控制流经小体积 ( 从而小质量 ) 半导体片电流大小的方式来直接致冷， 比 起传统的压缩机 - 制冷剂 - 散热铜管方式， 取消了体积庞大 ( 从而质量庞大 ) 的压缩机和管道系统， 大大减小了热惯性 ； 同时避免了震动， 消灭了制冷剂泄漏隐患。 而用同一系统， 仅 改变电流方向即可致热， 不仅大大简化了系统， 而且完全不会有既加热又同时致冷浪费能 源的现象。
第二， 电子温度传感器比起传统的冰箱用双金属片温度传感器来， 精度要高得多。
第三， 采用了脉宽调制控制方式 (PWM)， 比例调节致冷或加热， 再加上第一第二条 的作用， 于是确定目标温度后， 温度波动将小于 ±0.2℃。
第四， 用超声波雾化装置加湿， 响应迅速并且不产生热量。 比起沸腾加湿法， “湿惯 性” 、 “热惯性” 都要小得多。
第五， 用小体积半导体温堆制冷， 使相连的除湿冷凝块局部温度低于露点， 箱内湿 气在除湿冷凝块上凝结成水珠流入超声加湿器储水罐， 不仅达到降低箱内空气湿度目的， 而且纯水封闭循环， 没有损失， 避免了频繁补水和箱外接水盘倒水的麻烦。 这种除湿方式产 生的冷量较小， 很容易为主控冷 / 热温堆所平衡。
第六， 电子湿度传感器比起传统的毛发细丝湿度传感器或双温度计式湿度计来， 其精度、 响应速度、 接口方便性和可靠性都有极大的提高。
第七， 采用了脉宽调制控制方式 (PWM)， 比例调节加湿或去湿， 于是确定目标湿度 后， 湿度波动将小于 ±2％。
第八， 由于成串的风扇接力鼓风， 箱内的各处温度和湿度差别将很小。
第九， 遍布各处的多个温湿度传感器， 能适时监测各处的温度、 湿度， 一旦发现哪 里超标， 经过电脑分析， 就可单独驱动风扇、 温堆、 加湿器、 除湿器或者它们的组合， 以便在 最短时间内达标。 4 附图说明
附图是整体结构示意图。
图中， 1. 带隔热材料的门框 2. 外层玻璃 3. 中层玻璃 4. 内层玻璃 5. 超声波加湿 器主体 6. 喷汽嘴 7. 纯水罐 8. 散热风扇 9. 循环通风风扇 10. 磁门封条 11. 显示控制盒 12. 电子温度 / 湿度传感器 13. 发光二极管 14. 物品搁栅 15. 带隔热材料的箱壁 16. 循环 风方向 17. 金属的散 / 吸热器 18. 金属的热 / 冷传导块 19. 冷 / 热温堆 20. 电源及控制器 21. 除湿温堆 22. 金属的除湿冷凝块 23. 漏斗 24. 纯水 5 具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
5.1 结构
雪茄箱外壳可用商品冰箱改造或专门制造， 其门框 (1) 和箱壁 (15) 中填充隔热泡 塑。为了既透明又隔热， 门用三层玻璃 (2)、 (3)、 (4) 制成， 中层玻璃 (3) 敷以特殊膜， 能有 效阻止紫外线和热射线的穿透， 玻璃之间最好抽真空。
选购合适的半导体温堆商品 ( 体积一般为 40mm×40mm×3mm 左右 )， 后下方箱壁 内镶有两组半导体温堆， 温堆上下放置。上部冷 / 热温堆 (19) 作为温控执行元件， 外侧贴 有金属的散 / 吸热器 (17)， 其上再叠以散热风扇 (8)。该温堆内侧通过金属的热 / 冷传导 块 (18) 与另一个叠有散热风扇 (8) 的金属的散 / 吸热器 (17) 相接， 构成了控温用半导体温堆组。下部除湿温堆 (21) 作为除湿元件， 其外侧也有金属的散 / 吸热器 (17) 和散热风 扇 (8)， 但在其内侧只装有一个金属的除湿冷凝块 (22)， 构成了冷凝用半导体温堆组。除湿 冷凝块 (22) 下方有漏斗 (23)， 它插在超声波加湿器的水罐 (7) 上。
如果箱柜容积很大， 也可安装多组同结构的控温用半导体温堆组。
箱内成串装有若干循环通风风扇 (9)， 它由电脑用直流风扇构成。 开动后可以使箱 内空气按箭头 (16) 所示方向垂直环流， 把冷 / 热气、 湿汽迅速搅匀。
箱内包括除湿冷凝块 (22) 内部， 还装有许多温度 / 湿度传感器 (12)， 即时把各处 的温度和湿度信号传给控制器 (20) 中的电脑芯片。
箱内前下方放有专用超声波加湿器， 它由超声发生器 (5)、 喷嘴 (6) 和储水罐 (7) 构成， 超声发生器 (5) 由主控制器中的电脑控制。专用超声波加湿器可购商品超声波加湿 器改造而成， 主要是添加超声发生器 (5) 与主控制器的控制接口和在储水罐 (7) 上加装漏 斗 (23)。注意超声发生器 (5) 和储水罐 (7) 的高度一定要低。
整机的电源和主控制器 (20) 放在箱外的后下部， 输入普通交流电， 输出三种稳定 的直流电压 ： 5V 给电脑、 各控制电路和发光二极管用， 12V 供给风扇、 半导体温堆使用， 36V 供给超声发生器中压电陶瓷振动片用。主控制器 (20) 中主要是嵌入式微电脑及各种接口， 温堆和风扇的驱动电路也放在电源和主控制器 (20) 中。 箱内前上方固定有显示控制盒 (11)， 其前面有按键和显示屏， 后面装有发光二极 管 (13)， 内部是以嵌入式电脑为核心的显示控制电路板。显示屏显示 4 组数字 ： 目标温度， 当前温度， 目标湿度， 当前湿度。其位置在箱外隔着玻璃也能看见。通过按键， 可以人为设 定目标温度和目标湿度。
主控制器 (20) 和显示控制盒 (11) 及电源共同组成了本发明的电控部分。
5.2 工作
恒温恒湿的雪茄箱工作原理如下 ：
首先， 使用人要在显示控制盒 (11) 上设定目标温度和目标湿度， 比如 20℃和 70％ RH。
5.2.1 自动调温
假定箱内除冷凝块 (22) 内部以外， 所有温度传感器温度的加权平均值小于目标 温度值， 说明箱内实际温度低于目标温度。主控制器 (20) 将使冷 / 热温堆 (19) 流过正向 电流， 使得温堆内侧致热而外侧致冷， 通过热 / 冷传导块 (18)、 散 / 吸热器 (17)， 热量得以 内传， 再由散热风扇 (8) 使箱内空气获得热量， 最后通过循环通风风扇 (9) 使箱内空气温度 均匀上升。
如果相反， 箱内除冷凝块 (22) 内部以外， 所有温度传感器温度的加权平均值大于 目标温度值， 说明箱内实际温度高于目标温度。主控制器 (20) 将使冷 / 热温堆 (19) 流过 反向电流， 使得温堆内侧致冷而外侧致热， 通过散 / 吸热器 (17)、 热 / 冷传导块 (18)， 热量 得以外传。最后通过散热风扇 (8) 和循环通风风扇 (9) 使箱内空气温度均匀下降。
以上过程中， 处于箱子外侧的散 / 吸热器 (17) 在箱内空气加温时由箱外空气中吸 热， 在箱内空气降温时向箱外空气散热。
当然， 如果箱内除冷凝块内的以外， 所有温度传感器温度的加权平均值在目标温 度值的误差带内 ( 比如定为 ±0.2℃ )， 则主控制器 (20) 将使冷 / 热温堆 (19) 不工作。
5.2.2 自动调湿
在箱内温度达到目标温度附近时主控制器开始调湿。
如果箱内除冷凝块内的以外， 所有湿度传感器湿度的加权平均值小于目标湿度 值， 说明箱内实际湿度低于目标湿度， 主控制器 (20) 将一方面停止除湿温堆 (21) 工作 ； 另 一方面将使超声发生器 (5) 通电， 于是由喷汽嘴 (6) 喷出极细的水雾， 在空气循环流动时很 快变成水蒸气， 增加箱内空气的湿度。
如果箱内除冷凝块内的以外， 所有湿度传感器湿度的加权平均值大于目标湿度 值， 说明箱内实际湿度高于目标湿度， 主控制器 (20) 将一方面停止超声发生器 (5) 工作， 另 一方面将使除湿温堆 (21) 流过反向电流， 使得温堆内侧致冷而外侧致热， 除湿冷凝块 (22) 上的热量迅速外传。由于其体积质量较小， 又没有风扇吹， 因此除湿冷凝块 (22) 的温度急 剧下降， 很快就会降到露点温度以下。空气中的水蒸气就会在其表面凝结成水， 再顺流而 下， 通过漏斗 (23) 流入储水罐 (7) 中。这样箱内空气中的水分逐渐减少， 湿度得以下降。
除湿冷凝块 (22) 内的温度传感器如果一旦感知冷凝块温度降到门限温度 ( 比如 10℃ )， 主控制器便会令除湿温堆 (21) 暂停工作， 以防除湿冷凝块 (22) 过度致冷， 影响箱内 温度， 并防止表面结霜， 降低除湿效率。 由于除湿冷凝块 (22) 的质量远小于温控半导体温堆内侧的散 ( 吸 ) 热器 (17)， 故 它对控温的影响很小。
同样， 如果箱内除冷凝块内的以外， 所有温度传感器湿度的加权平均值在目标湿 度值的误差带内 ( 比如定为 ±1％ RH)， 则主控制器将使除湿温堆 (21) 和超声加湿器 (5) 都不工作。
5.2.3 软件特点
实际工作时， 软件对调温调湿通过 PWM( 脉宽调制 ) 实行比例控制法。加上设定 温度湿度以恰当的回差， 使得温湿度调节时不致出现过冲。控制软件分别固化在主控制器 (20) 和显示控制盒 (11) 的芯片中。