食品行业培养箱的设计研究

摘 要：通过对新型培养箱的热湿处理系统及控制系统的分析，确定了新型培养箱的设备配置。根据食品行业所用培养箱的特殊要求研究设计了采用半导体制冷器进行制冷、加热和除湿的培养箱，提出了用湿球温度替代相对湿度作为湿度控制参数，并通过实验验证了该设计的可行性。

关键词：半导体培养箱 制冷 除湿 湿球温度

中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0228-01

目前，在食品行业中，一般使用的菌种培养温度都是常温，需要放置在培养箱内来保证温度的稳定。由于食品行业中菌种的培养温度接近常温，所需制冷量不大，在小制冷量范围内，采用没有机械振动的半导体制冷器作为制冷元件，不仅能减少温度的控制误差，也可以消除振动对试样的干扰，同时可以降低菌种培养的经济成本。因此本设计开发了新型的半导体培养箱，采用半导体制冷器取代了传统的蒸汽压缩制冷机（适合对制冷量要求较小的范围）。

1 新型培养箱的设计方案分析

1.1 功能要求

培养箱具体使用中对温度控制参数的精度和稳定性要求高，对湿度参数要求较宽松。所以热负荷的精确调节处理是培养箱的关键功能。

（1）可根据环境温度决定培养箱需要制冷或制热，确定合理优化的控制方案，可以避免加热系统和制冷系统同时运行。（2）培养箱需要除湿或加湿是由箱内初始空气湿度参数决定的，加湿和除湿可以不同时工作。（3）半导体培养箱应该实现的功能：①完成该箱体内空气的温度、相对湿度调节到设定值，并将箱体内空气温度、相对湿度的波动控制在一定精度范围内，如温度25±2 ℃，温度波动度≤±0.5 ℃湿度50%±5%；并且保证温度和湿度的稳定。②为被测试件提供一个恒温恒湿的环境，温湿度在检测过程中必须满足实验条件的规定。

1.2 培养箱系统确定

1.2.1 制冷系统

在培养箱的设计方案中，制冷系统的选择可以同时实现降温和除湿，它的调节性能直接影响培养箱温湿度的控制精度。

传统的培养箱的制冷装置中广泛采用蒸汽压缩式制冷系统，由于制冷压缩机的工作特性，这类制冷设备要求有最短的运行时间和停机时间；而且启动运行后需要一段时间才能建立起制冷所需要蒸发压力和冷凝压力，制冷量也是逐渐才能增大到额定值；在压缩机停机后，冷凝器中的制冷剂还将继续进入蒸发器输出冷量，直到系统压力平衡后，制冷才真正停止。所以蒸汽压缩式制冷系统的可调节性能差，不适合对制冷量需求较小的培养箱高精度控制的要求。

半导体制冷不同于传统的制冷方式，是一种不用制冷剂、没有运动部件的制冷装置，具有重量轻、体积小、结构简单、制冷制热迅速，通过调节电流即可实现对冷热负荷的控制，可调节性好，易于实现高精度温控。因此选择采用半导体制冷器作为新型培养箱的制冷系统。

1.2.2 加热系统

半导体制冷器作为一种电-热（冷）转换设备，不但具有电加热器具有的极好的调节特点，而且半导体制冷器制冷、制热具有可逆性，只需改变电流的方向就可以实现制冷、制热的转换。而且在加热运行时属于热泵系统，加热量为电量与在冷端吸收的热量之和Q=W+Qe，显然比用电加热能效高，节能显著。

半导体制冷器只需要改变其电流的方向，就可实现制冷和加热功能，同时考虑零部件的通用性、标准化，新型培养箱的加热系统也采用半导体制冷器，其加热功能通过制冷系统的热泵运行实现。

1.2.3 加湿系统

超声波加湿器特点是能耗小，加湿强度大，加湿均匀，加湿效率高。而且可以通过调节压电陶瓷振子的数量或调节振荡电路振幅来调节加湿量。

结合新型培养箱的设计要求，我们的加湿系统选用超声波加湿法。

1.2.4 控制系统确定

在新型培养箱的样机制造中，为了保证控制功能的可靠及经济性，选用欧姆龙CP1H型号的PLC作为控制器。采用PLC控制器，控制系统需设计2路检测模拟量，1路模拟量测干球温度，1路模拟量测湿球温度，由4路晶体管PWM输出的开关量控制温湿度处理系统；1路开关量输出控制循环风机。

用湿球温度作为控制参数，温度范围15℃～35 ℃，例如温度设定在25 ℃，波动控制在±0.5 ℃；湿球温度设定在17.8（参看空气状态参数表：24.5 ℃ 55%RH湿球温18.21 ℃，25.5 ℃ 45%RH湿球温度为17.38 ℃），波动控制在±0.4 ℃，既可以将箱内湿度控制在要求的50%±5%范围，采用湿球温度控制更为方便直接。

1.3 系统设备配置

考虑设备恒温、恒湿功能要求，需保证实现制冷、加热、加湿、除湿等四种空气处理过程，综合考虑设备运行的可靠性、经济性，以及控制过程实现的难易程度等，设备系统的配置如下。

制冷系统配置：1块TEC1127012型半导体制冷器，额定制冷量80 W，额定电压12 V，工作电流10 A。

加热系统配置：1块TEC1127012型半导体制冷器。

除湿系统配置：1块TEC1127012型半导体制冷器。

加湿系统配置：水箱容积（L）：1.7，功率（W）：25；净重（kg）：0.85。

加湿量（ml/h）：≥200。

控制系统配置：选用欧姆龙CP1H型号的PLC作为控制器。

继电器选用可实现高速通断的固态继电器，固态继电器需要配置散热器。

2 培养箱的功能实验

本新型培养箱的试验包括手动控制实验、自动控制实验。

手动控制实验是分别对样机的制冷、加热、除湿、加湿功进行试验，验证试验装置各子系统运行的安全性、可靠性及相应功能实现。

自动控制实验是分别单独控制箱内温度、相对湿度RH，并设定15 ℃、35 ℃两个温度值和RH 30%、RH 80%两个相对湿度值，以检测温度和相对湿度能否控制在设定值并稳定在一定精度范围内，检验各系统的控制性能和控制策略。

3 结论

培养箱以半导体制冷器作为制冷元件，不仅减少了温度的控制误差，也可以消除振动的干扰，同样可以降低菌种培养的经济成本。半导体培养箱在食品行业中的应用具有一定的推广价值和应用前景，所研究的新型半导体培养箱同样适用于一些对温度环境要求比较严格的高精度测量仪器的使用。

参考文献

[1] 张安殊.半导体除湿机的化工过程[J].福州大学学报，1992，20（3）：107-111.

[2] 王承中，张国权，腾振禹，等.一种恒温恒湿箱：中国，200720022428.1[P].2008-06-04.