CN108327269B - 一种半导体控温生物3d打印喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体控温生物3D打印喷头。一种半导体控温生物3D打印喷头，其中，包括第一外壳、连接在第一外壳底部的第二外壳、料筒以及与料筒底端连接的喷头针尖，第一外壳和第二外壳内设有料筒导热块，料筒和喷头针尖穿过第一外壳插设在料筒导热块中，喷头针尖的前端穿出到第二外壳外部，料筒导热块的一侧设有第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片，第一级半导体制冷片的默认冷端与料筒导热块的侧壁紧贴，第二级半导体制冷片的默认冷端与第一级半导体制冷片的默认热端紧贴，第二级半导体制冷片的默认热端与第一外壳之间设有散热组件。本发明的喷头的控温范围更宽，温控装置更集成化，不存在温控盲区。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印设备技术领域，更具体地，涉及一种半导体控温生物3D打印喷头。
背景技术
生物3D打印是指利用具有良好生物相容性的生物材料或细胞并借助具有复杂成形运动的多维打印机等设备进行生物制造的技术。其中，生物材料或细胞直接与打印机的打印喷头接触，通过喷头挤出或者喷射的方式聚集到打印机的成型平台上从而获得需要的支架以及组织器官模型。在该过程中，打印机的喷头起到关键作用，打印喷头除了满足基本的生物学要求外还需要对生物材料或细胞进行打印温度预处理，即为最终成型提供恰当的前置温度环境。
目前，现有喷头对温度的控制往往局限于单一制冷或加热模式，这样对生物材料的温敏特性有了更高的限制。并且，现有喷头的温控***较为复杂庞大，喷头仅仅是安装整个温控***的末端执行器，大部分温控辅助装置需要额外的空间和环境供给，这会增加整个设备的复杂程度并影响***的稳定性。在喷头温控中，喷头的某些位置往往被忽略从而失去温度控制或者获得相悖的温度值，从而导致喷头堵塞或者打印不易成型。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种半导体控温生物3D打印喷头。本发明采用半导体制冷片作为喷头温控***的核心器件，利用其帕尔贴效应完成制冷与加热状态的互相切换，从而实现喷头更宽温度范围的控制；温控装置全部集成在喷头上，使得温控装置更集成化，不存在温控盲区。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种半导体控温生物3D打印喷头，其中，包括第一外壳、连接在所述第一外壳底部的第二外壳、料筒以及与所述料筒底端连接的喷头针尖，所述第一外壳和第二外壳内设有料筒导热块，所述料筒和喷头针尖穿过所述第一外壳插设在所述料筒导热块中，所述喷头针尖的前端穿出到所述第二外壳外部，所述料筒导热块的一侧设有第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片，所述第一级半导体制冷片的默认冷端与所述料筒导热块的侧壁紧贴，优选的，所述料筒导热块的侧壁上设有用于与所述第一级半导体制冷片的默认冷端紧贴的连接平面，这样可以增大接触面积，提高热量传递效率，所述料筒导热块的侧壁上还设有温度传感器，以便监测料筒导热块上的温度；所述第二级半导体制冷片的默认冷端与所述第一级半导体制冷片的默认热端紧贴，所述第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片的电源分别独立供电。这样，第一级半导体制冷片的默认冷端产生的温度通过料筒导热块传递给盛放生物材料的料筒以及喷头针尖，整个料筒导热块与料筒以及喷头针尖的外缘紧密贴合，确保高效导热，进而确保料筒和喷头针尖处的温度保持一致并达到所需要的目标温度。所述第二级半导体制冷片的默认热端与所述第一外壳之间设有散热组件，散热组件可以将第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片工作时在第二级半导体制冷片的默认热端产生的大量热量散掉，以保证第一级半导体制冷片默认冷端的目标温度。
半导体制冷片工作在制冷模式下时，热端会产生大量的热，由于每种规格的半导体制冷片冷、热端能达到的温差为定值，所以当热端热量不能被及时带走而使温度不断升高时，冷端的制冷下限则会被迫抬高。在现有温控喷头中，无论使用风冷、水冷还是散热管方式，都是直接与半导体制冷片的热端进行物理连接；采用以上直接散热的方式，其散热效率并不高，本发明利用半导体制冷片冷、热端固定极限温差的特点，在第一级半导体制冷片的默认热端物理贴合了第二级半导体制冷片的冷端，我们假定第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片使用了规格相同的半导体制冷片，制冷极限温差假设为50℃，目标制冷温度为-20℃。当使用本发明中所述方法时，第一级半导体制冷片的默认冷端为-20℃，那么，第一级制冷片的默认热端温度则不可以超过30℃，由于第二级制冷片的默认冷端与第一级制冷片的默认热端贴合，所以我们可以认为它们的温度一致，即，第二级制冷片的默认冷端温度为30℃，那么，只需要控制第二级制冷片的默认热端温度不超过80℃即可达到-20℃的目标温度值，而控制第二级制冷片默认热端的温度不超过80℃的难易程度要远远小于直接控制第一级制冷片默认热端的温度不超过30℃。当需要对装入料筒的生物材料或细胞进行加热时，利用半导体制冷片的帕尔贴效应，改变其通电顺序即可使得默认冷端和默认热端对调，这样即可获得加热效果，其温度传递原理与制冷模式一致。
进一步的，所述第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片的上下两侧分别设有用于固定并防止第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片滑动的第一定位块和第二定位块，所述第一定位块和第二定位块通过螺钉与所述料筒导热块及散热组件固定连接。优选的，所述第一定位块和第二定位块的厚度稍小于第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片两者厚度之和。这样，可以保证第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片获得有效夹持力确保热接触稳定。
进一步的，所述第一外壳、第二外壳、第一定位块和第二定位块均由绝热系数较高的保温材料制成。这样，可以保证在制冷或加热模式下减小喷头与外界环境的热量交换。
进一步的，所述第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片的默认冷端及默认热端的表面上均涂覆有一层导热硅脂，这样提高热量传递效率。
进一步的，所述散热组件包括若干一侧与所述第二级半导体制冷片的默认热端紧贴的散热管，以及设在所述第一外壳与所述散热管另一侧对应的位置上的散热风扇，所述第一外壳的底部设有进风口。所述散热管呈封闭环形，所述散热管与所述第二级半导体制冷片的默认热端对应的一侧设有与第二级半导体制冷片的默认热端紧贴的散热导热块，所述散热管与所述散热风扇对应的一侧设有若干间隔一定距离并列排布的散热翅片，散热导热块和散热翅片均由导热系数较高的金属材料制成。当喷头工作在制冷模式下时，第一级半导体制冷片热端的热量被第二级半导体制冷片的默认冷端降温后，第二级半导体制冷片默认热端的热量被散热导热块吸收并传递给散热管，散热管将热量传导至散热翅片处，最终，通过散热风扇带动空气流动带走散热翅片上的热量使得其温度降低。所述散热管采用封闭环形结构，散热管中的冷媒接收散热导热块传来的热量时，吸热汽化，由于由液态变为气态，该处压强增加，气态冷媒上升并聚集到热管顶端处，当到达散热翅片位置时由于该处热量散失加剧，气态冷媒放热液化，该处压强降低，液化后的冷媒由于自重和热管虹吸原因而下落至散热管底端，并在接近散热导热块的位置重新获得热量而汽化上升。由于散热管中的高低压强和冷媒的气液态转化使得热量在热管中可以不断循环并被散热翅片带走，从而实现降温的目的。
优选的，所述散热翅片是由平面散热翅片经过两次折弯形成，这样可以增加散热翅片的有效散热面积；所述散热翅片整体平行于散热风向，这样可以降低散热风扇带动空气流动的流阻。
进一步的，所述第一外壳上设有电路接口，以便连接外部电器元件及电源，所述第一外壳的外壁上与所述料筒对应的位置设有用于固定所述料筒的料筒卡扣。将生物材料或细胞盛放于料筒中，料筒底端与喷头针尖相连，然后将料筒及喷头针尖整体***喷头中并利用料筒卡扣固定即完成加料工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明设置了第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片，并设置了散热组件，使得第一级半导体制冷片在制冷过程中其默认热端的热量能够迅速被带走，从而保证其默认冷端获得稳定的目标温度；降低了半导体制冷片热端散热***的复杂程度，使得整个热端散热***集成到了喷头上。
本发明中，改变半导体制冷片的通电顺序即可使得默认冷端和默认热端对调，这样，同一半导体制冷片既可制冷又可加热，温控范围更宽，温控装置更集成化。
本发明中，料筒和喷头针尖均被料筒导热块包覆，所以料筒和喷头针尖的温度都可以控制，没有温控盲区。
本发明中，散热管采用封闭环状，热量循环更流畅；散热翅片经过两次折弯，并与散热风向平行，使得风阻小、散热面积大，散热效率高。
附图说明
图1是本发明3D打印喷头的整体结构示意图。
图2是本发明3D打印喷头的***示意图。
图3是本发明第一级半导体制冷片和第二级半导体制冷片装配关系示意图。
图4是本发明散热管散热原理示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1到图3所示，一种半导体控温生物3D打印喷头，其中，包括第一外壳1、连接在所述第一外壳1底部的第二外壳2、料筒3以及与所述料筒3底端连接的喷头针尖4，所述第一外壳1和第二外壳2内设有料筒导热块5，所述料筒3和喷头针尖4穿过所述第一外壳1插设在所述料筒导热块5中，所述喷头针尖4的前端穿出到所述第二外壳2外部，所述料筒导热块5的一侧设有第一级半导体制冷片6和第二级半导体制冷片7，所述第一级半导体制冷片6的默认冷端与所述料筒导热块5的侧壁紧贴，所述料筒导热块5的侧壁上设有用于与所述第一级半导体制冷片6的默认冷端紧贴的连接平面10，这样可以增大接触面积，提高热量传递效率；所述第二级半导体制冷片7的默认冷端与所述第一级半导体制冷片6的默认热端紧贴，所述第一级半导体制冷片6和第二级半导体制冷片7的电源分别独立供电。这样，第一级半导体制冷片6的默认冷端产生的温度通过料筒导热块5传递给盛放生物材料的料筒3以及喷头针尖4，整个料筒导热块5与料筒3以及喷头针尖4的外缘紧密贴合，确保高效导热，进而确保料筒3和喷头针尖4处的温度保持一致并达到所需要的目标温度。所述第二级半导体制冷片7的默认热端与所述第一外壳1之间设有散热组件，散热组件可以将第一级半导体制冷片6和第二级半导体制冷片7工作时在第二级半导体制冷片7的默认热端产生的大量热量散掉，以保证第一级半导体制冷片6默认冷端的目标温度。
半导体制冷片工作在制冷模式下时，热端会产生大量的热，由于每种规格的半导体制冷片冷、热端能达到的温差为定值，所以当热端热量不能被及时带走而使温度不断升高时，冷端的制冷下限则会被迫抬高。在现有温控喷头中，无论使用风冷、水冷还是散热管方式，都是直接与半导体制冷片的热端进行物理连接；采用以上直接散热的方式，其散热效率并不高，本发明利用半导体制冷片冷、热端固定极限温差的特点，在第一级半导体制冷片6的默认热端物理贴合了第二级半导体制冷片7的冷端，我们假定第一级半导体制冷片6和第二级半导体制冷片7使用了规格相同的半导体制冷片，制冷极限温差假设为50℃，目标制冷温度为-20℃。当使用本发明中所述方法时，第一级半导体制冷片6的默认冷端为-20℃，那么，第一级制冷片的默认热端温度则不可以超过30℃，由于第二级制冷片的默认冷端与第一级制冷片的默认热端贴合，所以我们可以认为它们的温度一致，即，第二级制冷片的默认冷端温度为30℃，那么，只需要控制第二级制冷片的默认热端温度不超过80℃即可达到-20℃的目标温度值，而控制第二级制冷片默认热端的温度不超过80℃的难易程度要远远小于直接控制第一级制冷片默认热端的温度不超过30℃。当需要对装入料筒3的生物材料或细胞进行加热时，利用半导体制冷片的帕尔贴效应，改变其通电顺序即可使得默认冷端和默认热端对调，这样即可获得加热效果，其温度传递原理与制冷模式一致。
如图2和图3所示，所述第一级半导体制冷片6和第二级半导体制冷片7的上下两侧分别设有用于固定并防止第一级半导体制冷片6和第二级半导体制冷片7滑动的第一定位块8和第二定位块9，所述第一定位块8和第二定位块9通过螺钉与所述料筒导热块5及散热组件固定连接。所述第一定位块8和第二定位块9的厚度稍小于第一级半导体制冷片6和第二级半导体制冷片7两者厚度叠加之和。这样，可以保证第一级半导体制冷片6和第二级半导体制冷片7获得有效夹持力确保热接触稳定。
本实施例中，所述第一外壳1、第二外壳2、第一定位块8和第二定位块9均由绝热系数较高的保温材料制成。这样，可以保证在制冷或加热模式下减小喷头与外界环境的热量交换。
本实施例中，所述第一级半导体制冷片6和第二级半导体制冷片7的默认冷端及默认热端的表面上均涂覆有一层导热硅脂，这样提高热量传递效率。
如图2到图4所示，所述散热组件包括若干一侧与所述第二级半导体制冷片7的默认热端紧贴的散热管11，以及设在所述第一外壳1与所述散热管11另一侧对应的位置上的散热风扇，所述第一外壳1的底部设有进风口。所述散热管11呈封闭环形，所述散热管11与所述第二级半导体制冷片7的默认热端对应的一侧设有与第二级半导体制冷片7的默认热端紧贴的散热导热块13，所述散热管11与所述散热风扇对应的一侧设有若干间隔一定距离并列排布的散热翅片14，散热导热块13和散热翅片14均由导热系数较高的金属材料制成。当喷头工作在制冷模式下时，第一级半导体制冷片6热端的热量被第二级半导体制冷片7的默认冷端降温后，第二级半导体制冷片7默认热端的热量被散热导热块13吸收并传递给散热管11，散热管11将热量传导至散热翅片14处，最终，通过散热风扇带动空气流动带走散热翅片14上的热量使得其温度降低。所述散热管11采用封闭环形结构，散热管11中的冷媒接收散热导热块13传来的热量时，吸热汽化，由于由液态变为气态，该处压强增加，气态冷媒上升并聚集到热管顶端处，当到达散热翅片14位置时由于该处热量散失加剧，气态冷媒放热液化，该处压强降低，液化后的冷媒由于自重和热管虹吸原因而下落至散热管11底端，并在接近散热导热块13的位置重新获得热量而汽化上升。由于散热管11中的高低压强和冷媒的气液态转化使得热量在热管中可以不断循环并被散热翅片14带走，从而实现降温的目的。
如图3所示，所述散热翅片14是由平面散热翅片14经过两次折弯形成，这样可以增加散热翅片14的有效散热面积；所述散热翅片14整体平行于散热风向，这样可以降低散热风扇带动空气流动的流阻。
如图1和图2所示，所述第一外壳1上设有电路接口15，以便连接外部电器元件及电源，所述第一外壳1的外壁上与所述料筒3对应的位置设有用于固定所述料筒3的料筒卡扣16。将生物材料或细胞盛放于料筒3中，料筒3底端与喷头针尖4相连，然后将料筒3及喷头针尖4整体***喷头中并利用料筒卡扣16固定即完成加料工作。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种半导体控温生物3D打印喷头，其特征在于，包括第一外壳(1)、连接在所述第一外壳(1)底部的第二外壳(2)、料筒(3)以及与所述料筒(3)底端连接的喷头针尖(4)，所述第一外壳(1)和第二外壳(2)内设有料筒导热块(5)，所述料筒(3)和喷头针尖(4)穿过所述第一外壳(1)插设在所述料筒导热块(5)中，所述喷头针尖(4)的前端穿出到所述第二外壳(2)外部，所述料筒导热块(5)的一侧设有第一级半导体制冷片(6)和第二级半导体制冷片(7)，所述第一级半导体制冷片(6)的默认冷端与所述料筒导热块(5)的侧壁紧贴，所述第二级半导体制冷片(7)的默认冷端与所述第一级半导体制冷片(6)的默认热端紧贴，所述第一级半导体制冷片(6)和第二级半导体制冷片(7)的电源分别独立供电，所述第二级半导体制冷片(7)的默认热端与所述第一外壳(1)之间设有散热组件；所述料筒导热块(5)的侧壁上还设有温度传感器(17)；
所述散热组件包括若干一侧与所述第二级半导体制冷片(7)的默认热端紧贴的散热管(11)，以及设在所述第一外壳(1)与所述散热管(11)另一侧对应的位置上的散热风扇(12)，所述第一外壳(1)的底部设有进风口。
2.根据权利要求1所述的一种半导体控温生物3D打印喷头，其特征在于，所述第一级半导体制冷片(6)和第二级半导体制冷片(7)的上下两侧分别设有用于固定并防止第一级半导体制冷片(6)和第二级半导体制冷片(7)滑动的第一定位块(8)和第二定位块(9)，所述第一定位块(8)和第二定位块(9)通过螺钉与所述料筒导热块(5)及散热组件固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种半导体控温生物3D打印喷头，其特征在于，所述第一定位块(8)和第二定位块(9)的厚度稍小于第一级半导体制冷片(6)和第二级半导体制冷片(7)两者厚度之和。
4.根据权利要求2所述的一种半导体控温生物3D打印喷头，其特征在于，所述第一外壳(1)、第二外壳(2)、第一定位块(8)和第二定位块(9)均由绝热系数较高的保温材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种半导体控温生物3D打印喷头，其特征在于，所述第一级半导体制冷片(6)和第二级半导体制冷片(7)的默认冷端及默认热端的表面上均涂覆有一层导热硅脂。
6.根据权利要求1所述的一种半导体控温生物3D打印喷头，其特征在于，所述料筒导热块(5)的侧壁上设有用于与所述第一级半导体制冷片(6)的默认冷端紧贴的连接平面(10)。
7.根据权利要求1所述的一种半导体控温生物3D打印喷头，其特征在于，所述散热管(11)呈封闭环形，所述散热管(11)与所述第二级半导体制冷片(7)的默认热端对应的一侧设有与第二级半导体制冷片(7)的默认热端紧贴的散热导热块(13)，所述散热管(11)与所述散热风扇(12)对应的一侧设有若干间隔一定距离并列排布的散热翅片(14)。
8.根据权利要求7所述的一种半导体控温生物3D打印喷头，其特征在于，所述散热翅片(14)是由平面散热翅片经过两次折弯形成，所述散热翅片(14)整体平行于散热风向。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种半导体控温生物3D打印喷头，其特征在于，所述第一外壳(1)上设有电路接口(15)，所述第一外壳(1)的外壁上与所述料筒(3)对应的位置设有用于固定所述料筒(3)的料筒卡扣(16)。
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