次世代恆溫恆濕箱和傳統恆溫恆濕箱之差異比較

2022/07/25

概述

恆溫恆濕箱以密閉環境空間，模擬大氣中溫度、濕度各種變化情形，用於評估材料在各種環境下性能及試驗各種材料耐受特定環境的能力，最常應用於產品穩定性測試、加速性測試，助於瞭解產品的有效期限，以符合各國產品合規標準。
21世紀以來壓縮機被廣泛應用於環境冷卻如空調冷氣、恆溫恆濕箱等，雖然壓縮機是較為經濟的選擇(指建置成本，若考慮長期使用的總費用則並不會較經濟)，然而其較差的溫度精準控制能力、噪音、震動、耐用性都可能影響實驗的順利進行。隨著科技的進步，Memmert對恆溫恆濕箱有更新一代的突破，以半導體熱電模組應用於恆溫恆濕箱取代了原本壓縮機的應用，提供了更環保、節能省電、控制精確、安靜、耐用、維護成本低等優勢。
此外傳統的恆溫恆濕箱使用加濕器與乾溼溫度計監測相對濕度，也需要定期維護保養，否則常會造成水箱、管道長菌，濕度不正確飆高等問題。次世代的恆溫恆濕箱採用電阻式水箱加濕，無濕布定期維護保養問題、無需排水或廢水回收問題，也同樣提供了更環保、節能省電、控制精確、幾乎無需維護保養等優勢。
除了在硬體方面次世代恆溫恆濕箱有長足的進展，在軟體控制介面方面次世代恆溫恆濕箱也有所優勢，例如：內建大容量數據存儲系統，數據頻率達每分鐘採集，也可連續記錄至少十年以上，並且配置了USB及網路接孔，可將數據導出備份。對於藥廠用戶，可以選購符合FDA要求的軟體AtmoCONTROL，具有人員權限管理、審計追蹤、電子簽章等功能，以符合21 CFR part 11規範要求。

傳統恆溫恆濕箱壓縮機原理簡介

恆溫恆濕箱顧名思義須具備以下，加溫、降溫、加濕、除溼機制，其中在溫度的調控降溫上是判定一台恆溫恆濕箱性能好壞的重要參數，傳統的機種包括壓縮機、冷凝器、節流裝置、蒸發器的四大組成。壓縮機即是製冷系統的心臟，利用壓縮機將冷媒壓縮至高溫高壓的氣態，經過冷凝器放出熱量凝結成液態，在經過節流裝置節流後成為低溫低壓的液體，再經由蒸發器吸收環境空氣中的熱量，最後變為低溫低壓的氣態回到壓縮機，周而復始地循環。並且藉由控制壓縮機的速度來改變冷媒的流量，達到固定的溫度控制。
這種氣冷式的壓縮機，在管路中充滿冷媒，藉由冷媒的相態變化達到吸熱與放熱的目的。相對於舊型冷媒使用氯氟碳化物，會造成臭氧層的破洞，新型的冷媒使用如R410、R32臭氧層破壞係數為0，但GWP（地球暖化係數）為750和675，仍多少對環境造成損害。

半導體熱電模組簡介(Peltier Technology)

半導體熱電模組是一個由溫差產生電壓的直接轉換裝置，當他們的兩端有溫度差時會產生電壓，反之當電壓施加於其上，兩端之間也會產生一個溫度差。其中的原理是利用熱電效應，包含了三個分別經定義的物理效應。最早由德國的物理學家Thomas Johann Seebeck發現，以二種不同材料二端連接構成的迴路，如果兩種材料的兩個結點處溫度不同，就會在這樣的線路內發生電流。
圖一顯示了半導體熱電模組的原理。當使用半導體作為介質時，半導體因為具有更高的賽貝克係數，並且導熱係數非常低，在摻入不同的摻雜物元素後，如五價元素雜質(如：磷、銻、砷) 會使其原子的電子密度高於電洞密度成為n型半導體，摻入三價元素雜質（如：硼、鋁、銦、鎵）會使電洞(正電荷)密度超過導電的電子密度成為p型半導體，會產生更大的電位差，因此成為非常理想的熱電導體。
兩種不同導電性的半導體相接在一起，兩端加上溫度差時，在接觸面上的電子就會由電子密度高的一端擴散到密度低的一端以消除電子密度的差異，因此當兩種電荷差異特性的材料相接時，因自由電子的濃度不同，即產生了一個穩定的電路迴圈，反之亦然。

圖一：n型半導體為具有較高自由電子濃度的物質；p型半導體為具較高洞電(正電荷)的物質。

半導體熱電模組常見的應用之一即是在太空探測器，因為在外太空長途的飛行下，在超出太陽系後無法接收到太陽的照射以太陽能發電，因此會利用半導體熱電模組發電。在半導體熱電模組一端接上輻射性物質，輻射物質衰變時高溫輻射的特性，和外太空極低溫的環境，產生模組兩端極端的溫度差異，再由半導體熱電模組轉換產生電流，藉此提供穩定的電源供應整艘太空飛行器的運行。
將這項裝置應用在恆溫恆濕箱的溫控上即可以用來產生電能、測量溫度，冷卻或加熱物體。因為加熱或製冷的方向決定於施加電壓的方向，因此利用這項半導體熱電模組來達到溫度控制的動態平衡就變得非常容易。

傳統乾溼溫度計與次世代控濕機制

乾溼溫度計測量相對濕度的方式，乃是將乾球探頭直接露在空氣中，溼球溫度探頭用溼紗布包裹著。因溼球上裹了溼布，其熱容比乾球大、溫度變化較小，乾球測出的是正常溫度，其溫度差與環境中的相對溼度有關係，藉此推算相對濕度。然而這種測量方式濕度精度較差，且濕球布必須時常保持濕潤，一旦乾掉或硬化就會導致錯誤的濕度結果。傳統加濕器與濕球布都需要定期清潔、保養更換，以確保水流順暢與正確量測。
次世代的控濕機制可參閱下圖二。蒸餾水通過蠕動泵進入加濕器中，在140～180℃的高溫下形成熱蒸汽進入內腔。140-180℃的高溫使得管線內不易有微生物孳生，每次僅有非常微量的蒸氣進入箱體內，達到精準控濕能力，也無需排水或回收廢水。

圖二：電阻式水箱加濕系統

次世代半導體熱電模組恆溫恆濕箱(以Memmert HPP750eco為例)與傳統壓縮機恆溫恆濕箱(以Binder KBF-S720為例)之比較

相同的技術同樣應用在實驗室中的恆溫恆濕箱，美墨爾特(Memmert)一家來自德國全球最大的環境控制箱體製造廠之一，自1947年成立至今長達近一個世紀，致力於精確溫控技術的研究、開發和生產，其產品包括CO2培養箱、恆溫恆濕箱、光罩培養箱、低溫培養箱、環境測試箱、真空烘箱、滅菌箱、培養箱、水域箱等，其最新型的恆溫恆濕箱即是應用了這項研究的技術。
Memmert的HPP750eco以應用於太空探測器上同樣技術的半導體熱電晶片做為溫控系統，在溫度上升或下降時就能最即時的感應回饋，猶如人體的拮抗機制，達到最快速的降溫或升溫。恆溫恆濕箱溫控系統符合ICH的法規在五種不同環境溫溼度控制，瞬間溫度差精準度達到 ±0,01K，濕度差最低到 ±0.14%rH(圖三)。恆溫恆濕箱耗電量舊型機種Binder KBF-S720以壓縮機為降溫系統每年最低耗電功率需4230kWh，和Memmert的HPP750eco只需要795kWh是他1/5的耗電量(圖四)，美墨爾特的HPP750eco節能省電並且精準的溫控，和舊型壓縮機型比較一年能達到85%的省電功率。市面上常見他牌的恆溫恆濕箱比較即便是以相同的技術，都有明顯差異(圖五)相同的環境控制Memmert HPP750依然有更好的省電效能，甚至比您現在正使用的筆記型電腦還省電。表一列出兩者性能的比較摘要。

圖三：Memmert HPP750eco以ICH法規參數測量之環境溫溼度正負偏差

圖四：Memmert HPP750eco和Binder KBF-S720比較省電功率達85%

圖五：符合ICH Q1A法規之耗電功率測試，和他牌比較Memmert溫控箱大幅勝出

表一：Memmert HPP750eco和Binder KBF-S720性能各項差異比較

總結

恆溫恆濕箱的應用如產品穩定性測試、加速性測試往往需要耗費長時間，少則半年多則一年或數年，一旦過程中恆溫恆濕設備發生問題，很可能導致需要補做或重做試驗，嚴重影響產品上市或發表時程，所造成的損失更是難以估計。次世代的恆溫恆濕設備可提供更精確、更環保、更省電節能、更耐用穩定、維護保養成本更低的解決方案。依不同的溫溼度範圍、容量大小等需求可以選擇適合的產品系列，下圖六顯示了不同產品系列依ICH規範測試點的涵蓋範圍。

圖六：ICH法規測試Memmert恆溫恆濕箱無冷凝結的運作範圍區間

Memmert恆溫恆濕箱以雙觸控面板搭配簡易的人性化操作介面，全年24小時自動監控下運行，能穩定地控制環境因子，溫度濕度最微小的偏差，最適用於穩定性或加速性的產品測試，這麼多項的優點，值得您親自來體驗。百聞不如一見，相關規格需求歡迎聯繫新國科技，將由專人為您處理。

參考資料

1. Memmert Constant climate chamber HPPeco
https://www.memmert.com/products/climate-chambers/constant-climate-chamber/#!filters=%7B%7D
2. 維基百科熱電效應(Thermoelectric effect)
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%86%B1%E9%9B%BB%E6%95%88%E6%87%89
3. 固態熱電發電系統整合應用計畫
https://km.twenergy.org.tw/Knowledge/knowledge_more?id=1307
4. Unbeatably efficient: Memmert Advanced Peltier Technology wins the technology comparison
https://www.memmert.com/why-memmert/innovation-leader/technology-comparison-peltier-vs-compressor/#!filters=%7B%7D
5. GreenLab – Energy efficiency with Peltier Technology
https://www.atmosafe.net/en/vision-greenlab.html
6. Memmert Advanced Peltier Technology
https://www.memmert.com/why-memmert/innovation-leader/heatingcooling-with-peltier/

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