CN102661618B - 闭路水循环半导体制冷降湿空气调节装置 - Google Patents

Abstract

一种闭路水循环半导体制冷降湿空气调节装置，包括有制冷箱、半导体制冷器组件、集水托盘、冷凝水引流细管、储水箱、闭路水循环散热器组件、轴流风扇、温度湿度传感器、单片机工控单元等构成，用半导体制冷器组件为制冷源，湿热空气在制冷箱内经预冷室、冷凝室处理后液态水凝结析出，空气降湿降温，闭路水循环散热器组件对半导体制冷器组件栅片式散热器进行强制水冷降温，全机采用单片机工控单元自控运行。本发明提供一种体积小、重量轻、坚固耐用、无污染、基本无噪音，单体结构的降湿空气调节装置。适用于一些特定方面的需求例如装甲车厢、潜艇及船舰的某些舱室、某些贵重物品及精密仪表的存放安置室等与外界大气环境隔断的相对独立密闭的小型空间的应用。

Description

闭路水循环半导体制冷降湿空气调节装置

技术领域

本发明涉及一种闭路水循环半导体制冷降湿空气调节装置，属于半导体制冷降湿空气调节的技术领域。 

背景技术

空气湿度是一项与人类活动、社会发展密切相关的环境参数物理量。例如，人在高湿度环境下生活、工作，会感到身体不适、烦躁不安、神疲力乏、难以忍受。较高的湿度使一些生物污染物如真菌（包括霉菌）、细菌、病毒迅速繁殖扩散，危害极大。许多贵重物品、精密仪表的保存与安置空间对湿度都有严格限制。不少轻工、化工产品的生产工艺对环境湿度上限有明确规定。因此，将给定环境空间潮湿空气过高的空气湿度降到允许值以内，在很多领域都是重要的。目前广泛应用的降湿技术（有些人习惯称“除湿”）主要有两大类：一类是用固体或液体吸湿性材料制成的吸湿剂对待处理空气中的水气进行吸附（或吸收），然后通过加热的方法使吸湿剂解吸附（解吸收），吸湿剂恢复对水气的吸湿性能即所谓“再生”，依此循环达到降湿效果；另一类机械压缩制冷式降湿，是利用低沸点的制冷工质液体吸收环境介质即待处理空气的热量而蒸发,待处理空气降温。压缩机将气化的制冷工质再转换成液体，制冷过程在一个封闭的体系内不断地循环。当待处理空气温度降到露点以下，液态冷凝水析出，达到降湿效果。 

依据上述降湿技术而生产的降湿设备，在众多方面已发挥了重要作用。但是，这些传统技术除各自本身的某些不足外，都存在设备体积大，需占用较大安装位置甚至还有室内、室外机等的特点，在一些特定方面的需求例如装甲车厢、潜艇及船舰的某些舱室、某些贵重物品及精密仪表的存放安置室等与外界大气环境隔断的相对独立密闭小型空间的应用，传统的吸附（吸收）式、机械压缩制冷式降湿设备就难以使用；并且，这些空间通常是被钢铁壳体与外界大气环境相隔离，因而任何降湿空气调节设备所产生的热量也难以直接用风冷却方式经风冷管道排出到外界大气。 

为克服现有技术的不足，适应这些小型特定空间范围降湿空气调节的需要，本发明提供一种新的技术方案，应用半导体制冷器组件为制冷源，待处理的湿热空气在制冷箱内经预冷室、冷凝室的处理后成为低于露点的过饱和空气，液态水凝结析出，空气降湿降温，闭路水循环散热器组件对半导体制冷器组件的栅片式散热器进行强制水冷降温，全机采用单片机工控单元自控运行。本发明构建的是一种体积小、重量轻、坚固耐用、无污染、基本无噪音，单体结构的降湿空气调节装置。 

半导体制冷器件（俗称热电堆），是塞贝克效应(Seeback Effect)的逆效应帕尔帖效应(Peltier Effect)在制冷技术方面的应用，随着半导体材料技术的发展，半导体制冷已成为一种新型的制冷方式，用户可将半导体制冷器件与***部件结合设计成不同结构不同用途的制冷组件或***。半导体制冷器实质上就是电流控制型的电子热泵，无需另外制冷工质。半导体制冷结构简单,无机械运动部件，体积小，可靠性强，无噪声，无振动，长寿命。半导体制冷器件热惯性非常小，制冷制热时间很快,而且交换电流方向即可实现制冷制热端互换,调节电流大小即可改变制冷制热量的输出。 

发明内容

一种闭路水循环半导体制冷降湿空气调节装置，包括有制冷箱、半导体制冷器组件、集水托盘、冷凝水引流细管、储水箱、闭路水循环散热器组件、轴流风扇、温度湿度传感器、单片机工控单元等构成，制冷箱外敷有聚氨酯隔热保温层，制冷箱内由相互平行的两块垂直隔板依水平排列分隔成预冷室、气流换向通道、冷凝室，预冷室隔板下端开有气流出口，冷凝室隔板上端开有气流入口，预冷室隔板和冷凝室隔板之间的较窄空间是气流换向通道；制冷箱内底部有集水托盘，制冷箱外底部下方有储水箱，集水托盘上有冷凝水引流细管与储水箱连通，将制冷箱内生成的冷凝水引流到储水箱；在预冷室的空气入口和冷凝室的空气出口设置了温度湿度传感器；预冷室、冷凝室内设置有栅片式散冷器，栅片方向与气流方向平行；两组结构相同的半导体制冷器组件分别对预冷室、冷凝室制冷降温，半导体制冷器组件由半导体制冷器件、梯形导冷块、梯形导热块、栅片式散冷器、栅片式水冷散热器构成，梯形导冷块的窄面与半 导体制冷器件的冷面紧密联接，宽面与安置在预冷室、冷凝室内的栅片式散冷器紧密联接，梯形导热块的窄面与半导体制冷器件的热面紧密联接，宽面与安置在闭路水循环散热器组件的水冷却箱内栅片式水冷散热器紧密联接，大小形状相同的梯形导冷、导热块由紫铜或铝制成，窄面大小与半导体制冷器件的冷、热面相同，宽面与窄面每边长度比大体为1.5︰1，梯形高度等于窄面平均单边长度（市场上现有的半导体制冷器件主要为正方形和长方形两种形状），这样的结构有较好的热扩散效果，梯形导冷块与梯形导热块的两个宽面之间包括半导体制冷器件在内的整个空间用聚氨酯硬泡沫塑料填充绝热；闭路水循环散热器组件包括有两个结构相同的传导散热箱H1、H2、两个结构相同的水冷却箱L1、L2、微型水泵、水循环回路联接管道、加水阀门、放水阀门构成，预冷室、冷凝室两组半导体制冷器组件的栅片式水冷散热器分别安置在两个水冷却箱内，栅片方向与水流方向平行，传导散热箱内有栅片式散热器，栅片方向与水流方向平行，闭路水循环散热器组件的整个循环回路中以水为换热载体，微型水泵提供水循环动力，附图箭头指示水流方向，水循环回路管道的联接是水冷却箱L1的出口联接到传导散热箱H2的入口，传导散热箱H2的出口联接到水冷却箱L2的入口，水冷却箱L2的出口联接到传导散热箱H1的入口，传导散热箱H1的出口联接到到水冷却箱L1的入口。 

制冷箱冷凝室下端气流出口的轴流风扇（图标F）将经过降温降湿处理后的空气排出到本装置所处环境空间的同时，将待处理的空气从预冷室上端的气流进口吸入，在预冷室向下流动并降温，然后经预冷室隔板下端的气流出口进入气流换向通道上行，通过冷凝室隔板上端的气流进口后进入冷凝室下行并进一步降温，冷凝室的空间容积大于预冷室，空气在冷凝室流速减缓，有利充分地热交换，使空气继续降温，当空气的温度在冷凝室降到露点以下时，过饱和的水气将在栅片式散冷器的栅片上凝结成液态水，在重力作用下滴进制冷箱内底部的集水托盘。集水托盘的冷凝水引流细管将冷凝水引流到储水箱，可以附加一个管式换热器对低温冷凝水的冷量再利用，例如给进入预冷室前的空气热交换降温。储水箱中的冷凝水可随时倾倒。 

空气中所含的部分气态水在冷凝室内转成液态水而从空气中分离出来，空气的水气含量降低，成为降湿低温空气，经冷凝室下部气流出口的轴流风扇输 送到需做降湿空气调节的本装置所处环境空间。多数情况下的人处小环境空间是希望将高温高湿空气调节成低温低湿空气。对于某些只要求降湿而不希望降温的情况下应用，可在水冷却箱L2入口下方设置一个管式换热器，将冷凝室排出的降湿低温空气经过该换热器与循环水热交换增温后而排出。 

闭路水循环散热器组件以水为载体，对半导体制冷器组件D1、D2热端的栅片式水冷散热器进行强制水冷却。传导散热箱H1流出的冷水进入到水冷却箱L1，与安置在L1内的预冷室半导体制冷器组件D1热端的栅片式水冷散热器进行热交换，带走热量成为热水，流入传导散热箱H2，经H2内安置的栅片式散热器进行热交换，从传导散热箱H2流出的冷水进入水冷却箱L2，与安置在L2内的冷凝室半导体制冷器组件D2热端的栅片式水冷散热器进行垫交换，带走热量成为热水，流入传导散热箱H1，经H1内安置的栅片式散热器进行热交换成为凉水流出，依此循环。传导散热箱H1、H2内的栅片式散热器导热底座与本设备安置空间钢铁壁平面间有导热硅脂薄膜，紧密压接将热水携带的热量传导扩散至外周，流入传导散热箱的热水经传热后成为凉水从传导散热箱出口流出。半导体制冷器组件是电子热泵，将制冷箱内空气的热量泵出（导致空气降温冷凝降湿），经栅片式水冷散热器将热量转移给水载体，水再将热量经传导散热箱通过所处空间钢铁壳壁传导扩散到外周。 

在预冷室的空气入口和冷凝室的空气出口设置了温度湿度传感器TR1、TR2，监测待处理空气及降温降湿处理后空气的温度、湿度数据输送到单片机工控单元进行分析处理。由单片微型计算机及***电路、开关控制电路等构成的单片机工控单元上有温度、湿度信息输入总线，半导体制冷器组件供电控制总线，制冷箱轴流风扇及闭路水循环散热器组件微型水泵供电控制总线；单片机工控单元上还有本装置故障告警显示。TR1测定的所处环境空间温度、湿度超过设定阈值时，单片机工控单元启动全机工作，也可以手动控制。如果将对半导体制冷器组件D1、D2直流供电的极性反向，本装置成为向所安置环境空间提供热风的设备，此情况下的运行应将闭路水循环散热器组件内的水换成防冻液以防结冰。 

附图说明

附图1为闭路水循环半导体制冷降湿空气调节装置技术示意图。 

如图1所示：待处理空气入口1，预冷室2，预冷室隔板3，气流换向通道4，冷凝室隔板5，制冷箱6，冷凝室7，栅片式散冷器8，加水阀门9，联接管道10，水冷却箱11（图标L1、L2），栅片式水冷散热器12，梯形导冷块13，半导体制冷器件14，梯形导热块15，聚氨酯硬泡沫塑料绝热填充层16，温度湿度传感器17（图标TR1、TR2），轴流风扇18（图标F），微型水泵19（图标P），冷凝水引流细管20，集水托盘21，储水箱22，传导散热箱23（图标H1、H2），放水阀门24（图标K1、K2），栅片式散热器25，单片机工控单元26。 

具体实施方式

根据所需进行降湿空气调节的空间大小，常规微气候的湿度、温度、大气压力范围，降湿空气调节后的目标湿度、温度范围，估算出预冷室和冷凝室的制冷量，据此按一定余量选择半导体制冷器件。根据设定制冷量，本装置设备给定的供电直流电压，例如DC12伏、24伏、48伏等确定被选型号规格的半导体制冷器件由几个单片串联或并联构建成预冷室、冷凝室的半导体制冷器组件。市场上现有半导体制冷器件单片主要为正方形和长方形两种形状；梯形导冷、导热块由紫铜或铝材质铸造铣刨加工制成。依据气流速度、温度，理论制冷温度，热交换量，估算出预冷室、冷凝室栅片式散冷器的栅片面积结构尺寸选择定型产品使用，通常染黑或氧化工艺铝制成品都可以。半导体制冷器实质上就是电流控制型的电子热泵，在热端放出的热量Qh等于输入电功率P与冷端产冷量Qc之和：Qh=P+Qc；根据预冷室、冷凝室的产冷量及输入电功率确定热端需散放出的热量选择栅片式水冷散热器的规格，可选用定型产品。依据本装置使用的环境温度范围，预冷室、冷凝室半导体制冷器组件的栅片式水冷散热器需移走的热量、水流速及钢材热传导系数等估算出传导散热箱内的栅片式散热器的结构面积，选用定型产品。水冷却箱、传导散热箱、储水箱为不锈钢结构，在水冷却箱内的栅片式水冷散热器和传导散热箱内的栅片式散热器为防腐处理的铝制品或不锈钢制品。低压直流供电的微型水泵为定型产品。依据前述本降湿空气调节装置的应用环境的技术条件选择冷凝室降湿后气流出口轴流风扇F，它是风量可电控的直流供电轴流风扇定型产品。温度湿度传感器TR1、 TR2可以是温度和湿度的组合传感器，也可以是分立传感器，选用市场标准产品，中等精度即可。单片微型计算机简称单片机，市场上规格较多，本发明可选用8位单片机配相应的***器件构成工控单元。单片机工控单元按常规方法编程。 

Claims (2)

1.一种闭路水循环半导体制冷降湿空气调节装置，包括有制冷箱、半导体制冷器组件、集水托盘、冷凝水引流细管、储水箱、闭路水循环散热器组件、轴流风扇、温度湿度传感器、单片机工控单元构成，其特征是制冷箱外敷有聚氨酯隔热保温层，制冷箱内由相互平行的两块垂直隔板依水平排列分隔成预冷室、气流换向通道、冷凝室，预冷室隔板下端开有气流出口，冷凝室隔板上端开有气流入口，预冷室隔板和冷凝室隔板之间的较窄空间是气流换向通道；制冷箱内底部有集水托盘，制冷箱外底部下方有储水箱，集水托盘上有冷凝水引流细管与储水箱连通；在预冷室的空气入口和冷凝室的空气出口设置了温度湿度传感器；预冷室、冷凝室内设置有栅片式散冷器，栅片方向与气流方向平行；两组结构相同的半导体制冷器组件分别对预冷室、冷凝室制冷降温，半导体制冷器组件由半导体制冷器件、梯形导冷块、梯形导热块、栅片式散冷器、栅片式水冷散热器构成，梯形导冷块的窄面与半导体制冷器件的冷面紧密联接，宽面与安置在预冷室、冷凝室内的栅片式散冷器紧密联接，梯形导热块的窄面与半导体制冷器件的热面紧密联接，宽面与安置在闭路水循环散热器组件的水冷却箱内栅片式水冷散热器紧密联接，梯形导冷块与梯形导热块的两个宽面之间包括半导体制冷器件在内的整个空间用聚氨酯硬泡沫塑料填充绝热；闭路水循环散热器组件包括有两个结构相同的传导散热箱（H1、H2）、两个结构相同的水冷却箱（L1、L2）、微型水泵、水循环回路联接管道、加水阀门、放水阀门构成，预冷室、冷凝室两组半导体制冷器组件的栅片式水冷散热器分别安置在两个水冷却箱内，栅片方向与水流方向平行，传导散热箱内有栅片式散热器，栅片方向与水流方向平行，水循环回路管道的联接是水冷却箱（L1）的出口联接到传导散热箱（H2）的入口，传导散热箱（H2）的出口联接到水冷却箱（L2）的入口，水冷却箱（L2）的出口联接到传导散热箱（H1）的入口，传导散热箱（H1）的出口联接到到水冷却箱（L1）的入口。

2.如权利要求1所述的闭路水循环半导体制冷降湿空气调节装置，其特征是由单片微型计算机及***电路、开关控制电路构成的单片机工控单元上有温度、湿度信息输入总线，半导体制冷器组件供电控制总线，制冷箱轴流风扇及闭路水循环散热器组件微型水泵供电控制总线；单片机工控单元上还有本装置故障告警显示。