基于帕尔贴制冷技术的空气制水设备.pdf

本发明公开了一种基于帕尔贴效应研制出的用于灾后应急、野外工作的空气制取饮用水设备，由预冷模块、制冷模块、产水模块和程控模块组成。预冷模块由上至下五个波浪形通道构成，使空气在预冷模块中进行初步热交换。产水模块由空气通道、冷凝装置和集水装置构成，空气进入后达到预定温度析出液态水并由集水装置汇集。制冷模块通过半导体制冷片提供冷源，并由导冷介质循环以降低产水模块空间至所需温度，同时由散热装置进行散热。程控模块以大量实验数据支撑，在不同温度和湿度时对各个模块进行控制。

1.  一种基于帕尔贴制冷技术的新型空气制水设备，其特征在于：由预冷模块、制冷模块、 产水模块和程控模块四部分组成。
所述预冷模块中，利用铜箔在腔体中隔出由上至下五个通道，分别为1至5通道。2、4 通道通入外界空气，1、3、5通道通入从设备中排出的干冷空气，外界空气在预冷模块中进 行第一次热交换，初步降低外界空气温度；
所述制冷模块由基于帕尔贴效应的半导体制冷片、循环制冷装置、导冷介质、水冷散热 装置和太阳能源组成。循环制冷装置由保温腔体和导冷片构成，半导体制冷片置于循环制冷 装置与水冷散热装置之间，并紧密贴合，导冷介质充满循环制冷腔体和水冷散热装置。通电 后，半导体制冷片上下表面形成温差，冷面通过循环制冷装置与导冷介质发生热交换，降低 导冷介质温度。热面通过水冷散热装置进行散热处理；
所述产水模块由空气通道、冷凝装置组成，整个模块外部用保温材料密封。空气通道与 预冷模块相连，冷凝装置外表面与空气通道接触，内部充满导冷介质。空气通道用光敏树脂 隔出，通道中有按一定规则排列的挡板。从预冷模块流出的空气将按照预定通道流过模块， 挡板结构按照涡流原理设计，极大的增加了空气在通道中与铜板的接触面积。冷凝装置采用 10片厚度为1mm的100mm×100mmmm薄铜板构成，冷凝液从制冷模块流出后，从右端进口流 入，依次经过每片铜板，从左端出口流出，流回制冷模块，实现循环流动，从而保证铜板温 度维持在预设温度，持续不断制冷空气，使水在铜板外表面不断凝结，达到制水目的；
所述程控模块由89C52单片机、DHT11数字温湿度传感器、DS18B20数字温度传感器、 CD4051单8通道模拟多路转接器、X9C103数字电位器、1602LCD显示屏、降压电路和调压模 块组成。数字温度传感器测得导冷介质及出水处空气的温度，单片机得到传感器数据，并通 过与实验所得的佳出水量温度相比较，通过调整进气口风速，使得导冷介质达到最佳出水量 温度，从而达到最佳出水效果以及提高能量利用率。

2.  根据权利要求1所述的新型空气制水设备，其特征在于：模块化设计，各模块由卡槽 连接。

3.  根据权利要求1所述的新型空气制水设备，其特征在于：制冷模块以帕尔贴效应为原 理，采用半导体制冷片配合导冷介质循环提供冷源和向外散热。

4.  根据权利要求1所述的新型空气制水设备，其特征在于：产水模块中空气通道、冷凝 装置和集水装置的结构设计。

5.  根据权利要求1所述的新型空气制水设备，其特征在于：预冷模块的交错通道及循环 空气设计。

基于帕尔贴制冷技术的空气制水设备
技术领域
本发明涉及一种空气制水设备，特别是用于灾后、野外的空气制取饮用水设备， 属于灾后应急、野外工作、单兵作战时人员的生命保障设备。
背景技术
作为生命之源，水是人类日常生活中必不可少的资源，尤其在第二次工业革命之 后，人类对于水的需求急剧增加，世界大多数地区都出现了不同程度的缺水状况。特 别是在战场或野外探险时，解决如何携带淡水资源的问题更加迫切。而全球大气中的 水蒸气总含水量在十三万亿立方米(1.3×10¹³m³)，中国一年的总用水量在六千亿立方 米。也就是说，只要能开发大气中5％的含水量，即可满足整个中国一年的需求。但 目前从空气中获取液态水的方式较为单一，且耗能较大，很难推广。因此，高效节能 的空气制水方法成为各世界都在研究的重要课题。
美国军队后勤补给的总量中有大约三分之一是水，而仅仅是水的运送成本，最高 就可能达到每加仑40美元-具体成本取决于道路及安全状况。因此，美国陆军在过 去10年里投入了数百万美元，用于研发能从空气中提取水的实用装置。近5年来多 种装置得以问世，但由于耗能大、体积庞大不便于携带、噪音大等种种问题未能在战 区大规模使用。
在国内方面，现有的空气制水设备均采用压缩机冷却空气以凝结水。此类设备较 为笨重，不易携带，无法运用于野外探险、战场保障、灾后保障等对水资源需求迫切 的环境，且成品价格和运行成本高，也难以在日常生活中普及推广。
发明内容
本发明基于帕尔贴效应制冷原理设计制作的空气制水设备，具有体积小、重量轻、 降温速度快、耗能少、效率高等特点，成品的尺寸仅16cm×14cm×30cm。因此，本设 备无论在面对越来越多的干旱缺水地区或遭受洪水地震等突发性自然灾害的地区，还 是面向战区和民间探险等领域该产品均有极高的应用前景和推广价值。
本发明的目的是这样实现的：一种空气制水设备，包括太阳能电源模块、预冷模 块、制冷模块、产水模块和程控模块五部分。
所述预冷模块中，利用铜箔在腔体中隔出由上至下五个波浪形通道。
所述制冷模块由基于帕尔贴效应的半导体制冷片、循环制冷装置、导冷介质、水 冷散热装置和太阳能电源组成。循环制冷腔体由保温腔体和导冷片构成，半导体制冷 片置于环制冷腔体与水冷散热装置之间，并紧密贴合。导冷介质以乙二醇作为主要成 分。导冷介质充满循环制冷装置和水冷散热装置。
所述产水模块由空气通道、冷凝装置和集水装置组成，整个模块外部用保温材料 密封。空气通道与预冷模块相连，冷凝装置外表面与空气通道接触，内部充满导冷介 质。
所述程控模块由89C52单片机、DHT11数字温湿度传感器、DS18B20数字 温度传感器、CD4051单8通道模拟多路转接器、X9C103数字电位器、1602LCD 显示屏、降压电路和调压模块等组成。单片机系统、降压电路、调压电路模块的调压 电阻(X9C103数字电位器)、外围电路、12V电源接口、传感器接口、显示屏接口 集成在一块PCB板上，空气通道进风口、出风口处各放置一个DHT11温湿度传感 器，循环制冷腔内放置一个DS18B20温度传感器，调压模块输出接口接空气通道 鼓风机，显示屏嵌于外壳上。
整个设备采用A类100W单晶太阳能电池板加蓄电池供电。
本发明的空气制水设备采用了以上的技术方案，具有以下优点和特点：
利用半导体制冷片进行空气制水，使得该设备能耗低、体积小、重量轻、便于携 带，拓展了空气制水的方法，实现了空气制水的零污染。
运用数理统计方法，通过数学建模优化算法获取不同空气温度、湿度、风速等各 个参数的最佳匹配值，以达到最佳制水效果。
模块化设计思路，拆卸、调试方便。
基于流体力学等理论支撑对冷凝装置、空气通道等多处结构创新，达到能量利用 率的最大化。
附图说明
图1是本发明新型空气制水设备的整体结构图。
图2是本发明新型空气制水设备的预冷模块剖面图。
图3是本发明新型空气制水设备的产水制冷模块剖面图。
图4是本发明新型空气制水设备的制冷模块结构图。
图5是水冷散热装置中散热片结构图。
图6是程控模块原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种空气制水设备，包括预冷模块、制冷模块、产水模块和程控模块四 部分。
请参见图1，散热装置、太阳能电池板、开关、液晶显示屏、制冷产水模块、预 冷模块从上到下依次分别为101、102、103、104、105。
请参见图2，利用铜箔在腔体中隔出由上至下五个通道，分别为201至205通 道。外界空气进入预冷模块后，通入202、204通道，201、203、205通道通入制 水后产生的干冷空气，外界空气在预冷模块中进行第一次热交换(下述预冷空气)， 初步降低外界空气温度，整个模块外部用保温材料密封。
请参见图3、图4、图5。制冷模块由循环制冷装置4，基于帕尔贴效应的半导 体制冷片401、循环制冷腔体402、导冷片403、水冷散热腔体404、导热片和散 热装置5构成。半导体制冷片401两侧涂上导热硅胶后以如图方式紧密贴合。半导 体制冷片401由太阳能源供电后上下表面形成温差，制冷面与导冷片402紧密贴合， 通过循环制冷腔体402使导冷介质温度降低；散热面与导热片紧密贴合，由水冷散 热装置进行散热处理。导冷介质在产水模块的冷凝装置301与循环制冷腔体401之 间循环，达到对冷凝装置降温的目的。制冷模块采用太阳能电池供电。产水模块由空 气通道301、冷凝装置303和集水装置304组成。空气通道与预冷模块相连，预冷 空气由预冷模块通入冷凝装置303中，经过预留通道305与冷凝装置303外表面接 触，进行第二次热交换，使空气温度降低，相对湿度增加，进而饱和，最终析出液态 水。集水装置204由倾斜角为5度的斜面和集水孔构成。
请参见图6。控制系统太阳能电源接入601中J1接口，经7805降压电路降为 5V。602处89C52单片机为程控核心。603为三个传感器接口，数据线带10k上 拉电阻，三个传感器数据线分别接入604处CD4051多路转接器X端，CD4051 的Y端接602处单片机P1.4口，程序通过控制单片机P1口低四位输出来选择 CD4051的X端与Y端的通道，从而选择读取不同传感器的数据。605处接口连接 X9C103数字电位器，程序通过控制602处单片机P2口低三位输出来调节数字电 位器阻值。606处为1602LCD显示屏，显示传感器数据和设备状态。DHT11数字 温湿度传感器测得进、出风口空气的温湿度，单片机得到传感器数据，并通过与实验 所得的最佳出水量温度相比较，调整进气口风速，使得单位时间进风量发生改变，既 使空气中水蒸气充分凝结，又使空气能够快速更新，达到最佳出水效果以及提高能量 利用率。