CN100579632C - 复合式高压空气冷冻除湿系统 - Google Patents

Abstract

一种复合式高压空气冷冻除湿系统，包括：多个结霜器以及一前置除湿器。该等结霜器为并联，且每一结霜器的蒸发温度小于0摄氏度，前置除湿器串联于该等并联的结霜器，前置除湿器的蒸发温度大于0摄氏度，高压空气先通过该前置除湿器进行除湿，然后再通过该等该等结霜器中的数个结霜器进行结霜除湿，而其它的结霜器则进行除霜。

Description

复合式高压空气冷冻除湿系统

技术领域

本发明关于一种高压空气的冷冻除湿系统，特别是关于一种将多个并联的结霜器与一前置除湿器串联的复合式的高压空气冷冻除湿系统。

背景技术

空气纯化是许多制程必备的程序，用以获得含水率非常低(例如0.01％)的干燥空气，进入分子筛选薄膜后，将N2及O2分别取出，而一些较大分子例如CO2，被排在滤膜之前，但分子较小却非惰性的水蒸气，对制程有许多不良的影响，无法以分子膜筛选，须以除湿或冷冻结霜的方式，将水分子自湿空气中取出，此为制程冷冻的空气干燥技术。

若采用冰点以上蒸发器盘管低温表面空气中水蒸器凝结的除湿方法，由于热质传的效率限制，使得湿空气的含水率仍然很高。当空气压力在700kPa时，蒸发器表面温度为5℃时，以热力学计算空气通过的理想湿度比(humidityratio)约为0.00086，当蒸发器表面温度为-15℃时，理想湿度比约为0.00016，仅为前者的1/5，如果表面温度降至-25℃时，理想湿度比更可达到0.000053。因此以冷冻除湿的方法，空气处理后的含水率可以低于1/10000。然而冷冻除湿的缺点是当长期运转时，需要定时除霜，例如24小时运转需除霜一至三次，除霜周期是以结霜量来决定。

最早期的高压空气冷冻干燥，经常以一厚重腔体，内部装置所有除湿或结霜用盘管，如英国专利GB893773所公开者，这种设计方式是以空气压缩机的压缩腔及除湿装置整合在一起，缺点是空压机与除湿系统共构情况严重，只要一个零组件故障，就要进行腔体拆卸维修，另外体积重量过大、不容易进行弹性组合。

近年来的设计渐渐朝向组合式方式处理，并以高压管路衔接，提升空气纯化处理的弹性空间，而且较小的管路，相同压力所需的厚度较小，安全性提高及成本降低，例如日本专利公开JP 2002/253920、JP2002/267306、JP2005/344543，已采用模块化的方式，进行高压空气干燥的处理，这种创意设计已达到安全性提升、体积缩小化等功能，然而这些既有的设计，在运转一段时间后，必须停机进行除霜，而许多晶圆材料及生化制程需要24小时运转，而且对减少空气含水率的要求越来越高，因此必须有其它空气冷冻除湿的设计，才能满足许多晶圆材料及生化制程的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合式的高压空气冷冻除湿系统，可以24小时运转，同时兼顾除湿及除霜。

本发明是整合空调用除湿、双平行回路小型冷冻系统轮流结霜除湿、以及变频控制法则进行高压空气的干燥处理，达到省能、全时运转及高品质的需求。

本发明的复合式高压空气冷冻除湿系统的一优选实施例包括多个结霜器，该等结霜器为并联，且每一结霜器的蒸发温度小于0摄氏度，高压空气进入该等结霜器中的数个结霜器进行结霜除湿，其它的结霜器则进行除霜。

上述的优选实施例还包括多个阀体，连接于该等结霜器，并对应于该等结霜器，该等阀体导引高压空气进入正在结霜的该等结霜器进行除湿，并封闭其它结霜器以进行除霜。

在上述的优选实施例中，每一结霜器包括一腔体以及一除湿装置，该除湿装置对通过该腔体的高压空气进行结霜除湿。除湿装置包括一蒸发器、一冷凝器、一压缩机以及一毛细管。蒸发器、冷凝器、压缩机以及毛细管经由一冷媒管路而串联，其中蒸发器及冷凝器设于腔体中，高压空气经过蒸发器进行结霜除湿，然后再经过冷凝器使温度回升。除湿装置还包括一加热器，设于腔体中，当结霜器封闭进行除霜时，加热器加热腔体。压缩机可为变频式压缩机或定频式压缩机。

上述的优选实施例还包括一前置除湿器，串联于该等并联的结霜器，该前置除湿器的蒸发温度大于0摄氏度，高压空气先通过前置除湿器进行冷凝除湿，然后再通过该等结霜器进行结霜除湿。

在上述的优选实施例中，前置除湿器包括一腔体、一除湿装置以及一排水阀，除湿装置对通过腔体的高压空气进行除湿，从高压空气中凝结出的液态水经由排水阀排出腔体。

在上述的优选实施例中，除湿装置包括一蒸发器、一冷凝器、一压缩机以及一膨胀阀，蒸发器、冷凝器、压缩机以及膨胀阀经由一冷媒管路而串联，其中蒸发器及冷凝器设于该腔体中，高压空气经过蒸发器进行冷凝除湿，然后再经过冷凝器使温度回升。压缩机可为变频式压缩机或定频式压缩机。

在上述的优选实施例中，前置除湿器还包括一温度感测组件，其设于腔体中，感测腔体中的温度并借此控制除湿装置。

为了让本发明上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1为本发明的复合式高压空气冷冻除湿系统的方块图。

图2为图1中结霜器的构造的示意图。

主要组件符号说明

100～前置除湿器；

101～入口端；

120～第一腔体；

140～第一除湿装置；

142～第一蒸发器；

144～第一冷凝器；

146～膨胀阀；

147～前置冷凝器；

148～第一压缩机；

149～变频器；

180～排水阀；

210、230、270、280～阀体；

220、240～结霜器；

250、260～排气阀；

222～第二腔体；

224～第二除湿装置；

226～加热器；

228～排水阀；

2242～第二蒸发器；

2244～第二冷凝器；

2246～毛细管；

2247～前置冷凝器；

2248～第二压缩机；

2249～变频器。

具体实施方式

本发明的复合式高压空气冷冻除湿系统，如图1所示，包括一前置除湿器100以及二个并联的除霜器220、240。虽然本实施例是以二个除霜器为例做说明，但除霜器的数量不限于二个，可为多个。

一般自大气环境条件下，以空气压缩机系统(air compressor system)(未图标)进行加压，例如加压至1～10bar(gage)，初步的空气过滤、油气过滤除去等功能。

经过初步处理的高压空气，引进前置除湿器100的入口端101(如虚线的箭号所示)，先以蒸发温度在冰点0℃以上的前置除湿器100(蒸发温度约0～10℃)进行第一阶段冷凝除湿。前置除湿器100包括一第一腔体120、一第一除湿装置140以及一排水阀180，第一除湿装置140包括一第一蒸发器142、一第一冷凝器144、一膨胀阀146、一第一压缩机148，第一蒸发器142、膨胀阀146、第一冷凝器144及第一压缩机148是以一冷媒管路串联，图1中的实线箭号表示冷媒的流向。第一蒸发器142及第一冷凝器144设于第一腔体120中，从入口端101进入的高压空气依序经过第一蒸发器142的盘管以及第一冷凝器144的盘管，当高压空气经过第一蒸发器142的盘管时，由于第一蒸发器142盘管表面温度不会低于0℃，因此不会有结冰结霜的问题，在空气中的水蒸气会在第一蒸发器142的盘管表面凝结成液态水，以薄膜式凝结(film-wise condensation)或液滴式凝结(drop-wise condensation)模式，受重力影响而滑落到第一腔体120的底部，第一腔体120的底部装设集水盘(未图示)，并以排水阀(浮球阀件)180开关，进行排水至第一腔体120的外部，由于第一腔体120内的压力高于一大气压，因此空气中的凝结水将以压力差的模式，排出第一腔体120，而达到第一阶段除湿的功效。

在前置除湿器100的入口端101，同时测量入口空气的压力(P1)、体积流率(VF1)、温度(T1)、相对湿度(RH1)或湿球温度，再依据所希望的空气出口含水率(亦为湿度比)，以判断在不同空气流量下，所需的除水量以及除湿所需的冷冻能力，这些估算与冷冻能力的调节，由变频式第一压缩机148(包括变频器149)及其冷冻系统的自动控制机制达成，包括图1所示的第一压缩机148转速控制及膨胀阀146的微调，由于第一蒸发器142出口空气的相对湿度经常在90～100％之间，湿度信号无须测量，反馈控制的参数以温度感测件T2来进行第一阶段除湿的自动控制。除湿装置140还包括一前置冷凝器(pre-condenser)147，用以降低第一压缩机148出口冷媒的温度，使得第一阶段处理后的空气温度接近在入口101的空气温度，另外，第一腔体120的外壳须加以绝热，除了防止外壳有凝结水，这些都是提高除湿过程能源效率的方法。

第一阶段冷凝除湿完毕的空气，湿度比可以由0.001997(700kPa/TDB25℃/RH70％)降至0.00086(600kPa/TDB5℃/RH95％)，以流量3m3/min的处理量计算，空气质量流率约0.35kg/s，除水率约3.98×10-4kg/s，此时水蒸气的凝结潜热与显热约2500kJ/kg，因此所需的冷冻能力约1kW(蒸发温度约0～10℃)。

如果湿度比须降至2/10000以下，上述的前置除湿器100无法完成，因此本发明利用冷冻用的结霜器(froster)220及240，如图1所示，将第一阶段处理后的空气引入结霜器220除湿，进行第二阶段的冷冻除湿，以前述的设计例，空气质量流率约0.35kg/s，湿度比将由0.00086(600kPa/TDB5℃/RH95％)降至0.000163(600kPa/TDB-15℃/RH95％)，第二阶段除水率约3.98×10-4kg/s，水固化潜热及显热约340kJ/kg，所需的冷冻能力约135W(蒸发温度约-15℃)，可采用冰箱用变频压缩机系统(包括压缩机2248及变频器2249)，如图2所示。由于结霜器220、240每运转一段时间，蒸发器表面会布满霜，而使空气通道缩窄，甚至于堵塞，因此须定期除霜，本发明以两组结霜器220及240轮流交替进行空气除湿与除霜的动作，并以两组空气用电磁阀210/270及230/280，来选控空气流通的方向(结霜器220或240)，当结霜器220进行结霜除湿时，结霜器240进行除霜。此时结霜器220的压缩机(如图2所示)启动、阀体210/270打开、排气阀250关闭；此时结霜器240的压缩机(未图示)关闭、阀体230/280关闭，进行除霜，由于在除霜时会产生大量水蒸气，为了避免除霜过程造成压力过高，设计排气阀260(结霜器220为排气阀250)，此时排气阀260打开与大气连通，除霜过程可以用电热除霜，如果压缩机停止时间内，可以用周围室温条件自然融化除霜，则可以不必以电热除霜。当结霜器220与结霜器240互调操作的前一段时间，刚完成除霜的结霜器240须将阀体230打开、阀体280关闭、排气阀260打开维持一小段时间，将结霜器240内的刚除霜完毕的湿空气排出，并将压缩机启动并维持一段时间，使结霜器240的运转达到稳定状态后，再将阀体230打开、将阀体280打开且将排气阀260关闭，使高压空气转换至经由结霜器240除湿之后才进行结霜器220的除霜动作。

图2表示结霜器220的构造，由于结霜器220与结霜器240的构造是相同的，因此仅以结霜器220为例做说明。

结霜器220包括一第二腔体222、一除湿装置224以及一加热器226。除湿装置224包括一第二蒸发器2242、一第二冷凝器2244、一毛细管2246、一前置冷凝器2247以及一第二压缩机2248。第二蒸发器2242及第二冷凝器2244设于第二腔体222中，来自第一阶段的高压空气依序通过第二蒸发器2242及第二冷凝器2244，由于第二蒸发器2242的盘管温度低于0℃，高压空气中的水分会在第二蒸发器2242的盘管上结霜，而达到除湿的目的，除湿后的高压空气再通过第二冷凝器2244盘管后，使温度大体上恢复到进入结霜器220时的温度。加热器226设于第二腔体222中，并采用电加热的方式，当结霜器220需除霜时，利用加热器226加热第二蒸发器2242盘管，使第二蒸发器2242盘管上的结霜融化成液态水，并经由排水阀228排出至第二腔体222外。前置冷凝器2247与图1中前置冷凝器147的功能相同，于此不再赘述。在第二腔体222中可设置温度传感器T3、T4、T5分别感测结霜器220的入口、第二蒸发器2242盘管的出口以及结霜器220出口的空气温度，以作为实施控制的基础。

此外，虽然在本实施例中第一、第二压缩机148、2248是使用变频式压缩机，也可以使用定频式压缩机。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种复合式高压空气冷冻除湿系统，包括多个结霜器，所述多个结霜器为并联，且所述多个结霜器的蒸发温度小于0摄氏度，高压空气进入所述多个结霜器中的至少一个正在结霜的结霜器进行冷冻除湿，而已结霜的结霜器则进行除霜。

2.根据权利要求1所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其还包括多个阀体，连接于所述多个结霜器，并对应于所述多个结霜器，所述多个阀体导引高压空气进入正在结霜的结霜器进行除湿，并封闭已结霜的结霜器以进行除霜。

3.根据权利要求1所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该结霜器包括一第一腔体以及一第一除湿装置，该第一除湿装置对通过该第一腔体的高压空气进行结霜除湿。

4.根据权利要求3所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该第一除湿装置包括一第一蒸发器、一第一冷凝器、一第一压缩机以及一毛细管，该第一蒸发器、该第一冷凝器、该第一压缩机以及该毛细管经由一冷媒管路而串联，其中该第一蒸发器及该第一冷凝器设于该第一腔体中，高压空气经过该第一蒸发器进行结霜除湿，然后再经过该第一冷凝器使温度回升。

5.根据权利要求4所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该第一除湿装置还包括一加热器，设于该第一腔体中，当该结霜器封闭进行除霜时，该加热器加热该第一腔体内的第一蒸发器。

6.根据权利要求4所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该第一压缩机为变频式压缩机。

7.根据权利要求4所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该第一压缩机为定频式压缩机。

8.根据权利要求1所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其还包括一前置除湿器，串联于所述多个结霜器的前端，且该前置除湿器的蒸发温度大于0摄氏度，高压空气先通过该前置除湿器进行冷凝除湿，然后再通过所述多个结霜器进行冷冻除湿。

9.根据权利要求8所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该前置除湿器包括一第二腔体、一第二除湿装置以及一排水阀，该第二除湿装置对通过该第二腔体的高压空气进行除湿，从该高压空气中凝结出的液态水经由该排水阀排出该第二腔体。

10.根据权利要求9所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该第二除湿装置包括一第二蒸发器、一第二冷凝器、一第二压缩机以及一膨胀阀，该第二蒸发器、该第二冷凝器、该第二压缩机以及该膨胀阀经由一冷媒管路而串联，其中该第二蒸发器及该第二冷凝器设于该第二腔体中，高压空气经过该第二蒸发器进行冷凝除湿，然后再经过该第二冷凝器使温度回升。

11.根据权利要求10所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该第二压缩机为变频式压缩机。

12.根据权利要求10所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该第二压缩机为定频式压缩机。

13.根据权利要求10所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该前置除湿器还包括一温度感测组件，设于该第二腔体中，感测该第二腔体中的温度并借此控制该除湿装置。

14.根据权利要求13所述的复合式高压空气冷冻除湿系统，其中该温度感测组件设于该第二蒸发器的出口处。

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