CN101936642A - 一种实现能量回收的半导体制冷真空冷冻干燥机 - Google Patents

Abstract

一种实现能量回收的半导体制冷真空冷冻干燥机，包括环形侧壁、均温板、半导体制冷器、捕水器、水冷散热器、物料室、真空室、真空表、恒温器、可控电源、真空泵、阀门；采用半导体制冷/加热方式，针对冷冻干燥过程能源消耗的特点，将予冻结放出的热量用于除霜/冰，将冷凝放出的热量用于升华热；系统简单、紧凑、灵活方便、控温范围广、响应快，通过不同阶段的能量回收和互补能够节能30％以上，并节省大于20％的冷冻干燥时间，有效提高了干燥能力并拓展应用；应用于实验、工艺摸索、小试等领域具有优势。

Description

一种实现能量回收的半导体制冷真空冷冻干燥机

技术领域

本发明涉及一种半导体制冷真空冷冻干燥机，尤其是一种可以能量回收和互补的半导体制冷/加热真空冷冻干燥机。

背景技术

冷冻干燥过程(冷冻干燥工艺)对冻干品的质量有着决定性的影响。一般地，开发新的冻干品，首先使用小型冷冻干燥机对工艺摸索，再推广到大型生产用冷冻干燥机校正使用，迅速方便，减少浪费。故适应性强、工况范围广的小型多功能冷冻干燥机的研制至关重要。现有冷冻干燥机一般采用蒸汽压缩制冷机和液氮进行，前者结构复杂，灵活性差，实现复杂的升降温程序困难；液氮的使用不便，消耗大，控制要求高，稳定性差。半导体制冷无运动部件、可靠性高、灵活、作用速度快，可方便调节制冷能力，并可通过切换电流的方向来改变其制冷或加热的工作状态。结合半导体制冷的冷冻干燥机简单、便宜并灵活方便，应用于实验、工艺摸索、小试等需求具有不可替代的优势。

冷冻干燥过程存在耗时长、耗能多的缺点。对于冷冻干燥过程，除真空系统外，消耗能源的主要阶段是予冻结、升华、冷凝和除霜/冰，其中，升华阶段和冷凝阶段为同时发生，但温度不同。以纯水在各阶段的理论数据为例，予冻结和除霜/冰阶段所需能量同为333kJ/kg，但前者为冷却，后者为加热；升华阶段和冷凝阶段的能量消耗分别为2840kJ/kg和2589kJ/kg，所需能量相近，其中前者为加热，后者为冷却，显而易见，如果对各阶段进行能量回收和互补，将大大提高能源利用率，并节省过程时间。这一节能原理的应用文献如下：论文(郑贤德，林秀诚，赵鹤皋.冻干机的能量回收，流体工程，1988，3，62～64)进行了热回收的能量分析，并介绍了国外生产的热回收系统，节能40％；专利(景建军，真空冷冻干燥一体机，CN 1987314A)和此基础上的专利(霍凤莲，真空冷冻干燥机，ZL 200810233802.1)针对二级制冷压缩机制冷系统，利用上述节能原理，配合结构上的设计，总装机功率减少2/3，设备运行过程中的电耗降低1/2。上述文献的技术方案存在下述缺陷：①仅利用制冷压缩机的排气热量提供给升华阶段，没有进行予冻结阶段和除霜/冰阶段的能量互补；②给出的指标是理想值，实际效果取决于升华量和干燥过程的参数，考虑到过程参数的复杂变化，制冷压缩机的排气热量与升华热并不匹配，系统仍需要接近全负荷的冷凝能力，并需增加辅助加热系统，综合考虑技术经济指标，仍可能得不偿失；③机械制冷和制热切换速度慢，存在热冲击和较大热量损失；④系统基于蒸汽压缩制冷，结构复杂，控制要求高。另外，专利(张恕修，节能型快速真空冷冻干燥机，CN 245754IY)利用可滑动的物料盘可分置于冷凝板和加热板用于物料冻结和加热，仅仅是利用了冷凝板同时作为予冻结和冷凝使用，并没有实现真正的能量互补和回收。

专利(蔡戴熙等，半导体真空冷冻干燥器，CN87209124)提出一种金属-半导体电偶对致冷电堆真空冷冻干燥器，专利(刘静，周一欣，采用半导体制冷的微型真空冷冻干燥仪，ZL01229970.7)针对低温生物学的应用，提出了类似原理的冷冻干燥仪，但上述专利的技术方案仅是利用半导体制冷替代常规制冷，实现物料的冷却和加热。而制冷时放出的热量和加热时吸收的热量均未进行利用，且要消耗额外的能源进行冷却和加热，耗能大。另外，未设置捕水器结构，捕水器是保证升华出来的水蒸汽有足够的扩散动力，同时避免水蒸汽进入真空泵的重要部件，故上述专利提出的技术方案存在缺陷，应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足和缺陷，提高现有半导体制冷冷冻干燥机的能源利用率，缩短干燥时间、提高干燥能力并拓展应用。本发明提供一种结构简单，灵活方便、利用能量回收和互补实现节能、省时的半导体制冷/加热真空冷冻干燥机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种半导体制冷真空冷冻干燥机，包括环形侧壁、均温板、半导体制冷器、捕水器、水冷散热器、物料室、真空室、真空表、恒温器、可控电源、真空泵、阀门，其特征在于，所述物料室是以均温板为底、环形侧壁围成的敞口容器，物料置于物料室中，并与均温板良好接触，均温板由导热良好的金属制成，通过冷、热传递对物料进行冷冻和加热，半导体制冷器I的两端面分别与均温板和捕水器良好接触，捕水器是冷冻干燥过程中升华逸出的水蒸汽的冷凝器，半导体制冷器I工作时，通过均温板对物料室中的物料进行加热/制冷，同时通过捕水器冷凝水蒸汽或放热除霜/冰，另外设置半导体制冷器II弥补升华阶段和冷凝阶段能量流的不平衡并灵活调节过程参数，半导体制冷器II的两端面分别与均温板和水冷散热器良好接触，半导体制冷器II工作时，通过均温板对物料进行制冷/加热，同时通过水冷散热器散热/冷却，水冷散热器通过管路连接恒温器进行恒温，半导体制冷器I和半导体制冷器II均是单级或多级的半导体制冷组件串/并联而成，半导体制冷器I和半导体制冷器II分别由可控电源I和可控电源II供电并调节，可控电源I和可控电源II是直流电源，并能够根据需要调节和控制半导体制冷器I和半导体制冷器II的制冷/加热温度和制冷/加热量。环形侧壁、均温板、半导体制冷器I、半导体制冷器II、捕水器、水冷散热器和物料室放置于真空室内，并且各部分的相对位置和结构布置能保证水蒸汽从物料室内无阻碍地传递到捕水器表面，真空表指示真空室内的压力，真空室与阀门I、真空泵依次联接，真空泵工作实现真空室内的真空，真空室的底部设置冷凝水流出通道，并通过阀门II开启和闭合。

本发明利用予冻结、升华、冷凝和除霜/冰阶段的能源流规律，将予冻结放出的热量用于除霜/冰，将冷凝放出的热量用于升华热，能量得到了充分有效利用，进而结构更为紧凑，各阶段进行了整合，有效缩短了冷冻干燥时间。利用本发明进行实现能量回收和互补的冷冻干燥过程，其特征在于：

1.予冻结阶段，半导体制冷器I工作，与均温板接触的一端为冷端，并按设定的降温程序进行制冷以冷冻物料，与捕水器接触的一端为热端，热量通过捕水器散出，如捕水器表面存在上一冷冻干燥过程的结霜/冰时，除霜/冰过程将同时进行；

2.升华和冷凝阶段，半导体制冷器I工作，与均温板接触的一端为热端，并按照设定的加热程序为物料中的水分升华提供热量，与捕水器接触的一端为冷端，升华逸出的水蒸汽在捕水器的表面冷凝、结霜/冰，半导体制冷器II同时工作，以弥补升华阶段和冷凝阶段能量流的不平衡并灵活调节过程参数；

3.除霜/冰阶段，与下一冷冻干燥过程的予冻结阶段结合，利用物料予冻结时半导体制冷器I热端放出的热量，传递到捕水器表面进行除霜/冰。

本发明的有益效果是：采用半导体制冷/加热方式，结构简单、灵活方便、控温范围广、响应快。针对冷冻干燥过程能源消耗的特点，对不同阶段的能量进行了回收和互补，系统进一步集成，结构更加紧凑，提高了能源利用率，降低了能耗，缩短了干燥时间，提高了干燥能力。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

1.环形侧壁，2.均温板，3.半导体制冷器I，4.半导体制冷器II，5.捕水器，6.水冷散热器，7.物料室，8.真空室，9.真空表，10.恒温器，11.可控电源I，12.可控电源II，13.阀门I，14.真空泵，15.阀门II

具体实施方式

如图1所示，有机玻璃制成的环形侧壁1置于均温板2上部，并与均温板2的上端面形成敞口的容器，作为物料室7，紫铜制成的均温板2具备足够的机械强度和良好的传热能力，半导体制冷器I3的上端面与均温板2的下端面良好接触，半导体制冷器I3的下端面与捕水器5良好接触，捕水器5为紫铜制成的板状散热器，作为升华过程逸出的水蒸汽的冷凝器使用，半导体制冷器II4的下端面与均温板2的上端面良好接触，半导体制冷器II4的上端面与水冷散热器6良好接触，设置半导体制冷器II4是为了弥补升华阶段和冷凝阶段能量流的不平衡并灵活调节过程参数，水冷散热器6为水腔式散热器，其恒温水由恒温器10提供，环形侧壁1、均温板2、半导体制冷器I3、半导体制冷器II4、捕水器5、水冷散热器6和物料室7水平悬置于真空室8内，并且距离真空室8的内壁四周存在一定距离和间隙，作为水蒸汽从物料室7内向捕水器5表面传质的通道，钢制真空室8上方开有透明有机玻璃制成的观察窗，水冷散热器6的水管路通过密封方式穿过真空室8的壁面与恒温器10连通，半导体制冷器I3和半导体制冷器II4的电源线和控制线通过绝缘和密封的方式穿过真空室8的壁面分别与可控电源I11和可控电源II12联接，可控电源I11和可控电源II12是直流电源，能够根据要求进行调节和控制半导体制冷器I3和半导体制冷器II4的制冷/加热温度和制冷/加热量，真空室8内的压力通过真空表9指示，真空室8通过阀门I13与真空泵14联接，真空室8的底部设置冷凝水流出管道，并通过阀门II15开启和闭合。

使用本发明实施例实现的冷冻干燥过程如下：

1.物料置于物料室7内，并与均温板2良好接触，密闭真空室8，开启真空泵14，使真空室8内的压力达到0.1个大气压左右，以增加密封并减少内部对流热损失及气体密度；

2.启动并调节可控电源I11，半导体制冷器I3工作，与均温板2接触的一端为冷端，并按设定的降温程序进行制冷以冷冻物料，同时热量通过半导体制冷器I3的热端传递给捕水器5散出，如捕水器5表面存在上一冷冻干燥过程的结霜/冰时，除霜/冰过程将同时进行；

3.开启真空泵14，使真空室8内的压力降至设定值；

4.调节可控电源I11，改变半导体制冷器I3的电流方向，此时与均温板2接触的一端为热端，并按照设定的加热程序为物料中的水分升华提供热量，同时升华逸出的水蒸汽在捕水器5的表面冷凝、结霜/冰。此过程同时启动并调节可控电源II12和恒温器10，半导体制冷器II4工作，以平衡系统能量流、调节过程参数；

5.关闭可控电源I11、可控电源II12、恒温器10和真空泵14，打开真空室8，取出冷冻干燥后的物料；

6.利用下一冷冻干燥过程的物料予冻结时半导体制冷器I3热端放出的热量，传递到捕水器5表面进行除霜/冰。

当半导体制冷器I3采用四级半导体制冷组件时，系统能够实现零下100℃的低温，升降温速度达到20℃/min，适应并满足物料玻璃化予冻结的要求。系统通过能量回收和互补能够节能30％以上，并节省大于20％的冷冻干燥时间。

Claims (4)

1.一种实现能量回收的半导体制冷真空冷冻干燥机，包括环形侧壁、均温板、半导体制冷器、捕水器、水冷散热器、物料室、真空室、真空表、恒温器、可控电源、真空泵、阀门，其特征在于，所述物料室(7)是以均温板(2)为底、环形侧壁(1)围成的敞口容器，半导体制冷器I(3)的两端面分别与均温板(2)和捕水器(5)良好接触，半导体制冷器II(4)的两端面分别与均温板(2)和水冷散热器(6)良好接触，水冷散热器(6)通过管路连接恒温器(10)进行恒温，半导体制冷器I(3)和半导体制冷器II(4)分别由可控电源I(11)和可控电源II(12)供电并调节，环形侧壁(1)、均温板(2)、半导体制冷器I(3)、半导体制冷器II(4)、捕水器(5)、水冷散热器(6)和物料室(7)放置于真空室(8)内，并且各部分的相对位置和结构布置能保证水蒸汽从物料室(7)内无阻碍地传递到捕水器(5)表面，真空表(9)指示真空室(8)内的压力，真空室(8)与管道、阀门I(13)和真空泵(14)依次联接，真空室(8)的底部设置冷凝水流出管道，并通过阀门II(15)开启和闭合。

2.根据权利要求1所述的实现能量回收的半导体制冷真空冷冻干燥机，其特征在于，均温板(2)是导热良好的金属制成。

3.根据权利要求1所述的实现能量回收的半导体制冷真空冷冻干燥机，其特征在于，半导体制冷器I(3)和半导体制冷器II(4)均是单级或多级的半导体制冷组件串/并联而成。

4.应用权利要求1所述的实现能量回收的半导体制冷真空冷冻干燥机进行冷冻干燥的过程，实现了不同阶段的能量回收和互补，其特征在于：

a)予冻结阶段，半导体制冷器I(3)工作，与均温板(2)接触的一端为冷端，并按设定的降温程序进行制冷以冷冻物料，与捕水器(5)接触的一端为热端，热量通过捕水器(5)散出，如捕水器(5)表面存在上一冷冻干燥过程的结霜/冰时，除霜/冰过程将同时进行；

b)升华和冷凝阶段，半导体制冷器I(3)工作，与均温板(2)接触的一端为热端，并按照设定的加热程序为物料中的水分升华提供热量，与捕水器(5)接触的一端为冷端，升华逸出的水蒸汽在捕水器(5)的表面冷凝、结霜/冰，半导体制冷器II(4)同时工作，以弥补升华阶段和冷凝阶段能量流的不平衡并灵活调节过程参数；

c)除霜/冰阶段，与下一冷冻干燥过程的予冻结阶段结合，利用物料予冻结时半导体制冷器I(3)热端放出的热量，传递到捕水器(5)表面进行除霜/冰。

Images