CN110485509A - 一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置，包括树形取水装置、相变蓄冷装置、储水装置及主控装置；树形取水装置包括仿生取水叶片与输水通道；所述仿生取水叶片正表面密布微观凸起结构且进行超疏水纳米表面改性；相变蓄冷装置包括分离式相变腔、循环工质、蓄冷箱和相变蓄冷材料；主控装置包括控制器、温度传感器、太阳能电池和转动机构；所述转动机构与所述仿生取水叶片连接用于驱动所述仿生取水叶片转动；所述控制器根据所述温度传感器获取的外界温度信号控制所述转动机构带动所述仿生取水叶片转动。因此本发明可在无人值守条件下实现稳定高效低能耗工作，可在沙漠缺水地区自然环保、持续稳定的获取大气凝结水。

Description

一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置

技术领域

本发明涉及一种取水装置，具体涉及的是一种在沙漠缺水地区为提高取水稳定性和取水效率而设计的具有仿生树形结构特征的冷凝取水装置。

背景技术

沙漠地区气候干旱植被稀少，水资源极度缺乏，人们的生产生活受到严重制约，形势严峻。因此，合理有效的获取水资源已成为沙漠地区最为紧急的任务之一。

冷凝取水技术以空气为取水源，利用低温凝结湿空气中的水蒸气获取纯净液态水，因其自然、环保，被广泛用于沙漠地区取水。传统的冷凝取水装置有一定的取水能力，但因其结构不甚合理，易出现沙砾阻塞冷凝表面、较大风力对装置部件或整体造成破坏等问题，因此取水稳定性和效果不甚理想，且需要专人看守，造成人力资源浪费。因此，传统的冷凝取水方案不能满足要求，迫切需要寻求一种新型稳定的取水方案和技术。

人们发现，一些关于植物和动物的相类似的功能，实际上超越了人类自身在此方面的技术设计方案。植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接近完美。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能，这种技术就叫仿生技术。仿生树形结构以自然生长的枝桠相关规律特性为基础，牢固稳定，相比普通结构有更强的抗风性。

超疏水纳米技术将表面进行特殊处理形成微纳级结构，从而使表面的污染物或灰尘能在重力或雨水、风力等外力作用下自动脱落或被降解，又可实现表面液滴自驱动，对于去除灰尘，收集液滴有很大帮助。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种新型的具有仿生树形特征的冷凝取水装置，该装置可在无人值守条件下实现稳定高效低能耗工作，在沙漠缺水地区自然环保、持续稳定的获取大气凝结水，缓和当地严峻的缺水形势。

为解决传统冷凝取水装置设计上存在的技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置，包括树形取水装置、相变蓄冷装置、储水装置及主控装置，其特征在于：

树形取水装置包括仿生取水叶片与输水通道；输水通道包括主通道、多级分支通道以及毛细通道；所述仿生取水叶片连接在所述多级分支通道的末端；所述仿生取水叶片正表面密布微观凸起结构且进行超疏水纳米表面改性；毛细通道位于微观凸起内部，经多级分支通道后汇总至主通道，主通道与储水装置连通；

相变蓄冷装置包括分离式相变腔、循环工质、蓄冷箱和相变蓄冷材料，相变蓄冷材料填充于蓄冷箱中；分离式相变腔分为两部分，分别位于仿生取水叶片和蓄冷箱中，通过沿着多级分支通道以及主通道布置的上升管与下降管连接；所述相变蓄冷材料位于所述蓄冷箱内；所述循环工质在分离式相变腔的两部分间循环；

主控装置包括控制器、温度传感器、太阳能电池和转动机构；所述太阳能电池为所述主控装置提供电源；所述转动机构与所述仿生取水叶片连接用于驱动所述仿生取水叶片转动；所述控制器根据所述温度传感器获取的外界温度信号控制所述转动机构带动所述仿生取水叶片转动。

所述主通道垂直放置，在所述主通道的竖直方向布置不少于2层多级分支通道组，每层所述多级分支通道组包括均匀布置的四个所述多级分支通道，多级分支通道与所述主通道之间的夹角不小于45°，所述多级分支通道分叉级数不少于2级，分叉夹角为45-90°，两个分叉通道的中心线与上级通道的中心线在同一平面内，所述分支通道的外通道上下级直径比为0.5-1，内通道上下级直径比为2^-1/m，其中，m为直径系数，取大于等于2且小于等于3，上下级通道长度比为0.5-1。

储水装置位于蓄冷箱下方。

蓄冷箱位于地下，外侧包裹有保温层。

所述微观凸起结构为锥形微观凸起结构。

所述仿生取水叶片背面涂覆金红石型TiO₂涂层，使背面在8～14μm波段范围内发射率达到0.96，增强向宇宙空间的辐射散热，提高夜间蓄冷效果。

仿生取水叶片为空腔圆柱体结构，正表面为进行超疏水纳米改性的特殊表面且密布所述的锥形微观凸起结构，正表面经过疏水性处理后可为珠状凝结提供有利条件，有效减小冷凝面上覆盖的冷凝水厚度，促进冷凝水的回流，背面涂覆金红石型TiO₂涂层，使背面在8～14μm波段范围内发射率达到0.96，增强向宇宙空间的辐射散热，提高夜间蓄冷效果，主控装置控制其翻转，输水通道分为所述的主通道、多级分支通道以及毛细通道，毛细通道位于锥形微观凸起并与外界环境连通，内部则经多级分支通道后汇总至主通道，主通道与储水装置连通。

相变蓄冷装置由分离式相变腔、循环工质、蓄冷箱和相变蓄冷材料组成。储水装置和主通道连接，可过滤凝水中混入的细微沙粒及其他杂质，保证水质达到饮用标准，其内部空间可存储一段时期的凝水。

主控装置由温度传感器、太阳能电池和转动机构构成。太阳能电池位于树形取水装置的顶端以获取更好的光照，温度传感器位于太阳能电池侧边，转动机构位于多级分支通道的末端，控制仿生取水叶片的翻转。所有的电能由太阳能电池提供。

主通道、多级分支通道、毛细通道及仿生取水叶片等根据实际应用情况可选用铜、铝、不锈钢以及合金等材料。

仿生取水装置适用于昼夜温差大的沙漠缺水地区，可长时间无人值守，新型的树形取水装置可避免巨大风力造成的破坏。

本发明综合冷凝取水技术、仿生技术及超疏水纳米技术的优点，设计了一种仿生树形取水装置，可在无人值守条件下实现稳定高效低能耗工作，在沙漠缺水地区自然环保、持续稳定的获取大气凝结水。

有益效果

本发明适用于昼夜温差大的沙漠缺水地区的仿生取水装置，树形取水装置牢固稳定，可防止装置在沙尘暴等恶劣环境下被吹倒损坏；整个装置无需使用其他能量，所有能源由太能能电池提供，直取凝水的同时节能又环保；仿生取水叶片正表面的锥形微观结构可有效防止细微沙粒堆集，解决了毛细通道的堵塞问题；经过疏水性处理的表面可为珠状凝结提供有利条件，有效减小冷凝面上覆盖的冷凝水厚度，改善冷凝水的回流；储水装置的设立增强了装置的工作独立性，可长时间无人值守工作；该取水装置采用绿色，环保，节能的方式取水，稳固牢靠，维修率低，可在恶劣的自然环境下稳定高效运行。

附图说明

图1为本发明的仿生取水装置立体结构示意图。

图2为本发明的仿生取水装置的仿生取水叶片立体结构示意图。

图3为本发明的仿生取水装置的仿生取水叶片剖面结构示意图。

图4为本发明的仿生取水装置白天工作原理示意图。

图5为本发明的仿生取水叶片白天工作原理示意图。

图6为本发明的相变蓄冷装置白天工作原理示意图。

图7为本发明的仿生取水装置夜晚工作原理示意图。

图8为本发明的仿生取水叶片夜晚工作原理示意图。

图9为本发明的相变蓄冷装置夜晚工作原理示意图

图10为本发明的仿生取水装置叶片转动机构示意图。

图中，1.储水装置；2.主通道；3.多级分支通道；4.仿生取水叶片；5.毛细通道；6.锥形微观凸起结构；7.太阳能电池；8.温度传感器；9.转动机构；10.蓄冷箱；11.相变蓄冷材料；12.环形壁面；13.凝水孔；14.上升孔；15.下降孔；16.热量；17.下降管；18.上升管；19.凝水管；20.密封外壳；21.电动机；22.齿轮连接部件。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1所示为用于沙漠缺水地区的仿生取水装置立体结构示意图。此仿生取水装置是由树形取水装置、主控装置、储水装置1和相变蓄冷装置构成的冷凝取水装置，树形取水装置由主通道2、多级分支通道3、仿生取水叶片4和毛细通道5构成，主通道2和仿生取水叶片4通过多级分支通道3连接，锥形微观凸起结构6均匀分布在仿生取水叶片4正表面，毛细通道5位于锥形微观凸起结构6内部。自然界中树形结构的分叉夹角为50°-75°，下一级与上一级直径比集中在0.75-0.85，为使应用更广泛，本发明的多级分支通道3分叉级数不少于2级，分叉夹角为45-90°，多级分支通道4的外通道上下级直径比为0.5-1，内通道上下级直径比为2^-1/m，其中，m为直径系数，取大于等于2且小于等于3，上下级通道长度比为0.5-1。主控装置由太阳能电池7、温度传感器8和转动机构9构成，控制取水通道的开启与关闭。储水装置1用于过滤并储存一段时间内的凝水。相变蓄冷装置由蓄冷箱10、分离式相变腔、循环工质和相变蓄冷材料11组成，蓄冷箱位于地下，外侧包裹有保温层，内部填充有相变蓄冷材料11。分离式相变腔的两端分别位于仿生取水叶片4和蓄冷箱2中。

图2所示为仿生取水叶片的立体结构示意图，仿生取水叶片为空腔圆柱体结构，正表面为圆形平面结构，均匀分布表面经过超疏水纳米改性的锥形微观凸起结构6，毛细通道5位于锥形微观凸起结构6内部，凝水进入后由毛细作用再进入多级分支通道3。环形壁面12与多级分支通道3的连接处有凝水孔13，上升孔14和下降孔15。

图3所示为仿生取水叶片剖面结构示意图，仿生取水叶片为空腔圆柱体结构，正表面均布锥形微观凸起结构6，毛细通道5位于锥形微观凸起结构6内部。正表面经过疏水性处理后可为珠状凝结提供有利条件，有效减小冷凝面上覆盖的冷凝水厚度，改善冷凝水的回流。循环工质在空腔圆柱体结构内释放或吸收热量。

图4为本发明的仿生取水装置白天工作整体原理示意图，图5为本发明的仿生取水叶片白天工作原理示意图，图6为本发明的相变蓄冷装置白天工作原理示意图。白天，温度传感器8检测到温度上升至预定值后发送信号给转动机构9，叶片正表面转至向上，装置开始进入白天工作状态。循环工质在仿生取水叶片4内蒸发吸收热量16，循环工质由液态变为气态，压力增大，推动循环工质进入多级分支通道3和主通道2内的下降管17进入蓄冷箱10进行冷凝放热，相变蓄冷材料11吸收热量16后由固态变为液态，循环工质由气态变为液体，液态的循环工质再通过上升管18回到仿生取水叶片4，继续受热蒸发，完成循环。仿生取水叶片4正表面的温度降低到低于外界空气的湿球温度时，大气中的水蒸气在经过疏水处理的锥形微观凸起结构7表面形成珠状凝结，凝水经毛细作用进入毛细通道5，再进入多级分支通道3和主通道2内的凝水管19，最后在重力作用下汇入储水装置1。此时仿生取水叶片4作为分离式相变腔的蒸发端，蓄冷箱10作为分离式相变腔的冷凝端。

图7为本发明的仿生取水装置夜晚工作整体原理示意图，图8为本发明的仿生取水叶片夜晚工作原理示意图，图9为本发明的相变蓄冷装置夜晚工作原理示意图。夜晚，温度传感器8检测到温度下降至预定值后发送信号给转动机构9，叶片背面转至向上，装置开始进入夜晚工作状态。循环工质在蓄冷箱10内蒸发吸收热量16，蓄冷相变材料循环11释放热量后由液态变为固态，循环工质由液态变为气态，压力增大，推动循环工质进入多级分支通道3和主通道2内的上升管18进入仿生取水叶片4内，循环工质通过叶片背面向宇宙空间辐射散发热量16，由气态变为液体，液态的循环工质再通过下降管17回到蓄冷箱10，继续受热蒸发，完成循环。此时仿生取水叶片4作为分离式相变腔的冷凝端，蓄冷箱10作为分离式相变腔的蒸发端。

图10为转动机构9示意图。转动机构由密封外壳20、电动机21和齿轮连接部件22组成。收到温度传感器8的信号后电动机21缓慢转动，带动齿轮部件22旋转，使仿生取水叶片5的正表面转至朝上或朝下。下降管17、上升管18和凝水管19在转动机构段用软管代替金属管以免损坏。

Claims (6)

1.一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置，包括树形取水装置、相变蓄冷装置、储水装置及主控装置，其特征在于：

树形取水装置包括仿生取水叶片与输水通道；输水通道包括主通道、多级分支通道以及毛细通道；所述仿生取水叶片连接在所述多级分支通道的末端；所述仿生取水叶片正表面密布微观凸起结构且进行超疏水纳米表面改性；毛细通道位于微观凸起内部，经多级分支通道后汇总至主通道，主通道与储水装置连通；

相变蓄冷装置包括分离式相变腔、循环工质、蓄冷箱和相变蓄冷材料，相变蓄冷材料填充于蓄冷箱中；分离式相变腔分为两部分，分别位于仿生取水叶片和蓄冷箱中，通过沿着多级分支通道以及主通道布置的上升管与下降管连接；所述相变蓄冷材料位于所述蓄冷箱内；所述循环工质在分离式相变腔的两部分间循环；

主控装置包括控制器、温度传感器、太阳能电池和转动机构；所述太阳能电池为所述主控装置提供电能；所述转动机构与所述仿生取水叶片连接用于驱动所述仿生取水叶片转动；所述控制器根据所述温度传感器获取的外界温度信号控制所述转动机构带动所述仿生取水叶片转动。

2.根据权利要求1所述的一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置，其特征在于：所述主通道垂直放置，在所述主通道的竖直方向布置不少于2层多级分支通道组，每层所述多级分支通道组包括均匀布置的四个所述多级分支通道，多级分支通道与所述主通道之间的夹角不小于45°，所述多级分支通道分叉级数不少于2级，分叉夹角为45-90°，两个分叉通道的中心线与上级通道的中心线在同一平面内，所述分支通道的外通道上下级直径比为0.5-1，内通道上下级直径比为2^-1/m，其中，m为直径系数，取大于等于2且小于等于3，上下级通道长度比为0.5-1。

3.根据权利要求1所述的一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置，其特征在于：储水装置位于蓄冷箱下方。

4.根据权利要求1所述的一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置，其特征在于：蓄冷箱位于地下，外侧包裹有保温层。

5.根据权利要求1所述的一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置，其特征在于：所述微观凸起结构为锥形微观凸起结构。

6.根据权利要求1所述的一种用于沙漠缺水地区的仿生取水装置，其特征在于：所述仿生取水叶片背面涂覆金红石型TiO₂涂层，使背面在8-14μm波段范围内发射率达到0.96。