CN111419083A - 一种集成式小型化的低氘饮水机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式小型化的低氘饮水机，包括机体，对接外部水源且用于净化水的水净化器，对接水净化器且用于制备低氘水的生产模块，对接生产模块且用于储存、取出低氘水的储存供应模块，用于控制水净化器、生产模块和储存供应模块工作的控制模块，以及与所述控制模块电性连接且设置于机体表面的控制屏幕，其中，水净化器、生产模块、储存供应模块和控制模块均安装于机体内。本发明仅由机体、水净化器、生产模块、储存供应模块和控制模块组成，相较于工程中已得以应用的双温交换或者电解法，本发明无氢气或硫化氢等易燃易爆和有毒气体气体参与，制备工艺简单，设备简单易得且设备投资和低氘水制备的成本低，可实现低氘水饮水机的小型化集成。

Description

一种集成式小型化的低氘饮水机

技术领域

本发明涉及低氘水技术领域，具体地讲，是涉及一种集成式小型化的低氘饮水机。

背景技术

氕和氘是氢的稳定同位素，氕和氘原子不同的结构导致了其物理和化学性质存在一定差异。天然水的氘丰度因海拔、维度等因素存在差异，在135～150ppm范围内变化，氘浓度低于天然丰度的水被称为低氘水。研究表明，低氘水不仅可以活化人体细胞，明显促进酶反应；而且可以提高NK细胞活性值，增强人体免疫功能；同时，低氘水还具有抑制细胞癌变和癌细胞增殖，从而具有防癌保健功能。

就低氘水制备工艺而言，水-氢双温交换法是一类生产低氘水的方法，该工艺基于氕氘在反应中非等几率平衡分布的特性，及交换反应分离因子随温度升高而减少的原理，进行氕氘分离。冷塔内氘从气相向液相富集；热塔内氘由液相向气相的相转变加强，但分离因子减小；最终获得浓缩的氘水和贫氘氢气。该方法包括液相催化交换和相转变过程，涉及高低温塔之间的物料循环，流量、温度等参数的操作控制复杂；包括低温塔和高温塔，投资成本高；由天然丰度水和氢气制备的低氘水浓度范围有限；分离系数低，需要多级并联，生产低氘水成本较高；工艺涉及氢气，安全风险较高；设备复杂，无法小型化集成。也有采用H₂S和NH₃作为载氢介质与水进行氢同位素交换反应的，但涉及到了有毒害、腐蚀性气体，不利于实现小型化目标。其他基于气相氢同位素分离的方法，如色谱分离、催化电解等方法虽具有生产低氘水的技术可行性，但工艺相对复杂、涉及氢气操作，不具备小型化、低成本制备低氘水的价值。

随着全民日益增长的保健需求，低氘水已引起越来越广泛的关注。将低氘水生产设备进行高度集成，使得其体型缩小，可安装于写字楼、医院甚至用户家中，可便捷、低成本地满足更多民众饮用低氘水的需求。

发明内容

为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种设备简单、投资和制备成本低、低氘水浓度范围广、安全可靠的集成式小型化的低氘饮水机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种集成式小型化的低氘饮水机，包括机体，对接外部水源且用于净化水的水净化器，对接所述水净化器且用于制备低氘水的生产模块，对接所述生产模块且用于储存、取出低氘水的储存供应模块，用于控制水净化器、生产模块和储存供应模块工作的控制模块，以及与所述控制模块电性连接且设置于机体表面的控制屏幕，其中，所述水净化器、生产模块、储存供应模块和控制模块均安装于机体内。

具体地，所述生产模块包括对接所述水净化器的第一流量计，对接所述第一流量计的预热器，通过管道与所述预热器壳程对接的加热釜，安装于所述加热釜底部与预热器之间连接管道上的第二流量计，底部固定于所述加热釜上方且与加热釜对接的分离器，套接于所述分离器上的保温夹套，与所述分离器顶部分别通过管道连接的冷凝器和第三流量计，对所述冷凝器进行制冷的制冷机，与所述冷凝器通过管道连接的汽水分离器，以及对接所述汽水分离器且用于排气的真空泵，其中，通过所述分离器制备的低氘水的浓度为10～130ppm，所述第一流量计、预热器、加热釜、保温夹套、冷凝器、制冷机、汽水分离器、真空泵和第三流量计均分别通过电路与控制模块连接，所述第一流量计、预热器、加热釜、保温夹套、冷凝器、制冷机、汽水分离器、真空泵和第三流量计均固定于机体内。

具体地，所述分离器内、预热器内、冷凝器内和保温夹套上均安装有用于测量温度的温度传感器，所述分离器内安装有压力传感器，所述分别安装于分离器内、预热器内、冷凝器内、保温夹套上的温度传感器和安装于分离器内的压力传感器均分别通过电路与控制模块连接。

具体地，所述储存供应模块包括对接所述冷凝器的缓冲罐，通过管道连接于所述缓冲罐底部的第四流量计，以及通过管道与所述第四流量计连接的取水机构，其中，所述第三流量计两端分别通过管道与分离器顶部和缓冲罐连接，所述汽水分离器通过管道与缓冲罐连接，所述第四流量计通过电路与控制模块连接，所述缓冲罐、第四流量计和取水机构均固定于机体内。

具体地，所述取水机构包括通过管道与所述第四流量计连接的第一储水罐，连接于所述第一储水罐和第四流量计连接管道上的第二储水罐，分别与所述第一储水罐和第二储水罐通过管道连接的两个供水开关，以及开设于所述机体上且用于接水的取水口，其中，所述两个供水开关位于取水口内。

具体地，所述反应柱内部填充有散装填料，所述散装填料材质为经过表面处理的不锈钢、铜或陶瓷。

本发明的原理是通过将水通入净化模块，去除其中的钙镁离子，降低水的硬度，避免在后续生产模块和储存模块中结垢；在净化后的水被预热器后，在加热釜中蒸发为蒸汽输入反应柱内，并在反应柱内发生氢同位素浓度变化，使反应后氘浓度更低的蒸汽从反应柱顶部流入冷凝器中，经冷凝器液化，部分流入缓冲罐内被收集，少量被夹带进入汽水分离器中，经汽水分离器分离后将液态水输入缓冲罐内；含氘量较高的水从反应柱底部流经第三计量泵、预热器，最后从流出饮水机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明仅由机体、水净化器、生产模块、储存供应模块、控制屏幕和控制模块组成，相较于其他涉及危险、易爆介质的复杂工艺而言，本发明的生产模块只需要将第一流量计、加热釜、冷凝器和制冷机等配合使用，即可制备低氘水，工艺相对简单、不涉及特殊介质操作，设备投资和低氘水生产成本低，可实现低氘水饮水机的小型化集成。

(2)本发明可通过控制模块控制第一流量计来控制流入预热器的水量，进而控制预热器的处理量，最终控制流入分离器的水量，以达到控制分离器处理能力的目的；通过控制模块控制第三流量计来控制回流入反应柱的水量，以达到控制分离器回流比的目的；通过控制模块控制流入第四流量计内的低氘水产量，进而控制流入第一储水罐内和第二储水罐内的水量，来达到控制低氘水产率和产出的低氘水浓度的目的，操作简便。

(3)本发明可安装两个储水罐，用于在需要不同浓度的低氘水的时候，可以将不同浓度的低氘水分别储存，也可根据需要设置多个不同浓度低氘水储罐，使得本发明生产的低氘水供应浓度范围广，适应不同需求。

(4)本发明仅由机体、水净化器、生产模块、储存供应模块和控制模块组成，结构简单，需要的组件较少，使得设备投资和制备低氘水的成本可降低。

(5)本发明采用的设备在操作中只需要通过控制模块对各个部件进行控制，并将各个部件配合使用，即可制备低氘水，具有操作便捷、安全可靠的优点。

(6)本发明采用的散装填料，可以实现低氘水的高效制备，尤其是散装填料材料选用经化学表面处理后的不锈钢、铜或陶瓷，使经处理后的填料表面生成致密的特殊涂层，改善了填料表面液相和气相的接触作用效率，使得低氘水制备效率显著提升，为反应提供更好的接触性能，尤其是选用经化学处理后的不锈钢作为散装填料为本领域首次提出，可降低填料成本超过70％，且避免了其他填料使用过程掉渣、需频繁停机维护的弊端，因此作为成套定型化的产品提供给用户，更具有优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明去除机体后另一角度的结构示意图。

图3为本发明的工作原理示意图。

图4为本发明的低氘水饮水机的部分工作曲线。

图5为本发明的材质为不锈钢的散装填料在5μm时的SEM图。

图6为本发明的材质为铜的散装填料在2μm时的SEM图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-分离器，2-保温夹套，3-水净化器，4-第一流量计，5-预热器，6-第二流量计，7-加热釜，8-冷凝器，9-制冷机，10-缓冲罐，11-第三流量计，12-汽水分离器，13-真空泵，14-第四流量计，15-第一储水罐，16-第二储水罐，17-取水机构，18-机体，19-供水开关，20-生产模块，21-储存供应模块，22-控制模块，23-取水口，24-控制屏幕。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1到图3所示，该集成式小型化的低氘饮水机，包括分离器1、保温夹套2、水净化器3、第一流量计4、预热器5、第二流量计6、加热釜7、冷凝器8、制冷机9、缓冲罐10、第三流量计11、汽水分离器12、真空泵13、第四流量计14、第一储水罐15、第二储水罐16、取水机构17、机体18、供水开关19、生产模块20、储存供应模块21、控制模块22、取水口23和控制屏幕24等。其中，机体18用于安装水净化器3、生产模块20、储存供应模块21和控制模块22；控制屏幕24安装于机体18表面，其与控制模块22电性连接，其用于使用者控制控制模块22对供应低氘水的浓度或产量进行控制；水净化器3对接外部水源，其用于净化自来水，除去自来水中的钙镁离子，避免分离器1、管道和容器中产生结垢；生产模块20与水净化器3对接，生产模块20采用常减压连续精馏工艺来生产低氘水，其包括对接水净化器3且用于控制流入预热器5内水量的第一流量计4，对接第一流量计4且用于对水进行加热的预热器5，通过管道与预热器5壳程对接且用于对水进行进一步加热的加热釜7，安装于加热釜7底部与预热器5之间连接管道上的第二流量计6，第二流量计6用于控制从加热釜7中流出的含氘量较高的水的流量，底部固定于加热釜7上且与加热釜7对接的分离器1，分离器1用于将水中的氘分离，通过分离器1制备的低氘水的浓度为10～130ppm，套接于分离器1上且用于对分离器1进行加热保温的保温夹套2，与分离器1顶部通过管道连接且用于对分离器1流出的蒸汽进行冷凝的冷凝器8，对冷凝器8进行制冷的制冷机9，与分离器1顶部连接且用于控制回流入分离器1内的低氘水量的第三流量计11，与冷凝器8通过管道连接且用于将液体和气体分离的汽水分离器12，对接汽水分离器12且用于将系统抽空的真空泵13，第一流量计4、预热器5、加热釜7、保温夹套2、冷凝器8、制冷机9、汽水分离器12、真空泵13和第三流量计11均分别通过电路与控制模块22连接，所述第一流量计4、预热器5、加热釜7、保温夹套2、冷凝器8、制冷机9、汽水分离器12、真空泵13和第三流量计11均固定于机体18内；储存供应模块21用于储存低氘水，并在需要取水时，通过取水机构17采出低氘水，其包括对接冷凝器8且用于接收冷凝水的缓冲罐10，缓冲罐10通过管道与第三流量计11连接，缓冲罐10通过管道与汽水分离器12连接，使得被分离的低氘水流入缓冲罐10内进行储存，通过管道连接于缓冲罐10底部且用于控制低氘水流入储存罐的量的第四流量计14，通过管道与第四流量计14连接且用于取水的取水机构17，缓冲罐10、第四流量计14和取水机构17均固定于机体18内，第四流量计14通过电路与控制模块22连接。

进一步地，取水机构17包括通过管道与第四流量计14连接且用于储存低氘水的第一储水罐15，连接于第一储水罐15和第四流量计14连接管道上的第二储水罐16，分别与第一储水罐15和第二储水罐16通过管道连接的两个控制出水的供水开关19，开设于机体18上且用于接水的取水口23，两个供水开关19位于取水口23内。

为了保证生产模块17的正常工作，分离器1内、预热器5内、冷凝器8内和保温夹套2上均安装有用于测量各自温度的温度传感器，分离器1内还安装有压力传感器，分别安装于分离器1内、预热器5内、冷凝器8内、保温夹套2上的温度传感器和安装于分离器1内的压力传感器均通过电路与控制模块22连接。

为了保证加热釜7内的水良好的沸腾状态，加热釜7内部放置有不高于加热釜容量1/10的沸石材料。

为了保证分离器1对氘的反应效果，分离器1内部填充有散装填料，散装填料为经表面处理后的不锈钢、铜或陶瓷。

本发明在使用时，水通过外部自来水管流入水净化器内被净化，再流入第一流量计，通过第一流量计的水流入预热器内进行加热，加热后的水流入加热釜内进行加热，再从分离器底部进入分离器内被蒸发，蒸汽进入分离器内部与散装填料表面发生氘的转移变化，使含氘量较低的水蒸气流到分离器上端，流入冷凝器内进行冷却，在冷却后大部分液体顺着管道流入缓冲罐内，部分液体流入汽水分离器进行汽水分离，分离后的液体再流入缓冲罐内，气体通过真空泵排出，缓冲罐内的液体部分流入第一储水罐和第二储水罐内，部分流经第三流量计计量后流入反应柱内，从分离器内回流入加热釜内的氘浓度较高的水流入第二流量计内并从第二流量计进入到预热器中，流入预热器中的氘浓度较高的水经过换热后排出系统。

如图4所示，其为规格为2kg/h的低氘水饮水机的工作曲线，对应设备空间尺寸为长700mm×宽500mm×高1800mm。

图4(a)为回流比分别为10、30、50时，低氘水浓度与低氘水产率的关系。在相同的回流比下，随着低氘水产率的升高，低氘水的浓度逐渐升高；在相同的产率下，回流比为10的低氘水浓度最高，回流比为30的低氘水浓度次之，回流比为50的低氘水浓度最低。可得，在其他参数不变的情况下，低氘水氘浓度随产率升高而升高，随回流比增加而降低。

图4(b)为回流比分别为10、30、50时，低氘水饮水机功率和产量的关系，在相同的回流比下，随着低氘水饮水机功率的增大，低氘水的产率逐渐升高；在相同的低氘水饮水机功率下，回流比为10的低氘水的产率最高，回流比为30的低氘水的产率次之，回流比为50的低氘水的产率最低；在相同的产率下，回流比为10的低氘水饮水机的功率最小，回流比为30的低氘水饮水机的功率次之，回流比为50的低氘水饮水机的功率最高。可得，在其他参数不变的情况下，随着回流比和产率的增加，设备功率增加。

图4(c)为低氘水产率分别调整为0.2kg/h、0.8kg/h、1.4kg/h时，低氘水回流比与低氘水浓度之间的关系。观察图中可知，在相同的产率下，控制回流比的增大，低氘水的浓度逐渐降低；在相同的回流比下，产率为1.4kg/h的低氘水浓度最高，产率为0.8kg/h的低氘水浓度次之，产率为0.2kg/h的低氘水浓度最低。可得，在相同产率条件下，低氘水氘浓度随回流比增加而降低；而固定的回流比条件下，产率提升对应的低氘水氘浓度提升。

图4(d)为低氘水产率分别调整为0.2kg/h、0.8kg/h、1.4kg/h时，低氘水回流比与低氘水饮水机功率之间的关系。在相同的产率下，随着低氘水回流比的升高，低氘水饮水机的功率逐渐增大；在相同的回流比下，产率为1.4kg/h的低氘水饮水机的功率最大，产率为0.8kg/h的低氘水饮水机的功率次之，产率为0.2kg/h的低氘水饮水机的功率最小。可得，在其他变量不变的情况下，低氘水的回流比越高，低氘水饮水机的功率越大；在回流比一定的情况下，低氘水产率越高，低氘水饮水机的功率越大。

基于以上所述工作曲线，用户可以便捷地设置低氘水的浓度或产率，控制系统基于工作曲线调节参数，得到所需要求的产品。

综上，本发明的低氘水饮水机产出的低氘水浓度可通过控制低氘水的回流比、低氘水饮水机功率和低氘水产率来控制。控制低氘水的回流比可通过控制模块控制第三流量计来控制回流入反应柱的水量，以达到控制反应柱回流比的目的；控制低氘水的功率可以通过控制模块控制加热釜的加热功率和制冷机的制冷功率；控制低氘水的产率可通过控制模块控制第四流量计控制冷凝低氘水采出率来控制设备的低氘水产率。

图5为不锈钢散装填料的SEM图，图6为铜散装填料的SEM图，不锈钢和铜填料经过表面处理后，呈现不同的表面状态，不锈钢填料表面形成致密涂层，铜填料表面出现大量纳米纤维丝。两种材料的表面均经过化学处理，使得填料表面生成致密的特殊涂层，改善了填料表面液相和气相的接触作用效率，使得低氘水制备效率显著提升。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种集成式小型化的低氘饮水机，其特征在于，包括机体(18)，对接外部水源且用于净化水的水净化器(3)，对接所述水净化器(3)且用于制备低氘水的生产模块(20)，对接所述生产模块(20)且用于储存、取出低氘水的储存供应模块(21)，用于控制水净化器(3)、生产模块(20)和储存供应模块(21)工作的控制模块(22)，以及与所述控制模块(22)电性连接且设置于机体(18)表面的控制屏幕(24)，其中，所述水净化器(3)、生产模块(20)、储存供应模块(21)和控制模块(22)均安装于机体(18)内。

2.根据权利要求1所述的一种集成式小型化的低氘饮水机，其特征在于，所述生产模块(20)包括对接所述水净化器(3)的第一流量计(4)，对接所述第一流量计(4)的预热器(5)，通过管道与所述预热器(5)壳程对接的加热釜(7)，安装于所述加热釜(7)底部与预热器(5)之间连接管道上的第二流量计(6)，底部固定于所述加热釜(7)上方且与加热釜(7)对接的分离器(1)，套接于所述分离器(1)上的保温夹套(2)，与所述分离器(1)顶部分别通过管道连接的冷凝器(8)和第三流量计(11)，对所述冷凝器(8)进行制冷的制冷机(9)，与所述冷凝器(8)通过管道连接的汽水分离器(12)，以及对接所述汽水分离器(12)且用于抽空的真空泵(13)，其中，通过所述分离器(1)制备的低氘水的浓度为10～130ppm，所述第一流量计(4)、预热器(5)、加热釜(7)、保温夹套(2)、冷凝器(8)、制冷机(9)、汽水分离器(12)、真空泵(13)和第三流量计(11)均分别通过电路与控制模块(22)连接，所述第一流量计(4)、预热器(5)、加热釜(7)、保温夹套(2)、冷凝器(8)、制冷机(9)、汽水分离器(12)、真空泵(13)和第三流量计(11)均固定于机体(18)内。

3.根据权利要求2所述的一种集成式小型化的低氘饮水机，其特征在于，所述分离器(1)内、预热器(5)内、冷凝器(8)内和保温夹套(2)上均安装有用于测量温度的温度传感器，所述分离器(1)内安装有压力传感器，所述分别安装于分离器(1)内、预热器(5)内、冷凝器(8)内、保温夹套(2)上的温度传感器和安装于分离器(1)内的压力传感器均分别通过电路与控制模块(22)连接。

4.根据权利要求2所述的一种集成式小型化的低氘饮水机，其特征在于，所述储存供应模块(21)包括对接所述冷凝器(8)的缓冲罐(10)，通过管道连接于所述缓冲罐(10)底部的第四流量计(14)，以及通过管道与所述第四流量计(14)连接的取水机构(17)，其中，所述第三流量计(11)两端分别通过管道与分离器(1)顶部和缓冲罐(10)连接，所述汽水分离器(12)通过管道与缓冲罐(10)连接，所述第四流量计(14)通过电路与控制模块(22)连接，所述缓冲罐(10)、第四流量计(14)和取水机构(17)均固定于机体(18)内。

5.根据权利要求4所述的一种集成式小型化的低氘饮水机，其特征在于，所述取水机构(17)包括通过管道与所述第四流量计(14)连接的第一储水罐(15)，连接于所述第一储水罐(15)和第四流量计(14)连接管道上的第二储水罐(16)，分别与所述第一储水罐(15)和第二储水罐(16)通过管道连接的两个供水开关(19)，以及开设于所述机体(18)上且用于接水的取水口(23)，其中，所述两个供水开关(19)位于取水口(23)内。

6.根据权利要求2所述的一种集成式小型化的低氘饮水机，其特征在于，所述反应柱(1)内部填充有散装填料，所述散装填料材质为经过表面处理的不锈钢、铜或陶瓷。

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