CN114575417A - 一种采用阀控主动送风的液态水收集器 - Google Patents
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Abstract
一种采用阀控主动送风的液态水收集器，涉及一种液态水收集器。本发明是要解决目前空气取水技术中空气流通速度低、对环境湿度要求高、吸附阶段需要加热辅助的技术问题。本发明采用主动送风装置，加速了装置内部的空气流动，大大缩短了吸湿材料对空气中水蒸汽的吸附时间，提高了微纳结构冷凝表面的散热；采用电动阀控制空气流通回路，与主动送风装置相配合，仅用一个主动送风装置就可同时完成送风和冷凝散热，结构简单，通过控制器进行操作，无需人工，自动化程度高；采用微纳结构冷凝表面，提高了水蒸汽冷凝和集水效率；同时该装置具有体积小、易于集成和便于携带等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种液态水收集器。
背景技术
目前主要的空气取水技术根据原理不同可以分为冷凝结露法、雾滴收集法以及吸附解吸附法等。吸附解吸附法通常包括两个过程，首先通过吸附材料吸附空气中的水蒸汽，其中吸附力来源常为材料表面蒸汽压和水蒸汽压的压力差，然后在冷却装置中增加吸附材料表面的蒸汽压进行解吸释放水蒸汽进而得到淡水。由上述工作过程可知，装置内空气流动效果将直接决定取水的效率。例如，公告号为CN112982566A的中国专利，公开了“基于烟囱效应的空气取水装置”，其通过烟囱效应，采用集水帆来收集空气中的水分，对空气中的水蒸汽含量要求较高。公告号为CN107307567A的中国专利，公开了“一种基于烟囱效应的微型集水杯”，其同样通过烟囱效应增加空气流通，采用吸附剂来吸附空气中的水蒸汽，但在吸附阶段仍需加热辅助。公告号为CN107447810A的中国专利，公开了“基于吸附和半导体制冷的小型空气取水装置及其方法”，其通过冷凝片制冷对解吸附释放出的水蒸汽冷却来收集水分，结构较为复杂，成本高。
发明内容
本发明是要解决目前空气取水技术中空气流通速度低、对环境湿度要求高、吸附阶段需要加热辅助的技术问题，而提供一种采用阀控主动送风的液态水收集器。
本发明的采用阀控主动送风的液态水收集器是由主动送风装置1、电动阀2、加热膜3、吸湿材料4、吸湿材料储存装置5、内胆6、内胆盖7、外罩8、外罩盖9和控制器组成；
所述的外罩8为上端敞口且下端封闭的结构；所述的主动送风装置1设置在外罩8的内部底面的一个角落处，主动送风装置1的入风口穿过外罩8的侧壁与外界连通，电动阀2设置在外罩8的内部底面上，主动送风装置1的出风口与电动阀2的入风口连通，主动送风装置1的出风口还在竖直向上的方向设置出口；吸湿材料储存装置5设置在外罩8的内部底面中心处，吸湿材料储存装置5为顶部敞口且底部封闭的结构，吸湿材料储存装置5在对称的两侧分别设置多组竖直排列的通风孔5-1，电动阀2的出风口对着吸湿材料储存装置5一侧的通风孔5-1；加热膜3设置在吸湿材料储存装置5的内腔底面上，吸湿材料4设置在加热膜3上且位于吸湿材料储存装置5的内腔中，吸湿材料4的顶部低于最高的通风孔5-1；内胆6的底部中心处扣在吸湿材料储存装置5的顶部上，内胆6的底部中心处为敞口结构且与吸湿材料储存装置5的内腔连通，内胆6的内部为空腔结构形成存水腔6-1，内胆6的顶部设置内胆盖7，内胆盖7的内壁顶部设置微纳结构冷凝表面，所述的微纳结构冷凝表面为凹凸交替的表面，凹表面7-2设置亲水涂层，凸表面7-1设置疏水涂层；
电动阀2位于内胆6的一侧的下方；内胆6的外底面和外侧壁均与外罩8的内壁留有空隙，形成通风区域；外罩8的顶部设置有外罩盖9，外罩盖9为敞口结构且外罩盖9的内径小于外罩8的内径；控制器设置在整个装置的外部，且控制器的信号输出端分别与主动送风装置1的信号输入端、电动阀2的信号输入端和加热膜3的信号输入端连接。
本发明的采用阀控主动送风的液态水收集器的使用方法和工作原理为：
吸附阶段：当需要收集空气中的水时，控制器启动主动送风装置1开始工作将装置外部含有水蒸汽的空气送入装置内，控制器同时启动电动阀2，此时加热膜3处于关闭状态，空气一部分通过内胆6与外罩8之间的通风区域向上排出装置(见图1的左侧箭头)，另一部分空气通过靠近电动阀2一侧的通风孔5-1进入吸湿材料储存装置5中，空气与吸湿材料4充分接触后从远离电动阀2一侧的通风孔5-1流出，通过内胆6与外罩8之间的通风区域向上排出装置(见图1的右侧箭头)，空气中的水蒸汽被吸湿材料4吸附；
解吸附阶段：吸附一段时间待吸湿材料4达到饱和后，通过控制器将电动阀2关闭，从而主动送风装置1与吸湿材料储存装置5之间的通风之路被切断，空气完全通过内胆6与外罩8之间的通风区域向上排出装置(见图1的左侧箭头)，通过控制器启动加热膜3开始加热，吸湿材料4在加热膜3的高温下把吸附的水蒸汽释放出来向上排到内胆6中，水蒸汽在内胆盖7的微纳结构冷凝表面上冷凝成水滴，微纳结构冷凝表面的凹表面7-2设置亲水涂层，凸表面7-1设置疏水涂层，用来加快水蒸汽冷凝和水滴移除的速率，水滴逐渐落下收集到存水腔6-1中，即完成解吸附阶段，关闭加热膜3和主动送风装置1。
当解吸附完成后可重新进行吸附-解吸附的循环。
本发明的装置在使用时，控制器可以定时控制电路控制吸附阶段的时间和解吸附阶段的时间，即控制主动送风装置1、电动阀2和加热膜3各自的工作时间，无需人工，自动化程度高。
本发明中外罩盖9的内径比外罩8的内径小，使得从内胆6与外罩8之间的通风区域送来的空气与内胆盖7的外表面充分接触后流出，提高冷却效果。
本发明的装置具有如下优点：
1、本发明的装置可实现从空气中吸收水蒸汽产生液态水，环保节能，同时该装置具有体积小、易于集成和便于携带的优点；
2、本发明的液态水收集器采用控制器控制这个装置的开启，无需人工，自动化程度高；
3、本发明的液态水收集器通过主动送风装置1加速吸湿材料4对水蒸汽的吸附和内胆盖7冷凝表面的散热，整体提高了收集效率；
4、本发明的液态水收集器通过电动阀2和主动送风装置1的配合，仅用一个主动送风装置1便可同时完成主动送风和冷凝表面的散热，结构简单、体积小、成本低、易于集成、携带方便、取水效率高；
5、本发明的内胆盖7的冷凝表面采用特殊的微纳结构表面，通过不同亲疏水凹凸表面的亲疏水作用提高了水蒸汽吸附、冷凝和集水效率；
6、本发明的液态水收集器在自动灌溉、自动补水、加湿器、单兵作战补给和野外生存应急等领域都有较好的应用前景。
附图说明
图1为具体实施方式一的采用阀控主动送风的液态水收集器的示意图；
图2为具体实施方式一的内胆盖7的内壁展开后的局部示意图；
图3为图1中吸湿材料储存装置5的左视图；
图4为具体实施方式一的采用阀控主动送风的液态水收集器的工作原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种采用阀控主动送风的液态水收集器，如图1-图4所示，具体是由主动送风装置1、电动阀2、加热膜3、吸湿材料4、吸湿材料储存装置5、内胆6、内胆盖7、外罩8、外罩盖9和控制器组成；
所述的外罩8为上端敞口且下端封闭的结构；所述的主动送风装置1设置在外罩8的内部底面的一个角落处，主动送风装置1的入风口穿过外罩8的侧壁与外界连通，电动阀2设置在外罩8的内部底面上，主动送风装置1的出风口与电动阀2的入风口连通，主动送风装置1的出风口还在竖直向上的方向设置出口；吸湿材料储存装置5设置在外罩8的内部底面中心处，吸湿材料储存装置5为顶部敞口且底部封闭的结构，吸湿材料储存装置5在对称的两侧分别设置多组竖直排列的通风孔5-1，电动阀2的出风口对着吸湿材料储存装置5一侧的通风孔5-1；加热膜3设置在吸湿材料储存装置5的内腔底面上，吸湿材料4设置在加热膜3上且位于吸湿材料储存装置5的内腔中，吸湿材料4的顶部低于最高的通风孔5-1；内胆6的底部中心处扣在吸湿材料储存装置5的顶部上，内胆6的底部中心处为敞口结构且与吸湿材料储存装置5的内腔连通，内胆6的内部为空腔结构形成存水腔6-1，内胆6的顶部设置内胆盖7，内胆盖7的内壁顶部设置微纳结构冷凝表面，所述的微纳结构冷凝表面为凹凸交替的表面，凹表面7-2设置亲水涂层，凸表面7-1设置疏水涂层；
电动阀2位于内胆6的一侧的下方；内胆6的外底面和外侧壁均与外罩8的内壁留有空隙，形成通风区域；外罩8的顶部设置有外罩盖9，外罩盖9为敞口结构且外罩盖9的内径小于外罩8的内径；控制器设置在整个装置的外部，且控制器的信号输出端分别与主动送风装置1的信号输入端、电动阀2的信号输入端和加热膜3的信号输入端连接。
本实施方式的采用阀控主动送风的液态水收集器的使用方法和工作原理为：
吸附阶段：当需要收集空气中的水时，控制器启动主动送风装置1开始工作将装置外部含有水蒸汽的空气送入装置内，控制器同时启动电动阀2，此时加热膜3处于关闭状态，空气一部分通过内胆6与外罩8之间的通风区域向上排出装置(见图1的左侧箭头)，另一部分空气通过靠近电动阀2一侧的通风孔5-1进入吸湿材料储存装置5中，空气与吸湿材料4充分接触后从远离电动阀2一侧的通风孔5-1流出，通过内胆6与外罩8之间的通风区域向上排出装置(见图1的右侧箭头)，空气中的水蒸汽被吸湿材料4吸附；
解吸附阶段：吸附一段时间待吸湿材料4达到饱和后，通过控制器将电动阀2关闭，从而主动送风装置1与吸湿材料储存装置5之间的通风之路被切断，空气完全通过内胆6与外罩8之间的通风区域向上排出装置(见图1的左侧箭头)，通过控制器启动加热膜3开始加热，吸湿材料4在加热膜3的高温下把吸附的水蒸汽释放出来向上排到内胆6中，水蒸汽在内胆盖7的微纳结构冷凝表面上冷凝成水滴，微纳结构冷凝表面的凹表面7-2设置亲水涂层，凸表面7-1设置疏水涂层，用来加快水蒸汽冷凝和水滴移除的速率，水滴逐渐落下收集到存水腔6-1中，即完成解吸附阶段，关闭加热膜3和主动送风装置1。
当解吸附完成后可重新进行吸附-解吸附的循环。
本实施方式的装置在使用时，控制器可以定时控制电路控制吸附阶段的时间和解吸附阶段的时间，即控制主动送风装置1、电动阀2和加热膜3各自的工作时间，无需人工，自动化程度高。
本实施方式中外罩盖9的内径比外罩8的内径小，使得从内胆6与外罩8之间的通风区域送来的空气与内胆盖7的外表面充分接触后流出，提高冷却效果。
本实施方式的装置具有如下优点：
1、本实施方式的装置可实现从空气中吸收水蒸汽产生液态水，环保节能，同时该装置具有体积小、易于集成和便于携带的优点；
2、本实施方式的液态水收集器采用控制器控制整个装置的开启，无需人工，自动化程度高；
3、本实施方式的液态水收集器通过主动送风装置1加速吸湿材料4对水蒸汽的吸附和内胆盖7冷凝表面的散热，整体提高了收集效率；
4、本实施方式的液态水收集器通过电动阀2和主动送风装置1的配合，仅用一个主动送风装置1便可同时完成主动送风和冷凝表面的散热，结构简单、体积小、成本低、易于集成、携带方便、取水效率高；
5、本实施方式的内胆盖7的冷凝表面采用特殊的微纳结构表面，通过不同亲疏水凹凸表面的亲疏水作用提高了水蒸汽吸附、冷凝和集水效率；
6、本实施方式的液态水收集器在自动灌溉、自动补水、加湿器、单兵作战补给和野外生存应急等领域都有较好的应用前景。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的主动送风装置1为电机、气泵或风扇，用于加速吸附材料4对水蒸汽的吸附与冷凝表面的散热。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的电动阀2为球阀或蝶阀，其与主动送风装置1相配合用于送风和冷凝散热的自动切换，并仅用一个送风装置1就可同时完成送风和冷凝散热。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的吸湿材料4为硅胶、分子筛或水凝胶，均为对水有较好吸附特性并在加热条件下可以释放已吸附的水达到解吸附功能的吸湿材料。吸湿材料4放置于吸湿材料储存装置5内，在加热膜3之上，用于吸附空气中的水蒸汽；吸附过程中，吸湿材料4吸附空气中的水蒸汽；解吸附过程中(电动阀2关闭时)，吸湿材料4在加热膜3的作用下将高温水蒸汽释放沿着吸湿材料储存装置5的内腔向上到内胆6中，高温水蒸汽在内胆盖7的微纳结构冷凝表面上冷凝。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的加热膜3为PI电热膜、石墨烯或陶瓷加热片，与吸湿材料4的下表面接触，用于加热吸湿材料4使其吸附的水分被释放出来；在373K的温度下，吸湿材料4在30分钟左右即可完全解吸附。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的内胆6的材质为耐高温、无毒害的有机材料。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的内胆盖7的材质为耐高温、无毒害的有机材料。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：所述的内胆6和内胆盖7的材质均为亚克力。其他与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的亲水涂层为PSBMA超亲水涂层。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的疏水涂层为PDMS超疏水涂层。其他与具体实施方式一相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种采用阀控主动送风的液态水收集器，如图1-图4所示，具体是由主动送风装置1、电动阀2、加热膜3、吸湿材料4、吸湿材料储存装置5、内胆6、内胆盖7、外罩8、外罩盖9和控制器组成；
所述的主动送风装置1为电机；所述的电动阀2为球阀；所述的吸湿材料4为硅胶；所述的加热膜3为PI电热膜；所述的内胆6和内胆盖7的材质均为亚克力；
所述的外罩8为上端敞口且下端封闭的结构；所述的主动送风装置1设置在外罩8的内部底面的一个角落处，主动送风装置1的入风口穿过外罩8的侧壁与外界连通，电动阀2设置在外罩8的内部底面上，主动送风装置1的出风口与电动阀2的入风口连通，主动送风装置1的出风口还在竖直向上的方向设置出口；吸湿材料储存装置5设置在外罩8的内部底面中心处，吸湿材料储存装置5为顶部敞口且底部封闭的结构，吸湿材料储存装置5在对称的两侧分别设置多组竖直排列的通风孔5-1，电动阀2的出风口对着吸湿材料储存装置5一侧的通风孔5-1；加热膜3设置在吸湿材料储存装置5的内腔底面上，吸湿材料4设置在加热膜3上且位于吸湿材料储存装置5的内腔中，吸湿材料4的顶部低于最高的通风孔5-1；内胆6的底部中心处扣在吸湿材料储存装置5的顶部上，内胆6的底部中心处为敞口结构且与吸湿材料储存装置5的内腔连通，内胆6的内部为空腔结构形成存水腔6-1，内胆6的顶部设置内胆盖7，内胆盖7的内壁顶部设置微纳结构冷凝表面，所述的微纳结构冷凝表面为凹凸交替的表面，凹表面7-2设置亲水涂层PSBMA超亲水涂层，凸表面7-1设置疏水涂层PDMS超疏水涂层；凹表面7-2和凸表面7-1均为条形状(见附图2)；
电动阀2位于内胆6的一侧的下方；内胆6的外底面和外侧壁均与外罩8的内壁留有空隙，形成通风区域；外罩8的顶部设置有外罩盖9，外罩盖9为敞口结构且外罩盖9的内径小于外罩8的内径；控制器设置在整个装置的外部，且控制器的信号输出端分别与主动送风装置1的信号输入端、电动阀2的信号输入端和加热膜3的信号输入端连接。
本试验的采用阀控主动送风的液态水收集器的使用方法和工作原理为：
吸附阶段：当需要收集空气中的水时，控制器启动主动送风装置1开始工作将装置外部含有水蒸汽的空气送入装置内，控制器同时启动电动阀2，此时加热膜3处于关闭状态，空气一部分通过内胆6与外罩8之间的通风区域向上排出装置(见图1的左侧箭头)，另一部分空气通过靠近电动阀2一侧的通风孔5-1进入吸湿材料储存装置5中，空气与吸湿材料4充分接触后从远离电动阀2一侧的通风孔5-1流出，通过内胆6与外罩8之间的通风区域向上排出装置(见图1的右侧箭头)，空气中的水蒸汽被吸湿材料4吸附；
解吸附阶段：吸附一段时间待吸湿材料4达到饱和后，通过控制器将电动阀2关闭，从而主动送风装置1与吸湿材料储存装置5之间的通风之路被切断，空气完全通过内胆6与外罩8之间的通风区域向上排出装置(见图1的左侧箭头)，通过控制器启动加热膜3开始加热，吸湿材料4在加热膜3的高温下把吸附的水蒸汽释放出来向上排到内胆6中，水蒸汽在内胆盖7的微纳结构冷凝表面上冷凝成水滴，微纳结构冷凝表面的凹表面7-2设置亲水涂层，凸表面7-1设置疏水涂层，用来加快水蒸汽冷凝和水滴移除的速率，水滴逐渐落下收集到存水腔6-1中，即完成解吸附阶段，关闭加热膜3和主动送风装置1。
当解吸附完成后可重新进行吸附-解吸附的循环。
本试验的装置在使用时，控制器可以定时控制电路控制吸附阶段的时间和解吸附阶段的时间，即控制主动送风装置1、电动阀2和加热膜3各自的工作时间，无需人工，自动化程度高。
本试验中外罩盖9的内径比外罩8的内径小，使得从内胆6与外罩8之间的通风区域送来的空气与内胆盖7的外表面充分接触后流出，提高冷却效果。
本试验的装置具有如下优点：
1、本试验的装置可实现从空气中吸收水蒸汽产生液态水，环保节能，同时该装置具有体积小、易于集成和便于携带的优点；
2、本试验的液态水收集器采用控制器控制整个装置的开启，无需人工，自动化程度高；
3、本试验的液态水收集器通过主动送风装置1加速吸湿材料4对水蒸汽的吸附和内胆盖7冷凝表面的散热，整体提高了收集效率；
4、本试验的液态水收集器通过电动阀2和主动送风装置1的配合，仅用一个主动送风装置1便可同时完成主动送风和冷凝表面的散热，结构简单、体积小、成本低、易于集成、携带方便、取水效率高；
5、本试验的内胆盖7的冷凝表面采用特殊的微纳结构表面，通过不同亲疏水凹凸表面的亲疏水作用提高了水蒸汽吸附、冷凝和集水效率；
6、本试验的液态水收集器在自动灌溉、自动补水、加湿器、单兵作战补给和野外生存应急等领域都有较好的应用前景。
Claims (10)
1.一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于采用阀控主动送风的液态水收集器是由主动送风装置(1)、电动阀(2)、加热膜(3)、吸湿材料(4)、吸湿材料储存装置(5)、内胆(6)、内胆盖(7)、外罩(8)、外罩盖(9)和控制器组成；
所述的外罩(8)为上端敞口且下端封闭的结构；所述的主动送风装置(1)设置在外罩(8)的内部底面的一个角落处，主动送风装置(1)的入风口穿过外罩(8)的侧壁与外界连通，电动阀(2)设置在外罩(8)的内部底面上，主动送风装置(1)的出风口与电动阀(2)的入风口连通，主动送风装置(1)的出风口还在竖直向上的方向设置出口；吸湿材料储存装置(5)设置在外罩(8)的内部底面中心处，吸湿材料储存装置(5)为顶部敞口且底部封闭的结构，吸湿材料储存装置(5)在对称的两侧分别设置多组竖直排列的通风孔(5-1)，电动阀(2)的出风口对着吸湿材料储存装置(5)一侧的通风孔(5-1)；加热膜(3)设置在吸湿材料储存装置(5)的内腔底面上，吸湿材料(4)设置在加热膜(3)上且位于吸湿材料储存装置(5)的内腔中，吸湿材料(4)的顶部低于最高的通风孔(5-1)；内胆(6)的底部中心处扣在吸湿材料储存装置(5)的顶部上，内胆(6)的底部中心处为敞口结构且与吸湿材料储存装置(5)的内腔连通，内胆(6)的内部为空腔结构形成存水腔(6-1)，内胆(6)的顶部设置内胆盖(7)，内胆盖(7)的内壁顶部设置微纳结构冷凝表面，所述的微纳结构冷凝表面为凹凸交替的表面，凹表面(7-2)设置亲水涂层，凸表面(7-1)设置疏水涂层；
电动阀(2)位于内胆(6)的一侧的下方；内胆(6)的外底面和外侧壁均与外罩(8)的内壁留有空隙，形成通风区域；外罩(8)的顶部设置有外罩盖(9)，外罩盖(9)为敞口结构且外罩盖(9)的内径小于外罩(8)的内径；控制器设置在整个装置的外部，且控制器的信号输出端分别与主动送风装置(1)的信号输入端、电动阀(2)的信号输入端和加热膜(3)的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于所述的主动送风装置(1)为电机、气泵或风扇。
3.根据权利要求1所述的一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于所述的电动阀(2)为球阀或蝶阀。
4.根据权利要求1所述的一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于所述的吸湿材料(4)为硅胶、分子筛或水凝胶。
5.根据权利要求1所述的一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于所述的加热膜(3)为PI电热膜、石墨烯或陶瓷加热片。
6.根据权利要求1所述的一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于所述的内胆(6)的材质为耐高温、无毒害的有机材料。
7.根据权利要求1所述的一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于所述的内胆盖(7)的材质为耐高温、无毒害的有机材料。
8.根据权利要求6和7所述的一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于所述的内胆(6)和内胆盖(7)的材质均为亚克力。
9.根据权利要求1所述的一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于所述的亲水涂层为PSBMA超亲水涂层。
10.根据权利要求1所述的一种采用阀控主动送风的液态水收集器，其特征在于所述的疏水涂层为PDMS超疏水涂层。
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