CN1774401A - 高效的热电水生成装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用热电冷却也称珀耳帖技术的水生成装置，用于从一结构或住宅的内部或外部的环境空气中得到饮用水，具有一用于将此环境空气供给带入该装置中和用于在空气被处理完后再将其释放回装置外部的独特连续管道。该装置包括一将进入空气冷却到露点以下以冷凝现有水蒸气的冷散热器。被冷却的空气随后改向通过提高装置的效率和冷却能力的热散热器，这优于仅仅使用更热的环境空气来冷却热散热器。空气流量通过一个或更多风扇或鼓风机的可变速度来控制。风扇或鼓风机的速度则通过一确定当前环境露点和冷散热器温度的装置来控制，其中环境露点通过测量温度和相对湿度来确定。为了在不过分超出正在处理的进入空气的确定露点温度的情况下得到最大可能的流量，进入空气流通过风扇或鼓风机来增加或减少。

Description

高效的热电水生成装置
技术领域
本发明涉及一种水冷凝设备，尤其涉及一种从空气中制取饮用水的热电装置。
背景技术
近年来，饮用瓶装水而不是水龙头的水对办公和居家的人们变得越来越有效。存在无数其他的场合，那里水难于得到或者可用水的质量与期望的相差甚远。多数情况下，这也产生了一种将水从购买地运到使用地的需求。因此，为了缓解这些问题，已经有一些提供就地的水生成的尝试。实际上，所有这些尝试都利用了常规压缩机、致冷剂、以及蒸发器和冷凝盘管的更传统方法。人们已经进行了一些小规模地使用热电技术从空气中提取水蒸气的尝试，例如使用壁橱式减湿器。所有已知的尝试都忽略了使用冷却空气的好处，因为除了冷却一个小的有限范围，如被用于航空器上的制冷器。
发明内容
本发明提供一种设计成用于从环境空气中生产饮用水的饮用水生成器，其以一独特组合方式使用新的和现有的热电、感应、和计算技术以及其他已知装置，在比传统的基于制冷剂的系统更宽的温度和湿度范围内从环境空气中安全和有效地提取出饮用水。本发明涉及通过独特地利用被冷却的空气冷却热电装置的热散热器，如果需要则用穿过热散热器的附加环境空气进行补充，来最大化减湿过程的效率。本发明也涉及控制与进入环境空气的温度有关的空气流和与露点有关的冷散热器温度。
本发明提供转换和利用被冷却的已处理空气的独特管道机构以进一步提高热电热散热器的冷却效率，从而显著地提高装置的效率。当可能需要时，该管道能够被补充以附加环境空气来进一步冷却热散热器。
本发明提供一空气管道，该管道也用作一用于收集被冷凝的水蒸气并将其转移到一个随后的闭合连续系统中的水处理和/或存储的机构。
本发明提供一用于测定环境空气的当前露点的反复性机构和一用于控制流过冷散热器的环境空气流的速率的机构，这允许用最小量的消耗能量且在更宽的温度和湿度极值范围内来实现当前水蒸气的最大限度的冷凝。
本发明提供一通过在从空气管道到处理或存储区域的水出口处的紫外灯泡的关键放置而从空气中冷凝出的水的处理或存储区域(永久的或暂时的)的无菌入口。本发明也提供一水处理系统的无菌出口，其在从处理系统到存储区域的水出口点和/或存储区域的出口点处使用同样的被关键放置的紫外灯泡。在较大的型号中，可以通过一第二UV灯泡来实现。
本发明再次象对已处理水那样，使用带有紫外线传输管的同样关键放置的紫外灯给预处理水提供重复的紫外线消毒。在较大的型号中，可以通过一第二UV灯泡来实现。
附图说明
其他的目的、技术特征和优点将通过下面的优选实施例的描述及相应的附图呈现给本领域的技术人员，其中：
图1是本发明的一个实施例的示意性侧视图。它仅仅描述属于本发明的技术特征。它没有显示所有的其他技术特征，例如水和空气过滤器、紫外线照射、电源和电气图、机壳、和控制面板；
图2是本发明的一个优选实施例的示意图；
图3是一个优选实施例的电子、感应和控制系统的框图；
图4是本发明的一个可选择实施例的俯视示意图；而
图5是本发明的另一个可选择实施例的部分示意侧截面视图。
具体实施方式
本发明的水生成装置30示于图1。热电装置32具有由许多热连接于装置32冷侧的冷散热片37组成的冷散热器36，和由热连接于装置32热侧的热散热片39组成的热散热器38。鼓风机构40和/或41(例如风扇)引导一股环境空气流通过冷散热器36以将空气冷却到其露点以下，从而从空气中冷凝出水滴42。这同时也冷却了该空气。通道机构34，可以是空气管道，布置成引导被冷散热器36冷却的空气通过热散热器38。因为空气是被冷却的，所以有更多的热量从热散热器38中带走，这提高了装置32的效率，从而由给定的能量输入提取或冷凝出更多的水。空气流由箭头A、B、C、D、E和F描述。出于清楚的目的，水的收集、处理、存储、和输送在图中没有显示。越过热散热片39的环境空气的补充空气流可以用附加管道空气入口43和在箭头F的方向上吹送空气的变速风扇或鼓风机44来获得。为了清楚，它们的确切定位没有显示出来。
本发明的水生成装置的一个更完整优选实施例示于图2，其中装置28描述与本发明有关的部件。为了清楚，没有显示在一个完全成功的装置中可能是优选或预期的另外的已知技术特征。
在连续空气管道14的端部有进入环境空气入口1和已处理空气出口3。环境空气通过变速风扇或鼓风机2引入管道通路，并被强制贯穿管道系统。该空气可以由出口变速风扇或鼓风机4，和/或附加管道空气入口43和变速风扇或鼓风机44进行补充。为了清楚，它们的确切定位没有显示。在该空气管道中装入的是冷散热器5和热散热器6。一个或更多的热电装置7被放置(如希望那样地，呈平行和/或串联)在热和冷散热器之间，以在冷散热器上产生温度损失和在热散热器上产生温度增量。
当被冷却的空气离开冷散热器5时，它由管道通路转道8直接转向越过热散热器6，与仅仅使用被确定为较热的环境空气的冷却性能相比，这提高了热散热器的冷却性能。
管道通路14有一用于水的下部出口9，其中水在空气管道的那个区域冷凝和收集。出口9也用作初始水存储和/或水处理系统10的入口。此存储或处理系统10的入口由紫外灯15保护，该紫外灯也可以通过使穿过出口9的水处在紫外光线的笼罩下而作为一个无菌进口和/或一个直接水消毒器。当水从存储装置中回收时，紫外灯15也可以用于对进入水存储装置11和16的空气进行消毒。这也可以由一个包括管子或导管22和23的空气通道来实现，其中该管子或导管的一端在一容器内，另一端则定位成暴露在紫外灯15的光中。这样，当空气进入管子或导管22和23时被消毒，从而抑制了容器11和16中水的污染。管道通路14也可以装有紫外线灯泡18和17，像对管道通路14中的空气消毒一样，分别对冷散热器5和热散热器6进行消毒。
为了让水蒸气从空气中冷凝，有必要将进入环境空气冷却到露点。装置12以一种已知方式根据任意给定时间的温度和相对湿度的进入空气综合测定(combined measurements)来确定入口空气的露点温度。然后装置12将通过测定冷散热器温度以及控制越过冷散热器的进入环境空气的量和速度来控制冷散热器的预定温度(至少等于或低于露点)，而该进入环境空气的量和速度的控制则依次通过控制风扇或鼓风机2、风扇或鼓风机4、以及风扇或鼓风机44的运行速度来实现。用于测定冷散热器温度的传感器21对于实现这个目的也是有用的。
最后，经处理的水将转移到用户可从中取出饮用水的固定或可移动的容器11中。容器11也可分成两个容器，11和16，其中一个可分配热水，另一个则分配冷水。这些容器，无论在数量上是一个或两个，以及无论是固定的或可移动的，都可以垂直设置在装置30的任何位置，或一个远处的存储区域。为了提供冷却的和/或加热的水，水加热装置19能够加热位于存储容器中或被提取时的水，和/或水冷却装置20能够用于冷却位于存储容器中或被提取时的水。
图3说明了操作员控制面板43(带有开关63、64和65)、指示面板44、中央处理单元(CPU)42、和可能或可能没有整体显示的附加部件之间的关系和相互作用。操作员控制开关43可包括通/断(on/off)开关63、正常运行开关64、和效率运行开关65。该系统可以允许在被称为“正常”模式和被称为“效率”模式的运行模式下运行。在正常模式下，运行通过通/断(on/off)开关控制。在这种情况下，该单元将在一个宽的环境条件范围内运行，并且实际的水生产率将相应变化。在效率运行模式下，系统在制造厂已编制程序，因此仅当水生产率等于或高于程序指定的速度时它才自动运行。例如，仅当达到这样的露点，让该单元能够在每个指定的时间段内制成指定量的水，例如每天2加仑时，该单元才可以运行。如果条件不能使该单元每天制成2加仑的水，当在效率运行模式下该单元将不能运转。这将在最小的能量消耗下保证满意的水生产率。一般，当在效率模式下系统将周期性地，例如一小时两次，自动对环境空气采样，并从而视情况启动或停机。如果该单元在这样的采样发生之前没有运行，系统将自动开启适当的鼓风机或风扇以提供环境空气给传感器，如果露点足够，单元将继续运行并开始提取水。如果露点不足够，单元将关闭，直到下一采样周期。
本发明试图通过不同的电源来运行该系统。珀耳帖装置在直流电源下运行。系统可以具有如图3所示经由控制器43提供经适当调节的电力给该单元的功率调节机构71。供应电力的确切方法对本领域的技术人员来说是显而易见的。系统能够从一个或更多的电源获得电力，例如AC电源72或DC电源70。电源或电源组可以是在特殊位置可用的线路功率，或者是为此目的而提供的发电机，或者是替代的能量来源例如太阳电池板。有实际尺寸限制的单元可以通过太阳电池板供应的电力来运行，这样就允许系统是完全便携式的，并可以在任何地方使用，而不需要电源和发电机。
CPU 42的其他输入端可以包括第一紫外线传感器50、附加紫外线传感器51、贮水池充满传感器52、存储水温度传感器53(可以是2个)、贮水池水位传感器54、冷散热器温度传感器55、环境空气温度传感器56、环境湿度传感器57、空气过滤效率传感器58、空气过滤位置传感器59、水过滤超时传感器(timed-out sensor)60、水过滤量传感器61、和有效水过滤传感器62。这些不同的传感器和它们在便携式水生成系统中的应用在本领域是已知的，例如象在此作为参考引入的美国专利No.5,106,512；5,149,446；和No.5,203,989中披露的那样。
CPU 42的输出端包括一个或更多的水泵48控制器、热电装置47的控制器、水冷却器装置46的控制器、水加热器机构66的控制器、和一个或更多的对控制风扇或鼓风机45的状态和速度来说是必需的控制器。同样，指示器44也由CPU 42控制。
当用户使用断(off)开关63停用水生成装置时，所有功能停止但除了下列功能以外：所有UV灯保持开启状态；第一UV传感器50继续监视不充分的UV发射，这将致使CPU 42停止单元的进一步运行并将修正方法通过指示面板44发信号给用户；第二UV传感器51，如果存在，以类似的方式执行；水过滤超时传感器60或水过滤量限制传感器61也致使CPU停用该单元并通过指示器面板44告知用户其原因；存储水温度传感器53致使CPU启动第二冷却机构46以冷却存储水，并/或启动水加热机构66，直到它们的厂家设定温度。
图4和5示意性地描述了本发明的可选择实施例，为了清楚的目的其他的公知部件在其中没有显示。图4是其中设有带有从上突出的波纹状热交换散热片81的热或冷散热器80的空气管道83的入口俯视图。与平直状散热片相比，波纹状散热片提供更高的热交换率，这归功于其更大表面积和由波纹产生的空气流紊流。在该实施例中，波纹与空气流平行。一个有助于产生更高热交换率的另外的独立技术特征是一个或更多的突出人为构造82在管道83的一个或更多侧壁上的结合，这将引导空气离开管道壁并因此增加空气紊流，从而增加空气与散热片81的接触。突出物82可以采用任何想要的形状，但是优选的是横截面大致呈三角形，以提供一个从其上将空气流引向散热片的平滑斜面。
这种流动示意性地示于图5。管道95壁面上的人为构造92-94使空气改道流向散热片91(其连接于热或冷散热器90)，如从箭头G到L显示的空气流动方向所描述的那样。该图也描述了具有与空气流垂直而不是平行的波纹的散热片。
尽管在一些附图中显示了本发明的特殊技术特征而没有在其他附图中示出，但是这仅仅是为了方便使每一技术特征可以与任意或所有的根据本发明的其他技术特征结合。
其他的实施例将呈现给本领域的技术人员并且在后面的权利要求书的范围内。

Claims (29)

1.一种用于从环境空气中提取水的水生成装置，包括：
具有冷侧和热侧的热电冷却装置；
热连接于所述冷却装置的所述冷侧的冷散热器，用于冷却与所述冷散热器接触的空气；
热连接于所述冷却装置的所述热侧的热散热器，用于从所述冷却装置中除去热量；
一个或更多的空气移动机构，用于引导一股环境空气通过所述冷散热器，以将该空气冷却到其露点以下并从该股空气中冷凝出水；和
通道机构，用于引导被所述冷散热器冷却的空气通过热散热器，以从所述冷却装置中除去额外的热量，从而提高其效率。
2.如权利要求1所述的水生成装置，进一步包括用于测定环境空气的露点的露点传感机构。
3.如权利要求2所述的水生成装置，其中至少一个所述空气移动机构实现可变的气流速度。
4.如权利要求3所述的水生成装置，进一步包括对露点传感机构响应的控制机构，其根据环境空气的露点控制至少一个变速空气移动机构的速度，以提高整个装置的水生成效率，并在一个更宽的环境条件范围内运行该装置。
5.如权利要求1所述的水生成装置，其中通道机构包括空气管道，所述冷散热器和所述热散热器均被装在所述空气管道内。
6.如权利要求5所述的水生成装置，进一步包括在所述空气管道中的冷凝水出口，以允许冷凝水从管道流出。
7.如权利要求6所述的水生成装置，其中所述空气管道布置成有一最低区域，而冷凝水出口处在空气管道的最低区域中的该管道的底部。
8.如权利要求6所述的水生成装置，进一步包括紧邻所述出口的紫外灯，用于照射经由出口离开所述管道的冷凝水，以对水进行消毒。
9.如权利要求6所述的水生成装置，进一步包括用于收纳经由所述出口流出管道的冷凝水的水存储装置。
10.如权利要求3所述的水生成装置，进一步包括用于测定冷散热器温度的温度传感器。
11.如权利要求10所述的水生成装置，进一步包括一对温度传感和露点传感机构作出响应的控制机构，其控制变速空气移动机构的速度，以将冷散热器维持在环境空气的露点以下。
12.一种用于有效地从环境空气中提取水的水生成装置，包括：
具有冷侧和热侧的热电冷却装置；
热连接于所述冷却装置的所述冷侧的冷散热器，用于冷却与所述冷散热器接触的空气；
热连接于所述冷却装置的所述热侧的热散热器，用于从所述冷却装置中除去热量；
空气管道，其提供通过所述冷散热器并且直接通到并通过所述热散热器的空气通道；
至少一个变速空气移动装置，用于引导一股环境空气经由空气管道通过冷散热器，以将该空气冷却到其露点以下并从该股空气中冷凝出水，然后该空气通过热散热器，从而从所述冷却装置中除去额外的热量以提高其效率；
用于测定环境空气露点的露点传感器；
用于测定所述冷散热器温度的温度传感器；和
对露点传感器和温度传感器做出响应的控制器，其控制至少一个变速空气移动装置的速度，以将所述冷散热器的温度维持在环境空气的露点以下，从而保持有效的产水量。
13.如权利要求1所述的水生成装置，进一步包括紧邻冷散热器的紫外灯。
14.如权利要求1所述的水生成装置，进一步包括紧邻热散热器的紫外灯。
15.如权利要求1所述的水生成装置，其允许用于连续运行。
16.如权利要求2所述的水生成装置，进一步包括用于周期性对环境空气的露点采样的机构。
17.如权利要求2所述的水生成装置，允许效率运行模式，在该效率模式下仅当露点至少在一预定水平时装置才运行。
18.如权利要求5所述的水生成装置，其中空气管道限定出与所述热散热器连通的环境空气入口，并进一步包括与这样的入口流体连通的空气移动机构以允许附加环境空气移动穿过所述热散热器，从而促进所述热散热器的冷却。
19.如权利要求18所述的水生成装置，进一步包括一热散热器温度传感机构。
20.如权利要求19所述的水生成装置，进一步包括对热散热器温度传感机构作出响应的控制机构，用于控制附加空气移动装置的运行。
21.如权利要求1所述的水生成装置，进一步包括加热存储水的机构。
22.如权利要求1所述的水生成装置，进一步包括冷却存储水的机构。
23.如权利要求1所述的水生成装置，进一步包括改变使用所述装置从环境空气中提取出来的水的温度的机构。
24.如权利要求1所述的水生成装置，进一步包括可操作地连接于水生成装置的、用于提供电力以运行水生成装置的太阳能生成机构。
25.如权利要求5所述的水生成装置，进一步包括一个或更多个设置在空气管道中以增加穿过管道的空气流的紊流的空气换向器，用于提高装置的效率。
26.如权利要求1所述的水生成装置，其中热散热器和冷散热器中的至少一个包括波纹状散热片。
27.如权利要求26所述的水生成装置，其中散热片的波纹与穿过通道机构的空气流平行。
28.如权利要求26所述的水生成装置，其中散热片的波纹与穿过通道机构的空气流垂直。
29.一种用于向存储来自从环境空气中提取水的水生成装置的水的存储容器提供经消毒的空气的系统，包括：
用于当从所述存储容器中抽取水时提供空气流到所述存储容器中的通道机构；和
紫外灯，其使所述通道机构处于紫外光的笼罩下以在空气进入通道机构时对空气进行消毒。
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