CN206660631U - 一种基于半导体制冷的亚沸蒸馏水器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于半导体制冷技术的、高效低能耗且不需冷凝水的蒸馏水装置，从上而下依次由储水室、热室、蒸发冷凝室三部分组成。半导体制冷片的散热铝台位于热室的底部，冷端位于蒸发冷凝室的顶部，且整个半导体制冷片与地面呈30~60度的倾角。其散热端铝台内部有空腔，此空腔一端与储水室底部连通，另一端通过管道接入蒸发冷凝室。由于热室中有隔热材料，所以散热铝台不会直接加热整个储水室，而是只加热流经散热铝台的那部分水，提高了水蒸发时的温度，再借助蒸发冷凝室中的垂熔玻璃片增加蒸发面积，有效提高制水速度。蒸发冷凝室中的水处于亚沸状态，有利于减少水蒸气中的微粒性杂质，提高蒸馏水的纯度。冷端铝台覆盖有惰性膜，可以隔绝水分与金属铝台的接触，进一步提高水的纯度。该装置进一步提高了半导体制冷式蒸馏水器的能量利用效率和出水速度纯度，也解决了蒸馏水器中水垢清理不方便的问题，适用于家庭或实验室制备蒸馏水。

Description

一种基于半导体制冷的亚沸蒸馏水器

技术领域

本发明涉及一种蒸馏水装置，具体为一种利用半导体制冷技术，不需冷凝水、节能型的蒸馏水装置。

背景技术

蒸馏水是各类科研院所、高校、医院、药企等单位应用最广泛的溶剂，需求量极大。最经典的蒸馏水器是利用电能将水加热沸腾成为蒸汽，再利用玻璃或石英冷凝管将水蒸气冷却为水，这一过程可以除去水中大部分的离子及固体颗粒。若要求严格，还可进行二次或三次蒸馏，制得纯度更高的蒸馏水。这一方法较为简单，但存在的问题也是显而易见的。

首先，这种方式能耗巨大。水的比热容极大，将水加热至沸腾所需电能消耗也极为巨大，并且这部分热量最终仍要被冷凝水带走才能使水蒸汽冷却。

其次，为了加快制水速度，通常都要将水加热至沸腾，大量气泡冒出时有可能将水中的不挥发性杂质带入水蒸气，导致所得蒸馏水纯度降低。

第三，这种方式需要消耗大量的冷凝水。以实验室常用的每小时生产1.6升的玻璃蒸馏水器为例，每制备1升蒸馏水至少消耗80升自来水。利用循环水泵将冷凝水循环利用，虽然可以节约水资源，但使用一段时间后冷凝水温度升高，则必须停止使用，待冷凝水自然降至室温再使用，极为不便。

另外，由于我国自来水普遍硬度较高，水蒸发后残留水垢的清洗也给仪器的使用带来了很多不便。

为了解决这些问题，许多新颖的蒸馏水器被设计出来。例如市面上出售的石英亚沸蒸馏水器，是将电加热管置于水面以上而不是水中。加热管与水的本体并无直接接触，因此只能使水的表面处于亚沸状态，水蒸气带出的杂质显著减少。虽然这种方式制水速度降低了，但蒸馏水的纯度却提高了。然而，市售的亚沸蒸馏水器的加热管与冷凝管距离很近，电热管产生的热量大部分被冷凝水带走，这不仅降低了热量的利用率而且极大增加了冷凝水的消耗量。

为了节约冷凝水，有人提出了用半导体制冷片来代替水冷。半导体制冷片通电后，会在其两个面之间形成温差，其散热面可将水加热，其制冷面将蒸汽冷凝为蒸馏水，如此不仅节约水资源，也极大提高了电能的利用率（如专利200710042822.6、专利94242197.3和专利201510344659.3）。但已有的这些设计仍存在许多问题：①利用半导体的散热面加热水的效率不高，仍然需要一个电加热管，因此能源消耗仍很大；②电加热管的存在不可避免导致水的沸腾，水蒸气带出的杂质增多，所产出的蒸馏水纯度不高；③半导体制冷片的制冷面一般为金属（多数为金属铝），微量的铝离子有可能进入水中，也会进一步降低蒸馏水的纯度；④残留的水垢很难清除，使用一段时间后必须用酸液清洗。本发明就是为了改进这四个问题而设计的。

发明内容

在本发明提出了一种新的蒸馏水器，该蒸馏水器自上而下分为三个部分：储水室、热室和蒸发冷凝室。如附图1所示。

储水室的顶面有一加水口。储水室加满水后，可在加水口倒置一个装满水的烧瓶，当储水室内的水平面下降至烧瓶瓶口时，烧瓶内的水会不断流入储水室，维持储水室内水位的恒定。储水室侧面有一通气孔，用于维持储水室内外大气压的平衡。储水室的底面与地面成一夹角，使得储水室呈漏斗形，其最低处有一开口管道将水引入下方的热室中的散热铝台空腔中。

热室位于储水室的下方。热室的底面与储水室的底面平行，半导体制冷片的热面就镶嵌于热室的底面上。 半导体制冷片的散热铝台也与地面呈一定的夹角（30-60度）。铝台的特征在于它是空心的，内部的空腔与储水室底部的接口通过管道连通，储水室中的水在重力作用下从下端流入铝台空腔，再从铝台较高的一端流出，再流入蒸发冷凝室。热室的顶面覆盖隔热泡沫层，阻止热量向储水室传递，以便集中所有热量来加热流经铝台空腔的那部分水。

蒸发冷凝室的顶面镶嵌着半导体制冷片的冷端铝台，也与地面成30-60度倾角。用来冷凝的铝台外表面包裹有一层惰性薄膜以便隔绝水分与铝台的接触。与一般的方形铝台不同，本发明中对方形铝台的棱边和角都做了圆滑处理，并且在位置低的一端逐渐收窄成一尖角（见附图1和附图2），目的是将冷凝的水滴顺利引导至这一尖端，以便收集。在这一尖端的正下方接一漏斗，漏斗柄穿过蒸发冷凝室的底面，可将收集的蒸馏水引出。

另外，在蒸发冷凝室中还设置有可取出的垂熔玻璃片（一种由二氧化硅粉末烧结而成，具有海绵状的多孔结构，表面积极大，性质稳定的硬质固体薄片）。储水室中的水流经半导体制冷片的散热铝台空腔后被加热，再流入蒸发冷凝室，热水会首先接触这些海绵状的垂熔玻璃片，使得水的蒸发面积变大，蒸发速度加快。更重要的是，较快的蒸发速度也抑制了水的沸腾，水蒸气带出的不溶性杂质也减少，实际上达到了亚沸蒸馏的效果，进一步提高了蒸馏水的纯度。另外由于蒸发发生在垂熔玻璃的表面，因此水垢也被大部分保存在垂熔玻璃上，使用一段时间后，直接将垂熔玻璃片取出，用酸液清洗即可重新使用。

本发明具有以下特点：

1、热室与储水室之间有隔热措施，半导体制冷片的热端只能与流经其空腔的水接触，不能加热储水室中其余的水，这样既可以保证流出的水有足够高的温度，又可以防止储水室中的水温度过高而产生水垢。

2、半导体制冷片与地面呈一定夹角，且其特殊的形状有利于冷凝水的快速收集。

3、半导体制冷片的冷端覆盖有惰性薄膜，隔绝了水分与金属的接触，可以有效降低蒸馏水中的金属离子含量。

4、蒸发冷凝室中设置了表面积极大的垂熔玻璃片，这一结构可以显著增加水的蒸发速度，从而提高蒸馏水的生产速度。另外，蒸发速度的提高也抑制了水的沸腾，水蒸气带出的不溶性杂质也比沸腾状态低，进一步提高了蒸馏水的纯度。

5、大部分析出的水垢都分布在垂熔玻璃片上。使用一段时间后，直接取出垂熔玻璃片，用酸液洗掉其中的水垢并用自来水冲洗后即可再次使用，极大简化了水垢的清理工作。

具体实施方式

下面结合附图与具体实例进一步阐述本发明的技术特点。

如图1所示的一种新型蒸馏水器。其结构主体分为储水室、热室和蒸发冷凝室三部分，均可由不锈钢材质或聚碳酸酯材质制成。半导体制冷片镶嵌于热室的底面（与地面成30度倾角），半导体制冷片的冷端朝向下面的蒸发冷凝室，热端朝向上方的热室。散热端铝台内部的空腔在最高位置和最低位置分别有两个开口，低处的开口用硅胶管连接至储水室，高处的开口用硅胶管引致蒸发冷凝室，并用止水阀控制硅胶管中的水流量。

蒸发冷凝室及其内部的集水漏斗由玻璃（或其它透明或半透明材料）制成，便于观察内部情况。

实施例1：

照附图1所示，准备以下材料并组装：

半导体制冷片一套，12V，80w；配有12V/7A稳压电源一个；热端铝台方形，15cm×7cm×0.8cm，内部空腔体积32 mL；冷端铝台如附图2所示，表面积约48cm2，最厚处0.8cm，表面用涂覆一层0.3mm厚的聚丙烯薄膜。储水室及热室的底面均与地面成30度倾角。

垂熔玻璃片，一片，为方形薄片状15cm×12cm×0.8cm，立于蒸发冷凝室的侧面，玻璃片的侧面凿一直径6mm的圆孔，将硅胶管插入。另有直径5cm的圆型垂熔玻璃片4片，平放在蒸发冷凝室的底部。蒸发冷凝室及其集水漏斗均由玻璃制成，蒸发冷凝室最低处15cm，最高处25 cm，底面为25cm×25cm，

所有连接管均选用内径4mm外径6mm的硅胶管。

组装好的整套蒸馏水器呈长方体，底面为25cm×25 cm的正方形，高为40 cm。

储水室中加水至其容积的80%，再将一装满水的烧瓶倒扣入加水口，使储水室内的液面在长时间内保持恒定。通电即可收集蒸馏水，在收集过程中调节止水阀的流量，使蒸发冷凝室的底面有积水但水的深度不淹没垂熔玻璃片即可。

为了检验本发明的实际工作效果，稳定出水后对仪器的各项参数及性能进行记录（在室温25度时测得）。蒸馏水出水速度390ml/h，即生产一升蒸馏水消耗的电能为205w.h，而相同条件下本实验室的亚沸蒸馏器（SYZ-550型）生产一升水需要消耗1500w.h的电能，专利2007100428226所设计的仪器生产一升蒸馏水需要消耗的电能为900w.h，可见本发明在节能方面的巨大优势，且本发明不消耗冷凝水。

表1. 室温下仪器正常工作时的各项参数性能（测定三次的平均值）

出水速度	390ml/h
		储水室温度	38°
经过热端铝台后的水温	76°
		蒸馏水电阻	1.12MΩ.cm
水垢	储水室中未出现水垢，水垢主要集中于蒸发冷凝室的垂熔玻璃片上

相同条件下市售的SYZ-550型蒸馏水器所得蒸馏水电阻为1.12 MΩ.cm，与本发明相同，但将冷端铝台上的聚丙烯膜去掉后，所制得蒸馏水的电阻下降为为0.93 MΩ.cm，说明冷端铝台覆盖聚丙烯薄膜可以有效隔绝金属，提高蒸馏水的纯度。

实施例2

将储水室的底面去掉，使储水室和热室合并为一个室，并用密封胶将接缝密封防止漏水，这样一来，散热端铝台直接与所有储水室的水接触，其他条件与实施例1相同，再进行实际测试，结果见表2。

表2 打通储水室和热室之后测得的各项制水参数

出水速度	290ml/h
		储水室温度	53°
经过热端铝台后的水温	56°
		蒸馏水电阻	1.11MΩ.cm
水垢	储水室中出现水垢

对比表1数据来看，储水室温度明显升高，说明热端铝台的热量有很大一部分被用来加热储水室中的水，而使进入蒸发室的水温下降，直接导致水的蒸发速度减慢，最终使出水量降低。由此可以看出将储水室中的水通过热室中的空气和隔热膜隔绝开，可以使热端铝台的热量集中到流经铝台空腔的那一部分水中，提高水的蒸发温度，从而最终提高制水速度。

实施例3

去除所有的垂熔玻璃片后，其余与实施例1相同，并进行同样的测试，测试时保持蒸发冷凝室中始终有约1cm高的水，测试结果见表3

表3 去除垂熔玻璃片后测得的各项制水参数

出水速度	240ml/h
		储水室温度	40°
经过热端铝台后的水温	89°
		蒸馏水电阻	1.01MΩ.cm

对比表1结果可见，虽然经过热端铝台后的水温提高了，但由于蒸发面积变小，整体的出水速度也显著减小了，并且出水的电阻也减小，主要是水从蒸发冷凝室的上方滴下时会飞溅到冷凝铝台上导致原水混入蒸馏水中，从而降低蒸馏水的纯度。水垢也积存在器壁上较难清除。

综合以上实例，本发明中热室与储水室的隔离结构，冷凝铝台的覆膜设计，蒸发冷凝室的垂熔玻璃片结构均极大地提高了制水的纯度和速度，半导体制冷片的倾斜结构有利于蒸馏水的快速收集，也有利于仪器结构的简化。由常识判断，如果提高半导体制冷片的功率和冷端的面积，会进一步提高制水速度。

Claims (4)

1.一种新型蒸馏水器，其结构从上到下依次由储水室、热室、蒸发冷凝室三部分组成，其特征在于半导体制冷片的散热面位于热室底部，制冷面位于蒸发冷凝室顶部；整个半导体制冷片与地面呈30~60度倾角；半导体制冷片的散热端铝台中空，其空腔一端与储水室的底部连通，另一端通过连接管接入蒸发冷凝室。

2.根据权利要求1所述的蒸馏水器，其中热室的顶面有隔热材料阻止热量向储水室传递。

3.根据权利要求1所述的蒸馏水器，其蒸发冷凝室的特征为：有多孔的垂熔玻璃片与进水管相连，以增加水滴蒸发面积并吸附水垢；冷端铝台的最低位置正下方有一漏斗，用于收集蒸馏水。

4.根据权利要求1所述的蒸馏水器，其特征在于半导体制冷片的冷端铝台的表面是无棱角的圆滑曲面且覆盖惰性聚丙烯薄膜。