CN2526749Y - 半导体致冷气体除湿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体致冷的气体除湿装置，包括除湿换热器、半导体致冷器、散热器、直流电源、自动控制装置。半导体致冷器(6)装在冷板(4)和热板(5)之间并且用螺钉固定，热板另一面与散热器(7)连接成一体，构成半导体致冷套件。散热器是冷却水箱或空气散热器，全部半导体致冷器并联到纹波系数很小的直流电源。致冷套件的冷板(4)贴合并固定在除湿换热器的导热平面(3)上。除湿换热器为紫铜排管(1)焊在紫铜板(2)上构成或由铜、铝合金铸造成型。与现有技术比，本实用新型半导体致冷器的寿命长，而且维护方便。适用于发电机的氢气的干燥及其他气体干燥。

Description

半导体致冷气体除湿装置

                             技术领域

本实用新型涉及气体除湿装置的改进，特别是应用半导体致冷的气体除湿装置的改进，适用于火力发电机组氢气的干燥(或称除湿)及其它气体干燥。

                             背景技术

气体除湿技术发展很快，最早采用的是物理吸附，令含水蒸汽的气体经过硅胶、无水氯化钙或沸石分子筛，水蒸汽被吸附，气体被干燥。这种设备很简单，但是开始干燥效果很好，随着上述吸附剂中水分的增多，其吸附效果逐渐下降，需要再生。气体中如有油污，会使吸附剂失效，且无法再生。所以需不断大量更换吸附剂，很不经济，劳动强度大。

后来出现冷凝去湿法，气体中的水蒸汽的饱和度随着温度降低而降低，在致冷环境中大部分水蒸汽凝结霜冻，当停止致冷或稍加热，霜冻化成水，很容易去除。

早期采用的冷凝干燥法是用氟里昂经压缩致冷系统，液态氟里昂在蒸发器中气化吸收气化潜热，使在其内部的管道中流过的气体被冷却，过饱和的水蒸汽凝结、结霜，停止致冷霜化成水排出。

这种方法比吸附式干燥操作方便，运行安全，但使用氟里昂致冷只能达到-40℃；而且有压缩机，运行振动较大，氟里昂一旦泄漏，对环境危害很大，特别是氟里昂是属于即将禁用的材料。

随着半导体致冷元件的工业化生产，用半导体致冷器对气体冷凝除湿已成为可能。氢气除湿技术技术研讨会会议资料《氢气除湿技术与BLNG-1F型半导体除湿机》公布了一种半导体除湿装置，该装置包括除湿换热器、半导体致冷器、冷却水箱、直流电源系统、控制系统，除湿散热器有气体流动管道，管道是平面排管，外面铸铝，加工面供半导体致冷件固定连接，半导体致冷器6～8个一组，用冷却水箱的平面将该6～8个致冷器件压紧而固定到除湿换热器表面。其冷端接除湿换热器，其热端接冷却水箱。

该装置充分显示出半导体致冷的优点：无转动设备、无振动、无噪音、对环境无污染，可以随意控制致冷、致热，调节方便。但该装置致冷器件损坏较多，维护更换不方便，现场更换后损坏率更高。

                           发明内容

本实用新型的任务是提供一种半导体致冷器不易损坏且维修方便的半导体致冷气体除湿装置。

解决该技术问题的技术方案如下：

本实用新型提供的半导体致冷除湿装置，包括除湿换热器、半导体致冷器、散热器、直流电源、自动控制系统，除湿换热器包括气体流通管及与气体流通管连接的导热平面，气体流通管有竖直的排管，有进气管，出气管，最下部的集水管的下部有排水阀，半导体致冷器的一端与除湿换热器的导热平面连接，另一端与散热器连接。为了提高半导体致冷件的寿命及效率，采取如下措施：

a.所说的半导体致冷器均与散热器装为一体，构成一个个的套件，每个套件包括装在冷板和热板之间的半导体致冷器，冷板与热板之间以螺纹连接固定，热板的另一面与散热器结为一体，冷板的另一面与所说的导热平面贴合，并单独固定在导热平面上；

b.所说的各套件的半导体致冷器全部并联到直流电源；

c.进气与出气之间设有节能热交换器；

d.直流电源是纹波系数很小的直流电源；

e.自动控制装置包括单片机、设定控制参数的键盘、采集温度模拟量的设在气体进口、出口、导热平面及各套件的热板上的温度传感元件、设在冷却水母管的流量开关、显示装置运行状态的液晶显示屏、执行远动信号输出的一系列固态继电器、就地自我保护的多个固态继电器。

各套件的与热板结为一体的散热器可以是两种，一种是焊接在热板上的冷却水管，各冷却水管并联在冷却水母管上，构成冷却水系统；另一种是铜质或铝质的具有平行散热片的空气散热器，具体可以是自然对流散热，可以是强迫通风。

所说的除湿换热器的导热平面，可以是与紫铜排管焊接的紫铜板的表面，也可以是平面布置钢质排管外面铸铝构成的长方体的表面，还可以是铜合金或铝合金铸造的内有平面布置的排管的长方体的表面。

所说的纹波系数很小的直流电源可以是集中供电的一个高频开关电源、可控硅电源、变压器加三相二极管全波整流电容电感滤波构成的电源及分别对每个致冷套件单独供电的多个开关电源中的任一种。

节能换热器是套管式换热器，有内管和外管，一个是进气管的一部分，另一个是出气管的一部分，套管式换热器的内管可以是外部有至少一个翅片的直管，或光滑直管，还可以是螺旋管。

与现有技术比较，本实用新型的有益效果如下：

1.半导体致冷器损坏率降低、寿命长。

现有技术中，把6～8个半导体致冷电压在散热器和除湿换热器的导热面之间并用螺栓固定，虽然采用选择配合的办法控制致冷气厚度差0.05mm，但最大差可为0.1mm，按极端情况看，如果有一个为低0.1mm，该致冷器热端与散热器的接触比其它差，导热不良，散热不良则影响致冷器的寿命。如果有一个高0.1mm，则该件受力大，半导体致冷器的温差电材料是脆性材料，显然突出高的致冷件受力偏大，也容易损坏。即便不是极端情况，由于6～8个致冷器厚度总有差别，高的受力多些，低的散热情况差些，特别是在现场维修更换半导体致冷元件后情况更严重，是使致冷器容易损坏的重要原因。还有一个水箱中水流不均，所以与其接触的多个半导体致冷器受冷却的情况不一致，水流最慢的区域的半导体致冷器热端冷却较差，易于损坏。另外该直流电源只经过三相全波整流，纹波系数超过10％，也是使半导体致冷器容易损坏的原因。本实用新型采用预先做好的致冷套件，其在热端和冷端与热板和冷板接触很好，往导热平面安装时，只需用螺钉把冷板固定在导热平面上，所以避免热端冷端接触不良等问题，特别是杜绝因现场安装而造成的致冷元件接触不良及受力不均；与热板焊接构成的散热器使冷却水流过致冷元件所在的区域，保证了热端能良好散热，避免了因过热而损坏半导体致冷器的问题；直流电源采用了纹波系数很小的直流电源，控制纹波系数＜10％，解决了因纹波大而损坏半导体致冷器的问题；为了防止冷却水中断而电源继续向半导体致冷器供电而损坏半导体元件，本实用新型的自动控制系统在发生断水或冷却不足时能自动保护。综上所述，本实用新型具有半导体致冷器损坏率低、寿命长的优点。

2.由于采用带散热器的半导体致冷套件单个用螺钉把冷板固定在导热平面上，所以维修换件很方便。

3.由于在进气口与出气口之间设有节能热交换器，提高了装置的效率，当用于发电机氢气除湿时，进口氢气是从发电机来的热氢气，出口氢气是从除湿装置出来的冷氢气，进口氢气预先降温，可节省能耗，提高致冷效率，而出口冷氢气提高温度，可以避免进入发电机后产生结露现象。

4.本实用新型当采用紫铜，铸造铜合金、铸造铝合金导热平面的方案时，传热好，可以提高致冷效率或减少能源消耗。本实用新型在除湿热交换器外表更多的缚保温层，也能提高致冷效率，降低能耗。

                            附图说明

图1是紫铜半导体致冷气体干燥装置正视图

图2是紫铜半导体致冷气体干燥装置左视图

图3是气路示意图

图4是铸焊结合的除湿换热器示意图

图5是排管外铸铝式除湿换热器示意图

图6是自动控制系统方框图

                      具体实施方式

实施例1.紫铜半导体致冷氢气除湿装置(参见图1、图2、图3)，包括除湿换热器、半导体致冷器、散热器、直流电源、自动控制系统，除湿换热器包括竖直的布置在同一平面的铜排管1，铜排管焊在紫铜板2上，本例采用十根竖直的紫铜管，其下端都接通集水管13，集水管最低部位设有排水阀14，其排管的上端，一半(5根)接进气管11，另一半接出气管10。排管中每根管的截面可以是圆形、正方形、长方形、椭圆形，也可以是波纹管。紫铜板2的一面焊接铜管，另一面即导热平面3。在导热平面3上布置一系列致冷套件(本例为20个)，致冷套件包括：紫铜的冷板4和热板5，半导体致冷单元构成的致冷器6、散热器7，半导体致冷单元按一定方式布置在冷板和热板之间，其两端涂硅脂，以螺钉或螺栓把冷热板固定，热板的另一端焊接散热器，致冷功率大时例如本例，散热器为紫铜的冷却水管，冷却水流经相当于半导体致冷件的热端的区域，其冷板另一面与导热平面3贴合，并以螺钉或螺栓固定。20个套件分别并联在直流电源，其冷却水管分别并联于冷却水母管，即并联在进水管8和出水管9之间。

为了避免过低温度的氢气进入发电机，产生结雾现象，以及预冷进口氢气提高装置的效率，在入口氢和出口氢之间设有套管式换热器，该套管式换热器可以布在本装置的进气管和出气管之间，也可以在本装置之外单独布置换热器。本例采用布置在进出气管之间，即出气管10为外管，进气管11为内管，本例进气管选用外部带有四个纵向布置的翅片12的直管，(该换热器也可以出气管为内管，进气管为外管，内管也可以用光滑直管或螺旋管。)为了连接方便，进气管换热之外的一段采用与外管(出气管)等径的管，可以焊接成一根管(见图3)。上述进气管、出气管，可以采用紫铜，也可以为低碳钢管、不锈钢管。当采用不锈钢和低碳钢时，它们与紫铜排管之间的焊接应先采用镍基焊条堆焊接过渡层，再以铜焊条焊接连接；也可以用硬钎料火焰钎焊。

当进口氢与出口氢温差很大时，为了充分进行节能换热，节能换热器可以是单独的套管式换热器，水平或竖直放置，内管选用有多个翅片的直管或螺旋管或折回多次的光滑直管，进气管和出气管一个接通内管，另一个接通外管。

因为紫铜传热良好，除致冷套件之外的表面应尽量加保温层13，以提高装置的效率。进气管、出气管及集水管等紫铜外面也包上保温材料。

半导体致冷器件要求电源纹波系数不大于10％，为此选用纹波系数很小的直流电源，本例选用高频开关电源。该电源属于精密整流稳压电源，有过压保护、过流保护、过热保护、短路保护等功能。其优点是功率可调，且可调范围大，工作稳定，可靠性高，适用于不同机组和同一机组的不同工作状态。

为了降低成本，可以用三相变压器，及三相二极管全波整流，再经电感、电容滤波；也可以采用可控硅电源，上述为一个电源集中供电；还可以多个普通开关电源，每个电源向一个致冷套件供电。

上述装置工作时半导体致冷器6的冷端经过冷板4，导热平面3使整个铜板2铜管1达到很低的温度，热端的热量经热板5冷却水管7由冷却水散去，从而维持除湿换热器的低温环境-50℃～-65℃，被干燥的氢气经过排管1被冷却。由于排管具有足够的长度，氢气流速较小，充分进行热交换，氢气被冷却，氢气中的水蒸汽的饱和浓度随着温度降低而降低，过饱和的水蒸气凝结成水并结成霜，当运行一定时间以后，停止致冷，此时进入排管1的氢气温度30℃～50℃，使霜融化成水，集于集水管13的下部，定期经排水阀14排除。必要时，为了使缓霜更快进行，可以向半导体致冷器反向供电，则冷热端对换，紫铜板2与紫铜管1被加热，使缓霜更快完成。工作时刚进入出气管的氢气温度达-30℃左右，而刚进入进气管的氢气约30℃～50℃。低温氢气通过节能换热器的外管，较高温度的氢气通过内管，经过热交换以后出口氢升温到0℃以上，而进气温度降低，达到节能的目的。

自动控制系统包括单片机、键盘、温度传感元件、故态继电器、液晶显示屏与上位机通讯接口。通过键盘可以设定控制参数，例如工作时间、缓霜时间、是否反向供电等。温度传感元件分别设在氢气进口、氢气出口、除湿换热器(紫铜板)、各致冷套件的热板上，流量开关串联在冷却水母管上，把采集到的温度、流量模拟量送入单片机，固态继电器有些装在电源电路中按输出信号的指令动作，有的装在向每个致冷器供电的支路上按逻辑进行自我保护。该自动控制系统的方框图如图4所示，信号采集包括上述温度传感元件、流量开关，信号经隔离/放大处理后，经过A/D转换进入CPU中央处理系统；与之并列的电流/电压变换器的信号经隔离放大、A/D转换也进入CPU中央处理系统，CPU设置人机接口，设有键盘和液晶显示，CPU按设定的条件，输出信号经后置驱动(隔离/驱动)去控制半导体除湿器。信号采集的信号和电流/电压转换器的信号同时还直接输入跨越紧急保护系统，该系统输出直接保护半导体除湿器。所说的温度传感元件可以是高精度的光敏电阻(如铂电阻，铜电阻)或热电偶。

上述的除湿换热器(包括致冷套件)、冷却水系统、直流电源和自动控制系统全部装在一个柜中，自动控制系统装在上部，为了防潮，电源及自控系统可以隔离。使用时只需接通水路、气路、电源即可使用。

上述装置由于直流电源纹波系数很小，半导体致冷器冷端和热端与铜板接触良好，特别是热端每个热板单独有冷却水管，充分冷却，还设有断水保护，提高了半导体致冷元件的寿命。由于除湿换热器采用紫铜，传热非常快，外面有良好的保温层，进口氢气经节能换热器被预冷，所以提高了装置的致冷效率。

实施例2，参见图4，铜合金或铝合金铸造半导体氢气除湿装置，本实施例与实施例1不同之处是除湿换热器不是铜管焊在铜板上的结构，而是用铜合金或铝合金铸造的内有竖直的排管外面是长方体17的结构，长方体的表面即导热平面。至于下面的集水管，上面的进气管、出气管可以是铸造而成的，为了充分清理芯砂，应具有足够数量的直对各管的清砂口，待清理完毕再把清砂口焊上。也可以是铸造的内有排管的长方体，排管上端铸有半个进气管和半个出气管，下面有半个集水管，再上下各焊接半个管而形成的结构，如图4所示。其余同实施例1。

实施例3，钢管或铜管铸铝的半导体致冷氢气除湿装置，本实施例与实施例1不同之处是，除湿换热器的排管1及集水管13，进气管11，出气管10都是低碳管或不锈钢或紫铜管同一材质焊接而构成的；也可以是排管用紫铜管而集水管和进气管、出气管用不锈钢管或低碳钢管。在排管的外面用铝铸造成长方体16，所谓长方体就是长方形的厚板，排管正居其板内，板的一面或两面装致冷套件。当集水管或进气管、出气管用低碳钢或不锈钢时而排管是紫铜时，焊接时先堆焊镍基过渡层，然后用铜焊条焊接，其余同实施例1。

Claims (10)

1.一种半导体致冷气体除湿装置，包括除湿换热器、半导体致冷器(6)、散热器(7)、直流电源、自动控制系统，除湿换热器包括气体流通管及与气体流通管连接的导热平面(3)，气体流通管有竖直的排管(1)、有进气管(11)、出气管(10)，最下部的集水管(13)的下部有排水阀(14)，半导体致冷器(6)的一端与除湿换热器的导热平面连接，另一端与散热器连接，其特征是：

a.所说的半导体致冷器和散热器装为一体构成一个个的致冷套件，每个套件包括装在冷板(4)和热板(5)之间的半导体致冷器(6)，冷板与热板之间以螺纹连接固定，热板的另一面与散热器结为一体，冷板的另一面与所说的传热平面贴合，并单独固定在导热平面上；

b.所说的各套件的半导体致冷器全部并联在直流电源上；

c.进气与出气之间设有节能热交换器；

d.直流电源是纹波系数很小的直流电源；

e.自动控制系统包括单片机、设定控制参数的键盘、采集温度模拟量的设在气体进口、出口、导热平面及各套件的热板上的温度传感元件、设在冷却水母管的流量开关、显示装置运行状态的液晶显示屏、执行远动信号输出的一系列固态继电器、就地自我保护的多个固态继电器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所说的与热板结为一体的散热器(7)是焊接在热板上的冷却水管，各冷却水管并联到冷却水母管，构成冷却水系统。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所说的与热板结为一体的散热器(7)是铝质或铜质的具有平行散热片的空气散热器。

4.根据权利要求1或2或3所述的装置，其特征是：所说的除湿换热器的导热平面(3)是与平面布置的紫铜管焊接为一体的紫铜板(2)的表面、平面布置的钢质排管外面铸铝构成的长方体(16)的表面、铜合金铸造的内有平面排管的长方体的表面、铝合金铸造的内有平面排管的长方体(17)的表面中的任一种。

5.根据权利要求1或2或3所述的装置，其特征是：所说的纹波系数很小的直流电源是集中供电的一个高频开关电源、可控硅电源、变压器加三相二极管全波整流再经电感电容滤波构成的电源及分别对每个致冷套件单独供电的多个开关电源中的任一种。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征是：所说的纹波系数很小的直流电源是集中供电的一个高频开关电源、可控硅电源、变压器加三相二极管全波整流再经电容电感滤波构成的电源及分别对每个致冷套件供电的多个开关电源中的任一种。

7.根据权利要求1或2或3所述的装置，其特征是：所说的节能换热器是套管式换热器，有内管和外管，一个是进气管的一部分，另一个是出气管的一部分，内管是光滑直管、外部有至少一个翅片的直管及螺旋管中的任一种。

8.据权利要求5所述的装置，其特征是：所说的节能换热器是套管式换热器，有内管和外管，一个是进气管的一部分，另一个是出气管的一部分，内管是光滑直管、外部有至少一个翅片的直管或螺旋管中的任一种。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征是；所说的节能换热器是套管式换热器，有内管和外管，一个是进气管的一部分，另一个是出口管的一部分，内管是光滑直管、外部有至少一个翅片的直管、螺旋管中的任一种。

10.根据权利要求1、2、3、6、8、9中任一项所述的装置，其特征是：所说的除湿换热器的表面除致冷套件以外的部分均缚保温材料层；所说的自动控制系统中还有与上位机通讯的接口，所说的温度传感元件是高精度的铂电阻、铜电阻或热电偶中的任一种；所说的排管1的每个管的截面是圆形、正方形、长方形、椭圆形中的任一种或者是波纹管。

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