一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411439170.X | 申请日 | 2024-10-15 |
| 公开(公告)号 | CN119393918A | 公开(公告)日 | 2025-02-07 |
| 申请人 | 北京空间飞行器总体设计部; | 申请人类型 | 其他 |
| 发明人 | 车邦祥; 曹剑峰; 赵亮; 于新刚; 郑红阳; 王德伟; 牛春洋; 徐侃; 杨敏; 宗立争; 黄岩培; | 第一发明人 | 车邦祥 |
| 权利人 | 北京空间飞行器总体设计部 | 权利人类型 | 其他 |
| 当前权利人 | 北京空间飞行器总体设计部 | 当前权利人类型 | 其他 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：北京市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：北京市海淀区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：北京市海淀区友谊路104号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：100094 |
| 主IPC国际分类 | F25B21/02 | 所有IPC国际分类 | F25B21/02 ; F25B39/04 ; F24F3/14 ; F28B9/08 ; F28F3/12 ; F25D17/02 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 9 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 中国航天科技专利中心 | 专利代理人 | 王琼; |
| 摘要 | 一种基于液冷的回热式 热电制冷 除湿装置，包括：两相对设置的冷凝组件之间形成冷凝腔体，冷凝腔体内设置有双向流道，制冷片组件的冷端贴靠冷凝组件的外侧，制冷片组件的热端贴靠冷板组件；冷板组件用于给制冷片组件 散热 ；外部环境中的潮湿空气，经预冷降温处理后吹入冷凝腔体内，由冷凝腔体进行除湿处理获得冷凝 水 和除湿处理后的空气；将冷凝水 吸附 排出，同时将除湿处理后的的空气进行升温处理后，排入外部环境。本 发明 可显著提升热电制冷除湿的效率，并且可适用于微重 力 下使用，在空气除湿领域具有潜在应用价值。 | ||
| 权利要求 | 1.一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置，其特征在于，包括：冷凝组件(6)、制冷片组件、冷板组件、第一冷凝水抽吸模块(3)、第二冷凝水抽吸模块(13)、A向冷凝风道结构和B向冷凝风道结构； |
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| 说明书全文 | 一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置技术领域[0001] 本发明属于空气湿度调节技术领域，特别是一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置。 背景技术[0002] 在载人航天器内，由于航天员生活会向空气中产生水蒸气，增大空气湿度。载人航天器的密闭空间内，空气湿度过高时，会引起细菌滋生、人体不适，也会导致电子设备表面结露或腐蚀，严重影响电子设备的寿命和正常工作，危及航天员的生命安全和航天器的安全稳定运行。因此需要采用专用除湿装置，将密闭空间内的空气湿度控制在合适范围。 [0003] 目前载人航天器的空气除湿技术已经得到充分发展，目前主要采用的空气除湿方法为直接冷凝除湿，即舱内空气直接进入冷凝干燥器中，将空气冷凝进而除湿。该方法需要辐射器提供低于冷凝温度的出口温度，进而限制了辐射器散热能力。在载人登月任务中，由于月面红外会导致辐射器散热面极为受限，并且重量限制极为苛刻，辐射器难以满足直接冷凝除湿的低温要求。因此，采用不需低温冷却条件的非直接冷凝除湿需求迫切。 [0004] 非直接冷凝除湿方法中，基于热电制冷进行除湿近年来发展迅速，其利用热电制冷效应，让空气冷却至露点以下，析出冷凝水。该方法具有结构紧凑、简单可靠、噪音小、适应性强、无有害介质等优点，适合在载人密封舱内使用。但热电制冷片会产生热量，需要采取有效措施将产生热量及时带走，控制制冷片热端在合适的温度下。否则热量积累在热端，将导致冷热侧温差加剧，制冷效率急速下降，能耗上升。以产湿160g/h为例，按照目前一般的热电制冷除湿风冷设计，COP只有0.6左右，需要至少600W电功耗，功耗过大，难以在载人航天器上使用。 发明内容[0005] 本发明解决的技术问题是：针对热电制冷除湿效率低问题，本发明提出了一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置，采用冷却液循环将制冷片热端产生热量带走，并且制冷片采用串并联布置方式，有效降低每个制冷片的冷热侧温差，显著提高制冷片效率。对于载人航天器，该除湿装置可接入整舱热控流体回路管路中，利用辐射器出口的低温流体作为除湿装置的冷却液。 [0006] 本发明的技术解决方案是： [0007] 第一方面， [0008] 一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置，包括：冷凝组件、制冷片组件、冷板组件、第一冷凝水抽吸模块、第二冷凝水抽吸模块、A向冷凝风道结构和B向冷凝风道结构； [0009] 两相对设置的冷凝组件之间形成冷凝腔体，冷凝腔体内设置有双向流道，双向流道包括：A向流道和B向流道； [0010] 两相对设置的冷凝组件的外侧分别设置有一组制冷片组件和一组冷板组件； [0011] 制冷片组件的冷端贴靠冷凝组件的外侧，制冷片组件的热端贴靠冷板组件；冷板组件用于给制冷片组件散热； [0012] A向流道的输出端和输入端分别连通A向冷凝风道结构和第一冷凝水抽吸模块； [0013] B向流道的输出端和输入端分别连通B向冷凝风道结构和第二冷凝水抽吸模块； [0014] A向冷凝风道结构和B向冷凝风道结构分别用于吸入外部环境中的潮湿空气，经预冷降温处理后吹入冷凝腔体内，由冷凝腔体进行除湿处理获得冷凝水和除湿处理后的空气； [0015] 第一冷凝水抽吸模块用于将A向流道中的冷凝水吸附排出，同时将A向流道中除湿处理后的空气传输至B向冷凝风道结构，由B向冷凝风道结构对除湿处理后的空气进行升温处理后，排入外部环境； [0016] 第二冷凝水抽吸模块用于将B向流道中的冷凝水吸附排出，同时将B向流道中除湿处理后的空气传输至A向冷凝风道结构，由A向冷凝风道结构对除湿处理后的空气进行升温处理后，排入外部环境。 [0017] 优选地，冷凝组件包括：冷凝板和冷凝翅片； [0018] 冷凝板上阵列有多个冷凝翅片； [0019] 两相对设置的冷凝组件上的冷凝翅片相向设置，且两相对设置的冷凝组件上的冷凝翅片错位排布。 [0021] 隔热棉上加工有多个阵列排布的安装孔，隔热棉上的每个安装孔内分别嵌入一个热电制冷片。 [0023] 上板、密封垫片和下板由上至下层叠排布； [0024] 下板的顶部设置有阵列排布的液冷翅片，下板的底部为平面，压紧热电制冷片； [0025] 上板的底部压紧密封垫片，且与下板的液冷翅片之间不接触，使得上板和下板之间形成液冷流道，液冷流道内流动有冷却液； [0026] 冷板组件的上板和下板间通过密封垫片进行流体密封； [0027] 紧固螺钉依次穿过上板、密封垫片、下板和隔热棉后固定连接冷凝组件。 [0028] 优选地，上板顶部加工有多个阵列排布的减重槽，上板的底部为平面；上板的底部平面压紧密封垫片。 [0029] 优选地，下板上设置有用于使冷却液流入流出的进液口和出液口。 [0030] 优选地，下板的顶部还加工有折流条结构；折流条结构用于将液冷流道分隔成S形的流道结构。 [0031] 优选地，A向冷凝风道结构和B向冷凝风道结构均包括：风机、扩散风道、回热器和收缩风道； [0032] 风机、扩散风道、回热器和收缩风道依次连接，收缩风道固定连接冷凝组件。 [0033] 第二方面， [0034] 在载人航天器上应用如第一方面所述的一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置，冷板组件上的液冷流道接入整舱热控流体回路管路中，利用辐射器出口的低温流体作为冷板组件中的冷却液。 [0035] 本发明与现有技术相比的优点在于： [0036] 1)本发明采用串并联布置的热电制冷片，延长冷端翅片长度和与空气的接触面积，连续降低冷端空气温度，减小每个热电制冷片的冷热端温差，显著提高热电制冷片工作效率和除湿效率。 [0037] 2)本发明通过液冷翅片将热电制冷片热侧产生的热量传递至冷却液中，冷却液循环流动将热量带出，保证制冷片的热端温度水平，显著提高热电制冷片工作效率和除湿效率。 [0039] 图1为热电制冷片工作电流对除湿量影响的示意图。 [0040] 图2为一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置基本工作原理。 [0041] 图3为除湿装置中空气状态①②③④在焓湿图中的示意。 [0042] 图4为一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置结构示意图。 [0043] 图5为一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置结构爆炸图： [0044] 图6为除湿装置中热电制冷片阵列式布置示意图。 [0045] 图7为冷板组件与制冷片组件层叠结构示意图。 [0046] 图8为除湿装置中冷板组件内冷却液流向示意图。 [0047] 图中，1.风机，2.扩散风道，3.第一冷凝水抽吸模块，4.回热器，5.收缩风道，6.冷凝翅片，7.上板，8.紧固螺钉，9.密封垫片，10.下板，11.热电制冷片，12.隔热棉，13.第二冷凝水抽吸模块。 具体实施方式[0048] 本发明一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置，包括：冷凝组件6、制冷片组件、冷板组件、第一冷凝水抽吸模块3、第二冷凝水抽吸模块13、A向冷凝风道结构和B向冷凝风道结构。 [0049] 两相对设置的冷凝组件6之间形成冷凝腔体，冷凝腔体内设置有双向流道，双向流道包括：A向流道和B向流道； [0050] 两相对设置的冷凝组件6的外侧分别设置有一组冷板组件和一组制冷片组件。制冷片组件中热电制冷片11的冷端贴靠冷凝组件6的外侧，热电制冷片11的热端贴靠冷板组件；冷板组件用于给制冷片组件中的热电制冷片11散热。 [0051] A向流道的输出端和输入端分别连通A向冷凝风道结构和第一冷凝水抽吸模块3； [0052] B向流道的输出端和输入端分别连通B向冷凝风道结构和第二冷凝水抽吸模块13； [0053] A向冷凝风道结构和B向冷凝风道结构分别用于吸入外部环境中的潮湿空气，经预冷降温处理后吹入冷凝腔体内，由冷凝腔体进行除湿处理获得冷凝水和除湿处理后的空气。 [0054] 第一冷凝水抽吸模块3用于将A向流道中的冷凝水吸附排出，同时将A向流道中除湿处理后的空气传输至B向冷凝风道结构，由B向冷凝风道结构对除湿处理后的空气进行升温处理后，排入外部环境。 [0055] 第二冷凝水抽吸模块13用于将B向流道中的冷凝水吸附排出，同时将B向流道中除湿处理后的空气传输至A向冷凝风道结构，由A向冷凝风道结构对除湿处理后的空气进行升温处理后，排入外部环境。 [0056] A向冷凝风道结构和B向冷凝风道结构均为双风道结构。A向冷凝风道结构内的升温处理和预冷降温处理分别在双风道结构中的不同风道内进行。B向冷凝风道结构内的升温处理和预冷降温处理分别在双风道结构中的不同风道内进行。 [0057] 两相对设置的冷凝组件6之间不接触，冷凝组件6包括：冷凝板和冷凝翅片。冷凝板上阵列有多个冷凝翅片；两相对设置的冷凝组件6上的冷凝翅片相向设置，上下两个冷凝组件6上的冷凝翅片错位排布。 [0058] 制冷片组件包括：热电制冷片11和隔热棉12。隔热棉12上加工有多个阵列排布的安装孔，隔热棉12上的每个安装孔内分别嵌入一个热电制冷片11。 [0059] 冷板组件包括：上板7、紧固螺钉8、密封垫片9和下板10。上板7、密封垫片9和下板10由上至下层叠排布；下板10的顶部设置有阵列排布的液冷翅片，下板10的底部为平面，压紧热电制冷片11；上板7的底部压紧密封垫片9，且与下板10的液冷翅片之间不接触，使得上板7和下板10之间形成液冷流道，液冷流道内流动有冷却液。紧固螺钉8依次穿过上板7、密封垫片9、下板10和隔热棉12后固定连接冷凝组件6。 [0060] 上板7顶部加工有多个阵列排布的减重槽，上板7的底部为平面；上板7的底部平面压紧密封垫片9。 [0061] 下板10上设置有用于使冷却液流入流出的进液口和出液口，如图8所示。 [0062] 下板10的顶部还加工有折流条结构；折流条结构用于将液冷流道分隔成S形的流道结构。 [0063] 冷板组件的上板7和下板10间通过密封垫片9进行流体密封。 [0064] 通过将热电制冷片11压紧固定于下板10和冷凝组件6间，同时将密封用密封垫片9压紧变形，起到密封作用。 [0065] 热电制冷片11的冷端产生的冷量，经由冷凝组件6将空气冷却，空气中水蒸汽冷凝为液态水，冷凝腔体内进行除湿后的低温干燥空气经经风机1产生的气流吹出至冷凝水抽吸模块中储存，由回热器4再升温排入环境中。 [0066] 多个热电制冷片11阵列排布，如图6所示，采用串并联布置方式，通过延长冷端翅片长度，从而增大与空气的接触面积，连续降低冷端空气温度，减小每个热电制冷片11的冷热端温差，提高热电制冷片11工作效率。 [0067] 热电制冷片11热端产生的热量通过冷板组件中的下板10将热量传递至液冷流道中液体工质，由冷板组件中的冷却液经液冷流道循环流动将热量带出，降低热电制冷片11的热端温度。 [0068] A向冷凝风道结构和B向冷凝风道结构均包括：风机1、扩散风道2、回热器4和收缩风道5。风机1、扩散风道2、回热器4和收缩风道5依次连接，收缩风道5固定连接冷凝组件6。收缩风道5的一端连通冷凝水抽吸模块和回热器4，收缩风道5的另一端连通冷凝腔体。 [0069] 对于载人航天器，本发明除湿装置可通过冷板组件上的液冷流道接入整舱热控流体回路管路中，利用辐射器出口的低温流体作为冷板组件中的冷却液。 [0070] 本发明通过热电制冷片11形成冷端和热端，冷端通过翅片对进入冷凝腔体的空气进行冷却，进而降低空气中含水量，热端通过冷板组件将热量传递至冷却液中，通过冷却液循环将热电制冷片11产生的热量带走，保持热端温度水平。冷凝腔体由双风道组成，两风道进出口处通过回热器实现回热。本发明具有显著提高热电制冷除湿效率的优点，并且可适用于微重力下使用，在空气除湿领域具有潜在的应用价值。 [0071] 本发明中设置的基于液冷的回热式热电制冷除湿装置，通过将制冷片进行阵列式布置，减小单个制冷片的制冷功耗；同时通过冷板组件将制冷片热端产生热量及时传入冷却循环液中，冷却循环液提供了制冷片热端较低温度，从而大幅减小制冷片冷热侧温差，显著提高了制冷片工作COP，进而提高除湿量和除湿效率。冷却循环液可以由载人航天器中的热控系统冷却工质充当。 [0072] 为更好地对本发明进行描述，下面配合示意图及实例对本发明进行详细说明。 [0073] 图2给出了本发明除湿的基本工作原理，风机1的入口吸入环境空气，湿空气状态标记为①，经回热器4预冷，冷却至状态②(相比状态①，绝对含湿量不变，温度显著降低)。随后湿空气进入冷凝组件6中，降温至露点以下进行除湿，除湿后湿空气状态为③(相比状态②，绝对含湿量和温度均降低)。随后湿空气再经另一侧回热器4升温，空气冷量得到充分利用，转为状态④(相比状态③，绝对含湿量不变，温度升高)，排入环境中。A向流道和B向流道的工作状态相同。空气状态①②③④在焓湿图中的示意如图3所示。 [0074] 图4和图5给出了本发明的具体实施例。风机1吸入环境空气进入回热器4，冷却后进入冷凝组件6内。回热器与冷凝组件6间风道设有收缩风道5，提高冷凝组件6内的风速，同时减小气流阻力损失。热电制冷片11冷侧与冷凝组件6底面贴合，制冷片通电后冷端温度降至露点以下、冰点以上，湿空气在冷凝组件6内降温冷凝。冷凝水在冷凝组件6表面凝结后，由气流吹出，被对侧的冷凝水抽吸模块吸附排出。本发明一实施例中的冷凝水吸附模块中包括吸水包、引水管和冷凝水抽吸泵等，吸水包材料可为海绵。 [0075] 热电制冷片11为上下两层布置，两热电制冷片11的冷端与冷端相对，这样形成的冷凝空间可减小系统漏热。由于热电制冷片11在较小温差下时，具有更高的制冷效率，因而，本发明将制冷片进行阵列式布局，4个制冷片为一组，沿冷却风道流动方向串联，从而逐步降低冷端温度。制冷片串并联布置示意图如图6所示，本发明实施例中制冷片共8组，32片，每2组并联控制。通过串并联布置，每个制冷片功耗显著减小。 [0076] 由于冷端冷凝除湿的温度最低不能低于0度，以免冷凝水结冰阻塞风道，因此若要进一步提高制冷片功耗，可以通过降低制冷片热侧温度、从而减小冷热侧温差的方式。本发明中，制冷片热侧与带翅片的下板10表面紧密贴合，制冷片与冷板组件表面间涂抹导热硅脂，减小界面热阻，冷板组件内沿制冷片布置方向设置换热翅片，冷却工质在冷板组件内流动，通过翅片将制冷片热侧产热带走。 [0077] 制冷片采用螺钉8紧固冷端和热端从而夹紧制冷片的安装方式，本发明中每只热电制冷片11左右各有1个螺钉对称紧固安装。冷板组件预留出制冷片紧固的螺钉孔位，制冷片冷侧翅片侧留有螺纹孔。冷板组件与制冷片组件的连接固定及冷板组件液路密封示意如图7所示。本发明中，冷板组件由下板10、上板7、紧固螺钉8和密封垫片9组成，下板10上加工有液冷翅片和折流条，上下板间设置有凹槽用于放置密封圈或密封垫片。通过螺钉8穿过上下盖板，与制冷片冷侧翅片上螺纹孔连接紧固，压紧制冷片。螺钉紧固后，同时压紧密封圈或密封垫片，冷板组件的上板7和下板10形成密闭液腔。 [0078] 冷却液在冷板组件内的流动流向示意如图8所示，冷却液与冷板组件内翅片对流换热，将热电制冷片11产生热量带出，使得制冷片热侧保持适宜温度。对载人航天器，冷却液可接入热控流体回路系统中，将辐射器出口的低温流体接入冷板组件中。 [0079] 对本发明所述的一种基于液冷的回热式热电制冷除湿装置制造了原理样机，在环境温度23±2℃、环境湿度50±5％RH、标准大气压条件下，进行了样机除湿性能测试。测试结果如下表所示，样机除湿能力达到160g/h以上，整机功耗约170W(包含风机和TEC片功耗)，整机除湿COP(COP＝空气湿换热量/整机功耗)可达到2.2以上。 [0080] 表1样机除湿性能测试结果 [0081] [0082] [0083] 风量不变时，增大制冷片供电电流，制冷片冷侧温度进一步降低，由3～8℃减低至0～6℃，除湿量显著增大，如图1所示。当冷侧温度降至1℃以下，继续增大电流，温度继续降低对除湿量的贡献很小。 |
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