專利名稱：熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及化學、化工、制藥、食品、環(huán)境等行業(yè)的科研院所、高等院校、企業(yè)研發(fā) 機構；具體屬于實驗儀器和設備技術制造領域，尤其涉及一種熱管半導體制冷直冷式無水 冷凝器及實驗裝置。
背景技術：
如何從長期困擾我國社會經濟發(fā)展的水資源匱乏狀況中找出一條合理、可行又可 產生積極效果的解決水資源問題的出路，已是當前亟待研究解決的重要課題。因其水資源 的有限，故必須科學合理地用水，各行各業(yè)都在探索各種節(jié)水措施。減少水的使用量是最傳 統也是最有效的一種節(jié)水途徑。隨著科技進步和社會的不斷發(fā)展，這種節(jié)水技術也在不斷 改進、提高，對此，各國都積累了較多的經驗和做法，在工業(yè)用水中方面，已推廣蒸汽冷凝回 用、間接冷卻水循環(huán)利用、污水處理回用等節(jié)水技術；在農業(yè)灌溉節(jié)水技術的應用，世界農 業(yè)灌溉節(jié)水技術經過了地面灌溉、噴灌、微灌(滴灌及微噴灌)及滲灌等發(fā)展過程，目前已 達到較高的技術水平；在城市建筑及生活用水方面，大力推廣中水回用技術、防滲漏技術及 節(jié)水型器具、衛(wèi)生潔具，提高用水重復利用率。然而，對于科研院所、學校、企業(yè)實驗室等機構實驗用水的浪費卻無人問津，沒有 引起社會足夠的重視。實驗室在進行科學研究、實驗教學、新產品研發(fā)、蒸餾水制備等需要 冷卻水的實驗中，普遍使用自來水直接通入實驗裝置，實驗過程中自來水大量排放，白白浪 費了許多珍貴的潔凈水。因此，科學研究、教育、研發(fā)機構節(jié)水應當成為科研人員、教育工作 者及全社會非常值得關注的問題。許多科學研究及實驗內容使用實驗儀器進行實驗時，樣品的合成、分離、濃縮普遍 要涉及到蒸餾、回餾方法，這就需要用冷卻水對冷凝器進行冷卻，一般都是直接將自來水通 入到儀器的冷凝器上，自來水進入冷凝器使冷凝器溫度降低，自來水吸收熱量后從冷凝器 排出直接放掉，造成水資源的嚴重浪費。以有機化學實驗中的蒸餾實驗為例，滿足最低冷卻 溫度要求時，冷卻水的流速大約為每分鐘2升，一套實驗裝置把自來水作為廢水排放的水 量為每小時120升，每組實驗學生人數30名，就要用30套實驗裝置，每完成一個有機實驗 的平均時間約為6小時，那么完成一個實驗，就平均排放了 21. 6噸潔凈自來水。而這只是 一所院校一個實驗室中一個實驗項目的用量，如果以全國院校、實驗室、實驗項目的數量來 統計將是一個十分驚人的數字。除此之外，全國從事科學研究實驗教學的科研院所及院校 實驗用蒸餾水配置了不少制備蒸餾水設備，每小時產1. 6升蒸餾水，要消耗掉120升冷卻用 自來水，制備一桶20升蒸餾水則需耗費1. 5噸潔凈自來水，另外還要耗費37. 5度電能；由 此可以看出每升蒸餾水的制作成本。并且有時遇到突然停水時，必須立即停止實驗，給正常 的科學研究及實驗教學帶來極大的不便。目前用于實驗室的循環(huán)水裝置也有多種，普遍使 用的是不帶制冷系統的循環(huán)水泵，但使用一段時間后水溫逐漸升高，失去冷卻效果；有帶壓 縮機制冷系統的循環(huán)水機，但這類循環(huán)水冷卻設備耗電量大，價格高，雖然冷卻效果好，但 實驗運行成本高，難以在科學研究、實驗教學中得到廣泛的普及和推廣。
熱管又名熱導管或超導管。熱管技術是1963年美國LosAlamos國家實驗室的 G. M. Grover發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快 速熱傳遞性質，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知 金屬的導熱能力。在上個世紀70年代后，熱管才由理論階段進入應用階段，但由于技術的 不成熟以及高昂的成本，當時使用范圍僅僅限制在航天、核電等高端技術領域。當時在太空 中運行的航天器由于其面向太陽和背向太陽的部件溫差太大，導致其無法正常工作且容易 損壞，利用熱管技術使其達到熱平衡良好地解決了這個問題。進入80年代后，隨著技術的 不斷完善及成本的降低，熱管技術開始廣泛的進入大專院校、科研院所、民用工業(yè)、大型工 業(yè)設備以及生產上。熱管(heat tube)，按較精確的定義，應稱之謂“封閉兩相傳熱系統”，即在一個封 閉的體系內，依靠流體的相態(tài)變化(液相變?yōu)槠嗷蚱嘧優(yōu)橐合?來傳遞熱量的裝置。 眾所周知，當某種介質由液相變?yōu)槠?如水蒸發(fā)或沸騰)時，會吸收熱量；而當介質由汽 相變?yōu)橐合?如蒸汽的凝結)時，會放出熱量。將這兩種過程巧妙地結合在一起，并置于封 閉的容器內，就構成了一個先進的傳熱元件——熱管了。熱管的典型結構是由一個園筒狀 的容器，內部襯以多孔性的材料，將容器內部抽成某種程度的真空，然后注入一定量的液體 (介質)并將容器密封起來。目前熱管技術被廣泛應用在宇航、軍工、石油、化工、冶金、機 械、電力、電子、煤炭、鐵路、通訊、紡織、家電、IT產品等領域。半導體制冷又稱電子制冷，或者熱電制冷、溫差電制冷，是從50年代發(fā)展起來的 一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科，它利用特種半導體材料構成的P-N結，形成 熱電偶對，產生珀爾帖效應，即通過直流電制冷的一種新型制冷方法，與壓縮式制冷和吸收 式制冷并稱為世界三大制冷方式。如今技術的發(fā)展使半導體制冷的優(yōu)勢逐步顯現出來。半 導體制冷是一種固體制冷方式，它是靠空穴和電子在運動中直接傳遞熱量來實現的。與壓 縮機制冷系統相比，沒有機械轉動部分，無需制冷劑，無噪聲，無污染，可靠性高，壽命長，而 且可電流反向加熱，易于恒溫控制等等。現在半導體制冷技術已在軍事、科學、航空航天、工 業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、生化和日常生活用品等許多領域得到較廣泛的應用，特別是隨著我國 經濟建設的快速發(fā)展以及對環(huán)境保護越來越高的要求，逐步禁止污染大氣、破壞臭氧層的 氟利昂作為制冷劑，半導體制冷技術更呈現出誘人的前景。半導體制冷是當之無愧的21世 紀新的綠色“冷源”。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于有效利用熱管快速傳遞熱量及半導體制冷技術的功能與特征， 提供一種無需冷卻水冷凝既可進行蒸餾、回餾實驗和蒸餾水生產的熱管半導體制冷直冷式 無水冷凝器及實驗裝置；該熱管半導體制冷冷凝器無污染、無噪聲、無需冷卻介質，可以滿 足需要冷凝實驗裝置的冷卻；并能夠徹底解決自來水資源浪費、保障實驗順利進行等問題； 裝置結構簡單，易于廣泛普及和推廣，對建設節(jié)水型社會具有重大意義。為了解決上述技術問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現的一種熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置，主要包括蒸餾瓶、反應瓶、冷 凝器、接收瓶、接液管、攪拌器等組成。所述實驗裝置在冷凝實驗進行中無需冷卻水，由筒形 半導體制冷元件、熱管、散熱器、散熱風扇、聚四氟乙烯塞、玻璃套管、冷凝器電源與配套冷凝管組合構成熱管半導體制冷冷凝器，由熱管半導體制冷冷凝器與實驗儀器裝置構成直冷 式無水冷凝實驗裝置，采取以熱管半導體制冷冷凝器直接對實驗裝置進行冷卻方式，代替 水冷式冷凝器，實施對冷凝實驗裝置的無水冷卻。本發(fā)明的技術問題還由如下方案來實現所述熱管半導體制冷冷凝器中聚四氟乙烯塞與配套冷凝管的上口密切配合，配套 冷凝管的下口與側管口可與實驗儀器裝置的標準口玻璃儀器配套連接；配套冷凝管可以無 下口 ；可以有一個以上側管，其管口方向可以與冷凝管上口一致、相反或垂直。所述熱管半 導體制冷冷凝器中聚四氟乙烯塞的一端連接一個平面矩形座，二者為一體結構；聚四氟乙 烯塞的圓心處及平面矩形座中心處開有可供熱管穿過的圓孔，平面矩形座的四角開有小孔 供裝配螺絲裝配用。所述熱管半導體制冷冷凝器中的玻璃套管為一端開口 一端封口結構， 開口端可插入聚四氟乙烯塞的圓孔并緊密連接，玻璃套管可使用普通玻璃或石英玻璃。所 述熱管半導體制冷冷凝器中熱管的下端緊密插入筒形半導體制冷元件的孔內，之間涂有傳 導物質。所述熱管半導體制冷冷凝器中熱管的上端緊密插入散熱器中心的孔內，之間涂有 傳導物質。所述無水冷凝實驗裝置，可以是回流實驗裝置、蒸餾實驗裝置、攪拌反應實驗裝 置、旋轉蒸發(fā)儀裝置、蒸餾水器裝置。熱管工作原理是將熱管的一端加熱，另一端冷卻，熱管內部將開始兩相傳熱過程。 加熱段的介質會沸騰或蒸發(fā)，吸收汽化潛熱，由液體變?yōu)檎羝．a生的蒸汽在管內一定壓差 的作用下，流動到冷卻段，蒸汽遇到冷的壁面會凝結成液體，同時放出汽化潛熱，通過管壁 傳給外面的冷源。冷凝下來的液體依靠重力或管內壁的多孔材料所產生的毛細管力再回流 到加熱段，重新開始蒸發(fā)吸熱過程。這樣，通過管內介質的連續(xù)相變，完成了熱量連續(xù)快速 的轉移。半導體制冷元件的制冷原理是利用半導體材料的珀爾帖效應，當直流電通過兩種 不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現 制冷的目的。它由兩片陶瓷片與其中間的N型和P型半導體材料組成，這個半導體元件在電 路上是用串聯形式連接組成。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對 時，在這個電路中接通直流電流后，就能產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的 接頭吸收熱量，成為冷端，由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端；筒形半導體 制冷元件同樣如此原理，接通直流電流后筒形半導體制冷元件的外筒吸收熱量，成為冷端， 內筒釋放熱量，成為熱端。本發(fā)明的工作原理進行實驗時，首先將熱管半導體制冷冷凝器安裝于實驗裝置 上，接通冷凝器的直流電源，熱管半導體制冷冷凝器開始工作，筒形半導體制冷元件的外表 面吸收熱量，使熱管半導體制冷冷凝器中玻璃套管和配套冷凝管空間內的溫度降低；同時， 筒形半導體制冷元件的內表面釋放熱量傳導于熱管下部的吸熱段，熱管吸熱段吸收熱量使 熱管內介質蒸發(fā)，介質蒸汽在管內一定壓差的作用下流動到熱管上部的放熱段，熱量通過 散熱器與散熱風扇散發(fā)并使熱管上部冷卻，介質蒸汽遇到冷的壁面凝結成液體，在重力或 管內壁的多孔材料所產生的毛細管力再回流到吸熱段，重新開始吸熱蒸發(fā)過程。實驗裝置 在進行蒸餾、回餾過程中，實驗物質在蒸餾瓶中被加熱，產生的熱蒸汽進入熱管半導體制冷 冷凝器中玻璃套管和配套冷凝管空間內被冷凝，放出的熱量被熱管半導體制冷冷凝器不斷 導出實驗系統之外，實驗系統內的蒸汽被熱管半導體制冷冷凝器不斷的冷凝餾出或回餾。
本發(fā)明帶來的有益效果是1.實現了無冷卻水冷卻，節(jié)約了大量的潔凈自來水。2.減少了依靠循環(huán)冷卻設備冷卻的高額投入。3.實現了比自來水冷卻、無制冷循環(huán)水設備冷卻更低的冷卻溫度。4.克服了自來水冷卻停水時中斷實驗局面，保障了實驗順利進行。5.與有制冷和無制冷的循環(huán)冷卻設備相比，無需制冷劑，無噪聲，無污染，可靠性 高，壽命長，安裝容易。6.通過對熱管半導體制冷冷凝器中半導體制冷元件輸入電流的控制，可實現高精 度冷凝溫度的控制。7.熱管半導體制冷冷凝器結構簡單，易于廣泛普及和推廣，對建設節(jié)水型社會具 有重大意義。


圖1為半導體制冷元件結構及工作原理示意圖。
圖2為筒形半導體制冷元件結構及工作原理示意圖。
圖3為熱· 結構及工作原理示意圖。
圖4為熱· 半導體制冷冷凝器結構示意圖。
圖5為熱· 半導體制冷冷凝器裝配示意圖。
圖6為熱· 半導體制冷J[冷式無水冷凝器及回餾實驗儀器裝置示意圖。
圖7為熱· 半導體制冷J[冷式無水冷凝器及蒸餾實驗儀器裝置示意圖。
圖8為熱· 半導體制冷J[冷式無水冷凝器及攪拌反應實驗儀器裝置示意圖。
圖9為熱· 半導體制冷J[冷式無水冷凝器及旋轉蒸發(fā)儀裝置示意圖。
圖10為熱;管半導體制冷:直冷式無水冷凝器及蒸餾水器裝置示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述半導體制冷元件結構及工作原理如圖1、圖2所示，1-1,2-1為絕緣陶瓷，1_2、2_2 為金屬導體，1-3,2-3為N型及P型半導體，1-4,2-4為直流電源。將直流電源通入半導體 制冷元件后，即刻產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，1-A、2-A 面成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，1-B.2-B面成為熱端。熱管結構及工作原理如圖3所示，3-1為放熱端、3-2為吸熱端，3_3為管殼，3_4 為多孔材料吸液芯，3-5為隔板，3-8為液體介質；當3-2端吸收熱量后，熱管內的液體介質 3-8受熱沸騰或蒸發(fā)，形成蒸汽3-7，在管內一定壓差的作用下，流動到放熱端被冷卻凝結 成液體3-6依靠重力或管內壁的多孔材料所產生的毛細管力再回流到吸熱端，這樣，通過 管內介質的連續(xù)相變，完成了熱量連續(xù)快速的轉移。熱管半導體制冷冷凝器的結構與裝配如圖4、圖5所示熱管半導體制冷冷凝器的安裝首先將熱管4-2下端涂上導熱硅脂插入到筒形半 導體制冷元件4-1的圓筒內，緊密貼合固定；再將固定后的熱管與筒形半導體制冷元件伸 入到玻璃套管4-3內，將玻璃套管開口端插入聚四氟乙烯塞4-4的圓孔緊密固定，熱管穿過聚四氟乙烯塞從平面矩形座4-5中心的圓孔伸出；將熱管伸出部分涂上導熱硅脂，并插 入到散熱器4-6中心的圓孔內，緊密貼合；將散熱風扇4-8安裝于散熱器之上，用固定螺絲 4-7將散熱風扇與聚四氟乙烯塞連接固定；最后，將固定好的整體部分安裝在配套冷凝管 4-13上，聚四氟乙烯塞4-4與配套冷凝管上口 4-12嚴密配合，將半導體制冷元件弓|出的導 線4-11與散熱風扇的導線4-9連接到直流電源4-10上，安裝完成。
實施熱管半導體制冷冷凝器對實驗儀器裝置的直接冷卻將熱管半導體制冷冷凝 器(圖4)安裝在需要冷凝的實驗裝置上，如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示，熱管半導體制 冷冷凝器冷凝管的下口 4-14及側管4-15與實驗儀器裝置的標準口玻璃儀器配套連接。在 進行回餾實驗(圖6)、蒸餾實驗(圖7)、攪拌反應實驗(圖8)、旋轉蒸發(fā)實驗(圖9)以及 制備蒸餾水(圖10)時，接通熱管半導體制冷冷凝器(圖4)上的直流電源410，熱管半導體 制冷冷凝器開始工作。筒形半導體制冷元件4-1的外表面吸收熱量，使熱管半導體制冷冷 凝器中玻璃套管4-3和配套冷凝管4-13空間內的溫度降低；同時，筒形半導體制冷元件的 內表面釋放熱量傳導于熱管4-2下部的吸熱段，熱管吸熱段吸收熱量使熱管內介質蒸發(fā)， 介質蒸汽在管內一定壓差的作用下流動到熱管上部的放熱段，熱量通過散熱器4-6與散熱 風扇4-8散發(fā)并使熱管上部冷卻，介質蒸汽遇到冷的壁面凝結成液體，在重力或管內壁的 多孔材料所產生的毛細管力再回流到吸熱段，重新開始吸熱蒸發(fā)過程。實驗裝置在進行蒸 餾、回餾過程中，實驗物質在蒸餾瓶中被加熱，產生的熱蒸汽進入熱管半導體制冷冷凝器中 玻璃套管和配套冷凝管空間內被冷凝，放出的熱量被熱管半導體制冷冷凝器不斷導出實驗 系統之外，實驗系統內的蒸汽被熱管半導體制冷冷凝器不斷的冷凝餾出或回餾。因而實現 了冷凝實驗儀器長期依靠自來水冷卻的冷凝方法，解決了自來水資源嚴重浪費的問題。
權利要求
1.一種熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置，主要包括蒸餾瓶、反應瓶、冷 凝器、接收瓶、接液管、攪拌器，其特征是所述實驗裝置在冷凝實驗進行中無需冷卻水，由 筒形半導體制冷元件、熱管、散熱器、散熱風扇、聚四氟乙烯塞、玻璃套管、冷凝器直流電源 與配套冷凝管組合構成熱管半導體制冷冷凝器，由熱管半導體制冷冷凝器與實驗儀器裝置 構成直冷式無水冷凝實驗裝置，采取以熱管半導體制冷冷凝器直接對實驗裝置進行冷卻方 式，代替水冷式冷凝器，實施對冷凝實驗裝置的無水冷卻。
2.根據權利要求1所述熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置，其特征是所 述熱管半導體制冷冷凝器中聚四氟乙烯塞與配套冷凝管的上口密切配合，配套冷凝管的下 口與側管口可與實驗儀器裝置的標準口玻璃儀器配套連接；配套冷凝管可以無下口 ；可以 有一個以上側管，其管口方向可以與冷凝管上口一致、相反或垂直。
3.根據權利要求1所述熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置，其特征是所 述熱管半導體制冷冷凝器中聚四氟乙烯塞的一端連接一個平面矩形座，二者為一體結構； 聚四氟乙烯塞的圓心處及平面矩形座中心處開有可供熱管穿過的圓孔，平面矩形座的四角 開有小孔供裝配螺絲裝配用。
4.根據權利要求1或所述熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置，其特征是 所述熱管半導體制冷冷凝器中的玻璃套管為一端開口一端封口結構，開口端可插入聚四氟 乙烯塞的圓孔并緊密連接，玻璃套管可使用普通玻璃或石英玻璃。
5.根據權利要求1所述熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置，其特征是所 述熱管半導體制冷冷凝器中熱管的下端緊密插入筒形半導體制冷元件的孔內，之間涂有傳 導物質。
6.根據權利要求1所述熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置，其特征是所 述熱管半導體制冷冷凝器中熱管的上端緊密插入散熱器中心的孔內，之間涂有傳導物質。
7.根據權利要求1所述熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置，其特征是所 述無水冷凝實驗裝置，可以是回流實驗裝置、蒸餾實驗裝置、攪拌反應實驗裝置、旋轉蒸發(fā) 儀裝置、蒸餾水器裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱管半導體制冷直冷式無水冷凝器及實驗裝置，可廣泛用于化學、化工、制藥、食品、環(huán)境等行業(yè)的科研院所、高等院校、企業(yè)研發(fā)機構。該熱管半導體制冷冷凝器及實驗裝置在實驗進行中無需冷卻水，采取以熱管半導體制冷冷凝器直接對實驗裝置進行冷卻的方式，可用于對回餾、蒸餾、攪拌反應實驗裝置，旋轉蒸發(fā)儀裝置、蒸餾水器裝置的直接冷卻。該熱管半導體制冷冷凝器無污染、無噪聲、無需冷卻介質，能夠徹底解決自來水資源浪費、保障實驗順利進行等問題；實現了比自來水冷卻、無制冷循環(huán)水冷卻更低的冷卻溫度；通過對冷凝器輸入電流的控制，可實現高精度冷凝溫度的控制；熱管半導體制冷冷凝器結構簡單、制造成本低，易于普及推廣。
文檔編號B01L3/16GK102069020SQ20101052667
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月18日 優(yōu)先權日2010年10月18日
發(fā)明者李景峰 申請人:內蒙古師范大學, 李景峰