专利名称：节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学、化工、制药、食品、环境等行业的科研院所、高等院校、企业研发 机构；具体属于实验仪器和设备技术制造领域，尤其涉及一种节水直冷式热管电子冷凝器 及实验装置。
背景技术：
如何从长期困扰我国社会经济发展的水资源匮乏状况中找出一条合理、可行又可 产生积极效果的解决水资源问题的出路，已是当前亟待研究解决的重要课题。因其水资源 的有限，故必须科学合理地用水，各行各业都在探索各种节水措施。减少水的使用量是最传 统也是最有效的一种节水途径。随着科技进步和社会的不断发展，这种节水技术也在不断 改进、提高，对此，各国都积累了较多的经验和做法，在工业用水中方面，已推广蒸汽冷凝回 用、间接冷却水循环利用、污水处理回用等节水技术；在农业灌溉节水技术的应用，世界农 业灌溉节水技术经过了地面灌溉、喷灌、微灌(滴灌及微喷灌)及渗灌等发展过程，目前已 达到较高的技术水平；在城市建筑及生活用水方面，大力推广中水回用技术、防渗漏技术及 节水型器具、卫生洁具，提高用水重复利用率。然而，对于科研院所、学校实验室等研究教育机构实验用水的浪费却无人问津，没 有引起社会足够的重视。实验室在进行科学研究、实验教学、纯水制备等需要冷却水的实验 中，普遍使用自来水直接通入实验装置，实验过程中自来水大量排放，白白浪费了许多珍贵 的洁净水。因此，科学研究、教育行业节水应当成为科研人员、教育工作者及全社会非常值 得关注的问题。许多科学研究及实验内容使用实验仪器进行实验时，样品的合成、分离、浓缩普遍 要涉及到蒸馏、回馏方法，这就需要用冷却水对冷凝器进行冷却，一般都是直接将自来水通 入到仪器的冷凝器上，自来水进入冷凝器使冷凝器温度降低，自来水吸收热量后从冷凝器 排出直接放掉，造成水资源的严重浪费。以有机化学实验中的蒸馏实验为例，满足最低冷却 温度要求时，冷却水的流速大约为每分钟2升，一套实验装置把自来水作为废水排放的水 量为每小时120升，每组实验学生人数30名，就要用30套实验装置，每完成一个有机实验 的平均时间约为6小时，那么完成一个实验，就平均排放了 21. 6吨洁净自来水。而这只是一 所院校一个实验室中一个实验项目的用量，如果以全国院校、实验室、实验项目的数量来统 计将是一个十分惊人的数字。除此之外，全国从事科学研究实验教学的科研院所及院校实 验用纯水配置了不少纯水蒸馏设备，每小时产1. 6升纯水，要消耗掉120升冷却用自来水， 制备一桶20升纯水则需耗费1. 5吨洁净自来水，另外还要耗费37. 5度电能；由此可以看出 每升纯水的制作成本。并且有时遇到突然停水时，必须立即停止实验，给正常的科学研究及 实验教学带来极大的不便。目前用于实验室的循环水装置也有多种，普遍使用的是不带制 冷系统的循环水泵，但使用一段时间后水温逐渐升高，失去冷却效果；有带压缩机制冷系统 的循环水机，但这类循环水冷却设备耗电量大，价格高，虽然冷却效果好，但实验运行成本 高，难以在科学研究、实验教学中得到广泛的普及和推广。
3
热管又名热导管或超导管。热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的 G. M. Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快 速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知 金属的导热能力。在上个世纪70年代后，热管才由理论阶段进入应用阶段，但由于技术的 不成熟以及高昂的成本，当时使用范围仅仅限制在航天、核电等高端技术领域。当时在太空 中运行的航天器由于其面向太阳和背向太阳的部件温差太大，导致其无法正常工作且容易 损坏，利用热管技术使其达到热平衡良好地解决了这个问题。进入80年代后，随着技术的 不断完善及成本的降低，热管技术开始广泛的进入大专院校、科研院所、民用工业、大型工 业设备以及生产上。热管(heat tube)，按较精确的定义，应称之谓“封闭两相传热系统”，即在一个封 闭的体系内，依靠流体的相态变化(液相变为汽相或汽相变为液相)来传递热量的装置。 众所周知，当某种介质由液相变为汽相(如水蒸发或沸腾)时，会吸收热量；而当介质由汽 相变为液相(如蒸汽的凝结)时，会放出热量。将这两种过程巧妙地结合在一起，并置于封 闭的容器内，就构成了一个先进的传热元件——热管了。热管的典型结构是由一个园筒状 的容器，内部衬以多孔性的材料，将容器内部抽成某种程度的真空，然后注入一定量的液体 (介质)并将容器密封起来。目前热管技术被广泛应用在宇航、军工、石油、化工、冶金、机 械、电力、电子、煤炭、铁路、通讯、纺织、家电、IT产品等领域。电子制冷又称半导体制冷，或者热电制冷、温差电制冷，是从50年代发展起来的 一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成 热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收 式制冷并称为世界三大制冷方式。如今技术的发展使电子制冷的优势逐步显现出来。电子 制冷是一种固体制冷方式，它是靠空穴和电子在运动中直接传递热量来实现的。与压缩机 制冷系统相比，没有机械转动部分，无需制冷剂，无噪声，无污染，可靠性高，寿命长，而且可 电流反向加热，易于恒温控制等等。现在电子制冷技术已在军事、科学、航空航天、工业、农 业、医疗卫生、生化和日常生活用品等许多领域得到较广泛的应用，特别是随着我国经济建 设的快速发展以及对环境保护越来越高的要求，逐步禁止污染大气、破坏臭氧层的氟利昂 作为制冷剂，电子制冷技术更呈现出诱人的前景。电子制冷，是当之无愧的21世纪新的绿 色“冷源”。
发明内容
本发明的目的在于有效利用热管传递热量及电子制冷技术的功能与特征，提供一 种无需冷却水冷凝既可进行蒸馏、回馏实验和纯水生产的节水直冷式热管电子冷凝器及实 验装置；该热管电子冷凝器无污染、无噪声、无需冷却介质，可以满足需要冷凝实验装置的 冷却；并能够彻底解决自来水资源浪费、保障实验顺利进行等问题；装置结构简单，易于广 泛普及和推广，对建设节水型社会具有重大意义。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的一种节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，主要包括蒸馏瓶、反应瓶、冷凝器、 接收瓶、接液管、搅拌器等组成。所述实验装置在实验进行中无需冷却水冷凝，冷凝器是由 热管电子制冷器与配套冷凝管组合而成，由热管电子冷凝器与实验仪器装置构成节水直冷式冷凝器实验装置，采取以热管电子冷凝器直接对实验装置进行冷却方式，代替水冷式冷 凝器，实施对冷凝实验装置的冷却。本发明的技术问题还由如下方案来实现所述热管电子制冷器由散热风扇、散热器、电子制冷元件、热管、热管管座、聚四氟 乙烯塞、玻璃套管、依次按顺序装配而成。所述配套冷凝管上口为热管电子制冷器的插入 口，与热管电子制冷器上的聚四氟乙烯塞密切配合，下口与侧管可与实验仪器装置的标准 口玻璃仪器配套连接；配套冷凝管可以无下口 ；可以有一个以上侧管，其管口方向可以与 冷凝管上口一致、相反或垂直。所述热管电子制冷器中的热管管座，由可紧密安装热管的金 属圆筒与矩形金属片构成，二者固定为一体，采用对温度传导性能好的金属铜或金属铝材 料制成。所述热管电子制冷器中聚四氟乙烯塞的一端连接一个平面矩形座，二者为一体结 构；聚四氟乙烯塞的圆心处及平面矩形座中心处开有可供热管穿过的圆孔，平面矩形座中 间有可使热管管座嵌入的凹槽；平面矩形座的四角开有小孔供装配螺丝装配用。平面矩形 座的四角开有小孔供装配螺丝装配用。所述热管电子制冷器中的玻璃套管为一端开口一端 封口结构，开口端可插入聚四氟乙烯塞另一端的圆孔并紧密连接，玻璃套管可使用普通玻 璃或石英玻璃。所述热管电子制冷器中的散热器与电子制冷元件的热端紧密贴合，之间涂 有传导物质。所述热管电子制冷器中热管管座的矩形金属片与电子制冷元件的冷端紧密贴 合，之间涂有传导物质。所述冷凝实验装置，可以是回馏实验装置、蒸馏实验装置、搅拌反应 实验装置、旋转蒸发仪装置、蒸馏水器装置。热管工作原理是将热管的一端加热，另一端冷却，热管内部将开始两相传热过程。 加热段的介质会沸腾或蒸发，吸收汽化潜热，由液体变为蒸汽。产生的蒸汽在管内一定压差 的作用下，流动到冷却段，蒸汽遇到冷的壁面会凝结成液体，同时放出汽化潜热，通过管壁 传给外面的冷源。冷凝下来的液体依靠重力或管内壁的多孔材料所产生的毛细管力再回流 到加热段，重新开始蒸发吸热过程。这样，通过管内介质的连续相变，完成了热量的连续转 移。电子制冷元件的制冷原理是利用半导体材料的珀尔帖效应，当直流电通过两种不 同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制 冷的目的。它由两片陶瓷片与其中间的N型和P型半导体材料组成，这个半导体元件在电 路上是用串联形式连接组成。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对 时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的 接头吸收热量，成为冷端，由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。本发明的工作原理进行实验时，首先将热管电子制冷器与实验相配套的冷凝管 安装于实验装置上，接通散热风扇和电子制冷元件直流电源，热管电子冷凝器开始工作，电 子制冷元件热端产生的热量通过散热器与散热风扇散发热量；电子制冷元件冷端吸收热量 温度降低传导于热管冷凝段上，热管内的介质蒸汽被冷凝为低温液体，并依靠重力或管内 壁的多孔材料所产生的毛细管力再回流到热管的吸热段，低温介质液体使热管吸热段管壳 温度降低，同时使玻璃套管和冷凝管空间内的温度降低。实验装置在进行蒸馏、回馏过程 中，实验物质在蒸馏瓶中被加热，产生的热蒸汽进入冷凝管和热管电子制冷器之间的低温 空间中被冷凝，放出热量；热管吸热段吸收热量使热管内介质蒸发，介质蒸汽在管内一定压 差的作用下流动到冷却段，蒸汽遇到冷的壁面会凝结成液体，同时放出汽化潜热，热量通过热管冷凝段管壳放出，被电子制冷元件冷端吸收并传导给电子制冷元件热端散发；这样就 将实验体系内的热量不断导出实验系统之外，实验体系内的蒸汽被热管电子冷凝器不断的 冷凝蒸馏或回馏。本发明带来的有益效果是1.实现了无冷却水冷却，节约了大量的洁净自来水。2.减少了依靠循环冷却设备冷却的高额投入。3.实现了比自来水冷却、无制冷循环水设备冷却更低的冷却温度。4.克服了自来水冷却停水时中断实验局面，保障了实验顺利进行。5.与有制冷和无制冷的循环冷却设备相比，没有机械转动部分，无需制冷剂，无噪 声，无污染，可靠性高，寿命长，安装容易。6.通过对热管电子冷凝器中电子制冷元件输入电流的控制，可实现高精度冷凝温 度的控制。7.热管电子冷凝器结构简单，易于广泛普及和推广，对建设节水型社会具有重大
眉、ο
图1为热管电子制冷器结构示意图。图2为配套冷凝管结构示意图。图3为热管电子冷凝器结构示意图。图4为热管电子冷凝器装配示意图。图5为热管电子冷凝器及回馏实验仪器装置示意图。图6为热管电子冷凝器及蒸馏实验仪器装置示意图。图7为热管电子冷凝器及搅拌反应实验仪器装置示意8。为热管电子冷凝器及旋转蒸发仪装置示意图。图9为热管电子冷凝器及蒸馏水器装置示意图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述热管电子制冷器、配套冷凝管、热管电子冷凝器的结构与装配如图1、图2、图3、图 4所示热管电子制冷器的安装首先将玻璃套管1-7紧密安装在聚四氟乙烯塞l_5b端 上，将热管1-6的冷凝段l_6a紧密安装在热管管座1-4的金属圆筒l_4b内，然后将热管1_6 插入四氟乙烯塞1-5中心孔内、伸入到玻璃套管1-7中，热管管座1-4的矩形金属片l_4a 嵌入聚四氟乙烯塞1-5上平面矩形座l_5a端的凹槽内；在热管管座的矩形金属片l_4a端 面涂上导热硅脂，然后将电子制冷元件1-3的冷端l_3b与热管管座的矩形金属片l_4a端 紧密贴合；在电子制冷元件1-3的热端l_3a上涂上导热硅脂，将散热器1-2与电子制冷元 件1-3的热端l_3a紧密贴合；然后将散热风扇1-1安装在散热器1-2上，最后用装配螺丝 1-8通过散热风扇1-1与聚四氟乙烯塞1-5相连的平面矩形座l_5a将整体连接固定，热管 电子制冷器1的安装完成，如图1所示。
6
热管电子冷凝器安装将热管电子制冷器1插入配套冷凝管2中，热管电子制冷器 1上的聚四氟乙烯塞1-5的l_5b端与配套冷凝管2上口 2-1形成严密配合，再将直流电源 3与热管电子制冷器1的电子制冷元件1-3及散热风扇1-1用导线连接，构成了热管电子冷 凝器，如图3所示。实施热管电子冷凝器对实验仪器装置的直接冷却将热管电子冷凝器(图3)安装 在需要冷凝的实验装置上，如图5、图6、图7、图8、图9所示，热管电子冷凝器冷凝管2的下 口 2-3与侧管2-2可与实验仪器装置的标准口玻璃仪器配套连接。在进行回馏实验(图5)、 蒸馏实验(图6)、搅拌反应实验(图7)、旋转蒸发实验(图8)以及制备蒸馏水(图9)时， 接通热管电子制冷器1上散热风扇1-1和电子制冷元件1-3的直流电源3，热管电子冷凝器 开始工作，电子制冷元件1-3热端l_3a产生的热量通过散热器1-2与散热风扇1_1散发热 量；电子制冷元件1-3冷端l_3b吸收热量温度降低传导于热管管座1-4及热管1-6的冷凝 段l_6a端，热管内的介质蒸汽被冷凝为低温液体，并依靠重力或管内壁的多孔材料所产生 的毛细管力再回流到热管的吸热段l_6b端，低温介质液体使热管吸热段管壳温度降低，同 时使玻璃套管1-7和冷凝管2空间内的温度降低。实验装置在进行蒸馏、回馏过程中，实验 物质在蒸馏瓶中被加热，产生的热蒸汽进入冷凝管2和热管电子制冷器1之间的低温空间 中被冷凝，放出热量；热管吸热段l_6b吸收热量使热管内介质蒸发，介质蒸汽在管内一定 压差的作用下流动到冷却段l_6a，蒸汽遇到冷的壁面会凝结成液体，同时放出汽化潜热，热 量通过热管冷凝段管壳放出，被电子制冷元件1-3冷端l_3b吸收并传导给电子制冷元件热 端l_3a散发；这样就将实验体系内的热量不断导出实验系统之外，实验体系内的蒸汽被热 管电子冷凝器不断的冷凝蒸馏或回馏。
权利要求
一种节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，主要包括蒸馏瓶、反应瓶、冷凝器、接收瓶、接液管、搅拌器，其特征是所述实验装置在实验进行中无需冷却水冷凝，冷凝器是由热管电子制冷器与配套冷凝管组合而成，由热管电子冷凝器与实验仪器装置构成节水直冷式冷凝器实验装置，采取以热管电子冷凝器直接对实验装置进行冷却方式，代替水冷式冷凝器，实施对冷凝实验装置的冷却。
2.根据权利要求1所述节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，其特征是所述热管 电子制冷器由散热风扇、散热器、电子制冷元件、热管、热管管座、聚四氟乙烯塞、玻璃套管、 依次按顺序装配而成。
3.根据权利要求1所述节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，其特征是所述配套 冷凝管上口为热管电子制冷器的插入口，与热管电子制冷器上的聚四氟乙烯塞密切配合， 下口与侧管可与实验仪器装置的标准口玻璃仪器配套连接；配套冷凝管可以无下口 ；可以 有一个以上侧管，其管口方向可以与冷凝管上口一致、相反或垂直。
4.根据权利要求2所述节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，其特征是所述热管 电子制冷器中的热管管座，由可紧密安装热管的金属圆筒与矩形金属片构成，二者固定为 一体，采用对温度传导性能好的金属铜或金属铝材料制成。
5.根据权利要求2所述节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，其特征是所述热管 电子制冷器中聚四氟乙烯塞的一端连接一个平面矩形座，二者为一体结构；聚四氟乙烯塞 的圆心处及平面矩形座中心处开有可供热管穿过的圆孔，平面矩形座中间有可使热管管座 嵌入的凹槽；平面矩形座的四角开有小孔供装配螺丝装配用。
6.根据权利要求2或5所述节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，其特征是所述 热管电子制冷器中的玻璃套管为一端开口一端封口结构，开口端可插入聚四氟乙烯塞另一 端的圆孔并紧密连接，玻璃套管可使用普通玻璃或石英玻璃。
7.根据权利要求2所述节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，其特征是所述热管 电子制冷器中的散热器与电子制冷元件的热端紧密贴合，之间涂有传导物质。
8.根据权利要求2或4所述节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，其特征是所述 热管电子制冷器中热管管座的矩形金属片与电子制冷元件的冷端紧密贴合，之间涂有传导 物质。
9.根据权利要求1所述节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，其特征是所述冷凝 实验装置，可以是回流实验装置、蒸馏实验装置、搅拌反应实验装置、旋转蒸发仪装置、蒸馏 水器装置。
全文摘要
本发明公开了一种节水直冷式热管电子冷凝器及实验装置，可广泛用于化学、化工、制药、食品、环境等行业的科研院所、高等院校、企业研发机构。该热管电子冷凝器及实验装置在实验进行中无需冷却水，冷凝器是由热管电子制冷器与配套冷凝管组合而成，采取以热管电子冷凝器直接对实验装置进行冷却方式，可用于对回馏、蒸馏、搅拌反应实验装置，旋转蒸发仪装置、蒸馏水器装置的直接冷却。该热管电子冷凝器无污染、无噪声、无需冷却介质，能够彻底解决自来水资源浪费、保障实验顺利进行等问题；实现了比自来水冷却、无制冷循环水冷却更低的冷却温度；通过对电子制冷元件输入电流的控制，可实现高精度冷凝温度的控制；装置结构简单，易于普及和推广。
文档编号F25B21/02GK101966474SQ20101050117
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者李景峰 申请人:李景峰;内蒙古师范大学