一种控温除湿装置及方法与流程

本发明属于制冷除湿领域，具体涉及一种可用于测试设备和小空间的控温除湿装置及方法。

背景技术：

为保证仪器的精度和稳定性，仪器中很多器件、部件对其周围的局部环境温度和湿度有着确定的要求，特别是对于自身含有热源且对温湿度比较敏感的仪器而言。而随着仪器的小型化、轻型化的发展，仪器所处的空间越来越小，因此研究小空间的控温除湿系统是十分有意义的。

在小空间的控温方面，传统的液体汽化制冷的方法，不仅结构复杂、能源消耗大，而且采用的制冷剂对环境也会产生污染。相对而言，半导体制冷技术则具有结构简单、体积小、无噪声、无磨损，而且寿命长、可靠性高、对环境没污染等优点。而且这种技术还可以应用在小空间除湿方面，且没有传统的化学干燥剂必须及时更换以及再生和湿度不能实现自动控制的问题。我国许多学者对小空间的半导体控温、除湿做了一些实验研究，但是，将半导体制冷技术同时用于小空间的控温除湿却鲜有人做过。

温差电效应发生同时包含五种不同效应，其中塞贝克效应、帕耳帖效应和汤姆逊效应三种效应是可逆的，表明电和热能是可以相互转换的；而另外两种效应即焦耳和傅立叶效应是不可逆的。当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象，这是法国人帕耳帖最早发现的，1834年首次发表于法国《物理和化学年鉴》上，因此这个现象称为帕耳帖效应。

帕耳帖效应是塞贝克效应的逆过程。直流电回路时，回路的一端吸收热量，另一端则放出热量。吸热量称为帕耳帖热，它正比于电流I。像塞贝克系数一样，帕耳帖系数π_ab也取决于一对材料，对帕耳帖系数π_ab也有一个规定符号的问题，这必须与α_ab一致。α_ab称为塞贝克系数，又称为材料对的温差电动势率。通常，若材料a对材料b为正，当热电偶在冷接点断开时，α_ab为正。同样，当材料a对材料b在温差电势上为正时，π_ab为正。这样，若a至b的电流为正，则在接点上产生电势Q_p。这种效应是与半导体制冷有关的主要效应。帕耳帖常数的大小，取决于构成回路的节点温度和材料的性质，其数值可由塞贝克系数α_ab和节点处的绝对温度得出：

π_ab＝α_abI (1)

对于半导体热电偶，帕耳帖效应特别显著。当电流方向从空穴半导体流向电子半导体p→n时，接头处温度升高并放出热量；反之，接头处温度降低并从外界吸收热量。由于半导体内有两种导电机构，它的帕耳帖效应不能只用接触电位差来解释，否则将得出与上述事实截然相反的结论。

如图1所示为现有技术中半导体制冷物理模型，分别把p型半导体元件和n型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个接头处，电流方向是n→p，温度下降并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个接头处，电流方向是p→n，温度上升并且放热，因此是热端。这就是最简单的半导体制冷物理模型。

技术实现要素：

针对现有技术的不足之处，本发明将半导体制冷技术应用到测试设备和小空间的控温除湿中，不仅能将湿度明显降低，又可以减小操作复杂度。

本发明的技术方案为：

一种控温除湿装置，包括密封盒1，密封盒1表面设置有空气入口5，密封盒1内设置有湿度计，还包括设置于密封盒1内的制冷片2，分别紧贴在制冷片2热端和冷端的热管系统3，热管系统3表面设置有散热片4，热管系统3两侧设置有风扇6。

具体的，所述制冷片2采用4芯片的制冷片。

具体的，所述散热片4为密致铝翅片，翅片上附着有固体吸湿材料。

具体的，所述制冷片2的散热端紧贴水冷头7，所述水冷头7与水泵8通过抽水管道和出水管道相连，水泵8中的冷水通过抽水管道抽进水冷头7，水冷头7内升温后的水通过出水管道排出到水泵8。

一种控温除湿方法，包括如下步骤：

步骤一：被处理空气经过空气入口5进入密封箱1；

步骤二：被处理空气与制冷片2冷端一侧的散热片4上的固体吸湿材料直接接触传递热量与质量，被处理后的再生空气温度降低、含湿量下降，此时制冷片2冷端一侧散热片4上的固体吸湿材料温度升高、含湿量上升；

步骤三：经步骤二处理后的再生空气通过风扇6传输至制冷片2热端，与制冷片2热端一侧的散热片4上的高温、高含水率的固体吸湿材料接触带走固体吸湿材料吸附的水分并降低固体吸湿材料的温度，实现固体吸湿材料的再生过程，此时制冷片2热端一侧的空气温度升高、含湿量上升；

步骤四：半个周期后改变制冷片2内半导体中的电流方向，实现制冷片2热端与冷端的交换；

步骤五：重复步骤二至步骤四。

本发明的有益效果为：本发明采用半导体制冷除湿，能防止精密测试中测试夹具和测试样品结霜的问题；尤其是在小空间中的除湿，不仅能将湿度明显降低，又可以减小操作复杂度，待处理的湿空气由风扇6的作用流经半导体制冷器2的冷端，经冷凝除湿后，循环进入制冷器2的热端，能够有效改善热端的散热情况，降低热端的温度，一定程度上提高了半导体的制冷性能；通过改变半导体中的电流方向，同时旋转半导体片与热管翅片散热系统，达到两侧固体吸湿材料除湿与再生工况的转换，完成整个处理过程的循环使得制冷片2冷端制冷量和热端的散热量均得到了有效的利用。

附图说明

图1为半导体制冷物理模型。

图2为本发明提供的半导体控温除湿模型。

图3为本发明提供的一种控温除湿装置示意图。

图4为本发明提供的一种控温除湿装置结构图。

具体实施方式

假设待处理的空气为状态点1，吸收制冷端产生的冷量冷凝除湿后变为状态点2，风扇作用强制将处理后的空气通过半导体制冷器的热端，吸热升温后变为状态点3。制冷除湿过程中，湿空气的含湿量由d₁降为d₂，温度由t₁冷却为t₂，除湿量为：

m＝m_da1d₁-m_da2d₂ (2)

式中：m_da1，m_da2分别为状态点1、2干空气的质量流量，单位为kg/s；d₁、d₂分别为状态点1、2含湿量，单位为g/(kg干空气)；而m_da1＝G/v₁，m_da2＝G/v₂，G为湿空气体积流量，单位为m³/s；v₁、v₂分别为空气状态点1，2的比容，单位为m³/kg。

根据以上原理，本发明提出的一种控温除湿装置将半导体制冷与热管散热系统、固体吸附剂结合，如图2所示为模型系统图，包括密封盒1，密封盒1表面设置有空气入口5，密封盒1内设置有湿度计，还包括设置于密封盒1内的制冷片2，分别紧贴在制冷片2热端和冷端的热管系统3，热管系统3表面设置有散热片4，热管系统3两侧设置有风扇6。制冷片2两侧半导体片分别紧密相连的热管系统3上有密致铝翅片，同时翅片上附着有固体吸湿材料。被处理空气经过冷端风道与固体吸湿材料直接接触传递热量与质量，被处理空气温度降低、含湿量下降；再生空气经由热端风道与高温、高含水率的固体吸湿材料接触并带走其吸附的水分，实现固体吸湿材料的再生过程。经过半个周期，改变半导体中的电流方向，同时通过旋转半导体片与热管翅片散热系统，达到两侧固体吸湿材料除湿与再生工况的转换，完成整个处理过程的循环。半导体制冷方式的冷端制冷量和热端的散热量均得到了有效的利用，其冷端的制冷量用于冷却固体吸湿剂、提高其除湿能力，热端的热量用于加热固体吸湿剂、作为其再生的热源。

半导体制冷技术来除湿可以分为升温除湿和冷却除湿两种。升温除湿过程为通过半导体制冷片给湿空气加热使得温度升高从而使得相对湿度降低。冷却除湿过程为湿空气与半导体制冷片冷端表面接触后温度降低，当降至露点温度时相对湿度达到饱和准确状态，如果继续降温至将有水蒸气凝结为水析出，通过降低其绝对湿度从而使得相对湿度降低。待处理的湿空气由风扇6的作用流经半导体制冷器2的冷端，经冷凝除湿后，循环进入制冷器2的热端，能够有效改善热端的散热情况，降低热端的温度，一定程度上提高了半导体的制冷性能。

本发明的控温除湿方法包括：将被处理空气经过空气入口5与制冷片2冷端一侧的散热片4上的固体吸湿材料直接接触传递热量与质量，被处理空气温度降低，含湿量下降；经处理后的再生空气经风扇6传输至与制冷片2热端一侧的散热片4上的高温、高含水率的固体吸湿材料接触并带走其吸附的水分，实现固体吸湿材料的再生过程；半个周期后改变制冷片2内半导体中的电流方向，同时旋转控温除湿装置，实现制冷片2热端与冷端的交换。

根据帕尔帖效应、傅立叶效应和焦耳效应得到半导体两端的制冷量与产热量与其冷热端温度、电流关系为：

式中：Q_c、Q_h为冷端制冷量与热端产热量，单位为W；T_c、T_h为冷端和热端的温度，N为热电堆中半导体对的个数；I为每级半导体的输入电流，单位为A；α为两端温差电动势率之差，单位为v/K；ρ为电阻率，单位为Ω·m；k为导热系数，单位为W/(m·k)；G为半导体对的形状因子，单位为m。

冷热端空气能量和质量守恒方程分别为：

G_aρ_ac_vaΔt_a＝hF(t_d-t_{a_aver}) (5)

G_aρ_aΔd_a＝h_mF(d_d-d_{a_aver}) (6)

式中：h为空气与固体吸附剂间的对流传热系数，单位为W/(m·k)；h_m为空气与固体吸附剂间的对流传质系数，单位为kg/m²；F为空气与固体吸附剂的接触面积，单位为m²；t_d、t_{a_aver}为固体吸附剂温度、空气进出口平均温度，单位为℃；d_d、d_{a_aver}，为固体吸附剂表面平衡态空气含湿量、空气进出口平均含湿量，单位为kg/(kg/干空气)；Δt_m为空气进出口温度变化，单位为℃；Δd_a为空气进出口含湿量变化，单位为kg/(kg/干空气)；G_a、ρ_a、c_va分别为风量，单位为m³/s，空气的密度，单位为kg/m³，空气的比热容，单位为J/(kg·K)。

固体材料的能量和质量守恒方程分别为式(7)和式(8)，其中吸附热可由式(9)得到。

q_st＝h_mF(d_{a_aver}-d_d)×r(1+0.2843×exp(-10.28×W)) (9)

式中M_d为附着在翅片上固体吸附材料的质量，单位为kg；W为固体吸附材料的含水率，单位为kg/kg；K为固体吸附剂与翅片间的换热系数，单位为W/(m²·K)；Fˊ为固体吸附剂与翅片的接触面积，单位为m²；r为水的气化潜热，单位为J/kg。

制冷的效率与散热端的散热能力有很大的关系，基于本设计采用了4芯片的制冷片，散热端采用水冷散热。制冷片2的散热端紧贴水冷头7，所述水冷头7与水泵8通过抽水管道和出水管道相连，水泵8中的冷水通过抽水管道抽进水冷头7，水冷头7内升温后的水通过出水管道排出到水泵8，构成回流。

如图4所示为本发明的一种优选实施例，密封箱的外形尺寸为18cm*14cm*7.5cm，除湿空间大小为18cm*14cm*7.5cm，风扇尺寸为4cm*4cm*1cm，制冷片型号选择TEC1-12706。

针对精密测试中制冷情况下测试样品和测试夹具结霜问题，采用半导体制冷除湿，能防止测试夹具和测试样品结霜，尤其是在小空间中的除湿，不仅能将湿度明显降低，又可以减小操作复杂度。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。