专利名称：饮用水生成系统和方法
技术领域：
本发明领域涉及水的产生和浄化，尤其涉及从大气湿气中产生饮用水。
背景技术：
水的需求是普遍的，在许多地方，可靠的干净水源不足以满足人类的需求。缺乏干净的水可归因于基础设施损坏，比如地震或洪水造成的供水系统的损坏。缺乏干净的水还可归因于迁移，比如战争期间人口迁徙到难民营。 难以快速有效地提供干净的水。水很重，将水运输到需要水的地区可能会很昂贵。掘井和建立水处理设施需要时间、精力、和设备。当露点(dew point)低时,难以从湿气中获取液态水。需要能够可靠快速地提供干净的水的系统。现有技术公开了在受控的室内环境下从大气湿气中少量收集水的方法和系统，在该室内环境中温度暖和并且湿度水平中等或湿度水平高。
发明内容
本申请公开了在不受控的室外环境下从大气水分中大量收集水的系统和方法，在不受控的室外环境中温度可较低且湿度水平可较低。技术问题存在一些涉及从大气水分或地表水源产生和净化饮用水的挑战。难以提供可移动、容易安装、模块化、无需基础设施供水或供电就能够运转、卫生、在控制接口中设计多元化应用、利用日常维护所需要的最少技术就可维护、针对室外应用当温度起伏时足够坚固耐用、并且当露点低时能够从湿气中产生水的系统。结合了系统、装置和方法来描述和阐述以下实施例及其各个方面，这些实施例和及其各个方面是示意性和阐述性的，并非在范围上进行限制。在各种实施例中，已经減少或消除ー个或多个上述问题，而其他实施例涉及其他改进。技术方案公开了ー些技术方案，以便解决与环境耐受性、能量效率、易于操作、考虑到了运输、以及在低温和低湿度水平下进行操作有关的挑战。在室外区域中通常需要为人类和牲畜产生饮用水。因为系统可安装在没有进行环境控制的室外或设施内，所以环境耐受性是重要的。该系统的实施例设计成承受冻结温度且在接近冻结的低温中运转。一种技术方案包括使用金属过滤外売，该外壳在水冻结或升温时在水膨胀施加的压カ下抗裂。所述系统的实施例可在有一般的温度起伏的室外运转。当露点低时，为了从空气中获取水，蒸发器冷却到水蒸气在该蒸发器表面沉积成冰的点。然后蒸发器循环通过加热阶段，以融化冰并且生成液态水。霜的聚集是有利的，当露点低时霜聚集能够收集水。通常，当相対湿度水平低时露点低。相対湿度为实际湿度量相对于相同的温度和压カ下可能的最大湿度量。因为较冷的空气不保持同样多的水分，所以通常当空气温度低时，露点也低。通过结霜和融化来进行的循环，允许系统在其他不利于通过除湿产生水的条件下，相当有效率地从周围空气中收集水。微生物、重金属、农业的化学副产品以及其他污染物可污染地表水。通过过滤和辐照，可中和或去除这些污染物。一些公开的实施例使用反滲透、碳过滤器、沸石过滤器、臭氧以及紫外光产生供消耗的饮用水。所述系统的实施例设计成抵抗有害生物和昆虫。滤网覆盖通气孔，导管和面板覆盖电线。内部空间易于人工检查。因为所述系统需要电カ来运转，所以能量效率很重要。可限制电カ供应。在ー个实施例中，包括了柴油发电机。在另ー个实施例中，包括了太阳能电池板。在另ー个实施例 中，系统使用风カ涡轮机提供能量。在另ー个实施例中，由常规电カ公用基础设施提供电力。为了保存能量，使用可变压缩机。为了进一歩提高效率，将风扇设置为优化通过系统的气流。利用臭氧、紫外光、化学添加剤、热量、微过滤、或其组合可实现卫生处理。重力可协助液态水流过过滤器。可编程逻辑控制器(PLC)可控制泵的运作。可编程逻辑控制器可对需要电カ的处理进行调节。可对可编程逻辑控制器进行编程，以便优化能量消耗或从一天中与能量消耗高峰相关时间中的能量使用转变成非高峰时间中的能量使用。可预编程能量优化设置或生产优化设置。所述系统可包括多种特征(feature)以方便使用。人机界面可提供多种语言，允许用户选择语言，还可包括象形图标和触摸屏控制。为多输入和多输出来设计可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器有较广温度范围的耐受性、不受电气噪声的影响、并且抗振动和冲击。需要定期更换或手动调整的部分系统设置在可接触的位置。为了便于运输，水系统的实施例设置为适合标准船运集装箱或标准车箱。在ー个实施例中，公开了集成灌装系统(integrated bottling system),便于分配所产生的水。提供ー种收集大气水分的系统，包括压缩机，用于压缩冷却剂；冷凝器，沿着冷却剂流动路径设置，用于从所述压缩机接收高压气态冷却剤，其中该高压气态冷却剂被压缩成低压液态冷却剂并释放热量，然后该冷却剂沿着所述流动路径移动；膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述冷凝器接收液态冷却剤，其中该膨胀阀和毛细管装置调节冷却剂的压力；蒸发器，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述膨胀阀和毛细管装置接收冷却剂并将冷却剂输送给所述压缩机，其中液态冷却剂蒸发为气态冷却剂并且吸收热量，据此该蒸发器的外部表面温度低于露点但高于o°c，该蒸发器能捕获空气中的水蒸气并将水蒸气转化为液态水，液态水自该蒸发器落入底部水箱；此为常态大气水生成过程；但是当环境温度低时，如在冬天且露点接近或低于o°c吋，该蒸发器的外部表面温度低于露点或低于0°c，该蒸发器能捕获空气中的水蒸气并将水蒸气转化为液态水，然后将液态水冷冻为霜，这ー过程为结霜过程，当开始结霜过程吋，经约20分钟后该蒸发器上的霜足够厚，该蒸发器必须开始除霜过程；旁路四通阀分流器，即除霜阀分流器，用于将冷却剂从所述压缩机引入所述蒸发器，而不经过所述膨胀装置，据此，当从所述旁路分流器接收冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度比环境温度高；至少ー个旁路阀，安置在所述旁路分流器上，用于控制冷却剂是否流过该旁路分流器；霜传感器，用于检测所述蒸发器的外部表面上的霜聚集；控制器，用于从所述霜传感器接收输入，并响应于该霜传感器在蒸发器的外部表面上检测到霜聚集来打开所述旁路阀；收集容器，安置在所述蒸发器的下方，用于收集从所述蒸发器落下的液态水和融化冰，从而收集大气水分。还提供ー种收集大气水分的系统，包括压缩机，用于压缩冷却剂；第一热交換器和第二热交換器，沿着冷却剂流动路径设置，其中在第一时间点处，所述第一热交換器起到冷凝器的作用，该冷凝器从所述压缩机接收热冷却剤，其中该冷凝器交换热量，以便冷却沿着所述流动路径移动的冷却剤；膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置在所述第一热交換器和所述第二热交換器之间，用于从所述冷凝器接收冷却剤，其中该膨胀阀和毛细管装置用于调节冷却剂的压力；其中在所述第一时间点处，所述第二热交換器起到蒸发器的作用，该蒸发器用于从所述膨胀装置接收冷却剂并且沿着所述流动路径将冷却剂输送到所述压缩机，其中该蒸发器交换热量并且该蒸发器内的冷却剂吸收热量，据此，当从所述膨胀装置中接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度低，其中该蒸发器的外部表面的温度在低于0°c維持超过20分钟的时长，以促进霜聚集；至少ー个流动引导阀，沿着所述冷却剂流动路径设置；其中所述流动引导阀在所述第一时间点处处于第一配置下；其中所述流动引导阀的第一配置将冷却剂从所述第二热交換器引入所述压缩机，并将冷却剂从所述压缩机引入所述第一热交換器；其中所述流动引导阀在所述第二时间点处 处于第二配置下；其中所述流动引导阀的第二配置将冷却剂从所述第一热交換器引入所述压缩机，并将冷却剂从所述压缩机引入所述第二热交換器，据此，在所述第二点时间点，所述第一热交換器处起到所述蒸发器的作用并且所述第二热交換器起到所述冷凝器的作用；收集容器，安置在所述第一热交換器的下方并在所述第二热交換器的下方，用于收集从所述蒸发器中落下的液态水，从而收集大气水分。还提供ー种在一系统中从大气水分产生饮用水的方法,该系统包括压缩机,用于压缩冷却剂；冷凝器，沿着冷却剂流动路径设置，用于从所述压缩机接收冷却剤，其中所述冷凝器交換热量以便冷却沿着所述流动路径移动的冷却剂；膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述冷凝器接收冷却剤，其中该膨胀装置调节冷却剂的压强；蒸发器，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述膨胀装置接收冷却剂并且将冷却剂输送给所述压缩机，其中该蒸发器交换热量并且该蒸发器内的冷却剂吸收热量，据此，当从所述膨胀装置接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度低；旁路分流器，用于将冷却剂从所述压缩机引入所述蒸发器，而不经过所述膨胀装置，据此，当从该旁路分流器接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度高；至少ー个旁路阀，安置在所述旁路分流器上，用于控制冷却剂是否流过所述旁路分流器；霜传感器，用于检测在所述蒸发器的外部表面上的霜聚集；控制器，用于从所述霜传感器接收输入，并且响应于在所述蒸发器的外部表面上检测到的霜聚集来打开所述旁路阀；收集容器，安置在所述蒸发器的下方，用于收集从所述蒸发器中落下的液态水和融化冰；该方法包括步骤将所述蒸发器的外部表面冷却到低于(TC，其中该蒸发器的外部表面的温度在低于(TC維持超过20分钟的时长，以便促进霜聚集；吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜；然后打开旁路阀，允许冷却剂流穿过所述旁路分流器，从而加热所述蒸发器并融化霜；将融化的霜作为融化的水收集在所述收集容器中；关闭所述旁路阀以阻止冷却剂流过所述旁路分流器；然后，将所述蒸发器的外部表面冷却到低于0°C，其中该蒸发器的外部表面的温度在低于0°C維持超过20分钟的时长，以促进霜聚集；吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜；而后打开所述旁路阀，允许冷却剂流过所述旁路分流器，从而加热所述蒸发器并且融化霜；将融化的霜作为融化水收集在所述收集容器中；使融化水经受净化处理；从而从大气水分产生饮用水。还提供ー种在一系统中从大气水分产生饮用水的方法,该系统包括压缩机,用于压缩冷却剂；冷凝器，沿着冷却剂流动路径设置，用于从所述压缩机接收冷却剤，其中所述冷凝器交換热量以便冷却沿着所述流动路径移动的冷却剤；膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述冷凝器接收冷却剤，其中该膨胀装置调节冷却剂的压力；蒸发器，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述膨胀阀和毛细管装置接收冷却剂并且将冷却剂输送到所述压缩机，其中该蒸发器交换热量并且该蒸发器内的冷却剂吸收热量，据此，当从所述膨胀装置接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度低；旁路分流器，用于将冷却剂从所述压缩机引入所述蒸发器，而不经过所述膨胀装置，据此，当从该旁路分流器接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度高；至少ー个旁路阀，安置在所述旁路分流器上，用于控制冷却剂是否流过所述旁路分流器；控制器，用于打开所述旁路阀；收集容器，安置在所述蒸发器的下方，用于收集从所述蒸发器中落下的液态水和融化冰；该方法包括步骤将所述蒸发器冷却到低于0°C ;吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜；将所述蒸发器维持在低于0°C，直到在该蒸发器的80 %的翅片 上的霜的厚度大于2_ ;而后加热所述蒸发器以融化霜；将融化的霜作为融化水收集在所述收集容器中；使融化水经受净化处理，包括步骤通过选自下列组中的至少两种过滤器来过滤所述融化水反滲透过滤器、碳过滤器、树脂过滤器、离子交换过滤器、吸附过滤器、超滤膜过滤器、微孔陶瓷过滤器、沸石过滤器、硅藻土过滤器、以及微粒过滤器；从而从大气水分产生饮用水。还提供ー种从大气水分收集水的方法，包括步骤确定大气湿度和温度是否低于阈值；如果大气湿度和温度低于阈值，则执行步骤将蒸发器冷却到低于0°c ;吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜；将所述蒸发器维持在低于0°c，直到该蒸发器的80%的翅片上的霜的厚度大于2mm ;而后加热所述蒸发器以融化霜；将融化的霜作为融化水收集在所述收集容器中，从而从大气湿气收集水；以及然后确定大气湿度和温度是否低于阈值；如果大气湿度和温度不低于阈值，则执行步骤将蒸发器冷却到比露点低2°C ;吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜；将所述蒸发器在比露点低2°C下維持一段时间；将冷凝物作为水收集在所述收集容器中；以及然后确定大气湿度和温度是否低于阈值；和从而从大气湿气收集水。还提供ー种在一系统中收集大气水的方法，该系统包括压缩机，用于压缩冷却齐IJ;第一热交換器和第二热交換器，沿着冷却剂流动路径设置，其中在第一时间点处，所述第一热交換器起到冷凝器的作用，该冷凝器从所述压缩机接收热冷却剤，其中该冷凝器交换热量，以冷却沿着所述流动路径移动的冷却剂；膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置在所述第一热交換器和所述第二热交換器之间，用于从所述冷凝器接收冷却齐U，其中该膨胀装置用于调节冷却剂的压力；其中在所述第一时间点处，所述第二热交換器起到蒸发器的作用，该蒸发器用于从所述膨胀阀和毛细管装置接收冷却剂并且沿着所述流动路径将冷却剂输送到所述压缩机，其中该蒸发器交换热量并且该蒸发器内的冷却剂吸收热量，据此，当从所述膨胀装置接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度低，其中该蒸发器的外部表面的温度在低于0°c維持超过20分钟的时长，以促进霜聚集；至少一个流动引导阀，沿着所述冷却剂流动路径设置；其中所述流动引导阀在所述第一时间点处处于第一配置下；其中所述流动引导阀的第一配置用于将冷却剂从所述第二热交換器弓I入所述压缩机，并将冷却剂从所述压缩机引入所述第一热交換器；其中所述流动引导阀在第二时间点处处于第二配置下；其中所述流动引导阀的第二配置用于将冷却剂从所述第一热交換器引入所述压缩机，并将冷却剂从所述压缩机引入所述第二热交換器，据此，在所述第二点时间点处，所述第一热交換器起到所述蒸发器的作用并且所述第二热交換器起到所述冷凝器的作用；收集容器，安置在所述第一热交換器的下方并在所述第二热交換器的下方，用于收集从所述第一热交換器和所述第二热交換器中落下的液态水和融化冰；该方法包括步骤运转所述压缩机，以便冷却剂沿着所述冷却剂流动路径循环；将所述流动引导阀从所述第一配置切換到所述第二配置；继续运转所述压缩机，以便冷却剂沿着所述冷却剂流动路径流动一段时间；而后，将所述流动引导阀从所述第二配置还原到所述第一配置；以及收集落入所述收集容器中的水；从而收集大气水分。有益效果所公开的特征组合的有益效果在于，提供饮用水生成系统，该系统可被运输、安装、并在宽泛的环境中相对容易使用且利用最小的基础设施就可使用。除了上述示意性方面和实施例，參照形成本说明书的一部分的附图，其他方面和实施例将显现出来，其中这几幅图中相同的附图标记表示相对应的部件。
在详细说明本发明公开的实施例之前，要知道的是，因为本发明能够具有其他实施例，所以本发明在其应用中不限于所示的特定装置的详情。參照附图阐述了示意性实施例。这意味着在这里公开的实施例和附图应为阐述性的，而非限制。同样，在本文中使用的术语用于描述目的而非限制目的。图I示出了经过该系统的简化的气流路径和水路径；图2示出了在结霜配置中的简化的冷却剂流动路径；图3示出了在除霜配置中的简化的冷却剂流动路径；图4示出了系统中的另ー简化的冷却剂流动路径，在该系统中冷凝器和蒸发器的功能可反转；图5示出了系统中的另ー简化的冷却剂流动路径，在该系统中冷凝器和蒸发器的功能可反转；图6示出了具有额外的传感器和控制模块的简化的系统；图7示出了包括发电、过滤、储水和灌装特征的系统的实施例；图8为示出了现有技术方法的流程图；和图9为示出了所公开方法之一的流程图。
具体实施例方式图I示出了空气和水流动路径的实施例的简化形式。流入的空气101通过微粒过滤器102进入，然后穿过冷凝器103。冷凝器103比流入的空气101要热，并且空气在冷凝、器103内所包含的工作流体上提供冷却功能。然后空气穿过冷的蒸发器104。在蒸发器104上形成冷凝物或霜。然后风扇设备105将除湿后的空气107吹出空气出ロ 106。在水收集器109中收集了未处理的水108并且将其引向收集容器110。集水泵111推动水穿过第一过滤器112和第二过滤器113。也可使用其他的过滤器以达到期望的結果。多种类型的过滤器可提供有利效果，比如反滲透过滤器、活性碳过滤器、树脂过滤器、离子交换过滤器、吸附过滤器、超滤膜过滤器、微孔陶瓷过滤器、沸石过滤器、硅藻土过滤器以及微粒过滤器。过滤后，水进入保持容器114。在保持容器114中，可通过消毒紫外线装置115、臭氧装置117或者通过添加诸如氯化合物之类的化学品，来促进水安全。水可通过净化水出ロ阀116从保持容器114中引出。如果需要使用该系统来过滤可获取的液态水，那么可通过可选的灰水入口 118将液态水加入该系统。
图2和图3示出了在两种配置下的一个实施例。图2示出了在结霜配置下的简化的冷却剂流动路径，而图3示出了在除霜配置下的简化的冷却剂流动路径。示出了工作流体或冷却剂的循环流动。带箭头的粗线示出了流动路径。在图2中，冷却剂流过蒸发器104、流过压缩机201、流过冷凝器103、流过膨胀装置202、并经蒸发器104返回。穿过膨胀装置202的液体由于压カ减小而膨胀。这种膨胀通常伴随相态变化；冷却剂从液体变成气体并且吸收热量，冷却蒸发器104的外部。在图2中，关闭旁路阀203，没有流体流过旁路分流器204。在图3中，打开旁路阀203并且来自压缩机201的冷却剂流过旁路分流器204。流体在高温下离开压缩机201。热流体穿过旁路阀203和旁路分流器204，压カ和温度基本上未改变。因此，热流体在进入蒸发器104时是热的，并融化可能已经在蒸发器104上形成的冰。图4和图5示出了系统中另一简化的冷却剂流动路径，在该系统中冷凝器和蒸发器的功能可反转。在该实施例中，具有流动引导阀401，在这里显示为四通阀。膨胀装置202可包括一个或多个毛细管402。可反转所述流动，从而蒸发器104和冷凝器103可切換功能。这可以通过由流动引导阀401改变流动路径来进行。此处显示为四通阀的流动引导阀401将压缩机流动回路403连接到选择性地确定工作流体路径的热交換器。图6示出了具有额外的传感器和控制模块的图I的简化的系统。这些传感器和控制模块包括霜传感器601、进气湿度传感器602、进气温度传感器603、收集容器液位传感器604、保持容器液位传感器605、以及调节器或控制器606。各种控制器和/或调节器可从可选的传感器获得输入。各种控制器和调节器可控制系统的各个方面，比如蒸发器温度、阀、膨胀装置、压缩机速度、风扇105、集水泵111、以及下面讨论的该系统的其他方面。图7示出了在标准的20英尺货物集装箱的范围内包括发电、过滤、储水、以及灌装特征的系统的实施例。该集成系统包括至少ー个大气水单元701、柴油发电机702、具有针对气流711的孔的船运集装箱边界墙703、以及至少ー扇门707。集成单元还可包括对水进行灌装、填充、和加盖的单元704，该单元704具有输入输送器705以及瓶输出输送器706。燃料储存器708通过ー个或多个边界墙703与气流进入区域分离，以避免有害气体造成污染。还具有电控制709和维修通道710。图8示出了用于操作现有技术中的大气水生成器的现有技术方法。模拟系统在制冷和空调领域内的类似系统技术中是已知的。在这些现有技术系统中，因为霜可能会阻碍气流，所以期望蒸发器上无霜。图8中示出的现有技术的方法首先进行现有技术的初始步骤801，第一输入步骤的形式为霜传感器信号802，接下来是霜检测的决定点803。如果未检测到霜，那么继续或重复制冷。如果检测到霜，那么开始除霜循环804。图9示出了所公开的方法中ー种需要霜的方法。该方法首先从霜循环初始步骤901开始，第一输入步骤的形式为霜传感器信号802，接下来是霜检测的决定点803。如果未检测到霜，那么继续或重复冷却循环。如果检测到霜，那么启动霜聚集定时器902，接下来是融化循环903。将融化的霜收集为水。可按需要多次重复该方法步骤以收集所需水量。通常參照图1-9 :空气流入系统中。空气被除湿，然后离开该系统。在许多实施例中，空气流过微粒过滤器，然后穿过冷凝器，之后穿过蒸发器，接下来通过风扇区域，最后离开该系统。压缩机使冷却剂或工作流体循环流过冷凝器，流过膨胀装置(比如膨胀阀或可调毛细管阀)，然后流过蒸发器，该蒸发器通常配置为带翅片蒸发器盘管(finned evaporator coil)。工作流体由于穿过膨胀阀进入蒸发器而膨胀，这造成工作流体的状态从液态变成气态，并且工作流体吸收热量，冷却蒸发器。冷却经过蒸发器的空气，这就将该空气的温度降低到其露点或低于其露点，造成水冷凝。如果蒸发器的温度足够低，那么空气降到霜点或霜点以下，造成霜在蒸发器的外表面上沉积。风扇推送过滤后的空气经过蒸发器。从蒸发器滴落的冷凝物来收集水，或者通过将在蒸发器上的霜融化并收集融化的水来收集水。然后产生的水流入容纳箱并进ー步进行浄化、过滤、和处理以产生饮用水。在许多实施例中，空气首先流过冷凝器盘管，然后流过蒸发器盘管。冷凝器是热的，气流协助冷凝器内的工作流体冷却。冷凝器翅片也协助散热。流过蒸发器的空气被冷却。蒸发器翅片为冷凝和霜沉积提供了大的表面面积。在一个实施例中，具有若干个毛细管以将冷却剂引入多个蒸发器部分来协助气体在蒸发器内膨胀并且使气体更有效地冷却。可使用化合物蒸发器和冷凝器，化合物蒸发器和冷凝器上的翅片协助热量转移。毛细管和膨胀阀用作膨胀装置并且可结合在一起。这两者调节冷却剂的压力。一个重要的不同之处在于，调节压カ的毛细管容量是不变的，膨胀阀容量为是变化的。一旦在系统中铜焊了毛细管，那么该毛细管的容量就由其长度和内径固定，在操作过程中不能调节这些因素。膨胀阀可具有可变的孔径或者在一系列脉冲中可将膨胀阀打开为ー个固定的直径。使用一个打开直径，用与控制步进马达相似的原理，由脉冲控制阀门。膨胀阀通过可编程逻辑控制器程序，根据检测到的环境温度和湿度来控制蒸发器温度。可编程逻辑控制器将脉冲发送到膨胀阀，脉冲越多，阀门打开得越大；脉冲越少，膨胀阀打开得越小。当蒸发器非常冷时，在蒸发器的外表面和翅片上会聚集霜。改变工作流体的流动路径，以便给蒸发器除霜。流动路径可具有旁路，该旁路直接始自冷凝器并通过蒸发器运送热工作流体。可替换地，可逆转通过该系统的流体路径。融化翅片上的霜，然后重新开始循环。再次冷却蒸发器，直到形成霜。继续冷却循环，从而在蒸发器翅片上聚集更多的霜。由于霜阻塞气流，所以霜的聚集速度可变慢。然后，阀门重新引导暖的工作流体穿过蒸发器，并且融化霜,然后冷却循环再次开始。为了从空气湿气中有效地收集水，蒸发器表面温度必须比露点或霜点低2_3°C。露点与环境温度、湿度以及压力有夫。通常，当环境温度低于15°C并且湿度低于40%时，露点接近o°c或低于o°c。当露点或霜点接近o°c时,蒸发器表面温度降低到接近o°c或低于(TC。然后，在蒸发器上形成霜，而非冷凝物。在许多实施例中，使用一个或多个传感器来测量环境温度和湿度。计算近似的霜点或露点并由此调节蒸发器温度，以便在冷凝模式或在结霜和除霜循环模式下运行。在一些实施例中，在蒸发器上安装传感器以测量该蒸发器表面温度。如果温度低于-2°c，那么系统将在设定的时段之后开始自动除霜。结霜时间可设为大约30分钟。在霜的厚度够厚的点，系统将开始除霜、融化霜、并生成水。在一些实施例中，针对较高的湿度，结霜期可缩短至5分钟；或者，针对较低的湿度，结霜期可延长至2个小吋。在其他实施例中，传感器检测霜的厚度并且开始融化循环。在检测霜的厚度的实施例中，在传感器检测到预定的结霜级别时，开始融化循环。结霜级别通常设为霜的厚度至少有Imm并小于蒸发器翅片间的距离的一半。在许多实施例中，需要的霜的厚度范围为2mm到6mm之间。在另ー实施例中，通过反转通过系统的冷却剂流，冷凝器和蒸发器可切換功能。冷凝器和蒸发器两者均为热交換器。该系统实质上为回路热交換器、压缩机、其他的热交换 器、膨胀装置、以及返回到开始。通过选择性地将冷却剂从ー个热交換器运送到压缩机中，然后运送到另ー个热交換器，并通过使用四通阀切换顺序，系统可融化来自ー个热交換器的冰，而在另ー个交換器上结霜或促进冷凝。可将风扇放置在沿着空气流动路径的任何地方，从而通过抽吸或吹动空气通过蒸发器来运转风扇。可使用单个风扇或大的风扇组。在一些实施例中，管状风扇组促进了有效的空气流动。风扇与蒸发器平行设置，组内所有风扇与蒸发器的距离都相等。管状风扇为ー种横流式通风机，具有长且窄的形状，因此比较容易安装，管状风扇靠近冷凝器的表面安置，若干个并联的管状风扇可定位为基本上均匀地引导空气穿过热交換器的大面积。可使用其他类型和配置的风扇，包括横流式通风机、离心式鼓风机以及轴流式风扇。所述系统的许多实施例都包括集成式过滤系统。过滤可包括反滲透过滤器、碳过滤器、树脂过滤器、以及微粒过滤器。水处理可包括补充矿物质、pH调整、氯化、以及氟化。对于为牲畜供水而设计的系统，该过滤系统完全是可选的。ー些额外的特征可包括对苏打水、热水、冷水、以及具有调味品和营养物的水进行碳化。调味品和营养物可包括液体培养基、茶、咖啡、草本提取物、矿物质、以及维生素。可在调剂时或刚好在调剂前，包括可选的特征。可有效地设计加热和冷却特征以发挥蒸发器和冷凝器的热量特性优势。所述系统可包括发电单元，比如太阳能电池板、风カ涡轮机或柴油发电机。该系统可包括灌装特征。一些实施例设计成标准尺寸的船运集装箱内的独立装置。特别地，因为这些实施例是独立式的并且要求最小化设置，所以这些实施例可用于快速应对人道主义危机。而且，这些实施例不需要水或电カ基础设施。一些实施例可从大气水分中产生饮用水或者可通过过滤可获得的液态水源产生饮用水。所述水源可包括灰水、来自湖或河流等的地表水、以及城市污水。这些两用系统利用相同的过滤系统。这些双输入系统设计为允许将液态水加入到收集容器内。虽然上面已经讨论了大量的示意性方面和实施例，但是本技术领域的技术人员应由此认识到某些修改、置換、附加和子组合。因此，这意味着被引入的所附权利要求应解释为在其真正的精神和范围内包括所有这些修改、置換、附加和子组合。本文中描述的每台装置实施例都具有大量的等同物。已经使用的术语和措辞是用作描述性的术语而非限制性的术语，使用这些术语和措辞，并不意味着排除示出和描述的特征或部分特征的任何等同物，而应认识到，在本发明的保护范围内可进行各种修改。因此，应该知道的是，虽然优选的实施例和可选的特征已经具体地公开了本发明，但是本技术领域的技术人员可对在本文中公开的发明进行修改和变更，并且这种修改和变更将视为在所附权利要求限定的、本发明的范围内。在本说明书中无 论何时给定的范围，包括在该范围内的所有中间范围、子范围、以及所有单值价值都意味着包括在本发明中。当在本文中使用马库西组(Markush group)或其他分组时,该组的所有独立组件和该组的所有可能的组合及子组合都意味着単独包括在本发明中。
权利要求
1.ー种收集大气水分的系统,包括 压缩机，用于压缩冷却剂； 冷凝器，沿着冷却剂流动路径设置，用于从所述压缩机接收高压气态冷却剤，其中该高压气态冷却剂被压缩成低压液态冷却剂并释放热量，然后该冷却剂沿着所述流动路径移动； 膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述冷凝器接收液态冷却剂，其中该膨胀阀和毛细管装置调节冷却剂的压力； 蒸发器，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述膨胀阀和毛细管装置接收冷却剂并将冷却剂输送给所述压缩机，其中液态冷却剂蒸发为气态冷却剂并且吸收热量，据此该蒸发器的外部表面温度低于露点但高于o°c,该蒸发器能捕获空气中的水蒸气并将水蒸气转化为液态水，液态水自该蒸发器落入底部水箱；此为常态大气水生成过程；但是当环境温度低时，如在冬天且露点接近或低于0°c吋，该蒸发器的外部表面温度低于露点或低于(TC，该蒸发器能捕获空气中的水蒸气并将水蒸气转化为液态水，然后将液态水冷冻为霜， 这ー过程为结霜过程，当开始结霜过程吋，经约20分钟后该蒸发器上的霜足够厚，该蒸发器必须开始除霜过程； 旁路四通阀分流器，即除霜阀分流器，用于将冷却剂从所述压缩机引入所述蒸发器，而不经过所述膨胀装置，据此，当从所述旁路分流器接收冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度比环境温度高； 至少ー个旁路阀，安置在所述旁路分流器上，用于控制冷却剂是否流过该旁路分流器； 霜传感器，用于检测所述蒸发器的外部表面上的霜聚集； 控制器，用于从所述霜传感器接收输入，并响应于该霜传感器在蒸发器的外部表面上检测到霜聚集来打开所述旁路阀； 收集容器，安置在所述蒸发器的下方，用于收集从所述蒸发器落下的液态水和融化冰，从而收集大气水分。
2.根据权利要求I所述的系统，其中该系统进ー步包括环境温度传感器，该环境温度传感器用于测量环境空气温度；和 其中所述膨胀装置具有可变孔径，该可变孔径用于控制冷却剂从所述冷凝器到所述蒸发器的流动速度； 其中该系统进ー步包括调节器，该调节器用于从所述环境温度传感器接收输入并控制所述膨胀装置的可变孔径，从而改变所述蒸发器的外部温度， 其中当所述环境温度传感器測量到低环境空气温度时，所述调节器使所述蒸发器的温度降低到低于0°C。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述低环境空气温度被指定为ー值，该值的低环境温度低于15°C。
4.根据权利要求I所述的系统，其中该系统进ー步包括环境湿度传感器，该环境湿度传感器用于测量环境空气的相対湿度；且 其中所述膨胀装置具有可变孔径，该可变孔径用于控制冷却剂从所述冷凝器到所述蒸发器的流动速度；其中该系统进ー步包括调节器，该调节器用于控制所述膨胀装置的可变孔径，从而改变所述蒸发器的外部温度， 其中所述调节器从所述环境湿度传感器接收输入； 其中当所述环境湿度传感器測量到低环境湿度时，所述调节器使所述蒸发器的温度降低到低于o°c。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述低环境湿度被指定为ー值，该值的相対湿度低于40%。
6.根据权利要求I所述的系统，其中该系统进ー步包括环境湿度传感器，该环境湿度传感器用于测量环境空气的相対湿度；且 其中所述压缩机具有可变频率，该可变频率用于控制对从所述冷凝器传输到所述蒸发器的冷却剂的压缩； 其中该系统进ー步包括调节器，该调节器用于控制所述压缩机的可变频率，从而改变所述蒸发器的外部温度， 其中所述调节器用于从所述环境湿度传感器接收输入；且 其中当所述环境湿度传感器測量到低环境湿度时，所述调节器使所述蒸发器的温度降低到低于o°c。
7.根据权利要求I所述的系统,其中该系统通过进ー步包括过滤外壳、振动不敏感控制器和外部套壳而得到加固，以便在苛刻的环境中使用， 其中该过滤外壳包括不锈钢，且 其中该外部套壳防止害虫和雨雪的损害。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述低环境空气温度被指定为ー值，该值的低环境温度低于10°C。
9.根据权利要求4所述的系统，其中所述低环境湿度被指定为ー值，该值的相対湿度低于30%。
10.ー种收集大气水分的系统,包括 压缩机，用于压缩冷却剤； 第一热交換器和第二热交換器，沿着冷却剂流动路径设置， 其中在第一时间点处，所述第一热交換器起到冷凝器的作用， 该冷凝器从所述压缩机接收热冷却剤，其中该冷凝器交换热量，以便冷却沿着所述流动路径移动的冷却剂； 膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置在所述第一热交換器和所述第二热交換器之间，用于从所述冷凝器接收冷却剤，其中该膨胀阀和毛细管装置用于调节冷却剂的压力； 其中在所述第一时间点处，所述第二热交換器起到蒸发器的作用， 该蒸发器用于从所述膨胀装置接收冷却剂并且沿着所述流动路径将冷却剂输送到所述压缩机，其中该蒸发器交换热量并且该蒸发器内的冷却剂吸收热量，据此，当从所述膨胀装置中接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度低，其中该蒸发器的外部表面的温度在低于0°c維持超过20分钟的时长，以促进霜聚集； 至少ー个流动引导阀，沿着所述冷却剂流动路径设置；其中所述流动引导阀在所述第一时间点处处于第一配置下； 其中所述流动引导阀的第一配置将冷却剂从所述第二热交換器引入所述压缩机，并将冷却剂从所述压缩机引入所述第一热交換器； 其中所述流动引导阀在所述第二时间点处处于第二配置下； 其中所述流动引导阀的第二配置将冷却剂从所述第一热交換器引入所述压缩机，并将冷却剂从所述压缩机引入所述第二热交換器，据此，在所述第二点时间点，所述第一热交换器处起到所述蒸发器的作用并且所述第二热交換器起到所述冷凝器的作用； 收集容器，安置在所述第一热交換器的下方并在所述第二热交換器的下方，用于收集从所述蒸发器中落下的液态水，从而收集大气水分。
11.根据权利要求10所述的系统，进一歩包括 霜传感器，用于检测在每个所述热交換器的外部表面上的霜聚集； 控制器，用于从所述霜传感器接收输入，并且响应于所述霜传感器检测到霜聚集来控制所述流动引导阀在所述第一配置和所述第二配置之间进行切換。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述蒸发器的外部表面的温度在低于0°C維持超过20分钟的时长，以促进霜聚集。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述蒸发器的外部表面的温度在低于-2°C維持超过20分钟的时长，以促进霜聚集。
14.ー种在一系统中从大气水分产生饮用水的方法，该系统包括 压缩机，用于压缩冷却剂； 冷凝器，沿着冷却剂流动路径设置，用于从所述压缩机接收冷却剤，其中所述冷凝器交换热量以便冷却沿着所述流动路径移动的冷却剂； 膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述冷凝器接收冷却剤，其中该膨胀装置调节冷却剂的压强； 蒸发器，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述膨胀装置接收冷却剂并且将冷却剂输送给所述压缩机，其中该蒸发器交换热量并且该蒸发器内的冷却剂吸收热量，据此，当从所述膨胀装置接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度低； 旁路分流器，用于将冷却剂从所述压缩机引入所述蒸发器，而不经过所述膨胀装置，据此，当从该旁路分流器接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度高； 至少ー个旁路阀，安置在所述旁路分流器上，用于控制冷却剂是否流过所述旁路分流器； 霜传感器，用于检测在所述蒸发器的外部表面上的霜聚集； 控制器，用于从所述霜传感器接收输入，并且响应于在所述蒸发器的外部表面上检测到的霜聚集来打开所述旁路阀； 收集容器，安置在所述蒸发器的下方，用于收集从所述蒸发器中落下的液态水和融化冰；该方法包括步骤 将所述蒸发器的外部表面冷却到低于0°C，其中该蒸发器的外部表面的温度在低于(TC維持超过20分钟的时长，以便促进霜聚集； 吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜； 然后打开旁路阀，允许冷却剂流穿过所述旁路分流器，从而加热所述蒸发器并融化霜； 将融化的霜作为融化的水收集在所述收集容器中； 关闭所述旁路阀以阻止冷却剂流过所述旁路分流器； 然后，将所述蒸发器的外部表面冷却到低于0°c，其中该蒸发器的外部表面的温度在低于0°C維持超过20分钟的时长，以促进霜聚集； 吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜； 而后打开所述旁路阀，允许冷却剂流过所述旁路分流器，从而加热所述蒸发器并且融化霜； 将融化的霜作为融化水收集在所述收集容器中； 使融化水经受净化处理； 从而从大气水分产生饮用水。
15.ー种在一系统中从大气水分产生饮用水的方法，该系统包括 压缩机，用于压缩冷却剂； 冷凝器，沿着冷却剂流动路径设置，用于从所述压缩机接收冷却剤，其中所述冷凝器交换热量以便冷却沿着所述流动路径移动的冷却剂； 膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述冷凝器接收冷却剤，其中该膨胀装置调节冷却剂的压力； 蒸发器，沿着所述冷却剂流动路径设置，用于从所述膨胀阀和毛细管装置接收冷却剂并且将冷却剂输送到所述压缩机，其中该蒸发器交换热量并且该蒸发器内的冷却剂吸收热量，据此，当从所述膨胀装置接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度低；旁路分流器，用于将冷却剂从所述压缩机引入所述蒸发器，而不经过所述膨胀装置，据此，当从该旁路分流器接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度高； 至少ー个旁路阀，安置在所述旁路分流器上，用于控制冷却剂是否流过所述旁路分流器； 控制器，用于打开所述旁路阀； 收集容器，安置在所述蒸发器的下方，用于收集从所述蒸发器中落下的液态水和融化冰；该方法包括步骤 将所述蒸发器冷却到低于0°C ； 吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜； 将所述蒸发器维持在低于0°C，直到在该蒸发器的80%的翅片上的霜的厚度大于2mm ； 而后加热所述蒸发器以融化霜； 将融化的霜作为融化水收集在所述收集容器中； 使融化水经受净化处理，包括步骤 通过选自下列组中的至少两种过滤器来过滤所述融化水反滲透过滤器、碳过滤器、树脂过滤器、离子交换过滤器、吸附过滤器、超滤膜过滤器、微孔陶瓷过滤器、沸石过滤器、硅藻土过滤器、以及微粒过滤器； 从而从大气水分产生饮用水。
16.ー种从大气水分收集水的方法，包括步骤 确定大气湿度和温度是否低于阈值；如果大气湿度和温度低于阈值，则执行步骤 将蒸发器冷却到低于0°c ； 吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜； 将所述蒸发器维持在低于0°c，直到该蒸发器的80%的翅片上的霜的厚度大于2mm ； 而后加热所述蒸发器以融化霜； 将融化的霜作为融化水收集在所述收集容器中，从而从大气湿气收集水；以及然后 确定大气湿度和温度是否低于阈值； 如果大气湿度和温度不低于阈值，则执行步骤 将蒸发器冷却到比露点低2V ； 吹动空气经过所述蒸发器，据此在该蒸发器上形成霜； 将所述蒸发器在比露点低2°C下維持一段时间； 将冷凝物作为水收集在所述收集容器中；以及然后 确定大气湿度和温度是否低于阈值；和 从而从大气湿气收集水。
17.—种在一系统中收集大气水的方法，该系统包括 压缩机，用于压缩冷却剂； 第一热交換器和第二热交換器，沿着冷却剂流动路径设置，其中在第一时间点处，所述第一热交換器起到冷凝器的作用，该冷凝器从所述压缩机接收热冷却剤，其中该冷凝器交换热量，以冷却沿着所述流动路径移动的冷却剂； 膨胀阀和毛细管装置，沿着所述冷却剂流动路径设置在所述第一热交換器和所述第二热交換器之间，用于从所述冷凝器接收冷却剤，其中该膨胀装置用于调节冷却剂的压力； 其中在所述第一时间点处，所述第二热交換器起到蒸发器的作用，该蒸发器用于从所述膨胀阀和毛细管装置接收冷却剂并且沿着所述流动路径将冷却剂输送到所述压缩机，其中该蒸发器交换热量并且该蒸发器内的冷却剂吸收热量，据此，当从所述膨胀装置接收到冷却剂时，该蒸发器的外部表面温度较环境温度低，其中该蒸发器的外部表面的温度在低于0°C維持超过20分钟的时长，以促进霜聚集； 至少ー个流动引导阀，沿着所述冷却剂流动路径设置； 其中所述流动引导阀在所述第一时间点处处于第一配置下； 其中所述流动引导阀的第一配置用于将冷却剂从所述第二热交換器引入所述压缩机，并将冷却剂从所述压缩机引入所述第一热交換器； 其中所述流动引导阀在第二时间点处处于第二配置下； 其中所述流动引导阀的第二配置用于将冷却剂从所述第一热交換器引入所述压缩机，并将冷却剂从所述压缩机引入所述第二热交換器，据此，在所述第二点时间点处，所述第一热交換器起到所述蒸发器的作用并且所述第二热交換器起到所述冷凝器的作用； 收集容器，安置在所述第一热交換器的下方并在所述第二热交換器的下方，用于收集从所述第一热交換器和所述第二热交換器中落下的液态水和融化冰；该方法包括步骤运转所述压缩机，以便冷却剂沿着所述冷却剂流动路径循环； 将所述流动引导阀从所述第一配置切換到所述第二配置； 继续运转所述压缩机，以便冷却剂沿着所述冷却剂流动路径流动一段时间；而后，将所述流动引导阀从所述第二配置还原到所述第一配置；以及 收集落入所述收集容器中的水； 从而收集大气水分。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述一段时间为20到30分钟之间。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述压缩机具有可变频率，该可变频率控制从所述冷凝器传输到所述蒸发器的冷却剂的压缩；其中所述系统进ー步包括调节器，该调节器控制所述压缩机的可变频率，从而改变所述蒸发器的外部温度；其中该方法进ー步包括步骤 改变所述蒸发器的外部温度以达到低于o°c的温度。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述系统进ー步包括流入空气传感器，该流入空气传感器測量流入空气的相対湿度和/或流入空气的温度； 其中所述压缩机具有可变频率，该可变频率控制从所述冷凝器传输到所述蒸发器的冷却剂的压缩； 其中所述系统进ー步包括调节器，该调节器控制所述压缩机的可变频率，从而改变所述蒸发器的外部温度； 其中所述调节器从所述环境湿度传感器接收输入；且 其中当所述环境湿度传感器測量到低环境湿度时，所述调节器将所述蒸发器温度降低到低于o°c。
全文摘要
本申请涉及饮用水生成系统和方法。公开了在不受控的室外环境中从大气湿气中大量收集水的系统和方法，在该室外环境中温度低且湿度水平低。当露点低时，为了从空气中获取水，热交换器冷却到水蒸气在其表面上沉积为冰的点。然后该热交换器循环通过加热阶段以融化冰并且生成液态水。霜聚集是有利的。当露点低时，霜聚集能够收集水。所公开的变更提高了效率和环境耐受性。
文档编号E03B3/28GK102733451SQ20121006397
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月12日 优先权日2011年3月11日
发明者亨利-詹姆士·泰勒曼, 韦恩·费雷拉 申请人:蓝色生态有限公司