专利名称：无冷却水直冷式电子冷凝器及实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及化学、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，尤其涉及一种无冷却水直冷式电子冷 凝器及实验装置。
背景技术：
水是人类赖以生存和发展的重要资源之一，是不可缺少、不可代替的特殊资源。没 有水就没有生命，就没有文明的进步、经济的发展和社会的稳定。世界上的水资源是有限 的，经济和社会的发展必须与水的供应相适应，不能无限制地采水用水，不能超越水资源的 承载能力。当今世界，随着人口的不断增长和经济的不断发展，淡水资源的需求量不断增 加；同时，由于不合理的利用，本来短缺的淡水资源日益紧张。水资源是21世纪稀缺的基础 自然资源，是一个国家或一个区域综合国力的有机组成部分，是社会经济发展中的重要战 略性经济资源。水资源短缺问题是当前我国社会经济可持续发展最突出的问题之一，在《中 国21世纪议程——中国21世纪人口、环境与发展白皮书》中将节约用水作为一项重要国策 提出来，指出节约用水是我们解决水资源短缺的首要问题，加强全民节水意识，加大节水科 技投入，推广行之有效的节水技术与措施，全面深入地开展节水工作，最大限度地提高用水 效率已是刻不容缓的事情。如何从长期困扰我国社会经济发展的水资源匾乏的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、回流方法，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 冷排出直接放掉，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
3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。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、航空航大、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，电子制冷技术史呈现诱人的前景。电子制冷，是当之无愧的21世纪新的绿色 “冷源”。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种无需冷却水冷凝既可进行蒸馏、回流实验和纯水 生产的直冷式电子冷凝器及实验装置；该电子冷凝器无污染、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，本实用新型是通过以下技术方案实现的一种无冷却水直冷式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，所述冷凝器是由电子制冷器与配套冷凝管组合构成电子冷凝 器，由电子冷凝器与实验仪器装置构成无冷却水直冷式冷凝实验装置。本实用新型的技术问题还由如下方案来实现所述电子制冷器由散热风扇、散热器、电子制冷元件、集冷器、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电子制冷器的插入口，与电子制冷器上 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。所述电子制冷器中的集冷器由集冷棒与集冷片构成，集冷棒一端连接于集冷片平面中 心并与平面垂直，二者为一体结构，采用对温度传导性能好的金属铜或金属铝材料制成。所述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集冷棒穿过的圆孔，平面矩形座中间有可使集冷 片嵌入的凹槽；平面矩形座的四角开有小孔供装配螺丝装配用。所述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。所述电子制冷器中集冷器一端的集冷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。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。进行实验时，首先将电子冷凝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，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传导于集冷器上，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、回流过程中，实验物质在蒸馏瓶中被 加热，产生的热蒸汽进入冷凝管被电子冷凝器冷凝，热量通过集冷器由电子制冷元件冷端 吸收传导给电子制冷元件热端，被不断导出实验系统之外；被冷凝的馏分不断馏出或回流。本实用新型带来的有益效果是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.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意义。
图1为电子制冷器结构示意图。图2为配套冷凝管示意图。图3为电子冷凝器示意图。图4为电子冷凝器装配示意图。图5为电子冷凝器及回流实验仪器装置示意图。图6为电子冷凝器及蒸馏实验仪器装置示意图。图7为电子冷凝器及蒸馏实验仪器装置示意图。[0029]图8为电子冷凝器及搅拌反应实验仪器装置示意图。图9为电子冷凝器及旋转蒸发仪装置示意图。图10为电子冷凝器及蒸馏水器装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述电子制冷器、配套冷凝管、电子冷凝器的结构与装配如图1、图2、图3、图4所示电子制冷器的安装首先将玻璃套管1-6紧密安装在聚四氟乙烯塞l_4b端上，然 后将集冷器1-5的集冷棒l_5b端插入四氟乙烯塞1-4中心孔内、伸入到玻璃套管1-6中， 集冷器1-5的集冷片l_5a端嵌入聚四氟乙烯塞1-4上平面矩形座l_4a端的凹槽内；在集 冷片l_5a端面涂上导热硅脂，然后将电子制冷元件1-3的冷端l-3b与集冷片l_5a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1-7通 过散热风扇1-1与聚四氟乙烯塞1-4相连的平面矩形座l_4a将整体连接固定，电子制冷器 1的安装完成，如图1所示。电子冷凝器安装将电子制冷器1插入配套冷凝管2中，电子制冷器1的聚四氟乙 烯塞1-4的l-4b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，构成了电子冷凝器，如图3所示。实施电子冷凝器对实验仪器装置的直接冷却将电子冷凝器(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、图10所示，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。在进行回流实验(图5)、蒸馏实 验(图6、图7)、搅拌反应实验(图8)、旋转蒸发实验(图9)以及制备蒸馏水(图10)时， 接通电子冷凝器散热风扇1-1和电子制冷元件1-3的直流电源3，电子冷凝器开始工作，电 子制冷元件1-3的热端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的冷端l-3b吸收热量温度降低传导于集冷器1-5上，使玻璃套管1-6和冷凝管 2空间内的温度降低。实验仪器装置在进行蒸馏、回流过程中，实验物质在蒸馏瓶中被加热， 产生的热蒸气进入冷凝管2被电子冷凝器冷凝，热量通过集冷器1-5被电子制冷元件1-3 冷端l_3b吸收传导给电子制冷元件热端l_3a，被不断导出实验装置系统之外；被冷凝的馏 分不断流出、回流；实现了无冷却水、无循环水设备条件下对实验仪器装置的直接冷却。
权利要求一种无冷却水直冷式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，其特征是所述冷凝器是由电子制冷器与配套冷凝管组合构成电子冷凝器，由电子冷凝器与实验仪器装置构成无冷却水直冷式冷凝实验装置。
2.根据权利要求1所述无冷却水直冷式电子冷凝器及实验装置，其特征是所述电子 制冷器由散热风扇、散热器、电子制冷元件、集冷器、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所述无冷却水直冷式电子冷凝器及实验装置，其特征是所述配套 冷凝管上口为电子制冷器的插入口，与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所述无冷却水直冷式电子冷凝器及实验装置，其特征是所述电子 制冷器中的集冷器由集冷棒与集冷片构成，集冷棒一端连接于集冷片平面中心并与平面垂 直，二者为一体结构，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所述无冷却水直冷式电子冷凝器及实验装置，其特征是所述电子 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集冷棒穿过的圆孔，平面矩形座中间有可使集冷片嵌入 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所述无冷却水直冷式电子冷凝器及实验装置，其特征是所述 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所述无冷却水直冷式电子冷凝器及实验装置，其特征是所述电子 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所述无冷却水直冷式电子冷凝器及实验装置，其特征是所述 电子制冷器中集冷器一端的集冷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所述无冷却水直冷式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。
专利摘要本实用新型公开了一种无冷却水直冷式电子冷凝器及实验装置。可广泛用于涉及化学、化工、制药、食品、环境等科研院所、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。所述电子冷凝器由电子制冷器与配套冷凝管组合而成，由电子冷凝器与实验仪器装置构成无冷却水直冷式冷凝实验装置。可用于对回流实验、蒸馏实验、搅拌反应实验、旋转蒸发仪、蒸馏水器等装置的直接冷却。该电子冷凝器无污染、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B01L7/00GK201701947SQ201020232758
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月9日 优先权日2010年6月9日
发明者李景峰 申请人:李景峰;内蒙古师范大学