專利名稱：復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種高壓空氣的冷凍除濕系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種將多個并聯(lián) 的結(jié)霜器與一前置除濕器串聯(lián)的復(fù)合式的高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
空氣純化是許多制程必備的程序，用以獲得含水率非常低(例如0.01%) 的干燥空氣，進(jìn)入分子篩選薄膜后，將N2及02分別取出，而一些較大分 子例如C02,被排在濾膜之前，但分子較小卻非惰性的水蒸氣，對制程有許 多不良的影響，無法以分子膜篩選，須以除濕或冷凍結(jié)霜的方式，將水分子 自濕空氣中取出，此為制程冷凍的空氣干燥技術(shù)。
若采用冰點以上蒸發(fā)器盤管低溫表面空氣中水蒸器凝結(jié)的除濕方法，由 于熱質(zhì)傳的效率限制，使得濕空氣的含水率仍然^[艮高。當(dāng)空氣壓力在700kPa 時，蒸發(fā)器表面溫度為5。C時，以熱力學(xué)計算空氣通過的理想濕度比(humidity ratio)約為0.00086,當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度為-15。C時，理想濕度比約為0.00016, 僅為前者的1/5,如果表面溫度降至-25。C時，理想濕度比更可達(dá)到0.000053。 因此以冷凍除濕的方法，空氣處理后的含水率可以低于1/10000。然而冷凍 除濕的缺點是當(dāng)長期運轉(zhuǎn)時，需要定時除霜，例如24小時運轉(zhuǎn)需除霜一至 三次，除霜周期是以結(jié)霜量來決定。
最早期的高壓空氣冷凍干燥，經(jīng)常以一厚重腔體，內(nèi)部裝置所有除濕或 結(jié)霜用盤管，如英國專利GB893773所公開者，這種設(shè)計方式是以空氣壓縮 機(jī)的壓縮腔及除濕裝置整合在一起，缺點是空壓機(jī)與除濕系統(tǒng)共構(gòu)情況嚴(yán) 重，只要一個零組件故障，就要進(jìn)行腔體拆卸維修，另外體積重量過大、不 容易進(jìn)行彈性組合。
近年來的設(shè)計漸漸朝向組合式方式處理，并以高壓管路銜接，提升空氣 純化處理的彈性空間，而且較小的管路，相同壓力所需的厚度較小，安全性 提高及成本降低，例如日本專利公開JP 2002/253920、 JP2002/267306、 JP2005/344543,已采用模塊化的方式，進(jìn)行高壓空氣干燥的處理，這種創(chuàng)意
設(shè)計已達(dá)到要全性提升、體積縮小化等功能，然而這些既有的設(shè)計，在運轉(zhuǎn)
一段時間后，必須停機(jī)進(jìn)行除霜，而許多晶圓材料及生化制程需要24小時
運轉(zhuǎn)，而且對減少空氣含水率的要求越來越高，因此必須有其它空氣冷凍除 濕的設(shè)計，才能滿足許多晶圓材料及生化制程的要求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供 一 種復(fù)合式的高壓空氣冷凍除濕系
統(tǒng)，可以24 d 、時運轉(zhuǎn)，同時兼顧除濕及除霜。
本發(fā)明是整合空調(diào)用除濕、雙平行回路小型冷凍系統(tǒng)輪流結(jié)霜除濕、以 及變頻控制法則進(jìn)行高壓空氣的干燥處理，達(dá)到省能、全時運轉(zhuǎn)及高品質(zhì)的 需求。
本發(fā)明的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)的一優(yōu)選實施例包括多個結(jié)霜 器，該等結(jié)霜器為并聯(lián)，且每一結(jié)霜器的蒸發(fā)溫度小于O攝氏度，高壓空氣 進(jìn)入該等結(jié)霜器中的數(shù)個結(jié)霜器進(jìn)行結(jié)霜除濕，其它的結(jié)霜器則進(jìn)行除霜。
上述的優(yōu)選實施例還包括多個閥體，連接于該等結(jié)霜器，并對應(yīng)于該等 結(jié)霜器，該等閥體導(dǎo)引高壓空氣進(jìn)入正在結(jié)霜的該等結(jié)霜器進(jìn)行除濕，并封 閉其它結(jié)霜器以進(jìn)行除霜。
在上述的優(yōu)選實施例中，每一結(jié)霜器包括一腔體以及一除濕裝置，該除 濕裝置對通過該腔體的高壓空氣進(jìn)行結(jié)霜除濕。除濕裝置包括一蒸發(fā)器、一 冷凝器、 一壓縮機(jī)以及一毛細(xì)管。蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)以及毛細(xì)管經(jīng)由 一冷媒管路而串聯(lián)，其中蒸發(fā)器及冷凝器設(shè)于腔體中，高壓空氣經(jīng)過蒸發(fā)器 進(jìn)行結(jié)霜除濕，然后再經(jīng)過冷凝器使溫度回升。除濕裝置還包括一加熱器， 設(shè)于腔體中，當(dāng)結(jié)霜器封閉進(jìn)行除霜時，加熱器加熱腔體。壓縮機(jī)可為變頻 式壓縮4幾或定頻式壓縮才幾。
上述的優(yōu)選實施例還包括一前置除濕器，串聯(lián)于該等并聯(lián)的結(jié)霜器，該
前置除濕器的蒸發(fā)溫度大于o攝氏度，高壓空氣先通過前置除濕器進(jìn)行冷凝
除濕，然后再通過該等結(jié)霜器進(jìn)行結(jié)霜除濕。
在上述的優(yōu)選實施例中，前置除濕器包括一腔體、 一除濕裝置以及一排 水閥，除濕裝置對通過腔體的高壓空氣進(jìn)行除濕，從高壓空氣中凝結(jié)出的液 態(tài)水經(jīng)由排水閥排出腔體。
在上述的優(yōu)選實施例中，除濕裝置包括一蒸發(fā)器、 一冷凝器、 一壓縮機(jī)
以及一膨脹閥，蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)以及膨脹閥經(jīng)由一冷媒管路而串聯(lián)， 其中蒸發(fā)器及冷凝器設(shè)于該腔體中，高壓空氣經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)行冷凝除濕，然 后再經(jīng)過冷凝器使溫度回升。壓縮機(jī)可為變頻式壓縮機(jī)或定頻式壓縮機(jī)。
在上述的優(yōu)選實施例中，前置除濕器還包括一溫度感測組件，其設(shè)于腔 體中，感測腔體中的溫度并借此控制除濕裝置。
為了讓本發(fā)明上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉
一優(yōu)選實施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下


圖1為本發(fā)明的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)的方塊圖。
圖2為圖1中結(jié)霜器的構(gòu)造的示意圖。
主要組件符號說明
100-前置除濕器；
101 -入口端；
120-第一腔體；
140-第一除濕裝置；
142-第一蒸發(fā)器；
144-第一冷凝器；
146~膨脹閥；
147- 前置冷凝器；
148- 第一壓縮機(jī)； 149~變頻器； 180~排水閥；
210、 230、 270、 280~閥體;
220、 240~結(jié)霜器;
250、 260~排氣閥；
222 第二腔體；
224 第二除濕裝置；
226~加熱器；
228~排水閥；
2242 第二蒸發(fā)器；2244~第二冷凝器； 2246~毛細(xì)管； 2247-前置冷凝器； 2248 第二壓縮機(jī)； 2249 ~變頻器。
具體實施例方式
本發(fā)明的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，如圖l所示，包括一前置除濕 器100以及二個并聯(lián)的除霜器220、 240。雖然本實施例是以二個除霜器為例 做說明，但除霜器的數(shù)量不限于二個，可為多個。
一般自大氣環(huán)境條件下，以空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)(air compressor system)(未 圖標(biāo))進(jìn)行加壓，例如加壓至1~10 bar (gage),初步的空氣過濾、油氣過濾 除去等功能。
經(jīng)過初步處理的高壓空氣，引進(jìn)前置除濕器100的入口端101 (如虛線 的箭號所示)，先以蒸發(fā)溫度在冰點0。C以上的前置除濕器100(蒸發(fā)溫度約 0 10。C)進(jìn)行第一階段冷凝除濕。前置除濕器100包括一第一腔體120、 一第 f除濕裝置140以及一排水閥180，第一除濕裝置140包括一第一蒸發(fā)器142、 一第一冷凝器144、 一膨脹閥146、 一第一壓縮機(jī)148，第一蒸發(fā)器142、膨 脹閥146、第一冷凝器144及第一壓縮機(jī)148是以一冷媒管路串聯(lián)，圖1中 的實線箭號表示冷^^某的流向。第一蒸發(fā)器142及第一冷凝器144設(shè)于第一腔 體120中，從入口端101進(jìn)入的高壓空氣依序經(jīng)過第一蒸發(fā)器142的盤管以 及第一冷凝器144的盤管，當(dāng)高壓空氣經(jīng)過第一蒸發(fā)器142的盤管時，由于 第一蒸發(fā)器142盤管表面溫度不會低于0°C,因此不會有結(jié)冰結(jié)霜的問題， 在空氣中的水蒸氣會在第一蒸發(fā)器142的盤管表面凝結(jié)成液態(tài)水，以薄膜式 凝結(jié)(film-wise condensation)或液滴式凝結(jié)(drop-wise condensation)才莫式,受重 力影響而滑落到第一腔體120的底部，第一腔體120的底部裝設(shè)集水盤(未 圖示)，并以排水閥(浮球閥件)180開關(guān)，進(jìn)行排水至第一腔體120的外部， 由于第一腔體120內(nèi)的壓力高于一大氣壓，因此空氣中的凝結(jié)水將以壓力差 的模式，排出第一腔體120，而達(dá)到第一階段除濕的功效。
在前置除濕器100的入口端101,同時測量入口空氣的壓力(P1)、體積 流率(VF1)、溫度(T1)、相對濕度(RH1)或濕球溫度，再依據(jù)所希望的空氣出 口含水率(亦為濕度比)，以判斷在不同空氣流量下，所需的除水量以及除濕
所需的冷凍能力，這些估算與冷凍能力的調(diào)節(jié)，由變頻式第一壓縮機(jī)148(包 括變頻器149)及其冷凍系統(tǒng)的自動控制機(jī)制達(dá)成，包括圖1所示的第一壓 縮機(jī)148轉(zhuǎn)速控制及膨脹閥146的微調(diào)，由于第一蒸發(fā)器142出口空氣的相 對濕度經(jīng)常在90~100%之間，濕度信號無須測量，反饋控制的參數(shù)以溫度感 測件T2來進(jìn)行第一階段除濕的自動控制。除濕裝置140還包括一前置冷凝 器(pre-condenser)147，用以降低第一壓縮機(jī)148出口冷媒的溫度，使得第一 階段處理后的空氣溫度接近在入口 101的空氣溫度，另外，第一腔體120的 外殼須加以絕熱，除了防止外殼有凝結(jié)水，這些都是提高除濕過程能源效率 的方法。
第一階^殳冷凝除濕完畢的空氣，濕度比可以由0.001997 (700kPa/TDB25 °C/RH70。/。)降至0,00086 (600kPa/TDB5 °C/RH95%)，以流量3m3/min的處理 量計算，空氣質(zhì)量流率約0.35kg/s，除水率約3.98xl0-4kg/s,此時水蒸氣的 凝結(jié)潛熱與顯熱約2500kJ/kg，因此所需的冷凍能力約lkW(蒸發(fā)溫度約0 10
。C)。
如果濕度比須降至2/10000以下，上述的前置除濕器100無法完成，因 此本發(fā)明利用冷凍用的結(jié)霜器(froster)220及240,如圖1所示，將第一階段 處理后的空氣引入結(jié)霜器220除濕，進(jìn)行第二階段的冷凍除濕，以前述的設(shè) 計例，空氣質(zhì)量流率約0.35kg/s,濕度比將由0.00086 (600kPa/TDB5°C/RH95%) 降至0.000163(600kPa/TDB-15。C/RH95。/o),第二階段除水率約3.98xl0-4kg/s, 水固化潛熱及顯熱約340kJ/kg,所需的冷凍能力約135W(蒸發(fā)溫度約-15。C), 可采用水箱用變頻壓縮機(jī)系統(tǒng)(包括壓縮機(jī)2248及變頻器2249)，如圖2 所示。由于結(jié)霜器220、 240每運轉(zhuǎn)一段時間，蒸發(fā)器表面會布滿霜，而使 空氣通道縮窄，甚至于堵塞，因此須定期除霜，本發(fā)明以兩組結(jié)霜器220及 240輪流交替進(jìn)行空氣除濕與除霜的動作，并以兩組空氣用電磁閥210/270 及230/280，來選控空氣流通的方向(結(jié)霜器220或240),當(dāng)結(jié)霜器220進(jìn)行 結(jié)霜除濕時，結(jié)霜器240進(jìn)行除霜。此時結(jié)霜器220的壓縮機(jī)(如圖2所示) 啟動、閥體210/270打開、排氣閥250關(guān)閉；此時結(jié)霜器240的壓縮機(jī)(未 圖示)關(guān)閉、閥體230/280關(guān)閉，進(jìn)行除霜，由于在除霜時會產(chǎn)生大量水蒸 氣，為了避免除霜過程造成壓力過高，設(shè)計排氣閥260 (結(jié)霜器220為排氣 閥250)，此時排氣閥260打開與大氣連通，除霜過程可以用電熱除霜，如果
壓縮機(jī)停止時間內(nèi)，可以用周圍室溫條件自然融化除霜，則可以不必以電熱
除霜。當(dāng)結(jié)霜器220與結(jié)霜器240互調(diào)操作的前一段時間，剛完成除霜的結(jié) 霜器240須將閥體230打開、閥體280關(guān)閉、排氣閥260打開維持一小段時 間，將結(jié)霜器240內(nèi)的剛除霜完畢的濕空氣排出，并將壓縮機(jī)啟動并維持一 段時間，使結(jié)霜器240的運轉(zhuǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再將閥體230打開、將閥體 280打開且將排氣閥260關(guān)閉，使高壓空氣轉(zhuǎn)換至經(jīng)由結(jié)霜器240除濕之后 才進(jìn)行結(jié)霜器220的除霜動作。
圖2表示結(jié)霜器220的構(gòu)造，由于結(jié)霜器220與結(jié)霜器240的構(gòu)造是相 同的，因此僅以結(jié)霜器220為例做說明。
結(jié)霜器220包括一第二腔體222、 一除濕裝置224以及一加熱器226。 除濕裝置224包括一第二蒸發(fā)器2242、 一第二冷凝器2244、 一毛細(xì)管2246、 一前置冷凝器2247以及一第二壓縮機(jī)2248。第二蒸發(fā)器2242及第二冷凝器 2244設(shè)于第二腔體222中，來自第一階段的高壓空氣依序通過第二蒸發(fā)器 2242及第二冷凝器2244,由于第二蒸發(fā)器2242的盤管溫度低于0°C ,高壓 空氣中的水分會在第二蒸發(fā)器2242的盤管上結(jié)霜，而達(dá)到除濕的目的，除 濕后的高壓空氣再通過第二冷凝器2244盤管后，使溫度大體上恢復(fù)到進(jìn)入 結(jié)霜器220時的溫度。加熱器226設(shè)于第二腔體222中，并采用電加熱的方 式，當(dāng)結(jié)霜器220需除霜時，利用加熱器226加熱第二蒸發(fā)器2242盤管， 使第二蒸發(fā)器2242盤管上的結(jié)霜融化成液態(tài)水，并經(jīng)由排水閥228排出至 第二腔體222外。前置冷凝器2247與圖1中前置冷凝器147的功能相同， 于此不再贅述。在第二腔體222中可設(shè)置溫度傳感器T3、 T4、 T5分別感測 結(jié)霜器220的入口 、第二蒸發(fā)器2242盤管的出口以及結(jié)霜器220出口的空 氣溫度，以作為實施控制的基礎(chǔ)。
此外，雖然在本實施例中第一、第二壓縮機(jī)148、 2248是使用變頻式壓 縮機(jī)，也可以使用定頻式壓縮機(jī)。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤 飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，包括多個結(jié)霜器，該等結(jié)霜器為并聯(lián)，且該等結(jié)霜器的蒸發(fā)溫度小于0攝氏度，高壓空氣進(jìn)入該等結(jié)霜器中的至少一個正在結(jié)霜的結(jié)霜器進(jìn)行冷凍除濕，而已結(jié)霜的結(jié)霜器則進(jìn)行除霜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其還包括多個 閥體，連接于該等結(jié)霜器，并對應(yīng)于該等結(jié)霜器，該等閥體導(dǎo)引高壓空氣進(jìn) 入正在結(jié)霜的結(jié)霜器進(jìn)行除濕，并封閉已結(jié)霜的結(jié)霜器以進(jìn)行除霜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該結(jié)霜器 包括一第一腔體以及一第一除濕裝置，該第一除濕裝置對通過該第一腔體的 高壓空氣進(jìn)行結(jié)霜除濕。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該第一除 濕裝置包括一第一蒸發(fā)器、 一第一冷凝器、 一第一壓縮機(jī)以及一毛細(xì)管，該 第一蒸發(fā)器、該第一冷凝器、該第一壓縮機(jī)以及該毛細(xì)管經(jīng)由一冷媒管路而 串聯(lián)，其中該第一蒸發(fā)器及該第一冷凝器設(shè)于該第一腔體中，高壓空氣經(jīng)過 該第一蒸發(fā)器進(jìn)行結(jié)霜除濕，然后再經(jīng)過該第一冷凝器使溫度回升。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該第一除 濕裝置還包括一加熱器，設(shè)于該第一腔體中，當(dāng)該結(jié)霜器封閉進(jìn)行除霜時， 該加熱器加熱該第 一腔體內(nèi)的第 一 蒸發(fā)器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該第一壓 縮機(jī)為變頻式壓縮機(jī)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該第 一壓 縮才幾為定頻式壓縮才幾。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其還包括一前 置除濕器，串聯(lián)于該等結(jié)霜器的前端，且該前置除濕器的蒸發(fā)溫度大于O攝 氏度，高壓空氣先通過該前置除濕器進(jìn)行冷凝除濕，然后再通過該等結(jié)霜器 進(jìn)行冷凍除濕。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該前置除 濕器包括一第二腔體、 一第二除濕裝置以及一排水閥，該第二除濕裝置對通 過該第二腔體的高壓空氣進(jìn)行除濕，從該高壓空氣中凝結(jié)出的液態(tài)水經(jīng)由該排水閥排出該第二腔體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該第二除濕裝置包括一第二蒸發(fā)器、 一第二冷凝器、一第二壓縮機(jī)以及一膨脹閥，該第二蒸發(fā)器、該第二冷凝器、該第二壓縮機(jī)以及該膨脹閥經(jīng)由一冷媒管路而 串聯(lián)，其中該第二蒸發(fā)器及該第二冷凝器設(shè)于該第二腔體中，高壓空氣經(jīng)過該第二蒸發(fā)器進(jìn)行冷凝除濕，然后再經(jīng)過該第二冷凝器使溫度回升。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該第二壓縮才幾為變頻式壓縮才幾。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該第二壓縮才幾為定頻式壓縮才幾。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該前置除濕器還包括一溫度感測組件，設(shè)于該第二腔體中，感測該第二腔體中的溫 度并借此控制該除濕裝置。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，其中該溫度感測組件設(shè)于該第二蒸發(fā)器的出口處。
全文摘要
一種復(fù)合式高壓空氣冷凍除濕系統(tǒng)，包括多個結(jié)霜器以及一前置除濕器。該等結(jié)霜器為并聯(lián)，且每一結(jié)霜器的蒸發(fā)溫度小于0攝氏度，前置除濕器串聯(lián)于該等并聯(lián)的結(jié)霜器，前置除濕器的蒸發(fā)溫度大于0攝氏度，高壓空氣先通過該前置除濕器進(jìn)行除濕，然后再通過該等該等結(jié)霜器中的數(shù)個結(jié)霜器進(jìn)行結(jié)霜除濕，而其它的結(jié)霜器則進(jìn)行除霜。
文檔編號B01D53/26GK101199914SQ200610166988
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者張文瑞 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院