采集大气水蒸气的装置的制作方法

采集大气水蒸气的装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2010年11月16日提交的美国临时申请no.61/413,995和于2011年9月8日提交的美国临时申请no.61/532,104的优先权。这些优先权申请的全部内容通过引用并入本文。
3.本技术还涉及于2010年11月16日提交的美国临时申请no.61/413,995；于2011年9月8日提交的美国临时专利申请no.61/532,104；于2012年11月15日提交的pct/us2012/065170；于2012年12月15日提交的pct/us2012/065174；于2016年7月11日提交的ptc/us2017/041530；于2016年12月8日授权的墨西哥专利no.344188；以及于2017年7月18日授权的美国专利no.us 9711705 b2。所有这些相关申请的全部内容通过参引并入本文。
技术领域
4.本公开总体上涉及利用被称为水沉积的热动力学过程来采集和/或获取大气水。本公开总体上还涉及被设计成吸引和捕获大气内的水蒸气、将捕获的水蒸气瞬时相变成霜形式的固态的设备、被称为沉积的过程、提取所获取的霜的机构、将提取的霜相变成其液态的过程、以及最后储存液态水和/或使液态水可用于各种应用、系统、产品、装置和/或部件，其包括例如可饮用的水、生活饮用水、农业和其他商业或个人用途。


背景技术：

5.目前存在许多装置、系统和产品，并且这些装置、系统和产品正在用于利用冷凝从大气中采集水蒸气。由于水的冷凝取决于温度和压力两者，因此这样的装置、系统和产品必须被设计和/或工程设计成适应进入的大气空气和组成水蒸气的大量不断变化的环境温度和压力。由于上述设计和/或工程考虑，环境温度和压力的这些变化增加了显著的嵌入式系统成本和持续的能量成本，以便实现所需的系统水冷凝条件以及产生整体系统收集效率。
6.在一些产品中，工程设计以适应可变的大气环境条件增加了整个包装的额外尺寸、重量和部件，增加了最终产品、安装和操作成本。在大多数情况下，系统在采集大气水方面的能力和功效直接与环境相对湿度和温度条件相关联。低相对湿度和高温降低了整体性能，并且在许多情况下，有用的水采集限于在大于30％相对湿度的大气条件下的系统。此外，在所有目前市售的基于冷凝的系统中，在较低的相对湿度水平下，液态水采集减少，同时每单位采集的水的成本增加。附加地，当大气中水的露点低于水的凝固点时，目前市售的基于冷凝的系统不能集水。
7.还有许多其他水部门用于获取和递送可用的液态水比如水库、河流、含水层、地下水井、废水处理厂和脱盐厂。这些源和系统中的许多源和系统已经成功使用了几个世纪。然而，随着全球人口的不断增加，水资源短缺变得越来越普遍。此外，当前的水库、河流和含水层的容量一直在针对不断增加的人类水需求和变化的气候而下降。这些来源的污染也增加了人口和工业无法获得可用的液态水。此外，当从源获取水时，所有上述源具有嵌入的能量和维护成本。
8.附加地，在许多情况下，所有上述源都依赖于取决于辅助维护和能量的分配系统。这些辅助要求为最终用户增加了每递送单位水的额外成本。
9.目前有许多分配方法用于将水运输至最终用户。一些常见的示例是：水管、管道、卡车、船舶和/或这些方法的不同组合。然而，这些方法通常不足，这是由于水递送系统的能量成本和/或维护成本随着系统的人口规模和年龄的增加而增加。在许多情况下，即使在第一世界城市中，由于通向最终用户的管道泄漏，超过30％至50％的可递送水也会损失。在现代的渡槽系统的情况下，当获得的可递送水从源位置行进至最终用户所在的本地分配厂时，大量获取的可递送水被蒸发到大气中。此外，在一些情况下，用于水获取、分配和递送的能量使用高达人口总能量消耗的百分之二十。
10.因此，需要改进的装置、系统和/或产品，用于更高效和有效地采集和递送可用的清洁水，以便满足不断增长的人口的日益增长的水需求。此外，由于人口越来越多地迁移到城市中，在这些人口内或附近具有越来越多的商业和工业利益，因此需要改进的装置、系统和产品，以在本地高效且有效地获取所需的水，以减少或消除水分配、递送和相关联的维护成本。本公开旨在克服和/或改善现有技术的至少一个缺点。


技术实现要素：

11.本文所描述的示例性实施方式可以涉及利用沉积的热动力学过程来采集从大气获取的水蒸气(也称为大气水蒸气)，从而导致捕获的霜和/或冰。在示例性实施方式中，捕获的霜和/或冰可以从收集区域或表面提取并储存在热控制环境中，从而允许霜融化成液态水。
12.在示例性实施方式中，所获取的大气水蒸气可以被采集、转换、存储和/或递送，并且因此在用户的期望位置处按需可用。例如，在示例性实施方式中，装置、系统和/或产品可以消除或减少对分配和/或递送液态水的需要。
13.在示例性实施方式中，可以从各种温度的大气中获取期望量的大气水蒸气。例如，在示例性实施方式中，装置、系统和/或产品可以在任何气候区(例如，热带、温带或极地)中获取期望量的大气水蒸气。
14.在示例性实施方式中，可以从各种高度的大气中获取期望量的大气水蒸气。例如，在示例性实施方式中，装置、系统和/或产品可以在海平面和/或高海拔以及其间的任何海拔处获取期望量的大气水蒸气。
15.在示例性实施方式中，可以从各种相对湿度(r.h.)水平的大气中获取期望量的大气水蒸气。例如，在示例性实施方式中，装置、系统和/或产品可以在小于5％r.h.、10％r.h.、20％r.h.、30％r.h.和/或更大的r.h.水平下获取期望量的大气水蒸气。
16.在示例性实施方式中，可以从室外环境的大气中获取期望量的大气水蒸气。
17.在示例性实施方式中，可以从室内环境的大气中获取期望量的大气水蒸气。
18.在示例性实施方式中，可以在室内环境和/或室外环境的气氛的组合中获取期望量的大气水蒸气。
19.在示例性实施方式中，通过在系统的收集区域内使用比环境大气的温度更低的温度可以将所获取的大气水蒸气吸引到装置、系统和/或产品中。
20.在示例性实施方式中，通过在系统的收集区域内使用比环境大气的压力更低的压
力可以将所获取的大气水蒸气被吸引到装置、系统和/或产品中。
21.在示例性实施方式中，通过在系统的收集区域内使用比环境大气更低的温度和更低的压力的某种组合可以将所获取的大气水蒸气吸引到装置、系统和/或产品中。
22.在示例性实施方式中，可以借助于将霜从收集表面刮除来提取捕获的霜。
23.在示例性实施方式中，可以借助于利用收集表面上的振动频率来提取捕获的霜。
24.在示例性实施方式中，所捕获的霜可以借助于重力通过在收集表面上采用疏冰涂层来辅助提取。
25.在示例性实施方式中，收集区域或表面的低温可以借助于制冷循环系统(例如，压缩机、冷凝盘管、膨胀装置、蒸发器盘管和工作流体)来实现。
26.在示例性实施方式中，收集区域或表面的低温可以借助于斯特林循环系统(例如，斯特林冷却器(sterling chiller)和回热器)来实现。
27.在示例性实施方式中，收集区域或表面的低温可以借助于珀耳帖效应(例如，热电模块冷却器和散热器)来实现。
28.在示例性实施方式中，收集区域或表面的低温可以借助于热声制冷系统(例如，电声换能器、谐振器、回热器、高温和低温换热器以及声学介质或工作流体)来实现。
29.在示例性实施方式中，低温收集区域或表面最初可以借助于液氮盒的受控释放来实现，并且此后通过先前描述的冷却方法中的任一种方法来维持。
30.在示例性实施方式中，低温收集区域或表面可以通过先前描述的冷却方法中的任一种方法来维持，其中，添加用作收集区域内的热障的相变材料(pcm)，用以减少用于冷却过程的系统所需的功。例如，将蒸发盘管封装在相变点为-35℃的pcm内以从液体相变为固体允许系统被设计成使所选冷却系统在-36℃下打开，然后在例如-40℃下再次关闭，从而进行最小量的功以维持4℃热增量，而不是以从大气的环境温度例如30℃到期望的-40℃(其可以多达70℃热增量)的大得多的热增量持续运行。附加地，固相物质的比热通常低于其液体或气体状态的比热，这意味着与冷却处于其液体状态或气体状态的pcm所需的能量相比，冷却处于其固体状态的pcm所需的能量更少。
31.在示例性实施方式中，可以通过保持收集区域中的低温并提供用于冷却干燥空气的出口装置来实现收集区域中低于环境压力的压力。
32.在示例性实施方式中，由系统的冷却循环产生的热量可以用于将捕获的霜融化成液态水。
33.在示例性实施方式中，新融化的液态水(冷却水)可以用于减少热量，从而降低系统冷却循环的能量需求。例如，用于冷凝盘管的风扇入口可以定位成将空气抽吸穿过系统的冷却水箱，以降低所需的风扇速度，并且因此降低系统所需的总能量。
34.在示例性实施方式中，制冷循环冷却系统的毛细管膨胀装置的一部分可以嵌入或部分嵌入蒸发盘管的冷pcm中，用以控制液体管线末端处的制冷剂的状态，从而减少系统能量需求。
35.在示例性实施方式中，通过在冷凝盘管之前或之后使用嵌入液体pcm物质中的钎焊板式换热器可以调节由冷却系统产生的热量并将其传递至另一系统例如热水器或空间加热器，从而减少系统所需的功和能量。
36.在示例性实施方式中，装置、系统和/或产品可以被工程设计成以某种方式安装，
以通过减少或消除泵的使用和辅助维护和/或能量成本来确保要递送到终端用户的水体积由重力供给。
37.在示例性实施方式中，装置、系统和/或产品可以采用附加过滤装置的使用来递送认证的饮用水。
38.除了在发明内容中论述的实施方式之外，在说明书、附图和权利要求中公开了其他实施方式。本发明内容并不意味着涵盖针对本公开所设想的每个实施方式、组合或变型。
附图说明
39.现在将参照附图且仅通过示例的方式对示例性实施方式进行描述，在附图中：
40.图1是用于借助于称为沉积的热动力学过程来采集大气水蒸气的系统的示例性实施方式的示意图。
41.图2是用于借助于称为沉积的热动力学过程来采集大气水蒸气的系统的另一示例性实施方式的示意图。图2类似于图1，不同之处在于图2公开了通过将蒸发盘管嵌入低温封装pcm中来节省由制冷循环完成的一些冷却功的器件。
42.图3是图2的嵌入式蒸发盘管的示意图。
43.图4是图3的嵌入式蒸发盘管的横截面图。
44.图5是用于借助于称为沉积的热动力学过程来采集大气水蒸气的系统的另一示例性实施方式的示意图。图5类似于图2，除了在图5中，冷凝盘管的端部和膨胀装置也嵌入在图2、图3和图4中公开的低温封装pcm中。
45.图6是用于借助于称为沉积的热动力学过程来采集大气水蒸气的系统的另一示例性实施方式的示意图。图6类似于图5，除了在图10中钎焊板式换热器代替风扇和冷凝盘管将获取的热能传递至次级系统。
46.图7是图1、图2、图5和/或图6中公开的示例性实施方式的示意图，其公开了将大气水蒸气吸引、引导和循环进入和离开收集区域的方法。
47.图8是图7的示意性细节，其公开了将集霜表面进行热隔离的方法。
48.图9是图8的另一示意性细节，其公开了控制集霜表面之间的容积循环的方法。
49.图10是图7的另一示意性细节，其公开了将霜从收集表面移除到集成水箱中的方法。
具体实施方式
50.本文所描述的示例性实施方式涉及利用称为水沉积的热力学过程来吸引和采集大气水蒸气，其中水蒸气“跳过”液相和直接从蒸气到冰或霜的相。
51.本文所描述的示例性实施方式涉及降低能够实现和维持水沉积所需的零下温度的当前制冷系统的能量需求。某些实施方式可以是独立于电网能量和/或化石燃料的至少10％或多达100％。
52.本文所描述的示例性实施方式涉及在水蒸气的相变为固相时重新利用从水蒸气内释放的热能的一小部分，或者在其他实施方式中，重新利用相当大的部分。某些实施方式可以采用辅助系统，用以通过将所获取的热能转换成动能来重新利用所获取的热能，以利用工作流体在系统上做功。例如，热能可以被引导到辅助系统，其中热能用于驱动热机。使
用利用定向热能的辅助系统还可以减少主系统的冷凝盘管将废热排放到环境中的工作，这又将降低压缩机的电力需求。
53.本文所描述的示例性实施方式对于自然和建筑环境以及经济原因可能是有益的。在示例性实施方式中，至少对于某些应用，系统、方法和/或装置可以消除或减少外部电力传输到系统中的需要。在示例性实施方式中，可以存储从水蒸气获取的热能。在其他示例性实施方式中，热能可以被存储并且可以被输送到系统的另一位置或者输送到辅助系统。
54.本文所描述的示例性实施方式涉及利用捕获的霜到液态水的相变来辅助制冷循环的冷凝侧，从而降低整个系统的能量需求。
55.本文所描述的示例性实施方式对于自然和建筑环境以及经济原因可能是有益的。在示例性实施方式中，至少对于某些应用，系统、方法和/或装置可以消除或减少由外部水分配和/或递送系统提供水的需要。在示例性实施方式中，系统、方法和/或装置可以直接安装在最终用户位置处并且直接连接至最终用户内部水系统。在某些应用中，特别是对于新建筑，本文所描述的示例性实施方式可以减少或消除地下或其他市政供水系统的成本和/或维护。在某些应用中，本文所描述的示例性实施方式可以减少或消除通过卡车向最终用户递送水的成本。另外，在本文所描述的示例性实施方式中，系统、方法和/或装置可以消除或减少最终用户对水泵的需要。
56.图1是利用被称为沉积的热力学过程来采集大气水蒸气的系统的示例性实施方式的示意图，该热力学过程使水蒸气瞬时冻结。图1的示例性实施方式是对当前大气水收集系统的改进，当前大气集水系统利用更普遍已知的冷凝水的热力学过程来从大气中采集液态水。
57.图1的大气水采集器由三个过程组成。第一个过程由在日常冰箱和/或冷冻机中使用的成熟且可商购获得的制冷循环来驱动。输入能量1、a/c或d/c电力为压缩机2和风扇3供电，压缩机2和风扇3的开/关状态由开关4和温度传感器5确定。闭环制冷循环由压缩机2、冷凝盘管6、膨胀装置7和蒸发盘管8组成。一定容积的工作流体——通常是商业制冷剂——被密封在上述闭环制冷循环内。当系统处于“打开”状态时，压缩机2打开，将冷凝盘管6内的工作流体——通常在系统“关闭”时处于蒸气状态——压缩成液体。风扇3还打开从而将环境空气吹过冷凝盘管6，以帮助工作流体的热能15的一部分通过冷凝盘管6的壁离开系统并进入环境空气中。从工作流体中压缩和排出热能15的过程将工作流体从蒸气状态冷凝到液体状态。此外，制冷循环的这一部分被称为系统的“高压/高温侧”。“高压”是由于压缩机2将制冷剂(工作流体)泵入冷凝盘管6的一端，而冷凝盘管6另一端的膨胀装置7限制了制冷剂流量。“高温”是热能15在过程的这一阶段通过冷凝盘管6的壁离开系统的结果。膨胀装置7限制工作流体从冷凝盘管6流入系统相对侧的蒸发盘管8，该相对侧被称为系统的“低压/低温侧”。蒸发盘管8内部的低压是由于通过蒸发盘管8一侧的膨胀装置7的工作流体的流动受到限制，以及由于压缩机2在蒸发盘管8的相反端部的吸入造成的。工作流体或制冷剂在离开膨胀装置7时进入蒸发盘管8，由于蒸发盘管8内的压力较低而定相为蒸汽状态。工作流体从液体到蒸气的相变，通过蒸发盘管8的壁将热能15引入系统，从而使蒸发盘管8和在其返回压缩机的途中所附着的集霜表面9冷却。该循环持续，直到温度传感器5感测到设计用于采集大气水蒸气的系统过程的集霜表面9的温度为止，并且打开开关4，从而“关闭”制冷循环的压缩机2和风扇3。例如，集霜表面的设计温度可以是-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃或
更低。例如，当集霜表面9温度高于-10℃时，可以将传感器设置为“打开”；当集霜表面9温度低于-45℃时，可以将传感器设置为“关闭”。
58.图1的大气水采集器的第二过程由大气中接近和/或接触到集霜表面9的水蒸气之间的热力学反应过程驱动。这一反应过程是热力学第二定律的直接结果；其结果是必须将热从较热的物体向较冷的物体单向传递。在图1的大气水采集器的情况下，较热的物体是与较冷的物体的集霜表面9相互作用的水蒸气13。就像任何能量传输系统的情况一样，高温与低温之间的差异越大，能量的势和传输速率就越大。
59.热传导过程的强度可以很容易地用热传导定律——也称为傅立叶定律——来计算和/或表达。
60.q＝(k/s)a dt＝u a dt
61.其中，
62.q＝热传递(w)
63.k＝材料导热系数(w/m
°
k)
64.s＝材料厚度(m)
65.a＝传热面积(m2)
66.u＝k/s＝传热系数(w/(m2°
k))
67.dt＝t1-t2＝温度梯度
–
差异
–
遍布材料(℃)
68.在更简单的术语中，并且在上述等式的所有其他条件为静态的情况下，热体与冷体之间的dt越大，热传递就越大。例如，使用40℃作为环境水蒸气13(热体)的温度和-1℃的集霜表面9(冷体)的系统设计温度，dt等于41℃。将集霜表面9的系统设计温度降低到例如-50℃将dt加宽到90℃，从而增加热能传递速率。
69.在过去50年的许多公开的科学研究中详细描述的良好确立的结论是，影响结霜速率的最大因素是水蒸气13与集霜表面9之间的dt。这些研究主要是为了理解结霜速率条件，用以帮助工程师开发其中减缓或限制航空航天和制冷工业中的结霜过程的方法，由于霜冻积聚对这些工业内的系统产生了负面影响。在图1的大气水采集器中，目标是相反的，它是加速和促进结霜。
70.在研究中发现的霜速率增长的另一因素是霜速率增长随着霜层增厚而减慢。大多数研究得出结论，结霜的这种减缓主要是由于两种影响，第一种是霜的结晶特性，在霜中引起气穴或空隙，气穴或空隙成为进入的水蒸气13的接触点，而不是集霜表面9。第二个是霜层本身的影响，当霜层变厚时，霜层在进入的水蒸气13与集霜表面9之间产生热障或隔热层。dt变窄，并且等式中的其他热传递特性比如k、s和a不再是静态的。水蒸气13不再与集霜表面9直接热界面连接，水蒸气13与霜层界面连接。然而，在设计用于大气水采集的系统中，利用沉积过程优化来自用于图1的大气水采集器的第二过程的水蒸气13的快速结霜速率是极其重要的。图1的系统可以受益于通过上述制冷过程将霜收集面板9的温度保持在低温例如-50，以保证与水蒸气13保持大的dt例如可以是40℃，以及以提供将积聚的霜层14从集霜表面9剥离并远离集霜表面9的装置或过程，这将在下面进行描述。
71.因此，图1的大气水采集器的第三过程是由电输入能量1供电的刮刀致动器11驱动的刮刀10。刮刀10沿着固定的定时刮刀路径12移动，从而将新的霜层14从集霜表面9移去和移离。例如，可以对刮刀执行器进行编程，以便在刮擦发生之前允许霜14的层达到最大深度
0.1mm。当将霜14从图19的大气水采集器的集霜表面刮去时，霜14可以例如通过重力被引导到液态水收集槽21中，并且允许最终融化成液态水22供使用。在大多数环境中，使霜14进入液态水收集池21融化所需的输入能量可以由相对于收霜表面9更热的液态水收集池21的周围环境的大气传递。
72.图2是借助于称为沉积的热动力过程采集大气水蒸气的系统的另一示例性实施方式的示意图。图2与图1类似，只是在图2中，通过将蒸发盘管8嵌入封装在pcm封装箱16内的低温pcm17中来节省制冷循环所做的一些冷却功，这可以降低整体系统冷却能量要求。
73.将蒸发盘管8封装在低温蓄热装置pcm17内，从而消除了蒸发盘管8与待冷却的更热的水蒸气13之间的接触。此外，密封所公开的蒸发盘管8防止或减少了本实施方式的系统在压缩机开启和关闭循环时必须重新冷却霜收集表面9。这样做还可保持压缩机2工作时蒸发盘管8的低温。已知的制冷循环系统压缩机通常每天多次开、关循环，大部分或在某些情况下所有的工作都损失到蒸发盘管周围的暖空气中；然而，当蒸发盘管8被封装在低温蓄热装置pcm17中时，由于低温蓄热装置pcm17充当介于水蒸气13与蒸发盘管8之间的隔热屏障，因此每个循环的一部分工作时间被保留。此外，添加自动阀时，在蒸发盘管8的开始和结束时，低温蓄热装置pcm17可以在系统运行循环的“关闭”期间保持蒸发盘管8内工作流体的温度和低压，从而节省压缩机2在上一个“打开”循环期间完成的相关工作。
74.包封蒸发盘管8的最佳低温蓄热装置pcm17的选择可以主要基于集霜表面9的期望设计温度，以便用进入的水蒸气13保持期望的dt。例如，在经常达到高于30℃的环境温度并且集霜表面9的期望设计温度被确定为-40℃的环境中的大气集水系统上，可以选择具有例如-30℃的从固相到液相的相变温度的低温蓄热装置pcm17。
75.在以上示例中，选择-30℃的低温蓄热装置pcm17有两个主要原因。首先，为了保持-40℃的集霜表面9，由于水蒸气13的进入热能和制冷循环系统的冷却能力，低温蓄热装置pcm17将必须间歇地冷却到-42℃至-45℃之间。在系统的这种温度特定设计中，压缩机2的温度传感器5可以被设定为例如在-42℃下“打开”系统，并且在-45℃下再次“关闭”，使得制冷循环仅冷却3℃dt，而不是冷却集霜表面9的期望-45℃与进入的水蒸气13的30℃之间的差值的75℃dt。附加地，固相中的pcm通常比它们在它们相应的液体阶段中需要少大约50％的能量来冷却/加热。例如，具有0℃的从液体到固体或者固体到液体的相变点的水在固态时仅需要2.06j/g℃，而在液态时需要4.18j/g℃。此外，相变点处的1℃温度变化的相变对于该1℃温度变化需要额外的334j/g。
76.当其蒸发器温度低于-20℃时，大多数制冷系统具有较低的冷却能力和效率，并且所有固体在其相应的固态下具有较低的比热容，并且通常是比在其液态下更好的热导体。简而言之，与在其液体状态相比，在其相应的固体状态下加热或冷却物质需要少得多的功，从而需要少得多的能量。因此，在操作中，将预定质量的pcm维持在低于-42℃的温度比将来自变化的室外环境的进入量的水蒸气和空气冷却到-45℃的制冷循环需要少得多的功。以这种方式，系统的制冷循环仅将低温pcm17物质从例如-42℃冷却至-45℃，而低温pcm17物质将进入的水蒸气13从水蒸气13的进入温度冷却至-45℃。
77.第二，大气集水系统可能不需要不断地操作。例如，如果液态水收集盆21是满的，则整个系统可以由用户关闭，由此压缩机将不再循环。可以关闭系统以进行常规清洁或维护工作。低温pcm17物质将以主要取决于pcm封装箱16与较暖的相邻环境隔热的程度的速率
缓慢地升温。然而，如果低温pcm17具有-30℃的相变温度，如在上述示例中那样，熔化潜热将使从-30℃升温到-29℃所需的时间延长超过每摄氏度先前温度升高的100倍的时间因子。如果pcm封装箱16与较暖的温度良好隔离，则低温pcm17可以在-30℃下保持数天而不是数分钟。相比之下，没有低温pcm17封装的标准蒸发盘管8，即使隔热良好，也将在系统关闭的几分钟内升温到非常接近环境温度。此外，在没有低温pcm17封装的情况下重新启动系统可能需要95℃的热“下拉”以实现-40℃的集霜表面温度，而在蒸发盘管8周围添加低温pcm17封装的情况下，系统可能仅需要例如15℃的热“下拉”，从而节省重新启动时的时间和能量。
78.图3和图4是图2中公开的pcm封装箱16内的嵌入式蒸发盘管8的示意图。图3和图4的示例性实施方式公开了选择有益于水沉积过程的pcm封装箱16的材料和材料性质的有用设计方法。pcm封装箱16的前表面和后表面各自是集霜表面9。具有良好导热性的不可渗透材料应用于pcm封装箱16结构。附加地，壁厚、材料厚度、对大气的反应性、对pcm的反应性、光洁度、易于制造和材料可用性也是适当选择的重要特征。例如，pcm封装箱16将暴露于水蒸气，在低于-30℃的温度下保持延长的时间段，并且保持低温pcm17，该低温pcm17例如可以包含混合以设定低温pcm17相变设计温度的百分比的蒸馏水和乙醇。pcm封装箱16的外表面——也是集霜表面9——的光洁度越平滑，越容易去除积聚的霜14。铝片等级比如1100、3003、3004和5052可以用作pcm封装箱16壳体，考虑到这些等级是耐腐蚀性的、具有高导热性、重量轻并且在市场上容易获得。由于不锈钢的杨氏模量和拉伸强度超过可以基于价格和重量选择的铝等级，不锈钢316片材也可以超过上述铝等级用作pcm封装箱16壳体。本文所描述的铝和不锈钢等级仅作为示例，可以基于上述材料性质的值来选择其他材料。由于集霜表面9应当是平坦的，因此使用能够承受低于-45℃的温度的耐腐蚀环氧树脂将内部箱支架23通道附接至箱的内表面，以防止表面变形。
79.蒸发盘管8通过蒸发器入口孔24进入pcm封装箱16。蒸发盘管8成形为围绕内部箱支架23通道弯曲，并且可以均匀地分布在pcm封装箱16内，以最佳地提供封装在pcm封装箱16内的低温pcm17的相等冷却，该pcm17被封装在pcm封装箱16中。蒸发盘管8通过蒸发器出口孔25离开pcm封装箱16。蒸发器入口孔24和蒸发器出口孔25需要密封到pcm封装箱16的外部，以防止低温pcm17随时间推移而劣化。附加地，温度传感器管28可以安装并附着至pcm封装箱16的内部。温度传感器管28需要密封到pcm封装箱16的外部，以防止低温pcm17随时间推移而劣化。pcm封装箱16边缘可以使用粘合剂和/或焊接机械地闭合以形成封装箱。pcm箱填充开口26和pcm箱通气开口27可以用于在箱被密封之后用低温pcm17填充箱。pcm箱填充开口26和pcm箱通气开口27可以密封在pcm封装箱16中，以防止低温pcm17随时间推移而劣化。
80.图5是用于借助于称为沉积的热动力学过程来采集大气水蒸气的系统的另一示例性实施方式的示意图。图5类似于图2，除了在图5中，冷凝盘管6的端部和膨胀装置7也被封装在图2、图3和图4中公开的pcm封装箱16中。在制冷工业中很好地理解，制冷剂过冷是改善系统性能和节省能量的可靠方式。使冷凝盘管6、压缩机2中的制冷剂过冷以及使用类似且单独的系统的许多方法是已知的并且在使用中。这些方法通常增加制冷循环系统的复杂性和成本。已经对该主题进行了大量研究，主要是由于有足够的理解，即，制冷剂在进入蒸发器之前的质量将影响整个系统性能。本文所描述的新方法是可能的，原因在于蒸发盘管8嵌
入保持在pcm封装箱16中的低温封装pcm17中。制冷剂的过冷可以在冷凝盘管8——工业上也称为“液管”——末端和毛细管膨胀装置7中进行。由于与制冷循环中的其他位置相比，这两个位置在给定时间内的制冷剂数量相对较少，因此在这两个位置进行过冷却要容易得多，而且要简化得多。这些位置的制冷剂或多或少是“圈养”的，并且很容易受到热影响。此外，pcm封装箱16、低温pcm17和蒸发盘管温度在循环期间呈下降趋势，与少量制冷剂相比，可获得巨大的散热片。在膨胀装置7之前对制冷剂进行过冷处理有两个附加的益处，另外还可以减少压缩机2和冷凝盘管6的过冷工作负荷。第一个益处是确保制冷剂在通过膨胀装置7进入蒸发盘管8时确实处于液态。第二个益处是，温度较低的液体制冷剂具有更高的粘度，从而使膨胀装置内的阻力更大。因此，将液体管线放置在pcm封装箱16内的气囊中可以有效降低压缩机2和冷凝盘管8的工作负载，而不会增加系统的成本。
81.图5与图2中公开的系统的不同之处还在于包括两个球阀30。一个球阀30紧接在膨胀装置7之前内联(inline)，并且第二球阀30紧接在蒸发盘管8之后内联。两个球阀30的目的是通过在压缩机2“关闭”时通过关闭两个球阀30来停止制冷剂流来节省制冷循环对低温pcm17进行的冷却功。在没有将两个球阀30添加到循环中的情况下，尽管压缩机2关闭，但是在冷凝盘管6内部的系统的高压侧上的制冷剂将继续流到低压侧，直到两侧处于相等的压力为止。在没有压缩机2“打开”的情况下，该流动将热量从冷凝盘管6带入蒸发盘管8，该热量将被较冷的低温pcm吸收，从而在下一个“打开”循环中增加不必要的工作。当压缩机2“打开”时，两个球阀30打开以允许制冷剂正常循环。
82.图6是用于借助于称为沉积的热动力学过程来采集大气水蒸气的系统的另一示例性实施方式的示意图。图6类似于图5，除了在图6中钎焊板式换热器18代替风扇3和冷凝盘管6，从而将获取的热能传递至次级系统。至少在一些应用中，将从制冷循环获取的热能15传递至可以利用热能15的单独系统可能是有用的。在图6的示例性实施方式中，离开压缩机2的制冷剂流在进入系统的膨胀装置7之前流动通过钎焊板式换热器18。次级系统的工作流体通过流入管道19进入钎焊板式换热器18的相对侧。当次级系统的工作流体在压缩机2的制冷循环的相反流动方向上穿过钎焊板式换热器18时，来自压缩机2之后的制冷循环的热能15被传递至次级系统的工作流体，并且由此冷凝制冷系统的工作流体，从而实现通常由冷凝盘管8和风扇完成的工作。作为示例，次级系统可以用作热水器或用于空间加热环境。
83.图7是图1、图2、图5和/或图6中公开的示例性实施方式的示意图，其公开了将大气水蒸气13吸引、引导和循环进入和离开系统的收集区域的方法。在图7的示例性实施方式中，直到先前在图1、图2、图5和/或图6中公开的制冷过程已经达到集霜表面9的期望设计温度例如-40℃，将大气水蒸气13吸引、引导和循环进出系统的收集区域的过程才开始。当制冷循环在该“下拉”过程期间运行时，隔热盖33处于关闭位置并且由盖密封件34密封。收集区域由隔热壳体31热保护。液态水收集盆21通过箱密封件36附接至收集区域的底部。一旦集霜表面9处于适当的温度，刮刀致动器11就沿着刮刀路径12提升具有附接的刮刀面板42的隔热盖32，直到其到达打开位置为止。在预定时间之后，刮刀致动器11反转，并且隔热盖33关闭并重新密封收集区域。盖保持关闭持续预定时间，并且重复该过程，直到通过水浮阀38停止该过程，这指示液态水收集盆21已满。当水浮阀38指示液态水收集盆21中的水位已经下降时，上述过程重新开始并重复。当具有附接的刮刀面板42的隔热盖32处于打开位置时，温暖的环境空气和水蒸气13通过热和压力吸引两者被吸入收集区域中。当具有附接的
刮刀面板42的隔热盖33处于关闭位置时，水蒸气13作为霜14瞬时附接至集霜表面9。收集区域中的剩余空气被冷却，并且沿着收集区域下降到液态水收集盆21中，并且在穿过空气浮阀40之后通过冷干空气通风口39离开通向外部周围环境。当附接有刮刀面板42的隔热盖32再次打开时，收集在集霜表面9上的霜14被刮刀面板42向上和向外刮离集霜表面9，在那里霜14落下并最终落入液态水收集盆21中。液态水收集盆21的底部装配有箱散热器37，以确保箱的底部高于0℃，从而确保霜14熔化成液态水22。重复上述过程，直到当水浮阀38指示液态水收集盆21已满时停止该过程，并且当水浮阀38指示液态水收集盆21中的水位已经下降时重新开始该过程。液态水22可以通过液态水出口44从液态水收集盆21移除以供使用。
84.图8是图7的示意性细节，其公开了热隔离集霜表面的方法。在图8的示例性实施方式中，由于在其之间存在非常大的dt，因此需要系统的收集区域与外部环境温度的特殊热隔离。例如，收集区域温度与外部环境温度之间的dt可以是70℃、80℃、90℃或更大。为了保持合理的整体系统尺寸，已经设计了分层方法以将隔热壳体31的厚度限制为2.6厘米。图8的示例性实施方式的分层方法使隔热壳体31比正常制冷隔热材料减小至少28厘米。在图8的示例性实施方式中，在与环境温度51相互作用的环境外壁上的是玻璃纤维外壳45，随后是0.7cm气凝胶层46，然后是由厚度总计0.68cm的多芯板47的两个交错层组成的气穴间隔板。在多芯板47之后是1cm厚的冷冻剂z48层，其附接至暴露于收集区域温度50的不锈钢内结构壳49。上述2.6厘米的分层方法将90℃dt限制为在1平方米表面积上每小时仅转移30瓦。
85.图9是图7的示意性细节，其进一步详细示出了进入收集区的水蒸气13的流动模式，详细示出了隔热盖(开口)32、隔热盖(闭合)33、盖密封件34、隔热壳体31、刮刀致动器11、刮刀路径12、pcm封装箱16、集霜表面9和刮刀面板42。
86.图10是图9的示意性细节，其进一步详细示出了霜14刮擦流，其界定了隔热壳体31、pcm封装箱16、集霜表面9、刮刀路径12、刮刀面板42和霜滴落方向43。
87.在本文所描述的示例性实施方式中，以下附图标记具有标识的标签/结构/操作：
88.1、输入能量
89.2、压缩机
90.3、风扇
91.4、开关
92.5、温度传感器
93.6、冷凝盘管
94.7、膨胀装置
95.8、蒸发盘管
96.9、集霜面
97.10、刮刀
98.11、刮刀致动器
99.12、刮刀路径
100.13、水蒸气
101.14、霜
102.15、热能
103.16、pcm封装箱
104.17、低温pcm
105.18、钎焊板式换热器
106.19、流入导管
107.20、流出导管
108.21、液态水收集盆
109.22、液态水
110.23、内部箱支架
111.24、蒸发器入口孔
112.25、蒸发器出口孔
113.26、pcm箱填充开口
114.27、pcm箱通气开口
115.28、温度传感器管
116.29、温度传感器引线
117.30、球阀
118.31、隔热壳体
119.32、隔热盖(打开)
120.33、隔热盖(关闭)
121.34、盖密封件
122.35、箱隔热件
123.36、箱密封件
124.37、箱散热器
125.38、水浮阀
126.39、冷却干燥通风孔
127.40、空气浮阀
128.41、冷却干燥空气
129.42、刮刀面板
130.43、霜滴落方向
131.44、液态水出口
132.45、玻璃纤维外壳
133.46、气凝胶
134.47、多芯面板
135.48、冷冻剂z
136.49、内部结构壳体
137.50、收集区域温度
138.51、环境温度。