CN104457378B - 热交换装置和有机物处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种廉价地加热大流量的气体或液体的小型热交换装置和有机物处理装置。在利用冲压加工而弯曲从而形成有流道槽的第一板上连接有第二板，形成具有气密性的流道，通过使导入流道的流体与该流道的壁垂直地碰撞来进行热交换。构成流道的材料可以是金属板或具有导电性的塑料等，从而可以廉价地生产小型轻量的热交换装置。

Description

热交换装置和有机物处理装置

技术领域

本发明涉及一种用于瞬间加热或冷却流体的热交换装置。

背景技术

作为热交换装置，例如具有加热气体的装置。通常使用的机构是使气体通过加热后的管来加热气体。或者是如下机构：使加热流体流经带翅片的管，通过使气体流经上述翅片之间来加热气体。

上述装置不仅用于加热气体，还经常用于加热液体或生成水蒸气。不是加热气体而是冷却气体的装置也通常采用相同的机构。

上述结构具有一般性且以往一直使用，但是装置需要较大的容积。这是因为流过管的流体和管的热交换效率低。

提出了一种改进上述一般结构的热交换效率的机构。图1和图2表示了这种发明的例子。

图1是示意性表示专利文献1所示的实现冲击喷流的加热机构一例的图。流经管的气体接触加热后的空洞圆板并与空洞圆板进行热交换。用于加热的加热灯并未图示。

图2是表示如专利文献2所示，将利用气体与基体的碰撞而有效地进行热交换的流道配置在基体表面，从而产生加热气体的装置的图。本发明中采用了效率良好的热交换结构的图2的以往例子。

对图2的热交换进行说明。图2中表示了气体流道的结构。通过切削碳基体的表面来制作流道。通过切削来制作加快气体流速的狭窄的多个纵槽流道。流经所述狭窄流道的气体高速地碰撞与纵槽流道呈直角连通的横槽流道，从而高效地与高温碳进行热交换。在碳表面按照碰撞次数反复进行热交换，气体被加热到与碳大体相同的温度。

由于100SLM流量的气体流经1cm²的断面的速度计算为16m/秒，所以流经具有该流道断面的长度为10cm的装置所需要的时间在0.01秒以下。即，瞬间将气体加热到碳的温度。图2提供的结构能够进行瞬间热交换。

瞬间加热气体并喷出高温气体的装置不仅能够应用于供暖或干燥，还能够应用于对涂布在基板上的各种材料(金属或电介质等)进行加热并烧制的工序。上述装置也能够有效应用于对水等液体进行加热。

瞬间冷却气体的装置能够应用于冷却来自涡轮的水蒸汽、冷却制冷制热设备的制冷剂以及冷却锅炉的排热。制冷剂的冷却有望应用于近来受到关注的地热发电。

本发明涉及有效地瞬间加热或冷却作为流体的气体、液体的装置。

专利文献1：日本再公表专利WO2006/030526

专利文献2：日本专利申请特愿2008-162332号

发明内容

希望能够廉价制造高效地加热或冷却气体的装置。即，希望能够廉价地制造图2所示的流道结构的装置。通过对基体材料表面进行切削加工来制造图2所示的结构。容易切削时切削成本低。但是，如果基体为金属等硬质材料，则用立铣刀来加工宽度为1mm、2mm或3mm且深度为2mm、3mm或5mm的槽需要花费时间，所以不容易加工。上述切削加工妨碍了制造成本的降低。

如果可以简单地进行图2的流道形成加工，则可以降低制造成本。如果可以降低制造成本，则能够扩展热交换装置的应用领域。

图3表示解决课题的本发明的基本结构。高效地与流体(将气体和液体统称为流体)进行热交换的结构及其原理与专利文献2相同。

在专利文献2的结构制作中，切削基体表面来制作进行热交换的气体所流通的槽。将板材按压在制作了槽的基体表面上来形成具有气密性的封闭流道。

图3的结构是使用模具并通过冲压加工来形成槽，将槽作为流体的流道。并且图3的结构如下：将制作了成为流道的槽结构的流道板301以及用于以气密方式封闭流道的密封板302粘接。槽以如下方式形成：通过把在流道板301的侧面朝向外侧开口且在一个方向上长的横槽，隔开所需要的间隔以多级方式沿板的另一个方向形成，并由与相邻的横槽垂直的多个纵槽连通所述横槽。并且通过使导入位于一端的横槽的流体经由横槽和纵槽流动到位于另一端的横槽而形成有流道，通过使导入流道的流体与流道的壁垂直碰撞来进行热交换，并使流体从该流道另一端的流体出口孔流出。由于利用模具冲压加工来制成具有流道结构的流道板301，所以可以简单地反复制造。板的材质是铁板、镀层钢板、不锈钢板、铝板、黄铜板等，能够进行各种选择。当由金属制作流道板和密封板时，上述两张板之间的连接能够使用电焊机(使大电流流过接触面来粘接两面的工具)进行的粘接、电焊、氩气焊、银焊以及罐头那样的铆接。

在上述例子中，流体入口303、流体出口304形成在流道板301上，但是也可以形成在密封板302上。

将构成流道的狭窄的纵槽称为通道(channel：用附图标记CH表示)。通道的宽度例如为2mm、深度为2mm、长度为6mm。可以自由地设计通道CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6的形状，其数量也能够自由设计。将与上述多个通道成直角延伸且连接的横槽称为沟槽(tab：用附图标记T表示)。流经通道的流体与沟槽的壁垂直碰撞。沟槽的宽度例如为5mm、深度为5mm、长度为5cm。能够自由地设计沟槽T1、T2、T3、T4、T5的形状和数量。

将与流体入口303相连的横槽称为缓冲沟槽305，并将与流体出口304相连的横槽称为缓冲沟槽306。缓冲沟槽的宽度例如为15mm、深度为5mm、长度为5cm。可以自由地设计上述缓冲沟槽的形状。

图3的(B)是图3的(A)的XX断面图。附图标记W表示流道板301和密封板302的连接部。

图3的(C)是图3的(A)的YY断面图。附图标记W表示流道板301和密封板302的连接部。在通道CH中加速的流体307与沟槽的壁强有力地垂直碰撞，从而与流道板301进行热交换。将粘接流道板301和密封板302而成的构件称为粘接板，将具有粘接板的热交换器称为粘接式热交换装置。如果粘接板被加热而成为高温，则流体307被加热。

如果流道板301、密封板302被冷却而成为低温，则流体307被冷却。

如果粘接板为金属板，则由于能够简单地进行流道成型和连接，所以能够廉价地制造热交换装置。

构成粘接板的材料可以采用具有热传导性的塑料。例如采用混合有碳纳米管、石墨稀、碳纤维、金属纤维等的塑料复合材料。由于能够进行上述复合材料的模具冲压加工和连接加工，所以也能够代替金属板，将塑料复合材料的粘接板应用于制作热交换装置300。

此外，与热交换装置300接触的周围材料和流体具有腐蚀性时，也可以利用树脂对热交换装置300的材料表面进行覆盖、涂装或镀层。此外，也可以使材料表面氧化而利用氧化膜进行保护。

粘接板的连接能够利用螺钉固定。粘接板的连接还能够使用橡胶衬垫、碳衬垫及其他密封衬垫。

上述连接也可以使用粘接剂进行连接。

上述的流体可以是包含空气的气体，也可以是包含水的液体。

水是特别的原料。由于即使不特别准备气体，水也能够成为蒸汽的原料，所以能够作为不包含氧气的气体来使用。

温度超过100℃的高温蒸汽分解有机物的能力高。如果使1000℃左右的高温蒸汽与肉、蔬菜、木片、塑料的有机废弃物接触，则切断或分解分子并产生包含氢、碳、氧的气体。

即使比上述温度低，例如使300℃左右的高温蒸汽与肉接触，则肉的筋发生变化，可以变化为易嚼、柔软的肉。上述方法能够应用于不使用火的安全烧烤。

上述高温蒸汽和废弃物接触而提取的化学势高的上述气体可以作为能源再利用。因此，进行上述处理的粘接式热交换装置成为有机废弃物的处理装置。

热交换装置300是以平面形状表示的单体，但是也可以弯曲成三角形、四边形或其他多边形的筒。如果不是利用平面而是圆筒形状的板进行制作，则可以成为圆筒形状。

可以自由地设计流体出口304和流体入口303的数量、形状和安装位置。当连接多个热交换装置300时，可以通过将流体入口和流体出口连接而串联多个所述热交换装置300，或者通过将流体入口彼此连接且将流体出口彼此连接而并联多个所述热交换装置300。

可以不改变热交换装置300的形状，在其他的筒或板的表面上粘接多个热交换装置300。

为了加热流体，可以在热交换装置300上安装加热器，或将热交换装置300放置在加热后的介质中。

已知例如为了提高锅炉的燃烧效率，导入高温加热后的空气是有效的。为了实现上述目的，可以使热交换装置300与锅炉的燃烧室或排气配管接触，或将热交换装置300放置在锅炉的燃烧室或排气配管中来加热空气，并将加热后的空气作为加热空气导入。

为了冷却流体，可以使冷却介质与热交换装置300接触，或将热交换装置300放置在低温的介质中。

例如，如果将来自涡轮的高温气体作为流体并使其流经热交换装置300，并利用海水对其进行冷却，则能够有效地冷却高温气体。

有时想要瞬间进行第一气体和第二气体的热交换。为了实现上述目的，可以借助密封板302背靠背连接第一热交换装置300和第二热交换装置300，使第一气体流经第一热交换装置300，且使第二气体流经第二热交换装置300。

例如在想要利用空气冷却用于地热发电的氨气时，可以将高温的氨气作为第一气体、将空气作为第二气体。

本发明方式1的热交换装置在利用冲压加工而弯曲从而形成有槽的第一板上连接第二板，形成具有气密性的流道，其中，所述槽包括：横槽，在所述第一板的侧面朝向外侧开口且在一个方向上长，而且隔开所需要的间隔在与所述一个方向不同的另一个方向上多级形成；以及多个纵槽，以使相邻的所述横槽连通的方式连接所述横槽，并与所述横槽垂直，以使导入位于一端的横槽的流体经由所述横槽和所述纵槽流动到位于另一端的横槽的方式，形成流道，通过使导入所述流道的流体与所述流道的壁垂直碰撞来进行热交换，并使流体从所述流道另一端的流体出口孔流出。

方式2在方式1所述的热交换装置的基础上，所述板是铁板、不锈钢板、铝板、黄铜板和塑料复合材料板中的任意一种，所述塑料复合材料板混合有碳纳米管、石墨稀、碳纤维或金属纤维。

方式3在方式1或2所述的热交换装置的基础上，所述板的表面由树脂覆盖、进行涂装、进行镀层或使所述板的表面氧化而覆盖氧化膜。

方式4在方式1-3中任意一项所述的热交换装置的基础上，所述板之间的所述连接为以下连接方式中的任意一种：使用电焊机(使大电流流过接触面来连接两面的工具)进行的连接；利用电焊进行的连接；利用氩气焊进行的连接；利用银焊进行的连接；铆接连接；利用螺钉固定进行的连接；在所述板之间加入密封衬垫并利用螺钉固定进行的连接；以及利用粘接剂进行的连接。

方式5在方式1-4中任意一项所述的热交换装置的基础上，所述流体是包含空气的气体、包含水的液体和包含放射性元素的气体中的任意一种。

方式6在方式1-5中任意一项所述的热交换装置的基础上，通过在所述热交换装置上安装加热器、或将所述热交换装置放置在加热后的高温介质中，来加热所述流体。

方式7在方式1-5中任意一项所述的热交换装置的基础上，通过使所述热交换装置与低温介质接触、或将所述热交换装置放置在低温介质中，来冷却所述流体。

方式8的热交换装置连接有两个方式1-7中任意一项所述的热交换装置，并分别流通有第一流体和第二流体。

方式9的有机物处理装置包括方式1-8中任意一项所述的热交换装置，使有机物与由所述热交换装置制造的高温蒸汽接触。

按照上述方式，不需要进行花费时间的基体切削加工，通过对能够弯曲的板、特别是金属板进行模具冲压来形成用于热交换的流道，并且能够仅通过将其他金属板焊接在所述板上，从而制作流体的热交换装置。

减少了工序数，从而可以降低热交换装置的制造成本。

板的材料可以使用金属、表面加工后的金属、树脂覆盖的金属、带有表面氧化膜的金属、以及增强了热传导性的塑料复合材料。可以从上述材料中选择能够防止因与流体和热介质接触而产生腐蚀或损耗的材料。

因此，能够进行具有腐蚀性的药品或具有渗透性的毒性气体等流体的加热和冷却。

按照上述方式，能够简单地连接两个板。如果是金属板，则可以利用熔接或电焊机进行连接。如果是塑料，则能够利用粘接剂进行连接。铆接是制作罐头时的简单方法。由于上述连接形成的方法简便且使用现有设备，所以能够降低制作该热交换装置时的制造成本。

按照上述方式，可以使用气体和液体作为流体。

如果选择氧气作为流体，则能够瞬间制成加热后的氧气。如果选择氢气和蚁酸作为流体，则能够瞬间制成高温还原气体。如果还原焊球表面的氧化膜，则由于在低温下再现性良好地产生焊球的熔化，所以能够稳定地进行焊球连接工序。

如果选择空气和城市气体作为流体，则能够使高温的空气和燃料混合进入锅炉内，燃烧温度变高并提高燃烧效率，从而能够节约城市气体。加热后的空气提高了内燃机的燃烧效率，从而能够节约重油等燃料。

如果使水成为100℃以上的蒸汽，则能够在无氧状态下进行加热或干燥。如果利用300℃的蒸汽对带有筋的羊肉进行烧烤，则使筋变得柔软。

能够在身边生成高温蒸汽并应用于需要避免氧化的干洗的干燥中、印刷油墨的瞬间干燥中。

当想要对加入容器内的隔热性高的材料芯片进行加热时，如果隔热性高，则容器的加热需要花费时间。

此时，如果加入加热后的蒸汽、空气或氮气，则能够在短时间内进行隔热材料的加热或使其熔化。当想要混合熔化温度不同的隔热性材料时，可以预先利用气体分别对其进行加热。此时，在该热交换装置中能够利用加热成所希望温度的气体。

如果在核电站中用水对放射性污染物进行冷却，则由于产生被放射能污染的水，污染水的处理比较困难。为了不排出污染水，可以考虑利用空气进行冷却。此时，需要瞬间在现场对大量空气进行冷却的装置。本热交换装置能够适合于上述目的。

按照上述方式，为了对热交换装置进行加热，可以使用电加热器或将高温的排气用作高温热介质。由于高温时存在烧伤的危险，所以由隔热件包围热交换装置并将其收纳在外壳内。

当想要将热交换装置冷却为低温时，可以使热交换装置与作为低温介质的水接触、或将其浸泡在水中。

按照上述方式，不需要使气体和气体、液体和气体、或液体和液体分别相互接触，就能够进行热交换。由于成为背靠背接触，所以交换器的容积小且交换效率高。通过选择热交换装置的材料，能够提供避免腐蚀、损耗、毒性等问题的热交换方法。如果将上述结构用于冷气机的室内机和室外机，则由于与容积大的带翅片的管不同，其容积较小，所以具有能够分别使室内机和室外机小型化的效果。

按照上述方式，能够从肉、蔬菜、木片中提取可再利用的化学势高的气体，并将其作为燃烧资源再利用。

附图说明

图1是表示以往的气体加热装置的一例的示意图。

图2是表示以往的气体加热装置的一例的示意图。

图3的(A)是粘接式热交换装置的示意图，图3的(B)是粘接式热交换装置的XX断面图，图3的(C)是粘接式热交换装置的YY断面图。

图4是在单侧安装有加热器的粘接式热交换装置的示意图。

图5的(A)是粘接式筒型热交换装置的示意图，图5的(B)是粘接式筒型热交换装置的XX断面图。

图6的(A)是粘接式圆筒型热交换装置的YY断面图，图6的(B)是粘接式圆筒型热交换装置的XX断面图。

图7的(A)是背靠背式热交换装置的示意图，图7的(B)是背靠背式热交换装置的XX断面图。

图8是整体浸泡在热介质中的粘接式热交换装置的示意图。

附图标记说明

101 气体入口

102 空洞圆板

103 管

104 气体出口

300 粘接式热交换装置

301、401、502、503、504、505 流道板

302、402 密封板

303、405、506、508、603、802 流体入口

304、406、507、509、606、803 流体出口

305、306、403、404 缓冲沟槽

307 流体

CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6 通道

T1、T2、T3、T4、T5 沟槽

W 连接部

400 粘接式热交换装置

407 流道

408 加热器

409 隔热件

410 外壳

411 供电线

500 粘接式筒型热交换装置

501 筒状密封板

510 热介质

511 流体

600 粘接式圆筒型热交换装置

601 圆筒型密封板

602 圆筒型流道板

604、605 圆筒型缓冲沟槽

700 背靠背式热交换装置

701 第一流道板

702 第二流道板

703 密封板

704 第一流体出口

705 第二流体出口

706 第一流体入口

707 第二流体入口

708 第一流体

709 第二流体

800 粘接式热交换装置

801 热介质

具体实施方式

图4表示第一实施例。

粘接式热交换装置400由不锈钢板制成。利用模具冲压厚度为0.5mm的不锈钢板来形成流道从而制成流道板401。流道的沟槽深度为5mm、宽度为5mm、长度为5cm。在流道的两端以相同深度和长度形成宽度为15mm的缓冲沟槽403、404，并分别利用1/4英寸的不锈钢管焊接有流体入口405和流体出口406。通道的宽度为2mm、长度为6mm、深度为2mm。

上述流道板401与厚度为1mm的不锈钢密封板402以具有气密性的方式焊接。利用流道板401和密封板402制成流道407，作为具有气密性的流道，从而制成粘接式热交换装置400。

在粘接式热交换装置400的密封板402上粘接有加热器408，密封板402的端部弯曲并焊接于隔热件409。利用厚度为0.5mm的不锈钢板将隔热材料包装成袋状而制成隔热件409。

加热器408和粘接式热交换装置400被隔热件409包围，并且固定于外壳410，所述外壳410由厚度为1mm的不锈钢材制成。

加热器408的供电线411和未图示的温度测量用热电偶从外壳410伸出。

如果边将热电偶表示的温度控制成固定、边从流体入口405导入空气，则从流体出口406释放加热后的空气。如果根据加热后的空气的温度对热电偶的温度进行控制，则释放设定温度的空气。

图5表示第二实施例。

图5是将筒状密封板501设置在内侧而形成为筒的粘接式筒型热交换装置500的示意图。以能够弯曲形成筒的方式，在一张铁板制的筒状密封板501上形成有分离的四个流道板502、503、504、505。焊接弯曲的筒状密封板501彼此的端部。

在上述四个流道板502、503、504、505上具有图中箭头表示的流体511的入口506、508和出口507、509。虽然描绘了该流体511的入口、出口呈敞开的状态，但是也可以根据各种目的与其他结构进行连接。

热介质510在筒状密封板501的内侧流动。可以根据筒型热交换装置500的使用目的而自由选择热介质510。

如果筒型热交换装置500与锅炉的燃烧气体排气管连接，则燃烧气体成为热介质510。流体511为空气时，可以利用热介质510加热空气。如果将加热后的空气用于锅炉的燃烧，则可以提高燃烧效率。流体511为水时，可以利用热介质510加热水而生成高温的蒸汽。

图6表示第三实施例。

图6是表示在圆筒型密封板601上粘接有圆筒型流道板602的圆筒型热交换装置600的结构的示意图。图6的(A)是粘接式圆筒型热交换装置的YY断面图，图6的(B)是粘接式圆筒型热交换装置的XX断面图。

圆筒型流道板602形成热介质510的流道。流体511从流体入口603流入，并通过圆筒型流道板602的圆筒型缓冲沟槽604、605，从流体出口606流出。

热介质510在圆筒型流道板602的内侧流动。可以根据圆筒型热交换装置600的使用目的而自由选择热介质510。

如果圆筒型热交换装置600与锅炉的燃烧气体排气管连接，则燃烧气体成为热介质510。流体511为空气时，可以利用热介质510加热空气。如果将加热后的空气用于锅炉的燃烧，则可以提高燃烧效率。流体511为水时，可以利用热介质510加热水而生成高温的蒸汽。

如果使冷却介质流经圆筒型流道板602的内侧，则流体511被冷却。

因此，该结构可以应用于制冷制热设备的室内机和室外机的热交换。由于该流道结构的热交换效率高，所以具有能使室内机和室外机的尺寸小于使用管和翅片的以往设备的优点。

图7表示第四实施例。

图7是表示使两个粘接式热交换装置背靠背的热交换装置的结构的示意图。图7的(A)是表示从两面将第一流道板701、第二流道板702粘接于密封板703的结构的示意图。即，表示背靠背式热交换装置700的结构。

图7的(B)是背靠背式热交换装置700的XX断面图。

第一流体708从第一流体入口706流入，与第一流道板701进行热交换后，从第一流体出口704流出。

第二流体709从第二流体入口707流入，与第二流道板702进行热交换后，从第二流体出口705流出。

在该结构中，第一流体708和第二流体709作为相互的热介质发挥作用。

即，两种流体借助该热交换装置700相互有效地进行热交换。

图8表示第五实施例。

图8是表示整体浸泡在热介质中的粘接式热交换装置的示意图。热交换装置800与热介质801全面接触而被加热或冷却。热介质801可以是加热后的液体或气体。热介质801还可以是冷却后的液体或气体。

加热后的液体可以是利用地热加热后的水或蒸汽，冷却后的液体可以是海水。

热交换装置800仅表示了一个，但是可以自由地设计，例如浸泡多个热交换装置800，有规则地排列热交换装置800，或以串联、并联方式连接热交换装置800。

工业实用性

本发明可以廉价地提供能生成大流量的高温加热后的气体或液体的小型轻量的部件。可以应用于如下领域：印刷物的干燥；小型制冷制热设备；包含有毒物质或放射性物质的材料、腐蚀性材料的加热冷却装置的热交换；高温蒸汽的高速生成；废弃物的加热气化装置；工业废弃塑料的熔解等。此外，还适用于廉价地将太阳能电池、平板显示装置(FPD)加热成膜在玻璃基板等大型基板上的技术。

Claims (9)

1.一种热交换装置，在利用冲压加工而弯曲从而形成有槽的第一板上连接第二板，形成具有气密性的流道，所述热交换装置的特征在于，

所述槽包括：

横槽，在所述第一板的侧面朝向外侧开口且在一个方向上长，而且隔开所需要的间隔在与所述一个方向不同的另一个方向上多级形成；以及

多个纵槽，以使相邻的所述横槽连通的方式连接所述横槽，并与所述横槽垂直，

以使导入位于一端的横槽的流体经由所述横槽和所述纵槽流动到位于另一端的横槽的方式，形成流道，

通过使导入所述流道的流体与所述流道的壁垂直碰撞来进行热交换，并使流体从所述流道另一端的流体出口孔流出。

2.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述板是铁板、不锈钢板、铝板、黄铜板和塑料复合材料板中的任意一种，所述塑料复合材料板混合有碳纳米管、石墨稀、碳纤维或金属纤维。

3.根据权利要求1或2所述的热交换装置，其特征在于，所述板的表面由树脂覆盖、进行涂装、进行镀层或使所述板的表面氧化而覆盖氧化膜。

4.根据权利要求1或2所述的热交换装置，其特征在于，所述板之间的所述连接为以下连接方式中的任意一种：利用电焊进行的连接；利用氩气焊进行的连接；利用银焊进行的连接；铆接连接；利用螺钉固定进行的连接；在所述板之间加入密封衬垫并利用螺钉固定进行的连接；以及利用粘接剂进行的连接。

5.根据权利要求1或2所述的热交换装置，其特征在于，所述流体是包含空气的气体、包含水的液体和包含放射性元素的气体中的任意一种。

6.根据权利要求1或2所述的热交换装置，其特征在于，通过在所述热交换装置上安装加热器、或将所述热交换装置放置在加热后的高温介质中，来加热所述流体。

7.根据权利要求1或2所述的热交换装置，其特征在于，通过使所述热交换装置与低温介质接触、或将所述热交换装置放置在低温介质中，来冷却所述流体。

8.一种热交换装置，其特征在于，连接有两个权利要求1或2所述的热交换装置，并分别流通有第一流体和第二流体。

9.一种有机物处理装置，其特征在于，

包括权利要求1或2所述的热交换装置，

使有机物与由所述热交换装置制造的高温蒸汽接触。