CN1374492A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

一种冷冻或冷却液体之装置,包括一个热交换管,由具有高热传导性的材料所制成,适合于在所述的热交换管之内壁接收需要冷冻或冷却之液体;冷冻装置,经由所述的热交换管将所述的液体内之热量抽离出来;在所述的热交换管内包括至少一个搅拌棒;以及至少一驱动所述的搅拌棒沿着所述的内壁动作之装置,以控制该冷冻液体在该内壁上之沉积。还提供了包括本发明冷冻或冷却液体装置的热储存系统及冷冻或冷凝液体的方法,和热交换器。

Description

热交换器

技术领域

本发明总的涉及用于蒸发、蒸馏、冷冻、加热或冷却液体的一种热交换器，以及更具体地涉及一种使作轨道式绕行的驱动装置，适用于管体内设置搅动杆，管外围绕壳体式之热交换器。

背景技术

在处理流体时，通常都需要使用热交换面来对液体加热或将热量由液体内抽离，这种热交换器通常为一种薄片金属所制成，而在金属薄片的另一面，则为第二处理流体，而它的温度则与受处理的流体不同。介于这两种流体间的热传导则可以用来加热受处理流体或来冷却它，例如，在一般建筑物空调系统内使用的乙二醇冷却器。这种热交换器也可以用来改变流体的相态，例如煮沸海水，以进行海水淡化，或由部分冰冻的水或水溶液，来生产雪泥。在各种用途中，冰雪泥是非常有用的，因为可以将能储存起来，以降低建筑物空调系统在尖峰用电之需求量，同时可提供生鲜食物之冷藏，例如将牛奶冷藏储存在农场内，以准备进一步运送至食品处理厂，以及直接将捕获之成批的鱼冷藏在渔船舱内。

这种热交换器的尺寸，及成本，到热传导系数的影响，该系数表示热流穿过一层“热”流体、分隔热冷流体之热交换器壁面，一层“冷”流体，再加上热壁面或冷壁面上沉积固体所形成之阻力。为了经济的理由，需要相当大的温度梯度来驱动热量通过这些阻力。这种高梯度会限制蒸发器或冷冻机的能源效率，因为这种方式既限制了级数又需让蒸汽压缩机产生更高的举升力。

授与本发明人之一的美国专利US 4,230,529及US 4,441,963公开了一种解决这些问题的新途径。这些专利所公开之技术使用一种垂直，薄壁，开放端部之热交换管(或管组)，这些管体受到驱动以产生环绕轨道的或摇动性运动。管绕轨道的运动，通过降低管壁内外的热阻，可以增加热传导效率。这种绕轨道的运动可以搅动要被蒸发的液体，使液体在管壁上形成一道薄膜。通过降低流体层流之厚度，可以达到增加蒸发表面区域，并降低热阻。这种轨道性绕行运动同时可以通过加热蒸汽流之冷凝，而增加管体外壁对管的传热。该冷凝作用会增加管体外壁流体层流之厚度，于是也增加了热阻。轨道性绕行运动会将管体外壁之液滴甩落，因而增加了管体外壁之热传导。

以上的两项专利都公开了在共同容器内装了多个这种管。以偏心装置驱动管体，使其在水平平面上产生摇动动作。依次，液体受动能耦合驱动，在重力作用的影响由管壁处流下时，同时作绕管内壁的转动，这种设计需要曲柄，轴承及蒸发器内复杂的密封，如此才能完成这绕行运动。于是这些组件的制造困难，成本很高，组装也不容易，更需要接受精密加工到精确的精度，同时应用在化学工业时，容易受到腐蚀及污染，同时这些组件受到磨损时，会造成摇动管体的动态平衡失调，进而产生相应的震动。US 4,230,529同时公开了一种自动平衡装置，其包括一自动调整轨道半径装置，它能补偿质量的改变，以保持动态平衡。但是，当基台移动时，即如果装置系安装在可移动的参考机架上(例如在海中的船舶)曲柄的半径即必需固定，即使这种步骤也都不一定适当。

许多已知之热交换装置，由冰淇淋制造机到复杂精密的蒸发器，都使用一根刚性之搅动杆，该搅动杆被刚性驱动以在管体内部旋转绕行，进而将粘性液体洒成细薄、均匀分布的薄膜。刚性驱动的刮片可以处理粘度达到1,000,000c.p.或更高之液体。(水的粘度为1c.p.)但是，现行使用有刚性、正向驱动的搅动杆或刮片之热传导装置，都有缺点。首先，必需在蒸发器或冻结机内，安装一支轴封良好，可以旋转之驱动轴。第二因为刮片或刮板为刚性结构体，同时绕行一个密闭空间的固定表面，造成制造及组装困难，成本提高。管壁必须加工到高精度，刮片/刮板及其支撑结构也同时需要精密的加工。另外，这种已知的刚性刮板设计同时也无可避免的，无法忍受的会磨损。

为了解决低粘度液体的问题，即粘度低于1,000c.p.之液体，美国专利US 4,618,399公开了一种设置在管体内之搅动杆，可以将液体洒成细薄与均匀的薄膜，以降低热阻，增加蒸发作用。这种搅动杆也同时控制着蒸发残余物的堆积。US 4,618,399公开了该等搅动杆的多种安装方式，包括相当长之钢索，一挠性，但不会旋转之锚锭，连接在基台与搅动杆下端之间，以及使用一双重万向接头，以连接在该搅动杆之下端及基台间。虽然，搅动杆可做为良好之薄膜分布装置，但这种安装设计却有许多缺点。他们会增加整体材料，组成及运转操作之各项成本。同时，这种设计也会失效。特别是用来支撑搅动杆之挠性钢索材料疲劳，特别要注意。

美国专利US 4,762,592公开了一种轨道式驱动装置，可以解决早期偏心式曲柄驱动装置之在制造、组装、磨损及平衡上之问题。这项改良式之驱动装置使用一旋转式之平衡重块或重块组，安装在蒸发器上，以及一供蒸发器使用之弹簧加载之避震悬吊柱。平衡荷重以及蒸发器之质量彼此绕着对方旋转，即如同平衡荷重旋转一样。

虽然这些设计确实地解决了偏心式曲柄驱动装置的问题，但是它同时确有着另一些无法解决的缺点。例如，它需要使相当大质量进行轨道性绕行运动，特别是当热交换器达到了商业用途这种大尺寸时，通常都会有许多大型的热交换管，每一根热交换管又都装有液体流。质量增加，也增加了动力的要求(特别是在启动时)，同时也增加了弹簧柱悬挂的要求，进而可能造成整个悬吊系统发生过早之故障损坏，并且也大量地增加了整个的结构成本及运转成本。它同时也增加坚稳运转平台之需求，例如混凝土地板，如果安装在海面上之船只或运输时，也都需要坚稳的平台。虽然，笫′592号专利揭露出一种解决移动式平台之技术时，这种技术措施实际上在装置大到了像商业用途这么大的尺寸时，便显得相当的不适当。其中的问题之一便是，当装置大到商业用途时，基台的动作会在曲柄或曲柄组上产生一种无法接受的高负荷，而曲柄或曲柄组的目的，即在于驱动整个装置产生一种轨道式绕行运动。

当轨道式热交换管体设计被用来蒸发及蒸馏时，在现有技术中，这种管体并未用为冷冻。其中之一个理由即为液体会在热传导表面结冰，增加经过热交换器之热流阻力，同时大大地降低轨道式管体设计之性能优点。

目前，在现在之市场上，有两种使用冰之理论型冷藏系统。其中之一即为产冰机，其在一开放之储存槽内安装了一组制冰机。在冰层被施以周期性之除霜集冰前，先使冰层成长至相当的厚度。另一种则为冰库型。这种冰库安装了一组低成本之热传导单元，通常使用塑料制造，在该塑料单元件上，冷藏用的冰在每一冷却循环中持续不断地聚集起来。在这两种型式中，在制冰过程中，由水传导至冷凝剂中之热传导效率不高，因此增加了设备的成本。

以雪泥型态来制冰的这种概念，使得制冰机可以连续地操作，其间不必中断制冰机的运转，同时许多制冰公司，也开始进行热传导性的改良，例如芝加哥桥铁公司，以及最近，由电源研究实验室(“EPRI”)，这些公司将其主题公诸大众，同时将其以“滑冰”为其商标名称。目前，滑冰冷藏系统据信已在评估阶段。

由EPRI赞助研究所发展出来的“滑冰”系统是在一篇文章中被提出，该文章之题目为“冷藏：省钱又省能源”，系在1992年7月/8月份之EPRI期刊中所刊载。在EPRI计划中将醋酸镁钙加入水中。根据EPRI的说法，使用这种添加剂可以使冰较容易在液池中形成，而不是在热交换器之壁面处形成，同时其所形成之雪泥态物质不会粘到金属上。这种以“滑冰”改善经济性的优点系1992年9月27日为纽约时代杂志所报导，这篇报导的标题为“以更高的效率来保持建筑物凉爽”。在这篇文章中，说明了在水中加入汽车用的防冻剂，但是它的效果不佳，因为冰点被降低了太多。

这种滑冰概念是非常吸引人的，因为它可以使像雪泥般的冰由一道冷却平面处，仅在重力的作用下往下流，而完全无需用到机械力。虽然滑冰的效果很好，但是它如何做，却不知道。再者，这种解决之道却有着一些明显的缺点。第一，目前仅有一种已知的添加剂可以让冰克服最初的粘性障碍，以进入晶体之重力进给，并流过冷却表面。要特别考虑，特别是当液体在经过处理后，要做为食物之用；此时便不可以使用这种添加剂。另一种限制则为热通量，潮湿率及添加剂的浓度，都必需小心地控制，以利滑冰的形成，同时热传导面也会需使用放电加工刨光。许多情况下，并不需要液体以落下薄膜形式滑过热交换器。如果热交换器管体受到液体溢流，则液体供应压力会足以将其传送至下一个处理步骤。而额外的泵及高度控制系统的安装及成本，则都不需要了，而这种系统却是一般用落下薄膜式热交换器所必需使用的。于是，轨道式热交换器则被限制在落下薄膜模式下运转操作。其中之一个理由是因为整个装置是绕行轨道转动，或是热交换管在外壳内绕着轨道转动，以大量液流溢流式热交换管则大大地增加了绕行轨道运转之质量。于是这种设计再次地增加了运转所需之能源，增加磨损，以及增加震动/平衡的问题。此外，搅动杆在热交换管内的移动，大体上会受到液体的阻滞，或是与管体中旋转的液体一起协调地旋转，因此，搅动杆在热传导方法中，所造成的影响会降到最近。

对于某些用途，热交换管必需以非垂直之方向运转。例如，在船上，船舶受到波浪的作用，而前后摆动，左右摇晃，在这种环境下，热交换管必需配置昂贵的平衡环设计，以保持其垂直运转。纵使是在陆上操作运转的系统中，也有采用非垂直设计之需要，因为可协助系统克服设备高度的限制，使系统可以穿过门或设在现有的天花板下，或是将设备系统装载在现有的标准货柜内，以利运输。

同时也需要降低因为不平衡旋转或旋转的质量(即搅动杆及驱动元件)所造成的震动。这种震动可以轻易地由使用者看出，使得设备的耐久性及热交换管接头可能发生之金属疲劳，都能为使用者之早期关心来规避。这样同时会增加能源的损耗，同时在安装组件时，施加了更多的应力。于是使整组式管体绕轨道转动的技术方案之一即为在这些管组中使其产生180度之相位差。US 4,230,529及US 4,441,963则公开了这种设计。US 4,762,592公开了轨道式平衡重块设计。

最近的设计工作建议将轨道式热交换器扩展更大的尺寸，以利商业性用途，同时在将热通量增加至最大的条件下运转，但是却遇到了一大堆新的设计问题。使用绕轨道转动技术，在所需之表面—对—容积比的前提下，增大尺寸的最直接之方法便是增加管体数量。例如，20吨的冷冻机/冷却器可以安装42根直径为1.5″的管体。用于海水蒸馏淡化之30吨蒸汽压缩式蒸发器则可以安装258根管体。在安装这么多数目之热交换管下，在正确的相态下，将所需之扭力传输至每一根管体，便明显地会产生问题，如何将磨损控制住，如何降低震动，降低零组件之数目，同时使组装更为容易，这些便成为多重管体装置商业化所必需克服的问题。

现有的绕轨道转动的驱动装置及传统式之刮片装置都无法满足这类多重管体组设计安装上之需求。管体组之质量或容器与管体，都会对偏心装置的旋转轴承施加非常大之应力，这些偏心装置则是连接在旋转动力源以及施力之终点间。力越大，越容易造成轴承及驱动面之磨损，造成驱动动力链之间产生游隙，同时会在管体组间造成所需相态之损失。较大的力量也同时会增加驱动动力组的摩擦力。为了使管体组内之搅动杆连接起来，则可以使用矩阵式齿轮或滑轮组，同时即使不考虑磨损，也会出现一种令人畏惧的机械性设计问题，特别是这种机械式矩阵必需暴露在液体下，或必需与进给液体相容。关于磨损问题，甚至在已知之刮片系统，例如由日好(SUNWELL)公司销售之冷冻机/冷却器，则使用旋转式刮片，作用在一需要预先经过精确精度处理之热交换面上，之后，刮片组件则需要进行年度之重新调校作业，这种重新调校作业每次需要几千美元的很高的成本代价。在实际的作业中，磨损不仅会影响到性能，同时对运转成本，也会产生重大的影响。

对于应用冰—雪泥的一项重大考虑即为高冷却率，在热交换器上形成的冰层不单是会降低热传导效率，同时继续成长的冰层会阻塞到管体，最终将搅动杆冻结在管体的中心。同时，管体的底部的结冰数量，通常会较管体顶部为多。于是需要降低管体底部冰雪泥排出口之机械式阻塞的尺寸及数目。于是便建议将搅动杆以顶部安装用于这种用途。当一根搅动杆绕着管体进行轨道式旋转运动时，搅动杆无可避免地会因为搅动杆触动到管体内部的结冰，其因而产生之机械性阻力，会因为搅动杆之长度而产生震动。这种情况会因为热交换器在高热通量下运转而容易发生。其结果是，搅动杆不会落在“中心”，即，搅动杆不会对齐管体之中心轴线，反而会造成一种弯曲，翘曲的形状，其特征在于下端会拖着顶部。这种翘曲实在是不希望出现的，因为当搅动杆完全卡在管体内时，会影响到搅动杆的机械效益。

此外，虽然试验了各种不同的设计，以降低管体外侧因为结冰而产生之热通阻力，这些技术对发生在外壁之蒸发或沸腾显得不是很有效。很明显地，降低管体外壁之热阻，可以提高冷冻及冷却效率。但是现有之装置或技术中，没有一种能达到这一点。

发明内容

本发明之目的在于提供一种绕轨道转动的热交换器，使用该热交换器之热储存系统，以及一种热交换方法，该热交换器可以是溢流或落下薄膜模式来操作，同时热交换器可以设置在垂直方向或非垂直方向，或在一固定或可移动之基台上。

本发明之另一目的在于提供一种用于驱动管体内设置搅动杆之驱动装置，采用这种管体型的绕轨道转动的热交换器可以很容易地放大尺寸，驱动这些管体，其中之驱动力系由正向切线及径向分力方式作用在搅动杆上，以处理高粘度之液体及管壁上之固体沉积物。

本发明之另一目的在于提供一种装置及方法，以强化用来冷冻或冷却管体外壁之热传导。

本发明之又一个目的在于提供一种绕轨道转动的热交换器，其配置有一作轨道转动的驱动装置，其具有相对低之质量及相当低之动能消耗。

本发明之又一目的在于提供一种管体内部设置搅动杆型热交换器之绕轨道转动的驱动装置，其中该搅动杆可以进行自动校准，以维持搅动杆相对于管体之平行性。

本发明之又一目的在于提供一种具有前述优点之绕轨道转动的驱动装置，该装置不受驱动元件磨损之影响，同时也无临界公差。

本发明之又一目的在于提供一种热交换器与绕轨道转动的驱动装置，该驱动装置可以在高热交换器热通量之情况下运转操作，以做为一种冷冻机/冷却器。

本发明之又一目的在于降低轨道式热交换器所产生之震动。

本发明之其他目的在于提供一种具有上述之优点的绕轨道转动的热交换器，其制造成本很低，零件之数最低，零组件之组装容易，制造成本低，同时零组件也容易分解，保养之成本也低廉。

按照本发明，提供了一种热交换器，将第一处理流体送入热交换管之一端，该热交换管是由薄壁材料构成，两端开口。一外壳或壳体围绕在该管体或管体组以限定一腔室，该腔室至少部分促使一第二处理流体与管体或管体组之外壁接触。第一及第二流体间存有一温度差，其中之一种流体为“热”流体，另一种流体为“冷”流体。热交换器管体之内壁可以使用第一处理液的溢流或形成之落下薄膜包覆。如果该管体含有一落下薄膜，则热交换器之设置方向，将使液体慢慢地由顶部之进给点，在重力之作用下，开始朝向底部滑落。但是，热交换管无需完全保持垂直。在其运转操作下，受溢流之热交换管在其设置之方向上，无任何之限制。

在蒸发，蒸馏或加热这些用途，一热的第二处理流体(例如蒸汽)则流过热交换管之外壁。其结果为朝向内部，通过热交换管之径向热流，即造成第一处流体开始蒸发(蒸发或蒸馏)或被加热(在加热中)。在液体冷却中，第二处理流体为一冷流体(例如沸腾冷凝剂)，该流体则流经该管体之外壁。其结果则为朝外流经热交换管之径向热流即造成热交换管内流体之温度降低。在冷冻液体时，朝外流经热交换管之热流，则足以促使内部之第一处理流体发生部分之结冰。

至少在每一根管体之内部设置有一搅动杆，同时该搅动杆是绕着管体之内壁移动。在其中之一型式，适于使用低粘度流体，在落下薄膜模式下运转，该搅动杆是由材料所构成，同时其结构及安装方式可使搅动杆在绕着管体之内壁移动时，得以挠曲以配合管体内壁之形状。该搅动杆之横截面为圆形，该搅动杆得以插入管体内部，并在绕着内壁移动时，得以滚动进行。该搅动杆之横断面也可以为非圆形结构，同时也不在管体内滚动行进。拍击管之缘面可以为直线型，或为其他角度之横断面，以作为铲子，以清除内壁上的固态沉积物。

一直接，正向绕轨道转动的驱动装置，驱动搅动杆或杆组绕着管体移动，同时该搅动杆大体上亦与管体之轴线对齐。在落下薄膜模式，搅动杆会将液体泼向内壁。在冷冻用途上，很重要的是，搅动杆会在液体流内产生涡流，这种涡流之形成是管体在向内移动时，推动该液体流所形成的。搅动杆在与较大质量之管体、处理流体及相关配合之管体支撑结构比较时，其质量显得较低，因此其能源之消耗很低，并且能降低驱动动力组之负荷，并能以溢流或非垂直情况下运转，包括在可信赖之移动参考架构上运转，例如在海上之船只。如果热交换管之内壁受到冲洗，则搅动杆最好由两端驱动。如果管体未受到溢流，搅动杆最好悬挂在驱动板上，该驱动板是设置在管体组及搅动杆之上方。

一驱动板(或板组)所延伸之平面，大体上是与搅动杆或杆组呈正交交错。该驱动板则一起移动搅动杆，或一组搅动杆。在其中之一种绕轨道转动的驱动装置中，至少有一偏心曲柄受到马达的带动，并将该驱动板在该平面上进行轨道式绕行运动。特别是用冷冻机时，其中之一驱动板设置在杆体组上，同时该等杆组悬挂在该驱动板上。

对于使用多重管体之大型机组，或是搅动杆需要高扭力施加在其上时，该刚性的杆驱动装置最好是采用驱动板—曲柄型。一旋转动力源作用在一偏心，或等角度设置之同步线性驱动装置，是排成矩阵，并呈90度角分离，该装置推动驱动板，以进行一绕轨道转动的运动，该运动大体上是在与杆组呈正交之平面上运转。每一根搅动杆之一端或附近则安装有一曲柄。该安装结构为一种星形结构，同时得以滑入管体端部之凹陷部内。一驱动销则安装在一支臂上，该驱动销接合在设置于驱动板上之开口或轴承内。曲柄具有一为构架所支撑之中央轴承，该构架采用可旋转方式而安装有一轴，该轴伸入该管体内。驱动板所进行之绕轨道转动运动，会经由曲柄而同时传送至所有的管体。最后，搅动杆即安装在轴上。在其中之一种型式中，多根搅动杆以等角度方式绕着轴安装，以达到良好之动态平衡。该安装结构包括一种设计，如在一旋转臂一端设置一径向导向之槽道，且杆体设置在槽道内，并以悬挂方式设置，并允许该杆体相对于运转条件下所受到之离心力，磨损及改变而进行径向性之移动。这种型式之绕轨道转动的驱动装置，可以将绕轨道转动，传送至以矩阵方式排列管体内之搅动杆，并使搅动杆进行旋转绕行动作。驱动板上的孔最好做得大些，以作为进给液体开口，以供相配的管体使用，同时也可以润滑驱动销—与—驱动板之连接。驱动动力组在每一根管体处产生很大之切向力矩，进而推动搅动杆通过在管壁上形成之固态沉积物，同时穿过管体内之液体，不论其为落下薄膜或溢流模式，也不论该液体是水性或粘性的。

辅助径向力产生装置可以补充因为杆体旋转而产生之离心力，同时可以让杆体改变其径向位置—一种非刚性安装。在较佳之型式中，这些辅助径向力装置为弹簧，它安装在杆体及中央杆间，以将杆体朝外拉。最好是在每一根搅动杆之上端及下端安装一对叶形弹簧。弹簧所产生之径向力大小仅需能够阻止固态沉积在管壁上形成即可，如在冷冻作业中之冰层，并可以防止搅动杆因为低转速而产生之挠曲，并且能使搅动杆防止在管体运动时所遇到之各种阻力变化，即，在垂直安装之管体中之冰层，冰层在管体底部形成速度，较在管体上端更为快速容易。在冷冻作业中，最好能将一种金属线性夹所构成之止挡装置固定在轴及搅动杆间，以限制搅动杆向外之最大行程，进而在搅动杆及内壁间形成一小小的间隙。这个间隙可以降低搅动杆之磨损与摩擦力。如果形成了一道冰层，搅动杆会限制冰层之成长，仅达到间隙之厚度即中止。因为移动中的搅动杆所形成之涡流，在某些情况下，也可由弹簧与金属夹造成的涡流，会减缓冰层在管壁上之结晶速度。在一较佳之冷冻作业中，处理流体可以加入添加剂，就现有之了解，可以将冰点降低至纯处理流体以下，以使冰层在流体形成之速度，高于在管壁上结冰速度。对于水而言，这种添加剂为乙烯乙二醇，丙烯乙二醇，牛奶，海水，醋酸钙，以及形成无水结晶之无机盐。一般标准之溶液在3％及10％间。

与大型系统相反，它需要高表面/容积比，同时高热通量会进一步地降低表面区域，一些变化之条件则在一些小型系统中出现，在这些系统中，结构简单，零组件数目低，通常都是主要的考虑，而关于每单位面积或每单位体积所能达到之经济性，则较不考虑。例如，一些自由旋转之搅动杆组在一大型之筒槽内旋转，会较在许多根较小之管体内各设置一搅动杆，并以轨道性绕行运动来驱动这些搅动杆，前述之方式会更为经济。

使用曲柄来驱动搅动杆，也可以同时将搅动杆相对于曲柄，而设置在不同之相位角上。如果每一支管体内都设置一根搅动杆，这是最好的，在将多根搅动杆，以相同之逻辑，将搅动杆以相对之相位角方式设置在轴上，也可以达到动态平衡，这个平衡概念也在第′963号专利中公开。

为了强化在管体外壁处之热传导，以进行冷冻及冷却作业，则包在该热交换管之外侧设一根管形汽套以限定出一环形热虹吸管，该汽套之顶部及底部都有开口，以供第二处理流体渡过。第二处理流体为一种沸腾之冷凝剂，在操作中，该冷凝剂会在管体外壁形成两态相之流体。汽套会产生一种对流性流体，其中低密度及煮沸蒸汽及液体会形成一道高速之流体，流经管体之外壁。

附图说明

本发明以上及其他之特征及目的，在配合以下之图示及详细说明后，将变得更为清晰明确，附图中：

图1为根据本发明的一个实例的轨道性绕行驱动装置，开放管体，搅动杆式热交换器的立体图，其中部分组件被剖开，该热交换器是在溢流模式下及沿非垂直方向运转；

图2为根据本发明之另一轨道性绕行驱动装置，开放管体，搅动杆式热交换器之实施例的立体图，其中部分零组件被剖开，该热交换器是在落下薄膜模式下及沿垂直方向运转；

图3为图1所示刚性的杆轨道式驱动装置详细之剖视图，其中部分之零组件被剖开，同时示出一热汽套，以强化沸腾冷凝剂流经每一热交换管外壁之流动；

图4为热交换管及轨道性绕行搅动杆简化的水平剖面图，图中示出在落下薄膜模式下作用在搅动杆及管体内部液体之动态力；

图4A为图4中动态作用力之向量分析图；

图5为用于根据本发明热交换器轨道性绕行驱动板装置之详细图，其中轨道式顶部驱动板是刚性地连接在一支自由旋转，动态平衡之搅动杆上；

图5A为相应于图5的另一实施例，但是使用四支搅动杆；

图5B为一顶视示意图，示出一种平衡设计，其中单一杆的组是以相互相差为180度方式受到驱动；

图6为一图解顶视图，揭露出图5及图7所示轨道式驱动装置，对磨损及精度之不敏感性，同时使用5个相配的管体中心a1...a5以及5个相配的驱动板连接点b1...b5来举例说明；

图7为相应图5的透视图的细节，但是所示为根据本发明之另一实施例，其中使用一对偏离之平坦搅动杆，以及一辅助径向力弹簧座；

图7A为图7所示实施例之另一种实施例的透视图，其中详细地揭示了另一种四根搅动杆实施例；

图8为一用根据本发明热交换器的为系统以及根据本发明之一冰炉高度简化图。

具体实施方式

图1示出一种根据本发明之热交换装置100，该装置使用一作轨道式绕行的搅动杆驱动装置。一容器或外壳2则围绕住多个热交换管体1。一顶管板片3及下管板片4则共同地与管体将容器1之内部区分成容室5，6及8。容室8表示热交换系统之外侧或外壳侧。内侧或管体侧则同时包括一上容室5及下容室6，以及在管体1内之空间。每一个管体1提供热交换内壁7及外壁。该热交换装置是使用薄壁材料制成，使用的材料本身之热传导性极高，如铜或钢。管体之表面可以经过特殊之处理，例如在表面上形成多个槽道，以提高管体内壁及外壁之热传导性。

第一处理介质I可以利用导管或喷嘴9及10而导入容室8内，同时经由热交换管I之管壁而与第二处理介质II进行热交换，该第二介质可以经由导管11以及在下容室6设的导管12而进入上容室5内。例如，为了进行海水淡化，第二介质II则可以为海水，而第一介质可以为蒸汽，如水蒸汽。而要制造雪泥时，介质II为水，其内加有添加剂以加速水中大型冰结晶体之形成，代替在内壁上结冰。介质I最好为一种加压之冷凝剂，它可以在管体之外壁沸腾以形成一种两种相态之蒸汽/泡沫流。水中适当的添加剂为乙烯乙二醇(车辆水箱用之防冻剂)，丙烯乙二醇，牛奶，海水，醋酸镁钙以及特殊之无机盐，例如形成无水晶体的硼酸钠。一般来说加入3至10％之溶液是最典型的。添加剂加得恰当，会有助于形成非常纤细，粉状的冰晶。添加剂不会将冰晶形成大块的平冰片。适当的溶液，当放置在一般家用的冰箱经过一夜时，将会形成雪泥状，及可搅动的形态；但是当添加剂及溶液浓度不恰当，则会加速冰决的形成。

当装置100被用在蒸发过程中时，容室8内之介质I会具有较高之温度，来对容室5内温度较低之介质II加热，使其产生蒸汽。特别是，蒸汽流可以经由导管10导入容室8内，在管体1外壁凝结，以形成液流并经由出口9流出。如此释放的热量则用来蒸发介质II，介质II为一种流体，经由导管11而送入管体板片3之顶部而被导入上容室5内。在其中一种进给分布中，液体是以液体池24之形式被送入管体板片3内。该液体然后流下至管体1中，在容室8内，冷凝蒸汽而释放之潜热则流过热交换管1之管壁，以蒸发位于管体内部之流体。因而产生之蒸汽可以流经管体1之上端，同时由出口11a(虚线所示)离开，或是在另一种设计中，蒸汽则可在管体1内朝下流动，与另一股液体蒸汽合流，而由容室6之下端出口12处离开。

在每一根管体1内部，设置有一搅动杆24，该杆体受到驱动，并以绕轨道转动的方式在管体内旋转。轨道性动作则由弧形箭头300来表示。轨道性绕行运动会产生一个离心力，造成搅动杆顶住相关管体1之内壁，同时杆体亦与管体之轴线对齐。在图2所示之落下薄膜运转模式中，这种轨道性绕行运动会将液体流洒成一道细薄均匀的液膜，以加速液体之蒸发速率，于是也增加了热传导系数。在图1所示之溢流模式中，搅动杆会在进给液体II内产生涡流，这种涡流可以控制管体内壁上固态沉积物之形成。

随着不同的用途，运转模式，及管体之状态及尺寸，以及其他因素，搅动杆之质量，结构及转速都会有所改变，这种情形都是本专业技术人员很容易明白的。例如，对海水淡化，其中一项很重要的因素是利用杆体之轨道性绕行运动来降低溶于海水中各种不同混合物之结垢形成，这些混合物会在海水受到蒸发时淅渗出，而形成结垢。在某些食物产品之浓缩作业中，杆体必需能抵抗流体的粘度去推动浓缩之流体，而在此同时，杆体又必需不致损坏到管体内部之纤细材料。在制造雪泥时，热能之方向性会由管体之内壁流向外壁，于是当液体缓缓地向下流时，液体即受到冷冻，同时形成冰晶。在这种用途中，搅动杆之功能是打碎及移去初期形成的冰晶，因为这些冰晶会粘住管体1内壁并在其上增厚。

在图1所示之结构中，杆体24最好是可自由活动地设置在管体1之内部，同时杆体之下端则以低摩擦表面放在一驱动板或壳体端壁23上，以便于杆体之滑动，以进行轨道性绕行运动300。在溢流模式运转之较佳实施例中，杆体24之轨道性绕行运动被一对垂直间隔，水平延伸之驱动板22，22′致动。这些驱动板可以支承在挠性轴杆93及93′上，该轴杆之一端是固定在端盖2a，2b上，而另一端则固定在壳体2以及驱动板22，22′之另一端，这些挠性轴93，93′就扭曲方式而言是刚性的，但是就弯曲模式而言则具挠性。一个万向接头也可起到相同的作用。以这种方式悬挂，驱动板22，22′会在移动动作上具有自由度，但在扭曲动作上，则无此自由度。

驱动板22，22′之中心，设置有衬套21，21′，一轴杆17穿过该衬套，同时轴杆17受到设置在中心轴杆14上之曲柄16及18所驱动而转动，该中心轴杆14则由一马达13配合安装在容器2内之轴承及密封15所驱动。于是，当马达13工作时，使驱动板22，22′产生绕轨道的转动，而嵌在孔23内的搅动杆24则同时受到驱动板之驱动而进行相同之轨道性绕行运动。曲柄16，16′之半径经过调整，使得搅动杆24得以自由地在管体1内旋转运动。孔23之直径在与搅动杆24之直径相比较时，是相当地大，如此可以让各搅动杆在其管体1运转时，进行其自动调整。

图1示出轨道性搅动杆热交换器刚性地安装在一平板200上，该平板与水平面呈一夹角，以模拟船舶之甲板上起伏运动中之倾斜。热交换器100则相对地倾斜，而成为一非垂直方向。对于这些移动基座之运转操作，与落下薄膜模式相配的传统之液面高度控制及进给液体分布方法都无效。另一方面，在管侧容室1，5，6完全溢流时，进给分布完全不受方向性之影响，同时进给液II可以由管体之两端导入。搅动杆24受到两块驱动板22，22′之驱动，以进行绕轨道转动，该驱动板分别设置在搅动杆之一端。这种技术比仅在搅动杆之一端驱动是更为可靠，但是这种技术较适于使用在移动之基座或非垂直运转，以及用于完全溢流的管侧容室操作。

图2为一种绕轨道转动的搅动杆热交换装置100′之剖视图(相同零件使用相同的标号表示)，该装置使用了单一驱动板22，安装在顶管体板片3上。热交换器100′之方向大体上是铅直的，同时搅动杆24是利用水平销25而吊挂穿过孔23，水平销25固定在每一根搅动杆之一端，同时其尺寸设计使得不论杆体相对于孔洞的位置如何，水平销都不会掉入孔洞中。这种安装设计可允许简单的“落入”组装，而要修理或保养时，又能轻易拆开。设置在热交换管体1内部之搅动杆则再次地由马达13所驱动，以在管体内产生绕轨道的转动，马达13之动能经由轴杆14，轴承15传送，进而转动曲柄16及曲柄销17′，该曲柄销17′则将绕轨道转动运动导入驱动板22中心之轴承。驱动板22会跟随曲柄16之圆形运动，其进行之运动为真圆之轨道运动即没有自转，因为所有的搅动杆都受到限制而进行真圆之轨道运动，好象驱动板由多根曲柄所引导。这种多重驱动装置之良好特性，可以抗拒磨损及制造容差，使得所制造之孔23明显地较搅动杆24为大。作为实例(但不是限制)，如果管体之内径为1.50英寸，4英尺(1.22公尺)长，搅动杆为3/8英寸(0.9公分)之不锈钢，长度较长，同时孔洞23之直径为5/8英寸(1.59公尺)。搅动杆24及孔洞23之间隙，则可以在落下薄膜模式运转时，作为每一个管体之进给入口，如图2所示。正常进给润滑孔23，与搅动杆24接合，搅动杆亦可以防止孔不受杂物(如冰晶颗粒)之阻塞。

在搅动杆由其上端悬挂时，其下端则无任何阻碍，因此允许冰雪泥自由地流入泄流孔28内，同时经由导管12流出，而流入适当泵(图中未示)之入口，该泵可以将雪泥送入储存槽筒内或至少部分经过再循环回路，而流回热交换器100′。有时，要将搅动杆之下端延伸超过下管体板片，同时更接近底部，利用这种方式杆体自由下端所增加之质量则会增加搅动杆顶住管体下内壁之接触压力，而正好在这个位置液流中冰雪泥之浓度达到最高，同时最容易冻结起来。延伸之端部达到了壁，也协助搅动冰雪泥，以利雪泥流入排放孔28内。

当热交换器100′做为冷冻机或冷却器运转时，液态冷凝剂经由入口9被导入容室8，同时在接触到热交换管体1之外壁时，便会蒸发。因而产生之蒸汽便由出口10而流入冷凝单元包括压缩机，冷凝器，接收器及吸收储存器的标准商业组合，该冷凝单元会将液态冷凝剂回流至入口9。

冷凝剂在蒸发过程中所产生之冷凝效果，会吸收由管体1内壁7处流下之水流内之潜热。于是水流便成为部分冻结之雪泥。搅动杆24绕轨道性的转动会推动水流，在搅动杆之前端使水流绕着管体之内壁旋转，进而在搅动杆之后方形成一道薄膜。薄膜，管体完全潮湿，以及液流前方之涡流波之组合，则会改善管体1内部热传导性质。

应用在冷冻机时，需要加强进给水内部之冰块结晶。在理想的情况下，冰晶会在由杆体所造成之涡流内成长，而不是在管壁上成长。测试时，使用了5％之氯化钙溶液，离开单一管体测试单元的液体事先过饱和(以低于平衡冷冻温度几度之温度过冷)。在某一点，溶液转白，这是因为自发地形成纤细之冰晶核群，以释放过饱和所致。降低的温度快速地回复至其先前达到之平衡值，同时在整个测试期间都维持该平衡值。这种自发核化现象支持了一项假设，即在搅动杆前方液体中之冰晶化现象，要较管体内壁上更容易形成。但是，目前仍不明确或达到一般性之共同见解，即冰晶形成之机构究竟为何，仍不明确。

搅动杆之标准旋转速度为400至700rpm，大约是每秒10次。该速度较快，但是对于四尺长(1.22公尺)之管体，则要1/2至1秒，以利水流自由地落下，因此，水流实际沿着一条长而浅之螺旋路径流下，同时水流稳定地由搅动杆24所推送。这个动作将有助于降低内壁上形成冰晶之机会。

在冷凝剂侧，热传导性能可以用不同措施来强化，例如在壁面上形成多个槽道，以增加暴露在冷凝剂下之表面积。但是，申请人发现在用垂直管体热交换器时，最好用一个同心的管形外套35，该外套之顶部及底部都开启，以利冷凝剂之流通，进而可藉由浸透作用来强化冷凝剂之循环，如图3所示。外套35能将冷凝剂沸腾限制在位于热交换管体1及外套35间之环形空间37内。其显现出一种很强之对流流体，具有轻的蒸汽泡沫驱动流体快速地沿着热交换表面升起。相信其所造成之高速蒸汽可以产生剪力，以实际地改善沸腾侧的薄膜系数，同时让热通量在整个管体内都均匀分布。虽然首先考虑作轨道转动的制冰机之优点，但现在看到热虹吸管体概念对于在壳体侧使用沸腾之垂直管体热交换器是非常有利的。对于外分离器容器(分离两种相态)，以及双重管体板片结构，热虹吸结构及运转理论可以扩展至水平管体热交换器。

在管体1之外侧使用外套35，对于轨道式冷冻机之标准热传导系数为2631 W/m²·k，该系统使用外径为1.5英寸之钢管，以及外径为3/8英寸之不锈钢搅动杆，作绕轨道转动之速度为700rpm。在4.44℃之温度差下，热通量将为约19734 W/m²·k。R22被用来做为冷凝剂，同时在进给液中加入5％之乙烯乙二醇或3.5％之盐水做为添加剂。

图4及图4A则示出当搅动杆24受到驱动板22之开口23驱动，而进行由与管体1同轴心的圆形箭头300表示之绕轨道转动时，搅动杆24、进给液以及管体1间的物理作用。在杆24的绕轨道转动之前方，一道向下流动之液流43正受到搅动杆24之推送。使杆24驱动板22及22′的孔23的运动引出的力驱动杆24在管内转动而产生的离心力标为力60。离心力同时受到液压力63之反作用，该液压力是作用在搅动杆24之表面，并在液体受到搅动杆之推送时产生。

图4A为力之平衡图，以向量表示来更明确地说明这些力之平衡。实际上，向量63之切线分力是由向量61所平衡，该向量61是直接与马达13所供应之驱动力有关。向量63之径向分力则由离心力所平衡，该离心力是搅动杆之转速，直径及密度的函数。因为搅动杆之转速及直径同时也影响到向量63之特性，仅有搅动杆之密度成为一项独立之控制因子。

在整套系统中，所有搅动杆以及驱动板之离心力之总和，表示一种旋转之干扰力，作用在整套系统上，使系统发生震动。

同时必需注意，图4A是三个向量力60，61及63之假设平衡图，这些向量力作用在垂直于管体1之中心线的平面上，而力之作用点是在管体长度一半之位置。这些假设是对搅动杆之两端受到两片驱动片之驱动明确作用在移动中之搅动杆24上这些力之良好说明的在此情况下，当搅动杆由一端被驱动时，会产生一项动量，因为驱动力61及反应力63之中心不再作用在相同之平面上。

对于这种倾斜动量之反作用力是来自于管体之曲率以及杆体之刚性。更具体说，离心力60会迫使刚性杆体与管体之内壁对齐与管体之中心线平行，而该处之曲率为零。于是，在离心力60之辅助下很容易地以平行于管体中心线之方式旋转。好象在轴承之导向下进行，如前所述，在某些应用下，例如生产冰雪泥，冰晶能更容易地在管体下端(假设为垂直设置)形成及/或生长，而不是在上端。当热交换器在强化之热通量下运转时，这一情况可以压过离心力60杆体对齐效果，同时最后会造成装置冻结。下面参照图7来说明申请人对这个问题之解决方案。

流体41很紊流。在做为冷冻机时，大部分冰晶化之现象会发生的。某些初期的冰晶化情况会在管体之壁面上在搅动杆之后的薄膜中形成。流体41之涡流以及搅动杆24之机械性动作，再加上前述之添加剂之作用，可以防止初期形成之冰层继续发展成又厚又硬的冰片或冰层，这些冰层会牢固地结合在管体之内壁，使搅动杆根本无法将其清除掉。

图5揭示了本发明之另一项重要特点，也就是由单一驱动板22所构成之绕轨道转动的驱动装置，其可以驱动多个曲柄40，每一个曲柄都与一个相关的热交换管体1配合(不同实施例中之相同元件将以相同之标号)。图5详细地揭示出这些管体。曲柄之主转轴44是由衬套42所导向，该衬套是由三条腿的蜘蛛型之托架47所支撑，它使轴44之中心线与管体1维持在同一中心线上。托架设计成包括一刚性支臂47a，以及两支可绕曲支臂47b，使整个组件可以卡入管体内，同时进行自动对中。图7所示管体周缘上之划痕是用来与托架支臂构成一种卡扣式之结合。这些刻痕是在一般之液压成型作业时形成，以将管体1与管体板3连接。请注意，托架47及曲柄40可以由顶部置入管体1内，以简化组装及维持时之拆装。

曲柄轴44之上端是固定在曲柄支臂41上，该曲柄支臂装有一插入的曲柄销39，因而使曲柄轴机械性地连接至驱动板22上。每一个曲柄销39都固定在驱动板之孔23内，即如上所述，该孔之大小最好较曲柄销之直径大。轴44之下端与一旋转元件46接合，图中所示者为一平直之支臂，在其两端分别设置有槽48，48′。该两槽则松松地座合在杆体24，24′之凹颈部分49，49′，该凹颈部分设置在杆体之顶端，并用以支撑平直之支臂。同时，这种安装设计可以容许杆组在管体1内部滚动，即当曲柄组件受到驱动板22所产生之绕轨道转动的驱动时，杆体便在管体内滚动，驱动板运动在与杆体24，24′及管体1之轴线正交的平面中。注意，本实施例最适合单一顶部驱动板，并配合垂直运转之管体，但是也可以使用双驱动板设计，以利于非垂直运转之管体。另一项重点是杆体之安装不是刚性的。它们可以在槽道沿  着径向方向自由地移动，这样可以提供坚挺的但是可挠曲之搅动杆之优点，并且可以避免发生如传统刚性刮片的精度，公差及磨损之问题。

图6则揭示出图2，5或7所示的作绕轨道转动的驱动装置如何克服磨损及制造公差之问题，同时为了简化说明，使用五个管体之热交换器，其中管体是设置在绕一个中心为S的单一圆中等角间隔之管体板片3，板片3如图2，5或7所示。星形排列之a1-a2-a3-a4-a5表示管体在管体板片3上之排列，同时这些点也代表管体1之中心线，以及图5及图7实施例所示曲柄轴44之中心线。S表示主驱动曲柄轴15之中心线。理论上，S应该落在a1-an星形图案之几何中心。在这些a点间之粗线条3-1，3-2，3-3，3-4，及3-5表示管体板片3之连接腹板，或等同结构元件或元件组。

图6中点a1-a2-a3-a4-a5-及线条22-1...22-5一起表示绕轨道转动的驱动板22，同时其几何中心位在T点。理论上，图案a及b必需完全相同，因此当绕轨道转动的驱动板图案b由管体板片图案a进行位移，所有的位移向量r都相同。特别是，当r被曲柄支臂之半径而固定时，图案b会在一个真圆形轨道上进行绕行运动。

尺寸公差上之问题，可以利用每一个平行四边型bi-T-S-ai-bi来检查，以检验绕着整个回路上所累积之尺寸错误。尺寸误差来源于磨损，轴承游隙，管图案的制造公差，以及托架47之偏心公差的组合。在绕轨道转动的驱动板之设计中，所有绕着bi-T-S-ai-bi所累积之公差都可以很容易地利用在驱动孔23及曲柄梢29间增加1/16英寸之间隙来解决。这个间隙可以由围绕bi点之圆圈Ci来表示。

当根据本发明之绕轨道转动的驱动装置被用来驱动一曲柄时(不论是绕轨道转动的搅动杆或图5所示传统式完全式)，曲柄之半径r为1/2英寸，这个1/16英寸之公差导致曲柄角度在管体内，相对于主驱动曲柄16产生5度之相位角偏移。这项相位角偏移又使得曲柄作用在驱动板上之反应力之负载模式，产生了较小的偏移。实际的操作经验显示绕轨道转动的驱动板设计，允许驱动孔23之尺寸及形状有较大范围的变化。简言之，不但这种作绕轨道转动的驱动装置具有可同时将绕轨道的转动运动，有效地传送至多根管体上，同时它本身也不受沿着驱动装置磨损之影响，并且没有一种组件需要制造或组合上之严格尺寸公差要求。这种驱动装置是非常耐久的，容易保养，同时在制造上，其成本显得相当地低廉。它所需要之零件也非常少。例如，这种驱动装置不需复杂的齿轮传动系统来将旋转动力传送至多根管体上，同时对各种用途而言，仅需要较少的驱动板即可。

图7示出了使用曲柄组件来驱动一组径向相对设置的平搅动杆50，50′，其大体上具有矩形之截面积，其可以：(1)其移动时，可以增强管体内进给液体所形成之涡流，(2)其靠近管体之内壁7具有铲子型之前缘，可以清除固态沉积物(即用作冷冻机时之冰晶)，这些固态沉积物累积在管壁上或由管壁上继续成长。

本发明另一项理论上之特征在于提供另一种设计，以对杆体50，50′提供一种辅助性的径向力，以补充离心力60。该设计之较佳实施方式为一对弹簧51，51′。搅动杆相对于管体内壁7之结合力于是便成为离心力，弹簧51之重力性分量，以及弹簧51，51′之弹力之合力。请注意，这种设计于是为杆体50，50′提供一种非刚性安装座，即如图5所示槽道48，48′这种实施方式。这种“松弛”之径向定位可以协助本发明达到其目的，而无需使用精密的机加工，公差及组合。

当使用在冷冻机/冷却器时，提供了如图7所示之简易形弹簧加载的搅动杆，该搅动杆以低转速运转，但是扭力很高，其可以容许冰晶在管体内壁7形成一道很薄的冰层，而该冰层之厚度，却是仅用离心力在径向方向之分力，(不论是负向或正向驱动杆体或杆体组)所无法达到的。当冰层长到了无法接受之厚度时，这道冰层仅在驱动装置强力刮除下，即可轻易地剥落。这种由内壁刮下来之冰晶形状对于某些用途是非常适用的。注意这个转速非常地低，即低于100rpm，一般无法产生足够的离心力，来维持杆体组之对齐，以控制在管壁上形成之固态式沉积物。但安装弹簧后，即可以使这种低转速作业变得可行，同时亦可以降低震动以及其他相关之问题。

当制造冰雪泥以做为热储存时，则必需加速在搅动杆前端，在涡流状态中向下流动流体41尽量形成冰晶，而不是在管壁7上形成冰层。一但冰晶在管壁上形成时，便很难刮除。这层冰层会使冰晶更容易在管壁上形成。当这种厚冰层继续成长时，会产生一种危险，这种情形会造成搅动杆结在管体内，这是一种非常恼人的情况。而让管体内之冰层完全融解，则需要很长的一段时间。在此情况下，对于这种运转情况更要注意，务必确定在液体中加入之添加剂及搅动杆，可以控制管壁上形成之冰晶厚度。

为了使做为冷冻机之运转更为容易，特别是在冰雪泥模式下，如图7虚线所示，则利用了钩体52，52′来钩住搅动杆50，50′之一端，而杆体之另一端则钩在中心轴44上。钩体起到一种刚性止挡装置的作用，可以设定杆体51，51′在受到弹簧之弹力及离心力作用下，其能偏离轴44之最大行程。钩体可以在搅动杆50，50′及管体1之内壁7间，维持一良好定义之间隙，一般为几密耳(0.04英寸，0.010厘米)。

非常值得注意的是，在管体内可以使用两根杆体，彼此间隔180度，以便在杆体绕着管壁7进行旋转时，达到良好之自动平衡。当然，可以使用更多对的杆体。如使用四根杆体时，每根杆体之间隔则变为90度，如图7A所示，这种设计提供了相同之平衡效果，同时在固定的轨道转速下可以增加杆体之作用。

图5A揭露出一种小型系统，其中多根松弛摆动的搅动杆组可以同时设置在一圆筒内，这种设计较使用多数根管体，并在每一管体内设置一搅动杆，并且使用一多重驱动装置(如一绕轨道转动的驱动装置或一齿轮组)来驱动更为经济。在测试搅动杆性质之测试阶段，一支以同心方式设置在热传导汽套中之管体组，可以用如图5A所示之相同方式来驱动，而最后发现这种设计既方便又经济。

使用曲柄来驱动管体中成对之搅动杆，以维持动态平衡(已在前面讨论到)很容易了解。如果每一根管体中安装一根搅动杆，则动态平衡可以用成对对称设置，以相对相位角设置之杆体组来完成如图5B所示。在图5B中，位在19根管体内之19根杆体，被分成两组，其中之一组10根杆体是用小圆圈24表示，而另一组9根杆体则用圆圈24′来表示。大体来说，不论在移动式模式或扭曲模式下，都要考虑到动态平衡的问题。这个目标是在于结合杆体之相对组之C.G.以绕着共同之轴线旋转(最好为整个系统之中心线)，相对两组杆体之相位差为180度，同时每一杆体组之数目也几乎相同。

先前提到之标准之热通量为5772W/m，其表示图2所示绕轨道转动的杆体，在说明性之运转条件下所能达到之上限值。这种绕轨道转动的杆体结构，使得热交换器做为商业规模之用途时，被发现其对于清除初期之冰晶形成有相当好的能力，同时也可以避免恼人的情况，同时可以达到5772W/m之热通量值。这是因为滚动搅动杆之结合力，仅受到离心力60之影响，该离心力在最佳之环境下可以受到限制，同时在冰层渐渐地在管壁上形成而缩小了轨道之半径后，离心力便变得更小。在此情况下，最好设置一警告装置，当探测出操作开始混乱时暂停系统之运转，以降低回复至正常运转所需之恢复时间。

在与图7所示之结构做比较时，如果在管壁7上确实地发生了冰层形成之情况(据信为树枝状晶体结构)，则由弹簧控制之间隙便提供了一种温和之刮除效果，以防止冰晶之继续成长使冰晶之厚度超过间隙。这对于避免发生操作混乱是非常重要的。为了这个目的，弹簧控制之间隙能较刚性安装之杆体提供更好之挠曲性。

简单之综合以上所述，以绕轨道运转的驱动板来“直接”驱动搅动杆，相对于驱动整个热交换器或管体组而言，这种设计可以大量地降低受驱动之质量和降低驱动系统之应力以及设计要求。但是，“直接”驱动仅限于提供切线方向力来推动杆体朝前移动；而搅动杆对管壁所产生之负载则间接地源于离心力，离心力值相当小，同时无法完全使用驱动装置之力矩容量。而利用驱动板经由曲柄来驱动搅动杆，特别是受到弹簧对搅动杆加载的附合方案时，绕轨道转动式热交换器可以完全发挥绕轨道转动式热交换器装置之能力，以处理高粘度之流体，特别是用来制造冰雪泥。

图8示出一套完整之热交换系统，在此情况下，热储存系统130包括根据本发明制造及运转的冰雪泥机100，一冰雪泥储存槽111，以及一建筑物112或其他设备，其中利用溶冰，而经分配系统118(图中示意为线圈)传送储存在槽筒111内之“冷量”。这套分配系统为一密闭之回路。很重要的是，当机器100以溢流模式运转时，系统可以将冷量供应至很高楼层之建筑物，而其仅需使用一般之循环系统或系统输送泵，同时无高度之控制。

如果要分配冷却水，则所储存的冰则必需融化或“燃烧”。受到机器100设置位置之影响，重力及对流可以驱动或协助循环。如果要输送及分送冰雪泥，则必需将雪泥泵送至分送系统。在该储冷系统中，制造及燃烧冰的时间是错开的，通常具有不同的期间。在某些用途上(例如教堂)，可以生产冰雪泥，同时将冰雪泥储存在槽筒内很长一段时间，但是可在相当短的时间内将冰雪泥燃烧。

储存冰的一个特殊问题即在于储存在槽筒111内之冰雪泥很容易结成大体积之冰块，同时漂浮在水中。一但要使用时，必需将温水泵回槽筒内将冰融化温水则很容易贯穿浮冰112。这样便会降低最大之燃烧速率，同时让温水很快地“短路”至槽筒之底部，但是槽筒却仍然充满了冰块。为了解决这个问题，则在储存槽筒上安装的一个移动式喷嘴120，而喷嘴120之移动模型刚好可使温水均匀地在冰层上回流。

以上所说明为一种新颖之绕轨道转动式驱动的热交换器及热储存系统，不论是在溢流模式或落下薄模式运转，垂直或非垂直地设置在固定或运动参考体上，其都可以提高效率，有效热交换能力。本发明也说明了一种刚性机械的绕轨道转动的驱动装置，其可以同时驱动多个管体内设置搅动杆之热交换器组，同时将高扭力传送至每一个管体内，同时其亦可以选择安装一辅助径向力及杆体对管体之间隙控制装置。这种驱动装置非常地耐久，同时可靠度亦高，其本身不受正常磨损，零件的公差及装配之影响。甚至用一端驱动及以沿着管对杆的运动非均匀的抵抗的情况下，它也能提供对杆的自动自调整。这种驱动装置的特征在于所驱动元件很少，公差之要求很低，容易组装，容易拆解以利维修或定期保养，因此其成本非常地低廉。本发明同时公开了一种热汽套，其可以在热交换管体之外壁产生一道强化之热交换。这种热交换器及系统在非常高之能源效率下运转，同时体积很小，可以扩增其尺寸，可以在密闭系统中运转，又无需加装特殊之泵或液面高度控制装置，其特别适合应用在高层建筑物之冷气分送系统上。

然而以上本发明仅参照一较佳之实施例进行说明，对于本专业技术人员从上述说明及图示可以很容易地做其他不同之修改或变更。例如，上述之搅动杆与曲柄销是以松弛方式设置在驱动板之孔内，它们可以安装在轴上，但是这种设计会增加成本，同时降低流体进给选择性。虽然上述搅动杆可以利用销将搅动杆吊挂在上驱动板上，但它们可以使其下端设成可以自由活动地竖立着，也可以将搅动杆之两端以挠性方式固定住，或是利用铆钉设计来支撑，以强化与下端之接触力。但这些变化设计据信都不是非常需要，因为它们会降低运转上之选择，会增加运转成本，或更容易在管壁上形成固态沉积物，特别是应用在制造冰雪泥时。驱动板在上述之一般设计目的及结构下，也可以推定有其他不同之设计，如对其动力源及与驱动板的连接改变，例如，驱动板可制成一种刚性，密闭回路之框架。其可以支撑一列环体，这些环体系金属线卷绕成之网路所构成，架构上也可以安装支臂伸展过框架。每一环体都可以用来固定搅动杆或曲柄销之一端，此外，以上所述驱动板之驱动力是由马达，经由主驱动轴及同心装置来驱动，但是驱动装置也可以用多重动力源组，经由特殊设计，使能同步运转，驱动板上也可以设置一平衡重块，该平衡重块是悬挂起来，可以在同一平面上移动，也不会扭曲，或是以上公开之相互垂直线性驱动装置，它们的运转可以配合使驱动板产生一种绕轨道转动的运动。这些以及其他之改型及变化都应包括在下面所附之本申请的权利要求书范围内。

Claims (15)

1.一种冷冻或冷却液体之装置，包括：

一个热交换管，由具有高热传导性的材料所制成，适合于在所述的热交换管之内壁接收需要冷冻或冷却之液体；

冷冻装置，经由所述的热交换管将所述的液体内之热量抽离出来；

在所述的热交换管内包括至少一个搅拌棒；以及

至少一驱动所述的搅拌棒沿着所述的内壁动作之装置，以控制该冷冻液体在该内壁上之沉积。

2.根据权利要求1的冷冻或冷却液体的装置，其特征在于还包括一可溶解在所述的液体内之化学药剂，以利于控制。

3.根据权利要求1的冷冻或冷却液体的装置，其特征在于所述的该化学药剂是由一组化学药剂内选择出来的，该化学剂组包括乙烯乙二醇；丙烯乙二醇，牛奶，海水，醋酸镁钙，以及形成无水晶之无机盐。

4.根据权利要求1的冷冻或冷却液体的装置，其特征在于所述的冷冻装置包括有一个壳体，包围住所述的热交换管，进而在该壳体与所述的热交换管之外壁接收一循环、沸腾之流体在该处，所述的沸腾流体在接收到由所述的流体传来之热量后产生沸腾，以及进一步包括一开端之管状元件，设置在所述的蒸发室，并围绕在所述的热交换管外侧，所述的开端之管状元件在两端设置有开放之间隙，限定出一环形之对流式流体路径，以供该蒸发室内之沸腾流体流过。

5.根据权利要求4的冷冻或冷却液体的装置，其特征在于所述的沸腾流体为一种冷凝剂，同时其中该开端之管状元件相对于该传导管固定住，以所述的热交换管之外壁使该冷凝剂产生高速的形式为蒸汽/泡沫态之气流。

6.一种使用可以冷冻的液体之热储存系统，包括：

A.一种冷冻或冷却液体之装置，其包括

i)一热交换管，由具有高热传导性的材料所构成，所述的热交换管适于在其内壁接收可以冷冻或冷却之液体，并使该液体在内壁上结冰或冷却；

ii)冷冻装置，可将所述的液体中之热量经由所述的热交换管抽离出；

iii)至少一搅拌棒，设置在所述的热交换管内以及；

iv)至少能驱动所述的搅拌棒在所述的热交换内壁动作之装置，以控制所述的冷冻液体在所述的内壁沉积；

B.一筒槽用以储存由所述的装置所产生的雪泥；

C.设置在所述的筒槽内之已冻结液体的燃烧装置；

D.以及使用储存的冷能的装置，通过将液体由槽筒底部通过一热交换器循环以冷却另一流体。

7.根据权利要求6的热储存系统，其中所述的燃烧装置包括一移动式喷嘴安装在用来储存所述的液体之槽筒上，以将用过之水直接均匀地喷向所述的冻结的液体上。

8.一种冷冻或冷凝液体的方法，其包括：

提供一使用具高热传导性材料制成之热交换管；

将液体导入所述的热交换管内，使所述的液体流经该热交换管，并与所述的热交换管之内壁形成热连接；

同时使用所述的流体来冷冻所述的热交换管之外壁，其中液体中之热量流经所述的热交换器；

至少将一搅拌棒置入所述的热交换管内，以及

移动该搅拌棒绕行该热交换管之内壁，以控制所述的已结冻液体在所述的内壁上之沉积。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于所述的液体为水，以及进一步包括一在水中加入化学药剂之步骤，使控制更为容易。

10.根据权利要求8的方法，其特征在于所述的冷冻步骤包括沸腾一冷凝剂，以在所述的热交换管之外壁附近产生一细薄、高速、呈蒸汽/泡沫态之冷凝剂流。

11.根据权利要求8的方法，其特征在于所述的移动步骤包括刚性机械驱动该搅拌棒作绕轨道转动的步骤，而所述的热交换管则维持固定不动。

12.根据权利要求8的方法，其特征在于所述的刚性机械式驱动包括对所述的搅拌棒提供径向力，以补充由所述的绕轨道转动运动对所述的搅拌棒所产生之离心力。

13.根据权利要求8的方法，其特征在于提供至少一根搅拌棒之步骤包括提供多根搅拌棒，并以等角度方式设置在该热交换管内，以产生一动态平衡。

14.一种热交换管，其利用液体流经热交换管而运转，使冷热流体间之热量在热交换管之管壁间做径向交换，设有利用第二液体流经管体外壁来改变温度之装置，其包括一汽套，围绕在该热交换管外围，以限定出一环形流体通道，以供该第二流体流经该热交换管之外壁。

15.根据权利要求14的热交换器，其特征在于所述的汽套沿垂直方向设置，同时仅在其顶端及底端对该液体开放。

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