TW201621251A - 交替通道熱交換器 - Google Patents

Abstract

重量輕、高效率之交替通道逆流熱交換器結構被揭示。界定熱交換器結構的一矩陣之交替熱及冷通道被提供。該等熱及冷通道的每一者之入口及出口的每一者之一部分被阻斷，以防止流體流經該被阻斷部分，如此在該熱交換器結構的端部上建立只熱及只冷流體相通區域。該熱交換器結構之每一端部上所提供的交替熱及冷管集箱服務該等個別之熱及冷通道。該等通道端部上的局部阻斷結構能夠使單一熱或冷管集箱/高壓間相對於個別通道行被偏置，且如此服務該通道矩陣中之交替熱及冷通道的一對鄰接行。該真實之交替通道逆流設計比類似尺寸設計的交叉流設計提供較高之熱傳速率。

Description

交替通道熱交換器

本發明大致上有關高效率交替通道逆流熱交換器，且更特別地是有關被建構成具有一矩陣之分開的熱流體流動通道及冷流體流動通道之熱交換器，在此該等熱通道及該等冷通道於每一行及每一列中交替，使得熱通道只鄰接冷通道，且反之亦然，及在此該交替通道逆流配置係藉由通道端部流動阻斷件及管集箱/高壓間所實現，用於簡化該熱及冷流體之管道。

熱交換器已被使用十年，以由一流體傳送熱能至另一流體。於典型應用中，熱流體被第二冷流體所冷卻。該熱流體流經第一槽道、諸如管件或通道，且該冷流體能流經第二槽道或能自由地流動在被固定至該第一槽道的鰭片之上。該等流體兩者可為液體，它們兩者可為氣體，或一者可為液體及另一者可為氣體、諸如空氣。

於約束流熱交換器中，在此兩流體流經通道或槽道，依照其流動配置有熱交換器之三種主要分類。於交叉流熱 交換器中，該熱及冷流體約略彼此垂直地行進經過該熱交換器。於平行流熱交換器中，該二流體在該相同端部進入該熱交換器，且彼此平行地行進至該另一端部。於逆流熱交換器中，該二流體由相反端部進入該熱交換器。該逆流設計係最有效率的，其中由於沿著任何單位長度之平均溫度差係較大的事實，該逆流設計能於該等流體之間傳送最多熱。

增加熱交換器效率的一方式係增加流體流經之通道的數目，及減少該等通道之尺寸。用於給定的熱交換器長度，小通道尺寸實現熱能由該熱流體至該冷流體之更完全傳送。一熱交換器設計本質上係呈行及列配置的三次矩陣通道，具有數百之行及列的數目、及成千上萬之通道的數目。於此一複雜及紛亂之熱交換器結構中，雖然逆流配置的效率利益將為想要的，製造此一設計至今係尚未可能或實用的。

10‧‧‧熱交換器

12‧‧‧第一側壁

14‧‧‧第二側壁

16‧‧‧頂板

18‧‧‧底板

20‧‧‧中間板

30‧‧‧第一通道

32‧‧‧箭頭

34‧‧‧箭頭

40‧‧‧第二通道

42‧‧‧箭頭

44‧‧‧箭頭

50‧‧‧熱交換器

52‧‧‧鰭片

54‧‧‧通道

60‧‧‧熱交換器

62‧‧‧通道

80‧‧‧熱交換器

82‧‧‧阻斷件

84‧‧‧阻斷件

90‧‧‧管集箱

92‧‧‧開放端部

100‧‧‧管集箱

120‧‧‧熱交換器

圖1係該技術領域中所習知之一種簡單的二通道逆流熱交換器之說明圖；圖2係具有被加在該二主要通道的每一者中之鰭片的簡單逆流熱交換器之說明圖；圖3係真實的交替通道逆流熱交換器之說明圖，在此每一通道係只鄰接於該相反方向中承載該另一流體的通道； 圖4係真實的交替通道逆流熱交換器之第一說明圖，顯示通道端部阻斷件如何能被使用，以簡化該等流體至該熱交換器的管道；圖5係圖4之熱交換器的第二說明圖，顯示管集箱如何會同該等通道端部阻斷件被使用；圖6係圖4及5之熱交換器的第三說明圖；及圖7係按比例增加之交替通道逆流熱交換器的說明圖，以包括很多行及列之通道。

【發明內容及實施方式】

本發明之實施例針對交替通道逆流熱交換器的以下討論本質上係只示範用，且絕無意欲限制本發明或其應用或使用。

熱交換器被廣泛地使用於由第一、熱流體傳送熱能至第二、冷流體。熱交換器被使用於寬廣範圍之工業及應用中-由汽車散熱器、至諸如引擎油冷卻及噴射燃料預先加熱的航空應用、至發電及計算之各種應用。於熱交換器設計中之目的係最大化熱傳效率，以便使熱交換器尺寸/重量及所需之流體流率減至最小。

圖1係該技術領域中所習知之一種簡單的二通道逆流熱交換器10之說明圖。於諸如該熱交換器10的逆流熱交換器中，該二流體由相反端部進入該熱交換器。該逆流設計係熱交換器之最有效率型式，其中由於沿著任何單位長度之平均溫度差係較大的事實，該熱交換器能於該等流體 之間傳送最多熱。

該熱交換器10包括第一側壁12及第二側壁14。該熱交換器10亦包含頂板16、底板18、及中間板20。該熱交換器10的端部係打開的，如此界定第一(上)通道30及第二(下)通道40。冷流體在冷流體入口溫度(TC_i)進入該通道30，如在箭頭32所示。該冷流體在冷流體出口溫度(TC_o)離開該通道30，如在箭頭34所示。熱流體在熱流體入口溫度(TH_i)進入該通道40，如在箭頭42所示。該熱流體在熱流體出口溫度(TH_o)離開該通道40，如在箭頭44所示。該熱流體及該冷流體的每一者可為液體或氣體之任一者。於一範例中，該熱流體係液體，且該冷流體係冷空氣。該熱交換器10典型將為由鋁、或具有重量輕及良好傳導性熱傳性質的其它材料所製成。

該熱交換器10之每一通道具有長度X、寬度Y、及高度Z，在此該長度X係在流經該等通道30及40的流體流動之方向中由端部至端部測量，該高度Z係如所示於該直立方向中測量，且該寬度Y係在垂直於X及Z兩者的方向中測量。該熱交換器10中之總熱傳係與熱傳係數、該熱側面熱傳面積、及該熱至冷溫差的乘積成比例的。亦即：

在此h係該淨熱傳係數，XY係藉由該長度X乘以該寬度Y所界定的熱側面面積，且及分別係該熱及冷流 體之平均溫度(入口與出口溫度間之差值)。

雖然該熱交換器10係逆流設計，其係由於該等通道30及40的大尺寸而未充分地最佳化。具有較小通道及更多熱交換表面積之設計能增加效率。

圖2係簡單的逆流熱交換器50之說明圖，其係類似於該熱交換器10，但在該二主要通道的每一者中加入有直立之鰭片。一系列直立的鰭片52被分別併入該頂板16與該中間板20之間、及該中間板20與該底板18之間。該等鰭片52界定複數個通道54，該等通道係比圖1中的熱交換器10之通道30及40遠較小。其能被看見該熱交換器50仍然局部係局部逆流設計，其中該等通道54的上層處理於一方向中流動之冷流體，且該等通道54的下層處理在該相反方向中流動之熱流體。此流體流動配置由管道連接之立場係簡單及實用的，因所有該等冷流體通道係彼此毗連，且所有該等熱流體通道係彼此毗連。

該熱交換器50中之理論熱傳可被界定為：

在此該熱側面潮濕面積現在包括一項10ZX，其代表該等通道54中之鰭片的面積。然而，該熱交換器50中之鰭片52不會由熱流體至冷流體直接地導熱，故有一為此說明的“鰭片效率”。如此，該熱交換器50中之實際熱傳能被界定為：

在此η係該鰭片效率因數。

該等通道54及藉由該等鰭片52所提供之額外熱交換表面積的小尺寸造成該熱交換器50比該熱交換器10更有效率。然而，效率可藉由增加逆流之程度被進一步增加。

圖3係真實的交替通道逆流熱交換器60之說明圖，在此每一通道係只鄰接於相反方向中承載該另一流體的通道。該熱交換器60於結構中係與該熱交換器50完全相同，包括該等直立的鰭片52及該複數個通道54。與該熱交換器60的唯一差異係該流體流動配置，在此於該橫側及直立的方向兩者中，該等通道54於被載送流體之型式及流動的方向中交替。亦即，每一通道54只具有與其毗連之逆流通道。譬如，考慮通道62，其係靠近通道的底部層之中間且其在該熱交換器的右側端部具有熱流體入口。其能夠在圖3中被看見該通道62具有至該左側及至該右側之逆流冷流體通道當作其在上方的鄰近物。如此，該熱交換器60係真實之交替通道逆流設計。

於該熱交換器60中，不再有“有效的”鰭片面積，因所有該等鰭片表面現在提供由該熱流體至該冷流體之直接傳導。如此，該實際熱傳係等於該熱交換器60中的理論熱傳，如下：

亦即，該鰭片效率η係等於一。

如上面所示，由熱傳效率之觀點，該熱交換器60係理想的。不幸地是，實際來看，製成具有所有該等需要之熱及冷流體管道連接的熱交換器60將為非常地勞力密集 的。當很多真實世界應用需要具有數百行及數百列通道之熱交換器被考慮時，這是特別明顯的。清楚地是，在此無製成此一裝置之實用方式。如此，交替通道逆流熱交換器的利益至今尚未能得到。

圖4係真實之交替通道逆流熱交換器80的第一說明圖，其包括使其可能建構及按規定路線發送流體至該熱交換器80之設計特色。該熱交換器80以與該熱交換器60相同的幾何形狀開始，具有二層通道54。然而，於該熱交換器80中，局部通道端部阻斷件被加在該裝置之每一端部上，具有將於該以下討論中變得明顯之目的及功能。複數個熱通道端部阻斷件82被定位在每一熱流體通道之每一端部的部分之上。明確地是，該等阻斷件82阻斷該上層中的熱流體通道之每一者的上半部，且該等阻斷件82阻斷該下層中的熱流體通道之每一者的下半部。該等阻斷件82之對應組亦被包括在該熱交換器80的相反端部(在圖4中看不見)。由於該等阻斷件82，所有該等熱流體開口於狹窄之直立帶中被群聚在一起，如在圖4中所看見。

類似地，複數個冷通道端部阻斷件84被定位在每一冷流體通道之每一端部的部分之上。明確地是，該等阻斷件84阻斷該上層中的冷流體通道之每一者的下半部，且該等阻斷件84阻斷該下層中的冷流體通道之每一者的上半部。該等阻斷件84之對應組亦被包括在該熱交換器80的相反端部(在圖4中看不見)。由於該等阻斷件84， 所有該等冷流體開口於二狹窄之直立帶-一直立帶在該熱交換器80的頂部且一直立帶在該熱交換器80之底部中被群聚在一起。

在此被強調的是該熱交換器80中之通道54的每一者仍然具有全高度Z，正如於圖3之熱交換器60中。其係只局部地藉由該阻斷件82及84所阻斷的端部開口。該等阻斷件82及84在圖4中被顯示為阻斷少量超過該等通道開口之每一者的一半，如將為有利於隨後在下面所討論之製造步驟所需要的。應注意的是該等阻斷件82及84不須必然阻斷該通道端部之一半。譬如，如果該熱流體係具有相當低流率的液體及該冷流體係具有高流率之空氣，則其可為想要的是造成該熱通道阻斷件82較大(譬如，2/3高度)及該冷通道阻斷件84較小(譬如，1/3高度)，以致該冷流體經歷更少之流動阻礙。該相反組構係亦可能的-在此該等熱通道阻斷件82被製成較小，且該等冷通道阻斷件84被製成較大。

圖5係圖4之熱交換器80的第二說明圖。於圖5中，高壓間或管集箱90已被加入(顯示半透明的)，且會同該等通道端部阻斷件82及84被使用，以大幅地簡化該外部管道。該管集箱90具有該熱流體進入之開放端部92。由該管集箱90內側，由於該阻斷件84之存在於該等冷流體通道上，該熱流體可只流入熱流體通道。在通過該六個一半高度的入口之後，該熱流體將充填該等熱流體通道的每一個之整個直立高度。其實，該一半高度入口可增 加該等通道中的亂流，於熱傳係數中具有一有益之增加。

圖6係圖4及5的熱交換器80之第三說明圖。於圖6中，該管集箱90被顯示具有固體壁面及具有在該開放端部92流入的熱流體。第二管集箱100亦被加入，其承接離開該熱交換器80之熱流體及如所示在該左側將其運送經過單一熱流體出口。如此，其能夠在圖6中被看見至該熱交換器80及來自該熱交換器80的熱流體管道能經過至該管集箱90之單一入口與來自該管集箱100的單一出口被處理。這係比圖3之熱交換器60所需要的多數個熱流體入口及多數個熱流體出口更加簡單。

於觀看圖6中，處理該冷流體之二模式係輕易明顯的。於第一模式中，在此該冷流體係液體，且該冷流體之封閉迴圈管道係想要的，接著額外之管集箱能被加入-在該等熱流體管集箱90及100上方及下方-以處理該冷流體。該等冷流體管集箱能在該熱交換器80與該等熱流體管集箱的相同側面(亦即，於圖6中之“靠近側面”)、或在該相反兩側上具有其入口及出口。於第二模式中，在此該冷流體係空氣，且該熱交換器80能被放置於在該X方向中流動的冷氣流中，接著沒有管道或管集箱被需要用於該冷流體。於此案例中，該空氣將自由地流經該等冷流體通道，並將藉由該等管集箱90及100被阻斷而免於進入該等熱流體通道。

該熱交換器80可被製成具有二層及很多很高、狹窄之通道列-如此提供極大的熱至冷逆流表面積，但只需要 單一組熱流體管集箱。對於很多不同之應用，此一設計可為有用的。於一示範實施例中，該熱交換器80具有二層及數百列之通道，使每一通道為4.5”高及0.03”寬。

圖7係交替通道逆流熱交換器120的說明圖，如其可被按比例增加，以包括很多行及列之通道。如先前所論及，一些真實世界的應用需要具有數百行及數百列之通道的熱交換器。圖7之熱交換器120只顯示此一裝置的一小部分，其將持續用於更多行(往下於該Z方向中)及更多列(於該Y方向中)。在該等熱交換器80或120之任一者中，該等通道的長度(於該X方向中)可為不論用於該應用所需要者。於一示範實施例中，該熱交換器120係九吋立方體(9”x9”x9”)，具有200行及200列之通道，用於總共40,000個通道，使每一通道的截面為正方形。

於只包括二層(行)通道之熱交換器80中，只單一熱流體入口管集箱90及熱流體出口管集箱100被需要。於該熱交換器120中，其能被看見很多熱流體入口及出口管集箱將被需要。明確地是，該等熱流體入口及出口管集箱將需要被放置在離該熱交換器120的頂部之第二行及第三行的開口之上(其使至該第一行通道的底部與該第二行通道的頂部相等)、在該第六及第七行開口之上等。類似地，如果冷流體管集箱被需要，它們將被放置在該第一行開口、該第四與第五行開口、該第八與第九行開口等之上。

圖4-6及7所示的熱交換器80及120代表一創新之 設計，其提供外部管道的大幅簡化，但其將為難以使用傳統之製造技術製成。尤其是，該等阻斷件82及84之銅焊或焊接至該等鰭片52及該等板件16/18/20的端部將為困難的，尤其考慮到所涉及之材料係很薄，該等尺寸係很小，及該等縫合線將全部必需為防漏的。然而，該等熱交換器80與120將使用增量製造技術(亦已知為3D列印)被輕易地製成。增量製造能與諸如鋁之金屬被一起使用，且面及接頭的數目本質上係無關的；該幾何形狀可被簡單地製作，如在該等先前圖面中所示，且該熱交換器80或120將被可靠地建構。

於該熱交換器80之案例中，其將為可能經由增量製造建構該熱交換器通道矩陣，及手動地製造該等管集箱90及100，並於隨後步驟中將它們銅焊/焊接至該熱交換器80。在需要大數量的管集箱之熱交換器120的案例中，其將為較佳的是建構該整個熱交換器組件-包括所有該等管集箱-經由增量製造。其亦值得注意的是使用增量製造，該等通道不須為筆直的。該整個熱交換器可採用幾乎任何任意之形狀-包括彎頭、扭轉、翹曲等-如用於熱交換器包裝可被需要者。

增量製造技術的使用實現該等交替通道逆流熱交換器80及120之生產，在此其先前可能不實用的。該交替通道逆流設計提供最大之熱交換器效率，其允許熱交換器尺寸及質量被減至最小及使流體流率被減少，這兩者於任何熱交換器應用中係有益的。

該前面之討論只揭示及敘述本發明的示範實施例。熟習此技術領域者將由此討論及由所附圖面與申請專利範圍輕易地認知可在其中作各種變動、修改及變化，而未由本發明之精神及範圍脫離，如於以下申請專利範圍中所界定。

80‧‧‧熱交換器

90‧‧‧管集箱

100‧‧‧管集箱

Claims (20)

1. 一種熱交換器，包含：一矩陣之通道，包括複數行及複數列，在此該等通道的一半係熱流體於第一方向中流經之熱流動通道，及該等通道的一半係冷流體於與該第一方向相反之第二方向中流經的冷流動通道，且熱及冷流動通道於每一行及每一列中交替，以界定交替通道逆流配置；及端部阻斷件，附接在每一通道之每一端部，在此每一端部阻斷件只阻斷該通道的端部之頂部或底部，以界定被阻斷部分及開放部分，且該被阻斷部分及該開放部分交替定位於每一行及每一列中。
2. 如申請專利範圍第1項之熱交換器，另包含附接在該熱交換器的每一端部之熱流體管集箱，該熱流體管集箱提供該熱流體的流動至該熱交換器及由該熱交換器流動，在此該熱流體管集箱被建構來與該等熱流動通道之開放部分及該等冷流動通道的被阻斷部分流體相通。
3. 如申請專利範圍第2項之熱交換器，其中該冷流體係呈冷空氣流而流動的空氣，且在第二方向中運動，在此該空氣經過該等冷流動通道的開放部分進入該等冷流動通道，且該空氣藉由該等熱流動通道上之端部阻斷件及該等熱流體管集箱被阻斷而不進入該等熱流動通道。
4. 如申請專利範圍第2項之熱交換器，另包含被附接在該熱交換器的每一端部之冷流體管集箱，該等冷流體管集箱提供該冷流體至該熱交換器之流動及由該熱交換器 流動該冷流體，在此該等冷流體管集箱被建構來與該等冷流動通道之開放部分及該等熱流動通道的被阻斷部分流體相通。
5. 如申請專利範圍第4項之熱交換器，其中該熱流體及該冷流體兩者皆係液體。
6. 如申請專利範圍第1項之熱交換器，其中該等端部阻斷件的每一者大約阻斷該通道之端部的一半頂部或一半底部。
7. 如申請專利範圍第1項之熱交換器，其中該等通道不是筆直的。
8. 如申請專利範圍第1項之熱交換器，其中該熱交換器係由鋁所製成。
9. 如申請專利範圍第1項之熱交換器，其中該熱交換器係經由增量製造(Additive Manufacturing，簡稱AM)所製成。
10. 一種交替通道逆流熱交換器，包含：一矩陣之通道，包括二行及複數列，在此該等通道的一半係熱流體於第一方向流經之熱流動通道，及該等通道的一半係冷流體於與該第一方向相反之第二方向流經的冷流動通道，且熱及冷流動通道於每一行及每一列中交替，以界定交替通道逆流配置，在此該等熱流動通道具有在所有冷流動通道上方、下方及任一側面之附近通道；端部阻斷件，附接在每一通道之每一端部，在此每一端部阻斷件只阻斷該通道端部之頂部或底部，以界定被阻 斷部分及開放部分，且該被阻斷部分及該開放部分交替定位於每一行及每一列中；及熱流體管集箱，被附接在該熱交換器的每一端部，在此第一熱流體管集箱提供該熱流體流動至該熱交換器，且第二熱流體管集箱承接來自該熱交換器的熱流體，及在此該等熱流體管集箱被定位於頂部行的底部及底部行的頂部之上，且被建構來與該等熱流動通道的開放部分及該等冷流動通道之被阻斷部分流體相通，使得該熱流體可只流經該等熱流動通道。
11. 如申請專利範圍第10項之熱交換器，其中該冷流體係呈冷空氣流而流動的空氣，且在該第二方向中運動，在此該空氣經過該等冷流動通道的開放部分進入該等冷流動通道，且該空氣藉由該等熱流動通道上之端部阻斷件及該等熱流體管集箱被阻斷而不進入該等熱流動通道。
12. 如申請專利範圍第10項之熱交換器，另包含被附接在該熱交換器的每一端部之冷流體管集箱，該等冷流體管集箱提供該冷流體至該熱交換器之流動及由該熱交換器流動該冷流體，在此該等冷流體管集箱被建構來與該等冷流動通道之開放部分及該等熱流動通道的被阻斷部分流體相通。
13. 如申請專利範圍第12項之熱交換器，其中該熱流體及該冷流體兩者皆係液體。
14. 如申請專利範圍第10項之熱交換器，其中該等通道的高度比其寬度大至少100倍。
15. 如申請專利範圍第10項之熱交換器，其中該等端部阻斷件的每一者大約阻斷該通道之端部的一半頂部或一半底部。
16. 如申請專利範圍第10項之熱交換器，其中該熱交換器係經由增量製造並由鋁所製成。
17. 一種交替通道逆流熱交換器，包含：一矩陣之通道，包括複數行及複數列，在此該等通道的一半係熱流體於第一方向中流經之熱流動通道，及該等通道的一半係冷流體於與該第一方向相反之第二方向流經的冷流動通道，且熱及冷流動通道於每一行及每一列中交替，以界定交替通道逆流配置，在此該等熱流動通道具有在所有冷流動通道上方、下方及任一側面之附近通道；端部阻斷件，附接在每一通道之每一端部，在此每一端部阻斷件只阻斷該通道端部之頂部或底部，以界定被阻斷部分及開放部分，且該被阻斷部分及該開放部分交替定位於每一行及每一列中；複數個熱流體管集箱，被附接在該熱交換器的每一端部，包括將該熱流體之流動提供至該熱交換器的熱流體管集箱、及承接來自該熱交換器之熱流體的流動之熱流體管集箱，且在此該等熱流體管集箱被建構來與該等熱流動通道的開放部分及該等冷流動通道之被阻斷部分流體相通，使得該熱流體可只流經該等熱流動通道；及複數個冷流體管集箱，被附接在該熱交換器的每一端部，包括將該冷流體之流動提供至該熱交換器的冷流體管 集箱、及承接來自該熱交換器之冷流體的流動之冷流體管集箱，且在此該等冷流體管集箱係散佈於該熱交換器之端部上的熱流體管集箱之間，並被建構來與該等冷流動通道的開放部分及該等熱流動通道之被阻斷部分流體相通，使得該冷流體可只流經該等冷流動通道。
18. 如申請專利範圍第17項之熱交換器，其中該等熱流體管集箱附接至該熱交換器的一側面上之熱流體供給管線，且該等冷流體管集箱附接至該熱交換器的相反側面上之冷流體供給管線。
19. 如申請專利範圍第17項之熱交換器，其中該等通道的每一者之寬度係大約等於高度，且該等端部阻斷件的每一者大約阻斷該通道之端部的一半頂部或一半底部。
20. 如申請專利範圍第17項之熱交換器，其中該熱交換器係經由增量製造並由鋁所製成。