TW202219375A - 渦捲式加熱裝置 - Google Patents

Abstract

一種渦捲式加熱裝置，包含底座、反應區，及第一、二流道。該反應區位於該底座的中心，該第一、二流道分別位於該底座上並自該反應區向外伸展，該第一、二流道以該反應區為起點向該底座的周緣螺旋伸展，該第一、二流道的寬度是由靠近該底座中心朝向該底座的周緣逐漸變窄，當氣體由位於該底座周緣之第一流道往靠近該底座中心流動，外窄內寬的第一流道使通過的氣體先增加流速，再隨著逐漸變寬的第一流道緩慢進入該反應區，以增加該氣體停留於該反應區的時間，而燃燒後的廢棄氣體沿靠近該底座中心之第二流道往位於該底座周緣流出。

Description

渦捲式加熱裝置

本發明主張2020年11月2日提申之美國臨時申請案申請號第63/108,452號的優先權，其整體內容併於此處以供參考。

本發明是有關一種加熱裝置，特別是指一種渦捲式加熱裝置。

史特林引擎(Stirling Engine)，是一種高效率的外燃能量轉換裝置，只要熱源溫度夠高無論使用太陽能、廢熱、核原料、牛糞、丙烷、天然氣、沼氣(甲烷)、丁烷與石油等燃料，皆可使其運轉，不同於必須使用特定燃料的汽油引擎、柴油引擎等內燃引擎，維修需求較低，更高效、更安靜且更可靠。

現有技術史特林引擎使用熱交換器吸收外部熱源，利用熱管增加熱傳效率，惟，加熱過程中熱氣四散使得燃燒效率不佳，且加熱過程中內部結構壓力變化大，熱交換器受限於機械架構與重量，使用底座薄的熱交換器可提升熱傳導效率，但結構強度不佳，反之，底座厚的熱交換器，提升了結構強度卻降低熱傳導效率，而熱管雖可增加熱傳導效率，但有成本較高且笨重等缺失，需加以改善。

對史特林引擎來說，適當的溫度與熱傳導供應是重要的操作參數，因此如何提供適當溫度的熱源來驅動史特林引擎為核心的關鍵之一，另外， 使用觸媒進行低溫氧化燃燒在燃燒學界中研究多年，其最大的挑戰乃在於如何將低階燃料完全氧化而取得化學能。

有鑑於能源成本上漲、短缺和全球暖化之類的環境問題，促進了對史特林引擎裝置的研發，目前尚無整合燃燒器與熱傳導底座之產品，且同時滿足低階燃料使用之設計，以符合使用永續碳經濟燃料、農畜牧沼氣、與氣化生質能之需求，因此，現有技術確實有待提出更佳解決方案之必要性。

本發明之目的，係提供一種渦捲式加熱裝置，包含一底座、一反應區，及一第一、二流道。

本發明之另一目的，係將傳統的史特林引擎之加熱裝置加以改良，於超薄型之加熱端(底座)上設計具有瑞士捲結構的第一、二流道，使該第一、二流道具備優異的傳熱與蓄熱能力，將溫度快速傳遞到複數針鰭表面，提升整體的機械強度，解決習知熱交換器受限於機械結構與重量的熱傳導效率不佳的缺點。

該反應區位於該底座的中心位置，該第一、二流道分別位於該底座上並自該反應區向外伸展，該第一、二流道以該反應區為起點向該底座的周緣螺旋伸展，且該第一、二流道的寬度是由靠近該底座中心朝向該底座的周緣逐漸變窄，以形成外窄內寬的型態，當氣體由位於該底座周緣之第一流道的一端往靠近該底座中心的另一端流動，外窄內寬的第一流道使通過的氣體先增加流速，再隨著逐漸變寬的第一流道緩慢的進入該反應區，以增加該氣體停留於該反應區 的時間，而燃燒後的廢棄氣體則沿靠近該底座中心之第二流道的一端往位於該底座周緣的另一端流出。

較佳地，該第一、二流道依據費馬(Fermat)螺線、伏格(Vogel)螺線、阿基米德(Archimedean)螺線等其中之一或其組合配置。

較佳地，該底座包括一設置於該底座周緣並與該第一流道相連通之進氣口，及一設置於該底座周緣並與該第二流道相連通之出氣口，該進氣口與該出氣口為對向設置。

較佳地，該渦捲式加熱裝置更包含複數針鰭，而該底座更包括一第一面，及一相反設置之第二面，該複數針鰭是間隔設置於該第一面，該第一、二流道位於該第二面。

較佳地，該渦捲式加熱裝置更包含一設置於該第二面之蓋體，用以封閉該第一、二流道。

較佳地，該第一流道具有一靠近該底座中心的第一端，及一遠離該底座中心並與該進氣口連接之第二端，該第二流道具有一靠近該底座中心的第三端，及一遠離該底座中心並與該出氣口連接之第四端。

較佳地，該第一面至該第二面的厚度為3mm。

較佳地，該渦捲式加熱裝置的材質為導熱材料，導熱材料選自於金屬、金屬合金、陶瓷、等其中之一或其組合。

較佳地，該氣體選自於二甲醚(DME)、甲烷(CH4)、合成氣(Syn-gas)、天然氣、液化石油氣、沼氣等其中之一或其組合。

較佳地，該渦捲式加熱裝置適用於與史特林引擎的加熱端結合。

本發明之有益功效在於，當氣體由該第一流道往該反應區移動時，可被兩側的第二流道的廢棄氣體所預熱，且外窄內寬的第一流道使通過的氣體先增加流速，再隨著逐漸變寬的第一流道緩慢的進入該反應區，以增加該氣體停留於該反應區的燃燒時間，而當廢棄氣體由該第二流道往該進氣口移動時，可再次預熱欲進入該反應區的氣體，使該渦捲式加熱裝置兼具傳熱與蓄熱能力，減少不必要的熱散失與可用能損耗，穩定地進行化學能轉換成熱能的操作，再者，燃料氣體種類不受限制，可運用於引燃低熱值且較難以直接燃燒之氣體，打破此類低熱值燃料之限制與框架，實現能源有效再利用之願景。

1:渦捲式加熱裝置

11:底座

111:第一面

112:第二面

113:進氣口

114:出氣口

12:反應區

13:第一流道

131:第一端

132:第二端

14:第二流道

141:第三端

142:第四端

15:針鰭

16:蓋體

9:史特林引擎

R1:路徑

R2:路徑

L1:水平軸線

L2:垂直軸線

L3:中心線

W1~W8:寬度

W1’~W8’:寬度

圖1是一示意圖，說明本發明渦捲式加熱裝置的較佳實施例；

圖2是一示意圖，說明該較佳實施例的另一視角態樣；

圖3是一示意圖，說明該較佳實施例的又一視角態樣；

圖4是一示意圖，說明該較佳實施例的氣體與廢氣氣體的移動路徑態樣；

圖5是一示意圖，為圖4的A-A剖面；

圖6是一示意圖，說明該較佳實施例與史特林引擎的設置態樣；及

圖7是一示意圖，該較佳實施例與史特林引擎的電力輸出狀態。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1、2，及3，為本發明渦捲式加熱裝置1，其包含一底座11、一反應區12、一第一流道13、一第二流道14、複數針鰭15，及一蓋體16。該渦捲式加熱裝置1適用於與史特林引擎9的加熱端結合。

該渦捲式加熱裝置1的材質為導熱材料，該導熱材料選自於金屬、金屬合金(較佳的可為不鏽鋼、鋁合金...)、陶瓷等其中之一或其組合，其耐熱溫度可達933K，藉由導熱金屬材料的良好熱傳特性，有效地將熱傳導至史特林引擎9。燃料種類不受限制，可運用各種氣態燃料，引燃低熱值且較難以直接燃燒之氣體，打破此類低熱值燃料之限制與框架，將這類燃料氣體加以應用，實現能源有效再利用之願景。於此，該氣體亦稱為燃料氣體選自於二甲醚(DME)、甲烷(CH4)、合成氣(Syn-gas)、天然氣、液化石油氣、沼氣、氣化生質能，等其中之一或其組合。二甲醚之取得十分容易，透過生質物提煉而成的生質氣體可以生成CO以及H₂，再加工製成二甲醚。二甲醚相較於生質氣體十分好攜帶，且容易引燃，因此作為替代燃料十分有潛力。

配合參閱圖4、5，及6，該底座11包括一第一面111、一相反設置之第二面112、一設置於該底座11周緣並與該第一流道13相連通之進氣口113，及一設置於該底座11周緣並與該第二流道14相連通之出氣口114，該進氣口113與該出氣口114為對向設置。該進氣口113供未燃燒之常溫的混合氣體通入，該出氣口114供燃燒後高溫的廢棄氣體流出，且氣體通入與廢棄氣體流出為同時進行。

該底座11定義有一通過該第二面112之中心點的水平軸線L1、一與該水平軸線L1垂直相交並通過該底座11之中心點的垂直軸線L2，及一貫穿該底座11中心點的中心線L3。

於此，史特林引擎9位於該底座11之第一面111上，該第一面111至該第二面12的厚度為3mm，也就是該底座11厚度為3mm。

該反應區12位於該底座1的中心位置。

該第一流道13位於該底座11之第二面112上並自該反應區12向外伸展，該第一流道13以該反應區12為起點向該底座11的周緣螺旋伸展，且該第一流道13的寬度W1~W8是由靠近該底座11中心朝向該底座11的周緣逐漸變窄，以形成外窄內寬的型態。

該第二流道14分別位於該底座11之第二面112上並自該反應區12向外伸展，該第二流道14以該反應區12為起點向該底座11的周緣螺旋伸展，且該第二流道14的寬度W1’~W8’是由靠近該底座11中心朝向該底座11的周緣逐漸變窄，以形成外窄內寬的型態。

再者，該第一流道13具有一靠近該底座11中心的第一端131，及一遠離該底座11中心並與該進氣口114連接之第二端132。該第二流道14具有一靠近該底座11中心的第三端141，及一遠離該底座11中心並與該出氣口114連接之第四端142。

其中，該第一、二流道13、14依據費馬(Fermat)螺線、伏格(Vogel)螺線、阿基米德(Archimedean)螺線等其中之一或其組合配置。於此，該第一、二流道13、14依據費馬(Fermat)螺線配置。

進一步地，自該中心線L3朝向該底座11周緣的第一流道13寬度大小依序為寬度W1>寬度W2>寬度W3>寬度W4>寬度W5>寬度W6>寬度W7>寬度W8。自該中心線L3朝向該底座11周緣的第二流道14寬度大小依序為寬度 W1’>寬度W2’>寬度W3’>寬度W4’>寬度W5’>寬度W6’>寬度W7’>寬度W8’。

再者，以該中心線L3為基準，左右之第一、二流道13、14的寬度相對稱，也就是W1與W1’寬度相同，W2與W2’寬度相同，W3與W3’寬度相同，W4與W4’寬度相同，W5與W5’寬度相同，W6與W6’寬度相同，W7與W7’寬度相同，W8與W8’寬度相同。

該第一、二流道13、14為交錯設置於該第二面112上，當位於最外圈之氣體沿一路徑R1往該反應區12移動時，可被位於一側之路徑R2中已加熱的廢棄氣體所預熱，當氣體移動至第二圈時，可被位於兩側之路徑R2中已加熱的廢棄氣體所預熱，過程中位於該第一流道13中的氣體於移動過程中被兩側的廢棄氣體持續預熱，直至到達該反應區12，以提升氣體的預熱效果。反之，當位於最內圈之廢棄氣體沿該路徑R2往該進氣口114移動時，因廢棄氣體剛由該反應區12往該進氣口114移動，因此溫度最高，藉此預熱進入該反應區12的氣體，以達提升預熱效果之功效，同時優化熱循環效率，減少不必要的熱散失與可用能損耗(exergy destruction)，及預熱反應物所需要的額外能量，使其提高可燃性，從而穩定地燃燒低熱值燃料。

該複數針鰭15是間隔設置於該第一面111，擁有許多的接觸表面積，以提供較高的熱傳遞率，再由該複數針鰭15表面傳熱至史特林引擎9。該蓋體16設置於該第二面112上，用以封閉該第一、二流道13、14。由於該底座11之第一面111至該第二面12的厚度僅為3mm，且該第一、二流道13、14具備優異的傳熱與蓄熱能力，更將溫度快速傳遞到該複數針鰭15表面，提升整體的機械強 度，解決習知熱交換器受限於機械結構與重量的熱傳導效率不佳的缺點。此外，超薄型的渦捲式加熱裝置1設計，使其面積比上體積(Area/Volume)極大，可增加熱傳導量。

當氣體沿該路徑R1由位於該底座11周緣之第一流道13的第二端132往靠近該底座1中心的第一端131流動，外窄內寬的第一流道13使通過的氣體先增加流速，再隨著逐漸變寬的第一流道13緩慢的進入該反應區12，使氣體的流速為由快至慢之過程中，增加該氣體停留於該反應區12的燃燒時間，且位於該第一流道13中的氣體於移動過程中被兩側的廢棄氣體持續預熱，更可增加氣體預熱的時間與效果，使氣體完全燃燒。

燃燒後的廢棄氣體沿靠近該底座11中心之第二流道14的第三端141往位於該底座11周緣的第四端142流出，將熱傳遞至欲進入該反應區12的氣體，使該渦捲式加熱裝置1兼具傳熱與蓄熱能力。藉由可預熱的加熱裝置設計，穩定地進行化學能轉換成熱能的操作，在淡燃燒的狀態下提供常壓之史特林引擎9穩定熱源。

實驗過程中，使用燃料氣體為二甲醚(DME)、甲烷及合成氣，搭配該底座11厚度為3mm，可趨動史特林引擎9穩定輸出16W電力，搭配該底座11厚度為10mm，可趨動史特林引擎9穩定輸出10W電力，搭配該底座11厚度為15mm，可趨動史特林引擎9穩定輸出6W電力。

此外，本發明之加熱裝置更將材質為活性氧化鋁球的觸媒載體放置於該第一、二流道13、14中，活性氧化鋁球為表面濕鍍白金鹽於表面經過鍛燒而成，藉此降低反應的活化能，使低溫的氧化還原反應可在該加熱裝置內持續進 行。更於觸媒加入了氧化鈰，加強觸媒的攜氧能力。氧化鈰屬於導氧離子氧化物，輕易形成三氧化二鈰並釋出晶格內之氧原子，進而產生氧空缺，增加反應的進行的完整度，強化觸媒的活性，促進燃料與空氣之氣體能夠在該加熱裝置中完全反應，及蓄熱維持該渦捲式加熱裝置1的溫度。

參閱下表1為使用二甲醚、甲烷、合成氣電力輸出時燃料當量比及熱電轉換效率。由實驗數據可知，二甲醚為燃燒效率1.5%最高之燃料，因為其單位體積之能量密度(energy density)最高，且其性質與液化石油氣相當，可在常溫下加壓成液態運輸儲存，目前為著名的柴油引擎替代燃料，並可做為家庭用代替液化石油氣。

熱效率(η _th )，以每秒為計算：

配合參閱圖7，為該渦捲式加熱裝置1與史特林引擎9結合之電力輸出實驗，過程中將史特林引擎9的加熱端與該渦捲式加熱裝置1結合經由測試可發現，該史特林引擎9與該渦捲式加熱裝置1的溫差越大，輸出之功率越大，當溫差為200℃時，可輸出約12W電功率，由實驗結果可知，該渦捲式加熱裝置1能夠有效與史特林引擎9之加熱端結合，增加熱傳效率，大幅提升史特林引擎9之性能。

本發明可應用於各種低熱值燃料，例如將隨手可得的養豬業廢棄物之沼氣應用於能源輸出，飼養豬隻過程中所形成的沼氣之主要成分為甲烷，於實驗測試中將甲烷作為該渦捲式加熱裝置1之燃料氣體，以有效減少溫室氣體排放。而養殖業者可以透過此裝置所產生的電力供應用於飼養場，不用仰賴電網的電力供應而能在地生產，創造電力自給自足的優勢。此外，分散式發電之應用可避免因長程電力傳輸所造成的能量損失，減少能源不必要的耗損。

綜上所述，本發明渦捲式加熱裝置1，藉由該底座11、該反應區12、該第一流道13、該第二流道14、該複數針鰭15，及該蓋體16間相互設置，該第一、二流道13、14形成外窄內寬的型態，當氣體由該第一流道13往該反應區12移動時，可被兩側的第二流道14的廢棄氣體所預熱，且外窄內寬的第一流道13使通過的氣體先增加流速，再隨著逐漸變寬的第一流道13緩慢的進入該反應區12，增加該氣體的燃燒反應時間，而當廢棄氣體由該第二流道14往該進氣口114移動時，可再次預熱欲進入該反應區12的氣體，使該渦捲式加熱裝置1兼具傳熱與蓄熱能力，減少不必要的熱散失與可用能損耗，穩定地進行化學能轉換成熱能的操作，再者，燃料氣體種類不受限制，可運用於引燃低熱值且較難以直接燃燒之氣體，打破此類低熱值燃料之限制與框架，實現能源有效再利用之願景，故確實可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

12:反應區

13:第一流道

131:第一端

132:第二端

14:第二流道

141:第三端

142:第四端

L1:水平軸線

L2:垂直軸線

Claims (10)

1. 一種渦捲式加熱裝置，包含：

   一底座；

   一位於該底座的中心位置之反應區；及

   一第一、二流道，分別位於該底座上並自該反應區向外伸展，該第一、二流道以該反應區為起點向該底座的周緣螺旋伸展，且該第一、二流道的寬度是由靠近該底座中心朝向該底座的周緣逐漸變窄，以形成外窄內寬的型態；

   當氣體由位於該底座周緣之第一流道的一端往靠近該底座中心的另一端流動，外窄內寬的第一流道使通過的氣體先增加流速，再隨著逐漸變寬的第一流道緩慢的進入該反應區，以增加該氣體停留於該反應區的時間，而燃燒後的廢棄氣體則沿靠近該底座中心之第二流道的一端往位於該底座周緣的另一端流出。
2. 依據請求項1所述之渦捲式加熱裝置，其中，該第一、二流道依據費馬(Fermat)螺線、伏格(Vogel)螺線、阿基米德(Archimedean)螺線等其中之一或其組合配置。
3. 依據請求項2所述之渦捲式加熱裝置，其中，該底座包括一設置於該底座周緣並與該第一流道相連通之進氣口，及一設置於該底座周緣並與該第二流道相連通之出氣口，該進氣口與該出氣口為對向設置。
4. 依據請求項3所述之渦捲式加熱裝置，更包含複數針鰭，而該底座更包括一第一面，及一相反設置之第二面，該複數針鰭是間隔設置於該第一面，該第一、二流道位於該第二面。
5. 依據請求項4所述之渦捲式加熱裝置，更包含一設置於該第二面之蓋體，用以封閉該第一、二流道。
6. 依據請求項5所述之渦捲式加熱裝置，其中，該第一流道具有一靠近該底座中心的第一端，及一遠離該底座中心並與該進氣口連接之第二端，該第二流道具有一靠近該底座中心的第三端，及一遠離該底座中心並與該出氣口連接之第四端。
7. 依據請求項6所述之渦捲式加熱裝置，其中，該第一面至該第二面的厚度為3mm。
8. 依據請求項7所述之渦捲式加熱裝置，其中，該渦捲式加熱裝置的材質為導熱材料，該導熱材料選自於金屬、金屬合金、陶瓷、等其中之一或其組合。
9. 依據請求項8所述之渦捲式加熱裝置，其中，該氣體選自於二甲醚(DME)、甲烷(CH4)、合成氣(Syn-gas)、天然氣、液化石油氣、沼氣等其中之一或其組合。
10. 依據請求項1所述之渦捲式加熱裝置，適用於與史特林引擎的加熱端結合。

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