TW502103B - Heat exchanger - Google Patents

Description

502103 五、發明說明（1 ) i明之領域 本發明是關於一種可從第一流體將熱傳遞到第二流體 之熱交換器，其包括有一或多個第一流體之流路，其被 配置成彼此平行且彼此維持一個距離，並且其外壁是與 第二流體上由金屬發泡形成之流動體做熱傳遞接觸。 先前之枝術說明 ΕΡ-Α- 0 744 586中已揭示一種熱傳遞元件，例如一個 板或管，其具有銅發泡形式之大的熱傳遞表面，而使用 在熱交換器中用來改善熱傳遞。此種元件是使用蒸氣沉 積法，將氧化銅粉末沉積在事先已設置有黏著劑之塑膠 發泡上而製成。依照此方式所製成之此發泡然後在輕度 之壓力下配置在一個板或管上，此一個板或管同樣地事 先覆有氧化銅粉末，因而可由燒結而形成複合元件。在 塑膠發泡之裂解之後，氧化銅被還原成銅。 上述形式之熱交換器被使用在，例如所謂之熱音學之 熱引擎中。在此種熱交換器中第一熱迴路是由通過一般 多數個流路之如氣體或液體的第一流體所形成。第二熱 迴路包括一般爲氣體（氬氣，空氣）通過細孔狀流動體之 第二流體的流動，其流動體在某一個區域圍住流路。第 二流體通過流動體的流動方向一般爲垂直流路中第一流 體的流動方向。細孔狀流動體與流路外壁做熱交換接觸 。熱可從第一流體被傳遞到流路之內壁’並且由於壁材 料之傳導而被攜帶到外壁。在外壁處’到細孔狀流動體 502103

五、發明說明（2) 之熱傳遞是由輻射及傳導所進行。熱傳導在細孔狀流動 體中產生。當僅有由金屬發泡製成之流動體時，此熱傳 導被限制住，因而有時由具有良好熱傳導性之材料所製 成之固體薄的鰭片被設置在金屬發泡中，以增加熱傳導 。從流動體到第二流體之熱傳遞同樣地由輻射及傳導所 進行。整體之熱傳遞效率視所有這些從流動體到第二流 體之轉移、傳遞而定，反之亦然，一般在氣體側之熱傳 遞尤其可代表爲一項抑制因素。 已發現到雖然使用金屬發泡，選擇性地與薄片或散熱 鰭片結合時，可提供擴大的熱交換表面積，並且可增加 熱傳導，流動阻抗很高，故整體性能以熱傳遞與流動阻 抗之比率表示時，會比僅具有薄片或散熱鰭片之傳統熱 交換器差。在許多情況中，當使用金屬發泡時熱傳遞之 增加往往伴隨著流動阻抗亦成不成比例地增加。 美國專利US-A-4,245,469已揭示一種熱交換器，其中 多孔狀金屬陣列被配置在熱傳遞媒體流動之流路中。據 該文所言，此金屬陣列在垂直於流動方向之區域中有較 大的密度，使內熱傳遞係數在此區域中可被增加，而環 境之溫度則比流路末端者高很多。爲了降低熱傳遞媒體 體積之減少，此現象往往在恆定直徑之通路下產生，在 該區域之位置的直徑被增加。此種設計即著眼於改善內 部熱傳遞。 再者，DE A1 39 06 446已揭示一種熱交換器，其中鋁

-4- 502103 五、發明說明（3) 發泡被配置在流路之中。右需要的話，在此發泡中之細 孔尺寸可改變，即細孔之數目可變化。 發明之扼要說明 本發明之一般目的在改善整體性能，即上述一個熱交 換器之熱傳遞與流動阻抗之間的關係。 在上述型式熱交換器之中，依照本發明之金屬發泡具 有金屬體積密度上之梯度。此具有金屬體積密度上之梯 度的金屬發泡之使用’使發泡之體積密度，即金屬之量 在細孔數目（PPI )仍維持相同之時可適合於地區之熱通量 密度及流動阻抗。在金屬發泡中，熱通量密度在流路附 近中爲最高，使金屬發泡在此位置必須比流動體之外周 含有更多之金屬，而其熱通量密度卻低很多。這是由於 所使用金屬發泡之金屬體積密度被改變之故。依照本發 明，其熱交換器之金屬發泡的配置，具有促進從金屬發 泡到流路之壁的熱傳遞之效果。PPI維持相同時，在分隔 細孔的金屬肢厚度維持相同之時，金屬發泡中之金屬體 積梯度比變化細孔之數目更有效果。 此種具有體積密度梯度之金屬發泡，例如由在電解槽 中在塑膠發泡上進行電鍍之電鍍法而可被製成，下面將 詳細解釋。 須提及者，FR-A- 2 766 967專利中已揭示一種電子元 件用之散熱座（heat sink)，其包括有一種金屬發泡具 有沉積金屬，其在發泡之厚度方向上具有厚度之梯度 502103 五、發明說明（4) (gradient)。 因爲在此種生產方法中，發泡密度在一個方向上變化 ，流動體最好包括有至少兩層金屬發泡，其具有相同體 積密度之層表面彼此互相面對。此可使得流動體許多實 施例具有應用上之優點。 在第1實施例中，金屬發泡之體積密度從第二流體之 流動體之流入側朝向流路增加，使更多金屬會在熱通量 密度較大之處產生。 流路之形狀並非絕對重要，圓形管，平坦中空管等均 可使用。但是，爲了限制流動阻抗，流路之形狀最好配 合到第二流體之流動形狀。流路爲橢圓形剖面時很有利 ，其主軸向第二流體之流動方向延伸。此種形狀之流路 可結合一個具有低流動阻抗之大熱交換表面積。 流動體然後有利地包括兩層金屬發泡，最好其在每線 性之英吋上（PPI )具有相同數目之細孔，其中具有最高金 屬體積密度之側面彼此互相面對。在這些側上，設置有 流路上之凹處。 依照另一個較佳實施例，特別是其簡單之模組化構造 很有利，流路包括矩形剖面之管狀體，並且其由流動體 之部份所分離，流動體之部份的體積密度，在流路之外 壁附近爲最高。此熱交換器之較佳實施例的模組可包括 ，例如爲矩形剖面之此種流路，其兩個相對壁設置有一 層金屬發泡，其中具有最高體積密度之層表面與討論中 502103 五、發明說明（5) 之壁結合。 若熱交換器更類似於一種具有流動 體包含 有 由 薄 片 所 隔開之金屬發泡部分之熱交換器時最 爲期望 者 可 使 用 多數個層之金屬發泡，其體積密度之 梯度平 行 於 第 一 流 體之流動方向，最好爲成交互狀。以 整體性 能 觀 之 ， 此 實施例比上述其他上述之變化例較不常被使用 1 ° 若金屬發泡被選擇做爲多孔性流動 體之材 料 金 屬 發 泡與第二流體之間的熱傳遞很高，由 於對已 知 體 積 而 言 其熱交換表面積很大之故，不再成爲限制因素 ：〇 但是，由金屬發泡製成之流動體由 於多孔 性 之 故 y 其 熱傳遞很低，多孔性亦對流動體與流 ,路外壁 之 間 的 熱 傳 遞有負面效果。在發泡中逐漸增加金 屬之量 會 導 致 這 兩 個互成對立因素之整體效果的改善。 可使用具有高熱傳導係數之如銅的 金屬所 製 成 之 金 屬 發泡。流動體最好亦從具有高熱傳導 及熱傳 遞 之 金 屬 如銅所製成，其他適宜之金屬包括銥 ，銀， 鎳 及 不 銹 鋼 。用來生產金屬發泡之開始材料最好 爲塑膠 發 泡 如 聚 醯胺，聚酯，或具有開放互連細孔的 網狀的 聚 酯 ， 並 且 有恆定之PPI値。細孔之直徑最好在 400-1500 微 米 之 範 圍內，更佳爲在800- 1 200微米。體積 :梯度可 爲 在 流 體 之 流動方向上通過發泡從小於5%升到超 過95% 〇 沉 積 在 塑 膠發泡上之金屬厚度最好其梯度之範 圍最好 在 流 動 am 體 之 流入側爲5 - 1 0微米，到最好在流路之 -7- 附近爲 30-70 微 米 502103 五、發明說明（6) ，例如各爲8微米及42微米。此種金屬發泡可在適宜之 電解槽中使銅在聚合物發泡之基材上電鑄，之後並選擇 性地進行聚合物之裂解而很容易形成。若需要的話，薄 的電導層例如銅層可以使用其他技術，例如（磁控管）物 理氣相沉積法，化學氣相沉積法等而首先沉積在發泡上 ，之後此薄層可進一步地在電解槽中成長。 許多焊接技術（感應，擴散）及熔接技術可被用來將金 屬發泡固定到流路上。含有錫之熔焊合金特別適合用於 銅發泡中。 本發明之熱交換器最好爲模組化構造，故多數個模組 可被結合而形成較大的單元。 本發明亦是關於一種熱泵，例如一種熱音轉換裝置， 如申請專利範圍第1 1項所述用來轉換能量之用，其中使 用本發明之熱交換器。用來壓縮及移動氣態流體之馬達 爲’例如一個封閉音學共振電路。所用之再生器最好具 有一個層狀構造，包括具有傳導性較差之金屬的發泡層 。此種熱音轉換裝置之例子，包括熱音之熱引擎，及熱 音馬達。 附圖之簡單說明 下面，本發明將參照附圖詳細說明，其中： 第1圖習知技術之熱交換器的實施例之立體圖； 第2圖是顯示本發明熱交換器的第丨實施例之立體圖 502103 五、發明說明（7) 第3圖是顯示本發明熱交換器的第2實施例之立體圖 第4圖是顯示如申請專利範圍第3項之熱交換器模組 之立體圖； 第5圖是顯示本發明熱交換器的第3實施例之立體圖 第6圖用來做能量轉換用之熱-音轉換裝置之槪圖，其 中使用有本發明之熱交換器。 發_明較佳實施例之胃羊种設昍 在第1圖顯示之習知技術的熱交換器1 〇之實施例中， 許多例如由銅製成之管狀流路1 2被配置成彼此平行。通 過流路1 2之第一流體的流動方向以單一箭頭顯示，是顯 示由頂部向下之情況。流路1 2之入口端1 4通常彼此由 分配器蓋之助（圖中未顯示）而彼此連接。出口端1 6彼此 亦以相同方式連接。第二流體之一個多孔性流動體整體 以符號20代表，其包括有許多金屬帶22，其被配置成彼 此隔開一個距離而且彼此平行，並且每一個具有一個金 屬發泡層24位於其之間。流路1 2之孔被設置在金屬帶 22及金屬發泡層24中之適當位置。金屬帶22被熔接到 流路12之外壁26上。流動體20被配置在容室或外殼中 (圖中未顯示），其設置有一個第二流體之進給及排出及 分配器裝置（若需要時）。熱交換器1 0之外殼側可設置有 聯結裝置，使多數個熱交換器可依照所需要而彼此聯結 502103 五、發明說明（8) 〇 第2圖顯不有本發明熱交換器的較佳實施例，其中與 第1圖相同的元件付予相同的符號。 熱交換器1 0包括許多平行的流路1 2，被配置成彼此隔 開一個距離，且具有橢圓形剖面，如爲液體之一種第一 流體可被引導通過其中。流動體20包括兩個金屬發泡部 份3 0及32，每一個具有平行於第二流體，如氣體之流動 方向上之體積密度之梯度。爲了簡化此圖，具有最高體 積密度之表面在此圖及下面之圖中以厚實線表示之。在 部份30中，體積密度（金屬之量）在第二流體之流動方向 上增加，而在部份3 2中，體積密度在所顯示之流動方向 上減少。故，大部份金屬存在於流路1 2之中間附近，而 在此亦有最高之熱通量密度。流動體20之外表面尤其是 流入側（及排出側）爲相當開放。 第3圖顯示另一實施例，其中爲矩形剖面之流路1 2被 配置在流動體20之部份40之間。每個部份40包含有兩 個金屬發泡層42，其具有最高體積密度之表面結合兩個 配置成彼此鄰接之流路1 2的外壁44，而具有最低體積密 度之表面則彼此互相抵住。在此圖中，部份40之兩個金 屬發泡層42之間的分離表面以虛線表示。第4圖顯示第 3圖之本發明熱交換器實施例之模組。 第5圖顯示本發明熱交換器另一變化例，其中設置有 六個交互堆疊之金屬發泡層50被用來做爲流動體20,其 -10- 502103 五、發明說明（9) 梯度在被引導通過流路1 2之第一流體的流動方向上看時 ，可交互地反覆增加或減少。 第6圖顯示本發明熱泵之外觀槪圖，在此情形中用來 做能量轉換用之熱-音轉換裝置60之實施例最好使用本 發明之熱交換器。 此裝置60包括一個充滿氣體之聲音或聲音-機械共振 電路62，其具有例如由鎳發泡製成之再生器64，被配置 在本發明之兩個熱交換器10之間。若裝置60被做爲熱 泵之時，機械能例如經由薄片以電動線性馬達協助而振 動之下，被輸送到氣體。其他可能方式包括，風箱或自 由活塞構造。被振動且做爲第二流體用之氣體將熱從第 一熱交換器1 〇之第一流體經由再生器抽出到第二熱交換 器1 0之中，在此熱被傳遞到第三流體。依此方式，可將 熱從設定在低溫流體之流動傳遞到高溫之流體中。周期 性壓力變動及此程序所需之氣體位移可在高功率音波之 影響下，於封閉之共振電路62中產生。在此點，須提及 者，壓力振幅是比在一般自由空間中者大好幾倍，亦即 爲在此系統中平均壓力之1 〇%大小級數。 若轉換裝置被用來做爲馬達，熱被輸送到高溫下之熱 交換器，並且由另一個低溫’例如周遭溫度之熱交換器 散熱，使其振動可被維持。若比需要維持振動之更多的 熱被輸送時，一聲能可從共振器中抽出而做爲有用的輸 出。 -11- 502103 :鳥'外:.·”ι ---]__ϊίΑ_ 五、發明說明（10) 本發明熱交換器之性能將根據下列例子做更詳細地解 釋。 · 許多熱交換器被生產且進行測試。第一熱交換器A之 多孔性流動體是由長度爲90公厘寬度爲1 2公厘之銅發 '泡（每英吋6 5 ?L )帶所製成。孔被衝出以做爲流路。流路 包括9個外徑爲6,公厘之小銅管（內徑爲4公厘）以固定 間隔配置。第二流體之有效流路爲90公厘X 70公厘。在 小銅管之入口端及出口端·之多歧管個被連接到水進給管 及水排出管。 在第二熱交換器B中，使用一個由相同銅發泡體製成 之流動體，但是厚度爲0.25公厘之青銅薄片可被配合到 此熱交換器中。發泡體及薄片可在爐中被熔焊在一起爲 了防止金屬發泡體在熱之影響下封閉在一起，銅發泡體 及青銅薄片亦可被一個一個地被熔焊到小銅管上。 在第三熱交換器C中，流動體僅包括3 9個青銅薄片。 在本發明之第四熱交換器D中，如第2圖所示’具有 與熱交換器A - C相同之尺寸及管數，流動體包括兩個銅 發泡體層，其乃在室溫下在具有800微米細孔直徑之PU 發泡體上，於成分爲硫酸銅=250克/升，硫酸=70克/升 ，氯離子C1·二15毫克/升，且pH^O·!’電流密度在5女 培/平方公寸之條件下被製成。在裂解之後’依照此方式 生產之銅發泡體層在一側上具有8微米之金屬厚度’而 在另一側上沉積之金屬厚度爲42微米。相當於小銅管直 -12- 502103 91· 7> 1:9 修正 j ---^——-----五、發明說明（11 ) .一 徑之半的凹處被設置在這些發泡層之後者提到之側上， 在其後方小銅管被置於這些凹處中。錫焊被使用做爲接 合技術。 這些熱交換器被用來進行試驗，其中一個量之熱水（丁= 約8 0 °C )使用流量計控制經由靜熱槽中通過小銅管而被計 算。一個離心泵賤·用來吸入空氣使之通過熱交換器之流 動體，其被置於流路中。被吸入之空氣體積使用流量計 在熱交換器與離心栗之間進行測量。通過流動體之壓力 降及包含水之第一流體之入口溫度T,及出口溫度τ2，及 包含空氣之第二流體之出口溫度τ3被測量。被空氣流所 吸收之熱Q可使用下列公式而從水之體積流量Fw(升/分） ，及水之進入及出去之溫度差（TpTJ所計算。 Q = Ww · (T丨-T2) · Fw/60[W] 其中Ww是水之熱容量（4180J · Kg · K·1 )。此試驗在許 多不同空氣速度之下進行。雷諾數（Reynolds number)是 從在熱交換器所在位置所測量之氣體速度，以及對所有 熱交換器A-D之液壓直徑DH =0.0033所決定。黏度値施加 於吸入新鮮空氣之氣體溫度’其溫度亦同樣地被測量。 氣體側之努協爾特數（N u s s e 1 t n u m b e r )可由去除液體側 之熱傳遞，並且假設爲擾流管之情況下計算之： NuUe>Q · DH/人· △ L，其中Aw爲總熱交換表面積’而 △I爲氣體與熱交換器之間的溫度差。 如在專業領域所通用者’熱傳遞以Re之關係被表示爲 -1 3 - 103五、發明說明（12) 以=!^.1^-1.?厂1/3，其中？1*爲普朗特數，其在空氣 之情況爲0 . 7。 所謂的摩擦係數可由相同方式，由所測量已知尺寸之 這些熱交換器的壓力降及所測量之速度而計算出來，並 且可以雷諾數之涵數表示之： f = Α〇Δ p/ Aw ( 1 /2 p v2) 下表顯示不同之熱交換器A-D且Re = 3 00之時，熱傳 遞（〕Η)，摩擦係數（f)及比率jH/f之結果。 表 熱交換器 JH f jH/f A 0.07 20 0.004 B 0.7 40 0.018 C 0.03 1 .4 0.021 D 0.5 15 0.033 由上表可知，如所預料地熱交換器A(僅有發泡體）比熱 交換器C (僅有薄片）可提供較高的熱傳遞。但是，流動阻 抗非成正比例地增加。再者，可看出雖然熱交換器B(發 泡體及薄片）比本發明之熱交換器D可達到較高的熱傳遞 ，但是其流動阻抗很高。本發明之熱交換器具有最佳之 整體性能，以jH/f表示。從此可知，使用具有適當之金 屬分佈及改變此金屬量之發泡體之時，可達成在一方面 之熱傳遞/傳導，與另一方面之流動阻抗之間的最有利平 衡。 -14- 502103 五、發明說明（13) 元件之符號說明 1〇 習知技術的熱交換器 12 流路 14 入口端 16 出口端 24 金屬發泡層 22 金屬帶 20 多孔性流動體 26 外壁 40 部份 42 金屬發泡層 44 外壁 50 金屬發泡層 60 熱-音轉換裝置 62 音響-機械共振電路 64 再生器 -15-

Claims (1)

1. 502103

   、申請專利範圍 (91年4月修正） 第901 29 1 2 1號「熱交換器」專利案 六、申請專利範圔 1. 一種可從第一流體將熱傳遞到第二流體之熱交換器（1 0)， 其包括有一或多個第一流體之流路（12)，其被配置成彼此 平行且彼此維持一個距離，並且其外壁（26)是與第二流體 上由金屬發泡形成之流動體（20)做熱傳遞接觸，其特徵爲 金屬發泡具有金屬體積密度上之梯度。 2. 如申請專利範圍第1項之熱交換器，其中流動體（20)是由 兩層金屬發泡（30，32; 42; 50)所組成，其具有相同體積密 度之層表面彼此互相面對。 3·如申請專利範圍第1或2項之熱交換器，其中金屬發泡 之體積密度從第二流體之流動體（20)的流入側向流路增 加。 4·如申請專利範圍第1或2項之熱交換器，其中流路（1 2)具 有橢圓形剖面，其主軸向第二流體之流動方向延伸。 5. 如申請專利範圍第1項之熱交換器，其中流路（丨2)包括矩 形剖面之管狀體，並且其由流動體（20)之部份（40)所分 離，流動體（20)之部份（40)的體積密度，在流路（12)之外 壁（26)附近爲最高。 6. 如申請專利範圍第2項之熱交換器，其中梯度可任意在 第一流體之流動方向上增加及減少。

   7·如申請專利範圍第1或2項之熱交換器，其中金屬發泡 之金屬爲銅。 8·如申請專利範圍第1項名熱交換器 ^2103 六、申請專利範圍 9·如申請專利範圍第8項之熱交換器，其中焊接之接合包 栝錫或錫合金。 Μ如申請專利範圍第1項之熱交換器，其中熱交換器（10)有 模組化結構，並且設置有聯結裝置可用來使模組化熱交 換器彼此聯結在一起。 U· —種能量轉換用之熱泵，其包括一個馬達用來壓縮且移 動氣態之第二流體，及一個熱交換器用來將熱從第二流 體傳遞到第三流體，一個再生器（64)，在氣體之流動方向 看去時被配置在熱交換器之間，其特徵爲熱交換器爲如 申請專利範圍第1至in項中任一項之裝置。 12·如申請專利範圍第11項之熱泵，其中再生器（64)包括一個 具有微細孔傳導性之金屬所製成之多層金屬發泡的層狀 構造。 证如申請專利範圍第12項之熱泵，其中傳導性差之金屬爲 鎳。 -2-