TWI548854B - 逆流熱虹吸向下傳熱裝置 - Google Patents

Description

逆流熱虹吸向下傳熱裝置

本發明是有關於一種逆流熱虹吸向下傳熱裝置，尤指一種可使傳熱流體基於逆流熱虹吸原理，而能自發性向下傳熱，進而適用於熱源端在上方，而散熱端在下方之熱能傳遞，且具有長距離、低溫差和快速傳熱之特性，以及不需毛細結構亦不需額外循環動力，可作為加熱其它流體或固體，或搭配史特林引擎、有機朗肯循環系統或熱電模組，而達到將熱能轉換成電能之功效者。

按，隨著全球石油、煤與天然氣等化石燃料大量消耗，不僅拉高油價衝擊經濟發展，並且，排放溫室氣體如二氧化碳等加強了溫室效應，引發氣候變化，因此，能源開發和地球環境保護之課題日益受到重視；其中，太陽熱能和廢熱利用技術的發展已成為全球重要課題之一。

然而，長距離低溫差熱傳遞是上述技術發展所必須考慮的問題。目前長距離熱傳遞是利用傳熱流體在熱源端和散熱端間，以自發性(Spontaneous)或動力強迫(Force)的方式循環，可以將相當程度的熱量由熱源端傳遞至散熱端。其中，以自發性的循環效率較高和成本低廉。自發性循環的起因是來自封閉迴路的流體吸熱後 受浮力作用而自然上升，放熱後受重力作用而下降。此類的傳熱裝置又稱為熱虹吸(Thermosiphon)或重力熱管(Gravity return heat pipe)，只能向上傳熱。除此以外，有些特殊熱管可以利用傳熱流體毛細力(Capillary force)作用，向水平方向，向下或在無重力狀態下傳熱。此類具有毛細結構的熱管，傳熱距離受毛細力的限制，距離超過0.5M，製作程序困難以至於價格昂貴，且傳熱能力隨距離增加而降低。

台灣地區太陽熱能的應用中，太陽能熱水器系統是最普遍的，統計至2010年底，太陽能熱水器總安裝面積為1,924,300m²。太陽能集熱器與儲熱水槽間熱傳遞有熱虹吸的自發性熱傳遞和電動泵驅動的強迫性熱傳遞兩種；傳統熱虹吸熱傳遞只能向上傳熱，故儲熱水槽位置須高於集熱器，致使照射集熱器的太陽光束被儲熱水槽遮蔽，日間受熱時間受到限制；而電動泵驅動的熱傳遞迴路須要消耗額外電力，效率因而降低。

另外，工業部門用電佔全國的60%，其中耗能較高的設備如鍋爐和窯爐等，具有大量的排氣廢熱，大多效率低於85%，但此類排氣管均位於爐體上方。因此，需要電動泵熱水循環迴路或風車熱風迴路予以換熱，故效率較低且成本過高。

現有之專利技術如：中華民國專利第322146號之『自然虹吸式太陽能集熱裝置』以及第412005號之『自然虹吸式太陽能集熱裝置』追加一，其二者皆僅能向上傳熱，故儲熱水槽位置須高於集熱器，致使集熱器的日間受熱時間受到限制。

又如中華民國專利第495015號之『具內置結構之熱虹吸式熱管』 ，其係與傳統熱虹吸熱傳相仿，亦只能向上傳熱，無法應用於鍋爐和窯爐等爐體上方排氣的廢熱利用場合。

另外，中華民國專利第570172號之『迴路型逆虹吸熱管式太陽能集熱器』，因內部須設有毛細管，因此，製作成本較高，而且只能朝水平方向傳熱，無法向下傳熱。

再由美國專利第3,951,204號之『Method and apparatus for thermally circulating a liquid』觀之，其雖然可以向下傳熱，但熱損失大且驅動壓力小，故，傳熱距離較短，無法符合實際使用之所需。

有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「逆流熱虹吸向下傳熱裝置」，藉以改善習用之種種問題。

本發明之主要目的係在於，可利用加熱管與連通管組之配合，分別與外部熱源及散熱裝置連接，使傳熱流體基於逆流熱虹吸原理，而能自發性向下傳熱，進而適用於熱源端在上方，而散熱端在下方之熱能傳遞，且具有長距離、低溫差和快速傳熱之特性，以及不需毛細結構亦不需額外循環動力，可作為加熱其它流體或固體，或搭配史特林引擎、有機朗肯循環系統或熱電模組，而達到將熱能轉換成電能之功效。

為達上述之目的，本發明係一種逆流熱虹吸向下傳熱裝置，其包含有：一緩衝槽；一與緩衝槽連通之加熱管；一設於緩衝槽中且 與加熱管連通之換熱管；一連通緩衝槽與換熱管之連通管組；以及填充於緩衝槽、加熱管、換熱管與連通管組中之傳熱流體

於上述之實施例中，該緩衝槽於填充傳熱流體後其內部上方係形成有一空間區，且該緩衝槽係位於高處，可吸收傳熱流體熱漲冷縮造成之體積變化和非凝結性氣體，而於常溫下該空間區係為傳熱流體之飽和蒸汽壓力。

於上述之實施例中，該加熱管係與相關之外部熱源接觸，用以提供傳熱流體所需之熱量。

於上述之實施例中，該外部熱源係為太陽熱能、鍋爐、窯爐之廢熱或相關燃料燃燒之熱源。

於上述之實施例中，該連通管組係與相關之散熱裝置接觸，用以吸收傳熱流體之熱量。

於上述之實施例中，該散熱裝置係為流體、儲熱媒介、溫差發電元件或散熱鰭片。

於上述之實施例中，該連通管組係包含有一與緩衝槽連通之出口管、一與出口管連通且與散熱裝置接觸之下段管、及一連通下段管與換熱管之入口管。

於上述之實施例中，該連通管組係包含有一與緩衝槽連通之出口管、一設於出口管中且與換熱管連通之入口管、及一連通出口管與入口管之下段管。

於上述之實施例中，該傳熱流體係為水、二氧化碳、氨、冷媒類、烷類、醇類、苯類、液態金屬、可兩相變化之純物質流體、及 其混合物。

於上述之實施例中，該緩衝槽、出口管與入口管之外部表面係分別具有隔熱層。

1‧‧‧緩衝槽

11‧‧‧空間區

2‧‧‧加熱管

3‧‧‧換熱管

4‧‧‧連通管組

41‧‧‧出口管

42‧‧‧下段管

43‧‧‧入口管

44‧‧‧出口管

45‧‧‧入口管

46‧‧‧下段管

5‧‧‧傳熱流體

51‧‧‧氣泡

6‧‧‧隔熱層

7‧‧‧外部熱源

8‧‧‧散熱裝置

第1圖，係本發明第一實施例之剖面示意圖。

第2圖，係本發明第二實施例之剖面示意圖。

第3圖，係本發明第三實施例之併排組合前視圖。

請參閱『第1圖』所示，係本發明第一實施例之剖面示意圖。如圖所示：本發明係一種逆流熱虹吸向下傳熱裝置，其至少包含有一緩衝槽1、一加熱管2、一換熱管3、一連通管組4以及傳熱流體5所構成。

上述所提之緩衝槽1於填充傳熱流體5後其內部上方係形成有一空間區11，且該緩衝槽1係位於高處，可吸收傳熱流體5熱漲冷縮造成之體積變化和非凝結性氣體，而於常溫下該空間區11係為傳熱流體之飽和蒸汽壓力。

該加熱管2係與緩衝槽1連通，而該加熱管2係與相關之外部熱源7接觸，用以提供傳熱流體5所需之熱量，其中該外部熱源7係為太陽熱能、鍋爐、窯爐之廢熱或任何燃料燃燒的熱源。

該換熱管3係設於緩衝槽1中且與加熱管2和入口管43連通。

該連通管組4係連通緩衝槽1與換熱管3，而該連通管組4係包含有一與緩衝槽1連通之出口管41、一與出口管41連通且與散熱裝置8接觸之下段管42、及一連通下段管42與換熱管3 之入口管43，用以吸收傳熱流體5之熱量，其中該散熱裝置8係為流體、儲熱媒介、溫差發電元件或散熱鰭片。

該傳熱流體5係填充於緩衝槽1、加熱管2、換熱管3與連通管組4中，而該傳熱流體5係為水、二氧化碳、氨、冷媒類、烷類、醇類、苯類或液態金屬等可兩相變化之純物質流體，或上述純物質相互混合。

當本發明於運用時，該緩衝槽1、加熱管2、換熱管3與連通管組4係形成一封閉迴路；而當傳熱流體5被加熱管2上方之外部熱源7加熱，密度因而降低同時產生氣泡51，之後氣泡51向上浮動，而積聚於緩衝槽1內部上方之空間區11中，並且逐漸累積壓力，當壓力足夠克服浮力、阻力和流體質量，便會推擠傳熱流體5流出緩衝槽1，使其經出口管41到達下段管42，藉以從散熱裝置8釋放大部份之熱量，之後再從入口管43流回緩衝槽1內之換熱管3，並吸收緩衝槽1內傳熱流體5之熱量，最後再流回加熱管2。換熱管3的作用有二：一是緩衝槽1內換熱管3附近的傳熱流體5之熱量被換熱管3內回流之傳熱流體5帶走，使氣態傳熱流體因而凝結形成低壓，此時，空間區11與換熱管3附近形成之壓力差(或傳熱流體5密度增加所產生之重力作用)有助於推擠傳熱流體5向下流出緩衝槽1，二是使流回加熱管2的傳熱流體5形成預熱效果。

另外，在緩衝槽1與連通管組4之出口管41及入口管43外部表面係分別具有隔熱層6，藉以防止熱量散失，如此，啟動循環且連續不斷，傳熱流體5可以將上方外部熱源7之熱能自發性地傳遞至下方散熱裝置8，傳熱距離較長，不需額外動力，可作為 加熱其它流體或固體，或搭配史特林引擎、有機朗肯循環系統或熱電模組，而達到將熱能轉換成電能之功效。

請參閱『第2圖』所示，係本發明第二實施例之剖面示意圖。如圖所示：本發明除上述第一實施例所提結構形態之外，亦可為本第二實施例之結構形態，而其所不同之處係在於，該連通管組4係包含有一與緩衝槽1連通之出口管44、一設於出口管44中且與換熱管3連通之入口管45、及一連通出口管44與入口管45之下段管46，藉以使出口管44與入口管45結合為一同心管，如此，除可同樣達到上述第一實施例所提之功效外，更可減少本裝置之體積，使傳熱流體5流出與回流之熱交換面積增加，並減少表面散熱面積，進而使本發明能更符合實際使用之所需。

請參閱『第3圖』所示，係本發明第三實施例之併排組合前視圖。如圖所示：當外部熱源有大量熱能需要向下傳遞時，係可將第一實施例(或第二實施例)之單一結構依照實際數量之需要加以併排組合，而使各緩衝槽1相互連接，進而於使用時以多數加熱管2、換熱管(圖未示)、連通管組4以及傳熱流體(圖未示)，執行上述第一及第二實施例所提之熱能傳遞，而達到大量熱能需要向下傳遞時之使用，進而使本發明能更符合實際使用之所需。

綜上所述，本發明逆流熱虹吸向下傳熱裝置可有效改善習用之種種缺點，可利用加熱管與連通管組之配合，分別與外部熱源及散熱裝置連接，使傳熱流體基於逆流熱虹吸原理，而能自發性向下傳熱，進而適用於熱源端在上方，而散熱端在下方之熱能傳遞， 且具有傳熱距離較長以及不需額外動力之特性，可作為加熱其它流體或固體，或搭配史特林引擎、有機朗肯循環系統或熱電模組，而達到將熱能轉換成電能之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

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；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧緩衝槽

11‧‧‧空間區

2‧‧‧加熱管

3‧‧‧換熱管

4‧‧‧連通管組

41‧‧‧出口管

42‧‧‧下段管

43‧‧‧入口管

5‧‧‧傳熱流體

51‧‧‧氣泡

6‧‧‧隔熱層

7‧‧‧外部熱源

8‧‧‧散熱裝置

Claims (3)

1. 一種逆流熱虹吸向下傳熱裝置，其包括有：一緩衝槽，係於填充傳熱流體後其內部上方係形成有一空間區，且該緩衝槽係位於高處，可吸收傳熱流體熱漲冷縮造成之體積變化和非凝結性氣體，而於常溫下該空間區係為傳熱流體之飽和蒸汽壓力；一加熱管，係與緩衝槽連通，而該加熱管係與相關之外部熱源接觸，用以提供傳熱流體所需之熱量，其中該外部熱源係為太陽熱能、鍋爐、窯爐之廢熱或相關燃料燃燒之熱源；一換熱管，係設於緩衝槽中且與加熱管及入口管連通；一連通管組，係連通緩衝槽與換熱管，而該連通管組係與相關之散熱裝置接觸，用以吸收傳熱流體之熱量，其中該散熱裝置係為流體、儲熱媒介、溫差發電元件或散熱鰭片；以及傳熱流體，係填充於緩衝槽、加熱管、換熱管與連通管組中，而該傳熱流體係為水、二氧化碳、氨、冷媒類、烷類、醇類、苯類、液態金屬、可兩相變化之純物質流體、及其混合物，其中，該緩衝槽、出口管與入口管外部表面係分別具有隔熱層；藉此，利用上述加熱管與連通管組之配合，分別與外部熱源及散熱裝置連接，使傳熱流體基於逆流熱虹吸原理，自發性循環並向下傳熱，進而適用於熱源端在上方，而散熱端在下方之熱能傳遞，且具有長距離、低溫差和快速傳熱之特性，以及不需毛細結構亦不需額外循環動力，可作為加熱其它流體或固體，或搭配史特 林引擎、有機朗肯循環系統或熱電模組，而達到將熱能轉換成電能之功效。
2. 依申請專利範圍第1項所述之逆流熱虹吸向下傳熱裝置，其中，該連通管組係包含有一與緩衝槽連通之出口管、一與出口管連通且與散熱裝置接觸之下段管、及一連通下段管與換熱管之入口管。
3. 依申請專利範圍第1項所述之逆流熱虹吸向下傳熱裝置，其中，該連通管組係包含有一與緩衝槽連通之出口管、一設於出口管中且與換熱管連通之入口管、及一連通出口管與入口管之下段管。