TWI591309B - 熱交換組件以及熱交換系統 - Google Patents

Description

熱交換組件以及熱交換系統

本發明是有關於一種熱交換組件以及熱交換系統，且特別是一種具有蓄熱功能的熱交換組件以及熱交換系統。

不同的機器在運轉時，所需的工作流體溫度也不同。例如有些機器使用之工作流體必須要較高之溫度，有些則要較低溫度。因此，透過熱交換器連接於兩機器之間，以將其中一機器的流體熱能傳遞至另一機器的流體中，以達到加熱流體或冷卻流體之目的。

然而，一般的熱交換器大多都是運用在熱來源穩定的機器上，以降低或提高機器的工作溫度。然而，當熱交換器為一裝置之流體能量來源時，熱交換器在設計上必須考量裝置操作特性，即當熱來源不穩定時，裝置之操作效能則會受到影響。

因此，本發明之一目的是在提供一種熱交換組 件以及熱交換系統，其具有良好的蓄熱功能，以可提供穩定的熱能予一裝置，進而提升該裝置之運作效能。

根據本發明之上述目的，提出一種熱交換組件。此熱交換組件包含至少一熱板、至少一蓄熱板以及至少一冷板。熱板包含熱流體入口、熱流體出口以及至少一個熱流道連通熱流體入口以及熱流體出口。蓄熱板接合於熱板。其中，蓄熱板更包含容置槽，且容置槽中設有蓄熱單元。冷板接合熱板或蓄熱板。冷板包含冷流體入口、冷流體出口以及冷流道連通冷流體入口以及冷流體出口。

依據本發明之一實施例，上述之熱板更包含第一冷流體通孔以及第二冷流體通孔。第一冷流體通孔與第二冷流體通孔係分別連通冷板之冷流體入口與冷流體出口。冷板更包含第一熱流體通孔以及第二熱流體通孔。第一熱流體通孔與第二熱流體通孔係分別連通熱板之熱流體入口與冷流體出口。

依據本發明之另一實施例，上述之蓄熱板更包含第一通孔、第二通孔、第三通孔以及第四通孔。第一通孔連通熱板之熱流體入口以及冷板之第一熱流體通孔。第二通孔連通熱板之第一冷流體通孔以及冷板之冷流體入口。第三通孔連通熱板之第二冷流體通孔以及冷板之冷流體出口。第四通孔連通熱板之熱流體出口以及冷板之第二熱流體通孔。

依據本發明之又一實施例，上述之熱流道的數量為複數個。而且，上述之熱板更包含第一熱導槽及第二熱導槽。第一熱導槽連接熱流體入口。第二熱導槽連接熱流體 出口。其中，每一個熱流道的一端係連接第一熱導槽，另一端係連接第二熱導槽。

依據本發明之再一實施例，上述之冷流道的數量為複數個。而且，上述之冷板更包含第一冷導槽以及第二冷導槽。第一冷導槽連接冷流體入口。第二冷導槽連接冷流體出口。其中，每一個冷流道的一端係連接第一冷導槽，另一端係連接第二冷導槽。

依據本發明之再一實施例，上述之流道的形狀為鋸齒形。

依據本發明之再一實施例，上述之熱板、蓄熱板與冷板之間係透過一擴散接合方式或一真空硬銲接合方式互相接合。

依據本發明之再一實施例，上述之蓄熱單元為一陶瓷材料。

根據本發明之上述目的，另提出一種熱交換系統。此熱交換系統包含上述之熱交換組件、集熱裝置以及發電裝置。集熱裝置連通熱板。集熱裝置係配置以收集熱能並提供熱工作流體，以使熱工作流體從熱流體入口進入熱板後，通過熱流道後再從熱流體出口流出。發電裝置連通冷板。發電裝置包含渦輪，且渦輪係受到冷工作流體推動而運作。其中，冷工作流體係從冷流體入口進入冷板後，通過冷流道後再從冷流體出口流出。

依據本發明之一實施例，上述之熱工作流體為傳熱流體，冷工作流體為超臨界流體。

由上述可知，本發明之熱交換組件係透過蓄熱板的設計來儲存熱工作流體中的熱能。當集熱裝置的熱來源不穩定時，蓄熱板可隨時提供熱能給發電裝置中的冷工作流體，以避免不穩定的熱來源影響冷工作流體的工作溫度，進而可維持發電裝置中的渦輪運作，以提升發電裝置的發電的穩定性。

此外，本發明之熱板、蓄熱板以及冷板的結構為模組化的設計。藉此可提供使用者依據不同的需求來決定熱板、蓄熱板以及冷板的排列順序與數量，以使冷工作流體保持在最佳的工作溫度，並使發電裝置維持在最佳的工作效能。另一方面，利用擴散接合的方式來接合熱板、蓄熱板以及冷板，可提升整體熱交換組件的結構強度與熱傳效率。

100‧‧‧熱交換系統

200‧‧‧集熱裝置

300‧‧‧發電裝置

310‧‧‧渦輪

400‧‧‧熱交換組件

410‧‧‧熱板

411‧‧‧熱流體入口

412‧‧‧熱流體出口

413‧‧‧熱流道

414‧‧‧第一熱導槽

415‧‧‧第二熱導槽

416‧‧‧第一冷流體通孔

417‧‧‧第二冷流體通孔

420‧‧‧蓄熱板

420a‧‧‧容置槽

421‧‧‧第一通孔

422‧‧‧第二通孔

423‧‧‧第三通孔

424‧‧‧第四通孔

430‧‧‧冷板

431‧‧‧冷流體入口

432‧‧‧冷流體出口

433‧‧‧複數個冷流道

434‧‧‧第一冷導槽

435‧‧‧第二冷導槽

436‧‧‧第一熱流體通孔

437‧‧‧第二熱流體通孔

500‧‧‧熱交換組件

600‧‧‧熱交換組件

A1‧‧‧蓄熱單元

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施方式之一種熱交換系統的示意圖；〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施方式之一種熱交換組件的分解示意圖；〔圖3〕係繪示依照本發明之一實施方式之一種熱板的立體示意圖； 〔圖4〕係繪示依照本發明之一實施方式之一種冷板的立體示意圖；〔圖5〕係繪示依照本發明之一實施方式之另一種熱交換組件之立體示意圖；以及〔圖6〕係繪示依照本發明之一實施方式之又一種熱交換組件之側視圖。

請參照圖1及圖2，圖1係繪示依照本發明之一實施方式之一種熱交換系統的示意圖，圖2係繪示依照本發明之一實施方式之一種熱交換組件的分解示意圖。在本實施方式中，熱交換系統100主要包含集熱裝置200、發電裝置300以及熱交換組件400。熱交換組件400係連接於集熱裝置200與發電裝置300之間。在一些實施例中，集熱裝置200主用是用來收集太陽能或地熱等替代能源的熱能，並將所收集的熱能儲存於熱工作流體中。當熱工作流體流動至熱交換組件400中時，可將部份的熱能儲存於熱交換組件400中。藉此，當發電裝置300的冷工作流體流入熱交換組件400後，儲存於熱交換組件400中的熱能可傳遞至冷工作流體而使冷工作流體的溫度升高，進而推動發電裝置300中的渦輪310，以達到發電的目的。

請同時參照圖1至圖3，其中圖3係繪示依照本發明之一實施方式之一種熱板的立體示意圖。如圖1及圖2所示，熱交換組件400主要包含至少一個熱板410、至少一 個蓄熱板420以及至少一個冷板430，且熱板410、蓄熱板420以及冷板430彼此互相接合。如圖3所示，熱板410包含熱流體入口411、熱流體出口412、複數個熱流道413、第一熱導槽414以及第二熱導槽415。在一實施例中，第一熱導槽414係與熱流體入口411連接，第二熱導槽415則是與熱流體出口412連接。而且，每一個熱流道413的一端係連接於第一熱導槽414，另一端則是連接於第二熱導槽415。

如圖1與圖3所示，在本實施例中，熱板410主要是與集熱裝置200連接。藉此，集熱裝置200中的熱工作流體可從熱板410的熱流體入口411進入熱板410中，經由第一熱導槽414而分流至各個熱流道413，再流至第二熱導槽415，接著從熱流體出口412流出，進而回到集熱裝置200中。在一些實施例中，熱流道413的形狀可為鋸齒形，且熱流道413的底面可為圓弧狀。在其他實施例中，熱流道413的數量、形狀、尺寸或相鄰之熱流道413之間的間距均可根據熱工作流體的特性來設計，以符合不同的使用需求。在本實施例中，熱工作流體為傳熱流體，但不以此為限。

另請參照圖1、圖2及圖4，其中圖4係繪示依照本發明之一實施方式之一種冷板的立體示意圖。如圖4所示，冷板430包含冷流體入口431、冷流體出口432、複數個冷流道433、第一冷導槽434以及第二冷導槽435。在一實施例中，第一冷導槽434係與冷流體入口431連接，第二冷導槽435則是與冷流體出口432連接。而且，每一個冷流道433的一端係連接於第一冷導槽434，另一端則是連接於 第二冷導槽435。

請繼續參照圖1、圖2及圖4，冷板430主要是連接發電裝置300，並與熱板410接合。藉此，發電裝置300中的冷工作流體可從冷板430的冷流體入口431進入冷板430中，經由第一冷導槽434而分流至各個冷流道433，再流至第二冷導槽435，接著從冷流體出口432流出，進而回到發電裝置300中，來推動發電裝置300中的渦輪310。在一些實施例中，冷流道433的形狀可為鋸齒形，且冷流道433的底面可為圓弧狀。在其他實施例中，冷流道433的數量、形狀、尺寸或相鄰之冷流道433之間的間距均可根據冷工作流體的特性來設計，以符合不同的使用需求。在本實施例中，冷工作流體可為超臨界流體，例如超臨界二氧化碳，但不以此為限。

請再次參照圖1及圖2，蓄熱板420係接合於熱板410，且蓄熱板420主要是用來儲存流經熱板410之熱工作流體中的熱能。在本實施例中，蓄熱板420包含容置槽420a，且容置槽420a中設有蓄熱單元A1。在一些實施例中，蓄熱單元A1可為陶瓷材料，例如氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋁基質添加二氧化鋯(ZrO₂)或三氧化二鉻(Cr₂O₃)。

請繼續參照圖1及圖2，在一些實施例中，熱板410的熱流道413設置位置係與蓄熱板420的蓄熱槽420a相對應。因此，當熱工作流體在熱板410的熱流道413中流動時，蓄熱槽420a中的蓄熱單元A1可直接吸收並儲存熱工作流體中的熱能，以作為穩定的熱能來源。

如圖2所示，蓄熱板420具有第一通孔421、第二通孔422、第三通孔423以及第四通孔424。蓄熱板420的第一通孔421與第四通孔424主要可讓來自集熱裝置200中的熱工作流體通過，以利熱工作流體流進熱板410，或從熱板410流出。此外，蓄熱板420的第二通孔422與第三通孔423主要可讓來自發電裝置300中的冷工作流體通過，以利冷工作流體流進冷板430，或從冷板430流出。

另請同時參照圖2與圖3，熱板410更包含第一冷流體通孔416與第二冷流體通孔417。在本實施例中，第一冷流體通孔416與第二冷流體通孔417均不連通熱板410的熱流體入口411、熱流體出口412、熱流道413、第一熱導槽414以及第二熱導槽415。進一步而言，第一冷流體通孔416與第二冷流體通孔417主要可讓來自發電裝置300中的冷工作流體通過，而不與熱工作流體混合。同樣地，請同時參照圖2與圖4，冷板430更包含第一熱流體通孔436與第二熱流體通孔437。第一熱流體通孔436與第二熱流體通孔437均不連通冷板430的冷流體入口431、冷流體出口432、冷流道413、第一冷導槽434以及第二冷導槽435。進一步而言，第一熱流體通孔436與第二熱流體通孔437主要可讓來自集熱裝置200中的熱工作流體通過，而不與冷工作流體混合。

如圖1至圖4所示，在本實施例中，蓄熱板420的第一通孔421係連通熱板410之熱流體入口411以及冷板430的第一熱流體通孔436。蓄熱板420的第二通孔422係連 通熱板410之第一冷流體通孔416以及冷板430的冷流體入口431。蓄熱板420的第三通孔423係連通熱板410之第二冷流體通孔417與冷板430的冷流體出口432。蓄熱板420的第四通孔424連通則是連通熱板410之熱流體出口412以及冷板430的第二熱流體通孔437。

藉此，當熱板410、蓄熱板420以及冷板430彼此相接合時，來自集熱裝置200的熱工作流體可通過蓄熱板420的第一通孔421與冷板430的第一熱流體通孔436，而從熱流體入口411進入熱板410中。從熱流體出口412流出的熱工作流體則是可通過蓄熱板420的第四通孔424與冷板430的第二熱流體通孔437後，再流回集熱裝置200中。其中，在熱工作流體流經熱板410的同時，熱工作流體中的熱能也會儲存於蓄熱板420上的蓄熱單元A1中。

另一方面，來自發電裝置300的冷工作流體則可通過蓄熱板420的第二通孔422與熱板410之第一冷流體通孔416，而從冷板430的冷流體入口431進入冷板430中。從冷流體出口432流出的冷工作流體則是可通過蓄熱板420的第三通孔423與熱板410之第二冷流體通孔417後，再流回發電裝置300中，並推動渦輪310運作。其中，在冷工作流體流經冷板430的同時，冷工作流體可吸收儲存於蓄熱板420中的熱能或是通過熱板的熱工作流體中的熱能，而使其溫度提高，以保持冷工作流體之工作效能。也就是說，當冷工作流體為超臨界流體時，透過本發明之熱交換組件400，可有效利用並保存集熱裝置200所收集之熱能。藉此，超臨 界流體得以維持在超臨界的狀態，進而維持渦輪310的運作，以提升發電裝置300的發電的穩定性。

請繼續參照圖2，在一些實施例中，熱板410、蓄熱板420以及冷板430可透過擴散接合(Diffusion bonding)或真空硬銲(Vacuum brazing)的方式互相接合。在一示範例子中，在進行擴散接合之前，可使用氧化鋁拋光液來拋光熱板410、蓄熱板420以及冷板430之表面，以使熱板410、蓄熱板420以及冷板430的表面粗糙度小於0.5μm。接著，再以1300K的溫度、至少7MPa之加壓壓力以及10^-4Torr以下的真空度的條件，來擴散接合熱板410、蓄熱板420以及冷板430。藉此，透過擴散接合的方式可提升整體熱交換組件400的結構強度與熱傳效率。

欲陳明者，圖2所示的熱交換組件400中的熱板410、蓄熱板420以及冷板430的排列順序僅為示範說明用，並非用以限制本發明。在其他實施例中，熱板410、蓄熱板420以及冷板430的數量與排列方式可依據不同的使用需求來設計。請參照圖5，其係繪示依照本發明之一實施方式之另一種熱交換組件之立體示意圖。在圖5所示之熱交換組件500中，蓄熱板420係接合在兩個熱板410之間，且熱板410未接合蓄熱板420的一側可再接合冷板430，藉此可達到與前述相同之功效，故在此不贅述。在其他實施例中，亦可直接以熱交換組件500為單元組件，透過堆疊多個熱交換組件500來形成其他不同之熱交換組件。

另請參照圖6，其係繪示依照本發明之一實施方 式之又一種熱交換組件之側視圖。在圖6所示之熱交換組件600中，熱板410與蓄熱板420係連續交錯堆疊，而冷板430則是分別設置在交錯堆疊之熱板410與蓄熱板420的兩側，藉此可達到與前述相同之功效，故在此不贅述。同樣地，在其他實施例中，亦可直接以熱交換組件600為單元組件，透過堆疊多個熱交換組件600來形成其他不同之熱交換組件。

由上述本發明實施方式可知，本發明之熱交換組件係透過蓄熱板的設計來儲存熱工作流體中的熱能，當集熱裝置的熱來源不穩定時，蓄熱板可隨時提供熱能給發電裝置中冷工作流體，以避免不穩定的熱來源影響冷工作流體的工作溫度，進而可維持發電裝置中的渦輪運作，以提升發電裝置的發電的穩定性。

此外，本發明之熱板、蓄熱板以及冷板的結構為模組化的設計。藉此可提供使用者依據不同的需求來決定熱板、蓄熱板以及冷板的排列順序與數量，以使冷工作流體保持在最佳的工作溫度，並使發電裝置維持在最佳的工作效能。另一方面，利用擴散接合的方式來接合熱板、蓄熱板以及冷板，可提升整體熱交換組件的結構強度與熱傳效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

410‧‧‧熱板

411‧‧‧熱流體入口

412‧‧‧熱流體出口

413‧‧‧熱流道

414‧‧‧第一熱導槽

415‧‧‧第二熱導槽

416‧‧‧第一冷流體通孔

420‧‧‧蓄熱板

420a‧‧‧容置槽

421‧‧‧第一通孔

422‧‧‧第二通孔

423‧‧‧第三通孔

424‧‧‧第四通孔

430‧‧‧冷板

431‧‧‧冷流體入口

433‧‧‧複數個冷流道

434‧‧‧第一冷導槽

435‧‧‧第二冷導槽

436‧‧‧第一熱流體通孔

437‧‧‧第二熱流體通孔

A1‧‧‧蓄熱單元

Claims (8)

1. 一種熱交換組件，包含：至少一熱板，包含一熱流體入口、一熱流體出口以及複數個熱流道連通該熱流體入口以及該熱流體出口，且該些熱板更包含：一第一熱導槽，連接該熱流體入口，其中該些熱流道之每一者的一端係連接該第一熱導槽；以及一第二熱導槽，連接該熱流體出口，其中該些熱流道之每一者的另一端係連接該第二熱導槽；至少一蓄熱板，接合於該至少一熱板，其中該至少一蓄熱板更包含一容置槽，該容置槽中設有一蓄熱單元；以及至少一冷板，接合於該至少一熱板，該至少一冷板包含一冷流體入口、一冷流體出口以及複數個冷流道連通該冷流體入口以及該冷流體出口，且該些冷板更包含：一第一冷導槽，連接該冷流體入口，其中該些冷流道之每一者的一端係連接該第一冷導槽；以及一第二冷導槽，連接該冷流體出口，其中該些冷流道之每一者的另一端係連接該第二冷導槽。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱交換組件，其中：該至少一熱板更包含一第一冷流體通孔以及一第二冷流體通孔，其中該第一冷流體通孔與該第二冷流體通孔 係分別連通該至少一冷板之該冷流體入口與該冷流體出口；以及該至少一冷板更包含一第一熱流體通孔以及一第二熱流體通孔，其中該第一熱流體通孔與該第二熱流體通孔係分別連通該至少一熱板之該熱流體入口與熱冷流體出口。
3. 如申請專利範圍第2項所述之熱交換組件，其中該蓄熱板更包含：一第一通孔，連通該熱板之該熱流體入口以及該冷板之該第一熱流體通孔；一第二通孔，連通該熱板之該第一冷流體通孔以及該冷板之該冷流體入口；一第三通孔，連通該熱板之該第二冷流體通孔以及該冷板之該冷流體出口；以及一第四通孔，連通該熱板之該熱流體出口以及該冷板之該第二熱流體通孔。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱交換組件，其中該至少一熱流道與該至少一冷流道的形狀為鋸齒形。
5. 如申請專利範圍第1項所述之熱交換組件，其中該至少一熱板、該至少一蓄熱板與該至少一冷板 之間係透過一擴散接合方式或一真空硬銲接合方式互相接合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之熱交換組件，其中該蓄熱單元為一陶瓷材料。
7. 一種熱交換系統，包含：一如請求項1至請求項6中任一項所述之熱交換組件；一集熱裝置，連通該至少一熱板，其中該集熱裝置係配置以收集熱能並提供一熱工作流體，以使該熱工作流體從該熱流體入口進入該至少一熱板後，通過該至少一熱流道後再從該熱流體出口流出；以及一發電裝置，連通該至少一冷板，其中該發電裝置包含一渦輪，且該渦輪係受到一冷工作流體推動而運作，其中該冷工作流體係從該冷流體入口進入該至少一冷板後，通過該至少一冷流道後再從該冷流體出口流出。
8. 如申請專利範圍第7項所述之熱交換系統，其中該熱工作流體為傳熱流體，該冷工作流體為超臨界流體。