TWI727533B

TWI727533B - 熱交換器

Info

Publication number: TWI727533B
Application number: TW108144299A
Authority: TW
Inventors: 宋柏毅; 徐仲彥; 林志忠; 林育立
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2021-05-11
Also published as: CN112902725A; TW202122737A

Abstract

一種熱交換器，包括：流體入口，其係設置在熱交換器之長側邊之一端；流體出口，其係設置在熱交換器之長側邊之另一端；複數個隔板，其係配置在熱交換器之長側邊、另一長側邊，以及長側邊與另一長側邊之間；複數個鰭片，係配置在複數個隔板之間；以及複數個流體匯集結構，其係沿著流體的流入方向以及流體的流出方向形成在複數個鰭片上以及複數個隔板中配置在長側邊與另一長側邊之間之該些隔板。

Description

熱交換器

本案係有關於一種熱交換器。

現在工業的製程中，為了將工廠製程中所排放出的廢熱重新利用，通常會加裝熱交換器將熱能從廢氣中取出，並將熱能轉換至其他需要使用的地方。傳統所使用的熱交換器主要係以鋁擠(aluminum extrusion)的方式製造，並由熱管、複數個鰭片、中央隔板與殼體所組成。熱交換器的設計通常係將複數個鰭片及中央隔板等距設置，並在殼體之長邊面開設冷水口及出水口，以達到解熱的效果。

第1a圖係傳統熱交換器之內部流場分析，由此圖可以看出，傳統熱交換器之流速較快的區域係集中在靠近冷水口及出水口的區域，再由第1b圖的傳統熱交換器的內部溫度分析可以知道，在遠離冷水口及出水口的區域與靠近冷水口及出水口的區域有明顯溫差變化，此表示傳統交換器的內部流體不均勻，進而會降低次系統內的模組的發電總量。

因此，本案提供一種可透過簡易加工程序製作之熱交換器，並且此熱交換器能夠使內部流場達到均溫化(homoeothermic)的效果。

有鑑於此，本案係提供一種熱交換器，熱交換器包含：流體入口，其係設置在熱交換器之長側邊之一端；流體出口，其係設置在熱交換器之長側邊之另一端；複數個隔板，其係配置在熱交換器之長側邊、另一長側邊，以及長側邊與另一長側邊之間；複數個鰭片，係配置在複數個隔板之間；以及複數個流體匯集結構，其係沿著一流體的一流入方向以及流體的一流出方向形成在複數個鰭片上以及複數個隔板中配置在長側邊與該另一長側邊之間之該些隔板。

為讓本案能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下藉由特定的具體實施例說明本案之實施方式，熟習此項技藝之人士可由本文所揭示之內容輕易地瞭解本案之其他優點及功效。須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本案可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本案所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本案所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。

請參閱第2a圖及第2b圖，第2a圖及第2b圖分別為本案一實施例之熱交換器1之立體圖以及該立體圖之A-A’剖面圖。熱交換器1係與一熱源(未示於圖式)貼合。此處雖敘述為貼合，但不侷限於此，凡熱交換器及熱源間能夠達成熱量傳遞的連接方式皆適用於本案之熱交換器。為了能夠達成良好的熱傳導效應以及製造上簡便，本案之熱交換器選用的材質為鋁材，但不侷限於此材料。

在一實施例中，本案之熱交換器1包含：流體入口11，其係設置在熱交換器1之長側邊10a之一端。流體出口12，其係設置在熱交換器1之長側邊10a之另一端。熱交換器1所使用的流體為冷水。熱交換器1更包含有複數個隔板13，其係配置在熱交換器1之該長側邊10a、另一長側邊10b，以及長側邊10a與另一長側邊10b之間。在一實施例中，複數個隔板13間的間距係相等。在一實施例中，流體入口11及流體出口12分別朝流體的流入方向L1以及流體的流出方向L2貫穿設置於長側邊10a之隔板13。

請參閱第2a圖及第2b圖，在一實施例中，熱交換器1包括複數個鰭片14，複數個鰭片14係配置在複數個隔板13之間。在一實施例中，隔板13與鰭片以及鰭片與鰭片之間的距離係相等，並且鰭片14沿著流體的流入方向L1(或流體的流出方向L2)設置。複數個隔板13之厚度係大於該複數個鰭片14之厚度。在一實施例中，複數個隔板13與複數個鰭片14係一體成形。

在一實施例中，複數個鰭片14與複數個隔板13係以等距排列設置。

請參照第2b圖，在一實施例中，複數個鰭片14包含複數個結構鰭片14a以及複數個散熱鰭片14b。複數個結構鰭片14a間隔設置在複數個隔板13之間，並且係等距設置。在另一實施例中，複數個結構鰭片14a係與熱交換器1之上表面10e以及下表面10f連接。複數個散熱鰭片14b中，有的散熱鰭片14b係設置於隔板13與結構鰭片14a之間，以及有的散熱鰭片14b係設置於兩相鄰結構鰭片14a之間。在另一實施例中，複數個散熱鰭片14b係與熱交換器1之上表面10e或下表面10f之一者連接。在一實施例中，單一結構鰭片14a之高度係大於單一散熱鰭片14b之高度。在另一實施例中，單一結構鰭片14a之高度係與單一隔板13之高度相同。也就是說，這些結構鰭片14a給予熱交換器1應有之高度及結構強度，這些散熱鰭片14b使熱交換器1之內部流場的內壓力平衡，提升流場均勻性。

請參照第3a圖及第3b圖之本案熱交換器之B-B’橫切面圖，其中第3b圖是第3a圖之局部的一放大圖。在一實施例中，熱交換器包括複數個流體匯集結構15，複數個流體匯集結構15沿著一流體的流入方向L1以及該流體的流出方向L2形成在複數個鰭片14上並且配置在長側邊10a與另一長側邊10b之間的隔板13。在一實施例中，流體匯集結構15係貫穿複數個鰭片14並且配置在長側邊10a與另一長側邊10b之間的該些隔板13的孔洞。

請參照第3b圖，在一實施例中，複數個流體匯集結構15包括複數個前半部流體匯集結構15a以及複數個後半部流體匯集結構15b。在一實施例中，複數個前半部流體匯集結構15a係形成於熱交換器1之配置在長側邊10a之隔板13以及中間位置之該些隔板13之間的複數個鰭片14。在一實施例中，複數個後半部流體匯集結構15b係形成於設置在熱交換器1之中間位置之該些隔板13以及配置在熱交換器1之另一長側邊10b之該些隔板13與配置在熱交換器1之中間位置之該些隔板13間的複數個鰭片14。在一實施例中，複數個流體匯集結構15係沿著流體流入方向L1以及流體流出方向L2形成。

在另一實施例中，複數個後半部流體匯集結構15b中的單一流體匯集結構15b之孔徑係大於複數個前半部流體匯集結構15a中的單一流體匯集結構15之孔徑。複數個流體匯集結構15係為圓形孔洞或是橢圓形孔洞。本案熱交換器1之流體匯集結構15並不侷限於圓形或橢圓形，亦可為其他形狀之通孔。本案中，後半部與前半部流體匯集結構之孔徑也可稱為寬度。

另一實施例中，複數個後半部流體匯集結構15b係根據複數個前半部流體匯集結構15a之孔洞以偏移擴孔(offset reaming)的方式形成。複數個前半部流體匯集結構15a中的單一流體匯集結構之孔徑係相同於流體入口11以及流體出口12之孔徑。

請參考第4a圖至第4e圖，第4a圖為本案之熱交換器之縱向切面圖，其中Y為散熱鰭片的高度。第4b-1圖及第4b-2圖為本案之不同高度之散熱鰭片14b之流場及溫度場模擬分析。當Y=16mm時，此時散熱鰭片14b之高度與結構鰭片14a以及隔板13之高度相同，意即，散熱鰭片14b係與熱交換器1之上表面10e以及下表面10f連接。此狀態可視為散熱鰭片將流道完全分隔。如第4b-1圖及第4b-2圖所示，流體進入熱交換器1後，由於鰭片14的高度一致而導致流體無法順暢地流入熱交換器1之後半部，流體在熱交換器1的前半部快速流通，因此熱交換器1後半部的熱量無法被有效地解除，高溫顯示在流體流入方向L1之深處；當Y=0mm時，此狀態可視為沒有設置散熱鰭片14b。如第4c-1圖及第4c-2圖所示，流體進入熱交換器1中後，由於沒有散熱鰭片14b，流體在熱交換1的前半段呈現均勻的，但從溫度圖來看，熱交換器1之後半部的熱量仍無法被有效解除；當Y=11mm時，如第4d-1圖及第4d-2圖所示，流體均勻地流入各鰭片14之間以及鰭片14與隔板13之間，由溫度分布圖亦可發現流體在熱交換器1中的溫度較趨近於一致，沒有過高之區域。在一實施例中，散熱鰭片的高度係至少高於結構鰭片的高度的一半。

請參考第4e圖，第4e圖為散熱鰭片高度與解熱量之關係圖。綜上所述，當散熱鰭片隨高度增加時，其解熱量也會跟著上升，均溫的效果也會更明顯；然而，在未裝設散熱鰭片以及完全分隔流道的狀態下，解熱量將明顯地下降，且無法達到均溫的效果。

請參考第5a圖至第5e圖，第5a圖為第3b圖之上視圖，X1為前半部流體匯集結構之寬度，X2為後半部流體匯集結構之寬度，當散熱鰭片的高度在11mm時，根據不同的流體匯集結構的寬度差，即X2-X1，其解熱效果也會有差異。請參考第5b-1圖及第5b-2圖，第5b-1圖及第5b-2圖係在寬度差為0 mm時，分別為熱交換器1之流場分布圖以及溫度分布圖。在寬度差為0 mm的情況下，意即，前半部流體匯集結構之寬度與後半部流體匯集結構之寬度相同，由流場分布圖可以發現，流體無法有效地進入到熱交換器1後半部之深處，由溫度分布圖亦可以發現相對高溫集中在流體的流入方向之深處；請參照第5c-1圖及第5c-2圖，在寬度差為19.05 mm的情況下，由於孔徑差過大，可以發現流體進入後可以直接流通至熱交換器1之後半部，但在熱交換器1之中段出現相對較低的流速，由溫度分布圖也可得知在熱交換器1中段的溫度偏高；請參照第5d-1圖及第5d-2圖，在寬度差為6.35 mm的情況下，從流場分布圖中，可以發現流場在整體熱交換器1的分布更為均勻，而在溫度的分布上也趨為均勻。

請參考第5e圖，第5e圖為流體匯集口的寬度差與解熱量之關係圖。在一實施例中，複數個後半部流體匯集結構之孔徑係大於等於複數個前半部流體匯集結構之孔徑的兩倍，且小於等於複數個前半部流體匯集結構之孔徑的三倍。綜上所述，前半部流體匯集結構之寬度與後半部流體匯集結構之寬度相同或是在寬度差過大的情況下，以本實施例來說，在寬度差為15.87 mm以上時，流場及溫度場的分布分別在熱交換器1之後半部及中段處較為不均勻，而在寬度差在上述兩者之間時，流場及溫度場的分布趨勢也呈現更均勻，也因此可以得到較佳之解熱量。

本案之熱交換器藉由散熱鰭片與結構鰭片具有高度差的設計，並且搭配前半部流體匯集結構之寬度與後半部流體匯集結構之寬度具有寬度差的設計，來達成熱交換器在操作時使內部流場以及溫度場能夠達成均勻的功效，因而使熱交換器之內部的流體解熱量提升。

然本案以實施例已揭露如上，然其並非用以限定本案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:熱交換器

10a:長側邊

10b:另一長側邊

10e:上表面

10f:下表面

11:流體入口

12:流體出口

13:隔板

14:鰭片

14a:結構鰭片

14b:散熱鰭片

15:流體匯集結構

15a:前半部流體匯集結構

15b:後半部流體匯集結構

L1:流體的流入方向

L2:流體的流出方向

X1:前半部流體匯集結構之寬度

X2:後半部流體匯集結構之寬度

Y:散熱鰭片的高度

第1a圖係傳統熱交換器的內部流場分布圖。第1b圖係傳統熱交換器的內部溫度分布圖。第2a圖係本案一實施例之熱交換器之立體圖。第2b圖係本案一實施例之熱交換器之立體圖之A-A’剖面圖。第3a圖係本案熱交換器之B-B’橫切面圖。第3b圖係本案熱交換器之B-B’橫切面圖之局部放大圖。第4a圖係本案另一實施例之熱交換器之A-A’剖面圖。第4b-1圖及第4b-2圖係分別為散熱鰭片高度Y=16 mm之流場分布圖以及溫度場分布圖。第4c-1圖及第4c-2圖係分別為散熱鰭片高度Y=0 mm之流場分布圖以及溫度場分布圖。第4d-1圖及第4d-2圖係分別為散熱鰭片高度Y=11 mm之流場分布圖以及溫度場分布圖。第4e圖為散熱鰭片高度與解熱量之關係圖。第5a圖係第3b圖之上視圖。第5b-1圖及第5b-2圖係分別為寬度差為0 mm時的熱交換器之流場分布圖以及溫度分布圖。第5c-1圖及第5c-2圖係分別為寬度差為19.05 mm時的熱交換器之流場分布圖以及溫度分布圖。第5d-1圖及第5d-2圖係分別為寬度差為6.35 mm時的熱交換器流場分布圖以及溫度分布圖。第5e圖為匯集口寬度差與解熱量之關係圖。