TWI762604B - 管線內流體加熱器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種管線內流體加熱器，其包括：一入口，其可操作以接收待加熱之一流體；一基板，其界定與該入口流體地耦合以接收該流體之至少一個導管；一正熱係數加熱器，其與該基板熱耦合並可操作以加熱該基板以藉由加熱該至少一個導管內之該流體而提供一經加熱流體；及一出口，其與該至少一個導管流體地耦合並可操作以提供該經加熱流體，其中該基板界定與該入口及該出口流體地耦合之複數個該等導管，且其中該複數個導管係相交的。以此方式，提供一小型、具成本效益及有效加熱器，該加熱器避免對安全裝置或安全電路之需要，此係因為該等正熱係數加熱器係自限制的。

Description

管線內流體加熱器
本發明係關於流體加熱。
在產業中已知流體加熱器。流體可能需加熱以達到許多不同目的。一個此目的係加熱用於化學處理中之流體。通常需要升高一流體之溫度以使流體在化學處理期間更有效。儘管流體加熱器存在，但其等各自具有其等本身的缺點。因此，期望提供一種改良流體加熱器。
根據一第一態樣，提供一種管線內流體加熱器，其具有：一入口，其可操作以接收待加熱之一流體；一基板，其界定與該入口流體地耦合以接收該流體之至少一個導管；一正熱係數加熱器，其與該基板熱耦合並可操作以加熱該基板以藉由加熱該至少一個導管內之該流體而提供一經加熱流體；及一出口，其與該至少一個導管流體地耦合並可操作以提供該經加熱流體，其中該基板界定與該入口及該出口流體地耦合之複數個該等導管，且其中該複數個導管係相交的。 該第一態樣認識到，現有流體加熱器之一問題係其等趨於在空間上較大、低效、缺乏成本效益及通常需要安全裝置或電路來確保安全操作。因此，提供一種流體加熱器。該流體加熱器可經構形為一管線內裝置，其在一流體自一源流動至一目的地時加熱該流體。該加熱器可包括接收用於加熱之一流體之一入口。該加熱器亦可包括一基板或本體，該基板或本體界定或提供與該入口流體連通之一或多個導管或通道，使得該流體可自該入口流動至該等導管。該加熱器亦可包括一正熱係數加熱器。該正熱係數加熱器可與該基板熱接觸。該正熱係數加熱器可加熱該基板，以便加熱在該等導管內流動之該流體。該加熱器亦可包括一出口。該出口可與該等導管流體連通，以便該經加熱流體可自該等導管流動至該出口。該基板可界定複數個該等導管。複數個該等導管可與該入口及該出口流體地耦合。複數個該等導管相交、互連或十字交叉。因此，一些導管可各自將流體自該入口攜載至該出口，其中該流體在導管之間流動。以此方式，提供一小型、具成本效益及有效加熱器，該加熱器避免對安全裝置或安全電路之需要，此係因為該正熱係數加熱器係自限制的。增加導管的數目幫助減小該入口與該出口之間之壓力降並改良加熱效率。 在另一實施例中，該等導管在該基板內延伸。提供該基板內或由該基板圍封之導管幫助容納該流體，並使能夠提供該基板之一簡化外部包封。 在進一步實施例中，一些導管係平行的。因此，一些導管可各自獨立於另一導管將流體自該入口攜載至該出口。 在又另一實施例中，該等導管係細長及蛇形之至少一者。提供該入口與該出口之間之非線性導管延長該流體在該加熱器內之停留或駐留時間，並提供一更小型配置。 在一進一步實施例中，該基板包括界定該等導管並囊封於一基板外殼內之一網及纖維之至少一者。因此，該等導管可係由容納於一基板外殼內之一網或纖維提供。再者，此幫助最大化停留時間並增加加熱器與流體之間之熱傳遞。 在一項實施例中，該基板界定具有相對主面之一空隙，該基板具有延伸於該等相對主面之間之複數個支柱，以界定該複數個導管。因此，該基板可經形成為具有一空隙。支柱、柱或突出部可延伸至該空隙中。該等支柱之存在將該空隙分隔，以產生流體通過其等流動之相交導管。該等支柱提供將熱自該正熱係數加熱器傳送至該流體之一有效方式並幫助流體混合。 在一項實施例中，該等支柱具有係圓形、橢圓形、弓形及多邊形之至少一者之一截面形狀。該等支柱之該形狀影響與該流體之介面區域並幫助導引流體流動。 在一項實施例中，該等支柱具有一細長截面形狀。細長或線性截面支柱在導引流體之流動方面係尤其有效的。 在一項實施例中，該等支柱係錐形的。錐形支柱尤其適於加成製造。 在一項實施例中，該等支柱經定位並定向之至少一者，以導引該流體在該空隙內之一流動。該等支柱可經定位或旋轉以影響流體之流動。 在一項實施例中，該等支柱經等距分佈(均勻分佈)於該空隙內。因此，該等支柱可經均勻分佈，具有一恆定柱間間距。 在另一實施例中，該基板界定接收該正熱係數加熱器之至少一個面。因此，該等加熱器可經提供於該基板之一或多個面上。再者，超過一個加熱器可經提供於各面上。 在又另一實施例中，該基板界定接收複數個該等正熱係數加熱器之複數個面。因此，一或多個加熱器可經提供於該基板之多個面上。 在一進一步實施例中，該基板係細長及平面的並接收於複數個該等正熱係數加熱器之間。因此，該基板可經夾置於數個加熱器之間。 在一項實施例中，該基板係非平面的。因此，該基板可偏離平面並可為堡形(castellated)、彎曲或甚至摺疊的。該基板可經夾置於數個加熱器之間。 在另一實施例中，該基板接收該非平面基板之面之間之至少一個該正熱係數加熱器。因此，任何一個加熱器可與該非平面基板之多個面接觸。再者，此幫助改良該加熱器與該基板之間之熱傳遞。 在一進一步實施例中，該基板經摺疊並接收摺疊之間之至少一個該正熱係數加熱器。 在另一實施例中，該至少一個面經粗糙化以接收該面與該正熱係數加熱器之間之一熱接合材料。粗糙化該表面提供與該接合材料之經改良熱傳遞。 在又另一實施例中，該正熱係數加熱器包括容置於一導熱外殼內之一正熱係數加熱器元件。 在一進一步實施例中，該入口界定流體地耦合可操作以接收該流體之一入口孔徑與該至少一個導管之一入口腔室。 在另一實施例中，該出口界定流體地耦合該至少一個導管與可操作以提供該經加熱流體之一出口孔徑之一出口腔室。 在又另一實施例中，該基板至少部分係3D印刷及擠出之一者。因此，部分可經3D印刷、擠出或兩者。 在一進一步實施例中，該管線內流體加熱器包括：複數個該等入口，各入口與由該基板界定之一相關聯之至少一個導管流體地耦合，各相關聯之至少一個導管與一相關聯之出口流體地耦合。因此，該基板可具備超過一個入口。各入口可與分離組之導管耦合。換言之，分離入口可饋入分離導管，使得由彼等分離入口提供之該等流體彼此隔離且不混合。接著，此等分離組之導管之各者可與一相關聯之出口耦合。因此，不同流體可經提供至入口，通過其等本身導管且可在各別出口處提供不同的經加熱流體。此使一單一管線內流體加熱器能夠並行地加熱多個不同流體。 在另一實施例中，各入口與相同及不同的至少一個導管之一者耦合。因此，與一相關聯之入口連接之各組導管可具有其本身適於待加熱之流體之需要之構形。例如，與需更多地加熱及/或具有一較高流速之流體相比，需較少地加熱及/或具有一較低流速之流體可在其組中具有較少導管；對於此等流體，可提供更多導管及/或導管可更長以增加其等之停留時間及/或緊鄰之加熱器之功率可更高。 根據一第二態樣，提供一種管線內流體加熱器，其具有：一入口，其可操作以接收待加熱之一流體；一基板，其界定與該入口流體地耦合以接收該流體之至少一個導管；一正熱係數加熱器，其與該基板熱耦合並可操作以加熱該基板以藉由加熱該至少一個導管內之該流體而提供一經加熱流體；及一出口，其與該至少一個導管流體地耦合並可操作以提供該經加熱流體。 在實施例中，該第二態樣之該管線內流體加熱器包括上文所闡述之該第一態樣之特徵。 隨附獨立及附屬技術方案中闡述進一步特別及較佳態樣。該等附屬技術方案之特徵可視需要且以技術方案中明確陳述之組合以外之組合而與該等獨立技術方案之特徵組合。 在將一設備特徵描述為可操作以提供一功能之情況下，將瞭解此包含提供該功能或經調適或經構形以提供該功能之一設備特徵。 本發明之其他較佳及/或可選態樣在隨附技術方案中界定。
在更詳細論述實施例之前，首先將提供一概述。實施例提供一流體加熱器。通常，流體加熱器在管線內經放置於一流體入口與一流體出口之間，以便當流體自一源流動或供應至一目的地時加熱流體。此等流體加熱器可用於加熱各種流體(液體及氣體兩者)，如可用於(例如)加熱用於半導體程序之廢氣管理中之氣體。流體加熱器具有接收待加熱之流體之一入口及提供經加熱流體之一出口。一基板、本體或構件具備將入口與出口流體地耦合之一或多個導管、通道或孔徑。一加熱器(諸如(例如)一正熱係數加熱器)與構件熱耦合並加熱構件，以便當流體流動通過構件內之導管時加熱流體。可提供超過一個入口，其與基板內之其本身組之導管耦合，以便提供一單一基板內之分離流體的加熱。該等組之導管可共用或具有不同構形。該等組之導管亦可共用或具有分離加熱器。此提供方便地加熱流體之一安全、有效及小型方式。流體加熱器 圖1A及圖1B展示根據一項實施例之一管線內流體加熱器(通常10)。管線內流體加熱器10具有提供於一本體30上之一入口埠20及一出口埠40。在此實施例中，本體30具有一大體上盒狀平面構形。本體30係薄及細長的，具有兩個矩形面及截面。本體30具有由小面30C、30D接合之一第一主面30A及一第二主面30B。入口埠20具有同軸地定位並環繞一管20B之一耦合件20A。管20B界定自耦合件20A延伸並終止於管20B內之一盲圓柱空隙。一類似配置存在於出口埠40上-在圖1A中可見圓柱形空隙40C。 複數個敞開圓柱形空隙(未展示)沿著本體30之細長長度在入口埠20與出口埠40之間延伸。導管將管20B內之圓柱形空隙與管40B內之圓柱形空隙40C流體地耦合。 加熱器元件50A、50B各別地與主面30A、30B熱耦合。加熱器元件50A、50B具有一金屬殼55A、55B，該等金屬殼55A、55B之各者保持一正熱係數加熱器(未展示)。各加熱器元件50A、50B具有一加熱器耦合件60A，該加熱器耦合件60A各別地與供電至加熱器元件50A、50B之一對電饋線65A、66A及65B、66B耦合。 在操作中，待加熱之氣體經提供於入口埠20處，並穿過管20B內之圓柱形空隙。接著，圓柱形空隙內之氣體自由進入延伸通過本體30之導管之各者。 電力經由電纜65A、66A及65B、66B經由加熱器耦合件60A供應，且加熱器元件50A、50B之溫度升高。加熱器元件50A、50B與金屬殼55A、55B熱耦合，且因此金屬殼55A、55B之溫度亦升高。此繼而加熱主面30A、30B，其等加熱本體30。因此，通過本體內之導管之流體在流體沿著本體之細長長度自入口埠20通過至出口埠40時被加熱。接著，經加熱流體離開出口埠40。 應瞭解，可使用熱膏、表面修整及/或熱環氧樹脂來增強管線內流體加熱器10之組件之間之熱耦合。再者，將瞭解，加熱可發生於兩個方向上，且流體可經供應至出口埠40，且經加熱流體離開入口埠20。3D 印刷加熱器 圖2A至圖2F展示根據一相關技術之一管線內流體加熱器(通常10') (已忽略加熱器元件來改良簡明)。圖2A係一側視圖。圖2B係一端視圖。圖2C係沿著圖2B之線A-A之一截面圖。圖2D係沿著圖2B之線B-B之一截面圖。圖2E係圖2C之細節C之一放大圖。圖2F係圖2C之細節D之一放大圖。本體30'係由3D印刷鋁形成，並具有沿著其細長長度平行延伸之導管35'。管20B'、40B'係細長的，並與本體30'一起形成。本體30'具有在耦合件(未展示)之附近加工之一粗糙化表面。加熱器構形 圖3A及圖3B(其係通過圖3A之一截面B-B)展示根據一相關技術之一管線內流體加熱器(通常10''') (已忽略加熱器元件來改良簡明)。本體30'''具有沿著其細長長度平行延伸之導管35'''。管20B'''、40B'''係細長的，並與本體30'''一起形成。 在測試中，一管線內加熱器具有約115 mm之一細長長度、約16 mm之小面之間之一寬度及約1.8 mm之主面之間之一距離，其中13個平行導管沿著直徑約1 mm之本體之細長長度延伸，各主面上之一200W正熱係數加熱器將來自環境之一氣流(當以每分鐘10個標準升(SLM)流動時)加熱至210°C，(每分鐘50個標準升)加熱至180°C，及(每分鐘90個標準升)加熱至155°C。當無流動發生時，加熱元件穩定於240°C。多流體加熱器 圖4繪示根據一項實施例之一管線內加熱器。在此實施例中，管線內加熱器(通常10''')經提供為用於一減量設備之一頭部總成之部分。提供多個入口埠20'''A至20'''C，該等入口埠20'''A至20'''C之各者與待加熱之流體之一源耦合。在此實施例中，本體30'''由3D印刷鋁形成為頭部總成之部分，並具有延伸通過其之導管(未展示)。各入口埠20'''A至20'''C與其本身的導管組耦合。基於針對各流體之加熱要求來選擇管道之尺寸、數目及構形。提供多個出口埠40'''A至40'''C，該多個出口埠40'''A至40'''C提供各別經加熱流體。在此實施例中，為各組導管提供分離加熱元件，然而，將瞭解，可提供共用加熱元件。支柱加熱器 圖5係繪示根據一項實施例之一管線內加熱器(通常10'''')之一平面截面(已忽略加熱器元件來改良簡明)。一本體30''''係由3D印刷鋁形成，並具有形成於其內之一腔室100''''。腔室100''''將一入口埠20''''與一出口埠30''''流體地耦合。腔室100''''具有延伸於以圖1中繪示之一類似方式接收加熱器元件之主面之間之側壁110''''、120''''。支柱130''''、140''''跨腔室100''''延伸於主面之間。支柱130''''經分佈於腔室100''''內。在此實例中，支柱130''''配置為列，並具有偏移或交錯行，以提供支柱130''''之間的等距間隔。支柱130''''係具有一圓形截面之圓柱形(通常圓錐形)。支柱140''''係細長的，並經定位於腔室100''''內需要阻擋或重新導引流體流動之位置處。選擇支柱140''''之定向以提供所需流體流動之方向。支柱130''''、140''''界定延伸通過腔室1000''''之複數個相交導管35''''。 在操作中，通過入口埠20''''引入流體。流體進入腔室100''''，並藉由支柱130''''、140''''而沿著相交導管35''''導引。熱自加熱器元件傳送通過主面至支柱130''''、140''''中以加熱流體。流體在腔室100''''內之停留時間受支柱130''''、140''''之形狀、尺寸、定位及定向影響。在一項實施例中，腔室內使用僅一個類型之支柱。在其他實施例中，腔室內使用超過一個類型之支柱。一經加熱流體通過出口埠30''''離開。將瞭解，可選擇入口埠20''''及出口埠30''''之定位及定向以適合需求。已發現此實施例具有顯著減少的壓力損失及顯著增加的熱傳遞。將瞭解，將圖2及圖3中所繪示之分離導管與圖5中所繪示之相交導管組合之混合方法係可能的。 在實施例中，管線內加熱器經3D金屬印刷。其他實施例具有諸如蛇形導管之非線性導管。再者，導管不需要平行而可相交。此外，本體可不具備不同導管，但可具有密封於一非多孔殼內之一多孔組件(諸如網或纖維)。在實施例中，本體本身可為非平面的，並可經摺疊或偏離，其中藉由在本體之方向上之改變而夾置或保持加熱元件。 實施例使用多埠擠出(MPE)以最大化熱傳遞區域並提供一低成本熱傳遞裝置來使用一正熱係數(PTC)加熱器來加熱氣體/流體。 現存加熱解決方案趨於過大，需要許多安全裝置/電路，並過於昂貴。實施例提供一小、小型及固有安全裝置來加熱氣體。實施例係成本之一部分並具有超過現存電阻加熱器元件管線內裝置的非常大的安全性增加。 實施例使用經附接至一歧管之一MPE，管道或管道件可附接至該歧管以使氣流及/或液體流動通過埠並當氣體/流體通過時加熱該氣體/流體。使用熱環氧樹脂或其他方法來將PTC加熱器附裝於MPE之任一側或一側上，以充當加熱該等氣體/流體之一熱源。一實例將為加熱50 SLM之N2 之一裝置。在一項實施例中，此藉由具有12個埠之一裝置達成，該12個埠全部以1 mm直徑擠出或3D印刷，平行延伸，其中在任一端上具有¼''鋁管，其等具有一槽，且MPE銅焊/熔接/附裝至槽中，以允許氣體/流體容易地通過歧管流入及流出。 來自HVAC產業之MPE結合PTC之使用提供一固有安全及有效手段來加熱氣體/流體。出乎意料地，裝置係低成本的，具有一非常低的壓力降。 實施例可以一受控或非受控方式用於任何氣體/流體加熱需求。可在實驗室及需要或可能需要管線內加熱解決方案之任何產業中利用實施例。取決於所使用的流體或氣體，可需要對多埠管進行一些材料改變，但方法仍將有效。 實施例對於減量係尤其有用的，此係因為空間約束通常係非常嚴格的。再者實施例可在用於經加熱密封清洗及其他此等情境之泵中利用。實施例可在需要一經加熱氣體或流體之任何位置中利用。 雖然本文中已參考隨附圖式詳細地揭示本發明之闡釋性實施例，但是應瞭解，本發明不限於精確實施例且可在本發明中藉由熟習此項技術者實現各種改變及修改而不脫離如藉由隨附發明申請專利範圍及其等之等效物定義之本發明之範疇。
10‧‧‧管線內流體加熱器10'‧‧‧管線內流體加熱器10'''‧‧‧管線內流體加熱器10''''‧‧‧管線內加熱器20‧‧‧入口埠20''''‧‧‧入口埠20'''A‧‧‧入口埠20A‧‧‧耦合件20'''B‧‧‧入口埠20B‧‧‧管20B'‧‧‧管20'''C‧‧‧入口埠30‧‧‧本體30'‧‧‧本體30'''‧‧‧本體30''''‧‧‧本體/出口埠30C‧‧‧小面30D‧‧‧小面35'‧‧‧導管35''''‧‧‧導管40‧‧‧出口埠40'''A‧‧‧出口埠40B'‧‧‧管40'''B‧‧‧出口埠40C‧‧‧圓柱形空隙40'''C‧‧‧出口埠50A‧‧‧加熱器元件50B‧‧‧加熱器元件55A‧‧‧金屬殼55B‧‧‧金屬殼60A‧‧‧加熱器耦合件65A‧‧‧電饋線/電纜65B‧‧‧電饋線/電纜66A‧‧‧電饋線/電纜66B‧‧‧電饋線/電纜100''''‧‧‧腔室110''''‧‧‧側壁120''''‧‧‧側壁130''''‧‧‧支柱140''''‧‧‧支柱A-A‧‧‧線B-B‧‧‧線/截面C‧‧‧細節D‧‧‧細節
為可良好地理解本發明，現將參考隨附圖式描述僅藉由實例給出之其一實施例，其中： 圖1A及圖1B繪示根據本發明之一項實施例之一管線內流體加熱器； 圖2A至圖2F繪示根據一相關技術之一管線內流體加熱器； 圖3A及圖3B繪示根據一相關技術之一管線內流體加熱器； 圖4繪示根據本發明之另一實施例之一管線內流體加熱器；及 圖5繪示根據本發明之又另一實施例之一管線內流體加熱器。
10''''‧‧‧管線內加熱器
20''''‧‧‧入口埠
30''''‧‧‧本體/出口埠
35''''‧‧‧導管
100''''‧‧‧腔室
110''''‧‧‧側壁
120''''‧‧‧側壁
130''''‧‧‧支柱
140''''‧‧‧支柱

Claims (20)

  1. 一種管線內流體加熱器，其包括：(a)一入口，其可操作以接收待加熱之一流體；(b)一基板，其界定與該入口流體地耦合以接收該流體之至少一個導管；(c)一正熱係數加熱器，其與該基板熱耦合並可操作以加熱該基板以藉由加熱該至少一個導管內之該流體而提供一經加熱流體；及(d)一出口，其與該至少一個導管流體地耦合並可操作以提供該經加熱流體，其中該基板界定與該入口及該出口流體地耦合之複數個該導管，且其中該複數個導管係相交的；其中該基板界定具有相對主面之一空隙，該基板具有在該等相對主面之間延伸以界定該複數個導管之複數個支柱。
  2. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該複數個導管在該基板內延伸。
  3. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該等支柱具有係圓形、橢圓形、弓形及多邊形之至少一者之一截面形狀。
  4. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該等支柱具有一細長截面形狀。
  5. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該等支柱係錐形的。
  6. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該等支柱經定位並定向之至少一者，以在該空隙內導引該流體之一流動。
  7. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該等支柱經等距分佈於該空隙內。
  8. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該基板界定接收該正熱係數加熱器之至少一個面。
  9. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該基板界定接收複數個該正熱係數加熱器之複數個面。
  10. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該基板係細長及平面的，並接收於複數個該正熱係數加熱器之間。
  11. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該基板係非平面的。
  12. 如請求項6之管線內流體加熱器，其中該基板接收該基板之面之間之至少一個該正熱係數加熱器。
  13. 如請求項6之管線內流體加熱器，其中該基板經摺疊並接收摺疊之間 之至少一個該正熱係數加熱器。
  14. 如請求項8之管線內流體加熱器，其中該至少一個面經粗糙化以接收該面與該正熱係數加熱器之間之一熱接合材料。
  15. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該正熱係數加熱器包括容置於一導熱外殼內之一正熱係數加熱器元件。
  16. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該入口界定流體地耦合可操作以接收該流體之一入口孔徑與該至少一個導管之一入口腔室。
  17. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該出口界定流體地耦合該至少一個導管與可操作以提供該經加熱流體之一出口孔徑之一出口腔室。
  18. 如請求項1之管線內流體加熱器，其中該基板至少部分係3D印刷及擠出之一者。
  19. 如請求項1之管線內流體加熱器，其包括複數個該入口，各入口與由該基板界定之一相關聯之至少一個導管流體地耦合，各相關聯之至少一個導管與一相關聯之出口流體地耦合。
  20. 如請求項19之管線內流體加熱器，其中各入口與相同及不同的至少一個導管之一者耦合。
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