TWI824643B

TWI824643B - 高效率熱交換器

Info

Publication number: TWI824643B
Application number: TW111128670A
Authority: TW
Inventors: 何宣諭
Original assignee: 奇鼎科技股份有限公司
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2023-12-01
Also published as: TW202405356A

Abstract

本發明係一種高效率熱交換器，至少包含一第一水路模組、一第二水路模組、複數個鰭片、複數支鋁管、一進水部及一出水部，鰭片係位於第一水路模組與第二水路模組兩者之間，其分別貫設有複數個鰭片孔；鋁管係分別穿過鰭片的鰭片孔，其管壁厚度為0.5毫米至1.0毫米，其管內徑為5毫米至10毫米，且氣流能由第一方向流入鰭片與鋁管之間，再由相對應之第二方向流出；進水部將一來源側的液體傳輸至第一水路通道，進而流入鋁管；出水部將流經鋁管的液體導出至第一水路模組或第二水路模組之外。透過本發明之高效率熱交換器有效提升熱交換效率達80%以上。

Description

高效率熱交換器

本發明係關於熱交換器，尤指一種使用熱傳導原理的高效率熱交換器。

按，習知熱交換器形式種類相當多元，大致上可分為板式熱交換器、殼管式熱交換器、雙重管熱交換器、鰭管式熱交換器、熱管式熱交換器、刮板式熱機換器等，業者能依需求及使用環境選擇不同形式的熱交換器產品。

一般言，常見的熱交換器之熱交換效率約為50%至80%，前述熱交換效率值看似很高，但在極精密的製程環境中，溫度控制扮演了重要的角色，因此，前述熱交換效率值將不足以因應精密製程的需求。

又，現今科技產業對於環境溫度及濕度具有高度要求，尤其為半導體產業製程對於溫度控制精度的要求。由於，習知熱交換器的熱交換效率不彰，如此即反映習知熱交換器將有20%至50%的能源遭浪費，且控溫精度亦會受到熱交換效率的影響。有鑑於此，如何精進熱交換器之熱交換效率及提升溫度控制精度，即為本發明在此探討的一大課題。

隨著半導體製程環境的要求提升，溫度控制的技術係首要精進的目標(如，熱交換效率達80%以上)，由於習知熱交換器無法充分滿足企業對於精密溫度控制的需求，因此，為能在競爭激烈的市場中，脫穎而出，發明人憑藉著多年來專業從事各式系統設計、加工及製造之豐富實務經驗，且秉持著精益求精的研究精神，在經過長久的努力研究與實驗後，終於研發出本發明之一種高效率熱交換器，期藉由本發明之間世，提供業者更佳的使用經驗，進而獲得業者青睞。

本發明之一目的，係提供一種高效率熱交換器，至少包含一第一水路模組、一第二水路模組、複數個鰭片、複數支鋁管、一進水部及一出水部，其中，該第一水路模組內設有至少一第一水路通道；該第二水路模組內設有至少一第二水路通道；該等鰭片係位於該第一水路模組與該第二水路模組兩者之間，其分別貫設有複數個鰭片孔，且相鄰之該等鰭片彼此相隔一距離；各該鋁管係分別穿過該等鰭片的各該鰭片孔，且能與該第一水路通道及該第二水路通道相連通，其中，各該鋁管的管壁厚度為0.5毫米(mm)至1.0毫米，各該鋁管的管內徑為5毫米至10毫米，且氣流能夠由第一方向流入該等鰭片與各該鋁管之間，再由相對應之第二方向流出；該進水部係組裝至該第一水路模組上，且能將一來源側的液體傳輸至該第一水路通道，進而流入各該鋁管；該出水部係組裝至該第一水路模組或第二水路模組上，且能將流經各該鋁管的液體導出至該第一水路模組或第二水路模組之外。

可選地，該等鰭片之相對兩側分別凸設有複數個第一導流部，且該等第一導流部係朝著遠離該等鰭片表面的方向延伸一距離，以使流經該等鰭片的氣流能沿著該等第一導流部匯聚。

可選地，該等第一導流部係呈弧形。

可選地，各該鰭片孔係向外凸設有一第二導流部，令任二相鄰的該等鰭片之間相隔有該第二導流部。

可選地，位於同一縱排的各該鋁管數量能為5支至13支，且前述同一縱排中上下相鄰的任二鋁管彼此呈交錯排列，且前述縱排係平行或實質上平行於氣流方向；位於同一橫排的各該鋁管數量能為8支至16支，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向。

可選地，位於同一縱排的各該鋁管數量能為3支至13支，前述縱排係平行或實質上平行於氣流方向；位於同一橫排的各該鋁管數量能為8至16支，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向。

可選地，位於鄰近外側之第一縱排與相鄰於第一縱排之第二縱排的各該鋁管數量總和能為5至13支，前述第一縱排與第二縱排係平行或實質上平行於氣流方向；位於鄰近外側之橫排的各該鋁管數量能為8至16支，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向。

可選地，位於同一橫排任二相鄰之各該鋁管的中心距離能為17.5毫米至23.5毫米，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向；位於相鄰縱排之任二相鄰之各該鋁管的中心距離能為16毫米至20毫米，前述縱排係平行或實質上平行於氣流方向。

可選地，該高效率熱交換器還包含至少一鋁板，該鋁板能位於該第一水路模組與該等鰭片之間，或者該鋁板能位於該第二水路模組與該等鰭片之間。

可選地，該鋁板與各該鋁管銜接的內緣面設有一凸起件，以使該鋁板能與各該鋁管呈緊密配合。

為便貴審查委員能對本發明目的、技術特徵及其功效，做更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：

為使本發明之目的、技術內容與優點更加清楚明白，以下結合具體實施方式，並參照附圖，對本發明所公開的實施方式進一步詳細說明。

應理解，在本發明之說明書中任何地方所使用的實施例，包括任何術語的使用，都僅是說明性，絕不限制本發明或任何術語的範圍與含義。再者，本文中所使用的特定值，可以包括考慮到受到測量系統或設備之限制，而對該特定值進行測量時之可能產生之一定特定之誤差，例如，後續實施例所述及的數值，能夠包括該特定值的±5%、±3%、±1%、±0.5%、±0.1%或一個或多個標準差範圍。另外實施例中提到的方向用語，例如“上（頂）”、“下（底）”、“前”、“後”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明的保護範圍。

本發明係一種高效率熱交換器，且能應用至空調系統或製程精密溫濕度控制系統等各種系統或裝置上，請參閱圖1所示，該高效率熱交換器E至少包含一第一水路模組1、一第二水路模組2、複數個鰭片3、複數支鋁管4、一進水部5及一出水部6，其中，該第一水路模組1、第二水路模組2、鰭片3與鋁管4中具有金屬構件者皆由鋁所製成，前述金屬構件的鋁含量達90%以上，較佳地，前述金屬構件的鋁含量達95%以上，更佳地，前述金屬構件的鋁含量達98%以上，且鰭片3與鋁管4均呈整齊排列，惟，本發明之高效率熱交換器E的態樣，並不限於圖1至圖3所繪製，業者能夠根據實際產品需求，調整各個元件的樣式，因此，只要該高效率熱交換器E具有後續實施例的相關基本結構與功效，即為本發明所欲保護之高效率熱交換器E，合先陳明。為方便說明各個元件間的相對關係，係以圖1之左下方作為下述元件之前方位置，圖1之右上方作為下述元件之後方位置，圖1之左上方作為下述元件之左方位置，圖1之右下方作為下述元件之右方位置，圖1之上方作為下述元件之上方（頂）位置，圖1之下方作為下述元件之下方（底）位置。

為詳細說明本發明之高效率熱交換器E，以下係透過數個實施例說明該高效率熱交換器E的元件組成及其實施方式。請參閱圖1所示，在本發明之第一實施例中，該第一水路模組1內設有至少一第一水路通道(圖中未示)，該第一水路通道能令液體(如：來源側的冷卻水或致冷劑)在其內流通，該進水部5係組裝至該第一水路模組1上，且能將來源側的液體傳輸至該第一水路通道，進而流入各該鋁管4；該第二水路模組2內設有至少一第二水路通道(圖中未示)，該第二水路通道能令液體(如：自鋁管4流入的冷卻水或致冷劑)在其內流通，該出水部6係組裝至該第一水路模組1上，且能將流經各該鋁管4的液體導出至該第一水路模組1之外。在本發明之其它實施例中，該出水部6係組裝至該第二水路模組2上，且能將流經各該鋁管4的液體導出至該第二水路模組2之外。

承上，該等鰭片3係位於該第一水路模組1與該第二水路模組2兩者之間，相鄰之鰭片3彼此相隔一距離，該等鰭片3分別貫設有複數個鰭片孔30，各該鰭片孔30係向外凸設有一第二導流部301，令任二相鄰的鰭片3之間相隔有該第二導流部301，第二導流部301除了可以增加鰭片3與鋁管4的熱傳導能力及散熱效果，亦能作為設定任二相鄰鰭片3的間隔距離，以提升熱交換效率；該等鰭片3之相對兩側分別凸設有複數個第一導流部31，且該等第一導流部31係朝著遠離該等鰭片3表面的方向延伸一距離，該等第一導流部31係呈弧形，以使流經該等鰭片3的氣流能沿著該等第一導流部31的弧形邊緣(即，第一導流部31的外側)向內匯聚。

請參閱圖1至圖3所示，各該鋁管4係分別穿過該等鰭片3的鰭片孔30，且能與該第一水路通道及該第二水路通道相連通，令處於第一水路通道的液體(如：冷卻水、致冷劑等)能流入各該鋁管4內，並由各該鋁管4流向第二水路通道，其中，在該第一實施例中，本發明係設有複數排縱向排列的鋁管組，且每一排縱向排列的鋁管組包含複數支鋁管4，各排鋁管組中的第一支鋁管4(即，圖2最上方的鋁管4)與最後一支鋁管4(即，圖2最下方的鋁管4)會與相鄰排之鋁管組中的第一支鋁管4與最後一支鋁管4相對應，其中，位於同一縱排的各該鋁管4數量能為5支至13支，且同一縱排的各該鋁管4(即，同一排縱向排列的鋁管組)中，上下相鄰的任二鋁管4彼此呈交錯排列(但不以此為限)，前述縱排係平行或實質上平行於氣流方向；在本發明之其它實施例中，同一縱排的各該鋁管4也可以都保持於同一軸線上，而非交錯排列。位於同一橫排的各該鋁管4數量能為8支至16支，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向。以圖2為例，同一縱排的各該鋁管4數量能為9支；由外側向內側計數，同一縱排中，鰭片3之第一導流部31會與序數為偶數的鋁管4(如：由圖2最上/下方計算為第2、4、6、8…支的鋁管4)相對應；同一橫排的各該鋁管4數量能為7支或8支，從外側向內側計算，位於同一奇數橫排的鋁管4數量為8支，位於同一偶數橫排的鋁管4數量為7支，其中，偶數橫排的鋁管4能與鰭片3之第一導流部31一同呈整齊排列，且相鄰橫排的鋁管4之間會呈交錯排列。

在本發明之一第二實施例中，位於同一縱排的各該鋁管4數量能為3至13支，同一縱排的各該鋁管4係不呈交錯排列，且前述同一縱排係平行或實質上平行於氣流方向；位於同一橫排的各該鋁管數量能為8至16支，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向，以圖2為例，同一縱排的各該鋁管4數量能為4支或5支，從外側向內側計算，位於同一奇數縱排的鋁管4數量為5支，位於同一偶數縱排的鋁管4數量為4支，且相鄰縱排的鋁管4之間會呈交錯排列；同一橫排的各該鋁管4數量能為7支或8支，從外側向內側計算，位於同一奇數橫排的鋁管4數量為8支，位於同一偶數橫排的鋁管4數量為7支，其中，偶數橫排的鋁管4能與鰭片3之第一導流部31一同呈整齊排列，且相鄰橫排的鋁管4之間會呈交錯排列。

承上，在該第二實施例中，位於鄰近外側之第一縱排與相鄰於第一縱排之第二縱排的各該鋁管數量總和能為5至13支，第一縱排與第二縱排的各該鋁管4係不呈交錯排列，且前述第一縱排與第二縱排係平行或實質上平行於氣流方向；位於鄰近外側之橫排的各該鋁管數量能為8至16支，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向，如圖2所繪製者，第一縱排與第二縱排係指鄰近圖2之左方或右方縱向的第一列及第二列，位於第一縱排與第二縱排的各該鋁管4數量總和為9支，鄰近外側之橫排係指鄰近圖2之上方或下方橫向的第一行(即，第一橫排)，位於第一橫排的各該鋁管4數量為8支。

又，位於同一橫排任二相鄰之各該鋁管4的中心距離c1能為17.5毫米(mm)至23.5毫米，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向，以圖2而言，橫排係指圖2中橫向排列者；位於相鄰縱排之任二相鄰之各該鋁管4的中心距離c2能為16毫米至20毫米，前述縱排係平行或實質上平行於氣流方向，以圖2而言，縱排係指圖2中縱向排列者。又，經過發明人重複試驗得知，各該鋁管4的管壁厚度t為0.5毫米至1.0毫米，各該鋁管4的管內徑d為5毫米至10毫米，在各該鋁管4的管壁厚度t及管內徑d在前述範圍值的情況下，能夠令各該鋁管4的管流速為0.45秒/時(m/s)至0.85m/s，以使流經高效率熱交換器E之鋁管4內的液體處於穩定的流量狀態，進而達到熱交換效率80%以上的功效。

在本發明之第一實施例中，氣流能夠由第一方向流入該等鰭片3與各該鋁管4之間，再由相對應之第二方向流出，請參閱圖1及圖2所示，前述第一方向如圖2所繪製之粗黑箭頭，氣流由該高效率熱交換器E之側面方向(如圖1之右側方向)流入，首先由任二相鄰的鰭片3間隙進入高效率熱交換器E，鄰近鰭片3前側或後側的氣流在接觸到第一導流部31的情況下，氣流會沿著第一導流部31的弧形邊緣流動，且能沿第一導流部31外側的切線方向位移，令氣流能朝向該高效率熱交換器E的第一導流部31與第二導流部301之間或任二相鄰的第二導流部301之間匯聚；接著，氣流會觸及第二導流部301及/或鋁管4的外壁面，其能沿著第二導流部301及/或鋁管4外側的切線方向前進；最後，由相對應的第二方向(即，圖1之左側方向，或者如圖2所繪製之虛線箭頭)流出該高效率熱交換器E。

再者，氣流從鄰近高效率熱交換器E右側之任二相鄰之鋁管4間隙流入者，其能沿著第二導流部301及/或鋁管4外側的切線方向前進。又，氣流還能沿著第一導流部31及/或第二導流部301的邊緣流動，且會沿第一導流部31及/或第二導流部301呈弧形軌跡位移，當氣流流經第一導流部31的邊緣及/或第二導流部301的相對兩側(即，圖1之前側或後側)時，能夠透過導流作用將氣流引導至鋁管4間隙或分向兩側，使得被導引至鋁管4之間或位於第二導流部301相對兩側的氣流相互碰撞，驅使在各該鋁管4之間交錯的氣流會停留匯聚，而能大幅提升熱交換效率。因此，本發明所述之氣流方向並不限於切線方向，亦不限於圖2所繪製之箭頭方向。是以，圖2僅繪製部分的氣流方向，在本發明之其它實施例中，氣流方向還能因氣流之間彼此擾動而改變，只要流入的氣流方向與流出的氣流方向能相對應，即為本發明所稱之第一方向及第二方向。

承上，在本發明之第一實施例中，冷卻水自進水部5流入高效率熱交換器E後，經由第一水路通道流經各該鋁管4，同時，自第一方向流入的氣流受到第一導流部31及第二導流部301的引導及分向，且會受到交錯排列的鋁管4阻擋，並在第二導流部301及/或鋁管4之間再次進行氣流分向(如圖2所繪製之箭頭，以例示氣流分向)，使得氣流會在鋁管4之間滯留，以延緩氣流在高效率熱交換器E的停留時間，且以鋁管4的管壁厚度t及管內徑d共同達成管流速在一定範圍(即，0.45m/s至0.85m/s)的狀態，確保氣流與流經鋁管4的冷卻水有充分的時間進行熱交換，富含熱量的氣流經由鋁管4將熱量傳遞給冷卻水，冷卻水會將熱量藉由鋁管4向外傳遞予鰭片3，以透過鰭片3及第二導流部301排放熱量，使得自第二方向流出高效率熱交換器E的氣流溫度會低於自第一方向流入的氣流溫度，其中，氣流與冷卻水的熱交換效率計算式如下：熱交換效率(百分比)=(流出之氣溫-流入之氣溫)÷(流入之冷卻水溫-流入之氣溫)，即，P(%)=(T_{air outlet}-T_{air inlet})÷(T_{water inlet}-T_{air inlet})。

以本發明之實驗數據為例，自第一方向流入高效率熱交換器E的氣流溫度測得為攝氏23度(即，23℃)，流入進水部5的冷卻水溫測得為21℃，經過熱交換作用後，自第二方向流出高效率熱交換器E的氣流溫度測得為21.04℃，透過上述熱交換效率計算式計算得知熱交換效率為98%。

因此，透過本發明之高效率熱交換器E，以冷卻水吸收流入氣流熱量的方式，有效降低流入的氣流溫度，令流出的氣流溫度保持在極為穩定的狀態，且經實驗反覆驗證，本發明之較佳實施例的熱交換效率達80%以上，大幅減少習知熱交換器因熱交換效率不彰而衍生能源浪費的問題，進而滿足溫度控制精度的需求，以利業者將本發明之高效率熱交換器E應用於半導體產業的製程及相關空調或熱交換設備上。惟，在本發明之另一實施例中，流入高效率熱交換器E的液體還能為冷媒等致冷劑，但不以此為限，只要能夠提供吸熱作用以降低流入氣流溫度者，即為本發明所稱之流入高效率熱交換器E的液體。

另外，在本發明之高效率熱交換器E中，請參閱圖1及圖3所示，還能包含一第一鋁板7與一第二鋁板8，其中，該第一鋁板7係位於第一水路模組1與鄰近頂側的鰭片3之間，該第二鋁板8係位於第二水路模組2與鄰近底側的鰭片3之間，且鋁管4會分別貫穿第一鋁板7與第二鋁板8，而與第一水路模組1之第一水路通道及第二水路模組2之第二水路通道相連通。再者，第一鋁板7與鋁管4銜接的內壁面(即，內緣面)凹設有一容置部71，該容置部71能容納有一凸起件72，該凸起件72能為一墊圈，令鋁管4在擴張的情況下，朝向凸起件72施加壓力，使得鋁管4的管壁與第一鋁板7之間的縫隙會被填滿，第一鋁板7能與鋁管4呈緊密配合，以透過漲管的方式進而防止流經鋁管4的液體洩漏。然而，本發明並不限於僅在第一鋁板7設有容置部71及/或凸起件72，在本發明之另一實施例中，第二鋁板8亦能設有容置部及/或凸起件(圖中未示)，以令第二鋁板8能與鋁管4呈緊密配合而防止液體洩漏。在本發明再一實施例中，第一鋁板7及第二鋁板8分別與鋁管4接合的方式還包含擴管或焊接等方式，只要能達到防止液體洩漏的效果即可。

又一者，在本發明之高效率熱交換器E中，還能包含至少一防水墊材(如：墊圈或墊片，圖中未示)，前述防水墊材之材質能為矽膠類、橡膠類、塑料類等，只要可以提供水密封效果，使得在高效率熱交換器E內流通的水不會外溢或滲漏，即為本發明所稱之防水墊材，前述防水墊材能設於第一水路模組1與第一鋁板7之間、第二水路模組2與第二鋁板8之間、第一水路通道及/或第二水路通道與鋁管4的銜接處等(但不以此為限)，業者能根據產品實際需求，調整防水墊材的設置位置；又，防水墊材的形狀能包含圓形、框形等(但不以此為限)，其能配合設置位置而調整防水墊材的形狀。

綜上所述，本發明之高效率熱交換器E藉由精密計算鋁管4之管壁厚度t與管內徑d，令鋁管4之管流速在一定範圍值內，嗣，流入高效率熱交換器E的氣流會受到導流作用而增加滯留時間，且鋁管4之管壁厚度t、管內徑d及管流速皆在本發明所揭示範圍的情況下，氣流中的熱能能確實且充分傳遞至鋁管4內的液體，大幅提升熱交換效率達80%以上，使得流出高效率熱交換器E的氣流溫度被控制在極為穩定的狀態，以符合極精密溫度控制精度的需求。按，以上所述，僅係本發明之較佳實施例，惟，本發明所主張之權利範圍，並不侷限於此，按凡熟悉該項技藝人士，依據本發明所揭露之技術內容，可輕易思及之等效變化，均應屬不脫離本發明之保護範疇。

[習知] 無 [本發明] E:高效率熱交換器 c1、c2:中心距離 d:管內徑 t:管壁厚度 1:第一水路模組 2:第二水路模組 3:鰭片 30:鰭片孔 31:第一導流部 301:第二導流部 4:鋁管 5:進水部 6:出水部 7:第一鋁板 71:容置部 72:凸起件 8:第二鋁板

[圖1]係本發明之高效率熱交換器的立體示意圖與鰭片局部放大示意圖； [圖2]係本發明之高效率熱交換器的局部橫剖面示意圖；及 [圖3]係本發明之高效率熱交換器之鋁管與第一鋁板銜接處的橫剖面示意圖。

d:管內徑

t:管壁厚度

4:鋁管

7:第一鋁板

71:容置部

72:凸起件

Claims

一種高效率熱交換器，至少包含：一第一水路模組，其內設有至少一第一水路通道；一第二水路模組，其內設有至少一第二水路通道；複數個鰭片，係位於該第一水路模組與該第二水路模組兩者之間，該等鰭片分別貫設有複數個鰭片孔，且相鄰之該等鰭片彼此相隔一距離，該等鰭片之相對兩側分別凸設有複數個第一導流部，且該等第一導流部係朝著遠離該等鰭片表面的方向延伸一距離，以使流經該等鰭片的氣流能沿著該等第一導流部匯聚；複數支鋁管，係分別穿過該等鰭片的各該鰭片孔，且能與該第一水路通道及該第二水路通道相連通，其中，各該鋁管的管壁厚度為0.5毫米至1.0毫米，各該鋁管的管內徑為5毫米至10毫米，且氣流能夠由第一方向流入該等鰭片與各該鋁管之間，再由相對應之第二方向流出；一進水部，係組裝至該第一水路模組上，且能將一來源側的液體傳輸至該第一水路通道，進而流入各該鋁管；及一出水部，係組裝至該第一水路模組或該第二水路模組上，且能將流經各該鋁管的液體導出至該第一水路模組或該第二水路模組之外。
如請求項1所述之高效率熱交換器，其中，該等第一導流部係呈弧形。
如請求項1所述之高效率熱交換器，其中，各該鰭片孔係向外凸設有一第二導流部，令任二相鄰的該等鰭片之間相隔有該第二導流部。
如請求項1所述之高效率熱交換器，其中，位於同一縱排的各該鋁管數量能為5支至13支，且前述同一縱排中上下相鄰的任二鋁管彼此呈交錯排列，前述縱排係平行或實質上平行於氣流方向；位於同一橫排的各該鋁管數量能為8支至16支，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向。
如請求項1所述之高效率熱交換器，其中，位於同一橫排任二相鄰之各該鋁管的中心距離能為17.5毫米至23.5毫米，前述橫排係垂直或實質上垂直於氣流方向；位於相鄰縱排之任二相鄰之各該鋁管的中心距離能為16毫米至20毫米，前述縱排係平行或實質上平行於氣流方向。
如請求項1所述之高效率熱交換器，其中，該高效率熱交換器還包含至少一鋁板，該鋁板能位於該第一水路模組與該等鰭片之間，或者該鋁板能位於該第二水路模組與該等鰭片之間。
如請求項6所述之高效率熱交換器，其中，該鋁板與各該鋁管銜接的內緣面設有一凸起件，以使該鋁板能與各該鋁管呈緊密配合。