TWM615818U

TWM615818U - 降低壓損的熱交換裝置

Info

Publication number: TWM615818U
Application number: TW110201619U
Authority: TW
Inventors: 宇翔洪; 洪祖全; 蔡竹清; 鄧宇宏
Original assignee: 怡來國際有限公司
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2021-08-21
Also published as: CN217383879U

Abstract

一種降低壓損的熱交換裝置，係至少包含一密閉殼體以及在該密閉殼體內的一個或一個以上的低溫通道與高溫通道，各該低溫通道具有一低溫狹窄端與一低溫寬擴端，該低溫寬擴端可提供較大或足夠的空間來容納隨熱量接收使體積變大的冷流體，進而降低壓損並減低流動阻力。

Description

降低壓損的熱交換裝置

本創作是有關一種降低壓損的熱交換裝置，係用於讓冷、熱流體於內部進行熱交換的裝置。

而習用技術中，熱交換裝置俗可稱換熱器，係用於致冷、散熱用途，其用途廣泛也具有許多不同型式，其中一種「平板式換熱器」係使用複數個金屬板平行的設置於一個密閉的箱體內，在各該金屬板中形成有密封的流道，且每個該流道與相鄰的該流道係分別錯開的與一流體入口及一流體出口相通，使得冷或熱流體得交錯的於各該流道流通，並透過金屬板導熱進行熱交換。

由於流體在進行熱交換時產生相變化，使得流體體積產生變化，習用技術「平板式換熱器」的各該金屬板為平行設置，因此當流體產生相變化時，尤其受熱時(蒸發)所產生的氣泡會隨著熱量接收而膨脹，且在該流道內部擠壓形成壓損，進而形成阻力，影響熱交換效益。

壓損大，驅動源所耗費的動力相對提昇，在流體有相變化的情況下，壓力損失將更明顯，所需電量更大，熱功轉換系統效率便顯著降低。

因此，將該流道設計為漸擴式，被加熱過程中，因為阻擋的力度減小了，流體受熱膨脹會自然往較寬的地方流動，藉以改善壓損之問題，如此為本創作降低壓損的熱交換裝置之解決方案。

本創作之降低壓損的熱交換裝置，係至少包含一密閉殼體以及在該密閉殼體內的一個或一個以上的低溫通道與高溫通道：各該低溫通道具有一低溫狹窄端與一低溫寬擴端，使得該低溫通道呈錐狀，各該低溫通道皆分別與一低溫入口以及一低溫出口相通，該低溫入口係相通於該低溫狹窄端，該低溫出口則係相通於該低溫寬擴端，當一冷流體進入該低溫入口吸收熱量後體積會膨脹，該低溫寬擴端則提供較大或足夠的空間來容納這些受熱膨脹的該冷流體，進而減低流動阻力；各該高溫通道則分別與一高溫入口以及一高溫出口相通。

於一較佳實施例中，該密閉殼體設計為方矩形。

於一較佳實施例中，各該低溫通道與各該高溫通道係交錯設置在該密閉殼體內。

於一較佳實施例中，各該高溫通道具有一高溫狹窄端與一高溫寬擴端，使得該高溫通道呈錐狀，該高溫入口係相通於該高溫寬擴端，該高溫出口係相通於該高溫狹窄端，當一熱流體由該高溫入口進入各該高溫通道釋出熱量成一冷凝之熱流體後經由該高溫出口排出，該高溫狹窄端更能讓該冷凝的熱流體容易地貼附各該高溫通道的壁面上再排出。

於一較佳實施例中，該密閉殼體設計為圓筒形，而各該低溫通道係被包覆在一個該高溫通道內。

於一較佳實施例中，各該低溫通道的壁面與各該高溫通道的壁面係使用一熱導率較高的材質所製成的分隔元件，該分隔元件可有效的分隔並封閉各該低溫通道與各該高溫通道，且能作為介質提供該冷流體與一熱流體循環的進行熱交換，而該熱導率較高的材質係使用銅、鋁、石墨或不銹鋼。

於一較佳實施例中，該分隔元件上係設為粗糙表面。

於一較佳實施例中，該分隔元件上設置了複數個凹凸結構，該凹凸結構係設計為球窩形或波浪條紋形。

1:密閉殼體

11:低溫通道

111:低溫狹窄端

112:低溫寬擴端

12:高溫通道

121:高溫狹窄端

122:高溫寬擴端

13:低溫入口

14:低溫出口

15:高溫入口

16:高溫出口

2:分隔元件

21:凹凸結構

A:冷流體

A1:氣泡

B:被加熱之冷流體

C:熱流體

C1:氣泡

D:冷凝之熱流體

[第1圖]係本創作熱交換裝置之立體示意圖。

[第2A圖]係本創作熱交換裝置之第一實施例剖面示意圖。

[第2B圖]係本創作熱交換裝置之第一實施例剖面示意圖。

[第3A圖]係本創作熱交換裝置之第一實施例實施熱交換剖面示意圖。

[第3B圖]係本創作熱交換裝置之第一實施例實施熱交換剖面示意圖。

[第4A圖]係本創作熱交換裝置之第二實施例剖面示意圖。

[第4B圖]係本創作熱交換裝置之第二實施例剖面示意圖。

[第4C圖]係本創作熱交換裝置之第二實施例實施熱交換剖面示意圖。

[第5圖]係本創作熱交換裝置之第三實施例剖面示意圖。

[第6圖]係本創作熱交換裝置之分隔元件局部剖面示意圖。

[第7A圖]係本創作熱交換裝置之分隔元件立體示意圖。

[第7B圖]係本創作熱交換裝置之分隔元件立體示意圖。

有關於本創作其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

本創作說明書之內容所揭示用於描述結構位置的「上」之用語，係指結構的任一表面位置，並非俗稱具有方向性的「上方」或「上面」。用於描述結構位置的「上方」、「下方」之用語，係指常規使用下結構位置的方向性。

本創作說明書之內容所揭示用於描述結構組合關係的「接設」、「設置」或「連接」之用語，泛指多個結構在組合後不會輕易的分離或掉落，可以是固定連接，也可以是可拆式的連接，亦可以是一體成型地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接的物理相連，亦也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通，例如：使用螺紋、卡榫、扣具、釘子、黏著劑或高週波任一方式結合者。

本創作說明書之內容所揭示用於描述結構組合關係的「相通」之用語，泛指多個孔洞、通道或不同的空間透過打孔或接管等方式相互貫通，使得物質得以在貫通的兩個空間內移動或流通者。

各圖式僅是揭示結構與作動，並不限制本創作物實際擺設的方向性以及流體流動的方向性。

請參閱第1、2A、2B圖，為第一實施例，分別為本創作降低壓損的熱交換裝置的立體示意圖以及內部結構剖面示意圖，如圖中所示，至少包含一方矩形的密閉殼體1以及交錯設置在該密閉殼體1內的一個或一個以上的低溫通道11與高溫通道12；其中，各該低溫通道11具有一低溫狹窄端111與一低溫寬擴端112，使得該低溫通道11呈錐狀，各該低溫通道11皆分別與一低溫入口13以及一低溫出口14相通，該低溫入口13係相通於該低溫狹窄端111，該低溫出口14則係相通於該低溫寬擴端112；其中，各該高溫通道12則皆分別與一高溫入口15以及一高溫出口16相通；請參閱第3A圖，係為冷流體A進行熱交換的作動，該冷流體A係由該低溫入口13進入各該低溫通道11吸收熱量成被加熱之冷流體B後經由該低溫出口14排出；由於該冷流體A進入該低溫入口13吸收熱量，該被加熱之冷流體B到達當下之飽和溫度體積會膨脹，而該低溫寬擴端112則提供較大或足夠的空間來容納這些受熱膨脹的該被加熱之冷流體B，進而減低流動阻力，在本實施例中，該冷流體A與該被加熱之冷流體B分別可以是不同的分子型態：(1)假設進入該低溫入口13的該冷流體A以及由該低溫出口14排出的該被加熱之冷流體B皆為單相液態(如冷水)，由於水的密度變化不大，液體傳熱效果好，因此，在該低溫通道11不論截面積變化如何，皆可維持良好的傳導效果；(2)假設進入該低溫入口13的該冷流體A為單相液態(如冷水)或雙相(包含液態、氣態，如蒸氣比例較小的水蒸氣)，在吸收熱量轉變成蒸氣比例較大的水蒸氣，屆時會形成許多氣泡A1，且各該氣泡A1體積會急速膨脹，而該低溫寬擴端112則提供較大或足夠的空間來容納這些受熱膨脹的該被加熱之冷流體B，因此，藉由該低溫寬擴端112使該低溫通道11靠近該低溫出口14的截面積變大，可減低流動阻力，維持良好的傳導效果，另外，該被加熱之冷流體B中維持在液態的分子會被氣態分子向外推，因此會接觸於各該低溫通道11的壁面上，通過各該低溫通道11的壁面快速的進行熱交換，用以維持良好的熱傳係數；(3)假設進入該低溫入口13的該冷流體A以及由該低溫出口14排出的該被加熱之冷流體B皆為單相氣態(如冷空氣)，由於氣體的密度變化會隨著溫度升高而變小，密度變小後使得該被加熱之冷流體B體積變大，因此，藉由該低溫寬擴端112使該低溫通道11靠近該低溫出口14的截面積變大，可減低流動阻力，維持良好的傳導效果；其中，請參閱第3A圖，錐狀的該低溫通道11所設定的錐度會根據出入口的壓力變化(如受溫度、流量等影響)而有所差異，假設該低溫入口13以及該低溫出口14兩個出入口的壓差越大，相對的在產生該冷流體A時各該氣泡A1的變化加劇，使得各該氣泡A1更大，相對的錐度需要更大，即使如此，該低溫通道11有些微的錐度變化仍能有效的減低流動阻力。

請參閱第3B圖，係為熱流體C進行熱交換的作動，該熱流體C係由該高溫入口15進入各該高溫通道12釋出熱量成冷凝之熱流體D後經由該高溫出口16排出；請參閱第3A、3B圖，該冷流體A與該熱流體C之間的熱量係透過交錯設置的各該低溫通道11與各該高溫通道12係進行交換。

其中，請參閱第2A、2B圖，各該低溫通道11的壁面與各該高溫通道12的壁面係使用一熱導率較高的材質(如：銅、鋁、石墨、不銹鋼或其他金屬)所製成的分隔元件2，該分隔元件2可有效的分隔並封閉各該低溫通道11與各該高溫通道12，且能作為介質提供流體循環的進行熱交換。

本創作之降低壓損的熱交換裝置，請參閱第4A、4B圖，為第二實施例，係依據第一實施例之技術基礎再進行改良，在本實施例中，各該高溫通道 12具有一高溫狹窄端121與一高溫寬擴端122，使得該高溫通道12呈錐狀，各該高溫通道12則皆分別與一高溫入口15以及一高溫出口16相通，該高溫入口15則係相通於該高溫寬擴端122，該高溫出口16係相通於該高溫狹窄端121；請參閱第4C圖，由於該熱流體C進入該高溫入口15釋出熱量，而該冷凝之熱流體D體積會縮減，該高溫狹窄端121更能讓體積縮減的該冷凝之熱流體D更容易地貼附各該高溫通道12的壁面上，通過各該高溫通道12的壁面快速的進行熱交換，在本實施例中，該熱流體C與該冷凝之熱流體D分別可以是不同的分子型態：(1)假設進入該高溫入口15的該熱流體C以及由該高溫出口16排出的該冷凝之熱流體D皆為單相液態(如熱水)，由於水的密度變化不大，液體傳熱效果好，因此，在該高溫通道12不論截面積變化如何(如第2A、4A圖皆可)，皆可維持良好的傳導效果；(2)假設進入該高溫入口15的該熱流體C為雙相(包含液態、氣態，如蒸氣比例較大的水蒸氣)，在釋出熱量轉變成蒸氣比例較小的水蒸氣，屆時會縮減所含的氣泡C1，因此與該高溫通道12的壁面接觸面積縮小，而該高溫狹窄端121則隨著縮小的體積漸縮，因此，讓體積縮減的該冷凝之熱流體D更容易地貼附各該高溫通道12的壁面上，通過各該高溫通道12的壁面快速的進行熱交換，用以維持良好的熱傳係數；(3)假設進入該高溫入口15的該熱流體C以及由該高溫出口16排出的該冷凝之熱流體D皆為單相氣態(如熱空氣)，由於氣體的密度變化會隨著熱量釋放而變大，密度變大後使得該冷凝之熱流體D體積變小，因此，讓體積縮減的該冷凝之熱流體D更容易地貼附各該高溫通道12的壁面上，通過各該高溫通道12的壁面快速的進行熱交換，用以維持良好的熱傳係數。

本創作之降低壓損的熱交換裝置，請參閱第5圖，為第三實施例，係依據第一實施例之技術基礎再進行改良，在本實施例中，該密閉殼體1係設計為圓筒形，在該密閉殼體1內設置一個以上的低溫通道11與一個高溫通道12，各該低溫通道11係設計為圓錐管狀，且各該低溫通道11在該密閉殼體1內係被包覆在該高溫通道12內；此一實施例可反向設置流體通行的方向，便可將該低溫通道11與該高溫通道12互換(因結構相同，只是元件互換，故不再另外附圖)；其中，各該低溫通道11具有一低溫狹窄端111與一低溫寬擴端112，使得該低溫通道11呈錐狀，各該低溫通道11皆分別與一低溫入口13以及一低溫出口14相通，該低溫入口13係相通於該低溫狹窄端111，該高溫出口16則係相通於該低溫寬擴端112，此一實施例與第一實施例差別是在於該密閉殼體1係設計為圓筒形，並使得該高溫通道12連通成一個較大的管道。

本創作之降低壓損的熱交換裝置，請參閱第2A圖，該分隔元件2上係可設為粗糙表面，請參閱第6圖，為該分隔元件2的另一實施例，該分隔元件2上設置了複數個凹凸結構21，各該分隔元件2不論是粗糙表面或是設有各該凹凸結構21皆具有擾流效果，所述擾流效果提升流體於內部流動的混亂度，進而增加更多的表面接觸，因此能提升流體進行熱交換的效益，請參閱第7A、7B圖，各該凹凸結構21係可設計為球窩形或波浪條紋，或是目前習用技術中其他各式造型或提供擾流效果的結構變化皆能合理的形成於本創作的各該分隔元件2上，因為相當成熟之技術，且造型變化難以逐一舉列，故不對此加以贅述。

上述之實施例揭露，僅是本創作部分較佳的實施例選擇，然其並非用以限定本創作，任何熟悉此一技術領域具有通常知識者，在瞭解本創作前述的技術特徵及實施例，並在不脫離本創作之精神和範圍內所做的均等變化或潤飾，仍屬本創作涵蓋之範圍，而本創作之專利保護範圍須視本說明書所附之請求項所界定者為準。