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TW201608110A - 廢熱交換結構 - Google Patents

廢熱交換結構 Download PDF

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TW201608110A
TW201608110A TW103128603A TW103128603A TW201608110A TW 201608110 A TW201608110 A TW 201608110A TW 103128603 A TW103128603 A TW 103128603A TW 103128603 A TW103128603 A TW 103128603A TW 201608110 A TW201608110 A TW 201608110A
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waste heat
heat exchange
exchange structure
inlet
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TW103128603A
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TWI527959B (zh
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韓偉國
劉君愷
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財團法人工業技術研究院
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Priority to US14/571,118 priority patent/US9915184B2/en
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本發明揭露一種廢熱交換結構，包括一內管、一外管及一導熱結構，該內管管體設置有多數個孔洞，其中該內管管體內部設置有多個入口通道及多個出口通道，該些入口通道與該些出口通道係對應地設置，且該些入口通道與該些出口通道與該些孔洞連通，使一流體經該些入口通道及該些孔洞而進入該些出口通道。該外管裝設於該內管外部。該導熱結構係位於該內管與該外管間，該導熱結構係設置在該內管管體之外表面及該外管管體之內表面上。

Description

廢熱交換結構
本發明為一種熱交換結構，特別是一種廢熱交換結構。
傳統排氣管廢氣熱交換結構係在長方體內部設置彼此平行的鰭片，鰭片上設置有半球狀的凹槽，增加接觸面積。熱廢氣由入口到出口係採串流式透過鰭片熱傳導到外管表面，隨著氣流向下游，外管表面溫度逐漸降低，安裝熱電模組情況下，上下游溫差過大，外管表面溫度差高達100℃。
本發明之目的在於能達到外管表面上下游均溫效果，配合熱電模組提升發電效能，減少電能損失之廢熱交換結構。
本發明揭露一種廢熱交換結構，包括一內管、一外管及一導熱結構，該內管管體設置有多數個孔洞，其中該內管管體內部設置有多個入口通道及多個出口通道，該些入口通道與該些出口通道係對應地設置，且該些入口通道與該些出口通道與該些孔洞連通，使一流體經該些入口通道及該些孔洞而進入該些出口通道。該外管裝設於該內管外部。該導熱結構係位於該內管與該外管間，該導熱結構係設置在該內管管體之外表面及該外管管 體之內表面上。
其中該些孔洞呈直線排列，且為多數列孔洞。
其中該些孔洞分別為多個入口孔洞與多個出口孔洞，該些入口孔洞與該些入口通道對應連通，而該些出口孔洞與該些出口通道對應連通。
其中每一入口通道包括有一第一端與一第二端，該入口通道的第一端面積大於該入口通道的第二端面積，而每一出口通道包括有一第一端與第二端，該出口通道的第一端面積小於該出口通道的第二端面積。
其中每一入口通道呈一V形元件，且從該入口通道的第一端漸縮至該入口通道的第二端，而每一出口通道為一V形元件，且從該出口通道的第一端漸擴至該出口通道的第二端；及該入口通道的第一端與該出口通道的第一端連結，該入口通道的第二端連接該出口通道的第二端，該呈V形元件的入口通道與呈V形元件的出口通道彼此間隔地貼合。
在一實施例中，其中該導熱結構包括有多數個固定元件與多數鰭片組，該多數鰭片組固定於該多數個固定元件上；及該每一固定元件具有多數個嵌槽，使嵌固每一鰭片組。每一鰭片組包括有多數鰭片，且每一鰭片呈波浪狀。
其中每一固定元件固定於該內管的外表面上，而該固定元件兩端側的鰭片組固定於該外管的內表面上。
在一實施例中，其中該些固定元件包括一第一固定元件與一 第二固定元件，該第一固定元件具有多數個第一嵌槽，使嵌固每一鰭片組的外緣部分，而該第二固定元件具有多數個第二嵌槽，使嵌固每一鰭片組的內緣部分。該每一鰭片組包括有多數鰭片，且每一鰭片呈波浪狀。
其中該第一固定元件固定於該外管的內表面上，而該第二固定元件固定於該內管的外表面上。
在一實施例中，本發明進一步包括熱電模組設置於外管管體之外表面上。
在一實施例中，本發明廢熱交換結構係採用六角狀等分且廢熱進入熱電模組下的外管與波浪鰭片，上下游每一熱電模組能夠均勻獲得的熱量傳導，以至於溫度分布能夠均勻，上下游的外管表面溫差低，小於30℃。在電源管理上能獲得較高的有效電能。
100‧‧‧廢熱交換結構
102‧‧‧內管
1021‧‧‧第一端
1022‧‧‧入口通道
1023‧‧‧第二端
1024‧‧‧出口通道
1025‧‧‧第一端
1026‧‧‧孔洞
1027‧‧‧入口孔洞
1028‧‧‧出口孔洞
1031‧‧‧第二端
1030‧‧‧外表面
104‧‧‧外管
1042‧‧‧內表面
105‧‧‧外表面
106‧‧‧熱電模組
107‧‧‧箱體
1071‧‧‧入口
1072‧‧‧出口
110‧‧‧導熱結構
1102‧‧‧鰭片
1103‧‧‧鰭片
1104‧‧‧固定元件
1105‧‧‧嵌槽
1106‧‧‧鰭片組
200‧‧‧固定元件
201‧‧‧第一固定元件
203‧‧‧第二固定元件
205‧‧‧鰭片組
2051‧‧‧鰭片
第1圖為本發明廢熱交換結構之部分分解立體示意圖。
第2A圖為本發明廢熱交換結構之內管立體示意圖。
第2B圖為本發明廢熱交換結構之入口通道與出口通道立體示意圖。
第3A圖為本發明廢熱交換結構之自然對流方式之立體示意圖。
第3B圖為本發明廢熱交換結構之外界流體將熱帶走之立體示意圖。
第4圖為第1圖外管附著熱電模組之另一實施例立體示意圖。
第5A圖為本發明廢熱交換結構之第4圖A-A剖面示意圖。
第5B圖為本發明廢熱交換結構之鰭片結構示意圖。
第6圖為本發明廢熱交換結構之部分剖面示意圖。
第7圖為本發明廢熱交換結構之1/6剖面示意圖。
第8圖為第7圖之表面溫度示意圖。
第9圖為第8圖之外管表面溫度曲線圖。
第10與11圖為第7圖之氣流模擬結果示意圖。
第12圖為本發明廢熱交換結構之另一實施例示意圖。
第13圖為本發明廢熱交換結構之再一實施例示意圖。
第14圖為本發明廢熱交換結構之再一實施例B-B剖面示意圖。
第15圖為本發明廢熱交換結構之再一實施例之內管氣流路徑示意圖。
第16A圖為本發明廢熱交換結構之再一實施例之內管示意圖。
第16B圖為本發明廢熱交換結構之再一實施例之入口通道與出口通道示意圖。
請參閱第1及2A、2B圖為本發明廢熱交換結構之立體示意圖及立體分解圖與入口通道與出口通道立體示意圖，本發明廢熱交換結構100包括一內管102及一外管104，該內管102設有多個入口通道1022及多個出口通道1024供含熱廢之流體由該入口通道1022進入而由該出口通道1024排出。其中該內管102管體設置有 多數個孔洞1026、，使該內管102管體內部的每一入口通道1022及每一出口通道1024利用孔洞1026相連通，因此，該含廢熱之流體可經由該些入口通道1022進入經該些孔洞1026而由該些出口通道1024排出。其中該含廢熱之流體可包括氣體與液體。在一實施例中，本發明以排氣管為實施例，但不限於排氣管，其它相同創作精神的結構，均為本發明之創作精神所包含之範圍內。如第2A圖所示，當含廢熱之流體由該內管102內部經過該些孔洞1026到該外管104內部時，含廢熱之流體會與該外管104內導熱結構110的表面接觸，使流體的熱能經該外管104管體由內而外地傳遞至該外表面105，例如散熱至大氣中；或例如利用另一流體(例如氣體或液體)將廢熱帶走；或轉換成其它種能量回收利用。
在一實施例中，該外管104並未設置熱電模組，而是利用自然對流方式，將流體之廢熱向外界散熱。
如第1圖所示，該外管104兩端側分別設置有一封閉元件103將外管104封閉，避免流體外洩。
在一實施例中，該導熱結構110可為一鰭片結構，但不以此為限，例如導熱片等等，均為本發明之創作精神所包含之範圍內。
如第2A與2B圖所示，該些入口通道1022與該些出口通道1024係同軸地對應地設置，使該含廢熱之流體從該些入口通道1022進入並經過該些孔洞1026而進入該些出口通道1024排出。在過程中，使含廢熱之流體儘量充份地與該外管104管體接觸，而 將熱能傳遞至該外管104上。該些孔洞1026分別為多個入口孔洞1027與多個出口孔洞1028構成，該些入口孔洞1027與該些入口通道1022對應連通，而該些出口孔洞1028與該些出口通道1024對應連通。請參閱第3A圖為本發明廢熱交換結構之自然對流方式之立體示意圖。，該外管104兩端側分別設置有一封閉元件103將外管104封閉，避免流體外洩。該外管104兩端側分別與該封閉元件103固定。利用與外界大氣接觸外管104而散熱。
第3B圖為本發明廢熱交換結構之外界流體將熱帶走之立體示意圖，該廢熱交換結構100設置在一箱體107中。該箱體107具有一入口1071與一出口1072提供冷卻流體進出。當冷卻流體進入該箱體107中，就會與該廢熱交換結構100之外管接觸吸收熱能，進而將冷卻流體溫度提升，藉以將該廢熱交換結構100的熱能帶走。
請參閱第4圖為第1圖外管附著熱電模組之立體示意圖，本發明進一步可包含一熱電模組106設置在該外管104管體的外表面105。而該外管104管體的外表面105設有一或多個熱電模組106，使接觸廢熱氣而進行熱電轉換以產生電能。該熱電模組106可包括一或多個熱電晶片。當含廢熱之流體由該內管102內部經過該些孔洞1026到該外管104內部時，含廢熱之流體會與該外管104內導熱結構110的表面接觸，使流體的熱能經該外管104管體傳遞至該外管表面105上的熱電模組106，從而進行熱電轉換以產生電能。
在一實施例中，本發明在不包括熱電模組時，可利用自然對流方式，讓廢熱交換器與外界空氣接觸直接散熱。
在另一實施例中，本發明在不包括熱電模組時，可利用冷卻流體通過廢熱交換器的外表面，讓冷卻流體將廢熱帶走。
請參閱第5A與5B圖為本發明廢熱交換結構之A-A剖面示意圖及導熱結構示意圖，在一實施例中，該內管102管體上的該些孔洞1026為多數排列直線的孔洞1026，且為多數列孔洞1026，如第2A圖所示。。如第5A圖的含廢熱流體依箭頭流動所示，在一實施例中，該些入口通道1022的上方內管102管體對應地設置多數個孔洞1027，即提供熱廢氣自內管102的入口通道1022進入，因受到V形元件(該些入口通道)的第一端1021面積(如第2B圖所示)較第二端1023面積大的形狀影響，含廢熱之流體會自然地往該些孔洞1027流動並進入該內管102與該外管104間的空間，亦即該導熱結構110間流動，並充分地使含廢熱之流體與該導熱結構之每一鰭片1102接觸。接著，當流體接觸到外管104管體的內表面1042，會反彈至兩側其它孔洞1028，亦即該些出口通道1024上方的外管104管體對應地設置的多數個孔洞1028，提供流體自外管104的出口通道1024排出，其中V形元件為該些入口通道1022及該些出口通道1024的具體實施例結構，如第2B圖所示。
在一實施例中，該些入口通道1022的第一端1021為V形面積，而該些入口通道1022的第二端1023為一尖端結構，故該些入口通道1022形成漸縮通道。而該些出口通道1024的第一端 1025為尖端結構，而該些出口通道1024的第二端1031為一V形面積，故該些出口通道1024形成漸擴通道。因此，本發明的該些入口通道1022與該些出口通道1024具備如後結構，即每一入口通道1022包括有一第一端1021與一第二端1023，該入口通道1022的第一端1021面積大於該入口通道1022的第二端1023面積，而每一出口通道1024包括有一第一端1025與第二端1031，該出口通道1024的第一端1025面積小於該出口通道1024的第二端1031面積。
在一實施例中，由於每一入口通道1022呈一V形元件，且從該入口通道1022的第一端1021漸縮至該入口通道1022的第二端1023，而每一出口通道1024亦為一V形元件，且從該出口通道1024的第一端1025漸擴至該出口通道1024的第二端1031。因此，該入口通道1022的第一端1021與該出口通道1024的第一端1025連結，該入口通道1022的第二端1023連接該出口通道1024的第二端1031，該呈V形元件的入口通道1022與呈V形元件的出口通道1024彼此間隔地貼合，形成隔開的入口通道1022與出口通道1024的結構設計。
如第5A、5B圖所示，於該內管102與該外管104之間設置有一導熱結構110，該導熱結構110係設置在該內管102管體之外表面1030上及在該外管104管體之內表面1042上。該導熱結構110可為鰭片結構，或等效結構所包括之創作精神在內者。該鰭片結構110包括有多數個固定元件1104與多數鰭片組1106，該多數鰭片組1106固定於該多數個固定元件1104上。該固定元件1104為一 片狀結構，因此，該每一固定元件1104具有多數個嵌槽1105，使嵌固每一鰭片組1106。該嵌槽1105為一梳狀結構，藉由該梳狀結構間的每一凹槽(圖中未示)可嵌固每一鰭片組1106。在一實施例中，為配合六角排氣管的形狀，每一鰭片組1106可為六角狀。
在一實施例中，該外管104管體可為六角形，而該內管102管體可為一圓形。
在一實施例中，該每一鰭片組1106包括有多數鰭片1103，且每一鰭片1103呈波浪狀，增加接觸面積，使含廢熱之流體可接觸每一鰭片1103表面，並將熱能藉該鰭片1103傳遞到外管104管體的外管表面105，再傳遞到該些熱電模組106。
在一實施例中，每一固定元件1104的兩端固定於該內管102的外表面1030上，而該固定元件1104兩端側的鰭片組1106則固定於該外管104的內表面1042上。一般可以焊接方式達成。
請參閱第6圖為本發明廢熱交換結構之部分剖面示意圖，在一實施例中，本發明排氣管可為六角柱排氣管。如圖所示，為六角柱排氣管熱交換結構100的1/6結構。在一實施例中，外管設計約320mm，為六進六出的排氣管設計。亦即入口通道1022為六個，出口通道1024為六個的結構設計。其中圖中顯示排氣管的1/6入口通道，與1/6的出口通道。
請參閱第7圖為本發明廢熱交換結構之1/6剖面示意圖，在一實施例中，以六角柱排氣管100的1/6模擬，每一熱電模組106對應地設置在每一鰭片組1106上方。熱電模組106在一實施例 中以4x4cm，共6個的結構設計模擬。
請參閱第8圖為第7圖之表面溫度示意圖，顯示出其溫度的分佈情形。模擬條件為入口溫度為650℃，熱廢氣流量約0.117kg/s。熱電模組(TE)冷端為95℃，作為模擬冷面。
請參閱第9圖為第8圖之外管表面溫度曲線圖，模擬結果，顯示排氣管熱端表面溫度平均在320℃，且有30℃的溫差變化。
請參閱第10與11圖為第7圖之氣流模擬結果示意圖，圖中顯示，六角柱排氣管的中心氣流向量分佈以及追跡路線。顯示含廢熱之流體均勻且充分接觸鰭片。
請參閱第12圖為本發明廢熱交換結構之另一實施例示意圖，本實施例與前述實施例相同結構，不同處在於：該外管104管體可為一圓形，每一鰭片1103亦為一圓形，該內管102管體亦為一圓形。
請參閱第13圖為本發明廢熱交換結構之再一實施例示意圖，本實施例與前述實施例大致相同，不同處在於：該些固定元件200包括一第一固定元件201與一第二固定元件203，該第一固定元件201具有多數個第一嵌槽(圖中未示)，使嵌固每一鰭片組205的外緣部分，而該第二固定元件203具有多數個第二嵌槽(圖中未示)，使嵌固每一鰭片組205的內緣部分。
在一實施例中，該每一鰭片組205包括有多數鰭片，且每一鰭片2051呈波浪狀。
該第一固定元件201固定於該外管104的內表面上，而該第二固定元件203固定於該內管102的外表面上。
在一實施例中，該第一固定元件201共有12片，嵌固該些鰭片組205。而該第二固定元件203共有24片，嵌固該些鰭片組205。因此，每二片第一固定元件201間配置有二片第二固定元件203。如第14圖所示，含廢熱之流體流動方向可如箭頭所示，自該入口通道1022進入，經過該內管102管體上的孔洞1027，向外流動而與鰭片組205及外管104內導熱結構的表面接觸傳遞熱能至外管104外表面105上的熱電模組106進行熱電轉換。熱廢氣經該外管104內表面的反彈而於該第一固定元件201與該第二固定元件203間流動，並自該孔洞1028進入到該出口通道1024而排出。
請參閱第15與16A、16B圖為本發明廢熱交換結構之再一實施例之內管氣流路徑示意圖及內管示意圖與入口通道與出口通道示意圖，含廢熱之流體自該入口通道1022進入經孔洞1027向外流動，經外管104內表面的反彈再進入對應該出口通道1024的孔洞1028而排出。綜上所述，本發明廢熱交換結構能達到每一熱電模組能夠均勻獲得的熱量傳導與溫度分布，上下游的外管表面溫差低，小於30℃，配合熱電模組提升發電性能，在電源管理上能獲得較高的有效電能，減少電能損失，確實符合專利要件，爰依法提出申請。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與 潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
100‧‧‧廢熱交換結構
102‧‧‧內管
1022‧‧‧入口通道
1024‧‧‧出口
1029‧‧‧外表面
1030‧‧‧內表面
103‧‧‧封閉元件
104‧‧‧外管
105‧‧‧外表面
110‧‧‧導熱結構

Claims (16)

  1. 一種廢熱交換結構，包括：一內管，內管管體設置有多數個孔洞，其中該內管管體內部設置有多個入口通道及多個出口通道，該些入口通道與該些出口通道係對應地設置，且該些入口通道與該些出口通道與該些孔洞連通，使一流體經該些入口通道及該些孔洞而進入該些出口通道；一外管，裝設於該內管外部；及一導熱結構，係位於該內管與該外管間，該導熱結構係設置在該內管管體之外表面及該外管管體之內表面上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之廢熱交換結構，其中該些孔洞呈直線排列，且為多數列孔洞。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之廢熱交換結構，其中該些孔洞分別為多個入口孔洞與多個出口孔洞，該些入口孔洞與該些入口通道對應連通，而該些出口孔洞與該些出口通道對應連通。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之廢熱交換結構，其中每一入口通道包括有一第一端與一第二端，該入口通道的第一端面積大於該入口通道的第二端面積，而每一出口通道包括有一第一端與第二端，該出口通道的第一端面積小於該出口通道的第二端面積。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之廢熱交換結構，其中每一入口通道呈一V形元件，且從該入口通道的第一端漸縮至該入口通道的第二端，而每一出口通道為一V形元件，且從該出口通道的第一端漸擴至該出口通道的第二端；及該入口通道的第一端與該出口通 道的第一端連結，該入口通道的第二端連接該出口通道的第二端，該呈V形元件的入口通道與呈V形元件的出口通道彼此間隔地貼合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之廢熱交換結構，其中該導熱結構包括有多數個固定元件與多數鰭片組，該多數鰭片組固定於該多數個固定元件上；及該每一固定元件具有多數個嵌槽，使嵌固每一鰭片組。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之廢熱交換結構，其中該每一鰭片組包括有多數鰭片，且每一鰭片呈波浪狀。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之廢熱交換結構，其中每一固定元件固定於該內管的外表面上，而該固定元件兩端側的鰭片組固定於該外管的內表面上。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之廢熱交換結構，其中該些固定元件包括一第一固定元件與一第二固定元件，該第一固定元件具有多數個第一嵌槽，使嵌固每一鰭片組的外緣部分，而該第二固定元件具有多數個第二嵌槽，使嵌固每一鰭片組的內緣部分。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之廢熱交換結構，其中該每一鰭片組包括有多數鰭片，且每一鰭片呈波浪狀。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之廢熱交換結構，其中該第一固定元件固定於該外管的內表面上，而該第二固定元件固定於該內管的外表面上。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之廢熱交換結構，其中該流體 為一氣體或液體。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之廢熱交換結構，其中該廢熱交換結構為一排氣管廢熱交換結構，其中該內管為一圓形，而該外管為一六角形，該導熱結構為一六角形。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之廢熱交換結構，其中廢熱交換結構為一排氣管廢熱交換結構，其中該內管為一圓形，而該外管為一圓形，該導熱結構為一圓形。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之廢熱交換結構，更包括一或多個熱電模組，設置於該外管管體之外表面上。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之廢熱交換結構，其中該廢熱交換結構設置於一管體或箱體或盒體中，利用該管體或箱體或盒體內的冷卻流體將廢熱帶走。
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