TW201533418A - 高效率熱交換器及高效率熱交換方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種無被熱交換流體所造成的機器腐蝕且可實現高效率之熱交換之熱交換技術、於進行熱交換之同時使液體氣化或霧化之技術手段、及可根據用途調節熱交換能力之熱交換器。 本發明之熱交換器包括：腔室；噴嘴，其將自流體供給通路供給之加壓流體呈霧狀噴射至腔室內；熱源，其對呈霧狀被噴射至腔室之流體賦予熱或冷熱；及孔口，其與排出腔室內之流體之出口連通，並將腔室內維持為高於大氣壓之壓力。

Description

高效率熱交換器及高效率熱交換方法

本發明係關於一種應用領域不受限定之熱交換技術。尤其於酸或鹼等腐蝕性物質之氣體或液體之熱交換、或對高純度水、製造半導體時之高純度矽化合物等進行溫度控制時有用，可實現於熱交換時產生之裝置類之腐蝕或高純度物質之污染問題之解決及熱交換率之提高。

即，本發明可提供一種於必須進行物質之冷卻、加熱或溫度調節之所有技術領域中，裝置之腐蝕、因雜質而導致之污染較少且高效率之熱交換器及熱交換方法。

再者，於本說明書中，存在不僅為加熱源，亦包含吸熱源在內稱為「熱源」之情形。又，本說明書中之「流體」中亦包含因加熱或吸熱而伴隨相變(例如，自液體向氣體之相變)者。

熱交換器係使溫度不同之2個物體直接或間接地接觸並傳遞熱，而將一物體加熱或冷卻之裝置，且作為鍋爐、蒸汽產生器、食品製造或化學藥品製造、冷藏保管之產業用，被用於冷卻步驟、加熱步驟、冷藏。

熱交換器通常具備與被熱交換物質之特性相應之構造，例如，作為對氫氟酸、硝酸、硫酸等腐蝕性較大之藥液進行熱交換之藥液用熱交換器，必須使用具有耐化學品性之熱交換器，將腐蝕性較高 之強酸、強鹼等流體加熱及冷卻，於此情形，間接加熱具有代表性，上述間接加熱係將包含不易被酸或鹼侵蝕之樹脂材料之接觸部材料浸於熱介質中而進行熱交換。

圖1係表示代表性之間接熱交換之模式圖，在樹脂製管1內將被熱交換流體(酸、鹼、水等)自入口2搬送至出口3期間，利用藉由熱源5而溫度經調整之熱介質4，經由樹脂製管1進行熱交換。該方法可增加接觸側之樹脂製管1之表面積，例如，可藉由增長熱介質4中之管1而使與熱介質4之接觸面積增加從而提高熱交換效率，但由此存在包含利用熱源對流體進行溫度調節之裝置或容器類在內成為於成本方面亦昂貴之裝置之情況。又，若於圖2中表示不經由熱介質而是直接與熱源進行熱交換之直接加熱方式之代表性之例，則使熱源5與由相對於被熱交換流體耐蝕性良好之材質構成、且包含溫度特性優異之材料之管1接觸而進行直接熱交換。

任一種方式均必需具備：不會因被熱交換流體或熱交換介質而腐蝕搬送管等裝置、於熱交換步驟中不會污染被熱交換流體、及高效率地進行熱交換。

因此，進行利用樹脂或陶瓷類被覆並保護搬送管，以使搬送管不會因熱交換介質或被熱交換流體而受到腐蝕等影響。

例如，已知氟樹脂相對於各種藥劑耐蝕性及耐熱性優異，但若僅由氟樹脂構成搬送管，則由於氟樹脂本身原本為熱之不良導體，故而熱交換效率較低，為了達到既定溫度需要長時間，又，於既定溫度下之溫度控制之精度亦較差，為了改善上述缺陷，提出有大量將氟樹脂覆膜形成於導熱性良好之金屬等之表面之想法。

例如，提出有：一種氣體使用設備用構件(專利文獻1)，其係於基體上具有含有氟樹脂之至少2層塗膜者，且被用作如下熱交換器等，該熱交換器具有隨著自塗裝於基材上之最下層膜至最上層膜，使各層中氟樹脂之含量依序增大，且使無機填充劑之含量依序減少之塗膜；或一種提供於耐蝕性優異之鋁合金材料、及將具有腐蝕性之流體作為介質之傳熱部，使用上述鋁合金材料之板翼(Plate Fin)式熱交換器、平板式熱交換器者，且於使用將具有腐蝕性之流體作為介質之傳熱部之板翼式熱交換器、平板式熱交換器等中所使用之鋁合金材料表面，具有有機膦酸基底皮膜，進而於其上具有乾燥後之膜厚之平均厚度為1~100μm之氟樹脂塗料皮膜，從而提高塗膜密接之耐久性，且相對於海水等具有腐蝕性之流體之耐蝕性優異(專利文獻2)。

如此，通常有對導熱良好之金屬塗佈樹脂之方法，但由於2種材料之熱膨脹不同，故而難以與膨脹收縮相對應，而存在塗層剝離之情況，且存在產生成為金屬部之腐蝕及金屬類所致之污染之原因之問題的情況。進而，該方法中，對象流體會自樹脂塗層部之針孔浸透，而無法避免相同之問題。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開2004-283699號公報

專利文獻2：日本專利特開2008-156748號公報

於習知之熱交換器中，通常為於對被熱交換流體進行熱交換時，使流體接觸之構件與熱源、冷媒等熱介質接觸而進行熱交換之方法，接觸構件之材質係配合流體之特性而選擇。然而，所選擇之接觸構件之材質之導熱未必優異，於此情形下，存在如下情況：例如，必須使用多個作為熱源之電加熱器、或使用電容較大之電加熱器，藉此彌補導熱較低之構件之缺陷。如此一來，會屢次遭遇於熱交換時之能量效率較低、機器亦成為大型之情況。

本發明之目的在於提供一種無被熱交換流體所造成的機器腐蝕，又，可實現高效率之熱交換之熱交換技術。

又，本發明之目的在於提供一種於熱交換之同時使液體氣化或霧化之技術手段。

進而，本發明之目的在於提供一種可根據用途調節熱交換能力之熱交換器。

本發明包括以下記載之技術事項。

第1發明係一種熱交換器，其包括：腔室；噴嘴，其將自流體供給通路供給之加壓流體呈霧狀噴射至腔室內；熱源，其對呈霧狀被噴射至腔室之流體賦予熱或冷熱；及孔口，其與排出腔室內之流體之出口連通，並將腔室內維持為高於大氣壓之壓力。

第2發明之特徵在於：於第1發明中，藉由在腔室內產生對流而進行熱交換。

第3發明之特徵在於：於第2發明中，上述噴嘴之流量與上述孔口之孔徑之平方實質上成正比例。

第4發明之特徵在於：於第1發明中，自上述流體供給通路供給之加壓流體係加壓液體，上述噴嘴係將上述加壓液體以直徑為20~60μm之霧之形式進行噴霧之噴嘴。

第5發明之特徵在於：於第1至4中之任一發明中，腔室之內壁面係鋸齒構造。

第6發明之特徵在於：於第1至4中之任一發明中，包括構成上述腔室之內壁面之內壁構件、及將來自熱源之熱傳輸至內壁構件之導熱體，導熱體包含導熱率較內壁構件良好之材料。

第7發明之特徵在於：於第6發明中，與內壁構件接觸之導熱體之面係鋸齒構造之面，與導熱體接觸之內壁構件之面係鋸齒構造之面。

第8發明之特徵在於：於第1至4中之任一發明中，上述噴嘴係以使自流體供給通路供給之流體一部分碰撞至腔室內壁面之方式，進行噴霧之擴散噴嘴。

第9發明之特徵在於：於第8發明中，於自噴嘴呈霧狀噴射之流體碰撞之部分，配置鉛垂方向之長度較熱源短之導熱體。

第10發明之特徵在於：於第1至4中之任一發明中，上述腔室係連結複數個中空區塊而構成。

第11發明之特徵在於：於第10發明中，上述區塊係具有由工業標準規定之尺寸之管。

第12發明之特徵在於：於第11發明中，上述區塊具備設置於端部之一對凸緣，該凸緣具有由工業標準規定之尺寸。

第13發明係一種熱交換方法，其係使用第1至4中任一發明之熱交換器，與自噴嘴噴射至腔室內之流體進行傳熱型熱 交換。

第14發明係一種熱交換方法，其係使用第4發明之熱交換器，將自噴嘴噴射至腔室內之流體氣化並且進行熱交換。

根據本發明，無被熱交換流體所造成的機器腐蝕，又，可實現高效率之熱交換。

又，本發明可提供一種於進行熱交換之同時將液體氣化或霧化之技術手段。

進而，本發明可提供一種能夠根據用途簡便地調節長度及內徑之熱交換器。

1‧‧‧樹脂製之管

2‧‧‧加熱對象物入口

3‧‧‧加熱對象物出口

4‧‧‧熱介質

5、13、22、33‧‧‧熱源

7‧‧‧被熱交換流體

8‧‧‧空隙

10、20、30、100‧‧‧熱交換器

11、31‧‧‧內壁構件

12、32、42‧‧‧導熱構件

14‧‧‧流體供給管

15、25、35‧‧‧噴霧嘴

16‧‧‧出口管(孔口)

17、27、37、47‧‧‧熱交換腔室

18‧‧‧上方凸緣部

19‧‧‧下方凸緣部

21‧‧‧傳熱內壁

23‧‧‧隔熱材料

24‧‧‧腔室部

26、36‧‧‧孔口

38‧‧‧出口管

41‧‧‧側壁

43‧‧‧導熱套管

44‧‧‧熱介質管

45‧‧‧壓固構件

48‧‧‧上方凸緣

49‧‧‧下方凸緣

51‧‧‧供給管

52‧‧‧送出管

53‧‧‧連結棒

60‧‧‧氣體供給裝置

61‧‧‧氣體供給管

62‧‧‧液體供給管

110‧‧‧第1區塊

111、131‧‧‧板凸緣

112‧‧‧螺栓孔

120‧‧‧第2區塊

130‧‧‧第3區塊

圖1係表示藉由習知具有代表性之間接加熱所進行之熱交換之概略圖。

圖2係表示藉由習知具有代表性之直接加熱所進行之熱交換之概略圖。

圖3係第1實施形態例之熱交換器之側視概略剖面圖。

圖4係說明熱交換腔室之內周壁之鋸齒構造之模式剖面圖，且係說明將表面積設為2倍之情形之圖。

圖5係表示於熱交換腔室之內周壁設置有凹凸之情形、與未設置凹凸之情形之加熱能力不同的圖表。

圖6係表示孔口孔徑與噴霧嘴流量之關係之圖表。

圖7係說明第2實施形態例之熱交換器之構成之側視概略剖面圖。

圖8係說明第2實施形態例之熱交換器之氣化性能試驗方法之圖。

圖9係表示第3實施形態例之熱交換器之構成之側視概略剖面圖。

圖10係第4實施形態例之熱交換器之側視圖。

圖11係表示一個區塊之構成之圖，(a)係俯視圖，(b)係側視剖面圖。

以下，對本發明之熱交換器之實施形態例進行說明。

《第1實施形態例》

圖3係本發明之第1實施形態例之熱交換器10之側視概略剖面圖。

如圖3所示，本發明之熱交換器10包括成為流體之流入口之噴霧嘴15、成為流體之流出口之出口管16、及筒狀之腔室17。

噴霧嘴15與流體供給管14流體性地連通，將流體呈霧狀噴射至腔室17內。於呈霧狀噴射之流體為液體之情形下，較佳為藉由將通過噴霧嘴15之流體之霧直徑設為小徑，而使經霧化之流體之表面積增大，例如以霧直徑成為20~60μm(較佳為20~40μm)之方式進行設定。霧直徑為30μm時之總表面積，成為霧直徑為80μm時之總表面積之約2.6倍。進而，噴霧嘴15較佳為由導熱率較低之樹脂等材料構成。其原因在於：若噴霧嘴15被加熱，則會於該噴嘴部分產生反應，而有產生阻塞之課題。噴霧嘴15可根據用途而區別使用一流體噴嘴與二流體噴嘴。

具有孔口之出口管16藉由縮窄腔室17之出口，而將腔室17 內壓維持為高於大氣壓之壓力(例如，大氣壓+0.15~0.25atm)。

設置於腔室17之側方周圍之熱源13，係經由筒狀之內壁構件11及導熱構件12，而與腔室17內空間進行熱交換。熱源13既存在為加熱源(例如電容2kW之具有鎳鉻合金線之不鏽鋼製加熱板)之情形，亦存在為吸熱源(例如圈圍有供不凍液、氣體冷媒循環之流路之冷卻板)之情形。內壁構件11係由例如金屬(包含內壁面塗佈有樹脂者)或樹脂構成。導熱構件12係如下所述般，由導熱率較內壁構件11良好之材質構成。

筒狀之腔室17係具有足以於內部空間產生對流之長度而構成，且由上方凸緣部18及下方凸緣部19封閉。較佳之樣態之本發明可藉由凸緣部連結複數個腔室。

繼而，對本發明之熱交換器10之熱交換機制進行說明。作為流體之熱交換之樣態，有(1)碰撞方式、(2)空氣接觸方式、(3)物理接觸方式(參照圖3)。本發明之熱交換器係利用(1)~(3)之所有方式，實現高效率之熱交換之霧化器型熱交換器。作為熱交換器進行熱交換之對象之流體為液體及氣體。此處，熱交換存在伴隨著相變之情形與不伴隨相變之情形，具體而言，揭示有以導入液體排出氣體、導入液體排出液體、導入液體排出蒸氣、導入氣體排出液體、導入氣體排出氣體之樣態進行熱交換，但最佳之樣態係導入液體排出氣體之樣態、導入液體排出蒸氣之樣態或導入液體排出液體之樣態。

(1)被導入至噴霧嘴之a℃之流體係自噴霧嘴15噴射至熱交換腔室17內，碰撞至熱交換腔室17之內壁，進行熱交換。(2)其次，因剛自噴霧嘴15噴射而未達到所需之b℃之流體，係藉 由與已達到所需之溫度b℃附近之氣體(包含霧)空氣接觸而進行熱交換。此處，熱交換腔室17係設置有孔口開口之封閉空間，藉由孔口之作用而於熱交換腔室17內產生回旋流，從而以高效率進行熱交換(旋流效果)。旋流效果以導入液體排出氣體之樣態、及導入液體排出蒸氣之樣態尤其有效。(3)進而，於熱交換腔室17內回旋之流體，係藉由與熱交換腔室17之內壁物理接觸而進行熱交換。

經由以上之過程而達到所需之溫度b℃之流體，係自具有孔口之出口管16之吐出口流出。

[導熱構件]

於圓筒型之熱源13之內面，配置用以將來自熱源13之熱傳遞至內壁構件11之導熱構件12。即，導熱構件12係以使呈鋸齒形狀之面與空間側接觸、使平坦之面與熱源13接觸之方式配置。此處，所謂鋸齒形狀係指環狀之山於內壁構件11及導熱構件12之外表面之長度方向連續之構造(即，山與谷交替地連續之構造)。此處所謂之環狀之山連續之構造，亦包含如螺釘之山與溝般呈螺旋狀形成山及溝之情形。較佳為以內壁構件11及導熱構件12之外側面之表面積成為無山(凸部)之相同直徑之圓柱體外側面之表面積，例如1.5~3倍之方式形成鋸齒構造。藉由設為已增加接觸表面積之鋸齒形狀而提高於表面之熱交換效率。

導熱構件12係使用導熱率較內壁構件11良好之材質物質，但所謂導熱率良好係兩者之材質之值之相對性之比對，並非特定絕對之值。例如，導熱率通常表示塑膠約為0.2W/(m．K)、氟樹脂約為0.25、碳鋼約為47、不鏽鋼約為15、鋁為237、純銅為 386、派熱司玻璃(Pyrex glass)(PYREX：註冊商標)約為1之值。只要考慮相對之導熱率而自其等之中選擇材質即可，由於氟樹脂於其等之中為較低之值，故而於將氟樹脂作為內壁構件11之情形下，對導熱構件12採用任一材質者均可提高熱效率。又，於內壁構件11之材料為金屬之情形下，例如於將不鏽鋼作為內壁構件之情形下，導熱構件可選擇導熱率較內壁構件11之材料良好之金屬、例如碳鋼、鋁、純銅作為導熱構件12。其中，導熱構件12之材質(材料)之導熱率越高越好。

例如，已知有於內壁構件11之接觸面塗佈氟樹脂，且將內壁構件11本身設為不鏽鋼之熱交換器，於測定8mm厚之不鏽鋼與經實施利用氟樹脂之耐蝕被覆之板之總傳熱係數之例中，獲得了如下結果：僅為不鏽鋼時為1070W/(m²．K)，相對於此，若設置500μm之耐蝕被覆，則該係數為291，傳熱量成為1/3。又，報告有於設置50μm之耐蝕被覆之情形下，傳熱係數成為845。因此，較佳為儘可能地使導熱構件12與被熱交換流體之距離變近。

[內壁構件]

內壁構件11由相對於被熱交換流體7為穩定之材質構成。即，選擇於進行熱交換之溫度區域內，被熱交換流體不會與內壁構件11之內面發生反應之材質，或者，內壁構件11之成分不會自內面溶出之材質。被熱交換流體之反應性(腐蝕性)，係根據熱傳遞構造體之表面之材質及接觸溫度等而不同，又，熱交換後之純度之容許範圍亦根據被熱交換流體7之用途、性狀而不同，故而無法一概特定。例如，由於半導體裝置之製造中所使用之金屬鹵化物或蝕刻劑係使 用高純度之物質，故而不允許因熱交換處理而導致純度下降。然而，多數情形，若為渦輪用之熱交換器，則因熱交換處理而導致之被熱交換流體之純度之變化不被視為問題。

作為內壁構件11之材質(材料)，可自鐵、碳鋼、不鏽鋼、鋁、鈦等金屬類、氟樹脂、聚酯等合成樹脂類、陶瓷類等中適當選擇而使用，但於對腐蝕性較強之酸類進行熱交換之情形下，較佳為至少由氟樹脂構成內面部分。作為氟樹脂，例如可例示：聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚合體(PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚合體(FEP)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚合體(ECTFE)、四氟乙烯-乙烯共聚合體(ETFE)、聚氟乙烯(PVF)、氟化聚丙烯(FLPP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等。

[內壁構件之鋸齒構造]

如圖4所示，內壁構件11係於熱交換腔室17之內周壁具有鋸齒構造。即，內壁構件11之內側面成為環狀之山於其長度方向連續之構造。於圖4中揭示有如下構成例，即，將與被熱交換流體7接觸之內壁構件11之內側面，設為其剖面為邊長2mm之正三角形連續般之鋸齒構造，而將表面積設為2倍。根據該鋸齒構造，由於內壁構件11內側面之表面積成為無鋸齒構造之平坦內側面之2倍，故而可使熱交換效率倍增。內壁構件11之鋸齒構造並不限定於圖4所示者，揭示有以使內壁構件11內側面之表面積，成為無山(凸部)之內側面例如1.5~3倍之方式形成鋸齒構造。亦可藉由裝卸自如之圓筒構件構成熱交換腔室17，準備間距不同之複數個圓筒構件。

圖5係表示於熱交換腔室17之內周壁設置有凹凸(鋸齒構造)之情形、與未設置凹凸(鋸齒構造)之情形時之加熱能力之不同的圖表。被熱交換流體7為水，將作為熱源13之加熱器之溫度設定為150℃，測定腔室出口處之水溫後，可確認於設置有凹凸之情形下，升溫率為54.3~58.5%，相對於此，於未設置凹凸之情形下，升溫率為45.0~48.5%。圖5之試驗結果係內壁構件11為金屬型(SUS316)時之結果，通常將內壁構件設定為無金屬型(PTFE)時之升溫率之差異為10%左右，由此推測將內壁構件設定為無金屬型時之升溫率約為45~50%左右。

[孔口孔徑與流量之關係]

本發明中，藉由利用孔口16縮窄腔室17之出口而提高腔室17內之內壓。此處，利用孔口16縮窄腔室17之出口會提高內壓，伴隨於此，對於為了使液體霧化或氣化不利，但另一方面，藉由產生對流而使加熱效率提高。本發明係為了提高加熱效率，而利用孔口16適度地縮窄腔室17之出口，於協調霧化或氣化性能下降與加熱效率提高中實現高效率之熱交換。

圖6係表示孔口孔徑與噴霧嘴流量之關係之圖表。該圖係測定於內徑77mm之腔室17中實現於使水氣化時，認為較佳之腔室內壓與大氣壓之差壓約為0.2atm(=20000Pa)之噴霧嘴流量與孔口孔徑之關係所得者。根據圖6可確認與實現差壓約0.2atm相應之流量與孔徑之平方實質上成正比例。推測即便腔室內徑或差壓產生變化，該噴霧嘴流量與孔口孔徑之關係亦不變。

[被熱交換流體]

作為本發明中之被熱交換流體7，並無特別限定，例如可列舉：鹽酸、硫酸、硝酸、鉻酸、磷酸、氟酸、乙酸、過氯酸、氫溴酸、氟化矽酸、硼酸等具有腐蝕性之酸類；氨、氫氧化鉀、氫氧化鈉等鹼類；及氯化矽等金屬鹽類等之溶液或氣體；進而高純度水。該等被熱交換流體係被用作與其他物質之反應原料、或蝕刻液等在反應步驟中所使用之藥液，且藉由熱交換器被控制為適當之溫度而有目的地使用。本發明之熱交換器，係於無微量雜質之污染之狀態下對該等被熱交換流體以高效率進行加熱、冷卻或溫度控制。

例如，於TCO(Transparent Conducting Oxide，透明電極膜)之SiO₂之成膜步驟中使用之四氯化錫(SnCl₄)於藉由習知之起泡法進行氣化控制之情形下，有ON(接通)/OFF(斷開)控制困難且濃度亦經時變化之問題、或因SnCl₄之純度不穩定而於噴射器內部堆積產物之問題，但根據本發明之熱交換器10，可解決上述問題，並提高良率。

《第2實施形態例》

圖7係說明本發明之第2實施形態例之熱交換器20之構成之側視概略剖面圖。該熱交換器20係霧化器型熱交換器，且以圓筒狀之腔室部24、噴霧嘴25、及設置於腔室部24之下端之孔口26為主要構成要素。

噴霧嘴25係二流體噴嘴，且自與氣體供給裝置60連通之氣體供給管61供給氮氣等加壓氣體，自與液體貯存部(未圖示)連通之液體供給管62供給經加壓之液體。該液體於通過噴霧嘴時被氣化或 霧化而噴射，且藉由孔口26之效果於熱交換腔室27中對流。熱交換腔室27之內壁係由鋸齒構造之傳熱內壁21構成。該鋸齒構造較佳為設置為佔據熱交換腔室27之內側面之總面積之一半以上之部分，更佳為設置為佔據內側面之總面積之2/3以上之部分。傳熱內壁21既存在以單一之材料製作之情形，亦存在如第1實施形態例般腔室側由腐蝕性優異之第一材質構成、與熱源22接觸之側由導熱率較第一材質良好之第二材質構成之情形。熱交換腔室27之上下方向之長度較佳為50cm以下。

傳熱內壁21被熱源22覆蓋，於熱交換腔室內經氣化或霧化之液體一面對流一面與傳熱內壁21進行熱交換。熱源22係覆蓋傳熱內壁21之加熱器或冷卻器，例如揭示有使由電熱線、珀爾帖(Peltier)構成之板狀熱源彎曲而使用；設為於具有對流用空間之筒狀構件形成螺旋狀之流路，供熱交換用之氣體或液體流通之構造；設為將供熱交換用之氣體或液體流通之管呈螺旋狀捲繞至上述筒狀構件之構造。熱源22之鉛垂方向之長度較佳為設為覆蓋熱交換腔室27之整體或大致整體之長度。熱源22之外側面被隔熱材料23覆蓋，而不受外部氣溫之影響。

噴霧嘴25及孔口26係以於腔室部24之鉛垂方向之中心呈對向之方式設置。噴霧嘴25係使用由例如金屬或鐵氟龍(Teflon)(註冊商標)構成之流量為數十g/min者。孔口26係使用例如ψ 10mm左右者。

使用本實施形態例之熱交換器20驗證液體之氣化性能。驗證所使用之熱交換器20係圖7所示之構成者，傳熱內壁21係由不鏽鋼構成。對比例1除傳熱內壁21於內壁面不具有鋸齒構 造之方面以外，係與第2實施形態例相同之構成。

圖8係說明第2實施形態例之熱交換器20之氣化性能試驗方法之圖。氣化性能試驗係對第2實施形態例及對比例1之噴霧嘴25供給經加壓之氮氣及水，且呈霧狀噴射至熱交換腔室27內，並自與孔口26連通之出口管16向玻璃板噴射流體，以目視判定玻璃面。判定基準如下所述。

[判定基準]

○=於吐出口看不到蒸氣。玻璃面模糊。

△=於吐出口確認有蒸氣。玻璃面結露。

×=於吐出口確認有液滴。

藉由下述表1所示之驗證條件A~C進行氣化性能試驗後，獲得了下述表2所示之結果。

根據以上驗證結果可確認：於腔室內壁面具有鋸齒構造之本實施形態例之熱交換器20具有較高之氣化性能。

《第3實施形態例》

圖9係表示第3實施形態例之熱交換器30之構成之側視概略剖面圖。以下，主要對與第2實施形態例不同之方面進行說明。

於第3實施形態例之熱交換器30中，可將來自熱源33之熱傳輸至腔室37內之導熱構件32，係配置於熱交換腔室37之上部(噴霧嘴35之吐出口附近)。於本實施形態例中，與第1及第2實施形態例不同，導熱構件32之鉛垂方向之長度構成為較熱源33之長度短。熱源33之長度並不限定於圖示之樣態，例如，揭示有以覆蓋熱交換腔室37之鉛垂方向長度之1/5~1/2之方式，設置導熱構件32之鉛垂方向之長度。

又，導熱構件32係由導熱率較內壁構件31良好之材料構成。例如，揭示有藉由不鏽鋼構成內壁構件31，藉由銅構成導熱構件32。

本實施形態例中，內壁構件31之內壁面亦設為鋸齒構造而增加表面積，藉此提高熱交換能力。於圖9中，內壁構件31與導熱構件32之接觸面設為平面，但就熱交換之觀點而言，較佳為與第1實施形態例同樣地，將內壁構件31與導熱構件32之接觸面設為鋸齒構造。

藉由設為此種構成，而使自噴霧嘴35噴出之霧碰撞之部分之內壁面之熱交換能力提高，故而可高效率地進行熱交換。即，與熱交換腔室37之底部相比，於上部分佈有大量與所需溫度之溫度差較大之(必須進行熱交換之)流體，而提高熱交換腔室37之上部之熱交換能力，藉此可於所需之部位分配較多之熱。又，於冷卻時，可期待與因流體變為霧狀時之氣化熱所致之自然冷卻之協 同效應。即，有助於降低熱交換器之動作能量。

於熱交換腔室37之出口設置有孔口36，使呈霧狀被噴射後之被加熱流體產生對流。於熱交換腔室37經進行熱交換之被加熱流體，係自出口管38向外部送出。

《第4實施形態例》

圖10係第4實施形態例之熱交換器100之側視圖。

第4實施形態例之熱交換器100係可調節熱交換腔室47之長度之連結式熱交換器。第1區塊110、第2區塊120及第3區塊130係藉由貫通各區塊之凸緣部之連結棒53而固定。第1區塊110之上方被板凸緣111封閉，第3區塊130之下方被板凸緣131封閉。圖10中係連結3個區塊而構成熱交換腔室，但並不限定於此，區塊數既可為單數，亦可為複數。

圖11係表示一個區塊(110、120、130)之構成之圖，(a)係俯視圖，(b)係側視剖面圖。上方凸緣48係設置有12個螺栓孔112之包含JIS(Japanese Industrial Standards，日本工業標準)、JPI(Japan Petroleum Institute，日本石油學會)、ANSI(American National Standards Institute，美國國家標準學會)、ISO(International Organization for Standardization，國際標準化組織)之工業標準品。一個區塊之上下方向之長度為例如20~40cm。上方凸緣48係於熱交換腔室之側壁41之上端部分藉由焊接而被固接。構成側壁41之附波紋樹脂管係具有包含JIS、ANSI、ISO之工業標準之尺寸之配管，可將熱交換腔室47之內周壁設為鋸齒構造，並且顯著地抑制製造成本。同樣地，於側壁41之下端部分，藉由焊接而固接有JIS5K 型之下方凸緣49。本實施形態例之側壁41及凸緣48、49中之任一者均包含PVC(聚氯乙烯)，由側壁41界定之熱交換腔室47之內徑為ψ 253mm。如此，於第4實施形態例中，可藉由工業標準尺寸品構成側壁41及凸緣48、49，故而可根據用途簡單地調節長度及內徑。

於側壁41之外周，於長度方向形成有多個環狀溝，該等環狀溝被導熱構件42覆蓋。作為導熱構件42，例如揭示有使用導熱膠合劑或導熱性接著材料。側壁41及導熱構件42之外周面係由筒狀之導熱套管43以面接觸之方式覆蓋。導熱套管43係由導熱率良好之金屬、例如碳鋼、鋁、純銅構成。於該導熱套管43形成有螺旋溝，沿著該螺旋溝高密度地捲繞有熱介質管44。熱介質管44係藉由筒狀之壓固構件45按壓至導熱套管43，即便因熱而導致產生膨脹，亦可保持導熱套管43與熱介質管44之接觸。於本實施形態例中，由銅構成熱介質管44，由SUS構成壓固構件45。熱介質管44係與用以供給冷媒或熱媒之供給管51、及用以將冷媒或熱媒向下一處送出之送出管52連接。於本實施形態例中，藉由在區塊間連結之一根管構成於各區塊進行熱交換之熱介質管44，但並不限定於此，亦可構成為與分別獨立之熱交換介質供給源連接，或亦可構成為與以複數個單元獨立之熱交換介質供給源連接。

於位於最上段之第1區塊110設置有沿鉛垂方向延伸之鑽頭形之噴霧嘴。噴霧嘴為前端較細之形狀，於中心具有與流體供給通路連通之前端較細之形狀之空間即吐出流路，且具備呈螺旋狀開口之吐出口。

使用本實施形態例之裝置，於設定溫度-5℃、流量15 ~30L/min之範圍內進行試驗，將測定出口溫度所得之結果示於表3。冷媒係使用乙二醇，但亦可使用其他冷媒(Galden等)。使用冷卻能力最大為3000W之冷卻器時，可明確得知自被冷卻流體奪取之熱量於整個流量區域為1500W以上，熱轉換率為50%以上。

(產業上之可利用性)

以下例示可有效地使用本發明之熱交換器之用途。

(1)主要進行藥液、純水等液體之熱交換之熱交換器。

(2)於食品領域等被用於殺菌、調理、乾燥之產生沸點以上之水蒸氣之加熱水蒸氣產生裝置。

(3)於半導體、太陽電池材料等中，使前驅體高效率地氣化之氣化器。

(4)製作欲混合之材料之最具活性之條件(溫度)，而將2種流體高效率地混合之臭氧水、氫水等之製造裝置。

(5)藉由使溫度上升而成為水蒸氣，藉此產生重金屬與水易於分離之狀態，並藉由使水蒸氣通過分離器而高效率地回收重金屬之排水處理等重金屬濃縮裝置。

20‧‧‧熱交換器

21‧‧‧傳熱內壁

22‧‧‧熱源

23‧‧‧隔熱材料

24‧‧‧腔室部

25‧‧‧噴霧嘴

26‧‧‧孔口

27‧‧‧熱交換腔室

60‧‧‧氣體供給裝置

61‧‧‧氣體供給管

62‧‧‧液體供給管

Claims (14)

1. 一種熱交換器，其包括：腔室；噴嘴，其將自流體供給通路供給之加壓流體呈霧狀噴射至腔室內；熱源，其對呈霧狀噴射至腔室之流體賦予熱或冷熱；及孔口，其與用以排出腔室內流體之出口連通，並將腔室內維持為高於大氣壓之壓力。
2. 如申請專利範圍第1項之熱交換器，其係藉由在腔室內產生對流而進行熱交換。
3. 如申請專利範圍第2項之熱交換器，其中，上述噴嘴之流量與上述孔口之孔徑之平方實質上成正比例。
4. 如申請專利範圍第3項之熱交換器，其中，自上述流體供給通路供給之加壓流體係加壓液體；上述噴嘴係將上述加壓液體以直徑為20~60μm之霧之形式進行噴霧之噴嘴。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之熱交換器，其中，腔室之內壁面為鋸齒構造。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之熱交換器，其包括構成上述腔室之內壁面之內壁構件、及將來自熱源之熱傳輸至內壁構件之導熱體；且導熱體包含導熱率較內壁構件良好之材料。
7. 如申請專利範圍第6項之熱交換器，其中，與內壁構件接觸之導熱體之面為鋸齒構造之面；與導熱體接觸之內壁構件之面為鋸齒構造之面。
8. 如申請專利範圍第1或4項中任一項之熱交換器，其中，上述噴嘴係以使自流體供給通路供給之流體一部分碰撞至腔室內壁面之方式進行噴霧之擴散噴嘴。
9. 如申請專利範圍第8項之熱交換器，其中，於自噴嘴呈霧狀噴射之流體所碰撞之部分，配置鉛垂方向之長度較熱源短之導熱體。
10. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之熱交換器，其中，上述腔室係連結複數個中空區塊而構成。
11. 如申請專利範圍第10項之熱交換器，其中，上述區塊係具有由工業標準規定之尺寸之管。
12. 如申請專利範圍第11項之熱交換器，其中，上述區塊具備設置於端部之一對凸緣，該凸緣具有由工業標準規定之尺寸。
13. 一種熱交換方法，其係使用申請專利範圍第1至4項中任一項之熱交換器，並與自噴嘴噴射至腔室內之流體進行傳熱型熱交換。
14. 一種熱交換方法，其係使用申請專利範圍第4項之熱交換器，將自噴嘴噴射至腔室內之流體氣化並且進行熱交換。