TWI686581B - 連續螺旋擋板熱交換器 - Google Patents

Abstract

一種加熱器總成包括一系列連續之經打孔螺旋部件及多個加熱元件。該等經打孔螺旋部件合作以界定圍繞該加熱器總成之一縱向軸線安置的一幾何螺旋面。每一經打孔螺旋部件界定相對邊緣及一預定圖案之穿孔。該等穿孔平行於該縱向軸線延伸通過每一經打孔螺旋部件。該等加熱元件延伸通過該等穿孔。

Description

連續螺旋擋板熱交換器

發明領域

本揭示案大體係關於加熱設備，且更特定言之係關於用於加熱流體之熱交換器。

發明背景

此章節中之陳述僅僅提供與本揭示案相關之背景資訊且可能不構成先前技術。

熱交換器一般包括管狀器皿及安置於管狀器皿內部之多個加熱元件。工作流體在一縱向末端處進入管狀器皿且在另一縱向末端處退出。隨著工作流體在管狀器皿內部流動，工作流體藉由多個加熱元件加熱。在流體對流體熱交換器中，加熱元件為加熱流體流動通過之管。熱量經由管之壁自加熱流體傳送至工作流體。在電熱交換器中，加熱元件為電加熱元件(例如，電阻加熱元件)。

為了更快速且有效地加熱工作流體，典型熱交換器可增加總的熱交換面積或增加加熱元件之熱通量，以增加熱輸出。然而，增加總的熱交換面積之典型方法可在熱交換器中採取可另外用於含有工作流體的更大空間， 且增加加熱元件之熱通量的典型方法可藉由加熱元件之材料及設計以及其他特定應用要求來限制。

發明概要

在一形式中，提供一種加熱器總成，其包括一系列連續之螺旋部件及多個加熱元件。每一螺旋部件界定相對邊緣及一預定圖案之穿孔，該等穿孔延伸通過每一螺旋部件且平行於該加熱器總成之一縱向軸線。該等多個加熱元件延伸通過該系列連續之螺旋部件的該等穿孔(且在一形式中，通過所有該等穿孔)。該系列連續之螺旋部件界定一幾何螺旋面。

在另一形式中，一種電熱交換器包括界定一空腔之一主體、安置於該空腔內之一加熱器總成，及經組配來將該加熱器總成緊固至該主體的一近端凸緣。該加熱器總成界定一縱向軸線，且包括一系列連續之螺旋部件及多個加熱元件。每一螺旋部件界定相對邊緣及一預定圖案之穿孔，該等穿孔延伸通過每一螺旋部件且平行於該縱向軸線。該等多個加熱元件延伸通過該系列連續之螺旋部件的該等穿孔。該系列連續之螺旋部件界定一幾何螺旋面。

在再一形式中，在一電熱交換器中，一裝置沿著該電熱交換器之一長度提供一一致線性溫度上升。該裝置包括一系列連續之螺旋部件。每一螺旋部件界定相對邊緣及一預定圖案之穿孔，該等穿孔延伸通過每一螺旋部件且平行於該電熱交換器之一縱向軸線。該系列連續之螺 旋部件界定一幾何螺旋面，且該等穿孔經組配來接納加熱元件。

在一形式中，一種加熱器總成包括一系列連續之經打孔螺旋部件及多個加熱元件。該等經打孔螺旋部件合作以界定圍繞該加熱器總成之一縱向軸線安置的一幾何螺旋面。每一經打孔螺旋部件界定相對邊緣及一預定圖案之穿孔。該等穿孔平行於該縱向軸線延伸通過每一經打孔螺旋部件。該等加熱元件延伸通過該等穿孔。

根據另一形式，每一加熱元件包括一第一片段、一第二片段，及連接該第一片段與該第二片段之一彎曲件。該第一片段延伸通過該等穿孔之一第一集合。該第二片段延伸通過該等穿孔的一第二集合。該等穿孔之該第二集合平行於該等穿孔之該第一集合且自其偏移。

根據另一形式，該等多個加熱元件係以一同心圖案配置。

根據又一形式，該加熱器總成進一步包括一中央支撐部件。該等經打孔螺旋部件中之每一者界定一中央孔隙且該中央支撐部件延伸通過該中央孔隙。

根據另一形式，該加熱器總成進一步包括延伸通過該中央支撐部件之一內部的一溫度感測器，該溫度感測器包括在該中央支撐部件之外部的一探針。

根據另一形式，該加熱器總成進一步包括經組配來將該加熱器總成緊固至一熱交換器主體之一近端凸緣。該凸緣界定多個凸緣孔隙及一中央凹槽。該等凸緣孔 隙與該等經打孔螺旋部件之該等穿孔對準。該等加熱元件延伸通過該等凸緣孔隙。該中央支撐部件接納於該中央凹槽中。

根據另一形式，該加熱器總成進一步包括一通風孔隙，該通風孔隙在該中央支撐部件之一外部與該中央支撐部件的接近該凸緣之一內部之間提供流體連通。

根據另一形式，該中央支撐部件包括至少一額外加熱器。

根據另一形式，該加熱器總成進一步包括安置於該系列連續之經打孔螺旋部件之一遠端處的一未經打孔螺旋部件，該未經打孔螺旋部件形成該幾何螺旋面之一延伸部。

根據另一形式，該等加熱元件中之每一者緊固至每一加熱元件延伸通過之每一穿孔的至少一部分。

根據另一形式，來自一螺旋部件之相對邊緣與來自一鄰近螺旋部件之相對邊緣重疊。

根據另一形式，來自一螺旋部件之相對邊緣與來自一鄰近螺旋部件之相對邊緣間隔開且藉由一橋接部件與其連接。

根據另一形式，該加熱器總成進一步包括平行於該縱向軸線延伸之多個桿。每一經打孔螺旋部件之一周邊界定多個凹槽，且該等桿至少部分地安置於該等凹槽的一相應集合內。

根據另一形式，該等桿自該等凹槽向外延伸 超過每一經打孔螺旋部件之該周邊。該加熱器總成經組配來接納於一主體之一圓柱形空腔內且該等桿經組配來提供與界定該圓柱形空腔的該主體之一壁的滑動接觸。

根據另一形式，該加熱器總成進一步包括一護罩，該護罩圍繞該等經打孔螺旋部件中之至少一者安置且耦接至該等桿。

根據另一形式，該等桿並未向外延伸超過每一經打孔螺旋部件之該周邊。

根據另一形式，該護罩為經組配來相對於該縱向軸線徑向向內反射輻射能量之一遮熱板。

根據另一形式，該護罩包括至少一裙板，該至少一裙板界定相對於該縱向軸線徑向向外延伸之多個可變形襟翼。

根據另一形式，該至少一裙板接近該加熱器總成之一近端部分或一遠端部分而安置。

根據另一形式，該至少一裙板包括一第一裙板及一第二裙板。該第一裙板安置於該加熱器總成之一近端部分處且該第二裙板安置於該加熱器總成的一遠端部分處。

根據另一形式，該系列連續之經打孔螺旋部件界定一可變間距。

根據另一形式，該系列連續之經打孔螺旋部件在接近該加熱器總成之一入口末端處比起該加熱器總成之一出口末端處具有一更長間距。

根據另一形式，該等加熱元件為電阻加熱元件。

根據另一形式，該等電阻加熱元件為如下群組中之一者：一管式加熱器、一筒式加熱器或一多室加熱器。

根據另一形式，該等多個加熱元件包括一第一加熱元件及一第二加熱元件，該第一加熱元件具有不同於該第二加熱元件之一長度。

根據另一形式，該加熱器總成進一步包括圍繞該縱向軸線同軸地安置之一對準板。該對準板界定與該等經打孔螺旋部件之穿孔對準的多個板孔隙。

在另一形式中，一種熱交換器包括一主體、一加熱器總成及一近端凸緣。該主體界定一圓柱形空腔。該加熱器總成界定一縱向軸線。該加熱器總成包括一系列連續之經打孔螺旋部件及多個加熱元件。該等經打孔螺旋部件安置於該圓柱形空腔內且界定一幾何螺旋面。每一經打孔螺旋部件界定相對邊緣及一預定圖案之穿孔，該等穿孔延伸通過每一經打孔螺旋部件且平行於該縱向軸線。該等加熱元件延伸通過該等經打孔螺旋部件之該等穿孔。該近端凸緣將該加熱器總成緊固至該主體。

根據另一形式，該熱交換器進一步包括平行於該縱向軸線縱向地延伸之多個桿。每一經打孔螺旋部件之一周邊界定多個凹槽，且該等桿部分地安置於該等凹槽之一相應集合內且具有自該等經打孔螺旋部件之該周邊徑 向向外延伸的一厚度，使得該等桿與界定該圓柱形空腔的該主體之一內部壁滑動接觸。

根據另一形式，該熱交換器進一步包括一裙板，該裙板包括在該等經打孔螺旋部件與界定該圓柱形空腔的該主體之一內部壁之間徑向延伸的可彈性變形襟翼。

根據另一形式，該主體在該圓柱形空腔之一近端處包括一入口且在該圓柱形空腔之一遠端處包括一出口。該加熱器總成進一步包括耦接至該系列連續之經打孔螺旋部件中之一最後經打孔螺旋部件的一未經打孔螺旋部件。該未經打孔螺旋部件形成該幾何螺旋面之一延伸部且在該出口處或之前沿著該幾何螺旋面開始。

根據另一形式，該未經打孔螺旋部件具有等於該出口之一直徑的一間距。

在另一形式中，一種加熱器總成包括一連續經打孔螺旋擋板及多個加熱元件。該擋板圍繞一縱向軸線界定一幾何螺旋面。該經打孔螺旋擋板界定一預定圖案之穿孔，該等穿孔延伸通過該經打孔螺旋擋板且平行於該縱向軸線。該等加熱元件延伸通過該等穿孔。

根據另一形式，該幾何螺旋面具有沿著該縱向軸線變化之一間距。

根據另一形式，該間距為連續可變的。

另外的適用性區域將自本文所提供之描述變得顯而易見。應理解，描述及特定實例僅意欲用於說明之目的，且不欲限制本揭示案的範疇。

10、90、210:加熱器總成

12:安裝凸緣

14:流動導引裝置

16:加熱元件

18:經打孔螺旋部件

20:近端部分/近端

21:遠端部分

22:連續螺旋流動導引通道/流動路徑

23:未經打孔螺旋部件

26、28:相對邊緣

30:穿孔

32:內外圍邊緣

34:中央孔隙

36、260:外圍凹槽

40:中央支撐部件

42:筆直部分

44:彎曲部分

46:焊接接頭/焊接部

50:支撐桿

51:圓柱形護罩部件

52、230:護罩

53:可變形襟翼

54:未經加熱部分

56:經加熱部分

58:板主體

60、222、226、256:孔隙

62:螺栓孔

64:圓形中央凹部或凹槽

80:熱交換器/電熱交換器

82:管狀主體或殼體

83:配合凸緣

84:圓柱形空腔

86:入口

88:出口

92、94:虛線

96:軸向末端

97、98:線

214:第一提升部件

218:第二提升部件

234:薄壁圓柱形護罩部件

238:外表面

242、246、318:鑽孔

250:扣件

254:對準板

262:有鍵中心孔

264:鍵

266:鍵槽

300:感測器

310:探針末端/加熱器總成

314:感測器槽/閉合末端

410:通風孔隙

414:開始端

418:結束端

F:螺旋方向

P1:第一固定間距

P2:第二固定間距

P3:第三固定間距

X:縱向軸線

本揭示案將變得自詳細描述及隨附圖式更全面地理解，其中：圖1為根據本揭示案之教示所建構的加熱器總成之透視圖；圖2為圖1之加熱器總成的一系列連續之螺旋部件的透視圖；圖3為圖2之螺旋部件的透視圖；圖4為圖3之螺旋部件的前視圖；圖5為圖1之一系列連續之螺旋部件及中央支撐部件的透視圖；圖6為圖1之螺旋部件及加熱元件的部分透視圖；圖7為展示加熱元件與螺旋部件之間的連接之視圖；圖8為圖1之螺旋部件及加熱元件的部分透視圖；圖9為安裝至螺旋部件之加熱元件的前視圖；圖10為安裝至螺旋部件之加熱元件的前視圖，其展示加熱元件之不同配置；圖11為圖1之加熱器總成的部分透視圖，其中護罩經移除以展示未經打孔螺旋部件及支撐桿；圖12為圖1之加熱器總成的部分透視圖，其 中護罩及未經打孔螺旋部件經移除；圖13為圖1之部分A的放大視圖；圖14為圖1之部分B的放大視圖；圖15為圖1之近端安裝凸緣的透視圖；圖16為根據本揭示案之教示所建構的電熱交換器之剖視透視圖；圖17為圖16之電熱交換器的剖視前視圖；圖18為展示沿著圖1之加熱器總成的溫度分佈之圖式；圖19為曲線圖，其展示相對於距用於傳統熱交換器及用於具有圖18之加熱器總成的熱交換器之近端安裝凸緣的距離之加熱元件表面溫度；圖20為根據本揭示案之教示的第二構造之加熱器總成的左側透視圖，其說明為任選護罩被安裝；圖21為圖20之加熱器總成的右側透視圖，其說明為無任選護罩被安裝；圖22為圖20之護罩之一區段的透視圖；圖23為圖20之加熱器總成之遠端的透視圖；圖24為圖20之加熱器總成之中央管及安裝凸緣的透視圖；圖25為圖24之中央管及安裝凸緣的分解透視圖；圖26為根據本揭示案之教示的熱交換器之透視圖，其包括圖20之加熱器總成； 圖27為圖26之熱交換器之近端的橫截面圖；圖28為圖26之熱交換器之遠端的橫截面圖；及圖29為根據本揭示案之教示的第三構造之加熱器總成的透視圖，其說明筆直的加熱元件。

相應的參考數字遍及圖式之若干視圖指示相應部分。

較佳實施例之詳細說明

以下描述在本質上僅為示範性的且不欲限制本揭示案、應用或用途。

參看圖1，根據本揭示案之教示所建構的加熱器總成10經組配來安置於熱交換器80(圖16及圖17中所示)之管狀主體82或殼體內部，以加熱流動通過電熱交換器80的工作流體。加熱器總成10可藉由近端板或安裝凸緣12安裝至熱交換器80之管狀主體82。加熱器總成10包括流動導引裝置14及在流動導引裝置14內延伸且相對於流動導引裝置14緊固的多個加熱元件16。加熱器總成10界定近端部分20及遠端部分21，近端部分20及遠端部分21界定加熱器總成10之縱向軸線X。安裝凸緣12安置於加熱器總成10之近端部分20處。多個加熱元件16沿著加熱器總成10之縱向軸線X延伸。

參看圖2，流動導引裝置14包括多個經打孔螺旋部件18或螺旋擋板，該等經打孔螺旋部件18或螺旋擋 板沿著加熱器總成10之縱向軸線X以線性陣列連接以界定連續幾何螺旋面。連續幾何螺旋面使得每一經打孔螺旋部件18界定表面，該表面遵循圍繞縱向軸線X之螺旋路徑。任選地，流動導引裝置14進一步包括螺旋末端擋板或未經打孔螺旋部件23，該螺旋末端擋板或未經打孔螺旋部件23鄰近於加熱器總成10之遠端部分21而安置且連接至鄰近的經打孔螺旋部件18以形成連續幾何螺旋面之延伸部。多個經打孔螺旋部件18及未經打孔螺旋部件23界定連續螺旋流動導引通道22，以在其中導引工作流體流動且在熱交換器80(圖16及圖17)之管狀主體82內產生螺旋流。

參看圖3及圖4，經打孔螺旋部件18各自呈金屬薄片之形式，該金屬薄片彎曲以形成一完整螺旋匝。儘管在圖式中未展示，但應理解，金屬薄片可彎曲以形成一螺旋匝之僅一部分或一個以上螺旋匝。經打孔螺旋部件18各自界定相對邊緣26及28，以及延伸通過每一經打孔螺旋部件18的預定圖案之穿孔30。來自一經打孔螺旋部件18之相對邊緣26或28可焊接至來自鄰近經打孔螺旋部件18的相對邊緣28或26。在一形式中，如圖8中所示，一經打孔螺旋部件18之相對邊緣26或28可與來自鄰近經打孔螺旋部件18的相對邊緣28或26重疊。在圖8中所示之實例中，此重疊等於約1.01個旋轉以提供額外覆蓋範圍。在另一形式中，如圖6中所示，來自一經打孔螺旋部件18之相對邊緣26或28可鄰接且焊接至來自鄰近經打孔螺旋部件18的相對邊緣28或26，使得鄰近經打孔螺旋部件18之表面 形成連續表面。在並未特定展示之另一實例中，來自一經打孔螺旋部件18之相對邊緣26或28可藉由橋接部件(未圖示)結合至鄰近經打孔螺旋部件18的相對邊緣28或26。橋接部件在形狀上可為螺旋面的或可為另一形狀，諸如以循環方式延伸短的距離。

因此，經打孔螺旋部件18係沿著加熱器總成10之縱向軸線X連接，以形成經打孔螺旋部件18的線性陣列(一系列連續的)。多個經打孔螺旋部件18中之穿孔30係沿著平行於加熱器總成10之縱向軸線X或正交於徑向方向的方向對準，因此導致相對於經打孔螺旋部件18之每一面的角度。未經打孔螺旋部件23連接至該系列連續之經打孔螺旋部件18的遠端。未經打孔螺旋部件23在結構上類似於經打孔螺旋部件18，但並未打孔。

經打孔螺旋部件18及未經打孔螺旋部件23中之每一者具有內外圍邊緣32，內外圍邊緣32以一方式為波狀外形的，使得當在平行於加熱器總成10之縱向軸線X的方向上檢視時，內外圍邊緣32界定與縱向軸線X同軸的中央孔隙34。在所提供之實例中，經打孔螺旋部件18各自沿著經打孔螺旋部件18之外周邊界定多個外圍凹槽36。類似地，未經打孔螺旋部件23沿著其外周邊界定多個外圍凹槽36。多個經打孔螺旋部件18(及未經打孔螺旋部件23)之外圍凹槽36亦沿著平行於加熱器總成10之縱向軸線X的方向對準。

螺旋間距、經打孔螺旋部件18之外直徑、經 打孔螺旋部件18之中央孔隙34的直徑及經打孔螺旋部件18之厚度可取決於工作流體的所要流動速率及所要流量而恰當地選擇。加熱元件16之數目及經打孔螺旋部件18中之穿孔30的數目可取決於所要熱輸出及熱效率而恰當地選擇。

參看圖5，加熱器總成10進一步包括中央支撐部件40，中央支撐部件40延伸通過經打孔螺旋部件18及未經打孔螺旋部件23之中央孔隙34以將多個經打孔螺旋部件18及未經打孔螺旋部件23連接在一起且針對加熱器總成10提供結構支撐。中央支撐部件40及未經打孔螺旋部件23亦可經組配來將額外加熱提供至工作流體。在一形式中，中央支撐部件40為額外加熱元件(例如，電加熱元件)。當亦用作額外加熱元件時，中央支撐部件40可包括一或多個電阻加熱元件，諸如筒式加熱器、管式加熱器或具有伸長組態以提供加熱及結構支撐兩者之任何習知加熱器。

參看圖6及圖7，多個加熱元件16***通過穿孔30。僅一對加熱元件16為說明之清晰起見展示於圖6及圖7中，但當完全裝配時，所有穿孔30接納加熱元件16通過其，使得流體沿著螺旋流動導引通道22行進且並不通過穿孔30。在所提供之實例中，多個加熱元件16各自具有夾鉗狀組態，且包括延伸通過經打孔螺旋部件18之穿孔30的一對筆直部分42及連接該對筆直部分42之彎曲部分44。加熱元件16可為任何合適類型之加熱元件，諸如電阻加熱元 件。

舉例而言，電管式加熱器、電筒式加熱器或多室加熱器可得以使用。當加熱元件16為電加熱元件時，其可含有電阻加熱元件(例如，加熱線圈，未特定展示)，該等電阻加熱元件可安置於筆直部分42內及在包括時安置於彎曲部分44內。在所提供實例中，電阻加熱線圈可延伸通過筆直部分42及彎曲部分44，且具有自各別筆直部分42之近端延伸的相對引線(未特定地展示)。另外參看圖29，筒型加熱器之一實例得以說明。在此實例中，加熱元件僅包括筆直部分42。每一筆直部分42終止於遠端處且加熱元件16並未彎曲以連接至筆直部分42中之兩者。實情為，電阻加熱元件(未圖示)安置於每一筆直部分42中，且電引線自每一筆直部分42之近端延伸。

返回至圖6及圖7，加熱元件16中之每一者緊固至每一加熱元件16延伸通過之每一穿孔30的至少一部分。在所提供實例中，加熱元件16係藉由在每一穿孔30之周邊的大約一半之上焊接來緊固，使得焊接接頭46沿著穿孔30之半周邊形成。

參看圖8，工作流體藉由經打孔螺旋部件18在流動導引通道22中導引以在螺旋方向F上流動，且藉由加熱元件16連續地加熱。藉由使用流動導引通道22，工作流體可經導引以橫向地流動跨越加熱元件16之加熱表面。因此，工作流體可藉由加熱元件16在熱交換器80之預定長度內更有效地加熱，如與工作流體在平行於熱交換器 之縱向軸線X的方向上流動的典型熱交換器(未圖示)相對。因為工作流體經恰當地導引以橫向地流動跨越加熱元件16之加熱表面，所以工作流體未經加熱之死區可得以避免。在並未特定地展示之傳統熱交換器中，死區可導致工作流體分解之污垢且引起加熱元件上的材料積聚及沈積物。因此，本教示之熱交換器可藉由增加流動均勻性且減少對殼體或器皿(例如，圖16及圖17中所示之主體82)的輻射熱損失而減少污垢且增加熱傳送效率。

參看圖9及圖10，加熱元件16可以一方式***至穿孔30中，使得加熱元件16之彎曲部分44在中央支撐部件40周圍形成同心圖案(圖9)，或相對於經打孔螺旋部件18之直徑形成對稱圖案(圖10)。在圖9及圖10中所示之組態之間，較大密度之加熱元件16可使用同心圖案配合於同一空間中，但其他組態及圖案可被使用。在圖9及圖10中所示之組態之間，同心圖案大體具有連接筆直部分42之較緊密彎曲半徑。因此，圖案亦可基於諸如元件密度或彎曲半徑之設計準則來選擇。如圖12中最佳地展示，加熱元件16可具有不同的長度，使得加熱元件16中之一些與其他加熱元件16相比沿著縱向軸線X延伸更遠。加熱元件16之長度可為基於其相對於未經打孔螺旋部件23之位置的。在一組態中，加熱元件16中之一或多者可為全部具有第一長度的加熱元件之第一集合，而一或多個不同的加熱元件16可為全部具有不同於第一長度之第二長度的加熱元件之第二集合。在此實例中，加熱元件16不限於具有僅兩個長度之 僅兩個集合，且額外集合及長度可被包括。

參看圖11及圖12，加熱器總成10可進一步包括多個支撐桿50，支撐桿50延伸通過經打孔螺旋部件18及未經打孔螺旋部件23之外圍凹槽36且平行於加熱器總成10的縱向軸線X。支撐桿50可向外延伸(亦即，在相對於縱向軸線X之徑向方向上)超過外圍凹槽36之周邊，且可組配為用於加熱器總成10安裝至熱交換器80(圖16及圖17)之管狀主體82之圓柱形空腔84中的滑桿。換言之，支撐桿50可減少加熱器總成10與管狀主體82(圖16及圖17)之內壁之間的直接表面接觸以減小摩擦，且因此減小使加熱器總成10滑動至管狀主體82中所需的力。或者，支撐桿50可經組配而並不延伸超過外圍凹槽36之周邊，且僅充當針對加熱器總成10的結構支撐件。在所提供實例中，支撐桿50焊接至經打孔螺旋部件18及未經打孔螺旋部件23。

返回參看圖1，加熱器總成10可進一步包括一對護罩52，護罩52提供於近端部分20及遠端部分21處以用於環繞經打孔螺旋部件18、未經打孔螺旋部件23、加熱元件16及支撐桿50。在近端處，護罩52大體定位於未經加熱部分54與經加熱部分56之間。儘管圖1展示兩個護罩52，但包括一個之任何數目個護罩52可經提供以環繞經打孔螺旋部件18、加熱元件16及支撐桿50。當一護罩52經提供時，護罩52可提供於遠端部分21或近端20處。

參看圖13及圖14，護罩52可各自界定圓柱形護罩部件51及多個可變形襟翼53，可變形襟翼53圍繞圓柱 形護罩部件51形成裙板。圓柱形護罩部件51可包裹經打孔及/或未經打孔螺旋部件18、23之部分。在所提供實例中，每一圓柱形護罩部件51沿著縱向軸線X延伸一長度，該長度為其環繞之相應的經打孔或未經打孔螺旋部件18、23的至少一完全螺旋間距。可變形襟翼53大體藉由切割護罩52之徑向向外帶凸緣的部分來形成，使得襟翼53可自圓柱形護罩部件51徑向向外延伸。與管狀主體82之內壁接觸可使襟翼53彈性變形，使得襟翼53偏置為與管狀主體82之內壁接觸以禁止流在熱交換器80之管狀主體82之間溢出，因此減輕竄氣。在所提供實例中，圖13中所示之遠端護罩52的襟翼53可靠近加熱器總成10之遠端軸向地定位，諸如恰好在熱交換器80之管狀主體82的出口88之前。舉例而言，遠端護罩52之襟翼53可在管狀主體82之出口88之前近似在圖17中所示的虛線92處定位。在所提供實例中，圖14中所示之近端護罩52的襟翼53可靠近經打孔螺旋部件18之開始處軸向地定位，諸如在管狀主體82之入口86之後。舉例而言，近端護罩52之襟翼53可在管狀主體82之入口86之後近似在圖17中所示的虛線94處定位。

參看圖15，近端安裝凸緣12經組配來將加熱器總成10緊固至熱交換器80之管狀主體82。近端安裝凸緣12包括板主體58、穿過板主體58之多個孔隙60及多個螺栓孔62。多個孔隙60與該系列連續之經打孔螺旋部件18的穿孔30對準，且經組配來將多個加熱元件16選路通過近端安裝凸緣12。儘管未特定地展示，但加熱元件16可密封至孔 隙60，使得流體被防止流動通過孔隙60。多個螺栓孔62係沿著板主體58之周邊界定。近端安裝凸緣12可藉由將螺栓(未圖示)***至螺栓孔62中且通過管狀主體82之配合凸緣(例如，圖26中所示之配合凸緣83)中的螺栓孔來安裝至熱交換器之管狀主體82。墊圈(未圖示)或其他密封材料可用以在安裝凸緣12與配合凸緣(例如，圖26中所示之凸緣83)之間形成不透流體的密封。在未圖示之另一組態中，端板或安裝凸緣12可藉由不同方式機械地附接至配合凸緣，該方式諸如焊接、閂鎖、夾具等。

近端安裝凸緣12可進一步界定經組配來對準中央支撐部件40之圓形中央凹部或凹槽64。中央凹槽64與縱向軸線X同軸，且中央支撐部件40之近端經組配來接納於中央凹槽64中。在所提供實例中，中央支撐部件40焊接至近端安裝凸緣12。

參看圖16及圖17，根據本揭示案之教示所組配的熱交換器80包括界定圓柱形空腔84之管狀主體或殼體82、入口86、出口88，及安置於管狀主體82內部的加熱器總成90。加熱器總成90界定近端部分20及遠端部分21。近端安裝凸緣12經組配來將加熱器總成90緊固至主體82。

加熱器總成90在結構上類似於圖1之加熱器總成，除了該系列連續之經打孔螺旋部件18及未經打孔螺旋部件23係以一方式連接以使得藉由經打孔螺旋部件18及未經打孔螺旋部件23所界定的螺旋面具有可變間距以外。因此，相似元件藉由相似參考數字來指示且其詳細描 述為清晰起見在本文中省略。在所提供實例中，出口88為徑向出口，使得其對通過徑向方向之流動路徑22開放。在未特定地展示之替代性組態中，出口88可為經由主體82之軸向末端96開放的軸向末端出口。

返回至所提供實例，藉由經打孔螺旋部件18及未經打孔螺旋部件23所界定之螺旋面可具有在近端部分20(靠近熱交換器80之入口86)處最大且在遠端部分21(靠近熱交換器80之出口88)處最小的間距。在一形式中，間距為連續變化之間距，其中間距自近端部分20至遠端部分21逐漸減小。或者，如圖17中所示，加熱器總成90可沿著加熱器總成90之縱向軸線X界定多個區。間距在特定區內可為固定的，而不同的區可具有不同的間距。舉例而言，加熱器總成90可界定三個加熱區，其中在第一區中具有第一固定間距P1、在第二區中具有第二固定間距P2，且在第三區中具有第三固定間距P3。第二固定間距P2大於第三固定間距P3且小於第一固定間距P1。第一間距P1定位於近端部分20處。第三間距P3定位於遠端部分21處。第二間距P2定位於第一間距P1與第三間距P3之間。儘管三個區得以說明，但更多或更少之區可被使用。在一形式中，每一經打孔螺旋部件18或一群組之經打孔螺旋部件18可沿著其特定長度具有恆定的螺旋間距，而不同的經打孔螺旋部件18或其不同群組可具有不同間距以形成可變間距幾何螺旋面。

在未特定地展示之替代性組態中，經打孔螺 旋面可得以形成，其並非來自連接在一起之個別部件，而是來自自加熱器總成之近端跨至遠端的單一連續螺旋面部件。舉例而言，單一螺旋面部件可經擠出、藉由經由相對之錐孔模饋飼帶坯薄片金屬而形成，或經3D列印。

參看圖18，圖式展示針對加熱器總成10、90之一特定組態，加熱元件16沿著縱向軸線X的溫度分佈。加熱元件16的鄰近於加熱器總成之近端部分的數個部分之溫度在特定實例中為大約33.94℃。隨著工作流體藉由經打孔螺旋部件18之流動導引通道22導引且流至加熱器總成10、90的遠端部分，溫度在所提供實例中逐漸增加至大約534.92℃。儘管圖18中所提供之實例說明針對一特定入口溫度之溫度分佈，但對加熱元件16之電力負荷，及流體之質量流率、其他溫度及分佈可得自不同的條件或組態。大體而言，根據本揭示案之教示所建構的加熱器總成將具有降低之加熱元件溫度，而無工作流體將不沿著其流動路徑被加熱的死區。

參看圖19，曲線圖展示距近端安裝凸緣12之距離與加熱元件16溫度之間的關係。近端安裝凸緣12係接近熱交換器80之入口86而安置。隨著工作流體進入入口86且流動遠離近端安裝凸緣12，加熱元件16之外表面的溫度穩定地且逐漸地增加，如藉由線97所示。對比而言，典型熱交換器(未圖示)之加熱元件的外表面具有較高之溫度，該溫度亦隨著流體流動遠離近端凸緣(亦即，自入口至出口)而增加及減小，如藉由線98所示。因此，本揭示案之 教示提供加熱器總成及熱交換器，該加熱器總成及熱交換器沿著熱交換器之長度提供加熱元件的一致且較低之線性溫度上升。

本揭示案之加熱器總成適用於任何加熱裝置(例如，電加熱裝置)來加熱工作流體。該系列連續之經打孔螺旋部件18導引流體以產生均勻螺旋交叉流動圖案。加熱器總成10、90之螺旋通道22可改變且增加工作流體的流動路徑，而不會增加加熱器總成10、90之長度。因此，加熱器總成10、90可改良自加熱器總成10、90至工作流體之熱傳送。在增加之熱傳送效率的情況下，加熱元件16之鞘溫度及熱交換器之殼體(例如，管狀主體82)的溫度可降低，且熱交換器之實體佔據面積可減小。

此外，經打孔螺旋部件18可由熱傳導性材料形成。因為經打孔螺旋部件18可連接至加熱元件16(例如，經由圖7中所示之焊接部46)，所以其可被視為加熱元件16之延伸部以充當延伸之加熱表面或熱展布器或鰭狀物來將熱量分佈至工作流體，藉此增加自加熱元件16至工作流體的熱傳送。中央支撐部件40可採取圓柱形電加熱裝置之形式，以對電熱交換器中之工作流體提供額外加熱。

此外，歸因於該系列連續之經打孔螺旋部件18的使用及中央支撐部件40之使用，加熱器總成10、90與習知熱交換器中之加熱器總成相比為更剛性的。中央支撐部件40連接至近端安裝凸緣12，近端安裝凸緣12又連接至熱交換器之主體。此連續結構改良熱交換器之振動特 性，藉此增加加熱器總成的剛性及潤濕特性。支撐桿50可進一步增加剛性及阻尼特性。

另外參看圖20至圖25，加熱器總成210得以說明，且參看圖26至圖28，具有加熱器總成210之熱交換器80得以說明。熱交換器80及加熱器總成210類似於熱交換器80及加熱器總成10、90，除了如本文另外展示或描述的內容以外。因此，相似元件藉由相似參考數字來指示且其詳細描述為清晰起見在本文中省略。

參看圖20及圖21，加熱器總成210可包括第一提升部件214及第二提升部件218。第一提升部件214固定地耦接至安裝凸緣12之周邊。在所提供實例中，第一提升部件214自安裝凸緣12之頂部延伸且界定孔隙222，鉤(未圖示)或其他提升裝置可經由孔隙222支撐加熱器總成210的近端。第二提升部件218固定地耦接至中央支撐部件40之遠端。在所提供實例中，第二提升部件218自中央支撐部件40之頂部延伸且與第一提升部件214對準。第二提升部件218界定孔隙226，鉤(未圖示)或其他提升裝置可經由孔隙226支撐加熱器總成210的遠端。在所提供實例中，第二提升部件218安置於未經打孔螺旋部件23之軸向長度內，但第二提升部件218可超過未經打孔螺旋部件23。第一提升部件214及第二提升部件218可用以提升加熱器總成210且將加熱器總成210定位於熱交換器80之管狀主體82中。

加熱器總成210可進一步包括護罩230。護罩 230包裹經打孔螺旋部件18、加熱元件16及支撐桿50。護罩230可為軸向長度，使得其沿著加熱器總成210之經加熱部分的整個長度(例如，包括圖1中所示之護罩52)或小於整個經加熱部分的長度延伸。另外參看圖22，護罩230可包括多個薄壁圓柱形護罩部件234。護罩部件234可禁止經打孔螺旋部件18與管狀主體82之間的竄氣。護罩部件234亦可自熱反射性材料形成或以熱反射性材料塗佈，以形成朝向縱向軸線X徑向向內反射熱量之遮熱板。此遮熱板可進一步減少對主體82之熱損失且減小主體82的溫度。鄰近的圓柱形護罩部件234可沿著縱向軸線X彼此鄰接。在一形式中，護罩230之圓柱形護罩部件234中的任一者可任選地包括可變形襟翼53(圖13及圖14)，使得護罩230亦可類似於護罩52(圖1、圖13及圖14)而起作用。

在所提供實例中，支撐桿50具有大體矩形或橫截面形狀，且每一支撐桿50之外表面238與經打孔及未經打孔螺旋部件18、23的外周長齊平。在一形式中，每一支撐桿50之外表面238可具有曲率，該曲率匹配經打孔及未經打孔螺旋部件18、23之外周長的曲率。護罩230附接至支撐桿50。在所提供實例中，支撐桿50包括多個鑽孔242，且每一圓柱形護罩部件234包括與支撐桿50之鑽孔242對準的多個鑽孔246。扣件250(例如，鉚釘、螺釘等)或塞孔焊接部被接納通過鑽孔242、246，且將圓柱形護罩部件234附接至支撐桿50。

另外參看圖23，加熱器總成210可進一步包 括對準板254。對準板254為平坦的圓盤，其包括多個孔隙256及外圍凹槽260。孔隙256為與經打孔螺旋部件18之穿孔30相同的大小且與穿孔30對準。外圍凹槽260為與外圍凹槽36相同之大小且與外圍凹槽36對準。支撐桿50接納於類似於外圍凹槽36之外圍凹槽260中。在所提供實例中，對準板254界定直徑類似於中央支撐部件40之直徑的有鍵中心孔262及徑向向內延伸之鍵264。在所提供實例中，中央支撐部件40包括鍵槽266，鍵槽266經由中央支撐部件40之遠端開放。鍵槽266延伸通過中央支撐部件40之壁且平行於縱向軸線X而縱向地延伸。鍵槽266在中央支撐部件40之圓周方向上具有對應於鍵264之寬度的寬度。中央支撐部件40係接納通過中心孔262且鍵264接納於鍵槽266中以禁止對準板254相對於中央支撐部件40之旋轉。在一形式中，中心孔262可包括圍繞中心孔262圓周地間隔之一個以上鍵264，且中央支撐部件40可包括匹配數目個鍵槽266。

繼續參看圖23，加熱器總成210可進一步包括一或多個感測器(例如，感測器300)。在所提供實例中，感測器300為熱電偶或其他溫度感測器，但其他類型之感測器可被使用。感測器300包括安置於流動導引通道22內之探針末端310。在所提供實例中，探針末端310接近於出口88(圖26及圖28)而安置且附接(例如，焊接或夾持)至加熱元件16中之一者。探針末端310可經組配來偵測其所附接至之加熱元件16的溫度。類似地，額外感測器(未圖示) 可附接至其他加熱元件16以偵測其溫度。在未圖示之替代性組態中，探針末端310可與加熱元件16分開，且經組配來偵測探針末端310處之工作流體的溫度。

感測器300自探針末端310朝向中央支撐部件40之遠端在中央支撐部件40的外側上大體沿著縱向軸線X縱向地延伸。在所提供實例中，中央支撐部件40之遠端包括感測器槽314，感測器槽314通過中央支撐部件40之外壁且與鍵槽266分開。感測器300具有彎曲件以延伸通過感測器槽314且進入中央支撐部件40的內部空腔。感測器300接著在中央支撐部件40內朝向中央支撐部件40之近端延伸。另外參看圖25，感測器300延伸通過安裝凸緣12中之鑽孔318。鑽孔318係在感測器300周圍密封以禁止流體流動通過鑽孔318。鑽孔318在凹槽64之徑向向內處。以此方式，在電加熱元件得以使用時連同加熱元件16之電連接，用於感測器300之電子連接可處於安裝凸緣12的背側上。

在未圖示之替代性組態中，穿孔30之一經對準集合可能不具有加熱元件16，且溫度感測器300可延伸通過穿孔30的該集合及相應之凸緣孔隙60。在此構造中，探針可沿著縱向軸線X安置於任何所要位置處。在替代性組態中，一或多個加熱元件16可用作虛擬感測器來偵測溫度。

另外參看圖24及圖25，通風孔隙410可准許在中央支撐部件40之近端之外部與內部之間的小量流體 連通。在所提供實例中，中央支撐部件具有通過近端的狹槽，該狹槽在中央支撐部件40接納於安裝凸緣12之凹槽64中時與安裝凸緣12合作以界定通風孔隙410。不同於圖15之凹槽64，圖25之凹槽64為不完整圓(亦即，並未圍繞縱向軸線X延伸完全圓周)。實情為，凹槽64具有與中央支撐部件40之近端中之狹槽對準的開始端414及結束端418。在所提供實例中，凹槽64具有鄰接中央支撐部件40之平坦底部表面的平坦底部。開始端414及結束端418亦形成確保中央支撐部件40之恰當旋轉對準的鍵。在所提供實例中，中央支撐部件40及安裝凸緣12及對準板254之間的鍵合作以將連續螺旋面定位於正確的旋轉位置中，使得穿孔30與孔隙60及256對準。在所提供實例中，在中央支撐部件40之兩個末端處的鍵沿著平行於縱向軸線X的同一線對準，但其他組態可被使用。在所提供實例中，凹槽64亦在凹槽64之開始端414及結束端418處徑向向外延伸小的距離。在所提供實例中，中央支撐部件40自凹槽64之開始端414至結束端418焊接至安裝凸緣12。換言之，中央支撐部件40係圍繞其圓周焊接，除了針對狹槽界定通風孔隙410之圓周區以外。通風孔隙410可與安裝凸緣12之頂部對準。在另一形式中，通風孔隙410可為藉由中央支撐部件40靠近近端整體地界定之孔。

特定參看圖27，第一經打孔螺旋部件18(亦即，靠近近端)之邊緣28可在入口86處或之前沿著縱向軸線X安置，使得來自入口之流進入流動路徑22。特定參看 圖28，最後經打孔螺旋部件18(亦即，靠近遠端)之相對邊緣26可在出口88處或之前沿著縱向軸線X安置。在所提供實例中，加熱元件16中之最長者沿著縱向軸線X延伸至部分地在與出口88對準之區內的位置，但其他組態可被使用。在所提供實例中，最後圓柱形護罩部件234可沿著縱向軸線X延伸以與加熱元件16中之最長者的末端軸向地重疊，來迫使流體在自出口88退出之前自最後加熱元件16流至未經打孔螺旋部件23，但其他組態可被使用。

另外參看圖29，第三構造之加熱器總成310的部分得以說明。加熱器總成310類似於加熱器總成10、90、210，除了如本文另外展示或描述的內容以外。因此，相似元件藉由相似參考數字來指示且其詳細描述為清晰起見在本文中省略。在所提供實例中，加熱元件16為終止於閉合末端314處的筆直元件。換言之，筆直部分42並未藉由彎曲部分連接。在所提供實例中，加熱元件16為諸如筒式加熱器之電阻加熱元件，所有其引線(未圖示)自同一筆直部分42在安裝凸緣12(圖26中所示)的相對側上延伸。

應注意，本揭示案不限於描述且說明為實例之實施例。已描述之廣泛多種修改及更多修改為熟習此項技術者之知識的部分。此等及其他修改以及藉由技術等效物之任何替代可添加至描述及諸圖，而不會離開本揭示案及本專利的保護範疇。

10…加熱器總成 12…安裝凸緣 14…流動導引裝置 16…加熱元件 20…近端部分/近端 21…遠端部分 52…護罩 54…未經加熱部分 56…經加熱部分 X…縱向軸線

Claims (34)

1. 一種加熱器總成，其包含：一系列連續之經打孔螺旋部件，其合作以界定圍繞該加熱器總成之一縱向軸線安置的一幾何螺旋面，每一經打孔螺旋部件界定相對邊緣及一預定圖案之穿孔，該等穿孔平行於該縱向軸線延伸通過每一經打孔螺旋部件；及多個電阻加熱元件，其延伸通過該等穿孔。
2. 如請求項1之加熱器總成，其中每一加熱元件包括一第一片段、一第二片段，及連接該第一片段與該第二片段之一彎曲件，該第一片段延伸通過該等穿孔之一第一集合，該第二片段延伸通過該等穿孔的一第二集合，該等穿孔之該第二集合平行於該等穿孔之該第一集合且自其偏移。
3. 如請求項1之加熱器總成，其中該等多個加熱元件係以一同心圖案配置。
4. 如請求項1之加熱器總成，其進一步包含一中央支撐部件，其中該等經打孔螺旋部件中之每一者界定一中央孔隙且該中央支撐部件延伸通過該中央孔隙。
5. 如請求項4之加熱器總成，其進一步包含延伸通過該中央支撐部件之一內部的一溫度感測器，該溫度感測器包括在該中央支撐部件之外部的一探針。
6. 如請求項4之加熱器總成，其進一步包含經組配來將該加熱器總成緊固至一熱交換器主體之一近端凸緣，該凸緣界定多個凸緣孔隙及一中央凹槽，該等凸緣 孔隙與該等經打孔螺旋部件之該等穿孔對準，該等加熱元件延伸通過該等凸緣孔隙，該中央支撐部件接納於該中央凹槽中。
7. 如請求項6之加熱器總成，其進一步包含一通風孔隙，該通風孔隙在該中央支撐部件之一外部與該中央支撐部件的接近該凸緣之一內部之間提供流體連通。
8. 如請求項4之加熱器總成，其中該中央支撐部件包括至少一額外加熱器。
9. 如請求項1之加熱器總成，其進一步包含安置於該系列連續之經打孔螺旋部件之一遠端處的一未經打孔螺旋部件，該未經打孔螺旋部件形成該幾何螺旋面之一延伸部。
10. 如請求項1之加熱器總成，其中該等加熱元件中之每一者緊固至每一加熱元件延伸通過之每一穿孔的至少一部分。
11. 如請求項1之加熱器總成，其中來自一螺旋部件之相對邊緣與來自一鄰近螺旋部件之相對邊緣重疊。
12. 如請求項1之加熱器總成，其中來自一螺旋部件之相對邊緣與來自一鄰近螺旋部件之相對邊緣間隔開且藉由一橋接部件與其連接。
13. 如請求項1之加熱器總成，其進一步包含平行於該縱向軸線延伸之多個桿，其中每一經打孔螺旋部件之一周邊界定多個凹槽，且該等桿至少部分地安置於該 等凹槽的一相應集合內。
14. 如請求項13之加熱器總成，其中該等桿自該等凹槽向外延伸超過每一經打孔螺旋部件之該周邊，其中該加熱器總成經組配來接納於一主體之一圓柱形空腔內且該等桿經組配來提供與界定該圓柱形空腔之該主體的一壁的滑動接觸。
15. 如請求項13之加熱器總成，其進一步包含一護罩，該護罩圍繞該等經打孔螺旋部件中之至少一者安置且耦接至該等桿。
16. 如請求項15之加熱器總成，其中該等桿並未向外延伸超過每一經打孔螺旋部件之該周邊。
17. 如請求項15之加熱器總成，其中該護罩為經組配來相對於該縱向軸線徑向向內反射輻射能量之一遮熱板。
18. 如請求項15之加熱器總成，其中該護罩包括至少一裙板，該至少一裙板界定相對於該縱向軸線徑向向外延伸之多個可變形襟翼。
19. 如請求項18之加熱器總成，其中該至少一裙板接近該加熱器總成之一近端部分或一遠端部分而安置。
20. 如請求項18之加熱器總成，其中該至少一裙板包括一第一裙板及一第二裙板，該第一裙板安置於該加熱器總成之一近端部分處且該第二裙板安置於該加熱器總成的一遠端部分處。
21. 如請求項1之加熱器總成，其中該系列連續之經打孔螺旋部件界定一可變間距。
22. 如請求項21之加熱器總成，其中該系列連續之經打孔螺旋部件在接近該加熱器總成之一入口末端處比起該加熱器總成之一出口末端處具有一更長間距。
23. 如請求項1之加熱器總成，其中該等加熱元件為電阻加熱元件。
24. 如請求項23之加熱器總成，其中該等電阻加熱元件為如下群組中之一者：一管式加熱器、一筒式加熱器或一多室加熱器。
25. 如請求項1之加熱器總成，其中該等多個加熱元件包括一第一加熱元件及一第二加熱元件，該第一加熱元件具有不同於該第二加熱元件之一長度。
26. 如請求項1之加熱器總成，其進一步包含圍繞該縱向軸線同軸地安置之一對準板，該對準板界定與該等經打孔螺旋部件之穿孔對準的多個板孔隙。
27. 一種熱交換器，其包含：一主體，其界定一圓柱形空腔；一加熱器總成，其界定一縱向軸線，該加熱器總成包含：一系列連續之經打孔螺旋部件，其安置於該圓柱形空腔內且界定一幾何螺旋面，每一經打孔螺旋部件界定相對邊緣及一預定圖案之穿孔，該等穿孔延伸通過每一經打孔螺旋部件且平行於該縱向軸線；及 多個電阻加熱元件，其延伸通過該等經打孔螺旋部件之該等穿孔；及一近端凸緣，其將該加熱器總成緊固至該主體。
28. 如請求項27之熱交換器，其進一步包含平行於該縱向軸線縱向地延伸之多個桿，其中每一經打孔螺旋部件之一周邊界定多個凹槽，且該等桿部分地安置於該等凹槽之一相應集合內且具有自該等經打孔螺旋部件之該周邊徑向向外延伸的一厚度，使得該等桿與界定該圓柱形空腔的該主體之一內部壁滑動接觸。
29. 如請求項27之熱交換器，其進一步包含一裙板，該裙板包括在該等經打孔螺旋部件與界定該圓柱形空腔的該主體之一內部壁之間徑向延伸的可彈性變形襟翼。
30. 如請求項27之熱交換器，其中該主體在該圓柱形空腔之一近端處包括一入口且在該圓柱形空腔之一遠端處包括一出口，其中該加熱器總成進一步包括耦接至該系列連續之經打孔螺旋部件中之一最後經打孔螺旋部件的一未經打孔螺旋部件，該未經打孔螺旋部件形成該幾何螺旋面之一延伸部且在該出口處或在該出口前沿著該幾何螺旋面開始。
31. 如請求項30之熱交換器，其中該未經打孔螺旋部件具有等於該出口之一直徑的一間距。
32. 一種加熱器總成，其包含：一連續經打孔螺旋擋板，其圍繞一縱向軸線界定一幾 何螺旋面，該經打孔螺旋擋板界定一預定圖案之穿孔，該等穿孔延伸通過該經打孔螺旋擋板且平行於該縱向軸線；及多個電阻加熱元件，其延伸通過該等穿孔。
33. 如請求項32之加熱器總成，其中該幾何螺旋面具有沿著該縱向軸線變化之一間距。
34. 如請求項33之加熱器總成，其中該間距為連續可變的。

Images