专利名称：热交换装置和应用该热交换装置的过热水蒸气发生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够实现小型化和低成本化、并且能够大幅度提高热交换效率的热交换装置和应用该热交换装置的过热水蒸气发生装置。
背景技术：
作为使传热流体在热交换流道内碰撞以提高热交换效率的热交换装置，公知有图10所示那样的热交换装置(参照日本特开平7-294162号公报)。
但是，该热交换装置100由于利用管来制作环状流道118，所以难以制作出均匀尺寸的流道，不能进行批量生产，因而不得不变成高成本。另外，由于管尺寸的制约，还存在不能制作出最佳设计尺寸的流道的情况，也不容易实现热交换装置100的小型化。
另外，当传热流体从连通管119流入环状管118内时，与以紊流状态在环状管118内流动的传热流体碰撞，所以与环状管118的内壁面碰撞的速度极端地降低，因而存在与内壁面碰撞时的热交换效率降低的缺点。
此外，传热流体与环状管118内壁面的碰撞限于在流入时发生，在流出时不会引起传热流体与环状管118内壁面的碰撞，通过与环状管118内壁面的碰撞而产生的热交换作用在一个环状管118中仅仅发生一次。因此，为了提高热交换效率，需要增大环状管118的截面面积，或者增加环状管118的根数。
进而，也没有为了使碰撞时的热交换效率最大，而对连通管119相对于环状流道118内壁面的安装角度、和环状流道118内壁面的形状等进行特别的研究。
作为热交换装置100的利用方式，在利用鼓风机等对热交换流道110内进行抽吸从而使传热流体在热交换流道110内流动的情况下，由于传热流体在不与环状管118的内壁面碰撞的状态下流动，所以热交换装置100的热交换效率大幅度降低。因此，必须将鼓风机设置在热交换流道110的近前。
另一方面，作为过热水蒸气发生方法，公知的有日本特开平10-337491号公报所公开的方法，即，利用从喷嘴以超音速喷出水蒸气的喷射器，从抽吸口抽吸高温气体，由此来使水蒸气的温度上升。
但是，利用该过热水蒸气发生方法，虽然能够得到高流速的过热水蒸气，但是由于高温气体的性质和状态，不能得到纯净的过热水蒸气，得到的是气体与蒸气的混合体，不能得到高纯度的过热水蒸气。
特别是在利用各种高温排气、火焰等的情况下，无法得到半导体用晶片的除尘清洗等所要求的超高纯度的过热水蒸气，存在不能用于清洗的缺点。另外，在不能利用火焰的无尘室内无法使用。
发明内容
本发明是鉴于上述现有技术的问题而完成的，其目的在于提供一种能够实现小型化和低成本化、并且能够大幅度提高热交换效率的热交换装置。
本发明的另一目的在于提供一种应用该热交换装置、能够得到高流速且高纯度的过热水蒸气的过热水蒸气发生装置。
为了实现上述目的，本发明的热交换装置的特征在于，该热交换装置由热交换流道以及与该热交换流道连通的流体的供给管和排出管构成，上述热交换流道由以下部分构成多条环状流道，它们以并列状态配置，并在周向上连通；多个流入口和流出口，它们以使该环状流道的流入口与流出口的位置在周向上错开的方式形成于上述环状流道；和多个连通管，它们使形成于不同的环状流道的上述流入口与上述流出口连通。
为了实现上述目的，本发明的过热水蒸气发生装置由供给水蒸气的水蒸气供给装置、对水蒸气进行加热的加热热源、和使水蒸气流通从而执行热交换的上述热交换装置构成。
图1是表示本发明热交换装置的一个实施例的主要部分的纵截面图。
图2是图1所示的热交换装置的主要部分的分解立体图。
图3是在热交换流道的供给侧配置鼓风机，通过鼓风机使空气在热交换流道内流通，从而实施热交换装置的性能试验的示意结构图。
图4是在热交换流道的排出侧配置鼓风机，通过鼓风机使空气在热交换流道内流通，从而实施热交换装置的性能试验的示意结构图。
图5是基于使用本发明热交换装置和现有的热交换装置并根据图3和图4所示的示意结构来实施性能试验的结果的、性能特性曲线图和性能比较表。
图6是将本发明的过热水蒸气发生装置应用到在无尘室内清洗半导体用晶片等的装置的情况下的示意结构图。
图7是基于使用电加热器实来施本发明的过热水蒸气发生装置的性能试验的结果的、性能特性曲线图和性能比较表。
图8是表示本发明的热交换装置的另一实施例的主要部分的纵截面图。
图9是图8所示的热交换装置的主要部分的分解立体图。
图10是现有的热交换装置的主要部分的立体图。
具体实施例方式
下面，参照附图详细地说明本发明的热交换装置和应用该热交换装置的过热水蒸气发生装置的实施方式。
如图1和图2所示，本发明的热交换装置1由热交换流道21以及与该热交换流道21连通的传热流体的供给管22和排出管23构成，热交换流道21由以下部分构成多条环状流道24，它们以并列状态配置，并且在周向上连通；多个流入口和流出口，它们以使该环状流道的流入口与流出口的位置在周向上错开的方式形成于上述环状流道24；和多个连通管25，它们使形成于不同的环状流道24、24的上述流入口与上述流出口连通。
环状流道24通过使相同形状和尺寸的环状流道构成部件241、241对置、使它们的端面彼此抵接并进行焊接等来构成。
环状流道构成部件241由环状平面部241a、外侧周面部241b以及内侧周面部241c构成，在环状平面部241a上沿周向等间隔地贯穿设置有连通孔241d。环状流道构成部件241通过对金属板材进行冲压加工或将熔融金属铸造而成形。
在将环状流道构成部件241、241彼此焊接起来以构成环状流道24时，如图2所示，使一个环状流道构成部件241的连通孔241d与另一个环状流道构成部件241的连通孔241d在周向上错开，然后通过焊接等将环状流道构成部件241、241彼此紧固在一起。
连通管25通过将预定直径的金属管材切断为适当长度而形成，在连通管25贯穿插入在贯穿设置于上述环状流道构成部件241的连通孔241d中、并且从环状流道构成部件241的环状平面部241a的内壁面突出的状态下，通过焊接等紧固该连通管25的外周面与连通孔241d抵接的部位。
另外，将环状流道构成部件241、241彼此紧固来构成环状流道24，将连通管25、25……贯穿插入并紧固于环状流道构成部件241，接下来，如果依次同样进行，则构成图1所示的、多条环状流道24、24……以并列状态配置的热交换流道21。
此外，在与传热流体的供给管22和排出管23连通的热交换流道21两端部配置有贮存槽26、26。
贮存槽26通过使贮存槽构成部件261、262对置、使它们的端面彼此抵接并进行焊接等而构成。
贮存槽构成部件261由圆形平面部261a和外侧周面部261b构成，在圆形平面部261a上沿周向等间隔地贯穿设置有连通孔261c。另一方面，贮存槽构成部件262由圆形平面部262a和外侧周面部262b构成，在圆形平面部262a上，在中央部贯穿设置有连通孔262c。此外，贮存槽构成部件261、262通过对金属板材进行冲压加工或将熔融金属铸造而成形。
流体供给管22和流体排出管23通过将预定直径的金属管材切断为适当长度而形成，在流体供给管22和流体排出管23贯穿插入在贯穿设置于上述贮存槽构成部件262的连通孔262c中、并从贮存槽构成部件262的圆形平面部262a的内壁面突出的状态下，通过焊接等紧固它们的外周面与连通孔262c抵接的部位。
此外，在连通管25贯穿插入在贯穿设置于上述贮存槽构成部件261的连通孔261c中、并从贮存槽构成部件261的圆形平面部261a的内壁面突出的状态下，通过焊接等紧固该连通管25的外周面与连通孔261c抵接的部位。
如上所述，通过贮存槽26、26使流体供给管22和流体排出管23连通于热交换流道21的两端部，由此构成本发明的热交换装置1。
在构成热交换装置1时，使从环状流道构成部件241的环状平面部241a的内壁面突出的连通管25的前端面25a与对置的环状流道构成部件241的环状平面部241a的内壁面接近，直到接近距离为不会对在连通管25流通的流体的流量进行节流的距离。如果设连通管25的截面面积为S，外周长为L，则该接近距离优选设定为0.1×S/L～10×S/L。此外，连通管25的中心轴与环状流道构成部件241的环状平面部241a的内壁面优选配置成大致垂直。
如上所述，本发明的热交换装置1并不是通过管来构成环状流道24，而是通过使相同形状和尺寸的环状流道构成部件241、241对置并进行焊接等来构成，因此，仅通过调整连通孔241d的周向位置并进行组合，就能够容易地制作出正确尺寸的环状流道24。
另外，如果通过冲压加工或铸造来制作环状流道构成部件241，则能够容易地制作出正确的环状流道24，并且能够以最少的部件数量大批量地制作低成本的环状流道24。同时，如图1所示，使连通管25突出到环状流道24内变得容易。
此外，本发明的热交换装置1如图1所示，由于使连通管25的前端面25a与环状流道24的内壁面24a-1接近到不会对传热流体的流量进行节流的距离，因此，流入的传热流体几乎不会受到以紊流状态在环状流道24内流动的传热流体的影响，即，在几乎不减小流速的情况下与壁面24a-1碰撞，因此热交换效率大幅度地上升。
此外，如图1所示，由于使连通管25的中心轴与环状流道24的内壁面24a大致垂直地配置，因此，全部传热流体以相同状态与环状流道24的内壁面24a-1碰撞，从而能够保持热交换效率稳定。
另外，如果使出口侧的连通管25的后端面25b与环状流道24的内壁面24a-2接近到不会对传热流体的流量进行节流的距离，则与环状流道24的内壁面24a-1碰撞的传热流体成为紊流，并与相反侧的环状流道24的内壁面24a-2碰撞进行热交换，所以能够在一个环状流道24两侧的内壁面24a-1、24a-2进行热交换，从而使得热交换效率进一步上升。
此外，由于以紊流状态在环状流道24内流通的传热流体也不会受到流入和流出的传热流体的影响，因此环状流道24的侧壁面24b处的热交换效率也升高。
由于传热流体从连通管25的出口流动到下一个环状流道24中，并发挥同样的作用，因此，即使是同一大小的热交换流道21，也能够进一步使更多量的传热流体进行热交换。此外，即使设置有多个环状流道24，传热流体的流速也几乎不会减小，从而能够在高流速的传热流体的速度不降低的情况下进行热交换。
进行了上述改进的热交换装置1通过在热交换流道21的出口侧设置鼓风机来抽吸传热流体的方法，也能够进行良好的热交换，大幅度地扩大了应用范围。
例如，由于能够利用小型热交换装置使大容量的流体高效地进行热交换，因此作为使大容量空气进行热交换的热泵式空调机中的热交换装置最合适。
接下来，如图3和图4所示，在可盛满热水的容器2内配置热交换流道21，通过使热水循环来提供热量，并利用鼓风机4供给空气，从而实施热交换流道21的性能试验。
实验中所使用的热交换流道21使用的是配置有两个外径为200mm的环状流道24的热交换流道，并使用了能够一直供给7m3/min的空气的鼓风机4。使用气体燃烧器5来生成热水，对热量由热交换流道21获取后的热水进行再加热，并通过泵3使其循环，由此来不停地补给热水。
如图4所示，在将鼓风机4设置在热交换流道21的出口侧来抽吸空气的方法中，在以往的、连通管119不突出到环状流道118内的热交换流道110中，所抽吸的空气不与环状流道118的内壁面碰撞，作为热交换装置不能充分发挥性能。
但是，在本发明的、连通管25突出到环状流道24内的热交换流道21中，不论是如图3所示的吹送供给空气的情况下，还是如图4所示的抽吸空气的情况下，都能发挥良好的热交换性能，大幅度地扩大了应用范围。根据实验例，能够实现4532Kcal/h(5.3KW/h)的热交换性能，作为家用的小型热泵用热交换装置具有足够的性能。
图5是对同一形状的热交换装置，即连通管25的前端25a与环状流道24的内壁面接近到不会对传热流体进行节流的距离的本发明热交换装置1，以及连通管119没有突出到环状流道118内的日本特开平7-294162号公报所公开的热交换装置100，根据图3和图4所示的结构进行实验所获得的性能特性曲线图和性能比较表。至于日本特开平7-294162号公报中的热交换装置100，由于在图4所示的实验中没有得出充分的数据，所以没有表示。
作为本发明的热交换装置，也可以构成如图8和图9所示的热交换装置51。
在该热交换装置51中，使以并列状态配置的多条环状流道24、24相互紧密接触，并在相邻的环状流道24、24之间贯穿设置有兼用作流入口和流出口的连通孔，将连通管25的前端面紧固于该连通孔，使连通管25仅突出到一个环状流道24中，从而构成热交换流道52，其他结构与上述热交换装置1大致相同。
在热交换装置51中，环状流道24通过使同一形状的环状流道构成部件243、243依次紧密接触来构成，连通管25的一端面紧固于环状流道构成部件243的连通孔，因此，能够使热交换流道52大幅度地小型化。此外，能够大幅度地削减热交换流道52的构成部件的数量，也容易构成热交换流道52，并能够大幅度地降低成本。
但是，如图8所示，热交换装置5 1中，连通管25的前端面25a没有突出到环状流道24内，并且不与环状流道24的内壁面24a-1接近。由此，流入的传热流体受到以紊流状态在环状流道24内流动的传热流体的影响，以流速略微减小的方式与壁面24a-1碰撞，因此与上述热交换装置1相比，热交换效率略有下降。
通过应用上述的热交换装置1、51，如图6所示，用配管13将高流速的水蒸气从室外锅炉提供给无尘室内的本发明的热交换流道21，然后用电加热器6加热，由此使水蒸气在保持高流速的状态下被加热，以产生纯净的高温高流速的过热水蒸气12，由此能够构成对半导体用的要求清洁度的晶片11等进行清洗的过热水蒸气发生装置。
本发明的过热水蒸气发生装置中的热交换装置1由热交换流道21、将传热介质提供给该热交换流道21的供给管22和将传热介质排出的排出管23构成，热交换流道21由环状流道24和连通管25构成。在本实施例的过热蒸气发生装置中，使用环状流道24的数量为8个的热交换装置。
热交换流道21可以由耐100℃以上的温度的材料、例如STPT管、STB管、STBA管、SUS管形成，除此之外，也可以由铝、铜、不锈钢等形成。
热交换流道21收纳在容器2内，容器2使用绝热材料以提高热效率。容器2本身可以由绝热材料成形，容器2也可以用其他材料成形，也可以用绝热材料覆盖其表面或内表面。
作为对热交换流道21加热的热源，可考虑以石油、天然气、丙烷等为原料的燃烧器、电加热器等各种热发生装置。在本实施例中使用省电的加热灯6。
与锅炉相连并设置有减压阀9和流量调节阀10的配管13与热交换装置2的供给管22连接。
此外，热交换装置1的排出管23通过配管14与使用侧连通。在配管14上安装有温度传感器8，温度传感器8的输出被输入到温度控制装置7。温度控制装置7根据温度传感器8的信号进行加热灯6的消耗电功率的控制，以将加热灯6的温度设定成预定的温度，由此来控制所产生的过热水蒸气的温度。
通过了流量调节阀10、并由减压阀9调节了压力后所提供的高流速的水蒸气通过配管13供给到热交换流道21。将通过热交换流道21进行了热交换、并且被加热了的高流速的过热水蒸气通过配管14供给到使用侧。
当在使用侧需要调节过热水蒸气的流速时，利用安装在入口侧配管13上的减压阀9来调节从锅炉供给的水蒸气的压力，或者调节流量调节阀10的开度，从而能够获得适当的流速。
当在使用侧需要调节过热水蒸气12的温度时，利用安装在出口侧配管14上的温度传感器8，通过温度控制装置7来调节加热灯6所消耗的电功率，从而进行所产生的高流速过热水蒸气12的温度管理。
温度控制装置7在来自温度传感器8的信号达到规定值的上限时断电，在达到规定值的下限时通电，从而始终保持恒定的温度。或者也可以利用闸流管(thyristor)进行调节以始终保持恒定的电压，并调节成始终保持恒定的温度。
当将来自锅炉等的高流速水蒸气输送给如上所述地构成的容器2内的热交换流道21、并通过加热灯6等进行加热时，通过分支成多个的连通管25而使流速上升了的水蒸气以高流速与热交换流道21的环状流道24的内壁面24a-1碰撞。以高流速碰撞后的水蒸气受到壁面24a-1的很大影响，从而高效地进行热交换。
如果连通管25与环状流道24的内壁面24a-1接近到不会对水蒸气的流量进行节流的距离，则所流入的水蒸气几乎不会受到环状流道24内的紊流的影响，即，在几乎不减削流速的情况下与壁面24a-1碰撞，因此热交换效率进一步提高。
环状流道24的内壁面24a-1越接近平面，水蒸气的碰撞面在内壁面的影响范围越大，热交换效率也就越大。
此外，在环状流道24内，当水蒸气在环状流道24的内壁面24a-1进行热交换之后，变成紊流并朝向下一个连通管25。这时，由于传热流体与热交换装置的环状流道24的侧壁面24b发生碰撞，传热流体受到侧壁面24b的很大影响，从而高效地进行热交换。
然后，进行了热交换的高速水蒸气朝向下一个连通管25的入口，但是如果入口侧的连通管25与环状流道24的内壁面24a-2接近到不会对水蒸气的流量进行节流的距离，则由于连通管25的入口位于相反侧的环状流道24的内壁面24a-2的附近，所以环状流道24内的传热流体进一步与相反侧的环状流道24的内壁面24a-2碰撞进行热交换，从而使热交换效率进一步上升。环状流道24的内壁面24a-2越接近平面，水蒸气的碰撞面在内壁面的影响范围越大，效率也越高。
这样，由于在环状流道24的侧壁面24b、环状流道24两侧的内壁面24a-1、24a-2进行热交换，所以，热交换效率大幅度地上升。
由于流入、流出时的水蒸气几乎不受到环状流道24内的水蒸气的紊流的影响，即使有多条环状流道24，流速也几乎不会减小，所以能够产生高流速的过热水蒸气。进行了热交换的水蒸气从连通管25的入口被输送到下一个环状流道24中，并发挥同样的作用。
接下来，对如图6所示的结构的过热蒸气发生装置实施性能试验时，发现其发挥图7所示的性能。
在以240L/min的流量供给温度为120℃的水蒸气、并进行了加热的情况下，能够产生流速为90m/sec以上的过热水蒸气，并能够容易地产生晶片清洗所需要的200℃、流速为10～30m/sec的过热水蒸气。
此外，在附着于晶片的油脂的脱脂实验中，仅仅利用过热水蒸气就能够获得良好的清洗效果。
如上所述，根据本发明的过热水蒸气发生装置，即使在需要使热交换流道21小型化、并使环状流道24为多条，以将该过热水蒸气发生装置设置在无尘室内的情况下，由于流出的过热水蒸气的流速几乎不会减小，因而能够连续地产生清洗所需要的高流速的洁净的过热水蒸气12。
以往，在半导体用晶片的清洗中，使用氟类、IPA等有机溶剂进行清洗。但是，清洗后的有机溶剂的无害化处理需要高端技术，处理费用昂贵。此外，有机溶剂给环境带来恶劣影响也成为很大的社会问题。
但是，根据本发明的过热水蒸气发生装置，对从锅炉等得到的高流速的纯净水蒸气在几乎不减小清洗所需的流速的情况下进行再加热，由此能够产生高流速的纯净的过热水蒸气12，从而能够进行半导体用晶片11和精密部件等的清洗。作为加热热源，可使用省电的电加热器6，因此也可应用于要求清洁度的无尘室内。
此外，由于清洗所需要的仅仅是水蒸气，而不需要氟类、IPA等有机溶剂，所以不需要考虑污染环境的有机溶剂等的后续处理。
此外，如果过热水蒸气的温度达到170℃以上，则根据过热水蒸气的反转温度特性，能够直接干燥被清洗物，因此能够省略干燥工序。由此，也不再需要干燥工序中所使用的IPA等，不需要污染环境的有机溶剂等的后续处理。
如上所述，由于清洗中使用的仅仅是对环境无害的水蒸气，因此能够实施对环境亲和的清洗，此外由于能够同时实施清洗与干燥，因此在简化工序的同时还能够实现制造成本的降低。
并且，本发明的过热水蒸气发生装置如果通过减压阀将流速调节为5～10m/sec左右，则也能够应用于食品的烹调(解冻、烧制、在解冻同时进行烧制、加热、杀菌、蒸煮、干蒸、煎炸、干燥)。
此外，利用高温过热水蒸气的反转温度(170℃)特性，也适于高温干燥，因此也可应用于部件类、厨房残屑等的干燥。
权利要求
1.一种热交换装置，其由热交换流道以及与该热交换流道连通的流体供给管和流体排出管构成，上述热交换流道出以下部分构成多条环状流道，它们以并列状态配置，并且在周向上连通；多个流入口和流出口，它们以使该环状流道中的流入口与流出口的位置在周向上错开的方式形成于上述环状流道；和多个连通管，它们使形成于不同的环状流道的上述流入口与上述流出口连通，并且上述多个连通管突出到上述环状流道内。
2.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，在上述热交换流道的两端部配置有贮存槽。
3.根据权利要求1或2所述的热交换装置，其特征在于，仅使上述连通管的一端突出到上述环状流道内。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的热交换装置，其特征在于，使以并列状态配置的多条上述环状流道紧密接触，并且在相邻的环状流道之间形成有兼用作上述流入口和上述流出口的连通孔。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的热交换装置，其特征在于，上述连通管的前端与上述环状流道的内壁面接近。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的热交换装置，其特征在于，上述连通管的中心轴与上述环状流道的内壁面大致垂直地配置。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的热交换装置，其特征在于，上述环状流道是将相同形状和相同尺寸的环状流道构成部件彼此形成为一体而得到的环状流道，该环状流道构成部件由环状平面部、外侧周面部和内侧周面部构成。
8.一种过热水蒸气发生装置，其由供给水蒸气的水蒸气供给装置、对水蒸气进行加热的加热热源、和使水蒸气流通以执行热交换的权利要求1至7中的任一项所述的热交换装置构成。
全文摘要
本发明提供一种热交换装置和应用该热交换装置的过热水蒸气发生装置。热交换流道(21)由以下部分构成多条环状流道(24)，它们以并列状态配置，并且在周向上连通；多个流入口和流出口，它们以使该环状流道(24)中的流入口与流出口的位置在周向上错开的方式形成于上述环状流道(24)；和多个连通管(25)，它们使形成于不同的环状流道(24、24)的上述流入口与上述流出口连通，并且上述多个连通管(25)突出到上述环状流道(24)内。将流体供给管(22)和流体排出管(23)与该热交换流道(21)连通，从而构成热交换装置。
文档编号F28D1/06GK101023300SQ200480044000
公开日2007年8月22日 申请日期2004年9月15日 优先权日2004年9月15日
发明者野村修蔵 申请人:野村冷热有限公社