CN106403653A - 带有螺旋通路的逆流式换热器 - Google Patents

带有螺旋通路的逆流式换热器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有螺旋通路的逆流式换热器。具体而言，提供了一种逆流式换热器(10)，其包括：具有连接到第一过渡区域(106)的第一供应管(104)的第一流体路径(100)，第一过渡区域(106)将第一流体路径(100)分成第一阵列(108)的第一通路(110)，其中第一阵列(108)的第一通路(110)在第一会聚区域(112)处合并到第一排出管(114)中；和具有连接到第二过渡区域(206)的第二供应管(204)的第二流体路径(200)，第二过渡区域(206)将第二流体路径(200)分成第二阵列(208)的第二通路(210)，其中第二阵列(208)的第二通路(210)在第二会聚区域(212)处合并到第二排出管(214)中。第一通路(110)和第二通路(210)具有在逆流式换热器(10)的中心线(12)周围的大致螺旋路径。另外，第一阵列(108)和第二阵列(208)布置在一起，使得每个第一通路(110)邻近至少一个第二通路(210)。

Description

带有螺旋通路的逆流式换热器
技术领域
本发明大体涉及逆流式换热器。在特定实施例中，逆流式换热器使用螺旋通路且从单个圆形入口和出口管过渡到带有非圆形几何形状的多个通路。
背景技术
换热器可结合燃气涡轮发动机使用。例如，处于较高温度的第一流体可传递通过第一通路，而处于较低温度的第二流体可传递通过第二通路。第一通路和第二通路可处于接触或紧密接近，从而允许来自第一流体的热量传递到第二流体。因此，第一流体的温度可减小，且第二流体的温度可增大。
逆流式换热器相比横流式换热器提供较高的效率，且在换热介质之间的温度差相对小时尤其有用。带有多个管的常规换热器具有关于带有小的间隔的许多难以接近的管的连接和形成的缺点。
螺旋管必须在没有中断的情况下排列，以便形成闭合的螺旋流动通道，且因此确保在真实的逆流中高效操作。然而，当管的数目增大时，管束与邻近的螺旋管的组装和其连接变得尤其有问题，且迄今在非常小数目的螺旋管的情况下可能最佳。
如已经提及的那样，当管的数目增大时，该类型的管束的制造变得尤其有问题，这是因为，由于管端难接近且因此在常规连接装置的情况下不可能，邻近管的连接变得尤其困难。进一步尤其难以将刚性管弯曲到正好邻近的线圈中以及通过常规连接装置连接它们。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中阐述，或者可从该描述显而易见，或者可通过本发明的实践学习到。
大体提供一种逆流式换热器。在一个实施例中，逆流式换热器包括：具有连接到第一过渡区域的第一供应管的第一流体路径，第一过渡区域将第一流体路径分成第一阵列的第一通路，其中第一阵列的第一通路在第一会聚区域处合并到第一排出管中；以及，具有连接到第二过渡区域的第二供应管的第二流体路径，第二过渡区域将第二流体路径分成第二阵列的第二通路，其中第二阵列的第二通路在第二会聚区域处合并到第二排出管中。第一通路和第二通路具有在逆流式换热器的中心线周围的大致螺旋路径。另外，第一阵列和第二阵列布置在一起，使得每个第一通路邻近至少一个第二通路。
在一个实施例中，第一过渡区域定位在螺旋路径的一端处以将第一流体流供应到第一阵列的第一通路中，且其中，第二过渡区域配置在螺旋路径的相对端处以将第二流体流供应到第二阵列的第二通路中，使得第一流体流和第二流体流沿相反方向流通螺旋路径。
参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且连同说明书一起用于说明本发明的原理。
附图说明
本发明的完整和开放的公开，包括其对本领域的普通技术人员而言的最佳模式，在参考了附图的说明书中阐述，在附图中：
图1是根据一个实施例的示例性逆流式换热器的透视图；
图2是图1中示出的示例性逆流式换热器的另一个透视图；
图3示出对图1的一个实施例的示例性逆流式换热器的过渡部分的截面视图；
图4示出图1中示出的示例性逆流式换热器的剖视图；以及
图5示出根据图4的实施例的换热器部分的分解截面视图。
在本说明书和附图中，参考标记的重复使用意在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
构件清单
5　　　　外壁
10　　 　换热器
12　　 　中心线
14　　 　螺旋区段
100　　　第一流体路径
101　　　热流
102　　　热入口
104　　　第一供应管
106　　　第一过渡区域
107　　　分支
108　　　第一阵列
110　　　螺旋通路
112　　　第一会聚区域
113　　　合并区域
114　　　第一排出管
116　　　第一出口
120　　　侧表面
122　　　顶壁
124　　　底壁
126　　　内中心线
128　　　波纹
130　　　波峰
132　　　波谷
200　　　第二流体路径
201　　　冷流体流
202　　　冷入口
204　　　第二供应管
206　　　第二过渡区域
208　　　第二阵列
210　　　第二通路
212　　　第二会聚区域
213　　　合并区域
214　　　第二排出管
216　　　第二出口
220　　　侧表面
222　　　顶壁
224　　　底壁
226　　　内中心线
228　　　波纹
230　　　波峰
232　　　波谷
250　　　分隔壁
DA　　 　轴向方向
DR　　 　径向方向。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例通过解释本发明而不是限制本发明的方式提供。事实上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可用在另一实施例上，以产生更进一步的实施例。因此，意在使本发明覆盖落在所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。
如本文中使用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用以区别一个构件与另一个构件，且不意在表明独立构件的位置或重要性。
用语“上游”和“下游”参考关于流体路径中的流体流的相对方向。例如，“上游”指的是流体从其流出的方向，且“下游”指的是流体流到其的方向。
如本文中使用的那样，“流体”可为气体或液体。当前途径不限于所使用的流体的类型。在优选的应用中，冷却流体是燃料，而冷却的流体是油。例如，油可从初始温度冷却到排出温度，其中，排出温度为初始温度的大约90%或更低(例如，初始温度的大约50%到大约90%)。当前途径可用于其他类型的液体流体和气体流体，其中，冷却的流体和冷却流体是相同的流体或者不同的流体。冷却的流体和冷却流体的其他示例包括空气、液压流体、燃烧气体、致冷剂、致冷剂混合物、用于冷却航空电子设备或其他飞行器电子系统的介电流体、水、基于水的复合物、与防冻剂添加剂混合的水(例如，酒精或乙二醇复合物)，以及能够在升高或者降低的温度处保持热量输送的任何其他有机或无机的传热流体或流体掺混物。
大体提供换热器，其包括增强性能的几何形状，通过增材制造便于其实际实施。尽管本文中所述的换热器系统宽泛地适用于涉及多种流体类型的多种换热器应用，但是在本文中描述其利用燃料(例如，冷流)对发动机油(例如，热流)的高效冷却。
大体上，逆流式换热器特征在于，成对单个入口管过渡到多个螺旋通路，然后过渡到单个出口管。多个通路大体限定非圆形几何形状，以便增大可用于换热的表面面积。有利地，逆流式换热器经由增材制造形成为不要求额外组装的单个构件。
参考图1和图2，大体示出示例性逆流式换热器10。换热器10包括第一流体路径100和第二流体路径200，其彼此分离，因为相应的流体与彼此不物理上混合。然而，在第一流体路径100和第二流体路径200内的流体沿相反方向流动时，流体之间出现通过环绕壁的传热，从而通过将热流的热量传递到冷流而有效地冷却热流。应当注意，第一流体路径100论述为在其中包含热流，而第二流体路径200论述为在其中包含冷流。然而，应当注意，取决于特定用途，第一流体路径100或第二流体路径200可包含热流或冷流。因此，以下描述不意在将第一流体路径100限制于热流和将第二流体路径200限制于冷流。
现在参考第一流体路径100，热入口102示出为供应热流体流101到第一流体路径100中。在其通过热入口102进入时，热流体流101行进通过第一供应管104到第一过渡区域106。第一供应管104大体示出为圆柱形(例如，具有圆形截面)；然而，第一供应管104可具有用于将热流体流101供应到换热器10中的任何合适的几何形状。
图3示出，热流体流101行进到第一过渡区域106中且分支成第一阵列108的第一通路110。特别地，第一过渡区域106限定多个分支107，其顺序地将第一流体路径100从第一供应管104分成第一阵列108的第一通路110。第一过渡区域106示出为解剖学激发的设计，其中，单个供应管104(即，动脉)分成具有不同截面形状的多个较小的通路110(即，静脉)。
再次参考图1和图2，第一阵列108的第一通路110大体遵循换热器10的中心线12周围的螺旋路径。尽管示出在螺旋路径中形成中心线12周围的四个通道(即，轨道)，但是任何数目的轨道可形成螺旋路径。然后，在遵循中心线12周围的螺旋路径之后，第一阵列108的第一通路110在第一会聚区域112合并到第一排出管114中。第一会聚区域112类似于第一过渡区域106，因为第一阵列108的第一通路110会聚回到单个管即第一排出管114中。因此，第一会聚区域112限定多个合并区域113。然后，热流101传递通过第一排出管114，且离开第一出口116。
相反地，第二流体路径200限定冷入口202，其供应冷流体流201到第二流体路径200中。当其通过冷入口202进入时，冷流体流201行进通过第二供应管204到第二过渡区域206。第二供应管204大体示出为大体圆柱形(例如，具有圆形截面)；然而，第二供应管204可具有用于将冷流体流201供应到换热器10中的任何合适的几何形状。类似于第一流体路径100的第一过渡区域106，第二流动路径200的第二过渡区域206限定多个分叉，其将第二流体路径200从第二供应管204顺序地分成第二阵列208的第二通路210。第二阵列208的第二通路210大体遵循换热器10的中心线12周围的螺旋路径。
在遵循中心线12周围的螺旋路径之后，第二阵列208的第二通路210在第二会聚区域212处合并到第二排出管214中。第二会聚区域112类似于第二过渡区域206，因为第二阵列208的第二通路210会聚回到单个管即第二排出管214中。因此，第二会聚区域212限定多个合并区域213。然后，冷流201传递通过第二排出管214且离开第二出口216。如图所示，第二排出管214行进通过换热器10的中心，以在传递通过第二出口216之前将冷流201沿中心线12向下传送。
通过这种配置，第一流体流101和第二流体流201在其相应通路110、210中沿相反方向行进，以便在螺旋区段14中关于第一流体流101和第二流体流201的流动方向具有逆流定向。然而，在相反的实施例中，换热器10可设计成使得第一流体流101和第二流体流201在其相应通路110、210中沿相同方向行进。
图4和图5示出通过轴向方向DA(即沿着中心线12的方向)和径向方向DR(即沿着垂直于中心线12的方向)限定的平面中的截面视图。该截面视图包括换热器10的螺旋区段14。大体上，第一阵列108和第二阵列208布置在一起，使得每个第一通路110邻近至少一个第二通路210，以允许其间的换热。在所示出的特定实施例中，第二阵列208中的第一阵列108布置在一起，使得第一通路110和第二通路210是交错的，且从中心线12沿径向方向(DR)朝外交替移动。
第一通路110和第二通路210具有伸长的形状。如图所示，第一通路110和第二通路210具有沿着轴向方向DA的长度，该长度大于其沿着径向方向DR的宽度。在某些实施例中，第一通路110具有沿着轴向方向DA的长度，该长度为其沿径向方向DR的宽度的至少大约两倍，诸如其宽度的至少大约四倍。例如，第一通路110可具有沿轴向方向DA的长度，该长度为其沿径向方向DR的宽度的大约3倍到大约10倍，诸如其宽度的大约4倍到大约8倍。类似地，第二通路210具有沿着轴向方向DA的长度，该长度为其沿径向方向DR的宽度的至少大约两倍，诸如其宽度的至少大约四倍。例如，第二通路210可具有沿轴向方向DA的长度，该长度为其沿径向方向DR的宽度的大约3倍到大约25倍，诸如其宽度的大约4倍到大约20倍。所以，第一通路110和邻近的第二通路210之间的相对接触区域可通过其间的伸长的公共壁增大。
第一通路110大体限定相对的侧表面120a、120b，其大体沿轴向方向DA延伸，且通过顶壁122和底壁124连接到彼此。相对的侧表面120a、120b具有从第一通路110的内中心线126的大体可变半径。在所示实施例中，相对的侧表面120a、120b中的每一个限定一系列波纹128，其具有关于其从第一通路110的内中心线126沿着径向方向DR的距离的波峰130和波谷132。尽管相对的侧表面120a、120b示出为具有大致相同模式，但是应当理解相对的侧表面120a、120b可具有彼此独立的模式。在某些实施例中，侧表面120a具有从第一通路110的内中心线126沿着径向方向DR不断地改变的距离，且侧表面120b具有从第一通路110的内中心线126沿着径向方向DR不断地改变的距离。
类似地，第二通路210大体限定相对的侧表面220a、220b，其大体沿轴向方向DA延伸，且通过顶壁222和底壁224连接到彼此。相对的侧表面220a、220b具有从第二通路210的内中心线226的大体可变半径。在所示实施例中，相对的侧表面220a、220b中的每一个限定一系列波纹228，其具有关于其从第二通路210的内中心线226沿着径向方向DR的距离的波峰230和波谷232。尽管相对的侧表面220a、220b示出为具有大致相同的模式，但是应当理解，相对的侧表面220a、220b可具有彼此独立的模式。在某些实施例中，侧表面220a具有从第二通路210的内中心线226沿着径向方向DR不断地改变的距离，且侧表面220b具有从第二通路210的内中心线226沿着径向方向DR不断地改变的距离。
分隔壁250将每个第一通路110与邻近的第二通路210分离，且物理上限定用于第一通路110和第二通路210的相应侧壁。
大体上，换热器10经由使用逐层构造或增材制作的制造方法形成，包括但不限于，选择性激光烧结(SLS)、诸如通过喷墨和激光束的3D打印、立体光刻、直接选择性激光烧结(DSLS)、电子束烧结(EBS)、电子束熔化(EBM)、激光工程净成形(LENS)、激光净成形制造(LNSM)、直接金属沉积(DMD)等。在一个特定实施例中，金属材料用于形成换热器，包括但不限于：纯金属、镍合金、铬合金、钛合金、铝合金、铝化物或其混合物。
换热器10在图1和图2中示出为具有包围换热器10的第一流体路径100和第二流体路径200的外壁5，其中，相应入口和出口提供通过外壁的相应流体流。在一个实施例中，换热器10形成为集成构件。例如，图1和图2示出示例性换热器系统10，其从单个集成构件形成，包括经由增材制造形成的外壁5。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种限定中心线(12)的逆流式换热器(10)，所述逆流式换热器(10)包括：
第一流体路径(100)，其中，所述第一流体路径(100)包括连接到第一过渡区域(106)的第一供应管(104)，所述第一过渡区域(106)将所述第一流体路径(100)分成第一阵列(108)的第一通路(110)，且其中，所述第一阵列(108)的第一通路(110)在第一会聚区域(112)处合并到第一排出管(114)中；以及
第二流体路径(200)，其中，所述第二流体路径(200)包括连接到第二过渡区域(206)的第二供应管(204)，所述第二过渡区域(206)将所述第二流体路径(200)分成第二阵列(208)的第二通路(210)，且其中，所述第二阵列(208)的第二通路(210)在第二会聚区域(212)处合并到第二排出管(214)中，
其中，所述第一通路(110)和所述第二通路(210)具有在所述逆流式换热器(10)的中心线(12)周围的大致螺旋路径，且其中，所述第一阵列(108)和所述第二阵列(208)布置在一起，使得每个第一通路(110)邻近至少一个第二通路(210)。
2.根据权利要求1所述的逆流式换热器(10)，其特征在于，所述第一过渡区域(106)定位在所述螺旋路径的一端处以将第一流体流(101)供应到所述第一阵列(108)的第一通路(110)中，且其中，所述第二过渡区域(206)配置在所述螺旋路径的相对端处以将第二流体流(201)供应到所述第二阵列(208)的第二通路(210)中，使得所述第一流体流(101)和所述第二流体流(201)沿相反方向流通所述螺旋路径。
3.根据权利要求2所述的逆流式换热器(10)，其特征在于，所述第二排出管(214)传递通过由所述逆流式换热器(10)的中心线(12)周围的大致螺旋路径限定的核心。
4.根据权利要求1所述的逆流式换热器(10)，其特征在于，所述第一通路(110)与邻近的第二通路(210)通过分隔壁(250)分离，其中，所述分隔壁(250)具有限定所述第一通路(110)的侧表面的第一表面和限定所述第二通路(210)的侧表面的第二表面。
5.根据权利要求4所述的逆流式换热器(10)，其特征在于，所述第一表面限定一系列波纹，且其中，所述第二表面限定一系列波纹。
6.根据权利要求4所述的逆流式换热器(10)，其特征在于，所述第一表面具有从所述第一通路(110)的内中心线(12)沿径向方向不断地改变的距离。
7.根据权利要求1所述的逆流式换热器(10)，其特征在于，所述第一阵列(108)和所述第二阵列(208)布置在一起，使得所述第一通路(110)和所述第二通路(210)从所述中心线(12)沿着所述径向方向朝外交替移动。
8.根据权利要求1所述的逆流式换热器(10)，其特征在于，所述第一通路(110)限定具有沿轴向方向的长度和沿垂直径向方向的宽度的截面，其中所述长度为所述宽度的至少两倍，且其中，所述第二通路(210)限定具有沿轴向方向的长度和沿垂直径向方向的宽度的截面，其中所述长度为所述宽度的至少两倍。
9.根据权利要求1所述的逆流式换热器(10)，其特征在于，所述第一过渡区域(106)包括将所述第一流体路径(100)分成第一阵列(108)的第一通路(110)的一系列分叉，且其中，所述第二过渡区域(206)包括将所述第二流体路径(200)分成第二阵列(208)的第二通路(210)的一系列分叉。
10.根据权利要求1所述的逆流式换热器(10)，其特征在于，所述逆流式换热器(10)包括金属材料，所述金属材料包括纯金属、镍合金、铬合金、钛合金、铝合金、铝化物或者其混合物。
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