CN109210963A - 用于增材制造微管热交换器的装置和方法 - Google Patents

用于增材制造微管热交换器的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于增材制造微管热交换器的装置和方法。热交换器封头与高密度微管阵列一起增材制造，以实现高达90％的热传递效率Eff值和高达20,000m2/m3的传递表面面积密度值的集成结构。热交换器封头可以与高密度微管阵列一起打印，以将不同类型的流体或液体隔离到不同的微管中，并且形成高质量的密封。此外，微管和/或微管阵列可以增材制造成弯曲的或具有褶皱；并且微管格栅阵列可以紧凑地定位在中空支撑结构内。

Description

用于增材制造微管热交换器的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年7月6日提交的名称为“APPARATUS AND METHODS FORADDITIVELY MANUFACTURING MICROTUBE HEAT EXCHANGERS(用于增材制造微管热交换器的装置和方法)”的美国专利申请No.15/643,405的权益，该申请明确地通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及紧凑型热交换器，并且更具体地涉及利用增材制造技术制造的微管热交换器。
背景技术
热交换器在流体之间传递热量。例如，汽车散热器运行以将热量从循环散热器流体传递给强制空气，即气态流体。汽车散热器是紧凑型热交换器的一个示例，其设计成实现每单位体积的大传递表面面积。
近来，三维(3D)打印(也称为增材制造)已经提出了新的机会来有效地构建材料结构，包括但不限于汽车、飞机、船、摩托车等。增材制造获得了以前在传统制造工艺中不可获得的复杂几何结构；此外，用于连接零件的常规技术(比如焊接)可能不是用于这些新材料中的一部分的可行替代方案。因此，需要发现和开发利用增材制造的零件和技术来组装部件(包括热交换器)的新方式。
此外，将增材制造工艺应用于构建材料结构的行业已证明可以生产结构上更高效的产品，同时也有益于环境。与传统制造工艺相比，3D打印对化石燃料的燃烧没有显著贡献；因此，将3D打印应用于包括热交换器的其他部件是一种在环境上有价值的追求。
发明内容
将在下文参照三维(3D)打印技术更全面地描述增材制造热交换器的几个方面。
在一个方面，用于制造热交换器的方法包括：接收热交换器的数据模型；以及基于该数据模型增材制造热交换器。模型化的热交换器包括微管阵列和至少一个封头。封头在基板处联接至微管阵列并与微管阵列一起集成。至少一个封头用于引导流体通过微管阵列的多个管，以在流体与多个管外部的介质之间传递热量。
增材制造热交换器的步骤可以包括形成包括微管阵列和至少一个封头的连续牢固本体。此外，增材制造热交换器的步骤还可以包括在单个三维(3D)渲染步骤中增材制造微管阵列及与微管阵列一起集成的至少一个封头。此外，多个管中的每个管的直径可以等于或小于2毫米(mm)。
增材制造热交换器的步骤可以包括增材制造至少一个封头的第一表面，第一表面包括大致平行于基板设置的微管阵列界面。增材制造热交换器的步骤可以包括增材制造至少一个封头的第二表面，第二表面联接至第一表面并且相对于第一表面倾斜；并且增材制造热交换器的步骤可以包括增材制造至少一个封头的第三表面，第三表面连接第一表面和第二表面以便形成截面。流体可以构造为沿大致垂直于截面的方向流过至少一个封头。截面可以大致是三角形的。
增材制造热交换器的步骤还可以包括将包括支撑材料的多个层沉积在基板上。支撑材料可以形成倾斜支撑结构，该倾斜支撑结构被构造为向至少一个封头的第二表面提供支撑。至少一个封头的第二表面可以在倾斜支撑结构的顶部上增材制造。
增材制造热交换器的步骤还可以包括将包括支撑材料的多个层沉积在基板上。支撑材料可以形成相对于基板具有多个角度的支撑结构。该支撑结构可以构造成向至少一个封头的第二表面和第三表面提供支撑。第二表面和第三表面可以在支撑结构的不同倾斜部分的顶部上增材制造。
增材制造热交换器的步骤还可以包括在至少一个封头的至少两个表面之间添加格栅结构。格栅结构可以被构造成向至少一个封头提供结构支撑。
增材制造热交换器的步骤还可以包括在至少一个封头的第二表面和第一表面之间添加格栅结构。格栅结构可以被构造成向至少一个封头提供结构支撑。
增材制造热交换器的步骤可以包括形成相对于进入空气流的方向以弯曲或褶皱模式布置的微管阵列。增材制造热交换器的步骤可以包括形成包括微管的褶皱布置的微管阵列。此外，增材制造热交换器的步骤可以包括在一列或多列微管中的微管之间形成翅片。每个翅片可以将在一列或多列中的每列中的微管连接至相邻微管。
用于制造热交换器的方法还可以包括：相对于基板以一定角度增材制造热交换器；以及向每个微管添加将该微管连接至另一微管的至少一个翅片。翅片可以从基板延伸到与其连接的微管的顶部。
在另一方面，增材制造的热交换器包括微管阵列和封头。微管阵列包括形成从基板延伸的大致平行阵列的多个微管。多个微管包括第一多个微管和第二多个微管。封头包括多个封头部分。多个封头部分包括第一封头部分和第二封头部分。第一封头部分在基板处与第一多个微管一起集成；并且第二封头部分在基板处与第二多个微管一起集成。第一封头部分被构造为引导第一流体通过第一多个微管，以便与外部流体交换热量；并且第二封头部分被构造为引导第二流体通过第二多个微管，以便与外部流体交换热量。
微管阵列相对正交于基板的平面可以具有非平坦构型。外部流体可以包括气体。微管阵列、基板和封头可以共同地形成牢固且连续的本体。多个微管中的每个微管的直径可以等于或小于2毫米(mm)。外部流体可以大致正交于第一流体和第二流体的流动方向流动。
多个微管中的至少一个可以是弯曲的。多个微管中的至少一个可以是褶皱的。
封头可以包括：在基板或其部分处的顶表面；以及相对于顶表面以一定角度纵向地联接至顶表面的至少一个表面。此外，封头可以包括具有截面表面的通道。截面表面可以大致是三角形的。通道可以大致正交于微管阵列。
封头可以包括第一表面、第二表面和第三表面。第一表面可以大致平行于基板。第二表面可以以第一角度纵向地联接至第一表面；并且第三表面可以以第二角度纵向地联接至第二表面。第一、第二和第三表面可以限定通道。
微管阵列相对正交于第一流体流的平面可以具有非平坦构型。微管阵列可以包括弯曲构型。此外，微管阵列可以包括褶皱构型。
热交换器还可以包括设置在至少一列微管中的各相邻微管之间的翅片。翅片可以设置为从基板到所连接微管的表面，并且翅片可以被构造为向该列微管提供结构支撑。
热交换器还可以包括设置在阵列中的至少一行微管中的各相邻微管之间的翅片。
热交换器可以相对于基板以一定角度增材制造；并且多个微管中的每个微管可以包括连接至相邻微管的至少一个翅片。该至少一个翅片可以被构造为向微管阵列提供结构支撑。
在另一方面，增材制造的紧凑型热交换器包括基板、第一多个微管和第一封头部分。第一多个微管形成阵列。第一多个微管大致平行，并且它们从基板延伸。第一封头部分在基板处与第一多个微管一起集成并且被构造成引导第一流体通过第一多个微管，以便与外部流体交换热量。
增材制造的紧凑型热交换器还可以包括第二多个微管和第二封头部分。第二多个微管可以形成阵列。第二多个微管可以大致平行，并且第二多个微管可以从基板延伸。第二封头部分可以在基板处与第二多个微管一起集成并且被构造成引导第二流体通过第二多个微管，以便与外部流体交换热量。
第一多个微管中的至少一个可以是弯曲的。第一多个微管中的至少一个可以是褶皱的；并且外部流体可以包括气体。
在另一方面，运输工具包括增材制造的(AM)支撑结构。AM支撑结构包括AM微管格栅阵列；AM微管格栅阵列被构造为在第一流体与第二流体之间传递热量。
微管格栅阵列可以包括多个微管和多个空隙路径。微管可以被构造为承载第一流体，并且空隙路径可以被构造为承载第二流体。热量可以从第一流体传递至第二流体；热量也可以从第二流体传递至第一流体。第一流体可以是液体，并且液体可以是发动机油。第二流体可以是发动机冷却剂。第二流体也可以是气体，并且气体可以是强制空气。
在另一方面，制造热交换器的方法包括：增材制造中空支撑结构；以及在中空支撑结构内增材制造微管格栅阵列。
可以使用以前在传统制造工艺中不可获得的不同的复杂几何结构和不同的微管形状。应该理解的是，根据以下详细描述，增材制造热交换器的其他方面对于本领域技术人员来说将变得显而易见，其中通过示例的方式仅在几个实施例中示出和描述。如本领域技术人员将理解的，使用3D打印部件增材制造热交换器可以在不背离本发明的情况下以其他实施例来实现。因此，附图和详细描述本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
现在将在附图中通过示例方式而非限制的方式在详细描述中呈现用于增材制造的热交换器的装置和方法的各个方面，其中：
图1示出了根据实施例的增材制造的微管热交换器的侧视图。
图2示出了根据实施例的微管阵列的截面图。
图3示出了根据实施例的微管阵列的侧视立体图。
图4A示出了根据实施例的微管的侧视立体图。
图4B示出了微管的截面图。
图5是随管长度乘以管数量变化的微管热交换器效率Eff的曲线图。
图6是根据另一实施例的增材制造的微管热交换器的侧视图。
图7示出了根据实施例的增材制造的微管格栅阵列的截面侧视图。
图8概念性地示出了根据实施例的用于增材制造热交换器的方法。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在提供利用增材制造技术来制造热交换器的示例性实施例的描述，并且其并不旨在表示可实践本发明的仅有实施例。贯穿本公开使用的术语“示例性”意思是“用作示例、实例或说明”，并且不一定被解释为优选或优于本公开中提供的其他实施例。详细描述包括为了向本领域技术人员充分传达本发明范围而提供详尽且完整的公开内容的目的的具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在一些情况下，公知的结构和部件可以以框图形式示出，或者完全省略，以避免使贯穿本公开提供的各种构思模糊。
热交换器的目的是在流体之间交换热量。流体可以包括液体或气体，比如空气。例如，当一种流体是气体而另一种流体是液体时，热交换器可以称为气液热交换器。
更一般而言，热交换器可以根据各种属性(包括但不限于流体类型、流体数量、流体流的方向或配置、物理构型以及表面紧凑性)进行分类。例如，热交换器的一种构造分类或类型是壳管式热交换器。壳管式热交换器包括布置在外壳内的大量管。管的轴线与外壳的轴线平行布置，并且当一种流体在管内流动而另一种流体在外壳内的管外流动时发生热传递。然而，尽管壳管式热交换器用于许多工业应用中，但是由于壳管式热交换器通常具有较大的尺寸和重量，因此可能不太适合于运输工具，比如汽车或飞机。
更适合于比如运输工具等应用的热交换器的类型或分类是紧凑型热交换器。紧凑型热交换器被设计为实现每单位体积的大传递表面面积，有时称为传递面积密度或表面面积密度。例如，当气液热交换器具有高于约700平方米/立方米(m2/m3)的表面面积密度的热传递表面时，该气液热交换器称为紧凑型热交换器。如果液液流体热交换器在任何一个流体侧上的表面面积密度高于约400m2/m3，则该液液流体热交换器有时可以称为紧凑型热交换器。相比之下，典型的壳管式交换器在一个流体侧上可能仅具有小于100m2/m3的传递表面面积密度。并且人体肺部(另一种形式的气液热交换器)提供约20,000m2/m3的最大传递表面面积密度。
除了表面面积密度之外，紧凑型热交换器还可以用热传递效率Eff来表征。热传递效率Eff是无量纲的品质因数，其可以用流体温度比表示。
传统的紧凑型热交换器通常由金属片构造制成，其中流体管和封头经由粘结剂或钎焊彼此粘结和密封。为了与低热容量流体进行热交换，通常热交换率可能受限于暴露于该流体的表面面积，因此添加额外的翅片以将热量传导至较高热容量流体。由于金属的高强度和热导率，因此紧凑型热交换器的金属构造通常受到青睐，从而允许壁部更薄、质量更小且成本降低。紧凑型热交换器也可以使用微管来提高性能。微管比传统管更小并且具有更小的直径。例如，普通管可具有大于0.5英寸的直径，而微管可具有0.1英寸或更小的直径。与传统管相比，微管可以有利地保持非常高的压力，耐损伤，并且提供更高的表面面积密度。
紧凑型热交换器的另一种构造类型是印刷电路热交换器(PCHE)。PCHE可以利用称为扩散粘结的固态工艺来构造。由于制造上的制约，PCHE和传统的紧凑型热交换器都只能实现20,000m2/m3的最高值的约十分之一的传递表面面积密度，其中热传递效率Eff值小于百分之九十。因此，需要设计能够实现更高的传递表面面积密度值和更高的热传递效率Eff值的高性能紧凑型热交换器。
本文公开了用于增材制造微管热交换器的装置和方法。热交换器封头与高密度微管阵列一起增材制造，以实现具有高达90％的热传递效率Eff值和高达20,000m2/m3的传递表面面积密度值的集成结构。热交换器封头可以与高密度微管阵列一起打印，以将不同类型的流体或液体隔离到不同的微管中并形成高质量密封。此外，微管和/或微管阵列可以是弯曲的或褶皱的；并且微管格栅阵列可以紧凑地定位在中空支撑结构内。
图1示出了根据实施例的增材制造的(AM)微管热交换器100的侧视图。AM微管热交换器100包括在界面105处集成的封头102和微管阵列103。封头102具有封头部分108和封头部分110。封头部分108具有入口/出口端口104，并且封头部分108具有入口/出口端口106。分隔壁或分隔器107可以将封头部分108与封头部分110隔离，从而将封头部分108的流体与封头部分110的流体隔离。
不同于使用金属片构造的金属钎焊管来成形并固定封头的常规工艺，用分隔器107增材制造封头102允许封头部分108和110之间的流体密封分配。有利地，这可以允许不同的流体在封头部分108和110中流动。允许流体在同一结构中被紧密地聚集在一起可以使质量降低，从而实现提高的热传递效率Eff。
微管阵列103具有隔离成第一微管阵列112和第二微管阵列116的多个微管。来自第一微管阵列112的微管可以承载第一液体或流体，并且来自第二微管阵列116的微管可以承载第二液体或流体。例如，包括微管114的微管可以承载比如油的液体，并且包括微管118的微管可以承载比如水基冷却剂的液体，但是根据应用可以是许多其他流体。
如本文所描述的，可以使用AM微管热交换器来制造封头102，使得其与微管阵列103集成。这可以在没有传统钎焊技术的情况下实现，并且封头102可以构造为用于流体的流体分配歧管。
AM微管热交换器可以通过将热量交换至垂直或大致垂直于微管流动的空气来冷却在微管阵列102的微管内流动的流体。例如，如图1所示，可以迫使空气流经由入口/出口端口106和108沿由空气流向量113指示的方向流动。替代地，空气流的方向可以与空气流向量113的方向相反。这样，热流体和冷流体在错流构型中被隔离(不混合)。
尽管AM微管热交换器100示出了具有两个封头部分108、110的封头以及第一微管道阵列112和第二微管阵列116，但是其他构型也是可行的。例如，AM微管热交换器可以制造成具有多于或少于两个封头部分的封头；并且可以隔离更多或更少的微管阵列来承载不同类型的液体。此外，通过利用3D制造工艺，封头102可以具有任何所需的高性能形状的内部腔室(未示出)。例如，封头102可以形成为三角形形状或具有三角形特征。
封头102可以在界面105处由基板(未示出)增材制造。这样，封头102可以与微管阵列103一起增材制造成连续的。
图2示出了根据实施例的微管阵列200的截面图。微管可以成行和成列(包括列206)地布置。如图2所示，微管截面216位于第一行和第六列，并且微管截面296位于第九行和第六列。此外，可以在微管之间形成翅片。例如，如图2所示，在微管截面212和222之间形成翅片211。在示例性实施例中，翅片211可以从基板延伸直至微管216的表面。翅片211可用于通过微管阵列更有效地传递热能。翅片211还可以用于在AM工艺期间为微管216提供结构支撑。在某些实施例中，除了或代替第6列中所示的直线构型，翅片211可以对角地设置在微管216之间。该替代实施例在更复杂的3-D打印布置(包括热交换器在打印时相对于构建板以一定角度定向的情况)中为微管阵列提供额外的支撑。
微管可以布置成平坦腹板，其连接平行于内部流动的液体的流动路径布置的管之间的分隔距离。这可以有利地允许支撑材料连接至被称为基准行的行，以在增材制造工艺期间提供支撑。
在一些实施例中，微管可以制造成使得微管或管轴线大致平行于由于重力引起的力；在其他实施例中，微管可以制造成使得微管或管轴线大致正交于由于重力引起的力。当以管轴线正交于重力来制造时，微管可以布置成使得它们固定或回接(tied back)到基准(单一支撑)行。当以管轴线平行于重力来制造时，微管可以是独立的。
在其他实施例中，行和列可以使用简单的线性向量来定位，从而允许简化的分析和设计程序。提供集成支撑结构的行和列的构型也可以比在与重力向量大致正交构造时需要额外材料的构型更轻。此外，中空梁元件可以是流体通道，并且适当设计的单位单元可以横跨跨距传播并传送流体。
有利地，增材制造封头(比如图1的封头102)可以允许封头是微管阵列200的连续部分。这可以允许改善的流体流并改善与微管的密封。例如，不同于将封头与微管连结的传统钎焊技术，AM封头至微管的密封可以是均匀的且泄漏较少。AM工艺可以通过单步工艺(比如选择性激光熔化)实现。这进而可以导致管堵塞更小、管结垢更少、并且热交换器性能整体提高。
图3示出了根据实施例的微管阵列300的侧视立体图。微管阵列300可以包括形成与图1的微管阵列103和/或图2的微管阵列201类似的微管阵列的微管。微管阵列300可以用基板302固定，并且可以具有包括微管306和308的多行和多列微管。
有利地，3D打印允许通过创建集成密封来实现微管阵列的优异紧凑制造。集成密封允许创建具有比传统钎焊技术创建的微管阵列更小的质量的AM微管阵列300。这进而可以允许热交换器效率Eff提高和表面传递面积增大。
图4A示出了根据实施例的微管400a的侧视立体图。该侧视立体图示出了用于建模目的的设计参数长度L。通过对微管400a建模，可以在3D打印之前分析微管阵列。
图4B示出了微管400b的截面图。微管400b示出了由于微管的厚度而形成的环403的直径d1和直径d2。如图4B所示，环的直径d2大于直径d1。直径d1和直径d2都可以设计和增材制造成允许提高热交换器效率Eff。例如，在一些实施例中，在微管400b中，直径d1可以小于或等于1mm，直径d2可以小于或等于1mm，并且/或者直径d1和d2都可以小于或等于1mm。在一些实施例中，管长度L与直径(d1或d2)之比可以在三百比一到一千比一之间。
如上所述，热交换器效率Eff可以是用于分析和设计微管热交换器的品质因数。效率Eff(其是热交换器的公认的品质因数)也可定义为流体出口与流体入口的最小温度差的比例。
在比如气体和液体系统的两流体热交换器中，其中液体流过将热量交换到气体(冷流体)的微管阵列(热流体)，基于能量平衡概念的简化分析给出下面的公式1。公式1涉及按照在热交换器入口/出口端口处测量的热流体和冷流体的温度的热传递效率Eff。在公式1中，端口温度如下：T冷,出，流出冷流体出口(端口)的冷流体的温度；T冷,入，流入冷流体输入入口(端口)的冷流体的温度；T热,出，流出热流体出口(端口)的热流体的温度；以及T热,入，流入热流体输入入口(端口)的热流体的温度。如公式1所示，热传递效率Eff是无量纲的品质因数，并且温度可以具有度(℃)的量纲。
除了公式1之外，可能需要根据额外的参数(包括但不限于如图4A所示的微管长度和微管(管)的总数)的图解法来分析热交换器。
图5是随管长度乘以管数量变化的微管热效率Eff的曲线图500。在图5中，管数量可以是微管的数量，并且管长度可以是如图4A所示的微管长度L。如图5所示，热交换器效率Eff基于流体经过流体通道壁彼此暴露的工程假设与流体通道(微管)的数量及其长度(L)的乘积成比例。在热传递由温度差驱动的情况下随着效率接近于百分之百，这种比例可以是非线性函数。如图5所示，这导致效率迹线502需要指数级增长量(exponentially growingmass)。
高性能热交换器设计可以通过优先使用减小的长度尺度在热流体与冷流体之间传递热量的3D打印实现。因为增材制造可以获得大约100微米(0.1mm)的长度尺度内的各种几何结构，所以可以实现非常高性能的热交换器设计。这进而可以导致热交换器表面面积密度达到最高值20,000m2/m3。与改进的紧凑性一致的是质量减小，其可获得高达10瓦每千克每摄氏度的性能热容值。
图6是根据实施例的增材制造的(AM)微管热交换器600的侧视图。AM微管热交换器600类似于图1的AM微管热交换器100，除了微管阵列603包括具有褶皱(折痕或弯折)630的微管。此外，类似于图1的AM微管热交换器100，AM微管热交换器600包括封头602和微管阵列603。封头602具有封头部分608和封头部分610。
类似于图1的微管阵列103，微管阵列603具有分成第一微管阵列612和第二微管阵列616的多个微管。来自第一微管阵列612的微管可以承载第一液体或流体，并且来自第二微管阵列616的微管可以承载第二液体或流体。例如，包括微管614的微管可以承载比如油的液体，并且包括微管618的微管可以承载比如加热、通风和空气调节(HVAC)制冷剂的液体。
尽管图6的实施例将微管阵列603示出为具有褶皱630，但其他构造类型也是可行的。例如，微管阵列603可以包括弯折、也被称为“Z字形”的额外褶皱、以及不通过传统钎焊工艺获得的弯曲。
三维(3D)打印可以有利地获得流体密封几何结构的构造。流体密封阵列可以在非平坦布置中构造。在一些实施例中，流体空气热交换器(替代地称为散热器)可以构造有正交于流动放置的散热器。在其他实施例中，暴露于流动的前部区域可以是凹入的，以提高运输工具性能。例如，使用Z字形可用于减小空气动力学阻力，从而提高工具的性能。
图7示出了根据实施例的增材制造的(AM)微管格栅阵列800的截面侧视图。AM微管格栅阵列800可以是增材制造成装配在工具的中空支撑结构内的微管的格栅；并且不同于图3的微管阵列300，AM微管格栅阵列800可以增材制造成具有能够提供机械支撑且用作热交换器的格栅结构。如图7中的截面图所示，AM微管格栅阵列800包括沿第一方向定向的微管802a-802d和沿垂直于第一方向的第二方向定向的微管804a-804c。此外，微管格栅阵列800包括对角部段(包括微管部段806a-806c)。
此外，如图7中的阴影区域所示，AM微管格栅阵列800具有在微管与微管部段之间形成空隙路径或导管的空隙区域。例如，在微管802a、微管804b和微管部段806a之间形成空隙路径808a。类似地，在微管802a、微管804b和微管部段806b之间形成空隙路径808b；并且在微管802b、微管804c和微管部段806b之间形成空隙路径808c。
微管802a-802d、804a-804c和微管部段806a-806c可以有利地为运输工具的内部中空结构提供机械格栅支撑，同时用作微管以承载和循环第一流体。第一流体可以是比如发动机油的流体。第一流体流的流动方向可以沿着微管轴线。例如，如图7所示，在微管部段806c内，第一流体可以在与流动向量810a平行(或相反)的方向上流动。类似地，在微管802b内，第一流体可以在与流动向量810b平行(或相反)的方向上流动。
第一流体可以与在空隙路径中流动的第二流体交换热量。第二流体的流动方向可以沿着与图7的截面侧视图垂直的方向。例如，在空隙路径808a中，第二流体可以如箭头尾部向量812a所表示的那样沿进入纸面的方向流动；类似地，在空隙路径808d中，第二流体可以如箭头尖端向量812b所表示的那样沿离开纸面的方向流动。第二流体的示例是发动机冷却剂(防冻剂)或强制空气。
AM微管格栅阵列800的微管和空隙路径可以被密封，使得第一流体和第二流体不混合。热量可以经由微管在第一流体与第二流体之间交换。可以增材制造微管以有利地提供高表面面积密度并实现高热传递效率Eff值。此外，尽管该实施例示出了AM微管格栅阵列的一个实施例，但具有更少或更多的微管、微管部段和空隙路径的其他实施例也是可行的。此外，运输工具可以有利地具有用AM微管格栅阵列增材制造的一个或多个支撑结构，从而获得大量的微管和传递表面面积进行热交换。
图8概念性地示出了根据实施例的用于增材制造热交换器的方法900。在步骤902中，可以由比如3D打印机的实体接收模型，以便设计和制造AM微管热交换器。该模型可以基于以上讨论的实施例，并且该模型的推导可以通过分析和求解与具有微管阵列的微管热交换器有关的公式来实现。在一些实施例中，可以使用软件程序来求解描述特定设计构型中的流体流的微分公式。在步骤904中，可以利用增材制造工艺来实现和制造在步骤902中建模的热交换器。增材制造工艺可以有利地将封头和微管阵列集成在低质量的紧凑结构中。
提供之前的描述是为了使任何本领域技术人员能够实施本文描述的各个方面。增材制造的微管热交换器的应用可以包括运输工具(比如汽车)中的热传递。通过利用增材制造技术，微管可以是褶皱的和/或弯曲的，以紧密地装配在汽车的中空结构内。对于本领域技术人员来说，对贯穿本公开内容给出的这些示例性实施例的各种变型将是显而易见的，并且本文公开的构思可以应用于用于增材制造热交换器、紧凑型热交换器和/或微管热交换器的其他技术。
因此，权利要求并不旨在限于贯穿本公开给出的示例性实施例，而是要符合与语言权利要求一致的整个范围。贯穿本公开所描述的示例性实施例的元件的对于本领域普通技术人员而言已知或后来将已知的所有结构和功能等同物均旨在被权利要求所包含。另外，本文公开的任何内容都不旨在贡献给公众，无论这种公开是否在权利要求中明确地记载。权利要求元件不得根据35U.S.C.§112(f)的规定或可适用权限中的类似法律来解释，除非元件使用短语“用于...的装置”明确地记载，或者在方法权利要求的情况下，元件使用短语“用于...的步骤”记载。

Claims (50)

1.一种制造热交换器的方法，包括：
接收所述热交换器的数据模型，模型化的热交换器包括微管阵列和在基板处联接至所述微管阵列并与所述微管阵列集成的至少一个封头，所述至少一个封头用于引导流体通过所述微管阵列的多个管，以在所述流体与所述多个管外部的介质之间传递热量；以及
基于所述数据模型增材制造所述热交换器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，增材制造所述热交换器包括形成包括所述微管阵列和所述至少一个封头的连续牢固本体。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，增材制造所述热交换器还包括在单个三维(3D)渲染步骤中增材制造所述微管阵列和与所述微管阵列集成的所述至少一个封头。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个管中的每个管的直径等于或小于2毫米(mm)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，增材制造所述热交换器包括增材制造所述至少一个封头的第一表面，所述第一表面包括大致平行于所述基板设置的微管阵列界面。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，增材制造所述热交换器包括增材制造所述至少一个封头的第二表面，所述第二表面联接至所述第一表面联接至所述第一表面并且相对于所述第一表面倾斜。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，增材制造所述热交换器包括增材制造所述至少一个封头的第三表面，所述第三表面连接所述第一表面和第二表面，以便形成截面，其中，所述流体构造为在大致垂直于所述截面的方向上流过所述至少一个封头。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述截面大致是三角形的。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，增材制造所述热交换器还包括在所述基板上沉积包括支撑材料的多个层，所述支撑材料形成倾斜支撑结构，所述倾斜支撑结构被构造为向所述至少一个封头的第二表面提供支撑，所述至少一个封头的第二表面在所述倾斜支撑结构的顶部上增材制造。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，增材制造所述热交换器还包括在所述基板上沉积包括支撑材料的多个层，所述支撑材料形成相对于所述基板具有多个角度的支撑结构，并且被构造为向所述至少一个封头的第二表面和第三表面提供支撑，所述至少一个封头的第二表面和第三表面在所述支撑结构的不同倾斜部分的顶部上增材制造。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，增材制造所述热交换器还包括在所述至少一个封头的至少两个表面之间添加格栅结构，所述格栅结构被构造成向所述至少一个封头提供结构支撑。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，增材制造所述热交换器还包括在所述至少一个封头的第二表面和第一表面之间添加格栅结构，所述格栅结构被构造成向所述至少一个封头提供结构支撑。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，增材制造所述热交换器包括形成相对于进入空气流的方向以弯曲或褶皱模式布置的微管阵列。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，增材制造所述热交换器包括形成包括微管的褶皱布置的微管阵列。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，增材制造所述热交换器包括在一列或多列微管中的微管之间形成翅片，每个翅片将在一列或多列中的每列中的微管连接至相邻微管。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括：
相对于所述基板以一定角度增材制造所述热交换器；以及
向每个微管添加将所述微管连接至另一微管的至少一个翅片，其中，所述翅片从所述基板延伸到与其连接的微管的顶部。
17.一种增材制造的热交换器，包括：
微管阵列，其包括形成大致平行阵列并从基板延伸的多个微管，所述多个微管包括第一多个微管和第二多个微管；以及
封头，其包括多个封头部分，所述多个封头部分包括：
第一封头部分，其在所述基板处与所述第一多个微管一起集成，并且被构造为引导第一流体通过所述第一多个微管，以便与外部流体交换热量；以及
第二封头部分，其在所述基板处与所述第二多个微管一起集成，并且被构造为引导第二流体通过所述第二多个微管，以便与所述外部流体交换热量。
18.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述微管阵列相对正交于所述基板的平面具有非平坦构型。
19.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述外部流体包括气体。
20.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述微管阵列、所述基板和所述封头共同地形成牢固且连续的本体。
21.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述多个微管中的每个微管的直径等于或小于2毫米(mm)。
22.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述外部流体大致正交于所述第一流体和第二流体的流动方向流动。
23.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述封头包括：在所述基板或其部分处的顶表面；以及相对于所述顶表面以一定角度纵向地联接至所述顶表面的至少一个表面。
24.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述多个微管中的至少一个是弯曲的。
25.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述多个微管中的至少一个是褶皱的。
26.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述封头包括具有截面表面的通道。
27.根据权利要求26所述的热交换器，其中，所述截面表面大致是三角形的。
28.根据权利要求26所述的热交换器，其中，所述通道大致正交于所述微管阵列。
29.根据权利要求26所述的热交换器，其中，所述封头包括大致平行于所述基板的第一表面、以第一角度纵向地联接至所述第一表面的第二表面、以及以第二角度纵向地联接至所述第二表面的第三表面，所述第一表面、第二表面和第三表面限定所述通道。
30.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述微管阵列相对正交于所述第一流体流的平面具有非平坦构型。
31.根据权利要求30所述的热交换器，其中，所述微管阵列的非平坦构型包括弯曲构型。
32.根据权利要求30所述的热交换器，其中，所述微管阵列的非平坦构型包括褶皱构型。
33.根据权利要求17所述的热交换器，还包括设置在至少一列微管中的各相邻微管之间的翅片，其中，所述翅片设置为从所述基板到所连接微管的表面，并且所述翅片被构造为向该列微管提供结构支撑。
34.根据权利要求33所述的热交换器，还包括设置在所述阵列中的至少一行微管中的各相邻微管之间的翅片。
35.根据权利要求17所述的热交换器，其中，
所述热交换器相对于所述基板以一定角度增材制造；并且
所述多个微管中的每个微管包括连接至相邻微管的至少一个翅片，所述至少一个翅片被构造为向所述微管阵列提供结构支撑。
36.一种增材制造的紧凑型热交换器，包括：
基板；
形成阵列的第一多个微管，所述第一多个微管大致平行于所述基板并且从所述基板延伸；以及
第一封头部分，所述第一封头部分在所述基板处与所述第一多个微管一起集成，并且被构造为引导第一流体通过所述第一多个微管，以便与外部流体交换热量。
37.根据权利要求36所述的增材制造的紧凑型热交换器，还包括：
形成阵列的第二多个微管，所述第二多个微管大致平行于所述基板并且从所述基板延伸；以及
第二封头部分，所述第二封头部分在所述基板处与所述第二多个微管一起集成，并且被构造为引导第二流体通过所述第二多个微管，以便与所述外部流体交换热量。
38.根据权利要求36所述的增材制造的紧凑型热交换器，其中，所述第一多个微管中的至少一个是弯曲的。
39.根据权利要求36所述的增材制造的紧凑型热交换器，其中，所述第一多个微管中的至少一个是褶皱的。
40.根据权利要求36所述的增材制造的紧凑型热交换器，其中，所述外部流体包括气体。
41.一种运输工具，包括：
增材制造的(AM)支撑结构，所述AM支撑结构包括AM微管格栅阵列，所述AM微管格栅阵列被构造为在第一流体与第二流体之间传递热量。
42.根据权利要求41所述的运输工具，所述AM微管格栅阵列包括：
多个微管，其被构造为承载所述第一流体；以及
多个空隙路径，其被构造为承载所述第二流体。
43.根据权利要求42所述的运输工具，其中，热量从所述第一流体传递至所述第二流体。
44.根据权利要求42所述的运输工具，其中，热量从所述第二流体传递至所述第一流体。
45.根据权利要求42所述的运输工具，其中，所述第一流体是液体。
46.根据权利要求45所述的运输工具，其中，所述液体是发动机油。
47.根据权利要求42所述的运输工具，其中，所述第二流体是发动机冷却剂。
48.根据权利要求42所述的运输工具，其中，所述第二流体是气体。
49.根据权利要求48所述的运输工具，其中，所述气体是强制空气。
50.一种利用三维(3D)打印增材制造运输工具中的热交换器的方法，所述方法包括：
增材制造中空支撑结构；以及
在所述中空支撑结构内增材制造微管格栅阵列。
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