CN109282670B - 增材制造的换热器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种换热器和一种用于增材制造换热器的方法。换热器包括壳体，其限定具有堆叠在其中的多个换热组的流动通路。每个换热组包括多个换热管，其形成网格结构，该网格结构从中心歧管近侧的第一端向外沿径向方向朝环形外歧管近侧的第二端延伸。中心歧管和环形外歧管以备选方式流体地联接相邻换热组的换热管，以形成用于换热流体流的蛇形流动通路。

Description

增材制造的换热器
技术领域
本主题大体上涉及换热器，且更具体地，涉及具有改善的传热能力和结构刚度的增材制造的换热器。
背景技术
换热器可连同热管理系统使用来在一种或多种流体之间传热。例如，相对较高温度下的第一流体可穿过第一通路，而相对较低温度下的第二流体可穿过第二通路。第一通路和第二通路可热接触或紧邻，以允许热从第一流体传递至第二流体。因此，第一流体的温度可降低，且第二流体的温度可升高。
常规换热器包括大量流体通路，每个流体通路使用板、条、箔片、翅片、歧管、支承结构、安装凸缘等的一些组合来形成。这些部分中的每个必须独立地定位、定向和连接到支承结构，例如，通过钎焊、焊接或另一连结方法。与组装此换热器相关联的制造时间和成本很高，且流体通路之间的流体泄漏或大体上来自换热器的流体泄漏的可能性由于形成的接头数而增大。此外，制造约束限制了可包括在换热器中(例如，流体通路内)的换热器零件(features)和结构构件的数量、尺寸和构造。
因此，具有改进的换热器的热管理系统将是有用的。更确切地说，较容易制造且包括用于改善的热和结构性能的特征的用于热管理系统的换热器将是特别有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐明，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明学习到。
在本公开内容的一个示例性实施例中，提供了一种限定轴向方向、径向方向和周向方向的换热器。换热器包括限定流动通路的壳体，以及沿轴向方向堆叠在流动通路内的多个换热组(heat exchange bank)。多个换热组中的每个包括与第一相邻换热组流体连通的环形外歧管，以及与第二相邻换热组流体连通的中心歧管。多个换热管构造成网格结构，且在环形外歧管与中心歧管之间延伸。
在本公开内容的另一个示例性方面中，提供了一种制造换热器的方法。该方法包括将增材材料层沉积在增材制造机器的床(bed)上，以及将能量从能量源有选择地引导到增材材料层上来熔合增材材料的一部分且形成换热器。换热器限定轴向方向、径向方向和周向方向。换热器包括限定流动通路的壳体以及沿轴向方向堆叠在流动通路内的多个换热组。多个换热组中的每个包括与第一相邻换热组流体连通的环形外歧管，以及与第二相邻换热组流体连通的中心歧管。多个换热管构造成网格结构，且在环形外歧管与中心歧管之间延伸。
在本公开内容的再又一个示例性方面中，提供了一种限定轴向方向、径向方向和周向方向的换热器。换热器包括限定流动通路的壳体，以及沿轴向方向堆叠在流动通路内的多个换热组。多个换热组中的每个包括构造成网格结构且从第一端向外沿径向方向朝第二端延伸的多个换热管。一个或多个环形外歧管流体地联接相邻换热组的第二端，且一个或多个中心歧管流体地联接相邻换热组的第一端。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述用于阐释本发明的原理。
实施方案1. 一种限定轴向方向、径向方向和周向方向的换热器，所述换热器包括：
壳体，其限定流动通路；
多个换热组，其沿所述轴向方向堆叠在所述流动通路内，所述多个换热组中的每个包括：
环形外歧管，其与第一相邻换热组流体连通；
中心歧管，其与第二相邻换热组流体连通；以及
多个换热管，其构造成网格结构且在所述环形外歧管与所述中心歧管之间延伸。
实施方案2. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述换热组中的一个或多个是入口组，以及所述换热组中的一个或多个是排出组，所述换热器还包括：
入口歧管，其由所述壳体限定且与所述入口组的环形外歧管直接流体连通；以及
出口歧管，其由所述壳体限定，与所述排出组的环形外歧管直接流体连通。
实施方案3. 根据实施方案2所述的换热器，其特征在于，所述入口歧管和所述出口歧管沿所述轴向方向间隔开。
实施方案4. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述多个换热组中的每个大致沿所述径向方向延伸穿过所述流动通路，且在沿所述轴向方向堆叠时与相邻换热组形成蛇形流动通路。
实施方案5. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述多个换热组中的每个的中心歧管沿中心轴线延伸，且由隔板沿所述轴向方向交错地分开。
实施方案6. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述多个换热管中的每个限定朝所述环形外歧管减小的横截面积。
实施方案7. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述多个换热管中的每个限定椭圆形、圆形或翼型件截面。
实施方案8. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述网格结构包括：
由第一多个换热管限定的第一多个单元，所述第一多个单元定位在沿所述径向方向的第一半径处限定的第一轨道内，以及所述第一多个管中的每个限定第一有效流动面积；以及
由第二多个换热管限定的第二多个单元，所述第二多个单元定位在沿所述径向方向的第二半径处限定的第二轨道内，以及所述第二多个管中的每个限定第二有效流动面积，其中所述第一多个管和所述第二多个管之间的关系由针对最小化所述换热器内的压力损失的数学模型控制。
实施方案9. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述网格结构包括六边形单元阵列。
实施方案10. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述网格结构包括多个结，每个结联结以大约120度角分开的所述多个换热管中的三个。
实施方案11. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述网格结构包括多个结，其中所述多个结中的每个包括一个或多个入口管和一个或多个出口管，所述一个或多个入口管的横截面积的总和大致等同于所述一个或多个出口管的横截面积的总和。
实施方案12. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，相邻换热组的所述网格结构交错，以增加所述换热流体流暴露于所述流动通路内的换热管。
实施方案13. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述换热器包括两个以上的换热组。
实施方案14. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述环形外歧管桥接两个相邻换热组来提供所述两个相邻换热组之间的流体连通。
实施方案15. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述换热器是空气-空气换热器，其构造成在所述流动通路内接收冷却空气流，且在所述多个换热管内接收热空气流。
实施方案16. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述壳体和所述多个换热组整体地形成为单个单块构件。
实施方案17. 根据实施方案1所述的换热器，其特征在于，所述换热器包括多个层，其由以下形成：
将增材材料层沉积在增材制造机器的床上；以及
将能量从能量源有选择地引导到所述增材材料层上来熔合所述增材材料的一部分。
实施方案18. 一种制造换热器的方法，所述方法包括：
将增材材料层沉积在增材制造机器的床上；以及
将能量从能量源有选择地引导到所述增材材料层上，以熔合所述增材材料的一部分且形成所述换热器，所述换热器限定轴向方向、径向方向和周向方向，所述换热器包括：
壳体，其限定流动通路；
多个换热组，其沿所述轴向方向堆叠在所述流动通路内，所述多个换热组中的每个包括：
环形外歧管，其与第一相邻换热组流体连通；
中心歧管，其与第二相邻换热组流体连通；以及
多个换热管，其构造成网格结构且在所述环形外歧管与所述中心歧管之间延伸。
实施方案19. 根据实施方案18所述的方法，其特征在于，所述壳体和所述多个换热组整体地形成为单个单块构件。
实施方案20. 一种限定轴向方向、径向方向和周向方向的换热器，所述换热器包括：
壳体，其限定流动通路；
多个换热组，其沿所述轴向方向堆叠在所述流动通路内，所述多个换热组中的每个包括构造成网格结构且从第一端向外沿所述径向方向朝第二端延伸的多个换热管；
一个或多个环形外歧管，其流体地联接相邻换热组的第二端；以及
一个或多个中心歧管，其流体地联接相邻换热组的第一端。
附图说明
包括针对本领域的普通技术人员的其最佳模式的本发明的完整且能够实现的公开内容在参照附图的说明书中阐释。
图1提供了根据本主题的一个示例性实施例的增材制造的换热器的透视图。
图2提供了图1中的示例性换热器的前视图。
图3提供了沿图1中的线3-3截取的图1中的示例性换热器的横截面视图。
图4提供了沿图1中的线4-4截取的图1中的示例性换热器的横截面视图。
图5提供了图1中的示例性换热器的另一个横截面视图。
图6提供了沿图1中的线6-6截取的图1的示例性换热器的横截面视图，且示意性地示出了穿过示例性换热器的第一换热流体和第二换热流体的流动。
图7提供了根据本主题的一个示例性实施例的换热模块的前视图。
图8提供了图7中的示例性换热模块的侧视图。
图9提供了图1中的示例性换热器的换热组的局部示意图，包括指出根据一个示例性实施例的换热管的近似横截面积的整数值。
图10为根据本主题的一个示例性实施例的制造换热器的方法。
本说明书和附图中的参考标号的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
构件列表
100 换热器
102 壳体
104 流动通路
106 中心轴线
110 换热组
112 环形外歧管
114 中心歧管
116 换热管
120 中心端口
122 外端口
130 隔板
140 第一流体入口
142 入口组
144 第一流体出口
146 排出组
148 第一换热流体流
150 入口歧管
152 第二流体入口
154 出口歧管
156 第二流体出口
158 第二换热流体流
170 第一多个单元
172 第一轨道
174 第一半径
176 第二多个单元
178 第二轨道
180 第二半径
182 第三多个单元
184 第三轨道
186 第三半径
190 结(Junctions)
192 换热器模块
A 轴向方向
R 径向方向
C 周向方向
200 方法
210-220 步骤。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。该详细描述使用了数字和字母标号来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标记已用于表示本发明的相似或类似的部分。如本文使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示独立构件的位置或重要性。用语“前”和“后”是指热管理系统内的相对位置，其中前是指更接近构件入口的位置，而后是指更接近构件排出口(exhaust)的位置。用语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，且“下游”是指流体流至的方向。此外，如本文使用的，近似的用语，如“大概”、“大约”或“大致”是指在百分之十的误差裕度内。
如本文使用的，“流体”可为气体或液体。本途径不由使用的流体类型限制。在优选应用中，冷却流体为空气，且被冷却流体为油。本途径可用于其它类型的液态和气态流体，其中被冷却流体和冷却流体为相同流体或不同流体。被冷却流体和冷却流体的其它实例包括燃料、液压流体、燃烧气体、制冷剂、制冷剂混合物、用于冷却航空电子设备或其它飞行器电子系统的介电流体、水、基于水的化合物(compound)、与防冻添加剂(例如，酒精或乙二醇化合物)混合的水，以及能够维持在升高或降低温度下的热输送的任何其它有机或无机热传递流体或流体混合物。
本公开内容大体上针对一种换热器和一种用于增材制造换热器的方法。换热器包括壳体，其限定具有堆叠在其中的多个换热组的流动通路。每个换热组包括多个换热管，其形成网格结构，该网格结构从中心歧管近侧的第一端向外沿径向方向朝环形外歧管近侧的第二端延伸。中心歧管和环形外歧管以交错方式流体地联接相邻换热组的换热管，以形成用于换热流体流的蛇形流动通路。
参看图1，将根据本主题的一个示例性实施例来描述增材制造的换热器100。换热器100可用于在任何适合的应用中在两种或多种流体之间传热。例如，换热器100可构造成用于将热从油传递至空气，或在燃气涡轮发动机内的两股空气之间传递热。然而，应认识到，换热器100可构造成用于接收用于传热过程中的任何适合数量和类型的流体，其实例在本文中描述。此外，本文公开的构想和换热结构可类似地用于汽车、航空、海事和其它行业来有助于在流体之间传热。此外，图1示出了用于阐释其总体操作的换热器100的一个示例性实施例，但换热器100的尺寸、形状和构造不旨在限制本主题的范围。例如，流体通路的尺寸、形状、数量和构造可变化，同时仍保持在本主题的范围内。
大体上，本文所述的换热器100的示例性实施例可使用任何适合的工艺来制造或形成。然而，根据本主题的若干方面，换热器100可使用增材制造工艺(如3D打印工艺)来形成。此工艺的使用可允许换热器100整体地形成，作为单个单块构件，或作为任何适合数量的子构件。具体而言，制造工艺可允许换热器100整体地形成，且包括在使用现有制造方法时不可能的多种特征。例如，本文所述的增材制造方法允许具有使用现有制造方法不可能的各种特征、构造、厚度、材料、密度、流体通路和安装结构的换热器的制造。本文描述了这些新颖特征中的一些。
如本文使用的，用语“增材制造”或“增材制造技术或工艺”大体上是指制造工艺，其中(多个)连续材料层设在彼此上，以逐层“累积(build-up)”三维构件。连续层大体上熔合在一起来形成单块构件，其可具有多种整体的子构件。尽管本文将增材制造技术描述为允许复杂物体通过通常沿垂直方向逐点、逐层构成物体来制成，但其它制造方法是可能的，且在本主题的范围内。例如，尽管本文论述涉及材料的添加来形成连续层，但本领域的技术人员将认识到，本文公开的方法和结构可利用任何增材制造技术或制造技艺来实施。例如，本发明的实施例可使用层添加(layer-additive)工艺、层减去(layer-subtractive)工艺或混合工艺。
根据本公开内容的合适的增材制造技术包括例如熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、诸如通过喷墨和激光喷射的3D打印、立体光刻(SLA)、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)、激光净形制造(LNSM)、直接金属沉积(DMD)、数字光处理(DLP)、直接选择性激光熔化(DSLM)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光熔化(DMLM)和其它已知的工艺。
本文所述的增材制造工艺可用于使用任何适合的材料来形成构件。例如，材料可为塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光敏聚合物树脂，或可为固体、液体、粉末、片材、线或任何其它适合形式的任何其它适合的材料。更确切地说，根据本主题的示例性实施例，本文所述的增材制造的构件可部分地、完全地或以如下材料的一些组合形成，所述材料包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金和镍或钴基超级合金(例如，可从特殊金属公司(Special Metals Corporation)获得的名称为Inconel®的那些)。这些材料是适用于本文所述的增材制造工艺中的材料的实例，且可大体上称为“增材材料(additive materials)”。
此外，本领域的技术人员将认识到，用于粘结那些材料的多种材料和方法可使用，且构想为在本公开内容的范围内。如本文使用的，提到“熔合”可表示用于产生任何以上材料的粘结层的任何适合的过程。例如，如果物体由聚合物制成，则熔合可表示产生聚合物材料之间的热固性粘结。如果物体为环氧树脂，则粘结可由交联过程形成。如果材料为陶瓷，则粘结可由烧结过程形成。如果材料为粉末金属，则粘结可由熔化或烧结过程形成。本领域的技术人员将认识到，通过增材制造熔合材料来制作构件的其它方法是可能的，且当前公开的主题可利用那些方法来实施。
此外，本文公开的增材制造工艺允许单个构件由多种材料形成。因此，本文所述的构件可由以上材料的任何适合的混合物形成。例如，构件可包括使用不同材料、工艺和/或在不同增材制造机器上形成的多个层、部段或部分。以此方式，可构造构件，其具有不同的材料和材料性质来满足任何具体应用的需求。此外，尽管本文所述的构件完全由增材制造工艺构成，但应认识到，在备选实施例中，这些构件中的所有或一部分可经由铸造、机加工和/或任何其它适合的制造工艺形成。实际上，材料和制造方法的任何适合的组合可用于形成这些构件。
现在将描述一种示例性增材制造工艺。增材制造工艺使用构件的三维(3D)信息(例如，三维计算机模型)来制造构件。因此，构件的三维设计模型可在制造之前限定。在此方面，可扫描构件的模型或原型来确定构件的三维信息。作为另一个实例，构件的模型可使用适合的计算机辅助设计(CAD)程序来构造，以限定构件的三维设计模型。
设计模型可包括构件的整个构造的3D数字坐标，包括构件的外表面和内表面二者。例如，设计模型可限定本体、表面和/或内部通路，如，开口、支承结构等。在一个示例性实施例中，三维设计模型转换成多个切片或部段，例如，沿构件的中心(例如，垂直)轴线或任何其它适合的轴线。每个切片可限定对于切片的预定高度的构件的薄横截面。多个连续横截面切片一起形成3D构件。构件然后逐切片或逐层“累积”，直到完成。
以此方式，本文所述的构件可使用增材工艺来制造，或更确切地说，每层是连续地形成的，例如，通过使用激光能量或热熔合或聚合塑料，或通过烧结或熔化金属粉末。例如，特定类型的增材制造工艺可使用能量束，例如，电子束或电磁辐射，如，激光束，以烧结或熔化粉末材料。可使用任何适合的激光和激光参数，包括相对于功率、激光束点尺寸和扫描速率的考虑。构建材料(build material)可以由选择用于增强强度、耐用性和使用寿命的任何合适的粉末或材料形成，特别是在高温下。
每个连续层例如可在大约10μm到200μm之间，尽管厚度可基于任何数量的参数选择，且根据备选实施例，可为任何适合的尺寸。因此，使用上文所述的增材形成方法，本文所述的构件可具有与在增材成形过程期间使用的相关联的粉末层的一个厚度一样薄的横截面，例如，10μm。
此外，使用增材工艺，构件的表面光洁度(finish)和特征可取决于应用按需要变化。例如，表面光洁度可通过在增材过程期间选择适合的激光扫描参数(例如，激光功率、扫描速度、激光焦点尺寸等)来调整(例如，制作成更光滑或更粗糙)，尤其是在对应于部分表面的横截面层的外周中。例如，较粗糙的光洁度可通过增大激光扫描速度或减小形成的熔池的尺寸来实现，且更光滑的光洁度可通过减小激光扫描速度或增大形成的熔池的尺寸来实现。扫描图案和/或激光功率也可改变来改变选择区域中的表面光洁度。
值得注意的是，在示例性实施例中，本文所述的构件的若干特征由于制造约束而在以前是不可能的。然而，本发明人有利地利用了增材制造技术中的目前的进步来大体上根据本公开内容开发此构件的示例性实施例。尽管本公开内容不限于使用增材制造来大体上形成这些构件，但增材制造提供了多种制造优点，包括容易制造、降低成本、较高准确性等。
在此方面，使用增材制造方法，甚至多部分构件可形成为单件连续金属，且因此相比于现有设计包括较少的子构件和/或接头。这些多部分构件通过增材制造的整体形成可有利地改善整个组装过程。例如，整体形成减少了必须组装的单独部分的数量，因此减少了相关联的时间和总体组装成本。此外，可有利地减少例如泄漏、单独部分之间的接头质量和总体性能的现有问题。
另外，上文所述的增材制造方法允许本文所述的构件的更错综和复杂的形状和轮廓。例如，此构件可包括薄增材制造层，以及具有整体收集器歧管的独特流体通路。此外，增材制造工艺允许具有不同材料的单个构件的制造，使得构件的不同部分可呈现出不同的性能特征。制造工艺的连续增材性质允许了这些新颖特征的构成。结果，本文所述的构件可呈现出改进的传热效率和可靠性。
现在参看图1和2，将根据本主题的一个示例性实施例描述换热器100。在此方面，图1和图2分别提供了换热器100的透视图和前视图。如所图示，换热器100大体上限定轴向方向A、径向方向R和周向方向C。换热器100大体上包括壳体102，该壳体102限定沿轴向方向A延伸的流动通路104。根据所示实施例，壳体104限定沿轴向方向A延伸的中心轴线106的圆形横截面。以此方式，流动通路104是细长圆柱，且例如可用于配合在现有的管路或圆形导管内或替换现有的管路或圆形导管，以便于换热过程。然而，应认识到，根据备选实施例，壳体102可为任何适合的尺寸或形状。例如，壳体102可具有非圆形的横截面，且可具有弯曲的中心线106，使得换热器100可配合在非线性的流动通路中。
换热器100还包括沿中心轴线106(即，所示实施例中的轴向方向A)堆叠在流动通路104内的多个换热组110。每个换热组110包括与第一相邻换热组110(即，相邻上游组110)流体连通的环形外歧管112。此外，每个换热组110包括与第二相邻换热组(例如，相邻下游组110)流体连通的中心歧管114。多个换热管116构造成网格结构，且在环形外歧管112与中心歧管114之间延伸。
现在参看图3至5，提供了换热器100的横截面视图。更确切地说，图3为沿来自图1的线3-3截取的横截面，图4为沿线4-4截取的横截面，且图5为在这两个横截面线之间的别处截取的横截面。如所示，每个换热管116在中心歧管114近侧的中心孔口或中心端口120向外大致沿径向方向R朝外歧管112近侧的外孔口或外端口122之间延伸。
现在简要参看图6，换热器100的示意性横截面视图示为沿图1中的线6-6截取。如所示，换热器100包括在彼此附近堆叠的多个换热组110。此外，换热器100限定多个隔板130，该隔板130定位在交错的换热组100的中心歧管114之间，例如，使换热流体流回到换热管116中。以此方式，换热组110的中心歧管114沿中心轴线106延伸，且由隔板130沿轴向方向A交错地分开。
类似地，如图6中最佳所示，环形外歧管112构造成桥接两个相邻的换热组110，以提供两个相邻换热组110之间的流体连通。如所图示，换热组110大致沿径向方向R延伸穿过流动通路104。当堆叠在彼此附近且使用如本文所述的歧管112和隔板130联接时，换热组110形成蛇形流动通路。以此方式，换热组110内的换热流体在每次通过期间将从多个换热管116流入单个相应的环形外歧管112和单个中心歧管114。换热流体然后在反向穿过换热管116之前混合在一起，因此确保换热流体流内的均匀温度分布和改善的传热效率。
现在大体上参看图1和6，换热组110定位在流动通路104内，使得它们与流动通路104流体地隔离，但与其中流动的流体热连通。更确切地说，壳体102可限定本文中称为入口组142的定位在第一换热组110上游的第一流体入口140，以及本文中称为排出组146的定位在最后的换热组110下游的第一流体出口144。第一换热流体流148可流过第一流体入口140，且沿轴向方向A穿过流动通路104和换热组110，直到穿过第一流体出口144。
此外，根据一个示例性实施例，壳体102限定限定第二流体入口152的入口歧管150和限定第二流体出口156的出口歧管154。如所图示，入口歧管150与入口组142流体连通，以用于将第二换热流体流158提供至入口组142。第二换热流体流158在经由排出组146和第二流体出口156流出换热器100之前，以蛇形方式穿过换热组110。任何适合数量的换热组100都可沿中心轴线106堆叠，且入口歧管150和出口歧管154可沿轴向方向A间隔开，以供应和接收换热流体。此外，应认识到，根据备选实施例，换热器100可包括多个入口歧管150和/或出口歧管154来用于按需要控制换热流体流。备选地，可使用流体供应和返回管路，或换热流体可以以任何其它适合的方式循环。
换热器100在本文中描述为大致沿轴向方向A传递第一换热流体流148，且大致沿径向方向R(即，垂直于轴向方向A)传递第二换热流体流158。以此方式，换热器100构造成使得流垂直于彼此，且成穿流换热布置。然而，应认识到，换热管116关于壳体102和流动通路104的方向定向可变化，同时仍在本主题的范围内。在此方面，根据备选实施例，换热管116可构造成与流动通路104成另一穿流定向，成并流布置，或成任何其它适合的定向。此外，如上文详细所述，可使用任何适合的备选换热流体。
此外，每个连续换热组110可定时来中断第二换热流体流158沿轴向方向A穿过流动通路104。此构造可改善传热，代价是沉降侧(sink-side)压降。相比之下，根据又另一个实施例，换热组110可沿轴向方向A一致地定向，例如，以减小流动通路104内的流动损失和压降。根据示例性实施例，相邻换热组110以其交错或偏移的角可由数学公式或随机地确定。
换热管116可为任何适合的尺寸和形状，以便于改善传热，同时最小化换热流体流148,158内的压力损失。例如，根据所图示实施例，换热管116具有大致圆形的横截面轮廓。然而，根据备选实施例，可使用任何其它适合的横截面形状，如，椭圆形横截面，或甚至变化或波状的横截面形状。例如，横截面可为翼型件形状(例如，类似于泪滴形状)。
此外，换热管116可在每个换热组110内互连和/或交织，以形成网格结构，这改善换热流体之间的热接触和换热器100的热效率。例如，根据所示实施例，每个换热组110的换热管116形成为网格结构。更确切地说，如根据一个示例性实施例在下文中更详细所述，如图2中最佳所示，网格结构包括由换热管116限定的多个单元，每个单元定位在多个轨道中的一个内。根据一个示例性实施例，单元的每个线性段构成“分支”，虽然根据备选实施例，可使用非线性部段。
参看图2，换热组110的网格结构包括由第一多个换热管116限定的第一多个单元170。值得注意的是，第一多个单元170定位在大体上沿径向方向R限定在第一半径174处的第一轨道172内。类似地，第二多个单元176定位在限定第二半径180处的第二轨道178内，第三多个单元182定位在第三半径186处的第三轨道184中，等。
值得注意的是，如下文将更详细所述，限定各种单元170,176,182的换热管116横截面积上变化。每个换热管116的横截面积也可在中心歧管114与外歧管112之间变化。例如，当换热管116沿径向方向R分支出时，期望换热管116的横截面积变得更小，以便维持换热管116内的湿区域，且为了换热流体的恒定体积流率而防止流动损失或停滞。在此方面，每个换热管116大体上限定朝外歧管112减小的横截面积。
根据一个示例性实施例，限定多个单元170,176,182中的每个的换热管116的横截面积之间的关系可由数学模型控制。大体上，如下文简要所述，数学模型可设计成最大化换热管116的湿区域，同时最小化换热组110内的压力损失和停滞点。
更确切地说，简要参看图9，一个示例性数学模型设置每个换热管116或管的“分支”的横截面积(其中分支规定包含总换热器流的部分量的流动通路)。如图9的示例性模型中所示，整个换热组110包括分成120度扇区(sector)的单元阵列，本文中称为“扇区”。对于给定阵列对于每个扇区，几何形状重复(为了清楚起见，图9中示出了仅一个扇区)。
分支区域(如由定位在图9中的每个分支上的小数字指出)可由以下方程规定：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中A总是换热器阵列的入口/出口管路的总流动面积，n出口是描述出口分支面积的整数单位，m是来自阵列的出口分支的总数(对于六边形单元的因子是6)，且n分枝是由设计者选择的满足质量守恒且优化强度和性能的整数。
为了确保穿过阵列的每个分支的流动，期望在倒数第二个轨道之前产生非对称分支结(例如，如果阵列具有3个轨道，则非对称结必须由第2个轨道引入)。对于每个轨道的所有n分枝整数值的总和必须等于m*n出口/3(对于扇区方法)，以便满足质量守恒。
根据所示实施例，单元170,176,182中的每个在沿轴向方向A看时具有大致六边形的形状。此外，换热组110限定多个结190，其中换热管116与彼此交叉或连结。在这些结190处，第二换热流体流158在其沿径向方向R向外流动时分流，或在其沿径向方向R向内流动时合并。例如，如所图示，每个结190联结多个换热管116中的三个，每个管分开大约120度的角。取决于流动方向，换热管116中的一个或多个是入口管，例如，将流提供至结190，且换热管116中的一个或多个是出口管，例如，从结190接收流。值得注意的是，一个或多个入口管的横截面积的总和大致等于一个或多个出口管的横截面积的总和。尽管单元170,176,182在本文中示为六边形，但应认识到，根据备选实施例，可使用任何适合的形状，如，正方形、八边形、五边形等。
尽管换热管116示为形成网格结构来限定多个六边形单元的直管，但应认识到，换热管116可改为曲线、蛇形、螺线、正弦或任何其它适合的形状。此外，换热管116可取决于应用和换热流体类型，按需要形成为任何适合的尺寸、数量、间距、形状、定向和行程数。这些各种构造由本文公开的增材制造工艺启用，且认作是在本主题的范围内。
尽管本文描述了一个示例性实施例，但应认识到，换热管116可取决于应用、使用的换热流体的类型、空间考虑等以任何适合的方式构造。此外，每个换热组110可包括略微不同的结构，或可包括沿轴向方向A与彼此偏离的换热管116，以最大化换热管116与第一换热流体流148之间的接触。例如，根据所示实施例，相邻换热组110的网格结构交错来增加第一换热流体流148暴露于流动通路104内的换热管116。
现在简要参看图7和8，将根据本主题的一个示例性实施例描述换热器模块192。换热器模块192在很多方面类似于换热器100，除了其限定单个独立模块中的两个相邻的换热组110。两个相邻的换热组110由整体地形成的环形外歧管112联接，且具有构造成用于与附加的换热器模块192联接的开口中心歧管114。以此方式，任何适合数量的换热器模块192可堆叠在一起，且经由中心歧管114流体地联接。整个换热器组件(即，连接的模块192)然后可置于换热流体流内来执行传热过程。
换热器100的各种部分可按需要使用任何适合的材料、以任何适合的几何形状、密度和厚度来构成，以向换热器100提供所需的结构支承。例如，换热器100的壳体102可由刚性的绝热材料形成。此外，壳体102可更厚且密度更大，以在安装、组装和操作期间向由换热器100经历的负载提供结构支承。相比之下，换热管116可较细，且由可更导热的材料构成，以便加强传热。例如，换热管116可具有20μm的壁厚，或任何其它适合的厚度。
应认识到，换热器100在本文中描述为仅用于阐释本主题的方面的目的。例如，换热器100将在本文中用于描述示例性构造、构型和制造换热器100的方法。应认识到，本文所论述的增材制造技术可用于制造其它换热器来用于使用在任何适合的装置中，用于任何适合的目的，且用于任何适合的行业中。因此，本文所述的示例性构件和方法仅用于示出本主题的示例性方面，且不旨在以任何方式限制本公开内容的范围。
现在已经呈现了根据本主题的一个示例性实施例的换热器100的构型和构造，提供了根据本主题的一个示例性实施例的用于形成换热器的示例性方法200。方法200可由制造者使用来形成换热器100，或任何其它适合的换热器。应认识到，本文仅论述了示例性方法200来描述本主题的示例性方面，且不旨在限制。
现在参看图10，方法200包括在步骤210处将增材材料层沉积在增材制造机器的床上。方法200还包括在步骤220处将能量从能量源有选择地引导到增材材料层上来熔合增材材料的一部分且形成换热器。例如，使用来自以上的实例，换热器100可形成为用于在空气流之间、在空气流与油之间传热，或可形成任何适合的换热器。
增材制造的换热器可包括限定流动通路的壳体。多个换热组可沿轴向方向堆叠在流动通路内。多个换热组中的每个可包括与第一相邻换热组流体连通的环形外歧管，以及与第二相邻换热组流体连通的中心歧管。多个换热管可以构造成网格结构，且在环形外歧管与中心歧管之间延伸。
根据示例性实施例，方法200还可包括使用本文所述的增材制造方法来形成整体的入口歧管和整体的出口歧管。值得注意的是，根据一种示例性实施例，壳体、多个换热组、入口歧管、出口歧管和如上文所述的换热器的其它部分整体地形成为单个单块构件。
图10绘出了出于图示和论述的目的以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，可以以各种方式调整、重新布置、扩展、省略或修改本文所论述的任何方法的步骤，而不偏离本公开内容的范围。此外，尽管将换热器100用作实例阐释了方法200的方面，但应认识到，这些方法可用于制造任何适合的换热器。
上文描述了增材制造的换热器和用于制造该换热器的方法。值得注意的是，换热器100大体上可包括性能增强的几何形状和换热特征，其实际实施通过如下文所述的增材制造工艺促进。例如，使用本文所述的增材制造方法，换热器可包括换热组，其限定用于在两股流体流之间传递热能的网格换热结构。此外，本文所述的增材制造技术允许形成具有整体的入口歧管和出口歧管以及设计成改善换热器的热效率的换热管的换热器。这些特征可在换热器的设计期间引入，使得它们可容易地在很小或没有附加成本下在构造过程期间整体结合到换热器中。此外，包括壳体、换热组和所有其它特征的整个换热器可整体地形成为单个单块构件。
本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例包括并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种限定轴向方向、径向方向和周向方向的换热器，所述换热器包括：
壳体，其限定流动通路；
多个换热组，其沿所述轴向方向堆叠在所述流动通路内，所述多个换热组中的每个包括：
环形外歧管，其与第一相邻换热组流体连通；
中心歧管，其与第二相邻换热组流体连通，所述中心歧管由所述环形外歧管所包围；以及
多个换热管，其构造成网格结构且在所述环形外歧管与所述中心歧管之间沿径向方向延伸。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热组中的一个或多个是入口组，以及所述换热组中的一个或多个是排出组，所述换热器还包括：
入口歧管，其由所述壳体限定且与所述入口组的环形外歧管直接流体连通；以及
出口歧管，其由所述壳体限定，与所述排出组的环形外歧管直接流体连通。
3.根据权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述入口歧管和所述出口歧管沿所述轴向方向间隔开。
4.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述多个换热组中的每个大致沿所述径向方向延伸穿过所述流动通路，且在沿所述轴向方向堆叠时与相邻换热组形成蛇形流动通路。
5.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述多个换热组中的每个的中心歧管沿中心轴线延伸，且由隔板沿所述轴向方向交错地分开。
6.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述多个换热管中的每个限定朝所述环形外歧管减小的横截面积。
7.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述多个换热管中的每个限定椭圆形、圆形或翼型件截面。
8.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述网格结构包括：
由第一多个换热管限定的第一多个单元，所述第一多个单元定位在沿所述径向方向的第一半径处限定的第一轨道内，以及所述第一多个换热管中的每个限定第一有效流动面积；以及
由第二多个换热管限定的第二多个单元，所述第二多个单元定位在沿所述径向方向的第二半径处限定的第二轨道内，以及所述第二多个换热管中的每个限定第二有效流动面积，其中所述第一多个换热管和所述第二多个换热管之间的关系由针对最小化所述换热器内的压力损失的数学模型控制。
9.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述网格结构包括六边形单元阵列。
10.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述网格结构包括多个结，每个结联结以大约120度角分开的所述多个换热管中的三个。
11.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述网格结构包括多个结，其中所述多个结中的每个包括一个或多个入口管和一个或多个出口管，所述一个或多个入口管的横截面积的总和大致等同于所述一个或多个出口管的横截面积的总和。
12.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，相邻换热组的所述网格结构交错，以增加换热流体流暴露于所述流动通路内的换热管。
13.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器包括两个以上的换热组。
14.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述环形外歧管桥接两个相邻换热组来提供所述两个相邻换热组之间的流体连通。
15.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器是空气-空气换热器，其构造成在所述流动通路内接收冷却空气流，且在所述多个换热管内接收热空气流。
16.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述壳体和所述多个换热组整体地形成为单个单块构件。
17.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器包括多个层，其由以下形成：
将增材材料层沉积在增材制造机器的床上；以及
将能量从能量源有选择地引导到所述增材材料层上来熔合所述增材材料的一部分。
18.一种制造换热器的方法，所述方法包括：
将增材材料层沉积在增材制造机器的床上；以及
将能量从能量源有选择地引导到所述增材材料层上，以熔合所述增材材料的一部分且形成所述换热器，所述换热器限定轴向方向、径向方向和周向方向，所述换热器包括：
壳体，其限定流动通路；
多个换热组，其沿所述轴向方向堆叠在所述流动通路内，所述多个换热组中的每个包括：
环形外歧管，其与第一相邻换热组流体连通；
中心歧管，其与第二相邻换热组流体连通，所述中心歧管由所述环形外歧管所包围；以及
多个换热管，其构造成网格结构且在所述环形外歧管与所述中心歧管之间沿径向方向延伸。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述壳体和所述多个换热组整体地形成为单个单块构件。
20.一种限定轴向方向、径向方向和周向方向的换热器，所述换热器包括：
壳体，其限定流动通路；
多个换热组，其沿所述轴向方向堆叠在所述流动通路内，所述多个换热组中的每个包括构造成网格结构且从第一端向外沿所述径向方向朝第二端延伸的多个换热管；
一个或多个环形外歧管，其流体地联接相邻换热组的第二端；以及
一个或多个中心歧管，其流体地联接相邻换热组的第一端，
其中所述一个或多个中心歧管由所述一个或多个环形外歧管所包围。
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