CN109496261B - 3d螺旋热交换器 - Google Patents

Abstract

一种螺旋热交换器，其特征在于：第一螺旋通道，被配置为形成盘绕的热流体通路的行和列，以接收热流体；以及第二螺旋通道，被配置为形成对应的盘绕的冷流体通路的行和列，以接收具有低于热流体的温度的冷流体。第一螺旋通道和第二螺旋通道被配置为每隔一行和每隔一列交替，以便形成由交替的盘绕壁分隔的盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列的矩阵，该盘绕壁充当流体分隔器和管道，通过该盘绕壁，热量在热流体和冷流体之间传递。

Description

3D螺旋热交换器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年6月9日提交的临时专利申请序列号62/347,813(911-026.001-1(F-STD-X0001US01))的权益，其整体通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种热交换器，并且更特别地，涉及通过促进流体与不同温度下的另一流体之间的热传递来降低或升高该流体的温度的热交换器。

背景技术

热交换器是一种设备，其目的是通过促进流体与不同温度下的另一流体之间的热传递来降低或升高该流体的温度。存在可用的若干类型的热交换器，这些热交换器在热传递能力、几何设计和复杂性、成本、工作流体温度、压力和粘度范围以及许多其他属性方面不同。

常见类型的热交换器包括双管式、壳管式、以及板框架式。一种不常见的类型是螺旋热交换器。该热交换器由以螺旋模式盘绕的金属板构成，以形成用于热流体的单通道和用于冷流体的单通道。热流体通常在热交换器的中心进入并且向外流到交换器的外围，冷流体以相反方向流动。

这种类型的热交换器具有许多优于前述类型的优点。螺旋通道在整个流动路径中建立均匀的速度分布，在流动中没有死点。这意味着，不仅流体将更高效地流动，而且也不存在会促使固体沉积或结垢的特定区域，实际上是自清洁设计。任何发生的结垢都会使得流体速度的局部增加，这将起到清洁结垢区域的作用。归因于此，螺旋热交换器与粘性流体一起使用，并且在有颗粒悬浮在工作流体中的情况下使用。

螺旋热交换器的曲率在流动路径的内部和外部之间建立次级流动，并且即使在低雷诺数下也确保整个设备中的高度湍流流体流动。次级流动增加了混合，这也增强了热传递，并且由于不断变化的曲率，整个设备的温度分布是均匀的——不存在热点和冷点，而不像其他热交换器类型那样。

螺旋热交换器的不断变化的曲率还确保了整个路径中的高度湍流流体流动。这增加了混合，这也增强了热传递，并且由于该不断变化，温度分布在整个设备中是均匀的——不存在热点和冷点，而不像其他热交换器类型那样，这进一步提高了交换器的性能。

在当今存在的任何类型中，螺旋热交换器提供了最高的热传递与尺寸的比率，并且与其他热交换器类型相比，加大交换器的尺寸能够带来更低的压降，更少的所需泵能量，更高的热效率和更低的能量成本。

这种类型的热交换器也存在缺点。首先，其相对复杂的几何形状通常导致更高的成本。其次，大的单通道限制了可用于热传递的面积和设备的压力范围。

鉴于以上所述，工业上需要更好的热交换器。例如，具有带来较低成本的较不复杂的几何形状、并且还具有不限制可用于传递的面积和设备的压力范围的小通道的热交换器。

发明内容

作为示例，本发明提供了一种新颖并且独特的螺旋热交换器，其特征在于：

第一螺旋通道，被配置为形成盘绕的热流体通路的行和列，以接收热流体；以及

第二螺旋通道，被配置为形成对应的盘绕的冷流体通路的行和列，以接收具有小于热流体的温度的冷流体；

第一螺旋通道和第二螺旋通道被配置为每隔一行和每隔一列交替，以便形成由交替的盘绕壁分隔的盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列的矩阵，该盘绕壁充当流体分隔器和管道，通过该盘绕壁，热量在热流体和冷流体之间传递。

该装置可以包括以下附加特征中的一个或多个：

第一螺旋通道和第二螺旋通道可以被配置为形成平行的和交错的流体通路的多个行和多个列。

第一螺旋通道和第二螺旋通道可以被配置为每隔一行和每隔一列交替，以便形成盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列，该通路具有由上弯角盘绕壁和下弯角盘绕壁分隔的平行六面体形状的截面。

第一螺旋通道和第二螺旋通道可以使用增材制造工艺来制造，包括使用粉末床熔合技术来制造。

第一螺旋通道和第二螺旋通道可以被配置为使得盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列被彼此平行地盘绕。

螺旋热交换器可以包括将第一螺旋通道和第二螺旋通道分隔的螺旋壁。

附图说明

附图包括图1至图7，附图不一定按比例绘制并且包括以下：

图1是传统螺旋热交换器中的流体通路的示图，该流体通路具有逆流的热流体和冷流体，例如包括指示热流体路径的箭头，该热流体路径具有一个螺旋通道中的在一个流动方向上流动的热流体，并且包括指示冷流体路径的另外的箭头，该冷流体路径具有在相邻螺旋通道中的在相反流动方向上流动的冷流体。

图2包括图2A和图2B，图2A和图2B是传统螺旋热交换器的扫掠截面(swept crosssection)的示图，示出了由通道壁分隔的热流体通道和冷流体通道，该通道壁充当流体分隔器和管道，热量通过该通道壁传递，其中图2A示出了图1所示的传统螺旋热交换器的侧视图；并且其中图2B示出了图2A所示的传统螺旋热交换器的一部分的分解截面图，指示用于分隔热流体通道和冷流体通道的通道壁，并且指示热流体通道和冷流体通道的长度L和宽度。

图3示出了根据本发明的一些实施例的、具有由螺旋壁分隔的热流体和冷流体交替的螺旋路径或通道的、3d螺旋热交换器的计算机辅助设计再现的透视截面图。(注意：图3包括“升高的”螺旋壁，目的是帮助读者区分热流体螺旋通道和冷流体螺旋通道。)

图4包括图4A和图4B，图4是根据本发明的一些实施例的、示出流体通路的3d螺旋热交换器的扫掠截面图，其中图4A示出了图3中所示的3D螺旋热交换器的侧视图；并且其中图4B示出了图4A中所示的3D螺旋热交换器的一部分的分解截面图。

图5包括图5A和图5B，图5A和图5B是根据本发明的一些实施例的3d螺旋热交换器中的流体通路布置的示图，示出了交替的行如何实现两种工作流体之间的最大热传递面积，其中图5A示出了图4B中所示的、具有所指示的热流体和冷流体交替的螺旋路径或通道的、3D螺旋热交换器的一部分的分解截面图；并且其中图5B示出了图5A中所示的、具有所指示的热流体和冷流体交替的螺旋路径或通道的、3D螺旋热交换器的子部分的进一步的分解图。

图6包括图6A和图6B，图6A和图6B示出了流体通路的并排比较，其中图6A示出了根据本发明的一些实施例的3D螺旋热交换器的热流体和冷流体交替的螺旋路径或通道；并且其中图6B示出了传统螺旋热交换器的热流体路径和冷流体路径。

图7包括图7A和图7B，图7A和图7B示出了流体通路几何定义，其中图7A示出了具有以下几何定义的流动路径的图示：s是通道中的每个壁的零厚度长度，α是通道壁相对于水平面的角度，Δx是每个通道的水平长度，以及Δy是每个通道的垂直长度；并且其中图7B示出了具有以下几何定义的流动路径的另一图示：s是通道中的每个壁的零厚度长度，Δs是通道中的每个壁的零厚度长度与实际壁长度之间的差值，以及t是内热交换器壁的厚度。

具体实施方式

实施例的示例

根据一些实施例，本发明可以采用通常被指示为10的新颖并且独特的3D螺旋热交换器的形式。

3D螺旋热交换器10包括第一螺旋通道，第一螺旋通道被配置为形成盘绕的热流体通路的行和列，以接收热流体。在图4B中，对于从3D螺旋热交换器10的外部/外围部分流到内部/中心部分的热流体，热流体路径或通道被示出且被指定为如下的行和列：

r₂、c₁；r₄、c₁；r₆、c₁；r₈、c₁；r₁₀、c₁；

r₂、c₃；r₄、c₃；r₆、c₃；r₈、c₃；r₁₀、c₃；

r₂、c₅；r₄、c₅；r₆、c₅；r₈、c₅；r₁₀、c₅；

...；

r₂、c₁₇；r₄、c₁₇；r₆、c₁₇；r₈、c₁₇；r₁₀、c₁₇；以及

r₂、c₁₉；r₄、c₁₉；r₆、c₁₉；r₈、c₁₉；r₁₀、c₁₉。

3D螺旋热交换器10包括第二螺旋通道，第二螺旋通道被配置为形成对应的盘绕的冷流体通路的行和列，以接收具有小于热流体的温度的冷流体。在图4B中，对于从3D螺旋热交换器10的内部/中心部分流到外部/外围部分的冷流体，冷流体路径或通道被示出且被指定为如下的行和列：

r₁、c₁₈；r₃、c₁₈；r₅、c₁₈；r₇、c₁₈；r₉、c₁₈；r₁₁、c₁₈；

r₁、c₁₆；r₃、c₁₆；r₅、c₁₆；r₇、c₁₆；r₉、c₁₆；r₁₁、c₁₆；

r₁、c₁₄；r₃、c₁₄；r₅、c₁₄；r₇、c₁₄；r₉、c₁₄；r₁₁、c₁₄；

...；

r₁、c₄；r₃、c₄；r₅、c₄；r₇、c₄；r₉、c₄；r₁₁、c₄；以及

r₁、c₂；r₃、c₂；r₅、c₂；r₇、c₂；r₉、c₂；r₁₁、c₂。

第一螺旋通道和第二螺旋通道被配置为每隔一行和每隔一列交替(例如，如图4和图5所示)，以便形成由交替的盘绕壁分隔的盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列的矩阵，该盘绕壁充当流体分隔器和管道，通过该盘绕壁，热量在例如沿相反方向流动的热流体和冷流体之间传递。

作为示例，第一螺旋通道和第二螺旋通道可以被配置为形成平行的和交错的流体通路的多个行和多个列(例如，如图4至图5所示)。例如，第一螺旋通道和第二螺旋通道可以被配置为每隔一行和每隔一列交替，以便形成盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列，该通路例如具有由上弯角盘绕壁和下弯角盘绕壁分隔的平行六面体形状的截面。例如，平行六面体形状的截面可以被配置为具有共同的底的两个等腰三角形，或被配置为菱形结构。然而，本发明的范围不旨在限于具有任何特定几何形状的通路。例如，本发明的范围旨在包括以下情况并且是在以下情况下设想实施例：交替的盘绕的热流体通路和冷流体通路的行和列具有现在已知的或未来开发的其他类型或种类的几何形状，例如，包括如正方形、六边形、七边形、八边形等的多面几何形状。

详细讨论

实际上，本发明提供了一种螺旋热交换器，其具有多个平行的流体通路。该设计大大增加了交换器可用的热传递面积，同时增加了设计的强度，使其能够承受更高的压力。该设计被认为是非常复杂的并且当前可以使用增材制造来生产，但是本发明的范围不旨在限于所使用的任何特定类型或种类的制造工艺，例如现在已知的或未来开发的制造工艺。

与上述情况一致，图1示出了传统的螺旋热交换器流动路径设计，其具有由两个矩形通道组成的路径，这些通道沿着由以下方程定义的阿基米德螺旋扫过：

r＝a+bθ

其中a和b是定义螺旋的紧密度和宽度的常数，以及r和θ是坐标系中的极坐标，该坐标系与热交换器的底面共面并且其原点位于其几何中心。也可以使用圆的渐开线来创建曲率，例如，使用以下方程：

这些通路或通道由金属板隔开，通过该金属板，来自较热流体的热量被传递到较冷的流体，该冷流体如所示的沿相反的方向流动。图2示出了传统螺旋热交换器的扫掠截面。螺旋热交换器设计目前限于这样的布置或螺旋形的管道布置，其有时被称为螺旋盘管热交换器(helical coil heat exchanger)。

对于本领域已知的这种类型的热交换器，发生热交换的总可用面积限于分隔两种流体的金属板的表面积。本发明采取与传统螺旋热交换器相同的整体外部形状，但是将内部热流体通道和冷流体通道分成若干较小的通路，根据本发明的一个实施例，这些通路具有平行六面体形状的截面，但是热流体通道和冷流体通道不一定必须采用这种特定的形状。作为示例，图3示出了整个3D螺旋热交换器的视图，以及图4示出了扫掠截面视图，该视图示出了3D螺旋热交换器内部的通路。

注意，在图3中，存在在热交换器的顶部上方延伸的螺旋壁，示出该螺旋壁的目的在于突出仅用于说明目的的截面沿其扫过的整体曲率。在实际的实施例中，螺旋壁的高度与冷流体通道和热流体通道的高度基本相同。热流体路径和冷流体路径被布置成使得它们每行和每列交替。该配置允许每个通路由沿相反方向流动的相反温度的流体包围。通过这些交替通路的设计和布置，相对于本领域已知的传统螺旋热交换器，两种流体之间的可用于热传递的面积大大增加，这继而将增加两种流体之间的热传递速率。图5示出了具有冷流体通路和热流体通路的交替通路的图。在图5B中，由箭头指示的热流体路径在所有四个侧面上由箭头指示的四个周围的冷流体路径完全包围。对于所有内部/中间热流体路径和内部冷流体路径，例如，在行r₂至r₁₀和列c₂至c₁₈之间，存在相同结构的热传递关系。与所示的一致，例如，在图4B中，外部/外围热流体路径和冷流体路径中的一些在少于所有四个侧面上被包围。作为示例，查看并且比较沿着行r₁和r₁₁以及列c₁和c₁₉延伸的外部热流体路径和冷流体路径。

通常，热传递面积的精确增加将取决于通路的特定几何形状和内壁的厚度。这些通路还形成支撑结构，并且将允许3d螺旋热交换器承受比现有技术中已知的传统螺旋热交换器更高的压力。作为示例，图7示出了单个通路的几何形状和限定其形状的参数的示例。为了完全定义长菱形版本，仅需要L、W、α、t和Δy来完全限定扫掠截面。

特别地，热传递面积的精确增加将取决于通路的特定几何形状(例如，尺寸)、金属的厚度以及通路的高度与其宽度的比。假设所谓的零金属厚度，本领域已知的传统螺旋热交换器与本发明之间的热传递面积的相对增加可以通过以下方程表征：

其中：

A_R＝相对面积比；

N＝给定通道宽度中的通路数目；

α＝由通路的边和水平面形成的角度(参见图7)。

作为示例，对于N＝10并且α＝22.5°的设计，与传统的螺旋热交换器(例如，如图1至图2所示的)相比，使用本发明可能存在大约50倍的更大可用热传递表面。

还可以在考虑壁的厚度的同时确定相对面积，并且对于所有非零壁厚，可用于流体流动的面积将减小，这在针对特定情况设计本发明时必须考虑。

这些通路还形成支撑结构，并且允许3d螺旋热交换器承受比传统螺旋热交换器更高的压力。

由于形成本发明的通路的几何形状的高度复杂性，这样的设计可以与增材制造工艺一起制造，或者通过使用增材制造工艺来制造，尽管也可以设想使用现在已知或未来开发的其他金属加工工艺的实施例。作为示例，增材制造工艺可以包括粉末床熔合(PowderBed Fusion)技术或采取粉末床熔合技术的形式，尽管这不一定是唯一可以制造本发明的增材制造工艺，但这似乎是当前最合适的制造设计的方法。

作为示例，在粉末床熔合工艺中，使用激光在金属粉末床中逐层构造部件，激光的路径、强度、速度和若干其他参数由使用部件的固体三维模型的计算机程序来确定，以计算其适当的值。3d螺旋热交换器的增材制造结构将在构造板上开始，在该构造板上将形成热交换器的第一层或“片”。当激光扫过由包含3d模型的第一片中的固体几何形状的计算机程序确定的区域时，已经被铺设在构造板顶上的薄金属粉末层熔化并且随后熔合到该构造板，从而形成该片。

在完成热交换器的第一片后，构造板将降低，另一粉末层将被放置在该部件上方，并且对应于该部件的第二片的第二层将以与第一片相同的方式而被形成，只是这次第二片熔合到先前构造的层而不是构造板。该工艺将持续到部件的整个固体几何形状被构造为止。

尽管粉末床熔合工艺的一些设计限制是存在的，并且必须被考虑到以制造本发明的实施例，但是使用该工艺可以构造复杂的内部通道，否则使用其他金属加工工艺将极其难以构造或不可能构造该内部通道。例如，由于该内部通道，部件不能被铸造，并且由于这些通道的螺旋曲率而无法铣削。可以想象将具有螺旋波纹图案的波纹板层焊接在一起，但是这将涉及大量的焊接层，将产生不均匀的通道，并且由于所需的焊接的数目而易于交叉污染两种流体。

下面，并且作为进一步的示例，阐述了分析，以理解这种类型的热交换器相对于传统的螺旋热交换器可以如何执行。进行了以下假设和简化：

螺旋曲率由阿基米德螺旋定义以简化数学运算，但也可以用圆渐开线描述：

阿基米德螺旋：r＝a+bθ

圆渐开线：

增材和传统热交换器的尺寸(包络)保持恒定。

通过两个热交换器的流速保持恒定。

忽略跨扫掠截面的迪恩数的变化，并且曲率半径被认为在两个热交换器中是相等的。

交换器之间的流体特性是恒定的。

输入/输出歧管

本文中公开的3D螺旋热交换器可以被配置有或耦合到输入/输出歧管，以用于将热流体提供给对应的热流体路径或通道。

作为示例，热流体输入歧管可以被配置在3D螺旋热交换器的外部/外围部分上，以将热流体提供给对应的热流体路径或通道，该热流体路径或通道在图4B中被指定为

r₂、c₁；r₄、c₁；r₆、c₁；r₈、c₁；r₁₀、c₁；

r₂、c₃；r₄、c₃；r₆、c₃；r₈、c₃；r₁₀、c₃；

r₂、c₅；r₄、c₅；r₆、c₅；r₈、c₅；r₁₀、c₅；

...；

r₂、c₁₉；r₄、c₁₉；r₆、c₁₉；r₈、c₁₉；r₁₀、c₁₉；

以用于向内流动和螺旋，直到热流体到达被配置在3D螺旋热交换器的内部/中心部分中的热流体输出歧管。

相反地，并且作为另外的示例，冷流体输入歧管可以被配置在3D螺旋热交换器的内部/中心部分中，以将冷流体提供给对应的冷流体路径或通道，该冷流体路径或通道在图4B中被指定为

r₁、c₁₈；r₃、c₁₈；r₅、c₁₈；r₇、c₁₈；r₉、c₁₈；r₁₁、c₁₈；

r₁、c₁₆；r₃、c₁₆；r₅、c₁₆；r₇、c₁₆；r₉、c₁₆；r₁₁、c₁₆；

r₁、c₁₄；r₃、c₁₄；r₅、c₁₄；r₇、c₁₄；r₉、c₁₄；r₁₁、c₁₄；

...；

r₁、c₂；r₃、c₂；r₅、c₂；r₇、c₂；r₉、c₂；r₁₁、c₂；

以用于向外流动和螺旋，直到冷流体到达在3D螺旋热交换器的外部/外围部分中的冷流体输出歧管。

本发明的范围不旨在限于用于向/从对应的热流体和冷流体交替的路径或通道提供/接收热流体或冷流体的任何特定类型或种类的输入/输出歧管。

本发明的范围也不旨在限于在任何特定方向上(例如向内或向外)流动的热流体或冷流体。例如，在以下情况中设想实施例并且本发明的范围旨在包括：将热流体提供给3D螺旋热交换器的内部/中心部分以向外流动，并且将冷流体提供给3D螺旋热交换器的外部/外围部分并且向内流动。

增材制造工艺

如本领域任何技术人员将理解的，增材制造是指使用数字3D设计数据、通过沉积材料在层中构造组件的工艺。术语“3D打印”越来越多地被用作增材制造的同义词。

可能的应用

本发明几乎可以用于任何需要改变流体温度的情况。作为示例，可能的应用可以包括以下中的一个或多个：航空航天、粘性流体处理、腐蚀性化学处理、高温应用。

使用的符号：

作为示例，本专利申请可以包括以下符号中的一些或全部：

a 确定螺旋扫过的截面的宽度的值

A_ht 热交换器中可用于热传递的区域

A_flow 热交换器中可用于流体流动的区域

b 确定螺旋曲率的值

D_h 液压直径

与螺旋相关联的差分长度

h 对流系数

H 螺旋扫过的截面的高度

k_f 工作流体的导热率

k_mat 热交换器材料的导热率

L_ht 截面中可用于热传递的长度

L_spiral 限定热交换器的螺旋长度

N 通路的数目

P 每个通路的周长

r 在极坐标中用于定义螺旋曲率的半径

R 螺旋的曲率半径

t 内部热交换器壁的厚度

ΔT 热流体和冷流体之间的温度差异

s 通道中的每个壁的零厚度长度

Δs 零厚度壁长与实际壁长之间的差异

v 流体速度

流体体积流动速率

W 扫掠截面的宽度

Δx 每个通道的水平长度

Δy 每个通道的垂直长度

α 通道壁相对于水平面的角度

θ 在极坐标系中用于定义螺旋的角度

μ 流体动态粘度

ρ 流体密度

流体速度和流动面积之间的角度

De 迪恩数

Nu 努塞尔数

Pr 普朗特数

Re 雷诺数

分析性结果的示例

作为示例，以下是分析性结果的示例：

相对热传递面积

增材设计中的可用于热传递的表面积相对于传统设计中的可用于热传递的表面积的比：

相对流体速度

增材设计中的平均流体速度相对于传统设计中的平均流体速度的比：

相对热传递

增材设计的热传递能力相对于传统设计的热传递能力的估计比：

增材热交换器体积

增材热交换器的材料体积将由以下组成：

热传递面积：

流体速度：

热传递：

方程的推导

这是方程推导的示例：

交换器中用于热传递的总可用面积可以通过求出截面中的总长度并且乘以螺旋扫过的长度来确定。

A_ht＝L_SpiralL_ht|_{cross section}

对于传统的螺旋热交换器，在截面中可用于热传递的区域是分隔热流体和冷流体的壁的两侧。对于内部扫掠，其是壁的高度的四倍。

A_ht，2d＝L_Spiral(4H)

对于3d螺旋热交换器，可用于热传递的截面长度是每个通道的内部周长的和。

A_ht，3d＝NPL_spiral

考虑：

则3d螺旋中的热传递面积与2d螺旋中的热传递面积的比是：

通道的厚度将影响流体的速度。假设流动速率在3d螺旋热交换器和2d螺旋热交换器之间保持恒定，执行流体速度的计算。

在2d螺旋中可用于流体流动的面积是：

A_flow，2d＝H(W-2t_2d)

在3d螺旋中可用于流体流动的面积是每个菱形通道的面积的和。

流动面积的比是：

在流动速率保持恒定的情况下，可以求出平均速度。

由于切线角度由整个螺旋曲率确定，假设两个热交换器中的螺旋曲率相同，因此上述可以被表达为：

代入面积并且使用：

3d交换器的速度和2d交换器的速度的比是：

通过使用以下方程计算努塞尔数来求出热传递：

其中迪恩数沿螺旋长度被平均

液压直径使用以下计算：

对于3d截面和2d截面：

并且使用以下来求出雷诺数

最后，寻找3d螺旋热交换器和2d螺旋热交换器之间的热传递的增加。这将通过求出总热传递系数并且对其进行比较来完成。为了做到这一点，将需要求出热传递系数的比是多少，将2d交换器设定为1，并且通过将来自3d交换器的热传递除以来自2d交换器的热传递来求解比。

假设相等的普朗特数：

将2d对流系数设定为1以求出比：

由于截面不沿螺旋的长度变化，因此液压直径和雷诺数可以从积分中拉出。代入2d雷诺数和3d雷诺数：

这简化成：

积分分开，在进一步简化后我们最终得到：

使用简单的整体热传递方法，然后计算相对热传递。

另一有用的信息是热交换器材料的体积和重量。对螺旋沿着螺旋长度扫过的区域积分来求出体积。

材料截面的面积是总截面面积减去通道的面积：

螺旋的长度可以被表达为极扫掠角(polar sweep angle)的函数

然后，体积是：

其中下标i和f表示螺旋开始和结束的角度。体积的最终表达式如下所示：

并且通过将体积乘以用于构造螺旋的材料的密度来求出总重量。

总体分析：

比较性分析的目的是允许在传统设计和具有相同曲率和截面积的增材设计之间进行直接比较，因此一切都基于传统设计和增材设计的几何形状。执行了总体分析，以使用流体和热性质来自动估计新设计的性能。

曲率半径由阿基米德螺旋定义，截面扫过该螺旋。阿基米德螺旋的曲率半径为：

并且差分长度是：

对于螺旋几何形状，已经发现不同的努塞尔数相关性。

它们通常是以下形式：

Matlab代码

作为示例，以下是MATLAB代码，其可以用于设计根据本发明的一些实施例的3D螺旋热交换器。

本发明的范围

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明旨在不将本文中公开的(多个)特定实施例限定为实施本发明的最佳方式。

Claims (13)

1.一种螺旋热交换器，包括：

螺旋壁，具有螺旋曲率，以形成螺旋通路；以及

矩阵，被布置在所述螺旋壁的所述螺旋通路中，所述矩阵具有通过以下项形成的交替的热和冷螺旋流体通道：

第一螺旋通道，被配置为形成盘绕的热流体通路的行和列，以接收热流体；以及

第二螺旋通道，被配置为形成对应的盘绕的冷流体通路的行和列，以接收具有低于所述热流体的温度的冷流体；

所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道被配置为：每隔所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道的一行、以及每隔所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道的一列交替，以便形成由交替的盘绕壁分隔的盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列，所述盘绕壁充当流体分隔器和管道，通过所述盘绕壁，热量在所述热流体和所述冷流体之间传递。

2.根据权利要求1所述的螺旋热交换器，其中所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道被配置为形成平行的和交错的流体通路的多个行和多个列。

3.根据权利要求1所述的螺旋热交换器，其中所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道被配置为每隔一行和每隔一列交替，以便形成盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列，所述热流体通路和所述冷流体通路具有由上弯角盘绕壁和下弯角盘绕壁分隔的菱形截面。

4.根据权利要求1所述的螺旋热交换器，其中所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道使用增材制造工艺来制造，以制成3D螺旋热交换器；

其中所述增材制造工艺包括使用粉末床熔合增材制造工艺。

5.根据权利要求1所述的螺旋热交换器，其中所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道被配置为使得盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列被彼此平行地盘绕。

6.根据权利要求1所述的螺旋热交换器，其中所述螺旋曲率沿着由以下方程定义的阿基米德螺旋扫过：

r＝a+bθ，

其中a和b是定义螺旋的紧密度和宽度的常数，并且r和θ是坐标系中的极坐标，所述坐标系与所述螺旋热交换器的底面共面，并且所述坐标系的原点位于所述螺旋热交换器的所述底面的几何中心。

7.根据权利要求1所述的螺旋热交换器，其中所述螺旋曲率使用圆的渐开线来定义，所述圆的渐开线具有以下方程：

其中a是定义螺旋的紧密度和宽度的常数，并且r和θ是坐标系中的极坐标，所述坐标系与所述螺旋热交换器的底面共面，并且所述坐标系的原点位于所述螺旋热交换器的所述底面的几何中心。

8.一种3D螺旋热交换器，包括：

螺旋壁，具有螺旋曲率，以形成螺旋通路；以及

矩阵，被布置在所述螺旋壁的所述螺旋通路中，所述矩阵具有通过以下项形成的交替的热和冷螺旋流体通道：

第一螺旋通道，被配置为形成盘绕的热流体通路的行和列，以接收热流体；以及

第二螺旋通道，被配置为形成对应的盘绕的冷流体通路的行和列，以接收具有低于所述热流体的温度的冷流体；

所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道被配置为：每隔所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道的一行、以及每隔所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道的一列交替，以便形成由交替的盘绕壁分隔的盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列，所述盘绕壁充当流体分隔器和管道，通过所述盘绕壁，热量在所述热流体和所述冷流体之间传递，所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道使用增材制造工艺来制造，以制成所述3D螺旋热交换器。

9.根据权利要求8所述的3D螺旋热交换器，其中所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道被配置为形成平行的和交错的流体通路的多个行和多个列。

10.根据权利要求8所述的3D螺旋热交换器，其中所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道被配置为每隔一行和每隔一列交替，以便形成盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列，所述热流体通路和所述冷流体通路具有由上弯角盘绕壁和下弯角盘绕壁分隔的菱形截面。

11.根据权利要求8所述的3D螺旋热交换器，其中所述第一螺旋通道和所述第二螺旋通道被配置为使得盘绕的热流体通路和冷流体通路的交替的行和交替的列被彼此平行地盘绕。

12.根据权利要求8所述的3D螺旋热交换器，其中所述螺旋曲率沿着由以下方程定义的阿基米德螺旋扫过：

r＝a+bθ，

其中a和b是定义螺旋的紧密度和宽度的常数，并且r和θ是坐标系中的极坐标，所述坐标系与所述螺旋热交换器的底面共面，并且所述坐标系的原点位于所述螺旋热交换器的所述底面的几何中心。

13.根据权利要求8所述的3D螺旋热交换器，其中所述螺旋曲率使用圆的渐开线来定义，所述圆的渐开线具有以下方程：

其中a是定义螺旋的紧密度和宽度的常数，并且r和θ是坐标系中的极坐标，所述坐标系与所述螺旋热交换器的底面共面，并且所述坐标系的原点位于所述螺旋热交换器的所述底面的几何中心。

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