CN110959097A

CN110959097A - 热交换器

Info

Publication number: CN110959097A
Application number: CN201880049799.XA
Authority: CN
Inventors: 埃弗特·胡伊坎普; 尼尔·爱德华·哈特菲尔德; 艾哈迈德·侯赛因; 史蒂芬·梅洛
Original assignee: Hieta Technologies Ltd
Current assignee: Hieta Technologies Ltd
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2038-05-18
Also published as: GB201712577D0; KR20200037284A; JP2020529571A; EP3662221B1; JP7134221B2; US20200173738A1; US11359872B2; EP3662221A1; GB2565145B; CN110959097B; GB2565145A; WO2019025750A1

Abstract

一种热交换器(4)包括热交换器核心(20)，热交换器核心(20)包括第一流体通道(22)和第二流体流道(24)，用于在第一流体与第二流体之间进行热交换。第一歧管部分(42)被设置为在第一流体流道(22)与第一流体接口部分(48)之间引导第一流体，并且第二歧管部分(44)被设置为在第二流体流道(24)与第二流体接口部分(49)之间引导第二流体，该第一流体接口部分(48)和第二流体接口部分(49)包括比热交换器核心(20)少的通道。第一歧管部分(42)包括以与第二流体流动的方向成一定角度地延伸通过第二歧管部分(44)的至少一个管道部分(46)。因此，第一流体的至少一部分被引导通过管道部分的内部，而第二流体围绕在管道部分的外部通过。这使得热交换器设计更加紧凑。

Description

热交换器

技术领域

本技术涉及热交换器领域。

背景技术

热交换器可以包括具有第一热交换通道和第二热交换通道的核心部分，用于在第一热交换通道中的第一流体与第二交换通道中的第二流体之间进行热交换。这种热交换器可以用于多种应用，例如作为用于从内燃机或燃气涡轮的排出汽体中回收热量的换热器。其他应用可以在发电或通风系统中。

发明内容

至少一些示例提供了一种热交换器，其包括：

热交换器核心，其包括第一流体流道和第二流体流道，用于在第一流体流道中的第一流体与第二流体流道中的第二流体之间进行热交换；

第一歧管部分，其用于在热交换器核心中的第一流体流道与第一流体接口部分之间引导第一流体，第一流体接口部分包括比热交换器核心少的第一流体流道，以及

第二歧管部分，其用于在第二流体流道与第二流体接口部分之间引导第二流体，第二流体接口部分包括比热交换器核心少的第二流体流道；

其中，第一歧管部分包括至少一个管道部分，至少一个管道部分以与第二流体流经第二歧管部分的方向成一定角度地延伸通过第二歧管部分，第一歧管部分被配置为将第一流体的至少一部分引导通过至少一个管道部分的内部，并且第二歧管部分被配置为将第二流体引导为围绕在至少一个管道部分的外部。

至少一些示例提供了一种系统，包括：燃烧器，其通过燃烧燃料来生成热量；以及换热器，其用于从由燃烧器输出的排出汽体中回收热量；其中，换热器包括如前所述的热交换器。

至少一些示例提供了一种制造热交换器的方法，包括：

形成热交换器核心，该热交换器核心包括第一流体流道和第二流体流道，用于在第一流体流道中的第一流体与第二流体流道中的第二流体之间进行热交换；

形成第一歧管部分，用于在热交换器核心中的第一流体流道与第一流体接口部分之间引导第一流体，第一流体接口部分包括比热交换器核心少的第一流体流道，以及

形成第二歧管部分，用于在第二流体流道与第二流体接口部分之间引导第二流体，第二流体接口部分包括比热交换器核心少的第二流体流道；

至少一些示例提供了一种计算机可读数据结构，其表示如前所述的热交换器的设计。一种存储介质可以存储该结构。该存储介质可以是非暂态存储介质。

附图说明

从以下结合附图进行阅读的示例的描述中，本技术的其他方面、特征和优点将显而易见，在附图中：

图1示意性地示出了在热电联合(CHP)系统中被用作换热器的热交换器的示例；

图2示出了包括第一流体流道和第二流体流道的热交换器核心的示例；

图3示意性地示出了在实现歧管部分用于在热交换器核心与第一流体接口部分之间引导第一流体，或者在热交换器核心与第二流体接口部分之间引导第二流体时的问题；

图4示出了包括第一歧管部分和第二歧管部分的歧管部分的示例，其中第一歧管部分包括延伸通过第二歧管部分的至少一个管道部分；

图5和图6示出了从相对侧观看的图4的歧管部分的视图；

图7、图8和图9分别示出了歧管部分在图5中所示的平面A-A、B-B和C-C中的横截面视图；

图10示出了第一流体是如何被第一歧管部分引导为围绕并且通过第二歧管部分的；

图11和图12示出了歧管部分的第二示例，其中在第二歧管部分内设置有分隔器栅格(separator grid)；

图13示出了用于通过增材制造(additive manufacture)来制造热交换器的制造设备的一个示例；以及

图14是示出制造热交换器的方法的流程图。

具体实施方式

包括用于在第一流体流道中的第一流体与第二流体流道中的第二流体之间进行热交换的第一流体流道和第二流体流道的热交换器可以用于多种工程应用，例如用于汽车推进的微型涡轮发动机，或者例如用在用于为家庭提供电力和供热的热电联合(CHP)系统。系统的空间通常可能非常宝贵，并且因此可能希望减小热交换器的尺寸。然而，尽管热交换器核心可能能够被小型化，但是在实现歧管部分(其将第一流体引导在第一流体流道与用于将系统的其他元件进行接口的接口部分之间，并且将第二流体引导在第二流体流道与用于将系统的其他元件进行接口的接口部分之间)方面可能存在挑战。通常，第一流体流道和第二流体流道可以在核心中交错，但是进入或离开通道的第一流体或第二流体可能需要从公共入口分离，或者被聚集在一起到达公共出口，其中入口或出口具有比热交换器核心内设置的更少的流道。

第一流体接口部分和第二流体接口部分(其可以与第一/第二流体入口/出口导管进行接口)的位置可能受到要在其中使用热交换器的系统内围绕热交换器的物体的限制。例如，在汽车应用中，热交换器可以被设置在汽车或其他车辆的发动机罩下方或者行李箱中，并且因此，限制该空间的面板可能限制热交换器可以与微型涡轮发动机系统的其他元件或者其中使用热交换器的其他工程系统进行接口的位置。此外，如果热交换器要替换现有的热交换器，则第一流体接口部分和第二流体接口部分的位置可能已经被定义，并且热交换器可能需要被设计为适合于第一流体接口部分和第二流体接口部分的那些固定位置。这可能使得在热交换器核心内交替的多个通道与第一流体接口部分或第二流体接口部分内的较少通道之间引导流体的歧管部分的实现具有挑战性。除了由要在其中使用热交换器的空间和接口的位置所施加的限制之外，针对歧管部分的设计还应当避免干扰流入或流出热交换器核心的流体的流动，例如可能希望减少跨过歧管部分的压降并且改善流入或流出核心的流动分布。随着热交换器在尺寸方面的减小，这些竞争要求可能难以满足。

下文所述的热交换器具有第一歧管部分，其用于在热交换器核心中的第一流体流道与第一流体接口部分之间引导第一流体，该第一流体接口部分包括在热交换器核心下方的较少的第一流体流道；以及第二歧管部分，其用于在第二流体流道与第二流体接口部分之间引导第二流体，该第二流体接口部分包括比热交换器核心少的第二流体流道。第一歧管部分包括至少一个管道部分，其以与第二流体流经第二歧管部分的方向成一定角度地延伸通过第二歧管部分。第一歧管部分将第一流体的至少一部分引导通过至少一个管道部分的内部，并且第二歧管部分将第二流体引导围绕在至少一个管道部分的外部。

因此，用于将第一流体和第二流体引导到热交换器核心的第一流体流道和第二流体流道或者从热交换器核心的第一流体流道和第二流体流道中引导出第一流体和第二流体的第一歧管部分和第二歧管部分被缠绕在一起，使得第一歧管部分的一部分在通过第二歧管部分的管道中横跨第二流体流动方向延伸。尽管人们可能期望这会干扰第二流体流动，但是令人惊讶的是，事实并非如此，并且实际上，提供一种结构来分隔第二流体通过第二歧管部分的流动可以帮助改善流体流动特性，因为使得流动分流可以减少涡旋的可能性。同时，将第一流体的至少一部分引导通过第二歧管部分内的管道部分意味着，第一歧管部分不需要为了提供给定量的流体流量而在围绕第二歧管部分外部的区域中具有很大的程度，从而整个歧管可以被制造得更紧凑，同时适应第一流体接口部分和第二流体接口部分的位置中的约束。虽然使用诸如铸造或模制之类的传统方式来制造嵌套的第一歧管部分和第二歧管部分可能具有挑战性，但是发明人认识到，通过使用增材制造技术，可以构造这样的歧管，其中第一歧管部分在部分地引导通过第二歧管部分的管道中延伸。

除了提高歧管装置的紧凑性之外，提供通过第二歧管部分的管道部分还为第一流体和第二流体之间的热交换提供了更大的机会，因为存在第一流体和第二流体可以在其中穿过管道部分的壁来交换热量的附加区域。因此，具有这种设计的热交换器可以提供更高的热交换效率，或者对于给定量的热交换，因为歧管部分内存在更多的热交换，所以可以减小核心部分的尺寸。

该技术在第一流体接口部分位于第二歧管部分的与热交换器核心的第一流体流道的进入/退出区域相对侧上的情况下可以是特别有用的。例如，对于热交换器核心的紧凑设计，第一流体可能需要在给定区域处流入或流出热交换器核心，但是第一流体接口部分可能在另一侧，并且可能不希望通过在歧管部分内为第二流体提供较不直的路径来干扰第二流体的流动。如上所述，通过在第一歧管部分中使用管道部分，第二流体仍可以相对直接地流经第二歧管部分，而第一流体可以被引导通过管道。第一歧管部分可以将第一流体引导为围绕在热交换器核心的第一流体流道与至少一个管道部分之间或者第一流体接口部分与至少一个管道部分之间的转弯处。该转弯可以包括例如至少45度的转弯。因此，第一流体流经至少一个管道部分的方向与第二流体流经第二歧管部分的方向之间的夹角可以为至少45度。利用这种方法，在不需要将所有第一流体引导围绕在第二歧管部分的外部的情况下，第一流体可以到达第二歧管部分的与热交换器列的进入/退出区域相对的侧上的第一流体接口部分。第一流体可以被引导为围绕转弯并且通过第二歧管部分内的管道以到达第二歧管部分的另一侧，从而使得整体歧管装置能够变得更紧凑。

管道部分可以被成形为辅助第二流体流经第二歧管部分。例如，至少一个管道部分的沿着第二流体流动的方向的前缘可以被成形为围绕在至少一个管道部分的外部来引导第二流体。特别地，前缘可以被成形为使得第二流体分流并且使得第二流体的在管道部分的一侧上的一部分转向并且使得在另一侧上的一部分转向。例如，至少一个管道部分的前缘可以具有圆形、椭圆形、菱形或机翼形的横截面。通过以这种方式对管道部分进行成形，第二流体的流动可以粘附到管道部分的外部，以减少在第二歧管部分内形成涡旋的可能性，这可以提高流体流动的效率，并且因此提高热交换器的性能。

机翼形管道部分可能特别有用。因此，管道部分可以包括横跨具有多种功能的第二歧管部分的内部延伸的中空机翼，首先提供用于第一流体通过第二歧管部分的流动路径以减小第一歧管部分在第二歧管装置外部的部分的尺寸，以及其次辅助第二流体流动的效率。因此，通过提供具有机翼形横截面的至少一个管道部分，其中机翼形横截面的前缘指向第二流体接口部分(在第二流体从第二歧管部分流入到热交换器核心中的情况下)或者朝向热交换器核心的第二流体流道(在第二流体流出热交换器核心并且通过第二歧管部分流到第二流体接口部分的情况下)，整体上可以改善热交换的性能。使用传统制造技术来制造这种中空机翼形管道可以是具有挑战性的，但是利用增材制造是可能的。

一些实施例可以仅提供第一歧管部分的延伸通过第二歧管部分的单个管道部分。然而，在其他示例中，可以提供两个或更多个这样的管道部分。

在一些实施例中，流经第一歧管部分的所有第一流体均可以流经至少一个管道部分。因此，不需要任何用于在热交换器核心的第一流体流道与第一流体入口/出口区域之间引导第一流体的其他部分。

然而，在其他实施例中，除了管道部分之外，第一歧管部分还可以包括外部部分，其用于在热交换器核心的第一流体流道与第一流体接口部分之间围绕在第二歧管部分的外部来引导第一流体的一部分。因此，除了引导第一流体的一部分通过第二歧管部分内的管道之外，第一歧管部分还可以包括围绕在第二歧管部分的外部的一些通道，从而可以增加总体积或流体流动率。通过提供管道部分，可以减小外部部分的尺寸，因为否则将需要更大的通道来环绕在第二歧管部分的外部周围。

热交换器可以被制造为具有至少一个翅片(fin)，其桥接在第二歧管部分的外表面与位于第二歧管部分外部的第一歧管部分的内表面之间。除了向热交换器提供机械强度以增加坚固性之外，这种翅片还可以通过分隔流动以减少涡旋的发生率而帮助改善第一流体通过歧管的流动。这种翅片还可以用于使得设计能够通过增材制造来制造，因为它们提供了附加支撑件，通过放置连续的材料层，可以在其上构建该设计的其他部分。此外，翅片可以提供用于促进流体之间的热交换的附加表面。

在一个示例中，至少一个分隔器栅格可以被布置在第二歧管部分的内部以分隔第二流体流经第二歧管部分的流动。第二歧管部分可能需要在具有第一横截面面积的热交换器核心的区域与具有第二横截面面积的第二流体接口部分之间引导流体，其中第二横截面面积可以小于第一横截面面积。通常，为了在减少湍流的情况下提供有效的流体流动，可能期望避免歧管过快地膨胀或者过快地收缩横截面面积。但是，这种期望可能与整个热交换器紧凑以便装配在有限的空间内的要求相矛盾。通过提供分隔器栅格，这使得第二流体的流动分流，以减少第二歧管部分内大涡旋涡流的机会，使得第二歧管部分能够更快地膨胀或者更快地收缩横截面面积，并且因此使得热交换器设计更紧凑。在一个示例中，分隔器栅格可以被制造为横跨第二歧管部分的除了包含来自第一歧管部分的至少一个管道部分的部分之外的部分。然而，如果存在用于逐层构建栅格的支撑件，则通过增材制造来制造分隔器栅格可以更加简单，并且因此这对于至少一个分隔器栅格被耦合到至少一个管道部分的外表面而言尤其有用，因为这使得制造更简单。在一个示例中，在管道部分的侧面与另一管道部分的侧面或第二歧管部分的内表面之间的每个空间均可以被设置有横跨该空间延伸的分隔器栅格。

尽管热交换器在上文被描述为利用第一流体和第二流体操作，但是热交换器也可以利用三种或多种流体操作，在这种情况下，上述第一流体和第二流体可以是三种或多种流体中的任何两种。因此，除了第一歧管部分和第二歧管部分之外，还可以存在第三歧管部分，用于将第三流体引导到与热交换器核心中的第一流体流道和第二流体流道交错(或用于附加流体的其他歧管部分)的第三流体流道或者从该第三流体流道中引导第三流体。

热交换器可以包括例如通过增材制造而形成的一体(integrated mass)的固结材料。这与由多个单独的组件制造的热交换器相反。因此，第一歧管部分和第二歧管部分可以由单个材料主体一起形成为一个实体。热交换器核心可以被形成为与歧管部分(其与组装的热交换器中的第一/第二歧管部分并排放置)分开的实体，或者可选地，核心和第一/第二歧管部分全部可以由单个材料主体一起形成为一个实体。

在一些示例中，以上讨论的第一流体接口部分和第二流体接口部分可以简单地包括管子或其他导管，通过该管子或其他导管将第一流体或第二流体引导至热交换器或者从热交换器中引导出。管子可以具有圆形或非圆形的横截面。在某些情况下，第一流体接口部分和第二流体接口部分可以各自包括单个通道，即，单个管子或导管，其将所有第一流体或第二流体引导至热交换器或者从热交换器中引导出。然而，在其他情况下，第一流体接口部分或第二流体接口部分可以包括一个以上的通道，例如，管子可以在内部细分。因此，通常，第一流体接口部分和第二流体接口部分可以是包括比设置在热交换器核心内的分别用于第一流体或第二流体的通道少的通道的任何部分。因此，通常，第一歧管部分和第二歧管部分是这样的部分，其将来自较大数量通道的流体在离开热交换器核心时合并到较小数量的通道，或者其将来自较小数量通道的流体在进入热交换器核心时分流到较大数量的通道。在一些情况下，第一歧管部分和第二歧管部分还可以提供在用于输送第一流体或第二流体的通道的横截面面积或横截面形状方面的变化。

上述热交换器可以用于多种工程系统中。然而，其对于包括用于通过燃烧燃料来生成热量的燃烧器和用于从由燃烧器输出的排出汽体中回收热量的换热器的系统而言尤其有用。换热器可以包括如上所述的热交换器。紧凑通常可以是这种系统的重要要求。

在一些情况下，系统还可以包括由燃烧器输出的排出汽体来驱动的涡轮，燃烧器可以为发电机提供动力，并且还包括用于对被输入到燃烧器中的流体进行压缩的压缩机。换热器可以使用来自燃烧器的排出汽体中的废热量来预热被供应到燃烧器中的空气，使得燃烧器不需要花费太多的能量来将空气加热到可以燃烧的温度。因此，第二流体可以包括来自燃烧器的排出汽体，并且第一流体可以包括在被供应到燃烧器之前将被排出汽体加热的空气。上面讨论的热交换器对于这样的系统可能是有用的，因为排出汽体可能比被加热的空气更热，并且因此可能希望在第二歧管部分的外部提供用于第一流体(预热的空气)的歧管装置，第二歧管部分将排出汽体作为第二流体进行输送，使得预热的空气可以提供一定的隔热作用，以减少散失到周围环境中的来自排出汽体的热量的量，并且允许回收更多的热量。然而，将第一歧管部分完全地环绕在第二歧管部分的外部周围将增加空间，并且通过提供如上所述的通过第二歧管部分的通道，这能够实现更大的空间利用效率，同时还提供了有效的流体流动并且减小了压降。

可以提供制造热交换器的相应方法，其中，热交换器核心、第一歧管部分和第二歧管部分被形成为具有上述配置。例如，热交换器可以通过增材制造来形成。在增材制造中，可以通过在材料层之后连续地构建层来制造物品，以便产生整个物品。例如，增材制造可以通过选择性激光熔化、选择性激光集中、电子束熔化等来进行。用于核心部分以及第一歧管部分和第二歧管部分的材料可以变化，但是在一些示例中，该材料可以是金属，例如铝、钛或钢或者可以是合金。在一些情况下，热交换器核心以及第一歧管部分和第二歧管部分可以在单个过程中形成，由此构成热交换器的各个部分的层可以通过增材制造来成功地铺设。因此，由于第一歧管部分和第二歧管部分是缠绕在一起的，所以它们可以特别地一起制造。

可以通过提供表示要制造的设计的特性的电子设计文件，并且将设计文件输入到计算机(其将设计文件翻译为提供给制造设备的指令)中，来控制增材制造工艺。例如，计算机可以将三维设计切成连续的二维层，并且表示每一层的指令可以被提供给增材制造机器，例如以控制激光在粉末床上的扫描来形成相应的层。因此，在一些实施例中，除了提供物理热交换器之外，该技术还可以以表示如上所述的热交换器的设计的计算机可读数据结构(例如，计算机自动设计(CAD)文件)的形式实现。因此，除了以其物理形式来销售热交换器之外，还可以以控制增材制造机器来形成这样的热交换器的数据的形式来销售热交换器。可以提供存储数据结构的存储介质。

图1示意性地示出了包括热交换器4的系统2的示例。在该示例中，系统2包括用于家庭能量供应的热电联合(CHP)的微型涡轮发动机。燃烧器6燃烧燃料(例如，气体)。用于燃烧器的入口空气被压缩机8压缩，该压缩机8由来自燃烧器6的排出汽体驱动的涡轮10来驱动。涡轮和压缩机8与发电机12一起被安装在公共轴上，该发电机12基于涡轮的旋转来生成电力。电力可以作为用于家庭的电力供应的一部分来提供。

来自燃烧器6的、驱动涡轮10的排出汽体被传送到换热器4，该换热器4包括具有交替通道的热交换器，用于第一流体与第二流体之间的热交换。排出汽体中的热量被用于预热用于燃烧器的经压缩的空气入口，使得空气在进入燃烧器时处于较高的温度，并且因此可以提高燃烧器6的燃烧效率。在通过换热器4之后，排出汽体仍然包含一些热量，这些热量可以被回收例如以在加热元件14处加热家庭供水或家庭内的中央加热，并且然后排出汽体在排出口16处被排出到外部。

进入换热器4的燃烧器入口空气的压力高于来自燃烧器6和涡轮10的排出汽体，因为入口空气已经被压缩机8压缩，并且排出汽体已经被涡轮10膨胀。因此，入口空气可以被称为高压(HP)流体，并且排出汽体被称为低压(LP)流体。HP流体也可以被称为冷流体，并且LP流体被称为热流体，因为来自燃烧器6的排出汽体将通常比入口空气更热。然而，如果换热器4相对高效，则到LP流体离开换热器并且HP流体离开换热器时，这些流体可能处于近似相似的温度，并且因此温度差可能并不显著。因此，为了避免疑惑，本文将使用术语HP流体和LP流体。

应当理解，图1仅是可以使用这种换热器的工程系统的一个可能的示例，并且其他微型涡轮技术也可以使用类似的换热器。

换热器4包括热交换器核心部分20，其包括分别用于HP流体和LP流体的多个交替的热交换通道22、24。在该实例中，热交换器核心20是逆流式热交换器，使得HP流体和LP流体(第一流体和第二流体)沿着相反方向流经热交换器核心。然而，本文所讨论的技术也可以被应用于其中HP流体和LP流体沿着相应方向流经热交换器通道的并流式热交换器，或者其中HP流体和LP流体沿着彼此不平行的方向流动的交叉流式热交换器。然而，逆流式热交换器中的热交换器效率通常可以更大。

图3示意性地示出了当试图在相对空间受限的环境中实现这种换热器4时可能出现的一些挑战。热交换器核心20设置有交替的第一流体流道22和第二流体流道24，如图2所示。为了最有效地实现热交换器核心20，可能希望HP流体或LP流体在热交换器的一侧上进入，并且在另一侧上离开。然而，这可能使得实现用于将LP流体和HP流体引导到热交换器或者将LP流体和HP流体从热交换器引导出的歧管装置26更复杂。通常，歧管装置26将来自单个导管(或相对较少的导管)的HP入口流体或LP入口流体聚集在一起，并且在多个交错的热交换器通道22、24之间分流流体，以在热交换器核心的一侧上获得适当的流体，并且将来自多个通道的流体重新组合到热交换器核心的另一侧上的较少的通道中。图3示出了逆流式热交换器，其中，LP进入歧管和HP排出歧管装置26被设置在热交换器的一侧上，并且LP排出歧管和HP进入歧管装置被设置在另一侧上，但是在并流式热交换器中，LP进入和HP进入歧管装置将位于热交换器的同一侧上，并且LP排出歧管和HP排出歧管将位于另一侧上。

如上所述，对于紧凑的热交换器核心设计，可能期望热交换器核心20的HP出口区域28在热交换器核心的一侧(在图3的左侧示出)上。然而，空间约束或者由系统2的其他组件的位置施加的约束可能意味着HP出口接口30(例如，如图1所示的通向燃烧器6的导管30)可能需要在区域28的相对侧上，HP流体从区域28离开热交换器核心20。此外，为了使得更热的LP流体更有效地流入热交换器核心，可能期望与LP入口32相关联的歧管装置相对笔直并且直接地将LP流体扩散到核心部分20的入口。设计歧管装置以在热交换器核心20与LP入口32和HP出口30的固定位置之间桥接，同时减少压降，改善进入核心的流动分布，以及使得整个系统能够适应给定的体积，可能会很有挑战性。

图4示意性地示出了包括第一歧管部分42和第二歧管部分44的歧管部分40的示例。第一歧管部分42用于HP流体，并且第二歧管部分44用于LP流体。LP歧管44向热交换器核心20的LP入口提供直接的扩散器。另一方面，HP歧管部分42缠绕在LP歧管部分44周围，并且还包括管道部分46，其以与LP流动方向成一定角度地延伸通过LP歧管，以便在核心的HP出口区域46(其在LP歧管44的一侧上)与HP出口接口48(其在LP歧管部分44的另一侧上)之间桥接。因此，HP流体既绕流LP歧管流动并且流经LP歧管。这使得热交换器核心的LP入口侧和HP出口侧上的歧管部分40能够以减小的空间更有效地制造，同时还提高了流动特性。

图5和图6分别示出了当从侧50和52观看时歧管部分40的视图。即，图5示出了从关于LP和HP入口/出口接口侧的侧50观看的视图，而图6示出了从最靠近热交换器核心20的侧52观看的视图。如图5中所示，HP出口接口部分48和LP入口接口49对应于套环部分，其可装配在管状导管上方或管状导管内部，用于将LP流体供应到LP入口接口49或者从HP出口接口48输送HP流体。

如图6中的歧管部分40的视图所示，HP出口区域46在歧管的一侧上，其中歧管部分的大部分剩余横截面覆盖面积对应于核心的LP入口区域。LP入口接口49的开口在图6中所示的视图的后面是可见的。圆顶形区域54桥接在较小的排出口49与LP入口区域处的较大的孔之间。

如图6所示，HP出口区域46将HP流体供应至在LP歧管的圆顶形部分54的外部周围延伸的外通道56，并且通过延伸跨过LP歧管部分的管道部分58。因此，HP流动被引导为在LP歧管周围并且通过LP歧管，其中来自HP流动的流体在其进入管道部分时经历转弯。

在图7至图9的横截面视图中，可以更清楚地看到HP歧管的管道部分和外部区域。图7中的视图是沿着如图5中的A-A所示的平面和方向截取的。图8中的视图是沿着图5中的平面B-B示出的，并且图9中的视图是沿着图5中的平面C-C示出的。

如图7所示，管道部分58具有与机翼形相对应的横截面，其前缘60指向LP流体入口接口49，使得流入到歧管中的LP流体首先到达机翼形管道的前缘60，并且这使第二流体的流动分流，从而第二流体在管道部分58的外部的任一侧上流动。LP流体将趋于粘附在管道的外表面，这可能对使得流体能够更顺利地流经歧管以减少湍流很有用。当然，如果歧管装置被用于其中LP流体通过歧管流出热交换器的热交换器，则机翼形可以以其他方式定向，使得前缘60将指向热交换器核心。机翼形的可选方案可以包括椭圆形、圆形或菱形，其中圆形、椭圆形或菱形的顶点指向流体入口方向。

除了管道部分58之外，HP歧管还包括外部部分56，该外部部分56提供用于引导流体围绕在LP歧管部分的圆顶形外表面54的外部的通道。多个翅片62在LP歧管部分54的外表面与HP歧管的外通道56的外边界64的内表面之间提供桥接。

如图8中的沿着平面B-B截取的横截面视图所示，一旦HP流体流动超过LP入口49的端部，并且然后被向上引导朝向HP出口接口48，则外通道和管道部分58最终重新组合。这也可以在图9中看到，该图示出了在平面C-C中沿着与图7和图8所示的视图相反的方向向后看的视图。围绕圆顶54的外部流动的HP流体和流经管道58的流体被重新组合，并且通过HP出口48引导到被设置为将HP流体引导到燃烧器6的任何导管。

因此，如图10所示，存在HP流体的流动，其围绕在被设置用于LP流体的第二歧管部分的外部并且还穿过第二歧管部分通过管道，这提供了更紧凑的设计同时还改进了流体流动特性。

虽然上面示出的示例提供了单个管道部分，但是在其他情况下，可以提供两个或更多个管道。虽然管道以与被引导通过LP歧管的LP流体的流体流动方向成大约90度延伸，但这不是必需的，并且在其他示例中，管道可以与图中所示的90度角成角度。通常，管道可以相对于HP流体流动方向以至少45度的角度延伸。翅片有助于流体流动并且提供刚度。在某些情况下，一些外部翅片也可以被构建在歧管部分40的外部上以提供进一步的机械刚度。

除了改进紧凑性和流体流动特性之外，还存在附加热量传递，因为HP流体围绕并且通过LP歧管的流动提供了附加热量传递的可能性。翅片62也有助于热量传递面积，因为较热的LP流体可以提供热量，该热量可以通过翅片62、圆顶形壁54传导，并且帮助加热HP流体。因此，根据系统要求，这可以使得能够使用较小的热交换器核心20，以便提供一定量的热交换，因为在歧管区域内存在更多的热交换。

虽然图4至图10示出了用于热交换器核心的LP入口侧和HP出口侧的歧管部分，但是类似的布置也可以被用于LP出口侧和HP入口侧(尽管这不是必要的，因为有时候空间限制在核心的一侧比另一侧可以更显著)。此外，将第一歧管区域和第二歧管区域指定为LP入口和HP出口仅是一个示例，并且在其他情况下，根据流体流经热交换的方向，其可以是LP入口和HP入口或者LP出口和HP出口。

图11示出了歧管部分40的第二实施例，除了在管道区域58的外表面与第二歧管部分的圆顶形外边界的内表面之间横跨第二歧管部分建立附加分隔器栅格80之外，该第二实施例与图4至图10中所示的实施例相同。在其他示例中，分隔器可以横跨第二歧管部分的位于管道区域58上方或下方的部分，因此不必桥接管道。然而，管道可以为通过增材制造来构建分隔器栅格提供良好的支撑。在图12所示的视图中可以更清楚地看到分隔器栅格，该图以一定角度表示了横截面视图，示出了栅格80如何与互连构件的晶格相对应。分隔器栅格包括多个狭槽或孔，并且栅格的横杆在第二流体通过第二歧管部分时使得第二流体的流动分流。这是有用的，因为其使得第二歧管能够在较小空间内在较小横截面面积与较大横截面面积之间桥接方面比没有栅格的情况更紧凑。通常，如果流体在区域中膨胀或压缩得太快，则可能存在更多的湍流和更大的涡旋发生率，这会扰乱流动。分隔器栅格80通过分隔流动并且减少大量流体彼此相互作用的机会来防止这种情况。除了附加分隔器栅格之外，图11和图12的示例与上述相同。

图13示意性地示出了增材制造的示例。在该示例中，激光熔融金属粉末188用于形成诸如上述热交换器之类的物品4。物品4在下降粉末床180上逐层形成，在该下降粉末床180的顶部上，待熔融的金属粉末的薄层在经由从激光器184提供的扫描激光束熔化(熔融)之前由撒粉机182来撒布。激光束经由激光器184的扫描以及床180的下降由控制计算机1进行计算机控制。控制计算机186又由计算机程序(例如，限定要制造的物品4的计算机数据)来控制。该物品定义数据被存储在计算机可读非暂态介质198上。图13示出了可以被用于执行增材制造的机器的一个示例。根据本技术，各种其他机器和增材制造过程也适合使用，由此用于热交换器的歧管部分被制造为具有第一歧管部分(其包括延伸通过第二歧管部分的管道部分)，如上文所讨论的。对于图4中所示的具体设计，用于增材制造的构建方向由右手侧的箭头示出。通过从最靠近热交换器核心的入口/出口的层开始构建歧管部分，可以构建歧管部分的其余部分，而上层不需要从竖直方向以大于45度的角延伸超过下层，并且下层对上层有更大的支撑，以使通过增材制造来制造组件更实用。

图14示出了用于制造热交换器的方法。在步骤200处，获得计算机自动设计(CAD)文件。CAD文件提供了表示包括第一歧管部分和第二歧管部分的热交换器的设计的数据结构，其中第一歧管部分包括以与第二流体流动的方向成一定角度地延伸通过第二歧管部分的至少一个管道部分。例如，在步骤200处获得CAD文件可以包括设计者从头开始生成热交换器的三维(3D)模型，或者可以包括从记录介质来读取现有设计或者经由网络来获得CAD文件。设计文件可以表示要制造的3D几何结构。

在步骤202处，CAD文件被转换为用于提供给增材制造机器的指令。该指令控制增材制造机器来沉积或形成相应的材料层，该材料层被逐层地构建以形成整个热交换器。例如，由CAD文件表示的3D设计可以被分片为层，每层提供了要在相应层中形成的材料的二维表示。

在步骤204处，将经转换的指令提供给增材制造机器，该增材制造机器使用增材制造来将热交换器制造为一体的固结材料。热交换器可以由各种材料(例如，金属或合金(例如，钛或不锈钢)、或者例如聚合物)制成。可以使用各种形式的增材制造，但是在一个示例中，增材制造使用选择性激光熔化。

总之，通过提供用于热交换器4的歧管，该歧管具有第一流体歧管部分，该第一流体歧管部分包括穿过第二歧管部分的管道，当对用于流体的入口接口或出口接口的位置存在约束时，这使得能够实现具有更好流体流动特性的更紧凑设计。在一个特定实施例中，通过使用中空的机翼形管道部分来引导第一流体通过第二歧管部分，这有助于引导第二流体，以及为第一流体提供通路，以便改善第二流体的流动以及提供附加热量传递机会，从而改善热交换器的效率。

在本申请中，词语“被配置为…”被用来表示装置的元件具有能够执行所定义的操作的配置。在该上下文中，“配置”表示硬件或软件的互连的布置或方式。例如，装置可以具有提供所定义的操作的专用硬件，或者可以对处理器或其他处理设备进行编程以执行该功能。“配置为”并不意味着需要以任何方式改变装置元件以提供所定义的操作。

尽管本文已经参考附图详细地描述了本发明的说明性实施例，但是应当理解，本发明不限于那些精确的实施例，并且本领域的技术人员在不背离如由所附权利要求书限定的本发明的范围和精神的情况下，可以在其中进行各种改变和修改。

Claims

1.一种热交换器，包括：

热交换器核心，其包括第一流体流道和第二流体流道，所述第一流体流道和所述第二流体流道用于在所述第一流体流道中的第一流体与所述第二流体流道中的第二流体之间进行热交换；

第一歧管部分，其用于在所述热交换器核心中的所述第一流体流道与第一流体接口部分之间引导所述第一流体，所述第一流体接口部分包括比所述热交换器核心更少的第一流体流道，以及

第二歧管部分，其用于在所述第二流体流道与第二流体接口部分之间引导所述第二流体，所述第二流体接口部分包括比所述热交换器核心更少的第二流体流道；

其中，所述第一歧管部分包括至少一个管道部分，所述至少一个管道部分以与所述第二流体流经所述第二歧管部分的方向成一定角度地延伸通过所述第二歧管部分，所述第一歧管部分被配置为将所述第一流体的至少一部分引导通过所述至少一个管道部分的内部，并且所述第二歧管部分被配置为将所述第二流体引导围绕所述至少一个管道部分的外部。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一歧管部分被配置为将所述第一流体引导围绕所述热交换器核心的所述第一流体流道与所述至少一个管道部分之间或者所述第一流体接口部分与所述至少一个管道部分之间的转弯。

3.根据权利要求2所述的热交换器，其中，所述转弯包括至少45度的转弯。

4.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，第一流体流经所述至少一个管道部分的方向与第二流体流经所述第二歧管部分的方向之间的夹角为至少45度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述第一流体接口部分位于所述第二歧管部分的与所述热交换器核心的所述第一流体流道的进入/退出区域相对的侧上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述至少一个管道部分的在所述第二流体流动的方向上的前缘被成形为将所述第二流体引导围绕所述至少一个管道部分的外部。

7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述至少一个管道部分的前缘具有圆形、椭圆形、菱形或机翼形横截面。

8.根据权利要求7所述的热交换器，其中，所述至少一个管道部分具有机翼形横截面，并且所述机翼形横截面的前缘指向所述第二流体接口部分和所述热交换器核心的所述第二流体流道之一。

9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述第一歧管部分包括延伸通过所述第二歧管部分的多个所述管道部分。

10.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述第一歧管部分包括外部部分，所述外部部分用于在所述热交换器核心的所述第一流体流道与所述第一流体接口部分之间将所述第一流体的一部分引导围绕所述第二歧管部分的外部。

11.根据权利要求10所述的热交换器，包括至少一个翅片，所述翅片桥接在所述第二歧管部分的外表面与所述第一歧管部分的所述外部部分的内表面之间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，包括至少一个分隔器栅格，所述至少一个分隔器栅格被布置在所述第二歧管部分的内部以分隔所述第二流体流经所述第二歧管部分的流动。

13.根据权利要求12所述的热交换器，其中，所述至少一个分隔器栅格中的至少一个被耦合到所述至少一个管道部分中的至少一个的外表面。

14.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述热交换器包括一体的固结材料。

15.一种系统，包括：

燃烧器，其通过燃烧燃料来生成热量；以及

换热器，其从由所述燃烧器输出的排出气体中回收热量；

其中，所述换热器包括根据前述权利要求中任一项所述的热交换器。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第二流体包括所述排出气体，并且所述第一流体包括在被供应到所述燃烧器之前要被所述排出气体加热的空气。

17.一种制造热交换器的方法，包括：

形成热交换器核心，所述热交换器核心包括第一流体流道和第二流体流道，所述第一流体流道和所述第二流体流道用于在所述第一流体流道中的第一流体与所述第二流体流道中的第二流体之间进行热交换；

形成第一歧管部分，以在所述热交换器核心中的所述第一流体流道与第一流体接口部分之间引导所述第一流体，所述第一流体接口部分包括比所述热交换器核心更少的第一流体流道，以及

形成第二歧管部分，以在所述第二流体流道与第二流体接口部分之间引导所述第二流体，所述第二流体接口部分包括比所述热交换器核心更少的第二流体流道；

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述热交换器通过增材制造来制造。

19.一种计算机可读数据结构，其表示根据权利要求1至14中任一项所述的热交换器的设计。

20.一种存储介质，其存储权利要求19所述的数据结构。