CN112400092B - 具有带挡板单元的三维晶格结构的热交换器和在热交换器的三维晶格结构中形成挡板的方法 - Google Patents

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Abstract

提供具有限定重复单位单元的三维晶格(104)的多个一体形成的连续单位单元的热交换器(100)，以及在热交换器(100)的三维晶格(104)结构中形成挡板的方法。多个一体形成的连续单位单元包括多个路径单元(200)和在多个路径单元(200)之中一体形成的多个挡板单元(250)。多个路径单元(200)具有包括内部和外部路径单元表面(210)的固体域(202)，内部和外部路径单元表面(210)分别连续地限定第一和第二分叉流体域(204)，(206)，分别用于第一流体(138)和第二流体(144)流经多个路径单元(200)。多个挡板单元(250)具有包括一个或多个分叉路径盲板(254)的固体域(202)，一个或多个分叉路径盲板(254)一起提供连续地限定分叉流体域的边界的一个或多个分叉路径挡板(300)，(302)。

Description

具有带挡板单元的三维晶格结构的热交换器和在热交换器的 三维晶格结构中形成挡板的方法
技术领域
本公开大体上涉及具有带挡板单元的三维晶格结构的热交换器以及在热交换器的三维晶格结构中形成挡板的方法。
背景技术
热交换器有时利用挡板来引导或调节流体流动。典型的管壳式热交换器可以包括在热交换器的壳侧上的挡板，该挡板引导壳侧流体通过由挡板限定的流动通道。挡板还可以用于将管束支撑在热交换器壳内。这种挡板通常由面板制成，该面板具有与管束中的每个管相对应的多个孔。面板的孔被安装在热交换器管上，并且面板被焊接到适当的位置。
这种性质的挡板的制造过程可能是复杂且耗时的，因此热交换器通常具有相当简单的挡板构造。另外，当将挡板安装并焊接到管时，热交换器管易于损坏，并且由于诸如错误的焊接等的制造错误而可能引起泄漏或应力点，从而导致性能欠佳，流体的交叉污染或结构故障。此外，由于制造的复杂性，特别是对于具有多个管的热交换器，热交换器的管侧通常没有挡板。三维晶格结构可替代管束。然而，当将挡板添加到三维晶格结构时，上述缺点可能变得更加明显，因为相对于典型的管束，晶格结构可能具有更为复杂的构造。
热交换器可以在入口歧管处联接到流体流，入口歧管限定了入口气室，流体在入口气室处进入热交换器。典型的管壳式热交换器包括管板，管板是在入口气室和管束之间的界面处的面板，管束将流体引导到热交换器的管中。从入口气室进入管束的流体路径通常表现出相对突然转变。这种突然转变可能导致明显的剪切应力和相应的压降，这可能会影响工艺设计的考虑。采用三维晶格结构而不是管束的以前的热交换器可能存在类似的突然转变。
因此，需要具有改进的挡板和改进的入口气室的热交换器。另外，需要改进的在热交换器中形成挡板的方法，以及减少进入热交换器的三维晶格的流体的压降的方法。
发明内容
各方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践当前公开的主题来学习。
在一方面中，本公开包括热交换器，热交换器具有限定重复单位单元的三维晶格的多个一体形成的连续单位单元。在一些实施例中，多个一体形成的连续单位单元包括多个路径单元和在多个路径单元之中一体形成的多个挡板单元。多个路径单元具有包括内部路径单元表面以及外部路径单元表面的固体域，内部路径单元表面连续地限定第一分叉流体域，用于第一流体流经多个路径单元，外部路径单元表面连续地限定第二分叉流体域，用于第二流体流经多个路径单元。多个挡板单元具有包括一起提供一个或多个第一分叉路径挡板的一个或多个第一分叉路径盲板(blind)和/或一起提供一个或多个第二分叉路径挡板的一个或多个第二分叉路径盲板的固体域。每个第一分叉路径挡板连续地限定第一分叉流体域的第一边界，并且每个第二分叉路径挡板连续地限定第二分叉流体域的第二边界。
在一些实施例中，多个路径单元的内部路径单元表面与一个或多个第一分叉路径挡板一起限定第一分叉流动通道，用于第一流体流过第一分叉流体域，并且多个路径单元的外部路径单元表面与一个或多个第二分叉路径挡板一起限定第二分叉流动通道，用于第二流体流过第二分叉流体域。第一分叉流动通道可以包括第一流动取向，并且第二分叉流动通道可以包括第二流动取向。第一流动取向可以不同于第二流动取向。
在另一方面中，本公开包括热交换器，热交换器具有限定重复单位单元的三维晶格的多个一体形成的连续单位单元，其中多个一体形成的连续单位单元包括多个部分单位单元。多个一体形成的连续单位单元包括多个路径单元。多个路径单元具有包括内部路径单元表面以及外部路径单元表面的固体域，内部路径单元表面连续地限定第一分叉流体域，用于第一流体流经多个路径单元，外部路径单元表面连续地限定第二分叉流体域，用于第二流体流经多个路径单元。
第一分叉流体域可以被构造和布置成使得第一流体跟随从第一流体入口区域到第一流体出口区域的第一分叉流动通道流经多个路径单元。第二分叉流体域可以被构造和布置成使得第二流体跟随从第二流体入口区域到第二流体出口区域的第二分叉流动通道流经多个路径单元。多个一体形成的连续单位单元可以另外包括符合固体域的多个部分单位单元。多个部分单位单元可以将部分相移引入重复单位单元的三维晶格，使得第一流体域包括第一圆形单位单元进口，并且第二流体域包括第二圆形单位单元进口。
在另一方面中，本公开包含在热交换器的三维晶格结构中形成挡板的方法。示例性方法包括形成限定重复单位单元的三维晶格的多个一体形成的连续单位单元。形成多个一体形成的连续单位单元包括形成多个路径单元，以及在多个路径单元之中一体地形成多个挡板单元。多个路径单元可以被形成为具有包括内部路径单元表面以及外部路径单元表面的固体域，内部路径单元表面连续地限定第一分叉流体域，用于第一流体流经多个路径单元，外部路径单元表面连续地限定第二分叉流体域，用于第二流体流经多个路径单元。多个挡板单元可以被形成为具有包括一个或多个第一分叉路径挡板和/或一个或多个第二分叉路径挡板的固体域。每个第一分叉路径挡板可以被形成为连续地限定第一分叉流体域的第一边界，并且每个第二分叉路径挡板可以被形成为连续地限定第二分叉流体域的第二边界。
在另一方面中，本公开包括减少在热交换器的三维晶格结构的入口处的压降的方法。示例性方法包括形成多个一体形成的连续单位单元，多个一体形成的连续单位单元限定包括多个路径单元的重复单位单元的三维晶格。多个路径单元可以被形成为具有包括内部路径单元表面以及外部路径单元表面的固体域，内部路径单元表面连续地限定第一分叉流体域，用于第一流体流经多个路径单元，外部路径单元表面连续地限定第二分叉流体域，用于第二流体流经多个路径单元。
第一分叉流体域可以被形成为具有构造和布置，使得第一流体跟随从第一流体入口区域到第一流体出口区域的第一分叉流动通道流经多个路径单元。第二分叉流体域可以被形成为具有构造和布置，使得第二流体跟随从第二流体入口区域到第二流体出口区域的第二分叉流动通道流经多个路径单元。在一些实施例中，形成多个一体形成的连续单位单元可以包括形成多个部分单位单元。多个部分单位单元可以被形成为将部分相移引入重复单位单元的三维晶格，使得第一流体域包括第一圆形单位单元进口，并且第二流体域包括第二圆形单位单元进口。
参考以下描述和所附权利要求书，这些以及其他特征、方面和优点将变得更加容易理解。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了示例性实施例，并且与说明书一起用于解释当前公开的主题的某些原理。
附图说明
在参考附图的说明书中，针对本领域普通技术人员，阐述了本发明包括其最佳模式的完整且能够实现的公开。其中：
图1示意性地描绘示例性热交换器，在该示例性热交换器内设置有多个一体形成的连续单位单元，多个一体形成的连续单位单元一起限定重复单位单元的三维晶格；
图2A-2H示意性地描绘示例性单位单元，其中图2A和2B中描绘的单位单元是路径单元，以及图2C-2H中描绘的单位单元是为挡板单元；
图3A-3C示意性地描绘重复单位单元的示例性三维晶格；
图4显示单位单元的示例性进口几何形状以及与该示例性进口几何形状相对应的示例性阻力系数；
图5A-5C示意性地描绘示例性部分单位单元和到第一流体的三维晶格的对应的圆形单位单元进口；和
图6A至图6C示意性地描绘示例性路径单元和到第二流体的三维晶格的对应的圆形单位单元进口。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本公开的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参考当前公开的主题的示例性实施例，本公开主题的示例性实施例的一个或多个实例在附图中示出。每个实例通过解释的方式提供，并且不应被解释为限制本公开。实际上，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以对本公开进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，本公开旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变型。
应当理解，术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，以及“下游”是指流体向其流动的方向。还应理解，诸如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等术语是方便的用语，而不应被解释为限制性术语。如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“一”和“一种”不表示数量限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。
在此以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，并且除非上下文或语言另有指示，否则这种范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围均包括端点，并且端点能够彼此独立地组合。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言被用于修改可以允许变化而不会导致与之相关的基本功能发生变化的任何定量表示。因此，由诸如“大约”，“近似”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或者用于构建或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。
本公开大体上提供具有带挡板单元的三维晶格结构的热交换器。示例性热交换器包括限定重复单位单元的三维晶格的多个一体形成的连续单位单元。一体形成的连续单位单元包括多个路径单元和多个挡板单元。路径单元和挡板单元符合三维晶格，并且挡板单元在路径单元之中一体形成。本公开另外包括在热交换器的三维晶格结构中形成挡板的方法。
当前公开的热交换器可以提供改进的可制造性。例如，三维晶格可以被建模为一体形成的连续单位单元的阵列，它们一起限定重复单位单元的三维晶格。三维晶格结构可以例如使用增材制造技术以任何期望的尺寸、形状或构造，以及单位单元的任何期望的数量或组合而快速且精确地制造。可以在不改变三维晶格的构造的情况下，修改三维晶格内的挡板单元的布置。这样，可以从相同的三维晶格构造开始，提供各种各样的流动通道。例如，可以在不改变三维晶格的构造的情况下，为特定应用定制流动通道。
可以选择流动通道以提供期望的热传递性质，这可以提供改进的热传递。例如，挡板单元可以提供热交换器的增加的有效长度，同时部分路径单元和对应的圆形单位单元进口可以提供减小的压力损失。此外，挡板单元可以为三维晶格提供额外的结构支撑。可以以任何期望的构造在三维晶格中提供挡板单元，从而允许流过热交换器的三维晶格结构的每种分开的流体遵循其自身独立的流动通道。多个挡板单元可以限定用于流过三维晶格的一个或多个流体的流动通道。
路径单元可以包括部分路径单元，部分路径单元将部分相移引入重复单位单元的三维晶格，这允许重复单位单元包括到第一流体域和第二流体域两者的圆形单位单元进口。这种圆形单位单元进口根据与单位单元的进口几何形状相对应的阻力系数K来降低或最小化进入单位单元的流体的压力损失。
当前公开的热交换器和三维晶格结构以及对应的单位单元可以以任何期望的设定被使用。作为实例，当前公开的热交换器和三维网格结构可以与涡轮机结合使用或与电机结合使用。可以利用这种涡轮机和/或电机的一些实例包括飞行器、船舶、机动车辆、发电设施、制造设施、工业机械等。在飞行器的情况下，涡轮机可以采用涡轮风扇发动机的形式，并且电机可以用于向这种涡轮发动机供以动力。这种飞行器可以包括商用、军用或民用飞行器，以及例如无人机的无人飞行器、电动旋翼飞机、遥控飞机等。将理解的是，当前公开的热交换器和三维晶格结构以及对应的单位单元可以以许多其他设定被使用，并且旨在可以在不脱离本公开的范围或精神的情况下，以任何设定实施当前公开的热交换器和三维晶格结构以及对应的单位单元。
现在将更详细地描述本公开的各种实施例。参考图1，显示了示例性热交换器100。热交换器100包括本体102，在本体102内设置多个一体形成的连续单位单元(图2A-2H)，多个一体形成的连续单位单元一起限定重复单位单元的三维晶格104(图3A-3C)。热交换器100包括路径，用于至少两个流体流过重复单位单元的三维晶格104。所示的实施例包括两个路径；然而，将理解的是，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以提供附加的路径。实际上，可以提供任何期望的数量的路径，包括三个、四个、五个或更多个路径。如图所示，第一流动通道106允许第一流体流过重复单位单元的三维晶格104，并且第二流动通道108允许第二流体流过重复单位单元的三维晶格104。如本文所述，第一流动通道106包括第一分叉流体域，第一流体流过第一分叉流体域，并且第二路径包括第二分叉流体域，第二流体流过第二分叉流体域。
热交换器100可以包括可操作地联接到热交换器的本体102或与热交换器的本体102一体形成的一个或多个入口歧管和/或出口歧管。如图所示，第一流体入口歧管110和第一流体出口歧管112可以可操作地联接到热交换器100的本体102或与热交换器100的本体102一体形成。第一流体入口歧管110的内部表面限定与第一分叉流体域的第一流体入口区域116流体连通的第一流体入口气室114。第一流体出口歧管112的内部表面限定与第一分叉流体域的第一流体出口区域120流体连通的第一流体出口气室118。另外，第二流体入口歧管122和第二流体出口歧管124可操作地联接到热交换器100的本体102或与热交换器100的本体102一体形成。第二流体入口歧管122的内部表面限定与第二分叉流体域的第二流体入口区域128流体连通的第二流体入口气室126。第二流体出口歧管124的内部表面限定与第二分叉流体域的第二流体出口区域132流体连通的第二流体出口气室130。
热交换器100可以与第一流体源134和/或第一流体目的地136流体连通，第一流体源134和/或第一流体目的地136例如由可操作地联接到热交换器100或与热交换器100一体形成的一个或多个管道等提供，例如分别由第一流体入口歧管110和第一流体出口歧管112提供。第一流体源134向热交换器102提供第一流体138，如本文所述，第一流体138流过第一分叉流体域。在离开热交换器102之后，第一流体138可以流到第一流体目的地136。同样地，热交换器100可以与第二流体源140和/或第二流体目的地142流体连通，第二流体源140和/或第二流体目的地142例如由可操作地联接到热交换器100或与热交换器100一体形成的一个或多个管道等提供，例如分别由第二流体入口歧管122和第二流体出口歧管124提供。第二流体源140向热交换器102提供第二流体144，如本文所述，第二流体144流过第二分叉流体域。在离开热交换器102之后，第二流体144可以流到第二流体目的地142。
第一流体138可以是过程流体，诸如润滑剂和/或冷却剂。这种过程流体可以例如用于润滑和/或冷却诸如涡轮风扇发动机的发动机或电机。第二流体144可以是冷却剂，例如液体或空气。例如可以使用诸如冷却剂来冷却诸如过程流体的第一流体138。在示例性实施例中，第一流体138是用于从涡轮风扇发动机或电机提取热量的液体冷却剂，以及第二流体144是用于冷却第一流体138的液体或空气。
现在转向图2A-2H，将描述三维晶格104的示例性单位单元。如所提到的，多个一体形成的连续单位单元限定重复单位单元的三维晶格104。单位单元包含由表示三维晶格104的单独的重复单元的至少四个周界平面所限定的三维空间。单位单元的周界平面包含与由单位单元所包含的三维空间的一部分周界相对应的二维平面。单位单元可以具有与三维晶格的单独的重复单元相对应的任何形状、尺寸或几何形状。构成三维晶格104的单位单元不必各自具有相同的形状、尺寸或几何形状。实际上，将理解的是，重复单位单元的三维晶格104可以包括具有任何期望的形状、尺寸或几何形状组合的单位单元的重复图案或组合。尽管可以将部分单位单元包括在三维晶格104中，但是可以通过单位单元的重复图案的存在来识别三维晶格104的外围。作为实例，可以作为三维晶格104的外围或在三维晶格104的外围附近，作为挡板单元或在挡板单元附近，或者在整个三维晶格104的其他地方，包括部分单位单元。出于本公开的目的，背离单位单元的重复图案的结构不被认为是三维晶格104的一部分。这包括诸如热交换器的本体102的外围结构以及背离单位单元的重复图案的内部结构。
单位单元可以被分割成一个或多个单位单元域。单位单元域可以是固体域或流体域。所示的实施例包括由固体域分开的两个流体域；然而，将理解的是，在不背离本公开的精神或范围的情况下，可以提供附加的流体域。对于每个附加的流体域，将提供附加的固体域，以将附加的流体域与其他流体域分开。例如，单位单元可以包括三个流体域和两个固体域，或者四个流体域和三个固体域，依此类推。实际上，可以提供任何期望数量的域。单位单元的固体域可以是完全实心的，或者中空空间可以位于固体域内(即，与流体域隔离)。位于固体域内的中空空间可以减少三维晶格结构的总重量。
单位单元可以是路径单元或挡板单元。将单位单元分割成单位单元域的方式确定了单位单元是路径单元还是挡板单元。图2A和2B显示示例性路径单元200，以及图2C-2H显示示例性挡板单元250。单位单元包括至少四个周界平面。如图2A-2H所示，单位单元可以包括六个周界平面，并且六个周界平面可以分别被定向成与X、Y或Z轴正交。将理解的是，单位单元可以包括任何期望数量的周界平面，并且单位单元可以采取任何期望的多面体的形式。另外，将理解的是，周界平面可以被构造成具有任何期望的取向。
参考图2A和2B，路径单元200包括三维晶格104的具有固体域202的那些单位单元，固体域202限定至少两个分开的分叉流体域，流体可以通过至少两个分开的分叉流体域向上或穿过单位单元的每个周界平面流动。路径单元200包括至少四个周界平面。如图2A和2B所示，路径单元200可以包括六个周界平面。六个周界平面可以分别被定向成与X、Y或Z轴正交。路径单元200包括分开并限定多个分叉流体域的固体域202。分叉流体域具有分叉或分支，分叉或分支允许流体在多个方向上流遍整个三维晶格104。将理解的是，可以提供任何数量的分叉或分支。这种分叉流体域的构造和布置可以通过构成三维晶格104的相应单位单元的固体域202的构造和布置来限定。
如图所示，路径单元200包括限定第一分叉流体域204和第二分叉流体域206的固体域202。第一分叉流体域204分叉，使得第一流体可以流经路径单元200的每个周界平面。该如图所示，固体域202具有内部路径单元表面208和外部路径单元表面210，内部路径单元表面208限定第一分叉流体域204，外部路径单元表面210限定第二分叉流体域206。固体域202可以是完全实心的，或者可以具有位于内部路径单元表面208和外部路径单元表面210之间的中空空间。
第一分叉流体域204分叉，使得第一流体138可以流经路径单元200的每个周界平面。如图所示，第一分叉流体域204包括在三个方向上分叉的路径(例如，第一和第二周界平面与其具有正交取向的第一X路径212，第三和第四周界平面与其具有正交取向的第一Y路径214，以及第五和第六周界平面与其具有正交取向的第一Z路径216)。各自具有内部路径单元表面208的多个一体形成的连续路径单元200可以一起连续地限定第一分叉流体域204，用于第一流体138流经多个路径单元200。
第二分叉流体域206分叉，使得第二流体144可以流经路径单元200的每个周界平面。如图所示，第二分叉流体域206包括在三个方向上分叉的路径(例如，第一和第二周界平面与其具有正交取向的第二X路径218，第三和第四周界平面与其具有正交取向的第二Y路径220，以及第五和第六周界平面与其具有正交取向的第二Z路径222)。各自具有外部路径单元表面210的多个一体形成的连续路径单元200可以一起限定第二分叉流体域206，用于第二流体144流经多个路径单元200。
参考图2C-2H，挡板单元250包括三维晶格104的具有固体域252的那些单位单元，固体域252包括作为固体域252的一部分而一体形成的分叉路径盲板254、256。挡板单元250的固体域252可以包括第一分叉路径盲板254和/或第二分叉路径盲板256，第一分叉路径盲板254限定第一分叉流体域204的边界，第二分叉路径盲板256限定第二分叉流体域206的边界。挡板单元250的固体域252可以是完全实心的，或者可以具有与第一分叉流体域204和第二分叉流体域206两者隔离的中空空间。如以下参考图3A至图3C所讨论的，包括第一分叉路径盲板254的多个一体形成的连续挡板单元250一起限定第一分叉路径挡板，以及包括第二分叉路径盲板256的多个一体形成的连续挡板单元250一起限定第二分叉路径挡板。
挡板单元250包括至少四个周界平面。如图所示，挡板单元可包括六个周界平面。六个周界平面可以分别被定向成与X、Y或Z轴正交。分叉路径盲板254、256限定边界，使得分叉流体域中的流体不会流经挡板单元250的至少一个周界平面。可以相对于从挡板单元250的分叉流体域204、206流向三维晶格104的连续单位单元的流体，或者相对于从连续单位单元的分叉流体域204、206流向挡板单元250的流体，来限定边界。分叉路径盲板包括挡板单元250的固体域252的部分，该部分相对于挡板单元250的周界平面限定分叉流体域204、206的这种边界。即使挡板单元250包括分叉路径盲板254、256，在一些实施例中，挡板单元250也可以包括一个或多个分叉流体域204、206，流体可以通过一个或多个分叉流体域204、206向上或穿过单位单元的一个或多个周界平面流动。然而，分叉路径盲板254、256在单位单元中的存在将单位单元区别为挡板单元250，与路径单元200相对。分叉路径盲板254、256可以在一个或多个允许的平面处限定分叉流体域的边界，一个或多个允许的平面包括挡板单元250的单个周界平面、挡板单元250的所有周界平面或挡板单元250的周界平面的子集。
如图2C、2E、2F、2H所示，挡板单元250的固体域252可以包括限定第一分叉流体域204的边界的第一分叉路径盲板254。如下面参考图3A-3C所讨论的，包括第一分叉路径盲板254的多个一体形成的连续挡板单元一起提供第一分叉路径挡板。第一分叉路径盲板254可以限定挡板单元250的每个周界平面的边界(图2C和2E)或挡板单元的周界平面的子集的边界(图2F和2H)。利用与例如路径单元200的另一单位单元连续的第一分叉路径盲板254，第一分叉流体域204中的流体可以不流经具有第一分叉路径盲板254的挡板单元250的周界平面，因为第一分叉路径盲板254限定第一分叉流体域204的边界。
挡板单元250的固体域252可以包括外部挡板单元表面258，外部挡板单元表面258与路径单元200相似，限定第二分叉流体域206。如图所示，挡板单元250的第二分叉流体域206包括在三个方向分叉的路径(例如，第一和第二周界平面与其具有正交取向的第二X路径218，第三和第四周界平面与其具有正交取向的第二Y路径220，以及第五和第六周界平面与其具有正交取向的第二Z路径222)。具有外部挡板单元表面258的挡板单元250可以与也具有外部挡板单元表面258的另一个挡板单元和/或具有外部路径单元表面208的路径单元200连续。各自具有外部挡板单元表面258的多个一体形成的连续挡板单元250可以一起连续地限定第二分叉流体域206，用于第二流体144流经多个挡板单元250。另外或替代地，与具有外部路径单元表面210的一个或多个路径单元200连续的具有外部挡板单元表面258的一个或多个挡板单元250可以一起连续地限定第二分叉流体域206，用于第二流体144流经一个或多个挡板单元250和路径单元200。
如图2D、2E、2G和2H中所示，挡板单元250的固体域252可以包括限定第二分叉流体域206的边界的第二分叉路径盲板256。如下面参考图3A-3C所讨论的，包括第二分叉路径盲板256的多个一体形成的连续挡板单元250一起提供第二分叉路径挡板。第二分叉路径盲板256可以限定挡板单元250的每个周界平面的边界(图2D和2E)或挡板单元的周界平面的子集的边界(图2G和2H)。另外，挡板单元250的固体域252可以包括第一分叉路径盲板254和第二分叉路径盲板256两者(图2E和2H)，第一分叉路径盲板254和第二分叉路径盲板256分别限定第一分叉流体域204和第二分叉流体域206两者的边界(例如，图2A和2B)。利用第二分叉路径盲板256与例如路径单元200的另一个单位单元连续，第二分叉流体域206中的流体可以不流经具有第二分叉路径盲板256的挡板单元250的周界平面，因为第二分叉路径盲板254限定第二分叉流体域206的边界。
挡板单元250的固体域252可以包括内部挡板单元表面260，内部挡板单元表面260与路径单元200相似，限定第一分叉流体域204。如图所示，挡板单元250的第一分叉流体域204包括在三个方向上分叉的路径(例如，第一和第二周界平面与其具有正交取向的第一X路径212，第三和第四周界平面与其具有正交取向的第一Y路径214，以及第五和第六周界平面与其具有正交取向的第一Z路径216)。具有内部挡板单元表面260的挡板单元250可以与也具有内部挡板单元表面260的另一个挡板单元和/或具有内部路径单元表面208的路径单元200连续。各自具有内部挡板单元表面260的多个一体形成的连续挡板单元250可以一起连续地限定第一分叉流体域204，用于第一流体138流经多个挡板单元250。另外或者替代地，与具有内部路径单元表面208的一个或多个路径单元200连续的具有内部挡板单元表面260的一个或多个挡板单元250可以一起连续地限定第一分叉流体域204，用于第一流体138流经一个或多个挡板单元250和路径单元200。
如图2E和2H所示，挡板单元250的固体域252可以包括第一分叉路径盲板254和第二分叉路径盲板256两者。第一分叉路径盲板254限定第一分叉流体域204的边界，以及第二分叉路径盲板256限定第二分叉流体域206的边界。第一分叉路径盲板254和第二分叉路径盲板256可以各自限定挡板单元250的每个周界平面的边界(图2E)，或挡板单元的周界平面的子集的边界(图2H)。如图2E所示，挡板单元250的固体域252可以占据整个挡板单元250。替代地，如图2H所示，挡板单元250的固体域252可以包括限定第二分叉流体域206的外部挡板单元表面258，和限定第一分叉流体域204的内部挡板单元表面260。
现在转向图3A-3C，将更详细地讨论热交换器100的示例性三维晶格104。图3A-3C中所示的示例性热交换器100包括重复单位单元的三维晶格104。三维晶格104由多个一体形成的连续单位单元限定。单位单元包括多个路径单元200和多个挡板单元250，每个都符合三维晶格。多个路径单元200具有包括内部路径单元表面208的固体域202，内部路径单元表面208连续地限定第一分叉流体域204，用于第一流体138流经多个路径单元200。多个路径单元200的固体域202另外包括外部路径单元表面210，外部路径单元表面210连续地限定第二分叉流体域206，用于第二流体144流经多个路径单元200。多个挡板单元250在多个路径单元200之中一体形成。多个挡板单元250具有包括一个或多个第一分叉路径盲板254和/或一个或多个第二分叉路径盲板256的固体域252。
示例性三维晶格104可以包括一个或多个第一分叉路径挡板300和/或一个或多个第二分叉路径挡板302。第一分叉路径挡板300可以包括具有一个或多个第一分叉路径盲板254和/或一个或多个第二分叉路径盲板256的挡板单元250。第二分叉路径挡板302可以包括具有一个或多个第二分叉路径盲板256和/或一个或多个第一分叉路径盲板254的挡板单元250。各自包括第一分叉路径盲板254的多个一体形成的连续挡板单元一起在三维晶格104内提供第一分叉路径盲板300，第一分叉路径盲板300连续地限定第一分叉流体域204的边界。各自包括第二分叉路径盲板256的多个一体形成的连续挡板单元250一起在三维晶格104内提供第二分叉路径挡板302，第二分叉路径挡板302连续地限定第二分叉流体域206的边界。三维晶格可以包括各自连续地限定第一分叉流体域204的边界的一个或多个第一分叉路径挡板300。另外或替代地，三维晶格可以包括各自连续地限定第二分叉流体域206的边界的一个或多个第二分叉路径挡板302。
第一分叉路径挡板300可以包括与路径单元200的外部路径单元表面210的至少一部分连续的外部挡板单元表面258。这种外部挡板单元表面258进一步连续地限定第二分叉流体域206，并且允许第二流体144流经包括至少一个第一分叉路径盲板254的多个挡板单元250。第二分叉路径挡板302可以包括与内部路径单元表面208的至少一部分连续的内部挡板单元表面260。这种内部挡板单元表面260进一步连续地限定第一分叉流体域204，并且允许第一流体138流经包括至少一个第二分叉路径挡板的多个挡板单元250。
多个路径单元200的内部路径单元表面208和一个或多个第一分叉路径挡板300一起限定第一分叉蛇形流动通道106，用于第一流体138流过第一分叉流体域204。作为实例，但不限于，第一分叉蛇形流动通道106可以包括单路构造、双路构造、多路构造、分流构造、组合流构造和螺旋流构造。第一分叉蛇形流动通道106可以与第二蛇形流动通道108部分或完全重叠。第一分叉蛇形流动通道106可以与第二分叉蛇形流动通道108相交一次或多次。第一分叉蛇形流动通道106可以穿过具有第二分叉路径盲板256的至少一些挡板单元250。第二分叉蛇形流动通道108可以穿过具有第一分叉路径盲板156的至少一些挡板单元250。
多个路径单元200的外部路径单元表面210和一个或多个第二分叉路径挡板302一起限定第二分叉蛇形流动通道108，用于第二流体144流过第二分叉流体域206。可以为第一分叉蛇形流动通道106和第二分叉蛇形流动通道108提供任何流动取向。作为实例，但不限于，第二分叉蛇形流动通道108可以包括单路构造、双路构造、多路构造、分流构造、组合流构造和螺旋流构造。
第一分叉蛇形流动通道106和第二分叉蛇形流动通道108可以以任何期望的构型相对于彼此被定向。作为实例，但不限于，第一分叉蛇形流动通道106的至少一部分和第二分叉蛇形流动通道108的至少一部分可以利用平行流动取向、逆向流动取向和/或交叉流动取向相对于彼此被构造和布置。对于图3A-3C所示的三维晶格104，第一分叉蛇形流动通道106和第二分叉蛇形流动通道108具有围绕三维晶格104的左上区域的至少一部分的平行流动取向，围绕三维晶格104的底部中心区域的至少一部分的逆向流动取向，以及围绕三维晶格104的右侧区域的至少一部分的交叉流动取向。
将理解的是，可以利用任何期望的构造或布置来选择性地遍及整个三维晶格104定位挡板单元250，从而允许流动通道106、108具有任何期望的构造和布置。这样，流动通道106、108可以被选择性地构造和布置，以遍及整个热交换器100提供改进的热传递。
在热交换器100的操作期间，第一流体138大体上跟随第一蛇形流动通道106流过三维晶格104的第一分叉流体域204，第二流体144大体上跟随第二蛇形流动通道108流过三维晶格104的第二分叉流体域206。第一流体138可以是相对较热的流体，以及第二流体144可以是相对较冷的流体，反之亦然。热量可以通过固体域202、252在第一流体和第二流体之间传递，固体域202、252将第一流体域204与第二流体域206分开。
第一流体138通过第一分叉蛇形流动通道106从第一流体入口气室114流到第一分叉流体域204的第一流体入口区域116，并且通过第一分叉流体域204的出口区域120流出到第一流体出口气室118。第二流体144通过第二分叉蛇形流动通道108从第二流体入口气室126流到第二分叉流体域206的第二流体入口区域128，并且通过第二分叉流体域206的出口区域132流出到第二流体出口气室130。
在一些实施例中，进入三维晶格结构的流体可以表现出显著的压力损失。通常，剪切应力在三维晶格104的相应单位单元进口处最高，在此处边界层厚度是最小的。边界层随着剪切应力的减弱而变厚，并且流体可以表现出完全开发的流动特性。可以用阻力系数K来描述压力损失，阻力系数K对应于在相应流体入口气室和相应流体域的入口区域之间的界面处的单位单元的进口几何形状。在本领域中已知有用于确定阻力系数K的几种方法。作为一个实例，阻力系数K可以被计算为：其中，f是摩擦系数，L是单位单元进口的等效长度，以及D是单位单元的内径或截面。较大的阻力系数对应于越过单位单元进口的较大的压力损失。在一些实施例中，可以通过减小单位单元进口的等效长度L来最小化或降低阻力系数K。较低的阻力系数K对应于越过单位单元进口的较小的压力损失。
在图4中提供了用于各种单位单元进口几何形状的示例性的阻力系数K值。具有面对入口气室的齐平或方缘进口的单位单元可以具有大约0.5的阻力系数K，例如在0.4与0.6之间或在0.45与0.55之间。具有面对入口气室的向外突出进口的单位单元可以具有大约0.78的阻力系数K，例如在0.7与0.85之间或在0.75与0.8之间。相比之下，具有面对入口气室的圆形单位单元进口的单位单元可以具有更低的阻力系数K，其可以被计算为：其中f是摩擦系数，r是圆形单位单元进口的半径，以及D是单位单元的内径或截面。具有圆形单位单元进口的单位单元可以具有范围从0.02到0.4的阻力系数K，例如从0.04到0.35，例如从0.02和0.09，例如从0.04和0.15，例如从0.09和0.24，例如从0.15和0.28，例如从0.24和0.3。具有圆形单位单元进口的单位单元的阻力系数K可以在从大于0.02到小于0.4的范围内，例如0.3以下，例如0.28以下，例如0.24以下，例如0.15以下，例如0.09以下，例如0.04以下。
如图2A和2B所示，路径单元200包括固体域202，当固体域202被定位成邻近第一流体入口气室114时，固体域202可以向面对第一流体入口气室114的第一流体域204提供齐平或方缘进口。在一些实施例中，图2A和2B所示的路径单元的固体域202可以向第一流体域204提供向外突出进口。另一方面，图2A和2B所示的路径单元200的固体域202包括外部路径单元表面210，当外部路径单元表面210被定位成邻近第二流体入口气室126时，外部路径单元表面210可以向第二流体域206提供圆形单位单元进口。到第二流体域206的这种圆形单位单元进口有利地表现出最小或降低的阻力系数K。然而，相对于到第二流体域的进口，到第一流体域的方缘或向外突出进口可以表现出更高的阻力系数K。
然而，在一些实施例中，重复单位单元的三维晶格104可以包括到第一流体域和第二流体域两者的圆形单位单元进口。例如，这可以通过在限定三维晶格104的多个一体形成的连续单位单元之中包括多个部分单位单元304来实现。多个部分单位单元304类似地一体形成并连续，并且类似地限定重复单位单元的三维晶格104的相应部分。这种部分单位单元304将部分相移引入到重复单位单元的三维晶格104。相移的大小对应于部分单位单元304与全部单位单元的比例。部分单位单元304可以引入范围从1/16到15/16的相位的部分相移，例如从1/8到7/8的相位，例如从1/4到3/4的相位，例如从3/8到5/8的相位。在示例性实施例中，部分相移是1/2的相位。
可以在三维晶格104的任何期望的位置，包括在第一流体入口区域116(例如，邻近第一流体入口气室114)处，在第二流体入口区域128(例如，邻近第二流体入口气室126)处，和/或在三维晶格104的中间区域处，提供部分单位单元304。部分单位单元可以是部分路径单元200和/或部分挡板单元250。例如，部分挡板单元250可以包括第一分叉路径盲板254和/或第二分叉路径盲板256。
如图3A-3C所示，在一个实施例中，在可以邻近第一流体入口气室114(图1)的第一流体入口区域116处提供多个部分路径单元304。这样，重复单位单元的三维晶格104包括到第一流体域204的第一圆形单位单元进口306。在图5A-5C中更清楚地描绘了部分路径单元304和到第一流体域204的对应的第一圆形单位单元进口306。如图所示，第一流体138跟随由部分路径单元304的内部路径单元表面208限定的圆形流动通道500。三维晶格104还包括到第二流体域206的第二圆形单位单元进口308。在图6A-6C中更多地描绘了到与路径单元200的外部路径单元表面210相对应的第二流体域206的第二圆形单位单元进口308。如图所示，第二流体144跟随由路径单元200的内部路径单元表面208限定的圆形流动通道600。在另一个实施例中，重复单位单元的三维晶格104的全部或一部分可以通过部分相位被移位，并且多个部分单位单元304可以邻近第二流体入口气室126(图1)被提供，类似地提供到第一流体域204的第一圆形单位单元进口306和到第二流体域206的第二圆形单位单元进口308。
可以使用任何期望的技术来制造热交换器100的各种方面，包括三维晶格104及其相应的单位单元，以及本文所述的各种其他部件。可以用于制造这样的各种部件的技术包括增材制造、机械加工、钻孔、铸造或其组合或任何其他技术。增材制造处理可以包括涉及逐层构造或添加式制造(与传统机械加工处理中的材料去除相反)的任何处理。这种处理也可以被称为“快速制造处理”。增材制造处理包括但不限于：直接金属激光熔化(DMLM)、激光网形制造(LNSM)、电子束烧结、选择性激光烧结(SLS)、例如通过喷墨和激光打印的3D打印、粘结剂喷射(BJ)、材料喷射(MJ)、光聚合物喷射(PJ)、立体光刻(SLA)、电子束熔化(EBM)、熔融沉积建模(FDM)、激光工程网成形(LENS)、直接金属沉积(DMD)和混合处理(HP)。
可以使用任何期望的材料来制造热交换器100的各种方面，包括三维晶格104及其相应的单位单元，以及本文所述的各种其他部件。可以用于制造这样的各种部件的材料包括铝合金、钢合金、钛合金、镍合金(例如，超合金)、以及诸如陶瓷基复合物(CMC)材料的复合物。示例性的CMC材料可以包括碳化硅、硅、二氧化硅或氧化铝基体材料及其组合。陶瓷纤维可以嵌入基体内，例如包括类似于蓝宝石和碳化硅的单丝的氧化稳定增强纤维，包括碳化硅、硅酸铝、切碎的晶须和纤维的纱线，以及可选的陶瓷颗粒(例如，Si、Al、Zr、Y的氧化物及其组合)和无机填料(例如，叶蜡石、硅灰石、云母、滑石、蓝晶石和蒙脱石)。作为进一步的实例，CMC材料还可以包括碳化硅(SiC)或碳纤维布。在一些实施例中，形成三维晶格104的材料可以是适于促进热传递的材料，例如导热材料。
本书面描述使用示例性实施例来描述当前公开的主题，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践这种主题，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何合并的方法。当前公开的主题的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这种其他实例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他实例旨在被包括在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种热交换器(100)，其特征在于，包括：
多个一体形成的连续单位单元，所述多个一体形成的连续单位单元限定重复单位单元的三维晶格(104)，所述多个一体形成的连续单位单元包括：
多个路径单元(200)，所述多个路径单元(200)具有固体域(202)，所述固体域(202)包括：
内部路径单元表面(208)，所述内部路径单元表面(208)连续地限定第一分叉流体域(204)，用于第一流体(138)流经所述多个路径单元(200)；和
外部路径单元表面(210)，所述外部路径单元表面(210)连续地限定第二分叉流体域(206)，用于第二流体(144)流经所述多个路径单元(200)；和
多个挡板单元(250)，所述多个挡板单元(250)在所述多个路径单元(200)之中一体形成，所述多个挡板单元(250)具有固体域(202)，所述固体域(202)包括：
一个或多个第一分叉路径盲板(254)，所述一个或多个第一分叉路径盲板(254)一起提供一个或多个第一分叉路径挡板(300)，每个所述第一分叉路径挡板(300)连续地限定所述第一分叉流体域(204)的第一边界；和/或
一个或多个第二分叉路径盲板(256)，所述一个或多个第二分叉路径盲板(256)一起提供一个或多个第二分叉路径挡板(302)，每个所述第二分叉路径挡板(302)连续地限定所述第二分叉流体域(206)的第二边界；
其中，至少一些所述第二分叉路径挡板(302)包括与所述内部路径单元表面(208)的至少一部分连续的内部挡板单元表面(260)，所述内部挡板单元表面(260)进一步连续地限定所述第一分叉流体域(204)，用于所述第一流体(138)流经包括至少一个所述第二分叉路径挡板(302)的所述多个挡板单元(250)。
2.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，进一步包括：
本体(102)，所述本体(102)周向地围绕所述多个一体形成的连续单位单元。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器(100)，其特征在于，包括所述一个或多个第一分叉路径挡板(300)和所述一个或多个第二分叉路径挡板(302)两者。
4.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，其中，至少一个所述第一分叉路径挡板(300)包括一个或多个第二分叉路径盲板(256)；和/或
其中，至少一个所述第二分叉路径挡板(302)包括一个或多个第一分叉路径盲板(254)。
5.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，其中，所述多个路径单元(200)的所述内部路径单元表面(208)和所述一个或多个第一分叉路径挡板(300)一起限定第一分叉蛇形流动通道(106)，用于所述第一流体(138)流过所述第一分叉流体域(204)；和/或
其中，所述多个路径单元(200)的所述外部路径单元表面(210)和所述一个或多个第二分叉路径挡板(302)一起限定第二分叉蛇形流动通道(108)，用于所述第二流体(144)流过所述第二分叉流体域(206)。
6.根据权利要求5所述的热交换器(100)，其特征在于，其中，所述第一分叉蛇形流动通道(106)穿过包括所述一个或多个第二分叉路径盲板(256)的所述多个挡板单元(250)中的至少一些挡板单元，和/或其中，所述第二分叉蛇形流动通道(108)穿过包括所述一个或多个第一分叉路径盲板(254)的所述多个挡板单元(250)中的至少一些挡板单元。
7.根据权利要求6所述的热交换器(100)，其特征在于，其中，所述第一分叉蛇形流动通道(106)的至少一部分和所述第二分叉蛇形流动通道(108)的至少一部分相对于彼此以以下的一个或多个取向被构造和布置：平行流动取向、逆向流动取向和交叉流动取向。
8.根据权利要求7所述的热交换器(100)，其特征在于，其中，所述第一分叉蛇形流动通道(106)和/或所述第二分叉蛇形流动通道(108)包括：
单路构造、双路构造、多路构造、分流构造、组合流构造和螺旋流构造。
9.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，进一步包括：
第一入口歧管(110)和第一出口歧管(124)，所述第一入口歧管(110)限定第一入口气室(114)，所述第一入口气室(114)与所述第一分叉流体域(204)的入口区域流体连通，所述第一出口歧管(124)限定第一出口气室(118)，所述第一出口气室(118)与所述第一分叉流体域(204)的出口区域流体连通；和/或
第二入口歧管(122)和第二出口歧管(124)，所述第二入口歧管(122)限定第二入口气室(126)，所述第二入口气室(126)与所述第二分叉流体域(206)的入口区域流体连通，所述第二出口歧管(124)限定第二出口气室(130)，所述第二出口气室(130)与所述第二分叉流体域(206)的出口区域流体连通。
10.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，其中，所述多个挡板单元(250)中的至少一些挡板单元包括第一分叉路径盲板(254)，所述第一分叉路径盲板(254)限定所述第一分叉流体域(204)的边界。
11.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，其中，所述多个挡板单元(250)中的至少一些挡板单元包括第二分叉路径盲板(256)，所述第二分叉路径盲板(256)限定所述第二分叉流体域(206)的边界。
12.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，其中，所述多个挡板单元(250)中的至少一个挡板单元包括第一分叉路径盲板(254)和第二分叉路径盲板(256)，所述第一分叉路径盲板(254)限定所述第一分叉流体域(204)的边界，所述第二分叉路径盲板(256)限定所述第二分叉流体域(206)的边界。
13.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，其中，至少一些所述第一分叉路径挡板(300)包括与所述外部路径单元表面(210)的至少一部分连续的外部挡板单元表面(258)，所述外部挡板单元表面(258)进一步连续地限定所述第二分叉流体域(206)，用于所述第二流体(144)流经包括至少一个所述第一分叉路径挡板(300)的所述多个挡板单元(250)。
14.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，进一步包括：
本体(102)，所述本体(102)周向地围绕所述多个一体形成的连续单位单元，
其中所述多个路径单元(200)的所述内部路径单元表面(208)和所述一个或多个第一分叉路径挡板(300)一起限定第一分叉蛇形流动通道(106)，用于所述第一流体(138)流过所述第一分叉流体域(204)；和/或
其中所述多个路径单元(200)的所述外部路径单元表面(210)和所述一个或多个第二分叉路径挡板(302)一起限定第二分叉蛇形流动通道(108)，用于所述第二流体(144)流过所述第二分叉流体域(206)，所述第一分叉蛇形流动通道和所述第二分叉蛇形流动通道相交。
15.一种在热交换器的三维晶格结构中形成挡板的方法，其特征在于，所述方法包括：
形成多个一体形成的连续单位单元，所述多个一体形成的连续单位单元限定重复单位单元的三维晶格，其中，形成所述多个一体形成的连续单位单元包括：
形成具有固体域的多个路径单元，所述固体域包括：
内部路径单元表面，所述内部路径单元表面连续地限定第一分叉流体域，用于第一流体流经所述多个路径单元；和
外部路径单元表面，所述外部路径单元表面连续地限定第二分叉流体域，用于第二流体流经所述多个路径单元；和
在所述多个路径单元之中一体形成多个挡板单元，所述多个挡板单元具有固体域，所述固体域包括：
一个或多个第一分叉路径挡板，每个所述第一分叉路径挡板连续地限定所述第一分叉流体域的第一边界；和/或
一个或多个第二分叉路径挡板，每个所述第二分叉路径挡板连续地限定所述第二分叉流体域的第二边界；
其中，至少一些所述第二分叉路径挡板包括与所述内部路径单元表面的至少一部分连续的内部挡板单元表面，所述内部挡板单元表面进一步连续地限定所述第一分叉流体域，用于所述第一流体流经包括至少一个所述第二分叉路径挡板的所述多个挡板单元。
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