CN113324425A - 圆形横流式热交换器 - Google Patents

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CN113324425A CN202011560777.5A CN202011560777A CN113324425A CN 113324425 A CN113324425 A CN 113324425A CN 202011560777 A CN202011560777 A CN 202011560777A CN 113324425 A CN113324425 A CN 113324425A
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Abstract

提供了一种热交换模块、热交换器和用于增材制造热交换器的方法。热交换器包括限定流动通道的多个堆叠热交换模块。每个热交换模块限定基本弯曲的闭合几何形状，该闭合几何形状限定沿着轴向延伸的中心轴线。每个热交换模块包括第一热交换流体入口、第一热交换流体出口和流体联接第一热交换流体入口和第一热交换流体出口的多个热交换管道。所述多个热交换管道限定等长度的多个第一热交换流体流动通道和等液压直径的多个第二热交换流体流动通道。

Description

圆形横流式热交换器
技术领域
本主题大体上涉及热交换器，更具体地，涉及具有改进的传热能力和结构刚性的紧凑式热交换器。
背景技术
热交换器可以与热管理系统结合使用，用于在一种或多种流体之间传递热量的。例如，相对高温的第一流体可通过第一通道，而相对低温的第二流体可通过第二通道。第一通道和第二通道可以是热接触或紧密接近的，允许来自第一流体的热量传递到第二流体。因此，第一流体的温度可以降低，而第二流体的温度可以升高。
传统的热交换器包括大量的流体通道，每个流体通道使用板、杆、箔、翅片、歧管、支撑结构、安装凸缘等的组合形成。这些零件中的每一个必须例如通过钎焊、焊接或其它接合方法单独定位、定向和连接到支撑结构。与这种热交换器的组装相关的制造时间和成本非常高，并且由于形成的接头的数量，通常增加了流体通道之间或来自热交换器的流体泄漏的可能性。此外，制造约束限制了热交换器特征和结构部件的数量、尺寸和配置，所述热交换器特征和结构部件可以包括在热交换器中，例如，在流体通道内。
因此，具有改进的热交换器的热管理系统将是有益的。更具体地，用于热管理系统的热交换器易于制造，紧凑且包括用于改善热和结构性能的特征，将是特别有益的。
发明内容
本公开的方面和优点将在以下描述中部分描述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本公开的实践来学习。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了热交换模块。该热交换模块包括第一热交换流体入口、第一热交换流体出口和流体联接该第一热交换流体入口和该第一热交换流体出口的多个热交换管道。所述多个热交换管道限定等长度的多个第一热交换流体流动通道和等液压直径的多个第二热交换流体流动通道。热交换模块限定了限定沿着轴向延伸的中心轴线的弯曲闭合几何形状。
在本公开的另一示例性方面，提供限定轴向方向、径向方向和周向方向的热交换器。热交换器包括沿轴向方向堆叠以限定流动通道的多个热交换模块。多个热交换模块中的每一个具有基本弯曲的闭合几何形状，该闭合几何形状限定了沿着轴向延伸的中心轴线。所述多个热交换模块中的每一个包括第一热交换流体入口、第一热交换流体出口、以及流体联接所述第一热交换流体入口和所述第一热交换流体出口的多个热交换管道。多个热交换管道限定等长的多个第一热交换流体流动通道和等液压直径的多个第二热交换流体流动通道。
在本公开的又一示例性方面，提供了制造热交换器的方法。该方法包括在增材制造机的床上沉积增材材料层，并选择性地将能量从能量源引导到增材材料层上以熔融增材材料的一部分并形成限定轴向方向、径向方向和周向方向的热交换器。热交换器包括沿轴向方向堆叠的多个热交换模块以限定流动通道。多个热交换模块中的每一个具有基本弯曲的闭合几何形状，该闭合几何形状限定了沿着轴向延伸的中心轴线。所述多个热交换模块中的每一个包括第一热交换流体入口、第一热交换流体出口、以及流体联接所述第一热交换流体入口和所述第一热交换流体出口的多个热交换管道。所述多个热交换管道限定等长的多个第一热交换流体流动通道和等液压直径的多个第二热交换流体流动通道。
参考以下描述和所附权利要求，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好地理解。并入本说明书并构成本说明书一部分的附图图示了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
附图说明
本公开的完整且使能够的公开，包括其针对本领域普通技术人员的最佳模式，在参考附图的说明书中描述。
图1提供了根据本公开的一个实施例的热交换模块的俯视图；
图2提供了根据本公开的一个实施例的以堆叠构造的图1的多个热交换模块以形成热交换器的立体图；
图3示出了根据本公开的一个实施例的图2的热交换器的放大的和部分的横截面图；
图4示出了根据本公开的一个实施例的热交换器的另一个实施例中的流体流的放大的和部分的横截面图；
图5提供根据本公开的一个实施例的热交换模块的另一实施例的俯视图；
图6提供根据本公开的一个实施例的图5的热交换模块的侧视图；
图7提供根据本公开的一个实施例的以堆叠构造的图5的多个热交换模块以形成热交换器的立体图；
图8示出根据本公开的一个实施例的图7的热交换器的放大的和部分的横截面图；
图9示出了根据本公开的一个实施例的热交换器的另一实施例中的流体流的放大的和部分的横截面图；和
图10是根据本公开的一个实施例的制造热交换器的方法。
在本说明书和附图中参考字符的重复使用旨在表示本公开的相同或类似特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细说明使用数字和字母名称来参考图纸中的特征。在附图和说明书中的相似或类似的名称被用来指代本公开的相似或类似部分。如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地用于将一个部件与另一个部件区分开来，而不旨在表示单个部件的位置或重要性。术语“前向”和“后向”是指热管理系统内的相对位置，前向是指靠近部件入口的位置，后向是指靠近部件排气的位置。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”是指流体流动的方向，“下游”是指流体流动的方向。此外，如本文所使用的，近似术语，例如“近似”、“大致”或“大约”指的是在10％误差范围内。
如本文所使用的，“流体”可以是气体或液体。本方法不受所用流体类型的限制。在优选的应用中，冷却流体是空气，冷却流体是油。本方法可用于其它类型的液体和气体流体，其中冷却流体和冷却流体是相同的流体或不同的流体。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机电子系统的电介质流体、水、水基化合物、与防冻增材(例如，酒精或乙二醇化合物)混合的水、以及能够在升高或降低的温度下持续热传输的任何其它有机或无机传热流体或流体混合物。
本发明一般涉及由多个热交换模块和用于增材制造热交换器的方法组成的热交换器。热交换器包括一个或多个具有基本弯曲的闭合几何形状的热交换模块，形成热交换器。热交换器包括多个热交换模块，它们以堆叠的形式配置。热交换器为两种流体中的每一种提供恒定的流动路径和流动通道的液压直径，更具体地说，为冷却流体和冷却流体提供恒定的流动路径和流动通道的液压直径。所公开的设计提供了能够设置在导管或管道内的更紧凑和更有效的热交换器。
每个热交换模块包括多个热交换管道，所述多个热交换管道形成用于冷却流体(高密度流体)的流动的流动路径，所述冷却流体从流体入口延伸到流体出口，并且以横流构造限定用于冷却流体的流动路径。冷却流体入口和出口以形成用于冷却流体流动的流动路径和用于横流流体流动的流动路径的方式流体联接相邻热交换模块的热交换管道。
公开了根据本主题的示例性实施例描述的增材制造的热交换模块。在任何合适的应用中，热交换模块可用于在两种或更多种流体之间传递热量。例如，热交换模块可构造成用于将热量从油传递到空气或在燃气涡轮发动机内的两股空气流之间传递热量。然而，应当理解的是，热交换模块可以被构造成用于接收在热传递过程中使用的任何适当数量和类型的流体，这些流体的示例在此描述。此外，本文公开的概念和热交换结构可类似地用于汽车、航空、海事和其他工业中以辅助流体之间的热传递。此外，附图示出了热交换模块的实施例以用于解释其一般操作，但是热交换模块的尺寸、形状和构造不旨在限制本主题的范围。例如，流体通道的尺寸、形状、数量和构造可以以维持所描述的液压直径和恒定流动路径的方式变化，同时保持在本主题的范围内。
一般而言，可以使用任何合适的工艺来制造或形成此处描述的热交换模块和热交换器的示例性实施例。然而，根据本主题的几个方面，热交换模块可以使用增材制造工艺(例如3-D打印工艺)形成。使用这样的方法可以允许热交换模块整体地形成，作为单个整体部件，或作为任何适当数量的子部件或模块以形成热交换器。具体地，制造工艺可允许热交换模块整体形成并且包括当使用先前制造方法时不可能的各种特征。例如，本文描述的增材制造方法使得能够制造不可能使用现有制造方法的具有各种特征、构造、厚度、材料、密度、流体通道和安装结构的热交换器。本文描述了这些新颖特征中的一部分。
如本文所使用的，术语“增材制造”或“增材制造技术或工艺”通常指制造工艺，其中连续的材料层彼此提供以“逐层堆积”三维组件。连续层通常熔合在一起以形成可具有各种整体子组件的单片组件。虽然本文描述的增材制造技术使得能够通过通常在垂直方向上逐点、逐层地构建对象来制造复杂对象，但是其他制造方法是可能的并且在本主题的范围内。例如，虽然本文的讨论涉及材料的添加以形成连续层，但是本领域技术人员将理解，本文公开的方法和结构可以用任何增材制造技术或制造技术来实施。例如，本公开的实施例可以使用层加法工艺、层减法工艺或混合工艺。
根据本公开的合适的增材制造技术包括，例如，熔融沉积建模(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、3D打印(例如通过喷墨和激光)、立体平版印刷(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)、激光净成形制造(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)和其它已知工艺。
本文描述的增材制造工艺可用于使用任何合适的材料形成组件。例如，该材料可以是塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光聚合物树脂，或可以是固体、液体、粉末、片材、金属丝或任何其他合适形式的任何其他合适的材料。更具体地，根据本主题的示例性实施例，可以部分地、整体地或以包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金以及镍或钴基超级合金(例如，以
Figure BDA0002860364890000051
的名称可从特殊金属公司获得的那些)的材料的某种组合形成本文所述的增材制造的部件。这些材料是适合于在本文描述的增材制造工艺中使用的材料的示例，并且通常可以称为“增材材料”。
此外，本领域技术人员将认识到，可以使用各种用于粘合那些材料的材料和方法，并且这些材料和方法被设想为在本公开的范围内。如本文所使用的，参考“熔融”可指用于产生上述材料中的任何材料的粘合层的任何合适的工艺。例如，如果物体由聚合物制成，则熔合可指在聚合物材料之间产生热固性粘合。如果物体是环氧树脂，则可通过交联工艺形成粘合。如果材料是陶瓷，则可以通过烧结工艺形成粘合。如果材料是粉末金属，则可通过熔融或烧结工艺形成粘合。本领域技术人员将认识到，通过增材制造将材料熔合成组件的其他方法是可能的，并且本公开的主题可以利用这些方法来实施。
此外，本文公开的增材制造方法允许由多种材料形成单个部件。因此，这里描述的部件可以由上述材料的任何合适的混合物形成。例如，部件可以包括使用不同的材料、工艺和/或在不同的增材制造机器上形成的多层、分段或零件。以这种方式，可以构造具有不同材料和材料特性以满足任何特定应用的需求的组件。此外，尽管本文描述的部件完全由增材制造工艺构成，但应当理解，在替代实施例中，这些部件的全部或一部分可经由铸造、机加工和/或任何其他合适的制造工艺形成。实际上，可以使用材料和制造方法的任何合适的组合来形成这些组件。
现在将描述示例性增材制造工艺。增材制造工艺利用组件的三维(3D)信息(例如三维计算机模型)制造组件。因此，可以在制造之前定义部件的三维设计模型。在这方面，可以扫描部件的模型或原型以确定组件的三维信息。作为另一示例，可以使用合适的计算机辅助设计(CAD)程序来构建组件的模型，以定义组件的三维设计模型。
设计模型可以包括部件的整个配置的3D数值坐标，包括部件的外表面和内表面。例如，设计模型可以限定主体、表面和/或内部通道，例如开口、支撑结构等。在一个示例性实施例中，三维设计模型例如沿着部件的中心(例如，竖直)轴线或任何其他合适的轴线被转换为多个切片或段。每个切片可针对该切片的预定高度限定该部件的薄横截面。多个连续的横截面切片一起形成3D分量。然后，部件逐层或逐层“构建”，直到完成。
以这种方式，可以使用增材工艺来制造这里描述的部件，或者更具体地，例如通过使用激光能量或热将塑料熔融或聚合，或者通过烧结或熔化金属粉末来连续地形成每一层。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，例如激光束，以烧结或熔化粉末材料。可以使用任何合适的激光和激光参数，包括关于功率、激光束斑尺寸和扫描速度的考虑。构建材料可以由任何合适的粉末或材料形成，所述粉末或材料被选择用于增强强度、耐久性和使用寿命，特别是在高温下。
每个连续层可以是例如在大约10μm和200μm之间，尽管厚度可以基于任何数量的参数来选择并且可以是根据替代实施例的任何合适的尺寸。因此，利用上述增材制造方法，本文所述的组件可具有与在增材制造工艺期间使用的相关粉末层的一个厚度(例如，10μm)一样薄的截面。
另外，利用增材工艺，表面光洁度和部件的特征可根据应用而根据需要变化。例如，可通过在增材工艺期间，特别是在对应于零件表面的横截面层的外围中，选择适当的激光扫描参数(例如，激光功率、扫描速度、激光焦斑尺寸等)来调节(例如，使表面抛光更光滑或更粗糙)。例如，可以通过增加激光扫描速度或减小形成的熔池的尺寸来实现更粗糙的抛光，并且可以通过减小激光扫描速度或增大形成的熔池的尺寸来实现更平滑的抛光。还可以改变扫描图案和/或激光功率以改变所选区域中的表面光洁度。
值得注意的是，在示例性实施例中，由于制造限制，在此描述的部件的若干特征先前是不可能的。然而，本发明人已经有利地利用增材制造技术中的当前进步来开发通常根据本公开的这些部件的示例性实施例。虽然本公开不限于使用增材制造来形成这些部件，但是增材制造确实提供了多种制造优点，包括制造容易、降低成本、更高的精确度等。
在这方面，利用增材制造方法，甚至多零件部件可以形成为单片连续金属，因此与现有设计相比可以包括更少的子部件和/或接头。通过增材制造的这些多零件部件的整体形成可以有利地改进整个组装过程。例如，整体形成减少了必须组装的单独部件的数量，从而减少了相关联的时间和总体组装成本。此外，可以有利地降低与例如泄漏、分离部件之间的接合质量和总体性能有关的现有问题。
此外，上述增材制造方法能够实现本文所述部件的更复杂和复杂的形状和轮廓。例如，这样的组件可以包括薄的增材制造层和具有一体化收集器歧管的独特流体通道。另外，增材制造工艺能够制造具有不同材料的单个部件，使得该部件的不同部分可以表现出不同的性能特性。制造过程的连续的、附加的性质使得能够构造这些新颖的特征。因此，这里描述的部件可以表现出改进的传热效率和可靠性。
参考图1-4，将根据本主题的第一实施例描述热交换模块100。在这方面，图1提供了热交换模块100的前视图。图2示出了以堆叠构造组装以形成热交换器150的多个图1的热交换模块100。图3示出了通过图2的线3-3截取的图2的热交换器的放大截面图。图4示出了热交换器的替代实施例的截面图中的流体流动。如图所示，热交换模块100通常限定轴向方向A、径向方向R和周向方向C。同样地，热交换器150通常限定轴向方向A、径向方向R和周向方向C。根据所示实施例，热交换模块100和热交换器150通常限定沿着轴向方向A上延伸的流动通道154，如图2和3最佳所示。根据所示的实施例，一个或多个热交换模块100中的每一个限定了基本弯曲的闭合几何形状，更具体地，限定了沿轴向A延伸的中心轴线106的圆形横截面(图2)。以这种方式，流动通道154是细长的圆筒并且提供热交换器150以例如装配或替换现有的管道或圆形导管以促进热交换过程。然而，应当理解，根据替代实施例，热交换模块100可以具有任何基本上弯曲的闭合几何形状，诸如椭圆形、椭圆形、鲁洛或其他曲线-线性三角形等。例如，热交换模块100可以具有非圆形横截面并且可以具有弯曲的中心轴线106，使得热交换模块100可以装配在非线性流动路径或管道中。
热交换器150包括堆叠构造的多个热交换模块100，以沿中心轴线106，即在所示实施例中的轴向A限定流动通道154。每个热交换模块100包括第一热交换流体入口110，当处于堆叠结构以形成热交换器150时，第一热交换流体入口110与相邻的上游热交换模块100或热交换流体源(未示出)流体连通。此外，每个热交换模块100包括第一热交换流体出口112，在形成热交换器150的堆叠结构中时，第一热交换流体出口112与相邻的下游热交换模块100流体连通或用作排出。每个第一热交换流体入口110与具有大致圆弧形状的入口歧管114流体连通。类似地，每个第一热交换流体出口112与具有大致圆弧形状的出口歧管116流体连通。多个热交换管道120在入口歧管114和出口歧管116之间延伸。在该特定实施例中，多个热交换管道120中的每一个通常为“S”形，使得多个热交换管道120中的每一个在单个热交换模块100中的长度相等。
在操作期间，第一热交换流体流118进入弧形入口歧管114并分布到多个热交换管道120。多个热交换管道120流体地连接到弧形出口歧管116，弧形出口歧管116位于圆形热交换模块100的相对侧。在实施例中，限定在多个热交换管道120中的每一个内的第一热交换流体流动通道122可以构造成单个流动通道，或者包括多个流动通道或位于“S”形内部的其他形状。多个延伸的表面翅片124可包括在设计中，跨越多个“S”形热交换管道120之间，并限定多个第二热交换流体流动通道128，用于第二热交换流体流动126穿过其中。多个延伸的表面翅片124的间距和形状使得沿与第一热交换流体流118的横流方向穿过热交换模块100的第二热交换流体流126(例如空气)在由翅片124限定的多个第二热交换流体流动通道128中的每一个中具有相同的液压直径。
为了增加多个延伸表面翅片124的表面积并由此增加热传递能力，多个延伸表面翅片124中的每一个可相对于多个热交换管道120成角度或弯曲。限定用于第二热交换流体流动126的多个第二热交换流体流动通道128的多个延伸表面翅片124可以是弯曲的，使得它们包括具有弯曲表面的可变角度，或者它们可以被构造成直的并且与热交换管道120成锐角或钝角。在选择任何单个翅片124时，可以看出，在翅片的一侧，与热交换管道120形成锐角，并且补充角度(在相对侧)是钝角。如图1所示的翅片构造增加了翅片的长度(和表面积)，并且翅片也可以在相反的方向上成角度/弯曲，并且以在由多个延伸的表面翅片124限定的每个第二热交换流体流动通道128中提供相等的液压直径的方式。
多个延伸表面翅片124可为约0.006英寸或更薄的厚度。多个延伸表面翅片124可以更薄，因为它们不必是无泄漏的。翅片表面的另一侧上的流体将来自相同的流体流(第二热交换流体流126)，因为它将是近似相同的温度和压力，因此将不存在在翅片之间移动流体的驱动力。
在组合中，多个“S”形热交换管道120的等长以及多个延伸表面翅片124的间距和形状为第一热交换流体流118和第二热交换流体流126的每一个提供了恒定的流动路径和液压直径的维持。这使得设计更加紧凑和高效。
简要提及图2和3，如图所示，热交换器150包括彼此相邻堆叠的多个热交换模块100。另外，热交换器150限定多个外部歧管156，其中每个外部歧管156联接相邻的热交换模块100，例如，以将第一热交换流体流118转向回到多个热交换管道120中。更具体地，多个外部歧管156中的每一个被构造成经由流体联接到两个相邻热交换模块100的第一热交换流体入口110和第一热交换流体出口112来桥接两个相邻热交换模块100，以在两个相邻热交换模块100之间提供流体连通。
如图所示，当彼此相邻堆叠并且使用多个外部歧管156流体联接时，热交换模块100基本上沿着径向方向R和轴向方向A延伸穿过流动通道154。以此方式，每个热交换模块100内的第一热交换流体流118将流过热交换器150中的每个热交换模块100的多个热交换管道120。
热交换模块100定位在流动通道154内，使得它们与流动通道154流体隔离，但与在其中流动的第二热交换流体流126热连通。这里将热交换器150的最上游或第一热交换模块100称为入口热交换模块，并且将热交换器150的最下游热交换模块100称为排出热交换模块。第一热交换流体流118可流过入口热交换模块100的第一热交换流体入口110，并沿轴向A穿过热交换模块100，直到穿过排出热交换模块的第一热交换流体出口112。
另外，根据示例性实施例，热交换器150，更具体地，热交换模块100限定第二热交换流体入口130和第二热交换流体出口132。如图所示，第二热交换流体入口130提供到入口热交换模块100的第二热交换流体流126。第二热交换流体流126在通过排出热交换模块100和第二热交换流体出口132而离开热交换器150之前穿过热交换模块100。任何适当数量的热交换模块100可沿着中心轴线106堆叠，并且第二热交换流体入口130和第二热交换流体出口132可沿着轴向A间隔开以供应和接收第二热交换流体流126。
这里将热交换模块100描述为使第一热交换流体流118基本上沿着径向R流过，而第二热交换流体流126基本上沿着轴向A流过(即垂直于径向R流过)。以这种方式，热交换模块100被构造成使得流彼此垂直并且以横流热交换布置。如上面详细描述的，可以使用任何合适的替代热交换流体。
另外，每一个连续的热交换模块100可被定时，以使沿轴向A通过流动通道154的第二热交换流体流126转向和/或提供中断。这种构造可以以入口侧压降为代价来改善热传递。相反，根据又一实施例，例如热交换模块100可以沿着轴向A均匀定向，以例如减小流动通道154内的流动损失和压降。
在热交换器的另一个实施例中，大体上参考160，如图4所示，第一热交换流体流118或第二热交换流体流126的相对流体方向中的一个方向可以与图3所示的方向相反，从而使用不同的流动构造。这种类型的流动构造导致如图4所示的共流热交换器，其中第一热交换流体流118或第二热交换流体流126在大致相同的轴向方向上流动。
现在参考图5-9，将根据本主题的附加实施例描述热交换模块200。在这方面，图5提供了热交换模块200的前视图。图6示出了图5的热交换模块200的侧视图。图7示出了以堆叠构造组装形成热交换器250的图5的多个热交换模块200。图8示出了通过图7的线8-8截取的图7的热交换器的截面图。图9示出了热交换器的替代实施例的截面图。如图所示，热交换模块200通常限定轴向方向A、径向方向R和周向方向C。类似地，热交换器250通常限定轴向方向A、径向方向R和周向方向C。根据所示实施例，热交换模块200，并且当处于堆叠构造时，热交换器250通常限定沿着轴向方向A延伸的流动通道154，如图7最佳所示。根据所示的实施例，一个或多个热交换模块200中的每一个限定了限定中心轴线106的圆形横截面，中心轴线106沿着轴向方向A延伸。以这种方式，流动通道154是细长的圆柱体，并且类似于前述实施例，流动通道154可以用于装配在其中或替换现有的管道或圆形导管以促进热交换过程。然而，应当理解，根据替代实施例，热交换模块100可以具有任何基本上弯曲的闭合几何形状，诸如椭圆形、椭圆形、鲁洛或其他曲线-线性三角形等。例如，热交换模块100可以具有非圆形横截面并且可以具有弯曲的中心轴线106，使得热交换模块100可以装配在非线性流动路径或管道中。
热交换器250包括堆叠构造的多个热交换模块200，以沿中心轴线106，即在所示实施例中的轴向A限定流动通道154。每个热交换模块200包括与相邻的上游模块100或流体源(未示出)流体连通的第一热交换流体入口110。此外，每个热交换模块200包括第一热交换流体出口112，该第一热交换流体出口112与相邻的下游热交换模块100流体连通，或者将第一热交换流体流118从热交换器250排出。
在该特定实施例中，第一热交换流体流118，例如高密度流体(例如油)，从热交换模块200的外半径通过多个等距热交换管道202被导向到热交换模块200的内半径，等距热交换管道202间隔开，使得第二热交换流体流126，例如低密度流体(例如空气)，沿与多个等距热交换管道202内的第一热交换流体流118的横流方向通过。多个等距热交换管道202在其中限定多个螺旋第一热交换流体流动通道208，使得每个螺旋第一热交换流体流动通道208的长度相同。
第一热交换流体流118经由第一热交换流体入口110进入热交换模块200，进入圆形外部歧管204，并分布到多个螺旋第一热交换流体流动通道208。多个等距热交换管道202中的每一个的具体形状，因此多个螺旋第一热交换流体流动通道208是圆的渐开线。螺旋第一热交换流体流动通道208与内部管或环形空间流体连通，该内部管或环形空间作为中央歧管206的形式的出口112。多个螺旋第一热交换流体流路208可以构成为通过多个等距热交换管道202中的每一个的单个流路，或者多个等距热交换管道202内部的多个通道或其他形状。多个等距热交换管道202隔开，使得第二热交换流体流126的液压直径在流体路径154中的所有位置处相同。在实施例中，多个延伸表面翅片124可包括在多个等距热交换管道202之间。多个延伸表面翅片124的间距和形状使得沿与第一热交换流体流118的横流方向穿过热交换模块200的第二热交换流体流126(例如空气)在由多个延伸表面翅片124限定的每个流动通道中具有相同的液压直径。
组合起来，多个等距热交换管道202以及多个延伸表面翅片124的间距和形状为第一热交换流体流118和第二热交换流体流126中的每一个提供了恒定的流动路径和液压直径的维持。如先前关于第一公开的实施例所述，这实现了更紧凑和更有效的设计。
更具体地参考图5，如图所示，多个螺旋第一热交换流体流动通道208中的每一个在第一热交换流体入口110和更具体地圆形外部歧管204之间延伸，基本上沿着径向R向内朝向中心孔或出口112，更具体地，朝向中心歧管206。
简要参考图7和图8，如图所示，热交换器250包括彼此相邻堆叠的多个热交换模块200。另外，热交换器250限定了限定在热交换模块200的中心歧管206之间的多个隔板210，例如，以将第一热交换流体流118引导回多个等距热交换管道202中。以这种方式，热交换模块200的中心歧管206沿着中心轴线106延伸，并且沿着轴向A被多个隔板210交替地隔开。
类似地，如图8所示，圆形外部歧管204被构造成桥接两个相邻的热交换模块200以在两个相邻的热交换模块200之间提供流体连通。如图所示，热交换模块200基本上沿着径向方向R延伸通过流动通道154。当使用环形外部歧管204和多个隔板210彼此相邻地堆叠并联接时，如本文所述，每个热交换模块200内的第一热交换流体流118将流过多个等距热交换管道202。
热交换模块200定位在流动通道154内，使得它们与流动通道154流体隔离，但与在其中流动的第二热交换流体流126热连通。可选外壳102可限定位于第一热交换模块200或入口热交换模块上游的第一热交换流体入口110和位于最后热交换模块200或排出热交换模块下游的第一热交换流体出口112。第一热交换流体流118可流过入口热交换模块200的第一热交换流体入口110，并沿轴向A穿过热交换模块200，直到穿过排放模块的第一热交换流体出口112。
另外，根据示例性实施例，热交换器250，更具体地，热交换模块200，限定第二热交换流体入口130和第二热交换流体出口132。如图所示，第二热交换流体入口130与入口热交换模块200流体连通，用于向入口热交换模块200提供第二热交换流体流126。第二热交换流体流126在通过排出热交换模块200和第二热交换流体出口132而离开热交换器250之前穿过热交换模块200。任何适当数量的热交换模块200可沿着中心轴线106堆叠，并且第二热交换流体入口130和第二热交换流体出口132可沿着轴向A间隔开，以供应和接收第二热交换流体流126。
这里将热交换模块200描述为使第一热交换流体流118基本上沿着径向R流过，并且使第二热交换流体流126基本上沿着轴向A流过(即，垂直于径向R流过)。以这种方式，热交换模块200被构造成使得流彼此垂直并且以横流热交换布置。然而，应当理解，多个等距热交换管道202相对于壳体102和流动通道154的方向性取向可以改变，同时保持在本公开的范围内。如上面详细描述的，可以使用任何合适的替代热交换流体。
另外，与第一实施例类似，每个连续的热交换模块200可以被定时以使沿着轴向A通过流动通道154的第二热交换流体流126转向和/或中断。相反，根据又一实施例，热交换模块200可以沿着轴向A均匀定向，例如，以减小流动通道154内的流动损失和压降。
在热交换器的另一个实施例中，大体上参考160，如在图9中所示，第一热交换流体流118或第二热交换流体流126的相对流体方向中的一个可以与在图7中所示的相反，从而使用不同的流动构造。这种类型的流动构造导致如图9所示的共流热交换器，其中第一热交换流体流118或第二热交换流体流126在大致相同的轴向方向上流动。
在先前公开的实施例中，热交换管道120、202可以由铝、钛6-4、Inconel 718或钴铬合金形成。如果其他材料具有相似和/或满意的性能属性，也可使用这些材料。此外，热交换管道120、202可以是在为获得恒定流动压力而定义的参数内的任何合适的尺寸和形状，用于促进改进的热传递，同时使第一热交换流体流118和第二热交换流体流126内的压力损失最小化。例如，根据所示的实施例，热交换管道120、202具有基本上圆形的横截面轮廓。然而，根据替代实施例，可以使用任何其他合适的横截面形状，例如椭圆形横截面或者甚至变化的或起伏的横截面形状。例如，横截面可以是翼型的(例如，类似于泪滴的形状)。根据热交换流体的应用和类型，热交换管道120、202可形成为任何合适的尺寸、数量、间距和形状。这些各种配置通过本文公开的增材制造工艺实现并且被认为在本主题的范围内。
尽管在此描述了示例性实施例，但应当理解，热交换管道120、202可以根据应用、使用的热交换流体的类型、空间考虑等以任何合适的方式配置。此外，每个热交换模块100、200可包括稍微不同的结构，或可包括热交换管道120、202，热交换管道120、202沿着轴向A彼此偏移以最大化热交换管道120、202与第二热交换流体流126之间的接触。
热交换模块100、200的各个部分可根据需要使用任何合适的几何形状、密度和厚度的任何合适的材料来构造，以向热交换器150、160、250、260提供必要的结构支撑。例如，热交换模块200的可选外壳102可以由刚性的绝热材料形成。此外，壳体102可以更厚和更密，以便为热交换模块200在安装、组装和操作期间经历的负载提供结构支撑。另外，热交换模块100可以包括如参考热交换模块200所描述的壳体。相反，热交换管道120、202可以更薄并且由更导热的材料构成以增强热传递。例如，热交换管道120、202可以具有20μm的壁厚或任何其它合适的厚度。
现在已经呈现了根据本主题的示例性实施例的热交换模块100、200的构造和配置，提供了根据本主题的示例性实施例的用于形成热交换器的示例性方法300。方法300可由制造商用来制造热交换器150、160、250、260，或任何其它合适的热交换器。应当理解，此处讨论示例性方法300仅是为了描述本主题的示例性方面，而不是限制性的。
现在参考图10，方法300包括，在步骤302，在增材制造机的床上沉积增材材料层。方法300还包括，在步骤304，选择性地将能量从能量源引导到增材材料层上，以熔融增材材料的一部分并形成热交换模块100、200，热交换模块100、200限定流动通道和在入口和出口之间延伸的多个热交换管道。例如，使用上述实施例，可以形成热交换模块100、200，用于在空气流之间、空气流和油流之间传递热量，或者可以形成任何其他合适的热交换器。该方法还包括，在步骤306，将多个热交换模块100、200堆叠在一起，形成热交换器150、160、250、260，包括与第一入口热交换模块的入口流体连通的入口和与排放热交换模块流体连通的出口。
根据示例性实施例，方法300可进一步包括使用本文描述的增材制造方法以形成整体入口歧管和整体出口歧管。值得注意的是，根据示例性实施例，多个热交换模块、入口歧管、出口歧管、热交换管道以及热交换器的诸如上述的其它部件整体地形成为单个整体部件。因此，在另一种方法中，在步骤308，通过在步骤302中选择性地将能量从能量源引导到沉积的增材材料层上以熔融增材材料的一部分并形成作为整体部件的完整的热交换器150、160、250、260，该热交换器150、160、250、260限定流动通道和在入口和出口之间延伸的多个热交换管道()。
图10描绘出于说明和讨论的目的以特定顺序执行的步骤。使用这里提供的公开内容的本领域普通技术人员将理解，在不偏离本公开内容的范围的情况下，可以以各种方式适配、重新布置、扩展、省略或修改这里讨论的任何方法的步骤。此外，尽管使用热交换模块100和热交换器150解释了方法300的方面，但作为示例，应当理解，这些方法可应用于制造热交换模块200、热交换器160、250、260和任何合适的热交换器。
应当理解，热交换模块100、200和热交换器150、160、250、260在此仅为了解释本主题的方面而描述。例如，这里将使用热交换模块100、200来描述制造热交换器150、160、250、260的示例性构造、构造和方法。应当理解，本文讨论的增材制造技术可用于制造其它热交换器，以用于任何合适的装置、任何合适的目的和任何合适的工业。因此，此处描述的示例性组件和方法仅用于图示本主题的示例性方面，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。
上述描述了一种增材制造热交换器和用于制造该热交换器的方法。值得注意的是，热交换模块100、200通常可用于装配在现有管或导管内或替换现有管或导管以促进热交换过程。热交换模块100、200可以包括性能增强的几何形状和热交换特征，其实际实现通过如下所述的增材制造工艺来促进。例如，使用本文描述的增材制造方法，热交换器可包括限定第一热交换流动通道和第二热交换流动通道的热交换模块，用于在两个流体流之间传递热能，其中限定的流动通道为两个流体中的每一个提供恒定的流动路径和液压直径，由此减少流动通道内的流动损失和压力降。此外，此处描述的增材制造技术使得能够形成具有一体化的入口和出口歧管以及热交换管道的热交换器，所述热交换器设计成改善热交换器的热效率。这些特征可以在热交换器的设计期间引入，使得它们可以在构建过程期间以很少或没有额外成本容易地集成到热交换器中。此外，包括热交换模块和所有其它特征的整个热交换器可以整体地形成为单个整体部件。
该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其它示例包括与权利要求书的文字语言不存在差异的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言不存在实质性差异的等效结构元件，则这些其它示例旨在在权利要求书的范围内。
本发明的其它方面由以下条款的主题提供：
1.一种热交换模块，包括：第一热交换流体入口；第一热交换流体出口；和多个热交换管道，所述多个热交换管道流体联接所述第一热交换流体入口和所述第一热交换流体出口，所述多个热交换管道限定等长的多个第一热交换流体流动通道和等液压直径的多个第二热交换流体流动通道，其中，所述热交换模块限定基本弯曲的闭合几何形状，所述闭合几何形状限定沿着轴向方向延伸的中心轴线。
2.根据任何前述条款的热交换模块，其中，所述多个热交换管道在所述多个热交换管道的相邻热交换管道之间保持基本相等的距离，并且其中，所述多个第一热交换流体流动通道中的每一个与所述多个第二热交换流体流动通道中的一个相邻。
3.根据任何前述条款的的热交换模块，其中所述多个热交换管道以螺旋图案径向向外延伸，以限定多个螺旋的第一热交换流体流动通道。
4.根据任何前述条款的的热交换模块，其中，所述多个螺旋的第一热交换流体流动通道从外部圆形入口歧管延伸到中心出口歧管。
5.根据任何前述条款的热交换模块，其中，所述多个热交换管道是“S”形的，并且从弧形入口歧管延伸到所述热交换模块的相对侧上的弧形出口歧管。
6.根据任何前述条款的热交换模块，其中，所述弧形入口歧管流体联接到所述多个热交换管道中的每一个，并且其中，所述弧形出口歧管流体联接到所述多个热交换管道中的每一个。
7.根据任何前述条款的热交换模块，其中，所述多个第一热交换流体流动通道是单个流动通道或多流动通道中的一个。
8.根据任何前述条款的热交换模块，进一步包括多个表面延伸翅片，所述多个表面延伸翅片设置在所述多个热交换管道之间，并且进一步限定等液压直径的所述多个第二热交换流体流动通道。
9.根据任何前述条款的热交换模块，其中，所述热交换模块包括多个层，所述多个层通过以下步骤形成：在增材制造机的床上沉积增材材料层；和选择性地将能量从能量源引导到所述增材材料层上，以熔融增材材料的一部分。
10.一种限定轴向方向、径向方向和周向方向的热交换器，所述热交换器包括：多个热交换模块，所述多个热交换模块沿着所述轴向方向堆叠以限定流动通道，所述多个热交换模块中的每个热交换模块具有基本弯曲的闭合几何形状，所述基本弯曲的闭合几何形状限定沿着所述轴向方向延伸的中心轴线，所述多个热交换模块中的每个热交换模块包括：第一热交换流体入口；第一热交换流体出口；和多个热交换管道，所述多个热交换管道流体联接所述第一热交换流体入口和所述第一热交换流体出口，所述多个热交换管道限定等长的多个第一热交换流体流动通道和等液压直径的多个第二热交换流体流动通道。
11.根据任何前述条款的热交换器，其中，所述热交换模块中的一个是入口热交换模块，并且所述热交换模块中的一个是排出热交换模块，并且其中，所述多个热交换管道在所述多个热交换管道的相邻热交换管道之间保持基本相等的距离，并且其中，所述多个第一热交换流体流动通道中的每一个与所述多个第二热交换流体流动通道中的一个相邻。
12.根据任何前述条款的热交换器，其中，所述多个热交换管道以螺旋图案径向向外延伸，以限定多个螺旋的第一热交换流体流动通道，所述多个螺旋的第一热交换流体流动通道从外部圆形入口歧管延伸到沿着所述中心轴线在所述轴向方向上延伸的中心出口歧管。
13.根据任何前述条款的热交换器，其中，所述多个热交换管道是“S”形的，以限定从弧形入口歧管延伸到所述热交换模块的相对侧上的弧形出口歧管的多个“S”形第一热交换流体流动通道。
14.根据任何前述条款的热交换器，其中，所述多个第一热交换流体流动通道是单个流动通道或多流动通道中的一个。
15.根据任何前述条款的热交换器，进一步包括多个表面延伸翅片，所述多个表面延伸翅片设置在所述多个热交换管道之间，并且进一步限定等液压直径的所述多个第二热交换流体流动通道。
16.根据任何前述条款的热交换器，其中，所述第一热交换流体入口和所述第一热交换流体出口沿着所述轴向方向间隔开。
17.根据任何前述条款的热交换器，其中，所述多个热交换管道中的每个热交换管道限定椭圆形、圆形或翼型件横截面。
18.根据任何前述条款的热交换器，其中，所述热交换器包括至少两个热交换模块。
19.根据任何前述条款的热交换器，其中，环形外部歧管桥接两个相邻的热交换模块，以在所述两个相邻的热交换模块之间提供流体连通。
20.根据任何前述条款的热交换器，其中，所述多个热交换模块一体地形成为单个整体部件。
21.根据任何前述条款的热交换器，其中，所述热交换器包括多个层，所述多个层通过以下步骤形成：在增材制造机的床上沉积增材材料层；和选择性地将能量从能量源引导到所述增材材料层上，以熔融增材材料的一部分。
22.一种制造热交换器的方法，所述方法包括：在增材制造机的床上沉积增材材料层；和选择性地将能量从能量源引导到所述增材材料层上，以熔融增材材料的一部分并形成所述热交换器，所述热交换器限定轴向方向、径向方向和周向方向，所述热交换器包括：多个热交换模块，所述多个热交换模块沿着所述轴向方向堆叠以限定流动通道，所述多个热交换模块中的每个热交换模块具有基本弯曲的闭合几何形状，所述闭合几何形状限定沿着所述轴向方向延伸的中心轴线，所述多个热交换模块中的每个热交换模块包括：第一热交换流体入口；第一热交换流体出口；和多个热交换管道，所述多个热交换管道流体联接所述第一热交换流体入口和所述第一热交换流体出口，所述多个热交换管道限定等长的多个第一热交换流体流动通道和等液压直径的多个第二热交换流体流动通道。
23.根据任何前述条款的的方法，其中，所述多个热交换模块一体地形成为单个整体部件。

Claims (10)

1.一种热交换模块，其特征在于，包括：
第一热交换流体入口；
第一热交换流体出口；和
多个热交换管道，所述多个热交换管道流体联接所述第一热交换流体入口和所述第一热交换流体出口，所述多个热交换管道限定等长的多个第一热交换流体流动通道和等液压直径的多个第二热交换流体流动通道，
其中，所述热交换模块限定基本弯曲的闭合几何形状，所述闭合几何形状限定沿着轴向方向延伸的中心轴线。
2.根据权利要求1所述的热交换模块，其特征在于，其中，所述多个热交换管道在所述多个热交换管道的相邻热交换管道之间保持基本相等的距离，并且其中，所述多个第一热交换流体流动通道中的每一个与所述多个第二热交换流体流动通道中的一个相邻。
3.根据权利要求1所述的热交换模块，其特征在于，其中所述多个热交换管道以螺旋图案径向向外延伸，以限定多个螺旋的第一热交换流体流动通道。
4.根据权利要求3所述的热交换模块，其特征在于，其中，所述多个螺旋的第一热交换流体流动通道从外部圆形入口歧管延伸到中心出口歧管。
5.根据权利要求1所述的热交换模块，其特征在于，其中，所述多个热交换管道是“S”形的，并且从弧形入口歧管延伸到所述热交换模块的相对侧上的弧形出口歧管。
6.根据权利要求5所述的热交换模块，其特征在于，其中，所述弧形入口歧管流体联接到所述多个热交换管道中的每一个，并且其中，所述弧形出口歧管流体联接到所述多个热交换管道中的每一个。
7.根据权利要求1所述的热交换模块，其特征在于，其中，所述多个第一热交换流体流动通道是单个流动通道或多流动通道中的一个。
8.根据权利要求1所述的热交换模块，其特征在于，进一步包括多个表面延伸翅片，所述多个表面延伸翅片设置在所述多个热交换管道之间，并且进一步限定等液压直径的所述多个第二热交换流体流动通道。
9.根据权利要求1所述的热交换模块，其特征在于，其中，所述热交换模块包括多个层，所述多个层通过以下步骤形成：
在增材制造机的床上沉积增材材料层；和
选择性地将能量从能量源引导到所述增材材料层上，以熔融增材材料的一部分。
10.一种限定轴向方向、径向方向和周向方向的热交换器，其特征在于，所述热交换器包括：
多个热交换模块，所述多个热交换模块沿着所述轴向方向堆叠以限定流动通道，所述多个热交换模块中的每个热交换模块具有基本弯曲的闭合几何形状，所述基本弯曲的闭合几何形状限定沿着所述轴向方向延伸的中心轴线，所述多个热交换模块中的每个热交换模块包括：
第一热交换流体入口；
第一热交换流体出口；和
多个热交换管道，所述多个热交换管道流体联接所述第一热交换流体入口和所述第一热交换流体出口，所述多个热交换管道限定等长的多个第一热交换流体流动通道和等液压直径的多个第二热交换流体流动通道。
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