CN114264186A - 增材制造环形微通道换热器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种增材制造环形微通道换热器及其加工方法，包括多个增材制造的微通道换热器单元，多个微通道换热器单元通过壁面相互连接形成整体的环形换热器；每个微通道换热器单元设置有多个交替叠加的冷流体流道和热流体流道，冷流体流道和热流体流道通过换热壁面热交换。换热器的集气腔嵌入到换热通道中。本发明的增材制造换热器克服了当前的微通道换热器的相关技术问题，具有高传热性能，流阻低，耐高压强度，以及重量轻的优点。

Description

增材制造环形微通道换热器及其加工方法

技术领域

本发明涉及换热器领域，具体地，涉及一种模块化增材制造环形微通道换热器及其加工方法，可应用于航空发动机和燃气轮机。

背景技术

对于具有耐高压、高温的微通道换热器，目前常用的是印刷电路板换热器。该换热器通过蚀刻工艺在不锈钢等金属板表面蚀刻出微通道，并通过扩散焊工艺将多层金属板焊接在一起形成印刷电路板换热器本体，并将入口管和出口管分别扩散焊接在该换热器本体上。该换热器的问题在于：1蚀刻过程对污染环境存在高污染，并且对人体健康有害，并且加工成本高，2蚀刻的微流道底部平滑，难以加工出复杂的强扰流结构，强化换热性能不高；3换热板背面平滑，以保证与下部换热板的肋片接触扩散焊；3蚀刻有微通道的换热板较厚，以确保蚀刻不会穿透底部壁面；肋片较厚，以获得与相邻换热壁面较好的焊接质量，但带来流阻也大，印刷电路板换热器死重较大的缺点；4每层换热板的微通道肋片顶面细长，与相邻换热板壁面之间的焊接质量无法保证，这影响换热器传热性能，以及机械强度。5当前印刷电路板换热器加工中，入口集气管与出口集气管需要分别单独与换热器芯体的不同侧面焊接，加工工序复杂且加工效率低，也带来强度降低，热应力集中以及耐腐蚀性的问题；并且当前印刷电路板换热器的进、出口集气管的布置方式无法加工成环形换热器，不能适应航空发动机及燃气轮机等涡轮动力装置中气流在环形通道内流动的结构特点。

专利文献为CN111928687A的发明专利公开了一种印刷电路板换热器的流体通道结构以及一种印刷电路板换热器。本发明实施例提供的印刷电路板换热器的流体通道结构包括入口部，所述入口部包括流体入口管和螺旋形通道，该螺旋形通道用以均匀分配流量到换热芯体的各流道中；所述流体入口管与所述螺旋形通道连接，且所述流体入口管上开设有用于向所述流体入口管内注入可溶性长链聚合物的聚合物注入口。本发明实施例提供的印刷电路板换热器的流体通道结构，通过设置螺旋形通道，并在液流中注入长链聚合物，使液流在流体通道结构中均匀分布，进而提高了印刷电路板换热器的换热效果。但是上述方案存在换热板通道传热性能受限、加工效率低及加工成本高等诸多问题。

常规的增材制造设备存在无法一次性整体加工具有大尺寸外形的换热器的局限性，并且增材制造较大型的换热器加工效率和可靠性很低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化增材制造环形微通道换热器及其加工方法。

根据本发明提供的一种增材制造环形微通道换热器，包括多个微通道换热器单元，多个微通道换热器单元通过相邻壁面相互连接形成整体的环形换热器；每个微通道换热器单元设置有多个交替叠加的冷流体流道和热流体流道，冷流体流道和热流体流道通过换热壁面热交换。

优选地，所述换热壁面为具有扩散的波纹状换热壁面，自环形换热器的内环沿环形换热器的径向向外延伸形成波纹状换热壁面，微通道换热器单元的每层换热板具有入口和出口集气腔，入口和出口集气腔的壁面具有波纹状换热壁面。

优选地，相邻的换热壁面之间设置有具有径向波状起伏的分隔肋，分隔肋与上下相邻的波纹换热壁面一体化连接，形成多个沿径向方向流动的微通道，分隔肋与相邻换热壁面连接处具有倒角。

优选地，波纹状换热壁面的斜面与竖直方向夹角β不大于45度。

优选地，波纹状换热壁面的的底部和顶部设置有倒圆。

优选地，径向波纹状分隔肋与换热壁面顶部和底部的环线垂直。

优选地，径向分隔肋的横向间距小于2.5mm。

优选地，微通道换热器单元的每个冷流体通道包括多个冷流体的入口和出口；每个热流体通道包括多个热流体的入口和出口。至少一种流体的入口集气/液腔和出口集气/液腔嵌入换热通道中。

优选地，所述微通道换热器单元通过增材制造制备，多个微通道换热器单元之间通过相邻壁面扩散焊接形成一个整体的环形换热器。

优选地，外径小于500mm的整体环形换热器通过增材制造加工。

根据本发明提供的一种基于上述的模块化增材制造环形微通道换热器的加工方法，包括如下步骤：

微通道换热器单元制备步骤：通过增材制造独立制备多个微通道换热器单元；

环形换热器形成步骤：多个微通道换热器单元之间通过相邻壁面扩散焊接形成一个整体的环形换热器，实现了环形微通道换热器的模块化高效制造。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的增材制造换热器克服了当前的印刷电路板微通道换热器的相关技术问题，具有高传热性能，流阻低，耐高压强度，以及重量轻的优点。

2、本发明克服了传统换热器，包括印刷电路板微通道换热器，无法加工成大型环形弧面微通道换热器的问题。本发明的环形换热器尤其适用于航空发动机，燃气轮机等具有环形流道的换热场合。

3、本发明克服了常规增材制造无法一次性整体加工具有大尺寸外形的换热器的局限性，也克服了增材制造较大型的换热器加工效率低和可靠性低的问题。

4、本发明通过设置具有顶部倒圆的波纹状换热壁面，有效的提高了相邻换热通道之间传热性能，同时减少流动分离，降低流阻。

5、本发明通过设置径向波纹状分隔肋与波纹壁面顶部和底部的环线垂直，以提供增材制造换热器的换热流道壁面的支撑。

6、本发明克服了传统的加工方法对于具有微小间距的换热通道内部相邻的波纹状换热壁面之间无法实现与数量众多的细长分隔肋焊接的缺陷。

7、本发明波纹壁面的斜面与竖直方向夹角β不大于45度，有利于换热板与入口管和出口管一体化增材制造。克服了传统换热器加工中，入口管与出口管需要分别或单独与传热板焊接的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为增材制造环形微通道换热器的系统示意图。

图2为增材制造环形微通道换热器的微通道换热器单元的结构示意图。

图中示出：

微通道换热器单元 1

环形换热器 10

相邻壁面 12

热流体流道 2

热流体入口 21

热流体入口 22

热流体出口 23

热流体出口 25

冷流体流道 3

冷流体流入 31

冷流体流道入口 33

冷流体流道出口 34

冷流体流出 35

分隔肋 4

热流体入口集气管(腔)壁面 5

热流体出口集气管(腔)壁面 6

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，根据本发明提供的一种增材制造环形微通道换热器及其加工方法，包括多个微通道换热器单元，多个微通道换热器单元相互连接形成整体的环形换热器；每个微通道换热器单元设置有多个交替叠加的冷流体流道和热流体流道，冷流体流道和热流体流道通过换热壁面热交换。所述换热壁面为具有扩散的波纹状换热壁面，自环形换热器的内环沿环形换热器的径向向外延伸形成波纹状换热壁面。相邻的换热壁面之间设置有具有径向波状起伏的分隔肋，分隔肋与上下相邻的波纹换热壁面一体化连接，形成多个沿径向方向流动的微通道。波纹状换热壁面的斜面与竖直方向夹角β不大于45度。波纹状换热壁面的的底部和顶部设置有倒圆。径向波纹状分隔肋与换热壁面顶部和底部的环线垂直，分隔肋与相邻换热壁面连接处具有倒角。径向分隔肋的横向间距小于或者等于2.5mm。每个微通道换热器单元的冷流体通道包括多个冷流体的入口和出口；热流体通道包括多个热流体的入口和出口。所述微通道换热器单元通过增材制造制备，多个微通道换热器单元之间通过相邻壁面扩散焊接形成一个整体的环形换热器。对于较小外径(如小于500mm)的环形换热器，整体的环形换热器可以通过增材制造一体化加工。

进一步具体说明，本发明涉及高性能高强度微通道换热器的模块化设计和环形高性能换热器模块化加工方法创新。适用于流体介质，如超临界二氧化碳等，在高压、高温条件下的换热，也适用于需要轻量、高热负荷的换热器(如燃气轮机或航空发动机的回热器)需求。高压通常为100个以上的大气压，高温通常是指300℃以上的温度。

本发明的增材制造换热器克服了当前的印刷电路板微通道换热器的相关技术问题，具有高传热性能，流阻低，耐高压强度，以及重量轻的优点。

具体说明，根据本发明提供的一种环形换热器10，由多个微通道换热器单元1相互连接构成。对于小型的环形换热器，可以通过增材制造整体加工；对于大型的环形换热器加工，首先把每个微通道换热器单元增材制造出来，然后把多个微通道换热器单元通过相邻壁面12扩散焊接而形成一个整体的环形换热器。因此本发明的换热器在加工上具有高度灵活性的优点。并且，对较小外形的微通道换热器单元进行增材制造可加工得更加精密和准确，可利用的增材制造设备数量也更多，有利于提高整个换热器的加工效率。环形换热器的加工材料可以是金属，树脂，塑料以及陶瓷。

在每个微通道换热器单元1中，具有冷流体的多个入口31和多个出口35，和热流体的入口21和多个出口25。每个微通道换热器单元具有多个交替叠加的冷流体流道3和热流体流道2，冷热流道(通道)通过壁面6进行热交换。

在每个微通道换热器单元中，冷、热流道之间的换热壁面具有扩散的波纹状壁面6，相邻的波纹状换热壁面之间距离(即换热通道的高度)0.1-2.0mm；该波纹状壁面以圆环中心为圆心向外环辐射扩散，逐圈向外圈扩散，从而在换热壁面上形成多圈波纹壁面，由内圈向外圈扩散。波纹壁面上具有径向波状起伏的分隔肋4，该分隔肋4与上下相邻的波纹换热壁面6一体化连接，从而形成多个平行流动的微通道2。

波纹状换热壁面6的斜面与竖直方向夹角β不大于45度，以实现激光增材制造；波纹壁面的底部和顶部，具有倒圆61，这可以减少流动分离，降低流阻，并提高传热。该波纹换热壁面厚度0.1-1.0mm；径向分隔肋厚度0.1-0.5mm。

这种具有径向扩散波纹的换热通道壁面6，实现了在流向方向上冷、热流体流动强烈扰动，换热通道内的流体流动能够持续冲击上、下相邻换热通道的壁面6，因此与相邻换热通道内的另一种流体流动产生更好的强化传热效果。

在每个换热流道的上壁面和下壁面之间具有径向波纹状分隔肋4，每个分隔肋独立地与上下波纹壁面6一体化增材制造连接。径向波纹状分隔肋与波纹壁面顶部和底部的环线垂直，以提供增材制造换热器的换热流道壁面6的支撑；径向分隔肋横向间距不大于2.5mm，以获得较好的抗压性能和机械强度。径向分隔肋沿流动方向可以间断，错开，弯曲，以在分隔肋4表面产生更好的强化流动传热效果。

而传统的加工方法，对于具有微小间距的换热通道内部相邻的波纹状换热壁面之间无法实现与数量众多的细长分隔肋焊接。本发明中的增材制造加工方法解决了上述问题。

入口集气(液)管和出口集气(液)管壁面与换热壁面是一体化结构，入口管和出口管的壁面也具有波纹，波纹壁面的斜面与竖直方向夹角β不大于45度，这有利于换热板与入口管和出口管一体化增材制造。冷流体和热流体的入口集气(液)腔和出口集气(液)腔嵌入换热通道中，可以实现冷、热流体在换热通道内更好流动分配。克服了传统换热器加工中，入口集气(液)管与出口集气(液)管需要分别或单独与传热板焊接的问题，这带来换热通道内流动分配不均匀，以及强度降低，热应力集中以及耐腐蚀性能降低。

本发明的换热器中的冷、热流体与入口集气管和出口集气管把参与换热的流体细分成多股，并且至少一种流体的入口、出口集气管的壁面嵌入到换热通道中，也与工作流体产生传热热交换，这提高了换热器性能，使得换热器更加紧凑。本发明提高了换热器紧凑度，节约了换热器材料。

本发明克服了传统换热器加工中，换热板需要单片独立加工，换热板与肋片焊接困难，换热效率低，重量大，承压性能低的问题。尤其是克服了微小通道中细小分隔肋无法冷热侧的波纹换热壁面紧密焊接的问题。

波纹壁面通过同时强烈地持续扰动冷侧和热侧流道的流动边界层，因此显著地提高换热器性能；径向隔肋与相邻通道的传热壁面通过增材制造连接成一体结构，这显著增加了换热通道的强度，以及增加换热面积，提高了换热器性能。因此，该换热器具有耐高压高强度性能，以及高传热性能。

径向分隔肋的端部弯曲并指向入口管的每层换热通道的入口，并且存在至少一个隔肋位于换热通道入口缝隙的上下壁面之间，提供支撑；分隔肋的周围2.5mm距离范围内存在支撑隔肋壁面；存在至少一个隔肋，离开换热通道入口边缘小于2.5mm距离，这有利于流动入口压力损失减少；以实现增材制造。

热流体出口管对每曾热流体通道具有出口缝隙，径向隔肋的端部弯曲并指向出口管。

冷侧流体通道相邻于热侧流体通道，冷侧流体与热侧流体逆向流动，冷侧流体从热侧通道的出口管的两侧流入，从热侧通道的入口管的两侧流出。冷侧通道同样具有波纹肋，和径向隔肋，径向隔肋在径向错列；在入口处，隔肋端部弯曲并指向入口缝隙；在出口处，隔肋端部弯曲并指向出口缝隙。

每个换热流道的入口和出口附近具有导流肋片，使得进出口之间流道内的流量分配均匀。导向肋的端部从周围指向入口和出口通道。

冷流体与热流体在换热通道内换热，并且冷流体还与热流体的进、出口通道壁面产生换热。冷、热流体进出口以及导流肋片，分隔肋的设计，使得换热器流道内流动分配均匀，传热性能高，换热器紧凑度高。

波纹肋与径向间隔肋的结合，使得微通道换热得以增材制造。

波纹肋的存在使得换热器通道的壁面具有多个倾斜角度不大于45度的壁面，间隔肋提供了上下壁面之间的支撑。波纹肋沿流向起伏，因此可以持续地扰动流体强化换热。间隔肋与波纹肋一体化加工增材制造。

而传统的加工工艺，无法实现在微小换热通道的波纹肋表面加工分隔肋。每个换热器通道高度0.1-2mm，间隔肋壁厚0.1-0.5mm。波纹肋壁面倾角不大于45度。换热壁面与入口管和出口管壁面一体化整体制造，入口管壁截面也是波纹状，出口管壁截面也是波纹状，波纹面倾角不大于45度。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种增材制造环形微通道换热器，其特征在于，包括多个增材制造的微通道换热器单元，多个微通道换热器单元通过壁面相互连接形成整体的环形换热器；每个微通道换热器单元设置有多个交替叠加的冷流体流道和热流体流道，冷流体流道和热流体流道通过换热壁面热交换。

2.根据权利要求1所述的增材制造环形微通道换热器，其特征在于，所述换热壁面为具有扩散的波纹状换热壁面，自环形换热器的内环沿环形换热器的径向向外延伸形成波纹状换热壁面，微通道换热器单元的每层换热板具有入口和出口集气腔，入口和出口集气腔的壁面具有波纹状换热壁面。

3.根据权利要求1所述的增材制造环形微通道换热器，其特征在于，相邻的换热壁面之间设置有具有径向波状起伏的分隔肋，分隔肋与上下相邻的波纹换热壁面一体化连接，形成多个沿径向方向流动的微通道。

4.根据权利要求2所述的增材制造环形微通道换热器，其特征在于，波纹状换热壁面的斜面与竖直方向夹角β不大于45度。

5.根据权利要求1所述的增材制造环形微通道换热器，其特征在于，波纹状换热壁面的的底部和顶部设置有倒圆。

6.根据权利要求3所述的增材制造环形微通道换热器，其特征在于，径向波纹状分隔肋与换热壁面顶部和底部的环线垂直，分隔肋与相邻换热壁面连接处具有倒角。

7.根据权利要求3所述的增材制造环形微通道换热器，其特征在于，径向分隔肋的横向间距小于2.5mm。

8.根据权利要求1所述的增材制造环形微通道换热器，其特征在于，微通道换热器单元的至少一种流体的换热通道包括多个入口集气/液腔和出口集气/液腔，入口集气/液腔和出口集气/液腔嵌入到换热通道中。

9.根据权利要求1所述的增材制造环形微通道换热器，其特征在于，外径小于500mm的整体环形换热器通过增材制造加工。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的增材制造环形微通道换热器的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

微通道换热器单元制备步骤：通过增材制造独立制备多个微通道换热器单元；

环形换热器形成步骤：多个微通道换热器单元之间通过相邻壁面扩散焊接形成一个整体的环形换热器。

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