CN115507680A

CN115507680A - 波浪形相邻通路热交换器芯

Info

Publication number: CN115507680A
Application number: CN202210710928.3A
Authority: CN
Inventors: J·M·斯特兰奇; G·瑞斯; M·A·扎菲蒂
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2022-12-23
Also published as: EP4108458A1; US20220412658A1

Abstract

一种热交换器的芯部段包括多个第一流体通路，第一流体流过所述多个第一流体通路；以及多个第二流体通路，第二流体流过所述多个第二流体通路以与所述第一流体交换热能。所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路在第一芯端和与所述第一芯端相对的第二芯端之间沿着所述第一流体通路和所述第二流体通路的长度非线性地延伸。所述第一流体通路和所述第二流体通路具有形成为使主要热传递面积最大化的几何形状。

Description

波浪形相邻通路热交换器芯

背景技术

示例性实施方案属于热交换器领域，并且更具体地涉及热交换器的流动通路配置。

热交换器是一种在整个航空航天工业以及其他工业中使用的技术。这些装置用于将热能从相对热的流体流传递到相对冷的流体流并且执行许多基本功能，例如，冷却交通工具电子设备和其他系统或调节环境以使宇航员在太空中保持舒适。

一种典型的热交换器配置是板翅式热交换器，其中部件堆叠并且钎焊以形成完整的热交换器。取决于构造的复杂性，这种热交换器可能具有数百个部件，其被组装成完整的热交换器。这种组装成本高且麻烦，并且该组装对热交换器的配置，诸如通路形状和取向引入了限制。本领域将理解针对更有效地制造热交换器和在热交换器中的热能传递中提供更高效率的改进。

发明内容

在一个实施方案中，一种热交换器的芯部段包括多个第一流体通路，第一流体流过所述多个第一流体通路；以及多个第二流体通路，第二流体流过所述多个第二流体通路以与所述第一流体交换热能。所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路在第一芯端和与所述第一芯端相对的第二芯端之间沿着所述第一流体通路和所述第二流体通路的长度非线性地延伸。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路在所述第一芯端和所述第二芯端之间正弦地延伸。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述多个第一流体通路各自与所述多个第二流体通路由通路壁分开，所述热能通过所述通路壁进行交换。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述第一流体在第一方向上流过所述芯部段，并且所述第二流体在与所述第一方向相反的第二方向上流过所述芯部段。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述芯部段包括多个第三流体通路，第三流体流过所述多个第三流体通路以与所述第二流体交换热能。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述多个第二流体通路中的每个第二流体通路位于所述多个第一流体通路中的第一流体通路和所述多个第三流体通路中的第三流体通路之间。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述多个第一流体通路、所述多个第二流体通路和所述多个第三流体通路在所述第一芯端和所述第二芯端之间平行地延伸。

在另一个实施方案中，一种热交换器包括第一流体入口、第一流体出口、第二流体入口、第二流体出口和芯部段。所述芯部段包括多个第一流体通路，第一流体通过所述多个第一流体通路从所述第一流体入口流到所述第一流体出口；以及多个第二流体通路，第二流体通过所述多个第二流体通路从所述第二流体入口流到所述第二流体出口以与所述第一流体交换热能。所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路在第一芯端和与所述第一芯端相对的第二芯端之间沿着所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路的长度非线性地延伸。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述热交换器包括多个第三流体通路，第三流体流过所述多个第三流体通路以与所述第二流体交换热能。

在又一个实施方案中，一种形成热交换器的芯部段的方法包括限定所述芯部段的重复横截面部分，所述重复横截面部分至少包括用于输送第一流体的第一流体通路和用于输送第二流体的第二流体通路。沿着第一方向和第二方向重复所述横截面部分以限定所述热交换器的所述芯部段的完整横截面，并且在第一芯部段端和第二芯部段端之间沿着非线性路径挤出所述完整横截面。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述非线性路径是正弦的。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述重复横截面部分还包括用于输送第三流体的第三流体通路。

另外地或替代地，在该实施方案或其他实施方案中，所述芯部段由一种或多种增材制造工艺形成。

附图说明

以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相同的元件标号相同：

图1是热交换器的一个实施方案的示意图；

图2是热交换器的芯部段的一个实施方案的示意性图示；以及

图3是形成热交换器芯的方法的图示。

具体实施方式

本文参考附图以举例而非限制的方式呈现所公开的装置和方法的一个或多个实施方案的详细描述。

现在参考图1，示出了热交换器10的一个实施方案的示意图。在所示实施方案中，热交换器10是三流体回路热交换器10，其表示三个单独的流体流通过其循环并且在热交换器10的芯12中交换热能。热交换器10包括用于第一流体回路18的第一回路入口14和第一回路出口16。在一些实施方案中，第一回路入口14位于热交换器10的第一热交换器端20，并且第一回路出口16位于与第一热交换器端20相对的第二热交换器端22。热交换器10还包括第二流体回路28的第二回路入口24和第二回路出口26，以及第三流体回路34的第三回路入口30和第三回路出口32。第一流体回路18、第二流体回路28和第三流体回路34中的每一个具有通过其循环的相应的第一流体、第二流体和第三流体。在一些实施方案中，第一流体、第二流体和第三流体都是不同的流体，而在其他实施方案中，第一流体、第二流体和第三流体中的两种或更多种可以是相同的流体。尽管在本文中用热交换器10示出和描述了三个流体回路，但是本领域的技术人员将容易理解，三回路配置仅仅是示例性的，并且本公开可以容易地应用于容纳两个、四个或更多个流体回路的热交换器10配置。

现在参考图2，示出了热交换器10的芯12的横截面视图。芯12是在流体通过其相应的流体回路入口进入热交换器之后发生热能传递的热交换器的部分。芯12包括由通路壁38分开的多个通路。多个通路包括多个第一流体通路40、多个第二流体通路42和多个第三流体通路44。在一些实施方案中，第一流体通路40、第二流体通路42和第三流体通路44布置成排，所述排例如在第一方向46上（诸如跨芯12的宽度）延伸。所述排沿着第二方向48（诸如芯12的高度）堆叠或布置。在一些实施方案中，诸如所示的，流体通路是多边形的，诸如菱形，以增加相邻流体通路之间和相邻排的流体通路之间的表面接触量。在一些实施方案中，第一流体通路40和第三流体通路44中的每一个分别包含相对冷的第一流体和第三流体，而第二流体通路42包含相对热的第二流体。多排流体通路被布置或堆叠成使得每排第二流体通路42位于一排第一流体通路40和一排第三流体通路44之间。然而，本领域的技术人员将容易理解，可以利用关于排的其他布置。

第一流体通路40、第二流体通路42和第三流体通路44都沿着第三方向50（诸如芯12的长度）延伸。流体通路40、42、44在第一芯端52和第二芯端54之间沿着第三方向50非线性地延伸。在一些实施方案中，流体通路40、42、44在第一芯端52和第二芯端54之间沿着大致沿着第三方向的正弦路径或其他曲折路径延伸。此外，在一些实施方案中，流体通路40、42、44沿着正弦或曲折路径平行地延伸。正弦或曲折路径的使用增加了沿着芯12的给定长度的主要热交换表面积并且增加了在第一流体、第二流体和第三流体的流动中的湍流，从而提高了热能交换的效率。

在一些实施方案中，热交换器10是逆流式热交换器，其中第一流体、第二流体或第三流体中的一个或多个在从第一芯端52到第二芯端54的第一方向上流过芯12，并且其他流体在与第一方向相反的第二方向上流动。然而，在其他实施方案中，热交换器10是平行流热交换器，其中第一流体、第二流体和第三流体都在相同的方向上流过芯12。

现在参考图3，为了形成芯12，在步骤100处限定芯12的重复面图案。该图案通过限定通路壁38来限定流体通路40、42、44的布置以及相对尺寸和横截面形状。面图案配置是全主要表面积配置并且可以定制以提供流体通路40、42、44的不同横截面形状以适应不同的热侧流和冷侧流。在步骤102处，根据需要复制面图案56以限定芯12的完整横截面形状。在步骤104处，芯12的横截面形状通常沿着第三方向50挤出，并且具体是沿着期望的正弦波路径或其他曲折路径方向挤出以完全限定芯12。在一些实施方案中，芯12由一种或多种增材制造工艺形成。

术语“约”旨在包括与基于提交申请时可用的设备的特定量的测量相关联的误差程度。

本文中所使用的术语仅仅是为了描述具体实施方案，并且并不意图限制本公开。如本文使用，单数形式“一个(种)”和“所述”意欲也包括复数形式，除非上下文明确另外指示。还应当理解术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定存在陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其群组。

虽然已经参考一个或多个示例性实施方案描述了本公开，但是本领域的技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，可以做出各种改变，并且可用等效物替代其要素。另外，在不背离本公开的基本范围的情况下，可以做出许多修改来使具体的情况或材料适应本公开的教义。因此，旨在使本公开不限于作为预期用于实施本公开的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims

1.一种热交换器的芯部段，其包括：

多个第一流体通路，第一流体流过所述多个第一流体通路；

多个第二流体通路，第二流体流过所述多个第二流体通路以与所述第一流体交换热能；

其中所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路在第一芯端和与所述第一芯端相对的第二芯端之间沿着所述第一流体通路和所述第二流体通路的长度非线性地延伸。

2.如权利要求1所述的芯部段，其中所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路在所述第一芯端和所述第二芯端之间正弦地延伸。

3.如权利要求1所述的芯部段，其中所述多个第一流体通路各自与所述多个第二流体通路由通路壁分开，所述热能通过所述通路壁进行交换。

4.如权利要求1所述的芯部段，其中所述第一流体在第一方向上流过所述芯部段，并且所述第二流体在与所述第一方向相反的第二方向上流过所述芯部段。

5.如权利要求1所述的芯部段，其还包括多个第三流体通路，第三流体流过所述多个第三流体通路以与所述第二流体交换热能。

6.如权利要求5所述的芯部段，其中所述多个第二流体通路中的每个第二流体通路位于所述多个第一流体通路中的第一流体通路和所述多个第三流体通路中的第三流体通路之间。

7.如权利要求5所述的芯部段，其中所述多个第一流体通路、所述多个第二流体通路和所述多个第三流体通路在所述第一芯端和所述第二芯端之间平行地延伸。

8.一种热交换器，其包括：

第一流体入口；

第一流体出口；

第二流体入口；

第二流体出口；以及

芯部段，所述芯部段包括：

多个第一流体通路，第一流体通过所述多个第一流体通路从所述第一流体入口流到所述第一流体出口；

多个第二流体通路，第二流体通过所述多个第二流体通路从所述第二流体入口流到所述第二流体出口以与所述第一流体交换热能；

其中所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路在第一芯端和与所述第一芯端相对的第二芯端之间沿着所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路的长度非线性地延伸。

9.如权利要求8所述的热交换器，其中所述多个第一流体通路和所述多个第二流体通路在所述第一芯端和所述第二芯端之间正弦地延伸。

10.如权利要求8所述的热交换器，其中所述多个第一流体通路各自与所述多个第二流体通路由通路壁分开，所述热能通过所述通路壁进行交换。

11.如权利要求8所述的热交换器，其中所述第一流体在第一方向上流过所述芯部段，并且所述第二流体在与所述第一方向相反的第二方向上流过所述芯部段。

12.如权利要求8所述的热交换器，其还包括多个第三流体通路，第三流体流过所述多个第三流体通路以与所述第二流体交换热能。

13.如权利要求12所述的热交换器，其中所述多个第二流体通路中的每个第二流体通路位于所述多个第一流体通路中的第一流体通路和所述多个第三流体通路中的第三流体通路之间。

14.如权利要求12所述的热交换器，其中所述多个第一流体通路、所述多个第二流体通路和所述多个第三流体通路在所述第一芯端和所述第二芯端之间平行地延伸。

15.一种形成热交换器的芯部段的方法，其包括：

限定所述芯部段的重复横截面部分，所述重复横截面部分至少包括用于输送第一流体的第一流体通路和用于输送第二流体的第二流体通路；

沿着第一方向和第二方向重复所述横截面部分以限定所述热交换器的所述芯部段的完整横截面；以及

在第一芯部段端和第二芯部段端之间沿着非线性路径挤出所述完整横截面。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述非线性路径是正弦的。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述重复横截面部分还包括用于输送第三流体的第三流体通路。

18.如权利要求15所述的方法，其中所述芯部段由一种或多种增材制造工艺形成。