CN117419593A - 热交换器模块及其制造方法、热交换器和飞行器 - Google Patents

热交换器模块及其制造方法、热交换器和飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热交换器模块及其制造方法、热交换器和飞行器。热交换器模块包括：至少一个中空腔体，该至少一个中空腔体包括被配置成容纳流体的内部体积，腔体进一步包括流体入口和流体出口，其中，腔体的入口被配置成与流体源处于流体连通；至少一个中空封壳，该至少一个中空封壳从中空腔体的表面向外延伸，中空封壳包括容纳工作流体的内部体积，其中，工作流体是被配置成在热交换器模块的操作模式下经历相变的工作流体，其中，中空封壳被配置成与提供第二流体的源处于流体连通，其中，中空封壳的封壳根部插入中空腔体中、延伸到中空腔体的内部体积中，使得在操作模式下，从入口到出口流动通过中空腔体的流体浸浴封壳根部的外表面。

Description

热交换器模块及其制造方法、热交换器和飞行器
技术领域
本发明属于热交换器领域。更特别地，本发明涉及在热交换器操作期间经历相变的工作流体的使用。
本发明还涉及用于制造使用在操作期间经历相变的工作流体的热交换器的方法。
背景技术
热交换器是用于迫使在不同温度下的至少两个热源、典型地是两种流体之间以热量的形式进行能量交换的装置。常规的热交换器包括被设计成在可以平行流动、相向流动或交叉流动的两种流体之间建立热力学连通的构架。通常，这些流体被限制在单独的体积内以防止其混合，其方式为使得通过将容纳有流体的隔室隔开的物理壁来进行热交换。
航空工业领域中使用的热交换器典型地由呈板或管的形状的中空腔体、以及翅片构成。第一流体在板或管内部流动，而第二流体在这些板或管外部流动、浸浴其外表面。一部分热量直接穿过被称为主壁的板壁或管壁从一种流体传递至另一种流体。另外，可以存在被称为翅片的次壁，这些次壁被布置成与主壁和第二流体接触，使得所述第二流体与主壁之间能够有附加的接触表面，从而允许增加从这种第二流体的热传递。
因此，通常呈液相的第一流体在管或板内部连续流动，而第二流体在外部连续流动、与将两种流体隔开的主壁(通常是金属的)接触，从而进行强制对流。在管或板内部可以存在附加的次壁或翅片(通常也是金属的)，这些附加的次壁或翅片仅与管或板内部的第一流体接触。热量从较高温度的流体传输至所述主壁和金属翅片，然后由连续流动的较低温度的流体排出。
发明内容
本发明提供了一种热交换器模块、一种用于制造热交换器模块的方法、一种热交换器、以及一种飞行器。在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。
在第一发明方面，本发明提供了一种热交换器模块，该热交换器模块包括：
-至少一个中空腔体，该至少一个中空腔体包括被配置成容纳流体的内部体积，所述中空腔体进一步包括流体入口和流体出口，其中，该中空腔体的流体入口被配置成与第一流体源处于流体连通，
-至少一个中空封壳，该至少一个中空封壳从该中空腔体的表面向外延伸，所述中空封壳包括容纳工作流体的内部体积，其中，所述工作流体被配置成在热交换器模块的操作模式下经历相变，
其中，该中空封壳被配置成与第二流体源处于流体连通，
其中，所述中空封壳的封壳根部插入该中空腔体中、延伸到所述中空腔体的内部体积中，使得在操作模式下，从流体入口到流体出口流动通过该中空腔体的流体浸浴所述封壳根部的外表面。
“热”流体应被视为旨在通过在热交换过程中引入将被视为是“冷”流体的另一种流体来从所述热流体中提取热量从而被冷却的流体。所述冷流体将热流体的一部分能量以热量的形式排出。对于根据本发明的热交换器模块的运作，“热”流体比“冷”流体更热。
为了针对热交换器模块的特征展示该热交换器模块的操作，下文详述了这些特征如何限定用于第一流体和第二流体(它们在热交换器模块的操作期间交换热能)穿流而过的两个回路。就此而言，下文还描述了热交换器模块的不同操作模式的两个实施例。
首先，为了提供第一流体，中空腔体包括流体入口和流体出口，该流体入口被配置成与流体源处于流体连通。因此限定用于第一流体的第一回路。在实施例中，流体出口可以与流体入口流体连接，从而限定包括流体泵送装置的闭合回路。在闭合回路的具体实施例中，流体泵送装置可以至少包括泵(针对第一流体呈液相的情况)、或压缩机(针对第一流体呈汽相或气相的情况)。
为了执行热交换操作，限定第二回路，其中，源提供第二流体。特别地，这种第二流体被设置成在热交换器模块的操作模式下浸浴热交换器模块的中空封壳，以便进行强制对流。
其中第一流体为热流体且第二流体为冷流体的操作模式或者其中第一流体为冷流体且第二流体为热流体的操作模式之间的选择取决于热交换器模块所要执行的热交换操作。就此而言，下文描述了热交换器模块的不同操作模式的两个实施例。
在操作模式的第一实施例中，优选地呈液相的热的第一流体流动通过中空腔体，从而将热能以热量的形式至少通过所述中空封壳的插入中空腔体中的部分传输至中空封壳。就中空封壳的插入中空腔体中的这部分而言，贯穿全文还将被称为术语“封壳根部”。
另外，中空腔体与中空封壳之间的接合是机械连续的并且完全被密封，以避免任何第一流体泄漏出中空腔体或第二流体泄漏到中空腔体中。因此，在相互接触的中空腔体和中空封壳的相应壁之间也存在通过传导实现的能量传输。
冷的第二流体流动，从而浸浴中空封壳、进行强制对流并且将所述中空封壳从第一流体接收的一部分热量排出。
根据热交换器模块的操作模式的第二实施例，进行流动从而浸浴中空封壳的侧表面的第二流体是热流体，从而将其一部分热能传输至中空封壳。流动通过中空腔体的第一流体是优选地呈液相的冷流体，该第一流体负责通过与封壳(即，封壳根部)接触的区域排出封壳所吸收的热量。
在操作期间，至少一个中空封壳根据热管的原理起作用。
热管是被动两相热传递系统，该系统凭借热管内储存的固定量的工作流体的相变提供与单相系统相比增强的热传递。
特别地，由于所述工作流体的汽化潜热，热管以极其高的热导性将热量从一个点(热源)输送至另一个点(散热器)。
就此而言，中空封壳包括容纳工作流体的封闭的内部体积，该工作流体被配置成在热交换器模块的操作期间经历相变。
更特别地，在热交换器模块的操作期间，容纳在中空封壳的内部体积内的工作流体由于热流体所提供的热能而经历从液相到汽相的相变；然后，所述汽相凝结回液相，释放潜热。然后，工作流体凝结所释放的热能传递至冷流体。
之后，凝结的液相工作流体从中空板的散热器部分(即，中空封壳的暴露于冷流体循环的部分)被传导至热源(即，中空封壳的暴露于热流体循环的部分)。
在实施例中，液相的工作流体在重力和/或施加在热交换器模块上的离心力的作用下返回至中空封壳的暴露于热流体循环的部分，以供后续蒸发。
根据热交换器模块操作所必须的温度来选择工作流体，示例在从用于极低温度应用的液氦(2K-4K)到汞(523K-923K)、钠(873K-1473K)、氨(213K-373K)、酒精(甲醇(283K-403K)、乙醇(273K-403K))、水(298K-573K)以及甚至是用于极高温度的铟(2000K-3000K)的范围内。
有利地，本发明的热交换器模块(其包括至少一个中空封壳，该至少一个中空封壳包括工作流体，该工作流体被配置成在热交换操作期间经历相变)允许释放潜热并且与采用固体封壳/翅片的热交换器相比极大地提高了有效热导性。
这种对本发明的热交换器模块的有效热导性的改善使得与常规热交换器的示例中的固体翅片之间限定的分离相比，可以增加中空封壳之间的分离。相应地，由于暴露于入射的第二流体的元件的数量减少，因此热交换器的暴露于由第二流体循环所强制的对流的区域上的压力降减小。
在这种意义上，也可以增加中空封壳的高度，从而与包括多个固体翅片而非本发明所采用的中空封壳的常规热交换器的经典构型相比进一步减少消散给定热量所需的模块数量。
另外，在包括多个中空封壳的热交换器模块的实施例中，第二流体行进通过的自由空间(即，在宽度上在相继的中空封壳之间限定的、在高度上在中空腔体和中空封壳的与该中空腔体相对的远端之间限定的通道)增大。
与具有等效热交换功率的、具有包括翅片或固体板作为用于两种流体之间换热的元件并且其中工作流体不经历允许排出附加热量的相变的常规构型的热交换器相比，元件的这种减少还使得热交换器模块的重量减小。
就中空封壳的可能的几何形状而言，本发明的不同实施例包涵以下构型：
-大致平坦的板；
-大致弯曲的板，其侧表面彼此平行；
-在面中的至少一个面上具有波纹状轮廓或起伏轮廓的板；
-大致圆柱形结构；和/或
-截面包括翼型几何形状的管道结构。
有利地，包括弯曲的表面的中空封壳的实施例可以更好地适于第二流体流，以便增加单位体积的热传递面积，结果，提高了热传递。
在实施例中，至少一个中空封壳包括设置在该中空封壳的内表面的至少一部分上的吸液芯结构(wick structure)。
吸液芯结构应被理解为允许凝结的液相工作流体在毛细作用下迎着蒸汽流移动的毛细结构。
在这个实施例中，凝结的液相通过吸液芯结构中的毛细作用从中空封壳的暴露于冷流体循环的部分传导至热源。特别地，凝结的工作流体使吸液芯结构饱和并且产生毛细压力，因此液体被传导回中空封壳的暴露于热量的部分，在此处，液体蒸发并且因此也产生液体流体的吸力。
吸液芯结构进一步有助于保持液相工作流体的均匀分布。吸液芯结构可以被分类为均一吸液芯或复合吸液芯。均一吸液芯由单种材料和构型构成。复合吸液芯由两种或更多种材料和构型构成。
在实施例中，设置在中空封壳的内表面的至少一部分上的吸液芯结构包括以下结构元件中的至少一种：烧结金属粉末、筛网、筛网覆盖的槽、带槽筛板和带槽筛道。
可以通过增大表面(即，中空封壳的内表面的至少一部分)的粗糙度或凹凸或通过向所述表面提供孔隙率来产生吸液芯结构的另外的实施例。
优选地，制造吸液芯结构所使用的材料的性质具有高热导性、高吸液芯孔隙率、小毛细半径和高吸液芯渗透率。
在实施例中，热交换器模块包括多个中空封壳，该多个中空封壳彼此间隔开并且被布置成使得在连续的中空封壳之间限定通道。在实施例中，中空封壳大致彼此平行布置。
在实施例中，至少一个通道包括设置在连续的中空封壳之间的多个翅片。
所述翅片沿每个通道限定多个子通道。
在实施例中，多个翅片的相应的侧边缘附接至两个连续的中空封壳，其中，在每个通道中，这些翅片彼此间隔开且大致彼此平行布置。
布置在连续的中空封壳之间的翅片除了用作机械地连接这些中空封壳的结构桥之外还提供了与第二流体的附加接触表面以传递热能，并且还用于在中空封壳本身之间传递热能。
在实施例中，多个翅片根据蜂窝图案布置在连续的中空封壳之间。
在实施例中，这些翅片被成形为有起伏轮廓。
除了设置将通道分成多个子通道的翅片之外，所述翅片的起伏几何形状有利地允许将所述子通道视为波纹管，这些波纹管有助于通过针对所述翅片所连接的两个中空封壳之间的给定距离优化冷/热流体的热交换表面来改进热交换操作。
特别地，通过使翅片的所述波纹(即，起伏部)能够产生比如二次流形成、发展边界层和增强流的湍流强度这三种热传递机制来改进热交换操作。
就热传递而言，所述湍流与层流相比的主要区别在于产生沿径向方向和方位角方向的对流流动，这通过提供混合流动而在整个流上提供了更好的能量传递。在层流中，传导典型地是在流的不同流线之间沿横向方向运行的单一机制。
在实施例中，封壳根部被成形为空气动力学轮廓、优选地NACA翼型，封壳根部被布置成使得前缘朝向中空腔体的入口定向，以在热交换器模块的操作模式期间对流体的入射流进行转向。
在第二流体的流动方向与沿中空腔体的第一流体的流动方向交叉的一个实施例中，封壳根部的空气动力学轮廓的弦线被设置成使得前缘被配置成面向第一流体的入射流，并且中空封壳的主方向设置为被配置成大致平行于第二流体的入射流定向。
以此方式，中空腔体内部的第一流体和与中空封壳接触的第二流体两者的压力降均被最小化。
在所述交叉流垂直流动的更加具体的实施例中，封壳根部的空气动力学轮廓的弦线与中空封壳的暴露于第二流体的入射流的主方向垂直。
有利地，流动通过中空腔体的流体因在其路径上遇到中空封壳的部分而产生的压力降受到限制。
在实施例中，至少一个中空封壳被布置成从中空腔体的表面大致垂直地延伸。
在实施例中，热交换器模块包括工作流体分配回路，该工作流体分配回路包括：入口，该入口被配置成与工作流体源处于流体连通；管，该管连接至该入口和中空封壳的入口。在实施例中，热交换器模块包括多个中空封壳，并且管被分成多个分支，这些分支中的每个分支连接至中空封壳的对应入口。
在实施例中，管包括流体调节装置，该流体调节装置布置在入口与管的延伸出不同分支的连接节点之间。
在实施例中，流量调节装置包括阀和/或螺母，其被配置成关闭管的一部分并且防止工作流体流动通过管。
在实施例中，中空封壳的内部体积被分成多个不同的隔室，每个隔室适于接纳工作流体；其中，中空封壳包括多个封壳根部；并且其中，每个隔室与不同的封壳根部处于流体连通。
在实施例中，限定在至少一个中空封壳内的内部体积被成形成包括彼此间隔开的多个涵道，所述涵道从该封壳根部分岔。
在其中中空封壳的内部体积被分成适于接纳工作流体的多个不同的隔室的更加具体的实施例中，每个隔室被成形成包括彼此间隔开的多个涵道，所述涵道从每个对应的封壳根部分岔。
在第二发明方面，本发明提供了一种用于使用增材制造技术制造根据第一发明方面的实施例的热交换器模块的方法，该方法包括以下步骤：
-提供粉末状材料床；
-通过将所提供的粉末状材料的至少一部分融合在一起来形成多个层，结果获得包括内部体积的中空封壳、以及中空腔体；以及
-在所述中空封壳的逐层制造过程期间将工作流体限制在该中空封壳的内部体积内，使得该工作流体在该中空封壳固结之后容纳在该内部体积内。
增材制造(AM)技术具有的优点在于能够将确保翅片黏性和厚度最小化的复杂形状的一体腔体直接纳入热交换器的构建过程中。增材制造技术还允许获得视需要尽可能复杂的最优几何形状以使热传递最大化。
有利地，凭借增材制造技术所提供的顺序制造和精度，可以直接在中空封壳的制造过程中制造要求结构非常小且有时结构非常复杂的吸液芯结构。否则，使用其他制造方法，必须通过后续机加工操作来实施所述吸液芯结构，这可能会破坏中空封壳的结构完整性。
在实施例中，根据本发明的方法，通过在包含呈气相的工作流体的受控气氛中实施增材制造工艺来提供工作流体。在其他实施例中，制造热交换器模块所实施的增材制造工艺可以包括：藉由形成用于使粉末状材料逐层固结的设备的一部分的喷嘴来供应呈液相或气相的工作流体。
在实施例中，优选地，粉末状材料床包括铜、钛、铬镍铁合金、钢、铝和/或其他金属材料、以及陶瓷材料或它们的组合。
在优选实施例中，使用粉末床融合ALM工艺(PBF)(也称为电子束熔化成型(EBM))来制造根据本发明的热交换器模块。
使用激光束或电子束使粉末选择性地融合在一起。在融合一层材料之后，工作区域向下移动，并且使用相同的工艺在前一层的上方构建新的一层。
在本发明的背景下被视为是制造热交换器模块或其任何部件的可能选项的其他已知的增材制造技术有：
-定向能量沉积(DED)；
-粘合剂喷射成形；
-材料喷射成形；
-光聚合；
-材料挤出；以及
-片材层压。
在实施例中，中空腔体与工作流体分配回路一体地制造，该工作流体分配回路包括管，该管被分成多个分支。
在实施例中，中空封壳与成形在其内的多个涵道一体地制造，该多个涵道在其表面的至少一部分上制造有吸液芯结构。
在第三发明方面，本发明提供了一种至少包括根据第一发明方面的实施例的第一热交换器模块和第二热交换器模块的热交换器，其中，所述第一热交换器模块和所述第二热交换器模块分别藉由与第一热交换器模块和第二热交换器模块的至少一个中空封壳的封壳根部相反的对应远端而联接至彼此。
在第四发明方面，本发明提供了一种至少包括根据第一发明方面的实施例的热交换器模块的飞行器，其中，至少至少一个中空封壳的远端被插入飞行器的外蒙皮中。
在实施例中，至少一个中空封壳的远端所插入的该外蒙皮属于以下各项中的至少一项：
-机翼；
-尾翼；或
-机舱。
在实施例中，至少热交换器模块被配置成与从流动通过飞行器的发动机风机涵道的旁路流流出的空气的源处于流体连通。
附图说明
参考附图，鉴于从本发明的优选实施例(仅作为示例给出并且并不局限于此)中变得显而易见的本发明的详细描述，将清楚地理解本发明的这些和其他的特性和优点。
图1此图示出了根据本发明的实施例的热交换器模块的示意性图示。
图2此图示出了根据本发明的实施例的包括两个彼此联接的热交换器模块的热交换器的示意性图示。
图3此图示出了根据本发明的实施例的包括两个彼此联接的热交换器模块的热交换器的示意性图示，其中，在连续的中空封壳之间设置有多个翅片。
图4此图示出了根据本发明的实施例的包括两个彼此联接的热交换器模块的热交换器的示意性图示，其中，根据本发明的实施例，工作流体分配回路连接至热交换器模块的中空封壳。
图5此图示出了根据本发明的实施例的热交换器的前视图的示意性图示。
图6a至图6c这些图示出了与不同平面相交的图5所示的实施例的示意图。
图7此图示出了根据本发明的实施例的中空封壳的隔室的放大视图的示意性图示。
图8此图示出了设置有空气动力学轮廓几何形状的多个封壳根部的示意性图示。
图9此图示出了根据本发明的实施例的热交换器模块的示意性图示，其中，两个中空封壳的远端联接至飞行器的机身外蒙皮。
图10此图示出了包括根据本发明的热交换器模块的飞行器的实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的热交换器模块的示意性图示。
热交换器模块10包括中空腔体11，该中空腔体包括限定在其内的内部体积并且被配置成容纳第一流体，使得在热交换器模块10的操作模式下，热/冷的第一流体流流动通过中空腔体11以分别通过由热交换器模块10执行的热交换操作而得以冷却/排出热量。在这个实施例中，中空腔体11被成形为矩形棱柱，但是中空腔体11也可以是其他形状的。
如将描述的，热流体或冷流体之间的选择将取决于待执行的热交换操作。在本发明的背景下，“热”流体应被视为旨在通过在热交换过程中引入将被视为是“冷”流体的另一种流体来从所述热流体中提取热量从而被冷却的流体。所述冷流体将热流体的一部分能量以热量的形式排出。
因此，在一种操作模式下，流动通过中空腔体11的第一流体可以是旨在被冷却的热流体，或者可以是旨在被用作用于第二流体的冷却剂的冷流体。
为了提供所述热/冷的第一流体流，中空腔体11包括流体入口11.1，该流体入口被配置成与第一流体源处于流体连通。中空腔体11还包括流体出口11.2，该流体出口被配置成从热交换器模块10提取第一流体。所述第一流体流的前进方向在图中用未填色的白色箭头示意性地描绘。
在这个实施例中，热交换器模块10包括三个中空封壳12，这三个中空封壳从中空腔体11的表面垂直地延伸并且被布置成彼此间隔开且大致彼此平行，使得在热交换器模块10的两个连续的中空封壳12之间限定通道。在其他实施例中，可以设置不同数目的中空封壳。
每个中空封壳12包括容纳工作流体的内部体积，其中，所述工作流体被配置成在热交换器模块10的操作模式下经历相变。
中空封壳12的一部分12.1插入中空腔体11中、延伸到所述中空腔体11的内部体积中，使得在操作模式下，从入口11.1到出口11.2流动通过中空腔体11的第一流体浸浴中空封壳12的所述部分12.1的外表面。中空封壳12的所述部分12.1在本文中被称为封壳根部12.1。
如可以看到的，热交换器模块10的每个中空封壳12均设置有与封壳根部12.1相反的远端12.7。
在操作模式下，为了执行热交换操作，源提供第二流体。
在所示的具体实施例中，这种第二流体作为通过限定在连续的中空封壳12之间的通道的气体流而提供，从而强制与所述中空封壳12的侧表面发生对流。如可以在图1中看到的，气体流的前进方向用灰色箭头表示。
在图1的具体实施例中，中空封壳12彼此平行布置，从而形成用于气体流的导管。
在操作期间，中空封壳12根据热管的原理起作用。特别地，每个中空封壳12包括容纳工作流体的内部体积，该工作流体在热交换器模块10的操作期间经历两次相变。特别地，流体经历相变循环，其中，一部分呈液态的流体汽化，而一部分呈气态的流体凝结。
就比如图1中所描绘的实施例中使用的工作流体而言，该工作流体优选地是以下各项中的一项：氨、酒精、乙醇或水。
在图1所示的实施例的一个操作示例中，旨在被冷却的热的第一流体循环通过热交换器模块10的中空腔体11。所述第一流体将一部分储能以热量的形式通过封壳根部12.1的外表面传输至容纳在中空封壳12内的工作流体。结果，工作流体通过中空封壳12的内部体积蒸发并膨胀。
在实施例中被认为是冷气体流并且其前进方向用灰色箭头来表示的第二流体通过限定在连续的中空封壳12之间的通道，浸浴所述中空封壳12的侧表面。
由冷气体流强制的对流排出了一部分热能。因此，在中空封壳12内的工作流体凝结回液相、释放潜热并且返回至封壳根部12.1，在此处，液体工作流体再次暴露于流动通过中空腔体11的第一流体的热量，从而保持排热循环。
在图1的实施例中，液相的工作流体在毛细力的作用下返回至封壳根部12.1。更特别地，为了产生毛细力，图1所示的实施例的中空封壳12包括设置在限定于所述中空封壳12内的内部体积的表面的至少一部分上的吸液芯结构。
可以在本发明的范围内使用的吸液芯结构的示例包括以下结构元件中的至少一种：烧结金属粉末、筛网和/或槽。另外，可以通过增大表面的粗糙度或凹凸来产生吸液芯结构。
在其他实施例中，液相的工作流体通过比如重力作用和/或离心力作用等其他手段返回至中空封壳12的热界面，以供后续蒸发。
图2示出了包括两个彼此联接的热交换器模块10，20的热交换器的实施例的示意性图示。在这个实施例中，每个热交换器模块10，20都是根据结合图1描述的实施例的。
如可以看到的，第一热交换器模块10的每个中空封壳12被布置成使得远端12.7机械地联接至从第二热交换器模块20的中空腔体12向外延伸的相对中空封壳22的相应远端22.7。
因此通过相互连接的中空封壳12，22之间的界面提供了第一热交换器模块10与第二热交换器模块20之间的结构连续性。相应地，在相互联接的中空封壳12.7，22.7连续对与相对的中空腔体11，21之间限定通道。
在其他实施例中，多个中空封壳12可以彼此交错，使得第一模块10和第二模块20的远端12.7不重合，从而使得它们不能机械地联接。在这种情况下，在两个模块10，20之间需要附加的结构元件。来自两个模块10，20的中空封壳12的交错的位置可以允许中空封壳12，22的较高侧表面与第二流体接触并且允许较高的热传递。
如结合图1描述的，在热交换器11的操作模式下，必须有第二流体来在第一热交换器模块10和第二热交换器模块20中的每个热交换器模块中提供热能/排出热能。
特别地，这种第二流体作为通过限定在连续的中空封壳12，22之间的通道的气体流提供，从而强制与所述中空封壳12，22的侧表面发生对流。如可以在图2中看到的，气体流的前进方向用灰色箭头表示。
在图2的具体实施例中，中空封壳12，22彼此平行布置。
如上所述，在操作期间，中空封壳12，22根据热管的原理起作用。特别地，每个中空封壳12，22均包括容纳工作流体的内部体积，该工作流体在热交换器100的操作期间、即在第一热交换器模块10和第二热交换器模块20中的每个热交换器模块的操作期间经历相变。
在图2所示的热交换器100的实施例的一个操作示例中，旨在被冷却的热的第一流体循环通过每个热交换器模块10，20的中空腔体11，21。所述第一流体将其一部分热能通过封壳根部12.1，22.1的外表面传输至容纳在中空封壳12，22内的工作流体。结果，工作流体通过中空封壳12，22的内部体积蒸发并膨胀。
在实施例中被认为是冷气体流并且其前进方向用灰色箭头来表示的第二流体通过限定在连续的中空封壳12，22之间的通道，浸浴所述中空封壳12，22的侧表面。冷气体沿中空封壳12，22通过辐射和对流而被加热，从而冷却中空封壳中的工作流体。
在图2所示的具体实施例中，第一流体和第二流体(即，冷流体和热流体)分别沿着如通过灰色箭头和白色箭头所示的垂直方向流动。这种具有垂直流的构型被称为交叉流。在另外的实施例中，这些流可以是平行的、沿相同或相反方向流动。最新的构型被称为相向流。通常，相向流构型的效率提高。
中空封壳12，22可以设置有组合的形状，组合的形状适于减小中空封壳在操作模式下所接触的第一流体或第二流体的压力降并增大热传输。即，封壳根部12.1的形状可以适于减小在中空腔体11，21中流动的第一流体的压力降。进而，中空封壳12的外表面的形状可以适于减小第二流体的压力降。
在第二流体流的方向和沿中空腔体11，21的第一流体流的方向交叉的一个实施例中，封壳根部12.1的几何形状的轮廓形成为朝向流动通过中空腔体11，21的入射流，而暴露于第二流体的入射流的中空封壳本体的几何形状倾向于朝向这一入射流形成轮廓，同时使所有部件都保持紧密以避免任何第一流体泄漏出中空腔体11，21或第二流体泄漏到中空腔体11，21中。
由冷气体流强制的对流排出了一部分热能。因此，在中空封壳12，22内的工作流体凝结回液相、释放其潜热并且返回至封壳根部12.1，21.1，在此处，液体工作流体再次暴露于在中空腔体11，21中流动的流体的热量，从而保持排热循环。
如结合图1所述，在这个实施例中，液相的工作流体在毛细力的作用下返回至封壳根部12.1，21.1，毛细力由设置在限定于所述中空封壳12，22内的内部体积的表面的至少一部分上的吸液芯结构产生。
图3示出了与图2所示的热交换器100完全相同的热交换器的示意性图示，但是进一步包括多个翅片13，这些翅片设置在限定于相互联接的中空封壳12.7，22.7连续对与相对的中空腔体11，21之间的通道中。
特别地，如可以看到的，多个翅片13通过其相应的侧边缘附接至两个连续的中空封壳12，22并且彼此间隔开且大致彼此平行布置。
所述翅片13沿每个通道限定多个子通道。在实施例中，所述翅片13被成形有起伏几何形状。有利地，所述起伏几何形状允许将所述子通道视为波纹管，这些波纹管有助于改进热交换操作。
就翅片13的所述起伏几何形状而言，较短的波长促进边界层上的局部湍流，进而促进边界层混合并增加热传递。
图4示出了与图2所示的热交换器100完全相同的热交换器的示意性图示，但是进一步包括工作流体分配回路，该工作流体分配回路连接至第一热交换器模块10和第二热交换器模块的中空封壳12。更特别地，出于展示的目的，仅对连接至图4所示的热交换器的第一热交换器模块10的工作流体分配回路提供了附图标记。即，设置在最下方的热交换器模块10。
如可以看到的，图4所示的三个中空封壳12中的每个中空封壳均包括连接至工作流体分配回路的入口12.2。特别地，所述流体分配回路在工作流体源与中空封壳12的内部体积之间建立流体连通，因此执行填充或从中空封壳12内部提取工作流体的功能。
所示的工作流体分配回路包括主管12.3，该主管包括流量调节装置12.4，该流量调节装置在所示的具体情况中是空气接头阀，管12.3在该流量调节装置下游分岔成与中空封壳12处于流体连通的多个分支12.5。
出于展示的目的，表示出每个中空封壳12的仅一个入口12.2连接和工作流体分配回路中的仅单个阀12.4，但是应理解，在本发明的另外的实施例中，可以添加附加的入口12.2连接和阀12.4以易于分别将工作流体填充到中空封壳12中和从中空封壳提取工作流体。
在通过粉末床融合来增材制造热交换器模块的情况下，这个工作分配回路也可以用于去除在制造过程期间中空封壳中捕获的粉末。
图5示出了热交换器100的截面的示意性图示，该热交换器包括第一热交换器模块10和第二热交换器模块2010，20，这两个热交换器模块以与图2至图4所示的实施例完全相同的方式联接至彼此。
更特别地，图5提供了热交换器100的视图，示出了三条笔直虚线，这三条笔直虚线表示三个相交的平面AA、BB、CC，关于以下图6a至图6c更为详细地描述了这三个相交的平面。
所述平面AA、BB和CC分别对应于：
-与第一热交换器模块10的中空腔体相交的水平平面；
-与第一热交换器模块10的三个中空封壳相交的水平平面；以及
-沿两个相互连接的中空封壳12，22的整个长度(从一端到另一端，即，从中空封壳12的封壳根部到相对的中空封壳12的相应封壳根部12.1)与这两个中空封壳相交的竖直平面。
图6a示出了用平面AA与图5所示的实施例相交所得的视图。特别地，提供了平面视图，该平面视图允许理解根据图5的实施例的中空腔体11的内部的细节。这个中空腔体11被配置成用于第一流体流。为了提供所述第一流体流，中空腔体11包括流体入口11.1和流体出口11.2，该流体入口被配置成与流体源处于流体连通。所述第一流体流用未填色的白色箭头示意性地描绘。
所述第一流体可以是冷的或热的，这取决于旨在执行的热交换操作模式。在任何情况下，如可以看到的，封壳根部12.1的截面设置有空气动力学轮廓几何形状、更具体地NACA轮廓，其中，前缘朝向中空腔体11的入口11.1定向以在热交换器模块10的操作模式期间对第一流体的入射流进行转向。
根据封壳根部12.1的这种特定形状，流动通过中空腔体11的第一流体的压力降减小。
此外，在图6a的实施例中，示出了工作流体分配回路的细节，该工作流体分配回路负责藉由主管12.3填充或从中空封壳内部提取工作流体，该主管包括流量调节装置12.4，该流量调节装置在所示的具体情况下是空气接头阀，管12.3在该流量调节装置的下游分岔成与中空封壳处于流体连通的多个分支12.5。
图6b示出了用平面BB与图5所示的实施例相交所得的视图。特别地，提供了平面视图，该平面视图允许理解中空封壳12之间的相对布置和相对于中空腔体11的相对布置的细节、以及执行热交换操作而设置的第二流体的方向的细节。
特别地，所述中空封壳12彼此平行布置。就中空腔体11而言，如前述实施例中所示，中空封壳12从中空腔体11的最上表面垂直地突出。
对于第二流体，前进方向用灰色箭头表示。如可以看到的，所述第二流体基本上平行于自身的中空封壳12行进通过限定在连续的中空封壳12之间的通道，浸浴其侧表面，因此执行热交换操作。
图6c示出了用平面CC与图5所示的实施例相交所得的视图。
图6c允许观察第二流体怎样平行于中空封壳行进通过限定在其间的通道、浸浴其侧表面的细节。类似地，图6c允许观察中空封壳12分隔成的多个隔室12.8，所述隔室12.8中的每个隔室均包括封壳根部12.1，该封壳根部插入腔体11内，即，延伸到中空腔体11的内部体积中，以便在热交换器模块的操作期间建立与流动通过中空腔体11的第一流体的接触。
图7示出了图6c的用虚线绘制的方框界定的区域、即中空封壳分隔成的隔室12.8中的一个隔室的放大视图的示意性图示。特别地，图7表示内部体积的设置在中空封壳12的单个隔室12.8内的部分的几何形状的实施例，并且其中容纳工作流体。
如可以看到的，所述内部体积被成形为彼此隔开的多个涵道12.6，所述涵道12.6从封壳根部12.1分岔。
在图7所示的实施例的一个操作模式示例中，多个涵道12.6填充有呈汽相的工作流体，因为流动通过中空腔体的热流体加热容纳在封壳根部12.1中的液相的工作流体。前进方向用未填色的白色箭头表示的冷气体流通过限定在连续的中空封壳之间的通道，浸浴其侧表面。
由冷气体流强制的对流排出了一部分热能。因此，工作流体凝结回液相并且在设置在涵道12.6的内部表面上的吸液芯结构产生的毛细力的作用下返回至封壳根部12.1，在此处，液体工作流体再次暴露于流经的流体的热量，从而保持排热循环。
图8示出了多个封壳根部12.1(即，中空封壳的插入中空腔体中的、设置有空气动力学轮廓几何形状的部分)的示意性图示。优选地，所述封壳根部12.1具有NACA翼型几何形状，这些封壳根部被布置成使得前缘朝向中空腔体的入口定向，以在热交换器模块的操作模式期间对流体的入射流进行转向。
图9示出了热交换模块的示意性表示，其中，两个中空封壳12的侧表面的一部分和远端12.7联接至飞行器的机身外蒙皮201。如可以看到的，中空封壳12的形状为“L”形，并且插入机身的外蒙皮201中的部分的一部分与所述蒙皮201的暴露于外部气流的上边界齐平。因此，中空封壳12的所述部分同样与飞行器200的外部气流直接接触。在另一实施例中，中空封壳12的插入飞行器200的蒙皮201中的部分可以从外蒙皮201向外突出、进入外部气流。
根据这个实施例，可以通过中空封壳12与飞行器的蒙皮201之间的连接以及直接通过中空封壳12的与外部气流接触的部分来直接地将热量传递至飞行器外部。
更具体地，在所示示例中，旨在被冷却的热流体循环通过热交换器模块的中空腔体11。所述流体将其一部分热能通过中空封壳12的插入中空腔体11中的部分的外表面传输至容纳在中空封壳12内的工作流体。
相应地，中空封壳12的由流动通过中空腔体11的热流体浸浴的所述部分表示热界面，在此处，容纳在中空封壳12内的工作流体吸收足够的能量以转变成汽相。
该汽相的工作流体在中空封壳12的内部体积内膨胀，因此行进至热交换器模块的冷界面、即联接至飞行器的机身外蒙皮201的远端12.7附近的区域。
由环境气流强制的对流排出了一部分热能。因此，工作流体凝结回液相并且在设置在中空封壳12的内部表面上的吸液芯结构产生的毛细力的作用下返回至中空封壳12的插入中空腔体11中的部分，在此处，液体工作流体再次暴露于流经的流体的热量，从而保持排热循环。
在图9所示实施例的操作模式下，在巡航条件下环境空气可能为-50℃，因此是排热的最佳散热器。
不同的飞行器结构的替代性示例可以从图9的实施例中所示的构型受益，其中，用作热传递表面的机身外蒙皮201是机翼或尾翼及其不同元件，比如前缘、后缘、扭力盒或可移动表面。
另外，发动机表面和机舱表面可以用作热传递表面，或者甚至是与机舱接触的流可以用作第二流体，从而为中空封壳提供了以下优点：例如在风机整流罩外部流动的空气的自由流具有比飞行器的其余部分上的相对速度更高的相对速度，因此提供了额外的散热能力。
图10示出了包括根据本发明的热交换器模块的飞行器200的实施例。

Claims (15)

1.-一种热交换器模块(10)，该热交换器模块包括：
-至少一个中空腔体(11)，该至少一个中空腔体包括被配置成容纳流体的内部体积，所述中空腔体进一步包括流体入口(11.1)和流体出口(11.2)，其中，该中空腔体(11)的流体入口(11.1)被配置成与第一流体源处于流体连通，
-至少一个中空封壳(12)，该至少一个中空封壳从该中空腔体(11)的表面向外延伸，所述中空封壳(12)包括容纳工作流体的内部体积，其中，所述工作流体被配置成在该热交换器模块(10)的操作模式下经历相变，
其中，该中空封壳(12)被配置成与第二流体源处于流体连通，
其中，所述中空封壳(12)的封壳根部(12.1)插入该中空腔体(11)中、延伸到所述中空腔体(11)的内部体积中，使得在操作模式下，从该流体入口(11.1)到该流体出口(11.2)流动通过该中空腔体(11)的流体浸浴所述封壳根部(12.1)的外表面。
2.-根据前一权利要求所述的热交换器模块(10)，其中，至少一个中空封壳(12)包括设置在该中空封壳(12)的内表面的至少一部分上的吸液芯结构。
3.-根据前述权利要求中任一项所述的热交换器模块(10)，该热交换器模块进一步包括多个中空封壳(12)，该多个中空封壳彼此间隔开并且大致彼此平行布置，使得在连续的中空封壳(12)之间限定通道。
4.-根据前一权利要求所述的热交换器模块(10)，其中，这些通道中的至少一个通道包括设置在连续的中空封壳(12)之间的多个翅片(13)。
5.-根据前一权利要求所述的热交换器模块(10)，其中，这些翅片(13)被成形有起伏轮廓。
6.-根据前述权利要求中任一项所述的热交换器模块(10)，其中，该封壳根部(12.1)被成形为空气动力学轮廓、优选地NACA翼型，该封壳根部被布置成使得前缘朝向该中空腔体(11)的入口(11.1)定向，以在该热交换器模块(10)的操作模式期间对流体的入射流进行转向。
7.-根据前述权利要求中任一项和权利要求3所述的热交换器模块(10)，该热交换器模块进一步包括工作流体分配回路，该工作流体分配回路包括：入口，该入口被配置成与工作流体源处于流体连通；管(12.3)，该管连接至该入口并且被分成多个分支(12.5)，这些分支(12.5)中的每个分支连接至不同的中空封壳(12)的对应入口(12.2)。
8.-根据前述权利要求中任一项所述的热交换器模块(10)，其中，至少一个中空封壳(12)的内部体积被分成多个不同的隔室(12.8)，这些隔室(12.8)中的每一个隔室包括工作流体；其中，该中空封壳(12)包括多个封壳根部；并且其中，每个隔室(12.8)与不同的封壳根部(12.1)处于流体连通。
9.-根据前述权利要求中任一项所述的热交换器模块(10)，其中，限定在至少一个中空封壳(12)内的内部体积被成形成包括彼此间隔开的多个涵道(12.6)，所述涵道(12.6)从该封壳根部(12.1)分岔。
10.-一种用于使用增材制造技术制造根据权利要求1-9中任一项所述的热交换器模块(10)的方法，该方法包括以下步骤：
-提供粉末状材料床；
-通过将所提供的该粉末状材料的至少一部分融合在一起来形成多个层，结果获得包括内部体积的中空封壳(12)、以及中空腔体(11)；以及
-在所述中空封壳(12)的逐层制造过程期间将该工作流体限制在该中空封壳(12)的内部体积内，使得该工作流体在该中空封壳(12)固结之后容纳在该内部体积内。
11.-根据权利要求10所述的用于制造热交换器模块(10)的方法，其中：
-该中空腔体(11)与工作流体分配回路一体地制造，该工作流体分配回路包括管(12.3)，该管被分成多个分支(12.5)；和/或
-该中空封壳(12)与成形在其内的多个涵道(12.6)一体地制造，该多个涵道(12.6)在其表面的至少一部分上设置有吸液芯结构。
12.-一种至少包括根据权利要求1-9中任一项所述的第一热交换器模块(10)和第二热交换器模块(20)的热交换器(100)，其中，所述第一热交换器模块(10)和所述第二热交换器模块(20)分别藉由与该第一热交换器模块(10)和该第二热交换器模块(20)的至少一个中空封壳(12，22)的封壳根部(12.1，22.1)相反的对应的远端(12.7，22.7)而联接至彼此。
13.-一种至少包括根据权利要求1-9中任一项所述的热交换器模块(10)的飞行器(200)，其中，至少至少一个中空封壳(12)的远端(12.7)被插入该飞行器(200)的外蒙皮(201)中。
14.-根据权利要求13所述的飞行器(200)，其中，至少一个中空封壳(12)的远端(12.7)所插入的该外蒙皮(201)属于以下各项中的至少一项：
-机翼；
-尾翼；或
-机舱。
15.-根据权利要求13或14中任一项所述的飞行器(200)，其中，至少热交换器模块(10)被配置成与从流动通过该飞行器(200)的发动机风机涵道的旁路流流出的空气的源处于流体连通。
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