DE102022106477A1

DE102022106477A1 - Übertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022106477A1
Application number: DE102022106477.8A
Authority: DE
Inventors: Adam Felton; Kevin Paul Baile; Manuel Licon Flores
Original assignee: Transportation IP Holdings LLC
Current assignee: Transportation IP Holdings LLC
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2022-10-20
Also published as: CN115217682A

Abstract

Eine Wärmeübertragungsvorrichtung umfasst eine Außenschale, einen Innenkernkörper und eine flexible Membran, die sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt. Die Schale beinhaltet einen ersten Einlass, der ein erstes Fluid aufnimmt, einen zweiten Einlass, der ein zweites Fluid aufnimmt, einen ersten Auslass, durch den das erste Fluid die Schale verlässt, und einen zweiten Auslass, durch den das zweite Fluid die Schale verlässt. Der Kernkörper bildet erste innere Durchgänge, die den ersten Einlass mit dem ersten Auslass fluidisch koppeln, und zweite innere Durchgänge, die den zweiten Einlass fluidisch mit dem zweiten Auslass koppeln. Die flexible Membran bildet jeweils einen flexiblen Übergang zwischen dem ersten Einlass und dem zweiten Einlass der Schale und des Kernkörpers und bildet eine Dichtung, die verhindert, dass das erste Fluid in den ersten inneren Durchgängen in die zweiten inneren Durchgänge fließt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/176,987 (eingereicht am 20. April 2021) und ist eine teilweise Fortsetzung der US-Patentanmeldung Nr. 16/899,331 (eingereicht am 11. Juni 2020), die eine Teilanmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 15/821,729 (eingereicht am 22. November 2017) ist, die eine teilweise Fortsetzung der US-Patentanmeldung Nr. 15/444,566 (eingereicht am 28. Februar 2017, jetzt US-Patent Nr. 10,175,003 ) ist.
Die gesamten Offenbarungen dieser Anmeldungen sind hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren beziehen sich auf Vorrichtungen, die Wärme zwischen verschiedenen Fluiden (z.B. Flüssigkeiten und/oder Gasen) übertragen, ohne die Fluide zu mischen. Optional können die Vorrichtungen und Verfahren verwendet werden, um Komponenten zwischen den Fluiden zu übertragen, aber beispielsweise durch Filtern einer oder mehrerer Komponenten aus einem Fluid (und der gefilterten Komponente erlauben, durch eine Barriere zu einem anderen Fluid zu gelangen). Die Vorrichtungen können additiv gefertigt werden.
Erörterung der Technik.
Kühlvorrichtungen übertragen Wärme von einem Fluid zu einem anderen Fluid über oder durch eine Barriere. Ein Beispiel einer Kühlvorrichtung ist ein Abgasrückführungs(EGR)-Kühler. Dieser Kühler überträgt oder entzieht Wärme von rückgeführtem Motorabgas zu einem Kühlmittel, wie etwa Wasser, wenn das Abgas und Wasser durch den Kühler strömen. Ein Problem bei diesen Kühlern ist die Verwendung mehrerer getrennter Körper, die verwendet werden, um das Kühlmittel innerhalb des Kühlers abzudichten und zurückzuhalten. Beispielsweise haben die Kühler Schalen, in denen Kerne angeordnet sind. Die Kerne haben getrennte Kanäle für das Kühlmittel und das Abgas. Die Kühler haben Gleitgelenke und O-Ringe (oder andere Dichtungen) zwischen den Schalen und Kernen. Diese Gleitgelenke und Dichtungen sollen das Kühlmittel in den Kühlern halten. Diese mehreren Körper sind so ausgelegt, dass sie die extremen Temperaturänderungen (und die damit verbundenen Wärmeausdehnungen) der Schalen und Kerne aufnehmen können.
Diese Komponenten der Kühler sind jedoch unter extremen Temperaturbedingungen störanfällig. Dies kann zu Kühlmittelverlust während des Betriebs führen und einen Austausch der Komponenten erforderlich machen. Es besteht ein Bedarf an Vorrichtungen, die weniger fehleranfällig und/oder austauschbar sind.
KURZE BESCHREIBUNG
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Wärmeübertragungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Außenschale, einen inneren Wärmeübertragungskernkörper und eine flexible Membrankopplung umfasst und sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt. Die Schale umfasst einen ersten Einlass, der ein erstes Fluid aufnehmen kann, einen zweiten Einlass, der ein zweites Fluid aufnehmen kann, einen ersten Auslass, durch den das erste Fluid aus der Schale geleitet wird, und einen zweiten Auslass, durch den das zweite Fluid aus der Schale geleitet wird. Der Kernkörper bildet erste innere Durchgänge und zweite innere Durchgänge, die voneinander getrennt sind. Die ersten inneren Durchgänge koppeln den ersten Einlass fluidisch mit dem ersten Auslass, und die zweiten inneren Durchgänge koppeln fluidisch den zweiten Einlass mit dem zweiten Auslass. Die flexible Membran bildet einen flexiblen Übergang zwischen dem ersten Einlass und dem zweiten Einlass der Schale und des Kernkörpers. Die flexible Membran bildet auch eine Dichtung, die verhindert, dass das erste Fluid, das durch die ersten inneren Durchgänge fließt, in die zweiten inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Wärmeübertragungsvorrichtung bereitgestellt, die einen monolithischen Körper umfasst, der aus einer Außenschale, einem inneren Wärmeübertragungskernkörper und einer flexiblen Membrankopplung gebildet ist und sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt. Der Kernkörper hat erste innere Durchgänge und zweite innere Durchgänge, die von den ersten inneren Durchgängen getrennt sind. Der Kernkörper kann Wärmeenergie zwischen einem ersten Fluid, das in den ersten inneren Durchgängen strömt, und einem zweiten Fluid, das in den zweiten inneren Durchgängen strömt, übertragen, ohne dass sich das erste Fluid mit dem zweiten Fluid vermischt. Die flexible Membran bildet einen flexiblen Übergang zwischen dem ersten Einlass und dem zweiten Einlass der Schale und des Kernkörpers. Die flexible Membran bildet auch eine Dichtung, die verhindert, dass das erste Fluid in die zweiten inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren (z.B. zum Bilden einer Wärmeübertragungsvorrichtung) bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das additive Herstellen einer Wärmeübertragungsvorrichtung durch aufeinander folgendes Abscheiden von Materialschichten übereinander, um einen Körper zu bilden, der eine Außenschale, einen inneren Wärmeübertragungskernkörper und eine flexible Membrankopplung aufweist und sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt. Die Schichten werden nacheinander abgeschieden, um die Schale mit einem ersten Einlass, der ein erstes Fluid aufnehmen kann, einem zweiten Einlass, der ein zweites Fluid aufnehmen kann, einen ersten Auslass, durch den das erste Fluid aus der Schale geleitet wird, und einen zweiten Auslass, durch den das zweite Fluid aus der Schale geleitet wird, zu bilden. Die Schichten werden nacheinander aufgebracht, um die flexible Membran als einen flexiblen Übergang zwischen jedem des ersten Einlasses und des zweiten Einlasses der Schale und des Kernkörpers zu bilden. Die Schichten werden nacheinander aufgebracht, um die flexible Membran als Dichtung zu bilden, die verhindert, dass das erste Fluid in die zweiten inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt.
Figurenliste
Der Gegenstand der Erfindung kann aus der Lektüre der folgenden Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei unten:

1 ein Beispiel einer Übertragungsvorrichtung darstellt;
2 eine erste Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung darstellt;
3 eine Querschnittsansicht eines Teils eines Kernkörpers der Übertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt;
4 eine zusätzliche Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung darstellt;
5 eine weitere Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung darstellt;
6 eine weitere Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung darstellt;
7 eine erste Querschnittsansicht der Übertragungsvorrichtung entlang der Linie 7-7 in 1 darstellt;
8 eine zweite Querschnittsansicht der Übertragungsvorrichtung darstellt, die entlang einer Ebene genommen wurde, die orthogonal zu der Linie 7-7 in 1 ist;
9 eine weitere Querschnittsansicht der Überführungsvorrichtung entlang der in 1 gezeigten Linie 7-7 darstellt;
10 eine perspektivische Ansicht des Kernkörpers der Übertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform ist;
11 eine Querschnittsansicht des in 10 gezeigten Kernkörpers ist;
12 eine erste Querschnittsansicht des Kernkörpers entlang der in 11 gezeigten Linie 12-12 darstellt;
13 eine zweite Querschnittsansicht des Kernkörpers entlang der in 11 gezeigten Linie 13-13 darstellt;
14 eine dritte Querschnittsansicht des Kernkörpers entlang der in 11 gezeigten Linie 14-14 darstellt;
15 eine vierte Querschnittsansicht des Kernkörpers entlang der in 11 gezeigten Linie 15-15 darstellt;
16 die Querschnittsansicht des in 11 gezeigten Kernkörpers mit vergrößerten Bereichen ist, die obere und untere Kegel gemäß einer Ausführungsform zeigen; und
17 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zum Erstellen einer Übertragungsvorrichtung oder einer Komponente davon.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Mindestens eine Ausführungsform der hierin beschriebenen Erfindungen bezieht sich auf eine monolithische (z.B. Einkörper-)Überführungsvorrichtung, die die Wärmeausdehnung eines Kerns durch eine einzigartige flexible Membranverbindung an einem Einlass und Auslass der Vorrichtung aufnimmt. Diese flexible Membran kann leichter verschoben werden als einige bekannte Gleitverbindungen und/oder Dichtungen, ohne unannehmbare Spannungen in einer Außenschale (z.B. Gehäuse) oder einem Kern zu verursachen. Die Übertragungsvorrichtung kann bewirken, dass ein Kühlmedium (z.B. Kühlmittel) ohne eine direkte Verbindung der Schale mit dem Kern durch den Kern gedrückt wird. Das Kühlmedium kann durch Formen (z.B. durch additive Fertigung) unterschiedlich großer Volumina an unterschiedlichen Stellen zwischen (a) der Membran und (b) der Schale und dem Kern gezwungen werden, um den Druck des Kühlmittels an Stellen zu erhöhen, die das Kühlmittel durch einen größeren Teil des Kerns drücken (relativ zu einigen bekannten Kühlern, die Gleitdichtungen zwischen dem Kern und dem Gehäuse verwenden). Die flexible Membran kann durch additive Fertigung einstückig mit dem Kern und der Schale geformt werden, um eine vollständig integrierte Wand bereitzustellen, die eine minimale bis keine Kühlmittelleckage zwischen dem Kern und der Schale zulässt. Das Drucken der Schale und des Kerns als einteiliger Körper ermöglicht eine strenge Kontrolle der Grenzfläche zwischen den beiden Geometrien (dem Kern und der Schale).
Alternativ können der hierin beschriebene Kern und die Schale separat geformt werden und dann der Kern in die Schale eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Schale gegossen, additiv gefertigt, spritzgegossen oder dergleichen sein und der Kern additiv gefertigt und in die Schale eingelegt werden. Die flexible Membran kann als Teil der Schale oder des Kerns geformt werden oder kann separat geformt und dann zwischen der Schale und dem Kern platziert werden. Die Schale und der Kern können dann zusammengeschweißt werden, um einen vollständig integrierten Festkörper zu bilden.
Die Verwendung von additiver Fertigung der flexiblen Membran und/oder des Kerns kann ermöglichen, dass der Kern in eine breite Vielfalt von Anwendungsräumen passt. Die Schale kann in ähnlicher Weise so hergestellt werden, dass sie eine Störung bestehender Komponenten für Nachrüstanwendungen vermeidet.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können die Nutzungsdauer der Vorrichtungen relativ zu einigen bekannten EGR-Kühlern maximieren oder verlängern, indem sie thermische Zyklen ohne eine gleitende Grenzfläche ermöglichen. Da es keine bewegliche oder gleitende Grenzfläche zum Abdichten mit einer Dichtung, einem O-Ring oder dergleichen gibt, kann die Vorrichtung außerdem extremen Temperaturen unter Bedingungen wie einem Trockenlauf widerstehen. Ein Trockenlaufzustand für einen Motor ist ein Zustand, bei dem Motorabgas durch die Vorrichtung strömt, ohne dass auch ein Kühlmedium durch die Vorrichtung strömt. Dieser Zustand kann die Vorrichtung Temperaturen von über 1.000 Grad Fahrenheit (oder 540 Grad Celsius) aussetzen. Diese Temperaturen führen dazu, dass die Dichtungen in einigen bekannten Kühlvorrichtungen versagen. Diese extremen Temperaturen können auch eine extreme Wärmeausdehnung verursachen, die einige bekannte Rohr- oder Rippenkonstruktionen von Kühlvorrichtungen nicht ohne Ausfall (aufgrund von Beschränkungen an beiden Enden der Kühlvorrichtungen) bewältigen können. Im Gegensatz dazu können sich die flexiblen Membranen der hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen biegen und die thermischen Ausdehnungen ohne Ausfall aufnehmen.
Andere Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindungen beziehen sich auf den Kern oder Kernkörper einer Übertragungsvorrichtung. Der Kernkörper ist so ausgelegt, dass er sich wiederholende, miteinander verbundene Einheitszellen aufweist, die innere Durchgänge für ein Fluid durch die Einheitszellen und äußere Durchgänge für ein anderes Fluid außerhalb der Einheitszellen definieren, ohne dass sich die beiden Fluide physisch miteinander vermischen. Beispielsweise sind die inneren Durchgänge nicht fluidisch mit den äußeren Durchgängen verbunden. Die Einheitszellen haben Seitenwände zwischen den inneren Durchgängen und den äußeren Durchgängen, die die Übertragung von thermischer Energie (z.B. Wärme) über die Seitenwände von dem heißeren Fluid zu dem kühleren Fluid ermöglichen. Die Seitenwände können optional so gestaltet sein, dass sie die Übertragung (z.B. Filtern) einer oder mehrerer Komponenten aus einem ersten Fluid durch die Seitenwände in das zweite Fluid ermöglichen. Das erste Fluid und/oder das zweite Fluid können optional mehr als einen Fluidtyp, eine Zusammensetzung oder eine Verbindung enthalten. Beispielsweise kann das erste Fluid ein Kühlmittel sein, das in die inneren Durchgänge des Kerns eingeführt wird, und das zweite Fluid kann mehrere verschiedene Fluide sein, die in die äußeren Durchgänge eingeführt werden. Die mehreren unterschiedlichen Fluide können sich innerhalb des Kerns miteinander vermischen und Wärme durch die dünnen Seitenwände an das Kühlmittel übertragen.
Der Kernkörper gemäß einer Ausführungsform hat eine komplexe, sich wiederholende Geometrie, die Fluide trennt und druckbar ist, ohne Stützstrukturen zu bilden. Die Geometrie des Kernkörpers ermöglicht die Option für relativ große, nicht unterstützte Einheitszellenabmessungen. Die größeren Einheitszellen können im Vergleich zu kleineren Einheitszellen einen verringerten Strömungswiderstand und Druckabfall durch den Kernkörper (z.B. einen erhöhten Fluiddurchsatz) bereitstellen. Die Einheitszellen sind hohl, sodass eine Erhöhung der Größe der Einheitszellen tatsächlich die während des additiven Herstellungsprozesses abgeschiedene Materialmenge im Vergleich zu kleineren Einheitszellen reduzieren kann, wodurch die Druckgeschwindigkeit erhöht und die Druck- und/oder Materialkosten gesenkt werden.
Die Möglichkeit, den Kernkörper ohne Stützstrukturen additiv herzustellen, ermöglicht es auch, den Kernkörper basierend auf einer bestimmten Anwendung in kundenspezifische Formen zu formen. Beim EGR-Kühler kann der Kernkörper so gedruckt werden, dass er mit dem spezifischen Innenvolumen oder Formfaktor der Schale übereinstimmt. Optional kann der Kernkörper während eines üblichen additiven Herstellungsprozesses einstückig mit der Schale ausgebildet werden, um einen monolithischen (einteiligen) AGR-Kühler bereitzustellen. Das integrale Ausbilden des Kernkörpers mit der Schale eliminiert Nähte zwischen den Komponenten, was vorteilhafterweise potenzielle Leckpfade während der Verwendung und des Betriebs des EGR-Kühlers eliminieren kann.
1 veranschaulicht ein Beispiel einer Übertragungsvorrichtung 100. Die Vorrichtung kann zum Übertragen von Energie oder Komponenten zwischen zwei Medien verwendet werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung Wärmeenergie (z. B. Wärme) von einem Fluid auf ein anderes Fluid übertragen (um ein Fluid zu kühlen) oder eine Komponente von einem Fluid auf ein anderes Fluid übertragen (um die Komponente aus einer Flüssigkeit zu filtern). Die Vorrichtung umfasst eine Außenschale 102 , in der ein innerer Wärmeübertragungskernkörper und eine flexible Membran (beide in 2 gezeigt) angeordnet sind. Die Schale weist einen ersten Einlass 110 auf, der ein erstes Fluid 112 aufnimmt, einen zweiten Einlass 114, der ein zweites Fluid 116 aufnimmt. Das erste und das zweite Fluid können Gase und/oder Flüssigkeiten sein. Beispielsweise kann das erste Fluid ein Kühlmittel oder Kühlmedium sein, wie beispielsweise ein Wärmeübertragungsfluid (z.B. Wasser, Kältemittel, andere synthetische oder natürliche Flüssigkeiten). Das zweite Fluid kann ein Abgas aus einem Motor oder eine andere Flüssigkeit sein. Das zweite Fluid kann vor dem Eintritt in die Vorrichtung wärmer sein als das erste Fluid.
Die Schale umfasst auch einen ersten Auslass 120, durch den das erste Fluid aus der Schale geleitet wird, und einen zweiten Auslass 118, durch den das zweite Fluid aus der Schale geleitet wird. Wie hierin beschrieben, hat der Kernkörper innere Durchgänge (in 2 gezeigt), durch die das erste Fluid durch den Kern von dem ersten Einlass zu dem ersten Auslass strömt, und äußere Durchgänge (in 2 gezeigt), durch die das zweite Fluid durch den Kern von dem zweiten Einlass zu dem zweiten Auslass fließt. Wenn das erste und das zweite Fluid durch die entsprechenden inneren und äußeren Durchgänge strömen, kann Wärme von dem zweiten Fluid auf das erste Fluid (über oder durch das Material, das den Kern bildet)übertragen werden. Alternativ kann das Material, das zumindest einen Teil des Kerns bildet, eine oder mehrere Komponenten aus dem zweiten Fluid in das erste Fluid (oder aus dem ersten Fluid in das zweite Fluid) filtern. Das erste Fluid kann optional mehrere unterschiedliche Fluide umfassen, die sich in den inneren Durchgängen des Kerns vermischen. Das zweite Fluid kann optional mehrere unterschiedliche Fluide umfassen, die sich in den äußeren Durchgängen des Kerns vermischen.
Die inneren Durchgänge können das erste Fluid von dem zweiten Fluid getrennt halten, und die äußeren Durchgänge können das zweite Fluid von dem ersten Fluid getrennt halten. Die inneren Durchgänge können eine Strömung des ersten Fluids von dem ersten Einlass zu dem ersten Auslass leiten. Der erste Auslass kann das erste Fluid (das nun durch das zweite Fluid erwärmt wurde oder eine oder mehrere Komponenten aus dem zweiten Fluid erhalten hat) zu einer Vorrichtung oder einem System leiten, das das erste Fluid kühlt (oder filtert) und das erste Fluid zum ersten Einlass zurückführt. Die äußeren Durchgänge können eine Strömung des zweiten Fluids von dem zweiten Einlass zu dem zweiten Auslass leiten. Der zweite Auslass kann das zweite Fluid (das nun durch das erste Fluid gekühlt wurde oder von dem die eine oder mehreren Komponenten entfernt und dem ersten Fluid zugeführt wurden) zurück zum Motor (in einem EGR-Motor) oder zu einer anderen Stelle leiten.
2 veranschaulicht eine erste Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung. Der in 2 gezeigte Querschnitt verläuft entlang einer Ebene, die parallel zu der Ebene von 1 ist und sich durch eine axiale Mitte des Kernkörpers erstreckt. Der innere Wärmeübertragungskernkörper 204 innerhalb der Schale beinhaltet eine einzelne Struktur oder Bahn aus Material 201 in einer Form, die die ersten inneren Durchgänge 522 und die zweiten inneren Durchgänge 524 bildet. Die ersten inneren Durchgänge 522 und die zweiten inneren Durchgänge 524 des Kernkörpers werden hier auch als innere Durchgänge bzw. äußere Durchgänge bezeichnet. Alternativ kann der Kern aus mehreren Körpern oder Materialbahnen gebildet sein, die in einer Form vorliegen, die die inneren und äußeren Durchgänge bildet.
Die Vorrichtung umfasst eine flexible Membran 206 , die mit dem Kernkörper zu einer Innenfläche 208 der Außenschale koppelt und sich von diesem erstreckt. Die Membran ist dahingehend flexibel, dass die Membran sich biegen oder anderweitig seine Form verändern kann, wenn sie eine stärkere Kraft oder Verschiebung aufnimmt als der Schalen- und/oder Kernkörper (der die gleiche Kraft oder Verschiebung aufnimmt). Die Membran bildet einen flexiblen Übergang zwischen (a) jeweils dem ersten Einlass und dem zweiten Einlass der Schale und (b) dem Kernkörper. Die flexible Membran bildet eine Dichtung, die verhindert, dass das erste Fluid, das durch die inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt, in die äußeren Durchgänge des Kernkörpers fließt. Die flexible Membran kann sich an unterschiedliche Größenänderungen der Schale und des Kernkörpers aufgrund von Wärmeänderungen anpassen. Beispielsweise können sich die Schale und der Kernkörper aufgrund der unterschiedlichen Größen der Schale und des Kernkörpers um unterschiedliche Beträge oder Abstände ausdehnen (selbst wenn der Schalen- und der Kernkörper als ein monolithischer Körper geformt und aus dem gleichen Material geformt sind). Die flexible Membran kann sich aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen des Schalen- und Kernkörpers biegen, ohne zu reißen oder die Dichtung zwischen dem Schalen- und Kernkörper auf andere Weise zu brechen. Dies hält die Trennung der inneren und äußeren Durchgänge des Kernkörpers aufrecht.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Kernkörpers gemäß einer Ausführungsform. Der in 3 gezeigte Querschnitt verläuft entlang einer Ebene, die parallel zu der Ebene von 2 und von dieser versetzt ist. Die inneren Durchgänge 522 befinden sich auf einer Seite des Körpers oder der Materialbahn des Kerns, und die äußeren Durchgänge 524 befinden sich auf der gegenüberliegenden Seite des Körpers oder der Materialbahn des Kerns. Beispielsweise umfasst der Materialkörper oder die Materialbahn dünne Seitenwände 210, die die inneren Durchgänge von den äußeren Durchgängen trennen.
Die Seitenwände sind Teil von Einheitszellen 212 des Kernkörpers, die geometrische Formen sind, die sich im gesamten Kernkörper wiederholen. Die Einheitszellen sind miteinander verbunden. Beispielsweise ist der Kernkörper eine Struktur, die mehrere verbundene Einheitszellen aufweist. In einer oder mehreren Ausführungsformen haben die Einheitszellen im Allgemeinen sphärische Formen, die durch die Seitenwände definiert sind, wie durch die in 3 gezeigten kreisförmigen Querschnitte angezeigt. Die Formen von peripheren Einheitszellen, die entlang der zylindrischen Seite des Kernkörpers angeordnet sind, können verzerrt werden, um von der sphärischen Form abzuweichen, wie es erforderlich ist, um eine gewünschte Gesamtgröße und/oder -form des Kernkörpers bereitzustellen. Die Einheitszellen können in anderen Ausführungsformen andere Formen haben, wie etwa kubisch, parallelepiped oder prismatisch. Die inneren Durchgänge sind innerhalb der Einheitszellen definiert und erstrecken sich durch diese hindurch. Die äußeren Durchgänge befinden sich außerhalb der Einheitszellen und repräsentieren die unbesetzten Räume zwischen den Einheitszellen.
Wie in 3 gezeigt, sind die inneren Durchgänge von den äußeren Durchgängen durch die Seitenwände getrennt. Die inneren Durchgänge innerhalb von zwei der Einheitszellen sind in 3 durch diagonale Linien ausgefüllt, um den Unterschied zwischen den inneren Durchgängen und den äußeren Durchgängen, die die inneren Durchgänge umgeben, in der dargestellten Querschnittsansicht deutlich zu zeigen. Die Seitenwände können relativ dünn sein, beispielsweise weniger als 3 Millimeter (mm) dick sein. Die Seitenwände der Einheitszellen sind an Rändern 806 (in 10 gezeigt) miteinander verbunden, um die inneren Durchgänge durch den Kernkörper fluidisch zu verbinden und das erste und das zweite Fluid physisch voneinander getrennt zu halten. In einer Ausführungsform kann Wärme zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid durch die Seitenwände übertragen werden, ohne irgendeinen anderen Teil des ersten Fluids und des zweiten Fluids in den inneren oder äußeren Durchgängen miteinander zu vermischen. Alternativ können die Seitenwände Poren beinhalten, die eine oder mehrere Komponenten aus dem zweiten Fluid in das erste Fluid (oder aus dem ersten Fluid in das zweite Fluid) filtern, ohne irgendeinen anderen Teil des ersten Fluids und des zweiten Fluids in den inneren oder äußeren Durchgängen miteinander zu vermischen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Fluid in den inneren Durchgängen ein Gas, wie z.B. heißes Gas, das von einem Motor ausgestoßen wird, und das Fluid in den äußeren Durchgängen ist ein Kühlmittel, wie z.B. Wasser. Das Wasser kann Wärme aus dem Gas durch die Seitenwände der Einheitszellen absorbieren, wenn das Wasser durch gewundene Pfade zwischen den Einheitszellen entlang der äußeren Durchgänge fließt. Das Wasser tritt durch Einlassöffnungen 214 der äußeren Durchgänge entlang der Umfangsfläche des Kernkörpers in den Kernkörper ein.
4, 5 und 6 beinhalten zusätzliche Querschnittsansichten der in 1 gezeigten Vorrichtung. Die Querschnittsansichten der 4, 5 und 6 sind entlang derselben Ebene wie die Querschnittsansicht der 2 aufgenommen. Die flexible Membran hat eine gekrümmte konische Form, die sich von der Innenfläche der Schale nach innen zum Kernkörper erstreckt. Diese konische Form sorgt für einen konischen Übergang zwischen der Schale und dem Kernkörper. Der konische Übergang kann so gesteuert werden, dass er in der Länge (z.B. der Abstand von der Innenfläche der Schale zum Kernkörper) und/oder im Schnittwinkel mit der Schale und dem Kern variiert, so dass die flexible Membran in einer Vielzahl von Formen des Kernkörpers und/oder der Schale enthalten sein kann. Die Möglichkeit, die Größe und/oder Form der flexiblen Membran anzupassen, ermöglicht es, die Übertragungsvorrichtung für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot effektiv zu gestalten und zu packen. Während beispielsweise die Schale mit einer zylindrischen Form gezeigt ist, können der Kernkörper und/oder die Schale eine andere Form haben, wie etwa eine rechteckige Form, wobei sich die flexible Membran zwischen der Schale erstreckt und diese mit dem Kernkörper abdichtet.
Die flexible Membran ist in der dargestellten Ausführungsform flach. Beispielsweise kann die Membran eine glatte, konische Form ohne Wellen, Wellen, Grübchen, Vorsprünge oder dergleichen haben. Alternativ kann die Membran eine unebene Oberfläche mit Wellen, Wellen, Grübchen, Vorsprüngen oder dergleichen haben.
Wie gezeigt, kann die flexible Membran dünner sein als die Außenschale. Eine Innenfläche 432 der flexiblen Membran ist dem Kernkörper zugewandt und von dem Abschnitt der Innenfläche des Gehäuses abgewandt, der sich zwischen dem zweiten Einlass und dem zweiten Auslass des Gehäuses befindet. Diese Innenfläche der flexiblen Membran kann in einem Winkel von weniger als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale ausgerichtet sein. Alternativ kann die Innenfläche in einem Winkel ausgerichtet sein, der weniger als dreißig Grad oder weniger als fünfzehn Grad zur Innenfläche der Außenschale beträgt. Eine gegenüberliegende Außenfläche 430 der flexiblen Membran ist von dem Kernkörper abgewandt und kann dem Abschnitt der Innenfläche der Schale zugewandt sein, der sich zwischen dem zweiten Einlass und dem zweiten Auslass befindet. Diese Außenfläche der flexiblen Membran kann in einem Winkel ausgerichtet sein, der mehr als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale beträgt. Alternativ kann die Außenfläche in einem Winkel ausgerichtet sein, der größer als fünfundfünfzig Grad oder größer als fünfundsiebzig Grad zur Innenfläche der Außenschale ist.
7 veranschaulicht eine erste Querschnittsansicht der Übertragungsvorrichtung entlang der Linie 7-7 in 1. 8 veranschaulicht eine zweite Querschnittsansicht der Übertragungsvorrichtung. Die Querschnittsansicht in 8 ist entlang einer Ebene aufgenommen, die orthogonal zur Linie 7-7 in 1 ist. Wie in 1 gezeigt, enthält die Schale längliche Vertiefungen 122 auf gegenüberliegenden Seiten der Schale. Die Vertiefungen können in Richtungen verlängert sein, die sich von dem zweiten Einlass zu dem zweiten Auslass erstrecken. Die Vertiefungen können in der Mitte zwischen dem ersten Einlass und dem ersten Auslass entlang eines Umfangs der Schale angeordnet sein, wie in 8 gezeigt. Beispielsweise können sich die Vertiefungen auf gegenüberliegenden Seiten der Schale befinden. Alternativ können sich die Vertiefungen an einer anderen Stelle befinden und/oder es können mehr als zwei Vertiefungen in der Schale enthalten sein. Die Vertiefungen können den Abstand bzw. räumlichen Spalt zwischen der Innenfläche der Schale und dem Kernkörper verringern. Beispielsweise kann der Kernkörper in einem weiteren Abstand 434 von der Innenfläche der Schale an Stellen entfernt von den Vertiefungen (wie in den 5 und 8 gezeigt) und einem engeren Abstand 600 an den Vertiefungen (wie in den 7 und 8 gezeigt) angeordnet sein.
Der verringerte Abstand zwischen der Schale und dem Kern in den Vertiefungen kann helfen, das erste Fluid von dem ersten Einlass zu und aus dem ersten Auslass zu drängen. Diese Vertiefungen reduzieren das Volumen, in dem das erste Fluid zwischen dem ersten Einlass strömt, um das erste Fluid zu quetschen und dabei zu helfen, das erste Fluid in Richtung des ersten Auslasses zu drängen.
9 veranschaulicht eine weitere Querschnittsansicht der Übertragungsvorrichtung entlang der in 1 gezeigten Linie 7-7. In dieser dargestellten Ausführungsform bildet die flexible Membran eine Schnittstelle mit der Innenfläche der Schale mit abgerundeten Schnittstellen. Anstatt beispielsweise Ecken oder Schnittstellen zwischen geraden Linien an der Schnittstelle zwischen der Innenfläche der flexiblen Membran und der Innenfläche der Schale und an der Schnittstelle zwischen der Außenfläche der flexiblen Membran und der Innenfläche der Schale zu haben, kann die flexible Membran und/oder Schale an einer oder beiden dieser Grenzflächen mit Ausrundungen ausgebildet sein. Die flexible Membran und/oder die Schale können eine innere Ausrundung 726 und eine äußere Ausrundung 728 auf gegenüberliegenden Seiten einer Grenzfläche zwischen der flexiblen Membran und der Schale aufweisen. Diese Ausrundungen können abgerundete Schnittstellen sein, die die Flexibilität der Membran erhöhen (im Vergleich zu Schnittstellen, die keine abgerundeten Kanten oder Ausrundungen enthalten). Die innere Ausrundung kann einen kleineren Krümmungsradius haben als die äußere Ausrundung, wie in 9 gezeigt.
10 ist eine perspektivische Ansicht des Kernkörpers der Übertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Die Einheitszellen des Kernkörpers haben jeweils eine oder mehrere gekrümmte Seitenwände. Eine Innenfläche 800 der einen oder mehreren Seitenwände definiert mindestens einen Abschnitt des inneren Durchgangs, der sich innerhalb und durch die jeweilige Einheitszelle erstreckt. Eine äußere Oberfläche 802 der einen oder mehreren Seitenwände definiert mindestens einen Teil der äußeren Durchgänge in den Zwischenräumen zwischen den Einheitszellen. Der Kernkörper hat eine Höhe, die sich von einem unteren Ende 810 zu einem oberen Ende 812 (gegenüber dem unteren Ende) erstreckt. Der Kernkörper hat in der dargestellten Ausführungsform eine allgemein zylindrische Form, um sich an das Innere der Schale anzupassen. Beispielsweise hat der Kernkörper eine Außenseite 814, die umlaufend ist und sich vom oberen Ende zum unteren Ende erstreckt. Die Oberfläche entlang der Außenseite weist Rillen und Wellen auf, die den gekrümmten Seitenwänden der Einheitszellen zuzuschreiben sind. Die inneren Durchgänge durch die Einheitszellen ermöglichen es dem ersten Fluid, im Allgemeinen entlang der vertikalen Höhe des Kernkörpers zu fließen, wie etwa vom oberen Ende nach unten und durch das untere Ende nach außen. Die äußeren Durchgänge können ermöglichen, dass das zweite Fluid seitlich, radial und in Umfangsrichtung (sowie vertikal) strömt. Beispielsweise kann das zweite Fluid durch die zylindrische Außenseite des Kernkörpers in die äußeren Durchgänge eintreten, wie in den 3 und 8 gezeigt.
Die Einheitszellen im Kernkörper sind in einem Array angeordnet. In einer Ausführungsform sind die Zellen in mehreren Reihen 816 angeordnet, die entlang der Höhe des Kernkörpers gestapelt sind. Die dargestellte Ausführungsform zeigt die kleinsten Abschnitte von vier Reihen 816a, 816b, 816c, 816d von Einheitszellen. Jede Reihe enthält mehrere Einheitszellen, die voneinander beabstandet sind. Die Einheitszellen in einer Reihe können gegenüber den Einheitszellen in der Reihe darüber oder darunter versetzt oder versetzt sein. Beispielsweise kann eine einzelne Einheitszelle zumindest teilweise über mehreren Einheitszellen in der Reihe angeordnet sein. Das Staffeln der Positionen der Einheitszellen fördert Fluid-Seitenwand-Kontaktwechselwirkungen, indem das erste Fluid gezwungen wird, sich durch die inneren Durchgänge zu schlängeln, anstatt im Wesentlichen frei durch den Kernkörper zu fallen. Der Wärme- und/oder Stoffübergang erfolgt über die Fluid-Seitenwand-Wechselwirkungen. In einer Ausführungsform ist eine gegebene Einheitszelle in einer Zwischenreihe (z.B. 816b, 816c) mit Einheitszellen in den Reihen darüber und darunter verbunden. Die Einheitszelle kann optional nicht direkt fluidisch mit anderen Einheitszellen in derselben Reihe verbunden sein.
Die Einheitszellen des Kernkörpers können untereinander die gleiche Größe und Form haben, mit Ausnahme der peripheren Zellen entlang der Außenseite, die verzerrt sind, um die festgelegte Größe und Form des Kernkörpers beizubehalten. Die Seitenwände der Einheitszellen entlang der Außenseite des Kernkörpers können relativ zu der Seitenwandkrümmung entlang der inneren Einheitszellen flacher (z.B. weniger Krümmung) sein. Die Seitenwände an der Außenseite schließen die inneren Durchgänge, um die mechanische Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid aufrechtzuerhalten.
Der in 10 gezeigte Kernkörper hat beispielsweise weniger Einheitszellen in der Anordnung als der in 8 gezeigte Kernkörper, um zu demonstrieren, dass die Anzahl und Größe der Einheitszellen basierend auf anwendungsspezifischen Parametern ausgewählt werden können, wie z.B. der Menge an thermischer Energieübertragung, Fluidströmungswiderstand, Fluiddruckabfall und dergleichen. Der Kernkörper gemäß mindestens einer Ausführungsform ist so ausgebildet, dass er relativ große Einheitszellengrößen aufweist, um den Strömungswiderstand und den Druckabfall zu verringern und die Herstellungseffizienz zu erhöhen (z.B. weniger Material und Druck), während ausreichende Fluid-Seitenwand-Wechselwirkungen bereitgestellt werden, um die gewünschte Übertragungsleistung zu ermöglichen.
Die Seitenwände der Einheitszellen definieren mehrere Öffnungen 804, die Abschnitte der inneren Durchgänge durch die Einheitszellen darstellen. Beispielsweise kann das erste Fluid durch eine der Öffnungen der Zelle in eine jeweilige Einheitszelle eintreten und durch eine andere der Öffnungen aus der Einheitszelle austreten. In einer Ausführungsform sind die Öffnungen einer Einheitszelle mit anderen Einheitszellen verbunden, um die inneren Durchgänge durch den Kernkörper fluidisch zu verbinden. Jede Öffnung einer Einheitszelle kann mit einer anderen Einheitszelle in Fluidverbindung stehen, so dass drei Öffnungen einer ersten Einheitszelle mit einer zweiten Einheitszelle, einer dritten Einheitszelle bzw. einer vierten Einheitszelle verbunden sind. Die Seitenwände haben eine Kante 806, die sich um die Öffnungen der Zelle herum erstreckt. Die Kanten verschiedener Einheitszellen sind miteinander verbunden, um die inneren Durchgänge miteinander zu verbinden und die inneren Durchgänge von den äußeren Durchgängen abzudichten.
In einer Ausführungsform sind die Ränder verbundener Einheitszellen einstückig miteinander verbunden, um nahtlose Schnittstellen zwischen den Einheitszellen zu definieren. Beispielsweise kann der Kernkörper eine einzelne, monolithische Struktur sein, wobei die Einheitszellen an nahtlosen Schnittstellen miteinander verbunden sind. Die Materialzusammensetzung des Kernkörpers kann nach anwendungsspezifischen Faktoren ausgewählt werden. Beispielsweise können Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise ein oder mehrere Metallmaterialien, für Wärmeaustauschanwendungen der Übertragungsvorrichtung verwendet werden. Andere Arten von Materialien, wie Polymermaterialien, Keramikmaterialien oder Verbundmaterialien, können verwendet werden, um den Kernkörper für Filteranwendungen zu bilden, bei denen mindestens eine Komponente des ersten Fluids oder des zweiten Fluids in und/oder durch die Seitenwände der Einheitszellen übertragen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Kernkörper durch additive Fertigung hergestellt. Der Kernkörper wird durch sequentielles Abscheiden von Schichten aus Baumaterial zumindest teilweise übereinander in einer Baurichtung gebildet, um schließlich die in 10 gezeigte Struktur zu bilden. Das Baumaterial kann ein Pulver sein, das in einem Bett abgeschieden und dann selektiv erhitzt wird, um eine bestimmte Stelle, Größe und Form jeder Schicht gemäß einer Entwurfsdatei bereitzustellen. Alternativ kann das Baumaterial ein Filament sein, das erhitzt und durch einen beweglichen Effektorkopf selektiv aufgebracht wird, um die vorgesehene Stelle, Größe und Form jeder Schicht gemäß der Entwurfsdatei bereitzustellen. In der veranschaulichten Ausführungsform kann der Kernkörper in einer nach oben gerichteten Baurichtung 808 additiv hergestellt werden. Beispielsweise kann das untere Ende 810 anfänglich gebildet werden und nachfolgende Schichten werden übereinander gestapelt, bis schließlich das obere Ende 812 gebildet wird, um den Bauprozess abzuschließen.
11 ist eine Querschnittsansicht des in 10 gezeigten Kernkörpers. Die Querschnittsansicht in 11 ist entlang einer Ebene aufgenommen, die orthogonal zu der Ebene des oberen Endes des Kernkörpers in 10 ist, und die Querschnittsebene kann den Kernkörper halbieren. 11 zeigt die halbierte Ansicht von zwei vollständigen Einheitszellen, die durch gestrichelte Kreise angezeigt sind, und mehreren Teileinheitszellen. 11 zeigt vier Öffnungen 804, die durch die Seitenwände jeder der vollen Einheitszellen definiert sind. Beispielsweise sind zwei Öffnungen in oberen rechten und unteren linken Bereichen der Zelle im Querschnitt dargestellt, und zwei Öffnungen sind in oberen linken und unteren rechten Bereichen gezeigt, die sich tief in den Kernkörper erstrecken. In einer Ausführungsform haben Einheitszellen insgesamt sechs Öffnungen, und die anderen zwei sind in 11 aufgrund des Querschnitts weggelassen. Die sechs Öffnungen stellen Strömungskanäle bereit, um jede Einheitszelle mit sechs anderen Einheitszellen zu verbinden. Die Einheitszellen können in einer alternativen Ausführungsform eine unterschiedliche Anzahl von Öffnungen aufweisen.
Wie in den 10 und 11 gezeigt, haben die vollen Einheitszellen eine sphärische Form. Beispielsweise haben Teile der Seitenwand jeder Einheitszelle zwischen den Öffnungen eine konvexe Krümmung relativ zu einer Mitte der Einheitszelle, um eine Kugel zu definieren. Wahlweise können die Einheitszellen zumindest leicht länglich sein, um eine Ellipse oder ein Oval zu definieren.
Die Einheitszellen in benachbarten Reihen sind so versetzt, dass sich die inneren Durchgänge in schiefen Winkeln relativ zu den Reihenebenen und der vertikalen Höhe des Kernkörpers erstrecken, was die Fluid- und Seitenwandwechselwirkung fördert. Eine Linie 21, die sich von einem Mittelpunkt 822 einer ersten Einheitszelle zu dem Mittelpunkt 822 einer zweiten Einheitszelle erstreckt, die mit der ersten Einheitszelle verbunden ist, definiert einen Winkel 824, der nicht weniger als 30 Grad und nicht mehr als 60 Grad relativ zu den Reihenebenen (z.B. einer horizontalen Ebene) ist. Der Winkel gemäß einem bevorzugteren Bereich kann zwischen 35 Grad und 45 Grad liegen, wie beispielsweise zwischen 40 Grad und 42 Grad. Diese Winkel können ausgewählt werden, um eine ausreichende Bedruckbarkeit und Druckqualität des additiv hergestellten Kernkörpers sicherzustellen und auch um eine effiziente Zellreihenverpackung bereitzustellen.
Die Abmessungen der inneren Durchgänge und der äußeren Durchgänge variieren entlang ihrer Länge. Entlang der inneren Durchgänge definieren die Öffnungen die engsten oder begrenzenden Strömungsabmessungen 818. Die Öffnungen der Einheitszellen können größer als die engsten oder begrenzenden Strömungsabmessungen 820 in den äußeren Durchgängen sein. Die inneren Durchgänge können mehr Platz innerhalb des Kernkörpers einnehmen als die äußeren Durchgänge. Die Dimensionierung der Strömungsabmessungen und der Durchgänge kann basierend auf der Art der Fluide, die durch die Durchgänge fließen, und/oder der gewünschten Übertragung, die zwischen den Fluiden durch die Seitenwände auftritt, variiert werden. In einer Ausführungsform ist das erste Fluid durch die inneren Durchgänge ein heißes Gas und das zweite Fluid durch die äußeren Durchgänge ein kühleres Kühlmittel, wie etwa Wasser. In einer alternativen Ausführungsform können die Größen der Einheitszellen und/oder der Abstand zwischen den Einheitszellen geändert werden, so dass die Grenzströmungsabmessungen in den äußeren Durchgängen größer sind als die Grenzströmungsabmessungen in den inneren Durchgängen und/oder die äußeren Durchgänge mehr Platz im Kernkörper einnehmen als die inneren Durchgänge.
Die Einheitszellen umfassen ein konisches Merkmal oder einen Kegel 826, der zwischen mindestens einigen der Öffnungen der jeweiligen Einheitszelle angeordnet ist. Der Kegel 826 steht zum Mittelpunkt der Einheitszelle vor. Der Kegel hat eine Spitze 830, die sich zwischen dem Mittelpunkt der Zelle und dem Teil der Seitenwand an der Basis des Kegels befindet. Der Kegel 826 ist hohl, sodass der Abschnitt des Kegels entlang der Außenfläche der Seitenwand eine Vertiefung 828 definiert. Einige Vertiefungen der Kegel sind in der perspektivischen Ansicht von 10 dargestellt.
Der Kegel befindet sich an einer Basis der gekrümmten Einheitszelle. Beispielsweise kann der Kegel relativ zur Richtung der Schwerkraft am untersten Abschnitt der Einheitszelle angeordnet sein. In einer Ausführungsform ist der Kegel entlang einer Mittellinie der Einheitszelle angeordnet. Wenn die Einheitszelle gekrümmt ist, wie z.B. kugelförmig, verbessert das Ausbilden des Kegels an der Basis oder Unterseite der Einheitszelle die Bedruckbarkeit des Kernkörpers, ohne dass Stützstrukturen erforderlich sind. Wie beispielsweise in 11 gezeigt, sind die Basen der Zellen nicht gestützt. Das Bilden einer Biegung entlang der Seitenwand an der Basis vermeidet Probleme, die mit dem Drucken relativ flacher Oberflächen und/oder dem Nadir einer Kurve ohne Stützen verbunden sind. Die Kegel ermöglichen es den Einheitszellen, die im Allgemeinen sphärischen Formen beizubehalten, ohne Strukturen zu drucken, um während des Herstellungsprozesses Inseln von Baumaterial zu stützen. Die Kegel können auch verhindern, dass sich Fluid innerhalb der Seitenwände der Einheitszellen ansammelt. Beispielsweise würde das erste Fluid, wenn es eine Flüssigkeit ist, von dem Konus zu den Öffnungen laufen, die den Konus umgeben.
In einer Ausführungsform umfassen die Seitenwände der Einheitszellen auch ein zweites konisches Merkmal oder einen Kegel 832 entlang eines oberen Abschnitts der Einheitszellen. Der zweite Konus ist vom ersten Konus beabstandet und relativ zum ersten Konus zwischen einem anderen Satz von Öffnungen der Einheitszelle angeordnet. Der erste Kegel wird hier als unterer Kegel 830 bezeichnet und der zweite Kegel wird hier als oberer Kegel 832 bezeichnet. Der obere Kegel ist hohl und definiert eine Vertiefung 834. Der obere Kegel ragt relativ zum Kernkörper in die gleiche Richtung wie der untere Kegel. Beispielsweise ragen beide Kegel zum oberen Ende des Kernkörpers hin vor. Die Vertiefung des oberen Kegels ist entlang der Innenfläche der Seitenwand definiert. Der obere Konus kann optional kolinear mit dem unteren Konus sein. Der obere Konus kann enthalten sein, um die Druckbarkeit der Einheitszellen in dem Kernkörper zu verbessern, ähnlich wie der Einschluss des unteren Konus. Das Vorhandensein des oberen Konus kann einen relativ flachen Bereich an der Oberseite der gekrümmten Einheitszellen eliminieren, der ohne darunter liegende Träger schwierig zuverlässig zu drucken ist.
12 veranschaulicht eine erste Querschnittsansicht des Kernkörpers entlang der in 11 gezeigten Linie 12-12. 13 veranschaulicht eine zweite Querschnittsansicht des Kernkörpers entlang der in 11 gezeigten Linie 13-13. 14 veranschaulicht eine dritte Querschnittsansicht des Kernkörpers entlang der in 11 gezeigten Linie 14-14. 15 veranschaulicht eine vierte Querschnittsansicht des Kernkörpers entlang der in 11 gezeigten Linie 15-15. Die Darstellungen in den 12 bis 15 stellen Ansichten von oben nach unten des in 10 gezeigten Kernkörpers dar, der entlang unterschiedlicherparalleler Ebenen geschnitten ist. Wenn der Kernkörper von unten nach oben additiv gefertigt wird, können die in den 12 bis 15 gezeigten Schnitte unterschiedliche zeitliche Stadien des Bauprozesses anzeigen. Der Kernkörper wird unter Verwendung relativ dünner Seitenwände für eine Druckeffizienz gebildet, indem die zu druckende Materialmenge begrenzt wird, und um relativ große Durchgänge innerhalb und außerhalb der Zellen bereitzustellen, um den Fluidströmungswiderstand und den Druckabfall zu begrenzen.
Der in 12 gezeigte Abschnitt des Kernkörpers enthält einen Kreis 900 in der radialen Mitte und sechs Halbkreise 902, die den zentralen Kreis umgeben. Diese Formen stellen Teile von sieben Einheitszellen in einer ersten Reihe des Kernkörpers dar. Drei kleine kreisförmige Öffnungen 904 sind dreieckig um den zentralen Kreis herum angeordnet. Die kleinen Öffnungen stellen Teile der Grübchen der unteren Kegel von Einheitszellen dar, die in der darüber liegenden Reihe angeordnet sind. Die kreisförmigen Segmente 906 der Seitenwände, die die kleinen Öffnungen definieren, sind Teile der unteren Kegel, die in 11 gezeigt sind.
Der in 13 gezeigte Abschnitt des Kernkörpers enthält drei vollständige Einheitszellen und drei periphere Teil-Einheitszellen, die in einer zweiten Reihe über den Zellen in der ersten Reihe, die in 12 gezeigt ist, angeordnet sind. Die Einheitszellen in der zweiten Reihe sind durch die Schnittlinie 13-13 unterteilt. Die drei vollen Einheitszellen sind in einer dreieckigen Anordnung voneinander beabstandet. Die äußeren Durchgänge sind in den Zwischenräumen zwischen den Einheitszellen in der zweiten Reihe definiert. In einer Ausführungsform ist jede der vollen Einheitszellen auf mehreren Einheitszellen in der darunter liegenden Reihe aufgebaut und individuell (über Ränder der Öffnungen) mit diesen verbunden. Jede vollständige Einheitszelle kann über Abschnitten von drei darunter liegenden Einheitszellen angeordnet sein.
Innerhalb des kreisförmigen Umrisses jeder Einheitszelle befindet sich ein Abschnitt 910 der Seitenwand, der zwischen mehreren Öffnungen angeordnet ist. Dieser Abschnitt definiert die Basis oder den Boden der Einheitszelle und umfasst den unteren Konus. In 13 hat der sichtbare Teil der Seitenwand eine allgemein dreieckige Form und befindet sich zwischen drei Öffnungen. Die drei Öffnungen sind um 120 Grad entlang eines Umfangs der Einheitszelle beabstandet. Der untere Konus kann zentral und in gleichem Abstand zwischen den drei Öffnungen angeordnet sein, die um den dreieckigen Abschnitt herum angeordnet sind. Jede der drei Öffnungen, die in jeder der vollen Einheitszellen sichtbar sind, ist mit einer anderen Einheitszelle in der Reihe darunter fluidisch verbunden. Beispielsweise verbinden die Öffnungen jede Einheitszelle mit den drei darunter liegenden Einheitszellen, über die sich die jeweilige Einheitszelle zumindest teilweise erstreckt und überlappt. Wenn das erste Fluid durch den inneren Durchgang einer jeweiligen Einheitszelle fließt, wird das erste Fluid in drei verbundene Zellen dreigeteilt. 13 zeigt auch die Spitze des oberen Kegels der zentral angeordneten Einheitszelle.
Der in 14 gezeigte Abschnitt des Kernkörpers enthält drei vollständige Einheitszellen und drei periphere Teileinheitszellen in einer dritten Reihe, die oben auf den Zellen in der zweiten Reihe angeordnet sind. Die Anordnung der Einheitszellen in der dritten Reihe ist umgekehrt (z.B. relativ zu der Anordnung der Einheitszellen in der zweiten Reihe gedreht). Beispielsweise sind die drei vollständigen Einheitszellen in 14 ähnlich wie in 13 dreieckig angeordnet, aber das Dreieck ist relativ zur dreieckigen Anordnung in 13 um 180 Grad gedreht. In einer Ausführungsform weisen die Seitenwände der vollen Einheitszellen drei Öffnungen auf, die die jeweilige Einheitszelle mit drei verschiedenen Einheitszellen in der Reihe darüber fluidisch verbinden. Beispielsweise ist die Zelle 212a in der zweiten Reihe mit drei Zellen 212b, 212c, 212d in der dritten Reihe fluidisch verbunden. Die vollständigen Einheitszellen gemäß der dargestellten Ausführungsform umfassen insgesamt sechs Öffnungen, einschließlich drei Öffnungen, die mit Zellen in einer Reihe darunter verbunden sind, und drei Öffnungen, die mit Zellen in einer Reihe darüber verbunden sind. Das erste Fluid kann durch eine oder mehrere der Öffnungen in eine Einheitszelle eindringen und durch eine oder mehrere der anderen Öffnungen aus der Einheitszelle austreten.
15 ist eine Draufsicht des Kernkörpers, die das obere Ende zeigt. Die Oberseite des Kernkörpers umfasst mehrere, unvollständige Einheitszellen innerhalb einer vierten Reihe des Kernkörpers über den Einheitszellen in der dritten Reihe, die in 14 im Querschnitt gezeigt sind. Die in 15 gezeigten Einheitszellen haben eine ähnliche Anordnung und Form wie die in 12 gezeigten Einheitszellen in der ersten Reihe. In einer Ausführungsform weist jede Reihe von Einheitszellen in dem Kernkörper eine von drei Zellanordnungen auf, und die Reihen wechseln sich durch die drei Zellanordnungen in einem sich wiederholenden Muster entlang der Höhe des Kernkörpers ab. Die Einheitszellen können in einer alternativen Ausführungsform in einer anderen Anzahl sich wiederholender Konfigurationen angeordnet sein.
16 ist die Querschnittsansicht des in 11 gezeigten Kernkörpers mit vergrößerten Bereichen, die die oberen und unteren Kegel 832, 826 gemäß einer Ausführungsform zeigen. In der dargestellten Ausführungsform ist der untere Konus größer als der obere Konus. Beispielsweise ist die Basis des unteren Kegels breiter als die Basis des oberen Kegels. Der untere Kegel hat auch eine größere Höhe von der Basis bis zur Spitze als der obere Kegel. Die Vertiefung 828 des unteren Kegels hat ein größeres Volumen als die Vertiefung 834 des oberen Kegels. Der untere Konus kann aus Gründen der Bedruckbarkeit größer sein als der obere Konus. In einer alternativen Ausführungsform können die oberen und unteren Kegel die gleiche Größe haben oder die oberen Kegel können größer sein als die unteren Kegel.
Der Kernkörper kann durchgehend dünnwandig hergestellt werden. Beispielsweise können Wandstärken der Seitenwände auch an den dicksten Abschnitten kleiner als 3 mm sein. In einer Ausführungsform liegen die Seitenwanddicken zwischen 0,3 mm und 1,5 mm (einschließlich der Endpunkte). Der Durchmesser der Öffnungen kann deutlich größer sein als die Wandstärke, wie beispielsweise mindestens 3 mm. In einer Ausführungsform können die Öffnungen mindestens das Zehnfache der Wanddicke sein, wie beispielsweise bis zu 15 mm oder mehr. Die Dicke der Seitenwände kann optional innerhalb dieses relativ engen Bereichs variieren. Beispielsweise können die Seitenwände entlang des unteren Kegels dicker sein als die Segmente der Seitenwände, die sich von dem unteren Kegel erstrecken. Optional können die Seitenwände entlang des oberen Kegels auch dicker sein als die Segmente der Seitenwände, die sich von dem oberen Kegel erstrecken. Die Wanddicke des unteren Konus kann dicker sein als die Wanddicke des oberen Konus, um die größere Abmessung und größere Biegung des unteren Konus relativ zum oberen Konus zu unterstützen.
Die dünnen Wände ermöglichen es dem Kernkörper, relativ große Einheitszellen und Öffnungen aufzuweisen. Beispielsweise können die Einheitszellenabmessungen für Vollzellen, die entlang der Peripherie des Kernkörpers nicht verzerrt sind, zwischen 10 mm und 30 mm liegen. Bei den kugelförmigen Einheitszellen bezieht sich die Einheitszellenabmessung auf den Innendurchmesser der Seitenwände. In einem nicht einschränkenden Beispiel beträgt die Abmessung der Einheitszelle etwa 20 mm. Die Zellenabmessungen können auf der Grundlage anwendungsspezifischer Faktoren, wie z.B. Fluiddurchsatz und Übertragungseigenschaften, und nicht aufgrund von Überlegungen zur Bedruckbarkeit ausgewählt werden. Beispielsweise haben bekannte Kernkörper mit sich wiederholenden Geometrien deutlich kleinere Zellgrößen, um die Verwendung von internen Stützstrukturen innerhalb des Kernkörpers zu vermeiden, oder haben alternativ größere Zellgrößen, enthalten aber interne Stützstrukturen. Bekannte Kernkörper umfassen keine großen Zellengrößen ohne interne Stützstrukturen.
17 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens 1000 zum Erzeugen einer Übertragungsvorrichtung oder einer Komponente davon. Das Verfahren kann verwendet werden, um eine oder mehrere Ausführungsformen der hierin gezeigten und/oder beschriebenen Übertragungsvorrichtung zu erzeugen. Das Verfahren kann durch ein additives Fertigungssystem durchgeführt werden, wie etwa ein dreidimensionales Drucksystem, das die Übertragungsvorrichtung automatisch unter Verwendung einer Eingabedatei, wie etwa einer STL-, OBJ-, AMF-, 3MF- oder dergleichen Datei, druckt. Bei Schritt 1002 wird eine Materialschicht auf eine Arbeitsfläche aufgebracht. Beispielsweise kann eine erste Materialschicht, die zum Bilden der Übertragungsvorrichtung verwendet wird, aus einem oder mehreren Filamenten auf eine Arbeitsfläche gedruckt werden. Bei Schritt 1004 wird eine zusätzliche Materialschicht auf der darunterliegenden Materialschicht abgeschieden. Diese zusätzliche Schicht kann zumindest teilweise auf die Materialschicht gedruckt werden, die vor dieser zusätzlichen Schicht aufgebracht wurde. Bei Schritt 1006 wird eine Entscheidung getroffen, ob die Herstellung der Übertragungsvorrichtung abgeschlossen ist. Wenn zusätzliche Schichten aufgebracht werden müssen, um das Bilden der gesamten Übertragungsvorrichtung abzuschließen, kann der Ablauf des Verfahrens zu Schritt 1004 zurückkehren, so dass eine oder mehrere zusätzliche Schichten wie oben beschrieben aufgebracht werden können (bis die Erzeugung der Übertragungsvorrichtung abgeschlossen ist). Die Schichten können sequentiell zumindest teilweise übereinander abgeschieden werden, um die Formen der Schale, der flexiblen Membran und des Kernkörpers zu bilden. Mit „zumindest teilweise“ ist gemeint, dass die gesamte Schicht oder weniger als die gesamte Schicht auf eine darunter liegende Schicht gedruckt werden kann. Wenn die Erstellung der Übertragungsvorrichtung abgeschlossen ist, kann der Ablauf des Verfahrens mit Schritt 1008 fortfahren. Bei Schritt 1008 wird die Übertragungsvorrichtung von der Arbeitsfläche entfernt. Die Übertragungsvorrichtung kann dann verwendet werden, um wie oben beschrieben Energie und/oder Komponenten zwischen Fluiden zu übertragen.
Optional kann das Verfahren 1000 verwendet werden, um eine Komponente der Übertragungsvorrichtung, wie beispielsweise den Kernkörper, zu bilden, ohne mindestens eine andere Komponente der Übertragungsvorrichtung zu bilden. Beispielsweise kann ein Kernkörper additiv hergestellt werden, indem Materialschichten zumindest teilweise in einer Aufbaurichtung sequentiell übereinander abgeschieden werden. Die additive Fertigung kann durch ein dreidimensionales Drucksystem gemäß Anweisungen in einer eingegebenen Designdatei durchgeführt werden, um den Kernkörper gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen herzustellen. Beispielsweise kann das Verfahren durchgeführt werden, um den in den 10 bis 16 gezeigten Kernkörper zu drucken.
Geeignete Prozesse umfassen zum Beispiel Laser-Pulverbettschmelzen, Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen, gerichtete Energieabscheidung (DED) und Binder-Jetting. Beim Laser-Pulverbettschmelzen wird eine Pulverschicht auf eine Bauplatte aufgetragen und mit einem Ytterbium-Faserlaser, der ein CAD-Muster scannt, ausgewählte Teile der Leistung fusioniert. Das Laserpulverbettschmelzen kann selektives Laserschmelzen oder Sintern umfassen. Zumindest Teile des Kernkörpers und/oder der Übertragungsvorrichtung könnten unter Verwendung von DED gedruckt werden, das mit einer sehr schnellen Geschwindigkeit druckt. Bindemittel-Jetten (Binder Jetting) erzeugt ein Teil durch Interkalieren von Metallpulver und Polymerbindemittel, das die Partikel und Schichten ohne die Verwendung von Lasererwärmung miteinander verbindet. Das Material des Kernkörpers kann zumindest teilweise basierend auf dem vorgeschlagenen Verfahren der additiven Fertigung ausgewählt werden. Beispielsweise können die Bindemittel-Jet-Materialien, die das Bindemittel und das Metall (oder Keramik oder Cermet) umfassen, die Grünform herstellen (z.B. die Form vor dem Sintern). Die Grünform kann die endgültige Form haben oder so geformt sein, dass die gesinterte Form die endgültige Form ist.
Der Kernkörper der Übertragungsvorrichtung gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen ist eine dreidimensionale Struktur mit einem Netz aus miteinander verbundenen Einheitszellen, die in einem regelmäßigen, sich wiederholenden Muster angeordnet sind. Eigenschaften und Merkmale des Kernkörpers können basierend auf anwendungsspezifischen Parametern und gewünschter Funktionalität ausgewählt werden. Beispielsweise können Eigenschaften wie die Form einzelner (und wiederholter) Zellen innerhalb der Struktur ausgewählt werden, um die strukturelle Festigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, das Durchflussvolumen oder den Durchsatz durch den Kernkörper, den Oberflächenbereich für Fluid-Membran-Wechselwirkungen und dergleichen zu erhöhen. Optional können die Winkel oder Neigungen der Seitenwände, die Dicke der Seitenwände, die Materialzusammensetzung der Seitenwände, die Größe der Seitenwände und andere Eigenschaften der Seitenwände wie die Dichte, relative Dichte, Porosität oder dergleichen ausgewählt werden, um eine gewünschte Festigkeit, Leitfähigkeit, Oberfläche, Dichte, Wärmeableitungsfähigkeit usw. zu erhalten. Die relative Dichte stellt die Dichte des Materials dividiert durch die Dichte des Kernkörpers dar. Die Porosität stellt ein Maß für die Menge an Hohlraummaterial (z.B. Luft) dar, die das Volumen einnimmt.
Die Eigenschaften können im gesamten Kernkörper einheitlich sein. Alternativ können entlang der Höhe, der radialen Dicke oder dergleichen des Kernkörpers variieren, so dass sich eine oder mehrere Eigenschaften in einem Bereich des Kernkörpers von einem anderen Bereich des Kernkörpers unterscheiden können. Einheitszellen können in Form, Größe, Dicke oder Abstand über die Kernstruktur hinweg variieren, um die Leistungseigenschaften des Wärmetauschers zu verbessern. Beispielsweise können die Einheitszellengrößen (z.B. Durchmesser), Öffnungsdurchmesser, Abstand zwischen Einheitszellen, Verhältnisse zwischen den Größen der inneren Durchgänge und der äußeren Durchgänge und/oder Seitenwanddicken selektiv variiert werden, um Fluidströmung, Wärmeübertragung, Materialübertragung (z.B. Filtern) in und/oder durch die Seitenwände und/oder dergleichen zu steuern. Das Variieren des Strömungswiderstands kann dazu beitragen, Fluid in Bereiche zu verteilen, die von Natur aus weniger Fluidfluss erhalten als andere Bereiche. In einem nicht einschränkenden Beispiel können die Einheitszellen, die näher an der radialen Mitte des Kernkörpers liegen, kleiner oder näher beieinander sein als die Einheitszellen, die näher an der Peripherie oder Außenseite des Kernkörpers liegen. Die kleinen Größen können den Strömungswiderstand durch die mehr zentral angeordneten inneren Durchgänge und/oder äußeren Durchgänge erhöhen, was mehr Fluid zur Peripherie hin zwingen kann.
Der Kernkörper kann aus mindestens einem Kunststoff-, Keramik- und/oder Metallmaterial gebildet sein. Das Kunststoffmaterial kann ein Epoxidharz, einen Vinylester, ein duroplastisches Polyesterpolymer (z.B. Polyethylenterephthalat (PET)), Polypropylen oder dergleichen umfassen oder darstellen. Das Keramikmaterial kann Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder dergleichen umfassen oder darstellen. Das Metallmaterial kann Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, Edelstahl, Nickellegierungen oder dergleichen umfassen oder darstellen. Der Kernkörper kann ein Verbundstoff sein, der eine Mischung aus mehreren Materialien enthält, wie beispielsweise ein Kunststoff mit einer Keramik, eine Keramik mit einem Metall (als Cernet-Verbundmaterial bekannt) und/oder ein Kunststoff mit einem Metall. Optional kann der Kernkörper einen verstärkten Verbundstoff darstellen, beispielsweise einen faserverstärkten Kunststoff. Der faserverstärkte Kunststoff kann eingebettete Fasern in einer Matrixschicht des Kunststoffs enthalten. Die Fasern können Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern (z.B. Kevlar®), Basaltfasern, natürlich vorkommende biologische Fasern wie Bambus und/oder dergleichen sein. Der verstärkte Verbundstoff kann mit anderen Materialformen als Fasern verstärkt werden, wie beispielsweise einem Pulver oder Streifen in anderen Ausführungsformen. Die Verstärkungen können in jeden der oben aufgeführten Kunststoffe eingebettet werden. Das Cernet-Verbundmaterial kann aus irgendeiner der oben aufgeführten Keramiken und Metalle zusammengesetzt sein. Für den additiven Druckprozess können die Materialien in Partikelform bereitgestellt werden, wie beispielsweise in einem Pulver, und das Drucksystem verschmilzt die Partikel selektiv miteinander, um jede Schicht des festen Bauteils zu bilden.
Das additive Fertigungssystem und/oder Nachdruckinstrumente können gesteuert werden, um den Kernkörper mit einer spezifischen Oberflächenbeschaffenheit zu versehen, die beeinflusst, wie der Kernkörper mit den Fluiden interagiert, die durch den Kernkörper fließen. Beispielsweise kann eine rauere Oberflächenbeschaffenheit den Strömungswiderstand erhöhen, die Wärmeübertragung erhöhen und/oder die Materialübertragung durch die Seitenwände relativ zu glatteren Oberflächenbeschaffenheiten erhöhen. Optional kann die Oberflächenbeschaffenheit entlang des Kernkörpers variiert werden, um den Fluidfluss und/oder die Übertragungsbedingungen im gesamten Kernkörper selektiv zu steuern.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst eine Wärmeübertragungsvorrichtung eine Außenschale, einen inneren Wärmeübertragungskernkörper und eine flexible Membrankopplung, die sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt. Die Schale umfasst einen ersten Einlass, der ein erstes Fluid aufnehmen kann, einen zweiten Einlass, der ein zweites Fluid aufnehmen kann, einen ersten Auslass, durch den das erste Fluid aus der Schale geleitet wird, und einen zweiten Auslass, durch den das zweite Fluid aus der Schale geleitet wird. Der Kernkörper bildet erste innere Durchgänge und zweite innere Durchgänge, die voneinander getrennt sind. Die ersten inneren Durchgänge koppeln den ersten Einlass fluidisch mit dem ersten Auslass, und die zweiten inneren Durchgänge koppeln fluidisch den zweiten Einlass mit dem zweiten Auslass. Die flexible Membran bildet einen flexiblen Übergang zwischen dem ersten Einlass und dem zweiten Einlass der Schale und des Kernkörpers. Die flexible Membran bildet auch eine Dichtung, die verhindert, dass das erste Fluid, das durch die ersten inneren Durchgänge fließt, in die zweiten inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt.
Die flexible Membran kann von der Schale zum Kernkörper eine gekrümmte konische Form haben. Die flexible Membran kann sich von der Innenfläche der Schale nach innen zum Kernkörper erstrecken. Die flexible Membran kann mit der Innenfläche der Schale verbunden sein und kann eine innere Ausrundung und eine äußere Ausrundung auf gegenüberliegenden Seiten einer Grenzfläche zwischen der flexiblen Membran und der Schale aufweisen. Die innere Ausrundung kann einen kleineren Krümmungsradius aufweisen als die äußere Ausrundung.
Die Schale, der Kernkörper und die flexible Membran können ein einzelner, monolithischer Körper sein. Die flexible Membran kann dünner sein als die Außenschale. Eine Innenfläche der flexiblen Membran, die dem Kernkörper zugewandt ist, kann in einem Winkel von weniger als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale orientiert sein. Eine dem Kernkörper abgewandte Außenfläche der flexiblen Membran kann in einem Winkel von mehr als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale ausgerichtet sein.
Der Kernkörper kann Wärmeenergie zwischen dem in den ersten inneren Durchgängen strömenden ersten Fluid und dem in den zweiten inneren Durchgängen strömenden zweiten Fluid übertragen, ohne dass sich das erste Fluid mit dem zweiten Fluid vermischt. Die ersten inneren Durchgänge des Kernkörpers können sich zwischen der flexiblen Membran und der Innenfläche der Außenschale erstrecken.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst eine Wärmeübertragungsvorrichtung einen monolithischen Körper, der aus einer Außenschale, einem inneren Wärmeübertragungskernkörper und einer flexiblen Membrankopplung gebildet ist und sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt. Der Kernkörper hat erste innere Durchgänge und zweite innere Durchgänge, die von den ersten inneren Durchgängen getrennt sind. Der Kernkörper kann Wärmeenergie zwischen einem ersten Fluid, das in den ersten inneren Durchgängen strömt, und einem zweiten Fluid, das in den zweiten inneren Durchgängen strömt, übertragen, ohne dass sich das erste Fluid mit dem zweiten Fluid vermischt. Die flexible Membran bildet einen flexiblen Übergang zwischen dem ersten Einlass und dem zweiten Einlass der Schale und des Kernkörpers. Die flexible Membran bildet auch eine Dichtung, die verhindert, dass das erste Fluid in die zweiten inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt.
Die flexible Membran kann von der Schale zum Kernkörper eine gekrümmte konische Form haben. Die flexible Membran kann sich von der Innenfläche der Schale nach innen zum Kernkörper erstrecken. Die flexible Membran kann mit der Innenfläche der Schale verbunden sein und kann eine innere Ausrundung und eine äußere Ausrundung auf gegenüberliegenden Seiten einer Grenzfläche zwischen der flexiblen Membran und der Schale aufweisen. Die innere Ausrundung kann einen kleineren Krümmungsradius aufweisen als die äußere Ausrundung.
Die Schale, der Kernkörper und die flexible Membran können ein einzelner, monolithischer Körper sein. Die flexible Membran kann dünner sein als die Außenschale. Eine Innenfläche der flexiblen Membran, die dem Kernkörper zugewandt ist, kann in einem Winkel von weniger als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale ausgerichtet sein, und eine Außenfläche der flexiblen Membran, die von dem Kernkörper abgewandt ist, kann in einem Winkel von mehr als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale orientiert sein.
In einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren das additive Herstellen einer Wärmeübertragungsvorrichtung durch sequentielles Abscheiden von Materialschichten übereinander, um einen Körper zu bilden, der eine Außenschale, einen inneren Wärmeübertragungskernkörper und eine flexible Membrankopplung aufweist und sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt. Die Schichten werden nacheinander abgeschieden, um die Schale mit einem ersten Einlass, der dazu konfiguriert ist, ein erstes Fluid aufzunehmen, einem zweiten Einlass, der konfiguriert ist, um ein zweites Fluid aufzunehmen, einem ersten Auslass, durch den das erste Fluid aus der Schale geleitet wird, und einem zweiten Auslass, durch den das zweite Fluid aus der Schale geleitet wird, zu bilden. Die Schichten werden nacheinander aufgebracht, um die flexible Membran als einen flexiblen Übergang zwischen jedem des ersten Einlasses und des zweiten Einlasses der Schale und des Kernkörpers zu bilden. Die Schichten werden nacheinander aufgebracht, um die flexible Membran als Dichtung zu bilden, die verhindert, dass das erste Fluid in die zweiten inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt.
Die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ schließen Bezugnahmen auf den Plural ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. „Optional“ oder „wahlweise“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der Umstand eintreten kann oder nicht, und dass die Beschreibung Fälle enthalten kann, in denen das Ereignis eintritt, und Fälle, in denen es nicht eintritt. Annäherungssprache, wie sie hier in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, kann angewendet werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die zulässigerweise variieren könnte, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion zu führen, auf die sie sich beziehen kann. Dementsprechend ist ein Wert, der durch einen Begriff oder Begriffe wie „etwa“, „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ modifiziert wird, möglicherweise nicht auf den angegebenen genauen Wert beschränkt. Zumindest in einigen Fällen kann die Annäherungssprache der Genauigkeit eines Instruments zum Messen des Werts entsprechen. Hier und in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen können Bereichsbeschränkungen kombiniert und/oder ausgetauscht werden, solche Bereiche können identifiziert werden und alle darin enthaltenen Unterbereiche umfassen, sofern Kontext oder Sprache nichts anderes angeben.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Ausführungsformen zu offenbaren, einschließlich des besten Modus, und um es einem Durchschnittsfachmann zu ermöglichen, die Ausführungsformen zu praktizieren, einschließlich der Herstellung und Verwendung beliebiger Vorrichtungen oder Systeme und der Durchführung beliebiger integrierter Verfahren. Die Ansprüche definieren den patentierbaren Umfang der Offenbarung und schließen andere Beispiele ein, die dem Durchschnittsfachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen im Umfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Abweichungen von der wörtlichen Sprache der Ansprüche enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/176987 [0001]
US 16/899331 [0001]
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US 10175003 [0001]

Claims

Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend: eine Außenschale, einen inneren Wärmeübertragungskernkörper und eine flexible Membrankopplung, die sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt, wobei die Schale einen ersten Einlass, der dazu konfiguriert ist, ein erstes Fluid aufzunehmen, einen zweiten Einlass, der dazu konfiguriert ist, ein zweites Fluid aufzunehmen, einen ersten Auslass, durch den das erste Fluid aus der Schale geleitet wird, und einen zweiten Auslass, durch den das zweite Fluid aus der Schale geleitet wird, beinhaltet, wobei der Kernkörper erste innere Durchgänge und zweite innere Durchgänge bildet, die voneinander getrennt sind, die ersten inneren Durchgänge den ersten Einlass fluidisch mit dem ersten Auslass koppeln, die zweiten inneren Durchgänge den zweiten Einlass fluidisch mit dem zweiten Auslass koppeln, wobei die flexible Membran einen flexiblen Übergang zwischen jedem des ersten Einlasses und des zweiten Einlasses der Schale und des Kernkörpers bildet, wobei die flexible Membran auch eine Dichtung bildet, die verhindert, dass das erste Fluid, das durch die ersten inneren Durchgänge fließt, in die zweiten inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die flexible Membran eine gekrümmte konische Form von der Schale zu dem Kernkörper hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die flexible Membran von der Innenfläche der Schale nach innen zum Kernkörper erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die flexible Membran mit der Innenfläche der Schale verbunden ist und eine innere Ausrundung und eine äußere Ausrundung auf gegenüberliegenden Seiten einer Grenzfläche zwischen der flexiblen Membran und der Schale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die innere Ausrundung einen kleineren Krümmungsradius als die äußere Ausrundung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schale, der Kernkörper und die flexible Membran ein einzelner, monolithischer Körper sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die flexible Membran dünner als die Außenschale ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Innenfläche der flexiblen Membran, die dem Kernkörper zugewandt ist, in einem Winkel von weniger als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Außenfläche der flexiblen Membran, die von dem Kernkörper abgewandt ist, in einem Winkel von mehr als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kernkörper so konfiguriert ist, dass er Wärmeenergie zwischen dem in den ersten inneren Durchgängen strömenden ersten Fluid und dem in den zweiten inneren Durchgängen strömenden zweiten Fluid überträgt, ohne dass sich das erste Fluid mit dem zweiten Fluid vermischt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei sich die ersten inneren Durchgänge des Kernkörpers zwischen der flexiblen Membran und der Innenfläche der Außenschale erstrecken.
Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend: einen monolithischen Körper, der aus einer Außenschale, einem inneren Wärmeübertragungskernkörper und einer flexiblen Membrankopplung gebildet ist und sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt, wobei der Kernkörper erste innere Durchgänge und zweite innere Durchgänge aufweist, die von den ersten inneren Durchgängen getrennt sind, und der Kernkörper dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie zwischen einem ersten Fluid, das in den ersten inneren Durchgängen strömt, und einem zweiten Fluid, das in den zweiten inneren Durchgängen strömt, zu übertragen, ohne dass sich das erste Fluid mit dem zweiten Fluid vermischt, wobei die flexible Membran einen flexiblen Übergang zwischen jedem des ersten Einlasses und des zweiten Einlasses der Schale und des Kernkörpers bildet, wobei die flexible Membran auch eine Dichtung bildet, die verhindert, dass das erste Fluid in die zweiten inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die flexible Membran eine gekrümmte konische Form von der Schale zu dem Kernkörper hat.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei sich die flexible Membran von der Innenfläche der Schale nach innen zum Kernkörper erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die flexible Membran an die Innenfläche der Schale angrenzt und eine innere Ausrundung und eine äußere Ausrundung auf gegenüberliegenden Seiten einer Grenzfläche zwischen der flexiblen Membran und der Schale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die innere Ausrundung einen kleineren Krümmungsradius als die äußere Ausrundung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Schale, der Kernkörper und die flexible Membran ein einzelner, monolithischer Körper sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die flexible Membran dünner als die Außenschale ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei eine Innenfläche der flexiblen Membran, die dem Kernkörper zugewandt ist, in einem Winkel von weniger als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale orientiert ist und eine Außenfläche der flexiblen Membran, die von dem Kernkörper abgewandt ist, in einem Winkel von mehr als fünfundvierzig Grad zur Innenfläche der Außenschale orientiert ist.
Verfahren, umfassend: additive Fertigung einer Wärmeübertragungsvorrichtung durch sequentielles Abscheiden von Materialschichten übereinander, um einen Körper zu bilden, der eine Außenschale, einen inneren Wärmeübertragungskernkörper und eine flexible Membrankopplung aufweist und sich von dem Kernkörper zu einer Innenfläche der Außenschale erstreckt, wobei die Schichten nacheinander abgeschieden werden, um die Schale mit einem ersten Einlass, der dazu konfiguriert ist, ein erstes Fluid aufzunehmen, einem zweiten Einlass, der dazu konfiguriert ist, ein zweites Fluid aufzunehmen, einem ersten Auslass, durch den das erste Fluid aus der Schale geleitet wird, und einem zweiten Auslass, durch den das zweite Fluid aus der Schale geleitet wird, zu bilden, wobei die Schichten nacheinander abgeschieden werden, um die flexible Membran als einen flexiblen Übergang zwischen jedem des ersten Einlasses und des zweiten Einlasses der Schale und des Kernkörpers zu bilden, wobei die Schichten nacheinander abgeschieden werden, um die flexible Membran als eine Dichtung zu bilden, die verhindert, dass das erste Fluid in die zweiten inneren Durchgänge des Kernkörpers fließt.