ES2877450T3

ES2877450T3 - Intercambiador de calor

Info

Publication number: ES2877450T3
Application number: ES16849190T
Authority: ES
Inventors: Yasir Arafat
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: WO2017052798A1; EP3353484A4; EP3353484B1; JP6777731B2; JP2018528382A; CN108027222A; KR20180049136A; EP3353484A1; US20170089643A1; KR102612317B1

Abstract

Un intercambiador de calor compacto (4) que comprende: una pluralidad de capas (12A, 12B, 12C) fijadas unas a las otras y formadas por medio de fabricación aditi- va colocando capas sucesivas de partículas unas sobre otras y aplicando selectivamente una forma de energía concentrada a cada capa de partículas para fusionar algunas de las partículas unas a las otras y/o a otra capa y formar juntas un núcleo (6) y un aparato colector; el núcleo tiene formados en el mismo una pluralidad de canales (16), la pluralidad de canales comprende un número de primeros canales (20) y un número de segundos canales (22), estando al menos una parte del número de primeros canales posicionados para estar en relación de transferencia de calor con al menos una parte del número de segundos canales; el aparato colector que comprende al menos un primer colector (29A) que está en comunicación de fluido con al menos algunos de los canales de la pluralidad de canales; el al menos primer colector tiene un extremo de canal (32A) y un extremo de conexión (36A), el extremo de canal está situado adyacente al núcleo e incluye un número de conexiones de flujo (44A) que están en co- municación de fluido directa con los al menos algunos de los canales, el extremo de conexión tiene una abertura (40) que está estructurada para conectarse en comunicación de fluido con otra estructura de flujo, el al menos un colector comprende un paso de flujo (38A) que se extiende entre el extremo de canal y el ex- tremo de conexión y que permite la comunicación de fluido entre el número de conexiones de flujo y la aber- tura; y se caracteriza porque al menos una de las capas de la pluralidad de capas es una capa que comprende al menos una porción del núcleo que tiene formada en la misma al menos una porción de un canal de la pluralidad de canales y que además comprende una porción del al menos primer colector que incluye al menos una porción de la aber- tura y que tiene formada en ella al menos una porción del paso de flujo; en el que el al menos primer colector comprende un número de directores de flujo (54, 56), y en el que el paso de flujo comprende una pluralidad de porciones de paso de flujo (46, 48, 50) que se extienden juntas entre la abertura y un canal correspondiente del al menos algunos de los canales y que permiten el flujo de fluido entre ellos, el al menos un primer director de flujo del número de directores de flujo está situado adya- cente al núcleo y entre un par de primeros canales del número de primeros canales, teniendo el al menos primer director de flujo una superficie externa (60), formando una porción de la superficie externa al menos una parte de una porción de paso de flujo de la pluralidad de porciones de paso de flujo que está en comu- nicación de fluido con un primer canal del par de primeros canales.

Description

DESCRIPCIÓN

Intercambiador de calor

Antecedentes

1. Campo

El concepto divulgado y reivindicado se refiere en general a intercambiadores de calor compactos y, más en particu lar, re refiere a un intercambiador de calor compacto formado por medio de fabricación aditiva.

2. Técnica relacionada

Los intercambiadores de calor típicamente incluyen cada uno un tramo caliente que recibe un fluido a una primera temperatura y un tramo frío que recibe un fluido separado a una segunda temperatura más baja, estando los dos tramos en relación de transferencia de calor uno con el otro para hacer que el calor del fluido del tramo caliente se transfiera al fluido del tramo frío. Aunque los intercambiadores de calor han sido generalmente eficaces para sus fines previstos, no han estado exentos de limitaciones.

Puesto que un intercambiador de calor compacto implica algún tipo de interfaz, tal como una formada por metal u otro material conductor del calor, entre el fluido relativamente más caliente y el fluido relativamente más frío, la pro pia interfaz experimenta tensiones, tanto por las diferencias térmicas y las diferencias de presión entre los dos flui dos como por otros factores. Estas tensiones pueden ser perjudiciales para la resistencia a largo plazo del intercam biador de calor compacto. Sin embargo, las metodologías de fabricación actuales han tenido un éxito limitado a la hora de proteger de forma rentable los intercambiadores de calor compactos contra la deformación y los daños debi dos a tales tensiones.

Además, la eficiencia de cualquier intercambiador de calor compacto depende, entre otros factores, de las configu raciones de los canales de flujo en el tramo caliente y en el tramo frío. Las metodologías de fabricación conocidas de los intercambiadores de calor compactos han puesto límites a las formas en las que se pueden configurar los cana les, con el resultado de que los intercambiadores de calor compactos han tenido un rendimiento limitado. Por lo tanto, serían deseables mejoras. El documento EP 2636982 divulga un intercambiador de calor de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Sumario

Un intercambiador de calor mejorado está formado a partir de una pluralidad de capas muy finas que se adhieren unas a las otras y que son formadas por medio de fabricación aditiva. Una fabricación aditiva de este tipo permite optimizar las configuraciones de los canales de flujo del intercambiador de calor y las disposiciones de tales canales de flujo para mejorar el rendimiento de la transferencia de calor, para mejorar la resistencia a las tensiones térmicas y mecánicas, y para la optimización basada en otros factores tales como el entorno en el que se situará el intercam biador de calor.

Como consecuencia, un aspecto del concepto divulgado y reivindicado es proporcionar un intercambiador de calor mejorado formado por una pluralidad de capas que se fijan unas a las otras por medio de fabricación aditiva.

Otro aspecto del concepto divulgado y reivindicado es proporcionar un intercambiador de calor que tenga canales optimizados para la transferencia de calor.

Otro aspecto del concepto divulgado y reivindicado es proporcionar un intercambiador de calor mejorado que tenga canales optimizados para reducir las tensiones térmicas y mecánicas en el mismo.

Otro aspecto del concepto divulgado y reivindicado es proporcionar un intercambiador de calor mejorado que se forma a partir de una pluralidad de capas fijadas unas a las otras, en el que una capa incluye una de las siguientes: menos de la totalidad de un colector del intercambiador de calor, una porción de un núcleo que tiene al menos una porción de un primer canal y al menos una porción de un segundo canal que están aislados fluidamente uno del otro o al menos una porción de un canal y al menos una porción de un colector.

En consecuencia, un aspecto del concepto divulgado y reivindicado consiste en proporcionar un intercambiador de calor compacto mejorado en el que se pueda afirmar en general que incluye una pluralidad de capas fijadas unas a las otras y que forman conjuntamente un aparato de núcleo y colector, teniendo formado en el núcleo una pluralidad de canales, comprendiendo la pluralidad de canales un número de primeros canales y un número de segundos ca nales, estando posicionada al menos una porción del número de primeros canales para encontrarse en relación de transferencia de calor con al menos una porción del número de segundos canales, comprendiendo el aparato al menos un primer colector que está en comunicación de fluido con al menos algunos de los canales del número de canales, teniendo el primer colector al menos un extremo de canal y un extremo de conexión, estando situado el extremo de canal adyacente al núcleo e incluyendo un número de conexiones de flujo que están en comunicación de fluido directa con al menos algunos de los canales, teniendo el extremo de conexión una abertura que está estructu rada para ser conectada en comunicación de fluido con otra estructura de flujo, comprendiendo el al menos un co lector un paso de flujo que se extiende entre el extremo de canal y el extremo de conexión y que permite la comuni cación de fluido entre el número de conexiones de flujo y la abertura. Al menos una de las capas de la pluralidad de capas es al menos una de entre: una capa que puede establecer en general que incluye una porción pero menos que la totalidad de el al menos primer colector y que tiene formada en la misma al menos una porción del paso de flujo, una capa que se puede establecer en general que incluye al menos una porción del núcleo que tiene formada en la misma al menos una porción de un primer canal y al menos una porción de un segundo canal que están aisla dos fluidamente uno del otro, y una capa que, en general, puede considerarse que incluye al menos una porción del núcleo que tiene formada en la misma al menos una porción de un canal de la pluralidad de canales y que compren de además una porción del al menos primer colector y que tiene formada en la misma al menos una porción del paso de flujo.

Breve descripción de los dibujos

Una mayor comprensión del concepto divulgado y reivindicado puede obtenerse de la siguiente descripción cuando se lee en conjunto con los dibujos que se acompañan, en los que:

la figura 1 es una vista en perspectiva de un intercambiador de calor compacto mejorado de acuerdo con una primera realización del concepto divulgado y reivindicado;

la figura 2 es una vista en despiece ordenado del intercambiador de calor de la figura 1;

la figura 3 es una representación de la trayectoria del flujo de fluido de un primer tramo y de un segundo tramo del intercambiador de calor de la figura 1 situados en relación de transferencia de calor;

la figura 4 es una vista en sección típica tomada a lo largo de la línea 4-4 de la figura 1;

la figura 5 es una vista similar a la figura 4, excepto que representa una vista en sección de un intercambia dor de calor compacto mejorado de acuerdo con una segunda realización del concepto divulgado y reivindi cado;

la figura 6 es una vista similar a la figura 5, excepto que representa una vista en sección de un intercambia dor de calor mejorado de acuerdo con una tercera realización del concepto divulgado y reivindicado;

la figura 7 es una vista similar a la figura 4, excepto que representa una vista en sección de un intercambia dor de calor mejorado de acuerdo con una cuarta realización del concepto divulgado y reivindicado;

la figura 8 es una representación esquemática de un intercambiador de calor compacto mejorado de acuer do con una quinta realización del concepto divulgado y reivindicado;

la figura 9 es una vista extrema del intercambiador de calor de la figura 8;

la figura 10 es una representación de los canales de flujo del intercambiador de calor compacto de la figura 8;

la figura 11 es otra vista de los canales de flujo que se representan en la figura 10; y

la figura 12 es una representación esquemática de un intercambiador de calor compacto mejorado de acuerdo con una sexta realización del concepto divulgado y reivindicado.

Los números similares se refieren a partes similares en toda la memoria descriptiva.

Descripción

En las figuras 1 y 2 se muestra un intercambiador de calor compacto mejorado 4 de acuerdo con una primera reali zación del concepto divulgado y reivindicado. El intercambiador de calor compacto 4 se forma por medio de fabrica ción aditiva. De acuerdo con la invención, la fabricación aditiva se realiza colocando capas sucesivas de partículas metálicas en polvo u otros tipos de partículas unas sobre otras y se aplica selectivamente un láser, un haz de iones u otra forma de energía concentrada a cada capa de partículas metálicas para fusionar algunas de las partículas metálicas juntas y/o a otra capa. Al terminar, la pila de capas de partículas metálicas suele incluir algunas partículas metálicas que se han fusionado para formar un producto resultante y otras partículas metálicas que no se han fusio nado. La aplicación de una ráfaga de aire comprimido a la pila de capas de partículas metálicas elimina las partícu las metálicas no fundidas de las partículas metálicas fundidas para dar lugar a un producto acabado. Si se desea, el producto acabado puede someterse a un procesamiento adicional por medio de sinterización u otro proceso para reducir la porosidad inherente a la fabricación aditiva. Como se expondrá con más detalle a continuación, el uso novedoso e inventivo de la fabricación aditiva para formar el intercambiador de calor 4 permite ventajosamente con figurar el intercambiador de calor 4 para optimizar la transferencia de calor y/o optimizar la resistencia a las tensio nes térmicas y mecánicas y/o otras optimizaciones.

Se puede decir que el intercambiador de calor mejorado 4 incluye un núcleo 6 y un aparato colector 8 que se forman conjuntamente in situ como parte de un proceso de fabricación aditiva. Es decir, el intercambiador de calor 4 com prende una pluralidad de capas, como las indicadas con los números 12A, 12B y 12C de la figura 2, que se fijan unas a las otras y que se forman conjuntamente como una unidad de una única pieza. Se entiende que la figura 2 pretende representar esquemáticamente que el intercambiador de calor 4 está formado por una pluralidad de capas, y que esta pluralidad de capas está representada por las capas 12A, 12B y 12C. Se entiende además, sin embargo, que el uso de la fabricación aditiva emplearía típicamente numerosas capas en cantidades mucho mayores que las tres capas que se representan expresamente de forma individual en la figura 2. Es decir, las capas 12A, 12B y 12C probablemente incluirían cada una un gran número de capas separadas que se fusionan individualmente con otras capas utilizando un proceso de fabricación aditiva, y la representación de las capas 12A, 12B y 12C en la figura 2 pretende ser meramente ilustrativa de un proceso de fabricación aditiva en lugar de representar expresamente la realización de un proceso de este tipo.

Como se puede entender por las figuras 1 y 2, se puede decir que el núcleo 6 incluye un cuerpo de núcleo 14 que está formado por el material metálico fundido, y se puede ver que el cuerpo de núcleo 14 incluye una pluralidad de canales 16 que están formados en el mismo. Los canales 16 son típicamente alargados, y algunos de los canales 16 pueden tener más de una dirección de alargamiento. Los canales 16 incluyen una pluralidad de primeros canales 20, como los que se representan en la figura 2 que aparecen en la capa 12A, y una pluralidad de segundos canales 22 que se representan en la figura 2 que aparecen en la capa 12B. Como se expondrá con más detalle a continuación, la pluralidad de canales 16 puede incluir opcionalmente una serie de otros canales 16 que se proporcionan para otros fines. Tal y como se emplea en la presente memoria descriptiva, la expresión "un número de" y sus variaciones se referirán ampliamente a cualquier cantidad distinta de cero, incluyendo una cantidad de uno.

Se puede decir que el aparato colector 8 incluye una pluralidad de colectores que se indican, como en la figura 1, con los números 24A, 24B, 24C y 24D, observándose que tales colectores pueden ser referidos en la presente me moria descriptiva individualmente o colectivamente con el número 24. El intercambiador de calor 4 es, en el ejemplo presentado en la presente memoria descriptiva, un intercambiador de calor de contracorriente con flujo cruzado en las regiones cercanas a al menos algunos de los colectores 24. De esta manera, entre los colectores ejemplares 24, el colector 24A es un primer colector de entrada ejemplar, y el colector 24B es un segundo colector de salida ejem plar. Los colectores 24a y 24B están en comunicación de fluido con los primeros canales 20 para formar un primer tramo 28 que se muestra en la figura 3 y que, en la realización ejemplar representada, es un tramo frío. El colector 24C es un segundo colector de entrada ejemplar, y el colector 24d es un segundo colector de salida ejemplar. Los colectores 24C y 24D están en comunicación de fluido con los segundos canales 22 para formar un segundo tramo 30 que se representa igualmente en la figura 3 y que, en la realización ejemplar representada, es un tramo caliente. Los tramos primeros y segundos 28 y 30, es decir, el tramo frío y el tramo caliente ejemplares, están situados en relación de transferencia de calor uno con el otro y se representan en la figura 3 en ausencia del cuerpo central 14. Se hace notar expresamente que el uso de los términos "frío" y "caliente" y similares en la presente memoria des criptiva pretende ser meramente de carácter ejemplar y pretende ser completamente no limitante.

Como se puede entender además por la figura 2, los colectores 24A, 24B, 24C, y 24D incluyen cada uno un extremo de canal 32A, 32B, 32C, y 32D, respectivamente, que pueden ser referido en la presente memoria descriptiva indivi dualmente o colectivamente con el número 32. Cada extremo de canal 32 está situado directamente adyacente y en comunicación de fluido con varios de los canales 16. Cada uno de los colectores 24A, 24B, 24C, y 24D incluye ade más un extremo de conexión 36A, 36B, 36C, y 36D, respectivamente, que están situados cada uno en oposición al extremo de canal respectivo 32 y que están estructurados para ser conectados en comunicación de fluido con otra estructura de flujo tal como una tubería o similar sin limitación. Se puede decir que cada uno de los colectores 24A, 24B, 24C, y 24D tienen formado en ellos un paso de flujo 38A, 38b , 38C, y 38D, respectivamente, que puede ser referido en la presente memoria descriptiva individualmente o colectivamente con el número 38. Los pasos de flujo 38 se extienden cada uno entre el extremo de canal 32 y el extremo de conexión respectivo 36 y permiten la comu nicación de fluido entre los colectores 24 y los canales primeros y segundos 20 y 24.

Como se puede entender mejor por las capas 12A y 12B de la figura 2, los colectores 24A, 24B, 24C y 24D incluyen cada uno una abertura 40A, 40B, 40C y 40D, respectivamente, a las que se puede hacer referencia en la presente memoria descriptiva de forma individual o colectiva con el número 40. Las aberturas 40 están situadas en el extremo de conexión respectivo 36. Los colectores 24A, 24B, 24C, y 24D incluyen además una pluralidad de conexiones de flujo 44A, 44B, 44C, y 44D, respectivamente, que pueden ser referidas en la presente memoria descriptiva indivi dualmente o colectivamente con el número 44. Las conexiones de flujo 44 están cada una en comunicación de fluido directa con uno de los primeros canales 20 o con uno de los segundos canales 22. Los pasajes de flujo 38 se ex tienden entre las aberturas 40 y las conexiones de flujo 44 y proporcionan comunicación de fluido entre ellas y con los respectivos canales primeros y segundos 20 y 22, como se expondrá con mayor detalle a continuación. A este respecto, se reitera que los colectores 24A y 24B están en comunicación de fluido con los primeros canales 20 para formar el primer tramo 28, y que los colectores 24C y 24D están en comunicación de fluido con los segundos cana les 22 para formar el segundo tramo 30, y se observa que el primer tramo 28 y el segundo tramo 30 están aislados fluidamente uno del otro y más bien están situados en relación de transferencia de calor uno con el otro.

Como se puede entender por las capas 12A y 12B de la figura 2, cada pasaje de flujo 38 incluye una pluralidad de conexiones de flujo 44 que están en comunicación de fluido con la abertura correspondiente 40 y, como se ha men cionado más arriba, están en comunicación de fluido directa con los primeros canales 20 o con los segundos cana les 22 correspondientes que están en comunicación de fluido con los mismos. El flujo de fluido a través de una de las aberturas 40 forma el flujo completo a través de las conexiones de flujo correspondientes 44, y viceversa.

Cada uno de los colectores 24 está configurado para proporcionar una comunicación de flujo entre la abertura 40 y la pluralidad de conexiones de flujo correspondientes 44 para proporcionar una comunicación de fluido directa entre las conexiones de flujo 44 y los primeros canales 20 o segundos canales 22 correspondientes, de forma muy pareci da a como los vasos sanguíneos de una criatura viva incluyen canales de flujo principales y canales secundarios y terciarios sucesivamente más pequeños, por ejemplo, en comunicación de fluido con los mismos que alimentan directamente lo que se necesita del flujo de fluido proporcionado. Esto contrasta ventajosamente con un colector convencional de un sistema de flujo en el que un pasaje relativamente grande y una pluralidad de pasajes más pe queños están todos en comunicación de fluido con un plenum común que no dirige necesariamente el flujo de fluido hacia o desde los canales relativamente más pequeños. En un ejemplo en el que el fluido fluye desde un canal rela tivamente grande hacia un plenum y luego hacia canales relativamente más pequeños, el flujo de fluido incide en las regiones del plenum que se encuentran adyacentes a sus conexiones con los canales más pequeños. Este impacto provoca el estancamiento del flujo en tales lugares y la consiguiente caída de presión y turbulencia.

De manera similar, en un ejemplo en el que el fluido sale de los canales relativamente más pequeños y entra en el plenum y después sale del canal relativamente más grande, el flujo de fluido en el plenum es en forma de chorro libre que experimenta una caída de presión a medida que el chorro libre se mezcla con el fluido dentro del plenum. En tal situación, las regiones del plenum que no están alineadas para recibir el flujo de fluido que se dirige desde los canales relativamente más pequeños experimentan áreas de estancamiento de fluido y, por lo tanto, corrientes de remolino y la turbulencia resultante. Un flujo de fluido de este tipo en un sistema de flujo de tipo plenum es menos que óptimo debido a las caídas de presión y otras limitaciones de flujo que necesariamente se producen con la geo metría ejemplar basada en el plenum y también debido a las vibraciones y tensiones mecánicas que se aplican en un sistema de flujo de este tipo.

Ventajosamente, sin embargo, los colectores 24 del intercambiador de calor mejorado 4 están configurados para proporcionar una comunicación de fluido mejorada entre la abertura 40 y los pasajes de flujo correspondientes 44. Como se puede ver además en la figura 2, cada una de las conexiones de flujo ejemplares 44 incluyen una primera porción de paso de flujo 46, que es una porción del flujo de fluido mientras fluye a través de la abertura 40. Las co nexiones de flujo ejemplares 44 incluyen además una segunda porción de paso de flujo 48 y una tercera porción de paso de flujo 50. Las terceras porciones de paso de flujo 50 están situadas en el extremo del canal 32 y son las que proporcionan una comunicación de fluido directa a los primeros canales 20 conectados o a los segundos canales 22. Las segundas porciones de paso de flujo 48 están cada una interpuesta entre una primera porción de paso de flujo 46 correspondiente y una tercera porción de paso de flujo 50 correspondiente. Es decir, las porciones de paso de flujo primera, segunda y tercera 46, 48 y 50 de cualquier conexión de flujo dada 44 están conectadas secuencialmente unas a las otras en comunicación de fluido de tal manera que el flujo de fluido que se produce a través de la porción de paso de flujo tercera 50 es una parte del flujo de fluido integral a través de la porción de paso de flujo primera correspondiente 46, y viceversa.

En lo que a esto se refiere, se puede ver que los colectores 24 incluyen cada uno un número de directores de flujo primarios 54 y un número de directores de flujo secundarios 56 que proporcionan la dirección del flujo entre las aber turas 40 y las conexiones de flujo 44 correspondientes. Los directores de flujo secundarios ejemplares 56 están generalmente situados cada uno adyacente al núcleo 6 y entre un par de primeros canales 20 o un par de segundos canales 22.

El siguiente ejemplo se refiere al colector 24A en el que el fluido entra en la abertura 40A y fluye a través del pasaje de flujo 38A y sale de las conexiones de flujo 44A hacia los primeros canales 20 que están en comunicación directa con el mismo. En el colector 24A, el fluido fluye inicialmente a través de la abertura 40A y al interior de la primera porción de paso de flujo 46 en la que encuentran un par de porciones de superficie externa 58W y 58X de los direc tores de flujo primarios 54 que dirigen el fluido para que fluya hacia las porciones de paso de flujo secundario 48, relativamente más pequeñas pero más abundantes. El flujo de fluido en cada segunda porción de paso de flujo 48 encuentra después un par de porciones de superficie externa 60W y 60X en cada uno de los directores de flujo se cundarios 56 que dividen el flujo de fluido de la segunda porción de paso de flujo 48 en las terceras porciones de paso de flujo 50 relativamente más pequeñas pero más abundantes. Otro conjunto de porciones de superficie exter na 60Y y 60Z se muestran en la figura 2 en la capa 12B como dividiendo aún más el flujo de fluido desde las segun do porciones de paso de flujo 48A que se representan como formadas al menos en parte en la capa 12A y que dirigen el flujo de fluido desde tales segundo porciones de paso de flujo 48A a otro conjunto de primeros canales 20 que están situados en la parte inferior de la capa 12C y que por lo tanto no se representan expresamente en la figura 2.

Las porciones externas de superficie 60W, 60X, 60Y y 60Z, a las que se puede hacer referencia colectiva o indivi dualmente en la presente memoria descriptiva con el número 60, forman de esta manera algunas de las terceras porciones de paso de flujo 50 al dividir y dirigir, en el ejemplo del colector 24A, el flujo de fluido desde una de las segundas porciones de paso de flujo 48 a una pluralidad de terceras porciones de paso de flujo 50 relativamente más pequeñas y a continuación directamente a los primeros pasajes 20 que están en comunicación de fluido con las mismas. Las porciones de superficie externa 60 evitan así ventajosamente al menos parte del estancamiento y la caída de presión que existirían en ausencia de los directores de flujo secundarios 56. Asimismo, las porciones exter nas de superficie 58W y 58X dividen y dirigen el flujo desde la primera porción de paso de flujo 46 hacia un mayor número de porciones de paso de flujo secundarias 48 relativamente más pequeñas. Esto reduce la caída de presión y la turbulencia en el flujo desde la abertura 40A hasta las conexiones de flujo 44A en comparación con un colector convencional.

Cuando el fluido fluye en dirección inversa a través de uno de los colectores 24, como por ejemplo con el colector de salida 24B, los directores de flujo primarios 54 están en comunicación directa de fluido con los primeros canales correspondientes 20 y dirigen el flujo desde las terceras porciones de paso de flujo 50 hacia una segunda porción de paso de flujo 48 relativamente más grande. De la misma manera, los directores de flujo primarios 54 dirigen con una mínima caída de presión el flujo de fluido desde las segundas porciones de paso de flujo 48 hacia la primera porción de paso de flujo 46 del colector 24B para permitir que el fluido fluya fuera de la abertura 40B y hacia otra estructura de flujo, tal como una tubería conectada o similar.

Por lo tanto, se puede ver que al configurar los pasajes de flujo 38 para proporcionar una comunicación de fluido entre una de las aberturas 40 y las conexiones de flujo correspondientes 44, se permite una caída de presión redu cida, así como un flujo de fluido mejorado que tiene menos turbulencia y estancamiento, todo lo cual es deseable en un entorno de flujo de fluido. El mencionado proceso de fabricación aditiva permite configurar el intercambiador de calor mejorado 4 con sus colectores 24 diseñados de esta manera, y esto puede hacerse de forma relativamente económica. Los colectores mejorados 24 del intercambiador de calor mejorado 4 permiten, por tanto, que el inter cambiador de calor 4 tenga un rendimiento de flujo de fluido mejorado de una manera rentable y mecánicamente fiable, lo cual es muy deseable y ventajoso. Además, la versatilidad y variabilidad del proceso de fabricación aditiva permite optimizar el diseño de los colectores 24 para el flujo de fluidos, es decir, diseñarlos con un sistema informáti co que emplee un software de diseño de sistemas de fluidos, y el diseño completado puede descargarse en una máquina de fabricación aditiva que simplemente fabricará el intercambiador de calor cuyo diseño se le ha proporcio nado. Tal optimización puede ser modificada en función de las diversas necesidades de cualquier aplicación dada para proporcionar una optimización adecuada, y una eficiencia de modificación de este tipo es muy ventajosa y deseable.

Como se puede ver en la figura 4, los canales primeros y segundos 20 y 22 tienen una forma de sección transversal que está orientada transversalmente a la dirección del flujo a través de los mismos y que tiene un perímetro 62 que, en la realización ejemplar representada, es arqueado, no circular, y tiene una forma aproximadamente ovalada o elíptica o semi - elíptica. La forma del perímetro 62 es un ejemplo de una forma de sección transversal de un canal de flujo que está optimizada para proporcionar una baja caída de presión mientras proporciona elevadas tasas de transferencia de calor. Como se explicará en mayor medida en la presente memoria descriptiva, la forma de cual quier canal dado puede adaptarse para proporcionar la optimización para cualquiera de una amplia variedad de consideraciones, tales como las tensiones térmicas y mecánicas y para proporcionar la optimización en base a otras consideraciones. Los primeros canales 20 y los segundos canales 22 representados en la figura 4 tienen la misma forma y, por lo tanto, el mismo perímetro 62 o factor de forma y también el mismo tamaño. Además, de manera ejemplar, los primeros canales 20 están dispuestos en la figura 4 en una pluralidad de primeras filas 70, y los segun dos canales 22 están representados en la figura 4 como dispuestos igualmente en una pluralidad de segundas filas 72, con las primeras filas 70 alternando con las segundas filas 72. El perímetro 62 de los canales primeros y segun dos 20 y 22 puede decirse que tiene un eje mayor que es más largo que un eje menor de los mismos, y los ejes mayores de los primeros canales 20 están alineados unos con los otros a lo largo de las diversas primeras filas 70. Lo mismo se puede decir de los segundos canales 22 que tienen sus ejes mayores alineados a lo largo de las se gundas filas 72. Las filas primeras y segundas 70 y 72 están orientadas en dirección horizontal desde la perspectiva de la figura 4. En la disposición ejemplar de los canales primeros y segundos 20 y 22 de la figura 4, una primera fila 70 de los primeros canales 20 está situada junto a una segunda fila 72 de los segundos canales 22 que, a su vez, está situada junto a otra primera fila 70 de los primeros canales 20, etc.

Como se puede ver además en la figura 4, el cuerpo de núcleo 14 incluye una pared 64 que tiene una superficie de pared 68 que está orientada hacia el exterior del intercambiador de calor 4 y que está orientada generalmente en sentido contrario a los canales primeros y segundos 20 y 22. Se puede decir que la pared 64 tiene un grosor de pared 76A entre uno de los primeros canales 20 y la superficie de pared 68 y que tiene otro grosor de pared 76B entre uno de los segundos canales 22 y la superficie de pared 68. A este respecto, el grosor de pared 76A se referi ría al grosor mínimo entre la superficie de pared 68 y el perímetro 62 del primer canal 20 más cercano a la misma. El grosor de pared 76B se definiría igualmente como la distancia mínima entre la superficie de pared 68 y el perímetro 62 del segundo canal 22 más cercano a la misma. En la realización ejemplar representada en la presente memoria descriptiva, se puede ver que el grosor de la pared 76A es menor que el grosor de la pared 76B. El grosor relativa mente mayor de la pared 76B ha sido optimizado ventajosamente, por ejemplo, para proporcionar una mayor rigidez del cuerpo del núcleo 14 cuando, por ejemplo, los segundos canales 22 transportan un fluido que tiene una presión relativamente mayor, es decir, una presión estática, que la transportada por los primeros canales 20. Dicha optimi zación puede basarse en las diferencias de presión estática, presión dinámica, etc., y las diversas relaciones entre los grosores de las paredes 76A y 76B que se presentan en la presente memoria descriptiva están pensadas sim plemente como ejemplos de lo que tal optimización podría proporcionar para su uso en un entorno ejemplar dado. Se debe entender que se pueden proporcionar otros tipos de optimizaciones de los vínculos entre los canales prime ros y segundos 20 y 22, incluyendo sus disposiciones y los grosores de la pared 64 entre ellos, etc., de acuerdo con lo que sea necesario. Por ejemplo, los canales primeros y segundos 20 y 22 se representan en la figura 4 teniendo varios vínculos adyacentes unos a los otros. Cualquier canal primero o segundo 20 o 22 (un primer canal 20 en el ejemplo presentado en la figura 4) está situado adyacente a otro canal 16 con el que está en comunicación de fluido, como se indica por el número 78A, y está situado además adyacente a otro canal 16 con el que está igualmente en comunicación de fluido, como se indica por el número 78B. Es decir, en la realización ejemplar representada, al menos algunos de los primeros canales 20 están situados entre un par de otros primeros canales 20 como se indica por los números 78A y 78B en la realización ejemplar representada. Se observa que algunos de los canales 16, como los de la periferia del núcleo 6, pueden no poseer necesariamente todos los vínculos indicados en la presente memoria descriptiva, aunque muchos de los otros canales 16 sí las poseen. Los vínculos 78A y 78B están orienta dos en la dirección horizontal desde la perspectiva de la figura 4, y los tres primeros canales 20 identificados están en la misma primera fila 70.

El primer canal 20 que se ha mencionado más arriba que está situado entre los dos primeros canales adyacentes 20, como se indica con los números 78A y 78B, es además adyacente a otros cuatro canales 16 con los que está aislado fluidamente, es decir, cuatro segundos canales adyacentes 22, como se indica con los números 78C, 78D, 78E, y 78F. Los vínculos indicados 78C, 78D, 78E y 78F están orientados en direcciones que no son ni verticales ni horizontales desde la perspectiva de la figura 4 y más bien tienen cada uno una orientación oblicua o diagonal en la figura 4.

Como se indica por los vínculos adyacentes 78A y 78B, se puede ver que los primeros canales adyacentes indica dos 20 están separados unos con los otros por una primera distancia 90, lo que significa que el cuerpo del núcleo 14 tiene un grosor mínimo entre los pares adyacentes de primeros canales 20 que es igual a la primera distancia 90. La primera distancia ejemplar 90 es igual entre ambos pares adyacentes de los primeros canales 20 en la realización ejemplar representada. Se reitera que esta primera distancia 90 es la distancia entre los canales 16 adyacentes que están en comunicación de fluido unos con los otros en el ejemplo de la figura 4.

Se puede decir además que dicho primer canal 20 está a una segunda distancia 92 de los otros cuatro canales 16 que son adyacentes al mismo y que están aislados fluidamente del primer canal 20, es decir, los cuatro segundos canales 22 que están indicados con los vínculos adyacentes 78C, 78D, 78E y 78F, y la distancia es igual a una se gunda distancia 92. La segunda distancia 92 representa el grosor mínimo del cuerpo de núcleo 14 entre uno de los primeros canales 22 y cada uno de los segundos canales adyacentes 22 que están aislados fluidamente del primer canal 20. En la realización ejemplar representada, las segundas distancias 92 se representan, por ejemplo, como iguales unas a las otras.

En lo que a esto se refiere, se puede entender que las primeras distancias 90 y las segundas distancias 92 pueden ajustarse de acuerdo con lo que sea necesario para proporcionar una optimización entre las diversas consideracio nes de la tasa de transferencia de calor, las tensiones térmicas y mecánicas, los caudales y las presiones, y otras consideraciones que puedan existir al crear el diseño del intercambiador de calor 4.

También se hace notar que cada uno de los primeros y segundos canales 20 y 22 en la figura 4 se representa te niendo un área de sección transversal 96 que es igual una y la otra. Una vez más, las áreas de sección transversal 96 pueden ajustarse de acuerdo con lo que sea necesario en conjunto con cualquiera de las otras optimizaciones que pueden ser necesarias o proporcionadas con el fin de optimizar los diversos factores de rendimiento que se mencionan en la presente memoria descriptiva y/o otros factores.

Como se puede ver además en la figura 2 y en particular en la capa 12B, la pluralidad de canales 16 incluye además un canal adicional 80 que está formado en la pared 64 entre uno de los primeros canales 20 y la superficie de la pared 68 adyacente a la misma. El canal adicional 80 es alargado e incluye una abertura 84 hacia el exterior del intercambiador de calor 4 y está configurado para recibir en el mismo a un instrumento 86 de un tipo u otro. Por ejemplo, el instrumento 86 podría ser un dispositivo tal como un sensor de temperatura o similar, en cuyo caso el canal adicional 80 sería un canal de instrumentación. Del mismo modo, el instrumento 86 podría ser de otra manera un número de calentadores que están configurados para precalentar el intercambiador de calor 4 para reducir el choque térmico cuando los fluidos fríos y calientes se introducen por primera vez en los canales 16. Dicho calenta miento sería particularmente ventajoso durante los ciclos térmicos para reducir los posibles efectos nocivos de un inicio repentino de la tensión térmica en el núcleo 6. En el caso de que el instrumento 86 sea un número de calenta dores, el canal adicional 80 podría ser uno o más de tales canales adicionales 80 que pueden estar situados en otro lugar del núcleo 6 que el representado expresamente en la figura 2 y que recibirían el número de calentadores en el mismo.

Se hace notar que el canal adicional 80 es una parte del diseño general del intercambiador de calor 4, y por lo tanto la pared 64 puede ser optimizada para resistir la concentración de tensiones térmicas y mecánicas y otras tensiones que de otra manera podrían resultar en que el canal adicional 80 se forme en una posición discreta en el intercam biador de calor 4. A este respecto, las dimensiones del cuerpo del núcleo 14 en la proximidad del canal adicional 80 pueden configurarse para que sea más pesado, de acuerdo con lo que sea necesario, o el canal adicional 80 podría colocarse alternativamente en una posición diferente en el cuerpo del núcleo 14 con tensiones mecánicas relativa mente mínimas y/o y en base a otras consideraciones.

El canal adicional 80 se forma en el intercambiador de calor 4 durante la fabricación inicial del mismo durante el proceso de fabricación aditiva, con el resultado de que el canal adicional 80 estaría libre de endurecimiento por tra bajo u otras tensiones residuales que podrían resultar de la formación del canal adicional 80, por ejemplo, con una broca aplicada a la pared 64. También se observa que la abertura 84 está situada en una superficie del colector 24B que es oblicua a la extensión longitudinal del canal adicional 80, que típicamente sería muy difícil de perforar desde tal ángulo si se utilizara una broca convencional. Mientras que otros procesos tales como los láseres y similares pueden ser empleados en tal escenario para permitir la perforación de un canal adicional de este tipo o un orificio piloto para el mismo en tal vínculo de abertura a una superficie exterior. Se observa, sin embargo, que el uso de tales láseres u otras metodologías es costoso en comparación con el coste ventajosamente mínimo para formar el canal adicional 80 cuando se utiliza el proceso de fabricación aditiva que se ha mencionado en la presente memoria descriptiva.

Por lo tanto, se puede entender que el intercambiador de calor 4 está diseñado de tal manera que sus diversas es tructuras y los tramos primeros y segundos 28 y 30 están optimizados en conjunto para proporcionar un diseño ge neral que proporciona características deseables, es decir, optimizadas, para la caída de presión, las tensiones térmi cas y mecánicas, la eficiencia de la transferencia de calor, y en base a otras consideraciones. Dependiendo de las necesidades de la aplicación particular, las diversas interrelaciones entre las partes del intercambiador de calor 4 y las partes de los tramos primeros y segundos 28 y 30 pueden ajustarse dependiendo de las necesidades de la apli cación particular para proporcionar ventajosamente otra optimización que esté optimizada para satisfacer otras ne cesidades de otras aplicaciones tales como presiones y temperaturas variables, y otras consideraciones de este tipo, a un coste mínimo.

Un intercambiador de calor 104 mejorado similar al intercambiador de calor 4 se representa esquemáticamente en la figura 5 y está representado por la vista en sección que es similar a la sección en la figura 4 del intercambiador de calor 4. El intercambiador de calor 104 puede estar configurado para parecer idéntico al intercambiador de calor 4 desde el exterior, aunque esto no tiene que ser necesariamente así.

El intercambiador de calor 104 incluye un núcleo 106 que tiene formada en el mismo una pluralidad de canales 116 que son alargados y que incluyen una pluralidad de primeros canales 120 y una pluralidad de segundos canales 122. Los primeros canales 120 están en comunicación de fluido unos con los otros, y los segundos canales 122 están igualmente en comunicación de fluido unos con los otros, estando aislados los primeros canales 120 fluida mente de los segundos canales 122.

En la realización ejemplar configurada en la figura 5, los primeros y segundos canales 120 y 122 tienen una forma con un perímetro arqueado y no circular 162, todos ellos del mismo tamaño y forma. En aras de la exactitud, se reitera que los tamaños y/o formas podrían variar de acuerdo con lo que sea necesario, dependiendo de la optimiza ción necesaria del intercambiador de calor 104 en el entorno particular en el que se pretende utilizar. El núcleo 106 tiene una pared 164 con una superficie de pared 168, y los canales primeros y segundos 120 y 122 están a igual distancia de la superficie de pared 168. Es decir, la pared 164 tiene un grosor de pared mínimo 176A entre la super ficie de la pared 168 y un primer canal 120 adyacente al mismo, y el grosor de pared 176A es igual a otro grosor de pared mínimo 176B entre la superficie de la pared 168 y un segundo canal 122 adyacente al mismo. Una vez más, tales grosores de pared pueden optimizarse dependiendo de las necesidades de la aplicación particular.

Como se puede entender además a partir de la figura 5, los canales primeros y segundos 120 y 122 tienen una dis posición diferente a la de los canales primeros y segundos 20 y 22 en el intercambiador de calor 4 representado en la figura 4, ya que los primeros canales 120 y los segundos canales 122 no están dispuestos en filas horizontales de canales que están en comunicación de fluido unos con los otros. Se reitera que las filas de la figura 4 están alinea das con los ejes principales de los canales primeros y segundos 20 y 22, lo que no ocurre con los canales primeros y segundos 120 y 122 de la figura 5. Más bien, cada primer canal 20 es adyacente a cuatro canales 116 con los que está aislado fluidamente, es decir, cuatro de los segundos canales 122, y es además adyacente a otros cuatro cana les 116 con los que está en comunicación de fluido, es decir, otros cuatro primeros canales 120. Por ejemplo, la figura 5 representa uno de los primeros canales 120 que tiene cuatro vínculos adyacentes 178A, 178B, 178C y 178D con otros cuatro primeros canales adyacentes 120 con los que está en comunicación de fluido. Los vínculos adya centes 178A, 178b , 178C, y 178D no están orientados ni en la dirección horizontal ni en la dirección vertical con respecto a la figura 5 y más bien están en una dirección oblicua o en una orientación diagonal. Este mismo primer canal 120 y otros primeros canales 120 son cada uno adyacente a otros cuatro canales 116 con los que está aislado de forma fluida y está situado en relación de transferencia de calor, es decir, cuatro de los segundos canales 122, como se indica en los vínculos adyacentes 178E, 178F, 178G y 178H. Los vínculos adyacentes ejemplares 178E, 178F, 178G, y 178H están orientados en las direcciones horizontal y vertical desde la perspectiva de la figura 5, a modo de ejemplo. Se puede observar que los canales 116 adyacentes a la superficie de la pared 168 no son cada uno necesariamente adyacente a otros cuatro canales 116 con los que está en comunicación de fluido y a otros cuatro canales 116 de los que está aislado fluidamente, pero se entiende que otros canales 116 del intercambiador de calor ejemplar 104 sí comparten tal vínculo. Tal interrelación entre los primeros canales 120 y los segundos cana les 122 sería, como cuestión general, típicamente capaz de proporcionar una mayor tasa de transferencia de calor entre los primeros canales 120 y los segundos canales 122 en comparación con, por ejemplo, el intercambiador de calor 4. Tal disposición de los canales primeros y segundos 120 y 122, como en la figura 5, podría ser el resultado de la optimización para un determinado propósito, como la transferencia de calor optimizada en el conjunto de cir cunstancias para las que el intercambiador de calor 104 estaba destinado a ser utilizado.

Se puede ver además que los vínculos adyacentes 178A, 178B, 178C y 178D tienen cada uno una primera distancia 190 igual. Los vínculos adyacentes 178E y 178G están en la dirección horizontal desde la perspectiva de la figura 5 e indican que una segunda distancia 192 separa el primer canal 120 de dos de los segundos canales 122 adyacen tes, siendo las dos segundas distancias 192 iguales una a la otra. El primer canal 120 está separado además una tercera distancia 194 en la dirección vertical desde la perspectiva de la figura 5 entre los otros dos segundos canales adyacentes 122 que se indican con los vínculos 178F y 178H, siendo las terceras distancias 194 iguales unas a las otras. Se puede observar que las primeras distancias 190, es decir, las distancias entre los primeros canales 120 que están en comunicación de fluido unos con los otros y que, por lo tanto, están potencialmente a la misma o simi lar temperatura, es mayor que cualquiera de las segundas distancias 192 y de las terceras distancias 194. Las dis tancias segunda y tercera 192 y 194 son distancias entre el primer canal 120 y los segundos canales 122 con los que el primer canal 120 está aislado fluidamente y que probablemente estarían a otra temperatura y en una relación de transferencia de calor con el primer canal 120. Tal posicionamiento relativo, como se indica por las distancias primera, segunda y tercera 190, 192 y 194, es decir, los grosores de la pared 164, proporcionan un ejemplo más de cómo las tasas de transferencia de calor y la eficiencia pueden ser optimizadas o ajustadas dependiendo de las necesidades de cualquier aplicación particular.

Se hace notar además que los canales primeros y segundos 120 y 122 tienen la misma área de sección transversal 196 en una dirección que es transversal a la dirección del flujo en los mismos. Se reitera que esta similitud de las áreas de sección transversal 196 es una de una pluralidad de vínculos que se pueden ajustar para proporcionar un rendimiento que satisfaga cualquiera de una variedad de criterios de idoneidad en una aplicación dada.

Un intercambiador de calor mejorado 204 de acuerdo con una tercera realización del concepto divulgado y reivindi cado se representa esquemáticamente por la vista en sección transversal de su núcleo 206 en la figura 6. El núcleo 206 tiene una pluralidad de canales alargados 216 formados en el mismo que incluyen una pluralidad de primeros canales 220 y 221 en comunicación de fluido unos con los otros y una pluralidad de segundos canales 222 y 223 que están en comunicación de fluido unos con los otros. Los primeros canales ejemplares 220 y los segundos cana les ejemplares 222 tienen cada uno una forma de sección transversal que tiene un perímetro 262 que es del mismo tamaño y forma que el perímetro ejemplar 162 de los canales primeros y segundos 120 y 122 de la figura 5, es decir, ovalado o elíptico o semi - elíptico. Sin embargo, se observa que los primeros canales 221 y los segundos canales 223 tienen una forma arqueada que tiene un perímetro circular 263. Los canales primeros y segundos 220 y 222 tienen un área de sección transversal 296, y los primeros canales 221 y los segundos canales 223 tienen otra área de sección transversal 297 que, en la realización ejemplar representada, es menor que el área de sección transver sal 296.

Los primeros canales 220 y 221 generalmente comparten cada uno el mismo tipo de interrelación (excepto quizás en la periferia del núcleo 206) con los segundos canales 222 y 223 como se evidencia por los vínculos adyacentes 278^a, 278B, 278C, 278D, 278E, 278F, 278G, y 278H que son posicionalmente similares a los vínculos adyacentes 178A, 178B, 178C, 178D, 178E, 178F, 178G, y 178H. Se observa, sin embargo, que al proporcionar los canales primeros y segundos 221 y 223 para tener el área de sección transversal relativamente más pequeña 297, las prime ras distancias 290 entre cualquiera de los primeros canales 220 o 221 y los otros cuatro primeros canales 220 o 221 que son diagonalmente adyacentes (de acuerdo con los vínculos adyacentes 278A, 278B, 278C y 278D) son mayo res que las primeras distancias 190 en la figura 5. Igualmente, las primeras distancias 290 son mayores que las segundas distancias 292 indicadas por los vínculos adyacentes 278E y 278G entre un canal 216 y un par de otros canales 216 horizontalmente adyacentes que no están en comunicación de fluido con el mismo y más bien están aislados fluidamente del mismo. Tales segundas distancias 292 son igualmente mayores que las terceras distancias 294 y las cuartas distancias 295 que se representan en la dirección vertical desde la perspectiva de la figura 6 entre los pares verticalmente adyacentes de los canales primeros y segundos 220 y 222 y entre los canales primeros y segundos verticalmente adyacentes 221 y 223, respectivamente. De nuevo, tales espaciamientos e interrelaciones proporcionan una proximidad relativa o una distancia relativa entre los canales 216 adyacentes de una manera que puede optimizar la transferencia de calor y/o puede optimizar el material estructural del núcleo 206 que está situado entre los canales 216 que están aislados fluidamente unos con los otros y entre los cuales existirían tensiones térmi cas y mecánicas.

Se puede ver además en la figura 6 que los primeros canales 220 están a una distancia como en 276A de la superfi cie de pared 268 de la pared 264 y que los segundos canales 222 están a una segunda distancia 276B desde la superficie de la pared 268 que es igual a la distancia 276A. Se pueden proporcionar otros grosores de pared relati vos, iguales y/o desiguales, dependiendo de las necesidades de la aplicación particular y del rendimiento necesario del intercambiador de calor 204.

Por lo tanto, se puede entender que las posiciones entre los diversos canales 216 y las diversas formas y tamaños de los diversos canales 216 se pueden seleccionar sobre la base de diversos factores de optimización que se rela cionan con las preocupaciones relativas a las capacidades de transferencia de calor, tensiones térmicas y mecáni cas, y otros factores similares. Otras variaciones serán evidentes.

Aunque la figura 6 se representa en la presente memoria descriptiva como una vista en sección transversal que se toma de otro intercambiador de calor 204 que es diferente del intercambiador de calor 104 que se representa en la figura 5, se entiende que la figura 6 podría utilizarse para representar alternativamente la forma en la que los diver sos canales 116 de la figura 5 pueden cambiar de tamaño y forma desde una posición longitudinal a lo largo de los canales 116 a otra posición longitudinal a lo largo de los mismos canales. Por ejemplo, la figura 6 podría representar alternativamente que ciertos de los primeros canales 120 podrían pasar de una posición en un intercambiador de calor, representado por la figura 5, a otra posición, representada por la figura 6, en el mismo intercambiador de calor. Por ejemplo, ciertos primeros canales 120 de la figura 5 podrían cambiar su forma y área de sección transversal de ser redonda arqueada en una posición a lo largo de su extensión longitudinal, como se indica en la figura 5, para ser de una forma y área de sección transversal diferente en otra posición a lo largo de su extensión longitudinal, como se indica en la figura 6. Lo mismo podría decirse de ciertos segundos canales 122 que realizan la transición hacia segundos canales circulares relativamente más pequeños 223 entre la figura 5 y la figura 6. Tales cambios en los tamaños y formas, por ejemplo, de los diversos canales alterarían correspondientemente las dimensiones de las paredes del núcleo entre ellos y también alterarían las características de flujo de tales canales. Tal diseño podría resultar para las necesidades de rendimiento del intercambiador de calor particular para la aplicación prevista. Por lo tanto, se entiende que cualquiera de los canales de un intercambiador de calor no tiene por qué tener una forma de sección transversal fija o un perímetro de sección transversal fijo a lo largo de toda su extensión longitudinal, sino que dichas dimensiones y las dimensiones de las paredes correspondientes pueden variar en función de las necesi dades particulares de determinadas aplicaciones. De manera similar, las dimensiones variables de las paredes po drían ser las que se optimizan en función de la resistencia necesaria a las tensiones térmicas y mecánicas en una aplicación determinada, siendo las formas y tamaños de los canales lo que resulta de dicha optimización de las paredes del núcleo.

Otro ejemplo de una optimización de este tipo se representa en la figura 7, que representa otro intercambiador de calor 304 de acuerdo con una cuarta realización del concepto divulgado y reivindicado. El intercambiador de calor 304 tiene un núcleo 306 con un cuerpo de núcleo 314 en el que sus canales 316 realizan una transición desde lo que se representa en la figura 4 en una posición en el intercambiador de calor 304 a lo que se representa en la figu ra 7 en otra posición en el mismo intercambiador de calor alternativo 304. Es decir, la figura 7 podría representar la forma en la que los primeros canales 20 cambian su área de sección transversal 96 en la figura 4 para que sea un área de sección transversal relativamente menor 398 en una posición diferente (como se evidencia en la figura 7) en el mismo intercambiador de calor 304. A modo de ejemplo adicional, los segundos canales 22 podrían no cambiar entre las figuras 4 y 7, como se indica por los números 22 y 322. Es decir, el área de la sección transversal indicada en el número 96 en la figura 4 y el área de la sección transversal 396 indicada en la figura 7 podría demostrar que los segundos canales permanecen sin cambios en el tamaño y la forma a lo largo de la distancia entre las figuras 4 y 7 y tienen el mismo perímetro 62 y 362 a lo largo de esa parte de su extensión longitudinal, pero que en la misma distancia entre las figuras 4 y 7, los primeros canales pueden hacerse relativamente más pequeños. Esto podría hacerse por cualquiera de una variedad de razones, tales como la necesidad de evitar el choque térmico en la posi ción representada por la figura 7 o por otras razones. Un choque térmico de este tipo podría aliviarse potencialmente durante la puesta en marcha del intercambiador de calor 304 reduciendo el flujo relativamente más frío a través de los primeros canales 320 y/o proporcionando un grosor de pared relativamente mayor, como se indica por el número 392, entre los canales aislados fluidamente que podrían tener un choque térmico entre ellos en algún momento du rante la operación inicial del intercambiador de calor 304. En aras de la exhaustividad, se observa que los primeros canales 320 relativamente más pequeños de la figura 7 dan lugar a una primera distancia 391 alterada entre los primeros canales 320 adyacentes horizontalmente (desde la perspectiva de la figura 7) que están en comunicación de fluido unos con los otros, mientras que la primera distancia 390 entre los segundos canales 322 adyacentes hori zontalmente no se modifica con respecto a la primera distancia 90 de la figura 4.

Aunque los primeros canales 320 permanecen en primeras filas alineadas 370 y los segundos canales 322 perma necen en segundas filas alineadas 372, esto no tiene que ser necesariamente el caso en otras realizaciones. Los vínculos adyacentes 378A y 378B entre uno de los primeros canales 320 y un par de canales adyacentes 320 que están en comunicación de fluido con los mismos permanecen con aproximadamente la misma orientación, es decir, horizontal, como en la figura 4, pero los primeros canales 320 tienen diferentes distancias unos y los otros. Los vínculos adyacentes entre dicho primer canal 320 y los cuatro segundos canales 322 diagonalmente adyacentes que están aislados fluidamente del mismo se indican por medio de los vínculos adyacentes 378C, 378D, 378E y 378F, y estos vínculos adyacentes son de aproximadamente la misma orientación diagonal que tenían en la figura 4, aunque las distancias relativas están igualmente cambiadas debido a la menor área de sección transversal 398 del primer canal 320. Además, a modo de ejemplo, se puede observar que los primeros canales 320 de la figura 7 tienen un grosor de pared 376A entre ellos y la superficie de pared 368 de la pared 364, mientras que los segundos canales 322 tienen un grosor de pared relativamente mayor 376B entre ellos y la superficie de pared 368.

Por lo tanto, debería ser evidente que los diversos canales del intercambiador de calor compacto mejorado 304 y otros intercambiadores de calor que se describen en la presente memoria descriptiva y las variaciones de la misma pueden tener perímetros variables y áreas de sección transversal que pueden cambiar a lo largo de sus longitudes longitudinales. Además, tales intercambiadores de calor podrían tener tres o más tramos que están aislados fluida mente unos de los otros, pero que están situadas en relación de transferencia de calor unos y los otros de una ma nera u otra. También se observa que las posiciones relativas de los canales con respecto de unos con los otros pueden cambiar igualmente a lo largo de la extensión longitudinal de los canales o de otra manera. Todos estos cambios en las configuraciones de los canales en función de la posición de la extensión longitudinal de dichos cana les es, de nuevo, una de las diversas técnicas de optimización que pueden emplearse para conseguir determinadas propiedades de transferencia de calor y/o otras propiedades relacionadas con la resistencia a las tensiones térmicas y magnéticas y propiedades de flujo y otras propiedades que pueden conseguirse dependiendo de las necesidades de la aplicación particular. Otras variaciones serán evidentes.

Un intercambiador de calor compacto mejorado 404 de acuerdo con una quinta realización del concepto divulgado y reivindicado se representa en las figuras 8 y 9 como incluyendo un núcleo 406 y como teniendo un aparato colector 408 representado esquemáticamente que puede ser similar a los que se han mencionado más arriba. El núcleo 406 incluye un cuerpo de núcleo 414 que tiene formado en el mismo una pluralidad de canales 416 que incluyen una pluralidad de primeros canales 420, una pluralidad de segundos canales 422, y un canal de expansión 480.

Los canales primeros y segundos 420 y 422 están colocados en alternancia sobre la circunferencia del canal de expansión 480. Mientras los primeros canales 420 están en comunicación de fluido unos con los otros, y mientras los segundos canales 422 están igualmente en comunicación de fluido unos con los otros, los primeros canales 420 están aislados fluidamente de los segundos canales 422. Puesto que los canales primeros y segundos 420 y 422 están dispuestos alternativamente unos de los otros, la pared del núcleo 406 entre cada par adyacente de canales primeros y segundos 420 y 422 es probable que experimente tensiones térmicas y mecánicas significativas debido a la diferencia de temperatura entre ellos. El canal de expansión 480 está aislado de forma fluida tanto de los primeros canales 420 como de los segundos canales 422 y se proporciona para permitir la expansión del cuerpo del núcleo 414 en el canal de expansión 408 sin alterar significativamente el flujo de fluido a través de los canales primeros y segundos 420 y 422.

Se puede observar que los canales primeros y segundos 420 y 422 tienen cada uno una forma de sección transver sal con un perímetro 465 que tiene una forma arqueada que no es ovalada y no es circular y es diferente de las otras formas perimetrales que se han mencionado más arriba. Más bien, el perímetro 465 es multilobulado para propor cionar un tipo diferente de optimización entre la transferencia de calor y la caída de presión y/o está optimizado para otras consideraciones. Los canales primeros y segundos 420 y 422 tienen cada uno un área de sección transversal 499 que es igual unos y los otros.

Por lo tanto, se puede ver que el canal de expansión 480 se puede proporcionar para aliviar ciertas tensiones térmi cas o mecánicas en el intercambiador de calor 404 dependiendo de las necesidades de la aplicación particular. El canal de expansión 480 se forma in situ durante el proceso de fabricación aditiva que se ha mencionado en la pre sente memoria descriptiva. Se pueden proporcionar otros canales de expansión 480 de diferentes tamaños y/o for mas y/o posiciones en otras realizaciones sin apartarse del presente concepto.

Se observa además que los canales primeros y segundos 420 y 422 se representan por sí mismos, es decir, en ausencia del núcleo 406, en las figuras 10 y 11. Se puede ver en las figuras 10 y 11 que los canales primeros y se gundos 420 y 422 están formados para tener un número de ondulaciones 418A, 418B, 418C, y 418D a lo largo de su extensión longitudinal. Las ondulaciones 418A, 418B, 418C y 418D, a las que se puede hacer referencia colectiva o individualmente en la presente memoria descriptiva con el número 418, son representativas de un cambio en la dirección de alargamiento de los canales primeros y segundos 420 y 422 que se produce gradualmente, por ejem plo, cuando se recorre desde la izquierda hacia la derecha o desde la derecha hacia la izquierda en la figura 11. Tales ondulaciones 418 pueden tener cualquiera de una variedad de configuraciones y pueden ser proporcionadas por razones de optimización de las características de transferencia de calor y/o para la resolución de tensiones tér micas y mecánicas, o por otras razones. Tales ondulaciones podrían proporcionarse en cualquiera de los intercam biadores de calor que se han mencionado más arriba que se describen en otra parte de la presente memoria des criptiva como otra forma en la que se puede lograr la optimización del rendimiento.

Un intercambiador de calor compacto mejorado 504 de acuerdo con una sexta realización del concepto divulgado y reivindicado se representa generalmente en la figura 12. El intercambiador de calor compacto 504 incluye un núcleo 506 que incluye una pluralidad de porciones de núcleo 507X y 507Y que están conectadas unas a las otras. En la realización ejemplar representada, el intercambiador de calor compacto 504 incluye además un aparato colector 508 que incluye una pluralidad de porciones de colector 525X, 525Y, y 525Z que están conectadas unas a las otras y están conectadas con el núcleo 506.

El intercambiador de calor compacto 504 demuestra cómo los núcleos 6 y similares que se presentan en otra parte de la presente memoria descriptiva podrían conectarse unos a los otros para proporcionar un intercambiador de calor 504 mucho más grande de lo que podría ser fácilmente capaz de fabricar utilizando el equipo convencional que realiza el proceso de fabricación aditiva que se ha mencionado más arriba. Es decir, el equipo de fabricación aditiva que está disponible en un momento dado puede ser capaz de producir componentes que son sólo de un tamaño limitado, y el intercambiador de calor 504 demuestra cómo tales componentes pueden ser escalados para propor cionar un intercambiador de calor 504 relativamente grande de un tamaño que es adecuado para una aplicación particular y que tal vez no podría ser fabricado durante una sola operación de fabricación aditiva.

Las porciones de núcleo ejemplares 507X y 507Y se representan con porciones de canal 517 relativamente rectas y alargadas (porción de núcleo 507X) o con porciones de canal 517 que incluyen una o más curvas (porción de núcleo 507Y). Tales porciones de canal 517 pueden conectarse unas a las otras de extremo a extremo por medio de sinterización u otras operaciones de unión por difusión, de acuerdo con lo que sea necesario, para proporcionar los cana les de flujo integrales 516 deseados que se forman a partir de las diversas porciones de núcleo 507X y 507Y. Es decir, el canal integral ejemplar 516 se representa en la figura 12 como incluyendo una pluralidad de porciones de canal 517 que están conectadas de extremo a extremo para formar el canal 516.

El aparato colector 508 incluye una pluralidad de colectores indicados con los números 524A, 524B, 524C y 524D, a los que se puede hacer referencia colectiva o individualmente en la presente memoria descriptiva con el número 524. Los diversos colectores 524 están formados por diversas combinaciones de las porciones de colector 525X, 525Y, y 525Z de acuerdo con lo que sea necesario para lograr las características de rendimiento deseadas que se adaptan a la aplicación del intercambiador de calor 504. Se observa expresamente que el núcleo 406 que se repre senta en las figuras 8 y 9 o cualquiera de los otros núcleos mencionados en otra parte de la presente memoria des criptiva o variaciones de los mismos podrían emplearse como cualquiera de las porciones de núcleo 507X y 507Y que se representan esquemáticamente en la figura 12 dependiendo de las necesidades de la aplicación particular. Además, cualquiera de las interrelaciones entre las posiciones, tamaños, formas y similares de los canales de flujo puede incorporarse al intercambiador de calor 504 de acuerdo con lo que sea necesario para la optimización o por otras razones.

Por lo tanto, se puede ver que los diversos intercambiadores de calor compactos presentados en la presente memo ria descriptiva y los componentes de los mismos pueden tener cualquiera de una amplia variedad de características e interrelaciones entre los diversos componentes de los mismos para proporcionar la optimización necesaria para diversas aplicaciones. La optimización puede ser proporcionada sobre la base del rendimiento del flujo de fluido y/o sobre la base del rendimiento de la transferencia de calor y/o sobre la base de la resistencia a las tensiones térmicas y/o mecánicas, y/o de acuerdo con otras bases para la optimización. Dicha optimización es altamente rentable dado el proceso de fabricación aditiva que se ha descrito más arriba. Las diversas características e interrelaciones que se describen en la presente memoria descriptiva pueden combinarse de cualquier manera sin apartarse del presente concepto.

Aunque se han descrito en detalle realizaciones específicas de la invención, los expertos en la materia apreciarán que podrían desarrollarse varias modificaciones y alternativas a esos detalles a la luz de las enseñanzas generales de la divulgación. Por lo tanto, las realizaciones particulares divulgadas son sólo ilustrativas y no limitativas en cuan to al alcance de la invención, a la que se le debe dar toda la amplitud de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un intercambiador de calor compacto (4) que comprende:

una pluralidad de capas (12A, 12B, 12C) fijadas unas a las otras y formadas por medio de fabricación aditi va colocando capas sucesivas de partículas unas sobre otras y aplicando selectivamente una forma de energía concentrada a cada capa de partículas para fusionar algunas de las partículas unas a las otras y/o a otra capa y formar juntas un núcleo (6) y un aparato colector;

el núcleo tiene formados en el mismo una pluralidad de canales (16), la pluralidad de canales comprende un número de primeros canales (20) y un número de segundos canales (22), estando al menos una parte del número de primeros canales posicionados para estar en relación de transferencia de calor con al menos una parte del número de segundos canales;

el aparato colector que comprende al menos un primer colector (29A) que está en comunicación de fluido con al menos algunos de los canales de la pluralidad de canales;

el al menos primer colector tiene un extremo de canal (32A) y un extremo de conexión (36A), el extremo de canal está situado adyacente al núcleo e incluye un número de conexiones de flujo (44A) que están en co municación de fluido directa con los al menos algunos de los canales, el extremo de conexión tiene una abertura (40) que está estructurada para conectarse en comunicación de fluido con otra estructura de flujo, el al menos un colector comprende un paso de flujo (38A) que se extiende entre el extremo de canal y el ex tremo de conexión y que permite la comunicación de fluido entre el número de conexiones de flujo y la aber tura; y se caracteriza porque

al menos una de las capas de la pluralidad de capas es una capa que comprende al menos una porción del núcleo que tiene formada en la misma al menos una porción de un canal de la pluralidad de canales y que además comprende una porción del al menos primer colector que incluye al menos una porción de la aber tura y que tiene formada en ella al menos una porción del paso de flujo;

en el que el al menos primer colector comprende un número de directores de flujo (54, 56), y en el que el paso de flujo comprende una pluralidad de porciones de paso de flujo (46, 48, 50) que se extienden juntas entre la abertura y un canal correspondiente del al menos algunos de los canales y que permiten el flujo de fluido entre ellos, el al menos un primer director de flujo del número de directores de flujo está situado adya cente al núcleo y entre un par de primeros canales del número de primeros canales, teniendo el al menos primer director de flujo una superficie externa (60), formando una porción de la superficie externa al menos una parte de una porción de paso de flujo de la pluralidad de porciones de paso de flujo que está en comu nicación de fluido con un primer canal del par de primeros canales.

2. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 1, en el que al menos algunos de los canales de la pluralidad de canales tienen cada uno un perímetro arqueado (62) que tiene una forma que es no circular.

3. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 2, en el que otro canal que está situado adyacente a un canal de los al menos algunos de los canales tiene otro perímetro arqueado (263) que tiene otra forma diferente a la forma.

4. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 1, en el que el número de primeros canales están en comunicación de fluido unos con los otros y en el que el número de segundos canales está en comunicación de fluido unos con los otros, estando el número de primeros canales aislado fluidamente del número de segundos canales, y en el que al menos un primer canal del número de primeros canales está situado adyacente a los al menos otros tres primeros canales del número de primeros canales y está situado además adyacente al menos a tres segundos canales del número de segundos canales.

5. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 1, en el que el núcleo comprende una pared (64) que tiene situados en un lado de la misma un primer canal del número de primeros canales y un segundo canal del número de segundos canales y que tiene en otro lado de la misma una superficie de pared (68) que está orien tada generalmente en sentido contrario al número de primeros canales y al número de segundos canales, sien do el grosor mínimo (76A) de la pared entre la superficie de pared y el primer canal diferente del grosor mínimo (76B) de la pared entre la superficie de pared y el segundo canal.

6. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 1, en el que el núcleo comprende una pluralidad de porciones de núcleo (507X, 507Y) fijadas unas a las otras, teniendo cada una de las al menos algunas de las porciones de núcleo de la pluralidad de porciones de núcleo de ellas formadas en su interior una pluralidad de porciones de canal (517), comprendiendo la pluralidad de porciones de canal un número de primeras porciones de canal y un número de segundas porciones de canal, una primera porción de canal del número de primeras porciones de canal de cada una de una cantidad plural de la pluralidad de porciones de núcleo que están conec tadas unas a las otras de extremo a extremo para formar al menos una porción de un primer canal (516) del número de primeros canales, una segunda porción de canal del número de segundas porciones de canal de ca da una de la cantidad plural de la pluralidad de porciones de núcleo que están conectadas unas a las otras de extremo a extremo para formar al menos una porción de un segundo canal del número de segundos canales.

7. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 1, en el que otra porción de la superficie externa forma al menos una parte de otra porción de paso de flujo de la pluralidad de porciones de paso de flujo que está en comunicación de fluido directa con otro primer canal del par de primeros canales.

8. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 1, en el que el al menos primer colector es un primer colector de entrada, y en el que el aparato colector comprende además un primer colector de salida (24B); el primer colector de entrada está en comunicación de fluido con al menos una parte del número de primeros canales en un extremo de entrada del mismo;

el primer colector de salida está en comunicación de fluido con el al menos algunos del número de primeros ca nales en un extremo de salida del mismo; y

el al menos una de las capas es una capa que comprende una porción del núcleo que tiene formada en el mis mo al menos una porción de un primer canal del número de primeros canales, y que además comprende una porción del primer colector de entrada y una porción del primer colector de salida en comunicación de fluido con al menos la porción del primer canal.

9. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 8, en el que el aparato colector comprende además un segundo colector de entrada (24C) y un segundo colector de salida (24D), estando el segundo colector de en trada en comunicación de fluido con al menos algunos del número de segundos canales en un extremo de en trada del mismo, y estando el segundo colector de salida en comunicación de fluido con al menos algunos del número de segundos canales en un extremo de salida del mismo.

10. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 1, en el que al menos algunos de los canales de la pluralidad de canales son elongados a lo largo de una dirección de elongación e incluyen un número de ondula ciones (41B) a lo largo de la dirección de elongación.

11. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 1, en el que el núcleo comprende una pared (64) que está situada entre un par de canales adyacentes de la pluralidad de canales, en el que la pared tiene un grosor en un lugar en el núcleo con el que el par de canales adyacentes están separados por una distancia (92) que es igual al grosor, y en el que la pared tiene otro grosor en otro lugar del núcleo separado del lugar en el que el par de canales adyacentes están separados por otra distancia (392) que es igual al otro grosor, siendo desiguales el grosor y el otro grosor.

12. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación I, en el que el número de primeros canales está en comunicación de fluido unos con los otros, en el que el número de segundos canales está en comunicación de fluido unos con los otros, y en el que la pluralidad de canales comprende además un número de canales adicio nales (80, 480) que están aislados fluidamente del número de primeros canales y que están aislados fluidamen te del número de segundos canales.

13. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 12, en el que el número de canales adicionales com prende un canal adicional (80, 480) que está situado adyacente a al menos uno de un primer canal del número de primeros canales y de un segundo canal del número de segundos canales.

14. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 13, en el que el núcleo tiene formada en el mismo una abertura (84) que se extiende entre el canal adicional y el exterior del núcleo.

15. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 13, en el que el canal adicional (480) está situado junto a una pluralidad de primeros canales del número de primeros canales y está situado además junto a una plura lidad de segundos canales del número de segundos canales.

16. El intercambiador de calor compacto de la reivindicación 12, en el que el núcleo comprende además un número de calentadores (86) que están recibidos en el número de canales adicionales y que están estructurados para ser operables para precalentar el intercambiador de calor compacto.