帶有螺旋通路的逆流式換熱器的製作方法

2023-05-07 20:01:57 4

本發明大體涉及逆流式換熱器。在特定實施例中，逆流式換熱器使用螺旋通路且從單個圓形入口和出口管過渡到帶有非圓形幾何形狀的多個通路。

背景技術：

換熱器可結合燃氣渦輪發動機使用。例如，處於較高溫度的第一流體可傳遞通過第一通路，而處於較低溫度的第二流體可傳遞通過第二通路。第一通路和第二通路可處於接觸或緊密接近，從而允許來自第一流體的熱量傳遞到第二流體。因此，第一流體的溫度可減小，且第二流體的溫度可增大。

逆流式換熱器相比橫流式換熱器提供較高的效率，且在換熱介質之間的溫度差相對小時尤其有用。帶有多個管的常規換熱器具有關於帶有小的間隔的許多難以接近的管的連接和形成的缺點。

螺旋管必須在沒有中斷的情況下排列，以便形成閉合的螺旋流動通道，且因此確保在真實的逆流中高效操作。然而，當管的數目增大時，管束與鄰近的螺旋管的組裝和其連接變得尤其有問題，且迄今在非常小數目的螺旋管的情況下可能最佳。

如已經提及的那樣，當管的數目增大時，該類型的管束的製造變得尤其有問題，這是因為，由於管端難接近且因此在常規連接裝置的情況下不可能，鄰近管的連接變得尤其困難。進一步尤其難以將剛性管彎曲到正好鄰近的線圈中以及通過常規連接裝置連接它們。

技術實現要素：

本發明的方面和優點將在以下描述中闡述，或者可從該描述顯而易見，或者可通過本發明的實踐學習到。

大體提供一種逆流式換熱器。在一個實施例中，逆流式換熱器包括：具有連接到第一過渡區域的第一供應管的第一流體路徑，第一過渡區域將第一流體路徑分成第一陣列的第一通路，其中第一陣列的第一通路在第一會聚區域處合併到第一排出管中；以及，具有連接到第二過渡區域的第二供應管的第二流體路徑，第二過渡區域將第二流體路徑分成第二陣列的第二通路，其中第二陣列的第二通路在第二會聚區域處合併到第二排出管中。第一通路和第二通路具有在逆流式換熱器的中心線周圍的大致螺旋路徑。另外，第一陣列和第二陣列布置在一起，使得每個第一通路鄰近至少一個第二通路。

在一個實施例中，第一過渡區域定位在螺旋路徑的一端處以將第一流體流供應到第一陣列的第一通路中，且其中，第二過渡區域配置在螺旋路徑的相對端處以將第二流體流供應到第二陣列的第二通路中，使得第一流體流和第二流體流沿相反方向流通螺旋路徑。

參考以下描述和所附權利要求，本發明的這些和其他特徵、方面和優點將變得更好理解。併入該說明書中且構成該說明書的一部分的附圖示出本發明的實施例，且連同說明書一起用於說明本發明的原理。

附圖說明

本發明的完整和開放的公開，包括其對本領域的普通技術人員而言的最佳模式，在參考了附圖的說明書中闡述，在附圖中：

圖1是根據一個實施例的示例性逆流式換熱器的透視圖；

圖2是圖1中示出的示例性逆流式換熱器的另一個透視圖；

圖3示出對圖1的一個實施例的示例性逆流式換熱器的過渡部分的截面視圖；

圖4示出圖1中示出的示例性逆流式換熱器的剖視圖；以及

圖5示出根據圖4的實施例的換熱器部分的分解截面視圖。

在本說明書和附圖中，參考標記的重複使用意在表示本發明的相同或類似的特徵或元件。

構件清單

5　　　　外壁

10　　 　換熱器

12　　 　中心線

14　　 　螺旋區段

100　　　第一流體路徑

101　　　熱流

102　　　熱入口

104　　　第一供應管

106　　　第一過渡區域

107　　　分支

108　　　第一陣列

110　　　螺旋通路

112　　　第一會聚區域

113　　　合併區域

114　　　第一排出管

116　　　第一出口

120　　　側表面

122　　　頂壁

124　　　底壁

126　　　內中心線

128　　　波紋

130　　　波峰

132　　　波谷

200　　　第二流體路徑

201　　　冷流體流

202　　　冷入口

204　　　第二供應管

206　　　第二過渡區域

208　　　第二陣列

210　　　第二通路

212　　　第二會聚區域

213　　　合併區域

214　　　第二排出管

216　　　第二出口

220　　　側表面

222　　　頂壁

224　　　底壁

226　　　內中心線

228　　　波紋

230　　　波峰

232　　　波谷

250　　　分隔壁

DA　　 　軸向方向

DR　　 　徑向方向。

具體實施方式

現在將詳細參考本發明的實施例，其一個或多個示例在附圖中示出。每個示例通過解釋本發明而不是限制本發明的方式提供。事實上，對於本領域技術人員將顯而易見的是，在不脫離本發明的範圍或精神的情況下，可在本發明中做出各種修改和變型。例如，作為一個實施例的一部分圖示或描述的特徵可用在另一實施例上，以產生更進一步的實施例。因此，意在使本發明覆蓋落在所附權利要求及其等同物的範圍內的這些修改和變型。

如本文中使用的那樣，用語「第一」、「第二」和「第三」可以可互換地使用以區別一個構件與另一個構件，且不意在表明獨立構件的位置或重要性。

用語「上遊」和「下遊」參考關於流體路徑中的流體流的相對方向。例如，「上遊」指的是流體從其流出的方向，且「下遊」指的是流體流到其的方向。

如本文中使用的那樣，「流體」可為氣體或液體。當前途徑不限於所使用的流體的類型。在優選的應用中，冷卻流體是燃料，而冷卻的流體是油。例如，油可從初始溫度冷卻到排出溫度，其中，排出溫度為初始溫度的大約90%或更低(例如，初始溫度的大約50%到大約90%)。當前途徑可用於其他類型的液體流體和氣體流體，其中，冷卻的流體和冷卻流體是相同的流體或者不同的流體。冷卻的流體和冷卻流體的其他示例包括空氣、液壓流體、燃燒氣體、致冷劑、致冷劑混合物、用於冷卻航空電子設備或其他飛行器電子系統的介電流體、水、基於水的複合物、與防凍劑添加劑混合的水(例如，酒精或乙二醇複合物)，以及能夠在升高或者降低的溫度處保持熱量輸送的任何其他有機或無機的傳熱流體或流體摻混物。

大體提供換熱器，其包括增強性能的幾何形狀，通過增材製造便於其實際實施。儘管本文中所述的換熱器系統寬泛地適用於涉及多種流體類型的多種換熱器應用，但是在本文中描述其利用燃料(例如，冷流)對發動機油(例如，熱流)的高效冷卻。

大體上，逆流式換熱器特徵在於，成對單個入口管過渡到多個螺旋通路，然後過渡到單個出口管。多個通路大體限定非圓形幾何形狀，以便增大可用於換熱的表面面積。有利地，逆流式換熱器經由增材製造形成為不要求額外組裝的單個構件。

參考圖1和圖2，大體示出示例性逆流式換熱器10。換熱器10包括第一流體路徑100和第二流體路徑200，其彼此分離，因為相應的流體與彼此不物理上混合。然而，在第一流體路徑100和第二流體路徑200內的流體沿相反方向流動時，流體之間出現通過環繞壁的傳熱，從而通過將熱流的熱量傳遞到冷流而有效地冷卻熱流。應當注意，第一流體路徑100論述為在其中包含熱流，而第二流體路徑200論述為在其中包含冷流。然而，應當注意，取決於特定用途，第一流體路徑100或第二流體路徑200可包含熱流或冷流。因此，以下描述不意在將第一流體路徑100限制於熱流和將第二流體路徑200限制於冷流。

現在參考第一流體路徑100，熱入口102示出為供應熱流體流101到第一流體路徑100中。在其通過熱入口102進入時，熱流體流101行進通過第一供應管104到第一過渡區域106。第一供應管104大體示出為圓柱形(例如，具有圓形截面)；然而，第一供應管104可具有用於將熱流體流101供應到換熱器10中的任何合適的幾何形狀。

圖3示出，熱流體流101行進到第一過渡區域106中且分支成第一陣列108的第一通路110。特別地，第一過渡區域106限定多個分支107，其順序地將第一流體路徑100從第一供應管104分成第一陣列108的第一通路110。第一過渡區域106示出為解剖學激發的設計，其中，單個供應管104(即，動脈)分成具有不同截面形狀的多個較小的通路110(即，靜脈)。

再次參考圖1和圖2，第一陣列108的第一通路110大體遵循換熱器10的中心線12周圍的螺旋路徑。儘管示出在螺旋路徑中形成中心線12周圍的四個通道(即，軌道)，但是任何數目的軌道可形成螺旋路徑。然後，在遵循中心線12周圍的螺旋路徑之後，第一陣列108的第一通路110在第一會聚區域112合併到第一排出管114中。第一會聚區域112類似於第一過渡區域106，因為第一陣列108的第一通路110會聚回到單個管即第一排出管114中。因此，第一會聚區域112限定多個合併區域113。然後，熱流101傳遞通過第一排出管114，且離開第一出口116。

相反地，第二流體路徑200限定冷入口202，其供應冷流體流201到第二流體路徑200中。當其通過冷入口202進入時，冷流體流201行進通過第二供應管204到第二過渡區域206。第二供應管204大體示出為大體圓柱形(例如，具有圓形截面)；然而，第二供應管204可具有用於將冷流體流201供應到換熱器10中的任何合適的幾何形狀。類似於第一流體路徑100的第一過渡區域106，第二流動路徑200的第二過渡區域206限定多個分叉，其將第二流體路徑200從第二供應管204順序地分成第二陣列208的第二通路210。第二陣列208的第二通路210大體遵循換熱器10的中心線12周圍的螺旋路徑。

在遵循中心線12周圍的螺旋路徑之後，第二陣列208的第二通路210在第二會聚區域212處合併到第二排出管214中。第二會聚區域112類似於第二過渡區域206，因為第二陣列208的第二通路210會聚回到單個管即第二排出管214中。因此，第二會聚區域212限定多個合併區域213。然後，冷流201傳遞通過第二排出管214且離開第二出口216。如圖所示，第二排出管214行進通過換熱器10的中心，以在傳遞通過第二出口216之前將冷流201沿中心線12向下傳送。

通過這種配置，第一流體流101和第二流體流201在其相應通路110、210中沿相反方向行進，以便在螺旋區段14中關於第一流體流101和第二流體流201的流動方向具有逆流定向。然而，在相反的實施例中，換熱器10可設計成使得第一流體流101和第二流體流201在其相應通路110、210中沿相同方向行進。

圖4和圖5示出通過軸向方向DA(即沿著中心線12的方向)和徑向方向DR(即沿著垂直於中心線12的方向)限定的平面中的截面視圖。該截面視圖包括換熱器10的螺旋區段14。大體上，第一陣列108和第二陣列208布置在一起，使得每個第一通路110鄰近至少一個第二通路210，以允許其間的換熱。在所示出的特定實施例中，第二陣列208中的第一陣列108布置在一起，使得第一通路110和第二通路210是交錯的，且從中心線12沿徑向方向(DR)朝外交替移動。

第一通路110和第二通路210具有伸長的形狀。如圖所示，第一通路110和第二通路210具有沿著軸向方向DA的長度，該長度大於其沿著徑向方向DR的寬度。在某些實施例中，第一通路110具有沿著軸向方向DA的長度，該長度為其沿徑向方向DR的寬度的至少大約兩倍，諸如其寬度的至少大約四倍。例如，第一通路110可具有沿軸向方向DA的長度，該長度為其沿徑向方向DR的寬度的大約3倍到大約10倍，諸如其寬度的大約4倍到大約8倍。類似地，第二通路210具有沿著軸向方向DA的長度，該長度為其沿徑向方向DR的寬度的至少大約兩倍，諸如其寬度的至少大約四倍。例如，第二通路210可具有沿軸向方向DA的長度，該長度為其沿徑向方向DR的寬度的大約3倍到大約25倍，諸如其寬度的大約4倍到大約20倍。所以，第一通路110和鄰近的第二通路210之間的相對接觸區域可通過其間的伸長的公共壁增大。

第一通路110大體限定相對的側表面120a、120b，其大體沿軸向方向DA延伸，且通過頂壁122和底壁124連接到彼此。相對的側表面120a、120b具有從第一通路110的內中心線126的大體可變半徑。在所示實施例中，相對的側表面120a、120b中的每一個限定一系列波紋128，其具有關於其從第一通路110的內中心線126沿著徑向方向DR的距離的波峰130和波谷132。儘管相對的側表面120a、120b示出為具有大致相同模式，但是應當理解相對的側表面120a、120b可具有彼此獨立的模式。在某些實施例中，側表面120a具有從第一通路110的內中心線126沿著徑向方向DR不斷地改變的距離，且側表面120b具有從第一通路110的內中心線126沿著徑向方向DR不斷地改變的距離。

類似地，第二通路210大體限定相對的側表面220a、220b，其大體沿軸向方向DA延伸，且通過頂壁222和底壁224連接到彼此。相對的側表面220a、220b具有從第二通路210的內中心線226的大體可變半徑。在所示實施例中，相對的側表面220a、220b中的每一個限定一系列波紋228，其具有關於其從第二通路210的內中心線226沿著徑向方向DR的距離的波峰230和波谷232。儘管相對的側表面220a、220b示出為具有大致相同的模式，但是應當理解，相對的側表面220a、220b可具有彼此獨立的模式。在某些實施例中，側表面220a具有從第二通路210的內中心線226沿著徑向方向DR不斷地改變的距離，且側表面220b具有從第二通路210的內中心線226沿著徑向方向DR不斷地改變的距離。

分隔壁250將每個第一通路110與鄰近的第二通路210分離，且物理上限定用於第一通路110和第二通路210的相應側壁。

大體上，換熱器10經由使用逐層構造或增材製作的製造方法形成，包括但不限於，選擇性雷射燒結(SLS)、諸如通過噴墨和雷射束的3D列印、立體光刻、直接選擇性雷射燒結(DSLS)、電子束燒結(EBS)、電子束熔化(EBM)、雷射工程淨成形(LENS)、雷射淨成形製造(LNSM)、直接金屬沉積(DMD)等。在一個特定實施例中，金屬材料用於形成換熱器，包括但不限於：純金屬、鎳合金、鉻合金、鈦合金、鋁合金、鋁化物或其混合物。

換熱器10在圖1和圖2中示出為具有包圍換熱器10的第一流體路徑100和第二流體路徑200的外壁5，其中，相應入口和出口提供通過外壁的相應流體流。在一個實施例中，換熱器10形成為集成構件。例如，圖1和圖2示出示例性換熱器系統10，其從單個集成構件形成，包括經由增材製造形成的外壁5。

該書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，並且還使本領域技術人員能夠實踐本發明，包括製造和使用任何裝置或系統以及執行任何包含的方法。本發明可申請專利的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這些其它示例具有不與權利要求的字面語言不同的結構要素，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質差異的等同結構要素，則意在使這些其它示例處於權利要求的範圍內。