一种基于三周期极小曲面结构的换热器及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三周期极小曲面结构的换热器及其工作方法，该换热器包括芯体；芯体包含三周期极小曲面结构和换热器壳体，三周期极小曲面结构设置于换热器壳体的内部，三周期极小曲面结构将换热器壳体的内部空间划分为冷流体通道和热流体通道，换热器壳体上对应于冷流体通道的部分开设有两个冷流体进出口，换热器壳体上对应于冷流体通道的进口和出口部分分别开设有冷流体进口和冷流体出口，换热器壳体上对应于热流体通道的进口和出口部分分别开设有热流体进口和热流体出口，冷流体进口和冷流体出口上分别设置有冷流体进口封头和冷流体出口封头。本发明专利技术能够解决传统换热器紧凑度低，不耐高温高压，功重比低的技术问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三周期极小曲面结构的换热器及其工作方法


[0001]本专利技术属于换热器
，具体涉及一种基于三周期极小曲面填充的一体式紧凑换热器及其工作方法。

技术介绍

[0002]换热器是实现高效传热的必要设备，广泛应用于许多工业领域，如电子器件、化学加工、航空航天、汽车船舶等领域。换热器按照其表面的紧凑程度可以划分为紧凑式换热器与非紧凑式换热器。紧凑型换热器指的是换热表面具有高的表面积和体积之比的换热器，包括板式换热器、螺旋板式换热器和板翅式换热器等。
[0003]在过去的几十年里，这些传统紧凑式换热器一直被用于解决各种常规热和能源管理问题，但由于热和能源相关设备或系统的热负荷和功率密度逐渐增加，传统紧凑式换热器面临着重大的技术挑战。如电子设备的集成度越来越高，核心器件单位面积内的热流密度急剧增加，对散热能力提出了更高的要求。
[0004]随着飞行器设计速度大幅提高，气动热产生的高温使高超声速飞行器工作环境愈加恶劣，热防护系统成为设计中不可或缺的环节。换热器作为航空发动机的间冷回热技术中重要组成部分，意义尤其重要。与高温气冷堆及燃气轮机中的换热器相比，航空发动机回热器对结构的紧凑性、高温高压下结构完整性及换热效率的要求更高。虽然传统的壳管式热交换器可以承受较高的温度和压力，然而由于其表面积与体积比很低，它们通常体积庞大、重量大。而板框式和板翅式换热器虽然比壳管式换热器具有更高的紧凑度，但它们仅限于中低温度和压力的应用环境，此外，两种换热器的压降比较大，通道较窄，容易结垢。印刷电路板换热器采用较小几何通道实现了紧凑度高、耐高温高压等优点，然而，由于加工问题，通道壁厚会留有一定余量，导致换热器整体较重，其流动换热性能和功重比有待进一步提升，并且由于使用化学蚀刻工艺而使得制造成本相对昂贵。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于三周期极小曲面结构的换热器及其工作方法，旨在解决传统换热器紧凑度低，不耐高温高压，功重比低的技术问题，本专利技术提供的换热器具有紧凑度高、轻质化、打印性良好，耐高温高压等优点。
[0006]本专利技术的第一个目的是提供一种基于三周期极小曲面结构的换热器，包括芯体；
[0007]芯体包含一体成型的三周期极小曲面结构和换热器壳体，三周期极小曲面结构设置于换热器壳体的内部，三周期极小曲面结构将换热器壳体的内部空间划分为相互交叉的冷流体通道和热流体通道，冷流体通道和热流体通道相互不连通，换热器壳体上对应于冷流体通道的进口和出口部分分别开设有冷流体进口和冷流体出口，换热器壳体上对应于热流体通道的进口和出口部分分别开设有热流体进口和热流体出口；
[0008]冷流体进口和冷流体出口上分别设置有冷流体进口封头和冷流体出口封头，热流体进口和热流体出口上分别设置有热流体进口封头和热流体出口封头，冷流体进口封头、
冷流体出口封头、热流体进口封头和热流体出口封头上均设置有连接件。
[0009]优选的，三周期极小曲面结构包含多个相互连接的三周期极小曲面单胞结构，多个三周期极小曲面单胞结构通过阵列方式连接为三周期极小曲面结构。
[0010]优选的，三周期极小曲面单胞结构为Scherk3曲面、Neovius曲面、Dprime曲面、Split P曲面、Lidinoid曲面、FKS曲面、Double Gyroid曲面、Double SD曲面、第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面结构中的任意一种。
[0011]优选的，冷流体通道和热流体通道分别包含多个冷流体分支通道和多个热流体分支通道，每个冷流体分支通道的进口和出口部分分别对应冷流体进口和冷流体出口，每个热流体分支通道的进口和出口部分分别对应热流体进口和热流体出口。
[0012]优选的，冷流体分支通道和冷流体分支通道的个数相同，冷流体分支通道和冷流体分支通道之间相互交叉。
[0013]优选的，芯体的材质为铝合金、不锈钢、钛合金、模具钢或镍基高温合金。
[0014]本专利技术的第二个目的是提供一种上述基于三周期极小曲面结构的换热器的工作方法，包括以下步骤：
[0015]S1、将冷流体工质管道通过连接件与冷流体进口封头相连，并将热流体工质管道通过连接件与热流体进口封头相连；
[0016]S2、将冷流体通过冷流体工质管道经由冷流体进口封头的内部空间输送至冷流体通道中，并将热流体通过热流体工质管道经由热流体进口封头的内部空间输送至热流体通道中；
[0017]S3、当冷流体和热流体进入各自通道后，冷流体和热流体在三周期极小曲面结构内进行逆流方向热交换，并在三周期极小曲面结构的诱导下产生螺旋流动；热交换完成后，冷流体通过冷流体出口封头内部空间流出换热器壳体，热流体通过热流体出口封头内部空间流出换热器壳体。
[0018]优选的，连接件为法兰。
[0019]本专利技术与现有技术相比，其有益效果在于：
[0020](1)本专利技术提供的基于三周期极小曲面结构的换热器中所采用的三周期极小曲面结构不同于人为设计的其他强化换热结构，其极小曲面的张成是自然力分布的直接结果，其势能天然最小，具有优异的力学性能、较大的紧凑度，耐高温高压等优点；
[0021](2)本专利技术中的三周期极小曲面单胞具体所采用的曲面结构属于三周期极小曲面，作为有限边界条件下的最小能量状态，其结构十分稳定。由于极小曲面各点的平均曲率为零，具有光滑的表面和均匀的曲率半径等特征，在承载时该结构应力分布均匀，具有更突出的机械承载性能，能应用于高温高压场合。同时三周期极小曲面内部每个分离的通道在所有方向上互连，内部流体可以自由流动，流动阻力和压降会较低，其综合传热性能会更好；
[0022](3)本专利技术中的三周期极小曲面将一个三维区域天然划分为两个相互渗透的通道，并提供了较大的表面积
‑
体积比，而且三周期极小曲面能够诱导内部流体产生螺旋等复杂流动形式，不仅可提高换热效率，还可以防止污垢及微粒附着到壁面上，从而可提高换热器使用寿命；
[0023](4)本专利技术中的三周期极小曲面皆由简单的隐式函数控制，通过计算机辅助设计
曲面结构参数可调控，紧凑度及体积分数等亦可随空间位置发生变化，对复杂环境中高冷却承载性能要求和特定力学场景的适用性更强；
[0024](5)本专利技术中的三周期极小曲面是自支撑结构，在增材制造过程中三周期极小曲面各层之间几乎可以相互支撑，因此在增材制造过程中无需添加支撑就可以完美的打印出整个结构，具有良好的打印性，而且在增材制造后可以避免去除支撑的耗时过程；
[0025](6)本专利技术中的换热器芯体通过3D打印整体一体化成型制造，解决了传统换热器中分开制造各零部件，再进行装配或焊接导致可靠性差的问题，使得热交换器不易发生泄漏，并且能够更好地将换热器应用到高压领域。同时一体式3D打印热交换器避免了过去换热器生产组装过程中的钎焊问题，既防止了高压流体中大量泄漏问题还能进一步降低成本。作为高紧凑度换热器，其可以应用到航空航天、电子器件、汽车船舶等复杂力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三周期极小曲面结构的换热器，其特征在于，包括芯体，所述芯体包含一体成型的三周期极小曲面结构(5)和换热器壳体(7)，三周期极小曲面结构(5)设置于换热器壳体(7)的内部；所述三周期极小曲面结构(5)将换热器壳体(7)的内部空间划分为相互交叉的冷流体通道(3)和热流体通道(4)，冷流体通道(3)和热流体通道(4)相互不连通，换热器壳体(7)上对应于冷流体通道(3)的进口和出口部分分别开设有冷流体进口和冷流体出口，换热器壳体(7)上对应于热流体通道(4)的进口和出口部分分别开设有热流体进口和热流体出口；冷流体进口和冷流体出口上分别设置有冷流体进口封头(2)和冷流体出口封头(8)，热流体进口和热流体出口上分别设置有热流体进口封头(6)和热流体出口封头(9)，冷流体进口封头(2)、冷流体出口封头(8)、热流体进口封头(6)和热流体出口封头(9)上均设置有连接件(1)。2.如权利要求1所述的基于三周期极小曲面结构的换热器，其特征在于，所述三周期极小曲面结构(5)包含多个相互连接的三周期极小曲面单胞结构，多个三周期极小曲面单胞结构通过阵列方式连接为三周期极小曲面结构。3.如权利要求2所述的基于三周期极小曲面结构的换热器，其特征在于，所述三周期极小曲面单胞结构为Scherk3曲面、Neovius曲面、Dprime曲面、SplitP曲面、Lidinoid曲面、FKS曲面、Double Gyroid曲面、Double SD曲面、第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面结构中的任意一种。4.如权利要求1所述的基于三周期极小曲面结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐桂华，黄卫士，李楠，汪浩，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：