CN108027222A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由多个非常薄的层形成的紧凑型热交换器，所述多个非常薄的层彼此固定并且经由增材制造形成。这种增材制造能够优化热交换器的流动通道的构造和这些流动通道的布置，以改进传热性能、提高对热应力和机械应力的抵抗性、以及用于基于诸如热交换器将处于的环境的其它因素进行优化。

Description

热交换器

技术领域

所公开和要求保护的构思整体涉及紧凑型热交换器，并且更加具体地涉及通过增材制造形成的紧凑型热交换器。

背景技术

热交换器典型地均包括接收处于第一温度的流体的热管段和接收处于第二较低温度的单独流体的冷管段，其中，热管段和冷管段相互处于传热关系中，以将热量从热管段中的流体转移到冷管段的液体中。虽然热交换器通常对其预定目的有效，但它们还是具有局限性。

由于紧凑型热交换器涉及某些类型的界面(诸如，位于相对热的流体和相对冷的流体之间的由金属或其它导热材料形成的界面)，因此界面本身经受由两种流体之间的热差和压差两者引起的应力以及由于其他因素引起的应力。这些应力长期来看会对紧凑型热交换器的弹性有害。然而，目前的制造方法在经济有效地保护紧凑型换热器以避免由于这些应力而导致的弯曲和损坏方面取得了有限的成功。

另外，任何给定的紧凑型热交换器的效率除其他因素外还取决于热管段和冷管段中的流动通道的构造。紧凑型换热器的已知的制造方法限制了构造通道可采用的方式，结果是紧凑型换热器具有有限的性能。因此期望进行改进。

发明内容

改进的热交换器由多个非常薄的层构成，这些层相互固定并且通过增材制造形成。这种增材制造使得能够优化热交换器的流动通道的构造和这些流动通道的布置，以提高传热性能、改善对热应力和机械应力的抵抗性、以及基于其他因素(例如热交换器将处于的环境)进行优化。

因此，所公开和要求保护的构思的一个方面是提供一种由多个层形成的改进的热交换器，所述多个层经由增材制造而彼此固定。

所公开和要求保护的构思的另一方面是提供一种具有针对传热进行优化的通道的热交换器。

所公开和要求保护的构思的另一方面是提供一种改进的热交换器，所述热交换器的通道被优化以减小作用在通道上的热应力和机械应力。

所公开和要求保护的构思的另一方面是提供一种改进的热交换器，所述热交换器由多个彼此固定的层形成，其中，层包括以下中的一个：小于热交换器的整个集管；芯部的一部分，其具有彼此流体隔离的第一通道的至少一部分和第二通道的至少一部分，或者具有通道的至少一部分和集管的至少一部分。

因此，所公开和要求保护的构思的一个方面是提供一种改进的紧凑型热交换器，该紧凑型热交换器通常可以被描述为包括彼此固定并且一起形成芯部和集管设备的多个层，所述芯部在其中形成多条通道，所述多条通道包括多条第一通道和多条第二通道，所述多条第一通道的至少一部分定位成与所述多条第二通道的至少一部分成传热关系，所述集管设备包括至少第一集管，所述第一集管与所述多条通道中的至少一些通道流体连通，所述至少第一集管具有通道端和连接端，所述通道端定位成毗邻芯部，并且包括与所述至少一些通道直接流体连通的多个流动连接件，所述连接端具有开口，所述开口构造成与另一个流动结构流体连通地连接，所述至少一根集管包括流动通路，所述流动通路在通道端和连接端之间延伸并且使得所述多个流动连接件与所述开口之间能够流体连通。所述多个层中的至少一层是以下中的至少一种：通常可被描述为包括所述至少第一集管的一部分但小于整个所述至少第一集管的层，并且所述层在其中形成有流动通路的至少一部分；通常可被描述为包括芯部的至少一部分的层，所述层在其中形成有彼此流体隔离的第一通道的至少一部分和第二通道的至少一部分；通常可被描述为包括芯部的至少一部分的层，所述芯部在其中形成有多条通道中的至少一部分通道，并且该层还包括至少第一集管的一部分，而且该层在其中形成有流动通路的至少一部分。

附图说明

当结合附图阅读时能够从以下描述中获得对所公开和要求保护的构思的进一步理解，在所述附图中：

图1是根据所公开和要求保护的构思的第一实施例的改进的紧凑型热交换器的透视图；

图2是图1的热交换器的分解示意图；

图3是图1的热交换器的处于传热关系的第一管段和第二管段的流体流动路径的视图；

图4是沿着图1的线4-4剖切的典型截面图；

图5是与图4类似的视图，只是还示出了根据所公开和要求保护的构思的第二实施例的改进的紧凑型热交换器的截面图；

图6是与图5类似的视图，只是还示出了根据所公开和要求保护的构思的第三实施例的改进的紧凑型热交换器的截面图；

图7是与图4类似的视图，只是还示出了根据所公开和要求保护的构思的第四实施例的改进的紧凑型热交换器的截面图；

图8是根据所公开和要求保护的构思的第五实施例的改进的紧凑型热交换器的示意图；

图9是图8的热交换器的端视图；

图10是图8的紧凑型热交换器的流动通道的视图；

图11是图10中示出的流动通道的另一视图；和

图12是根据所公开和要求保护的第六实施例的改进的紧凑型热交换器的示意图。

在整个说明书中相同的附图标记指代相同的零件。

具体实施方式

图1和图2中示出了根据所公开和要求保护的构思的第一实施例的改进的紧凑型热交换器4。紧凑型热交换器4通过增材制造形成。例如但不局限地，可以通过将连续的粉末状金属颗粒或其它类型的颗粒层彼此叠置并且选择性地将激光、离子束或其他形式的集中能量施加到每一层金属颗粒以使得某些金属颗粒熔融在一起和/或熔融到另一层来实施增材制造。在完成时，金属颗粒层的叠层常常包括已经熔合在一起以形成所得产物的一些金属颗粒和未熔合的其他金属颗粒。通过将一股压缩空气施加到金属颗粒层叠层上从熔融的金属颗粒中除去未熔化的金属颗粒，从而得到成品。如果需要，成品可以经由烧结或其他处理而进行进一步处理，以降低增材制造中固有的孔隙率。另一类型的增材制造包括使用多晶型粘合剂将金属粉末粘合在一起，然后通过烧结以将颗粒熔合在一起。存在其他这样的技术并且其他这样的技术同样可用于本申请中。如将在下面更详细阐述的那样，增材制造形成热交换器4的新颖和创造性应用有利地使热交换器4能够被构造成用于优化传热和/或优化对热应力和机械应力的抵抗性和/或进行其他优化。

可以说改进的热交换器4包括作为增材制造工艺的一部分就地共同形成的芯部6和集管设备8。也就是说，热交换器4包括多个层，例如用图2中的数字12A、12B和12C表示的层，所述多个层彼此固定并且共同形成为单件式单元。应该理解的是，图2旨在示意性地表示热交换器4由多个层形成，并且所述多个层由层12A、12B和12C表示。然而，还应理解的是，使用增材制造将更典型地采用数量远大于均在图2中明确示出的三层的层。也就是说，层12A、12B和12C可能自身均包括大量单独层，所述大量单独层使用增材制造工艺各自熔合到其它层，因此图2中对层12A、12B和12C的描绘旨在仅仅说明增材制造工艺而非明确描述该工艺的性能。

从图1和2可以理解的是，可以说芯部6包括由熔融的金属材料形成的芯部本体14，并且可以看到芯部本体14包括形成在其中的多条通道16。通道16典型地是细长的，并且通道16中的一些通道可以具有多于一个的伸长方向。通道16包括多条第一通道20和多条第二通道22，例如，所述多条第一通道20在图2中描绘为出现在层12A上，而所述多条第二通道22在图2中描绘为出现在层12B上。如将在下面更详细地阐述的那样，多条通道16能够可选地包括为其他目的而设置的多条其他通道16。如本文所采用的那样，表述“多个”及其变体应广义地指任何非零数量，包括数量为1的数量。

可以说集管设备8包括如图1中用数字24A、24B、24C和24D表示的多根集管，应当注意的是，这样的集管可以单独地或共同地用数字24表示。在示出的示例中，热交换器4是逆流热交换器，所述逆流热交换器在集管24中的至少一些集管附近的区域中具有交叉流动。像这样，在示例性的集管24中，集管24A是示例性的第一进口集管，而集管24B是示例性的第一出口集管。集管24A和24B与第一通道20流体连通以形成图3所示的第一管段28，并且在所示的示例性实施例中，该第一管段是冷管段。集管24C是示例性的第二入口集管，并且集管24D是示例性的第二出口集管。集管24C和24D与第二通道22流体连通以形成同样在图3中示出的第二管段30，并且在所示的示例性实施例中，该第二管段30是热管段。第一管段28和第二管段30(即示例性的冷管段和示例性的热管段)定位成相互处于传热关系中并且在图3中在无芯部本体14的情况下示出。明确指出的是，在此使用术语“冷”和“热”等旨在本质上仅仅是示例性的而且旨在完全是非限制性。

如可从图2进一步理解的是，集管24A、24B、24C和24D各自分别包括通道端32A、32B、32C和32D，其在此可单独地或共同地用数字32表示。每个通道端32定位成与各个通道16直接相邻并与其流体连通。集管24A、24B、24C和24D各自还分别包括连接端36A、36B、36C和36D，其各自定位成在相应的通道端32对面，并被构造成与另一个流动结构(诸如管道等，没有限制)流体连通地连接。可以说集管24A、24B、24C和24D各自具有分别形成于其中的流动通路38A、38B、38C和38D，所述流动通路38A、38B、38C和38D在此可以单独地或共同地用数字38表示。流动通路38各自在相应的通道端32和相应的连接端36之间延伸，并且允许集管24与第一通道20和第二通道22之间流体连通。

如从图2中的层12A和12B可最好地理解的那样，集管24A、24B、24C和24D各自分别包括开口40A、40B、40C和40D，所述开口40A、40B、40C和40D在此可以被单独地或共同地用数字40表示。开口40位于相应的连接端36处。集管24A、24B、24C和24D各自还分别包括多个流动连接件44A、44B、44C和44D，所述多个流动连接件44A、44B、44C和44D在此可以被单独地或共同地用数字44表示。流动连接件44各自与第一通道20中的一条直接流体连通或者与第二通道22中的一条直接流体连通。流动通路38在开口40和流动连接件44之间延伸并且提供在所述开口40和所述流动连接件44之间的流体连通以及与相应的第一通道20和第二通道22的流体连通，如下文更详细描述的那样。就此而言，重申的是，集管24A和24B与第一通道20流体连通以形成第一管段28，而集管24C和24D与第二通道22流体连通以形成第二管段30，并且注意的是第一管段28和第二管段30彼此流体隔离并且定位成处于相互传热关系。

从图2中的层12A和12B可以理解的是，每条流动通路38包括多个流动连接件44，所述多个流动连接件44与对应的开口40流体连通，并且如上所述地与和其流体连通的对应的第一通道20或第二通道22直接流体连通。流过其中一个开口40的流体流形成通过对应的流动连接件44的综合流，反之亦然。

集管24各自被构造成在开口40和多个对应的流动连接件44之间提供流动连通，以一种方式提供流动连接件44与对应的第一通道20或第二通道22之间的直接流体连通，在所述方式中，生物的血管包括第一流动通道和接续的更小的第二通道以及第三通道，例如，该第一流动通道和接续更小的第二通道和第三通道与血管流体连通，直接供给需要提供的流体流的任何物质。这有利地与流动***的常规歧管形成对比，其中，相对大的通路和多个较小的通路都与共用增压室流体连通，所述共用增压室不一定将流体流引入或引出相对更小的通道。在流体从相对大的通道流入增压室并且然后进入相对小的通道的示例中，流体流撞击在增压室定位成毗邻与较小通道连接的连接处的区域上。这种撞击导致在这些位置处流动停滞并随之导致压力下降且产生湍流。

同样地，在流体从相对更小的通道流出并进入增压室且随后流出相对更大的通道的示例中，流体进入增压室的流动为自由射流的形式，因为自由射流与增压室内的流体混合，所以自由射流经受压降。这种情况下，增压室的未对准而用来接收从相对更小的通道引导的流体流的区域经历流体停滞区域并因此产生涡流和由此产生的紊流。由于压降和必须在基于示例性增压室的几何结构中发生的其它流动限制并且还由于作用在这种流动***上的振动和机械应力，因此增压式流动***中的这种流体流并非最佳。

然而，有利的是，改进的热交换器4的集管24构造成在开口40和对应的流动通路44之间提供改进的流体连通。如在图2中可进一步看到的那样，示例性流动连接件44各自包括第一流动通路部分46，其是流体流在流过开口40时的一部分。示例性流动连接件44各自还包括第二流动通路部分48和第三流动通路部分50。第三流动通路部分50位于通道端32处并且提供了与所连接的第一通道20或第二通道22的直接流体连通。第二流动通路部分48各自介于对应的第一流动通路部分46和对应的第三流动通路部分50之间。也就是说，任何给定的流动连接件44的第一流动通路部分46、第二流动通路部分48和第三流动通路部分50依次流体连通地连接在一起，使得通过第三流动通路部分50发生的流体流是通过对应的第一流动通路部分46的综合流体流的一部分，反之亦然。

就这一点而言，可以看出的是，集管24各自包括多个第一流动导向件54和多个第二流动导向件56，所述多个第一流动导向件54和多个第二流动导向件56在开口40和对应的流动连接件44之间提供流动方向。示例性的第二流动导向件56通常各自定位成毗邻芯部6并且位于一对第一通道20之间或一对第二通道22之间。

以下示例涉及集管24A，其中，流体进入开口40A并且流过流动通路38A，从流动连接件44A流出而进入与其直接流体连通的第一通道20中。在集管24A中，流体最初流过开口40A并流入第一流动通路部分46，在第一流动通路部分中，它遇到第一流动导向件54的一对外表面部分58W和58X，所述一对外表面部分58W和58X引导流体流入相对更小的但是更充足的第二流动通路部分48。每个第二流动通路部分48中的流体流此后遇到第二流动导向件56中的每一个上的一对外表面部分60W和60X，所述一对外表面部分60W和60X将来自第二流动通路部分48的流体分流到相对更小但更充足的第三流动通路部分50中。在图2中在层12B上示出了另一组外表面部分60Y和60Z，其进一步分流来自第二流动通路部分48A的流体流，所述第二流动通路部分48A被描绘为至少部分地形成在层12A上并且将流体从该第二流动通路部分48A引导到另一组第一通道20中，所述另一组第一通道20位于层12C的下侧处并且因此在图2中没有明确示出。

在集管24A的示例中，在本文中共同地或单独地用数字60表示的外表面部分60W、60X、60Y和60Z通过将来自第二流动通路部分48中的一个的流体流分流并引导到多个相对更小的第三流动通路部分50中然后直接进入与第三流动通路部分的流体连通的第一通道20，由此形成第三流动通路部分50的一些。因此，外表面部分60有利地避免了在没有第二导向件56的情况下出现的停滞和压降中的至少一些。同样，外表面部分58W和58X将来自第一流动通路部分46的流分流并引导到大量相对更小的第二流动通路部分48。这与常规歧管相比，减小了从开口40A流动到流动连接件44A的流动中的压降和紊流。

当流体沿相反方向流动通过集管24中的一根(例如利用出口集管24B)时，第一导向件54与对应的第一通道20直接流体连通并引导来自第三流动通路部分50的流进入相对更大的第二流动通路部分48。同样地，第一流动导向件54以最小的压降引导流体从第二流动通路部分48流入集管24B的第一流动通路部分46，以允许流体流出开口40B而进入另一个流动结构(诸如，所连接的管道等)。

因此可以看出，通过将流动通路38构造成在开口40之一与对应的流动连接件44之间提供平滑的流体连通能够减小压降，原因在于改进的流体流动具有较少的紊流和停滞，所有这些在流体流动环境中都是理想的。上述增材制造工艺使得改进的热交换器4能够由以一种方式设计的集管24构造而成，并且这可以以相对便宜的方式完成。改进的热交换器4的改进的集管24因此使得热交换器4能够以成本有效且机械可靠的方式具有改进的流体流动性能，这非常合乎需要且是有利的。此外，增材制造工艺的多功能性和可变性使得集管24的设计能够针对流体流动进行优化，即，利用采用流体***设计软件的计算机***来设计，并且可以将完成的设计下载到增材制造机，这将简单地制造热交换器，热交换器的设计被提供给该增材制造机。这种优化可以根据任何给定应用的各种需要而改变，以提供适当的优化，并且这样的修改效率是非常有利的和理想的。

如可在图4中看到的，第一通道20和第二通道22的横截面形状横向于通过其中的流动方向并且具有周边62，在所示的示例性实施例中，所述周边是弧形的而非圆形，而且呈近似卵形或椭圆形或半椭圆形。周边62的形状是流动通道的横截面形状的一个示例，该流动通道被优化成提供低的压降，与此同时提供升高的传热速率。如将在本文其他地方更详细解释的那样，可以定制任何给定通道的形状，以针对诸如热应力和机械应力的很多种考虑因素中的任何一种提供优化以及基于其他考虑提供优化。图4中示出的示例性第一通道20和示例性第二通道22被描绘为具有相同的形状并且因此具有相同的周边62或形状因子而且也具有相同的尺寸。此外，以示例性方式，第一通道20在图4中布置成多个第一行70，第二通道22在图4中描绘为同样布置成多个第二行72，其中，第一行70与第二行72交替。可以说第一通道20和第二通道22的周边62具有比其短轴线长的长轴线，并且第一通道20的长轴线沿着各个第一行70相互对准。同样可以说，第二通道22的主轴线沿着第二行72对准。第一行70和第二行72从图4的视角观察沿水平方向取向。在图4中第一通道20和第二通道22的示例性布置中，第一通道20的第一行70定位成毗邻第二通道22的第二行72，所述第二通道22继而定位成毗邻第一通道20的另一个第一行70。

如在图4中可以进一步看到的那样，芯部本体14包括具有壁表面68的壁64，所述壁表面68面向热交换器4的外部并且通常背离第一通道20和第二通道22的方向。可以说壁64在第一通道20之一与壁表面68之间具有壁厚76A，并且在第二通道22之一与壁表面68之间具有另一壁厚76B。在这方面，壁厚76A将指壁表面68与最靠近壁表面68的第一通道20的周边62之间的最小厚度。同样，将壁厚76B定义为壁表面68与最靠近壁表面68的第二通道22的周边62之间的最小距离。在在此描绘的示例性实施例中，可以看出壁厚76A小于壁厚76B。当例如第二通道22承载的流体具有比由第一通道20承载的流体的压力(即，静态压力)相对更高的压力时，有利地优化相对更大的壁厚76B，例如以提供更大的芯部本体14刚度。这种优化可以基于静压力、动压力等的差异，并且本文所呈现的壁厚76A和76B之间的各种关系仅仅旨在作为可提供这样的优化以在给定的示例性环境中使用的示例。

应该理解的是，可以根据需要提供第一通道20和第二通道22之间关系的其他类型的优化，包括它们的布置方案和位于它们之间的壁64的厚度等。例如，第一通道20和第二通道22在图4中示出为具有各种相互毗邻关系。任何给定的第一通道20或第二通道22(在图4中呈现的示例中为第一通道20)定位成毗邻与其流体连通的另一通道16，如用附图标记78A所示，并且还定位成毗邻与其同样流体连通的另一条这样的通道16，如附图标记78B所示。即，在所示出的示例性实施例中，第一通道20中的至少一些各自位于一对其他第一通道20之间，如示出的示例性实施例中的附图标记78A和78B所示。应该注意的是，通道16中的一些(诸如位于芯部6周边的那些通道16)可以不必具有在此所指出的所有关系，尽管很多其他通道16也是如此。从图4的角度看，关系78A和78B沿着水平方向取向，并且三个已标识的第一通道20位于相同的第一行70中。

如附图标记78A和78B所示，位于两条相邻第一通道20之间的前述第一通道20离与其流体隔离的四条其他通道16(即，四条相邻的第二通道22，如用附图标记78C、78D、78E和78F所示)更近。所指示的关系78C、78D、78E和78F在从图4的视角看既非沿着垂直方向也非沿着水平方向取向，而是在图4中各自成倾斜或对角线取向。

如由相邻关系78A和78B所指示的那样，可以看出，所指示的相邻第一通道20彼此分开第一距离90，这意味着芯部本体14具有在各对相邻的第一通道20之间等于第一距离90的最小厚度。在所示出的示例性实施例中，两对相邻的第一通道20之间的示例性第一距离90相等。重申的是，该第一距离90是在图4的示例中彼此流体连通的相邻通道16之间的距离。

这样的第一通道20还可以进一步被称为与位于其毗邻的四条其他通道16(即，四条第二通道22)相距第二距离92，所述四条其它通道16与第一通道20流体隔离且用相邻关系78C、78D、78E和78F指示而且该距离等于第二距离92。第二距离92表示第一通道20之一和与第一通道20流体隔离的相邻第二通道22之一之间的芯部本体14的最小厚度。在所示出的示例性实施例中，第二距离92被示出为例如相互相等。

就此而言，可以理解的是，可以根据需要调整第一距离90和第二距离92，以提供传热速率、热应力和机械应力、流速和压力的各种考虑与在形成热交换器4的设计中可能存在的其他考虑之间的优化。

还应注意的是，图4中的第一通道20和第二通道22中的每一条被示出为具有相互相等的横截面积96。而且，可根据需要结合其它优化中的任一种来调整横截面积96，可能需要或提供所述其它优化以优化在此提及的各种性能因素和/或其他因素。

如在图2中可以进一步看到并且特别是在层12B上看到的那样，多条通道16还包括附加通道80，该附加通道80形成在第一通道20之一和毗邻其的壁表面68之间的壁64中。该附加通道80细长并且包括通往热交换器4外部的开口84，而且该附加通道80构造成在其中接收一种仪器或另外仪器86。例如，仪器86可以是诸如温度传感器等的装置，在这种情况下，附加通道80将是仪器通道。类似地，仪器86可以替代地是多个加热器，所述多个加热器被构造成当冷流体和热流体首先被引入通道16中时预热热交换器4以减小热冲击。这样的加热在热循环期间尤为有利，以减小在热应力突然作用在芯部6上时可能产生的有害影响。在仪器86是多个加热器的情况下，附加通道80可以是一条或多条这样的附加通道80，其可以位于芯部6上的除了图2中明确示出的位置之外的其它位置处并且将多个加热器接收在其中。

应该注意的是，附加通道80是热交换器4的整体设计的一部分，因此可以优化壁64以抵抗热应力和机械应力和其它应力的应力集中，所述其他应力另外可能由于附加通道80形成在热交换器4上的不连续位置处而引起。就此而言，附加通道80附近的芯部本体14的尺寸可以根据需要构造成更笨重，或者附加通道80可以可替代地以相对最小和/或机械应力和/或基于其他考虑因素定位在芯部本体14上的不同位置种。

附加通道80在增材制造过程中的初始制造期间形成在热交换器4中，结果，附加通道80将无加工硬化或其他残余应力，所述其他残余应力可能因形成附加通道80(例如钻头施加到壁64上)而产生。还应注意的是，开口84位于集管24B的相对于附加通道80的纵向范围倾斜的表面上，如果使用常规钻头，则这通常非常难以从这样的角度钻出孔。尽管在这种情况下可以采用其他工艺(例如激光等)，以使得能够以与外表面成这样开口关系地钻出这样的附加通道或其导向孔。然而，应注意的是，在使用本文提及的增材制造工艺时形成附加通道80的有利最小成本相比，使用这种激光或其他方法是昂贵的。

因此可以理解的是，热交换器4以一种方式设计而成，使得一起优化其各种结构以及第一管段28和第二管段30，从而提供总体设计，该总体设计为压降、热应力和机械应力、传热效率并基于其他考虑提供理想特征(即，优化的特征)。取决于具体应用的需要，热交换器4的各部件和第一管段28和第二管段30的各部件之间的各种相互关系可以根据具体应用的需要进行调节，以有利地提供其他优化，即，以最小的成本进行优化以满足其他应用的其他需求(诸如变化的压力和温度)以及其他考虑。

在图5中示意性地示出了类似于热交换器4的改进的热交换器104，并且该改进的热交换器由与热交换器4的图4中的截面相似的截面图表示。热交换器104可以构造成从外部看起来与热交换器4相同，尽管这不一定需要是这样的。

热交换器104包括芯部106，所述芯部106在其中形成有多条通道116，这些通道116是细长的并且包括多条第一通道120和多条第二通道122。第一通道120彼此流体连通，并且第二通道122同样彼此流体连通，其中，所述第一通道120与第二通道122流体隔离。

在图5中构造的示例性实施例中，第一通道120和第二通道122具有有弓形和非圆形周边162的形状，所有这些周边都具有相互相同的尺寸和形状。为了完整性，重申的是，尺寸和/或形状基于热交换器104在其预期使用的特定环境中所需的优化可根据需要而改变。芯部106具有壁164，壁164具有壁表面168，并且第一通道120与壁表面168相距的距离和第二通道122与壁表面168相距的距离相等。也就是说，壁164在壁表面168和与壁表面168相邻的第一通道120之间具有最小壁厚176A，并且壁厚176A等于壁表面168和与壁表面168相邻的第二通道122之间的另一最小壁厚176B。同样，这种壁厚可以根据特定应用的需要进行优化。

从图5可以进一步理解，如图4所示，第一通道120和第二通道122与热交换器4中的第一通道20和第二通道22具有不同的布置，这是因为第一通道120和第二通道122没有布置在处于相互流体连通的水平行中。重申的是，图4中的行与第一通道20和第二通道22的主轴线对准，而图5中的第一通道120和第二通道122则不是这种情况。而是，每条第一通道120毗邻与其流体隔离的四条通道116，即，第二通道122中的四条，并且毗邻与其流体连通的另外四条其它通道116，即，四条其它第一通道120。例如，图5将第一通道120中的一条描绘为和与其流体连通的四条其它毗邻第一通道120具有四种相邻关系178A、178B、178C和178D。相邻关系178A、178B、178C和178D相对于图5既不沿着水平方向也不沿着垂直方向取向，而是沿着倾斜方向或对角取向。该相同的第一通道120和其他这样的第一通道120均还毗邻与其流体隔离且处于传热关系的四条其他通道116(即，第二通道122中的四条)，如表示为相邻关系178E、178F、178G和178H。作为示例，示例性的相邻关系178E、178F、178G和178H从图5的角度观察沿着水平方向和垂直方向取向。可以看出，与壁表面168相邻的通道116不一定均毗邻与其流体连通的四条其他通道116和与其流体隔离的另外四条通道116，但应该理解的是，示例性热交换器104的其他通道116确实共享这种关系。一般情况下，与例如热交换器4相比，第一通道120和第二通道122之间的这种相互关系通常能够在第一通道120和第二通道122之间提供更大的传热速率。如图5所示的第一通道120和第二通道122的这种布置方案可以是针对特定目的优化的结果，诸如优化在打算使用热交换器104的一组环境中的传热。

进一步可以看出，相邻关系178A、178B、178C和178D各自具有相等的第一距离190。从图5的角度看，相邻关系178E和178G沿着水平方向，并且示出了第二距离192将第一通道120与毗邻的第二通道122中的两条分隔开，所述两个第二距离192彼此相等。第一通道120从图5的角度看还沿着竖直方向间隔开以关系178F和178H表示的另外两个相邻的第二通道122之间的第三距离194，所述第三距离194彼此相等。可以看出，第一距离190(即，彼此流体连通且因此可能具有相同或相似温度的第一通道120之间的距离)大于第二距离192和第三距离194中的任意一个。第二距离192和第三距离194是第一通道120和第二通道122之间的距离，所述第一通道120与所述第二通道122流体隔离，并且所述第二通道122可能会具有另一温度且与第一通道120处于传热关系中。如由第一距离190、第二距离192和第三距离194所表示的这种相对定位(即，壁164的厚度)提供了如何根据任何特定应用的需求来优化或调整传热速率和效率。

进一步注意到的是，第一通道120和第二通道122在横向于其中的流动方向的方向上具有相同的横截面积196。重申的是，横截面积196的这种相似性是多种关系中的一种，其可被调整以提供满足给定应用中适合性的各种标准中的任何一种标准的性能。

所公开和要求保护的构思的第三实施例的改进的热交换器204通过其芯部206的截面图在图6中示意性地示出。芯部206具有形成在其中的多条细长通道216，所述多条细长通道216包括彼此流体连通的多条第一通道220和221和彼此流体连通的多条第二通道222和223。示例性第一通道220和示例性第二通道222各自具有有周边262的横截面形状，周边262与图5中的第一通道120和第二通道122的示例性周边162具有相同的尺寸和形状(即，卵形或椭圆形或半椭圆形)。然而，应当注意的是，第一通道221和第二通道223具有有圆形周边263的弓形状。第一通道220和第二通道222具有一个横截面积296，并且第一通道221和第二通道223具有另一横截面积297，在所示的示例性实施例中，该横截面积297小于横截面积296。

第一通道220和221通常各自共享与第二通道222和223相同类型的相互关系(可能除了芯部206的周边之外)，由与相邻关系178A、178B、178C、178D、178E、178F、178G和178H在位置上相似的相邻关系278A、278B、278C、278D、278E、278F、278G和278H证明。然而，应注意的是，通过设置第一通道221和第二通道223具有相对更小的横截面积297，第一通道220或221中的任一条与对角相邻的四条其他第一通道220或221之间的第一距离290(根据相邻关系278A、278B、278C和278D)大于图5中的第一距离190。同样地，第一距离290大于由通道216和一对水平相邻的另一条通道216之间的相邻关系278E和278G指示的第二距离292，所述一对水平相邻的另一条通道216不与通道216流体连通而是与通道216流体隔离。该第二距离292同样大于从图6的视角在竖直方向上表示的在竖直相邻的各对第一通道220和第二通道222之间的第三距离294以及在竖直相邻的各对第一通道221和第二通道223之间的第四距离295。而且，这种间距和相互关系以一种方式提供了相邻通道216之间的相对接近度或相对距离，使得可以优化传热和/或可以优化位于通道216之间的芯部206的结构材料，所述通道216之间彼此流体隔离并且在所述通道216之间将存在热应力和机械应力。

从图6可以进一步看出，第一通道220与壁264的壁表面268相距一距离276A，并且第二通道222与壁表面268相距第二距离276B，所述第二距离276B等于距离276A。根据具体应用的需要和热交换器204的所需性能，可以提供其他相对的、相等和/或不相等的壁厚。

因此，可以理解的是可以基于各种优化因素以及其它这种因素选择各种通道216之间的位置以及各种通道216的各种形状和尺寸，所述各种优化因素涉及关于传热能力、热应力和机械应力的关注点。其他变形方案将是显而易见的。

虽然图6在本文中被描绘为取自与图5中描绘的热交换器104不同的另一热交换器204的截面图，但应当理解的是图6可以用于替代地描绘图5的各种通道116的尺寸和形状如何从沿着通道116的一个纵向位置至沿着相同通道的另一个纵向位置发生改变的方式。例如，图6可以替代地描述第一通道120中的某一些可以从热交换器中由图5所示的一个位置过渡到相同热交换器中由图6所示的另一个位置。例如，图5中的某些第一通道120可以将其形状和横截面积沿着其纵向范围的一个位置处(如图5所示)的圆弧变为沿着它们的纵向范围的另一个位置(如图6所示)处的不同的弓形和截面面积。在图5和图6之间，某些第二通道122可以说是相同的部件，所述某些第二通道122转变成相对更小的圆形第二通道223。例如，各种通道的尺寸和形状的变化将相应地改变其间的芯部壁的尺寸并且还改变这种通道的流动特性。这种设计可能导致特定热交换器对于预期应用的性能需求。因此可以理解的是，热交换器中的任何给定通道不需要具有沿其整个纵向范围的固定的横截面形状或固定的横截面周长或横截面积，而是该尺寸和相应的壁尺寸可以根据给定应用的特定需求而变化。类似地，变化的壁尺寸可以基于给定应用中对热应力和机械应力的所需抵抗性而被优化，其中，通道的形状和尺寸是芯部的壁的这种优化的结果。

图7中描绘了这种优化的另一个示例，图7描绘了根据所公开和要求保护的构思的第四实施例的另一个热交换器304。热交换器304具有拥有芯部本体314的芯部306，其中，其通道316从热交换器304中的在图4所示的一个位置处的通道过渡到可替代的相同热交换器304的在图7所示的另一位置处的通道。也就是说，图7可以表示在同一热交换器304中第一通道20如何从其在图4中的横截面积96变为在不同位置处(如通过图7表示)具有相对更小的横截面积398的方式。作为另一示例，第二通道22在图4和图7之间可以没有变化，如数字22和322所示。也就是说，图4中由数字96所示的横截面积和图7所示的横截面积396可以证明第二通道保持尺寸和形状沿图4和图7之间的距离不变并且沿着它们纵向范围的该部分具有相同的周边62和362，但是在图4和7之间的相同距离上，第一通道可能变得相对更小。这可能是出于各种原因中的任一原因(诸如，需要避免图7所示位置处的热冲击)或出于其他原因而进行的。通过减少流经第一通道320的相对更冷的流和/或通过提供相对更大的壁厚度(如在流体隔离通道之间的用数字392表示的壁厚，所述流体隔离的通道可能在热交换器304的初始操作过程中在某点处在它们之间产生热冲击)在启动热交换器304期间缓解这种热冲击。为了同样的完整性，应当注意到的是，相对于图4中的第一距离90，图7中相对更小的第一通道320导致水平相邻(从图7的视角)且彼此流体连通的第一通道320之间的第一距离391改变，而水平相邻的第二通道322之间的第一距离390未改变。

尽管第一通道320保持在对准的第一行370中并且第二通道322保持在对准的第二行372中，但在其他实施例中不一定是这种情况。第一通道320之一和与其流体连通的一对相邻通道320之间的相邻关系378A和378B保持与图4中大致相同的取向(即，水平)，但是第一通道320彼此相距不同的距离。这样的第一通道320和与其流体隔离的四条对角相邻的第二通道322之间的相邻关系由相邻关系378C、378D、378E和378F表示，并且这些相邻关系具有与图4的对角取向大致相同的对角取向，尽管相对距离同样由于第一通道320的更小的横截面积398而有所改变。进一步，作为示例，可以看出的是图7中的第一通道320具有其与壁364的壁表面368之间的壁厚376A，而第二通道322具有其与壁表面368之间的相对更大的壁厚376B。

因此，显而易见的是，在此描述的改进的紧凑型热交换器304和其它热交换器的各种通道及其变形能够具有沿其纵向长度变化的周边和横截面积。而且，这种热交换器可以具有三根或更多根管段，所述三根或更多根管段相互流体隔离但彼此以一种方式或另外方式处于传热关系中。还应注意的是，通道相对于彼此的相对位置同样可以沿通道的纵向范围改变或以其他方式改变。根据这种通道的纵向范围的位置而引起的通道构造的所有变化也是各种优化技术之一，该各种优化技术可以用来实现某些传热性能和/或与对热应力和机械应力的抵抗性相关的其他性能以及可以根据特定应用的需要实现的其他性能。其他变化将是显而易见的。

在图8和9中示出根据所公开和要求保护的构思的实施例的第五方面的改进的紧凑型热交换器404，其包括芯部406并具有示意性描绘的集管设备408，所述集管设备408可以类似于上文中提到的集管设备。芯部406包括芯部本体414，在所述芯部本体414中形成有多条通道416，该多条通道416包括多条第一通道420、多条第二通道422和扩展通道480。

第一通道420和第二通道422围绕扩展通道480的圆周交替定位。虽然第一通道420彼此流体连通，并且第二通道422同样彼此流体连通，但是第一通道420与第二通道422流体隔离。由于第一通道420和第二通道422相互交替布置，因此，每对相邻的第一通道420和第二通道422之间的芯部406的壁可能由于它们之间的温差而经历显著的热应力和机械应力。扩展通道480与第一通道420和第二通道422都流体隔离并且设置成允许芯体414扩展到扩展通道408中而又没有显著改变通过第一通道420和第二通道420的流体流动。

可以看出的是，第一通道420和第二通道422均具有截面形状，所述截面形状具有周边465，该周边465是非卵形且非圆形而且不同于上文所提到的其他周边形状的弓形。而且，周边465是多叶形，以在传热和压降之间提供不同类型的优化和/或针对其他考虑进行优化。第一通道420和第二通道422各自具有相互相等的横截面积499。

因此，可以看出的是，可以提供扩展通道480以根据特定应用的需要来减轻热交换器404中的某些热应力或机械应力。在本文提及的增材制造工艺期间就地形成扩展通道480。在不背离本构思的情况下，可以在其他实施例中提供具有不同尺寸和/或形状和/或位置的其它扩展通道480。

进一步注意到的是，在图10和11中描绘了第一通道420和第二通道422，即，在没有芯部406的情况下。从图10和11可以看出的是，第一通道420和第二通道422形成沿其纵向范围具有多个波状部418A、418B、418C和418D，在本文中所述多个波状部418A、418B、418C和418D可共同地或单独地用数字418表示而且代表沿着第一通道420和第二通道422的伸长方向的逐渐发生的变化，例如，当在图11中从左向右行进或从右向左行进时发生的变化。这样的波状部418可以具有各种构造中的任何一种并且可以出于优化传热特性和/或用于热应力和机械应力的解决方案或其他原因进行设置。作为可以实现性能优化的另外方式，可以在本文其他地方描述的前述热交换器中的任意一个中设置这种波状部。

大体上在图12中示出了根据所公开和要求保护的构思的第六实施例的改进的紧凑型热交换器504。紧凑型热交换器504包括芯部506，所述芯部506包括连接在一起的多个芯部部分507X和507Y。在所描述的示例性实施例中，紧凑型热交换器504还包括集管设备508，所述集管设备包括连接在一起并且与芯部506连接的多个集管部分525X、525Y和525Z。

紧凑型热交换器504展示了如何将在本文其他地方呈现的芯部6等连接在一起以提供比使用执行前述增材制造工艺的常规设备可能容易制造的热交换器504大得多的热交换器504。即，在任何给定时间可用的增材制造设备可以生产仅具有有限尺寸的部件，并且热交换器504展示如何放大这些部件以提供相对大的热交换器504，所述相对大的热交换器504的尺寸适于特定应用，并且可能无法在单一增材制造操作中制造而成。

示例性芯部部分507X和507Y被描绘为具有相对笔直且细长的通道部分517(芯部部分507X)或具有包括一个或多个弯曲部(芯部部分507Y)的通道部分517。这种通道部分517可以根据需要经由烧结或其他扩散结合操作而端对端地彼此连接，以提供由各个芯部部分507X和507Y形成的期望的综合流动通道516。也就是说，示例性综合通道516在图12中被描绘为包括端对端连接以形成通道516的多个通道部分517。

集管设备508包括用数字524A、524B、524C和524D指示的多根集管，可以在本文中共同地或单独地用数字524表示所述多根集管。各种集管524根据需要由各种集管部分525X、525Y和525Z组合形成以实现适于热交换器504应用的期望的性能特征。明确指出的是，取决于特定应用的需要，图8和图9中示出的芯部406或在本文其它地方提及的任何其他芯部中的任意一个或其变体可以用作图12中示意性描绘的芯部部分507X和507Y中的任何一个或多个。而且，根据优化或其他原因，流动通道的位置、大小、形状等之间的任何相互关系中的任一种可以被结合到热交换器504中。

因此可以看出的是，本文呈现的各种紧凑型换热器及其部件可以具有多种特征中的任何一种和其各种部件之间的相互关系，以提供针对各种应用的所需优化。可以基于流体流动性能和/或基于传热性能和/或基于抵抗热应力和/或机械应力的性能和/或根据优化的其他基础而提供优化。考虑到上述的增材制造工艺，这种优化具有高成本效率。在不背离本构思的前提下，本文描述的各种特征和相互关系可以以任何方式组合。

虽然已经详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员将理解的是，根据本公开的总体教导，可以开发出对这些细节的各种修改方案和替代方案。因此，所公开的特定实施例仅意在进行说明而不限制本发明的范围，本发明的范围将由所附权利要求及其任何和所有等同方案的全部范围给出。

Claims (17)

1.一种紧凑型热交换器(4)，包括：

多个层(12A，12B，12C)，所述多个层彼此固定并且一起形成芯部(6)和集管设备；

所述芯部具有形成在芯部中的多条通道(16)，所述多条通道包括多条第一通道(20)和多条第二通道(22)，所述多条第一通道的至少一部分定位成与所述多条第二通道的至少一部分成传热关系；

所述集管设备包括至少第一集管(29A)，所述至少第一集管与所述多条通道中的至少一些通道流体连通；

所述至少第一集管具有通道端(32A)和连接端(36A)，所述通道端定位成毗邻所述芯部并且包括多个流动连接件(44A)，所述多个流动连接件与所述至少一些通道直接流体连通，所述连接端具有开口(40)，所述开口构造成与另一个流动结构流体连通地连接，至少一根集管包括流动通路(38A)，所述流动通路在所述通道端和所述连接端之间延伸而且使得所述多个流动连接件与所述开口之间能够流体连通；并且

所述多个层中的至少一个层是以下中的至少一种：

包括所述至少第一集管的一部分但是小于整个所述至少第一集管的层，而且在该层中形成所述流动通路的至少一部分；

包括所述芯部的至少一部分的层，所述芯部具有形成于其中的彼此流体隔离的第一通道的至少一部分和第二通道的至少一部分；和

包括所述芯部的至少一部分且还包括所述至少第一集管的一部分的层，在所述芯部中形成所述多条通道中的通道的至少一部分，在该层中形成所述流动通路的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的紧凑型热交换器，其中，所述多条通道中的至少一些通道各自具有弓形周边(62)，所述弓形周边具有非圆形状。

3.根据权利要求2所述的紧凑型热交换器，其中，定位成毗邻所述至少一些通道中的通道的另外通道具有另外弓形周边(263)，所述另外弓形周边的形状不同于所述非圆形状。

4.根据权利要求1所述的紧凑型热交换器，其中，所述多条第一通道相互流体连通，所述多条第二通道相互流体连通，所述多条第一通道与所述多条第二通道流体隔离，所述多条第一通道中的至少第一通道定位成毗邻所述多条第一通道中的至少三条其它第一通道而且还定位成毗邻所述多条第二通道中的至少三条第二通道。

5.根据权利要求1所述的紧凑型热交换器，其中，所述芯部包括壁(64)，所述壁位于所述多条第一通道的第一通道和所述多条第二通道的第二通道两者的侧部，并且所述壁在另一侧部处具有壁表面(68)，所述壁表面大致背朝所述多条第一通道和所述多条第二通道，所述壁表面和所述第一通道之间的壁最小厚度(76A)与所述壁表面和所述第二通道之间的壁最小厚度(76B)不同。

6.根据权利要求1所述的紧凑型热交换器，其中，所述芯部包括固定在一起的多个芯部部分(507X，507Y)，所述多个芯部部分中的至少一些芯部部分均在其中形成多个通道部分(517)，所述多个通道部分包括多个第一通道部分和多个第二通道部分，每一个所述多个芯部部分的所述多个第一通道部分的第一通道部分首尾连接在一起以形成所述多条第一通道中的第一通道(516)的至少一部分，每一个所述多个芯部部分的所述多个第二通道部分的第二通道部分首尾连接在一起以形成所述多条第二通道中的第二通道的至少一部分。

7.根据权利要求1所述的紧凑型热交换器，其中，所述至少第一集管包括多个流动导向件(54，56)，并且所述多条流动通路的流动通路包括多个流动通路部分(46，48，50)，所述多个流动通路部分一起在所述开口和至少一些所述通道中的对应通道之间延伸而且允许它们之间流体流动，所述多个流动导向件中的至少第一流动导向件定位成毗邻所述芯部并且位于所述多条第一通道的一对第一通道之间，所述至少第一流动导向件具有外表面(60)，所述外表面的一部分形成与所述一对第一通道的第一通道流体连通的所述多个流动通路部分中的流动通路部分的至少一部分。

8.根据权利要求7所述的紧凑型热交换器，其中，所述外表面的另一个部分形成了与所述一对第一通道的另外第一通道直接流体连通的所述多条流动通路中的另外流动通路的所述多个流动通路部分的另外流动通路部分的至少一部分。

9.根据权利要求1所述的紧凑型热交换器，其中，所述至少第一集管是第一入口集管，并且所述集管设备还包括第一出口集管(24B)；

所述第一入口集管在其入口端处与所述多条第一通道中的至少一些第一通道流体连通；

所述第一出口集管在其出口端处与所述多条第一通道中的所述至少一些第一通道流体连通；并且

所述层中的至少一层是这样的层，该层包括芯部的一部分，在所述芯部的所述一部分中形成所述多条第一通道中的第一通道的至少一部分，而且所述层还包括与所述第一通道的所述至少一部分流体连通的所述第一入口集管的一部分和所述第一出口集管的一部分。

10.根据权利要求9所述的紧凑型热交换器，其中，所述集管设备还包括第二入口集管(24C)和第二出口集管(24D)，所述第二入口集管在其入口端处与所述多条第二通道中的至少一些第二通道流体连通，并且所述第二出口集管在其出口端处与所述多条第一通道中的所述至少一些第一通道流体连通。

11.根据权利要求1所述的紧凑型热交换器，其中，所述多条通道的所述至少一些通道沿着伸长方向是细长的而且沿着所述伸长方向包括多个波状部(41B)。

12.根据权利要求1所述的紧凑型热交换器，其中，所述芯部包括壁(64)，所述壁位于所述多条通道中的一对毗邻通道之间，其中，所述壁具有在所述芯部上的位置处的厚度，因此所述一对毗邻通道相互分离开一段等于所述厚度的距离(92)，并且其中，所述壁具有在所述芯部上的与所述位置间隔开的另一个位置处的另一厚度，因此，所述一对毗邻通道相互分离开等于所述另一厚度的另一距离(392)，所述厚度和所述另一厚度不相等。

13.根据权利要求1所述的紧凑型热交换器，其中，所述多条第一通道相互流体连通，其中，所述多条第二通道相互流体连通，并且，所述多条通道还包括多条附加通道(80，480)，所述多条附加通道与所述多条第一通道流体隔离而且与所述多条第二通道流体隔离。

14.根据权利要求13所述的紧凑型热交换器，其中，所述多条附加通道包括定位成毗邻所述多条第一通道的第一通道和所述多条第二通道的第二通道中的至少一条的附加通道(80，480)。

15.根据权利要求14所述的紧凑型热交换器，其中，所述芯部在其中形成开口(84)，所述开口在所述附加通道和所述芯部的外部之间延伸。

16.根据权利要求14所述的紧凑型热交换器，其中，所述附加通道(480)定位成毗邻所述多条第一通道中的一些条第一通道而且还定位成毗邻所述多条第二通道中的一些条第二通道。

17.根据权利要求13所述的紧凑型热交换器，其中，所述芯部还包括多个加热器(86)，所述多个加热器被接收在所述多条附加通道中而且构造成能够操作以预先加热所述紧凑型热交换器。