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

背景技術(shù)：

換熱器可結(jié)合燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用。例如，處于較高溫度的第一流體可傳遞通過(guò)第一通路，而處于較低溫度的第二流體可傳遞通過(guò)第二通路。第一通路和第二通路可處于接觸或緊密接近，從而允許來(lái)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(zhì)之間的溫度差相對(duì)小時(shí)尤其有用。帶有多個(gè)管的常規(guī)換熱器具有關(guān)于帶有小的間隔的許多難以接近的管的連接和形成的缺點(diǎn)。

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(dòng)通道，且因此確保在真實(shí)的逆流中高效操作。然而，當(dāng)管的數(shù)目增大時(shí)，管束與鄰近的螺旋管的組裝和其連接變得尤其有問(wèn)題，且迄今在非常小數(shù)目的螺旋管的情況下可能最佳。

如已經(jīng)提及的那樣，當(dāng)管的數(shù)目增大時(shí)，該類型的管束的制造變得尤其有問(wèn)題，這是因?yàn)椋捎诠芏穗y接近且因此在常規(guī)連接裝置的情況下不可能，鄰近管的連接變得尤其困難。進(jìn)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(guò)常規(guī)連接裝置連接它們。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的方面和優(yōu)點(diǎn)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(guò)本發(fā)明的實(shí)踐學(xué)習(xí)到。

大體提供一種逆流式換熱器。在一個(gè)實(shí)施例中，逆流式換熱器包括：具有連接到第一過(guò)渡區(qū)域的第一供應(yīng)管的第一流體路徑，第一過(guò)渡區(qū)域?qū)⒌谝涣黧w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(huì)聚區(qū)域處合并到第一排出管中；以及，具有連接到第二過(guò)渡區(qū)域的第二供應(yīng)管的第二流體路徑，第二過(guò)渡區(qū)域?qū)⒌诙黧w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(huì)聚區(qū)域處合并到第二排出管中。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(gè)第一通路鄰近至少一個(gè)第二通路。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一過(guò)渡區(qū)域定位在螺旋路徑的一端處以將第一流體流供應(yīng)到第一陣列的第一通路中，且其中，第二過(guò)渡區(qū)域配置在螺旋路徑的相對(duì)端處以將第二流體流供應(yīng)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(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解。并入該說(shuō)明書中且構(gòu)成該說(shuō)明書的一部分的附圖示出本發(fā)明的實(shí)施例，且連同說(shuō)明書一起用于說(shuō)明本發(fā)明的原理。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的完整和開放的公開，包括其對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言的最佳模式，在參考了附圖的說(shuō)明書中闡述，在附圖中：

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)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(gè)透視圖；

圖3示出對(duì)圖1的一個(gè)實(shí)施例的示例性逆流式換熱器的過(guò)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(jù)圖4的實(shí)施例的換熱器部分的分解截面視圖。

在本說(shuō)明書和附圖中，參考標(biāo)記的重復(fù)使用意在表示本發(fā)明的相同或類似的特征或元件。

構(gòu)件清單

5　　　　外壁

10　　 　換熱器

12　　 　中心線

14　　 　螺旋區(qū)段

100　　　第一流體路徑

101　　　熱流

102　　　熱入口

104　　　第一供應(yīng)管

106　　　第一過(guò)渡區(qū)域

107　　　分支

108　　　第一陣列

110　　　螺旋通路

112　　　第一會(huì)聚區(qū)域

113　　　合并區(qū)域

114　　　第一排出管

116　　　第一出口

120　　　側(cè)表面

122　　　頂壁

124　　　底壁

126　　　內(nèi)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(yīng)管

206　　　第二過(guò)渡區(qū)域

208　　　第二陣列

210　　　第二通路

212　　　第二會(huì)聚區(qū)域

213　　　合并區(qū)域

214　　　第二排出管

216　　　第二出口

220　　　側(cè)表面

222　　　頂壁

224　　　底壁

226　　　內(nèi)中心線

228　　　波紋

230　　　波峰

232　　　波谷

250　　　分隔壁

D_A　　 　軸向方向

D_R　　 　徑向方向。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的實(shí)施例，其一個(gè)或多個(gè)示例在附圖中示出。每個(gè)示例通過(guò)解釋本發(fā)明而不是限制本發(fā)明的方式提供。事實(shí)上，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中做出各種修改和變型。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分圖示或描述的特征可用在另一實(shí)施例上，以產(chǎn)生更進(jìn)一步的實(shí)施例。因此，意在使本發(fā)明覆蓋落在所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)的這些修改和變型。

如本文中使用的那樣，用語(yǔ)“第一”、“第二”和“第三”可以可互換地使用以區(qū)別一個(gè)構(gòu)件與另一個(gè)構(gòu)件，且不意在表明獨(dú)立構(gòu)件的位置或重要性。

用語(yǔ)“上游”和“下游”參考關(guān)于流體路徑中的流體流的相對(duì)方向。例如，“上游”指的是流體從其流出的方向，且“下游”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(dāng)前途徑不限于所使用的流體的類型。在優(yōu)選的應(yīng)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(dāng)前途徑可用于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、用于冷卻航空電子設(shè)備或其他飛行器電子系統(tǒng)的介電流體、水、基于水的復(fù)合物、與防凍劑添加劑混合的水(例如，酒精或乙二醇復(fù)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(jī)或無(wú)機(jī)的傳熱流體或流體摻混物。

大體提供換熱器，其包括增強(qiáng)性能的幾何形狀，通過(guò)增材制造便于其實(shí)際實(shí)施。盡管本文中所述的換熱器系統(tǒng)寬泛地適用于涉及多種流體類型的多種換熱器應(yīng)用，但是在本文中描述其利用燃料(例如，冷流)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油(例如，熱流)的高效冷卻。

大體上，逆流式換熱器特征在于，成對(duì)單個(gè)入口管過(guò)渡到多個(gè)螺旋通路，然后過(guò)渡到單個(gè)出口管。多個(gè)通路大體限定非圓形幾何形狀，以便增大可用于換熱的表面面積。有利地，逆流式換熱器經(jīng)由增材制造形成為不要求額外組裝的單個(gè)構(gòu)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?yàn)橄鄳?yīng)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(nèi)的流體沿相反方向流動(dòng)時(shí)，流體之間出現(xiàn)通過(guò)環(huán)繞壁的傳熱，從而通過(guò)將熱流的熱量傳遞到冷流而有效地冷卻熱流。應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)注意，取決于特定用途，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限制于熱流和將第二流體路徑200限制于冷流。

現(xiàn)在參考第一流體路徑100，熱入口102示出為供應(yīng)熱流體流101到第一流體路徑100中。在其通過(guò)熱入口102進(jìn)入時(shí)，熱流體流101行進(jìn)通過(guò)第一供應(yīng)管104到第一過(guò)渡區(qū)域106。第一供應(yīng)管104大體示出為圓柱形(例如，具有圓形截面)；然而，第一供應(yīng)管104可具有用于將熱流體流101供應(yīng)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(jìn)到第一過(guò)渡區(qū)域106中且分支成第一陣列108的第一通路110。特別地，第一過(guò)渡區(qū)域106限定多個(gè)分支107，其順序地將第一流體路徑100從第一供應(yīng)管104分成第一陣列108的第一通路110。第一過(guò)渡區(qū)域106示出為解剖學(xué)激發(fā)的設(shè)計(jì)，其中，單個(gè)供應(yīng)管104(即，動(dòng)脈)分成具有不同截面形狀的多個(gè)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。盡管示出在螺旋路徑中形成中心線12周圍的四個(gè)通道(即，軌道)，但是任何數(shù)目的軌道可形成螺旋路徑。然后，在遵循中心線12周圍的螺旋路徑之后，第一陣列108的第一通路110在第一會(huì)聚區(qū)域112合并到第一排出管114中。第一會(huì)聚區(qū)域112類似于第一過(guò)渡區(qū)域106，因?yàn)榈谝魂嚵?08的第一通路110會(huì)聚回到單個(gè)管即第一排出管114中。因此，第一會(huì)聚區(qū)域112限定多個(gè)合并區(qū)域113。然后，熱流101傳遞通過(guò)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(yīng)冷流體流201到第二流體路徑200中。當(dāng)其通過(guò)冷入口202進(jìn)入時(shí)，冷流體流201行進(jìn)通過(guò)第二供應(yīng)管204到第二過(guò)渡區(qū)域206。第二供應(yīng)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(yīng)管204可具有用于將冷流體流201供應(yīng)到換熱器10中的任何合適的幾何形狀。類似于第一流體路徑100的第一過(guò)渡區(qū)域106，第二流動(dòng)路徑200的第二過(guò)渡區(qū)域206限定多個(gè)分叉，其將第二流體路徑200從第二供應(yīng)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周圍的螺旋路徑之后，第二陣列208的第二通路210在第二會(huì)聚區(qū)域212處合并到第二排出管214中。第二會(huì)聚區(qū)域112類似于第二過(guò)渡區(qū)域206，因?yàn)榈诙嚵?08的第二通路210會(huì)聚回到單個(gè)管即第二排出管214中。因此，第二會(huì)聚區(qū)域212限定多個(gè)合并區(qū)域213。然后，冷流201傳遞通過(guò)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(jìn)通過(guò)換熱器10的中心，以在傳遞通過(guò)第二出口216之前將冷流201沿中心線12向下傳送。

通過(guò)這種配置，第一流體流101和第二流體流201在其相應(yīng)通路110、210中沿相反方向行進(jìn)，以便在螺旋區(qū)段14中關(guān)于第一流體流101和第二流體流201的流動(dòng)方向具有逆流定向。然而，在相反的實(shí)施例中，換熱器10可設(shè)計(jì)成使得第一流體流101和第二流體流201在其相應(yīng)通路110、210中沿相同方向行進(jìn)。

圖4和圖5示出通過(guò)軸向方向D_A(即沿著中心線12的方向)和徑向方向D_R(即沿著垂直于中心線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(qū)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(gè)第一通路110鄰近至少一個(gè)第二通路210，以允許其間的換熱。在所示出的特定實(shí)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(cuò)的，且從中心線12沿徑向方向(D_R)朝外交替移動(dòng)。

第一通路110和第二通路210具有伸長(zhǎng)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D_A的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度大于其沿著徑向方向D_R的寬度。在某些實(shí)施例中，第一通路110具有沿著軸向方向D_A的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度為其沿徑向方向D_R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D_A的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度為其沿徑向方向D_R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D_A的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度為其沿徑向方向D_R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D_A的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度為其沿徑向方向D_R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(duì)接觸區(qū)域可通過(guò)其間的伸長(zhǎng)的公共壁增大。

第一通路110大體限定相對(duì)的側(cè)表面120a、120b，其大體沿軸向方向D_A延伸，且通過(guò)頂壁122和底壁124連接到彼此。相對(duì)的側(cè)表面120a、120b具有從第一通路110的內(nèi)中心線126的大體可變半徑。在所示實(shí)施例中，相對(duì)的側(cè)表面120a、120b中的每一個(gè)限定一系列波紋128，其具有關(guān)于其從第一通路110的內(nèi)中心線126沿著徑向方向D_R的距離的波峰130和波谷132。盡管相對(duì)的側(cè)表面120a、120b示出為具有大致相同模式，但是應(yīng)當(dāng)理解相對(duì)的側(cè)表面120a、120b可具有彼此獨(dú)立的模式。在某些實(shí)施例中，側(cè)表面120a具有從第一通路110的內(nèi)中心線126沿著徑向方向D_R不斷地改變的距離，且側(cè)表面120b具有從第一通路110的內(nèi)中心線126沿著徑向方向D_R不斷地改變的距離。

類似地，第二通路210大體限定相對(duì)的側(cè)表面220a、220b，其大體沿軸向方向D_A延伸，且通過(guò)頂壁222和底壁224連接到彼此。相對(duì)的側(cè)表面220a、220b具有從第二通路210的內(nèi)中心線226的大體可變半徑。在所示實(shí)施例中，相對(duì)的側(cè)表面220a、220b中的每一個(gè)限定一系列波紋228，其具有關(guān)于其從第二通路210的內(nèi)中心線226沿著徑向方向D_R的距離的波峰230和波谷232。盡管相對(duì)的側(cè)表面220a、220b示出為具有大致相同的模式，但是應(yīng)當(dāng)理解，相對(duì)的側(cè)表面220a、220b可具有彼此獨(dú)立的模式。在某些實(shí)施例中，側(cè)表面220a具有從第二通路210的內(nèi)中心線226沿著徑向方向D_R不斷地改變的距離，且側(cè)表面220b具有從第二通路210的內(nèi)中心線226沿著徑向方向D_R不斷地改變的距離。

分隔壁250將每個(gè)第一通路110與鄰近的第二通路210分離，且物理上限定用于第一通路110和第二通路210的相應(yīng)側(cè)壁。

大體上，換熱器10經(jīng)由使用逐層構(gòu)造或增材制作的制造方法形成，包括但不限于，選擇性激光燒結(jié)(SLS)、諸如通過(guò)噴墨和激光束的3D打印、立體光刻、直接選擇性激光燒結(jié)(DSLS)、電子束燒結(jié)(EBS)、電子束熔化(EBM)、激光工程凈成形(LENS)、激光凈成形制造(LNSM)、直接金屬沉積(DMD)等。在一個(gè)特定實(shí)施例中，金屬材料用于形成換熱器，包括但不限于：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(yīng)入口和出口提供通過(guò)外壁的相應(yīng)流體流。在一個(gè)實(shí)施例中，換熱器10形成為集成構(gòu)件。例如，圖1和圖2示出示例性換熱器系統(tǒng)10，其從單個(gè)集成構(gòu)件形成，包括經(jīng)由增材制造形成的外壁5。

該書面描述使用示例來(lái)公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明可申請(qǐng)專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這些其它示例具有不與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)要素，則意在使這些其它示例處于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。