一种基于三周期极小曲面结构的换热器及其工作方法

1.本发明属于换热器技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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，本发明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。
6.本发明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；
7.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；
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.本发明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：
15.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；
16.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；
17.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。
18.优选的，连接件为法兰。
19.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
20.(1)本发明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；
21.(2)本发明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；
22.(3)本发明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；
23.(4)本发明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；
24.(5)本发明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；
25.(6)本发明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、汽车船舶等复杂力学场景高换热效率热交换系统中，具有较强的工业化应用前景。
26.(7)本发明中的三周期极小曲面结构因其具有打印性好、表面积体积比大、参数调控性能高、械承载性能好等优点，亦可作为一种散热元器件与其他结构结合，达到较好的承载散热效果。
附图说明
27.图1是本发明实施例1提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的轴测图；
28.图2是本发明实施例1提供的基于三周期极小曲面结构的换热器在冷流体通道入口处的剖面图；
29.图3是本发明实施例1提供的基于三周期极小曲面结构的换热器在热流体通道入口处的剖面图；
30.图4为本发明实施例1提供的基于三周期极小曲面结构的换热器中两股流体流动方向示意图；
31.图5为本发明实施例1提供的基于三周期极小曲面结构的换热器中部分流体局部流线图；
32.图6为本发明实施例1中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
33.图7为本发明实施例2中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
34.图8为本发明实施例3中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
35.图9为本发明实施例4中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
36.图10为本发明实施例5中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
37.图11为本发明实施例6中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
38.图12为本发明实施例7中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
39.图13为本发明实施例8中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
40.图14为本发明实施例9中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
41.图15为本发明实施例10中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
42.图16为本发明实施例11中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
43.图17为本发明实施例12中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
44.图18为本发明实施例13中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
45.图19为本发明实施例14中的三周期极小曲面单胞结构的三维结构图；
46.图中：1、法兰；2、冷流体进口封头；3、冷流体通道；4、热流体通道；5、三周期极小曲面结构；6、热流体进口封头；7、换热器壳体；8、冷流体出口封头；9、热流体出口封头。
具体实施方式
47.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
48.实施例1
49.如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种基于三周期极小曲面结构的换热器，包括芯体；
50.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；三周期极小曲面结构5和换热器壳体7采用3d打印技术制造(选择性激光融化slm)一体制造成型，材料为铝合金(alsi10mg)。
51.三周期极小曲面结构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；
52.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，本发明实施例中连接件1优选为法兰，法兰与冷流体进口封头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均通过焊接方式连接，冷流体为低温氢气，热流体为高温氦气，两种流体在换热器壳体7内采用逆流换热。
53.三周期极小曲面结构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。本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为scherk3曲面，如图6所示，scherk3曲面的基本控制方程如下所示：
54.scherk3曲面：
55.z
2 cos(x)-cos(y)＝c
56.其中，x，y为三维空间中某一点的二维坐标值，cos为三角余弦函数，c为常数项。
57.常数项c的取值可调整三周期极小曲面结构内冷流体通道和热流体通道的空间占比，从而改变冷热流体在两侧通道中的体积比，以适应不同的应用场合。
58.冷流体通道3和热流体通道4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。
59.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。
60.本发明实施例还提供了一种基于三周期极小曲面结构的换热器的工作方法，具体包括以下步骤：
61.s1、将冷流体工质管道通过连接件1与冷流体进口封头2相连，并将热流体工质管
道通过连接件1与热流体进口封头6相连；
62.s2、将冷流体通过冷流体工质管道经由冷流体进口封头2的内部空间输送至冷流体通道3中，并将热流体通过热流体工质管道经由热流体进口封头6的内部空间输送至热流体通道4中；同时将冷流体进口和冷流体出口处的热流体通道4封闭，将热流体进口和热流体出口处的冷流体通道3封闭。由于热流体通道4在冷流体入口处封闭，所以冷流体工质不会进入热流体通道，且冷流体通道3在热流体入口处封闭，所以热流体工质不会进入冷流体通道，实现了间壁式换热；
63.s3、当冷流体和热流体进入各自通道后，冷流体和热流体在换热器壳体7内部呈逆流方向流动进行热交换，冷流体和热流体在三周期极小曲面结构5的作用下产生螺旋流动，同时流体局部会有强涡流、强环流出现，可以有效提高换热效率，具体为：一方面这些螺旋偏心运动可以挤压热边界层，有助于减小胞元结构内流体的热边界层厚度，同时强烈的湍流混合产生了强涡流和强环流进一步提高了散热性能，如图4和5所示，三周期极小曲面结构提供的高换热面积和相互交叉的流道进一步增加了换热效率，热交换完成后，冷流体通过冷流体出口封头8内部空间流出换热器壳体7，热流体通过热流体出口封头9内部空间流出换热器壳体7。
64.实施例2
65.本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为neovius曲面，如图7所示，neovius曲面的基本控制方程如下所示：
66.3(cos(x)+cos(y)+cos(z))+4cos(x)cos(y)cos(z)＝c
67.其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，cos为三角余弦函数，c为常数项。
68.实施例3
69.本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为dprime曲面，如图8所示，dprime曲面的基本控制方程如下所示：
70.0.5(sin(x)sin(y)sin(z)+cos(x)cos(y)cos(z))-0.5(cos(2x)cos(2y)
71.+cos(2y)cos(2z)+cos(2z)cos(2x))-0.2＝c
72.其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
73.实施例4
74.本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为split p曲面，如图9所示，splitp曲面的基本控制方程如下所示：
75.1.1(sin(2x)cos(y)sin(z)+sin(2y)cos(z)sin(x)+sin(2x)cos(x)sin(y))-0.2(cos(2x)cos(2y)
76.+cos(2y)cos(2z)+cos(2z)cos(2x))-0.4(cos(2y)+cos(2z)+cos(2x))＝c
77.其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
78.实施例5
79.本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为lidinoid曲面，如图10所示，lidinoid曲面的基本控制方程如下所示：
80.0.5(sin(2x)cos(y)sin(z)+sin(2y)cos(z)sin(x)+sin(2z)cos(x)sin(y))-81.0.5(cos(2x)cos(2y)+cos(2y)cos(2z)+cos(2z)cos(2x))+0.15＝c
82.其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
83.实施例6
84.本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为fks曲面，如图11所示，fks曲面的基本控制方程如下所示：
85.cos(2x)sin(y)cos(z)+cos(x)cos(2y)cos(z)+sin(x)cos(y)cos(2z)＝c
86.其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
87.实施例7
88.本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为double gyroid曲面，如图12所示，double gyroid曲面的基本控制方程如下所示：
89.2.75(sin(2x)sin(z)cos(y)+sin(2y)sin(x)cos(z)+sin(2z)sin(y)cos(x))
[0090]-(cos(2x)cos(2y)+cos(2y)cos(2z)+cos(2z)cos(2x))＝c
[0091]
其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
[0092]
实施例8
[0093]
本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为double sd曲面，如图13所示，double sd曲面的基本控制方程如下所示：
[0094]
(sin(2x)sin(2y)+sin(2y)sin(2z)+sin(2x)sin(2z))+cos(2x)cos(2y)cos(2z)＝c
[0095]
其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
[0096]
实施例9
[0097]
本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为第一曲面，如图14所示，第一曲面的基本控制方程如下所示：
[0098]
8cos(x)cos(y)cos(z)+(cos(2x)cos(2y)cos(2z)-[0099]
cos(2x)cos(2y)+cos(2y)cos(2z)+cos(2z)cos(2x)＝c
[0100]
其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
[0101]
实施例10
[0102]
本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为第二曲面，如图15所示，第二曲面的基本控制方程如下所示：
[0103]
sin(x)+sin(y)+sin(z)＝c
[0104]
其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
[0105]
实施例11
[0106]
本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为第三曲面，如图16所示，第三曲面的基本控制方程如下所示：
[0107]
4(cos(x)cos(y)+cos(y)cos(z)+cos(z)cos(x))-2.8(cos(x)cos(y)cos(z))
[0108]
+(cos(x)+cos(y)+cos(z)+1.5＝c
[0109]
其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，cos为三角余弦函数，c为常数项。
[0110]
实施例12
[0111]
本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为第四曲面，如图17所示，第四曲面的基本控制方程如下所示：
[0112]
cos(x)cos(y)+cos(y)cos(z)+cos(x)cos(z)-3cos(x)cos(y)cos(z)＝c
[0113]
其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，cos为三角余弦函数，c为常数项。
[0114]
实施例13
[0115]
本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为第五曲面，如图18所示，第五曲面的基本控制方程如下所示：0.6(cos(x)cos(y)cos(z))+0.4(cos(x)+cos(y)+cos(z))+0.2(cos(2x)cos(2y)cos(2z))+0.2(cos(2x)
[0116]
+cos(2y)+cos(2z))+0.1(cos(3x)+cos(3y)+cos(3z))+0.2(cos(x)cos(y)+cos(y)cos(z)+cos(z)cos(x))＝c
[0117]
其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
[0118]
实施例14
[0119]
本发明实施例提供的基于三周期极小曲面结构的换热器的结构与工作方法均与实施例1相同，区别仅在于本发明实施例中的三周期极小曲面单胞结构为第六曲面，如图19所示，第六曲面的基本控制方程如下所示：
[0120]
cos(2x)sin(y)cos(z)+cos(2y)sin(z)cos(x)+cos(2z)sin(x)cos(y)-0.4＝c
[0121]
其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。
[0122]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。