一种换热器结构以及换热系统

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种换热器结构以及换热系统。

背景技术

换热器是一种能提高散热效率的换热结构，通过风冷将换热器中的液体热量对流降温，达到对设备降温的作用。随着增材制造技术的发展，已经能制备复杂外形结构件，在相同空间中设计并生产出更大换热面积的换热器结构已可实现。通过增材制造的制备方式，一体成型换热器结构，具有加工稳定、省时、结构强度高、无需二次拼接焊接等优势，因此将换热器结构以整体成形形式设计。在增材制造中，对结构中出现的悬空结构，需要增加辅助支撑进行结构固定，防止制备的结构变形及塌陷使制备失败。换热器结构有大量悬空空间，制备时会引入支撑结构，这些额外添加的支撑能影响换热器结构外形、换热器液体通道中流速、结构功能性等等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种换热器结构以及换热系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种换热器结构，包括：多个换热通道、分液器、集液器，多个所述换热通道的两侧一一对应与所述分液器以及所述集液器连接，所述换热通道包括多个液体流道，多个所述液体流道依次连接，所述液体流道的两侧分别一体成型设有多个换热翅片，相邻两个换热通道之间通过多个所述换热翅片连接。

采用本发明技术方案的有益效果是：对换热器结构的换热通道、液体流道、分液器和集液器进行结构改进设计，相邻两个换热通道之间通过一体成型的多个换热翅片进行相互支撑，换热翅片既可以连接两侧的换热通道，又能增强换热器的换热能力，换热效率高、体积小、重量低、具备自支撑形式一体成型的换热器结构。便于换热器可增材制造生产成形，解决了复杂的曲面换热器可增材制造生产成形的工艺问题。

进一步地，所述换热翅片相对于液体流道倾斜设置，多个所述液体流道、所述分液器以及所述集液器采用增材制造方式制作而成。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：将换热翅片倾斜布置，提高换热能力。使用增材制造的方式，替换传统的平行流换热器形式，设计并制备表面积更大、更符合散热形式的多曲面换热器结构。通过增材制造的方式，解决了有益设计无法制备的难点。采用增材制造一体化成型方案，取消了零部件之间的焊接工艺，不需要装配步骤，减小体积，降低重量。

进一步地，所述换热翅片相对于液体流道的倾斜角度数值范围为15°-60°。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：换热翅片的倾斜角度在15°～60°最好，提高换热能力。

进一步地，所述换热翅片的侧边为斜角45°成形结构。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：换热翅片的打印方向为由底至顶打印，将换热翅片底部以斜45°的形式逐步成形，达到无支撑形式形成换热翅片增材制造。使用45°斜角翅片的设计形式，使复杂曲面换热器在制备的过程中，通过斜角翅片制备成形稳定换热器成形，并且保证了结构的完整性。

进一步地，所述液体流道内部设有空腔，所述空腔中设有单胞中央腔板以及一对斜板，所述单胞中央腔板的两端均与所述空腔的内壁连接，一对所述斜板的一端一一对应与所述单胞中央腔板的中部两侧连接，一对所述斜板的另一端分别与所述空腔的内壁连接，一对所述斜板均相对于所述单胞中央腔板倾斜设置。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：针对换热通道中单一胞元进行自支撑设计，通过对单一胞元阵列设计自支撑换热通道。液体流道内部是空腔区域，在内部加入单胞中央腔板，由底部延长至顶部。加入单胞中央腔板后，解决了内部空腔大量悬垂问题，为了保证结构的稳定性，在内腔两侧与单胞中央腔板中加入斜板，保证了单胞结构自支撑形式，并稳定了单胞结构的稳定性。

进一步地，所述液体流道的两侧一一对应设有多个进液口以及多个出液口，所述液体流道呈X形结构，相邻两个进液口之间以及相邻两个出液口之间均为圆弧过渡，位于顶部的进液口以及位于顶部的出液口均为斜角对接结构。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：在液体流道顶部进出液口处，将半圆形结构处理为斜角对接形式，解决了制造塌陷问题。

进一步地，所述分液器中设有分液管，所述分液管的截面为水滴形截面，所述分液管中设有顶部梁单元支撑结构以及叉形梁单元支撑结构，所述顶部梁单元支撑结构的两端以及所述叉形梁单元支撑结构的两端均与所述分液管的内壁连接。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：分液管的截面为水滴形截面，使得在制备换热器时，换热器整体模型在制备平面投影最大，换热器增材制造时稳定性最好，防止制备过程中无支撑时上半圆会塌陷，导致一体成型失败。顶部梁单元支撑结构以及叉形梁单元支撑结构的设置，用于支撑分液器水滴面上方两侧制备成形，使整体换热器更稳定成形。

进一步地，所述分液器的内部结构与所述集液器的内部结构相同，所述分液器以及所述集液器的外侧壁中部均设有安装板。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：分液器与集液器结构类似，自支撑设计时做相似处理。

进一步地，所述分液器的底部设有进液管，所述集液器的顶部设有出液管，多个所述液体流道、所述分液器以及所述集液器为一体成型结构。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：进液管以及出液管的设置，便于进出液。一体成型结构，提高结构的载荷强度以及散热效率。

此外，本发明还提供了一种换热系统，包括上述任意一项所述的一种换热器结构。

采用本发明技术方案的有益效果是：对换热器结构的换热通道、液体流道、分液器和集液器进行结构改进设计，相邻两个换热通道之间通过一体成型的多个换热翅片进行相互支撑，换热翅片既可以连接两侧的换热通道，又能增强换热器的换热能力，换热效率高、体积小、重量低、具备自支撑形式一体成型的换热器结构。便于换热器可增材制造生产成形，解决了复杂的曲面换热器可增材制造生产成形的工艺问题。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例提供的换热器的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的分液器的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的液体流道的结构示意图之一。

图4为本发明实施例提供的液体流道的结构示意图之二。

图5为本发明实施例提供的换热通道的结构示意图之一。

图6为本发明实施例提供的换热通道的结构示意图之二。

图7为本发明实施例提供的液体流道的结构示意图之三。

图8为本发明实施例提供的液体流道的结构示意图之四。

图9为本发明实施例提供的液体流道的结构示意图之五。

图10为本发明实施例提供的换热通道的结构示意图之三。

图11为本发明实施例提供的换热通道的结构示意图之四。

附图标号说明：1、换热通道；2、分液器；3、集液器；4、进液管；5、出液管；6、安装板；7、液体流道；8、水滴形截面；9、顶部梁单元支撑结构；10、叉形梁单元支撑结构；11、进液口；12、出液口；13、斜角45°成形结构；14、换热翅片；15、斜角对接结构；16、单胞中央腔板；17、斜板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图11所示，本发明实施例提供了一种换热器结构，包括：多个换热通道1、分液器2、集液器3，多个所述换热通道1的两侧一一对应与所述分液器2以及所述集液器3连接，所述换热通道1包括多个液体流道7，多个所述液体流道7依次连接，所述液体流道7的两侧分别一体成型设有多个换热翅片14，相邻两个换热通道1之间通过多个所述换热翅片14连接。

采用本发明技术方案的有益效果是：对换热器结构的换热通道、液体流道、分液器和集液器进行结构改进设计，相邻两个换热通道之间通过一体成型的多个换热翅片进行相互支撑，换热翅片既可以连接两侧的换热通道，又能增强换热器的换热能力，换热效率高、体积小、重量低、具备自支撑形式一体成型的换热器结构。便于换热器可增材制造生产成形，解决了复杂的曲面换热器可增材制造生产成形的工艺问题。

其中，为了实现换热器轻量化和换热性能的进一步提升，可以通过隐函数等相关的计算方法，将流道(液体流道7)设计为曲面式流道的形式。复杂曲面换热流道即为多个液体流道阵列连接后组成的多个换热通道的组合结构。相邻两个换热通道1之间的换热翅片14连接后整体呈L形结构。

如图1至图11所示，进一步地，所述换热翅片14相对于液体流道7倾斜设置，多个所述液体流道7、所述分液器2以及所述集液器3采用增材制造方式制作而成。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：将换热翅片倾斜布置，提高换热能力。使用增材制造的方式，替换传统的平行流换热器形式，设计并制备表面积更大、更符合散热形式的多曲面换热器结构。通过增材制造的方式，解决了有益设计无法制备的难点。采用增材制造一体化成型方案，取消了零部件之间的焊接工艺，不需要装配步骤，减小体积，降低重量。

其中，换热翅片14的底部可以为斜三角结构。将翅片(换热翅片14)底部设计为斜三角的形式，解决了不使用外部支撑，结构成形的问题，同时两侧的翅片(换热翅片14)合并成一体后，也同时解决了增材制造过程中，结构的定位定形的问题。采用这样的翅片结构方式，也延长了散热面积，有助于换热器散热效果。使用斜角(斜三角)的设计形式，使复杂曲面换热器在制备的过程中，能不额外添加支撑制备换热器成形，并且保证了结构的完整性。

如图1至图11所示，进一步地，所述换热翅片14相对于液体流道7的倾斜角度数值范围为15°-60°。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：换热翅片的倾斜角度在15°～60°最好，提高换热能力。

如图1至图11所示，进一步地，所述换热翅片14的侧边为斜角45°成形结构13。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：换热翅片的打印方向为由底至顶打印，将换热翅片底部以斜45°的形式逐步成形，达到无支撑形式形成换热翅片增材制造。使用45°斜角翅片的设计形式，使复杂曲面换热器在制备的过程中，通过斜角翅片制备成形稳定换热器成形，并且保证了结构的完整性。

其中，根据增材制造设备目前自支撑可制备倾角小于45°的能力，对流道单胞(单个液体流道7)进行扁平化重构，使得流道(单个液体流道7)设计既增大了表面传热面积，也满足了增材制造中倾角不宜过大的要求。

如图1至图11所示，进一步地，所述液体流道7内部设有空腔，所述空腔中设有单胞中央腔板16以及一对斜板17，所述单胞中央腔板16的两端均与所述空腔的内壁连接，一对所述斜板17的一端一一对应与所述单胞中央腔板16的中部两侧连接，一对所述斜板17的另一端分别与所述空腔的内壁连接，一对所述斜板17均相对于所述单胞中央腔板16倾斜设置。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：针对换热通道中单一胞元进行自支撑设计，通过对单一胞元阵列设计自支撑换热通道。液体流道内部是空腔区域，在内部加入单胞中央腔板，由底部延长至顶部。加入单胞中央腔板后，解决了内部空腔大量悬垂问题，为了保证结构的稳定性，在内腔两侧与单胞中央腔板中加入斜板，保证了单胞结构自支撑形式，并稳定了单胞结构的稳定性。

其中，在其内部(液体流道7内部)设计了流体进出口流动导向隔板(单胞中央腔板)，也有助于结构制备成形结构内部增材制造时有承力面，防止增材制造过程中，结构内部塌陷使制备失败。

如图1至图11所示，进一步地，所述液体流道7的两侧一一对应设有多个进液口11以及多个出液口12，所述液体流道7呈X形结构，相邻两个进液口11之间以及相邻两个出液口之间均为圆弧过渡，位于顶部的进液口以及位于顶部的出液口均为斜角对接结构15。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：在液体流道顶部进出液口处，将半圆形结构处理为斜角对接形式，解决了制造塌陷问题。

其中，斜角对接结构可以为单胞进出液口斜角打印收口。将换热器中流道结构(液体流道7)设计成向外膨胀的结构形式，在设计结构时，同时考虑增材制造技术的工艺特性，不添加支撑，能打印出内部流道的空腔区域。将液管(分液管以及集液管)设计为水滴型(水滴形截面8)，改变原始的圆柱形，通过斜面聚拢的形式，解决打印圆柱体上半圆打印会坍塌或需增加支撑制造。使最终的成品能一体成型，减小内部空间有支撑的干扰。

如图1至图11所示，进一步地，所述分液器2中设有分液管，所述分液管的截面为水滴形截面8，所述分液管中设有顶部梁单元支撑结构9以及叉形梁单元支撑结构10，所述顶部梁单元支撑结构9的两端以及所述叉形梁单元支撑结构10的两端均与所述分液管的内壁连接。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：分液管的截面为水滴形截面，使得在制备换热器时，换热器整体模型在制备平面投影最大，换热器增材制造时稳定性最好，防止制备过程中无支撑时上半圆会塌陷，导致一体成型失败。顶部梁单元支撑结构以及叉形梁单元支撑结构的设置，用于支撑分液器水滴面上方两侧制备成形，使整体换热器更稳定成形。

其中，将分液管设计成水滴形状(水滴形截面8)，在增材制造过程中逐渐收口，解决了原设计圆柱体模型打印时，需要添加内部支撑(而无法拆除)，或无支撑打印时结构会发生塌陷等导致打印失败的问题，增添了美观性。

如图1至图11所示，进一步地，所述分液器2的内部结构与所述集液器3的内部结构相同，所述分液器2以及所述集液器3的外侧壁中部均设有安装板6。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：分液器与集液器结构类似，自支撑设计时做相似处理。

如图1至图11所示，进一步地，所述分液器2的底部设有进液管4，所述集液器3的顶部设有出液管5，多个所述液体流道7、所述分液器2以及所述集液器3为一体成型结构。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：进液管以及出液管的设置，便于进出液。一体成型结构，提高结构的载荷强度以及散热效率。

换热器(换热器结构)由换热通道1、分液器2和集液器3三部分构成，如图1所示。分液器2与集液器3结构类似，自支撑设计时做相似处理；换热通道1由液体流道7与换热翅片14两部分组成，针对换热通道1中单一胞元进行自支撑设计，通过对单一胞元阵列设计自支撑换热通道。

分液器2一般形状为柱形，其中一端与换热通道1相连，另一端与进液管4相连。在制备换热器时，换热器整体模型在制备平面投影最大时，换热器增材制造时稳定性最好，因此分液器2制备生成制备截面是一个圆面(圆柱形截面)，如图2所示，制备过程中无支撑时上半圆会塌陷，导致一体成型失败。本发明实施例将圆柱形截面设计为水滴状(水滴形截面，下半圆向上逐渐收敛)，并在内部加入少量竖直(顶部梁单元支撑结构9)及叉形梁单元(叉形梁单元支撑结构10)，用于支撑分液器水滴面(水滴形截面)上方两侧制备成形，使整体换热器更稳定成形，且对集液器3做相同的处理。

换热通道1分为两部分，即液体流道7和换热翅片14，液体流道7通过三周期极小曲面构型包括：

P型：φ

G型：φ

D型：φ

I型：φ

上式中C表示的是三周期极小曲面曲率数值，能控制流道空腔孔隙大小；方程中的X＝2nπx，Y＝2nπy，Z＝2nπ2，n取值为1/2或正整数。通过优化得到复杂曲面流道单胞形式，如图3和图4所示。将单胞(单个液体流道7)阵列排布后，换热器结构有大部分悬空区域，如图5和图6所示，在换热流道(换热通道1)中加入换热翅片14后，既可以连接两侧的换热流道(换热通道1)，又能增强换热器的换热能力，如图10和图11所示。为了提高换热能力将翅片(换热翅片14)倾斜布置，换热翅片14的倾斜角度以在15°～60°最好。打印方向为由底至顶打印，将翅片(换热翅片14)底部以斜45°的形式逐步成形，达到无支撑形式形成换热翅片增材制造。

换热流道1内部是空腔区域，在换热流道1内部加入单胞中央薄壁腔板(单胞中央腔板16)，由底部延长至顶部，如图5和图6所示。加入单胞中央薄壁腔板(单胞中央腔板16)后，解决了内部空腔大量悬垂问题，为了保证结构的稳定性，在内腔两侧与单胞中央薄壁腔板(单胞中央腔板16)中加入稳定结构斜板(斜板17)，保证了单胞结构(单个液体流道7)自支撑形式，并稳定了单胞结构的稳定性。在单胞结构顶部进出口(进液口11和出液口12)处，将半圆形结构处理为斜角对接形式(斜角对接结构15)，如图8和图9所示，通过这种处理解决了制造塌陷问题。

(1)使用增材制造的方式，替换传统的平行流换热器形式，设计并制备表面积更大、更符合散热形式的多曲面换热器结构。

(2)使用45°斜角翅片(倾斜设置的换热翅片14)的设计形式，使复杂曲面换热器(换热器结构)在制备的过程中，通过斜角翅片(倾斜设置的换热翅片14)制备成形稳定换热器，并且保证了结构的完整性。

(3)通过增材制造的方式，解决了有益设计无法制备的难点。

(4)采用增材制造一体化成型方案，取消了零部件之间的焊接工艺，不需要装配步骤，减小体积，降低重量。

此外，本发明还提供了一种换热系统，包括上述任意一项所述的一种换热器结构。

采用本发明技术方案的有益效果是：对换热器结构的换热通道、液体流道、分液器和集液器进行结构改进设计，相邻两个换热通道之间通过一体成型的多个换热翅片进行相互支撑，换热翅片既可以连接两侧的换热通道，又能增强换热器的换热能力，换热效率高、体积小、重量低、具备自支撑形式一体成型的换热器结构。便于换热器可增材制造生产成形，解决了复杂的曲面换热器可增材制造生产成形的工艺问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。