一种基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元及换热器

技术领域

本发明属于热交换器技术领域，特别涉及一种基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元及换热器。

背景技术

随着我国航空航天领域的发展，对航空发动机的动力性能和经济性能的要求越来越高，发动机中由于燃烧做功和零部件摩擦等原因产生大量的热，若能充分利用这些热，则有利于提高发动机的热效率，增加燃油经济性，降低能源消耗。在现代飞机中，燃油主要被存储在机翼中，这些燃油因在机翼中停留而冷却，由此能够为调节飞机燃烧室、机械和电气系统的温度提供了一种途径，通过燃油滑油热交换器（FCOC）在滑油和燃油之间传递热能，对发动机中产生的热量进行回收利用。

由于航空航天领域的特殊性，由此对换热器的要求极为的苛刻，其不仅要求较好的换热性能，还要求在保证换热性能的同时尽可能的轻量化，并且结构强度和稳定要求尽可能的高，所以换热器尤其是紧凑型换热器的研发对优化航空航天发动机的能源利用，保护环境安全具有非常积极的意义。

因此，现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明提供了一种基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元及换热器，提高了换热性能，并且增强了换热器的结构强度。

为解决其技术问题，一方面，本发明提供的基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元，用于换热器以对温度不同的第一流体和第二流体进行热交换，其包括外边框和设置在所述外边框内的用于流通所述第一流体的管道结构；

所述管道结构设置有连通外部的第一流体进出口；

所述管道结构包括若干个子管道，任一所述子管道的端部同时和与所述子管道端部相邻的另外两个所述子管道的端部连通，以形成在竖直平面上排列分布的蜂窝状结构；

所述蜂窝状结构的孔格形成流通第二流体的第一通孔。

进一步地，上述管道结构中，位于上端和/或下端的竖直向的所述子管道的任一端部与所述外边框连接，并且其侧壁开口形成所述第一流体进出口。

进一步地，上述管道结构中，位于两侧的所述子管道为半管结构，所述半管结构的截面与所述外边框连接。

进一步地，上述管道结构的上部、中部和下部均设有支撑板，所述支撑板呈锯齿状结构，所述锯齿状结构与所述管道结构的子管道在水平方向上的延伸形状相同，所述锯齿状结构与相应的所述子管道连接，并且两端与所述外边框连接。

进一步地，上述支撑板的锯齿状结构的任一侧峰部设有加强筋，所述加强筋与相应的竖直向的所述子管道连接。

进一步地，上述加强筋为三角形结构，所述三角形结构的任意两条边分别与所述支撑板和所述子管道连接。

进一步地，上述设于所述管道结构的上部和/或下部的所述支撑板设有支撑件，所述支撑件和所述加强筋分别设于所述支撑板的锯齿状结构的两侧峰部，并且所述支撑件位于所述支撑板靠近所述外边框的一侧，以与所述外边框连接。

进一步地，上述支撑件包括基部和加强部，所述基部为矩形体结构，所述加强部为倒梯形体结构，所述基部与所述支撑板连接，所述加强部的上底面与所述外边框连接，所述加强部的下底面与所述基部连接，所述上底面的面积大于所述下底面的面积。

另一方面，本发明提供的换热器，用于对温度不同的第一流体和第二流体进行热交换，其包括壳体和芯体，所述芯体包括第一芯体，所述第一芯体包括若干个如上任一所述的换热单元；

所述壳体设有第一入口、第一出口、第二入口、第二出口和换热腔，所述第二流体依次流过所述第二入口、所述换热腔、以及所述第二出口；

所述若干个换热单元在所述换热腔内排列设置，并且排列设置方向与所述第二流体在所述换热腔内的流动方向平行，若干个所述第一流体进出口与所述第一入口或第一出口连接，所述第一流体依次流过所述第一入口、若干个所述换热单元和所述第一出口。

进一步地，上述壳体为矩形体结构。

本发明的基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元及换热器，通过将流通第一流体的管道结构设置成蜂窝状结构，使得换热器的内部管路交织，增加了管路流体（即第一流体）流动的湍流强度，提高了管内流体的换热系数；蜂窝状结构的孔格形成流通第二流体的第一通孔，使得换热器壳内流体（即第二流体）的流动通道加宽，降低壳内流体的流动阻力及压力损失；与传统的管壳式换热器的竖直直排管相比，蜂窝状结构的管道结构增加了横向支路，增加了换热面积，由此显著地提高了换热器的整体换热性能。同时，蜂窝状结构的管道结构设计，利于平衡换热器内部的各向应力，有效增强了换热器的结构强度。

附图说明

图1为本发明一种基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元的结构示意图。

图2为本发明一种基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元的另一角度的结构示意图。

图3为图1所示的基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元的J处放大图。

图4为图1所示的基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元的K处放大图。

图5为图2所示的基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元的M处放大图。

图6为本发明一种换热器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

如图1、2所示，本发明一种基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元，包括外边框100和设置在所述外边框100内的用于流通所述第一流体的管道结构；

所述管道结构设置有连通外部的第一流体进出口260；

所述管道结构包括若干个子管道210，任一所述子管道210的端部同时和与所述子管道210端部相邻的另外两个所述子管道210的端部连通，以形成在竖直平面上排列分布的蜂窝状结构；

所述蜂窝状结构的孔格形成流通第二流体的第一通孔220。

具体应用中，该换热单元安装到换热器的壳体内进行使用，以对温度不同的第一流体和第二流体进行热交换，可以以燃油作为第一流体，以滑油作为第二流体。具体地，可以将多个换热单元竖直排列设置在换热器的壳体内，第一流体在该换热单元的管道结构内流通，第二流体在换热器的壳体内流通，并经过该换热单元的第一通孔220，通过若干个子管道210的管壁进行热交换；换热器的壳体上一般设有供第一流体流进和流出的流体入口和流体出口，该换热单元的第一流体进出口260与换热器的流体入口或流体出口连通。通过将流通第一流体的管道结构设置成蜂窝状结构，使得换热器的内部管路交织，增加了管路流体（即第一流体）流动的湍流强度，提高了管内流体的换热系数；蜂窝状结构的孔格形成流通第二流体的第一通孔220，使得换热器壳内流体（即第二流体）的流动通道加宽，降低壳内流体的流动阻力及压力损失；与传统的管壳式换热器的竖直直排管相比，蜂窝状结构的管道结构增加了横向支路，增加了换热面积，由此显著地提高了换热器的整体换热性能。同时，蜂窝状结构的管道结构设计，利于平衡换热器内部的各向应力，有效增强了换热器的结构强度。

具体地，管道结构的左右两侧的子管道210与外边框100连接，第一流体进出口260设在管道结构的上下两端，第一流体由任一端的第一流体进出口260流入管道结构，再从另一端的第一流体进出口260流出。具体地，外边框的厚度和子管道的厚度可以根据实际需求具体调整，优选地，外边框100的厚度为2mm，子管道210的管壁厚度为0.3mm，内径为1.4mm。

具体地，管道结构的上下两端可以以子管道210的端部连通处211作为端部，在子管道210的端部连通处211开口作为上述第一流体进出口260，还可以以竖直向的子管道210作为端部，并以该相应的子管道210的管道口作为上述第一流体进出口260。

如图4所示，在一些优选的实施方式中，上述管道结构中，位于上端和/或下端的竖直向的所述子管道210的任一端部与所述外边框100连接，并且其侧壁开口形成所述第一流体进出口260。具体应用中，管道结构上端和/或下端的竖直向的子管道210不仅作为第一流体进出口260，具备连通外部的功能，还与外边框100连接，具备连接、支撑管道结构的作用，提高换热单元的整体强度；同时在第一流体经多个第一流体进出口260流出汇合时，利于加强不同温度的第一流体的混合效应，提高换热效率，并且增强管内湍流程度，提高换热系数。具体地，设有第一流体进出口260的子管道210和与其相邻的子管道210、以及外边框100之间形成供所述第一流体进出流通的第二通孔270，在具体应用中，第一流体流入换热器内，经多个第二通孔270流向多个第一流体进入口，从而流入各个管道结构，或者第一流体从各个管道结构流出，经多个第二通孔270流汇合流出换热器。

如图4所示，在一些优选的实施方式中，上述管道结构中，位于两侧的所述子管道210为半管结构，所述半管结构的截面与所述外边框100连接。通过该技术方案，管道结构的左右两侧的子管道210与外边框100之间形成面连接，相比于子管道210的管道臂与外边框100之间形成的线连接，大大提高了连接强度。

如图2所示，在一些优选的实施方式中，上述管道结构的上部、中部和下部均设有支撑板230，所述支撑板230呈锯齿状结构，所述锯齿状结构与所述管道结构的子管道210在水平方向上的延伸形状相同，所述锯齿状结构与相应的所述子管道210连接，并且两端与所述外边框100连接。由此，能够进一步提高换热单元的结构强度，并且在具体应用中，可以通过该支撑板230与换热器的相应结构进行连接，从而提高换热器整体结构的结构强度。具体地，设于管道结构的上部和下部的支撑板230具体设置在管道结构的上下两端，靠近第一流体进出口260设置。具体地，支撑板230的厚度可以根据实际需求具体调整，优选地，该支撑板230的厚度为2mm。

如图2、5所示，在一些优选的实施方式中，上述支撑板230的锯齿状结构的任一侧峰部231设有加强筋240，所述加强筋240与相应的竖直向的所述子管道210连接。由此，提高能够进一步提高换热单元的结构强度。

在一些优选的实施方式中，上述加强筋240为三角形结构，所述三角形结构的任意两条边分别与所述支撑板230和所述子管道210连接。由此，利用三角形的稳定性进一步提高换热单元的结构强度。具体地，加强筋240的厚度可以根据实际需求具体调整，优选地，该加强筋240的厚度为2mm。

如图2、3所示，在一些优选的实施方式中，上述设于所述管道结构的上部和/或下部的所述支撑板230设有支撑件250， 所述支撑件250和所述加强筋240分别设于所述支撑板230的锯齿状结构的两侧峰部231，并且所述支撑件250位于所述支撑板230靠近所述外边框100的一侧，以与所述外边框100连接。通过该技术方案，实现管道结构的上端和/或下端与外边框100的连接，由此增强管道结构与外边框100的连接强度。具体地，相邻的两个所述支撑件250和两者共同连接的子管道210、以及外边框100之间形成供所述第一流体进出流通的第二通孔270，在具体应用中，第一流体流入换热器内，经多个第二通孔270流向多个第一流体进入口，从而流入各个管道结构，或者第一流体从各个管道结构流出，经多个第二通孔270流汇合流出换热器。

如图3所示，在一些优选的实施方式中，上述支撑件250包括基部251和加强部252，所述基部251为矩形体结构，所述加强部252为倒梯形体结构，所述基部251与所述支撑板230连接，所述加强部252的上底面与所述外边框100连接，所述加强部252的下底面与所述基部251连接，所述上底面的面积大于所述下底面的面积。由此，通过加强部252提高结构的连接和支撑强度。

具体到本实施例，管道结构的任一端以子管道210的端部连通处211作为端部，以该端作为管道结构以及整个换热单元的上端，在子管道210的端部连通处211开口作为管道结构上端的第一流体进出口260；管道结构的下端以竖直向的子管道210作为端部，该竖直向的子管道210的下端部与外边框100连接，并且其侧壁开口形成管道结构下端的第一流体进出口260。加强筋240设于支撑板230的下侧峰部231；设于管道结构上部的支撑板230设有支撑件250，该支撑件250设于支撑板230的上侧峰部231。

如图6所示，另一方面，本发明提供的换热器，用于对温度不同的第一流体和第二流体进行热交换，其包括壳体300和芯体，所述芯体包括第一芯体，所述第一芯体包括若干个如上任一所述的换热单元101；

所述壳体300设有第一入口310、第一出口320、第二入口330、第二出口340和换热腔500，所述第二流体依次流过所述第二入口330、所述换热腔500、以及所述第二出口340；

所述若干个换热单元101在所述换热腔500内排列设置，并且排列设置方向与所述第二流体在所述换热腔500内的流动方向平行，若干个所述第一流体进出口260与所述第一入口310或第一出口320连接，所述第一流体依次流过所述第一入口310、若干个所述换热单元101和所述第一出口320。

具体应用中，可以以燃油作为第一流体，以滑油作为第二流体，第一流体在换热单元101的管道结构内流通，第二流体在换热腔500内流通，并经过该换热单元101的第一通孔220，通过若干个子管道210的管壁进行热交换。通过将流通第一流体的管道结构设置成蜂窝状结构，使得换热器的内部管路交织，增加了管路流体（即第一流体）流动的湍流强度，提高了管内流体的换热系数；蜂窝状结构的孔格形成流通第二流体的第一通孔220，使得壳内流体（即第二流体）的流动通道加宽，降低壳内流体的流动阻力及压力损失；与传统的管壳式换热器的竖直直排管相比，蜂窝状结构的管道结构增加了横向支路，增加了换热面积，由此显著地提高了换热器的整体换热性能。同时，蜂窝状结构的管道结构设计，利于平衡换热器内部的各向应力，有效增强了换热器的结构强度。

具体地，该壳体300设有流体入口腔530和流体出口腔540，该流体入口腔530与第一入口310连通，该流体出口腔540与第一出口320连通，第一芯体的若干个换热单元101上下两端的第一流体进出口260分别与流体入口腔530和流体出口腔540连接，第一流体依次流过第一入口310、流体入口腔530、第一芯体的若干个换热单元101、流体出口腔540和第一出口320。具体地，上述换热单元101安装在壳体300内，通过外边框100与壳体300连接， 在一些实施方式中，还可以通过各个换热单元101的上部和下部的支撑板230分别与流体入口腔530和流体出口腔540相应的腔壁连接。

在一些优选的实施方式中，上述壳体300为矩形体结构。通过该技术方案，避免换热腔500截面发生急剧变化，从而避免第二流体在换热腔500内流动时，因截面的急剧变化而损失压力或者产生不必要的回流。

在一些优选的实施方式中，该芯体还包括第二芯体，该第二芯体亦包括若干个如上任一所述的换热单元101，所述第二芯体与所述第一芯体并排设置，所述第一芯体一端的第一流体进出口260与第一入口310连接，所述第二芯体一端的第一流体进出口260与第一出口320连接，所述第一芯体另一端的第一流体进出口260与所述第二芯体另一端的第一流体进出口260连接，所述第一流体依次经过所述第一入口310、第一芯体的若干个换热单元101、第二芯体的若干个换热单元101和第一出口320。通过该技术方案，能够在整体上增加换热单元的流道长度，从而增加换热器的管程，提高换热器的换热性能。

具体地，该壳体300还设有流体连接腔550，第一芯体和第二芯体通过该流体连接腔550连通；所述第一芯体一端的第一流体进出口260与流体入口腔530连通，所述第二芯体一端的第一流体进出口260与流体出口腔540连通，所述第一流体依次经过所述第一入口310、流体入口腔530、第一芯体的若干个换热单元101、流体连接腔550、第二芯体的若干个换热单元101、流体出口腔540、第一出口320。

在一些优选的实施方式中，该换热腔500还包括第一换热腔510和第二换热腔520，所述第一换热腔510与所述第二换热腔520并排设置，所述第一换热腔510的一端与所述第二入口330连通，所述第二换热腔520的一端与所述第二出口340连通，所述第一换热腔510的另一端与所述第二换热腔520的另一端连通。通过该技术方案，能够在整体上增加换热器的壳程，提高换热器的换热性能。

具体地，上述壳体300内，流体入口腔530（流体出口腔540）、第一换热腔510、第二换热腔520和流体连接腔550依次排列设置。以流体入口腔530所在一端为换热器的顶部，则第一入口310和第一出口320设于壳体300的顶部，并分别与壳体300内的流体入口腔530、流体出口腔540连通；第二入口330设于壳体300的顶部，并与壳体300内的第一换热腔510连通；第二出口340设于壳体300的底部，并与壳体300内的第二换热腔520连通。

本发明的基于3D打印的无支撑蜂窝式换热单元及换热器，通过将流通第一流体的管道结构设置成蜂窝状结构，使得换热器的内部管路交织，增加了管路流体（即第一流体）流动的湍流强度，提高了管内流体的换热系数；蜂窝状结构的孔格形成流通第二流体的第一通孔220，使得换热器壳内流体（即第二流体）的流动通道加宽，降低壳内流体的流动阻力及压力损失；与传统的管壳式换热器的竖直直排管相比，蜂窝状结构的管道结构增加了横向支路，增加了换热面积，由此显著地提高了换热器的整体换热性能。同时，蜂窝状结构的管道结构设计，利于平衡换热器内部的各向应力，有效增强了换热器的结构强度。本发明的换热器应用在航空航天领域，对滑油和燃油进行换热时，在滑油进出口温度150°C~200°C和航空燃油进出口温度45°C~120°C的工作温度范围内，整体换热器平均换热系数可提高25％左右，换热器可承受最高内部压力≥4MPa，滑油侧压降≤5KPa，燃油侧压降≤20KPa。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。